机械手的直接教示装置及其方法与流程

本发明涉及对机械手施加操作力而直接教示其手指位置的机械手的直接教示装置及其方法。

背景技术：

以往，业界提出有各种基于力控制的机械手的直接教示方法。作为该械手的直接教示方法之一，有检测施加到机械手的操作力、根据该检测结果使机械手移动而直接教示其手指位置的方法。作为这种以往的机械手的直接教示方法，例如在专利文献1中有揭示。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开平3-123907号公报

技术实现要素：

发明要解决的问题

在上述以往的直接教示方法中，在教示手指位置时，可以在通过较轻操作力使机械手高速移动的方式与通过较强操作力使机械手低速移动的方式之间进行切换。然而，当采用这种直接教示方法时，作业人员每当切换教示方式时都需要进行开关切换操作，因此有对机械手的教示效率降低之虞。

本发明就是要解决上述问题，其目的在于提供一种在对机械手的教示作业时能够灵活运用高速移动与高精度移动而不会降低其教示效率的机械手的直接教示装置及其方法。

解决问题的技术手段

本发明的机械手的直接教示装置利用力传感器来检测施加至具有多个轴的多关节机械手的操作力，按照基于该检测结果的力控制部的力控制使多关节机械手移动而直接教示其位置，该机械手的直接教示装置具备：力推断部，其根据力传感器的检测结果来推断施加到轴的操作力；输入模式分类部，其按预先设定的输入模式的每一种类对力推断部推断出的操作力的输入模式进行分类；以及力控制切换部，其根据输入模式分类部分类好的操作力的输入模式来切换力控制部的力控制。

本发明的机械手的教示方法是利用力传感器来检测施加至具有多个轴的多关节机械手的操作力，按照基于该检测结果的力控制使多关节机械手移动而直接教示其位置，该机械手的直接教示方法中，根据力传感器的检测结果来推断施加到轴的操作力，按预先设定的输入模式的每一种类对推断出的操作力的输入模式进行分类，根据分类好的操作力的输入模式来切换力控制。

发明的效果

根据本发明，在对机械手的教示作业时能够灵活运用高速移动与高精度移动而不会降低其教示效率。

附图说明

图1为表示运用本发明的实施方式1的机械手的直接教示装置的多关节机械手的构成的外观图。

图2为表示各关节部内的转矩传感器的设置状态的图。

图3为表示本发明的实施方式1的机械手的直接教示装置的构成的框图。

图4为表示本发明的实施方式1的机械手的直接教示装置的处理过程的流程图。

图5a～图5c为表示预先设定的操作力的输入模式的一例的图。图5a为表示与高精度平移移动相对应的操作力的输入模式的图。图5b为表示与高精度旋转移动相对应的操作力的输入模式的图。图5c为表示与高速移动相对应的操作力的输入模式的图。

图6为表示与作业人员的动作模式相对应的联杆构件的移动形态的图。

具体实施方式

下面，一边参考附图，一边对本发明的实施方式进行详细说明。

实施方式1.

图1为表示运用本发明的实施方式1的机械手的直接教示装置的多关节机械手10的构成例的外观图。如图1所示，多关节机械手10由基台11和支承在该基台11上的臂部12构成。臂部12具有6自由度，由6个联杆构件21a～21f、6个关节部22a～22f以及手指部23构成。也就是说，多关节机械手10为普通的6轴多关节机械手。但本发明的机械手直接教示装置及其方法并不会因多关节机械手的构成及自由度数量而失去其本质。

联杆构件21a～21f分别具有轴j1～j6，从臂部12的基端侧朝顶端侧依序配置。手指部23设置在联杆构件21f的顶端，构成了臂部12的顶端部。

关节部22a～22f将基台11与联杆构件21a之间、联杆构件21a、21b之间、联杆构件21b、21c之间、联杆构件21c、21d之间、联杆构件21d、21e之间、以及联杆构件21e、21f之间分别相连。进而，关节部22a～22f是以能绕轴j1～j6旋转的方式支承联杆构件21a～21f。

在进行对上述多关节机械手10的教示作业的情况下，作业人员操作联杆构件21a～22f中的某1个联杆构件21a～22f。也就是说，从作业人员施加的操作力作用于6个轴j1～j6中的多个轴，作用有该操作力的轴j1～j6作为操作轴进行移动而使整个臂部12移动。此时，手指部23随着操作轴的直线移动或旋转移动而进行平移移动或旋转移动，因此得到了其位置及姿态的教示。

