JP4873254B2 - ロボットの直接教示装置 - Google Patents

Description

本発明は産業用ロボットの教示装置に関し、特に作業者が直接ロボットに力を加えロボットを動作させて教示を行う直接教示装置に関するものである。

従来から、力制御に基づくロボットの直接教示方法が提案されている。この直接教示方法は、教示作業者がロボットのアームの先端部に設けられた手先効果器に力を加え、この加えられた力をリスト部に備えた力センサで検出し、力センサが出力する力信号に基づき予め定められた演算式により力制御を行う制御手段によって、加えられた力に応じて動作するようにロボットのアームを制御し、手先効果器の移動速度と移動方向を決定し、手先効果器を目標位置に誘導して教示データを記憶するものである。
この力制御によるロボットの制御では、前記の演算式の上において手先効果器に仮想質量を設定し、教示作業者が力センサに加えた力に比例した速度又は加速度、又はその代数和で手先効果器を移動させるように構成されている。このように構成される従来のロボットの直接教示装置又は直接教示方法としては、特許文献１や特許文献２等に開示されるものがある。
また、多関節ロボット先端部の制御点の位置を変えずに方向（姿勢）のみを変えたり、ロボット先端部の方向（姿勢）を変えずに３次元位置のみを変えたりする等の操作性の向上に有効なロボットの直接教示装置としては、特許文献３に開示されたものがある。
特開昭５９−１４４８４号公報 特開昭５９−１５７７１５号公報 特開平５−２８５８７０号公報

以上述べたように、従来の直接教示装置では、予め設定した制御点位置を一定にしたままロボット先端の方向（姿勢）を変えたり、あるいは逆に方向（姿勢）一定のまま位置を変えたりして操作性を向上させていた。
しかし、実際の組み立てラインにおいてロボットの教示を行う場合、ロボット先端の制御点位置を作業途中で変化させなければ作業性が悪くなる場合がある。
例えば、２つ以上のキー溝を合わせて組み立てなければならない部品の組み付け動作を教示する場合、まず、ロボットが把持した部品について１つ目のキー溝に挿入される部分に制御点を設定して対象物側のキー溝に合うよう制御点の位置と姿勢を調整し、１つ目のキー溝に関する調整が完了したら次は２つ目のキー溝に挿入される部分の位置と姿勢を調整しなければならないといった場合が発生しうる。
従来の制御点が固定された状態で教示作業者による直接誘導操作だけで教示する手法では、上記のような動作の教示が非常に困難であり、著しく操作性が低下するといった問題があった。
また、ロボットが把持する部品の寸法に基づいて決定した制御点位置は、組み立て誤差や加工誤差、ハンドによる把持点のズレなどから、教示作業中に変更することが必要となる場合も度々発生した。こうした制御点位置の変更のために教示作業が一時中断され、教示作業に時間がかかるという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、制御点位置を誘導操作中に容易に変更することを可能とし、教示作業の操作性を各段に向上させるとともに、教示作業に要する時間を短縮できる実用的な直接教示装置を提供することである。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１記載のロボットの直接教示装置は、多関節ロボットの先端部に力センサを介して設けられた操作ハンドルと、前記操作ハンドルに加わる教示作業者の操作力を前記力センサによって検出し、前記操作力に応じて力制御により前記ロボットを移動させる指令を出力する力制御部を備えた制御装置を有するロボットの直接教示装置であって、前記操作ハンドルは、教示中に教示作業者が前記ロボットの制御点の変更量および方向を入力する制御点入力手段を備え、前記制御装置は、前記制御点入力手段にて入力された前記変更量および方向に応じて前記ロボットの制御点設定を更新し前記力制御部へ出力する制御点演算部を備え、前記制御点演算部は、前記制御点入力手段にて入力された前記変更量を予め設定された値と比較する制御点範囲監視部を備えることを特徴とする。
請求項２記載のロボットの直接教示装置は、前記制御点範囲監視部は、前記制御点入力手段にて入力された前記変更量が前記予め設定された値より大きい場合には、前記変更量を前記前記予め設定された値に制限し、前記教示操作者にアラーム表示することを特徴とする。
請求項３記載のロボットの直接教示装置は、前記制御装置は、前記教示作業者の操作によって前記ロボットの各関節の位置を教示点として記録するとともに、前記記録時における制御点設定を記録する記録部を備えることを特徴とする。
請求項４記載のロボットの直接教示装置は、前記制御装置は、前記教示作業者の操作によって前記記録部から直前の前記教示点と直前の前記制御点設定を読み出し、前記ロボットを前記直前の教示点へ移動させる指令を出力するとともに、前記力制御部へ前記直前の制御点設定を出力する復帰位置指令生成部を備えることを特徴とする。
請求項５記載のロボットの直接教示装置は、前記制御点設定は、前記ロボットのエンドエフェクタによって把持した物体に設定された被把持物体座標系に基づいて表現されることを特徴とする。
請求項６記載のロボットの直接教示装置は、前記制御点入力手段は、前記制御点位置の変更量および方向に加え、前記被把持物体座標系の姿勢の変更量および方向を入力することを特徴とする。

