力表示方法及び力表示装置
【課題】ロボットに適切な教示を行うことで教示後の実際のロボットの作業中にハンドリング対象となる部品を破損させることのない力表示方法及び力表示装置を提供する。
【解決手段】被操作対象を特定方向の操作量だけ操作し、この操作に伴って被操作対象の受ける反力を操作者にフィードバックさせる教示装置における力表示方法であって、被操作対象の移動方向を規定する各軸に発生する反力を各軸ごとに計測する第１のステップと、各軸に発生して計測した反力の、予め設定された最大許容力に対する割合値を各軸ごとに計算する第２のステップと、計算した割合値をこれに対応する大小関係を表す記号に変換する第３のステップと、変換した記号を表示する第４のステップと、を有している。
【解決手段】被操作対象を特定方向の操作量だけ操作し、この操作に伴って被操作対象の受ける反力を操作者にフィードバックさせる教示装置における力表示方法であって、被操作対象の移動方向を規定する各軸に発生する反力を各軸ごとに計測する第１のステップと、各軸に発生して計測した反力の、予め設定された最大許容力に対する割合値を各軸ごとに計算する第２のステップと、計算した割合値をこれに対応する大小関係を表す記号に変換する第３のステップと、変換した記号を表示する第４のステップと、を有している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばロボット等の教示の際に好適に実施可能な力表示方法及び力表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
生産現場において、溶接や塗装、部品の組み立て、分解、搬送などの作業を行なうロボットは、位置制御機能を有する装置により、作業対象の動作位置や順番などを予め教示して作業を行なっている。この位置を教示する装置は、作業対象部品の絶対位置や変位を計測し、この絶対位置や変位に基づいてハンドを動作させて作業対象部品に必要な作業を行うように教示する。そして、この教示に伴って、ハンドを移動する際に作業対象部品の組み立て及び搬送の各動作と同じ方向、姿勢、及び作業対象部品がハンドから受ける力を再現させるようにハンドの変位を補正しながらマニピュレータ装置を制御するようにしている。（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−１６０６１４号公報（６−７頁、図７、図８）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、ロボットを使用する工程は多岐に亘っており、小さく精密な部品を取り扱う作業も増えてきている。このような部品をロボットが搬送するために部品をハンドでピッキングする際の縦方向（ＸＹＺ座標系におけるＺ軸方向）の位置教示を行なう場合、従来では、ハンドを動作させてこのハンドの変位を補正しつつ部品に近づけていた。しかしながら、この場合、部品とハンド間の相対位置の微妙な調整が必要となる。特にハンドを接触させた位置で部品吸着用のノズルによる部品のピッキング動作を行なう場合、ハンドやノズルが部品に接触する際に部品を押さえ過ぎてこれを破損させてしまい、品質の低下や作業の遅れなどが生じてしまうことがあった。
【０００４】
本発明は、ロボットに適切な教示を行うことで教示後のロボットの作業中にハンドリング対象となる部品を破損させることのない力表示方法及び力表示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述した課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の力表示方法は、
被操作対象を特定方向の操作量だけ操作し、前記操作に伴って被操作対象の受ける反力を操作者にフィードバックさせる教示装置における力表示方法であって、
前記被操作対象の移動方向を規定する各軸に発生する反力を各軸ごとに計測する第１のステップと、
前記各軸に発生して計測した反力の、予め設定された最大許容力に対する割合値を各軸ごとに計算する第２のステップと、
前記計算した割合値をこれに対応する大小関係を表す記号に変換する第３のステップと、
前記変換した記号を表示する第４のステップと、を有することを特徴としている。
【０００６】
また、本発明の請求項２に記載の力表示装置は、
被操作対象を特定方向の操作量だけ操作し、前記操作に伴って被操作対象の受ける反力を操作者にフィードバックさせる教示装置における力表示装置であって、
前記被操作対象の移動方向を規定する各軸に発生する反力を各軸毎に計測する力計測手段と、
前記各軸に発生して計測した反力の、予め設定された最大許容力に対する割合値を各軸ごとに計算する演算手段と、
前記演算手段により計算した割合値をこれに対応する大小関係を表す記号に変換する記号変換手段と、
前記変換した記号を表示する表示手段と、を備えたことを特徴としている。
【０００７】
請求項１に係る力表示方法及び請求項２に係る力表示装置がこのような構成を有することで、被操作対象が部品から受けるフィードバックされた反力を被操作対象がハンドリングする部品の強度の許容範囲中どの程度であるかを視覚的に瞬時に把握することが可能となり、被操作対象の部品に対する接触力の程度についての直感的な視認性を高めながら教示を行なうことができるようになる。その結果、教示後に被操作対象が教示内容に従って実際に作業を行う際に、被操作対象のハンドリングする部品や被操作対象自体に無理な力がかかることがなくなり、これらの破損を防ぐことができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る力表示装置によれば、ロボットに適切な教示を行うことで教示後の実際のロボットの作業中にハンドリング対象となる部品を破損させることのない力表示方法及び力表示装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に、本発明の一実施形態にかかる力表示装置をその力表示方法と共に図面に基づいて説明する。本発明の一実施形態にかかる力表示装置１を有する力教示装置を備えた全体構成は、図１に示すように、教示された動作に基づき所定の作業を行うアクチュエータとしてのロボット１０と、ロボット１０を駆動するロボット制御部２０と、ロボット制御部２０を介してロボット１０の作業の教示及び駆動を行う教示ボックス３０等を備えている。
