JP2000141256A - ロボット装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】走行体の剛性不足による作業精度の劣化を防止
し得るロボット装置の制御方法を提供する。 【解決手段】所定経路に沿って走行自在なプレーサと、
このプレーサに配置されるとともにアーム部に塗装ガン
が取り付けられて所定作業を行うロボット本体とを有す
るロボット装置の制御方法であって、ロボット本体のア
ーム部に取り付けられた塗装ガンを所定速度で移動させ
る際に、プレーサの移動速度曲線を台形状にするととも
に、アーム部の移動速度曲線を逆台形状とし、これらプ
レーサとアーム部との移動を協調して行わせることによ
り、塗装ガンの移動速度が一定となるように制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ロボット装置の制
御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、各種の量産品の製造工程において
ロボットが広く実用化されているが、船舶、橋梁などの
大型構造物においても、ロボットの実用化が図られてい
る。

【０００３】例えば、溶接作業の多くは、溶接ロボット
により行われているが、溶接に比べて、経済効果が充分
に発揮されない塗装作業においても、熟練を要する作業
者の確保等の問題から、やはりロボット化が望まれてい
る。

【０００４】従来、船殻ブロックなどの大型構造物の塗
装を自動的に行わせる塗装用ロボットとしては、例えば
プレーサ式のものがあり、図７に示すように、λ型のリ
ンクを使用したパンタグラフ機構を有するプレーサ５１
と、このプレーサ５１に載置されるとともに、塗装ガン
５３が取り付けられたロボット本体５２とから構成され
ている。

【０００５】上記プレーサ５１は、一対の第１案内レー
ル６１上を走行する走行架台６２と、上記第１案内レー
ル６１とは直交する方向で走行架台６２側に設けられた
第２案内レール（図示せず）に移動自在に案内された主
移動台６３および補助移動台６４と、この主移動台６３
に設けられた４本の平行リンク機構６５により支持され
た支持台６６と、上記補助移動台６４と上記平行リンク
機構６５との間で連結された一対の連結リンク６７とか
ら構成されており、走行架台６２の移動により第１案内
レール６１に沿って移動自在にされるとともに、主移動
台６３と補助移動台６４との接近離間移動により、ロボ
ット本体５２を支持する支持台６６の高さが調節し得る
ようにされている。

【０００６】また、ロボット本体５２としては、多関節
型のものが使用されており、アーム部の先端に設けられ
た手首部に塗装ガン５３が取り付けられている。上記ロ
ボット装置により、船殻ブロックＡの内面を塗装する場
合、例えば主移動台６３と補助移動台６４との間隔を調
節してロボット本体５２の高さ位置を決めておき、そし
て走行架台６２を走行させながら、ロボット本体５２の
アーム部を制御して、塗装が行われていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、塗装作業時
において、プレーサ５１により、立体的な被塗装物への
アクセスが可能となるのであるが、その大きさおよび複
数のリンク部材の使用などにより、剛性が低く、したが
って動的性能に限界がある。

【０００８】すなわち、塗装には大きい動作速度（ちな
みに、溶接速度が数１００ｍｍ／ｍｉｎであるのに対し
て、塗装速度は数１００ｍｍ／ｓにもなる。）が要求さ
れるため、塗装の開始時および終了時に働く加速度が非
常に大きくなって、ロボット本体５２に大きい起振力が
作用し、したがって塗装ガンに速度むらが生じるため、
塗装むらが発生するという問題がある。

【０００９】なお、プレーサに助走区間を設けて、プレ
ーサの移動開始時に生じる振動を減衰させてから、塗装
を行うことが考えられるが、塗装相手が箱型の構造物で
ある場合には、助走区間を設けることができない。

【００１０】そこで、本発明は、走行体の剛性不足によ
る作業精度の劣化を防止し得るロボット装置の制御方法
を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明のロボット装置の制御方法は、所定経路に沿
って走行自在に設けられた走行体と、この走行体に配置
されるとともにアーム部にツールが取り付けられて所定
作業を行うロボット本体とを有するロボット装置の制御
方法であって、ロボット本体のアーム部に取り付けられ
たツールを所定速度で移動させる際に、走行体の移動速
度曲線を台形状にするとともに、アーム部の移動速度曲
線を逆台形状とし、これら走行体とアーム部との移動を
協調して行わせることにより、ツールの移動速度が所定
速度となるように制御する方法である。

