JP6236388B2 - ロボット制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、ロボット制御方法、特に、塗装ロボット又は塗装設備の搬送ロボットの制御方法に関する。

特許文献１は、ロボットが横断するロボット経路が所定のロボット経路に可能な限り正確に一致するよう、移動制御中に経路補正値を考慮に入れるロボット制御方法を開示する。この文献では、経路補正値は、動的ロボットモデルに基づくロボットの弾性、摩擦、又は慣性を考慮に入れる。この場合、実際のロボット経路と所定のロボット経路との間の乖離が隣接するロボット軸間の関節毎の機械的弾力性のみから生じるような剛体のロボット軸が仮定されている。従って、この従来のロボット制御方法は、ロボット軸内（例えば、隣接二関節間のロボット腕内など）毎に生じる機械的負荷を考慮に入れるものではない。さらに、この従来の制御方法は、各関節の回動平面に平行な向きのトルク、即ち、各関節の回動軸に平行な向きのトルクをのみを考慮に入れている。例えば、ロボットが移動する場合、その移動方向を横切るようにトルクも生じ、場合によっては、このトルクが機械的過負荷を招く虞があるが、このトルクは、従来の制御方法ではこれまで考慮されていなかった。

ロボット制御は、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５にも開示されている。しかし、これらのロボット制御は、たかだか、各ロボット軸の各回動平面内で働く機械的負荷を考慮に入れるに過ぎない。

欧州特許出願公開第２１４６８２５号明細書 独国特許出願公開第１９９１４２４５号明細書 独国特許出願公開第１０２００７０２４１４３号明細書 独国特許出願公開第６９７１４０１７号明細書 欧州特許出願公開第０２６２６００号明細書

そこで、本発明は、上述した問題点を鑑み、改善された制御方法を達成することを課題とする。

この課題は、独立請求項に記載されている本発明に係る制御方法によって達成される。

本発明は、多軸ロボットの動作中、各回動平面内の機械的負荷のみならず、各回動平面を横切る機械的負荷についても注意すべきであるという技術的思想に基づいている。

『回動平面を横切る機械的負荷』という用語は、本発明の範疇では、特に、各関節の回動軸に直角な向きの、即ち、回動平面に平行な傾動モーメントを包含する。また、この用語は、回動平面に直角な向きの力も包含する。

本発明は、ロボットの動作中、次のロボット経路を通過する際に生じる機械的負荷を事前算出することの一般的な技術的教示を含む。この場合、機械的負荷は事前算出される点に着目すべきである。即ち、機械的負荷は、実際の移動状況から測定されたりモデル化されたりせず、代わりに、所定のロボット経路及び既知の機械的特性（形状や質量分布など）に基づき、ロボット経路の次の区画について事前算出される。このとき、事前算出された機械的負荷が高すぎるときに、対抗策を開始することとしてもよい。

さらに、本発明は、機械的過負荷を避けるよう、事前算出された機械的負荷に応じて、ロボット軸の駆動モーターの制御を調整することを提供する。

機械的過負荷を避けるためロボット軸の駆動モーターの制御を調整するための選択肢として、ロボットの移動を制動又は減速して生じ得る機械的過負荷を避けることが挙げられる。

機械的過負荷を避けるためロボット軸の駆動モーターの制御を調整するための別の選択肢として、所定のロボット経路を若干調整することも挙げられる。

好ましくは、事前算出された機械的負荷は、次の機械的過負荷を検出するために、少なくとも１つの限界値と比較される。このとき、必要であれば、上で挙げた対抗策を開始してもよい。

本発明の好ましい例示的実施形態では、ロボット軸又は関節内で働く特定の力及び／又はトルクが選択される。この場合、機械的負荷の監視中、各ロボット軸又は関節内で生じる力及びトルクの全てを監視するわけではない。例えば、特定のロボット軸を監視対象に選んでもよい。さらに、選択したロボット軸又は関節内の特定の機械的負荷、例えば、移動方向を横切るトルク又は力を監視対象に選んでもよい。