图2为表示各关节部22a～22f内的转矩传感器34的设置状态的图。如图2所示，马达31的转轴31a、联杆构件21a～21f的中心轴32、连结轴33以及成为力传感器的转矩传感器34分别设置在各关节部22a～22f内。马达31使联杆构件21a～21f以其中心轴32为旋转中心进行旋转。转矩传感器34分别检测作用到各联杆构件21a～21f的中心轴32的操作力。

马达31的转轴31a与中心轴32经由连结轴33连结在一起。连结轴33的轴径比转轴31a的轴径以及中心轴32的轴径小。马达31的转轴31a、中心轴32、连结轴33以及关节部22a～22f的关节轴与各轴j1～j6呈同轴状。也就是说，转轴31a、中心轴32以及连结轴33绕轴j1～j6旋转。

转矩传感器34经由安装板35安装在转轴31a及中心轴32上，与这些轴31a、32一起旋转。安装板35在转轴31a的外周面与中心轴32的外周面之间以跨越它们之间所形成的轴向间隙的方式加以设置。由此，当作业人员的操作力作用于中心轴32时，随之产生形变，转矩传感器34将该形变量换算为操作力的大小来加以检测。

图3为表示本发明的实施方式1的机械手的直接教示装置40的构成的框图。图3所示的直接教示装置40能够实现作业人员对多关节机械手10的直接教示作业，与多关节机械手10及直接教示指示部36连接在一起。

直接教示指示部36供作业人员指示直接教示装置40对多关节机械手10进行直接教示时使用。作业人员可以通过直接教示指示部36的开关切换操作来选择对多关节机械手10的直接教示的执行或停止。

如图3所示，直接教示装置40具有力推断部41、力控制部42、马达驱动器43、输入模式分类部44以及力控制切换部45。

力推断部41根据转矩传感器34的输出结果来推断被作业人员施加了操作力的联杆构件21a～21f以及该操作力的大小(输入模式)。力控制部42根据力推断部41的推断结果来控制马达驱动器43的驱动。马达驱动器43控制马达31的旋转角度。

也就是说，力控制部42根据被直接施加了操作力的联杆构件21a～21f和该操作力的大小来控制马达驱动器43的驱动，从而调整各马达31的旋转角度。由此，直接教示装置40根据操作力使臂部12动作而将其手指部23引导至成为目标位置的作业位置，从而教示其作业位置。结果，手指部23从任意方向、以任意姿态且以任意力接触作业对象物。

输入模式分类部44中预先设定有多种输入模式。该预先设定的输入模式是操作力的输入模式，以所施加的操作力超过了规定阈值的时刻为输入开始时刻、根据该操作力的大小从输入开始时刻起在规定期间内如何变化来分类为多个种类。

例如，所施加的操作力从输入开始时刻起在规定期间内变为阈值以下的输入模式设为与臂部12的高精度移动相对应的操作力的输入模式。此外，所施加的操作力从输入开始时刻起在规定期间内始终超过阈值的输入模式设为与臂部12的高速移动相对应的操作力的输入模式。

作业人员预先存储好预先设定的多种输入模式、施加的操作力的输入模式成为预先设定的输入模式用的动作模式(对联杆构件21a～21f的操作)、以及动作后的联杆构件21a～21f及手指部23的移动形态。相对于此，输入模式分类部44判断力推断部41推断出的操作力的输入模式与预先设定的输入模式是否一致，在它们一致的情况下，将推断出的操作力的输入模式分类为与高精度移动相对应的输入模式以及与高速移动相对应的输入模式中的某一方。

力控制切换部45根据输入模式分类部44分类好的操作力的输入模式的种类来切换力控制部42的力控制。

在推断出的操作力的输入模式被分类成与高精度移动相对应的输入模式的情况下，力控制切换部45指示力控制部42使成为操作轴的联杆构件21a～21f执行预先规定的动作。此外，在推断出的操作力的输入模式被分类成与高速移动相对应的输入模式的情况下，力控制切换部45指示力控制部42通过较轻的操作力来进行以往的直接教示。

接着，使用图4，对本发明的实施方式1的机械手的直接教示装置的处理过程进行说明。

首先，在步骤st1中，作业人员判断是否指示直接教示装置40进行对多关节机械手10的直接教示。此处，在判断要执行直接教示的情况下，前进至步骤st2。另一方面，在判断不执行直接教示的情况下，结束处理。

然后，在步骤st2中，作业人员对联杆构件21a～21f中的某一个联杆构件21a～21f施加操作力，朝成为目标位置的作业位置引导手指部23。此时，各转矩传感器34分别检测作用于联杆构件21a～21f的轴j1～j6的力。

继而，在步骤st3中，力推断部41根据所有转矩传感器34的检测结果来推断被施加了操作力的联杆构件21a～21f以及该操作力的大小。

具体而言，力推断部41利用力不会作用于相较于被施加了操作力的联杆构件而言位于顶端侧的联杆构件(转矩传感器34的输出值不会变化)这一事实来推断被施加了操作力的联杆构件21a～21f。

