JP6309847B2 - 定格ワークパラメータを超えるワークを搬送可能なロボット制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、定格ワークパラメータを超えるワークを搬送可能なロボット制御装置に関する。

大重量のワークを産業用ロボットで搬送するためにロボットを大型化すると、ロボットの製作コストが大幅に上昇する。この点に関し、従来、産業用ロボットに作用する負荷を軽減して、重量物を搬送するようにした装置が知られている（特許文献１〜３参照）。これら特許文献１〜３記載の装置では、産業用ロボットの上方の天井にバランサを配置し、バランサとロボットのワーク把持部とを接続して、ロボットに作用する重力方向の負荷をバランサにより吸収する。

特開昭６１−２１４９８３号公報 特開平１１−５８２８７号公報 特公昭６３−７９１７号公報

しかしながら、上記特許文献１〜３記載の装置では、天井にバランサを配置する必要があるため、コストが上昇する。

本発明の一態様であるロボット制御装置は、産業用ロボットにより搬送されるワークの搬送性に影響を与えるワーク自体のパラメータであるワークパラメータを設定する設定部と、産業用ロボットにより定格速度で搬送可能なワーク自体の最大パラメータである定格ワークパラメータと、前記産業用ロボットにより搬送可能なワーク自体の上限パラメータであって前記定格ワークパラメータよりも大きな上限ワークパラメータとを記憶する記憶部と、設定部により設定されたワークパラメータが記憶部に記憶された定格ワークパラメータよりも大きく、且つ、前記上限ワークパラメータ以下である場合に、産業用ロボットの最大速度を定格速度よりも低減する速度制限部とを備える。

本発明によれば、ワークパラメータが定格ワークパラメータよりも大きいときに、産業用ロボットの最大速度を定格速度よりも低減するので、バランサ等を追加することなく簡易な構成により産業量ロボットで重量物を搬送可能である。

本発明の実施形態に係るロボット制御装置の主要な構成を示すブロック図。 本発明の実施形態に係るロボット制御装置で実行される処理の一例を示すフローチャート。 本発明の実施形態に係るロボット制御装置の動作特性の一例を示す図。

以下、図１〜図３を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の実施形態に係るロボット制御装置１００の主要な構成を示すブロック図である。ロボット制御装置１００は、産業用ロボット１の動作を制御するように構成される。産業用ロボット１は、例えば多関節型ロボットであり、アーム先端部に把持部を有し、把持部でワークを把持してワークを所定位置に搬送する。

この種の産業用ロボット１には、最高速度（以下、定格速度Ｖｍａｘと呼ぶ）で搬送可能なワークの重量（以下、ワーク最大重量Ｗｍａｘ）が、予めロボット自体の仕様として定められている。すなわち、ワーク重量がワーク最大重量Ｗｍａｘを超えると、ロボットはワークを定格速度で搬送することが困難となる。この場合に、可搬能力の大きい大型のロボットを使用すれば、より大重量のワークを搬送することが可能となる。しかしながら、大型のロボットを使用すると、ロボットの製作コストが大幅に上昇する。一方、ロボットの上方の天井にバランサ等を配置し、バランサによってロボットに作用する負荷を軽減する構成においても、バランサを追加する必要があるため、コストが上昇する。さらに、この場合にはロボットの設置場所が制約を受ける。そこで、本実施形態では、コストの上昇を抑えつつ、ワーク最大重量Ｗｍａｘよりも重いワークを搬送可能とするために、以下のように構成する。

まず、本発明の実施形態に係るロボット制御装置１００の基本的な考え方について説明する。ロボット１で把持された質量Ｍのワークが速度Ｖで移動するとき、ワークが有する運動エネルギＥは、次式(I)で表される。
Ｅ＝１／２ＭＶ² ・・・(I)

上式(I)より、ワークの質量Ｍが増大すると、運動エネルギＥが増加する。ワークの質量Ｍが増大した場合に運動エネルギＥの増加を抑えるためには、ワークの速度Ｖを低減すればよい。すなわち、ワークの最大速度を制限することで、ロボット１は、ワーク最大重量Ｗｍａｘよりも重いワークを搬送することが可能となる。

