JP2013226619A - Robot control method and robot control device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ロボット制御方法及びロボット制御装置に関する。 The present invention relates to a robot control method and a robot control apparatus.
従来から、多関節ロボットでは、マニピュレータの各関節軸に設けられたサーボモータをサーボ制御系でサーボ制御し、マニピュレータを停止保持する場合、サーボオフするとともにメカブレーキで保持して、重力軸が落下しないようにしている。 Conventionally, in multi-joint robots, when the servo motor provided on each joint axis of the manipulator is servo controlled by the servo control system and the manipulator is stopped and held, the servo is turned off and held by the mechanical brake so that the gravity axis does not fall I am doing so.
なお、特許文献1ではマニピュレータを停止保持する場合において、マニピュレータを特定の姿勢をとるようにした方法が提案されるとともに、特許文献2ではマニピュレータを待機状態とする場合には、可動部分における摩擦抵抗を利用してモータのトルクを減少させるようにする方法が提案されている。 Patent Document 1 proposes a method in which the manipulator takes a specific posture when the manipulator is stopped and held, and Patent Document 2 proposes a frictional resistance in the movable part when the manipulator is in a standby state. There has been proposed a method for reducing the torque of the motor by using the above-mentioned.
ところで、従来は、メカブレーキで停止保持した状態からサーボオンする場合は、メカブレーキのブレーキオフとサーボロックを同時に動作するようにしている。
ところが、マニピュレータのリンク位置姿勢によっては、サーボロックと同時に、ブレーキオフがされると、重力加速度の作用方向と同方向に回転する関節軸では、当該関節軸に連結された負荷側のリンクが当該重力加速度により落下することがある。この落下によって、マニピュレータの先端のツール等がワーク等の周辺物に衝突し、ワーク及びツール等に傷が付く虞があった。
By the way, conventionally, when the servo is turned on after being stopped and held by the mechanical brake, the brake of the mechanical brake and the servo lock are operated simultaneously.
However, depending on the link position and orientation of the manipulator, when the brake is turned off at the same time as the servo lock, the link on the load side connected to the joint axis of the joint axis that rotates in the same direction as the direction of gravitational acceleration is affected. May fall due to gravitational acceleration. Due to this fall, the tool or the like at the tip of the manipulator may collide with surrounding objects such as a workpiece, and the workpiece and the tool may be damaged.
なお、特許文献1及び特許文献2は、停止保持状態から、サーボロックとブレーキオフを行う場合の上記問題点を解決するための方法及び装置の提案はされていない。
本発明の目的は、7軸のマニピュレータの冗長性を有するロボットにおいて、メカブレーキによる停止保持状態から、ブレーキオフとサーボロックをする際、重力加速度の影響を受ける関節軸に連結された負荷側のリンクの落下を抑制することができるロボット制御方法及びロボット制御装置を提供することにある。
In Patent Document 1 and Patent Document 2, there is no proposal of a method and an apparatus for solving the above-described problems when performing servo lock and brake off from a stopped holding state.
It is an object of the present invention to provide a robot having redundancy of a seven-axis manipulator on a load side connected to a joint shaft that is affected by gravitational acceleration when performing brake-off and servo-locking from a stop holding state by a mechanical brake. It is an object of the present invention to provide a robot control method and a robot control apparatus that can suppress the dropping of a link.
上記問題点を解決するために、請求項1の発明は、7軸の関節軸を有するマニピュレータの前記関節軸をメカブレーキにより停止位置及び停止姿勢で保持する停止保持状態から、ブレーキオフとともに各関節軸のサーボモータをサーボロックするロボット制御方法において、前記マニピュレータの手先位置姿勢を前記停止位置及び停止姿勢で保持した状態で前記マニピュレータの冗長自由度が許容する複数のリンク位置姿勢のうち、前記関節軸に含まれる重力軸のサーボモータの少なくとも重力に起因する負荷トルクが最小となる最適リンク位置姿勢を求める第1段階と、前記最適リンク位置姿勢となるように前記マニピュレータの各関節軸のサーボモータを制御して、前記停止位置及び停止姿勢で前記関節軸をメカブレーキで停止保持する第2段階と、前記重力軸に関するサーボモータの速度制御ループの積分ゲインを、該重力軸の回転作動中のサーボ制御時の積分ゲインよりも大きくして前記重力軸に関するサーボモータをサーボロックする第3段階と、前記サーボロック後においてモータ電流が増加する所定時間経過後に前記メカブレーキの停止保持を解除する第4段階を含むことを特徴とするロボット制御方法を要旨としている。 In order to solve the above-described problems, the invention of claim 1 is directed to a state in which each joint of a manipulator having seven joint axes is held together with a brake off from a stop holding state in which the joint shaft is held at a stop position and a stop posture by a mechanical brake. In the robot control method for servo-locking the servo motor of the shaft, the joint position among the plurality of link position / posture allowed by the redundancy degree of freedom of the manipulator while the hand position / posture of the manipulator is held at the stop position and the stop posture. A first stage for obtaining an optimum link position and orientation at which a load torque caused by gravity is minimized, and a servo motor for each joint axis of the manipulator so as to be the optimum link position and orientation; The joint shaft is stopped and held by the mechanical brake at the stop position and the stop posture. And a second step of servo-locking the servo motor related to the gravity axis by making the integral gain of the speed control loop of the servo motor related to the gravity axis larger than the integral gain during servo control during rotation of the gravity axis. The gist of the robot control method includes a step and a fourth step of releasing the stop holding of the mechanical brake after a lapse of a predetermined time when the motor current increases after the servo lock.
請求項2の発明は、請求項1において、前記第3段階では、当該重力軸に関するサーボモータの速度制御ループの積分ゲインを、前記最適リンク位置姿勢での当該重力軸の負荷トルクの大きさに応じて、該重力軸の回転作動中のサーボ制御時の積分ゲインよりも大きくして前記重力軸に関するサーボモータをサーボロックすることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, in the third stage, the integral gain of the speed control loop of the servo motor related to the gravity axis is set to the magnitude of the load torque of the gravity axis at the optimum link position / posture. Accordingly, the servo motor related to the gravity axis is servo-locked by making it larger than an integral gain at the time of servo control during rotation operation of the gravity axis.
請求項3の発明は、7軸の関節軸を有するマニピュレータの前記関節軸のサーボモータを速度制御する速度制御ループを含んだサーボ制御を行う制御部と、前記関節軸毎に設けられたメカブレーキを備えるロボット制御装置において、前記マニピュレータの手先位置姿勢を停止位置及び停止姿勢で保持した状態で前記マニピュレータの冗長自由度が許容する複数のリンク位置姿勢のうち、前記関節軸に含まれる重力軸のサーボモータの少なくとも重力に起因する負荷トルクが最小となる最適リンク位置姿勢を算出する算出部を備え、前記制御部は、前記最適リンク位置姿勢となるように前記マニピュレータの各関節軸のサーボモータを制御して、前記停止位置及び停止姿勢で前記関節軸をメカブレーキで停止保持する第1制御部と、前記重力軸に関するサーボモータの速度制御ループの積分ゲインを、該重力軸の回転作動中のサーボ制御時の積分ゲインよりも大きくして前記重力軸に関するサーボモータをサーボロックする第2制御部と、前記サーボロック後においてモータ電流が増加する所定時間経過後に前記メカブレーキの停止保持を解除する第3制御部を含むことを特徴とするロボット制御装置を要旨としている。 According to a third aspect of the present invention, there is provided a control unit that performs a servo control including a speed control loop that controls a speed of a servo motor of the joint shaft of a manipulator having seven joint shafts, and a mechanical brake provided for each joint shaft. A plurality of link positions and postures that are allowed by the redundancy degree of freedom of the manipulator while the hand position and posture of the manipulator are held at the stop position and the stop posture of the gravitational axis included in the joint axis. A calculating unit that calculates an optimum link position and orientation that minimizes a load torque caused by gravity of at least the servo motor, and the control unit includes a servo motor for each joint axis of the manipulator so as to be the optimum link position and orientation; A first control unit that controls and holds the joint shaft with a mechanical brake at the stop position and the stop posture; and the gravity A second control unit for servo-locking the servo motor related to the gravity axis by making the integral gain of the speed control loop of the servo motor greater than the integral gain during servo control during rotation of the gravity axis, and the servo lock The gist of the present invention is a robot control device including a third control unit that releases the stop holding of the mechanical brake after a predetermined time when the motor current increases later.
