JPH11134012A - 軌跡誤差補正機能を有するロボット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 重力の影響等を考慮しないで作成された動作
プログラムの再生運転時に、軌跡を補正出来るロボッ
ト。 【解決手段】 ロボット制御装置のＣＮＣとしての通常
機能に基づく出力である各軸位置指令値には、誤差補正
が施される。誤差補正量は補間周期毎にロボットの姿勢
と、各軸モーメントと誤差量の関係式から求められる。
補正量の足し込みは、フィルタリングを行なった上で行
なわれる。フィルタの伝達関数は、１／｛Ｋ＊（Ａ／Ｋ
＊Ｓ＋１）｝とされる（Ａ；動摩擦係数、Ｋ；ばね定
数）である。フィルタリングを施された指令はサーボ制
御の入力とされ、補正された位置指令を入力とするサー
ボ制御が実行され、重力モーメントや慣性力によるアー
ムの撓み、回転機構部の歪みやバックラッシュのガタ、
遊び等の影響により生じる軌跡誤差が補償される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は産業用ロボット（以
下、単に「ロボット」と言う。）に関し、更に詳しく言
えば、重力等の影響によって生じる軌跡誤差を補正する
機能を備えたロボットに関する。

【０００２】

【従来の技術】例えばロボットにオフライン教示を行
い、それに基づいて再生動作を行なった場合、重力モー
メントや慣性力によるアームの撓み、減速機を含む回転
機構部の弾性的な歪みやバックラッシュのガタ、遊び等
の影響により、コンピュータ上のロボットモデルと実際
のロボットの差異を反映した軌跡誤差が生じる。即ち、
オフラインで作成された動作プログラムに指定された教
示点の位置と実際のロボット先端位置（通常はツール先
端点の位置）の間にずれが生じる。

【０００３】従来は、これを補正するため、オフライン
教示の再生運転を行なってロボットを教示点あるいはそ
の近傍まで移動させ、更にロボット先端位置の調整（細
かいジョグ送り）を行ない、実際に希望する位置がロボ
ットに教示されるように教示点の位置データの修正を行
なうことが通例であった。しかし、このような教示点位
置修正の作業は、多大な時間とロボット操作の熟練を要
し、作業者にとって大きな負担となっていた。

【０００４】また、この方法では、教示点間の軌跡につ
いて上記誤差を減殺する効果を確実に期待することは出
来ない。何故ならば、重力の影響等の要因は教示点間の
軌跡上の諸点でロボット姿勢に応じて様々に変化する
が、教示点修正に伴うプログラム上の経路修正では、そ
のように変動する要因で発生する軌跡誤差を補正するに
は不十分（粗い）と考えられるからである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明の目的
は、教示点間の軌跡に関しても、上記重力の影響等の要
因で発生する軌跡誤差を積極的に補正する機能を備えた
ロボットを提供することにある。また、そのことを通し
てロボットを操作する作業者の負担を軽減し、作業の効
率を改善することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、動作プログラムの再生運転時に、少なく
とも一つのロボット軸について、動作プログラムに基づ
いて作成された指令を補正してサーボ制御系へ渡すよう
にしたものである。その際の補正は、少なくとも前記ロ
ボット軸にかかる重力モーメントによって発生する誤差
を補償する。

【０００７】本発明の好ましい形態においては、ロボッ
トの姿勢に応じて変化するモーメントが少なくとも一つ
のロボット軸について計算され、更に、モーメントと誤
差発生量を記述する関係を用いて前記少なくとも一つの
ロボット軸について誤差量が求められる。

【０００８】モーメントと誤差量を記述する関係にヒス
テリシスが存在する場合には、誤差量の計算時にトルク
０の通過時の符号方向性に応じて前記ヒステリシスに関
連した関係選択がなされる。また、サーボ制御系へ指令
を渡す際には、誤差補正を行なうロボット軸について、
動摩擦と弾性を考慮したフィルタリングが施されること
が好ましい。

