JP5482742B2 - ロボットの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ロボットの製造方法に関する。
従来、多関節アームを備え、かかる多関節アームの終端可動部が有するエンドエフェクタを用いて、種々の作業を行うロボットが知られている。かかるロボットは、たとえば、エンドエフェクタとしてレーザーヘッドなどを備えた場合、作業対象物のレーザー切断やレーザー溶着といった作業を行うことができる。
なお、かかるレーザーヘッドなどを用いた作業においては、レーザーが描く直線や円弧といったいわゆる「軌跡」の精度が高くなるように多関節アームを制御することが一般的である。
たとえば、特許文献1には、検出した実際の多関節アームの位置や姿勢と、目標である位置や姿勢との誤差から制御目標値(以下、「制御ゲイン」と記載する)を算出し、かかる制御ゲインを用いて多関節アームの位置や姿勢を補正する、いわゆるフィードバック制御を用いた手法が開示されている。
特開2003−71760号公報
しかしながら、特許文献1のような手法を用いた場合、たとえば、高精度な軌跡を高い移動速度で得るために制御ゲインを増加させるようなケースには、アームの振動を招き、かえって軌跡の精度を悪化させる可能性があるという問題があった。
すなわち、従来の技術では、軌跡の高精度化と移動速度の高速化とを両立させづらかった。
開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであって、軌跡の高精度化と移動速度の高速化とを両立させることができるロボットの製造方法を提供することを目的とする。
願の開示するロボットの製造方法は、一つの態様において、多関節アームを備えるロボットの製造方法であって、前記多関節アームの関節に設けられる前記減速機および前記モータを選定する選定工程と、前記選定工程において選定された前記減速機および前記モータを用いた場合の前記多関節アームにおける所定の代表位置のたわみ量のうち3次元座標系の第一の座標軸についての前記たわみ量を第一の取得値として取得し、前記3次元座標系の第二の座標軸についての前記たわみ量を第二の取得値として取得する取得工程と、前記取得工程において取得された前記第一の取得値と第一の閾値とを比較し、前記減速機が前記多関節アームの目標精度に対応したモーメント剛性を有するか否かを検証し、かつ前記第二の取得値と第二の閾値とを比較し、前記減速機が前記目標精度に対応したねじり剛性を有するか否かを検証する検証工程とを含み、前記多関節アームの先端部に近い前記関節のものから順に前記選定工程、前記取得工程、及び前記検証工程を実行することを特徴とする。
本願の開示するロボットの製造方法の一つの態様によれば、軌跡の高精度化と移動速度の高速化とを両立させることができる。
図1は、実施例に係るロボットの構成を示す側面図である。 図2は、多関節アームの動きを示す模式図である。 図3Aは、点Pにおけるたわみ量の方向成分ごとの閾値の一例を示す図である。 図3Bは、各減速機の剛性を方向成分ごとに示す図である。 図3Cは、各モータの選定条件の一例を示す図である。 図4Aは、各減速機および各モータの選定順序を示す第1の図である。 図4Bは、各減速機および各モータの選定順序を示す第2の図である。 図4Cは、各減速機および各モータの選定順序を示す第3の図である。 図5は、多関節アームのたわみ角と目標精度との対応関係を示す図である。 図6Aは、第3アーム部の第1のオフセットを示す図である。 図6Bは、第3アーム部の第2のオフセットを示す図である。
以下、添付図面を参照して、本願の開示するロボットおよびロボットの製造方法の実施例を詳細に説明する。なお、以下に示す実施例における例示で本発明が限定されるものではない。
まず、実施例に係るロボットの構成について、図1を用いて説明する。図1は、実施例に係るロボット10の構成を示す側面図である。なお、図1には、説明を分かりやすくするために、鉛直上向きを正方向とするZ軸を含む3次元の直交座標系を図示している。かかる直交座標系は、以下の説明において用いる他の図面でも示す場合がある。
図1に示すように、ロボット10は、第1アーム部11と、第2アーム部12と、第3アーム部13と、基台14とを備える。第1アーム部11は、基端部が第2アーム部12によって支持され、先端部においてエンドエフェクタ(図示せず)を支持する。
