JP2018089747A - 制御装置、ロボットおよびロボットシステム - Google Patents
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Abstract
【課題】移動速度によらず、対象物に対する追従性に優れた倣い動作を行うことができる制御装置、かかる制御装置により制御されているロボット、および、かかる制御装置とロボットとを備えるロボットシステムを提供すること。【解決手段】力検出部を有するロボットの駆動を制御する制御装置であって、前記力検出部からの出力に基づいて前記ロボットの駆動を力制御するロボット制御部と、前記ロボットの速度係数を設定する速度係数設定部と、前記速度係数に応じて、前記力制御における前記ロボットの仮想粘性係数の設定を変更する変更部と、を有することを特徴とする制御装置。【選択図】図1
Description
本発明は、制御装置、ロボットおよびロボットシステムに関するものである。
従来から、ロボットアームと、ロボットアームの先端に取り付けられたエンドエフェクターとを備えた産業用ロボットの開発が行われている。かかるロボットの作業として、対象物に対する接触を伴う作業がある。例えば、対象物の加工作業等が挙げられる。対象物の加工は、加工器具等のエンドエフェクターを所望の力で対象物に押し付けつつ、加工方向にエンドエフェクターを移動させる倣い動作を伴う。この倣い動作は、一般的に、力制御と位置制御(速度制御を含む)とにより行われる。しかし、倣い動作では、加工方向の移動速度が比較的遅い場合には対象物に対して追従性良く動作できていても、加工方向の移動速度が速くなると、位置制御による移動速度と力制御における目標力の達成のための速度とのバランスが崩れてしまい、対象物に対する追従性が低下し易くなる。また、タクトタイムを短くする上では、移動速度を速くすることが望まれている。
そこで、倣い動作を比較的速い速度で行うために、例えば、特許文献1には、目標軌道に基づいて比較的速い速度で位置制御し、その制御を何度も繰り返すことで目標軌道を修正し、それにより修正された高速用の目標軌道に基づいて倣い動作を行うことが開示されている。
しかし、特許文献1におけるロボットの制御では、1つの高速用の目標軌道における倣い動作を満足するための条件のみが設定されているにすぎず、対象物の寸法ばらつきが大きい場合を含めてロボットの作業の出来具合を目視で確認したい場合や、速度を変更したい場合には、追従性が良くなりすぎてしまい、低速時には所望範囲となる一定力での倣い動作であったにも関わらず、高速時は一定力での押付力を保ったままでの動作ができない問題が存在し、目標軌道修正では対応出来なかった。更に、力制御中はプログラムをステップ実行すると、その停止時間に基づいて結果が異なってしまう為、低速動作が必要である。
本発明は、上述した課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下により実現することが可能である。
本発明の制御装置は、力検出部を有するロボットの駆動を制御する制御装置であって、
前記力検出部からの出力に基づいて前記ロボットの駆動を力制御するロボット制御部と、
前記ロボットの速度係数を設定する速度係数設定部と、
前記速度係数に応じて、前記力制御における前記ロボットの仮想粘性係数の設定を変更する変更部と、を有することを特徴とする。
前記力検出部からの出力に基づいて前記ロボットの駆動を力制御するロボット制御部と、
前記ロボットの速度係数を設定する速度係数設定部と、
前記速度係数に応じて、前記力制御における前記ロボットの仮想粘性係数の設定を変更する変更部と、を有することを特徴とする。
このような本発明の制御装置によれば、速度係数に応じて仮想粘性係数の変更を行うため、対象物の表面の形状に沿った方向の移動における速度(以下、「移動速度」とも言う)と、目標力(押付力)達成のための速度とのバランスが崩れることを低減することができる。これにより、目視にて作業確認が出来る程度まで速度を下げてパラメーター調整ができるので、移動速度によらず、対象物に対する追従性に優れた倣い動作を実現できる設定にたどり着くまでの時間を減らすことが出来る。
ここで、「倣い動作」とは、対象物に対してロボットの所望の箇所またはロボットにより保持された部材を接触させたまま、対象物の表面の形状に沿ってロボットの所望の箇所を移動させる動作を言う。
本発明の制御装置では、前記速度係数設定部が前記速度係数としての第1速度係数を前記第1速度係数よりも大きい前記速度係数としての第2速度係数に設定を変更した場合、前記変更部は、前記仮想粘性係数としての第1仮想粘性係数を前記第1仮想粘性係数よりも小さい前記仮想粘性係数としての第3仮想粘性係数に変更し、
前記速度係数設定部が前記第1速度係数を前記第1速度係数よりも小さい前記速度係数としての第3速度係数に設定を変更した場合、前記変更部は、前記第1仮想粘性係数を、前記第1仮想粘性係数よりも大きい前記仮想粘性係数としての第2仮想粘性係数に変更することが好ましい。
前記速度係数設定部が前記第1速度係数を前記第1速度係数よりも小さい前記速度係数としての第3速度係数に設定を変更した場合、前記変更部は、前記第1仮想粘性係数を、前記第1仮想粘性係数よりも大きい前記仮想粘性係数としての第2仮想粘性係数に変更することが好ましい。
これにより、速度係数の変更により移動速度が変更されても、移動速度と目標力達成のための速度とのバランスの崩れを低減することができ、よって、倣い動作における対象物に対する追従性をより高める設定にたどり着くまでの時間を減らすことができる。
本発明の制御装置では、前記変更部は、前記仮想粘性係数を前記速度係数に反比例するように変更することが好ましい。
これにより、移動速度によらず、倣い動作における対象物に対する追従性をより向上させる設定にたどり着くまでの時間を減らすことができる。