請求項4の発明は、請求項3において、前記第2制御部は、当該重力軸に関するサーボモータの速度制御ループの積分ゲインを、前記最適リンク位置姿勢での当該重力軸の負荷トルクの大きさに応じて、該重力軸の回転作動中のサーボ制御時の積分ゲインよりも大きくして前記重力軸に関するサーボモータをサーボロックすることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the third aspect, the second control unit determines the integral gain of the speed control loop of the servo motor related to the gravity axis, and the magnitude of the load torque of the gravity axis at the optimum link position / posture. Accordingly, the servo motor related to the gravity axis is servo-locked by setting the gain larger than the integral gain during servo control during rotation of the gravity axis.
請求項1の発明によれば、7軸のマニピュレータの冗長性を有するロボットにおいて、メカブレーキによる停止保持状態から、ブレーキオフとサーボロックをする際、重力加速度の影響を受ける関節軸に連結された負荷側のリンクの落下を抑制することができるロボット制御方法を提供できる。 According to the first aspect of the present invention, in the robot having the redundancy of the seven-axis manipulator, when the brake is turned off and the servo is locked from the stop holding state by the mechanical brake, the robot is connected to the joint shaft affected by the gravitational acceleration. It is possible to provide a robot control method capable of suppressing the drop of the load side link.
請求項2の発明によれば、重力軸に関するサーボモータの速度制御ループの積分ゲインを、最適リンク位置姿勢での当該重力軸の負荷トルクの大きさに応じて、該重力軸の回転作動中のサーボ制御時の積分ゲインよりも大きくするため、負荷トルクに応じてモータ電流を出力することができ、負荷トルクに応じてサーボロックを掛けることができるロボット制御方法を提供できる。 According to the second aspect of the present invention, the integral gain of the speed control loop of the servo motor related to the gravity axis is determined according to the magnitude of the load torque of the gravity axis at the optimum link position and orientation during rotation of the gravity axis. Since it is larger than the integral gain at the time of servo control, it is possible to provide a robot control method that can output a motor current according to the load torque and can apply a servo lock according to the load torque.
請求項3の発明によれば、7軸のマニピュレータの冗長性を有するロボットにおいて、メカブレーキによる停止保持状態から、ブレーキオフとサーボロックをする際、重力加速度の影響を受ける関節軸に連結された負荷側のリンクの落下を抑制することができるロボット制御装置を提供できる。 According to the invention of claim 3, in the robot having the redundancy of the seven-axis manipulator, when the brake is turned off and the servo is locked from the stop holding state by the mechanical brake, the robot is connected to the joint shaft affected by the gravitational acceleration. It is possible to provide a robot control device capable of suppressing the drop of the load side link.
請求項4の発明によれば、重力軸に関するサーボモータの速度制御ループの積分ゲインを、最適リンク位置姿勢での当該重力軸の負荷トルクの大きさに応じて、該重力軸の回転作動中のサーボ制御時の積分ゲインよりも大きくするため、負荷トルクに応じたモータ電流を出力することができ、負荷トルクに応じてサーボロックを掛けることができるロボット制御装置を提供できる。 According to the fourth aspect of the present invention, the integral gain of the speed control loop of the servo motor related to the gravity axis is determined according to the magnitude of the load torque of the gravity axis at the optimum link position and orientation during the rotation operation of the gravity axis. Since it is larger than the integral gain at the time of servo control, it is possible to provide a robot controller capable of outputting a motor current according to the load torque and applying a servo lock according to the load torque.
以下、本発明を具体化した一実施形態の7軸マニピュレータを制御するロボット制御装置及びロボット制御方法を図1〜図7を参照して説明する。
まず、本実施形態の作業自由度に対して冗長自由度を有するマニピュレータについて説明する。
A robot control apparatus and a robot control method for controlling a seven-axis manipulator according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.
First, a manipulator having a redundancy degree of freedom with respect to the work degree of freedom of the present embodiment will be described.
図1に示すように、マニピュレータ10は、8個のリンク11〜18が7個の関節21〜27により直列に連結されて形成されている。多関節ロボットであるマニピュレータ10は、7個の関節21〜27においてリンク12〜18が旋回することのできる7自由度(自由度n=7)を有するロボットであり、その作業空間の次元数(次元数m)は6であって、1(=n−m)の冗長性を有する。 As shown in FIG. 1, the manipulator 10 is formed by connecting eight links 11 to 18 in series by seven joints 21 to 27. The manipulator 10 which is an articulated robot is a robot having seven degrees of freedom (degrees of freedom n = 7) in which the links 12 to 18 can rotate at the seven joints 21 to 27, and the number of dimensions of the work space ( The number of dimensions m) is 6, which has a redundancy of 1 (= nm).
第1リンク11は一端が床面FLに固定され、他端が第1関節21の一側に接続されている。第1関節21の他側には、第2リンク12の一端が接続され、第2リンク12の他端には第2関節22の一側が接続されている。以下同様に、第3リンク13、第4リンク14、第5リンク15、第6リンク16、第7リンク17及び第8リンク18が、それぞれ第3関節23、第4関節24、第5関節25、第6関節26及び第7関節27を介して順に連結されている。 One end of the first link 11 is fixed to the floor surface FL, and the other end is connected to one side of the first joint 21. One end of the second link 12 is connected to the other side of the first joint 21, and one side of the second joint 22 is connected to the other end of the second link 12. Similarly, the third link 13, the fourth link 14, the fifth link 15, the sixth link 16, the seventh link 17, and the eighth link 18 are respectively connected to the third joint 23, the fourth joint 24, and the fifth joint 25. The sixth joint 26 and the seventh joint 27 are connected in order.
第1関節21の他側は一側に対して、矢印31に示すように、図1において上下方向に延びる軸を中心に回転可能とされており、これにより、第2リンク12は隣接する第1リンク11に対して、第1関節21の回転軸(J1軸)を中心に矢印31方向に旋回可能である。 The other side of the first joint 21 is rotatable with respect to one side about an axis extending in the vertical direction in FIG. 1 as indicated by an arrow 31, whereby the second link 12 is adjacent to the second link 12. With respect to one link 11, it can turn in the direction of arrow 31 around the rotation axis (J1 axis) of the first joint 21.
また、第2関節22の他側は一側に対して、矢印32に示すように、図1において紙面に垂直な方向に延びる軸(J2軸)を中心に回転可能とされている。これにより、第3リンク13は隣接する第2リンク12に対して、第2関節22の回転軸を中心に矢印32方向、すなわち、上下方向に回転可能である。 Further, the other side of the second joint 22 is rotatable with respect to one side about an axis (J2 axis) extending in a direction perpendicular to the paper surface in FIG. Accordingly, the third link 13 can rotate in the direction of the arrow 32 around the rotation axis of the second joint 22, that is, in the vertical direction with respect to the adjacent second link 12.
以下、第3関節23、第4関節24、第5関節25、第6関節26及び第7関節27についてもそれぞれ、回転可能とされており、第4リンク14、第5リンク15、第6リンク16、第7リンク17及び第8リンク18も、それぞれ関節23〜27の回転軸(J3軸〜J7軸)を中心に、矢印33〜37方向に旋回可能である。尚、本願の全体にわたって、第1関節21〜27を介して連結されているリンク11〜18同士を、互いに隣接するリンク11〜18という。また、J1軸〜J7軸は、関節軸に相当する。 Hereinafter, the third joint 23, the fourth joint 24, the fifth joint 25, the sixth joint 26, and the seventh joint 27 are also rotatable, and the fourth link 14, the fifth link 15, and the sixth link. 16, the seventh link 17 and the eighth link 18 can also turn in the directions of arrows 33 to 37 around the rotation axes (J3 axis to J7 axis) of the joints 23 to 27, respectively. Note that, throughout the present application, the links 11 to 18 connected through the first joints 21 to 27 are referred to as adjacent links 11 to 18. Further, the J1 axis to the J7 axis correspond to joint axes.
