JP7318295B2

JP7318295B2 - 表示方法

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Publication number: JP7318295B2
Application number: JP2019082690A
Authority: JP
Inventors: 正幸奥山
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2019-04-24
Filing date: 2019-04-24
Publication date: 2023-08-01
Anticipated expiration: 2039-04-24
Also published as: JP2020179440A; US11787044B2; US20200338726A1; CN111844017B; CN111844017A

Description

本発明は、表示方法に関する。

従来、ロボットに実行して貰いたい作業を教示するために、ロボットの位置や姿勢情報を入力し、ロボットの軌道、所謂、ロボットのアーム先端部における作用点の軌道をシミュレートして、表示部に表示する方法が知られている（特許文献１参照）。

特開平６－９９３７６号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている方法では、ロボットのアーム先端部における作用点の軌道をシミュレートすることはできるが、ロボットシステムを構築するために必要な作用点における剛性をシミュレートすることができなかった。そのため、設計者は、作業に適切な剛性を有する条件を抽出するために、作用点の角度や位置を繰り返し調整して条件を抽出する必要があり、ロボットシステムの構築に多くの時間を要してしまうという課題があった。

本願の表示方法は、アームに設けられたエンドエフェクターで対象物に作業を実行するロボットのシミュレーションを表示部に表示する表示方法であって、前記ロボットの種類の情報を受け付ける第１工程と、前記エンドエフェクターの情報を受け付ける第２工程と、前記アームを制御する制御点の位置または姿勢の情報を受け付ける第３工程と、受け付けた前記ロボットの種類の情報と、前記エンドエフェクターの前記情報と、前記制御点の位置または姿勢の情報と、に基づいて、前記エンドエフェクターの作用点の剛性を計算する第４工程と、前記表示部に前記剛性の計算結果を図形として表示する第５工程と、を備える。

上述の表示方法において、前記ロボットの種類の情報は、前記アームの長さおよび前記ロボットの関節数を含むこととしても良い。

上述の表示方法において、前記エンドエフェクターの前記情報は、前記エンドエフェクターの長さと、前記エンドファクターの角度と、前記作用点の位置と、を含むこととしても良い。

上述の表示方法において、前記図形は、矢印であることとしても良い。

ロボットシステムの構成を示す斜視図。第１実施形態に係る表示方法を説明するフローチャート。第１実施形態に係る表示方法により表示された表示画像を示す図。第２実施形態に係る表示方法により表示された表示画像を示す図。第３実施形態に係る表示方法により表示された表示画像を示す図。

以下、本実施形態に係る表示方法について、添付図面を参照して説明する。なお、各図において対応する構成要素には同一の符号が付され、重複する説明は省略される。
＜第１実施形態＞
第１実施形態に係る表示方法として、ロボットシステムにおける作用点の剛性を表示する例を挙げ、図１～図３を参照して説明する。
図１は、ロボットシステムの構成を示す斜視図である。図２は、第１実施形態に係る表示方法を説明するフローチャートである。図３は、第１実施形態に係る表示方法により表示された表示画像を示す図である。

［ロボットシステムの全体構成］
ロボットシステム１は、図１に示すように、ロボット２０と、制御装置２２と、エンドエフェクター３０と、を備える。制御装置２２は、ロボット２０と通信可能に接続されている。この接続は、例えば、イーサネット（登録商標）やＵＳＢ（Universal Serial Bus）などの有線通信規格、Ｗｉ－Ｆｉ（登録商標）などの無線通信規格に準じる。

ロボット２０は、制御信号を制御装置２２から取得し、取得した制御信号に基づいて対象物に対して所定の作業を行う。所定の作業とは、例えば、エンドエフェクター３０により対象物の研磨や加工、また、対象物を把持し、把持された対象物を現在設置されている位置から、他の位置へと移動させることや、移動させた後に別の装置に組み付けを行うことなどの作業である。

ロボット２０は、６軸と言われる垂直多関節型であり、床などの設置面１５に固定されている。ロボット２０は、複数の関節部２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅと、複数のアーム２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄが連結されて構成されている。アーム２４ｄの先端には、力覚センサー２７が取り付けられていており、力覚センサー２７のアーム２４ｄ側とは反対側の面に、保持治具２９を介して、エンドエフェクター３０が取り付けられている。
力覚センサー２７は、ロボット２０のアーム２４ｄの先端における６軸方向のわずかな力やモーメントを検出することができる。これによって、製造現場において従来では困難であった高精度な作業の自動化を実現し、生産性の向上を図ることができる。
エンドエフェクター３０は、対象物の表面や側面を研磨するための研磨装置であり、エンドエフェクター３０の長軸方向の軸回りに回転する研磨部３２が設けられている。そのため、エンドエフェクター３０の作用点３４は、研磨部３２の中心軸または対象物と接する研磨部３２の側面となる。
ここで、ロボット２０に取り付けられたエンドエフェクター３０の作用点３４における剛性は、ロボット２０の姿勢によって大きく変化する。そのため、研磨作業の場合、対象物を硬く磨きたいか、対象物を柔らかく磨きたいか、でロボット２０の最適な姿勢が変わってくるので、ロボットシステム１を構築する上で、非常に重要である。従って、ロボットシステム１の作用点３４における剛性をシミュレーションし、作業に適切な剛性となるロボット２０の姿勢や作用点３４の方向を理解することは、ロボットシステム１の構築に要する時間を大幅に削減する上で非常に有効となる。

