JP2017039184A - ロボット - Google Patents
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Abstract
【課題】本願は、ロボットハンドにおける物品の把持状態に関わらず当該物品を所定の位置へ置くことが可能なロボットを開示する。【解決手段】本願で開示するロボットは、ロボットハンドを先端に有するロボットアームと、把持対象物が接する把持面を前記ロボットハンドにおいて形成する把持部材と、前記把持部材を前記ロボットハンドへ傾け自在に取り付ける可動取付部と、前記ロボットハンドが前記把持対象物を把持すると、前記把持部材の傾き角と前記把持面における前記把持対象物の接触箇所の分布を基に、前記ロボットアームで前記把持対象物を所定の位置へ移動する際の前記ロボットアームの制御量を修正する制御部と、を備える。【選択図】図14
Description
本願は、ロボットに関する。
近年、ロボットは、各種の現場に普及している。例えば、工業製品を大量生産する生産現場には、様々なロボットが普及している(例えば、特許文献1を参照)。また、各種の試験や研究等を行う施設には、検査対象の物品を取り扱うロボットが普及している(例えば、特許文献2を参照)。
ロボットには、把持対象の物品の形状に合わせて設計されたロボットハンドを備えたものや、様々な物品の取扱いが可能な汎用のロボットハンドを備えたものがある。様々な物品の取扱いが可能な汎用のロボットハンドとしては、例えば、2本の指を開閉するものが挙げられる。様々な物品の取扱いが可能な汎用のロボットハンドであれば、例えば、多品種少量生産のためのセル生産方式や、同一ライン上で仕様の異なる複数種の製品を組み立てる混流生産方式に対応可能である。
しかし、複数の指で物品を把持するロボットハンドの場合、物品の形状や配置等にバラツキがあると、物品を掴み損ねたり、物品を不適切な姿勢で把持されたりする可能性が生ずる。部品が不適切な姿勢で把持された状態で組み付けが行われると、物品が適切に組み付けられる可能性がある。
そこで、本願は、ロボットハンドにおける物品の把持状態に関わらず当該物品を所定の位置へ置くことが可能なロボットを開示する。
本願は、次のようなロボットを開示する。すなわち、本願で開示するロボットは、ロボットハンドを先端に有するロボットアームと、把持対象物が接する把持面を前記ロボットハンドにおいて形成する把持部材と、前記把持部材を前記ロボットハンドへ傾け自在に取り付ける可動取付部と、前記ロボットハンドが前記把持対象物を把持すると、前記把持部材の傾き角と前記把持面における前記把持対象物の接触箇所の分布を基に、前記ロボットアームで前記把持対象物を所定の位置へ移動する際の前記ロボットアームの制御量を修正する制御部と、を備える。
上記のロボットであれば、ロボットハンドにおける物品の把持状態に関わらず当該物品を所定の位置へ置くことが可能である。
以下、実施形態について説明する。以下に示す実施形態は、単なる例示であり、本開示の技術的範囲を以下の態様に限定するものではない。
図1は、実施形態に係るロボットの一例を示した図である。実施形態に係るロボットRは、いわゆる多関節ロボットであり、第1関節1Bを介してベース1Aに連結される第1アーム1Cと、第2関節1Dを介して第1アーム1Cの先端部に連結される第2アーム1Eと、第3関節1Fを介して第2アーム1Eの先端に設けられるロボットハンド2を備える。
図2は、ロボットハンド2の一例を示した図である。ロボットハンド2は、図2に示すように、把持対象物を把持する一対の指部2Aと、指部2Aを各々動かして各指部2Aの間を開閉するアクチュエータ部2Bとを備える。ロボットRは、工業製品の生産現場に用いることが可能なロボットであり、例えば、各種の部品を製品へ組み付ける作業や、検査対象の物品を取り扱う作業に適用可能である。
