WO2022024976A1 - ロボットシステム及びロボット制御装置 - Google Patents

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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/40—Robotics, robotics mapping to robotics vision
    • G05B2219/40032—Peg and hole insertion, mating and joining, remote center compliance

Definitions

  • This disclosure relates to a robot system and a robot control device.
  • fitting work is a work of fitting the gripped work into the fitting hole of the target object.
  • the face-to-face work is a work in which the gripped work is abutted against the plane of the target object to face each other.
  • the search work is a work of searching for the position of the gripped work so that the work matches the hole shape and phase of the target object.
  • a force detector for detecting the force and moment received by the work held by the hand is provided on the robot arm.
  • the force of the robot is controlled based on the detection value of the force detector so that the force applied to the work matches the target force set by the operator. Impedance control, damping control, and hybrid control are known as types of force control.
  • the adjusted force control parameters may not be optimal. It is considered that this is because the force control conditions are different between the time of adjusting the force control parameters and the time of production in which the robot is actually operated, and the error direction of the position and posture of the robot is different.
  • the optimum value of the force control gain indicating the responsiveness of the force control may depend on the correction direction of the position and the posture. Therefore, if the force control parameter is adjusted under the conditions of the position where the oscillation limit of the robot is high and the attitude error, the robot may oscillate during production. If the robot oscillates, it may affect the production quality. In the worst case, the robot itself, hands, peripheral devices, etc. may be damaged.
  • One aspect of the present disclosure is a robot arm having a hand holding a work at its tip, a force detector for detecting a force and a moment received by the work held by the hand, a predetermined force control parameter, and the force detection.
  • a control device that moves the work held by the hand with respect to the target object while controlling the force of the robot arm so as to correct the position error and the posture error of the work based on the detected value of the device.
  • the control device has a parameter automatic adjustment unit that automatically adjusts the force control parameter by executing the movement of the work with respect to the target object a plurality of times, and the parameter automatic adjustment unit includes.
  • a robot system that automatically adjusts the force control parameters by executing the movement of the work with respect to the target object from at least the plurality of posture error directions out of a plurality of position error directions and a plurality of posture error directions. be.
  • the operation of a robot arm having a hand holding a work at its tip is controlled to move the work toward a target object, and the work is gripped by a predetermined force control parameter and the hand.
  • a robot that controls the force of the robot arm so as to correct the position error and the attitude error of the work with respect to the target object based on the detection value of the force detector that detects the force and the moment received by the work.
  • the control device has a parameter automatic adjustment unit that automatically adjusts the force control parameter by executing the movement of the work with respect to the object a plurality of times, and the parameter automatic adjustment unit has a parameter automatic adjustment unit with respect to the target object.
  • the force control parameter is automatically adjusted by executing the movement of the work from at least the plurality of posture error directions among the plurality of position error directions and the plurality of posture error directions.
  • the optimum force control parameters that do not cause robot oscillation or work failure can be automatically adjusted.
  • FIG. 5 is a plan view showing a work and a target object whose attitude error directions are different from those of FIG. 5A by 90 deg.
  • FIG. 5 is a plan view showing a work and a target object whose attitude error directions are different from those of FIG. 5A by 180 deg.
  • FIG. 5 is a plan view showing a work and a target object whose attitude error directions are different from those of FIG. 5A by 270 deg. It is a side view which shows the position error between a work and a target object at the time of automatic adjustment of a force control parameter. It is a schematic diagram which shows the robot system which performs the face-to-face work. It is a schematic diagram which shows the robot system which performs a search work.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a robot system 1 that performs fitting work.
  • the robot system 1 includes a robot 2, a robot control device 3 for controlling the robot 2, and a teaching operation panel 4 for an operator to manually operate the robot 2 via the robot control device 3.
  • Robot 2 is a vertical articulated robot having a plurality of robot arms 21.
  • the plurality of robot arms 21 are rotatably connected to each other by a plurality of drive shafts.
  • the drive shaft is rotationally driven by an actuator 24 (see FIG. 2) including a servomotor controlled by the robot control device 3.
  • a hand 22 and a force detector 23 are provided at the tip of the robot arm 21.
  • the hand 22 grips the work by being driven and controlled by the robot control device 3.
  • the work has a work W1 gripped by the hand 22 and a work W2 on the workbench 100.
  • the work W1 has, for example, a cylindrical shape.
  • the work W2 is a target object for fitting the work W1 by the operation of the robot 2.
  • the work W2 has a columnar fitting hole MH into which the work W1 can be fitted.
  • the work W2 is placed on the work table 100 so that the opening of the fitting hole MH faces upward.
  • the force detector 23 is arranged near the base of the hand 22.
  • the force detector 23 detects the force and the moment received by the work W1 held by the hand 22.
  • the force detector 23 is composed of a force sensor. More specifically, the force detector 23 can use a 6-axis sensor capable of detecting translational forces in the X, Y, and Z axis directions and moments around those axes.
  • the detection value of the force detector 23 is output to the control unit 31 of the robot control device 3.
  • the robot control device 3 includes a control unit 31, an arm drive unit 32, a parameter automatic adjustment unit 33, and a storage unit 34.
  • the robot control device 3 includes a function as a control device for automatically adjusting force control parameters in addition to a function as a control device for general motion control of the robot 2.
  • the function for automatically adjusting the force control parameter in the robot control device 3 will be described, and the details of the function for controlling the operation of the general robot 2 will be omitted.
  • the control unit 31 is a control device that outputs a movement command based on a predetermined job to the arm drive unit 32 and controls the operation of the robot 2.
  • the control unit 31 corrects the position error and the posture error of the work W1 gripped by the hand 22 based on the predetermined force control parameter stored in the storage unit 34 and the detection value of the force detector 23. While controlling the force of 21, the work W1 is moved with respect to the work W2.
  • the arm drive unit 32 applies a current for driving to the actuator 24 of each drive shaft of the robot 2 based on the movement command from the control unit 31. As a result, each robot arm 21 of the robot 2 is driven, and the robot 2 changes its posture in various ways.
  • the robot 2 has a torque sensor 25 for detecting the torque of the actuator 24.
