JP5071362B2 - 組み立て作業ロボットの制御方法および組み立て作業ロボット - Google Patents
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Description
本発明は、機械部品の組み立てなどにおいて、ピン形状の部品（ワーク）を対象物の穴に挿入する作業や、コネクタ挿入のように部品（ワーク）の凹凸部を対象物の凹凸部へはめ込む作業を行う組み立て作業ロボットおよびその制御方法に関する。
従来の組み立て作業ロボットの制御方法では、ワーク先端と対象物とを接触させ、対象物の穴の軸線から角θだけワークを傾斜させた状態で対象物上を移動させて穴を探索し、ワークの外周面の一部を、穴の奥側（ワークの移動方向側）の縁に当ててから、ワークを起立させつつ穴に挿入する動作をしている（例えば、特許文献１参照）。また、ワークを傾斜させ、ワーク中心を対象物の穴中心からずらして穴へ接近させ、穴の縁とワークを一点で接触させ、その接触点まわりにワークを垂直軸まわりに回転させて芯合わせして挿入しているものもある（例えば、特許文献２参照）。
図１２は特許文献１の方法を示している。図１２において、１２０３はロボット先端に取り付けられたグリッパであり、ワーク１２０１を把持する。探索動作は、まず、図１２（ａ）のように対象物の穴の軸に対して角θだけワークを傾斜させた状態で所定の接触力で対象物へ押し付け、次に図１２（ｂ）のようにワークを傾斜させて対象物へ接触した状態を保持したまま対象物上を横方向に移動させることで穴を探索し、図１２（ｃ）のように穴へ到達すると、図１２（ｄ）のように探索進行方向の奥側の縁にワークの外周面の一部を接触させる。その後、ワークを対象物の穴に挿入しながら図１２（ｅ）のように傾斜角を立てつつワーク先端と穴を合致させて図１２（ｆ）のように挿入する。
図１２は特許文献１の方法を示している。図１２において、１２０３はロボット先端に取り付けられたグリッパであり、ワーク１２０１を把持する。探索動作は、まず、図１２（ａ）のように対象物の穴の軸に対して角θだけワークを傾斜させた状態で所定の接触力で対象物へ押し付け、次に図１２（ｂ）のようにワークを傾斜させて対象物へ接触した状態を保持したまま対象物上を横方向に移動させることで穴を探索し、図１２（ｃ）のように穴へ到達すると、図１２（ｄ）のように探索進行方向の奥側の縁にワークの外周面の一部を接触させる。その後、ワークを対象物の穴に挿入しながら図１２（ｅ）のように傾斜角を立てつつワーク先端と穴を合致させて図１２（ｆ）のように挿入する。
図１３、図１４は特許文献２の方法を示している。図１３において、１３０１は把持されたワークであり、１３０２は対象物上の穴である。動作は、まず、図１３のようにワークを対象物に対して相対的に微小角度ａだけ傾斜させ、次にワークと対象物を接近させて図１４のように穴１３０２の縁とワーク先端円を一点で接触させる。図１４は図１３の上面図である。
接触した点を点Ｃとし、その後、ワーク１３０１を対象物へ押し付けた状態で、穴の中心とワーク中心が一致するように点Ｃまわりに対象物に対して相対的に回転させ、押し付け力によってワーク１３０１が穴１３０２へ突入することで挿入する。
このように、従来の組み立て作業ロボット制御方法では、ワークを対象物に対して傾けた状態で穴の位置を探索し、穴の縁へのワークの接触をきっかけにして傾斜角を変えたり移動方向を変えたりして、押し付け力によって穴へ挿入するという手順がとられていた。
特開昭６１−１９５２３号公報（第７頁、図６、図７、図８、図９、第８頁、図１０、図１１）
特開平７−２２７７２５号公報（第８頁、図２、図４）
接触した点を点Ｃとし、その後、ワーク１３０１を対象物へ押し付けた状態で、穴の中心とワーク中心が一致するように点Ｃまわりに対象物に対して相対的に回転させ、押し付け力によってワーク１３０１が穴１３０２へ突入することで挿入する。
このように、従来の組み立て作業ロボット制御方法では、ワークを対象物に対して傾けた状態で穴の位置を探索し、穴の縁へのワークの接触をきっかけにして傾斜角を変えたり移動方向を変えたりして、押し付け力によって穴へ挿入するという手順がとられていた。
しかしながら、従来の組み立て作業ロボットの制御方法では、ワークが穴の縁へ接触することが挿入位置の手がかりとなるという手順をとっているので、穴やワークの縁にコネクタなどによる凹凸形状が存在する場合には、挿入位置ではないところでワークと対象物との引っかかりによる接触が起こり、真の挿入位置まで探索動作が続けられないという問題があった。
特許文献１の方法では、穴の奥側の縁へワークが接触してから傾斜角を立てて、ワークを穴へ挿入できる状態を作るため、探索時にはワークを探索進行方向へ倒すように傾斜させ、探索進行方向と反対側のワーク端を持ち上げることが必要であるが、穴の周囲に凹凸部がある場合には、穴の奥側の縁にワークの外周面の一部が接触した状態を作ることができないことがある。
穴の周囲に凹凸部がある場合、探索進行方向と反対側のワーク端が持ち上がるようにして探索動作をすると、図１５のように探索進行方向側のワーク端が凹凸部に引っかかって止まってしまい、ワークがそれ以上進めず挿入できる位置に到達できない。
また、探索進行方向と反対側のワーク端が持ち上がるような傾斜角で、凹凸部を乗り越えられるようにするには、図１６（ａ）のように、ワークをほぼ水平にまで倒した姿勢にしなければならず、グリッパなどが対象物に接触することがある。さらに、ワークをほぼ水平にした状態で探索動作をした場合、図１６（ｂ）のように凹凸部でワークが垂直方向に下がることがあると、そこでワークを垂直にしても図１６（ｃ）のようになって、挿入位置には到達できない。
