JP7108893B2 - ロボット制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、ロボット制御方法に関するものである。

従来より、産業用ロボットの移動動作では、移動区間を滑らかに接続するために、重ね合わせという手法が用いられる。これは、前の区間の減速部分と次の区間の加速部分を重ね合わせて、前の区間の動作が完全に終わる前に、次の区間の動作を開始する手法である。

ただし、目標点に到達する前にその次の点への動作が開始してしまうため、厳密には目標点に到達せず、軌跡の端点が不明瞭になることがある。このように、滑らかさと角出し性能の程度は、トレードオフの関係にある。

ここで、レーザ溶接等の高精度な加工が必要な用途においては、補間前加減速という加減速手法が用いられることがある（例えば、特許文献１参照）。補間前加減速では、軌跡上で加速・減速を行うため、速度変化が大きい場合も軌跡から外れることはない。また、補間前加減速を採用した場合であっても、滑らかさが必要なときには、重ね合わせ処理が必要とされる。

特許第６１００８１６号公報

ところで、ロボットの動作軌跡は、直交座標系成分Ｘ、Ｙ、Ｚを用いて表現することができるが、例えば、円弧補間動作において、直交座標系成分を用いた加減速と重ね合わせ処理とを行う場合には、円弧が歪み、理想的な軌跡を描くことができなくなることがある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ロボットの移動動作中に移動区間の境界部分を最適な軌跡で接続することにある。

本発明は、複数の関節部を有するロボットの動作を制御するロボット制御方法を対象とし、次のような解決手段を講じた。

すなわち、第１の発明は、前記ロボットが移動する第１の移動区間の軌跡と、該第１の移動区間に連続して次に移動する第２の移動区間の軌跡との組み合わせパターンを判定するステップと、
前記組み合わせパターンに基づいて、直交座標系成分のＸ、Ｙ、Ｚ方向の３成分、又は極座標系成分のθ方向及び直交座標系成分のＺ方向の２成分のうち何れかを選択して補間前加減速を行うステップと、
前記選択した座標系成分について移動区間の重ね合わせ処理を行うステップとを備えたことを特徴とするものである。

第１の発明では、第１の移動区間の軌跡と第２の移動区間の軌跡との組み合わせパターン、つまり、直線補間や円弧補間等の移動形態に応じて組み合わせを判定して、組み合わせパターンに応じて、補間前加減速や重ね合わせ処理を行うようにしている。

具体的に、動作軌跡は、直交座標系成分のＸ、Ｙ、Ｚ方向の３成分を用いて表現することができるが、円弧補間動作において直交座標系成分を用いた補間前加減速や重ね合わせ処理を行うと、加減速区間で円弧が歪み、理想的な軌跡を描くことができなくなる。

そこで、組み合わせパターンを判定して、例えば、第１の移動区間と第２の移動区間とが同心且つ径が同じ円弧状の軌跡である場合に、θ、Ｚ方向の２成分について補間前加減速及び重ね合わせ処理を行うようにする。また、例えば、第１の移動区間と第２の移動区間とが直線状の軌跡である場合には、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の３成分について補間前加減速及び重ね合わせ処理を行うようにすればよい。

これにより、ロボットの移動動作中に移動区間の境界部分を最適な軌跡で接続することができる。

第２の発明は、第１の発明において、
前記組み合わせパターンが、前記第１の移動区間及び前記第２の移動区間が直線状の軌跡である場合に、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の３成分について補間前加減速及び重ね合わせ処理を行うことを特徴とするものである。

第２の発明では、第１の移動区間及び第２の移動区間が直線状の軌跡である場合に、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の３成分について補間前加減速及び重ね合わせ処理を行うようにしている。これにより、直線補間同士が接続されている場合に、境界位置を滑らかに接続することができる。

第３の発明は、第１の発明において、
前記組み合わせパターンが、前記第１の移動区間又は前記第２の移動区間の一方が直線状の軌跡で、他方が円弧状の軌跡である場合に、円弧状の軌跡のθ方向の接線をＸ、Ｙ方向の２成分に分解して、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の３成分について補間前加減速及び重ね合わせ処理を行うことを特徴とするものである。