［表示方法］
次に、アーム２４ｄに設けられたエンドエフェクター３０で対象物に作業を実行するロボット２０のエンドエフェクター３０の作用点３４における剛性の計算方法と、計算結果を表示部１０に表示する表示方法について説明する。

本実施形態におけるエンドエフェクター３０の作用点３４における剛性の計算方法は、図２に示すように、先ず、ステップＳ１０１において、第１工程として、ロボット２０の種類の情報を受け付ける。ロボット２０の種類の情報とは、スカラと言われる水平多関節型や６軸と言われる垂直多関節型などのロボット２０の種類、ロボット２０のアーム２４ａ～２４ｄの長さ、関節部２６ａ～２６ｅの数である関節数、および関節部２６ａ～２６ｅの減速機の剛性などである。

次に、ステップＳ１０２において、第２工程として、エンドエフェクター３０の情報を受け付ける。エンドエフェクター３０の情報とは、エンドエフェクター３０の長さ、エンドエフェクター３０の取り付け角度である設置面１５に対する角度、エンドエフェクター３０を保持する保持治具２９と作用点３４との距離、および作用点３４の位置などである。

次に、ステップＳ１０３において、第３工程として、アーム２４ｄを制御する制御点の位置または姿勢の情報を受け付ける。制御点の位置または姿勢の情報とは、制御点の位置、ロボット２０の姿勢でもあるアーム２４ａ～２４ｄの姿勢などである。

次に、ステップＳ１０４において、第４工程として、受け付けたロボット２０の種類の情報と、エンドエフェクター３０の情報と、制御点の位置または姿勢の情報と、に基づいて、エンドエフェクター３０の作用点３４の剛性を計算する。

ここで、作用点３４の剛性は、作用点３４に方向を変えながら力を加えた場合に、作用点３４の変位方向として計算され、「コンプライアンス楕円」と呼ばれる楕円体で表される。楕円の長軸方向は、作用点３４が柔らかい方向を示し変位が大きい。楕円の短軸方向は、作用点３４が硬い方向を示し変位は小さい。

作用点３４の剛性となる楕円は、以下の方法で算出することができる。なお、以下では、図１に示す６軸のロボット２０を一例として、作用点３４を「手先」と称して説明する。

先ず、ロボット関節角度変位Δθ＝（Δθ１，Δθ２，Δθ３，Δθ４，Δθ５，Δθ６）と、手先位置変位ΔＸ＝（Δｘ１，Δｘ２，Δｘ３，Δｘ４，Δｘ５，Δｘ６）の関係は、以下の式（１）のように、６×６のヤコビ行列Ｊで関係付けられる。
ΔＸ＝ＪΔθ・・・（１）

ヤコビ行列Ｊは、関節角から手先位置を求める式、Ｘ＝ｆ（θ）を偏微分することで求められるが、ロボット２０の標準的な機能を使って、この行列の近似式を求める。
剛性を求めたい位置Ｘ０＝（ｘ０１，ｘ０２，ｘ０３，ｘ０４，ｘ０５，ｘ０６）について、関節角度θ０＝（θ０１，θ０２，θ０３，θ０４，θ０５，θ０６）を求め、次に、第１関節だけ微小角度Δθ動かし、θ＝（θ０１＋Δθ，θ０２，θ０３，θ０４，θ０５，θ０６）の時の手先位置Ｘ＝（ｘ１，ｘ２，ｘ３，ｘ４，ｘ５，ｘ６）を求める。

式（１）より、（Ｘ１－Ｘ０１，Ｘ２－Ｘ０２，Ｘ３－Ｘ０３，Ｘ４－Ｘ０４，Ｘ５－Ｘ０５，Ｘ６－Ｘ０６）＝Ｊ（Δθ，０，０，０，０，０）の関係が成り立つため、ヤコビ行列の１列成分を求めることができる。
それぞれ、Ｊ１１＝ｘ１－ｘ０１、Ｊ２１＝ｘ２－ｘ０２、Ｊ３１＝ｘ３－ｘ０３、Ｊ４１＝ｘ４－ｘ０４、Ｊ５１＝ｘ５－ｘ０５、Ｊ６１＝ｘ６－ｘ０６となる。

