JP7431294B2

JP7431294B2 - ロボットハンド及びロボットハンドの制御方法

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Publication number: JP7431294B2
Application number: JP2022134687A
Authority: JP
Inventors: 健太井出; 幸男篠塚; 岳佐々木
Original assignee: Shinano Kenshi Co Ltd
Current assignee: Shinano Kenshi Co Ltd
Priority date: 2021-10-29
Filing date: 2022-08-26
Publication date: 2024-02-14
Anticipated expiration: 2042-08-26
Also published as: JP2023067751A

Description

本発明は、ロボットハンド及びロボットハンドの制御方法に関する。

ワークを把持する爪を備えたロボットハンドが知られている。このような従来のロボットハンドでは、事前に決められた特定の形状や材質のワークを把持するように把持力を設定して動作させる。ところが、不特定多種のワークを従来のロボットハンドで把持させようとすると、ワークの材質に対して爪の把持力が強すぎるとワークを損傷してしまうおそれがあり、ワークの材質に対して把持力が弱すぎるとワークの把持中にワークが落下するおそれがある。このように従来のロボットハンドでは、ワークの種類に応じた把持力設定変更を行わずに不特定多種のワークを適切な把持力を以って把持することは困難であった。不特定多種のワークについて「固いワークはしっかりと把持し柔らかいワークは微細な力で把持する」といった制御を実現するために、把持力を検出するための圧力センサをロボットハンドに設けて、把持力を調整することが考えられる。しかしながら圧力センサを設けると、製造コストが増大する。一方で、爪の変位量と把持力とを関係づけたワークの変形率を事前に取得しておき、この変形率に従って爪の把持力を制御する技術がある（例えば特許文献１参照）。

特開２０１８－０６９３８１号公報

上述のようにワークの変形率を取得するためには、事前準備が必要となる。

そこで本発明は、簡易な手法により不特定多種のワークを種類ごとの把持力変更設定を行うこと無く適切な把持力で把持することができるロボットハンド及びロボットハンドの制御方法を提供することを目的とする。

上記目的は、モータと、前記モータの回転に応じてワークを把持する複数の爪と、前記モータの回転位置を検出するエンコーダと、前記回転位置に応じて前記爪が前記ワークを把持するように前記モータのトルクを制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記トルクをトルク制限値以下に制限する制限処理を実行する制限部と、前記制限処理の実行中に前記回転位置の変化速度が閾値以下になった場合に、前記爪が前記ワークに接触したと推定する推定部と、前記爪が前記ワークに接触してから前記トルクを前記トルク制限値よりも徐々に増大させる増大処理を実行する増大部と、前記増大処理の実行中に前記回転位置に基づいて前記爪が前記ワークに接触した位置から現在の位置までの移動量を算出する算出部と、前記増大処理の実行中に前記トルクが前記トルク制限値よりも大きいトルク上限値以上となった際の前記トルク、又は前記移動量が移動量上限値以上となった際の前記トルクを維持する維持処理を実行する維持部と、を含む、ロボットハンドによって達成できる。

また、上記目的は、ワークを把持するように複数の爪を駆動するモータのトルクをトルク制限値以下に制限する制限処理を実行し、前記制限処理の実行中に前記モータの回転位置の変化速度が閾値以下になった場合に、前記爪が前記ワークに接触したと推定し、前記爪が前記ワークに接触してから前記トルクを前記トルク制限値よりも徐々に増大させる増大処理を実行し、前記増大処理の実行中に前記回転位置に基づいて前記爪が前記ワークに接触した位置から現在の位置までの移動量を算出し、前記増大処理の実行中に前記トルクが前記トルク制限値よりも大きいトルク上限値以上となった際の前記トルク、又は前記移動量が移動量上限値以上となった際の前記トルクを維持する維持処理を実行する、ロボットハンドの制御方法によっても達成できる。

簡易な手法により不特定多種のワークを種類ごとの把持力変更設定を行うこと無く適切な把持力で把持することができるロボットハンド及びロボットハンドの制御方法を提供できる。

図１は、ロボットハンドの概略構成図である。図２は、ロボットハンドの制御装置の概略構成を示したブロック図である。図３は、把持制御の一例を示したフローチャートである。図４は、制限処理の一例を示したフローチャートである。図５は、増大処理の一例を示したフローチャートである。図６は、軟質なワークを把持する場合の爪の位置とモータのトルクとの推移を示したタイミングチャートである。図７は、硬質なワークを把持する場合の爪の位置とモータのトルクとの推移を示したタイミングチャートである。