此外，力推断部41使用下述式(1)来推断操作力的大小。

f＝j^-tτ…(1)

其中，

f＝[fxfyfzfαfβfγ]^t：作业人员施加的操作力

τ＝[τ1τ2τ3τ4τ5τ6]^t：已进行了重力补偿的输出值

j：满足[被施加了操作力的联杆构件的轴向中央部的速度]＝j×[与被施加了操作力的联杆构件相对应的关节部的速度]的矩阵

再者，fx、fy、fz为正交3轴上的各平移力，fα、fβ、fγ为正交3轴上的各旋转力。

此外，τ1、τ2、τ3、τ4、τ5、τ6为6个转矩传感器34的各个已进行了重力补偿的输出值。

然后，在步骤st4中，输入模式分类部44判断推断出的操作力的输入模式与预先设定的多种输入模式中的某1个是否一致。此处，在判断推断出的操作力的输入模式与预先设定的输入模式一致的情况下，前进至步骤st5。另一方面，在判断推断出的操作力的输入模式与预先设定的输入模式不一致的情况下，返回至步骤st2。

继而，在步骤st5中，输入模式分类部44判断能否将推断出的操作力的输入模式分类为与高精度移动相对应的输入模式。此处，在判断可以如此分类的情况下，前进至步骤st6。另一方面，在判断无法如此分类的情况下，前进至步骤st7。

此处，使用图5a至图5c以及图6，对输入模式分类部44中预先设定的输入模式以及与其相对应的联杆构件21a～21f的动作形态进行说明。再者，图6是以联杆构件21a～21f中的联杆构件21a为代表来进行图示的。此外，图6的中空箭头表示作业人员所敲击的方向。

图5a所示的操作力的输入模式是与臂部12的高精度移动相对应的输入模式。该与高精度移动相对应的输入模式是以所施加的操作力超过了规定阈值fo的时刻为输入开始时刻to、该操作力从输入开始时刻to起在规定期间t内有1次变为阈值fo以下而就这样结束的输入模式。也就是说，与上述高精度移动相对应的输入模式中，操作力从输入开始时刻to起在规定期间t内具有1个峰值。相对于此，用于获得这种输入模式的作业人员的动作模式是对联杆构件21a～21f中的某1个进行1次敲击的动作。

由此，如图6所示，当联杆构件21a～21f被作业人员敲击1次时，臂部12的手指部23向该被敲击的方向移动预先规定的动作量。

图5b所示的操作力的输入模式是与臂部12的高精度移动相对应的另一输入模式。该与高精度移动相对应的输入模式是所施加的操作力从输入开始时刻to起在规定期间t内有2次变为阈值fo以下而就这样结束的输入模式。也就是说，与上述高精度移动相对应的输入模式中，操作力从输入开始时刻to起在规定期间t内具有2个峰值。相对于此，用于获得这种输入模式的作业人员的动作模式是对联杆构件21a～21f中的某一个进行2次敲击的动作。

由此，如图6所示，当联杆构件21a～21f被作业人员敲击2次时，臂部12的手指部23朝运算结果的方向旋转预先规定的动作量程度。

图5c所示的操作力的输入模式是与臂部12的高速移动相对应的输入模式。该与高速移动相对应的输入模式是所施加的操作力从输入开始时刻to起在规定期间t内始终超过阈值fo的输入模式。相对于此，用于获得这种输入模式的作业人员的动作模式是持续推压联杆构件21a～21f的动作。

然后，在步骤st6中，手指部23按照以往的直接教示进行移动，由此得到目标位置及目标姿态的教示。

具体而言，在推断出的操作力的输入模式被分类成与高精度平移移动相对应的输入模式的情况下，首先，力控制部42使用下述式(2)来推断所施加的操作力的作用方向(平移方向)g。

g＝[fxfyfz]^t/|[fxfyfz]^t|…(2)

然后，力控制部42在操作力的作用方向g上使用下述式(3)来设定手指部23的目标位置及目标姿态r。继而，手指部23从当前的位置及姿态p起沿与作用方向g相应的移动方向朝设定好的目标位置及目标姿态r移动。

r＝p+k[g^t01×3]^t…(3)

其中，

p＝[pxpypzpαpβpγ]^t：当前的位置及姿态

k：常数

此外，在推断出的操作力的输入模式被分类成与高精度旋转移动相对应的输入模式的情况下，力控制部42根据操作力的作用方向使手指部23旋转。

首先，作为第1种力控制方法，在根据作业人员所敲击的联杆构件21a～21f使手指部23旋转的情况下，力控制部42以使联杆构件21a、21c、21e朝旋转方向r1旋转、另一方面使联杆构件21b、21d、21f朝旋转方向r2旋转的方式进行设定。