第2アーム部12は、基端部が第3アーム部13によって支持され、先端部において第1アーム部11を支持する。第3アーム部13は、基端部が基台14によって支持され、先端部において第2アーム部12を支持する。基台14は、床などの設置面に固定される。
ここで、第1アーム部11と第2アーム部12とは、第1関節部11aを介して連結されている。第1関節部11aには、図示しない第1減速機および第1モータが設けられており、かかる第1減速機および第1モータの駆動によって、第1アーム部11がY軸に平行な軸Uまわりに回転する。
また、第2アーム部12と第3アーム部13とは、第2関節部12aを介して連結されている。第2関節部12aには、図示しない第2減速機および第2モータが設けられており、かかる第2減速機および第2モータの駆動によって、第2アーム部12がY軸に平行な軸Lまわりに回転する。
また、第3アーム部13と基台14とは、第3関節部13aを介して連結されている。第3関節部13aには、図示しない第3減速機および第3モータが設けられており、かかる第3減速機および第3モータの駆動によって、第3アーム部13がZ軸に平行な軸Sまわりに回転する。
このように、実施例に係るロボット10は、複数の関節部を介して連結されたアーム、いわゆる多関節アームを備えている。なお、かかる多関節アームは、他にもX軸に平行な軸Rまわりに回転する関節部や、Y軸に平行な軸Bまわりに回転する関節部などを有するが、本実施例では、主に、上述の第1関節部11a、第2関節部12aおよび第3関節部13aを例に挙げて説明を行う。
また、図1に示すように、本実施例では、上述の軸Rと軸Bとの交点を特に点Pと定義し、かかる点Pが、ロボット10の多関節アームにおける所定の代表位置を示すものとする。
そして、実施例に係るロボット10では、かかる点Pについて示される、3次元座標系の各次元におけるたわみ量それぞれが、多関節アームの目標精度に対応した閾値以下となる剛性を有する第1減速機、第2減速機および第3減速機を選定し、備えることとした。
また、実施例に係るロボット10では、選定された第1減速機、第2減速機および第3減速機のそれぞれに対応した第1モータ、第2モータおよび第3モータを選定し、備えることとした。
なお、図示しないが、多関節アームの各関節部に対して、各減速機および各モータのみの取り替えを可能とする装着部を設けることとしてもよい。かかる装着部を設けた場合、各アーム部の取り替えを行うことなく、各減速機および各モータの選定のみによって容易に前述のたわみ量を調整することができる。すなわち、専用設計を行う手間を省くことができる。
以下、かかる装着部の有無に関わらず、各減速機および各モータのみを選定してゆく場合の選定手法について具体的に述べることとする。各アーム部については、特に、軽量化の観点からみた場合について図6Aおよび図6Bを用いて後述する。
図2は、多関節アームの動きを示す模式図である。なお、以下では、図2に示すように、第1アーム部11がX軸に平行に、第2アーム部12、および、第3アーム部13の両端部がZ軸に平行に、それぞれ保たれている多関節アームの姿勢を「基準姿勢」として説明する。
図2に示すように、第1関節部11aは、先端部においてエンドエフェクタEを支持する第1アーム部11を軸Uまわりに回転させる(図中の矢印200参照)。また、第2関節部12aは、第2アーム部12を軸Lまわりに回転させる(図中の矢印300参照)。また、第3関節部13aは、第3アーム部13を軸Sまわりに回転させる(図中の矢印400参照)。
ここで、第1アーム部11、第2アーム部12および第3アーム部13をそれぞれ回転させるために、第1関節部11aに設けられる第1減速機、第2関節部12aに設けられる第2減速機、および、第3関節部13aに設けられる第3減速機は、従来、それぞれ重力モーメントに対する剛性を重視して選定されることが多かった。
したがって、点Pにおけるたわみ量は、主に図中のZ方向の成分について解析され、かかるZ方向に対する剛性を重視した各減速機の選定が行われていた。
