JP2022019093A

JP2022019093A - オーバーシュート量検出方法およびロボットシステム

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Publication number: JP2022019093A
Application number: JP2020122675A
Authority: JP
Inventors: 竜太郎関; Ryutaro SEKI; 篤豊福; Atsushi Toyofuku; 知典真野; tomonori Mano
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2020-07-17
Filing date: 2020-07-17
Publication date: 2022-01-27
Anticipated expiration: 2040-07-17
Also published as: CN113942008A; CN113942008B; US11820015B2; US20220016769A1; JP7537152B2

Abstract

【課題】高い精度でオーバーシュート量を検出することのできるオーバーシュート量検出方法およびロボットシステムを提供すること。【解決手段】オーバーシュート量検出方法は、信号同期動作時に慣性センサーから出力される第１同期信号と、信号同期動作時にエンコーダーから出力される第２同期信号と、に基づいて慣性センサーの信号とエンコーダーの信号とを同期させる同期ステップと、作業動作時に慣性センサーから出力される第１検出信号に対して２回積分と、第１検出信号に含まれる低周波成分の除去とを行って第１信号を生成し、作業動作時にエンコーダーから出力される第２検出信号から第１信号の低周波成分を補う第２信号を生成する信号生成ステップと、第１信号と第２信号とに基づいてアームのオーバーシュート量を検出するオーバーシュート量検出ステップと、を有する。【選択図】図３

Description

本発明は、オーバーシュート量検出方法およびロボットシステムに関する。

特許文献１に記載されているロボット制御システムは、エンドエフェクターに設けられた加速度センサーを有し、この加速度センサーから出力される検出信号に基づいてアームの設定停止位置からのオーバーシュート量を検出する。具体的には、ロボット制御システムは、加速度センサーから出力される検出信号である加速度信号を２回積分することによりアームの位置を検出し、検出した位置と設定停止位置とのずれの最大値をオーバーシュート量として検出する。

特開２０１８－１１８３５３号公報

加速度センサーから出力される加速度信号を２回積分するとノイズ起因によるドリフトが発生するため、積分を行う際に加速度信号から当該信号に含まれる低周波成分の信号をフィルター処理等によって除去する必要がある。しかしながら、低周波成分は、アームの移動を示す重要な成分であり、このような低周波成分を除去してしまうと、アームのオーバーシュート量を精度よく検出することができないという問題がある。

本発明のオーバーシュート量検出方法は、変位するアームのオーバーシュート量を検出するオーバーシュート量検出方法であって、
前記アームに信号同期動作を行わせ、前記信号同期動作時に前記アームの作業部における慣性を検出する慣性センサーから出力される第１同期信号と、前記信号同期動作時に前記アームの変位量を検出するエンコーダーから出力される第２同期信号と、に基づいて前記慣性センサーの信号と前記エンコーダーの信号とを同期させる同期ステップと、
前記アームに作業動作を行わせ、前記作業動作時に前記慣性センサーから出力される第１検出信号に対して２回積分と、前記第１検出信号に含まれる低周波成分の除去とを行って第１信号を生成し、前記作業動作時に前記エンコーダーから出力される第２検出信号から前記第１信号の低周波成分を補う第２信号を生成する信号生成ステップと、
前記第１信号と前記第２信号とに基づいて前記アームのオーバーシュート量を検出するオーバーシュート量検出ステップと、を有する。

本発明のロボットシステムは、変位するアームと、
前記アームの作業部における慣性を検出する慣性センサーと、
前記アームの変位量を検出するエンコーダーと、
前記アームに信号同期動作を行わせ、前記信号同期動作時に前記慣性センサーから出力される第１同期信号と、前記信号同期動作時に前記エンコーダーから出力される第２同期信号と、に基づいて前記慣性センサーの信号と前記エンコーダーの信号とを同期させる同期ステップと、前記アームに作業動作を行わせ、前記作業動作時に前記慣性センサーから出力される第１検出信号に対して２回積分と、前記第１検出信号に含まれる低周波成分の除去とを行って第１信号を生成し、前記作業動作時に前記エンコーダーから出力される第２検出信号から前記第１信号の低周波成分を補う第２信号を生成する信号生成ステップと、前記第１信号と前記第２信号とに基づいて前記アームのオーバーシュート量を検出するオーバーシュート量検出ステップと、を行うオーバーシュート量検出部と、を有する。

本発明の好適な実施形態に係るロボットシステムの全体構成を示す図である。制御装置の構成を示すブロック図である。オーバーシュート量の検出方法を示すフローチャートである。第１同期信号の一例を示すグラフである。回転角度信号の一例を示すグラフである。図５の回転角度信号を時間微分して得られる第２同期信号を示すグラフである。

以下、本発明のオーバーシュート量検出方法およびロボットシステムを添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の好適な実施形態に係るロボットシステムの全体構成を示す図である。図２は、制御装置の構成を示すブロック図である。図３は、オーバーシュート量の検出方法を示すフローチャートである。図４は、第１同期信号の一例を示すグラフである。図５は、回転角度信号の一例を示すグラフである。図６は、図５の回転角度信号を時間微分して得られる第２同期信号を示すグラフである。

図１に示すロボットシステム１は、ロボット本体１００と、ロボット本体１００の駆動を制御する制御装置２００と、を有する。

まず、ロボット本体１００について簡単に説明する。ロボット本体１００は、水平多関節ロボット（スカラロボット）であり、例えば、電子部品等のワークの保持、搬送、組立および検査等の各作業で用いられる。なお、ロボット本体１００の用途は、特に限定されない。

