JP7481579B2 - ロボット装置またはワークに作用する外力の許容値を算出する計算装置およびロボットの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ロボット装置またはワークに作用する外力の許容値を算出する計算装置およびロボットの制御装置に関する。

従来技術においては、ワークを把持するハンドをロボットに取り付けて、ロボットが位置および姿勢が変化することにより、ワークを所定の位置に搬送するロボット装置が知られている。ワークを移動する時にワークの位置および姿勢を精密に調整する作業としては、１つのワークを他のワークに接触させたり嵌合したりする作業が知られている。

ロボット装置がワークの位置および姿勢を精密に調整するために、ロボットに力センサを取り付けることが知られている。１つのワークが他のワークに接触したときに力センサから出力される力に基づいて、ロボットの位置および姿勢を調整することができる。例えば、一方のワークの表面と他方のワークの表面とが合わさった状態となるように、両方のワーク同士に作用する力に基づいて、ロボットを駆動することが知られている（例えば、特開２０１７－１９０３９号公報）。

特開２０１７－１９０３９号公報

ロボットに力センサを取り付けることにより、ロボット装置またはワークに設定された作用点に作用する外力を検出することができる。作業者は、ロボットが駆動することにより作用点に作用する所定の方向における外力の目標値を動作プログラムに設定することができる。ロボットの制御装置は、作用点に作用する外力が目標値になるようにロボットを駆動することができる。

ロボット装置またはワークに外力が作用した場合に、アーム、モータ、およびセンサなどのロボットを構成する構成部材には負荷が加わる。例えば、構成部材には曲がる力が加わったり、回動軸においてはトルクが加わったりする。それぞれの構成部材に加わる負荷が負荷の許容値を超えてしまうと、構成部材が破損したり、ロボットが正常に駆動しなくなったりする虞がある。このために、それぞれの構成部材に加わる負荷が許容値以下になるように、ロボットを制御することが好ましい。

従来の技術においては、ロボット装置に異常が生じないように、作用点に作用する外力の目標値を低く設定することができる。例えば、それぞれの構成部材について、作用点に作用させることができる外力の大きさを算出する。様々なロボットの位置および姿勢において、作用点に作用することができる外力のうち、最も小さな値を外力の許容値として定めることができる。そして、外力の目標値は、外力の許容値以下の値を設定することができる。このように、作用点に作用する外力が最小になる条件（最も悪い条件）にて外力の許容値を設定していた。

このような外力の許容値の範囲は、例えば操作マニュアルに記載されている。そして、作業者は、許容値の範囲から目標値を設定していた。このために、所定のロボットの位置および姿勢では、大きな外力を作用点に作用させることができる場合でも、小さい外力の目標値にてロボットを駆動していた。この結果、ロボット装置の作業時間が長くなる場合が有った。

または、ロボットの制御装置は、作用点に作用する外力が許容値を超えた状態でロボットを駆動しないように制御を実施する。例えば、制御装置は、外力の許容値を超えるようなロボットの駆動状態になった場合に、警告を発信して、ロボットを停止する制御を行っていた。しかしながら、この制御では、ロボット装置が停止した後に復旧するための作業が必要になる。この結果、サイクルタイムは長くなってしまい、生産性が悪くなるという問題があった。

本開示の態様の計算装置は、ロボット、ワーク、または作業ツールに対して作用することが許容される外力の許容値を算出する処理部を備える。ロボットの構成部材に対して加えることができる負荷の許容値は予め定められている。処理部は、ロボットの位置および姿勢、外力が作用する作用点の位置、ロボットの構成部材の負荷の許容値に基づいて、外力が作用する作用方向における外力の許容値を算出する。

本開示の態様のロボットの制御装置は、前述の計算装置と、ロボットの動作を制御する動作制御部とを備える。

本開示の態様によれば、ロボット装置またはワークに作用する外力の許容値を算出する計算装置およびロボットの制御装置を提供することができる。

実施の形態におけるロボット装置の概略図である。 実施の形態におけるロボット装置のブロック図である。 第１のワークを第２のワークに嵌合するときのワークの拡大斜視図である。 ロボットを第１の位置および姿勢にしたときのロボット装置の概略図である。 ロボットを第２の位置および姿勢にしたときのロボット装置の概略図である。 教示操作盤の表示部に表示される第１の画像である。 教示操作盤の表示部に表示される第２の画像である。 実施の形態におけるシミュレーション装置のブロック図である。 シミュレーション装置の表示部に表示される画像である。

図１から図９を参照して、実施の形態における計算装置および計算装置を備えるロボットの制御装置について説明する。本実施の形態の計算装置は、ロボット装置またはロボット装置が把持するワークに対して加わる外力の許容値を算出する。

図１は、本実施の形態におけるロボット装置の概略図である。ロボット装置５は、作業ツールとしてのハンド２と、ハンド２を移動するロボット１とを備える。本実施の形態のロボット１は、複数の関節部１８ａ，１８ｂ，１８ｃを含む多関節ロボットである。ロボット１は、移動可能な複数の構成部材を含む。ロボット１の構成部材は、それぞれの駆動軸の周りに回転するように形成される。

本実施の形態のロボット１は、ベース部１４と、ベース部１４に対して回転する旋回ベース１３とを含む。ロボット１は、上部アーム１１および下部アーム１２を含む。下部アーム１２は、旋回ベース１３に回動可能に支持されている。上部アーム１１は、下部アーム１２に回動可能に支持されている。ロボット１は、上部アーム１１に回動可能に支持されている手首部１５を含む。手首部１５のフランジ１６には、ハンド２が固定されている。更に、上部アーム１１またはフランジ１６は、所定の駆動軸の周りに回転する。

本実施の形態のロボットは、６個の駆動軸を有するが、この形態に限られない。任意の機構にて位置および姿勢を変更するロボットを採用することができる。また、本実施の形態の作業ツールは、２つの爪部を有するハンドであるが、この形態に限れられない。作業ツールは、ロボット装置が行う作業に応じた任意の装置を採用することができる。