図3は、指部2Aの先端を拡大した図である。ロボットハンド2の各指部2Aには、把持対象物が接する把持面2Cを形成する把持部材2Dと、把持部材2Dを指部2Aへ傾け自在に取り付けるジンバル機構3(本願でいう「可動取付部」の一例である)とが備わっている。把持部材2Dは、直方体の部材であり、長方形の把持面2Cを形成する。ジンバル機構3は、把持部材2Dをロール方向およびピッチ方向へ傾け自在な2軸のジンバル機構である。すなわち、ジンバル機構3は、指部2Aに設けられた第1の回転軸3Aによって回転可能に支持されるジンバル(吊枠)3Bを有する。ジンバル3Bには、第1の回転軸3Aと直交する第2の回転軸3Cが設けられている。把持部材2Dは、ジンバル3Bに設けられた第2の回転軸3Cによって回転可能に支持される。よって、把持部材2Dは、互いに直交する第1の回転軸3Aおよび第2の回転軸3Cを介して指部2Aに取り付けられた状態となり、把持面2Cに接触する把持対象物の接触面に沿って傾くことができる。
図4は、把持部材2Dの傾き角を検知するセンサを示した図である。各指部2Aには、
把持部材2Dの傾き角を検知する2つの傾き角検知センサ4R,4Yが各々設けられている。傾き角検知センサ4Rは、指部2Aに対する把持部材2Dのロール方向の傾きを検知する。傾き角検知センサ4Yは、指部2Aに対する把持部材2Dのヨー方向の傾きを検知する。傾き角検知センサ4R,4Yに適用できる角度センサとしては、図4に示されるようなカンチレバーの他、例えば、回転軸の角度の変化を電気抵抗の増減で検出するポテンショメータ、回転軸の角度の変化を電磁誘導の原理で検出するレゾルバ、その他各種の角度センサが挙げられる。
把持部材2Dの傾き角を検知する2つの傾き角検知センサ4R,4Yが各々設けられている。傾き角検知センサ4Rは、指部2Aに対する把持部材2Dのロール方向の傾きを検知する。傾き角検知センサ4Yは、指部2Aに対する把持部材2Dのヨー方向の傾きを検知する。傾き角検知センサ4R,4Yに適用できる角度センサとしては、図4に示されるようなカンチレバーの他、例えば、回転軸の角度の変化を電気抵抗の増減で検出するポテンショメータ、回転軸の角度の変化を電磁誘導の原理で検出するレゾルバ、その他各種の角度センサが挙げられる。
図5は、把持部材2Dにおける触覚センサの配置状態を示した図である。把持部材2Dには、把持面2Cに接触する把持対象物の接触箇所の分布を2次元で捉えることができる触覚センサ5が設けられている。触覚センサ5は、図5に示すように、把持部材2Dの把持面2Cに全面的に配置されている。触覚センサ5は、縦横に配列される多数の触点の各々における把持対象物の接触の有無に基づき、把持面2Cに接触する把持対象物の接触箇所の分布を2次元で捉えることができる。
図6は、ロボットハンド2が把持対象物を把持した状態の一例を示した図である。ロボットハンド2は、例えば、図6に示すような略直方体の部品(本願でいう「把持対象物」の一例である)10を把持することができる。ロボットハンド2は、例えば、図6に示されるように、部品10の上端部を一対の指部2Aの間に挟むことができる。ロボットハンド2が部品10の上端部を一対の指部2Aでやや斜め方向から挟むと、例えば、図6の破線部分に示されるように、部品10の上面と側面とによって形成される縁が把持面2Cを交差する。
図7は、ロボットハンド2が部品10の上端部を掴んだ場合に触覚センサ5が出力する接触箇所の分布状態を示した図である。例えば、ロボットハンド2が部品10の上端部を掴んだ場合、触覚センサ5は、図7に示すような接触箇所の分布を検知結果として出力する。すなわち、ロボットハンド2が部品10の上端部を一対の指部2Aでやや斜め方向から挟むと、部品10の上端部の側面が触覚センサ5に接触し、図7に示すように、触覚センサ5の上部を除く大部分の触点が部品10の接触を検知する。触覚センサ5の上部に残る非接触の触点がある領域と、触覚センサ5の大部分を占める接触中の触点がある領域との境界線は、部品10の上面と側面とによって形成される縁の位置に相当する。よって、触覚センサ5の非接触の触点がある領域と接触中の触点がある領域との境界線が触覚センサ5の出力から推定されれば、ロボットハンド2が把持している部品10と把持部材2Dとの相対的な傾きが特定できる。