【００１０】
ロボット１０は、図１に部分的に示すロボットアーム１１と、ロボットアーム１１の先端に備わったハンドリング用のハンド１２及び部品吸着用のノズル１３と、ロボット１０を駆動するモータ１４と、モータ１４を駆動するドライバ１５と、ロボットアーム１１の実際の変位量を計測するロータリエンコーダ１６を備えると共に、ロボットアーム１１とハンド１２及びノズル１３との間に力センサ１７を備えている。
【００１１】
なお、ロボット１０は、Ｘ軸方向（例えば図１では紙面の左右方向）、Ｙ軸方向（例えば図１では紙面と直交する方向）、Ｚ軸方向（例えば図１では紙面の上下方向）に移動する形態のロボットであれば何れのアームでも良い。従って、直交座標系のロボット若しくは極座標系のロボットの何れであっても良い。
【００１２】
図１に示すロボットアーム１１は、ロボット１０のハンド１２が備わったアーム先端部を部分的に示したものであり、ハンド１２は部品吸着用のノズル１３を備えており、例えば生産ライン５１に供給されるＩＣチップなどのチップ部品５２をＸＹ軸方向の正確な向きを保ちながら吸着し、これをプリント基板（図示せず）の所定位置に所望のＸＹ軸方向を保ちながら実装するのに用いられる。
【００１３】
力センサ１７は、ＸＹＺ軸方向のそれぞれに関して教示時に部品５２からハンド１２やノズル１３に加わる正方向の反力又は負方向の反力を個別に計測してロボット制御部２０のＡＤ変換器２２にその計測値をアナログ信号として伝達するようになっている。
【００１４】
モータ１４は、例えばサーボモータからなり、ハンド１２やノズル１３をＸＹＺ軸方向の任意の位置に移動させるようにロボットアーム１１に複数備わっており、ドライバ１５によって駆動されるようになっている。
【００１５】
ロータリエンコーダ１６は、各モータ１４の駆動量を検出してドライバ１５を介してこの駆動量をデジタル値としてロボット制御部２０の制御演算部２１に伝えるようになっている。
【００１６】
ロボット制御部２０は、内部に制御演算部２１と、ＡＤ変換器２２と、デジタル入力部２３と、パルス入力部２４及びパルス出力部２５と、デジタル出力部２６を有すると共に、ＲＳ−２３２Ｃ等に対応した入出力ポート２７を介して教示ボックス３０と電気的に接続されている。
【００１７】
ロボット制御部２０の制御演算部２１は、ここでは図示しないメモリを内蔵し、このメモリに記録されたプログラムに基づきロボット１０の基本的な動作を制御すると共に、教示ボックス３０を介して教示されたロボット動作の実行を制御するようになっている。
【００１８】
ロボット制御部２０のＡＤ変換器２２は、上述した力センサ１７から得られたアナログの計測値をデジタル値に変えて制御演算部２１に伝えるようになっている。また、ロボット制御部２０のデジタル出力部２６は、制御演算部２１で決定されたロボット動作量をデジタル値としてドライバ１５を介して各モータ１４に伝えるようになっている。また、ロボット制御部２０のデジタル入力部２３は、ドライバ１５を介してロータリエンコーダ１６から得られた計測値をデジタル値として制御演算部２１に入力するようになっている。また、ロボット制御部２０のパルス出力部２５は、基準クロックパルスをドライバ１５に伝えて制御演算部２１とモータ１４との同期を図ると共に、パルス入力部２４は、ロータリエンコーダ１６からのパルスを制御演算部２１に伝えて制御演算部２１とロータリエンコーダ１６との同期を図るようになっている。
【００１９】
教示ボックス３０は、ロボット１０に所謂ティーチングと呼ばれる教示動作を行うためのもので、教示時にロボット１０のハンド１２及びノズル１３をＸＹＺ軸方向任意の位置に移動させる移動ボタン３１と、教示時にハンド１２及びノズル１３が移動した際にこのハンド１２やノズル１３がハンドリング対象である部品５２から受ける反力の情報をＸＹＺ軸方向ごとに操作者が視覚的に認識可能に表示する表示部３２を有している。
【００２０】
続いて、本発明の特徴的部分である上述した教示ボックス３０の表示部３２の役割についてロボット１０の教示動作と共に詳細に説明する。
【００２１】
本実施形態では、教示ボックス３０の表示部３２にロボットアーム先端のハンド１２やノズル１３の各軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸）に発生する力情報（ハンドリング対象である部品５２からの反力情報）を表示するようになっている。そして、その表示形式は、力情報の許容最大力に対する割合値（％）を求めて、これに対応する大小関係を表す記号に変換して大きさを表現し、操作者に対する直感的な視認性を高めている。
【００２２】
より詳細には、力表示装置１は、ロボットのＸ，Ｙ，Ｚ軸方向のそれぞれの移動に際してハンド１２やノズル１３が受ける反力を操作者にフィードバックさせるにあたって、ロボット１０のハンド１２やノズル１３の移動方向を規定するＸ，Ｙ，Ｚの各軸に発生する力を力センサ１７でそれぞれ計測し、この各軸に発生して計測した反力の、予め設定された最大許容力に対する割合値を各軸ごとに制御演算部２１で計算し、計算した割合値を制御演算部２１又は教示ボックス３０内においてこれに対応する大小関係を表す記号に変換し、この変換した記号を教示ボックス３０の表示部３２で表示するようになっている。
