JP7481097B2 - ロボット制御装置 - Google Patents
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Description
本開示は、ロボット制御装置に関するものである。
研磨やバリ取り、または複数のワークの精密な嵌め合い等の作業を、ロボットを用いて行う場合に、力センサあるいはロードセル等の力検出器を使用して、ロボットに作用する力やモーメントが検出される。そして、力検出器により検出される力やモーメントが所望の値となるようにロボットの動作が制御される（例えば、特許文献１参照。）。
組立作業あるいは嵌め合い作業に失敗したり、研磨あるいはバリ取りの品質が悪かったりする場合に、状況を確認したり改善したりするために、力の大きさあるいは方向を確認したい場合がある。ロボットを用いた上記作業においては、ロボットに作用する力を確認するために、力検出器により検出された力をグラフ表示することがある。
精密な嵌め合い作業の場合に、力の大きさおよび方向がグラフ表示されただけでは、ロボットが正しく制御されているか否かを直感的に判断することができない。したがって、ロボットが正しく制御されていることを容易に判断することができるロボットの制御装置が望まれている。
本開示の一態様は、ロボットの先端に装着した第１ワークを第２ワークに対して相対移動させるロボット制御装置であって、前記ロボットが、前記第１ワークに作用する力の大きさまたは前記ロボットに作用するトルクの大きさを検出するセンサを備え、前記ロボットの幾何パラメータを記憶する記憶部と、前記センサにより検出された前記力の大きさまたは前記トルクの大きさに基づいて、前記第１ワークと前記第２ワークとの接触点に作用する力および前記第１ワークに作用するモーメントを算出する算出部と、該算出部により算出された前記力および前記モーメントが所定の力および所定のモーメントとなるよう力制御を行う制御部と、前記ロボットの画像に重畳して、前記制御部による前記力制御の結果生じる、前記第１ワークの速度または前記第１ワークに設定された基準点回りの角速度のうち少なくとも１つを表示する表示部とを備え、前記幾何パラメータが、ロボットのリンクの長さ寸法および質量を含み、前記算出部が、前記記憶部に記憶されている前記幾何パラメータおよび前記制御部により算出された前記ロボットの状態変数を用いて前記力および前記モーメントを算出す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制御装置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制御装置１は、例えば、図１に示されるように、柱状の第１ワークＷ１を把持するハンド１１０を備えるロボット１００を制御する装置である。
本実施形態に係るロボット制御装置１は、例えば、図１に示されるように、柱状の第１ワークＷ１を把持するハンド１１０を備えるロボット１００を制御する装置である。
ロボット１００は、作業台２００に固定された第２ワークＷ２に設けられた孔Ｏに、ハンド１１０によって把持した第１ワークＷ１を嵌合させる嵌め合い作業を実施する。
但し、本開示は、作業中に力が発生する他の作業、例えば、バリ取り作業、ネジ締め作業等を作業対象である第２ワークに対して行うロボットにも適用可能である。
但し、本開示は、作業中に力が発生する他の作業、例えば、バリ取り作業、ネジ締め作業等を作業対象である第２ワークに対して行うロボットにも適用可能である。
ロボット１００は、例えば、６軸多関節型のロボットであり、アーム１２０と、アーム１２０の先端に設けられた手首ユニット１３０と、手首ユニット１３０の先端に取り付けられたハンド１１０とを備えている。また、ロボット１００の手首ユニット１３０とハンド１１０との間には、ハッチングによって示す位置に、ハンド１１０に作用する力を検出する６軸の力センサ（センサ）１４０が備えられている。力センサ１４０は、直交する３軸方向の力およびこれらの３軸回りのモーメントを検出する。
