JP3892908B2 - 産業用ロボットの制御方法 - Google Patents

Description

技術分野
この発明は、複数の運動軸線を有し、これらの軸の各々に、ロボットの現在位置を確定する信号を送出するようにされた位置センサ、およびこれらの位置センサからの出力信号を供給され、ロボットの軸線を制御するための制御システムを備える、産業用ロボットの制御方法に関する。
背景技術
産業用ロボットの有効寿命は、ロボットがその有効寿命内に行う運動中の、その機械構造およびその部品の負荷の掛けられ方によって決る。今日のロボットの機構は、そのロボットがその全指定有効寿命中に考えられる最も過酷な運動パターンを実行できるような寸法に作られている。少数のロボットしかそのような機械構造に好ましくない運動プログラムでは運転されず、従って、今日のロボットの殆ど全てがその指定有効寿命に対して機械的に過大である。
典型的な産業用ロボットには、互いに対して回転可能な、多数のロボットアーム、および工具取付け装置を備える手がある。ロボットの手は、この手を支持するアームに対して２ないし３の自由度で回転可能である。ロボットは、そのロボットの手の位置および方位を制御する、制御システムを備える。ロボットの運動軸の各々には、駆動モータおよび位置センサを含むサーボ装置が備えられている。この位置センサは、問題の軸線の回転角の大きさである信号を送出する。各軸のサーボシステムは、その軸の回転角に対する基準値が供給され、その軸の駆動モータがこのロボットを、この軸の位置センサが示す軸線位置がこのサーボシステムに供給された基準値と一致するまで、問題の軸線を運動させる。
ロボットの機械的部品、例えば、軸受、軸、ステー、モータハウジングおよびアーム付属装置、の負荷が過大になるのを防ぐために、ロボットの各軸に対する最大許容トルクおよび速度の限界が設定されている。これらの限界は、このロボットを引渡す前に設定し、このロボットの全有効寿命中、このロボットの性能、即ち、軸の最大速度および最大トルクを制限する。最大許容軸トルクおよび軸速度に対するこれらの限界は、このロボットの保証有効寿命およびこの機械構造の疲労線図に基づいて計算する。この計算は、異常運動パターンおよび単位時間当りの異常サイクル数で考えられる最悪ケースから始める。
或る期間の機械的部品への機械的負荷は、幾つかの異なる要因、例えば、ロボットの速度、加速度、機構、および負荷、に依る。これは、もし、このロボットの構成が好都合であるか、または負荷が小さければ、最大許容軸トルクおよび軸速度に対して設定した限界を、この部品の負荷が過大にならずに、超えるかも知れないことを意味する。
発明の概要
この発明の目的は、ロボットの活用度を増し、その機構をその最大限まで利用することである。この発明による方法を特徴付けるものは、添付の請求項から明白となろう。
少なくとも一つの機械的臨界点での現在負荷を、位置センサからの出力信号およびロボットの数学モデルを基礎として連続的に計算する。規則的間隔で、この臨界点に対する利用率を、所定の観測期間中のこの点の負荷スペクトルを基に計算する。この利用率とこのロボットの有効寿命を基礎として、この臨界点での最大許容負荷を計算する。有効寿命は、予め決めても、自由選択でもよい。最大許容負荷を、各臨界点に対し、問題のロボットサイクル中に連続的に計算する。現在負荷と最大許容負荷を連続的に比較し、もし、現在負荷が最大許容負荷を超えたら、この臨界点での負荷が減るように、軸速度および軸トルクを制限する。
或る機械構造が受ける負荷の大きさを考慮して、この機構を最高に利用するように、軸速度および軸トルクを増してもよい。この様にして、機構に好都合な運動パターンを実行するロボットが、好ましくない運動パターンで運転するロボットより高性能になる。同様に、工具負荷およびアーム負荷の小さいロボットは、高性能になる。
