WO2010064353A1

WO2010064353A1 - ロボットアームの制御方法

Info

Publication number: WO2010064353A1
Application number: PCT/JP2009/005225
Authority: WO
Inventors: 中島陵; 藤井玄徳
Original assignee: 本田技研工業株式会社
Priority date: 2008-12-05
Filing date: 2009-10-07
Publication date: 2010-06-10
Also published as: CN102300680A; US20110301758A1; JP2010131711A

Abstract

【課題】　ティーチングプレイバック制御による動作中にフィードバック制御に切り替えた時に、ロボットのアームの振動が抑制されるロボットアームの制御方法を提供する。【解決手段】　制御部のコントロール部に格納されたプログラムの指示でティーチングプレイバック制御を実行して予め決まった経路に沿ってロボットアームを動かすステップと、アームに設けたワーク認識手段によってワークの有無を認識するステップと、ワークを認識すると同時に前記コントロール部のプログラムをティーチングプレイバック制御から非接触型インピーダンス制御法によるフィードバック制御に切り替え、ワークに追従してロボットアームを動かすステップとからなる制御方法でロボットアームを動作させる。非接触型インピーダンス制御法を用いたことにより、制御切り替え時のロボットアームの振動が抑制される。

Description

ロボットアームの制御方法

　本発明は、工業製品の製造工程でねじ締めなどの作業を作業対象物に対して行う産業用ロボットの制御方法のうち、特にロボットアームの位置制御方法に関する。

　従来、自動車など生産ラインにおいて、多関節ロボットの手先にねじ締め装置などのエンドエフェクタを取り付け、作業対象物（ワーク）に対しねじ締めなどの作業を自動的に行うことが行われている。

　実際の作業においては、生産ライン上でのワーク搬送の停止精度やワークを生産ライン上で搬送するためのワークパレットの個体差などにより、ワークの位置に誤差が生ずるため、作業前にロボットとワークの相対位置の補正が行われる。例えば、特許文献１や特許文献２に開示されるように、教示により規定された位置までロボットが移動して一旦停止し、規定位置でカメラによりワークの基準点を認識し、次いで、ロボットとワークの位置情報から正常位置からのずれを計算し、相対位置が正常なものとなるようにロボットの位置補正動作が為される。

　より具体的には、特許文献１および２には、教示により規定された位置までロボットが移動した後、ロボットの手首やアームに取り付けられたカメラによりロボットとワークの位置ずれ量を求め、求めたずれ量からロボットシステムの移動補正量を算出して、位置補正を行う制御方法が開示されている。

　以上、このようなロボットでは、前記規定位置までは、事前のロボットへの教示した動作を再現するティーチングプレイバックによる制御が行われ、続く位置補正段階ではロボットとワークの位置情報に従ったフィードバック制御が行われる。なお、フィードバック制御としてはＰＩＤ制御法が広く用いられる。

特開平８－１７４４５７号公報特開２００１－２４６５８２号公報

　生産ラインにおいては、効率化のため時間短縮の試みが行われる。ここで、特許文献１および特許文献２に開示されるような、規定位置までロボットが移動して一旦停止し、この位置でワークの基準点を認識し、ロボットとワークの位置情報から正常位置からのずれを計算して位置補正動作を行う方法では、ロボットを一旦停止する分、位置補正終了までの時間が掛かるという問題がある。

そこで、発明者らはロボットのワークに対する位置補正終了までの時間を短縮すべく、教示によるティーチングプレイバック制御での動作中にワークを認識すると、位置補正動作に移る前にロボットが一旦停止することなく、直ちにフィードバック制御に切り替えて位置補正動作を行なうというロボットの制御方法を検討した。すなわち、ティーチングプレイバック制御による動作中にカメラで常にワークの有無を確認しながら、ワークを認識すると直ちにフィードバック制御に切り替え、次いでワークの基準点に対するロボットの位置のずれをカメラで常に確認しながら位置補正動作を行うという制御方法である。

しかし、上記フィードバック制御としてＰＩＤ制御法を採用し、ティーチングプレイバック制御から突如ＰＩＤ制御に切り替えると、教示されている動作から動作方向が急に変化するため、ロボットのアームに不要な振動が生ずる場合がある。ロボットに振動が生ずると、位置補正の精度が低下する他、エンドエフェクタで把持したネジなどのパーツを落としたり、ロボットの関節の寿命が短くなったりする虞がある。一方、振動を抑制しようとすると、アームを作業位置に収束させる時間、すなわち位置補正時間が長くなり、所望の時間短縮が図れない。

