JP2005153047A

JP2005153047A - ロボットの関節装置。

Info

Publication number: JP2005153047A
Application number: JP2003392194A
Authority: JP
Inventors: Akira Nihei; 亮二瓶; Tetsuro Kato; 哲朗加藤; Takeshi Okada; 毅岡田
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2003-11-21
Filing date: 2003-11-21
Publication date: 2005-06-16
Also published as: US20050113977A1; EP1533544A2; EP1533544A8; EP1533544A3

Abstract

【課題】２段減速構造をとらない偏心揺動型遊星歯車減速機構を用い、かつ、振動発生を抑制した安価なロボット関節装置を提供する。
【解決手段】ロボットの関節に偏心揺動型遊星歯車減速機構を用いるが、２段減速構造をとらない。減速機１０の出力軸に取り付けた加速度センサ１１の出力をバンドパスフィルタ１２を通して振動成分を求める。この振動成分とパルスコーダ１３で検出されるモータの１回転内の位置に基づいて、振動抑制補正トルク(１４)をモータ１の回転位置に対応して求める。振動抑制補正トルクをトルク指令Ｔｃに加算して補正しモータ１を駆動する。振動成分が十分に減少するまで振動抑制補正トルクを学習し求め更新する。振動成分が十分に減少すると更新動作を止め振動抑制補正トルクを固定し、トルク指令を補正しモータ１を駆動制御する。２段減速構造をとらないので安価に構成でき、振動も抑制できる。
【選択図】図３

Description

本発明は産業用ロボットの関節装置に関する。

ロボットの関節部には、RV減速機やサイクロ減速機など、偏心揺動型遊星歯車減速機構を採用した減速機が多く用いられる。この構造の減速機では、偏心運動に起因した振動が発生し、ロボットの動作が振動的になるという問題があるため、従来より前段にギヤ減速部を設けて、共振現象が生じる範囲をモータの通常制御域から外す方法が一般的に用いられている。例えば、この種の減速機は、平行軸型歯車装置の前段減速機と、ケース等に固定された内歯歯車と該内歯歯車と噛み合う外歯歯車と該外歯歯車に係合し、外歯歯車を揺動回転させるカム軸としてのクランク軸で構成された後段減速機とで構成し、後段減速機の偏心揺動運動に起因する振動発生が生じないように、前段減速機の減速比を決めることによって振動発生を防止している（特許文献１参照）。

特公平８−２２５１６号公報

ロボットの関節に用いられる偏心揺動型遊星歯車減速機構で構成された減速機は、上述したように、前段減速部と後段減速部から成る２段減速構造となるため、減速機の構造が複雑となりコストアップの要因となっていた。
そこで、本発明の目的は、偏心揺動型遊星歯車減速機構を用いても２段減速構造をとらずに、振動発生を抑制したロボット関節装置を提供することにある。

本発明は、減速機を介して相対的に回転可能に接続された２つの部材と、両部材の相対回転を駆動するためのモータと、該モータを制御する制御部とを備えたロボットの関節装置において、減速機を、モータの出力軸に直接連結された入力軸と、該入力軸に係合して偏心揺動させられる外歯歯車と、減速機のケースと、該ケースの内側に設けられ外歯歯車に噛合う内歯歯車と、ケースに回転可能に支持された出力軸と、外歯歯車と係合しその自転運動を出力軸に伝達する複数のピン部材で構成し、制御部で、減速機から発生する振動成分とモータ回転位置との相関関係を求めて記憶する手段と、該記憶された相関関係に基づいて振動成分をキャンセルするようにモータを制御する手段とを備えることにより振動発生を抑制した。また、制御部は減速機から発生する振動成分とモータ回転位置との相関関係を求める代わりに、減速機から発生する振動成分と該減速機の出力軸の回転位置との相関関係を求めるようにしてもよい。又、上述した相関関係は学習的に求めるようにした。

さらに、モータの出力軸と前記減速機の入力軸を直接連結する代わりに、アンバランスカップリングで結合し、アンバランスカップリングの加振成分が減速機の振動成分をキャンセルするように構成するか、又は、減速機の入力軸のモータと反対側の端部にアンバランスウェイトを付加し、アンバランスウェイトの加振成分が減速機の振動成分をキャンセルするように構成した。

