JP2019209444A - ロボット制御装置及びロボット制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】過大な負荷を回避し得る最適な軌道を短時間で求めることができるロボット制御装置及びロボット制御方法を提供する。【解決手段】ロボット制御装置は、目標軌道と、該目標軌道に対して許容される許容誤差とを取得する取得部と、前記目標軌道に対する誤差が前記許容誤差に収まる加工軌道を生成する軌道生成部と、前記軌道生成部で生成された前記加工軌道に追従するようにロボットを制御する制御部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、ロボット制御装置及びロボット制御方法に関する。

近年、製品の製造現場等においては、労働人口の減少による作業者不足等を背景として、ロボットを用いた作業の自動化が促進されている。例えば、切削や研削等の加工工程では、加工ロボットを用いた自動化が促進されており、溶接工程では、溶接ロボットを用いた自動化が促進されている。また、塗装工程では、塗装ロボットを用いた自動化が促進されており、仕上げ工程では、仕上げロボットを用いたバリ取り、面取り、Ｒ付け、磨き等の自動化が促進されている。

このようなロボットは、ロボット制御装置の制御によって、直線や曲線を繋ぎ合わせた軌道に沿うように動作する。軌道が複数の直線及び曲線からなる場合において、直線と曲線との繋ぎ目では速度が急激に変化する。例えば、直線から曲線に変化する箇所においては、直線に沿って一定の速度で動作しているロボットが、曲線に沿って円運動することになるから、角速度が０から急激に上昇する。このため、ロボットを軌道に沿って厳密に追従させようとすると、速度（角速度）の不連続性が生ずる直線と曲線との繋ぎ目において、ロボットの駆動装置（例えば、モータ）に過大な負荷がかかる。

このような駆動装置にかかる過大な負荷を回避するために、ロボットを軌道に沿って動作させる前に、軌道を補正して速度の急激な変化を抑える必要がある。以下の特許文献１，２には、速度の急激な変化を抑えるための従来の補正方法の一例が開示されている。具体的に、以下の特許文献１，２では、最大加速度や加速区間に基づいて、軌道を補正するようにしている。

特開２００８−１３２５９５号公報 特開２０１４−１６１９１８号公報

ところで、上述した各種ロボットを制御する場合には、軌道追従性が重要となる。つまり、上述した各種ロボットを制御する場合には、目標軌道に対する追従誤差が、予め定められた目標追従誤差に収まることが重要になる。上記特許文献１，２では、加速区間等の補正に用いるパラメータを試行錯誤的に変化させて、目標軌道に対する追従誤差が目標追従誤差に収まるようにする必要があり、最適な軌道を得るのに時間を要していたという問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、過大な負荷を回避し得る最適な軌道を短時間で求めることができるロボット制御装置及びロボット制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様によるロボット制御装置は、目標軌道と、該目標軌道に対して許容される許容誤差とを取得する取得部（２１）と、前記目標軌道に対する誤差が前記許容誤差に収まる加工軌道を生成する軌道生成部（２２）と、前記軌道生成部で生成された前記加工軌道に追従するようにロボット（１０）を制御する制御部（２３）と、を備える。
また、本発明の一態様によるロボット制御装置は、前記軌道生成部が、前記ロボットの加速度が連続する前記加工軌道を生成する。
また、本発明の一態様によるロボット制御装置は、前記軌道生成部が、複数生成された前記加工軌道のうち、最大加速度が最も小さいものを選択する。
また、本発明の一態様によるロボット制御装置は、前記許容誤差には、位置及び姿勢の許容誤差が含まれる。
また、本発明の一態様によるロボット制御方法は、目標軌道と、該目標軌道に対して許容される許容誤差とを取得する取得ステップ（Ｓ１１）と、前記目標軌道に対する誤差が前記許容誤差に収まる加工軌道を生成する軌道生成ステップ（Ｓ１２）と、前記軌道生成ステップで生成された前記加工軌道に追従するようにロボット（１０）を制御する制御ステップ（Ｓ１３）と、を含む。