  • the torque sensor 25 outputs the detection value of the torque of the actuator 24 to the force detector 23.
  • FIG. 2 shows only one actuator 24 and one torque sensor 25. However, the set of the actuator 24 and the torque sensor 25 is provided on each of the plurality of drive shafts of the robot 2.
  • the parameter automatic adjustment unit 33 controls the operation of the robot 2 via the control unit 31 and automatically adjusts the force control parameters.
  • the force control parameters include a force control gain, a speed command value, a force command value, and the like, which represent the responsiveness of the force control of the robot 2.
  • the automatically adjusted force control parameter is overwritten with the force control parameter (initial parameter) stored in the storage unit 34. The details of the specific adjustment operation of the force control parameter by the parameter automatic adjustment unit 33 will be described later.
  • the teaching operation panel 4 is connected to the control unit 31 of the robot control device 3.
  • the teaching operation panel 4 instructs the execution of various operations such as reproduction of the operation program of the robot 2, instruction of the robot 2 by a jog operation, and automatic adjustment of force control parameters by manual operation of the operator.
  • the teaching operation panel 4 is connected to the control unit 31 by wire, but may be connected wirelessly.
  • the automatic adjustment work of the force control parameter by the parameter automatic adjustment unit 33 of the robot control device 3 will be further described with reference to the flowchart shown in FIG. 3, FIGS. 4 and 5A to 5D.
  • the automatic adjustment work of the force control parameter by the parameter automatic adjustment unit 33 shown below is, for example, when the robot system 1 is initially started up, when the type of work is changed, and the hand 22 at the tip of the robot arm 21 is different. When it is exchanged for a hand having a structure, it is executed by an instruction from an operator via the teaching operation panel 4.
  • the control unit 31 moves the work W1 gripped by the hand 22 with respect to the work W2 which is the target object according to a predetermined parameter automatic adjustment flow by the parameter automatic adjustment unit 33, and the fitting hole of the work W2.
  • the operation of fitting to the MH is executed a plurality of times.
  • the parameter automatic adjustment unit 33 reads out the initial parameters of the force control parameters from the storage unit 34 when the robot 2 is operated by the manual operation of the teaching operation panel 4 by the operator.
  • the control unit 31 outputs a movement command to the arm drive unit 32 via the control unit 31 so that the work W1 gripped by the hand 22 is fitted into the fitting hole MH of the work W2.
  • the first fitting operation for operating the robot 2 is executed (step S1).
  • FIG. 4 is a side view showing a state immediately before the work W1 gripped by the hand 22 is fitted into the fitting hole MH of the work W2 by the force control of the robot 2 by the initial parameter.
  • FIG. 5A is a plan view thereof.
  • the robot 2 when the robot 2 is force-controlled based on the initial parameters, the robot 2 shows a posture in which the work W1 is inclined with respect to the fitting hole MH. Specifically, the axis W1a of the work W1 is tilted by an angle E1 in the ⁇ X axis direction (left direction in FIGS. 4 and 5A) around the Y axis with respect to the axis W2a of the fitting hole MH of the work W2. There is.
  • the robot 2 In order to properly fit the work W1 into the fitting hole MH, the robot 2 needs to show a posture in which the axis W1a of the work W1 and the axis W2a of the fitting hole MH match. Therefore, the angle E1 represents the posture error to be corrected by the robot 2 at the start of fitting. This angle E1 is the amount of change in the posture of the robot 2 required for properly fitting the work W1 into the fitting hole MH, that is, the amount of correction of the posture error (E).
  • inv (TB) ⁇ TA is the rotation representing the correction amount (E) of the posture error. It becomes a matrix.
  • inv is an inverse matrix.
  • the parameter automatic adjustment unit 33 calculates the correction amount (E) of this posture error and stores it in the storage unit 34 (step S2).
  • the parameter automatic adjustment unit 33 is preset with a threshold value for the amount of correction of the posture error.
  • the parameter automatic adjustment unit 33 sets the posture error correction amount (E) to a predetermined value. This is because the attitude error is intentionally given when there is no attitude error or when the attitude error is too small.
  • the predetermined value is, for example, a threshold value. That is, when the threshold value is set to 0.5 deg and the posture error correction amount calculated in step S2 is 0.5 deg or less, the posture error correction amount (E) is set to 0.5 deg.
  • control unit 31 changes the posture error direction with the same position as when the first fitting operation is executed and the same absolute value as the correction amount (E) of the posture error of the robot 2, and the second fitting is performed.
  • the operation is executed (step S3).
  • the parameter automatic adjustment unit 33 executes fitting from the posture indicated by the rotation matrix of TB ⁇ T (90) ⁇ inv (TB) ⁇ TA.
  • T (90) is a matrix that is rotated by 90 deg around the fitting direction (around the axis W2a of the fitting hole MH) with respect to the first fitting operation.
  • the axis W1a of the work W1 is angled in the + Y axis direction (downward in FIG. 5B) around the X axis with respect to the axis W2a of the fitting hole MH of the work W2. Fitting is performed from a position tilted by E1.
  • control unit 31 changes the posture error direction again with the same position as when the second fitting operation is executed and the same absolute value as the correction amount (E) of the posture error of the robot 2, and the third fitting.
  • the combined operation is executed (step S4).
  • the parameter automatic adjustment unit 33 executes fitting from the posture indicated by the rotation matrix of TB ⁇ T (180) ⁇ inv (TB) ⁇ TA.
  • T (180) is a matrix that rotates 180 deg around the fitting direction (around the axis W2a of the fitting hole MH) with respect to the first fitting operation.
  • the axis W1a of the work W1 is angled with respect to the axis W2a of the fitting hole MH of the work W2 in the + X axis direction (right direction in FIG. 5C) around the Y axis. Fitting is performed from a position tilted by E1.
  • control unit 31 changes the posture error direction again with the same position as when the third fitting operation is executed and the same absolute value as the correction amount (E) of the posture error of the robot 2, and the fourth fitting.
  • the combined operation is executed (step S5).