ロボットの関節として使用される偏心揺動型遊星歯車減速機に前段減速部を設けることなく、偏心揺動に起因して発生する振動を抑制することができ、構造が簡単で安価なロボットの関節装置を得ることができる。

図１は本発明の関節装置を用いたロボットの斜視図である。本発明の関節装置を用いる関節は、モータと減速機が直結された構造で、下腕Ａ１、上腕Ａ２を揺動させる関節Ｊ２、Ｊ３軸であり、モータの回転出力を大きく減速する共に振動発生を抑制するものである。
図２は本発明の第１の実施形態の関節装置における減速機１０の断面図である。第１部材８に取り付けられたサーボモータ１の出力シャフトは減速機１０の入力軸２に直結されている。該入力軸２はカムを構成するクランク軸とされ、３つの外歯歯車３ａ，３ｂ，３ｃが各カム面と係合している。また、外歯歯車３ａ，３ｂ，３ｃは、第１部材８に取り付けられた減速機１０のケース５の内側に設けられた内歯歯車４と噛み合っている。外歯歯車３ａ，３ｂ，３ｃには複数のピン部材６が係合しており、該ピン部材６は、出力軸７に連結されている。該出力軸７は入力軸２と同軸上に減速機１０のケース５に回転可能に支持され、第２部材９に取り付けられている。この図２で示す関節装置を関節軸Ｊ２に用いるときは、この関節で接続するロボット回転胴側と下腕Ａ１の一方が第１部材８、他方が第２部材９となる。関節軸Ｊ３に用いる場合では、下腕Ａ１と上腕Ａ２の一方が第１の部材８、他方が第２部材９となる。

サーボモータ１が駆動され出力シャフト及び減速機１０の入力軸２が回転すると、入力軸２のクランク軸部と係合する外歯歯車３ａ，３ｂ，３ｃは、偏心揺動し、減速機１０のケース５の内側に設けられた内歯歯車４と噛み合いながら公転すると共に自転する。
外歯歯車３ａ，３ｂ，３ｃの歯数をｎ_１,内歯歯車４の歯数をｎ_２とした場合、外歯歯車３ａ，３ｂ，３ｃが１回公転する間に、外歯歯車は（ｎ_２−ｎ_１）／ｎ_２回転自転する。この自転を、外歯歯車３ａ，３ｂ，３ｃに係合した複数のピン部材６により取り出し、減速機の出力軸７に伝達し、第２部材９を第１部材８に対して相対的に回動させる。

以上のように、本実施形態におけるロボット関節装置は、偏心揺動型遊星歯車減速機構の入力軸を直接モータにより駆動するようにしている。そのため、前述したように、偏心揺動に起因して振動が発生するおそれがある。そこで、本発明は、サーボモータ１の回転駆動を制御することによって、この振動を抑制するようにしている。

図３は、本実施形態のロボット関節装置を用いた関節を駆動するサーボモータ１の要部制御ブロック図である。
このサーボモータ１に対する位置、速度ループ制御処理は従来と同様であり、図３では省略している。この位置、速度制御により求められたトルク指令Ｔｃと、後述する振動抑制補正トルク生成部１４からの補正トルクを加算して、補正されたトルク指令Ｔ'ｃによりサーボモータ１は駆動される。サーボモータ１の出力は減速機１０で減速されロボット可動部（下腕、上腕）を駆動する。一方、減速機１０の出力側には、加速度センサ１１が取り付けられ、減速機出力側の加速度を検出する。この加速度センサ１１で検出される情報より、バンドパスフイルタ１２により、通常の動作で発生する低周波の減速機出力側の加速度と、高周波数のノイズ成分を取り除き、振動成分のみを取り出す。そして、振動抑制補正トルクのデータを作成するための学習を実行しているときはオンとなっているスイッチ１５を介して振動抑制補正トルク生成部１４に、このバンドパスフイルタ１２の出力を入力する。

