JP5832415B2 - ロボットシステム - Google Patents

Description

この発明は、産業用ロボットとして用いられるロボットシステムに関するものである。

リンク構造を持つロボットマニピュレータは，手先位置決め精度を向上させるために筐体の剛性が高くて慣性・質量が大きい上，動作時に加減速を激しく繰り返している。

つまり，ロボット動作のために必要な投入エネルギー量が大きいという問題がある。ロボット動作において、減速時の運動エネルギーを効率的に回生して再利用することは、通常は困難である。

そこで、機構的に減速時にエネルギーを蓄積し、加速時にエネルギーを解放して加速のために再利用する方法が試みられている。例えばロボットの関節に対し並列にバネなどの弾性体を装着する方法がある。関節に弾性体を並列装着する技術は知られており、例えば、特許文献１や特許文献２に開示されている。

特許文献１に開示された技術は、関節で連接されるリンク、関節を駆動するアクチュエータ、アクチュエータと並列接続された可変弾性の（弾性値を可変設定可能な）弾性体、弾性体と関節の接続を入切するクラッチを備え、特許文献２に記載の技術は、それに加えて弾性値（弾性率）の制御則を備えている。

特開２００１−２８７１７７号公報 特許第３６７４７７８号公報

特許文献１及び特許文献２のいずれに開示の技術も、ジャンプ動作など、瞬間的に大きな外力を受け止めたり、大きな作用力を発揮する際に、小さな出力のアクチュエータでも動作できるようにしたりする効果を狙っている。その弾性体の弾性値は、ロボットの所望の関節動作の周期が、弾性体による固有振動の周期よりも遙かに低くなるよう設定されている。あるいは、関節が共振現象振動の影響を受けないように、弾性体が振動し始めたらクラッチを切って関節に振動が伝わらないような制御を行っている。つまり、産業用ロボットで多用される周期的な作業動作において省エネルギー化を図ることは何ら考慮されていない。

このように、特許文献１、特許文献２で開示された従来の技術は、構造状、弾性体を用いてはいるものの、省エネルギー効果を発揮できていないという問題点があった。

この発明は上記問題点を解決するためになされたもので、繰り返し往復運動を行なうロボットにおいて，上記往復運動を継続して実行するために必要なエネルギー投入を必要最小限に抑え省エネルギー化を図ったロボットシステムを得ることを目的とする。

この発明に係る請求項１記載のロボットシステムは、ロボットと、前記ロボットの動作を制御するロボット制御部とを備え、前記ロボットは、ベース部と第１の関節部を介して接続される第１のアーム部と、前記第１のアーム部と第２の関節部を介して接続される第２のアーム部とを備え、前記第１及び第２のアーム部は第１及び第２の関節部を中心とした回転動作が可能であり、前記ベース部及び第１のアーム部間に設けられ、第１の弾性値が可変設定可能な第１の弾性体と、前記第１のアーム部及び前記第２のアーム部間に設けられ、第２の弾性値が可変設定可能な第２の弾性体とを備え、前記ロボット制御部は、一方作業領域内における一方目標位置と他方作業領域内における他方目標位置間を、前記第１及び第２の弾性体による弾性力が作用しない平衡角度点を通過させながら、前記第１及び第２のアーム部に前記回転動作を実行させて前記一方作業領域，前記他方作業領域間を往復運動させる際、前記平衡角度点〜前記一方目標位置間の区間である一方目標区間において共振動作可能に前記第１及び第２の弾性値を一方目標位置用弾性値として設定し、前記平衡角度点〜前記他方目標位置間の区間である他方目標区間において共振動作可能に前記第１及び第２の弾性値を他方目標位置用弾性値として設定し、前記往復運動の前記平衡角度点の通過時において、前記一方目標区間は前記一方目標位置用弾性値となり、前記他方目標区間は前記他方目標位置用弾性値となるように切り替え制御を行う。

請求項１記載の本願発明であるロボットシステムにおけるロボット制御部は、往復運動の平衡角度点の通過時において、一方目標区間は一方目標位置用弾性値となり、他方目標区間は前記他方目標位置用弾性値となるように切り替え制御を行うことにより、第１及び第２の弾性体による共振動作によって、一方目標位置〜他方目標位置間の往復運動をロボットに実行させることができる。その結果、上記回転動作を実現する駆動源である第１及び第２の関節部を駆動するアクチュエータによるエネルギー消費を最小限に抑えながら、省エネルギー化した往復運動を実行することができる。