図１のロボット制御装置１００は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，その他の周辺回路などを有する演算処理装置を含んで構成され、機能的構成として設定部１１と、記憶部１２と、速度制限部１３と、加減速制限部１４と、ロボット制御部１５とを有する。

設定部１１は、ロボット１により搬送されるワーク自体によって定まるパラメータ、すなわちワークパラメータＷＰを設定する。ワークパラメータＷＰは、ワークの質量ｍ、イナーシャＩ、重心位置、モーメント等、ワークの搬送性に影響を与える物理量を含む。ワークパラメータＷＰは、例えば、ロボット制御装置１００に接続された図示しない入力部を介してユーザが入力する。ワークの材質や形状データを用いて設定部１１自体がワークパラメータＷＲを算出し、これを設定してもよい。

記憶部１２は、定格ワークパラメータＷＰ１と、上限ワークパラメータＷＰ２と、定格速度Ｖｍａｘと、上限加速度Ａｍａｘと、上限減速度Ｄｍａｘとを予め記憶する。これらの記憶された値ＷＰ１，ＷＰ２，Ｖｍａｘは、ロボット１の構成により定まるロボット１に固有の値である。ＡｍａｘおよびＤｍａｘは、上限ワークパラメータ搬送時にアクチュエータのトルクが飽和せず、ハンド先端が振動しない値である。ＡｍａｘとＤｍａｘの値は、事前に上限ワークパラメータＷＰ２のワークの搬送をロボット１で行い、パラメータ調整して定め、記憶部１２に記憶する。定格ワークパラメータＷＰ１は、定格速度Ｖｍａｘで搬送可能なワークのパラメータＷＰの最大値であり、ロボット１の仕様として与えられる。すなわち、ワークパラメータＷＰが定格ワークパラメータＷＰ１以下であれば、ワークを定格速度Ｖｍａｘで搬送することができる。

上限ワークパラメータＷＰ２は、ロボット１により搬送可能なワークのパラメータＷＰの上限値であり、上限ワークパラメータＷＰ２は、定格ワークパラメータＷＰ１よりも大きい。上限ワークパラメータＷＰ２は、ロボット１の各機構部の強度やアクチュエータ（サーボモータ等）のトルク性能限界等、構造的な限界を考慮して決定される。ワークパラメータＷＰが定格ワークパラメータＷＰ１を超えた場合であっても、上限ワークパラメータＷＰ２以下であれば、ロボット１は、速度Ｖを定格速度Ｖｍａｘより下げることで動作可能である。

記憶部１２には、定格ワークパラメータＷＰ１および上限ワークパラメータＷＰ２を構成する各物理量がそれぞれ記憶される。すなわち、定格ワークパラメータＷＰ１としてワークの質量ｍ１、イナーシャＩ１等が、上限ワークパラメータＷＰ２としてワークの質量ｍ２、イナーシャＩ２等がそれぞれ記憶される。この場合、ワーク質量ｍ１とｍ２の間には、ｍ２＞ｍ１の関係があり、イナーシャＩ１とＩ２の間には、Ｉ２＞Ｉ１の関係がある。

速度制限部１３は、設定部１１で設定されたワークパラメータＷＰと、記憶部１２に記憶された定格ワークパラメータＷＰ１および上限ワークパラメータＷＰ２との大小に応じて、ワーク搬送時のロボット１の最大速度Ｖｘを設定する。例えば、ワークパラメータＷＰが定格ワークパラメータＷＰ１以下（以下、第１範囲と呼ぶ）である場合には、最大速度Ｖｘを定格速度Ｖｍａｘに設定する。ワークパラメータＷＰが定格ワークパラメータＷＰ１より大きく、かつ、上限ワークパラメータＷＰ２以下（以下、第２範囲と呼ぶ）である場合には、最大速度Ｖｘを定格速度Ｖｍａｘよりも小さい値に設定する。ワークパラメータＷＰが上限パラメータＷＰ２より大きい（以下、第３範囲と呼ぶ）場合には、最大速度Ｖｘを０に設定する。

