発明の名称 力制御ロボット 発行国 日本国特許庁（ＪＰ） 公報種別 公開特許公報（Ａ） 公開番号 特開平８−１１８２７８ 公開日 平成８年（１９９６）５月１４日 出願番号 特願平６−２６０１５３ 出願日 平成６年（１９９４）１０月２５日 代理人 【弁理士】 【氏名又は名称】佐藤 一雄 （外３名） 発明者 吉 見 卓 / 神 野 誠 / 尾 崎 文 夫 / 玉 田 保 彦 要約 目的 作業の種類や作業対象物の形状に応じて適する力制御を容易に指定し実行できるようにした力制御ロボットを提供する。 構成 ロボット手先部にある力覚センサ（４）を用いてエンドエフェクタ（５）を作業対象物（Ｗ）の表面へ指定押し付け力で押し付けるように力制御し、この表面に沿ってエンドエフェクタ（５）を移動させて作業を行う力制御ロボットにおいて、所望作業を選択し実行するために必要な複数のパラメータを解釈するロボット言語解釈装置（１０）を備え、ロボット言語解釈装置（１０）は、指定押し付け力の押し付け方向を指定する押し付け方向テーブル（１２）と、力覚センサ（４）で検出する検出力のうち力制御に使用する力成分を指定する検出力テーブル（１３）と、押し付け方向テーブル（１２）および検出力テーブル（１３）の各々のパラメータを指定するパラメータ指定手段（１１）とを備えることを特徴とする。 特許請求の範囲 【請求項１】ロボット手先部にある力覚センサを用いてエンドエフェクタを作業対象物の表面へ指定押し付け力で押し付けるように力制御し、この表面に沿って前記エンドエフェクタを移動させて作業を行う力制御ロボットにおいて、所望作業を選択し実行するために必要な複数のパラメータを解釈するロボット言語解釈装置を備え、前記ロボット言語解釈装置は、前記指定押し付け力の押し付け方向を指定する押し付け方向テーブルと、前記力覚センサで検出する検出力のうち前記力制御に使用する力成分を指定する検出力テーブルと、前記押し付け方向テーブルおよび前記検出力テーブルの各々のパラメータを指定するパラメータ指定手段とを備えることを特徴とする力制御ロボット。 【請求項２】前記押し付け方向テーブルは、押し付け方向を指定するために、採用する座標系を指定する座標系パラメータと、この座標系における押し付け方向を指定する指定方向パラメータと、押し付け方向の指定方法を指定する指定方法パラメータとを有することを特徴とする請求項１に記載の力制御ロボット。 【請求項３】前記指定方法パラメータは、採用された座標系におけるいずれかの座標軸方向を指定する直接指定方法、前記エンドエフェクタの移動方向と作業空間内に所望に選択した選択方向とのベクトル外積で指定するベクトル外積指定方法、あるいは円弧の中心向きか外向きかを指定する円弧指定方法のいずれかの指定方法で指定されることを特徴とする請求項２に記載の力制御ロボット。 【請求項４】前記検出力テーブルは、前記力制御に使用する力成分を指定するために、採用する座標系を指定する検出座標系パラメータと、検出する力成分の方向を指定する検出方向パラメータと、検出する力成分の種類を指定する検出力パラメータとを有することを特徴とする請求項１に記載の力制御ロボット。 【請求項５】前記検出力パラメータは、採用された座標系のいずれかの座標軸方向に作用する並進力、複数の力成分が合成された合成力、あるいは前記エンドエフェクタの重心回りに作用するモーメント力と作用点までの距離とから演算して求める力のいずれかで指定されることを特徴とする請求項４に記載の力制御ロボット。 【請求項６】前記検出力パラメータは、検出する力成分の大きさのみを指定するパラメータであることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の力制御ロボット。 発明の詳細な説明 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は、力制御ロボットに係り、特に力覚センサを用いてエンドエフェクタを作業対象物の表面へ指定押し付け力で押し付けるように力制御し、作業を行う力制御ロボットに関する。 