JP6484213B2

JP6484213B2 - 複数のロボットを含むロボットシステム、ロボット制御装置、及びロボット制御方法

Info

Publication number: JP6484213B2
Application number: JP2016239276A
Authority: JP
Inventors: 崇紘岡元
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2016-12-09
Filing date: 2016-12-09
Publication date: 2019-03-13
Anticipated expiration: 2036-12-09
Also published as: CN108214454B; CN108214454A; DE102017128652A1; US10456917B2; JP2018094649A; US20180161979A1; DE102017128652B4

Description

本発明は、複数のロボットを含むロボットシステム、該ロボットシステムにおけるロボット制御装置、及びロボット制御方法に関する。

生産現場等において複数のロボットを使用する場合、ワークを把持する先導ロボットの動きに合わせ、作業ツールを備えた追従ロボットの位置や速度を制御する協調制御を行うことがある。このような協調制御では、先導ロボットの最終軸に固定・設定された座標系に基づいて、ユーザが追従ロボットの相対的な位置及び速度を教示する方法が用いられる場合がある。

複数のロボットを使用する協調作業では、正確な作業を行うために、ロボット間の位置ズレを検出して補正する必要が生じ得る。これに関連する従来技術として、例えば特許文献１には、位置決めロボットと作業ロボットとの協調作業の際に生じ得る位置ズレを、慣性センサを用いて検出して補正することを企図した技術が記載されている。

特許文献２には、複数のロボットが協調動作するに必要なロボット座標系間の変換行列を簡単に求め得るロボット間座標変換行列の設定方式と、変換時の誤差を補正する補正方式とが記載されている。

また特許文献３には、双腕ロボットの協調動作時に発生する相対誤差を抑制し、協調動作をより高速に、正確に実行することを企図した双腕ロボット装置の制御装置が記載されている。

さらに特許文献４には、ロボットを停止させずにハンドによるワークの把持状態を観測できるようにして、専用のコンベアを要しないワーク搬送装置が開示されており、さらに、ロボットのハンドによるワークの所定の把持状態を予め記憶する手段と、該所定の把持状態と視覚センサにより認識された把持状態とを比較して誤差を求める手段と、該誤差に基づきロボットのワーク搬送先の位置を補正する手段が記載されている。

特開２０１０−２７４３９６号公報特開平０９−２０７０８８号公報特開２００４−１１４１６１号公報特開２００４−２４９３９１号公報

複数のロボットを含むシステムでは、例えば２つのロボットが独立に動作してそれぞれワークを把持し、その後、２つのワークの相対的な位置及び姿勢を保ちながら、２つのロボットを協調して動作させるような、いわゆる協調制御を行う場合がある。しかし、各々のロボットが自らの位置ズレを独立に補正した場合、協調制御時に補正後の両ロボットの相対位置関係が変化してしまうことがある。例えば、各々のロボットがそれぞれのワークを把持する際に発生し得る把持ズレに対して独立に補正を適用した場合、協調制御を開始した時に、その直前の教示時のワーク間の相対的な位置姿勢関係が保たれなくなる場合がある。

本開示の一態様は、先導ロボット及び追従ロボットを含み、前記先導ロボット及び前記追従ロボットがそれぞれ第１のワーク及び第２のワークを把持して所定の位置まで互いに独立して移動し、その後、前記第１のワークと前記第２のワークとの間の相対的な位置姿勢関係を維持しながら前記追従ロボットが前記先導ロボットの動作に追従して動作する協調制御の教示を行えるように構成されたロボットシステムであって、予め定めた第１の位置姿勢に対する前記先導ロボットの教示された位置姿勢の第１の把持ズレを検出する第１の検出部と、前記第１の把持ズレに基づいて前記先導ロボットの位置姿勢を補正する第１の補正部と、予め定めた第２の位置姿勢に対する前記追従ロボットの教示された位置姿勢の第２の把持ズレを検出する第２の検出部と、前記第２の把持ズレに基づいて前記追従ロボットの位置姿勢を補正する第２の補正部と、を備え、前記追従ロボットの教示点は、前記協調制御が行われている間は、前記第１の補正部によって補正された前記先導ロボットの位置姿勢及び前記第２の補正部によって補正された前記追従ロボットの位置姿勢の双方に基づいて計算される、ロボットシステムを提供する。

