WO2022210291A1 - ロボット装置またはワークに作用する外力の許容値を算出する計算装置およびロボットの制御装置 - Google Patents

ロボット装置またはワークに作用する外力の許容値を算出する計算装置およびロボットの制御装置 Download PDF

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    • G05B2219/30—Nc systems
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    • G05B2219/39505—Control of gripping, grasping, contacting force, force distribution
    • 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
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/40—Robotics, robotics mapping to robotics vision
    • G05B2219/40586—6-DOF force sensor

Definitions

  • the present invention relates to a robot device or a calculation device for calculating an allowable value of an external force acting on a workpiece, and a robot control device.
  • a robot device in which a hand for gripping a workpiece is attached to the robot, and the robot changes its position and posture to transport the workpiece to a predetermined position.
  • a work for precisely adjusting the position and posture of a work when moving the work a work of bringing one work into contact with or fitting another work is known.
  • the position and posture of the robot can be adjusted based on the force output from the force sensor when one work contacts another work. For example, it is known to drive a robot based on the force acting on both workpieces so that the surface of one workpiece and the surface of the other workpiece are brought together (for example, 2017-19039).
  • a force sensor By attaching a force sensor to the robot, it is possible to detect the external force acting on the point of action set on the robot device or work.
  • the operator can set the target value of the external force acting on the action point in a predetermined direction in the operation program when the robot is driven.
  • the robot control device can drive the robot so that the external force acting on the point of action becomes a target value.
  • load is applied to the components that make up the robot, such as arms, motors, and sensors. For example, bending forces are applied to the components, and torque is applied at the pivot shaft. If the load applied to each component exceeds the allowable load value, the component may be damaged or the robot may not operate normally. For this reason, it is preferable to control the robot so that the load applied to each component is below the allowable value.
  • the target value of the external force acting on the point of action can be set low so as not to cause an abnormality in the robot device. For example, for each component, the magnitude of the external force that can be applied to the point of action is calculated. Among the external forces that can act on the point of action in various positions and postures of the robot, the smallest value can be determined as the allowable value of the external force.
  • the target value of the external force can be set to a value equal to or less than the allowable value of the external force. In this manner, the allowable value of the external force is set under the condition (worst condition) in which the external force acting on the point of action is minimized.
  • the range of allowable values for such external force is described, for example, in the operation manual. Then, the operator sets the target value from the range of allowable values. For this reason, even when a large external force can be applied to the action point at a predetermined robot position and posture, the robot is driven with a target value of a small external force. As a result, the working time of the robot device may become long.
  • the robot control device performs control so that the robot is not driven when the external force acting on the point of action exceeds the allowable value. For example, when the robot is driven such that the external force exceeds the allowable value, the control device issues a warning and performs control to stop the robot.
  • this control requires work for recovery after the robot device stops. As a result, there is a problem that the cycle time becomes long and the productivity deteriorates.
  • a computing device includes a processing unit that calculates an allowable value of external force that is allowed to act on a robot, workpiece, or work tool.
  • a permissible value of the load that can be applied to the components of the robot is predetermined.
  • the processing unit calculates the allowable value of the external force in the direction in which the external force acts, based on the position and posture of the robot, the position of the point of action where the external force acts, and the allowable value of the load of the constituent members of the robot.
  • a robot control device includes the above-described computing device and a motion control unit that controls the motion of the robot.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a robot device according to an embodiment
  • FIG. 1 is a block diagram of a robot device according to an embodiment
  • FIG. FIG. 4 is an enlarged perspective view of the work when fitting the first work to the second work
  • 1 is a schematic diagram of a robot apparatus when the robot is in a first position and orientation
  • FIG. FIG. 4 is a schematic diagram of the robotic device when the robot is in a second position and orientation
  • It is a second image displayed on the display section of the teaching console.
  • 1 is a block diagram of a simulation device in an embodiment
  • FIG. It is an image displayed on the display unit of the simulation device.
  • FIG. A computing device calculates an allowable value of an external force applied to a robot device or a workpiece gripped by the robot device.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of the robot device according to the present embodiment.
  • the robot device 5 includes a hand 2 as a work tool and a robot 1 that moves the hand 2 .
  • the robot 1 of this embodiment is an articulated robot including a plurality of joints 18a, 18b, and 18c.
  • the robot 1 includes a plurality of moveable components. The components of robot 1 are configured to rotate about respective drive axes.
  • the robot 1 of this embodiment includes a base portion 14 and a swivel base 13 that rotates with respect to the base portion 14 .
  • Robot 1 includes upper arm 11 and lower arm 12 .
  • the lower arm 12 is rotatably supported by the swivel base 13 .
  • the upper arm 11 is rotatably supported by the lower arm 12 .
  • the robot 1 includes a wrist portion 15 rotatably supported by the upper arm 11 .
  • the hand 2 is fixed to the flange 16 of the wrist portion 15 . Additionally, the upper arm 11 or flange 16 rotates around a predetermined drive axis.
  • the robot of this embodiment has six drive axes, it is not limited to this form. A robot that changes its position and orientation with any mechanism can be employed.
  • the work tool of the present embodiment is a hand having two claws, it is not limited to this form. Any device suitable for the work performed by the robot device can be adopted as the work tool.
  • a reference coordinate system 76 is set in the robot device 5 of the present embodiment.
  • Reference coordinate system 76 is also referred to as the world coordinate system.
  • the reference coordinate system 76 is a coordinate system in which the position of the origin is fixed and the directions of the coordinate axes are fixed.
  • a tool coordinate system having an origin set at an arbitrary position of the work tool is set in the robot device 5 .
  • the origin of the tool coordinate system is set at the tool tip point, which is the middle point between the tips of the two claws of the hand 2 .
  • a tool coordinate system is a coordinate system that changes position and orientation with the work tool.
  • the position of robot 1 corresponds to the position of the origin of the tool coordinate system in reference coordinate system 76 .
  • the posture of the robot 1 corresponds to the orientation of the tool coordinate system with respect to the reference coordinate system 76 .
  • FIG. 2 shows a block diagram of the robot device according to this embodiment.
  • robot 1 includes a robot driving device that changes the position and posture of robot 1 .
  • the robot drive includes robot drive motors 22 that drive components such as arms and wrists.
  • a plurality of robot drive motors 22 are arranged corresponding to each drive shaft.
  • the robot device 5 includes a hand driving device that drives the hand 2.
  • the hand drive device includes a hand drive motor 21 that drives the claw portion of the hand 2 . As the hand driving motor 21 is driven, the claw portion of the hand 2 is opened and closed.
  • the hand may be formed so as to be driven by air pressure or the like.
  • the robot device 5 includes a control device 4 that controls the robot 1 and the hand 2.
  • the control device 4 includes a control device main body 40 and a teaching operation panel 37 for operating the control device main body 40 by an operator.
  • the control device body 40 includes an arithmetic processing device (computer) having a CPU (Central Processing Unit) as a processor.
  • the arithmetic processing unit has a RAM (Random Access Memory), a ROM (Read Only Memory), etc., which are connected to the CPU via a bus.
  • the teaching operation panel 37 is connected to the control device body 40 via a communication device.
  • the teaching operation panel 37 includes an input section 38 for inputting information regarding the robot 1 and the hand 2 .
  • the input unit 38 is composed of input members such as a keyboard and dials.
  • the teaching operation panel 37 includes a display section 39 that displays information regarding the robot 1 and hand 2 .
  • the display unit 39 can be configured by an arbitrary display panel such as a liquid crystal display panel or an organic EL (Electro Luminescence) display panel.
  • the teaching console panel includes a touch panel type display panel, the display panel functions as an input section and a display section.
  • An operation program 46 created in advance for operating the robot 1 and the hand 2 is input to the control device 4 .
  • the operator can set the teaching point of the robot 1 by operating the teaching operation panel 37 to drive the robot 1 .
  • the control device 4 can generate an operation program 46 based on the teaching points.
  • the control device main body 40 includes a motion control section 43 that controls motions of the robot 1 and the hand 2 .
  • the motion control section 43 sends a motion command for driving the robot 1 to the robot driving section 45 .
  • Robot drive section 45 includes an electrical circuit that drives robot drive motor 22 .
  • the robot driving section 45 supplies electricity to the robot driving motor 22 based on the operation command.
  • the motion control unit 43 sends a motion command for driving the hand 2 to the hand driving unit 44 .
  • the hand drive section 44 includes an electric circuit that drives the hand drive motor 21 .
  • the hand drive unit 44 supplies electricity to the hand drive motor 21 based on the operation command.
  • the control device main body 40 includes a storage section 42 that stores information regarding control of the robot 1 and hand 2 .
  • the storage unit 42 can be configured by a non-temporary storage medium capable of storing information.
  • the storage unit 42 can be configured with a storage medium such as a volatile memory, a nonvolatile memory, a magnetic storage medium, or an optical storage medium.
  • the operating program 46 is stored in the storage unit 42 .
  • the operation control unit 43 corresponds to a processor driven according to the operation program 46.
  • the processor is formed so as to be able to read information stored in the storage unit 42 .
  • the processor functions as the motion control unit 43 by reading the motion program 46 and controlling the robot 1 and the hand 2 determined by the motion program 46 .
  • the processor also functions as an operation control unit 43 by driving the robot 1 and the hand 2 based on the operation of the input unit 38 of the teaching operation panel 37 .
  • the robot 1 includes a state detector for detecting the position and orientation of the robot 1.
  • the state detectors in this embodiment include position detectors 19 that detect the rotational position attached to the robot drive motors 22 of the respective drive shafts.
  • the position detector 19 can be composed of an encoder that detects the rotation angle of the output shaft of the robot drive motor 22 .
  • the position and posture of robot 1 are detected based on the outputs of a plurality of position detectors 19 .
  • the control device 4 includes a force sensor 24 as a force detector attached to the robot 1.
  • the force sensor 24 of this embodiment is a 6-axis sensor.
  • the force sensor 24 is arranged between the flange 16 and the hand 2 .
  • the force sensor 24 detects external forces including forces and moments acting on the workpiece 71 .
  • any force sensor such as a sensor including a strain sensor or a capacitive sensor can be employed.
  • a sensor coordinate system for detecting force acting on the sensor is set in the force sensor 24 in the present embodiment.
  • Forces detected by the force sensor 24 include forces in directions of three mutually orthogonal axes in the sensor coordinate system and forces around the three axes. More specifically, the force sensor 24 detects forces in directions of orthogonal three axes (X-axis, Y-axis, and Z-axis) and forces in directions of axes (W-axis, P-axis, and R-axis) around the three axes.
  • Moments (Mx, My, Mz) as forces are detected.
  • FIG. 3 shows an enlarged perspective view of the first work and the second work in this embodiment.
  • robot device 5 performs control to fit first work 71 to second work 72 .
  • the robot device 5 is driven by the robot 1 to move the first work 71 toward the second work 72 .
  • the first work 71 is inserted into the concave portion 72 a of the second work 72 as indicated by an arrow 91 .
  • the first workpiece 71 of this embodiment has a cylindrical shape.
  • the end surface of the first work 71 is planar.
  • the second workpiece 72 has a rectangular parallelepiped shape.
