JP2006116650A - Collision detecting method of robot - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、減速機を介してモータにより駆動されるロボットの衝突検出方法に関するものである。 The present invention relates to a collision detection method for a robot driven by a motor via a speed reducer.
近年、ロボットにおいて、衝突時の安全性向上や破壊による損失防止のために、衝突検出の高精度化が求められている。しかしながら、高精度な衝突センサを用いることはコストが増大し、さらに重量負荷としてのセンサを振り回すことになるので、ロボットの高速化や省エネに反することになる。そこで、衝突力のセンサレス検出における高精度化が求められている。 In recent years, robots are required to have high accuracy in collision detection in order to improve safety at the time of collision and to prevent loss due to destruction. However, the use of a high-precision collision sensor increases the cost and swings the sensor as a heavy load, which is against the speeding up and energy saving of the robot. Therefore, there is a demand for higher accuracy in sensorless detection of collision force.
衝突力をセンサレスで求める方法としては、モータの駆動電流で発生したトルクからモータ及び減速機のイナーシャと摩擦で損失するトルクを差し引いた減速機出力トルクより、ロボットの逆動力学演算から求めたロボットの動力学トルクを差し引いて衝突力を求める方式(以下、動力学演算方式という。非特許文献1参照)と、外乱推定オブザーバを用いて衝突力を求める方式(以下、外乱推定オブザーバ方式という)がある。 As a method of obtaining the collision force without a sensor, the robot obtained from the reverse dynamics calculation of the robot from the reducer output torque obtained by subtracting the torque lost due to friction with the motor and reducer inertia from the torque generated by the motor drive current There are a method for obtaining a collision force by subtracting the dynamic torque (hereinafter referred to as a dynamics calculation method; see Non-Patent Document 1) and a method for obtaining a collision force using a disturbance estimation observer (hereinafter referred to as a disturbance estimation observer method). is there.
図2は、動力学演算方式の制御ブロック線図である。 FIG. 2 is a control block diagram of the dynamic calculation method.
図2において、6は位置制御ブロックであり、位置指令の速度成分dθcom(1)を積分した位置指令θcom(3)と、モータ速度フィードバックωm(2)を積分したモータ位置フィードバックθm(4)との差分値から速度ループ指令ωcom(7)を生成する。 In FIG. 2, 6 is a position control block, and a position command θcom (3) obtained by integrating the velocity component dθcom (1) of the position command, and a motor position feedback θm (4) obtained by integrating the motor speed feedback ωm (2). The speed loop command ωcom (7) is generated from the difference value of.
図2の10は速度制御ブロックであり、速度ループ指令ωcom(7)とモータ速度フィードバックωm(2)の差分値からモータ電流指令Im(11)を生成する。
図2の18はモータと外力を示したブロックである。τm(13)はモータ発生トルクであり、減速機が剛体であると仮定すると、モータ発生トルクτm(13)は、以下に示す(数1)において、モータ駆動側から見れば(数1−1)で表され、負荷側から見れば(数1−2)で表される。 2 in FIG. 2 is a block showing the motor and external force. If it is assumed that τm (13) is a motor-generated torque and the speed reducer is a rigid body, the motor-generated torque τm (13) can be obtained from (Equation 1) shown below (Equation 1-1). ), And when viewed from the load side, (Expression 1-2).
図2において、(30)は、(数3)を衝突トルク推定ブロックとして表したものである。 In FIG. 2, (30) represents (Equation 3) as a collision torque estimation block.
衝突トルク推定ブロック(30)において、動力学トルク推定値τdyno(29)は、動力学トルク演算ブロック(26)において、ロボットを構成する全軸のモータ速度フィードバックとロボットの機械パラメータを用いて逆動力学演算を実行することで求められる。衝突トルク推定ブロック(30)は、この動力学トルク推定値τdyno(29)を用いて衝突トルク推定値τdiso(28)をもとめ、この衝突トルク推定値τdiso(28)を衝突判定ブロック(31)へ出力する。 In the collision torque estimation block (30), the estimated dynamic torque value τdyno (29) is obtained from the reverse power using the motor speed feedback of all axes constituting the robot and the machine parameters of the robot in the dynamic torque calculation block (26). It is required by performing academic operations. The collision torque estimation block (30) uses the dynamic torque estimation value τdyno (29) to determine the collision torque estimation value τdiso (28), and the collision torque estimation value τdiso (28) is sent to the collision determination block (31). Output.
衝突判定ブロック(31)は、所定の衝突検出閾値τthを用いて、以下に示す(数4)に従い衝突を検出する。 The collision determination block (31) detects a collision according to the following (Equation 4) using a predetermined collision detection threshold τth.
