JP2014180726A - 多関節ロボットのバネ定数補正装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ウィービング動作が必要なアーク溶接に好適な多関節ロボットにおいて、多関節ロボットの動力伝達系の減速器のバネ要素を簡便に補正する。
【解決手段】ロボットコントローラに含まれる弾性変形補償部は、この多関節ロボットの各軸における慣性項（Ｊ）、非線形項（Ｃ）、重力項（Ｇ）および補正前のバネ定数（Ｋ）を取得して（Ｓ４）、ウィービング端点位置での誤差を抽出し（Ｓ５）、ヤコビ行列を用いて位置誤差をロボット関節角度誤差へ変換し（Ｓ６）、ウィービング端点位置での推定トルクを多関節ロボットのモデルを用いて算出し（Ｓ７）、多関節ロボットの姿勢を変化させて算出された複数組のウィービング時のロボット関節角度誤差（Ｓ６にて算出）および推定トルク（Ｓ７にて算出）により、バネ定数を補正するために用いる誤差ｄＥを算出して、バネ定数を補正（更新）する。
【選択図】図４

Description

本発明は、たとえば、アーク溶接に用いられる多関節ロボットに関し、特に、減速器がバネ要素として作用して弾性変形する多関節ロボットにおけるバネ定数の補正技術に関する。

アーク溶接により複数の母材の溶接を行う際には、溶接電極を溶接方向に進ませつつ、溶接線の左右方向に正弦波ウィービング動作をさせながら溶接するウィービング溶接が採用される。このウィービング溶接は、従来から、溶接トーチ自体を左右に揺動させるか、または溶接トーチ自体を中心として左右に傾動させることにより行っている。このようなウィービング溶接を多関節ロボットに行わせる場合、高い軌跡精度が要求される。

そして、このようなウィービング溶接を行わせる多関節ロボットにおいては、ロボットの動力伝達系における減速器の弾性変形を考慮して高い軌跡精度を実現している。このためには、ロボットの弾性変形要素のバネ定数を同定することが重要であって、たとえば特開平９−１２３０７７号公報（特許文献１）に開示されるロボットの剛性同定方法が適用されている。

この特許文献１に開示された剛性同定方法は、少なくともロボットに取り付けられたセンサからの出力データに基づいてロボットの剛性を同定する方法であって、ロボットの特性を表す各パラメータを、剛性パラメータ又は剛性を内部に含むパラメータと、それ以外の非剛性パラメータとに分離した上で、個別に同定するロボットの剛性同定方法において、外界センサ及び／又は内界センサからの出力データに対して周波数解析を施し、別途用意された非剛性パラメータと周波数解析結果とに基づいて剛性パラメータを同定することを特徴とする。

特開平９−１２３０７７号公報

しかしながら、この特許文献１に開示された剛性同定方法では、先端位置計測値とモータ角度などの内界センサによる計測値とを、同一時刻で計測する必要がある。すなわち、先端位置計測（外界）データとロボット（内界）データとを同期して計測する必要があり、バネ定数を簡便に同定したり補正したりすることができない。
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、複数軸を備えた多関節ロボットにおいて、減速器がバネ要素として作用して弾性変形する多関節ロボットにおいて、バネ定数を簡便に補正することのできる、多関節ロボットのバネ定数補正装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る多関節ロボットのバネ定数補正装置は、以下の技術的手段を講じている。
即ち、本発明に係る多関節ロボットのバネ定数補正装置は、減速器がバネ要素として作用して弾性変形する多関節ロボットに適用される。前記多関節ロボットは、ロボットコントローラに含まれる弾性変形補償部により前記バネ要素のバネ定数に基づいて弾性変形が補償された状態で動作される。前記バネ定数補正装置は、前記多関節ロボットが前記弾性変形が補償された状態で動作されている時にセンサにより計測された前記多関節ロボットの先端の位置および姿勢の計測値と、前記多関節ロボットの先端の位置および姿勢の目標値とを比較する比較部と、前記比較部により比較された結果を用いて、前記バネ定数を補正する補正部とを含むことを特徴とする。

