JP4305340B2 - Calculation method of load mass and center of gravity position attached to robot - Google Patents
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Description
本発明は、モータにより駆動されるロボットの負荷の重量と負荷の重心位置を算出する制御方法に関する。 The present invention relates to a control method for calculating the weight of a load of a robot driven by a motor and the position of the center of gravity of the load.
本発明は、モータにより駆動されるロボットの負荷の重量と負荷の重心位置を算出する制御方法に関する。 The present invention relates to a control method for calculating the weight of a load of a robot driven by a motor and the position of the center of gravity of the load.
近年、モータにより駆動される複数軸のアームを備えるロボットにおいて、衝突時の安全性向上や破壊による損失防止のために、衝突検出の高精度化が求められている。 In recent years, in a robot having a multi-axis arm driven by a motor, high accuracy of collision detection has been demanded in order to improve safety at the time of collision and to prevent loss due to destruction.
また、ロボットの実タクト性能の更なる向上を目的とした加減速運動性能や振動抑制制御性能の高性能化や、ロボットの利用分野の拡大とバリ取り作業や、複雑な形状部品の嵌め合い作業など各種使用用途の要求を満足することを目的とした、柔軟制御の実現が求められている。 In addition, the acceleration / deceleration motion performance and vibration suppression control performance for the purpose of further improving the actual tact performance of the robot, the expansion of the robot application field and deburring work, and the fitting work of complex shaped parts Realization of flexible control for the purpose of satisfying the demands of various uses is required.
このような用途を実現するために、各用途での制御方法においてはロボットのアーム、およびアーム先端に装着される負荷の質量と重心位置を必要とする。このうち、ロボットが備えるアームの質量と重心位置は、設計時に使用されたCAD等の設計ツールによって予め同定することが可能である。しかし、ロボットのアーム先端へ任意の負荷が装着される場合では、別途負荷の質量と重心位置の値を知ることが必要となる。 In order to realize such an application, the control method in each application requires the arm of the robot, the mass of the load attached to the tip of the arm, and the position of the center of gravity. Among these, the mass and the position of the center of gravity of the arm provided in the robot can be identified in advance by a design tool such as CAD used at the time of design. However, when an arbitrary load is attached to the end of the robot arm, it is necessary to know the load mass and the value of the center of gravity separately.
従来では、制御方法への負荷の質量と重心位置を知る方法としては、ロボットコントローラよりロボットの操作者がそれらの値を手入力する方法がある。 Conventionally, as a method of knowing the mass of the load on the control method and the position of the center of gravity, there is a method in which the robot operator manually inputs these values from the robot controller.
また手入力しない方法として、ロボットが備えるモータ各軸の電流やトルクや角度を測定し、負荷の質量と重心位置を算出とする方法があった。この方法においては、ロボットを静止させて行う方法とロボットのモータ各軸を駆動させて行う2つの方法があった。 Further, as a method of not manually inputting, there is a method of measuring the current, torque, and angle of each axis of the motor provided in the robot and calculating the load mass and the center of gravity position. In this method, there are two methods: a method in which the robot is stationary, and a method in which each axis of the motor of the robot is driven.
このうち、ロボットを静止させて行う方法では、ロボットの静止状態におけるモータ各軸の電流値から算出したトルクを用いて、ロボット単体での重力に起因するトルク成分と静止時の摩擦トルクを引くことにより負荷の重力に起因するトルクだけを抽出し、負荷の質量と重心位置を算出する方法(例えば特許文献1参照)がある。 Of these, in the method of making the robot stand still, the torque calculated from the current value of each axis of the motor in the stationary state of the robot is used to subtract the torque component caused by the gravity of the robot alone and the friction torque at the stationary time. There is a method of extracting only the torque resulting from the gravity of the load and calculating the mass and the center of gravity of the load (see, for example, Patent Document 1).
また、ロボットのモータ各軸を駆動させて行う方法では、ロボットのモータ各軸を駆動させる時の各軸モータトルクとアーム角度を、算出しようとする負荷の質量と重心位置の数だけ立式された重力に起因する関係式へ代入することによって負荷の質量と重心位置を算出する方法(例えば特許文献2参照)がある。
しかしながら、上記した制御方法への負荷の質量と重心位置を知る従来の方法では、ロボットの操作者は負荷の質量と重心位置を予め算出や測定によって求めておく必要があり
、作業者の作業負担や入力忘れによる弊害発生があった。
However, in the conventional method of knowing the load mass and the position of the center of gravity for the control method described above, the operator of the robot needs to obtain the load mass and the position of the center of gravity in advance by calculation or measurement. There was an adverse effect caused by forgetting to input.
また手入力しない方法として、上記したロボットを静止させて行う方法では、静止時の摩擦トルクは負荷の質量やロボットの姿勢によって大きく変動することから、正確な値を推定することが難しく、算出される負荷の質量と重心位置の精度に大きく影響する可能性があった。 In addition, as a method that does not require manual input, the above-described method in which the robot is stationary causes the frictional torque at rest to fluctuate greatly depending on the mass of the load and the posture of the robot. The load mass and the accuracy of the center of gravity may be greatly affected.
