産業用ロボット及び産業用ロボットのプログラミング方法

专利摘要:
本発明は、産業用ロボットを空間内のある仮想平面へと手で導き、この仮想平面に到達すると手でそれ以上は導けなくなるように前記産業用ロボットを制御する、産業用ロボット及び産業用ロボットのプログラミング方法に関する。続いて、仮想平面に到達したにもかかわらず、産業用ロボットをさらに手で導こうとした時に産業用ロボットに働く力及び／又はトルクが測定されて記憶される。
公开号:JP2011506118A
申请号:JP2010538585
申请日:2008-12-10
公开日:2011-03-03
发明作者:ツィメルマン，ウーヴェ
申请人:クーカ・ロボター・ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクテル・ハフツングＫｕｋａ Ｒｏｂｏｔｅｒ Ｇｍｂｈ；
IPC主号:B25J9-22

专利说明:

[0001] 本発明は、産業用ロボットのプログラミング方法及び産業用ロボットに関する。]
背景技術

[0002] 産業用ロボットとは、対象を自動的に操作するために適切な工具を備え、複数の移動軸について方向、位置、作業進行等のプログラミングが可能な操作機械のことである。産業用ロボットのプログラミング方法（プログラミング法）とは、ユーザープログラムを作成するための計画的措置であると解釈される。]
[0003] 一般に知られたプログラミング方法の一つが、いわゆるプレイバック法と呼ばれるものであり、作業のプログラミングは、産業用ロボットを希望する空間曲線に沿って手で動かすことによってなされる。その際、産業用ロボットの位置の実際値すなわち軸位置又はＴＣＰポジション（ツール・センター・ポイント・ポジション）は、定められた時間パターン又は経路パターンの形でユーザープログラムに取り込まれる。]
[0004] 特許文献１は、産業用ロボットによって扱われる溶接ガンの押付け力の制御方法を開示している。溶接中に溶接ガンに働く力が測定され、溶接ガンに働く力と設定した目標値が同じになるようにロボットが位置調整を行う。]
先行技術

[0005] 欧州特許出願第１５０８３９６Ａ１号明細書]
発明が解決しようとする課題

[0006] 本発明の課題は、産業用ロボットが当該のユーザープログラムを実行する際予め設定した力特性及び／又はモーメント特性を発揮するように、産業用ロボットのオペレーターが比較的簡易な方法で産業用ロボットをプログラミングできるという、産業用ロボットのプログラミング方法を提示することにある。]
[0007] 本発明のさらなる課題は、それに応じた産業用ロボットを提示することにある。]
課題を解決するための手段