図１は、ロボットハンド１の概略構成図である。ロボットハンド１は、制御装置１０、エンコーダ２０、モータ３０、駆動歯車４０、従動歯車５０、及び爪６０を含む。制御装置１０は、ロボットハンド１全体の動作を制御する。モータ３０は、爪６０を開閉するための駆動源であり、例えばステッピングモータやブラシレスＤＣモータである。エンコーダ２０は、モータ３０の回転軸３２の基端に設けられており、モータ３０の回転位置（モータ３０の回転軸３２の回転角度）を検出する。エンコーダ２０は光学式であってもよいし磁気式であってもよい。駆動歯車４０は、モータ３０の回転軸３２の先端に設けられており、従動歯車５０と噛合っている。モータ３０の回転力は、回転軸３２を経て駆動歯車４０から従動歯車５０へ伝達される。従動歯車５０は略半円状であり、円弧状の外周面に歯が形成されている。駆動歯車４０と従動歯車５０の噛合機構は、例えばウォームギヤであるが、ネジ歯車であってもよいし、その他の歯車であってもよい。爪６０の基端部は、従動歯車５０に固定されている。図１には、従動歯車５０及び爪６０が２対だけ図示されているが、これに限定されず、３対以上の従動歯車５０及び爪６０を備えていてもよい。

モータ３０が順方向に回転することにより、従動歯車５０が駆動歯車４０との噛合に応じた一方向に揺動して爪６０の先端部同士が互いに接近する。モータ３０が逆方向に回転することにより、従動歯車５０が前述の一方向の逆である反対方向に揺動し、爪６０の先端部同士が互いに離間する。爪６０の先端部同士が互いに接近することにより、把持対象であるワークを把持することができる。また爪６０の先端部同士が互いに離間することによりワークを放すことができる。このように、モータ３０の回転を順回転と逆回転とに切換えることで爪６０の開閉を行うことができるのである。

図２は、制御装置１０の概略構成を示したブロック図である。ロボットハンド１は、ロボットアームの先端に固定されて使用される。また、ロボットハンド１及びロボットアームの全体の動作を制御するロボットコントローラ１００からの指令を受けて、制御装置１０がモータ３０の駆動を制御する。制御装置１０は、制御部１１及びドライバ回路１３を含む。制御部１１は、マイコン等を主体として構成され、内部にはいずれも図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ、及び、これらの構成を接続するバスライン等を備えている。制御部１１における各処理は、ＲＯＭ等の実体的なメモリ（すなわち、読出可能な一時的な有形記録媒体）に予め記憶されたプログラムをＣＰＵで実行することによるソフトウェア処理であってもよいし、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等を用いた専用の電子回路によるハードウェア処理であってもよい。

制御部１１は、エンコーダ２０からの検出信号に基づいて爪６０の位置や移動量を算出する。前述の通り、爪６０の開閉はモータ３０の回転によって駆動歯車４０から従動歯車５０に回転力が伝達されることによって行われるため、爪６０の開閉の状況はエンコーダ２０からの検出信号によって得られる回転軸３２の回転角度によって把握できるからである。モータ３０がステッピングモータであるならば、ドライバ回路１３は各相のコイルの通電を制御するスイッチング素子を有し、モータ３０の各相の巻線のそれぞれの通電を切り替えることにより、モータ３０の駆動を制御する。ドライバ回路１３において、モータ３０を制御するための汎用的なＩＣの機能を利用するほか、シャント抵抗を設けてその電位差をＡ／Ｄ変換する。これにより、制御部１１はモータ３０の各相のコイルの電流を把握することができる。また同様にドライバ回路１３において、モータ３０を制御するための汎用的なＩＣの機能を利用することにより、モータ３０のコイルの各相の通電をＰＷＭなどの変調により実効値を設定することができる。さらに、制御部１１は、各相のコイルの電流やエンコーダ２０からの検出信号に基づいてモータ３０のトルクＴを推定することが可能である。また、前述の通り制御部１１はモータ３０の各相のコイルの電流を制御できる。このため、制御部１１はエンコーダ２０からの検出信号を参照してモータ３０の各相のコイルの電流を設定することにより、任意にトルクＴを設定できる。このようにして、制御部１１は、エンコーダ２０からの検出信号に基づいてドライバ回路１３に指令を出すことにより、モータ３０の駆動を制御して最終的に爪６０の開閉を制御することができるのである。