図8は、ロボットハンド2が把持する部品10の指部2Aに対する相対的な姿勢を計算する場合のパラメータの一例を示した図である。ロボットハンド2が把持する部品10の指部2Aに対する相対的な姿勢は、例えば、指部2Aに対する部品10のロール角とピッチ角とヨー角の3つのパラメータで表わすことができる。把持部材2Dが、把持面2Cに接触する部品10の接触面に沿って傾くことができるので、指部2Aに対する部品10のロール角とピッチ角は、傾き角検知センサ4R,4Yの出力から得ることができる。また、指部2Aに対する部品10のヨー角は、触覚センサ5の出力から推定される触覚センサ5の非接触の触点がある領域と接触中の触点がある領域との境界線の、把持面2C内における傾き角から得ることができる。
図9は、ロボットRを制御する制御システムの一例を示した構成図である。ロボットRを制御する制御システム6は、例えば、図9に示すように、ロボットアーム1の駆動機構と電気的に繋がるロボットコントローラ6Aと、ロボットハンド2のアクチュエータ部2Bと電気的に繋がるハンド開閉用コントローラ・ドライバ6Bと、ロボットコントローラ6Aおよびハンド開閉用コントローラ・ドライバ6Bへ各種コマンドを送信するロボット
制御用計算機6Cとを備える。また、制御システム6は、部品10等の各種把持対象物の形状に関する情報を格納した対象物モデル情報DB(データベース)6Dと、ロボットハンド2に設けられたセンサから出力される信号を処理する触覚センサ信号処理回路6Eおよび傾きセンサ信号回路6Fと、触覚センサ信号処理回路6Eおよび傾きセンサ信号回路6Fから得られる情報を基に部品10の姿勢を算出する姿勢算出用計算機6Gとを備える。
制御用計算機6Cとを備える。また、制御システム6は、部品10等の各種把持対象物の形状に関する情報を格納した対象物モデル情報DB(データベース)6Dと、ロボットハンド2に設けられたセンサから出力される信号を処理する触覚センサ信号処理回路6Eおよび傾きセンサ信号回路6Fと、触覚センサ信号処理回路6Eおよび傾きセンサ信号回路6Fから得られる情報を基に部品10の姿勢を算出する姿勢算出用計算機6Gとを備える。
制御システム6は、ロボットハンド2やロボットアーム1、部品10といった全ての物体の位置の基準となる座標系であるワールド座標系を基準とし、ロボットハンド2の位置や姿勢についてはハンド座標系を用い、ロボットハンド2が把持する把持対象物の形状についてはツール座標系を用いる。ハンド座標系は、ロボットハンド2を基準とする座標系である。よって、ワールド座標系におけるハンド座標系の位置および姿勢は、ロボットアーム1の各関節の角度の情報に基づいて特定できる。また、ツール座標系は、把持対象物を基準とする座標系である。よって、ハンド座標系におけるツール座標系の位置および姿勢は、ロボットハンド2の各センサ(傾き角検知センサ4R,4Yと触覚センサ5)の情報に基づいて特定できる。ワールド座標系におけるハンド座標系の位置および姿勢が特定され、ハンド座標系におけるツール座標系の位置および姿勢が特定されれば、ワールド座標系におけるツール座標系の位置および姿勢も特定できる。
ロボット制御用計算機6Cおよび姿勢算出用計算機6Gは、何れもメモリ上に展開されたコンピュータプログラムを実行して各種演算処理を実行可能な汎用のパーソナルコンピュータである。なお、計算能力やインターフェースの能力を十分に有するコンピュータを用いれば、ロボット制御用計算機6Cと姿勢算出用計算機6Gを1つのコンピュータで実現してもよい。
本実施形態のロボットRでは、ロボットハンド2に対する部品10のピッチ角を、触覚センサ5の出力を使って算出しているため、動作内容をロボットRに学習させるティーチングは、以下のように行われることが望ましい。