本発明によれば、過大な負荷を回避し得る最適な軌道を短時間で求めることができるという効果がある。

ロボットシステムの概要構成を示す図である。 本発明の一実施形態によるロボット制御装置で求められる加工軌道の一例を示す図である。 本発明の一実施形態によるロボット制御装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態で用いられるワーク及び目標軌道の一例を示す図である。 図４に示すワークの溶接を行う例において生成される加工軌道の一例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態によるロボット制御装置及びロボット制御方法について詳細に説明する。

〈ロボットシステム〉
図１は、ロボットシステムの概要構成を示す図である。図１に示す通り、ロボットシステム１は、ロボット１０及びロボット制御装置２０を備えており、ワークＷに対して所定の処理を行う。ここで、ロボットシステム１がワークＷに対して行う処理としては、例えば加工（切削や研削等）、溶接、塗装、仕上げ（バリ取り、面取り、Ｒ付け、磨き等）、その他の処理が挙げられる。尚、本実施形態において、ロボットシステム１は、ワークＷの溶接（レーザ溶接）を行うものであるとする。

ロボット１０は、ロボットアーム１１、ハンド部１２、レーザ溶接装置１３、及びロボットコントローラ１４を備える。ロボットアーム１１は、複数のアームが複数の関節によって直列的に接続された多関節機構を有する。ロボットアーム１１の各関節には、各関節を駆動するモータ（図示省略）が設けられている。ロボットアーム１１は、ロボット制御装置２０の制御の下で、ロボットコントローラ１４によりモータが駆動されることで、例えば、三次元空間を６軸方向に移動することができる。また、各関節には、モータの回転角度を検知するエンコーダが設けられている。

ハンド部１２は、工具としてのレーザ溶接装置１３をロボットアーム１１に対して着脱可能に接続する。レーザ溶接装置１３は、ハンド部１２によりロボットアーム１１の先端に取り付けられる。ロボットアーム１１を駆動することで、三次元空間内におけるレーザ溶接装置１３の位置及び姿勢を変更することができる。レーザ溶接装置１３は、レーザ光をワークＷに照射し、ワークＷを局部的に溶融・凝固させることによってワークＷを接合する。

ロボットコントローラ１４は、ロボット制御装置２０の制御の下で、ロボットアーム１１の動作を制御する。具体的に、ロボットコントローラ１４は、ロボットアーム１１の各関節に設けられたモータを駆動することによって、ロボットアーム１１の動作を制御する。このロボットコントローラ１４は、ロボット制御装置２０との間でリアルタイム通信を行う。これにより、ロボットシステム１では、予め規定された制御周期でロボットアーム１１のリアルタイム制御が実現される。

〈ロボット制御装置〉
ロボット制御装置２０は、取得部２１、軌道生成部２２、制御部２３、及び記憶部２４を備えており、ロボット１０の制御を行う。取得部２１は、ロボット１０の目標軌道と、目標軌道に対して許容される許容誤差とを取得する。この取得部２１は、ロボット制御装置２０に設けられる不図示の入力装置（例えば、キーボード）から入力される指示に応じて、入力装置から入力される目標軌道及び許容誤差、或いは、記憶部２４に記憶された目標軌道及び許容誤差を取得する。

上記の目標軌道は、レーザ溶接装置１３を移動させる軌道である。例えば、レーザ溶接装置１３に設けられたレーザ光の射出口を移動させる軌道を目標軌道としても良い。目標軌道を示すデータは、一定距離間隔における空間座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を示すデータと、レーザ溶接装置１３の姿勢（θＸ，θＹ，θＺ）を示すデータとを含む。尚、θＸ，θＹ，θＸはそれぞれ、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸周りの回転量である。上記の許容誤差には、上記の空間座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に対して許容される許容誤差（位置の許容誤差）と、上記の姿勢（θＸ，θＹ，θＺ）に対して許容される許容誤差（姿勢の許容誤差）とが含まれる。

