JP3193878B2 - Cooperative robot system for fitting work - Google Patents
Cooperative robot system for fitting workInfo
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Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は部品の組立工程等で
必要とされる嵌合作業を自動化するための技術に関し、
更に詳しく言えば、嵌合作業の自動化に用いられる協調
ロボットシステムに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a technique for automating a fitting operation required in a part assembling process and the like.
More specifically, the present invention relates to a cooperative robot system used for automating a fitting operation.
【0002】[0002]
【従来の技術】嵌合作業は多くの組立工程等に含まれる
基本的な作業の一つであり、ロボットを用いた嵌合作業
の自動化も既に実施されている。ロボットを用いた嵌合
作業においては、一方のワーク(嵌合ワーク)がロボッ
トで把持され、他方のワーク(被嵌合ワーク)の所定部
位(通常は凹部)に挿入される。嵌合ワークを把持する
ロボットには力制御ロボットが用いられることが多い。2. Description of the Related Art A fitting operation is one of basic operations included in many assembling processes and the like, and automation of the fitting operation using a robot has already been performed. In a fitting operation using a robot, one work (fitted work) is gripped by the robot and inserted into a predetermined portion (usually a concave portion) of the other work (fitted work). In many cases, a force control robot is used as a robot for gripping a fitting work.
【0003】力制御ロボットが嵌合作業に好んで用いら
れるのは、嵌合ワーク/被嵌合ワーク間の位置・姿勢の
関係のばらつきを吸収し、挿入動作中の力あるいはモー
メントを所定の条件で制御する機能があるからである。
しかし、力制御ロボットを用いても嵌合作業が円滑に行
なわれない場合がある。例えば、被嵌合ワーク側の凹部
の形状・寸法が嵌合ワークの凸部の形状・寸法とタイト
な関係にある場合、両ワークの接触面間の摩擦力が大き
な場合、あるいは被嵌合ワークの弾性に抗して挿入動作
を遂行しなければならない場合などにおいては、挿入動
作時に作用する抵抗力が大きくなり、ロボットによる嵌
合ワークの押し付け力が不足する事態が発生し易くな
る。[0003] The force control robot is preferably used for the fitting operation because it absorbs the variation in the position / posture relationship between the fitted work and the work to be fitted and changes the force or moment during the insertion operation to a predetermined condition. This is because there is a function to control with.
However, even when the force control robot is used, the fitting operation may not be performed smoothly. For example, when the shape and size of the concave portion on the mating work side are in a tight relationship with the shape and size of the convex portion of the mating work, when the frictional force between the contact surfaces of both works is large, or when the mating work For example, when the insertion operation must be performed against the elasticity of the robot, the resistance force acting during the insertion operation becomes large, and a situation in which the pressing force of the robot against the fitted work is insufficient tends to occur.
【0004】嵌合作業に用いられている従来のロボット
システムにおいては、挿入動作に必要な力は専ら嵌合ワ
ークを把持した単独のロボットに求められていたため、
挿入動作で必要と予測される力を確実に上回る力が出力
可能なロボットを用意しなければならず、嵌合作業にロ
ボットシステムを導入する際の難点となっていた。In the conventional robot system used for the fitting operation, the force required for the insertion operation is required only by a single robot holding the fitted work.
It is necessary to prepare a robot capable of outputting a force that reliably exceeds the force expected to be required in the insertion operation, which has been a difficulty when introducing a robot system into the fitting operation.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】そこで本発明の目的
は、上記従来技術の問題点を解消し、挿入動作に必要な
力を専ら嵌合ワークを把持するロボットに求めなくても
良いロボットシステムを提供することにある。SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, and to provide a robot system which does not require a robot exclusively for gripping a fitting work for a force required for an insertion operation. To provide.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】本発明によれば、上記技
術課題は、嵌合ワークを把持するロボットを被サポート
ロボットとし、これを支援するサポートロボットを含む
協調ロボットシステムによって解決される。サポートロ
ボットは、被サポートロボットの挿入動作を支援するた
めの挿入動作支援力作用手段を支持する。両ロボットを
制御するロボットシステム制御手段は、被サポートロボ
ットによる嵌合ワークの被嵌合ワークへの挿入動作に際
して、サポートロボットを被サポートロボットに接近さ
せ、次いて、挿入動作支援力作用手段が被サポートロボ
ットによる挿入動作を協調支援するように動作させる。
挿入動作支援力作用手段は、挿入動作支援時に前記嵌合
ワークに押し付け力を作用させる突起部を有する押し付
けツールを備えている。 According to the present invention, the above-mentioned technical problem is solved by a cooperative robot system including a supporting robot, which supports a fitting work, and a supporting robot for supporting the supporting work. The support robot supports an insertion operation support force acting means for supporting the insertion operation of the supported robot. The robot system control means for controlling both robots causes the support robot to approach the supported robot when the supported robot inserts the fitted work into the fitted work, and then the insertion operation assisting force acting means is operated. The support robot is operated to support the insertion operation in cooperation.
The insertion operation assisting force acting means is configured to
Pressing with a projection that applies a pressing force to the work
It is equipped with a tool.
【0007】典型的には、嵌合ワークは力サンサを介し
て取り付けられたハンドで把持されるとともに、挿入動
作支援力作用手段は力サンサをサポートロボットに支持
される。ロボットシステム制御手段は、これら力センサ
の出力を利用して、被サポートロボットの挿入動作とそ
の支援動作を力制御により実行する。挿入動作支援力作
用手段には、挿入動作支援時に嵌合ワークに押し付け力
を作用させる突起部を有する押し付けツールを用いるこ
とが出来る。[0007] Typically, the fitting work is gripped by a hand attached via a force sensor, and the insertion operation assisting force acting means is supported by the support robot with the force sensor. The robot system control means executes the insertion operation of the supported robot and the support operation thereof by force control using the outputs of these force sensors. A pressing tool having a projecting portion for applying a pressing force to the fitting work at the time of supporting the insertion operation can be used as the insertion operation supporting force acting means.