しかしながら、実際のところ、第1関節部11a、第2関節部12aおよび第3関節部13aは、それぞれ個別の方向の回転軸を有するため、Z方向だけでなく、各回転軸が示す方向からモーメントが加わった場合の各回転軸自体のぶれに対する剛性なども考慮した各減速機の選定が行われることが好ましい。
そこで、実施例に係るロボット10の各減速機および各モータの選定手法においては、点Pにおけるたわみ量をZ方向成分だけでなく3次元の3方向成分について取得し、解析することとした。
そして、各減速機は、取得したたわみ量の3方向成分のそれぞれが、多関節アームの目標精度に対応した閾値以下となる剛性を有するものを選定することとした。
かかる剛性は、特に、第1関節部11a、第2関節部12aおよび第3関節部13aの各回転軸自体のぶれに対する剛性である「モーメント剛性」と、かかる各回転軸を中心とした回転方向へのねじりに対する剛性である「ねじり剛性」とを含む。
また、各モータは、負荷側の慣性モーメントを「負荷イナーシャ」と、モータ側の慣性モーメントを「モータイナーシャ」と定義した場合に、選定された各減速機をそれぞれ負荷として含んだときの負荷イナーシャと略同一のモータイナーシャを有するものを選定することとした。
なお、図2に示すように、基準姿勢からみた場合、第1関節部11aは、第1アーム部11をZ軸へ向けて回転させるので、かかる回転の回転軸である軸Uは、多関節アームのZ方向へのたわみに大きく関わるといえる。
また、同じく基準姿勢からみた場合、第2関節部12aは、第2アーム部12をX軸へ向けて回転させるので、かかる回転の回転軸である軸Lは、多関節アームのX方向へのたわみに大きく関わるといえる。
また、同じく基準姿勢からみた場合、第3関節部13aは、第3アーム部13をY軸へ向けて回転させるので、かかる回転の回転軸である軸Sは、多関節アームのY方向へのたわみに大きく関わるといえる。
これら各回転軸とXYZ方向との関わりは、後述するたわみ角の目標精度に影響してくる。かかる点については、図5を用いて後述する。
以下、実施例に係るロボット10の各減速機および各モータの選定手法について、図3A〜図5を用いてさらに詳細に説明する。まず、図3A〜図3Cを用いて、各減速機および各モータの選定条件について説明する。図3Aは、点Pにおけるたわみ量の方向成分ごとの上限閾値の一例を示す図である。
図2を用いて既に示したように、実施例に係るロボット10は、Y方向を示す回転軸である軸Uおよび軸Lと、Z方向を示す軸Sとを有している。このため、実施例に係るロボット10の各減速機の選定にあたっては、かかるY方向およびZ方向を基準方向とする。そこで、以下では、かかるY方向およびZ方向を中心に説明を進める。
図3Aに示すように、実施例に係るロボット10の各減速機および各モータの選定手法においては、点Pにおけるたわみ量の上限閾値を方向成分ごとに設ける。
たとえば、図3Aには、たわみ量が、所定の基準位置からの変位角度であるたわみ角(図中の(deg)参照)であらわされ、かかるたわみ角のY方向における上限閾値がaであり、Z方向における上限閾値がbである場合を示している。
すなわち、各減速機は、かかる上限閾値aおよび上限閾値bによって定まるたわみ角の許容範囲に、点Pのたわみ角を収められる剛性を有するか否かによって選定されることとなる。
なお、かかる許容範囲を、「目標精度」と言い換えてもよい。また、以下では、点Pのたわみ角が許容範囲に収まる(すなわち、たわみ角が、上限閾値aおよび上限閾値b以下である)ことを、「目標精度を満たす」と記載する場合がある。
つづいて、図3Bは、各減速機の剛性を方向成分ごとに示す図である。図3Bに示すように、第1関節部11a(図2参照)に設けられる第1減速機は、Y方向を示す軸Uを回転軸としているため、Y方向についてはモーメント剛性が、Z方向についてはねじり剛性(具体的にはバネ定数)がそれぞれ検討され、目標精度を満たせるものが選定される。
この点は、図3Bに示すように、Y方向を示す軸Lを回転軸とする第2関節部12a(図2参照)の第2減速機についても同様である。
また、図3Bに示すように、第3関節部13a(図2参照)に設けられる第3減速機は、Z方向を示す軸Sを回転軸としているため、Y方向についてはねじり剛性が、Z方向についてはモーメント剛性がそれぞれ検討され、目標精度を満たせるものが選定される。
なお、目標精度を満たせるか否かの判定は、特に手法を問うものではない。したがって、シミュレーションによる手法を用いてもよいし、実測値から判定する手法を用いてもよい。