【００２３】
なお、この記号は、ハンド１２やノズル１３が受ける反力が＋方向の反力（例えば、ハンド１２やノズル１３が圧縮力を受ける方向に作用する反力）か、又は一方向の反力（例えば、ハンド１２やノズル１３が引張り力を受ける方向に作用する反力）をも瞬時に判別できるようになっている。
【００２４】
図２は、この力表示装置１による力表示方法を示すフローチャートである。図２において、教示作業の最初に例えばロボットアーム先端のハンド１２やノズル１３が部品５２をピッキングする際に部品５２から受ける反力を力センサ１７からのフィードバック値として得て、これをＡＤ変換器２２でデジタル値に変換し、制御演算部２１でＸ，Ｙ，Ｚの各軸の反力情報として計測する（ステップＳＴ１）。
【００２５】
次いで、この反力の計測値の、予め設定された最大許容力の割合値を計算する（ステップＳＴ２）。この予め設定された最大許容力とは、例えば部品５２がピッキングされる際にロボット１０のハンド１２やノズル１３に押し付けられ強度的に十分耐え得る許容力の最大値であり、制御演算部２１のメモリに予め入力されている。しかしながら、この最大許容力は、ロボット１０のその後の作業環境の変化に応じて変更可能となっている。
【００２６】
次いで、ステップＳＴ２で計算された割合値の結果に基づき、図４に示す変換表に従い、制御演算部２１においてこの割合値の大小関係に対応する記号に変換する（ステップＳＴ３）。この記号の具体的内容については後に詳細に説明する。
【００２７】
次いで、変換された記号を教示ボックス３０の表示部３２に表示する（ステップＳＴ４）。
【００２８】
教示者は、この表示部３２に表示された記号に基づき、教示中にロボット１０のハンド１２やノズル１３がハンドリング対象の部品５２からどの程度の反力を受けたか、即ち、その後の教示内容に従ったロボット１０の作業中にこれらの部品５２がハンド１２やノズル１３からピッキングなどのハンドリング中にどの程度の力を受けた力をその反力の作用方向と共になるかを教示作業を行いながら視覚的に瞬時に把握することができる。
【００２９】
続いて、この教示ボックス３０の表示部３２の表示内容について具体的に説明する。本実施形態においては、教示ボックス３０の表示部３２は、図３に示すような表示内容となっており、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸ごとに教示時にハンド１２やノズル１３がハンドリング対象となる部品から受ける反力の予め設定された許容最大値に対する割合値に対応する大小関係をその反力の作用方向を含めてＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸ごとに視覚的に瞬時に把握可能な不等号記号で表示する。
【００３０】
図３に示された内容についてより詳細に説明すると、Ｘ軸方向には−方向の反力が許容最大値の約２０％〜３０％程度作用し、Ｙ軸方向には殆ど反力が発生せず、Ｚ軸方向には＋方向の反力が許容最大値の約１０％〜２０％程度作用していることを表している。
【００３１】
このように、本実施形態では不等号記号の向きを変えることでハンドやノズルが教示時に部品から受ける反力の作用する方向を負方向の場合と正方向の場合に分けて表示する。なお、ここでいう正方向に反力が作用する場合とは、例えばハンドやノズルを部品に押し付けた際に力センサに生じる圧縮力が作用する場合を言い、負方向に反力が作用する場合とは、例えばハンドリングされる部品が特別な容器に収容されてこれをハンドを介して引き出すときに生じる引っ張り力が作用する場合を言う。
【００３２】
図４は、教示ボックス３０の表示部３２に表示される記号の一覧を示す表である。この表の不等号記号中、力センサからのフィードバック値により制御演算部２１が演算して算出した反力の作用方向及び上述の割合値に対応する記号が選択されて、表示部３２に表示されるようになっている。
【００３３】
具体的には、力のかかる方向が、例えば部品５２に押付け力が作用する＋方向の場合で、割合値（フィードバックされたＺ方向の反力の許容最大力に対する％表示値）が＋１０％より小さく＋０．０５％以上の場合、 ] の記号が表示部に表示される。
【００３４】
そして、この割合値の増加に伴い同一方向の不等号の数等が増えていくと共に角カッコの記号を適宜表示させていき（図４では図示省略）、力のかかる方向が＋方向の場合で、割合値が＋８０％以上で＋９０％より小さい場合、 ＞＞＞＞] の記号が表示器に表示され、これによって＋方向の反力が部品からハンドやノズルにかなり加わりつつあることを操作者（教示者）が瞬時に認識できるようにしている。
【００３５】
また、力のかかる方向が＋方向の場合で、割合値が９０％以上で＋１００％より小さい場合、 ＞＞＞＞＞ の記号が表示部に表示され、＋方向の反力が部品からハンドやノズルに許容値の最大限に近づいていることを操作者が直感的に認識できるようにしている。
【００３６】
一方、力のかかる方向が例えば部品に引っ張り力が作用する−方向の場合で、割合値が−０．０５％より大きく−１０％以下の場合、 [ の記号が表示器に表示される。また、力のかかる方向が−方向の場合で、割合値が−１０％より大きく−２０％以下の場合、 ＜ の記号が表示器に表示される。そして、この％表示器の増加に伴い同一方向の不等号の数等が増えていくと共に角カッコの記号を適宜表示させていき（図４では図示省略）、力のかかる方向が−方向の場合で、割合値が−９０％以上で−８０％より小さい場合、 [＜＜＜＜ の記号が表示器に表示され、これによってハンドやノズルが受ける力が許容最大値に近づきつつあることを操作者が瞬時に認識することができる。
【００３７】
また、力のかかる方向が−方向の場合で、割合値が−１００％以上で−９０％より小さい場合、 ＜＜＜＜＜ の記号が表示器に表示され、ハンドやノズルが受ける力が許容最大値に略近くなっていることを教示者が認識することができる。
