(57)【要約】【課題】オフライン上で生成されたコマンド列において、実ラインにてそのコマンドに付随する物理的な接触力等の制御パラメータを容易に教示することが可能なプログラミングペンダントを提供する【解決手段】ハンドに力センサ２を備え、部品同士４、５を接触遷移させて組立作業を行うロボット１と、力センサ２の出力がフィードバックされるインピーダンス制御部１３を備えてロボット１を制御する制御装置１１とに対して教示を行うプログラミングペンダント７に、部品同士の接触反力を教示作業者に触覚として伝える反力提示手段１０と、反力提示手段１０に力センサ２の出力に基づいた動作指令を与える反力制御手段１６と、インピーダンス制御部１３の制御パラメータを調整する調整手段９とを設けた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アームのハンドに把持した部品と、該部品が組みつけられる部品とを接触遷移させて組立作業を行うロボットを、前記ハンドに設けられた力センサの出力に基づいて前記アームの目標位置修正量を生成するインピーダンス制御部を有し、該目標位置修正量を予め教示された教示データに加算した位置へ前記アームをフィードバック制御する制御装置に接続され、作業者が教示時に指令入力手段を押下して入力した動作指令を前記制御装置に送出して前記ロボットを動作させるプログラムペンダントにおいて、
前記プログラミングペンダントは、前記力センサからの出力に応じた動作を行う反力提示手段と、前記力センサの出力が入力され、該反力提示手段に前記動作の指令を送出する反力制御手段と、前記インピーダンス制御部と接続され、該インピーダンス制御部の制御パラメータを変更するパラメータ調整手段と、を備えたことを特徴とするプログラミングペンダント。
【請求項２】
前記指令入力手段は複数の接触スイッチからなり、該複数の接触スイッチの各々直下に前記反力提示手段が設けられていることを特徴とする請求項１記載のプログラミングペンダント。
【請求項３】
前記反力提示手段は、前記接触スイッチを下部から支持するコイルボビンと、該コイルボビンの下部周囲に巻付されたコイルと、該コイルに内包されるように設けられたインナーヨークと、前記コイルの外周に設けられた磁石と、該磁石のさらに外周に設けられたアウターヨークと、からなるボイスコイルモータであることを特徴とした請求項２記載のプログラミングペンダント。
【請求項４】
前記反力制御手段は、前記力センサからの力の出力の振幅に基づき前記反力提示手段を動作させる指令を、前記反力提示手段に送出することを特徴とする請求項１記載のプログラミングペンダント。
【請求項５】
前記反力制御手段は、前記力センサからの力の出力の周波数に基づき前記反力提示手段を動作させる指令を、前記反力提示手段に送出することを特徴とする請求項１記載のプログラミングペンダント。
【請求項６】
前記反力提示手段は、プログラミングペンダントの内部に設けられた固定部と、該固定部に支持された回転型モータと、該回転型モータの出力軸に偏芯して固定された負荷と、からなることを特徴とする請求項１記載のプログラミングペンダント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットのプログラミングペンダントに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ロボットの教示方法には、主にプログラミングペンダントと呼ばれる教示装置を用いる方法、オフラインプログラムによる方法がある。
プログラミングペンダントと呼ばれる教示装置を用いる方法は、ワークの作業空間上の位置を時系列データとして教示するものである。かかる方法はロボットが単純に教示された時系列データを実行するだけなので、ロボットが作業変化に対応してオンラインで動作手順や動作プログラムを自動生成することが不可能であった。
オフラインプログラムによる方法は、組立作業にみられる部品間の接触状態遷移を考慮した上で、ロボット言語にてロボットの動作をプログラムするものである。かかる方法では、部品同士の接触状態と各接触状態間の遷移を全て数えあげることを解析的に行う必要があり、しかも部品形状が変われば始めから各接触状態間の遷移を数えあげてプログラムを作成しなおす必要がある。したがって、オフラインプログラムによる方法は、作業能率が悪く、プログラムをする作業者に大きな負担を強いるという問題がある。そこで近年、人間デモンストレーションによる教示情報からロボット動作に必要なプログラム（ロボットコマンド）を自動生成する手法が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