【００１２】また、本発明の他のロボット装置の制御方
法は、所定経路に沿って走行自在に設けられた走行体
と、この走行体に配置されるとともにアーム部にツール
が取り付けられて所定作業を行うロボット本体とを有す
るロボット装置の制御方法であって、ロボット本体のア
ーム部の先端に設けられた手首部に取り付けられたツー
ルを所定速度で移動させる際に、走行体の移動速度曲線
を台形状にするとともに、手首部の移動速度曲線を逆台
形状となし、これら走行体と手首部との移動を協調して
行わせることにより、ツールの作業位置での作業速度が
所定速度となるように制御する方法である。

【００１３】上記各制御方法によると、剛性が低い走行
体を、移動開始付近および移動終了付近において、増速
および減速することにより、ツールの振れを減少させる
ことができるとともに、この移動開始付近および移動終
了付近での走行体における速度不足を、剛性が高いロボ
ット本体のアーム部または手首部を、走行体の移動とは
逆方向に、すなわち目標速度から減速および目標速度に
増速させることにより、ツールでの移動速度を所定速度
に制御することができ、したがってツールの移動時にお
ける振れが減少する。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態におけ
るロボット装置の制御方法を、図１〜図６に基づき説明
する。

【００１５】本実施の形態においては、ロボット装置と
しては、船殻ブロックなどの大型構造物の塗装を行うも
のとして説明する。まず、この塗装用ロボット装置を、
図１に基づき説明する。

【００１６】すなわち、この塗装用ロボット装置は、λ
型のリンクを使用したパンタグラフ機構を有するプレー
サ（走行体）１と、このプレーサ１に載置されるととも
に、ツールである塗装ガン（以下、ツールという場合が
ある）３が取り付けられたロボット本体２とから構成さ
れている。

【００１７】上記プレーサ１は、一対の第１案内レール
１１上を走行する走行架台１２と、上記第１案内レール
１１とは直交する方向で走行架台１２上に一対配置され
た第２案内レール１３上に、移動自在に配置された主移
動台１４および補助移動台１５と、この主移動台１４上
に配置された４本の平行リンク機構１６により支持され
るとともに上記ロボット本体３を支持するための支持台
１７と、上記補助移動台１５と上記平行リンク機構１６
との間で連結された一対の連結リンク１８とから構成さ
れており、走行架台１２の移動により第１案内レール１
１に沿って移動自在にされるとともに、主移動台１４と
補助移動台１５との接近離間により、支持台１７の高さ
を、すなわちロボット本体２の上下の位置を調節し得る
ようにされている。勿論、説明はしないが、走行架台１
２、主移動台１４および補助移動台１５の駆動装置が設
けられており、これら駆動装置を介して、下記に示すよ
うように、ツールの移動速度が制御される。

【００１８】また、ロボット本体２としては、多関節型
のものが使用されており、このロボット本体２は、支持
台１７上に載置された旋回部２１と、この旋回部２１に
鉛直面内で回転自在に取り付けられた第１アーム２２
と、この第１アーム２２の先端に同じく鉛直面内で回転
自在に取り付けられた第２アーム２３と、この第２アー
ム２３の先端に取り付けられた３自由度の手首部２４と
から構成されており、この手首部２４に塗装ガン３が取
り付けられている。

【００１９】上記ロボット装置により、船殻ブロックの
鉛直面を水平方向に塗装する場合には、プレーサ１が矢
印ａ方向に移動されるととも、プレーサ１に載置されて
いるロボット本体２のアーム部２２，２３が鉛直面内で
回転されて、図２に示すように、塗装面Ｂに対する塗装
ガン３の姿勢が一定の状態で水平方向（矢印ｂにて示
す）に移動される。

【００２０】そして、この塗装時においては、塗装ガン
３の先端［以下、ＴＣＰ（ツールセンターポイント）と
もいう］での速度が所定値となるように、プレーサ１お
よびロボット本体２が制御される。

【００２１】すなわち、図３（ａ）に示すように、プレ
ーサ１の移動速度曲線（制御速度波形ともいう）は、台
形状になるように制御される。具体的に説明すれば、移
動開始付近では、一定の加速度で増速（イ）され、その
後目標速度Ｖが維持され（ロ）、そして移動終了付近で
は、一定の加速度で減速（ハ）される。

【００２２】一方、ロボット本体２側では、アーム部２
２，２３の揺動速度曲線（移動速度曲線）が、図３
（ｂ）に示すように、逆台形状となるように制御され
る。すなわち、移動開始付近では、目標速度Ｖから一定
の加速度で減速され（イ）、その後停止され（ロ）、そ
して移動終了付近では、一定の加速度で目標速度Ｖまで
増速される（ハ）。