しかし、実際の減速機にはバネ成分が存在し、このバネ成分により振動が発生する可能性がある。 However, an actual speed reducer has a spring component, and vibration may be generated by this spring component.
図3は、ロボットにおけるモータと減速機をモデル化した図を示したものであり、モータ取り付けベースとなるアーム1(71)に、モータ(72)、減速機(73)、ベアリング(74)が固定され、減速機2次側(77)の回転部に結合された負荷であるアーム2(79)を駆動する。 FIG. 3 shows a model of a motor and a speed reducer in a robot. A motor (72), a speed reducer (73), and a bearing (74) are provided on an arm 1 (71) serving as a motor mounting base. The arm 2 (79), which is a load that is fixed and coupled to the rotating part of the speed reducer secondary side (77), is driven.
減速機1次側(76)は、モータ回転軸(80)でモータ内のロータに結合され、モータ回転速度ωm(2)で回転する。減速機(73)は減速比Rgで、モータ回転速度ωm(2)を負荷回転速度ωL(41)に減速する。 The reduction gear primary side (76) is coupled to the rotor in the motor by the motor rotation shaft (80), and rotates at the motor rotation speed ωm (2). The speed reducer (73) reduces the motor rotation speed ωm (2) to the load rotation speed ωL (41) with a reduction ratio Rg.
ここで、減速機(73)の減速比Rgは下記に示す(数5)により表される。 Here, the reduction ratio Rg of the reduction gear (73) is expressed by the following (Equation 5).
このバネ成分のバネ定数をKSとして、図3に示すモデルをブロック線図で表したものが図4である。 FIG. 4 shows a block diagram of the model shown in FIG. 3 where KS is the spring constant of the spring component.
図4において、Im(11)はモータ(72)を駆動するモータ電流指令、Kt(12)はモータ(72)のトルク定数、1/Rg(42、43)は減速比の逆数、44はモータ伝達関数、45は負荷伝達関数、KS(46)は減速機(73)のバネ定数、θs(47)は減速機1次側(76)と減速機2次側(77)間に発生するねじれ角、48は積分である。
In FIG. 4, Im (11) is a motor current command for driving the motor (72), Kt (12) is a torque constant of the motor (72), 1 / Rg (42, 43) is a reciprocal of the reduction ratio, and 44 is a motor. 45, a load transfer function, KS (46) is a spring constant of the speed reducer (73), and θs (47) is a twist generated between the speed reducer primary side (76) and the speed reducer secondary side (77). The
τdis(22)は負荷(アーム2)に加わる衝突トルク、τdyn’(49)は自軸の慣性力と重力トルクを除いた動力学トルク、τG(50)は重力トルク、τμ(15)は
動摩擦トルクである。
τdis (22) is a collision torque applied to the load (arm 2), τdyn ′ (49) is a dynamic torque excluding inertial force and gravity torque of its own axis, τG (50) is gravity torque, and τμ (15) is dynamic friction. Torque.
モータ伝達関数(44)において、モータイナーシャJmはモータロータ(75)と減速機1次側(76)を合わせた回転軸(80)回りの慣性モーメント、Dmはモータ粘性摩擦係数である。 In the motor transfer function (44), the motor inertia Jm is the moment of inertia around the rotating shaft (80) including the motor rotor (75) and the speed reducer primary side (76), and Dm is the motor viscous friction coefficient.
負荷伝達関数(45)においても、負荷イナーシャJLは負荷(アーム2)(79)と減速機2次側(77)を合わせた回転軸(80)回りの慣性モーメント、DLは負荷粘性摩擦係数である。 Also in the load transfer function (45), the load inertia JL is the moment of inertia around the rotation axis (80) including the load (arm 2) (79) and the speed reducer secondary side (77), and DL is the load viscous friction coefficient. is there.
特に大型ロボットでは、図4でモデル化した減速機のバネ成分の共振周波数が10Hz以下の低い周波数となり、ロボットの動作周波数がこれに近くなれば、振動を発生する確率が増加する。 Particularly in a large robot, the resonance frequency of the spring component of the speed reducer modeled in FIG. 4 becomes a low frequency of 10 Hz or less, and the probability of occurrence of vibration increases if the robot operating frequency is close to this.
