JPH07237165A - ロボットの工具交換確認方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 力センサを備え工具交換が行われるロボット
で、費用をかけず、必要な工具が正しくかつ確実にロボ
ット本体に装着されたか否かを確認する。 【構成】 手首部12に設けた力センサ11を介して工具を
装着し、作業に使用する工具14,22 を複数用意して作業
中に工具を着脱し工具の交換を行いながら作業を行うロ
ボットに適用される方法であり、工具の装着または脱離
の時に力センサによって検出される荷重値に基づいて工
具交換の正常・異常を確認する。力センサに複数の工具
のそれぞれを装着した場合、いずれの工具も装着しない
場合の各々に関する重量・重心データを用意し、工具の
装着または脱離の後で力センサによって検出される荷重
値と、検出時の状態に対応する重量・重心データとを比
較して工具交換の正常・異常を確認する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はロボットの工具交換確認
方法に関し、特に、研削作業ロボットのごとく複数の工
具を用意し作業中に工具交換を行いながら力を伴う作業
を自動的に行う力制御ロボットに適したロボットの工具
交換確認方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ロボット（多自由度作業機械）を利用し
て自動的に研削（または研磨）の力を伴う作業を行わせ
る場合、ロボット本体の手首部に力センサ（力覚セン
サ）を介して研削工具を備え、この研削工具をワーク
（研削対象物）の被研削予定部に押し付けて作業を実行
する。特にこのような研削作業では、通常、研削の程度
（初期の荒い研削、仕上げ時のきめ細かい研削等）に応
じて作業中にいくつかの研削工具を自動的に交換し、ロ
ボット本体の手首部に取り付けて作業を行う必要が生じ
る。かかる自動研削作業を実現するため、従来、各種の
自動工具交換装置が開発され、市販されている。

【０００３】従来の自動工具交換装置は、ロボット本体
の手首部に取り付けた力センサにロボット側連結部を設
けると共に、交換される複数の工具のそれぞれに工具側
連結部を設け、ロボット側連結部に対し工具側連結部を
着脱することによって各工具を交換しながら必要な工具
をロボット本体に取り付けるように構成される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のような自動工具
交換装置では、ロボット本体の取付け部に、必要な工具
が正しくかつ確実に取り付けられているか否かを確認す
ることが重要である。この確認を行うため、従来では、
例えば、ロボット側連結部と工具側連結部とのロック状
態を確認するためのセンサを使用する方法、ロボット本
体の工具取付け部にリミットスイッチを設け、リミット
スイッチで工具の有無を確認する方法、ロボット本体の
手首部に工具を取り付けた後に、ロボット本体の手首部
を、光電スイッチを利用して作られた検出スペースに通
し、光電スイッチのオン・オフ動作に基づく検出作用で
工具の有無を確認する方法等が行われている。

【０００５】しかしながら、従来の確認方法によれば、
いずれも、確認を行うための手段として特別な装置を付
加する必要があるので費用がかかり、その上、交換され
る複数の工具に関し装着されるべき工具が正しく装着さ
れているか否かを確認することが困難であるという欠点
を有している。

【０００６】本発明の目的は、力センサを備え、力制御
に基づいて力を伴う作業を行うロボットであって作業中
に複数の工具を必要に応じて自動的に交換して作業を行
うロボットにおいて、費用がかからず、必要な工具が正
しくかつ確実にロボット本体に装着されたか否かを確認
できるロボットの工具交換確認方法を提供することにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係るロボットの
工具交換確認方法は、手首部に設けた力センサを介して
工具を装着し、作業に使用する工具を複数用意して作業
中に工具を着脱し工具の交換を行いながら作業を行うロ
ボットに適用される方法であり、工具の装着または脱離
の時に力センサによって検出される荷重値に基づいて工
具交換の正常・異常を確認する方法である。

