机器人系统及其控制方法与流程

1.本发明涉及进行部件的组装作业的机器人系统。


背景技术：

2.在进行fa(factory automation)化的工厂中，在工件的组装作业中利用机器人。例如，专利文献1公开了用于组装汽车的门部件的机器人系统。
3.专利文献1：日本特开2007-111794号公报
4.在工业产品中，大多采用通过将阳部件插入阴部件并使阳部件侧的卡合部与阴部件侧的被卡合部卡合(钩挂或嵌合)来防止阳部件脱落的固定结构。例如，被称为夹具、卡合爪、凹凸嵌合、卡扣等的结构相当于此。通过机器人不易使具有这种固定构造的部件的组装自动化。其理由之一是难以机械地判断卡合部与被卡合部是否正确地卡合。
5.专利文献1提出了如下方法：在利用夹具固定门部件时，利用设置于机器人的前端的按压垫测定按压反作用力，根据按压反作用力有意地降低的情况，判定为夹具嵌入到孔中。如果应用这样的判定方法，则可能能够进行上述课题即卡合状态的机械判定。但是，本发明人经过实验发现，实际的组装作业不那么简单。
6.按压反作用力有意地降低的原因在于，一边使卡合部或被卡合部弹性变形一边压入阳部件，从而按压反作用力逐渐上升，但在卡合部与被卡合部嵌合的瞬间，卡合部与被卡合部的抵接被释放。在阳部件以正确的位置/姿势插入阴部件时成为这样的举动，能够观测到按压反作用力的有意的降低。但是，如果阳部件与阴部件的间隙或卡合部与被卡合部的形状存在制造偏差，则有时按压反作用力的降低未有意地出现，无法检测卡合部与被卡合部的卡合。例如，当间隙较大时，有时阳部件相对于阴部件以倾斜的状态插入，在卡合部和被卡合部嵌合之前阳部件的其他部位与阴部件接触或滑动，不会产生按压反作用力的有意的降低。如果无法检测出卡合部与被卡合部的卡合，则在专利文献1的方法中无法在适当的时机停止机器人的插入动作，因此，可能过度地压入阳部件而导致部件的破损。另外，如果由于某种原因而使阳部件的姿势相对于阴部件倾斜，则在插入过程中，阳部件和阴部件可能发生干扰，导致组装失败或部件破损。这样的问题在例如连接器部件那样的、阳部件与阴部件之间的间隙(间隙)较小的部件的情况下变得显著。


技术实现要素：

7.本发明是鉴于上述实际情况而完成的，其目的在于提供一种用于使具有基于卡合部和被卡合部的固定构造的部件的由机器人进行的组装实现自动化的技术。
8.本发明是一种机器人系统，其将具有卡合部的工件插入具有与所述卡合部对应的被卡合部的部件而将所述工件组装于所述部件，所述机器人系统具有：机器人，其把持所述工件；力觉传感器，其设置于所述机器人，能够测定作用于所述工件的力和力矩；以及控制器，其控制所述机器人，所述控制器一边使所述工件沿第1轴方向移动并插入所述部件，一边监视由所述力觉传感器测定的所述第1轴方向的力f的变化和绕与所述第1轴垂直的第2
轴的力矩m的变化，由此，判定所述工件相对于所述部件的组装状态。
9.也可以是，所述控制器根据所述力f的变化，判定所述卡合部与所述被卡合部的卡合状态。
10.也可以是，所述控制器根据所述力矩m，判定所述工件相对于所述部件的插入姿势的合适。
11.也可以是，所述控制器在所述力f相对于在规定的判定开始时刻以后记录的所述力f的最大值fmax的减少量超过第1阈值的情况下，判定为所述卡合部与所述被卡合部卡合而所述工件正常地组装于所述部件。
12.也可以是，所述控制器在所述力f相对于所述最大值fmax的减少量超过所述第1阈值之前，处于所述力矩m小于第2阈值的状态且从所述判定开始时刻起经过了规定时间的情况下，判定为所述工件正常地组装于所述部件。
13.也可以是，所述控制器在所述力f相对于所述最大值fmax的减少量超过所述第1阈值之前，保持所述力矩m为所述第2阈值以上的状态而从所述判定开始时刻起经过了所述规定时间的情况下，判定为所述工件的组装失败。
14.也可以是，所述规定时间是根据从所述判定开始时刻到所述工件到达插入完成位置为止所需的时间确定的。
15.也可以是，所述控制器在所述力f相对于所述最大值fmax的减少量超过所述第1阈值之前，所述力矩m成为所述第2阈值以上的情况下，执行修正所述工件的插入姿势的恢复动作。