また、ロボットのモータ各軸を駆動させて行う方法では、負荷の質量と重心位置を算出するために、4つの独立な計算式を備えることに起因して、主要駆動軸を含む4つのモータトルク値とアーム角度の測定を行う必要があった。そのため、ロボットの動作範囲が制限される場合や動作自体が制限される場合では、負荷の質量と重心位置を算出することができない可能性があった。 In the method of driving each axis of the motor of the robot, four motor torques including the main driving axis are provided because four independent calculation formulas are provided to calculate the load mass and the gravity center position. It was necessary to measure the value and arm angle. For this reason, when the movement range of the robot is restricted or when the movement itself is restricted, there is a possibility that the load mass and the gravity center position cannot be calculated.
以上のように従来の負荷の質量と重心位置の推定方法では、それぞれ少ない動作において負荷の質量と重心位置を高精度に推定するという点で問題があった。 As described above, the conventional load mass and center-of-gravity position estimation method has a problem in that the load mass and the center-of-gravity position are estimated with high accuracy in a small number of operations.
そこで本発明では、ロボットに取り付けられた負荷の質量と重心位置を、少ない動作において高精度に推定することによって、少ない動作しかできない状況下においても負荷の質量と重心位置に基づいた制御を可能とする制御方法を提供することを目的とする。 Therefore, in the present invention, it is possible to perform control based on the mass of the load and the position of the center of gravity even in a situation where only a small amount of operation is possible by accurately estimating the mass and the position of the center of gravity of the load attached to the robot with a small amount of operation. An object of the present invention is to provide a control method.
本発明のロボットに取り付けられた負荷の質量と重心位置の算出方法は、モータにて駆動され、2つの回転中心軸間を最短に結ぶ直線と一方の回転中心軸とがなす平面が他方の回転中心軸と略直交するねじれの関係にある2つの回転軸を少なくとも1組有する複数のアームを備えたロボットにおいて、前記2つの回転軸のうち一方は前記ロボットの最先端の回転軸であり、他方は前記最先端の回転軸に次いで最先端側にある回転軸であり、前記最先端の回転軸を中心に回転し、最先端のアームに装着された負荷の質量と重心位置を算出するロボットに取り付けられた負荷の質量と重心位置の算出方法であって、前記2つの回転軸を1軸毎に等角速度運動させた時のモータトルクを算出し、算出した前記モータトルクから前記アームの質量に起因するトルク成分を差し引くことで前記負荷の質量に起因するトルク成分を各回転軸ごとに求め、求めた前記負荷に起因するトルク成分の極大値と、前記負荷に起因するトルク成分が0となるアーム関節角度とを各回転軸ごとに計算して求め、前記トルク成分の極大値と前記トルク成分が0となるアーム関節角度と前記2つの回転中心軸間を最短に結ぶ直線距離とから前記負荷の質量を算出し、前記算出した質量を用いて重心位置を算出する。
The load mass attached to the robot of the present invention and the method of calculating the position of the center of gravity are driven by a motor and the plane formed by the straight line connecting the two rotation center axes and one rotation center axis is the other rotation. In the robot having a plurality of arms having at least one set of two rotational axes that are in a torsional relationship substantially orthogonal to the central axis, one of the two rotational axes is the most advanced rotational axis of the robot, and the other Is the rotation axis on the most advanced side next to the most advanced rotation axis, and it rotates around the most advanced rotation axis and calculates the mass and center of gravity of the load mounted on the most advanced arm. A method for calculating the mass of the attached load and the position of the center of gravity , wherein the motor torque when the two rotating shafts are moved at a constant angular velocity for each axis is calculated, and the calculated motor torque is converted into the mass of the arm . Start Obtains a torque component caused by the mass of the load by subtracting the torque components for each rotation shaft, arm and maximum value of the torque component caused by the load demanded torque component caused by the load becomes 0 The joint angle is calculated for each rotation axis, and the load component is calculated from the maximum value of the torque component, the arm joint angle at which the torque component is zero, and the linear distance that connects the two rotation center axes at the shortest distance. The mass is calculated, and the center of gravity position is calculated using the calculated mass .
また本発明のロボットの制御方法は、アームを1軸毎に等角速度運動する時、モータを双方向に回転させ、各回転方向についてモータトルクを算出する。 In the robot control method of the present invention, when the arm is moved at an equal angular velocity for each axis, the motor is rotated in both directions, and the motor torque is calculated for each rotation direction.
また本発明のロボットの制御方法は、モータを双方向に回転させる時、算出するモータトルクを監視し、前記モータトルクが極大または0となった後でモータ回転方向を反転させる。また本発明のロボットの制御方法は、モータトルクが極大となった後でモータ回転方向を反転させた場合、反転後モータトルクが0となった後で回転を停止させる。また、本発明のロボットの制御方法は、モータトルクが0となった後でモータ回転方向を反転させた場合、反転後モータトルクが極大となった後で回転を停止させる。 In the robot control method of the present invention, when the motor is rotated in both directions, the calculated motor torque is monitored, and the motor rotation direction is reversed after the motor torque reaches a maximum or zero. In the robot control method according to the present invention, when the motor rotation direction is reversed after the motor torque reaches the maximum, the rotation is stopped after the motor torque after the rotation becomes zero. Further, in the robot control method of the present invention, when the motor rotation direction is reversed after the motor torque becomes zero, the rotation is stopped after the motor torque after the reversal becomes maximum.
さらに本発明のロボットの制御方法は、アームを1軸毎に等角速度運動する場合、モー
タトルクの算出をモータ電流値の計測により行う。
Furthermore, in the robot control method of the present invention, when the arm moves at an equal angular velocity for each axis, the motor torque is calculated by measuring the motor current value.
