JP2008296310A - 加工ロボットの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】関節軸のたわみに影響されることなしに、ロボットの位置を正確に補正する。
【解決手段】加工ロボット（１）に取付けられたツール（１８）の作用部（１９）をワーク（２０）に接触させてワークを加工するようにした加工ロボットの制御装置（１０）は、ツールの作用部とワークとの間に作用する力またはモーメントを検出する検出手段（１５）と、検出手段により検出された力またはモーメントを加工ロボットの関節軸の力またはモーメントに変換する変換手段（２２）と、変換手段により得られた加工ロボットの関節軸の力またはモーメントに基づいて、加工ロボットの関節軸におけるたわみを算出するたわみ算出手段（２５）と、たわみ算出手段により算出されたたわみを補償するように、加工ロボットの関節軸における位置指令または速度指令のうちの少なくとも一方を補正する補正手段（２８）とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、多関節ロボットの制御装置に関する。特に、本発明は、フリクション溶接またはグラインディングなどの加工をワークに対して行う加工ロボットの制御装置に関する。

従来より、多関節ロボットに取付けられたツールを用いてワークを加工することが行われている。このような作業においては、ツールがワークに接触することを事前に検出することにより、ワークに過大な力が加わるのを回避することが望まれている。

特許文献１および特許文献２に開示される制御装置においては、ワークに過大な力が加わるのを回避するために、作業座標系においてロボットの位置を修正している。これら特許文献１および特許文献２に開示される制御装置は、ロボットのツールの動作が比較的小さい場合、例えばスポット溶接またはシーム溶接を行う場合等に使用される。
特開２００５−１２５４２７号公報 特許第２７１８６８８号

しかしながら、ツールとワークとの間に作用する力が比較的大きい場合、例えばフリクション溶接またはグラインディングを行う場合には、ツールがワークに接触するときに、ロボットの関節軸がたわむ場合がある。

このようなたわみが存在する状況においては、関節軸のたわみに基づいて、ツールの位置が本来の位置からズレる場合がある。従って、特許文献１および特許文献２に開示される制御装置では、ロボットの位置を正確に補正できない事態も生じうる。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、ロボットのツールとワークとの間に作用する力が比較的大きい場合であっても、ロボットの位置を正確に補正することのできる制御装置を提供することを目的とする。

前述した目的を達成するために１番目の発明によれば、少なくとも一つの関節軸を備えた加工ロボットの制御装置であって、前記加工ロボットに取付けられたツールの作用部をワークに接触させて該ワークを加工するようにした加工ロボットの制御装置において、前記ツールの前記作用部と前記ワークとの間に作用する力またはモーメントを検出する検出手段と、該検出手段により検出された前記力またはモーメントを前記加工ロボットの前記関節軸の力またはモーメントに変換する変換手段と、該変換手段により得られた前記加工ロボットの前記関節軸の前記力またはモーメントに基づいて、前記加工ロボットの前記関節軸におけるたわみを算出するたわみ算出手段と、該たわみ算出手段により算出された前記たわみを補償するように、前記加工ロボットの前記関節軸における位置指令または速度指令のうちの少なくとも一方を補正する補正手段とを備えた、制御装置が提供される。

すなわち１番目の発明においては、算出された関節軸のたわみに基づいて、ロボットの位置指令および／または速度指令を補正するようにしている。このため、ロボットのツールとワークとの間に作用する力が比較的大きい場合、例えばフリクション溶接またはグラインディングを行う場合であっても、関節軸のたわみに影響されることなしに、ロボットの位置を正確に補正できる。これにより、ロボットの軌跡を大幅に改善できる。

２番目の発明によれば、１番目の発明において、前記検出手段は、前記ロボットの前記ツールに取付けられた力センサである。
２番目の発明における力センサは、三方向の力と三方向のモーメントとを検出可能な六軸力センサであるのが好ましい。

３番目の発明によれば、１番目の発明において、前記ツールはアクチュエータを備えており、前記ツールの前記作用部と前記ワークとの間に作用する力またはモーメントを検出する際には、前記ツールの前記アクチュエータの力フィードバックまたはトルクフィードバックを用いるようにした。
すなわち３番目の発明においては、ロボットの位置をより正確に補正することができる。

