JPH077305B2 - ロボットの直接教示装置及び直接教示方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はロボットの直接教示装置及び直接教示方法に関
し、特にティーチングプレイバック方式のロボットや作
業機械の教示作業において、教示作業の状況に応じて操
作性を変更することができ、これによって能率と教示す
る位置や姿勢の精度とを向上したロボットの直接教示装
置及び直接教示方法に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、力制御に基づくロボットの直接教示方法が提案さ
れている。この直接教示方法は、教示作業者がロボット
のアームの先部に設けられた手先効果器に力を加え、こ
の加えられた力をリスト部に備えた力センサを検出し、
力センサが出力する力信号に基づき且つ予め定められた
演算式により力制御を行う制御手段に従って、前記の加
えられた力に応じるようにロボットのアームの動作を制
御し、手先効果器の移動速度と移動方向を決定し、手先
効果器を目標とする位置に誘導して教示データを記憶す
るものである。この力制御によるロボットの制御では、
前記演算式の上において手先効果器に仮想質量を設定
し、教示作業者により力センサに対し加えられた力に比
例した速度又は加速度、又はその代数和で手先効果器を
移動させるように構成されている。このように構成され
る従来のロボットの直接教示装置又は直接教示方法とし
ては、特開昭59−14484号や特開昭59−157715号等に開
示されるものがある。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の力制御によるロボットの直接教示装置では、ロボ
ットの手先効果器の位置を変更するためアームを誘導す
ることにおいて、アーム誘導中に教示作業者がその誘導
操作感を教示作業の状況に応じて変更することができな
かった。すなわち、教示作業を開始する前に、操作力に
対する誘導速度のゲインを設定すると、誘導作業中はそ
の設定状態で教示作業を継続しなければならなかった。

その結果、軽い操作力で且つ高速に手先効果器を誘導で
きるように設定することによって誘導しやすい良好な走
査感を得るようにすると、教示作業の最終段階において
位置決めを高い精度で行うことができないという不具合
が生じる。

反対に、教示作業の最終段階における手先効果器の位置
決めに関し高い精度で位置決めできるように制御系の安
定性を高め、重い操作力で且つ低速に誘導するように設
定すると、教示作業中に手先効果器等を早く動かすこと
ができず、教示作業の能率が低下するという不具合が生
じる。

なお、前記の軽い操作力で且つ高速で誘導できるように
設定した場合には他の問題も提起される。すなわち、力
制御において力に対する速度のゲインが大きくなるた
め、ロボットの力制御の状態にて安定性が低くなり、ハ
ンチングが起きやすくなる。そのため、手先効果器がワ
ークに接触した状態においてロボットの位置や姿勢を教
示することができないという不具合が生じる。

関連する従来の技術文献として特開昭61−264408号公報
を挙げることができる。この文献の教示制御方式は、直
接教示と遠隔教示を１つの装置で行える構成を有し、か
つ遠隔教示モードでは移動速度を切り換えることができ
る構成を示す。しかしながら、直接教示モードでは速度
の切換えは実質的に行うことができず、さらに、直接教
示における作業者の誘導操作感を望ましい状態に切り換
えることができる構成は開示されない。従って上記文献
に開示される技術では、前述の従来技術の問題を解決す
ることはできない。

本発明の目的は、上記の問題を解決するため、ロボット
の手先効果器を誘導しロボットに対し直接に作業を教示
することにおいて、教示作業者が受ける誘導操作感を教
示作業中に変更できるようにし、もって教示作業の能率
と位置決め精度とを向上することができると共に、手先
効果器とワークが接触した状態であっても教示を行うこ
とができるロボットの直接教示装置及び直接教示方法を
提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係るロボットの直接教示装置は、手先効果器を
取付けたアームのリスト部に力センサを備え、教示作業
者が手先効果器を直接に把持して手先効果器に対し力を
加え、力センサが力に対応して出力する力信号を制御手
段に入力し力信号に基づき力制御に従って教示作業者が
アームを誘導して直接に教示作業を行うロボットの直接
教示装置において、アームを誘導する教示作業者の誘導
操作感を複数の操作感モードのうちいずれかに設定する
ことが可能なモード設定手段と、このモード設定手段で
設定されたモードを教示作業者による直接のアーム誘導
中に切換えるためのモード切換え手段とを備えるように
構成される。

また、本発明に係るロボットの直接教示装置は、前記の
構成において、前記モード設定手段によって、軽い操作
力で高速に誘導するモードと、力制御系の安定性を高
め、低速で誘導するモードのうちいずれかを設定するよ
うに構成される。

