JP6008795B2 - ロボットセルシステムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、セル生産方式に従って製品の生産を行うロボットセルシステム、ロボットセル装置および方法に関する。

製品を生産する方式として、セル生産方式がある。セル生産方式とは、１人または数人で製品の組立てを完了する方式である。近年では、セル生産方式においても、人が行っていた作業がロボットによって自動化されようとしている。以降、１以上のロボットを備え、セル生産方式に従って製品を生産する一単位の装置を、ロボットセル装置（または単にセル）という。ロボットセル装置によれば、ベルトコンベアを利用して流れ作業で製品を組立てるライン生産方式において実行されていた複数の工程を、１台のロボットが担当する。ロボットセル装置を用いることによって、ライン生産方式に比べて、省スペースであること、設備導入による初期コストが削減されること、生産計画に応じた設備投資が容易であること、生産調整が容易であること、品種変更が容易であること、などのメリットが得られる。

ロボットを用いた生産現場において勘合作業または押付け作業が実施される際には、力覚制御が利用される。力覚制御とは、手先部に具備された力覚センサーが出力する力測定値をフィードバック値として用いながらモータを駆動する制御をいう。力覚センサーは、一般的に、衝撃に弱くかつ高価である。力覚センサーは、周囲との干渉などにより容易に破損する。従って、力覚センサーの使用に際しては十分な検討と慎重な運用とが必要であった。

力覚センサーに関するコストを抑制する技術として、例えば特許文献１には、手先部に対して作用する３方向の外力を検出することができる３軸力覚センサーを用いて、当該３軸力覚センサーでは検出することができないモーメントを推定する技術が開示されている。特許文献１の技術によれば、６軸力覚センサーの替わりに６軸力覚センサーよりも安価な３軸力覚センサーを用いることが可能となる。

特開２０１２−１３５８２５号公報

ロボットセル装置単体の生産量はライン生産方式のそれに比べて少ない。そこで、必要な生産量を確保するために、同一の動作を実行するロボットセル装置（コピーセル）を複数設置して運用することが考えられる。ライン生産方式によれば、力覚制御が必要な工程を実行するロボットのみに力覚センサーを搭載することによって、使用する力覚センサーの数を節約することができる。これに対し、ロボットセル装置が具備するロボットは、力覚制御を必要とする工程を含む複数の工程を実行するため、少なくともセル毎に力覚センサーが必要となる。したがって、コピーセルの数が増加するに従って力覚センサーの必要数が増加する。

また、ロボットセル装置によれば、力覚制御を必要とする工程および力覚制御を必要としない工程の両方を１台のロボットが実行する場合がある。その場合には、力覚制御を必要としない工程を実行する際においても力覚センサーを搭載した状態のロボットを動作させることになるため、手先部の取り扱いを慎重に行う必要が生じる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、力覚センサーの使用数を減らしたロボットセルシステム、ロボットセル装置および方法を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、手先部に力覚センサーが配設された第１のロボットを備える第１のロボットセル装置と、力覚センサーを具備しない第２のロボットを備える、ワークに対して前記第１のロボットセル装置と同等の動作を実行するための第２のロボットセル装置と、を備えるロボットセルシステムであって、前記第１のロボットセル装置は、前記力覚センサーによる力測定値をロボットのモータ駆動にフィードバックして電流値を演算する力覚制御を実行して、前記演算された電流値の電流を前記第１のロボットに供給する力覚制御部と、前記力覚制御部が力覚制御を実行中に前記電流値を作業位置毎に記録した基準データを生成する基準データ生成部と、を備え、前記第２のロボットセル装置は、前記基準データ生成部が生成した基準データを予め記憶する基準データ記憶部と、力覚制御を指令された際に、作業位置を演算し、前記演算した作業位置と前記基準データとを用いて電流値を取得し、前記取得した電流値の電流を前記第２のロボットに供給する擬似力覚制御部と、を備える、ことを特徴とする。

本発明によれば、第２のロボットセル装置は力覚センサーを具備せずとも力覚制御と同等の制御を実現することができるので、力覚センサーの使用数を減らすことができる。

図１は、ロボットセルシステムの概要を説明する図である。 図２は、基準セルの構成を示す図である。 図３は、コピーセルの構成を示す図である。 図４は、製品を生産する過程において力覚制御が指令された際のモータ電流値を示す図である。 図５は、製品を生産する過程において力覚制御が指令された際のモータ電流値を示す図である。

