CN109814492A - 工具姿势控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种工具姿势控制装置。该工具姿势控制装置包括：机器人(10)，其将工具T支承为能够改变其姿势，该工具T用于对对象物(W)进行预定的作业；传感器(20a、20b、20c、20d)，其被机器人(10)支承；以及控制装置(30)，其控制机器人(10)来改变工具(T)的姿势，传感器(20a、20b、20c、20d)测量工具(T)周围的多个测量基准位置中的每个测量基准位置与对象物W之间的距离，控制装置(30)进行控制机器人(10)的姿势控制处理，以使由传感器(20a、20b、20c、20d)测量出的多个所述距离彼此之差亦即测量距离差与目标值接近。

Description

工具姿势控制装置

技术领域

本发明涉及一种控制被工具支承装置支承的工具的姿势的工具姿势控制装置。

背景技术

以往，作为测量对置的两个平面间的距离的装置，已知如下一种装置，其包括：在对置的两个平面间以沿其垂直方向延伸的方式配置的棒状的测量装置主体；在测量装置主体的一端绕测量装置主体的长边轴且隔开间隔地配置的多个第一距离测量传感器；以及在测量装置主体的另一端绕测量装置主体的长边轴且隔开间隔地配置的多个第二距离测量传感器，使用多个第一距离测量传感器和多个第二距离测量传感器的各个测量值来调整测量装置主体的姿势(例如参照专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2017-044540号公报

发明内容

发明所需解决的问题

近几年，有时使用将工具支承为能够改变其姿势的机器人等工具支承装置，一边改变工具的姿势一边对对象物进行预定的作业。此时，在例如对象物是平板且只要相对于平板将工具的姿势维持为恒定即可的情况下，即使使工具相对于对象物移动也不需要改变工具的姿势。因此，只要一次设定工具相对于对象物的姿势即可。

与此相对，在对象物的表面是具有曲面或者凹凸的面的情况下、需要根据对象物上的位置来改变工具的姿势的情况下，在相对于对象物而移动了工具时，需要使用工具支承装置来改变工具的姿势。另外，在例如对象物的表面是伴随着曲率变化的曲面的情况下，由于对象物的整体形状不会是如设计那样的完全准确的形状，所以即使仅使用设计数据来设定工具相对于对象物的姿势，有时也不能使工具的姿势准确地匹配对象物的实际的表面形状。

本发明正是鉴于这样的情况而完成的，其目的在于提供一种工具姿势控制装置，该工具姿势控制装置能够使工具的姿势准确地匹配对象物的实际的表面形状。

解决问题的方案

为了解决上述课题，本发明采用以下方案。

本发明一个方面的工具姿势控制装置包括：工具支承装置，其将工具支承为能够改变其姿势，所述工具用于对对象物进行预定的作业；传感器，其被所述工具支承装置支承；以及控制装置，其控制所述工具支承装置来改变所述工具的姿势，所述传感器测量所述工具周围的三个以上的测量基准位置中的每个测量基准位置与所述对象物之间的距离，所述控制装置进行控制所述工具支承装置的姿势控制处理，以使所述传感器测量出的多个所述距离彼此之差亦即测量距离差接近与基于所述对象物的三维形状数据计算出的结果对应的目标值。

在上述方面中，通过被工具支承装置支承于工具的周围的传感器，测量三个以上的测量基准位置中的每个测量基准位置与对象物之间的距离，求出测量出的多个距离彼此之差亦即测量距离差，并控制工具支承装置，以使该测量距离差接近与基于对象物的三维形状数据计算出的结果对应的目标值，因此在对象物的表面是简单的曲面、复杂的曲面或者具有凹凸的情况下、以及需要根据对象物的各种位置来改变工具的姿势等的情况下，能够根据工具相对于对象物的位置使工具的姿势准确地匹配对象物的实际的表面形状。

在上述方面中，优选所述控制装置在进行了所述姿势控制处理之后，重复进行所述姿势控制处理直至所述测量距离差进入基准范围内为止。这样重复姿势控制处理直至测量距离差进入基准范围，从而能够使工具的姿势更准确地匹配对象物的实际的形状。

在上述方面中，优选在所述姿势控制处理中，所述控制装置改变测量出的多个所述距离的组合并求出多个所述测量距离差，并且控制所述工具支承装置，以使所述多个测量距离差接近与基于所述对象物的三维形状数据计算出的结果对应的各个目标值。

若这样地构成，则即使在对象物的表面是随着曲率变化的曲面、以及对象物的表面设置有凹凸等的情况下，也能够根据工具相对于对象物的移动来使工具的姿势准确地匹配对象物的实际的表面形状。