つづいて、図3Cは、各モータの選定条件の一例を示す図である。図3Cに示すように、各モータは、モータイナーシャと負荷イナーシャとの比であるイナーシャ比を、選定条件の1つとすることができる。
たとえば、図3Cには、第1関節部11a(図2参照)に設けられる第1モータ、第2関節部12a(図2参照)に設けられる第2モータ、および、第3関節部13a(図2参照)に設けられる第3モータのそれぞれのイナーシャ比が「1:1」である例を示している。
かかる場合、各モータは、選定された各減速機をそれぞれ負荷として含んだ場合に、イナーシャ比が「1:1」に可能な限り近い、すなわち、負荷イナーシャと略同一のモータイナーシャを有するものが選定される。
なお、このように、モータイナーシャと負荷イナーシャとを略同一とすることによって、慣性による影響を排除し、モータ側と負荷側との動きを精緻に連動させることができるので、多関節アームの制御性や応答性を向上させることができる。すなわち、多関節アームの移動速度を高速化することができる。
次に、図4A〜図4Cを用いて、各減速機および各モータの選定順序について説明する。図4Aは、各減速機および各モータの選定順序を示す第1の図であり、図4Bは、各減速機および各モータの選定順序を示す第2の図であり、図4Cは、各減速機および各モータの選定順序を示す第3の図である。
まず、図4Aに示すように、第1関節部11aの第1減速機および第1モータが選定対象となる。そして、その中でも、第1減速機が第1モータに先行して選定される。第1減速機は、図3Bを用いて既に述べたように、目標精度を満たす、Y方向についてのモーメント剛性と、Z方向についてのねじり剛性とをそれぞれ有するものが選定される。
そして、選定された第1減速機に応じて、第1モータが選定される。第1モータは、図3Cを用いて既に述べたように、負荷イナーシャと略同一のモータイナーシャを有するものが選定される。
なお、このとき、第1モータの負荷として含まれるのは、図4Aの破線の矩形101に囲まれたエンドエフェクタEおよび第1アーム部11と、先行して選定された第1減速機である。
そして、選定された第1減速機および第1モータは、一旦その有効性を検証される。ここで、図5を用いて、かかる有効性の検証の一例について説明しておく。図5は、多関節アームのたわみ角と目標精度との対応関係を示す図である。
なお、説明を分かりやすくするために、図5は、XYZ軸の3次元座標系をX軸の正方向からみた場合を示している。すなわち、ここでは、YZ軸の2次元分について主に説明する。
また、図5を用いた説明の前提条件として、選定された第1減速機および第1モータの組み合わせが3種類あるものとし、1組目を第1候補と、2組目を第2候補と、3組目を第3候補と、それぞれ記載する。
また、第1候補を用いた場合に取得される点Pにおけるたわみ角をPとする。同様に、第2候補を用いた場合をPと、第3候補を用いた場合をPとする。なお、これらのたわみ角は、シミュレーションや実測などによって取得済みであるものとする。また、たわみ角の所定の基準位置は、XYZ軸の交点である。
図5に示すように、たわみ角のY方向およびZ方向における上限閾値がそれぞれaおよびbである場合、たわみ角の目標精度は、破線104とYZ軸とで囲まれた範囲としてあらわすことができる。
ここで、図5に示すように、第1候補のたわみ角Pは、かかる目標精度の外にあるので、第1候補は、最終的な選定から外される。仮に、選定されていた第1減速機および第1モータの組み合わせが第1候補のみであった場合、図4Aを用いて説明した手順に戻ることとなる。
一方、第2候補のたわみ角Pおよび第3候補のたわみ角Pは、目標精度の内にあるので、第2候補および第3候補のいずれをも、最終的な選定対象とすることができる。
なお、図5に示すように、第2候補のたわみ角Pは、所定の基準位置から相対的に遠く、第3候補のたわみ角Pは、所定の基準位置から相対的に近い。このような場合に、第2候補および第3候補のいずれか1つを最終的に選定するにあたって、たとえば、次に説明するような手法を用いてもよい。
具体的には、図2を用いた説明で既に述べたように、第1関節部11aの回転軸である軸U(図2参照)は多関節アームのZ方向へのたわみに大きく関わるが、かかる関わりの度合いによって、第2候補および第3候補のいずれかを選定することができる。