請求項１に記載の発明によると、教示作業者がロボットの誘導操作をしながら操作ハンドルから手を離すことなく制御点の設定変更を行えるため教示作業の操作性が向上するとともに教示作業を効率よく行うことができる。
さらに請求項１、２に記載の発明によると、制御点について予期しない位置や姿勢を設定することがないため教示作業の効率低下を防止でき、安全性も確保できる。
請求項３、４に記載の発明によると、制御点設定を変更した後にロボットを誘導して移動させた場合であっても、ロボットの位置に加えて制御点設定についても直前の状態に戻せるため、誤操作からの復帰が容易に行え、教示作業の効率低下を防止できる。
請求項５に記載の発明によると、教示作業中にエンドエフェクタによって把持した物体の形状に合わせて制御点設定を行うことが容易となり教示作業の操作性を向上することができる。
請求項６に記載の発明によると、教示作業中に制御点の位置のみならず姿勢についても変更を行うことができるため、複雑な形状の物体の組み立て作業の教示も効率的に行うことができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の第１の実施例を示すロボットの直接教示装置システム全体の構成図である。図１において、１は多関節ロボットであり、その基準点から各可動軸を順次数えて、第１番目の軸をＪ１軸とし、以降Ｊ６軸までが軸連節を成している。
ロボット１の先端には、エンドエフェクタ２が取り付けられている。ロボット１の先端とエンドエフェクタ２の間には力センサ３が配置され、さらに力センサ３には教示作業者が直接教示を行う際に把持する操作ハンドル４が固定されている。力センサ３は、操作ハンドル４に加わる力の方向および大きさを検出することができる。また、操作ハンドル４には制御点入力手段５が取り付けられている。
制御点入力手段５はロボット１の制御点の設定を変更するための入力手段であり、制御点入力手段５の一例とともに操作ハンドル４を図３に示す。図３（ａ）は操作ハンドル４の把持部分の正面図であり、図３（ｂ）は教示作業者が操作ハンドル４を把持した状態を表す図である。本実施例では、制御点入力手段５は方向選択ボタン５Ａと変更量入力ボタン５Ｂの２種類のスイッチによって構成される。
また、操作ハンドル４には非常停止スイッチも併せて設けられている。直接教示時にロボット１が予期しない動作をした場合や、ロボット１の動作範囲内に他の作業者が侵入してきた場合には教示作業者が非常停止スイッチを押下することによりロボット１は即座に緊急停止する。非常停止スイッチを操作ハンドル４上に設けているので教示作業者が危険と判断した際に直ちにロボット１を停止させることができ、直接教示時の安全性を確保している。
６０は、ロボット１を制御するための制御装置で、力制御部６１と、位置速度サーボ系６２と、サーボアンプ６３のほか、制御点演算部６４と、記録部６５と、復帰位置指令生成部６６と、切り替え手段６７、６８で構成される。なお、制御装置６０内の構成については本発明に関する部分のみを抜き出して描いており、前述の非常停止スイッチ操作による緊急停止のための構成などは省略されている。

