JPH09198120A

JPH09198120A - 工業用ロボットの制御装置

Info

Publication number: JPH09198120A
Application number: JP792296A
Authority: JP
Inventors: Yoshiko Matsuoka; 佳子松岡
Original assignee: Tokico Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-01-19
Filing date: 1996-01-19
Publication date: 1997-07-31

Abstract

(57)【要約】【課題】塗装試験や塗料の供給圧の制御等を行わなく
ても常に均質な作業を行うことができる工業用ロボット
の制御装置を提供する。【解決手段】コントローラ２は、予め与えられた教示
データに基づいて、マニピュレータ１を制御することに
より、塗装ガン３を移動させる。そして、その際に、塗
装ガン３に供給される塗料の流量を質量流量計４により
測定し、この測定された流量に基づいて塗装ガン３の移
動速度の制御を行うことで、塗料むら等のない均質な塗
装作業を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、シーリングロボ
ット、塗装ロボット等の工業用ロボットの制御装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】塗装ロボットによって塗装を行う場合に
は、塗装作業に先立ち、塗装ロボットに対して目標軌道
を教示する他、最適な動作速度を設定する必要がある。
そこで、従来は、目標軌道の教示を行った後、塗装試験
を繰り返し行うことにより動作速度を決定していた。ま
た、このように塗装試験を繰り返す方法以外の方法とし
て、塗料供給装置から供給する塗料の圧力をロボットの
動作速度に基づいて制御する方法が提案されている。な
お、このような動作速度の設定あるいは供給圧の制御
は、塗装ロボットだけでなく、シーリングロボットにお
いても同様に行われていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した２
種類の従来技術のうち前者のものは、動作速度を決定す
るために塗装試験等を繰り返すため、大量の塗料または
シール材を要するという問題があった。また、この場合
の動作速度を決定するための作業は、長時間に及ぶた
め、ロボットのオペレータは有機溶剤の雰囲気の中で長
時間過ごすことになり、危険を伴い、健康を害する要因
ともなっていた。

【０００４】一方、後者の従来技術は、定常状態におい
ては供給圧を適正値に制御することが可能であるが、供
給装置から塗工器ガン先（塗工器とは、一般に、塗装ガ
ンやシーリングノズルをさす）まで塗料が供給される間
の圧力損失、到達時間等の影響があるため、動作速度の
変化等に応じて塗料の供給量を迅速かつ正確に制御する
ことが困難であり、塗りむらを少なくすることが困難で
あるという問題があった。

【０００５】この発明は以上説明した事情に鑑みてなさ
れたものであり、作業試験や流体の供給圧の制御を行わ
なくても常に均質な作業を行うことができる工業用ロボ
ットの制御装置を提供することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
予め与えられた教示データに基づいて、塗工器を移動さ
せると共に塗工器に流体を供給することにより作業を行
うロボットの制御装置において、前記流体の流量を測定
する流量測定手段と、前記流量測定手段によって測定さ
れた流量に基づいて前記塗工器の移動速度の制御を行う
速度制御手段とを具備することを特徴とする工業用ロボ
ットの制御装置を要旨とする。

【０００７】請求項２に係る発明は、前記流量測定手段
は、前記塗工器近傍での前記流体の流量を測定すること
を特徴とする請求項１記載の工業用ロボットの制御装置
を要旨とする。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照し、本発明の実
施の形態について説明する。図１は本発明の一実施形態
である塗装ロボットシステムの構成を示すものである。
このシステムは、マニピュレータ１と、このマニピュレ
ータ１の動作を制御するためのコントローラ２と、マニ
ピュレータ１の手首先端に設けられた塗装ガン３と、塗
料を供給する塗料供給装置６とにより構成されている。

【０００９】ここで、マニピュレータ１は、固定ベース
７、旋回ベース８、第１アーム９、第２アーム１０およ
び手首部１１により構成されており、これらを連結する
各関節の角度θ₁〜θ₆を調節することにより塗装ガン３
の位置および姿勢が決定されるようになっている。