この発明の一実施例では、最大許容負荷をロボットの所望の有効寿命を考慮して計算する。次に、この最大許容負荷をこのロボットの全経緯を基礎として計算する。何時でも、使用者は、制御システムによって、このロボットの有効寿命の残存時間も知らされる。もし、使用者がこの残存有効寿命に満足しなければ、残存有効寿命の値を変えてもよく、そうすればその後に制御システムがこの新しい有効寿命を基に新しい最大許容負荷を決める。この様にして、使用者は、このロボットの高性能・短寿命か、低性能・長寿命かを自分で選択することができる。
この発明のもう一つの実施例では、ロボットの設置と同時に、固定有効寿命を決める。次に、制御システムが観測期間中にこの固定有効寿命に関する最大許容負荷を計算し、それによって、最大許容負荷を超えないように、軸速度および軸トルクを調整する。この場合は、ロボットの経緯に関するデータを記憶する必要がなく、それは、制御キャビネットを交換するとき、またはメモリ故障の場合に有利である。
【図面の簡単な説明】
図１は、既知の産業用ロボットの例を示す。
図２ａは、疲労線図の例を示す。
図２ｂは、トルク−時間関数の例を示す。
図２ｃは、負荷スペクトルの例を示す。
図３は、この発明による第１実施例の流れ線図を示す。
図４は、この発明による第２実施例の流れ線図を示す。
好適実施例の説明
図１は、既知の産業用ロボットの例を示す。ロボット脚２がベース１の上に固定して取付けられている。このロボットは、垂直軸線Ａ１の周りに脚２に対して回転可能なベーススタンド３を有する。このベーススタンドの上端に、第１ロボットアーム４が支承され、第２軸線Ａ２の周りにこのベーススタンドに対して回転可能である。このアームの外端に、第２アーム５が支承され、軸線Ａ３の周りにこの第１アームに対して回転可能である。ロボットアーム５は、二つの部分５ａおよび５ｂを含み、外側部分５ｂは、アームの縦軸線と一致する回転軸線Ａ４の周りに内側部分５ａに対して回転可能である。アーム５は、外端で、アームの縦軸に垂直な回転軸線Ａ５の周りに回転可能な、所謂ロボットの手６を支持する。このロボットの手は、工具取付け装置６ａを含む。このロボットの手の外側部分、従って工具取付け装置６ａは、回転軸線Ａ６の周りにこのロボットの手の内側部分に対して回転可能である。六つの回転軸線Ａ１，...，Ａ６における回転角を図ではφ₁〜φ₆で表す。
このロボットの各運動軸に対して、問題の軸の回転角の大きさである信号を送出する位置センサがある。これらの位置センサからの出力を、このロボットの制御システムへ供給する。この制御システムは、別の制御キャビネット８に配置され、周知の方法で、プログラムおよびその他のデータ用に必要なメモリを備えるコンピュータ装置と、種々の異なるロボット軸の駆動モータ用のドライブと必要な供給装置とを含む。制御キャビネットは、ロボットのプログラミングおよびその他の操作をするために、プログラミングユニット９に接続されている。制御ユニットは、種々の計算に使う、このロボットの数学モデルを含む。
ロボットの機械的強度は、しばしば少数の臨界負荷点によって決る。これらの負荷点に対して、ロボットの運動中に起る力またはトルクの振幅が、このロボットの有効寿命中に疲労破損をもたらすレベルを超えてはならないと言うことが重要である。
ロボットの動力学的数学モデルおよび位置センサからの出力信号の支援で、臨界点での負荷を計算することができる。この負荷は、トルク、力、応力、撓み、または回転でもよい。この負荷を慣性質量、遠心力および重力と結びついたような動的作用から誘導する。この実施例では、負荷を曲げモーメントτとして計算する：

