(57)【要約】【課題】本発明は、本発明の目的は、高速協調ハンドリングしてきた嵌合ワークを滑らかに高速に挿入するための協調ロボットシステムを提供するものである。【解決手段】少なくとも２台のロボット１、２とからなり、力制御されるように力制御手段１４、１５を備えたロボット制御手段９により作業を行うための協調ロボットシステムにおいて、少なくとも２台の前記ロボットの力センサ３、４の信号が、各々の前記ロボットを制御する動作制御手段１２、１３に取り込まれたものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２台のロボットとからなり、力制御されるように力制御手段を備えたロボット制御手段により作業を行うための協調ロボットシステムにおいて、
少なくとも２台の前記ロボットの力センサの信号は、各々の前記ロボットを制御する動作制御手段に取り込まれたことを特徴とする協調ロボットシステム。
【請求項２】
前記作業が勘合作業であって、前記動作制御手段は、ワークの押し当て動作制御手段もしくは、押し込み動作制御手段であることを特徴とする請求項１記載の協調ロボットシステム。
【請求項３】
前記ワークの押し当て動作制御手段および押し込み動作制御手段は、ロボットの力センサの情報をもとにした力制御監視手段を備えたことを特徴とする請求項２記載の協調ロボットシステム。
【請求項４】
前記力制御監視手段は、押し当て力が予め設定された閾値以上になってからの時間を、前記第１力制御手段の制御有効時間として定め制御することを特徴とする請求項３記載の協調ロボットシステム。
【請求項５】
前記ワークを被嵌合ワークに押し当てる動作を制御するための押し当て動作制御手段と、前記第１ロボットと前記第２ロボットが同時に押し込み動作を行う押し込み動作制御手段と、予め設定された条件で前記押し込み動作を終了する押し込み動作完了手段を備えたことを特徴とする請求項２記載の協調ロボットシステム。
【請求項６】
前記力制御監視手段は、動作速度に応じて前記制御有効時間を調整することを特徴とする請求項３記載の協調ロボットシステム。
【請求項７】
前記力制御監視手段は、前記第１ロボットと前記第２ロボットの何れか一方の押し当て力が予め設定された閾値以上になった時点からの時間を制御有効時間として監視することを特徴とする請求項３記載の協調ロボットシステム。
【請求項８】
前記押し当て力が予め設定された前記閾値以上になった時点からの前記制御有効時間を越えた時は、力制御から位置制御に切り替えることを特徴とする請求項３記載の協調ロボットシステム。
【請求項９】
前記押し当て力が予め設定された前記閾値以下の場合は、前記ロボットの前記押し当て力を大きくするように制御されたことを特徴とする請求項３記載の協調ロボットシステム。
【請求項１０】
前記押し当て力の前記閾値と前記制御有効時間は、作業プログラムに記述されて前記動作制御手段および前記押し込み動作制御手段に読み込まれることを特徴とする請求項３記載の協調ロボットシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は部品の組み立て工程で必要とされる嵌合作業を自動化するための技術に関し、更に詳しく言えば、重量物の嵌合作業の自動化に用いられる協調ロボットシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
勘合作業は多くの組立工程に含まれる基本的な作業の一つであり、ロボットを用いた嵌合作業の自動化も既に実施されている。ロボットを用いた嵌合作業においては、一方のワーク（嵌合ワーク）がロボットで把持され、他方のワーク（被嵌合ワーク）の所定部位（通常は凹部）に挿入される。嵌合ワークを把持するロボットには力制御ロボットが用いられることが多い。
力制御されたロボットが嵌合作業に好んで用いられるのは、嵌合ワーク／被嵌合ワーク間の位置姿勢の関係のばらつきを吸収し、挿入動作中の力あるいはモーメントを所定の条件で制御する機能があるからである。しかし、力制御されたロボットを用いても嵌合作業が円滑に行われない場合がある。例えば、被嵌め合いワーク側の凹部の形状・寸法と嵌合ワークの凸部の形状・寸法とが狭小すきまの関係にある場合、両ワークの接触面間の摩擦力が大きな場合、あるいは被嵌合ワークの弾性に抗して挿入動作を遂行しなければならない場合などにおいては、挿入動作時に作用する抵抗力が大きくなり、ロボットによる嵌合ワークの押し付け力が不足する事態が発生しやすくなる。このように、嵌合作業に用いられている従来のロボットシステムにおいては、挿入動作に必要な力は専ら嵌合ワークを把持した単独のロボットに求められていたため、挿入動作で必要と予測される力を確実に上回る力が出力可能なロボットを用意しなければならず、嵌合作業にロボットシステムを導入する際の難点となっていた。