【００１０】マニピュレータ１の第２アーム１０には、
質量流量計４および色替えバルブ５が搭載されている。
ここで、色替えバルブ５には、上述の塗料供給装置６か
らケーブル１５を介して複数色の塗料が供給される。そ
して、色替えバルブ５の開閉切替えにより任意の色の塗
料が選択され、塗装ガン３に供給される。この塗装ガン
３に供給される塗料の質量流量は質量流量計４によって
計測される。

【００１１】コントローラ２は、マニピュレータ１の上
記関節角度θ₁〜θ₆を表す情報をケーブル１２および１
３を介して検知し、これらの情報に基づき、塗装ガン３
等、マニピュレータ１の各部の位置および姿勢を常時監
視する。また、コントローラ２は、質量流量計４によっ
て計測される塗料の質量流量をケーブル１４を介して常
時監視する。そして、コントローラ２は、これらの監視
結果に基づき、マニピュレータ１の制御を行う。すなわ
ち、コントローラ２は、塗装ガン３の先端を予め教示さ
れた目標軌道に沿って最適な動作速度で移動させるため
の各種制御信号を上記監視結果に基づいて生成し、マニ
ピュレータ１に送る。

【００１２】次に本実施形態の動作について説明する。
本実施形態におけるコントローラ２は、一定のサンプリ
ング周期（例えば５ｍｓ）毎に、マニピュレータ１の制
御のためのルーチンを実行する。図２および図３はこの
制御のフローを例示したものであり、図２は塗装ガンを
図４に示すような軌道（塗装中のみ等速直線軌道）に沿
って移動させる場合の制御フロー、図３は塗装ガンを図
５に示すような曲線軌道に沿って移動させる場合の制御
フローを各々示している。

【００１３】最初に、図４に示す軌道に沿って塗装ガン
を移動させる場合の動作について説明する。図４におい
て、実線で表した直線部分は、塗料オンの状態で塗装ガ
ンを移動させる軌道、すなわち、塗装ガンを移動させる
ことによりワークに対して塗装作業を行う塗装軌道を表
している。また、破線によって表した曲線部分は塗料オ
フの状態で塗装ガンを移動させる遷移軌道である。これ
らの塗装軌道および遷移軌道により目標軌道が構成され
ている。Ｐ_i（ｉ＝０，１，２，…）は、目標軌道上の
代表点（以下、教示点という）である。コントローラ２
は、これらの各教示点の位置を記憶しており、隣接する
各教示点Ｐ_iおよびＰ_i+1の間は直線であるとみなして、
塗装ガンを目標軌道に沿って移動させるための制御を行
う。

【００１４】次に図２のフローを参照し、このコントロ
ーラ２の動作を説明する。この制御フローは、既に説明
したように一定のサンプリング周期毎に繰り返し起動さ
れるものであるが、この起動の都度、サンプルカウンタ
ｋが１ずつインクリメントされる。このサンプルカウン
タｋの値は、この制御フローが起動された回数を表して
いるため、各種変数の時系列的な管理に使用する。例え
ば本制御フローでは塗装ガンの目標位置を１次元配列Ｘ
ｒ（ｎ）に記憶させるようにしているが、Ｘｒ（ｋ）は
現在の塗装ガンの目標位置、Ｘｒ（ｋ−１）は制御フロ
ーを前回実行した際（以下、便宜上、１サンプル前とい
う表現を用いる）の目標位置、という取扱い方をする。
また、このサンプルカウンタｋは塗装ガンが教示点を通
過する毎にクリアされるが、その際に教示点カウンタＬ
が１ずつインクリメントされる。この教示点カウンタＬ
は、直前に通過した教示点の番号（例えば教示点Ｐ₂に
おける２）を指示するポインタとして使用される。以上
の前提の下で図２の制御フローに沿って動作説明を行
う。

【００１５】まず、コントローラ２は、新たなサンプリ
ング周期の開始によりこの制御フローを開始すると、塗
装ガンの現在位置Ｘ（ｋ）等、マニピュレータ１の各部
の位置および姿勢を検出すると共に質量流量計４により
計測された質量流量Ｑを検出する（ステップＳ１）。

