JP6911793B2 - Robot control device - Google Patents
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Description
本発明は、ロボットの制御装置に関する。 The present invention relates to a robot control device.
ロボットアームの各軸を駆動するモータには、ロータリエンコーダのような回転センサが取り付けられている。そして、ロボットのアームは、モータの回転軸に連結された減速機構を介して駆動される。このようなロボットが動作する際に安全を確保するため、例えば図8に示すように、減速機構24を経たアームの回転軸25,つまり出力側にも回転センサ28を設けてアームの動作速度を直接検出し、動作速度が上限値を超えた際にモータの駆動を停止させることが考えられる。
A rotation sensor such as a rotary encoder is attached to a motor that drives each axis of the robot arm. Then, the arm of the robot is driven via a deceleration mechanism connected to the rotation shaft of the motor. In order to ensure safety when such a robot operates, for example, as shown in FIG. 8, the
また、例えば特許文献1に示すように、出力側の回転センサより出力される回転位置信号を参照することで、モータが2回以上回転した回数を検出する処理を行うことがある。
Further, for example, as shown in
ところで、モータの回転軸から減速機構を介して、アームの回転軸に至るまでの機構においては一般に、各部を構成するギア間にバックラッシが存在する。そのため、ギアの段数が増えるほどバックラッシの累積による誤差が大きくなり、制御に影響を及ぼすおそれがある。 By the way, in the mechanism from the rotation shaft of the motor to the rotation shaft of the arm via the reduction mechanism, there is generally a backlash between the gears constituting each part. Therefore, as the number of gear stages increases, the error due to the accumulation of backlash increases, which may affect control.
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、アームの駆動機構において生じるバックラッシの影響を排除できるロボットの制御装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a robot control device capable of eliminating the influence of backlash generated in the drive mechanism of an arm.
請求項1記載のロボットの制御装置によれば、制御部は、機械式ブレーキにより減速機構の出力側にあるアーム側の回転軸を拘束すると、モータの駆動トルクについて、機械式ブレーキによる拘束力を下回るトルク制限値を設定する。そして、モータの駆動トルクがトルク制限値に達するまでモータを回転させて、バックラッシを解消する。 According to the robot control device according to the first aspect, when the control unit restrains the rotation shaft on the arm side on the output side of the reduction mechanism by the mechanical brake, the restraining force of the mechanical brake is applied to the driving torque of the motor. Set a torque limit value that is lower than that. Then, the motor is rotated until the drive torque of the motor reaches the torque limit value to eliminate the backlash.
すなわち、アーム側の回転軸を拘束した状態でモータを回転させれば、バックラッシが存在している分だけモータは回転することになり、その分の隙間が無くなった時点で回転は停止し、モータの駆動トルクが上昇する。したがって、駆動トルクがトルク制限値に達した時点で、バックラッシ分の隙間が消滅したことを判定でき、バックラッシを解消してモータの制御精度を向上させることができる。 That is, if the motor is rotated while the rotation shaft on the arm side is restrained, the motor will rotate by the amount of the backlash, and when the gap is eliminated, the rotation will stop and the motor will stop. Drive torque increases. Therefore, when the drive torque reaches the torque limit value, it can be determined that the gap for the backlash has disappeared, and the backlash can be eliminated to improve the control accuracy of the motor.
請求項2記載のロボットの制御装置によれば、制御部は、機械式ブレーキによりアーム側の回転軸を拘束すると、駆動回路によるモータの駆動を停止させた状態にして、ロボットアームの姿勢が回転軸に重力が作用する姿勢か否かを判断する。そして、回転軸に重力が作用する姿勢でなければバックラッシ解消処理を行う。
According to the robot control device according to
一般に、ロボットアームは、回転軸に重力が作用する姿勢で停止していることが多い。その場合、アーム側の回転軸を拘束した状態でモータの駆動を停止させれば、モータは回転フリーの状態となり、回転軸は重力が作用する方向に回転して止まる。これにより、バックラッシは解消される。そして、回転軸に重力が作用しない特殊な姿勢である時だけバックラッシ解消処理を行うので、処理を短時間に終了できるようになる。 In general, the robot arm is often stopped in a posture in which gravity acts on the axis of rotation. In that case, if the drive of the motor is stopped while the rotation shaft on the arm side is restrained, the motor becomes a rotation-free state, and the rotation shaft rotates in the direction in which gravity acts and stops. This eliminates backlash. Then, since the backlash elimination process is performed only when the posture is a special posture in which gravity does not act on the rotation axis, the process can be completed in a short time.