【００２３】そして、プレーサ１での速度制御とロボッ
ト本体２のアーム部２２，２３での速度制御とを合わせ
た協調制御が行われると、図３（ｃ）に示すように、塗
装ガン３の先端の移動速度がほぼ所定値になるととも
に、振動も少なくなる。

【００２４】ここで、この場合におけるＴＣＰ軌道の生
成方法を、概略的に説明する。このようなプレーサ・ロ
ボット系には３つの座標系が存在する。すなわち、シス
テム全体の基準座標である装置座標系｛Ｓ｝と、プレー
サ先端のロボット原点位置を決めるプレーサ座標系
｛Ｐ｝、およびロボット原点から見たＴＣＰの位置・姿
勢を指定するロボット座標系｛Ｒ｝である。

【００２５】このように、プレーサ・ロボット系は一般
に冗長自由度系を成す。このシステムにおいて、装置座
標系｛Ｓ｝で記述されているＴＣＰ運転データ（ＴＣＰ
の目標値と経路指定速度および移動パターンなどの属性
から成るＮＣデータ）から、プレーサとロボットそれぞ
れの軌道制御における指令データを生成する必要があ
る。しかし、冗長自由度系であるために、指令データの
組合せは一義的には決まらない。

【００２６】そこで、動作指定が比較的容易なプレーサ
軌道を運転データ生成システムで決定し、次にロボット
軌道についての指令データを生成する方法をとる。以下
に、軌道制御におけるロボットの指令データの生成原理
を示す。

【００２７】制御対象であるＴＣＰ指令データは、装置
座標系｛Ｓ｝から見たＴＣＰの同次変換行列^SＴ_Tで表さ
れ、装置座標系｛Ｓ｝から見たプレーサ原点を表す変換
行列 ^SＴ_Pと、プレーサ座標系｛Ｐ｝から見たロボット原
点を表す変換行列^PＴ_Rおよびロボット座標系｛Ｒ｝から
見たＴＣＰを表す変換行列^RＴ_Tの積として、下記（１）
式のように表される。ここで、^SＴ_Pは既知である。

【００２８】

【数１】

【００２９】つまり、装置座標系で与えられるＴＣＰ指
令データ^SＴ_Tに対して、（１）式を満たす^PＴ_Rと^RＴ_Tを
を定めることが必要となる。この内、プレーサ指令デー
タ^PＴ_Rの生成を運転データ生成段階において指定する
と、ロボット指令データは、下記（２）式より生成され
る。

【００３０】

【数２】

【００３１】上述したように、剛性が低い（コンプライ
アンスが大きい）プレーサ１を、移動開始付近および移
動終了付近において、所定の加速度でもって、増速およ
び減速するようにしたので、塗装ガン３の振れをかなり
の程度で無くすことができるとともに、この移動開始付
近および移動終了付近におけるプレーサ１の速度不足
を、剛性が高い（コンプライアンスが小さい）ロボット
本体２のアーム部２２，２３を、プレーサ１の移動とは
逆方向に、すなわち目標速度から減速および目標速度に
増速させることにより、ＴＣＰ軌道を、特に塗装速度を
一定にすることができる。

【００３２】この協調制御によると、アーム部２２，２
３での挙動については改善されるが、プレーサ１の速度
変化に伴う振動は少し残っており、これを低減できれ
ば、一層、塗装精度が向上する。

【００３３】そこで、プレーサ１の移動速度曲線を、下
記（３）式にて示すような、加速度変化が連続となるよ
うなｎ次多項式で表わされる曲線［図４（ａ）〜（ｃ）
に示す］を使用すればよい。この曲線は、加速度が急激
に変化するコーナ部を比較的滑らかな曲線で接続した速
度曲線（速度波形）である。

【００３４】

【数３】

【００３５】なお、（３）式中、Ｔ₁は移動開始時、Ｔ₂
は増速終了時、Ｔ₃は減速開始時、Ｔ₄は移動終了時をそ
れぞれ示し、またＶ_Sは目標速度、ｖ_Pはプレーサの速度
をそれぞれ示す。

【００３６】ところで、上記実施の形態においては、ロ
ボット本体２とアーム部２２，２３とを、協調制御させ
るようにしたが、図５に示すように、アーム部の替わり
に、手首部２４とロボット本体２とを協調制御させるこ
とにより、すなわち手首部２４の揺動速度（移動速度）
が逆台形状となるようにように制御しても、上記と同じ
効果が得られる。この場合には、ツール先端（ＴＣＰ）
ではなく、塗装面におけるスプレー位置［以下、ＳＣＰ
（スプレーセンターポイントともいう）］での移動速度
を制御することになる。

