JP4232196B2 - ロボットの直接教示装置およびロボットシステム - Google Patents

Description

本発明はロボットの直接教示装置に関し、作業者が手先効果器に加えた力を検出して、その力の方向にロボットを動かす直接教示装置に関するものである。

作業者がロボットの先端をつかんで力を加えて、前記ロボットを所望の位置に移動し、あるいは所望の姿勢を取らせて、そのときの位置あるいは姿勢を記憶することによって、前記ロボットの動作を教示することを直接教示という。また、この直接教示にいわゆる力制御を利用することが知られている。この力制御による直接教示は、教示作業を行う者が、ロボットのリスト部に取り付けられた手先効果器上に設定された操作点に必要な力を加えることにより、当該力を前記リスト部に備えた力センサで検出し、当該力と予め用意された制御演算式に基づいて力制御を行い、加えられた力に応じるようにロボットアーム全体の動作を制御して手先効果器の移動速度および移動方向を決定し、手先効果器を目標位置に誘導するものである（例えば、特許文献１）。

図８は特許文献１に開示された直接教示装置のブロック図である。この直接教示装置は手先効果器Ｓ７に人為的力を加えて、その力をロボットＳ２と手先効果器Ｓ７の間に設けた力センサＳ５で検出し、この検出で得られた力信号を用いてコントローラＳ８が力制御指令信号を作成し、この力制御指令信号でロボットＳ２の動作を制御して誘導を行い、誘導中に教示データをコントローラＳ８に与えてその記憶部に格納するロボットの直接教示装置であり、さらにロボットを誘導する方向を設定するための操作方向設定手段（教示用操作器Ｓ１１および操作方向設定スイッチＳ１１Ｃ）と、コントローラＳ８の速度演算手段Ｓ１４の前段に設けられて、操作方向設定手段Ｓ１１、Ｓ１１Ｃで設定された方向にのみロボットを誘導する操作方向切換手段Ｓ１６を備えている。
特開平６−２５０７２８号

しかしながら、従来のロボットの直接教示装置は、一旦、操作方向を特定の方向に設定すると容易に、その方向を変更できないといった問題があり、複雑な構造物を回避しながら教示するような場面では、操作性が非常に悪かった。また、作業者の操作力に関しても、力センサの検出誤差などを小さくする必要があるため、検出感度をあまり上げることができず、ある程度の操作力が常に必要になるという問題があった。そこで本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、操作方向を操作中に容易に、作業者が意識することなく変更可能で、更に操作方向の操作力を限りなく零にする、ロボットの直接教示装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は作業者が手先効果器（Ｓ７）に加えた力を検出して、前記力に応じてロボットの位置および姿勢を任意の方向に誘導するロボットの直接教示装置において、前記ロボットを誘導するための初期の方向を指定する初期誘導方向指定手段（３）と、前記初期誘導方向指定手段（３）で指定された誘導方向への速度指令を生成する誘導指令生成手段（４）と、前記誘導指令生成手段（４）で生成された速度に応じて前記ロボットの手先効果器（Ｓ７）に発生する力の制限条件を変更する力制限条件変更手段（６）と、前記ロボットの過去の動作軌跡の時系列データから曲線近似により未来の誘導方向と誘導速度を求める誘導ベクトル検出手段（５）と、を備え、前記誘導指令生成手段（４）は、前記誘導ベクトル検出手段（５）が求めた結果に応じて速度指令を生成し、前記誘導ベクトル検出手段（５）は、過去の動作軌跡から求めた軌道の曲率が予め設定した閾値以上になった場合は、現在位置と直前の動作軌跡上の位置から未来の誘導方向と速度を算出することを特徴とするものである。
また、請求項１に記載の直接教示装置を備えたことを特徴するものである。

本発明によれば、操作者の操作意図をロボットの時系列データから推定し、誘導方向を自動的に変更するため、直接教示作業の操作性が格段に向上する効果がある。さらに、誘導速度も作業者の意図に沿うように自動調整されるため、作業者の操作力も作業者の個性に応じて低減可能である。また、作業途中で極端な方向変更が発生した場合でも、作業者の意図を汲んで容易に誘導方向を変更することが可能で、操作性が向上する。

以下、本発明の具体的な実施の形態を、図に基づいて説明する。
図１は本発明の実施に用いるロボット制御装置の構成図である。図において、１は６自由度を有するロボットであり、Ｃ１はロボット１のコントローラである。コントローラＣ１は、力制御手段２、初期誘導方向指定手段３、誘導指令生成手段４、誘導ベクトル検出手段５および力制限条件変更手段６を備えている。
力制御手段２としては、力センサを用いたインピーダンス制御を適用してもよいが、ここでは、力センサを必要としない力制御手段を活用する（この力制御手段については、特開平０９−１７９６３２に詳しい）。力制御手段２は、各軸毎に軸制御系を備えているので、第１軸制御系１００、第２軸制御系２００、第３軸制御系３００、第ｎ軸制御系ｎ００のように符号を付ける。各軸制御系（例えば、第１軸制御系１００）は位置・速度制御部１０１、トルク制限器１０２、摩擦補償トルク生成部１０３、重力トルク生成部１０４、サーボアンプ１０５からなる。この他に、力制御手段２には力制限設定手段７、ヤコビアンの転置行列Ｊ^T演算手段８、逆運動学変換部９および順運動学変換部１０を備えている。

