JP6347399B2 - 研磨ロボットとその軌道生成方法 - Google Patents

Description

本発明は、ワークを磨き加工する研磨ロボットとその軌道生成方法に関する。

ロボットアームの手先に加工工具を取り付け、加工経路に沿って動作させてワークを加工する加工ロボットにおいて、狭隘部の加工は、ロボットとワークや工具とワークの干渉が問題となる。
このような狭隘部の加工手段として、例えば特許文献１、２が既に提案されている。

特許文献１の「ロボット機構制御方法」は、作業対象物の３次元モデルに対して、研削工具の非干渉領域を算出し、研削工具の動作経路を算出し、ツール姿勢やコンプライアンス制御用変数をオフラインで計画してロボット制御装置に転送して研削等の加工をするものである。

特許文献２の「研削ロボットの研削姿勢生成装置」は、研削作業前に教示された研削経路の位置データに基づき研削工具を移動して研削対象物を研削する研削ロボットにおいて、研削しようとする研削対象物の形態を検出し、検出された形態データに基づいてロボット研削姿勢を生成するものである。

特許第３６７０７００号公報 特開平５−３１８２８０号公報

上述した従来の狭隘部の加工手段では、ワークに対する工具姿勢や経由点をオフラインで教示していた。
しかし、特にワークの加工位置が狭隘部（例えば狭隘口の内側）にある場合には、ワークに対する工具姿勢の教示が煩雑であった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、ワークの加工位置が狭隘部にある場合において、工具姿勢の教示とロボットの動作軌道の設定を容易にすることができる研磨ロボットとその軌道生成方法を提供することにある。

本発明によれば、先端部で加工する加工工具でワークの円筒内面以外の加工面を研磨する研磨ロボットであって、前記加工工具を通す前記ワークの表面に形成される狭隘口の内部に前記加工面が位置しており、
前記加工工具を３次元空間内で移動するロボットアームと、
ワークの加工面形状に基づいて前記加工工具の姿勢を制御する姿勢制御装置と、を備え、
前記姿勢制御装置は、
前記狭隘口を直視できる空間上に指定され、工具回転軸の姿勢を拘束する拘束点を記憶する記憶部と、
前記ワークの形状データから、ワークの前記加工面に沿った軌道上の点位置と該点位置における法線ベクトルからなる軌道データを作成する軌道データ作成部と、
前記拘束点と前記法線ベクトルを含む拘束平面内において、前記先端部の側面とワークの前記加工面が平行になるように加工工具の姿勢を設定する姿勢設定部と、を含む、ことを特徴とする研磨ロボットが提供される。

また本発明によれば、先端部で加工する加工工具でワークの円筒内面以外の加工面を研磨する研磨ロボットの軌道生成方法であって、前記加工工具を通す前記ワークの表面に形成される狭隘口の内部に前記加工面が位置しており、
前記加工工具を３次元空間内で移動するロボットアームと、
ワークの加工面形状に基づいて前記加工工具の姿勢を制御する姿勢制御装置と、を準備し、
前記姿勢制御装置により
（Ａ）前記狭隘口を直視できる空間上に指定され、工具回転軸の姿勢を拘束する拘束点を記憶し、
（Ｂ）前記ワークの形状データから、ワークの前記加工面に沿った軌道上の点位置と該点位置における法線ベクトルを含む軌道データを作成し、
（Ｃ）前記拘束点と前記法線ベクトルを含む拘束平面内において、前記先端部の側面とワークの前記加工面が平行になるように加工工具の姿勢を設定する、ことを特徴とする研磨ロボットの軌道生成方法が提供される。

前記先端部の形状は、軸心を中心とする円柱形状であり、
前記（Ｃ）において、
前記拘束点と前記法線ベクトルを含む拘束平面に垂直な第１ベクトルを求め、
次いで、前記法線ベクトルと前記第１ベクトルとに垂直な第２ベクトルを求め、
前記第２ベクトルの姿勢を前記加工工具の姿勢として設定する、ことが好ましい。

また前記先端部の形状は、軸心に対し傾斜角を有する円錐形状であり、
前記（Ｃ）において、
前記拘束点と前記法線ベクトルを含む拘束平面に垂直な第１ベクトルを求め、
次いで、前記法線ベクトルと前記第１ベクトルとに垂直な第２ベクトルを求め、
前記第２ベクトルに対し前記第１ベクトルの方向を中心として前記狭隘口の内方に前記傾斜角を有する姿勢を前記加工工具の姿勢として設定する、ことが好ましい。

