JP2005028532A - 嵌合装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 嵌合部品4をハンドで把持したロボットは、アプローチ開始位置から被嵌合部品5に接近し、両部品が接触すると力制御による嵌合動作を開始する。力センサ等で嵌合途中でのつまりが検出されると、つまり解消動作が実行される。力制御に必要な力の検出には、力センサ、トルクセンサ、電流値からのトルク推定などを利用する。つまり解消後は、嵌合動作を再開するか、嵌合部品4の引き抜きを行なう。つまり解消動作は、ロボットを用いて打撃力S1、S2を与える動作である。力センサ等を利用して、つまり状態にある両部品の2つの接触点接触点を結ぶ直線を、挿入方向と垂直な平面へ射影した方向を求め、その方向に沿った打撃力を加えることも出来る。打撃力の大きさを力制御で制御することもできる。
【選択図】 図6
Description
なお、つまり検出手段によるつまり発生の検出は、例えば、嵌合中の力やモーメントが所定値以上になっている状態で、嵌合が進行せず且つ嵌合部品の姿勢変化がないことを検出することを通して行なうことが出来る。あるいは、嵌合開始後、所定時間経過しても嵌合が完了しないことを検出して、つまり発生と判断するようにしてもよい。
Kd :設定バネ定数値
Xd :手先位置・姿勢(ツール先端点の位置・姿勢)の目標値
fd :手先(ツール先端点)で発生する力の目標値
また、嵌合部品4と被嵌合部品5の接触を検出するために、力センサ3で検出される力のしきい値が設定される。更に、引き抜き動作時の引き抜き方向、目標速度、目標力、引き抜き完了位置等をも設定される。なお、嵌合途中での引き抜き動作においては、引き抜き方向は挿入方向の逆方向であり、目標速度、目標力も嵌合動作時の逆方向とすればよく、引き抜き完了位置もアプローチ開始位置とすればよいため、必ずしも引き抜き動作専用のパラメータとして設定しなくともよい。
ステップa3;タイマスタート直後に、嵌合動作を開始(2回目の処理周期では「続行」あるいは「再開」)する。すなわち、設定されている挿入方向(Y軸方向)に、設定速度及び設定目標力による速度制御、と力制御を行いながら移動させる。
ステップa8;引き抜きか、嵌合動作再開かを指定したレジスタ値をチェックし、引き抜き指定ならステップa9へ進み、そうでなければステップa9へ進む。
ステップb1;アプローチ開始位置(P0 )より設定された挿入方向(図1の例ではY軸方向)に設定されたアプローチ速度で、力制御を行いながらハンドで把持された嵌合部品4を移動させる。この際、図1に示す例では、挿入方向のY軸並進方向のみ設定目標力による力制御がなされ、他の軸、及び回転軸に対しては力制御は無効にされ(力センサ3の出力を使わない)、移動指令もY軸並進方向のみ出力され、他の軸及び回転軸に対しては移動指令は出されず、一定の姿勢を保持する制御がなされる。被嵌合部品5に嵌合部品4が接触し、力センサ3で検出される力が設定されているしきい値以上に達すると、このアプローチ動作を終了する。
ステップb3;タイマスタート直後に、嵌合動作を開始(2回目の処理周期では「続行」あるいは「再開」)する。すなわち、設定されている挿入方向(Y軸方向)に、設定速度及び設定目標力による速度制御、と力制御(ダンピング制御)を行いながら移動させる。ダンピング制御については、第1例のステップa3で説明した通りである。
ステップb5;嵌合動作の制限時間T0 が満了していないかどうかチェックし、満了していれば、つまり発生と判断してステップbへ進む。未満了であれば、テップb3へ戻り、嵌合動作を続行する。
ステップb7;引き抜きか、嵌合動作再開かを指定したレジスタ値をチェックし、引き抜き指定ならステップb8へ進み、そうでなければステップb3へ戻り、嵌合動作を再開する。
本例のフローにおいても、嵌合途中で1回またはそれ以上、つまりが発生した場合に、ステップb6でつまり解消の処理が行なわれるので、ステップb4でイエスが出力されるか、ステップb8で引き抜きが行なわれるかして、処理が終了される。
但し、