【００１６】次に１サンプル前の塗装ガンの目標位置Ｘ
ｒ（ｋ−１）が教示点Ｐ_L+1を通過しているかどうか判
断する（ステップＳ２）。ここで、塗装ガンが例えば教
示点Ｐ₀から教示点Ｐ₁に向う塗装軌道上にあるものとす
ると、直前に通過した教示点はＰ₀であるため、教示点
カウンタＬの値は０となっている。従って、この例の場
合、ステップＳ２においては１サンプル前の塗装ガンの
目標位置Ｘｒ（ｋ−１）が教示点Ｐ₁を通過しているか
否かを判断することとなる。このステップＳ２の判断結
果が「ＮＯ」である場合にはステップＳ３からステップ
Ｓ５までの処理を行うことなくステップＳ６に進む。

【００１７】次にステップＳ６に進むと、塗装ガンの現
在位置が図２の破線で示す遷移軌道上にあるか否かを判
断する。そして、この判断結果が「ＹＥＳ」である場合
には、通常の加減速制御により塗装ガンの現在の目標位
置Ｘｒ（ｋ）を算出する（ステップＳ７）。

【００１８】これに対し、ステップＳ６の判断結果が
「ＹＥＳ」である場合、すなわち、塗装ガンが塗装軌道
上にあり、現在、塗装中である場合には、下記式（１）
の演算により目標位置Ｘｒ（ｋ）を算出する（ステップ
Ｓ８）。Ｘｒ（ｋ）＝Ｘｒ（ｋ−１）＋Ｑ・Ｃ・Ｖ ……（１）上記式（１）において、Ｑは上記ステップＳ１において
取得した塗料の質量流量であり、Ｃは所定の定数であ
る。また、Ｖは塗装ガンの進行すべき方向を定める方向
ベクトルであり、塗装ガンが教示点Ｐ₀およびＰ₁間の塗
装軌道上にあるときにはＰ₀からＰ₁へ向う単位ベクトル
が方向ベクトルＶとして設定される。なお、この方向ベ
クトルＶを求める演算については後述する。

【００１９】この式（１）の演算によれば、質量流量Ｑ
が少ないときには、それまでの目標位置Ｘｒ（ｋ−１）
の近くに新たな目標位置Ｘｒ（ｋ）が定められ、質量流
量Ｑが多いときには、それまでの目標位置Ｘｒ（ｋ−
１）から離れた位置に新たな目標位置Ｘｒ（ｋ）が定め
られる。このようにすることで、塗装ガンが塗装軌道上
を移動する際の移動速度を塗料の質量流量に応じた適切
な速度とすることができ、塗装むら等のない均質な塗装
作業を行うことができる。すなわち、塗料の質量流量が
多くなると塗装ガンから単位時間に噴射される塗料の量
が多くなるため、塗装むらをなくすためには塗装ガンの
移動速度を大きくする必要があるが、本実施形態では上
記式（１）の演算によりこの速度制御を行っているので
ある。

【００２０】このようにしてステップＳ７またはＳ８が
終了すると、ステップＳ９に進み、塗装ガンの現在位置
Ｘ（ｋ）と目標位置Ｘｒ（ｋ）とに基づいてマニピュレ
ータ１の制御量Ｕ（ｋ）を算出する。そして、このステ
ップＳ９において求めた制御量Ｕ（ｋ）をマニピュレー
タ１に出力する（ステップＳ１０）。次いで現在の目標
位置Ｘｒ（ｋ）を次回の計算のために１サンプル前の目
標位置Ｘｒ（ｋ−１）に代入し処理を終了する（ステッ
プＳ１１）。

【００２１】以上の処理が、サンプリング周期が切り換
わる毎に実行される。この結果、例えば塗装ガンが教示
点Ｐ₀およびＰ₁間の塗装軌道上にあるときには、以上の
処理が繰り返し実行されることにより、目標位置Ｘｒ
（ｋ）がＰ₀からＰ₁へ向かう方向に順次移動し、この目
標位置Ｘｒ（ｋ）に従って塗装ガンが移動してゆく。こ
の塗装軌道に沿った移動が行われる間は、上記ステップ
Ｓ８が実行されるため、塗料の質量流量に応じた塗装ガ
ンの移動速度の制御が行われる。そして、１サンプル前
の塗装ガンの目標位置Ｘｒ（ｋ−１）が教示点Ｐ
_L+1（上記例では教示点Ｐ₁）を通過すると、図２の制御
フローのステップＳ２を実行した際にその判断結果が
「ＹＥＳ」となり、コントローラ２は以下の処理を行う
こととなる。