また、ロボット本体１００は、基台１１０と、基台１１０に接続されたアーム１２０と、を有する。また、アーム１２０は、基端部が基台１１０に接続され、基台１１０に対して第１軸Ｊ１まわりに回動可能な第１アーム１２１と、基端部が第１アーム１２１の先端部に接続され、第１アーム１２１に対して第１軸Ｊ１と平行な第２軸Ｊ２まわりに回動可能な第２アーム１２２と、を有する。また、第２アーム１２２の先端部には作業ヘッド１３０が設けられている。

基台１１０は、例えば、図示しない床面にボルト等によって固定されている。また、基台１１０内には基台１１０に対して第１アーム１２１を鉛直方向に沿う第１軸Ｊ１まわりに回動させる駆動装置１４１が設けられており、第２アーム１２２内には第１アーム１２１に対して第２アーム１２２を第２軸Ｊ２まわりに回動させる駆動装置１４２が設けられている。

駆動装置１４１には、第１アーム１２１を基台１１０に対して第１軸Ｊ１まわりに回動させる駆動源としてのモーターＭ１、モーターＭ１の駆動を制御するコントローラーＣ１、第１アーム１２１の第１軸Ｊ１まわりの変位量（回動角）を検出するエンコーダーＥ１等が含まれている。同様に、駆動装置１４２には、第２アーム１２２を第１アーム１２１に対して第２軸Ｊ２まわりに回動させる駆動源としてのモーターＭ２、モーターＭ２の駆動を制御するコントローラーＣ２、第２アーム１２２の第２軸Ｊ２まわりの変位量（回動角）を検出するエンコーダーＥ２等が含まれている。

作業ヘッド１３０は、第２アーム１２２の先端部に同軸的に配置されたスプラインナット１３１およびボールネジナット１３２と、スプラインナット１３１およびボールネジナット１３２に挿通されたスプラインシャフト１３３と、を有する。スプラインシャフト１３３は、第２アーム１２２に対して、その中心軸であり、第１、第２軸Ｊ１、Ｊ２と平行な第３軸Ｊ３に沿った方向に昇降可能であり、第３軸Ｊ３と一致する第４軸Ｊ４まわりに回転可能である。

このように、ロボット本体１００は、第１軸Ｊ１、第２軸Ｊ２、第３軸Ｊ３および第４軸Ｊ４という４つの駆動軸を有する。

第２アーム１２２内にはボールネジナット１３２を回転させてスプラインシャフト１３３を第３軸Ｊ３に沿った方向に昇降させる駆動装置１４３と、スプラインナット１３１を回転させてスプラインシャフト１３３を第４軸Ｊ４まわりに回転させる駆動装置１４４と、が設けられている。

駆動装置１４３には、スプラインシャフト１３３を第２アーム１２２に対して第３軸Ｊ３方向に昇降させる駆動源としてのモーターＭ３、モーターＭ３の駆動を制御するコントローラーＣ３、スプラインシャフト１３３の第３軸Ｊ３方向の変位量（昇降量）を検出するエンコーダーＥ３等が含まれている。同様に、駆動装置１４４には、スプラインシャフト１３３を第２アーム１２２に対して第４軸Ｊ４まわりに回動させる駆動源としてのモーターＭ４、モーターＭ４の駆動を制御するコントローラーＣ４、スプラインシャフト１３３の第４軸Ｊ４まわりの変位量（回動角）を検出するエンコーダーＥ４等が含まれている。

ここで、各エンコーダーＥ１～Ｅ４は、共通の固定座標系Ｄ１を有する。固定座標系Ｄ１は、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を有しており、Ｘ軸およびＹ軸が水平方向に延び、Ｚ軸が鉛直方向に延びている。このような固定座標系Ｄ１は、基台１１０に対して固定されており、そのため、アーム１２０の変位に関わらず、その位置は固定されている。

スプラインシャフト１３３の下端部には、作業部としてのエンドエフェクター１６０を装着するためのペイロード１５０が設けられている。ペイロード１５０に装着するエンドエフェクター１６０としては目的の動作を行うことができれば、特に限定されないが、本実施形態では、対象物Ｑを把持するためのハンドが用いられている。なお、把持方法としては、特に限定されず、複数の爪部で挟み込んでもよいし、エアチャック、静電チャック等によって吸着させてもよい。

本実施形態のエンドエフェクター１６０は、ペイロード１５０に装着された基部１６１と、基部１６１に対して開閉自在な一対の爪部１６２、１６３と、を有する。そして、爪部１６２、１６３を接近させることにより対象物Ｑを把持し、爪部１６２、１６３を離間させることにより、把持した対象物Ｑを離脱させることができる。ただし、エンドエフェクター１６０の構成としては、特に限定されない。

また、ロボット本体１００は、エンドエフェクター１６０の基部１６１に設けられた慣性センサー１７０を有する。この慣性センサー１７０は、互いに直交する３軸方向の加速度および３軸まわりの角速度をそれぞれ独立して検出することのできる慣性計測装置（ＩＭＵ：inertial measurement unit）である。慣性センサー１７０は、可動座標系Ｄ２を有する。可動座標系Ｄ２は、互いに直交するＸ’軸、Ｙ’軸およびＺ’軸を有し、Ｘ’軸およびＹ’軸が水平方向に延び、Ｚ’軸が鉛直方向に延びている。このような可動座標系Ｄ２は、基部１６１に対して固定されており、基部１６１がＸ軸方向、Ｙ軸方向またはＺ軸方向に移動・回動すればそれに伴って移動・回動するし、基部１６１が第３軸Ｊ３まわりに回転すればそれに伴って回転する。