この発明の実施の形態１であるスカラ型ロボットを用いたロボットシステムの構成を示す説明図である。 図２は固有周波数ω_ｎによる出力の関係を示すグラフである。 この発明の実施の形態２であるスカラ型ロボットを用いたロボットシステムで用いられるロボットの構成を示す説明図である。 この発明の実施の形態３であるスカラ型ロボットを用いたロボットシステムの構成を示す説明図である。

＜実施の形態１＞
（構成）
図１は、この発明の実施の形態１であるスカラ型ロボットを用いたロボットシステムの構成を示す説明図である。同図に示すように、実施の形態１のロボット１は、一方の作業領域（ＰＩＣＫ領域）からワーク（図示せず）をつまみ上げ、他方の作業領域である作業領域（ＰＬＡＣＥ領域）４２に運ぶ作業を実施する。

ロボット１はベース部１０、アーム部１１、アーム部１２、関節部２１、関節部２２、可変弾性体３１、及び可変弾性体３２を主要構成部として有する。

ベース部１０は固定部１３に固定され、Ｘ軸に沿って設けられる。アーム部１１はベース部１０に関節部２１を介して取り付けられ、アーム部１１は関節部２１の中心部を回転軸としてＸＹ平面上で回転可能である。

アーム部１２は関節部２２を介してアーム部１１に取り付けられ、アーム部１２は関節部２２の中心部を回転軸としてＸＹ平面上で回転可能である。すなわち、実施の形態１におけるロボット１において，省エネルギー動作の対象となる関節数は関節部２１及び関節部２２の２つである。

また、関節部２１及び２２に並列に弾性値が可変設定可能な可変弾性体３１及び３２が取り付けられる。すなわち、可変弾性体３１の一端がベース部１０に他端がアーム部１１にそれぞれ固定されることにより、可変弾性体３１はベース部１０及びアーム部１１間に設けられ、可変弾性体３２の一端はアーム部１１に他端はアーム部１２にそれぞれ固定されことにより、可変弾性体３２はアーム部１１及びアーム部１２間に設けられる。

（原理）
図１において、ロボット１の手先（アーム部１２の先端部分、正確にはアーム部１２の先端部分に取り付けられる付加軸（図示せず））が到達する空間内の点のＸＹ座標を、目標手先位置９α、目標手先位置９β、目標手先位置９γ及び平衡角度点Ｘｅとする。なお、目標手先位置９αと目標手先位置９βとはＸ軸に対して対称な位置関係にある。

平衡角度点Ｘｅはｘ軸上の平衡角度点（中立点、アーム部１１及びアーム部１２の関節角ｑ_１及び関節角ｑ_２が“０”となった状態でＸ軸上に配置され、可変弾性体３１及び３２による弾性力が関節部２１及び２２に作用しなくなる点）である。関節部２１及び２２においてモータ等のアクチュエータ（図示せず）により回転トルクが印加されることにより、アーム部１１及び１２を関節部２１及び２２を回転軸として回転動作させることができる。なお、アクチュエータと関節の間に減速器（図示せず）を設けても良い。

ロボット１のアーム部１１及び１２のリンク長をそれぞれｌ_１及びｌ_２とし、関節部２１及び２２によるベース部１０及びアーム部１１の延長線に対する角度である関節角（回転角）をそれぞれｑ_１及びｑ_２とし、関節部２１及び２２に並列に設けられた可変弾性体３１及び３２の弾性値をｋ_１及びｋ_２としている。

なお、弾性値ｋ_１及びｋ_２は可変設定可能である。可変設定する機構としては、例えば、実施の形態２で詳述する弾性体制御部１５及び１６に相当する構成が考えられる。

可変弾性体３１及び３２は弾性値ｋ_１及びｋ_２に従って関節角ｑ_１及びｑ_２に比例した反力を発生し、各関節部２１及び２２には上記反力に応じたトルクが、アクチュエータの（モータ）トルクに重畳される。

なお、可変弾性体３１及び３２がバネで構成される場合において、バネ定数は、バネに負荷を加えたときの、荷重を伸びで割った比例定数となる。一方、弾性値（剛性値）は，バネ定数に影響を与える物性のパラメータである。両者は比例関係にあるため、ほぼ同じ意味合いになる。

