JP6668665B2 - ロボット装置 - Google Patents

Description

本発明は、ロボットアームを有するロボット装置に関する。

特許文献１には、外力を計測する力覚センサを有し、重力補償動作するロボットアームを備えるロボット装置が記載されている。このロボット装置は、例えば加工用の工具でワークを加工する前に、ワークからわずかに離間した位置で工具を加工軌道に沿って移動させる計測運転をする。これにより、各姿勢において工具に作用する外力を力覚センサで計測する。実際に工具で加工を行う際は、力覚センサの計測結果から、計測運転で取得した外力を差し引くことで、加工面への工具の押し付け力を把握することができる。

特開２０１２−１１５９１２号公報

ここで、ロボット装置において、ロボットアームに取り付けられる取付物には、ケーブルが接続されている。従来のロボット装置では、重力補償動作中に、ロボットアームの動きに基づいてケーブルが動くことによって、ケーブルの重力や張力の変動が生じ、当該変動を力覚センサが検出する場合があった。従って、重力補償の精度に影響が及ぼされる場合があった。

そこで、本発明は、重力補償の精度を向上できるロボット装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面に係るロボット装置は、外力を計測する力覚センサを有し、重力補償を行って動作するロボットアームと、ロボットアームの先端側に交換可能に取り付けられる取付物及び当該取付物に接続されるケーブルと、ロボットアームに設けられ、ケーブルをロボットアームに固定する固定部と、を備え、固定部は、力覚センサとロボットアームの端部との間に設けられる。

このロボット装置においては、ロボットアームには、取付物に接続されるケーブルを固定するための固定部が設けられている。また、固定部は、力覚センサとロボットアームの端部との間に設けられる。このような構成により、重力補償動作中にロボットアームの動きに基づいて生じるケーブルの重力や張力の変動は、固定部よりも端部側にしか作用しない。従って、重力補償動作時に力覚センサがケーブルの重力や張力の変動に基づく外力の変動を検出することを抑制できる。従って、ケーブルが動く事による重力補償への影響を低減することで、重力補償の精度を向上できる。

また、本発明の一側面に係るロボット装置は、取付物、ケーブル及び取付物を制御する取付物制御部を複数備えてよい。これにより、ロボットアームは、先端側に取り付けられる取付物を必要に応じて交換することができる。また、このように取付物が複数のものに交換可能である場合、ケーブルが動く事による重力補償への影響を低減することで、重力補償の精度を向上するという効果が一層顕著となる。

また、本発明の一側面に係るロボット装置は、ロボットアームを制御するロボットアーム制御部を備え、ロボットアーム制御部は、ロボットアームの動作によって、固定部に対するケーブルの着脱を制御してよい。これにより、ロボットアームの動作を制御することで、全自動で固定部に対するケーブルの着脱を行うことができる。

本発明によれば、重力補償の精度を向上できる。

図１は、本実施形態に係るロボット装置の構成を示す概略構成図である。 図２は、本実施形態に係るロボット装置のブロック構成を示すブロック図である。 図３は、重力補償を説明するためのロボットアーム先端の動きを示す図である。 図４は、力覚センサ周辺の構成を示す概略構成図である。 図５（ａ）は、図４（ａ）のＶａ−Ｖａ線に沿った断面図であり、図５（ｂ）は、図４（ａ）のＶｂ−Ｖｂ線に沿った断面図である。 固定部の具体例を示す図である。

以下、本発明に係るロボット装置の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一の要素同士、或いは相当する要素同士には、互いに同一の符号を付し、重複する説明を省略する場合がある。

図１は、本実施形態に係るロボット装置の構成を示す概略構成図である。図１に示すように、ロボット装置１００は、ロボットアーム１と、固定部２と、取付物３と、ケーブル４と、を備える。なお、本実施形態では、ロボット装置１００として、加工面に対して仕上げ加工を行う仕上げ装置を採用した場合を例にして説明する。ただし、ロボット装置１００の構成は、仕上げ装置のみならず、加工プローブを加工面に沿わせて動かして形状を計測する、接触プローブによる加工面形状計測装置等に採用してもよい。

