JP5277946B2 - ロボット制御装置およびロボットシステム - Google Patents

Description

本発明は、ロボットの減速機角度伝達誤差に起因する振動を補正するロボット制御装置およびロボットシステムに関する。

アーク溶接やレーザカット用途ロボットは、動作時にロボットの手先位置が重力方向にうねるように振動し、加工精度が悪くなることがある。このうねりはロボット各軸に取り付けられた減速機の角度伝達誤差により発生すると考えられる。このうねりを抑えるため、従来のロボット制御装置は、各軸のうねりを打ち消す正弦波指令を与えて位置補正をしている（特許文献1参照）。具体的には、次のように減速機１３の角度伝達誤差を補正している。図６に特許文献1の角度伝達誤差を補正するロボット制御装置を示す。減速機のうねりは正弦波の補正信号で打ち消される。この正弦波の振幅Aと位相Δθは、調整時に予め探索され、適正値が求められる。求められた適正値は、振幅設定部１９、位相設定部２０により設定される。正弦波生成部２４は、設定された振幅A、位相Δθおよび指令生成部が出力する位置指令ベース信号θrｂに基づいて、補正信号θcomを算出する。算出された補正信号θcomは、位置指令ベース信号θrbに加算され、補正後の位置指令信号θrefとなる。この位置指令信号θrefは、角度検出部５１が検出したモータの回転角度θfbと比較され、その比較結果の偏差に基づきサーボ制御部５２がモータ１１を駆動し、ロボットアーム１４は位置決め制御される。
このように、従来のロボット制御装置は、各軸のうねりを位置補正し、加工精度を向上させるのである。
また、各軸の誤差を測定し、その実測データに基づき位置補正しているものもある(特許文献２参照)。さらに、手先位置の誤差を測定し、逆運動学を解き、各軸の位置補正をしているものもある(特許文献３参照)。
特許2577713号公報 特許4052490号公報 特開2008−36733号公報

従来のロボット制御装置は、負荷重量や減速機の回転方向が変わると補正改善率が低下する。この補正改善率が低下する２つの要因を以下に説明する。
第１に、負荷が変わると減速機角度伝達誤差の振幅が変わり、改善率が低下する要因となる。図７(a)に、負荷重量による減速機角度伝達誤差の違いを示す。
第２にモータ回転方向が変わると減速機角度伝達誤差の位相が変わり、改善率低下の要因となる。例えば、RV減速機では入力軸の回転方向によって0.2[deg]の位相差がある。この位相差の分だけ補正値のずれが発生し、改善率が低下する要因となる。図７(b)に、モータの回転方向による減速機角度伝達誤差の違いを示す。
また、回転方向が反転するときに、モータの回転に変動が生じてしまう。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、負荷重量、モータ回転方向に因らず、減速機角度伝達誤差を補正できるロボット制御装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
本発明は、減速機を介してモータによって関節が駆動されるロボットと、前記ロボットを制御する制御装置であって、前記ロボットの位置指令を生成する指令生成部と、前記モータの回転方向に応じて前記位置指令への補正信号の位相を変更する位相変更部と、前記ロボットの負荷重量に基づいて前記位置指令への補正信号の振幅を変更する振幅変更部と、前記位相変更部および振幅変更部がそれぞれ変更した補正信号の位相と振幅に基づいて前記減速機の角度伝達誤差に起因する振動を打ち消す補正信号を生成する信号生成部と、前記信号生成部が生成した補正信号を前記位置指令に加える出力部と、を備
えた制御装置と、を備えたことを特徴とするものである。
また、本発明は、前記出力部は、前記モータの回転方向に変化があったときに、前記補正信号を保持することを特徴とするものである。
また、本発明は、前記出力部は、前記位置指令が所定の位相分変化するまで前記補正信号を保持することを特徴とするものである。
また、本発明は、前記位相変更部は、前記補正信号の位相を予め同定された位相に変更することを特徴とするものである。
また、本発明は、前記振幅変更部は、予め同定された負荷重量と補正信号の振幅との関係から、前記補正信号の振幅を変更することを特徴とするものである。
また、本発明は、前記制御装置に接続される教示装置を備え、前記教示装置は、前記位相変更部に対し前記補正信号の位相を設定する第１設定部を備えることを特徴とするものである。
また、本発明は、前記制御装置に接続される教示装置を備え、前記教示装置は、前記振幅変更部に対し前記負荷重量を設定する第２設定部を備えることを特徴とするものである。
また、本発明は、前記制御装置は、前記モータの回転方向を監視する監視部を備えることを特徴とするものである。
また、本発明は、減速機を介してモータによって関節が駆動されるロボットの位置指令を生成する指令生成部と、前記モータの回転方向に応じて前記位置指令への補正信号の位相を変更する位相変更部と、前記ロボットの負荷重量に基づいて前記位置指令への補正信号の振幅を変更する振幅変更部と、前記位相変更部および振幅変更部がそれぞれ変更した補正信号の位相と振幅に基づいて前記減速機の角度伝達誤差に起因する振動を打ち消す補正信号を生成する信号生成部と、前記信号生成部が生成した補正信号を前記位置指令に加える出力部と、を備えたことを特徴とするものである。
また、本発明は、前記出力部は、前記モータの回転方向に変化があったときに、前記補正信号を保持することを特徴とするものである。
また、本発明は、前記出力部は、前記位置指令が所定の位相分変化するまで前記補正信号を保持することを特徴とするものである。
また、本発明は、前記位相変更部は、前記補正信号の位相を予め同定された位相に変更することを特徴とするものである。
また、本発明は、前記振幅変更部は、予め同定された負荷重量と補正信号の振幅との関係から、前記補正信号の振幅を変更することを特徴とするものである。
また、本発明は、前記位相変更部に対し前記補正信号の位相を設定する第１設定部を備えた教示装置が接続されることを特徴とするものである。
また、本発明は、前記振幅変更部に対し前記負荷重量を設定する第２設定部を備えた教示装置が接続されることを特徴とするものである。
また、本発明は、前記モータの回転方向を監視する監視部を備えることを特徴とするものである。