  • a second work 72 is fixed to a workbench 75 .
  • the concave portion 72a of the second work 72 is formed in a cylindrical shape.
  • the concave portion 72a has a shape corresponding to the shape of the first work 71 so that the first work 71 is fitted therein.
  • the control device 4 performs control to fit the cylindrical work 71 into the recess 72 a of the work 72 .
  • the central axis 71a of the work 71 and the central axis 72aa of the recess 72a are on the same line, the work 71 is smoothly inserted into the recess 72a of the work 72.
  • the central axis 71a may deviate in position or posture with respect to the central axis 72aa.
  • control device 4 performs force control based on the output of the force sensor 24 when fitting the workpiece 71 into the recess 72a.
  • control for adjusting the position and posture of the robot based on the force detected by the force detector is called force control.
  • Force control utilizes the force generated when the workpieces come into contact with each other.
  • the control device 4 Based on the force detected by the force sensor 24 as a force detector, the control device 4 performs control to change the speed in the direction perpendicular to the moving direction of the work and control to change the orientation of the work. be able to.
  • the control device 4 can perform compliance control, impedance control, or the like based on the force detected by the force sensor 24, for example.
  • a control point corresponds to an action point at which an external force acts on the robot device 5 or the workpiece 71 .
  • a work tip point 73 is predetermined as a control point on the end face of the first work 71 .
  • the workpiece tip point 73 is arranged at the center of the planar circle on the end surface of the first workpiece 71 .
  • a direction indicated by an arrow 74 is set in advance as a movement direction of the work 71 supported by the robot 1 when fitting the work 71 into the recess 72a.
  • the force sensor 24 detects an external force acting on the point of action.
  • the robot device 5 of the present embodiment includes a calculation device that calculates the allowable value of external force.
  • the control device body 40 of the control device 4 functions as a computing device.
  • the control device body 40 includes a processing section 51 that performs arithmetic processing.
  • the processing unit 51 includes an allowable force calculation unit 54 that calculates an allowable value of external force that is allowed to act on the robot, workpiece, or work tool.
  • the processing unit 51 includes a movable range calculation unit 55 that calculates the region of the position of the action point where the current target value of the external force is equal to or less than the allowable value when the position and posture of the robot 1 change.
  • the processing unit 51 includes a model generation unit 56 that generates a model of the robot device and a model of the work based on the three-dimensional shape data 58 of the robot device and the work.
  • Processing unit 51 includes a display control unit 57 that controls an image displayed on display unit 39 of teaching operation panel 37 .
  • the operation program 46 includes a program for performing calculations regarding the allowable value of external force and generating a model of the constituent members of the robot device.
  • the processing unit 51 corresponds to a processor driven according to the operating program 46 .
  • the processor functions as the processing unit 51 by executing control defined in the operating program 46 .
  • each unit of the allowable force calculation unit 54 , the movable range calculation unit 55 , the model generation unit 56 , and the display control unit 57 corresponds to a processor driven according to the operation program 46 .
  • Each unit functions by the processor executing the control defined in the operating program 46 .
  • the motion control unit 43 performs force control based on the motion program 46.
  • the motion control section 43 acquires the output of the force sensor 24 .
  • the motion control unit 43 calculates an external force in a predetermined direction of action at the work tip point 73 as the point of action. For example, the motion control unit 43 sets an axis in the movement direction indicated by an arrow 74 and an axis orthogonal to the movement direction.
  • the motion control unit 43 calculates the force applied in the direction of these axes and the moment around the axes as external forces acting on the workpiece tip point 73 .
  • the motion control unit 43 can control the motion of the robot 1 so that the external force acting on the workpiece tip point 73 reaches a predetermined target value. For example, when the workpiece 71 is moved in the moving direction indicated by the arrow 74 and the workpiece 71 contacts the workpiece 72, the motion control unit 43 controls the force acting in the direction opposite to the moving direction indicated by the arrow 74 to be the target value. to control the position and attitude of the robot 1. In other words, the motion control unit 43 controls the position and posture of the robot 1 so that the force pressing the workpiece 71 in the direction indicated by the arrow 74 becomes a target value. In addition, the motion control unit 43 controls the robot 1 so that the forces in the directions of the axes perpendicular to the directions indicated by the arrows 74 and the moments around these axes reach predetermined target values.
  • the motion control unit 43 can perform force control to control the motion of the robot so that the external force acting on the point of action in the predetermined direction of action reaches the target value.
  • the fitting operation can be performed while correcting the position and posture of the first work 71 with respect to the recess 72a.
  • a target value of the external force is set in the operation program 46 as a parameter for implementing force control.
  • the first work 71 comes into contact with the second work 72 as another object when performing the fitting work. Then, the position and attitude of the work 71 are adjusted based on the external force acting on the work 71 .
  • a load is applied to the constituent members of the robot 1 and the hand 2 while the work 71 is in contact with the work 72 .
  • tensile force, compressive force, bending moment, torsional moment, and the like are applied as loads to respective constituent members such as upper arm 11, lower arm 12, swivel base 13, and wrist portion 15.
  • torque around the rotation axis is applied as a load to the constituent members such as the robot drive motor 22 and the speed reducer arranged at each of the joints 18a, 18b, and 18c.
  • torque is applied to the torque sensor as a load.
  • the allowable value of the load that can be applied to the constituent members of the robot 1 is predetermined. If the load on the constituent members exceeds the allowable value, there is a risk that each constituent member will malfunction. For example, components may break or malfunction. As a result, there is a possibility that the robot device will not operate normally.
  • the robot device It is preferable to drive the robot device so that the load applied to its constituent members is below the allowable value. In particular, it is preferable to drive the robot so that the load acting on each component does not exceed physical or mechanical tolerances.
  • Physical allowable values correspond to allowable values of torsional moment, bending moment, compressive force, tensile force, etc. acting on a component member such as an arm.
  • the mechanical allowable value corresponds to an allowable value such as torque or compressive force acting on a component composed of a plurality of parts such as bearings and speed reducers.
  • the allowable value for the safety function corresponds to the allowable value for stopping the robot when it contacts another object.
  • the load applied to each component is below the allowable value.
  • a load corresponding to the force when pressing the first work 71 against the second work is generated in each of the constituent members.
  • the target value of the external force it is preferable to set the target value of the external force to an appropriate value so that the force acting on the workpiece tip point 73 does not become too large.
  • FIG. 4 shows a schematic diagram of the robot device when the robot is in the first position and posture.
  • FIG. 5 shows a schematic diagram of the robot apparatus when the robot is in the second position and orientation. 4 and 5, each figure shows a contact surface 89 with which the first workpiece 71 contacts.
  • the contact surface 89 corresponds to the surface of the object against which the first workpiece 71 is pressed.
  • the robot 1 presses the first workpiece 71 toward the contact surface 89 with a constant force along the moving direction indicated by the arrow 74 . That is, the external force acting on the workpiece tip point 73 is the same between the first position and posture and the second position and posture.
  • the torque applied to the constituent members such as the torque sensor arranged in the joint portion 18a depends on the external force acting on the workpiece tip point 73 and the distance from the workpiece tip point 73 to the drive shaft of the joint portion 18a.
  • the distance from the drive shaft of the joint portion 18a to the workpiece tip point 73 at the second position and posture is longer than the distance from the drive shaft of the joint portion 18a to the workpiece tip point 73 at the first position and posture. Therefore, with respect to the torque applied to the constituent members arranged in the joint portion 18a, the torque at the second position and posture is greater than the torque at the first position and posture.
  • the bending moment at the second position and posture is larger than the bending moment at the first position and posture.
  • the load acting on the structural members of the robot device changes according to the position and posture of the robot.
  • the torque applied to the components arranged in the joint portion 18a is maximized at the position and posture of the robot where the position of the workpiece tip point 73 is the furthest from the drive shaft of the joint portion 18a.
  • a certain allowable value of external force was determined so that the load acting on the constituent members of the robot device was below the allowable value in various robot positions and postures. For example, as shown in FIG. 5, when the upper arm 11 and the lower arm 12 are greatly extended, the allowable value of the external force is set so that the torque applied to the joint portion 18a is below the allowable value. For this reason, an allowable value for a small external force has been set.
  • the target value of the external force is determined based on the allowable value of the external force, a small target value of the external force is adopted. For example, in the first position and orientation shown in FIG. 4, although a large external force can be applied to the workpiece tip point 73, the target value of the small external force set based on the second position and orientation shown in FIG. The robot is driven by As a result, the working time of the robot device may become long.
  • control device 4 in the present embodiment calculates the allowable value of external force according to the state in which the robot device is driven.
  • the allowable force calculation unit 54 of the processing unit 51 calculates the allowable value of external force that can be applied to the point of action based on the position and orientation of the robot.
  • the permissible force calculation unit 54 calculates the permissible value of the external force in the direction in which the external force acts, based on the position of the point of action on which the external force acts and the permissible value of the load of the constituent members of the robot.
  • the permissible value of the external force acting on the tip end point 73 of the workpiece is calculated when force control is performed.
  • the worker can obtain the allowable value of the external force during teaching work.
  • the operator manually operates the robot 1 to bring the first work 71 into contact with the surface of the second work 72 .
  • the operator operates the teaching operation panel 37 to change the position and posture of the robot so that the first work 71 contacts the second work 72 .
  • the allowable force calculation unit 54 acquires the position and posture of the robot based on the output of the position detector 19.
  • the allowable force calculation unit 54 acquires the position of the work tip point 73 as the point of action on which the external force acts.
  • the workpiece tip point 73 moves together with the first workpiece 71 and the hand 2 .
  • the robot device 5 is calibrated so that the position of the workpiece tip point 73 can be calculated when the position and posture of the robot are determined.
  • the position of the workpiece tip point 73 is determined in advance by the coordinate values of the tool coordinate system.
  • a flange coordinate system having an origin at the flange 16 of the robot 1 and moving together with the flange 16 can be set.
  • the position of the workpiece tip point 73 can be determined in advance in the flange coordinate system.
  • the allowable force calculation unit 54 can calculate the position of the work tip point 73 in the reference coordinate system 76 based on the position of the work tip point 73 in the tool coordinate system or the flange coordinate system and the position and posture of the robot 1. .
  • the permissible force calculator 54 also detects the acting direction of the external force based on the output of the force sensor 24 . Alternatively, a predetermined direction may be adopted as the acting direction of the external force.
  • the load applied to each component of the robot 1 can be calculated. Constants necessary for load calculation, such as the shape, size and weight of each component, are stored in advance in the storage unit 42 .
  • the position and orientation of each component such as an arm can be calculated based on the position and orientation of the robot 1 .
  • the positions of the joints 18a, 18b, and 18c can be calculated from the position and orientation of the robot 1.
  • the allowable force calculation unit 54 calculates loads such as tensile force, compressive force, bending moment, and torsional moment in constituent members such as the upper arm 11 and the lower arm 12 based on a predetermined external force and the direction of action of the external force. can be calculated. In addition, the allowable force calculator 54 can calculate the torque applied to the constituent members arranged at the joints 18a, 18b, and 18c. Each load calculation method is determined in advance and stored in the storage unit 42 . The allowable force calculator 54 can calculate the load applied to each component based on the position and orientation of each component.