そのような問題を解決するロボットシステムとして、２台のロボットで構成され１台のロボットが勘合作業を行い、他のロボットが作業を補助するものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。従来のロボットシステムは、２台のロボットで構成され、前記ロボットが嵌合ワークを把持し、嵌合部品を把持していない側のロボットが、先端に力センサを介して押しつけツールを装着し、ロボットが前記嵌合ワークを挿入する際に、前記ロボットが前記押しつけツールで押しつけて挿入支援をするものである。
【特許文献１】特開平１０−１２４１２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
協調ロボットシステムを組立ラインに入れて、勘合作業を行う背景には、人手で行うよりも速く、正確に、連続的に行うことができることがあげられる。人手で重量物の勘合作業を行おうとすると、連続して作業をしていくうちに疲れにより集中力が低下するなどで作業効率が低下してくる。このために生産量の多いラインではロボットを適用するのである。人手に変わるロボットには、作業効率ではなくスループットの向上が要求される。
しかしながら、従来の協調ロボットシステムは、スレーブ側のロボットは、単に挿入動作に不足する押し付け力を補うことを主たる目的としており、実際の作業時間短縮を目的としてシステム導入される場合の実情に合わない。つまり、挿入のサポートのためだけでロボット１台を待機させるメリットはなく、人間の双腕のように両腕で、重量物であるワークをハンドリングしてきて、そのまま高速で挿入するといった作業要件を十分に満足できないため、嵌合作業に用いられている従来のロボットシステムにおいては、挿入動作に必要な力は専ら嵌合ワークを把持した単独のロボットに求められていたため、挿入動作で必要と予測される力を確実に上回る力が出力可能なロボットを用意しなければならず、嵌合作業にロボットシステムを導入する際の難点を解決できない状況であった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、高速協調ハンドリングしてきた嵌合ワークを滑らかに高速に挿入するための協調ロボットシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、少なくとも２台のロボットとからなり、力制御されるように力制御手段を備えたロボット制御手段により作業を行うための協調ロボットシステムにおいて、少なくとも２台の前記ロボットの力センサの信号が、各々の前記ロボットを制御する動作制御手段に取り込まれたものである。
また、請求項２に記載の発明は、前記作業が勘合作業であって、前記動作制御手段が、ワークの押し当て動作制御手段もしくは、押し込み動作制御手段である。
とするものである。
また、請求項３に記載の発明は、前記ワークの押し当て動作制御手段および押し込み動作制御手段が、ロボットの力センサの情報をもとにした力制御監視手段を備えたものである。
また、請求項４に記載の発明は、前記力制御監視手段が、押し当て力が予め設定された閾値以上になってからの時間を、前記第１力制御手段の制御有効時間として定め制御するものである。
また、請求項５に記載の発明は、前記ワークを被嵌合ワークに押し当てる動作を制御するための押し当て動作制御手段と、前記第１ロボットと前記第２ロボットが同時に押し込み動作を行う押し込み動作制御手段と、予め設定された条件で前記押し込み動作を終了する押し込み動作完了手段を備えたものである。
また、請求項６に記載の発明は、前記力制御監視手段が、動作速度に応じて前記制御有効時間を調整するものである。
また、請求項７に記載の発明は、前記力制御監視手段が、前記第１ロボットと前記第２ロボットの何れか一方の押し当て力が予め設定された閾値以上になった時点からの時間を制御有効時間として監視するものである。
また、請求項８に記載の発明は、前記押し当て力が予め設定された前記閾値以上になった時点からの前記制御有効時間を越えた時は、力制御から位置制御に切り替えるものである。
