JP3212491B2 - ダイレクトティーチング制御装置 - Google Patents

ダイレクトティーチング制御装置

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    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/10Greenhouse gas [GHG] capture, material saving, heat recovery or other energy efficient measures, e.g. motor control, characterised by manufacturing processes, e.g. for rolling metal or metal working

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はロボットの制御装置
に係り、特にダイレクトティーチングが可能なロボット
の制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来のダイレクトティーチングは、ロボ
ットの自重をメカ的にキャンセルする。すなわち、図2
に示すように、関節K先端側のリンク22の重量によっ
て関節Kに加わるトルクと同じ大きさで逆方向のトルク
を発生させるだけのおもり6を関節Kに関して当該リン
ク22の反対側のリンク23に設け、関節Kに加わるト
ルクがゼロになるように機構を設計することにより、人
がロボットを動かす力を軽減させている。この機構は、
次の欠点を有する。
【0003】先ず第1は通常のロボットに比し、おもり
6が加わるため、ロボット全体重量が増加し取扱い性が
低下するだけでなく、関節Kまわりの慣性モーメントが
大きくなり、ロボットとしての制御性能が低下する。第
2はロボットが図2のように単純でなく、市販の垂直多
関節マニピュレータ(図3参照)の様に、関節K先端に
他の関節がつながっている複雑な構造を有している場
合、先端の関節の動作によって、当該関節Kに加わるト
ルクが変化するため、関節Kにロボットの自重を正確に
キャンセルできず、この場合人間がダイレクトティーチ
ングを行う際の操作力が多く必要となり、取扱い性が悪
くなる。第3は関節K先端のリンク22だけでなく、逆
側のリンク23におもり6があり、このおもり6がロボ
ット自身のリンク21や周辺の障害物と干渉するため、
通常のロボットの様にリンク21、22のみを有する場
合と比し、関節の可動範囲がせまくなる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明はかかる従来技
術の欠点に鑑み、ロボットがいかなる構造、いかなる関
節角度にあろうとも、ダイレクトティーチングにおける
ロボットを動かすための人力、言い換えれば操作力を軽
減した上で、ロボット自身が軽量でかつ広可動範囲で取
扱性がよく、関節まわりの慣性モーメントを最小限にお
さえた制御性のよいロボットを提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、ロボットの先
端を人間が直接手で保持し、人力によりロボットを動か
すことにより、動かされた動きをロボットが記憶し作業
するダイレクトティーチングが可能なロボットの制御装
置において、先端の軸関節より根本側の複数の関節の内
より、あらかじめ実質的にトルクの発生する関節につい
て選択し、予め計測したリンク重量とリンク重心位置デ
ータを制御装置のメモリに記憶しておき、その時々の関
節角度を関節角度検出器で検出し、前記メモリより得た
リンク重量、リンク重心位置データより求められるリン
ク重心から関節までの距離、および前記検出器で検出し
た関節角度θより前記選択した関節に加わるトルクを計
算し、これと同じ大きさで逆方向のトルクを前記関節の
アクチュエータに出力し、ロボットの自重をキャンセル
することにより、人がロボットを動かす力を軽減させる
ことを特徴とするロボットの制御装置であって、特に、
本発明は請求項に記載したように、根本側より先端側に
向け、第1関節、第2関節…第7関節まで存在する7軸
ロボットにおいて、前記第2関節と第4関節においての
み前記ロボット自重により該関節に加わるトルクを計算
し、これとほぼ同じ大きさで逆方向のトルクを第2関節
と第4関節のアクチュエータに出力し、ロボットの自重
をキャンセルし、一方第1関節、第3関節及び第5乃至
第7関節においてはトルク計算や逆トルク付加を行わな
いことを特徴とするロボットの制御装置を提案する。即
ち本発明は、すべての関節についてトルク演算を行うも
