JP2922617B2 - 力制御ロボットにおける押付力方向の指定方法 - Google Patents

力制御ロボットにおける押付力方向の指定方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、力制御ロボットにおける押付け方向の教示
方法及びこれを用いた力制御ロボットに関するものであ
る。
〔従来の技術〕
対象物(以下ワークと呼ぶ)を加工する等に際して力
制御を行う方法には一般に次の2つがあり、その場合の
押付け方向の指定は次の通りである。
(1)ばね制御と呼ばれるもので、工具とワークの接触
状態を保つために、教示点をワーク内部にとることによ
りワーク表面と教示点との位置偏差を与え、この偏差分
のばね力により押付力を発生させる。この方法によれ
ば、位置の偏差の与え方により押付け方向が定まるた
め、改めて押付け方向を指定する必要はない。
(2)ハイブリッド制御と呼ばれるもので、工具の送り
方向には位置制御を行い、工具の押付け方向に対しては
力制御を行う。位置を制御する座標系と、力を制御する
座標系を完全に切り分けて制御するもので、位置の教示
点をワーク表面にとり、押付け方向を力センサの座標系
または工具座標系で規定される方向で指定する。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかし前記従来の技術のうち、ばね制御においては以
下のような問題がある。
(1)ティーチングプレイバック方式のロボットにおい
て教示データの収集をする場合、直接得られるデータは
ワーク表面までのものであり、内部の作業軌跡の教示デ
ータを得ることはできない。このため、ワーク表面のデ
ータからワーク内部データに変換する必要があるが、形
状が複雑なワークに対しては面倒である。
(2)ワークを治具にセットした段階でワークの寸法誤
差や教示誤差などにより位置の誤差が発生するようなワ
ークに対しては、基準ワークに対して求めた教示データ
を用いると、ワーク及び部位毎に押付け力が変わってし
まい、一様な加工ができず仕上げ精度が悪くなる。
また、ハイブリッド制御においては次のような課題が
ある。
位置教示についてはティーチングプレイバック方式で
簡単に実現できるが、任意の工具姿勢に対する所定押付
け方向を、力センサの座標系または工具座標系に関する
数値データで入力するとした場合、そのデータを算出す
るのは非常に難しい。このため、予め押付け方向を例え
ば力センサ座標系のX軸方向というように決めておく方
法がとられる。この場合は前述の方法とは逆に、位置教
示時に力制御方向を行う前記で決めたX軸方向を、工具
を押付けたい方向に一致させるようにして教示しなけれ
ばならない。ずれて教示した場合、再生時の工具の押付
け方向は実際に押付けたい方向とはずれてしまうからで
ある。実際にこのように教示操作をするのは非常に面倒
である。
従って本発明は、実際に工具を押付けたい方向に容易
に一致させることができるような押付け方向の教示方
法、及びこれを用いた力制御ロボットを提供することを
目的としている。
〔問題点を解決するための手段〕 本発明の力制御ロボットにおける押付け方向の教示方
法は、教示再生ロボットと、該ロボットの先端と工具の
間に取り付けた力センサと、制御装置との構成により、
工具の送り方向に対しては位置制御を行い、工具の押付
け方向に対しては力制御を行う機能を有し、該2つの制
御を同時に行うことが可能な力制御ロボットにおける押
付け方向の教示方法において、実作業で行う工具の姿勢
で工具の先端を対象物に接触させ、このとき検出された
力センサ座標系における各座標方向分力をもとに所定座
標系における方向余弦を算出し、この方向余弦のデータ
により作用した力の方向を押付け方向として記憶するこ
とを特徴としている。なお、前記で言う所定座標系にお
ける方向余弦とは、力センサ座標系における方向余弦で
もよいし、例えば工具座標系における方向余弦としても
よいし、また他の座標系において算出してもよく、これ
らは容易に座標変換で求めることができる。
また本発明の力制御ロボットは、教示再生ロボット
と、該ロボットの先端と工具の間に取り付けた力センサ
と、制御装置との構成により、工具の送り方向に対して
は位置制御を行い、工具の押付け方向に対しては力制御
を行う機能を有し、該2つの制御を同時に行うことが可
能な力制御ロボットにおいて、教示時に工具を対象物に
押付けた時、検出された力センサ座標系における各座標
方向分力をもとに所定座標系における方向余弦を算出す
る演算手段と、この算出値を格納する記憶手段とを有
し、再生時には記憶手段からこの算出値を取り出して工
具を教示時と同じ方向に押付けることを特徴としてい
る。
〔実施例〕
本発明を図面に基づいて説明する。
第2図は本発明の力制御ロボットの1例であり、ロボ
ット本体1と制御盤10を主構成としたティーチングプレ