【００３８】
以上説明したように、工業用途での製造作業に使用するロボットの教示（ティーチングプログラミング）を行う際には、教示ボックスを用いてロボットに動作位置の教示を行う。この教示作業でロボットが搬送を行おうとするワーク（部品）をハンドやノズルでハンドリングする際の縦方向（Ｚ軸方向）の位置の表示を行う際に教示ボックスで操作して上部からワークにハンドやノズルを近づけていく。このような教示動作の場合、ワークとハンドやノズルの位置の微妙な調整が必要になる。即ち、ワークにハンドやノズルを接触させた位置でノズルによる吸引を行ってワークを持ち上げる場合に特に微妙な調整を必要とする。
【００３９】
従来では教示時のこのような場合の操作でワークをハンドやノズルで押さえ過ぎてこれを破損させる場合があり、教示作業に起因した製造コスト高や納期遅れ、新製品製造の遅れを招いていたが、本発明に係る力表示装置を用いた力表示方法を実施することで、このような不具合を回避することできる。
【００４０】
なお、上述した実施形態においては、ハンドリング対象となる部品をＩＣチップとして紹介したが、必ずしもこれに限定されず、ハーメチックシール部品など一部に脆性材料を含む部品をハンドリングする際にも本発明は適している。
【００４１】
具体的には、上述した部品のピッキングの際とは異なり、ハーメチックシール部品を対象物から引き抜く際に、特に引き抜き方向がＸ，Ｙ，Ｚ軸の少なくとも２軸を含む方向の場合に、教示作業において微妙な調整を必要とするが、本発明を適用することでこのようなハーメチックシール部品に無理な力を加えることなく教示作業を行うことができる。
【００４２】
また、このような一部に脆性材料を含んだハーメチックシール部品又は全体が脆性材料からなる部品をこの部品の取付け対象物の挿入孔に挿入する場合などにおいても本発明を適用することで同様な作用を発揮することができる。
【００４３】
なお、本発明で言う記号には、上述した実施形態における割合値の大小関係や反力の作用する方向を表す不等号記号に限定されず、割合値の大小関係や反力の作用する方向（正方向や負方向）を判断できるアイコンも含まれる。
【００４４】
具体的には、円形のアイコンを用い、黒丸の時は正方向の反力が作用し、白丸の時は負方向の反力が作用するとし、かつそれぞれの反力の許容できる最大値に対する割合値の大小関係に対応して丸の大きさを大きくしたり小さくしたりしても良い。
【００４５】
また、登り方向の異なる階段状のアイコンを用いても良い。即ち、正方向の反力が作用するときは右上がりの階段状アイコンを表示し、負方向の反力が作用するときは左上がりの階段状アイコンを表示し、かつそれぞれの反力の許容できる最大値に対する割合値の大小関係に応じて階段のステップ数が変化するようにしても良い。
【００４６】
なお、本発明の適用されるロボットは、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の直交座標系、又はＲ−θの極座標系のロボットに限定されずＸＹ軸の直交座標系であっても良い。
【００４７】
また、上述の実施形態においては、ロボットアームにはハンドとノズルの双方が備わっていたが、何れか一方が備わっていても良い。
【００４８】
また、上述した力表示の方向はＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に限らず、ハンドの回転方向を表わすＵ方向においてハンドの回転時にこれが受ける反力（トルク）の最大許容値に対する割合値を上述した記号で表わすようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の一実施形態に係る力表示装置をこれが用いられるロボットと共に示す概略ブロック図である。
【図２】図１に示した力表示装置を用いた力表示方法を説明するフローチャートである。
【図３】図１に示した教示ボックスの表示部に表示される表示内容の一例である。
【図４】図１に示した力表示装置の教示ボックスの表示部に表示される記号を一部省略して示す一覧表である。
【符号の説明】
【００５０】
１ 力表示装置
１０ ロボット
１１ ロボットアーム
１２ ハンド
１３ ノズル
１４ モータ
１５ ドライバ
１６ ロータリエンコーダ
１７ 力センサ
２０ ロボット制御部
２１ 制御演算部
２２ ＡＤ変換器
２３ デジタル入力部
２４ パルス入力部
２５ パルス出力部
２６ デジタル出力部
２７ 入出力ポート
３０ 教示ボックス
３１ 移動ボタン
３２ 表示部
５１ 生産ライン
５２ 部品
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばロボット等の教示の際に好適に実施可能な力表示方法及び力表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
生産現場において、溶接や塗装、部品の組み立て、分解、搬送などの作業を行なうロボットは、位置制御機能を有する装置により、作業対象の動作位置や順番などを予め教示して作業を行なっている。この位置を教示する装置は、作業対象部品の絶対位置や変位を計測し、この絶対位置や変位に基づいてハンドを動作させて作業対象部品に必要な作業を行うように教示する。そして、この教示に伴って、ハンドを移動する際に作業対象部品の組み立て及び搬送の各動作と同じ方向、姿勢、及び作業対象部品がハンドから受ける力を再現させるようにハンドの変位を補正しながらマニピュレータ装置を制御するようにしている。（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−１６０６１４号公報（６−７頁、図７、図８）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、ロボットを使用する工程は多岐に亘っており、小さく精密な部品を取り扱う作業も増えてきている。このような部品をロボットが搬送するために部品をハンドでピッキングする際の縦方向（ＸＹＺ座標系におけるＺ軸方向）の位置教示を行なう場合、従来では、ハンドを動作させてこのハンドの変位を補正しつつ部品に近づけていた。しかしながら、この場合、部品とハンド間の相対位置の微妙な調整が必要となる。特にハンドを接触させた位置で部品吸着用のノズルによる部品のピッキング動作を行なう場合、ハンドやノズルが部品に接触する際に部品を押さえ過ぎてこれを破損させてしまい、品質の低下や作業の遅れなどが生じてしまうことがあった。