本発明の制御装置では、前記変更部は、前記速度係数に応じて、前記力制御における前記ロボットの仮想質量係数の設定を変更可能であることが好ましい。
これにより、速度係数の変更により対象物の表面の形状に沿った方向の移動における加速度(以下、「移動加速度」ともいう)が変更されても、移動加速度と目標力達成のための加速度とのバランスの崩れを低減することができ、よって、倣い動作における対象物に対する追従性をより高める設定にたどり着くまでの時間を減らすことができる。
本発明の制御装置では、前記変更部は、前記仮想質量係数を前記速度係数に対して反比例するように変更することが好ましい。
これにより、移動加速度によらず、倣い動作における対象物に対する追従性を向上させる設定にたどり着くまでの時間を減らすことができる。
本発明の制御装置では、前記変更部による前記仮想粘性係数の変更を実行するか否かを選択する選択部を表示部に表示させる表示制御部を備えることが好ましい。
これにより、作業者は表示部に表示された選択部を操作することで仮想粘性係数を変更するか否かを容易に設定することができる。
本発明のロボットは、本発明の制御装置によって制御されていることを特徴とする。
このような本発明のロボットによれば、移動速度によらず、対象物に対する追従性に優れた倣い動作を適切に行う設定にたどり着くまでの時間を減らすことができる。
このような本発明のロボットによれば、移動速度によらず、対象物に対する追従性に優れた倣い動作を適切に行う設定にたどり着くまでの時間を減らすことができる。
本発明のロボットシステムは、本発明の制御装置と、当該制御装置によって制御され、力検出部を有するロボットとを備えることを特徴とする。
このような本発明のロボットシステムによれば、制御装置の制御の下、移動速度によらず、対象物に対する追従性に優れた倣い動作をロボットに適切に行わせる設定にたどり着くまでの時間を減らすことができる。
以下、本発明の制御装置、ロボットおよびロボットシステムを添付図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。
≪ロボットシステム≫
図1は、本発明の好適な実施形態に係るロボットシステムの概略側面図である。図2は、図1に示すロボットシステムのシステム構成図である。なお、以下では、説明の便宜上、図1中の上側を「上」、下側を「下」と言う。また、図1中の基台側を「基端」、その反対側(エンドエフェクター側)を「先端」と言う。また、図1では、説明の便宜上、互いに直交する3軸として、X軸、Y軸およびZ軸を図示している。また、以下では、X軸に平行な方向を「X軸方向」とも言い、Y軸に平行な方向を「Y軸方向」とも言い、Z軸に平行な方向を「Z軸方向」とも言う。また、以下では、図示された各矢印の先端側を「+(プラス)」、基端側を「−(マイナス)」と言う。また、図1の上下方向を「鉛直方向」とし、左右方向を「水平方向」とする。本明細書において、「水平」とは、水平に対して5°以下の範囲内で傾斜している場合も含む。同様に、本明細書において、「鉛直」とは、鉛直に対して5°以下の範囲内で傾斜している場合も含む。
図1は、本発明の好適な実施形態に係るロボットシステムの概略側面図である。図2は、図1に示すロボットシステムのシステム構成図である。なお、以下では、説明の便宜上、図1中の上側を「上」、下側を「下」と言う。また、図1中の基台側を「基端」、その反対側(エンドエフェクター側)を「先端」と言う。また、図1では、説明の便宜上、互いに直交する3軸として、X軸、Y軸およびZ軸を図示している。また、以下では、X軸に平行な方向を「X軸方向」とも言い、Y軸に平行な方向を「Y軸方向」とも言い、Z軸に平行な方向を「Z軸方向」とも言う。また、以下では、図示された各矢印の先端側を「+(プラス)」、基端側を「−(マイナス)」と言う。また、図1の上下方向を「鉛直方向」とし、左右方向を「水平方向」とする。本明細書において、「水平」とは、水平に対して5°以下の範囲内で傾斜している場合も含む。同様に、本明細書において、「鉛直」とは、鉛直に対して5°以下の範囲内で傾斜している場合も含む。
図1に示すロボットシステム100は、ロボット1と、ロボット1の駆動を制御する制御装置5とを備えている。
〈ロボット〉
図1に示すロボット1は、いわゆる6軸の垂直多関節ロボットである。ロボット1は、基台110と、基台110に接続されたロボットアーム10と、ロボットアーム10の先端部に設けられた力検出部20と、力検出部20の先端部に設けられたエンドエフェクター30とを有する。また、図2に示すように、ロボット1は、ロボットアーム10を駆動させる動力(駆動力)を発生させる複数の駆動部130と、複数の位置センサー131と、複数のモータードライバー120とを有する。
図1に示すロボット1は、いわゆる6軸の垂直多関節ロボットである。ロボット1は、基台110と、基台110に接続されたロボットアーム10と、ロボットアーム10の先端部に設けられた力検出部20と、力検出部20の先端部に設けられたエンドエフェクター30とを有する。また、図2に示すように、ロボット1は、ロボットアーム10を駆動させる動力(駆動力)を発生させる複数の駆動部130と、複数の位置センサー131と、複数のモータードライバー120とを有する。
このロボット1は、対象物80への接触を保ちつつ、対象物80の表面801の形状に沿った移動を行う倣い動作(インピーダンス制御による動作)を伴う作業を行うことができる。この倣い作業としては、例えば、切削作業や研磨作業等の加工作業が挙げられる。
以下、ロボット1の各部について説明する。
基台110は、ロボット1を任意の設置箇所90に取り付ける部分である。なお、基台110の設置箇所は、特に限定されず、例えば、床、壁、天井、移動可能な台車上等が挙げられる。
基台110は、ロボット1を任意の設置箇所90に取り付ける部分である。なお、基台110の設置箇所は、特に限定されず、例えば、床、壁、天井、移動可能な台車上等が挙げられる。