本発明のロボット制御方法は、質量、重心位置とも未知の負荷の数値を極めて容易に知ることができ、得られた数値を制御方法へ用いることによって柔軟制御の実現や衝突検出の高精度化、実タクト性能の更なる向上を行うことができるという効果がある。 The robot control method of the present invention makes it possible to know the numerical values of unknown loads for both mass and center of gravity very easily, and by using the obtained numerical values for the control method, realizing flexible control and improving the accuracy of collision detection, There is an effect that the actual tact performance can be further improved.
以下、本発明のロボットの制御方法を示す好ましい実施例について、図面を参照しながら説明する。
(実施の形態1)
図1は、本実施の形態における制御方法を実施するためのブロック図である。なお、ロボット全体としては図1と同様のブロック図が複数軸分存在するが、図1を代表としてモータ1軸分の制御について示す。
Hereinafter, a preferred embodiment showing a robot control method of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a block diagram for implementing the control method in the present embodiment. The entire robot has a block diagram similar to that in FIG. 1 for a plurality of axes. FIG. 1 is representative of control for one motor axis.
図1において1はコントローラ、2はコントローラ1により制御されるモータ+アームを示す。そして、コントローラ1は、モータ+アーム2からアームを駆動するモータの駆動時の電流値IMとモータ回転角θMの値を得ることができる。さらにコントローラ1内の制御器(図示せず)に内蔵されたメモリ4には、負荷を装着しない状態で制御対象となるアームの質量のみに起因するトルク成分Tgaiが保存されている。 In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a controller, and 2 denotes a motor + arm controlled by the controller 1. Then, the controller 1 can obtain the current value I M and the motor rotation angle θ M during driving of the motor that drives the arm from the motor + arm 2. Further, a memory 4 built in a controller (not shown) in the controller 1 stores a torque component Tgai caused only by the mass of the arm to be controlled without attaching a load.
なおここでトルク成分Tgaiの末尾iは軸数を示し、本実施の形態では6軸ロボットの例を示すので、iは1〜6のいずれかをとる。以下も同様である。 Here, the end i of the torque component Tgai indicates the number of axes, and in the present embodiment, an example of a 6-axis robot is shown, so i takes one of 1 to 6. The same applies to the following.
そしてこのトルク成分Tgaiは軸に固有でアームの質量のみに起因し、ロボットアームの構成に依存する固有のものであるので予め既知の数値である。この数値をメモリ4に予め保存しておき、後述するように、測定して得られるアーム+負荷の質量に起因するトルク成分と演算して最先端軸に装着した負荷の質量と重心位置を求める。 This torque component Tgai is a known numerical value in advance because it is inherent to the axis, is caused only by the mass of the arm, and is inherent depending on the configuration of the robot arm. This numerical value is stored in the memory 4 in advance, and as will be described later, the mass of the load mounted on the most advanced shaft and the position of the center of gravity are calculated by calculating the torque component caused by the mass of the arm + load obtained by measurement. .
また13は重力トルク算出手段であり、モータ+アーム2から得る電流値IMとモータ回転角θMの値からアーム及び負荷の質量に起因するトルク成分Tgaliを求める。さらに、求めたトルク成分Tgaliからトルク成分Tgaiを差し引いて、負荷のみが起因するトルク成分Tgiを得る。さらに振幅・位相差算出手段17により、トルク成分Tgiの振幅Aiおよび位相差φiを求め、最後に重心位置・質量算出手段18により、第6軸のアーム回転中心位置からアーム先端に装着する負荷の重心位置までの3方向の距離Xl、Yl、Zlと質量mとを求める。 Reference numeral 13 denotes gravitational torque calculation means for obtaining a torque component Tgal caused by the mass of the arm and the load from the current value I M obtained from the motor + arm 2 and the value of the motor rotation angle θ M. Further, the torque component Tgai is subtracted from the obtained torque component Tgal to obtain the torque component Tgi caused only by the load. Further, the amplitude Ai and the phase difference φi of the torque component Tgi are obtained by the amplitude / phase difference calculating means 17, and finally the center of gravity position / mass calculating means 18 is used to determine the load mounted on the arm tip from the arm rotation center position of the sixth axis. The distances Xl, Yl, Zl and mass m in three directions to the center of gravity are obtained.
なお本実施の形態では、垂直座標系において表現される図2、水平座標表現において表現される図3のような回転中心軸を有するアームを備えたロボットについて説明する。また本実施の形態では、図2、図3で示すように、アーム先端側の2つの回転軸第5、6軸の回転中心軸は、ねじれの位置にあり、軸間を最短に結ぶ直線と一方の回転中心軸とがなす平面が他方の回転中心軸とが略直交して配置されたロボットの例を示している。なお、この本実施の形態における回転中心軸はねじれの位置にある例を示しているが、これ以外に直交する場合であっても以下の説明は成り立つので、本実施の形態では、説明の簡略化のため転軸がねじれの位置にある場合も回転軸が直交しているとして説明する。 In this embodiment, a robot provided with an arm having a rotation center axis as shown in FIG. 2 expressed in a vertical coordinate system and in FIG. 3 expressed in a horizontal coordinate expression will be described. Further, in the present embodiment, as shown in FIGS. 2 and 3, the rotation center axes of the two rotation shafts 5 and 6 on the arm tip side are in a twisted position, and are straight lines connecting between the shortest axes. An example of a robot is shown in which a plane formed by one rotation center axis is arranged substantially perpendicular to the other rotation center axis. In addition, although the example in which the rotation center axis in this embodiment is in the position of twist is shown, the following explanation is valid even in the case of being orthogonal to other than this, and in this embodiment, the explanation is simplified. For the sake of simplicity, the description will be made assuming that the rotation axis is orthogonal even when the rotation axis is in the twisted position.