  • the parameter automatic adjustment unit 33 executes fitting from the posture indicated by the rotation matrix of TB ⁇ T (270) ⁇ inv (TB) ⁇ TA.
  • T (270) is a matrix that is rotated by 270 deg around the fitting direction (around the axis W2a of the fitting hole MH) with respect to the first fitting operation.
  • the axis W1a of the work W1 is in the ⁇ Y axis direction (upward in FIG. 5D) around the X axis with respect to the axis W2a of the fitting hole MH of the work W2. Fitting is performed from a position tilted by the angle E1.
  • the parameter automatic adjustment unit 33 records the detection value output from the force detector 23 via the control unit 31.
  • the parameter automatic adjustment unit 33 obtains the vibration amount from the detection value of the force detector 23 at each fitting operation after the fitting operation in four directions (4 postures) is completed, and the data of the detected value is the most vibrating. The direction (posture) that was was selected (step S6).
  • the vibration amount for example, there is a method of Fourier transforming the detected value of the force detector 23 and obtaining the amplitude of a specific frequency based on the result. Further, the vibration amount may be obtained by obtaining the maximum value or the average value of the change amount of the detection value of the force detector 23.
  • step S6 the parameter automatic adjustment unit 33 selects the direction (attitude) in which the detection value data of the force detector 23 is the most vibrating, and then adjusts the force only based on the attitude error in that direction (attitude).
  • Parameters 1 to N are obtained (step S7), and each force control parameter is changed so as to improve the performance (step S8).
  • N is the number of types of force control parameters.
  • the types of force control parameters are force control gain, speed command value, force command value, and the like.
  • the force control parameters may be adjusted one by one, or a plurality of types of parameters may be adjusted at the same time.
  • step S8 After changing the force control parameter in step S8 in this way, the control unit 31 again due to the posture error in the most vibrating direction (posture) among the fitting operations in the four directions (four postures).
  • the robot 2 is operated so as to fit the work W1 into the fitting hole MH of the work W2 (step S9).
  • the robot 2 tends to become unstable such as large vibration.
  • the force control gain is increased, the response to the generated force becomes faster, so that the posture error at the time of fitting is corrected faster, and the time required for fitting becomes shorter.
  • the force control gain is increased too much, the noise may be amplified and the robot 2 may oscillate. Therefore, the parameter automatic adjustment unit 33 obtains the vibration amount from the detection value of the force detector 23 by the above method after executing the fitting operation in step S9, and determines whether or not the robot 2 is oscillating (step). S10). Whether or not the robot 2 oscillates is determined based on whether the vibration amount is larger than the vibration amount at the time of the previous automatic parameter adjustment, or the vibration amount exceeds a preset threshold value. Can be done.
  • step S10 If it is determined in step S10 that the robot 2 is not oscillating (step S10; NO), the parameter automatic adjustment unit 33 returns to the process from step S8. That is, the parameter automatic adjustment unit 33 changes the force control parameter so that the performance of the force control parameter is further improved, and then re-executes the fitting operation with the most vibrating posture error. Then, in step S10, it is determined again whether or not the robot 2 is oscillating. The processes of steps S8 and S9 are repeated until it is determined in step S10 that the robot 2 is oscillating.
  • step S10 when it is determined in step S10 that the robot 2 is oscillating (step S10; YES), the parameter automatic adjustment unit 33 returns the changed force control parameter to the previous value (step S11). ..
  • the parameter automatic adjustment unit 33 outputs the set force control parameter to the storage unit 34, overwrites and saves the set, and then ends the automatic adjustment operation of the force control parameter.
  • the parameter automatic adjustment unit 33 automatically adjusts the force control parameters by executing the movement of the work W1 from a plurality of posture error directions.
  • the parameter automatic adjustment unit 33 adjusts the force control parameter under the condition of the posture error that is the most vibrating among the plurality of posture error directions.
  • the robot 2 performs the fitting operation based on the force control parameter that can stably perform the fitting operation under the severest posture error condition, so that the robot 2 performs the fitting operation even under the condition of other loose posture errors.
  • a stable fitting operation can be performed. Therefore, according to the robot system 1 and the robot control device 3, it is possible to automatically adjust the optimum force control parameters that do not cause the oscillation of the robot 2 or the failure of the fitting operation in the force control at the time of production.
  • the robot arm 21 has an actuator 24 for driving the robot arm 21 and a torque sensor 25 for detecting the torque of the actuator 24.
  • the force detector 23 has a work W1 based on the detection value of the torque sensor 25. The force and moment received are detected. Therefore, the force and moment received by the work W1 can be easily detected from the torque of the actuator 24.
  • the force detector 23 may detect the force and the moment received by the work W1 based on the current value applied to the actuator 24. According to this, since the torque sensor 25 does not necessarily have to be provided, the configuration of the robot 2 can be simplified.
  • the parameter automatic adjustment unit 33 automatically adjusts the force control parameter by executing the movement of the work W1 from a plurality of posture error directions.
  • the parameter automatic adjustment unit 33 may automatically adjust the force control parameter by executing the movement of the work W1 from both a plurality of position error directions and posture error directions.
  • the robot 2 when the robot 2 is force-controlled based on the initial parameters, the robot 2 shows a posture in which the work W1 is inclined with respect to the fitting hole MH, and the fitting hole MH is shown. It is slightly offset from the center to the side. Specifically, the axis W1a of the work W1 is tilted by an angle E1 in the ⁇ X axis direction (left direction in FIG.
  • the work W1 is displaced by a distance E2 in the ⁇ X axis direction with respect to the axis W2a of the fitting hole MH.
  • the moving operation of the work W1 with respect to the work W2 by the robot 2 is a fitting operation of fitting the work W1 into the fitting hole MH of the work W2
  • the movement operation of the work W1 with respect to the work W2 by the robot 2 is a face-to-face operation in which the work W1 gripped by the hand 22 is faced with the plane SF of the work W2 as in the robot system 1A shown in FIG. You may.
  • the moving operation of the work W1 with respect to the work W2 by the robot 2 is a search operation for searching the work W1 so as to match the shape and phase of the engaging hole EH of the work W2, as in the robot system 1B shown in FIG. May be.