次に、制御装置１０の制御部１１が実行する把持制御について説明する。図３は、把持制御の一例を示したフローチャートである。制御部１１は、最初にモータ３０のトルクＴを制限する制限処理を実行し（ステップＳ１０）、次にモータ３０のトルクＴを増大する増大処理を実行し（ステップＳ２０）、次にモータ３０のトルクＴを維持する維持処理を実行する（ステップＳ３０）。制限処理について以下に説明する。

図４は、制限処理の一例を示したフローチャートである。制御部１１は、ロボットコントローラ１００からの指令に基づいて爪６０の目標位置Ｐｔ、爪６０の移動速度Ｓ、及びモータ３０のトルク制限値Ｔｒを取得する（ステップＳ１１）。次に、制御部１１はモータ３０のトルクＴがトルク制限値Ｔｒ以下の一定となるように、ドライバ回路１３に指令を出してモータ３０に印加される電流を制限しつつ（ステップＳ１２）、爪６０が現在の位置から目標位置Ｐｔに向けて移動速度Ｓで移動するようにモータ３０を制御する（ステップＳ１３）。これにより、モータ３０のトルクＴがトルク制限値Ｔｒ以下の比較的弱いトルクで、爪６０が閉じるように移動する。

次に制御部１１は、このようなモータ３０のトルクＴが制限された状態で、全ての爪６０がワークに接触したか否かを判定する（ステップＳ１４）。具体的には、モータ３０の回転位置の変化速度（回転軸３２の回転角度の単位時間あたりの変化量）が閾値α以下になったか否かが判定される。閾値αは、上述した移動速度Ｓに対応したモータ３０の回転位置の変化速度よりも小さい値に設定されている。即ち、移動速度Ｓが、閾値αに対応した移動速度にまで低下したか否かが判定される。回転位置の変化速度は、エンコーダ２０により所定時間内でのモータ３０の回転量に基づいて算出される。モータ３０の回転位置の変化速度が閾値αより大きい場合には、全ての爪６０はまだワークには接触していないと判定される。モータ３０の回転位置の変化速度が閾値α以下にまで低下した場合には、全ての爪６０がワークに接触したものと判定される。ステップＳ１４でＮｏの場合には、再度ステップＳ１３の処理が実行される。ステップＳ１４でＹｅｓの場合には制限処理は終了し、次に上述した増大処理が実行される。

増大処理について説明する。図５は、増大処理の一例を示したフローチャートである。制御部１１は、トルク上限値Ｔｍａｘ及び移動量上限値ΔＰｍａｘを取得する（ステップＳ２１）。トルク上限値Ｔｍａｘ及び移動量上限値ΔＰｍａｘは、上述のＲＯＭに予め記憶されているものを使用するほか、ロボットコントローラ１００から転送された数値を上述のＲＡＭに保持して使用してもよい。トルク上限値Ｔｍａｘはトルク制限値Ｔｒよりも大きい値である。次に、制御部１１は、制限処理において全ての爪６０がワークに接触したと判定された接触開始位置Ｐ１をメモリに一時的に記憶する（ステップＳ２２）。次に制御部１１は、トルクＴを１段階だけ増大する（ステップＳ２３）。具体的には、モータ３０として採用するモータの制御特性に応じてトルクが増大するように制御設定を変更する。例えば、モータ３０の各相のコイルの電流の絶対値を増大させたり、ＰＷＭ制御のデューティー比を高くする。ここで、「１段階の増大」とは、モータ３０のトルクＴを離散的に増大させることであり、増大の前後でトルクＴが変動して前述の駆動歯車４０と従動歯車５０の噛合機構における摩擦損失に対して、大きいエネルギーをモータ３０から駆動歯車４０に伝達することを意味する。噛合機構では、噛合速度が低下すると摩擦損失により噛合が停止してしまうおそれがある。詳細には、それまで作用していた摩擦が動摩擦から静摩擦に変化し、静摩擦が動摩擦より大きいため、噛合機構は言わば固着状態に陥るおそれがある。再び噛合機構が動き出すために離散値的なトルクＴの増大により噛合機構にトルク衝撃を与え、静摩擦から動摩擦へ遷移させることができる。

次に制御部１１は、トルクＴがトルク上限値Ｔｍａｘ以上か否かを判定する（ステップＳ２４）。ステップＳ２４でＹｅｓの場合には増大処理が終了し、現状のモータ３０のトルクＴをトルク上限値Ｔｍａｘに維持する維持処理が実行される（ステップＳ３０）。

