JP4873253B2 - ロボットの直接教示装置 - Google Patents

Description

本発明は産業用ロボットの教示装置に関し、特に教示作業者が直接ロボットに力を加えロボットを動作させて教示を行う直接教示装置に関するものである。

産業用ロボットの教示方法として、各軸をジョグ動作させてロボットの手先を所望の位置・姿勢にして教示点として記録する方法の他、オペレータ（教示作業者）が直接ロボットに力を加えてロボットを動作させる直接教示が知られている。
従来の産業用ロボットに対する直接教示方法において、オペレータが直接ロボットに力を加えて教示したい軌跡に沿った動作をさせつつ、その全経路に渡ってロボットの各軸の位置を一定のサンプリングタイム（例えば１０〜１００[ｍｓ]程度）毎に読み出し、記録するという方法があった。しかしこの方法では、記録されるデータ量が膨大となり、また教示を行っている途中で経路を誤った場合にこれを修正する作業が極めて困難であるという問題があった。
そこで、その対策としてロボットに教示する作業を複数の作業範囲に分割し、作業範囲毎に直接教示を行い、その後、再生するパスデータ名、各パスデータの再生順序、管理情報、補間情報からなる作業プログラムを作成し、この作業プログラムを再生することでロボットに所望の動作を行わせるという方法があった（例えば、特許文献１）。また、特許文献１では、ロボットが各パス間を滑らかに移動するためのパスデータを生成する方法についても開示されている。
特開平８−１９９７５号公報

特許文献１の直接教示方法は、作業範囲毎のパスデータに識別符号を記憶し、その後パスデータの編集を行うという方式である。こうした方式は塗装作業のように作業範囲毎に作業の特徴が明確化できる作業では有効である。しかしながら、組立作業のように作業者の動きそのもの、言い換えれば動作の緩急が作業の特徴である場合は、直接教示時のオペレータの動作速度を含めた動作そのものを活用する必要がある。このような場合には従来の直接教示方法では対応できない。
また先に述べたように、サンプリングデータをそのまま記録・再生する方法では記憶容量が膨大となり、実用的ではない。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、産業用ロボットによる組立作業のような複雑な動作の教示を行うための直接教示装置に関し、効率よく教示作業が行え、さらに直接教示時のオペレータの動作の緩急を反映した作業プログラムを生成できる直接教示装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、多関節ロボットの先端部に力センサを介して設けられた操作ハンドルを備え、教示作業者が前記操作ハンドルに加える力を前記力センサにより検出し、前記検出した力に応じて力制御により前記ロボットを動作させ、前記ロボットの動作を記録することで教示を行うロボットの直接教示装置において、教示中の前記ロボットの位置と速度を予め設定されたサンプリング時間ごとに収録する収録部と、前記収録部に収録された速度データの大きさが大きいほど前記収録部に収録された位置データの抽出の間隔を大きくして前記ロボットのパスデータを生成する抽出処理部と、前記生成されたパスデータを記憶する記憶部とを備え、前記操作ハンドルは、前記生成されたパスデータを提示する表示部を備えたことを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、前記表示部は、前記抽出処理部が前記収録部に収録された位置データを抽出する間隔を調整するパラメータを設定する設定部を備えたことを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、前記表示部はタッチパネルを備え、前記タッチパネルに前記ロボットの位置と速度の収録の開始および停止を行うスイッチと、前記抽出処理部による前記パスデータ生成開始を行うスイッチを表示することを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、前記表示部は、前記収録部に収録された位置データおよび生成されたパスデータを３次元グラフィックス表示により提示するグラフィックデータ表示部を備えたことを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、前記表示部は、前記操作ハンドルから取り外し自在に設置されることを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、前記操作ハンドルはデッドマンスイッチを備え、前記デッドマンスイッチが押下されている間のみ前記力制御を行うことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によると、直接教示時のロボット動作の緩急を反映したパスデータを生成することができ、組立作業等の作業スキルが要求される工程の教示作業において効率的に作業プログラムを生成することが可能となる。また、ロボットを実際に動作させなくてもオペレータは生成されたパスデータを確認できるため、教示作業を効率的に進めるのに一層有用である。
さらに請求項１に記載の発明によると、直接教示の際のロボットの動作速度の大小によって直接教示時に収録された位置データの抽出間隔を調整することができるため、直接教示時にサンプリングした記憶データ削減と、オペレータによる動作の特徴再現の両立が可能となり、実用性が極めて高い教示装置を提供することができる。
請求項２に記載の発明によると、直接教示時のロボットの動作に対する、生成されるパスデータの再現性を調整することができる。
請求項３に記載の発明によると、タッチパネルを採用することによって表示機能とスイッチ機能を兼ね備えるため、表示部が操作ハンドル部に極めて小型コンパクトに収まり、教示作業時にオペレータの視界を遮るなど邪魔になることがなく教示作業の効率化をもたらす。
請求項４に記載の発明によると、ロボットを実際に動作させなくとも、直接教示時のロボット１の動作と生成されたパスデータとを確認でき、生成されたパスデータがオペレータの意図したものとなっているか判断することができるので、教示作業の効率を向上することができる。
請求項５に記載の発明によると、峡間部の直接教示において表示部と周囲環境との接触の虞がある場合には、オペレータが確認容易な場所に表示部を配置することが可能となり実際の製造ラインでの教示作業の効率向上に極めて有用である。また、表示部を複数のロボットの教示作業に兼用することも可能となる。
請求項６に記載の発明によると、オペレータが操作ハンドルを確実に把持している場合のみロボットの位置と速度が収録されるので、誤ってロボットに力をかけて意図しないデータが収録されることを防止でき、教示作業を効率的に進めることができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