【０００２】 【従来の技術】力制御ロボットを用い、作業対象物のバリ取り等の種々の作業が行われている。これらの場合、力制御ロボットにおいては、ロボット手先部にあるエンドエフェクタを作業対象物の表面へ指定押し付け力で押し付けるように力制御し、この表面に沿ってエンドエフェクタを移動させることによって作業を行う。 【０００３】エンドエフェクタが作業対象物を押し付ける力は、ロボット手先部におけるエンドエフェクタの近傍にある力覚センサによって検出される。力覚センサによる検出結果は、エンドエフェクタを作業対象物の表面へ指定押し付け力で押し付けるように力制御に用いられる。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】ロボット手先部の作業空間内における移動には、一般に加速度による慣性力が作用し、また振動を伴うことが多い。また、力覚センサはロボットの手先部の先端部等に装着されている。このため、力覚センサはロボット手先部の運動に伴い、加速度を受けたりあるいは手先部の基部を基準にした振動を受けたりする。力覚センサによって実際に検出される力はエンドエフェクタが作業対象物から受ける反力のみとは限らず、力制御に使用するために必要な力の他に種々のノイズ的な力が混在している。 【０００５】エンドエフェクタを作業対象物に対して押し付ける方向と力覚センサによって検出される力の方向とは必ずしも一致せず、従って、力覚センサによって検出される力方向の逆方向にエンドエフェクタを押し付けさえすればよいということにはならない。 【０００６】力制御ロボットを用いて種々の作業を選択して実行する場合、エンドエフェクタを作業対象物の表面へ指定押し付け力で押し付けるように力制御するためには、選択された作業種類や作業対象物の形状等に応じて、力覚センサで検出した力のうちの適する力成分を力制御に使用する必要がある。 【０００７】このために、エンドエフェクタを作業対象物に対して押し付ける方向や力制御に使用する力成分を十分に検討し、この検討結果を基にしてロボット動作プログラムを作成する。力制御に使用する力成分を指定するためには、座標系やエンドエフェクタの押し付け方向や力の種類等を指定する必要がある。 【０００８】従来は、力制御ロボットによる作業を行う毎に、エンドエフェクタを作業対象物に対して押し付ける方向や力制御に使用する力成分等を検討しロボット動作プログラムを作成していた。また、作業の途中で指定を変更する必要がある場合も存在し、この場合には即座の変更は困難であった。 【０００９】このように、作業にとりかかる毎にあるいは作業の途中で、エンドエフェクタを作業対象物に対して押し付ける方向や力制御に使用する力成分を検討しロボット動作プログラムを作成したり、あるいは作業の途中で繁雑な手続きにより設定を変更したりすることは作業効率的に好ましくない。 【００１０】そこで、本発明の目的は、上記従来技術の有する問題を解消し、作業の種類や作業対象物の形状に応じて適する力制御を容易に指定し実行できるようにした力制御ロボットを提供することである。 【００１１】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明による力制御ロボットは、ロボット手先部にある力覚センサを用いてエンドエフェクタを作業対象物の表面へ指定押し付け力で押し付けるように力制御し、この表面に沿って前記エンドエフェクタを移動させて作業を行う力制御ロボットにおいて、所望作業を選択し実行するために必要な複数のパラメータを解釈するロボット言語解釈装置を備え、前記ロボット言語解釈装置は、前記指定押し付け力の押し付け方向を指定する押し付け方向テーブルと、前記力覚センサで検出する検出力のうち前記力制御に使用する力成分を指定する検出力テーブルと、前記押し付け方向テーブルおよび前記検出力テーブルの各々のパラメータを指定するパラメータ指定手段とを備えることを特徴とする。 【００１２】また、好適には、前記押し付け方向テーブルは、押し付け方向を指定するために、採用する座標系を指定する座標系パラメータと、この座標系における押し付け方向を指定する指定方向パラメータと、押し付け方向の指定方法を指定する指定方法パラメータとを有することを特徴とする。 