【0008】[0008]
【発明の実施の形態】図1は、本発明に従った協調ロボ
ットシステムの全体配置を例示した見取り図である。同
図に示したように、システムは2台のロボット1,2と
これらロボット1,2を制御するロボットコントローラ
3を備えている。ロボット1,2の手先部11,21に
は、各々力センサ12,22が取り付けられている。各
力センサ12,22には、例えば歪ゲージで構成され発
振器により交流駆動される複数のブリッジ回路と信号処
理部を内蔵した公知のものが使用出来る。各力センサ1
2,22からは、各力センサに作用する6軸力の各成分
を表わす検出信号がロボットコントローラ3に出力さ
れ、ロボット1,2の力制御に利用される。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 is a perspective view illustrating the overall arrangement of a cooperative robot system according to the present invention. As shown in FIG. 1, the system includes two robots 1 and 2 and a robot controller 3 for controlling the robots 1 and 2. Force sensors 12 and 22 are attached to the hand portions 11 and 21 of the robots 1 and 2, respectively. As each of the force sensors 12 and 22, a known sensor including a plurality of bridge circuits and a signal processing unit which are constituted by, for example, strain gauges and are AC-driven by an oscillator can be used. Each force sensor 1
From the sensors 2 and 22, detection signals representing the components of the six-axis force acting on the force sensors are output to the robot controller 3 and used for force control of the robots 1 and 2.
【0009】ロボット1の力センサ11にはハンド13
が装着される一方、ロボット2の力センサ12には、挿
入動作支援のための力作用手段として押し付けツール6
が装着されている。本事例における嵌合作業は、円筒状
の嵌合ワーク4を被嵌合ワーク5の凹部51へ挿入する
ものであり、挿入動作時には、押し付けツール6がハン
ド13の把持爪間から進入し、ロボット2の力制御によ
る動作によって嵌合ワーク4の頂部41に押し付けられ
る。符号61は押し付け時に嵌合ワーク4の頂部に接触
する突起を表わしている。The force sensor 11 of the robot 1 has a hand 13
Is attached to the force sensor 12 of the robot 2 as a pressing tool 6 as a force acting means for assisting the insertion operation.
Is installed. The fitting operation in this case is to insert the cylindrical fitting work 4 into the concave portion 51 of the work 5 to be fitted. At the time of the inserting operation, the pressing tool 6 enters from between the holding claws of the hand 13 and the robot moves. The work 4 is pressed against the top 41 of the fitting work 4 by the operation under the force control of 2. Reference numeral 61 denotes a projection that comes into contact with the top of the fitting work 4 at the time of pressing.
【0010】被嵌合ワーク5は作業テーブル7上に位置
決めされており、また、作業テーブル7のワーク載置面
をXY平面とする作業座標系Σw が両ロボット1,2に
設定されている。本システムを用いた嵌合作業は、ロボ
ット1による嵌合ワーク4の挿入動作をロボット2が協
調支援(サポート)する方式で実行される。即ち、本事
例では、押し付けツール6を支持したロボット2がサポ
ートロボットとなり、嵌合ワーク4を支持したロボット
1が被サポートロボットとなる。なお、挿入に際しての
動作支援の詳細については後述する。The work 5 to be fitted is positioned on the work table 7, and a work coordinate system Σw having the work mounting surface of the work table 7 on the XY plane is set for both robots 1 and 2. The fitting operation using the present system is executed by a method in which the robot 2 cooperates (supports) the insertion operation of the fitting work 4 by the robot 1. That is, in this case, the robot 2 supporting the pressing tool 6 is a support robot, and the robot 1 supporting the fitting work 4 is a supported robot. The details of the operation support at the time of insertion will be described later.
【0011】ロボットコントローラ3全体は、図2に示
したように、協調動作時にマスターロボットとなるロボ
ット1のための制御部31と、同じく協調動作時にスレ
ーブロボットとなるロボット2のための制御部32から
構成され、両者は通信回線CLまたはバスラインBLに
より結合されている。制御部31はロボット1の他に力
センサ12、ハンド13及び教示操作盤104に接続さ
れ、制御部32はロボット2の他に力センサ22に接続
されている。As shown in FIG. 2, the entire robot controller 3 includes a control unit 31 for the robot 1 which becomes the master robot during the cooperative operation and a control unit 32 for the robot 2 which also becomes the slave robot during the cooperative operation. Are connected by a communication line CL or a bus line BL. The control unit 31 is connected to the force sensor 12, the hand 13, and the teaching operation panel 104 in addition to the robot 1, and the control unit 32 is connected to the force sensor 22 in addition to the robot 2.
【0012】制御部31,32のハードウェアはほぼ共
通の構成とすることが出来る。そこで、ここでは制御部
31の要部構成を図3に示した。同図に示したように、
制御部31は、中央演算処理装置(メインCPU、以下
単にCPUと言う。)101を有し、該CPU101に
は、RAM及びROMからなるメモリ102、動作の教
示・座標設定等を行う為の教示操作盤104に接続され
た教示操作盤用インターフェイス103、通信インター
フェイスを兼ねた汎用の入出力インターフェイス105
及びサーボ制御部#1〜#7がバス106を介して接続
されている。The hardware of the control units 31 and 32 can be of substantially the same configuration. Therefore, FIG. 3 shows a main configuration of the control unit 31 here. As shown in the figure,
The control unit 31 has a central processing unit (main CPU, hereinafter simply referred to as a CPU) 101. The CPU 101 has a memory 102 composed of a RAM and a ROM, and teaches operation and teaches coordinates and the like. Interface 103 for teaching operation panel connected to operation panel 104, general-purpose input / output interface 105 also serving as communication interface
And servo control units # 1 to # 7 are connected via a bus 106.
【0013】サーボ制御部#1〜#6は各サーボアンプ
を介してロボット1の各軸モータM1〜M6に接続され
ている。サーボ制御部#7及びモータM7は付加軸用の
もので、ハンド13としてサーボハンドを使用する場
合、モータM7はハンド13を駆動するサーボモータで
ある。サーボハンドを使用しない場合には、ハンド13
の駆動部(図示省略)は汎用信号インターフェイスに接
続される。The servo controllers # 1 to # 6 are connected to respective axis motors M1 to M6 of the robot 1 via respective servo amplifiers. The servo control unit # 7 and the motor M7 are for an additional axis. When a servo hand is used as the hand 13, the motor M7 is a servo motor that drives the hand 13. When the servo hand is not used, the hand 13
(Not shown) are connected to a general-purpose signal interface.
