JP2020099968A - Robot system and method for controlling robot system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ロボットシステム及びロボットシステムの制御方法に関する。 The present invention relates to a robot system and a robot system control method.
従来からマスタスレーブ型マニプレータとその制御方法が知られている(例えば特許文献1参照)。 Conventionally, a master-slave type manipulator and its control method have been known (for example, refer to Patent Document 1).
このマスタスレーブ型マニプレータは、マスタアームを操作することにより、これと相似形となるようにマスタアームの形状に追従するスレーブアームを有する。そして、マスタアームには接触子が設けられており、この接触子が位置規制部材に当接してマスタアームの動作範囲を規制する。これによって、スレーブアームの動作範囲を規制することができ、障害物との干渉を防止することができる。 This master-slave type manipulator has a slave arm that follows the shape of the master arm so as to be similar to the master arm by operating the master arm. The master arm is provided with a contact, and the contact comes into contact with the position restricting member to restrict the operating range of the master arm. As a result, the operating range of the slave arm can be restricted and interference with obstacles can be prevented.
しかし、特許文献1に記載のマスタスレーブ型マニプレータは、スレーブアームがワークに接触したときに、そのことを操作者に伝達することができず、作業者はスレーブアームがワークに接触して動作が規制されているのか、それとも接触子が位置規制部材に当接してマスタアームの動作範囲が規制されているのかを判別することが困難な場合があり、作業効率の向上に制約があった。
However, the master-slave manipulator described in
上記課題を解決するため、本発明のある態様に係るロボットシステムは、作業端を有するスレーブアームと、前記スレーブアームを駆動するスレーブアーム駆動部と、前記作業端の目標位置を規定するスレーブ動作指令に基づき前記スレーブアーム駆動部を制御するスレーブ側制御部と、を含むスレーブユニットと、操作者が操作内容を入力する操作端を有するマスタアームを含むマスタユニットと、前記操作者の知覚によって感知可能な感覚情報を用いて報知を行う報知部と、前記操作端に入力された操作内容に基づいて、前記スレーブ動作指令を生成するスレーブ動作指令生成部を含むシステム制御部と、を有するロボットシステムであって、前記システム制御部は、所定の動作領域の限界から該動作領域側に拡がる通知領域に前記スレーブ動作指令の前記作業端の目標位置が位置すると判定すると、前記報知部を制御して前記操作者に対する報知を行う。 In order to solve the above problems, a robot system according to an aspect of the present invention provides a slave arm having a working end, a slave arm driving unit that drives the slave arm, and a slave operation command that defines a target position of the working end. A slave unit including a slave side control unit that controls the slave arm drive unit based on the above, a master unit including a master arm having an operation end through which an operator inputs an operation content, and sensed by the operator's perception In a robot system including: a notification unit that performs notification using various sensory information, and a system control unit that includes a slave operation command generation unit that generates the slave operation command based on the operation content input to the operation end. If the system control unit determines that the target position of the working end of the slave operation command is located in the notification area that extends from the limit of the predetermined operation area to the operation area side, the system control unit controls the notification unit and Notify the operator.
この構成によれば、操作者の知覚を通じて操作者に作業端の動作領域の限界への接近を通知することができる。これによって、操作者は、作業端がワークに接触しているのか、それとも作業端が動作領域の限界の近傍に位置しているのかを容易に判別することができ、作業効率を向上させることができる。 According to this configuration, it is possible to notify the operator of the approach to the limit of the operation area of the working end through the operator's perception. With this, the operator can easily determine whether the working end is in contact with the work or the working end is located in the vicinity of the limit of the operation area, and the working efficiency can be improved. it can.
本発明は、作業効率を向上させることができるという効果を奏する。 The present invention has an effect that work efficiency can be improved.
ある態様にかかるロボットシステムは、作業端を有するスレーブアームと、前記スレーブアームを駆動するスレーブアーム駆動部と、前記作業端の目標位置を規定するスレーブ動作指令に基づき前記スレーブアーム駆動部を制御するスレーブ側制御部と、を含むスレーブユニットと、操作者が操作内容を入力する操作端を有するマスタアームを含むマスタユニットと、前記操作者の知覚によって感知可能な感覚情報を用いて報知を行う報知部と、前記操作端に入力された操作内容に基づいて、前記スレーブ動作指令を生成するスレーブ動作指令生成部を含むシステム制御部と、を有するロボットシステムであって、前記システム制御部は、所定の動作領域の限界から該動作領域側に拡がる通知領域に前記スレーブ動作指令の前記作業端の目標位置が位置すると判定すると、前記報知部を制御して前記操作者に対する報知を行う。 A robot system according to an aspect controls a slave arm having a working end, a slave arm driving unit that drives the slave arm, and a slave operation command that defines a target position of the working end. A slave unit including a slave-side control unit, a master unit including a master arm having an operation end through which an operator inputs operation contents, and notification using the sensory information perceivable by the operator's perception And a system control unit that includes a slave operation command generation unit that generates the slave operation command based on the operation content input to the operation end, the system control unit having a predetermined value. When it is determined that the target position of the working end of the slave operation command is located in the notification area extending from the limit of the operation area to the operation area side, the notification unit is controlled to notify the operator.
この構成によれば、操作者の知覚を通じて作業端の動作領域の限界への接近を通知することができる。これによって、操作者は、作業端がワークに接触しているのか、それとも作業端が動作領域の限界又は当該限界の近傍に位置しているのかを容易に判別することができ、作業効率を向上させることができる。 With this configuration, it is possible to notify the approach of the working end to the limit of the operation area through the operator's perception. With this, the operator can easily determine whether the working end is in contact with the work, or whether the working end is located at or near the limit of the operation area, thus improving work efficiency. Can be made.