  • the allowable force calculation unit 54 calculates the load applied to the constituent member while gradually increasing the external force applied to the workpiece tip point 73 in a predetermined direction of action from a small initial value. For example, the allowable force calculator 54 gradually increases the external force applied to the workpiece tip point 73 from zero by a predetermined increase amount in the moving direction indicated by the arrow 74 . A load applied to each component of the robot apparatus is calculated. Then, the allowable force calculation unit 54 detects that the load of at least one of the plurality of constituent members exceeds the allowable value of the load. Based on the external force at this time, the allowable force calculator 54 can determine the allowable value of the external force at which the loads of all the constituent members are within the allowable value.
  • the allowable force calculation unit 54 determines the maximum value of the external force when the loads of all the constituent members are within the allowable value when the external force applied to the workpiece tip point 73 is gradually increased, as the allowable value of the external force. be able to.
  • the allowable value of the external force acting on the point of action can be calculated according to the position of the point of action, the direction in which the external force acts, and the position and posture of the robot.
  • the direction in which the allowable value of the external force is calculated is not limited to the form described above. Any method can be used to calculate the allowable value of the external force so that the loads of all the constituent members do not exceed the allowable value.
  • the allowable force calculation unit 54 acquires an allowable load value that can be applied to each component.
  • the allowable force calculation unit 54 calculates the allowable value of external force that can be applied in the action direction at the tip end point 73 of the workpiece from the allowable values of the loads of the constituent members based on the position and orientation of the robot.
  • the allowable force calculation unit 54 calculates the allowable value of the external force at the tip end point 73 of the workpiece with respect to the allowable values of the loads of all the constituent members.
  • the allowable force calculation unit 54 can adopt the smallest allowable value of external force among the allowable values of the external force for the allowable values of the loads of all the constituent members as the allowable value of the external force that can be applied to the tip end point 73 of the workpiece. .
  • the display control unit 57 displays the allowable value of the external force calculated by the allowable force calculation unit 54 on the display unit 39 of the teaching operation panel 37.
  • the operator can see the permissible value of the external force and determine the target value of the external force when performing force control.
  • the target value of the external force can be set to be equal to or less than the allowable value of the external force.
  • the operator can adopt a value slightly smaller than the allowable value of the external force as the target value of the external force.
  • the operator can set the target value of the external force in the operation program.
  • the permissible value of the external force calculated by the processing unit 51 in this embodiment includes the position and posture of the robot, the permissible value of the load of each component, the position of the point of action where the external force acts, and the direction of action of the external force. Based on For this reason, it is possible to set the target value of the external force that the robot apparatus can apply to the workpiece according to the state of the robot. In particular, it is possible to set the target value of the external force according to the position and posture of the robot. Therefore, it is possible to avoid setting the external force target value to a small value for all positions and postures of the robot. Alternatively, it is possible to prevent the robot device from automatically stopping due to the target value of the external force being too large.
  • a target value of external force larger than that of the conventional technology is set, or the robot is driven with an allowable value of external force larger than that of the conventional technology. be able to. Therefore, it is possible to shorten the working time of the robot device.
  • the force for pressing the first workpiece 71 against the second workpiece 72 can be increased, and the operation of fitting the workpieces can be performed in a shorter time than the conventional technique. can be implemented.
  • the motion control unit 43 of this embodiment can control the motion of the robot so that the magnitude of the external force acting on the point of action is equal to or less than the allowable value of the external force.
  • the motion control unit 43 of the present embodiment can control the motion of the robot 1 so that the external force acting on the workpiece tip point 73 becomes the target value of the external force.
  • the allowable value of the external force acting on the action point may be set in the operation program.
  • the motion control unit calculates the external force acting on the point of action based on the output of the force sensor while the robot is being driven. When the external force acting on the point of action approaches the allowable value, the motion control unit controls the driving state of the robot, such as the operating speed of the robot or the position and orientation of the robot, so that the force acting on the point of action becomes smaller. can do.
  • FIG. 6 shows a first image displayed on the display section of the teaching console in this embodiment.
  • three-dimensional shape data 58 of the constituent members and workpieces that make up the robot apparatus are created in advance.
  • the three-dimensional shape data 58 for example, data output from a CAD (Computer Aided Design) device can be used.
  • the three-dimensional shape data 58 are stored in the storage unit 42 . Further, the positions of the first work 71 and the second work 72 with respect to the actual robot device 5 are determined and set in advance.
  • the model generation unit 56 generates a three-dimensional model of the robot device and the work based on the three-dimensional shape data of the robot device and the three-dimensional shape data of the work.
  • the model generation unit 56 acquires the position and orientation of the robot 1 based on the output of the position detector 19 .
  • a three-dimensional model is generated that corresponds to the position and pose of the robot.
  • the model generator 56 arranges the model in the virtual space according to the actual position of the robot device and the position of the workpiece.
  • the display control unit 57 displays the model image generated by the model generation unit 56 on the display unit 39 .
  • the display control unit 57 generates an image of the model when viewed from a predetermined direction.
  • a robot model 1M, a force sensor model 24M, a hand model 2M, a first workpiece model 71M, and a second workpiece model 72M are displayed.
  • the position and orientation of the robot model 1M in the image 81 also change.
  • the display control unit 57 of the present embodiment can display the allowable value of the external force calculated by the allowable force calculation unit 54 superimposed on the image of the robot 1 .
  • a model 73M of the tip point of the workpiece and an arrow 74M indicating the acting direction of the external force are displayed.
  • "MAX: 50N" is displayed as the allowable value of the external force that can be applied to the tip of the workpiece as the point of action. That is, it is displayed that the allowable value of the external force is 50N at the current position and orientation of the robot.
  • the permissible value of the external force also changes.
  • the operator can look at the image 81 and determine the target value of the external force when performing force control. For example, the operator can set the same value as the allowable value of the external force in the operation program 46 as the target value.
  • the processing unit 51 may automatically set the target value of the external force in the operation program 46 based on the allowable value of the external force calculated by the allowable force calculation unit 54 . As the target value of the external force, a value equal to or less than the allowable value of the external force can be set.
  • the allowable value of external force is set in the operation program.
  • the operator can set the allowable value of the external force calculated by the allowable force calculator 54 in the operation program.
  • the processing unit 51 may automatically set the allowable value of the external force calculated by the allowable force calculation unit 54 to the operation program.
  • the display unit 39 indicates the allowable value of the external force by a number next to the arrow indicating the direction of action of the external force, but it is not limited to this form.
  • the display unit may indicate the allowable value of the external force by the length of the arrow. For example, the display unit can display a longer arrow as the allowable value of the external force increases.
  • Fig. 7 shows the second image displayed on the display section of the teaching operation panel.
  • a robot model 1M a visual sensor model 24M, a hand model 2M, and a first workpiece model 71M are displayed.
  • movable range calculator 55 calculates a region 87M of the position of the point of action where the current target value of the external force is equal to or less than the allowable value of the external force when the position and posture of the robot change. do.
  • the movable range calculator 55 calculates a region 87M in which the position and posture of the robot can be changed with a predetermined target value of the external force.
  • a region 87M is a range in which the point of action can move.
  • the display control unit 57 displays the area 87M superimposed on the image of the robot.
  • an area 87M in which the point of action can be moved is shown within a plane where the height from the installation surface of the robot 1 to the point of action is constant. Note that the region in which the point of action can move may be searched for and displayed in a three-dimensional region.
  • the movable range calculator 55 acquires the current position of the point of action.
  • the movable range calculator 55 acquires the current position of the point of action in the reference coordinate system 76 .
  • a plane with a constant height from the installation surface is considered as the movable range of the point of action.
  • the movable range calculator 55 moves the position of the work tip point as the point of action in a plane by a predetermined direction and a predetermined distance.
  • the allowable force calculator 54 calculates the allowable value of the external force at the position of each action point.
  • the movable range calculation unit 55 determines that the point of action can move to that position.
  • the movable range calculator 55 determines that the point of action cannot move to that position.
  • the movable range calculator 55 performs control to move the position of the point of action little by little.
  • the movable range calculator 55 can calculate the region of the position of the point of action where the allowable value of the external force is equal to or greater than the target value of the external force.
  • the display control unit 57 can acquire the position to which the point of action can be moved from the movable range calculation unit 55, and display the area 87M.
  • the operator can confirm the range in which the point of action can be moved on the image 82 .
  • the operator can easily grasp the range in which the current target value of the external force can be adopted. In this manner, the operator can set the target value of the external force for force control while manually driving the robot device 5 using the teaching operation panel 37 .
  • the control device 4 can automatically set or change the target value of the external force based on the position and orientation of the robot during force control.
  • allowable force calculation unit 54 of processing unit 51 acquires the position and orientation of the robot based on the output of position detector 19 while force control is being performed.
  • the permissible force calculation unit 54 calculates the current permissible value of the external force based on the current position and orientation of the robot.
  • the allowable force calculator 54 can calculate the allowable value of the external force for each predetermined interval. Alternatively, when performing force control, the allowable value of the external force may be calculated for one position and posture of the robot.
  • the processing unit 51 calculates the target value of the external force when performing force control based on the allowable value of the external force. For example, the processing unit 51 can set the allowable value of the external force to the target value of the external force. Alternatively, the processing unit 51 may set the target value of the external force by multiplying the allowable value of the external force by a predetermined constant less than one. The processing unit 51 sends the target value of the external force set based on the allowable value of the external force to the operation control unit 43 . The motion control unit 43 can perform force control to bring the first workpiece into contact with another object based on the acquired target value of the external force. By performing this control, it is possible to set or change the target value of the external force according to the position and posture of the robot while the robot is performing a predetermined task. Since the work can be performed with the optimum external force target value, the work time can be shortened.
  • the processing unit 51 can perform control to issue a warning to notify the operator.
  • the allowable force calculation unit 54 calculates the allowable value of the external force.
  • the processing unit 51 can display a warning on the display unit.
  • the processing unit 51 can notify the operator by an alarm or the like. The operator can avoid setting too large a target value of the external force.
  • the motion control unit 43 can perform control to stop the robot 1 when the target value of the external force exceeds the allowable value of the external force while the robot 1 is being driven.
  • the target value of the external force may be predetermined in the operation program 46 .
  • the allowable force calculator 54 calculates the allowable value of the external force while the robot is driving. Then, when the target value of the external force exceeds the allowable value of the external force, the motion control section 43 can perform control to stop the robot 1 .
  • FIG. 8 shows a block diagram of a simulation device according to this embodiment.
  • the computing device of this embodiment can be arranged in a simulation device.
  • the simulation device 6 arranges the three-dimensional model of the robot, the three-dimensional model of the working tool, and the three-dimensional model of the workpiece in the same virtual space.
  • the simulation device 6 of the present embodiment simulates the motion of the robot device 5 described above.
  • the simulation device 6 in the present embodiment is composed of an arithmetic processing device (computer) including a CPU as a processor.
  • the simulation device 6 includes a storage unit 63 that stores arbitrary information regarding simulation of the robot device 5 .
