JP2009220184A

JP2009220184A - 産業用ロボットの出力トルク制限回路

Info

Publication number: JP2009220184A
Application number: JP2008063926A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Kanitani; 清蟹谷
Original assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Current assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Priority date: 2008-03-13
Filing date: 2008-03-13
Publication date: 2009-10-01

Abstract

【課題】産業用ロボットにおいて、力センサにて検出されたトルク信号により各関節軸の出力トルクを制限しながらの運転を可能とするとともに、駆動部の効率に左右されない正確な出力トルク制限の解決法を提供する。
【解決手段】各関節軸の姿勢保持トルクを算出する保持トルク演算回路１と、各関節軸の駆動部に取り付けられた力センサ４にて検出されたトルク信号から保持トルク演算回路１にて算出された姿勢保持トルクを減算することにより各関節軸の出力トルクを算出する減算回路５と、この減算回路５にて算出された各関節軸の出力トルクがトルク規制値を超える場合に制御トルクを出力するようにされたヒステリシス回路２と、このヒステリシス回路２から出力された制御トルクに基づいて機械インピーダンス演算により軌道オフセットを算出する仮想機械インピーダンス回路３と、を有するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、サーボモータにより各関節軸を駆動するようにされた産業用ロボットにおける、出力トルク制限回路に関する。

従来、力センサを用いてサーボモータにより駆動される各関節軸の出力トルクを制限する技術については、例えば非特許文献１に開示されているように、力センサを産業用ロボットの手首先端と作業ツールとの間に配置することにより、組み付け作業時の出力トルクを制限するというものであった。しかし、この技術については、作業者と各関節軸のアームとが干渉することにより各関節軸のアームに直接トルクが加わり、これにより手首先端に配置した力センサに信号が加わる場合に、出力トルクを制限するものではなく、これを示唆するものでもなかった。

また、非特許文献２では、機械系の運動方程式による力制御の実現方法が開示されているが、こうした制御により求まった出力トルクを入力しても、駆動部に存在する効率により正確な出力トルクの制限を実現することは困難であった。その理由は、駆動部の効率は、通常８５〜９５％程度とバラツキの範囲が大きく、運転状態により変化するため、この効率を正確に予測することは難しいためである。例えば、２ｍの距離に１００ｋｇの質量負荷を保持するのに必要なトルクは２０００Ｎｍであるが、この場合の効率に起因する誤差は、効率を８５％とするとその誤差は３００Ｎｍであり、この誤差が存在する状態で作業者とロボットとの干渉において安全とされる１５０Ｎｍ以下に出力トルクの制限をすることは不可能である。この非特許文献２に開示されているような従来の制御方法では、こうした場合の解決方法を与えるものでもなく、示唆するものでもなかった。

さらに、出願人が先に出願した特願２００８−３９９５９は、多関節軸で構成される産業用ロボットにおいて、各関節軸の駆動部に取り付けた力センサの検出値から出力トルクを演算し、その出力トルクが制限値を超える場合に駆動部の動力を遮断することにより、出力トルクを制限するというものであった。しかし、これについても、以下に説明する本発明のように出力トルクを制限しながら産業用ロボットの運転を可能とする方法を提供するものではなかった。

「ロボット工学ハンドブック」、日本ロボット学会、１９９０年、ｐ．３９４「モーションコントロール」、島田明編著、オーム社、２００４年、ｐ．１９８〜１９９

本発明は、前述した問題点に鑑みてなされたものであり、力センサにて検出されたトルク信号により各関節軸の出力トルクを制限しながらの運転を可能とするとともに、駆動部の効率に左右されない正確な出力トルク制限の解決法を提供することを目的とする。

前述した目的を達成するために、請求項１に係る発明では、サーボモータにより各関節軸を駆動するようにされた産業用ロボットの出力トルク制限回路において、各関節軸の姿勢保持トルクを算出する保持トルク演算回路と、各関節軸の駆動部に取り付けられた力センサにて検出されたトルク信号から前記保持トルク演算回路にて算出された姿勢保持トルクを減算することにより各関節軸の出力トルクを算出する減算回路と、この減算回路にて算出された各関節軸の出力トルクがトルク規制値を超える場合に制御トルクを出力するようにされたヒステリシス回路と、このヒステリシス回路から出力された制御トルクに基づいて機械インピーダンス演算により軌道オフセットを算出する仮想機械インピーダンス回路と、を有することを特徴とする産業用ロボットの出力トルク制限回路を提供した。

係る構成としたことにより、力センサにて検出されたトルク信号から姿勢保持トルクを減算することにより算出された出力トルクがトルク規制値を超える場合に制御トルクが出力され、この制御トルクに基づいて各関節軸の位置の修正値としての軌道オフセットが算出されることになる。