  • the movement of the work W1 with respect to the work W2 at the time of automatic adjustment of the force control parameter is executed from four directions (four postures) changed by 90 deg.
  • the changing direction (posture) is not limited to four, and may be two or more directions (posture).
  • the angle to be changed is not limited to 90 deg.
  • the parameter automatic adjustment unit 33 that automatically adjusts the force control parameters is provided in the robot control device 3 that is electrically connected to the robot 2 in order to control the operation of the robot 2.
  • the function of the parameter automatic adjustment unit 33 of the robot control device 3 or all the functions may be realized by an external terminal such as a PC (personal computer) and a tablet terminal.

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Abstract

生産時の力制御において、ロボットの発振や作業の失敗を起こすことのない最適な力制御パラメータを自動調整可能にする。ワークを把持するハンドを先端に有するロボットアームと、ハンドに把持されたワークが受ける力及びモーメントを検出する力検出器と、所定の力制御パラメータ及び力検出器の検出値に基づいて、ワークの位置誤差及び姿勢誤差を修正するようにロボットアームの力制御を行いながら、ハンドに把持されたワークを目標対象物に対して移動させる制御装置と、を備える。制御装置は、目標対象物に対するワークの移動を複数回実行することによって、力制御パラメータを自動調整するパラメータ自動調整部を有する。パラメータ自動調整部は、目標対象物に対するワークの移動を、複数の位置誤差方向及び複数の姿勢誤差方向のうちの少なくとも複数の姿勢誤差方向から実行することによって、力制御パラメータを自動調整する。

Description

ロボットシステム及びロボット制御装置
　本開示は、ロボットシステム及びロボット制御装置に関する。
　ロボットを用いた部品の組立工程においては、ロボットアームの先端のハンドによって把持したワークの嵌合作業、面合せ作業、探索作業が行われる。嵌合作業は、把持したワークを目標対象物の嵌合穴に嵌合させる作業である。面合せ作業は、把持したワークを目標対象物の平面に突き当てて面合せする作業である。探索作業は、ワークが目標対象物の穴形状や位相に一致するように、把持したワークの位置を探索する作業である。
　従来、このようなロボットによる部品の組立作業を精度良く実行するため、ハンドに把持されたワークが受ける力及びモーメントを検出する力検出器がロボットアームに設けられる。組立作業を行う際は、その力検出器の検出値に基づいて、ワークに掛かる力がオペレータの設定した目標力に一致するように、ロボットの力制御が行われる。力制御の種類としては、インピーダンス制御、ダンピング制御、ハイブリッド制御が知られている。
　ロボットを力制御することによって適切に作業を実行するためには、ワークに掛かる力とロボットの挙動との関係を定めた力制御パラメータを適切に設定することが重要である。近年は、力制御を自動的に複数回実行することによって、力制御パラメータを自動調整する技術も知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１４－１２８８５７号公報
　しかしながら、力制御パラメータの自動調整を実行しても、調整された後の力制御パラメータが最適ではない場合がある。これは、力制御パラメータの調整時とロボットを実際に稼働させる生産時とで力制御の条件が異なり、ロボットの位置及び姿勢の誤差方向が異なることが原因であると考えられる。
　また、ロボットの位置及び姿勢もしくはハンドの形状等によっては、力制御の応答性を表す力制御ゲインの最適値が、位置及び姿勢の修正方向に依存することがある。そのため、力制御パラメータが、ロボットの発振限度の高い位置及び姿勢誤差の条件で調整されると、生産時にロボットが発振する場合がある。ロボットが発振すると、生産品質に影響を与えるおそれがある。最悪の場合には、ロボット自体、ハンド及び周辺機器等が破損するおそれがある。
　さらに、探索作業については、力制御パラメータの調整時に、複数の位置及び姿勢誤差条件で正しい位置及び姿勢を見つけられるかどうかの動作確認を行う必要がある。生産時に複数の誤差条件で確認しないと、生産時に探索に失敗する可能性がある。
　したがって、生産時の力制御において、ロボットの発振や作業の失敗を起こすことのない最適な力制御パラメータが自動調整可能であることが望まれる。