  • the storage unit 63 can be configured by a non-temporary storage medium capable of storing information.
  • the storage unit 63 can be configured with a storage medium such as a volatile memory, a nonvolatile memory, a magnetic storage medium, or an optical storage medium.
  • a program for simulating the robot apparatus is stored in the storage unit 63 .
  • the simulation device 6 includes an input unit 61 for inputting information regarding simulation of the robot device 5 .
  • the input unit 61 is composed of operating members such as a keyboard, mouse, and dial.
  • the simulation device 6 includes a display section 62 that displays information regarding simulation of the robot device 5 .
  • the display unit 62 is composed of an arbitrary display panel such as a liquid crystal display panel or an organic EL display panel. Note that when the simulation apparatus includes a touch panel type display panel, the display panel functions as an input unit and a display unit.
  • the simulation device 6 functions as a calculation device that calculates the allowable value of the external force acting on the point of action.
  • the simulation device 6 includes a processing unit 64 that performs arithmetic processing for simulating the robot device 5 . Similar to the processing unit 51 of the robot control device 4 of the present embodiment, the processing unit 64 includes a model generation unit 56 that generates a model based on the three-dimensional shape data 58, an allowable force calculation unit that calculates an allowable value of external force, and a 54, and a movable range calculator 55 that calculates the range in which the robot can be driven with a predetermined target value of the external force (see FIG. 2).
  • the three-dimensional shape data 58 of the constituent members and workpieces constituting the robot device are input to the simulation device 6 (see FIG. 2).
  • the three-dimensional shape data 58 are stored in the storage section 63 .
  • the processing unit 64 includes a simulation execution unit 65 that simulates the motion of the robot device 5 .
  • the simulation execution unit 65 has a function of moving the model of the robot device. Alternatively, the simulation execution unit 65 simulates the motion of the robot device 5 based on the motion program 46 created in advance.
  • Processing unit 64 includes a display control unit 66 that controls an image displayed on display unit 62 based on the output of simulation execution unit 65 .
  • the processing unit 64 corresponds to a processor driven according to a program for executing simulation.
  • the processor functions as the processing unit 64 by reading the simulation program and performing control determined by the program.
  • each unit of the model generation unit 56, the simulation execution unit 65, the allowable force calculation unit 54, the movable range calculation unit 55, and the display control unit 66 included in the processing unit 64 corresponds to a processor driven according to the simulation program. do.
  • the processors function as respective units by executing control defined in the program.
  • Fig. 9 shows an example of an image displayed on the display unit of the simulation device.
  • the display unit 62 of the simulation device 6 displays a three-dimensional model image similar to the display unit 39 of the robot control device 4 .
  • a worker can input design values for the position where the robot is installed and the position where the work is arranged through the input unit 61 . Also, the position of the workpiece with respect to the robot is preset by the operator.
  • the image 83 displays a robot model 1M, a force sensor model 24M, a hand model 2M, a first workpiece model 71M, and a second workpiece model 72M.
  • the simulation execution unit 65 calculates the current position and orientation of the robot 1 according to the operation of the input unit 61 by the operator. Alternatively, the simulation execution unit 65 calculates the position and orientation of the robot at a predetermined time based on the motion program 46 .
  • the model generator generates a robot model 1M based on the position and orientation of the robot.
  • the display control unit 66 displays a model image on the display unit 62 according to the output of the simulation execution unit 65 and the three-dimensional model generated by the model generation unit 56 .
  • the simulation device 6 can calculate the allowable value of the external force while simulating the motion of the robot device 5 .
  • the position of the point of action can be determined in advance and designated by the operator.
  • the direction of action of the external force acting on the point of action can predetermine a plurality of directions and carry out the simulation.
  • the allowable force calculator 54 can calculate the allowable value of the external force acting on the point of action based on the position and orientation of the robot.
  • the display unit 62 of the simulation device 6 displays the allowable value of the external force calculated by the allowable force calculation unit 54, and the action point calculated by the movable range calculation unit 55. A region of locations can be displayed (see FIGS. 6 and 7).
  • simulations can be performed without using the actual robot device. Therefore, when generating an operation program off-line, it is possible to calculate the allowable value of the external force and the range in which the action point can move. Moreover, it can be used for designing a system including a robot device. For example, it is possible to consider the positions for arranging peripheral devices such as a robot device and a pedestal.
  • the display unit in the present embodiment is a display panel arranged on the teaching operation panel or a display panel arranged on the simulation device.
  • the display unit may be composed of, for example, a display panel of a tablet terminal.
  • the display section may be composed of a display panel arranged in a personal computer.
  • the display unit may be located in a computer that generates images of augmented reality.
