JP5311294B2 - ロボットの接触位置検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、ロボットの接触位置を検出するためのロボットの接触位置検出装置に係り、より詳しくは、接触動作による位置検出の効率と精度を向上させる手段を備えた、ロボットの接触位置検出装置に関する。

ロボットの動作プログラムで教示した位置（もしくは定義した座標系）と実際の作業対象物の位置（もしくは定義した座標系）との間には、通常では誤差が存在している。従って、作業開始前に予め対象物の位置を特定し、誤差がある場合には、当該誤差を修正する処理をする必要がある。作業対象物の位置検出手段として一般的には、レーザやビジョンなどの非接触センシング手段が用いられている。しかし、非接触センシング方法では、物体の反射光を受光して処理するという手順をとっているので、物体の表面材質や照明条件によっては正確な位置検出ができないという一般的な技術課題がある。

このような技術課題を解決するために、下記特許文献１乃至５に開示されているように、接触センシング方式が提案されている。
特許文献１は、手先効果器（物を掴むハンド（グリッパ）や、バリ取りを行うグラインダ、溶接トーチなど、ロボットの手先に取り付けられ、作業対象物に対して何らかの作業をするもの）が作業対象物と接触したと判定した時のロボットの各関節モータのエンコーダ値から接触点の位置を割り出す方法を開示している。より詳しくは、作業対象物に接近する方向を力制御、それ以外の方向を位置制御に切り替え、力制御モードでの移動動作を実行し、力センサにより検出された接触方向の力が閾値ｆ０を超えた時点で接触判定信号を動作司令部に送り、受信時点の動作司令部から出力される位置を接触位置として記録する。

特許文献２に記載の技術では、検出対象物体と接触検出子の接触状況を電気的に出力する手段を設け、検出対象物体と接触検出子が接触した瞬間の接触検出子の位置データを記憶保持し、記憶保持された位置データから検出対象物体の位置を演算する。

特許文献３に記載の技術では、ロボットハンドの指先端が部品に接触したとき、歪ゲージより構成した三分力検出器により検出された指に作用する力の状態によって、部品の位置と姿勢を検出する。

特許文献４に記載の技術では、ロボットを目的位置を通過する仮想目標位置へ向かって移動させる際に、ロボットに備えられた圧力検出装置が所定の圧力を検出した場合には物体の位置を検出したものとして移動を停止させ、停止位置を基準として次の動作に移行する。

特許文献５に記載の技術では、被駆動体を駆動するためのサーボモータへのトルク指令値と、サーボモータの負荷イナーシャにより計算される模擬的なトルク指令値との差で表される外乱トルクを所定周期毎に算出し、外乱トルクが動作プログラムで指定された区間内で、指定された検出レベル以上となることにより被駆動体が物体に突き当たったことを検出する。

このように、上記従来のロボットの接触位置検出方法では、ロボットに印加される接触力を監視して接触時点のロボットの位置から接触位置を算出する、という手順がとられていた。

特許第２７０９００１号公報 特開平０４−３４０６０５号公報 特開昭６０−１６１０８５号公報 特開昭６０−２３８２９０号公報 特許第２７９３６９５号公報

上記特許文献１、特許文献３、特許文献４、特許文献５の接触位置検出方法では、ロボットの手先効果器の特定部分を接触部と想定して作業対象物に接触させている。しかし、接触部は剛体であるので、接触時のスピードを極低速にする必要がある。そのため、複数の接触ポイントを必要とする場合作業効率が低い。
また、特許文献２の接触位置検出方法では、検出対象物体と接触検出子の接触状況を電気的に出力する手段を取っており、プラスチックや樹脂など通電しない材質に対して接触検出信号が得られないため、接触位置の検出を行うことができず、接触位置検出方法としての汎用性を欠くものである。接触検出した瞬間に移動停止するためロボットの減速機に多大な負荷を与え問題である。
更に、特許文献１、特許文献３、特許文献４、特許文献５の手法は、各々の手法で使用するセンサ情報を常時監視し、接触した瞬間を検出し、その時点の接触部を記憶するという手法を取っているが、実際の接触では、センサで取得する情報は瞬間的な変化ではなく、一定の時間をかけて徐々に変化するため、正確な接触位置を求めることは出来なかった。

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、ロボットの特徴である高速性を失わずに作業対象物（ワーク）に接触することで高速に効率良く接触位置を検出し、エンコーダ分解能程度のサブミリ単位の高精度検出をすることができるロボットの接触位置検出装置を提供することを目的とする。

また、ロボットを構成する機器構成として上位の指令生成部分と下位の各モータ軸制御とで構成される場合が多い（図８参照）。その場合に上位コントローラで接触点を求める時、ロボット軸全体では通信の情報量が多量になるため、リアルタイムに常にエンコーダの位置の情報を上位に上げている場合は少ない。従って力検出値と対応した位置情報を同時に上位コントローラで管理する場合に不都合が生じる場合があった。

また、接触ポイントの構成として手先効果器以外に接触用のプローブを設けた場合、プローブが作業時に作業対象物や周辺の環境に触れるため作業に支障をきたすことがある。

上記課題を解決するため、本発明は、ロボットが物体と接触する接触位置を検出するための装置において、前記ロボットに取り付けられ、物体と接触する方向に弾性的に変位可能なプローブと、動作中の前記ロボットに対して前記プローブの位置を計算するプローブ位置計算部と、前記プローブが物体と接触した状態を検出する接触検出部と、前記プローブの接触状態が検出された場合、計算された前記プローブの位置に基づいて前記接触位置を導出する、接触位置計算部と、を備えて構成したものである。好ましくは、前記プローブの接触状態が検出された場合、前記ロボットを減速停止させるように制御する減速停止手段を更に備える。