本発明によると、モータの軸反転後に、補正量を保持する範囲を設けた上で、補正信号の位相を変更することで、滑らかな指令位置の変化の下、モータ回転方向に因らず、最適な補正信号を用いて減速機角度伝達誤差の補正を行うことができ、ロボットの軌跡精度を向上させることができる。
また、負荷重量によって補正信号の振幅を変更し、負荷重量に因らず、最適な補正信号を用いて減速機角度伝達誤差の補正を行うことができ、ロボットの軌跡精度を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の第１実施例を示すシステム構成図である。図２は、ロボット制御装置５の詳細を示すブロック図である。なお、図１のロボット座標系７は、ロボット本体に固定された座標系でロボットを動作させる際の基準座標系である。ロボット１の前後方向にX軸、左右方向にY軸、上下方向にZ軸が設けられている。

ロボット１は、一般的な６軸の産業用ロボットである。ただし、本発明は一般的な６軸の産業用ロボットに限らず、任意のロボットについて実施できる。
距離計測センサ（位置計測器）２は、ロボット１の手先位置を計測するための反射型レーザ距離計測センサである。
反射板３は、反射型レーザ距離計測センサが出力するレーザを反射して、Z方向の手先位置を計測するための部材である。
オシロスコープ４は、補正パラメータ同定時に用いるものである。
負荷１５は、ロボットアーム１４の手先に設けられている。
教示装置６は、補正パラメータを設定するための装置である。ここで、補正パラメータとは、補正信号の振幅A（以下、単に「振幅A」という。）および補正信号の位相Δθ（以下、単に「位相Δθ」という。）をいう。教示装置６には、事前に同定した補正パラメータを設定するための位相設定部（第１設定部）２０が設けられている。また、教示装置６には、負荷１５の重量を設定するための負荷重量設定部（第２設定部）２６が設けられている。
１１は、モータである。ロボット１のロボットアーム１４は、モータ１１によって、減速機１３を介して駆動される。
１２は、モータ１１の回転角度検出のためのエンコーダである。

５は、ロボット制御装置である。このロボット制御装置５は、指令生成部５３、補正信号生成部５４、角度検出部５１、角速度検出部５５、およびサーボ制御部５２を備えている。
指令生成部５３は、教示装置６から入力された教示データに基づいて、モータの指令（位置指令ベース信号θrb）を生成する。