前記システム制御部は、前記スレーブ動作指令の前記作業端の目標位置と前記動作領域の限界との距離が小さくなるにしたがって前記感覚情報の強度が強くなるように前記報知部を制御してもよい。 The system control unit may control the notification unit such that the strength of the sensory information increases as the distance between the target position of the working end of the slave operation command and the limit of the operation region decreases. ..
この構成によれば、操作者に動作領域の限界との距離を案内することができる。 With this configuration, the operator can be informed of the distance from the limit of the operation area.
他の態様に係るロボットシステムは、作業端を有するスレーブアームと、前記作業端又は前記作業端に保持したワークに作用する反力の方向及び大きさを検出するスレーブ側力検出部と、前記スレーブアームを駆動するスレーブアーム駆動部と、スレーブ動作指令に基づき前記スレーブアーム駆動部を制御するスレーブ側制御部と、を含むスレーブユニットと、操作端を有するマスタアームと、前記操作端に操作者が加えた操作力の方向及び大きさを検出するマスタ側力検出部と、前記マスタアームを駆動するマスタアーム駆動部と、マスタ動作指令に基づき前記マスタアーム駆動部を制御するマスタ側制御部と、を含むマスタユニットと、所定の制御周期毎に前記作業端の目標位置を規定する前記スレーブ動作指令と前記操作端の目標位置を規定する前記マスタ動作指令とを前記スレーブ動作指令の目標位置と前記マスタ動作指令の目標位置とが所定の対応関係を有するように生成するシステム制御部と、を有するロボットシステムであって、前記システム制御部は、所定の動作領域の限界から該動作領域側に拡がる通知領域に前記スレーブ動作指令の前記作業端の目標位置が位置すると判定すると、前記操作端の動作を変化させるように前記マスタ動作指令を生成する。 A robot system according to another aspect includes a slave arm having a working end, a slave side force detection unit that detects a direction and a magnitude of a reaction force acting on the working end or a work held on the working end, and the slave. A slave unit including a slave arm drive unit that drives an arm and a slave-side control unit that controls the slave arm drive unit based on a slave operation command, a master arm having an operation end, and an operator at the operation end. A master side force detection unit that detects the direction and magnitude of the applied operating force, a master arm drive unit that drives the master arm, and a master side control unit that controls the master arm drive unit based on a master operation command, And a master unit including a master unit including a slave operation command that defines a target position of the working end and a master operation command that defines a target position of the operating end for each predetermined control cycle. A robot system having a system control unit that generates a target position of a master operation command so as to have a predetermined correspondence relationship, wherein the system control unit extends from a limit of a predetermined operation region to the operation region side. When it is determined that the target position of the working end of the slave operation command is located in the notification area, the master operation command is generated to change the operation of the operation end.
この構成によれば、操作者の力覚を通じて作業端の動作領域の限界への接近を通知することができる。これによって、操作者は、作業端がワークに接触しているのか、それとも作業端が動作領域の限界又は当該限界の近傍に位置しているのかを容易に判別することができ、作業効率を向上させることができる。 With this configuration, it is possible to notify the approach of the working area to the limit of the working end through the force sense of the operator. With this, the operator can easily determine whether the working end is in contact with the work, or whether the working end is located at or near the limit of the operation area, thus improving work efficiency. Can be made.
前記システム制御部は、前記通知領域に前記スレーブ動作指令の前記作業端の目標位置が位置すると判定すると、前記作業端に作用する前記動作領域の限界から離れる向きを有する反発力を設定し、続く制御周期において前記操作力、前記反力及び前記反発力の合成力に基づいて前記マスタ動作指令を生成してもよい。 When the system control unit determines that the target position of the working end of the slave operation command is located in the notification region, it sets a repulsive force having a direction away from the limit of the working region that acts on the working end, and continues. The master operation command may be generated based on a combined force of the operation force, the reaction force, and the repulsion force in a control cycle.
この構成によれば、反発力によって操作者に動作領域の限界への接近を通知することができる。また、反発力の向きに基づいて、操作者に前記境界から離れる方向を適切に案内することができる。 According to this configuration, the operator can be notified of the approach to the limit of the operation area by the repulsive force. Further, based on the direction of the repulsive force, the operator can be appropriately guided in the direction away from the boundary.
前記システム制御部は、前記スレーブ動作指令の前記作業端の目標位置と前記動作領域の限界との距離が小さくなるにしたがって前記反発力の大きさが大きくなるように前記反発力を設定してもよい。 The system control unit may set the repulsive force such that the magnitude of the repulsive force increases as the distance between the target position of the working end of the slave operation command and the limit of the operation region decreases. Good.
この構成によれば、操作者に動作領域の限界との距離を案内することができる。 With this configuration, the operator can be informed of the distance from the limit of the operation area.
前記システム制御部は、前記通知領域を設定する通知領域設定部と、前記通知領域に前記スレーブ動作指令の前記作業端の目標位置が位置すると判定すると、前記反発力を設定する反発力設定部と、前記操作力、前記反力及び前記反発力の合成力に基づいて目標速度ベクトルを算出する換算部と、前記目標速度ベクトルに基づいて前記スレーブ動作指令を生成するスレーブ動作指令生成部と、前記目標速度ベクトルに基づいて前記マスタ動作指令を生成するマスタ動作指令生成部と、を含んでいてもよい。 The system control unit, a notification area setting unit that sets the notification area, and a repulsion force setting unit that sets the repulsive force when it is determined that the target position of the working end of the slave operation command is located in the notification area. A conversion unit that calculates a target speed vector based on the combined force of the operating force, the reaction force, and the repulsion force; a slave operation command generation unit that generates the slave operation command based on the target speed vector; And a master motion command generation unit that generates the master motion command based on the target speed vector.
