JP7015267B2 - ロボット制御装置及びロボットシステム - Google Patents

Description

本発明は、ロボット制御装置及びロボットシステムに関する。

多関節型のロボットによりスポット溶接ガン等の処理ツールをワーク（処理対象物）に接触させ、ワークにスポット溶接等の所定の処理を施すロボットシステムが広く用いられている。スポット溶接を行うロボットシステムは、ツール駆動軸（ガン軸）用モータによって駆動される可動電極とこれと対向して配置される対向電極とを有するスポット溶接ガン（処理ヘッド）と、スポット溶接ガンをアーム先端部に保持し複数の内部駆動軸用モータによって駆動される多関節型のロボットとを備える。このようなスポット溶接システムは、ロボットを用いてワークとスポット溶接ガンとを相対移動させた後、ワークの溶接打点位置へ向かってスポット溶接ガンの可動電極と対向電極とを閉じて可動電極と対向電極との間にワークを挟み、両電極間に電圧を印加することによってスポット溶接を行う。

従来のスポット溶接システムでは、教示位置、又はロボット又はスポット溶接ガンの動作プログラム（作業プログラム）のワーク位置（スポット溶接打点位置）が実際のワーク位置からずれていると、ワークに過負荷が作用してワークを変形させることになり、溶接品質の低下を招くことがある。このような状況を避けるため、ワークとスポット溶接ガンの電極との接触を検知して、スポット溶接ガンの目標位置（動作プログラムのワーク位置）を補正する技術が公知である。

スポット溶接ガンを閉じる動作を行っている際に電極とワークが接触すると、ツール駆動軸用モータのトルク情報の変化傾向することに着目し、スポット溶接ガンを閉じる動作を行っている際にツール駆動軸用モータのトルクを監視し、トルク情報の変化傾向の変化から電極とワークとの接触位置を推定し、推定した接触位置に基づいてスポット溶接ガンの目標位置（動作プログラムのワーク位置）を補正する技術が知られている（例えば特許文献１及び２参照）。

また、スポット溶接ガンを閉じる動作を行っている際に電極とワークが接触すると、内部駆動軸用モータのトルクも変化（増加又は減少）する。この性質に着目し、スポット溶接ガンを閉じる動作を行っている際に内部駆動軸用モータのトルクを監視し、トルクが閾値に達したときの時刻又は位置に基づいてスポット溶接ガンの目標位置（動作プログラムのワーク位置）を補正する技術が知られている（例えば特許文献３及び４参照）。

また、ロボットのトルクを抑制して電極がワークを過度に押圧しないようにするコンプライアンス制御も知られている（例えば特許文献５参照）。

特開２０１１－８８１７５号公報 特開２０１１－１５２５８２号公報 特開２００１－１５０１５０号公報 特開２０１２－１１４０３号公報 特開２０１０－２５３６７６号公報

ツール駆動軸のトルク情報を用いる方法では、必ず可動電極とワークを接触させる必要があり、対向電極とワークが接触した場合は接触を検出できない。また、内部駆動軸を制御するコントローラとツール駆動軸を制御するコントローラを個別に備えるようなスポット溶接システムでは、ロボットコントローラからツール駆動軸のトルク情報を参照する際に遅延が生じる。また、モータトルクが閾値に達したか否かを監視する場合、ワークが変形して反力が増大した段階で電極とワークとの接触が検知されるため、電極とワークとの接触の瞬間を検出することができず、接触位置の検出精度が比較的低い。このため、処理ツールが処理対象物を過度に押圧することによる処理ツール又は処理対象物の損傷をより確実に防止できるロボット制御装置及びロボットシステムが望まれる。

本開示の一態様に係るロボット制御装置は、複数の内部駆動軸を有する多関節型のロボットと、前記ロボットの先端部に保持され、処理ツール及び前記処理ツールを移動させるツール駆動軸を有する処理ヘッドと、１又は複数の外部駆動軸を有し、前記ロボットを位置決めする外部駆動機構と、を備え、前記処理ツールを処理対象物に接触させ、前記処理対象物に所定の処理を施するロボットシステムにおいて、前記処理対象物を処理する位置として設定される目標位置に前記処理ヘッドを位置決めするよう前記内部駆動軸及び前記外部駆動軸を制御するとともに、前記処理ツールを前記処理対象物に接触させるよう前記ツール駆動軸を制御する制御装置であって、前記内部駆動軸、前記ツール駆動軸及び前記外部駆動軸のトルクを監視することにより、前記処理ツールと前記処理対象物との接触を検出し、前記ロボットの位置補正を行う。

本開示の別の態様に係るロボット制御装置は、複数の内部駆動軸を有する多関節型のロボットと、前記ロボットの先端部に保持され、処理ツール及び前記処理ツールを移動させるツール駆動軸を有する処理ヘッドと、１又は複数の外部駆動軸を有し、前記ロボットを位置決めする外部駆動機構と、を備え、前記処理ツールを処理対象物に接触させ、前記処理対象物に所定の処理を施するロボットシステムにおいて、前記処理対象物を処理する位置として設定される目標位置に前記処理ヘッドを位置決めするよう前記内部駆動軸及び前記外部駆動軸を制御するとともに、前記処理ツールを前記処理対象物に接触させるよう前記ツール駆動軸を制御する制御装置であって、前記内部駆動軸及び前記外部駆動軸の中の少なくとも１つのトルク制限軸の出力トルクを小さくするトルク制限部を有する。

本開示に係るによれば、処理ツール又は処理対象物の損傷を防止できるロボットシステムを提供することができる。

本開示の第１実施形態に係るロボットシステムの構成を示す模式図である。 図１のロボットシステムの制御装置の構成を示すブロック図である。 第１実施形態に係る制御装置による目標位置補正処理のフローチャートである。 内部駆動軸用モータのトルク情報の変化を例示するグラフである。 本開示の第２実施形態に係るロボットシステムの制御装置の構成を示すブロック図である。 図５の制御装置による制御方式切換処理のフローチャートである。 本開示の第１実施形態に係るロボットシステムの構成を示す模式図である。

以下、本開示に係るロボットシステムの各実施形態について、図面を参照しながら説明する。

［第１実施形態］
図１は、本開示の第１実施形態係るロボットシステム１の構成を示す図である。図１のロボットシステム１は、処理対象物（ワーク）Ｗをスポット溶接するスポット溶接システムである。

