JP7157275B1 - ロボット制御装置およびロボットシステム - Google Patents

Abstract

ロボット（２）に備えられた力センサにより検出された力の大きさおよび方向に応じてロボット（２）の姿勢を変更するリードスルー制御によりロボット（２）を制御可能なロボット制御装置（３）であって、ロボット（２）の手首（４）先端に、付加装置（３０）が装着された第１状態と、付加装置（３０）が装着されていない第２状態とを識別し、第１状態および第２状態においてリードスルー制御が実行される際のロボット（２）の負荷設定を切り替えるロボット制御装置（３）である。

Description

本開示は、ロボット制御装置およびロボットシステムに関するものである。

従来、溶接線を検出する検出装置を溶接トーチ等のツールから着脱可能にして、検出装置による検出範囲を拡大させ、他の部材との干渉をなくす技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、作業者により加えられる力を検出するセンサを内蔵し、センサにより検出された力の大きさおよび方向に応じてロボットの位置および姿勢を変更する、いわゆるリードスルー制御により動作可能なロボットが知られている（例えば、特許文献２参照。）。

特開平７－２９９７０２号公報 特開２０１９－３４４１２号公報

溶接線を検出する検出装置は、ロボットの手首あるいは溶接トーチ等のツールから大きく突出して装着されるので、溶接線を検出する必要のある領域の教示の際にのみ装着され、溶接線を検出する必要のない領域の教示の際や教示完了後の実行開始前には取り外される。ロボットの教示をリードスルー制御により動作させて行う場合には、検出装置の有無により、ロボットに作用する負荷が変動する。したがって、装置の脱着によりロボットに作用する負荷が変動してもリードスルー制御によるロボットの操作が適正に行われることが望まれている。

ロボットに備えられた力センサにより検出された力の大きさおよび方向に応じて前記ロボットの姿勢を変更するリードスルー制御により前記ロボットを制御可能なロボット制御装置であって、前記ロボットの手首先端に、付加装置が装着された第１状態と、前記付加装置が装着されていない第２状態とを識別し、前記第１状態および前記第２状態においてリードスルー制御が実行される際の前記ロボットの負荷設定を切り替えるロボット制御装置である。

本開示の一実施形態に係るロボットシステムを示す全体構成図である。 図１のロボットシステムに備えられるロボットを示す正面図である。 図１のロボットシステムのロボットの手首先端に取り付けられた溶接トーチ、トーチブラケット、ハンドルおよびツールブラケットを示す部分的な斜視図である。 図１のロボットシステムを示すブロック図である。

本開示の一実施形態に係るロボット制御装置３およびロボットシステム１について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係るロボットシステム１は、図１に示されるように、力センサ１０を備えたロボット２と、ロボット２を制御するロボット制御装置３とを備えている。

ロボット２の手首４先端には、最先端の回転軸線Ｘ回りに回転可能なフランジ５が備えられ、フランジ５には、ツールブラケット６が固定されている。また、ツールブラケット６には、溶接トーチ１００のような長尺のツールを支持するトーチブラケット７が固定され、トーチブラケット７には、作業者によって把持される２つのハンドル８，９が備えられている。

トーチブラケット７は、ツールブラケット６に固定されるブラケット本体１１と、ブラケット本体１１に溶接トーチ１００を固定するとともにハンドル８，９が固定された固定ブロック１２とを備えている。
溶接トーチ１００は、一方向に湾曲した管状のトーチ本体１１０と、トーチ本体１１０の基端に接続された略円柱状のネックホルダ１２０と、ネックホルダ１２０の基端に接続されたガイドチューブ１３０とを備えている。

ガイドチューブ１３０、ネックホルダ１２０およびトーチ本体１１０は、溶接ワイヤ１４０を長手方向に貫通させる内孔（図示略）を備えている。溶接トーチ１００は、内孔内を貫通してきた溶接ワイヤ１４０をトーチ本体１１０の先端から突出させて、ワークとの間にアークを発生させることによりワークを溶接する。

溶接トーチ１００は、上述したように長尺の形態を有しているので、手首４内部を貫通させることができず、フランジ５の回転軸線Ｘに対して偏心した位置にトーチブラケット７によって支持される。そして、トーチ本体１１０は、トーチブラケット７に固定された位置からフランジ５の回転軸線Ｘを含む平面（以下、ツール平面という。）Ｐに沿って湾曲し、溶接ワイヤ１４０をフランジ５の回転軸線Ｘに交差させる位置に突出させる形態に配置される。フランジ５の回転軸線Ｘと溶接ワイヤ１４０との交差点が、一般にツール先端点として設定される。