図10は、ティーチングの様子を示した図である。作業者11は、教示用ペンダント7を操作してロボットアーム1を動かし、部品10を取り扱う場合の制御量をロボットRに学習させる。この際、作業者11は、部品10を図10に示されるような状態でロボットRに把持させるよう、ロボットアーム1でロボットハンド2の位置を調整する。すなわち、作業者11は、把持面2Cの全面に部品10を接触させるのではなく、把持面2Cの一部が非接触となるように部品10を把持面2Cに接触させる。この際、作業者11は、把持面2Cの少なくとも中心部については部品10が接触するように留意する。把持面2Cの端の部分に部品10が接触した状態で部品10が把持されると、指部2Aにジンバル機構3を介して取り付けられている把持部材2Dの姿勢が不安定になる。把持部材2Dの姿勢が不安定な状態だと、部品10の指部2Aに対する相対的な姿勢が正しく算出されなくなるためである。
図11は、ティーチングが行われている間に制御システム6で実行される処理フローの一例を示した図である。また、図12は、ティーチングが行われている間に制御システム6で実行される処理内容の一例をイメージした図である。
制御システム6は、ティーチングが行われている間、触覚センサ5が感圧したか否かの判定処理を行う(S101)。制御システム6は、ステップS101の処理で肯定判定を行うと、非接触の触点がある領域と接触中の触点がある領域との境界線を形成する部品10の縁の位置を抽出する(S102)。制御システム6は、ステップS102の処理を行った後、ステップS102の処理で抽出した縁の位置に関する情報を対象物モデル情報D
B6Dに保存する(S103)。
B6Dに保存する(S103)。
ロボットRは、ティーチングが行われた後、部品10の自動的な組み付け作業を行うことができる。以下、部品10の組み付け作業が行われる場合に制御システム6が実現する処理フローについて説明する。図13は、制御システム6が実現する処理フローの一例を示した図である。
ロボットRがコントローラまたは上位装置から指示を受けると、制御システム6は、部品10を把持する(S201)。すなわち、制御システム6は、ティーチングにおいて学習した動作内容の制御量をロボットコントローラ6Aに出力してロボットアーム1を動かし、ロボットアーム1の先端にあるロボットハンド2を部品10に位置合わせする。そして、制御システム6は、ハンド開閉用コントローラ・ドライバ6Bに命令を出力してロボットハンド2の各指部2Aを閉じ、部品10を把持する。
上記の式(1)に示すαは、ロボットハンド2に対する部品10のロール角であり、傾き角検知センサ4Rによって検知される値である。また、上記の式(1)に示すβは、ロボットハンド2に対する部品10のヨー角であり、傾き角検知センサ4Yによって検知される値である。また、上記の式(1)に示すγは、ロボットハンド2に対する部品10のピッチ角であり、上述したように触覚センサ5の出力に基づいて得られる値である。
制御システム6は、ステップS202の処理を実行した後、ツール座標の修正処理を行う(S203)。すなわち、制御システム6は、ステップS202において式(1)から算出した部品10の回転行列形式の姿勢Rを基に、ロボットアーム1の先端のツール座標系のデータのうち部品10の姿勢に関する姿勢3成分のデータを修正する。
図14は、ツール座標の修正処理の内容を表したイメージ図である。例えば、ツール座標系における部品10の位置がX,Y,Zで表わされ、部品10の姿勢(傾き)がRx,Ry,Rzで表わされるものとする。ここで、ティーチングの際に対象物モデル情報DB6Dへ保存されたツール座標系における部品10の位置および姿勢が、例えば、(X,Y,Z,Rx,Ry,Rz)=(0,0,100,0,0,0)であったとする。これに対し、ステップS201の処理において把持された部品10の位置および姿勢が、例えば、(X,Y,Z,Rx,Ry,Rz)=(0,0,100,2.3,1.2,5.5)であったとする。このように、部品10がティーチング時と少々異なる状態で把持される場合、制御システム6では、傾き角検知センサ4R,4Yおよび触覚センサ5の出力を基に算出される姿勢Rを使ったツール座標の修正処理が行われ、修正された部品10の位置および姿勢の値(X,Y,Z,Rx,Ry,Rz)=(0,0,100,2.3,1.2,5.5)が導き出される。
