JP6619395B2 - ロボットシステムおよびロボットの教示方法 - Google Patents

Description

本発明は、ロボットシステムおよびロボットの教示方法に関するものである。

ロボットが直動外部軸上を移動可能に構成されたシステムにおいて、外部からロボットの手先に付与された外力を検知してそのパターンを判定し、ダイレクトティーチ制御の制御対象をロボットと直動外部軸とで切り替える技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特許第４９６２４２４号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、手先に加えられる外力のパターンによって、ロボットが、全体として制御対象となったりならなかったりするに過ぎない。実際の教示作業においては、ロボットを全体として動作させるのみならず、種々の動作モードでの動作が必要となるが、特許文献１の技術ではその要求に応えることができないという不都合がある。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、ロボットに直接外力を付与して手動で動かすリードスルー教示において、ロボットの種々の動作モードを簡易に切り替えて教示することができるロボットシステムおよびロボットの教示方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の一態様は、付与された外力を検出する１以上のセンサを備えるロボットと、該ロボットを制御する制御装置とを備え、該制御装置が、前記センサにより検出された外力の位置および態様に応じてリードスルー教示を行う際の前記ロボットを動作させる動作モードを切り替えるロボットシステムを提供する。

本態様によれば、リードスルー教示を行う際に、作業者が予め定められた態様で、ロボットの予め定められた位置に外力を加えると、該外力がセンサにより検出され、検出された外力の位置および態様に応じて、制御装置によりロボットの動作モードが切り替えられる。ロボットの動作モードとしては、手首部のみの手動動作を可能とし他の軸を固定する動作モード、手首部先端の姿勢を一定に維持して全ての軸を連動させる動作モード等を挙げることができる。

作業者が予め定められた態様で外力を加えることにより、連続して加えてロボットを手動で動作させるリードスルー教示時の外力から、動作モードを変更するための外力を区別することができる。また、外力を付与した位置に応じて動作モードを切り替えることにより、リードスルー教示時にロボットを動作させる複数の動作モードを切り替えることができる。

上記態様においては、前記センサが、前記ロボットに付与された前記外力の大きさと、所定の軸回りのモーメントとを検出し、前記制御装置が、前記センサにより検出された前記外力の大きさとモーメントとから前記外力が付与された位置を算出してもよい。
このようにすることで、センサにより、外力を加えたときに所定の軸回りのモーメントと、外力の大きさとが検出され、軸から外力が付与された位置までの距離を容易に算出することができる。これにより、外力が付与された位置を精度よく算出して、動作モードを精度よく切り替えることができる。

また、上記態様においては、前記外力の態様が、所定時間内における所定の接触回数により設定されていてもよい。
このようにすることで、所定時間内における複数回にわたる外力の付与は、通常のリードスルー教示時には行われないので、動作モードを変更するための外力を通常のリードスルー教示時に入力される外力から明確に区別することができる。

また、上記態様においては、前記ロボットが、手首部と、該手首部の３次元的な位置を決定する基本軸部とを備え、前記外力が前記基本軸部周辺に付与された場合と、前記外力が前記手首部周辺に付与された場合とで前記ロボットの前記動作モードを切り替えてもよい。

このようにすることで、外力が手首部周辺に加えられたか基本軸部周辺に加えられたかによって切り替える動作モードを異ならせることができる。上述したように、動作モードは手首部とそれ以外の軸とで動作を切り分けることが多く、手首部周辺に外力を付与したときには、手首部を手動で動作させて基本軸部の動作を制限し、基本軸部周辺に外力を付与したときには、基本軸部を手動で動作させて手首部の動作を制限する等のように、外力を加える位置とリードスルー教示に際して動作させたい軸とを対応させ、より直感的に操作することができる。

また、上記態様においては、前記制御装置が座標系を切り替えて前記ロボットを制御可能であり、設定されている前記座標系に応じて、前記動作モードを異ならせてもよい。
このようにすることで、ロボットに対して固定された座標系か、ロボットと共に移動する座標系か等によって動作モードを異ならせることができる。例えば、手首部先端に固定されたツール座標系の場合、ツール先端点を固定して各軸を動作させる動作モードかツールの姿勢を固定して各軸を動作させる動作モードかを切り替えることができる。

また、上記態様においては、前記センサが前記ロボットの表面に配置された接触センサであってもよい。
このようにすることで、付与された外力の位置および態様を接触センサによって直接的に検出することができ、動作モードを簡易に切り替えることができる。