好ましくは、前記補正部は、前記比較部により比較された結果である先端の位置および姿勢の誤差をロボット関節角度誤差へ変換して、ウィービング先端位置での推定トルクを
多関節ロボットのモデルにより算出して、前記ロボット関節角度誤差と推定トルクとの関係に基づいてバネ定数誤差を算出して、前記算出されたバネ定数誤差を用いてバネ定数を補正するように構成することができる。

さらに好ましくは、前記補正部は、前記ロボット関節角度誤差と推定トルクとの関係に基づいて、最小二乗法を用いてバネ定数誤差を算出するように構成することができる。
さらに好ましくは、前記多関節ロボットにおける先端の位置のみを前記センサにより計測して、前記多関節ロボットにおける先端の姿勢は目標姿勢と同じであると仮定として、前記バネ定数誤差を算出するように構成することができる。

本発明に係る多関節ロボットのバネ定数補正装置を用いることにより、ウィービング動作が必要なアーク溶接に好適な多関節ロボットにおいて、多関節ロボットの動力伝達系の減速器のバネ要素を簡便に補正することができる。

本発明の実施の形態に係るバネ定数補正装置が適用される多関節ロボットの全体構成を示す概略図である。 図１に示す多関節ロボットの１つの関節軸のモデルを示す模式図である。 本発明の実施の形態に係るバネ定数補正装置を含む制御ブロック図である。 バネ定数補正処理を示すフローチャートである。 図４に示すフローチャートのＳ５の処理を説明するための図である。 図４に示すフローチャートのＳ８の処理を説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態に係る多関節ロボットのバネ定数補正装置を、図面に基づき詳しく説明する。なお、以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。
［全体構成］
まず、本実施の形態に係るバネ定数補正装置が適用される垂直多関節ロボット（以下、単に多関節ロボットと記載する場合がある）の概要について説明する。なお、以下の説明においては、本実施の形態に係るバネ定数補正装置が適用される多関節ロボットは、溶接用途のロボットとして説明するが本発明はこのような溶接ロボットに限定して適用されるものではない。

図１は、溶接トーチを傾動動作（ウィービング動作）させるロボットの一例であって、本実施の形態に係るバネ定数補正装置が適用される多関節ロボット１の概要を示す図である。この多関節ロボット１は、垂直多関節型であってＪ１〜Ｊ６の６関節を備え、Ｊ６軸の先端に溶接トーチが設けられ、溶接トーチから送りだされる溶接ワイヤによりアーク溶接が行われる。この多関節ロボット１は、予め定められた溶接開始点と溶接終了点との間が溶接作業区間であって、溶接開始点と溶接終了点とを結ぶ溶接線方向に移動しつつ、溶接ワイヤを予め定められた振幅および周波数で傾動する動作（ウィービング動作）を行うようにセットされている。

図２に、この多関節ロボット１の１つの関節軸のモデルを示す。図２に示すように、１つの関節軸は、モータ回転角度を計測するエンコーダ３を備えたモータ２と、そのモータ２により回動されるアーム４と、モータ２とアーム４とを接続する減速器５とを含んで構成されるモデルにより表される。
減速器５は弾性要素としてモデル化することができるので、この弾性係数（バネ定数）をＫとし、モータ２側の回転角度をθｍとして、アーム４側の回転角度をθｌとすると、アーム４側のトルクτｌは、τｌ＝Ｋ・（θｌ−θｍ）で表すことができる。

１つの関節軸がこのようにモデル化される多関節ロボット１は、以下に示す制御装置でその動作が制御される。
［制御装置］
図１に示した多関節ロボット１の各軸の動作は、図３に示すロボットコントローラ１０
によりサーボ制御される。このロボットコントローラ１０は、教示ペンダントを備え、このロボットコントローラ１０により（より詳しくは弾性変形補償部１１により）、本実施の形態に係るバネ定数補正装置が実現されている。なお、このロボットコントローラ１０およびは弾性変形補償部１１により本実施の形態に係るバネ定数補正装置が実現されるのではなく、本実施の形態に係るバネ定数補正装置が、ロボットコントローラ１０に接続された上位コンピュータ（上位ＣＰＵ）により実現される態様であっても構わないし、他の態様で実現されるものであっても構わない。