図１のロボットシステム１は、多関節型のロボット１０と、ロボット１０の先端部に保持される処理ヘッド（溶接ガン）２０と、ロボット１０全体を処理対象物Ｗに対して相対移動させて位置決めする外部駆動機構３０と、ロボット１０、処理ヘッド２０及び外部駆動機構３０の動作を制御する制御装置４０と、を備える。制御装置４０は、それ自体が本開示に係るロボット制御装置４０の一実施形態である。

ロボット１０は、先端部保持する処理ヘッド２０を処理対象物Ｗに対して位置決めする。以下、図１に示す例に従って、ロボット１０を６つの内部駆動軸（ロボット軸）Ｊ１～Ｊ６を有する６軸垂直多関節型のロボットとして説明するが、ロボット１０は、例えば４軸垂直多関節型ロボット等、任意の数の内部駆動軸を有する多関節型ロボットとすることができる。

ロボット１０は、基台（ベース）１１と、下アーム１２と、上アーム１３と、アーム先端部１４とを有する。基台１１は、床上に設置されている。下アーム１２の一端側は、基台１１上に、第１軸（垂直軸）Ｊ１まわりに回転可能に、かつ、第２軸（水平軸）Ｊ２まわりに回転可能に連結されている。下アーム１２の他端側には、上アーム１３の一端側が第３軸（水平軸）Ｊ３まわりに回転可能に連結されている。上アーム１３の他端側には、アーム先端部１４が第３軸Ｊ３に垂直な第４軸Ｊ４まわりに回転可能に、かつ、第４軸Ｊ４に垂直な第５軸Ｊ５まわりに回転可能に連結されている。アーム先端部１４には、処理ヘッド２０が第５軸Ｊ５に垂直な第６軸Ｊ６まわりに回転可能に取り付けられている。

ロボット１０は、複数の内部駆動軸Ｊ１～Ｊ６をそれぞれ駆動する複数の内部駆動軸用モータ（不図示）を内蔵する。内部駆動軸用モータは、サーボモータによって構成することができる。各内部駆動軸用モータは制御装置４０からの制御信号により駆動され、これによって、処理ヘッド２０の位置及び姿勢が変更される。各内部駆動軸用のサーボモータはエンコーダを有し、エンコーダにより各軸回りの回転角度が検出される。検出された回転角度、つまり内部駆動軸Ｊ１～Ｊ６の位置（基台１１、下アーム１２、上アーム１３及びアーム先端部１４の相互の相対角度）は、制御装置４０に伝達され、制御装置４０の制御にフィードバックされる。

複数の内部駆動軸Ｊ１～Ｊ６は、主に処理ヘッド２０の位置（座標）を定める複数の基本軸と、主に処理ヘッド２０の向き（姿勢）を定める複数の手首軸とを含む。具体的には、内部駆動軸Ｊ１～Ｊ６の中で、垂直軸又は水平軸である第１軸Ｊ１、第２軸Ｊ２及び第３軸Ｊ３は基本軸であり、第４軸Ｊ４、第５軸Ｊ５及び第６軸Ｊ６は手首軸である。

処理ヘッド２０は、互いに向かい合うよう設けられる第１処理ツール２１及び第２処理ツール２２、並びに第１処理ツール２１を第２処理ツール２２に向かって移動させるツール駆動軸Ｋを有するクランプ機構２３と、を有する。本実施形態の処理ヘッド２０は、いわゆるＣ型スポット溶接ガンである。

本実施形態のロボットシステム１において、処理ヘッド２０の第１処理ツール２１及び第２処理ツール２２は、処理対象物Ｗに接触することにより処理対象物Ｗに電流を印加する溶接電極である。つまり、第１処理ツール２１は可動電極であり、第２処理ツール２２は固定電極である。クランプ機構２３は、ロボット１０により第１処理ツール２１と第２処理ツール２２との間に処理対象物Ｗが位置するよう処理ヘッドを位置決めした状態で、ツール駆動軸Ｋにより第１処理ツール２１を第２処理ツール２２に向かって移動させることで第１処理ツール２１を処理対象物Ｗに接触させる。このため、クランプ機構２３は、制御装置４０によって制御され、ツール駆動軸Ｋを駆動する不図示のサーボモータを有する。ツール駆動軸Ｋを駆動するサーボモータは、エンコーダを有し、サーボモータの回転角度、つまりツール駆動軸Ｋの位置（第１処理ツール２１の第２処理ツール２２に対する位置）を制御装置４０にフィードバックする。

外部駆動機構３０は、ロボット１０の基台１１、ひいてはロボット１０全体を移動させることにより、ロボット１０が処理ヘッド２０を配置可能な範囲を広くする。外部駆動機構３０は、床面に配置されたレールに沿って基台１１を水平移動させる走行機構、基台１１を昇降させる機構、基台１１を回転させる機構等の１以上の機構を有する構成とすることができる。本実施形態では、外部駆動機構３０は、レール３１とレール３１に沿って移動可能に配設され、ロボット１０の基台１１が固定される可動台座３２とを有する走行機構として説明する。

外部駆動機構３０は、基台１１の水平位置を定める外部駆動軸Ｌを有する。このため、外部駆動機構３０は、制御装置４０によって制御され、外部駆動軸Ｌを駆動する不図示のサーボモータを有する。外部駆動軸Ｌを駆動するサーボモータは、エンコーダを有し、サーボモータの回転角度、つまり外部駆動軸Ｌの位置（基台１１の位置）を制御装置４０にフィードバックする。

制御装置４０は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，その他の周辺回路などを有する演算処理装置を含む構成とすることができる。また、制御装置４０は、ロボット１０、処理ヘッド２０及び外部駆動機構３０、又は各駆動軸Ｊ１～Ｊ６，Ｋ，Ｌをそれぞれ個別に制御する複数の演算処理装置を含む構成としてもよい。制御装置４０が複数の演算処理装置を含む場合、各駆動軸Ｊ１～Ｊ６，Ｋ，Ｌを制御する演算処理装置のいずれか又は独立した演算処理装置が、すべての駆動軸Ｊ１～Ｊ６，Ｋ，Ｌを協調動作させるよう他の演算処理装置に指令を行うよう構成される。