本発明の好ましい例示的実施形態では、各ロボット軸はそれぞれ特定の回動平面内で互いに相対的に回動可能に取り付けられ、各回動平面を横切る各ロボット軸内の機械的負荷が事前算出される。こうした点は、従来、知られていなかった。機械的負荷を事前算出する際、好ましくは、各ロボット軸内で働き且つ各ロボット軸に直角な向きの傾動モーメントが算出される。

注目すべきこととして、各ロボット軸の駆動モーターが、好ましくは、中央ロボット制御から目標値を受け取る位置制御器によって制御されることも挙げられる。このとき、所定の目標値の配列が所望のロボット経路を定める。中央ロボット制御による目標値の設定は、好ましくは、特定の補間クロックパルスでクロック（ｃｌｏｃｋ）される。本発明では、好ましくは、機械的負荷を事前算出するにあたって、必要であれば、対抗策の開始も同様に補間クロックパルスでクロックされる。注目すべきこととして、機械的負荷は多次元的に事前算出されてもよいことが挙げられる。このとき、機械的負荷の事前算出に当たって、トルク及び力の両方が算出されてもよい。

さらに、本発明の範疇では、ロボット軸の１つの内又は関節の内に配置され且つロボット軸に相対的に固定されている座標原点を有し、ロボット軸とともに移動する座標系を設定してもよい。本発明の範疇では、事前算出された機械的負荷はこの仮想座標系を参照する。この場合、ロボットの移動中にこの座標系で生じる特定の力及び／又はトルクを選択してもよく、このとき機械的負荷は選択した力及び／又はトルクによって表される。

注目すべきこととして、本発明は上述した本発明に係る制御方法に限定されるものではなく、本発明に係る制御方法を実行するようプログラムされたロボット制御部も含むことが挙げられる。

最後に、本発明は、少なくとも１つの多軸ロボット（搬送ロボット、塗装ロボットなど）及び本発明に係る制御方法を実行するロボット制御部を有するロボットシステムを包含する。そして、本発明は、一式の塗装設備、又は、こうした塗装設備の塗装室の保護も包含する。

本発明の制御方法によって制御される塗装ロボットの斜視図。 本発明の制御方法を示す流れ図。

本発明のさらなる好ましい改善例は、従属請求項により特徴付けられ、又は、図面と共に以下の本発明の好ましい例示的実施形態の記載を参照することでより詳細に説明される。

図１は、自体は従来通りの塗装ロボット１を示しており、これは、塗装設備で自動車の車体部品を塗装するためなどに用いることができる。

本発明のこの例示的実施形態では、塗装ロボット１は、垂直回転軸３を中心に回転可能なロボット基部２を有している。しかし、本発明は、ロボット基部が固定されている又はガイドレールに沿って移動可能な他の類似塗装ロボットでも実現可能である。

近位ロボット腕４はロボット基部２上に回動可能に実装されており、このロボット腕４は水平回動軸を中心にロボット基部２に対して回動可能である。

遠位ロボット腕６は近位ロボット腕４の遠位端に回動可能に実装されており、この遠位腕６は水平回動軸７を中心に近位ロボット腕４に対して回動可能である。

多軸ロボット手根部８は、それ自体は周知であり、同様に周知な回転噴霧器９を高移動性でガイドでき、ロボット腕６の遠位端に取り付けられている。

塗装ロボット１はそれ自体は周知なロボット制御部１０により制御される。しかし、ロボット制御部１０は、塗装ロボットの動作中に塗装ロボットの機械的過負荷を避けるため本発明に係る新規の制御方法を実行する。この場合、ロボット制御部１０は、従来技術では考慮されてこなかったロボット基部２、ロボット腕４、又はロボット腕６内で生じる機械的負荷を算出する。一方、従来の制御方法では、剛性のロボット軸を仮定しているため、せいぜい、隣接するロボット軸間の関節での機械的負荷を考慮に入れるにすぎない。

本発明の範疇では、例えば、近位ロボット腕４内にその座標原点が位置する座標系１１を設定してもよい。機械的負荷を事前算出する際、塗装ロボット１の動作中に座標系１１で生じるだろう力Ｆｘ２、Ｆｙ２、Ｆｚ２及びトルクＭｘ２、Ｍｙ２、Ｍｚ２を事前算出してもよい。