以下に、本発明にかかるロボットセルシステム、ロボットセル装置および方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、本発明の実施の形態のロボットセルシステムの概要を説明する図である。ロボットセルシステム１００は、１つの基準セル１および複数のコピーセル２を備えて構成される。コピーセル２は、ワークに対して基準セル１と同等の動作を行うようにプログラムされる。基準セル１とコピーセル２とが並行して夫々製品を生産することで、単位時間当たりの生産量をセル（基準セル１およびコピーセル２）の数に応じて増加させることが可能となる。

基準セル１は、２台のロボット１３を備えている。ロボット１３は、手先部に力覚センサー１６が配設されている。力覚センサー１６は、手先部に作用する外力を測定することができる。基準セル１は、力覚センサー１６による力測定値をロボット１３のモータ駆動にフィードバックする力覚制御を実行することが可能である。基準セル１は、力覚制御を用いた動作を実行時に、各軸の電流値を作業位置毎に記録した基準データ３を生成する。

コピーセル２は、夫々２台のロボット２３を備えている。ロボット２３は、力覚センサーを具備しない。コピーセル２は、基準セル１によって生成された基準データ３が予め設定される。コピーセル２は、力覚センサーを具備しないが、基準データ３を使用することによって、基準セル１において実行される力覚制御を用いた動作と同等の動作を実行することができる。なお、基準データ３に基づく制御を擬似力覚制御と表記することがある。

なお、基準セル１が備えるロボット１３の数は２つに限定されない。また、ロボット１３のタイプは、設計者によって任意に選択される。ロボット１３のタイプは、垂直多関節ロボットであってもよいし、水平多関節ロボットであってもよい。また、例えば、コピーセル２は基準セル１と同じ製品を生産することができるように、コピーセル２が備えるロボット２３は、力覚センサー１６を除いてロボット１３と同じに構成される。

図２は、基準セル１の構成を示す図である。基準セル１は、ロボット制御装置１０と、ロボット１３とを備えている。図２は、簡単のために、ロボット１３を１つのみ示している。

ロボット１３は、モータ１４と、エンコーダ１５と、力覚センサー１６とを備えている。モータ１４は、ロボット１３の軸毎に具備される。ロボット１３が例えば６軸ロボットである場合には、モータ１４は少なくとも６個具備される。エンコーダ１５は、モータ１４毎に具備され、モータ１４の位置を検出する。力覚センサー１６は、ロボット１３の手先部に配設され、手先部に作用する外力を測定する。

ロボット制御装置１０は、基準データ生成部１１および力覚制御部１２を備えている。力覚制御部１２は、モータ１４にモータ電流を逐次供給し、ロボット１３を駆動する。また、力覚制御部１２は、エンコーダ１５による位置検出値および力覚センサー１６による力測定値が逐次供給される。力覚制御部１２は、力覚センサー１６による力測定値を用いて力覚制御を実行する。即ち、力覚制御部１２は、力測定値をフィードバック値として用いることによって、モータ１４に供給する電流の電流値（モータ電流値）を演算する。また、力覚制御部１２は、エンコーダ１５による位置検出値に基づいて、手先部の位置（ロボット座標）およびロボット１３の姿勢（姿勢データ）を逐次演算する。基準データ生成部１１は、力覚制御が実行されている間にモータ電流値とロボット座標および姿勢データとの対応関係を逐次記録することによって、基準データ３を生成する。以降、ロボット座標および姿勢データを総称して、作業位置とよぶことがある。

なお、モータ電流値と作業位置との対応関係が記録されるタイミングは特定のタイミングに限定されない。所定の時間間隔で記録されてもよいし、手先部の軌跡を所定の手法で分割して得られる複数のポイントの夫々に手先部が到達する毎に記録されてもよい。また、演算周期毎または演算周期の整数倍の周期毎に記録されてもよい。

図３は、コピーセル２の構成を示す図である。コピーセル２は、ロボット制御装置２０と、ロボット２３とを備えている。

ロボット２３は、モータ２４およびエンコーダ２５を備えている。ロボット２３は、前述したように、基準セル１のロボット１３から力覚センサー１６を取り除いた構成を備えている。

ロボット制御装置２０は、基準データ記憶部２１および擬似力覚制御部２２を備えている。基準データ記憶部２１は、基準セル１の基準データ生成部１１によって生成された基準データ３を予め記憶する。