ロボットアーム10は、第1アーム11(アーム)と、第2アーム12(アーム)と、第3アーム13(アーム)と、第4アーム14(アーム)と、第5アーム15(アーム)と、第6アーム16(アーム)と、一方のアームを他方のアーム(または基台110)に対して回動可能に支持する機構を有する6つの関節171〜176と、を有する。
基台110と第1アーム11とは、関節171を介して連結されており、第1アーム11は、基台110に対して鉛直方向に沿う第1回動軸O1まわりに回動可能となっている。また、第1アーム11と第2アーム12とは、関節172を介して連結されており、第2アーム12は、第1アーム11に対して水平方向に沿う第2回動軸O2まわりに回動可能となっている。また、第2アーム12と第3アーム13とは、関節173を介して連結されており、第3アーム13は、第2アーム12に対して水平方向に沿う第3回動軸O3まわりに回動可能となっている。また、第3アーム13と第4アーム14とは、関節174を介して連結されており、第4アーム14は、第3アーム13に対して第3回動軸O3と直交した第4回動軸O4まわりに回動可能となっている。また、第4アーム14と第5アーム15とは、関節175を介して連結されており、第5アーム15は、第4アーム14に対して第4回動軸O4と直交した第5回動軸O5まわりに回動可能となっている。また、第5アーム15と第6アーム16とは、関節176を介して連結されており、第6アーム16は、第5アーム15に対して第5回動軸O5と直交した第6回動軸O6まわりに回動可能となっている。
関節171〜176には、それぞれ、駆動力を発生させるモーター(図示せず)とモーターの駆動力を減速する減速機(図示せず)とを有する駆動部130と、駆動部130が有するモーターの回転軸の回転角度等を検出する位置センサー131(角度センサー)とが設けられている(図2参照)。すなわち、ロボット1は、6つの関節171〜176(または6つのアーム11〜16)と同じ数(本実施形態では6つ)の駆動部130および位置センサー131を有している。
駆動部130が有するモーターとしては、例えば、ACサーボモーター、DCサーボモーター等のサーボモーターを用いることができる。駆動部130が有する減速機としては、例えば、遊星ギア型の減速機、波動歯車装置等を用いることができる。各位置センサー131(角度センサー)は、各アーム11〜16の回転状態(回動状態)を検出する機能を有し、位置センサー131としては、例えば、エンコーダー、ロータリーエンコーダー等を用いることができる。
また、各駆動部130は、電気的に接続された複数(本実施形態では6つ)のモータードライバー120を介して制御装置5により制御されている。なお、本実施形態では、各モータードライバー120は、基台110に内蔵されている。
図1に示すように、第6アーム16の先端部には、力検出部20が着脱可能に取り付けられている。本実施形態では、力検出部20は、第6アーム16とエンドエフェクター30との間に設けられている。この力検出部20は、エンドエフェクター30に加わる力(モーメントを含む)を検出する力検出器(力覚センサー)である。本実施形態では、力検出部20として、互いに直交する3つの軸(x軸、y軸、z軸)方向の並進力成分Fx、Fy、Fzおよび3つの軸(x軸、y軸、z軸)周りの回転力成分(モーメント)Mx、My、Mzの6成分を検出することができる6軸力覚センサーを用いている。また、力検出部20は、検出した力に関する力検出情報(例えば、上述の6成分の情報)を制御装置5へ出力する。なお、力検出部20は、6軸力覚センサーに限定されず、例えば、3軸力覚センサー等であってもよい。
図1に示すエンドエフェクター30は、対象物80に対して作業を行う器具である。エンドエフェクター30としては、例えば、切削や研磨等の加工を行う加工器具等を用いることができる。なお、エンドエフェクター30としては、ロボット1の作業内容等に応じた器具を用いればよく、例えば、対象物80を把持する機能を有するハンドや、対象物80に対して塗装を行う塗布器具や、対象物80に対して溶接を行う溶接器具等を用いることも可能である。また、エンドエフェクター30としては、ネジ締めを行うネジ締め器具や嵌合を行う嵌合器具等であってもよい。
このような本発明のロボットの一例であるロボット1は、後述する制御装置5によって制御されている。そのため、移動速度によらず、対象物80に対する追従性に優れた倣い動作を適切に行う設定にたどり着くまでの時間を減らすことができる。
以下、制御装置5について説明する。
〈制御装置〉
本実施形態では、制御装置5は、例えば、CPU(Central Processing Unit)やROM(Read Only Memory)およびRAM(Random Access Memory)が内蔵されたパーソナルコンピューター(PC)等で構成することができる。この制御装置5は、図1に示すように、ロボット1に対して配線60等を介して接続されている。なお、ロボット1と制御装置5とは無線通信により接続されていてもよい。また、本実施形態では、制御装置5は、ロボット1とは別体で設けられているが、ロボット1に内蔵されていてもよい。
〈制御装置〉
本実施形態では、制御装置5は、例えば、CPU(Central Processing Unit)やROM(Read Only Memory)およびRAM(Random Access Memory)が内蔵されたパーソナルコンピューター(PC)等で構成することができる。この制御装置5は、図1に示すように、ロボット1に対して配線60等を介して接続されている。なお、ロボット1と制御装置5とは無線通信により接続されていてもよい。また、本実施形態では、制御装置5は、ロボット1とは別体で設けられているが、ロボット1に内蔵されていてもよい。
図2に示すように、制御装置5は、表示制御部51と、入力制御部52と、制御部53(処理部)と、記憶部54と、を備える。