また、請求項９に記載の発明は、前記押し当て力が予め設定された前記閾値以下の場合には、前記ロボットの前記押し当て力を大きくするように制御されたものである。
また、請求項１０に記載の発明は、前記押し当て力の前記閾値と前記制御有効時間が、作業プログラムに記述されて前記動作制御手段および前記押し込み動作制御手段に読み込まれるものである。
【発明の効果】
【０００５】
請求項１記載の発明によると、２台以上のロボットを協調動作するために、各々のロボットの力センサの情報を各々のロボットの動作制御手段に取り込むことで、独立した２台以上のロボットが連携した動作をする際に互いの作業状況を力情報として監視しながら各々のロボットが作業できるので、２台以上のロボットが同時に作業することができるようになり、作業効率が向上する。
また、請求項２記載の発明によると、押し当て動作の作業状態を監視しながら押し当て、押し込み動作の作業状態を監視しながら押し込み動作を実行するため、所望の作業を確実に達成することが可能となる。
また、請求項３から１０記載の発明によると、接触してからの力制御の有効時間を監視して、力制御状態を解除して、位置制御状態への遷移を行うことができるため、高速動作で押し当てた状態で、発振することなく速やかに停止することができ、作業効率を格段に向上することが可能である。また、閾値以上の力が作用することが無いため、噛み込みなどの誤動作を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【０００７】
以下に本発明の実施例を説明する。図１は、第１の実施例を示す協調ロボットシステムの全体構成図である。図１において、１はマスタとなる第１ロボットであり、２はスレーブとなる第２ロボットであり、第１ロボット１の先端には、力センサ３を介して第１ハンド５が取り付けられ、第２ロボット２の先端には、力センサ４を介して第２ハンド６が取り付けられている。
９は制御装置であり、第１ロボット１と第２ロボット２を制御するための制御装置で、不揮発性のメモリ上に格納された作業プログラム１０と、前記作業プログラムを１ステップずつ解読しながら実行制御する、作業プログラム解読実行制御部１１と、作業プログラム９のプログラミングパターンに基づいて実行される押し当て動作制御手段１２と、押し込み動作制御手段１３と、第１ロボットを力制御する第１力制御部１４と、第２ロボット２を力制御する第２力制御部１５と、第１ロボットを位置制御する第１位置速度制御部１６と、第２ロボットを位置制御する第２位置速度制御部１７と、第１位置速度制御部１６の出力に応じて前記第１ロボットのサーボモータを駆動する第１サーボアンプ部１８と、第２位置速度制御部１７の出力に応じて第２ロボットのサーボモータを駆動する第２サーボアンプ部１９とを備える。
第１のロボット１は、作業プログラム１０に書かれた作業内容を作業プログラム解読実行制御部１１で解読された制御指令が押し当て動作制御手段１２に送られる。なお、この制御指令には、移動量、速度、押し当て力、動作方向と更に後述する力制御監視手段１２Ａの制御パラメータ（力制御有効時間ＴＣ、閾値ＦＣ）の情報が含まれている。送られた制御指令により前記押し当て動作制御手段１２は、目標位置の生成と、前記第１力制御部１４と前記第２力制御部１５へ押し当て力を実現するための図３に示すインピーダンスモデル部６１２の制御パラメータを設定し、第１のロボット１および第２のロボット２でインピーダンス制御されるように動作する。押し込み動作が開始されると、前記押し当て動作制御手段１２に備えられた図２に示す力制御監視手段が動作を開始する。
作業プログラム１０に書かれた力制御有効時間ＴＣと押し当て力の反力の閾値ＦＣを作業プログラム解読実行制御部より取得する。この時、力制御有効時間は、作業プログラム１０に書かれたロボットの動作速度に合わせて、速い動作速度であれば短い時間になるような相関関係を持つ時間が設定される。このように、力制御有効時間ＴＣと押し当て力の反力の閾値ＦＣが設定されてからワークを被勘合ワークに押し当て、押し込んでいる際の第１および第２のロボットの力センサからの力情報と比較して小さければ、第２のロボットへ押し込み力および第１のロボットの押し当て力を大きくするように力制御の出力処理を行い、力センサからの力情報が閾値ＦＣよりも大きければ、力制御有効時間ＴＣの間、第１および第２のロボットを力制御され、その後、力制御が無効化されるように動作する。無効化後は第１および第２のロボットは位置制御状態となり、その位置を保持する。ここでは、押し当て動作制御手段について説明したが、押し込み動作手段についても同様なプロセスの力制御監視手段１３Ａを備えている。
