【技術分野】

【0001】

【背景技術】

【0002】

【先行技術文献】

【発明の概要】

特開昭６３−３４６０９号公報の技術では、事前にハンドやワークの設計情報を記憶し、理論値を計算しておく必要がある。ハンドを他のエンドエフェクタに交換した際には、交換後のエンドエフェクタの設計情報が必要であり、煩雑な作業が要求される。 より簡便な操作で外力をより正確に検出する技術が必要とされている。

本開示のロボットシステムは、例示的な実施形態において、ロボットおよびロボットコントローラを有し、前記ロボットコントローラが前記ロボットに所定の作業を実行させるロボットシステムであって、前記ロボットは、ロボットアームと、前記エンドエフェクタと、前記ロボットアームの先端と前記エンドエフェクタとの間に取り付けられた力覚センサであって、受けた力およびモーメントの検出値を出力する力覚センサとを有し、前記ロボットコントローラは、前記検出値を受け取るインタフェース装置と、前記ロボットに所定の作業を実行させる信号処理回路とを備え、前記信号処理回路は、前記エンドエフェクタが第１姿勢にある状態で、かつ、前記エンドエフェクタに教示者が触れていない状態のときに出力された前記力覚センサの第１検出値、または前記第１検出値を加工した第１加工値を、前記ロボットアームの第１姿勢における第１基準値として保持し、前記エンドエフェクタが、前記第１姿勢と異なる第２姿勢にある状態で、かつ、前記エンドエフェクタに教示者が触れていない状態のときの前記力覚センサの第２検出値、または前記第２検出値を加工した第２加工値を、前記ロボットアームの第２姿勢における第２基準値として保持し、動作の直接教示として、前記力覚センサに教示者が触れることによって前記ロボットアームおよび／または前記エンドエフェクタが前記第１姿勢および前記第２姿勢以外の第３姿勢になったとき、前記第１基準値と前記第２基準値とを利用して第３基準値を算出し、前記第３姿勢における前記力覚センサの第３検出値と前記第３基準値とを利用して前記第３姿勢における教示値を取得する。 本開示のコンピュータプログラムは、例示的な実施形態において、ロボットシステムにおいて利用されるコンピュータプログラムであって、前記ロボットシステムは、ロボットおよびロボットコントローラを有し、前記ロボットコントローラが前記ロボットに所定の作業を実行させるシステムであって、前記ロボットは、ロボットアームと、前記エンドエフェクタと、前記ロボットアームの先端と前記エンドエフェクタとの間に取り付けられた力覚センサであって、受けた力およびモーメントの検出値を出力する力覚センサとを有し、前記ロボットコントローラは、前記検出値を受け取るインタフェース装置と、前記ロボットに所定の作業を実行させる信号処理回路とを備え、前記ロボットシステムは、記憶装置に、前記エンドエフェクタが第１姿勢 にある状態で、かつ、前記エンドエフェクタに教示者が触れていない状態のときに出力された前記力覚センサの第１検出値、または前記第１検出値を加工した第１加工値を、前記ロボットアームの第１姿勢における第１基準値として記憶しており、前記エンドエフェクタが、前記第１姿勢と異なる第２姿勢 にある状態で、かつ、前記エンドエフェクタに教示者が触れていない状態のときの前記力覚センサの第２検出値、または前記第２検出値を加工した第２加工値を、前記ロボットアームの第２姿勢における第２基準値として記憶しており、前記力覚センサに教示者が触れることによって前記ロボットアームおよび／または前記エンドエフェクタが前記第１姿勢および前記第２姿勢以外の第３姿勢になったとき、前記コンピュータプログラムは前記信号処理回路に、前記第１基準値と前記第２基準値とを読み出させ、前記第１基準値と前記第２基準値とを利用して第３基準値を算出させ、前記第３姿勢における前記力覚センサの第３検出値と前記第３基準値とを利用して、前記第３姿勢における教示値を取得させる。

本開示の実施形態によれば、事前にハンドやワークの設計情報を記憶・計算する必要がなく、簡単な計測を行うだけで、より正確な外力の検出が可能なロボットシステムが提供される。エンドエフェクタを交換した際にも、改めて簡単な計測を行うだけでよいため、作業が容易である。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、本開示のロボットシステム１を模式的に示す図である。