この構成によれば、バイラテラル制御方式のロボットシステムにおいて、操作者に動作領域の限界への接近を適切に通知することができる。 According to this configuration, in the bilateral control type robot system, it is possible to appropriately notify the operator of the approach to the limit of the operation region.
以下、実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、以下では、全ての図を通じて、同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. The present invention is not limited to the embodiments. Also, in the following, the same or corresponding elements will be denoted by the same reference symbols throughout all the drawings, and overlapping description will be omitted.
(実施の形態1)
図1は、実施の形態1に係るロボットシステム100の構成例を概略的に示す図である。図2は、ロボットシステム100の制御系統の構成例を概略的に示すブロック図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration example of a
ロボットシステム100は、図1及び図2に示すように、スレーブアーム11がマスタアーム21の動きをなぞるように動作するマスタースレーブ方式のロボットを含むシステムである。ロボットシステム100は、スレーブアーム11の作業領域から離れた位置(作業領域外)にいる操作者Pがマスタアーム21を動かして動作指令をロボットシステム100に入力することで、スレーブアーム11が該動作指令に対応した動作を行い、部品の組み付け作業などの特定の作業を行うことができるように構成されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
更に、ロボットシステム100は、バイラテラル制御方式のロボットシステムであり、制御部がスレーブアーム11に加えてマスタアーム21の動作を同期して制御することで、スレーブアーム11に作用する力を、マスタアーム21を介して操作者Pに提示するように構成されている。ロボットシステム100は、スレーブアーム11を含むスレーブユニット1と、マスタアーム21を含むマスタユニット2と、システム制御部3とを備える。
Further, the
[スレーブユニットの構成例]
図1に示すように、スレーブユニット1は、例えば産業用ロボットである。スレーブユニット1は、基部10と、スレーブアーム11と、スレーブ側力検出部12と、スレーブアーム駆動部13(図2参照)と、スレーブ側制御部14(図2参照)とを含む。
[Configuration example of slave unit]
As shown in FIG. 1, the
スレーブアーム11は、例えば、垂直多関節型のロボットアームである。すなわち、基端部から先端部に向かう方向に順次連結される複数のリンクと、隣り合うリンクの一方に対して他方を回動可能に連結する一以上の関節を備える。そして、スレーブアーム11の先端部が作業端11aであり、作業端11aにはハンド(エンドエフェクタ)16が設けられている。基部10は、例えば床に固定され、スレーブアーム11を支えている。スレーブアーム11は、例えば6自由度を有し、作業端11aを動作範囲内の任意の位置で任意の姿勢を取らせることができる。
The
ハンド16は、例えば、ワークWの保持を行う保持動作及び保持したワークWの解放を行う解放動作を行うことができるように構成され、例えば部品の組み付け作業を実施する。ハンド16は、保持動作及び解放動作を行うための図示しないハンド駆動部を含む。なお、ハンド16は、溶接作業、塗装作業を行うことができるように、当該作業目的に応じた構造であってもよい。
The
スレーブ側力検出部12は、互いに直交する3つの軸方向に作用する力の大きさ及びこれら3つの軸周りに作用する力のモーメントを検出するセンサであり、スレーブアーム11の作業端11aに配設されている。スレーブ側力検出部12は互いに直交する3つの軸方向及び軸周りに作用する分力の検出が可能な6軸力覚センサで構成される。これによって、スレーブ側力検出部12は、スレーブアーム11の作業端11aに保持したワークWがワークWを組み付ける対象物Tに接触したときに、作業端11a又は作業端11aに保持したワークWに作用する反力fsの方向及び大きさを検出する。検出した反力fsは、システム制御部3に出力される。
The slave side
スレーブアーム駆動部13は、スレーブアーム11を駆動する。すなわち、スレーブアーム駆動部13は、スレーブアーム11の各関節に設けられたアクチュエータを含み、アクチュエータの駆動によって各関節を動作させることにより、スレーブアーム11の基端部に対して先端部(作業端11a)及びハンド16を所定の動作領域内で移動させる。本実施の形態において、例えば、スレーブアーム11の各関節は回動関節であり、アクチュエータは減速機を備えるサーボモータである。
The slave
スレーブ側制御部14は、作業端11aの目標位置を規定する位置指令であるスレーブ動作指令xsに基づきスレーブアーム駆動部13を制御し、スレーブアーム11を動作させる。スレーブ動作指令xsは、スレーブ座標系における位置指令である。スレーブ側制御部14は、スレーブ動作指令xsに基づき、各関節のサーボモータの出力軸の回転角を算出し、スレーブアーム11の各関節のサーボモータに供給する電流を制御してサーボモータの動作を制御し、スレーブアーム11の姿勢を変更し、これによって、作業端11aを目標位置に位置させる。スレーブアーム11の姿勢の制御は、スレーブアーム11に設けられた図示しないエンコーダから出力される関節角度に基づいたフィードバック制御によって行われる。
