JP2007272597A - ロボットの加減速パターン生成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ロボットの固有振動数を各関節部のバネ定数とアームの慣性モーメントとから時々刻々と導き、リアルタイムで振動を抑制する加減速パターンを生成する。
【解決手段】 各々がサーボモータ１４により駆動される関節によって結合された複数のアームからなるロボットの加減速パターン生成方法において、アームのうち少なくとも１つに関し、所定の時間間隔ごとにサーボモータ１４によって動作するアームの慣性モーメントを算出し、関節の駆動系におけるバネ系要素のバネ定数と慣性モーメントとからアームの固有振動数を求め、加減速パターンの加速時間および減速時間を固有振動数の逆数である固有振動周期の整数倍とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、ロボットの加減速パターン生成方法に関し、特に動作時に発生する振動を抑制する加減速パターン生成方法に関する。

従来の加減速パターン生成方法は、ロボットの動作範囲内の複数箇所で固有振動数を実測し、測定した固有振動数をロボットアームの位置(姿勢)とワークの質量の関数として表し、この関数に基づいて振動を抑制する加減速パターンを生成している（例えば、特許文献１参照）。
このように、従来の加減速パターン生成方法は、実測された固有振動数データから振動を抑制する加減速パターンを生成するのである。

一方、ロボットなどの産業用機械を一定の加速度で加減速させようとする場合に、加速時間および減速時間を固有振動数の逆数である固有振動周期の整数倍とすることで振動を抑制する加減速方法が、本出願人によって開示されている（特許文献２参照）。

特許第３０７２６８７号公報（第３頁、図３） 特開２００１‐２９０５４１号公報(第６‐７頁、図１)

しかしながら、従来の加減速パターン生成方法では固有振動数の実測が必要であり、実測データが無いと振動を抑制する加減速パターンが生成できないという問題があった。また、ロボットの固有振動数は、動作中の姿勢の変化に伴って変化するため、予め実測した固有振動数データのみではロボットアームの位置(姿勢)とワークの質量の関数として表せないといった問題もあった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、ロボットの固有振動数を各関節部のバネ定数とアームの慣性モーメントとから時々刻々と導き、リアルタイムで振動を抑制する加減速パターンを生成することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、サーボモータにより駆動される関節によって結合された複数のアームからなるロボットの加減速パターン生成方法において、前記アームのうち少なくとも１つについて、所定の時間間隔ごとに前記サーボモータによって動作する前記アームの慣性モーメントを算出し、前記関節の駆動系におけるバネ系要素のバネ定数と前記慣性モーメントとから前記アームの固有振動数を求め、加減速パターンの加速時間および減速時間を前記固有振動数の逆数である固有振動周期の整数倍とすることを特徴とするものである。

本発明によると、ロボットの固有振動数の実測を必要とせず、リアルタイムで振動を抑制する加減速パターンを生成することができる。また、ロボットアームがどのような姿勢をとっても、加減速パターンと固有振動数が共振して振動を発生するということがなく、ロボットの軌跡精度が向上する。さらにはロボットの操作者がティーチングの際に固有振動数を意識して加減速パターンを教示する必要がなくなり、教示時間を短縮できるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明を適用するロボットの構成を示す模式図である。ロボットは３つの駆動軸により構成され、１は図のＺ軸回りに回転する第１軸、２は第１軸によって駆動される第１アーム、３は第１アームの先端部に設けられ、第１軸と平行な軸回りに回転する第２軸、４は第２軸によって駆動される第２アーム、５は第２アームの先端部に設けられ、第２軸と平行な軸回りに回転する第３軸、６は第３軸によって駆動され、先端部に質点を有する第３アームである。
すなわち、図１に示すロボットは、各軸がそれぞれ１自由度を有し、合計で３自由度を有しており、ＸＹ平面内で動作する。そして、各軸がそれぞれ、アームの慣性モーメント(重力モーメント含む)や、後述する減速機等のバネ系要素の影響を受ける。
図２は、各駆動軸の構成を示す図である。各軸を駆動するサーボモータ７、減速機８、そして図１の各アームに対応する負荷９で構成されている。

図３は、各駆動軸における、速度指令から駆動軸の速度応答までのブロック図である。
加減速パターン生成部１０から出力された速度指令は、速度フィルタ１２を介し、コントローラ１３、サーボモータ１４により構成されるサーボ系１５へ指令され、各駆動軸１６が駆動される。
本発明が従来技術と異なるのは、加減速パターン生成部１０において、固有振動数の実測データを必要としない点である。

本発明においては、加減速パターン生成部１０の内部メモリ１１には、アームの慣性モーメントを算出するのに必要なアームの各寸法や密度の分布、さらには駆動系のバネ系要素のバネ定数が予め格納されている。また、加減速パターン生成部１０は駆動軸１６の現在位置をエンコーダなどによって所定の周期ごとに取得し、これをもとにアームの姿勢を求める。
アームはその姿勢によって慣性モーメントが変化するので、加減速パターン生成部１０では、内部メモリ１１内のアームに関する情報と、現在のアームの姿勢とから、前述の周期ごとに慣性モーメントの計算を行う。続いて慣性モーメントから固有振動数を求める。
各軸に作用するアーム（負荷９）の慣性モーメントをＪ_Ｌ、減速機８などを含んだ駆動系のバネ系要素のバネ定数をＫ_Ｃ、固有振動数をｆとすると、各軸の固有振動数は式（１）で導出される。

・・・ 式（１）

以上のようにして、動作中のロボットの姿勢によって変化する固有振動数ｆをリアルタイムで求める。Ｋ_Ｃは一定であるので、各軸の慣性モーメントＪ_Ｌを算出することで固有振動数ｆを導出できる。
固有振動数ｆを導出した後は引用文献２に記載された発明に従って、固有振動数ｆの逆数を固有周期Ｔ（Ｔ＝１／ｆ）として、加減時間および減速時間がＴの整数倍である加減速パターンを、速度指令として加減速パターン演算部１０より出力する。
この一連の処理を所定周期ごとに行うことによって、振動を抑制することができる。

本発明は、複数の関節によって結合されたアームを有するロボットすべてに適用することができる。

ロボットモデルの構成図 各駆動軸の構成を示す概略斜視図 加減速パターン生成部から駆動軸の速度応答までのブロック図

符号の説明

１ 第１軸
２ 第１アーム
３ 第２軸
４ 第２アーム
５ 第３軸
６ 第３アーム
７、１４ サーボモータ
８ 減速機
９ 負荷
１０ 加減速パターン生成部
１１ 内部メモリ
１２ 速度フィルタ
１３ コントローラ
１５ サーボ系
１６ 駆動軸

Claims (1)

1. サーボモータにより駆動される関節によって結合された複数のアームからなるロボットの加減速パターン生成方法において、
   前記アームのうち少なくとも１つについて、所定の時間間隔ごとに前記サーボモータによって動作する前記アームの慣性モーメントを算出し、
   前記関節の駆動系におけるバネ系要素のバネ定数と前記慣性モーメントとから前記アームの固有振動数を求め、
   加減速パターンの加速時間および減速時間を前記固有振動数の逆数である固有振動周期の整数倍とすることを特徴とするロボットの加減速パターン生成方法。