【図2】図２は、ロボットシステム１の各構成要素のハードウェア構成を模式的に示す図である。

【図3】図３は、力覚センサ１１０が検出可能な力およびモーメントを示す図である。

【図4A】図４Ａは、ロボットアーム１００の先端部１０２と力覚センサ１１０との拡大図である。

【図4B】図４Ｂは力覚センサ１１０から出力された検出値の向きおよび大きさを、原点Ｏから延びる矢印の向きおよび長さで示す図である。

【図5A】図５Ａは、教示者が手で力覚センサ１１０を引く様子を示す図である。

【図5B】図５Ｂは、力の差分Ｄを模式的に示す図である。

【図6A】図６Ａは、ロボットアーム１００の先端部１０２と力覚センサ１１０とハンド型のエンドエフェクタ１２０の拡大図である。

【図6B】図６Ｂは、力覚センサ１１０から出力された検出値の向きおよび大きさを、原点Ｏから延びる矢印の向きおよび長さで示す図である。

【図7A】図７Ａは、ロボットアーム１００の姿勢を回転させたときの力覚センサ１１０およびエンドエフェクタ１２０を示す図である。

【図7B】図７ＢはＸ軸およびＹ軸にかかる力のモーメントを模式的に表す図である。

【図8A】図８Ａは、姿勢（１）を取ったときの力覚センサ１１０およびエンドエフェクタ１２０と、姿勢（２）を取ったときの力覚センサ１１０およびエンドエフェクタ１２０とを示す図である。

【図8B】図８Ｂは、角度α１および角度α２の姿勢（１）および（２）において検出されたＸ軸周りのモーメントの検出値Ｐ１１およびＰ１２を示す図である。

【図8C】図８Ｃは、角度α１および角度α２の姿勢（１）および（２）において検出されたＹ軸周りのモーメントの検出値Ｐ２１およびＰ２２を示す図である。

【図9】図９は、信号処理回路２１０の処理の手順を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

以下、添付の図面を参照しながら、例示的なロボットシステム１の実施形態を説明する。本明細書では、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。たとえば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、本発明者は、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図しない。以下の説明においては、同一または類似する構成要素には、同一の参照符号を付している。

＜用語＞
「垂直軸」および「水平面」の用語は、ロボットアームが取り付けられる基台（ベース）の上面（設置面）を基準として定められる方向を示している。具体的には、設置面に垂直な方向を「垂直軸」と呼び、この「垂直軸」に直交する平面を「水平面」と呼ぶ。これらの用語は、発明の構成要素の配置関係をわかりやすくする目的で使用されており、ロボットアームの使用時における方向を制限する意図はない。本開示の実施形態において、垂直軸は鉛直方向に一致しているが、「垂直軸」の用語の意義は、この例に限定されない。「垂直軸」は、鉛直方向から傾斜していても良い。

「力覚センサ」は、本明細書では第２アームの先端部またはエンドエフェクタのハンド等に設けられて、受けた力および／またはトルク（モーメント）の検出値をセンシング結果として出力する。なお、以下では「モーメント」と言う用語を採用する。

本明細書では、力覚センサは概ね直円柱形状であり、便宜的に、円柱の中心軸をＺ軸とし、Ｚ軸を法線に有する平面を張る２本の直交する軸をそれぞれＸ軸およびＹ軸と呼ぶ。

「エンドエフェクタ」は、ロボットアームが作業を行えるように第２アームに取り付けて用いられる機器である。エンドエフェクタの典型例は、把持部、ナット回し、溶接ガン、およびスプレーガンを含む。エンドエフェクタは、ロボットアームの用途に応じて、ユーザが適宜取り替えて使用することができる。ロボットアームの先端部に力覚センサが取り付けられる場合には、エンドエフェクタは、力覚センサの第２アームと反対側の面に取り付けられ得る。

「ロボットアームの先端部」とは、ロボットアームが有するエンドエフェクタの取付面である。取付面はメカニカルインタフェースとも呼ばれる。「先端部」は、ツールセンタポイントと呼んでも良い。