表示制御部51は、ディスプレイ等のモニター(図示せず)を備える表示装置41に接続されている。この表示制御部51は、例えばグラフィックコントローラーで構成されており、表示装置41のモニターに各種画面(例えば、操作用のウィンドウ等)を表示させる機能を有する。
入力制御部52は、例えばマウスやキーボード等の入力装置42に接続されており、入力装置42からの入力を受け付ける機能を有する。
なお、入力装置42と上述した表示装置41とは一体で構成されていてもよい。その場合には、例えばタッチパネル等を用いることができる。
制御部53は、CPU等で構成され、または、CPUにより各種プログラムを実行することにより実現でき、ロボット制御部531(駆動制御部)と、取得部532と、速度係数設定部533と、変更部534とを有する。
ロボット制御部531は、ロボット1の各部の駆動を制御する機能を有する。例えば、ロボット制御部531は、各駆動部130に対して制御信号を出力して各アーム11〜16の駆動を制御する機能を有する。また、本実施形態では、ロボット制御部531は、ロボット1(ロボットアーム10)に対して、位置制御(速度制御を含む)と力制御とを実行する。
具体的には、ロボット制御部531は、目標の軌道に沿ってエンドエフェクター30の先端31が移動するようにロボット1を駆動させる位置制御を行う。より具体的には、ロボット制御部531は、エンドエフェクター30の位置および姿勢が目標軌道上の複数の目標点における位置および姿勢(目標位置および目標姿勢)となるように、各駆動部130の駆動を制御する。また、本実施形態では、各位置センサー131から出力された位置検出情報に基づいた制御を行う。また、本実施形態では、位置制御として、例えば、CP制御を行う。
なお、ロボット制御部531は、目標軌道を設定(生成)し、エンドエフェクター30の先端31の位置および姿勢や、エンドエフェクター30の目標軌道に沿った方向の移動における速度(角速度を含む)等を設定(生成)する機能を有する。
また、ロボット制御部531は、エンドエフェクター30が目標力で対象物80を押圧(接触)するようにロボット1を制御する力制御を行う。具体的には、ロボット制御部531は、エンドエフェクター30に作用する力(モーメントを含む)が目標力(目標のモーメントを含む)となるように、各駆動部130の駆動を制御する。
また、ロボット制御部531は、力検出部20から出力された力検出情報に基づいて各駆動部130の駆動を制御する。また、本実施形態では、ロボット制御部531は、力制御として、エンドエフェクター30の先端31のインピーダンス(仮想質量、仮想粘性係数、仮想弾性係数)を設定し、そのインピーダンスを実現するように各駆動部130を制御するインピーダンス制御を行う。
インピーダンス制御(力制御)では、例えば、x軸、y軸、z軸の各並進方向ごとに以下の式(1)が成立しており、x軸、y軸、z軸の各回転方向ごとに以下の式(2)が成立している。
TranslationalTCPSpeed(air)は、非接触状態での並進方向の目標力の達成のための速度である。RotationalTCPSpeed(air)は、非接触状態での回転方向の目標力(モーメント)の達成のための角速度である。TargetForceは、目標力であり、Damperは、仮想粘性係数である。なお、接触した場合も式(1)および式(2)が働く。また、式の記載はしないが、目標力の達成のための加速度および角加速度については、目標力と仮想質量係数とにより算出でき、目標力の達成のための変位については、目標力と仮想弾性係数とにより算出することができる。
また、ロボット制御部531は、上述の位置制御に関わる成分(制御量)と力制御に関わる成分(制御量)とを組み合わせて(合成して)、ロボット1を駆動させる制御信号を生成して出力する機能を有する。
上述のロボット制御部531による力制御と位置制御とを組み合わせた制御(ハイブリット制御)では、例えば、x軸、y軸、z軸の各並進方向ごとに以下の式(3)が成立しており、x軸、y軸、z軸の各回転方向ごとに以下の式(4)が成立している。
SpeedSは、位置制御によるロボット1の速度であり、本実施形態では、エンドエフェクター30の位置制御による対象物80の表面801の形状に沿った方向の移動における速度(以下、「移動速度」とも言う)である。また、SpeedRは、位置制御によるロボット1の角速度であり、本実施形態では、エンドエフェクター30の位置制御による対象物80の表面801の形状に沿った方向の移動における角速度(以下、「移動角速度」とも言う)である。なお、本明細書では、上述の移動速度および移動角速度を総称して「移動速度」とも言う。また、ハイブリット制御によるロボット1の加速度または角加速度についても、式(1)または式(2)と、位置制御によるロボット1の加速度または角加速度とを基に算出することができる。また、ハイブリット制御によるロボット1の変位についても、式(1)または式(2)と、位置制御によるロボット1の変位とを基に算出することができる。
このようなハイブリット制御により、ロボット1は、対象物80の表面801にエンドエフェクター30を接触させつつ、表面801の形状に沿った方向に移動する倣い動作を行うことができる。
また、図2に示す取得部532は、力検出部20から出力された検出結果としての力検出情報(例えば、上述の6成分の情報)を取得する機能を有する。また、取得部532は、各位置センサー131から出力された検出結果としての位置検出情報(例えば、各駆動部130の回転軸の回転角度や角速度)を取得する機能を有する。
また、図2に示す速度係数設定部533は、移動速度(上述のエンドエフェクター30の位置制御による速度および角速度)に対する速度係数[%]を設定(変更)する機能を有する。これにより、ロボット1の移動速度を変更することができる。
速度係数[%]とは、ロボット1の設定速度(設定角速度を含む)に対する比率(割合)であり、本実施形態では、エンドエフェクター30の位置制御による設定速度(設定角速度を含む)に対する比率(割合)である。また、本実施形態では、速度係数は、0%〜1000%で設定可能である。
