KR102381594B1 - 로봇의 직접 교시 장치 및 직접 교시 방법 - Google Patents

로봇의 직접 교시 장치 및 직접 교시 방법 Download PDF

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Abstract

외력을 검지하는 외력 검지부(102)와, 외력에 따른 아암(2)의 움직임을 산출하는 종동 제어 연산부(103)와, 아암(2)의 위치 자세를 산출하는 위치 자세 연산부(104)와, 아암(2)의 위치 자세가 구속 목표에 근접하였는지를 판정하는 근접 판정부(105)와, 구속 제어의 목표값을 산출하는 목표값 산출부(107)와, 목표값으로 이동하는 아암(2)의 움직임을 산출하는 구속 제어 연산부(108)와, 구속 제어 연산부(108)에 의한 산출 결과를 제한하는 구속 제어 제한부(109)와, 구속 목표에 근접하였다고 판정된 경우에 구속 제어 연산부(108)를 유효로 하고, 구속 목표에 근접하지 않았다고 판정된 경우에 구속 제어 연산부(108)를 무효로 하는 전환부(106)와, 종동 제어 연산부(103)에 의한 산출 결과와 구속 제어 제한부(109)에 의한 제한 결과를 합성하는 합성부(110)와, 합성 결과에 기초하여 아암(2)을 구동하는 구동 제어부(111)를 구비하였다.

Description

로봇의 직접 교시 장치 및 직접 교시 방법
이 발명은 로봇의 직접 교시를 행하는 직접 교시 장치 및 직접 교시 방법에 관한 것이다.
산업용의 로봇에서는, 로봇에게 작업을 시키기 위해, 미리 교시(티칭)라고 불리는 작업이 실시된다. 이 로봇의 교시를 행하는 방법의 하나로서, 직접 교시(다이렉트 교시)라고 불리는 방법이 있다.
예컨대 특허문헌 1에서는, 힘 센서를 이용한 로봇의 직접 교시 방법이 개시되어 있다. 또한, 예컨대 특허문헌 2에서는, 토크 검출 수단을 이용한 로봇의 직접 교시 방법이 개시되어 있다. 이들 특허문헌에 개시되어 있는 직접 교시 장치의 개략 구성을 도 20에 나타낸다.
도 20에 나타내는 직접 교시 장치(11)에서는, 먼저, 외력 검지부(1101)가, 힘 센서 또는 토크 센서 등을 이용하여, 로봇이 갖는 아암(2)에 대하여 조작자에 의해 가해진 외력을 검지한다. 계속해서, 종동 제어 연산부(1102)가, 외력 검지부(1101)에 의해 검지된 외력에 따른 아암의 움직임을 산출(종동 제어 연산)한다. 또한, 종동 제어 연산부(1102)는, 종동 제어 연산에 있어서, 위치 자세 계측부(도시하지 않음)에 의해 계측된 아암의 위치 자세에 관한 파라미터를 이용하는 경우도 있다. 또한, 아암의 위치 자세란, 아암의 위치 및 아암의 자세 중 적어도 한쪽을 의미한다. 또한, 상기 파라미터로서는, 아암의 위치, 아암의 자세, 또는, 아암의 관절각 등을 들 수 있다. 그리고, 종동 제어 연산부(1102)는, 종동 제어 연산의 결과에 기초하여 갱신한 종동 제어 지령값을 구동 제어부(1103)에 통지한다. 계속해서, 구동 제어부(1103)는, 종동 제어 연산부(1102)에 의해 통지된 종동 제어 지령값에 따라 아암(2)을 구동한다.
이 일련의 동작에 따라, 도 20에 나타내는 직접 교시 장치(11)는, 조작자에 의해 가해진 외력에 따라 아암(2)이 움직이도록 제어할 수 있다. 그리고, 직접 교시 장치(11)는, 제어에 의해 아암(2)의 위치 및 자세가 조작자가 의도하는 상태로 된 경우에, 그때의 상기 파라미터를 교시점으로서 기록한다. 이 직접 교시 장치(11)에 의해 기록된 교시점은 로봇이 작업할 때에 사용된다.
이와 같이, 로봇의 직접 교시는, 조작자가 아암을 직접 조작하여 위치 및 자세를 교시하기 때문에, 조작자에게 있어서 직관적이며 알기 쉽다고 하는 이점을 갖는다. 한편, 아암이 조작자에 의해 가해진 외력에 따라 그대로 움직인다고 하는 특징은 이점만은 아니다.
예컨대, 조작자가, 로봇에 대하여, 어떤 점(P)의 위치를 교시한 후에, 그 직하의 별도의 점(Q)의 위치를 교시한다고 하는 케이스를 생각한다. 이 케이스에서는, 조작자는, 직하 방향(Z축 방향)으로 아암을 움직이게 된다. 그러나, 조작자가 아암에 대하여 정확하게 직하 방향으로 외력을 가하는 것은 어려워, 아암의 X축 좌표 및 Y축 좌표가 어긋나는 일이 많다. 나중에 아암의 X축 좌표 및 Y축 좌표만을 티칭 팬던트 등을 이용하여 수정하는 것은 가능하지만, 그러면 직접 교시의 이점이 줄어든다.
또한, 예컨대, 조작자가, 아암의 선단에 마련된 엔드 이펙터를 직하를 향하게 한 채로 교시를 행하는 케이스를 생각한다. 이 케이스에 있어서도, 조작자가 아암에 대하여 정확하게 직하를 향하게 한 상태를 유지한 채로 아암을 직접 조작하는 것은 어려워, 아암의 자세가 어긋나는 일이 많다.
이상과 같이, 직접 교시는, 직관적이며 알기 쉬운 반면, 조작이 어려운 케이스도 존재한다.
이에 대하여, 예컨대 특허문헌 3, 4에서는, 상기와 같은 과제를 해결하는 기술이 개시되어 있다.
특허문헌 3에서는, 모드 전환 스위치에 의해, 동작 모드를, 위치 방향 이동 모드, 위치 이동 모드 또는 방향 이동 모드로 전환 가능하게 하는 직접 교시 장치가 개시되어 있다. 위치 이동 모드에서는, 아암의 선단의 자세를 유지한 채로 위치만을 이동 가능하게 하고 있다. 또한, 방향 이동 모드에서는, 아암의 선단의 위치를 유지한 채로 자세만을 변경 가능하게 하고 있다. 이 직접 교시 장치에 의해, 상기와 같은 직접 교시에 있어서의 조작의 어려움을 어느 정도 완화 가능하다. 또한, 통상의 직접 교시는 위치 방향 이동 모드에서 실현 가능하다.
또한, 특허문헌 4에서는, 입력 장치에 의해, 동작 모드를, 구속 모드 또는 전체 방향 이동 모드로 전환 가능하게 하는 직접 교시 장치가 개시되어 있다. 구속 모드에서는, 엔드 이펙터의 선단을 특정한 구속축 또는 구속면을 따라 이동 가능하게 하고 있다. 또한, 전체 방향 이동 모드에서는, 통상의 직접 교시를 실시 가능하게 하고 있다. 이 직접 교시 장치는, 직접 교시의 도중에 구속 모드로 전환함으로써, 아암의 선단을 정확하게 상하 방향으로 움직이는 것이 가능해져, 직접 교시에 있어서의 조작의 어려움이 경감된다.
특허문헌 1: 일본 특허 공개 평성05-204441호 공보 특허문헌 2: 일본 특허 공개 평성05-250029호 공보 특허문헌 3: 일본 특허 공개 평성05-285870호 공보 특허문헌 4: 일본 특허 공개 평성05-303425호 공보
상기한 바와 같이, 특허문헌 3, 4에 개시된 직접 교시 장치는, 아암의 조작에 구속을 부과시키지 않는 통상의 직접 교시를 행하는 모드와, 아암의 조작에 구속을 부과시키는 구속을 갖는 직접 교시를 행하는 모드를 전환한다. 그리고, 특허문헌 3에서는 모드 전환 스위치에 의해, 또한, 특허문헌 4에서는 입력 장치에 의해, 모드의 전환이 행해지고 있고, 조작자가 손으로 스위치 등을 조작함으로써 전환 가능하게 되어 있다.
그러나, 직접 교시에서는, 조작자는 손으로 아암을 직접 조작하고 있기 때문에, 모드의 전환을 손으로 조작하는 것은 편리하지 않다. 예컨대, 조작자가 양손으로 아암을 조작하고 있는 경우, 모드의 전환을 조작할 때에는 아암의 조작을 일단 정지하고 아암을 한쪽 손으로 유지하게 된다. 통상 시에 양손으로 유지하고 있는 아암을 한쪽 손으로 유지하면, 아암의 위치 자세가 어긋나는 것도 생각된다. 그 결과, 구속을 갖는 직접 교시의 효과가 줄어들게 될 수도 있다.
이 발명은, 상기와 같은 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 조작자가 아암을 조작하고 있는 상태 그대로 통상의 직접 교시와 구속을 갖는 직접 교시를 전환 가능한 직접 교시 장치를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
이 발명에 따른 직접 교시 장치는, 로봇이 갖는 아암에 가해진 외력을 검지하는 외력 검지부와, 외력 검지부에 의해 검지된 외력에 따른 아암의 움직임을 산출하는 종동 제어 연산부와, 아암의 위치 또는 자세 중 적어도 한쪽인 위치 자세를 산출하는 위치 자세 연산부와, 위치 자세 연산부에 의한 산출 결과에 기초하여, 아암의 위치 자세가, 그 아암의 위치 자세의 구속처인 구속 목표에 근접하였는지를 판정하는 근접 판정부와, 구속 목표 및 위치 자세 연산부에 의한 산출 결과에 기초하여, 구속 제어의 목표값을 산출하는 목표값 산출부와, 위치 자세 연산부에 의한 산출 결과에 기초하여, 목표값 산출부에 의해 산출된 목표값으로 이동하는 아암의 움직임을 산출하는 구속 제어 연산부와, 구속 제어 연산부에 의한 산출 결과를 제한하는 구속 제어 제한부와, 근접 판정부에 의해 구속 목표에 근접하였다고 판정된 경우에 구속 제어 연산부에 의한 산출 결과를 유효로 하고, 근접 판정부에 의해 구속 목표에 근접하지 않았다고 판정된 경우에 구속 제어 연산부에 의한 산출 결과를 무효로 하는 전환부와, 종동 제어 연산부에 의한 산출 결과와 구속 제어 제한부에 의한 제한 결과를 합성하는 합성부와, 합성부에 의한 합성 결과에 기초하여 아암을 구동하는 구동 제어부를 구비한 것을 특징으로 한다.
이 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 구성하였기 때문에, 조작자가 아암을 조작하고 있는 상태 그대로 통상의 직접 교시와 구속을 갖는 직접 교시를 전환 가능하다.
도 1은 이 발명의 실시형태 1에 따른 직접 교시 장치의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 2a∼도 2d는 이 발명의 실시형태 1에 따른 직접 교시 장치에 의한 통상의 직접 교시와 구속을 갖는 직접 교시(위치 구속의 경우)의 전환의 일례를 나타내는 도면이다.