図１は、本開示のロボットシステム１を模式的に示している。また図２は、ロボットシステム１の各構成要素のハードウェア構成を模式的に示している。本開示のロボットシステム１は、非限定的で例示的な実施形態において、ロボット２と、ロボットコントローラ３とを有している。

ロボット２は、ロボットアーム１００と、力覚センサ１１０と、エンドエフェクタ１２０とを有する。

ロボットアーム１００は、いわゆる垂直多関節ロボットとも呼ばれ、複数の関節および複数のアームを有している。各関節は、関節の運動を引き起こすモータおよび減速機などの電気機械要素、ならびに関節の回転角度（関節変数）を検出するセンサを含み得る。複数のアームは、上腕に相当するアーム、および、前腕および手首の両方を含むアーム等を含む。各アームは複数の関節を含み得る。ただし、アームは、力覚センサ１１０およびエンドエフェクタ１２０を含まない。

力覚センサ１１０は、ロボットアーム１００の先端部１０２とエンドエフェクタ１２０との間に設けられている。力覚センサ１１０は、受けた力およびモーメントの検出値を出力する。

図３は、力覚センサ１１０が検出可能な力およびモーメントを示している。本明細書では、力覚センサは６軸力覚センサである。６軸力覚センサは、ＸＹＺ軸方向の力（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ）と、それらの各軸周りのモーメント値（Ｆｒｘ，Ｆｒｙ，Ｆｒｚ）を計測し出力することができる。本明細書では、力覚センサ１１０の「検出値」は、各軸方向の力の大きさを示す値および各軸周りのモーメントの大きさを示す値の組であり得る。

６軸力覚センサでは、多数の歪ゲージが内部のビーム構造に貼り付けられている。歪ゲージは歪量を計測し、力とモーメントとに変換する。歪量の検出方式として、水晶圧電方式、静電容量方式等が知られているが、本明細書で言及する６軸力覚センサはいずれの検出方式を採用していてもよい。６軸力覚センサの構成および検出方式は公知であるため、詳細な説明は省略する。

本実施形態では、＋Ｚ軸側の面がロボットアーム１００の先端部に取り付けられ、−Ｚ軸側の面にエンドエフェクタ１２０が取り付けられる。

再び図１および図２を参照する。

ロボットコントローラ３は、信号処理回路２１０と、インタフェース装置２１２とを有する。なおロボットコントローラ３は記憶装置２１４を備えていてもよい。

信号処理回路２１０はロボットに所定の作業を実行させるための制御を行う。例えば信号処理回路２１０は教示作業時のロボット２の動作を制御する。インタフェース装置２１２は、ロボット２と接続されており、力覚センサ１１０から出力された検出値を受け取る。記憶装置２１４は教示結果を記憶する。

ロボットシステム１は、エンドエフェクタ１２０を利用して自動化された作業を行う。どのような作業を行うせるかを、操作者（教示者）が直接ロボットアーム１００を動かして学習させることが可能である。このような学習方法を、直接教示方式という。

教示者は、力覚センサ１１０を手で引き、押すことにより、ロボットアーム１００のアームを移動させる。このとき力覚センサ１１０は、教示者から受けた力およびモーメントの検出値を出力する。ロボットコントローラ３は、力およびモーメントが検出された方向および角度にロボットアーム１００を移動させる。

図４Ａは、ロボットアーム１００の先端部１０２と力覚センサ１１０との拡大図である。エンドエフェクタ１２０は取り付けられておらず、力覚センサ１１０は鉛直下向きに静止しているとする。

図４Ｂは力覚センサ１１０から出力された検出値の向きおよび大きさを、原点Ｏから延びる矢印の向きおよび長さで示している。力覚センサ１１０は重力以外の外力を受けていないため、本来であればＦｘおよびＦｙは検出されないはずであるが、力覚センサ１１０からは何らかの検出値が出力されていることを示している。なお、モーメントについての図示は省略した。

