JP6934640B2

JP6934640B2 - ロボットの制御方法

Info

Publication number: JP6934640B2
Application number: JP2018081564A
Authority: JP
Inventors: 紘義上田; 中田　広之; 広之中田; 敦実橋本; 良祐山本; 正義岩谷
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2018-04-20
Filing date: 2018-04-20
Publication date: 2021-09-15
Anticipated expiration: 2038-04-20
Also published as: JP2019188500A

Description

本発明は、ロボットの制御方法に関するものである。

従来より、複数の関節部を有するロボットアームを備えた多関節ロボットが知られている（例えば、特許文献１参照）。

ところで、このような多関節ロボットでは、アームの自重やアームの先端にかかる負荷によって、アームがたわみ変形することがある。このアームの変形は、回転軸を有する関節部で特に顕著に生じる。つまり、可動部位のある関節部を形成する部材が弾性変形を起こすことにより、関節部が目標とする位置よりも可動方向に変位することがある。

特許文献１には、アーム毎に関節部の実際の角度を求め、求めた実際の角度と制御装置からの制御用の指令角度との差であるずれ量を求め、これに基づいて制御装置から関節部に付与する指令角度を補償するようにした構成が開示されている。

特開２０１０−５８２５６号公報

ところで、特許文献１の発明では、重力方向に回動する関節部の角度のみを補償するものであり、重力方向に回動しない関節部については、何ら考慮されていない。

具体的に、重力方向に回動しない関節部であっても、関節部内の減速機やベアリングの弾性変形によって、回転軸が傾く方向にたわんでしまうこととなる。そのため、アーム先端の位置決めを精度良く行うことができず、ロボットを用いて行う加工の精度が低下するという問題があった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ロボットアームの関節部のたわみに起因するロボットアーム先端の位置ずれを抑えることにある。

本発明は、少なくとも４つの関節部を有するロボットアームの動作を制御するロボットの制御方法を対象とし、次のような解決手段を講じた。

すなわち、第１の発明は、第１関節部及び第４関節部は、回転軸の傾きが前記ロボットアーム先端の位置ずれに影響を及ぼすように構成され、
第２関節部及び第３関節部は、回転軸が重力方向に回動するように構成されており、
前記第１関節部のモーメント剛性と、該第１関節部の回転軸が傾く方向にかかる重力トルクとに基づいて、該第１関節部のたわみ角度を算出するステップと、
前記第２関節部のバネ定数と、該第２関節部の回動方向にかかる重力トルクとに基づいて、該第２関節部のたわみ角度を算出するステップと、
前記第３関節部のバネ定数と、該第３関節部の回動方向にかかる重力トルクとに基づいて、該第３関節部のたわみ角度を算出するステップと、
前記第４関節部のモーメント剛性と、該第４関節部の回転軸が傾く方向にかかる重力トルクとに基づいて、該第４関節部のたわみ角度を算出するステップと、
前記第１関節部、前記第２関節部、及び前記第４関節部のたわみ角度に基づいて、該第２関節部のたわみ補償量を算出するステップと、
前記第１関節部、前記第３関節部、及び前記第４関節部のたわみ角度に基づいて、該第３関節部のたわみ補償量を算出するステップと、
前記第２関節部及び前記第３関節部の前記たわみ補償量に基づいて、該第２関節部及び該第３関節部を回動させるステップとを備えたことを特徴とするものである。

第１の発明では、第２関節部のたわみ補償量を、第１関節部、第２関節部、及び第４関節部のたわみ角度に基づいて算出する。また、第３関節部のたわみ補償量を、第１関節部、第３関節部、及び第４関節部のたわみ角度に基づいて算出する。そして、第２関節部及び第３関節部を、それぞれ算出されたたわみ補償量に基づいて回動させる。

このように、重力方向に回動可能な第２関節部及び第３関節部を用いて、第２関節部及び第３関節部のたわみ角度を補償するだけではなく、第１関節部及び第４関節部の回転軸の傾きについても補償することで、ロボットアーム先端の位置ずれを抑えることができる。

ここで、たわみ角度は、目標とする設定角度に対してずれている角度である。

本発明によれば、ロボットアームの関節部のたわみに起因するロボットアーム先端の位置ずれを抑えることができる。

本実施形態に係るロボットの構成を示す側面図である。従来のロボットアームのシステム構成をモデル化して示す図である。本実施形態のロボットアームのシステム構成をモデル化して示す図である。ツールの作業点と各関節部との水平方向及び垂直方向の距離を示す図である。第２関節部の関節角を−９０°に設定したときのロボットアームの姿勢を示す図である。第２関節部の関節角を０°に設定したときのロボットアームの姿勢を示す図である。第２関節部の関節角を９０°に設定したときのロボットアームの姿勢を示す図である。第２関節部の関節角とツールの作業点の水平方向の誤差との関係を示すグラフ図である。第２関節部の関節角とツールの作業点の垂直方向の誤差との関係を示すグラフ図である。第３関節部の関節角を−６０°に設定したときのロボットアームの姿勢を示す図である。第３関節部の関節角を０°に設定したときのロボットアームの姿勢を示す図である。第３関節部の関節角を９０°に設定したときのロボットアームの姿勢を示す図である。第３関節部の関節角とツールの作業点の水平方向の誤差との関係を示すグラフ図である。第３関節部の関節角とツールの作業点の垂直方向の誤差との関係を示すグラフ図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