本開示の他の態様は、先導ロボット及び追従ロボットを含み、前記先導ロボット及び前記追従ロボットがそれぞれ第１のワーク及び第２のワークを把持して所定の位置まで互いに独立して移動し、その後、前記第１のワークと前記第２のワークとの間の相対的な位置姿勢関係を維持しながら前記追従ロボットが前記先導ロボットの動作に追従して動作する協調制御の教示を行えるように構成されたロボットシステムに含まれるロボット制御装置であって、予め定めた第１の位置姿勢に対する前記先導ロボットの教示された位置姿勢の第１の把持ズレに基づいて、前記先導ロボットの位置姿勢を補正する第１の補正部と、予め定めた第２の位置姿勢に対する前記追従ロボットの教示された位置姿勢の第２の把持ズレに基づいて前記追従ロボットの位置姿勢を補正する第２の補正部と、を備え、前記追従ロボットの教示点は、前記協調制御が行われている間は、前記第１の補正部によって補正された前記先導ロボットの位置姿勢及び前記第２の補正部によって補正された前記追従ロボットの位置姿勢の双方に基づいて計算される、ロボット制御装置を提供する。

本開示のさらなる他の態様は、先導ロボット及び追従ロボットを含み、前記先導ロボット及び前記追従ロボットがそれぞれ第１のワーク及び第２のワークを把持して所定の位置まで互いに独立して移動し、その後、前記第１のワークと前記第２のワークとの間の相対的な位置姿勢関係を維持しながら前記追従ロボットが前記先導ロボットの動作に追従して動作する協調制御の教示を行えるように構成されたロボットシステムにおけるロボット制御方法であって、予め定めた第１の位置姿勢に対する前記先導ロボットの教示された位置姿勢の第１の把持ズレを検出することと、前記第１の把持ズレに基づいて前記先導ロボットの位置姿勢を補正することと、予め定めた第２の位置姿勢に対する前記追従ロボットの教示された位置姿勢の第２の把持ズレを検出することと、前記第２の把持ズレに基づいて前記追従ロボットの位置姿勢を補正することと、前記協調制御が行われている間は、補正された前記先導ロボットの位置姿勢及び補正された前記追従ロボットの位置姿勢の双方に基づいて前記追従ロボットの教示点を計算することと、を含むロボット制御方法を提供する。

上記本開示の態様によれば、先導ロボットの第１のズレ及び追従ロボットの第２のズレの双方に基づいて追従ロボットの位置姿勢が補正されるので、教示時点では未知の補正量を考慮することが望まれる協調制御においても、容易かつ正確な教示を行うことができる。

本発明の好適な実施形態に係るロボットシステムの概略構成例を示す図である。図１のロボットシステムにおける処理の一例を示すフローチャートである。図１のロボットシステムにおいて、ワークの把持ズレに伴うロボットの位置姿勢の補正を説明する図である。

図１は、本発明の好適な実施形態に係る、複数（図示例では２台）のロボットを用いて協調作業を行うロボットシステムの概略構成例を示す図である。システム１０は、先導（第１の）ロボット１２及び追従（第２の）ロボット１４を含み、追従ロボット１４が先導ロボット１２の動作に追従して動作する協調制御を行えるように構成されている。また先導ロボット１２及び追従ロボット１４の動作は、それぞれ第１のロボット制御装置１６及び第２のロボット制御装置１８によって制御される。なお図１では第１のロボット制御装置１６及び第２のロボット制御装置１８は別個の装置として記載されているが、実質１つのロボット制御装置で先導ロボット１２及び追従ロボット１４の双方を制御することも可能である。

先導ロボット１２は、少なくとも１つの駆動軸を有し、例えば、略鉛直方向の軸線回りに回転可能な旋回胴２０と、旋回胴２０に回転可能に設けられた上腕２２と、上腕２２に回転可能に設けられた前腕２４と、前腕２４の先端に回転可能に設けられた手首軸２６とを有する６軸の多関節ロボットである。先導ロボット１２の各軸が回転することにより、先導ロボット１２の先端位置が移動・制御できるようになっている。本実施形態では、手首軸２６が最終軸（末端軸）に相当し、該最終軸に対して第１のツール座標系２８が設定される。

追従ロボット１４は、少なくとも１つの駆動軸を有し、例えば、略鉛直方向の軸線回りに回転可能な旋回胴３０と、旋回胴３０に回転可能に設けられた上腕３２と、上腕３２に回転可能に設けられた前腕３４と、前腕３４の先端に回転可能に設けられた手首軸３６とを有する６軸の多関節ロボットである。追従ロボット１４の各軸が回転することにより、追従ロボット１４の先端位置が移動・制御できるようになっている。本実施形態では、手首軸３６が最終軸（末端軸）に相当し、該最終軸に対して第２のツール座標系３８が設定される。なおツール座標系は、ハンド座標系と称することもある。