以下本発明の実施例を説明する。図１は、本発明の第１の実施例を示すロボットの直接教示装置の構成図である。
図１において１は多関節ロボットであり、ロボット１の先端には、エンドエフェクタとして開閉動作可能なハンド２が取り付けられている。ロボット１の先端とハンド２との間には力センサ３が配置され、力センサ３には操作ハンドル４が固定されている。
力センサ３は操作ハンドル４に加わる力の向きと大きさを検知し、オペレータは操作ハンドル４を把持して所望の方向に力を加えることでロボット１を動作させ、直接教示を行う。直接教示の手順の詳細については後述する。操作ハンドル４には、タッチパネル機能を備えた表示器５と、デッドマンスイッチ４Ａとが配置される。
表示器５は、図２に示すようにその画面をグラフィックデータ表示部５Ａと、スイッチ５Ｂと、パラメータ表示・編集部５Ｃと、パス生成実行スイッチ５Ｄとに分けて使用する。スイッチ５Ｂは、教示状況に応じてその機能を変更可能で、その都度機能を表す文字が表示される。
図２において、グラフィックデータ表示部５Ａに表示されている点線は実際に教示した時のパスデータを表し、実線は後述する抽出処理後のパスデータを表している。

６は、ロボット１を制御するための制御装置である。制御装置６はインピーダンス制御部７と、位置／速度制御部８と、サーボアンプ部９と、位置データ／速度データ収録部１０と、抽出処理部１１と、不揮発性メモリで構成された記憶部１２と、タッチパネル制御部１３と、作業プログラム解読実行部１６と、モード管理部１７と、逆変換部１８で構成される。
インピーダンス制御部７は力センサ３の出力を受け、後述するインピーダンスモデルに従って位置指令、速度指令を出力する。また、インピーダンス制御部７が出力した指令は逆変換部１８によってロボット１の各関節軸に対する指令へと変換される。
タッチパネル制御部１３は、表示器５に表示するグラフィックデータを生成する３次元グラフィックデータ生成部１５と、表示器５に対するスイッチ操作を検知したり、グラフィックデータを送信したりするタッチパネル入出力信号管理部１４とで構成される。

モード管理部１７はデッドマンスイッチ４Ａと接続されており、オペレータが直接教示を行う際にはデッドマンスイッチ４Ａを押下して制御装置６へ教示中であることを明示するようにしている。モード管理部１７はデッドマンスイッチ４Ａの状態に従って、インピーダンス制御部７の機能のＯＮ／ＯＦＦを切り換える。

