JP7283994B2

JP7283994B2 - ロボットの制御装置およびプログラミング装置

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Publication number: JP7283994B2
Application number: JP2019115156A
Authority: JP
Inventors: 昌宏森岡; 貴之佐藤
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2019-06-21
Filing date: 2019-06-21
Publication date: 2023-05-30
Anticipated expiration: 2039-06-21
Also published as: CN112109076A; DE102020115395A1; JP2021000686A; US20200398426A1; US11628564B2

Description

本開示は、ロボットの制御装置およびプログラミング装置に関するものである。

複数方向の力を検出可能な力センサを搭載したロボットが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１２－１３７４２１号公報

検出された複数方向の力は、通常、合成されることにより合力が算出される。そして、算出された合力が所定の閾値を超えるか否かが判定される。特に、協働ロボットの場合に、協働ロボットに作用する外力の大きさが問題となるため、合力の大きさを判定する必要がある。
しかしながら、力センサあるいはロボットに装着するツールは、方向に応じて定格が異なる場合があり、合力で判定したのではいずれかの方向の力成分が定格を超えていても、これを検出することが困難となる場合がある。

本開示の一態様は、複数方向の同種の力成分を検出可能な力センサを搭載したロボットを動作させたときに前記力センサにより検出される各前記力成分の大きさを、前記方向毎に所定の閾値と比較する比較部と、該比較部により、いずれかの前記方向の前記力成分の大きさが前記閾値を超えると判定される場合に、前記方向の前記力成分の大きさの増加を回避するよう前記ロボットを制御する制御部とを備え、前記閾値が、前記力センサの前記方向毎の定格値である第１の閾値と、該第１の閾値よりも大きい前記力センサの耐荷重である第２の閾値とを有し、前記制御部が、いずれかの前記力成分が前記第１の閾値を超える場合には、前記ロボットの動作速度を低下させ、いずれかの前記力成分が前記第２の閾値を超える場合には、前記ロボットの動作を停止させる、または、前記ロボットの動作を停止後に逆の軌跡で前記ロボットを動作させるロボットの制御装置である。

本開示の一実施形態に係る制御装置を備え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の手首の先端に取り付けられる力センサおよびツールとその軸方向を模式的に示す斜視図である。図１の制御装置を示すブロック図である。図１の制御装置の変形例を示すブロック図である。本開示の一実施形態に係るプログラミング装置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の制御装置１およびプログラミング装置１０について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る制御装置１は、図１に示されるロボットシステム１００に備えられている。

このロボットシステム１００は、ロボット１１０と、本実施形態に係る制御装置１とを備えている。
ロボット１１０は、６軸垂直多関節型のロボットであるが、６軸以外の垂直多関節型ロボットあるいは水平多関節型ロボット等、任意の形式のものでよい。

ロボット１１０は、床面Ｆに設置されるベース１１３と、ベース１１３に対して第１軸線Ａ回りに回転可能な旋回胴（リンク）１１４と、旋回胴１１４に対して第１軸線Ａに直交する水平な第２軸線Ｂ回りに回転可能な第１アーム（リンク）１１５と、第１アーム１１５に対して第２軸線Ｂに平行な第３軸線Ｃ回りに回転可能な第２アーム（リンク）１１６と、第２アーム１１６に対して回転可能な手首（リンク）１１１とを備えている。手首１１１の先端には、ツールＳが取り付けられている。

また、ロボット１１０は、手首１１１の先端面とツールＳとの間に３軸の力センサ１１２を備えている。力センサ１１２は、ツールＳに作用する３軸ｘ，ｙ，ｚ方向の３つの力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚを検出することができる。３軸ｘ，ｙ，ｚ方向は、図２に示されるように、それぞれ、手首１１１の中心からツールＳの先端に向かう方向ｚと、方向ｚに直交しかつ相互に直交する２方向ｘ，ｙに一致している。

制御装置１は、図３に示されるように、力センサ１１２により検出された３つの力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚが入力されることにより、各力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚの大きさ（絶対値）を対応する閾値とそれぞれ比較する比較部２を備えている。また、制御装置１は、制御部３を備えている。

制御部３は、予め教示された動作プログラムに従ってロボット１１０を動作させるとともに、比較部２による比較の結果、いずれかの力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚの大きさが対応する閾値を超えている場合に、ロボット１１０の動作速度を低減させる。各閾値は、力センサ１１２の力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚを検出可能な３つの方向ｘ，ｙ，ｚの定格荷重以下の値に設定されている。