【０００４】
本発明は、ロボットに適切な教示を行うことで教示後のロボットの作業中にハンドリング対象となる部品を破損させることのない力表示方法及び力表示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述した課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の力表示方法は、
被操作対象を特定方向の操作量だけ操作し、前記操作に伴って被操作対象の受ける反力を操作者にフィードバックさせる教示装置における力表示方法であって、
前記被操作対象の移動方向を規定する各軸に発生する反力を各軸ごとに計測する第１のステップと、
前記各軸に発生して計測した反力の、予め設定された最大許容力に対する割合値を各軸ごとに計算する第２のステップと、
前記計算した割合値をこれに対応する大小関係を表す記号に変換する第３のステップと、
前記変換した記号を表示する第４のステップと、を有することを特徴としている。
【０００６】
また、本発明の請求項２に記載の力表示装置は、
被操作対象を特定方向の操作量だけ操作し、前記操作に伴って被操作対象の受ける反力を操作者にフィードバックさせる教示装置における力表示装置であって、
前記被操作対象の移動方向を規定する各軸に発生する反力を各軸毎に計測する力計測手段と、
前記各軸に発生して計測した反力の、予め設定された最大許容力に対する割合値を各軸ごとに計算する演算手段と、
前記演算手段により計算した割合値をこれに対応する大小関係を表す記号に変換する記号変換手段と、
前記変換した記号を表示する表示手段と、を備えたことを特徴としている。
【０００７】
請求項１に係る力表示方法及び請求項２に係る力表示装置がこのような構成を有することで、被操作対象が部品から受けるフィードバックされた反力を被操作対象がハンドリングする部品の強度の許容範囲中どの程度であるかを視覚的に瞬時に把握することが可能となり、被操作対象の部品に対する接触力の程度についての直感的な視認性を高めながら教示を行なうことができるようになる。その結果、教示後に被操作対象が教示内容に従って実際に作業を行う際に、被操作対象のハンドリングする部品や被操作対象自体に無理な力がかかることがなくなり、これらの破損を防ぐことができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る力表示装置によれば、ロボットに適切な教示を行うことで教示後の実際のロボットの作業中にハンドリング対象となる部品を破損させることのない力表示方法及び力表示装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に、本発明の一実施形態にかかる力表示装置をその力表示方法と共に図面に基づいて説明する。本発明の一実施形態にかかる力表示装置１を有する力教示装置を備えた全体構成は、図１に示すように、教示された動作に基づき所定の作業を行うアクチュエータとしてのロボット１０と、ロボット１０を駆動するロボット制御部２０と、ロボット制御部２０を介してロボット１０の作業の教示及び駆動を行う教示ボックス３０等を備えている。
【００１０】
ロボット１０は、図１に部分的に示すロボットアーム１１と、ロボットアーム１１の先端に備わったハンドリング用のハンド１２及び部品吸着用のノズル１３と、ロボット１０を駆動するモータ１４と、モータ１４を駆動するドライバ１５と、ロボットアーム１１の実際の変位量を計測するロータリエンコーダ１６を備えると共に、ロボットアーム１１とハンド１２及びノズル１３との間に力センサ１７を備えている。
【００１１】
なお、ロボット１０は、Ｘ軸方向（例えば図１では紙面の左右方向）、Ｙ軸方向（例えば図１では紙面と直交する方向）、Ｚ軸方向（例えば図１では紙面の上下方向）に移動する形態のロボットであれば何れのアームでも良い。従って、直交座標系のロボット若しくは極座標系のロボットの何れであっても良い。
【００１２】
図１に示すロボットアーム１１は、ロボット１０のハンド１２が備わったアーム先端部を部分的に示したものであり、ハンド１２は部品吸着用のノズル１３を備えており、例えば生産ライン５１に供給されるＩＣチップなどのチップ部品５２をＸＹ軸方向の正確な向きを保ちながら吸着し、これをプリント基板（図示せず）の所定位置に所望のＸＹ軸方向を保ちながら実装するのに用いられる。
【００１３】
力センサ１７は、ＸＹＺ軸方向のそれぞれに関して教示時に部品５２からハンド１２やノズル１３に加わる正方向の反力又は負方向の反力を個別に計測してロボット制御部２０のＡＤ変換器２２にその計測値をアナログ信号として伝達するようになっている。
【００１４】
モータ１４は、例えばサーボモータからなり、ハンド１２やノズル１３をＸＹＺ軸方向の任意の位置に移動させるようにロボットアーム１１に複数備わっており、ドライバ１５によって駆動されるようになっている。
【００１５】
ロータリエンコーダ１６は、各モータ１４の駆動量を検出してドライバ１５を介してこの駆動量をデジタル値としてロボット制御部２０の制御演算部２１に伝えるようになっている。