[0008] 本発明の課題は、以下の方法ステップ、すなわち
−産業用ロボットを空間内のある仮想平面へと手で導き、この仮想平面に到達すると手でそれ以上は導けなくなるように産業用ロボットを制御するステップと、
−仮想平面に到達したにもかかわらず、産業用ロボットをさらに手で導こうとした時に産業用ロボットに働く力及び／又はトルクを測定するステップと、
−当該力及び／又はトルクを記憶するステップと、
を有する産業用ロボットのプログラミング方法によって解決される。]
[0009] 本発明の課題は、手で導くことができるように作られ、且つ、
−１つのフランジと、駆動装置で動くことができる複数の軸とを持つ１つのロボットアームと、
−軸を動かすために駆動装置を制御するとともに、産業用ロボットを手で導く場合、空間内のある仮想平面に到達すると産業用ロボットを手でそれ以上は導けなくなるように駆動装置を制御するように作られた制御装置と、
−仮想平面に到達したにもかかわらず、産業用ロボットをさらに手で導こうとした時に産業用ロボットに働く力及び／又はトルクを測定するように作られた力及び／又はトルクの測定手段（その際当該制御装置は当該力及び／又はトルクを記憶するように作られている）と、
を有する産業用ロボットによっても解決される。]
[0010] 本発明による産業用ロボットは、この産業用ロボットによって本発明による方法を実行できるように作られている。]
[0011] 本発明による産業用ロボットは、手で導けるように作られている。手で導くことにより、産業用ロボットの動き、例えば産業用ロボットのフランジの軌道の推移をプログラミングすることが可能であり、その際フランジは軌道に沿って導かれ、当該軌道上の少なくとも幾つかの点が記憶される。]
[0012] 手で導くことは、例えばフランジを少なくとも間接的に引っ張ることでも実現できる。産業用ロボットの稼動時にフランジ等に工具を固定することができる。産業用ロボットが手で導くモードの場合、フランジに工具の代わりにグリップを固定し、このグリップを使ってフランジを、産業用ロボットを手で導けるような造りにすることができる。グリップを引っ張れば間接的にフランジが引っ張られる。グリップには、例えばキー等の入力手段を備え付け、それを操作するとフランジの今の位置及び／又は方向、もしくは軸の姿勢を制御装置に記憶させることができる。]
[0013] 本発明による産業用ロボットはさらに、手で導くことにより代替的又は追加的に、産業用ロボットから調達されるべき力及び／又は産業用ロボットから調達されるべきトルクをプログラミングできるように作られている。そのために仮想平面が設定されており、この仮想平面に到達すると産業用ロボットを手で導いてもそれ以上は動かせないよう、産業用ロボットの制御装置が駆動装置を制御するようになっている。それにもかかわらず産業用ロボットをさらに手で導こうとすると、つまり例えば当該仮想平面の方向にさらに引っ張ろうとすると、フランジ又はグリップをさらに引っ張ること（一般的に言えば手で導くこと）で、産業用ロボットに力及び／又はトルクが働き、それらが力及び／又はトルクの測定手段によって測定されうる。産業用ロボットに加えられた力又は産業用ロボットに加えられたトルクは、場合によっては産業用ロボットの今の位置及び／又は方向と共に記憶することができ、それにより、産業用ロボットの稼動時、すなわち制御装置が産業用ロボットの駆動装置を自動作動用に制御することになる稼動時に、産業用ロボットが、記憶した力又はトルクを例えば加工材料に加えることになる。]
[0014] 力及び／又はトルクの測定手段は、例えば産業用ロボット内の力覚センサ及び／又はトルクセンサであってもよく、その際このセンサは、例えばフランジに、又はグリップ／工具とフランジとの間に、又はフランジと残りのロボットアームとの間に配置され、フランジに働く力及び／又はフランジに働くトルクを直接測定する。しかし力及び／又はトルクの測定手段は、産業用ロボットの駆動装置から調達されるトルクを測定するという形で実現することもできる。駆動装置が電気駆動装置である場合、この駆動装置のトルクは、例えば電気駆動装置の電気モータの電流を解析することによって測定することができる。]