そして、人間が作業をデモンストレーションするだけで、組立作業に見られる接触状態遷移のような微細な動作を記述するロボットコマンド列の生成がオンラインで行えるロボット教示方法（例えば、特許文献１）も提案されている。この教示方法を図７に基づいて具体的に説明する。先ず、組立部品と被組立部品の１組のコーナー間の接触状態を所定の種類に分類して、部品同士の接触状態遷移をシンボリックに表す局所モデルを作成する（ＳＴ１）。続いて、局所モデルが表わす作業空間を幾何学的に分割する（ＳＴ２）。次に、オペレータが組立部品を操作して組立作業のデモンストレーション（デモ）を行う（ＳＴ３）。なお、組立作業のデモは、コンピュータグラフィックス上の仮想現実の環境にてデータグローブを用いたり、実環境にてカメラ計測装置、３次元ポインティングデバイス、又はダイレクトティーチを用いたりして手操作で行う。かかるデモの間は、組立部品の分割作業空間上の位置の時間変化データと部品同士の接触状態の時間変化データとを教示情報として取り出して記憶する（ＳＴ４）。そして、記憶した教示情報を解析することによって、ロボット動作の計画を行う際に参照する組立部品と被組立部品のコーナー間の接触状態遷移のモデルを局所モデルの集合として構成する（ＳＴ５）。
【非特許文献１】Y.Kuniyosi,H.Inaba and M.Inaba "Design and Implementation of a System that Genarates Assembly Programs from Visual Recognition of Human Action Sequence", Proc. IEEE Int. Workshop Intelligent Robots and Systems, pp.567-574, 1990
【特許文献１】特開平9-198121号公報
【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、従来のプログラミングペンダントは、位置教示のみを指向したものであり組立作業のような接触状態遷移を伴う作業の教示は困難であった。そのため、オフラインプログラミング教示が提案されたのであるが、従来のオフラインプログラミング教示の方法は、いずれの場合も、視覚情報に基づくコマンド列の作成のみであり、実際の状態遷移の時に問題となる接触力の大きさといった物理的な相互作用力の教示の問題に関しては解決できていなかった。つまり、幾何学的な情報から作業シーケンスのコマンド列を抽出することは可能であるが、接触状態の遷移の時に必要となる反力情報などの物理情報を教示する手段がないため、実ラインで試行錯誤的に制御パラメータの調整をする必要が生じ、実際の作業現場においての適用を困難なものにしていた。  
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、本発明の目的は、オフライン上で生成されたコマンド列において、実ラインにてそのコマンドに付随する物理的な接触力等の制御パラメータを容易に教示することが可能なプログラミングペンダント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、アームのハンドに把持した部品と、該部品が組みつけられる部品とを接触遷移させて組立作業を行うロボットを、前記ハンドに設けられた力センサの出力に基づいて前記アームの目標位置修正量を生成するインピーダンス制御部を有し、該目標位置修正量を予め教示された教示データに加算した位置へ前記アームをフィードバック制御する制御装置に接続され、作業者が教示時に指令入力手段を押下して入力した動作指令を前記制御装置に送出して前記ロボットを動作させるプログラムペンダントにおいて、  前記プログラミングペンダントは、前記力センサからの出力に応じた動作を行う反力提示手段と、前記力センサの出力が入力され、該反力提示手段に前記動作の指令を送出する反力制御手段と、前記インピーダンス制御部と接続され、該インピーダンス制御部の制御パラメータを変更するパラメータ調整手段と、を備えたプログラミングペンダントとするものである。
また、請求項2に記載の発明は、前記指令入力手段は複数の接触スイッチからなり、該複数の接触スイッチの各々直下に前記反力提示手段が設けられている請求項１記載のプログラミングペンダントとするものである。
また、請求項3に記載の発明は、前記反力提示手段は、前記接触スイッチを下部から支持するコイルボビンと、該コイルボビンの下部周囲に巻付されたコイルと、該コイルに内包されるように設けられたインナーヨークと、前記コイルの外周に設けられた磁石と、該磁石のさらに外周に設けられたアウターヨークと、からなるボイスコイルモータである請求項２記載のプログラミングペンダントとするものである。
また、請求項4に記載の発明は、前記反力制御手段は、前記力センサからの力の出力の振幅に基づき前記反力提示手段を動作させる指令を、前記反力提示手段に送出する請求項１記載のプログラミングペンダントとするものである。
また、請求項5に記載の発明は、前記反力制御手段は、前記力センサからの力の出力の周波数に基づき前記反力提示手段を動作させる指令を、前記反力提示手段に送出する請求項１記載のプログラミングペンダントとするものである。