なお、図2および図3において、Xl、Zl、およびYlは、第6軸のアーム回転中心位置からアーム先端に装着する負荷の重心位置までの3方向の距離を示す。また、図2において、LiiとLjは、第5軸24の回転中心から第6軸25の回転中心までの2方向のアーム長を示す。なおもう1方向のアーム長は、図3において、第5軸24と第6軸2
5が回転中心を同一線上に有する例で示しているので0としている。
2 and 3, Xl, Zl, and Yl indicate distances in three directions from the arm rotation center position of the sixth axis to the gravity center position of the load attached to the tip of the arm. In FIG. 2, Lii and Lj indicate arm lengths in two directions from the rotation center of the fifth shaft 24 to the rotation center of the sixth shaft 25. The arm length in the other direction is the fifth axis 24 and the sixth axis 2 in FIG.
Since 5 is an example having the rotation center on the same line, it is set to 0.
なお、これら寸法のうち、負荷の重心位置Xl、Zl、Ylが求めたい未知の数値であり、第5軸24と第6軸25のアーム長LiiとLjは予め既知の数値である。 Of these dimensions, the center of gravity positions Xl, Zl, Yl of the load are unknown numerical values, and the arm lengths Lii and Lj of the fifth shaft 24 and the sixth shaft 25 are known numerical values in advance.
また、図4は、図2の垂直座標系に相当する図で第5軸回転中心として回転するアーム124を回転させた状態を示す図であり、図6は図3の水平座標系相当する図で第6軸に装着した負荷28を回転させた状態を示す図であり、各図とも(a)(b)(c)は各回転位置状態を示す。なお、123は図2で示す第4軸23のアームの一部を示している。 4 is a diagram corresponding to the vertical coordinate system of FIG. 2, and is a diagram showing a state in which the arm 124 rotating about the fifth axis rotation center is rotated, and FIG. 6 is a diagram corresponding to the horizontal coordinate system of FIG. FIG. 6 is a diagram illustrating a state in which the load 28 attached to the sixth shaft is rotated, and (a), (b), and (c) in each figure indicate the respective rotational position states. Reference numeral 123 denotes a part of the arm of the fourth shaft 23 shown in FIG.
さらに図4および図6において、L5、L6は、第5軸24の回転中心を原点とした時の負荷重心位置までの3方向の長さを示し、図で示すように、アーム長Lii、Lj、および負荷の重心位置Xl、Zl、Ylの合成長さで示される。 Further, in FIGS. 4 and 6, L5 and L6 indicate the lengths in three directions to the load center of gravity when the rotation center of the fifth shaft 24 is the origin, and as shown in the figure, the arm lengths Lii and Lj , And the combined length of the center of gravity positions Xl, Zl, Yl of the load.
次に、上記で説明したようなアーム先端に備えられた負荷について、その質量と重心位置の算出方法について説明する。 Next, a method for calculating the mass and the position of the center of gravity of the load provided at the arm tip as described above will be described.
この算出にあたっては、まずモータがアームを駆動させるのに必要とするモータトルクを算出する。ここで、算出しようとするモータトルクは、図1のモータ+アーム2におけるトルクTMに相当し、このトルクTMを算出するためにはモータ電流値IMを測定し、この測定値と重力トルク算出手段13にて予め保存していたトルク換算値Ktを用いて換算する。 In this calculation, first, the motor torque required for the motor to drive the arm is calculated. Here, the motor torque to be calculated corresponds to the torque T M of the motor + arm 2 in Figure 1, to measure the motor current value I M is in order to calculate the torque T M, the measurement of gravity The torque calculation means 13 performs conversion using the torque conversion value Kt stored in advance.
なお図1中、モータ+アーム2におけるブロック線図においては、トルク量を中心とした制御量の受け渡しが記載されており、この図では、検出したモータトルクTMからトルク換算値の逆数1/Kt8と演算してモータ電流値IMを求める図となっている。しかし、実際の構成においては、最初にモータ電流を測定し、コントローラ1側でその電流値を得、それを元にモータトルクの算出を行う。 Note in Figure 1, in a block diagram in the motor + arm 2, describes a transfer of control amount around the torque amount, in this figure, the reciprocal of the torque corresponding value from the detected motor torque T M 1 / It has become a diagram for obtaining the motor current value I M by calculating the Kt8. However, in the actual configuration, the motor current is first measured, the current value is obtained on the controller 1 side, and the motor torque is calculated based on the current value.
このようしてモータトルクTMを測定することができる。なお、求めたモータトルクTMは、図1中で示すモータ+アーム2中の摩擦トルクTfrciを含むアーム及び負荷の質量に起因するトルク成分である。したがって、モータトルクTMからアームおよび装着した負荷の両方の質量に起因するトルク成分のみを求めるには、この摩擦トルクTfrciを差し引く必要がある。その方法について説明する。 Thus it was able to measure the motor torque T M and. Incidentally, the motor torque T M obtained, a torque component due to the mass of the arm and a load including a friction torque Tfrci in motor + arm 2 shown in FIG. Therefore, the obtaining only the torque component caused by both the mass of the load arm and mounted from the motor torque T M, it is necessary to subtract this frictional torque Tfrci. The method will be described.