The slave-
[マスタユニットの構成例]
マスタユニット2は、作業領域外に設置され、スレーブアーム11の動作を遠隔的に制御する。マスタユニット2は、マスタアーム21と、マスタ側力検出部22と、マスタアーム駆動部23(図2参照)と、マスタ側制御部24(図2参照)とを含む。
[Configuration example of master unit]
The
マスタアーム21は、操作者Pが触れて操作して操作者Pからスレーブアーム11に対する動作指令を入力する装置である。マスタアーム21は、例えば6自由度を有し、操作端21aを動作範囲内の任意の位置で任意の姿勢を取らせることができる。操作者Pが触れて操作する部位が操作端21aを構成し、操作者Pは操作端21aに力を加えて、スレーブアーム11に対する動作指令を入力する。
The
マスタ側力検出部22は、互いに直交する3つの軸方向に作用する力の大きさ及びこれら3つの軸周りに作用する力のモーメントを検出するセンサであり、マスタアーム21の操作端21aに配設されている。マスタ側力検出部22は互いに直交する3つの軸方向及び軸周りに作用する分力の検出が可能な6軸力覚センサで構成される。これによって、マスタ側力検出部22は、操作者Pの操作端21aへの操作入力を検知し、操作者Pからスレーブアーム11に対する動作指令、すなわちマスタアーム21の操作端21aに操作者Pが加えた操作力fmの方向及び大きさを検出する。検出した操作力fmは、システム制御部3に出力される。
The master-side
マスタアーム駆動部23は、マスタアーム21を駆動する。すなわち、マスタアーム駆動部23は、マスタアーム21の各関節に設けられたアクチュエータを含み、アクチュエータの駆動によって各関節を動作させることにより、マスタアーム21の操作端21aを移動させる。本実施の形態において、例えば、アクチュエータは減速機を備えるサーボモータである。
The master
マスタ側制御部24は、操作端21aの目標位置を規定する位置指令であるマスタ動作指令xmに基づきマスタアーム駆動部23を制御し、マスタアーム21を動作させる。マスタ動作指令xmは、マスタ座標系における位置指令である。マスタ座標系とスレーブ座標系とは対応関係を有しており、座標変換によって、一方の位置指令値に基づいて他方の位置指令値を算出することが可能となっている。マスタ側制御部24は、マスタ動作指令xmに基づき、マスタアーム21の各関節のサーボモータの出力軸の回転角を算出し、マスタアーム21の各関節のサーボモータに供給する電流を制御して各関節のサーボモータの動作を制御し、マスタアーム21の姿勢を変更し、これによって、操作端21aを目標位置に位置させる。マスタアーム21の姿勢の制御は、マスタアーム21に設けられた図示しないエンコーダから出力される関節角度に基づいたフィードバック制御によって行われる。
The master-
[システム制御部の構成例]
システム制御部3は、並列型バイラテラル制御方式によって、スレーブユニット1及びマスタユニット2を制御する。この制御は、システム制御部3が所定の制御周期毎にマスタ側力検出部22が検出した操作力fm及びスレーブ側力検出部12が検出した反力fsに基づいて、位置指令であるスレーブ動作指令xs、及び位置指令であるマスタ動作指令xmを生成することによりおこなう。また、システム制御部3は、スレーブ動作指令xsの目標位置とマスタ動作指令xmの目標位置とが所定の対応関係を有するように生成する。
[Example of system controller configuration]
The
システム制御部3は、換算部31と、スレーブ動作指令生成部32と、マスタ動作指令生成部33と、通知領域設定部34と、反発力設定部35とを含む。これら、換算部31、スレーブ動作指令生成部32、マスタ動作指令生成部33、通知領域設定部34、及び反発力設定部35は、所定の制御プログラムを図示しない演算部が実行することにより実現される機能ブロックである。
The
スレーブ側制御部14、マスタ側制御部24及びシステム制御部3に係る上記の演算部は、例えばマイクロコントローラ、CPU、ASIC、FPGA等のプログラマブルロジックデバイス(PLD)などの演算器で構成される。演算部は、集中制御する単独の制御器で構成されていてもよく、互いに協働して分散制御する複数の制御器で構成されてもよい。また、システム制御部3は、各種プログラム及びデータを記憶する記憶部(図示せず)を備えている。また、システム制御部3は、スレーブ側制御部14及びマスタ側制御部24を含む単独の制御器で構成されていてもよく、互いに協働して分散制御する複数の制御器で構成されてもよい。
The arithmetic units related to the slave
換算部31は、マスタ側力検出部22が検出した操作力fm、スレーブ側力検出部12が検出した反力fs、及び反発力設定部35が設定した反発力frの合成力に基づいて、目標速度ベクトルvdを算出する。この目標速度ベクトルvdは、後述する通り、作業端11a及び操作端21aの移動方向及び移動量の大きさを算出するために用いられる。より具体的には、換算部31は、操作力fm及び反力fsの差分に反発力frを加算した合成力に基づいて、作業端11a及び操作端21aの移動方向及び移動速度を規定する目標速度ベクトルvdを例えば以下の式(1)に基づいて算出する。
式(1)に示すように、換算部31は、操作力fm及び反力fsの差分を算出することによって、操作力fmと反力fsとを関係づけ、反力fsを操作力fmに対する反力として取り扱う。
As shown in Expression (1), the
スレーブ動作指令生成部32は、目標速度ベクトルvdの値に応じた速度で作業端11aを移動させるように、目標速度ベクトルvdに基づいてスレーブ動作指令xsを生成する。スレーブ動作指令xsは、上述の通り、作業端11aの目標位置を規定する位置指令である。スレーブ動作指令xsはスレーブ側制御部14に出力され、スレーブ側制御部14は、このスレーブ動作指令xsに基づきスレーブアーム駆動部13を制御し、スレーブアーム11の作業端11aはマスタアーム21の操作端21aの動きをなぞるように同期して移動する。