ロボットシステム１０は、先導ロボット１２に固定又は定義した第１の基準座標系（ベース座標系）４０に基づいて、予め定めた第１の位置姿勢に対する先導ロボット１２の教示された位置姿勢の第１のズレを検出する第１の検出部４２を有する。例えば第１の検出部４２は、先導ロボット１２の前腕２４に取り付けられた２次元カメラ又は３次元カメラを有し、該カメラの撮像結果（画像等）を画像処理することによって第１のズレを定量的に求めることができる。但し第１の検出部４２は、第１のズレを検出できるものであれば、固定位置に設けられたカメラやセンサ等、他のどのような手段でもよい。またロボットシステム１０は、検出された第１のズレに基づいて先導ロボット１２の位置姿勢を補正する第１の補正部を有するが、第１の補正部は例えばＣＰＵの形態で第１のロボット制御装置１６内に組み込むことができる。或いは、第１の補正部はロボット制御装置とは別のパーソナルコンピュータ等の装置としてもよい。

またロボットシステム１０は、追従ロボット１４に固定又は定義した第２の基準座標系（ベース座標系）４４に基づいて、予め定めた第２の位置姿勢に対する追従ロボット１４の教示された位置姿勢の第２のズレを検出する第２の検出部４６を有する。例えば第２の検出部４６は、追従ロボット１２の前腕３４に取り付けられた２次元カメラ又は３次元カメラを有し、該カメラの撮像結果（画像等）を画像処理することによって第２のズレを定量的に求めることができる。但し第２の検出部４６は、第２のズレを検出できるものであれば、固定位置に設けられたカメラやセンサ等、他のどのような手段でもよい。またロボットシステム１０は、少なくとも第２のズレに基づいて追従ロボット１４の位置姿勢を補正する第２の補正部を有するが、第２の補正部は例えばＣＰＵの形態で第２のロボット制御装置１８内に組み込むことができる。或いは、第２の補正部はロボット制御装置とは別のパーソナルコンピュータ等の装置としてもよい。

なお本願明細書における「位置姿勢」なる用語は、ロボットの（ツール先端点等の代表点の）位置及び姿勢を意味するが、上記第１又は第２のズレの補正に際しロボットの姿勢を考慮する必要がない場合等は、位置のみを意味することもあり、逆に第１又は第２のズレの補正に際しロボットの位置を考慮する必要がない場合等は、姿勢のみを意味することもある。

第２の補正部は、先導ロボット１２と追従ロボット１４の協調制御が行われていない間は、第２のズレのみに基づいて追従ロボット１４の位置姿勢を補正することができるが、協調制御が行われている間は、第１のズレ及び第２のズレの双方に基づいて追従ロボット１４の位置姿勢を補正する。以下、このことについて図２及び図３を参照しつつ説明する。

ここでは、図１に示すように、先導ロボット１２が第１のワーク５０を保持して第１の位置ＰＬまで移動し、追従ロボット１４が第２のワーク５２を保持して第２の位置ＰＦまで移動するという動作を互いに独立して実行し、その後、両ワーク間の相対的な位置姿勢関係を維持しながら、次の位置まで協調制御を行うような教示を実行する。なおここでの「保持」には、グリップ式のハンド等による把持の他、磁力による吸着や真空による吸引等も含まれるものとする。また「両ワーク間の相対的な位置姿勢関係の維持」には、両ワークが互いに当接した状態（合わせ状態）で一方のワークが他方のワークに対して動かないようにすることの他、両ワークが互いに離れた状態であっても一方のワークに対する他方のワークの相対的位置姿勢が変化しないようにすることも含まれるものとする。

図２は、ロボットシステム１０における協調制御を含む処理（ロボット制御方法）の一例を説明するフローチャートである。先ず、先導ロボット１２及び追従ロボット１４が、ｉ番目の教示点Ｐ［ｉ］に移動し（ステップＳ１）、次に先導ロボット１２及び追従ロボット１４が、それぞれ第１のワーク５０及び第２のワーク５２を把持する（ステップＳ２）。なお教示点Ｐ［ｉ］は、ユーザが各制御装置等に入力することによって作成・教示してもよいし、予め定めたロボットプログラム等に記載されたものを各制御装置等が読み込むことによって自動的に生成・教示されるようにしてもよい。