なお、J2軸、J4軸及びJ6軸の回転方向は、図1に示すように、重力加速度が働く方向と一致しておいる。すなわち、J2軸、J4軸及びJ6軸は、重力加速度が働く回転方向を有する関節軸(重力軸)である。 Note that the rotation directions of the J2, J4, and J6 axes coincide with the direction in which the gravitational acceleration acts, as shown in FIG. That is, the J2 axis, the J4 axis, and the J6 axis are joint axes (gravity axes) having a rotation direction in which gravitational acceleration acts.
図1に示すように、第1関節21には第1サーボモータ41が取り付けられており、電力が供給されることにより、第2リンク12を図示しない減速機を介して第1リンク11に対して旋回させる。 As shown in FIG. 1, a first servo motor 41 is attached to the first joint 21, and when power is supplied, the second link 12 is connected to the first link 11 via a reduction gear (not shown). And turn.
また、第2関節22には第2サーボモータ42が取り付けられており、電力が供給されることにより、第3リンク13を図示しない減速機を介して第2リンク12に対して回転させる。以下、同様に、第3関節23、第4関節24、第5関節25、第6関節26及び第7関節27にはそれぞれサーボモータ43〜47が取り付けられており、電力が供給されることにより、各々リンク14〜18を図示しない減速機を介して旋回させる。 Moreover, the 2nd servomotor 42 is attached to the 2nd joint 22, and when the electric power is supplied, the 3rd link 13 is rotated with respect to the 2nd link 12 via the reduction gear which is not shown in figure. Similarly, servo motors 43 to 47 are attached to the third joint 23, the fourth joint 24, the fifth joint 25, the sixth joint 26, and the seventh joint 27, respectively, and are supplied with power. Each of the links 14 to 18 is turned through a reduction gear (not shown).
なお、各モータは、各関節内に設けられるが、図1では、説明の便宜上、関節とは分離して図示している。また、本実施形態ではサーボモータとしてACモータが使用されているが、限定されるものではない。 In addition, although each motor is provided in each joint, in FIG. 1, for convenience of explanation, it is illustrated separately from the joint. In this embodiment, an AC motor is used as the servo motor, but the present invention is not limited to this.
第8リンク18の先端には、エンドエフェクタとしてのツール49が取り付けられている。ツール49は第8リンク18とともに、第7関節27の回転軸(J7軸)を中心に図1に示すように矢印37方向に旋回可能とされている。ツール49は、例えば、ワーク等を把持可能なハンドである。なお、ツール49の種類は、本発明とは関係しないため、限定されるものではない。 A tool 49 as an end effector is attached to the tip of the eighth link 18. Along with the eighth link 18, the tool 49 can turn in the direction of the arrow 37 as shown in FIG. 1 around the rotation axis (J7 axis) of the seventh joint 27. The tool 49 is, for example, a hand that can grip a work or the like. The type of tool 49 is not limited because it is not related to the present invention.
上述したようにマニピュレータ10は、第1サーボモータ41〜第7サーボモータ47を駆動して第2リンク12〜第8リンク18を回転させることにより、第2リンク12〜第8リンク18の回転角度が累積して先端部にあるツール49に働くため、ツール49の先端の位置および姿勢を、その作業内容に応じた目標位置および目標姿勢に一致させることが可能である。 As described above, the manipulator 10 rotates the second link 12 to the eighth link 18 by driving the first servo motor 41 to the seventh servo motor 47 to rotate the second link 12 to the eighth link 18. Are accumulated and work on the tool 49 at the tip, so that the position and posture of the tip of the tool 49 can be matched with the target position and posture according to the work content.
次に、図2を参照して、前記マニピュレータ10を制御するロボット制御装置としてのコントローラRCを中心とした多関節ロボットの電気的な構成を説明する。
コントローラRCは、コンピュータ90と、コンピュータ90に電気的に接続されたPWMジェネレータ51〜57と、PWMジェネレータ51〜57に電気的に接続されたサーボアンプ61〜67を有する。各サーボアンプ61〜67はそれぞれ第1サーボモータ41〜第7サーボモータ47に電気的に接続されている。
Next, with reference to FIG. 2, an electrical configuration of an articulated robot centering on a controller RC as a robot control device for controlling the manipulator 10 will be described.
The controller RC includes a computer 90, PWM generators 51 to 57 electrically connected to the computer 90, and servo amplifiers 61 to 67 electrically connected to the PWM generators 51 to 57. The servo amplifiers 61 to 67 are electrically connected to the first servo motor 41 to the seventh servo motor 47, respectively.
コンピュータ90は、制御指令をPWMジェネレータ51〜57に出力し、PWMジェネレータ51〜57は、当該制御指令に基づいてPWM信号をサーボアンプ61〜67に出力する。サーボアンプ61〜67は、その出力に応じてサーボモータ41〜47を作動させることにより、各リンク12〜18を回転させる。 The computer 90 outputs a control command to the PWM generators 51 to 57, and the PWM generators 51 to 57 output a PWM signal to the servo amplifiers 61 to 67 based on the control command. The servo amplifiers 61 to 67 rotate the links 12 to 18 by operating the servo motors 41 to 47 according to the output.
前記サーボモータ41〜47にはロータリエンコーダ71〜77が内蔵されており、インターフェイス80を介してコンピュータ90と接続されている。ロータリエンコーダ71〜77は、各々のサーボモータ41〜47の回動角度を検出することにより、すなわち、リンク12〜18のそれぞれが隣接するリンク11〜17に対する関節角度(なお、関節軸の回転角度ということがある)を検出して、その検出信号をコントローラRCに送信する。このようにして、その時々においてロータリエンコーダ71〜77が検出した前記関節軸の回転角度は、その時々の現在の位置データとして記憶部94に格納される。 The servo motors 41 to 47 incorporate rotary encoders 71 to 77 and are connected to a computer 90 via an interface 80. The rotary encoders 71 to 77 detect the rotation angles of the servo motors 41 to 47, that is, the joint angles with respect to the links 11 to 17 adjacent to each of the links 12 to 18 (note that the rotation angles of the joint shafts). And the detection signal is transmitted to the controller RC. In this way, the rotation angle of the joint shaft detected by the rotary encoders 71 to 77 at that time is stored in the storage unit 94 as current position data at that time.
ロータリエンコーダ71〜77は、回転角度検出器に相当する。なお、回転角度検出器としては、ロータリエンコーダに限定するものではなく、レゾルバ、或いは、ポテンショメータであってもよい。 The rotary encoders 71 to 77 correspond to a rotation angle detector. The rotation angle detector is not limited to a rotary encoder, and may be a resolver or a potentiometer.
なお、第1サーボモータ41〜第7サーボモータ47に対してロータリエンコーダ71〜77を設ける代わりに、リンク11〜18または第1関節21〜第7関節27に、リンク11〜18の関節角度(関節軸の回転角度)を直接に検出可能なセンサを取り付けてもよい。 Instead of providing the rotary encoders 71 to 77 with respect to the first servo motor 41 to the seventh servo motor 47, the joint angles of the links 11 to 18 are connected to the links 11 to 18 or the first joint 21 to the seventh joint 27. A sensor capable of directly detecting the rotation angle of the joint shaft may be attached.
図3に示すように、各サーボモータ41〜47の回転部分にはそれぞれメカブレーキとしてのブレーキ141〜147が設けられている。なお、図3では、説明の便宜上、PWMジェネレータ51〜57、サーボアンプ61〜67、ブレーキ141〜147、及び後述のブレーキ回路101〜107は、それぞれ1つのブロックで図示している。 As shown in FIG. 3, brakes 141 to 147 as mechanical brakes are provided at the rotating portions of the servomotors 41 to 47, respectively. In FIG. 3, for convenience of explanation, the PWM generators 51 to 57, the servo amplifiers 61 to 67, the brakes 141 to 147, and the later-described brake circuits 101 to 107 are shown as one block.
前記コンピュータ90は、CPU91、ROM92、RAM93、及びハードディスク等の不揮発性の記憶部94、及びインターフェイス95等を備え、バス96を介して電気的に接続されている。 The computer 90 includes a CPU 91, ROM 92, RAM 93, a nonvolatile storage unit 94 such as a hard disk, an interface 95, and the like, and is electrically connected via a bus 96.