ここで、上述の設定速度は、作業を行う予定の速度であり、作業者が任意に設定することが可能である。そして、この設定速度を速度係数で調整することで、実際にロボット1が動作する際の速度である移動速度が得られる。そして、この移動速度でエンドエフェクター30の先端31が移動するようにロボット制御部531は各駆動部130を位置制御することとなる。例えば、設定速度が10[mm/sec]であり、速度係数が50[%]であれば、実際にロボット1が動作する際の速度である移動速度は5[mm/sec]となる。
なお、速度係数設定部533は、速度係数[%]を設定することにより、ロボット1の加速度(角加速度を含む)についても上述の速度と同じ割合で設定(変更)する。ロボット1の動作の加減速度のバランスを考慮するためである。
また、速度係数設定部533は、例えば、目標軌道の全域におけるロボット1の移動速度を一括して変更したり、また、目標軌道上の任意の区間におけるロボット1の移動速度を個別に変更したりすることができる。
また、図2に示す変更部534は、ロボット1の仮想粘性係数や仮想質量係数を変更(設定)する機能を有する。本実施形態では、変更部534は、仮想粘性係数を設定・保持する機能と共に、速度係数設定部533により設定された速度係数に応じて、力制御におけるエンドエフェクター30の先端31の仮想粘性係数の設定を変更(再設定)する機能を有する。より具体的には、変更部534は、速度係数に対して仮想粘性係数が反比例の関係になるように変更する。例えば、速度係数設定部533が、第1速度係数からそれよりも大きい第2速度係数に設定を変更した場合、その変更に応じて変更部534は、第1仮想粘性係数からそれよりも小さい第3仮想粘性係数に変更(再設定)する。また、例えば、速度係数設定部533が、第1速度係数からそれよりも小さい第3速度係数に設定を変更した場合、その変更に応じて、変更部534は、第1仮想粘性係数からそれよりも大きい第2仮想粘性係数に変更(再設定)する。
また、変更部534は、仮想質量係数を設定・保持する機能と共に、速度係数設定部533により設定された速度係数に応じて、力制御におけるエンドエフェクター30の先端31の仮想質量係数の設定を変更(再設定)する機能を有する。より具体的には、変更部534は、速度係数に対して仮想質量係数が反比例の関係になるように変更する。例えば、速度係数設定部533が、第1速度係数からそれよりも大きい第2速度係数に設定を変更した場合、その変更に応じて変更部534は、第1仮想質量係数からそれよりも小さい第3仮想質量係数に変更(再設定)する。また、例えば、速度係数設定部533が、第1速度係数からそれよりも小さい第3速度係数に設定を変更した場合、その変更に応じて、変更部534は、第1仮想質量係数からそれよりも大きい第2仮想質量係数に変更(再設定)する。
また、図2に示す記憶部54は、制御部53が各種処理を行うためのプログラムやデータ等を記憶する機能を有する。また、記憶部54には、例えば、目標軌道や、力検出部20から出力された力検出情報や各位置センサー131から出力された位置検出情報(角度検出情報)等を記憶することができる。
以上、ロボットシステム100の構成について説明した。このようなロボットシステム100によれば、ロボット1の移動速度によらず、対象物80に対する追従性に優れた倣い動作を適切に行う設定にたどり着くまでの時間を減らすことができるという特徴を有する。以下、この特徴について説明する。
図3は、図1に示すロボットの倣い動作の一例を説明するための図である。図4は、図1に示すロボットの倣い動作を説明するための概略図である。図5は、図1に示すロボットの倣い動作を説明するための概略図である。なお、図4および図5では、エンドエフェクター30を模式的に図示している。
以下では、図3に示すように、エンドエフェクター30を対象物80の表面801に対して押し付けつつ、エンドエフェクター30を不定形状(凹凸のある形状)の表面801に沿って矢印A方向に移動させる倣い動作を例に説明する。ここで、エンドエフェクター30の先端31の目標軌道は、表面801に沿った経路とする。目標軌道は、例えば、CADデータ等によって生成した経路であってもよいし、ダイレクトティーチにより生成した経路等であってもよい。また、目標軌道は、記憶部54に記憶されており、エンドエフェクター30の先端31が目標軌道に沿って移動するためのロボット1の各部の駆動は教示されているものとする。
また、エンドエフェクター30の先端31の目標軌道に沿った移動は、ロボット制御部531による上述のハイブリット制御により実行される。具体的には、+X軸方向の移動は、位置制御により実行され、+Y軸方向への押し付け(移動)は、位置制御および力制御により実行される。すなわち、図4に示すように、エンドエフェクター30の先端31がポイントT11、T12、T13、T14、T15、T16を経由するような動作は、位置制御により実行され、エンドエフェクター30の先端31がポイントT21、T22、T23、T24、T25、T26に示すような対象物80を押し付ける動作は、位置制御および力制御により実行される。
まず、設定速度が5mm/secであり、かつ、速度係数が100%(第1速度係数)であり、これにより、移動速度が5mm/sec(第1速度)であるとする。また、力制御における目標力が5Nであり、仮想粘性係数が1(第1仮想粘性係数)であり、仮想質量係数が1(第1仮想質量係数)であるとする。この条件下で上述の倣い動作を行って、エンドエフェクター30の先端31の軌跡が目標軌道通りであり、また、力検出部20からの出力が目標力の5Nとほぼ同等または目標力との差が許容範囲内であることを確認する。
この状態から、力制御における目標力を5Nのまま、移動速度を5mm/sec(第1速度)から10mm/sec(第2速度)に変更することにより、上述と同様の倣い動作を、より速い移動速度で行う。これにより、タクトタイムを短くする。