４番目の発明によれば、１番目または２番目の発明において、前記ツールの前記作用部と前記ワークとの間に作用する力またはモーメントを検出する際には、前記ツールに対して定義された座標系における方向に固有に定義したパラメータを用いるようにした。
すなわち４番目の発明においては、ツールがグラインダである場合に有利である。

５番目の発明によれば、１番目または２番目の発明において、前記ツールの前記作用部と前記ワークとの間に作用する力またはモーメントを検出する際には、前記ツールの進行方向に基づいて定義した座標系における方向に固有に定義したパラメータを用いるようにした。
すなわち５番目の発明においては、フリクション溶接のためのツールが使用される場合に有利である。

６番目の発明によれば、１番目から５番目のいずれかの発明において、前記加工ロボットの移動速度が閾値よりも小さい場合には、前記位置指令または速度指令を補正する補償量を前記移動速度に応じて小さくするようにした。
７番目の発明によれば、１番目から５番目のいずれかの発明において、前記ロボットの動作の始点または終点からの距離がそれぞれの閾値よりも小さい場合には、前記位置指令または速度指令を補正する補償量を前記距離に応じて小さくするようにした。
８番目の発明によれば、１番目から５番目のいずれかの発明において、前記ロボットの動作開始時刻からの時間または動作終了時刻からの時間がそれぞれの閾値よりも小さい場合には、前記位置指令または速度指令を補正する補償量を前記時間に応じて小さくするようにした。
９番目の発明によれば、１番目から５番目のいずれかの発明において、前記位置指令または速度指令を補正する補償量の最大値を制限する補償量最大値制限手段を備えた。
すなわち６番目から９番目の発明においては、位置指令または速度指令が過剰に修正されるのを防止できる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の図面において同様の部材には同様の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これら図面は縮尺を適宜変更している。
図１は、本発明に基づく加工ロボットの制御装置の機能ブロック図である。図１に示されるように、ロボット１、例えば六軸構成の垂直多関節型ロボットに制御装置１０が接続されている。このロボット１のアームの先端には、ツール１８が取付けられている。図１においては、ツール１８はフリクション溶接で使用されるツールであり、作用部１９を含んでいる。この作用部１９は、支持台３１上に固定されたワーク２０に接触してワーク２０を加工する。なお、ツール１８が他の構成、例えばグラインダであってもよい。

図示されるように、ツール１８とロボット１のアームとの間には六軸力センサ１５が配置されている。この六軸力センサ１５は、互いに垂直な所定の三方向の力と、これら三方向に関するモーメントとを検出することができる。また、ツール１８はモータ１６により駆動される。図示されるように、これらモータ１６および六軸力センサ１５は、制御装置１０の変換手段２２に接続されている。

制御装置１０はデジタルコンピュータであり、各種のプログラムが記憶されているプログラム記憶部１１と、各種のパラメータまたは閾値が記憶されるパラメータ記憶部２１とを含んでいる。パラメータ記憶部２１はロボット１の動力学パラメータ、例えばロボット１の寸法等を記憶している。さらに、パラメータ記憶部２１は、ロボット１の各関節軸をバネとみなしたときの、これら各関節軸に関するバネ定数を予め記憶している。また、パラメータ記憶部２１は、例えばプログラム記憶部１１に記憶されるプログラムにおける動作文の補間周期毎の補償量を一時的に記憶できる。

図１に示されるように、制御装置１０は、プログラム記憶部１１に記憶されるプログラムの再生時にプログラムにおける動作文の始点位置、終点位置、移動速度、補間形式等の情報に基づいてロボットの軌道を作成する経路計画部１２を含んでいる。また、制御装置１０は、経路計画部１２により作成された軌道に基づいて、補間周期毎のツール１８の直交位置を作成する動作補間部１３を含んでいる。さらに、制御装置１０の各軸移動量算出部１４は、補間周期毎のツール１８の直交位置に対応するロボット１の各関節軸の位置を算出する。また、各軸移動量算出部１４は、補間周期毎の各関節軸の移動量を算出し、位置指令または速度指令として、サーボ制御部２７に供給する。