【０００８】前記の方法において、好ましくは、力セン
サに複数の工具のそれぞれを装着した場合、いずれの工
具も装着しない場合の各々に関する重量・重心データを
用意し、工具の装着または脱離の後で力センサによって
検出される荷重値と、検出時の状態に対応する重量・重
心データとを比較して工具交換の正常・異常を確認す
る。

【０００９】前記の方法において、力センサによって検
出される荷重値を、手首部の姿勢を少なくとも２通りに
変化させることによって各姿勢で求めることとし、各姿
勢に対応する荷重値ごとに工具交換の正常・異常を確認
することもできる。

【００１０】前記の方法において、工具の着脱の前後で
力センサによって検出される荷重値の変化に基づいて工
具交換の正常・異常を確認する。

【００１１】

【作用】本発明では、力制御ロボットのごとく力センサ
を備えたロボットにおいて作業中に工具を交換しながら
作業を行う場合、ロボット本体の手首部に正しい工具が
確実に装着されたか否かを、力センサで検出される荷重
データを利用して確認する。複数の工具のそれぞれをロ
ボット本体の手首部に装着すると、各工具の重量および
重心位置に応じて固有の重量・重心データを有する。手
首部に何も装着しない場合にも、同じように重量・重心
データを決めることができる。従って、複数の工具のそ
れぞれの装着状態等に対応する重量・重心データを予め
用意し、これらの重量・重心データと力センサによって
得られる荷重データを利用すれば、荷重の確認を行うこ
とによって、作業に必要な正しい工具が確実にロボット
本体の手首部に装着されたか否かを確認することができ
る。

【００１２】

【実施例】以下に、本発明の実施例を添付図面に基づい
て説明する。

【００１３】図１は、本発明に係る工具交換確認方法が
適用される一例としての力制御ロボットの一部を示し、
ロボット本体の手首部の周辺部分のみを示す斜視図であ
る。ここで「力制御ロボット」とは、その制御装置に位
置と力の制御を実行する部分を含み、例えばロボット本
体の手首部に装着された研削工具に、教示された所定の
研削作業を行わせる場合において、研削工具の移動に関
する制御（位置制御）を行うと共に、手首部に設けた力
センサで得られる力情報を利用してワークとの接触状態
における力に関する制御（力制御）を行えるロボットで
ある。力制御ロボットの制御方式の例として、例えば仮
想コンプライアンス制御が存在する。ロボットの動作制
御について力制御を含むものでは、ロボットにおける力
の状態に関する情報を得るための手段として、一般的に
力センサ（力覚センサ）をロボット本体の手首部に設け
ている。力センサには、その先側に研削工具等の工具が
取り付けられる。例えば、工具がワークに接触して工具
に対して力とモーメントのいずれか一方または両方が作
用すると、力またはモーメントの大きさや作用方向は、
力センサによって検知される。力センサは、例えば、力
またはモーメントを受けて変形する部分を含むブロック
状機構部と、変形部分に取り付けられた歪みゲージ等に
よって構成され、６軸方向のそれぞれについて力等に比
例した電気信号（電圧信号等）を出力する機能を有して
いる。制御装置内の位置と力の制御を実行する部分は、
力センサで検出された力等に関する情報と、位置センサ
（ロボット本体の各関節部に配置される）で検出された
ロボット本体の位置や姿勢に関する情報を取り込み、ロ
ボットの実際状態に関するデータを利用しながら、ロボ
ット本体の位置および姿勢、工具の位置、工具からワー
クに与えられる力に関する制御データを生成し、ロボッ
ト本体の動作に関する制御を行う。