このトルクTMを求めるにあたっては、図4と図6でそれぞれ(a)〜(c)で示すように第5軸24、第6軸25をそれぞれ1軸毎に正負方向に等角速度往復運動させ、各方向のモータ電流値IMとモータ回転角θMを測定する。そして、この時測定したモータ電流値IMはトルクTMの算出に用い、モータ回転角θMは、後述する負荷28の質量と重心位置の算出に用いる。 When obtains the torque T M, is equal angular velocity reciprocate in the positive and negative directions fifth shaft 24, the sixth shaft 25 respectively each shaft as shown, respectively in FIGS. 4 and 6 (a) ~ (c) Then, the motor current value I M and the motor rotation angle θ M in each direction are measured. The motor current value I M measured at this time is used for calculating the torque T M , and the motor rotation angle θ M is used for calculating the mass and the center of gravity position of the load 28 described later.
ここで図4は、図2の垂直座標系におけるロボットの第4軸のアームの一部から先の部分のみを、先端に負荷を装着した状態で示す図で、(a)は基本位置、(b)は負方向に回転させた位置、(c)は正方向に回転させた位置における図を示す。そしてトルクTMを求めるにあたっては、図4で示すように、第5軸24を1軸毎に正負方向それぞれに等角速度往復運動させ、それぞれのモータ電流値IMとモータ回転角θMを測定する。 Here, FIG. 4 is a view showing only a part of the fourth axis arm of the robot in the vertical coordinate system of FIG. 2 with a load attached to the tip, (a) is a basic position, (b) shows the position rotated in the negative direction, and (c) shows the figure at the position rotated in the positive direction. And when the determined torque T M, as shown in Figure 4, the fifth shaft 24 is constant angular velocity reciprocate to each positive and negative directions for each axis, measuring the respective motor current value I M and the motor rotation angle theta M To do.
同様に図6は、図3の水平座標系におけるロボットの第6軸25部分のみを先端に負荷を装着した状態で示す図で、(a)は基本位置、(b)は正方向に回転させた位置、(c)は負方向に回転させた位置における図を示し、第6軸25を1軸毎に正負方向それぞれ
に等角速度往復運動させ、それぞれのモータ電流値IMとモータ回転角θMを測定する。
Similarly, FIG. 6 is a diagram showing a state where only the sixth axis 25 portion of the robot in the horizontal coordinate system of FIG. 3 is loaded at the tip, where (a) is the basic position, and (b) is rotated in the forward direction. (C) shows a view at a position rotated in the negative direction. The sixth shaft 25 is reciprocated at a constant angular velocity in each of the positive and negative directions for each axis, and each motor current value I M and motor rotation angle θ are moved. Measure M.
なお図2および図3で示すようにトルクTMの測定に用いる第5軸24および第6軸25は、負荷を取り付けた状態のアームを回転させる回転軸であり、その回転軸は直交している。 Note fifth axis 24 and the sixth shaft 25 used for measuring the torque T M, as shown in FIGS. 2 and 3 is a rotating shaft for rotating the arm being attached to the load, the axis of rotation perpendicular Yes.
また、同時に求めるモータ回転角θMは、アーム角度換算値Rgの逆数1/Rg11を用いてアーム角度θLに換算する。なおアーム角度換算値Rgは、モータとアームとの間に接続される機器であって、アームがモータに直接接続される場合であれば1である。 Further, the motor rotation angle theta M seeking simultaneously converted into arm angle theta L using the reciprocal 1 / Rg11 arm angle conversion value Rg. The arm angle conversion value Rg is 1 if the device is connected between the motor and the arm and the arm is directly connected to the motor.
次に、算出したモータトルクTMから、モータトルクTMに含まれる摩擦トルク成分Tfrciを相殺し、アーム及び負荷の質量に起因するトルク成分Tgaliだけを求める。この摩擦トルク成分Tfrciは、モータの回転方向に依存する特徴をもつ。そこで、はじめにモータ角度が正回転となる動作と負回転となる動作を行って各場合のモータトルクTMを測定し、両方の値から演算してモータトルクTMに含まれる摩擦トルク成分Tfrciを相殺する。 Then, from the calculated motor torque T M, and cancel the frictional torque component Tfrci contained in the motor torque T M, obtaining the only torque component Tgali due to the mass of the arm and the load. This friction torque component Tfrci has a characteristic that depends on the rotation direction of the motor. Therefore, the frictional torque component Tfrci the motor angle initially performed forward rotation to become operational and negative rotation to become operational measures the motor torque T M in each case, by calculating from both values included in the motor torque T M cancel.
なお、トルクTMの測定時にモータの動作範囲が限られる場合では、常にトルクTMの値を監視し、まず一方向に回転させ、トルクTMの値が極大あるいは0となった後で軸回転方向を反転させる。そしてトルクTMの値が極大になった後反転させた場合は、反転後のトルクTMが0となった後で回転を停止させる。またトルクTMの値が0になった後反転させた場合は、反転後のトルクTMが極大となった後で回転を停止させる。 In the case where the operating range of the motor at the time of measurement of torque T M is limited, constantly monitors the value of the torque T M, is first rotated in one direction, the shaft after the value of the torque T M reaches the maximum or 0 Reverse the direction of rotation. When the torque T M is maximized and then reversed, the rotation is stopped after the reversed torque T M becomes zero. In the case where the inverted after the value of the torque T M becomes 0, to stop the rotation after the torque T M after inversion becomes maximum.