本発明に係るロボットの直接教示方法は、教示作業者が
手先効果器の直接に把持してアームに設けられた力セン
サに力を加え、このとき力センサが出力する力信号に基
づき力制御に従って教示作業者がアームを誘導し直接に
教示作業を行うロボットの直接教示方法において、アー
ムを誘導する教示作業者の誘導操作感を、教示作業中に
教示作業者が希望する任意の時期に変更可能にしたこと
を特徴がある。

〔作用〕

上記のロボットの直接教示装置では、モード切換え手段
が教示作業者によって操作されると、その操作信号がモ
ード設定手段に与えられ、モード設定手段において設定
される操作感モードが操作信号で指示されるモードに変
更される。

上記のロボットの直接教示方法では、教示作業中の任意
の時期に教示作業者は操作感のモードを任意に切換える
ことができ、作業状況に応じてロボットの誘導モードを
適宜なものに設定することができる。

〔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。

第１図は本発明が適用されるロボットシステムの全体構
成を示す。第１図において、１はロボット本体で、複数
の関節部を有するアーム２が支持基台３に取付けられ、
アーム２の各関節部の可動作用により、アーム先部は所
要の位置に移動すると共にアーム全体は所要の姿勢に変
化する。アーム２の先部に位置するリスト部４に６軸の
力センサ５が取付けられ、更に力センサ５の先には、ワ
ーク６に対して仕事を行う手先効果器７が取付けられて
いる。８はコントローラであり、このコントローラ８内
にはコンピュータ等で構成される制御手段が含まれ、予
め定められた力制御のための演算式を用いて且つ所定の
手順でロボット１に対し力制御を実行する機能を有して
いる。コントローラ８は、ロボット１に対し動作を指令
するための指令信号９を与えると共に、力センサ５から
力センサに加わる力に関する検出信号、すなわち力信号
10を取り込むように相互に電気的に接続されている。11
は教示を行う作業者が所持するティーチングボックスで
あり、テンキー及び各種の指令をコントローラ８に与え
ることのできる複数の操作スイッチが設けられている。
その操作スイッチの中において、特に本発明におけるテ
ィーチングボックスでは直接教示ルーチンを呼び出すた
めのスイッチ11A、ロボットのアーム先部の位置やアー
ムの姿勢を教示するためのスイッチ11B、本発明に固有
なモード切換えスイッチ11Cが設けられている。ティー
チングボックス11はコントローラ８と接続されており、
作業者の操作でティーチングボックス11に与えられたデ
ータはコントローラ８に与えられる。

第２図に基づいてコントローラ８による制御機構の具体
的構成について説明する。本発明に係る直接教示装置
は、コントローラ８内に含まれるコンピュータ等を利用
して実現されるものであり、第２図に示される装置構成
では実質的に機能ブロック図として示されている。

第２図に示すように、コントローラ８内において機能手
段として先ず力検出部12、力成分座標変換部13、速度演
算部14、座標変換部15、モード変換部16が設けられる。
これらの機能手段は、教示作業者がロボット１の手先効
果器７に対し教示の目的で力を加えた場合に、力センサ
５で力を検出しこの加えられた力の方向にロボット１の
手先効果器７を動作させるための制御装置構成であり、
且つモード変換部16を備えることによりその出力信号で
必要に応じて速度演算部14に設定された力制御のための
演算式のパラメータを変更するようにしたためロボット
１のアームの動作モード、すなわち教示作業者にとって
はアーム誘導における操作感の変更を可能にしている。
以下に、上記内容を具体的に説明する。

上記の構成要素において、力検出部12は力センサ５が出
力する力信号を入力し、この力検出部12でロボット１の
アーム２に誘導のため加えられた作業者による操作力を
検出する。検出された操作力に関する情報は力成分座標
変換部13に供給され、ここでロボット１のアーム２のリ
スト部に設けられたハンド座標系における、又はロボッ
ト本体を基準としたベース座標系における直交３軸方向
についての軸方向の力と軸回りのモーメントに変換す
る。このようにして求められた力とモーメントを基礎
に、速度演算部14でロボット１における各関節部に備え
られたモータの速度指令値を求める。具体的には、速度
演算部14には、例えば次のような演算式が設定されてい
る。