ロボットアーム１は、先端に取り付けられた取付物３を三次元空間内で位置と姿勢を移動させるものである。ロボットアーム１は、外力を計測する力覚センサ１７を有するものであって、重力補償を行って動作する。なお、重力補償の詳細な説明は、後述する。本実施形態に係るロボットアーム１は、制御部等が収容されているベース部１１と、複数のリンク１２，１３，１４と、ベース部１１及びリンク１２，１３，１４間を連結するジョイント１６ｂ，１６ｃ，１６ｅと、ロボットアーム１を構成する部材の一部を回転可能に連結するジョイント１６ａ，１６ｄ，１６ｆと、を備える多関節ロボットである。ベース部１１と最も基端側のリンク１２は、ジョイント１６ｂを介して連結されている。リンク１２とリンク１３は、ジョイント１６ｃを介して連結されている。リンク１３と最も先端側のリンク１４は、ジョイント１６ｅを介して連結されている。ベース部１１の先端側の一部はジョイント１６ａにて回転可能に構成されている。リンク１３の先端側の一部はジョイント１６ｄにて回転可能に構成されている。リンク１４の先端側の一部はジョイント１６ｆにて回転可能に構成されている。リンク１４には、先端側へ向かって順に、ケーブル４を固定するための固定部２、力覚センサ１７、取付物３を交換可能に接続するハンドチェンジャ１８、取付物３が取り付けられている。なお、リンク１４の先端の端部１ａが、「ロボットアームの端部」に該当するものとする。

力覚センサ１７は、取付物３の工具に作用する外力を計測するセンサである。力覚センサ１７は、当該力覚センサ１７よりも先端側の部分に作用する外力を計測する。力覚センサ１７は直交３軸方向の力（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ）と各軸周りのトルク（Ｔｘ、Ｔｙ、Ｔｚ）を計測可能な６軸センサであり、３次元的に移動可能なロボットアーム１に取り付けられ、これに作用する６自由度の外力（３方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚと、３軸周りのトルクＴｘ、Ｔｙ、Ｔｚ）を計測するようになっている。なお、外力を計測する力覚センサは、取付物３に作用する外力が計測できるものであれば、その他の力覚センサであってもよい。

ロボット装置１００は、取付物３、ケーブル４、及び取付物３を制御する駆動装置（取付物制御部）６を複数備える。本実施形態に係るロボット装置１００は、仕上げ装置を例として採用している。従って、取付物３として、交換可能な各種工具やグリッパが採用される。取付物３からはケーブル４が引き出されており、対応する駆動装置６と接続される。複数の取付物３、ケーブル４及び駆動装置６は、ロボットアーム１の外側に整列して配置されている。なお、一つの取付物３に対して一つの駆動装置６が設けられてもよいが、図１の「工具駆動装置Ａ」のように、一つの駆動装置６に対して複数の取付物３が取り付けられる。ケーブル４は、コードリール等の収容部７内に収容されている。なお、ケーブル４は、スプリング等で天井から吊るしてもよい。

次に、図２を参照して、ロボット装置１００のブロック構成について説明する。図２に示すように、ロボット装置１００は、当該ロボット装置１００の全体の動作を制御する全体制御装置２１と、力覚センサ１７から測定結果を取得して力制御に関する演算を行う力制御演算装置２２と、ロボットアーム１の動作を制御するロボットコントローラ２３と、ロボットアーム１の周辺機器の制御を行う周辺機器制御装置２４と、各工具やグリッパ等の取付物３の駆動を制御する駆動装置６と、を備えている。全体制御装置２１は、力制御演算装置２２、ロボットコントローラ２３及び周辺機器制御装置２４と電気的に接続されており、これらに制御信号を送信する。力制御演算装置２２は、力覚センサ１７と電気的に接続されており、力覚センサ１７から情報を取得し、全体制御装置２１へ演算結果を送信する。ロボットコントローラ２３は、ロボットアーム１と電気的に接続されており、制御信号をロボットアーム１に送信する。周辺機器制御装置２４は、各駆動装置６へ制御信号を送信する。

次に、重力補償について説明する。重力補償とは、加工用の工具でワークを加工する前に、ワークからわずかに離間した位置で工具を加工軌道に沿って移動させる計測運転をし、実際に工具で加工を行う際は、力覚センサ１７の計測結果から、計測運転で取得した外力を差し引くことである。