さらに、本図は、ロボット基部２と地面との間の回り継手内にその座標原点が位置する別の座標系１２を示す。座標系１２では、同様に、機械的負荷が力Ｆｘ１、Ｆｙ１、Ｆｚ１及びトルクＭｘ１、Ｍｙ１、Ｍｚ１の形で生じ、これらは本発明に係る制御方法の範疇で考慮に入れられる。この例示的実施形態では、例えば、回り継手の回転軸に直角な向きの傾動モーメントＭｘ１、Ｍｙ１が監視される。

以下では、図２に示す流れ図を参照しつつ本発明に係る制御方法を説明する。

まず、最初のステップＳ１では、ロボット軸とともに移動し、その座標原点がロボット軸の１つの内に配置され且つロボット軸上に空間的に固定されている座標系を設定する。例えば、この場合、図１に示される座標系１１などが考えられる。

次に、ステップＳ２では、この座標系で監視対象の力及び／又はトルクを定義する。例えば、この場合、座標系１１でのトルクＭｙ２及び力Ｆｘ２並びに座標系１２でのトルクＭｘ１及びＭｙ１が考えられる。

さらに、ステップＳ３では、工具中心点（Ｔｏｏｌ Ｃｅｎｔｅｒ Ｐｏｉｎｔ；ＴＣＰ）の軌跡を、直交座標系で定義される経過点の配列として設定する。

塗装ロボットの実際の動作中には、所定の軌跡を横断するよう中央ロボット制御部によりロボット軸の各位置制御器が制御される。これは、ステップＳ４に対応するが、それ自体は周知である。

次に、ステップＳ５では、次の機械的過負荷を間に合うよう検出するため、所定の軌跡を横断する際、監視対象の力（トルクＭｘ１、Ｍｙ１、Ｍｙ２、及び力Ｆｘ２）を事前算出する。