[0015] 本発明に基づく方法の一実施形態では、仮想平面が、産業用ロボットで加工されるべき加工材料のコンピュータモデルに基づくところの仮想近傍モデルの一部となる。本発明に基づく産業用ロボットは、例えば加工材料の自動加工に使うことができる。この自動加工には、予め設定した力プロフィール及び／又はトルクプロフィールのプログラミングが必要となることがある。この実施形態では、例えば産業用ロボットの位置及び／又は方向や、調達すべき力及び／又はトルクをプログラミングするために、例えば産業用ロボットを手で仮想近傍モデルに沿って導くことが可能である。この仮想近傍モデルには特に、産業用ロボットによる自動加工の最中に加工材料がとる位置及び／又は方向の情報が含まれる。プログラミングには実際の加工材料ではなく仮想近傍モデルが使われるため、フランジ（又はグリップ等）を引っ張ることで、調達すべき力及び／又は調達すべきトルクをプログラミングすることができる。本発明に基づく産業用ロボットによって加工材料を自動加工する間に調達すべき力及び／又は調達すべきトルクは、プログラミング中の引っ張り（手で導くこと）が産業用ロボットに及ぼす力（トルク）に対応する。]
[0016] しかし実際の加工材料（又は実際のダミー加工材料）を産業用ロボットのプログラミングに使用した場合、加工材料に接触させ、それと同時に産業用ロボットをさらに引っ張った時、力は実際の加工材料に吸収されるため、その力の測定はできないだろう。]
[0017] 本発明に基づく方法又は本発明に基づく産業用ロボットのさらなる実施形態では、仮想平面が、産業用ロボットで加工されることになる加工材料を少なくとも部分的に包み込むように空間内に配置されており、これにより産業用ロボットは、加工材料に接触する前に手による導きでなされる運動をストップする。この実施形態によってオペレーターは、産業用ロボットによる自動加工がなされる間の加工材料がとる位置及び／又は方向を見ることができるようになる。仮想平面が加工材料を少なくとも部分的に包み込んでいるため、本発明に基づく産業用ロボットは、手で導かれている間、加工材料に接触することなくその直前で停止する。これにより、フランジをさらに手で引っ張った時に産業用ロボットに働く力又はトルクを測定することができる。]
[0018] 本発明に基づく産業用ロボットは手で導くことができる。手で導く際のオペレーターの負担を軽減するために、本発明に基づく産業用ロボットには重力補償を施すことができる。それは、本発明に基づく産業用ロボットの関節にそれぞれトルクセンサを備え付け、本発明に基づく産業用ロボットに、動力学的な力と静力学的な力（特に重力）を補償するのに適切な制御法及びモデルとを持たせることで可能となる。]
[0019] 仮想平面を用いることで、本発明に基づく産業用ロボットはプログラミング中に実際の部品に接触することはない。よって本発明に基づく産業用ロボットのこの開放されたキネマティクスは、産業用ロボットを引っ張ることでもたらされる力の一つである「仮想」の周囲の力を把握するのに使うことができる。]
[0020] これを可能にするには、本発明に基づく産業用ロボットによる自動加工中、実際の部品に生ずる力が計算されて、実施形態に応じてそれがオペレーターに示されなければならない。この部分的な課題は、ハプティクス（触覚学）の既知の方法によって解決される。それには特に、例えばＣＡＤデータ形式のコンピュータモデルと現在のロボット位置から当該の作用力が算定されるアルゴリズムを使用することができる。この作用力を用いて産業用ロボットのトルクを制御し、オペレーターが適切な抵抗を感じるようにすることができる。これは位置から適切な力を計算する方法だが、オペレーターの力から適切な位置を計算するという既知の方法もある。その場合もやはりオペレーターは適切な接触力を感じる。]
[0021] 算定された力及び／又はトルクは、特に時間又は位置との相関で記憶することができる。これらの力又はトルクに分類され記録されたデータは、プレイバック（ユーザープログラムの作成）の前にデータ処理により変更することができる（データ整理、スプライン、最適化）。ユーザープログラムをプレイバックすると、記憶されたデータがロボットの動きに任意の影響を与えることができる。これは、力（トルク）も位置も記録されたことを意味する。通常の場合両方の条件を同時に制御することはできない。よって任意の制御コンセプトが、得られたデータについて実行される（例えばハイブリッド制御、インピーダンス制御）。]
[0022] 本発明の実施例を添付の模式図に例示する。]
図面の簡単な説明