前記加工工具の姿勢は、前記工具回転軸の姿勢である。

上記本発明の装置と方法によれば、加工工具の先端部側面とワークの加工面が平行になるように加工工具の姿勢を設定するので、先端部側面をワークの加工面に密着させた状態でワークを研磨（磨き加工）することができる。
また、空間上（例えば、狭隘口の内側又はその上下空間）の拘束点と軌道上の点位置における法線ベクトルを含む拘束平面内において加工工具の姿勢を設定するので、拘束点を適切に設定することで、加工領域を加工する際に、加工工具が通過する空間の形状を変えることができ、ワークと加工工具との干渉を回避することができる。
従って、ワークの形状データ（例えばＣＡＤモデル）から加工面に沿った軌道上の点位置である軌道データと加工工具の姿勢を自動的に算出できるため、教示作業の手間が省ける。
さらに、加工工具の先端部（例えば、円柱形状、円錐形状）の側面をワークの加工面に密着させるという拘束条件も同時に満たすことができる。

本発明の研磨ロボットの全体構成図である。 本発明が対象とするワークの模式図である。 本発明の軌道生成方法の全体フロー図である。 加工工具の先端部の形状が軸心を中心とする円柱形状である場合の模式図である。 加工工具の先端部の形状が軸心に対し傾斜角を有する円錐形状である場合の模式図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明の研磨ロボット１０の全体構成図である。
この図において、研磨ロボット１０は、先端部１２ａで加工する加工工具１２でワーク１の加工面２を研磨する装置であり、ロボットアーム２０と姿勢制御装置２２を備える。

図２は、本発明が対象とするワーク１の模式図であり、（Ａ）は正面断面図、（Ｂ）はＢ−Ｂ線における側面断面図である。
この図に示すように、本発明が対象とするワーク１は、加工工具１２を通す狭隘口１ａを有しており、狭隘口１ａの内部（この図では下方）にワーク１の加工面２が位置している。狭隘口１ａは、加工工具１２を通すことができる限りで、形状及び大きさは任意である。
なお、この例において、「狭隘部」は狭隘口１ａの内部又は内側であるが、本発明はこれに限定されず、ワーク１の狭隘部分であればよい。

ワーク１は、この例では加工工具１２の先端部１２ａにより、加工面２を研磨される被加工部材であり、例えば鋳鉄等の硬い材質からなる。
ワーク１は、この例ではワーク保持装置３により所定位置に正確に固定される。所定位置は、研磨ロボット１０のロボットアーム２０の作動範囲内において予め設定された位置である。

図１において、研磨ロボット１０は、ロボットアーム２０の先端に加工工具１２を取り付け、加工経路に沿って動作させてワーク１を加工する。
また、ロボットアーム２０は、加工工具１２を３次元空間内で移動する。
なお研磨ロボット１０は、この例では、多関節ロボットであるが、本発明はこれに限定されず、その他のロボットであってもよい。

加工工具１２は、ロボットアーム２０の先端に取り付けられ、ワーク１を加工する。
この例において、加工工具１２は、ワーク１を加工する先端部１２ａとこれを駆動する駆動装置１３とからなる。
この例で、加工工具１２は回転工具であり、駆動装置１３は電動スピンドルモータ又はエアモータである。また、先端部１２ａは、砥石、超硬カッター、ブラシ、クッションサンダ（砥粒入りの樹脂のスポンジ）、等である。
なお、加工工具１２は回転工具に限定されず、先端部１２ａを軸方向に往復動させる工具であってもよい。

図１において、ロボットアーム２０の先端に力覚センサ１４が取り付けられ、力覚センサ１４に加工工具１２が取り付けられている。
力覚センサ１４は、例えばロードセルであり、加工工具１２に作用する外力を検出するようになっている。
この力覚センサ１４で検出される外力は、好ましくは６自由度の外力（３方向の力と、３軸まわりのトルク）であるが、本発明はこれに限定されず、ワーク１に対する押付力が検出できる限りで、その他の力覚センサであってもよい。

研磨ロボット１０は、ロボットコントローラ１６を備える。ロボットコントローラ１６は、例えば数値制御装置であり、指令信号によりロボットアーム２０の先端を６自由度（３次元位置と３軸まわりの回転）に制御する。

図１において、姿勢制御装置２２は、記憶部２３、軌道データ作成部２４、及び姿勢設定部２５を有し、ワーク１の加工面形状に基づいて加工工具１２の姿勢を制御する。
なお、以下の説明において、加工工具１２の姿勢とは、工具回転軸ｚの姿勢を意味する。

