JP7392149B2 - ロボット制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、関節アームを備えたロボットに関し、特に、関節アームにトルクセンサを有するロボットに関する。

従来より、関節アームを備えたロボットにおいて、ロボットの関節アームが外部から受けるトルクを検知し、操作者が、関節アームが外部から受けるトルクを考慮して的確に操作することができるようする開発がなされてきた。特許文献１には、カメラにより撮像されたロボットの関節アームの画像とともに、関節アームに備えられたトルク検出により検出されたトルクのアイコンを表示部に表示するものが記載されている。

特開２０１９－８１２０９号公報

ロボットの関節アームが外部から受けるトルクを検知するトルクセンサは、通常、製作段階から、許容される範囲での誤差を含み、出力するトルクの値にはオフセットが乗っている。また、トルクセンサの使用時間により劣化が生じるにつれ、オフセット量の値も大きくなってくることがある。そこで、従来は、トルクセンサの製品仕様としてトルクのオフセット量の許容値を予め決めておき、ユーザが検知したオフセット量が許容値を超えたときにトルクセンサを交換する仕様としていた。

従来のユーザが検知したオフセット量が許容値を超えたときにトルクセンサを交換する仕様としていた方法では、ユーザが定期的にオフセット量を検知（計測）する必要があり、ユーザの作業量が増えて非効率的であった。また、関節アーム全体としてのトルクのオフセット量は把握できたとしても、どこの関節でトルクのオフセット量が許容値を超えたのか、すなわち、どこの関節のトルクセンサが劣化したのかが、一見しただけではわかりにくいという課題が生じていた。

したがって、ロボットの関節アームに備えられたトルクセンサについて、ユーザが、一見して、関節アームのいずれかのトルクセンサに、どの程度の劣化度が生じたのかを知ることができるようにすることを目的とする。

上記の課題を解決するため、本開示のロボット制御装置は、関節まわりの外力トルクを検知するセンサを備えたロボットの制御装置であり、ロボット本体の３Ｄグラフィックスと共に、劣化したトルクセンサの組付箇所に警告アイコンをカラー表示し、劣化度合いに応じてその色を変更する、表示装置を備えた、ロボット制御装置である。

本開示のロボット制御装置によれば、ユーザが、ロボットの関節アームのどの関節のトルクセンサがどの程度に劣化したかという情報を、一見して感覚的に把握することができる。

本開示のロボットシステムの構成図である。 本開示のロボット制御の際の信号の授受関係を示すブロック線図である。 オフセット量の同定の例を示すグラフの図である。 重力によるトルクが掛からないアームのオフセット量の同定の例を示すグラフの図である。 劣化度合いの注意レベル、警告レベルを示すグラフの図である。 ロボット１の撮像画像に警告アイコンを表示した表示例を示す図である。 本開示のトルクセンサ劣化度の表示の手順を示すフロー図である。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照して、詳細に説明する。

図１は、本開示の各実施形態に共通のロボットシステムの構成図である。図１に示すロボット１は、胴体１１から６軸垂直多関節又は４軸垂直多関節などの多関節アーム１０が延びる多関節型ロボットである。多関節アーム１０は、ロボット１に内蔵された、関節ごとに対応付けられて配置されたサーボモータ１２（図２）によって動かされ、多関節アーム１０が物を持ち上げて移動させることにより、あるいは、他部材と接触することにより、外部からトルクを受ける。外部から受けたトルクは、そのときの多関節アーム１０の形態や、受けたトルクの方向に応じて、多関節アーム１０の各関節に配分されることになる。多関節アーム１０の各関節には、トルクセンサ１０１，１０２，１０３が備えられ、各関節で受けたトルクを検知（計測）できるようになっている。

制御装置２は、ロボット１の動作を制御するとともに、表示装置３の表示内容を制御する。制御装置２で作成されたロボット１の動作指令をロボット１に与え、ロボット１に内蔵されたサーボモータ１２（図２）を作動させて多関節アーム１０を動かし各種の作業を行う。多関節アーム１０の各関節に配置されたトルクセンサ１０１，１０２，１０３からの出力値は、制御装置２に送られて処理され、その結果のデータが表示装置３に送られて表示される。

