JP2020019125A - ロボット制御方法 - Google Patents

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克明 大熊
Katsuaki OKUMA
克明 大熊
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Abstract

【課題】ロボットの移動動作中に移動区間の境界部分を最適な軌跡で接続する。【解決手段】ロボット1が移動する第1の移動区間の軌跡と、第1の移動区間に連続して次に移動する第2の移動区間の軌跡との組み合わせパターンを判定する。判定された組み合わせパターンに基づいて、直交座標系成分のX、Y、Z方向の3成分、又は極座標系成分のθ方向及び直交座標系成分のZ方向の2成分のうち何れかを選択して補間前加減速及び重ね合わせ処理を行う。【選択図】図2

Description

本発明は、ロボット制御方法に関するものである。
従来より、産業用ロボットの移動動作では、移動区間を滑らかに接続するために、重ね合わせという手法が用いられる。これは、前の区間の減速部分と次の区間の加速部分を重ね合わせて、前の区間の動作が完全に終わる前に、次の区間の動作を開始する手法である。
ただし、目標点に到達する前にその次の点への動作が開始してしまうため、厳密には目標点に到達せず、軌跡の端点が不明瞭になることがある。このように、滑らかさと角出し性能の程度は、トレードオフの関係にある。
ここで、レーザ溶接等の高精度な加工が必要な用途においては、補間前加減速という加減速手法が用いられることがある(例えば、特許文献1参照)。補間前加減速では、軌跡上で加速・減速を行うため、速度変化が大きい場合も軌跡から外れることはない。また、補間前加減速を採用した場合であっても、滑らかさが必要なときには、重ね合わせ処理が必要とされる。
特許第6100816号公報
ところで、ロボットの動作軌跡は、直交座標系成分X、Y、Zを用いて表現することができるが、例えば、円弧補間動作において、直交座標系成分を用いた加減速と重ね合わせ処理とを行う場合には、円弧が歪み、理想的な軌跡を描くことができなくなることがある。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ロボットの移動動作中に移動区間の境界部分を最適な軌跡で接続することにある。
本発明は、複数の関節部を有するロボットの動作を制御するロボット制御方法を対象とし、次のような解決手段を講じた。
すなわち、第1の発明は、前記ロボットが移動する第1の移動区間の軌跡と、該第1の移動区間に連続して次に移動する第2の移動区間の軌跡との組み合わせパターンを判定するステップと、
前記組み合わせパターンに基づいて、直交座標系成分のX、Y、Z方向の3成分、又は極座標系成分のθ方向及び直交座標系成分のZ方向の2成分のうち何れかを選択して補間前加減速を行うステップと、
前記選択した座標系成分について移動区間の重ね合わせ処理を行うステップとを備えたことを特徴とするものである。
第1の発明では、第1の移動区間の軌跡と第2の移動区間の軌跡との組み合わせパターン、つまり、直線補間や円弧補間等の移動形態に応じて組み合わせを判定して、組み合わせパターンに応じて、補間前加減速や重ね合わせ処理を行うようにしている。
具体的に、動作軌跡は、直交座標系成分のX、Y、Z方向の3成分を用いて表現することができるが、円弧補間動作において直交座標系成分を用いた補間前加減速や重ね合わせ処理を行うと、加減速区間で円弧が歪み、理想的な軌跡を描くことができなくなる。
そこで、組み合わせパターンを判定して、例えば、第1の移動区間と第2の移動区間とが同心且つ径が同じ円弧状の軌跡である場合に、θ、Z方向の2成分について補間前加減速及び重ね合わせ処理を行うようにする。また、例えば、第1の移動区間と第2の移動区間とが直線状の軌跡である場合には、X、Y、Z方向の3成分について補間前加減速及び重ね合わせ処理を行うようにすればよい。