記憶部２３は、空間上に指定され、工具回転軸ｚの姿勢を拘束する拘束点ｐを記憶する。拘束点ｐの位置（３次元位置）は、ワーク１の形状データ（例えばＣＡＤデータ）を基に設定する。この設定は外部から入力してもよく、或いはワーク１の形状から、その図心等に自動設定してもよい。また適切な自動でも手入力でもよい。
ここで「空間」とは、狭隘口１ａを直視できる空間、例えば狭隘口１ａの図２における上側の空間であることが好ましい。
例えば、ワーク１が特定の狭隘部（例えば図２の狭隘口１ａの内部）がある形状の場合は、拘束点ｐを狭隘部の中間（例えば狭隘口１ａの内側）又はその上下空間に設定すると、工具軸が狭隘部に干渉するのを回避しやすい。
記憶部２３は、さらに、加工工具１２の位置、姿勢、及び押付け方向を含む軌道データＤを記憶する。
軌道データＤは、例えば、ワーク座標系における加工工具１２の３次元位置（ｘ，ｙ，ｚ）と姿勢（ａ，ｂ，ｃ）で表され、姿勢パラメータａ，ｂ，ｃは、例えばオイラー角などである。また、加工工具１２の押付け方向は、ワーク座標系における単位ベクトル（ｖｘ，ｖｙ，ｖｚ）で表される。
なお、本発明は、加工工具１２の位置、姿勢、及び押付け方向を設定できる限りで、これらの座標系と姿勢パラメータの定義（一般に、姿勢表現には多種の定義のパラメータが使用されている）に限定されない。

軌道データ作成部２４と姿勢設定部２５は、例えば、制御ＰＣである。
軌道データ作成部２４は、ワーク１の形状データ（例えばＣＡＤデータ）から、ワーク１の加工面２に沿った軌道上の点位置ｒと点位置ｒにおける法線ベクトルｖからなる軌道データＤを作成する。
姿勢設定部２５は、拘束点ｐと法線ベクトルｖを含む平面（以下、「拘束平面」）内において、先端部１２ａの側面とワーク１の加工面２が平行になるように加工工具１２の姿勢（先端部１２ａの軸心ｚ）を設定する。
軌道データＤと加工工具１２の姿勢データは、ロボットコントローラ１６に出力される。
なお、姿勢制御装置２２は、この例では、ロボットコントローラ１６と別個に設けられているが、ロボットコントローラ１６と姿勢制御装置２２を同一の制御ＰＣで構成してもよい。

図３は、本発明の軌道生成方法の全体フロー図である。
本発明の軌道生成方法は、上述した装置を準備し、Ｓ１〜Ｓ３の各ステップ（工程）を実施する。

ステップＳ１（拘束点記憶ステップ）では、空間上（例えば、狭隘口１ａの内側又はその上下空間）に指定され、工具回転軸ｚの姿勢を拘束する拘束点ｐを記憶する。

ステップＳ２（軌道データ作成ステップ）では、ワーク１の形状データから、ワーク１の加工面２に沿った軌道上の点位置ｒと点位置ｒにおける法線ベクトルｖを含む軌道データＤを作成する。
なお、ステップＳ１とステップＳ２は、この順に限定されず、逆でも、同時でもよい。

ステップＳ３（姿勢設定ステップ）では、拘束点ｐと法線ベクトルｖを含む拘束平面内において、先端部１２ａの側面とワーク１の加工面２が平行になるように加工工具１２の姿勢（先端部１２ａの軸心ｚ）を設定する。
ステップＳ３によって、ワーク１の形状データ（例えばＣＡＤモデル）から加工面２に沿った軌道上の点位置ｒと点位置ｒにおける法線ベクトルｖからなる軌道データＤと加工工具１２の姿勢を自動的に算出できる。「軌道データＤと加工工具１２の姿勢」が本発明で生成する軌道である。

図４は、加工工具１２の先端部１２ａの形状が軸心ｚを中心とする円柱形状である場合の模式図である。
加工工具１２が回転工具である場合、先端部１２ａの回転軸１２ｂの軸心が、円柱形状の軸心ｚと一致する。この場合、加工工具１２の先端部１２ａ（円柱形状）の側面を図に示すようにワーク１の加工面２に密着させるという拘束条件を満たす必要がある。
ここで、「密着」とは、加工工具１２の先端部１２ａの側面形状がワーク１の加工面２と一致して接触する状態を意味する。