[0023] 産業用ロボットを示す図である。
産業用ロボットを手で導くためのグリッパーを示す図である。
産業用ロボットを手で導くためのグリッパーを示す図である。
産業用ロボットのプログラミングを示すフローチャートである。]
実施例

[0024] 図１は、ロボットアームＭを持つ産業用ロボットを示し、ロボットアームＭはこの実施例ではベースＳに固定されている。] 図１
[0025] 産業用ロボットのロボットアームＭは、複数の軸１〜６と、複数のアーム７〜１０と、１つのフランジ２６とを有しており、フランジ２６にはグリッパー１８等の工具を固定することができる。軸１〜６の各々は、この実施例の場合それぞれ１つの電気モータ１１〜１６を持つ電気駆動装置によって動かされる。これらの電気駆動装置は、図には示されていない方法で１つの制御コンピュータ１７と電気的に接続されていて、その結果制御コンピュータ１７ないし制御コンピュータ１７内で作動するコンピュータプログラムは電気駆動装置を制御して、フランジ２６の位置及び方向ならびに産業用ロボットに固定された工具の位置及び方向を空間内でほぼ自由に定めることができる。]
[0026] この実施例の場合、産業用ロボットは、フランジ２６又はフランジ２６に固定されたグリッパー１８を、予め設定した軌道上で動かすだけでなく、予め設定した力及び／又は予め設定したトルクをフランジ２６又はグリッパー１８にかけて、その力（トルク）を当該工具で加工される加工材料に及ぼすようにもなっている。そうしたことは、例えば産業用ロボットが、グリッパー１８で掴んだピストン１９を金属インゴット２０のスリット２１内に定められた力及び／又は定められたトルクではめ込むというような場合に必要となる。]
[0027] 稼動状態にある産業用ロボットＲがフランジＦを望み通りに動かし、望む力及び／又は望むトルクを例えば位置又は時間と相関させてフランジ２６に加えるために、産業用ロボットを適切に制御するコンピュータプログラムが制御コンピュータ１７内で作動する。]
[0028] このコンピュータプログラムは、この実施例の場合産業用ロボットを手で導くことによって作成される。産業用ロボット又はそのフランジ２６は、手で導かれながら望みの位置に運ばれるわけだが、それは例えば図１には示されていないオペレーターがフランジ２６を望みの位置に引っ張り、そこで望み通りに位置合わせすることでなされる。プログラミングの際、フランジ２６にはグリッパー１８の代わりに、図２に示したグリップＧを固定することができ、このグリップＧは、例えば見易くするため図には示されていないキー等の入力手段を有し、この入力手段を操作すればコンピュータプログラムのために産業用ロボットの現在位置が記憶される。図４はコンピュータプログラム作成のステップをフローチャートにまとめたものである。] 図１ 図２ 図４
[0029] 産業用ロボットによって望みの位置又は時間との相関にて加えられるべき力及び／又はトルクは、この実施例の場合制御コンピュータ１７に記憶されたインゴット２０のコンピュータモデル２２を使ってプログラミングされる。このコンピュータモデル２２は、例えばインゴット２０を縮尺１：１で模したＣＡＤモデルである。さらにコンピュータモデル２２は、空間内の位置に関するデータも持っていて、つまりインゴット２０の位置と方向をモデル化したものでもある。]
[0030] 加えられるべき望みの力又はトルクをプログラミングするために、制御コンピュータ１７は、産業用ロボットをグリップＧで導くオペレーターが、グリップＧを、インゴット２０のコンピュータモデル２２によって決定される仮想平面２５までしか動かせないよう、産業用ロボットの電気駆動装置を制御する。言い換えれば、産業用ロボットはインゴット２０があたかも実際にあるかのように導かれるわけで、図２にその手（Ｈ）が示されたオペレーターは、産業用ロボットが仮想平面２５に達すると産業用ロボットをそれ以上は動かせない（フローチャートのステップＡ）。] 図２
[0031] 仮想平面２５は、この実施例の場合コンピュータモデル２２又はインゴット２０に割り当てられた仮想近傍モデル２２ａ、すなわちインゴット２０をシミュレートする仮想近傍モデル２２ａの一部である。グリップＧがこの仮想近傍モデル２２ａ又は仮想平面２５に到達すると、オペレーターは産業用ロボットをそれ以上仮想近傍モデル２２ａの方向に動かすことができない。にもかかわらず産業用ロボットをさらに動かそうとすると、産業用ロボットには仮想近傍モデル２２ａの方向に力Ｆが働く。この力Ｆは例えば力覚センサ２３で測定することができ、この力覚センサ２３は、例えばフランジ２６に固定されてフランジ２６又はグリップＧに働く力を測定する（フローチャートのステップＢ）。]
[0032] 力覚センサ２３は、図には示されていない方法で制御コンピュータ１７と接続されており、測定した力に割り当てられた信号を制御コンピュータ１７に送る。この実施例の場合、力覚センサ２３はグリップＧの縦軸方向の力と、縦軸を横切る方向の力とを測定する。]
[0033] この実施例の場合、制御コンピュータ１７はディスプレイ２４と接続されているので、力覚センサ２３で測定した力、すなわち今加えた力Ｆを表示することができる。それゆえ産業用ロボットを手で導くことにより、産業用ロボットの稼働中にインゴット２０に加えるべき力を、プログラミング中に例えばグリップＧの図には詳しく示されていない入力手段のアクティブ化により、位置及び／又は時間と相関させて制御コンピュータ１７に記憶させることができる（フローチャートのステップＣ）。]
[0034] 産業用ロボットのプログラミング中に記録されたデータはその後、産業用ロボットの稼動前すなわち産業用ロボットがグリッパー１８を動かす前に、データ処理（例えばデータ整理、スプライン、最適化）によって変更することができる。産業用ロボットを稼動すると、記憶されたデータがロボットの動きに任意の影響を与えることができる。つまり、この実施例の場合、プログラミング時に力Ｆと位置の両方が記録されていることを意味する。]
[0035] 産業用ロボットを手で導く際の負担を軽減するために、産業用ロボットにはその関節に、図には詳しく示されていないが専門家には広く知られたトルクセンサを付けることができる。産業用ロボットの適切な制御法と適切なモデルとを用いることで、手で導く間の動力学的及び静力学的な力（特に産業用ロボットの重力）を補償することができる。]
[0036] さらに、例えば産業用ロボット又はその電気モータ１１〜１６からもたらされたトルク値を求めることによって、産業用ロボットのプログラミング中に産業用ロボットに働く力Ｆを、産業用ロボットによってもたらされるべき、力Ｆと反対方向の反力ＦＲから算定することが可能である。産業用ロボットからもたらされるトルクは、例えば電気モータ１１〜１６の電流値を求めることによって算定することができる。]
[0037] 図２に示した上述の実施例の場合、オペレーターはインゴット又は仮想近傍モデル２２ａのコンピュータモデル２２又は仮想平面２５に基づいて、産業用ロボットによって費やされるべき力Ｆをプログラミングすることができる。図３に示すそれとは別の実施例では、コンピュータモデル２２に基づく仮想近傍モデル２２ａがインゴット２２を仮想で包み込んでおり、そのため産業用ロボットを手でインゴット２０の方向に導くと、産業用ロボットは仮想近傍モデル２２ａのせいで、インゴット２０に接触する直前でストップする。これによりこの場合も同じく、グリップＧをインゴット２０の方向にさらに引っ張ることにより、フランジ２６に力Ｆをかけることができる。] 図２ 図３