【０００９】補正される誤差には、重力モーメントによ
るアームの撓みの他に、慣性力によるアームの撓み、回
転機構部のバックラッシュのガタ、遊び等の影響により
生じる誤差を含ませることも可能である。

【００１０】本発明によれば、重力の影響で生じる誤差
が考慮されていない動作プログラムの再生運転につい
て、重力に起因した回転機構部の歪み、アームの撓み、
あるいはそれに加えて慣性力によるアームの撓み、回転
機構部のバックラッシュのガタ、遊び等の影響に由来す
る軌跡誤差が、リアルタイムで自動的に補正される。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は、本発明が適用されるロボ
ットを含むシステムのハードウェア構成を例示した要部
ブロック図である。同図に示したように、全体を符号３
０で指示したロボット制御装置は、負荷重量物１０をア
ーム先端部１に取り付けたロボットＲＢを制御する。ロ
ボット先端の位置を代表する点であるツール先端点ＴＣ
Ｐは、負荷重量物１０の付近に設定されている。

【００１２】ロボット制御装置３０はホストＣＰＵ３
１、共有ＲＡＭ３２、サーボＣＰＵ３３、サーボアンプ
３４、メモリ３５、教示操作盤用インターフェイス３６
並びに一般外部装置用の入出力装置３８を備えている。
メモリ３５は、システムプログラムが格納されたＲＯ
Ｍ、データの一時記憶用のＲＡＭ、及びロボットＲＢの
動作を定めた各種プログラムデータを格納した不揮発性
メモリを含んでいる。

【００１３】教示操作盤用インターフェイス３６に接続
された教示操作盤３７は、プログラムデータの入力、修
正、登録や、手動送り（ジョグ送り）指令、再生運転指
令等のマニュアル入力に利用される。また、外部装置用
入出力装置３８にはオフラインプログラミング装置４０
の他、アプリケーションに応じた各種外部装置（例え
ば、溶接ロボットであれば溶接用電力電源装置など）が
接続される。

【００１４】再生運転あるいは手動送り（ジョグ送り）
の実行時には、ホストＣＰＵ３１はロボットＲＢの各軸
に対する移動指令を作成し、誤差補正を行なった上で共
有ＲＡＭ３２へ出力する。サーボＣＰＵ３３はこれを短
周期で読み出し、ロボット各軸の位置検出器（パルスコ
ーダ）から送られてくる位置信号（フィードバック）信
号に基づいてサーボ処理を実行し、各軸のサーボアンプ
３４に電流指令を出力し、ロボット各軸のサーボモータ
を駆動する。

【００１５】また、サーボＣＰＵ３３はロボット各軸の
位置検出器（パルスコーダ）から送られてくる位置信号
（フィードバック）信号に基づいてロボット各軸の現在
位置を周期的に共有ＲＡＭ３２に書き込む。

【００１６】ここで重要なことは、各軸に対する移動指
令に対して本発明の特徴に従った誤差補正が行なわれる
ことであり、その他の構成と機能については通常のロボ
ットシステムのそれと特に変わらない。なお、誤差補正
を行なうための処理を定めたプログラムデータ及び関連
設定値は、予めメモリ３５に格納される。

【００１７】また、重力の影響等が考慮されていない動
作プログラムとしては、オフラインプログラミング装置
４０上で作成され、ロボット制御装置３０に転送された
オフラインプログラムを考える。以下、ロボット制御装
置３０に転送されたオフラインプログラムの再生運転時
に行なう誤差補正に関して、順を追って説明する。

【００１８】本発明が、軌跡上で除去しようとする誤差
は、各軸で駆動されるアームの撓み、回転機構部の歪み
あるいはバックラッシュのガタ、遊び等に由来するもの
であるが、これら誤差要因は、各軸にかかるモーメント
の大きさにほぼ依存しているものと考えられる。そこ
で、各軸で生じる誤差の大きさを評価するための前提と
して、モーメントの大きさと、それによって発生する誤
差量との関係をなんらかの形でロボット制御装置３０に
予め与えておく。