  • augmented reality image for example, the allowable value of the external force can be displayed on the image of the robot device captured by the tablet terminal.
  • the processing unit of the simulation apparatus of the present embodiment is composed of an arithmetic processing unit separate from the robot control unit, but is not limited to this form.
  • the robot control device may have the function of the simulation device. That is, the processor of the arithmetic processing unit of the control device may have the function of the processing section of the simulation device.
  • the teaching console panel may have the function of a simulation device. That is, the processor of the teaching console may function as the processing section of the simulation device.
  • the point of action where the external force acts is set on the workpiece, but the point of action is not limited to this form, and the point of action can be set at any position on the robot or work tool. Also in this case, the calculation device can calculate the allowable value of the external force acting in the action direction at the point of action.
  • a 6-axis force sensor is arranged on the wrist as a force detector, but the present invention is not limited to this form. Any sensor capable of detecting an external force acting on the point of action can be employed as the force detector.
  • a torque sensor may be arranged at the joint of the robot. A plurality of torque sensors are arranged on the drive shafts of the plurality of joints of the robot. Each torque sensor detects torque about the drive shaft of the joint.
  • the force sensor may be arranged on the base of the robot.
  • control for fitting a cylindrical work is shown, but the control of the present embodiment can be applied to works of any shape. Also, in the present embodiment, control for fitting one work to another work is exemplified, but the present invention is not limited to this form.
  • the control device and the simulation device of the present embodiment can be applied to a robot device that performs work in which one work contacts another object.
  • the fitting work is not limited to the work of inserting the workpiece into the recess or the hole. For example, it involves placing the gear in place while phasing the teeth of the gear.

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Abstract

制御装置は、ロボット、ワーク、またはハンドに対して作用することが許容される外力の許容値を算出する処理部を備える。ロボットの構成部材に対して加えることができる負荷の許容値は予め定められている。処理部は、ロボットの位置および姿勢、外力が作用する作用点の位置、ロボットの構成部材の負荷の許容値に基づいて、外力が作用する作用方向における外力の許容値を算出する。

Description

ロボット装置またはワークに作用する外力の許容値を算出する計算装置およびロボットの制御装置
　本発明は、ロボット装置またはワークに作用する外力の許容値を算出する計算装置およびロボットの制御装置に関する。
　従来技術においては、ワークを把持するハンドをロボットに取り付けて、ロボットが位置および姿勢が変化することにより、ワークを所定の位置に搬送するロボット装置が知られている。ワークを移動する時にワークの位置および姿勢を精密に調整する作業としては、１つのワークを他のワークに接触させたり嵌合したりする作業が知られている。
　ロボット装置がワークの位置および姿勢を精密に調整するために、ロボットに力センサを取り付けることが知られている。１つのワークが他のワークに接触したときに力センサから出力される力に基づいて、ロボットの位置および姿勢を調整することができる。例えば、一方のワークの表面と他方のワークの表面とが合わさった状態となるように、両方のワーク同士に作用する力に基づいて、ロボットを駆動することが知られている（例えば、特開２０１７－１９０３９号公報）。
特開２０１７－１９０３９号公報
　ロボットに力センサを取り付けることにより、ロボット装置またはワークに設定された作用点に作用する外力を検出することができる。作業者は、ロボットが駆動することにより作用点に作用する所定の方向における外力の目標値を動作プログラムに設定することができる。ロボットの制御装置は、作用点に作用する外力が目標値になるようにロボットを駆動することができる。
　ロボット装置またはワークに外力が作用した場合に、アーム、モータ、およびセンサなどのロボットを構成する構成部材には負荷が加わる。例えば、構成部材には曲がる力が加わったり、回動軸においてはトルクが加わったりする。それぞれの構成部材に加わる負荷が負荷の許容値を超えてしまうと、構成部材が破損したり、ロボットが正常に駆動しなくなったりする虞がある。このために、それぞれの構成部材に加わる負荷が許容値以下になるように、ロボットを制御することが好ましい。
　従来の技術においては、ロボット装置に異常が生じないように、作用点に作用する外力の目標値を低く設定することができる。例えば、それぞれの構成部材について、作用点に作用させることができる外力の大きさを算出する。様々なロボットの位置および姿勢において、作用点に作用することができる外力のうち、最も小さな値を外力の許容値として定めることができる。そして、外力の目標値は、外力の許容値以下の値を設定することができる。このように、作用点に作用する外力が最小になる条件（最も悪い条件）にて外力の許容値を設定していた。
　このような外力の許容値の範囲は、例えば操作マニュアルに記載されている。そして、作業者は、許容値の範囲から目標値を設定していた。このために、所定のロボットの位置および姿勢では、大きな外力を作用点に作用させることができる場合でも、小さい外力の目標値にてロボットを駆動していた。この結果、ロボット装置の作業時間が長くなる場合が有った。
　または、ロボットの制御装置は、作用点に作用する外力が許容値を超えた状態でロボットを駆動しないように制御を実施する。例えば、制御装置は、外力の許容値を超えるようなロボットの駆動状態になった場合に、警告を発信して、ロボットを停止する制御を行っていた。しかしながら、この制御では、ロボット装置が停止した後に復旧するための作業が必要になる。この結果、サイクルタイムは長くなってしまい、生産性が悪くなるという問題があった。
　本開示の態様の計算装置は、ロボット、ワーク、または作業ツールに対して作用することが許容される外力の許容値を算出する処理部を備える。ロボットの構成部材に対して加えることができる負荷の許容値は予め定められている。処理部は、ロボットの位置および姿勢、外力が作用する作用点の位置、ロボットの構成部材の負荷の許容値に基づいて、外力が作用する作用方向における外力の許容値を算出する。
　本開示の態様のロボットの制御装置は、前述の計算装置と、ロボットの動作を制御する動作制御部とを備える。
　本開示の態様によれば、ロボット装置またはワークに作用する外力の許容値を算出する計算装置およびロボットの制御装置を提供することができる。
実施の形態におけるロボット装置の概略図である。 実施の形態におけるロボット装置のブロック図である。 第１のワークを第２のワークに嵌合するときのワークの拡大斜視図である。 ロボットを第１の位置および姿勢にしたときのロボット装置の概略図である。 ロボットを第２の位置および姿勢にしたときのロボット装置の概略図である。 教示操作盤の表示部に表示される第１の画像である。 教示操作盤の表示部に表示される第２の画像である。 実施の形態におけるシミュレーション装置のブロック図である。 シミュレーション装置の表示部に表示される画像である。
　図１から図９を参照して、実施の形態における計算装置および計算装置を備えるロボットの制御装置について説明する。本実施の形態の計算装置は、ロボット装置またはロボット装置が把持するワークに対して加わる外力の許容値を算出する。
　図１は、本実施の形態におけるロボット装置の概略図である。ロボット装置５は、作業ツールとしてのハンド２と、ハンド２を移動するロボット１とを備える。本実施の形態のロボット１は、複数の関節部１８ａ，１８ｂ，１８ｃを含む多関節ロボットである。ロボット１は、移動可能な複数の構成部材を含む。ロボット１の構成部材は、それぞれの駆動軸の周りに回転するように形成される。
　本実施の形態のロボット１は、ベース部１４と、ベース部１４に対して回転する旋回ベース１３とを含む。ロボット１は、上部アーム１１および下部アーム１２を含む。下部アーム１２は、旋回ベース１３に回動可能に支持されている。上部アーム１１は、下部アーム１２に回動可能に支持されている。ロボット１は、上部アーム１１に回動可能に支持されている手首部１５を含む。手首部１５のフランジ１６には、ハンド２が固定されている。更に、上部アーム１１またはフランジ１６は、所定の駆動軸の周りに回転する。
　本実施の形態のロボットは、６個の駆動軸を有するが、この形態に限られない。任意の機構にて位置および姿勢を変更するロボットを採用することができる。また、本実施の形態の作業ツールは、２つの爪部を有するハンドであるが、この形態に限れられない。作業ツールは、ロボット装置が行う作業に応じた任意の装置を採用することができる。
　本実施の形態のロボット装置５には、基準座標系７６が設定されている。基準座標系７６はワールド座標系とも称される。基準座標系７６は、原点の位置が固定され、更に、座標軸の向きが固定されている座標系である。また、ロボット装置５には、作業ツールの任意の位置に設定された原点を有するツール座標系が設定されている。本実施の形態では、ツール座標系の原点は、ハンド２の２つの爪部の先端同士の中間点であるツール先端点に設定されている。ツール座標系は、作業ツールと共に位置および姿勢が変化する座標系である。ロボット１の位置は、基準座標系７６におけるツール座標系の原点の位置に対応する。また、ロボット１の姿勢は、基準座標系７６に対するツール座標系の向きが対応する。
　図２に、本実施の形態におけるロボット装置のブロック図を示す。図１および図２を参照して、ロボット１は、ロボット１の位置および姿勢を変化させるロボット駆動装置を含む。ロボット駆動装置は、アームおよび手首部等の構成部材を駆動するロボット駆動モータ２２を含む。本実施の形態では、それぞれの駆動軸に対応して複数のロボット駆動モータ２２が配置されている。
　ロボット装置５は、ハンド２を駆動するハンド駆動装置を備える。ハンド駆動装置は、ハンド２の爪部を駆動するハンド駆動モータ２１を含む。ハンド駆動モータ２１が駆動することによりハンド２の爪部が開いたり閉じたりする。なお、ハンドは、空気圧等により駆動するように形成されていても構わない。
　ロボット装置５は、ロボット１およびハンド２を制御する制御装置４を備える。制御装置４は、制御装置本体４０と、作業者が制御装置本体４０を操作するための教示操作盤３７とを含む。制御装置本体４０は、プロセッサとしてのＣＰＵ（Central Processing Unit）を有する演算処理装置（コンピュータ）を含む。演算処理装置は、ＣＰＵにバスを介して接続されたＲＡＭ（Random Access Memory）およびＲＯＭ（Read Only Memory）等を有する。
