JP5382359B2 - ロボットシステム - Google Patents
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Description
ここで、M,D,Kはそれぞれ、慣性マトリクス、粘性係数マトリクス、剛性マトリクス(バネ定数)である。通常、これらは対角行列として、各軸方向独立なインピーダンス特性を設定する。また、sはラプラス演算子であり、時間に関する一階微分に相当する。
直交座標系における位置修正量δPは、ヤコビ行列J(θ)を用いて次式により関節座標系の位置修正量δθに分解される(106d)。
このδθをθrefに足し合わせた位置指令θref’を位置制御系106aに与えることによって、外力やモーメントに対して、M,D,Kで指定された特性を保ちながらロボットが動作する。例えば、Kにより外力に対してロボットがバネのように動作し、その際、MおよびDを小さくすることによって軽くスムーズに動作する。
インピーダンス制御によって挿入作業するには、まず、図4(a)に示すように、ロボット101のハンド104で嵌合部品110aを把持し、被嵌合部品110bの穴の軸上に位置合せする。ここで、図4(a)のように、嵌合部品110aの挿入方向をZ軸方向とし、XY平面が当該Z軸に対して垂直となるように、X軸を図示のとおり定義し、X軸およびZ軸に垂直になるようにY軸を定義する。この状態でロボット101を位置制御状態からインピーダンス制御状態に切替え、動作プログラム実行部109から適切な力指令をインピーダンス制御部106に与えることによって、図4(b)に示すように、XY方向の位置誤差やX軸およびY軸回りの回転誤差を吸収しながら、嵌合部品110aを被嵌合部品110bの穴底まで挿入することができる。このとき、一般的には、ワーク同士が接触してから穴底に到達するまでのハンド104の移動量(挿入量)が穴の深さLに一致するかどうかで、作業良否すなわち、作業成功(挿入量が十分)/作業失敗(挿入量が不十分)を判定することができる。ところが、図4(c)に示すように、嵌合部品110aが細い円筒状の端子コネクタで、被嵌合部品110bがピン状の端子コネクタの場合、図4(d)および(e)に示すように、挿入量だけでは作業良否を判定できない状況が発生し得る。すなわち、図4(d)および(e)においては、ハンド104の移動量は共にLで同一あるものの、図4(d)の場合は作業成功、図4(e)の場合は作業失敗と判定されるべきである。
なお、本願出願時の明細書の記載を基礎として、特許請求の範囲の記載が補正され得ることは勿論であるが、その際に、以下の各「発明」の内容を訂正することは予定しない(以下の各「発明」は、本願明細書における開示の要点としての意味を持つ)。
さらに本発明は、特徴量存在範囲の重なり度合いに応じて作業成功時の判定の確からしさを算出して表示するので、判定の信頼性を客観的に把握できるという効果も奏する。
さらに、本発明は、作業実行時に取得する作業良否および失敗原因を含むデータを履歴データとしてフィードバックすることにより、様々な原因に依存する作業良否を正確に判定できるという効果も奏する。
図5において、作業良否判定装置112は、ロボットコントローラ102に実装される構成、すなわち特徴量抽出部113、特徴量履歴記録部114、作業良否・原因履歴記録部116、特徴量存在範囲算出部117、および作業良否判定部118に係る部分と、可搬式教示操作盤103に実装される構成、すなわち作業良否・原因入力部115および作業良否・原因表示部119に係る部分とを備えている。
特徴量抽出部113は、力センサ信号とロボットアームの各関節軸駆動モータの位置検出信号から特徴量パラメータに基づく特徴量を抽出する。
図6はロボット101をインピーダンス制御状態にして、動作プログラム実行部109で嵌合・挿入動作を実行したときの挿入方向(Z方向)の作用力Ffbと移動量Pfbの時間応答を示している。時刻T1で嵌合部品110aと被嵌合部品110b同士が接触して嵌合し、時刻T1以降に挿入が始まり、時刻T2で嵌合部品110aもしくは被嵌合部品110bが穴底に接触し、時刻T3で挿入が完了している。図5の特徴量抽出部113では、図6に示した位置(移動量)と力(作用力)の応答から、挿入量L、作用力の時間微分のピーク値、挿入時の仕事量W、姿勢角の変化量などの特徴量パラメータに基づく特徴量を抽出する。挿入量Lは時刻T3の移動量Z2から時刻T1の移動量Z1を引き算することによって算出する。作用力の時間微分のピーク値については、作用力の時間微分を求めその最大値を算出する。挿入時の仕事量Wについては、まず、移動量を時間微分して挿入速度を求め次式にもとづいて算出する。