請求項3記載のロボットの制御装置によれば、制御部は、アーム側回転センサより得られる回転位置を参照することで、モータの回転軸が回転した回数を求める多回転検出処理を行う。このような処理を行うに当たり、事前にバックラッシを解消することで、回転回数の検出を高精度に行うことができる。
According to the robot control device according to
以下、一実施形態について図1から図8を参照して説明する。図3に示すように、ロボットシステム1は、垂直多関節型のロボット2、ロボット2を制御するコントローラ3を備えている。このロボットシステム1は、一般的な産業用に用いられている。ロボット2は、いわゆる6軸の垂直多関節型ロボットとして周知の構成を備えており、ベース5上に、Z方向の軸心を持つ第1軸(J1)を介してショルダ6が水平方向に回転可能に連結されている。ショルダ6には、Y方向の軸心を持つ第2軸(J2)を介して上方に延びる下アーム7の下端部が垂直方向に回転可能に連結されている。下アーム7の先端部には、Y方向の軸心を持つ第3軸(J3)を介して第一上アーム8が垂直方向に回転可能に連結されている。
Hereinafter, one embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 8. As shown in FIG. 3, the
第一上アーム8の先端部には、X方向の軸心を持つ第4軸(J4)を介して第二上アーム9が捻り回転可能に連結されている。第二上アーム9の先端部には、Y方向の軸心を持つ第5軸(J5)を介して手首10が垂直方向に回転可能に連結されている。手首10には、X方向の軸心を持つ第6軸(J6)を介してフランジ11が捻り回転可能に連結されている。
A second
ベース5、ショルダ6、下アーム7、第一上アーム8、第二上アーム9、手首10およびフランジ11は、ロボット2のアームとして機能し、アームの先端となるフランジ11には、ワークを保持するための図示しないツールが取り付けられる。ロボット2に設けられている各軸(J1〜J6)には、それぞれに対応して駆動源となる図示しないモータが設けられている。
The
コントローラ3は、ロボット2の制御装置であり、図示しないCPU、ROMおよびRAM等で構成されたコンピュータからなる制御手段においてコンピュータプログラムを実行することで、ロボット2を制御する。具体的には、コントローラ3は、インバータ回路等から構成された駆動部を備えており、各モータに対応して設けられているエンコーダで検知したモータの回転位置に基づいて例えばフィードバック制御によりそれぞれのモータを駆動する。
The
コントローラ3は、CPU、ROM、RAM、上記駆動部に相当するモータドライバ等を備えている。ROMは、ロボット2のシステムプログラムや動作プログラム等を記憶している。RAMは、これらのプログラムを実行する際にパラメータの値等を記憶する。位置検出回路には、コントローラ3には、ロボット2の各関節に設けられた図示しない各エンコーダの検出信号がそれぞれ入力される。
The
図2は、コントローラ3について、本実施形態の要部に係る部分を示す機能ブロック図である。コントローラ3は、メインCPU12と、各軸J1〜J6のそれぞれに対応して設けられる制御用マイコン13及び速度用マイコン14とを備えている。コントローラ3には、例えばティーチングペンダントのようなユーザ操作部15が接続されており、ユーザは、ユーザ操作部15によりロボット2を制御するための各種パラメータを設定する。メインCPU12は、各軸の制御用マイコン13,速度用マイコン14に対し、それぞれ角度指令,監視速度を与える。監視速度は、各軸の回転速度を監視するための上限値である。
FIG. 2 is a functional block diagram showing a portion of the
図1は、ロボット2の各軸の軸周りの構成と、それらに係るコントローラ3の制御部の構成とをモデル的に示している。尚、軸周りの構成は、基本的に図8に示すイメージと同じであり、図8にも同じ符号を付している。モータ21には、モータ側エンコーダ22が取り付けられている。エンコーダ22は、モータ21の回転角度を制御用マイコン13に入力する。モータ21の回転軸23は、複数段のギアからなるモジュールである減速機構24の入力側に連結されている。減速機構24の出力側は、対応するロボットアームの回転軸25に連結されている。
FIG. 1 modelally shows the configuration around each axis of the
回転軸25には、アームの動きを制するための機械式ブレーキ26が配置されている。また、回転軸25には永久磁石27が取り付けられており、回転軸25が回転することに伴う永久磁石27の磁界の変化は、2つのホールセンサ28(1),28(2)により検出される。ホールセンサ28(1),28(2)は、位相が90度異なる回転位置信号,センサ信号を出力する。
A
ホールセンサ28(1),28(2)より出力されるセンサ信号は、それぞれアンプ29(1),29(2)により増幅されて、速度用マイコン14が備えるA/D変換器30(1),30(2)に入力される。A/D変換器30(1),30(2)によりA/D変換されたデータは、角度・速度演算部31に入力される。
The sensor signals output from the Hall sensors 28 (1) and 28 (2) are amplified by the amplifiers 29 (1) and 29 (2), respectively, and the A / D converter 30 (1) included in the
演算部31は、入力される2相センサ信号のデータに基づいて、回転軸25の回転角度及び回転速度を演算する。演算された回転角度,アーム角度は、制御用マイコン13に入力される。また、演算された回転速度は、演算部31において、メインCPU12より与えられる監視速度と比較される。そして、アームの回転速度が監視速度を超えると、速度マイコン14は、制御用マイコン13に停止指令を出力する。
