JP5645423B2

JP5645423B2 - 回転駆動装置及びロボットアーム

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Publication number: JP5645423B2
Application number: JP2010037527A
Authority: JP
Inventors: 幹夫中杉
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2010-02-23
Filing date: 2010-02-23
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2030-02-23
Also published as: US20110204838A1; EP2361736A3; EP2361736A2; US8482242B2; EP2361736B1; JP2011176913A

Description

本発明はロボットアームのリンクやハンドなどの関節部を駆動する回転駆動装置、及び回転駆動装置を備えたロボットアームに関する。

従来、ロボットアームのリンクやハンドの駆動に用いられる回転駆動装置は、ＡＣもしくはＤＣのサーボモータを用い、高出力のトルクを得るためにモータの出力側に減速機を設け、被駆動体に接続されることが多い。近年、ロボットアームの必要な機能として高精度化・高速化・高出力化がより求められるようになっており、減速機を用いた回転駆動装置として、減速機の回転軸に対する原点位置を検出するものが提案されている（特許文献１参照）。また、ロボットアームの振動を抑圧するために減速機の出力側に取付けられたトルクセンサからの出力値に基づいてサーボモータのトルクを制御する制御構成が開示されている（特許文献２参照）。さらに、モータの回転軸と減速機の回転軸にそれぞれ回転速度検出手段を設け、減速機の回転軸の回転速度が設定速度になる回転駆動装置が開示されている（特許文献３参照）。

特開２００６−１４１１０１号公報特開平５−２５２７７９号公報特開２００３−１８８８０号公報

しかしながら、回転駆動装置は、減速機を介して被駆動体を回転駆動するので、減速機の回転軸に作用するトルクにより、減速機の内部機構が剛性不足で撓み変形やガタつきが生じることがある。この場合、モータの回転軸を目標の角度指令値に設定しても、減速機の回転軸に作用するトルクにより減速機の回転軸が回転方向にねじれることがある。このように減速機の回転軸が理想の位置からねじれによりずれてしまうと、上記従来の回転駆動装置では、高精度な位置決めが困難となる。したがって、ロボットアームにおいては、直進性などの動作精度を高めることが難しい。また、減速機の剛性不足により、減速機の回転軸側の振動を抑制できなくなり、静定時間が長くなりロボットアームの作業を開始するまでの時間が長くなる。

具体的に説明すると、上記従来の回転駆動装置のように、減速機の回転軸に原点センサを設けたとしても、原点位置のみの検出となるので、位置検出の分解能が不足し、高精度な位置決めをするには不充分である。また、上記従来の回転駆動装置のように、減速機の回転軸にトルクセンサを設けたとしても、減速機の回転軸を介して内部機構に作用するトルクによって、どれだけ内部機構の変形又はガタによる回転軸の回転位置ずれが生じるかは、検知することができない。したがって、減速機の回転軸を高精度に位置決めすることができない。更にまた、上記従来の回転駆動装置のように、モータの回転軸と減速機の回転軸の各回転速度を検出しても、減速機の回転軸に作用するトルクを検出するものではなく、また、減速機の回転軸の回転位置を検出するものでもない。そのため、減速機の回転軸を高精度に位置決めすることができない。

そこで、本発明は、減速機の回転軸の位置決め精度を高めると共に、トルク制御によってロボットアームの振動を抑制し、静定時間を短縮することができる回転駆動装置、及び回転駆動装置を備えたロボットアームを提供することにある。