本発明のプローブは、物体と接触する方向に弾性的に変位可能であれば任意構成を備えることができる。例えば、弾性を有する材料（ピアノ線）から構成したり、少なくとも１つの弾性変形領域（バネ）を備えた構成などを採用したりすることができる。プローブは、ロボットの接触状態を検出するロボットの手先効果器周辺に取り付けてもよいが、本発明はこれに限定されるものではない。また、本発明のプローブ位置計算部により計算される「プローブの位置」は、作業対象物との接触が想定されるプローブの一部分（例えばプローブ先端部）の位置とすることができるが、本発明はこれに限定するものではない。

本発明によれば、物体と接触する方向に弾性的に変位可能なプローブを用いているため、ロボット動作中に接触状態を検出した後、停止のための惰走距離（プローブが接触してからロボットが停止するまでの距離）を確保することができる。即ち、ロボットが物体に接触してから一定距離だけ進んでも、プローブの柔軟性によりプローブが損傷したり塑性変形したりすることは無く、或いはその逆に作業対象物が損傷し変形し、或いは振動したり、移動したりすることもない。このため、ロボットを低速で作業対象物に接触させる必要は無くなり、ロボットの特徴である高速性を失わずに対象物の位置を精度良く求めることができる。また求めた位置はプローブの位置として計算した値であり、ロボットと対象物の相対位置として求めることができるため、ロボットに必要な固有の情報として求めることができる。

本発明の一態様は、上記接触位置検出装置において、更に、前記プローブに印加された外力を検出する外力検出手段と、前記外力検出手段により検出された外力と前記プローブ位置計算部により計算された前記プローブの位置とを時系列的に記録する記録手段と、を更に備え、前記接触位置計算部は、前記プローブの接触状態が検出された場合、前記記録手段に記録された外力に基づいて前記プローブの接触時点を求め、記録されている該接触時点における前記プローブの位置を前記ロボットの接触位置として導出するようにしたものである。

本発明の第１の態様によれば、ロボット動作中において、外力検出手段がプローブに印加された外力を検出し、記録手段が、外力検出手段により検出された外力と前記プローブ位置計算部により計算された前記プローブの位置とを時系列的に記録する（「時系列的に記録」とは、記録情報の生起時間もしくは順序が分かる仕方で記録することを意味する。例えばサンプリングされた順番にシーケンスに記録することも含まれる）。そして、接触検出部は、一例としてプローブに印加された外力が所定値を超えたときにプローブが物体に接触したことを検出する。この所定値は、プローブが物体に接触した状態であることを確実に保証するため実際にプローブが接触したときに検出される外力の値よりも大きく設定されるのが好ましい。これにより、ノイズや作業対象物の振動などから実質的な影響を受けることなく、確実に接触状態を検出することができる。

プローブの接触状態が検出された場合、接触位置計算部は、記録手段に記録された外力に基づいてプローブの接触時点を求める。好ましくは、記録手段に記録されている外力値の時間的変化が変化した時点を接触時点として求める。ここで「外力値の時間的変化」の一例として「外力の時間微分値」が挙げられる。この場合、例えば外力微分値０（プローブが何とも接触していない状態を示す）から０を超えた値（何かに接触して力が加わったことを示す）に変化した時点若しくは外力微分値が０より大きい状態から０に変化した時点を接触時点として、該接触時点において計算されたプローブの位置、即ち真の「接触位置」を、記録手段を検索することにより導出する。「外力値の時間的変化」は微分値のみに限らず、複数の外力サンプル値を平均したものを用いてもよい。例えば接触検出部により接触状態が検出されていない時間区間における外力サンプル値の近似直線（外力値の時間的変化）と、接触状態が検出されている時間区間における外力サンプル値の近似直線との交点として、外力値の時間的変化が変化した「接触時点」を求めてもよい。このように第１の態様では、外力値及びプローブの位置を記録するという手段を設けることにより、接触位置を探索したり、物体との接触時と物体からの離脱時の計２回確認したりするなどして、正確な接触位置を高い信頼性で求めるという新しい効果をもたらすことができる。

好ましい態様では、検出された前記外力及び計算された前記プローブの位置に対し、同じ時間的特性を有するノイズ低減フィルタリング処理を実行する。これにより、記録された外力値とプローブ位置の双方に対して同等な遅れを持つ処理を施すことにより、接触時点とプローブ位置との対応関係にずれを生じることなく、正確な接触位置を求めることができる（フィルタリング処理の目的に関し、外力値はノイズ低減であり、計算されたプローブの位置は、外力値のフィルタリングの遅れと同等の遅れ時間を付与することにある）。

本発明の第２の態様では、前記接触検出部は、前記接触状態を導通により電気的に検出するセンサとして構成されている。
本発明の第２の態様は、接触状態を導通により電気的に検出するセンサを用いているため、プローブが物体に接触した瞬間に接触状態を検出することが可能となる。このため、例えば導通により接触状態を検出した時点におけるプローブの位置を接触位置として導出することが可能となる。この場合、上記した外力検出手段や記録手段を省略することができ、第１の態様よりも簡単な構成で同様の効果を奏することができる。

好ましくは、本発明の装置は、前記ロボットを制御する上位コントローラを備え、前記ロボットは、サーボモータと、前記上位コントローラからの指令により該サーボモータを制御するモータ制御系と、を備え、前記上位コントローラは、前記モータ制御系を模擬する演算モデルを内蔵し、前記プローブ位置計算部は、前記サーボモータへの指令データを前記演算モデルに入力したときの出力値を使用して前記プローブの位置を計算する。このように本発明の装置をロボットと上位コントローラとに分離し、通信負荷を回避するため下位のロボットからのエンコーダ情報を用いない場合であっても、上位コントローラがモータ制御系を模擬する演算モデルを内蔵しているため、位置ずれがない角度情報が得られ、その結果、正確な接触位置の検出が可能となる。