たとえば、Z方向へのたわみがほぼすべて軸Uの影響によるような場合、図5に示すように、軸Uを含む第1関節部11aについて少なくとも上限閾値bを下回ればZ方向へのたわみを解消することができるので、たわみ角Pが所定の基準位置から遠くとも、第2候補を選ぶことができる。
一方、Z方向へのたわみが軸Uだけでなく、軸Lおよび軸Sといった他の要素を含む複合的な影響による場合、図5に示すように、より所定の基準位置に近いたわみ角Pを示す第3候補を選ぶことが好ましい。
このように、選定された第1減速機および第1モータの有効性を検証することによって、多関節アームの軌跡の高精度化を図ることができる。
なお、かかる検証手法は、第1減速機および第1モータだけでなく、第2減速機および第2モータ、第3減速機および第3モータがそれぞれ選定された場合に適用できることは言うまでもない。無論、すべての減速機およびすべてのモータを一括して選定した場合の総合的な検証にも適用することができる。
図4A〜図4Cを用いた説明に戻る。図4Aに示した第1関節部11aの第1減速機および第1モータの選定につづいて、図4Bに示す第2関節部12aの第2減速機および第2モータが選定対象となる。
そして、その中でも、第2減速機が第2モータに先行して選定される。第2減速機は、図3Bを用いて既に述べたように、目標精度を満たす、Y方向についてのモーメント剛性と、Z方向についてのねじり剛性とをそれぞれ有するものが選定される。
そして、選定された第2減速機に応じて、第2モータが選定される。第2モータは、図3Cを用いて既に述べたように、負荷イナーシャと略同一のモータイナーシャを有するものが選定される。
なお、このとき、第2モータの負荷として含まれるのは、図4Bの破線の矩形102に囲まれた部分の、エンドエフェクタE、第1アーム部11、第1関節部11aおよび第2アーム部12と、先行して選定された第2減速機である。
そして、選定された第2減速機および第2モータは、第1減速機および第1モータの場合と同様に(図5参照)、その有効性を検証されることとなる。
第3関節部13aの第3減速機および第3モータについても同様である。図4Cに示すように、第3関節部13aの第3減速機および第3モータが次の選定対象となり、その中でも、第3減速機が第3モータに先行して選定される。
第3減速機は、目標精度を満たす、Y方向についてのねじり剛性と、Z方向についてのモーメント剛性とをそれぞれ有するものが選定される(図3B参照)。
そして、選定された第3減速機に応じて、第3モータが選定される。第3モータについても、負荷イナーシャと略同一のモータイナーシャを有するものが選定される(図3C参照)。
なお、このとき、第3モータの負荷として含まれるのは、図4Cの破線の矩形103に囲まれた部分の、エンドエフェクタE、第1アーム部11、第1関節部11a、第2アーム部12、第2関節部12aおよび第3アーム部13と、先行して選定された第3減速機である。
そして、選定された第3減速機および第3モータもまた、第1減速機および第1モータの場合と同様に(図5参照)、その有効性を検証されることとなる。このように、各減速機および各モータは、多関節アームの先端部から順に選定されてゆく。
なお、ここでは、関節部ごとに、各減速機および各モータを選定し、その都度有効性を検証する一例を示したが、手法を限定するものではない。たとえば、多関節アームの先端部から順に各減速機および各モータの選定のみを一括して行ったうえで、最後に総合的な有効性の検証を行ってもよい。
ところで、これまでは、主に各関節部に設けられる各減速機および各モータを適切に選定することによって、多関節アームの軌跡の高精度化と移動速度の高速化との両立を図る場合について述べてきたが、あわせて各アーム部を軽量化することとしてもよい。
かかる各アーム部の軽量化は、あわせて各減速機および各モータの軽量化を可能とし、かつ、負荷イナーシャの低減を容易にするといった利点を備えている。
ここで、各アーム部の軽量化に関連した各アーム部のオフセットについて、図6Aおよび図6Bを用いて説明する。図6Aは、第3アーム部13の第1のオフセットを示す図であり、図6Bは、第3アーム部13の第2のオフセットを示す図である。