도 3a∼도 3d는 이 발명의 실시형태 1에 따른 직접 교시 장치에 의한 통상의 직접 교시와 구속을 갖는 직접 교시(자세 구속의 경우)의 전환의 일례를 나타내는 도면이다.
도 4는 이 발명의 실시형태 1에 따른 직접 교시 장치의 동작예를 나타내는 흐름도이다.
도 5는 이 발명의 실시형태 1에 있어서의 근접 판정부의 동작예를 설명하는 도면이다(자세 구속의 경우).
도 6은 이 발명의 실시형태 1에 있어서의 목표값 산출부의 동작예를 설명하는 도면이다(자세 구속의 경우).
도 7은 이 발명의 실시형태 1에 있어서의 목표값 산출부의 동작예를 설명하는 도면이다(자세 구속의 경우).
도 8은 이 발명의 실시형태 2에 따른 직접 교시 장치의 동작예를 나타내는 흐름도이다.
도 9a, 도 9b는 이 발명의 실시형태 2에 있어서의 종동 제어 연산부의 동작예를 나타내는 도면이다.
도 10은 이 발명의 실시형태 2에 있어서의 근접 판정부의 동작예를 나타내는 흐름도이다.
도 11a, 도 11b, 도 11c는 이 발명의 실시형태 2에 있어서의 근접 판정부의 동작예를 설명하는 도면이다.
도 12a, 도 12b는 이 발명의 실시형태 2에 있어서의 목표값 산출부의 동작예를 설명하는 도면이고, 회전축의 산출예를 나타내는 도면이다.
도 13a, 도 13b는 이 발명의 실시형태 2에 있어서의 목표값 산출부의 동작예를 설명하는 도면이고, 회전 방향의 산출예를 나타내는 도면이다.
도 14는 이 발명의 실시형태 2에 있어서의 목표값 산출부의 동작예를 설명하는 도면이다.
도 15는 이 발명의 실시형태 3에 따른 직접 교시 장치에 의한 축 구속을 설명하는 도면이다.
도 16은 이 발명의 실시형태 3에 따른 직접 교시 장치의 동작예를 나타내는 흐름도이다.
도 17은 이 발명의 실시형태 3에 있어서의 근접 판정부의 동작예를 설명하는 도면이다.
도 18은 이 발명의 실시형태 4에 따른 직접 교시 장치에 의한 면구속을 설명하는 도면이다.
도 19는 이 발명의 실시형태 4에 따른 직접 교시 장치의 동작예를 나타내는 흐름도이다.
도 20은 종래의 직접 교시 장치의 구성예를 나타내는 도면이다.
이하, 이 발명의 실시형태에 대해서 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.
실시형태 1.
도 1은 이 발명의 실시형태 1에 따른 직접 교시 장치(1)의 구성예를 나타내는 도면이다.
직접 교시 장치(1)는, 로봇의 직접 교시를 행한다. 이 직접 교시 장치(1)는, 직접 교시 방법으로서, 로봇이 갖는 아암(2)의 위치 자세에 대하여 구속을 부과시키지 않는 통상의 직접 교시와, 아암(2)의 위치 자세를 구속 목표에 구속하는 구속을 갖는 직접 교시를 전환 가능하다.
또한, 아암(2)의 위치 자세란, 아암(2)의 위치 및 아암(2)의 자세 중 적어도 한쪽을 의미한다. 또한, 아암(2)의 위치란, 아암(2)의 선단에 마련된 엔드 이펙터(201)의 위치(501)를 의미하고, 아암(2)의 자세란 엔드 이펙터(201)의 방향(502)을 의미한다. 또한, 구속 목표란, 아암(2)의 위치 자세의 구속처이다. 아암(2)의 위치에 대한 구속 목표로서는, 구속면(503) 및 구속축(504)이 있다. 구속면(503)의 종별로서는, 평면 및 곡면이 있다. 구속축(504)의 종별로서는, 직선 및 곡선이 있다. 아암(2)의 자세에 대한 구속 목표로서는, 구속 방향(505)이 있다. 또한, 직접 교시 장치(1)로 이용하는 구속 목표는 하나에 한정되지 않고 복수여도 좋다. 또한, 로봇에 대하여는 기준이 되는 로봇 좌표계가 설정되고, 엔드 이펙터(201)에 대하여는 툴 좌표계가 설정된다(도 6 등 참조).
이 직접 교시 장치(1)는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 위치 자세 계측부(101), 외력 검지부(102), 종동 제어 연산부(103), 위치 자세 연산부(104), 근접 판정부(105), 전환부(106), 목표값 산출부(107), 구속 제어 연산부(108), 구속 제어 제한부(109), 합성부(110) 및 구동 제어부(111)를 구비하고 있다. 또한, 종동 제어 연산부(103), 위치 자세 연산부(104), 근접 판정부(105), 전환부(106), 목표값 산출부(107), 구속 제어 연산부(108), 구속 제어 제한부(109), 합성부(110) 및 구동 제어부(111)는, 시스템 LSI(Large-Scale Integration) 등의 처리 회로, 또는 메모리 등에 기억된 프로그램을 실행하는 CPU(Central Processing Unit) 등에 의해 실현된다.
위치 자세 계측부(101)는, 아암(2)의 위치 자세에 관한 파라미터를 계측한다. 또한, 아암(2)의 위치 자세에 관한 파라미터로서는, 아암(2)의 위치, 아암(2)의 자세, 또는, 아암(2)의 관절각(θ) 등을 들 수 있다.
외력 검지부(102)는, 조작자에 의해 아암(2)에 가해진 외력을 검지한다. 예컨대, 외력 검지부(102)는, 아암(2)의 선단에 부착된 힘 센서를 이용하여, 이 힘 센서에 의해 계측된 힘(F)을 상기 외력으로서 검지하여도 좋다. 또한, 예컨대, 외력 검지부(102)는, 아암(2)의 모터 구동축에 부착된 토크 센서를 이용하여, 이 토크 센서에 의해 계측된 토크(τ)를 상기 외력으로서 검지하여도 좋다. 또한, 외력 검지부(102)는, 상기한 바와 같이 센서를 이용하여 외력을 직접 계측하는 것이 아니라, 아암(2)이 갖는 모터의 전류 또는 아암(2)의 관절각(θ)의 계측값으로부터 간접적으로 외력을 산출하는 외력 옵저버를 이용하여 상기 외력을 검지하여도 좋다.
종동 제어 연산부(103)는, 위치 자세 계측부(101)에 의한 계측 결과에 기초하여, 외력 검지부(102)에 의해 검지된 외력에 따른 아암(2)의 움직임(종동 제어 지령값)을 산출한다.
또한, 위치 자세 계측부(101), 외력 검지부(102) 및 종동 제어 연산부(103)는, 구속이 없는 통상의 직접 교시에서 이용되는 구성과 동일하며, 공지 기술이다.
위치 자세 연산부(104)는, 종동 제어 연산부(103)에 의한 산출 결과에 기초하여, 아암(2)의 위치 자세를 산출한다.
또한 도 1에서는, 종동 제어 연산부(103)가 위치 자세 계측부(101)에 의한 계측 결과를 이용하여, 위치 자세 연산부(104)가 종동 제어 연산부(103)에 의한 산출 결과를 이용하고 있다.
그러나, 이에 한정되지 않고, 종동 제어 연산부(103)는, 위치 자세 계측부(101)에 의한 계측 결과는 이용하지 않고, 외력 검지부(102)에 의해 검지된 외력에 따른 아암(2)의 움직임을 연산하여도 좋다. 이 경우, 위치 자세 연산부(104)는, 위치 자세 계측부(101)에 의한 계측 결과에 기초하여 아암(2)의 위치 자세를 산출한다.
또한, 위치 자세 연산부(104)는, 종동 제어 연산부(103)에 의한 산출 결과 및 위치 자세 계측부(101)에 의한 계측 결과의 양방을 이용하여 아암(2)의 위치 자세를 산출하여도 좋다.
근접 판정부(105)는, 위치 자세 연산부(104)에 의한 산출 결과에 기초하여, 아암(2)의 위치 자세가 구속 목표에 근접하였는지를 판정한다.
전환부(106)는, 근접 판정부(105)에 의한 판정 결과에 따라, 구속 제어 연산부(108)의 동작을 전환한다. 즉, 전환부(106)는, 근접 판정부(105)에 의해 아암(2)의 위치 자세가 구속 목표에 근접하였다고 판정된 경우에는, 구속 제어 연산부(108)에 의한 처리를 유효로 한다. 한편, 전환부(106)는, 근접 판정부(105)에 의해 아암(2)의 위치 자세가 구속 목표에 근접하지 않았다고 판정된 경우에는, 구속 제어 연산부(108)에 의한 처리를 무효로 한다.
또한, 전환부(106)는, 구속 목표가 복수 존재하는 경우에, 근접 판정부(105)에 의한 판정 결과에 따라, 목표값 산출부(107)에 의한 동작(대상으로 하는 구속 목표)의 전환도 실시하여도 좋다.
목표값 산출부(107)는, 구속 목표 및 위치 자세 연산부(104)에 의한 산출 결과에 기초하여, 구속 제어의 목표값을 산출한다. 또한, 구속 제어의 목표값이란, 아암(2)의 목표 위치 및 아암(2)의 목표 자세 중 적어도 한쪽을 의미한다.
구속 제어 연산부(108)는, 위치 자세 연산부(104)에 의한 산출 결과에 기초하여, 목표값 산출부(107)에 의해 산출된 목표값으로 이동하는 아암(2)의 움직임(구속 제어 지령값)을 산출한다.
구속 제어 제한부(109)는, 구속 제어 연산부(108)에 의한 산출 결과를 제한한다. 즉, 구속 제어 제한부(109)는, 종동 제어 연산부(103)에 의한 산출 결과가 구속 제어 연산부(108)에 의한 산출 결과보다 우선되도록 구속 제어 연산부(108)에 의한 산출 결과에 제한을 부과시킨다.
또한 도 1에서는, 구속 제어 연산부(108)와 구속 제어 제한부(109)를 각각의 구성 요소로서 나타내고 있지만, 일체로 하여 실장하는 것도 가능하다.
합성부(110)는, 종동 제어 연산부(103)에 의한 산출 결과(종동 제어 지령값)와 구속 제어 제한부(109)에 의한 제한 결과(구속 제어 지령값)를 하나의 지령값에 합성한다.
구동 제어부(111)는, 합성부(110)에 의한 합성 결과에 기초하여, 아암(2)을 구동한다.
실시형태 1에 따른 직접 교시 장치(1)에서는, 통상의 직접 교시와 구속을 갖는 직접 교시의 전환을, 조작자에 의한 아암(2)의 조작에 의해 실행 가능하게 하고 있다. 이 전환 방법은, 이하에 나타내는 2개의 구조에 의해 실현된다.