本実施の形態のロボット装置５には、基準座標系７６が設定されている。基準座標系７６はワールド座標系とも称される。基準座標系７６は、原点の位置が固定され、更に、座標軸の向きが固定されている座標系である。また、ロボット装置５には、作業ツールの任意の位置に設定された原点を有するツール座標系が設定されている。本実施の形態では、ツール座標系の原点は、ハンド２の２つの爪部の先端同士の中間点であるツール先端点に設定されている。ツール座標系は、作業ツールと共に位置および姿勢が変化する座標系である。ロボット１の位置は、基準座標系７６におけるツール座標系の原点の位置に対応する。また、ロボット１の姿勢は、基準座標系７６に対するツール座標系の向きが対応する。

図２に、本実施の形態におけるロボット装置のブロック図を示す。図１および図２を参照して、ロボット１は、ロボット１の位置および姿勢を変化させるロボット駆動装置を含む。ロボット駆動装置は、アームおよび手首部等の構成部材を駆動するロボット駆動モータ２２を含む。本実施の形態では、それぞれの駆動軸に対応して複数のロボット駆動モータ２２が配置されている。

ロボット装置５は、ハンド２を駆動するハンド駆動装置を備える。ハンド駆動装置は、ハンド２の爪部を駆動するハンド駆動モータ２１を含む。ハンド駆動モータ２１が駆動することによりハンド２の爪部が開いたり閉じたりする。なお、ハンドは、空気圧等により駆動するように形成されていても構わない。

ロボット装置５は、ロボット１およびハンド２を制御する制御装置４を備える。制御装置４は、制御装置本体４０と、作業者が制御装置本体４０を操作するための教示操作盤３７とを含む。制御装置本体４０は、プロセッサとしてのＣＰＵ（Central Processing Unit）を有する演算処理装置（コンピュータ）を含む。演算処理装置は、ＣＰＵにバスを介して接続されたＲＡＭ（Random Access Memory）およびＲＯＭ（Read Only Memory）等を有する。

教示操作盤３７は、通信装置を介して制御装置本体４０に接続されている。教示操作盤３７は、ロボット１およびハンド２に関する情報を入力する入力部３８を含む。入力部３８は、キーボードおよびダイヤルなどの入力部材により構成されている。教示操作盤３７は、ロボット１およびハンド２に関する情報を表示する表示部３９を含む。表示部３９は、液晶表示パネルまたは有機ＥＬ（Electro Luminescence）表示パネル等の任意の表示パネルにて構成されることができる。なお、教示操作盤がタッチパネル方式の表示パネルを備える場合に、表示パネルは入力部および表示部として機能する。

制御装置４には、ロボット１およびハンド２の動作を行うために予め作成された動作プログラム４６が入力される。または、作業者が教示操作盤３７を操作してロボット１を駆動することにより、ロボット１の教示点を設定することができる。制御装置４は、教示点に基づいて、動作プログラム４６を生成することができる。

制御装置本体４０は、ロボット１およびハンド２の動作を制御する動作制御部４３を含む。動作制御部４３は、ロボット１を駆動するための動作指令をロボット駆動部４５に送出する。ロボット駆動部４５は、ロボット駆動モータ２２を駆動する電気回路を含む。ロボット駆動部４５は、動作指令に基づいてロボット駆動モータ２２に電気を供給する。また、動作制御部４３は、ハンド２を駆動する動作指令をハンド駆動部４４に送出する。ハンド駆動部４４は、ハンド駆動モータ２１を駆動する電気回路を含む。ハンド駆動部４４は、動作指令に基づいてハンド駆動モータ２１に電気を供給する。

制御装置本体４０は、ロボット１およびハンド２の制御に関する情報を記憶する記憶部４２を含む。記憶部４２は、情報の記憶が可能で非一時的な記憶媒体にて構成されることができる。例えば、記憶部４２は、揮発性メモリ、不揮発性メモリ、磁気記憶媒体、または光記憶媒体等の記憶媒体にて構成することができる。動作プログラム４６は、記憶部４２に記憶される。

動作制御部４３は、動作プログラム４６に従って駆動するプロセッサに相当する。プロセッサは、記憶部４２に記憶された情報を読み取り可能に形成されている。プロセッサが動作プログラム４６を読み込んで、動作プログラム４６に定められたロボット１およびハンド２の制御を実施することにより、動作制御部４３として機能する。また、プロセッサが教示操作盤３７の入力部３８の操作に基づいてロボット１およびハンド２を駆動することにより、動作制御部４３として機能する。

ロボット１は、ロボット１の位置および姿勢を検出するための状態検出器を含む。本実施の形態における状態検出器は、それぞれの駆動軸のロボット駆動モータ２２に取り付けられた回転位置を検出する位置検出器１９を含む。位置検出器１９は、ロボット駆動モータ２２の出力シャフトの回転角を検出するエンコーダにより構成することができる。本実施の形態では、複数の位置検出器１９の出力に基づいて、ロボット１の位置および姿勢が検出される。

制御装置４は、ロボット１に取り付けられた力検出器としての力覚センサ２４を含む。本実施の形態の力覚センサ２４は、６軸のセンサである。本実施の形態のロボット装置５では、力覚センサ２４は、フランジ１６とハンド２との間に配置されている。力覚センサ２４は、ワーク７１に作用する力およびモーメントを含む外力を検出する。力覚センサ２４としては、歪みセンサを含むセンサまたは静電容量式のセンサ等の任意の力覚センサを採用することができる。

本実施の形態における力覚センサ２４には、センサに作用する力を検出するためのセンサ座標系が設定されている。力覚センサ２４にて検出される力には、センサ座標系における互いに直交する３軸の方向の力および３軸の周りの力が含まれる。より具体的には、力覚センサ２４は、直交３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸）方向の力と、３軸の回りの軸（Ｗ軸、Ｐ軸、およびＲ軸）方向の力としてのモーメント（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）を検出する。

図３に、本実施の形態における第１のワークおよび第２のワークの拡大斜視図を示す。図１および図３を参照して、ロボット装置５は、第２のワーク７２に第１のワーク７１を嵌合させる制御を実施する。ロボット装置５は、ロボット１が駆動することにより第１のワーク７１を第２のワーク７２に向かって移動する。そして、矢印９１に示すように、第２のワーク７２の凹部７２ａに第１のワーク７１を挿入する。