力センサ１４０により検出された力の情報はロボット制御装置１に送られる。ロボット制御装置１は、第１ワークＷ１と第２ワークＷ２との間に働く力が予め設定しておいた大きさとなるように力制御を行う。力制御の制御方式としては、公知のインピーダンス制御、ダンピング制御またはハイブリッド制御等が適用可能である。
本実施形態に係るロボット制御装置１には、図１に示されるように、ロボット１００への動作プログラムの教示あるいは各種状態の確認および設定を行うための教示操作盤（表示部）２が接続されている。教示操作盤２のモニタ３には、ロボット１００、作業台２００、第１ワークＷ１および第２ワークＷ２を模擬した画像または動画を表示することができる。動画の場合、ロボット１００の実際の動作に合わせてロボット１００の画像も動作する。
表示部として教示操作盤２を例示したが、これに代えて、ロボット制御装置１の本体に設けてもよいし、パーソナルコンピュータ、タブレット端末あるいは携帯端末等を表示部として使用してもよい。
本実施形態に係るロボット制御装置１は、図２に示されるように、記憶部４と、算出部５と、制御部６と、画像処理部７とを備えている。
記憶部４は、ロボット１００の幾何パラメータおよびロボット１００の状態変数に基づいてロボット１００の画像を構築するための画像情報を記憶している。
記憶部４は、ロボット１００の幾何パラメータおよびロボット１００の状態変数に基づいてロボット１００の画像を構築するための画像情報を記憶している。
算出部５は、力センサ１４０により検出された力、記憶部４に記憶されている幾何パラメータおよび制御部６において参集された状態変数に基づいて、第１ワークＷ１と第２ワークＷ２との接触点に作用する力および第１ワークＷ１に作用するモーメントを算出する。
幾何パラメータは、ロボット１００の各リンクの長さ寸法を含んでいる。
状態変数は、制御部６による制御において算出されるロボット１００の各関節の位置、速度あるいは加速度を含んでいる。
状態変数は、制御部６による制御において算出されるロボット１００の各関節の位置、速度あるいは加速度を含んでいる。
制御部６は、算出部５により算出された力およびモーメントが所定の値となるようにロボット１００の力制御を行う。
具体的には、図３に示されるように、作業台２００に固定された第２ワークＷ２に対して、教示プログラムによって規定される第１ワークＷ１の位置がずれている場合に、第１ワークＷ１の移動中に第２ワークＷ２に接触して第１ワークＷ１が第２ワークＷ２からの反力を受ける。第２ワークＷ２の孔Ｏの開口部に面取りＡが設けられ、第１ワークＷ１が面取りＡに接触した場合、ロボット制御装置１はこの反力が所定の大きさとなるようにロボット１００を動作させ、第１ワークＷ１は面取りＡに倣って破線で示される位置に移動する。
具体的には、図３に示されるように、作業台２００に固定された第２ワークＷ２に対して、教示プログラムによって規定される第１ワークＷ１の位置がずれている場合に、第１ワークＷ１の移動中に第２ワークＷ２に接触して第１ワークＷ１が第２ワークＷ２からの反力を受ける。第２ワークＷ２の孔Ｏの開口部に面取りＡが設けられ、第１ワークＷ１が面取りＡに接触した場合、ロボット制御装置１はこの反力が所定の大きさとなるようにロボット１００を動作させ、第１ワークＷ１は面取りＡに倣って破線で示される位置に移動する。
また、図３の左右方向をＸ方向とすると、ダンピング制御の場合は以下の式（１）を満たすようにＸ方向の速度指令を算出する。
Vｘ＝Ｄ１・（Ｆｘ－Ｆｄｘ） （１）
ここで、
Ｖｘは、Ｘ方向の速度指令、
Ｆｘは、反力（力センサ１４０の検出値）、
Ｆｄｘは、Ｘ方向の目標力、
Ｄ１は、係数である。
Vｘ＝Ｄ１・（Ｆｘ－Ｆｄｘ） （１）
ここで、
Ｖｘは、Ｘ方向の速度指令、
Ｆｘは、反力（力センサ１４０の検出値）、
Ｆｄｘは、Ｘ方向の目標力、
Ｄ１は、係数である。