在上述方面中，优选在所述姿势控制处理中，所述控制装置改变测量出的多个所述距离的组合而求出多个所述测量距离差，并且在不使用所述多个测量距离差中的超过预定的阈值的一部分的所述测量距离差的情况下进行所述姿势控制处理。

在该情况下，虽然有时在对象物的表面存在异物、引起与正常反射不同的反射的材质或物体，凹凸等检测障碍，由此一部分的测量距离差的值与其他测量距离差的值大不相同，但能够减少或者消除由这样的检测障碍带来的影响。

在上述方面中，优选所述控制装置在所述多个测量距离差的一部分或者全部超过所述预定的阈值的情况下，使通知装置进行预定的通知动作。

由此，能够根据通知动作的频率等来应对上述那样的检测障碍的去除等，在实现工具的姿势控制精度的提高方面是有利的。

发明的效果

根据本发明，能够使工具的姿势准确地匹配对象物的实际的表面形状。

附图说明

图1是本发明的一个实施方式的工具姿势控制装置的结构简图。

图2是本实施方式的控制装置的框图。

图3是表示本实施方式的传感器的配置的图。

图4是表示本实施方式的控制装置的控制的例子的流程图。

图5是表示本实施方式的工具姿势控制装置的工具的倾斜度的计算例的图。

图6是本实施方式的第一变形例中所使用的对象物的立体图。

图7是表示本实施方式的第一变形例的工具的倾斜度的计算例的图。

图8是表示本实施方式的第二变形例的工具的倾斜度的计算例的图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的一个实施方式的工具姿势控制装置进行说明。

如图1所示，该工具姿势控制装置具备：机器人10，其为将针对对象物W进行预定的作业的工具T支承为能够改变其姿势的工具支承装置；传感器20a、20b、20c、20d，其为被机器人10支承在工具T的周围的多个(在本实施方式中是四个)距离测量传感器；以及控制装置30，其控制机器人10来改变工具T的姿势。

机器人10具备多个臂部件以及关节，并且具备分别驱动多个关节的多个伺服电机11(参照图2)。作为各伺服电机11能够使用旋转电机、直动电机等各种伺服电机。各伺服电机11内置有检测其动作位置的编码器等动作位置检测装置，动作位置检测装置的检测值发送至控制装置30。

在机器人10的前端部安装有工具T，通过工具T对对象物W进行预定的作业。在本实施方式中，机器人10通过工具T，进行将螺丝S***并拧入设置于对象物W的表面的孔(未图示)的作业。在工具T设置有用于依次供给螺丝S的盒(未图示)、和为了拧入放置于工具T的螺丝S而旋转的电机TM。电机TM与控制装置30连接，并被控制装置30控制。

各传感器20a、20b、20c、20d测量到对象物W的距离，例如能够使用激光位移仪等公知的光学式位移传感器、公知的超声波位移传感器、公知的接触式位移传感器等。各传感器20a、20b、20c、20d经由工具T而被机器人10支承。即，在本实施方式中各传感器20a、20b、20c、20d被安装于工具T。

在本实施方式中，各传感器20a、20b、20c、20d是激光位移仪，并构成为向由工具T实施的螺丝S的***方向照射激光。另外，如图3所示，多个传感器20a、20b、20c、20d被配置为绕工具T的旋转轴线RA且大致等间隔地排列。

在本实施方式中，各传感器20a、20b、20c、20d的沿工具T的旋转轴线RA的方向的位置相同，从工具T的旋转轴线RA到各传感器20a、20b、20c、20d的距离也相同。各传感器20a、20b、20c、20d与控制装置30连接，各传感器20a、20b、20c、20d的测量值发送至控制装置30。

如图2所示，控制装置30例如具备：具有CPU、RAM等的控制部31；显示装置32；具有非易失性存储器、ROM等的存储装置33；以分别与机器人10的伺服电机11对应的方式设置的多个伺服控制器34；与控制装置30连接并且操作者能够携带的示教器35。示教器35也可构成为与机器人控制装置30进行无线通信。

在存储装置33存储有***程序33a，***程序33a负责控制装置30的基本功能。另外，在存储装置33存储有动作程序33b和姿势控制程序33c，并且存储有对象物W的表面形状的数据、例如三维形状数据33d。三维形状数据33d例如使用CAD数据，且像图1那样是相对于机器人10定位于规定的位置的对象物W的三维形状的信息。

控制部31通过***程序33a进行动作，在进行针对对象物W的作业时，读出存储于存储装置33的动作程序33b并临时存储于RAM，根据已读出的动作程序33b向各伺服控制器34发送控制信号，由此控制机器人10的各伺服电机11的伺服放大器，并且还将控制信号发送至工具T的电机TM。