同様に、第２～第６関節のみ微小角度Δθ移動させて手先位置を求めることで、ヤコビ行列の２～６列成分を求めることができる。

次に、このヤコビ行列近似式を使うと、手先に力Ｆ＝（ｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４，ｆ５，ｆ６）が加わった場合の関節トルクτ＝（τ１，τ２，τ３，τ４，τ５，τ６）を式（２）で求めることができる。
τ＝ＪＴＦ・・・（２）
ここで、ＪＴは、Ｊの転置行列である。

関節にトルクτが加わった場合、ロボット関節のねじり剛性のために、関節角度に変位Δθ＝（Δθ１，Δθ２，Δθ３，Δθ４，Δθ５，Δθ６）が生じる。この関節角度変位Δθの要因は、減速機の剛性ｋ＝（ｋ１，ｋ２，ｋ３，ｋ４，ｋ５，ｋ６）に支配されるため、式（３）で計算することができる。
Δθ＝τｋ・・・（３）
更に、このように手先に力Ｆが加わった場合の手先変位ΔＸは、式（１）より求めることができる。

従って、手先にいろいろな方向から力Ｆを加え、その変位先を計算することで、手先である作用点３４を中心とする楕円体である「コンプライアンス楕円」を算出することができる。

次に、ステップＳ１０５において、第５工程として、図３に示すように、表示部１０に作用点３４における剛性の計算結果である「コンプライアンス楕円」を図形４０として表示する。
図形４０の「コンプライアンス楕円」において、楕円の長軸方向は、変位が大きく作用点３４における剛性が小さい方向、所謂、柔らかい方向を示し、楕円の短軸方向は、変位が小さく作用点３４における剛性が大きい方向、所謂、硬い方向を示している。
なお、表示部１０は、剛性の計算を行うパソコンやワークステーションのディスプレイなどである。また、図形４０は、点の集まりとして表示しているが、３Ｄの楕円体オブジェクトとして表示しても構わない。

上述のような表示方法によれば、ロボット２０の種類の情報と、エンドエフェクター３０の情報と、制御点の位置または姿勢の情報と、に基づいて、エンドエフェクター３０の作用点３４の剛性を計算し、剛性の計算結果を図形４０として表示することで、作業に適切な剛性を有する条件を容易に抽出することができ、ロボットシステム１の構築に要する時間を大幅に削減することができる。

また、ロボット２０の種類の情報にロボット２０のアーム２４ａ～２４ｄの長さおよびロボット２０の関節数が含まれているので、エンドエフェクター３０の作用点３４の剛性をより正確に計算することができる。

また、エンドエフェクター３０の情報にエンドエフェクター３０の長さと、エンドエフェクター３０の角度と、作用点３４の位置と、が含まれているので、エンドエフェクター３０の作用点３４の剛性をより正確に計算することができる。

本実施形態では、研磨作業における剛性について説明しているが、挿入作業においてもロボット２０の姿勢に伴う剛性を計算することは重要である。つまり、嵌めあい寸法公差のあるペグ挿入作業のような場合、挿入方向、所謂、図３におけるロボット２０の上下方向には力を制御して、直交する面方向、所謂、図３におけるロボット２０の水平方向には剛性を小さくして、穴に倣って挿入されることが望ましい。そのため、ロボット２０に近い場所での作業では、水平方向によって、剛性が大きく異なるため、穴に倣う特性が違うこと、ロボット２０から遠い場所での作業では、水平方向におおよそ同じ剛性となり、方向による倣い特性の差がないこと、が剛性を計算することで明らかとなり、このような作業では、ロボット２０から遠い場所で作業するほうが良いと判断することができる。

＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態に係る表示方法について、図４を参照して説明する。
図４は、第２実施形態に係る表示方法により表示された表示画像を説明する図である。

なお、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。また、本実施形態は、剛性の計算結果を示す図形４０ａの表示方法が異なること以外は、第１実施形態と同様である。

本実施形態に係る表示方法は、図４に示すように、エンドエフェクター３０の作用点３４における剛性の計算結果を、慣性軸方向のみのベクトルとして矢印で図形４０ａを表示している。
矢印の長さが変位の大きさを示し、矢印が長い方向は変位が大きく、矢印が短い方向は変位が小さい。