このように構成された本実施形態に係る制御装置１によれば、動作プログラムに従うロボット１１０の動作中に、力センサ１１２により相互に直交する３方向ｘ，ｙ，ｚの力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚが検出され、比較部２において、方向ｘ，ｙ，ｚ毎に閾値と比較される。その結果、いずれか１つの方向における力成分が閾値を超えた場合には、制御部３がロボット１１０の動作速度を低減させることにより、閾値を超えた方向における力成分のそれ以上の増大を防止する。

例えば、力センサ１１２を搭載して力制御により微妙な嵌合や研磨を行う場合等に、検出分解能の高い力センサを用いる必要があり、ロボット１１０の定格荷重以下の定格荷重の小型の力センサを搭載する場合がある。このような場合においても、力センサ１１２が力を検出可能な方向ｘ，ｙ，ｚ毎に閾値を設定して、いずれかの方向ｘ，ｙ，ｚの力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚが閾値を超えた場合にロボット１１０の動作速度を低下させる。これにより、各方向ｘ，ｙ，ｚの力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚが力センサ１１２の定格荷重を超えることが防止され、力センサ１１２を健全な状態に維持することができるという利点がある。

すなわち、本実施形態に係るロボット１１０の制御装置１によれば、ロボット１１０に搭載する力センサ１１２の小型化および高精度化を図りつつ、力センサ１１２の健全性を維持することができるという利点がある。
なお、ツールＳに作用した実際の力を検出したい場合には、各力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚを合成して合力を算出すればよい。

また、本実施形態においては、力センサ１１２を小型化した場合でも力センサ１１２の故障を防止する制御装置１を例示した。これに代えて、力センサ１１２としては十分な定格荷重を有するものを用い、ツールＳの方向ｘ，ｙ，ｚ毎の定格荷重以下の値を閾値に設定してもよい。これにより、ツールＳが方向ｘ，ｙ，ｚ毎に異なる定格荷重を有する場合に、いずれの方向ｘ，ｙ，ｚにもツールＳに加わる力がツールＳの定格荷重を超えることを防止して、ツールＳの健全性を維持することができる。

また、本実施形態においては、力センサ１１２により実際に検出された力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚが方向ｘ，ｙ，ｚ毎に閾値を超えたか否かを判定した。これに代えて、図４に示されるように、制御装置１が、ロボット１１０の幾何パラメータと、ロボット１１０の状態量とに基づいて力センサ１１２により検出される各力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚの大きさを算出する力算出部４を備えていてもよい。

そして、この場合には、比較部２が、力算出部４により算出された各力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと閾値とを比較すればよい。
幾何パラメータは、例えば、ロボット１１０の各リンク１１４，１１５，１１６の質量およびリンク長を含んでいる。
また、状態量は、ロボット１１０の各軸の角度、動作速度、加速度を含んでいる。

これにより、力算出部４は、重力や動力学項の影響を考慮した力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚを算出することができ、動作プログラムのどの時点で力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚの大きさが対応する閾値を超えるか否かを予め予測することができる。したがって、力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚの大きさが対応する閾値を超える前に、動作速度を低下させることができる。この場合には、閾値として、力センサ１１２の各方向ｘ，ｙ，ｚの定格荷重に等しい値を設定してもよい。

また、力算出部４による力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚの推定と、力センサ１１２による力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚの検出とを併用してもよい。力算出部４による推定では閾値を超えないが、実際の力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚが閾値を超える場合にも、ロボット１１０の動作速度を低減して、力センサ１１２の健全性を維持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、力センサ１１２が、直交する３方向ｘ，ｙ，ｚの力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚを検出する場合について説明したが、３方向ｘ，ｙ，ｚに沿う軸線回りのトルクを検出してもよいし、方向ｚの力成分Ｆｚと、方向ｙ，ｚに沿う軸線回りのトルクとを検出してもよい。あるいは、方向ｚに沿う軸線回りのトルクと、方向ｙ，ｚの力成分Ｆｙ，Ｆｚとを検出してもよい。
また、力センサ１１２の検出方向は必ずしも直交している必要はない。