このように、慣性センサー１７０として加速度および角速度が計測可能な慣性計測装置を用いることにより、回転を伴わない並進運動（直線運動）であっても、並進運動を伴わない回転運動であっても、アーム１２０の移動や振動を検出することができる。

以上、ロボット本体１００の全体構成について簡単に説明した。ただし、ロボット本体１００の構成については、特に限定されず、例えば、アーム１２０は、第１アーム１２１を省略し、第２アーム１２２が基台１１０に接続されている構成となっていてもよいし、第１アーム１２１と第２アーム１２２との間に、さらに、第１、第２軸Ｊ１、Ｊ２と平行な軸まわりに回転可能な少なくとも１つのアームが介在していてもよい。また、水平多関節ロボットではなく、複数のアームの回転軸が捩じれの関係にある６軸ロボット、双腕ロボット等の多関節ロボットであってもよい。

制御装置２００は、例えば、図示しないホストコンピューターからの指令に基づいて駆動装置１４１、１４２、１４３、１４４の駆動を制御する。このような制御装置２００は、例えば、コンピューターから構成され、情報を処理するプロセッサー（ＣＰＵ）と、プロセッサーに通信可能に接続されたメモリーと、外部インターフェースと、を有する。また、メモリーにはプロセッサーにより実行可能な各種プログラムが保存され、プロセッサーは、メモリーに記憶された各種プログラム等を読み込んで実行することができる。

図２に示すように、制御装置２００は、アーム１２０のオーバーシュート量を検出するオーバーシュート量検出部２１０と、オーバーシュート量検出部２１０での検出結果に基づいてアーム１２０の駆動条件を調整する駆動条件調整部２２０と、を有する。なお、アーム１２０のオーバーシュート量とは、アーム１２０を目標停止位置まで移動させた際の、前記目標停止位置に対するアーム１２０の行き過ぎ量の最大値である。

オーバーシュート量検出部２１０は、アーム１２０のオーバーシュート量を検出する機能を有する。本実施形態のアーム１２０のオーバーシュート量とは、具体的には作業部であるエンドエフェクター１６０の基部１６１のオーバーシュート量を意味する。基部１６１は、対象物Ｑを把持する爪部１６２、１６３すなわちロボット本体１００の作業部の十分近くに設けられている。そのため、当該部分のオーバーシュート量を検出することにより、作業部におけるオーバーシュート量をより精度よく検出することができる。そして、この検出結果を用いることにより、エンドエフェクター１６０の軌道をより精度よく制御することができ、その結果、ロボット本体１００の作業精度および作業効率がそれぞれ向上する。

オーバーシュート量検出部２１０は、慣性センサー１７０から出力される第１検出信号Ａを取得し、取得した第１検出信号Ａから第１信号ＡＡを生成する第１信号生成部２１１と、各エンコーダーＥ１～Ｅ４から出力される第２検出信号Ｂを取得し、取得した第２検出信号Ｂから第２信号ＢＢを生成する第２信号生成部２１２と、第１信号ＡＡと第２信号ＢＢとを同期させる信号同期部２１４と、第１信号ＡＡと第２信号ＢＢとを加算して第３信号ＣＣを生成し、この第３信号ＣＣに基づいてアーム１２０のオーバーシュート量を算出する算出部２１３と、を有する。

以上、ロボットシステム１について簡単に説明した。次に、ロボットシステム１によるオーバーシュート量の検出方法について説明する。オーバーシュート量の検出方法は、アーム１２０に信号同期動作を行わせ、信号同期動作時に慣性センサー１７０およびエンコーダーＥ１～Ｅ４から出力される信号に基づいて、これら信号を同期させる同期ステップと、アーム１２０に作業動作を行わせ、作業動作時に慣性センサー１７０およびエンコーダーＥ１～Ｅ４から出力される信号に基づいて第１信号ＡＡおよび第２信号ＢＢを生成する信号生成ステップと、第１信号ＡＡと第２信号ＢＢとに基づいてアーム１２０のオーバーシュート量を検出するオーバーシュート量検出ステップと、オーバーシュート量検出ステップで算出されたオーバーシュート量に基づいて、アーム１２０の駆動条件を調整する駆動条件調整ステップと、を有する。

同期ステップの説明に先立って、図３に示すフローチャートに基づいて、信号生成ステップおよびオーバーシュート量検出ステップについて説明する。信号生成ステップおよびオーバーシュート量検出ステップでは、ロボットシステム１が作業動作を行った際のオーバーシュート量を検出する。作業動作とは、対象物Ｑの搬送、加工、検査等、対象物Ｑに対して行われる種々の動作であり、その精度を高めるためにアーム１２０のオーバーシュート量の検出が必要な動作を言う。言い換えると、ユーザーがオーバーシュート量を検出したいと望む全ての動作を言う。