本実施の形態の第１のワーク７１は、円柱の形状を有する。第１のワーク７１の端面は平面状である。第２のワーク７２は、直方体の形状を有する。第２のワーク７２は、作業台７５に固定されている。第２のワーク７２の凹部７２ａは、円柱状に形成されている。凹部７２ａは、第１のワーク７１が嵌合するように第１のワーク７１の形状に対応する形状を有する。

制御装置４は、円柱状のワーク７１をワーク７２の凹部７２ａに嵌合させる制御を実施する。このときに、ワーク７１の中心軸７１ａと凹部７２ａの中心軸７２ａａとが同一線上になる場合には、ワーク７１は、滑らかにワーク７２の凹部７２ａに挿入される。しかしながら、中心軸７１ａは中心軸７２ａａに対して位置または姿勢がずれる場合がある。

図２および図３を参照して、制御装置４は、ワーク７１を凹部７２ａに嵌合する時に、力覚センサ２４の出力に基づいて力制御を実施する。本実施の形態では、力検出器にて検出される力に基づいて、ロボットの位置および姿勢を調整する制御を力制御と称する。力制御では、ワークが接触した時に生じる力を利用する。

制御装置４は、力検出器としての力覚センサ２４にて検出される力に基づいて、ワークが移動する方向に直交する方向の速度を変化させる制御およびワークの向きを変化させる制御を実施することができる。制御装置４は、例えば、力覚センサ２４にて検出される力に基づいて、コンプライアンス制御またはインピーダンス制御等を実施することができる。

このような力制御を実施する時には、力制御の基準となる制御点およびロボットにてワークを移動するための移動方向（ベクトル）が必要になる。制御点は、ロボット装置５またはワーク７１に対して外力が作用する作用点に相当する。本実施の形態のロボット装置５では、第１のワーク７１の端面に制御点としてワーク先端点７３が予め定められている。ワーク先端点７３は、第１のワーク７１の端面において平面形状の円の中心に配置されている。また、ワーク７１を凹部７２ａに嵌合する時に、ロボット１に支持されたワーク７１の移動方向として矢印７４に示す方向が予め設定される。力覚センサ２４は、作用点に作用する外力を検出する。

本実施の形態のロボット装置５は、外力の許容値を算出する計算装置を備える。本実施の形態においては、制御装置４の制御装置本体４０が計算装置として機能する。制御装置本体４０は、演算処理を行う処理部５１を含む。処理部５１は、ロボット、ワーク、または作業ツールに対して作用することが許容される外力の許容値を算出する許容力算出部５４を含む。処理部５１は、ロボット１の位置および姿勢が変化した時に、現在の外力の目標値が許容値以下になる作用点の位置の領域を算出する可動範囲算出部５５を含む。処理部５１は、ロボット装置およびワークの３次元形状データ５８に基づいて、ロボット装置のモデルおよびワークのモデルを生成するモデル生成部５６を含む。処理部５１は、教示操作盤３７の表示部３９に表示する画像を制御する表示制御部５７を含む。

動作プログラム４６には、外力の許容値に関する計算を実施したり、ロボット装置の構成部材のモデルを生成したりするためのプログラムが含まれている。処理部５１は、動作プログラム４６に従って駆動するプロセッサに相当する。プロセッサが動作プログラム４６に定められた制御を実施することにより、処理部５１として機能する。更に、許容力算出部５４、可動範囲算出部５５、モデル生成部５６、および表示制御部５７のそれぞれのユニットは、動作プログラム４６に従って駆動するプロセッサに相当する。プロセッサが動作プログラム４６に定められた制御を実施することにより、それぞれのユニットとして機能する。

動作制御部４３は、動作プログラム４６に基づいて力制御を実施する。動作制御部４３は、力覚センサ２４の出力を取得する。動作制御部４３は、力覚センサ２４の出力に基づいて、作用点としてのワーク先端点７３における予め定められた作用方向の外力を算出する。例えば、動作制御部４３は、矢印７４に示す移動方向の軸および移動方向に直交する軸を設定する。動作制御部４３は、ワーク先端点７３に作用する外力として、これらの軸の方向に加わる力および軸の周りのモーメントを算出する。

動作制御部４３は、ワーク先端点７３に作用する外力が予め定められた目標値になるようにロボット１の動作を制御することができる。例えば、矢印７４に示す移動方向にワーク７１を移動してワーク７１がワーク７２に接触した時に、動作制御部４３は、矢印７４に示す移動方向と反対方向に作用する力が目標値になるようにロボット１の位置および姿勢を制御する。換言すると、動作制御部４３は、矢印７４に示す方向にワーク７１を押し付ける力が目標値になるようにロボット１の位置および姿勢を制御する。その他にも、動作制御部４３は、矢印７４に示す方向に垂直な軸の方向の力およびこれらの軸の周りのモーメントが予め定められた目標値になるようにロボット１を制御する。

このように、動作制御部４３は、所定の作用方向において作用点に作用する外力が目標値になるようにロボットの動作を制御する力制御を実施することができる。力制御を実施することにより、凹部７２ａに対する第１のワーク７１の位置および姿勢を修正しながら嵌合の作業を行うことができる。このような外力の目標値は、動作プログラム４６に力制御を実施するためのパラメータとして設定される。

本実施の形態のロボット装置５では、嵌合作業を実施するときに、第１のワーク７１が他の物体としての第２のワーク７２に接触する。そして、ワーク７１に作用する外力に基づいてワーク７１の位置および姿勢が調整される。

ワーク７１がワーク７２に接触している期間中に、ロボット１の構成部材およびハンド２に対して負荷が加わる。例えば、上部アーム１１、下部アーム１２、旋回ベース１３、および手首部１５等のそれぞれの構成部材には、引張り力、圧縮力、曲げモーメント、および捩じりモーメント等が負荷として加わる。また、それぞれの関節部１８ａ，１８ｂ，１８ｃに配置されたロボット駆動モータ２２および減速機等の構成部材には、回転軸周りのトルクが負荷として加わる。また、関節部１８ａ，１８ｂ，１８ｃに構成部材としてトルクセンサが配置されている場合には、トルクセンサにトルクが負荷として加わる。

