(57)【要約】【課題】７軸以上の関節を備えたロボットの簡便かつ安全な教示装置を提供する。【解決手段】アーム先端部に設けられた力センサ３と、前記力センサ３に設けられた操作ハンドル４と、を備え、前記操作ハンドル４にかかるオペレータの操作力を前記力センサ３により検出し、前記操作力のかかる方向に前記アームを動作させることにより動作の教示を行う少なくとも７軸以上の関節で構成されたロボットにおいて、前記操作ハンドル４に、前記ロボットの冗長軸を操作するための冗長軸操作手段５を設ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アーム先端部に設けられた力センサと、前記力センサに設けられた操作ハンドルと、を備え、前記操作ハンドルにかかるオペレータの操作力を前記力センサにより検出し、前記操作力のかかる方向に前記アームを動作させることにより動作の教示を行う少なくとも７軸以上の関節で構成されたロボットにおいて、
前記操作ハンドルに、前記ロボットの冗長軸を操作するための冗長軸操作手段が設けられたことを特徴とするロボット。
【請求項２】
前記冗長軸操作手段は、前記操作ハンドルの先端に設けられたことを特徴とする請求項１記載のロボット。
【請求項３】
前記操作ハンドルは円柱状であり、
前記冗長軸操作手段は、前記操作ハンドルの端面に設けられたことを特徴とする請求項１記載のロボット。
【請求項４】
前記冗長軸操作手段は、ロック機構を備えたことを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載のロボット。
【請求項５】
動作リミット発生時に、動作リミットの回避方向を表示する表示手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載のロボット。
【請求項６】
前記表示手段は、前記冗長軸操作手段の近傍に設けられたことを特徴とする請求項５記載のロボット。
【請求項７】
前記冗長軸操作手段は、ダイヤルであることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載のロボット。
【請求項８】
前記ダイヤルは、ダイヤル回転軸に対して垂直な方向に押し下げたときのみ回転可能なことを特徴とする請求項７記載のロボット。
【請求項９】
前記冗長軸操作手段は、ロッカスイッチであることを特長とする請求項１乃至３いずれかに記載のロボット。
【請求項１０】
前記冗長軸操作手段は、トグルスイッチであることを特長とする請求項１乃至３いずれかに記載のロボット。
【請求項１１】
前記冗長軸が複数存在し、
操作対象とする冗長軸を切り換えるための切り換え手段を備えたことを特徴とする請求項１記載のロボット。
【請求項１２】
少なくとも７軸以上の関節で構成されたロボットのアーム先端部に設けられる力センサと、前記力センサに設けられた操作ハンドルと、を備え、前記操作ハンドルにかかるオペレータの操作力を前記力センサにより検出し、前記操作力のかかる方向に前記アームを動作させることにより動作の教示を行うためのロボットの直接教示装置において、
前記操作ハンドルに、前記ロボットの冗長軸を操作するためのダイヤルが設けられたことを特徴とするロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、７軸以上の関節を備えた産業用ロボットに関し、特に作業の教示を行うための教示装置を備えたロボットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の産業用ロボットに対する教示方法としては、オペレータが力検出器の手動操作部を操作した時の力検出器から発生した信号からロボット先端の位置の指令値と手首の姿勢の指令値に基づいて、各駆動装置を駆動してロボットの先端の位置と手首姿勢を誘導して、この誘導情報を記憶装置に記憶して直接教示する方法（例えば、特許文献１参照）がある。
【特許文献１】特開昭５６−８５１０６号公報（第２−６頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