特許文献１の方法では、穴の奥側の縁へワークが接触してから傾斜角を立てて、ワークを穴へ挿入できる状態を作るため、探索時にはワークを探索進行方向へ倒すように傾斜させ、探索進行方向と反対側のワーク端を持ち上げることが必要であるが、穴の周囲に凹凸部がある場合には、穴の奥側の縁にワークの外周面の一部が接触した状態を作ることができないことがある。
穴の周囲に凹凸部がある場合、探索進行方向と反対側のワーク端が持ち上がるようにして探索動作をすると、図１５のように探索進行方向側のワーク端が凹凸部に引っかかって止まってしまい、ワークがそれ以上進めず挿入できる位置に到達できない。
また、探索進行方向と反対側のワーク端が持ち上がるような傾斜角で、凹凸部を乗り越えられるようにするには、図１６（ａ）のように、ワークをほぼ水平にまで倒した姿勢にしなければならず、グリッパなどが対象物に接触することがある。さらに、ワークをほぼ水平にした状態で探索動作をした場合、図１６（ｂ）のように凹凸部でワークが垂直方向に下がることがあると、そこでワークを垂直にしても図１６（ｃ）のようになって、挿入位置には到達できない。
同様に、穴の周囲に凹凸部が存在すると特許文献２の方法のように穴とワークが一点で接触した状態に達することができない。よってワークの傾きを変えたり回転させたりしても挿入できない。また、挿入位置ではない場所で無理にワークを対象物に押し付けてしまうと、噛み付きが起こってワークを動かせなくなってしまい、探索動作が続けられないという問題もあった。
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、探索動作中のワークの引っかかりを防止し、挿入位置の縁に凹凸部があってもワークを対象物上の挿入位置へ挿入することができる組み立て作業ロボットおよびその制御方法を提供することを目的とする。
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、探索動作中のワークの引っかかりを防止し、挿入位置の縁に凹凸部があってもワークを対象物上の挿入位置へ挿入することができる組み立て作業ロボットおよびその制御方法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、次のようにしたのである。
請求項１記載の発明は、ロボットが把持したワークを対象物に押し当てた状態で前記対象物上を移動させ、前記対象物に設けられた挿入位置を探索し、前記ワークを前記挿入位置へ挿入する組み立て作業ロボットの制御方法において、前記挿入位置を探索する際に、探索進行方向のワーク端を持上げ、前記ワークを前記対象物に対して予め設定された傾斜角で傾斜させることを特徴とする。
請求項２記載の発明は、前記ロボットの先端部に作用する力およびモーメントを検出するセンサを設け、前記探索中に前記センサの出力に基づく力制御を行うことを特徴とする。
請求項３記載の発明は、前記対象物の前記挿入位置周辺に凸部が存在する場合に、前記傾斜角を、前記凸部の高さよりも前記探索進行方向のワーク端の位置が高くなる角度とすることを特徴とする。
請求項４記載の発明は、前記探索中に前記ワークが垂直方向に予め設定された落ち込み量閾値以上移動すると、前記ワークが前記挿入位置へ到達したと判断することを特徴とする。
請求項５記載の発明は、前記ワークが前記挿入位置に到達したと判断すると、前記ワークの傾斜を前記傾斜角だけ戻すことを特徴する。
請求項６記載の発明は、前記傾斜角は前記ロボットの制御装置に接続された操作盤画面から設定することを特徴とする。
請求項７記載の発明は、前記落ち込み量閾値は前記ロボットの制御装置に接続された操作盤画面から設定することを特徴とする。
請求項８記載の発明は、組み立て作業ロボットであって、請求項１乃至７のいずれか１項記載の制御方法により組み立て作業を行うことを特徴とする。
請求項１記載の発明は、ロボットが把持したワークを対象物に押し当てた状態で前記対象物上を移動させ、前記対象物に設けられた挿入位置を探索し、前記ワークを前記挿入位置へ挿入する組み立て作業ロボットの制御方法において、前記挿入位置を探索する際に、探索進行方向のワーク端を持上げ、前記ワークを前記対象物に対して予め設定された傾斜角で傾斜させることを特徴とする。
請求項２記載の発明は、前記ロボットの先端部に作用する力およびモーメントを検出するセンサを設け、前記探索中に前記センサの出力に基づく力制御を行うことを特徴とする。
請求項３記載の発明は、前記対象物の前記挿入位置周辺に凸部が存在する場合に、前記傾斜角を、前記凸部の高さよりも前記探索進行方向のワーク端の位置が高くなる角度とすることを特徴とする。
請求項４記載の発明は、前記探索中に前記ワークが垂直方向に予め設定された落ち込み量閾値以上移動すると、前記ワークが前記挿入位置へ到達したと判断することを特徴とする。
請求項５記載の発明は、前記ワークが前記挿入位置に到達したと判断すると、前記ワークの傾斜を前記傾斜角だけ戻すことを特徴する。
請求項６記載の発明は、前記傾斜角は前記ロボットの制御装置に接続された操作盤画面から設定することを特徴とする。
請求項７記載の発明は、前記落ち込み量閾値は前記ロボットの制御装置に接続された操作盤画面から設定することを特徴とする。
請求項８記載の発明は、組み立て作業ロボットであって、請求項１乃至７のいずれか１項記載の制御方法により組み立て作業を行うことを特徴とする。
請求項１、２に記載の発明によると、対象物上の挿入位置周辺やワークの縁に凹凸がある場合の引っかかりを防止することができ、挿入位置の探索動作を進行することができる。
請求項３に記載の発明によると、探索動作においてワークの端は挿入位置付近の凸部に接触することがなく、ワークを挿入位置へ近づけることができる。
請求項４に記載の発明によると、探索動作においてワークのわずかな上下動を挿入位置へ到達したと誤検出することを防止することができる。
