JP7414971B2 - 処理ツールのマスタリング方法 - Google Patents

Description

本発明は、グリップや加工などの各種処理を行う処理ツールのマスタリングを行う、処理ツールのマスタリング方法に関する。

産業用ロボットにおいては、製造工程の最終段階あるいはユーザへの出荷のための調整作業時、ロボットの駆動源の一例であるサーボモータの交換時、ロボットシステム運転中に干渉事故が起こった後の修復時などの際に、ロボット現物の原点姿勢とロボットに係るプログラムの原点との間の一致を図る較正、つまり、マスタリングが行われる（例えば、下記特許文献１参照）。このようなマスタリング作業は、ロボットのアーム先端部に搭載される処理ツールであって、処理ツール自身が有する単数又は複数の（回転）駆動軸を駆動することにより、処理ツールによる処理対象物への処理位置を制御する処理ツールについても、同様に行われる。

このような処理ツールの例として、ロボットのアーム先端部に取り付けられる２つのリンクで構成される関節型のハンドアームがある。マスタリング作業では、ハンドアームに付された目印や、専用の治具を使用して調整を行う。

特開平０８－１７１４１０号公報

しかし、ハンドアームに目印が無い場合、出荷後の保守時に専用設備が用意されていない環境では、再マスタリング作業に大きな手間が掛かるという問題が生じる。専用の治具が無い場合も同様である。また、一般的には、ロボットの基準方向と処理ツールの基準方向とを合わせるように設定する必要があるところ、目印が無い場合、両基準方向が一致するようにマスタリングを行うには手間が掛かる。そこで、駆動軸を有するロボットのアーム先端部に搭載される処理ツールに対して容易に遂行可能なマスタリング方法が望まれている。

本開示は、処理対象物に所定の処理を施す処理ツールをアーム先端部に保持し、単数又は複数の駆動軸を駆動する複数の駆動部を備える多関節型のロボットにおける前記駆動部を制御すると共に、前記処理ツールによる前記処理対象物への処理位置を制御することにより、前記処理ツールのマスタリングを行う、処理ツールのマスタリング方法であって、前記ロボットの動作から前記ロボットの基準方向の情報である基準方向情報を取得し、取得した前記基準方向情報に基づいて、前記処理ツールのマスタリングを行う、処理ツールのマスタリング方法である。

本開示によれば、駆動軸を有するロボットのアーム先端部に搭載される処理ツールに対して容易に遂行可能なマスタリング方法を提供することができる。

本発明が適用される第１適用例のロボットシステムのシステム構成を示す図である。 第１適用例のロボットシステムの側面図である。 第１適用例のロボットシステムの部分拡大平面図である。 第１適用例のロボットシステムのマスタリング作業の１ステップを示す側面図である（図２Ａ対応図）。 図３Ａに対応する部分拡大平面図である（図２Ｂ対応図）。 図３Ａの次のステップを示す側面図である。 図４Ａに対応する部分拡大平面図である。 図４Ａの次のステップを示す側面図である。 図５Ａに対応する部分拡大平面図である。 図５Ａの次のステップを示す側面図である。 図６Ａに対応する部分拡大平面図である。 図６Ａの次のステップを示す側面図である。 図７Ａに対応する部分拡大平面図である。 本発明が適用される第２適用例に係るロータリーウェッジスキャナの原理図である。 第２適用例のロボットシステムのマスタリング作業の１ステップを示す側面図である。 図９Ａに対応する部分拡大平面図である。 図９Ａの次のステップを示す側面図である。 図１０Ａに対応する部分拡大平面図である。 図１０Ａの次のステップを示す側面図である。 図１１Ａに対応する部分拡大平面図である。 本発明が適用される第３適用例に係るガルバノスキャナの原理図である。