軌道生成部２２は、取得部２１で取得された目標軌道に対する誤差が、取得部２１で取得された許容誤差に収まる滑らかな加工軌道を生成する。ここで、滑らかな加工軌道とは、ロボット１０（レーザ溶接装置１３）の加速度が連続するような加工軌道である。加速度が連続するとは、例えば直線状の軌道から曲線状の軌道に移行する際のように、加速度が０から急激に上昇する（不連続となる）ものではなく、加速度が連続的な変化を示すこと（例えば、加速度が微分可能であること）をいう。

軌道生成部２２は、上記の加工軌道を、目標軌道からの誤差が許容誤差に収まることを制約条件とする最適化計算によって求める。最適化計算における評価関数は、ワークＷの加工内容によって決まり、例えば加加速度の最大値が挙げられる。ここで、最適化計算によって加工軌道を求める場合には、複数の加工軌道が求められることもある。複数の加工軌道が求められた場合には、軌道生成部２２は、最大加速度が最も小さい加工軌道を選択する。

以下、軌道生成部２２で行われる処理について説明する。尚、ここでは、理解を容易にするために、ロボット１０（レーザ溶接装置１３）をＸ軸に沿って移動させる場合の加工軌道を生成する例について説明する。ロボット１０の目標軌道をｘとして、教示点近傍の軌道を考える。教示点を直線で結んだ軌道では、教示点において速度が変化する。教示点の位置をｘ＝０、教示点を通過する時間ｔ＝０、教示点前後の速度をそれぞれｖ_１，ｖ_２とすると、目標軌道ｘは、以下の（１）式で表される。

軌道生成部２２は、例えば、加工軌道を求める区間を複数に分け、各々の区間の加工軌道を滑らかに繋げる処理を行うことで加工軌道ｘ１を求める。ここで、加工軌道を求める区間を４つに分けるとすると、各々の区間は、ｔ＝−Δ，０，Δの３点で分けられる。尚、Δは、許容誤差ｅを用いて決まる値であり、以下の（２）式で示される。

各区間の接続点で２回微分まで連続であるという条件の下では、各区間の加工軌道ｘ１は、以下の（３）式を用いて表される。

但し、上記（３）式中のａ_３は、以下の（４）式で表される。

上記（２）〜（４）式を参照すると、加工軌道ｘ１は、速度ｖ_１，ｖ_２と許容誤差ｅとによって求められることが分かる。つまり、加工軌道ｘ１は、目標軌道ｘと許容誤差ｅとから求められることが分かる。

図２は、本発明の一実施形態によるロボット制御装置で求められる加工軌道の一例を示す図である。尚、図２においては、速度ｖ_１＝−１［ｍ／ｓｅｃ］、速度ｖ_２＝１［ｍ／ｓｅｃ］、許容誤差ｅ＝０．５［ｍ］である場合の目標軌道ＴＲ０、加工軌道ＴＲ１、及び許容誤差範囲ＥＲを図示している。図２を参照すると、加工軌道ＴＲ１は、全区間（−２≦ｔ≦２）において、許容誤差範囲ＥＲ内に収まる滑らかな軌道になっていることが分かる。

制御部２３は、軌道生成部２２で生成された加工軌道ｘ１に追従するようにロボット１０を制御する。記憶部２４は、ロボット制御装置２０で用いられる各種データ、各種パラメータ、各種プログラムを記憶する。例えば、目標軌道を示すデータ、軌道生成部２２で生成された加工軌道を示すデータ、目標軌道に対して許容される許容誤差を示すデータ、その他のデータを記憶する。

このようなロボット制御装置２０は、例えばパーソナルコンピュータ等のコンピュータによって実現される。そして、ロボット制御装置２０の各機能（取得部２１、軌道生成部２２、制御部２３、及び記憶部２４）は、例えば記憶部２４に記憶されたプログラムがコンピュータに実行されることによりソフトウェア的に実現される。つまり、ロボット制御装置２０の各機能は、ソフトウェアとハードウェア資源とが協働することによって実現される。