これにより、各関節軸の駆動部に取り付けた力センサにて検出されたトルク信号により、駆動部の効率に左右されない正確な出力トルクの制限が可能となり、産業用ロボットのアームの各関節軸に外部からの干渉等によるトルクが加わるような場合にも出力トルクの制限が可能となる。そして、これにより出力トルクを制限しながらの産業用ロボットの運転が可能となるので、例えば、作業者と産業用ロボットが一緒に作業をする環境下において、万一、作業者が稼働中の産業用ロボットに接触した場合でも、ロボットの各関節軸が逃げることになるので、ロボットの出力トルクが作業者とロボットとの干渉において安全とされる１５０Ｎｍ以下であれば、作業者とロボットとを安全柵で仕切る必要がなくなる。そのため、作業者とロボットとの共存環境下での作業が可能となるので、作業スペースは従来よりも小さくすることが可能となる。

本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。各図面において、図１は出力トルクの制限回路の説明図、図２は力センサ４の配置を説明するための模式図、図３は保持トルク演算回路１にて行われる、姿勢保持トルクの演算方法を説明するために用いる、３軸の垂直多関節構造のロボットモデルを示した模式図、図４は仮想機械インピーダンス回路３の説明図である。

図１の出力トルクの制限回路の説明図において、ヒステリシス回路２には、産業用ロボットの各関節軸の駆動部に取り付けられた力センサ４にて検出されたトルク信号から、保持トルク演算回路１にて算出された各関節軸の姿勢保持トルクを減算回路５において減算した、各関節軸の出力トルクが入力される。このヒステリシス回路２では、図示するように、横軸を各関節軸の出力トルクの入力とし、縦軸を制御トルクの出力とすると、点線で示したトルク規制値よりも大きい場合に制御トルクが出力されるヒステリシス特性を有するものとなっている。このヒステリシス回路２から出力された制御トルクは、仮想機械インピーダンス回路３に入力され、ここで後述する伝達関数Ｇ（ｓ）を実現するための演算を行った後、軌道オフセットθoffとして出力される。この軌道オフセットθoffが、目標軌道を実現する各関節軸の位置の修正値として、各関節軸の位置に加算されることになる。

図２は、力センサ４の取り付け概念図を示したものであり、力センサ４はモータＭの減速機の出力部に取り付けられることにより、減速機といった駆動部の効率に左右されない正確なトルク信号を検出することができる。

図３は、本実施形態に係る保持トルクの演算方法を説明するために、垂直多関節構造を有する３軸（関節軸が３軸あるもの）のロボットモデルを模式的に記述したものである。なお、本発明は３軸よりも多関節の６軸あるいは７軸のロボットにも順次数式を拡張することにより適用可能であるが、ここでは本発明の理解を助けるために、本発明の作用を最も効果的に説明できる３軸構造のロボットモデルを例にあげて、以下に説明を行うことにする。

この図３に示すロボットの関節軸は、ロボットの接地面に垂直な軸（Ｚ軸）回りに回転する第１軸（θ１回りの軸）、その先にＸ軸回りにＹＺ平面で回転する第２軸（θ２回りの軸）、アーム長Ｌ２だけ隔たった位置に同じくＹＺ平面で回転する第３軸（θ３回りの軸）であり、さらにアーム長Ｌ３だけ隔たった位置に負荷ＷＬが取り付けられている。この３軸の構成により、ＸＹＺの空間位置に負荷ＷＬを移動させることができる。

第２軸（θ２回りの軸）及び第３軸（θ３回りの軸）のアームには、自身の質量Ｗ２及びＷ３が、それぞれ図３に示すように、Ｌ２１及びＬ３１の距離の位置を重心位置として配置されている。なお、第１軸は接地面に垂直な軸の回りに回転するため重力による姿勢保持トルクは必要とされないが、第２軸は自身の質量Ｗ２に加え第３軸の質量Ｗ３と負荷の質量ＷＬとを保持するための姿勢保持トルクが必要となるので、第２軸の出力トルクはこれらの姿勢保持トルクを差し引いたトルクとなる。また、第３軸は、自身の質量Ｗ３と負荷の質量ＷＬとを保持するための姿勢保持トルクが必要となるので、第３軸の出力トルクはこれらの姿勢保持トルクを差し引いたトルクとなる。

ここで、各関節軸の角度位置をそれぞれラジアン単位でθ１、θ２、θ３とする。また、θ２及びθ３については、接地面に平行な線となる角度で表記する。さらに、数式を短く表記するため、Ｃｏｓθ１をＣ１、Ｓｉｎθ３をＳ３のように簡易表記する。