また、制御装置１０に含まれる変換手段２２は、ツール１８のモータ１６に流れる電流を検出するツール軸電流検出部２４を含んでいる。ツール１８を駆動するモータ１６のトルクは、モータ１６を流れる電流に比例するので、電流を検出することにより、モータ１６のトルクが分かる。さらに、変換手段２２は、ツール軸電流検出部２４により検出された電流とパラメータ記憶部２１に記憶されたパラメータとに基づいて、ロボット１の各関節軸における力および／またはモーメントを算出する力・モーメント算出部２３を含んでいる。

さらに、図示されるように、制御装置１０は、変換手段２２により得られた力またはモーメントに基づいて、加工ロボット１の関節軸におけるたわみを算出するたわみ算出手段２５を含んでいる。さらに、制御装置１０は、たわみ算出手段２５により算出されたたわみを補償する補償量算出部２６を含んでいる。また、後述するように、補償量算出部２６が算出した補償量が比較的大きい場合には、補償量調整部２９が補償量を調整することもある。

図２は、図１に示される制御装置の動作を示すフローチャートである。以下、図２を参照しつつ、本発明の加工ロボット用制御装置１０の動作について説明する。はじめに、プログラム記憶部１１から所定のプログラムを読出して（ステップ１０１）、プログラム内に行があるか否かを判定し（ステップ１０２）、行が在る場合には、選択された行を実行する。なお、行が無い場合には、処理を終了する。

次いで、その行が動作文を含むか否かを判定（ステップ１０３）する。動作文を含む場合には、補間周期カウンタｉをゼロにして、経路計画部１２による経路計画を行う（ステップ１０４、１０５）。なお、行が動作文を含んでいない場合には、その行に関するロジック処理を行い（ステップ１１３）、次の行に進む。

前述したように経路計画部１２は、プログラム内の動作文の始点位置、終点位置、移動速度、補間形式等の情報に基づいてロボットの軌道を作成する。さらに、経路計画部１２は、ロボットの軌道についての補間点数も定める。例えば、作成されたロボットの軌道の距離が１ｍで、且つロボットの最小移動距離が１ｃｍである場合には、補間点数は「１００」である。

次いで、現在の補間周期カウンタｉが補間点数以下であるか否かが判定される（ステップ１０６）。補間周期カウンタｉが補間点数を越えている場合には、その行の動作は終了したと判断されて、ステップ１０２に戻る。

一方、補間周期カウンタｉが補間点数を越えていない場合には、ステップ１０７に進む。ステップ１０７においては、各軸移動量算出部１４が加工ロボット１の各関節軸の位置指令ｕ０（ｉ）を算出する。具体的には、各軸移動量算出部１４は、今回のロボットの各軸位置[J1(i), J2(i), J3(i), J4(i), J5(i), J6(i)]に減速機（図示しない）の減速比を考慮して、サーボ制御部への位置指令ｕ０（ｉ）を作成する。

なお、速度指令を作成する場合には、前回の各関節軸の位置（J1(i-1), J2(i-1), J3(i-1), J4(i-1), J5(i-1), J6(i-1)）と今回の各関節軸の位置（J1(i), J2(i), J3(i), J4(i), J5(i), J6(i)）との間の差（J1(i)-J1(i-1), J2(i)-J2(i-1), J3(i)-J3(i-1), J4(i)-J4(i-1), J5(i)-J5(i-1), J6(i)-J6(i-1)）を算出する。次いで、各軸移動量算出部１４は、減速機の減速比を考慮しつつ、この差に基づいて、速度指令を作成する。

その後、ステップ１０８において、そのプログラム内に補償スイッチ（補償命令）が在るか否かを判定し、補償スイッチが有効である場合には、ステップ１０９に進んで補償量を算出する。一方、補償スイッチが有効でない場合には、各関節軸の位置指令ｕ０（ｉ）を正式な位置指令ｕ（ｉ）としてサーボ制御部２７に出力する（ステップ１１１）。

補償量の算出は、以下のようにして行う。はじめに、ツール軸電流検出部２４がモータ１６に流れる電流を算出する。次いで、力・モーメント算出部２３がその電流に変換行列Ｊを掛けて、ツール１８が受ける力・モーメントに変換する。