以上述べたように、従来の直接教示装置では、６軸の関節で構成されたロボットに対しては、教示方法として極めて簡便で有効な方法であった。
しかしながら、７軸以上の関節で構成された冗長軸を有するロボットの場合、オペレータの操作による力検出器から発生した信号にもとづくロボット先端の位置の指令値と手首の姿勢の指令値だけでは、ロボットの各関節に目標位置が一意に決まらないため、予め冗長軸を固定して操作せざるを得ない為に、操作性が非常に悪く、冗長軸を有するロボットの優位性が発揮できないといった問題があった。
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、産業用ロボット等に作業の教示を行うための直接教示装置に関し、７軸以上の関節を備えたロボットの簡便かつ安全な教示装置を提供することを目的とする。
【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、アーム先端部に設けられた力センサと、前記力センサに設けられた操作ハンドルと、を備え、前記操作ハンドルにかかるオペレータの操作力を前記力センサにより検出し、前記操作力のかかる方向に前記アームを動作させることにより動作の教示を行う少なくとも７軸以上の関節で構成されたロボットにおいて、前記操作ハンドルに、前記ロボットの冗長軸を操作するための冗長軸操作手段が設けられたことを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、前記冗長軸操作手段は、前記操作ハンドルの先端に設けられたことを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、前記操作ハンドルは円柱状であり、前記冗長軸操作手段は、前記操作ハンドルの端面に設けられたことを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は、前記冗長軸操作手段は、ロック機構を備えたことを特徴とするものである。
請求項５に記載の発明は、動作リミット発生時に、動作リミットの回避方向を表示する表示手段を備えたことを特徴とするものである。
請求項６に記載の発明は、前記表示手段は、前記冗長軸操作手段の近傍に設けられたことを特徴とするものである。
請求項７に記載の発明は、前記冗長軸操作手段は、ダイヤルであることを特徴とするものである。
請求項８に記載の発明は、前記ダイヤルは、ダイヤル回転軸に対して垂直な方向に押し下げたときのみ回転可能なことを特徴とするものである。
請求項９に記載の発明は、前記冗長軸操作手段は、ロッカスイッチであることを特徴とするものである。
請求項１０に記載の発明は、前記冗長軸操作手段は、トグルスイッチであることを特徴とするものである。
請求項１１に記載の発明は、前記冗長軸が複数存在し、操作対象とする冗長軸を切り換えるための切り換え手段を備えたことを特徴とするものである。
請求項１２に記載の発明は、少なくとも７軸以上の関節で構成されたロボットのアーム先端部に設けられる力センサと、前記力センサに設けられた操作ハンドルと、を備え、前記操作ハンドルにかかるオペレータの操作力を前記力センサにより検出し、前記操作力のかかる方向に前記アームを動作させることにより動作の教示を行うためのロボットの直接教示装置において、前記操作ハンドルに、前記ロボットの冗長軸を操作するためのダイヤルが設けられたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００５】
請求項１、２、３、７、９、１０、１２に記載の発明によると、オペレータは操作ハンドルを操作しながら冗長軸を操作することが出来るため、教示作業が円滑に効率的に行うことが可能となる。
また、請求項４、８に記載の発明によると、オペレータが誤操作で冗長軸操作手段を、不用意に回しても、ロボットが動作することがなく極めて安全である。
また、請求項５、６に記載の発明によると、ダイレクト操作中にロボットの関節が動作リミットになっても、オペレータが冗長軸を操作して容易に回避できるようになるため、教示作業の効率が極めて向上する。