イバック方式の切削加工用のものである。
ロボット本体1の手首部に力センサ27を設け、力セン
サ27に工具ホルダー2を、工具ホルダー2に加工用の工
具T1を設ける。工具T1の先端にはエンドミルなど切削用
工具3を取り付ける。ロボット本体1は手首部を回転す
るためのモータM1、ひねるためのモータM2、曲げるため
のモータM3、前後進させるためのモータM4、上昇下降さ
せるためのモータM5、旋回させるためのモータM6を有す
る。モータM1〜M6は何れもサーボモータであり、動力線
4及び信号線5で制御盤10と連結されている。
ロボット本体1近辺にワーク6を固定する治具を設け
る(図示せず)。ワーク6の母材7にはバリ等の突起物
8が外郭縁9の外方に不定形状で突出しており、切削用
工具3が外郭縁9に沿って移動することで突起物8を除
去できる。
ここでロボット本体1は、第2図では6軸円筒座標形
としているが、軸数は突起物8を加工で除去するための
姿勢を満たすことができれば必ずしも6軸ある必要はな
く、形式も加工反力に対する耐負荷力や剛性から用途に
応じて決めることができ特に制限はない。また用途も切
削加工以外にも適用は可能である。
第3図にロボット本体1と制御盤10の制御構成及び信
号応答回路を示す。
バス11には、マイクロプロセッサ12、RAM13、ROM14、
演算部15、操作部16、D/A変換器17、A/D変換器18及びカ
ウンタ19を結線する。ここで、D/A変換器17及びカウン
タ19は、サーボモータM1〜M6の各々に対して設けるが、
第3図では一括して示している。A/D変換器18の入力端
子26は力センサ27の出力端子と結線する。
D/A変換器17の出力端子20はサーボモータ用のアンプ2
1の入力端子22と結線し、アンプ21の出力端子23はロボ
ット本体1のサーボモータM1と結線する。サーボモータ
M1とタコジェネレータT1GとパルスエンコーダP1Eとは、
機械的に連結されている。タコジェネレータT1Gはアン
プ21のもう一つの入力端子24に結線する。パルスエンコ
ーダP1Eはカウンタ19の入力端子25に結線する。以上サ
ーボモータM1に関する機器と回路を述べたが、他のサー
ボモータM2〜M6についても同様である。
本発明の力制御ロボットは、前述したハイブリッド制
御を用いるものであり、以下教示について説明する。教
示にあたっては治具に教示用ワークをセットし、これを
もとに行うが、ここでは第4図に示すような矩形平板を
教示用のワークaとした場合を例にして概説する。
矩形平板の一端面に対し、所定の力制御方向(本図で
はワークaの端面に対して垂直方向)に所望の力を加え
ながら、工具T1を位置制御方向(本図ではワークaの端
面に倣う方向)に移動していくものとする。位置制御
は、教示点TP1とTP2の位置、教示点間動作の補間形態及
び工具T1の送り速度を教示してRAM13内に教示プログラ
ムとして記憶させてこれを再生する例えばティーチング
プレイバック方式等で実現できる。力制御については、
力センサ27により検出された力と予め設定した押付け力
との偏差に基づいて演算される速度指令を押付け方向に
出力する速度制御で実現できるが、このためには押付け
方向を教示しなければならない。この押付け方向は、ワ
ークaの加工部位や工具T1の姿勢に合わせて決めなけれ
ばならない。
ここで本発明の押付け方向の教示方法の基本原理につ
いて説明する。
第5図に示すように、工具T1は工具ホルダー2を介し
て力センサ27に固定されている。力センサ27はそれ自身
座標系をもっており、力センサ27に加わる荷重を直交す
る3軸方向の力3成分と、それらの軸まわりのモーメン
ト3成分の合計6成分の検出が可能である。よって、工
具T1の先端に力が加わると、その影響により力センサ27
に加わった力とモーメントの6成分が検出される。ま
た、このセンサ座標系での6成分は簡単な座標変換によ
り工具T1先端の座標系の成分に変換することも可能であ
る。今、工具T1の先端に外力が作用したとすると、この
作用した力は力センサ27にてそれ自身の座標系の分力F
XS、FYS、FZSとして検出される。この検出された力から
下記式により各々の方向余弦を求めることができる。
COSθ=FXS/|F| COSθ=FYS/|F| COSθ=FZS/|F| |F|=(FXS 2+FYS 2+FZS 21/2 この方向余弦のデータにより、作用した力の方向をセ
ンサ座標系で記憶することができる。
以下、実際の押付け方向の教示方法を、第1図に示す
ような教示用ワークaの区間1から区間2にかけての表
面を、表面に垂直方向に力をかけながら移動する場合を
例に説明する。区間1、区間2は各々〜、〜間
は直線状であるが、で交差するような形状であり、各
区間毎に押付け方向を教示しなければならない。説明を
簡単にするために区間1について説明するが、区間2に
ついても同様である。
