JP4390415B2

JP4390415B2 - ロボットの位置決め制御方法と位置決め制御装置

Info

Publication number: JP4390415B2
Application number: JP2001545042A
Authority: JP
Inventors: 誠一松尾; 陽一田中; 崇裕黒川; 征志郎梁池
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-12-16
Filing date: 2000-12-14
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2020-12-14
Also published as: DE60044682D1; EP1250218B1; US20030083783A1; WO2001043924A1; EP1250218A1; US6615110B2; JP2003517167A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロボットの２点間移動動作における位置決め制御方法と位置決め制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、ロボットの２点間の位置決め制御では、あらかじめ設定した最高速度と加速度をもとに単位時間あたりの位置指令（以下、「速度指令」と称す）を出力し、その指令に従って移動を行う速度制御が行われている。
【０００３】
このような速度指令には図８ａに示すような、直線的な速度指令（台形型速度指令）と図８ｂに示すような曲線的な速度指令（Ｓ字型速度指令）とがあり、直線的な速度指令では、図８ａのｔ₁またはｔ₂の時点で速度変化が大きいため、一般的には曲線的な速度指令を用いることが多い。
【０００４】
しかし、移動距離が短い場合には、曲線的な速度指令を用いても、速度の立ち上がり、立ち下がりを大きくする必要があり、大きな加速度を伴う動作を行うので、停止直後に残留振動が発生する。
【０００５】
そこで、特開平３−２２６８０５号公報には、移動距離が短い場合に、あらかじめ設定していた最高速度と加速度とを小さい値に変更して、移動完了後の残留振動を抑制する方法が開示されている。具体的には、基準移動距離において、あらかじめ設定した最高速度まで加速するのにかかる時間と最高速度から減速して停止するまでにかかる時間との合計に対する移動距離が基準距離より短い場合の移動時間の比率に基づき、最高速度・加速度を設定するものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらこの方法では、加速度を小さくして大きな加速度を伴う動作を行わないようにしているが、ロボットの固有振動は考慮していないため、速度波形の出力時間によっては、ロボットの固有振動周期に同期した周期の速度波形にした場合にロボットの固有振動を誘起して、停止直後に残留振動が発生するという問題がある。
【０００７】
また、加速度を小さくすれば移動完了直後の残留振動は抑制できるものの、移動開始から移動完了までの移動時間が長くなり、移動動作のタクトアップが行えないという問題がある。
【０００８】
また、残留振動の周波数は固有振動数となるが、例えば、ロボットを２５ｍｍ移動させた場合に残留振動が２０Ｈｚの周波数で発生したとする。その時のロボットの移動時間と残留振動の強さとの関係が図７に示すようになったとすると、ロボットの移動時間が１００ミリセコンド（以後ｍｓとする）となるような加速度を設定すれば残留振動が小さくなる。しかし、上記の方法では、速度を遅くして移動後の残留振動を抑える性質上、移動時間が２００ｍｓ付近となるように加速度を設定してしまう場合があり、最適な加速度設定が行えないという問題がある。
【０００９】