〔第１適用例〕
以下、添付の図面を参照して、本発明の処理ツールのマスタリング方法が、ロボット及びハンドアームを備えるロボットシステムに適用された例である第１適用例について、説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を付している。図１は、本発明が適用される第１適用例のロボットシステムのシステム構成を示す図である。図２Ａは、第１適用例のロボットシステムの側面図である。図２Ｂは、第１適用例のロボットシステムの部分拡大平面図である。

図１～図２Ｂに示すように、第１適用例のロボットシステム１は、ロボット２と、処理ツールの一例であるハンドアーム３と、ロボット２を制御するロボット制御装置４１と、ハンドアーム３を制御するツール制御装置４２と、を備える。ロボットシステム１は、ロボット２及びハンドアーム３を目標位置に移動させて、ハンドアーム３によりワーク（図示せず）に所定の処理を施す。

処理は、第１適用例では、ワーク等のグリップ（挟持、吸着など）であるが、これに制限されない。処理は、接触による除去加工（切削、溶接など）、非接触による除去加工（レーザー加工など）、流動体（シール材、塗料など）の吐出であってもよい。

ロボット２は、例えば６軸垂直多関節型のロボットであり、基台（ベース）２１と、下ロボットアーム２２と、上ロボットアーム２３と、ロボットアーム先端部２４（アーム先端部）とを有する。基台２１は、床上面である基準面Ｒ１に設置されている。下ロボットアーム２２の一端側は、基台２１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。下ロボットアーム２２の他端側には、上ロボットアーム２３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。上ロボットアーム２３の他端側には、ロボットアーム先端部２４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。ロボットアーム先端部２４には、処理ツールの一例であるハンドアーム３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。

なお、ロボット２は、６軸垂直多関節型に限定されず、４軸垂直多関節型ロボットなど他のタイプの多関節型ロボットであってもよい。駆動軸は１軸でもよい。

ロボット２は、第１軸Ｊ１～第６軸Ｊ６の複数の駆動軸をそれぞれ駆動する複数のサーボモータ（図示せず）を内蔵する。サーボモータはロボット制御装置４１からの制御信号により駆動される。このサーボモータの駆動により、ロボット２の位置及び姿勢は変更されると共に、ロボット２に装着されたハンドアーム３の位置及び姿勢は変更される。

ハンドアーム３は、処理ツールの一例である。処理ツールは、処理対象物への処理位置を制御されて、処理対象物に所定の処理を施す。処理対象物及び処理位置は、処理の内容によってそれぞれ異なる。処置がグリップの場合、処理対象物はグリップされるものであり、処理位置はグリップされる位置である。処置が加工の場合、処理対象物は被加工物であり、処理位置は加工位置である。処置が吐出の場合、処理対象物は被付着物（例えば、シール材が付着される部材）であり、処理位置は付着位置である。

ハンドアーム３は、ロボットアーム先端部２４に保持されている。ハンドアーム３は、例えば、１軸関節型のアーム機構であり、第１ハンドアーム３１と、第２ハンドアーム３２と、グリッパー３３とを有する。第１ハンドアーム３１の一端側は、ロボットアーム先端部２４に、第６軸Ｊ６まわりに回転可能に連結されている。第１ハンドアーム３１の他端側には、第２ハンドアーム３２の一端側が第７軸Ｊ７まわりに回転可能に連結されている。第２ハンドアーム３２の他端側には、ワーク等をグリップするグリッパー３３が連結されている。グリッパー３３の基準軸を第８軸Ｊ８（図２Ａ参照）という。第６軸Ｊ６と第７軸Ｊ７と第８軸Ｊ８とは平行に配列している。グリッパー３３によるグリップ方式は、限定されず、例えば、挟持、吸着、吸引である。

ハンドアーム３は、第７軸Ｊ７の駆動軸を駆動するサーボモータ（図示せず）を内蔵する。サーボモータはツール制御装置４２からの制御信号により駆動される。このサーボモータの駆動により、ハンドアーム３におけるグリッパー３３の位置及び姿勢は変更されると共に、グリップ動作は行われる。