也就是说，在作业人员对联杆构件21a、21c、21e中的某一个联杆构件进行了2次敲击的情况下，手指部23随着联杆构件21a、21c、21e朝旋转方向r1的旋转而以其轴j1、j3、j5为旋转中心进行旋转。另一方面，在作业人员对联杆构件21b、21d、21f中的某一个联杆构件进行了2次敲击的情况下，手指部23随着联杆构件21b、21b、21f朝旋转方向r2的旋转而以其轴j2、j4、j6为旋转中心进行旋转。

此外，作为第2种力控制方法，在根据操作力的作用方向使手指部23旋转的情况下，如图6所示，力控制部42以穿过联杆构件21a～21f的轴j1～j6的基准线o为基准角度，在该基准线o与穿过轴j1～j6的操作力的作用方向的交叉角度θf为0～179[deg]时，使联杆构件21a～21f朝旋转方向r1旋转，另一方面，在交叉角度θf为180～359[deg]时，使联杆构件21a～21f朝旋转方向r2旋转。

也就是说，在作业人员对联杆构件21a～21f中的某一个联杆构件进行了2次敲击的情况下，被敲击的联杆构件21a～21f根据交叉角度θf朝旋转方向r1或旋转方向r2旋转。由此，手指部23以该被敲击的联杆构件21a～21f的轴j1～j6为旋转中心进行旋转。

在采用上述的两种力控制方法中的任一种的情况下，力控制部42都使用下述式(4)来设定联杆构件21f的目标旋转角度θr6。

θri＝θi+ks…(4)

其中，

i：与联杆构件21a～21f相对应的编号(手指部23旋转时，i＝6)

θi：与i相对应的联杆构件的当前的旋转角度

k：常数

s：旋转方向r1时为“1”、旋转方向r2时为“-1”的变量

相对于此，在步骤st7中，手指部23通过可以借助较轻操作力使臂部12移动这样的以往的直接教示进行移动，由此得到目标位置及目标姿态的教示。此时，当所施加的操作力变为阈值fo以下时，前进至步骤st8。

然后，在步骤st8中，作业人员判断是否指示直接教示装置40结束对多关节机械手10的直接教示。此处，在判断要结束直接教示的情况下，结束处理。另一方面，在判断不结束直接教示的情况下，前进至步骤st2。

以上，实施方式1的机械手的直接教示装置及直接教示方法在对多关节机械手10的教示作业时能够灵活运用高速移动与高精度移动而不会降低其教示效率。

实施方式2.

该实施方式2的机械手的直接教示装置及其方法是在手指部23设置1个6轴力传感器(图示省略)来代替实施方式1的机械手的直接教示装置及其方法中的6个转矩传感器34。

由此，力推断部41仅使用成为多轴力传感器的6轴力传感器的检测结果，使用下述式(5)来推断操作力f的大小。

f＝[fxfyfzfαfβfγ]^t…(5)

此外，在推断出的操作力的输入模式被分类成与高精度旋转移动相对应的输入模式的情况下，力控制部42根据操作力的作用方向使手指部23旋转。也就是说，在设置有6个转矩传感器34的情况下，由于它们是对应于各轴j1～j6设置的，因此力推断部41能够推断操作力直接作用到了哪一联杆构件21a～21f。相对于此，在设置的是6轴力传感器的情况下，由于它不是对应于各轴j1～j6设置的，因此力推断部41无法推断操作力直接作用到了哪一联杆构件21a～21f。因而，力控制部42仅采用上述第2种力控制方法。

以上，实施方式2的机械手的直接教示装置及直接教示方法在对多关节机械手10的教示作业时能够灵活运用高速移动与高精度移动而不会降低其教示效率。

再者，本申请发明可以在其发明的范围内进行各实施方式的自由组合、或者各实施方式中的任意构成要素的变形、或者各实施方式中的任意构成要素的省略。

产业上的可利用性

本发明的机械手的直接教示装置及其方法由于在对机械手的教示作业时能够灵活运用高速移动与高精度移动而不会降低其教示效率，因此适合在对机械手施加操作力而直接教示其手指位置的机械手的直接教示装置及其方法中加以使用。

符号说明

10多关节机械手

11基台

12臂部

21a～21f联杆构件

22a～22f关节部

23手指部

31马达

31a转轴

32中心轴

33连结轴

34转矩传感器

35安装板

36直接教示指示部

40直接教示装置

41力推断部

42力控制部

43马达驱动器

44输入模式分类部

45力控制切换部

j1～j6轴。