ここでは、協調制御する追従ロボット１４の位置姿勢を、先導ロボット１２の最終軸（末端軸）に固定（定義）された第１のツール座標系２８を基準に教示する場合を考える。この場合、追従ロボット１４の教示点Ｘは、第２の基準座標系４４から第１の基準座標系４０への変換行列をＭとすると、以下の式（１）から計算することができる。なお位置Ｘ、ＰＬ及びＰＦは、例えば４行４列の同次変換行列で表すことができ、「Ｉｎｖ」は逆行列を意味する。
Ｘ＝Ｉｎｖ（ＰＬ）・Ｍ・ＰＦ・・・（１）

次に、第１の検出部４２を用いて、先導ロボット１２の第１のズレ（ここでは第１のワーク５０の把持ズレ）を検出し、第２の検出部４６を用いて、追従ロボット１４の第２のズレ（ここでは第２のワーク５２の把持ズレ）を検出する（ステップＳ３）。このとき、図３に示すように、先導ロボット１２及び追従ロボット１４の少なくとも一方（図３では双方）において、ワークの把持ズレが生じた場合を考える。この場合、第１の検出部４２によって先導ロボット１２における第１のワーク５０の把持ズレが検出され、この把持ズレを補正するための補正量ＴＬが算出され、同様に、第２の検出部４６によって追従ロボット１４における第２のワーク５２の把持ズレが検出され、この把持ズレを補正するための補正量ＴＦが算出される（ステップＳ４）。

次に、教示点Ｐ［ｉ］における先導ロボット１２の位置姿勢を、ステップＳ４で求めた補正量ＴＬを用いて補正する（ステップＳ７）。また追従ロボット１４については、まず教示点Ｐ［ｉ］における教示が協調制御の対象であるかを判定し（ステップＳ８）、協調制御の対象でない場合は、教示点Ｐ［ｉ］における追従ロボット１４の位置姿勢を、ステップＳ４で求めた補正量ＴＦを用いて補正する（ステップＳ９）。一方、協調制御の対象である場合は、教示点Ｐ［ｉ］における追従ロボット１４の位置姿勢を、ステップＳ４で求めた補正量ＴＬ及びＴＦを用いて補正する（ステップＳ１０）。つまり協調制御が行われるときは、先導ロボット１２（のツール座標系２８）に対する追従ロボット１４の相対的な位置姿勢は、補正量ＴＬ及びＴＦの双方を用いて補正される。

より具体的には、補正量ＴＬで補正された先導ロボット１２の位置姿勢はＰＬ・ＴＬで表され、補正量ＴＦで補正された追従ロボット１４の位置姿勢はＰＦ・ＴＦで表すことができるので、ステップＳ１０における追従ロボット１４の教示点Ｘ′は、以下の式（２）から計算することができる。なお補正量ＴＬ及びＴＦも、例えば４行４列の同次変換行列で表すことができる。
Ｘ′＝Ｉｎｖ（ＴＬ）・Ｘ・ＴＦ
＝Ｉｎｖ（ＰＬ・ＴＬ）・（Ｍ・ＰＦ・ＴＦ）・・・（２）

最後に、ステップＳ１１では、各ロボットが、それぞれの把持ズレを考慮した位置（補正された教示位置Ｐ［ｉ］）に移動する。ステップＳ７〜Ｓ１１の処理は、ｉが予め定められた教示点の数Ｎに達するまで繰り返される（ステップＳ５〜Ｓ６）。

図１に示したように、追従ロボット１４の目標位置が、先導ロボット１２の最終軸（ここでは手首軸２６）に固定したツール座標系２８に基づいて教示されている場合、把持ズレに関する補正量は教示段階では未知であるため、従来はこれを事前に考慮した教示点をユーザが作成することは困難であった。しかし本実施形態では、双方のロボットの補正量を考慮して追従ロボット１４の教示点を補正・変更することができるので、把持ズレを補正した後の協調制御においても教示時と同じワーク間の相対関係を保つことができる。

従来のように、先導ロボットと追従ロボットがそれぞれ独立に自己の把持ズレを検出して補正する場合、両ロボットが把持しているそれぞれのワークを所定の状態（例えば合わせ状態）に移動することまでは不都合なく行うことができる。しかしその後、両ワークの合わせ状態（相対的位置関係）を維持したまま両ロボットの協調動作を行うと、先導ロボット１２の把持ズレを考慮していない追従ロボット１４の動作が先導ロボット１２の動作に正確に追従できず、両ワークの相対的位置関係が変化し、ワークに過度な力が作用して破損する等の不都合が生じる場合がある。

しかし本実施形態では、協調制御が行われている間は、追従ロボット１４の把持ズレだけでなく、先導ロボット１２の把持ズレがあればそれも考慮して、先導ロボット１２に対する追従ロボット１４の相対的な位置姿勢（教示点）を補正することができる。従って、協調制御の実行時においても、合わせ状態等を正確に維持したまま追従ロボット１４を先導ロボット１２に追従させることができる。