力制御部６１の内部構成を図２に示す。
力制御部６１ではまずセンサ座標変換部６１１において、力センサ３によって検出された操作力をロボット座標系に基づく操作力に変換し、インピーダンスモデル部６１２に出力する。本実施例ではロボット座標系の基準点はロボット１の基台に設けられているが、用途やロボットの設置方法に合わせて適宜変更可能である。
ここでインピーダンスモデル部６１２のインピーダンスモデルは次の式（１）のように表現される。

但し、Ｆ：ロボット座標系に基づく操作力
ｘ：ロボット１の制御点位置の変位量
Ｍ：慣性係数
Ｂ：粘性係数
Ｋ：バネ係数
であって、いずれも実数とする。
式（１）の慣性係数Ｍと粘性係数Ｂ、バネ係数Ｋを調整し、求めたｘを出力してロボット１への指令に加算することで、力センサ３にて検出した力に対するロボット１の直接操作時の動作特性を変更することが出来る。インピーダンス制御は公知技術であるので、詳細な説明は割愛する。
ロボット１の各駆動部又は各関節部に設けられた図示しない関節角度検出器によって検出された関節角度（フィードバック位置）を基に順変換６１４により算出した位置と、後述するロボット１の制御点位置とを加算し、さらに式（１）によって求めたインピーダンスモデル部６１２の出力を加算して直交座標系であるロボット座標系に基づく位置指令を算出する。この位置指令を逆変換６１３にてロボット１の関節座標系に逆変換し、Ｊ１〜Ｊ６の各関節の関節角度指令を求める。

位置速度サーボ系６２は、この関節角度指令と、ロボット１のフィードバック位置に基づいてＪ１〜Ｊ６の駆動源である各サーボモータ（図示せず）の発生トルクを算出し、サーボアンプ６３によりサーボモータが駆動される。

次に、教示作業者が操作ハンドル４を把持してロボット１を誘導し直接教示を行う際の制御装置６０での制御について図３〜図６に基づいて説明する。
図４に示す組み立て作業は、ロボット１の先端のエンドエフェクタ２によって第１部品１００を把持し、ロボット１を適当に動作させて第１部品１００の第１凸部１００Ａと第２凸部１００Ｂを、それぞれ第２部品１０１の第１穴１０１Ａと第２穴１０１Ｂに挿入するというものである。図４において、ＦＴは第１部品１００に関して設定された制御点Ｃ００の基準となる座標系（以後、被把持物体座標系と呼ぶ）で、制御点Ｃ００を被把持物体座標系に基づいて表現するとＣ００（０、０、Ｌｚ）となる。ここでＬｚは実数とする。

このとき、教示作業者による挿入動作の教示手順を示したものが図５である。挿入動作は図５（ａ）から図５（ｂ）、図５（ｃ）の順で行われる。図５（ａ）は第１部品１００の第１凸部１００Ａを第２部品１０１に挿入する前、図５（ｂ）は第１部品１００の第１凸部１００Ａを第２部品１０１の第１穴１０１Ａに挿入した状態、図５（ｃ）は第１凸部１００Ａに続き、第１部品１００の第２凸部１００Ｂを第２部品１０１の第２穴１０１Ｂに挿入した状態である。まず第１凸部１００Ａを挿入して、その後第２凸部１００Ｂを挿入する。

図５（ａ）の状態では第１部品１００の制御点はＣ０１に設定されている。
Ｃ０１は前述のＣ００と同じ位置でも異なった位置でもよいが、説明を簡単にするためＣ０１はＣ００と同じ位置であるとする。教示作業者はまずＣ０１を制御点とした状態で図３（ｂ）のように操作ハンドル４を把持して力を加え、挿入作業を行いやすいよう第２部品１０１に対して第１部品１００を誘導し大まかな位置決めを行う。
第１部品１００の大まかな位置決めが完了したら、教示作業者は操作ハンドル４上の記録スイッチ６を押下する。その信号は制御装置６０内の記録部６５へ送られる。記録部６５にも力制御部６１と同様にフィードバック位置が入力されており、記録スイッチ６が押下された信号を受けた記録部６５はその時点でのロボット１のフィードバック位置を教示点として記録する。さらに記録部６５は制御点演算部６４にて生成された制御点位置Ｃ０１を記録する。制御点演算部６４については後述する。
以上の手順によって、挿入動作のうち図５（ａ）についての教示が完了する。