第３の発明では、第１の移動区間又は第２の移動区間の一方が直線状の軌跡で、他方が円弧状の軌跡である場合には、極座標形式での重ね合わせができないため、まず、円弧状の軌跡のθ方向の接線をＸ、Ｙ方向の２成分に分解する。その後、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の３成分について補間前加減速及び重ね合わせ処理を行うようにしている。

これにより、直線補間と円弧補間とが接続されている場合に、境界位置を滑らかに接続することができる。

第４の発明は、第１の発明において、
前記組み合わせパターンが、前記第１の移動区間が円弧状の軌跡で、前記第２の移動区間が該第１の移動区間の円弧とは中心が異なる円弧状の軌跡である場合に、それぞれの円弧状の軌跡のθ方向の接線をＸ、Ｙ方向の２成分に分解して、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の３成分について補間前加減速及び重ね合わせ処理を行うことを特徴とするものである。

第４の発明では、第１の移動区間と第２の移動区間とが、中心が異なる円弧状の軌跡である場合には、円弧補間同士の接続であっても、極座標形式での重ね合わせができないため、まず、それぞれの円弧状の軌跡のθ方向の接線をＸ、Ｙ方向の２成分に分解する。その後、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の３成分について補間前加減速及び重ね合わせ処理を行うようにしている。

これにより、中心の異なる円弧補間同士が接続されている場合に、境界位置を滑らかに接続することができる。

第５の発明は、第１の発明において、
前記組み合わせパターンが、前記第１の移動区間が円弧状の軌跡で、前記第２の移動区間が該第１の移動区間の円弧と同心且つ径が同じ円弧状の軌跡である場合に、θ、Ｚの２成分について補間前加減速及び重ね合わせ処理を行うことを特徴とするものである。

第５の発明では、第１の移動区間と第２の移動区間とが、同心且つ径が同じ円弧状の軌跡である場合には、θ、Ｚの２成分について補間前加減速及び重ね合わせ処理を行うようにしている。

これにより、同心且つ径が同じ円弧補間同士が接続されている場合に、軌跡精度を向上させることができる。

本発明によれば、ロボットの移動動作中に移動区間の境界部分を最適な軌跡で接続することができる。

本実施形態に係るロボットの構成を示す側面図である。 ロボットの構成を示すブロック図である。 Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の３成分について補間前加減速を行ったときの図である。 Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の３成分について重ね合わせ処理を行ったときの図である。 第１の移動区間及び第２の移動区間が直線状の軌跡である場合に、補間後加減速及び重ね合わせ処理を行ったときの軌跡を示す図である。 第１の移動区間及び第２の移動区間が同心且つ径が同じ円弧状の軌跡であるときの図である。 円弧状の軌跡をＸ、Ｙ、Ｚ方向で重ね合わせたときの図である。 θ、Ｚ方向の２成分について補間前加減速を行ったときの図である。 θ、Ｚ方向の２成分について重ね合わせ処理を行ったときの図である。 円弧状の軌跡をθ、Ｚ方向で重ね合わせたときの図である。 第１の移動区間が直線状の軌跡で、第２の移動区間が円弧状の軌跡である場合に、補間後加減速及び重ね合わせ処理を行ったときの軌跡を示す図である。 第１の移動区間が円弧状の軌跡で、第２の移動区間が直線状の軌跡である場合に、補間後加減速及び重ね合わせ処理を行ったときの軌跡を示す図である。 第１の移動区間が円弧状の軌跡で、第２の移動区間が第１の移動区間の円弧とは中心が異なる円弧状の軌跡である場合に、補間後加減速及び重ね合わせ処理を行ったときの軌跡を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

図１に示すように、ロボット１は、６軸の多関節型のロボットアーム１０を備えている。ロボット１には、ロボットアーム１０の動作を制御するロボット制御装置３０が接続されている。

ロボットアーム１０は、台座部１１と、台座部１１に第１関節部Ｊ１を中心に水平方向に旋回可能に支持された肩部１２と、肩部１２に第２関節部Ｊ２を中心に上下方向に旋回可能に支持された下アーム部１３と、下アーム部１３に第３関節部Ｊ３を中心に上下方向に旋回可能に支持された第１の上アーム部１４と、第１の上アーム部１４の先端部に第４関節部Ｊ４を中心に捻り回転可能に支持された第２の上アーム部１５と、第２の上アーム部１５に第５関節部Ｊ５を中心に上下方向に旋回可能に支持された手首部１６と、手首部１６に第６関節部Ｊ６を中心に捻り回転可能に支持された取付部１７とを有する。取付部１７には、レーザ切断ヘッド１８が取り付けられている。