このような状態で教示作業が開始される。信号処理回路２１０はこのときの検出値をゼロ点と見なす。

図５Ａは、教示者が手で力覚センサ１１０を引く様子を示している。手で力覚センサ１１０に力を加えると、加えられた力に応じて力覚センサ１１０から出力される検出値が変化する。信号処理回路２１０は、ゼロ点からの力の差分を算出し、差分に相当する方向および角度だけ、ロボットアーム１００を動作させる。図５Ｂは、力の差分Ｄを模式的に示している。教示者が手を離すと、ロボットアーム１００は再び図４Ａの状態に戻るため、力覚センサ１１０からの出力もゼロ点に戻る。差分はゼロになるため、信号処理回路２１０はロボットアーム１００の動作を停止させる。

力覚センサ１１０にエンドエフェクタ１２０が取り付けられた際、従来は教示者が手を離してもロボットアームが動き続けるという問題があった。

図６Ａは、ロボットアーム１００の先端部１０２と力覚センサ１１０とハンド型のエンドエフェクタ１２０の拡大図である。力覚センサ１１０は鉛直下向きに静止しているとする。図６Ｂは、力覚センサ１１０から出力された検出値の向きおよび大きさを、原点Ｏから延びる矢印の向きおよび長さで示している。エンドエフェクタ１２０が取り付けられたため、エンドエフェクタ１２０の重量に起因する力Ｆｚが増加していることが理解される。

図７Ａは、ロボットアーム１００の姿勢を回転させたときの力覚センサ１１０およびエンドエフェクタ１２０を示している。この状態では、力覚センサ１１０には力だけでなく、力のモーメントもかかる。図７ＢはＸ軸およびＹ軸にかかる力のモーメントを模式的に表している。エンドエフェクタ１２０の質量をＭ、重力加速度をｇ、エンドエフェクタ１２０の重心Ｇから力覚センサ１１０の検出点までの長さをＬ、傾き角をθと表すと、力のモーメントはＬ・Ｍｇｓｉｎθである。力覚センサ１１０は、この力のモーメントをＸ軸周りおよびＹ軸周りのモーメントとして検出する。留意すべきは、図７Ａに示す状態でロボットアーム１００が静止していても、力のモーメントが発生し続けることである。つまり、教示者が力覚センサ１１０またはエンドエフェクタ１２０に触れていなくても、力覚センサ１１０は力のモーメントが反映された検出値を出力し続ける。

すると信号処理回路２１０は、力覚センサ１１０から出力された検出値にはゼロ点からの差分が引き続き存在すると判断し、ロボットアーム１００の動作を継続してしまう。これが、教示者が手を離してもロボットアームが動き続けるという問題を発生させていた。

そこで本発明者は、力のモーメントの影響を排除するための処理を検討した。その結果、ロボットアーム１００の姿勢を回転させた状態を含む、少なくとも２つの姿勢における力覚センサ１１０の検出値を利用して、力のモーメントの影響を相殺する技術を見出した。

図８Ａは、姿勢（１）を取ったときの力覚センサ１１０およびエンドエフェクタ１２０と、姿勢（２）を取ったときの力覚センサ１１０およびエンドエフェクタ１２０とを示している。図８Ａには姿勢（１）および（２）の間の姿勢（３）も示されているが、姿勢（３）については後述する。

本実施形態では、姿勢（１）は、Ｘ軸の周りにエンドエフェクタ１２０を角度α１だけ回転させ、Ｙ軸の周りにエンドエフェクタ１２０を角度β１だけ回転させた姿勢である。また姿勢（２）は、Ｘ軸の周りにエンドエフェクタ１２０を角度α２（≠α１）だけ回転させ、Ｙ軸の周りにエンドエフェクタ１２０を角度β２（≠β１）だけ回転させた姿勢である。いずれの姿勢（１）および（２）においても、教示者は力覚センサ１１０およびエンドエフェクタ１２０に手を触れていない。非限定的で例示的な実施形態において、α１＝０、α２＝−４５度または＋４５度、β１＝０、β２＝−４５度または＋４５度、である。姿勢（１）および姿勢（２）の少なくとも一方は、エンドエフェクタ１２０に非０のモーメントがかかる姿勢であればよい。