ここで、力制御手段２の作用について説明する。各軸制御系の位置・速度制御部１０１は通常比例積分制御が行われるが、ロボット１に定常的に作用する重力などの力は静的力補償要素により補償される。通常、位置・速度制御部１０１は比例積分制御が行われているので、通常位置制御状態では位置制御ループおよび速度制御ループの作用により、外部から作用する力による変位が生じにくい。これは外部から印加される力によって生じた偏差にゲインを乗じたモータトルクが発生して、ロボット１を指令位置に戻すからである。しかし,ここで発生トルクをトルク指令の段階で制限を行うと,外部から作用する力に対してロボットが柔軟な動作を行うことができる。すなわち制限しているトルクより大きなトルクが外部から作用した場合、ロボットの関節は外力に従う運動を始めることになる。またトルク制限器１０２で設定しているトルクの制限値は、各関節座標系でのトルクの制限値である。従って、先端の作業位置での力の制限はロボット１の姿勢に依存して変化することになる。そこで、ロボット１の現在の状態（前記ロボット１の各関節位置）を検出し、その値を基に一般的にヤコビアンと呼ばれる関節座標系と作業座標系の微小変位の対応関係をもとめ、その転置行列を算出することにより作業座標系における力の限界値から各関節座標系におけるトルクの限界値を算出することが可能であり、作業座標系上での力の制御が可能となる。以下に、６自由度のロボットでのヤコビアンの転置の算出式を示す。

例えば、６自由度のロボットでのヤコビアンの転置の算出式は下記の式で表される。

ここで、Ｊ^Ｔはヤコビアン（作業座標系と関節座標系の微小変位対応関係）の転置行列、
^０Ｓ_１は第１関節座標の回転方向ベクトル（ベース座標系を基準）、
^０Ｐ_１は第１関節位置ベクトル（ベース座標基準）、
Ｘはベクトル積、
ｒは手先効果器
をそれぞれ表示する。
したがって作業座標系での力、トルク制限値を

ここで、Ｆlimは力、トルク制限値ベクトル
Ｆ は作業座標系での力
τ は作業座標系回りのトルク である。
関節制御系の制限値を

ここで、τlimは関節角でのトルク制限ベクトル
τ_ｉ は第ｉ軸の関節座標系のトルク（ｉは任意正整数）
とおくと、関節座標系のトルク制限値は以下の関係より求めることができる。

次に、本発明の第１の実施例について図２ないし図６を引用して説明する。
図２は作業者とロボットとの関係を示す図である。図において、１１は作業者であり、作業者１１は頭部に初期誘導方向指定手段３として機能する音声入力装置３ａを装着している。Ｗはロボット１に固定された作業座標系である。
図３は本発明の第１の実施例を示す誘導パターンの説明図であり、作業者１１が、作業座標系ＷのＸ軸の負の方向に誘導する場合を示している。なお、作業座標系Ｗまわりのトルクについては、力の場合と同様に扱えるため、説明を分かりやすくするためここでは述べず、力のみ説明する。音声入力装置３ａを用いて作業者１１が、「低速でＸマイナス移動」と音声で指示すると、前記「低速でＸマイナス移動」に対応する速度を伴う動作命令が誘導指令生成手段４に送られ、作業座標系Ｗ上の制御周期Δｔ当たりの移動ベクトル（速度）Ｖ０（Ｖ0x,0,0）が生成される。力制限条件変更手段６は力制限値Flim（limFx、limFy、limFz）を

に基づいて算出し、力制限設定手段７に出力する。なおＫは予め設定された定数である。力制御手段２は、力制限設定手段７の設定値に基づき、各関節の発生トルクを制限し、前記作業座標系ＷのＹ方向とＺ方向に柔らかく、Ｘ方向に硬くなり、ロボット１はＸ方向へは誘導指令に追従した動作をする。ここで、図４に示すように、時刻ｔ近傍で作業者１１が、教示方向の変更を意図して前記ロボット１の先端を介して前記作業座標系ＷのＹ軸の正方向に外力を作用させたとすると、Ｙ軸方向には柔らかく力制御されているため、容易に軌道変更がなされる。

誘導ベクトル検出手段５は、過去の動作軌跡上のｍ個の点の位置ベクトル
（Ｐ(ｔ−ｍ×Δｔ)，Ｐ（t−（ｍ−１）×Δｔ，…Ｐ（t−Δｔ）から、最小２乗法で

なる近似曲線を求め、Ｐ（t＋Δｔ）とＰ（t）とから未来の誘導方向ベクトルを求め、誘導指令生成手段４に出力する。この場合、前記未来の誘導方向ベクトルは、説明容易とするために前記作業座標系ＷのＺ方向には軌道変更が発生していない場合を用いると、