制御装置４０は、処理対象物Ｗを多数の溶接箇所でスポット溶接（処理）するときの処理ヘッド２０の位置及び姿勢（以下、溶接打点位置ということがある）を特定する溶接打点データを含む教示データに基づいて、ロボット１０、処理ヘッド２０及び外部駆動機構３０を動作させる。具体的には、制御装置４０は、ロボット１０を動作させ、処理対象物Ｗに対する処理ヘッド２０の位置と姿勢を制御して、第１処理ツール２１と第２処理ツール２２との間に処理対象物Ｗを配置する。また、制御装置４０は、ツール駆動軸Ｋを駆動して第１処理ツール２１を移動させることによって第１処理ツール２１と第２処理ツール２２との間に処理対象物Ｗを挟み込む。このとき、制御装置４０は、処理ツール２１，２２の処理対象物Ｗに対する圧接力を抑制する。処理ツール２１，２２で処理対象物Ｗを挟み込んだ状態で処理ツール２１，２２間に電流を流すことで、処理対象物Ｗをスポット溶接することができる。

図２に、制御装置４０の構成を示す。制御装置４０は、各時刻における内部駆動軸Ｊ１～Ｊ６、ツール駆動軸Ｋ及び外部駆動軸Ｌのあるべき位置を特定する情報を含む作業プログラムを作成するプログラム作成部４１と、プログラム作成部４１が作成した作業プログラムを記憶する記憶部４２と、記憶部４２に記憶された作業プログラムに基づいて内部駆動軸Ｊ１～Ｊ６、ツール駆動軸Ｋ及び外部駆動軸Ｌを制御する駆動制御部４３と、駆動軸Ｊ１～Ｊ６，Ｋ，Ｌのトルク情報を検出するトルク情報検出部４４と、トルク情報検出部４４で検出された駆動軸Ｊ１～Ｊ６，Ｋ，Ｌの中の少なくとも１つの制御対象軸のトルク情報の変化傾向の変化に基づいて、処理対象物Ｗと処理ツール２１，２２とが接触する接触位置を推定する接触位置推定部４５と、接触位置推定部４５により推定された接触位置に基づいて、処理対象物Ｗを処理する位置として設定される処理ヘッド２０の目標位置を補正する目標位置補正部４６と、を有する。

プログラム作成部４１は、複数の溶接打点位置を含む教示データに基づいて、各時刻における内部駆動軸Ｊ１～Ｊ６、ツール駆動軸Ｋ及び外部駆動軸Ｌのあるべき位置を特定する情報を含む作業プログラムを作成する。このような作業プログラムの作成方法は公知であるため、詳細な説明は省略する。

記憶部４２は、例えばＥＥＰＲＯＭ等の書き換え可能なメモリにより構成することができる。記憶部４２は、作業プログラムの他に、例えば教示データ、トルク情報検出部４４が検出したトルク情報の時系列データ等の各種の情報を記憶することができる。

駆動制御部４３は、記憶部４２に記憶された作業プログラムに従いロボット１０を動作させる。具体的には、駆動制御部４３は、処理ヘッド２０の目標位置と、内部駆動軸Ｊ１～Ｊ６及び外部駆動軸Ｌのサーボモータからのフィードバックとに基づいて、動作指令を生成し、駆動軸Ｊ１～Ｊ６，Ｋを駆動制御することにより処理ヘッド２０を位置決めする。そして、駆動制御部４３は、ツール駆動軸Ｋを駆動して処理ツール２１，２２の間に処理対象物Ｗを挟み込むことで、処理対象物Ｗをスポット溶接できる状態とする。

トルク情報検出部４４、作業プログラムに従って処理ツール２１，２２で処理対象物Ｗを挟み込む動作を行う際に、駆動軸Ｊ１～Ｊ６，Ｋ，Ｌのトルクを検出する。具体的には、トルク情報検出部４４は、駆動軸Ｊ１～Ｊ６，Ｋ，Ｌを駆動するサーボモータから制御装置４０にフィードバックされる駆動軸Ｊ１～Ｊ６，Ｋ，Ｌの位置及びーボモータの電流値等のトルクを示すトルク情報の時系列データを取得する。トルク情報検出部４４は、内部駆動軸用モータのトルク情報の時系列データと、ロボット１０の位置の時系列データ及びツール駆動軸の位置の時系列データとを関連付けて、記憶部４２に一旦記憶させる。

接触位置推定部４５は、トルク情報検出部４４で検出されて記憶部４２に一旦記憶された駆動軸Ｊ１～Ｊ６，Ｋ，Ｌのトルク情報の時系列データに基づくトルク情報の変化傾向（傾き、単位時間あたりの変化量）の変化に基づいて、処理対象物Ｗと第１処理ツール２１又は第２処理ツール２２とが接触する接触位置を推定する。接触位置推定部４５は、トルク情報検出部４４で検出され記憶部４２に一旦記憶されたロボット１０の位置の時系列データ及びツール駆動軸Ｋの位置の時系列データから、推定した接触時刻に対応するロボット１０の位置及びツール駆動軸Ｋの位置から、処理ツール２１，２２が処理対象物Ｗと接触した座標位置を算出し、この座標位置を接触位置として推定する。なお、ツール駆動軸Ｋの動作時に内部駆動軸Ｊ１～Ｊ６及び外部駆動軸Ｌが停止（ロボット１０及び外部駆動機構３０の動作が完了）している場合、第１処理ツール２１が処理対象物Ｗに接触するが、内部駆動軸Ｊ１～Ｊ６及び外部駆動軸Ｌの少なくともいずれかが動作している場合、第１処理ツール２１よりも先に第２処理ツール２２が処理対象物Ｗに接触する可能性がある。

目標位置補正部４６は、接触位置推定部４５で推定された接触位置に基づいて、作業プログラムにおける処理ヘッド２０の目標位置（溶接打点位置に対応する位置）を補正する。例えば、目標位置補正部４６は、記憶部４２に記憶された作業プログラムにおける目標位置を補正する。これにより、第１処理ツール２１又は第２処理ツール２２が処理対象物Ｗに接触してからさらに処理対象物Ｗの側に移動しないようにすることができるので、処理ツール２１，２２が処理対象物Ｗに大きな力で圧接して処理対象物Ｗを変形させたり、処理ツール２１，２２が損傷したりすることを防止できる。