〈ロボット制御方法〉
図３は、本発明の一実施形態によるロボット制御装置の動作を示すフローチャートである。図４は、本発明の一実施形態で用いられるワーク及び目標軌道の一例を示す図である。図４に示す通り、本実施形態では、ＸＹ面内の形状がトラック形状のワークＷ（Ｙ軸に沿う平行な２本の直線とこれらを繋ぐ２つの曲線とを有する形状のワーク）の溶接を行う場合を例に挙げて説明する。この例におけるレーザ溶接装置１３の目標軌道ＴＲ１０は、図示の通り、直線部Ｐ１、曲線部Ｐ２、及び直線部Ｐ３が連続するものとなる。

図３に示すフローチャートの処理が開始されると、まず目標軌道及び許容誤差を取得する処理が、ロボット制御装置２０の取得部２１で行われる（ステップＳ１１：取得ステップ）。例えば、ロボット制御装置２０に設けられた不図示の入力装置から入力される指示に基づいて、記憶部２４に記憶された目標軌道（図４に示す目標軌道ＴＲ１０）及び許容誤差を取得する処理が取得部２１で行われる。

次に、取得部２１で取得された目標軌道に対する誤差が、取得部２１で取得された許容誤差に収まる滑らかな加工軌道を生成する処理が軌道生成部２２で行われる（ステップＳ１２：軌道生成ステップ）。例えば、目標軌道からの誤差が許容誤差に収まることを制約条件とする最適化計算が軌道生成部２２で行われることによって、滑らかな加工軌道が生成される。尚、最適化計算によって複数の加工軌道が求められた場合には、最大加速度が最も小さい加工軌道が軌道生成部２２によって選択される。

図５は、図４に示すワークの溶接を行う例において生成される加工軌道の一例を示す図である。尚、前述の通り、目標軌道を示すデータには、空間座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を示すデータと、レーザ溶接装置１３の姿勢（θＸ，θＹ，θＺ）を示すデータとが含まれる。この目標軌道を示すデータを用いて生成される加工軌道も同様に、空間座標を示すデータと姿勢を示すデータとが含まれる。図５では、理解を容易にするために、レーザ溶接装置１３の姿勢（レーザ溶接装置１３から射出されるレーザ光ＬのＸ軸に対する角度（θＺ））についての目標軌道ＴＲ１１と加工軌道ＴＲ１２とを図示している。尚、図５に示す加工軌道ＴＲ１２は、姿勢（角度）の許容誤差が１０度である場合に生成されたものである。

図５に示す通り、レーザ溶接装置１３の姿勢についての目標軌道ＴＲ１１は、図４に示す直線部Ｐ１の溶接が行われる区間ＳＥ１（０〜２０［ｓｅｃ］）、図４に示す曲線部Ｐ２の溶接が行われる区間ＳＥ２（２０〜３８［ｓｅｃ］）、図４に示す直線部Ｐ３の溶接が行われる区間ＳＥ３（３８〜５６［ｓｅｃ］）に大別される。各々の区間の目標軌道ＴＲ１１は以下の通りであり、区間の接続点では不連続になっている。
直線部Ｐ１の溶接が行われる区間ＳＥ１：０度
曲線部Ｐ２の溶接が行われる区間ＳＥ２：０〜１８０度まで徐々に変化
直線部Ｐ３の溶接が行われる区間ＳＥ３：１８０度

これに対し、軌道生成部２２で生成された加工軌道ＴＲ１２は、許容誤差範囲ＥＲ１内に収まる滑らかな軌道になる。具体的に、加工軌道ＴＲ１２は、直線部Ｐ１の溶接が行われる区間ＳＥ１の前半部分では、目標軌道ＴＲ１１とほぼ同じであるが、区間ＳＥ１の後半部分では、許容誤差範囲ＥＲ１の下限付近（−１０度）まで滑らかに変化した後に許容誤差範囲ＥＲ１の上限付近（＋１０度）まで滑らかに変化する軌道となる。

