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JP4822067B2 - ロボットおよびその直接教示装置 - Google Patents

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Description

本発明は、7軸以上の関節を備えた産業用ロボットに関し、特に作業の教示を行うための教示装置を備えたロボットに関するものである。
従来の産業用ロボットに対する教示方法としては、オペレータが力検出器の手動操作部を操作した時の力検出器から発生した信号からロボット先端の位置の指令値と手首の姿勢の指令値に基づいて、各駆動装置を駆動してロボットの先端の位置と手首姿勢を誘導して、この誘導情報を記憶装置に記憶して直接教示する方法(例えば、特許文献1参照)がある。
特開昭56−85106号公報(第2−6頁、図1)
以上述べたように、従来の直接教示装置では、6軸の関節で構成されたロボットに対しては、教示方法として極めて簡便で有効な方法であった。
しかしながら、7軸以上の関節で構成された冗長軸を有するロボットの場合、オペレータの操作による力検出器から発生した信号にもとづくロボット先端の位置の指令値と手首の姿勢の指令値だけでは、ロボットの各関節に目標位置が一意に決まらないため、予め冗長軸を固定して操作せざるを得ない為に、操作性が非常に悪く、冗長軸を有するロボットの優位性が発揮できないといった問題があった。
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、産業用ロボット等に作業の教示を行うための直接教示装置に関し、7軸以上の関節を備えたロボットの簡便かつ安全な教示装置を提供することを目的とする。
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に記載の発明は、アーム先端部に設けられた力センサと、前記力センサに設けられた操作ハンドルと、を備え、前記操作ハンドルにかかるオペレータの操作力を前記力センサにより検出し、前記操作力のかかる方向に前記アームを動作させることにより動作の教示を行う少なくとも7軸以上の関節で構成されたロボットシステムにおいて、前記操作ハンドルに、前記ロボットの冗長軸を操作するための冗長軸操作手段が設けられ、前記冗長軸以外の前記関節が動作リミットのチェックで動作できない場合、前記冗長軸の仮指令をもとに前記関節の角度の増分値を算出して前記動作リミットの前記チェックを回避する方向を算出するリミット回避方向算出部を前記ロボットの制御装置に備え、前記リミット回避方向算出部の算出結果を前記操作ハンドルへ送信し、動作可能な方向を前記操作ハンドルに備えた表示器を点灯させることで操作可能方向を表示したことを特徴とするものである。
請求項2に記載の発明は、前記冗長軸操作手段は、前記操作ハンドルの先端に設けられたことを特徴とするものである。
請求項3に記載の発明は、前記操作ハンドルは円柱状であり、前記冗長軸操作手段は、前記操作ハンドルの端面に設けられたことを特徴とするものである。
請求項4に記載の発明は、前記冗長軸操作手段は、ロック機構を備えたことを特徴とするものである。
請求項5に記載の発明は、動作リミット発生時に、動作リミットの回避方向を表示する表示手段を備えたことを特徴とするものである。
請求項6に記載の発明は、前記表示手段は、前記冗長軸操作手段の近傍に設けられたことを特徴とするものである。
請求項7に記載の発明は、前記冗長軸操作手段は、ダイヤル、ロッカスイッチまたはトグルスイッチのいずれか1つから構成されたことを特徴とするものである。
請求項8に記載の発明は、前記ダイヤルは、ダイヤル回転軸に対して垂直な方向に押し下げたときのみ回転可能なことを特徴とするものである。
請求項9に記載の発明は、前記冗長軸が複数存在し、操作対象とする冗長軸を切り換えるための切り換え手段を備えたものである。