図２は、制御装置２とロボット１の間、及び、制御装置２と表示装置３の間、並びに、ロボット１、制御装置２及び表示装置３それぞれの内部での信号の授受関係を示すブロック線図である。制御装置２は、ハード構成として、マイクロプロセッサなどからなる処理ユニット（ＣＰＵ）２１と、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリなどのメモリ部材を含む記憶ユニット２２及び送受信ユニット２３から構成される。制御装置２の処理ユニット２１における多関節アーム移動教示部２１３とサーボモータ作動量算出部２１４とで、多関節アーム１０の移動の教示データから各サーボモータ１２の作動量（回転数）を算出し、ロボット１の各サーボモータ１２に対する作動指令を作成して、送受信ユニット２３を介してロボット１に送る。ロボット１の各サーボモータ１２は、制御装置２からの作動指令に応じて作動し、作動した結果のデータ（回転数）を、ロボット１の送受信装置１３を介して制御装置２にフィードバックする。また、ロボット１の多関節アーム１０の各関節に配設されたトルクセンサ１０１，１０２，１０３の出力データは、ロボット１の送受信装置１３を介して制御装置２に送られる。

制御装置２の処理ユニット２１では、ロボット１のトルクセンサ１０１，１０２，１０３から送られた出力データを用いて、トルクセンサオフセット量算出部２１１においてトルクセンサオフセット量を算出する。そして、算出されたトルクセンサオフセット量によって、表示装置３で表示される各トルクセンサの劣化度を表す色について、トルクセンサ劣化度判定部２１２で判定する。

制御装置２にロボット１から送られた各トルクセンサの出力値、制御装置２の処理ユニット２１のトルクセンサオフセット量算出部２１１において算出されたトルクセンサオフセット量、及び、制御装置２の処理ユニット２１のトルクセンサ劣化度判定部２１２で判定された結果についての各データは、送受信ユニット２３を介して表示装置３に送られる。表示装置３に送られた各データは、送受信部３２を介して表示部３１に送られ、表示部３１のトルク値表示部３１１及びトルクセンサ劣化度表示部３１２において、送られてきたデータに基づいた表示がなされる。

次に、トルクセンサ１０１，１０２，１０３のオフセット量の算出（同定）方法について説明する。オフセット量の同定の手法は、ロボット１の多関節アーム１０の１軸（1つのアーム）のみを動かして複数個所で取得した、アーム位置とトルクセンサの出力トルクのデータから、同定するものである。具体的には、次の各操作・計算で行う。

ロボット１の多関節アーム１０の１軸のみを動かしてそのアーム位置を変化させると、アームの重心位置やその先に接続される他のアームや先端の負荷に応じて、各アーム位置で、重力とつり合うトルクをアームの回転軸で発生させることになる。又は、重力によるトルクが掛からない状態のアームでは、静止時にトルクは発生しない。よって、トルクセンサの出力Ｔは、トルクセンサのオフセット量をＤ、アーム位置をθとすると、次の式（１）で表される。
［数１］

Ｔ＝Ｍ・sin（θ＋α）＋Ｄ ・・・・・式（１）

ここで、Ｍはそのアームに掛かる重力トルクの最大値、αはアームの重心位置等に応じた位相のオフセットである。

そして、アーム位置のθを変化させて、θ，Ｔを記録する、ということを複数回行い、それらのデータを使って最小二乗法によってＤを同定する。最小二乗法を使うため、式（１）を式（２）のように変形する。
［数２］

Ｔ＝Ｍ１・sinθ＋Ｍ２・cosθ＋Ｄ ・・・・・式（２）

ここで、Ｍ１＝Ｍ・cosα、Ｍ２＝Ｍ・sinαである。この式をモデルとして、取得したθ，Ｔのデータを使ったＤの同定の１つの例を図３に示す。図３のグラフにおいて、〇の１つ１つが、取得したθ，Ｔのデータ、横線（－）が同定されたオフセット量Ｄを示す。また、同定例として、重力によるトルクが掛からないアームについて同定した例を図４に示す。

次に、上記のように同定（算出）した、各トルクセンサ１０１，１０２，１０３のオフセット量Ｄから各トルクセンサ１０１，１０２，１０３の劣化の度合いを判定する手法について説明する。各トルクセンサ１０１，１０２，１０３の劣化の度合いの判定は、ロボットの通常稼働での動作とは別に、定期的にセルフテストを行うことにより行う。セルフテストでは、各アームを、それぞれ単独で動かし、複数個所でのアーム位置（角度）とトルクセンサの出力トルクを記録する。それらの記録されたデータの値を、前述の式（２）に代入し、最小二乗法により各トルクセンサ１０１，１０２，１０３のオフセット量を算出する。そして、各トルクセンサ１０１，１０２，１０３に警告や注意の基準とするしきい値をあらかじめ決めておき、オフセット量がそれらを超えた場合に警告や注意のレベルに達したと判定する。警告や注意の基準を示したグラフ内にオフセット量を記録したグラフの例を図５に示す。