The
制御用マイコン13は、制御対象のアーム角度が、メインCPU12より与えられる角度指令に一致するようにモータ21を制御する。モータ21の制御信号は、アンプ32及びモータドライバを介してモータ21に与えられる。また、制御用マイコン13は、ブレーキ26のON/OFFも制御する。速度用マイコン14より停止指令が入力されると、制御用マイコン13は、ブレーキ26をONにすると共に、モータ21の駆動制御を停止する。また、制御用マイコン13は、アーム角度を参照することで、特許文献1と同様にモータ21が何回転しているかを検出する多回転数検出処理を行う。
The
次に、本実施形態の作用について図4から図7を参照して説明する。図4は、制御用マイコン13により行われる、減速機構24におけるバックラッシを解消するための処理である。先ず、ブレーキ26により回転軸25をロックする(S1)。それから、モータドライバを構成する例えばFETなどのスイッチング素子を全てオフして、モータ21をフリー状態にする(S2)。続いて、各アーム軸が重力の作用で動かない姿勢か否かを判断する(S3)。
Next, the operation of this embodiment will be described with reference to FIGS. 4 to 7. FIG. 4 is a process performed by the
ここで、ロボット2が、アームの回転軸25に重力が作用する姿勢を取っていれば(NO)、バックラッシはステップS2の時点で解消される。したがってこの場合は、モータドライバのローサイドFETのみをONにすることでモータ21をショートブレーキ状態にして(S8)処理を終了する。
Here, if the
一方、ロボット2のアームが、例えば重力方向に沿って一直線となるような姿勢を取っている場合(S3;YES)、バックラッシは解消されない。そこで、ブレーキロック状態を維持するようにトルク制限値を設定してから(S4)、モータ21をサーボロック状態にする(S5)。それから、モータ21を時計回り方向,又は反時計回り方向に、極低速の一定速制御で回転させる(S6)。この処理を、モータ21の出力トルクが制限値に達するまで継続し(S7;NO)、トルクが制限値に達すると(YES)ステップS8に移行する。
尚、出力トルクは、例えばモータ21に通電される電流を検出して推定したり、ベクトル制御を行う際にはq軸電流の値をトルクと見なせば良い。この処理により、バックラッシの解消を図る。その後、アームの駆動制御を開始する際に、ブレーキ26によるロック状態を解消する。
On the other hand, when the arm of the
The output torque may be estimated by detecting, for example, the current applied to the
図5は、速度用マイコン14により実行される回転軸25の回転速度を求める処理を示す。尚、ステップS11〜S15の処理は、ホールセンサ28(1),28(2)について並行的に実行される。速度演算部31は、AD変換器30が出力する変換値が変化したか否かを判断する(S11)。変換値が変化していなければ(NO)、変化時間をカウントするためのカウンタをインクリメントして(S15)ステップS11に戻る。
FIG. 5 shows a process of obtaining the rotation speed of the
AD変換値が変化すると(S11;YES)、その変換値の前回値と今回値との差分を算出し(S12)、前記カウンタのカウント値から変換値が変化するまでの時間を求める(S13)。そして、前記差分値を前記変化時間で除すことで、微分値を算出する(S14)。速度演算部31は、第1及び第2微分器の機能も備えている。
When the AD conversion value changes (S11; YES), the difference between the previous value and the current value of the conversion value is calculated (S12), and the time until the conversion value changes from the count value of the counter is obtained (S13). .. Then, the differential value is calculated by dividing the difference value by the change time (S14). The
以上のようにして、ホールセンサ28(1),28(2)が出力するセンサ信号の微分値を求めると、これらを合成して回転軸25の速度を求める(S16)。すなわち、各微分値を微分値(1),(2)とすると、
(合成速度)=√{微分値(1)2+微分値(2)2}
より求める。
When the differential values of the sensor signals output by the Hall sensors 28 (1) and 28 (2) are obtained as described above, these are combined to obtain the speed of the rotating shaft 25 (S16). That is, assuming that each differential value is a differential value (1) or (2),
(Composite speed) = √ {differential value (1) 2 + differential value (2) 2 }
Ask more.