加減速制限部１４は、設定部１１で設定されたワークパラメータＷＰと、記憶部１２に記憶された定格ワークパラメータＷＰ１および上限ワークパラメータＷＰ２との大小に応じて、ワーク搬送時のロボット１の加速度Ａおよび減速度Ｄを設定する。例えば、ワークパラメータＷＰが第１範囲である場合には、加減速制限部１４では制限を行わない。ワークパラメータＷＰが第２範囲である場合には、加速度Ａおよび減速度Ｄを第１範囲の加速度および減速度よりも小さい値に設定する。ワークパラメータＷＰが第３範囲である場合には、加速度Ａおよび減速度Ｄを記憶部１２に記憶された上限加速度Ａｍａｘおよび上限減速度Ｄｍａｘに設定する。

ワークパラメータＷＰがワークの質量ｍにより定義される場合、ｍ≦ｍ１が第１範囲、ｍ１＜ｍ≦ｍ２が第２範囲、ｍ＞ｍ２が第３範囲となる。この場合、ｍ１はワーク最大重量Ｗｍａｘに対応する。ワークパラメータＷＰがワークのイナーシャＩにより定義される場合、Ｉ≦Ｉ１が第１範囲、Ｉ１＜Ｉ≦Ｉ２が第２範囲、Ｉ＞Ｉ２が第３範囲となる。

ワークパラメータＷＰがワークの質量ｍにより定義され、かつ、ワークパラメータＷＰが第２範囲にある場合、速度制限部１３は、設定部１１で設定された質量ｍを用いて次式(II)により最大速度Ｖｘを求める。
Ｖｘ＝（ｍ１／ｍ）^1/2×Ｖｍａｘ ・・・(II)

ワークパラメータＷＰがワークのイナーシャＩにより定義され、かつ、ワークパラメータＷＰが第２範囲にある場合、速度制限部１３は、設定部１１で設定されたワークのイナーシャＩを用いて次式(III)により最大速度Ｖｘを求める。
Ｖｘ＝（Ｉ１／Ｉ）^1/2×Ｖｍａｘ ・・・(III)

ワークパラメータＷＰが質量ｍとイナーシャＩとにより定義され、かつ、ワークパラメータＷＰが第２範囲にある場合、速度制限部１３は、上式(II)により最大速度（以下、第１最大速度Ｖｘ１と呼ぶ）を求めるとともに、上式(III)により最大速度（以下、第２最大速度Ｖｘ２と呼ぶ）を求める。さらに、速度制限部１３は、第１最大速度Ｖｘ１と第２最大速度Ｖｘ２のうち、小さい方の値を最大速度Ｖｘとして設定する。このようにして設定された最大速度Ｖｘは定格速度Ｖｍａｘよりも小さい。

ロボット制御部１５は、予め定められた動作プログラムに従いロボット駆動用のアクチュエータ（サーボモータ）に制御信号を出力し、ロボット１の動作を制御する。この場合、把持部の移動速度が速度制限部１３で設定された最大速度Ｖｘを超えないように、サーボモータを制御する。例えば、ワークパラメータＷＰが第２範囲にあり、かつ、予め動作プログラムで定められた指令速度が定格速度Ｖｍａｘである場合、ロボット制御部１５は、指令速度が定格速度Ｖｍａｘよりも小さな最大速度Ｖｘとなるように（図３参照）動作速度を変更する。

図２は、ロボット制御装置１００で実行される処理の一例を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、例えばロボット１による搬送作業開始が指令されると開始される。ステップＳ１では、設定部１１での処理により、ロボット１の把持部で把持されるワークのパラメータ、すなわちワークの質量ｍやイナーシャＩ等を含むワークパラメータＷＰを設定する。

ステップＳ２では、速度制限部１３での処理により、ステップＳ１で設定されたワークパラメータＷＰが、予め記憶部１２に記憶された定格ワークパラメータＷＰ１よりも大きいか否かを判定する。ステップＳ２が肯定されるとステップＳ３に進み、否定されるとステップＳ６に進む。ステップＳ６では、ワークパラメータＷＰが第１範囲にあるため、速度制限部１３での処理により最大速度Ｖｘを定格速度Ｖｍａｘに設定する。

ステップＳ３では、速度制限部１３での処理により、ステップＳ１で設定されたワークパラメータＷＰが、予め記憶部１２に記憶された上限ワークパラメータＷＰ２よりも大きいか否かを判定する。ステップＳ３が肯定されるとステップＳ４に進み、否定されるとステップＳ７に進む。ステップＳ７では、ワークパラメータＷＰが第２範囲にあるため、速度制限部１３での処理により上式(II),(III)を用いて最大速度Ｖｘを設定する。一方、ステップＳ４では、ワークパラメータＷＰが第３範囲にあるため、速度制限部１３での処理により最大速度Ｖｘを０に設定する。