ハンドル８，９は、ツール平面Ｐに沿って配置された第１ハンドル８および溶接トーチ１００の長手軸Ｙに近接する位置において、ツール平面Ｐに対して直交する方向に延びて配置された第２ハンドル９である。
第１ハンドル８は、作業者が右手で握ることができる直棒状の部材である。第１ハンドル８は、溶接トーチ１００との間に右手の親指以外の４本の指が入る程度の隙間をあけて、溶接トーチ１００の長手軸Ｙに平行に配置されている。これにより、第１ハンドル８は、ツール平面Ｐ上に溶接トーチ１００の長手軸Ｙに沿う方向に延びる形態で配置されている。

第１ハンドル８の先端には、第１ハンドル８を把持した状態の右手の親指によって操作可能なリードスルースイッチ１３が設けられている。リードスルースイッチ１３は、親指による押圧力が付与された状態でリードスルー制御を有効にし、押圧力が解除された状態でリードスルー制御を無効にするよう機能する。

第２ハンドル９は、第１ハンドル８を右手で握った作業者が左手で握ることができる位置に配置された直棒状の部材である。固定ブロック１２には、第２ハンドル９を順手で握った状態の左手の親指によって操作可能な位置に２つの押しボタンスイッチ１４，１５が設けられている。

一方の押しボタンスイッチ１４は、押されることにより、押された時点におけるロボット２の各軸の角度を記憶する教示ボタンである。また、他方の押しボタンスイッチ１５は、押される都度にロボット２の動作モードを直交動作と各軸動作とで切り替えるモード切替ボタンである。

ツールブラケット６は、フランジ５とトーチブラケット７との間に挟まれた直方体ブロック状の部材である。ツールブラケット６のフランジ５と平行な先端面にはトーチブラケット７のブラケット本体１１が固定されている。また、図３に示されるように、ツールブラケット６のフランジ５の回転軸線Ｘと平行な３つの側面には、溶接センサ（付加装置）３０を着脱可能に取り付けるためのセンサ取付面（取付面）６ａが設けられている。図３には、１つのセンサ取付面６ａのみが表示されている。

溶接センサ３０は、例えば、ワークに対して、ワーク上の溶接作業線に交差する方向にレーザ光を走査して反射光を検出することにより、溶接作業線を精度よく検出することができる。
センサ取付面６ａは、ツールブラケット６の３つの側面、例えば、ツールブラケット６をトーチブラケット７側から見たときの左右の両側面および背面側の側面の３箇所に設けられている。

作業者は、レーザ光の走査方向および溶接トーチ１００に対する加工作業線の位置などに応じて、センサ取付面６ａを選択し、溶接センサ３０を取り付けることができる。センサ取付面６ａには、２つのピン孔１６と４つのネジ孔１７とが設けられ、ボルトおよび位置決めピンによって、溶接センサ３０をロボット２に対して精度よく位置決めした状態に取り付けることができる。

また、各センサ取付面６ａには、溶接センサ３０が取り付けられることにより押されるスイッチ（着脱センサ）１８が設けられている。溶接センサ３０がどのセンサ取付面６ａに取り付けられたのかについては、取付先のセンサ取付面６ａに設けられているスイッチ１８の状態によって検出することができる。

図１および図２に示す例では、溶接センサ３０は、トーチブラケット７側から見て右側の側面のセンサ取付面６ａに固定されている。溶接センサ３０は、比較的大きな外形を有し、センサ取付面６ａから比較的大きく張り出して配置される。

ロボット制御装置３は、図４に示されるように、記憶部１９と制御部２０とを備えている。
制御部２０は、少なくとも１つのプロセッサとメモリとを備えている。
制御部２０は、ロボット２に備えられた力センサ１０により検出された力の大きさおよび方向に応じてロボット２の姿勢を変更する、いわゆるリードスルー制御によりロボット２を制御するよう指令信号を出力する。

ロボット制御装置３には、図１に示されるように、溶接電源４０が接続され、溶接電源４０と溶接トーチ１００とはガイドチューブ１３０によって接続されている。また、ロボット制御装置３には溶接センサ接続ユニット５０が接続され、溶接センサ接続ユニット５０には、溶接センサ３０に接続されるセンサ制御ケーブル６０が接続されている。