また、本発明は、サーボモータと、前記サーボモータの回転軸の回転を遅い回転に変換する減速機と、電流指令値に基づいて前記サーボモータに電流を供給する電流制御部と、を備えた回転駆動装置において、前記減速機の回転軸の角度指令値を出力すると共に、第１の運転モード及び第２の運転モードのうち、いずれか一方の運転モードを選択するコントローラと、前記サーボモータの回転軸の回転角度を検出し、その検出結果を前記減速機の減速比で除算して得られる第１の回転角度値を出力する第１の角度検出部と、前記減速機の回転軸の回転角度を検出し、その検出結果である第２の回転角度値を出力する第２の角度検出部と、前記第１の運転モードが選択された場合に、前記第１の回転角度値と前記第２の回転角度値との角度差に前記減速機のねじり剛性を乗算して、前記減速機の回転軸に作用するトルク値を算出するトルク計算部と、前記第１の運転モードが選択された場合に、前記角度指令値と前記第２の回転角度値との差分に基づいて、前記第２の回転角度値を前記角度指令値に近づけるのに必要とするトルク指令値を生成する第１の角度制御部と、前記トルク指令値と前記トルク値との差分に基づいて、前記トルク値を前記トルク指令値に近づけるのに必要とする値の前記電流指令値を生成するトルク制御部と、前記第２の運転モードが選択された場合、前記角度指令値に、前記第２の角度検出部の分解能を前記第１の角度検出部の分解能で除した値を乗算して出力指令値を生成する角度換算演算部と、前記出力指令値と前記第１の回転角度値との差分に基づいて、前記第１の回転角度値を前記出力指令値に近づけるのに必要とする値の前記電流指令値を生成する第２の角度制御部と、を備えたことを特徴とするものである。

本発明によれば、減速機の回転軸の回転角度を第２の角度検出部の検出結果に基づいて制御しているので、減速機の剛性不足やガタによりサーボモータの回転軸に対して減速機の回転軸の回転位置がずれても、減速機の回転軸を高精度に位置決めが可能となる。これにより、ロボットアームの直進性などの動作精度を高めることが可能となる。また、第１の角度検出部及び第２の角度検出部の検出結果を用いて減速機のねじり剛性に基づくトルク値を算出し、この算出結果に基づいてトルク制御を行っているので、トルクセンサを用いずに、ロボットアームの振動を抑制することができる。そして、減速機の剛性不足による静定時間の遅延を防止することができ、ロボットアームの作業を開始するまでの時間短縮が可能となる。

本発明の第１実施形態に係るロボットアームを示す斜視図である。図１の関節部の断面図である。本発明の第１実施形態における回転駆動装置の制御ブロック図である。本発明の第２実施形態における回転駆動装置の制御ブロック図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面を参照しながら詳細に説明する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係るロボットアームを示す斜視図である。ロボットアーム１００は、作業台に固定されたベース部１０１と、ベース部１０１に旋回可能に支持された旋回部１０２と、旋回部１０２に揺動可能に支持された第１の軸間リンク１０３と、を備えている。また、ロボットアーム１００は、第１の軸間リンク１０３に揺動可能に支持された第２の軸間リンク１０４と、第２の軸間リンク１０４に進退可能に支持された第３の軸間リンク１０５と、を備えている。また、ロボットアーム１００は、第３の軸間リンク１０５に揺動可能に支持された先端リンク１０６と、先端リンク１０６に設けられたハンド１０７とを備えている。そして、これらが、第１〜第６の関節部１１１，１１２，１１３，１１４，１１５，１１６で連結されている。各関節部１１１〜１１６には、サーボモータ１と、サーボモータ１の回転速度を減速する減速機１３とが設けられており、減速機１３の回転軸が各部１０２〜１０６に接続されて、各部１０２〜１０６が駆動される。

図２は、図１の関節部１１３の断面図である。図２に示すように、サーボモータ１は、出力軸である回転軸２，フランジ３，ロータヨーク４，ロータマグネット５で回転体が構成され、モータハウジング６には、ステータコイル７が取付けられ、ベアリング８で回転体が支持されている。

サーボモータ１の回転軸２の一端側には、ブレーキユニット９が取付けられると共に、さらに回転軸２の一端側には、回転軸２の回転角度（角度位置）を検出する第１のエンコーダユニット１０が設けられている。第１のエンコーダユニット１０は、回転軸２に固定され、円周状にスリットが設けられたエンコーダスケール１１と、エンコーダスケール１１に対向して配置されたエンコーダヘッド１２とで構成された反射型のエンコーダユニットである。エンコーダヘッド１２は、第１の軸間リンク１０３（図１）側の固定部材であるフレーム２２に固定されている。回転軸２の他端側には減速比Ｎの減速機１３が取付けられている。