速度マイコン14は、上式で求めた速度を監視速度と比較して、監視速度を超えると前述したように制御用マイコン13に停止指令を出力する。すると、制御用マイコン13はブレーキ26をONにすると共に、モータ21の駆動制御を停止する。尚、このように速度を監視する際には、合成速度Vそのものではなく、その2乗値V2について監視しても良い。
The
すなわち、この処理は、ホールセンサ28(1),28(2)により出力される2相のセンサ信号H1,H2がそれぞれ、例えばsin(ωt),cos(ωt)であるとする。これらを微分すれば、それぞれ速度V1,V2が得られる。
V1=dH1/dt=V1=ω×cos(ωt)
V2=dH2/dt=V2=−ω×sin(ωt)
そして、ステップS16で求める速度Vは、
V=√{V12+V22}
である。
That is, in this process, it is assumed that the two-phase sensor signals H1 and H2 output by the Hall sensors 28 (1) and 28 (2) are, for example, sin (ωt) and cos (ωt), respectively. By differentiating these, velocities V1 and V2 can be obtained, respectively.
V1 = dH1 / dt = V1 = ω × cos (ωt)
V2 = dH2 / dt = V2 = -ω x sin (ωt)
Then, the speed V obtained in step S16 is
V = √ {V1 2 + V2 2 }
Is.
ホールセンサ28(1),28(2)により出力される各信号の微分値は、図6に示すようになり、これらの微分値を合成して求めた速度Vは、図7に示すようになる。これは、センサ信号から角度θを求め、角度θを微分して求めた速度とばらつきの最大,最小間の振れ幅を比較すると、約30倍程度に精度が改善されている。 The differential values of the signals output by the Hall sensors 28 (1) and 28 (2) are as shown in FIG. 6, and the velocity V obtained by synthesizing these differential values is as shown in FIG. Become. The accuracy of this is improved by about 30 times when the angle θ is obtained from the sensor signal and the speed obtained by differentiating the angle θ and the swing width between the maximum and minimum variations are compared.
以上のように本実施形態によれば、ロボットアームの回転軸25側に、ホールセンサ28(1),28(2)を互いに90度位相差のセンサ信号を出力するように配置する。速度用マイコン14の速度演算部31は、各センサ信号をそれぞれ微分すると、微分信号の2乗和を演算してアームの回転速度Vを求める。これにより、分解能が低いく安価なホールセンサ28を用いても、それらが出力するセンサ信号から回転位置を求めて速度を求める場合に比較して、より精度が高い回転速度Vを得ることができる。
As described above, according to the present embodiment, the hall sensors 28 (1) and 28 (2) are arranged on the
また、制御用マイコン13は、ブレーキ26により回転軸25を拘束すると、モータ21の駆動トルクについて、ブレーキ26による拘束力を下回るトルク制限値を設定する。そして、モータ21の駆動トルクがトルク制限値に達するまでモータ21を回転させて、バックラッシを解消する。
Further, when the rotating
すなわち、回転軸25を拘束した状態でモータ21を回転させれば、バックラッシが存在している分だけモータ21は回転することになり、その分の隙間が無くなった時点で回転は停止し、モータ21の駆動トルクが上昇する。したがって、駆動トルクがトルク制限値に達した時点で、バックラッシ分の隙間が消滅したことを判定でき、バックラッシを解消してモータ21の制御精度を向上させることができる。
That is, if the
この時、制御用マイコン13は、ブレーキ26により回転軸25を拘束すると、モータドライバによるモータ21の駆動を停止させた状態にして、ロボットアームの姿勢が回転軸に重力が作用する姿勢か否かを判断する。そして、回転軸に重力が作用する姿勢でなければバックラッシ解消処理を行う。
At this time, when the rotating
一般に、ロボットアームは、回転軸に重力が作用する姿勢で停止していることが多い。その場合、アーム側の回転軸を拘束した状態でモータ21の駆動を停止させれば、モータ21は回転フリーの状態となり、回転軸25は重力が作用する方向に回転して止まる。これにより、バックラッシは解消される。そして、回転軸25に重力が作用しない特殊な姿勢である時だけバックラッシ解消処理を行うので、処理を短時間に終了できるようになる。
In general, the robot arm is often stopped in a posture in which gravity acts on the axis of rotation. In that case, if the drive of the
また、制御用マイコン13は、ホールセンサ28より得られるセンサ信号を参照することで、モータ21の回転軸22が回転した回数を求める多回転検出処理を行う。このような処理を行うに当たり、事前にバックラッシを解消することで、回転回数の検出を高精度に行うことができる。
Further, the
本発明は上記した、又は図面に記載した実施形態にのみ限定されるものではなく、以下のような変形又は拡張が可能である。
ステップS2及びS3の処理を省略しても良い。
回転センサは、磁気センサに限ることはない。
垂直6軸型以外のロボットに適用しても良い。
The present invention is not limited to the embodiments described above or in the drawings, and the following modifications or extensions are possible.