【００１４】図１において、１１は力センサである。力
センサ１１は、前述の通り、ロボット本体１０の手首部
１２に設けられ、力センサ１１の先側にロボット側連結
部１３が取り付けられる。ロボット本体１０の全体の図
示は省略される。１４は研削工具で、その下側に回転自
在な円板状砥石１５を備えている。研削工具１４の上側
には、工具支持部材１６が固定され、さらに工具支持部
材１６に上部に工具側連結部１７が取り付けられる。本
実施例の場合、工具側連結部１７は中央に突起部１８を
有し、雄型の連結部として形成されている。他方、上記
のロボット側連結部１３は、図示されていないが、工具
側連結部１７の突起部１８を受け入れる中央孔を有し、
雌型の連結部として形成されている。工具側連結部１７
の突起部１８の周囲には複数の孔１９が形成されてお
り、これに対応してロボット側連結部１３の中央孔の周
囲に孔１９に対応する複数の孔が形成されている。工具
側連結部１７の突起部１８が、ロボット側連結部１３の
中央孔に差し込まれ、２つの連結部１３，１７が結合さ
れたとき、周囲の複数の前記孔は連通状態になる。

【００１５】ロボット側連結部１３と工具側連結部１７
とからなる連結部材によって、ロボット本体１０に対し
て工具１４を自動的に装着し、または脱離することがで
きる。これによって、ロボットにおいて用意された複数
の工具を自動的に着脱し、自動的に工具を交換する装置
を実現できる。

【００１６】工具側連結部１７の突起部１８がロボット
側連結部１３の中央孔に差し込まれると、突起部１８の
差込み状態が、ロボット側連結部１３に設けられたロッ
ク機構（図示せず）によってロックされ、２つの連結部
１３，１７は確実に結合される。ロック機構の構造は任
意であり、従来、バネ等の弾性手段、電動機構、エア機
構等を利用した各種タイプの構造が提案されている。ロ
ック機構が解除されると、ロボット側連結部１３と工具
側連結部１７は分離され、工具はロボット本体の手首部
１２から脱離される。

【００１７】なお図１に示した研削工具１４は電動式の
ものであり、その内部に砥石１５を回転させる電動モー
タを内蔵している。電動モータを駆動するための電源
は、ロボット側連結部１３に設けられた電気端末２０と
工具側連結部１７に設けられた電気端末２１とが、両者
の連結時に電気的に接続され、これらの端末２０，２１
を経由して供給される。

【００１８】図２は交換用に用意される複数の工具の内
の他の工具の例を示す。この工具において、２２はエア
グラインダ、２３は工具支持部材、１７は工具支持部材
２３の上部に取り付けられた工具側連結部１７である。
工具側連結部１７の基本的な構造は、図１で説明した工
具連結部と同じであり、工具側連結部１７はロボット側
連結部１３に結合される。しかしながら、この工具はエ
アグラインダ２２を備えているので、工具支持部材２３
の内部には電動モータを備えず、周囲孔１９を通して供
給される圧力エアが直接に駆動力源になる。

【００１９】上記の工具の他、同様な工具側連結部を備
えた複数の工具が、作業中に交換されるべき工具として
用意される。用意された複数の工具は、所定の場所に配
置される。ロボット本体１０は、作業が開始されると、
必要な工具を取りに移動し、ロボット側連結部１３に当
該工具を装着する。ロボット本体１０は、作業が進行す
るに従って、装着中の工具を取り外し（脱離し）、複数
の工具の内、予め定められた工具を選択してロボット本
体１０のロボット側連結部１３に装着し、こうして工具
の交換を行いながら研削作業を実行する。

【００２０】図３および図４に基づいて、ロボット本体
１０の手首部１２に工具を着脱する動作を説明する。図
３は脱離時の動作の示すフローチャート、図４は装着時
の動作を示すフローチャートを示す。脱離動作でロボッ
ト本体１０の手首部１２から工具を脱離したとき確実に
工具が脱離したか否か、また装着動作で手首部１２に工
具を装着したとき正しい工具が確実に装着された否か
が、それぞれ自動的に確認される。