このような構成において、ロボット１のアーム部１２の先端部が平衡角度点Ｘｅから目標手先位置９βに移動して静止し、付加軸（図示せず）を動かしてワークを把持し、その後、平衡角度点Ｘｅを経由して、目標手先位置９αに移動する。その後、目標手先位置９αで静止して、付加軸を動かしてワークをリリースし、次に平衡角度点Ｘｅを経由して目標手先位置９γ（目標手先位置９βと異なる）に移動して静止し、付加軸を動かしてワークを把持し、次に平衡角度点Ｘｅを経由して、再び目標手先位置９αに移動する。さらに、目標手先位置９αで静止して、付加軸を動かしてワークをリリースする。このように、ロボット１はアーム部１１及び１２による回転動作によって、繰り返し実行される作業領域４１，４２間の往復運動を行うことができる。なお、目標手先位置９α〜９γへの静止時に関節角度を固定するためのブレーキを用いる態様も考えられる。

実施の形態１のロボットシステムではロボット１の上述した作業領域４１，４２間で繰り返し実行される往復運動を想定している。この往復運動を実施するための、省エネルギー制御則を考える。ここでいう、省エネルギー化とは、アクチュエータを駆動するエネルギー投入量の最小化を図ることを言う。

そして、ロボット制御部５は、後述する演算式により求めた省エネルギー制御則に沿って、繰り返し実行される上記往復運動が実施できるように、ロボット１を制御する。

（制御則）
実施の形態１では、以下の式(1)で示すＰＤ（比例微分）フィードバック制御則、式(2)で示す剛性調整則を用いる。

ここで、エネルギー評価を行うにあたり、以下の式(3)を設定する。

実施の形態１では、投入エネルギーＪnをなるべく小さくすべく、関節部２１及び２２用のアクチュエータのトルクτを小さくできる制御を考える。

式(1)〜式(3)で決定する条件下で、移動の目標地点（目標手先位置）をたどる目標軌道を得るため，関節部２１及び２２用のアクチュエータへのトルク指令、弾性値ｋ_１及びｋ_２の変化に関する制御則を以下で示す式(4)を用いて計算する。実施の形態１では、可変弾性体３１及び３２の弾性値ｋ_１及びｋ_２を全体のポテンシャルエネルギーが一定になるように変化させることを目標としている。その結果、目標軌道も定まる。

なお、上記したポテンシャルエネルギーとは、図１において、ロボット１のアーム部１２の先端が目標手先位置９α（９β，９γ）に位置する場合における可変弾性体３１及び３２に蓄積された弾性エネルギーを意味する。

まず、ロボットの運動方程式は、以下の式(4)で表される。

実施の形態１において、可変弾性体３１及び３２それぞれの弾性値ｋ_１及びｋ_２は、ロボットの先端が平衡角度点Ｘｅ（Ｙ軸上の点）を通過するとき、その値が変更される。理想的には瞬間的に切り替えられるが、実際には，時間遅れを伴って切り替わる。

上記弾性値ｋ_１及びｋ_２の切り替え時の変化の遅れは可変剛性機構の特性によるため機構の弾性値変化の遅れを可変弾性体３１及び３２の固有周波数により確認する。可変剛性機構の応答遅れだけを見る場合、減数係数ζ＝１にして以下の式(5)で示す伝達関数を設定する。ζ＝１はオーバーシュートしないように制御則を設定することで実現できる。

次に、入力をステップ応答にした出力を逆ラプラス変換から以下の式(6)として導入する。

なお、式(5)及び式(6)において、ω_ｎは可変弾性体３１及び３２用に設定される固有周波数である。図２は固有周波数ω_ｎによる出力の関係を示すグラフである。同図において、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４及びＬ５は可変弾性体３１及び３２の固有周波数ω_ｎ（Ｈｚ）が０．０１，０．１，１，１０，１００の場合の応答特性を示している。同図に示すように、固有周波数ω_ｎが大きい程、出力応答性は良い。

以下、ロボットの運動について、線形なダイナミクスから共振状態となるときの振幅比ｒと、角周波数ωを求めるべく、理想的には可変弾性体３１及び３２用のアクチュエータのトルクτが“０”となるバネ運動方程式となる式(7)及び式(8)を導出する。なお、式(7)及び式(8)において、ｋ_１及びｋ_２は前述したように可変弾性体３１及び３２の弾性値であり、ｍ_２はアーム部１２の重量であり、Ｉ_１及びＩ_２はアーム部１１及び１２の慣性モーメントである。