【0014】力センサ12の出力は、汎用信号インター
フェイスを介して制御部31に取り込まれ、CPU10
1は、これを順次メモリ102内の所定領域に格納す
る。格納された力センサ12の出力データは、ロボット
1の力制御(例えばインピーダンス制御)の為に利用さ
れる。力センサ22の出力についても同様に制御部32
のメモリに格納され、ロボット2の力制御の為に利用さ
れる。The output of the force sensor 12 is taken into the control unit 31 via the general-purpose signal interface, and
1 sequentially stores them in a predetermined area in the memory 102. The stored output data of the force sensor 12 is used for force control (for example, impedance control) of the robot 1. The output of the force sensor 22 is similarly controlled by the control unit 32.
And is used for force control of the robot 2.
【0015】メモリ102のROM、RAM及び不揮発
性メモリは、上記力センサ12の出力データの格納の他
に、制御部31自身の動作を制御するプログラム、嵌合
作業のための動作プログラムデータ、制御部32との間
の信号授受のコントロール等を実行するプログラム並び
に各処理の関連設定値の格納等に用いられる。この設定
値には、力センサ12に設定されたセンサ座標系の設定
データ、前述の作業座標系Σw のデータ、ロボット1の
力制御の条件等を定めた設定データなどが含まれる。な
お、これらに対応する事項は、ロボット2側の制御部3
2についても同様なので、繰り返しの説明は省略する。The ROM, RAM and non-volatile memory of the memory 102 store the output data of the force sensor 12 as well as a program for controlling the operation of the control unit 31 itself, operation program data for a fitting operation, and control. It is used for storing a program for controlling the transmission and reception of signals with the unit 32 and setting values related to each process. The set values include the set data of the sensor coordinate system set for the force sensor 12, the data of the work coordinate system Σw described above, and the set data for defining the conditions of the force control of the robot 1 and the like. The items corresponding to these are described in the control unit 3 on the robot 2 side.
Since the same applies to No. 2, the repeated description is omitted.
【0016】次に、以上の事項を前提として本実施形態
における嵌合作業のシーケンスの概要を図4〜図8を参
照図に加えて説明する。なお、ロボット1のプレアプロ
ーチ位置・姿勢データ、ロボット1,2のアプローチ位
置・姿勢データ、嵌合長データなど要事前教示データ
は、周知の方式(ティーチング・プレイバック方式、マ
ニュアル入力方式など)を用いてすべてロボットコント
ローラ3に教示済みであるものとする。Next, an outline of the sequence of the fitting operation in the present embodiment will be described with reference to FIGS. The pre-teach data such as pre-approach position / posture data of the robot 1, approach position / posture data of the robots 1 and 2, and fitting length data need to be well-known methods (teaching / playback method, manual input method, etc.). It is assumed that the robot controller 3 has already been used for teaching.
【0017】また、図4〜図7においては、嵌合ワーク
4、被嵌合ワーク5を各々段付円筒と穴あき円筒の断面
で模式描示し、ハンド13、力センサ12,22などの
描示は省略した。ロボット1,2のツール先端点TCP
1,2は各々嵌合ワーク4の先端面の中心点及び押し付
けツール61の突起先端に、図4他に示したような向き
を以て設定されているものとする。図8には、下記1.
〜9.のシーケンスをまとめてフローチャートで示し
た。括弧で示したステップ番号は、図8のフローチャー
ト中のものを引用した。4 to 7, the fitting work 4 and the work 5 to be fitted are schematically illustrated by cross sections of a stepped cylinder and a perforated cylinder, respectively, and the hand 13, the force sensors 12, 22 and the like are illustrated. The illustration is omitted. Tool tip point TCP for robots 1 and 2
Reference numerals 1 and 2 are set at the center point of the distal end surface of the fitting work 4 and the distal end of the projection of the pressing tool 61, respectively, with the orientation shown in FIG. FIG.
~ 9. Are collectively shown in a flowchart. The step numbers in parentheses refer to those in the flowchart of FIG.
【0018】1.サポートロボット2のプレアプローチ
点待機(ステップS1):押し付けツール6を支持した
ロボット2を、行列 WQP で表わされる教示済みのプレ
アプローチ点へ移動・位置決めして待機させておく。行
列 WQP は、ロボット2のプレアプローチ点におけるツ
ール先端点TCP2の位置・姿勢を作業座標系Σw 上で
表わしている。なお、サイクルタイム短縮化の観点か
ら、このプレアプローチ点はロボット2のホームポジシ
ョン(ワーク一対の嵌合作業終了毎の復帰位置)とする
ことが好ましい。但し、ロボット2のプレアプローチ点
は、図示を省略したハンド13の爪の位置なども考慮し
て、押し付けツール6の先端をアプローチ完了状態にあ
る嵌合ワーク4の頂面41へ向けて接近させる際に干渉
が生じないように選ばれる必要がある。1. Pre approach point waiting support robot 2 (step S1): pressing supporting the robot 2 a tool 6, allowed to stand by moving and positioning the teachings already pre approach point represented by a matrix W Q P. Matrix W Q P represents the position and orientation of the tool center point TCP2 in the pre approach point of the robot 2 on the work coordinate system? W. From the viewpoint of shortening the cycle time, it is preferable that the pre-approach point is the home position of the robot 2 (return position every time the paired work is completed). However, the pre-approach point of the robot 2 is set such that the tip of the pressing tool 6 approaches the top surface 41 of the fitting work 4 in the approach completed state in consideration of the position of the claw of the hand 13 not shown. Must be selected so that no interference occurs.