なお、式(3)の積分区間は時刻T1からT3までである。姿勢角の変化量については、挿入完了時(時刻T3)の把持ワーク(嵌合部品110a)の姿勢角から、挿入開始時(時刻T1)の姿勢角を引き算することによって算出する。
次に、図7とともに本発明の実施例の把持部品を組み立てる工程における作業良否の判定および失敗原因の推定を行う全体工程を時系列によるステップ順に説明する。
まず、図4(c)から(e)に示した嵌合・挿入作業について、作業成功時の特徴量存在範囲と作業失敗時の特徴量存在範囲がどのように算出され、これらの特徴量存在領域が定義されるかを図9から図12に具体例を示して説明する。
図9(a)は、嵌合・挿入作業が失敗する状況の例(失敗原因1)を示している。これは、ワーク固定治具111のエア圧力が低下したため、被嵌合部品110bの位置が教示時から若干ずれて、嵌合・挿入に失敗した例である。図9(b)には、その失敗例の特徴量の値のプロットを成功時のプロットと併せて示している。ここでは、特徴量パラメータの例として、挿入量(特徴量1)および力の時間微分のピーク値(特徴量2)を採用している。図9(b)において、プロット501は成功時の特徴量の値のプロット、プロット502aは失敗時の特徴量の値のプロットである。失敗時の特徴量プロット502aの方が成功時のプロット501よりも力の時間微分のピーク値が大きな値になる理由は、ワーク110bの位置が微小にずれて接触時の衝撃が大きくなったためである。
最適特徴量パラメータ決定処理は、テスト運転終了後、実作業を開始する際に、作業良否判定装置112が備えるプロセッサにより実行される。実作業時には、当該最適特徴量パラメータ選択処理により選択された特徴量パラメータのセットに基づいて、作業良否判定装置118により作業良否が判定される。
さらに、本実施例では、特徴量パラメータの数(すなわち、次元数)は予め設定されているものとしたが、別の実施例においては、次元数をインクリメントしながら、重複領域が存在しないような最適な特徴量パラメータのセットを選択するようにしてもよい。例えば、当初次元数を1とし、S1408における最適な特徴量パラメータのセットの選択に際して、重複領域が存在しない特徴量パラメータのセットが存在しない(すなわち、「確からしさ」の値が100%となる特徴量パラメータのセットが検出されない)場合には、次元数をインクリメントして2とし、同様に重複領域が存在しない特徴量パラメータのセット(すなわち、「確からしさ」の値が100%となる特徴量パラメータのセット)を検索する、という具合である。これにより、実作業において、必ず最大数の特徴量パラメータのセットを採用する必要がなく、最小限の特徴量パラメータのセットを採用して作業良否判定および推定を行うことができ、処理効率を向上させることができる。
以上説明したように本発明によれば、複数の特徴量に関する履歴データと、テスト運転時に教示調整員の判断によって得られた作業良否と失敗原因の履歴データから作業成功時の特徴量存在範囲と、作業失敗時の特徴量存在範囲を失敗原因ごとに算出しておくので、様々な原因に依存する作業良否を正確に判定できるという効果を奏する。
さらに、本発明は、特徴量存在範囲の重なり度合いに応じて判定の確からしさを算出して表示するので、判定の信頼性を客観的に把握できるという効果を奏する。
審査中の手続補正によって、及び、特許後の訂正審判又は訂正請求において、法的な制限の範囲内で、本発明は、以上の種々の態様に訂正され得る。
対照的に、単一の実施形態の内容において説明される種々の特徴は、さらに、多数の実施形態において、又はあらゆる好適な小結合において実施することができる。
102 コントローラ
103 可搬式教示操作盤
103a 操作ボタン群
103b 表示画面