ここで、以下の式(9)及び式(10)に示すように、変数ａ，ｂを設定すると、振幅比ｒと角周波数ωは以下の式(11)及び式(12)で決定する。

（目標振幅）
逆運動学による目標手先位置から目標関節角度、すなわち、振幅Ａ_ｄ１，Ａ_ｄ２を以下の式(13)及び式(14)から導出する。なお、振幅とは繰り返し実行される上記往復運動の実行時における関節角の変動幅を意味する。また、これらの式において、添え字の“ｄ”は目標手先位置（図１では、ｄはα〜γ（目標手先位置９α〜目標手先位置９γ）のいずれか）であり、添え字の“１”，“２”はアーム部１１及び１２を示しており、“１”がアーム部１１、“２”がアーム部１２を示している。また、前述したようにｌ_１及びｌ_２はアーム部１１，１２のリンク長を示しており、ｘ_ｄ及びｙ_ｄは目標手先位置ｄにおけるＸ座標及びＹ座標を示している。

（目標振幅比）
各関節部２１，２２の目標振幅から弾性値ｋ_１及びｋ_２を導出すべく、必要な関節部２１，２２間の目標振幅比ｒを以下の式(15)により求める。なお、目標角周波数は図２の応答特性を考慮して予め決定される。なお、目標角周波数とは、例えば目標手先位置が目標手先位置９βの場合、上記往復運動時における平衡角度点Ｘｅ〜目標手先位置９β間（一方目標区間）の目標位置到達周波数を意味し、目標手先位置が目標手先位置９αの場合、上記往復運動時における平衡角度点Ｘｅ〜目標手先位置９α間（他方目標区間）間の目標位置到達周波数を意味する。

この際、アーム部１１及び１２の回転動作時において、上記一方目標区間の目標角周波数ω（目標位置到達周波数）はアーム部１１及び１２間で同一に設定され、上記他方目標区間の目標角周波数ω（目標位置到達周波数）はアーム部１１及び１２間で同一に設定される動作条件が課される。

（目標弾性値）
式(15)により決定した目標振幅比ｒ及び予め決定された目標角周波数ωから、式(11)及び式(12)を解法することにより、以下の式(16)及び式(17)に示すように、振幅比ｒと目標角周波数ωとに基づき、目標角周波数ωを可変弾性体３１及び３２の固有振動数とする目標弾性値（ｋ_１及びｋ_２）が算出される。また、上記一方目標区間及び上記他方目標区間の目標振幅比ｒが同一の場合、目標位置が変化しても滑らかな起動変化が可能となる。

なお、式(16)及び式(17)では、目標手先位置９βの場合の弾性値ｋ_１及びｋ_２を示している。すなわち、繰り返し実行される上記往復運動における平衡角度点Ｘｅ〜目標手先位置９βの区間（上記一方目標区間）に設定される可変弾性体３１及び３２の弾性値ｋ_１及びｋ_２を示している。

また、前述したように、目標手先位置９αは目標手先位置９βに対してＸ軸対象であるため、式(16)及び式(17)は、上記往復運動時における平衡角度点Ｘｅ〜目標手先位置９αの区間（上記他方目標区間）に設定される可変弾性体３１及び３２の弾性値ｋ_１及びｋ_２に等しくなる。したがって、式(16)及び式(17)で示される弾性値が作業領域４２の目標手先位置９αを目標位置とした場合の上記他方目標区間において設定すべき弾性値ｋ_１及びｋ_２となる。

その後、目標手先位置９βを他の目標手先位置に切り替える場合、例えば、作業領域４１における目標手先位置９βから目標手先位置９γに切り替える場合、以下の式(18)及び式(19)を満足して、目標手先位置９β（９α）及び目標手先位置９γに位置するときのポテンシャルエネルギーを一定にする弾性値ｋ_１及びｋ_２を以下の式(20)及び式(21)により設定する。なお、式(20)及び式(21)は目標手先位置９γとした場合の可変弾性体３１及び３２の弾性値ｋ_１及びｋ_２を示している。すなわち、繰り返し実行される上記往復運動における平衡角度点Ｘｅ〜目標手先位置９γの区間（上記一方目標区間）に設定されるべき可変弾性体３１及び３２の弾性値ｋ_１及びｋ_２を示している。

（変更後目標角周波数）
同様に、作業領域４１における目標手先位置が目標手先位置９βから目標手先位置９γに切り替わる場合、式(22)に示すように、目標手先位置９β（９α）及び目標手先位置９γ間のポテンシャルエネルギーが一定になるように、式(20)及び式(21)に従い弾性値を変化させたときの目標角周波数を求める。なお、式(22)は目標手先位置を目標手先位置９γとした場合の目標角周波数を示しており、この目標角周波数が可変弾性体３１及び３２の固有周波数となる。