16.也可以是，所述恢复动作包括使所述工件向缓和所述力矩m的方向旋转的动作。
17.也可以是，所述恢复动作包括使所述工件向与插入方向相反的方向移动的动作。
18.本公开是一种机器人系统的控制方法，将具有卡合部的工件插入具有与所述卡合部对应的被卡合部的部件而将所述工件组装于所述部件，该控制方法包括以下步骤：以使所述工件沿第1轴方向移动并插入所述部件的方式控制把持所述工件的机器人；通过设置于所述机器人的力觉传感器测定所述第1轴方向的力f和绕与所述第1轴垂直的第2轴的力矩m；以及一边插入所述工件，一边监视所述力f的变化和所述力矩m的变化，由此，判定所述工件相对于所述部件的组装状态。
19.本发明也可以理解为具有上述单元或功能的至少一部分的机器人系统，也可以理解为机器人、机器人臂、机械手、机器人控制器、fa系统。另外，本发明可以理解为包括上述处理的至少一部分的机器人系统的控制方法，也可以理解为利用了机器人系统的组装方法、制造方法。进而，本发明也可以理解为用于实现该方法的程序和非临时性地记录该程序的计算机可读取的记录介质。另外，上述各个单元和处理可以尽可能地相互组合来构成本发明。
20.发明的效果
21.根据本发明，能够使具有基于卡合部和被卡合部的固定构造的部件的由机器人进行的组装实现自动化。
附图说明
22.图1是示出机器人系统的概略结构的图。
23.图2是示出作为组装作业的对象的部件的一例的图。
24.图3是示出机器人系统的组装处理的流程的图。
25.图4是基于机器人系统的组装处理的详细流程的例子。
26.图5是基于机器人系统的组装处理的详细流程的例子。
27.图6是用于说明工件的状态与按压反作用力的关系的图。
28.图7是用于说明工件的状态与力矩的关系的图。
具体实施方式
29.《应用例》
30.参照图1～图3对本发明的应用例之一进行说明。
31.机器人系统1是用于进行部件的组装作业的工业机械，大致由机器人10和控制机器人10的控制器12构成。机器人10在机器人臂101的前端具有用于把持工件的夹具102，在夹具102的基端部设有力觉传感器11。控制器12与机器人10之间通过有线或者无线连接，能够进行从控制器12向机器人10的控制信号的发送、机器人10的力觉传感器11的输出、编码器信号向控制器12的取入等。
32.考虑将这样的机器人系统1应用于图2所示的2个部件21、22的组装工序的例子。另外，在图2中，部件22以剖视图描绘。部件21、22例如是电缆的连接器部件等，通过将阳侧的部件21插入(压入)阴侧的部件22而进行2个部件21、22的组装。此时，通过使设置于部件21的卡合部23与设置于部件22的被卡合部24卡合，实现2个部件21、22的固定(防脱)。在通过机器人系统1进行组装时，使用工具等固定任意一方的部件，插入由夹具102把持的另一方的部件。在以后的说明中，为了方便起见，将由夹具102把持的部件(移动的部件)称为“工件w1”，将固定侧的部件称为“部件w2”。另外，也可以将阳侧的部件21和阴侧的部件22中的任意一方选择为工件w1。
33.图3示出机器人系统1的组装处理的概略。
34.控制器12使工件w1沿第1轴方向(插入方向)以规定的速度移动，将工件w1插入到部件w2的孔内(步骤s30)。此时，控制器12通过监视力觉传感器11的测定值进行工件w1相对于部件w2的组装状态的判定。在第1判定处理(步骤s31)中，控制器12基于由力觉传感器11测定的第1轴方向的力f的变化，判定卡合部23与被卡合部24的卡合状态。在该第1判定处理中判定为“卡合完成”的情况下(步骤s31的ok)，控制器12视为工件w1正常地组装于部件w2，结束组装处理。在第1判定处理中判定为“卡合未完成”的情况下(步骤s31的ng)，执行第2判定处理(步骤s32)。在第2判定处理中，控制器12基于由力觉传感器11测定的绕第2轴的力矩m，判定工件w1相对于部件w2的插入姿势的合适性(第2轴是与第1轴垂直的轴。)。在插入姿势为适当的状态且从判定开始时刻经过了规定时间的情况下，判定为“插入完成”(步骤s32的ok)。