また請求項５に記載の発明によると、既にワークが挿入位置まで到達しているため、挿入する際の噛み付きを防止することができる。
また請求項６に記載の発明によると、簡単に傾斜角の変更を行うことができ、ワークの形状に応じた調整が容易となる。
また、請求項７に記載の発明によると、簡単に挿入位置への到達を判断するためのワークの落ち込み量閾値の調整をすることができ、ワークの形状に応じた調整が容易となる。
請求項３に記載の発明によると、探索動作においてワークの端は挿入位置付近の凸部に接触することがなく、ワークを挿入位置へ近づけることができる。
請求項４に記載の発明によると、探索動作においてワークのわずかな上下動を挿入位置へ到達したと誤検出することを防止することができる。
また請求項５に記載の発明によると、既にワークが挿入位置まで到達しているため、挿入する際の噛み付きを防止することができる。
また請求項６に記載の発明によると、簡単に傾斜角の変更を行うことができ、ワークの形状に応じた調整が容易となる。
また、請求項７に記載の発明によると、簡単に挿入位置への到達を判断するためのワークの落ち込み量閾値の調整をすることができ、ワークの形状に応じた調整が容易となる。
以下、本発明の方法の具体的実施例について、図に基づいて説明する。
図１は本発明を実施する組み立て作業ロボットおよび対象物の構成を表す図である。１００１はロボットの制御装置であり、１００２はロボットであり、１００３は部品（ワーク）をつかむグリッパであり、１００４はロボット１００２の先端とグリッパ１００３との間に設けられた力・モーメントセンサである。
また１００７は対象物２０２を載置するためのテーブルであり、２０１はロボット１００２によって対象物２０２へ挿入される部品（ワーク）である。２０３はワーク２０１を挿入する対象物２０２上の穴である。
グリッパ１００３を含むロボット１００２は制御装置１００１とケーブル１００５で接続され、力・モーメントセンサ１００４は制御装置１００１とケーブル１００６で接続されている。
１０１１はロボット座標系、１０１２はワーク座標系、１０１３はツール座標系であって、各々ロボット１００２、ワーク２０１、対象物２０２に基づく直交座標系であり、ロボット座標系とワーク座標系との位置・姿勢の関係は一定であり、予め分かっているものとする。
図２は図１０で示された制御装置１００１とロボット１００２の各部との接続の様子を模式的に示した図である。制御装置１００１はメインコントロール部１１０１、操作盤インターフェース部１１０７、Ｉ／Ｏ部１１０６、サーボ制御部１１０５から構成され、バスで接続されている。メインコントロール部１１０１の内部にはＣＰＵ１１０２、メモリ１１０３、バスブリッジ１１０４がある。操作盤インターフェース部１１０７は操作盤１１０８と接続され、Ｉ／Ｏ部１１０６はロボットに取り付けられた力・モーメントセンサ１００４とグリッパ１００３とに接続され、サーボ制御部１１０５はロボットの各軸のモータ１１０９と接続される。
制御装置は動作指令である位置、速度、トルクなどをロボットへ与え、ロボットからフィードバック位置、速度、トルクなどを受け取る。また、制御装置は力・モーメントセンサ１００４からＸ、Ｙ、Ｚ方向の力とＸ、Ｙ、Ｚまわりのモーメントを受け取る。また、制御装置はグリッパに対して開閉の信号を出力する。制御装置は内部のソフトウェアによって力・モーメントセンサ１００４による検出値に基づくインピーダンス制御などの力制御の処理を行うとともに、組み立て動作に関する処理を行って、ロボットに動作指令を与える。ロボットは制御装置からの指令により、ワーク２０１を対象物２０２に挿入する組み立て動作を行うようになっている。
また１００７は対象物２０２を載置するためのテーブルであり、２０１はロボット１００２によって対象物２０２へ挿入される部品（ワーク）である。２０３はワーク２０１を挿入する対象物２０２上の穴である。
グリッパ１００３を含むロボット１００２は制御装置１００１とケーブル１００５で接続され、力・モーメントセンサ１００４は制御装置１００１とケーブル１００６で接続されている。
１０１１はロボット座標系、１０１２はワーク座標系、１０１３はツール座標系であって、各々ロボット１００２、ワーク２０１、対象物２０２に基づく直交座標系であり、ロボット座標系とワーク座標系との位置・姿勢の関係は一定であり、予め分かっているものとする。
図２は図１０で示された制御装置１００１とロボット１００２の各部との接続の様子を模式的に示した図である。制御装置１００１はメインコントロール部１１０１、操作盤インターフェース部１１０７、Ｉ／Ｏ部１１０６、サーボ制御部１１０５から構成され、バスで接続されている。メインコントロール部１１０１の内部にはＣＰＵ１１０２、メモリ１１０３、バスブリッジ１１０４がある。操作盤インターフェース部１１０７は操作盤１１０８と接続され、Ｉ／Ｏ部１１０６はロボットに取り付けられた力・モーメントセンサ１００４とグリッパ１００３とに接続され、サーボ制御部１１０５はロボットの各軸のモータ１１０９と接続される。
制御装置は動作指令である位置、速度、トルクなどをロボットへ与え、ロボットからフィードバック位置、速度、トルクなどを受け取る。また、制御装置は力・モーメントセンサ１００４からＸ、Ｙ、Ｚ方向の力とＸ、Ｙ、Ｚまわりのモーメントを受け取る。また、制御装置はグリッパに対して開閉の信号を出力する。制御装置は内部のソフトウェアによって力・モーメントセンサ１００４による検出値に基づくインピーダンス制御などの力制御の処理を行うとともに、組み立て動作に関する処理を行って、ロボットに動作指令を与える。ロボットは制御装置からの指令により、ワーク２０１を対象物２０２に挿入する組み立て動作を行うようになっている。