請求項10に記載の発明は、少なくとも7軸以上の関節で構成されたロボットのアーム先端部に設けられる力センサと、前記力センサに設けられた操作ハンドルと、を備え、前記操作ハンドルにかかるオペレータの操作力を前記力センサにより検出し、前記操作力のかかる方向に前記アームを動作させることにより動作の教示を行うためのロボットの直接教示装置において、
前記操作ハンドルに、前記ロボットの冗長軸を操作するためのダイヤルが設けられ、前記冗長軸以外の前記関節が動作リミットのチェックで動作できない場合、前記冗長軸の仮指令をもとに前記関節の角度の増分値を算出して前記動作リミットの前記チェックを回避する方向を算出するリミット回避方向算出部を前記ロボットの制御装置に備え、前記リミット回避方向算出部の算出結果を前記操作ハンドルへ送信し、動作可能な方向を前記操作ハンドルに備えた表示器を点灯させることで操作可能方向を表示したことを特徴とするものである。
発明によると、オペレータは操作ハンドルを操作しながら冗長軸を操作することが出来るため、教示作業が円滑に効率的に行うことが可能となる。
また、ペレータが誤操作で冗長軸操作手段を、不用意に回しても、ロボットが動作することがなく極めて安全である。
また、イレクト操作中にロボットの関節が動作リミットになっても、オペレータが冗長軸を操作して容易に回避できるようになるため、教示作業の効率が極めて向上する。
また、長軸が複数存在しても、その各冗長軸を容易に操作することができる。
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はロボットであり、前記ロボット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。前記ロボット1の先端と前記エンドエフェクタ2の間には力センサ3が配置され、前記力センサ3には直接教示をするための操作ハンドル4が固定されている。操作ハンドル4は、円柱形状であるが、操作しやすい形状であれば、任意の形状でよい。
前記操作ハンドル4の先端部分には、ダイヤル(冗長軸操作手段)5Cが配置される。図2の上面図に示すように、ダイヤル5Cの近傍には、と表示器5Aと表示器5B(表示手段)とが設けられ、前記ダイヤル5Cは図2の側断面図に示すように回転式で、前方向と後方向にそれぞれの方向に回転できる。また、操作ハンドル4には、押下した状態でない限りダイヤルが回転しないロック機構が設けられており(図示せず)、ロック機構が働いた状態では、ダイヤルは機能しない構成となっている。
前記ロボット1は、基準点0から各可動軸を順次数えて、第一番目の軸をJ軸とし、以降J軸までが軸連節を成している。さらに詳述すれば、この7軸ロボット1は基本4軸として旋回軸のJ軸,肩曲げ軸のJ軸,肘回転軸のJ軸,肘曲げ軸のJ軸とを設け、さらに手首3軸として手首回転軸のJ軸,手首曲げ軸のJ軸,フランジ回転軸のJ軸を備え、計7軸で構成されている。そしてそれぞれの関節が図示しない7つのサーボモータによって独立に駆動される。
ここで、肘角度を次のように定義する。図1に表すJ軸とJ軸の交点・e点を肘位置とし、ロボット座標で表し、J軸の角度が0°のときのp点(J軸)とロボット座標原点のo点(J軸とJ軸の交点)を結ぶ直線と、肘位置・e点とでできる平面を肘角度0°の面としており、各軸が任意の角度のときのp点とロボット座標原点・o点と肘位置・e点でできる平面と、p点の位置を変化させずに、J軸を0°にしたときにできるp点とロボット座標原点のo点と肘位置e点でできる平面(つまり先の肘角度0°の平面)との角度を肘角度とする。
60は、前記ロボット1を制御するための制御装置で、肘角度作成部61と、インピーダンスモデル部62と、逆変換処理部63と、位置速度サーボ系64と、サーボアンプ65を備える。
ここで、前記インピーダンスモデル部62のインピーダンスモデルは、以下の通りである。

但し、F:力センサ3の出力である操作力、M:慣性係数、B:粘性係数、K:バネ係数であり、慣性係数Mと粘性係数B、バネ係数Kを調整することで、前記ロボット1のダイレクト操作性能を調整することが出来る。インピーダンス制御は公知技術であるため、これ以上の詳細な説明は割愛する。
