JP2000504636A - 所定の軌道に沿っての産業用ロボットの制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 産業ロボットの所定の軌道Ｐ１〜Ｐ４に沿っての、所望の軌道速度Ｖを以っての運動を制御する方法であって、該産業用ロボットは幾つかの運動軸線を有しており、各軸線に対しては軸運動をコントロールするためのサーボ機器が設けられている。このコントロールはサーボ機器に供給される基準値 に基づいて実施される。まず、軌道上における次の位置を占めるのに必要とされる軸角 が計算される。計算された軸角並びにロボットの静的および動的特性を記述する第１の数学的モデルに基づいて、運動軸の各々に対しては、次の位置を占めるのに必要とされるトルク が計算される。負荷荷重ｔが第２の数学的モデルの助けにより、１個またはそれ以上の機械的臨界地点において計算された軸角度 に対して計算されるが、前記第２の数学的モデルは当該臨界地点におけるロボットの荷重を記述している。各軸に対して、計算されたトルク が最大許容トルク と比較され、荷重ｔが臨界地点に対する最大許容負荷荷重ｔ_max と比較される。もしも計算されたトルクが任意の軸に対して最大許容トルクを超過しているならば、またはもしも計算された荷重が任意の臨界地点に対して最大許容荷重を超過しているならば、軌道速度Ｖが減少させられ、サーボシステム に対する基準値が減少された軌道速度に基づいて計算される。

Description

【発明の詳細な説明】 所定の軌道に沿っての産業用ロボットの制御方法 技術分野 本発明は所定の軌道に沿っての産業用ロボットの動きを制御するための方法に 関するものであり、該ロボットは複数個の運動軸（１〜６）と、各軸に対する該 当軸の動きを供給される基準値にしたがって制御するためのサーボ機器とを有し ている。 背景技術 本発明は複数個の運動軸典型的には６軸を有している産業用ロボットに関する ものである。そのようなロボットは足の上に回転装着されたスタンドを有してお り、該スタンドはスタンドに対して回転可能な第１のロボットアームを支持して いる。このアームの外側端部内には、該アームに対して回転可能なる関係で第２ のロボットアームが配設されている。以下においては、前記第１のアームは下側 アームと称し、第２のアームは上側アームと称する。前記上側アームはその外側 端部において１つのハンドを支持しており、該ハンドにはツールアタッチメント が設けられており、かつまた上側アームに対して２又は３自由度を以って回転可 能である。ロボットにはロボットハンドの位置および配向を制御するためのサー ボ機器が設けられている。ロボットの運動軸の各々に対して、１つの駆動モータ と、位置センサとを有するサーボ機器が設けられており、位置センサは問題とさ れる軸の回転角度の測定値である信号を発信している。各軸のサーボシステムに には軸回転角のための基準値が供給されており、軸の駆動モータは軸の位置セン サが指示する軸位置がサーボシステムに供給される基準値と一致する迄ロボット を該当軸内において移動せしめる。 産業用ロボットは直交座標系内の数個の点の形として与えられる軌道をある速 度を以って追尾するよう命令を下してやることが出来る。ロボットが所定の軌道 を追尾するためには、そのために必要とされる軸角度を計算されなければならな い。この目的のために、所定の速度および内部サンプリング時間に基づいたステ ップ長さを以って前記軌道はステップ化される。各ステップに対してロボットが 占める次の位置がまず直交座標系において計算される。次に、ロボットがこの位 置を占めるのに必要とされる軸角が計算される。 ロボットに対する数学的モデルの助けを借りて、前記計算された軸角に基づい て軸駆動のために必要とされる軸トルクを計算することが出来る。前記計算され た軸トルクのいづれかが、それぞれのモータの生成し得るモータトルクを超えて いないかどうかがチェックされる。もしも得られるモータトルクが運動を実行す るのに十分でない場合には、同運動は例えば速度および加速度を減ずることによ って調節され、各軸の入手可能なモータトルクが最適に利用されると同時に、ロ ボットが依然軌道を追尾出来るようにされている。 ロボットの機械的構造部に過負荷がかかるのを防止するために、該機械的構造 部は、まず強度の観点から、全ての考えられる個別軸の運動の組合せによって誘 起される負荷荷重に耐えるよう設計されねばならない。このためには、前記構造 部は滅多に起らない最悪のケースに対処出来るよう設計されねばならない。こう するとロボットは典型的な運動に対しても不必要に速度が低下してしまい、ロボ ットの設定負荷も構造体の過負荷を防止するために不必要に低くなってしまう。 ある種の動きに対して高負荷にさらされ、それゆえこれらの負荷に対する寸法形 状にしなければならない臨界的部品は基本的にそう多くはない。 発明の要約 本発明の目的は産業用ロボットの軌道に沿っての動きを制御する方法であって 、従来技術のロボットとくらべて機械的に臨界的な部品の寸法を減ずる可能性を 提供する方法を提案することである。 本発明に係る方法を特徴づけることは請求の範囲より明らかになろう。 本発明によれば、得られるモータトルクが最大限に迄利用されると同時に、機 械的に臨界的な部品がモニタされ、該当部品内における最大許容負荷を超過しな いようにされている。もしも最大許容負荷のリスクが踏み超えられようとする際 には、軌道に沿っての運動が前記許容負荷を超えないように修正されることにな る。 本発明の利点とする所は、同発明が機械的過負荷を回避しながら、臨界的な部 品をよりスリムな寸法とすることの出来る可能性を提供しているということであ る。このことは大きなコスト的利点を提供する。例えば、手首部をより小さくす ることにより、上側アーム全体の重量を小さくすることが出来るが、このことは ロボットの残りの部分の寸法にとって極めて重要なことである。 モータトルクの減少が必要となるのは軸角の組合せがある種の極端な状況にな った時のみである。残りの角度においては入手可能なモータトルクが完全に利用 される。かくして、ロボットは典型的な運動を高性能で実施し得るよう設計する ことが出来る。あまりひんぱんには発生しない残りの運動はロボットの臨界的部 品の強度を超えないように減少させられたモータトルクによって実施される。 本発明はまたロボットに対して現行許容される負荷よりも大きな負荷を以って 使用することも可能ならしめる。何故ならば、臨界的部品内における過負荷が発 生する危険が無いからである。 図面の簡単な説明 図１は本発明を適用することの出来る、既存の産業用ロボットの一例を示す。 図２はロボット軌道の一例を示す。 図３は本発明に係る方法における、計算の手順およびデータの流れを示す。 好ましい実施例の説明 図１は既知の産業用ロボットの一例を示している。ロボットの足２はベース１ 上に固定装着されている。ロボットは垂直軸線Ａ１のまわりにおいて足２に関し て回転可能なベーススタンド３を有している。ベーススタンドの上側端部におい て、下側アーム４はベーススタンドに関して第２の軸線Ａ２のまわりに支承され 、回転可能である。下側アームの外側端部において、上側アーム５は下側アーム に関して軸線Ａ３のまわりに支承され、回転可能である。上側アーム５は２つの 部分５ａおよび５ｂを有しており、外側部分５ｂは内側部分５ａに関して、上側 アームの長手方向軸線と符合している回転軸線Ａ４のまわりを回転可能である。 外側端部において上側アーム５はロボットハンド６を支持しており、該ハンドは 上側アームの長手方向軸線と垂直をなす回転軸線Ａ５のまわりを回転可能である 。前記ロボットハンドはツールアタッチメント７を有している。ツールアタッチ メント７はロボットハンドの内側部分に関して、Ａ５と垂直をなす回転軸線Ａ６ の まわりで回転可能である。６個の軸線Ａ１---Ａ６内における回転角度は図中φ₁ 〜φ₆ であらわされている。 制御システムは別個のコントロールキャビネット８内に配設されており、該キ ャビネットは既知の態様にしたがって、プログラムおよび他のデータのための必 要なメモリを備えたコンピュータ機器、異なるロボット軸の駆動モータのための 駆動源並びに必要な供給機器を有している。前記コントロールキャビネットはロ ボットのプログラミングおよび他の操作のためのプログラミングユニット９に接 続されている。 ロボットは機械的な視点からみて臨界的な幾つかの部品を有している。そのよ うな臨界的な１つの部品の例は上側アーム５内のロボットハンド６のサスペンシ ョンである。該サスペンションはそれが回転軸線Ａ５およびＡ６と垂直をなす軸 線のまわりにおけるトルクにさらされた時には特に敏感である。臨界的な部品は 通常何らかの臨界地点を有しており、該臨界地点においては荷重がある種の運動 に対して極めて高くなる。前記臨界地点は例えばロボットの回転軸線と垂直をな すトルクにさらされる非回転地点とすることが出来る。ロボットハンドのサスペ ンションに対して言えば、前記臨界地点はＫＰ１である。 図２は直交座標系内の幾つかの点Ｐ１〜Ｐ４の形態として与えられる軌道の一 例を示している。ロボットは前記軌道に沿って所定の速度Ｖを以って移動するよ うにプログラムされている。ロボットが所望の態様で所定の軌道を追従するため には、ロボット各軸の駆動モータが提供しようとするトルクが計算されなければ ならない。この計算を実施する時には、所定の地点Ｐ１〜Ｐ４の間に複数個のサ ンプリング点Ｐ₁₁、Ｐ₁₂、Ｐ₁₃---Ｐ_1nが導入される。サンプリング地点間の距 離はΔｌであり、これは所定の軌道速度Ｖおよび内部サンプリング時間Δｔに依 存している。 Δｌ = Ｖ＊Δｔ （１） ロボットが次のサンプリング地点へと移動させ得るようになる以前に、当該地点 の位置がまず直交座標系において計算される。次に直交座標系位置は既知の方法 線に対する６個の軌道に対応する。 