　本開示の一態様は、ワークを把持するハンドを先端に有するロボットアームと、前記ハンドに把持された前記ワークが受ける力及びモーメントを検出する力検出器と、所定の力制御パラメータ及び前記力検出器の検出値に基づいて、前記ワークの位置誤差及び姿勢誤差を修正するように前記ロボットアームの力制御を行いながら、前記ハンドに把持された前記ワークを目標対象物に対して移動させる制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記目標対象物に対する前記ワークの移動を複数回実行することによって、前記力制御パラメータを自動調整するパラメータ自動調整部を有し、前記パラメータ自動調整部は、前記目標対象物に対する前記ワークの移動を、複数の位置誤差方向及び複数の姿勢誤差方向のうちの少なくとも前記複数の姿勢誤差方向から実行することによって、前記力制御パラメータを自動調整する、ロボットシステムである。
　本開示の他の一態様は、ワークを把持するハンドを先端に有するロボットアームの動作を制御して前記ワークを目標対象物に向けて移動させ、所定の力制御パラメータと、前記ハンドに把持された前記ワークが受ける力及びモーメントを検出する力検出器の検出値と、に基づいて、前記目標対象物に対する前記ワークの位置誤差及び姿勢誤差を修正するように前記ロボットアームの力制御を行うロボット制御装置であって、前記対象物に対する前記ワークの移動を複数回実行することによって、前記力制御パラメータを自動調整するパラメータ自動調整部を有し、前記パラメータ自動調整部は、前記目標対象物に対する前記ワークの移動を、複数の位置誤差方向及び複数の姿勢誤差方向のうちの少なくとも前記複数の姿勢誤差方向から実行することによって、前記力制御パラメータを自動調整する。
　一態様によれば、生産時の力制御において、ロボットの発振や作業の失敗を起こすことのない最適な力制御パラメータが自動調整可能である。
嵌合作業を行うロボットシステムを示す模式図である。 ロボットとロボット制御装置の内部構成を示す機能ブロック図である。 力制御パラメータの自動調整作業を示すフローチャートである。 力制御パラメータの自動調整時のワークと目標対象物との姿勢誤差を示す側面図である。 図４に示すワークと目標対象物との姿勢誤差を示す平面図である。 図５Ａに対して姿勢誤差方向を９０ｄｅｇ異ならせたワークと目標対象物とを示す平面図である。 図５Ａに対して姿勢誤差方向を１８０ｄｅｇ異ならせたワークと目標対象物とを示す平面図である。 図５Ａに対して姿勢誤差方向を２７０ｄｅｇ異ならせたワークと目標対象物とを示す平面図である。 力制御パラメータの自動調整時のワークと目標対象物との位置誤差を示す側面図である。 面合せ作業を行うロボットシステムを示す模式図である。 探索作業を行うロボットシステムを示す模式図である。
　以下、本開示の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、嵌合作業を行うロボットシステム１を示す模式図である。ロボットシステム１は、ロボット２と、ロボット２を制御するロボット制御装置３と、オペレータがロボット制御装置３を介してロボット２を手動操作するための教示操作盤４と、を有する。
　ロボット２は、複数のロボットアーム２１を有する垂直多関節ロボットである。複数のロボットアーム２１は、複数の駆動軸によってそれぞれ回転可能に連結されている。駆動軸は、ロボット制御装置３によって制御されるサーボモータ等からなるアクチュエータ２４（図２参照）によってそれぞれ回転駆動される。ロボットアーム２１の先端には、ハンド２２及び力検出器２３が設けられる。
　ハンド２２は、ロボット制御装置３によって駆動制御されることによって、ワークを把持する。嵌合作業において、ワークは、ハンド２２によって把持されるワークＷ１と、作業台１００上のワークＷ２と、を有する。ワークＷ１は、例えば円柱形状を有する。ワークＷ２は、ロボット２の動作によってワークＷ１を嵌合させる目標対象物である。ワークＷ２は、ワークＷ１を嵌合可能な円柱状の嵌合穴ＭＨを有する。ワークＷ２は、嵌合穴ＭＨの開口部が上方を向くように、作業台１００上に載置される。
　力検出器２３は、ハンド２２の根元部の近傍に配置される。力検出器２３は、ハンド２２に把持されたワークＷ１が受ける力及びモーメントを検出する。具体的には、力検出器２３は、力覚センサによって構成される。より具体的には、力検出器２３は、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向の並進力とそれらの軸周りのモーメントを検出可能な６軸センサを用いることができる。力検出器２３の検出値は、ロボット制御装置３の制御部３１に出力される。
　ロボット制御装置３は、図２に示すように、制御部３１と、アーム駆動部３２と、パラメータ自動調整部３３と、記憶部３４と、を含んで構成される。このロボット制御装置３は、一般的なロボット２の動作制御のための制御装置としての機能に加えて、力制御パラメータを自動調整するための制御装置としての機能を含む。本明細書では、ロボット制御装置３における力制御パラメータを自動調整するための機能について説明し、一般的なロボット２の動作を制御するための機能の詳細については省略する。
　制御部３１は、アーム駆動部３２に対して所定のジョブに基づく移動指令を出力し、ロボット２の動作を制御する制御装置である。制御部３１は、記憶部３４に記憶される所定の力制御パラメータ及び力検出器２３の検出値に基づいて、ハンド２２に把持されたワークＷ１の位置誤差及び姿勢誤差を修正するようにロボットアーム２１の力制御を行いながら、ワークＷ１をワークＷ２に対して移動させる。
　アーム駆動部３２は、制御部３１からの移動指令に基づいて、ロボット２の各駆動軸のアクチュエータ２４に駆動のための電流を印加する。これによって、ロボット２の各ロボットアーム２１が駆動し、ロボット２は様々に姿勢を変化させる。図２に示すように、ロボット２は、アクチュエータ２４のトルクを検出するためのトルクセンサ２５を有する。トルクセンサ２５は、アクチュエータ２４のトルクの検出値を力検出器２３に出力する。図２には１つのアクチュエータ２４及び１つのトルクセンサ２５のみが示されている。しかし、アクチュエータ２４及びトルクセンサ２５の組は、ロボット２の複数の駆動軸にそれぞれ設けられる。