τ:各軸のトルクτ1 〜τ6 を成分とするベクトル
J:各軸値θ1 〜θ6 とツール先端点の位置・姿勢(X、Y、Z、P、W、R)の間の微分変換関係を表わすヤコビ行列で、その計算に必要なパラメータデータは予めロボットコントローラ2のメモリに格納されている。符号Tは転置行列を表わす。
F:ツール先端点における6軸力(FX 、FY 、FZ、MX 、MY 、MZ )を成分とするベクトル
この(3)式の関係を使えば、ツール先端点における6軸力Fは下記(4)式で求められる。
F=(JT )-1τ ・・・・・(4)
従って、力センサを用いたと同様の方式で、力制御を行い、嵌合動作を実行できる。但し、ヤコビ行列の計算が必要なことから、ヤコビ行列の計算ができないような特異な姿勢で嵌合動作を行なわないことが条件になる。
τi =K・Ii ・・・・・(5)
但し、
τi :第i軸のトルク
Ii :第i軸のモータの電流値
この(5)式の関係を使っても、力センサを用いたと同様の方式で、力制御を行い、嵌合動作を実行できる。なお、各軸がダイレクトドライブでなく減速機のあるロボットの場合は、摩擦で失われるトルクが大きいので、摩擦力をあらかじめ測定したものをテーブルで持ったり、摩擦力を推定する手法などと組み合わせることが望ましい。摩擦を考慮したトルクは、下記(6)式で表わされる。
τir=τi −τif ・・・・・(6)
但し、
τi :第i軸のモータで生成されるトルク
τir:第i軸の駆動に実際に使用されるトルク
τif:第i軸の摩擦で失われるトルク
なお、摩擦力を求める手法は種々あり、公知なのでここではその説明は省略する。
[つまり解消処理例1]
つまり解消のための最も簡便な方法は、嵌合部品4の挿入方向と交差する任意のの方向に打撃力を加えることである。例えば、図6に示したように、Y軸(挿入方向)と直交する方向に打撃力(矢印S1、S2)を加えれば、かなりのケースにおいて、衝撃により、嵌合部品4と被嵌合部品5の頑固なつまり状態は解除できる。打撃力は、図示した矢印S1、S2のように、逆方向から2回加えることで、いずれかの打撃で接触点1、2を離隔させ、つまり状態解除の確度を上げることが可能となる。このような打撃力を生み出すには、例えばロボットコントローラ2内で、高ゲイン条件下で、小距離+ΔXの移動指令と−ΔXの移動指令を短時間間隔で出力すればよい。あるいは、目標力fd を適切な打撃力に設定して、ダンピング制御によりロボットを一瞬だけ動作させてもよい。この場合、打撃力がfd に制限されるので、過剰な打撃力により部品、ハンド、力センサ等を損傷することが防止される。なお、ここで力制御は、前述した通り、ツール先端点における力を、力センサ出力から計算する手法の他、各軸のトルクセンサ出力から計算する手法や、各軸モータの電流値から推定するものでもあってよい。
打撃を加える方向を特定し、なるべく効果的な方向からの打撃を実行することも可能である。図7は、2点接触でつまりが生じているときに、接触点1、2を通り、押し付け方向ベクトルに平行な平面で切り取った断面を示している。以下この平面上で力の働き方を考える。発生している力とその作用方向は、矢印で示されている。図中φ、θは、それぞれ同図が示す面内で、円柱形状の嵌合部品の傾き角、及び、接触点1、2を通る直線が円柱形状の嵌合部品の中心軸方向となす角度を表わしている。また、μは、接触点1、2で嵌合部品と被嵌合部品の間の摩擦の摩擦係数を表わす。なお、ここでは鉛直下方向に嵌合部品4を挿入する場合を例にとっているが、挿入方向が鉛直下向きでない場合も、重力の方向を変えれば同様に考えることができる。
Fz +Mg +N1 cos θ −N2 cos θ=R1 +R2
となる。ここで、
●N1 :接触点1で発生する力
●N2 :接触点2で発生する力
●R1 =μ・N1 ・sin θ:接触点1で発生する摩擦力
●R2 =μ・N2 ・sin θ:接触点2で発生する摩擦力
●Mg :重力
である。なお、ここでは、嵌合部品の傾き角φがあまり大きくなく、摩擦力R1 とR2 は鉛直方向に発生すると仮定している。
F=N1 sin θ−N2 sin θ