擬似力覚制御部２２は、エンコーダ２５による位置検出値が逐次供給される。擬似力覚制御部２２は、エンコーダ２５による位置検出値に基づいて、手先部の位置（ロボット座標）およびロボット２３の姿勢（姿勢データ）を逐次演算する。即ち、擬似力覚制御部２２は、ロボット２３の作業位置を演算する。擬似力覚制御部２２は、基準データ記憶部２１が記憶する基準データ３を参照することによって、演算された作業位置に対応するモータ電流値を逐次取得する。そして、擬似力覚制御部２２は、取得したモータ電流値のモータ電流をモータ２４に供給する。

図４および図５は、製品を生産する過程において力覚制御が指令された際のモータ電流値を示す図である。ここでは、ロボット１３、２３は夫々６軸ロボットであるものとしている。ワークＡおよびワークＢは、夫々、製品の一部を構成する部品である。

図４に示すように、基準セル１においては、ロボット１３が固定されたテーブル１７側のモータ１４から手先部側のモータ１４の順番に、Ａｊ１、Ａｊ２、Ａｊ３、Ａｊ４、Ａｊ５およびＡｊ６のモータ電流が夫々供給され、結果として、手先部は、ワークＢをワークＡに対してＮａの力で押し付けることができる。Ａｊ１、Ａｊ２、Ａｊ３、Ａｊ４、Ａｊ５およびＡｊ６は、夫々、力覚センサー１６による力測定値に基づいて演算されたモータ電流値である。

図５に示すように、コピーセル２においては、ロボット２３が固定されたテーブル２７側のモータ２４から手先部側のモータ２４の順番に、Ａｊ１、Ａｊ２、Ａｊ３、Ａｊ４、Ａｊ５およびＡｊ６のモータ電流が夫々供給され、結果として、手先部は、ワークＢをワークＡに対してＮａ’の力で押し付けることができる。Ａｊ１、Ａｊ２、Ａｊ３、Ａｊ４、Ａｊ５およびＡｊ６は、夫々、基準データ３から取得されたモータ電流値である。基準セル１とコピーセル２とは、ロボット１３、２３に関して力覚センサー１６を除いて同じ構成を有しているので、ワークＡおよびワークＢに大きな製造ばらつきがなければ、ＮａとＮａ’とはほとんど一致する。即ち、コピーセル２は、力覚センサー１６を具備していないにもかかわらず力覚制御による動作と同等の動作を実行することができる。

なお、力覚制御を必要としない動作の実現手法は任意である。例えば、基準セル１およびコピーセル２は、力覚制御を必要としない動作を位置制御または速度制御に基づいて実行するように構成されてもよい。例えば、第１ポイントから第２ポイントまで位置制御を用いて手先部を移動させ、その後に第２ポイントから第３ポイントまで力覚制御を用いて手先部を移動させる動作が指令された場合において、手先部を第１ポイントから第２ポイントまで移動させる動作は、基準セル１とコピーセル２とで同一の構成（またはプログラム）に基づいて、位置制御または速度制御によって実現される。第２ポイントから第３ポイントまで手先部を移動させる際には（即ち力覚制御が指令された際には）、基準セル１においては、力覚制御部１２が力覚センサー１６による力測定値を用いた力覚制御を実行し、コピーセル２においては、擬似力覚制御部２２が基準データ３を用いた擬似力覚制御を実行する。これにより、基準セル１とコピーセル２とは、同等の動作を実行することができるので、同等の製品を生産することができる。

また、擬似力覚制御の実行中における異常検出の手法は任意である。例えば、擬似力覚制御部２２にて演算されたロボット座標または姿勢データが基準データ３に記録された値から所定距離以上離れた場合に異常が発生したと判定されるようにしてもよい。また、擬似力覚制御部２２にて演算されたロボット座標または姿勢データが基準データ３に記録された軌跡の途中で所定時間以上停止した場合に異常が発生したと判定されるようにしてもよい。

また、ロボット制御装置１０、２０が備える夫々の構成要素は、専用のハードウェアで実現されてもよいし、ソフトウェアで実現されてもよい。ソフトウェアで実現するとは、演算装置および記憶装置を備えるコンピュータにおいて、構成要素に対応するプログラムモジュールを記憶装置に格納しておき、当該記憶装置に格納されているプログラムモジュールを演算装置が実行することによって当該構成要素の機能を実現することである。基準データ記憶部２１は、例えば、メモリまたはレジスタなどの、記憶装置を用いて構成される。