ロボット制御装置４１及びツール制御装置４２は、それぞれ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んで構成される。ロボット制御装置４１とツール制御装置４２とは、互いに信号の送受信（通信）を行う。ロボット制御装置４１は、ロボット２及び処理ツールの動作プログラム（作業プログラム）、教示データ等を格納している。なお、ロボット制御装置４１はツール制御装置４２を兼用していてもよい。

図２Ａ～図７Ｂを用いて、第１適用例のロボットシステムのマスタリング作業について説明する。図３Ａは、第１適用例のロボットシステムのマスタリング作業の１ステップを示す側面図である（図２Ａ対応図）。図３Ｂは、図３Ａに対応する部分拡大平面図である（図２Ｂ対応図）。図４Ａは、図３Ａの次のステップを示す側面図である。図４Ｂは、図４Ａに対応する部分拡大平面図である。図５Ａは、図４Ａの次のステップを示す側面図である。図５Ｂは、図５Ａに対応する部分拡大平面図である。図６Ａは、図５Ａの次のステップを示す側面図である。図６Ｂは、図６Ａに対応する部分拡大平面図である。図７Ａは、図６Ａの次のステップを示す側面図である。図７Ｂは、図７Ａに対応する部分拡大平面図である。

図２Ａ及び図２Ｂに示すように、ロボットシステム１（ハンドアーム３が搭載されたロボット２）の最終駆動軸である第７軸Ｊ７が、ロボット２の基台２１の基準面Ｒ１に対して垂直になるように、ロボット２の位置及び姿勢を移動させる。なお、第７軸Ｊ７が基準面Ｒ１に対して垂直になると、結果的に、第６軸Ｊ６及び第８軸Ｊ８も基準面Ｒ１に対して垂直になる。ロボットの基準となる直交座標系として、Ｘｔ－Ｙｔ座標系（原点：Ｏｔ）を設定する。基準面Ｒ１は、Ｘｔ－Ｙｔ平面に平行である。Ｘｔ軸と第１ハンドアーム３１の長手方向とがなす角度をθ１という。第１ハンドアーム３１の長手方向と第２ハンドアーム３２の長手方向とがなす角度をθ２という。

図３Ａ及び図３Ｂに示すように、ハンドアーム３のグリッパー３３に、装置側ピンＱ１をグリップさせる。装置側ピンＱ１の先端は、基準面Ｒ１を向いている。また、基準面Ｒ１には、基準面Ｒ１と平行な第２基準面Ｒ２を有する台が置かれている。第２基準面Ｒ２には、装置側ピンＱ１と対となるターゲットピンＱ２が置かれている。ターゲットピンＱ２の先端は、基準面Ｒ１の反対側を向いている。ターゲットピンＱ２の先端の位置であって、基準面Ｒ１（第２基準面Ｒ２）への投影位置を「位置Ｐ１」という。

ハンドアーム３のグリッパー３３の位置Ｊ８（装置側ピンＱ１の先端の位置であって、基準面Ｒ１（第２基準面Ｒ２）への投影位置でもある）を、位置Ｐ１に移動させて、装置側ピンＱ１の先端とターゲットピンＱ２の先端とを突き合わせる。この状態において、Ｘｔ軸と第１ハンドアーム３１の長手方向とがなす角度をθ１１といい、第１ハンドアーム３１の長手方向と第２ハンドアーム３２の長手方向とがなす角度をθ２１という。

図４Ａ及び図４Ｂに示すように、ハンドアーム３の姿勢を維持したまま（角度θ１１、θ１２を維持したまま）、ロボット２を直交座標系の＋Ｘｔ方向に、移動量＋Ｘ２、移動させる。この状態において、装置側ピンＱ１の先端の位置であって、基準面Ｒ１（第２基準面Ｒ２）への投影位置を「位置Ｐ２」として記憶する。