また、請求項６に記載の発明は、前記反力提示手段は、プログラミングペンダントの内部に設けられた固定部と、該固定部に支持された回転型モータと、該回転型モータの出力軸に偏芯して固定された負荷と、からなる請求項１記載のプログラミングペンダントとするものである。
【発明の効果】
【０００５】
請求項１に記載の発明によると、教示作業者はプログラミングペンダントを介して、部品同士の接触力を感知することが可能となり、プログラミングペンダントを見ることなく、力制御のパラメータを細かく調整することが可能である。
また、請求項２に記載の発明によると、指令入力手段から直接反力を感知することができるため、教示作業者の操作性を著しく向上させることができるとともに、プログラミングペンダントの小型化が実現できる。
また、請求項3に記載の発明によると、反力提示手段を小型化できるので、プログラミングペンダント全体を小型化にし、また教示作業者の操作性が向上する。
また、請求項4に記載の発明によると、直接的な接触力を、接触力の大きさに応じて教示作業者の指に提示することが可能で、作業対象部品の破損等を未然に防ぐことが可能となる。
また、請求項５に記載の発明によると、振幅だけでなく振動周期も変化するため、提示可能な反力の範囲を広くすることが可能で、微細な接触力から大きな接触力まで幅広く提示可能となり、力制御手段のパラメータ調整を効率よく、最適なパラメータ調整が可能となる。
また、請求項６に記載の発明によると、プログラミングペンダント全体を振動させて反力提示することが可能となるため、接触力を拡大して教示作業者に提示することが可能となり、パラメータの微調整を効率よく行うことができる。
【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、本発明に係る第１の実施例を示すロボットのプログラミングペンダントを含むロボット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、力センサ２を介してハンド３が固定されており、ハンド３は第１部品４を把持している。作業テーブル６の上には、前記第1部品４が挿入される穴5aを備えた第２部品5が設置してある。前記ロボット１は制御装置11によって制御される。
【０００８】
前記制御装置11は、後述するプログラミングペンダント7からの動作指令に基づいて前記ロボット１の各関節単位の目標指令角度を生成する指令生成部12と、力制御手段として前記力センサ２の力情報に基づいて目標力を達成するように位置修正量を生成するインピーダンス制御部13と、前記指令生成部12によって生成された目標指令角度と前記インピーダンス制御部13で生成された位置修正量の加算値を目標位置としてフィードバック制御する位置・速度制御部14と、前記位置・速度制御部の出力に応じて電流制御するサーボアンプ15とで構成される。
【０００９】
プログラミングペンダント７は、前記制御装置11に教示作業者が前記ロボット１の動作指令を入力するための指令入力手段８と、前記ロボット１の先端で把持された前記第１部品4が前記第２部品５に接触したときの反力を教示作業者に触覚として提示する反力提示手段10と、前記反力提示手段10を制御するための反力制御手段16で構成される。
【００１０】
次に、前記プログラミングペンダント7の指令入力手段8と反力提示手段10のより詳細な構成を図２と図３に基づいて説明する。図２は、前記プログラミングペンダント７の指令入力手段８と反力提示手段10のパラメータ調整手段９に関係する部分のみを上面から明示した図であり、従来技術であるその他の表示装置などは割愛している。前記指令入力手段8と反力提示手段10は、操作する軸方向に応じてそれぞれ51〜62で構成されている。
代表として前記55のＡ−Ｂ断面図を図３に示す。前記反力提示手段10は、アウターヨーク10eと磁石10c、コイル10ｂ、インナーヨーク10ｄ、非磁性素材のコイルボビン10aとから成るボイスコイルモータで構成する。前記コイルボビン10aの上面には、接触スイッチ10fが固定されている。このように、同一軸線上に前記指令入力手段８と前記反力提示手段を配置した構成としているため、従来のプログラミングペンダントにそのまま配置していくことが可能で、コンパクトな構成とすることができる。また、反力を感じた直後に指を外すだけで指令が停止するため、誤操作による部品破損が回避できる。
【００１１】
前記反力提示手段10に入力する駆動指令は、前記反力制御手段16で生成される。具体的には図４に示す制御処理に基づいて図５に示す振動パターンが生成される。また振動パターンは図４に示すように振動振幅Dhが前記力センサ２の出力に比例するように生成する方法のほかに、前記力センサ２の出力に比例して周波数を変化させ、大きな接触力の場合は高周波数の振動パターンを生成するようにしても良い。
【００１２】