続いて、ロボットシステム１における目標位置の補正に関連する処理（目標位置補正処理という）ついて詳細に説明する。図３に、制御装置４０の制御による処理の手順を示す。

ロボットシステム１における目標位置補正処理は、駆動制御部４３によってロボット１０、処理ヘッド２０及び外部駆動機構３０を動作させて処理ヘッド２０の目標位置への位置決めを開始する工程（ステップＳ１：位置決め開始工程）と、トルク情報検出部４４によって駆動軸Ｊ１～Ｊ６，Ｋ，Ｌの中から選定される少なくとも１つの制御対象軸のトルク情報を取得する工程（ステップＳ２：トルク情報取得工程）と、トルク情報取得工程で取得したトルク情報に基づいて第１処理ツール２１又は第２処理ツール２２の処理対象物Ｗへの接触を検出する工程（ステップＳ３：接触検出工程）と、トルク情報の変化傾向の変化に基づいて第１処理ツール２１又は第２処理ツール２２と処理対象物Ｗとが接触した時刻（接触時刻）を推定する工程（ステップＳ４：接触時刻推定工程）と、接触時刻推定工程で推定した接触時刻に基づいて第１処理ツール２１又は第２処理ツール２２と処理対象物Ｗとが接触した位置（接触位置）を推定する工程（ステップＳ５：接触位置推定工程）と、接触位置推定工程で推測した接触位置に基づいて処理ヘッド２０の目標位置を補正する工程（ステップＳ６：目標位置補正工程）と、を備える。

（位置決め開始工程）
ステップＳ１の位置決め開始工程において、駆動制御部４３は、作業プログラムに従って、第１処理ツール２１と第２処理ツール２２との間に処理対象物Ｗを配置するようロボット１０及び外部駆動機構３０を駆動し、第１処理ツール２１と第２処理ツール２２とで処理対象物Ｗを挟み込む一連の動作を行う処理を開始する。

（トルク情報取得工程）
ステップＳ２のトルク情報取得工程において、トルク情報検出部４４は、駆動軸Ｊ１～Ｊ６，Ｋ，Ｌの中から選定される少なくとも１つの制御対象軸のトルク情報を時系列データとして検出する。トルク情報検出部４４が検出した制御対象軸のトルク情報は、駆動軸Ｊ１～Ｊ６，Ｋ，Ｌの位置又は駆動軸Ｊ１～Ｊ６，Ｋ，Ｌの位置から算出される処理ツール２１，２２の位置情報の時系列データと共に記憶部４２に記憶される。

（接触検出工程）
ステップＳ３の接触検出工程において、トルク情報検出部４４が検出したトルク情報が示す各制御対象軸のトルクと、目標位置に対する位置決め動作毎に各制御対象軸に対して定められる検出閾値とをそれぞれ比較する。つまり、接触位置推定部４５は、何れかの制御対象軸を駆動するサーボモータのトルクが検出閾値以上になったか否かを判定することにより、処理ツール２１，２２が処理対象物Ｗに接触した場合に生じる処理対象物Ｗの反力による制御対象軸のトルク上昇を検出する。

ステップＳ３の接触検出工程において、すべての制御対象軸のトルクが検出閾値未満である場合、処理ツール２１，２２と処理対象物Ｗとがまだ接触していないと判断されるので、ステップＳ２に戻って、次の時刻のトルク情報を取得する。一方、いずれかの制御対象軸のトルクが検出値以上となった場合、処理ツール２１，２２と処理対象物Ｗとが接触したものと判断されるので、ステップＳ４に進む。

なお、図４に示すように、トルク情報検出部４４が検出する駆動軸Ｊ１～Ｊ６，Ｋ，Ｌのトルクは、例えば減速機の摩擦、サーボモータの特性、ロボット１０や処理ヘッド２０の慣性等の影響により、一定のゆらぎ（変動）、つまり、駆動軸Ｊ１～Ｊ６，Ｋ，Ｌの理論上の出力トルクに対する偏差を含み得る。このため、検出閾値は、トルクのゆらぎを考慮して、制御対象軸のトルクが有意に上昇したことを検出できる値に設定される。

また、制御対象軸のトルクが一定の傾きで上昇している間は、処理ツール２１，２２又は処理対象物Ｗが弾性変形していると考えられる。このため、検出閾値を、制御対象軸のトルクが一定の傾きで上昇する範囲内で設定することによって、処理ツール２１，２２又は処理対象物Ｗが破断又は塑性変形する前に処理ツール２１，２２と処理対象物Ｗとの接触を検出することができる。

（接触時刻推定工程）
ステップＳ４の接触時刻推定工程において、接触位置推定部４５は、記憶部４２に記憶された制御対象軸のトルク情報の時系列データを参照し、制御対象軸のトルク情報の変化傾向の変化に基づいて、接触時刻を推定する。例として、接触位置推定部４５は、図４に示すように、トルク情報の時系列データにおいて傾きが異なる２つの近似直線Ｌ１，Ｌ２を求め、これらの２つの近似直線Ｌ１，Ｌ２が交差する時刻を接触時刻と推定する。一方の近似直線Ｌ１は、トルクが検出閾値に達した時刻から時間を遡って算出され、他方の近似直線Ｌ２は、トルクが検出閾値に達した時刻よりも十分に早い時刻から時間経過方向に算出される。これにより、接触位置推定部４５は、制御対象軸のトルク情報の傾き（単位時間当たりの変化量）が変化したと判断される時刻を接触時刻と推定する。

なお、図４に示すように、トルク情報検出部４４が検出する駆動軸Ｊ１～Ｊ６，Ｋ，Ｌのトルクは、例えばサーボモータの特性、ロボット１０や処理ヘッド２０の慣性等の影響により、一定のゆらぎ（変動）Ｎｉ（ｉは、駆動軸Ｊ１～Ｊ６，Ｋ，Ｌのいずれかを表すものとする）、つまり、駆動軸Ｊ１～Ｊ６，Ｋ，Ｌの理論上の出力トルクに対する偏差を含み得る。このようなゆらぎは、処理ヘッド２０の位置を定める基本軸Ｊ１～Ｊ３よりも処理ヘッド２０の姿勢を定める手首軸Ｊ４～Ｊ６の方が小さい傾向がある。このため、トルクのゆらぎの影響を小さくするために、手首軸Ｊ４～Ｊ６を接触位置推定部４５においてトルク情報を確認するとすることが好ましい。