ロボットの通常用途では、振動が発生しないように、ロボットの動作周波数はバネ成分の共振周波数より低くなるように加減速を調整するので、それほど大きな問題とはならない。しかし溶接用途では、特許文献1に記載されたアークスタート時のトーチ引き上げ動作や、トーチを振動させるウィービング動作等では、多少振動が発生し軌跡精度が多少劣化しても速応性が求められるため、ロボットの動作周波数がバネ成分の共振周波数に近づく可能性は高い。
In normal use of the robot, the acceleration / deceleration is adjusted so that the operation frequency of the robot is lower than the resonance frequency of the spring component so that vibration does not occur, so that it does not become a big problem. However, in welding applications, the torch pulling operation at the arc start described in
このような場合、減速機のバネ成分による振動を無視して、衝突検出閾値を定めると、衝突していないにも関わらず、衝突としていると誤検出する可能性がある。 In such a case, if the collision detection threshold is determined by ignoring the vibration due to the spring component of the speed reducer, there is a possibility that the collision is erroneously detected even though the collision is not occurring.
図5はこの誤検出を示した例を示す図であり、時刻0.1〜0.5の間は通常動作を示し、時刻0.6〜0.8はトーチ引き上げ動作を示しており、上から、位置指令の速度成分dθcom(1)の時間変化、その下にそれを微分した加速度成分αcomの時間変化、その下に衝突トルク推定値τdiso(28)の時間変化を示している。 FIG. 5 is a diagram showing an example of this erroneous detection. Normal operation is shown between times 0.1 and 0.5, and torch raising operation is shown between times 0.6 and 0.8. The time change of the velocity component dθcom (1) of the position command, the time change of the acceleration component αcom obtained by differentiating it, and the time change of the collision torque estimated value τdiso (28) are shown below.
通常動作では、αcomの絶対値は、減速機ばね成分による振動を発生させない様に、加速度閾値αthを越えないように調整される。そして、この加速度閾値αthは、実際に通常動作を行うことで求められるものである。 In normal operation, the absolute value of αcom is adjusted so as not to exceed the acceleration threshold value αth so as not to generate vibration due to the reduction gear spring component. The acceleration threshold value αth is obtained by actually performing a normal operation.
しかしトーチ引き上げ動作では、多少振動が発生して軌跡精度が多少劣化しても速応性が求められるため、このときの加速度αcomは加速度閾値αthを越える可能性がある。 However, in the torch pulling-up operation, even if some vibration is generated and the trajectory accuracy is somewhat degraded, quick response is required. Therefore, the acceleration αcom at this time may exceed the acceleration threshold αth.
図2で示す従来の動力学演算方式では、減速機のバネ成分を図4の様にモデル化していないので、その振動がそのまま衝突トルク推定値τdiso(28)の誤差として現れる。この様子を表したものが、図5の時刻0.6〜0.8間であり、衝突トルク推定値τdiso(28)の絶対値が衝突検出閾値τth(39)を2回越えている。 In the conventional dynamic calculation method shown in FIG. 2, since the spring component of the speed reducer is not modeled as shown in FIG. 4, the vibration appears as an error of the collision torque estimated value τdiso (28) as it is. This is shown between the times 0.6 to 0.8 in FIG. 5 and the absolute value of the collision torque estimated value τdiso (28) exceeds the collision detection threshold τth (39) twice.
このような現象が発生すると、衝突していないにも関わらず衝突が発生したと誤検出することになる。この誤検出を避けるためには、衝突検出閾値τth(39)を大きくするしかないが、逆に衝突検出感度が低くなるので、実際に衝突が発生した場合の検出が遅れることになる。そして、衝突検出が遅れると、衝突による衝撃緩和手段をとるのも遅れることになり、アームや減速機、さらにはワーク等にダメージを与えることになる。 When such a phenomenon occurs, it is erroneously detected that a collision has occurred even though no collision has occurred. In order to avoid this erroneous detection, the collision detection threshold value τth (39) can only be increased. However, since the collision detection sensitivity is lowered, the detection when a collision actually occurs is delayed. When the collision detection is delayed, taking the impact mitigation means due to the collision is also delayed, and the arm, the speed reducer, and the work are damaged.
一方、外乱推定オブザーバ方式では、図3、図4で示した、減速機がバネを持ったモデルを対象として、衝突検出を実現する方法が知られている(例えば特許文献2参照)。 On the other hand, in the disturbance estimation observer method, there is known a method for realizing collision detection for a model shown in FIGS. 3 and 4 in which a reduction gear has a spring (see, for example, Patent Document 2).