ここで、ティーチングプレイバック制御を行なわず、ロボットの動作を最初からフィードバック制御としておくことも考えられるが、実際の生産作業では作業環境やカメラの視野角の問題から、常にカメラでワークを捉えておくことは困難である。

　本発明は、ティーチングプレイバック制御による動作中にフィードバック制御に切り替えた時に、ロボットのアームの振動が抑制され、もって位置補正に要する時間が短縮されるロボットの制御方法を提供することを目的とする。

　上記の課題を解決するため本発明は、先端にエンドエフェクタを備えたロボットアームの制御方法であって、制御部のコントロール部に格納されたプログラムの指示でティーチングプレイバック制御を実行して予め決まった経路に沿ってロボットアームを動かすステップと、アームに設けたワーク認識手段によってワークの有無を認識するステップと、ワークを認識すると同時に前記コントロール部のプログラムをティーチングプレイバック制御から非接触型インピーダンス制御法によるフィードバック制御に切り替え、ワークに追従してロボットアームを動かすステップとからなることを特徴とする。

　さらに本発明は、前記ワーク認識手段がカメラであって、前記ワークの認識が撮影された画像に基づいて行われることを特徴とする。

　本発明では、ティーチングプレイバック制御からフィードバック制御への切り替えにおいて、フィードバック制御として非接触型インピーダンス制御法を用いる。これにより、前記制御切り替え時の振動が抑制され、時間短縮効果を得ることができる。

本発明に係るロボットのシステム構成図本発明に係るロボット制御のフローチャート本発明に係る制御プログラムのフローチャート本発明に係る非接触型インピーダンス制御法を用いた実測データ例ＰＩＤ制御法を用いた実測データ例

　以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施の形態を示すロボットのシステム構成図である。ワークＷは所定位置に静止しており、ロボットシステムＲはワークＷとは離れた位置にある。

　前記ロボットシステムＲは、ロボットベース６に旋回可能に取り付けられた多関節のロボットアーム１、ロボットアーム１の先端に取り付けられたエンドエフェクタ２、およびエンドエフェクタ２近傍に配されたワーク認識手段であるワーク検出用のカメラ３、並びに画像処理部４およびコントロール部５からなる制御部で構成されている。ロボットアーム１と制御部は接続されており、ロボットアーム１は前記制御部からの信号に基づいて動作を行う。

　前記制御部のコントロール部５にはプログラムが格納されている。このプログラムは、カメラ３でワークＷの有無を認識しながらティーチングプレイバック制御で予め決まった経路に沿ってロボットアームを動作させるステップと、カメラ３でワークＷを認識するとティーチングプレイバック制御からフィードバック制御に切り替えるステップと、カメラ３でワークＷに対するエンドエフェクタ２の相対位置を確認しながらフィードバック制御によりロボットアーム１を動作させるステップからなる。

　ここで、本発明に係るロボットアームの動作について説明する。まず、コントロール部からの信号によりロボットアーム１はまずティーチングプレイバック制御により教示された経路に従って移動する。このときのティーチングプレイバック制御は位置制御である。また、ロボットアーム１の移動中にカメラ３により画像が取得され、該画像におけるワークＷの有無が随時認識される。そしてワークＷが該画像内に無い場合、引き続き教示された経路に従って移動する。画像内のワークＷの有無の認識には、予め画像処理部４に記憶させた画像と前記取得した画像を比較するパターンマッチング法を用いることができる。

　そして、カメラ３が取得した画像によりワークＷが認識されると、制御が非接触型インピーダンス制御法によるフィードバック制御に切り替わる。フィードバック制御では、ワークＷに対するエンドエフェクタ２の位置に基づく制御が行われる。具体的には、カメラ３で取得した画像による画像空間の座標を用いてエンドエフェクタ２の位置を画像処理部４で算出し、エンドエフェクタ２のワークＷに対する目標位置（基準点）に向けてエンドエフェクタ２の位置を補正するようロボットアーム１を移動させる。ここで前記画像空間の座標原点は、エンドエフェクタ２のワークＷに対する目標位置とすることができる。