Slave operation
マスタ動作指令生成部33は、目標速度ベクトルvdの値に応じた速度で操作端21aを移動させるように、目標速度ベクトルvdに基づいてマスタ動作指令xmを生成する。マスタ動作指令xmは、上述の通り、操作端21aの目標位置を規定する位置指令である。マスタ動作指令xmはマスタ側制御部24に出力され、マスタ側制御部24は、マスタ動作指令xmに基づきマスタアーム駆動部23を制御し、スレーブアーム11の作業端11aに作用する反力fs、及び反発力設定部35が設定した反発力frを、マスタアーム21の操作端21aにおいて操作力fmに抗するように操作端21aを動作させることにより、操作者Pに提示する。したがって、操作者Pは、作業端11aが環境に接触した際には反力fsを操作者Pの力覚を通じて認識して作業を行うことができるように構成されている。また、操作者Pは、作業端11aが通知領域A3に進入した際には反発力frを操作者Pの力覚を通じて認識して作業を行うことができるように構成されている。
Master operation
図3は、ロボットシステム100の通知領域設定部34が設定する動作領域A1、進入禁止領域A2及び通知領域A3の設定例を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing a setting example of the operation area A1, the entry prohibition area A2, and the notification area A3 set by the notification
通知領域設定部34は、図3に示すように所定の動作領域A1の限界、すなわち境界Bから動作領域A1側に拡がる通知領域A3を設定する。具体的には、通知領域設定部34は、所定の動作領域A1と、動作領域A1以外の進入禁止領域A2と、所定の動作領域A1の限界、すなわち動作領域A1と進入禁止領域A2との境界Bから動作領域A1側に所定距離拡がる通知領域A3を設定する。すなわち、通知領域A3は動作領域A1に含まれる領域であり、動作領域A1上に重畳して設定される。これら動作領域A1、進入禁止領域A2、及び通知領域A3の設定内容は、図示しない記憶部に予め格納されており、通知領域設定部34がこれらの領域A1〜A3の内容を読み出すことにより、これらの領域A1〜A3を設定する。動作領域A1は、例えば障害物が存在する空間や、対象物Tから離れた空間等の作業が実施されない空間を除くように設定される。
As shown in FIG. 3, the notification
図2に示すように、反発力設定部35は、スレーブ動作指令xsの作業端11aの目標位置が通知領域A3に位置すると判定すると、作業端11aに作用する動作領域A1の限界から離れる向きを有する反発力frを設定する。本実施の形態においては、反発力設定部35は、まず、スレーブ動作指令xsの目標位置と境界Bとの、境界Bの法線方向における距離dを算出する。そして、反発力設定部35は、反発力frを例えば以下の式(2)に基づいて算出する。
この式(2)に示すように、反発力設定部35は、スレーブ動作指令xsの作業端11aの目標位置と動作領域A1の限界との距離が小さくなるにしたがって反発力frの大きさが大きくなるように反発力frを算出する。なお、式(2)の係数kは、操作者Pの好みの反発力frとなるように設定される値である。
As shown in equation (2), the repulsive
[動作例]
次に、ロボットシステム100の動作例を説明する。
[Operation example]
Next, an operation example of the
図4及び図5は、ロボットシステム100の動作例を示す図である。本動作例においては、図1に示すように、ロボットシステム100を用いてワークWを対象物Tに組み付ける作業を行う。ワークWは、スレーブアーム11のハンド16に把持されており、上下方向に伸延する貫通孔Waを有する。対象物Tは、例えば生産ライン上に載置され、上下方向に伸延する円柱状のピンである。このピンは、貫通孔Waと嵌合可能に形成されている。
4 and 5 are diagrams showing an operation example of the
まず、通知領域設定部34は、通知領域A3を設定する。
First, the notification
次に、換算部31は、所定の制御周期毎に目標速度ベクトルvdを算出する。作業端11aが通知領域A3以外の動作領域A1内に位置し、マスタアーム21が操作されておらず、且つスレーブアーム11が対象物T等の環境に接触していない状態においては、操作力fm、反力fs、及び反発力frのいずれもゼロとなり、操作力fm、反力fs、及び反発力frの合成力はゼロとなる。したがって、換算部31が算出する目標速度ベクトルvdは、ゼロとなり、スレーブ動作指令生成部32は、このゼロベクトルである目標速度ベクトルvdに基づいて、スレーブ動作指令xsに係る次期目標位置を現在位置と同じ位置に設定する。そして、続く制御周期においてスレーブ側制御部14は、スレーブ動作指令xsに基づき、スレーブアーム11の現在の姿勢を維持する。また、スレーブ動作指令生成部32と同様にマスタ動作指令生成部33は次期目標位置を設定し、スレーブ側制御部14と同様にマスタ側制御部24は、マスタアーム21の現在の姿勢を維持する。
Next, the
次に、操作者PがワークWを対象物Tに近づける方向、すなわちマスタアーム21の操作端21aに下方に向かう操作力fmを加えると、換算部31は、式(1)に基づき、操作力fmに応じた大きさを有する下向きの目標速度ベクトルvdを算出する。なお、ワークWが対象物Tに接触していない状態においては、反力fsはゼロである。そして、スレーブ動作指令生成部32は、この下方向の目標速度ベクトルvdに応じた速度で下方に作業端11aを移動させるように、スレーブ動作指令xsの作業端11aの次期目標位置を現在位置の下方に設定する。そして、続く制御周期においてスレーブ側制御部14は、スレーブ動作指令xsに基づき、作業端11aを下方に移動させるようにスレーブアーム11の姿勢を変化させる。同様に、マスタ側制御部24は、マスタ動作指令xmに基づき、操作端21aを下方に移動させるようにマスタアーム21の姿勢を変化させる。