制御システム6は、ステップS203の処理を実行した後、部品10を所定の位置へ動かす(S204)。所定の位置とは、ロボットRが移動すべき部品10の移動先であり、例えば、工業製品の生産ラインにおいてロボットRが組み付ける部品の組み付け位置である。制御システム6は、修正されたツール座標のデータを基に、ワールド座標系によって座標が示される所定の位置へ部品10を移動する場合のロボットアーム1の制御量を修正する。制御システム6は、修正した制御量をロボットコントローラ6Aに出力してロボットアーム1を動かし、ロボットアーム1の先端にあるロボットハンド2が把持する部品10を所定の位置へ位置合わせする。そして、制御システム6は、ハンド開閉用コントローラ・ドライバ6Bに命令を出力してロボットハンド2の各指部2Aを開き、部品10を離す。
制御システム6は、ステップS204の処理を実行した後、適当な制御量をロボットコントローラ6Aに出力してロボットアーム1を動かし、ロボットハンド2を所定の位置から離す(S205)。
本実施形態のロボットRは、2つの指部2Aを開閉して様々な物品の取扱いが可能であるため、例えば、多品種少量生産のためのセル生産方式や、同一ライン上で仕様の異なる複数種の製品を組み立てる混流生産方式に対応可能である。そして、本実施形態のロボットRは、2つの指部2Aで物品を把持するものでありながら、把持している物品の把持状態に応じてロボットアーム1の制御量が修正されるので、物品の把持状態の如何に関わらず当該物品を所定の位置へ置くことが可能である。本実施形態のロボットRは、物品の把持状態に関わらず当該物品を所定の位置へ置くことが可能なので、物品がロボットハンド2に不適切な姿勢で把持されることに起因する物品の組み付け不良を抑制することができる。
ところで、把持部材2Dは、例えば、以下のような機構を介して指部2Aへ取り付けられていてもよい。
図15は、把持部材2Dの取付機構の第1変形例を示した図である。図15(A)は、第1変形例に係る指部2Aの先端を示した図であり、図15(B)は第1変形例に係る指部2Aの内部構造を示した図である。把持部材2Dは、例えば、図15に示される可動取付部8aのように、把持部材2Dから把持面2Cの裏側へ向けて突設される突設部8a1の先端に設けられた球関節8a2が指部2Aの窪み8a3に嵌っており、球関節8a2を中心にして把持部材2Dを回動可能に支持する取付機構を介して指部2Aに取り付けられていてもよい。
なお、本第1変形例の可動取付部8aは、球関節8a2が指部2Aの窪み8a3に嵌っており、把持部材2Dの把持面2Cに直交する法線を中心に回転し得る構造なので、把持面2Cの外縁からやや隙間が空く大きさで開口された指部2Aの開口部8a4に把持部材2Dを嵌めている。開口部8a4に把持部材2Dが嵌ることで、把持面2Cに直交する法線を中心とする把持部材2Dの回転が規制される。
また、本第1変形例の可動取付部8aは、球関節8a2が指部2Aの窪み8a3に嵌っており、把持部材2Dが重力で球関節8a2から垂れ下がり得る構造なので、把持部材2Dの垂れ下がりを防ぐスプリング8a5が把持部材2Dと指部2Aとの間に挿入されている。スプリング8a5が把持部材2Dと指部2Aとの間に挿入されることで、把持部材2Dは、接触する把持対象物に倣って傾くことができ、且つ、接触対象物の接触が無い場合は垂れ下がりがスプリング8a5の弾性力によって抑制されて姿勢が保たれる。第1変形例に係る可動取付部8aは、球関節8a2を中心にして把持部材2Dをロール方向および
ピッチ方向へ傾け自在な2自由度の取付機構を実現する。
ピッチ方向へ傾け自在な2自由度の取付機構を実現する。
図16は、把持部材2Dの取付機構の第2変形例を示した図である。把持部材2Dは、例えば、図16に示される可動取付部8bのように、把持部材2Dの把持面2Cの裏側に設けられた4つの球関節8b2に各々連結される棒状の4つのロッド8b6と、各ロッド8b6が挿通されるシリンダ8b7と、各シリンダ8b7をシリンダ8b7の長手方向と直交する方向にスライド自在に各々支持する4つの直動関節8b8とを有する取付機構を介して指部2Aに取り付けられていてもよい。