第１関節部Ｊ１から第６関節部Ｊ６には、モータ２１（図２参照）が内蔵されている。ロボット制御装置３０は、ティーチング等によって予め入力された動作プログラムに基づいて、第１関節部Ｊ１から第６関節部Ｊ６がそれぞれ目標位置（指令角度）に達するように、第１関節部Ｊ１から第６関節部Ｊ６のモータ２１の駆動を制御する。

図２にも示すように、ロボット１には、モータ２１の動作を制御するロボット制御装置３０が接続されている。ロボット制御装置３０は、入力部３１と、電流制御部３２と、記憶部３４と、制御部３５とを有する。

ロボット１では、エンコーダ２２によって、モータ２１のロータの位置が所定のサンプリング周期で検出される。そして、エンコーダ２２で検出されたモータ２１の位置情報は、制御部３５に送信される。

入力部３１は、ロボット１の動作を制御する動作プログラムを入力する。入力部３１で入力された動作プログラムは、制御部３５に送信され、記憶部３４に記憶される。

電流制御部３２には、制御部３５から、トルク指令値とモータ発生トルクが入力される。電流制御部３２は、駆動指令値を算出し、駆動指令値に基づいて、モータ２１に電流を流す。このように、電流制御部３２は、モータ２１の駆動を制御する。なお、制御部３５で行われる処理については後述する。

このように構成されたロボット１では、３次元又は２次元の直線軌跡や円弧軌跡に沿って、レーザ切断ヘッド１８を移動させながらレーザ切断を行うことができる。本実施形態では、Ｘ－Ｙ平面に加工を行い、Ｚ方向に高さ調整を行う機構を例にあげて説明する。

図３に示すように、ロボット１は、開始点Ｐ１、中間点Ｐ２、目標点Ｐ３に向かって順に移動するものとする。ここで、開始点Ｐ１から中間点Ｐ２までを第１の移動区間、中間点Ｐ２から目標点Ｐ３までを第２の移動区間とする。

そして、第１の移動区間が直線状の軌跡であり、第１の移動区間に連続して次に移動する第２の移動区間が直線状の軌跡である場合について検討する。

まず、第１の移動区間及び第２の移動区間の軌跡上の点を補間計算することで、補間前加減速処理を行う。直線補間の加減速処理は、速度ベクトルをＸ、Ｙ、Ｚ方向の３つの直交座標系成分に分割することで行う。このように、連続する２つの直線区間の加減速処理を行うことで、動作開始・終了時や軌跡途中での速度変更時の振動発生を抑制することができる。

また、本実施形態では、第１の移動区間と第２の移動区間とを滑らかに接続するために、重ね合わせ処理を行うようにしている。重ね合わせ処理は、図４に示すように、第１の移動区間の減速部分と、第２の移動区間の加速部分とを重ね合わせて、第１の移動区間の動作が完全に終わる前に、次の第２の移動区間の動作を開始するものである。

これにより、第１の移動区間と第２の移動区間との接続点で瞬間停止することなく、第１の移動区間から第２の移動区間へとスムーズに移行することができる。

このように、第１の移動区間及び第２の移動区間が直線状の軌跡である場合には、図５に示すように、直交座標系成分のＸ、Ｙ、Ｚ方向の３成分について、補間前加減速及び重ね合わせ処理を行うことで、境界位置を滑らかに接続することができる。

次に、図６に示すように、第１の移動区間が円弧状の軌跡、第２の移動区間が第１の移動区間の円弧と同心且つ径が同じ円弧状の軌跡である場合について検討する。

まず、第１の移動区間及び第２の移動区間の軌跡上の点を補間計算することで、補間前加減速処理を行う。ここで、円弧補間動作において直交座標系成分のＸ、Ｙ、Ｚ方向の３成分を用いた補間前加減速や重ね合わせ処理を行うと、図７に示すように、加減速区間で円弧が歪み、理想的な軌跡を描くことができなくなる。