Then, the direction of the operator P is closer to the object T to the workpiece W, i.e. the addition of the operation force f m directed downward to the operating
このように、スレーブアーム11の作業端11a及びマスタアーム21の操作端21aは、同時に同じ方向に移動するように構成されている。これによって、操作者Pは、操作者Pがマスタアーム21の操作端21aを動かすことによって、スレーブアーム11の作業端11aがマスタアーム21の操作端21aの動きをなぞるように動作するような感覚を得られる。
Thus, the working
そして、スレーブアーム11の作業端11aが下方に移動することにより、ワークWが対象物Tの上端に接触し、ワークWが対象物Tに押し付けられると、押し付ける力の大きさに応じた反力fsがスレーブ側力検出部12により検出される。そして、この状態から操作者Pが操作端21aに下方に強い操作力fmを加えても操作力fmに比例して反力fsが増大し、操作力fmと反力fsの差分が実質的にゼロとなり、換算部31が算出する目標速度ベクトルvdはゼロとなる。したがって、スレーブ動作指令生成部32は、ゼロベクトルである目標速度ベクトルvdに基づいて、スレーブ動作指令xsに係る次期目標位置を現在位置と同じ位置に設定する。そして、続く制御周期においてスレーブ側制御部14は、スレーブ動作指令xsに基づき、スレーブアーム11の現在の姿勢を維持する。スレーブ動作指令生成部32と同様に、マスタ動作指令生成部33は次期目標位置を設定し、スレーブ側制御部14と同様にマスタ側制御部24は、マスタアーム21の現在の姿勢を維持する。
When the
このように、ワークWが対象物Tに押し付けられると、マスタ側制御部24は、マスタ動作指令xmに基づいてマスタアーム21の現在の姿勢を維持し、マスタアーム21の操作端21aにおいて操作力fmに抗するように操作端21aを動作させ、操作端21aの動作を変化させる。これによって、スレーブアーム11の作業端11aに作用する反力fsを、マスタアーム21の操作端21aを介して操作者Pに提示することができる。したがって、操作者Pは、作業端11aが環境に接触した際には反力fsを操作者Pの力覚を通じて認識して作業を行うことができるように構成されている。この作業は、例えば、図4に示す状態において、ワークWを対象物Tに押し付けながら反力が働く方向と直行する方向に移動させ、貫通孔Waと対象物Tが嵌合する位置を探る作業であり、操作者Pは反力fsが働く方向を認識することによって対象物Tが嵌合する位置を探る方向、すなわち反力fsと直交する方向を認識することができ、作業を効率よく行うことができる。
As described above, when the work W is pressed against the target T, the master-
ところで、図5に示すように、操作者Pがスレーブアーム11の作業端11aを、平面視において対象物Tが存在しない場所において下方に移動させ、ワークWが対象物Tに押し付けられることなく通知領域A3に進入すると、反発力設定部35は、スレーブ動作指令xsの作業端11aの目標位置が通知領域A3に位置すると判定し、反発力frを算出する。そして、換算部31は、式(1)に基づき、操作力fm及び反発力frの合成力に応じた大きさを有する目標速度ベクトルvdを算出する。なお、ワークWが対象物Tに接触していない図5に示す状態においては、反力fsはゼロである。
By the way, as shown in FIG. 5, the operator P moves the working
このとき、図5において、反発力fr及び操作力fmの境界Bの法線方向成分について、反発力frの法線方向成分は操作力fmの法線方向成分の向きと反対側を向き(符号が反対)、反発力frを操作力fmに合成することによって、その合成力の境界Bに向かう成分は小さくなり、目標速度ベクトルvd(境界Bに対して法線方向の目標速度ベクトルvdの成分)の境界Bに向かう成分も小さくなる。 At this time, in FIG. 5, with respect to the normal direction component of the boundary B of the repulsive force f r and the operating force f m , the normal direction component of the repulsive force f r is opposite to the direction of the normal direction component of the operating force f m. Direction (the sign is opposite) and the repulsive force f r is combined with the operating force f m , the component of the combined force toward the boundary B becomes small, and the target velocity vector v d (direction normal to the boundary B). also reduced component directed to the boundary B of the component of the target speed vector v d).