続いて制御点位置をＣ０１から図５（ｂ）に示すＣ０２に変更する。教示作業者は操作ハンドル４を図３（ｂ）のように把持したまま、方向選択ボタン５Ａを操作して制御点位置の移動方向としてＸ軸方向を選択する。選択された方向は図６に示す制御点演算部６４内の制御点生成部６４２に入力される。
さらに教示作業者が変更量入力ボタン５Ｂのマイナス方向のボタンを押下すると、押下した時間に応じてＸ軸マイナス方向への制御点位置の移動量がアナログ信号として制御点演算部６４内のＡ／Ｄ変換器６４１に入力され、変換されたデジタル信号が制御点生成部６４２に入力される。
制御点生成部６４２は、入力された移動方向および移動量から新しい制御点の位置を算出して制御点範囲監視部６４３へ出力する。具体例としてＣ０１からＸ軸マイナス方向に移動量Ｌｘ（実数）だけ移動した点をＣ０２とすると、その被把持物体座標系に基づく制御点位置は（−Ｌｘ、０、Ｌｚ）となる。

制御点範囲監視部６４３には予め制御点移動量の各軸方向について最大値が設定されており、変更量入力ボタン５Ｂによって指定された移動量が最大値をオーバーしていないか監視する。
例えばＸ軸方向に関する制御点移動量の最大値をＭｘ（正の実数）とし、制御点生成部６４２が算出した前述の制御点位置（−Ｌｘ、０、Ｌｚ）について、教示作業者が変更量入力ボタン５Ｂを長時間押しすぎてしまいＭｘ＜｜Ｌｘ｜となったとする。この場合、制御点範囲監視部６４３はアラーム提示手段として操作ハンドル４上に設けられたＬＥＤ８を点滅させ教示作業者に移動量が大きすぎる旨を知らせるとともに、力制御部６１および記録部６５へは（−Ｍｘ、０、Ｌｚ）を出力する。ＬＥＤはアラーム提示手段の一例に過ぎず、スピーカーからブザー音を発することで教示作業者にアラームを提示するようにするなど、適宜変更可能である。
Ｌｘ≦Ｍｘの場合には、制御点範囲監視部６４３は制御点生成部６４２の出力をそのまま力制御部６１および記録部６５へと出力する。

このようにして制御点位置を第１凸部１００Ａの先端部のＣ０２へ移動させる。これによって以後教示作業者のハンドル操作は新たな制御点Ｃ０２に対して作用するため、第１凸部１００Ａの先端部の位置を調整しやすくなり、第１穴１０１Ａに挿入するために適切な位置へ第１部品１００を短時間で移動させることができる。すなわち効率的に教示作業を行うことができる。

一方、力制御部６１では、制御点更新監視部６１５にて制御点位置の更新を監視している。制御点位置が更新されると制御点更新監視部６１５はインピーダンスモデル部に更新を知らせる。制御点位置の更新を感知するとインピーダンスモデル部６１２は予め設定された時間だけインピーダンスモデル部６１２の出力を０にする。この時間は制御周期の数回分で、具体的には数ｍｓ程度である。
その後、新しい制御点Ｃ０２（−Ｌｘ、０、Ｌｚ）に基づいて力制御を行う。
そして前述のようにJ１〜Ｊ６の各関節の関節角度指令を算出し、位置速度サーボ系６２に出力する。この関節角度指令とロボット１の各駆動部分又は各関節部分に設けられた図示しない関節角度検出器により検出された関節角度（フィードバック位置）に基づいて位置速度サーボ系６２内でモータの発生トルクを算出し、サーボアンプ６３によりロボット１の各関節のサーボモータが駆動される。