これにより、ロボットの移動動作中に移動区間の境界部分を最適な軌跡で接続することができる。
第2の発明は、第1の発明において、
前記組み合わせパターンが、前記第1の移動区間及び前記第2の移動区間が直線状の軌跡である場合に、X、Y、Z方向の3成分について補間前加減速及び重ね合わせ処理を行うことを特徴とするものである。
第2の発明では、第1の移動区間及び第2の移動区間が直線状の軌跡である場合に、X、Y、Z方向の3成分について補間前加減速及び重ね合わせ処理を行うようにしている。これにより、直線補間同士が接続されている場合に、境界位置を滑らかに接続することができる。
第3の発明は、第1の発明において、
前記組み合わせパターンが、前記第1の移動区間又は前記第2の移動区間の一方が直線状の軌跡で、他方が円弧状の軌跡である場合に、円弧状の軌跡のθ方向の接線をX、Y方向の2成分に分解して、X、Y、Z方向の3成分について補間前加減速及び重ね合わせ処理を行うことを特徴とするものである。
第3の発明では、第1の移動区間又は第2の移動区間の一方が直線状の軌跡で、他方が円弧状の軌跡である場合には、極座標形式での重ね合わせができないため、まず、円弧状の軌跡のθ方向の接線をX、Y方向の2成分に分解する。その後、X、Y、Z方向の3成分について補間前加減速及び重ね合わせ処理を行うようにしている。
これにより、直線補間と円弧補間とが接続されている場合に、境界位置を滑らかに接続することができる。
第4の発明は、第1の発明において、
前記組み合わせパターンが、前記第1の移動区間が円弧状の軌跡で、前記第2の移動区間が該第1の移動区間の円弧とは中心が異なる円弧状の軌跡である場合に、それぞれの円弧状の軌跡のθ方向の接線をX、Y方向の2成分に分解して、X、Y、Z方向の3成分について補間前加減速及び重ね合わせ処理を行うことを特徴とするものである。
第4の発明では、第1の移動区間と第2の移動区間とが、中心が異なる円弧状の軌跡である場合には、円弧補間同士の接続であっても、極座標形式での重ね合わせができないため、まず、それぞれの円弧状の軌跡のθ方向の接線をX、Y方向の2成分に分解する。その後、X、Y、Z方向の3成分について補間前加減速及び重ね合わせ処理を行うようにしている。
これにより、中心の異なる円弧補間同士が接続されている場合に、境界位置を滑らかに接続することができる。
第5の発明は、第1の発明において、
前記組み合わせパターンが、前記第1の移動区間が円弧状の軌跡で、前記第2の移動区間が該第1の移動区間の円弧と同心且つ径が同じ円弧状の軌跡である場合に、θ、Zの2成分について補間前加減速及び重ね合わせ処理を行うことを特徴とするものである。
第5の発明では、第1の移動区間と第2の移動区間とが、同心且つ径が同じ円弧状の軌跡である場合には、θ、Zの2成分について補間前加減速及び重ね合わせ処理を行うようにしている。
これにより、同心且つ径が同じ円弧補間同士が接続されている場合に、軌跡精度を向上させることができる。
本発明によれば、ロボットの移動動作中に移動区間の境界部分を最適な軌跡で接続することができる。
本実施形態に係るロボットの構成を示す側面図である。 ロボットの構成を示すブロック図である。 X、Y、Z方向の3成分について補間前加減速を行ったときの図である。 X、Y、Z方向の3成分について重ね合わせ処理を行ったときの図である。 第1の移動区間及び第2の移動区間が直線状の軌跡である場合に、補間後加減速及び重ね合わせ処理を行ったときの軌跡を示す図である。 第1の移動区間及び第2の移動区間が同心且つ径が同じ円弧状の軌跡であるときの図である。 円弧状の軌跡をX、Y、Z方向で重ね合わせたときの図である。 θ、Z方向の2成分について補間前加減速を行ったときの図である。 θ、Z方向の2成分について重ね合わせ処理を行ったときの図である。 円弧状の軌跡をθ、Z方向で重ね合わせたときの図である。 第1の移動区間が直線状の軌跡で、第2の移動区間が円弧状の軌跡である場合に、補間後加減速及び重ね合わせ処理を行ったときの軌跡を示す図である。 第1の移動区間が円弧状の軌跡で、第2の移動区間が直線状の軌跡である場合に、補間後加減速及び重ね合わせ処理を行ったときの軌跡を示す図である。 第1の移動区間が円弧状の軌跡で、第2の移動区間が第1の移動区間の円弧とは中心が異なる円弧状の軌跡である場合に、補間後加減速及び重ね合わせ処理を行ったときの軌跡を示す図である。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。