なお上述の実施形態では、先導ロボット１２及び追従ロボット１４がそれぞれ別のワークを保持する例を説明したが、協調制御において、１つのワークの異なる部位を先導ロボット１２及び追従ロボット１４が把持しながら該ワークを搬送する場合や、先導ロボット１２及び追従ロボット１４の一方がワーク（作業対象物）を保持し、他方のワークが研磨ツール等の作業ツールを保持して、該作業ツールによって該ワークに対して加工等の作業を行う場合にも、本発明は適用可能である。いずれの場合も、追従ロボットが先導ロボットの位置姿勢のズレも考慮した補正を行うことにより、協調制御時の両ワークの相対位置関係を適切に保つことができ、ワークに対して過度な力が作用したり、ワークの加工部位が所定の位置からずれたりすることを防止することができる。

１０ロボットシステム
１２先導ロボット
１４追従ロボット
１６、１８ロボット制御装置
２８、３８ツール座標系
４０、４４基準座標系
４２、４６カメラ
５０、５２ワーク

Claims

先導ロボット及び追従ロボットを含み、前記先導ロボット及び前記追従ロボットがそれぞれ第１のワーク及び第２のワークを把持して所定の位置まで互いに独立して移動し、その後、前記第１のワークと前記第２のワークとの間の相対的な位置姿勢関係を維持しながら前記追従ロボットが前記先導ロボットの動作に追従して動作する協調制御の教示を行えるように構成されたロボットシステムであって、
予め定めた第１の位置姿勢に対する前記先導ロボットの教示された位置姿勢の第１の把持ズレを検出する第１の検出部と、
前記第１の把持ズレに基づいて前記先導ロボットの位置姿勢を補正する第１の補正部と、
予め定めた第２の位置姿勢に対する前記追従ロボットの教示された位置姿勢の第２の把持ズレを検出する第２の検出部と、
前記第２の把持ズレに基づいて前記追従ロボットの位置姿勢を補正する第２の補正部と、を備え、
前記追従ロボットの教示点は、前記協調制御が行われている間は、前記第１の補正部によって補正された前記先導ロボットの位置姿勢及び前記第２の補正部によって補正された前記追従ロボットの位置姿勢の双方に基づいて計算される、ロボットシステム。
先導ロボット及び追従ロボットを含み、前記先導ロボット及び前記追従ロボットがそれぞれ第１のワーク及び第２のワークを把持して所定の位置まで互いに独立して移動し、その後、前記第１のワークと前記第２のワークとの間の相対的な位置姿勢関係を維持しながら前記追従ロボットが前記先導ロボットの動作に追従して動作する協調制御の教示を行えるように構成されたロボットシステムに含まれるロボット制御装置であって、
予め定めた第１の位置姿勢に対する前記先導ロボットの教示された位置姿勢の第１の把持ズレに基づいて、前記先導ロボットの位置姿勢を補正する第１の補正部と、
予め定めた第２の位置姿勢に対する前記追従ロボットの教示された位置姿勢の第２の把持ズレに基づいて前記追従ロボットの位置姿勢を補正する第２の補正部と、を備え、
前記追従ロボットの教示点は、前記協調制御が行われている間は、前記第１の補正部によって補正された前記先導ロボットの位置姿勢及び前記第２の補正部によって補正された前記追従ロボットの位置姿勢の双方に基づいて計算される、ロボット制御装置。
先導ロボット及び追従ロボットを含み、前記先導ロボット及び前記追従ロボットがそれぞれ第１のワーク及び第２のワークを把持して所定の位置まで互いに独立して移動し、その後、前記第１のワークと前記第２のワークとの間の相対的な位置姿勢関係を維持しながら前記追従ロボットが前記先導ロボットの動作に追従して動作する協調制御の教示を行えるように構成されたロボットシステムにおけるロボット制御方法であって、
予め定めた第１の位置姿勢に対する前記先導ロボットの教示された位置姿勢の第１の把持ズレを検出することと、
前記第１の把持ズレに基づいて前記先導ロボットの位置姿勢を補正することと、
予め定めた第２の位置姿勢に対する前記追従ロボットの教示された位置姿勢の第２の把持ズレを検出することと、
前記第２の把持ズレに基づいて前記追従ロボットの位置姿勢を補正することと、
前記協調制御が行われている間は、補正された前記先導ロボットの位置姿勢及び補正された前記追従ロボットの位置姿勢の双方に基づいて前記追従ロボットの教示点を計算することと、を含むロボット制御方法。