また、本発明の他の態様は、ロボットに付与された外力の位置および態様を検出し、検出された外力の位置および態様に応じてリードスルー教示を行う際のロボットを動作させる動作モードを切り替えるロボットの教示方法を提供する。

本発明によれば、ロボットに直接外力を付与して手動で動かすリードスルー教示において、ロボットの種々の動作モードを簡易に切り替えて教示することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係るロボットシステムを示す全体構成図である。 図１のロボットシステムのロボットに加えられる外力の一例とその位置との関係を示す概略的な平面図である。 図１のロボットシステムを用いた、本発明の一実施形態に係るロボットの教示方法を示すフローチャートである。

本発明の一実施形態に係るロボットシステム１およびロボットの教示方法について、図面を参照しながら以下に説明する。
本実施形態に係るロボットシステム１は、図１に示されるように、６軸多関節型のロボット２と、該ロボット２を制御する制御装置３とを備えている。

ロボット２は、床面に固定されるベース４と、該ベース４に対して鉛直な第１軸線Ｌまわりに旋回可能に支持された旋回胴５と、該旋回胴５に対して水平な第２軸線Ｍ回りに揺動可能に支持された第１アーム６と、該第１アーム６の先端に第２軸線Ｍに平行な第３軸線Ｎ回りに揺動可能に支持された第２アーム７と、該第２アーム７の先端に設けられた手首（手首部）８とを備えている。ベース４、旋回胴５、第１アーム６および第２アーム７により手首８の３次元的な位置を決定する基本軸部９が構成されている。
ベース４と旋回胴５との間には、力とモーメントとを検出する６軸力センサ（センサ）１０が配置されている。

制御装置３は、作業者がロボット２に直接外力を付与して手動で動かすリードスルー教示モードを選択することを可能とし、リードスルー教示モードが選択された場合には、手動で動作させた各位置における教示操作によって、ロボット２の各軸の位置情報を順次記憶することにより、簡易に動作プログラムを教示することができるようになっている。

この場合において、リードスルー教示モードが選択された初期状態では、作業者から付与される外力の大きさおよび方向に従って、基本軸部９および手首８の各軸を、動作範囲の制限内において自由に動作させることができる動作モードに設定されている。
そして、制御装置３は、作業者が所定の態様の外力を所定の位置に付与したことが６軸力センサ１０によって検出された場合には、検出された外力の位置および態様に応じて動作モードを切り替えるようになっている。

具体的には、外力の所定の態様としては、所定時間（例えば、０．５秒あるいは１秒）以内の時間間隔で２回叩く（ダブルタップ）操作等を挙げることができる。
そして、外力の所定の位置としては、図１に示されるように、ロボット２の手首８周辺の位置（図１における符号Ａ）またはロボット２の基本軸部９周辺の位置（図１における符号Ｂ）を挙げることができる。

そして、本実施形態においては、制御装置３は、作業者により位置Ａがダブルタップされたことが６軸力センサ１０により検出された場合には、その後のリードスルー教示については手首８のみを動作可能とし、他の軸（基本軸部９）を固定した状態に維持するようになっている。
また、制御装置３は、作業者により位置Ｂがダブルタップされたことが６軸力センサ１０により検出された場合には、その後のリードスルー教示については手首８先端（すなわち、手首８先端に取り付けたツール等）の姿勢を固定したまま、各軸を動作させるようになっている。

上述したようにセンサとして６軸力センサ１０を使用した場合には、外力がロボット２のどの位置に加えられたかを直接特定することはできないが、以下の計算により求めることができる。まず、ロボット２を上方から見た図２に示されるように、外力Ｆが付与されたときに、６軸力センサ１０によりＸ軸方向の外力Ｆｘを得る。

次いで、第１軸線Ｌ回りのモーメントＭｚを外力Ｆｘで除算した値（Ｍｚ／Ｆｘ）が外力Ｆの作用点までの第１軸線Ｌからの距離Ｒに相当するので外力Ｆの作用位置を特定することができる。図２において、外力Ｆｘは紙面に平行な力であり、モーメントＭｚは紙面に直交する第１軸線Ｌ回りのモーメントである。

上記処理により、作業者によりロボット２に付与された外力が、手首８に付与されたのか基本軸部９に付与されたのかを区別することができる。
したがって、制御装置３は、６軸力センサ１０により検出された外力の態様がダブルタップであり、かつ、６軸力センサ１０により検出された外力の位置が、手首８に相当する場合（例えば、Ｒ＞閾値）には、基本軸部９を固定し、手首８のみを手動で動作させることができる動作モードに切り替えるようになっている。