図３は、本発明による探索動作を説明するため対象物２０２を拡大した図である。図３において、図１と同じ部位については同一の符号を付しており説明は省略する。穴２０３の縁には凹凸部２０４が存在している。
２０５はワーク２０１を把持したロボットが穴２０３の探索を行う探索領域である。本実施例では、対象物の穴およびワーク形状は円柱とする。図２ではワーク２０１を把持するグリッパやロボットは省略している。
また図４は、ロボット先端に取り付けたグリッパ１００３によってワーク２０１を把持し、対象物２０２に対してワーク２０１を傾けた状態で押し付けて探索動作しているところを側面から見た図である。図４において、３０１はワーク中心軸、３０２（Ｄ）はワーク直径、３０３は穴２０３の中心軸、３０４（ｈ１）は穴の縁の凸部の高さ、３０５と３０６はワークの傾斜角（傾き量）、３０７（ｈ２）はワーク先端の対象物表面からの高さを示している。ｈ１やＤは予め取得しておく。
本発明においては、ロボット１００２は探索動作時において、力・モーメントセンサ１００４の検出結果に従ってインピーダンス制御などの力制御によって動作する。
本発明が従来技術と異なる点は、図３のように探索進行方向に対してワーク先端を持上げて探索するようにしたことである。
２０５はワーク２０１を把持したロボットが穴２０３の探索を行う探索領域である。本実施例では、対象物の穴およびワーク形状は円柱とする。図２ではワーク２０１を把持するグリッパやロボットは省略している。
また図４は、ロボット先端に取り付けたグリッパ１００３によってワーク２０１を把持し、対象物２０２に対してワーク２０１を傾けた状態で押し付けて探索動作しているところを側面から見た図である。図４において、３０１はワーク中心軸、３０２（Ｄ）はワーク直径、３０３は穴２０３の中心軸、３０４（ｈ１）は穴の縁の凸部の高さ、３０５と３０６はワークの傾斜角（傾き量）、３０７（ｈ２）はワーク先端の対象物表面からの高さを示している。ｈ１やＤは予め取得しておく。
本発明においては、ロボット１００２は探索動作時において、力・モーメントセンサ１００４の検出結果に従ってインピーダンス制御などの力制御によって動作する。
本発明が従来技術と異なる点は、図３のように探索進行方向に対してワーク先端を持上げて探索するようにしたことである。
図５は本発明のロボットの制御方法によって、対象物上の穴を探索してワークを挿入する処理手順を示すフローチャートである。この図を用いて本発明について順を追って説明する。
まず、ロボットはワーク２０１をグリッパ１００３で把持し、ロボットの手先が外力に対して柔軟に動作するようにインピーダンス制御している状態で、予め教示された対象物上部に位置決めし（Ｓ１０１）、ワークを下げて対象物へ押し付ける（Ｓ１０２）。
次に、ワーク２０１を対象物へ押し付けたまま、予め設定された傾斜角（傾き量）だけワークを傾ける。このとき図４のように、探索進行方向側のワーク先端を持上げて傾ける（Ｓ１０３）。傾斜角（傾き量）(図４の３０５、３０６)は予め制御装置内に記憶されている値を参照する。
まず、ロボットはワーク２０１をグリッパ１００３で把持し、ロボットの手先が外力に対して柔軟に動作するようにインピーダンス制御している状態で、予め教示された対象物上部に位置決めし（Ｓ１０１）、ワークを下げて対象物へ押し付ける（Ｓ１０２）。
次に、ワーク２０１を対象物へ押し付けたまま、予め設定された傾斜角（傾き量）だけワークを傾ける。このとき図４のように、探索進行方向側のワーク先端を持上げて傾ける（Ｓ１０３）。傾斜角（傾き量）(図４の３０５、３０６)は予め制御装置内に記憶されている値を参照する。
次に、図３のように予め決められた探索領域２０５内の位置ａ１を始点、ａ２を終点とし（Ｓ１０４）、始点から終点の間を直線移動し（Ｓ１０５）、始点から終点までの間に力・モーメントセンサが進行方向からの反力を検出すれば、ワークが対象物上の穴付近に到達して凹凸部２０４に当たったと判断し（Ｓ１０６）、ワークが対象物上の凹凸部に当たらずに終点ａ２まで到達した場合には、始点ａ１を図３のワーク座標系１０１２のＸ軸方向にΔＸだけ移動した位置を終点ｂ２とし、現在位置ａ２を同じくＸ軸方向にΔＸだけ移動した位置を始点ｂ１として（Ｓ１０７）、探索進行方向を反転させ、さらに探索進行方向を反転したので垂直軸に対する傾斜角（傾き量）の符号も反転して、探索進行方向に対してワーク先端を持上げるように傾ける（Ｓ１０８）。
Ｓ１０６にて進行方向からの反力を検出し穴付近へ到達したと判断するか、あるいは、予め決められた探索領域すべての探索が終わるまで、Ｓ１０５からＳ１０８までを繰り返す。
Ｓ１０６にて進行方向からの反力を検出し穴付近へ到達したと判断するか、あるいは、予め決められた探索領域すべての探索が終わるまで、Ｓ１０５からＳ１０８までを繰り返す。
Ｓ１０６で穴付近へ到達したと判断した場合には、そのまま探索進行方向にワークを移動させる（Ｓ１０９）。インピーダンス制御により、ロボットの手先は外力に対して柔軟に動作するのでワークは穴の縁の凹凸部２０４に乗り上げながら探索進行方向に進む。
ワーク２０１は対象物側へ押し付けられているので、ワークの端が穴２０３へ到達するとワークおよびロボット先端部の垂直方向の位置が下がる。この垂直方向の位置の変化を検出することによってワークが穴の領域へ到達したことを判断（Ｓ１１０）する。
ワーク２０１は対象物側へ押し付けられているので、ワークの端が穴２０３へ到達するとワークおよびロボット先端部の垂直方向の位置が下がる。この垂直方向の位置の変化を検出することによってワークが穴の領域へ到達したことを判断（Ｓ１１０）する。