図6に外乱オブザーバ方式を説明するためのブロック図を示す。衝突トルク推定ブロック(69)において、外乱推定オブザーバ(61)は、入力としてモータ電流Im(11)とモータ回転速度ωm(11)、演算パラメータとしてモータイナーシャJm、負荷イナーシャJL、モータ粘性摩擦係数Dm、負荷粘性摩擦係数DL、減速機バネ定数KS(46)および減速比Rgを用いて、負荷回転速度ωL(41)、ねじれ角θs(47)及び外乱トルクの和(τdis+τdyn’+τμ+τG)o(65)を推定するものである。 FIG. 6 shows a block diagram for explaining the disturbance observer method. In the collision torque estimation block (69), the disturbance estimation observer (61) receives the motor current Im (11) and the motor rotational speed ωm (11) as inputs, the motor inertia Jm, the load inertia JL, and the motor viscous friction coefficient Dm as calculation parameters. , Load viscous friction coefficient DL, reducer spring constant KS (46) and reduction ratio Rg, load rotational speed ωL (41), torsion angle θs (47) and disturbance torque sum (τdis + τdyn ′ + τμ + τG) o (65 ).
重力トルク演算ブロック(62)は、ロボットを構成する全軸の位置情報(速度を積分(63))から重力トルク推定値を演算し、重力トルク推定値τGo(67)を出力する。 The gravitational torque calculation block (62) calculates a gravitational torque estimated value from position information (integrated speed (63)) of all axes constituting the robot, and outputs a gravitational torque estimated value τGo (67).
衝突トルク推定ブロック(69)は、外乱トルクの和(τdis+τdyn’+τμ+τG)o(65)から、重力トルク推定値τGo(67)と動摩擦トルク推定値τμo(24)とを減算し、衝突トルク推定(τdis+τdyn’)o(66)を衝突判定ブロック(30)に出力する。
しかし、従来の外乱推定オブザーバ方式では、下記の課題がある。 However, the conventional disturbance estimation observer method has the following problems.
1つ目の課題は、衝突トルク推定(τdis+τdyn’)o(66)に、自軸の慣性力と重力トルクを除いた動力学トルクτdyn’(49)が含まれることである。τdyn’(49)は主に他軸からの干渉力(遠心力、コリオリ力)で構成される。 The first problem is that the collision torque estimation (τdis + τdyn ′) o (66) includes the dynamic torque τdyn ′ (49) excluding the inertial force and gravity torque of the own axis. τdyn ′ (49) is mainly composed of interference force (centrifugal force, Coriolis force) from another axis.
このτdyn’(49)が誤差成分となるので、動力学演算方式に比べ、衝突検出閾値τthが大きくなる(衝突検出感度が下がる)ことが考えられる。つまり、せっかく図3、図4で示した、減速機のバネ成分をモデル化しても動力学演算方式より衝突検出感度が下がる可能性がある。 Since this τdyn ′ (49) becomes an error component, it is conceivable that the collision detection threshold τth is increased (collision detection sensitivity is reduced) as compared with the dynamic calculation method. That is, even if the spring component of the speed reducer shown in FIGS. 3 and 4 is modeled, there is a possibility that the collision detection sensitivity may be lower than that of the dynamic calculation method.
2つ目の課題は、外乱オブザーバ(61)では、負荷イナーシャJLとバネ定数KS(46)の正確な値が必要で、これらのパラメータに誤差があると、外乱推定にも誤差が発生し、バネをモデル化した意味が少なくなることである。 The second problem is that in the disturbance observer (61), accurate values of the load inertia JL and the spring constant KS (46) are required. If there is an error in these parameters, an error also occurs in the disturbance estimation. The meaning of modeling a spring is reduced.
負荷イナーシャJLは、ロボットの姿勢やアームに取り付ける負荷により変動するので、リアルタイムに演算する必要があり、演算は可能である。 Since the load inertia JL varies depending on the posture of the robot and the load attached to the arm, the load inertia JL needs to be calculated in real time and can be calculated.
しかし、バネ定数KS(19)を固定値とすることには問題がある。図7は、ロボットに使用される減速機の代表であるハーモニック減速機のバネ定数KSの一例を示す図であり、あるメーカカタログに記載されているものである。図7において、ねじれ角が変わるとバネ定数も変化するので、3段階の直線で近似されており、それぞれのトルク定数をK1、K2、K3としている。ロボットで使用される頻度の高い、減速比80以上のバネ定数について、メーカカタログ値よりK1、K2、K3の平均値を求め、その平均値を基準にK1、K2、K3の誤差を算出すると、最大で約33%になる。 However, there is a problem in setting the spring constant KS (19) to a fixed value. FIG. 7 is a diagram showing an example of a spring constant KS of a harmonic reducer that is a representative reducer used in a robot, and is described in a certain manufacturer catalog. In FIG. 7, since the spring constant also changes when the twist angle changes, it is approximated by three stages of straight lines, and the respective torque constants are K1, K2, and K3. For spring constants with a reduction ratio of 80 or more that are frequently used in robots, the average values of K1, K2, and K3 are obtained from the manufacturer catalog values, and the errors of K1, K2, and K3 are calculated based on the average values. The maximum is about 33%.