また、複数の駆動軸を制御対象軸としてもよい。複数の制御対象軸のトルク情報を使用することで、各制御対象軸のトルク情報に含まれるノイズの影響を低減し、誤検出の防止や接触時刻の推定の精度向上が期待できる。

トルク情報検出部４４による駆動軸Ｊ１～Ｊ６，Ｋ，Ｌのトルク検出について詳しく説明すると、処理ツール２１，２２の先端に外力Ｆが加わったとき、各駆動軸に加わる外力モーメントＭｉは、ツール先端に加わる外力（処理対象物Ｗからの反力）Ｆがロスなく機構部を伝わった場合、駆動軸Ｊ１～Ｊ６，Ｋ，Ｌ上の任意の点から外力Ｆの作用点を結ぶ位置ベクトルをＰ、駆動軸方向の単位ベクトルをＡとすると、Ｍｉ＝（Ｐｉ×Ｆ）・Ａｉで表すことができる。このとき、外力Ｆにより駆動軸Ｊ１～Ｊ６，Ｋ，Ｌに作用する反力トルク（外力Ｆが作用しない場合のトルクとの差）Ｓｉは、各駆動軸のギヤ比をＧｉとすると、Ｓｉ＝Ｍｉ／Ｇｉとして表すことができる。トルク情報検出部４４による各駆動軸Ｊ１～Ｊ６，Ｋ，Ｌのトルクの検出感度は、この反力トルクＳｉに比例する。

このため、駆動軸Ｊ１～Ｊ６，Ｋ，Ｌのうち、反力トルクＳｉのゆらぎＮｉに対する比であるＳ／Ｎ比が大きいものの中から制御対象軸を選定することで、処理ツール２１，２２と処理対象物Ｗとの接触を比較的精度よく検出することができる。

（接触位置推定工程）
ステップＳ５の接触位置推定工程において、接触位置推定部４５は、記憶部４２に記憶された駆動軸Ｊ１～Ｊ６，Ｋ，Ｌの位置又は処理ツール２１，２２の位置の時系列データを参照して、接触時刻推定工程で推測した接触時刻における処理ツール２１，２２の位置を処理対象物Ｗとの接触位置として推定する。

（目標位置補正工程）
ステップＳ６の目標位置補正工程において、目標位置補正部４６は、接触位置推定部４５により推定された接触位置に基づいて作業プログラムにおける処理ヘッド２０の目標位置を補正する。つまり、処理ヘッド２０の目標位置を接触推定位置に補正することによって、処理ツール２１，２２が処理対象物Ｗを過度に押圧しないようにする。

上述のステップＳ２からステップＳ６の各工程は、ツール駆動軸Ｋの駆動が完了、つまり、処理ツール２１，２２によって処理対象物Ｗを挟み込んでスポット溶接が可能となるまで繰り返し行われる。つまり、第１処理ツール２１が先に処理対象物Ｗに接触した場合は、処理ヘッド２０の目標位置を補正することで、第２処理ツール２２を処理対象物Ｗに接触させることができる。

以上説明したように、制御装置４０を備える第１実施形態のロボットシステム１によれば、内部駆動軸Ｊ１～Ｊ６、ツール駆動軸Ｋ及び外部駆動軸Ｌのトルクを監視することにより、処理ツール２１，２２と処理対象物Ｗとの接触を検出する。このため、制御装置４０を備える第１実施形態のロボットシステム１では、外部駆動軸Ｌのトルクを監視対象に加えない場合に比べ、より多くの姿勢において処理ツール２１，２２と処理対象物Ｗとの接触を検出することが期待できる。

また、制御装置４０を備える第１実施形態のロボットシステム１によれば、内部駆動軸用モータのトルク情報の変化傾向の変化に基づいて処理ヘッド２０の処理ツール２１，２２と処理対象物Ｗとの接触位置を推定し、推定した接触位置に基づいてロボット１０の目標位置を補正する。このため、処理ツール２１，２２又は処理対象物Ｗが弾性変形を開始した位置、つまり、処理ツール２１，２２と処理対象物Ｗと最初に接触した位置を精度よく検出することができる。これによって、ロボットシステム１は、処理ツール２１，２２又は処理対象物Ｗが損傷することを防止できる。

［第２実施形態］
続いて、本開示の第２実施形態係るロボットシステムについて説明する。第２実施形態に係るロボットシステムは、多関節型のロボット１０と、ロボット１０の先端部に保持される処理ヘッド２０と、ロボット１０全体を処理対象物Ｗに対して相対移動させて位置決めする外部駆動機構３０と、ロボット１０、処理ヘッド２０及び外部駆動機構３０の動作を制御する制御装置（ロボット制御装置）４０ａと、を備える。本実施形態のロボットシステムにおいて、ロボット１０、処理ヘッド２０及び外部駆動機構３０は、第１実施形態のロボットシステム１におけるロボット１０、処理ヘッド２０及び外部駆動機構３０と同様である。このため、以降の説明では、先に説明した構成要素と同じ構成要素には同じ符号を付して重複する説明を省略する。

図３は、第２実施形態係るロボットシステムの制御装置４０ａの構成を示すブロック図である。制御装置４０ａは、プログラム作成部４１と、記憶部４２と、駆動制御部４３と、トルク情報検出部４４と、接触位置推定部４５と、目標位置補正部４６と、駆動軸Ｊ１～Ｊ６，Ｋ，Ｌの中から選定される少なくとも１つのトルク制限軸の出力トルクを小さくするトルク制限部４７と、駆動軸Ｊ１～Ｊ６，Ｋ，Ｌの中から制御対象軸及又はトルク制限軸を選定する駆動軸選定部４８と、アラーム通知を行う通知部４９とを備える。

