JP2010120110A - 減速機の伝達誤差補正量算出方法およびロボット制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】産業用ロボットに組み込まれた減速機の角度伝達誤差を容易に算出し補正することができるロボット制御装置の提供。
【解決手段】マーク部材Ｐｍを取り付けた駆動軸を所定速度で且つ回転可能角度の全範囲に渡って回転駆動する。この間、カメラ２１ａおよび視覚センサ制御装置２１ｂからなる位置計測手段２１によってマーク部材Ｐｍの位置を計測し、計測角度記録部１５が駆動軸の回転角度を計測角度データＤａとして記録する。同時に、モータ回転角度記録部１６がサーボモータに接続されたエンコーダが検出するモータ回転角度データＤｂを記録する。そして、伝達誤差補正量算出部１７が、記録後の計測角度データＤａおよびモータ回転角度データＤｂの差分に基づいて伝達誤差補正量Ｄｄを算出する。駆動指令部１２は、ロボットＲの各サーボモータに対し、伝達誤差補正量Ｄｄを加減算して回転駆動指令を出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、減速機が有している角度伝達誤差を補正するための伝達誤差補正量算出方法および伝達誤差補正量を算出するロボット制御装置に関するものである。

産業用ロボットにおいては、作業に適した出力トルクを得るため、ロボットアームの関節部に位置する駆動軸には、高速低トルクのサーボモータと、このサーボモータの回転数およびトルクを低速高トルクにする減速機とが組み込まれている。減速機としては、高減速比を有し、ギヤ間のバックラッシュの少ないこと、さらに慣性を小さくするため軽量小型であること等が要求されている。このような要求を満たす減速機としては、調和歯車装置、偏心揺動型の遊星歯車減速機等があるが、これらギア式の減速機は、サーボモータから入力される回転数の整数倍に同期した角度伝達誤差を有することが知られている。ここで述べる角度伝達誤差とは、減速機の入力側に接続された動力機構の角度と、減速機の出力側に接続された負荷の角度との間に生じる周期的な誤差のことである（例えば、特許文献１、２参照）。

図３は、減速機が有している角度伝達誤差を説明するための図である。同図において、横軸のθinは減速機の入力側角度を示し、縦軸のθoutは減速機の出力側角度を示している。また、一点波線は理想的な出力角度波形、実線は角度伝達誤差の影響を受けた実際の出力角度波形を示している。同図に示すように、角度伝達誤差の影響により、入力側角度θinを任意の角度からΔθだけ回転させても、出力側角度θoutの回転量はΔθにはならない。減速機が有している角度伝達誤差は、産業用ロボットの制御点（以下、ＴＣＰという。）を補間動作させる際に大きく影響を与える。特にアーク溶接、シーリング等の低速度でＴＣＰを移動させるアプリケーションでは、補間精度が低下してしまう。

この課題を解決するため、特許文献１または２に開示された技術を適用することが考えられる。例えば特許文献１には、減速機に変位センサを組み込みんで出力歯車の放射方向への変位を計測し、この変位から出力側歯車の回転角度を求めることで減速機の入力角度に対する出力角度を正確に求めることができる偏心遊星作動型減速機の位置検出装置が開示されている（以下、従来技術１という）。

また、特許文献２には、減速機の機械設計構造から予め求めることができる角度伝達誤差の周期長を、正弦波関数としてロボット制御装置内にモデル化しておき、エンコーダ等の位置検出センサから得たモータ回転量と、モデル化された正弦波関数とから、現在のモータ回転駆動指令で減速機に発生する角度伝達誤差を求め、この誤差を相殺する補正量をモータ回転駆動指令に加えることで、角度伝達誤差に起因する補間精度の低下を改善するロボット用制御装置が開示されている（以下、従来技術２という）。

特許第２５０５５２０号公報 特公平６−６８７０２号公報

上記した従来技術１においては、減速機１台毎に変位センサを具備する必要があるため、製品コストが上昇してしまうという課題がある。さらに、従来技術１は、あくまで減速機単体での角度伝達誤差を補正するための技術であり、減速機が産業用ロボットの各駆動軸に組み込まれた際の組付け誤差等による角度伝達誤差については考慮されていない。一方、従来技術２においては、減速機が有する角度伝達誤差の周期長は、減速機の機械設計構造に基づいて算出されているため、減速機の個体毎に生ずるバラツキによる角度伝達誤差は考慮されていない。