【００１６】
ロボット制御部２０は、内部に制御演算部２１と、ＡＤ変換器２２と、デジタル入力部２３と、パルス入力部２４及びパルス出力部２５と、デジタル出力部２６を有すると共に、ＲＳ−２３２Ｃ等に対応した入出力ポート２７を介して教示ボックス３０と電気的に接続されている。
【００１７】
ロボット制御部２０の制御演算部２１は、ここでは図示しないメモリを内蔵し、このメモリに記録されたプログラムに基づきロボット１０の基本的な動作を制御すると共に、教示ボックス３０を介して教示されたロボット動作の実行を制御するようになっている。
【００１８】
ロボット制御部２０のＡＤ変換器２２は、上述した力センサ１７から得られたアナログの計測値をデジタル値に変えて制御演算部２１に伝えるようになっている。また、ロボット制御部２０のデジタル出力部２６は、制御演算部２１で決定されたロボット動作量をデジタル値としてドライバ１５を介して各モータ１４に伝えるようになっている。また、ロボット制御部２０のデジタル入力部２３は、ドライバ１５を介してロータリエンコーダ１６から得られた計測値をデジタル値として制御演算部２１に入力するようになっている。また、ロボット制御部２０のパルス出力部２５は、基準クロックパルスをドライバ１５に伝えて制御演算部２１とモータ１４との同期を図ると共に、パルス入力部２４は、ロータリエンコーダ１６からのパルスを制御演算部２１に伝えて制御演算部２１とロータリエンコーダ１６との同期を図るようになっている。
【００１９】
教示ボックス３０は、ロボット１０に所謂ティーチングと呼ばれる教示動作を行うためのもので、教示時にロボット１０のハンド１２及びノズル１３をＸＹＺ軸方向任意の位置に移動させる移動ボタン３１と、教示時にハンド１２及びノズル１３が移動した際にこのハンド１２やノズル１３がハンドリング対象である部品５２から受ける反力の情報をＸＹＺ軸方向ごとに操作者が視覚的に認識可能に表示する表示部３２を有している。
【００２０】
続いて、本発明の特徴的部分である上述した教示ボックス３０の表示部３２の役割についてロボット１０の教示動作と共に詳細に説明する。
【００２１】
本実施形態では、教示ボックス３０の表示部３２にロボットアーム先端のハンド１２やノズル１３の各軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸）に発生する力情報（ハンドリング対象である部品５２からの反力情報）を表示するようになっている。そして、その表示形式は、力情報の許容最大力に対する割合値（％）を求めて、これに対応する大小関係を表す記号に変換して大きさを表現し、操作者に対する直感的な視認性を高めている。
【００２２】
より詳細には、力表示装置１は、ロボットのＸ，Ｙ，Ｚ軸方向のそれぞれの移動に際してハンド１２やノズル１３が受ける反力を操作者にフィードバックさせるにあたって、ロボット１０のハンド１２やノズル１３の移動方向を規定するＸ，Ｙ，Ｚの各軸に発生する力を力センサ１７でそれぞれ計測し、この各軸に発生して計測した反力の、予め設定された最大許容力に対する割合値を各軸ごとに制御演算部２１で計算し、計算した割合値を制御演算部２１又は教示ボックス３０内においてこれに対応する大小関係を表す記号に変換し、この変換した記号を教示ボックス３０の表示部３２で表示するようになっている。
【００２３】
なお、この記号は、ハンド１２やノズル１３が受ける反力が＋方向の反力（例えば、ハンド１２やノズル１３が圧縮力を受ける方向に作用する反力）か、又は一方向の反力（例えば、ハンド１２やノズル１３が引張り力を受ける方向に作用する反力）をも瞬時に判別できるようになっている。
【００２４】
図２は、この力表示装置１による力表示方法を示すフローチャートである。図２において、教示作業の最初に例えばロボットアーム先端のハンド１２やノズル１３が部品５２をピッキングする際に部品５２から受ける反力を力センサ１７からのフィードバック値として得て、これをＡＤ変換器２２でデジタル値に変換し、制御演算部２１でＸ，Ｙ，Ｚの各軸の反力情報として計測する（ステップＳＴ１）。
【００２５】
次いで、この反力の計測値の、予め設定された最大許容力の割合値を計算する（ステップＳＴ２）。この予め設定された最大許容力とは、例えば部品５２がピッキングされる際にロボット１０のハンド１２やノズル１３に押し付けられ強度的に十分耐え得る許容力の最大値であり、制御演算部２１のメモリに予め入力されている。しかしながら、この最大許容力は、ロボット１０のその後の作業環境の変化に応じて変更可能となっている。
【００２６】
次いで、ステップＳＴ２で計算された割合値の結果に基づき、図４に示す変換表に従い、制御演算部２１においてこの割合値の大小関係に対応する記号に変換する（ステップＳＴ３）。この記号の具体的内容については後に詳細に説明する。
【００２７】
次いで、変換された記号を教示ボックス３０の表示部３２に表示する（ステップＳＴ４）。
【００２８】
教示者は、この表示部３２に表示された記号に基づき、教示中にロボット１０のハンド１２やノズル１３がハンドリング対象の部品５２からどの程度の反力を受けたか、即ち、その後の教示内容に従ったロボット１０の作業中にこれらの部品５２がハンド１２やノズル１３からピッキングなどのハンドリング中にどの程度の力を受けた力をその反力の作用方向と共になるかを教示作業を行いながら視覚的に瞬時に把握することができる。
【００２９】
続いて、この教示ボックス３０の表示部３２の表示内容について具体的に説明する。本実施形態においては、教示ボックス３０の表示部３２は、図３に示すような表示内容となっており、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸ごとに教示時にハンド１２やノズル１３がハンドリング対象となる部品から受ける反力の予め設定された許容最大値に対する割合値に対応する大小関係をその反力の作用方向を含めてＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸ごとに視覚的に瞬時に把握可能な不等号記号で表示する。