ここで、Fは押し付け力Fz をかけることによって生じる横方向の力である。
さて、つまりが発生している状況では、接触点1から接触点2へ向かう力N1 と接触点2から接触点1へ向かう力N2 は一般に等しくなく、両差の差がくさび力となる。
力・モーメントから接触点を結ぶ方向の情報を得る代わりに、位置の変化量からそれを求める方法もある。押し付け方向がZ方向である場合、初期位置・姿勢(アプローチ開始位置尾P0 )からつまりが発生する直前までの嵌合部品4のX方向位置及びY方向位置の変化量を(△x、△y)とした時、−(△x、△y)方向が、「接触点1から接触点2へ向かう直線を、挿入方向と垂直な平面へ射影した方向」に対応していると考えられる。そこで、この−(△x、△y)の方向に、打撃力を加えることでつまりを効果的に解消することが出来る。なお、そのような打撃力を生み出す方法は、つまり解消処理例2と同様なので、繰り返し説明は省略する。
2 ロボットコントローラ
3 力センサ
4 嵌合部品
5 被嵌合部品
7 ハンド
21 CPU
22 ROM
23 RAM
24 不揮発性メモリ
25 教示操作盤
26 入力出力装置
27 ロボット軸制御部
28 サーボ回路
30 信号処理装置
Claims (12)
- ロボットが嵌合部品を把持して被嵌合部品に嵌合する嵌合装置において、
嵌合途中でつまりが発生したことを検出するつまり検出手段と、
つまりが検出されたとき嵌合を中断する手段と、
つまりが発生した前記嵌合部品に対して、前記ロボットを用いて打撃力、あるいは、嵌合方向と交差する方向の外力の少なくとも一方を印加して前記つまりを解消する手段と、
前記嵌合を再開する手段とを備えた嵌合装置。 - ロボットが嵌合部品を把持して被嵌合部品に嵌合する嵌合装置において、
嵌合途中でつまりが発生したことを検出するつまり検出手段と、
つまりが検出されたとき嵌合を中断する手段と、
つまりが発生した前記嵌合部品に対して、前記ロボットを用いて打撃力、あるいは、嵌合方向と交差する方向の外力の少なくとも一方を印加して前記つまりを解消する手段と、
嵌合途中の前記嵌合部品を前記被嵌合部品から引き抜く手段とを備えた嵌合装置。 - 前記嵌合は、前記ロボットの手首部に設けられ力センサを用いた力制御により行われることを特徴とする、請求項1又は請求項2に記載の嵌合装置。
- 前記打撃力の大きさを前記力センサで検出して制御することを特徴とする、請求項3に記載の嵌合装置。
- 前記嵌合は、前記ロボットの各軸に取り付けられたトルクセンサを用いて行うことを特徴とする、請求項1又は請求項2に記載の嵌合装置。
- 前記打撃力の大きさを前記ロボットの各軸に取り付けられた前記トルクセンサで検出して制御することを特徴とする、請求項5に記載の嵌合装置。
- 前記嵌合は、前記手首部にかかる力を前記ロボットの各軸を駆動するモータの電流値から推定して行うことを特徴とする、請求項1又は請求項2に記載の嵌合装置。
- 前記打撃力の大きさを前記ロボットの各軸を駆動するモータの電流値から推定して制御することを特徴とする、請求項7に記載の嵌合装置。
- つまりが発生したときに、前記嵌合部品に発生する力の方向またはモーメントの方向を検出し、該検出された力の方向またはモーメントの方向に基き、前記打撃力印加の方向を決定することを特徴とする、請求項1乃至請求項8の内、何れか1項に記載の嵌合装置。
- つまりが発生した前後における前記嵌合部品の位置と姿勢の変化した方向に基いて、前記打撃力の印加方向を決定することを特徴とする、請求項1乃至請求項8の内、何れか1項に記載の嵌合装置。
- 前記つまり検出手段は、嵌合中の力やモーメントが所定値以上になっている状態で、嵌合が進行せず且つ嵌合部品の姿勢変化がないことを検出することを特徴とする、請求項1乃至請求項10の内、何れか1項に記載の嵌合装置。
- 前記つまり検出手段は、嵌合開始後、所定時間経過しても嵌合が完了しないことを検出することを特徴とする、請求項1乃至請求項10の内、何れか1項に記載の嵌合装置。
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