トルク制限部４７は、トルク制限軸の出力トルクに上限値を設定したり、トルク制限軸の位置偏差に対する駆動速度のゲインを小さく設定したりすることによって、トルク制限軸の出力トルクが大きくならないようにする。これにより、処理ツール２１，２２が処理対象物Ｗに接触した後、他の駆動軸が処理ツール２１，２２をさらに処理対象物Ｗ側に移動させるよう駆動された場合に、処理対象物Ｗの反力によりトルク制限軸に作用するトルクがトルク制限軸の出力トルクを上回ることで、トルク制限軸が他の駆動軸による処理ツール２１，２２の移動を相殺するよう変位する。これによって、処理ツール２１，２２及び処理対象物Ｗ間に作用する力が過度に増大することが防止され、処理ツール２１，２２の損傷や処理対象物Ｗの破損又は変形を防止することができる。

駆動軸選定部４８は、駆動軸Ｊ１～Ｊ６，Ｋ，Ｌの中から１以上の制御対象軸を選定するか、１以上のトルク制限軸を選定する。駆動軸選定部４８が１以上の制御対象軸を選定した場合、トルク制限軸が存在しないのでトルク制限部４７は無効化される。逆に、駆動軸選定部４８が１以上の制御対象軸を選定した場合、制御対象軸が存在しないので、接触位置推定部４５及び目標位置補正部４６は無効化される。このため、駆動軸選定部４８は、制御対象軸又はトルク制限軸を選定することによって、制御対象軸のトルク情報の変化傾向の変化に基づいて処理対象物Ｗと処理ツール２１，２２との接触位置を推定し、処理ツール２１，２２目標位置を補正する目標位置補正方式と、トルク制限軸のトルクを制限するトルク制限方式との２つの制御方式を切り換える。

駆動軸選定部４８は、制御装置は、内部駆動軸Ｊ１～Ｊ６、ツール駆動軸Ｋ及び外部駆動軸Ｌが、処理ツール２１，２２の処理対象物Ｗへの接触時の反力により受けると推定される反力トルクＳｉの、処理ツール２１，２２が処理対象物Ｗに接触していないときに生じ得る理論上の出力トルクとトルク情報検出部４４が検出する情報が示すトルクとの偏差（ゆらぎ）Ｎｉに対する比であるＳ／Ｎ比に基づいて制御対象軸及又はトルク制限軸を選定する。

駆動軸Ｊ１～Ｊ６，Ｋ，Ｌの少なくとも１つのＳ／Ｎ比が所定の第１切換閾値以上である場合、駆動軸選定部４８は、Ｓ／Ｎ比が第１切換閾値以上である駆動軸Ｊ１～Ｊ６，Ｋ，Ｌの少なくとも１つを制御対象軸とする。また、駆動軸Ｊ１～Ｊ６，Ｋ，ＬのＳ／Ｎ比が第１切換閾値未満である場合、駆動軸選定部４８は、基本軸Ｊ１～Ｊ３及び外部駆動軸Ｌの少なくとも１つをトルク制限軸とする。

また、駆動軸選定部４８は、すべての駆動軸Ｊ１～Ｊ６，Ｋ，ＬのＳ／Ｎ比が第１切換閾値未満であり、且つ基本軸Ｊ１～Ｊ３及び外部駆動軸ＬのＳ／Ｎ比が所定の第２切換閾値未満である場合、通知部４９にアラーム通知を行わせる。

通知部４９は、例えば視覚表示を行うディスプレイ、機械音又は音声を発するスピーカ等の出力装置を制御する。また、通知部４９は、例えば通信インタフェースであり、外部の教示操作盤等にアラーム通知を行うものであってもよい。

続いて、制御装置４０ａの駆動軸選定部４８による制御方式の切換処理について詳細に説明する。図６に、駆動軸選定部４８による制御方式切換処理の手順を示す。この制御方式切換処理は、各溶接打点位置に対応する目標位置への処理ヘッド２０の位置決めを開始する度に行われる。

制御方式切換処理は、処理ヘッド２０を目標位置に配置する際のロボット１０の姿勢変化（駆動軸Ｊ１～Ｊ６，Ｋ，Ｌの位置及び速度）において、処理ツール２１，２２が処理対象物Ｗに接触した場合に各駆動軸Ｊ１～Ｊ６，Ｋ，Ｌが受けるトルクＳｉを推定する工程（ステップＳ１１：トルク推定工程）と、トルク推定工程で推定した各駆動軸Ｊ１～Ｊ６，Ｋ，ＬのトルクＳｉの各駆動軸Ｊ１～Ｊ６，Ｋ，Ｌに想定されるゆらぎＮｉに対する比（Ｓ／Ｎ比）を算出する工程（ステップＳ１２：Ｓ／Ｎ比算出工程）と、Ｓ／Ｎ比算出工程で算出したＳ／Ｎ比を予め設定される第１切換閾値と比較する工程（ステップＳ１３：第１切換閾値比較工程）と、駆動軸Ｊ１～Ｊ６，Ｋ，Ｌの中から制御対象軸を選定する工程（ステップＳ１４：制御対象軸選定工程）と、Ｓ／Ｎ比算出工程で算出したＳ／Ｎ比を予め設定される第２切換閾値と比較する工程（ステップＳ１５：第２切換閾値比較工程）と、駆動軸Ｊ１～Ｊ６，Ｋ，Ｌの中からトルク制限軸を選定する工程（ステップＳ１６：トルク制限軸選定工程）と、通知部４９にアラーム通知を行わせる工程（ステップＳ１７：アラーム通知工程）と、を備える。

（トルク推定工程）
ステップＳ１１のトルク推定工程では、作業プログラムに従って処理ヘッド２０を目標位置に配置する際の各駆動軸Ｊ１～Ｊ６，Ｋ，Ｌの姿勢変化により処理ツール２１，２２の先端に一定の大きさの外力Ｆが加わった場合に、駆動軸Ｊ１～Ｊ６，Ｋ，Ｌに作用する反力トルクＳｉ＝Ｍｉ／Ｇｉを算出する。