【００１３】また、好適には、前記指定方法パラメータは、採用された座標系におけるいずれかの座標軸方向を指定する直接指定方法、前記エンドエフェクタの移動方向と作業空間内に所望に選択した選択方向とのベクトル外積で指定するベクトル外積指定方法、あるいは円弧の中心向きか外向きかを指定する円弧指定方法のいずれかの指定方法で指定されることを特徴とする。 【００１４】また、好適には、前記検出力テーブルは、前記力制御に使用する力成分を指定するために、採用する座標系を指定する検出座標系パラメータと、検出する力成分の方向を指定する検出方向パラメータと、検出する力成分の種類を指定する検出力パラメータとを有することを特徴とする。 【００１５】また、好適には、前記検出力パラメータは、採用された座標系のいずれかの座標軸方向に作用する並進力、複数の力成分が合成された合成力、あるいは前記エンドエフェクタの重心回りに作用するモーメント力と作用点までの距離とから演算して求めるのいずれかで指定されることを特徴とする。 【００１６】また、好適には、前記検出力パラメータは、検出する力成分の大きさのみを指定するパラメータであることを特徴とする。 【００１７】 【作用】エンドエフェクタを作業対象物に対して押し付ける方向と力覚センサによって検出される力の方向とは必ずしも一致せず、力覚センサによって検出される力方向の逆方向にエンドエフェクタを押し付けさえすればよいということにはならない。そこで、選択された作業種類や作業対象物の形状等に応じて力覚センサで検出した力のうちの力制御に適する力成分を選択し、この選択した力成分とは別個に、エンドエフェクタが作業対象物を押し付ける指定押し付け力の押し付け方向を指定する。 【００１８】エンドエフェクタが作業対象物を押し付ける指定押し付け力の押し付け方向と、力覚センサで検出する検出力のうち力制御に使用するために指定する力成分とを、パラメータ指定手段により指定する。 【００１９】ロボット言語解釈装置は、押し付け方向テーブルおよび検出力テーブルのパラメータを解釈し、作業の種類や作業対象物の形状に応じて適する力制御を実行させるようにする。作業の種類等に応じた力制御に必要なパラメータは、押し付け方向テーブルおよび検出力テーブルとしてテーブル形式で与えられているので、適する力制御を容易に指定し実行することができる。 【００２０】 【実施例】以下に本発明による力制御ロボットの実施例について図面を参照して説明する。図２は、本発明の力制御ロボットの全体構成を示す図である。図２において、力制御ロボットは、ロボット本体１と、ロボット本体１の制御装置２と、制御装置２へ指示を送るティーチペンダント３とを備えている。ロボット本体１の手先部の先端には、作業対象物（ワーク）Ｗに研削等の作業を行うエンドエフェクタ５が装着されている。ロボット本体１の手先部には、エンドエフェクタ５の近傍に６軸の力覚センサ４が設けられている。 【００２１】力制御ロボットを用いて作業を実行する場合、力覚センサ４を用いてエンドエフェクタを作業対象物の表面へ指定押し付け力で押し付けるように制御装置２内部に設けられたアーム制御装置６では、力制御法として、例えば、式（１）に従って力制御される。 Ｖｄ ＝ Ｋｆ（Ｆｄ−Ｆ） （１） ここで、Ｆｄは目標の指定押し付け力、Ｆは力覚センサ４で検出した検出力のうちの力制御に使用する力成分、Ｋｆは力制御ゲイン、Ｖｄはエンドエフェクタ５の押し付け方向の速度を示す速度指令値である。式（１）中の検出力の力成分Ｆ、および、速度指令値Ｖｄを与える押し付け方向は、ロボット言語解釈装置１０の押し付け方向テーブル１２と検出力テーブル１３において指定される。 【００２２】図１に示すように、制御装置２には、所望作業を選択し実行するために必要な複数のパラメータを解釈するロボット言語解釈装置１０が設けられている。 