ここでインピーダンス制御部７内のインピーダンスモデルは次の式（１）のように表現される。

但し、Ｆ：力センサ３の出力である操作力
ｘ：ハンド２の位置
Ｍ：慣性係数
Ｂ：粘性係数
Ｋ：バネ係数
であり、いずれも実数とする。

慣性係数Ｍと粘性係数Ｂ、バネ係数Ｋは予め適切に調整しておき、式（１）によって求めたｘをロボット１への指令とすることで、力センサ３にて検出した力に対するロボット１の直接操作時の動作特性を変更することが出来る。インピーダンス制御については公知技術であるので、詳細な説明は割愛する。

本発明の直接教示装置による直接教示の手順について説明する。
オペレータが教示する作業パターンの例を図３に示す。図３は、ロボット１がシート５１を車体５２内に自動で組み付ける作業に必要なパスデータを、オペレータ５０が直接教示にて教示する様子を示している。
このとき、オペレータ５０は操作ハンドル４を右手で把持し、左手でシート５１を把持する。このように、操作ハンドル４を把持していないオペレータ５０の片方の手は、実際の作業ではワークを持っている場合が多いので、従来例のように操作ハンドル４を把持していない方の手で小型のプログラミングボックスを持つような方式は実用に適さない。これに対して本発明では操作ハンドル４を把持した右手のみで直接教示作業に関する各種操作を行え、効率のよい直接教示装置を実現できる。

続いてオペレータ５０が把持した操作ハンドル４に力を加えてロボット１を誘導し、直接教示を行う場合の制御装置６での制御について説明する。
オペレータ５０が操作ハンドル４のデッドマンスイッチ４Ａを押下すると、モード管理部１７はその信号を受けてインピーダンス制御部７の機能をＯＮにすると同時に、タッチパネル入出力信号管理部１４に対しスイッチ５Ｂ上に「教示スタート」と表示する信号を送る。
オペレータ５０が、表示器５の「教示スタート」と表示されたスイッチ５Ｂを確認し押下すると、タッチパネル入出力信号管理部１４が押下状態をラッチし、位置データ／速度データ収録部１０に教示データの収録開始を要求すると同時に、スイッチ５Ｂ上に「教示停止」を表示する。
位置データ／速度データ収録部１０は、タッチパネル入出力信号管理部１４の収録要求信号により位置速度制御部８にフィードバックされるロボット１の各関節軸の位置（角度）と速度の収録を始め、蓄積していく。収録のサンプリング周期は位置／速度制御部８のサンプリング周期と同じとしても良いし、大まかな動作教示でよい場合などはそれよりも長い周期に設定してもかまわない。またサンプリング周期ごとに収録したデータ数をカウントアップし、データを特定するインデックスとする。
例えば位置データはＰ（１）、Ｐ（２）、Ｐ（３）・・・のように収録、管理され、速度データも同様にＶ（１）、Ｖ（２）、Ｖ（３）・・・のように収録、管理される。

実際にオペレータ５０が操作を始めるとオペレータ５０が把持した操作ハンドル４の誘導力を力センサ３で検出し、この力情報と仮想の慣性と粘性によるインピーダンスモデル（以下の実施例ではバネ係数＝０とする）に基づいたインピーダンス制御部７で直交座標系での位置指令・速度指令を算出する。この指令を逆変換部１８にて関節座標系に逆変換し、各関節に対する指令を求める。この関節角度指令・関節速度指令とロボット１の各駆動部分または各関節部分に設けられた図示しない関節角度検出器により検出された関節角度および関節速度に基づいて、位置／速度制御部８は各関節軸の駆動源であるサーボモータが発生すべきトルクを算出する。サーボアンプ部９は位置／速度制御部８からの指令に従ってロボット１のサーボモータを駆動する。このようにしてロボット１はオペレータ５０による誘導に従い、シート５１を車体５２内に組み付ける作業の経路に沿って動作する。
この操作の間、位置データ／速度データ収録部１０は収録を継続する。教示したい動作が終了し、オペレータ５０が「教示停止」と表示されたスイッチ５Ｂを押下すると、タッチパネル入出力信号管理部１４が押下状態をラッチし、位置データ／速度データ収録部１０に収録終了を要求すると同時に、表示器５に再度「教示スタート」と表示する。