また、請求項１１に記載の発明によると、冗長軸が複数存在しても、その各冗長軸を容易に操作することができる。
【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】
図１は、本発明の第１の実施例を示すロボットの直接教示装置システム全体の構成図である。図１において、１はロボットであり、前記ロボット１の先端には、エンドエフェクタ２が取り付けられている。前記ロボット１の先端と前記エンドエフェクタ２の間には力センサ３が配置され、前記力センサ３には直接教示をするための操作ハンドル４が固定されている。操作ハンドル４は、円柱形状であるが、操作しやすい形状であれば、任意の形状でよい。
前記操作ハンドル４の先端部分には、ダイヤル（冗長軸操作手段）５Ｃが配置される。図２の上面図に示すように、ダイヤル５Ｃの近傍には、と表示器５Ａと表示器５Ｂ（表示手段）とが設けられ、前記ダイヤル５Ｃは図２の側断面図に示すように回転式で、前方向と後方向にそれぞれの方向に回転できる。また、操作ハンドル４には、押下した状態でない限りダイヤルが回転しないロック機構が設けられており（図示せず）、ロック機構が働いた状態では、ダイヤルは機能しない構成となっている。
前記ロボット１は、基準点０から各可動軸を順次数えて、第一番目の軸をＪ１軸とし、以降Ｊ７軸までが軸連節を成している。さらに詳述すれば、この７軸ロボット１は基本４軸として旋回軸のＪ１軸，肩曲げ軸のＪ２軸，肘回転軸のＪ３軸，肘曲げ軸のＪ４軸とを設け、さらに手首３軸として手首回転軸のＪ５軸，手首曲げ軸のＪ６軸，フランジ回転軸のＪ７軸を備え、計７軸で構成されている。そしてそれぞれの関節が図示しない７つのサーボモータによって独立に駆動される。
ここで、肘角度を次のように定義する。図１に表すＪ３軸とＪ４軸の交点・ｅ点を肘位置とし、ロボット座標で表し、Ｊ３軸の角度が０°のときのｐ点（Ｊ６軸）とロボット座標原点のｏ点（Ｊ１軸とＪ２軸の交点）を結ぶ直線と、肘位置・ｅ点とでできる平面を肘角度０°の面としており、各軸が任意の角度のときのｐ点とロボット座標原点・ｏ点と肘位置・ｅ点でできる平面と、ｐ点の位置を変化させずに、Ｊ３軸を０°にしたときにできるｐ点とロボット座標原点のｏ点と肘位置ｅ点でできる平面（つまり先の肘角度０°の平面）との角度を肘角度とする。
６０は、前記ロボット１を制御するための制御装置で、肘角度作成部６１と、インピーダンスモデル部６２と、逆変換処理部６３と、位置速度サーボ系６４と、サーボアンプ６５を備える。
ここで、前記インピーダンスモデル部６２のインピーダンスモデルは、以下の通りである。
【数１】
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但し、Ｆ：力センサ３の出力である操作力、Ｍ：慣性係数、Ｂ：粘性係数、Ｋ：バネ係数であり、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。
【０００８】
次に、オペレータが操作ハンドル４を把持し前記ロボット１誘導する場合の、制御装置の制御方法について説明する。
まず、オペレータが把持した操作ハンドル４の誘導力を力センサ３で検出し、この力情報と仮想の慣性と粘性によるインピーダンスモデル（以下の実施例においては、バネ係数＝０とする）に基づいたインピーダンスモデル部６２で直交座標系での位置指令を算出する。この位置指令を関節座標系に逆変換し、各関節の関節角度指令を求める。この関節角度指令とロボット１の各駆動部分又は各関節部分に設けられた図示しない関節角度検出器により検出された関節角度及び関節速度に基づいて位置速度サーボ系６４内でモータの発生トルクを算出し、サーボアンプ６５によりロボット１のサーボモータが駆動される。
【０００９】