減速機１３は、ハーモニックドライブ（登録商標）である。この減速機１３は、サーボモータ１の回転軸２に結合されたウェブジェネレータ１４と、フレーム２２に固定されたサーキュラスプライン１５と、を備えている。また、減速機１３は、ウェブジェネレータ１４とサーキュラスプライン１５との間に配置され、ウェブジェネレータ１４の回転速度に対して減速比Ｎで減速して回転するフレクスプライン１６を備えている。このフレクスプライン１６には、出力軸である回転軸２０が、回転軸２と同軸上に固定されている。そして、この回転軸２０は、第２の軸間リンク１０４（図１）側の被駆動体であるフレーム２１に結合されている。なお、フレーム２２には、サーボモータ１、減速機１３のサーキュラスプライン１５も固定されている。

減速機１３の回転軸２０には、回転軸２０の回転角度（角度位置）を検出する第２のエンコーダユニット１７が設けられている。第２のエンコーダユニット１７は、回転軸２に固定され、円周状にスリットが設けられたエンコーダスケール１８と、エンコーダスケール１８に対向して配置されたエンコーダヘッド１９とで構成された反射型のエンコーダユニットである。反射型のエンコーダユニット１０，１７は、透過型エンコーダを用いるより、薄くすることが可能となるため省スペース化が可能となる。

図３は本発明の第１実施形態における回転駆動装置２００の制御ブロック図である。回転駆動装置２００は、上述したサーボモータ１と、サーボモータ１の出力側に設けられた減速比Ｎの減速機１３とを備えている。そして、回転駆動装置２００は、上述した第１のエンコーダユニット１０を有し、サーボモータ１の回転軸２の回転角度を検出し、検出結果を減速機１３の減速比Ｎで除算して得られる第１の回転角度値θｍを出力する第１の角度検出部１０Ａを備えている。また、回転駆動装置２００は、上述した第２のエンコーダユニット１７を有し、減速機１３の回転軸２０の回転角度を検出し、検出結果である第２の回転角度値θｇを出力する第２の角度検出部１７Ａを備えている。

また、回転駆動装置２００は、コントローラ２３と、角度制御部２４と、トルク計算部２５と、トルク制御部２６と、電流制御部２７とを備えている。コントローラ２３は、減速機１３の回転軸２０の目標の回転角度である角度指令値θｇｒｅｆを出力する。

角度制御部２４は、第２の角度検出部１７Ａからの第２の回転角度値θgが角度指令値θｇｒｅｆと同じになるように回転軸２０の目標トルクであるトルク指令値Tｒｅｆを計算する。換言すると、角度制御部２４は、差分θｇｒｅｆ−θｇに基づき、第２の角度検出部１７Ａからの第２の回転角度値θｇを角度指令値θｇｒｅｆと同じ値に近づけるのに必要とする回転軸２０のトルク指令値Ｔｒｅｆを生成する。つまり、角度制御部２４では、位置フィードバックループをＰＩＤ制御することによりトルク指令値Ｔｒｅｆを計算する。これは、位置と速度の各々のフィードバックループを位置フィードバックに等価変換すると、位置フィードバックループをＰＩＤ制御したものと等価になるためである。

トルク計算部２５は、第１の角度検出部１０Ａの出力値である第１の回転角度値θｍと第２の角度検出部１７Ａの出力値である第２の回転角度値θｇとの角度差θｄｉｆｆから減速機１３の回転軸２０に作用するトルク値Ｔを算出する。このトルク値Ｔは、角度差θｄｉｆｆに減速機１３の剛性値であるねじり剛性Ｋを乗算することで算出する。

トルク制御部２６はトルク値Ｔがトルク指令値Tｒｅｆと同じになるように電流指令値を計算する。換言すると、トルク制御部２６は、差分Ｔｒｅｆ−Ｔに基づき、トルク値Ｔをトルク指令値Ｔｒｅｆと同じ値に近づけるのに必要とする値の電流指令値Ｉｒｅｆを生成する。電流制御部２７は、電流指令値Ｉｒｅｆに対応する電流ｉをサーボモータ１に供給する。