記憶部94には、各種データ、ロボットに各種作業を行わせるための作業プログラム、各種パラメータ等が記憶されている。すなわち、本実施形態のロボットは、ティーチングプレイバック方式で作動するロボットであり、前記作業プログラムが実行されることにより、前記マニピュレータ10が動作する。ROM92は、システム全体のシステムプログラムが記憶されている。RAM93は、CPU91の作業用のメモリであって、各種演算等が実行されるときに一時的にデータが格納される。 The storage unit 94 stores various data, work programs for causing the robot to perform various operations, various parameters, and the like. That is, the robot of the present embodiment is a robot that operates in a teaching playback system, and the manipulator 10 operates when the work program is executed. The ROM 92 stores system programs for the entire system. The RAM 93 is a working memory for the CPU 91, and temporarily stores data when various calculations are executed.
CPU91は、算出部、第1制御部、第2制御部、第3制御部、及び制御部に相当する。
また、CPU91には、ブレーキ回路101〜107が電気的に接続されている。CPU91が、後述する実施形態の作用で説明する停止信号を、ブレーキ回路101〜107の内の1つのブレーキ回路に出力すると、該停止信号を入力した該ブレーキ回路はブレーキを動作させてサーボモータの動作を独立して制動することが可能である。
The CPU 91 corresponds to a calculation unit, a first control unit, a second control unit, a third control unit, and a control unit.
Further, the brake circuits 101 to 107 are electrically connected to the CPU 91. When the CPU 91 outputs a stop signal, which will be described in the operation of the embodiment described later, to one of the brake circuits 101 to 107, the brake circuit that has input the stop signal operates the brake to activate the servo motor. It is possible to brake the operation independently.
また、コントローラRCには入力装置82が前記インターフェイス95を介して接続されている。入力装置82は、図示しないモニター画面及び各種入力キー等を有する操作盤であり、ユーザーが各種のデータを入力操作可能とされている。入力装置82は、多関節ロボットの電源スイッチが設けられるとともに、コンピュータ90に対して、マニピュレータ10の先端部にあるツール49の先端(以下、手先という)の最終目標位置および最終目標姿勢、ツール49の先端の補間点における位置および姿勢の入力、並びに、冗長性を利用したマニピュレータ10の姿勢変更のためのジョグ操作等による入力が可能となっている。 An input device 82 is connected to the controller RC via the interface 95. The input device 82 is an operation panel having a monitor screen (not shown) and various input keys. The user can input various data. The input device 82 is provided with a power switch for an articulated robot, and with respect to the computer 90, the final target position and final target posture of the tip of the tool 49 (hereinafter referred to as the hand) at the tip of the manipulator 10; It is possible to input the position and orientation at the interpolation point at the tip of the head and the jog operation for changing the posture of the manipulator 10 using redundancy.
(実施形態の作用)
次に、本実施形態による多関節ロボットのコントローラRCの作用を図5及び図6を参照して説明する。
(Operation of the embodiment)
Next, the operation of the controller RC of the articulated robot according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
図5及び図6は、作業プログラムに記述された停止位置にマニピュレータ10を停止保持するときにCPU91により実行されるフローチャートである。
(S10)
CPU91は、作業プログラムに記述された停止位置データ(停止位置及び停止姿勢)をセットする。
5 and 6 are flowcharts executed by the CPU 91 when the manipulator 10 is stopped and held at the stop position described in the work program.
(S10)
The CPU 91 sets stop position data (stop position and stop posture) described in the work program.
(S20)
S20では、CPU91は、重力軸の負荷トルク最小リンク位置姿勢の決定処理を行う。このS20の処理の詳細を図6のフローチャートを参照して説明する。 (S21)
S21では、CPU91は、姿勢パラメータΦを初期化する、本実施形態ではΦ=0にして初期化するが、初期値は0に限定するものではない。姿勢パラメータΦについて説明する。
(S20)
In S20, the CPU 91 performs a determination process of the load torque minimum link position and orientation of the gravity axis. Details of the processing of S20 will be described with reference to the flowchart of FIG. (S21)
In S21, the CPU 91 initializes the attitude parameter Φ. In this embodiment, the CPU 91 initializes Φ = 0, but the initial value is not limited to zero. The attitude parameter Φ will be described.
姿勢パラメータΦは、冗長自由度を有する前記マニピュレータ10が、手先位置姿勢を停止位置及び停止姿勢で保持した場合、すなわち、手先位置姿勢を拘束した場合を拘束条件として、その冗長自由度により許容されるリンク位置姿勢を示すものである。具体的には、図4に示すようにマニピュレータ10の第4関節24は、第2関節22(以下、第1基準点Wという)を中心とし、第3リンク13〜第4リンク14のリンク長の合計を半径とした球A1と、第6関節26(以下、第2基準点Kという)を中心とし、第5リンク15〜第6リンク16のリンク長の合計を半径とする球A2とが形成する交差円E上の移動が可能である。従って、本実施形態では、この交差円E上に第4関節24が位置するようにして、リンク位置姿勢が変わる。 The posture parameter Φ is allowed by the redundant degree of freedom when the manipulator 10 having the redundant degree of freedom holds the hand position and posture at the stop position and the stopped posture, that is, when the hand position and posture are restricted. This indicates the link position and orientation. Specifically, as shown in FIG. 4, the fourth joint 24 of the manipulator 10 is centered on the second joint 22 (hereinafter referred to as the first reference point W), and the link lengths of the third link 13 to the fourth link 14. And a sphere A2 having a radius that is the sum of the link lengths of the fifth link 15 to the sixth link 16 around the sixth joint 26 (hereinafter referred to as the second reference point K). Movement on the intersection circle E to be formed is possible. Therefore, in the present embodiment, the link position / posture changes so that the fourth joint 24 is positioned on the intersecting circle E.
前記交差円Eの中心を通る中心軸Oは、図4に示すように、第1基準点W(第2関節22中心)と第2基準点K(第6関節26中心)を通過する軸である。第4関節24はこの交差円E上に位置するため、姿勢パラメータΦは、交差円E上のリンク位置姿勢を示すパラメータとして表すことができる。そこで、交差円E上の適宜の位置Rから、変更された位置までの角度を、ここでは、姿勢パラメータΦとして定義されている。本実施形態では位置Rは、第4関節24の現在位置とする。 As shown in FIG. 4, the central axis O passing through the center of the intersecting circle E is an axis passing through the first reference point W (center of the second joint 22) and the second reference point K (center of the sixth joint 26). is there. Since the fourth joint 24 is located on the cross circle E, the posture parameter Φ can be expressed as a parameter indicating the link position and posture on the cross circle E. Therefore, the angle from the appropriate position R on the intersecting circle E to the changed position is defined here as the posture parameter Φ. In the present embodiment, the position R is the current position of the fourth joint 24.
(S22)
S22では、CPU91は姿勢パラメータΦとして所定値を加算して更新する。すなわち、仮想的に姿勢パラメータΦを増加させてリンクの位置姿勢を変えたものとするのである。所定値は、限定するものではないが、適宜の角度でよく、例えば数度から数10度を加算更新するようにしてもよい。
(S22)
In S22, the CPU 91 updates the posture parameter Φ by adding a predetermined value. That is, the position and orientation of the link are changed by virtually increasing the orientation parameter Φ. The predetermined value is not limited, but may be an appropriate angle. For example, the predetermined value may be updated from several degrees to several tens degrees.
(S23)
S23では、手先位置姿勢から関節角度を求めるために逆変換演算を行う。
ここで、第1関節21〜第7関節27の関節角度q1,q2,q3,…,q7とし、手先座標(x,y,z)及び手先姿勢(a,b,c)とすると、ベクトルq及び手先位置姿勢Xは下記のように表される。
(S23)
In S23, an inverse transformation calculation is performed to obtain the joint angle from the hand position / posture.
Here, assuming that the joint angles q1, q2, q3,..., Q7 of the first joint 21 to the seventh joint 27 are the hand coordinates (x, y, z) and the hand posture (a, b, c), the vector q The hand position / posture X is expressed as follows.