図５Ａ及び図５Ｂに示すように、ロボット２の位置及び姿勢を維持したまま、ハンドアーム３のグリッパー３３の位置Ｊ８を、直交座標系の－Ｘｔ方向に、移動量－Ｘ２、移動させて、装置側ピンＱ１の先端の位置Ｐ１に移動させる。そして、装置側ピンＱ１の先端（Ｊ８）とターゲットピンＱ２の先端（Ｐ１）とを、再度突き合わせる。その際、Ｘｔ軸と第１ハンドアーム３１の長手方向とがなす角度θ１２は、角度θ１１よりも大きくなり（θ１２＞θ１１）、第１ハンドアーム３１の長手方向と第２ハンドアーム３２の長手方向とがなす角度をθ２２は、角度θ２１よりも小さくなる（θ２２＜θ２１）。

図６Ａ及び図６Ｂに示すように、ハンドアーム３の姿勢を維持したまま（角度θ２１、θ２２を維持したまま）、ロボット２を直交座標系の＋Ｘｔ方向に、移動量＋Ｘ３、移動させる。この状態において、装置側ピンＱ１の先端の位置であって、基準面Ｒ１（第２基準面Ｒ２）への投影位置を「位置Ｐ３」として記憶する。

図７Ａ及び図７Ｂに示すように、ロボット２の位置及び姿勢を維持したまま、ハンドアーム３のグリッパー３３の位置Ｊ８を、直交座標系の－Ｘｔ方向に、移動量－Ｘ３、移動させて、装置側ピンＱ１の先端の位置Ｐ１に移動させる。そして、装置側ピンＱ１の先端（Ｊ８）とターゲットピンＱ２の先端（Ｐ１）とを、再度突き合わせる。その際、Ｘｔ軸と第１ハンドアーム３１の長手方向とがなす角度θ１３は、角度θ１２よりも大きくなり（θ１３＞θ１２）、第１ハンドアーム３１の長手方向と第２ハンドアーム３２の長手方向とがなす角度をθ２３は、角度θ２２よりも小さくなる（θ２３＜θ２２）。

位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の３点に関するハンドアーム３の移動量から、ロボット２の基準方向とハンドアーム３の基準方向とがなす角度を計算する。そして、この角度がゼロとなるように、つまり、両基準方向が一致するように、マスタリングを行う。要するに、ロボット２の動作からロボット２の基準方向の情報である基準方向情報を取得し、取得した基準方向情報に基づいて、処理ツールの一例であるハンドアーム３のマスタリングを行う。

本実施形態のマスタリングは、駆動軸を有するロボット２のロボットアーム先端部２４に搭載される処理ツールであるハンドアーム３に対して、容易に遂行可能である。これにより、マスタリング後の動作確認と、マスタリングの修正作業の手間とが減り、マスタリング作業の効率化を図ることができる。特に、ハンドアーム３に目印が無い場合や、専用の治具が無い場合であっても、マスタリング作業を容易に行うことができる。目印や専用の治具の廃止により、コストダウンを図ることができる。

〔第２適用例〕
次に、本発明の処理ツールのマスタリング方法が、ロボット及びロータリーウェッジスキャナを備えるロボットシステムに適用された例である第２適用例について、説明する。本発明の処理ツールのマスタリング方法は、レーザ光を透過可能又は反射可能であると共に回転軸まわりに回転可能な光学部品と、レーザ光を集光する集光光学系とを有する加工ヘッドを有する処理ツールに対しても、適用可能である。

第２適用例以降の説明にあたって、第１適用例と同一の構成要件については同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。

図８は、本発明が適用される第２適用例に係るロータリーウェッジスキャナの原理図である。図９Ａは、第２適用例のロボットシステムのマスタリング作業の１ステップを示す側面図である。図９Ｂは、図９Ａに対応する部分拡大平面図である。図１０Ａは、図９Ａの次のステップを示す側面図である。図１０Ｂは、図１０Ａに対応する部分拡大平面図である。図１１Ａは、図１０Ａの次のステップを示す側面図である。図１１Ｂは、図１１Ａに対応する部分拡大平面図である。