そして、スレーブ動作指令生成部32は、この目標速度ベクトルvdに基づいて、通知領域A3に進入する前よりも低い速度で作業端11aを下方に移動させるように、スレーブ動作指令xsの作業端11aの次期目標位置を現在位置の下方の位置に設定する。そして、続く制御周期においてスレーブ側制御部14は、スレーブ動作指令xsに基づき、作業端11aを下方に移動させるようにスレーブアーム11の姿勢を変化させる。スレーブ動作指令生成部32と同様に、マスタ動作指令生成部33は次期目標位置を設定し、スレーブ側制御部14と同様にマスタ側制御部24は、マスタ動作指令xmに基づき、操作端21aを下方に移動させるようにマスタアーム21の姿勢を変化させる。これによって、システム制御部3は操作者Pに作業端11a及び操作端21aの動作が重くなったような感覚を与えることができ、操作者Pに動作領域A1の限界への接近を通知することができる。
Then, the slave operation
なお、スレーブ動作指令xsの作業端11aの目標位置と動作領域A1の限界との距離が小さくなるにしたがって、反発力設定部35によって設定される反発力frの大きさは大きくなり、目標速度ベクトルvdは小さくなり、作業端11aの速度は低くなる。更に、反発力frが操作力fmを上回ると、目標速度ベクトルvdの符号は逆転し、作業端11aは押し戻されるように移動する。このように、反発力frの向きは、動作領域A1の限界から離れる方向を向き、また、反発力frの大きさは、スレーブ動作指令xsの作業端11aの目標位置と動作領域A1の限界との距離が小さくなるにしたがって大きくなるので、操作者Pに境界Bから離れる方向を分かりやすく案内することができる。
Incidentally, according to the distance of the target position of the working
そして、スレーブ動作指令生成部32は、作業端11aの次期目標位置が境界Bに到達すると、作業端11aの進入禁止領域A2へ進入を規制する。
Then, when the next target position of the
このように、操作者Pは、ワークWが対象物Tに接触したときは、急にワークWを対象物Tに押し付ける方向に対応する方向に操作端21aを動かせなくなるのに対し、作業端11aが通知領域A3に進入したときは、動作領域A1の限界に接近するにしたがって操作端21aの動作が徐々に重くなるので、操作者Pは作業端11aがワークWに接触しているのか、それとも作業端11aが動作領域A1の限界に接近しているのかを容易に判別することができる。よって、例えば、動作領域A1の限界に到達し、作業端11a及び操作端21aの動作が規制されている状態であるにもかかわらず、作業端11aがワークWに接触していると操作者Pが誤認し、操作者Pが誤った作業(誤った場所での組み付け作業)を行うことを防止することができ、作業効率を向上させることができる。
Thus, the operator P cannot move the
(実施の形態2)
以下では実施の形態2の構成、動作について、実施の形態1との相違点を中心に述べる。図6は、実施の形態2にかかるロボットシステム200の制御系統の構成例を概略的に示すブロック図である。
(Embodiment 2)
Below, the configuration and operation of the second embodiment will be described focusing on the differences from the first embodiment. FIG. 6 is a block diagram schematically showing a configuration example of a control system of the
本実施の形態において、ロボットシステム200は、操作者Pの知覚によって感知可能な感覚情報を用いて報知を行う報知部204を更に備える。操作者Pの知覚とは、例えば、触覚、力覚、聴覚、嗅覚、及び視覚の少なくとも何れか1の感覚である。また、報知部204として、操作端21aに振動を付加するバイブレータ、スピーカー、ディスプレイ、又は信号灯が例示される。また、本実施の形態において、システム制御部3は、報知部制御部231を更に含む。報知部制御部231は、所定の制御プログラムを図示しない演算部が実行することにより実現される機能ブロックである。なお、図4においては、反発力設定部35を図示していないが、これらの機能ブロックを含んでいてもよい。
In the present embodiment, the
報知部制御部231は、通知領域A3にスレーブ動作指令xsの作業端11aの目標位置が位置すると判定すると、報知部204を制御して操作者Pに対する報知を行う。これによって、操作者Pに動作領域A1の限界、すなわち境界Bへの接近を通知することができる。
When the notification
また、報知部制御部231は、スレーブ動作指令xsの作業端11aの目標位置と境界Bとの距離が小さくなるにしたがって、感覚情報の強度が強くなるように報知部204を制御する。感覚情報の強度が強くなるように報知部204を制御するとは、例えば、音量を大きくする、音の高さを変化させる、音色を変化させる、操作端21a与える振動を大きくする、輝度を大きくする、表示部における表示領域を大きくすることである。これによって、操作者Pに境界Bから離れる方向を分かりやすく案内することができる。
Further, the notification
なお、上記実施の形態においては、動作領域A1は、作業端11aに対して設定され、当該領域内における作業端11aの動作を許容する範囲として設定している。しかし、これに限られるものではなく、これに代えて、動作領域A1は、操作端21aに対して設定され、当該領域内における操作端21aの動作を許容する範囲として設定してもよい。この場合、システム制御部3は、操作端21aが動作領域A1の限界に近づいていることを操作者Pに報知するようにシステムを制御する。
In the above embodiment, the operation area A1 is set with respect to the
また、上記実施の形態1においては、換算部31は、操作力fm、反力fs、及び反発力frの合成力に基づいて、式(1)に基づいて目標速度ベクトルvdを算出した。しかし、これに限られるものではなく、これに代えて、換算部31は、反発力frを合成力に含めずに、スレーブ動作指令xsの作業端11aの目標位置と動作領域A1の限界との距離が小さくなるにしたがって、式(1)の粘性係数cvの大きさが大きくなるように変化させてもよい。
Further, in the first embodiment, the
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施の形態が明らかである。したがって、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び/又は機能の詳細を実質的に変更できる。 From the above description, many modifications and other embodiments of the present invention will be apparent to those skilled in the art. Therefore, the above description should be construed as illustrative only and is provided for the purpose of teaching those skilled in the art the best mode for carrying out the present invention. Details of its structure and/or function may be changed substantially without departing from the spirit of the invention.
A1 動作領域
A2 進入禁止領域
A3 通知領域
W ワーク
T 対象物
P 操作者
vd 目標速度ベクトル
xs スレーブ動作指令
xm マスタ動作指令
fr 反発力
fs 反力
fm 操作力
1 スレーブユニット
2 マスタユニット
3 システム制御部
11 スレーブアーム
11a 作業端
12 スレーブ側力検出部
13 スレーブアーム駆動部
14 スレーブ側制御部
21a 操作端
21 マスタアーム
22 マスタ側力検出部
23 マスタアーム駆動部
24 マスタ側制御部
100 ロボットシステム
A1 operating region A2 breach region A3 notification area W workpiece T target P operator v d target speed vector x s slave operation command x m master operation command f r repulsive force f s reaction force f m operation force 1
Claims (7)
操作者が操作内容を入力する操作端を有するマスタアームを含むマスタユニットと、
前記操作者の知覚によって感知可能な感覚情報を用いて報知を行う報知部と、
前記操作端に入力された操作内容に基づいて、前記スレーブ動作指令を生成するスレーブ動作指令生成部を含むシステム制御部と、を有するロボットシステムであって、
前記システム制御部は、所定の動作領域の限界から該動作領域側に拡がる通知領域に前記スレーブ動作指令の前記作業端の目標位置が位置すると判定すると、前記報知部を制御して前記操作者に対する報知を行う、ロボットシステム。 A slave arm having a working end; a slave arm driving unit that drives the slave arm; and a slave-side control unit that controls the slave arm driving unit based on a slave operation command that defines a target position of the working end. Slave unit,
A master unit including a master arm having an operation end through which an operator inputs operation contents;
An informing section for informing using sensory information that can be perceived by the operator's perception,
A robot system having a system control unit including a slave operation command generation unit that generates the slave operation command based on the operation content input to the operation end,
When the system control unit determines that the target position of the working end of the slave operation command is located in the notification area that extends from the limit of the predetermined operation area to the operation area side, the system control unit controls the notification unit to notify the operator. A robot system that gives notifications.