そこで、図８に示すように、円弧補間の加減速処理は、円弧中心からの距離Ｒを一定として、速度ベクトルを角度θ方向の極座標系成分とＺ方向の直交座標系成分の２成分に分割することで行う。このように、連続する２つの円弧区間の加減速処理を行うことで、動作開始・終了時や軌跡途中での速度変更時の振動発生を抑制することができる。

また、本実施形態では、第１の移動区間と第２の移動区間とを滑らかに接続するために、重ね合わせ処理を行うようにしている。重ね合わせ処理は、図９に示すように、第１の移動区間の減速部分と、第２の移動区間の加速部分とを重ね合わせて、第１の移動区間の動作が完全に終わる前に、次の第２の移動区間の動作を開始するものである。

これにより、第１の移動区間と第２の移動区間との接続点で瞬間停止することなく、第２の移動区間にスムーズに移行することができる。

このように、第１の移動区間及び第２の移動区間が同心且つ径が同じ円弧状の軌跡である場合には、図１０に示すように、極座標系成分のθ方向及び直交座標系成分のＺ方向の２成分について、補間前加減速及び重ね合わせ処理を行うことで、境界位置を滑らかに接続することができる。

以上説明した通り、ロボット１の軌跡精度を向上させるためには、第１の移動区間の軌跡と第２の移動区間の軌跡との組み合わせパターンに応じて、直交座標系成分又は極座標系成分の何れを用いて、補間前加減速及び重ね合わせ処理を行うのかを切り替える必要がある。

そこで、本実施形態では、第１の移動区間の軌跡と第２の移動区間の軌跡との組み合わせパターン、つまり、直線補間や円弧補間等の移動形態によって、直交座標系成分のＸ、Ｙ、Ｚ方向の３成分、又は極座標系成分のθ方向及び直交座標系成分のＺ方向の２成分のうち何れを選択するかを判定するようにしている。

具体的に、図２に示すように、制御部３５は、演算部３６と、判定部３７とを有する。演算部３６は、入力された情報に基づいて各種の演算を行うものである。例えば、演算部３６は、エンコーダ２２から取得できるモータ２１の位置情報や、速度及び加速度の情報等に基づいて、動力学トルクを演算する。演算部３６で算出されたトルクは、記憶部３４に送信されて記憶される。

判定部３７は、入力部３１で入力された動作プログラム内のパラメータに基づいて、第１の移動区間の軌跡と第２の移動区間の軌跡との組み合わせパターンを判定する。

例えば、判定部３７で判定された組み合わせパターンが、第１の移動区間が直線状の軌跡で、第２の移動区間が直線状の軌跡である場合に、演算部３６は、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の３成分について補間前加減速及び重ね合わせ処理を行う。

また、判定部３７で判定された組み合わせパターンが、第１の移動区間が円弧状の軌跡で、第２の移動区間が第１の移動区間の円弧と同心且つ径が同じ円弧状の軌跡である場合に、演算部３６は、θ、Ｚ方向の２成分について補間前加減速及び重ね合わせ処理を行う。

以下、その他の組み合わせパターンについて説明する。

図１１に示すように、第１の移動区間が直線状の軌跡で、第２の移動区間が円弧状の軌跡である場合について検討する。このように、直線補間と円弧補間が接続されている場合は、極座標形式での重ね合わせは不可能であるから、直交座標系成分Ｘ、Ｙ、Ｚでの重ね合わせを行う。

具体的に、第２の移動区間における円弧状の軌跡のθ方向の接線をＸ、Ｙ方向の２成分に分解する。その後、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の３成分について補間前加減速及び重ね合わせ処理を行う。

また、図１２に示すように、第１の移動区間が円弧状の軌跡で、第２の移動区間が直線状の軌跡である場合について検討する。この場合も同様に、円弧補間と直線補間が接続されており、極座標形式での重ね合わせは不可能であるから、直交座標系成分Ｘ、Ｙ、Ｚでの重ね合わせを行う。

具体的に、第１の移動区間における円弧状の軌跡のθ方向の接線をＸ、Ｙ方向の２成分に分解する。その後、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の３成分について補間前加減速及び重ね合わせ処理を行う。