【００２２】まず、教示点用カウンタＬを１だけインク
リメントする（ステップＳ３）。次いで１サンプル前の
目標位置Ｘｒ（ｋ−１）をこのインクリメントされたＬ
に対応した教示点Ｐ_Lに変更する（ステップＳ４）。す
なわち、目標位置Ｘｒ（ｋ−１）が教示点Ｐ₁を通過し
た場合には、ステップＳ３の実行によりＬ＝１となり、
１サンプル前の目標位置Ｘｒ（ｋ−１）を今回通過した
教示点Ｐ₁に変更することとなる。次に教示点Ｐ_Lから教
示点Ｐ_L+1に至る経路が図２に実線で示す塗装軌道であ
るか否かを判断し、塗装軌道である場合には、教示点Ｐ
_Lから教示点Ｐ_L+1までの方向ベクトルＶを算出する（ス
テップＳ５）。

【００２３】ここで、塗装ガンが教示点Ｐ₁を通過した
後は、塗装ガンは遷移軌道上にある。従って、ステップ
Ｓ５では方向ベクトルの演算は行わないこととなる。こ
の場合、ステップＳ６を介してステップＳ７に進み、通
常の加減速制御により現在の目標位置Ｘ（ｒ）を算出す
る。そして、塗装ガンの現在位置Ｘ（ｋ）と目標位置Ｘ
ｒ（ｋ）とに基づいてマニピュレータ１の制御量Ｕ
（ｋ）を算出し（ステップＳ９）、この制御量Ｕ（ｋ）
をマニピュレータ１に出力し（ステップＳ１０）、目標
位置Ｘｒ（ｋ）を１サンプル前の目標位置Ｘｒ（ｋ−
１）に代入し処理を終了する（ステップＳ１１）。

【００２４】塗装ガンが遷移軌道上にある場合には、以
上の処理が繰り返され、通常の加減速制御（ステップＳ
７）により塗装ガンの移動制御が行われる。

【００２５】そして、塗装ガンの目標位置Ｘｒ（ｋ）が
教示点Ｐ₂を通過すると、図２の制御フローのステップ
Ｓ２を実行した際にその判断結果が「ＹＥＳ」となる。
この結果、次の動作が行われる。

【００２６】まず、教示点カウンタＬを１だけインクリ
メントし、Ｌ＝２とする（ステップＳ３）。次いで１サ
ンプル前の目標位置Ｘｒ（ｋ−１）をこのインクリメン
トされたＬ（＝２）に対応した教示点Ｐ₂に変更する
（ステップＳ４）。次に教示点Ｐ_Lから教示点Ｐ_L+1に至
る経路、すなわち、教示点Ｐ₂から教示点Ｐ₃に至る経路
が塗装軌道であるか否かを判断する。そして、この判断
結果は「ＹＥＳ」となるため、下記式（２）の演算によ
り、教示点Ｐ_Lから教示点Ｐ_L+1までの方向ベクトルＶを
算出する（ステップＳ５）。Ｖ＝（Ｐ_L+1−Ｐ_L）／｜Ｐ_L+1−Ｐ_L｜ ……（２）ただし、上記式において、Ｐ_LおよびＰ_L+1は、教示点Ｐ
_Lおよび教示点Ｐ_L+1の位置ベクトルを各々表している。

【００２７】このようにして、教示点Ｐ₂から教示点Ｐ₃
へ向う方向の単位ベクトルが方向ベクトルＶとして求め
られる。そして、既に説明した塗装軌道における塗装ガ
ンの移動制御が行われ、その際、上記ステップＳ８が実
行されることにより、塗料の質量流量に応じた塗装ガン
の移動速度の制御が行われる。