첫번째는, 직접 교시 장치(1)가, 아암(2)의 위치 자세가 구속 목표에 근접하였을 때에, 자동적으로 통상의 직접 교시로부터 구속을 갖는 직접 교시로 전환하는 구조이다. 예컨대 도 2a, 2b에 나타내는 바와 같이, 아암(2)의 위치를 소정의 평면(506)[구속면(503)]에 구속시키고자 하는 경우, 직접 교시 장치(1)는, 그 평면(506)으로부터 아암(2)의 위치까지의 거리가 예컨대 ±50[㎜] 이하인 경우에는 구속을 갖는 직접 교시를 행하고, 그 이외의 경우에는 통상의 직접 교시를 행한다. 또한, 예컨대 도 3a, 3b에 나타내는 바와 같이, 아암(2)의 자세를 직하 방향(507)[구속 방향(505)]에 구속시키고자 하는 경우, 직접 교시 장치(1)는, 아암(2)의 자세가 직하 방향(507)으로부터 예컨대 ±0.2[rad] 이하인 경우에는 구속을 갖는 직접 교시를 행하고, 그 이외의 경우에는 통상의 직접 교시를 행한다. 이 구조에 의해, 직접 교시 장치(1)는, 조작자에 의한 아암(2)의 조작만으로, 통상의 직접 교시로부터 구속을 갖는 직접 교시로의 전환을 실현할 수 있다.
두번째는, 직접 교시 장치(1)가, 구속을 갖는 직접 교시 시에 구속하는 힘을 억지로 억제함으로써, 조작자가 구속 제어를 이겨내고 아암(2)을 조작 가능하게 하는 구조이다. 예컨대, 직접 교시 장치(1)는, 구속 제어에 있어서의 관절각 속도(θ)(도트)를 예컨대 0.1[rad/s] 이하로 억제하고, 조작자가 그 이상의 외력을 가함으로써 아암(2)을 조작 가능하게 한다. 이에 의해, 조작자는, 아암(2)을, 구속된 상태로부터 조금씩 빼낼 수 있어, 최종적으로는 구속을 갖는 직접 교시의 실행 조건으로부터 빼낼 수 있다. 일반적인 종래의 직접 교시 장치에서는, 구속을 갖는 직접 교시에 있어서 아암(2)을 구속면 등에 강하게 구속함으로써 아암(2)의 위치 자세를 유지하고 있다. 그에 대하여, 실시형태 1에 따른 직접 교시 장치(1)에서는, 구속하는 힘을 억지로 약하게 함으로써, 도 2c, 2d, 3c, 3d에 나타내는 바와 같이, 조작자에 의한 아암(2)의 조작만으로, 구속을 갖는 직접 교시로부터 통상의 직접 교시로의 전환을 실현할 수 있다.
이상의 2개의 구조를 조합함으로써, 실시형태 1에 따른 직접 교시 장치(1)는, 조작자가 아암(2)을 조작하고 있는 상태 그대로, 통상의 직접 교시와 구속을 갖는 직접 교시를 전환 가능하다. 이하, 도 1에 나타내는 직접 교시 장치(1)의 동작예에 대해서, 도 4를 참조하면서 설명한다.
도 1에 나타내는 직접 교시 장치(1)의 동작예에서는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 먼저, 위치 자세 계측부(101)는, 아암(2)의 위치 자세에 관한 파라미터를 계측한다(단계 ST401).
또한, 외력 검지부(102)는, 조작자에 의해 아암(2)에 가해진 외력을 검지한다(단계 ST402). 또한, 외력 검지부(102)에 의해 검지되는 외력은, 센서의 구조 등에 따라서는, 조작자에 의해 아암(2)에 가해진 외력뿐만이 아니라, 중력에 기인하는 성분이 중첩되어 있는 경우가 있다. 그래서, 이러한 경우에는, 외력 검지부(102)는, 중력에 기인하는 성분을 산출하여, 검지한 외력으로부터 그 중력에 기인하는 성분을 뺌으로써, 외력 성분만을 산출하면 좋다. 이것은 중력 보상이라고 불리는 공지기술이며, 예컨대 특허문헌 5 등에 개시되어 있다.
특허문헌 5: 일본 특허 공개 평성01-066715호 공보
계속해서, 종동 제어 연산부(103)는, 위치 자세 계측부(101)에 의한 계측 결과에 기초하여, 외력 검지부(102)에 의해 검지된 외력에 따른 아암(2)의 움직임(종동 제어 지령값)을 산출한다(단계 ST403). 이때, 종동 제어 연산부(103)는, 먼저, 외력 검지부(102)에 의해 검지된 외력의 방향 및 크기로부터, 조작자가 어떻게 아암(2)을 움직이고자 하는지를 판단한다. 그리고, 종동 제어 연산부(103)는, 그 판단 결과 및 위치 자세 계측부(101)에 의해 계측된 아암(2)의 위치 자세에 기초하여, 아암(2)의 이동량[관절각(θ) 등의 차분] 또는 관절각 속도(θ)(도트) 등을 산출한다. 또한, 종동 제어 연산부(103)에 의한 종동 제어 연산 방법은, 예컨대 특허문헌 2 등에 개시되어 있고, 여러 가지 방식이 개발되어 있기 때문에 그 상세한 기술은 생략한다.
계속해서, 위치 자세 연산부(104)는, 종동 제어 연산부(103)에 의한 산출 결과에 기초하여, 아암(2)의 위치 자세를 산출한다(단계 ST404).
여기서, 직접 교시 장치(1)가 위치 구속을 행하는 경우, 즉, 직접 교시 장치(1)가 아암(2)의 위치를 소정의 구속면(503) 또는 구속축(504)에 구속하는 경우에는, 위치 자세 연산부(104)는 적어도 아암(2)의 위치를 산출해야 한다.
또한, 직접 교시 장치(1)가 자세 구속을 행하는 경우, 즉, 직접 교시 장치(1)가 아암(2)의 자세를 소정의 구속 방향(505)에 구속하는 경우에는, 위치 자세 연산부(104)는 적어도 아암(2)의 자세를 산출해야 한다.
또한, 직접 교시 장치(1)가 위치 구속 및 자세 구속을 행하는 경우, 즉, 직접 교시 장치(1)가 아암(2)의 위치 및 자세를 소정의 구속면(503) 또는 구속축(504) 또한 소정의 구속 방향(505)에 구속하는 경우에는, 위치 자세 연산부(104)는 아암(2)의 위치 및 자세를 산출해야 한다.
또한, 위치 자세 연산부(104)는, 종동 제어 연산부(103)에 의한 산출 결과(최신의 종동 제어 지령값)에 기초하여 상기 산출을 행하는 것이 가장 바람직하다. 이것은, 직접 교시 장치(1)가 구속을 갖는 직접 교시를 행하는 경우에, 조작자가 아암(2)에 대하여 부여한 이동량 중, 구속면(503) 등으로부터 벗어나는 성분을 동시에 상쇄할 수 있어, 구속 제어가 가장 유효하게 작동하기 때문이다.
또한, 위치 자세 연산부(104)는, 종동 제어 연산부(103)에 의한 산출 결과를 이용하지 않고, 위치 자세 계측부(101)에 의한 계측 결과에 기초하여 상기 산출을 행하는 것도 가능하다. 한편, 이 경우에는, 구속면(503) 등으로부터 벗어난 것이 계측되고 나서 구속 제어가 시작되기 때문에, 구속 제어의 효력이 나빠진다.
또한, 위치 자세 연산부(104)는, 종동 제어 연산부(103)에 의한 산출 결과 및 위치 자세 계측부(101)에 의한 계측 결과의 양방에 기초하여 상기 산출을 행하여도 좋다.
또한, 위치 자세 계측부(101) 및 종동 제어 연산부(103)에서 관절각(θ)만이 얻어지고, 아암(2)의 위치 자세를 직접 얻지 못한 경우, 위치 자세 연산부(104)는, 순운동학 연산에 의해 아암(2)의 위치 자세를 산출하는 것이 가능하다.
계속해서, 근접 판정부(105)는, 위치 자세 연산부(104)에 의한 산출 결과에 기초하여, 아암(2)의 위치 자세가 구속 목표에 근접하였는지를 판정한다(단계 ST405).
예컨대, 구속 제어의 목적이 엔드 이펙터(201)의 선단의 Z축 좌표를 0.1[m]의 위치에 고정하는 것이고, 또한, 접근 판정의 임계값이 0.05[m]라고 한다. 이 경우, 근접 판정부(105)는, 위치 자세 연산부(104)에 의해 산출된 엔드 이펙터(201)의 선단의 Z축 좌표가 0.05∼0.15[m]의 범위 내이면 아암(2)의 위치는 구속 목표에 근접하였다고 판정하고, 그 이외의 경우에는 아암(2)의 위치는 구속 목표에 근접하지 않았다고 판정한다.
또한, 구속 제어의 목적이 엔드 이펙터(201)의 방향(502)(Z축)을 직하를 향하게 하는 것이고, 또한, 접근 판정의 임계값이 0.1[rad]이라고 한다. 이 경우, 근접 판정부(105)는, 도 5에 나타내는 바와 같이, 직상 방향(기준 방향)(508)과 엔드 이펙터(201)의 방향(502)이 이루는 각도(Θ)가 (π-0.1)[rad] 이상, 즉, 직하 방향(507)과 엔드 이펙터(201)의 방향(502)이 이루는 각도가 0.1[rad] 미만이면, 아암(2)의 자세는 구속 목표에 근접하였다고 판정하고, 그 이외의 경우에는 아암(2)의 자세는 구속 목표에 근접하지 않았다고 판정한다.
또한, 구속면(503)이 복수 존재하는 경우 등과 같이 구속 목표가 복수 존재하는 경우, 근접 판정부(105)는, 구속 목표마다 상기 판정을 행하고, 각 구속 목표 중 하나라도 아암(2)의 위치 자세가 근접하였다고 판정한 경우에는, 아암(2)의 위치 자세는 구속 목표에 근접하였다고 판정한다. 이때, 또한, 근접 판정부(105)는, 아암(2)과 각 구속 목표 사이의 거리를 평가하고, 상기 판정의 결과와 함께 아암(2)에 가장 가까운 구속 목표를 나타내는 정보를 전환부(106)에 통지하여도 좋다.
계속해서, 전환부(106)는, 근접 판정부(105)에 의한 판정 결과에 따라, 구속 제어 연산부(108)의 동작을 전환한다(단계 ST406). 즉, 전환부(106)는, 근접 판정부(105)에 의해 아암(2)의 위치 자세가 구속 목표에 근접하였다고 판정된 경우에는, 구속 제어 연산부(108)에 의한 처리를 유효로 한다. 한편, 전환부(106)는, 근접 판정부(105)에 의해 아암(2)의 위치 자세가 구속 목표에 근접하지 않았다고 판정된 경우에는, 구속 제어 연산부(108)에 의한 연산을 정지하거나 또는 산출 결과가 아암(2)의 제어에 반영되지 않도록 하여, 구속 제어 연산부(108)에 의한 처리를 무효로 한다.
이와 같이, 직접 교시 장치(1)는, 조작자에 의해 아암(2)의 위치 자세가 구속 목표에 가까워지면, 자동적으로 구속 제어를 시작한다. 또한, 직접 교시 장치(1)는, 후술하는 구속 제어 제한부(109)와의 조합에 의해, 조작자에 의해 아암(2)의 위치 자세가 구속 목표로부터 멀어지면, 자동적으로 구속 제어를 종료한다. 이에 의해, 직접 교시 장치(1)는, 조작자에 의해 아암(2)이 유지된 상태로 구속 제어의 온 오프를 전환할 수 있다.