【0019】2.被サポートロボット1のアプローチ移
動(ステップM1):嵌合ワーク4を把持したロボット
1(TCP1)を、先行する教示点位置から、挿入動作
開始のためのアプローチ点へ移動させ、位置決めする。
ロボット1のアプローチ点は、作業座標系Σw 上でアプ
ローチ位置・姿勢を表わす行列 WAA のデータで教示さ
れている。2. Approach Movement of Supported Robot 1 (Step M1): The robot 1 (TCP1) holding the fitting work 4 is moved from the preceding teaching point position to the approach point for starting the insertion operation and positioned.
Approach point of the robot 1 is taught in the data of the matrix W A A representing the approach position and orientation on the work coordinate system? W.
【0020】図4には、ロボット2のプレアプローチと
ロボット1のアプローチが完了した状態が描かれてい
る。同図から理解されるように、ロボット1のアプロー
チ点は、嵌合ワーク4の挿入開始時の位置・姿勢を教示
したものである。FIG. 4 shows a state in which the pre-approach of the robot 2 and the approach of the robot 1 have been completed. As understood from the figure, the approach point of the robot 1 teaches the position / posture at the start of the insertion of the fitting work 4.
【0021】3.被サポートロボット1のアプローチ動
作完了信号の送受信(ステップM2/ステップS2):
制御部31から制御部32へ、ロボット1のアプローチ
完了を伝える。 4.サポートロボット2のアプローチ移動(ステップS
3):押し付けツール6を支持したロボット2(TCP
2)を、教示済みのロボット2のアプローチ点へ移動・
位置決めして待機する。ロボット2のアプローチ点は、
作業座標系Σw上でアプローチ位置・姿勢を表わす行列
WQA のデータで教示されている。3. Transmission and reception of the approach operation completion signal of the supported robot 1 (step M2 / step S2):
The control unit 31 notifies the control unit 32 of the completion of the approach of the robot 1. 4. Approach movement of the support robot 2 (step S
3): Robot 2 (TCP) supporting pressing tool 6
2) is moved to the approach point of the robot 2 that has been taught.
Position and wait. The approach point of robot 2 is
Matrix representing approach position / posture on working coordinate system Σw
Taught by W Q A data.
【0022】図5には、ロボット1,2のアプローチ移
動が完了した状態が描かれている。これから判るよう
に、ロボット2のアプローチ点は、押し付けツール6の
突起先端点に設定されたTCP2が、嵌合ワーク4の頂
面41の中心点に一致し、且つ、押し付けツール6の下
面62が嵌合ワーク4の頂面41に平行となるように教
示されている。FIG. 5 shows a state in which the robots 1 and 2 have completed the approach movement. As can be seen, the approach point of the robot 2 is such that the TCP 2 set at the tip of the projection of the pressing tool 6 matches the center point of the top surface 41 of the fitting work 4 and the lower surface 62 of the pressing tool 6 It is taught to be parallel to the top surface 41 of the fitting work 4.
【0023】5.サポートロボット2のアプローチ動作
完了/協調動作開始同期信号の送受信(ステップS4/
ステップM3):制御部32から制御部31へ、ロボッ
ト2のアプローチ完了を伝える。この信号は、協調動作
開始の同期信号を兼ねる。5. Transmission / reception of an approach operation completion / cooperative operation start synchronization signal of the support robot 2 (step S4 /
Step M3): The controller 32 notifies the controller 31 of the completion of the approach of the robot 2. This signal also serves as a synchronization signal for starting a cooperative operation.
【0024】6.協調挿入動作/挿入支援動作(ステッ
プM4/ステップS5):アプローチ動作完了/協調動
作開始同期信号送受信後、直ちに被サポートロボット1
による挿入動作とサポートロボット2による挿入支援動
作を開始させる。両ロボット1,2について、アプロー
チ状態からの移動方向は、凹部51の底部へ向う軸方向
として予め教示されている挿入方向ベクトルnの方向と
する。力制御状態に入ったロボット1,2の協調動作に
ついては、後述・補足する。6. Cooperative insertion operation / insertion support operation (Step M4 / Step S5): After the completion of the approach operation / cooperation operation start synchronization signal transmission / reception, the supported robot 1 immediately
And the support operation by the support robot 2 are started. For both the robots 1 and 2, the moving direction from the approach state is the direction of the insertion direction vector n which is taught in advance as the axial direction toward the bottom of the concave portion 51. The cooperative operation of the robots 1 and 2 in the force control state will be described later and supplemented.
【0025】図6には、挿入動作進行中の状態が描かれ
ている。行列 WAH , WQH は各々挿入動作進行中のツ
ール先端点TCP1,TCP2の位置・姿勢を表わして
いる。FIG. 6 illustrates a state in which the insertion operation is in progress. Matrix W A H, W Q H are each represents an insertion operation in progress tool center point TCP1, the position and posture of the TCP2.
【0026】7.挿入動作完了判定(ステップM5):
ロボット1が予め教示された挿入長Lだけ進行するか、
挿入動作開始後設定時間Tの経過のいずれかを以て挿入
動作完了と判定する。なお、挿入長Lは、嵌合ワーク4
の先端を凹部51の底に確実に到達させたい場合には、
最大可能挿入長よりもやや大きめに設定する。そうでな
い場合には、最大可能挿入長よりもやや小さく設定す
る。そして、設定時間Tの経過による判定は、省くかあ
るいはエラー信号出力(ワーク挿入失敗)の判定に採用
しても良い。7. Insertion operation completion determination (step M5):
Whether the robot 1 advances by the insertion length L taught in advance,
It is determined that the insertion operation is completed when any of the set times T has elapsed after the start of the insertion operation. The insertion length L is the length of the fitting work 4
If you want to ensure that the tip of
Set slightly larger than the maximum possible insertion length. Otherwise, it is set slightly smaller than the maximum possible insertion length. The determination based on the elapse of the set time T may be omitted or employed for determining an error signal output (work insertion failure).
【0027】8.協調挿入動作完了信号送受信(ステッ
プM6/ステップS6):挿入動作完了と判定されたな
らば、直ちに制御部31から制御部32へ協調挿入動作
完了信号を送信する。8. Transmission / Reception of Cooperative Insertion Operation Completion Signal (Step M6 / Step S6): When it is determined that the insertion operation is completed, the control unit 31 immediately transmits a cooperative insertion operation completion signal to the control unit 32.