　教示操作盤３７は、通信装置を介して制御装置本体４０に接続されている。教示操作盤３７は、ロボット１およびハンド２に関する情報を入力する入力部３８を含む。入力部３８は、キーボードおよびダイヤルなどの入力部材により構成されている。教示操作盤３７は、ロボット１およびハンド２に関する情報を表示する表示部３９を含む。表示部３９は、液晶表示パネルまたは有機ＥＬ（Electro Luminescence）表示パネル等の任意の表示パネルにて構成されることができる。なお、教示操作盤がタッチパネル方式の表示パネルを備える場合に、表示パネルは入力部および表示部として機能する。
　制御装置４には、ロボット１およびハンド２の動作を行うために予め作成された動作プログラム４６が入力される。または、作業者が教示操作盤３７を操作してロボット１を駆動することにより、ロボット１の教示点を設定することができる。制御装置４は、教示点に基づいて、動作プログラム４６を生成することができる。
　制御装置本体４０は、ロボット１およびハンド２の動作を制御する動作制御部４３を含む。動作制御部４３は、ロボット１を駆動するための動作指令をロボット駆動部４５に送出する。ロボット駆動部４５は、ロボット駆動モータ２２を駆動する電気回路を含む。ロボット駆動部４５は、動作指令に基づいてロボット駆動モータ２２に電気を供給する。また、動作制御部４３は、ハンド２を駆動する動作指令をハンド駆動部４４に送出する。ハンド駆動部４４は、ハンド駆動モータ２１を駆動する電気回路を含む。ハンド駆動部４４は、動作指令に基づいてハンド駆動モータ２１に電気を供給する。
　制御装置本体４０は、ロボット１およびハンド２の制御に関する情報を記憶する記憶部４２を含む。記憶部４２は、情報の記憶が可能で非一時的な記憶媒体にて構成されることができる。例えば、記憶部４２は、揮発性メモリ、不揮発性メモリ、磁気記憶媒体、または光記憶媒体等の記憶媒体にて構成することができる。動作プログラム４６は、記憶部４２に記憶される。
　動作制御部４３は、動作プログラム４６に従って駆動するプロセッサに相当する。プロセッサは、記憶部４２に記憶された情報を読み取り可能に形成されている。プロセッサが動作プログラム４６を読み込んで、動作プログラム４６に定められたロボット１およびハンド２の制御を実施することにより、動作制御部４３として機能する。また、プロセッサが教示操作盤３７の入力部３８の操作に基づいてロボット１およびハンド２を駆動することにより、動作制御部４３として機能する。
　ロボット１は、ロボット１の位置および姿勢を検出するための状態検出器を含む。本実施の形態における状態検出器は、それぞれの駆動軸のロボット駆動モータ２２に取り付けられた回転位置を検出する位置検出器１９を含む。位置検出器１９は、ロボット駆動モータ２２の出力シャフトの回転角を検出するエンコーダにより構成することができる。本実施の形態では、複数の位置検出器１９の出力に基づいて、ロボット１の位置および姿勢が検出される。
　制御装置４は、ロボット１に取り付けられた力検出器としての力覚センサ２４を含む。本実施の形態の力覚センサ２４は、６軸のセンサである。本実施の形態のロボット装置５では、力覚センサ２４は、フランジ１６とハンド２との間に配置されている。力覚センサ２４は、ワーク７１に作用する力およびモーメントを含む外力を検出する。力覚センサ２４としては、歪みセンサを含むセンサまたは静電容量式のセンサ等の任意の力覚センサを採用することができる。
　本実施の形態における力覚センサ２４には、センサに作用する力を検出するためのセンサ座標系が設定されている。力覚センサ２４にて検出される力には、センサ座標系における互いに直交する３軸の方向の力および３軸の周りの力が含まれる。より具体的には、力覚センサ２４は、直交３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸）方向の力と、３軸の回りの軸（Ｗ軸、Ｐ軸、およびＲ軸）方向の力としてのモーメント（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）を検出する。
　図３に、本実施の形態における第１のワークおよび第２のワークの拡大斜視図を示す。図１および図３を参照して、ロボット装置５は、第２のワーク７２に第１のワーク７１を嵌合させる制御を実施する。ロボット装置５は、ロボット１が駆動することにより第１のワーク７１を第２のワーク７２に向かって移動する。そして、矢印９１に示すように、第２のワーク７２の凹部７２ａに第１のワーク７１を挿入する。
　本実施の形態の第１のワーク７１は、円柱の形状を有する。第１のワーク７１の端面は平面状である。第２のワーク７２は、直方体の形状を有する。第２のワーク７２は、作業台７５に固定されている。第２のワーク７２の凹部７２ａは、円柱状に形成されている。凹部７２ａは、第１のワーク７１が嵌合するように第１のワーク７１の形状に対応する形状を有する。
　制御装置４は、円柱状のワーク７１をワーク７２の凹部７２ａに嵌合させる制御を実施する。このときに、ワーク７１の中心軸７１ａと凹部７２ａの中心軸７２ａａとが同一線上になる場合には、ワーク７１は、滑らかにワーク７２の凹部７２ａに挿入される。しかしながら、中心軸７１ａは中心軸７２ａａに対して位置または姿勢がずれる場合がある。
　図２および図３を参照して、制御装置４は、ワーク７１を凹部７２ａに嵌合する時に、力覚センサ２４の出力に基づいて力制御を実施する。本実施の形態では、力検出器にて検出される力に基づいて、ロボットの位置および姿勢を調整する制御を力制御と称する。力制御では、ワークが接触した時に生じる力を利用する。
　制御装置４は、力検出器としての力覚センサ２４にて検出される力に基づいて、ワークが移動する方向に直交する方向の速度を変化させる制御およびワークの向きを変化させる制御を実施することができる。制御装置４は、例えば、力覚センサ２４にて検出される力に基づいて、コンプライアンス制御またはインピーダンス制御等を実施することができる。
　このような力制御を実施する時には、力制御の基準となる制御点およびロボットにてワークを移動するための移動方向（ベクトル）が必要になる。制御点は、ロボット装置５またはワーク７１に対して外力が作用する作用点に相当する。本実施の形態のロボット装置５では、第１のワーク７１の端面に制御点としてワーク先端点７３が予め定められている。ワーク先端点７３は、第１のワーク７１の端面において平面形状の円の中心に配置されている。また、ワーク７１を凹部７２ａに嵌合する時に、ロボット１に支持されたワーク７１の移動方向として矢印７４に示す方向が予め設定される。力覚センサ２４は、作用点に作用する外力を検出する。
　本実施の形態のロボット装置５は、外力の許容値を算出する計算装置を備える。本実施の形態においては、制御装置４の制御装置本体４０が計算装置として機能する。制御装置本体４０は、演算処理を行う処理部５１を含む。処理部５１は、ロボット、ワーク、または作業ツールに対して作用することが許容される外力の許容値を算出する許容力算出部５４を含む。処理部５１は、ロボット１の位置および姿勢が変化した時に、現在の外力の目標値が許容値以下になる作用点の位置の領域を算出する可動範囲算出部５５を含む。処理部５１は、ロボット装置およびワークの３次元形状データ５８に基づいて、ロボット装置のモデルおよびワークのモデルを生成するモデル生成部５６を含む。処理部５１は、教示操作盤３７の表示部３９に表示する画像を制御する表示制御部５７を含む。
　動作プログラム４６には、外力の許容値に関する計算を実施したり、ロボット装置の構成部材のモデルを生成したりするためのプログラムが含まれている。処理部５１は、動作プログラム４６に従って駆動するプロセッサに相当する。プロセッサが動作プログラム４６に定められた制御を実施することにより、処理部５１として機能する。更に、許容力算出部５４、可動範囲算出部５５、モデル生成部５６、および表示制御部５７のそれぞれのユニットは、動作プログラム４６に従って駆動するプロセッサに相当する。プロセッサが動作プログラム４６に定められた制御を実施することにより、それぞれのユニットとして機能する。
　動作制御部４３は、動作プログラム４６に基づいて力制御を実施する。動作制御部４３は、力覚センサ２４の出力を取得する。動作制御部４３は、力覚センサ２４の出力に基づいて、作用点としてのワーク先端点７３における予め定められた作用方向の外力を算出する。例えば、動作制御部４３は、矢印７４に示す移動方向の軸および移動方向に直交する軸を設定する。動作制御部４３は、ワーク先端点７３に作用する外力として、これらの軸の方向に加わる力および軸の周りのモーメントを算出する。
　動作制御部４３は、ワーク先端点７３に作用する外力が予め定められた目標値になるようにロボット１の動作を制御することができる。例えば、矢印７４に示す移動方向にワーク７１を移動してワーク７１がワーク７２に接触した時に、動作制御部４３は、矢印７４に示す移動方向と反対方向に作用する力が目標値になるようにロボット１の位置および姿勢を制御する。換言すると、動作制御部４３は、矢印７４に示す方向にワーク７１を押し付ける力が目標値になるようにロボット１の位置および姿勢を制御する。その他にも、動作制御部４３は、矢印７４に示す方向に垂直な軸の方向の力およびこれらの軸の周りのモーメントが予め定められた目標値になるようにロボット１を制御する。
　このように、動作制御部４３は、所定の作用方向において作用点に作用する外力が目標値になるようにロボットの動作を制御する力制御を実施することができる。力制御を実施することにより、凹部７２ａに対する第１のワーク７１の位置および姿勢を修正しながら嵌合の作業を行うことができる。このような外力の目標値は、動作プログラム４６に力制御を実施するためのパラメータとして設定される。
　本実施の形態のロボット装置５では、嵌合作業を実施するときに、第１のワーク７１が他の物体としての第２のワーク７２に接触する。そして、ワーク７１に作用する外力に基づいてワーク７１の位置および姿勢が調整される。
　ワーク７１がワーク７２に接触している期間中に、ロボット１の構成部材およびハンド２に対して負荷が加わる。例えば、上部アーム１１、下部アーム１２、旋回ベース１３、および手首部１５等のそれぞれの構成部材には、引張り力、圧縮力、曲げモーメント、および捩じりモーメント等が負荷として加わる。また、それぞれの関節部１８ａ，１８ｂ，１８ｃに配置されたロボット駆動モータ２２および減速機等の構成部材には、回転軸周りのトルクが負荷として加わる。また、関節部１８ａ，１８ｂ，１８ｃに構成部材としてトルクセンサが配置されている場合には、トルクセンサにトルクが負荷として加わる。
　ロボット１の構成部材に加えることができる負荷の許容値は予め定められている。構成部材の負荷が許容値を超えてしまうと、それぞれの構成部材に異常が生じる虞がある。例えば、構成部材が破損したり、正常に機能しなくなったりする。この結果、ロボット装置が正常に動作しなくなる虞がある。
　ロボット装置は、構成部材に加わる負荷が許容値以下となるように駆動することが好ましい。特に、それぞれの構成部材に作用する負荷が物性的な許容値または機械的な許容値を超えないように、ロボットを駆動することが好ましい。物性的な許容値としては、アームなどの構成部材に作用する捩じりモーメント、曲げモーメント、圧縮力、または引張り力等の許容値が相当する。機械的な許容値としては、ベアリングおよび減速機等の複数の部品にて構成される構成部材に作用するトルクまたは圧縮力等の許容値が相当する。また、それぞれの構成部材に作用する負荷は、ロボットを安全に駆動する機能も考慮することが好ましい。安全機能上の許容値としては、ロボットが他の物体に接触したときにロボットを停止させる時の許容値が相当する。
　ロボット装置５に把持された第１のワーク７１が第２のワーク７２に対して押し付けられる動作を実施する時に、それぞれの構成部材に加わる負荷が許容値以下になるように制御することが好ましい。それぞれの構成部材には、第１のワーク７１を第２のワークに押し付けるときの力に応じた負荷が発生する。ロボット装置５にて第１のワーク７１を第２のワーク７２に押し付ける時の作用点に作用する外力が大きくなるほど、構成部材に加わる負荷が大きくなる。このために、ワーク先端点７３に作用する力が大きくなりすぎないように、外力の目標値を適切な値に設定することが好ましい。
　図４に、ロボットを第１の位置および姿勢にしたときのロボット装置の概略図を示す。図５に、ロボットを第２の位置および姿勢にしたときのロボット装置の概略図を示す。図４および図５を参照して、それぞれの図には第１のワーク７１が接触する接触面８９が記載されている。接触面８９は、第１のワーク７１が押し付けられる物体の表面に相当する。ここでは、ロボット１は、矢印７４に示す移動方向に沿って第１のワーク７１を接触面８９に向かって一定の力にて押圧している。すなわち、第１の位置および姿勢と第２の位置および姿勢とにおいて、ワーク先端点７３に作用する外力は同一になっている。
　ここで、関節部１８ａに配置されているトルクセンサ等の構成部材に加わるトルクは、ワーク先端点７３に作用する外力と、ワーク先端点７３から関節部１８ａの駆動軸までの距離に依存する。第２の位置および姿勢における関節部１８ａの駆動軸からワーク先端点７３までの距離は、第１の位置および姿勢における関節部１８ａの駆動軸からワーク先端点７３までの距離よりも長くなる。このために、関節部１８ａに配置されている構成部材に加わるトルクについては、第１の位置および姿勢におけるトルクよりも第２の位置および姿勢におけるトルクの方が大きくなる。また、下部アーム１２に作用する曲げモーメント等についても、第２の位置および姿勢における曲げモーメントは、第１の位置および姿勢における曲げモーメントよりも大きくなる。
　このように、作用点に作用する外力が同じ大きさでも、ロボットの位置および姿勢に応じて、ロボット装置の構成部材に作用する負荷が変化する。ここでの例では、ワーク先端点７３の位置が関節部１８ａの駆動軸から最も遠くなるロボットの位置および姿勢において、関節部１８ａに配置されている構成部材に加わるトルクが最も大きくなる。