具体的には、速度係数設定部533は、速度係数を100%(第1速度係数)よりも大きい200%(第2速度係数)に設定する。これにより、移動速度を10mm/sec(第2速度)に変更することができる。また、この新たな速度係数の設定(変更)値に応じて、変更部534は、仮想粘性係数を既に設定されていた1(第1仮想粘性係数)よりも小さい0.5(第3仮想粘性係数)に変更し、かつ、仮想質量係数を既に設定されていた1(第1仮想質量係数)よりも小さい0.5(第3仮想質量係数)に変更する。
このように、速度係数設定部533は、速度係数を2倍に変更して、移動速度を2倍に変更する。そして、その変更に応じて、変更部534は、仮想粘性係数および仮想質量係数をそれぞれ1/2倍にする。すなわち、本実施形態では、速度係数設定部533による速度係数を大きくすることに応じて、変更部534は、速度係数(または移動速度)に対して反比例の関係になるように仮想粘性係数および仮想質量係数のそれぞれを小さくする。これにより、力制御における目標力達成のための速度および加速度を大きくすることができる。そのため、移動速度が10mm/secであっても、移動速度が5mm/secである倣い動作と同様な追従特性を発揮することができる。
ここで、上述の力制御による目標力達成のための速度は、変更部534による変更を伴わない場合、移動速度の変更に追従して変更されない。すなわち、力制御による目標力達成のための速度は、位置制御による移動速度とは独立している。そのため、上述の変更部534を有していない場合、例えば、図5に示すように、矢印M1方向の移動速度を速くしても、矢印M22、M23方向の押付力である目標力の達成のための速度が追従して速くならず、これらの速度のバランスが崩れてしまう。その結果、対象物80への追従性が低下してしまう。なお、加速度についても同様である。これに対し、本実施形態では、上述のように変更部534によって、速度係数の変化に応じて仮想粘性係数および仮想質量係数を変更することで、移動速度の変化に応じて目標力達成の速度および加速度を変更している。そのため、本実施形態によれば、移動制御による移動速度と、力制御による目標力達成のための速度とのバランスが崩れることを低減することができ、ポイントT22からポイントT23へと追従性良くエンドエフェクター30を移動させることができる。その結果、上述のように、移動速度が10mm/secにおける倣い動作においても、移動速度が5mm/secにおける倣い動作と同様な追従特性を発揮することができる。また、本実施形態によれば、速度変更に伴う作業実現の調整に際する手間を省くことができる。
また、力制御における目標力を5Nのまま、上述の移動速度が5mm/sec(第1速度)である状態から2.5mm/sec(第3速度)に変更することにより、上述と同様の倣い動作を、より遅い移動速度で行うことも可能である。このような比較的遅い移動速度での倣い動作は、倣い動作の確認等を行いたい場合に好適である。
具体的には、速度係数設定部533は、速度係数を100%(第1速度係数)よりも小さい50%(第3速度係数)に設定する。これにより、移動速度を2.5mm/sec(第3速度)に変更することができる。また、この速度係数の設定(変更)に応じて、変更部534は、仮想粘性係数を1(第1仮想粘性係数)よりも大きい2(第2仮想粘性係数)に変更し、かつ、仮想質量係数を1(第1仮想質量係数)よりも大きい2(第2仮想質量係数)に変更する。
このように、速度係数設定部533は、速度係数を1/2倍に変更して、移動速度を1/2倍に変更する。そして、その変更に応じて、変更部534は、仮想粘性係数および仮想質量係数をそれぞれ2倍にする。すなわち、本実施形態では、速度係数設定部533による速度係数を小さくすることに応じて、変更部534は、速度係数(または移動速度)に対して反比例の関係になるように仮想粘性係数および仮想質量係数のそれぞれを大きくする。これにより、力制御における目標力達成のための速度および加速度を小さくすることができる。これにより、移動速度が2.5mm/secであっても、移動速度が5mm/secである倣い動作と同様な追従特性を発揮することができる。
また、上述の速度係数設定部533による速度係数の設定(変更)は、表示装置41が有する画面を介した作業者の指示に応じて実行される。
図6は、図2に示す表示装置に表示される速度係数の設定を行うウィンドウを示す図である。
表示制御部51は、表示装置41のモニターに、図6に示すようなGUI(グラフィカルユーザーインターフェース)で構成された操作用のウィンドウW410を表示する。ウィンドウW410は、速度係数(速度比率)の値を選択するセレクトリスト411を有する。作業者は、入力装置42を用いてセレクトリスト411を操作して速度係数の値を選択することができ、速度係数設定部533は、その選択された速度係数の値に応じて、速度係数を設定する。このようなウィンドウW410によって、作業者は、速度係数を選択することで、作業内容等に応じた移動速度を容易に選択(設定)することができる。
また、上述の変更部534によって力制御の仮想粘性係数および仮想質量係数を速度係数の変更に追従させて変更させるか否かは、表示装置41が有する画面を介した作業者の指示に応じて実行される。
図7は、図2に示す表示装置に表示される選択部を有するウィンドウを示す図である。