図1に示すように、ロボット1は、6軸の多関節型のロボットアーム10を備えている。ロボット1には、ロボットアーム10の動作を制御するロボット制御装置30が接続されている。
ロボットアーム10は、台座部11と、台座部11に第1関節部J1を中心に水平方向に旋回可能に支持された肩部12と、肩部12に第2関節部J2を中心に上下方向に旋回可能に支持された下アーム部13と、下アーム部13に第3関節部J3を中心に上下方向に旋回可能に支持された第1の上アーム部14と、第1の上アーム部14の先端部に第4関節部J4を中心に捻り回転可能に支持された第2の上アーム部15と、第2の上アーム部15に第5関節部J5を中心に上下方向に旋回可能に支持された手首部16と、手首部16に第6関節部J6を中心に捻り回転可能に支持された取付部17とを有する。取付部17には、レーザ切断ヘッド18が取り付けられている。
第1関節部J1から第6関節部J6には、モータ21(図2参照)が内蔵されている。ロボット制御装置30は、ティーチング等によって予め入力された動作プログラムに基づいて、第1関節部J1から第6関節部J6がそれぞれ目標位置(指令角度)に達するように、第1関節部J1から第6関節部J6のモータ21の駆動を制御する。
図2にも示すように、ロボット1には、モータ21の動作を制御するロボット制御装置30が接続されている。ロボット制御装置30は、入力部31と、電流制御部32と、記憶部34と、制御部35とを有する。
ロボット1では、エンコーダ22によって、モータ21のロータの位置が所定のサンプリング周期で検出される。そして、エンコーダ22で検出されたモータ21の位置情報は、制御部35に送信される。
入力部31は、ロボット1の動作を制御する動作プログラムを入力する。入力部31で入力された動作プログラムは、制御部35に送信され、記憶部34に記憶される。
電流制御部32には、制御部35から、トルク指令値とモータ発生トルクが入力される。電流制御部32は、駆動指令値を算出し、駆動指令値に基づいて、モータ21に電流を流す。このように、電流制御部32は、モータ21の駆動を制御する。なお、制御部35で行われる処理については後述する。
このように構成されたロボット1では、3次元又は2次元の直線軌跡や円弧軌跡に沿って、レーザ切断ヘッド18を移動させながらレーザ切断を行うことができる。本実施形態では、X−Y平面に加工を行い、Z方向に高さ調整を行う機構を例にあげて説明する。
図3に示すように、ロボット1は、開始点P1、中間点P2、目標点P3に向かって順に移動するものとする。ここで、開始点P1から中間点P2までを第1の移動区間、中間点P2から目標点P3までを第2の移動区間とする。
そして、第1の移動区間が直線状の軌跡であり、第1の移動区間に連続して次に移動する第2の移動区間が直線状の軌跡である場合について検討する。
まず、第1の移動区間及び第2の移動区間の軌跡上の点を補間計算することで、補間前加減速処理を行う。直線補間の加減速処理は、速度ベクトルをX、Y、Z方向の3つの直交座標系成分に分割することで行う。このように、連続する2つの直線区間の加減速処理を行うことで、動作開始・終了時や軌跡途中での速度変更時の振動発生を抑制することができる。
また、本実施形態では、第1の移動区間と第2の移動区間とを滑らかに接続するために、重ね合わせ処理を行うようにしている。重ね合わせ処理は、図4に示すように、第1の移動区間の減速部分と、第2の移動区間の加速部分とを重ね合わせて、第1の移動区間の動作が完全に終わる前に、次の第2の移動区間の動作を開始するものである。