以上の回転駆動装置２００において、サーボモータ１を回転駆動すると、減速機１３の剛性Ｋの影響で第１の角度検出部１０Ａの出力値である第１の回転角度値θｍと第２の角度検出部１７Ａの出力値である第２の回転角度値θｇとに角度差θｄｉｆｆが生じる。この角度差θｄｉｆｆは、減速機１３の回転軸２０が理想の位置から回転方向にねじれたねじれ角度を示している。すなわち、減速機１３のねじり剛性Ｋにより、コントローラ２３からの角度指令値θｇｒｅｆと第２の角度検出部１７Ａの第２の回転角度値θｇとが一致しなくなるため、θｇｒｅｆ＝θｇとなるようにトルク指令値Ｔｒｅｆが角度制御部２４で再計算される。再計算されたトルク指令値Ｔｒｅｆに角度差θｄｉｆｆから算出されるトルク値Ｔが一致するように、トルク制御部２６で電流指令値Ｉｒｅｆが再計算され、電流制御部２７を経てサーボモータ１に電流ｉが出力される。このように、第２の回転角度値θｇ及びトルク値Ｔがフィードバック制御により目標である角度指令値θｇｒｅｆ及びトルク指令値Ｔｒｅｆに近づけられる位置制御とトルク制御が可能となる。

以下、具体的な数値例を示して説明する。第１の角度検出部１０Ａに２５００パルス／回転の反射型エンコーダを４逓倍して用いる。第２の角度検出部１７Ａに３０００パルス／回転の反射型エンコーダを電気的に２００分割して用いる。減速機１３は減速比１００：１（Ｎ＝１００）のハーモニックドライブ（登録商標）で、ねじり剛性Ｋが０．４４×１０４Ｎｍ／ｒａｄのものを用いる。また、サーボモータ１のトルク定数は０．０４Ｎｍ／Ａである。このとき、第１の角度検出部１０Ａの回転軸側分解能は６．２８μｒａｄ／パルスとなり、第２の角度検出部１７Ａの回転軸側分解能は１０．５μｒａｄ／パルスとなる。

ここで、被駆動体であるフレーム２１の５００ｍｍ位置に１Ｎの力を加えると、回転軸２０には０．５Ｎｍのトルクが作用し、減速機１３のねじり剛性Ｋから回転軸２０は１１３．６μｒａｄの変形を生じる。このため、仮に、第１の角度検出部１０Ａのみで制御したときには、５７μｍの誤差を生じることになる。これに対し、本第１実施形態では、第２の角度検出部１７Ａにより角度位置制御を行うことにより、１０．５μｒａｄの分解能で制御可能となり、位置精度としては５μｍ程度の高精度な位置決めを行うことができる。

また、高精度な直進性を求められるなどの高精度な動作を行う時に、上記と同様な外乱トルクや振動が０．５Ｎｍ作用すると、トルク計算部２５により第１の回転角度値θｍと第２の回転角度値θｇとの角度差θｄｉｆｆからトルク値Ｔが算出される。この算出されたトルク値Ｔとトルク制御部２６で生成されたトルク指令値Ｔｒｅｆとの差分から電流指令値Ｉｒｅｆが計算され、電流制御部２７から電流指令値Ｉｒｅｆに対応する電流ｉがサーボモータ１に出力される。この場合、外乱トルクは０．５Ｎｍであるため、サーボモータ１には、減速機１３の減速比Ｎ（＝１００）とサーボモータ１のトルク定数から、０．１２５Ａ補正された電流ｉが出力される。これによって、作用した外乱トルクをキャンセルすることができるとともに、減速機１３の回転軸２０の位置精度も高精度に維持することが可能となる。このようなトルク制御および角度位置制御をロボットアーム１００の静止時にも行うことで、ロボットアーム１００の静定時間の短縮を図ることが可能となる。