【0028】9.協調挿入動作/挿入支援動作終了(ス
テップM7/ステップS7):協調挿入動作完了信号送
受信後、直ちに被サポートロボット1とサポートロボッ
ト2の力制御を解除し、動作を停止させて両制御部3
1,32の処理を終了する。図7には、協調挿入動作完
了時の状態が描かれている。 WAE , WQE は各々挿入
動作完了時のツール先端点TCP1,TCP2の位置・
姿勢を作業座標系Σw 上で表わした行列である。9. Cooperative insertion operation / insertion support operation end (Step M7 / Step S7): Immediately after transmitting and receiving the cooperative insertion operation completion signal, the force control of the supported robot 1 and the support robot 2 is released, the operations are stopped, and both control units 3
The processing of steps 1 and 32 ends. FIG. 7 illustrates a state when the cooperative insertion operation is completed. W A E, W Q E are each insertion operation is completed at the time of the tool tip point TCP1, TCP2 position and of
This is a matrix representing the posture on the work coordinate system Σw.
【0029】以上が本実施形態における嵌合作業のシー
ケンスの概要である。本発明のシステムは、サポートロ
ボットで被サポートロボットの挿入動作を支援する点に
基本的特徴があり、両ロボットの挿入動作と挿入支援動
作を力制御で実行することは必ずしも必須の要件ではな
いが、挿入動作と挿入支援動作を円滑に実行するために
は、上記シーケンスのように力制御方式を採用すること
が好ましい。The above is the outline of the sequence of the fitting operation in the present embodiment. The basic feature of the system of the present invention resides in that the support robot supports the insertion operation of the supported robot.It is not essential that the insertion operation and the insertion support operation of both robots are performed by force control. In order to smoothly perform the insertion operation and the insertion support operation, it is preferable to adopt a force control method as in the above sequence.
【0030】力制御としては、種々のものが知られてい
るが、いずれもロボットの手先部に作用する力を所望の
状態(典型的には、予め定められた一定値)に保つよう
に制御する制御方式である。従って、本実施形態の例で
言えば、ロボット1、ロボット2について次のような6
軸力の条件でステップM4、ステップS5の移動中に力
制御を行なえば良い。なお、本事例では挿入方向nは座
標系Σw のZ軸方向に一致していることに注意。Various types of force control are known, and all of them are controlled so that the force acting on the hand of the robot is maintained in a desired state (typically, a predetermined constant value). Control method. Therefore, in the example of the present embodiment, the robots 1 and 2 have the following 6
Force control may be performed during the movement in steps M4 and S5 under the condition of the axial force. Note that, in this case, the insertion direction n coincides with the Z-axis direction of the coordinate system Σw.
【0031】[X軸方向及びY軸方向の力の条件] 1.ロボット1:力制御有効。FX =FY =0の条件で
力制御を行なう。 2.ロボット2:力制御無効(力センサ出力用いず)と
し、アプローチ位置のX,Y座標値を維持するためにX
軸方向及びY軸方向の移動を命ずるような移動指令は出
力しない。[Conditions of Force in X-axis direction and Y-axis direction] Robot 1: Force control effective. Force control is performed under the condition of FX = FY = 0. 2. Robot 2: Force control disabled (no force sensor output) and X to maintain the X and Y coordinate values of the approach position
A movement command that commands movement in the axial direction and the Y-axis direction is not output.
【0032】[Z軸方向の力の条件] 1.ロボット1、2:ロボット1,2の各力成分FZ に
ついて適当な力の条件F1 ,F2 を設定して力制御を行
なう。F1 ,F2 は、両者の和F1 +F2 が挿入動作を
確実に遂行するのに必要とされる最低の挿入力を適度に
上回るように設定する。F1 +F2 が過小であれば挿入
不全を起す可能性があり、F1 +F2 が過大であればワ
ーク、ハンド等の損傷の恐れがある。また、F1 ,F2
の値がロボット1,2各々の能力(最大力出力)から見
て無理のないように配慮することは言うまでもない。[Condition of Force in Z-Axis Direction] Robots 1 and 2: Force control is performed by setting appropriate force conditions F1 and F2 for each force component FZ of robots 1 and 2. F1 and F2 are set so that the sum F1 + F2 of the two appropriately exceeds the minimum insertion force required to reliably perform the insertion operation. If F1 + F2 is too small, insertion failure may occur, and if F1 + F2 is too large, there is a risk of damage to the work and hand. Also, F1, F2
It is needless to say that consideration should be given so that the value of is not unreasonable in view of the capabilities (maximum force output) of the robots 1 and 2.
【0033】[X軸回り、Y軸周り及びZ軸周りのモー
メントの条件] 1.ロボット1:XY各軸回りのモーメントをいずれも
0、即ちμX =μY ==0の条件で力制御を行なう。Z
軸周りについては力制御は行なわず、Z軸周りの移動を
命ずるような移動指令も出力しない。 2.ロボット2:X軸回り、Y軸周り及びZ軸周りにつ
いて、力制御無効(力センサ出力用いず)とし、アプロ
ーチ姿勢を維持するために、X軸回り、Y軸周り及びZ
軸周りの移動を命ずるような移動指令は出力しない。[Conditions of Moment around X-axis, around Y-axis and around Z-axis] Robot 1: Force control is performed under the condition that the moments around the XY axes are all 0, that is, μX = μY == 0. Z
No force control is performed around the axis, and no movement command that commands movement around the Z axis is output. 2. Robot 2: Force control invalid (no use of force sensor output) around the X axis, around the Y axis, and around the Z axis, and to maintain the approach posture, around the X axis, around the Y axis, and Z
It does not output a movement command that commands movement around the axis.