次に、挿入動作を行う（Ｓ１１１）。Ｓ１１１の挿入動作は、ワークを探索進行方向にさらに移動させて、特許文献１の方法のように探索進行方向の奥側の縁にワークの外周面の一部を接触させ、ワークを対象物上の穴に挿入しながらワークの傾きを解消しつつワーク先端と穴を合致させて挿入するか、特許文献２の方法のように、穴の縁とワーク先端円を一点で接触させ、穴の中心とワーク中心とが一致するように接触点まわりにワークを対象物に対して相対的に回転させ、押し付け力によってワークが穴へ突入することで挿入する。最後に、グリッパを開き、ロボットがワークから離れて動作を終了する（Ｓ１１２）。
このように、予め設定された傾斜角（傾き量）だけ、探索進行方向に対してワーク端を持上げるように傾けた姿勢で探索動作をするので、対象物の穴の周囲に凹凸がある場合もワークは穴へ到達するよう動作することができ、ワークを穴へ挿入することができるのである。
このように、予め設定された傾斜角（傾き量）だけ、探索進行方向に対してワーク端を持上げるように傾けた姿勢で探索動作をするので、対象物の穴の周囲に凹凸がある場合もワークは穴へ到達するよう動作することができ、ワークを穴へ挿入することができるのである。
再び図４を用いて本発明のロボットの制御方法の第２実施例について説明する。
前述のように３０５はワーク中心軸の垂直からの傾斜角（傾き量）であり、３０６は水平軸に対するワーク下面の角度でありその大きさは３０５に一致する。
本実施例では、探索動作において、探索進行方向に対してワーク端を持上げる際のワークの傾斜角（傾き量）の設定方法について説明する。
図４のように、対象物の挿入位置付近の凸部の高さｈ１（３０４）よりもワークの端の高さｈ２（３０７）が大きくなるよう傾斜角（傾き量）を設定する。傾斜角（傾き量）をθとすると、ワークの端の高さｈ２はθとワーク底面の直径Ｄから次式（１）によって求めることができる。
前述のように３０５はワーク中心軸の垂直からの傾斜角（傾き量）であり、３０６は水平軸に対するワーク下面の角度でありその大きさは３０５に一致する。
本実施例では、探索動作において、探索進行方向に対してワーク端を持上げる際のワークの傾斜角（傾き量）の設定方法について説明する。
図４のように、対象物の挿入位置付近の凸部の高さｈ１（３０４）よりもワークの端の高さｈ２（３０７）が大きくなるよう傾斜角（傾き量）を設定する。傾斜角（傾き量）をθとすると、ワークの端の高さｈ２はθとワーク底面の直径Ｄから次式（１）によって求めることができる。
ｈ２ ＝ Ｄ・ｓｉｎθ ・・・式（１）
ｈ２をｈ１より大きくする、すなわちｈ２＞ｈ１とするためには次式（２）を満たすようなθによってワークを傾ければよい。
θ ＞ ｓｉｎ-1（ｈ１／Ｄ） ・・・式（２）
このようにして定めたθを制御装置内に記憶しておき、探索動作の際にはＳ１０３にて読み出してワークを傾ける。
事前に凸部の高さｈ１とワーク底面の直径Ｄをもとにワークの傾斜角（傾き量）を対象物の挿入位置付近の凸部の高さｈ１よりもワーク端の高さｈ２が大きくなるように設定しておき、探索動作をするという手順を取るので、探索動作においてワークの端が穴の縁の凸部に接触することがなく、ワークを穴へ近づける動作をすることができる。
ＰＰでの傾斜角（傾き量）の入力
図６は制御装置に接続された操作盤１１０８を使って傾斜角（傾き量）θを制御装置に記憶する様子を表した図である。
図６の８０１は操作盤画面の挿入位置探索動作パラメータ入力画面であり、８０２は操作盤画面のワーク傾き量の入力領域、８０３は設定ボタン、８０４は数値キーである。
傾斜角（傾き量）θを記憶させる際には、まず図６に示すように、操作盤の画面上で傾斜角（傾き量）を入力する領域と設定ボタンを呼び出す。操作者が操作盤１１０８の数値キーで傾斜角（傾き量）の数値を入力し、設定ボタンを押すと、制御装置内の不揮発性のメモリに傾斜角（傾き量）が書き込まれる。メモリ内の傾斜角（傾き量）は再度操作盤１１０８から数値を入力することによって書き換えることができる。そして探索動作の際にはメモリ上に書かれた傾斜角（傾き量）を参照してワークを傾ける。
このように、操作盤からワークの傾斜角（傾き量）を数値入力して設定するため、ロボットの操作者は、ロボットの実際の探索動作を確認して傾斜角（傾き量）を簡単に調整することがきる。
図６は制御装置に接続された操作盤１１０８を使って傾斜角（傾き量）θを制御装置に記憶する様子を表した図である。
図６の８０１は操作盤画面の挿入位置探索動作パラメータ入力画面であり、８０２は操作盤画面のワーク傾き量の入力領域、８０３は設定ボタン、８０４は数値キーである。
傾斜角（傾き量）θを記憶させる際には、まず図６に示すように、操作盤の画面上で傾斜角（傾き量）を入力する領域と設定ボタンを呼び出す。操作者が操作盤１１０８の数値キーで傾斜角（傾き量）の数値を入力し、設定ボタンを押すと、制御装置内の不揮発性のメモリに傾斜角（傾き量）が書き込まれる。メモリ内の傾斜角（傾き量）は再度操作盤１１０８から数値を入力することによって書き換えることができる。そして探索動作の際にはメモリ上に書かれた傾斜角（傾き量）を参照してワークを傾ける。
このように、操作盤からワークの傾斜角（傾き量）を数値入力して設定するため、ロボットの操作者は、ロボットの実際の探索動作を確認して傾斜角（傾き量）を簡単に調整することがきる。
図７は本発明の第３実施例における探索動作を示す図である。図７（ａ）は傾けたワークが穴２０３周辺の凹凸部２０４の外縁に当接した状態を示し、図７（ｂ）はワークが凹凸部２０４を乗り越えて挿入位置周辺の凹部に到達した状態を示し、図７（ｃ）はワークが一部穴２０３へ落ち込んだ状態を示し、図７（ｄ）はワークの傾きを予め設定された傾き量だけ戻して、ワークを垂直にした状態を示している。
なお、図７（ｃ）において、４０１は図７（ｂ）の状態からのワークの垂直方向の落ち込み量を示す。
本実施例では、第１実施例で説明した探索処理に加え、ワークが垂直方向に落ち込んだ際に、穴に到達したのか否かを判断し、穴に到達した場合にワークの傾きを予め設定された傾き量だけ戻す処理を行う。