まず、信号生成ステップでの第１信号生成部２１１の処理について説明する。第１信号生成部２１１は、まず、ステップＳ１１として、作業動作時に慣性センサー１７０から出力される加速度信号である第１検出信号Ａを取得する。次に、第１信号生成部２１１は、ステップＳ１２として、慣性センサー１７０から取得した第１検出信号Ａの座標系である可動座標系Ｄ２をエンコーダーＥ１～Ｅ４の座標系である固定座標系Ｄ１に変換する。当該変換は、例えば、同次変換行列を用いて行うことができる。このように、第１検出信号Ａの座標系である可動座標系Ｄ２をエンコーダーＥ１～Ｅ４の座標系である固定座標系Ｄ１に変換し、第１検出信号Ａと第２検出信号Ｂとの座標系を合わせることにより、後の第３信号ＣＣからアーム１２０のオーバーシュート量を精度よく算出することができる。

次に、第１信号生成部２１１は、ステップＳ１３として、第１検出信号Ａと第２検出信号Ｂ、具体的には後述する位置信号Ｂ１とを同期させる。これにより、後の第３信号ＣＣをより精度よく生成することができる。同期の方法としては、後述する同期ステップの説明の部分で詳述する。

次に、第１信号生成部２１１は、第１検出信号Ａを２回積分し、第１検出信号Ａから低周波成分を除去する。具体的には、第１信号生成部２１１は、まず、ステップＳ１４として、第１検出信号Ａを積分して速度信号Ａ１を得る。次に、第１信号生成部２１１は、ステップＳ１５として、ハイパスフィルター等を用いて速度信号Ａ１から低周波成分を除去する。次に、第１信号生成部２１１は、ステップＳ１６として、速度信号Ａ１を積分して位置信号Ａ２を得る。次に、第１信号生成部２１１は、ステップＳ１７として、ハイパスフィルター等を用いて位置信号Ａ２から低周波成分を除去する。これにより、第１信号ＡＡが得られる。

ステップＳ１５、Ｓ１７で除去する低周波成分としては、その信号の周波数帯の中で相対的に低い周波数帯の成分を言い、絶対的な周波数帯を有する意味ではない。例えば、通常のロボット本体１００の作動では、第１検出信号Ａの周波数帯が１Ｈｚ～１００Ｈｚ程度であるため、例えば、１０Ｈｚ以下の成分とすることが好ましい。

第１検出信号Ａから低周波成分を除去するのは、次の理由による。上述のように加速度信号である第１検出信号Ａを１回積分すれば速度信号Ａ１が得られ、２回積分すれば位置信号Ａ２が得られることは公知である。そのため、位置信号Ａ２からエンドエフェクター１６０の基部１６１の位置を検出することも可能である。しかしながら、第１検出信号Ａを２回積分した位置信号では低い周波数のノイズが強調されてしまう。そのため、第１検出信号Ａを２回積分しただけの位置信号からは基部１６１の正確な位置を検出することが困難である。

以上の理由から、上述のノイズを除去すべく、第１検出信号Ａから低周波成分を除去する必要がある。なお、第１検出信号Ａから低周波成分を除去するタイミングや回数は、特に限定されない。例えば、ステップＳ１５、Ｓ１７のいずれか一方を省略してもよい。また、ステップＳ１５、Ｓ１７を省略し、その代わりに、ステップＳ１４に先立って第１検出信号Ａから低周波成分を除去してもよい。

上述のように、第１検出信号Ａから低周波成分を除去することにより位置信号Ａ２からノイズが除去されるが、除去した低周波成分は、アーム１２０の移動を示す重要な信号である。つまり、第１検出信号Ａから低周波成分を除去すると、ノイズを除去すると共にアーム１２０の移動を示す重要な信号まで除去してしまう。そのため、低周波成分を除去した位置信号Ａ２に基づいても、やはり、エンドエフェクター１６０の基部１６１の正確な位置を検出することが困難である。そこで、第２信号生成部２１２によって、第１検出信号Ａから除去した低周波成分を補う第２信号ＢＢを生成する。

次に、信号生成ステップでの第２信号生成部２１２の処理について説明する。第２信号生成部２１２は、まずステップＳ２１として、作業動作時に各エンコーダーＥ１～Ｅ４から出力される第２検出信号Ｂを取得し、これら各第２検出信号Ｂからエンドエフェクター１６０の基部１６１の位置信号Ｂ１を得る。次に、第２信号生成部２１２は、ステップＳ２２として、位置信号Ｂ１と第１検出信号Ａとを同期させる。この工程は、前述したステップＳ１３と同工程であり、後の同期ステップの説明の部分で詳述する。次に、第２信号生成部２１２は、ステップＳ２３として、ローパスフィルター等を用いて位置信号Ｂ１から高周波成分を除去する。これにより、第１信号ＡＡから除去した低周波成分を補うための第２信号ＢＢが得られる。

ステップＳ２３で除去する高周波成分としては、第２信号ＢＢの周波数帯が第１信号ＡＡから除去した周波数帯を含んでいることが好ましい。これにより、第１信号ＡＡから除去した低周波成分を第２信号ＢＢによって補うことができる。前述したように、本実施形態では、第１信号ＡＡから１０Ｈｚ以下の低周波成分が除去されているため、第２信号ＢＢには０Ｈｚ～１０Ｈｚまでの低周波成分が含まれていることが好ましい。言い換えると、ステップＳ２３では、１０Ｈｚを超える周波数成分を除去するようにローパスフィルターを設定することが好ましい。

また、第２信号生成部２１２は、ステップＳ２３とは別に、ステップＳ２４として、前記ホストコンピューターからの位置指令（アーム１２０の目標停止位置に関する情報）と位置信号Ｂ１とに基づいて、アーム１２０の目標停止位置到達時における速度ベクトルＶ１を算出する。