これにより、第1の移動区間と第2の移動区間との接続点で瞬間停止することなく、第1の移動区間から第2の移動区間へとスムーズに移行することができる。
このように、第1の移動区間及び第2の移動区間が直線状の軌跡である場合には、図5に示すように、直交座標系成分のX、Y、Z方向の3成分について、補間前加減速及び重ね合わせ処理を行うことで、境界位置を滑らかに接続することができる。
次に、図6に示すように、第1の移動区間が円弧状の軌跡、第2の移動区間が第1の移動区間の円弧と同心且つ径が同じ円弧状の軌跡である場合について検討する。
まず、第1の移動区間及び第2の移動区間の軌跡上の点を補間計算することで、補間前加減速処理を行う。ここで、円弧補間動作において直交座標系成分のX、Y、Z方向の3成分を用いた補間前加減速や重ね合わせ処理を行うと、図7に示すように、加減速区間で円弧が歪み、理想的な軌跡を描くことができなくなる。
そこで、図8に示すように、円弧補間の加減速処理は、円弧中心からの距離Rを一定として、速度ベクトルを角度θ方向の極座標系成分とZ方向の直交座標系成分の2成分に分割することで行う。このように、連続する2つの円弧区間の加減速処理を行うことで、動作開始・終了時や軌跡途中での速度変更時の振動発生を抑制することができる。
また、本実施形態では、第1の移動区間と第2の移動区間とを滑らかに接続するために、重ね合わせ処理を行うようにしている。重ね合わせ処理は、図9に示すように、第1の移動区間の減速部分と、第2の移動区間の加速部分とを重ね合わせて、第1の移動区間の動作が完全に終わる前に、次の第2の移動区間の動作を開始するものである。
これにより、第1の移動区間と第2の移動区間との接続点で瞬間停止することなく、第2の移動区間にスムーズに移行することができる。
このように、第1の移動区間及び第2の移動区間が同心且つ径が同じ円弧状の軌跡である場合には、図10に示すように、極座標系成分のθ方向及び直交座標系成分のZ方向の2成分について、補間前加減速及び重ね合わせ処理を行うことで、境界位置を滑らかに接続することができる。
以上説明した通り、ロボット1の軌跡精度を向上させるためには、第1の移動区間の軌跡と第2の移動区間の軌跡との組み合わせパターンに応じて、直交座標系成分又は極座標系成分の何れを用いて、補間前加減速及び重ね合わせ処理を行うのかを切り替える必要がある。
そこで、本実施形態では、第1の移動区間の軌跡と第2の移動区間の軌跡との組み合わせパターン、つまり、直線補間や円弧補間等の移動形態によって、直交座標系成分のX、Y、Z方向の3成分、又は極座標系成分のθ方向及び直交座標系成分のZ方向の2成分のうち何れを選択するかを判定するようにしている。
具体的に、図2に示すように、制御部35は、演算部36と、判定部37とを有する。演算部36は、入力された情報に基づいて各種の演算を行うものである。例えば、演算部36は、エンコーダ22から取得できるモータ21の位置情報や、速度及び加速度の情報等に基づいて、動力学トルクを演算する。演算部36で算出されたトルクは、記憶部34に送信されて記憶される。
判定部37は、入力部31で入力された動作プログラム内のパラメータに基づいて、第1の移動区間の軌跡と第2の移動区間の軌跡との組み合わせパターンを判定する。
例えば、判定部37で判定された組み合わせパターンが、第1の移動区間が直線状の軌跡で、第2の移動区間が直線状の軌跡である場合に、演算部36は、X、Y、Z方向の3成分について補間前加減速及び重ね合わせ処理を行う。
また、判定部37で判定された組み合わせパターンが、第1の移動区間が円弧状の軌跡で、第2の移動区間が第1の移動区間の円弧と同心且つ径が同じ円弧状の軌跡である場合に、演算部36は、θ、Z方向の2成分について補間前加減速及び重ね合わせ処理を行う。
以下、その他の組み合わせパターンについて説明する。
図11に示すように、第1の移動区間が直線状の軌跡で、第2の移動区間が円弧状の軌跡である場合について検討する。このように、直線補間と円弧補間が接続されている場合は、極座標形式での重ね合わせは不可能であるから、直交座標系成分X、Y、Zでの重ね合わせを行う。