ロボット制御装置３は、いずれのセンサ取付面６ａにも溶接センサ３０が取り付けられておらず、トーチブラケット７によって溶接トーチ１００が取り付けられている状態（第２状態）において、力センサ１０により検出される負荷情報を記憶部１９に記憶している。負荷情報としては、例えば、ロボット２の各軸の角度を原点位置に配置したときの力センサ１０により検出される値を記憶している。

ロボット２の各軸の角度（各軸情報）が変化すると、力センサ１０により検出される値は変化するが、制御部２０は、ロボット２の各軸情報と、記憶部１９に記憶されている負荷情報とから、力センサ１０により検出される力の大きさおよび方向を推定することができる。したがって、制御部２０は、全てのスイッチ１８が溶接センサ３０の取付を検出していない第２状態においては、各軸の角度にかかわらず、推定される値を力センサ１０が検出している限り、外力が作用していない中立の負荷状態（負荷設定）として取り扱うことができる。

また、ロボット制御装置３は、溶接センサ３０の基本情報である質量およびセンサ取付面６ａからの重心位置の情報を記憶部１９に記憶している。
そして、スイッチ１８により、いずれかのセンサ取付面６ａに溶接センサ３０が取り付けられたことが検出された場合には、制御部２０は、中立の負荷状態を変更する。

すなわち、溶接センサ３０が取り付けられた状態（第１状態）においては、取付を検出したセンサ取付面６ａから記憶部１９に記憶されている重心位置だけ離れた位置に、記憶部１９に記憶されている溶接センサ３０の質量が追加される。したがって、制御部２０は、第１状態であることが検出された場合には、記憶部１９に記憶されている質量および重心位置と、ロボット２の各軸情報とから、力センサ１０により検出される負荷情報を推定し、新たな中立の負荷状態として設定する。

また、制御部２０は、溶接センサ３０により溶接作業線が検出されたときには、検出された溶接作業線の特徴に基づいて、教示済の教示点を補正する。すなわち、教示点として、溶接トーチ１００先端に突出する溶接ワイヤ１４０の先端の位置座標が設定されている場合に、溶接センサ３０により検出された溶接作業線上から教示点がずれている場合には、溶接作業線上に配置されるように教示点の座標を補正する。

このように構成された本実施形態に係るロボット制御装置３およびロボットシステム１の作用について、以下に説明する。
本実施形態に係るロボットシステム１を用いて溶接作業の教示を実施するには、作業者は、まず、センサ取付面６ａに溶接センサ３０を取り付けていない第２状態において、トーチブラケット７の第１ハンドル８および第２ハンドル９を握る。

そして、第１ハンドル８に設けられたリードスルースイッチ１３を押下することにより、リードスルー制御を有効にする。これにより、第１ハンドル８および第２ハンドル９に加えた力に基づいて、ロボット制御装置３が、リードスルー制御によってロボット２を動作させる。

この第２状態においては、センサ取付面６ａに設けられたスイッチ１８はオフ状態となっているので、ロボット制御装置３は、記憶部１９に記憶されている中立の負荷状態における力センサ１０の検出値を基準とする。そして、作業者が、第１ハンドル８および第２ハンドル９に力を加えることにより、力センサ１０により検出される力の大きさおよび方向が変化するので、その変化量に基づいて、ロボット制御装置３が、リードスルー制御によりロボット２を動作させる。

ロボット２が所望の姿勢に配置された状態において、作業者が第２ハンドル９近傍に設けられた教示ボタンである一方の押しボタンスイッチ１４を押下することにより、押下された時点におけるロボット２の各軸の角度が記憶される。この動作を繰り返すことによりロボット２の動作プログラムを教示することができる。

溶接センサ３０が取り付けられていない第２状態における教示操作においては、動作プログラムの開始点、中継点等の比較的大まかに設定することが可能な教示点について教示することができる。また、比較的大きな溶接センサ３０がツールブラケット６に固定されていないので、溶接センサ３０と周辺部材との干渉を気にすることなく、比較的狭隘な環境においても教示操作を容易に行うことができる。