以上、信号生成ステップについて説明した。次に、オーバーシュート量検出ステップでの算出部２１３の処理について説明する。算出部２１３は、まず、ステップＳ３１として、互いに同期された第１信号ＡＡと第２信号ＢＢとを加算して第３信号ＣＣを得る。第３信号ＣＣは、第１信号ＡＡの低周波成分を第２信号ＢＢで補った信号であり、エンドエフェクター１６０の基部１６１の三次元移動軌跡を示す合成信号である。ここで、第１信号ＡＡと第２信号ＢＢとは、前述したステップＳ１３、Ｓ２２において同期されているため、時間ずれのない精度のよい第３信号ＣＣが合成される。

次に、算出部２１３は、ステップＳ３２として、速度ベクトルＶ１と第３信号ＣＣとの内積をとり、速度方向すなわち基部１６１の移動方向の信号変位を算出する。次に、算出部２１３は、ステップＳ３３として、ステップＳ３２で算出した信号変位に基づいて、基部１６１のオーバーシュート量を算出する。具体的には、算出部２１３は、信号変位のピーク値（最大値）を基部１６１のオーバーシュート量として算出する。

以上、オーバーシュート量検出ステップについて説明した。次に、ステップＳ１３、Ｓ２２において第１検出信号Ａと位置信号Ｂ１とを同期させる方法について説明する。ステップＳ１３、Ｓ２２において第１検出信号Ａと位置信号Ｂ１とを同期されるために、本実施形態では、ステップＳ１３、Ｓ２２を行う前までに、第１検出信号Ａと位置信号Ｂ１とのシフト量ΔＴを算出する同期ステップを行っておく。そして、ステップＳ１３、Ｓ２２では、この同期ステップで算出されたシフト量ΔＴ分だけ第１検出信号Ａと位置信号Ｂ１とをずらすことにより、第１検出信号Ａと位置信号Ｂ１とを同期する。以下、図３に示すフローチャートに基づいて、同期ステップでの信号同期部２１４の処理について説明する。

信号同期部２１４は、まず、ステップＳ４１として、信号同期動作中に慣性センサー１７０から出力されるＺ軸まわりの角速度信号である第１同期信号Ｇを取得すると共に、信号同期動作中にエンコーダーＥ１～Ｅ４から出力される検出信号Ｈを取得する。

なお、信号同期動作は、ロボット本体１００に第１検出信号Ａと位置信号Ｂ１とを同期させるための動作である。この信号同期動作は、上述した作業動作の前および後の少なくとも一方において行えばよく、本実施形態では、作業動作の前および後の両方で行う。信号同期動作としては、特に限定されず、アーム１２０が有する４つの駆動軸すなわち第１軸Ｊ１、第２軸Ｊ２、第３軸Ｊ３および第４軸Ｊ４の少なくとも１つの軸を用いた動作であればよい。その中でも、信号同期動作は、上述した作業動作において用いられない駆動軸がある場合には、その用いられない駆動軸を用いた動作であることが好ましい。例えば、作業動作が第１軸Ｊ１まわりの回動の場合、信号同期動作は、第２アーム１２２の第２軸Ｊ２まわりの回動、スプラインシャフト１３３の第４軸Ｊ４まわりの回動および第３軸Ｊ３方向への移動の１つまたは２つ以上の組み合わせとすればよい。これにより、信号同期動作と作業動作とで互いの振動が影響し難くなる。すなわち、作業動作で用いた軸ではない軸を用いた信号同期動作は、作業動作と異なる動作であると言うことができる。

つまり、信号同期動作を作業動作の前に行う場合には、信号同期動作の残留振動が作業動作に与える影響を低減することができる。そのため、作業動作の精度を向上させることができる。また、信号同期動作が終了してから作業動作を開始するまでの時間を短くすることができるため、同期にかかる時間すなわち同期ステップによる作業の遅延時間をより短くすることができる。反対に、信号同期動作を作業動作の後に行う場合には、作業動作の残留振動が信号同期動作に与える影響を低減することができる。そのため、振動同期動作の精度を向上させることができる。また、作業動作が終了してから信号同期動作を開始するまでの時間を短くすることができるため、同期にかかる時間をより短くすることができる。

なお、以下では、説明の便宜上、作業動作を、第１アーム１２１の第１軸Ｊ１まわりの回動とし、信号同期作業を、スプラインシャフト１３３の第４軸Ｊ４まわりの回動とする。

次に、信号同期部２１４は、ステップＳ４２として、エンコーダーＥ１～Ｅ４から出力される検出信号Ｈに基づいて、作業部であるエンドエフェクター１６０のＺ軸まわりの回転角度信号ＨＨを生成する。一例として、図４および図５に、作業動作の前後に信号同期動作を行い、かつ、作業動作が第１軸Ｊ１まわりの９０度往復動作であり、各信号同期動作が第４軸Ｊ４まわりの９０度往復動作である場合の第１同期信号Ｇおよび回転角度信号ＨＨを図示する。