一方、サーボモータ１に取り付けられたパルスコーダ１３によって、モータの回転位置を検出し振動抑制補正トルク生成部１４に入力する。振動抑制補正トルク生成部１４は、モータの回転位置（回転位相）とバンドパスフイルタ１２から入力された振動成分に基づいて、振動成分とモータの回転位置（回転位相）との相関関係を求める。すなわち、モータの回転位置に対応する振動抑制補正トルクを学習して求める。なお、学習により振動抑制補正トルクが確定した後は、スイッチ１５を開き、この確定した振動抑制補正トルクをトルク指令Ｔｃに加算し、補正されたトルク指令Ｔ'ｃを求めるようにする。

又、図３には記載していないが、サーボモータのトルクから可動部（上腕Ａ２、下腕Ａ１）先端までに、バネやダンパ要素などが存在し、トルクが減速機出力側に伝わるまでに時間遅れなどが存在する場合には振動抑制補正トルク生成部１４の次に遅れを補償する手段を付加し、振動抑制補正トルクに対して遅れ補償して補正トルクとしてトルク指令に加算することにより、さらに高い振動抑制効果が得られる。

なお、モータの回転位置の代わりに減速機の出力軸の１回転内の位置（回転位相）によって、振動抑制補正トルクを求める場合には、図３に破線で示したように、パルスコーダ１３で検出されるモータ回転位置に基づいて減速機１０の出力側の回転位置を求め、振動抑制補正トルク生成部１４に出力するようにする。すなわち、減速機出力位置算出部１６では、パルスコーダ１３からの出力パルスを積算し、減速機出力側の１回転分に相当する積算値を得たときにはこの積算値をクリアする処理を行うと共に、この積算値を減速機の減速比で割ることによって、減速機１０の出力軸の回転位置を求め振動抑制補正トルク生成部１４に出力し、減速機出力側の回転位置に応じた振動抑制補正トルクを求めるようにする。

図４は、サーボモータ１を駆動制御する制御部のプロセッサが所定周期毎に行い、上述した学習により振動抑制補正トルクを求めるときの処理フローチャートである。

まず、学習を行うか否かはパラメータ等で設定されており、この設定パラメータによって、学習を行うか否か判断し（ステップ１００）、行わない場合は、ステップ１０７に移行し後述する通常の振動抑制制御を伴うモータ制御を行う。一方、学習を行うときには、まず、パルスコーダで検出されるモータの回転位置Ｐ（ｎ）、及び加速度センサの出力Ａｃｃ（ｎ）を読み取る（ステップ１０１）。次に、一般的に用いられているデジタルフイルタ処理を行い加速度センサの出力Ａｃｃ（ｎ）から低周波成分と高周波数成分を取り除き、振動成分Ｖｉｂ（ｎ）を取り出す。すなわち、次の１式の処理を行い、振動成分Ｖｉｂ（ｎ）を取り出す。

Ｖｉｂ（ｎ）＝Ａｃｃ（ｎ）＊（Ｔｈ＊Ｓ＋１）／（Ｔｌ＊Ｓ＋１） …（１）
なお、１式でＴｈ，Ｔｌは時定数で、Ｓはラプラス演算子である。
次に、求めた振動成分Ｖｉｂ（ｎ）の所定数Ｂ個の移動平均が所定値Ａより大きいか判断し（ステップ１０３）、所定値Ａより大きい場合は、ステップ１０４に進む。

この実施形態では、パルスコーダの一回転（モータの一回転）をＱ（例えばＱ＝４０００とする）個に分割して、各分割領域に対応して、振動抑制補正トルクを記憶するレジスタＲ（１）〜Ｒ（Ｑ）（＝Ｒ（4000））を備えている。パルスコーダの一回転の分解能がＰｍａｘ、ステップ１０１で検出したモータ回転位置における分割領域における対応する領域をｍとすると、この領域ｍは次の２式の演算によって求める。