【0034】最後に、力制御の一例としてインピーダン
ス制御法について説明するが、この制御方法自体は公知
であるから、概要と本実施形態への適用法を簡単に述べ
ることにする。インピーダンス制御法(機械インピーダ
ンス制御とも言う。)は、ロボットをある望ましい慣性
を持ち、ダンパとバネにより目標軌道に釣り下げられた
仮想的な一つの剛体であるかのように動作させる制御法
である。ロボットをそのような系にモデル化するため
に、系は慣性、ダンパ及びバネを表現するパラメータで
記述される。系を記述するように設定されたパラメータ
の組は、設定機械インピーダンスと呼ばれる。系の運動
方程式は、これらパラメータを用いて表現することが出
来る。Finally, an impedance control method will be described as an example of the force control. Since the control method itself is known, an outline and a method of applying the present invention to the present embodiment will be briefly described. The impedance control method (also referred to as mechanical impedance control) is a control method in which a robot has a certain desired inertia and operates as if it were a single virtual rigid body suspended on a target trajectory by a damper and a spring. . To model a robot into such a system, the system is described with parameters describing inertia, dampers and springs. The set of parameters set to describe the system is called the set mechanical impedance. The equation of motion of the system can be expressed using these parameters.
【0035】一般に、インピーダンス制御法を適用する
際には、慣性、ダンパ及びバネを表現するパラメータを
適当に設定し、目標位置(姿勢を含む)、速度、加速度
並びに目標力を与える。目標力は、上記力の条件で説明
したものを指定すれば良い。また、目標軌道について
は、アプローチ点の位置、姿勢 WTA , WQA と挿入長
Lから算出出来る。本実施形態では、位置に関する目標
は挿入方向の速度で与えられる。In general, when applying the impedance control method, parameters representing inertia, damper, and spring are appropriately set, and a target position (including posture), speed, acceleration, and target force are given. The target force may be the one described in the above condition of the force. Also, for the target track, the position of the approach point, can be calculated from the posture W T A, W Q A and the insertion length L. In this embodiment, the target for the position is given by the speed in the insertion direction.
【0036】今、目標力を DFd とし、これを更に DF
d =[ Dfd T , Dτd T ]T で表わすことにする。こ
こで、 Dfd は目標とする力、 Dτd は目標とするトル
クである。ロボット1について上記力制御の条件を当て
はめれば、力 Dfd とトルクDτd は次式(1),
(2)で表わされる。 Dfd =[0, 0,Dfz ]T =[0, 0,F1 ]T ・・・(1) 、 Dτd =[0,0,0]T ・・・(2) 同様に、ロボット2について上記力制御の条件を当ては
めれば、力 Dfd とトルク Dτd は次式(3),(4)
で表わされる。 Dfd =[0, 0,Dfz ]T =[0, 0,F2 ]T ・・・(3) Dτd =[0,0,0]T ・・・(4) なお、(1)〜(4)式において、力制御無効とする目
標成分については0とした。[0036] Now, a target force and D F d, further D F this
d = to be represented by [D f d T, D τ d T] T. Here, D f d is a target force, and D τ d is a target torque. If the above-mentioned force control conditions are applied to the robot 1, the force D f d and the torque D τ d are given by the following equations (1),
It is represented by (2). D f d = [0,0, D f z ] T = [0,0, F1] T ... (1), D τ d = [0,0,0] T. If the conditions of the force control described above are applied to the robot 2, the force D f d and the torque D τ d are given by the following equations (3) and (4).
Is represented by D f d = [0,0, D f z ] T = [0,0, F2] T (3) D τ d = [0,0,0] T (4) In the expressions (1) to (4), the target component for which the force control is invalid is set to 0.
【0037】TCP1またはTCP2が挿入方向nに沿
って移動し、嵌合が完了して図7に示した状態になる
と、嵌合ワーク4の先端面が凹部51の底に突き当た
り、ロボット1,2は上記各目標力 DFd に設定された
平衡状態に到達し、移動は停止する。When the TCP 1 or TCP 2 moves in the insertion direction n and the fitting is completed and the state shown in FIG. 7 is reached, the front end surface of the fitting work 4 hits the bottom of the concave portion 51 and the robots 1 and 2 move. reaches the equilibrium state set to each target force D F d, movement stops.
【0038】今、TCP1またはTCP2を位置、姿勢
の6次元ベクトルで表したものを DrC とすると、設定
インピーダンスで記述される運動方程式は次式(5)と
なる。Now, assuming that TCP1 or TCP2 is represented by a six-dimensional vector of position and posture as D r C , the equation of motion described by the set impedance is given by the following equation (5).
【0039】[0039]
【数1】 上記(5)式において、変数rの上に付したドット数は
その数だけの微分を表す。 DFc は6軸力センサ12ま
たは22で検出される力であり、右辺は目標力DFd と
の偏差に力のゲインκF をかけたものである(以下、便
宜上κF =1とする)。また、上記(5)式において、 Mは6行6列の目標慣性行列 Dは6行6列の目標粘性行列 Kは6行6列の目標剛性行列 である。この実施形態のように、力制御方向、位置制御
方向を決めた場合には、 M=diag(m1 ,m2 ,・・・m6 ) D=diag(d1 ,d2 ,・・・d6 ) K=diag(k1 ,k2 ,・・・k6 ) ・・・(6) とし、 K=0 ・・・(7) とする。そして、残りのパラメータと(9)式の具体的
な数値は制御対象に依存するので、チューニングなどに
より決定し、インピーダンスデータ中に設定する。(Equation 1) In the above equation (5), the number of dots given on the variable r represents the differential of the number. D F c is the force detected by the force sensor 12 or 22, the right side is multiplied by the gain κF force on the deviation between the target force D F d (hereinafter, for convenience and kappa F = 1 ). In the above equation (5), M is a 6 × 6 target inertia matrix D is a 6 × 6 target viscosity matrix K is a 6 × 6 target stiffness matrix When the force control direction and the position control direction are determined as in this embodiment, M = diag (m1, m2,... M6) D = diag (d1, d2,... D6) K = diag (K1, k2,... K6)... (6) and K = 0. Since the remaining parameters and the specific numerical values of the equation (9) depend on the control target, they are determined by tuning or the like and set in the impedance data.
