JP5720876B2 - 加工ロボット及びその重力補償方法 - Google Patents

Description

本発明は、ワークを加工する加工ロボットとその重力補償方法に関する。

工具反力を計測しながらワークに倣って加工するバリ取りロボットにおいて、力覚センサを介して工具をロボット手先に設置して、工具に加わる加工反力を計測し，加工反力が一定になるようにロボットを動作制御することで倣い動作を実現することは一般的である。
力覚センサの計測データには、加工反力以外に、工具重力やセンサ自体の誤差等の成分が含まれている。このため、工具に加わる加工反力を算出するには、力覚センサ計測データから工具重力等の成分を除去する必要があり、このような処理は重力補償と呼ばれており、例えば以下の特許文献による方法が既に知られている。

特許文献１に記載された重力補償方法は、加工前に、ロボットの複数姿勢での力覚センサ計測値を使って工具重心位置と重力とを算出しておき、加工中に、各時刻におけるロボット姿勢データと重心データとから、工具重力成分を算出し、加工中の力覚センサデータから差し引く方法である。
また、特許文献２に記載された重力補償方法は、加工前に、教示軌道を使って、加工せずにロボットを動作させ、その際の力覚センサ計測値を力制御の制御周期に同期して保存しておき、加工中に、制御周期に同期させて前述の計測データを差し引く方法である。

特公平６−３９０７０号公報、「ロボット装置の力センサ較正方法」 特開平４−１４８３０７号公報、「力制御ロボットにおける加工力の検出法」

上記特許文献１の方法では、力覚センサの直線性誤差、他軸感度誤差、慣性力による計測誤差を除去できないため、重力補償の精度が低く、高精度の倣い動作ができないという問題があった。
また、上記特許文献２の方法では、重力補償の精度は高いが、加工前に、加工時と同一の教示軌道で計測動作するために、ワークをセットした状態で計測動作すると工具とワークとが衝突する恐れがある。また、衝突を避けるために、ワークを取り外した形で計測を行った場合には、ワークを再度セットした場合に当初の位置からずれが生じる可能性があった。
さらに、加工時の送りが低速である場合は、計測動作時も同じ軌道を使うため、計測時間が長くなるという問題点があった。

本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。
すなわち、本発明の目的は、重力補償の精度を高め、かつ、計測動作時において工具とワークとの衝突を避け、さらに、計測時間を短縮することを可能とした加工ロボット及びその重力補償方法を提供することにある。

本発明によれば、外力を計測する力センサを備えた工具を用い、加工中に工具に作用する加工反力を計測しながらワークを加工する加工ロボットの重力補償方法であって、
ワークを固定したまま加工位置に固定し、
加工軌道をＣＡＭによって生成し、
ワークの加工前に、工具を重力方向に対する工具姿勢が一定に保たれるように加工軌道から平行にシフトさせた加工軌道と干渉しない計測軌道において、工具を加工時の姿勢で動作させ、その際の力センサの計測値をオフセット値として記憶し、前記計測軌道は、時系列又は距離ベースの加工軌道データを平行にシフトさせた軌道データであり、
ワーク加工時に、加工軌道上の同一の姿勢における前記オフセット値を、加工中の力センサの計測値から差し引いて、加工反力を算出し、
前記加工反力を用いて、工具の押付力を制御しながらワークに倣って加工する、ことを特徴とする加工ロボットの重力補償方法が提供される。

さらに、本発明によれば、前記計測軌道は、前記加工軌道に沿っており、かつ、前記加工軌道よりも少なくとも前記ワークに存在するバリの高さよりも離れた位置に準備する。

また、本発明の一実施形態によれば、前記計測軌道における動作時の送り速度は、前記加工軌道における動作時の送り速度よりも高速である。

本発明によれば、外力を計測する力センサを有しワークを加工する工具と、
加工データを記憶する制御装置と、
加工軌道が生成可能なＣＡＭと、を備え、
前記制御装置は、ワークの加工前に、工具を重力方向に対する工具姿勢が一定に保たれるように加工軌道から平行にシフトさせた加工軌道と干渉しない計測軌道において、工具を加工時の姿勢で動作させ、その際の力センサの計測値をオフセット値として記憶し、前記計測軌道は、時系列又は距離ベースの加工軌道データを平行にシフトさせた軌道データであり、
ワークを固定したまま加工位置に固定し、
ワーク加工時に、加工軌道上の同一の姿勢における前記オフセット値を、加工中の力センサの計測値から差し引いて、加工反力を算出し、
前記加工反力を用いて、工具の押付力を制御しながらワークに倣って加工する、ことを特徴とする加工ロボットが提供される。

