JP4496483B2 - ロボット制御方法および制御装置 - Google Patents
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Description
sinθJ1×sinθJ2=A
cosθJ1×sinθJ2=B
∴ sinθJ2=A/sinθJ1=B/cosθJ1
θJ1=A/B ・・・(式1)
ここで、AとBはそれぞれ定数を表し、θJ1はJ1軸角度、θJ2はJ2軸角度を表しているが、式からも分かるようにsinθJ2≒0となる場合に特異点となる。式1はあくまで一般的な旋回3軸で構成される手首軸を備えた多関節ロボットの逆運動学によって導かれる式を示しているが、関節部が他の構成をしたロボット、例えば図3においても、同様に特異点が現れる。
このように特異点は特定の姿勢軸の角度によって生じるので、所定の各軸角度が特異領域を示しているかの判定は、式1を例に言えば、J2軸角度が0度であることを基準にすれば良い。さらに言えば、特異点の条件に近い角度であるほどJ1軸角度が大きくなり、軸の過大速度動作となるので、J2軸角度が0度近傍であることを基準にしていれば良い。また、補間動作における始点と終点のJ2軸角度に着目すると、同符号であれば特異点を通過せず、異符号であれば特異点を通過するという判定基準になる。
また、従来の過大速度回避の方法では、例えば、特許文献1では本来の補間動作軌跡の逸脱が見られ、また、特許文献2では指定された補間速度の低下が見られている。
この為、アーク溶接用途やシーリング用途の位置と姿勢が要求される用途ではきれいな仕上げをすることが困難となっていた。
このような問題を解決する手段として、各関節速度をアクチュエータの実現出来る最大速度に抑え込む手段があるが、これではアーク溶接用途やシーリング用途の作業時間の遅延が生じる。また、プレス間のワークのハンドリング用途やパレタイズ用途の短い作業時間が要求される場面では、これは非常に大きな問題となる。
よって、本発明の目的は、補間動作中に特異領域が存在し得る場合であろうと速度を低下させることなく、また軸の過大速度動作を生じることなく、なめらかに補間動作を実現することが出来るロボットの制御方法およびその制御装置を提供することである。
請求項1に記載の発明は、J3軸の先端に制御点をもち、前記J3軸から順にJ2軸、J1軸の3軸の旋回軸からなる関節部を有するロボットの制御装置において、前記関節部の補間動作区間に特異領域が存在するとき、前記特異領域を脱出する脱出位置を探索する脱出位置探索を行い、前記特異領域のみの、或いは前記特異領域から前記脱出位置までの区間のみの、姿勢制御を禁止し、前記補間動作区間の終点における前記J2軸の角度が前記特異領域にあるときは、前記脱出位置が補間動作区間に存在しないと判定して前記脱出位置探索を行わず、前記特異領域の開始点から補間動作の終点までの区間のみ姿勢制御を禁止することを特徴としたロボット制御装置とするものである。
請求項2に記載の発明は、前記特異領域は、前記関節部の特異点と、前記特異点を含み、かつ予め定めた前記特異点近傍のJ2軸の角度とから決定される領域である請求項1記載のロボット制御装置とするものである。
請求項3に記載の発明は、前記補間動作区間の始点と終点におけるJ2軸の角度が、それぞれ前記特異領域になく、かつ前記補間動作区間の始点と終点におけるJ2軸の角度符号が同符号であるときは、前記特異領域は前記補間動作区間に存在しないと判定し、前記特異領域のみ姿勢制御を禁止することを特徴とした請求項1記載のロボット制御装置とするものである。
請求項4に記載の発明は、前記補間動作区間の始点におけるJ2軸の角度が特異領域にあるときで、かつ前記補間動作区間の始点と終点におけるJ2軸の角度符号が異符号であるときは、前記補間動作区間を予め設定されたサンプリング数で分割した探索点において、J2軸の角度符号が、前記補間動作区間の始点での符号から異符号に転じる探索点を二分探索法によって探索し、異符号に転じる探索点が特異領域外ならば、該探索点を脱出位置とし、異符号に転じる探索点が特異領域内であれば、該探索点に最も近接した特異領域外の探索点を探索して脱出位置とすることを特徴とした請求項1記載のロボット制御装置とするものである。
請求項5に記載の発明は、前記補間動作区間の始点におけるJ2軸の角度が特異領域にあるときで、かつ前記補間動作区間の始点と終点におけるJ2軸の角度符号が同符号であるときは、前記補間動作区間を予め設定されたサンプリング数で分割した探索点において、前記探索点でのJ2軸の角度が特異領域を脱出する探索点を、前記補間動作区間の始点から終点方向まで逐次探索法によって探索し、特異領域を脱出した探索点を脱出位置とすることを特徴とした請求項1記載のロボット制御装置とするものである。