次に、オペレータ５０が操作ハンドル４のデッドマンスイッチ４Ａを離すと、モード管理部１７は、インピーダンス制御７の機能をＯＦＦにすると同時に、タッチパネル入出力信号管理部１４に対し、スイッチ５Ｂ上に「パスデータ生成可能」と表示する信号を送る。オペレータ５０がスイッチ５Ｂ上の「パスデータ生成可能」の表示を目視により確認し、パス生成実行スイッチ５Ｄを押下すると、抽出処理部１１は、位置データ／速度データ収録部１０に収録されたデータを読み出す。
抽出処理部１１は、読み出した速度データに応じて適当なパスデータを生成し、記憶部１２にパスデータを保存する。より具体的には、図４に示す処理フローに基づきパスデータを生成する。
図４において、ｎ、Ｌ、Ｍ、Ｌmaxは自然数で、Ｌmaxは位置データ／速度データ収録部１０に収録されたデータの個数を表し、Ｌ、Ｍはそれぞれ位置データ／速度データ収録部１０に収録された位置データ（Ｐ（１）、Ｐ（２）、Ｐ（３）・・・）、速度データ（Ｖ（１）、Ｖ（２）、Ｖ（３）・・・）を特定するためのインデックスとして用いられる。またｎは生成されるパスデータのインデックスとして用いられる。
また、Ｋｃは、位置データ／速度データ収録部１０に収録されたデータからパスデータを生成する際の抽出間隔を調整するためのパラメータ（自然数）である。Ｋｃが大きくなると収録データからの抽出間隔が小さく（細かく）なり、Ｋｃが小さくなると抽出間隔が大きく（粗く）なる。Ｋｃが一定の場合は、収録された速度データが大きいほど生成されるパスデータの抽出間隔は大きく（粗く）なり、逆に速度データが小さいほど生成されるパスデータの抽出間隔は小さく（細かく）なる。すなわち、直接教示の際にオペレータがロボット１を大きな速度で動作させると抽出間隔の大きい（粗い）パスデータが生成されるので、直接教示時のオペレータによる動作の緩急を再現したパスデータを生成することができる。

Ｋｃの設定は、オペレータがパラメータ表示・設定部５Ｃを用いて予め行っておく。図５にパラメータ表示・設定部５Ｃの一例を示す。図５では表示部５Ｃ１と、プラススイッチ５Ｃ２と、マイナススイッチ５Ｃ３と、決定スイッチ５Ｃ４とから構成されている。オペレータがプラススイッチ５Ｃ２／マイナススイッチ５Ｃ３を押下すると表示部５Ｃ１に表示されたパラメータＫｃの値が増減する。Ｋｃを適切な値に設定した後、決定スイッチ５Ｃ４を押すとＫｃが抽出処理部１１に保存される。

パス生成実行スイッチ５Ｄが押下されると、Ｓ１から処理が開始し、Ｓ２でｎ、Ｌが初期化される。Ｓ３で速度データを読み込み、Ｓ４でパラメータＫｃと収録された速度データの大きさとの比に応じて、読み込むべき位置データのインデックス（Ｍ）を決定する。｜Ｖ（Ｌ）｜／Ｋｃが割り切れない場合は小数点以下を繰り上げて自然数にする。
Ｓ５で位置データ／速度データ収録部１０から位置データＰ（Ｍ）を読み込み、読み込んだＰ（Ｍ）をＳ６でパスデータの目標位置Ｐ１（ｎ）として記憶部１２に格納する。続いてＳ７でインデックスをカウントアップする。以上のＳ３〜Ｓ７を、位置データ／速度データ収録部１０に収録されたデータの最後尾になるまで繰り返す。