第１力制御部１４と前記第２力制御部１５は、図３に示す構成をなす。つまり、前記力センサ３からの出力を、センサ座標変換部６１１で制御点座標系での操作力に変換し、インピーダンスモデル部６１２に出力する。ここで前記インピーダンスモデル部６１２のインピーダンスモデルは式１で示される。
【０００８】
【数１】
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但し、Ｆ：Ｆｄ−Ｆｒ（Ｆｄ：目標力、Ｆｒ：力センサ出力）
Ｍ：慣性係数
Ｂ：粘性係数
Ｋ：バネ係数
【０００９】
慣性係数Ｍと粘性係数Ｂ、バネ係数Ｋを調整することで、前記ロボット１のダイレクト操作性能を調整することが出来る。インピーダンス制御は公知技術であるため、これ以上の詳細な説明は割愛する。
インピーダンスモデル部６１２の出力を、今回のフィードバック位置から順変換６１４により算出した制御点位置に加算して、逆変換６１３で前記Ｊ１〜Ｌ６の各関節の目標パルスを算出し、前記位置速度サーボ系６２に出力する。
次に、作業プログラム１０に基づいて第１ロボット１と第２ロボット２が、第１ハンド５と第２ハンド６で把持した第１嵌合部品７を、第２嵌合部品８に押し当て挿入作業をする場合を例にして、本発明に関するロボットシステムについて説明する。
図５に、前記作業プログラム１０のプログラムを示す。前記作業プログラム解読実行制御部１１は、前記作業プログラム１０を入力して、まず前記第１嵌合部品７を押し当てる初期位置に位置決めする。次のステップで、前記作業プログラム解読実行制御部１１は、押し当て動作の動作コマンドを認識し、前記押し当て動作制御手段１２に実行要求を出力し、閾値、インピーダンスパラメータを設定する。前記押し当て動作制御手段１２は、前記設定された閾値に基づいて、前記力制御監視手段１２ａが、前記、力センサ３と力センサ４の出力を監視し、前記力センサ３と前記力センサ４のいずれか一方が閾値に到達すると、そこから、設定された時間の間、前記第１力制御手段１４と前記第２力制御手段１５の制御出力を継続して有効にし、設定時間に達した時点で、第１力制御手段１４と前記第２力制御手段１５の制御出力を無効にし、前記第１位置速度制御部１６と前記第２位置速度制御部１７の出力に基づいた位置制御状態となり停止する。図４にそのときの力と速度の応答波形を示す。通常の力制御のみの場合、ある速度以上になると、衝撃力により接触安定性保てなくなり発振現象が発生するが、本発明による制御装置だと発振の直前で位置制御に切り替えているためきわめて安定した応答を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００１０】
本発明は、本発明の目的は、高速協調ハンドリングしてきた嵌合ワーク、滑らかに高速に挿入するための協調ロボットシステムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の全体構成を示す図
【図２】本発明の力制御部の構成を示す図
【図３】本発明の実施例を示す図
【図４】本発明の実施例を説明する作業状態の遷移図
【図５】本発明の制御点位置変更手段の構成を示す図
【符号の説明】
【００１２】
１  第１ロボット
２  第２ロボット
３  力センサ
４  力センサ
５  第１ハンド
６  第２ハンド
７  第１嵌合部品
８  第２嵌合部品
９  制御装置
１０  作業プログラム
１１  作業プログラム解読実行制御部
１２  押し当て動作制御手段
１２Ａ  力制御監視手段
１３  押し込み動作制御手段
１３Ａ  力制御監視手段
１４  第１力制御部
１５  第２力制御部
１６  第１位置速度制御部
１７  第２位置速度制御部
１８  第１サーボアンプ
１９  第２サーボアンプ
６１１  センサ座標変換部
６１２  インピーダンスモデル部
６１３  逆変換
６１４  順変換
ＴＣ  力制御有効時間
ＦＣ  閾値
Ｆ１  力センサ３からの力情報
Ｆ２  力センサ４からの力情報
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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