好ましくは、前記プローブは、前記ロボットへの取り付け及び該ロボットからの取り外しを可能とするか、又は、ロボットに格納可能に構成されている。これによって、ロボット作業時にワークや周辺物体に干渉することなく利用可能な装置構成とすることができる。

本発明の第１の実施例に係る、ロボットの接触位置検出装置の構成図である。 本発明の第１の実施例の処理手順を示すフローチャートである。 本発明の第１の実施例における接触位置検出動作の処理手順を示すフローチャートである。 図３に示す接触位置検出方法の説明図である（プローブ位置及び外力を示す）。 図３に示す接触位置検出方法の説明図である（プローブ位置及び外力の微分値を示す）。 図６は、本発明の第１の実施例に係る接触位置検出装置で用いられる外力検出器の別の実施例である。 図７−１は、本発明の第２の実施例に係るロボットの接触位置検出装置の要部の構成図であり、図７−２は、本発明の第３の実施例に係るロボットの接触位置検出装置の要部の構成図である。 本発明の第４の実施例に係る接触位置検出装置を説明するための一般的な制御装置の構成を示す図である。 本発明の第４の実施例を上位コントローラで実施する時の構成を示す図（関節角度座標系）である。 本発明の第４の実施例を上位コントローラで実施する時の構成を示す図（直交座標系） 本発明の第１又は第４の実施例に係るロボットの接触位置検出装置を使用してロボットに作業を実行させる際の、本発明の第５の実施例に係る処理を示すフローチャートである。 図１１に示すロボットの作業処理を説明するための図であって、図１２−１は、供給パレットに対象物（部品）が供給されていない場合にロボットに押し込み位置を教示するときのロボットの動作を示す構成図、図１２−２は、図１２−１の場合における外力及びプローブ位置の時間的変化のグラフ、図１２−３は、供給パレットに対象物（部品）が供給されている場合におけるロボットの動作を示す構成図、図１２−４は、図１２−３の場合における外力及びプローブ位置の時間的変化のグラフである。 図１１に示すロボットの作業処理を説明するための図であって、再生過程において積み上げられた対象物を連続的に接触、及び位置検出し、検出した位置の値から積み上げられた対象物の個数、及び供給状態を判別する処理を説明する図である。

以下、本発明の具体的実施例について、図に基づいて説明する。

図１は、本発明の第１の実施例に係るロボットの接触位置検出装置の構成図である。
図１に示されるように、第１の実施例に係る接触位置検出装置は、エンコーダを備えたサーボモータ（図示せず）により駆動されるロボット１を制御するためのロボットコントローラ５と、作業対象物２の位置を検出するためロボット１に取り付けられたプローブ４と、該プローブ４に印加された外力を検出するための外力検出器（本実施例では力センサを例にする）３と、を備えて構成されている。また、ロボットコントローラ５には、ロボット１に所定の動作を教示させるためユーザからの指令を入力可能な教示ペンダント６が接続されている。なお、図面に示されるロボット１は、６軸の垂直多関節型を例にしているが、軸数や軸構成を任意に変更したロボット１に対しても本発明の接触位置検出装置を適用することが可能である。

プローブ４は、作業対象物２と接触する方向に弾性的に変位可能に構成されている。例えばプローブ４は所定の弾性変形領域を有するように構成されてもよい（所定の弾性変形領域では、変形量に伴って反力を発生すると共に、繰返し元の形状、および位置に復元する）。このため、以下の記載では、プローブ４を柔軟なプローブと称することもある。但し、これはプローブの全ての領域が弾性であることを意味するのではなく、少なくともその一部分、あるいは一方向成分に弾性を有していれば足りる。また、プローブ４は、接触方向として一方向だけでなく多方向から接触することで位置検出の自由度を上げることができるように構成され、位置検出動作に伴い対象物へ接触する際にロボット自身と対象物との干渉がない程度の長さを持っているのが好ましい。一例として、プローブ４を、ピアノ線から構成することもできる。また、プローブ先端は、接触方向が制限されないように球状であるのが好ましい（図１ではプローブ先端に球状の物体を取り付けているように図示しているが、模式的なものであり、プローブ（ピアノ線）端そのものを球状に加工しても良いのである）。しかし、本発明のプローブ４は、これらの例に限らず、接触方向で弾性的に変位可能に構成された領域を備える限り、任意好適に変更可能である。

また、プローブ４は、ロボット１の作業性を損なわないように、プローブが必要な時のみ突き出す収納式でもよく、或いは、ロボット１への着脱が自在にできるように構成されていてもよい。更に、図１の例では、プローブ４を外力検出器３に直接取り付けているが、ロボット１の手先効果器に取り付けることも可能である。

ロボットコントローラ５は、ロボット１に作業対象物２の位置を検出させるために必要となる機能を実行することができる。このため、ロボットコントローラ５は、ロボット１の位置制御を行うためサーボモータへの指令を生成する位置指令生成部５１と、外力検出器３により検出されたプローブ４にかかった力の値を監視し、該力の値に基づいてプローブ４が接触状態であるか否かを判定し、接触状態である場合、ロボット１に対し後述する動作を行うように位置指令生成部５１に指令する外力値監視部５２と、ロボット１から送信されてきた各軸エンコーダの値、プローブ４の設計寸法、プローブ４の取り付け位置及びプローブ４のアプローチ方向とに基づいて、プローブ４が物体に接触するところの位置（例えばプローブ４の先端の位置）を計算するプローブ先端位置計算部５３と、ロボット１が接触動作中に、外力検出器３により検出された力の値とプローブ先端位置計算部５３により計算されたプローブの位置とを時系列的に記録する記録装置（メモリ）５４と、外力値監視部５２によりプローブ４が接触状態であると判定された場合、記録装置５４に記録された外力値及びプローブ先端位置とに基づいて実際の接触位置を計算する接触位置計算部５５とを備えている。なお、教示ペンダント６はロボットの接触動作の実行、力センサ値の検出閾値、接触検出位置から実際の接触位置を算出する補正値、プローブ寸法の設定変更、供給状態の判別閾値の設定に使用する。