【００２１】まず図３に基づいて脱動作の流れを説明す
る。最初に、ロボット本体１０の手首部１２に現在装着
されている工具を、脱離して置くための位置（脱位置）
の近くの場所へ移動させる（ステップＳ１１）。この場
所は、工具を配置するために設けられた治具（図示せ
ず）に接触しない位置とする。この場所に工具が到着し
たら、力センサ１１のオフセットを更新する（ステップ
Ｓ１２）。力センサ１１のオフセットの更新は、力セン
サ１１の出力信号に生じるドリフト分を補正するための
ものであり、これによってステップＳ１２以後に行われ
る荷重の確認（ステップＳ１７）をより正確に行うこと
ができる。ただし、荷重の確認のステップＳ１７におい
てそれほど正確な力の検出値を必要としない場合、ある
いは、ステップＳ１２以前の比較的に近い時期にオフセ
ット更新を行っている場合には、ステップＳ１２を省略
することもできる。

【００２２】次に、上記脱位置に移動し（ステップＳ１
３）、ロボット本体１０の手首部１２から工具を取り外
し、脱位置に置く（ステップＳ１４）。この取り外しの
作業では、ロボット側連結部１３と工具側連結部１７と
の結合状態を解除する。次のステップＳ１５では、工具
の重量・重心データを「工具なし」の状態のデータ、す
なわちロボット側連結部１３だけの状態のデータに切り
換える。その後工具を装着していないロボット本体の手
首部１２を空中移動させ（ステップＳ１６）、その状態
に関して荷重の確認を行う（ステップＳ１７）。判断ス
テップＳ１８では、ステップＳ１７において力センサ１
１で得られた荷重データ（力およびモーメントの情報）
が、ロボット側連結部１３だけの状態の荷重データ（切
り換えられた上記重量・重心データ）に一致するか否か
が判定される。データの一致が確認され、脱動作が正
常、すなわち、装着されていた工具が確実に手首部１２
から脱離されたと判断された場合には、次の動作（例え
ば着動作）に移行する。反対に、判断ステップＳ１８で
脱動作が異常であると判断されたときには、例えばエラ
ーメッセージを出して停止したり、あるいは工具がまだ
脱離していないと判断される場合には再度脱動作を試み
るなどの脱エラー処理が行われる（ステップＳ１９）。

【００２３】次に図４に基づいて着動作の流れを説明す
る。ステップＳ２１で着位置の近く、すなわち装着しよ
うとする工具が置かれた場所の近くまでロボット本体の
手首部１２を移動させる。この着位置は、工具に接触し
ない位置とする。手首部１２が着位置に到着すると、原
則として、脱動作の場合と同様に、力センサ１１のオフ
セットの更新を行う（ステップＳ２２）。この場合に
も、前述と同様に必要に応じて更新動作を省くことがで
きる。特に、更新ステップＳ１２が実行された脱動作の
直後の着動作では、省略しても良い。

【００２４】ステップＳ２３ではロボット本体１０の手
首部１２が着位置に移動し、次のステップＳ２４で、使
用する工具を手首部１２に装着する。ステップＳ２４の
装着動作では、手首部１２に設けたロボット側連結部１
３が、装着しようとする工具の工具側連結部と結合され
る。次に、ロボット本体１０の制御装置において、工具
の確認を行うために設定される重量・重心データを、装
着した工具に関する重量・重心データに切り換える。こ
の重量・重心データは、交換対象となる工具が複数用意
されるとき、各工具に対応して用意され、制御装置内の
記憶装置に保存される。そしてロボット本体の手首部１
２に工具が装着されたとき、その都度、装着された工具
に対応する重量・重心データが記憶装置から読み出さ
れ、工具交換確認用のデータ設定部に設定され、こうし
てデータ切換えが行われる。

【００２５】ステップＳ２６では、ロボット本体の手首
部１３に装着した工具を空中にて移動させ、他のものと
非接触の状態に保持する。この状態において、力センサ
１１で検出された荷重データに基づいて荷重の確認を行
う（ステップＳ２７）。荷重の確認は、力センサ１１に
よって検出された荷重データが、切換えによって設定さ
れた重量・重心データと一致するか否かに基づいて行わ
れ、判定ステップＳ２８で、一致したときには正常、不
一致のときには異常と判定される。着動作が正常と判断
されたときには、次の動作に移行する。着動作が異常と
判断されたときには、エラーメッセージを出して停止し
たり、あるいは、未だ工具が装着されていないと判断さ
れたときには、再度、着動作を試みる等の着エラー処理
（ステップＳ２９）が行われる。