このように、剛性の計算結果を矢印として表示することで、剛性の方向や大小をより理解し易くすることができる。

＜第３実施形態＞
次に、第３実施形態に係る表示方法について、図５を参照して説明する。
図５は、第３実施形態に係る表示方法により表示された表示画像を説明する図である。

なお、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。また、本実施形態は、剛性の計算結果を示す複数の図形４０，４０ｂ，４０ｃが同時に表示していること以外は、第１実施形態と同様である。

本実施形態に係る表示方法は、図５に示すように、異なる位置で計算された作用点３４，３４ｂ，３４ｃの剛性を示す複数の図形４０，４０ｂ，４０ｃを、表示部１０に同時に表示している。対象物であるワーク５０に対するロボット２０の姿勢を変え、作用点３４，３４ｂ，３４ｃの位置を異ならせて、各位置における剛性を計算し、その計算結果を図形４０，４０ｂ，４０ｃとして、エンドエフェクター３０，３０ｂ，３０ｃや研磨部３２，３２ｂ，３２ｃと共に、作用点３４，３４ｂ，３４ｃの各位置に配置し、同時に表示している。

このように、異なる位置で計算された作用点３４，３４ｂ，３４ｃの剛性を示す複数の図形４０，４０ｂ，４０ｃを、同時に表示することで、作用点３４，３４ｂ，３４ｃの位置の違いによる剛性の違いをより明確に確認することができる。

以下に、上述した実施形態から導き出される内容を記載する。

表示方法は、アームに設けられたエンドエフェクターで対象物に作業を実行するロボットのシミュレーションを表示部に表示する表示方法であって、前記ロボットの種類の情報を受け付ける第１工程と、前記エンドエフェクターの情報を受け付ける第２工程と、前記アームを制御する制御点の位置または姿勢の情報を受け付ける第３工程と、受け付けた前記ロボットの種類の情報と、前記エンドエフェクターの前記情報と、前記制御点の位置または姿勢の情報と、に基づいて、前記エンドエフェクターの作用点の剛性を計算する第４工程と、前記表示部に前記剛性の計算結果を図形として表示する第５工程と、を備える。

この表示方法によれば、ロボットの種類の情報と、エンドエフェクターの情報と、制御点の位置または姿勢の情報と、に基づいて、エンドエフェクターの作用点の剛性を計算し、剛性の計算結果を図形として表示することで、作業に適切な剛性を有する条件を容易に抽出することができ、ロボットシステムの構築に要する時間を大幅に削減することができる。

この表示方法によれば、ロボットの種類の情報にロボットのアームの長さおよび関節数が含まれているので、エンドエフェクターの作用点の剛性をより正確に計算することができる。

上述の表示方法において、前記エンドエフェクターの前記情報は、前記エンドエフェクターの長さと、前記エンドエフェクターの角度と、前記作用点の位置と、を含むこととしても良い。

この表示方法によれば、エンドエフェクターの情報にエンドエフェクターの長さと、エンドエフェクターの角度と、作用点の位置と、が含まれているので、エンドエフェクターの作用点の剛性をより正確に計算することができる。

この表示方法によれば、剛性の計算結果を矢印として表示することで、剛性の方向や大小をより理解し易くすることができる。

１…ロボットシステム、１０…表示部、１５…設置面、２０…ロボット、２２…制御装置、２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ…アーム、２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅ…関節部、２７…力覚センサー、２９…保持治具、３０，３０ｂ，３０ｃ…エンドエフェクター、３２，３２ｂ，３２ｃ…研磨部、３４，３４ｂ，３４ｃ…作用点、４０，４０ａ，４０ｂ，４０ｃ…図形、５０…ワーク。

Claims

アームに設けられ、回転する研磨部を有するエンドエフェクターで対象物に研磨作業を実行するロボットのシミュレーションを表示部に表示する表示方法であって、
前記ロボットの種類の情報を受け付ける第１工程と、
前記エンドエフェクターの情報を受け付ける第２工程と、
前記アームを制御する制御点の位置または姿勢の情報を受け付ける第３工程と、
受け付けた前記ロボットの種類の情報と、前記エンドエフェクターの前記情報と、前記制御点の位置または姿勢の情報と、に基づいて、前記エンドエフェクターの作用点の剛性を計算する第４工程と、
前記表示部に前記剛性の計算結果をコンプライアンス楕円として表示する第５工程と、
を備える表示方法。
前記ロボットの種類の情報は、前記アームの長さおよび前記ロボットの関節数を含む、
請求項１に記載の表示方法。
前記エンドエフェクターの前記情報は、前記エンドエフェクターの長さと、前記エンドエフェクターの角度と、前記作用点の位置と、を含む、
請求項１又は請求項２に記載の表示方法。
前記図形は、矢印である、
請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の表示方法。