动作程序33b设定为依次将螺丝S***并拧入形成于对象物W的表面的多个孔。即，动作程序33b设定为将螺丝S配置为朝向各孔，并从该状态将螺丝S***并拧入孔。在通过动作程序33b而控制部31进行动作从而将螺丝S配置为朝向各孔之后，控制部31通过姿势控制程序33c而进行动作，并控制工具T相对于对象物W的姿势。下面使用图4的流程图来说明此时的控制部31的动作。

首先，当螺丝S配置为朝向孔(S1-1)时，控制部31通过姿势控制程序33c而进行动作，并求出由多个传感器20a、20b、20c、20d测量出的多个距离彼此之差(S1-2)。例如求出由传感器20a、20b以及20c分别测量出的距离之差亦即第一测量距离差、由传感器20b、20c以及20d分别测量出的距离之差亦即第二测量距离差、由传感器20c、20d以及20a分别测量出的距离之差亦即第三测量距离差、以及由传感器20d、20a以及20b分别测量出的距离之差亦即第四测量距离差。

在本实施方式中，作为一个例子，对象物W的表面是具有一定的曲率的球面。在该情况下，能够基于第一至第四测量距离差，求出工具T的旋转轴线RA相对于该球面的法线的倾斜角度以及其方向，当第一至第四测量距离差是与基于对象物W的三维形状数据计算出的结果对应的目标值(在该情况下全部是0)时，工具T的旋转轴线RA沿该球面的法线方向延伸。即使对象物W的表面是伴随着曲率变化的曲面，也能够通过比较第一至第四测量距离差与根据三维形状数据33d计算出的结果，求出工具T的旋转轴线RA相对于该曲面的对象位置的法线的倾斜角度以及其方向。

第一测量距离差也可是包含传感器20a的测量距离与传感器20b的测量距离之差、和传感器20b的测量距离与传感器20c的测量距离之差。如图3所示，在传感器20a与传感器20b沿X轴方向排列且传感器20b与传感器20c沿与X轴正交的Y轴方向排列的情况下，传感器20a的测量距离与传感器20b的测量距离之差和X轴方向的工具T的倾斜度对应，传感器20b的测量距离与传感器20c的测量距离之差和Y轴方向的工具T的倾斜度对应。第二至第四测量距离差也同样。

图5表示第一测量距离差所包含的传感器20a的测量距离与传感器20b的测量距离之差。如图5所示，如果来自传感器20a的激光的光轴和来自传感器20b的激光的光轴大致平行，则能够使用传感器20a与传感器20b的X轴方向的距离L1、和传感器20a的测量距离与传感器20b的测量距离之差L2，通过arctan(L2/L1)的计算求出工具T的旋转轴线RA在X轴方向的倾斜度α。

实际上来自传感器20a的激光的光轴与来自传感器20b的激光的光轴不完全平行的情况居多。在该情况下，在对象物W的表面，测量来自传感器20a的激光的照射位置与来自传感器20b的激光的照射位置之间的距离L3，能够使用距离L3，通过arcsin(L2/L3)的计算求出工具T的旋转轴线RA在X轴方向的倾斜度α。此外，也能够在几个位置获得距离L3的实测值，将该实测值用于其它位置的倾斜度α的计算。

接着，判断第一至第四测量距离差是否超过相对于基于对象物W的三维形状数据的目标值的阈值(步骤S1-3)。然后，在存在超过预定的阈值的测量距离差的情况下，例如在第四测量距离差所含的传感器20d与传感器20a的测量距离之差、传感器20d、20a、20b的测量距离之差超过阈值的情况下，决定不使用该测量距离差(第四测量距离差)(步骤S1-4)。

接着，向各伺服控制器34发送控制信号，以便使用在步骤S1-4中未被排除的第一至第三测量距离差，使测量距离差接近基于对象物W的三维形状数据的目标值，由此控制机器人10的各伺服电机11的伺服放大器(步骤S1-5)。此时，以工具T的旋转轴线RA的方向朝向对象物W的孔的方式进行控制。

在本实施方式的情况下，由于对象物W的表面是具有一定的曲率的球面，所以作为测量距离差的目标值使用0。另一方面，在对象物W的表面是伴随着曲率变化的曲面的情况下，设定与三维形状数据33d对应的测量距离差的目标值。

接着，与步骤S1-2相同地求出第一至第四测量距离差(步骤S1-6)，判断第一至第四测量距离差是否进入基准范围(步骤S1-7)。此时，也可进行步骤S1-3以及S1-4的处理。另外，基准范围被设定为工具T的旋转轴线RA相对于对象物W的表面的法线的倾斜度为对于螺丝S的拧入没有问题的程度的范围。