操作端を有するマスタアームと、前記操作端に操作者が加えた操作力の方向及び大きさを検出するマスタ側力検出部と、前記マスタアームを駆動するマスタアーム駆動部と、マスタ動作指令に基づき前記マスタアーム駆動部を制御するマスタ側制御部と、を含むマスタユニットと、
所定の制御周期毎に前記作業端の目標位置を規定する前記スレーブ動作指令と前記操作端の目標位置を規定する前記マスタ動作指令とを前記スレーブ動作指令の目標位置と前記マスタ動作指令の目標位置とが所定の対応関係を有するように生成するシステム制御部と、を有するロボットシステムであって、
前記システム制御部は、所定の動作領域の限界から該動作領域側に拡がる通知領域に前記スレーブ動作指令の前記作業端の目標位置が位置すると判定すると、前記操作端の動作を変化させるように前記マスタ動作指令を生成する、ロボットシステム。 A slave arm having a working end, a slave side force detecting unit for detecting the direction and magnitude of a reaction force acting on the working end or a work held on the working end, and a slave arm driving unit for driving the slave arm. A slave unit including a slave side control unit that controls the slave arm drive unit based on a slave operation command,
A master arm having an operation end, a master side force detection unit that detects the direction and magnitude of an operation force applied by the operator to the operation end, a master arm drive unit that drives the master arm, and a master operation command A master unit that includes a master-side control unit that controls the master arm drive unit based on
The slave operation command that defines the target position of the working end and the master operation command that defines the target position of the operating end for each predetermined control cycle are the target position of the slave operation command and the target position of the master operation command. And a system control unit that generates so that and have a predetermined correspondence relationship,
When the system control unit determines that the target position of the working end of the slave operation command is located in the notification area extending from the limit of the predetermined operation area to the operation area side, the system control unit changes the operation of the operation end. A robot system that generates a master operation command.
前記通知領域を設定する通知領域設定部と、
前記通知領域に前記スレーブ動作指令の前記作業端の目標位置が位置すると判定すると、前記反発力を設定する反発力設定部と、
前記操作力、前記反力及び前記反発力の合成力に基づいて目標速度ベクトルを算出する換算部と、
前記目標速度ベクトルに基づいて前記スレーブ動作指令を生成するスレーブ動作指令生成部と、
前記目標速度ベクトルに基づいて前記マスタ動作指令を生成するマスタ動作指令生成部と、を含む請求項4又は5に記載のロボットシステム。 The system control unit,
A notification area setting unit for setting the notification area,
When it is determined that the target position of the working end of the slave operation command is located in the notification area, a repulsive force setting unit that sets the repulsive force,
A conversion unit that calculates a target velocity vector based on the combined force of the operating force, the reaction force, and the repulsion force;
A slave operation command generation unit that generates the slave operation command based on the target speed vector,
6. The robot system according to claim 4, further comprising a master operation command generation unit that generates the master operation command based on the target speed vector.
操作端を有するマスタアームと、前記操作端に操作者が加えた操作力の方向及び大きさを検出するマスタ側力検出部と、前記マスタアームを駆動するマスタアーム駆動部と、を含むマスタユニットと、を有するロボットシステムの制御方法であって、
所定の動作領域の限界から該動作領域側に拡がる通知領域を設定し、
所定の制御周期毎に前記操作力及び前記反力の合成力に基づいて前記作業端の目標位置を算出し、
前記作業端の目標位置が前記通知領域に位置すると判定すると、前記作業端に作用する前記動作領域の限界から離れる向きを有する反発力を設定し、
前記操作力、前記反力及び前記反発力の合成力に基づいて前記操作端の次期目標位置を算出し、
続く制御周期において前記マスタアーム駆動部に前記操作端を前記次期目標位置に位置させる、ロボットシステムの制御方法。 A slave arm having a working end, a slave side force detecting unit for detecting the direction and magnitude of a reaction force acting on the working end or a work held on the working end, and a slave arm driving unit for driving the slave arm. Slave units, including,
A master unit including a master arm having an operation end, a master-side force detection unit that detects the direction and magnitude of an operation force applied to the operation end by an operator, and a master arm drive unit that drives the master arm. A method of controlling a robot system having:
Set a notification area that extends from the limit of the predetermined operation area to the operation area side,
Calculating a target position of the working end based on the combined force of the operating force and the reaction force for each predetermined control cycle,
When it is determined that the target position of the working end is located in the notification area, a repulsive force having a direction away from the limit of the operation area that acts on the working end is set,
Calculating the next target position of the operation end based on the combined force of the operating force, the reaction force and the repulsive force,
A method for controlling a robot system, wherein the master arm drive unit positions the operating end at the next target position in a subsequent control cycle.
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