　パラメータ自動調整部３３は、制御部３１を介してロボット２の動作を制御し、力制御パラメータを自動調整する。力制御パラメータは、ロボット２の力制御の応答性を表す力制御ゲイン、速度指令値、及び力指令値等を含む。自動調整された力制御パラメータは、記憶部３４に記憶されている力制御パラメータ（初期パラメータ）に上書きされる。パラメータ自動調整部３３による力制御パラメータの具体的な調整動作の詳細については後述する。
　教示操作盤４は、ロボット制御装置３の制御部３１に接続される。教示操作盤４は、オペレータの手動操作によって、ロボット２の動作プログラムの再生、ジョグ操作によるロボット２の教示、力制御パラメータの自動調整等の各種動作の実行を指示する。図２において、教示操作盤４は、制御部３１に対して有線によって接続されるが、無線によって接続されてもよい。
　次に、ロボット制御装置３のパラメータ自動調整部３３による力制御パラメータの自動調整作業について、図３に示すフローチャート、図４及び図５Ａ～図５Ｄに基づいてさらに説明する。以下に示すパラメータ自動調整部３３による力制御パラメータの自動調整作業は、例えば、ロボットシステム１の初期立ち上げ時、ワークの種類が変更された時、及びロボットアーム２１の先端のハンド２２が別の構造を有するハンドに交換された時に、教示操作盤４を介したオペレータからの指示によって実行される。
　まず、制御部３１は、パラメータ自動調整部３３による所定のパラメータ自動調整フローに従って、ハンド２２に把持されたワークＷ１を、目標対象物であるワークＷ２に対して移動させ、ワークＷ２の嵌合穴ＭＨに嵌合する動作を複数回実行する。具体的には、パラメータ自動調整部３３は、オペレータによる教示操作盤４の手動操作によるロボット２の動作時に、記憶部３４から力制御パラメータの初期パラメータを読み出す。制御部３１は、その初期パラメータに基づいて、制御部３１を介してアーム駆動部３２に移動指令を出力し、ハンド２２によって把持したワークＷ１をワークＷ２の嵌合穴ＭＨに嵌合させるようにロボット２を動作させる１回目の嵌合動作を実行する（ステップＳ１）。
　図４は、ハンド２２に把持されたワークＷ１が、初期パラメータによるロボット２の力制御によって、ワークＷ２の嵌合穴ＭＨに嵌合する直前の状態を示す側面図である。図５Ａは、その平面図である。図４及び図５Ａに示すように、初期パラメータに基づいてロボット２が力制御された際、ロボット２は、ワークＷ１を嵌合穴ＭＨに対して傾斜して配置した姿勢を示している。具体的には、ワークＷ１の軸線Ｗ１ａは、ワークＷ２の嵌合穴ＭＨの軸線Ｗ２ａに対して、Ｙ軸周りの－Ｘ軸方向（図４及び図５Ａの左方向）に角度Ｅ１だけ傾いている。
　ワークＷ１を嵌合穴ＭＨに適正に嵌合させるためには、ロボット２は、ワークＷ１の軸線Ｗ１ａと嵌合穴ＭＨの軸線Ｗ２ａとが一致する姿勢を示している必要がある。そのため、角度Ｅ１は、嵌合開始時におけるロボット２が修正すべき姿勢誤差を表している。この角度Ｅ１は、ワークＷ１を嵌合穴ＭＨに適正に嵌合させるために必要なロボット２の姿勢の変化量、すなわち、姿勢誤差の修正量（Ｅ）である。
　ここで、嵌合開始時のロボット姿勢を表す回転行列をＴＡ、嵌合後のロボット姿勢を表す回転行列をＴＢとすると、ｉｎｖ（ＴＢ）×ＴＡが姿勢誤差の修正量（Ｅ）を表す回転行列となる。ｉｎｖは逆行列である。パラメータ自動調整部３３は、この姿勢誤差の修正量（Ｅ）を算出し、記憶部３４に記憶する（ステップＳ２）。
　なお、パラメータ自動調整部３３には、姿勢誤差の修正量の閾値が予め設定されている。ステップＳ２において算出された姿勢誤差の修正量（Ｅ）の絶対値が閾値以下である場合、パラメータ自動調整部３３は、姿勢誤差の修正量（Ｅ）を予め決められた値に設定する。姿勢誤差がない場合又は姿勢誤差が小さすぎる場合に意図的に姿勢誤差を与えるためである。予め決められた値は、例えば閾値である。すなわち、閾値が０．５ｄｅｇに設定され、ステップＳ２において算出された姿勢誤差の修正量が０．５ｄｅｇ以下である場合には、姿勢誤差の修正量（Ｅ）は０．５ｄｅｇに設定される。
　次に、制御部３１は、１回目の嵌合動作を実行した時と同じ位置及びロボット２の姿勢誤差の修正量（Ｅ）と同じ絶対値で、姿勢誤差方向を変えて２回目の嵌合動作を実行する（ステップＳ３）。
　このステップＳ３では、パラメータ自動調整部３３は、ＴＢ×Ｔ（９０）×ｉｎｖ（ＴＢ）×ＴＡの回転行列が示す姿勢から嵌合を実行している。Ｔ（９０）は、１回目の嵌合動作に対して、嵌合方向周り（嵌合穴ＭＨの軸線Ｗ２ａ周り）に９０ｄｅｇ回転させる行列である。これによって、図５Ｂに示すように、ロボット２は、ワークＷ１の軸線Ｗ１ａがワークＷ２の嵌合穴ＭＨの軸線Ｗ２ａに対して、Ｘ軸周りの＋Ｙ軸方向（図５Ｂの下方向）に角度Ｅ１だけ傾いた位置から嵌合を行う。
　次に、制御部３１は、２回目の嵌合動作を実行した時と同じ位置及びロボット２の姿勢誤差の修正量（Ｅ）と同じ絶対値で、再び姿勢誤差方向を変えて３回目の嵌合動作を実行する（ステップＳ４）。
　このステップＳ４では、パラメータ自動調整部３３は、ＴＢ×Ｔ（１８０）×ｉｎｖ（ＴＢ）×ＴＡの回転行列が示す姿勢から嵌合を実行している。Ｔ（１８０）は、１回目の嵌合動作に対して、嵌合方向周り（嵌合穴ＭＨの軸線Ｗ２ａ周り）に１８０ｄｅｇ回転させる行列である。これによって、図５Ｃに示すように、ロボット２は、ワークＷ１の軸線Ｗ１ａがワークＷ２の嵌合穴ＭＨの軸線Ｗ２ａに対して、Ｙ軸周りの＋Ｘ軸方向（図５Ｃの右方向）に角度Ｅ１だけ傾いた位置から嵌合を行う。
　次に、制御部３１は、３回目の嵌合動作を実行した時と同じ位置及びロボット２の姿勢誤差の修正量（Ｅ）と同じ絶対値で、再び姿勢誤差方向を変えて４回目の嵌合動作を実行する（ステップＳ５）。
　このステップＳ５では、パラメータ自動調整部３３は、ＴＢ×Ｔ（２７０）×ｉｎｖ（ＴＢ）×ＴＡの回転行列が示す姿勢から嵌合を実行している。Ｔ（２７０）は、１回目の嵌合動作に対して、嵌合方向周り（嵌合穴ＭＨの軸線Ｗ２ａ周り）に２７０ｄｅｇ回転させる行列である。これによって、図５Ｄに示すように、ロボット２は、ワークＷ１の軸線Ｗ１ａがワークＷ２の嵌合穴ＭＨの軸線Ｗ２ａに対して、Ｘ軸周りの－Ｙ軸方向（図５Ｄの上方向）に角度Ｅ１だけ傾いた位置から嵌合を行う。