また、本実施形態においては、いずれかの方向ｘ，ｙ，ｚの力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚの大きさが対応する閾値を超えた場合に、制御部３がロボット１１０の動作速度を低減する場合を例示した。これに代えて、閾値を超えた方向ｘ，ｙ，ｚの力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚの大きさのそれ以上の増加を回避するために、ロボット１１０を停止させたり、停止後に逆の軌跡でロボット１１０を動作させたりしてもよい。

また、本実施形態においては、力センサ１１２が手首１１１の先端に取り付けられている場合を例示したが、これに代えて、力センサ１１２が他の任意の位置に取り付けられている場合に適用してもよい。

また、本実施形態においては、力センサ１１２または力算出部４により得られた力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚをリアルタイムに閾値と比較して制御部３によりロボット１１０を制御する制御装置１を例示した。これに代えて、図５に示されるように、オフラインで動作プログラムを動作させるプログラミング装置１０に適用してもよい。

すなわち、プログラミング装置１０は、図５に示されるように、動作プログラム上の各地点において、３方向ｘ，ｙ，ｚの力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚを算出する力算出部１１と、算出される力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚの大きさと対応する閾値とを方向ｘ，ｙ，ｚ毎に比較する比較部１２を備える。また、プログラミング装置１０は、比較部１２において、いずれかの方向ｘ，ｙ，ｚの力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚの大きさが対応する閾値を超えると判定される場合に、その力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚを閾値以下にするよう動作プログラムを変更するプログラム調整部１３を備えている。

これにより、力センサ１１２として、ロボット１１０の定格荷重を下回る定格荷重を有するような小型の力センサを装着する場合においても、オフラインで動作プログラムを動作させるだけで、力センサ１１２に過度の荷重をかけないよう動作プログラムを調整することができる。

なお、予め力センサ１１２の仕様が決められていない場合には、動作プログラム上の各地点において力算出部１１によって算出される３方向ｘ，ｙ，ｚの力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚの大きさの最大値を求めることにしてもよい。これにより、力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚの最大値を上回る定格荷重を有する適切なサイズの力センサ１１２を選定するために利用することができる。

なお、力センサ１１２の推定値または検出値Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと比較する閾値として、力センサ１１２の定格荷重ではなく、一般的に定格荷重よりも大きい値として設定される力センサ１１２の耐荷重を用いてもよい。Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと力センサ１１２の耐荷重とを比較することで、力センサ１１２の故障をより確実に防止することができる。

また、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと比較する閾値として、力センサ１１２の定格荷重と耐荷重との両方を用いて、第１の閾値である定格荷重を超える場合はロボット動作に第１の制限を設け、第２の閾値である耐荷重を超える場合はロボット動作に第２の制限を設けてもよい。具体的には、定格荷重を超えると判断された場合には、第１の制限としてロボット１１０の動作速度を低減し、耐荷重を越えると判断された場合には、第２の制限としてロボット１１０の動作を停止してもよい。二段階にロボット動作を制限することで、より確実に力センサ１１２の故障を防止することができる。

また、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと定格荷重および耐荷重とを比較した結果に基づいて、ロボット１１０を減速、停止、または力センサ１１２に作用する力が低減するようにロボット１１０に逆の軌跡を動作させる際には、一般的には、ロボット１１０がそれらの動作を完了するまでに、ロボット１１０の減速時に作用する慣性力などにより、力センサ１１２に更に過大な力が作用する場合がある。そのため、それらの過大な力を予め推定し、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚの大きさ（絶対値）が定格荷重および耐荷重に対して小さくなるようにロボット１１０の加減速度を制限することで、力センサ１１２をより確実に健全な状態に維持することができる。

更に、力センサ１１２を用いたアプリケーションでは、ロボット１１０を外部に押し付けて、押付力が一定になるようにロボット１１０を制御する適用が多く、この場合、力センサ１１２には、ロボット１１０の幾何パラメータおよび状態量から算出される算出力に加え、この押付力も作用する。この押付力は、アプリケーションに応じて、予め、ｘ，ｙ，ｚ方向毎に大きさを決めておくことができるため、力センサ１１２のＦｘ，Ｆｙ，Ｆｚの算出力と閾値とを比較する場合では、力センサ１１２の定格荷重および耐荷重から、予め決められた押付力を引いた値を閾値に設定することで、アプリケーション毎に、より適切な比較判定を行うことができる。