次に、信号同期部２１４は、ステップＳ４３として、回転角度信号ＨＨを時間微分（ｄＨＨ／ｄｔ）してＺ軸まわりの角速度信号である第２同期信号ＨＨＨを生成する。一例として、図６に、図５に示す回転角度信号ＨＨを時間微分して取得した第２同期信号ＨＨＨを図示する。これにより、慣性センサー１７０から取得したＺ軸まわりの角速度信号である第１同期信号Ｇと、エンコーダーＥ１～Ｅ４から取得したＺ軸まわりの角速度信号である第２同期信号ＨＨＨとが取得される。次に、信号同期部２１４は、ステップＳ４４として、第１同期信号Ｇと第２同期信号ＨＨＨとの相関を取り、相関係数が最大となるシフト量ΔＴ（時間差）を算出する。

なお、第１同期信号Ｇと第２同期信号ＨＨＨとの相関の取り方については、特に限定されない。例えば、図４および図６中の領域Ｔ１、つまり、先の信号同期動作開始直前から後の振動同期動作終了直後までの信号同士について相関を取ってもよいし、領域Ｔ２、つまり、先の信号同期動作中の信号同士について相関を取ってもよいし、領域Ｔ３、つまり、後の信号同期動作中の信号同士について相関を取ってもよい。また、領域Ｔ２と領域Ｔ３との両方で相関を取った場合であって、これらから算出されたシフト量ΔＴが互いに異なっている場合には、どちらか一方のシフト量ΔＴを用いてもよいし、互いの平均値をシフト量ΔＴとして用いてもよい。また、互いのシフト量ΔＴが閾値以上に解離している場合には、精度よくシフト量ΔＴを算出できなかったとして、上述したステップＳ４１～４４をやり直し、シフト量ΔＴを算出し直してもよい。

以上、同期ステップについて説明した。ステップＳ１３、Ｓ２２では、このようにして同期ステップで算出されたシフト量ΔＴに基づいて第１検出信号Ａと位置信号Ｂ１とを同期させる。つまり、同期ステップで算出されたシフト量ΔＴだけ第１検出信号Ａと位置信号Ｂ１とをずらす。これにより、ステップＳ３１において、より高い精度の第３信号ＣＣが得られ、より高い精度でオーバーシュート量を算出することができる。

なお、本実施形態では、ステップＳ１３、Ｓ２２にて第１検出信号Ａと位置信号Ｂ１とを同期させているが、同期のタイミングは、ステップＳ３１にて第１信号ＡＡと第２信号ＢＢとを加算する前であれば、特に限定されない。例えば、ステップＳ１３、Ｓ２２を省略して、ステップＳ１７、Ｓ２３の後に、第１信号ＡＡと第２信号ＢＢとを同期ステップにおいて算出されたシフト量ΔＴに基づいて同期させてもよい。

以上、オーバーシュート量検出部２１０について説明した。このようなオーバーシュート量検出部２１０によれば、慣性センサー１７０から出力された第１検出信号Ａから生成され、ノイズの大きい低周波成分が除去された第１信号ＡＡに、各エンコーダーＥ１～Ｅ４から出力された第２検出信号Ｂから生成され、第１信号ＡＡから除去された低周波成分を補うための第２信号ＢＢを加算して生成される第３信号ＣＣに基づいてオーバーシュート量を算出している。第２信号ＢＢの低周波成分は、第１検出信号Ａから除去された低周波成分よりもノイズが小さいため、第３信号ＣＣに基づいてアーム１２０のオーバーシュート量を算出することにより、例えば、従来のように第１検出信号Ａを２回積分しただけで低周波成分が除去されていない信号に基づいてアーム１２０のオーバーシュート量を検出する場合と比べて、より精度よくアーム１２０のオーバーシュート量を検出することができる。なお、第２信号ＢＢの低周波成分のノイズが第１検出信号Ａから除去された低周波成分のノイズよりも小さいのは、第２信号ＢＢが第１信号ＡＡのような積分処理を受けていないためである。

また、モーターＭ１～Ｍ４の駆動によってもたらされるアーム１２０の位置変化と、それに伴って基部１６１に生じる振動（加速度）の両方を考慮して、基部１６１の位置を算出することができるため、基部１６１の三次元軌跡をより精度よく算出することができる。また、基部１６１の進行方向の軌跡だけを抽出することができ、慣性センサー１７０の基部１６１に対する配置向きによらず、どのような進行方向においても基部１６１のオーバーシュート量を精度よく算出することができる。特に、エンコーダーＥ１～Ｅ４から出力される第２検出信号Ｂに基づくことにより、基部１６１の静止時の残留振動によらず、精度よく基部１６１の進行方向を検出することができる。

次に、駆動条件調整ステップについて説明する。駆動条件調整部２２０は、ステップＳ５１として、ステップＳ３３で算出されたオーバーシュート量に基づいて、アーム１２０の駆動条件を調整する。具体的には、オーバーシュート量検出部２１０によって検出されるオーバーシュート量が小さくなるように、好ましくはゼロとなるようにアーム１２０の駆動条件を調整する。

調整可能な駆動条件としては、特に限定されないが、例えば、（１）アーム１２０の駆動開始直後の加速度、（２）加速が終わって等速で移動する際の速度すなわち最高速度、（３）目標位置に停止するための減速を開始する位置、（４）減速時の減速度、等が挙げられる。これら条件（１）から条件（４）の少なくとも１つを適宜調整してオーバーシュート量を小さく抑えることにより、アーム１２０の移動精度がより高まり、かつ、作業効率も高まる。具体的には、オーバーシュート量ができるだけ小さくなるように、モーターＭ１～Ｍ４のうちの少なくとも１つの駆動量を調整し、実行する。すなわち、駆動条件調整部２２０は、オーバーシュート量に相当する補正値を加味した命令信号Ｆを調整すべきモーターＭ１～Ｍ４に対応するコントローラーＣ１～Ｃ４へ出力し、対応するモーターＭ１～Ｍ４の駆動量、駆動タイミングを調整する。ただし、当該調整は、ユーザーが手動で行ってもよい。また、ステップＳ５１は、省略してもよい。