また、ねじれ角θs(47)と負荷回転速度ωL(41)は直接測定されるのではなく、外乱推定オブザーバの1変数として推定される値のため、バネ定数KS(46)が変わるとねじれ角θs(47)の推定値も変化する。しかし、現実には、バネ定数KS(46)がねじれ角θs(47)の関数になっており、相互に従属するので、推定は不可能となる。 Further, the torsion angle θs (47) and the load rotation speed ωL (41) are not directly measured, but are values estimated as one variable of the disturbance estimation observer. Therefore, when the spring constant KS (46) changes, the torsion angle The estimated value of θs (47) also changes. However, in reality, the spring constant KS (46) is a function of the torsion angle θs (47) and is dependent on each other, so that estimation is impossible.
そこで、外乱推定オブザーバを成立させるには、バネ定数KS(46)を固定値と見なすしか方法はないが、その誤差が外乱推定値の精度を悪化させる可能性は高い。 Therefore, the only way to establish the disturbance estimation observer is to regard the spring constant KS (46) as a fixed value, but the error is highly likely to deteriorate the accuracy of the disturbance estimation value.
すなわち、減速機のバネ成分をモデル化しても、衝突力の検出精度を十分に上げられるとは限らないので、衝突していないにも関わらず、衝突として誤検出する可能性を無くすことは困難である。 In other words, even if the reduction gear spring component is modeled, it is not always possible to sufficiently improve the detection accuracy of the collision force, so it is difficult to eliminate the possibility of erroneous detection as a collision even though there is no collision. It is.
本発明は、上記課題を解決するものであり、ロボットの動作周波数が低い時(例えば、通常動作時)の衝突検出感度を落とすことなく、動作周波数が減速機バネ成分の共振周波数に近付いた時(例えば、溶接トーチの引き上げ動作時)の衝突誤検出を防ぐことができるロボットの衝突検出方法の提供を目的とする。 The present invention solves the above-described problem, and when the operating frequency approaches the resonance frequency of the reducer spring component without reducing the collision detection sensitivity when the operating frequency of the robot is low (for example, during normal operation). It is an object of the present invention to provide a robot collision detection method capable of preventing erroneous collision detection (for example, during a pulling up operation of a welding torch).
上記目的を達成するために、本発明のロボットの衝突検出方法は、減速機を介してモータにより駆動されるロボットにおいて、モータが前記減速機に出力するトルクからロボットの逆動力学演算で求めた動力学トルクを差し引くことにより、衝突による外力をセンサレスで検出し、外力の検出値が予め設定した所定の閾値より大きければアームが外力を受けたと判断する衝突検出方法を有し、ロボット動作の指令加速度が予め設定した所定値より大きければ衝突検出における閾値を上げて衝突検出感度を下げるものである。 In order to achieve the above object, a robot collision detection method according to the present invention is a robot driven by a motor via a speed reducer, and is obtained by a reverse dynamics calculation of the robot from a torque output from the motor to the speed reducer. It has a collision detection method that detects the external force due to the collision without sensor by subtracting the dynamic torque, and determines that the arm has received the external force if the detected value of the external force is greater than a preset threshold value. If the acceleration is larger than a predetermined value set in advance, the threshold for collision detection is raised to lower the collision detection sensitivity.
また、本発明のロボットの衝突検出方法は、ロボット動作の指令加速度が予め設定した所定値より大きければ衝突検出における閾値を上げ、それを所定時間保持するものである。 In the robot collision detection method of the present invention, if the command acceleration of the robot operation is larger than a predetermined value set in advance, the threshold for collision detection is increased and held for a predetermined time.
以上のように、本発明のロボットの衝突検出方法においては、ロボットの動作周波数が低い時(例えば、通常動作時)の衝突検出感度を落とすことなく、動作周波数が減速機バネ成分の共振周波数に近付いた時(例えば、溶接トーチの引き上げ動作時)の衝突誤検出を防ぐことができる。 As described above, in the robot collision detection method of the present invention, the operating frequency is reduced to the resonance frequency of the reducer spring component without reducing the collision detection sensitivity when the robot operating frequency is low (for example, during normal operation). It is possible to prevent erroneous detection of collision when approaching (for example, when the welding torch is lifted).