のではなく、演算の簡素化を計るために、実質的にトル
クの発生しない関節については演算を行う必要のないこ
とに対応させたものである。
【0006】次に、図1に本発明によるダイレクトティ
ーチング制御装置をもつロボットの操作力低減方法の原
理を示す。ロボットの関節Kに加わるトルクTは、関節
K先端側のリンク22の重量M、リンク22の重心から
関節Kでの距離L、および関節角度θよりT=M×L×
sinθで計算される。
【0007】あらかじめ計測したリンク22の重量と重
心位置データを制御装置3のメモリ32に記憶してお
き、その時々の関節角度θを関節角度検出器5で検出
し、上記の式より制御装置3内のコンピュータ31でト
ルクTを計算し、このトルクTと同じ大きさで逆方向の
トルクを関節Kアクチュエータ4が発生するよう制御装
置3内のモータドライバ33に指令を送ることにより、
関節Kのリンク22によるトルクがキャンセルされ、ロ
ボットの先端を保持してロボットを動かそうとする人間
は、ロボットの自重を意識することなく、ロボットを軽
々と動かすことができるものである。
【0008】尚、図1中、1はロボット関節、2はロボ
ットリンクで、先端側ロボットリンク21と、根本側ロ
ボットリンク22からなる。3はロボット制御装置で、
ロボット制御コンピュータ31とメモリ32及びモータ
ドライバ33からなる。4は前記ロボット関節を駆動す
るためのアクチュエータで、本構成においてはモータを
用いているが、これのみに限定されることなく、油圧ア
クチュエータや空圧アクチュエータを用いることも可能
である。6はロボット関節1に内蔵された自動キャンセ
ル用おもり、5は関節角度検出器である。
【0009】従って、本発明によればロボットのリンク
により関節Kに加わるトルクは、関節構造が如何に複雑
になろうとも、すべての関節角度が検出でき、各リンク
の重量と重心位置のデータがあらかじめ判っていれば計
算可能である。又ロボットのリンクにより関節に加わる
トルクは、関節構造がいかに複雑になろうとも、すべて
の関節角度が検出でき、各リンクの重量と重心位置のデ
ータがあらかじめ判っていれば計算可能であるため、ロ
ボットが複雑な構造を有している場合でも、関節毎にロ
ボットの自重を正確にキャンセルできる。
【0010】従ってロボットがいかなる構造・いかなる
関節角度であろうとも、ダイレクトティーチングにおけ
る人間の操作力は十分軽減される。又本発明は、ロボッ
トにおもりなどのメカ的にロボットの自重をキャンセル
する機構が不要なことから、従来のダイレクトティーチ
ング可能なロボットに比し、ロボット重量が軽くなり、
またリンク同士やリンクと周辺環境との干渉が少なく関
節の可動範囲が大きくとれることから、取扱い性が向上
するだけでなく、関節まわりの慣性モーメントが小さ
く、ロボットとしての制御性能が大幅に向上する。
【0011】
【発明の実施の形態】図3に本発明を適用したロボット
の構造を示す。このロボットは7関節を有する垂直多関
節型のマニピュレータロボットであり、このロボットの
各リンクの構造・重量と重心位置および、各関節角度を
モデル化したものを図4に示す。
【0012】図3に示す本装置において、K1〜K7は
対応する各軸の関節部、R1〜R7は対応する各軸の運
動方向を示す矢印を示す。又、図4に示す装置におい
て、M1〜M7は各軸のリンク重量、L1〜L7は各軸
のリンク重心長、TH1〜TH7は各関節角を示す。こ
のモデルより、各関節に自重によって加わるトルクは図
5及び図6に示すように計算できる。(尚、図5及び図
6中、SINは三角関数のSin、COSは三角関数の
Cosを表わす。) しかしながら実際にこの計算をリアルタイムに行うこと
はCPUに多大の負荷を与えることになるので、次の考え
方により、式の簡素化をはかる。
【0013】すなわち先端の3軸(第5軸〜第7軸)の
関節の動きは、当該関節より根元の4軸(第1軸〜第4
軸)の関節に加わるトルクに対して、人間がロボットを
動かす上でさほど大きな影響を与えないと考え、図7に
示す様にモデルの簡素化を行った。さらに、ローテーシ
ョン関節(第1軸および第3軸)を人間が回転させよう
とする場合、ロボットの自重は当該関節にさほど大きく
かかってこない(第1軸に関しては厳密に自重による関
節トルクは零である。)と考え、当該2つの関節トルク
は零とした。以上の簡素化の考え方に基づき、各関節の
制御方法を次の様にさだめた。
【0014】すなわち第1関節K1は図3に示すよう
に、基台40に接続され、重心(Z軸)を中心に回転す
るものであるために、トルクを発生させない(フリ
ー)。第2関節はM2〜M4リンク軸の重量が加わるた
めに、そのトルクT2は下記のようになる。