さらに、移動距離別に最適な加速度、最高速度などの多くのデータをあらかじめ設定しなければならず、また、その値を決定するために多くの測定時間がかかるという問題点がある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記問題点を解決し、移動動作完了後の残留振動を抑制できる最適な速度指令が出力でき、移動動作のタクトアップが図れ、更に設定時間の短縮が図れるロボットの位置決め制御方法と位置決め制御装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明のロボットの位置決め制御方法は、ロボットの２点間移動動作を行うロボットの位置決め制御方法であって、予めテスト運転を行って目標位置で停止させたロボットの残留振動の周波数を測定し、次に一定のロボットの移動距離において移動時間別に周波数に基づく残留振動の大きさを測定して移動時間と振動の大きさとの関係を求める。そしてこの関係において振動の大きさが極小値となる最短の移動時間を算出し、この算出された移動時間でロボットの位置を制御することを特徴とする。
【００１２】
また移動距離にかかわらずテスト運転時に算出した移動時間で移動制御することを特徴とする。
また上記関係から計算した加速度が予め設定した最大の加速度以内であればテスト運転時に算出した移動時間で制御し、予め設定した最大の加速度を越えている場合には、振動の大きさが極小値となる最短の次に短い移動時間を算出してこの移動時間で制御することを特徴とする。
【００１３】
また残留振動の周波数を測定し、前回の測定値との差が許容値以上の場合にはテスト運転を行なって移動時間を算出することを特徴とする。
この構成によると、ロボットの固有振動数を誘起しない、予め設定した最大加速度を越えない範囲での移動時間を求めることができ、この移動時間で移動動作を制御すれば移動動作が完了した後の残留振動が抑制でき、移動動作のタクトアップが図れるとともに、設定時間の短縮が図れる。
【００１４】
またこの構成によると、移動距離によらず移動時間を求めるだけなので、移動距離別に最適な加速度および最高速度を求める必要がなくなり、パラメータ決定にかかる時間を短縮できる。
【００１５】
また本発明のロボットの位置決め制御装置は、テスト運転を行なって目標位置で停止させたロボットの残留振動の周波数を測定する測定部と、一定のロボットの移動距離において移動時間別に周波数に基づく残留振動の大きさを測定して移動時間と振動の大きさとの関係を求め、この移動時間に基づいてロボットを目標位置に移動させて位置決めする制御部とを設けたことを特徴とする。上記本発明の位置決め制御方法はこの位置決め制御装置を使用して容易に実現できる。
【００１６】
以下、本発明のロボットの位置決め制御装置を用いた具体的な位置決め制御方法を、図１〜図７を用いて説明する。
２点間移動動作を行うロボットとして、ここでは図１ａに示す部品実装機で用いられるロボットの位置決め制御装置５０におけるロボットアーム１を例に挙げて説明する。
【００１７】
図１ａはロボットの位置決め制御装置５０の概観図を示し、図１ｂはロボットの位置決め制御装置５０の構成図を示す。図１ａおよび図１ｂを参照しながら、ロボット位置決め制御装置５０の構成を説明する。
【００１８】
１０および２０はＹ軸テーブルで、それぞれ移動体４，５をＹ軸方向に移動させる。６，７はボールねじで、８，９はモータ、４１，４２はロータリエンコーダ、２は制御部である。制御部２は、ロータリエンコーダ４１，４２によりそれぞれモータ８，９の回転数を検出しながら、モータ８，９によりボールねじ６，７をそれぞれ回転させることにより、移動体４，５が互いに同じ位置を保ってＹ軸テーブル上を移動し位置決めするように制御する。
【００１９】
３０はＸ軸テーブルで、移動体４，５にそれぞれ両端を支持され、ロボットアーム１をＸ軸方向に移動させる。２２はボールねじで、２３はモータ、４３はロータリエンコーダである。制御部２は、ロータリエンコーダ４３によりモータ２３の回転数を検出しながら、モータ２３によりボールねじ２２を回転することにより、ロボットアーム１がＸ軸テーブル上を移動し位置決めするように制御する。
【００２０】
ロボットアーム１には、カメラ２５と、作業用ツール２６とが作業部材取付板２７を介して取り付けられている。４１、４２はケーブルユニットである。
以上の構成により、制御部の制御で、カメラ２５または作業用ツール２６をＸ，Ｙ方向に移動し位置決めするようにロボットアーム１を移動できる。また制御部２には、記憶部４５と演算部４６が備えられている。
【００２１】