【００１９】２つの変量の関係をロボットに記憶させる
方法には、一般に種々のものが知られている。従って、
２つの変量をモーメントと誤差として、それら方法を適
宜利用すれば良い。ここでは、例として、（１）実測に
基づくモーメント−誤差関係の記憶、（２）強いばねと
弱いばねを組み合わせたモデルに基づくモーメント−誤
差関係の記憶、について簡単に説明する。

【００２０】（１）実測の基づくモーメント−誤差関係
の記憶 図２は、ロボットの１つの軸（例えば第３軸）につい
て、モーメント−誤差関係を表わしたグラフの一例であ
る。横軸はモーメントをｋｇｍ単位で表わしており、縦
軸はその軸で駆動されるアーム（機体部分）に発生する
誤差量を分単位の角度で表わしている。一般に、モーメ
ントと誤差の関係にはヒステリシスが存在することが知
られており、本グラフもそれを前提に作成されている。

【００２１】図示されているように、グラフ全体は、モ
ーメント＝０の状態からの初期推移を表わす部分ｈ0
と、モーメントが負から正へ向かう方向へ変化する場合
の特性を表わす部分ｈ+ と、モーメントが正から負へ向
かう方向へ変化する場合の特性を表わす部分ｈ- から構
成されている。

【００２２】各部分ｈ0 、ｈ- 、ｈ+ に沿って分布して
いる×印は実測で得られたデータを表わしており、ｈ0
、ｈ- 、ｈ+ はそれらデータから公知の推定法（例え
ば最小２乗近似）に従って作成される。×印で示した実
測データは、各軸アームの先端部に既知の力を掛け、そ
れに伴う各軸アームの先端部の変位を角度で計測するこ
とで得られる。

【００２３】各部分ｈ0 、ｈ- 、ｈ+ の内、実際に使用
されるのは通常ｈ- とｈ+ であるから、ｈ- 、ｈ+ のデ
ータをロボット制御装置３０に入力すれば良い。ｈ- 、
ｈ+のデータ形式には種々のものが考えられる。例え
ば、ｈ- 、ｈ+ を近似表現する関数式のパラメータ（例
えば多項式近似における係数と定数項、あるいは折れ線
関数を規定する諸パラメータなど）や、ｈ- 、ｈ+ を数
値テーブル化したものが考えられる。

【００２４】いずれにしても、各軸について、これらモ
ーメント−誤差関係のデータがロボット制御装置３０に
予め入力される。なお、誤差補正を一部の軸（例えば、
誤差が大きくなり易い第２軸と第３軸）についてのみ適
用する場合には、モーメント−誤差関係のデータは、そ
れら軸のみについて用意すれば良いことは言うまでもな
い（形式的に誤差＝０の恒等関数を設定しても良い）。

【００２５】（２）強弱ばねの組み合わせモデルに基づ
くモーメント−誤差関係の記憶 図３は、図２と同様の形式でロボットの１つの軸（例え
ば第３軸）について、モーメント−誤差関係を表わした
グラフの別の例である。横軸はモーメントをｋｇｍ単位
で表わしており、縦軸はその軸で駆動されるアーム（機
体部分）に発生する誤差量を分単位の角度で表わしてい
る。

【００２６】本グラフに相当するデータは、ロボットの
減速機を含む回転機構部の機械的な特性を表わす仕様の
一部として用意されることが多い。本例は、強弱ばねの
組み合わせモデルに基づいており、モーメントの絶対値
が比較的小さい範囲では、強いばねでモーメント−誤差
関係が表現され、モーメントの絶対値が比較的大きな範
囲では、弱いばねでモーメント−誤差関係が表現されて
いる。