図５（ｂ）では制御点位置をＣ０２へ移動させた後、第１凸部１００Ａの先端部を下へ移動させて第１穴１０１Ａへ一部挿入させた状態を示している。
制御点位置を第１凸部１００Ａの先端部に移動させた後、教示作業者が操作ハンドル４に力を加えることにより第１凸部１００Ａの先端部を下へ移動させ図５（ｂ）のように第１穴１０１Ａに挿入したら、操作ハンドル４上の記録スイッチ６を再度押下してその時点でのロボット１のフィードバック位置と制御点位置Ｃ０２を記録部６５に記録する。
その後さらに、制御点位置を一定に保ったまま操作ハンドル４の操作によって第１部品１００の姿勢を変更し第２部品１０１に対向させるとともに第２凸部１００Ｂを第２穴１０１Ｂへと接近させる。この様子を示したのが図５（ｃ）である。
図５（ｃ）のような状態となったら、操作ハンドル４上の記録スイッチ６を押下してその時点でのロボット１のフィードバック位置と制御点位置Ｃ０２を記録部６５に記録する。
このようにロボットの作業に合わせて直接教示中に制御点位置を適宜変更することによって操作性が向上し、教示作業者の負担を減らすことができる。さらに制御点位置の変更も操作ハンドルから行うことができるため教示作業の中断が発生せず、教示に要する時間を短縮することができる。

なお、以上では制御点位置の変更についてのみ説明したが、図３のように位置／姿勢切り替えスイッチ９を操作ハンドル４に設けておくことにより、制御点の位置のみならず姿勢についても直接教示中に変更することが可能となる。
位置／姿勢切り替えスイッチ９によって姿勢について変更をするよう指定した場合には、方向選択ボタン５Ａによって被把持物体座標系のＸＹＺのどの軸回りに回転させて姿勢を変化させるかを指定し、変更量入力ボタン５Ｂによって回転量を指定する。
姿勢についても変更を行うことで、例えば図７のように第１部品１００´の形状が湾曲している場合にも本発明を適用でき、直接教示の操作性を向上させることができる。図７では第１部品１００´の先端の形状にあわせ、被把持物体座標系をそのＹ軸回りに回転させた座標系（図中のＦＴ´）を設定している。図７の場合において第１部品１００´の第１凸部１００Ａ´と第２凸部１００Ｂ´を、それぞれ第２部品１０１の第１穴１０１Ａと第２穴１０１Ｂに挿入するという組み立て作業の動作を教示する際には、第１部品１００´をＦＴ´のＺ軸方向に沿って移動させることが可能となるため、直接教示時の操作性が向上し教示に要する時間を短縮することができる。

また、図３に示した制御点入力手段５の構成は一例に過ぎず、図８のように方向選択ボタン５Ａを廃し、代わって変更量入力ボタン５ＢをＸ、Ｙ、Ｚの軸ごとに設けてもよい。

次に、制御装置６０内の復帰位置指令生成部６６の機能について説明する。操作ハンドル４には記録スイッチ６が付設され、教示作業者が記録スイッチ６を押下すると、その時点でのロボット１のフィードバック位置と制御点位置が記録部６５に記録されることは既に述べた。
ここで、教示作業者が制御点位置を変更した後、次の教示点へロボット１を移動させようとした際に、操作ミスによりロボット１が所望の位置から大きくずれてしまうことがある。このような場合、制御点位置を変更しているために教示作業者にとっての操作感覚も変わり、うまく元の位置に戻せなくなってしまうことがある。
このような場合に教示作業者が操作ハンドル４の復帰スイッチ７を押下すると、復帰位置指令生成部６６は記録部６５に記録された直前の教示位置と直前の制御点位置を読み込むとともに、切り替え手段６７により力制御部６１に代えて復帰位置指令生成部６６からの位置指令を位置速度サーボ系６２に出力する。さらに切り替え手段６８により力制御部６１に直前の制御点位置を出力する。
これによってロボット１の各関節のサーボモータが駆動され復帰位置である直前の教示位置に戻るとともに制御点についても直前の設定に戻る。こうして教示作業者は直前の教示位置から再度教示をやり直すことができるので直接教示の操作性を向上させ、効率的に教示作業を行うことができる。