となる。誘導指令生成手段４は、未来の誘導方向ベクトルから、新たに誘導指令として作業座標系W上の制御周期Δｔ当たりの移動ベクトルＶｔ（Vtx、Vty,0）を生成する。但し、VtxおよびVtyは下式で与えられる。

移動ベクトルＶｔ（Vtx、Vty,0）は力制限条件変更手段６に出力され、（５）式と同様に次の力制限値が算出される。

図５に示すように、誘導方向に垂直な平面方向では、制限力のX成分（Fx’）とY成分（Fy’）が相殺されるため柔らかく力制御され、図６に示すように誘導方向に硬く、誘導方向と垂直する平面方向は柔らかく力制御される。また誘導速度|Ｖｔ|は、作業者１１が遅いと感じている場合、初期の誘導速度に加算された速度が、過去のｍ個の位置ベクトルの変化となって現れるため初期値より速くなる。逆に、作業者１１が速いと感じた場合、作業者１１の抵抗力により初期の誘導速度が減速され、過去のｍ個の位置ベクトルの変化となって現れるため初期値より遅くなる。このように作業者１１の誘導意図に従うように誘導指令の生成と力制限条件の変更が実行される。

次に、本発明の第２の実施例について説明する。誘導ベクトル検出手段５が、曲率（ax,ay,az）を、

より求め、図７に示すように前記曲率（ax,ay,az）の何れかの成分が、予め設定した閾値Crを超えた場合、（Ｐ_ｘ(t)−Ｐ_ｘ（ｔ−Δｔ），Ｐ_ｙ(t)−Ｐ_ｙ（ｔ−Δｔ），０）を未来の誘導方向ベクトルとして、前記誘導指令生成手段４に出力し、前記未来の誘導方向ベクトルから、新たに誘導指令として前記作業座標系W上の制御周期Δｔ当たりの移動ベクトルＶt（Vtx、Vty,0）を生成し、力制限条件変更手段６に出力され、式５に基づいて力制限値が算出される。後の処理は、実施例１と同じため割愛する

本発明は作業者が手先効果器に加えた力を検出して、その力の方向にロボットを動かす直接教示装置として利用可能である。

本発明の実施に用いるロボット制御装置の構成図である。 作業者とロボットの関係を示す図である。 本発明の第１の実施例を示すパターンの図である。 本発明の第１の実施例の誘導指令方向と力制限方向の関係を示す図である。 本発明の第１の実施例の生成された誘導指令と力制限の方向を示す図である。 本発明の第１の実施例の生成された誘導指令と力制限の方向を示す図である。 本発明の第２の実施例を示す誘導ベクトルの説明図である。 従来技術の例を示す直接教示装置のブロック図である。

符号の説明

１ ロボット、２ 力制御手段、３ 初期誘導方向指定手段、４ 誘導指令生成手段、
５ 誘導ベクトル検出手段、６ 力制限条件変更手段、７ 力制限設定手段、
８ ヤコビアン転置行列演算手段、９ 逆運動学変換部、１０ 順運動学変換部、
１１ 作業者、Ｃ１ コントローラ、Ｃ２ ケーブル、１０１ 位置・速度制御部、
１０２ トルク制限器、１０３ 摩擦補償トルク生成部、１０４ 重力トルク生成部、
１０５ サーボアンプ、S２ ロボット、S５ 力センサ、S７ 手先効果器、
S８ コントローラ、S１１ 教示用操作器、S１１C 操作方向設定スイッチ
S１４ 速度演算部、S１６ 操作方向切換部

Claims (2)

1. 作業者が手先効果器（Ｓ７）に加えた力を検出して、前記力に応じてロボットの位置および姿勢を任意の方向に誘導するロボットの直接教示装置において、
   前記ロボットを誘導するための初期の方向を指定する初期誘導方向指定手段（３）と、
   前記初期誘導方向指定手段（３）で指定された誘導方向への速度指令を生成する誘導指令生成手段（４）と、
   前記誘導指令生成手段（４）で生成された速度に応じて前記ロボットの手先効果器（Ｓ７）に発生する力の制限条件を変更する力制限条件変更手段（６）と、
   前記ロボットの過去の動作軌跡の時系列データから曲線近似により未来の誘導方向と誘導速度を求める誘導ベクトル検出手段（５）と、を備え、
   前記誘導指令生成手段（４）は、前記誘導ベクトル検出手段（５）が求めた結果に応じて速度指令を生成し、
   前記誘導ベクトル検出手段（５）は、過去の動作軌跡から求めた軌道の曲率が予め設定した閾値以上になった場合は、現在位置と直前の動作軌跡上の位置から未来の誘導方向と速度を算出することを特徴とするロボットの直接教示装置。
2. 請求項１に記載の直接教示装置を備えたことを特徴とするロボットシステム。

Images