請求項6に記載の発明は、前記補間動作区間の始点と終点におけるJ2軸の角度が、それぞれ前記特異領域になく、かつ前記補間動作区間の始点と終点におけるJ2軸の角度符号が異符号であるときは、前記特異領域があると判定し、前記補間動作区間を予め設定されたサンプリング数で分割した探索点において、J2軸の角度符号が、前記補間動作区間の始点での符号から異符号に転じる探索点を二分探索法によって探索し、異符号に転じる探索点が特異領域外ならば、該探索点を脱出位置とし、異符号に転じる探索点が特異領域内であれば、該探索点に最も近接した特異領域外の探索点を探索して脱出位置とすることを特徴とした請求項1記載のロボット制御装置とするものである。
請求項7に記載の発明は、J3軸の先端に制御点をもち、前記J3軸から順にJ2軸、J1軸の3軸の旋回軸からなる関節部を有するロボットの制御方法において、前記関節部の補間動作前に、前記補間動作の始点と終点と軌跡上とに特異領域が存在するかを判定し、前記関節部の補間動作区間に特異領域が存在するとき、前記特異領域を脱出する脱出位置を探索する脱出位置探索を行い、前記特異領域のみの、或いは前記特異領域から前記脱出位置までの区間のみの、姿勢制御を禁止し、前記補間動作区間の終点における前記J2軸の角度が前記特異領域にあるときは、前記脱出位置が補間動作区間に存在しないと判定して前記脱出位置探索を行わず、前記特異領域の開始点から補間動作の終点までの区間のみ姿勢制御を禁止することを特徴としたロボットの制御方法とするものである。
また、特異領域とその脱出位置を補間動作前に計算し、J2軸の角度が特異領域となることを監視する事と、脱出位置へ到達するまでの間、姿勢制御を禁止する事が出来るので、一般に処理の負荷が大きいロボットの動作中において中央演算処理装置やRAMの資源を奪うことなく補間動作が出来る。よって、本来の補間動作軌跡の逸脱も見られず、指定された補間速度の低下も見られない制御装置を提供できる。
これらの効果により、位置と姿勢の精度が要求されるアーク溶接用途やシーリング用途、速度が要求されるプレス間のワークのハンドリング用途やパレタイズ用途にも広く対応することが出来る。
本発明は、旋回軸3軸で構成される関節部を備えたロボットのソフトウェア処理を伴う制御装置において、補間動作開始時に始点から終点までの総移動量を算出し、前記補間動作開始時に始点と終点のJ2軸角度が異符号か、もしくは始点のJ2軸角度が特異領域となる角度か、もしくは終点のJ2軸角度が特異領域となる角度かを判定し、補間動作の始点と終点と軌跡上に特異領域が存在することを判定する処理(以下、特異領域判定処理)によって図1にあるように処理が分けられる。
図1の12aにおいて、始点と終点におけるJ2軸の角度符号が異符号である場合の脱出位置の探索は、以下で説明する二分探索法によって行う。二分探索法は、予め設定されたサンプリング数で各探索点を求め、前記各探索点を逆変換処理によってJ2軸角度の算出をし、J2軸角度の符号が異符号、または同符号の判定を二分探索法によって繰り返し、最終的に異符号となる境界になる探索点が特異領域外であるならばその位置を脱出位置とし、特異領域内であるならば終点方向へ隣接した探索点が特異領域内か判定し、特異領域内であるならば更に次の探索点へと逐次探索をしていき、最終的に始点と異符号で且つ、特異領域内の探索点と隣接する特異領域外の探索点を脱出位置と定める。
また、図1の12bにおいて、始点と終点におけるJ2軸の角度符号が同符号である場合の脱出位置の探索は、以下で説明する逐次探索法によって行う。逐次探索法は、予め設定されたサンプリング数で各探索点を求め、前記各探索点を逆変換処理によってJ2軸角度の算出をし、始点に隣接した探索点から終点方向へ隣接した探索点が特異領域外であるか判定し、特異領域内であるならば、更に終点方向へ隣接した探索点へと逐次探索をしていき、最終的に始点方向の特異領域内にある探索点に隣接した終点方向の探索点を脱出位置と定める。
以上、補間動作の始点が特異領域にある場合は、この始点から上記で特定した脱出位置までの区間のみで姿勢制御を禁止する。
今、図5のような教示された始点51と終点52との間を、制御点の進行方向53の矢印方向へ直線補間動作しながら、理想的な直線補間の制御点の軌跡54を描き、また、特異領域となる区間55を通過する場合を考える。この時の姿勢制御は、基準となる座標系から見た始点のアプローチベクトル56と、終点のアプローチベクトル57の回転ベクトルの変化量を直線移動量に対して均等に変化させることで、図6のアプローチベクトルの推移68に示すように制御するのが理想的であるが、補間動作軌跡上に特異領域となる区間69が存在する為、前述のように、J1軸角度が過大になる理由から、姿勢制御を実現することができない。
そこで、特異領域に生じる軸の過大速度動作の従来の回避方法によれば、図7に示すように、特異領域となる区間70が補間動作の軌跡上に存在するので、姿勢制御を禁止する処理によって、補間動作中の間、J1軸、J2軸、J3軸の角度変化量を移動量に対して均等に微小変化させて動作することにより、アプローチベクトルの推移71に示すような姿勢の崩れが生じる。このような場合にロボットやワークの設置の変更や、それにともなう教示点の変更によって特異領域を通過しない位置で作業させることで前述の姿勢制御を禁止する処理によって生じる姿勢の崩れを避けることが出来る可能性があるが、周囲の作業区域が充分に確保出来ない為、ロボットやワークの設置の変更や、それにともなう教示点の変更が出来ない場合を想定される。
