(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボットへの指令位置と前記ロボットからのフィードバック位置をもとに、目標位置に位置速度制御する位置速度制御手段と、予め設定された値以上の作用力の発生を制限するコンプライアンス制御手段とを備え、
前記位置速度制御手段の動作指令と前記コンプライアンス制御手段の出力との差分の指令によって動作し、前記ロボット先端のハンドにより把持されたネジ溝を有する部品をワークに形成された組み付け穴に挿入して組み付けるロボット制御装置において、
前記部品の組み付けの作業条件を設定する組み付け作業条件設定手段と、
前記ロボットへの指令位置と前記ロボットからのフィードバック位置の情報から前記ロボットの動作状態を監視し、前記部品のかじり状態を判定するかじり判定手段を備えた状態監視手段と、
前記状態監視手段の出力結果に応じて前記ロボットの動作パターンを決定する動作パターン選択手段と、
直線軌道を生成する直線軌道生成手段と、前記かじり判定手段によりかじり有りと判定された場合にそれまでの動作方向と反対方向の動作パターンを生成する逆方向動作生成手段と、螺旋型軌道を生成する螺旋軌道生成手段とを備えた動作パターン生成手段とを備え、
前記動作パターン選択手段は、前記組み付け作業条件設定手段にて設定された作業条件に基づく軌道を生成させる指令を前記動作パターン生成手段の各生成手段に出力して、前記直線軌道生成手段による直線軌道で前記ロボットを動作させて前記部品を前記組み付け穴に挿入し、前記かじり判定手段によりかじり状態と判定されると前記逆方向動作生成手段による軌道でロボットを反対方向に動作させた後に前記螺旋軌道生成手段で生成された螺旋型軌道でロボットを動作させることを特徴とするロボット制御装置。
【請求項２】
前記螺旋軌道生成手段は、前記組み付け作業条件設定手段にて設定された作業条件の中から前記ワークと前記部品とのクリアランスと、前記ネジのピッチ情報と、旋回移動速度と、旋回の回数とに基づいて螺旋型軌道を生成することを特徴とする請求項１記載のロボット制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロボットの制御装置に関し、特にワークの組み付け穴に部品を自動的に挿入するロボットの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
産業用ロボットを用いて組み付け穴を有するワークに部品を自動的に挿入する組み付け作業において、ワークと部品のわずかな位置ずれにより、組み付け穴と部品の間にかじりが発生し、ワーク、ハンド及び部品が破損するという危険性があった。従来のロボット制御装置においては、組立作業の場合に発生するかじりの問題を解決する目的のために、ロボットハンドに板バネ等を取り付けた機械式フローティング機構を用いる方式や、ロボットハンド先端に力制御を用いたかじり防止装置を設置し制御するロボット制御装置であった。
従来例として特開平7-96427公報では、力制御を用いたかじり防止装置を設置する方式が記載されている。以下、簡単に図面を用いて説明する。図１２は、従来のロボットの制御装置の一実施例を示す全体構成図である。この図１２に示すように、１０１はロボットハンドであり、このロボットハンド１０１には、ワーク１０２の組付穴１０４に挿入され組み付けられる部品１０６が把持されている。ここで、この部品１０６は、位置決めピン１０６ａを備えている。１０８はロボットアームであり、このロボットアーム１０８とハンド１０１の間には、アクチュエータ（サーボモータ）を有するエンドエフェクタ１１０及び力覚センサ１１２がユニット化されて取り付けられている。１１４は、エンドエフェクタ・コントローラであり、このエンドエフェクタ・コントローラ１１４には、力覚センサ１１２からの力覚情報が入力され、この入力情報に基づいて、エンドエフェクタ１１０に制御指令を出力する。更に、１１６は、ロボット・コントローラであり、このロボット・コントローラ１１６には、組付穴を発見した旨の情報が入力され、この入力情報に基づいて、ロボットに部品挿入指令を出力する。