まず、ロボット本体1を操作して工具T1をに誘導し
て位置決めし、この時の各サーボモータに連結されたパ
ルスエンコーダPEの値をカウンタ25を介してRAM13に取
り込み位置の教示を行う。この時工具T1の姿勢、即ちワ
ーク表面に対する工具T1とロボット手首との位置関係は
後述する押付け方向教示時と同じになるようにしてお
く。次に同様にロボット本体1を操作して工具T1をに
誘導して位置決めし、この時の各サーボモータに連結さ
れたエンコーダPEの値をカウンタ25を介してRAM13に取
り込み位置の教示を行うとともに、〜間を直線補間
で動作させることを指示する。
次に、工具T1の押付け方向の教示をする。これには
〜間の任意の位置で、工具T1が実際に作業する時の
姿勢となるように、即ち工具T1とロボット手首とがワー
ク表面に対して所定の位置関係になるようにして、工具
の先端を直接ワーク表面に矢印Aで示すように垂直方向
に任意の大きさの力で押付ける。この時力センサ27で検
出された力センサの座標系における軸方向分力から、前
述した式をもとにマイクロプロセッサ12及び演算部15が
方向余弦を演算しRAM13に記憶する。これが区間1にお
ける押付け力方向の教示データとなる。なお、この操作
はあるいはの位置教示時に、同時に行ってもよい
し、の位置教示前に行ってもよい。
以上のようにして作成した位置及び押付け力方向の教
示データは、その他に入力した補間形態、速度データ等
を含め教示プログラムとしてRAMに格納される。
以上、直線補間動作を例にとり説明したが、円弧補間
動作の場合にも適用が可能である。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明の押付け力教示方法によ
れば、工具の押付け方向を力センサの座標軸で指定する
場合に、押付けたい方向に工具を向けてワークに押付け
る操作をするだけで、その時の力センサの検出値をもと
に自動的に演算して求めることができるので、教示デー
タ作成が短時間でできる。
また、これを用いた力制御ロボットは、複雑な形状の
ワークでも簡単で正確な教示ができるので、効率よく精
度の良い力制御動作をすることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による押付け方向を指定する教示方法の
説明図、第2図は切削加工に用いた本発明の力制御ロボ
ットの構成図、第3図はロボット本体と制御盤との信号
回路図、第4図は位置と力のハイブリッド制御の説明
図、第5図は本発明の基本原理を説明するためのセンサ
座標系を表す図である。 1:ロボット本体、6:ワーク、10:制御盤、12:マイクロプ
ロセッサ、13:RAM、15:演算部、27:力センサ、T1:工
具、M:サーボモータ、TG:タコジェネレータ:PE:パルス
エンコーダ

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】教示再生ロボットと、該ロボットの先端と
    工具の間に取り付けた力センサと、制御装置との構成に
    より、工具の送り方向に対しては位置制御を行い、工具
    の押付け方向に対しては力制御を行う機能を有し、該2
    つの制御を同時に行うことが可能な力制御ロボットにお
    ける押付け方向の教示方法において、 実作業で行う工具の姿勢で工具の先端を対象物に接触さ
    せ、このとき検出された力センサ座標系における各座標
    方向分力をもとに所定座標系における方向余弦を算出
    し、この方向余弦のデータにより作用した力の方向を押
    付け方向として記憶することを特徴とする力制御ロボッ
    トにおける押付け方向の教示方法。
  2. 【請求項2】教示再生ロボットと、該ロボットの先端と
    工具の間に取り付けた力センサと、制御装置との構成に
    より、工具の送り方向に対しては位置制御を行い、工具
    の押付け方向に対しては力制御を行う機能を有し、該2
    つの制御を同時に行うことが可能な力制御ロボットにお
    いて、 教示時に工具を対象物に押付けた時、検出された力セン
    サ座標系における各座標方向分力をもとに所定座標系に
    おける方向余弦を算出する演算手段と、この算出値を格
    納する記憶手段とを有し、再生時には記憶手段からこの
    算出値を取り出して工具を教示時と同じ方向に押付ける
    ことを特徴とする力制御ロボット。
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WO2018173165A1 (ja) * 2017-03-22 2018-09-27 三菱電機株式会社 教示プログラム、教示方法およびロボットシステム

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