【００３０】
図３に示された内容についてより詳細に説明すると、Ｘ軸方向には−方向の反力が許容最大値の約２０％〜３０％程度作用し、Ｙ軸方向には殆ど反力が発生せず、Ｚ軸方向には＋方向の反力が許容最大値の約１０％〜２０％程度作用していることを表している。
【００３１】
このように、本実施形態では不等号記号の向きを変えることでハンドやノズルが教示時に部品から受ける反力の作用する方向を負方向の場合と正方向の場合に分けて表示する。なお、ここでいう正方向に反力が作用する場合とは、例えばハンドやノズルを部品に押し付けた際に力センサに生じる圧縮力が作用する場合を言い、負方向に反力が作用する場合とは、例えばハンドリングされる部品が特別な容器に収容されてこれをハンドを介して引き出すときに生じる引っ張り力が作用する場合を言う。
【００３２】
図４は、教示ボックス３０の表示部３２に表示される記号の一覧を示す表である。この表の不等号記号中、力センサからのフィードバック値により制御演算部２１が演算して算出した反力の作用方向及び上述の割合値に対応する記号が選択されて、表示部３２に表示されるようになっている。
【００３３】
具体的には、力のかかる方向が、例えば部品５２に押付け力が作用する＋方向の場合で、割合値（フィードバックされたＺ方向の反力の許容最大力に対する％表示値）が＋１０％より小さく＋０．０５％以上の場合、 ] の記号が表示部に表示される。
【００３４】
そして、この割合値の増加に伴い同一方向の不等号の数等が増えていくと共に角カッコの記号を適宜表示させていき（図４では図示省略）、力のかかる方向が＋方向の場合で、割合値が＋８０％以上で＋９０％より小さい場合、 ＞＞＞＞] の記号が表示器に表示され、これによって＋方向の反力が部品からハンドやノズルにかなり加わりつつあることを操作者（教示者）が瞬時に認識できるようにしている。
【００３５】
また、力のかかる方向が＋方向の場合で、割合値が９０％以上で＋１００％より小さい場合、 ＞＞＞＞＞ の記号が表示部に表示され、＋方向の反力が部品からハンドやノズルに許容値の最大限に近づいていることを操作者が直感的に認識できるようにしている。
【００３６】
一方、力のかかる方向が例えば部品に引っ張り力が作用する−方向の場合で、割合値が−０．０５％より大きく−１０％以下の場合、 [ の記号が表示器に表示される。また、力のかかる方向が−方向の場合で、割合値が−１０％より大きく−２０％以下の場合、 ＜ の記号が表示器に表示される。そして、この％表示器の増加に伴い同一方向の不等号の数等が増えていくと共に角カッコの記号を適宜表示させていき（図４では図示省略）、力のかかる方向が−方向の場合で、割合値が−９０％以上で−８０％より小さい場合、 [＜＜＜＜ の記号が表示器に表示され、これによってハンドやノズルが受ける力が許容最大値に近づきつつあることを操作者が瞬時に認識することができる。
【００３７】
また、力のかかる方向が−方向の場合で、割合値が−１００％以上で−９０％より小さい場合、 ＜＜＜＜＜ の記号が表示器に表示され、ハンドやノズルが受ける力が許容最大値に略近くなっていることを教示者が認識することができる。
【００３８】
以上説明したように、工業用途での製造作業に使用するロボットの教示（ティーチングプログラミング）を行う際には、教示ボックスを用いてロボットに動作位置の教示を行う。この教示作業でロボットが搬送を行おうとするワーク（部品）をハンドやノズルでハンドリングする際の縦方向（Ｚ軸方向）の位置の表示を行う際に教示ボックスで操作して上部からワークにハンドやノズルを近づけていく。このような教示動作の場合、ワークとハンドやノズルの位置の微妙な調整が必要になる。即ち、ワークにハンドやノズルを接触させた位置でノズルによる吸引を行ってワークを持ち上げる場合に特に微妙な調整を必要とする。
【００３９】
従来では教示時のこのような場合の操作でワークをハンドやノズルで押さえ過ぎてこれを破損させる場合があり、教示作業に起因した製造コスト高や納期遅れ、新製品製造の遅れを招いていたが、本発明に係る力表示装置を用いた力表示方法を実施することで、このような不具合を回避することできる。
【００４０】
なお、上述した実施形態においては、ハンドリング対象となる部品をＩＣチップとして紹介したが、必ずしもこれに限定されず、ハーメチックシール部品など一部に脆性材料を含む部品をハンドリングする際にも本発明は適している。
【００４１】
具体的には、上述した部品のピッキングの際とは異なり、ハーメチックシール部品を対象物から引き抜く際に、特に引き抜き方向がＸ，Ｙ，Ｚ軸の少なくとも２軸を含む方向の場合に、教示作業において微妙な調整を必要とするが、本発明を適用することでこのようなハーメチックシール部品に無理な力を加えることなく教示作業を行うことができる。
【００４２】
また、このような一部に脆性材料を含んだハーメチックシール部品又は全体が脆性材料からなる部品をこの部品の取付け対象物の挿入孔に挿入する場合などにおいても本発明を適用することで同様な作用を発揮することができる。
【００４３】
なお、本発明で言う記号には、上述した実施形態における割合値の大小関係や反力の作用する方向を表す不等号記号に限定されず、割合値の大小関係や反力の作用する方向（正方向や負方向）を判断できるアイコンも含まれる。
【００４４】
具体的には、円形のアイコンを用い、黒丸の時は正方向の反力が作用し、白丸の時は負方向の反力が作用するとし、かつそれぞれの反力の許容できる最大値に対する割合値の大小関係に対応して丸の大きさを大きくしたり小さくしたりしても良い。