さらに、本発明によれば、前記計測軌道は、前記加工軌道に沿っており、かつ、前記加工軌道よりも少なくとも前記ワークに存在するバリの高さよりも離れた位置に設定されるようになっている。

また、本発明の一実施形態によれば、前記計測軌道における動作時の送り速度は、前記加工軌道における動作時の送り速度よりも高速になるように設定されている。

上記本発明によれば、ワークの加工前に、加工軌道と干渉しない範囲で準備した計測軌道において、工具を加工時の姿勢で動作させ、その際の力センサの計測値をオフセット値として記憶し、ワーク加工時に、前記加工軌道上の同一の姿勢における前記オフセット値を、加工中の力センサの計測値から差し引いて、加工反力を算出し、これによって工具の押付力を制御しながらワークに倣って加工することによって、重力補償の精度を高め、かつ、計測動作時において工具とワークとの衝突を避け、さらに、計測時間を短縮することを可能とすることができる。

本発明による加工ロボットの全体構成図である。 図１の回転工具の拡大図である。 本発明による重力補償方法のフロー図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明による加工ロボットの全体構成図であり、図２は、図１の回転工具の拡大図である。
図１において、本発明の加工ロボット１０は、回転工具１２、ロボットアーム１６、及びロボット制御装置２０を備える。なお１はワーク（被加工部材）、２はテーブルである。

ワーク１は、加工ロボット１０により、バリ取り、Ｃ面取り、又はラウンドエッジ加工される被加工部材であり、例えば鋳鉄等の硬い材質からなる。
ワーク１は、この例ではテーブル２の上面の所定位置に正確に固定されている。

図２において、工具１２は、回転砥石１３、スピンドルモータ１４からなる。工具１２は、力センサ１５を介してロボットアーム１６に設置される。

回転砥石１３は、軸心を中心とする外周面１３ａに加工面を有する砥石である。
この例において、回転砥石１３の形状は円柱形であるが、本発明はこれに限定されず、円錐形、接頭円錐形、球形、その他の形状であってもよい。また、回転砥石１３は砥石に限定されず、その他の工具（カッターやブラシ）であってもよい。
また、工具は、回転工具に限定されず、往復運動する工具や、工具自体は動作しない棒やすり等の工具であってもよい。

スピンドルモータ１４は、回転砥石１３をその軸心を中心に回転駆動する電動モータである。スピンドルモータ１４の回転速度は、ロボット制御装置２０により所定の範囲で可変に制御される。なお、スピンドルモータ１４は電動モータに限定されず、エアモータであってもよい。

力センサ１５は、回転砥石１３に作用する外力を検出するセンサである。
この例において、力センサ１５は直交３軸方向の力（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ）と各軸周りのトルク（Ｔｘ、Ｔｙ、Ｔｚ）を計測可能な６軸センサであり、３次元的に移動可能なロボットアーム１６に取り付けられ、これに作用する６自由度の外力（３方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚと、３軸周りのトルクＴｘ、Ｔｙ、Ｔｚ）を検出するようになっている。
なお、本発明はこれに限定されず、ワーク１に対する押付け力が検出できる限りで、その他の力センサであってもよい。

図１において、ロボットアーム１６は、手先に回転工具１２を取付け、これを３次元空間内で位置と姿勢を移動可能に構成されている。
ロボットアーム１６は、この例では、多関節ロボットのロボットアーム１６であるが、本発明はこれに限定されず、その他のロボットであってもよい。

ロボット制御装置２０は、記憶装置２１に加工データを記憶しロボットアーム１６を制御する。
ロボット制御装置２０は、例えば数値制御装置であり、指令信号によりロボットアーム１６を６自由度（３次元位置と３軸周りの回転）に制御するようになっている。