【００２３】ロボット言語解釈装置１０は、エンドエフェクタ５が作業対象物Ｗの表面を指定押し付け力で押し付ける押し付け方向を指定する押し付け方向テーブル１２と、力覚センサ４で検出する検出力のうち力制御に使用する力成分を指定する検出力テーブル１３と、押し付け方向テーブル１２および検出力テーブル１３の各々のパラメータを指定するパラメータ指定手段１１とを備えている。 【００２４】押し付け方向テーブル１２は、図４あるいは図７に示すように、採用する座標系を指定する座標系パラメータと、この座標系における押し付け方向を指定する指定方向パラメータと、押し付け方向の指定方法を指定する指定方法パラメータとを有する。 【００２５】座標系パラメータとしては、例えば作業対象物Ｗに座標系を設定したワーク座標系ΣＷやエンドエフェクタ５に座標系を設定したツール座標系ΣＴがある。指定方向パラメータとしては、座標系パラメータで設定された座標系におけるいずれかの座標軸方向がある。 【００２６】指定方法パラメータとしては、例えば、直接指定方法、ベクトル外積指定方法、あるいは円弧指定方法がある。直接指定方法は、座標系パラメータで設定された座標系におけるいずれかの座標軸方向を直接指定する方法であり、作業対象物の形状が単純な場合に有効である。ベクトル外積指定方法は、エンドエフェクタ５の移動方向と作業空間内に所望に選択した選択方向とのベクトル外積で指定する方法である。所望に選択した選択方向としては、例えば、作業対象物Ｗ表面の法線方向がある。ベクトル外積指定方法は、曲面の研磨作業や作業対象物の周囲の凹凸のある端部の面取り作業などのように、作業中に作業対象物の形状に応じてエンドエフェクタ５の押し付け方向を変化させる必要がある作業の場合でも、作業の最初から最後までエンドエフェクタの押し付け方向の指定を変更する必要がなくなり、動作プログラムの生成を非常に容易に行うことができるという効果を有する。円弧指定方法は、円弧の中心向きか外向きかを指定する方法であり、作業対象物Ｗに円弧状の形状の個所が多くある場合に有効である。 【００２７】検出力テーブル１３は、図５あるいは図８に示すように、採用する座標系に関する検出座標系パラメータと、検出する力成分の方向を指定する検出方向パラメータと、検出する力成分の種類を指定する検出力パラメータとを有する。 【００２８】検出座標系パラメータとしては、例えば作業対象物Ｗに座標系を設定したワーク座標系ΣＷやエンドエフェクタ５に座標系を設定したツール座標系ΣＴがある。検出方向パラメータとしては、検出座標系パラメータで設定された座標系におけるいずれかの座標軸方向がある。 【００２９】検出力パラメータとしては、例えば、並進力、合成力、あるいはモーメントから演算して求める力のいずれかで指定される。これらの力成分は、符号を正負を問わず単に大きさのみを指定すればよい。 【００３０】ここで、並進力の指定は、採用された座標系のいずれかの座標軸方向に作用する力として指定することであり、作業対象物Ｗの形状が単純な場合等においてエンドエフェクタ５が作業対象物Ｗから受ける反力方向が容易に判断できる場合に有効である。合成力の指定は、複数の力成分が合成された力として指定することであり、単一の並進力では指定できないような形状を作業対象物Ｗが有する場合等に有効である。モーメントから演算して求める力の指定は、エンドエフェクタ５の重心回りに作用するモーメント力と作用点までの距離とから演算して求める力を指定することである。エンドエフェクタ５重心まわりのモーメント力をＭGXとし、重心位置からエンドエフェクタ５の作用点までのＦに垂直な方向の距離をＬとすると、モーメントから演算して求める力Ｆは Ｆ ＝ ＭGX ／ Ｌ （２） として得られる。エンドエフェクタ５が加速度運動したりして慣性力を受ける場合等、外部からのノイズの影響をうけにくい信頼性高い力信号を検出することができる（特開平４−１６４５８５号公報参照）。 【００３１】次に、以下に本発明の具体的実施例について説明する。まず、図３乃至図５を参照して本発明の第１実施例について説明する。ロボット本体１は、エンドエフェクタ５としての円筒状のロータリーグラインダを備えている。作業対象物Ｗ１は、長手方向に平板状の平表面１５と、短手方向に互いに平行な平表面１６、１７とを有する。