ロボット１の構成部材に加えることができる負荷の許容値は予め定められている。構成部材の負荷が許容値を超えてしまうと、それぞれの構成部材に異常が生じる虞がある。例えば、構成部材が破損したり、正常に機能しなくなったりする。この結果、ロボット装置が正常に動作しなくなる虞がある。

ロボット装置は、構成部材に加わる負荷が許容値以下となるように駆動することが好ましい。特に、それぞれの構成部材に作用する負荷が物性的な許容値または機械的な許容値を超えないように、ロボットを駆動することが好ましい。物性的な許容値としては、アームなどの構成部材に作用する捩じりモーメント、曲げモーメント、圧縮力、または引張り力等の許容値が相当する。機械的な許容値としては、ベアリングおよび減速機等の複数の部品にて構成される構成部材に作用するトルクまたは圧縮力等の許容値が相当する。また、それぞれの構成部材に作用する負荷は、ロボットを安全に駆動する機能も考慮することが好ましい。安全機能上の許容値としては、ロボットが他の物体に接触したときにロボットを停止させる時の許容値が相当する。

ロボット装置５に把持された第１のワーク７１が第２のワーク７２に対して押し付けられる動作を実施する時に、それぞれの構成部材に加わる負荷が許容値以下になるように制御することが好ましい。それぞれの構成部材には、第１のワーク７１を第２のワークに押し付けるときの力に応じた負荷が発生する。ロボット装置５にて第１のワーク７１を第２のワーク７２に押し付ける時の作用点に作用する外力が大きくなるほど、構成部材に加わる負荷が大きくなる。このために、ワーク先端点７３に作用する力が大きくなりすぎないように、外力の目標値を適切な値に設定することが好ましい。

図４に、ロボットを第１の位置および姿勢にしたときのロボット装置の概略図を示す。図５に、ロボットを第２の位置および姿勢にしたときのロボット装置の概略図を示す。図４および図５を参照して、それぞれの図には第１のワーク７１が接触する接触面８９が記載されている。接触面８９は、第１のワーク７１が押し付けられる物体の表面に相当する。ここでは、ロボット１は、矢印７４に示す移動方向に沿って第１のワーク７１を接触面８９に向かって一定の力にて押圧している。すなわち、第１の位置および姿勢と第２の位置および姿勢とにおいて、ワーク先端点７３に作用する外力は同一になっている。

ここで、関節部１８ａに配置されているトルクセンサ等の構成部材に加わるトルクは、ワーク先端点７３に作用する外力と、ワーク先端点７３から関節部１８ａの駆動軸までの距離に依存する。第２の位置および姿勢における関節部１８ａの駆動軸からワーク先端点７３までの距離は、第１の位置および姿勢における関節部１８ａの駆動軸からワーク先端点７３までの距離よりも長くなる。このために、関節部１８ａに配置されている構成部材に加わるトルクについては、第１の位置および姿勢におけるトルクよりも第２の位置および姿勢におけるトルクの方が大きくなる。また、下部アーム１２に作用する曲げモーメント等についても、第２の位置および姿勢における曲げモーメントは、第１の位置および姿勢における曲げモーメントよりも大きくなる。

このように、作用点に作用する外力が同じ大きさでも、ロボットの位置および姿勢に応じて、ロボット装置の構成部材に作用する負荷が変化する。ここでの例では、ワーク先端点７３の位置が関節部１８ａの駆動軸から最も遠くなるロボットの位置および姿勢において、関節部１８ａに配置されている構成部材に加わるトルクが最も大きくなる。

従来の技術においては、様々なロボットの位置および姿勢において、ロボット装置の構成部材に作用する負荷が許容値以下になるように、一定の外力の許容値を定めていた。例えば、図５に示すように、上部アーム１１および下部アーム１２が大きく伸びた状態の時に、関節部１８ａに加わるトルクが許容値以下になるように、外力の許容値を設定していた。このために、小さな外力の許容値が設定されていた。また、外力の許容値に基づいて外力の目標値が定められているために、外力の目標値も小さな値が採用されていた。例えば、図４に示す第１の位置および姿勢では、ワーク先端点７３に大きな外力を作用させることができるものの、図５に示す第２の位置および姿勢に基づいて設定された小さな外力の目標値にてロボットが駆動される。この結果、ロボット装置の作業時間が長くなる場合が有った。

図２を参照して、本実施の形態における制御装置４は、ロボット装置が駆動される状態に応じて、外力の許容値を算出する。処理部５１の許容力算出部５４は、ロボットの位置および姿勢に基づいて、作用点に加えることができる外力の許容値を算出する。更に、許容力算出部５４は、外力が作用する作用点の位置およびロボットの構成部材の負荷の許容値に基づいて、外力が作用する作用方向における外力の許容値を算出する。本実施の形態では、力制御を実施するときに、ワーク先端点７３に作用する外力の許容値を算出する。

作業者は、教示作業の時に外力の許容値を取得することができる。作業者は、手動にてロボット１を操作して、第１のワーク７１を第２のワーク７２の表面に接触させる。本実施の形態では、作業者は、教示操作盤３７を操作して第１のワーク７１が第２のワーク７２に接触するように、ロボットの位置および姿勢を変更する。

許容力算出部５４は、位置検出器１９の出力に基づいてロボットの位置および姿勢を取得する。許容力算出部５４は、外力が作用する作用点としてワーク先端点７３の位置を取得する。ワーク先端点７３は、第１のワーク７１およびハンド２と共に移動する。

ロボット装置５は、ロボットの位置および姿勢が定まると、ワーク先端点７３の位置が算出できるように較正されている。例えば、ツール座標系の座標値にてワーク先端点７３の位置が予め定められている。または、ロボット１のフランジ１６に原点を有し、フランジ１６と共に移動するフランジ座標系を設定することができる。ワーク先端点７３の位置は、フランジ座標系にて予め定めることができる。許容力算出部５４は、ツール座標系またはフランジ座標系におけるワーク先端点７３の位置と、ロボット１の位置および姿勢に基づいて、基準座標系７６におけるワーク先端点７３の位置を算出することができる。また、許容力算出部５４は、力覚センサ２４の出力に基づいて、外力が作用する作用方向を検出する。または、外力の作用方向は予め定められた方向を採用しても構わない。