表示装置３の表示部３１のトルクセンサ劣化度表示部３１２においては、ロボット１の本体（多関節アーム１０及び胴体１１）の外形図の中で、各トルクセンサ１０１，１０２，１０３の劣化度が表示されるため、ロボット１本体中での、各トルクセンサ１０１，１０２，１０３の位置を把握する必要がある。各トルクセンサ１０１，１０２，１０３の位置は、設計情報であり、既知である。そして、制御装置２の記憶ユニット２２に記憶された制御ソフトウエア内にも機構に関するパラメータとして記憶される。なお、ロボット１の多関節アーム１０における各アームにはそれぞれ座標系を持たせ、各トルクセンサ１０１，１０２，１０３の位置は、それらの座標系の座標で表される。多関節アーム１０における各アームの位置についても、制御ソフトウエアにおいて既知の情報であり、各トルクセンサ１０１，１０２，１０３が各アームのどこに組付けられるかについても制御ソフトウエア内に記憶されているので、ロボット１の外形図に対して、各トルクセンサ１０１，１０２，１０３がどの位置に存在するかを表示装置３の表示部３１のトルクセンサ劣化度表示部３１２において表示することができる。

次に、各トルクセンサ１０１，１０２，１０３の劣化度を判定した結果を表示装置３に表示する実施形態について、説明する。

上記の手法で、各トルクセンサ１０１，１０２，１０３それぞれについて、トルクのオフセット量を検出（計測）する。その結果、例えば、トルクセンサ１０１のトルクのオフセット量が注意レベルのしきい値より小さい場合には、劣化度は注意レベルに達していないと判定され、その場合には、特に表示はしない。すなわち、ロボット１の図形上でトルクセンサ１０１の位置に警告アイコンを表示するようなことはしない。一方、例えば、トルクセンサ１０２のトルクのオフセット量が注意レベルのしきい値以上で警告レベルのしきい値より小さい場合には、劣化度は警告レベルには達していないものの、注意レベルに達したと判定され、その場合には、ロボット１の図形上でトルクセンサ１０２の位置に警告アイコンを黄色でカラー表示する。さらに、例えば、トルクセンサ１０３のトルクのオフセット量が警告レベルのしきい値以上で警告となった場合には、劣化度は警告レベルに達したと判定され、その場合には、ロボット１の図形上でトルクセンサ１０３の位置に警告アイコンを赤色でカラー表示する。

表示装置３に表示するロボット１の図形の実施形態としては、ロボット１の３Ｄグラフィックスやロボット１の撮像画像の形態がある。ロボット１の図形の形態としてロボット１の撮像画像を採用したものを図６に示す。トルクセンサのトルクのオフセット量が警告レベルのしきい値以上となった場合に、当該トルクセンサの位置に警告アイコンが表示される。図６の例では、上側の警告アイコンは、例えば、黄色で、下側の警告アイコンは、例えば、赤色で表示されている。なお、表示装置３の実施形態としては、通常のディスプレイの他、透明ディスプレイの形態もある。すなわち、操作者の視線が透明ディスプレイを通してロボットを捉えた際には、トルクセンサの組付箇所に相当する透明ディスプレイ上の投影位置に、警告アイコンを表示する。

次に、本開示におけるトルクセンサ劣化度の表示の手順を図７にフロー図で示す。図７に示すように、まず、通常の稼働動作とは別に、ユーザがロボット１の多関節アーム１０の１軸（１つのアーム）のみを動かす動作を複数回行うことから始まる（ステップＳＴ１）。その結果として、制御装置２の処理装置２１のトルクセンサオフセット量算出部２１１において、各トルクセンサ１０１，１０２，１０３のトルクのオフセット量が算出される（ステップＳＴ２）。

次に、算出された各トルクセンサ１０１，１０２，１０３のトルクのオフセット量から各トルクセンサ１０１，１０２，１０３の劣化度を判定し、その判定結果を表示する。具体的には、表示装置３の表示部３１のトルクセンサ劣化度表示部３１２に、ロボット１の外形図上の各トルクセンサ１０１，１０２，１０３の位置に、カラーアイコンを表示し、その表示色によって、劣化度を表示する。

まず、算出された各トルクセンサ１０１，１０２，１０３のそれぞれのトルクのオフセット量が、注意レベルのしきい値を超えておらず、注意レベルのしきい値より小さいかを判定する（ステップＳＴ３）。判定結果がＹＥＳの場合、すなわち、オフセット量が注意レベルのしきい値より小さい場合には、劣化度は注意レベルに達していないと判定され、判定されたトルクセンサ１０１，１０２，１０３の、ロボット１の外形図上のその位置には、カラーアイコンを表示しない（ステップＳＴ４）。そして、このフローは終了する。

ステップＳＴ３の判定結果がＮＯの場合、すなわち、オフセット量が注意レベルのしきい値以上の場合には、次に、算出された各トルクセンサ１０１，１０２，１０３のそれぞれのトルクのオフセット量が、警告レベルのしきい値を超えておらず、警告レベルのしきい値より小さいかを判定する（ステップＳＴ５）。