ロボットコントローラ１０は、多関節ロボット１に設けられた溶接トーチを、予め教示したプログラムに従って、溶接線に倣ってウィービング動作して移動するように、多関節ロボット１を制御する。教示プログラムは、ロボットコントローラ１０に接続された教示ペンダントを使用して作成する場合や、上位コンピュータを利用したオフライン教示システムを使用して作成する場合がある。いずれの場合であっても、教示プログラムは、実際の動作の前に予め作成される。

このようなロボットコントローラ１０によりその動作が制御される多関節ロボット１は、たとえば製造後の製品出荷前に、出荷検査が行われる。このような出荷検査の１つとして、左右ウィービング検査がある。この左右ウィービング検査においては、減速器５のバネ定数を初期値から補正することが行われる。特許文献１ではモータ角度データ（内界データ）に同期させて計測した先端位置データ（外界データ）を用いて同定しているが、本実施の形態においては、この左右ウィービング検査において先端位置データのみを計測し、出荷検査の１つとしてバネ定数を補正している。

図３に、図１の多関節ロボット１を制御するロボットコントローラ１０の制御ブロック図を示す。この制御ブロック図には、多関節ロボット１の各軸をサーボ制御するとともに（他の制御も含む）、本実施の形態に係るバネ定数補正処理を実行する。
ロボットコントローラ１０は、サーボ制御として、多関節ロボット１に取り付けられたツール（ここでは溶接トーチ）に所望の動作（ここではウィービング動作）を行わせるように複数の関節軸を駆動させる。なお、図３にはこのサーボ制御の制御ブロックについては、公知技術等を適用すれば良いために詳細には記載していない。

本実施の形態に係るバネ定数補正処理は、たとえば、ロボットコントローラ１０に含まれる弾性変形補償部１１により実現される。そして、この弾性変形補償部１１は、先端位置計測センサ１２により計測された溶接トーチ先端のたとえばＸＹ平面座標系における位置データと、予め設定された目標位置データとを比較する目標位置比較部１３と、比較した結果に基づいてモデル化された減速器５のバネ定数の初期値を補正するバネ定数補正部１４とを含み、この弾性変形補償部１１により補正されたバネ定数を用いて弾性変形補償部１１が弾性変形を補償しながら、ロボットコントローラ１０が多関節ロボット１の各軸モータ１５をサーボ制御する。

［バネ定数補正方法］
図４に示すフローチャートを参照して、本実施の形態に係るバネ定数補正処理方法の詳細について説明する。なお、以下の説明では、６軸のうちの１軸について説明する。
ステップ（以下ステップをＳと記載）１にて、弾性変形補償部１１は、左右ウィービング検査処理を実行する。このとき、たとえば、ロボットコントローラ１０を検査モードにしてサーボ制御を手動で作動させて、多関節ロボット１のアーム先端を左右にウィービング動作させる。このとき、図５に示すように、ウィービング先端位置の座標データ（たとえば垂直方向（Ｚ方向）、水平方向（Ｘ方向））が取得されて記憶される。

Ｓ２にて、弾性変形補償部１１は、合否判定を行う。このとき、予め定められたしきい値以下の偏差（目標値と計測値との差）になると合格と判定され、そうでないと合格と判定されない。合格と判定されると（Ｓ２にてＹＥＳ）、処理はＳ３に移される。もしそうでないと（Ｓ２にてＮＯ）、この処理はＳ４へ移される。Ｓ３にて、弾性変形補償部１１は、合格判定処理としてたとえばバネ定数を確定させて記憶させたりロボットコントローラ１０を検査モードから通常モードへ移行させたりする。