補正信号生成部５４は、図２に示すように、モータ回転方向監視部２１、振幅変更部２２、位相変更部２３、正弦波生成部２４、補正量保持ON・OFF切替部２５を備えている。
モータ回転方向監視部（監視部）２１は、角速度検出部５５が出力する角速度信号の正負によりモータ反転の有無を監視する。このモータ反転の有無の情報は、位相変更部２３に出力される。
振幅変更部２２は、負荷重量設定部２６により設定された負荷１５の重量に応じて振幅Aを変更する。
位相変更部２３は、モータ回転方向監視部２１により検出されたモータ回転方向に応じて、位相Δθを変更する。この位相Δθは、位相設定部２０から設定される。
正弦波生成部（信号生成部）２４は、減速機の角度伝達誤差により発生するうねり（振動）を打ち消す補正信号θcomを算出する。補正信号θcomは、補正式(1)で求められる。

式(1)中、nは角度伝達誤差の発生周期である。この角度伝達誤差の発生周期は、例えばRV減速機の場合、一つの減速機にRVギア２枚が逆位相で付いているため、噛合うピン数の２倍となる。また、例えば、ハーモニック減速機の場合、モータ１回転あたり２周期であることが知られている。
振幅A、位相Δθは、それぞれ振幅変更部２２および位相変更部２３から変更されるものである。また、振幅A、位相Δθは、予め同定されたものである。この同定手順については後述する。
この補正信号θcomは、位置指令ベース信号θrｂに加算され、指令信号θrefとなる。この指令信号θrefは、減速機角度伝達誤差が補正された指令信号である。ただし、補正信号θcomは、ロボット１が有する複数の軸のうち、重力方向のうねりに影響を与える特定の軸についてのみ算出される。式(1)中、右肩の添え字ｉは、この特定の軸を表している。特定の軸は、１つに限らず、ロボットアームの構成によっては複数存在することもある。

補正量保持ON・OFF切替部（出力部）２５は、モータの回転方向の変化を監視し、変化があったときに、出力する補正信号θcomを保持する。詳細は後述するが、モータの回転が反転したときに、モータ回転に大きな変動が生じてしまうのを防止するものである。
角度検出部５１は、エンコーダ１２が出力する信号が入力され、モータ回転角度を検出し、モータ回転角度信号θfbを出力する。
角速度検出部５５は、角度検出部５１が出力するモータ回転角度を微分して、モータの回転角速度を検出し、出力する。この角速度は、モータ回転方向監視部２１に入力される。
サーボ制御部５２は、指令信号θrefとモータ回転角度信号θfbの差分に基づいて、モータを駆動するための電流を出力する。

図３は、補正パラメータの同定手順を示すフローチャートである。以下、モータ１１の回転方向、負荷１５の重量に因らず、減速機角度伝達誤差を補正するための補正パラメータの同定を行う手順S３１〜S３５について説明する。
なお、補正パラメータである位相Δθを更に２つの補正パラメータに分けて定義する。第１のパラメータは、モータ１１を正回転させて同定したときの位相Δθ＋である。第２のパラメータは、モータ１１を負回転させて同定したときの位相Δθ−である。
(S３１)モータ１１を正回転させ、振幅Aの同定を行う。負荷１５は取付けず、振幅Aを変化させ、補正した手先軌跡の最大うねり幅が最小になるような振幅Aを求める。手先軌跡は反射型レーザ距離計測センサで測定し、オシロスコープでZ方向の最大うねり幅を求める。
なお、本手順においては、モータを負回転させて振幅Aを同定しても良い。
(S３２)モータ１１を正回転させ、補正式の位相Δθ＋の同定を行う。位相Δθ＋の値は、振幅Aと同様に負荷を取付けず、補正した手先軌跡のZ方向の最大うねりが最小になる値を探索して求める。
(S３３)モータ１１を負回転させ、補正式の位相Δθ−の同定を行う。位相Δθ−の値は、振幅Aと同様に負荷を取付けず、補正した手先軌跡のうねりが最小になる値を探索して求める。
(S３４)負荷１５の重量Gと振幅Aの関係を求める。負荷重量Gを何通りか変え、ステップS３１と同様の方法で、そのときの振幅Aを同定する。同定した負荷重量Gと振幅Aの関係から、負荷重量Gと振幅Aの関係式を最小二乗法により求める。
(S３５)補正パラメータ(Δθ＋、Δθ−)を教示装置６の位相設定部２０により設定する。また、付加重量Gを教示装置６の負荷重量設定部２６により設定する。