図２は本発明の第１の実施例に係る接触位置検出装置の処理手順を示すフローチャートである。図１を参照しつつ、図２を用いて本発明の方法を順を追って説明する。
図２に示されるように、はじめにステップＳ１でプローブ４をロボット１の手先効果器周辺に装着し、作業ツールデータ（ロボット１の先端位置からみた接触位置検出プローブ４の位置姿勢）を教示ペンダント６を用いて入力する（接触位置検出を行わないときにはプローブを外しておけば通常のロボット作業の邪魔にはならない）。作業ツールデータはロボット１や接触位置検出プローブ４の設計値を用いれば良いが、設計値と取り付け位置が正確に分からない場合は、別途キャリブレーション（校正）しても良く例えば次のような方法がある。ロボット座標系に対する作業対象物２の位置、及び、姿勢、並びに、ロボット１の手先位置、及び、姿勢が既知の条件下で、接触位置検出プローブ４を用いて、作業対象物２に接触し、接触時点での、ロボット１の手先位置・姿勢と、作業対象物２の位置・姿勢の「差（ベクトル）」を、接触位置検出プローブ４の設計寸法と取り付け位置にとするのである。ロボット座標系はロボットの第一軸を原点として、前後にＸ方向、左右にＹ方向、上下にＺ方向を取る直交座標系である。

次にステップＳ２で位置検出動作を開始する。位置検出動作は作業者が教示ペンダント６を用いたジョグ運転（ロボットを所望の位置、姿勢に動かし、教示ペンダント上で操作を行うことで、その時のロボットの位置、姿勢をロボットコントローラに記憶させるための運転）か、予め教示しておいた動作を再生すればよい。ステップＳ３で外力値監視部５２が力センサの値の監視を始め、ステップＳ４で記録装置５４がプローブ先端位置と力センサの値の記録を開始する。プローブ先端位置は、プローブ先端位置計算部５２により、ロボットの各軸のエンコーダの値を順変換したロボット先端位置（プローブ取り付け位置）の値にプローブの寸法を加算することで計算する。

より精度良くプローブ先端位置を検出するために、（式１）のように位置検出動作におけるプローブのアプローチ方向に応じて、プローブ先端球中心位置Ｐｔｃｐにプローブ半径Ｒを加算してプローブ先端位置Ｐｔｏｐを計算しても良い。（式１）はロボット座標系を基準とした動作でのアプローチ方向の場合分けで、場合分け以外の方向から動作した場合には、移動量の多い方向をアプローチ方向として計算しても精度に影響は無い。例えば、アプローチ動作としてＸ軸負から正方向へ２００ｍｍ、Ｙ軸正から負方向へ１０ｍｍ動作した場合（I）のＸ軸負から正方向へアプローチする場合とする。

ステップＳ５で外力値監視部５２は力センサの値が設定閾値Ｆ０を超えているかを一定の周期で監視する。力センサの値がＦ０を超えた場合には接触を検出したと判断し、外力値監視部５２から接触位置検出信号が位置指令生成部５１へ送信される。接触位置検出信号を受け取った位置指令生成部５１は、ロボットを減速停止させ位置検出動作の開始位置へ撤退させるようにロボット１への位置制御を行う。（ステップＳ６）。このとき、ロボットの惰走距離（プローブが接触してからロボットが停止するまでの距離）はプローブ４の柔軟性によって吸収されるためプローブが損傷したり変形したりすることは無く、或いはその逆に作業対象物が損傷し変形し、或いは振動したり、移動したりすることもない。なお、Ｆ０は、プローブ４が接触状態にあることを高い確率で判定可能にするためロボットアームに通常生じ得る振動（ロボットの動作による機械的振動や力センサの計測において発生する電気的ノイズ等）に起因する力よりも大きな値に設定するが、ロボットの教示ペンダントなどを用いて外部から変更可能にしてもよい。ステップＳ３、ステップＳ４、ステップＳ５の処理のサンプリング周期は、必要とする接触位置検出の分解能を満たすように設定する。具体的にはサンプリング周期を必要とする位置検出の分解能を検出動作速度で除した値よりも小さい値になるように設定する。サンプリング周期が決定している場合には検出速度により位置検出分解能が決定する。接触位置検出信号を受けて、ステップＳ７でプローブ先端位置と力センサの値の記録を終了する。ステップ８で接触位置計算部５５は、記録装置に記録したプローブ先端位置と力センサの値とから、プローブ４が作業対象物体２に接触した接触位置を計算する処理を行う。

図２のステップＳ５では、振動などの外乱による接触検出の誤りを排除し、確実に接触状態を検出可能にするため、Ｆ０を、プローブが物体に接触した際に発生する通常の力よりも大きい値に設定している。このため、図４に示すように、ステップＳ５で判断した接触判断位置（ｘ１）は、外力の値の立ち上がり位置として求められるプローブの実際の接触位置（ｘ２）とは異なり、ロボットアームの動作方向により進んだ位置となっている。かくして、本実施例では、接触状態であると検出された後に、記録装置に記録されている過去の外力値とプローブ位置とから実際の接触位置を計算する処理を行うようにしている。

図３は、接触位置計算部５５が接触位置を求める計算処理の手順を示すフローチャート、図４、図５は接触位置検出処理の説明図である。これらの図を用いて図２のステップＳ８における接触位置検出処理を順を追って説明する。