なお、図７（ｃ）において、４０１は図７（ｂ）の状態からのワークの垂直方向の落ち込み量を示す。
本実施例では、第１実施例で説明した探索処理に加え、ワークが垂直方向に落ち込んだ際に、穴に到達したのか否かを判断し、穴に到達した場合にワークの傾きを予め設定された傾き量だけ戻す処理を行う。
図８は本発明の第３実施例であるロボットの制御方法によって、対象物上の穴を探索してワークを挿入する処理手順を示すフローチャートである。
まず、ロボットはワーク２０１をグリッパ１００３で把持し、ロボットの手先が外力に対して柔軟に動作するようにインピーダンス制御している状態で、予め教示された対象物上部に位置決めし（Ｓ３０１）、ワークを下げて対象物へ押し付ける（Ｓ３０２）。
次に、ワーク２０１を対象物へ押し付けたまま、予め設定された傾斜角（傾き量）だけワークを傾ける。このとき図４のように、探索進行方向側のワーク先端を持上げて傾ける（Ｓ３０３）。傾斜角（傾き量）は第１、第２実施例と同様、制御装置内に記憶されている値を参照する。
まず、ロボットはワーク２０１をグリッパ１００３で把持し、ロボットの手先が外力に対して柔軟に動作するようにインピーダンス制御している状態で、予め教示された対象物上部に位置決めし（Ｓ３０１）、ワークを下げて対象物へ押し付ける（Ｓ３０２）。
次に、ワーク２０１を対象物へ押し付けたまま、予め設定された傾斜角（傾き量）だけワークを傾ける。このとき図４のように、探索進行方向側のワーク先端を持上げて傾ける（Ｓ３０３）。傾斜角（傾き量）は第１、第２実施例と同様、制御装置内に記憶されている値を参照する。
次に、図３のように予め決められた探索領域２０５内の位置ａ１を始点、ａ２を終点とし（Ｓ３０４）、始点から終点の間を直線移動し（Ｓ３０５）、始点から終点までの間に力・モーメントセンサが探索進行方向からの反力を検出すれば、ワークが対象物上の穴付近へ到達して凹凸部２０４に当たったと判断し（Ｓ３０６）、ワークが対象物上の凹凸部に当たらずに終点ａ２まで到達した場合には、始点ａ１を図３のワーク座標系１０１２のＸ軸方向にΔＸだけ移動した位置を終点ｂ２とし、現在位置ａ２を同じくＸ軸方向にΔＸだけ移動した位置を始点ｂ１として（Ｓ３０７）、探索進行方向を反転させ、さらに探索進行方向を反転したので垂直軸に対する傾斜角（傾き量）の符号も反転して、探索進行方向に対してワーク先端を持上げるように傾ける（Ｓ３０８）。
Ｓ３０６にて探索進行方向からの反力を検出し穴付近へ到達したと判断するか、あるいは、予め決められた探索領域すべての探索が終わるまで、Ｓ３０５からＳ３０８までを繰り返す。
Ｓ３０６にて探索進行方向からの反力を検出し穴付近へ到達したと判断するか、あるいは、予め決められた探索領域すべての探索が終わるまで、Ｓ３０５からＳ３０８までを繰り返す。
探索中に図７（ａ）の状態となり、Ｓ３０６で穴付近へ到達したと判断した場合には、そのまま探索進行方向にワークを移動させる（Ｓ３０９）。インピーダンス制御により、ロボットの手先は外力に対して柔軟に動作するのでワークは穴の縁の凹凸部２０４に乗り上げながら探索進行方向に進む。
この際にロボットの手先位置を制御周期ごとに取得し、その最も高い位置を制御装置内のメモリに一時的に記憶する。探索を継続しながら、最も高い位置と現在のロボットの手先位置との高さの差すなわちワークの高さの変化を求めながら、ワークが所定の落ち込み量閾値以上に垂直方向に落ち込んだか否か監視する。ここで落ち込み量閾値は制御装置内に予め記憶されており、探索動作中のワークの小さな上下動を穴に入ったと誤検出するのを避けるため、落ち込み量閾値は穴の縁の凸部の高さｈ１（３０４）以上に設定される。ここでは落ち込み量閾値をｈ１と同じ値に設定したとする。
ワーク２０１は対象物へ押し付けられているので、ワークの端が凹部へ入るとワークの垂直方向の位置が下がって一時的に図７（ｂ）の実線のような状態になるが、この時点ではワークの垂直方向の位置の変化が穴の縁の凸部の高さｈ１（３０４）よりも小さいので、穴へ到達したとは判断せずに探索進行方向への移動を続ける。
移動を続けて図７（ｃ）の実線のような状態になると、ワークの垂直方向の落ち込み量(４０１)が閾値である穴の縁の凸部の高さｈ１(３０４)よりも大きくなり、穴へ到達したと判断（Ｓ３１０）する。次に、Ｓ３０３で傾けたワークの傾斜角（傾き量）を図７（ｄ）のように元に戻して、ワークを垂直にする（Ｓ３１１）。次に、穴の底までワークを挿入し（Ｓ３１２）、最後にグリッパを開いてワークを離し動作を終了する（Ｓ３１３）。
この際にロボットの手先位置を制御周期ごとに取得し、その最も高い位置を制御装置内のメモリに一時的に記憶する。探索を継続しながら、最も高い位置と現在のロボットの手先位置との高さの差すなわちワークの高さの変化を求めながら、ワークが所定の落ち込み量閾値以上に垂直方向に落ち込んだか否か監視する。ここで落ち込み量閾値は制御装置内に予め記憶されており、探索動作中のワークの小さな上下動を穴に入ったと誤検出するのを避けるため、落ち込み量閾値は穴の縁の凸部の高さｈ１（３０４）以上に設定される。ここでは落ち込み量閾値をｈ１と同じ値に設定したとする。
ワーク２０１は対象物へ押し付けられているので、ワークの端が凹部へ入るとワークの垂直方向の位置が下がって一時的に図７（ｂ）の実線のような状態になるが、この時点ではワークの垂直方向の位置の変化が穴の縁の凸部の高さｈ１（３０４）よりも小さいので、穴へ到達したとは判断せずに探索進行方向への移動を続ける。
移動を続けて図７（ｃ）の実線のような状態になると、ワークの垂直方向の落ち込み量(４０１)が閾値である穴の縁の凸部の高さｈ１(３０４)よりも大きくなり、穴へ到達したと判断（Ｓ３１０）する。次に、Ｓ３０３で傾けたワークの傾斜角（傾き量）を図７（ｄ）のように元に戻して、ワークを垂直にする（Ｓ３１１）。次に、穴の底までワークを挿入し（Ｓ３１２）、最後にグリッパを開いてワークを離し動作を終了する（Ｓ３１３）。