ロボット装置１００による仕上げ加工は、軌道生成ステップ、重力補償運転ステップ、加工運転ステップからなる。軌道生成ステップでは、ワーク加工前に、例えばワークの３ＤＣＡＤモデルから加工軌道を自動生成する。

上記加工軌道は、例えば、単位時間毎（ｔ［ｓeｃ］）にロボット目標位置姿勢及び押付方向ベクトルを記憶した複数の加工軌道データからなる。ロボット目標位置姿勢は、例えば、各軸方向の座標（Ｘ［ｍｍ］，Ｙ［ｍｍ］，Ｚ［ｍｍ］）、各軸周回りの回転角度（Ａ［ｄｅｇ］，Ｂ［ｄｅｇ］，Ｃ［ｄｅｇ］）からなる。

重力補償運転ステップでは、加工軌道を一定量シフトさせた計測軌道を使用し、工具を加工時の回転速度及び姿勢で操作させ、その際の力覚センサ１７の計測値（Ｆｘ［Ｎ］，Ｆｙ［Ｎ］，Ｆｚ［Ｎ］，Ｔｘ［Ｎｍ］，Ｔｙ［Ｎｍ］，Ｔｚ［Ｎｍ］）をオフセット値として記憶する。

計測軌道は、加工軌道データテーブルを元に、加工軌道から一定距離平行にシフトさせた位置に設定する（例えば、図３（ｂ）を参照）。加工軌道から平行にシフトさせるため、工具姿勢は加工時と同じであり、力覚センサ１７は加工反力を除いた力だけを計測することになる。重力方向に対する工具姿勢は一定に保たれるため、後の加工時に、同姿勢での計測データとの比較によって、高精度に加工反力を算出できる。

加工運転ステップでは、押付方向ベクトルで定めた方向に工具をワークに押し付けながら加工を行う。押付方向ベクトルは、各時間において工具を押付ける方向を表すベクトルであり、例えば、Ｘ軸方向の押付方向ベクトルを表すｖｘ、Ｙ軸方向の押付方向ベクトルを表すｖｙ、Ｚ軸方向の押付方向ベクトルを表すｖｚからなる。加工運転ステップでは、ワークの加工面ＳＦの加工時に、加工軌道上（例えば、図３（ａ）を参照）において重力補償動作における回転速度及び姿勢におけるオフセット値を、加工中の力覚センサ１７の計測値から差し引いて、加工反力を算出する。また、このステップでは、同時に算出した加工反力を用いて、工具の押付力を制御しながらワークに倣って加工する。この場合、押付け方向について工具の押付力が目標値になるように力制御し、目標軌道の接線方向には位置制御を行う。これにより、押付け方向の力が目標値になるように押付けながら、目標軌道に沿って倣うことができる。

次に、図４、図５及び図６を参照し、固定部２周辺の構造についてより詳細に説明する。図４（ａ）は、ロボットアーム１が取付物３を交換しているときの様子を示した図である。図４（ｂ）は、交換後、固定部２がケーブル４を固定した状態でロボットアーム１が移動する様子を示した図である。図４（ａ）に示すように、工具置き台３１に上に、取付物３の工具固定金具２０が載置されている。工具固定金具２０の一方の端部側には工具３ａが配置されている。また、工具３ａの上端からケーブル４が上方へ延びている。なお、このケーブル４は、張力を保ち確実に爪部２ａでケーブル４を把持できるように収容部７から少し引き出した状態にされている。工具固定金具２０の他方の端部側にはハンドチェンジャ１８ａが配置されている（図５（ｂ）参照）。

一方、ロボットアーム１側では、先端側へ向かって固定部２、力覚センサ１７、取付治具１９、ハンドチェンジャ１８ｂがこの順で設けられている。これらは、工具固定金具２０の他方の端部側に配置されている。従って、ロボットアーム１側のハンドチェンジャ１８ｂと取付物３側のハンドチェンジャ１８ａとが連結される。