（目標関節角度軌道）
上述した式(13)〜式(22)に基づき、以下の式(23)に示すように、目標軌道を作成することができる。なお、式(23)において、ｑ_β１及びｑ_β２は目標手先位置９βとした場合の関節部２１及び２２の関節角度（回転角度）、ｑ_γ１及びｑ_γ２は目標手先位置を目標手先位置９γとした場合の関節部２１及び２２の関節角度を示している。

以上により、目標軌道を実現する制御則の設計ができる。これにより、目標軌道も定まる。

（制御動作）
このように、実施の形態１では、一方の作業領域４１内における目標手先位置９β，９γ（一方目標位置）と他方の作業領域４２内における目標手先位置９α（他方目標位置）との間を、平衡角度点Ｘｅを通過させながら、アーム部１１及び１２を回転させて上記往復運動させる際、弾性値ｋ_１及びｋ_２は以下のように設定される。

ロボット制御部５により、上記一方目標区間（作業領域４１〜平衡角度点Ｘｅ）において共振動作可能な弾性値ｋ_１及びｋ_２が一方目標位置用弾性値として設定され、上記他方目標区間（作業領域４２〜平衡角度点Ｘｅ）において共振動作可能な弾性値ｋ_１及びｋ_２が他方目標位置用弾性値として設定される。

例えば、目標手先位置９αから目標手先位置９γに移動する場合、目標手先位置９αから平衡角度点Ｘｅまでの区間（上記他方目標区間）において可変弾性体３１及び３２の弾性値が上記他方目標位置用弾性値として弾性値ｋ_α１，ｋ_α２（＝ｋ_β１，ｋ_β２）に設定され、平衡角度点Ｘｅから目標手先位置９γまでの区間（上記一方目標区間）において可変弾性体３１及び３２の弾性値が上記一方目標位置用弾性値として弾性値ｋ_γ１，ｋ_γ２に設定される。

そして、上述した目標角周波数の動作条件下で、ロボット制御部５はロボット１を以下のように制御する。

ロボット制御部５は、ロボット１の上記往復運動の平衡角度点Ｘｅの通過時において、上記一方目標区間は上記一方目標位置用弾性値となり、上記他方目標区間は上記他方目標位置用弾性値となるように弾性値ｋ_１及びｋ_２の切り替え制御を行う。なお、ロボット制御部５は可変弾性体３１及び３２の弾性値設定、目標軌道に沿ったアクチュエータの駆動制御等、ロボット１に関するあらゆる制御が可能である。

したがって、目標手先位置９αから平衡角度点Ｘｅまでの区間（上記他方目標区間）において可変弾性体３１及び３２は共振動作を実行し、かつ、目標手先位置９γから平衡角度点Ｘｅまでの区間（上記一方目標区間）においても可変弾性体３１及び３２は共振動作を実行する。

すなわち、空気抵抗、関節部２１及び２２における回転時に摩擦抵抗等を無視した場合、上記回転動作を実現する駆動源である関節部２１及び２２を駆動するアクチュエータによるトルクτを“０”にして、ロボット１に上記往復運動を実行させることができる。

その結果、実施の形態１のロボット１は、繰り返して上記往復運動を実行する場合、関節部２１及び２２を駆動するアクチュエータの消費エネルギーを大幅に削減することができる効果を奏する。

さらに、実施の形態１では、上記一方目標位置用弾性値と上記他方目標位置用弾性値とは、上記一方目標位置に到達時の可変弾性体３１及び３２に蓄積されたポテンシャルエネルギー（一方目標位置用ポテンシャルエネルギー）と、上記他方目標位置に到達時の可変弾性体３１及び３２に蓄積されたポテンシャルエネルギー（他方目標位置用ポテンシャルエネルギー）とが同一になるように設定されている。

したがって、実施の形態１のロボットシステムは、上記一方目標位置用ポテンシャルエネルギーと上記他方目標位置用ポテンシャルエネルギーとが同一になるように上記一方目標位置用弾性値及び上記他方目標位置用弾性値を設定することにより、ロボット１によって繰り返し実行される往復運動のさらなる省エネルギー化を図ることができる。