そこで、本発明は、産業用ロボットに組み込まれた状態での減速機の角度伝達誤差補正量を迅速かつ正確に計測する減速機の伝達誤差補正量算出方法、および角度伝達誤差補正量を迅速かつ正確に計測することができるロボット制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、第１の発明は、
サーボモータを回転駆動して減速機にトルクを伝達しロボットアームの駆動軸を駆動制御するに先だって、前記減速機が有する周期的な角度伝達誤差を補正するための伝達誤差補正量を予め算出する減速機の伝達誤差補正量算出方法において、
前記駆動軸を所定速度で且つ回転可能角度の全範囲に渡って回転させる教示を行う教示工程と、
前記駆動軸を前記教示に従って回転させたときに外部に設置された位置計測手段によって前記駆動軸の回転角度を所定タイミング毎に計測し計測角度データとして記録する第１の記録工程と、
前記サーボモータに接続されたエンコーダが検出するモータ回転角度データを前記所定タイミング毎に記録する第２の記録工程と、
記録後の前記計測角度データおよび前記モータ回転角度データの前記所定タイミング毎の差に基づいて前記伝達誤差補正量を算出する補正量算出工程と、
を含むことを特徴とする減速機の伝達誤差補正量算出方法である。

第２の発明は、
減速機が有する周期的な角度伝達誤差を補正するための伝達誤差補正量を予め設定しておき、この伝達誤差補正量に基づいてサーボモータを回転駆動して前記減速機にトルクを伝達しロボットアームの駆動軸を駆動制御するロボット制御装置において、
前記駆動軸を所定速度で且つ回転可能角度の全範囲に渡って回転させる教示を行う教示手段と、
外部に設置された位置計測手段と送受信する通信手段と、
前記駆動軸を前記教示に従って回転させたときに前記位置計測手段によって所定タイミング毎に計測された前記駆動軸の回転角度を前記通信手段を介して入力し計測角度データとして記録する第１の記録手段と、
前記サーボモータに接続されたエンコーダが検出するモータ回転角度データを前記所定タイミング毎に計測して記録する第２の記録手段と、
記録後の前記計測角度データおよび前記モータ回転角度データの前記所定タイミング毎の差に基づいて前記伝達誤差補正量を算出する補正量算出手段と、
を備えたことを特徴とするロボット制御装置である。

第３の発明は、前記位置計測手段は、前記ロボットアームに取り付けられたマーク部材を撮像するカメラと、このカメラの撮像情報を入力として前記マーク部材を認識して前記回転角度を計測する視覚センサ制御部とを含むことを特徴とする第２の発明に記載のロボット制御装置である。

第１および第２の発明によれば、外部に設置された位置計測手段によって駆動軸の回転角度を計測し、計測角度データとして所定タイミング毎に記録すると同時に、サーボモータに接続されたエンコーダが検出するモータ回転角度データを同じタイミング毎に記録しておき、記録後の計測角度データおよびモータ回転角度データの所定タイミング毎の差分に基づいて伝達誤差補正量を算出するようにしている。このことによって、減速機が産業用ロボットに組み込まれた状態での角度伝達誤差を迅速かつ正確に計測するとともに減速機の個体毎に生ずるバラツキを考慮した伝達誤差補正量を容易に算出することができる。

第３の発明によれば、ロボットアームにマーク部材を取り付け、このマーク部材の位置を二次元的に認識する視覚センサで計測するだけのシンプルな構成にしたことによって、第１および第２の発明が奏する効果に加えて、比較的安価な環境で伝達誤差補正量を算出することができる。

以下、発明の実施の形態を実施例に基づき図面を参照して説明する。

［実施の形態１］
図１は、本発明を適用したロボット制御装置を有する産業用ロボットシステム１のブロック図である。同図に示すように、産業用ロボットシステム１は、アーク溶接トーチ等の作業ツールが取り付けられたロボットＲ、教示手段としてのティーチペンダントＴＰ、これらを制御するロボット制御装置ＲＣから大略構成される。位置計測手段２１は、伝達誤差補正量を算出する場合のみ接続されるものであり、詳細は後述する。