図17は、第2変形例に係る可動取付部8bの動作説明図である。第2変形例に係る可動取付部8bは、把持部材2Dに把持対象物が接触すると、各シリンダ8b7に挿通されているロッド8b6と直動関節8b8が把持部材2Dの傾きに合わせて動く。第2変形例に係る可動取付部8bは、把持部材2Dをロール方向およびピッチ方向へ傾け自在な少なくとも2自由度の取付機構を実現する。なお、第2変形例に係る可動取付部8bは、把持部材2D全体を把持面2Cの反対側へ押し込むこともできるので、全体的には3自由度の取付機構を実現する。
なお、実施形態に係るジンバル機構3や、第2変形例に係る可動取付部8bには、第1変形例に係る可動取付部8aと同様、把持部材2Dに接触する把持対象物が無い状態において把持部材2Dが傾くのを防ぐスプリングやゴム、スポンジ、その他各種の弾性体が把持部材2Dと指部2Aとの間に挿入されていてもよい。
また、把持部材2Dは、上記実施形態のジンバル機構3や第1変形例の可動取付部8a、第2変形例の可動取付部8bのような取付機構を介して指部2Aに取り付けられるものに限定されない。把持部材2Dは、把持対象物の外形に倣って把持面2Cを傾け可能なあらゆる取付機構を介して指部2Aに取り付けられていてもよい。
R・・ロボット:1・・ロボットアーム:1A・・ベース:1B・・第1関節:1C・・第1アーム:1D・・第2関節:1E・・第2アーム:1F・・第3関節:2・・ロボットハンド:2A・・指部:2B・・アクチュエータ部:2C・・把持面:2D・・把持部材:3・・ジンバル機構:3A・・第1の回転軸:3B・・ジンバル:3C・・第2の回転軸:4R,4Y・・傾き角検知センサ:5・・触覚センサ:6・・制御システム:6A・・ロボットコントローラ:6B・・ハンド開閉用コントローラ・ドライバ:6C・・ロボット制御用計算機:6D・・対象物モデル情報DB:6E・・触覚センサ信号処理回路:6F・・傾きセンサ信号回路:6G・・姿勢算出用計算機:7・・教示用ペンダント:8a・・可動取付部:8a1・・突設部:8a2,8b2・・球関節:8a3・・窪み:8a4・・開口部:8b5・・スプリング:8b6・・ロッド:8b7・・シリンダ:8b8・・直動関節:10・・部品:11・・作業者
Claims (5)
- ロボットハンドを先端に有するロボットアームと、
把持対象物が接する把持面を前記ロボットハンドにおいて形成する把持部材と、
前記把持部材を前記ロボットハンドへ傾け自在に取り付ける可動取付部と、
前記ロボットハンドが前記把持対象物を把持すると、前記把持部材の傾き角と前記把持面における前記把持対象物の接触箇所の分布を基に、前記ロボットアームで前記把持対象物を所定の位置へ移動する際の前記ロボットアームの制御量を修正する制御部と、を備える
ロボット。 - 前記制御部は、前記把持対象物を前記所定の位置へ自動的に移動する際、前記ロボットに対して行われたティーチングにおいて学習した前記ロボットアームの制御量を、前記ティーチングの際の前記把持対象物の接触箇所の分布と前記自動的に移動する際の前記把持対象物の接触箇所の分布との差分に応じて修正する、
請求項1に記載のロボット。 - 前記制御部は、前記把持対象物の縁が前記把持面の面内に位置する状態で前記ロボットハンドが前記把持対象物を把持すると、前記把持部材の傾き角と前記把持面における前記把持対象物の接触箇所の分布から推定される前記縁の傾き角を基に、前記ロボットアームで前記把持対象物を所定の位置へ移動する際の前記ロボットアームの制御量を修正する、
請求項1または2に記載のロボット。 - 前記把持面には、触覚センサが設けられており、
前記制御部は、前記ロボットハンドが前記把持対象物を把持すると、前記把持部材の傾き角と前記触覚センサから得られる前記把持対象物の接触箇所の分布を基に、前記ロボットアームで前記把持対象物を所定の位置へ移動する際の前記ロボットアームの制御量を修正する、
請求項1から3の何れか一項に記載のロボット。 - 前記可動取付部は、前記把持面を傾け自在な2軸のジンバル機構を有する、
請求項1から4の何れか一項に記載のロボット。
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