ステップＳＴ５の判定結果がＹＥＳの場合、すなわち、オフセット量が警告レベルのしきい値より小さい場合には、劣化度は、警告レベルには達していないものの、注意レベルにあると判定され、判定されたトルクセンサ１０１，１０２，１０３の、ロボット１の外形図上のその位置に、黄色のカラーアイコンを表示する（ステップＳＴ６）。そしてこのフローは終了する。

ステップＳＴ５の判定結果がＮＯの場合、すなわち、オフセット量が警告レベルのしきい値以上の場合には、劣化度は、警告レベルを超えるものと判定され、判定されたトルクセンサ１０１，１０２，１０３の、ロボット１の外形図上のその位置に、赤色のカラーアイコンを表示する（ステップＳＴ７）。そしてこのフローは終了する。

以上のとおりであり、本開示のロボット制御装置によれば、ユーザが、ロボットの関節アームのどの関節のトルクセンサがどの程度に劣化したかという情報を、ロボットの外形図上のカラーアイコンの表示色によって、一見して感覚的に把握することができるものである。

そして、ロボットの外形図については、ロボットの３Ｄグラフィックスやロボットの撮影画像など種々の形態を選択することができ、ユーザは、ロボットの形態や表示装置の特性などに応じて、見やすいロボット外形の形態で劣化したトルクセンサの位置及びその劣化度を一見して知ることができる。

また、表示装置の形態についても、通常の液晶や有機ＥＬなどのディスプレイに加え、透明ディスプレイを選択することができ、ロボットを使用する環境に応じて、見やすい表示状態で劣化したトルクセンサの位置及びその劣化度を一見して知ることができる。

以上、本発明の実施に関して、実施態様について説明したが、本発明はこうした実施態様に何ら限定されるものではなく本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々なる態様で実施できるものであることは勿論である。

１ ロボット
１０ 多関節アーム
１０１，１０２，１０３ トルクセンサ
１１ （ロボットの）胴体
１２ サーボモータ
１３ （ロボットの）送受信装置
２ 制御装置
２１ 処理ユニット
２１１ トルクセンサオフセット量算出部
２１２ トルクセンサ劣化度判定部
２１３ 多関節アーム移動教示部
２１４ サーボモータ作動算出部
２２ 記憶ユニット
２３ （制御装置の）送受信ユニット
３ 表示装置
３１ 表示部
３１１ トルク値表示部
３１２ トルクセンサ劣化度表示部
３３ （表示装置の）送受信部

Claims (5)

1. 関節まわりの外力トルクを検知するトルクセンサを備えたロボットの制御装置であって、
   前記ロボットの本体の３Ｄグラフィックスと共に、劣化した前記トルクセンサの組付箇所に警告アイコンをカラー表示し、劣化度合いに応じてその色を変更させる、表示装置を備えた、
   ロボット制御装置。
2. 関節まわりの外力トルクを検知するトルクセンサを備えたロボットの制御装置であって、
   実物の前記ロボットの本体の撮影画像と共に、劣化した前記トルクセンサの組付箇所に警告アイコンをカラー表示し、劣化度合いに応じてその色を変更させる、表示装置を備えた、
   ロボット制御装置。
3. 関節まわりの外力トルクを検知するトルクセンサを備えたロボットを視野に捉えた際に、
   前記ロボットの劣化した前記トルクセンサの組付箇所に相当する透明ディスプレイ上の投影位置に、警告アイコンをカラー表示し、劣化度合いに応じてその色を変更させる、拡張現実表示デバイスを備えた、
   ロボット制御装置。
4. 前記劣化度合いは、前記ロボットの１軸のみを動かして複数個所で取得した、アームの角度位置と前記トルクセンサの出力トルクのデータから同定した前記トルクセンサのオフセット量に基づいて判別する、
   請求項１～３のいずれかに記載されたロボット制御装置。
5. 前記トルクセンサのオフセット量は、前記アームの角度位置θを変化させて出力トルクＴを測定し、複数組の前記アームの角度位置θ、出力トルクＴを記録し、前記アームの角度位置θ、出力トルクＴ及び前記トルクセンサのオフセット量Ｄの関係を表す次の式（１）を用いて、最小二乗法により、前記トルクセンサのオフセット量Ｄを求めるものである、
   請求項４に記載されたロボット制御装置。
   ［数１］
   
   Ｔ＝Ｍ・ｓｉｎ（θ+α）+Ｄ ・・・・・・ 式（１）
   
   ここで、Ｍは前記アームに掛かる重力トルクの最大値、αは前記アームの重心位置に応じた位相のオフセットである。

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