＜実施の形態２＞
図３は、この発明の実施の形態２であるスカラ型ロボットを用いたロボットシステムで用いられるロボットの構成を示す説明図である。

関節部２１及び２２に並列に可変弾性体３１及び３２を設けた場合において、可変弾性体３１及び３２の弾性力が関節部２１及び２２による回転動作に影響を与えないように、影響度合“０”状態に設定できる弾性力除去機能を有するのが実施の形態２のロボット２である。なお、実施の形態２においても、実施の形態１と同様、ロボット２はロボット制御部５相当の制御部によって制御される。

同図に示すように、ベース部１０，アーム部１１間において、ベース部１０の固定点２７に可変弾性体３１（バネ）の一端を固定し、弾性体制御部１５によって可変弾性体３１の他端を関節部２１の中心部を含むアーム部１１上の移動区間Ｄ１５内を移動可能にしている。

具体的には、弾性体制御部１５はモータ２３、ネジ２５、及びナット２９で構成され、可変弾性体３１の他端である吊り元に接続されたナット２９がネジ２５に取り付けられている。ネジ２５はモータ２３の駆動により回転され、ネジ２５の回転によりナット２９、すなわち、可変弾性体３１の他端は移動区間Ｄ１５間を移動可能となる。

同様にして、アーム部１１，アーム部１２間において、アーム部１２の固定点２８に可変弾性体３２（バネ）の一端を固定し、弾性体制御部１６によって可変弾性体３２の他端を関節部２２の中心部を含むアーム部１１上の移動区間Ｄ１６内を移動可能にしている。

弾性体制御部１６は弾性体制御部１５と同様、モータ２４、ネジ２５、及びナット３０で構成され、可変弾性体３２の他端である吊り元に接続されたナット３０がネジ２６に取り付けられる。ネジ２６はモータ２４の駆動により回転され、ネジ２６の回転によりナット３０、すなわち、可変弾性体３２の他端は移動区間Ｄ１６間を移動可能となる。

したがって、弾性体制御部１５及び１６により、ナット２９及びナット３０を関節部２１及び２２の中心点に固定することにより、可変弾性体３１及び３２が関節部２１及び２２による回転動作に影響を与えない、影響度合“０”状態に設定できる。

このように、実施の形態２のロボット２における弾性体制御部１５及び１６は弾性力除去機能を有することにより、可変弾性体３１及び３２の他端を関節部２１及び２２の中心点に固定して可変弾性体３１及び３２の弾性力による回転動作への影響度合を“０”状態に設定することができる。

したがって、実施の形態２のロボット２は、上記影響度合“０”状態に設定することにより、関節部２１及び２２に並列にバネ等の弾性体を設けない従来のロボットと同様、関節部２１及び２２の駆動用に設けたアクチュエータにより、任意の軌道上を加減速移動し、任意の目標手先位置で停止することができる。

一方、弾性体制御部１５及び１６により、可変弾性体３１及び３２の他端（ナット２９及び３０）を関節部２１及び２２の中心点でなく、移動区間Ｄ１５及びＤ１６上の所望位置に設定することにより、可変弾性体３１及び３２の弾性値ｋ_１及びｋ_２をそれぞれ所望の弾性値に設定することができる。

すなわち、実施の形態１のロボット１のように、実施の形態２のロボットを制御することにより、省エネルギー化を図った往復運動を行なうことが出来る。

このように、実施の形態２のロボット２は、高速動作が必要なときには、弾性体制御部１５及び１６の弾性力除去機能により、可変弾性体３１及び３２を影響度合“０”にして、アクチュエータを通常のロボット同様に制御して上記往復運動の高速化を図ることができる。

一方、省エネルギー動作が必要になれば、弾性体制御部１５及び１６による弾性力除去機能を発揮させずに、可変弾性体３１及び３２の弾性値を実施の形態１と同様の制御則で変化させ、アクチュエータへのエネルギー投入を抑制して、省エネルギー化を図った上記往復運動を実行することができる。

このように、実施の形態２は、弾性体制御部１５及び１６による可変弾性体３１及び３２の他端の位置を設定することにより、高速化及び省エネルギー化のうち所望する態様で上記往復運動をロボット２に実行させることができる。

なお、図３に示した構成以外にも、可変弾性体３１及び３２の他端（吊り元）とアーム部１１の接続点との間にクラッチを設け、接続・非接続を切り替え、接続状態時は省エネルギー化、非接続状態時には高速化を図った上記往復運動を実行させる構成も考えられる。