また、平表面１５の法線方向と平表面１６の法線方向とは直交する関係にある。ロータリーグラインダ５の円筒側面が平表面１５へ指定押し付け力で押し付けられるように力制御され、かつ図３に表示した移動方向ベクトルＶ１の方向（ワーク座標系ΣＷにおける−Ｙ方向）へ移動して、研磨作業が行われる。 【００３２】図４に、本実施例において指定する押し付け方向テーブル１２を示す。テーブル番号を指定することにより、対応する押し付け方向テーブル１２が指定される。図４においては、座標系パラメータとしてワーク座標系ΣＷが指定され、指定方向パラメータとして−Ｚ方向が指定され、指定方法パラメータとして直接指定方法が指定されている。 【００３３】ロボット言語解釈装置１０には種々の押し付け方向テーブル１２が予め備えられているので、これらの３個のパラメータを各々指定しなくとも、テーブル番号を１と指定するだけで、所望のパラメータを設定したことに等価となる。 【００３４】図５に、本実施例において指定する検出力テーブル１３を示す。テーブル番号を指定することにより、検出力テーブル１３の具体的な内容が設定される。図５においては、検出座標系パラメータとしてツール座標系ΣＴが指定され、検出力パラメータとして並進力が指定され、検出方向パラメータとしてＹ方向が指定されている。ここで、ワーク座標系ΣＷのＺ軸方向が平表面１５の法線方向に、Ｙ軸方向が作業対象物Ｗ１の長手方向に設定されている。ツール座標系ΣＴのＺ軸は、ロータリーグラインダ５の回転軸方向に設定されている。 【００３５】平面の研磨作業の場合、エンドエフェクタ５は作業対象物Ｗ１の平表面１５へ押し付けられる。この場合、エンドエフェクタ５は平表面１５に鉛直に押し付けられることが確かであるので、力制御に使用する力成分としてはエンドエフェクタ５が平表面１５から受ける反力を使用することが適当である。従って、力制御に使用する力成分の検出方向は、ツール座標系ΣＴのＹ方向に設定され、エンドエフェクタ５が平表面１５の法線方向に押し付けられることから指定方向パラメータとして−Ｚ方向が指定されている。 【００３６】なお、検出力パラメータとして並進力を指定したが、モーメントから演算して求める力Ｆ ＝ ＭGX ／ Ｌ を指定してもよい。また、押し付け方向テーブル１２において、押し付け方向はワーク座標系ΣＷの−Ｚ方向と符号を含めて指定されている。このため、力覚センサ４で検出した検出力のうちの力制御に使用する力成分の大きさを目標押し付け力と比較し、どの程度ずれているかについて大きさのみがわかればよく、力成分の正負の符号を考慮する必要がない。これにより、検出力テーブル１３の設定時に検出力の方向を気にする必要はなくなり、設定を容易に行うことができる。 【００３７】次に、図６乃至図８を参照して本発明の第２実施例について説明する。ロボット本体１はエンドエフェクタ５として円錐型カッターを備えている。作業対象物Ｗ２は平表面１８と曲表面１９とを有し、平表面１８と曲表面１９との交線としてワーク端部２０が形成されている。ワーク端部２０は同一平面上にある曲線を形成している。また、平表面１８の法線方向と曲表面１９の法線方向とは直交する関係にある。円錐型カッター５の円錐面がワーク端部２０へ目標押し付け力で押し付けられるように力制御され、かつ移動方向ベクトルＶ２の方向へ移動し、ワーク端部２０の面取り作業が行われる。 【００３８】図７に、本実施例において指定する押し付け方向テーブル１２を示す。本実施例においてはテーブル番号２を指定することにより、押し付け方向テーブル１２が指定される。 【００３９】図７においては、座標系パラメータとしてワーク座標系ΣＷが指定され、指定方向パラメータとして＋Ｚ方向が指定され、指定方法パラメータとしてベクトル外積指定方法が指定されている。 【００４０】ロボット言語解釈装置１０には種々の押し付け方向テーブル１２が予め備えられているので、これらの３個のパラメータを各々指定しなくとも、テーブル番号を２と指定するだけで、所望のパラメータを設定したことに等価となる。 