このように、穴周辺の凹部にワークの端が入ったことを検知してからも探索動作を継続し、その後ワークが穴に到達したことを確認してワークを垂直に戻すので、挿入位置ではない凹みに対して無理にワークを挿入しようとして噛み付きを起こすことがないので、対象物の穴２０３の周囲に凹凸がある場合もワークは穴２０３へ到達することができ、穴へ挿入することができるのである。
図９は制御装置に接続された操作盤１１０８を使ってワーク落ち込み量閾値を制御装置に記憶する様子を表した図である。
図９の９０１は操作盤画面の挿入位置探索動作パラメータ入力画面であり、９０２は操作盤画面のワーク落ち込み量閾値の入力領域、９０３は設定ボタン、８０４は数値キーである。
落ち込み量閾値を記憶させる際には、まず図９に示すように、操作盤の画面上で落ち込み量閾値を入力する領域と設定ボタンを呼び出す。操作者が操作盤１１０８の数値キーで落ち込み量閾値の数値を入力し、設定ボタンを押すと、制御装置内の不揮発性のメモリに落ち込み量閾値が書き込まれる。メモリ内の落ち込み量は再度操作盤１１０８から数値を入力することによって書き換えることができる。そして探索動作の際にはメモリ上に書かれた落ち込み量閾値を参照して実行する。
このように、操作盤からワークの落ち込み量閾値を数値入力して設定するため、ロボットの操作者は、ロボットの実際の探索動作を確認して落ち込み量閾値を簡単に調整することができる。
図９の９０１は操作盤画面の挿入位置探索動作パラメータ入力画面であり、９０２は操作盤画面のワーク落ち込み量閾値の入力領域、９０３は設定ボタン、８０４は数値キーである。
落ち込み量閾値を記憶させる際には、まず図９に示すように、操作盤の画面上で落ち込み量閾値を入力する領域と設定ボタンを呼び出す。操作者が操作盤１１０８の数値キーで落ち込み量閾値の数値を入力し、設定ボタンを押すと、制御装置内の不揮発性のメモリに落ち込み量閾値が書き込まれる。メモリ内の落ち込み量は再度操作盤１１０８から数値を入力することによって書き換えることができる。そして探索動作の際にはメモリ上に書かれた落ち込み量閾値を参照して実行する。
このように、操作盤からワークの落ち込み量閾値を数値入力して設定するため、ロボットの操作者は、ロボットの実際の探索動作を確認して落ち込み量閾値を簡単に調整することができる。
図１０はコネクタ挿入の例である。６０１はワーク、６０２は対象物、６０３は挿入する穴である。穴６０３の縁に加え、ワーク６０１の外周部にも凹凸がある。
図１１は図６のワークと対象物に本実施例を実行した場合の探索動作を示す図である。
図１１（ｂ）では、コネクタが嵌合できる状態ではないところで落ち込みが起こっており、この落ち込み量６０４をａ１とする。図１１（ｃ）では、コネクタが嵌合できる位置で落ち込みが起こっており、この落ち込み量６０５をａ２とする。ワーク落ち込み量閾値を前記ａ１とａ２の間の値に設定しておけば、設定した値以上の落ち込みによってコネクタが嵌合できる位置であることを判断できる。
図１１（ｃ）において、ワークは傾いているが対象物とワークの凹凸が嵌まっており、このまま垂直方向にワークを対象物へ強い力で押し付けると噛み付いて動けなくなることがあるが、ワーク落ち込み量閾値を前記ａ１とａ２の間の値に設定すれば、実施例３と同様に垂直方向に落ち込み量を監視し、落ち込み量ａ２が検出されることによってコネクタが嵌合できる位置に到達したと判断できる。その後図１１（ｄ）のようにワークの傾きを元に戻してワークを垂直にする動作を行うので、噛み付きを回避し、探索を継続して図１１（ｅ）のように挿入することができるのである。
なお、ａ１やａ２は穴６０３の縁の凹凸やワーク外周部の凹凸の形状やワークの傾斜角から求めたり、実際に探索動作を行ったりして適切な値を決めそれをもとにワーク落ち込み量閾値を同定する。
図１１は図６のワークと対象物に本実施例を実行した場合の探索動作を示す図である。
図１１（ｂ）では、コネクタが嵌合できる状態ではないところで落ち込みが起こっており、この落ち込み量６０４をａ１とする。図１１（ｃ）では、コネクタが嵌合できる位置で落ち込みが起こっており、この落ち込み量６０５をａ２とする。ワーク落ち込み量閾値を前記ａ１とａ２の間の値に設定しておけば、設定した値以上の落ち込みによってコネクタが嵌合できる位置であることを判断できる。
図１１（ｃ）において、ワークは傾いているが対象物とワークの凹凸が嵌まっており、このまま垂直方向にワークを対象物へ強い力で押し付けると噛み付いて動けなくなることがあるが、ワーク落ち込み量閾値を前記ａ１とａ２の間の値に設定すれば、実施例３と同様に垂直方向に落ち込み量を監視し、落ち込み量ａ２が検出されることによってコネクタが嵌合できる位置に到達したと判断できる。その後図１１（ｄ）のようにワークの傾きを元に戻してワークを垂直にする動作を行うので、噛み付きを回避し、探索を継続して図１１（ｅ）のように挿入することができるのである。
なお、ａ１やａ２は穴６０３の縁の凹凸やワーク外周部の凹凸の形状やワークの傾斜角から求めたり、実際に探索動作を行ったりして適切な値を決めそれをもとにワーク落ち込み量閾値を同定する。
２０１ ワーク
２０２ 対象物
２０３ 穴（挿入位置）
２０４ 穴の縁の凸部
２０５ 探索領域
３０１ ワーク中心軸
３０２ ワーク直径
３０３ 穴の中心軸
３０４ 穴の縁の凸部の高さ
３０５ ワークの傾き量
３０６ ワークの傾き量
３０７ ワーク先端の対象物表面からの高さ
４０１ ワークの垂直方向の落ち込み量
６０１ ワーク
６０２ 対象物
６０３ 穴
６０４ ワーク落ち込み量ａ１
６０５ ワーク落ち込み量ａ２
８０１ 挿入位置探索動作パラメータ入力画面