これについて図5および図7を用いてさらに詳細に説明する。図5および図7はコントローラ1で得られるモータ電流値IMをアームの回転角度について測定したデータの一例を示す図であり、正回転および負回転時の両方について示している。なお、上述したように、トルクTMはモータ電流値Iに定数(トルク換算値Kt)を乗算したものであるので、トルクTMも図中のモータ電流と同様の図となる。 This will be described in more detail with reference to FIGS. 5 and 7 are views showing an example of the data measured on the rotation angle of the arm motor current value I M obtained by the controller 1, it is shown for both during forward rotation and negative rotation. As described above, since the torque T M is obtained by multiplying the constant (torque corresponding value Kt) to the motor current value I, a similar view and the motor current in the torque T M FIG.
そして、まず、図5中のa点のアーム角度位置からスタートして第5軸を正回転させ、モータ電流を測定する。そして測定したモータ電流が極大となった直後のb点で反転し、負回転させる。次にモータ電流が0となる点を通過したc点付近のアーム角度位置で動作を停止させる。 First, starting from the arm angle position at point a in FIG. 5, the fifth axis is rotated forward to measure the motor current. And it reverses at the point b immediately after the measured motor current becomes maximum, and makes it rotate negatively. Next, the operation is stopped at the arm angle position near the point c that has passed the point where the motor current becomes zero.
なお、上記求め方とは反対に、アームを正回転させてからモータ電流が0となった直後に反転し、負回転させてから極大となった直後に停止する方法でもよい。また正回転、負回転の順序は入れ替わってもよい。 In contrast to the above-described method, a method may be used in which the arm is reversely rotated immediately after the motor is positively rotated after the arm is positively rotated and stopped immediately after the motor is negatively rotated and then maximized. The order of positive rotation and negative rotation may be switched.
このようにしてアーム1回転分の1/4周期のモータ電流データを得る。なお、アーム1回転分のモータ電流データを測定せず、約1/4周期の回転で止めるのは、後述するように、本実施の形態ではアーム回転時の軸にかかるトルクを正弦波とし、振幅、位相差を求めるのに少なくとも約1/4周期必要であるためである。これにより、アームを360度回転させなくてもよいので動作範囲が制限されている場合でも十分測定可能である。 In this way, motor current data of ¼ period for one rotation of the arm is obtained. Note that the motor current data for one rotation of the arm is not measured, and the rotation is stopped by about a quarter cycle, as will be described later, in this embodiment, the torque applied to the shaft during arm rotation is a sine wave, This is because at least about ¼ period is required to obtain the amplitude and phase difference. Thereby, since it is not necessary to rotate the arm 360 degrees, it is possible to measure sufficiently even when the operation range is limited.
次に、測定したアーム正回転時と負回転時のモータ電流から摩擦トルク成分Tfrciを除去する。その方法は、正回転動作と負回転動作でのアーム角度が等しい位置において、正回転トルクTi+(図5は第5軸についてのグラフであるので第5軸についての正回転トルクはT5となる)と負回転トルクTi−(同T5−)の和を2で割ることによって摩擦トルク成分Tfrciを除去する。そしてこの摩擦トルク成分Tfrciを除去すると、図中で示すように、前記アーム及び負荷の質量に起因するトルク成分Tgali(第
5軸の場合Tgal5)を抽出することができる。このトルク成分Tgaliが、アーム及び負荷の両方の質量に起因するトルク成分である。
Next, the friction torque component Tfrci is removed from the measured motor current at the time of positive rotation and negative rotation. In this method, the positive rotation torque Ti + is obtained at a position where the arm angles in the positive rotation operation and the negative rotation operation are the same (the forward rotation torque about the fifth axis is T5 because FIG. 5 is a graph for the fifth axis). And the negative rotation torque Ti- (T5-) is divided by 2 to remove the friction torque component Tfrci. When the friction torque component Tfrci is removed, the torque component Tgal (Tgal5 in the case of the fifth shaft) due to the mass of the arm and the load can be extracted as shown in the figure. This torque component Tgal is a torque component caused by the mass of both the arm and the load.
また、等角速度運動の範囲を広く取れない場合では、抽出できるトルク成分Tgaliのデータの数が少なくなり、後述する負荷のみが起因するトルク成分Tgiを抽出する時に誤差を含む可能性がある。そこで既に説明したように、範囲が狭くなる場合では、1/4周期の限られた等角速度運動におけるモータトルクTMから、摩擦トルク成分Tfrciを相殺し、最小2乗推定法を用いて、トルク成分Tgaliがもつ振幅と位相を算出し、近似式による算出値を用いることでトルク成分Tgaliの抽出を実現できる。 Further, when the range of the equiangular velocity motion cannot be widened, the number of data of the torque component Tgal that can be extracted decreases, and there is a possibility that an error may be included when extracting the torque component Tgi caused only by the load described later. Therefore, as already described, in the case where the range is narrowed, the motor torque T M in the constant angular velocity motion with limited 1/4 period, cancel the frictional torque component Tfrci, using a least squares estimation method, torque Extraction of the torque component Tgal can be realized by calculating the amplitude and phase of the component Tgal and using the calculated value by the approximate expression.
次に、抽出したトルク成分Tgaliから、アームのみが起因するトルク成分Tgaiを取り除く。このアームのみが起因するトルク成分Tgaiは、既に説明したように、ロボット固有で予め既知のものであり、制御器内蔵のメモリ4へ格納されている。 Next, the torque component Tgai caused only by the arm is removed from the extracted torque component Tgali. As already described, the torque component Tgai caused only by this arm is unique to the robot and is known in advance, and is stored in the memory 4 built in the controller.