以上説明したように、補正式（１）に基づいて補正信号θcomを求めることで、うねりを打ち消すことができる。
しかし、モータ１１の回転が一定方向に回転している場合には問題とならないが、反転した場合に、指令信号θrefが大きく変動してしまい、モータ１１を滑らかに回転させることができなくなる。
そこで、図４のフローチャートに示すように、補正処理手順S４０〜S４８を行う。以下、手順ごとに説明する。
(S４０) モータ１１の動作を開始する。
(S４１)操作者が教示したJOBが終了するまでは、モータ１１は動作中とし、補正処理は継続する。
(S４２)モータ１１が動作中である場合には、モータ回転方向監視部２１によりモータ回転方向の変化を監視する。
(S４３)モータ１１の軸反転時に補正量保持ON・OFF切替部２５により補正量保持フラグをONにする。同時に、補正量保持ON・OFF切替部２５は、補正信号θcomを保持する。補正量保持ON・OFF切替部２５は、保持した補正信号θcomを出力する。

（S４４〜S４８）
モータ１１の回転方向が正から負に変化(S４４)した場合、位置指令ベース信号θrbが正回転時の補正信号θcomと負回転時の補正信号θcomとの位相の差Δφ(Δθ＋とΔθ−の差)変化するまでは補正信号θcomを保持しておく(S４５)。位置指令ベース信号θrbがΔφ動いたら位相Δθを負方向適正値Δθ−に変更し、補正量保持フラグをOFFにする(S４６)。
一方、モータ１１の回転方向が負から正に変化(S４４)した場合、位置指令ベース信号θrbが−Δφ動くまでは補正信号θcomを保持しておく(S４７)。位置指令ベース信号θrbが−Δφ動いたら位相Δθを位相Δθ＋に変更し、補正量保持フラグをOFFにする(S４８)。
本手順を、動作が停止(S４１)するまで続ける。

図５は、モータの軸反転時の補正信号を示すグラフである。図５に基づいて、モータ１１の軸反転時の状況を説明する。図の横軸は位置指令ベース信号θrbである。縦軸は、補正信号θcomである。実線はモータ１１が正回転しているときの補正信号θcomを表している。点線は、モータ１１が負回転しているときの補正信号θcomを表している。
図５の(a)に、モータ１１の軸反転と同時に位相Δθを変更したときの補正の状況を示す。軸反転と同時に位相を変更すると補正信号θcomが大きく変動する。その結果、指令信号θrefが大きく変動する。
図５の(b)に、モータ１１の軸反転後、補正量を保持する範囲を設けた後に位相Δθを変更したときの補正状況を示す。軸反転時からモータ１１の指令位置が正回転時の補正信号θcomと負回転時の補正信号θcomとの位相の差Δφ動いてから、位相Δθを変更した補正信号θcomにより補正を行う。
このように、補正量保持ON・OFF切替部２５が、モータ１１の軸反転後に補正量を保持する範囲を設けることによって、滑らかな指令位置の変化で補正できる。これにより滑らかな指令位置の変化の下、モータ１１の回転方向に因らず補正することができる。

以上説明したように、本発明は、調整時にモータ１１の両回転方向で補正パラメータ同定を行い、モータ１１の軸反転後に補正量を保持する範囲を設けた上で、位相Δθを変更するという手順をとる。従って、滑らかな指令位置の変化の下、モータの回転方向に因らず、最適な補正信号を用いて減速機角度伝達誤差を補正することができる。また、負荷１５の重量に応じて振幅A補正信号の振幅を変更し、負荷重量に因らず、補正することができる。

なお、上記実施例においては、Ｚ方向について補正を行っているが、ＸまたはＹ方向について補正することも容易にできる。さらには、これらＸ、Ｙ、Ｚ方向について同時に補正しても良い。
また、距離計測センサは、アームの位置を計測できるものであれば任意のものでよい。例えば、超音波センサとすることができる。

本発明の第１実施例のロボットシステムを示す構成図 本発明の第１実施例のロボット制御装置５の詳細を示すブロック図 第１実施例の補正パラメータの同定手順を示すフローチャート 第１実施例の補正処理手順を示すフローチャート モータの軸反転時の補正信号を示すグラフ 従来のロボットシステムを示すブロック図 角度伝達誤差の説明図