以上、本第１実施形態によれば、減速機１３の回転軸２０の回転角度を第２の角度検出部１７Ａの検出結果に基づいて制御している。したがって、減速機１３の剛性不足やガタによりサーボモータ１の回転軸２に対して減速機１３の回転軸２０の回転位置が、ねじれ角度（角度差θｄｉｆｆ）分ずれても、減速機１３の回転軸２０を高精度に位置決めが可能となる。これにより、ロボットアーム１００の直進性などの動作精度を高めることが可能となる。また、第１の角度検出部１０Ａ及び第２の角度検出部１７Ａの検出結果を用いて減速機１３のねじり剛性Ｋに基づくトルク値Ｔを算出し、この算出結果に基づいてトルク制御を行っている。したがって、トルクセンサを用いずに、ロボットアーム１００の振動を抑制することができる。そして、減速機１３の剛性不足による静定時間の遅延を防止することができ、ロボットアーム１００の作業を開始するまでの時間短縮が可能となる。

以上の説明では、ロボットアーム１００の関節部１１３について説明したが、関節部１１１〜１１６について同様に制御可能であり、この場合も、ロボットアーム１００の高精度な位置決めが可能となり、直進性などの動作精度を高めることが可能となる。また、トルク制御することができるために、ロボットアーム１００の振動を抑えることができ、静定時間の短縮を図ることが可能となるとともに、ロボットアーム１００の動作開始の待ち時間を短縮することが可能となる。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態に係る回転駆動装置２００Ａについて図４を参照しながら説明する。図４は、本発明の第２実施形態における回転駆動装置２００Ａの制御ブロック図である。本第２実施形態では、コントローラ２３Ａは、減速機１３の回転軸２０の目標の回転角度である角度指令値θｇｒｅｆを出力すると共に、第１の運転モードＡ及び第２の運転モードＢのうち、いずれか一方の運転モードを選択する。このコントローラ２３Ａにおける運転モードの選択は、不図示の入力装置からのユーザの操作で行ってもよいし、ロボットアーム１００（図１）を動作させる際の動作プログラムに応じて行ってもよい。

また、回転駆動装置２００Ａは、上記第１実施形態と同様の構成のサーボモータ１，減速機１３，第１の角度検出部１０Ａ，第２の角度検出部１７Ａ，トルク計算部２５，トルク制御部２６及び電流制御部２７を備えている。なお、本第２実施形態では、回転駆動装置２００Ａは、上記第１実施形態の角度制御部と同様の構成の第１の角度制御部２４を備えている。更に、本第２実施形態では、回転駆動装置２００Ａは、モード切替えスイッチ２８と、角度換算演算部２９と、第２の角度制御部３０とを備えている。そして、第１の角度制御部２４、トルク計算部２５及びトルク制御部２６で第１の制御ループ４１を構成し、角度換算演算部２９及び第２の角度制御部３０で第２の制御ループ４２を構成している。

モード切替えスイッチ２８は、コントローラ２３からの運転モード信号に応じて、角度指令値θｇｒｅｆを第１の制御ループ４１又は第２の制御ループ４２に出力するよう切替えるスイッチである。運転モード信号は、どの運転モードを選択したかを示す信号である。第１の運転モードＡが選択された場合、モード切替えスイッチ２８は、第１の制御ループ４１側に切り替わり、角度指令値θｇｒｅｆを第１の制御ループ４１に出力する。この場合、回転駆動装置２００Ａは、上記第１実施形態の回転駆動装置２００と同様に動作する。これに対し、第２の運転モードＢが選択された場合、モード切替えスイッチ２８は、第２の制御ループ４２側に切り替わり、角度指令値θｇｒｅｆを第２の制御ループ４２に出力する。この場合、上記第１実施形態とは異なる動作をする。

角度換算演算部２９は、角度指令値θｇｒｅｆは第２の角度検出部１０Ａの分解能を基準に指令されるために、換算値を演算する必要がある。このために、第２の運転モードＢが選択された場合、第２の角度検出部１７Ａの分解能を第１の角度検出部１０Ａの分解能で除算した換算値を、角度指令値θｇｒｅｆに乗算して出力指令値θｍｒｅｆを生成する。例えば、上記第１実施形態の数値例で説明すると、第１の角度検出部１０Ａの分解能が６．２８μｒａｄ／パルス、第２の角度検出部１７Ａの分解能が１０．５μｒａｄ／パルスの場合、換算値は約１．６７である。