ロボットＲは、図示しないワークに対してアーク溶接、シーリング等の作業を自動で行うものであり、各関節部に位置する駆動軸と、駆動軸間を連結する上アーム、下アーム等の各ロボットアームによって構成されている。各駆動軸には、サーボモータと、このサーボモータの回転数およびトルクを低速高トルクにする減速機とが組み込まれている。各サーボモータには位置検出センサであるエンコーダが備えられており、このエンコーダからの出力によって現在位置を認識することが可能となっている。

教示手段としてのティーチペンダントＴＰは、ロボット制御装置ＲＣのＴＰインタフェース６に接続されている。ティーチペンダントＴＰには、ロボットＲを手動操作で動かすための軸操作キー（図示せず）が備わっている。これらのキーを操作することによってロボットＲのＴＣＰを所望の位置に動かすことができるとともに、その位置を教示データとしてハードディスク５に記憶することができる。

ロボット制御装置ＲＣの各部について説明する。後述するロボット制御装置ＲＣ内の各部は、図示しないバスで接続されている。ＣＰＵ２は中央演算処理装置、ＲＡＭ３は一時的な計算領域である。ハードディスク５はロボットＲの教示データ、動作制御のための各制御パラメータ等を記憶するための不揮発性メモリである。ハードディスク５には、後述する計測角度データＤａ、モータ回転角度データＤｂ、伝達誤差データＤｃおよび伝達誤差補正量Ｄｄ等も記憶される。

主制御部４はロボット制御装置ＲＣの制御中枢であって、第１の記録手段としての計測角度記録部１５、第２の記録手段としてのモータ回転角度記録部１６および補正量算出手段としての伝達誤差補正量算出部１７を備えている。計測角度記録部１５、モータ回転角度記録部１６および伝達誤差補正量算出部１７については、後述する。

動作制御部１１は、ロボットＲの軌跡演算等を行って演算結果を駆動指令部１２に指令する。駆動指令部１２は、動作制御部１１からの指令に基づいてロボットＲの各サーボモータを回転駆動するための回転駆動信号を出力する。

起動ボックスＳＢは、教示データの再生運転を行うための起動信号をロボット制御装置ＲＣに入力するためのものである。起動ボックスＳＢからの起動信号は、入出力インターフェース７を介して主制御部４に入力される。

位置計測手段２１は、カメラ２１ａと、このカメラ２１ａを制御するための視覚センサ制御部としての視覚センサ制御装置２１ｂとで構成される。視覚センサ制御装置２１ｂは、通信手段としてのセンサインターフェース２２に接続され、ロボット制御装置ＲＣと相互に通信可能になっている。カメラ２１ａは、ロボットＲの任意のアームに取り付けたマーク部材Ｐｍを撮像するように設置している。マーク部材Ｐｍは、自身が赤外線、可視光等を発光するＬＥＤとしている。視覚センサ制御装置２１ｂは、カメラ２１ａが撮像するマーク部材Ｐｍの位置を計測点として認識し、計測点の位置情報をロボット制御装置ＲＣに送信する。なお、マーク部材ＰｍとしてＬＥＤを取り付けているが、ＬＥＤに限らず、カメラ２１ａが撮像するロボットＲおよびその周辺環境となるべく異なる色や形状を有し、撮像した画像と明瞭に区別できるマーク部材であれば何でも良い。

次に、上記した産業用ロボットシステム１によって伝達誤差補正量を算出するまでの流れについて説明する。

（１．準備）
ロボットＲのいずれかのアームに計測点としてのマーク部材Ｐｍを取り付ける。次に、マーク部材Ｐｍを取り付けたアームが、所定速度で且つアームの基端部に位置する駆動軸を中心として回転可能角度の全範囲に渡って回転するようにティーチペンダントＴＰを用いて教示データを作成する。また、マーク部材Ｐｍが移動する様子を撮像できるようカメラ２１ａの設置位置を調節しておく。

（２．教示データの再生および計測開始）
作成した教示データを再生するべく、起動ボックスＳＢから起動信号を入力する。同時に、視覚センサ制御装置２１ｂに計測点の位置を計測するよう指令を与える。

（３．視覚センサ制御装置２１ｂの処理）
視覚センサ制御装置２１ｂは、所定時刻毎に計測点の位置を計測する。さらに、視覚センサ制御装置２１ｂは、計測した計測点の位置を、駆動した駆動軸の基部にある関節を中心とした回転座標系まわりの角度に変換することが可能となっている。回転座標系周りの角度に変換した回転角度データを、時刻情報を付与してロボット制御装置ＲＣに通知する。なお、上記時刻情報は、再生が開始された後の経過時刻とし、０．１秒刻みとしている。