以上のような構成のロボットの位置決め制御装置５０において、制御部２には、テスト運転を行なって目標位置で停止させたロボットアーム１の残留振動の周波数を測定する測定部３を備えている。
【００２２】
測定部３は、ロボットアーム１が目標位置に達した後のロボットアーム１の位置の変動を時系列に検出し、残留振動の周波数を測定するものであればどのようなものでも構わない。例えば、Ｘ軸テーブル３０のロータリエンコーダ４３とＹ軸テーブル１０，２０のロータリエンコーダ４１，４２とから目標位置に達した後のロボットアーム１の位置の変動を時系列に検出するものでよい。
【００２３】
以上のような構成のロボットの位置決め制御装置５０の位置決め制御手順について図２、図４に基づいて説明する。
図２は、テスト運転における測定部３の処理手順を示し、図４は測定部３の測定結果を受けた制御部２による位置決め制御手順を示す。
【００２４】
テスト運転が命令されると、ロボットアーム１が加速しながら現在位置から目標位置へ向かって移動し、目標位置の手前で減速して目標位置で停止する。
そして、ステップＳ１で、ロボットアーム１の移動が完了した後の残留振動の周波数を測定する。
【００２５】
ロボットアーム１の移動完了後における目標位置との位置偏差（μｍ）を図３ａに示す。この時の位置偏差の振動が残留振動となる。図３ａに示すような残留振動を形成する各周波数成分を分析し、周波数と振動の強さとの関係である周波数特性（図３ｂ）が得られる。図３ｂの例の周波数特性によると、周波数が２０Ｈｚの時に残留振動の強さ（ｄｂ）は最大となるので、残留振動の周波数の測定結果は２０Ｈｚとなる。なお、周波数特性を求めるために、周波数を分析するような演算は演算部４６で行なわれ、周波数特性は記憶部４５に記憶される。
【００２６】
ステップＳ２では、ステップ１で移動させた同一の距離を移動時間を少しづつ変えて残留振動を測定し、ステップ１で求めた周波数の残留振動の強さを測定する。その結果、図７に示す移動時間と残留振動の強さの関係のグラフが得られる。このグラフも記憶部４５に記憶される。
【００２７】
ここで残留振動が発生する原因は、ロボットアーム１の固有振動数における共振に基づく。固有振動数は１次、２次、等と複数存在し、そのいずれかの周波数で外部から加振するとロボットアーム１が共振し大きく振動する。ロボットアーム１を移動させることがこの加振に相当し、これにより共振する現象が残留振動である。つまり、短い距離を移動させて停止することは、１周期のみの図８ａ，８ｂにあるような周期Ｔの加速度振動を与えたことになる。この周期Ｔの周波数１／Ｔがロボットアーム１の固有振動数に一致するかまたは近傍にきたら共振により残留振動が発生するものである。したがって、残留振動の発生の有無は、移動距離ではなく、移動時間に依存する。移動時間が、固有振動数に該当する振動の周期になったときに大きな残留振動となる。逆にいうと、共振が発生しない移動時間で移動させれば、移動距離が変わっても残留振動を防ぐことができる。
【００２８】
なお、図７に示すグラフを求める方法はこの限りでない。移動時間と残留振動の強さの関係が得られるのであればどのような方法でもよい。またステップＳ２では、ステップＳ１で移動させた同一の距離としていたが、同一でなくても構わない。移動時間を少しづつ変えて移動する距離が一定であれば、特にステップＳ１で移動させた距離と同一でなくてもよい。
【００２９】
この結果に基づき、ステップＳ３では、図７のグラフにおいて移動時間別の残留振動の強さが谷（周波数曲線の中での極小）となる移動時間の中で最短の移動時間を移動時間に決定する。したがって、本実施例では移動時間を１００ｍｓに設定する。
【００３０】
このようにしてロボットアーム１の移動時間を決定することにより、残留振動が発生せず、しかも最短の移動時間を求めることができる。
上記のようにテスト運転が行われると、制御部２は、図４のステップＳ４に示すように、テスト運転より設定したロボットアーム１の移動時間と、テスト運転で決定した移動距離、ロボットの移動で可能なモータの定格トルクなどから定まる最高速度および最大加速度を設定する。
【００３１】