（Ｓ／Ｎ比算出工程）
ステップＳ１２のＳ／Ｎ比算出工程では、トルク推定工程で算出した各駆動軸Ｊ１～Ｊ６，Ｋ，Ｌが受けるトルクＳｉと、予め設定される各駆動軸Ｊ１～Ｊ６，Ｋ，ＬのトルクのゆらぎＮｉと比（Ｓ／Ｎ比）をそれぞれ算出する。各駆動軸Ｊ１～Ｊ６，Ｋ，ＬのトルクのゆらぎＮｉは、ロボット１０、処理ヘッド２０及び外部駆動機構３０の構造から推定することができる。また、各駆動軸Ｊ１～Ｊ６，Ｋ，ＬのトルクのゆらぎＮｉは、過去の運転時にトルク情報検出部４４が検出したトルク情報の時系列データにおける各時刻のトルクの近似直線Ｌ１，Ｌ２に対する偏差から算出した値を用いてもよい。

（第１切換閾値比較工程）
ステップＳ１３の第１切換閾値比較工程では、Ｓ／Ｎ比算出工程で算出した各駆動軸Ｊ１～Ｊ６，Ｋ，ＬのＳ／Ｎ比が第１切換閾値以上であるか否かを確認する。この第１切換閾値比較工程で駆動軸Ｊ１～Ｊ６，Ｋ，Ｌの少なくとも１つの駆動軸のＳ／Ｎ比が第１切換閾値以上であった場合、ステップＳ１４の制御対象軸選定工程に進む。一方、すべての駆動軸Ｊ１～Ｊ６，Ｋ，ＬのＳ／Ｎ比が第１切換閾値未満であった場合、ステップＳ１５の第２切換閾値比較工程に進む。

（制御対象軸選定工程）
ステップＳ１４の制御対象軸選定工程では、駆動軸Ｊ１～Ｊ６，Ｋ，Ｌの中でＳ／Ｎ比が第１切換閾値以上である駆動軸の少なくとも１つを制御対象軸とする。例として、駆動軸選定部４８は、Ｓ／Ｎ比が最大である駆動軸を制御対象軸とすることができ、Ｓ／Ｎ比が大きい複数の駆動軸を制御対象軸としてもよい。

（第２切換閾値比較工程）
ステップＳ１５の第２切換閾値比較工程では、基本軸Ｊ１～Ｊ３及び外部駆動軸ＬのＳ／Ｎ比が第１切換閾値よりも小さい第２切換閾値以上であるか否かを確認する。この第２切換閾値比較工程で基本軸Ｊ１～Ｊ３及び外部駆動軸Ｌの少なくとも１つの駆動軸のＳ／Ｎ比が第２切換閾値以上であった場合、ステップＳ１６のトルク制限軸選定工程に進む。一方、すべての基本軸Ｊ１～Ｊ３及び外部駆動軸ＬのＳ／Ｎ比が第２切換閾値未満であった場合、ステップＳ１７のアラーム通知工程に進む。

（トルク制限軸選定工程）
ステップＳ１６のトルク制限軸選定工程では、基本軸Ｊ１～３及び外部駆動軸Ｌの中の少なくとも１つの駆動軸をトルク制限軸とする。例として、Ｓ／Ｎ比が最大である駆動軸を制限対象とすることができ、Ｓ／Ｎ比が大きい複数の駆動軸をトルク制限軸としてもよい。

（アラーム通知工程）
ステップＳ１７のアラーム通知工程では、通知部にアラーム通知を行わせる。つまり、駆動軸選定部は、すべての駆動軸Ｊ１～Ｊ６，Ｋ，ＬのＳ／Ｎ比が第１切換閾値未満であり、且つすべての基本軸Ｊ１～３及び外部駆動軸ＬのＳ／Ｎ比が所定の第２切換閾値未満である場合には、目標位置補正方式でもトルク制限方式でも処理ツール２１，２２又は処理対象物Ｗの損傷を防止できないおそれがあると判断されるため、オペレータに警告を発する。オペレータは、溶接打点位置に位置決めする姿勢を変更するよう教示データを又は作業プログラムを修正することで、ロボットシステムに安全にスポット溶接を行わせることができる。

本実施形態のロボットシステムは、このように、ロボット１０の姿勢応じて、目標位置補正方式とトルク制限方式とを使い分けることで、ロボット１０のより多くの姿勢において確実に処理ツール２１，２２及び処理対象物Ｗの損傷を防止することができる。

［第３実施形態］
続いて、本開示の第３実施形態係るロボットシステムについて説明する。図７は、本開示の第３実施形態係るロボットシステム１ｂの構成を示す図である。第３実施形態に係るロボットシステムは、多関節型のロボット１０と、ロボット１０の先端部に設けられ、処理対象物Ｗを保持するハンド５０と、ロボット１０全体を移動させて位置決めする外部駆動機構３０と、ロボット１０から独立して配置される処理装置６０と、ロボット１０、外部駆動機構３０及び処理装置６０の動作を制御する制御装置（ロボット制御装置）４０ｂと、を備える。

ハンド５０は、ロボット１０の先端部に処理対象物Ｗを固定するものであり、動作中に駆動される軸を有していない。

処理装置６０は、互いに向かい合うよう設けられる第１処理ツール２１及び第２処理ツール２２、並びに第１処理ツール２１を第２処理ツール２２に向かって移動させるツール駆動軸Ｋを有するクランプ機構２３と、を有する。第３実施形態のロボットシステム１ｂにおける処理装置６０は、第１実施形態のロボットシステム１における処理ヘッド２０をロボット１０から分離して配設したものと考えることができる。

第３実施形態のロボットシステム１ｂにおける制御装置４０ｂは、上述のロボット１０、処理装置６０及び外部駆動機構３０の機械的構成と、第１実施形態のロボットシステムの機械的構成との差異に起因する設定値が異なる点を除いて、第１実施形態のロボットシステムにおける制御装置４０又は第２実施形態のロボットシステムにおける制御装置４０ａと同様の制御を行うものとすることができる。

本実施形態のロボットシステム１ｂも、処理ツール２１，２２及び処理対象物Ｗの損傷を防止することができる。

以上、本開示に係るロボットシステムの実施形態について説明したが、本開示に係るロボットシステムは前述した実施形態に限るものではない。また、本実施形態に記載された効果は、本開示から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本開示に係るロボットシステムによる効果は、本実施形態に記載されたものに限定されるものではない。

例として、上述した実施形態では、処理ヘッド２０及び処理装置６０がいわゆるＣ型スポット溶接ガンであったが、本開示に係るロボットシステムの処理ヘッド又は処理装置は、いわゆるＸ型スポット溶接ガン等であってもよい。