以上、ロボットシステム１およびオーバーシュート量検出方法ついて説明した。このようなロボットシステム１は、変位するアーム１２０と、アーム１２０の作業部における慣性を検出する慣性センサー１７０と、アーム１２０の変位量を検出するエンコーダーＥ１～Ｅ４と、アーム１２０に信号同期動作を行わせ、信号同期動作時に慣性センサー１７０から出力される第１同期信号Ｇと、信号同期動作時にエンコーダーＥ１～Ｅ４から出力される第２同期信号ＨＨＨと、に基づいて慣性センサー１７０の信号とエンコーダーＥ１～Ｅ４の信号とを同期させる同期ステップと、アーム１２０に作業動作を行わせ、作業動作時に慣性センサー１７０から出力される第１検出信号Ａに対して２回積分と、第１検出信号Ａに含まれる低周波成分の除去とを行って第１信号ＡＡを生成し、作業動作時にエンコーダーＥ１～Ｅ４から出力される第２検出信号Ｂから第１信号ＡＡの低周波成分を補う第２信号ＢＢを生成する信号生成ステップと、第１信号ＡＡと第２信号ＢＢとに基づいてアーム１２０のオーバーシュート量を検出するオーバーシュート量検出ステップと、を行うオーバーシュート量検出部２１０と、を有する。

また、オーバーシュート量検出方法は、前述したように、変位するアーム１２０のオーバーシュート量を検出するオーバーシュート量検出方法であって、アーム１２０に信号同期動作を行わせ、信号同期動作時にアーム１２０の作業部における慣性を検出する慣性センサーから出力される第１同期信号Ｇと、信号同期動作時にアーム１２０の変位量を検出するエンコーダーＥ１～Ｅ４から出力される第２同期信号ＨＨＨと、に基づいて慣性センサー１７０の信号とエンコーダーＥ１～Ｅ４の信号とを同期させる同期ステップと、アーム１２０に作業動作を行わせ、作業動作時に慣性センサー１７０から出力される第１検出信号Ａに対して２回積分と、第１検出信号Ａに含まれる低周波成分の除去とを行って第１信号ＡＡを生成し、作業動作時にエンコーダーＥ１～Ｅ４から出力される第２検出信号Ｂから第１信号ＡＡの低周波成分を補う第２信号ＢＢを生成する信号生成ステップと、第１信号ＡＡと第２信号ＢＢとに基づいてアーム１２０のオーバーシュート量を検出するオーバーシュート量検出ステップと、を有する。

このようなロボットシステム１およびオーバーシュート量検出方法によれば、ノイズの大きい低周波成分が除去された第１信号ＡＡに、第１信号ＡＡから除去された低周波成分よりもノイズの小さい第２信号ＢＢを加算して生成される第３信号ＣＣに基づいてオーバーシュート量を算出する。そのため、第３信号ＣＣに基づいてオーバーシュート量を算出することにより、従来のように第１検出信号Ａを２回積分しただけで低周波成分が除去されていない信号に基づいてオーバーシュート量を検出する場合と比べて、精度よくオーバーシュート量を検出することができる。特に、第１信号ＡＡと第２信号ＢＢとを精度よく同期させることができるため、その精度がより向上する。

さらには、モーターＭ１～Ｍ４によってもたらされるアーム１２０の位置変化と、それに伴って基部１６１に生じる振動（加速度）の両方を考慮して、エンドエフェクター１６０の位置を算出することができるため、エンドエフェクター１６０の三次元軌跡をより精度よく算出することができる。また、エンドエフェクター１６０の進行方向の軌跡だけを抽出することができ、慣性センサー１７０の配置向きによらず、どのような進行方向においてもオーバーシュート量を精度よく算出することができる。特に、エンコーダーＥ１～Ｅ４から出力される第２検出信号Ｂに基づくことにより、エンドエフェクター１６０の静止時の残留振動によらず、精度よくエンドエフェクター１６０の進行方向を検出することができる。

また、前述したように、信号同期動作は、作業動作の前および後の少なくとも一方で行われる。これにより、信号同期動作の残留振動が作業動作に与える影響を低減することができる。

また、前述したように、信号同期動作は、作業動作と異なる動作である。これにより、信号同期動作と作業動作とで互いの振動が影響し難くなる。

また、前述したように、アーム１２０は、複数の駆動軸である第１軸Ｊ１、第２軸Ｊ２、第３軸Ｊ３および第４軸Ｊ４を有し、信号同期動作は、作業動作で用いられない駆動軸を用いた動作である。これにより、信号同期動作と作業動作とで互いの振動が影響し難くなる。

また、前述したように、同期ステップでは、第１同期信号Ｇと第２同期信号ＨＨＨとの相関を取り、相関係数が最大となるシフト量ΔＴに基づいて慣性センサー１７０からの信号とエンコーダーＥ１～Ｅ４からの信号とを同期させる。これにより、慣性センサー１７０からの信号とエンコーダーＥ１～Ｅ４からの信号とを精度よく同期させることができる。