特に、目標力を０とすると式（１）は以下の式（２）のようになり、右向きの力Ｆｘが発生している間はその大きさに比例した速度指令が発生し、紙面の右側へロボット１００および第１ワークＷ１が移動する。
Ｖｘ＝Ｄ１・Ｆｘ （２）
Ｖｘ＝Ｄ１・Ｆｘ （２）
また、図４に示されるように、作業台２００に固定された第２ワークＷ２に対して、教示プログラムによって規定される第１ワークＷ１の位置および姿勢がずれている場合に、第１ワークＷ１の移動中に第２ワークＷ２に接触して第１ワークＷ１が第２ワークＷ２からの反力およびモーメントを受ける。姿勢がずれた第１ワークＷ１が、第２ワークＷ２の孔Ｏの開口部に設けられた面取りＡに接触した場合、ロボット制御装置１はこの反力およびモーメントが所定の大きさとなるようにロボット１００を動作させ、第１ワークＷ１は破線で示される位置に移動する。
また、図４の左右方向をＸ方向、紙面垂直方向をＹ方向とすると、ダンピング制御の場合は式（１）および以下の式（３）を満たすように速度指令と角速度指令とを算出する。
Ａｙ＝Ｄ２・（Ｍｙ－Ｍｄｙ） （３）
ここで、
Ａｙは、Ｙ軸回りの角速度指令、
Ｍｙは、ＴＣＰを中心としたＹ軸回りのモーメント（力センサ１４０の検出値）、
Ｍｄｙは、Ｙ軸回りの目標モーメント、
Ｄ２は、係数である。
Ａｙ＝Ｄ２・（Ｍｙ－Ｍｄｙ） （３）
ここで、
Ａｙは、Ｙ軸回りの角速度指令、
Ｍｙは、ＴＣＰを中心としたＹ軸回りのモーメント（力センサ１４０の検出値）、
Ｍｄｙは、Ｙ軸回りの目標モーメント、
Ｄ２は、係数である。
特に、Ｙ軸まわりの目標モーメントを０とすると式（３）は以下の式（４）のようになり、矢印の向きのモーメントＭｙが発生している間はその大きさに比例した角速度指令が発生し、矢印の向きにロボット１００および第１ワークＷ１が移動する。
Ａｙ＝Ｄ２・Ｍｙ （４）
同時に式（１）または式（２）の作用により、Ｘ方向への速度指令も発生するので、これらを合わせた速度および角速度でロボット１００が動作する。
Ａｙ＝Ｄ２・Ｍｙ （４）
同時に式（１）または式（２）の作用により、Ｘ方向への速度指令も発生するので、これらを合わせた速度および角速度でロボット１００が動作する。
画像処理部７は、記憶部４に記憶されている画像情報を用いて、制御部６から得られたロボット１００の各関節の位置、速度あるいは加速度等の状態変数に基づいて、現時点におけるロボット１００の画像を構築する。
また、画像処理部７は、算出部５により算出された力、速度、モーメント、角速度の方向および大きさをロボット１００の画像に重畳した合成画像Ｇを生成する。速度または角速度の方向および大きさは、図５または図６に示されるように、矢印および文字により、ロボット１００の画像に重畳される。生成された合成画像Ｇは教示操作盤２のモニタ３に表示される。
速度または角速度の表示方法としては、図５または図６に示されるように、例えば、矢印による表示方法を挙げることができる。図７および図８に示されるように、角速度の方向は、ロボット１００の姿勢の変化の方向を表していて、矢印の方向により表現される。また、図６に示されるように、速度の方向は、ロボット１００の位置の変化の方向を表していて、矢印の方向により表現される。また、速度または角速度の大きさは、ロボット１００の移動の速さを表していて、矢印の長さにより表現されればよい。
速度または角速度の大きさは、矢印の長さに代えて、図９に示されるように、矢印の太さにより表現してもよいし、矢印の色により表現してもよい。図９は、同じ長さを有する図７の矢印よりも太さが太く、図７よりも角速度が大きいことを示している。
色により表現する場合には、速度または角速度が所定の閾値を超える場合に、例えば、赤色等により表示すれば、作業者は直感的に速度または角速度が過大であることを判断することができる。
色により表現する場合には、速度または角速度が所定の閾値を超える場合に、例えば、赤色等により表示すれば、作業者は直感的に速度または角速度が過大であることを判断することができる。