表示制御部51は、表示装置41のモニターに、図7に示すようなGUI(グラフィカルユーザーインターフェース)で構成された操作用のウィンドウW420を表示する。ウィンドウW420は、仮想粘性係数(力制御パラメーター)および仮想質量係数(力制御パラメーター)の変更を実行するか否かを選択する選択部としてのチェックボックスC421を有する。ここで、ウィンドウW420に表示されている力制御パラメーターとは、仮想粘性係数や仮想質量係数のことを示す。また、Speed Factorとは、制御装置5に設定されているロボット1の全ての動作に掛かる速度係数のことを示す。また、ウィンドウW420は、変更を実行する内容を仮想粘性係数および仮想質量係数の双方とすることを選択するチェックボックスC422と、変更を実行する内容を仮想粘性係数のみとすることを選択するチェックボックスC423とを有する。ここで、ウィンドウW420に表示されている全パラメーターとは、仮想粘性係数、仮想質量係数および仮想弾性係数のことを示す。なお、ウィンドウW420は、変更を実行する内容を仮想質量係数のみとすることを選択するチェックボックスを有していてもよい。
表示制御部51は、表示装置41のモニターに、図7に示すようなGUI(グラフィカルユーザーインターフェース)で構成された操作用のウィンドウW420を表示する。ウィンドウW420は、仮想粘性係数(力制御パラメーター)および仮想質量係数(力制御パラメーター)の変更を実行するか否かを選択する選択部としてのチェックボックスC421を有する。ここで、ウィンドウW420に表示されている力制御パラメーターとは、仮想粘性係数や仮想質量係数のことを示す。また、Speed Factorとは、制御装置5に設定されているロボット1の全ての動作に掛かる速度係数のことを示す。また、ウィンドウW420は、変更を実行する内容を仮想粘性係数および仮想質量係数の双方とすることを選択するチェックボックスC422と、変更を実行する内容を仮想粘性係数のみとすることを選択するチェックボックスC423とを有する。ここで、ウィンドウW420に表示されている全パラメーターとは、仮想粘性係数、仮想質量係数および仮想弾性係数のことを示す。なお、ウィンドウW420は、変更を実行する内容を仮想質量係数のみとすることを選択するチェックボックスを有していてもよい。
例えば、作業者が、チェックボックスC421、C422に対して入力装置42を用いてチェックを入れることで(操作することで)、変更部534は、速度係数の設定(変更)に応じて仮想粘性係数および仮想質量係数の変更を実行する機能を発揮させる。なお、チェックボックスC422にチェックを入れると、Speed Factorに基づいて仮想弾性係数も変更される。また、例えば、作業者が、チェックボックスC421、C423に対して入力装置42を用いてチェックを入れることで(操作することで)、変更部534は、速度係数の設定(変更)に応じて仮想粘性係数のみの変更を実行する機能を発揮させる。
このように、制御装置5は、変更部534による仮想粘性係数の変更を実行するか否かを選択する「選択部」としてのチェックボックスC421を有するウィンドウW420を「表示部」としての表示装置41に表示させる表示制御部51を備える。これにより、作業者はウィンドウW420のチェックボックスC421等を操作することで仮想粘性係数および仮想質量係数のそれぞれを速度係数の設定(変更)に応じて変更するか否かを容易に設定することができる。
以上、ロボットシステム100による追従性に優れた倣い動作を適切に行う設定にたどり着くまでの時間を減らすことに関する特徴について説明した。
以上説明したように、本発明の制御装置の一例である制御装置5は、力検出部20を有するロボット1の駆動を制御する制御装置5であって、力検出部20からの出力に基づいてロボット1の駆動を力制御するロボット制御部531と、ロボット1の速度係数を設定する速度係数設定部533と、速度係数に応じて、力制御におけるロボット1の仮想粘性係数の設定を変更する変更部534と、を有する。このような制御装置5によれば、速度係数に応じて仮想粘性係数の変更を行うため、例えば、対象物80の表面801の形状に沿った方向(+X軸方向)の移動における速度(移動速度)と、+Y軸方向への押付力である目標力を達成するための速度とのバランスが崩れることを低減することができる。これにより、移動速度によらず、対象物80に対する追従性に優れた倣い動作を行う設定にたどり着くまでの時間を減らすことができる。
また、速度係数設定部533が速度係数としての第1速度係数(例えば、100%)を第1速度係数よりも大きい速度係数としての第2速度係数(例えば、200%)に設定を変更した場合、変更部534は、仮想粘性係数としての第1仮想粘性係数(例えば、1)を第1仮想粘性係数よりも小さい仮想粘性係数としての第3仮想粘性係数(例えば、0.5)に変更する。また、速度係数設定部533が第1速度係数を、第1速度係数よりも小さい速度係数としての第3速度係数(例えば、50%)に設定を変更した場合、変更部534は、第1仮想粘性係数を、第1仮想粘性係数よりも大きい仮想粘性係数としての第2仮想粘性係数(例えば、2)に変更する。これにより、速度係数を変更することにより移動速度が変更されても、移動速度と目標力達成のための速度とのバランスの崩れを低減することができる。その結果、いかなる移動速度においても、倣い動作における対象物80に対する追従性をより高める設定にたどり着くまでの時間を減らすことができる。
特に、本実施形態のように、変更部534は、仮想粘性係数を速度係数に反比例するように変更することが好ましい。これにより、移動速度によらず、倣い動作における対象物80に対する追従性をより向上させる設定にたどり着くまでの時間を減らすことができる。
また、変更部534は、速度係数に応じて、力制御におけるロボット1の仮想質量係数の設定を変更可能である。これにより、速度係数の変更により移動加速度が変更されても、移動方加速度と目標力達成のための加速度とのバランスの崩れを低減することができる。その結果、倣い動作における対象物80に対する追従性をより高める設定にたどり着くまでの時間を減らすことができる。