また、加工軌道ＴＲ１２は、曲線部Ｐ２の溶接が行われる区間ＳＥ２では、許容誤差範囲ＥＲ１の上限付近（＋１０度）から許容誤差範囲ＥＲ１の下限付近（＋１７０度）まで徐々に変化する軌道となる。また、加工軌道ＴＲ１２は、直線部Ｐ３の溶接が行われる区間ＳＥ３の前半部分では、許容誤差範囲ＥＲ１の上限付近（＋１９０度）まで滑らかに変化した後に許容誤差範囲ＥＲ１の下限付近（＋１７０度）まで滑らかに変化し、後半部分では目標軌道ＴＲ１１とほぼ同じ軌道となる。

以上の処理が終了すると、軌道生成部２２で生成された加工軌道ＴＲ１２に追従するようにロボット１０を制御する処理が制御部２３によって行われる（ステップＳ１３：制御ステップ）。上述の通り、軌道生成部２２で生成された加工軌道ＴＲ１２は、許容誤差に収まる滑らかな軌道であるため、ロボット１０の駆動装置（モータ）に過大な負荷がかかるのを防止することできる。

以上の通り、本実施形態では、ロボット１０（レーザ溶接装置１３）に対する目標軌道と、目標軌道に対して許容される許容誤差とを取得し、目標軌道に対する誤差が許容誤差に収まる加工軌道を生成し、生成された加工軌道に追従するようにロボット１０を制御するようにしている。このため、従来のように、補正に用いるパラメータを試行錯誤的に変化させて、目標軌道に対する追従誤差が目標追従誤差に収まるようにする必要がない。これにより、過大な負荷を回避し得る最適な軌道を短時間で求めることができる。

以上、本発明の一実施形態によるロボット制御装置及びロボット制御方法について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されず、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では、ロボット１０の駆動装置がモータである場合を例に挙げて説明したが、ロボット１０の駆動装置がモータ以外（例えば、圧電素子、エアシリンダ、油圧シリンダ、油圧モータ等）である場合にも適用可能である。

また、上記実施形態では、ロボット１０が、レーザ溶接装置１３を移動させる移動装置としてロボットアーム１１を備える例について説明した。しかしながら、ロボット１０は、必ずしもロボットアーム１１を備えている必要は無く、アーム型ではない移動装置（例えば、直動軸等を有する移動装置）を備えるものであっても良い。

１…ロボットシステム、１０…ロボット、２０…ロボット制御装置、２１…取得部、２２…軌道生成部、２３…制御部

Claims (5)

1. 目標軌道と、該目標軌道に対して許容される許容誤差とを取得する取得部と、
   前記目標軌道に対する誤差が前記許容誤差に収まる加工軌道を生成する軌道生成部と、
   前記軌道生成部で生成された前記加工軌道に追従するようにロボットを制御する制御部と、
   を備えるロボット制御装置。
2. 前記軌道生成部は、前記ロボットの加速度が連続する前記加工軌道を生成する、請求項１記載のロボット制御装置。
3. 前記軌道生成部は、複数生成された前記加工軌道のうち、最大加速度が最も小さいものを選択する、請求項１又は請求項２記載のロボット制御装置。
4. 前記許容誤差には、位置及び姿勢の許容誤差が含まれる、請求項１から請求項３の何れか一項に記載のロボット制御装置。
5. 目標軌道と、該目標軌道に対して許容される許容誤差とを取得する取得ステップと、
   前記目標軌道に対する誤差が前記許容誤差に収まる加工軌道を生成する軌道生成ステップと、
   前記軌道生成ステップで生成された前記加工軌道に追従するようにロボットを制御する制御ステップと、
   を含むロボット制御方法。

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