図８Ｂは、角度α１および角度α２の姿勢（１）および（２）において検出されたＸ軸周りのモーメントの検出値Ｐ１１およびＰ１２を示している。検出値Ｐ１１は姿勢（１）におけるＸ軸周りのモーメントのゼロ点を意味し、検出値Ｐ１２は姿勢（２）におけるＸ軸周りのモーメントのゼロ点を意味する。

図８Ｃは、角度α１および角度α２の姿勢（１）および（２）において検出されたＹ軸周りのモーメントの検出値Ｐ２１およびＰ２２を示している。検出値Ｐ２１は姿勢（１）におけるＹ軸周りのモーメントのゼロ点を意味し、検出値Ｐ２２は姿勢（２）におけるＹ軸周りのモーメントのゼロ点を意味する。

上述した「ゼロ点」を与える各検出値は、それぞれの角度における基準値として利用される。

検出値Ｐ１１、Ｐ１２、Ｐ２１およびＰ２２は、予め求めておくことが可能である。

本発明者は、ロボットアーム１００が姿勢（１）および（２）とは異なる姿勢（３）を取ったときに、検出値Ｐ１１、Ｐ１２、Ｐ２１およびＰ２２を用いて、姿勢（３）におけるＸ軸周りのモーメントのゼロ点およびＹ軸周りのモーメントのゼロ点に相当する各値を求めた。そして本発明者は、得られた各ゼロ点に相当する各値を、姿勢（３）で得られたＸ軸周りのモーメントの検出値およびＹ軸周りのモーメントの検出値から除外すれば、上述の問題が生じないことを確認した。

まず姿勢（３）における、Ｘ軸周りの角度α３およびＹ軸周りの角度β３を取得する。角度α３およびβ３は、ロボットアーム１００の先端部１０２の座標を利用して取得され得る。

６軸ロボットアームの動作中、ロボットコントローラ３の信号処理回路２１０は、６軸分のモータ回転角度に加えて、手先部分の位置（ＸＹＺ座標）も常に計算し続けている。先端部１０２の座標は、ＸＹＺの各軸および各軸周りの角度を用いて表され得る。表現形式は、例えばＸ［ｍｍ］，Ｙ［ｍｍ］，Ｚ［ｍｍ］，Ｒｚ［ｄｅｇ］，Ｒｙ［ｄｅｇ］，Ｒｘ［ｄｅｇ］である。前三者は直交座標系での表現、後三者はオイラー座標系での表現である。つまり、姿勢（１）ではＸ軸周りの角度Ｒｘ１およびＹ軸周りの角度Ｒｙ１が得られるし、姿勢（２）でもＸ軸周りの角度Ｒｘ２およびＹ軸周りの角度Ｒｙ２が得られる。よって、姿勢（３）でもＸ軸周りの角度Ｒｘ３（＝α３）およびＹ軸周りの角度Ｒｙ３（＝β３）が得られる。

信号処理回路２１０は、角度α１、α２、α３、および検出値Ｐ１１、Ｐ１２を利用して、姿勢（３）におけるＸ軸周りのモーメントの値Ｐ１３を算出する。また信号処理回路２１０は、角度β１、β２、β３、および検出値Ｐ２１、Ｐ２２を利用して、姿勢（３）におけるＹ軸周りのモーメントの値Ｐ２３を算出する。

本実施形態においては、信号処理回路２１０は、角度α３の姿勢（３）を取ったときのＸ軸周りのモーメント値Ｐ１３を、角度α１、α２、α３とＸ軸周りのモーメント値Ｐ１１、Ｐ１２、Ｐ１３との線形関係を利用して求める。また信号処理回路２１０は、角度β３の姿勢（３）を取ったときのＹ軸周りのモーメント値Ｐ２３を、角度β１、β２、β３とＹ軸周りのモーメント値Ｐ２１、Ｐ２２、Ｐ２３との線形関係を利用して求める。つまりいずれも線形補間を行う。