ロボットアーム１側において、工具固定金具２０の一方の端部側に対応する位置、すなわち工具３ａ及びケーブル４が配置される位置には、固定部２の本体部２ｃから横方向へ突出する爪部２ａが配置されている。爪部２ａは、互いに隙間を開けて延びる一対の部材である（図５（ａ）参照）。従って、爪部２ａの間の隙間には、ケーブル４が配置される。爪部２ａは幅方向にスライド可能であり、隙間に配置されたケーブル４を挟持することができる。ケーブル４が爪部２ａで支持されることによって、ケーブル４が固定部２に固定される。これによって、図４（ｂ）に示すように、工具の交換が完了することで、ロボットアーム１が工具置き台３１から離れると、ケーブル４が固定部２に固定されたままの状態で引っ張られる。

固定部２によるケーブル４の固定方法は特に限定されず、固定部２がケーブル４に力を付与することで固定してもよい。あるいは、磁石による磁力や、粘着剤の粘着力等を用いてもよい。図６を参照して、固定部２にケーブル４を固定するための構造の一例について説明する。図６（ａ）に示す例では、図５の例と同様に、ケーブル４を挟持可能な一対の爪部２ａを有している。更に、爪部２ａの端部が屈曲している一方、ケーブル４には径を大きくするためのストッパ３６が設けられている。このような構成により、ストッパ３６が爪部２ａと干渉することにより、上方向へのケーブル４の抜けが規制される。また、ストッパ３６と爪部２ａの先端の屈曲部が干渉することで、横方向へのケーブル４の抜けが規制される。

あるいは、固定部２として、図６（ｂ）〜（ｄ）に示す構成を採用してもよい。図６（ｂ）〜（ｄ）に示すように、ケーブル４に円錐状の磁石ストッパ３７が設けられ、爪部２ａには、当該磁石ストッパ３７の形状に対応する形状の溝部２ｂが形成されている。このような構造により、爪部２ａを半開きとした状態にて、ケーブル４の磁石ストッパ３７の傾斜面が、爪部２ａの溝部２ｂの傾斜面にガイドされることによって、磁石ストッパ３７が溝部２ｂに入り込む。その後、爪部２ａを閉じると共に、磁石ストッパ３７が、磁力によって磁性体で形成された爪部２ａと固定される。なお、爪部２ａ側に磁石が設けられてケーブル４側に磁性体が設けられてもよい。あるいは、爪部２ａとケーブル４の両方に磁石が設けられてもよい。

なお、固定部２は、上述のように爪部２ａを駆動させてケーブル４を挟み込む構成でなくともよく、ケーブル４を固定できる構造であればあらゆる構造を採用してよい。

上述のように構成されたロボットアーム１において、取付物３を交換すると共に固定部２がケーブル４の着脱を行う際の動作について説明する。この場合、ロボットコントローラ２３は、ロボットアーム１の動作によって、固定部２に対するケーブル４の着脱を制御するための制御プログラムを有している。まず、取付物３を交換するとき、ロボットアーム１は、既設の取付物３を当該取付物３の設置場所へ移動させる。例えば、図４（ａ）に示すような状態となるように取付物３を工具置き台３１に設置する。そして、ハンドチェンジャ１８ａ，１８ｂを互いに取り外す。これによって、ロボットアーム１から取付物３を外す。このとき、ロボットアーム１が固定部２を移動させることで、固定部２からケーブル４を外す。

次に、新たな取付物３を取り付けるとき、ロボットアーム１は、新たな取付物３が設置されている設置場所へロボットアーム１の先端を移動させる。例えば、図４（ａ）に示すような状態となるようにロボットアーム１の先端を取付物３に接触させる。そして、ハンドチェンジャ１８ａ，１８ｂを互いに固定する。これによって、ロボットアーム１に取付物３を取り付ける。このとき、当該動作によって、ロボットアーム１の固定部２が新たな取付物３のケーブル４に近づく。従って、ハンドチェンジャ１８ａ，１８ｂの固定後、固定部２の爪部２ａをケーブル４と接触させて挟持することで固定する。このとき、爪部２ａと爪部２ａの間隔を基に把持判定を行う。

なお、ロボット装置１００が、ロボットアーム１の移動によって自動的に取付物３を交換可能なプログラムを有していなくとも、作業者が手作業で取付物３の交換、及び固定部２へのケーブル４の着脱を行ってもよい。