処理ツールの一例であるロータリーウェッジスキャナ（「トレパニングスキャナ」等とも呼ばれることがある）は、例えば、一方の面が傾斜した形式のレンズをモータで回転させることで、入射したレーザ光を屈折させて、任意の位置に照射することが可能である。具体的には、図８に示すように、ロータリーウェッジスキャナ６においては、レーザ光Ｌがレンズの厚み方向に入射するように、２枚のプリズムレンズ６１ａ及び６１ｂ（以下、双方をまとめて「プリズムレンズ６１」と総称することがある）と、集光レンズ６２とが重なって配置され、２枚のプリズムレンズ６１ａ及び６１ｂが、回転軸Ｊ１１を中心に回転する。これにより、照射位置（処理位置）が二次元平面上に制御可能となる。

プリズムレンズ６１は、例えば、回転軸方向に視たときに円状に形成されている。プリズムレンズ６１は、その周方向において厚みが連続的に変化している。プリズムレンズ６１は、モータ（図示せず）によって回転駆動され、その回転方向に沿って厚みが連続的に変化するようになっている。

プリズムレンズ６１に入射したレーザ光Ｌは、プリズムレンズ６１の屈折率に応じて屈折し、屈折光として出射される。このとき、屈折によりシフトするレーザ光Ｌのビーム位置は、プリズムレンズ６１の厚みと相関を有する。すなわち、レーザ光Ｌの入射位置におけるプリズムレンズ６１の厚みが大きいほど、屈折によるレーザ光Ｌのビーム位置のずれであるシフト量は大きくなる。回転方向に厚みが連続的かつ周期的に変化するプリズムレンズ６１にレーザ光Ｌを通過させることで、レーザ光Ｌのビーム位置、すなわちレーザ光Ｌの照射位置（処理位置）を、連続的かつ周期的に変化させることが可能となる。

ところで、ロータリーウェッジスキャナは、レンズの位相をモータで調整し、入射したレーザ光が出射する方向を制御するという前述の機構上、基準方向の目印が無い。そのため、マスタリング作業では、照射面に対して垂直で且つ焦点が合っている状態でガイドレーザ光を照射し、照射位置を目視にて確認しながら調整を行う。初めにレンズ間の相対角度を調整して原点位置を見付け、最後に直交動作方向の調整を行う。直交動作方向の調整では、ガイドレーザ光の照射位置を直交座標系での原点位置から任意方向へ動かし、基準方向に対する移動方向の角度を測定して記録する。ガイドレーザ光の照射位置を原点位置に動かした後、記録した前記角度の値をロボット制御装置４１に設定して、マスタリングは終了する。

以下、具体例を説明する。図９Ａ及び図９Ｂに示すように、ロボットの基準座標系としてＸＲ－ＹＲ－ＺＲの３次元直交座標系（原点：ＯＲ）を設定する。また、ロータリーウェッジスキャナ６の基準座標系としてＸｔ－Ｙｔ直交座標系（原点Ｏｔ）を設定する。基準面Ｒ１は、ＸＲ－ＹＲ平面及びＸｔ－Ｙｔ平面に平行である。

ロータリーウェッジスキャナ６の原点位置を合わせる。その後、ガイドレーザ光Ｌが平坦な基準面Ｒ１に照射されるように、ロータリーウェッジスキャナ６が連結されたロボット２の位置及び姿勢を移動させる。この位置を位置Ｐ１として記憶する。ガイドレーザ光Ｌの照射位置Ｐ１に目印を付す。

図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、ロータリーウェッジスキャナ６の姿勢を維持したまま、ロボット２を直交座標系の任意の方向（例えば、＋ＸＲ方向）に動かす。これにより、照射位置はＰ２へ移動する。

図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように、ロボット２の位置及び姿勢を維持したまま、ロータリーウェッジスキャナ６から出射されるガイドレーザ光Ｌの照射位置を前記照射位置Ｐ１へ移動させる。