또한, 전환부(106)는, 구속 목표가 복수 있어 근접 판정부(105)로부터 아암(2)에 가장 가까운 구속 목표를 나타내는 정보가 통지된 경우에는, 전환부(106)는, 후술하는 목표값 산출부(107)에 그 정보를 출력하여 그 목표값 산출부(107)의 동작을 전환하여도 좋다.
계속해서, 목표값 산출부(107)는, 구속 목표 및 위치 자세 연산부(104)에 의한 산출 결과에 기초하여, 구속 제어의 목표값을 산출한다(단계 ST407).
예컨대, 구속 제어의 목적이 엔드 이펙터(201)의 선단의 Z축 좌표를 0.1[m]의 위치에 고정하는 것이고, 위치 자세 연산부(104)에 의해 산출된 엔드 이펙터(201)의 선단의 현재값이 [XP, YP, ZP]라고 한다. 이 경우, 목표값 산출부(107)는, 구속 제어의 목표값을 [XP, YP, 0.1]로 한다.
또한, 구속 제어의 목적이, 도 6의 하단에 나타내는 바와 같이 엔드 이펙터(201)의 방향(502) 중 Z축을 직하 방향(507)으로 한 뒤에 X축을 로봇 좌표계의 X축에 맞추는 것으로 한다. 이 경우, 구속 제어의 목표값인 목표 자세를 회전 행렬 표현으로 나타낸 것은 다음 식(1)과 같이 된다. 또한, 회전 행렬에 의한 자세의 표현은, 예컨대 비특허문헌 1 등에 개시되어 있고, 그 상세에 대해서는 생략한다.
Figure 112020115919574-pct00001
비특허문헌 1: John J. Craig(미우라·시타야마 역): 로보틱스, 교리츠 출판(1991)
또한, 목표값 산출부(107)는, 구속 제어의 목표값으로서, 하나의 목표값만을 산출하여도 좋고, 복수의 목표값을 산출하여 그 중에서 하나의 목표값을 선택하여도 좋다. 예컨대, 구속 제어의 목적이 엔드 이펙터(201)의 선단의 Z축 좌표를 0.1[m]씩으로 가장 가까운 위치에 고정하는 것인 경우, 목표값 산출부(107)는, 구속 제어의 목표값으로서 [XP, YP, 0.1n](n은 정수) 중에서 가장 현재의 위치에 가까운 것을 선택한다.
또한, 구속 제어의 목적이 도 7에 나타내는 바와 같이 엔드 이펙터(201)의 방향(502) 중의 Z축을 직하 방향(507)으로 하고 또한 이 Z축을 회전축으로 하여 π/2씩(90도씩)으로 회전시킨 자세로 고정하는 것인 경우, 목표값 산출부(107)는, 구속 제어의 목표값으로서 가장 현재의 자세에 가까운 것을 선택한다. 이때, 구속 제어의 목표값인 목표 자세를 회전 행렬 표현으로 나타낸 것은 다음 식(2)과 같다.
Figure 112020115919574-pct00002
이 식(2)은 도 7에 나타내는 바와 같이, n에 의해 목표 자세가 4가지로 변하지만, 목표값 산출부(107)는 그 중에서 현재의 자세에 가장 가까운 것을 하나 선택한다. 목표값 산출부(107)는, 현재의 자세에 가까운지의 여부는, 현재의 자세로부터 각 목표 자세로 회전시킨 경우의 회전각의 대소 등으로부터 판단할 수 있다. 또한, 근접 판정부(105)가 아암(2)에 가장 가까운 구속 목표를 나타내는 정보를 통지하는 경우에는, 목표값 산출부(107)는 그 정보로부터 구속 제어의 목표값을 선택하여도 좋다.
계속해서, 구속 제어 연산부(108)는, 위치 자세 연산부(104)에 의한 산출 결과에 기초하여, 목표값 산출부(107)에 의해 산출된 목표값으로 이동하는 아암(2)의 움직임(구속 제어 지령값)을 산출한다(단계 ST408). 이때, 구속 제어 연산부(108)는, 목표값 산출부(107)에 의해 산출된 목표값으로부터, 아암(2)을 현재의 위치 자세로부터 목표값으로 이동시키는 데 필요한 아암(2)의 이동량 또는 단위 시간당 이동량인 관절각 속도(θ)(도트) 등을 산출한다. 또한, 구속 제어 연산부(108)는, 관절각 속도(θ)(도트) 대신에 1제어 주기당의 관절각 변화량(Δθ)을 연산하여도 좋다.
계속해서, 구속 제어 제한부(109)는, 구속 제어 연산부(108)에 의한 산출 결과를 제한한다(단계 ST409). 즉, 구속 제어 제한부(109)는, 종동 제어 연산부(103)에 의한 산출 결과가 구속 제어 연산부(108)에 의한 산출 결과보다 우선되도록 구속 제어 연산부(108)에 의한 산출 결과에 제한을 부과시킨다.
이 구속 제어 제한부(109)의 역할은, 조작자가, 직접 교시 장치(1)가 구속 제어를 행하고 있는 상태(구속을 갖는 직접 교시 중의 상태)로부터 구속 제어를 행하지 않는 상태(통상의 직접 교시의 상태)로 전환되도록 하는 것이다. 예컨대, 직접 교시 장치(1)가, 구속하는 힘을 강하게 하여, 구속으로부터 벗어나는 것 같은 조작자의 조작을 항시 완전하게 상쇄하고 있으면, 일단 구속 제어가 시작하면 구속 목표에 항시 구속되어 버려, 구속 제어를 종료할 수 없게 된다. 그래서, 구속 제어의 종료를 가능하게 하기 위해, 구속 제어 제한부(109)에 의해 구속 제어의 강도를 제한하여, 조작자가 강한 외력을 가하면 구속 목표로부터 벗어날 수 있도록 한다.
예컨대, 직접 교시 장치(1)가 아암(2)의 위치를 소정의 구속면(503)에 구속하고 있는 경우에 있어서, 구속 제어 제한부(109)는 구속 제어의 속도를 예컨대 0.05[m/s] 이하로 제한한다. 이에 의해, 조작자가 0.05[m/s]보다 빠르게 아암(2)을 이동시키면, 아암(2)은 구속면(503)으로부터 떨어져 가, 최종적으로는 근접 판정부(105)가 구속면(503)에 근접하지 않았다고 판정할 때까지 이동시킬 수 있다. 한편, 조작자가 0.05[m/s]보다 느리게 아암(2)을 이동시키고자 하면, 아암(2)은 구속면(503)에 구속된 상태를 계속한다.
또한, 직접 교시 장치(1)가 아암(2)의 위치를 소정의 구속면(503)에 구속하고 있는 경우에 있어서, 구속 제어 제한부(109)는 구속 제어의 관절각 속도(θ)(도트)를 예컨대 0.1[rad/s] 이하로 제한한다. 이에 의해, 조작자가 0.1[rad/s]보다 빠르게 아암(2)을 이동하면, 아암(2)은 구속면(503)으로부터 떨어져 가, 최종적으로는 근접 판정부(105)가 구속면(503)에 근접하지 않았다고 판정할 때까지 이동시킬 수 있다. 한편, 조작자가 0.1[rad/s]보다 느리게 아암(2)을 이동시키면, 아암(2)은 구속면(503)에 구속된 상태를 계속한다.
상기 외에, 예컨대, 직접 교시 장치(1)가 아암(2)의 자세를 직하 방향(507)을 향하게 하고 있는 경우에 대해서도, 구속 제어 제한부(109)가 자세를 변화시키는 속도 또는 관절각 속도(θ)(도트)에 제한을 가함으로써, 조작자는 구속 상태를 해제하는 조작이 가능해진다.
또한, 구속 제어 제한부(109)가 구속 제어의 강도를 제한할 때, 어떤 경우에 있어서도, 구속 제어에 의해 아암(2)을 움직이는 방향을 유지하는 것이 매우 바람직하다.
예컨대, 구속 제어 제한부(109)가 관절각 속도(θ)(도트)를 제한하는 경우로서, 어떤 관절각 속도(θ)(도트)를 0.5배로 하지 않으면 제한을 초과하는 경우, 모든 관절각 속도(θ)(도트)를 0.5배로 해야 하고, 제한을 넘은 관절각 속도(θ)(도트)만을 수정하면 안 된다. 구속 제어 제한부(109)가 모든 관절각 속도(θ)(도트)에 대하여 동일하게 제한하지 않은 경우, 구속 제어 연산부(108)가 움직이고자 하는 방향으로부터 변하여 버리기 때문에, 구속 제어의 정밀도가 열화한다.
계속해서, 합성부(110)는, 종동 제어 연산부(103)로부터 출력된 종동 제어 지령값과 구속 제어 제한부(109)로부터 출력된 구속 제어 지령값을 하나의 지령값으로 합성한다(단계 ST410).
예컨대, 종동 제어 연산부(103)가 종동 제어 지령값으로서 관절각(θD)을 출력하고, 구속 제어 제한부(109)가 구속 제어 지령값으로서 관절각 변화량(ΔθC)을 출력한 경우에는, 합성부(110)는, θD+ΔθC를 관절각 지령값으로서 출력한다.
또한, 예컨대, 종동 제어 연산부(103)가 종동 제어 지령값으로서 위치 좌표[xD, yD, zD] 및 자세(TD)(회전 행렬 표현)를 출력하고, 구속 제어 제한부(109)가 구속 제어 지령값으로서 위치 변화량[ΔxC, ΔyC, ΔzC] 및 자세 변화량(ΔTC)(회전 행렬 표현)을 출력한 경우에는, 합성부(110)는, [xD+ΔxC, yD+ΔyC, zD+ΔzC]를 위치 지령값으로서, ΔTCTD(회전 행렬 표현)를 자세 지령값으로서 출력한다(회전 행렬 표현된 자세의 합성은 행렬의 곱이 된다).
또한, 예컨대, 종동 제어 연산부(103)가 종동 제어 지령값으로서 토크(τD)를 출력하고, 구속 제어 제한부(109)가 구속 제어 지령값으로서 토크 변화량(ΔτC)을 출력한 경우에는, 합성부(110)는, τD+ΔτC를 토크 지령값으로서 출력한다.
계속해서, 구동 제어부(111)는, 합성부(110)에 의한 합성 결과에 기초하여, 아암(2)을 구동한다(단계 ST411). 이 구동 제어부(111)에 의한 아암(2)의 구동은, 통상의 아암(2)의 제어이기 때문에, 그 상세에 대해서는 생략한다.