また、ロボット動作の指令加速度が予め設定した所定値より大きければ前記衝突検出における閾値を上げ、それを所定時間保持することにより、減速機バネ成分の振動の位相遅れや振動の持続による衝突誤検出を防ぐことができる。 Also, if the command acceleration of the robot operation is larger than a predetermined value set in advance, the threshold value in the collision detection is raised and held for a predetermined time, so that the erroneous detection of the collision due to the phase delay of the reducer spring component vibration or the continued vibration Can be prevented.
(実施の形態)
以下、本発明の一実施の形態について説明する。
(Embodiment)
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described.
図1は、本実施の形態における衝突検出方法を示すブロック図であり、図2で示した動力学演算方式をベースに、衝突検出閾値設定ブロック(34)を追加した構成となっている。なお、図1において、図2と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。 FIG. 1 is a block diagram showing a collision detection method according to the present embodiment, which is configured by adding a collision detection threshold setting block (34) based on the dynamics calculation method shown in FIG. In FIG. 1, the same parts as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図1において、衝突検出閾値設定ブロック(34)では、位置指令の速度成分dθcom(1)を微分した位置指令の加速度成分αcom(33)を入力とし、所定の加速度閾値αthと比較をし、以下に示す(数6)に従って衝突検出閾値τvth(35)を衝突判定ブロック(31)に出力する。 In FIG. 1, in the collision detection threshold value setting block (34), the position command acceleration component αcom (33) obtained by differentiating the position command speed component dθcom (1) is input and compared with a predetermined acceleration threshold value αth. The collision detection threshold τvth (35) is output to the collision determination block (31) according to (Equation 6) shown in FIG.
そして、この衝突検出閾値τvth(35)を用いて、衝突判定ブッロク(31)で衝突判定をしたときの波形を図8に示す。なお、図8では、通常動作ではない動作の例として、ロボットが溶接トーチの引き上げ動作を行う例を示している
図8に示すように、トーチ引き上げ動作を行っている時刻0.6〜0.8間では、位置指令の加速度成分αcom(33)の絶対値が所定の加速度閾値αth(38)を越えるので、その間は、(数6)で示したように、衝突検出閾値τvth(35)は、通常動作で調整した衝突検出閾値τthよりdτth(36)分大きくなる。このことにより、時刻0.6〜0.8間で、衝突トルク推定値τdiso(28)に減速機バネの振動誤差が加わっても、その絶対値は衝突検出閾値τvth(35)を越えないので、衝突誤検出は発生しない。
FIG. 8 shows a waveform when the collision is determined by the collision determination block (31) using the collision detection threshold τvth (35). 8 shows an example in which the robot performs the welding torch lifting operation as an example of an operation that is not a normal operation. As shown in FIG. 8, the time at which the torch lifting operation is performed is 0.6 to 0.00. Between 8, the absolute value of the acceleration component αcom (33) of the position command exceeds the predetermined acceleration threshold value αth (38), and during that period, as shown in (Equation 6), the collision detection threshold value τvth (35) is Then, it becomes larger by dτth (36) than the collision detection threshold value τth adjusted in the normal operation. As a result, even if a vibration error of the reduction gear spring is added to the collision torque estimated value τdiso (28) between time 0.6 and 0.8, the absolute value does not exceed the collision detection threshold τvth (35). No false detection of collision occurs.
また、時刻0.8以後では、位置指令の加速度成分αcom(33)の絶対値が所定の加速度閾値αth(38)以下になるので、衝突検出閾値τvth(35)は通常動作で調整した衝突検出閾値τthに戻り、これにより通常動作時の衝突検出感度を落とすこと はない。 Further, after time 0.8, the absolute value of the acceleration component αcom (33) of the position command becomes equal to or less than the predetermined acceleration threshold value αth (38), so the collision detection threshold value τvth (35) is the collision detection adjusted by the normal operation. Returning to the threshold value τth, this does not decrease the collision detection sensitivity during normal operation.
なお、上記した閾値の判定や閾値の変更は、例えば、ロボットシステムに設けられているCPU(Central Processing Unit)内に記憶されているプログラムにより行われるものである。 The above-described threshold determination and threshold change are performed by a program stored in a CPU (Central Processing Unit) provided in the robot system, for example.