　前記フィードバック制御によるステップにおいても、カメラ３により随時画像の取得が行われる。そして、エンドエフェクタ２の位置と前記目標位置とのずれを検出し、前記ずれが無くなるまでロボットアーム１の移動がなされる。

　なお前記ワーク認識手段は本実施の形態のカメラ３に限らず、レーザーセンサや超音波センサなど非接触によりワークに対するエンドエフェクタの位置情報が認識できるものであれば使用することが可能であるが、ワーク形状の把握が容易であるため、カメラであることが好ましい。

　図２は、本発明に係るロボットアーム制御のフローチャートである。本発明においては、ステップＳ０１でコントロール部５のプログラムが開始されると、ステップＳ０２でまず予めオンラインあるいはオフラインによりロボットに教示された動作（移動計画）に基づいたティーチングプレイバック制御によるロボットアーム１の動作が開始される。

　次いでステップＳ０３にてカメラ３で画像を取り込み、ステップＳ０４にて予め記憶しておいたワークＷを検出したかどうかを制御部で判断する。ここでカメラ３によりワークＷが検出されなかった場合、ステップＳ０２に戻り、再び教示された動作を継続する。

　ステップＳ０４にてカメラ３によりワークＷが検出されると、ステップＳ０５にて制御部が制御方式を非接触型インピーダンス制御法によるフィードバック制御に切り替える。そして、ステップＳ０６にてカメラ３による画像取得が行われ、ステップＳ０７にてエンドエフェクタ２の位置が目標位置であるかどうかの判断を行い、目標位置からずれている場合はステップＳ０８でフィードバック制御により目標位置への位置補正動作がなされる。

　ステップＳ０７において、エンドエフェクタが目標位置に位置する場合は、ステップＳ０９にてフィードバック制御は終了し、ワークＷへの作業が為される。

　ここで、上記フィードバック制御で用いられる非接触型インピーダンス制御法について説明する。インピーダンス制御法とは、ロボットのエンドエフェクタでの望ましいインピーダンスを、以下の数式１にて実現しようとするものである。

　ここで、Ｍｄ、Ｄｄ、Ｋｄはそれぞれ仮想質量、仮想粘性、仮想弾性であり、x 、 xｄはロボットのエンドエフェクタの位置および目標位置、Ｆはロボットエンドのエフェクタにかかる外力である。なお、仮想弾性、仮想粘性、仮想質量は望む動特性が得られるよう制御部のソフトウェア上で設定される。

　従来のインピーダンス制御法では、ロボットのエンドエフェクタに供えたセンサで外力を計測し、その値を制御部にフィードバックし、望ましい動特性が得られるようにする接触型のインピーダンス制御法であった。

　一方、ワークに対する作業前にエンドエフェクタの位置を制御する場合は、ワークとエンドエフェクタとを直接接触させることはできない。そこで、本発明ではロボットがワークＷに接触する代わりに、ワーク認識手段（カメラ３）によりロボットのエンドエフェクタ２の位置とワークＷの目標位置との差分を計測し、このエンドエフェクタ２がワークＷと仮想的に接触したものとして仮想外力を与え、望ましい動特性が得られるよう制御を行う非接触型インピーダンス制御法を採用している。すなわち、前記差分がエンドエフェクタ２とワークＷとの仮想接触量となる。

　具体的には、画像空間の目標位置に対するエンドエフェクタの位置の差分に所定の定数を掛けたものをエンドエフェクタ２への仮想外力の大きさとし、その他のインピーダンスパラメータ（仮想質量・仮想粘性・仮想弾性）を設定することによってロボットアーム１の制御を行う。すなわち、画像空間の座標でｘ軸方向について数式１を適用すると（ここで、目標位置を画像空間座標の原点としｄ＝０とする）、仮想外力は次のように表される。

従って、数式１は次のように変形できる。

ここで速度にはエンドエフェクタのｘ軸方向の実際の速度を計測して与え、上式の加速度が目標とする値となるように、つまりロボットアーム１に振動を生じさせないようにインピーダンスパラメータを設定する。
　なお、本実施の形態では、仮想外力Ｆとしてエンドエフェクタ２の位置と目標位置の差分に定数係数を掛けて算出したが、この他前記差分を変数とする関数とすることができる。
また、前記のインピーダンスパラメータは事前のテストにより予め設定されている数値を用いることができる他、フィードバック制御による動作中のエンドエフェクタ２の運動状態に従って可変させることも可能である。