次いで、溶接作業線のように、精密に教示する必要がある教示点を教示するには、作業者は、いずれかのセンサ取付面６ａに溶接センサ３０を取り付ける。溶接センサ３０を取り付けると、溶接センサ３０が取り付けられたセンサ取付面６ａのスイッチ１８がオン状態に切り替えられる。スイッチ１８がオン状態に切り替わると、制御部２０は、記憶部１９に記憶されている溶接センサ３０の質量および重心位置を用いて中立の負荷状態を変更する。

すなわち、センサ取付面６ａに溶接センサ３０を取り付けると、取り付ける前後において力センサ１０により検出される力の大きさおよび方向が変化するが、ロボット制御装置３は、溶接センサ３０を取り付けた第１状態が中立の負荷状態であると判断することができる。したがって、この第１状態において、作業者が、第１ハンドル８および第２ハンドル９を把持して力を加えると、ロボット制御装置３が、ロボット２をリードスルー制御によって所望の位置に動作させ、溶接作業線に沿う複数の教示点を教示することができる。

溶接作業線に沿う複数の教示点が教示された後に、作業者は、溶接センサ３０を作動させ、溶接作業線に沿って教示された教示点を再生することにより、ロボット２を動作させながら、溶接センサ３０によってレーザ光を走査させ、溶接作業線の特徴を検出させる。制御部２０は、溶接センサ３０により検出された溶接作業線の特徴が入力されると、入力された特徴に基づいて、溶接トーチ１００先端のツール先端点が精度よく溶接作業線に位置合わせされるように、各教示点の座標を補正する。

溶接作業線に沿う教示点の教示が終了した後には、作業者は、溶接センサ３０をセンサ取付面６ａから取り外し、残りの教示点の教示をリードスルー制御によってロボット２を動作させながら実施する。この場合においても、溶接センサ３０がセンサ取付面６ａから取り外されることにより、スイッチ１８がオフ状態となって第２状態であることが検出されるので、制御部２０は、中立の負荷状態を、記憶部１９に記憶されている負荷状態に戻す。これにより、作業者が第１ハンドル８および第２ハンドル９に加えた力の大きさおよび方向を力センサ１０により精度よく検出して、ロボット２を所望の姿勢に動作させることができる。

このように、本実施形態に係るロボット制御装置３およびロボットシステム１によれば、センサ取付面６ａに溶接センサ３０が取り付けられた第１状態と取り付けられていない第２状態とを識別して、リードスルー制御が実行される際の負荷設定を切り替える。これにより、比較的大重量かつ大きな外形の溶接センサ３０の取付の有無にかかわらず、リードスルー制御を正しく行って、ロボット２を所望の姿勢に動作させることができる。

すなわち、溶接センサ３０を必要としない教示点においては、溶接センサ３０を取り外した第２状態において教示を実施することにより、周辺装置との干渉を気にせずに教示作業を行うことができるという利点がある。また、溶接センサ３０を取り付けた第１状態において教示を行う場合においても、溶接センサ３０により力センサ１０に作用する力にかかわらず、ロボット２を正しくリードスルー制御することができる。そして、溶接作業線の特徴を溶接センサ３０によって検出し、溶接作業線に沿う教示点を精度よく補正することができるという利点がある。

また、本実施形態においては、ツールブラケット６に複数のセンサ取付面６ａを設けたので、用途に合わせて溶接センサ３０の取付位置を変更することができる。そして、どのセンサ取付面６ａに溶接センサ３０を取り付けた場合においても、各センサ取付面６ａに設けられたスイッチ１８によって、溶接センサ３０の取付位置を検出でき、中立の負荷状態を正しく変更することができるという利点がある。

なお、本実施形態においては、センサ取付面６ａへの溶接センサ３０の取付を、溶接センサ３０により物理的に押されるスイッチ１８によって検出したが、これに代えて、他の形式の着脱センサ、例えば、ホール素子等の近接センサを採用してもよい。
また、着脱センサに代えて、第１状態において力センサ１０により検出される力の情報と、第２状態において力センサ１０により検出される力の情報とに基づいて、第１状態と第２状態とを識別してもよい。

例えば、第１状態および第２状態において、ロボット２を原点位置に配置し、他の外力が加わっていないときの力センサ１０により検出される力の大きさおよび方向を比較することにより、第１状態と第２状態とを識別してもよい。また、力センサ１０により検出される力の大きさおよび方向に基づいて、溶接センサ３０の取付位置を検出し、検出された取付位置に基づいて、中立の負荷状態を変更することにしてもよい。