【００２７】また、モーメント＝０の周りの一定範囲
（−μ1 〜μ1 ）では、ヒステリシスの存在が表現され
ており、モーメントに対する誤差量を表わす関数がｆ+
とｆ-に分かれている。関数ｆ+ は、モーメントが負か
ら正へ向かう方向へ変化する場合の誤差量を表わす一
方、関数ｆ- は、モーメントが正から負へ向かう方向へ
変化する場合の誤差量を表わしている。本例のグラフで
は、本例の場合も、図２のグラフと同様のデータ形式に
より、各軸（全軸あるいは一部の軸）について、これら
モーメント−誤差関係のデータがロボット制御装置３０
に予め入力される。

【００２８】上記の如く、ロボット制御装置３０にモー
メント−誤差関係を記憶させておくことにより、各軸に
かかるモーメントが判れば、各軸に発生する誤差量が推
定出来ることになる。そして、各軸にかかるモーメント
は、ロボットの構造パラメータ（アーム長、アーム質量
など）、負荷重量の表現パラメータ（負荷重量値、質量
中心位置など）が分かっていれば、ロボット姿勢（各軸
の位置）から計算することが出来る。

【００２９】図４は、ベース側から順に第１軸Ｊ１、第
２軸Ｊ２・・・第６軸Ｊ６を持つロボットの各軸Ｊ１〜
Ｊ６のモータにかかるモーメントをロボット姿勢の関数
として計算する手法を説明するための図である。ここに
記す手法は、各軸で必要とされるモーメントトルクを手
先側から順にリンク毎の釣合い条件から求めるものであ
る。

【００３０】本図を参照して計算手順を計算式で記せば
次のようになる。なお、本図における軸構成と関連諸量
の描示は、適宜簡略化し、Ｊ３軸を中心に例示的に行な
った。

【００３１】１．Ｊ６軸のモータにかかる重力モーメン
ト＝負荷重量値＊Ｊ６軸の回転中心から負荷重量の質量
中心までの距離 ２．Ｊ５軸のモータにかかる重力モーメント＝Ｊ６軸の
モータにかかる重力モーメント＋（ｌ５＊Ｊ５軸アーム
の質量＊SIN θ5 ） ３．Ｊ４軸のモータにかかる重力モーメント＝Ｊ５軸の
モータにかかる重力モーメント＋（ｌ４＊Ｊ４軸アーム
の質量＊SIN θ4 ） ４．Ｊ３軸のモータにかかる重力モーメント＝Ｊ４軸〜
Ｊ６軸によるモーメント＋（ｌ３＊Ｊ３軸アームの質量
＊SIN θ3 ） ５．Ｊ２軸のモータにかかる重力モーメント＝Ｊ３軸の
モータにかかる重力モーメント＋（ｌ２＊Ｊ２軸アーム
の質量＊SIN θ2 ） 上記各式において、ｌi はＪｉ軸の回転中心からＪｉ軸
で駆動される機体部分の重心位置までの距離で、予めロ
ボット制御装置３０に設定される。負荷重量値、Ｊ６軸
の回転中心から負荷重量の質量中心までの距離、アーム
質量等も同様に予めロボット制御装置３０に設定され
る。θ2 〜θ5 は水平方向を基準にして表現された各軸
の角度位置で、ロボットの移動中の各時点（計算処理周
期ＩＴＰ毎）に現在位置から求められる。

【００３２】次に、以上の事項を前提に、本実施形態に
おける各軸の制御について説明する。図５は、各軸に関
する制御の要点をブロック図で表わしたものである。本
図に示したように、ロボット制御装置３０のＣＮＣとし
ての通常機能に基づく出力である移動指令（各軸位置指
令値）は、誤差補正が施された上でサーボ制御系に入力
される。誤差補正は、補正量の足し込みで行なわれる
が、各軸について計算される誤差量をそのまま足し込む
のではなく、適当なフィルタリングを行なったものが足
し込まれる。

【００３３】このフィルタリングについては、次のよう
に考える。今、ある軸の動摩擦係数をＡ、ばね定数を
Ｋ、誤差量をΔθで表わすと、次式（１）の関係が成立
する。

【００３４】

【数１】 伝達関数の関係式は、 Δθ＝重力／｛Ｋ＊（Ａ／Ｋ＊Ｓ＋１）｝ ・・・（２） となり、フィルタの伝達関数は、１／｛Ｋ＊（Ａ／Ｋ＊
Ｓ＋１）｝となる（Ｓはラプラス演算子）。