　１回目の嵌合動作から４回目の嵌合動作の各嵌合動作において、パラメータ自動調整部３３は、制御部３１を介して力検出器２３から出力される検出値を記録している。パラメータ自動調整部３３は、４方向（４姿勢）の嵌合動作が終了した後に、各嵌合動作時の力検出器２３の検出値から振動量を求め、その検出値のデータが最も振動的であった方向（姿勢）を選出する（ステップＳ６）。
　振動量を求める方法としては、例えば、力検出器２３の検出値をフーリエ変換し、その結果に基づいて特定の周波数の振幅を求める方法がある。また、力検出器２３の検出値の変化量の最大値又は平均値を求めることによって振動量を求めてもよい。
　パラメータ自動調整部３３は、ステップＳ６において、力検出器２３の検出値のデータが最も振動的であった方向（姿勢）を選出した後、その方向（姿勢）の姿勢誤差のみで調整した力制御パラメータ１～Ｎを求め（ステップＳ７）、各力制御パラメータを性能が上がるように変更する（ステップＳ８）。Ｎは力制御パラメータの種類の数である。力制御パラメータの種類は、力制御ゲイン、速度指令値、力指令値等である。力制御パラメータの調整は、これらのパラメータを１種類ずつ行ってもよいし、複数種類のパラメータに対して同時に行ってもよい。
　このようにしてステップＳ８において力制御パラメータを変更した後、制御部３１は、４方向（４姿勢）の嵌合動作のうちで、最も振動的であった方向（姿勢）の姿勢誤差によって、再びワークＷ１をワークＷ２の嵌合穴ＭＨに嵌合させるようにロボット２を動作させる（ステップＳ９）。
　力制御の性能が向上するように力制御パラメータを変更しすぎると、振動が大きくなる等のロボット２の不安定化を招き易い。例えば、力制御ゲインを上げると、発生した力に対する応答が早くなるため、嵌合時の姿勢誤差の修正が速くなり、嵌合に要する時間が短くなる。その反面、力制御ゲインを上げ過ぎると、ノイズを増幅させてロボット２が発振してしまうことがある。そのため、パラメータ自動調整部３３は、ステップＳ９において嵌合動作を実行した後、上記した方法によって力検出器２３の検出値から振動量を求め、ロボット２が発振しているかどうかを判断する（ステップＳ１０）。なお、ロボット２が発振したかどうかは、振動量が、前回のパラメータ自動調整時の振動量よりも大きくなったこと、又は、予め設定された振動量の閾値を超えたこと等によって判断することができる。
　ステップＳ１０において、ロボット２が発振していないと判断された場合（ステップＳ１０；ＮＯ）、パラメータ自動調整部３３は、ステップＳ８からの処理に戻る。すなわち、パラメータ自動調整部３３は、力制御パラメータの性能がさらに上がるように力制御パラメータを変更し、その後、最も振動的であった姿勢誤差で嵌合動作を再度実行する。その後、ステップＳ１０において、ロボット２が発振しているかどうかを再度判断する。ステップＳ８及びステップＳ９の処理は、ステップＳ１０においてロボット２が発振していると判断されるまで繰り返される。
　一方、ステップＳ１０において、ロボット２が発振していると判断された場合（ステップＳ１０；ＹＥＳ）、パラメータ自動調整部３３は、変更された力制御パラメータを１つ前の値に戻す（ステップＳ１１）。
　これによって、力制御パラメータは、ロボット２が発振を起こさない限界の値に設定される。パラメータ自動調整部３３は、設定した力制御パラメータを記憶部３４に出力して上書き保存した後、力制御パラメータの自動調整作業を終了する。
　ロボット２のような垂直多関節ロボットの場合では、動作方向によって振動の具合が変化する。また、ロボットアーム２１の先端に設けられたハンド２２の形状によっては、振動し易い動作が存在することがある。ロボット２が振動すると、力制御の性能が変化する。しかし、以上のように、このロボットシステム１では、パラメータ自動調整部３３が、ワークＷ１の移動を、複数の姿勢誤差方向から実行することによって力制御パラメータを自動調整する。パラメータ自動調整部３３は、複数の姿勢誤差方向のうちの最も振動的であった姿勢誤差の条件で力制御パラメータの調整を行う。これによって、ロボット２は、最も厳しい姿勢誤差の条件において安定して嵌合動作を行うことができた力制御パラメータに基づいて嵌合動作を行うため、条件の緩い他の姿勢誤差の条件においても安定した嵌合動作を実行することができる。したがって、このロボットシステム１及びロボット制御装置３によれば、生産時の力制御において、ロボット２の発振や嵌合作業の失敗を起こすことのない最適な力制御パラメータを自動調整することができる。
　ロボットアーム２１は、ロボットアーム２１を駆動するアクチュエータ２４と、アクチュエータ２４のトルクを検出するトルクセンサ２５と、を有し、力検出器２３は、トルクセンサ２５の検出値に基づいて、ワークＷ１が受ける力及びモーメントを検出している。そのため、アクチュエータ２４のトルクからワークＷ１が受ける力及びモーメントを容易に検出可能である。
　また、力検出器２３は、アクチュエータ２４に印加される電流値に基づいて、ワークＷ１が受ける力及びモーメントを検出してもよい。これによれば、トルクセンサ２５は必ずしも設けられなくてもよいため、ロボット２の構成を簡素化することができる。
　以上の実施形態では、パラメータ自動調整部３３は、ワークＷ１の移動を、複数の姿勢誤差方向から実行することによって力制御パラメータを自動調整している。しかし、パラメータ自動調整部３３は、図６に示すように、ワークＷ１の移動を、複数の位置誤差方向及び姿勢誤差方向の両方から実行することによって力制御パラメータを自動調整してもよい。図６に示す場合では、初期パラメータに基づいてロボット２が力制御された際、ロボット２は、ワークＷ１を嵌合穴ＭＨに対して傾斜して配置した姿勢を示すとともに、嵌合穴ＭＨの中心から僅かに側方にずれている。具体的には、ワークＷ１の軸線Ｗ１ａは、ワークＷ２の嵌合穴ＭＨの軸線Ｗ２ａに対して、Ｙ軸周りの－Ｘ軸方向（図６の左方向）に角度Ｅ１だけ傾いているとともに、ワークＷ１は、嵌合穴ＭＨの軸線Ｗ２ａに対して、－Ｘ軸方向に距離Ｅ２だけずれている。