35.这样，本系统的特征之一在于，将基于力f的变化判定卡合状态的第1判定处理和基于力矩m判定工件w1的插入姿势的合适性的第2判定处理组合，进行工件w1与部件w2的组装状态的判定。例如，即使由于工件w1以及部件w2的制造偏差、工件w1的倾斜等而在卡合部23与被卡合部24卡合时无法观测到力f的有意的变化，也能够通过第2判定处理判定插入的完成。因此，能够防止工件w1的过度压入，避免部件的破损。另外，通过第2判定处理评价工
件w1的插入姿势的合适性，因此，能够防止工件w1与部件w2的过度干扰而避免部件的破损，并且例如也能够进行工件w1的插入姿势的修正等。
36.《实施方式》
37.对本发明的具体实施方式之一进行说明。
38.(系统结构)
39.如图1所示，机器人系统1具有机器人10、力觉传感器11和控制器12。
40.机器人10由机器人臂101和安装于机器人臂101的前端的夹具102构成。在本实施方式中，作为机器人臂101，例示了6自由度的垂直多关节机器人，但只要至少能够进行工件w1的插入方向(第1轴方向)的平移动作和绕与插入方向垂直的轴(第2轴)的旋转动作，可以使用任何结构的机器人。例如，也能够优选利用水平多关节机器人(scara机器人)、并联连杆机器人等。夹具102也被称为机械手或末端执行器，是具有保持工件w1的功能的设备。保持方法可以是利用多个爪夹持工件w1的方法、利用空气或电磁力等吸附工件w1的方法等任意方法。
41.力觉传感器11是为了测定作用于工件w1的力以及力矩而安装于夹具102的基端部的6轴的传感器。如图1所示，在考虑以夹具102的基端部的中心为原点、沿夹具102的前端方向(与工件w1的插入方向相同)取z轴、与z轴垂直的x轴以及y轴的夹具坐标系xyz时，力觉传感器11能够测定x轴方向的力fx、y轴方向的力fy、z轴方向的力fz、绕x轴的力矩mx、绕y轴的力矩my、绕z轴的力矩mz这6个物理量。从力觉传感器11输出的测定值随时被控制器12取得。
42.控制器12是用于控制机器人10的控制用计算机，例如由plc(programmable logic controller)等构成。如图1所示，本实施方式的控制器12具有负责机器人臂101的控制的机器人控制部120、取得力觉传感器11的测量数据的传感器i/o部121、负责夹具102的控制的夹具控制部122。控制器12与机器人10之间例如通过ethercat等工业用网络连接，控制器12与力觉传感器11以及夹具102之间例如通过串行电缆等连接。但是，装置间的连接方式不限于此，也可以通过无线连接，或者也可以使用控制器12与机器人10成为一体的控制器内置型的机器人。
43.(组装处理的例子)
44.参照图4～图7对本实施方式的机器人系统1的部件组装处理的流程进行说明。图4及图5是示出组装处理的详细流程的流程图，图6是用于说明工件w1的状态与按压反作用力的关系的图，图7是用于说明工件w1的状态与力矩的关系的图。
45.另外，在进入图4的流程之前，部件w2的固定、夹具102对工件w1的把持、机器人10对工件w1向插入开始位置(图6的状态1)的移动等已完成。
46.控制器12使工件w1从插入开始位置向z轴方向下方以恒定速度平移移动，将工件w1插入到部件w2的孔内(步骤s40)。如果工件w1到达规定的深度h，则控制器12开始下一级的判定处理(步骤s41)。深度h例如设定为工件w1的卡合部23与部件w2的被卡合部24不接触的程度的深度(即将开始接触之前的程度的深度)。将深度h称为“判定开始位置”，将工件w1到达深度h的时刻称为“判定开始时刻”。图6的状态2示出工件w1位于判定开始位置的状态。
47.在开始判定处理后，控制器12以一定的时间间隔从力觉传感器11取得测定值(步骤s42)。在本实施方式中，监视z轴方向的力fz(t)和绕x轴的力矩mx(t)这2个测定值。这里，t是从判定开始时刻起的经过时间，z轴是第1轴的例子，x轴是第2轴的例子。力fz(t)是工件
w1从部件w2受到的按压反作用力。在判定处理中也可以使用绕y轴的力矩my(t)来代替绕x轴的力矩mx(t)，也可以在判定处理中使用mx(t)和my(t)两者。