図6Aに示すように、第1アーム部11のアーム長がL1であり、第3アーム部13のオフセットがL2であるものとする。ここで、第1関節部11aの高剛性化とあわせて第1アーム部11の軽量化が図られたものとする。
そして、かかる軽量化により、図6Bに示すように、第1アーム部11のアーム長が、アーム長L1よりも短いアーム長L1’になったものとする。かかる場合、多関節アームの可動範囲は、第1アーム部11が短くなったことにより狭められてしまう。
このとき、図6Bに示すように、たとえば、第3アーム部13のオフセットをオフセットL2よりも長いオフセットL2’へ延伸することによって、多関節アームの可動範囲を所定の可動範囲に保つことができる。
上述したように、実施例に係るロボットは、多関節アームと、かかる多関節アームの各関節部に設けられる減速機とを備え、かかる減速機は、上記の多関節アームにおける所定の代表位置のたわみ量を3次元座標系の各次元について取得した取得値それぞれが、上記の多関節アームの目標精度に対応した閾値以下となる剛性を有する。また、実施例に係るロボットは、上記の関節部に設けられるモータをさらに備え、かかるモータは、上記の減速機を負荷として含んだ場合に、負荷イナーシャと略同一のモータイナーシャを有する。
したがって、実施例に係るロボットによれば、軌跡の高精度化と移動速度の高速化とを両立させることができる。
ところで、上述した実施例では、基準方向を2方向とする場合を例に挙げて説明したが、これに限られるものではない。たとえば、多関節アームの各関節部の回転軸の方向が3方向にわたっていれば、基準方向を3方向としてもよい。したがって、多関節アームの構成は、上述した実施例に示したものに限られない。
また、上述した実施例では、多関節アームにおける所定の代表位置のたわみ量を3次元座標系の各次元について解析する例を示したが、これに限られるものではない。たとえば、3次元以上の多次元について解析することとしてもよい。
また、上述した実施例では、直交座標系を例に挙げて説明を行ったが、多方向成分を解析することが可能であれば、これに限られるものではない。
また、上述した実施例では、たわみ量を所定の基準位置からの変位角度であるたわみ角であらわす場合について説明したが、これに限られるものではなく、たとえば、所定の基準位置からの距離などに基づいてもよい。
さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施例に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。
10 ロボット
11 第1アーム部
11a 第1関節部
12 第2アーム部
12a 第2関節部
13 第3アーム部
13a 第3関節部
14 基台
E エンドエフェクタ
L 軸
S 軸
U 軸

Claims (2)

  1. 多関節アームを備えるロボットの製造方法であって、
    前記多関節アームの関節に設けられる減速機およびモータを選定する選定工程と、
    前記選定工程において選定された前記減速機および前記モータを用いた場合の前記多関節アームにおける所定の代表位置のたわみ量のうち3次元座標系の第一の座標軸についての前記たわみ量を第一の取得値として取得し、前記3次元座標系の第二の座標軸についての前記たわみ量を第二の取得値として取得する取得工程と、
    前記取得工程において取得された前記第一の取得値と第一の閾値とを比較し、前記減速機が前記多関節アームの目標精度に対応したモーメント剛性を有するか否かを検証し、かつ前記第二の取得値と第二の閾値とを比較し、前記減速機が前記目標精度に対応したねじり剛性を有するか否かを検証する検証工程と
    を含み、
    前記多関節アームの先端部に近い前記関節のものから順に前記選定工程、前記取得工程、及び前記検証工程を実行する
    ことを特徴とするロボットの製造方法。
  2. 前記選定工程は、
    前記減速機を負荷として含んだ場合に、前記負荷側の慣性モーメントと略同一の前記モータ側の慣性モーメントを有する前記モータを選定する
    ことを特徴とする請求項1に記載のロボットの製造方法。
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