S24では、CPU91は、各関節軸に設けられたモータの負荷トルクを式(3)により算出し、記憶部94に格納する。
In S <b> 24, the CPU 91 calculates the load torque of the motor provided on each joint shaft using the formula (3) and stores it in the storage unit 94.
式(3)の右辺において、第1項は慣性力、第2項は遠心力・コリオリ力より導かれるトルク、第3項は重力負荷より導かれるトルク、第4項は摩擦トルク、及び第5項はアクチュエータ慣性トルクである。これらの式中、右辺の第1項から第3項は、ラグランジュ法により導かれた運動方程式であり、公知の式である。また、右辺の第4項及び第5項はアクチュエータの影響を考慮に入れた項である。 In the right side of Equation (3), the first term is the inertia force, the second term is the torque derived from the centrifugal force / Coriolis force, the third term is the torque derived from the gravity load, the fourth term is the friction torque, and the fifth term The term is the actuator inertia torque. Among these equations, the first term to the third term on the right side are equations of motion derived by the Lagrangian method and are known equations. The fourth and fifth terms on the right side are terms that take into account the effect of the actuator.
第1項の慣性力については下記の通りである。 The inertial force of the first term is as follows.
各軸の各関節軸に設けられたモータの負荷トルクの算出が終了すると、CPU91は、S25に移行する。
(S25)
S25では、CPU91は、姿勢パラメータΦが、予め設定された上限値Φmax以下であれば、S22に戻り、姿勢パラメータΦが予め設定された上限値Φmを超えた場合には、S26に移行する。この上限値Φmは、予め試験等により設定されたものである。
When the calculation of the load torque of the motor provided on each joint axis of each axis is completed, the CPU 91 proceeds to S25.
(S25)
In S25, the CPU 91 returns to S22 if the posture parameter Φ is less than or equal to the preset upper limit value Φmax, and proceeds to S26 if the posture parameter Φ exceeds the preset upper limit value Φm. This upper limit value Φm is set in advance by a test or the like.
(S26)
S26では、CPU91は、S24で算出したモータの負荷トルクのうち、重力軸(本実施形態では、J2軸、J4軸及びJ6軸)のなかで、負荷トルク最小のリンク位置姿勢である姿勢パラメータΦを導出する。この姿勢パラメータΦの導出の方法は、例えば、更新パラメータ毎に求めた重力軸のモータの負荷トルクを合計してその平均値を算出し、その平均値が最小となる姿勢パラメータを最適リンク位置姿勢の姿勢パラメータΦとして導出(算出)する。
(S26)
In S26, the CPU 91 determines the posture parameter Φ which is the link position and posture with the minimum load torque among the gravity axes (J2 axis, J4 axis and J6 axis in the present embodiment) of the motor load torque calculated in S24. Is derived. The method for deriving the posture parameter Φ is, for example, calculating the average value by summing the load torque of the motor of the gravity axis obtained for each update parameter, and determining the posture parameter that minimizes the average value as the optimum link position posture Is derived (calculated) as a posture parameter Φ.
なお、本実施形態では、全ての関節軸の負荷トルクを算出するようにしているが、S26では、重力軸のみの負荷トルクを算出するようにしてもよい。
次に、図5のフローチャートに戻って説明する。
In this embodiment, the load torque of all the joint axes is calculated. However, in S26, the load torque of only the gravity axis may be calculated.
Next, returning to the flowchart of FIG.
(S30)
S30では、CPU91は、S10でセットした停止位置及び停止姿勢にマニピュレータ10の手先位置姿勢が達したときに、リンク位置姿勢が前記最適リンク位置姿勢となるように補間演算した後、前記停止位置及び停止姿勢に向かって前記補間演算の結果に基づいて各関節軸を移動する。
(S30)
In S30, the CPU 91 performs an interpolation operation so that the link position / posture becomes the optimum link position / posture when the hand position / posture of the manipulator 10 reaches the stop position / stop posture set in S10, and then the stop position and Each joint axis is moved based on the result of the interpolation calculation toward the stop posture.
(通常のサーボ制御)
ここで、前記各関節軸を移動させる場合の通常のサーボ制御時におけるCPU91の制御について説明する。
(Normal servo control)
Here, the control of the CPU 91 during normal servo control when the joint axes are moved will be described.
図7に示すように、CPU91は、それぞれ位置制御部110、速度制御部120及び電流制御部130として位置制御、速度制御及び電流制御を実行する。図7を参照して、位置制御、速度制御及び電流制御について説明する。 As illustrated in FIG. 7, the CPU 91 performs position control, speed control, and current control as the position control unit 110, the speed control unit 120, and the current control unit 130, respectively. The position control, speed control, and current control will be described with reference to FIG.
なお、図7において、一点鎖線から左側は、コントローラRC側の動作を表わし、右側は、サーボモータ側の動作を表わしている。
図7に示すように、CPU91が、RAM93に格納された作業プログラムに記述されているエンドエフェクタ(ツール49)の目標位置及び目標姿勢に基づいて逆変換演算を行って求めた各サーボモータの回転位置を位置指令θs*とする。
In FIG. 7, the left side from the alternate long and short dash line represents the operation on the controller RC side, and the right side represents the operation on the servo motor side.
As shown in FIG. 7, the rotation of each servo motor obtained by the CPU 91 by performing an inverse conversion operation based on the target position and target posture of the end effector (tool 49) described in the work program stored in the RAM 93. The position is set as a position command θs *.
この位置指令θs*と、ロータリエンコーダ71〜77にて求めた各サーボモータ41〜47の実位置θkとの偏差を算出する。なお、前記ロータリエンコーダ71〜77は作業プログラムでの制御周期よりも、十分に短い検出周期で回転角度(すなわち、関節角度)を検出している。 A deviation between this position command θs * and the actual position θk of each of the servo motors 41 to 47 obtained by the rotary encoders 71 to 77 is calculated. The rotary encoders 71 to 77 detect the rotation angle (that is, the joint angle) at a detection cycle sufficiently shorter than the control cycle in the work program.
そして、この算出した位置偏差に、位置制御部110では、P制御(比例制御)にて、予め設定されている位置ゲインK0を乗じて、サーボモータの目標速度(速度指令ωs*)を算出する。位置ゲインK0は、位置制御ループのゲインである。 Then, the position control unit 110 calculates the target speed (speed command ωs *) of the servo motor by multiplying the calculated position deviation by a preset position gain K0 in P control (proportional control). . The position gain K0 is a gain of the position control loop.
さらにこの速度指令ωs*と、実位置θkから求められた各サーボモータ41〜47の実速度ωとの速度偏差に、速度制御部120では、PID制御にて、予め設定されている所定の速度ゲインK1を乗じて、各サーボモータ41〜47に対する電流指令iq*を算出し、この電流指令iq*を電流制御部130に出力する。ここでの速度ゲインK1は、PID制御における比例制御の比例ゲインKV、積分制御の積分ゲインKI及び微分制御の微分ゲインKDを総合したものであり、各ゲインは予め設定されたものである。なお、この通常のサーボ制御における積分ゲインKIは、前記テーブル化した積分ゲインよりも小さな値に設定されている。 Further, the speed control unit 120 uses a predetermined speed that is set in advance by PID control to the speed deviation between the speed command ωs * and the actual speed ω of each servo motor 41 to 47 obtained from the actual position θk. The gain K1 is multiplied to calculate a current command iq * for each of the servo motors 41 to 47, and this current command iq * is output to the current control unit 130. The speed gain K1 here is a total of the proportional gain KV of proportional control in PID control, the integral gain KI of integral control, and the differential gain KD of differential control, and each gain is set in advance. Note that the integral gain KI in this normal servo control is set to a value smaller than the integral gain tabulated.
上記のようにして、実速度ωがフィードバックされた速度制御ループが構成されている。
電流制御部130は、図示しない電流検出回路にて検出された各サーボモータ41〜47の実電流をA/D変換して取り込み、この実電流iqが電流指令となるように、制御指令を出力して図2に示す前記PWMジェネレータ51〜57にてPWM信号を生成する。ここでは、実電流iqがフィードバックされた電流制御ループが構成されている。
As described above, the speed control loop in which the actual speed ω is fed back is configured.