次に、ワーク先端点７３に作用する外力の大きさおよび外力の作用方向が定まると、ロボット１のそれぞれの構成部材に加わる負荷を算出することができる。それぞれの構成部材の形状、寸法、および重量等の負荷の計算に必要な定数は、予め記憶部４２に記憶されている。アームなどのそれぞれの構成部材の位置および姿勢は、ロボット１の位置および姿勢に基づいて算出することができる。それぞれの関節部１８ａ，１８ｂ，１８ｃの位置は、ロボット１の位置および姿勢により算出することができる。

許容力算出部５４は、予め定められた外力および外力の作用方向に基づいて、上部アーム１１および下部アーム１２等の構成部材における引張り力、圧縮力、曲げモーメント、および捩じりモーメント等の負荷を算出することができる。また、許容力算出部５４は、それぞれの関節部１８ａ，１８ｂ，１８ｃに配置されている構成部材に加わるトルクを算出することができる。それぞれの負荷の算出方法は、予め定められて記憶部４２に記憶されている。許容力算出部５４は、それぞれの構成部材の位置および姿勢に基づいて、構成部材に加わる負荷を算出することができる。

許容力算出部５４は、予め定めた作用方向においてワーク先端点７３に加わる外力を小さな初期値から徐々に増加させながら、構成部材に加わる負荷を算出する。例えば、許容力算出部５４は、矢印７４に示す移動方向において、ワーク先端点７３に加わる外力が零から予め定められた増加量にて徐々に増加させる。ロボット装置のそれぞれの構成部材に加わる負荷を算出する。そして、許容力算出部５４は、複数の構成部材のうち、少なくとも一つの構成部材の負荷が、負荷の許容値を超えることを検出する。許容力算出部５４は、この時の外力に基づいて、全ての構成部材の負荷が許容値内になる外力の許容値を定めることができる。例えば、許容力算出部５４は、ワーク先端点７３に加わる外力を徐々に増加させた時に、全ての構成部材の負荷が許容値内になる時の外力の最大値を、外力の許容値として定めることができる。

このように、作用点の位置、外力が作用する作用方向、およびロボットの位置および姿勢に応じて、作用点に作用する外力の許容値を算出することができる。外力の許容値の算出方向としては、上記の形態に限られない。全ての構成部材の負荷が許容値を超えないように、任意の方法にて外力の許容値を算出することができる。

例えば、許容力算出部５４は、それぞれの構成部材ごとに加えることができる負荷の許容値を取得する。許容力算出部５４は、ロボットの位置および姿勢に基づいて、構成部材の負荷の許容値からワーク先端点７３において作用方向に作用させることができる外力の許容値を算出する。許容力算出部５４は、全ての構成部材の負荷の許容値に対して、ワーク先端点７３における外力の許容値を算出する。許容力算出部５４は、全ての構成部材の負荷の許容値に対する外力の許容値のうち、最も小さい外力の許容値をワーク先端点７３に加えることができる外力の許容値に採用することができる。

表示制御部５７は、許容力算出部５４にて算出された外力の許容値を教示操作盤３７の表示部３９に表示する。作業者は、外力の許容値を見て、力制御を実施するときの外力の目標値を定めることができる。外力の目標値は、外力の許容値以下になるように設定することができる。例えば、作業者は、外力の許容値よりも僅かに小さい値を外力の目標値に採用することができる。作業者は、外力の目標値を動作プログラムに設定することができる。

本実施の形態における処理部５１にて算出される外力の許容値は、ロボットの位置および姿勢、それぞれの構成部材の負荷の許容値、外力が作用する作用点の位置、および外力の作用方向に基づいている。このために、ロボットの状態に応じてロボット装置がワークに加えることができる外力の目標値を設定することができる。特に、ロボットの位置および姿勢に応じた外力の目標値を設定することができる。このために、ロボットの全ての位置および姿勢を包括して外力の目標値が小さく設定されることを回避できる。または、外力の目標値が大きすぎて、ロボット装置が自動的に停止することを回避できる。

例えば、図４に示すような特定のロボットの位置および姿勢では、従来の技術よりも大きな外力の目標値を設定したり、従来の技術よりも大きな外力の許容値にてロボットを駆動したりすることができる。このために、ロボット装置の作業時間の短縮を図ることができる。本実施の形態のワークを嵌合する作業においては、第１のワーク７１を第２のワーク７２に押し付ける力を大きくすることができて、従来の技術よりも短時間でワークを嵌合する作業を実施することができる。

本実施の形態の動作制御部４３は、作用点に作用する外力の大きさが外力の許容値以下になるように、ロボットの動作を制御することができる。例えば、本実施の形態の動作制御部４３は、ワーク先端点７３に作用する外力が外力の目標値になるようにロボット１の動作を制御することができる。または、作用点に作用する外力の許容値が動作プログラムに設定されていても構わない。動作制御部は、ロボットを駆動している期間中に、力覚センサの出力に基づいて作用点に作用する外力を算出する。作用点に作用する外力が許容値に近づいたときに、動作制御部は、作用点に作用する力が小さくなるように、ロボットの動作速度またはロボットの位置および姿勢等のロボットの駆動状態を制御することができる。

図６に、本実施の形態における教示操作盤の表示部に表示される第１の画像を示す。図２および図６を参照して、ロボット装置を構成する構成部材およびワークの３次元形状データ５８は予め作成されている。３次元形状データ５８としては、例えばＣＡＤ（Computer Aided Design）装置から出力されるデータを用いることができる。３次元形状データ５８は、記憶部４２に記憶される。また、実際のロボット装置５に対する第１のワーク７１および第２のワーク７２の位置は、予め定められて設定されている。

モデル生成部５６は、ロボット装置の３次元形状データおよびワークの３次元形状データに基づいて、ロボット装置およびワーク等の３次元のモデルを生成する。モデル生成部５６は、位置検出器１９の出力に基づいてロボット１の位置および姿勢を取得する。ロボットの位置および姿勢に対応する３次元のモデルを生成する。モデル生成部５６は、実際のロボット装置の位置およびワークの位置に応じて仮想空間にモデルを配置する。