先端部１２ａが円柱形状である場合、上述したステップＳ３（姿勢設定ステップ）は、Ｓ３−１〜Ｓ３−３の各ステップ（工程）からなる。

ステップＳ３−１では、拘束点ｐと法線ベクトルｖを含む拘束平面に垂直な第１ベクトルｕを求める。第１ベクトルｕは、式（１）で求めることができる。なお、（ｐ−ｒ）はベクトルであり、×は外積である。
ｕ＝（ｐ−ｒ）×ｖ・・・（１）

第１ベクトルｕは、単位ベクトルであることが好ましい。この場合、第１ベクトルｕは、式（２）で求めることができる。
ｕ＝（（ｐ−ｒ）×ｖ）／｜（ｐ−ｒ）×ｖ｜・・・（２）

次いで、ステップＳ３−２では、法線ベクトルｖと第１ベクトルｕとに垂直な第２ベクトルｗを求める。
第２ベクトルｗは、式（３）で求めることができる。
ｗ＝ｖ×ｕ・・・（３）

次いで、ステップＳ３−３では、第２ベクトルｗの姿勢を加工工具１２の姿勢（先端部１２ａの軸心ｚ）として設定する。

第１ベクトルｕは、拘束点ｐと法線ベクトルｖを含む拘束平面に垂直なベクトルであり、第２ベクトルｗは、法線ベクトルｖと第１ベクトルｕとに垂直なベクトルであるから、第２ベクトルｗは、拘束点ｐと法線ベクトルｖを含む拘束平面上にあり、かつ法線ベクトルｖに直交する方向となる。
従って、第２ベクトルｗの姿勢を加工工具１２の姿勢として設定することにより、加工工具１２の先端部１２ａの側面とワーク１の加工面２が平行になるように加工工具１２、すなわち先端部１２ａの軸心ｚの姿勢を設定することができる。

図５は、加工工具１２の先端部１２ａの形状が軸心ｚに対し傾斜角αを有する円錐形状である場合の模式図である。
加工工具１２が回転工具である場合、先端部１２ａの回転軸１２ｂの軸心が、円柱形状の軸心ｚと一致する。この場合、加工工具１２の先端部１２ａ（円錐形状）の側面を図に示すようにワーク１の加工面２に密着させるという拘束条件を満たす必要がある。

先端部１２ａが円錐形状である場合、上述したステップＳ３（姿勢設定ステップ）は、Ｓ３−１〜Ｓ３−３の各ステップ（工程）からなる。
ステップＳ３−１、Ｓ３−２は、図４の場合と同様である。
すなわち、ステップＳ３−１では、拘束点ｐと法線ベクトルｖを含む拘束平面に垂直な第１ベクトルｕを求め、ステップＳ３−２では、法線ベクトルｖと第１ベクトルｕとに垂直な第２ベクトルｗを求める。

次いで、先端部１２ａが円錐形状である場合、ステップＳ３−３では、第２ベクトルｗに対し第１ベクトルｕの方向を中心として狭隘部（例えば狭隘口１ａの内側）の内方に傾斜角αを有する姿勢を加工工具１２の姿勢（先端部１２ａの軸心ｚ）として設定する。
加工工具１２の姿勢、すなわち先端部１２ａの軸心ｚの方向ベクトルＺは、式（４）で求めることができる。
Ｚ＝（Ｒ・ｗ）／｜Ｒ・ｗ｜・・・（４）
ここでＲは、回転行列であり、数１の式（５）で表される。

第１ベクトルｕは、拘束点ｐと法線ベクトルｖを含む拘束平面に垂直なベクトルであり、第２ベクトルｗは、法線ベクトルｖと第１ベクトルｕとに垂直なベクトルであるから、第２ベクトルｗは、拘束点ｐと法線ベクトルｖを含む拘束平面上にあり、かつ法線ベクトルｖに直交する方向となる。
さらに、加工工具１２の姿勢、すなわち先端部１２ａの軸心ｚの方向は、第２ベクトルｗに対し第１ベクトルｕの方向を中心として狭隘部（例えば狭隘口１ａの内側）の内方に傾斜角αを有する姿勢であるから、加工工具１２の先端部１２ａの側面とワーク１の加工面２が平行になるように加工工具１２、すなわち先端部１２ａの軸心ｚの姿勢を設定することができる。