【００２６】次に、上記の脱動作および着動作で行われ
る荷重の確認について詳述する。

【００２７】図５に、荷重確認に関係する装置部分の基
本的な構成を示す。１０はロボット本体、１１は力セン
サ、１２は手首部、１３はロボット側連結部である。ま
た３１は制御装置、３２は記憶装置で、記憶装置内には
工具なしの重量・重心データ３２ａ、第１工具（例えば
研削工具１４）の重量・重心データ３２ｂ、第２工具
（例えばエアグラインダ２２）の重量・重心データ３２
ｃ等が格納されている。ここで「重量・重心データ」と
は、ロボット側連結部１３に工具が何も装着されていな
い場合、あるいはロボット側連結部１３に各工具が装着
されている場合における力センサ１１で検出される重量
データおよび重心位置データを意味する。各工具の重量
または重心位置が異なる限り、各工具の重量・重心デー
タはそれぞれ異なり、この重量・重心データに基づいて
工具の識別および工具が正確な位置に装着されたか否か
の判定を行うことができる。また手首部１２に工具が何
も装着されていない場合にも、「工具なし」として固有
の重量・重心データを有し、この状態を識別することが
できる。従って、力センサ１１で検出される荷重データ
と記憶装置３２に格納された各々の重量・重心データを
比較すれば、ロボット側連結部１３がどのような状態に
あるか、例えば、「工具なし」、「第１工具の装着」、
「第２工具の装着」等を確認することができる。

【００２８】記憶装置３２に格納された複数の重量・重
心データは、状況に応じて必要な重量・重心データがデ
ータ設定部３３に設定される。比較部３４は、前述の通
り脱動作および着動作において所定条件の下で力センサ
１１から出力される荷重データを入力し、この荷重デー
タとデータ設定部３３に格納される重量・重心データと
を比較し、一致しているか否かの情報を動作指示部３５
に対し与える。動作指示部３５は、比較部３４から与え
られた情報に基づいてロボット本体１０に対して必要な
動作を指示する。必要な動作については、図３および図
４のフローチャートで説明した通りである。

【００２９】荷重の確認の方法としては、その程度に応
じて幾つかの方法を考えることができる。図６〜図８を
参照して荷重確認の例を説明する。

【００３０】図６は、前述の図３および図４のフローチ
ャート、図５の装置構成で説明した方法であって、ステ
ップＳ１５，Ｓ１６での切換え動作に基づきデータ設定
部３３に設定された重量・重心データと、力センサ１１
で検出された荷重データとが一致する（検出された力が
重量データに一致し、検出されたモーメントが重量・重
心から求めたモーメントに一致する）ことを確認する方
法である（ステップＳ４１の括弧書き）。これによって
正確に工具の着脱を確認することができる。

【００３１】また上記の荷重確認の方法によれば、一般
的に各工具が固有の重量・重心データを有することか
ら、工具の種類を特定（工具の識別）することも可能で
ある。これによって正しい工具が装着されているか否か
を判断することができる。

【００３２】また力制御を行う場合には、通常、工具の
重量・重心データに基づいて重力補正を行い、どのよう
な姿勢であっても工具に加わる重力をキャンセルするよ
うにしている。力制御に基づいてこのような演算を行っ
ている場合には、重力補正後の力とモーメントが０であ
ることを確認する（ステップＳ４１）ことによって、前
述の荷重確認を行うことができる。

【００３３】また図７は、さらに正確に荷重の確認を行
う方法を示す。この荷重確認では、空中でいく通りかに
工具の姿勢を変えて（ステップＳ４２）、ステップＳ４
１を繰り返し行う。繰返しの回数は設定回数判定ステッ
プＳ４３で設定される。取り得る姿勢としては、独立な
方向に３姿勢をとれば十分である。しかし、２姿勢であ
っても、図６で説明した荷重確認の方法よりも正確にな
る。この方法によれば、重量が同じである工具であって
も、重心が異なる装着状態であれば、その差異を確実に
検知することができる。また、確実な着脱が行われてい
ないときにも、これを検知することができる。