図８Ｂの例では、検出値Ｐ１１およびＰ１２を結ぶ直線が角度α３を取ったときの値を、Ｘ軸周りのモーメント値Ｐ１３として採用する。図８Ｃの例では、検出値Ｐ２１およびＰ２２を結ぶ直線が角度α３を取ったときの値を、Ｙ軸周りのモーメント値Ｐ２３として採用する。一般化すると以下の数式によって、姿勢（１）および（２）の間の姿勢を求めることができる。
（数１）
Ｐ１ｎ＝Ｋ１（α−α１）＋Ｐ１１ ただしＫ＝（Ｐ１１−Ｐ１２）／（α１−α２）
（数２）
Ｐ２ｎ＝Ｋ２（α−α１）＋Ｐ２１ ただしＫ＝（Ｐ２１−Ｐ２２）／（α１−α２）

その後、姿勢（３）における力覚センサ１１０の検出値が得られる。このときのＸ軸周りのモーメント値をＱ１とし、Ｙ軸周りのモーメント値をＱ２とする。信号処理回路２１０は、以下の式により、求めた値Ｐ１３およびＰ２３を基準値として利用して、Ｘ軸周りおよびＹ軸周りの力のモーメントに関する教示値Ｔ１およびＴ２を求める。
Ｔ１＝Ｑ１−Ｐ１ｎ、 Ｔ２＝Ｑ２−Ｐ２ｎ

なお、上述の数位１および数２は、姿勢（３）が姿勢（１）および（２）の間の姿勢である場合に成り立つ。そのため、姿勢（１）および（２）の間には入らない姿勢を取り得る場合には、例えば角度α４の新たな姿勢（４）におけるＸ軸周りのモーメントの検出値Ｐ１４およびＹ軸周りのモーメントの検出値Ｐ２４を事前に取得しておけばよい。このとき、教示者は力覚センサ１１０およびエンドエフェクタ１２０に手を触れていない。図８Ｂおよび８Ｃには、検出値Ｐ１４およびＰ２４がそれぞれ示されている。姿勢（１）と姿勢（４）との間の姿勢（５）を取った場合には、上述の数１におけるＰ１２をＰ１４に置き換え、数３におけるＰ２２をＰ２４に置き換えた新たな数式を利用して、姿勢（５）のモーメント値を求めゼロ点として扱えばよい。Ｘ軸周りおよびＹ軸周りの力のモーメントに関する教示値Ｔ１およびＴ２の求め方は上述の通りである。

図９は、信号処理回路２１０の処理の手順を示すフローチャートを示している。このフローチャートに記載された処理を実行する命令群が、コンピュータプログラムとして記述されており信号処理回路２１０に実行される。

ステップＳ２０において、信号処理回路２１０は、記憶装置２１４に格納された第１姿勢における第１基準値および第１姿勢と異なる第２姿勢における第２基準値を読み出す。

ステップＳ２２において、信号処理回路２１０は、第３姿勢になったとき、第１基準値と第２基準値とを利用して第３姿勢における第３基準値を算出する。

ステップＳ２４において、信号処理回路２１０は、第３姿勢における力覚センサの検出値と第３基準値とを利用して第３姿勢における教示値を取得する。

ステップＳ２２および２４の詳細は上述の通りである。

上述の処理により、信号処理回路２１０は、複数の基準値を利用して、力覚センサ１１０から出力されたモーメントに関する検出値から姿勢が変化した後の力覚センサ１１０にかかるモーメントの影響を相殺し、モーメントの影響が相殺された検出値を教示値として取得する。

以上の処理によれば、教示者が手を離してもロボットアームが動き続けることはなくなる。事前に複数の姿勢におけるＸ軸周りおよびＹ軸周りの検出値を求め、基準値を用意しておく必要はあるが、これまで必要であった設計情報を記憶し、理論値を計算する必要はないため、簡便な操作で外力を正しく検出し、教示値として利用できる。

なお上述の実施形態では、力覚センサ１１０からの検出値をそのまま用いる例を説明したが、検出値を加工した加工値を利用してもよい。加工とは、例えばノイズのフィルタリングであり得る。

【産業上の利用可能性】

【0059】

【符号の説明】

【0060】

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5A】

【図5B】

【図6A】

【図6B】

【図7A】

【図7B】

【図8A】

【図8B】

【図8C】

【図9】