ロボット運動学の数学的モデルの助けを借りて、軸を次の地点へと駆動してや ら次式により算出される。 リオリの力から導かれる。Ｇ（φ）は軸トルクに対する重力の効果をあらわして 速度および加速度が既知であるならば、必要な軸トルクは式（２）から計算する ことが可能である。 図３は本発明に係る手順をブロック線図の形態で示している。ブロック１０に が軌道上で次の位置を占めるのに必要な情報である。ブロック１１においては、 計算された軸トルクがそれぞれのモータによって生成される最大モータトルク 成可能トルクよりも大きいならば、軌道速度Ｖは減少せねばならない。軌道速度 Ｖの減少は次のサンプリング地点への距離Δｌの減少を伴なう。軌道速度Ｖを減 少される。すなわち加速度はモータが必要なモータトルクを生成することが出来 る程度に迄減少される。残りの軸に対する加速度はロボットがまだ軌道に追従出 来る程度の対応する値へと制限される。（ブロック１２参照）。 本発明によれば、前述したトルクのモニタリング作業工程には１つまたはそれ 以上の臨界的地点における負荷のモニタリング工程が付加される。この目的のた めに、ロボット上の少なくとも１つの臨界地点がモニタリングのため選定される 。各臨界地点に対して、当該地点における負荷荷重に相当するスカラー式がセッ トされる。この実施例においては、地点ＫＰ１においてロボットハンドのサスペ ンション上に作用するトルク成分ｔがモニタされる。前記トルク成分ｔは以下の 等式によってあらわされる。 ここにｍ、ｖ、ｇはＭ、Ｖ、Ｇに対するトルク成分ｔに対する相当スカラ量で ある。 ブロック１３において、ロボットのサスペンションにおけるトルク成分ｔが直 トルク成分ｔは臨界地点に対する最大許容トルク成分ｔ_max と比較される（ブロ ック１４）。もしもトルク成分ｔが前記最大許容トルク成分を超えていたならば 、軌道速度は減少されねばならず、かつまたブロック１２で述べたのと同様にし て軸加速度はロボットがまだ軌道に追従出来る程度に減少される。ブロック１０ に は臨界地点における負荷がもはや最大許容負荷を超えなくなる迄繰返される。こ ---τ_Korr6 ）であり、該トルクは各軸のモータが生成可能なトルク値に関して 最適化されるとともに、ロボットのサスペンションにおける負荷が過大となるこ となく、ロボットを軌道上の次のサンプリング地点へと駆動せしめる値である。 本発明の別の実施例においては、より多くの臨界地点をモニタすることが出来 る。各臨界地点に対して、当該地点における負荷および当該地点に対する最大許 容負荷をあらわす等式がセットされる。

───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】 に対して計算されるが、前記第２の数学的モデルは当該 臨界地点におけるロボットの荷重を記述している。各軸 に対して、計算されたトルク が最大許容トルク と比較され、荷重ｔが臨界地点に対する最大許容負荷荷 重ｔ_max と比較される。もしも計算されたトルクが任意 の軸に対して最大許容トルクを超過しているならば、ま たはもしも計算された荷重が任意の臨界地点に対して最 大許容荷重を超過しているならば、軌道速度Ｖが減少さ せられ、サーボシステム に対する基準値が減少された軌道速度に基づいて計算さ れる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 1. 産業用ロボットを所望の速度（Ｖ）を以って所定の軌道（Ｐ１〜Ｐ４）に 沿って動かす運動の制御方法であって、前記産業用ロボットは幾つかの運動軸（ １〜６）を有し、各当該軸に対してはサーボ装置を有しており、該装置に供給 軌道上において次の位置（Ｐ₁₁，Ｐ₁₂，Ｐ₁₃…Ｐ_1n）を占めるための必要な軸 前記ロボットの静的および動的特性をあらわす第１の数学的モデルと前記計算 された軸角度に応じて、運動軸の各１つの軸に対して次の位置を占めるための必 する段階とを有している制御方法において、該方法は更に、 機械的に臨界な地点（ＫＰ１）におけるロボットの負荷荷重をあらわす第２の 地点における荷重（ｔ）を計算する段階と、 前記臨界地点に対して、前記荷重（ｔ）を最大許容荷重（ｔ_max ）と比較する 段階と、 もしも前記計算されたトルクがいづれかの軸に対して前記最大許容トルクを超 過するか、またはもしも計算された荷重が前記臨界地点に対する最大許容荷重を 超えたならば、前記軌道速度（Ｖ）を減少させる段階とを有していることを特徴 とする制御方法。 2. 請求項１に記載の制御方法において、数学的モデルの助けを借り、前記計 計算され、 前記荷重は臨界地点の各々に対して最大許容荷重（ｔ_imax）と比較され、 もしもいづれかの地点において前記荷重が最大許容荷重を超えたならば、軌道 速度（Ｖ）が減少され、前記荷重がいづれの臨界地点に対しても最大許容荷重を 超えないようにされることを特徴とする制御方法。τ_Korr6 ）が前記減少された軌道速度にしたがって計算されることを特徴とする 制御方法。