生成されたパスデータは、３次元グラフィックデータ生成部１５にてグラフィックデータに変換されて、図２に示すようにグラフィックデータ表示部５Ａに表示される。このとき同時に、生成されたパスデータだけでなく位置データ／速度データ収録部１０に収録された教示時のパスデータも同時に表示することが可能である。
３次元グラフィックデータ生成部１５は、パスデータからグラフィックデータを生成するために、予めロボット１の各リンク部の寸法などのデータが設定されている。
操作ハンドル４上に表示器５を備えることにより、ロボット１による再現動作を行うことなく、またロボット１から離れることなく即座に直接教示した作業の動作軌跡を確認することができる。さらに表示器５はハンドル４に対し脱着可能となっており、複数のロボットで１つの表示器５を共用して各ロボットの直接教示時に利用することも可能である。

このようにして生成されたパスデータは、作業実行時には、記憶部１２から読み出され、作業プログラム解読実行部１６を介して位置／速度制御部８へと入力される。作業実行時にはデッドマンスイッチ４Ａは押下されていないのでインピーダンス制御部７の機能はＯＦＦ状態となっており、ロボット１は通常のプレイバック動作を行う。

本発明の全体構成を示す図 本発明の表示器の構成を示す図 本発明を適用した具体的な作業パターンを示す図 本発明の抽出処理部での処理を説明する処理フロー図 本発明のパラメータ表示・編集部を示す図

符号の説明

１ ロボット
２ ハンド
３ 力センサ
４ 操作ハンドル
４Ａ デッドマンスイッチ
５ 表示器
５Ａ グラフィックデータ表示部
５Ｂ スイッチ
５Ｃ パラメータ表示・調整部
５Ｃ１ 表示部
５Ｃ２ プラススイッチ
５Ｃ３ マイナススイッチ
５Ｃ４ 決定スイッチ
５Ｄ パス生成実行スイッチ
６ 制御装置
７ インピーダンス制御部
８ 位置／速度制御部
９ サーボアンプ部
１０ 位置データ／速度データ収録部
１１ 抽出処理部
１２ 記憶部
１３ タッチパネル制御部
１４ タッチパネル入出力信号管理部
１５ ３次元グラフィックデータ生成部
１６ 作業プログラム解読実行部
１７ モード管理部
１８ 逆変換部
５０ オペレータ
５１ シート
５２ 車体

Claims (6)

1. 多関節ロボットの先端部に力センサを介して設けられた操作ハンドルを備え、教示作業者が前記操作ハンドルに加える力を前記力センサにより検出し、前記検出した力に応じて力制御により前記ロボットを動作させ、前記ロボットの動作を記録することで教示を行うロボットの直接教示装置において、
   教示中の前記ロボットの位置と速度を予め設定されたサンプリング時間ごとに収録する収録部と、
   前記収録部に収録された速度データの大きさが大きいほど前記収録部に収録された位置データの抽出の間隔を大きくして前記ロボットのパスデータを生成する抽出処理部と、
   前記生成されたパスデータを記憶する記憶部とを備え、
   前記操作ハンドルは、前記生成されたパスデータを提示する表示部を備えたことを特徴とするロボットの直接教示装置。
2. 前記表示部は、前記抽出処理部が前記収録部に収録された位置データを抽出する間隔を調整するパラメータを設定する設定部を備えたことを特徴とする請求項１記載のロボットの直接教示装置。
3. 前記表示部はタッチパネルを備え、前記タッチパネルに前記ロボットの位置と速度の収録の開始および停止を行うスイッチと、前記抽出処理部による前記パスデータ生成開始を行うスイッチを表示することを特徴とする請求項１または２記載のロボットの直接教示装置。
4. 前記表示部は、前記収録部に収録された位置データおよび生成されたパスデータを３次元グラフィックス表示により提示するグラフィックデータ表示部を備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のロボットの直接教示装置。
5. 前記表示部は、前記操作ハンドルから取り外し自在に設置されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のロボットの直接教示装置。
6. 前記操作ハンドルはデッドマンスイッチを備え、前記デッドマンスイッチが押下されている間のみ前記力制御を行うことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載のロボットの直接教示装置。