【００３４】図８は、もっとも単純な方法である。工具
の脱離または装着の前後において、力センサで検出され
る荷重に変化があったかどうかを確認するものである
（ステップＳ４４）。すなわち、脱動作時に荷重が
「大」から「小」へ変化し、着動作時に荷重が「小」か
ら「大」へ変化するのを確認する。この方法では、力セ
ンサのオフセット更新や重量・重心データの切換えのス
テップは、特に必要としない。また重量・重心データに
よって重力補正を行っている場合には、力センサに加わ
る荷重の変化によって確認する。

【００３５】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、力センサを備えたロボットにおける作業中の工具
交換で、力センサの検出する荷重データを利用して工具
の着脱の正常・異常を確認するようにしたため、特別な
装置を必要とせず、安価に工具の交換を確認するための
構成を実現できる。

【００３６】また各工具に関する重量・重心データを予
め用意し、重量・重心データと力センサからの荷重デー
タを比較して工具の着脱状態を確認するようにしたた
め、正しい工具が確実に装着された否かを確認すること
ができる。また工具が不完全に装着されている場合、ま
たは誤った工具が装着されている場合には、これに対応
することができ、再度正しいの工具の確実な装着を試み
ることができ、正しい工具の確実な装着を保証すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用されるロボットの要部と工具の一
例を示す斜視図である。

【図２】工具の他の例を示す斜視図である。

【図３】脱動作の流れを示すフローチャートである。

【図４】着動作の流れを示すフローチャートである。

【図５】本発明に係る工具交換確認方法を実行する制御
装置の内部構成の一例を示すブロック図である。

【図６】荷重確認の基本的方法を説明するためのフロー
チャートである。

【図７】荷重確認の他の方法を説明するためのフローチ
ャートである。

【図８】荷重確認の他の方法を説明するためのフローチ
ャートである。

【符号の説明】

１０ ロボット本体 １１ 力センサ １２ 手首部 １３ ロボット側連結部 １４ 研削工具 １６ 工具支持部材 １７ 工具側連結部 ２２ エアグラインダ ２３ 工具支持部材 ３１ 制御装置 ３２ 記憶装置 ３３ データ設定部 ３４ 比較部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 手首部に設けた力センサを介して工具を
   装着する構成を有し、作業に使用する工具を複数用意し
   て作業中に工具を着脱し工具の交換を行いながら前記作
   業を行うロボットに適用されるロボットの工具交換確認
   方法において、前記工具の装着または脱離の時に前記力
   センサによって検出される荷重値に基づいて工具交換の
   正常・異常を確認することを特徴とするロボットの工具
   交換確認方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載のロボットの工具交換確認
   方法において、前記力センサに前記複数の工具のそれぞ
   れを装着した場合、いずれの工具も装着しない場合の各
   々に関する重量・重心データを用意し、前記工具の装着
   または脱離の後で前記力センサによって検出される荷重
   値と、検出時の状態に対応する前記重量・重心データと
   を比較して前記工具交換の正常・異常を確認することを
   特徴とするロボットの工具交換確認方法。
3. 【請求項３】 請求項２記載のロボットの工具交換確認
   方法において、前記力センサによって検出される前記荷
   重値は、前記手首部の姿勢を少なくとも２通りに変化さ
   せることによって各姿勢で求められ、各姿勢に対応する
   前記荷重値ごとに前記工具交換の正常・異常を確認する
   ことを特徴とするロボットの工具交換確認方法。
4. 【請求項４】 請求項１記載のロボットの工具交換確認
   方法において、前記工具の着脱の前後で前記力センサに
   よって検出される前記荷重値の変化に基づいて工具交換
   の正常・異常を確認することを特徴とするロボットの工
   具交換確認方法。