図３に示すように、ステップＳ８１で、力センサ３により検出された外力検出値にローパスフィルタをかけ、外力検出値に重畳しているノイズ成分を除去する。ローパスフィルタとして、シャープなカットオフ周波数特性を有するのが好ましく、該カットオフ周波数は、ロボットの特性に応じて適宜変更可能である。また、本実施例では、プローブ先端位置計算部５３により計算されたプローブ４の先端位置の値に対してもローパスフィルタをかける。好ましくは、外力値に対して適用したものと同じ時間的特性を有するノイズ低減フィルタリング処理を実行する。これにより、同一遅れ信号同士を対応付けることができ、接触位置の検出精度を向上させることができる。

次にステップＳ８２で差分計算により力センサ値の時間微分を計算する。ステップＳ８３で１サンプル毎に力センサ値の時間微分が０で無いかを判断する。図５に示すように力センサ値の時間微分が０を超えるか又は０より小さくなった時点のプローブ先端位置を実際の接触位置ｘ２とする（ステップＳ８４）。なお、力センサ値の時間微分が０を超える時点は、プローブが何とも接触していない状態から作業対象物に接触した時点に相当し、力センサ値の時間微分が０より小さくなる時点は、プローブが作業対象物に接触している状態から当該対象物から離れて何とも接触していない状態に移行した時点に相当している。即ち、本実施例では、接触時と離れる時の２回、接触位置を検出する機会が存在しており、いずれの時点も接触位置の検出に用いることができる。接触時と離れる際の接触位置を比較し、一致していることを確認することで、接触位置検出処理の信頼性を高めることが出来る。接触時と離れる際の接触位置が不一致である場合として、例えば、接触動作に伴い対象物が変形した、移動した等が想定される。

上記実施例では、記録したプローブ先端位置と力センサの値から実際の接触位置を計算する処理について、ステップＳ８２、ステップＳ８３では力センサの時間微分により実際の接触位置を求めたが、本発明はこの例に限定されるものではない。例えば、
（１）力センサの値において接触判断した時点の時刻および力センサの値
（２）接触判断した時点から所定時間前の時点の時刻および力センサの値
この（１）と（２）から実際の接触から減速停止に到るまでの力センサ値の近似直線を求め、接触していない区間における近似直線を、同様に２つの時刻および力センサの値をサンプリングすることで計算し、両直線の交点における時刻と力センサの値から実際の接触位置を算出する等の方法がある。なお、対象物が存在していない等により力センサの値が閾値Ｆ０を越えなかった場合、接触位置検出は不能になるため、位置検出処理エラー信号を上位処理部（図示せず）に戻す。

このように、本発明の第１の実施例によれば、柔軟なプローブを用いて接触位置検出動作を行い、接触検知してから接触動作速度を減速して停止するので、非接触センシング方式を用いた通常のロボットの作業速度と同程度の速度でも速やかに位置検出を行うことが可能となり、その結果、従来の接触センシング方式と比較して、作業効率を大幅に向上させることができる。また、プローブ先端位置と力センサ値にフィルタリングをかけ、力センサ値の微分値が０で無いかを判断し、０を超えるか又は０より小さくなった時点のプローブ先端位置から実際の接触位置を算出するためロボットの接触位置検出精度を向上させることができる。また、第１の実施例では、記録装置５４にプローブ位置や外力を時系列的に記録し、過去の複数サンプルに亘って外力や接触位置を探索することを可能にしたので、正確な接触位置を高い信頼性で求めることができる。

第１の実施例では、外力検出器３を力センサとして説明したが、本発明はこの例に限らず、外力を検出できる限り、他のセンサ、例えば、薄型圧力センサや、トルク指令値と負荷トルクとの差で表される外乱トルクを用いた力検出器などでも代用することができる。後者の例を図６に示す。この図はトルク指令値と負荷トルクとの差で表される外乱トルクを用いた力検出方法を説明するブロック図である。通常のロボットの位置速度制御部０３１におけるトルク指令と位置フィードバックを用いて外乱トルク演算部０３２において外乱トルクを計算する。外乱トルクの演算方法として、例えば、位置フィードバックの２階微分から角加速度を求め、モータ負荷の慣性モーメントを乗ずることでフィードバックトルクを計算し、トルク指令とフィードバックトルクの差を外乱トルクとする方法があるが、これに限定されるものではない。外乱トルクを所定周期で計算することで、接触状態を検出することができる。

第１の実施例では、力センサにより検出された力の値を用いて外力値監視部５２で確実な接触状態を判定していたが、本発明の第２の実施例は、力センサの代わりに、接触状態を導通により電気的に検出するセンサを用いた接触位置検出装置を提供する。

図７−１には、第２の実施例に係わる、接触状態を導通により電気的に検出するセンサを装着したロボットが示されている。同図に示されるように、ロボット１と対象物０１２は電気結合線０１３により電気的に結合されている。ロボット１の先端に装着した導通検出プローブ０１１を対象物０１２に接触させることにより、対象物０１２を媒体として通電し、導通検出プローブ０１１においてこれを検出し、接触状態を検出することができる。導通検出プローブ０１１は、第１の実施例と同様に、対象物０１２と接触する方向に弾性的に変位可能に構成されている。

従って、第２の実施例では、導通検出プローブ０１１が接触を検出した時点のプローブの位置をそのまま実際の接触位置として採用することができ、過去のデータに遡って接触位置を計算する必要は無くなる。従って、第２の実施例のロボットコントローラ５では、図１で示す構成要件のうち、記録装置５４及び接触位置計算部５５を省略することができる。また、外力値監視部５２の代わりに、導通検出プローブ０１１の導通を監視する導通監視部が採用され、この導通監視部は、プローブの導通即ち接触が検出された時点で、位置指令生成部５１にロボットを減速停止させる指令を発する。また、プローブ先端位置計算部５３では、導通監視部により導通即ち接触が検出された時点で計算されたプローブ先端位置を実際の接触位置として出力する。