具体的に、第2の移動区間における円弧状の軌跡のθ方向の接線をX、Y方向の2成分に分解する。その後、X、Y、Z方向の3成分について補間前加減速及び重ね合わせ処理を行う。
また、図12に示すように、第1の移動区間が円弧状の軌跡で、第2の移動区間が直線状の軌跡である場合について検討する。この場合も同様に、円弧補間と直線補間が接続されており、極座標形式での重ね合わせは不可能であるから、直交座標系成分X、Y、Zでの重ね合わせを行う。
具体的に、第1の移動区間における円弧状の軌跡のθ方向の接線をX、Y方向の2成分に分解する。その後、X、Y、Z方向の3成分について補間前加減速及び重ね合わせ処理を行う。
これにより、直線補間と円弧補間とが接続されている場合に、境界位置を滑らかに接続することができる。
次に、図13に示すように、第1の移動区間が円弧状の軌跡で、第2の移動区間が第1の移動区間の円弧とは中心が異なる円弧状の軌跡である場合について検討する。この場合には、円弧補間同士の組み合わせパターンであっても、極座標形式での重ね合わせができないため、直交座標系成分X、Y、Zでの重ね合わせを行う。
具体的に、第1の移動区間及び第2の移動区間におけるそれぞれの円弧状の軌跡のθ方向の接線をX、Y方向の2成分に分解する。その後、X、Y、Z方向の3成分について補間前加減速及び重ね合わせ処理を行う。
これにより、中心の異なる円弧補間同士が接続されている場合に、境界位置を滑らかに接続することができる。
以上説明したように、本発明は、ロボットの移動動作中に移動区間の境界部分を最適な軌跡で接続することができるという実用性の高い効果が得られることから、きわめて有用で産業上の利用可能性は高い。
1 ロボット
10 ロボットアーム
30 ロボット制御装置
35 制御部
36 演算部
37 判定部
J1〜J6 関節部

Claims (5)

  1. 複数の関節部を有するロボットの動作を制御するロボット制御方法であって、
    前記ロボットが移動する第1の移動区間の軌跡と、該第1の移動区間に連続して次に移動する第2の移動区間の軌跡との組み合わせパターンを判定するステップと、
    前記組み合わせパターンに基づいて、直交座標系成分のX、Y、Z方向の3成分、又は極座標系成分のθ方向及び直交座標系成分のZ方向の2成分のうち何れかを選択して補間前加減速を行うステップと、
    前記選択した座標系成分について移動区間の重ね合わせ処理を行うステップとを備えたことを特徴とするロボット制御方法。
  2. 請求項1において、
    前記組み合わせパターンが、前記第1の移動区間及び前記第2の移動区間が直線状の軌跡である場合に、X、Y、Z方向の3成分について補間前加減速及び重ね合わせ処理を行うことを特徴とするロボット制御方法。
  3. 請求項1において、
    前記組み合わせパターンが、前記第1の移動区間又は前記第2の移動区間の一方が直線状の軌跡で、他方が円弧状の軌跡である場合に、円弧状の軌跡のθ方向の接線をX、Y方向の2成分に分解して、X、Y、Z方向の3成分について補間前加減速及び重ね合わせ処理を行うことを特徴とするロボット制御方法。
  4. 請求項1において、
    前記組み合わせパターンが、前記第1の移動区間が円弧状の軌跡で、前記第2の移動区間が該第1の移動区間の円弧とは中心が異なる円弧状の軌跡である場合に、それぞれの円弧状の軌跡のθ方向の接線をX、Y方向の2成分に分解して、X、Y、Z方向の3成分について補間前加減速及び重ね合わせ処理を行うことを特徴とするロボット制御方法。
  5. 請求項1において、
    前記組み合わせパターンが、前記第1の移動区間が円弧状の軌跡で、前記第2の移動区間が該第1の移動区間の円弧と同心且つ径が同じ円弧状の軌跡である場合に、θ、Zの2成分について補間前加減速及び重ね合わせ処理を行うことを特徴とするロボット制御方法。
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