　従来の技術においては、様々なロボットの位置および姿勢において、ロボット装置の構成部材に作用する負荷が許容値以下になるように、一定の外力の許容値を定めていた。例えば、図５に示すように、上部アーム１１および下部アーム１２が大きく伸びた状態の時に、関節部１８ａに加わるトルクが許容値以下になるように、外力の許容値を設定していた。このために、小さな外力の許容値が設定されていた。また、外力の許容値に基づいて外力の目標値が定められているために、外力の目標値も小さな値が採用されていた。例えば、図４に示す第１の位置および姿勢では、ワーク先端点７３に大きな外力を作用させることができるものの、図５に示す第２の位置および姿勢に基づいて設定された小さな外力の目標値にてロボットが駆動される。この結果、ロボット装置の作業時間が長くなる場合が有った。
　図２を参照して、本実施の形態における制御装置４は、ロボット装置が駆動される状態に応じて、外力の許容値を算出する。処理部５１の許容力算出部５４は、ロボットの位置および姿勢に基づいて、作用点に加えることができる外力の許容値を算出する。更に、許容力算出部５４は、外力が作用する作用点の位置およびロボットの構成部材の負荷の許容値に基づいて、外力が作用する作用方向における外力の許容値を算出する。本実施の形態では、力制御を実施するときに、ワーク先端点７３に作用する外力の許容値を算出する。
　作業者は、教示作業の時に外力の許容値を取得することができる。作業者は、手動にてロボット１を操作して、第１のワーク７１を第２のワーク７２の表面に接触させる。本実施の形態では、作業者は、教示操作盤３７を操作して第１のワーク７１が第２のワーク７２に接触するように、ロボットの位置および姿勢を変更する。
　許容力算出部５４は、位置検出器１９の出力に基づいてロボットの位置および姿勢を取得する。許容力算出部５４は、外力が作用する作用点としてワーク先端点７３の位置を取得する。ワーク先端点７３は、第１のワーク７１およびハンド２と共に移動する。
　ロボット装置５は、ロボットの位置および姿勢が定まると、ワーク先端点７３の位置が算出できるように較正されている。例えば、ツール座標系の座標値にてワーク先端点７３の位置が予め定められている。または、ロボット１のフランジ１６に原点を有し、フランジ１６と共に移動するフランジ座標系を設定することができる。ワーク先端点７３の位置は、フランジ座標系にて予め定めることができる。許容力算出部５４は、ツール座標系またはフランジ座標系におけるワーク先端点７３の位置と、ロボット１の位置および姿勢に基づいて、基準座標系７６におけるワーク先端点７３の位置を算出することができる。また、許容力算出部５４は、力覚センサ２４の出力に基づいて、外力が作用する作用方向を検出する。または、外力の作用方向は予め定められた方向を採用しても構わない。
　次に、ワーク先端点７３に作用する外力の大きさおよび外力の作用方向が定まると、ロボット１のそれぞれの構成部材に加わる負荷を算出することができる。それぞれの構成部材の形状、寸法、および重量等の負荷の計算に必要な定数は、予め記憶部４２に記憶されている。アームなどのそれぞれの構成部材の位置および姿勢は、ロボット１の位置および姿勢に基づいて算出することができる。それぞれの関節部１８ａ，１８ｂ，１８ｃの位置は、ロボット１の位置および姿勢により算出することができる。
　許容力算出部５４は、予め定められた外力および外力の作用方向に基づいて、上部アーム１１および下部アーム１２等の構成部材における引張り力、圧縮力、曲げモーメント、および捩じりモーメント等の負荷を算出することができる。また、許容力算出部５４は、それぞれの関節部１８ａ，１８ｂ，１８ｃに配置されている構成部材に加わるトルクを算出することができる。それぞれの負荷の算出方法は、予め定められて記憶部４２に記憶されている。許容力算出部５４は、それぞれの構成部材の位置および姿勢に基づいて、構成部材に加わる負荷を算出することができる。
　許容力算出部５４は、予め定めた作用方向においてワーク先端点７３に加わる外力を小さな初期値から徐々に増加させながら、構成部材に加わる負荷を算出する。例えば、許容力算出部５４は、矢印７４に示す移動方向において、ワーク先端点７３に加わる外力が零から予め定められた増加量にて徐々に増加させる。ロボット装置のそれぞれの構成部材に加わる負荷を算出する。そして、許容力算出部５４は、複数の構成部材のうち、少なくとも一つの構成部材の負荷が、負荷の許容値を超えることを検出する。許容力算出部５４は、この時の外力に基づいて、全ての構成部材の負荷が許容値内になる外力の許容値を定めることができる。例えば、許容力算出部５４は、ワーク先端点７３に加わる外力を徐々に増加させた時に、全ての構成部材の負荷が許容値内になる時の外力の最大値を、外力の許容値として定めることができる。
　このように、作用点の位置、外力が作用する作用方向、およびロボットの位置および姿勢に応じて、作用点に作用する外力の許容値を算出することができる。外力の許容値の算出方向としては、上記の形態に限られない。全ての構成部材の負荷が許容値を超えないように、任意の方法にて外力の許容値を算出することができる。
　例えば、許容力算出部５４は、それぞれの構成部材ごとに加えることができる負荷の許容値を取得する。許容力算出部５４は、ロボットの位置および姿勢に基づいて、構成部材の負荷の許容値からワーク先端点７３において作用方向に作用させることができる外力の許容値を算出する。許容力算出部５４は、全ての構成部材の負荷の許容値に対して、ワーク先端点７３における外力の許容値を算出する。許容力算出部５４は、全ての構成部材の負荷の許容値に対する外力の許容値のうち、最も小さい外力の許容値をワーク先端点７３に加えることができる外力の許容値に採用することができる。
　表示制御部５７は、許容力算出部５４にて算出された外力の許容値を教示操作盤３７の表示部３９に表示する。作業者は、外力の許容値を見て、力制御を実施するときの外力の目標値を定めることができる。外力の目標値は、外力の許容値以下になるように設定することができる。例えば、作業者は、外力の許容値よりも僅かに小さい値を外力の目標値に採用することができる。作業者は、外力の目標値を動作プログラムに設定することができる。
　本実施の形態における処理部５１にて算出される外力の許容値は、ロボットの位置および姿勢、それぞれの構成部材の負荷の許容値、外力が作用する作用点の位置、および外力の作用方向に基づいている。このために、ロボットの状態に応じてロボット装置がワークに加えることができる外力の目標値を設定することができる。特に、ロボットの位置および姿勢に応じた外力の目標値を設定することができる。このために、ロボットの全ての位置および姿勢を包括して外力の目標値が小さく設定されることを回避できる。または、外力の目標値が大きすぎて、ロボット装置が自動的に停止することを回避できる。
　例えば、図４に示すような特定のロボットの位置および姿勢では、従来の技術よりも大きな外力の目標値を設定したり、従来の技術よりも大きな外力の許容値にてロボットを駆動したりすることができる。このために、ロボット装置の作業時間の短縮を図ることができる。本実施の形態のワークを嵌合する作業においては、第１のワーク７１を第２のワーク７２に押し付ける力を大きくすることができて、従来の技術よりも短時間でワークを嵌合する作業を実施することができる。
　本実施の形態の動作制御部４３は、作用点に作用する外力の大きさが外力の許容値以下になるように、ロボットの動作を制御することができる。例えば、本実施の形態の動作制御部４３は、ワーク先端点７３に作用する外力が外力の目標値になるようにロボット１の動作を制御することができる。または、作用点に作用する外力の許容値が動作プログラムに設定されていても構わない。動作制御部は、ロボットを駆動している期間中に、力覚センサの出力に基づいて作用点に作用する外力を算出する。作用点に作用する外力が許容値に近づいたときに、動作制御部は、作用点に作用する力が小さくなるように、ロボットの動作速度またはロボットの位置および姿勢等のロボットの駆動状態を制御することができる。
　図６に、本実施の形態における教示操作盤の表示部に表示される第１の画像を示す。図２および図６を参照して、ロボット装置を構成する構成部材およびワークの３次元形状データ５８は予め作成されている。３次元形状データ５８としては、例えばＣＡＤ（Computer Aided Design）装置から出力されるデータを用いることができる。３次元形状データ５８は、記憶部４２に記憶される。また、実際のロボット装置５に対する第１のワーク７１および第２のワーク７２の位置は、予め定められて設定されている。
　モデル生成部５６は、ロボット装置の３次元形状データおよびワークの３次元形状データに基づいて、ロボット装置およびワーク等の３次元のモデルを生成する。モデル生成部５６は、位置検出器１９の出力に基づいてロボット１の位置および姿勢を取得する。ロボットの位置および姿勢に対応する３次元のモデルを生成する。モデル生成部５６は、実際のロボット装置の位置およびワークの位置に応じて仮想空間にモデルを配置する。
　表示制御部５７は、モデル生成部５６にて生成されたモデルの画像を表示部３９に表示する。表示制御部５７は、所定の方向から見た時のモデルの画像を生成する。第１の画像８１においては、ロボットのモデル１Ｍ、力覚センサのモデル２４Ｍ、ハンドのモデル２Ｍ、第１のワークのモデル７１Ｍ、および第２のワークのモデル７２Ｍが表示されている。作業者が教示操作盤等にてロボットの位置および姿勢を変更すると、画像８１におけるロボットのモデル１Ｍの位置および姿勢も変化する。
　ところで、本実施の形態の表示制御部５７は、許容力算出部５４にて算出された外力の許容値を、ロボット１の画像に重ねて表示することができる。画像８１においては、ワーク先端点のモデル７３Ｍと、外力の作用方向の矢印７４Ｍが表示されている。そして、矢印７４Ｍの横に、作用点としてのワーク先端点に加えることができる外力の許容値が「ＭＡＸ：５０Ｎ」と表示されている。すなわち、現在のロボットの位置および姿勢において外力の許容値が５０Ｎであることが表示されている。ロボットの位置および姿勢が変化すると、外力の許容値も変化する。
　作業者は、画像８１を見て力制御を行うときの外力の目標値を定めることができる。例えば、作業者は、外力の許容値と同じ値を目標値として動作プログラム４６に設定することができる。または、処理部５１は、許容力算出部５４にて算出された外力の許容値に基づいて、外力の目標値を自動的に動作プログラム４６に設定しても構わない。外力の目標値としては、外力の許容値以下の値を設定することができる。
　また、動作プログラムに外力の許容値が設定される場合が有る。この場合に、作業者は、許容力算出部５４にて算出された外力の許容値を動作プログラムに設定することができる。または、処理部５１は、許容力算出部５４にて算出された外力の許容値を、自動的に動作プログラムに設定しても構わない。
　画像８１では、表示部３９は、外力の作用方向を示す矢印の横に外力の許容値を数字にて示しているが、この形態に限られない。表示部は、矢印の長さにて外力の許容値の大きさを示しても構わない。例えば、表示部は、外力の許容値が大きいほど、矢印が長くなるように表示することができる。
　図７に、教示操作盤の表示部に表示される第２の画像を示す。第２の画像８２では、ロボットのモデル１Ｍ、視覚センサのモデル２４Ｍ、ハンドのモデル２Ｍ、および第１のワークのモデル７１Ｍが表示されている。図２および図７を参照して、可動範囲算出部５５は、ロボットの位置および姿勢が変化した時に、現在の外力の目標値が外力の許容値以下になる作用点の位置の領域８７Ｍを算出する。換言すると、可動範囲算出部５５は、予め定められた外力の目標値にて、ロボットの位置および姿勢を変化させることができる領域８７Ｍを算出する。領域８７Ｍは、作用点が移動可能な範囲である。表示制御部５７は、この領域８７Ｍをロボットの画像に重ねて表示する。
　ここでの例では、ロボット１の設置面から作用点までの高さが一定の平面内において、作用点を移動可能な領域８７Ｍが示されている。なお、作用点が移動可能な領域は、３次元の領域にて探索されて表示されても構わない。
　可動範囲算出部５５は、現在の作用点の位置を取得する。例えば、可動範囲算出部５５は、基準座標系７６にて現在の作用点の位置を取得する。ここでは、作用点の移動可能な範囲として、設置面からの高さが一定の平面を検討する。可動範囲算出部５５は、作用点としてのワーク先端点の位置を平面内において、予め定められた方向および予め定められた距離ごとに移動させる。そして、許容力算出部５４は、それぞれの作用点の位置において外力の許容値を算出する。
　可動範囲算出部５５は、外力の許容値が現在に設定されている外力の目標値以上の場合に、作用点がその位置に移動可能であると判定する。一方で、可動範囲算出部５５は、外力の許容値が現在に設定されている外力の目標値未満である場合に、作用点がその位置に移動することができないと判定する。
　可動範囲算出部５５は、少しずつ作用点の位置を移動する制御を実施する。可動範囲算出部５５は、外力の許容値が外力の目標値以上になる作用点の位置の領域を算出することができる。表示制御部５７は、可動範囲算出部５５から、作用点を移動することができる位置を取得して、領域８７Ｍを表示することができる。作業者は、作用点を移動できる範囲を画像８２にて確認することができる。作業者は、現在の外力の目標値を採用することができる範囲を容易に把握することができる。このように、作業者は、教示操作盤３７にてロボット装置５を手動にて駆動しながら、力制御を行うときの外力の目標値を設定することができる。
　次に、本実施の形態における制御装置４は、力制御を行っているときに、ロボットの位置および姿勢に基づいて、自動的に外力の目標値を設定したり変更したりすることができるように形成されている。図２を参照して、処理部５１の許容力算出部５４は、力制御を実施している期間中に、位置検出器１９の出力に基づいてロボットの位置および姿勢を取得する。許容力算出部５４は、現在のロボットの位置および姿勢に基づいて、現在の外力の許容値を算出する。許容力算出部５４は、予め定められた間隔ごとに外力の許容値を算出することができる。または、力制御を行う時に、ロボットの一つの位置および姿勢にて外力の許容値を算出しても構わない。