104 エンドエフェクタ
105 力センサ
106 インピーダンス制御部
106a 位置制御系
106b インピーダンス制御演算部
106c インピーダンスモデル
106d 速度分解演算部
107 アクチュエータ駆動アンプ部
108 動作プログラム記憶部
109 動作プログラム実行部
110a 嵌合部品
110b 被嵌合部品
110c ラッチ
110d ガイド
111 ワーク固定治具
112 作業良否判定装置
113 特徴量抽出部
114 特徴量履歴記録部
115 作業良否・原因入力部
116 作業良否・原因履歴記録部
117 特徴量存在範囲算出部
118 作業良否判定部
119 作業良否・原因表示部
123 特徴量存在領域記録部
301 嵌合・挿入作業実行時の作用力の時間応答
302 嵌合・挿入作業実行時の移動(挿入)量の時間応答
501 作業成功時の特徴量の値のプロット
502a 作業失敗状況1での特徴量の値のプロット
502b 作業失敗状況2での特徴量の値のプロット
502c 作業失敗状況3での特徴量の値のプロット
502d 作業失敗状況4での特徴量の値のプロット
503 作業成功時の特徴量の存在範囲
504 作業失敗時の特徴量の存在範囲
504a 作業失敗状況1での特徴量の存在範囲
504b 作業失敗状況2での特徴量の存在範囲
504c 作業失敗状況3での特徴量の存在範囲
504d 作業失敗状況4での特徴量の存在範囲
505 作業実行時の特徴量の値のプロット
Claims (10)
- 産業用ロボットのロボットアームに設けたハンドが把持部品を組み立てる工程において、作業IDで関連付けられた複数の嵌合・挿入作業を予め反復して実施し、前記作業ID毎に記憶される作業良否及び失敗原因を整理することによって、前記作業IDに関連付けられた実作業の作業結果の判定および失敗原因の推定を行うロボットシステムであって、
前記ハンドに作用する力を検出する力センサから出力される力センサ信号、および/または前記ロボットアームに設けた各関節軸駆動モータから出力される位置検出信号に基づいて、予め定義された1つ以上の特徴量パラメータに相当する物理量を各特徴量として抽出する特徴量抽出手段と、
前記作業ID毎に、前記抽出された各特徴量、および作業成功又は作業失敗のいずれかを示す作業良否並びに作業失敗の原因を含む第1の履歴データを記録する履歴データ記録手段と、
特徴量存在領域記録手段であって、前記履歴データ記録手段に格納され、前記作業ID毎に関連付けられた前記第1履歴データに基づいて、前記1つ以上の特徴量パラメータの中から最適な特徴量パラメータのセットを選択して、該選択された各前記特徴量パラメータを座標軸に採用した座標系、および該選択された最適な特徴量パラメータの前記特徴量の存在範囲に基づく前記座標系における特徴量存在領域を決定し、記録する特徴量存在領域記録手段と、を備えており、
各前記特徴量存在領域は、前記第1履歴データに含まれる作業成功を示す前記作業良否又は前記作業失敗の原因に関連付けられており、前記最適な特徴量パラメータのセットは、作業成功を示す前記作業良否に関連付けられた特徴量存在領域と、前記作業失敗の原因に関連付けられた各特徴量存在領域との重複領域に基づいて選択されることを特徴とし、
これにより、作業良否判定手段において、前記特徴量存在領域記録手段に記録された前記特徴量存在領域に基づいて、前記作業IDで関連付けられた実作業の作業結果の判定および失敗原因の推定を行うことを可能とする、ロボットシステム。 - 請求項1に記載のロボットシステムにおいて、
前記特徴量パラメータの特徴量の存在範囲に基づく前記特徴量存在領域は、前記履歴記録データ手段に記録された前記第1履歴データの特徴量の平均値と分散に基づいて、予め指定された存在確率となるように算出されることを特徴とする、ロボットシステム。 - 請求項1又は2に記載のロボットシステムにおいて、
前記作業良否判定手段は、前記作業IDで関連付けられた実作業について、前記特徴量抽出手段によって抽出される特徴量のうち前記選択された最適な特徴量パラメータについての前記特徴量の前記座標系におけるプロットが、
作業成功を示す前記作業良否に関連付けられた前記特徴量存在領域内にのみ含まれる場合には作業成功と判定し、