【0015】トルクT2=-G*(Sin(TH4)*Cos(TH3)*Cos
(TH2)*LG4*M4+Sin(TH2)*Cos(TH4)*LG4*M4+Sin(TH2)*M4*
L3+Sin(TH2)*M4*L2+Sin(TH2)*LG3*M3+Sin(TH2)*M3*L2+S
in(TH2)*LG2*M2)
【0016】第3関節は図7に示すように、リンク軸2
2L2を中心に回転するものであるためにトルクを発生
させない(フリー)。第4関節はM4リンク軸の重量が
加わるために、そのトルクT4は下記のようになる。
【0017】トルクT4=-G*(Sin(TH4)*Cos(TH2)*LG4*
M4+Sin(TH2)*Cos(TH4)*Cos(TH3)*LG4*M4) を発生させる。
【0018】第5〜7関節は、先端の3軸(第5軸〜第
7軸)の関節の動きは、当該関節より根元の4軸(第1
軸〜第4軸)の関節に加わるトルクに対して、人間がロ
ボットを動かす上でさほど大きな影響を与えないため
に、実質的にトルクを発生させない(フリー)と考えて
よい。上記の式中、図4〜図7のGは重力であり、又ト
ルクに負の記号が付されているのは、関節に発生させる
トルクは関節に自重によってかかるトルクの逆方向トル
クだからである。
【0019】従って上記実施例によれば7軸ロボットに
おいても第2関節と第4関節においてのみ前記ロボット
自重により該関節に加わるトルクを計算し、これとほぼ
同じ大きさで逆方向のトルクを第2関節と第4関節のア
クチュエータに出力し、ロボットの自重をキャンセルす
ることが出来、第1関節、第3関節及び第5乃至第7関
節においてはトルク計算や逆トルクを付加する必要がな
く、一層の演算スピードの向上と操作性及び構造の簡便
さが達成できる。
【0020】
【発明の効果】以上記載のごとく本発明によるダイレク
トティーチングは、ロボットの性能を維持または向上さ
せながらも、ロボットの小型・軽量化に役立つことか
ら、従来のロボットが持ち込めなかった環境にロボット
を持ち込んで、ダイレクトティーチングという直観的で
判りやすい教示方法によりロボットに作業させることが
できるため、いままでロボットができなかった作業のロ
ボット化が図られ、これからの作業者不足の解消や、今
まで人出に頼らざるを得なかった3K作業の僕滅に役立
つ。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の基本構成にかかわるダイレクトティー
チングにおける操作力低減方法の制御原理図を示す。
【図2】従来の技術によるダイレクトティーチングにお
ける操作力低減方法の原理図を示す。
【図3】本発明の実施例にかかわるロボットの構造を示
す。
【図4】本発明の実施例にかかわるロボットのモデル化
図を示す。
【図5】図3の実施例にかかわるロボットの関節トルク
計算式構造の前半部分を示す。
【図6】図3の実施例にかかわるロボットの関節トルク
計算式構造の後半部分を示す。
【図7】本発明の第1実施例にかかわるロボットの簡素
化モデル図。
【符号の説明】
1 ロボット関節 2 ロボットリンク 21 先端側ロボットリンク 22 根本側ロボットリンク 3 ロボット制御装置 31 ロボット制御コンピュータ 33 モータドライバ 4 アクチュエータ 5 関節角度検出器 6 自動キャンセル用おもり
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B25J 3/00 - 3/10 B25J 9/10 - 9/22 B25J 13/00 - 13/08 B25J 19/00 - 19/06 G05B 19/18 - 19/46

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ロボットの先端を人間が直接手で保持
    し、人力によりロボットを動かすことにより、動かされ
    た動きをロボットが記憶し作業するダイレクトティーチ
    ングが可能なロボットで、根本側より先端側に向け、第
    1関節、第2関節…第7関節まで存在する7軸ロボット
    の制御装置において、 前記第2関節と第4関節においてのみ前記ロボット自重
    により該関節に加わるトルクを計算し、これとほぼ同じ
    大きさで逆方向のトルクを第2関節と第4関節のアクチ
    ュエータに出力し、ロボットの自重をキャンセルし、一
    方第1関節、第3関節及び第5乃至第7関節においては
    トルク計算や逆トルク付加を行わないことを特徴とする
    ロボットの制御装置。
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