接着，在步骤S1-7中被判断为否的情况下，重复步骤S1-3至S1-6。在步骤S1-7中被判断为是的情况下，结束工具T相对于对象物W的姿势的调整，控制部31基于动作程序33b进行动作，由此进行螺丝S朝向孔的***及拧入。

这样，根据本实施方式，以如下方式控制机器人10：通过被机器人10支承于工具T的周围的传感器20a、20b、20c、20d，测量各传感器20a、20b、20c、20d的位置亦即四个测量基准位置的各个测量基准位置与对象物W的距离，求出测量出的多个距离彼此之差亦即第一至第四测量距离差，以第一至第四测量距离差的全部或者选择出的一部分接近目标值。

因此，在对象物W的表面是简单的曲面或者复杂的曲面的情况下、是具有凹凸的情况下、需要根据对象物W的各种位置来改变工具T的姿势的情况下等，能够根据工具T相对于对象物W的位置而使工具T的姿势准确地匹配对象物W的实际的表面形状。

另外，在本实施方式中，在步骤S1-5中进行了控制工具T相对于对象物W的姿势的姿势控制处理之后，重复步骤S1-5，直至由步骤S1-6测量出的第一至第四测量距离差的全部或者选择出的一部分进入基准范围。这样重复步骤S1-5，由此能够使工具T的姿势更准确地匹配对象物W的实际的形状。

另外，在本实施方式中，改变测量出的多个距离的组合来求出第一至第四测量距离差，并且不使用第一至第四测量距离差中的超过预定的阈值的一部分的测量距离差(在本实施方式中是第四测量距离差)而在步骤S1-5中进行姿势控制处理。因此，虽然有时在对象物W的表面存在异物、引起与正常反射不同的反射的材质或物体、凹凸等检测障碍，由此一部分的测量距离差(在本实施方式中是第四测量距离差)的值与其他测量距离差的值大不相同，但能够减少或者消除由这样的检测障碍带来的影响。

此外，也可构成为：在存在超过预定的阈值的一部分的测量距离差(在本实施方式中是第四测量距离差)的情况下，控制部31使用显示装置32、扬声器等通知装置通知该情况(进行通知动作)。由此，能够根据通知动作的频率等来应对检测障碍的去除等，在实现工具T的姿势控制精度的提高方面是有利的。

另外，在本实施方式中，由于对象物W的表面是具有一定的曲率的球面，因此针对第一至第四测量距离差使用了相同的目标值。与此相对，也可对第一至第四测量距离差分别设定目标值，在步骤S1-5中，控制部31向各伺服控制器34发送控制信号，以使第一至第四测量距离差接近各个目标值。各目标值根据三维形状数据33d、各传感器20a、20b、20c、20d相对于工具T的位置等来设定。

若这样地构成，则即使在对象物W的表面是随着曲率变化的曲面的情况下、在对象物W的表面设置有凹凸的情况下等，也能够根据工具T相对于对象物W的位置而使工具T的姿势准确地匹配对象物W的实际的表面形状。

如上述那样，能够使工具T的姿势准确地匹配对象物W的实际的表面形状，能够利用工具T顺畅地进行将螺丝S拧入孔的作业，并且能够使拧入孔的螺丝S的紧固状态良好。相反而言，当以螺丝S的中心轴线相对于孔的中心轴线倾斜规定的角度以上的状态拧入螺丝S时，螺丝S的外螺纹不会顺畅地啮合于形成于孔的内螺纹，有时会成为拧入作业的障碍，对螺丝S的紧固状态也会带来影响。在防止这样的不良情况的方面，工具T的姿势是重要的。

另外，在本实施方式中，示出了使用四个20a、20b、20c、20d的情况。与此相对，也可以如下的方式控制工具T的姿势：仅使用四个传感器20a、20b、20c、20d中的三个传感器20a、20b、20c来获得测量距离差，使该测量距离差接近目标值。在该情况下，也可实现与上述相同的作用效果。

并且，也可构成为：仅使用一个传感器20a，并且设置使传感器20a绕工具T的旋转轴线RA移动的传感器移动装置，通过传感器移动装置将传感器20a配置于旋转轴线RA周围的三个位置以上的位置，在各个位置测量传感器20a与对象物W的距离(多个测量基准位置中的各个测量基准位置与对象物W的距离)。在该情况下，也可实现与上述相同的作用效果。