なお、変換行列Ｊは、加工ロボット１の作業時において六軸力センサ１５により検出された加工ロボット１の三方向の力およびこれら三方向に関するモーメントの履歴に最小二乗法を適用することにより算出される。算出された変換行列Ｊは、パラメータ記憶部２１内に予め記憶されているものとする。なお、プログラム実行時には、六軸力センサ１５をツール１８から取外すようにしてもよい。六軸力センサ１５を取外さない場合には、プログラム実行時にセンサ１５の出力をたわみ算出手段２５に直接入力してもよい。また、予めセンサを取付けてプログラムを実行して補間周期毎の補償量を記録してもよい。この場合には、センサを取外してプログラムを実行するときに、各補間周期の記録した補償量を使用するようにしてもよい。

さらに、加工ロボット１のツール１８が例えばグラインダである場合には、電流をツール１８上に定義した座標系上における力・モーメントに変換する変換行列を採用するのが好ましい（図３（ａ）を参照されたい）。さらに、ツール１８が例えばフリクション溶接に使用される場合には、電流をツール１８の先端点の進行方向に定義した座標系上における力・モーメントに変換する変換行列を採用するのが有利である（図３（ｂ）を参照されたい）。

次いで、力・モーメント算出部２３は、パラメータ記憶部２１から加工ロボット１の動力学パラメータを取得する。ツール１８が受ける力および／またはモーメントと動力学パラメータとに基づいて、力・モーメント算出部２３は、ロボット１の各関節軸が受ける力および／またはモーメントを算出する。このとき、力・モーメント算出部２３は、ニュートン−オイラー法のバックワードルーチンの計算を行う。

次いで、たわみ算出手段２５は、パラメータ記憶部２１からロボット１の各関節軸に関するバネ定数を取得する。そして、たわみ算出手段２５は、力および／またはモーメントならびにバネ定数に基づいて、たわみを各関節軸毎に算出する。

次いで、補償量算出部２６は、算出されたたわみを補償する位置指令の補償量Δｕ（ｉ）を各関節軸毎に算出する（ステップ１０９）。典型的な実施形態においては、補償量Δｕ（ｉ）は、各関節軸についてのたわみと等しい量で且つたわみと反対の方向である。あるいは、全ての関節軸のたわみを考慮したときにツール１８の先端点のずれが減少するように、全ての関節軸についての補償量を反復計算で算出するようにしてもよい。

その後、図１から分かるように、制御装置１０の補正手段２８が位置指令ｕ０（ｉ）と補償量Δｕ（ｉ）とを各関節軸毎に加算する（ステップ１１０）。これにより、補正後位置指令ｕ（ｉ）が各関節軸毎に算出され、サーボ制御部２７を介してロボット１の各関節軸に出力される（ステップ１１１）。次いで、ステップ１１２においては、補間周期カウンタｉを一つ増やして、ステップ１０６からの処理を繰返す。

これにより、ロボット１のツール１８が受ける力が比較的大きい場合であっても、関節軸のたわみが補正されるので、ロボットの位置を正確に補正することが可能となる。このことは、特にロボット１がフリクション溶接またはグラインディングを行う場合に有利である。従って、本発明においては、ロボットの軌跡を大幅に改善することができる。

ところで、ロボット１がフリクション溶接を行うのに使用される場合には、ツール１８の進行方向においてツール１８の下流側ではワーク２０は溶融しており、ツール１８の上流側では溶融していない。従って、ツール１８を移動させるときには、ツール１８には進行方向上流側において力がかかることになる。

ところが、ツール１８の移動速度が比較的小さい場合には、ツール１８の上流側および下流側の両方においてワーク２０が溶融する。従って、ツール１８を比較的低速で移動させるときにはツール１８に力がほとんどかからない場合がある。

このような場合に、前述した補償量をそのまま適用すると、ロボット１の軌跡が補正されすぎて、正確でない軌跡が形成されることが考えられる。それゆえ、ツール１８の移動速度が比較的小さい場合には、補償量算出部２６によって算出された補償量を補償量調整部２９によって調整することが好ましい。