次に、オペレータが操作ハンドル4を把持し前記ロボット1誘導する場合の、制御装置の制御方法について説明する。
まず、オペレータが把持した操作ハンドル4の誘導力を力センサ3で検出し、この力情報と仮想の慣性と粘性によるインピーダンスモデル(以下の実施例においては、バネ係数=0とする)に基づいたインピーダンスモデル部62で直交座標系での位置指令を算出する。この位置指令を関節座標系に逆変換し、各関節の関節角度指令を求める。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及び関節速度に基づいて位置速度サーボ系64内でモータの発生トルクを算出し、サーボアンプ65によりロボット1のサーボモータが駆動される。
次に、例えば、図3に示すロボット1の作業の教示場面を考える。図3において、7は前記エンドエフェクタ2が把持すべき部品で、8は周囲環境に存在する障害物である。図3(a)は、オペレータがそのまま直接操作すると前記障害物8と前記ロボット1が点CPで衝突する。そのためオペレータは、前記操作ハンドル4の上面に配置されたダイヤル5Cを押下する。そして、押下した状態で、前記ダイヤル5Cが、オペレータの親指の先で前方向に回転されると、前記ダイヤル部の回転角度に比例した肘角度の操作量が、前記肘角度作成部61で作成され、前記逆変換処理部63に入力される。逆変換処理部63は、公知の制御方法にて、7軸ロボット1の各関節の角度指令を求める。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及び関節速度に基づいて位置速度サーボ系64内でモータの発生トルクを算出し、サーボアンプ65によりロボット1のサーボモータが駆動され、前記ロボット1は、図3(b)に示す姿勢となり、前記障害物8と干渉しない姿勢となる。この状態で、オペレータは、操作ハンドル4を把持し前記ロボット1を誘導し、前記エンドエフェクタ2は前記部品7を把持する姿勢に、位置を教示することができる。
次に、肘角度以外の関節が動作リミットのチェックで動作できない場合を考える。
図1において、66は、リミット回避方向算出部であり、リミットチェックと同時に、動作可能な方向の前記表示器5Aと表示器5B何れか一方が点灯しオペレータの操作可能方向を表示する。
前記リミット回避方向算出部66の方向決定の方法は、両方向の仮指令を前記肘角度作成部61で別々に作成し、それぞれ前記逆変換処理部63に入力しそのときの、角度増分によりリミット内に入る方向を選択するものとする。そして、オペレータは前記操作ハンドル4の上面に配置されたダイヤル5Cを押下する。そして、押下した状態で、前記ダイヤル5Cが、オペレータの親指の先で回転されると、前記ダイヤル部の回転角度に比例した肘角度の操作量が、前記肘角度作成部61で作成され、前記逆変換処理部63に入力される。前記逆変換処理部63は、公知の制御方法にて、7軸ロボット1の各関節の角度指令を求める。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及び関節速度に基づいて位置速度サーボ系64内でモータの発生トルクを算出し、サーボアンプ65によりロボット1のサーボモータが駆動され、リミットチェック外の姿勢となる。この状態で、オペレータは、操作ハンドル4を把持し前記ロボット1を誘導し、前記エンドエフェクタ2は前記部品7を把持する姿勢に、位置を教示することができる。
なお、ロボットの関節は、7軸以上であってもよい。
また、ロボットの軸構成は、上記実施例のものに限らず、冗長軸を有する軸構成であれば、任意でよい。
また、ダイヤルに代えて、ロッカスイッチや、トグルスイッチ等の任意の冗長軸操作手段であっても良い。
また、ダイヤルの位置については、操作ハンドルの端面でなくとも、操作ハンドルを操作する手で操作しやすい場所、たとえば、先端部分の任意の場所であっても良い。
また、ダイヤルや表示器の位置については、操作ハンドルの端面でなくとも、操作者が視認しやすい場所であれば任意の位置で良い。