表示制御部５７は、モデル生成部５６にて生成されたモデルの画像を表示部３９に表示する。表示制御部５７は、所定の方向から見た時のモデルの画像を生成する。第１の画像８１においては、ロボットのモデル１Ｍ、力覚センサのモデル２４Ｍ、ハンドのモデル２Ｍ、第１のワークのモデル７１Ｍ、および第２のワークのモデル７２Ｍが表示されている。作業者が教示操作盤等にてロボットの位置および姿勢を変更すると、画像８１におけるロボットのモデル１Ｍの位置および姿勢も変化する。

ところで、本実施の形態の表示制御部５７は、許容力算出部５４にて算出された外力の許容値を、ロボット１の画像に重ねて表示することができる。画像８１においては、ワーク先端点のモデル７３Ｍと、外力の作用方向の矢印７４Ｍが表示されている。そして、矢印７４Ｍの横に、作用点としてのワーク先端点に加えることができる外力の許容値が「ＭＡＸ：５０Ｎ」と表示されている。すなわち、現在のロボットの位置および姿勢において外力の許容値が５０Ｎであることが表示されている。ロボットの位置および姿勢が変化すると、外力の許容値も変化する。

作業者は、画像８１を見て力制御を行うときの外力の目標値を定めることができる。例えば、作業者は、外力の許容値と同じ値を目標値として動作プログラム４６に設定することができる。または、処理部５１は、許容力算出部５４にて算出された外力の許容値に基づいて、外力の目標値を自動的に動作プログラム４６に設定しても構わない。外力の目標値としては、外力の許容値以下の値を設定することができる。

また、動作プログラムに外力の許容値が設定される場合が有る。この場合に、作業者は、許容力算出部５４にて算出された外力の許容値を動作プログラムに設定することができる。または、処理部５１は、許容力算出部５４にて算出された外力の許容値を、自動的に動作プログラムに設定しても構わない。

画像８１では、表示部３９は、外力の作用方向を示す矢印の横に外力の許容値を数字にて示しているが、この形態に限られない。表示部は、矢印の長さにて外力の許容値の大きさを示しても構わない。例えば、表示部は、外力の許容値が大きいほど、矢印が長くなるように表示することができる。

図７に、教示操作盤の表示部に表示される第２の画像を示す。第２の画像８２では、ロボットのモデル１Ｍ、視覚センサのモデル２４Ｍ、ハンドのモデル２Ｍ、および第１のワークのモデル７１Ｍが表示されている。図２および図７を参照して、可動範囲算出部５５は、ロボットの位置および姿勢が変化した時に、現在の外力の目標値が外力の許容値以下になる作用点の位置の領域８７Ｍを算出する。換言すると、可動範囲算出部５５は、予め定められた外力の目標値にて、ロボットの位置および姿勢を変化させることができる領域８７Ｍを算出する。領域８７Ｍは、作用点が移動可能な範囲である。表示制御部５７は、この領域８７Ｍをロボットの画像に重ねて表示する。

ここでの例では、ロボット１の設置面から作用点までの高さが一定の平面内において、作用点を移動可能な領域８７Ｍが示されている。なお、作用点が移動可能な領域は、３次元の領域にて探索されて表示されても構わない。

可動範囲算出部５５は、現在の作用点の位置を取得する。例えば、可動範囲算出部５５は、基準座標系７６にて現在の作用点の位置を取得する。ここでは、作用点の移動可能な範囲として、設置面からの高さが一定の平面を検討する。可動範囲算出部５５は、作用点としてのワーク先端点の位置を平面内において、予め定められた方向および予め定められた距離ごとに移動させる。そして、許容力算出部５４は、それぞれの作用点の位置において外力の許容値を算出する。

可動範囲算出部５５は、外力の許容値が現在に設定されている外力の目標値以上の場合に、作用点がその位置に移動可能であると判定する。一方で、可動範囲算出部５５は、外力の許容値が現在に設定されている外力の目標値未満である場合に、作用点がその位置に移動することができないと判定する。

可動範囲算出部５５は、少しずつ作用点の位置を移動する制御を実施する。可動範囲算出部５５は、外力の許容値が外力の目標値以上になる作用点の位置の領域を算出することができる。表示制御部５７は、可動範囲算出部５５から、作用点を移動することができる位置を取得して、領域８７Ｍを表示することができる。作業者は、作用点を移動できる範囲を画像８２にて確認することができる。作業者は、現在の外力の目標値を採用することができる範囲を容易に把握することができる。このように、作業者は、教示操作盤３７にてロボット装置５を手動にて駆動しながら、力制御を行うときの外力の目標値を設定することができる。

次に、本実施の形態における制御装置４は、力制御を行っているときに、ロボットの位置および姿勢に基づいて、自動的に外力の目標値を設定したり変更したりすることができるように形成されている。図２を参照して、処理部５１の許容力算出部５４は、力制御を実施している期間中に、位置検出器１９の出力に基づいてロボットの位置および姿勢を取得する。許容力算出部５４は、現在のロボットの位置および姿勢に基づいて、現在の外力の許容値を算出する。許容力算出部５４は、予め定められた間隔ごとに外力の許容値を算出することができる。または、力制御を行う時に、ロボットの一つの位置および姿勢にて外力の許容値を算出しても構わない。

処理部５１は、外力の許容値に基づいて、力制御を行うときの外力の目標値を算出する。例えば、処理部５１は、外力の許容値を外力の目標値に設定することができる。または、処理部５１は、外力の許容値に１未満の予め定められた定数を乗算することにより、外力の目標値を設定しても構わない。処理部５１は、外力の許容値に基づいて設定した外力の目標値を動作制御部４３に送出する。動作制御部４３は、取得した外力の目標値に基づいて、第１のワークを他の物体に接触させる力制御を実施することができる。この制御を行うことにより、ロボット装置が所定の作業を実施している期間中にロボットの位置および姿勢に応じて外力の目標値を設定したり変更したりすることができる。最適な外力の目標値にて作業を実施することができるために、作業時間の短縮を図ることができる。