ステップＳ２４でＮｏの場合には、制御部１１は爪６０の現在位置Ｐ２をメモリに一時的に記憶する（ステップＳ２５）。次に制御部１１は、接触開始位置Ｐ１と現在位置Ｐ２の差分となる爪６０の移動量ΔＰを算出する（ステップＳ２６）。次に制御部１１は、算出された移動量ΔＰが移動量上限値ΔＰｍａｘ以上か否かを判定する（ステップＳ２７）。ステップＳ２７でＮｏの場合には、再度ステップＳ２３の処理が実行される。この場合、ステップＳ２３により更にトルクＴが１段階増大される。この結果、ステップＳ２７及びＳ２４でＮｏと判定されている限り、トルクＴは一定の増大率で増大する。ステップＳ２７でＹｅｓの場合には本増大処理が終了し、現状のモータ３０のトルクＴを維持する維持処理が実行される（ステップＳ３０）。

次にワークを把持する場合の爪６０の位置Ｐとモータ３０のトルクＴとの推移について説明する。図６は、軟質なワークを把持する場合の位置Ｐとモータ３０のトルクＴとの推移を示したタイミングチャートである。時刻ｔ０でトルクＴが、トルク制限値Ｔｒ以下のトルクＴ０に略一定に維持され、爪６０の位置Ｐは初期位置Ｐ０から徐々に移動する。時刻ｔ１で爪６０の位置Ｐは、全ての爪６０がワークに接触する接触開始位置Ｐ１に到達する。爪６０の位置Ｐが移動しないため時刻ｔ２で全ての爪６０がワークに接触したものと判定されると、トルクＴは増大して爪６０の位置Ｐが移動し始める。時刻ｔ３で現在位置Ｐ２と接触開始位置Ｐ１との差分である移動量ΔＰが移動量上限値ΔＰｍａｘとなると、トルクＴはその時点でのトルクＴ１に維持される。このように、軟質のワークを破損しない程度の弱い把持力で把持することができる。

図７は、硬質なワークを把持する場合の爪６０の位置Ｐとモータ３０のトルクＴとの推移を示したタイミングチャートである。図６に示した場合と同様に、時刻ｔ０、ｔ１、及びｔ２となった後、トルクＴは増大するが、現在位置Ｐ２は接触開始位置Ｐ１から移動しない。このため、トルクＴは更に増大し、時刻ｔ３でトルクＴはトルク上限値Ｔｍａｘ以上となり、トルクＴは上限値Ｔｍａｘに維持される。このようにして、硬質なワークが落下しない程度の強い把持力で把持することができる。

前述の制限処理（ステップＳ１０）について、ここで補足する。制限処理の主旨はワークの存在位置の検出であり、換言するとワークの存在を探るための爪６０の制御である。ワークの存在位置の検出のためにワークを破損させてしまうことがないようトルクＴを比較的弱い値としている。一方でトルクＴを弱く（低い値に）すると、採用するドライバ回路１３の種類や制御方式によって、あるいは採用するモータ３０の種類によっては、モータ３０の回転速度が遅くなりワークの存在位置の検出に時間がかかる場合がある。このような不都合を避けるために、制限処理の際にモータ３０を高速回転かつ低トルクな制御領域で動作させ、増大処理および維持処理の際にモータ３０を低速回転かつ高トルクな制御領域で動作させるという選択も可能である。例えば、モータ３０として内転型のブラシレスＤＣモータを採用する場合には、固定子巻線の結線を切り替えて極の励磁を変更することにより実現可能である。また、モータ３０に変速比が変更可能な変速機（図示しない）を備えていてモータ３０の回転速度と駆動歯車４０の回転速度の比率を変更できる場合には、制限処理の際にモータ３０を低い減速比の高速回転かつ低トルクな状態で回転させ、増大処理および維持処理の際にモータ３０を高い減速比の低速回転かつ高トルクな状態で回転させるという方法も可能である。

以上のように、不特定多種のワークに対応するためにワークの種類ごとの把持力の設定の変更や、ワークの変形率を予め取得するような事前準備、エンコーダ２０により検出されるモータ３０の回転位置に基づいて把持力を測定する圧力センサなどが不要となる。このため、簡易な手法によりワークの硬度に応じた適切な把持力でワークを把持することができる。