一方、６軸力センサ１０により検出された外力の態様がダブルタップであり、かつ、６軸力センサ１０により検出された外力の位置が、基本軸部９に相当する場合（例えば、Ｒ≦閾値）には、手首８先端の姿勢を一定に維持したまま、基本軸部９を手動で動作させることができる動作モードに切り替えるようになっている。
また、６軸力センサ１０により検出された外力の態様がダブルタップではない場合には、動作モードを切り替えることなく、外力に従って各軸を動作させるようになっている。

このように構成された本実施形態に係るロボットシステム１を用いたロボット２の教示方法について、図３を参照して以下に説明する。
本実施形態に係るロボットシステム１においては、動作プログラムを教示する際に、初期状態では、ロボット２の全ての軸が指令に従って動作させられる動作モード（基準動作モード）が設定される（ステップＳ１）。そして、リードスルー教示モードが選択されたか否かが判定され（ステップＳ２）と、選択されていない場合には、教示操作盤（図示略）等を用いた通常の教示モードに設定される（ステップＳ３）。

リードスルー教示モードが選択された場合には、作業者がロボット２に直接外力を付与してロボット２を動作させ、所望の教示点まで移動させることができるようになる。
この状態で、作業者が、ロボット２の所定の位置をダブルタップしたか否かが判定され（ステップＳ４）、ダブルタップしたときには、６軸力センサ１０によって検出された外力の大きさおよびモーメントの大きさにより、外力が付与された位置の第１軸線Ｌからの距離Ｒが算出され（ステップＳ５）、距離Ｒが所定の閾値より大きいか否かが判定される（ステップＳ６）。

そして、判定の結果、距離Ｒが閾値より大きい場合には、外力が付与された位置が手首８であるため、基本軸部９が固定されて手首８のみが外力に従って動作する動作モード（第１動作モード）に切り替えられる（ステップＳ７）。一方、判定の結果、距離Ｒが閾値以下である場合には、外力が付与された位置が基本軸部９であるため、手首８先端の姿勢が固定されたまま、外力に従って各軸が動作する動作モード（第２動作モード）に切り替えられる（ステップＳ８）。

この状態で、教示操作が行われ（ステップＳ９）、逐次教示が終了したか否かが判定される（ステップＳ１０）。教示操作が終了していない場合には、ステップＳ２からの工程が繰り返される。また、ステップＳ４においてダブルタップしていないとき、および通常の教示モードに設定されたとき（ステップＳ３）にも教示操作が行われる（ステップＳ９）。

このように本実施形態に係るロボットシステム１およびロボット２の教示方法によれば、６軸力センサ１０により検出される外力が所定の態様、すなわち所定時間内の２回の外力によるダブルタップである場合に、リードスルー教示においてロボット２を移動させるために付与する外力と区別して、その態様の外力が、ロボット２の動作モードを切り替えるための指令であることを明確に認識することができる。

そして、外力が付与された位置に応じて異なる動作モードに切り替えるので、リードスルー教示に適した動作モードに切り替えて、教示の容易性を向上することができる。この場合において、作業者が手首８近傍においてロボット２にダブルタップを行った場合には、基本軸部９が固定され、手首８のみが外力に従って自由に動作する動作モードに切り替えることができる。また、作業者が基本軸部９近傍においてロボット２にダブルタップを行った場合には、手首８の姿勢を固定した状態で各軸が動作する動作モードに切り替えることができる。

すなわち、ロボット２に加えた外力をロボット２に備えられている６軸力センサ１０によって検出して動作モードを切り替えるので、動作モードの切替のための特別なハードウェア（スイッチ等）が不要であるという利点がある。また、手首８のみを自由に動かしたい動作モードに切り替える場合には、手首８近傍を、手首８先端の姿勢を固定して動作させたい動作モードに切り替える場合には、基本軸部近傍をダブルタップすることによりそれぞれの動作モードに切り替わるので、作業者は、より直感的に動作モードを切り替えることができるという利点がある。

なお、本実施形態においては、手首８のみを自由に動かしたい動作モードに切り替える場合には、手首８近傍を、手首８先端の姿勢を固定して動作させたい動作モードに切り替える場合には、基本軸部９近傍をダブルタップすることとしたが、これに代えて、他の動作モードに切り替えることにしてもよい。
例えば、リードスルー教示時に設定されている座標系がロボット２のベース４に対して固定されたワールド座標系あるいは、ロボット２が作業するワークに対して固定されたワーク座標系である場合には、上記の動作モードの切替を行い、座標系が、ロボット２の手首８先端に取り付けたツールに固定されたツール座標系である場合には、以下のように切り替えてもよい。