上述した本発明の装置と方法によれば、加工工具１２の先端部１２ａの側面とワーク１の加工面２が平行になるように加工工具１２の姿勢を設定するので、先端部１２ａの側面をワーク１の加工面２に密着させた状態でワーク１を研磨（磨き加工）することができる。
また、狭隘口１ａの内側の拘束点ｐと軌道上の点位置ｒにおける法線ベクトルｖを含む拘束平面内において加工工具１２の姿勢を設定するので、加工工具１２が拘束点近傍を通り、狭隘口１ａと加工工具１２との干渉を回避することができる。
従って、ワーク１の形状データ（例えばＣＡＤモデル）から加工面２に沿った軌道上の点位置ｒである軌道データＤと加工工具１２の姿勢を自動的に算出できるため、教示作業の手間が省ける。
さらに、加工工具１２の先端部１２ａ（例えば、円柱形状、円錐形状）の側面をワーク１の加工面２に密着させるという拘束条件も同時に満たすことができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

ｐ 拘束点、ｒ 点位置、ｖ 法線ベクトル、ｕ 第１ベクトル、
ｗ 第２ベクトル、Ｄ 軌道データ、ｚ 軸心（工具回転軸）、
１ ワーク、１ａ 狭隘口、２ 加工面、３ ワーク保持装置、
１０ 研磨ロボット、１２ 加工工具、１２ａ 先端部、
１３ 駆動装置、１４ 力覚センサ、１６ ロボットコントローラ、
２０ ロボットアーム、２２ 姿勢制御装置、２３ 記憶部、
２４ 軌道データ作成部、２５ 姿勢設定部

Claims (4)

1. 先端部で加工する加工工具でワークの円筒内面以外の加工面を研磨する研磨ロボットであって、前記加工工具を通す前記ワークの表面に形成される狭隘口の内部に前記加工面が位置しており、
   前記加工工具を３次元空間内で移動するロボットアームと、
   ワークの加工面形状に基づいて前記加工工具の姿勢を制御する姿勢制御装置と、を備え、
   前記姿勢制御装置は、
   前記狭隘口を直視できる空間上に指定され、工具回転軸の姿勢を拘束する拘束点を記憶する記憶部と、
   前記ワークの形状データから、ワークの前記加工面に沿った軌道上の点位置と該点位置における法線ベクトルからなる軌道データを作成する軌道データ作成部と、
   前記拘束点と前記法線ベクトルを含む拘束平面内において、前記先端部の側面とワークの前記加工面が平行になるように加工工具の姿勢を設定する姿勢設定部と、を含む、ことを特徴とする研磨ロボット。
2. 先端部で加工する加工工具でワークの円筒内面以外の加工面を研磨する研磨ロボットの軌道生成方法であって、前記加工工具を通す前記ワークの表面に形成される狭隘口の内部に前記加工面が位置しており、
   前記加工工具を３次元空間内で移動するロボットアームと、
   ワークの加工面形状に基づいて前記加工工具の姿勢を制御する姿勢制御装置と、を準備し、
   前記姿勢制御装置により
   （Ａ）前記狭隘口を直視できる空間上に指定され、工具回転軸の姿勢を拘束する拘束点を記憶し、
   （Ｂ）前記ワークの形状データから、ワークの前記加工面に沿った軌道上の点位置と該点位置における法線ベクトルを含む軌道データを作成し、
   （Ｃ）前記拘束点と前記法線ベクトルを含む拘束平面内において、前記先端部の側面とワークの前記加工面が平行になるように加工工具の姿勢を設定する、ことを特徴とする研磨ロボットの軌道生成方法。
3. 前記先端部の形状は、軸心を中心とする円柱形状であり、
   前記（Ｃ）において、
   前記拘束点と前記法線ベクトルを含む拘束平面に垂直な第１ベクトルを求め、
   次いで、前記法線ベクトルと前記第１ベクトルとに垂直な第２ベクトルを求め、
   前記第２ベクトルの姿勢を前記加工工具の姿勢として設定する、ことを特徴とする請求項２に記載の研磨ロボットの軌道生成方法。
4. 前記先端部の形状は、軸心に対し傾斜角を有する円錐形状であり、
   前記（Ｃ）において、
   前記拘束点と前記法線ベクトルを含む拘束平面に垂直な第１ベクトルを求め、
   次いで、前記法線ベクトルと前記第１ベクトルとに垂直な第２ベクトルを求め、
   前記第２ベクトルに対し前記第１ベクトルの方向を中心として前記狭隘口の内方に前記傾斜角を有する姿勢を前記加工工具の姿勢として設定する、ことを特徴とする請求項２に記載の研磨ロボットの軌道生成方法。
   

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