【０００３】
上記力覚センサ１１２は、ロボットハンドに作用するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各軸方向の反力をそれぞれ検出するためのものである。ここで、図１２に示すように、ワーク１０２の面に平行な２軸方向がＸ軸方向及びＹ軸方向であり、ワーク１０２の面に垂直な方向がＺ軸方向である。また、Ａは重力方向を示し、Ｂは組付方向を示している。また、この実施例において、エンドエフェクタ１１０は、図１３に示されたように、２軸直交テーブル即ち、Ｘ軸方向に移動可能なＸ軸テーブル１１０ａ及びＹ軸方向に移動可能なＹ軸テーブル１１０ｂにより構成され、これらの各テーブル１１０ａ、１１０ｂは、それぞれ独立にアクチュエータにより能動的に駆動される。また、この実施例においては、部品１０６の組付方向への移動をアーム１０８を駆動することにより行っている。次に、図1４により、部品１０６の位置決めについて説明する。図1４は、部品１０６の位置決めピン１０６ａの中心の位置と組付穴１０４の中心の位置とがずれている状態を示す斜視図である。この図1４に示すように、部品１０６の位置決めピン１０６ａの中心の位置と組付穴１０４の中心の位置とがずれている場合には、位置決めピン１０６ａと組付穴１０４との接触（Ｃ点により接触している）により、位置決めピン１０６ａに反力（Ｘ軸方向反力ＦKXとＹ軸方向反力ＦKYとの合力）が発生する。
このようにずれが生じている場合には、力覚センサ１１２により上記Ｘ軸方向反力ＦKXとＹ軸方向反力ＦKYを検出し、これらの反力が共に零となるように、エンドエフェクタ１１０のＸ軸テーブル１１０ａ及びＹ軸テーブル１１０ｂを移動させる。このときのＸ軸テーブル１１０ａ及びＹ軸テーブル１１０ｂの移動方向は、反力の生じている方向、即ち、Ｘ軸方向反力ＦKXとＹ軸方向反力ＦKYの方向と同方向である。
このようにして、エンドエフェクタ１１０により位置ずれを修正することにより、ワーク１０２と部品１０６の位置決めピン１０６ａとの間のかじりの発生を防止して組付作業を行うことができるようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のロボット制御装置（特開平7-96427）のようにロボットアームとロボットハンドの間に特別な駆動装置からなるかじり防止装置を配置することは、ロボット先端の動作範囲を狭めて、峡間部分の組み付け作業ができなかった。さらに、検出した反力に応じて直線的な動作を生成し位置ずれを補正する方式なので、部品がネジを有するような場合、組み付け作業中、かじりが多発し、その都度、位置補正していかなければならず、作業時間がかかり実用的でなかった。また、多発する衝撃により、部品の破損頻度が高くなり品質が悪化していた。
本発明の目的は、上記の組み付け作業時に発生する従来の技術の問題点を解決するためになされたものであり、ネジを有する部品の組付けを、部品を破損することなく高速に組立て作業のできるロボットの制御装置を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため本発明の請求項１記載のロボット制御装置は、ロボットへの指令位置と前記ロボットからのフィードバック位置をもとに、目標位置に位置速度制御する位置速度制御手段と、予め設定された値以上の作用力の発生を制限するコンプライアンス制御手段とを備え、前記位置速度制御手段の動作指令と前記コンプライアンス制御手段の出力との差分の指令によって動作し、前記ロボット先端のハンドにより把持されたネジ溝を有する部品をワークに形成された組み付け穴に挿入して組み付けるロボット制御装置において、前記部品の組み付けの作業条件を設定する組み付け作業条件設定手段と、前記ロボットへの指令位置と前記ロボットからのフィードバック位置の情報から前記ロボットの動作状態を監視し、前記部品のかじり状態を判定するかじり判定手段を備えた状態監視手段と、前記状態監視手段の出力結果に応じて前記ロボットの動作パターンを決定する動作パターン選択手段と、直線軌道を生成する直線軌道生成手段と、前記かじり判定手段によりかじり有りと判定された場合にそれまでの動作方向と反対方向の動作パターンを生成する逆方向動作生成手段と、螺旋型軌道を生成する螺旋軌道生成手段とを備えた動作パターン生成手段とを備え、前記動作パターン選択手段は、前記組み付け作業条件設定手段にて設定された作業条件に基づく軌道を生成させる指令を前記動作パターン生成手段の各生成手段に出力して、前記直線軌道生成手段による直線軌道で前記ロボットを動作させて前記部品を前記組み付け穴に挿入し、前記かじり判定手段によりかじり状態と判定されると前記逆方向動作生成手段による軌道でロボットを反対方向に動作させた後に前記螺旋軌道生成手段で生成された螺旋型軌道でロボットを動作させることを特徴とするものである。請求項１記載のロボット制御装置によれば、ロボット先端に特別な装置を配置する必要が無いため、ロボット先端の動作範囲が広くなり、峡間部分の組み付け作業が容易にでき、さらに外部センサを用いること無く指令位置とフィードバック位置の情報から動作状態を監視し、動作状態に応じた動作パターンを出力するので、安価で頑健な組立てロボットを提供ができる。
また、請求項１記載のロボット制御装置によれば、指令位置とフィードバック位置とからかじり状態を判定するので、安価で頑健な組立てロボットを提供ができる。また、請求項１記載のロボット制御装置によれば、かじり状態から脱出するための逆方向動作を自動生成するので、ロボットを途中で停止させることなく作業の続行が可能となる。
【０００６】
また、請求項２記載のロボット制御装置は、前記螺旋軌道生成手段は、前記組み付け作業条件設定手段にて設定された作業条件の中から前記ワークと前記部品とのクリアランスと、前記ネジのピッチ情報と、旋回移動速度と、旋回の回数とに基づいて螺旋型軌道を生成することを特徴とするものである。請求項２記載のロボット制御装置によれば、ワークと部品のクリアランスに応じて自動的に螺旋軌道を生成するので、作業者の教示作業の効率化が図れる。また、ネジのピッチ情報に応じた螺旋軌道を生成するので、直線的な挿入動作の場合にくらべて途中停止の少ないスムーズな高速挿入作業ができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るロボット制御装置の全体構成図である。図１において、ロボット1は、位置速度制御手段6の動作指令とコンプライアンス制御手段14の出力の差により動作する。ロボットハンド2には、ワーク4の組付穴5に挿入され組み付けられるネジ溝を有する部品3が把持されている。15は、組み付け作業の作業条件を設定する組み付け作業条件設定手段で、7はかじり判定手段12を有する状態監視手段であり、ロボット1の指令位置とロボット1からのフィードバック位置（FB位置）との位置偏差の大小とその時間変化から、かじり状態かどうかの動作状態を相関演算等の手法から同定する。同定した結果を動作パターン選択手段8に出力する。動作パターン選択手段8は、前記作業状態監視手段7により同定された状態情報から次回動作パターンを選択する。9は動作パターン生成手段で、螺旋軌道生成手段10、逆方向動作生成手段11と通常の直線動作生成手段13とから構成され、前記ロボット1の指令位置を位置速度制御手段6に出力する。
図１に示す組み付け作業条件設定手段15において、図１１に示す手順に従い、説明する。ステップｑ１では、螺旋軌道の動作開始の際の最小半径（r0）を設定し、ステップｑ２では、クリアランス（CL）を設定する。クリアランスとは、組付け穴5の半径と前記部品3のネジの谷の半径との差である。ステップｑ３では、部品3のネジのピッチ（Pitch）を設定する。ステップｑ４では、目標移動量（d）を設定する。ステップｑ５では、目標速度（Vd）を設定する。ステップｑ６では、旋回移動速度（Velxy）を設定する。旋回移動速度とは、前記螺旋軌道生成手段10で生成される螺旋軌道の接線方向の速度である。ステップｑ７では、旋回の回数（N）を設定する。
【０００９】