ステップＳ５では、ロボット制御部１５が、設定された最大速度Ｖｘを超えないようにサーボモータに制御信号を出力し、ロボット１の動作を制御する。すなわち、ワークパラメータＷＰが上限ワークパラメータＷＰ２よりも大きい場合、Ｖｘ＝０であるため、サーボモータに停止信号を出力し、ロボット１の動作を停止させる。ワークパラメータＷＰが定格ワークパラメータＷＰ１以下の場合、ロボット１（把持部）の最大速度Ｖｘが定格速度Ｖｍａｘとなるようにサーボモータに制御信号を出力する。ワークパラメータＷＰが定格ワークパラメータＷＰ１よりも大きく、かつ、上限ワークパラメータＷＰ２以下の場合、最大速度Ｖｘが定格速度Ｖｍａｘよりも低下するようにサーボモータに制御信号を出力する。

本実施形態に係るロボット制御装置１００の主要な動作を説明する。以下では、便宜上、ワークパラメータＷＰがワーク質量ｍにより定義され、かつ、ロボット把持部の移動速度として予め動作プログラムにより定格速度Ｖｍａｘが指令されているものとして説明する。図３は、本実施形態に係るロボット制御装置１００の動作特性の一例を示す図である。

ワークの質量ｍがｍ１以下、すなわちワークパラメータＷＰが定格ワークパラメータＷＰ１以下（第１範囲）のとき、図３に示すように最大速度Ｖｘは定格速度Ｖｍａｘとなる（ステップＳ６）。

ワークの質量ｍがｍ１より大きく、かつ、ｍ２以下、すなわち、ワークパラメータＷＰが定格ワークパラメータＷＰ１より大きく、かつ、上限ワークパラメータＷＰ２以下（第２範囲）のとき、最大速度Ｖｘは定格速度Ｖｍａｘよりも低下する（ステップＳ７）。このように最大速度Ｖｘが低下することで、ワークの質量が増大した場合のワークの運動エネルギＥ（上式(I)）の上昇が抑えられ、大型のロボットを用いることなく、ワーク最大重量Ｗｍａｘを超える重さのワークを搬送することが可能となる。この場合、図３に示すように、ワークパラメータＷＰが大きいほど最大速度Ｖｘは低下するので、最大速度Ｖｘがワークの質量ｍに応じて最適に設定され、効率よくワークを搬送することができる。

ワークの質量ｍがｍ２より大きいと、すなわちワークパラメータＷＰが上限ワークパラメータＷＰ２より大きいと（第３範囲）、最大速度Ｖｘは０となる（ステップＳ４）。これによりロボット１の搬送能力を超えるワークをロボット１が搬送することが阻止され、ロボット１の損傷や搬送中のワークの落下等を防止できる。

本実施形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
（１）ロボット制御装置１００は、ワークの搬送性に影響を与えるワーク自体のパラメータであるワークパラメータＷＰを設定する設定部１１と、ロボット１により定格速度Ｖｍａｘで搬送可能なワーク自体の最大パラメータである定格ワークパラメータＷＲ１を記憶する記憶部１２と、設定部１１により設定されたワークパラメータＷＰが記憶部１２に記憶された定格ワークパラメータＷＰ１よりも大きいと、ロボット１（把持部）の最大速度Ｖｘを定格速度Ｖｍａｘよりも低減する速度制限部１３とを有する。これにより、定格速度Ｖｍａｘで搬送可能なワーク最大重量Ｗｍａｘよりも重いワークを、簡易な構成でロボット１により搬送することができ、ロボット制御装置１００を安価に構成できる。

（２）設定部１１により設定されたワークパラメータＷＰが記憶部１２に記憶された定格ワークパラメータＷＰ１よりも大きいほど、最大速度の低減量を大きくする。これにより、ロボット１の最大速度Ｖｘがワーク質量ｍに応じて最適に設定され、効率よくワークを搬送することができる。