８０２ ワーク傾き量の入力領域
８０３ 設定ボタン
８０４ 数値キー
９０１ 挿入位置探索動作パラメータ入力画面
９０２ ワーク落ち込み量の入力領域
９０３ 設定ボタン
１００１ ロボットの制御装置
１００２ ロボット
１００３ グリッパ
１００４ 力・モーメントセンサ
１００５ ロボットと制御装置を接続するケーブル
１００６ センサと制御装置を接続するケーブル
１００７ テーブル
１０１１ ロボット座標系
１０１２ ワーク座標系
１０１３ ツール座標系
１１０１ メインコントロール部
１１０２ ＣＰＵ
１１０３ メモリ
１１０４ バスブリッジ
１１０５ サーボ制御部
１１０６ Ｉ／Ｏ部
１１０７ 操作盤インターフェース部
１１０８ 操作盤
１１０９ モータ
１２０１ ワーク
１２０２ 穴
１２０３ グリッパ
１２０４ 傾斜角θ
１２０５ 移動方向
１３０１ ワーク
１３０２ 穴
１３０３ 接触点Ｃ
１４０１ 対象物
１４０２ 微小角度ａ
２０２ 対象物
２０３ 穴（挿入位置）
２０４ 穴の縁の凸部
２０５ 探索領域
３０１ ワーク中心軸
３０２ ワーク直径
３０３ 穴の中心軸
３０４ 穴の縁の凸部の高さ
３０５ ワークの傾き量
３０６ ワークの傾き量
３０７ ワーク先端の対象物表面からの高さ
４０１ ワークの垂直方向の落ち込み量
６０１ ワーク
６０２ 対象物
６０３ 穴
６０４ ワーク落ち込み量ａ１
６０５ ワーク落ち込み量ａ２
８０１ 挿入位置探索動作パラメータ入力画面
８０２ ワーク傾き量の入力領域
８０３ 設定ボタン
８０４ 数値キー
９０１ 挿入位置探索動作パラメータ入力画面
９０２ ワーク落ち込み量の入力領域
９０３ 設定ボタン
１００１ ロボットの制御装置
１００２ ロボット
１００３ グリッパ
１００４ 力・モーメントセンサ
１００５ ロボットと制御装置を接続するケーブル
１００６ センサと制御装置を接続するケーブル
１００７ テーブル
１０１１ ロボット座標系
１０１２ ワーク座標系
１０１３ ツール座標系
１１０１ メインコントロール部
１１０２ ＣＰＵ
１１０３ メモリ
１１０４ バスブリッジ
１１０５ サーボ制御部
１１０６ Ｉ／Ｏ部
１１０７ 操作盤インターフェース部
１１０８ 操作盤
１１０９ モータ
１２０１ ワーク
１２０２ 穴
１２０３ グリッパ
１２０４ 傾斜角θ
１２０５ 移動方向
１３０１ ワーク
１３０２ 穴
１３０３ 接触点Ｃ
１４０１ 対象物
１４０２ 微小角度ａ
Claims (8)
- ロボットが把持したワークを対象物に押し当てた状態で前記対象物上を移動させ、前記対象物に設けられた挿入位置を探索し、前記ワークを前記挿入位置へ挿入する組み立て作業ロボットの制御方法において、
前記挿入位置を探索する際に、探索進行方向のワーク端を持上げ、前記ワークを前記対象物に対して予め設定された傾斜角で傾斜させることを特徴とする組み立て作業ロボットの制御方法。 - 前記ロボットの先端部に作用する力およびモーメントを検出するセンサを設け、前記探索中に前記センサの出力に基づく力制御を行うことを特徴とする請求項１記載の組み立て作業ロボットの制御方法。
- 前記対象物の前記挿入位置周辺に凸部が存在する場合に、前記傾斜角を、前記凸部の高さよりも前記探索進行方向のワーク端の位置が高くなる角度とすることを特徴とする請求項１または２記載の組み立て作業ロボットの制御方法。
- 前記探索中に前記ワークが垂直方向に予め設定された落ち込み量閾値以上移動すると、前記ワークが前記挿入位置へ到達したと判断することを特徴する請求項１乃至３のいずれか１項記載の組み立て作業ロボットの制御方法。
- 前記ワークが前記挿入位置に到達したと判断すると、前記ワークの傾斜を前記傾斜角だけ戻すことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の組み立て作業ロボットの制御方法。
- 前記傾斜角は前記ロボットの制御装置に接続された操作盤画面から設定することを特徴とする請求項１記載の組み立て作業ロボットの制御方法。
- 前記落ち込み量閾値は前記ロボットの制御装置に接続された操作盤画面から設定することを特徴とする請求項４記載の組み立て作業ロボットの制御方法。
- 請求項１乃至７のいずれか１項記載の制御方法により組み立て作業を行うことを特徴とする組み立て作業ロボット。
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|---|---|---|---|
| JP2008313199A JP5071362B2 (ja) | 2008-12-09 | 2008-12-09 | 組み立て作業ロボットの制御方法および組み立て作業ロボット |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2008313199A JP5071362B2 (ja) | 2008-12-09 | 2008-12-09 | 組み立て作業ロボットの制御方法および組み立て作業ロボット |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| JP6511715B2 (ja) | 2013-10-31 | 2019-05-15 | セイコーエプソン株式会社 | ロボット制御装置、ロボットシステム、及びロボット |
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| JP2020196076A (ja) * | 2019-05-31 | 2020-12-10 | 三菱電機株式会社 | ロボットコントローラ及び組付方法 |
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