ここで、本発明を適用すれば、補間動作開始前に、図8における特異領域となる区間84が、補間動作軌跡上に存在することを判断するとともに、その脱出位置を探索した後で補間動作を開始し、J2軸の角度が特異領域となることを監視する事で、特異領域内に侵入した時点から脱出位置へ到達するまでの間だけを姿勢制御を禁止するので、図8の本発明の直線補間の制御点の軌跡82において、補間速度を変化させることなく動作し、アプローチベクトルの推移83が示しているように、特異領域外は姿勢制御を行い、特異領域内は姿勢制御を禁止することで、補間速度と軌跡を実現することが出来ている。
12a 二分探索法
12b 逐次探索法
Claims (7)
- J3軸の先端に制御点をもち、前記J3軸から順にJ2軸、J1軸の3軸の旋回軸からなる関節部を有するロボットの制御装置において、
前記関節部の補間動作区間に特異領域が存在するとき、前記特異領域を脱出する脱出位置を探索する脱出位置探索を行い、前記特異領域のみの、或いは前記特異領域から前記脱出位置までの区間のみの、姿勢制御を禁止し、
前記補間動作区間の終点における前記J2軸の角度が前記特異領域にあるときは、前記脱出位置が補間動作区間に存在しないと判定して前記脱出位置探索を行わず、前記特異領域の開始点から補間動作の終点までの区間のみ姿勢制御を禁止することを特徴としたロボット制御装置。 - 前記特異領域は、前記関節部の特異点と、前記特異点を含み、かつ予め定めた前記特異点近傍のJ2軸の角度とから決定される領域であることを特徴とする請求項1記載のロボット制御装置。
- 前記補間動作区間の始点と終点におけるJ2軸の角度が、それぞれ前記特異領域になく、かつ前記補間動作区間の始点と終点におけるJ2軸の角度符号が同符号であるときは、
前記特異領域は前記補間動作区間に存在しないと判定し、前記特異領域のみ姿勢制御を禁止することを特徴とした請求項1記載のロボット制御装置。 - 前記補間動作区間の始点におけるJ2軸の角度が特異領域にあるときで、かつ前記補間動作区間の始点と終点におけるJ2軸の角度符号が異符号であるときは、
前記補間動作区間を予め設定されたサンプリング数で分割した探索点において、J2軸の角度符号が、前記補間動作区間の始点での符号から異符号に転じる探索点を二分探索法によって探索し、
異符号に転じる探索点が特異領域外ならば、該探索点を脱出位置とし、
異符号に転じる探索点が特異領域内であれば、該探索点に最も近接した特異領域外の探索点を探索して脱出位置とすることを特徴とした請求項1記載のロボット制御装置。 - 前記補間動作区間の始点におけるJ2軸の角度が特異領域にあるときで、かつ前記補間動作区間の始点と終点におけるJ2軸の角度符号が同符号であるときは、
前記補間動作区間を予め設定されたサンプリング数で分割した探索点において、前記探索点でのJ2軸の角度が特異領域を脱出する探索点を、前記補間動作区間の始点から終点方向まで逐次探索法によって探索し、
特異領域を脱出した探索点を脱出位置とすることを特徴とした請求項1記載のロボット制御装置。 - 前記補間動作区間の始点と終点におけるJ2軸の角度が、それぞれ前記特異領域になく、かつ前記補間動作区間の始点と終点におけるJ2軸の角度符号が異符号であるときは、前記特異領域があると判定し、
前記補間動作区間を予め設定されたサンプリング数で分割した探索点において、J2軸の角度符号が、前記補間動作区間の始点での符号から異符号に転じる探索点を二分探索法によって探索し、
異符号に転じる探索点が特異領域外ならば、該探索点を脱出位置とし、
異符号に転じる探索点が特異領域内であれば、該探索点に最も近接した特異領域外の探索点を探索して脱出位置とすることを特徴とした請求項1記載のロボット制御装置。 - J3軸の先端に制御点をもち、前記J3軸から順にJ2軸、J1軸の3軸の旋回軸からなる関節部を有するロボットの制御方法において、
前記関節部の補間動作前に、前記補間動作の始点と終点と軌跡上とに特異領域が存在するかを判定し、
前記関節部の補間動作区間に特異領域が存在するとき、前記特異領域を脱出する脱出位置を探索する脱出位置探索を行い、前記特異領域のみの、或いは前記特異領域から前記脱出位置までの区間のみの、姿勢制御を禁止し、
前記補間動作区間の終点における前記J2軸の角度が前記特異領域にあるときは、前記脱出位置が補間動作区間に存在しないと判定して前記脱出位置探索を行わず、前記特異領域の開始点から補間動作の終点までの区間のみ姿勢制御を禁止することを特徴としたロボットの制御方法。
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