第２の実施例は、特許文献２に関して上述したように、プラスチックや樹脂など通電しない材質に対しては位置検出ができないため、接触位置検出方法としての汎用性を欠くものである。しかし、導通検出プローブ０１１が柔軟なプローブであることにより、接触検出した瞬間に急激に停止させるのではなくロボットを減速停止させることが可能となる。従って、第２の実施例では、ロボットの減速機に多大な負荷を与えることはなくなり、この点に関して特許文献２の問題を解決している。
また、第２の実施例では、記録装置等を省略することができるため、より簡単な構成で接触位置を検出することができる。しかし、第１の実施例と同様に、記録装置を用い、導通の検出時に過去に遡って位置の検出を行い、導通時の接触位置が正しい接触位置であるか否かの再確認を行うことにより、より確実に高い信頼性で接触位置を検出することも可能である。

第１の実施例では、力センサにより検出された力の値を用いて外力値監視部５２で接触状態を判定していたが、第３の実施例では、力センサの代わりに接触センサを用いて接触状態を検出する接触位置検出装置を提供する。

図７−２には、第３の実施例に係わる、接触センサを装着したロボット１が示されている。当該接触センサは、ロボット１の先端に弾性部材０２１（ばね）を介してスイッチ０２２を設け、その先に剛体プローブ０２３を装着することによって実現することができる。スイッチ０２２は物理的な拘束により所定量の変位が発生した時にスイッチングし電気的な信号を出力するスイッチであり、ロボット１の動作により、剛体プローブ０２３が対象物０２４に接触し、所定量の変位が発生した時に接触を検知する電気信号が、スイッチ０２２より出力されることにより、接触状態を検出することができる。接触状態が検出されると、第１の実施例と同様に、位置指令生成部５１にロボットを減速停止させる指令が発せられ、記録装置に記録された外力値とプローブ先端位置とに基づいて、剛体プローブ０２３が実際に対象物０２４に接触した位置が求められる。

なお、剛体プローブ０２３は、接触センサの感度（接触から、所定量変位を受けて、接触の信号を出力するまでの時間や変位量）を上げるために剛体部材で構成されており、接触時点からロボットの減速（惰走）距離は弾性部材０２１において吸収するのである。より正確には、剛体プローブは、弾性部材０２１よりも高い弾性率（変位量に対して大きな反力を提示する特性）を有する特徴を持っていれば良い。このように第３の実施例では、接触状態を検出可能な機能と、弾性的な変位機能とを１つのプローブに持たせた点に特徴がある。

上記各実施例では、上位のロボットコントローラは、下位のロボットのサーボモータに指令信号を送ると共に、ロボットの各軸から送られてきたエンコーダ信号からロボットの位置を計算していたが、ロボット軸全体では通信データ量が多量となり、通信に負荷がかかる。そこで、第４の実施例は、エンコーダ情報からではなく、ロボットへの指令信号に基づいてロボットの位置を計算する装置を提供する。

まず、図８に上位と下位で構成され通信でモータの角度指令を伝送するコントローラの一般的な構成を示す。ロボットプログラムに従って生成されたロボットの動作指令はロボット機構学の逆変換によりロボット関節を駆動するサーボモータの位置指令（角度指令）として生成され、その値がシリアル通信などの伝送路を通して各モータの制御系に伝達される。

ロボット手先に配置された力センサからの検出値は座標変換を施すことで記憶された動作指令と座標系が一致することになる。前記する座標変換とは、ロボット座標系と、力センサの座標系（例えば３軸センサであれば、センサ上で規定された、ＸＹＺ軸方向の力が検出でき、センサ取り付け方向に応じて、規定されたＸＹＺ軸が変化する）との位置姿勢関係を規定する座標変換行列を用いた計算処理を意味する。ただし、所望する位置検出の精度、感度、検出処理の汎用性において、使用するセンサ仕様、及び上記した計算処理を限定しても良い。例えば、位置検出するのみであれば、必ずしも座標系を一致させる必要はなく、力の検出方向に関しても、少なくとも１方向以上が検出できれば良い。また、必ずしも、手先にセンサを配置する必要性も無く、関節軸に配置された力もしくはトルク検出器により、接触を検知できる。また、３方向（ＸＹＺ軸方向）の力を検出する力センサを使用することにより、位置検出動作方向に因らず接触を検知できる。そして、前記する力センサの座標系とロボット座標系との関係を規定する座標変換行列を用いる事により、アプローチ方向に応じて正確な接触位置を計算することができ、位置検出精度が向上する。更に、３方向の合力を計算すれば、合力をとることにより少ない接触力で接触を検知（接触感度の向上）する事が可能となる。

第４の実施例においても、第１の実施例で示したように当該力の検出値が閾値を超えた後、プローブの弾性変形の範囲でロボットを減速停止させる。その後記録された力の立ち上がり時刻と記録された位置情報とに基づいて接触点を求める。
力センサの検出値は一般的に変動が激しいためフィルタリング処理を施すが、記録された力検出情報と位置情報の双方に対して同等な遅れを持つ処理を施すことにより、立ち上がり時刻と位置の対応関係にずれを生じることなく、正確な接触ポイントを求めることができる。

ここでは上位コントローラでの直交座標系におけるフィルタリング処理に関して述べたが、第１の実施例において、関節角の座標系で記録した力情報と位置情報に対してフィルタリング処理を施しても同様な効果が得られる。