次に、本発明の目的である、前記パラメータ調整手段９を用いた前記インピーダンス制御部13の制御パラメータの調整手順について具体的に説明していく。まず、前記インピーダンス制御部13のインピーダンスモデルは、
Ｆ  ＝  Ｍ  ｘ(・・)  ＋  Ｂ  ｘ(・)  ＋  Ｋ  ｘ
但し、F：力センサ２の出力である接触力
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、前記プログラミングペンダント７のパラメータ調整手段９で調整する。図２に示すように、前記パラメータ調整手段９はさらに、パラメータ選択スイッチ9aと、前記選択スイッチ9aによって選択されたパラメータの値を大きくするための押しボタン9bと、小さくするための押しボタン9cで構成される。
【００１３】
図１に示す前記第１部品４を、前記第２部品５に押し当てる際の前記制御パラメータ（M,B,K）を調整する場合、教示作業者は前記プログラミングペンダント７の指令入力手段56を押印して、前記ロボット１の先端で把持された前記第１部品４を前記第２部品５に接近させ、押し当てる。そのとき接触力に応じて前記反力提示手段10が振動し、反力を教示作業者の触覚化して伝える。反力が大きすぎたと教示作業者が判断した場合、指令入力手段55で一旦、前記第１部品４と前記第２部品５を離して、前記パラメータ調整手段９で調整し、再度前記プログラミングペンダント７の指令入力手段56を押印して所望の反力が得られるまで調整し、従来のプログラミングペンダントの機能を用いて調整したパラメータを記憶させる。
【００１４】
次に、第２の実施例を示すロボットのプログラミングペンダント７の構成を図６に示す。図６において、回転型モータ17が、前記プログラミングペンダント７と固定部７aと固定部７ｂを介して固定される。前記回転モータ１７の出力軸１８には、偏芯した負荷１9が固定される。前記第１部品２が前記第２部品５に接触して接触力が発生すると、前記反力制御手段16から接触力に比例した駆動指令が前記回転型モータ17に入力され、前記偏芯した負荷１9が回転し、前記プログラミングペンダント７に図６に示す振動が発生し、教示作業者に接触力を提示することができる。この場合、前記実施例１のように前記反力制御手段16で振動パターンを生成する必要が無く、前記回転モータ１７の回転により接触力に応じた振動パターンが生成できる。また前記偏芯した負荷１9の重量変えることにより、提示する反力の大きさを自在に調整することが可能で、適用作業の種類に応じて調整でき、実用上、極めて有益である。
【産業上の利用可能性】
【００１５】
以上述べたように、オフライン上で生成されたコマンド列において、実ラインにてそのコマンドに付随する物理的な接触力等の制御パラメータを容易に教示することが可能なプログラミングペンダントを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明実施例１のプログラミングペンダントを使用した全体構成を示す図
【図２】本発明のプログラミングペンダントの上面図の一部
【図３】指令入力手段と反力提示手段を説明する部分断面図
【図４】反力制御手段を説明する図
【図５】反力提示手段の動作パターンを説明する図
【図６】本発明実施例２のプログラミングペンダントの上面図の一部
【図７】従来のロボットの教示方法
【符号の説明】
【００１７】
１  ロボット
２  力センサ
３  ハンド
４  第１部品
５  第２部品
５a  穴
６  作業テーブル
７  プログラミングペンダント
８  指令入力手段
９  パラメータ調整手段
９aパラメータ選択スイッチ
９b押しボタン
９c押しボタン
１０  反力提示手段
１０aコイルボビン
１０bコイル
１０c磁石
１０dインナーヨーク
１０eアウターヨーク
１０f接触スイッチ
１１  制御装置
１２  指令生成部
１３  インピーダンス制御部
１４  位置・速度制御部
１５  サーボアンプ
１６  反力制御手段
１７  回転型モータ
１８  出力軸
１９  偏芯した負荷
7a  固定部
7b  固定部
５１  X＋方向指令入力手段
５２  X―方向指令入力手段
５３  Y＋方向指令入力手段
５４  Y―方向指令入力手段
５５  Z＋方向指令入力手段
５６  Z―方向指令入力手段
５７  RX＋方向指令入力手段
５８  RX―方向指令入力手段
５９  RY＋方向指令入力手段
６０  RY―方向指令入力手段
６１  RZ＋方向指令入力手段
６２  RZ―方向指令入力手段
【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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【図６】
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【図７】
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