符号の説明

１ ロボット
２ 距離計測センサ（位置計測器）
３ 反射板
４ オシロスコープ
５ ロボット制御装置
５１ 角度検出部
５２ サーボ制御部
５３ 指令生成部
５４ 補正信号生成部
５５ 角速度検出部
６ 教示装置
７ ロボット座標系
１１ モータ
１２ エンコーダ
１３ 減速機
１４ ロボットアーム
１５ 負荷
２０ 位相設定部（第１設定部）
２１ モータ回転方向監視部（監視部）
２２ 振幅変更部
２３ 位相変更部
２４ 正弦波生成部（信号生成部）
２５ 補正量保持ON・OFF切替部（出力部）
２６ 負荷重量設定部（第２設定部）

Claims (10)

1. 減速機を介してモータによって関節が駆動されるロボットと、
   前記ロボットを制御する制御装置であって、
   前記ロボットの位置指令を生成する指令生成部と、
   前記モータの回転方向を監視する監視部と、
   前記位置指令へ加算される補正信号の位相を前記監視部によって検出される前記モータの回転方向に応じて、前記モータが正回転する場合と負回転する場合とで変更する位相変更部と、
   前記位置指令へ加算される補正信号の振幅を前記ロボットの負荷重量に基づいて変更する振幅変更部と、
   前記位相変更部および振幅変更部がそれぞれ変更した補正信号の位相と振幅に基づいて前記減速機の角度伝達誤差に起因する振動を打ち消す補正信号を生成する信号生成部と、
   前記信号生成部が生成した補正信号を前記位置指令に加算する出力部と、
   を備えた制御装置と、
   を備え、
   前記出力部は、
   前記監視部によって前記モータの回転方向の反転が検出されてから、前記位置指令の位相が、前記モータが正回転する場合の前記補正信号の位相と前記モータが負回転する場合の前記補正信号の位相との差分だけ変化するまでの期間、前記位相変更部によって位相が変更される前の前記補正信号を前記位置指令へ加算し、その後、前記位相変更部によって位相が変更された後の前記補正信号を前記位置指令へ加算する
   ことを特徴とするロボットシステム。
2. 前記位相変更部は、前記補正信号の位相を予め同定された位相に変更することを特徴とする請求項１記載のロボットシステム。
3. 前記振幅変更部は、予め同定された負荷重量と補正信号の振幅との関係から、前記補正信号の振幅を変更することを特徴とする請求項１または２記載のロボットシステム。
4. 前記制御装置に接続される教示装置を備え、
   前記教示装置は、前記位相変更部に対し前記補正信号の位相を設定する第１設定部を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のロボットシステム。
5. 前記制御装置に接続される教示装置を備え、
   前記教示装置は、前記振幅変更部に対し前記負荷重量を設定する第２設定部を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のロボットシステム。
6. 減速機を介してモータによって関節が駆動されるロボットの位置指令を生成する指令生成部と、
   前記モータの回転方向を監視する監視部と、
   前記位置指令へ加算される補正信号の位相を前記監視部によって検出される前記モータの回転方向に応じて、前記モータが正回転する場合と負回転する場合とで変更する位相変更部と、
   前記位置指令へ加算される補正信号の振幅を前記ロボットの負荷重量に基づいて変更する振幅変更部と、
   前記位相変更部および振幅変更部がそれぞれ変更した補正信号の位相と振幅に基づいて前記減速機の角度伝達誤差に起因する振動を打ち消す補正信号を生成する信号生成部と、
   前記信号生成部が生成した補正信号を前記位置指令に加算する出力部と、
   を備え、
   前記出力部は、
   前記監視部によって前記モータの回転方向の反転が検出されてから、前記位置指令の位相が前記モータが正回転する場合の前記補正信号の位相と前記モータが負回転する場合の前記補正信号の位相との差分だけ変化するまでの期間、前記位相変更部によって位相が変更される前の前記補正信号を前記位置指令へ加算し、その後、前記位相変更部によって位相が変更された後の前記補正信号を前記位置指令へ加算する
   ことを特徴とするロボット制御装置。
7. 前記位相変更部は、前記補正信号の位相を予め同定された位相に変更することを特徴とする請求項６記載のロボット制御装置。
8. 前記振幅変更部は、予め同定された負荷重量と補正信号の振幅との関係から、前記補正信号の振幅を変更することを特徴とする請求項６または７記載のロボット制御装置。
9. 前記位相変更部に対し前記補正信号の位相を設定する第１設定部を備えた教示装置が接続されることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項記載のロボット制御装置。
10. 前記振幅変更部に対し前記負荷重量を設定する第２設定部を備えた教示装置が接続されることを特徴とする請求項６乃至９のいずれか１項記載のロボット制御装置。