ここで、第４の実施例に係る、上位コントローラの内部処理の詳細を図９、図１０を参照して説明する。図９は関節角度座標系で接触点を求める場合、図１０は直交座標系で接触点を求める場合の上位コントローラの内部処理を各々示している。

図９に示される上位コントローラの内部処理では、ロボットの動作プログラム（７０１）が事前のロボット動作による教示やシミュレータなどのツールにより予め生成されており、プログラム動作時には、ロボットに直交座標系での具体的な動きを実行させるための指令７０２が生成される。これらの生成された指令はロボットの関節を動作させるために逆変換７０３により関節角度座標系への指令７０５へと変換され、ロボット各関節のサーボモータへ指令される。動作途中でロボットが作業対象物等へ接触した場合は力センサの検出力７１１が計測され第１の実施例で示したような方法により接触時点の角度７０８が求められる。その時、メモリ７０６に記録された角度情報と力センサ情報を用いるが、記録された位置情報と力センサ情報のそれぞれに対して同等の時定数を持つフィルタ等の処理（７０７）を施すことで、力センサ値の変化から求められる接触点のずれをなくすことができる。接触点座標７０８は、機構学順変換７０９により関節角度座標系から直交座標系の接触点座標７１０へと変換される。コントローラはこの接触点座標７１０に基づいて次にとるべき動作を判断する。また、逆変換７０３により関節角度座標系に変換された指令値は、下位のロボットの関節角制御系（図８の６０２）に与えられる指令値にしか過ぎず、実際のモータ（図８の６０３）の検出角とは必ずしも一致するとは限らないため、逆変換７０３による指令値をそのまま用いると実際の関節での検出角とのずれが生じる可能性がある。その問題を解決するため、ロボットのモータに対する関節角制御系を模擬する関節角制御系演算モデル（７０４）をコントローラに内蔵し、７０３の指令値を演算モデル（７０４）に入力することによって実際のモータの検出角からの位置ずれがない角度を計算し、この計算した角度をメモリ７０６に記録させる。これによって、下位のロボットからのエンコーダ情報を用いなくとも位置ずれがない角度情報が得られ、その結果、正確な接触点の検出が可能となる。

以上は関節角度での接触点検出の場合を述べたが、図１０に示されるように直交座標系で求めた位置情報を用いる場合も同様の作用効果を奏することができる。図９とはメモリに記録する情報が直交座標系になっているだけで基本的な原理は関節角度座標系の場合と違いはない。

図１１と図１２とを用いて本発明の第５の実施例に係る方法を順を追って説明する。本実施例は第１又は第４の実施例の装置で実施される接触位置検出方法をロボットの作業へ応用した例で、製造ラインなどにおいて供給される対象物２（部品）に対して、供給毎に接触位置検出を実施し、供給位置の誤差（正しい供給位置と、各供給位置との差）に基づいて、供給状態を判別し、判別結果に応じて処理を行うものである。なお、第１の実施例と同様の構成要件については、同一の参照番号を附して詳細な説明を省略する。

第５の実施例に係る方法を示す図１１のフローチャートを参照すると、まず、教示過程において接触位置検出動作の教示、正しい供給位置、判別閾値を設定する。ステップＳＡ１では、作業者が教示ペンダント６を用いてロボットをジョグ運転し、ロボット１の手先部を対象物２（部品）にアプローチし（接近させ）、柔軟な接触位置検出プローブ４を対象物２（部品）に接触させ、押し込んだ位置を教示する（接触位置から押し込み位置までの距離はプローブの柔軟性により吸収される）。なお、この位置は第１の実施例のステップＳ３と同様に、ロボット１の各軸エンコーダの値と接触プローブ４の取り付け位置と設計寸法と位置検出動作のアプローチ方向とを用いる事により計算できる。接触位置検出動作の教示は基本的に上記の通り行うが、後述する状態判別を間違い無く行うための最適な位置を作業者がその都度設定するのが好ましい。例えば、図１２の各図に示されるように、供給パレット９に対象物２（部品）が供給されていない場合（図１２−１）と供給されている場合（図１２−３）との判別を予め行っておくのが好ましい。この場合では、部品供給の有無を判別するために図１２−１に示す位置Ｐ０を教示する。この位置Ｐ０は部品が供給されていない場合の検出位置Ｐ１（実際の接触位置）から、接触判断位置と減速停止距離分押し込んだ位置である。接触判断に要する移動距離、及び減速停止距離はそれぞれ、接触判断の閾値Ｆ０と接触プローブの弾性率と各軸モータの減速度から理論的に計算することもできるが、作業者が直感的もしくは経験的に設定しても良い。

ステップＳＡ２では、作業者が対象物２（部品）を正しい供給位置に設置し、ステップＳＡ１で教示した位置検出動作を実行し、位置検出し、正しい供給位置を取得する。取得した位置データは記録装置５４に記録する。

ステップＳＡ３では、ステップＳＡ２で取得した正しい供給位置と供給毎に取得する供給位置との差から供給状態を判別するためのパラメータとして、適正範囲外供給の判別閾値を設定する。この判別閾値は、作業者が教示ペンダント６を用いて設定し、記録装置５４に格納しておいたものである。適正範囲外供給の判別閾値は、その時点の供給位置では供給位置誤差のため以降の作業ができなくなる値の上限を設定するが、例えば、図１２の例では、Ｐ１、Ｐ２の位置がそれぞれ部品無しの場合、有りの場合に相当するため、Ｐ１からＰ２の間の検出位置が適正範囲外供給となる。つまり、この場合、適正範囲外供給の判別閾値はＰ１となり、接触検出位置がＰ１より大きい場合には適正範囲外供給と判別でき、Ｐ２以下の場合には供給されていないと判別できるのである。適正範囲外供給となる理由については様々なものがあるが、例えば、部品が供給パレットの枠から逸脱して置かれている場合や部品の加工誤差などが挙げられる。