ここで、このトルク成分Tgaiのメモリ4への格納方法ついて説明する。このトルク成分Tgaiは、アームの角度位置で異なり、各角度位置についてのデータを格納しておくようにする。なお、これ以外に、メモリ4内に、演算に用いる係数のみを保存しておき、決められた計算式にしたがってトルク成分Tgaiを求める方法であってもよい。 Here, a method for storing the torque component Tgai in the memory 4 will be described. This torque component Tgai differs depending on the angular position of the arm, and data for each angular position is stored. In addition to this, a method may be used in which only the coefficients used for the calculation are stored in the memory 4 and the torque component Tgai is obtained according to a predetermined calculation formula.
そして、トルク成分Tgaliから、アーム角度θLが同じ角度位置でのトルク成分Tgaiを取り除き、負荷のみが起因するトルク成分Tgiを算出する。 Then, the torque component Tgali, arm angle theta L is removed torque component Tgai at the same angular position, to calculate the torque component Tgi load only caused.
この算出においては、少なくともアーム角度θLの絶対値が異なる2点において計算を実施し、前記2点における、負荷の質量のみが起因するトルク成分Tgiを算出する。 In this calculation, to perform the calculations in the absolute value of two different points of at least the arm angle theta L, in the two points, it calculates a torque component Tgi only the mass of the load is caused.
さらに前記2点において算出されたトルクTgiと、その際のアーム角度θLから、最小2乗推定法を用いて、トルク成分Tgiの振幅値Aiと位相差φiを算出する。 Furthermore, the amplitude value Ai and the phase difference φi of the torque component Tgi are calculated from the torque Tgi calculated at the two points and the arm angle θ L at that time using the least square estimation method.
なお、最小2乗推定法にて用いる近似関数においては、アーム角度に対するアーム姿勢の関係によって用いる数式が異なる。すなわち、アーム角度θL=0°のとき、駆動するアームが水平方向に近い姿勢で保持されている場合は、トルク成分Tgiは(数1)のように示される。 In the approximate function used in the least square estimation method, the mathematical formula used differs depending on the relationship of the arm posture with respect to the arm angle. That is, when the arm angle θL = 0 ° and the arm to be driven is held in a posture close to the horizontal direction, the torque component Tgi is expressed as (Equation 1).
因みに図2における、第5軸24の関数は、(数1)を用い、図3における第6軸25の関数は(数2)を用いる。 Incidentally, the function of the fifth axis 24 in FIG. 2 uses (Equation 1), and the function of the sixth axis 25 in FIG. 3 uses (Equation 2).
また、図8と図9は、第6軸25と第5軸24の負荷のみが起因するトルク成分Tgi
をプロットしたグラフである。各図でA6およびA5はそれぞれ第6軸、第5軸におけるトルク成分Tgiの振幅値を示し、φ5、φ6はそれぞれ第6軸、第5軸におけるトルク成分Tgiの位相差を示す。
8 and 9 show the torque component Tgi caused only by the loads of the sixth shaft 25 and the fifth shaft 24.
Is a graph in which is plotted. In each figure, A6 and A5 indicate the amplitude values of the torque component Tgi on the sixth axis and the fifth axis, respectively, and φ5 and φ6 indicate the phase difference between the torque components Tgi on the sixth axis and the fifth axis, respectively.
なお、ここで位相差φiは、負荷の重心位置が全て0ではない場合では上式(数1)または(数2)によって算出されるトルク成分Tgiを0もしくは極大値とする時のアーム角度θLは0以外の値を持つ。すなわち位相差φiは0以外の値を持つ。 Here, the phase difference φi is the arm angle θ when the torque component Tgi calculated by the above equation (Equation 1) or (Equation 2) is 0 or the maximum when the center of gravity of the load is not all zero. L has a value other than zero. That is, the phase difference φi has a value other than zero.
そして、図2と図3で示されるロボットの第6軸25の場合、図8に示すように振幅はA6、位相差はφ6が測定されると、これらの値を式(数2)に代入してアームに装着した負荷のみが起因するトルク成分Tg6は、 In the case of the sixth axis 25 of the robot shown in FIGS. 2 and 3, when the amplitude is A6 and the phase difference is φ6 as shown in FIG. 8, these values are substituted into the equation (Equation 2). Thus, the torque component Tg6 caused only by the load attached to the arm is
また同様に、第5軸24の場合、負荷のみが起因するトルク成分Tg5は、図9に示すように振幅はA5、位相差はφ5であることが測定され、この軸の場合は、式(数1)に代入して
Similarly, in the case of the fifth axis 24, the torque component Tg5 caused only by the load is measured to have an amplitude of A5 and a phase difference of φ5 as shown in FIG. Substituting into Equation 1)
ところで、上式(数3)、(数4)においてA5、A6は、トルク成分Tgの最大値であるから、図2、図3、図4、および図5で示すように、負荷の質量をm、重力加速度をgとすると、トルク成分Tgが最大値を取る時は負荷の重心が回転中心の水平方向にある時であるので、各回転中心から負荷の重心位置までの合成長さL5、L6と負荷による力を掛け
In the above equations (Equation 3) and (Equation 4), A5 and A6 are the maximum values of the torque component Tg. Therefore, as shown in FIG. 2, FIG. 3, FIG. 4, and FIG. When m and the gravitational acceleration are g, the torque component Tg takes the maximum value when the center of gravity of the load is in the horizontal direction of the center of rotation. Therefore, the combined length L5 from each rotation center to the position of the center of gravity of the load, L6 and force by load
なお、前述したように、合成長さL5は、負荷の重心位置Xl、Zl、Ylと第5軸24と第6軸25のアーム長LiiとLjの合成により 次式(数7)のように表される。
As described above, the combined length L5 is obtained by combining the load center-of-gravity positions Xl, Zl, Yl and the arm lengths Lii and Lj of the fifth shaft 24 and the sixth shaft 25 as shown in the following equation (Equation 7). expressed.