Ｓ４にて、弾性変形補償部１１は、この多関節ロボット１の各種ロボットパラメータを
取得する。このとき、たとえばロボットコントローラ１０や上位コンピュータに記憶された、この多関節ロボット１の各軸における慣性項（Ｊ）、非線形項（Ｃ）、重力項（Ｇ）および補正前のバネ定数（Ｋ）が取得される。なお、バネ定数は繰り返し処理の過程において上書きされるので、このＳ４においては前回補正処理により計算されて記憶されたバネ定数、または、バネ定数の初期値が取得されることになる。

Ｓ５にて、弾性変形補償部１１は、ウィービング端点位置での誤差を抽出する。このとき、図５に示すように、理想波形（点線）と先端位置計測センサ１２により計測された測定波形との差が誤差として抽出される。なお、測定波形は以下の式（１）により、誤差は以下の式（２）により、それぞれ表される。

この式（２）において、
ｘ、ｙ、ｚ：ロボット先端の位置座標
α、β、γ：ロボット先端の姿勢角度（オイラー角またはロール・ピッチ・ヨー角）
である。
ここで、上述した６つの自由度（ｘ、ｙ、ｚ、α、β、γ）の全てについて計測できることが好ましいが、最低限として２つの自由度（たとえば左右振りのウィービングである場合には主要な動作方向である水平方向および垂直方向の２つ）のみを計測するだけで、ｄα、ｄβ、ｄγ＝０と仮定し（先端の姿勢は目標姿勢と同じであると仮定）、ｄｘまたはｄｙ＝０と仮定すれば、ロボット先端位置（または姿勢）を計測するためのセンサが２つのみの場合でも、本実施の形態に係るバネ定数補正処理方法を実現することができる。すなわち、このような仮定の下で、先端位置計測センサ１２は最低で２個あれば、本実施の形態に係るバネ定数補正処理を実現することができる。なお、本発明は、このような仮定の下での発明に限定されるものではない。

Ｓ６にて、弾性変形補償部１１は、以下の式（３）に示すように、ヤコビ行列を用いて位置誤差をロボット関節角度誤差へ変換する。

Ｓ７にて、弾性変形補償部１１は、以下の式（４）に示すように、ウィービング端点位置での推定トルクを多関節ロボット１のモデルを用いて算出する。このとき、Ｓ４にて取得した、この多関節ロボット１の関節軸における慣性項（Ｊ）、非線形項（Ｃ）、重力項（Ｇ）が用いられる。

Ｓ８にて、弾性変形補償部１１は、以下の式（５）に示すように、この多関節ロボット１における複数の姿勢でのウィービング時のロボット関節角度誤差（Ｓ６にて算出）および推定トルク（Ｓ７にて算出）が算出されて、得られた値によりバネ定数を補正するために用いる誤差ｄＥを算出する。
このとき、Ｓ６およびＳ７の処理は、左右ウィービング検査の結果が合格になるまで（Ｓ２にてＹＥＳになるまで）、繰り返し実行されることになる。この場合において、多関節ロボット１における姿勢が変化されてウィービング時のロボット関節角度誤差および推定トルクが複数組算出される。このため、図６に示すように、複数の点が（ある相関関係を持って）点在することになる。すなわち、ウィービング検査にて（Ｓ１にて）、複数のロボット姿勢にてウィービング検査を行い、各ロボット姿勢にて計測されたデータごとに、図６の点が１点計算されるために、図６においては、Ｓ１における検査したロボットの姿勢の数だけの点が存在することになる。この図６に示すように、重み付き最小二乗法による１次関数の傾き（図示した直線で示される相関関係）が、バネ定数を補正する誤差ｄＥとして算出されて、式（５）に代入されて、更新後（補正後）のバネ定数が算出されて、記憶される。その後、処理は、Ｓ１へ戻される。

［バネ定数補正動作および作用効果］
多関節ロボット１の左右ウィービング検査が行われ、アーム先端を左右にウィービング動作させて、時間軸に対してウィービング端点位置（先端位置）の座標データ（たとえばＸ値）が取得されて記憶される（Ｓ１）。左右ウィービング検査の結果が合格と判定されないと（Ｓ２にてＮＯ）、更新前（初回は初期値）のバネ定数を含む各種ロボットパラメータが取得される（Ｓ４）。