이상과 같이, 이 실시형태 1에 따르면, 직접 교시 장치(1)는, 로봇이 갖는 아암(2)에 가해진 외력을 검지하는 외력 검지부(102)와, 외력 검지부(102)에 의해 검지된 외력에 따른 아암(2)의 움직임을 산출하는 종동 제어 연산부(103)와, 아암(2)의 위치 또는 자세 중 적어도 한쪽인 위치 자세를 산출하는 위치 자세 연산부(104)와, 위치 자세 연산부(104)에 의한 산출 결과에 기초하여, 아암(2)의 위치 자세가, 그 아암(2)의 위치 자세의 구속처인 구속 목표에 근접하였는지를 판정하는 근접 판정부(105)와, 구속 목표 및 위치 자세 연산부(104)에 의한 산출 결과에 기초하여, 구속 제어의 목표값을 산출하는 목표값 산출부(107)와, 위치 자세 연산부(104)에 의한 산출 결과에 기초하여, 목표값 산출부(107)에 의해 산출된 목표값으로 이동하는 아암(2)의 움직임을 산출하는 구속 제어 연산부(108)와, 구속 제어 연산부(108)에 의한 산출 결과를 제한하는 구속 제어 제한부(109)와, 근접 판정부(105)에 의해 구속 목표에 근접하였다고 판정된 경우에 구속 제어 연산부(108)에 의한 산출 결과를 유효로 하고, 근접 판정부(105)에 의해 구속 목표에 근접하지 않았다고 판정된 경우에 구속 제어 연산부(108)에 의한 산출 결과를 무효로 하는 전환부(106)와, 종동 제어 연산부(103)에 의한 산출 결과와 구속 제어 제한부(109)에 의한 제한 결과를 합성하는 합성부(110)와, 합성부(110)에 의한 합성 결과에 기초하여 아암(2)을 구동하는 구동 제어부(111)를 구비하였다. 이에 의해, 실시형태 1에 따른 직접 교시 장치(1)는, 조작자가 아암(2)을 조작하고 있는 상태 그대로 통상의 직접 교시와 구속을 갖는 직접 교시를 전환 가능하다.
실시형태 2.
실시형태 2에서는, 아암(2)이 수직 다관절형 로봇 아암이고, 직접 교시 장치(1)에 의한 구속 방법이 자세 구속만으로 한정된 경우를 나타낸다. 또한, 실시형태 2에 따른 직접 교시 장치(1)의 구성예는, 실시형태 1에 따른 직접 교시 장치(1)의 구성예와 동일하고, 이하에서는 도 1에 나타내는 구성예를 이용하여 설명을 행한다.
또한, 실시형태 2에 있어서의 위치 자세 연산부(104)는, 아암(2)의 자세를 산출한다.
또한, 실시형태 2에 있어서의 근접 판정부(105)는, 위치 자세 연산부(104)에 의한 산출 결과에 기초하여, 아암(2)의 자세가 구속 방향(505)에 근접하였는지를 판정한다.
다음에, 실시형태 2에 따른 직접 교시 장치(1)의 동작예에 대해서, 도 8을 참조하면서 설명한다.
이하에서는, 직접 교시 장치(1)는, 엔드 이펙터(201)의 방향(502)(Z축)을 직하 방향(507) 또는 직횡 방향(509)에 구속하는 것 같은 자세 구속을 행하는 것으로 한다. 또한, 로봇 좌표계의 각 축의 단위 벡터를 eX, eY, eZ로 나타낸다. 또한, 아암(2)은 6축이라고 한다. 또한, 전환부(106)는, 목표값 산출부(107) 및 구속 제어 연산부(108)의 동작을 전환하는 것으로 한다. 또한, 종동 제어 연산부(103)는 종동 제어 지령값으로서 아암(2)의 각 관절각(θ)을 산출하고, 구속 제어 연산부(108)는 구속 제어 지령값으로서 아암(2)의 각 관절각 속도(θ)(도트)를 산출하는 것으로 한다.
실시형태 2에 따른 직접 교시 장치(1)의 동작예에서는, 도 8에 나타내는 바와 같이, 먼저, 위치 자세 계측부(101)는, 아암(2)의 각 관절각(θ)을 계측한다(단계 ST801). 예컨대, 위치 자세 계측부(101)는, 아암(2)이 갖는 모터에 부착된 인코더 등을 이용하여, 아암(2)의 관절마다 관절각(θ)을 계측한다.
계속해서, 외력 검지부(102)는, 조작자에 의해 아암(2)에 가해진 외력을 검지한다(단계 ST802). 이 외력 검지부(102)에 의한 처리는 실시형태 1과 동일하다. 또한, 외력 검지부(102)는 중력 보상을 행하는 것으로 한다.
계속해서, 종동 제어 연산부(103)는, 위치 자세 계측부(101)에 의한 계측 결과에 기초하여, 외력 검지부(102)에 의해 검지된 외력에 따른 아암(2)의 각 관절각(θ)(종동 제어 지령값)을 산출한다(단계 ST803). 이 종동 제어 연산부(103)의 동작예에 대해서, 도 9를 참조하면서 설명한다.
종동 제어 연산부(103)는, 예컨대 도 9a에 나타내는 방법에 따라, 외력 검지부(102)에 의해 검지된 토크(τ)로부터 아암(2)의 각 관절각(θ)을 산출할 수 있다.
도 9a에서는, 종동 제어 연산부(103)는, 먼저, 외력 검지부(102)에 의해 검지된 토크(τ)에 게인(KT)을 곱함으로써, 아암(2)의 관절마다 목표로 하는 관절각 속도(θ)(도트)를 산출한다. 또한, 게인(KT)은, 아암(2)의 관절마다 동일하여도 좋고 달라도 좋다. 또한 도 9a에 나타내는 바와 같이, 종동 제어 연산부(103)는, 목표로 하는 관절각 속도(θ)(도트)에 리미터를 적용하여, 종동 제어의 속도를 제한하여도 좋다.
다음에, 종동 제어 연산부(103)는, 목표로 하는 관절각 속도(θ)(도트)에 제어 주기(TS)를 곱함으로써, 아암(2)의 관절마다, 1 제어 주기당의 관절각 변화량(Δθ)을 산출한다.
다음에, 종동 제어 연산부(103)는, 아암(2)의 관절마다, 현시각(k)의 관절각[θ(k)]에 관절각 변화량(Δθ)을 가산하여 다음 시각(k+1)의 관절각[θ(k+1)]을 산출한다.
또한, 종동 제어 연산부(103)는, 예컨대 도 9b에 나타내는 방법에 따라, 외력 검지부(102)에 의해 검지된 힘(F)으로부터 아암(2)의 각 관절각(θ)을 연산할 수 있다.
도 9b의 예에서는, 종동 제어 연산부(103)는, 먼저, 외력 검지부(102)에 의해 검지된 힘(F)에 게인(KF)을 곱함으로써, 아암(2)의 위치 및 자세마다 이동 속도를 산출한다. 또한, 게인(KF)은, 아암(2)의 위치 및 자세의 각 성분마다 동일하여도 좋고 달라도 좋다.
다음에, 종동 제어 연산부(103)는, 이동 속도에 야코비 행렬(J)의 역행렬을 곱함으로써, 아암(2)의 관절마다 목표로 하는 관절각 속도(θ)(도트)를 산출한다. 또한, 종동 제어 연산부(103)는, 야코비 행렬(J)의 역행렬이 존재하지 않는 경우는 유사 역행렬을 곱한다. 또한 도 9b에 나타내는 바와 같이, 종동 제어 연산부(103)는, 목표로 하는 관절각 속도(θ)(도트)에 리미터를 적용하여, 종동 제어의 속도를 제한하여도 좋다.
다음에, 종동 제어 연산부(103)는, 목표로 하는 관절각 속도(θ)(도트)에 제어 주기(TS)를 곱함으로써, 아암(2)의 관절마다, 1 제어 주기당의 관절각 변화량(Δθ)을 산출한다.
다음에, 종동 제어 연산부(103)는, 아암(2)의 관절마다, 현시각(k)의 관절각[θ(k)]에 관절각 변화량(Δθ)을 가산하여 다음 시각(k+1)의 관절각[θ(k+1)]을 산출한다.
계속해서, 위치 자세 연산부(104)는, 종동 제어 연산부(103)에 의한 산출 결과에 기초하여, 아암(2)의 자세를 산출한다(단계 ST804). 위치 자세 연산부(104)는, 순운동학에 따라 상기 산출을 실행할 수 있다. 이하, 위치 자세 연산부(104)에 의해 산출되는 아암(2)의 자세를 회전 행렬에 따라 T로 나타낸다. 또한, T를 열벡터나 요소로 분해한 것을 다음 식(3)과 같이 나타낸다.
Figure 112020115919574-pct00003
계속해서, 근접 판정부(105)는, 위치 자세 연산부(104)에 의한 산출 결과에 기초하여, 아암(2)의 자세가 구속 방향(505)에 근접하였는지를 판정한다(단계 ST805). 여기서는, 구속 방향(505)은 직하 방향(507) 또는 직횡 방향(509)이다. 또한, 접근 판정의 임계값은 0.1[rad]이라고 한다. 근접 판정부(105)의 동작예에 대해서, 도 10, 11을 참조하면서 설명한다.
근접 판정부(105)의 동작예에서는, 도 10에 나타내는 바와 같이, 근접 판정부(105)는, 먼저, 직상 방향(기준 방향)(508)과 엔드 이펙터(201)의 방향(502)(Z축)이 이루는 각도(Θ)를 산출한다(단계 ST1001). 즉, 근접 판정부(105)는, 다음 식(4)과 같이, eZ와 tZ의 내적으로부터 각도(Θ)를 산출한다.
Figure 112020115919574-pct00004
그리고, 근접 판정부(105)는, 각도(Θ)가 (π/2-0.1)[rad]로부터 (π/2+0.1)[rad]의 범위 내인지를 판정한다(단계 ST1002).
이 단계 ST1002에 있어서, 근접 판정부(105)는, 각도(Θ)가 (π/2-0.1)[rad] 내지 (π/2+0.1)[rad]의 범위 내라고 판정한 경우(예컨대 도 11a의 경우)에는, 아암(2)의 자세가 직횡 방향(509)에 근접하였다고 판정한다(단계 ST1003).
한편, 단계 ST1002에 있어서, 근접 판정부(105)는, 각도(Θ)가 (π/2-0.1)[rad] 내지 (π/2+0.1)[rad]의 범위 내가 아니라고 판정한 경우에는, 각도(Θ)가 (π-0.1)[rad] 이상인지를 판정한다(단계 ST1004).
이 단계 ST1004에 있어서, 근접 판정부(105)는, 각도(Θ)가 (π-0.1)[rad] 이상이라고 판정한 경우(예컨대 도 11b의 경우)에는, 아암(2)의 자세가 직하 방향(507)에 근접하였다고 판정한다(단계 ST1005).
한편, 단계 ST1004에 있어서, 근접 판정부(105)는, 각도(Θ)가 (π-0.1)[rad] 이상이 아니라고 판정한 경우(예컨대 도 11c의 경우)에는, 아암(2)의 자세가 어떤 구속 방향(505)에도 근접하지 않았다고 판정한다(단계 ST1006).
계속해서, 전환부(106)는, 근접 판정부(105)에 의한 판정 결과에 따라, 목표값 산출부(107) 및 구속 제어 연산부(108)의 동작을 전환한다(단계 ST806).
이때, 전환부(106)는, 근접 판정부(105)에 의해 아암(2)의 자세가 직횡 방향(509)에 근접하였다고 판정된 경우에는, 목표값 산출부(107)에 목표값으로서 직횡 방향(509)에의 목표 자세를 산출시켜, 구속 제어 연산부(108)에 의한 처리를 유효로 한다.
또한, 전환부(106)는, 근접 판정부(105)에 의해 아암(2)의 자세가 직하 방향(507)에 근접하였다고 판정된 경우에는, 목표값 산출부(107)에 목표값으로서 직하 방향(507)에의 목표 자세를 산출시켜, 구속 제어 연산부(108)에 의한 처리를 유효로 한다.