Ｍ_i（φ）は、この臨界点でのロボットアームの加速度と曲げモーメントの関係を表す。Ｖ_i（φ）は、この臨界点でのロボットの全部品の遠心力と曲げモーメントの関係を表す。Ｇ_i（φ）は、この曲げモーメントに対する重力の影響を表す。
変動する負荷での材料の強度は、その負荷変化の振幅とこの材料の有効寿命中の負荷変化の回数に依る。材料の疲労線図から、この材料がその有効寿命中に耐える、或る振幅Ｓでの応力変化の数Ｎを読むことが出来る。図２ａは、疲労線図の例を示す。図２ｂは、所謂トルク−時間関数で、臨界点での観測期間Δｔ中に曲げモーメントτが如何に変るかの例を示す。このトルク−時間関数から、トルク変化に対する振幅τ_ijを読取ることが出来る。図２ｃは、一つの観測期間中の測定に基づく、一つの臨界点に対する負荷スペクトルの例を示す。負荷スペクトルは、平均振幅がＳ_aijである振幅間隔中に起るトルク変化数ｎ_iを示す。
図３は、最大負荷、即ち、最大軸速度

および最大軸トルクτ_axis,maxの計算をこの発明の一実施例に従って実施できる方法を示す。この実施例のロボットは、臨界点の数が（ｉ）である。これらの臨界点は、このロボット構造の弱点、例えば、軸受、軸、リンク、変速装置、またはその他の寿命制限部品でもよい。これらの点の各々に対して、このロボットの位置センサからの出力信号φ₁、φ₂…φ₆から初めて式１に従って曲げモーメントτ_iを計算する（ブロック１０）。これらの曲げモーメントの計算を引続き、例えば２４μｓ毎に、行う。このロボットを運転すると、各点に対する一つのトルク−時間関数が得られる。
或る点に対する負荷スペクトルを得るためには、全てのトルク変化を検出し、それらの振幅をその点に対するトルク−時間関数から計算しなければならない。従って、このトルク−時間関数に対して、全ての局所的最大値τ_maxおよび最小値τ_minを同時に検出し、次に、これらの最大値および最小値からトルク変化の振幅を計算する

関連するトルク変動を検出し、計算するためのアルゴリズムは、多くの既知の異なる方法で行うことができる。例えば、与えられたトルクレベルを超えるトルク極大値の数および与えられたトルクレベル以下のトルク極小値の数の極値の探索または計算をこのトルク−時間関数から直接行ってもよい。時間平面における特別なアルゴリズムを使用することに代るものは、例えば、高速フーリエ変換アルゴリズムによる、周波数分析を使うことである。
負荷スペクトルは、一つの観測サイクルΔｔ中に更新される。この観測期間は、少なくとも１ロボットサイクル、即ち、このロボットが問題のロボットプログラムを実行するために要する時間、であるべきである。この観測期間を、日中のロボットの使用変動を含めるように選ぶのが適当である。この実施例では、観測期間が２４時間である。
最大許容負荷を計算するために、点ｉに対する、所謂利用率を最初に計算する。この実施例では、この利用率を計算するために、部分損傷Ｄ_iを使用する。

Ｎ_ijは、区間［τ_j-1−τ_j］における許容負荷サイクルの最大数であり、ｎ_ijは、区間［τ_j-1−τ_j］内での振幅のトルク変化数である。一つの観測期間中に測定した、与えられたトルク区間［τ_j-1−τ_j］内での振幅のトルク変化数Δｎ_ijを各臨界点の負荷スペクトル用の表に記憶する。各トルク区間に対して、負荷サイクルの数Δｎ_ijを計算する（ブロック１１）。この表を各観測期間中に更新する。以下は、臨界点ｉ用のそのような表の例である：

この表は、部分破損の変化率を計算するための基準として役立つ（ブロック１２）：

もし、この部分破損がこのロボットの全有効寿命中に蓄積するならば、全ての部分損傷の和は１である。このロボットの有効寿命中の最大許容部分損傷Ｄ_imaxは、１の直ぐ下の値であるべきであり、例えば、Ｄ_imax＝０．９に選んでもよい。ΔＤ_iは、期間Δｔ中に部分損傷の増加を生ずる。単位時間当りの部分損傷の増加、ΔＤ_i／Δｔは、単位時間当りに構造物が疲労に近付く度合の大きさである。もし、ロボットの有効寿命ｔ_lifeが分っていれば、単位時間当りの部分損傷の増加を使って最大許容負荷を計算してもよい。この実施例では、ロボットの有効寿命がロボットの製造業者によって予め決められている。以下の関係から、構造物が所定の有効寿命中臨界点で継続してもよい、単位時間当りの部分損傷の最大増加

を計算する：

これから、点ｉに対する利用率ｋ_ilifeを計算してもよい（ブロック１３）：

この利用率を各臨界点に対して計算する。このロボットの利用率ｋ_lifeは、臨界点に対する利用率ｋ_ilifeの最大のものである。

もし、ｋ_life＜１ならば、性能、即ち、軸速度および軸トルク、を増してもよい。
もし、ｋ_life＞１ならば、性能を落さなければならない。
ｋ_lifeを基に、曲げモーメントがｋ_life＝１の値になるように、軸速度の最大値