The processing of steps S2 and S3 may be omitted.
The rotation sensor is not limited to the magnetic sensor.
It may be applied to robots other than the vertical 6-axis type.
図面中、1はロボットシステム、2はロボット、3はコントローラ、13は制御用マイコン、14は速度用マイコン、21はモータ、24は減速機構、25は回転軸、27は永久磁石、28はホールセンサ、31は角度・速度演算部を示す。 In the drawing, 1 is a robot system, 2 is a robot, 3 is a controller, 13 is a control microcomputer, 14 is a speed microcomputer, 21 is a motor, 24 is a reduction mechanism, 25 is a rotating shaft, 27 is a permanent magnet, and 28 is a hole. The sensor, 31 indicates an angle / speed calculation unit.
Claims (3)
前記モータを駆動する駆動回路と、
前記アームの回転軸を拘束する機械式ブレーキと、
この機械式ブレーキの駆動を制御し、且つ前記駆動回路を介して前記モータの駆動を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記機械式ブレーキにより前記回転軸を拘束すると、
前記モータの駆動トルクについて、前記機械式ブレーキによる拘束力を下回るトルク制限値を設定し、前記モータの駆動トルクが前記トルク制限値に達するまで前記モータを回転させるバックラッシ解消処理を行うロボットの制御装置。 It is applied to a robot arm drive mechanism composed of a motor, a deceleration mechanism connected to the rotation shaft of the motor, and a rotation shaft of the robot arm driven via the deceleration mechanism.
The drive circuit that drives the motor and
A mechanical brake that restrains the rotation axis of the arm,
A control unit that controls the drive of the mechanical brake and controls the drive of the motor via the drive circuit is provided.
When the control unit restrains the rotation shaft by the mechanical brake,
A control device for a robot that sets a torque limit value lower than the binding force of the mechanical brake for the drive torque of the motor and rotates the motor until the drive torque of the motor reaches the torque limit value. ..
前記駆動回路による前記モータの駆動を停止させた状態にして、前記ロボットアームの姿勢が、前記回転軸に重力が作用する姿勢か否かを判断し、
前記回転軸に重力が作用する姿勢でなければ前記バックラッシ解消処理を行う請求項1記載のロボットの制御装置。 When the control unit restrains the rotation shaft by the mechanical brake,
With the drive of the motor stopped by the drive circuit, it is determined whether or not the posture of the robot arm is a posture in which gravity acts on the rotation axis.
The robot control device according to claim 1, wherein the backlash elimination process is performed unless the posture is such that gravity acts on the rotation axis.
前記アームの回転軸に配置され、当該回転軸の回転位置を検出するアーム側回転センサとを備え、
前記制御部は、前記アーム側回転センサより得られる回転位置を参照することで、前記モータの回転軸が回転した回数を求める多回転検出処理を行う請求項1又は2記載のロボットの制御装置。 A motor-side rotation sensor that is placed on the motor and detects the rotation position of the motor,
It is provided with an arm-side rotation sensor that is arranged on the rotation axis of the arm and detects the rotation position of the rotation axis.
The robot control device according to claim 1 or 2, wherein the control unit performs a multi-rotation detection process for determining the number of times the rotation shaft of the motor has rotated by referring to a rotation position obtained from the arm-side rotation sensor.
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