第２の角度制御部３０は、出力指令値θｍｒｅｆに基づいて第１の角度検出部１７Ａの出力値である第１の回転角度値θｍが出力指令値θｍｒｅｆと同じになるように電流指令値を計算する。換言すると、第２の角度制御部３０は、出力指令値θｍｒｅｆと第１の回転角度値θｍとの差分に基づいて、第１の回転角度値θｍを出力指令値θｍｒｅｆと同じ値に近づけるのに必要とする値の電流指令値Ｉｒｅｆを計算により生成する。

電流制御部２７は、第１の運転モードＡが選択された場合は、トルク制御部２６から電流指令値Ｉｒｅｆを入力し、第２の運転モードＢが選択された場合は、第２の角度制御部３０から電流指令値Ｉｒｅｆを入力する。そして、電流制御部２７は、電流指令値Ｉｒｅｆに対応する電流ｉをサーボモータ１に供給する。

第１の運転モードＡにおいては、上記第１実施形態と同様の制御を行うので、ロボットアーム１００を高精度に位置決めすることが可能であり、また、ロボットアーム１００の振動を抑制することができる。

これに対し、第２の運転モードＢでは、制御ループが単純で、サーボモータ１の回転軸２の角度検出のみで制御されるために、高速運転や急峻な立上げの運動を行う、高速な動作が可能になる。以上説明したように、運転モードの切替えを行うことにより、ロボットアーム１００の高速な動作を可能にすると共に、ロボットアームを高精度に位置決めし、振動を抑制することが可能となる。

なお、上記実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。上記実施形態では、減速機１３がハーモニックドライブ（登録商標）の場合について説明したが、遊星ギヤなど他の減速機を用いても同様の効果を得ることができる。

１サーボモータ
２回転軸
１０Ａ第１の角度検出部
１３減速機
１７Ａ第２の角度検出部
２０回転軸
２３，２３Ａコントローラ
２４角度制御部（第１の角度制御部）
２５トルク計算部
２６トルク制御部
２７電流制御部
２９角度換算演算部
３０第２の角度制御部
２００，２００Ａ回転駆動装置

Claims

サーボモータと、前記サーボモータの回転軸の回転を遅い回転に変換する減速機と、電流指令値に基づいて前記サーボモータに電流を供給する電流制御部と、を備えた回転駆動装置において、
前記減速機の回転軸の角度指令値を出力すると共に、第１の運転モード及び第２の運転モードのうち、いずれか一方の運転モードを選択するコントローラと、
前記サーボモータの回転軸の回転角度を検出し、その検出結果を前記減速機の減速比で除算して得られる第１の回転角度値を出力する第１の角度検出部と、
前記減速機の回転軸の回転角度を検出し、その検出結果である第２の回転角度値を出力する第２の角度検出部と、
前記第１の運転モードが選択された場合に、前記第１の回転角度値と前記第２の回転角度値との角度差に前記減速機のねじり剛性を乗算して、前記減速機の回転軸に作用するトルク値を算出するトルク計算部と、
前記第１の運転モードが選択された場合に、前記角度指令値と前記第２の回転角度値との差分に基づいて、前記第２の回転角度値を前記角度指令値に近づけるのに必要とするトルク指令値を生成する第１の角度制御部と、
前記トルク指令値と前記トルク値との差分に基づいて、前記トルク値を前記トルク指令値に近づけるのに必要とする値の前記電流指令値を生成するトルク制御部と、
前記第２の運転モードが選択された場合、前記角度指令値に、前記第２の角度検出部の分解能を前記第１の角度検出部の分解能で除した値を乗算して出力指令値を生成する角度換算演算部と、
前記出力指令値と前記第１の回転角度値との差分に基づいて、前記第１の回転角度値を前記出力指令値に近づけるのに必要とする値の前記電流指令値を生成する第２の角度制御部と、を備えたことを特徴とする回転駆動装置。
前記第１の角度検出部及び前記第２の角度検出部は、反射型のエンコーダユニットを有することを特徴とする請求項１に記載の回転駆動装置。
関節部で連結された２つのリンクと、
前記関節部の駆動に用いられる請求項１又は２に記載の回転駆動装置と、を備えたロボットアーム。
関節部で連結されたリンク及びハンドと、
前記関節部の駆動に用いられる請求項１又は２に記載の回転駆動装置と、を備えたロボットアーム。