Vi:ベース座標系ｉ軸方向の並進の速度指令値 fi:操作力のｉ軸方向成分 M:仮想の質量 C:仮想の粘性減衰係数 上記の式において、力成分座標変換部13から与えられる
力データfiを用いて、且つ固定値Ｍ（ただし、必要に応
じて自由に変えることもできる）と任意に値を設定でき
るＣを用いて直交座標系の速度指令値を各軸について演
算する。こうして得られた速度指令値は、座標変換部15
でロボット１の各関節部のモータの速度指令値に変換さ
れ、各モータが駆動される。またモード変換部16は、速
度演算部14において設定された演算式のパラメータＣの
値を変更する信号を出すためのものであり、後述する所
定の条件の下にパラメータ変更信号を出力する。このモ
ード変換部16によって演算式のパラメータＣを変更する
と、ロボット１における教示作業のためのアーム２の誘
導に関し誘導のための操作感のモードを変更することが
が可能となる。

パラメータＣは、力制御を行う上での仮想の粘性減衰係
数であり、この値が小さいと、ロボット１のアーム２の
動きは軽く、教示作業者は簡単に且つ高速でアーム２を
動かすことができ、作業者にとって操作感は軽いものと
なる。反対にＣの値が大きくなると、アーム２の動きは
安定性が増すが、重くなり且つ低速でしか動かすことが
できないものとなる。パラメータＣの値の設定の仕方は
基本的に作業に応じて任意である。例えば一定の範囲で
連続的に変化できるようにすることもできるし、複数段
階で変えることもできるし、実際の作業を考慮して軽い
モードと安定性の高いモードの２段階にて切換えるよう
に設定することもできる。以下の説明では、便宜上２段
階モードで説明する。

更に、コントローラ８の中には位置検出部17と教示デー
タ記憶部18とが設けられる。位置検出部17はロボット１
の各部に配設された図示しない位置センサからの出力信
号を入力し、所定の条件の下で入力した位置信号から位
置データを取込み、各瞬間におけるロボット１の位置や
姿勢のデータを教示データ記憶部18に送給して記憶させ
る。

次にティーチングボックス11との関係について説明す
る。ロボット１の直接教示作業者を行うときには、操作
スイッチ11Aを押して直接教示ルーチンを呼び出す。こ
れにより作業者はロボット１の手先効果器７に対して力
を加えて教示作業を行うことができる。作業者によって
手先効果器７に加えられた力は力検出部12に送給され
る。この実施例では、モード変換部16は２つのモードを
速度演算部14において設定できる。１つは軽い操作力で
且つ高速に誘導するモード（以下、Ｈモードという）
と、他の１つは力制御の安定性を増し、重たい操作力で
且つ低速で誘導するモード（以下、Ｌモードという）で
ある。このモード変換部16によるモードの設定は、ティ
ーチングボックス11に配設された前記モード切換えスイ
ッチ11Cのオン・オフによって切換えられる。また前記
位置検出部17における検出動作は、ティーチングボック
ス11に設けられた教示スイッチ11Bのオン動作によって
行われる。

上記構成を有するロボットの直接教示装置の動作、それ
に伴う直接教示方法、従来の直接教示装置との差異を説
明する。

第３図は本発明による直接教示装置の動作状態を示す。
教示を行う作業者は、ティーチングボックス11の操作ス
イッチ11Aをオンして直接教示作業を実行可能な状態に
セットする。この状態で、教示作業を開始する前におい
て第３図（Ｄ）に示すようにモード切換えスイッチ11C
をオンにセットする。そうすると前記のＨモードが選択
される。このＨモードで作業者はロボット１の手先効果
器７に対し押す又は引く等の力を加える。ロボット１の
力制御を行う制御系はＨモードにあるから、第３図
（Ａ），（Ｂ）に示すようにアーム２は軽い操作感で且
つ高速で動き、作業者は容易に手先効果器７を目的場所
に移動させることができる。手先効果器７が目標の位置
P₀にほぼ到達したら、モード切換えスイッチ11Cをオフ
にする。これにより制御系で前記のＬモードが設定さ
れ、オフの時点よりそれ以後の空走距離が極めて少なく
なる。更に、Ｌモードの状態のロボット１に対し力を加
え、行過ぎた手先効果器７の移動量を戻す場合には、第
３図（Ｃ）に示すようにＨモードの時と同じ操作力fi
（19）を加えても第３図（Ｂ）に示すように低速（20）
で安定した状態でアーム２を誘導することができ、もっ
て位置決め等のための微妙な操作も容易に行うことがで
きる。このようにして力制御を伴う教示作業において、
教示作業中に作業の状況に応じてモードを切換えること
ができる。そして、教示スイッチ11Bを適宜なタイミン
グでオンすることにより、位置検出部17に検出動作を実
行させ、ロボット１の位置及び姿勢を教示データ記憶部
18に記憶する。