【００３７】このように、手首部２４の揺動速度を制御
した場合、手首部２４における可動部分のイナーシャが
非常に小さいため、塗装精度、すなわち塗装膜厚の精度
が良好になる。

【００３８】ここで、上述した各制御方法を、シュミレ
ーションした結果を、図６に示しておく。図６（ａ）
は、プレーサの速度曲線を台形状に、ロボットのアーム
部の速度曲線を逆台形状に制御した場合を示したもの
で、動作開始時に、少し揺れているのが分かる。また、
同図（ｂ）は、プレーサの速度曲線を台形状に、ロボッ
トの手首部の速度曲線を逆台形状に制御した場合を示し
たもので、動作開始時における揺れが僅かになっている
のが分かる。さらに、同図（ｃ）は、プレーサの速度曲
線をｎ次多項式による台形状に、ロボットの手首部の速
度曲線を逆台形状に制御した場合を示したもので、動作
範囲全域に亘って、安定した状態で動いているのがよく
分かる。

【００３９】ところで、上記実施の形態においては、ロ
ボット装置として、塗装用のものについて説明したが、
勿論、塗装作業だけに限定されるものではなく、比較的
動作が速い他の作業用ロボット装置にも適用することが
できる。

【００４０】

【発明の効果】以上のように本発明のロボット装置の制
御方法によると、剛性が低い走行体を、移動開始付近お
よび移動終了付近において、増速および減速することに
より、ツールの振れを減少させることができるととも
に、この移動開始付近および移動終了付近での走行体に
おける速度不足を、剛性が高いロボット本体のアーム部
または手首部を、走行体の移動とは逆方向に、すなわち
目標速度から減速および目標速度に増速させることによ
り、ツールでの移動速度を所定速度に制御することがで
き、したがってツールの移動時における振れが減少する
ため、例えば塗装作業を行う場合には、塗膜の厚さを均
一にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態における塗装用ロボット装
置の全体斜視図である。

【図２】同実施の形態における塗装時のアーム部の移動
状態を示す平面図である。

【図３】同実施の形態における塗装ガンの速度制御のた
めの速度曲線を示すグラフである。

【図４】同実施の形態における塗装ガンの速度制御のた
めの速度曲線を示すグラフである。

【図５】同実施の形態における塗装時の手首部の移動状
態を示す平面図である。

【図６】同実施の形態にて異なる制御を用いた場合の塗
装ガン先端の速度状態を示すグラフである。

【図７】従来の塗装作業を説明するための塗装用ロボッ
トの概略斜視図である。

【符号の説明】

１ プレーサ ２ ロボット本体 ３ 塗装ガン １１ 第１案内レール １２ 走行架台 １３ 第２案内レール １４ 主移動台 １５ 補助移動台 １７ 支持台 ２１ 旋回部 ２２ 第１アーム ２３ 第２アーム ２４ 手首部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 斎藤 幸男 大阪府大阪市住之江区南港北１丁目７番89 号 日立造船株式会社内 Ｆターム(参考） 3F059 AA07 BA02 BA10 BB05 FA07 FC02 4F035 AA03 BC02 CA05 CD03 CD16

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所定経路に沿って走行自在に設けられた走
   行体と、この走行体に配置されるとともにアーム部にツ
   ールが取り付けられて所定作業を行うロボット本体とを
   有するロボット装置の制御方法であって、ロボット本体
   のアーム部に取り付けられたツールを所定速度で移動さ
   せる際に、走行体の移動速度曲線を台形状にするととも
   に、アーム部の移動速度曲線を逆台形状とし、これら走
   行体とアーム部との移動を協調して行わせることによ
   り、ツールの移動速度が所定速度となるように制御する
   ことを特徴とするロボット装置の制御方法。
2. 【請求項２】所定経路に沿って走行自在に設けられた走
   行体と、この走行体に配置されるとともにアーム部にツ
   ールが取り付けられて所定作業を行うロボット本体とを
   有するロボット装置の制御方法であって、ロボット本体
   のアーム部の先端に設けられた手首部に取り付けられた
   ツールを所定速度で移動させる際に、走行体の移動速度
   曲線を台形状にするとともに、手首部の移動速度曲線を
   逆台形状となし、これら走行体と手首部との移動を協調
   して行わせることにより、ツールの作業位置での作業速
   度が所定速度となるように制御することを特徴とするロ
   ボット装置の制御方法。