また、ロボットセルシステム１００が備える基準セル１の数は複数であってもよい。また、基準データ３はひとつの基準セル１によって生成されるものとして説明したが、複数の基準セル１によって生成されるようにしてもよい。例えば、複数の基準セル１の夫々が作業位置毎のモータ電流値を記録し、基準データ３は、複数の記録に対して所定の演算（平均化など）が実行されて生成されるようにしてもよい。また、１つの基準セル１が同じ力覚制御を複数回実行して、力覚制御を実行する毎に制御作業位置毎のモータ電流値を記録し、複数回分の記録に対して所定の演算を実行することによって基準データ３を生成するようにしてもよい。また、基準データ３のデータ形式はテーブル形式だけに限定されない。また、ロボットセルシステム１００において製品が量産される際には、コピーセル２だけで製品が生産されるように運用されてもよい。

以上述べたように、本発明の実施の形態によれば、手先部に力覚センサー１６を備えるロボット１３を具備する基準セル１は、力覚センサー１６による力測定値をフィードバックしてモータ電流値を演算する力覚制御を実行する。そして、基準セル１は、力覚制御を実況中に、作業位置とモータ電流値との対応関係を基準データ３に記録する。基準データ３は、手先部に力覚センサー１６を備えないロボット２３を具備するコピーセル２に設定される。コピーセル２は、力覚制御を指令された際には、作業位置を演算し、演算した作業位置と基準データ３とに基づいてモータ電流値を取得する。これにより、コピーセル２は力覚センサー１６を具備せずとも力覚制御と同等の制御を実現することができるので、基準セル１を複数用意する場合に比べて力覚センサー１６の使用数を低減することができるようになる。ロボットセルシステム１００において使用される力覚センサー１６の数を低減することができるので、ロボットセルシステム１００のコストを低減することができる。

以上のように、本発明にかかるロボットセルシステム、ロボットセル装置および方法は、セル生産方式に従って製品の生産を行うロボットセルシステム、ロボットセル装置および方法に適用して好適である。

１ 基準セル、２ コピーセル、３ 基準データ、１０，２０ ロボット制御装置、１１ 基準データ生成部、１２ 力覚制御部、１３，２３ ロボット、１４，２４ モータ、１５，２５ エンコーダ、１６ 力覚センサー、１７，２７ テーブル、２１ 基準データ記憶部、２２ 擬似力覚制御部、１００ ロボットセルシステム。

Claims (2)

1. 手先部に力覚センサーが配設された第１のロボットを備える第１のロボットセル装置と、力覚センサーを具備しない第２のロボットを備える、ワークに対して前記第１のロボットセル装置と同等の動作を実行するための第２のロボットセル装置と、を備えるロボットセルシステムであって、
   前記第１のロボットセル装置は、
   前記力覚センサーによる力測定値をフィードバックして電流値を演算する力覚制御を実行して、前記演算された電流値の電流を前記第１のロボットに供給する力覚制御部と、
   前記力覚制御部が力覚制御を実行中に前記電流値を作業位置毎に記録した基準データを生成する基準データ生成部と、
   を備え、
   前記第２のロボットセル装置は、
   前記基準データ生成部が生成した基準データを予め記憶する基準データ記憶部と、
   力覚制御を指令された際に、作業位置を演算し、前記演算した作業位置と前記基準データとを用いて電流値を取得し、前記取得した電流値の電流を前記第２のロボットに供給する擬似力覚制御部と、
   を備える、
   ことを特徴とするロボットセルシステム。
2. 手先部に力覚センサーが配設された第１のロボットを備える第１のロボットセル装置が、前記力覚センサーによる力測定値をフィードバックして前記第１のロボットに供給する電流の電流値を決める力覚制御を実行した際に、前記電流値を作業位置毎に記述した基準データを生成する第１ステップと、
   力覚センサーを具備しない第２のロボットを備える第２のロボットセル装置がワークに対して前記第１のロボットセル装置と同等の動作を実行することによって製品を生産する第２ステップと、
   を備え、
   前記第２ステップは、
   前記第２のロボットセル装置が、力覚制御を指令された際に、作業位置を演算し、前記演算した作業位置と前記基準データとを用いて電流値を取得し、前記取得した電流値の電流を前記第２のロボットに供給する第３ステップ、
   を備える、
   ことを特徴とする方法。

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