此外，在本实施方式中，示出了利用工具T将螺丝S***并拧入孔的情况。与此相对，也可利用保持于工具T的钻头等工具在对象物W的表面形成用于进行螺丝S的***以及拧入的多个孔。在该情况下，通过使工具T的姿势准确地匹配对象物W的实际的表面形状，也能够提高形成于对象物W的表面的孔的加工精度。并且，即使在利用工具T针对对象物W进行其它加工、涂饰、检查等其它作业的情况下，使工具T的姿势准确地匹配对象物W的实际的表面形状也有利于实现作业的精度、效率等的提高。

另外，在本实施方式中，作为工具支承装置示出了具有多个关节的机器人10的情况。与此相对，也可通过仅具有单一关节的机器人、能够沿X轴以及Y轴移动的移动工作台和设置于该移动工作台上的仅具有单一关节的机器人、能够沿X轴、Y轴以及Z轴移动的移动工作台等，来支承工具T，将它们用作工具支承装置。在上述情况下，也可实现与上述相同的作用效果。

另外，在本实施方式中，示出了为了减小工具T的旋转轴线RA与对象物W的表面的法线所成的角度而控制工具T的姿势的工具姿势控制装置。与此相对，例如在需要在对象物W的表面沿相对于其法线倾斜的方向设置孔并将螺丝S***并拧入该孔的情况下，只要进行工具T的姿势控制，以使该孔的中心轴线与工具T的旋转轴线RA所成的角度变小即可。

图6以及图7示出了这样控制工具T的姿势的例子。在该例子中，在对象物W设置有孔H，机器人10将由工具T保持的部件B***对象物W的孔H。

如图7所示，孔H的中心轴线沿不与对象物W的表面垂直的方向延伸。在该情况下，如上述那样，例如控制部31向各伺服控制器34发送控制信号，以使在X轴方向上排列的传感器20a、20b的测量距离差接近与基于对象物W的三维形状数据而计算出的结果对应的目标值γ。对于Y轴方向也进行相同的处理。由此，使部件B相对于孔H的倾斜度β进入适当的范围内。

在图8中示出了控制工具T的姿势的其它例子。在该例子中，在对象物W设置有孔H，机器人10使工具T或者由工具T保持的物品的姿势与孔H匹配。

如图8所示，如上述那样，例如控制部31向各伺服控制器34发送控制信号，以使在X轴方向上排列的传感器20a、20b的测量距离差接近与基于对象物W的三维形状数据而计算出的结果对应的目标值γ。对于Y轴方向也进行相同的处理。由此，使工具T或者物品相对于孔H的倾斜度β进入适当的范围内。

附图标记

10：机器人

11：伺服电机

20a、20b、20c、20d：传感器

30：控制装置

31：控制部

32：显示装置

33：存储装置

33a：***程序

33b：动作程序

33c：姿势控制程序

33d：三维形状数据

34：伺服控制器

W：对象物

H：孔

T：工具

RA：旋转轴线

S：螺丝

Claims (5)

1.一种工具姿势控制装置，其特征在于，包括：

工具支承装置，其将工具支承为能够改变其姿势，所述工具用于对对象物进行预定的作业；

传感器，其被所述工具支承装置支承；以及

控制装置，其控制所述工具支承装置来改变所述工具的姿势，

所述传感器测量所述工具周围的三个以上的测量基准位置中的每个测量基准位置与所述对象物之间的距离，

所述控制装置进行控制所述工具支承装置的姿势控制处理，以使所述传感器测量出的多个所述距离彼此之差亦即测量距离差接近与基于所述对象物的三维形状数据而计算出的结果对应的目标值。

2.根据权利要求1所述的工具姿势控制装置，其特征在于，

所述控制装置在进行了所述姿势控制处理之后，重复进行所述姿势控制处理直至所述测量距离差进入基准范围内为止。

3.根据权利要求1或2所述的工具姿势控制装置，其特征在于，

在所述姿势控制处理中，所述控制装置改变测量出的多个所述距离的组合而求出多个所述测量距离差，并且控制所述工具支承装置，以使所述多个测量距离差接近与基于所述对象物的三维形状数据计算出的结果对应的各个目标值。

4.根据权利要求1或2所述的工具姿势控制装置，其特征在于，

在所述姿势控制处理中，所述控制装置改变测量出的多个所述距离的组合而求出多个所述测量距离差，并且在不使用所述多个测量距离差中的超过预定的阈值的一部分的所述测量距离差的情况下进行所述姿势控制处理。

5.根据权利要求4所述的工具姿势控制装置，其特征在于，

所述控制装置在所述多个测量距离差的一部分或者全部超过所述预定的阈值的情况下，使通知装置进行预定的通知动作。