記憶装置２１に記憶された加工データは、加工軌道データテーブルと加工条件データからなる。
加工軌道データテーブルは、工具１２のＴＣＰの目標位置姿勢（Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ａ、Ｂ、Ｃ）と、押付け方向ベクトルからなる。これらはワーク１の３ＤＣＡＤモデルから自動的に生成する。
加工条件データは、送り速度、工具１２の回転速度、押付け力である。
さらに、力センサ１５の計測値も、オフセット値として記憶装置２１に記憶される。
これらの加工データは、工具１２のＴＣＰの目標位置、押付け方向ベクトル、送り速度、工具１２の回転速度、押付け力、及び力センサ１５のオフセット値（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｔｘ、Ｔｙ、Ｔｚ）の時系列データ又は距離ベースデータであるのがよい。

図３は、本発明による重力補償方法のフロー図である。
本発明の重力補償方法は、上述した装置を用い、外力を計測する力センサ１５を備えた工具１２を用い、加工中に工具１２に作用する加工反力を計測しながらワーク１を加工する加工ロボット１０の重力補償方法である。

図３において、本発明の方法は、軌道生成ステップＳ１、計測運転ステップＳ２、加工運転ステップＳ３からなる。

軌道生成ステップＳ１では、ワーク加工前に、ワークの３ＤＣＡＤモデルから加工軌道を自動生成する。

上記加工軌道は、例えば、単位時間毎（ｔ［ｓeｃ］）にロボット目標位置姿勢及び押付方向ベクトルを記憶した複数の加工軌道データからなる。
ロボット目標位置姿勢は、例えば、各軸方向の座標（Ｘ［ｍｍ］，Ｙ［ｍｍ］，Ｚ［ｍｍ］）、各軸周回りの回転角度（Ａ［ｄｅｇ］，Ｂ［ｄｅｇ］，Ｃ［ｄｅｇ］）からなる。
また、押付方向ベクトルは、各単位時間において工具１２を押付ける方向を表す単位ベクトルであり、例えば、Ｘ軸方向の押付方向ベクトルを表すｖｘ、Ｙ軸方向の押付方向ベクトルを表すｖｙ、Ｚ軸方向の押付方向ベクトルを表すｖｚからなる。

計測運転ステップＳ２では、加工軌道を一定量シフトさせた計測軌道を使用し、工具１２を加工時の回転速度及び姿勢で操作させ、その際の力センサ１５の計測値（Ｆｘ［Ｎ］，Ｆｙ［Ｎ］，Ｆｚ［Ｎ］，Ｔｘ［Ｎｍ］，Ｔｙ［Ｎｍ］，Ｔｚ［Ｎｍ］）をオフセット値として時系列又は距離ベースで記憶する。

計測軌道は、加工軌道データテーブルを元に、加工軌道から押付方向の負方向に一定距離平行にシフトさせた位置に設定する。
加工軌道から平行にシフトさせることによって、重力方向に対する工具姿勢は一定に保たれるため、後の加工時に、同姿勢での計測データとの比較によって、高精度に加工反力を算出できる。
かかる方法を用いることによって、計測運転実施中に工具とワークとが衝突することを避けることができる。

また、計測運転において，実際の運転時間のＮ倍の時刻に対応する加工軌道データを参照してロボットに目標指令値を与えることで、加工運転に比べて送り速度をＮ倍とした計測動作を行うことが可能になる。例えば、計測運転における送り速度を加工運転時の２倍とする場合には、加工軌道データテーブルから加工軌道データを１つおきに参照する。

加工運転ステップＳ３では、ワーク１の加工時に、加工軌道上の同一の回転速度及び姿勢におけるオフセット値を、加工中の力センサ１５の計測値から差し引いて、加工反力を算出する。また、このステップＳ２では、同時に算出した加工反力を用いて、工具の押付力を制御しながらワーク１に倣って加工する。

上述した加工ロボット１０の動作を以下に説明する。

（１）予め、ワーク１の３ＤＣＡＤモデルから加工軌道データをＣＡＭ（ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｉｄｅｄ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）によって生成しておく。これに、加工条件データを使って、時系列による加工軌道データテーブルを作成する。
加工軌道データテーブルの構成は、例えば、時刻、ロボットＴＣＰの目標位置姿勢（Ｘ［ｍｍ］，Ｙ［ｍｍ］，Ｚ［ｍｍ］，Ａ[ｄｅｇ]，Ｂ[ｄｅｇ]，Ｃ[ｄｅｇ]）、押付け方向ベクトル、送り速度、回転速度、及び押付力からなる。