　以上の実施形態では、ロボット２によるワークＷ２に対するワークＷ１の移動動作が、ワークＷ１をワークＷ２が有する嵌合穴ＭＨに嵌合させる嵌合動作である場合について説明した。しかし、ロボット２によるワークＷ２に対するワークＷ１の移動動作は、図７に示すロボットシステム１Ａのように、ハンド２２によって把持したワークＷ１をワークＷ２の平面ＳＦに対して面合せする面合せ動作であってもよい。さらに、ロボット２によるワークＷ２に対するワークＷ１の移動動作は、図８に示すロボットシステム１Ｂのように、ワークＷ１をワークＷ２が有する係合穴ＥＨの形状や位相に一致するように探索させる探索動作であってもよい。
　以上の実施形態では、力制御パラメータの自動調整時のワークＷ２に対するワークＷ１の移動を、９０ｄｅｇずつ変更した４方向（４姿勢）から実行している。しかし、変更する方向（姿勢）は、４つに限定されず、２以上の方向（姿勢）であればよい。また、変更する角度も、９０ｄｅｇに限定されない。
　以上の実施形態では、力制御パラメータの自動調整を行うパラメータ自動調整部３３は、ロボット２の動作を制御するためにロボット２に電気的に接続されるロボット制御装置３に設けられている。しかし、ロボット制御装置３のパラメータ自動調整部３３の機能又は全ての機能は、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）及びタブレット端末等の外部端末によって実現されてもよい。
　１，１Ａ，１Ｂ　ロボットシステム
　２　ロボット
　２１　ロボットアーム
　２２　ハンド
　２３　力検出器
　２４　アクチュエータ
　２５　トルクセンサ
　３　ロボット制御装置
　３１　制御部
　３３　パラメータ自動調整部
　Ｗ１　ワーク
　Ｗ２　ワーク（目標対象物）
　ＭＨ　嵌合穴
　ＳＦ　平面
　ＥＨ　係合穴

Claims (9)

  1. 　ワークを把持するハンドを先端に有するロボットアームと、
    　前記ハンドに把持された前記ワークが受ける力及びモーメントを検出する力検出器と、
    　所定の力制御パラメータ及び前記力検出器の検出値に基づいて、前記ワークの位置誤差及び姿勢誤差を修正するように前記ロボットアームの力制御を行いながら、前記ハンドに把持された前記ワークを目標対象物に対して移動させる制御装置と、を備え、
    　前記制御装置は、前記目標対象物に対する前記ワークの移動を複数回実行することによって、前記力制御パラメータを自動調整するパラメータ自動調整部を有し、
    　前記パラメータ自動調整部は、前記目標対象物に対する前記ワークの移動を、複数の位置誤差方向及び複数の姿勢誤差方向のうちの少なくとも前記複数の姿勢誤差方向から実行することによって、前記力制御パラメータを自動調整する、ロボットシステム。
  2. 　前記パラメータ自動調整部は、前記目標対象物に対する前記ワークの移動を、複数の位置誤差方向及び複数の姿勢誤差方向のうちの少なくとも前記複数の姿勢誤差方向から実行し、そのうちの前記力検出器の検出値が最も振動的であった条件によって前記力制御パラメータを自動調整する、請求項１に記載のロボットシステム。
  3. 　前記目標対象物に対する前記ワークの移動動作は、前記ワークを前記目標対象物が有する嵌合穴に嵌合させる嵌合動作、前記ワークを前記目標対象物の平面に対して面合せする面合せ動作、及び前記ワークを前記目標対象物が有する係合穴の形状に一致するように探索させる探索動作のうちのいずれかである、請求項１又は２に記載のロボットシステム。
  4. 　前記力検出器は、力覚センサである、請求項１～３のいずれか１項に記載のロボットシステム。
  5. 　前記ロボットアームは、前記ロボットアームを駆動するアクチュエータと、前記アクチュエータのトルクを検出するトルクセンサと、を有し、
    　前記力検出器は、前記トルクセンサの検出値に基づいて、前記ワークが受ける力及びモーメントを検出する、請求項１～４のいずれか１項に記載のロボットシステム。
  6. 　前記ロボットアームは、前記ロボットアームを駆動するアクチュエータを有し、
    　前記力検出器は、前記アクチュエータに印加される電流値に基づいて、前記ワークが受ける力及びモーメントを検出する、請求項１～４のいずれか１項に記載のロボットシステム。
  7. 　ワークを把持するハンドを先端に有するロボットアームの動作を制御して前記ワークを目標対象物に向けて移動させ、所定の力制御パラメータと、前記ハンドに把持された前記ワークが受ける力及びモーメントを検出する力検出器の検出値と、に基づいて、前記目標対象物に対する前記ワークの位置誤差及び姿勢誤差を修正するように前記ロボットアームの力制御を行うロボット制御装置であって、
    　前記対象物に対する前記ワークの移動を複数回実行することによって、前記力制御パラメータを自動調整するパラメータ自動調整部を有し、
    　前記パラメータ自動調整部は、前記目標対象物に対する前記ワークの移動を、複数の位置誤差方向及び複数の姿勢誤差方向のうちの少なくとも前記複数の姿勢誤差方向から実行することによって、前記力制御パラメータを自動調整する、ロボット制御装置。
  8. 　前記パラメータ自動調整部は、前記目標対象物に対する前記ワークの移動を、複数の位置誤差方向及び複数の姿勢誤差方向のうちの少なくとも前記複数の姿勢誤差方向から実行し、そのうちの前記力検出器の検出値が最も振動的であった条件によって前記力制御パラメータを自動調整する、請求項７に記載のロボット制御装置。
  9. 　前記目標対象物に対する前記ワークの移動動作は、前記ワークを前記目標対象物が有する穴に嵌合させる嵌合動作、前記ワークを前記目標対象物の平面に対して面合せする面合せ動作、及び前記ワークを前記目標対象物が有する係合穴の形状に一致するように探索させる探索動作のうちのいずれかである、請求項７又は８に記載のロボット制御装置。
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