また、溶接センサ３０を取り付ける際には、センサ制御ケーブル６０を溶接センサ３０に接続することにより、溶接センサ３０から出力される信号をロボット制御装置３に取り込むことが行われる。したがって、着脱センサであるスイッチ１８によって溶接センサ３０の着脱を検出することに代えて、センサ制御ケーブル６０が接続されたか否か、あるいは、溶接センサ３０からの出力がロボット制御装置３に入力されたか否かによって、溶接センサ３０の着脱を検出してもよい。そして、溶接センサ３０の装着が検出された場合に、力センサ１０によって検出される力の情報に基づいて、溶接センサ３０が装着されたセンサ取付面６ａを特定すればよい。

また、本実施形態においては、アーク溶接用の溶接トーチ１００が取り付けられたロボット２を例示したが、レーザ溶接あるいはシーリング等の他のツールが取り付けられたロボット２に適用してもよい。また、ロボット２の手首４先端に着脱可能に取り付けられる付加装置として、溶接作業線を検出する溶接センサ３０を例示したが、これに代えて、他の任意の付加装置を装着する場合に適用してもよい。例えば、シーリングを行う軌跡である加工作業線を検出するセンサであってもよい。

また、溶接センサ３０に作業者が誤って接触してしまうことを防止するために、図１および図２に２点鎖線によって示されるように、溶接センサ３０を取り囲むガード部材を装着してもよい。ガード部材としては、例えば、ツールブラケット６に固定され、溶接センサ３０のレーザ射出面以外の外周面を取り囲む金属製の箱状のカバーあるいは、金属製のパイプ材からなるプロテクタを採用してもよい。

また、本実施形態においては、溶接センサ３０を取り付けるセンサ取付面６ａをツールブラケット６に３箇所設けた場合を例示したが、１以上の任意の数だけ設けられていてもよい。１箇所の場合には、着脱の有無を検出するだけでよい。また、ツールブラケット６、トーチブラケット７、ハンドル８，９、リードスルースイッチ１３、押しボタンスイッチ１４，１５等の形式、形状および配置は任意でよい。

また、第１ハンドル８および第２ハンドル９を有する場合を示したが、ハンドルは１つであってもなくてもよい。ハンドルがない場合には、作業者は、トーチブラケット７、ツールブラケット６あるいはロボット２の手首４を直接手で掴んで押し引きすることにしてもよい。

１ ロボットシステム
２ ロボット
３ ロボット制御装置
４ 手首
６ａ センサ取付面（取付面）
１０ 力センサ
１８ スイッチ（着脱センサ）
４０ 溶接センサ（付加装置）

Claims (6)

1. ロボットに備えられた力センサにより検出された力の大きさおよび方向に応じて前記ロボットの姿勢を変更するリードスルー制御により前記ロボットを制御可能なロボット制御装置であって、
   前記ロボットの手首先端に、付加装置が装着された第１状態と、前記付加装置が装着されていない第２状態とを識別し、
   前記第１状態および前記第２状態においてリードスルー制御が実行される際の前記ロボットの負荷設定を切り替えるロボット制御装置。
2. 前記手首先端における前記付加装置の取付面に設けられた着脱センサの出力に基づいて、前記第１状態と前記第２状態とを識別する請求項１に記載のロボット制御装置。
3. 複数の前記取付面にそれぞれ設けられた前記着脱センサの出力に基づいて、前記第１状態における前記付加装置の取付位置を識別し、
   前記第１状態においてリードスルー制御が実行される際の前記ロボットの負荷設定を前記取付位置に応じて切り替える請求項２に記載のロボット制御装置。
4. 前記第１状態において前記力センサにより検出される力の情報と、前記第２状態において前記力センサにより検出される力の情報とに基づいて、前記第１状態と前記第２状態とを識別する請求項１に記載のロボット制御装置。
5. 前記第１状態において前記力センサにより検出される力の情報と、前記第２状態において前記力センサにより検出される力の情報とに基づいて、前記第１状態における前記付加装置の取付位置を識別し、
   前記第１状態においてリードスルー制御が実行される際の前記ロボットの負荷設定を前記取付位置に応じて切り替える請求項４に記載のロボット制御装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載のロボット制御装置と、
   前記力センサを有する前記ロボットとを備えるロボットシステム。

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