上述したように、実施の形態２のロボットシステムにおいて、ロボット２は弾性体制御部１５及び１６を有している。このため、実施の形態１のロボットシステムと同様、省エネルギー化した上記往復運動をロボット２に実行させたり、上記弾性力除去機能により可変弾性体３１及び３２の弾性力による回転動作への影響度合を“０”にして、ロボット２を可変弾性体３１及び３２が存在しない構成のロボットとして上記往復運動の高速化を図ったりすることができる。

＜実施の形態３＞．
実施の形態３のロボットシステムは、実施の形態１のロボットシステムの動作モードに加え、アーム部１２の先端に関し、任意の作業目標手先位置・姿勢（実施の形態１で述べた目標手先位置９α〜９γ等）を教示する教示モードを備える。

図４は、この発明の実施の形態３であるスカラ型ロボットを用いたロボットシステムの構成を示す説明図である。実施の形態３のロボット３は、実施の形態２のロボット２と同様、弾性体制御部１５及び１６に相当の弾性値制御機能（弾性力除去機能を含む）を有しており、実施の形態２では、実施の形態１のロボット制御部５に相当するロボット制御部６内にプログラム記憶手段として記憶部７を有している。記憶部７は教示モード用に設けられる。

実施の形態２のロボットシステムは、いわゆるダイレクトティーチ、あるいは、ロボット制御部６に有線あるいは無線で接続されるティーチングペンダント８によるリモート操作により、ロボット３を、所望する作業目標手先位置に移動させる。ダイレクトティーチの場合は実施の形態２のロボット２の弾性体制御部１５及び１６相当の制御部を制御し、弾性力除去機能を発揮させ可変弾性体３１及び３２の弾性力の回転動作への影響度合“０”にして行う。また、ダイレクトティーチの場合は手動で関節位置を変更することになる。リモートティーチの場合は、アクチュエータに微少動作指令を加えて少しずつ関節位置を駆動させることになる。教示点は初めて教える場合と、教示点を追加する場合があるが、いずれでも同様に追加できる。

そして、ロボット３の先端に取り付けられたエンドエフェクタあるいはロボットハンドが、ロボット３の作業空間内に存在する目標手先位置および目標姿勢に到達するように、ロボット３の各関節角度、関節位置を動かして行き、目標に到達したときに静止させる。目標手先位置に到達したことは、作業者の目視、あるいはセンサの指示値により確認することができる。

目標手先位置に到達した場合に、ロボットの関節部２１及び２２それぞれの関節角ｑ_１及びｑ_２を、プロクラム記憶手段である記憶部７に記憶させる。記憶させる目標手先位置が目標手先位置９α、〜９γ（以下、単に「α，β，γ」と略記する場合あり）の３点の場合は、同じ作業を３回繰り返し、関節部２１及び２２それぞれのｑα、ｑβ、ｑγが記憶部７に記憶させられる。

つぎに、目標手先位置９α〜９γを巡回するシーケンスを記憶部７に記憶させる。これは、ロボット言語による記述、あるいはフローチャートによる記述を用いる。ロボット言語の場合は、｛mov α，mov β，mov α，mov γ｝というように作業者がロボット制御部６上あるいは他のパソコン上で実行可能なテキストエディタソフトウェア等を用いて作成したテキストデータを記憶部７に記憶させることで実現される。

その結果、目標手先位置に関し、｛α→β→α→γ→α→β・・・｝という動きを繰り返すことになる。フローチャートの場合は、作業者がロボット制御部６あるいは他のパソコン上のフローチャート専用エディタソフトウェアで作成した｛α→β→α→γ｝と記したフローチャートのデータを記憶部７に記憶させる。

このとき、各目標手先位置への移動は、省エネモード（可変弾性体３１及び３２を有効に機能させるモード）で移動するか通常モード（高速動作可能に可変弾性体３１及び３２の回転動作への影響度合を“０”にするモード）で移動するかも併せて指定する。あるいは、ロボットプログラム中で省エネモードと通常モードの切り替え宣言を記述しておくこともできるものとする。例えば次のとおり、｛mov α，省エネモード；mov β，省エネモード；mov α，省エネモード；mov γ，省エネモード｝と記載してもよく、ロボットシステムのロボット制御部６用の操作盤にモード切替スイッチを設けても良い。