（４．計測角度記録部１５の処理）
計測角度記録部１５は、位置計測手段２１によって計測された駆動軸の回転角度を計測角度データＤａとして、ハードディスク５に記録する。図２は、ハードディスク５に記録される各データの一例を示したものである。同図（ａ）に示しているように、上記計測角度データＤａは、再生開始後の経過時刻とその時刻での計測点の回転角度が対になって記録される。

（５．モータ回転角度記録部１６の処理）
モータ回転角度記録部１６は、サーボモータに接続されたエンコーダが検出した位置データを、視覚センサ制御装置２１ｂと同じ時刻毎に記録する。さらに、検出した所定時刻毎の位置データに対し、次式のようにエンコーダの分解能と減速比を乗じる。すなわち、サーボモータの位置データを減速機の出力側角度に換算したθinを算出する。
θin ＝ θenc × Ｅｖ × Ｎ …（１）

上記式（１）において、θencはサーボモータが検出した位置データ[pulse]、Ｅｖはエンコーダの分解能[rad/pulse]、Ｎは減速比を表している。

モータ回転角度記録部１６は、θinに計測した時刻を付与し、モータ回転角度データＤｂとしてハードディスク５に記録する。具体的には、図２（ｂ）に示すように、再生開始後の経過時刻とその時刻でのモータ回転角度が対になって記録される。

（６．記録の停止）
作成した教示データの再生が完了したら、視覚センサ制御装置２１ｂに計測点の位置計測を終了するよう指令を与えるとともに、計測角度記録部１５およびモータ回転角度記録部１６は、各データの記録を停止する。

（７．伝達誤差補正量算出部１７の処理）
伝達誤差補正量算出部１７は、ハードディスク５に記録された計測角度データＤａおよびモータ回転角度データＤｂに基づいて、次式により再生開始後の経過時刻毎の伝達誤差を算出し、図２（ｃ）に示すように、伝達誤差データＤｃとしてハードディスク５に記録する。
θerr ＝ θout（ｔ）−θin（ｔ） …（２）
上記式（２）において、θerrは減速機の伝達誤差、θoutは減速機出力側の角度 、θinは減速機入力側の角度、ｔは時刻を表している。

さらに、伝達誤差補正量算出部１７は、モータ回転角度データＤｂに記録されたサーボモータの回転角度と、伝達誤差データＤｃに記録された伝達誤差とを時刻データで同期させて、図２（ｄ）に示すように、サーボモータの指令位置に対応した減速機の伝達誤差に加工し、伝達誤差補正量Ｄｄとしてハードディスク５に記録する。

（８．残りの駆動軸についての伝達誤差補正量の算出）
上記までに、ロボットＲのいずれかの駆動軸についての伝達誤差補正量が算出されている。ロボットＲが、例えば６軸からなる多関節ロボットである場合は、残りの５つの駆動軸についても上記した方法で伝達誤差補正量を算出する。

（９．算出した伝達誤差補正量に基づく角度伝達誤差の補正）
上記までの手順によって伝達誤差補正量の算出が完了している。以降は、算出した伝達誤差補正量を加減算した回転駆動信号をサーボモータに出力することによってロボットの駆動軸を駆動制御することが可能になる。具体的には従来技術２に開示されているので、ここでは詳細な説明を省略する。

なお、上述した実施例では、視覚センサ制御装置２１ｂが計測した計測角度データＤａをロボット制御装置ＲＣに送信し、この計測角度データＤａとロボット制御装置Ｒｃが計測したモータ回転角度データＤｂとに基づいて伝達誤差補正量Ｄｄを算出するようにした。これに代えて、ロボット制御装置ＲＣが計測したモータ回転角度データＤｂを視覚センサ制御装置２１ｂに送信し、視覚センサ制御装置２１ｂが、モータ回転角度データＤｂと視覚センサ制御装置２１ｂが記録した計測角度データＤａとに基づいて伝達誤差補正量Ｄｄを算出し、伝達誤差補正量Ｄｂをロボット制御装置Ｒｃに送信して記憶するようにしてもよい。

また、上記計測角度データＤａおよびモータ回転角度データＤｂを記録する所定タイミングとして時刻情報を利用したが、これに限らず、ロボット制御装置ＲＣ内で同期信号を発生させ、この同期信号に基づいて上記データを記録するように構成しても良い。