図４は補償量の調整を行う際のフローチャートを示す図である。図４のステップ１２１においては、ロボット１の移動速度Ｖを取得する。制御装置１０により作成される速度指令を移動速度Ｖとして使用してもよく、また測定装置（図示しない）によって実際に測定されたロボット１の測定速度を使用してもよい。

次いで、ステップ１２２において移動速度Ｖの絶対値｜Ｖ｜を所定の閾値Ｖ０（パラメータ記憶部２１に記憶されている）と比較する。閾値Ｖ０は、補償量をそのまま適用したとしても軌跡に悪影響を与えることのない、速度の限界値であり、実験等により予め定められているものとする。移動速度Ｖが所定の閾値Ｖ０よりも小さい場合には、ステップ１２３に進む。そして、補償量調整部２９において、補償量Δｕ（ｉ）の絶対値｜Δｕ（ｉ）｜に所定の係数ｋ（０＜ｋ≦１）と移動速度Ｖとを乗算する。所定の閾値Ｖ０および係数ｋは予め実験等により求められ、パラメータ記憶部２１に記憶されるものとする。次いで、新たな絶対値｜Δｕ（ｉ）｜を有する補償量を新たな補償量Δｕ（ｉ）として、補償量算出部２６から出力する。

これにより、新たな補償量Δｕ（ｉ）は移動速度Ｖに応じて小さくされる。それゆえ、新たな補償量Δｕ（ｉ）を採用することにより、ロボット１の軌跡が過剰に補償されるのを回避でき、従って、軌跡が悪化するのを防止できる。

また、図５は、ロボットが移動するときにおける時間と速度との関係を示す図である。図５においては横軸は時間を示しており、縦軸はロボット１の移動速度を示している。図示されるように、時刻Ｔ０においてロボット１が移動開始すると、ロボット１の移動速度は次第に増加し、時刻Ｔ１において概ね最大値になる。そして、ロボット１が時刻Ｔ２において停止開始すると、ロボット１の移動速度は最大値から次第に低下し、時刻Ｔ３においてゼロになる。

すなわち、ロボット１の移動開始後の区間Ｔ０〜Ｔ１と、移動停止前の区間Ｔ２〜Ｔ３とにおいては、ロボット１の移動速度は比較的小さい。従って、これら区間Ｔ０〜Ｔ１および区間Ｔ２〜Ｔ３においても、補償量Δｕ（ｉ）を調整することが好ましい。

このような場合には、ロボット１の動作の移動開始点（時刻Ｔ０に対応）または終点（時刻Ｔ３に対応）からの距離をそれぞれの所定の閾値と比較して、移動開始点または終点がそれぞれの閾値よりも小さい場合には、図４を参照して説明したのと同様に補償量Δｕ（ｉ）を調整すればよい。同様に、ロボット１の動作開始時刻からの経過時間または動作終了時刻までの時間をそれぞれの所定の閾値と比較するようにしてもよい。このような場合にも、ロボット１の軌跡が過剰に補償されるのを回避できるのが分かるであろう。

さらに、他の実施形態においては、補償量算出部２６により算出された補償量Δｕを予め定めた最大値ｍａｘΔｕと比較するようにしてもよい。図６は補償量の調整を行う際のフローチャートを示す図である。

図６のステップ１３１においては、補償量調整部２９の最大値制限部３０が、補償量算出部２６によって算出された補償量Δｕを取得する。次いで、補償量Δｕを予め定めた最大値ｍａｘΔｕと比較する。最大値ｍａｘΔｕは、補償量をそのまま適用したとしても軌跡に悪影響を与えることのない、補償量の限界値であり、実験等により予め定められているものとする。次いで、補償量Δｕの絶対値｜Δｕ｜が最大値ｍａｘΔｕよりも大きい場合には、最大値ｍａｘΔｕを新たな補償量Δｕの絶対値｜Δｕ｜にする。このように補償量を調整した場合にも、ロボット１の軌跡が過剰に補償されるのを同様に回避することが可能となる。言い換えれば、最大値制限部３０はロボット１のための安全装置としての役目を果たす。