このように、本実施形態に係るロボット制御装置１によれば、第１ワークＷ１の先端に作用する反力およびモーメントが表示されるのみならず、ロボット１００の速度または角速度が矢印および文字によって表示される。これにより、ロボット１００の力制御の結果生じるロボット１００の移動方向および移動の速さを直感的に視認することができ、ロボット１００が正しく制御されていることを容易に判断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、第１ワークＷ１上の基準点ＴＣＰも画像Ｇ上に重畳して表示した。これにより、作業者は、角速度の中心を基準点によって容易に視認することができ、ロボット１００の動作方向を容易に理解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、幾何パラメータとしてロボット１００の各リンクの長さ寸法を含んでいることとしたが、これに代えて、各リンクの長さ寸法および質量を含んでいてもよい。質量を含むことにより、力センサ１４０により検出された力およびモーメントから慣性力の影響を除く補正を行った接触点における力およびモーメントを求めることができる。
また、ツールとしてナットランナー等の回転動作を伴うツールが装着されている場合に、締め付けトルクを力センサ１４０により検出し、ロボット１００の画像に重畳して表示することにしてもよい。
また、本実施形態においては、センサとして、手首ユニット１３０の先端とハンド１１０との間に配置した６軸の力センサ１４０を例示したが、これに代えて、力センサ１４０を任意の位置に配置してもよい。例えば、各軸にトルクセンサを配置してもよいし、３軸のトルクセンサと３軸の力センサとを別々に配置してもよい。
１ ロボット制御装置
２ 教示操作盤（表示部）
４ 記憶部
５ 算出部
６ 制御部
１００ ロボット
１４０ 力センサ（センサ）
ＴＣＰ 基準点
Ｗ１ 第１ワーク
Ｗ２ 第２ワーク
２ 教示操作盤（表示部）
４ 記憶部
５ 算出部
６ 制御部
１００ ロボット
１４０ 力センサ（センサ）
ＴＣＰ 基準点
Ｗ１ 第１ワーク
Ｗ２ 第２ワーク
Claims (6)
- ロボットの先端に装着した第１ワークを第２ワークに対して相対移動させるロボット制御装置であって、
前記ロボットが、前記第１ワークに作用する力の大きさまたは前記ロボットに作用するトルクの大きさを検出するセンサを備え、
前記ロボットの幾何パラメータを記憶する記憶部と、
前記センサにより検出された前記力の大きさまたは前記トルクの大きさに基づいて、前記第１ワークと前記第２ワークとの接触点に作用する力および前記第１ワークに作用するモーメントを算出する算出部と、
該算出部により算出された前記力および前記モーメントが所定の力および所定のモーメントとなるよう力制御を行う制御部と、
前記ロボットの画像に重畳して、前記制御部による前記力制御の結果生じる、前記第１ワークの速度または前記第１ワークに設定された基準点回りの角速度のうち少なくとも１つを表示する表示部とを備え、
前記幾何パラメータが、ロボットのリンクの長さ寸法および質量を含み、
前記算出部が、前記記憶部に記憶されている前記幾何パラメータおよび前記制御部により算出された前記ロボットの状態変数を用いて前記力および前記モーメントを算出するロボット制御装置。 - 前記表示部が、前記速度または前記角速度の方向を矢印の方向により表示する請求項１に記載のロボット制御装置。
- 前記表示部が、前記速度または前記角速度の大きさを前記矢印の長さにより表示する請求項２に記載のロボット制御装置。
- 前記表示部が、前記速度または前記角速度の大きさを前記矢印の太さにより表示する請求項２に記載のロボット制御装置。
- 前記表示部が、前記速度または前記角速度の大きさを前記矢印の色により表示する請求項２に記載のロボット制御装置。
- 前記表示部が、前記基準点を前記画像に重畳して表示する請求項１から請求項５のいずれかに記載のロボット制御装置。
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