权利要求:

請求項1
−産業用ロボットを空間内のある仮想平面へと手で導き、該仮想平面に到達すると手でそれ以上は導けなくなるように前記産業用ロボットを制御するステップと、−前記仮想平面に到達したにもかかわらず、前記産業用ロボットをさらに手で導こうとした時に前記産業用ロボットに働く力及び／又はトルクを測定するステップと、−前記力及び／又は前記トルクを記憶するステップと、を有する、産業用ロボットのプログラミング方法。
請求項2
前記仮想平面が、前記産業用ロボットによって加工されるべき加工材料のコンピュータモデルに基づくところの仮想近傍モデルの一部である、請求項１に記載の方法。
請求項3
前記仮想平面が、前記産業用ロボットによって加工されるべき加工材料を少なくとも部分的に包み込むように空間内に配置されており、これにより前記産業用ロボットが手による導きに基づき行う運動を、前記加工材料に接触する手前でストップする、請求項１又は２に記載の方法。
請求項4
手による導きとして、前記産業用ロボットのフランジを少なくとも間接的に引っ張ることを含む、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。
請求項5
前記力及び／又は前記トルクを、−前記産業用ロボット内の力覚センサ及び／又はトルクセンサ、及び／又は、−前記産業用ロボットの駆動装置によって調達されるトルクを用いて測定することを含む、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
請求項6
前記力及び／又は前記トルクが加えられた時点の産業用ロボットの位置及び／又は方向を記憶することを追加的に含む、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法。
請求項7
−１つのフランジと、駆動装置で動く複数の軸とを有する１つのロボットアーム（Ｍ）と、−前記軸を動かすために前記駆動装置を制御するとともに、前記産業用ロボットを手で導く場合、空間内の仮想平面に到達すると前記産業用ロボットを手でそれ以上は導けなくなるように前記駆動装置を制御するように作られた制御装置と、−仮想平面に到達したにもかかわらず、前記産業用ロボットをさらに手で導こうとした時に前記産業用ロボットに働く力及び／又はトルクを測定するように作られた力及び／又はトルクの測定手段（その際前記制御装置は前記力及び／又は前記トルクを記憶するように作られている）と、を有する、手で導かれるように作られた産業用ロボット。
請求項8
前記仮想平面が、前記産業用ロボットによって加工されるべき加工材料のコンピュータモデルに基づくところの仮想近傍モデルの一部である、請求項７に記載の産業用ロボット。
請求項9
前記仮想平面が、前記産業用ロボットによって加工されるべき加工材料を少なくとも部分的に包み込むように空間内に配置されており、これにより前記産業用ロボットが手による導きに基づき行う運動を、前記産業用ロボットが加工材料に接触する手前でストップする、請求項７又は８に記載の産業用ロボット。
請求項10
そのフランジが少なくとも間接的に引っ張られることによって手で導かれる、請求項７乃至９のいずれか一項に記載の産業用ロボット。
請求項11
力及び／又はトルクの測定手段が、内部の力覚センサ及び／又はトルクセンサを有し、且つ／又は前記駆動装置によって調達されるトルクを測定する、請求項７乃至１０のいずれか一項に記載の産業用ロボット。
請求項12
前記産業用ロボットの制御装置がさらに、前記力及び／又は前記トルクが加えられた時点の前記産業用ロボットの位置及び／又は方向を記憶するように作られている、請求項７乃至１１のいずれか一項に記載の産業用ロボット。