48.控制器12将判定开始时刻以后记录的z轴方向的按压反作用力的最大值fmax保存在存储器中。如果此次取得的测定值fz(t)大于fmax，则利用值fz(t)更新存储器内的最大值fmax(步骤s43)。
49.在步骤s44中，控制器12通过下式计算时刻t的按压反作用力的减少量δfz。δfz表示力fz相对于在判定开始时刻以后记录的最大值fmax的减少量。
50.δfz＝fmax-fz(t)
51.在δfz超过第1阈值th1的情况下(步骤s45的“是”)，控制器12判定为工件w1处于状态3(步骤s46)。如图6所示，状态3是工件w1的卡合部23与部件w2的被卡合部24卡合、工件w1正常地组装于部件w2的状态。在该情况下，控制器12判断为组装成功，停止机器人10的下降动作(步骤s47)。此外，阈值th1例如可以设定为卡合部23正常地嵌入被卡合部24时观测到的力fz的减少量的60％～80％左右的值。力fz的减少量根据工件w1以及部件w2的种类、构造而不同，因此，可以实施使用了多个样本的测试来学习力fz的减少量、阈值th1。
52.在δfz未超过第1阈值th1的情况下(步骤s45的“否”)，控制器12评价力矩mx(t)和从判定开始时刻起的经过时间t(步骤s50)。图7示出工件w1的姿势与力矩mx的关系。在工件w1的插入姿势合适的情况下，作用于工件w1的力仅为z轴方向朝上的力60(y轴方向的力61左右平衡，被消除)，不产生力矩mx。但是，如果工件w1的插入姿势倾斜，工件w1的一部分与部件w2接触，则在其接触点处因作用于工件w1的反作用力62而在工件w1上产生力矩63。因此，通过评价力矩mx(或者my)，能够判定工件w1的插入姿势是否合适。从判定开始时刻起的经过时间t相当于(工件w1的插入以恒定速度进行的情况下)工件w1的插入量。因此，通过监视经过时间t，能够判定工件w1的插入量是否充分。
53.在力矩mx(t)比第2阈值th2小且从判定开始时刻经过了规定时间tht的情况即
54.mx(t)《th2
55.t≥tht的情况下，控制器12判定为工件w1处于状态4(步骤s51)。状态4是工件w1的插入姿势处于容许范围且工件w1的插入量充分的状态。即使由于某种原因未能检测到卡合引起的力fz的下降，只要是状态4，就可以判断为组装成功。因此，控制器12使处理进入步骤s52，停止机器人10的下降动作。此外，阈值th2例如基于工件w1的耐载荷来决定即可。另外，规定时间tht根据从判定开始时刻到工件w1到达插入完成位置所需的时间来决定即可。
56.在力矩mx(t)比第2阈值th2小且没有经过规定时间tht的情况即
57.mx(t)《th2
58.t《tht的情况下，控制器12判定为工件w1处于状态5(步骤s53)。状态5是工件w1的插入姿势处于容许范围且工件w1未到达插入完成位置的状态。在该情况下，直接继续插入动作即可，因此，返回图4的步骤s42。
59.在力矩mx(t)为第2阈值th2以上但没有经过规定时间tht的情况即
60.mx(t)≥th2
61.t《tht的情况下，控制器12判定为工件w1处于状态6(步骤s54)。状态6是工件w1的插入姿势超过容许范围的状态。在该情况下，控制器12执行修正工件w1的插入姿势的恢复动作。具体而言，控制器12通过使工件w1向与插入方向相反的方向(z轴方向朝上)移动规定
量，使工件w1稍微后退(步骤s55)，之后，使工件w1向缓和力矩mx(t)的方向旋转规定角度(步骤s56)。然后，为了继续插入动作，返回图4的步骤s42。通过执行这样的恢复动作，能够以适当的姿势再次插入工件w1，因此，能够提高组装的成功率。在本实施方式中，在恢复动作时，首先使工件w1后退，使工件w1从部件w2离开。由此，能够预先防止在工件w1的旋转时产生工件w1的破损、损伤，顺畅地进行恢复动作。
62.在力矩mx(t)为第2阈值th2以上的状态下经过了规定时间tht的情况即
63.mx(t)≥th2
64.t≥tht的情况下，控制器12判定为工件w1处于状态7(步骤s57)。状态7是工件w1的插入姿势超过容许范围且基于恢复动作的修正也没有成功的状态。在该情况下，控制器12判定为工件w1的组装失败，使机器人10停止(步骤s58)。