【００２８】以後、同様な制御が繰り返され、図４に示
す目標軌道に従って塗装ガンの移動および塗装作業が行
われる。

【００２９】次に、図３を参照し、図５に示すような曲
線状の塗装軌道に沿って塗装を行う場合のコントローラ
２の動作について説明する。

【００３０】この図３に示す制御フローはマクロ的に見
れば図２に示す制御フローと共通しており、図３におけ
るステップＳ１０１〜Ｓ１１０が図２におけるステップ
Ｓ１〜Ｓ１０と各々対応している。ただ、図３の制御フ
ローでは、塗装ガンを曲線に沿って滑らかに移動させる
ため、ステップＳ１０５、Ｓ１０７およびＳ１０８の内
容がステップＳ５、Ｓ７およびＳ８と異なっている。従
って、ここでは、この変更を行ったステップの処理内容
のみを説明する。なお、この制御フローでは、上述した
図２の制御フローと同様、教示点カウンタＬおよびサン
プルカウンタｋを使用するが、サンプルカウンタｋの更
新はステップＳ１０７およびＳ１０８において行われ、
その取扱いが図２の制御フローと大きく異なっている。
この点はこれらの各ステップの処理内容の説明の際に述
べる。

【００３１】まず、ステップＳ１０５について説明す
る。前述したステップＳ５では教示点の通過に対応して
方向ベクトルの算出を行った。これに対し、この図３に
示す制御フローにおいては、このような教示点通過毎の
移動方向の制御は行わず、塗装ガンを常に予め教示され
た曲線状の目標軌道に沿って移動させる。しかしなが
ら、コントローラ２が曲線上の目標軌道全体を表す情報
を記憶して塗装ガンの移動制御に使用することは困難で
ある。そこで、この制御フローでは、コントローラ２
は、上述した図２の制御フローの場合と同様、目標軌道
上の代表点である教示点のみを記憶し、塗装ガンが教示
点を通過した時点でその教示点とその次に塗装ガンが向
うべき教示点とを結ぶ曲線状の目標軌道を求め、次の教
示点まではこの目標軌道に従って塗装ガンの移動制御を
行う。

【００３２】さらに詳述すると、この制御フローにおい
ては、今回通過した教示点と次に通過すべき教示点との
間の曲線状の目標軌道を下記式（３）に示す時刻ｔにつ
いてのｍ次多項式によってモデリングする。Ｘｒ（ｋ）＝ａ_mｔ^m＋ａ_m-1ｔ^m-1＋……＋ａ₁ｔ＋ａ₀ ……（３）

【００３３】そして、ステップＳ１０５では、上記多項
式によって表される曲線が以下の条件を満たすよう各項
の係数ａ₀〜ａ_m（これらは各々３次元空間内において固
定された位置ベクトルである。）を定める。ａ．時刻ｔに０を代入した場合のＸｒ（ｋ）が今回通過
した教示点に一致することｂ．時刻ｔに１を代入した場合のＸｒ（ｋ）が次回通過
すべき教示点と一致することｃ．折れのない滑らかな曲線となること

【００３４】次にステップＳ１０７について説明する。
このステップＳ１０７でも、前述したステップＳ７と同
様、塗装ガンを遷移軌道に沿って移動させるための制御
を実行する。ただし、この制御フローでは上記ステップ
Ｓ１０５で求めた曲線状の遷移軌道に沿って塗装ガンの
移動を行わせるため、ステップＳ１０７では次の処理を
実行する。まず、サンプルカウンタｋを１だけインクリ
メントする。次いでこのカウント値ｋと、遷移軌道の始
点である教示点から終点の教示点までの塗装ガンの全移
動時間Ｔ（所定の標準値）と、これを無次元化した値Ｎ
（Ｎ＝Ｔ／ＴｓＴｓ：サンプリング周期の時間長）とを
用いて、現在の時刻ｔを下記式（４）により求める。ｔ＝（ｋ／Ｎ）Ｔ ……（４）そして、このｔを式（３）に代入して現在の目標位置Ｘ
ｒ（ｋ）を算出する。