또한, 전환부(106)는, 근접 판정부(105)에 의해 아암(2)의 자세가 어떤 구속 방향(505)에도 근접하지 않았다고 판정된 경우에는, 목표값 산출부(107)에 의한 산출을 불필요로 하여, 구속 제어 연산부(108)에 의한 처리를 무효로 한다.
계속해서, 목표값 산출부(107)는, 구속 목표 및 위치 자세 연산부(104)에 의한 산출 결과에 기초하여, 목표 자세를 산출한다(단계 ST807). 예컨대, 목표값 산출부(107)는, 직횡 방향(509) 또는 직하 방향(507)이고, 또한, 아암(2)의 현재의 자세로부터 가장 작은 회전 각도(ΘR)로 도달 가능한 목표 자세를 산출한다. 목표값 산출부(107)에 의한 목표 자세의 산출 방법에 대해서 이하에 나타낸다.
먼저, 목표값 산출부(107)는, 대상이 되는 목표 자세마다, eZ에 대한 목표 각도(Θ*)를 산출한다. 여기서, 목표 자세가 직횡 방향(509)인 경우에는 목표 각도(Θ*)는 π/2이고, 목표 자세가 직하 방향(507)인 경우에는 목표 각도(Θ*)는 π이다.
다음에, 목표값 산출부(107)는, 아암(2)의 자세에 기초하여, 회전 각도(ΘR)가 가장 작은 회전축(510)을 산출한다. 도 12에 나타내는 바와 같이, 이 회전축(510)은, 로봇 좌표계의 XY 평면 상에 있고 또한 tZ와 직교하는 축이고, 즉, eZ 및 tZ의 양방과 직교하는 축이다. 따라서, 목표값 산출부(107)는, eZ 및 tZ의 양방과 내적이 0이 되는 것 같은 단위 벡터인 r을 하나 구하고, 그것을 회전축(510)으로 한다. 또한, 목표값 산출부(107)는, eZ와 tZ가 평행인 경우에는 r을 일의로 구할 할 수는 없다. 그러나, 이것은 아암(2)의 자세가 직상 방향(508) 또는 직하 방향(507)을 향하고 있는 경우이고, 목표값 산출부(107)는, XY 평면 상의 임의의 벡터를 회전축(510)으로서 산출한다.
다음에, 목표값 산출부(107)는, 산출한 목표 각도(Θ*) 및 회전축(510)에 기초하여, 목표 자세로서 회전 각도(ΘR)를 산출한다. 여기서, 엔드 이펙터(201)의 방향(502)이 직상 방향(기준 방향)(508)으로부터 각도(Θ)인 경우, 회전 각도(ΘR)의 크기는 Θ*-Θ가 되지만, 도 13에 나타내는 바와 같이 회전의 방향(정부)을 고려해야 한다. 이것은, 실시형태 2에 따른 직접 교시 장치(1)에서는, 각도(Θ)를 구할 때에 내적을 사용하고 있기 때문에, 엔드 이펙터(201)의 방향(502)의 정보가 소실되었기 때문이다. 회전의 방향을 고려하면, 회전 각도(ΘR)는 다음 식(5)과 같이 된다. 즉, 회전의 방향은, eZ×tZ와 r이 동일한 방향인 경우에는 부호의 반전은 불필요하고, eZ×tZ와 r이 반대의 방향인 경우에는 부호의 반전이 필요하다.
Figure 112020115919574-pct00005
목표값 산출부(107)에서는, 회전축(510)을 나타내는 r=[rx, ry, rz]T(T는 전치를 나타냄)와 회전 각도(ΘR)가 얻어지면, 아암(2)의 자세로부터 목표 자세로의 회전이 얻어진 것이 되기 때문에, 구속 목표가 사실상 얻어진 것이 된다. 목표 자세의 구체적인 표현이 필요한 경우는, 목표값 산출부(107)는, 아암(2)의 자세에 전술한 회전을 적용함으로써 얻을 수 있다.
상기에서는, 목표값 산출부(107)가, 엔드 이펙터(201)의 방향(502)(Z축)이 직하 방향(507) 또는 직횡 방향(509)을 향하는 것 같은 목표 자세를 산출하는 방법에 대해서 서술하였다. 목표값 산출부(107)는, 여기에서 더욱 회전을 가하여 원하는 자세로 하고, 그것을 목표 자세로 하는 것도 가능하다.
예컨대, 목표값 산출부(107)는, 아암(2)이 직하 방향(507)을 향한 상태로부터 Z축 둘레로 회전을 가함으로써, 도 7에 나타내는 것 같은 자세를 목표 자세로 하는 것도 가능하다. 또한, 목표값 산출부(107)는, 도 14에 나타내는 바와 같이, 아암(2)이 직횡 방향(509)을 향한 상태에서 더욱 Z축 둘레로 회전을 가하여, tX 또는 tY가 로봇 좌표계의 Z축과 평행이 되는 자세를 목표 자세로 하는 것도 가능하다.
계속해서, 구속 제어 연산부(108)는, 위치 자세 연산부(104)에 의한 산출 결과에 기초하여, 목표값 산출부(107)에 의해 산출된 목표 자세로 이동하는 아암(2)의 움직임(구속 제어 지령값)을 산출한다(단계 ST808). 또한, 아암(2)을 현재의 자세로부터 목표 자세로 움직이는 것 같은 회전은, 목표값 산출부(107)가 목표 자세를 산출할 때에 이미 산출하고 있기 때문에, 구속 제어 연산부(108)는, 그와 같이 아암(2)을 회전시키는 움직임을 산출한다. 단, 구속 제어 연산부(108)의 출력은 관절각 속도(θ)(도트)로 할 필요가 있기 때문에, 구속 제어 연산부(108)는, 목표값 산출부(107)에 의해 산출된 회전축(510)인 r과 회전 각도(ΘR)의 조로부터 관절각 속도(θ)(도트)를 산출해야 한다. 이하에 그 계산의 일례를 나타낸다.
구속 제어 연산부(108)는, 먼저, 회전의 각속도의 크기(|ω|)를 결정한다. 예컨대, 제한을 받지 않으면 1초로 목표 자세에 도달하도록 제어하는 것이면, |ω|=θR로 한다.
다음에, 구속 제어 연산부(108)는, 아암(2)의 현재의 위치 자세에 있어서의 야코비 행렬(J)을 산출한다. 야코비 행렬(J)에 대해서는 다음 식(6)이 성립하는 것으로 한다.
Figure 112020115919574-pct00006
여기서, vX, vY, vZ는 엔드 이펙터(201)의 선단의 X, Y, Z축 방향의 속도이고, ωX, ωY, ωZ는 아암(2)의 자세가 X축, Y축, Z축에 대해서 회전하는 각속도이고, θ1(도트)∼θ6(도트)은 각 관절각 속도이다.
다음에, 구속 제어 연산부(108)는, 회전축(510)인 r과 회전 속도의 크기(|ω|)로부터 자세에 관한 회전 벡터{ω=[ωX, ωY, ωZ]T}를 산출한다.
다음에, 구속 제어 연산부(108)는, 다음 식(7)을 만족하는 것 같은 아암(2)의 관절마다의 관절각 속도[θ1(도트)∼θ6(도트)]를 산출한다. 또한, 구속 제어 연산부(108)는, 야코비 행렬(J)에 역행렬이 존재하지 않는 경우는 유사 역행렬 등을 이용하여 관절각 속도[θ1(도트)∼θ6(도트)]를 산출한다.
Figure 112020115919574-pct00007
계속해서, 구속 제어 제한부(109)는, 구속 제어 연산부(108)에 의한 산출 결과를 제한한다(단계 ST809).
먼저, 구속 제어 제한부(109)는, 구속 제어 연산부(108)에 의해 산출된 아암(2)의 관절마다의 관절각 속도(θ)(도트)에 대한 상한(θMAX)(도트)을 결정한다. 상한(θMAX)(도트)은 관절마다 동일하여도 좋고 달라도 좋다. 또한, 종동 제어 연산부(103)에서 리미터를 적용하고 있는 경우는, 구속 제어 제한부(109)는, 그 리미터의 상한보다 상한(θMAX)(도트)을 작게 해야 한다. 리미터의 상한보다 상한(θMAX)(도트)을 작게 하지 않으면, 조작자에 의한 조작이 구속 제어보다 제한되어, 구속을 갖는 직접 교시로부터 벗어날 수 없게 된다. 현실적으로는, 구속 제어 제한부(109)는, 상한(θMAX)(도트)을, 리미터의 상한에 비해서 절반 이하로 하는 것이 바람직하다. 그 정도로 제한하면, 조작자에 의한 조작으로 구속을 벗어나는 것은 비교적 용이해진다.
다음에, 구속 제어 제한부(109)는, 모든 관절각 속도(θ)(도트)가 상한(θMAX)(도트)을 넘지 않도록 제한한다. 이때, 회전의 방향을 바꾸지 않도록 제한하는 것이 바람직하다. 그와 같은 연산을 행하는 순서의 일례를 이하에 나타낸다. 또한, i번째의 관절각 속도(θi)(도트)의 상한을 θi, MAX(도트)로 나타낸다.
구속 제어 제한부(109)는, 먼저, 아암(2)의 관절마다, 관절각 속도(θi)(도트)의 크기와 상한[θi, MAX(도트)]의 비(ci)를 |θi(도트)|/θi, MAX(도트)로 산출한다.
다음에, 구속 제어 제한부(109)는, 이 비(ci)의 최대값(c)을 산출한다.
다음에, 구속 제어 제한부(109)는, 아암(2)의 관절마다, 관절각 속도(θi)(도트)를 최대값(c)으로 나누어 제한 후의 관절각 속도(θi *)(도트)를 산출한다. 즉 제한 후의 관절각 속도(θi *)(도트)는 θi(도트)/c이다.
계속해서, 합성부(110)는, 종동 제어 연산부(103)로부터 출력된 종동 제어 지령값[관절각(θ)]과 구속 제어 제한부(109)로부터 출력된 구속 제어 지령값[관절각 속도(θ)(도트)]을 합성한다(단계 ST810).
예컨대, 종동 제어 연산부(103)가 관절각{θ=[θ1,···,θm]T}을 출력하고, 구속 제어 제한부(109)가 관절각 속도{θ(도트)=[θ1(도트), ···, θm(도트)]T}를 출력한 경우, 제어 주기(TS)로부터, 합성부(110)의 출력인 관절각 지령값은 θ+TSθ(도트)가 된다. 단, m은 구동 제어부(111)가 제어하는 아암(2)의 관절수이다.
계속해서, 구동 제어부(111)는, 합성부(110)에 의한 합성 결과(관절각 지령값)에 기초하여, 아암(2)을 구동한다(단계 ST811).
또한 상기에서는 일부, 6축(관절수가 6개)의 아암(2)을 전제로 하여 설명 및 예시를 행하였지만, 6축 이외의 아암(2)이어도 동일하게 실시 가능하다.
실시형태 3.