【0040】上述のインピーダンス設定と目標力の設定
により、ツール先端点に加わる力に応じ、ロボット1あ
るいはロボット2が位置・姿勢を挿入軸に整合させるよ
う力制御により動作し、円滑な嵌合作業が可能となる。
上記(5)式より、次の(8)式によってロボット1あ
るはロボット2の手先の目標加速度が求まる。By the above-described setting of the impedance and the setting of the target force, the robot 1 or the robot 2 operates by force control so as to match the position / posture with the insertion axis in accordance with the force applied to the tip of the tool. Becomes possible.
From the above equation (5), the target acceleration of the hand of the robot 1 or the robot 2 is obtained by the following equation (8).
【0041】[0041]
【数2】 ロボットの関節変数をθとし、この関節変数の1回微分
と上記ベクトル DrCの1回微分の関係を表すヤコビ行
列をJとすると、次の(9)式が成り立つ。(Equation 2) The robot joint variables and theta, when the first derivative and the Jacobian matrix representing the first derivative of the relationship between the vector D r C of the joint variables and J, the following equation (9) is satisfied.
【0042】[0042]
【数3】 上記(9)式における目標加速度(θd の2ドット)を
直接的に実現する方法の1つとして、ロボットの運動方
程式を次の(10)式として、(11)式で求められる
値uをアクチュエータへの指令値(モータへのトルク指
令)uとする方法がある。(Equation 3) As one of the methods for directly realizing the target acceleration (two dots of θ d ) in the above equation (9), the equation of motion of the robot is expressed by the following equation (10), and the value u obtained by the equation (11) is calculated as follows. There is a method of setting a command value to the actuator (torque command to the motor) u.
【0043】[0043]
【数4】 (Equation 4)
【0044】[0044]
【数5】 なお、上記(10),(11)式において、 τ :ロボットの各関節のトルク I(θ):ロボット慣性行列 h(θ,θの1ドット):コリオリ力、遠心力等の非線
形力 である。(Equation 5) In the above equations (10) and (11), τ: torque of each joint of the robot I (θ): inertia matrix of the robot h (one dot of θ, θ): nonlinear force such as Coriolis force, centrifugal force, etc. .
【0045】また、各アクチュエータ(モータ)毎に位
置、速度のサーボ系が構成されている場合には、When a position and speed servo system is provided for each actuator (motor),
【0046】[0046]
【数6】 (Equation 6)
【0047】[0047]
【数7】 として、順次Δt時間後の位置θd 、速度の目標値(θ
d の1ドット)を与えるようにすればよい。次に、イン
ピーダンス制御演算の処理の概要を図9のフローチャー
トに示す。この処理では、挿入軸に沿った教示経路に基
づいて、ロボット1あるいはロボット2の各軸値及び速
度より6次元ベクトル Drc 及びその微分値が求められ
る。また、設定された力の目標力 DFd 及び、6軸力セ
ンサ12あるいは22で検出される力 DFc によって
(8)式の演算を行い目標加速度( Drc の2ドット)
が求められる。更に、求められた目標加速度と各軸の速
度より(9)式の演算を行って、各軸毎の目標加速度
(θd の2ドット)を求める(ステップT1)。(Equation 7) The position θ d after the time Δt and the target value of the speed (θ
(1 dot of d ). Next, an outline of the processing of the impedance control calculation is shown in the flowchart of FIG. In this process, based on the teaching path along the insertion axis, each axis value of the robot 1 or the robot 2 and 6-dimensional vector D r c and its differential value than the rate is determined. The target force D F d and the set force, the force D F c detected by the six-axis force sensor 12 or 22 (8) target acceleration performs the operation of expression (2 dots D r c)
Is required. Furthermore, by performing the determined target acceleration and the operation speed from (9) of each axis, obtaining the (2 dots theta d) the target acceleration for each axis (step T1).
【0048】そして、各軸毎にステップT1で求めた目
標加速度と検出速度より上記(12)式並びに(13)
式の演算を行って目標速度、目標位置を求め各軸サーボ
系に出力する(ステップT2,T3)。From the target acceleration and the detected speed obtained in step T1 for each axis, the above equations (12) and (13)
The target speed and the target position are obtained by calculating the equations and output to the respective axis servo systems (steps T2 and T3).
【0049】上記インピーダンス制御演算の1サイクル
分が終了すると、現時点のロボット手先位置ri を求
め、該位置と一つ手前の位置ri-1 からロボットの進行
方向ベクトルΔiを求め、次のインピーダンス制御演算
の処理に備える。When one cycle of the above impedance control calculation is completed, the current robot hand position ri is obtained, and the robot's traveling direction vector Δi is obtained from this position and the position ri-1 immediately before. Prepare for processing.
【0050】以上、本実施形態では力制御としてインピ
ーダンス制御法を適用したが、他の力制御法も採用可能
である。また、本実施形態では挿入動作支援のための力
作用手段として、ロッド状の押し付けツール6を用いて
嵌合ワーク4の頂部に力を作用させるようにしたが、押
し付けツールの形状、力の作用点などは嵌合ワーク4の
把持形態等に応じて適宜変更することが出来る。As described above, in the present embodiment, the impedance control method is applied as the force control, but other force control methods can be adopted. Further, in the present embodiment, the force is applied to the top of the fitting work 4 using the rod-shaped pressing tool 6 as the force acting means for supporting the insertion operation. Points and the like can be appropriately changed according to the gripping form of the fitting work 4 and the like.
【0051】[0051]
【発明の効果】本発明によれば、挿入動作に際して2台
のロボットの合力を利用出来るので、比較的弱い力のロ
ボットを嵌合作業に用いることが出来るようになった。
そのため、挿入動作のために特別に強力なロボットを用
意しなけらばならないなどという制約が解消される。According to the present invention, since the resultant force of the two robots can be used during the insertion operation, a robot having a relatively low force can be used for the fitting operation.
Therefore, the restriction that a particularly powerful robot must be prepared for the insertion operation is eliminated.
【図1】本発明に従った協調ロボットシステムの全体配
置を例示した見取り図である。FIG. 1 is a schematic view illustrating the overall arrangement of a cooperative robot system according to the present invention.