まず、第１軸（θ１回りの軸）の姿勢保持トルクＴ１Ｈは、図３のモデルでは０である。また、第２軸（θ２回りの軸）の姿勢保持トルクＴ２Ｈは、この第２軸の質量Ｗ２、第３軸（θ３回りの軸）の質量Ｗ３および負荷の質量ＷＬのそれぞれを保持するトルクの和となり、次の式（１）となる。

また、第３軸（θ３回りの軸）の姿勢保持トルクＴ３Ｈは、この第３軸の質量Ｗ３および負荷の質量ＷＬのそれぞれを保持するトルクの和となり、次の式（２）となる。

また、図１に示す減算回路５の動作は次の通りとなる。すなわち、各関節軸の駆動部に取り付けた力センサ４にて検出されたトルク信号をそれぞれＴ１、Ｔ２、Ｔ３と表記すると、図１のヒステリシス回路２への入力である各関節軸の出力トルクは、それぞれ、第１軸がＴ１、第２軸がＴ２−Ｔ２Ｈ、第３軸がＴ３−Ｔ３Ｈとなる。

ここで、図４に仮想機械インピーダンス制御系のモデルを示す。この図４において、Ｋｖ、Ｄｖ、Ｊｖは、仮想機械インピーダンスのばね定数、粘性係数、慣性モーメントをそれぞれ示す。ここで、トルクτを与えたときの軌道オフセットθoffを与える伝達関数Ｇ（ｓ）は、次の式（３）で与えられる。

前述した図１の仮想機械インピーダンス回路３では、この伝達関数Ｇ（ｓ）を実現するための演算を行う。なお、係る演算方法については、前述した非特許文献２の１９８〜１９９頁、あるいは出願人らの特公平７−８０１３９号公報等に開示されている。この伝達関数Ｇ（ｓ）を実現するための演算を行った結果算出された軌道オフセットθoffが、仮想機械インピーダンス回路３から出力される。そして、この軌道オフセットθoffが、目標軌道を実現する各関節軸の位置の修正値として、各関節軸の位置に加算されることになる。

以上の処理により、出力トルクがトルク規制値を超えた場合には、仮想機械インピーダンス回路３にて算出された軌道オフセットθoffに基づいて各関節軸の位置が修正されることになる。これにより、例えば、作業者と産業用ロボットが一緒に作業をする環境下において、万一、作業者が稼働中の産業用ロボットに接触した場合、すなわち出力トルクがトルク規制値を超えた場合でも、ロボットの各関節軸が逃げることに、すなわち各関節軸の位置が修正されることになるので、ロボットの出力トルクが作業者とロボットとの干渉において安全とされる１５０Ｎｍ以下であれば、作業者とロボットとを安全柵で仕切る必要がなくなる。そのため、作業者とロボットとの共存環境下での作業が可能となるので、作業スペースは従来よりも小さくすることが可能となる。

以上、本発明の実施形態について説明した。なお、前述の実施形態では、本発明の内容をより具体的に説明するために垂直多関節構造の３軸ロボットで説明したが、一般的な６軸構成のロボットや冗長軸を有する７軸構成のロボットの場合においても、前述したものと同様な考え方で適用できることはいうまでもない。また、本発明は垂直多関節構造に限定されるものではなく、直動型の軸構成や水平多関節構造のロボットに対しても、より簡単な演算式により適用可能である。

本発明の実施形態の一例である出力トルク制限回路の説明図である。本発明の実施形態における力センサ４の配置を説明するための模式図である。本発明の実施形態における保持トルク演算回路１にて行われる、姿勢保持トルクの演算方法を説明するために用いる、３軸の垂直多関節構造のロボットモデルを示した模式図である。本発明の実施形態における仮想機械インピーダンス回路３の説明図である。

符号の説明

１保持トルク演算回路
２ヒステリシス回路
３仮想機械インピーダンス回路
４力センサ
５減算回路

Claims

サーボモータにより各関節軸を駆動するようにされた産業用ロボットの出力トルク制限回路において、
各関節軸の姿勢保持トルクを算出する保持トルク演算回路と、
各関節軸の駆動部に取り付けられた力センサにて検出されたトルク信号から前記保持トルク演算回路にて算出された姿勢保持トルクを減算することにより各関節軸の出力トルクを算出する減算回路と、
該減算回路にて算出された各関節軸の出力トルクがトルク規制値を超える場合に制御トルクを出力するようにされたヒステリシス回路と、
該ヒステリシス回路から出力された制御トルクに基づいて機械インピーダンス演算により軌道オフセットを算出する仮想機械インピーダンス回路と、
を有することを特徴とする産業用ロボットの出力トルク制限回路。