【００３５】この処理がサンプリング周期が切り換わる
毎に実行される結果、時刻ｔおよび塗装ガンの目標位置
Ｘｒ（ｋ）は次のような挙動をすることとなる。まず、
教示点を通過する際には教示点カウンタＬのインクリメ
ントと共にサンプルカウンタｋがクリアされるため、時
刻ｔは０となる。従って、この時点における塗装ガンの
目標位置Ｘｒ（ｋ）は、遷移軌道の始点である教示点と
一致している。その後、この制御フローが起動される毎
に、ｋがインクリメントされ（ステップＳ１０７）、ｔ
はＴ／Ｎ＝Ｔｓずつ順次増加してゆく。従って、この
間、目標位置Ｘｒ（ｋ）は上記式（３）によって表され
る遷移軌道（曲線軌道）上を順次進んでゆくこととな
る。そして、ｋ＝Ｎとなると、上記式（４）の演算によ
りｔ＝Ｔとなる。この結果、塗装ガンの目標位置Ｘｒ
（ｋ）は、遷移軌道の終点の教示点に到達することとな
る。このような制御により、目標位置Ｘｒ（ｋ）が遷移
軌道に沿って進められる。

【００３６】次にステップＳ１０８について説明する。
このステップＳ１０８では塗装ガンの移動速度が塗料の
質量流量に応じた適切な速度となるよう時刻ｋの増加の
制御を行う。すなわち、遷移軌道上の移動制御を行う前
述のステップＳ１０５ではｋを単調に１ずつ増加させた
のに対し、このステップＳ１０８では、下記の演算によ
りサンプルカウンタｋの値を変更する。ｋ＝ｋ＋Ｑ・Ｔｕ／Ｔ ……（５）

【００３７】これは、前述したステップＳ８と同様、質
量流量が多くなると単位時間に噴出される塗料の量が多
くなり、塗膜が厚くなるので、時刻を示すカウンタｋを
大きく進めることにより、塗装ガンの移動速度を高める
ものである。なお、Ｔｕは所定の定数である。

【００３８】そして、このようにして求めたｋの値を前
掲式（４）に代入してｔを求め、このｔを前掲式（３）
に代入して目標位置Ｘｒ（ｋ）を算出する。このように
することで、塗装ガンが塗装軌道上を移動する際の移動
速度を塗料の質量流量に応じた適切な速度とすることが
でき、塗装むら等のない均質な塗装を行うことができ
る。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１に係る発
明によれば、塗工器に供給する流体の流量に基づいて塗
工器の動作速度の制御を行うので、塗工器の動作速度を
決定するための試験を行う必要がない。従って、以下の
効果が得られる。（１）流体の消費量が少なくて済み、生産コストを低減
することができる。（２）オペレータが、長時間、ロボット近くで作業する
必要がなく、安全性が向上する。（３）教示時間が短縮されることにより、ロボット稼働
時間が長くなり、生産性が向上する。また、請求項２に係る発明によれば、塗工器近傍での流
体の流量を検出し、動作速度の制御を行うので、過渡的
な液だまりや、流体がこれを供給する装置から塗工器に
至るまでの圧損を補正することができるため、常に塗膜
厚さ等を一定に保つことができ、作業の品質が向上する
という効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態である塗装ロボットシステ
ムの構成を示す図である。

【図２】同実施形態の第１の動作例を示すフローチャー
トである。

【図３】同実施形態の第２の動作例を示すフローチャー
トである。

【図４】上記第１の動作例における目標軌道を示す図で
ある。

【図５】上記第２の動作例における目標軌道を示す図で
ある。

【符号の説明】

１マニピュレータ（ロボット）２コントローラ（速度制御手段）３塗装ガン（塗工器）４質量流量計（流量測定手段）５色替えバルブ６塗料供給装置７固定ベース８旋回ベース９第１アーム１０第２アーム１１手首１２〜１５ケーブル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】予め与えられた教示データに基づいて、
塗工器を移動させると共に該塗工器に流体を供給するこ
とにより作業を行うロボットの制御装置において、前記流体の流量を測定する流量測定手段と、前記流量測定手段によって測定された流量に基づいて前
記塗工器の移動速度の制御を行う速度制御手段とを具備
することを特徴とする工業用ロボットの制御装置。
【請求項２】前記流量測定手段は、前記塗工器近傍で
の前記流体の流量を測定することを特徴とする請求項１
記載の工業用ロボットの制御装置。