前述したような実施例の特徴により、本実施例のロボットハンドを適用したロボットは更に以下の利点がある。まず、一のロボットハンドで不特定多種のワークに動的に対応できる。このため、量産ラインを構築する際のティーチングや段取替えの工数を削減できる。また、増大処理による各ワークの把持力決定後において、トルクＴおよび移動量△Ｐを得ることができる。このため、例えば同一種類のワークを連続して流す生産ラインにおいて、本実施例のロボットハンドをワークの把持とともに計測器として使用できる。これにより、把持力決定後のトルクＴや移動量△Ｐを各ワークの物性と見なして、統計的にワークの良否判定を行って、規格外のワークを判別することができる。類似した応用として、複数種類のワークを連続して流す生産ラインにおいて、把持力決定後のトルクＴや移動量△Ｐに基づいて各ワークを分別することも可能である。

前述の通り増大処理において各ワークの把持力決定の時点で得られるトルクＴや移動量△Ｐに加えて、制限処理において全ての爪がワークに接触したと判定した際の爪の位置Ｐ１や、移動量ΔＰが移動量上限値ΔＰｍａｘ以上になるまでの所要時間（ｔ３―ｔ２）なども、各ワークの物性を表す。各ワークの物性を表すこれら複数の物理量を、把持パラメータとする。この把持パラメータを用いることで、本実施例のロボットハンドを広く利用できる。前述の同一種類のワークを連続して流す生産ラインの場合、ワークの良否判定のために良品の範囲を規定する閾値を設定し、各ワークの把持によって得られる把持パラメータとこの閾値とを比較することで、不良品を精度よく検出できる。また、良否判定の基準となる複数の良品のワークを予め用意し、この良品群のワークの把持を連続して行って把持パラメータを取得して統計的な処理を施し、良品の範囲を規定する閾値を生成する。これにより、以降の生産ライン稼働時において各ワークの把持パラメータとこの閾値とを比較することで不良品を検出できる。また、生産ライン工程設計者が把持パラメータを具体的な数値として取り扱う必要がないため、入力ミスや作業工数を削減でき、省力化できる。

前述の、把持パラメータの取得、閾値の生成、把持パラメータと閾値との比較は、制御部１１が行ってもよいし、必要な情報を外部のロボットコントローラ１００などとやりとりして他のロボットハンドと統括的に実行してもよい。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、変形・変更が可能である。

１ロボットハンド
１０制御装置
２０エンコーダ
３０モータ
３２回転軸
４０駆動歯車
５０従動歯車
６０爪

Claims

モータと、
前記モータの回転に応じてワークを把持する複数の爪と、
前記モータの回転位置を検出するエンコーダと、
前記回転位置に応じて前記爪が前記ワークを把持するように前記モータのトルクを制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記トルクをトルク制限値以下に制限する制限処理を実行する制限部と、
前記制限処理の実行中に前記回転位置の変化速度が閾値以下になった場合に、前記爪が前記ワークに接触したと推定する推定部と、
前記爪が前記ワークに接触してから前記トルクを前記トルク制限値よりも徐々に増大させる増大処理を実行する増大部と、
前記増大処理の実行中に前記回転位置に基づいて前記爪が前記ワークに接触した位置から現在の位置までの移動量を算出する算出部と、
前記増大処理の実行中に前記移動量が移動量上限値以上となる前に前記トルクが前記トルク制限値よりも大きいトルク上限値以上となった際には、前記トルク上限値を維持し、前記増大処理の実行中に前記トルクが前記トルク上限値以上となる前に前記移動量が前記移動量上限値以上となった際には、前記移動量が前記移動量上限値以上となった際の前記トルクを維持する維持処理を実行する維持部と、を含む、ロボットハンド。
前記制限部は、前記制限処理において前記トルクを前記トルク制限値以下の一定に維持する、請求項１のロボットハンド。
前記増大部は、前記トルクを一定の増大率で増大する、請求項１又は２のロボットハンド。
ワークを把持するように複数の爪を駆動するモータのトルクをトルク制限値以下に制限する制限処理を実行し、
前記制限処理の実行中に前記モータの回転位置の変化速度が閾値以下になった場合に、前記爪が前記ワークに接触したと推定し、
前記爪が前記ワークに接触してから前記トルクを前記トルク制限値よりも徐々に増大させる増大処理を実行し、
前記増大処理の実行中に前記回転位置に基づいて前記爪が前記ワークに接触した位置から現在の位置までの移動量を算出し、
前記増大処理の実行中に前記移動量が移動量上限値以上となる前に前記トルクが前記トルク制限値よりも大きいトルク上限値以上となった際には、前記トルク上限値を維持し、前記増大処理の実行中に前記トルクが前記トルク上限値以上となる前に前記移動量が前記移動量上限値以上となった際には、前記移動量が前記移動量上限値以上となった際の前記トルクを維持する維持処理を実行する、ロボットハンドの制御方法。