　図３は、非接触型インピーダンス制御のフローチャートを示している。ステップＰ０１（前記ステップＳ０５）で非接触型インピーダンス制御法によるフィードバック制御プログラムが開始されると、ステップＰ０２でエンドエフェクタ２の速度がロボットアーム１の動作からコントロール部５で計算され、ステップＰ０３でカメラ３によりワークＷの画像が取得される。

　次いでステップＰ０４にて、取得した画像に基づいて、ワークＷの目標位置に対するロボットのエンドエフェクタ２の位置を画面上（画像空間）の座標を画像処理部４で算出する。ステップＰ０５では算出したエンドエフェクタ２の位置が目標位置であるかどうかの判断を行い、目標位置である場合は、ステップＰ０７にて非接触型インピーダンス制御法によるフィードバック制御が終了し、ワークＷへの作業が為される。

　ステップＰ０５における判断でエンドエフェクタ２と目標位置の間にずれが存在する場合は、ステップＰ０６にて前記算出したエンドエフェクタ２の位置による仮想外力Ｆと前記計算したエンドエフェクタ２の速度を与えて、数式１に基づきロボットアーム１の動作を制御する。そして、再びステップＰ０２に戻りステップＰ０４でエンドエフェクタ２の位置が前記目標位置となるまで、これらのステップを繰り返す。

　以下、上述のようにティーチングプレイバック制御からフィードバック制御に切り替えてロボットアームを動作させたものにおいて、フィードバック制御として非接触型インピーダンス制御法とＰＩＤ制御法を用いた場合の実験結果を示す。　

　図４は、フィードバック制御として非接触型インピーダンス制御法を用いた場合のエンドエフェクタの移動速度の位置の実測データ例を示している。時間０よりティーチングプレイバック制御によりロボットアームが動作を開始した後、移動速度が一定値まで上昇し、その後減速途中のタイミングｔ１にてカメラによりワークが認識され非接触型インピーダンス制御法よるフィードバック制御に切り替わったものである。非接触型インピーダンス制御法を用いた本例では、エンドエフェクタはタイミングｔ２で目標位置に到達した。また、タイミングｔ１以後のエンドエフェクタ２の移動速度と位置のグラフを見ても振動はほとんど生じておらず、比較的滑らかに移動していることが分かる。

　図５は、フィードバック制御としてＰＩＤ制御を用いた他は、上記実施例と同様にしてロボットアームを動作させたときのエンドエフェクタの移動速度と位置の実測データ例を示している。時間０よりティーチングプレイバック制御によりロボットアームが移動を開始した後、タイミングｔ１にてカメラがワークを認識してＰＩＤ制御に切り替わったものである。なお、図５中の軸のスケールは、図４と同じである。

　ＰＩＤ制御を用いた本例では、タイミングｔ１以後の移動速度と位置のグラフを見ると、ｔ１の直後にピークが見られ、制御切り替え直後にアームに振動が生じてしまっていることが分かる。また、エンドエフェクタの目標位置への到達は、タイミングｔ２よりも遅れたタイミングｔ３まで掛かった。

　すなわち、ＰＩＤ制御においては、ＰＩＤ制御に切り替わった後、振動が生じ（グラフ上のピーク）、さらに制御切り替え後の収束時間（位置補正時間）も長い。一方、本発明による視覚フィードバック制御では、振動は生じておらず、収束時間も比較例に比べ短くきるものである。

　１…ロボットアーム、２…エンドエフェクタ、３…カメラ、４…画像処理部、５…コントロール部、６…ロボットベース

Claims

先端にエンドエフェクタを備えたロボットアームの制御方法であって、制御部のコントロール部に格納されたプログラムの指示でティーチングプレイバック制御を実行して予め決まった経路に沿ってロボットアームを動かすステップと、アームに設けたワーク認識手段によってワークの有無を認識するステップと、ワークを認識すると同時に前記コントロール部のプログラムをティーチングプレイバック制御から非接触型インピーダンス制御法によるフィードバック制御に切り替え、ワークに追従してロボットアームを動かすステップとからなることを特徴とするロボットアームの制御方法。
請求項１に記載のロボットアームの制御方法において、前記ワーク認識手段がカメラであって、前記ワークの認識は撮影された画像に基づいて行われることを特徴とするロボットアームの制御方法。