すべての目標手先位置の教示完了後、あるいは新規目標手先位置の追加教示完了後、ロボット３のアーム部１１及び１２の共振動作上の平衡角度点Ｘｅ（実施の形態１のように、アーム部１１及び１２がＸ軸に沿って伸びている状態等）が求められ、アーム部１１及び１２が平衡角度点Ｘｅを通過する際に、可変弾性体３１及び３２の弾性値ｋ_１及びｋ_２を変化させるが、弾性値の値及び変化させる順番を計算で求めて、記憶部７に記憶させる。具体的には、アーム部１１及び１２用の関節部２１及び２２に並列に設けられる可変弾性体３１及び３２の弾性値ｋ_１及びｋ_２を以下のように切り替えることが、記憶部７に記憶させる。

可変弾性体３１の弾性値を｛ｋ_α１→ｋ_β１→ｋ_α１→ｋ_γ１｝で変化させ、可変弾性体３２の弾性値を｛ｋ_α２→ｋ_β２→ｋ_α２→ｋ_γ２｝で変化させる。

教示モードにおける目標手先位置の記憶と各種計算が完了すると、ロボット制御部６の制御下で通常モードあるいは省エネモードでロボット３による上記往復運動を実行することができる。

このように、実施の形態３のロボットシステムは、教示モードにて確認しながら他方目標位置（目標手先位置９α）及び一方目標位置（目標手先位置９β，９γ）を設定して、省エネルギー化あるいは高速化を図った、他方目標位置及び一方目標位置間の往復運動をロボットに実行させることができる。

（その他）
ロボット制御部５及びロボット制御部６による、弾性値ｋ_１及びｋ_２等の設定処理、ロボット１〜３の制御動作等の一連の処理は、例えば、ソフトウェアに基づくＣＰＵを用いたプログラム処理によって実行される。

実施の形態３のロボットシステムにおけるロボット制御部６内の記憶部７は、ＨＤＤ、ＤＶＤ、メモリなどによって構成される。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

１〜３ ロボット、５，６ ロボット制御部、７ 記憶部、９α〜９γ 目標手先位置、１０ ベース部、１１，１２ アーム部、２１，２２ 関節部、３１，３２ 可変弾性体、４１，４２ 作業領域。

Claims (3)

1. ロボットと、
   前記ロボットの動作を制御するロボット制御部とを備え、
   前記ロボットは、
   ベース部と第１の関節部を介して接続される第１のアーム部と、
   前記第１のアーム部と第２の関節部を介して接続される第２のアーム部とを備え、前記第１及び第２のアーム部は第１及び第２の関節部を中心とした回転動作が可能であり、
   前記ベース部及び第１のアーム部間に設けられ、第１の弾性値が可変設定可能な第１の弾性体と、
   前記第１のアーム部及び前記第２のアーム部間に設けられ、第２の弾性値が可変設定可能な第２の弾性体とを備え、
   前記ロボット制御部は、
   一方作業領域内における一方目標位置と他方作業領域内における他方目標位置間を、前記第１及び第２の弾性体による弾性力が作用しない平衡角度点を通過させながら、前記第１及び第２のアーム部に前記回転動作を実行させて前記一方作業領域，前記他方作業領域間を往復運動させる際、
   前記平衡角度点〜前記一方目標位置間の区間である一方目標区間において共振動作可能に前記第１及び第２の弾性値を一方目標位置用弾性値として設定し、前記平衡角度点〜前記他方目標位置間の区間である他方目標区間において共振動作可能に前記第１及び第２の弾性値を他方目標位置用弾性値として設定し、
   前記往復運動の前記平衡角度点の通過時において、前記一方目標区間は前記一方目標位置用弾性値となり、前記他方目標区間は前記他方目標位置用弾性値となるように切り替え制御を行うことを特徴とする、
   ロボットシステム。
2. 請求項１記載のロボットシステムであって、
   前記一方目標位置用弾性値と前記他方目標位置用弾性値とは、前記一方目標位置に到達時の前記第１及び第２の弾性体に蓄積された一方目標位置用ポテンシャルエネルギーと、前記他方目標位置に到達時の前記第１及び第２の弾性体に蓄積された他方目標位置用ポテンシャルエネルギーとが同一になるように設定されることを特徴とする、
   ロボットシステム。
3. 請求項１または請求項２に記載のロボットシステムであって、
   前記ロボット制御部は、
   教示モードにて前記ロボットを動作させ前記一方目標位置及び前記他方目標位置を設定し、その後に前記一方目標位置用弾性値及び前記他方目標位置用弾性値及びその変更シーケンスを自動生成して、設定及び自動生成した情報を記憶部に記憶させる教示機能を有することを特徴とする、
   ロボットシステム。

Images