실시형태 2에 따른 직접 교시 장치(1)에서는, 구속 방법이 자세 구속만으로 한정된 경우를 나타내었다. 그에 대하여, 실시형태 3에 따른 직접 교시 장치(1)에서는, 구속 방법이 축 구속만으로 한정된 경우를 나타낸다. 축구속이란, 아암(2)의 위치를 소정의 구속축(504)에 구속하는 위치 구속과 아암(2)의 자세를 소정의 구속 방향(505)에 구속하는 자세 구속을 동시에 행하는 것을 의미한다. 즉, 실시형태 3에 따른 직접 교시 장치(1)는, 실시형태 2에서 나타낸 자세 구속에 더하여, 위치 구속도 행한다. 이하에서는, 직접 교시 장치(1)가, 도 15에 나타내는 바와 같은 로봇 좌표계의 Z축에 평행인 직선(511)에의 위치 구속 및 직하 방향(507)에의 자세 구속을 행하는 경우를 나타내지만, 구속축(504) 및 구속 방향(505)은 임의로 설정 가능하다.
또한, 실시형태 3에 따른 직접 교시 장치(1)의 구성예는, 실시형태 2에 따른 직접 교시 장치(1)의 구성예와 동일하고, 이하에서는 도 1에 나타내는 구성예를 이용하여 설명을 행한다.
또한, 실시형태 3에 있어서의 위치 자세 연산부(104)는, 아암(2)의 위치 및 자세를 산출한다.
또한, 실시형태 3에 있어서의 근접 판정부(105)는, 위치 자세 연산부(104)에 의한 산출 결과에 기초하여, 아암(2)의 위치가 구속 목표인 구속축(504)에 근접하였는지를 판정하고 또한 아암(2)의 자세가 구속 목표인 구속 방향(505)에 근접하였는지를 판정함으로써, 아암(2)의 위치 자세가 구속 목표에 근접하였는지를 판정한다.
도 16은 실시형태 3에 따른 직접 교시 장치(1)의 동작예를 나타내는 흐름도이다. 도 16에 나타내는 실시형태 3에 따른 직접 교시 장치(1)에 있어서, 도 8에 나타내는 실시형태 2에 따른 직접 교시 장치(1)와 동작이 다른 것은, 위치 자세 연산부(104), 근접 판정부(105), 목표값 산출부(107) 및 구속 제어 연산부(108)이고, 이들 구성의 동작예에 대해서만 설명을 행한다.
먼저, 위치 자세 연산부(104)는, 종동 제어 연산부(103)에 의한 산출 결과에 기초하여, 아암(2)의 위치 및 자세를 산출한다(단계 ST1604). 실시형태 3에서는 아암(2)의 위치 및 자세의 양방을 구속하기 때문에, 위치 자세 연산부(104)는, 아암(2)의 위치 및 자세의 양방을 산출해야 한다. 위치 자세 연산부(104)는, 순운동학에 따라 상기 산출을 실행할 수 있다.
또한, 근접 판정부(105)는, 위치 자세 연산부(104)에 의한 산출 결과에 기초하여, 아암(2)의 위치가 구속축(504)에 근접하였는지 및 아암(2)의 자세가 구속 방향(505)에 근접하였는지를 각각 판정하고, 이들의 판정 결과를 기초로 아암(2)의 위치 자세가 구속 목표에 근접하였는지의 여부를 종합적으로 판정한다(단계 ST1605). 예컨대, 근접 판정부(105)는, 아암(2)의 위치가 구속축(504)에 근접하고 또한 아암(2)의 자세가 구속 방향(505)에 근접하였다고 판정한 경우에는, 아암(2)의 위치 자세는 구속 목표에 근접하였다고 판정한다. 근접 판정부(105)에 의한 구속 방향(505)에 대한 판정에 대해서는 실시형태 2에서 설명하고 있기 때문에 생략하고, 이하에서는, 근접 판정부(105)에 의한 구속축(504)에 대한 판정에 대해서 설명한다.
이때, 근접 판정부(105)는, 예컨대 도 17에 나타내는 바와 같이, 엔드 이펙터(201)의 위치(501)로부터 구속축(504)에 대하여 수선(512)을 내리고, 그 수선(512)의 길이가 소정의 값보다 작으면 아암(2)의 위치가 구속축(504)에 근접하였다고 판정한다. 예컨대 아암(2)의 위치의 좌표를[x, y, z]로 나타내고, 직선(511)의 X 좌표와 Y 좌표를 각각 x*, y*로 나타낸다. 이 경우, 수선(512)의 길이는 다음 식(8)과 같이 된다.
Figure 112020115919574-pct00008
그리고, 근접 판정부(105)는, 식(8)에 나타내는 수선(512)의 길이가 소정의 값보다 작으면, 아암(2)의 위치가 구속축(504)에 근접하였다고 판정하고, 그 이외의 경우에는 아암(2)의 위치가 구속축(504)에는 근접하지 않았다고 판정한다. 또한, 근접 판정부(105)는, 구속축(504)이 로봇 좌표계의 Z축에 평행인 경우 이외라도, 동일하게 하여 구속축(504)에 대하여 내린 수선의 길이로부터 접근 판정이 가능하다.
또한, 목표값 산출부(107)는, 실시형태 2에서 설명한 목표 자세의 산출에 더하여, 아암(2)의 위치를 구속축(504)으로 이동시키는 경우의 목표 위치의 산출을 행한다(단계 ST1607). 예컨대, 목표값 산출부(107)는, 엔드 이펙터(201)의 위치(501)로부터 도 17에 나타내는 바와 같이 구속축(504)에 수선(512)을 내린 위치(513)를 목표 위치로 한다. 여기서, 목표값 산출부(107)는, 아암(2)의 위치를 로봇 좌표계의 Z축에 평행인 구속축(504)에 구속시키는 것이면, 목표 위치는 [x*, y*, z]가 된다.
또한, 구속 제어 연산부(108)는, 실시형태 2와 동일하게, 야코비 행렬(J)을 이용하여 아암(2)의 관절마다 관절각 속도(θ)(도트)를 산출한다(단계 ST1608). 단, 실시형태 3에 있어서의 구속 제어 연산부(108)에서는, 자세 구속에 더하여 위치 구속도 행하기 때문에, 연산 순서가 실시형태 2에 대하여 이하와 같이 변한다.
먼저, 구속 제어 연산부(108)는, 회전의 각속도의 크기(|ω|)를 결정한다.
다음에, 구속 제어 연산부(108)는, 아암(2)의 현재의 위치 자세에 있어서의 야코비 행렬(J)을 산출한다.
다음에, 구속 제어 연산부(108)는, 회전축(510)인 r과 회전 속도의 크기(|ω|)로부터 자세에 관한 회전 벡터{ω=[ωX, ωY, ωZ]T}를 산출한다. 여기까지의 동작은, 실시형태 2와 동일하다.
다음에, 구속 제어 연산부(108)는, 아암(2)의 위치를 구속축(504)으로 이동시키는 속도(|v|)를 결정한다. 예컨대, 제한을 받지 않으면 1초로 목표 위치에 도달하도록 제어하는 것이면, 구속 제어 연산부(108)는, |v|=√{(x-x*)2+(y-y*)2}로 한다. 또한, 구속 제어 연산부(108)는, 어떤 정수(v*)를 결정하여 |v|=v*로 하여도 좋다.
다음에, 구속 제어 연산부(108)는, 아암(2)의 위치에 관한 속도 벡터{v=[vX, vY, 0]T}를 산출한다. 구속 제어 연산부(108)는, 로봇 좌표계의 Z축에 평행인 구속축(504)에 구속시키는 경우는 v=|v|[x*-x, y*-y, 0]/√{(x-x*)2+(y-y*)2}로부터 산출 가능하다.
다음에, 구속 제어 연산부(108)는, 아암(2)의 관절마다 관절각 속도(θ)(도트)를 다음 식(9)으로부터 산출한다.
Figure 112020115919574-pct00009
그 외의 동작은 실시형태 2와 동일하다.
또한, 실시형태 3에 따른 직접 교시 장치(1)에 있어서, 자세 구속에 관한 연산을 생략한 경우에는, 아암(2)의 자세에 관한 구속은 행해지지 않고, 아암(2)의 위치만을 지정된 축에 구속하는 제어가 된다.
실시형태 4.
실시형태 2에 따른 직접 교시 장치(1)에서는, 구속 방법이 자세 구속만으로 한정된 경우를 나타내었다. 그에 대하여, 실시형태 4에 따른 직접 교시 장치(1)에서는, 구속 방법이 면구속만으로 한정된 경우를 나타낸다. 면구속이란, 아암(2)의 위치를 소정의 구속면(503)에 구속하는 위치 구속과 아암(2)의 자세를 소정의 구속 방향(505)에 구속하는 자세 구속을 동시에 행하는 것을 의미한다. 즉, 실시형태 4에 따른 직접 교시 장치(1)는, 실시형태 2에서 나타낸 자세 구속에 더하여, 위치 구속도 행한다. 이하에서는, 직접 교시 장치(1)가, 도 18에 나타내는 바와 같은 Z축 좌표가 X축 좌표 및 Y축 좌표의 함수[z=f(x, y)]로 표시되는 곡면(513)에의 위치 구속 및 직하 방향(507)에의 자세 구속을 행하는 경우를 나타내지만, 구속면(503) 및 구속 방향(505)은 임의로 설정 가능하고, 예컨대 구속면(503)이 함수[x=f(y, z) 또는 y=f(z, x)]로 표시되는 경우 등에 대해서도 동일한 방법으로 실시 가능하다.
또한, 실시형태 4에 따른 직접 교시 장치(1)의 구성예는, 실시형태 2에 따른 직접 교시 장치(1)의 구성예와 동일하고, 이하에서는 도 1에 나타내는 구성예를 이용하여 설명을 행한다.
또한, 실시형태 4에 있어서의 위치 자세 연산부(104)는, 아암(2)의 위치 및 자세를 산출한다.
또한, 실시형태 4에 있어서의 근접 판정부(105)는, 위치 자세 연산부(104)에 의한 산출 결과에 기초하여, 아암(2)의 위치가 구속 목표인 구속면(503)에 근접하였는지를 판정하고 또한 아암(2)의 자세가 구속 목표인 구속 방향(505)에 근접하였는지를 판정함으로써, 아암(2)의 위치 자세가 구속 목표에 근접하였는지를 판정한다.
도 19는 실시형태 4에 따른 직접 교시 장치(1)의 동작예를 나타내는 흐름도이다. 도 19에 나타내는 실시형태 4에 따른 직접 교시 장치(1)에 있어서, 도 16에 나타내는 실시형태 3에 따른 직접 교시 장치(1)와 동작이 다른 것은, 근접 판정부(105), 목표값 산출부(107) 및 구속 제어 연산부(108)이며, 이들 구성의 동작예에 대해서만 설명을 행한다.