【００４５】
また、登り方向の異なる階段状のアイコンを用いても良い。即ち、正方向の反力が作用するときは右上がりの階段状アイコンを表示し、負方向の反力が作用するときは左上がりの階段状アイコンを表示し、かつそれぞれの反力の許容できる最大値に対する割合値の大小関係に応じて階段のステップ数が変化するようにしても良い。
【００４６】
なお、本発明の適用されるロボットは、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の直交座標系、又はＲ−θの極座標系のロボットに限定されずＸＹ軸の直交座標系であっても良い。
【００４７】
また、上述の実施形態においては、ロボットアームにはハンドとノズルの双方が備わっていたが、何れか一方が備わっていても良い。
【００４８】
また、上述した力表示の方向はＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に限らず、ハンドの回転方向を表わすＵ方向においてハンドの回転時にこれが受ける反力（トルク）の最大許容値に対する割合値を上述した記号で表わすようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の一実施形態に係る力表示装置をこれが用いられるロボットと共に示す概略ブロック図である。
【図２】図１に示した力表示装置を用いた力表示方法を説明するフローチャートである。
【図３】図１に示した教示ボックスの表示部に表示される表示内容の一例である。
【図４】図１に示した力表示装置の教示ボックスの表示部に表示される記号を一部省略して示す一覧表である。
【符号の説明】
【００５０】
１ 力表示装置
１０ ロボット
１１ ロボットアーム
１２ ハンド
１３ ノズル
１４ モータ
１５ ドライバ
１６ ロータリエンコーダ
１７ 力センサ
２０ ロボット制御部
２１ 制御演算部
２２ ＡＤ変換器
２３ デジタル入力部
２４ パルス入力部
２５ パルス出力部
２６ デジタル出力部
２７ 入出力ポート
３０ 教示ボックス
３１ 移動ボタン
３２ 表示部
５１ 生産ライン
５２ 部品
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被操作対象を特定方向の操作量だけ操作し、前記操作に伴って被操作対象の受ける反力を操作者にフィードバックさせる教示装置における力表示方法であって、
前記被操作対象の移動方向を規定する各軸に発生する反力を各軸ごとに計測する第１のステップと、
前記各軸に発生して計測した反力の、予め設定された最大許容力に対する割合値を各軸ごとに計算する第２のステップと、
前記計算した割合値をこれに対応する大小関係を表す記号に変換する第３のステップと、
前記変換した記号を表示する第４のステップと、を有することを特徴とする教示装置における力表示方法。
【請求項２】
被操作対象を特定方向の操作量だけ操作し、前記操作に伴って被操作対象の受ける反力を操作者にフィードバックさせる教示装置における力表示装置であって、
前記被操作対象の移動方向を規定する各軸に発生する反力を各軸毎に計測する力計測手段と、
前記各軸に発生して計測した反力の、予め設定された最大許容力に対する割合値を各軸ごとに計算する演算手段と、
前記演算手段により計算した割合値をこれに対応する大小関係を表す記号に変換する記号変換手段と、
前記変換した記号を表示する表示手段と、を備えたことを特徴とする教示装置における力表示装置。
【請求項１】
被操作対象を特定方向の操作量だけ操作し、前記操作に伴って被操作対象の受ける反力を操作者にフィードバックさせる教示装置における力表示方法であって、
前記被操作対象の移動方向を規定する各軸に発生する反力を各軸ごとに計測する第１のステップと、
前記各軸に発生して計測した反力の、予め設定された最大許容力に対する割合値を各軸ごとに計算する第２のステップと、
前記計算した割合値をこれに対応する大小関係を表す記号に変換する第３のステップと、
前記変換した記号を表示する第４のステップと、を有することを特徴とする教示装置における力表示方法。
【請求項２】
被操作対象を特定方向の操作量だけ操作し、前記操作に伴って被操作対象の受ける反力を操作者にフィードバックさせる教示装置における力表示装置であって、
前記被操作対象の移動方向を規定する各軸に発生する反力を各軸毎に計測する力計測手段と、
前記各軸に発生して計測した反力の、予め設定された最大許容力に対する割合値を各軸ごとに計算する演算手段と、
前記演算手段により計算した割合値をこれに対応する大小関係を表す記号に変換する記号変換手段と、
前記変換した記号を表示する表示手段と、を備えたことを特徴とする教示装置における力表示装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００９−１３６９２５（Ｐ２００９−１３６９２５Ａ）
【公開日】平成２１年６月２５日（２００９．６．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３１２４４５（Ｐ２００７−３１２４４５）
【出願日】平成１９年１２月３日（２００７．１２．３）
【出願人】（０００００６６６６）株式会社山武 (1,808)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年６月２５日（２００９．６．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月３日（２００７．１２．３）
【出願人】（０００００６６６６）株式会社山武 (1,808)
【Ｆターム（参考）】
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