次に、本実施形態に係るロボット装置１００の作用・効果について説明する。

まず、従来のロボット装置においては、本実施形態のように、力覚センサ１７と端部１ａとの間に、ケーブル４を固定する固定部が設けられていなかった。従って、測定運転中は、ロボットアームの動きに基づいて揺れなどでケーブルが動くことによって、ケーブルの重力や張力の変動が生じ、当該変動によって生じる外力の変動を力覚センサ１７が検出する場合があった。従って、重力補償の精度に影響が及ぼされる場合があった。

本実施形態に係るロボット装置１００において、ロボットアーム１には、取付物３に接続されるケーブル４を固定するための固定部２が設けられている。また、固定部２は、力覚センサ１７とロボットアーム１の端部１ａとの間に設けられる。このような構成により、重力補償動作中にロボットアーム１の動きに基づいて生じるケーブル４の重力や張力の変動は固定部２よりも端部１ａ側にしか作用しない。従って、重力補償動作時に力覚センサ１７がケーブル４の重力や張力の変動に基づく外力の変動を検出することを抑制できる。従って、ケーブル４が動く事による重力補償への影響を低減することで、重力補償の精度を向上できる。

また、本実施形態に係るロボット装置１００は、取付物３、ケーブル４及び取付物３を制御する駆動装置６を複数備えている。これにより、ロボットアーム１は、先端側に取り付けられる取付物３を必要に応じて交換することができる。また、このように取付物が複数のものに交換可能である場合、ケーブル４をロボットアーム１に予め複雑な構造で固定しておくことでケーブルが動かないようにする等の方法を採用することが出来ず、簡易に着脱可能な構成としておかなくてはならない。従って、取付物３、ケーブル４及び駆動装置６が複数存在する構成では、ケーブル４が動く事による重力補償への影響を低減することで、重力補償の精度を向上することによる効果が一層顕著となる。

また、本実施形態に係るロボット装置１００は、ロボットアーム１を制御するロボットコントローラ２３を備え、ロボットコントローラ２３は、ロボットアーム１の動作によって、固定部２に対するケーブル４の着脱を制御する。これにより、ロボットアーム１の動作を制御することで、全自動で固定部２に対するケーブル４の着脱を行うことができる。

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。

例えば、ロボットアームの構造は上述の実施形態に限定されるものではなく、更に多関節のロボットアームを適用してもよい。

上述の実施形態では、少なくとも力覚センサとロボットアームの端部との間に設けられる固定部を一つ備える例について説明した。ただし、このような固定部は複数設けられていてもよい。例えば、端部１ａよりも基端側に固定部を追加で設けてもよい。また、力覚センサよりも先端側に、補助的にケーブルを支持する固定部を追加で設けてもよい。

また、上述の実施形態では、ロボット装置１００は、取付物３、ケーブル４、及び取付物３を制御する駆動装置（取付物制御部）６を複数備えていたが、一組であってもよい。

１ ロボットアーム
２ 固定部
３ 取付物
４ ケーブル
６ 駆動装置（取付物制御部）
１２，１３，１４ リンク
１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅ，１６ｆ ジョイント
１７ 力覚センサ
２３ ロボットコントローラ
１００ ロボット装置

Claims (3)

1. 外力を計測する力覚センサを有し、重力補償を行って動作するロボットアームと、
   前記ロボットアームの先端側に交換可能に取り付けられる取付物及び当該取付物に接続されるケーブルと、
   前記ロボットアームに設けられ、前記ケーブルを前記ロボットアームに固定する固定部と、を備え、
   前記固定部は、前記力覚センサと前記ロボットアームの端部との間に設けられ、
   前記固定部は、爪部を駆動させて前記ケーブルを挟み込む、ロボット装置。
2. 前記取付物、前記ケーブル及び前記取付物を制御する取付物制御部を複数備える、請求項１に記載のロボット装置。
3. 前記ロボットアームを制御するロボットアーム制御部を備え、
   前記ロボットアーム制御部は、前記ロボットアームの動作によって、前記固定部に対する前記ケーブルの着脱を制御する請求項１又は２に記載のロボット装置。
   

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