本発明は、直接教示装置の他にも力制御により人手でロボットを直接誘導操作する際にも利用可能である。

本発明の全体構成を示す図 本発明の力制御部の構成を示す図 本発明の操作ハンドルを示す図 本発明による教示の実施例を示す図 本発明の実施例を説明する作業状態の遷移図 本発明の制御点演算部の構成を示す図 本発明による教示の別の実施例を示す図 本発明の操作ハンドルの別の例を示す図

符号の説明

１ ロボット
２ エンドエフェクタ
３ 力センサ
４ 操作ハンドル
５ 制御点入力手段
５Ａ 方向選択ボタン
５Ｂ 変更量入力ボタン
６ 記録スイッチ
７ 復帰スイッチ
８ ＬＥＤ
９ 位置／姿勢切り替えスイッチ
６０ 制御装置
６１ 力制御部
６２ 位置速度サーボ系
６３ サーボアンプ
６４ 制御点演算部
６５ 記録部
６６ 復帰位置指令生成部
６７、６８ 切り替え手段
１００、１００´ 第１部品
１００Ａ、１００Ａ´ 第１凸部
１００Ｂ、１００Ｂ´ 第２凸部
１０１ 第２部品
１０１Ａ 第１穴
１０１Ｂ 第２穴
６１１ センサ座標変換部
６１２ インピーダンスモデル部
６１３ 逆変換
６１４ 順変換
６１５ 制御点更新監視部
６４１ Ａ／Ｄ変換器
６４２ 制御点生成部
６４３ 制御点範囲監視部

Claims (6)

1. 多関節ロボットの先端部に力センサを介して設けられた操作ハンドルと、
   前記操作ハンドルに加わる教示作業者の操作力を前記力センサによって検出し、前記操作力に応じて力制御により前記ロボットを移動させる指令を出力する力制御部を備えた制御装置を有するロボットの直接教示装置であって、
   前記操作ハンドルは、教示中に教示作業者が前記ロボットの制御点の変更量および方向を入力する制御点入力手段を備え、
   前記制御装置は、前記制御点入力手段にて入力された前記変更量および方向に応じて前記ロボットの制御点設定を更新し前記力制御部へ出力する制御点演算部を備え、
   前記制御点演算部は、前記制御点入力手段にて入力された前記変更量を予め設定された値と比較する制御点範囲監視部を備えることを特徴とするロボットの直接教示装置。
2. 前記制御点範囲監視部は、前記制御点入力手段にて入力された前記変更量が前記予め設定された値より大きい場合には、前記変更量を前記前記予め設定された値に制限し、前記教示操作者にアラーム表示することを特徴とする請求項１記載のロボットの直接教示装置。
3. 前記制御装置は、前記教示作業者の操作によって前記ロボットの各関節の位置を教示点として記録するとともに、前記記録時における制御点設定を記録する記録部を備えることを特徴とする請求項１または２記載のロボットの直接教示装置。
4. 前記制御装置は、前記教示作業者の操作によって前記記録部から直前の前記教示点と直前の前記制御点設定を読み出し、前記ロボットを前記直前の教示点へ移動させる指令を出力するとともに、前記力制御部へ前記直前の制御点設定を出力する復帰位置指令生成部を備えることを特徴とする請求項３記載のロボットの直接教示装置。
5. 前記制御点設定は、前記ロボットのエンドエフェクタによって把持した物体に設定された被把持物体座標系に基づいて表現されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のロボットの直接教示装置。
6. 前記制御点入力手段は、前記制御点位置の変更量および方向に加え、前記被把持物体座標系の姿勢の変更量および方向を入力することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載のロボットの直接教示装置。