ｍ＝整数化（Ｐ(ｎ)＊Ｑ／Ｐｍａｘ）＝整数化（Ｐ(ｎ)＊4000／Ｐｍａｘ） …（２）
上記２式は、Ｐ(ｎ)＊Ｑ／Ｐｍａｘ（＝Ｐ(ｎ)＊4000／Ｐｍａｘ）の演算によって求めた小数点以下を切り捨て、又は四捨五入することによって整数化して領域ｍを求める（ステップ１０４）。この求めた領域ｍの振動抑制補正トルクを記憶するレジスタＲ（ｍ）の値からステップ１０２で求めた振動成分Ｖｉｂ（ｎ）に係数Ｋを乗じた値を減じてレジスタＲ（ｍ）の値、すなわち領域ｍにおける振動抑制補正トルクを更新する（ステップ１０５）。なお、係数Ｋは、振動加速度からトルクへの変換係数に、さらに、１回の学習による振動抑制補正トルクへの影響度を考慮して決められる値である。

次に、このレジスタＲ（ｍ）に記憶する値を、通常の位置、速度ループ制御処理によって求められたトルク指令Ｔｃに加算して、振動抑制補正トルクを補正したトルク指令Ｔ'ｃを求め該トルク指令Ｔ'ｃでサーボモータを駆動する（ステップ１０６）。
以下、各処理周期毎ステップ１００からステップ１０６を実行し、ステップ１０３で、振動成分Ｖｉｂ（ｎ）の移動平均値が所定値Ａを下回り、振動が十分に小さくなると、この学習を終了し、レジスタＲ（１）〜Ｒ（Ｑ）（＝Ｒ（4000））に記憶された各領域における振動抑制補正トルクを、これ以後のモータ制御における振動抑制補正トルクとする。ステップ１００で学習が無効にされた場合もこの学習は終了する。

図５は、図４に示した学習によって確定された振動抑制補正トルクを用いてトルク指令値を補正しながらサーボモータを駆動するとき、サーボモータを制御する制御部のプロセッサが所定周期毎実行される処理のフローチャートである。
すでに、図４に示す学習処理がなされ、各領域に対応するレジスタＲ（１）〜Ｒ（Ｑ）には、それぞれ振動抑制補正トルクが格納されているものとする。

そこで、まず、プロセッサは従来と同様に、位置（比例制御）、速度（比例、積分制御）のループ制御を行ってトルク指令Ｔｃを求める（ステップ２００）。次にパルスコーダよりモータの回転位置Ｐ（ｎ）を読み取る（ステップ２０１）。この読み取った位置Ｐ（ｎ）に基づいて上述した２式の演算を行って、分割領域ｍを求める（ステップ２０２）。この分割領域ｍにおける振動抑制補正トルクを記憶しているレジスタＲ(ｍ)の値にステップ２００で求めたトルク指令Ｔｃを加算して、補正されたトルク指令Ｔ'ｃを求め出力し、サーボモータを駆動する（ステップ２０３）。これによって、振動成分をキャンセルするようにサーボモータが駆動され、振動発生が抑制されることになる。

上述した図４、図５の処理では、モータの回転位置に応じて振動抑制補正トルクを求め、又モータの回転位置に応じて、この振動抑制補正トルクをトルク指令に補正するようにしたが、図３の破線で示すように減速機１０の出力軸の位置に応じてトルク指令を補正するようにしてもよい。この場合、ステップ１０１では、パルスコーダからのパルスを積算し減速機１０の出力側の１回転するに相当する値に積算値が達したとき、この積算値をクリアすることによって、減速機の出力側の１回転分まで積算値（Ｐ（ｎ）がこの積算値に対応することになる）を得るようにし、この積算値を減速機の減速比で割り減速機の出力側の１回転位置を求めるようにする。また、ステップ１０４、ステップ２０２では、Ｐｍａｘが減速機の出力側の１回転に相当する積算値に該当し、Ｐ（ｎ）が積算値であり、積算値Ｐ（ｎ）、減速機１０の出力側の１回転に相当する積算値Ｐｍａｘ、分割数Ｑにより、出力側の１回転をＱ個に分割した内の分割領域ｍを求めることになる。