また、上述した実施形態では、スポット溶接システムを例示したが、本開示に係るロボットシステムはスポット溶接システムに限定されない。本開示に係るロボットシステムは、例えばスタッド溶接、リベッティング、処理対象物のスタッキング等、処理ツールを処理対象物に接触させ、処理対象物に所定の処理を施す種々のロボットシステムに適用可能である。

１ ロボットシステム
１０ ロボット
１１ 基台
１２ 下アーム
１３ 上アーム
２０ 処理ヘッド
２１ 第１処理ツール
２２ 第２処理ツール
３０ 外部駆動機構
４０，４０ａ，４０ｂ 制御装置（ロボット制御装置）
４１ プログラム作成部
４２ 記憶部
４３ 駆動制御部
４４ トルク情報検出部
４５ 接触位置推定部
４６ 目標位置補正部
４７ トルク制限部
４８ 駆動軸選定部
４９ 通知部
５０ ハンド
６０ 処理装置
Ｊ１ 第１軸（内部駆動軸、基本軸）
Ｊ２ 第２軸（内部駆動軸、基本軸）
Ｊ３ 第３軸（内部駆動軸、基本軸）
Ｊ４ 第４軸（内部駆動軸、手首軸）
Ｊ５ 第５軸（内部駆動軸、手首軸）
Ｊ６ 第６軸（内部駆動軸、手首軸）
Ｋ ツール駆動軸
Ｌ 外部駆動軸
Ｗ 処理対象物（処理対象物）

Claims (9)

1. 複数の内部駆動軸を有する多関節型のロボットと、
   前記ロボットの先端部に保持され、処理ツール及び前記処理ツールを移動させるツール駆動軸を有する処理ヘッドと、
   １又は複数の外部駆動軸を有し、前記ロボットを位置決めする外部駆動機構と、
   を備え、
   前記処理ツールを処理対象物に接触させ、前記処理対象物に所定の処理を施すロボットシステムを制御するロボット制御装置であって、
   前記内部駆動軸、前記ツール駆動軸及び前記外部駆動軸のトルク情報を取得するトルク情報検出部と、
   前記トルク情報検出部で取得された前記内部駆動軸、前記ツール駆動軸及び前記外部駆動軸の中の少なくとも１つの制御対象軸のトルク情報に基づいて、前記処理ツールと前記処理対象物とが接触した接触位置を推定する接触位置推定部と、
   前記内部駆動軸、前記ツール駆動軸及び前記外部駆動軸が前記処理ツールの前記処理対象物への接触時の反力により受けるトルクのＳ／Ｎ比に基づいて、前記制御対象軸を選定する駆動軸選定部と、
   を有する、ロボット制御装置。
2. 前記接触位置推定部により推定された接触位置に基づいて、前記処理ヘッドの目標位置を補正する目標位置補正部をさらに有する、請求項１に記載のロボット制御装置。
3. 前記内部駆動軸、前記ツール駆動軸及び前記外部駆動軸の中の少なくとも１つのトルク制限軸の出力トルクを小さくするトルク制限部をさらに有し、
   前記複数の内部駆動軸は、主に前記処理ヘッドの位置を定める複数の基本軸と、主に前記処理ヘッドの向きを定める１以上の手首軸とを含み、
   前記駆動軸選定部は、すべての前記内部駆動軸、前記ツール駆動軸及び前記外部駆動軸の前記Ｓ／Ｎ比が所定の第１切換閾値未満である場合、前記基本軸及び前記外部駆動軸の少なくとも１つを前記トルク制限軸とする、請求項１又は２に記載のロボット制御装置。
4. すべての前記内部駆動軸、前記ツール駆動軸及び前記外部駆動軸の前記Ｓ／Ｎ比が前記第１切換閾値未満である場合、前記Ｓ／Ｎ比が所定の第２切換閾値以上である前記基本軸及び前記外部駆動軸の少なくとも１つを前記トルク制限軸とする、請求項３に記載のロボット制御装置。
5. アラーム通知を行う通知部をさらに有し、
   前記駆動軸選定部は、すべての前記内部駆動軸、前記ツール駆動軸及び前記外部駆動軸の前記Ｓ／Ｎ比が前記第１切換閾値未満であり、且つすべての前記基本軸及び前記外部駆動軸の前記Ｓ／Ｎ比が所定の第２切換閾値未満である場合、前記通知部にアラーム通知を行わせる、請求項４に記載のロボット制御装置。
6. 前記接触位置推定部は、前記トルク情報の単位時間あたりの変化量の変化に基づいて、前記処理ツールと前記処理対象物とが接触した接触位置を推定する、請求項１から５のいずれかに記載のロボット制御装置。
7. 複数の内部駆動軸を有する多関節型のロボットと、
   前記ロボットの先端部に保持され、処理ツール及び前記処理ツールを移動させるツール駆動軸を有する処理ヘッドと、
   １又は複数の外部駆動軸を有し、前記ロボットを位置決めする外部駆動機構と、
   を備え、
   前記処理ツールを処理対象物に接触させ、前記処理対象物に所定の処理を施すロボットシステムを制御するロボット制御装置であって、
   前記内部駆動軸、前記ツール駆動軸及び前記外部駆動軸のトルク情報を取得するトルク情報検出部と、
   前記トルク情報検出部で取得された前記内部駆動軸、前記ツール駆動軸及び前記外部駆動軸の中の少なくとも１つの制御対象軸のトルク情報に基づいて、前記処理ツールと前記処理対象物とが接触した接触位置を推定する接触位置推定部と、
   前記接触位置推定部により推定された接触位置に基づいて、前記処理対象物の目標位置を補正する目標位置補正部を有する、ロボット制御装置。
8. 請求項１から請求項７のいずれかに記載のロボット制御装置と、
   前記ロボット制御装置によって制御される複数の内部駆動軸を有する多関節型のロボットと、
   前記ロボットの先端部に保持され、前記ロボット制御装置によって制御される処理ツール及び前記処理ツールを移動させるツール駆動軸を有する処理ヘッドと、
   前記ロボット制御装置によって制御される１又は複数の外部駆動軸を有し、前記ロボットを位置決めする外部駆動機構と、
   を備える、ロボットシステム。
9. 前記処理ツールは溶接電極である、請求項８に記載のロボットシステム。

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