The current control unit 130 takes in the actual currents of the servomotors 41 to 47 detected by a current detection circuit (not shown) by A / D conversion, and outputs a control command so that the actual current iq becomes a current command. The PWM generators 51 to 57 shown in FIG. Here, a current control loop in which the actual current iq is fed back is configured.
すなわち、電流指令iq*と実電流iqとの電流偏差に対して、PI制御にて所定の電流ゲインK2を乗じることにより、PWM信号を生成する。そして、この生成したPWM信号を各サーボアンプ61〜67に出力し、各サーボモータ41〜47の通電電流を制御する。 That is, the PWM signal is generated by multiplying the current deviation between the current command iq * and the actual current iq by a predetermined current gain K2 by PI control. The generated PWM signal is output to each of the servo amplifiers 61 to 67, and the energization current of each of the servo motors 41 to 47 is controlled.
なお、図7において、実電流をA/D変換にて取り込む手順を表わすブロックP6に記載のKA/D は、実電流をデジタル値に変換する際の変換定数を表わす。
この結果、各サーボモータ41〜47のモータ巻線には、各サーボアンプ61〜67から、PWM信号に応じて駆動電圧が印加され、モータ巻線の端子電圧は、この駆動電圧と、モータの回転角速度に逆起電力定数Keを乗じて得られる逆起電圧とを合成した電圧となる。そして、各モータ巻線には、この端子電圧に、モータインダクタンスL及びモータ抵抗Rをパラメータとする係数{1/(Ls+R)}を乗じた電流(つまり実電流)が流れる。
In FIG. 7, KA / D described in block P6 representing the procedure for taking in the actual current by A / D conversion represents a conversion constant for converting the actual current into a digital value.
As a result, a drive voltage is applied to the motor windings of the servo motors 41 to 47 from the servo amplifiers 61 to 67 in accordance with the PWM signal. A voltage obtained by synthesizing the counter electromotive force obtained by multiplying the rotational angular velocity by the counter electromotive force constant Ke is obtained. A current (that is, an actual current) obtained by multiplying the terminal voltage by a coefficient {1 / (Ls + R)} having the motor inductance L and the motor resistance R as parameters flows through each motor winding.
また、モータ巻線に電流が流れると、各サーボモータ41〜47においては、回転子に、実電流とトルク定数Ktとにより決定されるモータトルクTM が発生し、モータ軸のイナーシャJによる遅れ(1/J)を伴って回転角加速度が発生し、その回転角加速度を積分(1/S)した回転速度に制御される。そして、この回転速度を積分(1/S)した回転位置が、各サーボモータ41〜47に設けられたロータリエンコーダ等のセンサにて検出され、その検出信号がコントローラRC内にフィードバックされる。このようにして、コントローラRCは、各サーボモータ41〜47の回転位置,速度をフィードバック制御するサーボ系の制御装置として構成され、各サーボモータ41〜47の回転位置、及びツール49の位置をサーボ制御する。 Further, when a current flows through the motor winding, in each servo motor 41 to 47, a motor torque TM determined by the actual current and the torque constant Kt is generated in the rotor, and a delay due to the inertia J of the motor shaft ( Rotational angular acceleration is generated with 1 / J), and is controlled to a rotational speed obtained by integrating (1 / S) the rotational angular acceleration. A rotational position obtained by integrating (1 / S) the rotational speed is detected by a sensor such as a rotary encoder provided in each servo motor 41 to 47, and the detection signal is fed back into the controller RC. In this way, the controller RC is configured as a servo control device that feedback-controls the rotational positions and speeds of the servomotors 41 to 47, and servos the rotational positions of the servomotors 41 to 47 and the position of the tool 49. Control.
CPU91は、上記のようにして通常のサーボ制御を行って、マニピュレータ10が、停止位置及び停止姿勢に達した場合、メカブレーキとしてのブレーキ回路101〜107にてブレーキ141〜147を作動(ブレーキオン)させて停止させる。マニピュレータ10が停止位置及び停止姿勢に達した場合、リンク位置姿勢は、S26で導出した最適リンク位置姿勢となった状態でメカブレーキにより停止保持されている。 The CPU 91 performs normal servo control as described above, and when the manipulator 10 reaches the stop position and the stop posture, the brake circuits 101 to 107 as the mechanical brakes operate the brakes 141 to 147 (brake on ) To stop. When the manipulator 10 reaches the stop position and the stop posture, the link position / posture is stopped and held by the mechanical brake in the state where the link position / posture is the optimum link position / posture derived in S26.
次に、図8のフローチャートを参照して、最適リンク位置姿勢の状態でマニピュレータ10が停止保持されている状態で、メカブレーキの停止保持の解除及びサーボロックについて説明する。 Next, with reference to the flowchart of FIG. 8, the release and stop of the mechanical brake and the servo lock will be described in a state where the manipulator 10 is stopped and held in the optimum link position and posture state.
図8のフローチャートは、メカブレーキによる停止を解除する場合に実行されるプログラムのフローチャートである。
(S40)
S40では、CPU91は、重力軸(本実施形態では、J2軸,J4軸,J6軸)の速度制御ループの積分ゲインKIを、S24で算出して得られた前記最適リンク位置姿勢での負荷トルクに応じて、通常のサーボ制御時よりも所定倍に設定し、後述のS50でのサーボロックに備える。
The flowchart of FIG. 8 is a flowchart of a program executed when releasing the stop by the mechanical brake.
(S40)
In S40, the CPU 91 loads the load torque at the optimum link position and orientation obtained by calculating the integral gain KI of the speed control loop of the gravity axis (in this embodiment, the J2, J4, and J6 axes) in S24. Accordingly, the predetermined number of times is set as compared with normal servo control to prepare for a servo lock in S50 described later.
なお、負荷トルクに応じては、負荷トルクが大きければ大きいほど、CPU91は、積分ゲインKIを大きく設定する。負荷トルクと積分ゲインKIの大きさの関係は予め試験等により得られており、この関係を、例えば負荷トルクと積分ゲインKIをテーブル化して記憶部94に記憶しているものとする。 Note that, depending on the load torque, the larger the load torque, the larger the CPU 91 sets the integral gain KI. The relationship between the load torque and the magnitude of the integral gain KI is obtained in advance by a test or the like, and this relationship is stored in the storage unit 94 as a table of the load torque and the integral gain KI, for example.
(S50)
S50では、CPU91は、重力軸(J2軸、J4軸、J6軸)に関するサーボモータ42、44、46に対しては、S40で設定した積分ゲインKIで、サーボロックを掛けるとともに、残りの関節軸(J1軸、J3軸、J5軸)に関するサーボモータ41、43、45に対しては、通常のサーボ制御での積分ゲインでサーボロックを掛ける。
(S50)
In S50, the CPU 91 applies a servo lock to the servo motors 42, 44, and 46 related to the gravity axes (J2, A4, and J6) with the integral gain KI set in S40, and the remaining joint axes. Servo locks are applied to servo motors 41, 43, and 45 (J1 axis, J3 axis, and J5 axis) with an integral gain in normal servo control.
(S60)
S60では、CPU91は、サーボロック後においてモータ電流が増加する所定時間経過するとブレーキ回路101〜107にてブレーキ141〜147の作動を解除(ブレーキオフ)する。
(S60)
In S60, the CPU 91 releases the brakes 141 to 147 (brake off) in the brake circuits 101 to 107 when a predetermined time elapses after the servo lock.
ここで、前記所定時間について説明する。
前記メカブレーキで停止保持した状態では、サーボロックが開始されているので現在位置を目標位置とする分配が始まり、位置偏差は微小であるが、単に比例ゲインなので大した値とならない。それに対して、速度制御ループの積分ゲインを大きくしているため、電流指令が大きくなり、メカブレーキで停止保持した状態が所定時間継続する間に、重力軸のサーボモータへ出力するモータ電流が増加する。本実施形態では、前記図示しない電流検出回路にて検出したモータ電流が過電流であるか否かを判定するための過電流判定閾値(以下、第1閾値という)と、この第1閾値よりも小さい第2閾値が予め設定されており、この第2閾値に達するまでの時間を所定時間としている。
Here, the predetermined time will be described.