【００３５】このように、フィルタリングの趣旨は、各
軸の動作摩擦及び弾性により重力モーメントとそれに対
応する誤差の発生の遅れを考慮に入れるためのものであ
り、具体的なフィルタリングのパラメータは、動摩擦係
数Ａ、ばね定数Ｋを使って計算するか、あるいはチュー
ニングによって適正値を定める。

【００３６】このようにしてフィルタリングを施された
指令はサーボ制御の入力とされ、補正された位置指令を
入力とするサーボ制御が実行される。サーボ制御の詳細
は、本発明の特徴と特に関係は無いので説明は省略す
る。

【００３７】図６は、オフラインプログラミング装置４
０で作成された動作プログラムの再生運転時に、通常の
処理（経路移動の動作命令文の読み込み、解釈、軌道計
画作成）に続いて、共有ＲＡＭ３２にＣＮＣとしての出
力を書き込む際に、ＩＴＰ毎（補間周期毎）に実行され
る、本発明の特徴を反映した処理の概略を記したフロー
チャート（処理１）である。

【００３８】同図に示したように、先ずステップＳ１で
は位置の指令値（ＣＮＣ側の位置レジスタが持っている
値）より各軸位置を得て、前述の計算により各軸（全軸
または一部の軸。以下同様。）の重力モーメントを計算
する。また、必要に応じて干渉トルクも計算する。干渉
トルクの計算については、各種の計算手法が知られてい
るのでここでは詳述しないが、ロボット制御装置３０に
与えられている動力学モデルのソフトウェアから計算さ
れる。

【００３９】ステップＳ２では、各軸について計算され
た重力モーメント、あるいは重力モーメントと干渉トル
クの和から、誤差量を計算する。この計算は、前述した
態様でロボット制御装置３０に与えられているモーメン
ト−誤差関係のデータを使って実行される。

【００４０】続くステップＳ３では、各軸毎に求められ
た誤差量に、上述したフィルタリング処理に相当する計
算（ディジタルフィルタリング）を施す。そして、ステ
ップＳ４で、その出力を補間処理毎に出力される移動指
令に足し込む処理を行なう。処理後の出力は共有ＲＡＭ
３２に書き込まれ、サーボＣＰＵ３３による通常のサー
ボ制御の入力とされる。

【００４１】なお、ステップＳ２で、ヒステリシスを持
つモーメント−誤差関係のデータが利用される場合（例
えば、図２、図３のグラフに対応するデータが利用され
る場合）には、ヒステリシスに関連して一方の関数関係
の一方を選択する必要が生じる。図２の関係の利用時に
は、モーメントの全想定値域についてｈ+ とｈ- の一方
を選択する必要がある。また、図３の関係の利用時に
は、モーメント値の絶対値がμ1 以下の場合に、ｆ+ と
ｆ- の一方を選択する必要がある。

【００４２】これら選択は、最新のトルク＝０の機会に
ついて、トルク符号がいずれの方向から０になったかを
判断して行なう。そのために、トルク符号の０通過の方
向性を表わすフラグＦ（Ｆ＝０or１）をロボット制御装
置３０のメモリ３５内に設定し、図７のフローチャート
に示したような処理２によって、フラグＦを所要時に更
新する。

【００４３】即ち、各軸についてＩＴＰ毎にトルク値
（処理１のステップＳ１で計算されたもの）をチェック
し、０か否か判定する（ステップＱ１）。もし、０であ
れば、更に直前（前回ＩＴＰ）のトルク値の符号をチェ
ックする（ステップＱ２）。そして、もしそれが正であ
れば、トルク値Ｆ＝０とし（ステップＱ３）、負であれ
ば、トルク値Ｆ＝１とする（ステップＱ４）。