ところで、作業者が外力の目標値を動作プログラム等に設定する時に、外力の目標値が外力の許容値を超えている場合がある。この場合に、処理部５１は、作業者に知らせるための警告を発生する制御を実施することができる。例えば、教示操作盤３７を操作して、動作プログラムに外力の目標値を設定する場合に、許容力算出部５４は外力の許容値を算出する。そして、作業者が入力した外力の目標値が外力の許容値を超えている場合に、処理部５１は、表示部に警告を表示することができる。または、処理部５１は、警報等で作業者に知らせることができる。作業者は、大きすぎる外力の目標値を設定することを回避できる。

また、動作制御部４３は、ロボット１を駆動している期間中に外力の目標値が外力の許容値を超えた場合にロボット１を停止させる制御を実施することができる。例えば、外力の目標値が動作プログラム４６に予め定められている場合がある。この場合に、ロボットが駆動している期間中に、許容力算出部５４は外力の許容値を算出する。そして、外力の目標値が外力の許容値を超えている場合に、動作制御部４３は、ロボット１を停止する制御を実施することができる。

図８に、本実施の形態におけるシミュレーション装置のブロック図を示す。本実施の形態の計算装置は、シミュレーション装置に配置することができる。シミュレーション装置６は、ロボットの３次元のモデル、作業ツールの３次元のモデル、およびワークの３次元のモデルを同一の仮想空間に配置する。本実施の形態のシミュレーション装置６は、前述のロボット装置５の動作のシミュレーションを実施する。

本実施の形態におけるシミュレーション装置６は、プロセッサとしてのＣＰＵを含む演算処理装置（コンピュータ）にて構成されている。シミュレーション装置６は、ロボット装置５のシミュレーションに関する任意の情報を記憶する記憶部６３を備える。記憶部６３は、情報の記憶が可能で非一時的な記憶媒体にて構成されることができる。例えば、記憶部６３は、揮発性メモリ、不揮発性メモリ、磁気記憶媒体、または光記憶媒体等の記憶媒体にて構成することができる。ロボット装置のシミュレーションを実施するためのプログラムは記憶部６３に記憶される。

シミュレーション装置６は、ロボット装置５のシミュレーションに関する情報を入力する入力部６１を含む。入力部６１は、キーボード、マウス、およびダイヤルなどの操作部材により構成されている。シミュレーション装置６は、ロボット装置５のシミュレーションに関する情報を表示する表示部６２を含む。表示部６２は、液晶表示パネルまたは有機ＥＬ表示パネル等の任意の表示パネルにて構成される。なお、シミュレーション装置がタッチパネル方式の表示パネルを備える場合に、表示パネルは入力部および表示部として機能する。

シミュレーション装置６は、作用点に作用する外力の許容値を算出する計算装置として機能する。シミュレーション装置６は、ロボット装置５のシミュレーションのために演算処理を行う処理部６４を含む。処理部６４は、本実施の形態のロボットの制御装置４の処理部５１と同様に、３次元形状データ５８に基づいてモデルを生成するモデル生成部５６、外力の許容値を算出する許容力算出部５４、および予め定められた外力の目標値にてロボットを駆動できる範囲を算出する可動範囲算出部５５を含む（図２を参照）。また、本実施の形態の制御装置４と同様に、ロボット装置を構成する構成部材およびワークの３次元形状データ５８がシミュレーション装置６に入力される（図２を参照）。３次元形状データ５８は、記憶部６３に記憶される。

処理部６４は、ロボット装置５の動作のシミュレーションを実施するシミュレーション実行部６５を含む。シミュレーション実行部６５は、ロボット装置のモデルを動かす機能を有する。または、シミュレーション実行部６５は、予め作成された動作プログラム４６に基づいてロボット装置５の動作のシミュレーションを実施する。処理部６４は、シミュレーション実行部６５の出力に基づいて、表示部６２に表示される画像を制御する表示制御部６６を含む。

処理部６４は、シミュレーションを実施するためのプログラムに従って駆動するプロセッサに相当する。プロセッサがシミュレーションのプログラムを読み込んで、プログラムに定められた制御を実施することにより、処理部６４として機能する。また、処理部６４に含まれるモデル生成部５６、シミュレーション実行部６５、許容力算出部５４、可動範囲算出部５５、および表示制御部６６のそれぞれのユニットは、シミュレーションのプログラムに従って駆動するプロセッサに相当する。プロセッサがプログラムに定められた制御を実施することにより、それぞれのユニットとして機能する。

図９に、シミュレーション装置の表示部に表示される画像の例を示す。シミュレーション装置６の表示部６２は、ロボットの制御装置４の表示部３９と同様の３次元のモデルの画像を表示する。ロボットが設置される位置およびワークが配置される位置は、作業者が入力部６１にて設計値を入力することができる。また、ロボットに対するワークの位置は、作業者にて予め設定されている。画像８３には、ロボットのモデル１Ｍ、力覚センサのモデル２４Ｍ、ハンドのモデル２Ｍ、第１のワークのモデル７１Ｍ、および第２のワークのモデル７２Ｍが表示されている。

シミュレーション実行部６５は、作業者による入力部６１の操作に応じて、現在のロボット１の位置および姿勢を算出する。または、シミュレーション実行部６５は、動作プログラム４６に基づいて、所定の時刻におけるロボットの位置および姿勢を算出する。モデル生成部は、ロボットの位置および姿勢に基づいてロボットのモデル１Ｍを生成する。表示制御部６６は、シミュレーション実行部６５の出力およびモデル生成部５６にて生成される３次元のモデルに従って、表示部６２にモデルの画像を表示する。

シミュレーション装置６では、ロボット装置５の動作のシミュレーションを実施しながら、外力の許容値を算出することができる。作用点の位置は予め定めて、作業者が指定することができる。作用点に作用する外力の作用方向は、複数の方向を予め定めてシミュレーションを実施することができる。許容力算出部５４は、ロボットの位置および姿勢に基づいて、作用点に作用する外力の許容値を算出することができる。また、制御装置４と同様に、シミュレーション装置６の表示部６２は、許容力算出部５４にて算出された外力の許容値を表示したり、可動範囲算出部５５にて算出された作用点の位置の領域を表示したりすることができる（図６および図７を参照）。