これにより、直線補間と円弧補間とが接続されている場合に、境界位置を滑らかに接続することができる。

次に、図１３に示すように、第１の移動区間が円弧状の軌跡で、第２の移動区間が第１の移動区間の円弧とは中心が異なる円弧状の軌跡である場合について検討する。この場合には、円弧補間同士の組み合わせパターンであっても、極座標形式での重ね合わせができないため、直交座標系成分Ｘ、Ｙ、Ｚでの重ね合わせを行う。

具体的に、第１の移動区間及び第２の移動区間におけるそれぞれの円弧状の軌跡のθ方向の接線をＸ、Ｙ方向の２成分に分解する。その後、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の３成分について補間前加減速及び重ね合わせ処理を行う。

これにより、中心の異なる円弧補間同士が接続されている場合に、境界位置を滑らかに接続することができる。

以上説明したように、本発明は、ロボットの移動動作中に移動区間の境界部分を最適な軌跡で接続することができるという実用性の高い効果が得られることから、きわめて有用で産業上の利用可能性は高い。

１ ロボット
１０ ロボットアーム
３０ ロボット制御装置
３５ 制御部
３６ 演算部
３７ 判定部
Ｊ１～Ｊ６ 関節部

Claims (3)

1. 複数の関節部を有するロボットの動作を制御するロボット制御方法であって、
   前記ロボットが移動する第１の移動区間の軌跡と、該第１の移動区間に連続して次に移動する第２の移動区間の軌跡との組み合わせパターンを判定するステップと、
   前記組み合わせパターンに基づいて、直交座標系成分のＸ、Ｙ、Ｚ方向の３成分、又は極座標系成分のθ方向及び直交座標系成分のＺ方向の２成分のうち何れかを選択して補間前加減速を行うステップと、
   前記選択した座標系成分について移動区間の重ね合わせ処理を行うステップとを備え、
   前記組み合わせパターンが、前記第１の移動区間又は前記第２の移動区間の一方が直線状の軌跡で、他方が円弧状の軌跡である場合に、円弧状の軌跡のθ方向の接線をＸ、Ｙ方向の２成分に分解して、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の３成分について補間前加減速及び重ね合わせ処理を行うことを特徴とするロボット制御方法。
2. 複数の関節部を有するロボットの動作を制御するロボット制御方法であって、
   前記ロボットが移動する第１の移動区間の軌跡と、該第１の移動区間に連続して次に移動する第２の移動区間の軌跡との組み合わせパターンを判定するステップと、
   前記組み合わせパターンに基づいて、直交座標系成分のＸ、Ｙ、Ｚ方向の３成分、又は極座標系成分のθ方向及び直交座標系成分のＺ方向の２成分のうち何れかを選択して補間前加減速を行うステップと、
   前記選択した座標系成分について移動区間の重ね合わせ処理を行うステップとを備え、
   前記組み合わせパターンが、前記第１の移動区間が円弧状の軌跡で、前記第２の移動区間が該第１の移動区間の円弧とは中心が異なる円弧状の軌跡である場合に、それぞれの円弧状の軌跡のθ方向の接線をＸ、Ｙ方向の２成分に分解して、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の３成分について補間前加減速及び重ね合わせ処理を行うことを特徴とするロボット制御方法。
3. 複数の関節部を有するロボットの動作を制御するロボット制御方法であって、
   前記ロボットが移動する第１の移動区間の軌跡と、該第１の移動区間に連続して次に移動する第２の移動区間の軌跡との組み合わせパターンを判定するステップと、
   前記組み合わせパターンに基づいて、直交座標系成分のＸ、Ｙ、Ｚ方向の３成分、又は極座標系成分のθ方向及び直交座標系成分のＺ方向の２成分のうち何れかを選択して補間前加減速を行うステップと、
   前記選択した座標系成分について移動区間の重ね合わせ処理を行うステップとを備え、
   前記組み合わせパターンが、前記第１の移動区間が円弧状の軌跡で、前記第２の移動区間が該第１の移動区間の円弧と同心且つ径が同じ円弧状の軌跡である場合に、θ、Ｚの２成分について補間前加減速及び重ね合わせ処理を行うことを特徴とするロボット制御方法。

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