（３）ロボット１により搬送可能なワーク自体の上限パラメータであって、定格ワークパラメータＷＰ１よりも大きな上限ワークパラメータＷＰ２を記憶部１２がさらに記憶し、速度制限部１３は、設定部１１により設定されたワークパラメータＷＰが上限ワークパラメータＷＰ２よりも大きいと、ロボット１の動作を停止させる。これによりロボット１の搬送能力を超えるワークをロボット１で搬送することが阻止され、ロボット１の損傷や搬送中のワークの落下等を防止できる。

（４）ワークの質量ｍおよびイナーシャＩによりワークパラメータＷＰが定義されると、速度制限部１３は、質量ｍについての第１最大速度Ｖｘ１とイナーシャＩについての第２最大速度Ｖｘ２とをそれぞれ演算し（上式(II),(III)）、その小さい方の値を最大速度Ｖｘとして設定する。このようにワークパラメータＷＰとして複数の物理量ｍ，Ｉを考慮することで、定格速度Ｖｍａｘでのワークの可搬性を総合的に判断し、ロボット１のワーク把持部の最大速度Ｖｘを適切に設定することができる。

なお、上記実施形態では、設定部１１でワークパラメータＰＲとして、ワークの質量ｍやイナーシャＩ等を設定するようにしたが、ロボット１により搬送されるワークの搬送性に影響を与えるワーク自体のパラメータであれば、ワークパラメータＰＲとして他の物理量を設定してもよい。上記実施形態では、設定部１１により設定されたワークパラメータＷＰが記憶部１２に記憶された定格ワークパラメータＷＰ１よりも大きいほど、最大速度Ｖｘの低減量を大きくするようにしたが（図３）、設定されたワークパラメータＷＰが記憶された定格ワークパラメータＷＰ１よりも大きいときに最大速度Ｖｘを定格速度Ｖｍａｘよりも低減するのであれば、速度制限部１３の構成はいかなるものでもよい。なお、本発明は、種々のワークを搬送するロボットに適用することができ、ワークは組立用、加工用の各種部品だけでなく、工具等も含む。

以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、上述した実施形態および変形例により本発明が限定されるものではない。上記実施形態および変形例の構成要素には、発明の同一性を維持しつつ置換可能かつ置換自明なものが含まれる。すなわち、本発明の技術的思想の範囲内で考えられる他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。また、上記実施形態と変形例の１つまたは複数を任意に組み合わせることも可能である。

１ 産業用ロボット
１１ 設定部
１２ 記憶部
１３ 速度制限部
１４ 加減速制限部
１００ ロボット制御装置
ＷＰ ワークパラメータ
ＷＰ１ 定格ワークパラメータ
ＷＰ２ 上限ワークパラメータ

Claims (5)

1. 産業用ロボットにより搬送されるワークの搬送性に影響を与えるワーク自体のパラメータであるワークパラメータを設定する設定部と、
   前記産業用ロボットにより定格速度で搬送可能なワーク自体の最大パラメータである定格ワークパラメータと、前記産業用ロボットにより搬送可能なワーク自体の上限パラメータであって前記定格ワークパラメータよりも大きな上限ワークパラメータとを記憶する記憶部と、
   前記設定部により設定された前記ワークパラメータが前記記憶部に記憶された前記定格ワークパラメータよりも大きく、且つ、前記上限ワークパラメータ以下である場合に前記産業用ロボットの最大速度を前記定格速度よりも低減する速度制限部とを備えることを特徴とするロボット制御装置。
2. 請求項１に記載のロボット制御装置において、
   前記速度制限部は、前記設定部により設定されたワークパラメータが前記記憶部に記憶された前記定格ワークパラメータよりも大きいほど、前記最大速度の低減量を大きくすることを特徴とするロボット制御装置。
3. 請求項１または２に記載のロボット制御装置において、
   前記産業用ロボットの加速度と減速度を所定値に制限する加減速制限部をさらに備えることを特徴とするロボット制御装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のロボット制御装置において、
   前記ワークパラメータは、ワークの質量を含むことを特徴とするロボット制御装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のロボット制御装置において、
   前記速度制限部は、前記設定部により設定された前記ワークパラメータが前記記憶部に記憶された前記上限ワークパラメータよりも大きいと、前記産業用ロボットの動作を停止させることを特徴とするロボット制御装置。

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