また、上記では、位置指令の加速度成分αcom(33)の絶対値が所定の加速度閾値αth(38)以下になった時点で直ぐに衝突検出閾値τvth(35)を通常動作で調整した衝突検出閾値τthに戻す例を示したが、位置指令の加速度成分αcom(33)の絶対値が所定の加速度閾値αth(38)以下になった時点で直ぐに衝突検出閾値τvth(35)は通常動作で調整した衝突検出閾値τthに戻すのではなく、図9に示すように所定の時刻Td(37)の間衝突検出閾値τvth(35)の値をτth+dτthに保持するようにしてもよい。 In the above, the collision detection threshold value τth obtained by adjusting the collision detection threshold value τvth (35) by the normal operation immediately when the absolute value of the acceleration component αcom (33) of the position command becomes equal to or less than the predetermined acceleration threshold value αth (38). However, the collision detection threshold τvth (35) is adjusted by the normal operation immediately after the absolute value of the acceleration component αcom (33) of the position command becomes equal to or less than the predetermined acceleration threshold αth (38). Instead of returning to the detection threshold τth, the value of the collision detection threshold τvth (35) may be held at τth + dτth for a predetermined time Td (37) as shown in FIG.
この例を、図9を用いて説明する。図9において、トーチ引き上げ動作を行っている時刻0.6〜0.8間では、位置指令の加速度成分αcom(33)の絶対値が所定の加速度閾値αth(38)を越えるので、その間は、(数6)で示したように、衝突検出閾値τvth(35)は通常の場合より、dτth(36)分大きくなるが、一度位置指令の加速度成分αcom(33)の絶対値が所定の加速度閾値αth(38)を越えて、次に下回る時は(図では時刻0.8)衝突検出閾値τvth(35)の値をτth+dτthに所定の時刻Td(37)の間保持する。 This example will be described with reference to FIG. In FIG. 9, the absolute value of the acceleration component αcom (33) of the position command exceeds the predetermined acceleration threshold value αth (38) during the time 0.6 to 0.8 when the torch pulling operation is performed. As shown in (Equation 6), the collision detection threshold value τvth (35) is larger than the normal case by dτth (36), but once the absolute value of the acceleration component αcom (33) of the position command is a predetermined acceleration threshold value. When αth (38) is exceeded and next falls (time 0.8 in the figure), the value of the collision detection threshold τvth (35) is held at τth + dτth for a predetermined time Td (37).
このように、位置指令の加速度成分αcom(33)の絶対値が所定の加速度閾値αth(38)を越えて、その後加速度閾値αth(38)を下回った場合でも、衝突検出閾値τvth(35)の値をτthにすぐに戻さず、所定の時刻Td(37)の間衝突検出閾値τvth(35)の値をτth+dτthに保持することで、減速機バネ成分による振動の位相遅れや振動の持続が生じる場合でも、衝突誤検出を防ぐことができる。 Thus, even when the absolute value of the acceleration component αcom (33) of the position command exceeds the predetermined acceleration threshold αth (38) and then falls below the acceleration threshold αth (38), the collision detection threshold τvth (35) By maintaining the value of the collision detection threshold τvth (35) at τth + dτth for a predetermined time Td (37) without immediately returning the value to τth, vibration phase delay or vibration persistence due to the reducer spring component occurs. Even in this case, erroneous detection of collision can be prevented.
なお、上記した所定の時刻Td(37)の間衝突検出閾値τvth(35)の値をτth+dτthに保持する処理は、例えば、ロボットシステムに設けられているCPU(Central Processing Unit)内に記憶されているプログラムにより行われるものである。 The process of holding the collision detection threshold value τvth (35) at τth + dτth for the predetermined time Td (37) described above is stored in, for example, a CPU (Central Processing Unit) provided in the robot system. Is performed by the program.
また、本実施の形態では、動力学演算方式をベースに説明したが、図6で示す外乱推定オブザーバ方式にも同様の手法を用いることが出来ることは言うまでもない。 In the present embodiment, the description has been made based on the dynamics calculation method, but it goes without saying that the same method can be used for the disturbance estimation observer method shown in FIG.
以上のように、通常動作に対して加速度成分が大きくなる溶接トーチの引き上げ動作等を行う場合には、通常動作で調整した衝突検出閾値よりも閾値を大きくすることで衝突誤検出を防ぐことができ、加速度成分が通常動作の状態に戻った場合には衝突検出閾値を通常動作で調整した衝突検出閾値に戻すことで通常動作時の衝突検出感度を低下させることなく衝突検出を行うことができる。 As described above, when performing a pulling up operation of a welding torch in which the acceleration component increases with respect to the normal operation, it is possible to prevent erroneous collision detection by making the threshold value larger than the collision detection threshold value adjusted in the normal operation. When the acceleration component returns to the normal operation state, the collision detection threshold can be returned to the collision detection threshold adjusted by the normal operation, and the collision detection can be performed without reducing the collision detection sensitivity during the normal operation. .