次に、ステップＳ６では、事前算出された力及びモーメントを許容限界値と比較する。

ステップＳ７では、機械的負荷が超過しようとしているかを判断する。

判断結果が肯であれば、ステップＳ８で、対抗策を開始する。こうした対抗策として、この例示的実施形態では、ロボットの移動を制動する。

ステップＳ９では、経路の終点に達したか、又は、ロボットの移動が他の理由で停止したかを判断する。判断結果が否であれば、Ｓ４からＳ９をループして繰り返す。

本発明は、上述の好ましい例示的実施形態に限定されるものではない。むしろ、本発明の思想を利用し本発明の保護範囲に分類される種々の変形例及び修正例が可能である。さらに、本発明は、独立請求項の特徴とは独立して従属請求項の主題の保護を請求するものである。
［付記１］
複数の可動ロボット軸（２、４、６）を有するロボット（１）、特に、塗装ロボット（１）又は搬送ロボットの制御方法であって、
前記ロボット軸（２、４、６）は、それぞれ、回動平面上で回動可能であり、
ａ）前記ロボット（１）の基準点が通過するロボット経路が複数の経過点により設定され、且つ、
ｂ）前記ロボット（１）の前記基準点が所定の前記ロボット経路を通過するよう、各前記ロボット軸（２、４、６）の駆動モーターが所定の前記ロボット経路に応じて制御されるとき、
ｃ）次のロボット経路を通過する際に各前記ロボット軸（２、４、６）の回動平面を横切って生じる機械的負荷（Ｍｙ１、Ｍｘ１、Ｆｘ１、Ｆｙ１、Ｆｚ１、Ｆｘ２、Ｆｙ２、Ｆｚ２、Ｍｘ２、Ｍｙ２、Ｍｚ２）を事前算出する工程、及び、
ｄ）機械的過負荷を避けるよう、事前算出された前記機械的負荷（Ｍｙ１、Ｍｘ１、Ｆｘ１、Ｆｙ１、Ｆｚ１、Ｆｘ２、Ｆｙ２、Ｆｚ２、Ｍｘ２、Ｍｙ２、Ｍｚ２）に応じて、前記ロボット軸（２、４、６）の前記駆動モーターの制御を調整する工程
を備えることを特徴とする制御方法。
［付記２］
前記ロボット軸（２、４、６）の少なくとも１つの内の事前算出された前記機械的負荷が２つの関節の間で生じる、付記１に記載の制御方法。
［付記３］
前記機械的負荷（Ｍｙ１、Ｍｘ１、Ｆｘ１、Ｆｙ１、Ｆｚ１、Ｆｘ２、Ｆｙ２、Ｆｚ２、Ｍｘ２、Ｍｙ２、Ｍｚ２）を事前算出する工程において、各前記ロボット軸（２、４、６）の回動軸に直角な向きの傾動モーメント（Ｍｙ２）が算出される、付記１又は２に記載の制御方法。
［付記４］
ａ）事前算出された前記機械的負荷（Ｍｙ１、Ｍｘ１、Ｆｘ１、Ｆｙ１、Ｆｚ１、Ｆｘ２、Ｆｙ２、Ｆｚ２、Ｍｘ２、Ｍｙ２、Ｍｚ２）を次の機械的過負荷を検出するための少なくとも１つの限界値と比較する工程、及び、
ｂ）前記次の機械的過負荷（Ｍｙ１、Ｍｘ１、Ｆｘ１、Ｆｙ１、Ｆｚ１、Ｆｘ２、Ｆｙ２、Ｆｚ２、Ｍｘ２、Ｍｙ２、Ｍｚ２）が検出されたとき、次の前記ロボット経路上の前記基準点の動きを制動する工程
を備える、付記１から３のいずれか１つに記載の制御方法。
［付記５］
ａ）各前記ロボット軸（２、４、６）の前記駆動モーターはそれぞれ位置制御器により制御され、
ｂ）前記位置制御器は中央ロボット制御部（１０）から目標値を受け取り、
ｃ）前記中央ロボット制御部（１０）は特定の補間クロックパルスでクロックされた前記目標値を前記位置制御器に出力し、
ｄ）前記機械的負荷（Ｍｙ１、Ｍｘ１、Ｆｘ１、Ｆｙ１、Ｆｚ１、Ｆｘ２、Ｆｙ２、Ｆｚ２、Ｍｘ２、Ｍｙ２、Ｍｚ２）を事前算出する工程も同様に前記補間クロックパルスでクロックされる、
付記１から４のいずれか１つに記載の制御方法。
［付記６］
ａ）前記機械的負荷（Ｍｙ１、Ｍｘ１、Ｆｘ１、Ｆｙ１、Ｆｚ１、Ｆｘ２、Ｆｙ２、Ｆｚ２、Ｍｘ２、Ｍｙ２、Ｍｚ２）は多次元的に事前算出され、
ｂ）前記機械的負荷（Ｍｙ１、Ｍｘ１、Ｆｘ１、Ｆｙ１、Ｆｚ１、Ｆｘ２、Ｆｙ２、Ｆｚ２、Ｍｘ２、Ｍｙ２、Ｍｚ２）を事前算出する際、トルク（Ｍｘ１、Ｍｙ１、Ｍｘ２、Ｍｙ２、Ｍｚ２）及び力（Ｆｘ１、Ｆｙ１、Ｆｘ２、Ｆｙ２、Ｆｚ２）の両方が算出される、
付記１から５のいずれか１つに記載の制御方法。
［付記７］
ａ）前記ロボット軸（２、４、６）の１つの内に配置され且つ前記ロボット軸（２、４、６）に相対的に固定されている座標原点を有し、前記ロボット軸（２、４、６）とともに移動する座標系（１１）を設定する工程、
ｂ）前記ロボット（１）の移動中に前記座標系（１１）で生じる特定の力（Ｆｘ１、Ｆｙ１、Ｆｘ２、Ｆｙ２、Ｆｚ２）及び／又はトルク（Ｍｘ１、Ｍｙ１、Ｍｘ２、Ｍｙ２、Ｍｚ２）を選択する工程、
ｃ）選択した前記力（Ｆｘ１、Ｆｙ１、Ｆｘ２、Ｆｙ２、Ｆｚ２）及び／又は前記トルク（Ｍｘ１、Ｍｙ１、Ｍｘ２、Ｍｙ２、Ｍｚ２）から前記機械的負荷（Ｍｙ１、Ｍｘ１、Ｆｘ１、Ｆｙ１、Ｆｚ１、Ｆｘ２、Ｆｙ２、Ｆｚ２、Ｍｘ２、Ｍｙ２、Ｍｚ２）を決定する工程、
を備える、付記１から６のいずれか１つに記載の制御方法。
［付記８］
複数の可動ロボット軸（２、４、６）を有するロボット（１）、特に、塗装ロボット（１）又は搬送ロボットのロボット制御部であって、
前記ロボット制御部（１０）は動作中に付記１から７のいずれか１つに記載の制御方法を実行することを特徴とする、ロボット制御部。
［付記９］
ａ）少なくとも１つの、多軸ロボット（１）、特に、塗装ロボット（１）又は搬送ロボット、及び
ｂ）付記８に記載のロボット制御部（１０）
を有するロボットシステム。