【図2】ロボットコントローラ3の全体構成を説明する
ブロック図である。FIG. 2 is a block diagram illustrating an overall configuration of a robot controller 3;
【図3】制御部31の概略構成を示した要部ブロック図
である。FIG. 3 is a main block diagram showing a schematic configuration of a control unit 31.
【図4】実施形態において、ロボット2のプレアプロー
チとロボット1のアプローチが完了した状態を説明する
図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a state in which a pre-approach of the robot 2 and an approach of the robot 1 are completed in the embodiment.
【図5】実施形態において、ロボット2のアプローチと
ロボット1のアプローチが完了した状態を説明する図で
ある。FIG. 5 is a diagram illustrating a state where the approach of the robot 2 and the approach of the robot 1 are completed in the embodiment.
【図6】実施形態において、協調挿入動作の進行中の状
態を説明する図である。FIG. 6 is a diagram illustrating a state in which a cooperative insertion operation is in progress in the embodiment.
【図7】実施形態において、協調挿入動作の完了状態を
説明する図である。FIG. 7 is a diagram illustrating a completed state of the cooperative insertion operation in the embodiment.
【図8】本実施形態における嵌合作業のシーケンスの概
要を説明するためのフローチャートである。FIG. 8 is a flowchart illustrating an outline of a sequence of a fitting operation according to the present embodiment.
【図9】インピーダンス制御演算の処理の概要を説明す
るためのフローチャートである。FIG. 9 is a flowchart illustrating an outline of processing of impedance control calculation.
1 被サポートロボット(マスターロボット) 2 サポートロボット(スレーブロボット) 3 ロボットコントローラ 4 嵌合ワーク 5 被嵌合ワーク 6 押し付けツール 7 作業テーブル7 11,21 ロボットの手先部 12,22 力センサ 13 ハンド 31,32 制御部 41 嵌合ワーク4の頂面 51 凹部 61 突起 101 中央演算処理装置(CPU) 102 メモリ 103 教示操作盤用インターフェイス 104 教示操作盤 105 入出力インターフェイス 106 バス DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Supported robot (master robot) 2 Supported robot (slave robot) 3 Robot controller 4 Fitted work 5 Fitted work 6 Press tool 7 Work table 7 11,21 Robot hand 12,22 Force sensor 13 Hand 31, 32 control unit 41 top surface of fitting work 4 51 recess 61 protrusion 101 central processing unit (CPU) 102 memory 103 teaching operation panel interface 104 teaching operation panel 105 input / output interface 106 bus
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−260777(JP,A) 特開 昭63−312087(JP,A) 特開 平6−297364(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B25J 13/00 B25J 13/08 G05B 19/18 B23P 19/04 (56) References JP-A-63-260777 (JP, A) JP-A-63-312087 (JP, A) JP-A-6-297364 (JP, A) (58) Fields investigated (Int) .Cl. 7 , DB name) B25J 13/00 B25J 13/08 G05B 19/18 B23P 19/04
Claims (2)
トと、前記被サポートロボットの挿入動作を支援するた
めの挿入動作支援力作用手段を支持したサポートロボッ
トと、前記サポートロボットと被サポートロボットを制
御するロボットシステム制御手段を備えた、嵌合作業を
行なうための協調ロボットシステムであって、 前記ロボットシステム制御手段は、前記被サポートロボ
ットによる前記嵌合ワークの被嵌合ワークへの挿入動作
に際して、前記サポートロボットを前記被サポートロボ
ットに接近させ、次いて、前記挿入動作支援力作用手段
が前記被サポートロボットによる挿入動作を協調支援す
るように動作させるようになっており、前記挿入動作支援力作用手段は、挿入動作支援時に前記
嵌合ワークに押し付け力を作用させる突起部を有する押
し付けツールを備えている、 前記嵌合作業を行なうため
の協調ロボットシステム。1. A supported robot that grips a fitted workpiece, a support robot that supports an insertion operation support force acting means for supporting an insertion operation of the supported robot, and controls the support robot and the supported robot. A robot system control means for performing a fitting operation, wherein the robot system control means performs an operation of inserting the fitted work into the fitted work by the supported robot. the support is brought close to the robot to the object support robot, and have the following, the said insertion operation assist force acting means are adapted to operate so as to cooperatively support the insertion operation by the support robot, the insertion movement supporting force acting Means for supporting the insertion operation.
A pusher with a projection for applying a pressing force to the fitting work
A cooperative robot system for performing the fitting operation , comprising a butting tool .
られたハンドで把持する被サポートロボットと、前記被
サポートロボットの挿入動作を支援するための挿入動作
支援力作用手段を力サンサを介して支持したサポートロ
ボットと、前記サポートロボットと被サポートロボット
を制御するロボットシステム制御手段を備えた、嵌合作
業を行なうための協調ロボットシステムであって、 前記ロボットシステム制御手段は、前記被サポートロボ
ットの力制御による前記嵌合ワークの被嵌合ワークへの
挿入動作に際して、前記サポートロボットを前記被サポ
ートロボットに接近させ、次いて、前記挿入動作支援力
作用手段が前記被サポートロボットによる挿入動作を協
調支援するように力制御によって動作させるようになっ
ており、前記挿入動作支援力作用手段は、挿入動作支援時に前記
嵌合ワークに押し付け力を作用させる突起部を有する押
し付けツールを備えている、 前記嵌合作業を行なうため
の協調ロボットシステム。2. A supported robot for gripping a fitting work with a hand attached via a force sensor, and an insertion operation supporting force acting means for supporting an insertion operation of the supported robot via a force sensor. A cooperative robot system for performing a fitting operation, comprising: a supported support robot; and a robot system control unit configured to control the support robot and the supported robot, wherein the robot system control unit includes: At the time of the insertion operation of the fitting work into the fitting work by force control, the support robot approaches the supported robot, and then the insertion operation assisting force acting means coordinates the insertion operation by the supported robot. being adapted to be operated by a force controlled assist, the insertion operation援力effector means, said during insertion operation support
A pusher with a projection for applying a pressing force to the fitting work
A cooperative robot system for performing the fitting operation , comprising a butting tool .
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JPH10124121A (en) | 1998-05-15 |
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