本発明のロボットの衝突検出方法は、ロボットの動作周波数が低い時の衝突検出感度を落とすことなく、動作周波数が減速機バネ成分の共振周波数に近付いた時の衝突誤検出を防ぐことができるので、溶接用途におけるアークスタート時のトーチ引き上げ動作や、トーチを振動させるウィービング動作等の多少振動が発生し軌跡精度が多少劣化しても速応性が求められる条件でも衝突誤検出を防ぐことが可能であり、産業上有用である。 The robot collision detection method of the present invention can prevent erroneous detection of collision when the operating frequency approaches the resonance frequency of the reducer spring component without reducing the collision detection sensitivity when the operating frequency of the robot is low. It is possible to prevent false detection of collision even under conditions where quick response is required even if there is some vibration such as torch pulling action at arc start in welding applications and weaving action to vibrate the torch. Yes, it is industrially useful.
1 位置指令の速度成分 dθcom
2 モータ速度フィードバック ωm
3 位置指令 θcom
4 位置フィードバック θm
5 位置比例ゲイン KPP
6 位置制御ブロック
7 速度ループ指令 ωcom
8 速度比例ゲイン KP
9 速度積分ゲイン KI/s
10 速度制御ブロック
11 モータ電流 Im
12 モータトルク定数 Kt
13 モータ発生トルク τm
14 動力学トルク(重力トルク、慣性力、遠心力、コリオリ力の和) τdyn
15 動摩擦トルク τμ
16 衝突トルク τdis
17 モータ伝達関数ブロック
18 モータ及び外力を示すブロック
19 モータトルク定数 Kt
20 モータ伝達関数のインバース
21 モータ回転方向判定ブロック
22 モータ方向信号 sgn
23 動摩擦係数 Kμ
24 動摩擦トルク推定値 τμo
25 他軸モータ速度
26 動力学トルク演算ブロック
27 他軸動力学トルク推定値
28 衝突トルク推定値 τdiso
29 動力学トルク推定値 τdyno
30 衝突トルク推定ブロック
31 衝突判定ブロック
32 微分要素
33 位置指令の加速度成分 αcom
34 衝突検出閾値設定ブロック
35 衝突検出閾値 τvth
36 衝突検出閾値増分 dτth
37 衝突検出閾値保持時間 Td
38 加速度閾値 αth
39 衝突検出閾値(固定値) τth
40 積分要素
41 負荷回転速度 ωL
42 減速比逆数 1/Rg
43 減速比逆数 1/Rg
44 モータ伝達関数
45 負荷伝達関数
46 バネ定数 KS
47 減速機ねじれ角 θs
48 積分要素
49 自軸の慣性力と重力トルクを除いた動力学トルク τdyn’
50 重力トルク τG
61 外乱オブザーバブロック
62 重力演算ブロック
63 積分要素
65 外乱トルクの和 (τdis+τdyn’+τμ+τG)o
66 衝突トルク推定値 (τdis+τdyn’)o
67 重力トルク推定値 τGo
68 他軸重力トルク推定値
69 衝突トルク推定ブロック(外乱オブザーバ)
71 モータ取り付けベース(アーム1)
72 モータ
73 減速機
74 ベアリング
75 モータ内ロータ
76 減速機1次側
77 減速機2次側
78 減速機バネ
79 負荷(アーム2)
80 モータ回転軸
1 Speed component of position command dθcom
2 Motor speed feedback ωm
3 Position command θcom
4 Position feedback θm
5 Position proportional gain KPP
6
8 Speed proportional gain KP
9 Speed integral gain KI / s
10
12 Motor torque constant Kt
13 Motor generated torque τm
14 Dynamic torque (sum of gravity torque, inertial force, centrifugal force, Coriolis force) τdyn
15 Dynamic friction torque τμ
16 Impact torque τdis
17 Motor
20 Inverse of
23 Dynamic friction coefficient Kμ
24 Estimated value of dynamic friction torque τμo
25 Other
29 Estimated value of dynamic torque τdyno
30 Collision
34 Collision detection
36 Collision detection threshold increment dτth
37 Collision detection threshold retention time Td
38 Acceleration threshold αth
39 Collision detection threshold (fixed value) τth
40
42 Reciprocal of
43
44
47 Reducer twist angle θs
48
50 Gravity torque τG
61
66 Collision torque estimate (τdis + τdyn ') o
67 Estimated value of gravity torque τGo
68 Other axis gravity torque estimated
71 Motor mounting base (arm 1)
72
80 Motor rotating shaft
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