図２に示すように動作パターン選択手段８は、ステップt1で目標移動量（ｄ）と移動速度（Vd）とからなる直線軌道生成開始信号を、動作パターン生成手段9の直線軌道生成手段13に出力する。図３に示すように直線軌道生成手段13は、ステップＪ１で直線軌道生成開始信号を受信したらステップＪ2で目標移動量（ｄ）と移動速度（Vd）とから補間処理により、ロボット1の指令位置を算出し、図１に示すように、ロボット1の指令位置を位置速度制御手段6に払い出す。さらにロボット1の指令位置が、位置速度制御手段6に払い出されると同時に、逆方向動作手段11は、払い出された指令位置を、図４に示すようにステップp1で記憶する。
図１に示すように位置速度制御手段6の動作指令により前記ロボット1が直線動作し、部品3をワーク4の組付け穴5に挿入するように動作する。この直線動作の間、状態監視手段7のかじり判定手段12は、図６に示す手順で動作状態を監視する。ステップＳ１では、指令位置(RefPos)を取得する。ステップＳ２では、フィードバック位置(FbPos)を取得する。ステップＳ３では、指令位置とフィードバック位置の差（ErrPos）を算出する。ステップＳ４では、ロボット1の指令位置とフィードバック位置の差(ErrPos)と閾値CriPosとの大小により、かじり状態を判定する。図７に示すように、かじり状態はワーク4と部品3の間の初期位置がずれていた場合にA１でかじりが発生する。図６に示すようにかじり状態が発生すると、かじり判定手段12が、ステップＳ５でかじり発生信号を動作パターン選択手段8に出力する。動作パターン選択手段8は、図２に示すようにステップｔ５で、動作停止信号を動作パターン生成手段9に出力し、ロボット1の動作を一旦停止させる。引き続き、動作パターン選択手段8はステップｔ６で逆方向動作生成開始信号を動作パターン生成手段9の逆方向動作生成手段11に出力する。逆方向動作生成手段11は図４に示すように、ステップｐ２で逆方向動作指令生成を開始し、払い出し回数だけ、ロボット1の指令位置を図１に示す位置速度制御手段6に払い出す。図２に示すように動作パターン選択手段8は、逆方向動作生成手段11の完了を待って、ステップｔ８で逆方向動作の動作完了を確認し、ステップｔ９でクリアランス（CL）とピッチ（Pitch）と旋回移動速度（Velxy）と旋回の回数(N)とからなる螺旋軌道生成開始信号を動作パターン生成手段9の螺旋軌道生成手段10に出力する。ここで、部品3がネジでは無い場合には、ピッチを０でない定数とする。
【００１０】
図５に示すように螺旋軌道生成手段10は、ステップｅ１でクリアランス（CL）とピッチ（Pitch）と旋回移動速度（Velxy）と旋回の回数(N)とからＺ方向の進行速度を計算する。クリアランスをCL、最小半径をr0、ピッチをPitch、旋回方向の移動速度をVelxyとすると、部品3を組付け穴5に挿入する方向の速度であるＺ方向の進行速度Velzを、
【００１１】
【数１】
0004359808.tif 000002
【００１２】
とおく。
ここで、螺旋軌道とは、回転角をθとし、半径が回転角θの関数である曲線である。一般的に、時刻ｔでの螺旋軌道の位置（x(t), y(t), z(t)）は、
【００１３】
【数２】
0004359808.tif 000003
【００１４】
と表現される。
ステップｅ２で、半径を計算する。ここで、半径は、θの関数であるから、
【００１５】
【数３】
0004359808.tif 000004
【００１６】
とおく。
ステップｅ３で螺旋半径ｒθと旋回方向移動速度Velxyとから次回制御周期当たりの旋回角度増分量Δθを算出する。
【００１７】
【数４】
0004359808.tif 000005
【００１８】
図９に示す座標関係に基づいて、ステップe4では、スパイラル座標系Ｓでの目標位置（x,y,z）を算出する。スパイラル座標系Ｓとは、図９のＳに定義された直交した３軸により構成される座標系である。制御周期Δtとすると、スパイラル座標系Ｓ上での目標位置は、
【００１９】
【数５】
0004359808.tif 000006
【００２０】
となる。
ステップｅ５でワールド座標系Ｗでの目標位置に座標変換する。
【００２１】
【数６】
0004359808.tif 000007
【００２２】