　処理部５１は、外力の許容値に基づいて、力制御を行うときの外力の目標値を算出する。例えば、処理部５１は、外力の許容値を外力の目標値に設定することができる。または、処理部５１は、外力の許容値に１未満の予め定められた定数を乗算することにより、外力の目標値を設定しても構わない。処理部５１は、外力の許容値に基づいて設定した外力の目標値を動作制御部４３に送出する。動作制御部４３は、取得した外力の目標値に基づいて、第１のワークを他の物体に接触させる力制御を実施することができる。この制御を行うことにより、ロボット装置が所定の作業を実施している期間中にロボットの位置および姿勢に応じて外力の目標値を設定したり変更したりすることができる。最適な外力の目標値にて作業を実施することができるために、作業時間の短縮を図ることができる。
　ところで、作業者が外力の目標値を動作プログラム等に設定する時に、外力の目標値が外力の許容値を超えている場合がある。この場合に、処理部５１は、作業者に知らせるための警告を発生する制御を実施することができる。例えば、教示操作盤３７を操作して、動作プログラムに外力の目標値を設定する場合に、許容力算出部５４は外力の許容値を算出する。そして、作業者が入力した外力の目標値が外力の許容値を超えている場合に、処理部５１は、表示部に警告を表示することができる。または、処理部５１は、警報等で作業者に知らせることができる。作業者は、大きすぎる外力の目標値を設定することを回避できる。
　また、動作制御部４３は、ロボット１を駆動している期間中に外力の目標値が外力の許容値を超えた場合にロボット１を停止させる制御を実施することができる。例えば、外力の目標値が動作プログラム４６に予め定められている場合がある。この場合に、ロボットが駆動している期間中に、許容力算出部５４は外力の許容値を算出する。そして、外力の目標値が外力の許容値を超えている場合に、動作制御部４３は、ロボット１を停止する制御を実施することができる。
　図８に、本実施の形態におけるシミュレーション装置のブロック図を示す。本実施の形態の計算装置は、シミュレーション装置に配置することができる。シミュレーション装置６は、ロボットの３次元のモデル、作業ツールの３次元のモデル、およびワークの３次元のモデルを同一の仮想空間に配置する。本実施の形態のシミュレーション装置６は、前述のロボット装置５の動作のシミュレーションを実施する。
　本実施の形態におけるシミュレーション装置６は、プロセッサとしてのＣＰＵを含む演算処理装置（コンピュータ）にて構成されている。シミュレーション装置６は、ロボット装置５のシミュレーションに関する任意の情報を記憶する記憶部６３を備える。記憶部６３は、情報の記憶が可能で非一時的な記憶媒体にて構成されることができる。例えば、記憶部６３は、揮発性メモリ、不揮発性メモリ、磁気記憶媒体、または光記憶媒体等の記憶媒体にて構成することができる。ロボット装置のシミュレーションを実施するためのプログラムは記憶部６３に記憶される。
　シミュレーション装置６は、ロボット装置５のシミュレーションに関する情報を入力する入力部６１を含む。入力部６１は、キーボード、マウス、およびダイヤルなどの操作部材により構成されている。シミュレーション装置６は、ロボット装置５のシミュレーションに関する情報を表示する表示部６２を含む。表示部６２は、液晶表示パネルまたは有機ＥＬ表示パネル等の任意の表示パネルにて構成される。なお、シミュレーション装置がタッチパネル方式の表示パネルを備える場合に、表示パネルは入力部および表示部として機能する。
　シミュレーション装置６は、作用点に作用する外力の許容値を算出する計算装置として機能する。シミュレーション装置６は、ロボット装置５のシミュレーションのために演算処理を行う処理部６４を含む。処理部６４は、本実施の形態のロボットの制御装置４の処理部５１と同様に、３次元形状データ５８に基づいてモデルを生成するモデル生成部５６、外力の許容値を算出する許容力算出部５４、および予め定められた外力の目標値にてロボットを駆動できる範囲を算出する可動範囲算出部５５を含む（図２を参照）。また、本実施の形態の制御装置４と同様に、ロボット装置を構成する構成部材およびワークの３次元形状データ５８がシミュレーション装置６に入力される（図２を参照）。３次元形状データ５８は、記憶部６３に記憶される。
　処理部６４は、ロボット装置５の動作のシミュレーションを実施するシミュレーション実行部６５を含む。シミュレーション実行部６５は、ロボット装置のモデルを動かす機能を有する。または、シミュレーション実行部６５は、予め作成された動作プログラム４６に基づいてロボット装置５の動作のシミュレーションを実施する。処理部６４は、シミュレーション実行部６５の出力に基づいて、表示部６２に表示される画像を制御する表示制御部６６を含む。
　処理部６４は、シミュレーションを実施するためのプログラムに従って駆動するプロセッサに相当する。プロセッサがシミュレーションのプログラムを読み込んで、プログラムに定められた制御を実施することにより、処理部６４として機能する。また、処理部６４に含まれるモデル生成部５６、シミュレーション実行部６５、許容力算出部５４、可動範囲算出部５５、および表示制御部６６のそれぞれのユニットは、シミュレーションのプログラムに従って駆動するプロセッサに相当する。プロセッサがプログラムに定められた制御を実施することにより、それぞれのユニットとして機能する。
　図９に、シミュレーション装置の表示部に表示される画像の例を示す。シミュレーション装置６の表示部６２は、ロボットの制御装置４の表示部３９と同様の３次元のモデルの画像を表示する。ロボットが設置される位置およびワークが配置される位置は、作業者が入力部６１にて設計値を入力することができる。また、ロボットに対するワークの位置は、作業者にて予め設定されている。画像８３には、ロボットのモデル１Ｍ、力覚センサのモデル２４Ｍ、ハンドのモデル２Ｍ、第１のワークのモデル７１Ｍ、および第２のワークのモデル７２Ｍが表示されている。
　シミュレーション実行部６５は、作業者による入力部６１の操作に応じて、現在のロボット１の位置および姿勢を算出する。または、シミュレーション実行部６５は、動作プログラム４６に基づいて、所定の時刻におけるロボットの位置および姿勢を算出する。モデル生成部は、ロボットの位置および姿勢に基づいてロボットのモデル１Ｍを生成する。表示制御部６６は、シミュレーション実行部６５の出力およびモデル生成部５６にて生成される３次元のモデルに従って、表示部６２にモデルの画像を表示する。
　シミュレーション装置６では、ロボット装置５の動作のシミュレーションを実施しながら、外力の許容値を算出することができる。作用点の位置は予め定めて、作業者が指定することができる。作用点に作用する外力の作用方向は、複数の方向を予め定めてシミュレーションを実施することができる。許容力算出部５４は、ロボットの位置および姿勢に基づいて、作用点に作用する外力の許容値を算出することができる。また、制御装置４と同様に、シミュレーション装置６の表示部６２は、許容力算出部５４にて算出された外力の許容値を表示したり、可動範囲算出部５５にて算出された作用点の位置の領域を表示したりすることができる（図６および図７を参照）。
　シミュレーション装置では、実際のロボット装置を使用せずにシミュレーションを実施することができる。従って、オフラインで動作プログラムを生成する時に外力の許容値を算出したり、作用点が移動可能な範囲を算出したりすることができる。また、ロボット装置を備えるシステムの設計に利用することができる。例えば、ロボット装置および架台などの周辺装置を配置する位置を検討したりすることができる。
　本実施の形態における表示部は、教示操作盤に配置された表示パネルまたはシミュレーション装置に配置された表示パネルである。表示部は、例えば、タブレット端末の表示パネルにて構成されていても構わない。または、表示部は、パーソナルコンピュータに配置された表示パネルにて構成されていても構わない。更には、表示部は、拡張現実の画像を生成するコンピュータに配置されていても構わない。拡張現実の画像としては、例えば、タブレット端末にて撮像されたロボット装置の画像に外力の許容値を表示することができる。または、現在の外力の目標値が外力の許容値以下になる作用点の位置の領域を、実際に撮像したロボット装置の画像に重ねて表示することができる。
　本実施の形態のシミュレーション装置の処理部は、ロボットの制御装置とは別の演算処理装置にて構成されているが、この形態に限られない。ロボットの制御装置がシミュレーション装置の機能を有していても構わない。すなわち、制御装置の演算処理装置のプロセッサがシミュレーション装置の処理部の機能を有していても構わない。更には、教示操作盤がプロセッサを有する演算処理装置を含む場合には、教示操作盤がシミュレーション装置の機能を有していても構わない。すなわち、教示操作盤のプロセッサがシミュレーション装置の処理部として機能しても構わない。
　本実施の形態においては、外力が作用する作用点がワークに設定されているが、この形態に限られず、作用点は、ロボットまたは作業ツールにおける任意の位置に設定することができる。この場合にも、計算装置は、作用点において作用方向に作用する外力の許容値を算出することができる。
　また、本実施の形態においては、力検出器として６軸の力覚センサが手首部に配置されているが、この形態に限られない。力検出器は、作用点に作用する外力を検出可能な任意のセンサを採用することができる。例えば、ロボットの手首部に取り付けられた力覚センサの代わりに、ロボットの関節部にトルクセンサが配置されていても構わない。複数のトルクセンサは、ロボットの複数の関節部の駆動軸に配置される。それぞれのトルクセンサは、関節部の駆動軸の周りのトルクを検出する。または、力覚センサがロボットのベース部に配置されていても構わない。
　上記の実施の形態では、円柱状のワークを嵌合する制御を示しているが、任意の形状のワークに本実施の形態の制御を適用することができる。また、本実施の形態では、一つのワークを他のワークに嵌合する制御を例示しているが、この形態に限られない。本実施の形態の制御装置およびシミュレーション装置は、一つのワークが他の物体に接触する作業を行うロボット装置に適用することができる。また、嵌合を行う作業としては、凹部または穴部にワークを挿入する作業に限られない。例えば、ギヤの歯の位相を合わせながらギヤを所定の位置に配置する作業が含まれる。
　上述のそれぞれの制御においては、機能および作用が変更されない範囲において適宜ステップの順序を変更することができる。上記の実施の形態は、適宜組み合わせることができる。上述のそれぞれの図において、同一または相等する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、請求の範囲に示される実施の形態の変更が含まれている。
　１　ロボット
　２　ハンド
　４　制御装置
　６　シミュレーション装置
　１１　上部アーム
　１２　下部アーム
　１３　旋回ベース
　１４　ベース部
　１５　手首部
　１８ａ，１８ｂ，１８ｃ　関節部
　２４　力覚センサ
　３７　教示操作盤
　３９，６２　表示部
　４０　制御装置本体
　４３　動作制御部
　５１，６４　処理部
　５４　許容力算出部
　５５　可動範囲算出部
　７１，７２　ワーク
　７３　ワーク先端点
　８１，８２　画像
　７４Ｍ　矢印
　８７Ｍ　領域

Claims (9)

  1. 　ロボット、ワーク、または作業ツールに対して作用することが許容される外力の許容値を算出する処理部を備え、
    　ロボットの構成部材に対して加えることができる負荷の許容値が予め定められており、
    　前記処理部は、ロボットの位置および姿勢、外力が作用する作用点の位置、ロボットの構成部材の負荷の許容値に基づいて、外力が作用する作用方向における外力の許容値を算出する、計算装置。
  2. 　ロボットの画像を表示する表示部を備え、
    　前記表示部は、前記処理部にて算出された外力の許容値をロボットの画像に重ねて表示する、請求項１に記載の計算装置。
  3. 　ロボットの画像を表示する表示部を備え、
    　作用点において予め定められた前記作用方向に作用する外力の目標値が予め定められており、
    　前記処理部は、ロボットの位置および姿勢が変化した時に現在の目標値が外力の許容値以下になる作用点の位置の領域を算出し、
    　前記表示部は、現在の目標値が外力の許容値以下になる作用点の位置の領域をロボットの画像に重ねて表示する、請求項１に記載の計算装置。
  4. 　前記表示部は、タブレット端末、パーソナルコンピュータ、ロボットの動作を手動で操作する教示操作盤、または拡張現実の画像を生成するコンピュータのいずれかに配置されている、請求項２または３に記載の計算装置。
  5. 　請求項１に記載の計算装置と、
    　ロボットの動作を制御する動作制御部とを備える、ロボットの制御装置。
  6. 　作用点に作用する外力を検出する力検出器を備え、
    　前記動作制御部は、作用点に作用する外力が許容値以下になるようにロボットの動作を制御する、請求項５に記載のロボットの制御装置。
  7. 　作用点に作用する外力を検出する力検出器を備え、
    　前記動作制御部は、作用点において予め定められた作用方向に作用する外力が予め定められた目標値になるようにロボットの動作を制御し、
    　前記処理部は、前記作用方向における外力の許容値を算出する、請求項５に記載のロボットの制御装置。
  8. 　作業者が外力の目標値を設定する時に、外力の目標値が外力の許容値を超えている場合に作業者に知らせるための警告を発生する、請求項７に記載のロボットの制御装置。
  9. 　前記動作制御部は、ロボットを駆動している期間中に外力の目標値が外力の許容値を超えた場合にロボットを停止させる、請求項５から８のいずれか一項に記載のロボットの制御装置。
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