ガイドレーザ光Ｌの照射位置の移動量ΔＰから、ロボット２の基準方向とロータリーウェッジスキャナ６の基準方向とがなす角度Δθを計算する。そして、角度Δθがゼロとなるように、つまり、両基準方向が一致するように、マスタリングを行う。要するに、ロボット２の動作からロボット２の基準方向の情報である基準方向情報を取得し、取得した基準方向情報に基づいて、処理ツールの一例であるロータリーウェッジスキャナ６のマスタリングを行う。

第２適用例においても、第１適用例と同様の効果が奏される。また。作業者が基準方向を認識しづらく、装置の導入後の保守時に専用設備が用意されていない環境であって、再マスタリング作業に手間が掛かる環境であっても、マスタリング作業を容易に行うことができる。

〔第３適用例〕
次に、本発明の処理ツールのマスタリング方法が、ロボット及びガルバノスキャナを備えるロボットシステムに適用された例である第３適用例について、説明する。図１２は、本発明が適用される第３適用例に係るガルバノスキャナの原理図である。

第３適用例については、処理ツールの一例であるガルバノスキャナ７の構成及び原理について容易に説明する。図１２に示すように、ガルバノスキャナ７は、レーザ発振器７６から出射されるレーザ光Ｌを受けて、ワークＷに対してレーザ光Ｌを走査可能なスキャナである。ガルバノスキャナ７は、レーザ発振器７６から出射されるレーザ光Ｌを反射させる２つのガルバノミラー７１、７２と、ガルバノミラー７１、７２をそれぞれ回転駆動するガルバノモータ７４、７５と、集光レンズ７３とを備える。集光レンズ７３は、ガルバノミラー７１、７２によって順次反射されてワークＷに向かうレーザ光Ｌを透過すると共に、集光する。

ガルバノミラー７１、７２は、互いに直交する２つの回転軸Ｊ２１、Ｊ２２まわりにそれぞれ回転可能に構成される。ガルバノモータ７４、７５は、ツール制御装置４２からの駆動データに基づいて回転駆動し、ガルバノミラー７１、７２を回転軸Ｊ２１、Ｊ２２まわりに独立して回転させる。

レーザ発振器７６から出射されたレーザ光Ｌは、２つのガルバノミラー７１、７２で順次反射された後にガルバノスキャナ７の集光レンズ７３から出射され、ワークＷの加工位置（溶接点。処理位置）に到達する。このとき、ガルバノモータ７４、７５により２つのガルバノミラー７１、７２がそれぞれ回転すると、これらガルバノミラー７１、７２に入射するレーザ光Ｌの入射角が連続的に変化する。その結果、ガルバノスキャナ７からワークＷに対して所定の経路でレーザ光Ｌが走査され、そのレーザ光Ｌの走査経路に沿ってワークＷ上に溶接軌跡を形成するようになっている。ガルバノスキャナ７からワークＷ上に出射されるレーザ光Ｌの走査経路は、ガルバノモータ７４、７５の回転駆動を適宜制御してガルバノミラー７１、７２のそれぞれの回転角度を変化させることにより、Ｘ、Ｙ方向に任意に変化させることができる。
第３適用例においても、第２適用例と同様の効果が奏される。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明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、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、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。

２ ロボット
３ ハンドアーム（処理ツール）
６ ロータリーウェッジスキャナ（処理ツール）
７ ガルバノスキャナ（処理ツール）
２４ ロボットアーム先端部（アーム先端部）

Claims (1)

1. 処理ツールをアーム先端部に保持し、単数又は複数の駆動軸を駆動する少なくとも１つの駆動部を備える多関節型のロボットにおける前記駆動部を制御すると共に、前記処理ツールの駆動部を制御することにより、前記ロボットの基準方向に対して前記処理ツールの基準方向を合わせるようにマスタリングを行う、処理ツールのマスタリング方法であって、
   前記ロボットの動作から前記ロボットの前記基準方向の情報である基準方向情報を取得し、取得した前記基準方向情報に基づいて、前記処理ツールのマスタリングを行う、処理ツールのマスタリング方法。

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