および軸トルクの最大値τ_axis,maxを計算することは、非常に難しい数学的問題である。その代りに、適応法を使ってもよい。それは、疲労過程に関する非常に長期間の問題であるので、この問題は、適応法に最適である。この適応というのは、ｋ_life＞１、ｋ_life＝１またはｋ_life＜１に依って、

およびτ_axis,maxを減少し、一定に維持し、または増加することを意味する。今度は、各観測期間の後に、制御システムによって、このロボットがｋ_life＝１で運転するように、最大軸速度

および最大軸トルクτ_axis,maxを調整する（ブロック１４）。
この制限点に対する曲げモーメントτを計算するときに、最大軸速度

の変化と最大軸トルクτ_axis,maxの変化の間の関係を、式１で最大の寄与をする項によって決める。もし

が優勢であれば、τ_axis,maxで最大の変化をさせ、もし、

が優勢であれば、

を最も制御する。
上に説明した実施例の欠点は、ロボットを設置すると同時に、ロボットの有効寿命を決めなければならないことである。このロボットから高性能を得るために、またはこのロボットの使用を延すために、数年後に有効寿命を変えることは、不可能である。この発明の第２実施例では、最大許容負荷をこのロボットの全経緯に適合させる。
図４は、この発明の第２実施例の流れ線図を示す。臨界点での関連負荷τを、第１実施例と同じ方法で、式１に従って計算する（ブロック１０）。ブロック２１で、Δｎ_ijを先の例と同じ方法で計算する。一つの違いは、この実施例では、トルク変化の数を、ロボットが新しいときからロボットの現年齢ｔ_ageまで、異なるトルク区間で計算し、記憶すること

である：

このロボットは新しかったので、もうｎ_ijが記憶されているので、部分損傷Ｄ_iを式３に従って計算してもよい（ブロック２２）。前と同様に、単位時間当りの関連部分損傷の増加、ΔＤ_i／Δｔを計算する（ブロック１２）。残存有効寿命ｔ_irestは、次の関係から計算する：

残存有効寿命が最も短い点がロボットの残存有効寿命ｔ_restを決める（ブロック２３）。

もし、このロボットの現年齢ｔ_ageを絶えず更新し、制御システムに記憶するならば、このロボットの全有効寿命ｔ_lifeをｔ_life＝ｔ_age＋ｔ_restに従って計算してもよい。このロボットの全有効寿命ｔ_lifeおよび残存有効寿命ｔ_restをロボット操作員に提示することができ、するとその操作員は、性能を落し、従って残存有効寿命を延すか、または残存有効寿命の短縮を犠牲にして性能を上げるかの選択ができる。性能を変えることは、最大許容軸速度および軸トルクに関するレベルが変ることを意味する。
操作員が性能レベルを制御する代りに、制御システムが、操作員の入れた、所望の有効寿命ｔ_lifeまたは所望の残存有効寿命ｔ_restwを得るように、性能を自動的に調整してもよい。ブロック２４で、利用率ｋ_lifeを次の通り計算する：

軸速度および軸トルク用最大値を上に説明した適合法に従って調整してもよい（ブロック１４）。
完全に自動化した有効寿命の最適化を可能にするためには、負荷サイクルの累積数ｎ_ijおよびロボットの年齢ｔ_ageが常に利用できることが必要である。一つの問題は、制御キャビネットがロボットに付随せずに、制御キャビネットだけを交換する場合である。その場合は、このロボットの負荷スペクトルおよび年齢を、後に新しい制御システムに読込むために、セーブしなければならない。この問題は、メモリモジュールをロボットの脚に取付ければ、それに制御システムで読み書きできるので解決できる。
部分損傷Ｄ_iの代りに、一定の等価振幅Ｓ_equaiを使って残存有効寿命を計算してもよい：

Ｎ_joは、最大許容等価負荷Ｓ_eqaimaxでの有効寿命に相当するトルク変化数である。

Ｓ_aijは、トルク区間［τ_j-1−τ_j］での平均トルクであり、ｋ_iは、疲労曲線の勾配である。臨界点ｉに対する残存有効寿命を計算する：

残存有効寿命が最も短い臨界点がこのロボットの残存年齢全体を制限する。このロボットの残存有効寿命は：

Claims (14)