また、冗長軸が2以上の場合は、操作対象となる軸選択をするためのスイッチ等(切り換え手段)を設けて、上記実施例のごとくダイヤルにて操作してもよい。
本発明の全体構成を示す図 ダイヤル部の上面図および側断面図 ロボットの作業教示場面の説明図
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 ハンドル
5A 表示器(表示手段)
5B 表示器(表示手段)
5C ダイヤル(冗長軸操作手段)
60 制御装置
61 肘角度作成部
62 インピーダンスモデル部
63 逆変換処理部
64 位置速度サーボ系
65 サーボアンプ
66 リミット回避方向算出部
J1 旋回軸
J2 肩曲げ軸
J3 肘回転軸
J4 肘曲げ軸
J5 手首回転軸
J6 手首曲げ軸
J7 フランジ回転軸

Claims (10)

  1. アーム先端部に設けられた力センサと、前記力センサに設けられた操作ハンドルと、を備え、前記操作ハンドルにかかるオペレータの操作力を前記力センサにより検出し、前記操作力のかかる方向に前記アームを動作させることにより動作の教示を行う少なくとも7軸以上の関節で構成されたロボットシステムにおいて、
    前記操作ハンドルに、前記ロボットの冗長軸を操作するための冗長軸操作手段が設けられ、前記冗長軸以外の前記関節が動作リミットのチェックで動作できない場合、前記冗長軸の仮指令をもとに前記関節の角度の増分値を算出して前記動作リミットの前記チェックを回避する方向を算出するリミット回避方向算出部を前記ロボットの制御装置に備え、前記リミット回避方向算出部の算出結果を前記操作ハンドルへ送信し、動作可能な方向を前記操作ハンドルに備えた表示器を点灯させることで操作可能方向を表示したことを特徴とするロボットシステム
  2. 前記冗長軸操作手段は、前記操作ハンドルの先端に設けられたことを特徴とする請求項1記載のロボットシステム
  3. 前記操作ハンドルは円柱状であり、前記冗長軸操作手段は、前記操作ハンドルの端面に設けられたことを特徴とする請求項1記載のロボットシステム
  4. 前記冗長軸操作手段は、ロック機構を備えたことを特徴とする請求項1乃至3いずれかに記載のロボットシステム
  5. 動作リミット発生時に、動作リミットの回避方向を表示する表示手段を備えたことを特徴とする請求項1乃至4いずれかに記載のロボットシステム
  6. 前記表示手段は、前記冗長軸操作手段の近傍に設けられたことを特徴とする請求項5記載のロボット。
  7. 前記冗長軸操作手段は、ダイヤル、ロッカスイッチまたはトグルスイッチのいずれか1つから構成されたことを特徴とする請求項1乃至3いずれかに記載のロボットシステム。
  8. 前記ダイヤルは、ダイヤル回転軸に対して垂直な方向に押し下げたときのみ回転可能なことを特徴とする請求項7記載のロボットシステム
  9. 前記冗長軸が複数存在し、操作対象とする冗長軸を切り換えるための切り換え手段を備えたことを特徴とする請求項1記載のロボットシステム。
  10. 少なくとも7軸以上の関節で構成されたロボットのアーム先端部に設けられる力センサと、前記力センサに設けられた操作ハンドルと、を備え、前記操作ハンドルにかかるオペレータの操作力を前記力センサにより検出し、前記操作力のかかる方向に前記アームを動作させることにより動作の教示を行うためのロボットの直接教示装置において、
    前記操作ハンドルに、前記ロボットの冗長軸を操作するためのダイヤルが設けられ、前記冗長軸以外の前記関節が動作リミットのチェックで動作できない場合、前記冗長軸の仮指令をもとに前記関節の角度の増分値を算出して前記動作リミットの前記チェックを回避する方向を算出するリミット回避方向算出部を前記ロボットの制御装置に備え、前記リミット回避方向算出部の算出結果を前記操作ハンドルへ送信し、動作可能な方向を前記操作ハンドルに備えた表示器を点灯させることで操作可能方向を表示したことを特徴とするロボットの直接教示装置
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