ここでは、ロボットアーム１の移動時間１００ｍｓ、移動距離２５ｍｍ、最高速度２ｍ／ｓ、最大加速度２．５Ｇ（Ｇは重力の加速度）と設定する。なお、移動距離の設定について、テスト運転と異なる移動距離で移動する場合は、その移動距離を設定する。
【００３２】
ステップＳ５では、移動時間、移動距離、最高速度から加速度を計算する。この加速度の計算方法について図５ａ，５ｂを用いて説明する。
図５ａに示すように、移動速度は、移動時間が底辺となり面積が移動距離となる２等辺三角形で与えられる。この場合、図の速度の傾きが加速度（前半が加速、後半が減速）となる。
【００３３】
しかし、図５ａのような２等辺三角形の頂点が最高速度を越える場合は、図５ｂに示すように、移動速度は、移動時間が下底、最高速度が高さ、面積が移動距離となる台形で与えられる。この場合、図の速度の傾きが加速度（加速、定速、減速の順）となる。
【００３４】
そして、ステップＳ６で、計算した加速度が最大加速度を超えていないかどうかを判断する。
【００３５】
計算した加速度が最大加速度を超えていない場合には、ステップＳ７で、計算した加速度と設定した移動距離と最高速度から速度指令を出力する。
出力する加速度が最大加速度を超えている場合には、ステップＳ３で決定した移動時間では指定移動距離の移動ができないのでステップＳ８で、残留振動が谷になる移動時間の中で、ステップＳ３で決定した移動時間の次に短い移動時間に変更しステップＳ４に戻る。
【００３６】
上記ステップＳ７の出力指令に基いて、ステップＳ９ではロボットアーム１の２点間移動動作を行って目標位置に位置決めする。
このような構成とすると、ロボットアーム１の移動距離が変わっても一定の移動時間で移動することが可能になる。
【００３７】
ここで図６を用いて、本発明の効果について具体的な例を挙げて説明する。
図６ａは、従来例に記載した方法に基づき残留振動が発生しないような加速度をあらかじめ決定した後に移動した例である。図６ｂは、上記実施の形態において最適な移動時間を求めた後に移動した例である。
【００３８】
図６から明らかなように、２５ｍｍの移動において、従来は２００ｍｓの時間を要したものが、この実施の形態では１００ｍｓに短縮できる。また、従来は５０ｍｍの移動を行うときも２５ｍｍの移動時と同じ加速度で移動を行うため２８０ｍｓの移動時間を要するが、この実施の形態では１００ｍｓに短縮できる。
【００３９】
なお、上記説明において、ステップＳ４であらかじめ最大加速度を、駆動源（例えばモータ）の最大トルクを超えないように設定しておけば、実現不可能な加速度での移動を防ぐことができる。
【００４０】
また、制御部２が定期的（例えば１日の生産開始、または品種の生産開始時）にテスト運転を実行するよう構成してもよい。このような構成とすると、経時変化によりロボットアーム１の固有振動が変化しても、その固有振動に応じた移動時間を求め直すことが可能となり、移動完了後の残留振動を抑制できる。この構成を実現するためには、上記のアルゴリズムをソフトウェアで構成すればよい。
【００４１】
またロボットアーム１が一連の移動動作をするＮＣプログラムの最初の移動動作をする時に、残留振動の周波数を測定し、その周波数が前回測定したものと予め設定した許容量以上異なっている時のみテスト運転を実行するものであってもよい。
【００４２】
なお、上記説明では、２点間移動を行うロボットとして、ロボットアーム１を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば電子部品実装機に使用され回路基板をのせて位置決めするＸ−Ｙテーブルのような位置決め装置または水平多関節ロボットのような位置決め装置にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１ａ、１ｂはそれぞれロボットの位置決め制御装置の概観図と構成図を示す。
【図２】図２はテスト運転における測定部の処理手順を示す。
【図３】図３ａ，３ｂはそれぞれ移動完了直後の残留振動と残留振動の周波数特性を示す。
【図４】図４は測定部の測定結果を受けた測定部による位置決め制御手順を示す。
【図５】図５ａ，５ｂは移動時間、移動距離、最高速度から加速度を計算する方法の説明図である。
【図６】図６ａは従来の移動時間と速度との関係を示し、図６ｂは本発明の実施の形態の移動時間と速度との関係を示す。