図面を参照して説明した実施形態においてはロボット１のツール１８は、固定されたワーク２０を加工する。しかしながら、ツール１８が定位置に固定された状態で、ロボット１に把持されるワーク２０をロボット１がツール１８に接触させることによりワーク２０を加工するようにしてもよい。また、位置指令を補正する代わりに、各関節軸のたわみに基づいて、ロボットの速度指令を補正してもよい。さらに、本発明の制御装置によって、スポット溶接またはシーム溶接を行う場合であっても本発明の範囲に含まれる。

本発明に基づく加工ロボットの制御装置の機能ブロック図である。 図１に示される制御装置の動作を示すフローチャートである。 （ａ）ツールに定義された座標系を示す図である。（ｂ）ツールの進行方向に基づいて定義した座標系を示す図である。 補償量の調整を行う際のフローチャートを示す図である。 ロボットが移動するときにおける時間と速度との関係を示す図である。 補償量の調整を行う際のフローチャートを示す図である。

符号の説明

１ 加工ロボット
１０ 加工ロボット用制御装置
１１ プログラム記憶部
１２ 経路計画部
１３ 動作補間部
１４ 各軸移動量算出部
１５ 六軸力センサ（検出手段）
１６ モータ（アクチュエータ）
１８ ツール
１９ 作用部
２０ ワーク
２１ パラメータ記憶部
２２ 変換手段
２３ 力・モーメント算出部
２４ ツール軸電流検出部
２５ たわみ算出手段
２６ 補償量算出部
２８ 補正手段
２９ 補償量調整部
３０ 最大値制限部

Claims (9)

1. 少なくとも一つの関節軸を備えた加工ロボットの制御装置であって、前記加工ロボットに取付けられたツールの作用部をワークに接触させて該ワークを加工するようにした加工ロボットの制御装置において、
   前記ツールの前記作用部と前記ワークとの間に作用する力またはモーメントを検出する検出手段と、
   該検出手段により検出された前記力またはモーメントを前記加工ロボットの前記関節軸の力またはモーメントに変換する変換手段と、
   該変換手段により得られた前記加工ロボットの前記関節軸の前記力またはモーメントに基づいて、前記加工ロボットの前記関節軸におけるたわみを算出するたわみ算出手段と、
   該たわみ算出手段により算出された前記たわみを補償するように、前記加工ロボットの前記関節軸における位置指令または速度指令のうちの少なくとも一方を補正する補正手段とを備えた、制御装置。
2. 前記検出手段は、前記ロボットの前記ツールに取付けられた力センサである請求項１に記載の制御装置。
3. 前記ツールはアクチュエータを備えており、
   前記ツールの前記作用部と前記ワークとの間に作用する力またはモーメントを検出する際には、前記ツールの前記アクチュエータの力フィードバックまたはトルクフィードバックを用いるようにした、請求項１に記載の制御装置。
4. 前記ツールの前記作用部と前記ワークとの間に作用する力またはモーメントを検出する際には、前記ツールに対して定義された座標系における方向に固有に定義したパラメータを用いるようにした、請求項１または２に記載の制御装置。
5. 前記ツールの前記作用部と前記ワークとの間に作用する力またはモーメントを検出する際には、前記ツールの進行方向に基づいて定義した座標系における方向に固有に定義したパラメータを用いるようにした、請求項１または２に記載の制御装置。
6. 前記加工ロボットの移動速度が閾値よりも小さい場合には、前記位置指令または速度指令を補正する補償量を前記移動速度に応じて小さくするようにした、請求項１から５のいずれかに記載の制御装置。
7. 前記ロボットの動作の始点または終点からの距離がそれぞれの閾値よりも小さい場合には、前記位置指令または速度指令を補正する補償量を前記距離に応じて小さくするようにした、請求項１から５のいずれかに記載の制御装置。
8. 前記ロボットの動作開始時刻からの時間または動作終了時刻からの時間がそれぞれの閾値よりも小さい場合には、前記位置指令または速度指令を補正する補償量を前記時間に応じて小さくするようにした、請求項１から５のいずれかに記載の制御装置。
9. 前記位置指令または速度指令を補正する補償量の最大値を制限する補償量最大値制限手段を備えた、請求項１から５のいずれかに記載の制御装置。

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