次に、例えば、図３に示すロボット１の作業の教示場面を考える。図３において、７は前記エンドエフェクタ２が把持すべき部品で、８は周囲環境に存在する障害物である。図３（ａ）は、オペレータがそのまま直接操作すると前記障害物８と前記ロボット１が点ＣＰで衝突する。そのためオペレータは、前記操作ハンドル４の上面に配置されたダイヤル５Ｃを押下する。そして、押下した状態で、前記ダイヤル５Ｃが、オペレータの親指の先で前方向に回転されると、前記ダイヤル部の回転角度に比例した肘角度の操作量が、前記肘角度作成部６１で作成され、前記逆変換処理部６３に入力される。逆変換処理部６３は、公知の制御方法にて、７軸ロボット１の各関節の角度指令を求める。この関節角度指令とロボット１の各駆動部分又は各関節部分に設けられた図示しない関節角度検出器により検出された関節角度及び関節速度に基づいて位置速度サーボ系６４内でモータの発生トルクを算出し、サーボアンプ６５によりロボット１のサーボモータが駆動され、前記ロボット１は、図３（ｂ）に示す姿勢となり、前記障害物８と干渉しない姿勢となる。この状態で、オペレータは、操作ハンドル４を把持し前記ロボット１を誘導し、前記エンドエフェクタ２は前記部品７を把持する姿勢に、位置を教示することができる。
【００１０】
次に、肘角度以外の関節が動作リミットのチェックで動作できない場合を考える。
図１において、６６は、リミット回避方向算出部であり、リミットチェックと同時に、動作可能な方向の前記表示器５Ａと表示器５Ｂ何れか一方が点灯しオペレータの操作可能方向を表示する。
前記リミット回避方向算出部６６の方向決定の方法は、両方向の仮指令を前記肘角度作成部６１で別々に作成し、それぞれ前記逆変換処理部６３に入力しそのときの、角度増分によりリミット内に入る方向を選択するものとする。そして、オペレータは前記操作ハンドル４の上面に配置されたダイヤル５Ｃを押下する。そして、押下した状態で、前記ダイヤル５Ｃが、オペレータの親指の先で回転されると、前記ダイヤル部の回転角度に比例した肘角度の操作量が、前記肘角度作成部６１で作成され、前記逆変換処理部６３に入力される。前記逆変換処理部６３は、公知の制御方法にて、７軸ロボット１の各関節の角度指令を求める。この関節角度指令とロボット１の各駆動部分又は各関節部分に設けられた図示しない関節角度検出器により検出された関節角度及び関節速度に基づいて位置速度サーボ系６４内でモータの発生トルクを算出し、サーボアンプ６５によりロボット１のサーボモータが駆動され、リミットチェック外の姿勢となる。この状態で、オペレータは、操作ハンドル４を把持し前記ロボット１を誘導し、前記エンドエフェクタ２は前記部品７を把持する姿勢に、位置を教示することができる。
【００１１】
なお、ロボットの関節は、７軸以上であってもよい。
また、ロボットの軸構成は、上記実施例のものに限らず、冗長軸を有する軸構成であれば、任意でよい。
また、ダイヤルに代えて、ロッカスイッチや、トグルスイッチ等の任意の冗長軸操作手段であっても良い。
また、ダイヤルの位置については、操作ハンドルの端面でなくとも、操作ハンドルを操作する手で操作しやすい場所、たとえば、先端部分の任意の場所であっても良い。
また、ダイヤルや表示器の位置については、操作ハンドルの端面でなくとも、操作者が視認しやすい場所であれば任意の位置で良い。
また、冗長軸が２以上の場合は、操作対象となる軸選択をするためのスイッチ等（切り換え手段）を設けて、上記実施例のごとくダイヤルにて操作してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の全体構成を示す図
【図２】ダイヤル部の上面図および側断面図
【図３】ロボットの作業教示場面の説明図
【符号の説明】
【００１３】
１  ロボット
２  エンドエフェクタ
３  力センサ
４  ハンドル
５Ａ  表示器（表示手段）
５Ｂ  表示器（表示手段）
５Ｃ  ダイヤル（冗長軸操作手段）
６０  制御装置  
６１  肘角度作成部
６２  インピーダンスモデル部
６３  逆変換処理部
６４  位置速度サーボ系
６５  サーボアンプ
６６  リミット回避方向算出部
Ｊ１  旋回軸
Ｊ２  肩曲げ軸
Ｊ３  肘回転軸
Ｊ４  肘曲げ軸
Ｊ５  手首回転軸
Ｊ６  手首曲げ軸
Ｊ７  フランジ回転軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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