水平成分Ylの合成長さであり、
また、位相差φ5およびφ6については、第5軸24、第6軸25のアーム角度とアーム配置の条件からそれぞれ、 Further, for the phase differences φ5 and φ6, from the arm angle of the fifth shaft 24 and the sixth shaft 25 and the condition of arm arrangement,
さらに式(数9)、(数10)に式(数5)、(数6)を代入して整理すると、次式(数11)、(数12)が導かれる。
Further, by substituting the equations (Equation 5) and (Equation 6) into the equations (Equation 9) and (Equation 10), the following equations (Equation 11) and (Equation 12) are derived.
さらに式(数13)から負荷の質量mを計算する関係式へと導出することができ、 Furthermore, it can be derived from the equation (Equation 13) into a relational expression for calculating the mass m of the load,
さらに式(数14)にて算出した質量mを式(数11)もしくは式(数12)へ代入することでZlが、算出できる。 Furthermore, Zl can be calculated by substituting the mass m calculated by the equation (Equation 14) into the equation (Equation 11) or the equation (Equation 12).
また算出したZlとロボットのアーム長さLiiとLjを式(数7)(数8)へ代入して、Xl、Ylは、式(数15)、式(数16)のようにして求められる。 Further, by substituting the calculated Zl and the robot arm lengths Lii and Lj into the equations (Equation 7) and (Equation 8), Xl and Yl are obtained as in Equations (Equation 15) and Equations (Equation 16). .
以上で説明したように、回転中心軸が直交する2軸のアームを駆動するモータの駆動時の電流値IMとモータ回転角θMを測定することにより、負荷のみが起因するトルク成分の関係式数3、数4、数5、数6を得ることができ、ロボットの駆動軸の配置によって導出することができる関係式数7、数8、数9、数10を用いることによって質量および重心位置が未知の負荷の質量m、重心位置Xl、Zl、Ylを算出することができた。 As described above, by measuring the current value I M and the motor rotation angle θM at the time of driving the motor for driving the arm of the two-axis rotation center axis is orthogonal, the torque component load only caused equation The mass and the center of gravity position can be obtained by using the equations (7), (8), (9), and (10) that can be obtained by the equations (3), (4), (5), and (6), and can be derived by the arrangement of the drive shaft of the robot. The mass m of the unknown load and the gravity center positions Xl, Zl, Yl could be calculated.
本実施の形態においては、既に説明したように、ロボットが備えるアーム及び負荷の質量に起因するトルク成分を監視し、トルク成分の大きさが極大あるいは零となった後で軸回転方向を反転させ、トルク成分の大きさが極大になり反転させる場合はトルク成分が零となった後で回転を停止させ、トルク成分の大きさが零になり反転させる場合はトルク成分が極大となった後で回転を停止させることにより、等角速度運動を必要最小限とする時のモータ電流を計測する。そして、これを換算することで得られる回転中心軸が異なる2軸のモータトルクから得られる振幅値と位相差からロボットが持つモータの回転中心軸が異なる特性を用いて連立方程式を導出する。さらに連立方程式より先端負荷の質量と重心位置を算出し、制御方法へ用いることによって柔軟制御の実現や衝突検出の高精度化、実タクト性能の更なる向上を行うことができるという効果を奏するものである。 In the present embodiment, as already described, the torque component due to the mass of the arm and load of the robot is monitored, and the axis rotation direction is reversed after the magnitude of the torque component reaches a maximum or zero. When the torque component is maximized and reversed, the rotation is stopped after the torque component becomes zero. When the torque component is reversed and reversed, the torque component is maximized. By stopping the rotation, the motor current when the constant angular velocity motion is minimized is measured. Then, simultaneous equations are derived using the characteristic that the rotation center axis of the robot has from the amplitude value and phase difference obtained from the motor torque of the two axes having different rotation center axes obtained by converting this. Furthermore, by calculating the mass and position of the center of gravity of the tip load from simultaneous equations and using them in the control method, it is possible to realize flexible control, improve the accuracy of collision detection, and further improve the actual tact performance. It is.
本発明は、モータにより駆動されるロボットの負荷の重量と負荷の重心位置を簡単な測定方法と計算方法により、迅速かつ容易に算出する制御方法を提供するものであり、衝突時の安全性向上や破壊による損失防止、衝突検出の高精度化、ロボットの実タクト性能を向上でき、ロボットの利用分野の拡大とバリ取り作業や、複雑な形状部品の嵌め合い作業など各種使用用途に利用できる。 The present invention provides a control method for quickly and easily calculating the weight of a load of a robot driven by a motor and the position of the center of gravity of the load by a simple measurement method and calculation method. It can be used for various uses such as expanding the field of use of robots, deburring work, and fitting work of complex shaped parts.
2 モータ+アーム
24 第5軸
25 第6軸
28 負荷
TM モータトルク
IM モータ電流
2 Motor + Arm 24 5th axis 25 6th axis 28 Load TM Motor torque IM Motor current
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