In the state where the mechanical brake is stopped and held, since the servo lock is started, distribution with the current position as the target position starts and the position deviation is small, but it is not a large value because it is simply a proportional gain. On the other hand, since the integral gain of the speed control loop is increased, the current command increases, and the motor current output to the gravitational axis servomotor increases while the mechanical brake is stopped and held for a specified time. To do. In the present embodiment, an overcurrent determination threshold value (hereinafter referred to as a first threshold value) for determining whether or not the motor current detected by the current detection circuit (not shown) is an overcurrent, than the first threshold value. A small second threshold value is set in advance, and the time until the second threshold value is reached is set as a predetermined time.
この結果、本実施形態では、重力軸は、積分ゲインが通常のサーボ制御時よりも所定倍大きな値にされているため、メカブレーキで停止保持されている状態による微小な位置偏差となっていても、電流指令(トルク指令)を大きくでき、この結果、サーボロックのためのトルクを大きくすることができる。そして、メカブレーキが解除された後においても、サーボロック時のトルクを大きくしているため、重力軸の落下を抑制することができる。 As a result, in this embodiment, the gravitational axis has a small positional deviation due to a state in which the gravity gain is stopped and held by the mechanical brake because the integral gain is set to a value that is a predetermined multiple larger than that during normal servo control. However, the current command (torque command) can be increased, and as a result, the torque for servo locking can be increased. Even after the mechanical brake is released, the torque at the time of servo lock is increased, so that the gravity axis can be prevented from dropping.
CPU91は、前記メカブレーキによる停止保持の解除を終えると、このフローチャートの処理を終了する。
本実施形態では、下記の特徴を有する。
CPU91 complete | finishes the process of this flowchart, after complete | finishing cancellation | release of the stop holding | maintenance by the said mechanical brake.
This embodiment has the following features.
(1) 本実施形態のロボット制御方法は、マニピュレータ10の手先位置姿勢を停止位置及び停止姿勢で保持した状態でマニピュレータ10の冗長自由度が許容する複数のリンク位置姿勢のうち、関節軸に含まれるJ2軸、J4軸、J6軸(重力軸)のサーボモータの、重力に起因するトルクを含む負荷トルクが最小となる最適リンク位置姿勢を求める第1段階(S24、S26)を備える。また、最適リンク位置姿勢となるようにマニピュレータ10の各関節軸のサーボモータを制御して、停止位置及び停止姿勢で関節軸をメカブレーキで停止保持する第2段階(S30)を備える。また、ロボットの制御方法は、J2軸、J4軸、J6軸(重力軸)に関するサーボモータの速度制御ループの積分ゲインを、該重力軸の回転作動中のサーボ制御時の積分ゲインよりも大きくして重力軸に関するサーボモータをサーボロックする第3段階(S50)を備える。そして、本制御方法では、サーボロック後においてモータ電流が増加する所定時間経過後にメカブレーキの停止保持を解除する第4段階(S60)を備える。この結果、本実施形態によれば、7軸のマニピュレータの冗長性を有するロボットにおいて、メカブレーキによる停止保持状態から、ブレーキオフとサーボロックをする際、重力加速度の影響を受ける関節軸に連結された負荷側のリンクの落下を抑制することができる。 (1) The robot control method according to the present embodiment is included in the joint axis among a plurality of link position / postures permitted by the redundancy degree of freedom of the manipulator 10 while the hand position / posture of the manipulator 10 is held at the stop position and the stop posture. The first stage (S24, S26) for obtaining the optimum link position and orientation at which the load torque including the torque due to gravity of the servo motors of the J2 axis, J4 axis, and J6 axis (gravity axis) is minimized. In addition, a second stage (S30) is provided in which the servo motors of the joint axes of the manipulator 10 are controlled so as to obtain the optimum link position and posture, and the joint shaft is stopped and held by the mechanical brake at the stop position and the stop posture. The robot control method is such that the integral gain of the servo motor speed control loop with respect to the J2, J4, and J6 axes (gravity axis) is larger than the integral gain during servo control during rotation of the gravity axis. And a third stage (S50) of servo-locking the servo motor related to the gravity axis. Then, the present control method includes a fourth stage (S60) for releasing the stop holding of the mechanical brake after a predetermined time when the motor current increases after the servo lock. As a result, according to the present embodiment, the robot having the redundancy of the seven-axis manipulator is connected to the joint shaft that is affected by the gravitational acceleration when the brake is turned off and the servo is locked from the stop holding state by the mechanical brake. The fall of the link on the load side can be suppressed.
(2) 本実施形態のロボット制御方法では、第3段階(S50)では、J2軸、J4軸、J6軸(重力軸)に関するサーボモータの速度制御ループの積分ゲインを、最適リンク位置姿勢での当該重力軸の負荷トルクの大きさに応じて、該重力軸の回転作動中のサーボ制御時の積分ゲインよりも大きくして重力軸に関するサーボモータをサーボロックするようにする。この結果、本実施形態によれば、重力軸に関するサーボモータの速度制御ループの積分ゲインを、最適リンク位置姿勢での当該重力軸の負荷トルクの大きさに応じて、該重力軸の回転作動中のサーボ制御時の積分ゲインよりも大きくするため、負荷トルクに応じてモータ電流を出力することができ、負荷トルクに応じてサーボロックを掛けることができる。 (2) In the robot control method of the present embodiment, in the third step (S50), the integral gain of the servo motor speed control loop for the J2, J4, and J6 axes (gravity axis) is set at the optimum link position and orientation. In accordance with the magnitude of the load torque of the gravity axis, the servo gain related to the gravity axis is servo-locked by making it larger than the integral gain at the time of servo control during rotation of the gravity axis. As a result, according to the present embodiment, the integral gain of the speed control loop of the servo motor related to the gravity axis is determined during rotation of the gravity axis according to the magnitude of the load torque of the gravity axis at the optimum link position and orientation. Therefore, the motor current can be output according to the load torque, and the servo lock can be applied according to the load torque.
(3) 本実施形態のロボット制御装置のCPU91は、制御部として、マニピュレータ10の手先位置姿勢を停止位置及び停止姿勢で保持した状態でマニピュレータ10の冗長自由度が許容する複数のリンク位置姿勢のうち、関節軸に含まれるJ2軸、J4軸、J6軸(重力軸)のサーボモータの、重力に起因するトルクを含む負荷トルクが最小となる最適リンク位置姿勢を算出する。 (3) The CPU 91 of the robot control device according to the present embodiment has a plurality of link position / postures that allow the redundancy degree of freedom of the manipulator 10 as the control unit while holding the hand position / posture of the manipulator 10 at the stop position and the stop position. Among them, the optimum link position / posture that minimizes the load torque including the torque caused by gravity of the servo motors of the J2 axis, J4 axis, and J6 axis (gravity axis) included in the joint axis is calculated.
また、CPU91は、第1制御部として、最適リンク位置姿勢となるようにマニピュレータ10の各関節軸のサーボモータを制御して、停止位置及び停止姿勢で関節軸をメカブレーキで停止保持する。また、CPU91は、第2制御部として、J2軸、J4軸、J6軸(重力軸)に関するサーボモータの速度制御ループの積分ゲインを、該重力軸の回転作動中のサーボ制御時の積分ゲインよりも大きくして重力軸に関するサーボモータをサーボロックする。さらに、CPU91は、第3制御部として、サーボロック後においてモータ電流が増加する所定時間経過後にメカブレーキの停止保持を解除する。この結果、本実施形態によれば、7軸のマニピュレータの冗長性を有するロボットにおいて、メカブレーキによる停止保持状態から、ブレーキオフとサーボロックをする際、重力加速度の影響を受ける関節軸に連結された負荷側のリンクの落下を抑制することができる。 Further, the CPU 91 controls the servo motors of the joint axes of the manipulator 10 as the first control unit so as to obtain the optimum link position and posture, and stops and holds the joint shaft with the mechanical brake at the stop position and the stop posture. Further, as a second control unit, the CPU 91 determines the integral gain of the servo motor speed control loop with respect to the J2 axis, J4 axis, and J6 axis (gravity axis) from the integral gain during servo control during rotation of the gravity axis. Servo-lock the servo motor about the gravity axis. Further, as a third control unit, the CPU 91 releases the stop holding of the mechanical brake after a predetermined time when the motor current increases after the servo lock. As a result, according to the present embodiment, the robot having the redundancy of the seven-axis manipulator is connected to the joint shaft that is affected by the gravitational acceleration when the brake is turned off and the servo is locked from the stop holding state by the mechanical brake. The fall of the link on the load side can be suppressed.