（２）次に、加工工具１２をワーク１に接触させないため、目標軌道から押し付け方向に一定量シフトさせた軌道で、ロボットを加工時の送り速度、回転速度及び姿勢で動作させ、各時刻における力センサ１５の計測値をオフセット値として取得し、加工軌道データテーブルに追加する。
力センサ１５の計測値を追加後の加工軌道データテーブルの構成は、例えば、時刻、ロボットＴＣＰの目標位置姿勢（Ｘ［ｍｍ］，Ｙ［ｍｍ］，Ｚ［ｍｍ］，Ａ[ｄｅｇ]，Ｂ[ｄｅｇ]，Ｃ[ｄｅｇ]）、押付け方向ベクトル、送り速度、回転速度、押付力、及び力センサ１５のオフセット値（Ｆｘ［Ｎ］，Ｆｙ［Ｎ］，Ｆｚ［Ｎ］，Ｔｘ［Ｎｍ］，Ｔｙ［Ｎｍ］，Ｔｚ［Ｎｍ］）からなる。
シフト量は、ワーク１に存在するバリの高さよりも多く設定する必要がある。例えば、上記バリが最大で１ｍｍであれば、１ｍｍ以上のシフト量を設定する必要がある。

（３）次に、工具の押付力を制御しながらワーク１に倣ってワーク１を加工する。例えば、一般的な位置と力のハイブリッド制御による倣い加工を実施する。この場合、押付け方向について工具１２の押付力が目標値になるように力制御し、目標軌道の接線方向には位置制御を行う。これにより、押付け方向の力が目標値になるように押付けながら、目標軌道に沿って倣うことができる。このとき、力センサ１５の計測値から、加工軌道データテーブル中のオフセット値を差し引いて、加工反力を算出する。

なお、加工軌道データテーブルは、時系列でなく、軌道に沿った距離、ロボットＴＣＰの目標位置姿勢（Ｘ［ｍｍ］，Ｙ［ｍｍ］，Ｚ［ｍｍ］，Ａ[ｄｅｇ]，Ｂ[ｄｅｇ]，Ｃ[ｄｅｇ]）、押付け方向ベクトル、送り速度、回転速度、押付力、及び力センサ１５のオフセット値（Ｆｘ［Ｎ］，Ｆｙ［Ｎ］，Ｆｚ［Ｎ］，Ｔｘ［Ｎｍ］，Ｔｙ［Ｎｍ］，Ｔｚ［Ｎｍ］）からなる距離ベースの構成にしてもよい。

また、力センサ１５のオフセット値は加工軌道データテーブルとは別のデータテーブルとしてもよい。例えば、計測動作において、計測動作中のロボットＴＣＰの姿勢（Ａ[ｄｅｇ]，Ｂ[ｄｅｇ]，Ｃ[ｄｅｇ]）、及び力センサ１５のオフセット値（Ｆｘ［Ｎ］，Ｆｙ［Ｎ］，Ｆｚ［Ｎ］，Ｔｘ［Ｎｍ］，Ｔｙ［Ｎｍ］，Ｔｚ［Ｎｍ］）からなるオフセットデータテーブルを作成し、加工動作中に、加工軌道データテーブルからロボットＴＣＰの目標位置姿勢（Ｘ［ｍｍ］，Ｙ［ｍｍ］，Ｚ［ｍｍ］，Ａ[ｄｅｇ]，Ｂ[ｄｅｇ]，Ｃ[ｄｅｇ]）を参照し、その目標姿勢（Ａ[ｄｅｇ]，Ｂ[ｄｅｇ]，Ｃ[ｄｅｇ]）を使って、前述のオフセットデータを参照する、という構成にしてもよい。

さらに、加工軌道データテーブル中で、加工中に変化させないパラメータは、データテーブルとする必要はない。例えば、回転速度や送り速度が一定であれば、時刻、ロボットＴＣＰの目標位置姿勢（Ｘ［ｍｍ］，Ｙ［ｍｍ］，Ｚ［ｍｍ］，Ａ[ｄｅｇ]，Ｂ[ｄｅｇ]，Ｃ[ｄｅｇ]）、押付け方向ベクトル、押付力、力センサ１５のオフセット値（Ｆｘ［Ｎ］，Ｆｙ［Ｎ］，Ｆｚ［Ｎ］，Ｔｘ［Ｎｍ］，Ｔｙ［Ｎｍ］，Ｔｚ［Ｎｍ］）の構成であってもよい。