前記作業失敗の原因に関連付けられた前記特徴量存在領域内の1つ以上にのみ含まれる場合には、作業失敗と判定するとともに、前記特徴量存在領域が関連付けられている失敗原因を抽出し、または、
前記作業成功を示す前記作業良否に関連付けられた前記特徴量存在領域および前記作業失敗の原因に関連付けられた前記各特徴量存在領域の1つ以上に含まれる、若しくは前記作業成功を示す前記作業良否に関連付けられた前記特徴量存在領域および前記作業失敗の原因に関連付けられた前記各特徴量存在領域のいずれにも含まれない場合には判定不能と判定し、
前記ロボットシステムが備える作業良否・原因表示手段によって表示される、ロボットシステム。 - 請求項3に記載のロボットシステムにおいて、
前記作業良否判定手段は、さらに、前記プロットが、前記作業失敗の原因に関連付けられた前記特徴量存在領域内の2つ以上にのみ含まれる場合には、前記プロットを含んでいる前記特徴量存在領域が関連付けられている2つ以上の失敗原因のすべてを抽出して、前記作業良否・原因表示手段によって前記2つ以上の失敗原因が表示される、ロボットシステム。 - 請求項3又は4に記載のロボットシステムにおいて、
前記作業良否判定手段が作業成功と判定した場合であって、作業成功を示す前記作業良否に関連付けられた前記特徴量存在領域と、前記作業失敗の原因に関連付けられた各特徴量存在領域とに重複領域がある場合には、該重複領域の大きさと作業成功を示す前記作業良否に関連付けられた前記特徴量存在領域の大きさとに基づいて、作業成功時の判定の確からしさを算出し、
前記作業良否・原因表示手段によって、さらに前記判定の確からしさが表示されるように構成される、ロボットシステム。 - 請求項1から5のいずれか一項に記載のロボットシステムであって、
複数の前記特徴量抽出手段によって抽出される前記特徴量についての前記1つ以上の特徴量パラメータは、前記位置検出信号から算出される把持部品の挿入量と、前記力センサ信号における時間微分のピーク値と、前記挿入量と前記力センサ信号から算出される挿入時仕事量と、前記ロボットアームの各関節軸駆動モータの位置検出信号から算出されるハンドの姿勢角の変化量とのいずれか1つ以上を含む、ロボットシステム。 - 請求項1から6のいずれか一項に記載のロボットシステムであって、さらに、
履歴記録データ手段は、前記作業IDで関連付けられた実作業について、前記特徴量抽出手段によって抽出される特徴量と前記作業良否判定手段によって前記判定された作業良否と前記推定された失敗原因とを含む第2の履歴データを追加的に記録するように構成され、
特徴量存在領域記録手段は、前記履歴データ記録手段に格納された前記第1履歴データおよび前記第2履歴データに基づいて、各前記特徴量存在領域を更新することができる、ロボットシステム。 - 請求項1に記載のロボットシステムであって、さらに、
前記最適な特徴量パラメータのセットは、前記1つ以上の特徴量パラメータのうち所定数の特徴量パラメータのセットの中から、作業成功を示す前記作業良否に関連付けられた特徴量存在領域と前記作業失敗の原因に関連付けられた各特徴量存在領域との重複領域が存在しない、または重複領域が最も小さくなる特徴量パラメータのセットが選択される、ロボットシステム。 - 請求項8に記載のロボットシステムであって、さらに、
前記重複領域が存在しない特徴量パラメータのセットが複数ある場合には、作業成功を示す前記作業良否に関連付けられた特徴量存在領域と前記作業失敗の原因に関連付けられた各特徴量存在領域との中心間の距離に基づいて、前記最適な特徴量パラメータのセットが選択される、ロボットシステム。 - 請求項8に記載のロボットシステムであって、さらに、
前記重複領域が存在しない特徴量パラメータのセットがない場合には、前記所定数をインクリメントし、該インクリメントした数の特徴量パラメータのセットの中から、作業成功を示す前記作業良否に関連付けられた特徴量存在領域と前記作業失敗の原因に関連付けられた各特徴量存在領域との重複領域が存在しない、または重複領域が最も小さくなる特徴量パラメータのセットが選択される、ロボットシステム。
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