【００４１】図８に、本実施例において指定する検出力テーブル１３を示す。テーブル番号２を指定することにより、検出力テーブル１３の具体的な内容が設定される。図８においては、検出座標系パラメータとしてツール座標系ΣＴが指定され、検出力パラメータとして合成力が指定され、検出方向パラメータとしてＸＹ平面の方向が指定されている。本実施例では、ワーク座標系ΣＷにおいてＺ方向は平表面１８の法線方向に設定されており、ツール座標系ΣＴのＺ方向は円錐型カッターの回転軸方向に設定されている。 【００４２】本実施例では、指定方法パラメータとして指定したベクトル外積指定方法においては、作業空間内の選択方向は平表面１８の表面法線方向ベクトルＮ２の方向に選択されている。エンドエフェクタ５の所定押し付け方向を、式（３）で表される押し付け方向ベクトルＦ２の方向に設定する。押し付け方向ベクトルＦ２は、ベクトルＶ２とベクトルＮ２の外積として、 Ｆ２＝ Ｖ２ × Ｎ２ （３） で与えられる。 【００４３】ワーク端部２０の面取り作業の場合は、作業の進行状況に応じて作業対象物Ｗ２から受ける反力の向きが変化する。このため、エンドエフェクタ５で検出する力の方向もそれに合わせて変化させる必要がある。しかしながら、ワーク端部２０の形状が予めわかっていない場合、作業の進行状況に応じて検出力の指定を変更することは困難である。そこで本実施例の場合では、力覚センサ４により検出した検出力のうちの力制御に使用する力成分として、ツール座標系ΣＴのＸＹ平面内の合成力を指定しているのである。これにより、作業の進行状況に応じて作業対象物Ｗ２から受ける反力の方向が変化しても、それを気にする必要がなくなる。 【００４４】さらに、エンドエフェクタ５の押し付け方向の指定についても、エンドエフェクタ５がワーク端部２０の周囲を一周するとエンドエフェクタ５の押し付け方向も変化し得る。しかしながら、エンドエフェクタ５の押し付け方向が変化した場合においても、ベクトル外積指定方法に従えば、押し付け方向をエンドエフェクタ５の進行方向ベクトルと作業空間内に設定した方向ベクトル（ここでは、平表面１８の法線方向Ｎ２であるワーク座標系ΣＷにおける＋Ｚ方向）との双方に直交する方向として指定することで、作業の最初から最後まで押し付け方向の指定を変更せずに作業を実行することができる。この結果、作業中に作業対象物Ｗ２のワーク端部２０の曲線形状に応じてエンドエフェクタ５の押し付け方向を変化させる必要がある面取り作業において、作業の最初から最後までエンドエフェクタ５の押し付け方向の指定を変更する必要がなくなり、動作プログラムの生成を非常に容易に行うことができる。 【００４５】以上説明したように、第１あるいは第２の実施例の構成によれば、押し付け方向テーブル１２および検出力テーブル１３に適当な値を設定することにより、研磨作業やワーク端部２０の面取り作業のような種々の異なる作業を実行する場合に、それぞれの作業に適した力制御方法を容易に設定するができる。この結果、異なる作業に適した力制御を容易に行うことができる。 【００４６】なお、上述の実施例の説明において、ロボット言語解釈装置１０は制御装置２に設けられているとしたが、ティーチペンダント３に設けてもよく、あるいは、制御装置２とティーチペンダント３との両方にまたがって設けてもよい。 【００４７】また、ロボット本体１の軸構成は６軸円筒座標型である必要はなく、多関節型、極座標型あるいは直交座標型などいかなる構成であってもかまわない。また手先部の力覚センサは、６軸力覚センサ４に限らずエンドエフェクタ５に作用する力を検出できるものであれば他の構成でもよい。 【００４８】 【発明の効果】以上説明したように、本発明の構成によれば、ロボット言語解釈装置は、指定押し付け力の押し付け方向を指定する押し付け方向テーブルと、力覚センサで検出する検出力のうち力制御に使用する力成分を指定する検出力テーブルと、押し付け方向テーブルおよび検出力テーブルの各々のパラメータを指定するパラメータ指定手段を備えているので、作業の種類や作業対象物の形状に応じて適する力制御を容易に指定し実行することができる。