これに対して、従来の直接教示装置の構成によれば、第
４図の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示されるように教示作
業の開始前にＨモードに設定すると、教示作業の最中に
モードを変更することができなので、教示作業を行い目
的の位置P₀に近くなって操作力fiをゼロにしても大きな
空走部21が生じ行過ぎ状態22が大きく発生し、反対に移
動量を戻そうとしても今度は逆に行過ぎ、最終的な位置
決めを行うことがなかなか困難である。またロボット１
のアーム２が軽い操作力で高速で動いてしまうため、微
妙な操作が困難であるという不具合も生じる。

次に第５図に示すように、バリ取りやグラインダがけ、
金型研磨等のような手先効果器７をワーク６′に直接に
接触させる作業の教示について説明する。最初の状態で
は、モード切換えスイッチ11Cにより誘導時のモードを
Ｈモードに設定し、第５図（Ａ）に示すようにワーク
６′に近くまで手先効果器７を誘導してくる。そしてワ
ーク６′の直前で同スイッチによりＬモードを選択す
る。第５図（Ｂ）に示すようにハンチングを起こすこと
なく、安定した状態にて手先効果器７をワーク６′に接
触させることができる。この場合のＬモードは操作力に
対する速度のゲインを小さくし、もって接触時にハンチ
ングを起こさない力制御系の安定性を高めたモードであ
る。このように作業状況に応じて良好な操作感を損なう
ことなく、手先効果器７をワークに接触させた状態にて
教示を行うことができる。

上記の実施例ではモード切換えスイッチ11Cをティーチ
ングボックス11に設けるようにしたが、これに限定され
ず、例えばロボット１のアーム２のリスト部に設けて扱
いやすいようにすることもできる。スイッチの構成も任
意なものを用いることができる。

〔発明の効果〕

以上の説明で明らかなように、本発明によれば次のよう
な効果が生じる。

ロボットの力制御による直接教示装置において、力制御
のモード、すなわちロボットの誘導における操作感のモ
ードを教示作業中に切換えられるように構成したため、
従来のように良好な操作感を損なうことなく教示のため
の能率と最終的な位置決めとを共に向上させることがで
きる。

教示作業者は、教示作業の状況に応じて誘導モードの軽
重を変更することでき、教示作業が非常に楽になる。

手先効果器をワークに接触させるときには接触直前に誘
導モードを安定のモードに切換えることができるので、
手先効果器とワークが接触した状態でも直接の教示が可
能である。

【図面の簡単な説明】

第１図はロボットの全体構成図、第２図は本発明に係る
直接教示装置の要部構成を示すブロック図、第３図は本
発明による直接教示装置の動作特性を示す波形図、第４
図は従来の直接教示装置の動作特性を示す波形図、第５
図は手先効果器をワークに接触させるときの状態を説明
するための図である。 〔符号の説明〕 １……ロボット ２……アーム ４……リスト部 ５……力センサ 6,6′……ワーク ７……手先効果器 ８……コントローラ 11……ティーチングボックス 11B……教示スイッチ 11C……モード切換えスイッチ 14……速度演算部 16……モード変換部 17……位置検出部 18……教示データ記憶部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】手先効果器を取付けたアームのリスト部に
   力センサを備え、教示作業者が前記手先効果器を直接に
   把持して前記手先効果器に対し力を加え、前記力センサ
   が前記力に対応して出力する力信号を制御手段に入力し
   前記力信号に基づき力制御に従って教示作業者が前記ア
   ームを誘導して直接に教示作業を行うロボットの直接教
   示装置において、前記アームを誘導する教示作業者の誘
   導操作感を複数の操作感モードのうちいずれかに設定す
   ることが可能なモード設定手段と、このモード設定手段
   で設定されたモードをアーム誘導中に切換えるためのモ
   ード切換え手段とを備えることを特徴とするロボットの
   直接教示装置。
2. 【請求項２】請求項１において、前記モード設定手段
   は、軽い操作力で高速に誘導するモードと、力制御系の
   安定性を高め、アームを低速で誘導するモードのうちい
   ずれかを設定することを特徴とするロボットの直接教示
   装置。
3. 【請求項３】教示作業者が手先効果器を直接に把持して
   アームに設けられた力センサに力を加え、このとき力セ
   ンサが出力する力信号に基づき力制御に従って教示作業
   者が前記アームを誘導し直接に教示作業を行うロボット
   の直接教示方法において、前記アームを誘導する教示作
   業者の誘導操作感を、教示作業中に教示作業者が希望す
   る任意の時期に変更可能にしたことを特徴とするロボッ
   トの直接教示方法。