【図７】図７は一般的に移動時間と残留振動の強さとの関係を示す。
【図８】図８ａ，８ｂは従来の速度指令による移動時間と速度との関係を示す。

Claims

ロボットを加速しながら現在位置から目標位置へ向かって移動させ、目標位置の手前で減速して前記目標位置で停止させる２点間移動動作を行うロボットの位置決め制御方法であって、
あらかじめテスト運転を行って目標位置で停止させた後に、残留振動の大きさが最大値となるロボットの残留振動の周波数を測定し、
ロボットの移動開始位置から目標位置までの移動距離を一定に保ち、ロボットの移動開始時から目標位置での停止時までの移動時間の長さを変えて、前記周波数に基づく残留振動の大きさを測定することにより前記移動時間と残留振動の大きさとの関係を求め、
前記移動時間と残留振動の大きさとの関係において、残留振動の大きさが極小値となる移動時間の中で最短の移動時間を決定し、
前記移動時間に基づいて前記ロボットの２点間移動動作を行い目標位置に位置決めし、
移動距離にかかわらずテスト運転時に算出した移動時間で、ロボットの２点間移動動作を行なう
ロボットの位置決め制御方法。
２点間移動動作をする距離と、テスト運転時に決定した残留振動の大きさが極小値となる最短の移動時間とで加速度を計算し、前記加速度が予め設定した最大加速度以内であれば、テスト運転時に決定した移動時間でロボットの２点間移動動作を行なう請求項１記載のロボットの位置決め制御方法。
２点間移動動作をする距離と、テスト運転時に決定した残留振動の大きさが極小値となる最短の移動時間とで加速度を計算し、前記計算した加速度が予め設定した最大加速度を越えている場合には、移動時間と残留振動の大きさとの関係において、残留振動の大きさが極小値となる移動時間の中で、テスト運転時に決定した前記移動時間の次に短い移動時間を求め、前記求めた移動時間でロボットの２点間移動動作を行なう請求項１記載のロボットの位置決め制御方法。
ロボットの２点間移動時に残留振動の周波数を測定し、前回の測定値との差が許容値以上の場合に、テスト運転を行ない移動時間を決定する請求項１記載のロボットの位置決め制御方法。
ロボットを加速しながら現在位置から目標位置へ向かって移動させ、目標位置の手前で減速して前記目標位置で停止させる２点間移動動作を行うロボットの位置決め制御装置であって、
テスト運転を行って目標位置で停止させた後に、残留振動の大きさが最大値となるロボットの周波数を測定する測定部と、
ロボットの移動開始位置から目標位置までの移動距離を一定に保ち、ロボットの移動開始時から目標位置での停止時までの移動時間の長さを変えて、前記周波数に基づく残留振動の大きさを測定することにより前記移動時間と残留振動の大きさとの関係を求め、前記移動時間と残留振動の大きさとの関係において、残留振動の大きさが極小となる移動時間の中で最短の移動時間を求め、前記移動時間に基づいて前記ロボットを目標位置に移動させて位置決めする制御部とを設け、
制御部は、移動距離にかかわらずテスト運転時に算出した移動時間でロボットの２点間移動動作を行なう
ロボットの位置決め制御装置。
制御部は、２点間移動動作をする距離とテスト運転時に決定した残留振動の大きさが極小値となる最短の移動時間とで加速度を計算し、前記加速度が予め設定した最大加速度以内であれば、テスト運転時に決定した移動時間でロボットの２点間移動動作を行なう請求項５記載のロボットの位置決め制御装置。
制御部は、２点間移動動作をする距離とテスト運転時に決定した残留振動の大きさが極小値となる最短の移動時間とで加速度を計算し、前記計算した加速度が予め設定した最大加速度を越えている場合には、移動時間と残留振動の大きさとの関係において、残留振動の大きさが極小値となる移動時間の中で、テスト運転時に決定した前記移動時間の次に短い移動時間を求め、前記求めた移動時間でロボットの２点間移動動作を行なう請求項５記載のロボットの位置決め制御装置。
制御部は、ロボットの２点間移動時に残留振動の周波数を測定し、前回の測定値との差が許容値以上の場合にテスト運転を行ない移動時間を決定する請求項５記載のロボットの位置決め制御装置。
定期的にテスト運転を実行するよう構成した請求項５記載のロボットの位置決め制御装置。