【００４４】図２あるいは図３の関係が利用された場
合、Ｆ＝０は、正から負へ向かう０通過の最新履歴を表
わしているから、ステップＳ１における関数選択は、ｈ
- あるいはｆ- となる。逆に、Ｆ＝１は、負から正へ向
かう０通過の最新履歴を表わしているから、ｈ* あるい
はｆ+ が選択される。なお、フラグＦの初期値はここで
はＦ＝０としたが、場合によってはＦ＝１とする（動作
内容等を考慮して設計的に定める）。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
例えばオフラインで作成された動作プログラムの再生運
転時に、重力に起因したアームの撓み、あるいはそれに
加えて慣性力によるアームの撓み、回転機構部のバック
ラッシュのガタ、遊び等の影響に由来する軌跡誤差が、
リアルタイムで補正される。また、動作プログラムの位
置データの修正作業も削減されるので、作業効率が向上
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用されるロボットを含むシステムの
ハードウェア構成を例示した要部ブロック図である。

【図２】ロボットの１つの軸について、モーメント−誤
差関係を表わしたグラフの一例である。

【図３】図２と同様の形式でロボットの１つの軸（例え
ば第３軸）について、モーメント−誤差関係を表わした
グラフの別の例である。

【図４】６軸ロボットの各軸Ｊ１〜Ｊ６のモータにかか
るモーメントをロボット姿勢の関数として計算する手法
を説明するための図である。

【図５】各軸に関する制御の要点をブロック図で表わし
たものである。

【図６】動作プログラムの再生運転時に、通常の処理と
ともにＩＴＰ毎（補間周期毎）に実行される、本発明の
特徴を反映した処理の概略を記したフローチャート（処
理１）である。

【図７】誤差量−モーメントの関係についてのヒステリ
シスに関連して、最新のトルク０通過の方向を判断する
処理の概略を記したフローチャート（処理１）である。

【符号の説明】

１ アーム先端部 １０ 負荷重量物 ３０ ロボット制御装置 ３１ ホストＣＰＵ ３２ 共有ＲＡＭ ３３ サーボＣＰＵ ３４ サーボアンプ ３５ メモリ ３６ 教示操作盤用インターフェイス ３８ 入出力装置 ３７ 教示操作盤 ４０ オフラインプログラミング装置 ＲＢ ロボット

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 動作プログラムの再生運転時に、少なく
   とも一つのロボット軸について、動作プログラムに基づ
   いて作成された指令を補正してサーボ制御系へ渡すよう
   にした、軌跡誤差補正機能を有するロボットであって、 前記補正は、少なくとも前記ロボット軸にかかる重力モ
   ーメントによって発生する誤差を補償するものである、
   前記ロボット。
2. 【請求項２】 動作プログラムの再生運転時に、少なく
   とも一つのロボット軸について、動作プログラムに基づ
   いて作成された指令を補正してサーボ制御系へ渡すよう
   にした、軌跡誤差補正機能を有するロボットであって、 前記補正は、少なくとも前記ロボット軸にかかる重力モ
   ーメントによって発生する誤差を補償するものであり、 前記補正のために、前記ロボットの姿勢に応じて変化す
   るモーメントが前記少なくとも一つのロボット軸につい
   て計算され、更に、モーメントと誤差発生量を記述する
   関係を用いて前記少なくとも一つのロボット軸について
   誤差量が求められる、前記ロボット。
3. 【請求項３】 前記モーメントと誤差量を記述する関係
   にヒステリシスが存在し、前記誤差量の計算時にトルク
   ０の通過時の符号方向性に応じて前記ヒステリシスに関
   連した関係選択がなされる、請求項２に記載されたロボ
   ット。
4. 【請求項４】 動作プログラムに基づいて作成された指
   令を補正してサーボ制御系へ渡す際に、前記少なくとも
   一つのロボット軸についての動摩擦と弾性を考慮したフ
   ィルタリングが施される、請求項１、請求項２または請
   求項３に記載されたロボット。