となる。図１に示す位置制御手段6にロボット1の指令位置を払い出す。ステップｅ２からステップｅ５の処理を目標移動量に達するまで繰り返し、図１０に示す螺旋型の軌道をとりながら図８に示すようにかじりが発生することなく組みつけが実行される。ステップｅ６では、動作パターン選択手段8からの動作停止信号を監視し、動作停止信号が入信していなければ、次回制御周期のθを算出し、ステップｅ２に戻る。
【００２３】
【発明の効果】
以上述べたように、請求項１記載のロボット制御装置によれば、ロボット先端に特別な装置を配置する必要が無いため、ロボット先端の動作範囲が広くなり、峡間部分の組み付け作業が容易にでき、さらに外部センサを用いること無く指令位置とフィードバック位置の情報から動作状態を監視し、動作状態に応じた動作パターンを出力するので、安価で頑健な組立てロボットを提供ができる。また、請求項１記載のロボット制御装置によれば、指令位置とフィードバック位置とからかじり状態を判定するので、安価で頑健な組立てロボットを提供ができる。また、請求項１記載のロボット制御装置によれば、かじり状態から脱出するための逆方向動作を自動生成するので、ロボットを途中で停止させることなく作業の続行が可能となる。また、請求項２記載のロボット制御装置によれば、ワークと部品のクリアランスに応じて自動的に螺旋軌道を生成するので、作業者の教示作業の効率化が図れる。また、請求項２記載のロボット制御装置によれば、ネジのピッチ情報に応じた螺旋軌道を生成するので、直線的な挿入動作の場合にくらべて途中停止の少ないスムーズな高速挿入作業ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態のロボット制御装置の構成を示すブロック図。
【図２】本発明の実施の形態の動作パターン選択手段の処理手続きを示すフロー図。
【図３】本発明の実施の形態の直線軌道生成手段の処理手続きを示すフロー図。
【図４】本発明の実施の形態の逆方向動作生成手段の処理手続きを示すフロー図。
【図５】本発明の実施の形態の螺旋軌道生成手段の処理手続きを示すフロー図。
【図６】本発明の実施の形態のかじり判定手段の処理手続きを示すフロー図
【図７】本発明の実施の形態のかじり状態を示す模式図。
【図８】本発明の実施の形態のかじりが解消した状態を示す模式図。
【図９】本発明の実施の形態の座標系の関係を示す図。
【図１０】本発明の実施の形態のロボット先端の螺旋軌跡を示すXY断面図。
【図１１】本発明の実施の形態の組み付け作業条件設定手段の処理手続きを示すフロー図
【図１２】従来のロボット制御装置の構成を示すブロック図。
【図１３】図１１に示す従来のロボットの制御装置の一実施例に用いられるエンドエフェクタの構成を示す斜視図。
【図１４】  部品の位置決めピンの中心位置と組付穴の中心位置とがずれている状態を示す説明図。
【符号の説明】
１  ロボット
２  ロボットハンド
３  ネジ溝を有する部品
４  ワーク
５  組付け穴
６  位置速度制御手段
７  状態監視手段
８  動作パターン選択手段
９  動作パターン生成手段
１０  螺旋軌道生成手段
１１  逆方向動作生成手段
１２  かじり判定手段
１３  直線動作生成手段
１４  コンプライアンス制御手段
１５  組み付け作業条件設定手段
【図１】
0004359808.tif 000008
【図２】
0004359808.tif 000009
【図３】
0004359808.tif 000010
【図４】
0004359808.tif 000011
【図５】
0004359808.tif 000012
【図６】
0004359808.tif 000013
【図７】
0004359808.tif 000014
【図８】
0004359808.tif 000015
【図９】
0004359808.tif 000016
【図１０】
0004359808.tif 000017
【図１１】
0004359808.tif 000018
【図１２】
0004359808.tif 000019
【図１３】
0004359808.tif 000020
【図１４】
0004359808.tif 000021