すなわち、ツール座標系が設定されている場合には、手首８近傍をダブルタップすることにより、ツール先端点（ＴＣＰ）を固定して各軸を動作させる動作モードに切り替え、基本軸部９近傍をダブルタップすることにより、ツール（手首部：図示略）の姿勢を固定したままで各軸を動作させる動作モードに切り替えることにしてもよい。

また、本実施形態においては、外力の所定の態様として、外力が所定時間内に２回付与された場合、すなわち、ダブルタップされた場合を例示したが、これに限定されるものではなく、２回以上の任意の回数だけ付与された場合を採用してもよい。また、所定時間内に付与される外力の回数毎に、異なる動作モードが選択されるようにしてもよい。

また、本実施形態においては、外力の付与される位置として、手首８近傍と基本軸部９近傍とを例示したが、これに限定されるものではなく、他の任意の位置を採用してもよい。また、動作モードを切り替えるための外力の態様として、Ｘ軸方向に成分を有する外力を付与する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、他の任意の方向に成分を有する外力を付与することにしてもよいし、外力の方向によって切り替える動作モードを異ならせてもよい。

また、本実施形態においては、ベース４と旋回胴５との間に配置した６軸力センサ１０により、３つの軸方向に沿う外力と３つの軸線Ｌ，Ｍ，Ｎ回りのモーメントとを検出することとしたが、これに代えて、各軸にトルクセンサを配置することにしてもよい。
例えば、作業者が第１アーム６をダブルタップすると、第２軸線Ｍのトルクセンサによりトルクが検出されるが、第３軸線Ｎのトルクセンサによってはトルクが検出されない。一方、作業者が第２アーム７をダブルタップしたときには、第３軸線Ｎのトルクセンサによりトルクが検出されるとともに第２軸線Ｍのトルクセンサによってはトルクが検出されない。これにより、外力が付与された位置を複数のトルクセンサの出力の組合せに基づいて検出することができる。

また、６軸力センサ１０あるいはトルクセンサによって外力の位置を検出することとしたが、これに代えて、ロボット２の表面に接触センサを配置し、外力が付与された位置および外力の態様を接触センサによって直接検出することにしてもよい。

また、ダブルタップされた場合に、ダブルタップされた位置に対応するロボット２の動作モードに切り替える例を説明したが、一の動作モードから他の動作モードへの切替後に、再度、同様の位置にダブルタップが行われた場合に、１つ前の動作モードに戻すように動作モードを切り替えてもよい。また、同一の位置に３以上の動作モードが順序とともに対応づけられていて、ダブルタップをする都度に、順序に従って動作モードが入れ替わるように切り替えられることとしてもよい。

１ ロボットシステム
２ ロボット
３ 制御装置
８ 手首（手首部）
９ 基本軸部
１０ ６軸力センサ（センサ）
Ｌ 第１軸線Ｌ

Claims (7)

1. 付与された外力を検出する１以上のセンサを備えるロボットと、
   該ロボットを制御する制御装置とを備え、
   該制御装置が、前記センサにより検出された外力の位置および態様に応じてリードスルー教示を行う際の前記ロボットを動作させる動作モードを切り替えるロボットシステム。
2. 前記センサが、前記ロボットに付与された前記外力の大きさと、所定の軸回りのモーメントとを検出し、
   前記制御装置が、前記センサにより検出された前記外力の大きさとモーメントとから前記外力が付与された位置を算出する請求項１に記載のロボットシステム。
3. 前記外力の態様が、所定時間内における所定の接触回数により設定されている請求項１または請求項２に記載のロボットシステム。
4. 前記ロボットが、手首部と、該手首部の３次元的な位置を決定する基本軸部とを備え、
   前記外力が前記基本軸部周辺に付与された場合と、前記外力が前記手首部周辺に付与された場合とで前記ロボットの前記動作モードを切り替える請求項１から請求項３のいずれかに記載のロボットシステム。
5. 前記制御装置が座標系を切り替えて前記ロボットを制御可能であり、設定されている前記座標系に応じて、前記動作モードを異ならせる請求項１から請求項４のいずれかに記載のロボットシステム。
6. 前記センサが前記ロボットの表面に配置された接触センサである請求項１に記載のロボットシステム。
7. ロボットに付与された外力の位置および態様を検出し、
   検出された外力の位置および態様に応じてリードスルー教示を行う際のロボットを動作させる動作モードを切り替えるロボットの教示方法。

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