以降では、再生過程における判別方法と処理方法を説明する。
ステップＳＡ４では、供給された対象物２（部品）に対して、ステップＳＡ１において教示した位置検出動作を実行して、位置検出し、供給位置を取得する。

ステップＳＡ５では、ステップＳＡ４で取得した供給位置と記録装置５４に記録した正しい供給位置の差を計算し、ステップＳＡ３で設定した適正範囲外供給の判別閾値と比較する。取得した供給位置と正しい供給位置の差が適正範囲外供給の判別閾値以内であれば、状態１（適正範囲内に供給されている）と判別し、ステップＳＡ６１において作業が継続実行される。取得した供給位置と正しい供給位置の差が適正範囲外供給の判別閾値を越えていれば、状態２（適正範囲外に供給されている）と判別し、ステップＳＡ６２において作業開始位置を供給誤差の量だけ修正する。また、第１の実施例に記したように、対象物２（部品）が供給されていないことにより位置検出処理エラー信号を受信している場合には、状態３（供給されていない）と判別し、ステップＳＡ６３において対象物２（部品）を再供給するなどの処理を設ける。

本実施例では、対象物２（部品）の供給状態の判別を正しい供給位置との差で行うため、検出位置は絶対的な値である必要は無く、正しい供給位置との相対的な変化を見れば良い。つまり、プローブ先端位置計算において使用するロボットのリンク長、ねじれ角、軸間距離などのリンクパラメータやプローブ寸法、プローブ取り付け位置などのツールデータは誤差を含んだ値でも良い。また、位置検出動作をロボットの全ての軸を動作させて行うのではなく、指定した軸でのみ行うのであれば、動作する軸とツールデータからプローブ先端位置を計算し、接触位置の相対的な変化を用いれば同様の効果を得られる。

また、本実施例では、教示過程において正しい供給位置を設定する処理を行ったが、再生過程において行う方法も考えられる。例えば、図１３に示すように積み上げられた対象物２について、対象物を連続的に接触、及び位置検出し、検出した位置の値から、積み上げられた対象物の個数の判別はもとより、対象物の配置誤差を検出することができる。つまり、必ずしも教示過程において正しい供給位置を設定しなくとも、再生過程において取得した位置検出データを用いて供給状態を判別することができるのである。

以上が本発明の各実施例であるが、本願発明は、上記例に限定されるものではなく、本願発明の範囲内で任意好適に変更可能である。

１ ロボット
２ 対象物
３ 力センサ
４ 柔軟な接触位置検出プローブ
５ ロボットコントローラ
５１ 位置指令生成部
５２ 外力監視部
５３ プローブ先端位置計算部
５４ 記録装置
５５ 接触位置計算部
６ ロボットの教示ペンダント
７０１〜７０５ 動作プログラムから各モータへの角度指令を生成する処理（上位コントローラ内部での演算処理）検出）
７０６〜７１０ 関節角度座標系での接触点検出処理（上位コントローラ内部での演算処理）
７１１ 力センサの検出値
８０６〜８１１ 直交座標系での接触点検出処理（上位コントローラ内部での演算処理）

Claims (6)

1. ロボットが物体と接触する接触位置を検出するためのロボットの接触位置検出装置において、
   前記ロボットに取り付けられ、物体と接触する方向に弾性的に変位可能なプローブと、
   動作中の前記ロボットに対して前記プローブの位置を計算するプローブ位置計算部と、
   前記プローブが物体と接触した状態を検出する接触検出部と、
   前記プローブの接触状態が検出された場合、計算された前記プローブの位置に基づいて前記接触位置を導出する、接触位置計算部と、
   前記プローブの接触状態が検出された場合、前記ロボットを減速停止させるように制御する減速停止手段と、
   前記プローブに印加された外力を検出する外力検出手段と、
   前記外力検出手段により検出された外力と前記プローブ位置計算部により計算された前記プローブの位置とを時系列的に記録する記録手段と、
   を有し、
   前記接触位置計算部は、
   前記プローブの接触状態が検出された場合、前記記録手段に記録された外力に基づいて、当該外力値の時間的変化が変化した時点を前記プローブの接触時点として求め、記録されている該接触時点における前記プローブの位置を前記ロボットの接触位置として導出する
   ことを特徴とするロボットの接触位置検出装置。
2. 前記接触検出部は、
   前記プローブに印加された外力が所定値を超えたとき、前記プローブが接触状態であるとする、請求項１に記載のロボットの接触位置検出装置。
3. 前記プローブが所定量変位したときに電気信号を出力する接触スイッチをさらに有し、
   前記接触検出部は、
   前記接触スイッチからの電気信号が入力されたとき、前記プローブが接触状態であるとする、請求項１に記載のロボットの接触位置検出装置。
4. 検出された前記外力及び計算された前記プローブの位置に対し、同じ時間的特性を有するノイズ低減フィルタリング処理を実行する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のロボットの接触位置検出装置。
5. 前記ロボットを制御する上位コントローラをさらに有し、
   前記ロボットは、
   サーボモータと、前記上位コントローラからの指令により該サーボモータを制御するモータ制御系と、
   を備え、
   前記上位コントローラは、
   前記モータ制御系を模擬する演算モデルを内蔵し、前記プローブ位置計算部は、前記サーボモータへの指令データを前記演算モデルに入力したときの出力値を使用して前記プローブの位置を計算する、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のロボットの接触位置検出装置。
6. 前記プローブは、
   前記ロボットへの取り付け及び該ロボットからの取り外しを可能とするか、又は、ロボットに格納可能に構成されている、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のロボットの接触位置検出装置。