먼저, 근접 판정부(105)는, 위치 자세 연산부(104)에 의한 산출 결과에 기초하여, 아암(2)의 위치가 구속면(503)에 근접하였는지 및 아암(2)의 자세가 구속 방향(505)에 근접하였는지를 각각 판정하고, 이들의 판정 결과를 기초로 아암(2)의 위치 자세가 구속 목표에 근접하였는지의 여부를 종합적으로 판정한다(단계 ST1905). 예컨대, 근접 판정부(105)는, 아암(2)의 위치가 구속면(503)에 근접하고 또한 아암(2)의 자세가 구속 방향(505)에 근접하였다고 판정한 경우에는, 아암(2)의 위치 자세는 구속 목표에 근접하였다고 판정한다. 근접 판정부(105)에 의한 구속 방향(505)에 대한 판정에 대해서는 실시형태 2에서 설명하고 있기 때문에 생략하고, 이하에서는, 근접 판정부(105)에 의한 구속면(503)에 대한 판정에 대해서 설명한다.
이때, 근접 판정부(105)는, 엔드 이펙터(201)의 위치(501)로부터 구속면(503)에 대하여 로봇 좌표계의 Z축에 평행인 직선을 내리고, 그 직선의 길이가 소정의 값보다 작으면 아암(2)의 위치가 구속면(503)에 근접하였다고 판정한다. 예컨대 아암(2)의 위치의 좌표가 [x, y, z]인 경우, 상기 직선의 길이는 {z-f(x, y)}가 된다. 그리고, 근접 판정부(105)는, 이 길이가 소정의 값보다 작으면, 아암(2)의 위치가 구속면(503)에 근접하였다고 판정하고, 그 이외의 경우에는 아암(2)의 위치가 구속면(503)에는 근접하지 않았다고 판정한다.
또한, 목표값 산출부(107)는, 실시형태 2에서 설명한 목표 자세의 산출에 더하여, 아암(2)의 위치를 구속면(503)으로 이동시키는 경우의 목표 위치의 산출을 행한다(단계 ST1907). 예컨대, 목표값 산출부(107)는, 아암(2)의 위치의 좌표가 [x, y, z]인 경우, Z축 좌표만을 곡면 상의 좌표로 치환한 [x, y, f(x, y)]를 목표 위치로 한다.
또한, 구속 제어 연산부(108)는, 실시형태 2와 동일하게, 야코비 행렬(J)을 이용하여 아암(2)의 관절마다 관절각 속도(θ)(도트)를 산출한다(단계 ST1908). 단, 실시형태 4에 있어서의 구속 제어 연산부(108)에서는, 자세 구속에 더하여 위치 구속도 행하기 때문에, 연산 순서가 실시형태 2에 대하여 이하와 같이 변한다.
먼저, 구속 제어 연산부(108)는, 회전의 각속도의 크기(|ω|)를 결정한다.
다음에, 구속 제어 연산부(108)는, 아암(2)의 현재의 위치 자세에 있어서의 야코비 행렬(J)을 산출한다.
다음에, 구속 제어 연산부(108)는, 회전축(510)인 r과 회전 속도의 크기(|ω|)로부터 자세에 관한 회전 벡터{ω=[ωX, ωY, ωZ]T}를 산출한다. 여기까지의 동작은, 실시형태 2와 동일하다.
다음에, 구속 제어 연산부(108)는, 아암(2)의 위치를 구속축(504)으로 이동시키는 속도(|v|)를 결정한다. 예컨대, 제한을 받지 않으면 1초로 목표 위치에 도달하도록 제어하는 것이면, 구속 제어 연산부(108)는, |v|=|z-f(x, y)|로 한다. 또한, 구속 제어 연산부(108)는, 속도(|v|)를 어떤 정수값으로 하여도 좋다.
다음에, 구속 제어 연산부(108)는, 아암(2)의 위치에 관한 속도 벡터{v=[0, 0, vZ]T}를 v=[0, 0, |v|]로부터 산출한다.
다음에, 구속 제어 연산부(108)는, 아암(2)의 관절마다 관절각 속도(θ)(도트)를 다음 식(10)으로부터 산출한다.
Figure 112020115919574-pct00010
그 외의 동작은 실시형태 2, 3과 동일하다.
또한, 실시형태 4에 따른 직접 교시 장치(1)에 있어서, 자세 구속에 관한 연산을 생략한 경우에는, 아암(2)의 자세에 관한 구속은 행해지지 않고, 아암(2)의 위치만을 지정된 면에 구속하는 제어가 된다. 또한, 실시형태 4에 따른 직접 교시 장치(1)에 있어서, 아암(2)의 위치로부터 구속면(503)에 수선을 내린 방향을 목표 자세로 한 경우에는, 엔드 이펙터(201)가 구속면(503)에 대하여 항상 수직이 되는 것 같은 자세 구속이 된다.
또한, 본원 발명은 그 발명의 범위 내에 있어서, 각 실시형태의 자유로운 조합, 또는 각 실시형태의 임의의 구성 요소의 변형, 또는 각 실시형태에 있어서 임의의 구성 요소의 생략이 가능하다.
본 발명에 따른 직접 교시 장치는, 조작자가 아암을 조작하고 있는 상태 그대로 통상의 직접 교시와 구속을 갖는 직접 교시를 전환 가능하게 구성하고 있기 때문에, 산업용 로봇 등의 로봇에 작업을 집접 교시하는 방법에 이용하는 데 적합하다.
1 직접 교시 장치
2 아암
101 위치 자세 계측부
102 외력 검지부
103 종동 제어 연산부
104 위치 자세 연산부
105 근접 판정부
106 전환부
107 목표값 산출부
108 구속 제어 연산부
109 구속 제어 제한부
110 합성부
111 구동 제어부
201 엔드 이펙터

Claims (7)

  1. 로봇이 갖는 아암에 가해진 외력을 검지하는 외력 검지부와,
    상기 외력 검지부에 의해 검지된 외력에 따른 상기 아암의 움직임을 산출하는 종동 제어 연산부와,
    상기 아암의 위치 또는 자세 중 적어도 한쪽인 위치 자세를 산출하는 위치 자세 연산부와,
    상기 위치 자세 연산부에 의한 산출 결과에 기초하여, 상기 아암의 위치 자세가, 그 아암의 위치 자세의 구속처인 구속 목표에 근접하였는지를 판정하는 근접 판정부와,
    구속 목표 및 상기 위치 자세 연산부에 의한 산출 결과에 기초하여, 구속 제어의 목표값을 산출하는 목표값 산출부와,
    상기 위치 자세 연산부에 의한 산출 결과에 기초하여, 상기 목표값 산출부에 의해 산출된 목표값으로 이동하는 상기 아암의 움직임을 산출하는 구속 제어 연산부와,
    상기 구속 제어 연산부에 의한 산출 결과를 제한하는 구속 제어 제한부와,
    상기 근접 판정부에 의해 구속 목표에 근접하였다고 판정된 경우에 상기 구속 제어 연산부에 의한 산출 결과를 유효로 하고, 상기 근접 판정부에 의해 구속 목표에 근접하지 않았다고 판정된 경우에 상기 구속 제어 연산부에 의한 산출 결과를 무효로 하는 전환부와,
    상기 종동 제어 연산부에 의한 산출 결과와 상기 구속 제어 제한부에 의한 제한 결과를 합성하는 합성부와,
    상기 합성부에 의한 합성 결과에 기초하여 상기 아암을 구동하는 구동 제어부
    를 구비한 직접 교시 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 아암의 위치 자세에 관한 파라미터를 계측하는 위치 자세 계측부
    를 구비하고,
    상기 종동 제어 연산부는, 상기 위치 자세 계측부에 의한 계측 결과에 기초하여, 상기 외력 검지부에 의해 검지된 외력에 따른 상기 아암의 움직임을 산출하고,
    상기 위치 자세 연산부는, 상기 종동 제어 연산부에 의한 산출 결과에 기초하여, 상기 아암의 위치 자세를 산출하는 것을 특징으로 하는 직접 교시 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 아암의 위치 자세에 관한 파라미터를 계측하는 위치 자세 계측부
    를 구비하고,
    상기 위치 자세 연산부는, 상기 위치 자세 계측부에 의한 계측 결과에 기초하여, 상기 아암의 위치 자세를 산출하는 것을 특징으로 하는 직접 교시 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 아암은 수직 다관절형 로봇 아암이고,
    상기 위치 자세 연산부는, 상기 아암의 자세를 산출하고,
    상기 근접 판정부는, 상기 위치 자세 연산부에 의한 산출 결과에 기초하여, 상기 아암의 자세가, 구속 목표인 구속 방향에 근접하였는지를 판정하는 것을 특징으로 하는 직접 교시 장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 아암은 수직 다관절형 로봇 아암이고,
    상기 위치 자세 연산부는, 상기 아암의 위치 및 자세를 산출하고,
    상기 근접 판정부는, 상기 위치 자세 연산부에 의한 산출 결과에 기초하여, 상기 아암의 위치가 구속 목표인 구속축에 근접하였는지를 판정하고 또한 그 아암의 자세가 구속 목표인 구속 방향에 근접하였는지를 판정함으로써, 그 아암의 위치 자세가 구속 목표에 근접하였는지를 판정하는 것을 특징으로 하는 직접 교시 장치.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 아암은 수직 다관절형 로봇 아암이고,
    상기 위치 자세 연산부는, 상기 아암의 위치 및 자세를 산출하고,
    상기 근접 판정부는, 상기 위치 자세 연산부에 의한 산출 결과에 기초하여, 상기 아암의 위치가 구속 목표인 구속면에 근접하였는지를 판정하고 또한 그 아암의 자세가 구속 목표인 구속 방향에 근접하였는지를 판정함으로써, 그 아암의 위치 자세가 구속 목표에 근접하였는지를 판정하는 것을 특징으로 하는 직접 교시 장치.
  7. 외력 검지부가, 로봇이 갖는 아암에 가해진 외력을 검지하는 단계와,
    종동 제어 연산부가, 상기 외력 검지부에 의해 검지된 외력에 따른 상기 아암의 움직임을 산출하는 단계와,
    위치 자세 연산부가, 상기 아암의 위치 또는 자세 중 적어도 한쪽인 위치 자세를 산출하는 단계와,
    근접 판정부가, 상기 위치 자세 연산부에 의한 산출 결과에 기초하여, 상기 아암의 위치 자세가, 그 아암의 위치 자세의 구속처인 구속 목표에 근접하였는지를 판정하는 단계와,
    목표값 산출부가, 구속 목표 및 상기 위치 자세 연산부에 의한 산출 결과에 기초하여, 구속 제어의 목표값을 산출하는 단계와,
    구속 제어 연산부가, 상기 위치 자세 연산부에 의한 산출 결과에 기초하여, 상기 목표값 산출부에 의해 산출된 목표값으로 이동하는 상기 아암의 움직임을 산출하는 단계와,
    구속 제어 제한부가, 상기 구속 제어 연산부에 의한 산출 결과를 제한하는 단계와,
    전환부가, 상기 근접 판정부에 의해 구속 목표에 근접하였다고 판정된 경우에 상기 구속 제어 연산부에 의한 산출 결과를 유효로 하고, 상기 근접 판정부에 의해 구속 목표에 근접하지 않았다고 판정된 경우에 상기 구속 제어 연산부에 의한 산출 결과를 무효로 하는 단계와,
    합성부가, 상기 종동 제어 연산부에 의한 산출 결과와 상기 구속 제어 제한부에 의한 제한 결과를 합성하는 단계와,
    구동 제어부가, 상기 합성부에 의한 합성 결과에 기초하여 상기 아암을 구동하는 단계
    를 갖는 직접 교시 방법.
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