ウィービング端点位置での位置誤差が取得され（Ｓ５）、その位置誤差がロボット関節角度誤差へ変換される（Ｓ６）。ウィービング端点位置での推定トルクがモデル（式（４））により算出される。Ｓ６にて変換されたロボット関節角度誤差およびＳ７にて算出されたトルクを用いて、バネ定数誤差ｄＥが算出される（Ｓ８）。この誤差ｄＥを用いて、更新後のバネ定数が求められて（式（５））、更新後のバネ定数を用いて再度左右ウィービング検査が行われる（Ｓ１）。

このような誤差ｄＥを求めてバネ定数を補正する動作が、左右ウィービング検査の結果が合格になるまで（Ｓ２にてＹＥＳになるまで）繰り返し実行される。なお、所定回数繰り返してバネ定数を補正しても左右ウィービング検査結果が合格と判定されない場合には他の処理を行うようにしても構わない。
以上のようにして、本実施の形態に係る多関節ロボットのバネ定数補正装置を用いることにより、ウィービング動作が必要なアーク溶接に好適な多関節ロボットにおいて、多関節ロボットの動力伝達系の減速器のバネ要素を簡便に補正することができる。すなわち、ロボットコントローラの弾性変形補償部による制御（バネ定数初期値に基づいて補償）された状態での先端位置のずれがバネ定数によるずれであると仮定して、バネ定数初期値を算出された誤差を用いて補正する。この誤差を算出するにあたり、従来は同期させて取得したモータの内界データおよびロボット先端位置データ（外界データ）を用いて弾性変形の絶対量を算出していたが、本実施の形態においては、バネ定数からの相対変化（誤差）に着目することにより、かつ、内界データ（モータ角度）を用いることなく外界データ（
先端位置データ）からモデルを用いて角度誤差を算出することにより、バネ定数を簡便に補正することができるようになった。

なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 多関節ロボット
１０ ロボットコントローラ
１１ 弾性変形補償部
１２ 先端位置計測センサ
１３ 目標位置比較部
１４ バネ定数補正部
１５ 各軸モータ

Claims (4)

1. 減速器がバネ要素として作用して弾性変形する多関節ロボットに適用されるバネ定数補正装置であって、前記多関節ロボットは、ロボットコントローラに含まれる弾性変形補償部により前記バネ要素のバネ定数に基づいて弾性変形が補償された状態で動作され、
   前記バネ定数補正装置は、
   前記多関節ロボットが前記弾性変形が補償された状態で動作されている時にセンサにより計測された前記多関節ロボットの先端の位置および姿勢の計測値と、前記多関節ロボットの先端の位置および姿勢の目標値とを比較する比較部と、
   前記比較部により比較された結果を用いて、前記バネ定数を補正する補正部と、
   を含むことを特徴とするバネ定数補正装置。
2. 前記補正部は、
   前記比較部により比較された結果である先端の位置および姿勢の誤差をロボット関節角度誤差へ変換して、
   ウィービング先端位置での推定トルクを多関節ロボットのモデルにより算出して、
   前記ロボット関節角度誤差と推定トルクとの関係に基づいてバネ定数誤差を算出して、前記算出されたバネ定数誤差を用いてバネ定数を補正することを特徴とする、請求項１に記載のバネ定数補正装置。
3. 前記補正部は、前記ロボット関節角度誤差と推定トルクとの関係に基づいて、最小二乗法を用いてバネ定数誤差を算出することを特徴とする、請求項２に記載のバネ定数補正装置。
4. 前記多関節ロボットにおける先端の位置のみを前記センサにより計測して、前記多関節ロボットにおける先端の姿勢は目標姿勢と同じであると仮定として、前記バネ定数誤差を算出することを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれかに記載のバネ定数補正装置。

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