シミュレーション装置では、実際のロボット装置を使用せずにシミュレーションを実施することができる。従って、オフラインで動作プログラムを生成する時に外力の許容値を算出したり、作用点が移動可能な範囲を算出したりすることができる。また、ロボット装置を備えるシステムの設計に利用することができる。例えば、ロボット装置および架台などの周辺装置を配置する位置を検討したりすることができる。

本実施の形態における表示部は、教示操作盤に配置された表示パネルまたはシミュレーション装置に配置された表示パネルである。表示部は、例えば、タブレット端末の表示パネルにて構成されていても構わない。または、表示部は、パーソナルコンピュータに配置された表示パネルにて構成されていても構わない。更には、表示部は、拡張現実の画像を生成するコンピュータに配置されていても構わない。拡張現実の画像としては、例えば、タブレット端末にて撮像されたロボット装置の画像に外力の許容値を表示することができる。または、現在の外力の目標値が外力の許容値以下になる作用点の位置の領域を、実際に撮像したロボット装置の画像に重ねて表示することができる。

本実施の形態のシミュレーション装置の処理部は、ロボットの制御装置とは別の演算処理装置にて構成されているが、この形態に限られない。ロボットの制御装置がシミュレーション装置の機能を有していても構わない。すなわち、制御装置の演算処理装置のプロセッサがシミュレーション装置の処理部の機能を有していても構わない。更には、教示操作盤がプロセッサを有する演算処理装置を含む場合には、教示操作盤がシミュレーション装置の機能を有していても構わない。すなわち、教示操作盤のプロセッサがシミュレーション装置の処理部として機能しても構わない。

本実施の形態においては、外力が作用する作用点がワークに設定されているが、この形態に限られず、作用点は、ロボットまたは作業ツールにおける任意の位置に設定することができる。この場合にも、計算装置は、作用点において作用方向に作用する外力の許容値を算出することができる。

また、本実施の形態においては、力検出器として６軸の力覚センサが手首部に配置されているが、この形態に限られない。力検出器は、作用点に作用する外力を検出可能な任意のセンサを採用することができる。例えば、ロボットの手首部に取り付けられた力覚センサの代わりに、ロボットの関節部にトルクセンサが配置されていても構わない。複数のトルクセンサは、ロボットの複数の関節部の駆動軸に配置される。それぞれのトルクセンサは、関節部の駆動軸の周りのトルクを検出する。または、力覚センサがロボットのベース部に配置されていても構わない。

上記の実施の形態では、円柱状のワークを嵌合する制御を示しているが、任意の形状のワークに本実施の形態の制御を適用することができる。また、本実施の形態では、一つのワークを他のワークに嵌合する制御を例示しているが、この形態に限られない。本実施の形態の制御装置およびシミュレーション装置は、一つのワークが他の物体に接触する作業を行うロボット装置に適用することができる。また、嵌合を行う作業としては、凹部または穴部にワークを挿入する作業に限られない。例えば、ギヤの歯の位相を合わせながらギヤを所定の位置に配置する作業が含まれる。

上述のそれぞれの制御においては、機能および作用が変更されない範囲において適宜ステップの順序を変更することができる。上記の実施の形態は、適宜組み合わせることができる。上述のそれぞれの図において、同一または相等する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、請求の範囲に示される実施の形態の変更が含まれている。

１ ロボット
２ ハンド
４ 制御装置
６ シミュレーション装置
１１ 上部アーム
１２ 下部アーム
１３ 旋回ベース
１４ ベース部
１５ 手首部
１８ａ，１８ｂ，１８ｃ 関節部
２４ 力覚センサ
３７ 教示操作盤
３９，６２ 表示部
４０ 制御装置本体
４３ 動作制御部
５１，６４ 処理部
５４ 許容力算出部
５５ 可動範囲算出部
７１，７２ ワーク
７３ ワーク先端点
８１，８２ 画像
７４Ｍ 矢印
８７Ｍ 領域

Claims (9)

1. ロボット、ワーク、または作業ツールに対して作用することが許容される外力の許容値を算出する処理部を備え、
   ロボットの構成部材に対して加えることができる負荷の許容値が予め定められており、
   前記処理部は、ロボットの位置および姿勢、外力が作用する作用点の位置、ロボットの構成部材の負荷の許容値に基づいて、外力が作用する作用方向における外力の許容値を算出する、計算装置。
2. ロボットの画像を表示する表示部を備え、
   前記表示部は、前記処理部にて算出された外力の許容値をロボットの画像に重ねて表示する、請求項１に記載の計算装置。
3. ロボットの画像を表示する表示部を備え、
   作用点において予め定められた前記作用方向に作用する外力の目標値が予め定められており、
   前記処理部は、ロボットの位置および姿勢が変化した時に現在の目標値が外力の許容値以下になる作用点の位置の領域を算出し、
   前記表示部は、現在の目標値が外力の許容値以下になる作用点の位置の領域をロボットの画像に重ねて表示する、請求項１に記載の計算装置。
4. 前記表示部は、タブレット端末、パーソナルコンピュータ、ロボットの動作を手動で操作する教示操作盤、または拡張現実の画像を生成するコンピュータのいずれかに配置されている、請求項２または３に記載の計算装置。
5. 請求項１に記載の計算装置と、
   ロボットの動作を制御する動作制御部とを備える、ロボットの制御装置。
6. 作用点に作用する外力を検出する力検出器を備え、
   前記動作制御部は、作用点に作用する外力が許容値以下になるようにロボットの動作を制御する、請求項５に記載のロボットの制御装置。
7. 作用点に作用する外力を検出する力検出器を備え、
   前記動作制御部は、作用点において予め定められた作用方向に作用する外力が予め定められた目標値になるようにロボットの動作を制御し、
   前記処理部は、前記作用方向における外力の許容値を算出する、請求項５に記載のロボットの制御装置。
8. 作業者が外力の目標値を設定する時に、外力の目標値が外力の許容値を超えている場合に作業者に知らせるための警告を発生する、請求項７に記載のロボットの制御装置。
9. 前記動作制御部は、ロボットを駆動している期間中に外力の目標値が外力の許容値を超えた場合にロボットを停止させる、請求項５から８のいずれか一項に記載のロボットの制御装置。

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