図６は、本発明の第２の実施形態の関節装置に用いる減速機の断面図であり、図２に示した第１の実施形態での減速機との違いは、サーボモータ１の出力軸と減速機の入力軸２とをアンバランスカップリング２０で結合したものである。このアンバランスカップリング２０による加振成分によって、減速機の振動成分をキャンセルするように、このアンバランスカップリング２０を取り付けるものである。他は第１の実施形態の減速機と同一である。又、サーボモータの制御においても、図３及び図４，図５に示すような第１の実施形態と同じ処理を行うものである。また、アンバランスカップリング２０で結合する代わりに、サーボモータ１の出力軸と減速機の入力軸２を直接連結し、サーボモータの出力軸又は減速機の入力軸いずれかにアンバランスウェイトを取り付けるようにしてもよい。

図７は、本発明の第２の実施形態の関節装置に用いる減速機の断面図であり、図２に示した第１の実施形態での減速機との違いは、減速機の入力軸２をサーボモータの出力シャフトとの連結部とは反対側に延ばし、その端部にアンバランスウェイト２１を付加したものである。第２の実施形態と同様にアンバランスウェイト２１による加振成分によって、減速機の振動成分をキャンセルするようにしたものである。他は第１の実施形態と同様であり、サーボモータの制御においても、図３及び図４，図５に示すような第１の実施形態と同じ処理を行うものである。

本発明の関節装置を用いたロボットの斜視図である。本発明の第１の実施形態の関節装置における減速機の断面図である。同実施形態におけるモータ制御の要部ブロック図である。同実施形態における振動抑制補正トルクを求める学習処理のフローチャートである。同実施形態における振動抑制処理をともなったモータ制御の要部フローチャートである。本発明の第２の実施形態の関節装置における減速機の断面図である。本発明の第３の実施形態の関節装置における減速機の断面図である。

符号の説明

１サーボモータ
２入力軸
３ａ，３ｂ，３ｃ外歯歯車
４内歯歯車
５ケース
６ピン部材
７出力軸
８第１部材
９第２部材
１０減速機
Ａ１下腕
Ａ２上腕

Claims

減速機を介して相対的に回転可能に接続された２つの部材と、両部材の相対回転を駆動するためのモータと、該モータを制御する制御部とを備えたロボットの関節装置において、
前記減速機は、前記モータの出力軸に直接連結された入力軸と、該入力軸に係合して偏心揺動させられる外歯歯車と、前記減速機のケースと、該ケースの内側に設けられ前記外歯歯車に噛合う内歯歯車と、前記ケースに回転可能に支持された出力軸と、前記外歯歯車と係合しその自転運動を出力軸に伝達する複数のピン部材で構成されており、
前記制御部は、前記減速機から発生する振動成分とモータ回転位置との相関関係を求めて記憶する手段と、該記憶された相関関係に基づいて振動成分をキャンセルするようにモータを制御する手段とを備えていることを特徴とする、ロボットの関節装置。
減速機を介して相対的に回転可能に接続された２つの部材と、両部材の相対回転を駆動するためのモータと、該モータを制御する制御部とを備えたロボットの関節装置において、
前記減速機は、前記モータの出力軸に直接連結された入力軸と、該入力軸に係合して偏心揺動させられる外歯歯車と、前記減速機のケースと、該ケースの内側に設けられ前記外歯歯車に噛合う内歯歯車と、前記ケースに回転可能に支持された出力軸と、前記外歯歯車と係合しその自転運動を出力軸に伝達する複数のピン部材で構成されており、
前記制御部は、前記減速機から発生する振動成分と該減速機の出力軸の回転位置との相関関係を求めて記憶する手段と、該記憶された相関関係に基づいて振動成分をキャンセルするようモータを制御する手段とを備えていることを特徴とする関節装置。
前記相関関係を学習的に求める請求項１又は２に記載のロボットの関節装置。
前記モータの出力軸と前記減速機の入力軸を直接連結する代わりにアンバランスカップリングで結合し、アンバランスカップリングの加振成分が減速機の振動成分をキャンセルするように構成したことを特徴とする請求項１乃至３の内何れか１項に記載のロボットの関節装置。
前記減速機の入力軸の前記モータと反対側の端部にアンバランスウェイトを付加し、アンバランスウェイトの加振成分が減速機の振動成分をキャンセルするように構成したことを特徴とする請求項１乃至３の内何れか１項に記載のロボットの関節装置。