さらに、速度係数設定部533が第1速度係数(例えば、100%)をそれよりも大きい第2速度係数(例えば、200%)に設定を変更した場合、変更部534は、第1仮想質量係数(例えば、1)をそれよりも小さい第3仮想質量係数(例えば、0.5)に変更する。また、速度係数設定部533が第1速度係数をそれよりも小さい第3速度係数(例えば、50%)に設定を変更した場合、変更部534は、第1仮想質量係数をそれよりも大きい第2仮想質量係数(例えば、2)に変更する。特に、本実施形態のように、変更部534は、仮想質量係数を速度係数に対して反比例するように変更する。これにより、移動加速度によらず、倣い動作における対象物80に対する追従性を向上させる設定にたどり着くまでの時間を減らすことができる。
以上説明したような本発明のロボットシステムの一例としてのロボットシステム100は、制御装置5と、制御装置5によって制御され、力検出部20を有するロボット1とを備える。このようなロボットシステム100によれば、制御装置5によって、移動速度によらず、対象物80に対する追従性に優れた倣い動作をロボット1に対して適切に行わせる設定にたどり着くまでの時間を減らすことができる。
また、上述の説明では、倣い動作を行う場合を例に説明したが、例えば、対象物80にエンドエフェクター30を接触させつつ、対象物80の所望の箇所を探りあてる動作である探り動作を行う場合にも、本実施形態におけるロボットシステム100を用いることは有効である。この探り動作において、例えば、エンドエフェクター30の対象物80に対する押付による摩擦力(外力)は一定で、接触させている時間が長くなると、摩擦力に起因するエンドエフェクター30が受ける力積が増える。そのため、実際の押付力と力検出部20からの検出結果とに大きな差が発生する。このような探り動作を行う場合には、仮想粘性係数を大きくすることで、摩擦力による影響を高速時と低速時で同等に見立てることができる。このように、探り動作においても、本実施形態における制御装置5の制御の下でロボット1を駆動させることは、好適であり、利便性も大きい。
以上、本発明の制御装置、ロボットおよびロボットシステムを図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。
また、上述した実施形態では、6軸の垂直多関節ロボットについて説明したが、本発明のロボットは、本発明の制御装置により制御され、可動部と力検出部を有する構成であればこれに限定されず、例えば、水平多関節ロボットにも適用可能である。
また、上述した実施形態では、力検出部は、ロボットアームの先端部に設けられている例を説明したが、力検出部の設置箇所は、ロボットの任意の箇所にかかる力やモーメントを検出することができれば如何なる箇所であってもよい。例えば、力検出部は、第6アームの基端部(第5アームと第6アームとの間)に設けられていてもよい。
1…ロボット、5…制御装置、10…ロボットアーム、11…第1アーム、12…第2アーム、13…第3アーム、14…第4アーム、15…第5アーム、16…第6アーム、20…力検出部、30…エンドエフェクター、31…先端、41…表示装置、42…入力装置、51…表示制御部、52…入力制御部、53…制御部、54…記憶部、60…配線、80…対象物、90…設置箇所、100…ロボットシステム、110…基台、120…モータードライバー、130…駆動部、131…位置センサー、171…関節、172…関節、173…関節、174…関節、175…関節、176…関節、411…セレクトリスト、531…ロボット制御部、532…取得部、533…速度係数設定部、534…変更部、801…表面、A…矢印、M1…矢印、M22…矢印、M23…矢印、C421…チェックボックス、C422…チェックボックス、C423…チェックボックス、O1…第1回動軸、O2…第2回動軸、O3…第3回動軸、O4…第4回動軸、O5…第5回動軸、O6…第6回動軸、T11…ポイント、T12…ポイント、T13…ポイント、T14…ポイント、T15…ポイント、T16…ポイント、T21…ポイント、T22…ポイント、T23…ポイント、T24…ポイント、T25…ポイント、T26…ポイント、W410…ウィンドウ、W420…ウィンドウ
Claims (8)
- 力検出部を有するロボットの駆動を制御する制御装置であって、
前記力検出部からの出力に基づいて前記ロボットの駆動を力制御するロボット制御部と、
前記ロボットの速度係数を設定する速度係数設定部と、
前記速度係数に応じて、前記力制御における前記ロボットの仮想粘性係数の設定を変更する変更部と、を有することを特徴とする制御装置。 - 前記速度係数設定部が前記速度係数としての第1速度係数を前記第1速度係数よりも大きい前記速度係数としての第2速度係数に設定を変更した場合、前記変更部は、前記仮想粘性係数としての第1仮想粘性係数を前記第1仮想粘性係数よりも小さい前記仮想粘性係数としての第3仮想粘性係数に変更し、
前記速度係数設定部が前記第1速度係数を前記第1速度係数よりも小さい前記速度係数としての第3速度係数に設定を変更した場合、前記変更部は、前記第1仮想粘性係数を、前記第1仮想粘性係数よりも大きい前記仮想粘性係数としての第2仮想粘性係数に変更する請求項1に記載の制御装置。 - 前記変更部は、前記仮想粘性係数を前記速度係数に反比例するように変更する請求項1または2に記載の制御装置。
- 前記変更部は、前記速度係数に応じて、前記力制御における前記ロボットの仮想質量係数の設定を変更可能である請求項1ないし3のいずれか1項に記載の制御装置。
- 前記変更部は、前記仮想質量係数を前記速度係数に対して反比例するように変更する請求項4に記載の制御装置。
- 前記変更部による前記仮想粘性係数の変更を実行するか否かを選択する選択部を表示部に表示させる表示制御部を備える請求項1ないし5のいずれか1項に記載の制御装置。
- 請求項1ないし6のいずれか1項に記載の制御装置によって制御されていることを特徴とするロボット。
- 請求項1ないし6のいずれか1項に記載の制御装置と、当該制御装置によって制御され、力検出部を有するロボットとを備えることを特徴とするロボットシステム。
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