１ 塗装ロボット
２ ロボット基部
３ ロボット基部の回転軸
４ 近位ロボット腕
５ 回動軸
６ 遠位ロボット腕
７ 回動軸
８ ロボット手根部
９ 回転噴霧器
１０ ロボット制御部
１１ 座標系
１２ 座標系

Claims (9)

1. 複数の可動ロボット軸を有するロボット、特に、塗装ロボット又は搬送ロボットの制御方法であって、
   前記ロボット軸は、それぞれ、回動平面上で回動可能であり、
   ａ）前記ロボットの基準点が通過するロボット経路が複数の経過点により設定され、且つ、
   ｂ）前記ロボットの前記基準点が所定の前記ロボット経路を通過するよう、各前記ロボット軸の駆動モーターが所定の前記ロボット経路に応じて制御されるとき、
   ｃ）次のロボット経路を通過する際に各前記ロボット軸の回動平面を横切って生じる機械的負荷を事前算出する工程、及び、
   ｄ）機械的過負荷を避けるよう、事前算出された前記機械的負荷に応じて、前記ロボット軸の前記駆動モーターの制御を調整する工程
   を備えることを特徴とする制御方法。
2. 前記ロボット軸の少なくとも１つの内の事前算出された前記機械的負荷が２つの関節の間で生じる、請求項１に記載の制御方法。
3. 前記機械的負荷を事前算出する工程において、各前記ロボット軸の回動軸に直角な向きの傾動モーメントが算出される、請求項１又は２に記載の制御方法。
4. ａ）事前算出された前記機械的負荷を次の機械的過負荷を検出するための少なくとも１つの限界値と比較する工程、及び、
   ｂ）前記次の機械的過負荷が検出されたとき、次の前記ロボット経路上の前記基準点の動きを制動する工程
   を備える、請求項１から３のいずれか１項に記載の制御方法。
5. ａ）各前記ロボット軸の前記駆動モーターはそれぞれ位置制御器により制御され、
   ｂ）前記位置制御器は中央ロボット制御部から目標値を受け取り、
   ｃ）前記中央ロボット制御部は特定の補間クロックパルスでクロックされた前記目標値を前記位置制御器に出力し、
   ｄ）前記機械的負荷を事前算出する工程も同様に前記補間クロックパルスでクロックされる、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の制御方法。
6. ａ）前記機械的負荷は多次元的に事前算出され、
   ｂ）前記機械的負荷を事前算出する際、トルク及び力の両方が算出される、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の制御方法。
7. ａ）前記ロボット軸の１つの内に配置され且つ前記ロボット軸に相対的に固定されている座標原点を有し、前記ロボット軸とともに移動する座標系を設定する工程、
   ｂ）前記ロボットの移動中に前記座標系で生じる特定の力及び／又はトルクを選択する工程、
   ｃ）選択した前記力及び／又は前記トルクから前記機械的負荷を決定する工程、
   を備える、請求項１から６のいずれか１項に記載の制御方法。
8. 複数の可動ロボット軸を有するロボット、特に、塗装ロボット又は搬送ロボットのロボット制御部であって、
   前記ロボット制御部は動作中に請求項１から７のいずれか１項に記載の制御方法を実行することを特徴とする、ロボット制御部。
9. ａ）少なくとも１つの、多軸ロボット、特に、塗装ロボット又は搬送ロボット、及び
   ｂ）請求項８に記載のロボット制御部
   を有するロボットシステム。

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