1. 複数の運動軸を有し、該軸の各々に、その軸の現在位置を確定する出力信号を、これらの軸を制御するための制御システムに供給するための位置センサを備える、産業用ロボットの制御方法において、このロボットの運転中に、このロボットの少なくとも一つの機械的臨界点（ｉ）に対して、連続的に以下のステップをとることを特徴とする方法：
   ロボットの位置（φ₁，φ₂…φ₆）およびロボットの数学的モデルを基礎とした、期間（Δｔ）中の現在負荷（τ_i）を計算するステップと、
   計算した負荷を基礎とし、臨界点での材料の疲労強度（Ｎ_ij）の知識により、この臨界点の疲労速度
   

   

   を計算するステップと、
   この疲労速度およびロボットの有効寿命（ｔ_life）に基づいて、ロボットの最大許容負荷
   

   

   を調整するステップ。
2. 請求項１による方法において、疲労速度
   

   

   を、前記期間（Δｔ）中の負荷区間（τ_j-1−τ_j）内の負荷サイクル数（Δｎ_ij）から初めて計算することを特徴とする方法。
3. 請求項２による方法において、臨界点の利用率（ｋ_life）を計算した疲労速度
   

   

   およびロボットの有効寿命（ｔ_life）に対する最大許容疲労速度
   

   

   に基づいて計算することを特徴とする方法。
4. 請求項３による方法において、最大許容疲労速度
   

   

   をロボットの最大許容疲労（Ｄ_imax）と所望の有効寿命（ｔ_life）の間の商として計算することを特徴とする方法。
5. 請求項３または請求項４による方法において、利用率（ｋ_life）を複数の臨界点に対して計算すること、およびロボットの最高許容負荷
   

   

   を最大利用率を有する臨界点の利用率に基づいて増加または減少することを特徴とする方法。
6. 請求項１から請求項５までの何れか一項による方法において、ロボットの所望の有効寿命（ｔ_life）をロボットが新しいときに決めることを特徴とする方法。
7. 請求項２による方法において、負荷区間（τ_j-1−τ_j）内の負荷サイクル数（Δｎ_ij）をロボットの全有効寿命中累積すること、および関連疲労（Ｄ_i）をこの累積した負荷に依って計算することを特徴とする方法。
8. 請求項７による方法において、最大許容疲労（Ｄ_imax）と関連疲労（Ｄ_i）との差、および疲労速度
   

   

   の間の比としてロボットの残存有効寿命（ｔ_resti）を計算することを特徴とする方法。
9. 請求項８による方法において、ロボットの残存有効寿命（ｔ_resti）を複数の臨界点に対して計算すること、および最短残存有効寿命がロボットの残存有効寿命（ｔ_rest）を決めることを特徴とする方法。
10. 請求項１、請求項７、請求項８または請求項９による方法において、ロボットの性能
    

    

    を自由選択の所望の有効寿命（ｔ_life）に依って調整することを特徴とする方法。
11. 請求項１０による方法において、利用率（ｋ_life）を自由選択の有効寿命（ｔ_life）および計算した残存有効寿命（ｔ_rest）に依って計算すること、およびロボットの性能
    

    

    をこの利用率に依って調整することを特徴とする方法。
12. 請求項３、請求項４、請求項５、または請求項１１による方法において、利用率（ｋ_life）が限界値より大きいか、小さいかに依って、ロボットの性能を増すか、減らすかを特徴とする方法。
13. 請求項１から請求項１２までの何れか一項による方法において、ロボットの最大許容負荷を、このロボットの最大許容軸速度
    

    

    および最大許容軸トルク（τ_axis,max）を調整することによって、調整することを特徴とする方法。
14. 請求項１３による方法において、ロボットの最大許容軸速度
    

    

    と最大許容軸トルク（τ_axis,max）の調整の間の関係を、臨界点で負荷（τ_i）に対する最大寄与を与える加速度
    

    

    重力（Ｇ_i(φ））および遠心力
    

    

    に依って決めることを特徴とする方法。

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