以上説明したように、外部に設置された位置計測手段によって駆動軸の回転角度を計測し、計測角度データとして所定時刻毎に記録すると同時に、サーボモータに接続されたエンコーダが検出するモータ回転角度データを同じ時刻毎に記録しておき、記録後の計測角度データおよびモータ回転角度データの所定時刻毎の差分に基づいて伝達誤差補正量を算出するようにしている。このことによって、減速機が産業用ロボットに組み込まれた状態での伝達誤差補正量を迅速かつ正確に計測するとともに減速機の個体毎に生ずるバラツキを考慮した伝達誤差補正量を容易に算出することができる。

また、ロボットアームにマーク部材を取り付け、このマーク部材の位置を認識する視覚センサで計測するだけのシンプルな構成にしたことによって、上記効果に加えて、安価な環境で伝達誤差補正量を算出することができる。

本発明を適用したロボット制御装置を有する産業用ロボットシステム１のブロック図である。 ハードディスク５に記録される各データの一例を示したものである。 減速機が有している角度伝達誤差を説明するための図である。

符号の説明

１ 産業用ロボットシステム
４ 主制御部
５ ハードディスク
６ ＴＰインタフェース
７ 入出力インターフェース
１１ 動作制御部
１２ 駆動指令部
１５ 計測角度記録部
１６ モータ回転角度記録部
１７ 伝達誤差補正量算出部
２１ 位置計測手段
２１ａ カメラ
２１ｂ 視覚センサ制御装置
２２ センサインターフェース
Ｄａ 計測角度データ
Ｄｂ モータ回転角度データ
Ｄｃ 伝達誤差データ
Ｄｄ 伝達誤差補正量
Ｐｍ マーク部材
Ｒ ロボット
ＲＣ ロボット制御装置
ＳＢ 起動ボックス
ＴＰ ティーチペンダント
θin 入力側角度
θout 出力側角度

Claims (3)

1. サーボモータを回転駆動して減速機にトルクを伝達しロボットアームの駆動軸を駆動制御するに先だって、前記減速機が有する周期的な角度伝達誤差を補正するための伝達誤差補正量を予め算出する減速機の伝達誤差補正量算出方法において、
   前記駆動軸を所定速度で且つ回転可能角度の全範囲に渡って回転させる教示を行う教示工程と、
   前記駆動軸を前記教示に従って回転させたときに外部に設置された位置計測手段によって前記駆動軸の回転角度を所定タイミング毎に計測し計測角度データとして記録する第１の記録工程と、
   前記サーボモータに接続されたエンコーダが検出するモータ回転角度データを前記所定タイミング毎に記録する第２の記録工程と、
   記録後の前記計測角度データおよび前記モータ回転角度データの前記所定タイミング毎の差に基づいて前記伝達誤差補正量を算出する補正量算出工程と、
   を含むことを特徴とする減速機の伝達誤差補正量算出方法。
2. 減速機が有する周期的な角度伝達誤差を補正するための伝達誤差補正量を予め設定しておき、この伝達誤差補正量に基づいてサーボモータを回転駆動して前記減速機にトルクを伝達しロボットアームの駆動軸を駆動制御するロボット制御装置において、
   前記駆動軸を所定速度で且つ回転可能角度の全範囲に渡って回転させる教示を行う教示手段と、
   外部に設置された位置計測手段と送受信する通信手段と、
   前記駆動軸を前記教示に従って回転させたときに前記位置計測手段によって所定タイミング毎に計測された前記駆動軸の回転角度を前記通信手段を介して入力し計測角度データとして記録する第１の記録手段と、
   前記サーボモータに接続されたエンコーダが検出するモータ回転角度データを前記所定タイミング毎に計測して記録する第２の記録手段と、
   記録後の前記計測角度データおよび前記モータ回転角度データの前記所定タイミング毎の差に基づいて前記伝達誤差補正量を算出する補正量算出手段と、
   を備えたことを特徴とするロボット制御装置。
3. 前記位置計測手段は、前記ロボットアームに取り付けられたマーク部材を撮像するカメラと、このカメラの撮像情報を入力として前記マーク部材を認識して前記回転角度を計測する視覚センサ制御部とを備えることを特徴とする請求項２記載のロボット制御装置。

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