65.根据本系统，组合基于力fz的第1判定处理和基于力矩mx的第2判定处理，进行工件w1与部件w2的组装状态的判定，因此，无论工件w1及部件w2的制造偏差、工件w1的倾斜如何，都能够高精度地判定组装的完成(成功)和失败。另外，在工件w1的插入姿势不合适的情况下能够自动地实现修正。因此，能够使具有基于卡合部和被卡合部的固定构造的部件的由机器人10进行的组装实现自动化。
66.《其它》
67.上述实施方式只不过例示地说明本发明的结构例。本发明不限于上述具体的方式，能够在其技术思想的范围内进行各种变形。例如，在上述实施方式中，将阳部件选择为工件w1，也可以将阴部件选择为工件w2。另外，上述实施方式所示的流程图只是一例，处理的顺序、状态的情况划分等也可以适当变更。

技术特征：
1.一种机器人系统，其将具有卡合部的工件插入具有与所述卡合部对应的被卡合部的部件而将所述工件组装于所述部件，所述机器人系统具有：机器人，其把持所述工件；力觉传感器，其设置于所述机器人，能够测定作用于所述工件的力和力矩；以及控制器，其控制所述机器人，所述控制器一边使所述工件沿第1轴方向移动并插入所述部件，一边监视由所述力觉传感器测定的所述第1轴方向的力f的变化和绕与所述第1轴垂直的第2轴的力矩m的变化，由此，判定所述工件相对于所述部件的组装状态。2.根据权利要求1所述的机器人系统，其中，所述控制器根据所述力f的变化，判定所述卡合部与所述被卡合部的卡合状态。3.根据权利要求1或2所述的机器人系统，其中，所述控制器根据所述力矩m，判定所述工件相对于所述部件的插入姿势的合适。4.根据权利要求1所述的机器人系统，其中，所述控制器在所述力f相对于在规定的判定开始时刻以后记录的所述力f的最大值fmax的减少量超过第1阈值的情况下，判定为所述卡合部与所述被卡合部卡合而所述工件正常地组装于所述部件。5.根据权利要求4所述的机器人系统，其中，所述控制器在所述力f相对于所述最大值fmax的减少量超过所述第1阈值之前，处于所述力矩m小于第2阈值的状态且从所述判定开始时刻起经过了规定时间的情况下，判定为所述工件正常地组装于所述部件。6.根据权利要求5所述的机器人系统，其中，所述控制器在所述力f相对于所述最大值fmax的减少量超过所述第1阈值之前，保持所述力矩m为所述第2阈值以上的状态而从所述判定开始时刻起经过了所述规定时间的情况下，判定为所述工件的组装失败。7.根据权利要求5所述的机器人系统，其中，所述规定时间是根据从所述判定开始时刻到所述工件到达插入完成位置为止所需的时间确定的。8.根据权利要求5～7中的任意一项所述的机器人系统，其中，所述控制器在所述力f相对于所述最大值fmax的减少量超过所述第1阈值之前，所述力矩m成为所述第2阈值以上的情况下，执行修正所述工件的插入姿势的恢复动作。9.根据权利要求8所述的机器人系统，其中，所述恢复动作包括使所述工件向缓和所述力矩m的方向旋转的动作。10.根据权利要求8所述的机器人系统，其中，所述恢复动作包括使所述工件向与插入方向相反的方向移动的动作。11.一种机器人系统的控制方法，将具有卡合部的工件插入具有与所述卡合部对应的被卡合部的部件而将所述工件组装于所述部件，该控制方法包括以下步骤：以使所述工件沿第1轴方向移动并插入所述部件的方式控制把持所述工件的机器人；通过设置于所述机器人的力觉传感器测定所述第1轴方向的力f和绕与所述第1轴垂直的第2轴的力矩m；以及
一边插入所述工件，一边监视所述力f的变化和所述力矩m的变化，由此，判定所述工件相对于所述部件的组装状态。

技术总结
机器人系统及其控制方法。机器人系统具有：把持工件的机器人；设置于机器人且能够测定作用于工件的力以及力矩的力觉传感器；以及控制机器人的控制器。控制器一边使工件沿第1轴方向移动并插入部件，一边监视由力觉传感器测定的第1轴方向的力(F)的变化和绕与第1轴垂直的第2轴的力矩(M)的变化，由此，判定工件相对于部件的组装状态。对于部件的组装状态。对于部件的组装状态。


技术研发人员：刘智强 土桥祐贵 村井正大
受保护的技术使用者：欧姆龙株式会社
技术研发日：2023.02.16
技术公布日：2023/9/13