以上、本発明のオーバーシュート量検出方法およびロボットシステムを図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、他の任意の構成物が付加されていてもよい。

また、前述した実施形態では、信号同期作業をスプラインシャフト１３３の第４軸Ｊ４まわりの回動運動としているが、信号同期作業としては、回転運動に限定されず、並進運動であってもよい。つまり、信号同期作業は、作業部であるエンドエフェクター１６０のＸ軸方向の並進運動、Ｙ軸方向の並進運動、Ｚ軸方向の並進運動等であってもよい。例えば、信号同期作業をＸ軸方向の並進運動のしたとき、同期ステップでは、慣性センサー１７０から出力されるＸ軸方向の加速度信号と、エンコーダーＥ１～Ｅ４から出力される信号に基づいて生成した位置信号と、の相関を取ることによりシフト量ΔＴを算出することができる。つまり、シフト量ΔＴを算出するのに、前述した実施形態のような角速度信号や回転角度信号を用いる必要が無くなる。そのため、例えば、慣性センサー１７０としてＩＭＵに替えて加速度センサーを用いることができ、慣性センサー１７０の構成を単純化することができる。

１…ロボットシステム、１００…ロボット本体、１１０…基台、１２０…アーム、１２１…第１アーム、１２２…第２アーム、１３０…作業ヘッド、１３１…スプラインナット、１３２…ボールネジナット、１３３…スプラインシャフト、１４１、１４２、１４３、１４４…駆動装置、１５０…ペイロード、１６０…エンドエフェクター、１６１…基部、１６２、１６３…爪部、１７０…慣性センサー、２００…制御装置、２１０…オーバーシュート量検出部、２１１…第１信号生成部、２１２…第２信号生成部、２１３…算出部、２１４…信号同期部、２２０…駆動条件調整部、Ａ…第１検出信号、Ａ１…速度信号、Ａ２…位置信号、ＡＡ…第１信号、Ｂ…第２検出信号、Ｂ１…位置信号、ＢＢ…第２信号、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４…コントローラー、ＣＣ…第３信号、Ｄ１…固定座標系、Ｄ２…可動座標系、Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４…エンコーダー、Ｆ…命令信号、Ｇ…第１同期信号、Ｈ…検出信号、ＨＨ…回転角度信号、ＨＨＨ…第２同期信号、Ｊ１…第１軸、Ｊ２…第２軸、Ｊ３…第３軸、Ｊ４…第４軸、Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４…モーター、Ｑ…対象物、Ｓ１１～Ｓ１７、Ｓ２１～Ｓ２４、Ｓ３１～Ｓ３３、Ｓ４１～Ｓ４４、Ｓ５１…ステップ、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３…領域、Ｖ１…速度ベクトル、ΔＴ…シフト量

Claims

変位するアームのオーバーシュート量を検出するオーバーシュート量検出方法であって、
前記アームに信号同期動作を行わせ、前記信号同期動作時に前記アームの作業部における慣性を検出する慣性センサーから出力される第１同期信号と、前記信号同期動作時に前記アームの変位量を検出するエンコーダーから出力される第２同期信号と、に基づいて前記慣性センサーの信号と前記エンコーダーの信号とを同期させる同期ステップと、
前記アームに作業動作を行わせ、前記作業動作時に前記慣性センサーから出力される第１検出信号に対して２回積分と、前記第１検出信号に含まれる低周波成分の除去とを行って第１信号を生成し、前記作業動作時に前記エンコーダーから出力される第２検出信号から前記第１信号の低周波成分を補う第２信号を生成する信号生成ステップと、
前記第１信号と前記第２信号とに基づいて前記アームのオーバーシュート量を検出するオーバーシュート量検出ステップと、を有することを特徴とするオーバーシュート量検出方法。
前記信号同期動作は、前記作業動作の前および後の少なくとも一方で行われる請求項１に記載のオーバーシュート量検出方法。
前記信号同期動作は、前記作業動作と異なる動作である請求項１または２に記載のオーバーシュート量検出方法。
前記アームは、複数の駆動軸を有し、前記信号同期動作は、前記作業動作で用いられない駆動軸を用いた動作である請求項３に記載のオーバーシュート量検出方法。
前記同期ステップでは、前記第１同期信号と前記第２同期信号との相関を取り、相関係数が最大となるシフト量に基づいて前記慣性センサーからの信号と前記エンコーダーからの信号とを同期させる請求項１ないし４のいずれか１項に記載のオーバーシュート量検出方法。
変位するアームと、
前記アームの作業部における慣性を検出する慣性センサーと、
前記アームの変位量を検出するエンコーダーと、
前記アームに信号同期動作を行わせ、前記信号同期動作時に前記慣性センサーから出力される第１同期信号と、前記信号同期動作時に前記エンコーダーから出力される第２同期信号と、に基づいて前記慣性センサーの信号と前記エンコーダーの信号とを同期させる同期ステップと、前記アームに作業動作を行わせ、前記作業動作時に前記慣性センサーから出力される第１検出信号に対して２回積分と、前記第１検出信号に含まれる低周波成分の除去とを行って第１信号を生成し、前記作業動作時に前記エンコーダーから出力される第２検出信号から前記第１信号の低周波成分を補う第２信号を生成する信号生成ステップと、前記第１信号と前記第２信号とに基づいて前記アームのオーバーシュート量を検出するオーバーシュート量検出ステップと、を行うオーバーシュート量検出部と、を有することを特徴とするロボットシステム。