(4) 本実施形態のロボット制御装置は、CPU91(第2制御部)は、当該重力軸に関するサーボモータの速度制御ループの積分ゲインを、最適リンク位置姿勢での当該重力軸の負荷トルクの大きさに応じて、該重力軸の回転作動中のサーボ制御時の積分ゲインよりも大きくしてJ2軸、J4軸、J6軸(重力軸)に関するサーボモータをサーボロックする。この結果、本実施形態によれば、J2軸、J4軸、J6軸(重力軸)に関するサーボモータの速度制御ループの積分ゲインを、最適リンク位置姿勢での当該重力軸の負荷トルクの大きさに応じて、該重力軸の回転作動中のサーボ制御時の積分ゲインよりも大きくするため、負荷トルクに応じたモータ電流を出力することができ、負荷トルクに応じてサーボロックを掛けることができる。 (4) In the robot control apparatus of the present embodiment, the CPU 91 (second control unit) determines the integral gain of the speed control loop of the servo motor related to the gravity axis, and the magnitude of the load torque of the gravity axis at the optimum link position and orientation. Accordingly, the servo motor for the J2 axis, J4 axis, and J6 axis (gravity axis) is servo-locked by setting it larger than the integral gain during servo control during rotation of the gravity axis. As a result, according to the present embodiment, the integral gain of the servo motor speed control loop with respect to the J2, J4, and J6 axes (gravity axis) is set to the magnitude of the load torque of the gravity axis at the optimum link position and orientation. Accordingly, since it is larger than the integral gain at the time of servo control during the rotation of the gravity axis, a motor current corresponding to the load torque can be output, and a servo lock can be applied according to the load torque.
なお、本発明の実施形態は前記実施形態に限定されるものではなく、下記のように変更しても良い。
・ 前記実施形態では、サーボモータとしてACモータを使用したが、DCモータでもよく、ステッピングモータ等を使用してもよい。
In addition, embodiment of this invention is not limited to the said embodiment, You may change as follows.
In the embodiment, an AC motor is used as a servo motor. However, a DC motor may be used, or a stepping motor may be used.
・ 前記実施形態では、重力軸をJ2軸、J4軸、J6軸としたが、重力軸をこれらの軸に限定するものではなく、他の関節軸を重力軸にしてもよい。
・ 前記実施形態では、式(3)により、負荷トルクを算出するようにしたが、式(3)の第3項に示す重力負荷より導かれる負荷トルクを少なくとも算出して、この重力負荷による負荷トルクが最小となる姿勢パラメータΦを導出するようにしてもよい。
In the embodiment, the gravity axis is the J2 axis, the J4 axis, and the J6 axis. However, the gravity axis is not limited to these axes, and another joint axis may be the gravity axis.
In the above-described embodiment, the load torque is calculated by the equation (3). However, at least the load torque derived from the gravity load shown in the third term of the equation (3) is calculated, and the load due to the gravity load is calculated. A posture parameter Φ that minimizes the torque may be derived.
・ 本発明を、例えばスカラ軸、すなわち、水平動作する関節軸と、重力軸を有するマニピュレータに採用してもよい。 The present invention may be applied to, for example, a manipulator having a scalar axis, that is, a joint axis that moves horizontally and a gravity axis.
RC…コントローラ(ロボット制御装置)、
10…マニピュレータ、11〜18…リンク、
41〜47…サーボモータ、
91…CPU(算出部、第1制御部、第2制御部、第3制御部及び制御部)。
RC: Controller (robot controller),
10 ... Manipulator, 11-18 ... Link,
41-47 ... Servo motor,
91... CPU (calculation unit, first control unit, second control unit, third control unit and control unit).
Claims (4)
前記マニピュレータの手先位置姿勢を前記停止位置及び停止姿勢で保持した状態で前記マニピュレータの冗長自由度が許容する複数のリンク位置姿勢のうち、前記関節軸に含まれる重力軸のサーボモータの少なくとも重力に起因する負荷トルクが最小となる最適リンク位置姿勢を求める第1段階と、
前記最適リンク位置姿勢となるように前記マニピュレータの各関節軸のサーボモータを制御して、前記停止位置及び停止姿勢で前記関節軸をメカブレーキで停止保持する第2段階と、
前記重力軸に関するサーボモータの速度制御ループの積分ゲインを、該重力軸の回転作動中のサーボ制御時の積分ゲインよりも大きくして前記重力軸に関するサーボモータをサーボロックする第3段階と、
前記サーボロック後においてモータ電流が増加する所定時間経過後に前記メカブレーキの停止保持を解除する第4段階を含むことを特徴とするロボット制御方法。 In a robot control method for servo-locking a servo motor of each joint axis together with a brake off from a stop holding state in which the joint axis of a manipulator having seven joint axes is held at a stop position and a posture by a mechanical brake,
Among the plurality of link positions and postures allowed by the redundancy degree of freedom of the manipulator while maintaining the hand position and posture of the manipulator at the stop position and the stop posture, at least the gravity of the servo motor of the gravity axis included in the joint axis A first stage for obtaining an optimum link position and orientation at which the resulting load torque is minimized;
A second stage of controlling the servo motor of each joint axis of the manipulator so as to be the optimum link position and posture and stopping and holding the joint shaft with a mechanical brake at the stop position and the stop posture;
A third stage in which the integral gain of the speed control loop of the servo motor related to the gravity axis is made larger than the integral gain during servo control during rotation of the gravity axis to servo-lock the servo motor related to the gravity axis;
A robot control method comprising: a fourth step of releasing stop holding of the mechanical brake after a predetermined time when the motor current increases after the servo lock.
前記マニピュレータの手先位置姿勢を停止位置及び停止姿勢で保持した状態で前記マニピュレータの冗長自由度が許容する複数のリンク位置姿勢のうち、前記関節軸に含まれる重力軸のサーボモータの少なくとも重力に起因する負荷トルクが最小となる最適リンク位置姿勢を算出する算出部を備え、
前記制御部は、前記最適リンク位置姿勢となるように前記マニピュレータの各関節軸のサーボモータを制御して、前記停止位置及び停止姿勢で前記関節軸をメカブレーキで停止保持する第1制御部と、前記重力軸に関するサーボモータの速度制御ループの積分ゲインを、該重力軸の回転作動中のサーボ制御時の積分ゲインよりも大きくして前記重力軸に関するサーボモータをサーボロックする第2制御部と、前記サーボロック後においてモータ電流が増加する所定時間経過後に前記メカブレーキの停止保持を解除する第3制御部を含むことを特徴とするロボット制御装置。 In a robot control device including a control unit that performs a servo control including a speed control loop that controls a speed of a servo motor of the joint axis of a manipulator having seven joint axes, and a mechanical brake provided for each of the joint axes.
Of the plurality of link positions and postures allowed by the redundant degree of freedom of the manipulator while the hand position and posture of the manipulator are held at the stop position and the stop posture, at least due to gravity of the servo motor of the gravity axis included in the joint axis A calculation unit that calculates an optimal link position and orientation that minimizes the load torque to be
The control unit controls a servo motor of each joint shaft of the manipulator so as to be the optimum link position and posture, and the first control unit stops and holds the joint shaft with a mechanical brake at the stop position and the stop posture; A second control unit for servo-locking the servo motor related to the gravity axis by making an integral gain of the speed control loop of the servo motor related to the gravity axis larger than an integral gain during servo control during rotation of the gravity axis; A robot control apparatus comprising: a third control unit for releasing the mechanical brake stop and holding after a lapse of a predetermined time during which the motor current increases after the servo lock.
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- 2012-04-25 JP JP2012100039A patent/JP2013226619A/en active Pending
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