１制御装置
２，１２比較部
３制御部
４，１１力算出部
１０プログラミング装置
１３プログラム調整部
１１０ロボット
１１１手首
１１２力センサ
１１４旋回胴（リンク）
１１５第１アーム（リンク）
１１６第２アーム（リンク）
Ｓツール
ｘ，ｙ，ｚ方向
Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ力成分

Claims

複数方向の同種の力成分を検出可能な力センサを搭載したロボットを動作させたときに前記力センサにより検出される各前記力成分の大きさを、前記方向毎に所定の閾値と比較する比較部と、
該比較部により、いずれかの前記方向の前記力成分の大きさが前記閾値を超えると判定される場合に、前記方向の前記力成分の大きさの増加を回避するよう前記ロボットを制御する制御部とを備え、
前記閾値が、前記力センサの前記方向毎の定格値である第１の閾値と、該第１の閾値よりも大きい前記力センサの耐荷重である第２の閾値とを有し、
前記制御部が、いずれかの前記力成分が前記第１の閾値を超える場合には、前記ロボットの動作速度を低下させ、いずれかの前記力成分が前記第２の閾値を超える場合には、前記ロボットの動作を停止させる、または、前記ロボットの動作を停止後に逆の軌跡で前記ロボットを動作させるロボットの制御装置。
前記ロボットの幾何パラメータと、前記ロボットの状態量とに基づいて前記力センサにより検出される各前記力成分の大きさを算出する力算出部を備え、
前記比較部が、前記力算出部により算出された各前記力成分の大きさと前記閾値とを比較する請求項１に記載のロボットの制御装置。
前記力センサが、前記ロボットの手首の先端に備えられている請求項１または請求項２に記載のロボットの制御装置。
前記幾何パラメータが、前記ロボットの各リンクの質量および長さを含む請求項２に記載のロボットの制御装置。
前記力センサにより検出される各前記力成分が、所定の軸方向に沿う力または前記軸回りのトルクである請求項１から請求項４のいずれかに記載のロボットの制御装置。
前記閾値が、前記力センサの前記方向毎の定格値以下に設定されている請求項１から請求項５のいずれかに記載のロボットの制御装置。
前記閾値が、前記ロボットに装着されたツールの前記方向毎の定格値以下に設定されている請求項１から請求項５のいずれかに記載のロボットの制御装置。
前記制御部が、前記ロボットの動作を減速、停止または前記ロボットを逆の軌跡で動作させる際に、各前記力成分の大きさが定格荷重および耐荷重に対して小さくなるように、前記ロボットの加減速度を制限する請求項１から請求項７のいずれかに記載のロボットの制御装置。
前記ロボットを所定の押圧力によって外部に押し付ける場合に、
前記ロボットの幾何パラメータと、前記ロボットの状態量とに基づいて前記力センサにより検出される各前記力成分の大きさを算出する力算出部を備え、
前記閾値が、前記力センサの定格荷重および耐荷重から前記所定の押付力を引いた値であり、
前記比較部が、前記力算出部により算出された各前記力成分の大きさと前記閾値とを比較する請求項１に記載のロボットの制御装置。
複数方向の同種の力成分を検出可能な力センサを搭載したロボットを動作させたときに前記力センサにより検出される各前記力成分の大きさを、前記ロボットの幾何パラメータと、前記ロボットの動作プログラムとに基づいて算出する力算出部と、
該力算出部により算出された前記力成分を前記方向毎に所定の閾値と比較する比較部と、
該比較部により、いずれかの前記方向の前記力成分の大きさが前記閾値を超えると判定される場合に、前記方向の前記力成分を前記閾値以下にするよう前記動作プログラムを変更するプログラム調整部とを備え、
前記閾値が、前記力センサの前記方向毎の定格値である第１の閾値と、該第１の閾値よりも大きい前記力センサの耐荷重である第２の閾値とを有し、
前記プログラム調整部が、いずれかの前記力成分が前記第１の閾値を超える場合には、前記ロボットの動作速度を低下させ、いずれかの前記力成分が前記第２の閾値を超える場合には、前記ロボットの動作を停止させる、または、前記ロボットの動作を停止後に逆の軌跡で前記ロボットを動作させるよう前記動作プログラムを変更するロボットのプログラミング装置。