また、加工軌道のロボット目標位置姿勢のうち、ロボットＴＣＰの目標位置（Ｘ［ｍｍ］，Ｙ［ｍｍ］，Ｚ［ｍｍ］）を空間上のある点に固定する方法であってもよい。
かかる場合には、実際に加工する空間とは全く別の場所で計測動作をすることが可能になるが、工具の慣性力やコリオリ力による誤差を補償できないため、これらの影響が無視できる低速域で使用する必要がある。また、ロボットの絶対位置決め誤差の影響が加わることに留意が必要である。

本発明によれば、計測動作実施中に工具とワークとが衝突することを避けることができるため、ワークをセットしたまま、オフセットデータの計測・加工が可能となり、加工反力の計測精度を高めることができる。そのため、ワークを外して計測を実施した場合に、ワークが元の位置とずれた状態でセットし直してしまうということを防ぐことができる。
また、工具の加速度や姿勢変化速度が比較的小さい場合は、送り速度を上げても重力補償精度への影響は小さいため、計測時間を短縮できる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

１ ワーク（被加工部材）、２ テーブル、
１０ 加工ロボット、１２ 工具、
１３ 回転砥石、１３ａ 外周面、
１４ スピンドルモータ、１５ 力センサ、
１６ ロボットアーム、
２０ ロボット制御装置、
２１ 記憶装置

Claims (6)

1. 外力を計測する力センサを備えた工具を用い、加工中に工具に作用する加工反力を計測しながらワークを加工する加工ロボットの重力補償方法であって、
   ワークを固定したまま加工位置に固定し、
   加工軌道をＣＡＭによって生成し、
   ワークの加工前に、工具を重力方向に対する工具姿勢が一定に保たれるように加工軌道から平行にシフトさせた加工軌道と干渉しない計測軌道において、工具を加工時の姿勢で動作させ、その際の力センサの計測値をオフセット値として記憶し、前記計測軌道は、時系列又は距離ベースの加工軌道データを平行にシフトさせた軌道データであり、
   ワーク加工時に、加工軌道上の同一の姿勢における前記オフセット値を、加工中の力センサの計測値から差し引いて、加工反力を算出し、
   前記加工反力を用いて、工具の押付力を制御しながらワークに倣って加工する、ことを特徴とする加工ロボットの重力補償方法。
2. 前記計測軌道は、前記加工軌道に沿っており、かつ、前記加工軌道よりも少なくとも前記ワークに存在するバリの高さよりも離れた位置に準備する、ことを特徴とする請求項１に記載の加工ロボットの重力補償方法。
3. 前記計測軌道における動作時の送り速度は、前記加工軌道における動作時の送り速度よりも高速である、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の加工ロボットの重力補償方法。
4. 外力を計測する力センサを有しワークを加工する工具と、
   加工データを記憶する制御装置と、
   加工軌道が生成可能なＣＡＭと、を備え、
   前記制御装置は、ワークの加工前に、工具を重力方向に対する工具姿勢が一定に保たれるように加工軌道から平行にシフトさせた加工軌道と干渉しない計測軌道において、工具を加工時の姿勢で動作させ、その際の力センサの計測値をオフセット値として記憶し、前記計測軌道は、時系列又は距離ベースの加工軌道データを平行にシフトさせた軌道データであり、
   ワークを固定したまま加工位置に固定し、
   ワーク加工時に、加工軌道上の同一の姿勢における前記オフセット値を、加工中の力センサの計測値から差し引いて、加工反力を算出し、
   前記加工反力を用いて、工具の押付力を制御しながらワークに倣って加工する、ことを特徴とする加工ロボット。
5. 前記計測軌道は、前記加工軌道に沿っており、かつ、前記加工軌道よりも少なくとも前記ワークに存在するバリの高さよりも離れた位置に設定されるようになっている、ことを特徴とする請求項４に記載の加工ロボット。
6. 前記計測軌道における動作時の送り速度は、前記加工軌道における動作時の送り速度よりも高速になるように設定されている、ことを特徴とする請求項４又は５に記載の加工ロボット。