図１に示すように、ロボット１は、６軸の多関節型のロボットアーム１０と、ロボットアーム１０の動作を制御する制御部２０とを備えている。

ロボットアーム１０は、台座部１１と、台座部１１に第１関節部Ｊ１を中心に水平方向に旋回可能に支持された肩部１２と、肩部１２に第２関節部Ｊ２を中心に上下方向に旋回可能に支持された下アーム部１３と、下アーム部１３に第３関節部Ｊ３を中心に上下方向に旋回可能に支持された第１の上アーム部１４と、第１の上アーム部１４の先端部に第４関節部Ｊ４を中心に捻り回転可能に支持された第２の上アーム部１５と、第２の上アーム部１５に第５関節部Ｊ５を中心に上下方向に旋回可能に支持された手首部１６と、手首部１６に第６関節部Ｊ６を中心に捻り回転可能に支持された取付部１７とを有する。取付部１７には、溶接トーチ等のツール１８が取り付けられている。

第１関節部Ｊ１から第６関節部Ｊ６には、図示しないアクチュエータが内蔵されている。制御部２０は、ティーチング等によって予め入力された動作プログラムに基づいて、第１関節部Ｊ１から第６関節部Ｊ６がそれぞれ目標位置（指令角度）に達するように、第１関節部Ｊ１から第６関節部Ｊ６のアクチュエータの駆動を制御する。

図２は、従来のロボットアーム１０のシステム構成をモデル化して示す図である。図２には、ロボットアーム１０の各関節部で生じるたわみ方向を白塗り矢印で示し、たわみを解消するための補償方向について、黒塗り矢印で示している。

なお、第５関節部Ｊ５及び第６関節部Ｊ６で生じるたわみは、ロボットアーム１０先端にあるツール１８の作業点の位置ずれに及ぼす影響が小さく無視できるため、第５関節部Ｊ５及び第６関節部Ｊ６については考慮しないものとする。

図２に示すように、従来のロボットアーム１０では、重力方向に回動可能な第２関節部Ｊ２及び第３関節部Ｊ３で生じる静的弾性たわみのみを考慮して、このたわみを解消するようにしていた。

具体的には、第２関節部Ｊ２及び第３関節部Ｊ３には、図２で時計回り方向に重力トルクが作用して、回転軸が回動する方向にたわみが生じる。そこで、第２関節部Ｊ２及び第３関節部Ｊ３を、図２で反時計回り方向にそれぞれ回動させ、第２関節部Ｊ２及び第３関節部Ｊ３で生じるたわみを打ち消すことで、ツール１８の作業点に生じる位置ずれを補償するようにしていた。

しかしながら、図２に点線矢印で示すように、第１関節部Ｊ１及び第４関節部Ｊ４についても、回転軸が傾く方向に重力トルクが作用しており、第１関節部Ｊ１及び第４関節部Ｊ４の図示しない減速機やベアリングの弾性変形によって、第１関節部Ｊ１及び第４関節部Ｊ４で回転軸の傾く方向にたわみが生じる。そのため、実際には、ツール１８の作業点の位置ずれが点線矢印の分だけ大きくなってしまうこととなる。

そこで、本実施形態では、第１関節部Ｊ１及び第４関節部Ｊ４で生じる静的弾性たわみについても考慮して、第２関節部Ｊ２及び第３関節部Ｊ３を回動させることで、ツール１８の作業点の位置ずれを解消できるようにしている。

具体的に、図３に示すように、第１関節部Ｊ１及び第４関節部Ｊ４には、図３で時計回り方向に重力トルクが作用して、回転軸が傾く方向にたわみが生じる。一方、第２関節部Ｊ２及び第３関節部Ｊ３にもそれぞれ、図３で時計回り方向に重力トルクが作用して、回動する方向にたわみが生じる。

そこで、第２関節部Ｊ２及び第３関節部Ｊ３を、図３で反時計回り方向にそれぞれ回動させて、第２関節部Ｊ２及び第３関節部Ｊ３のたわみ量を補償するとともに、第１関節部Ｊ１及び第４関節部Ｊ４のたわみ量についても補償するようにしている。

これにより、ツール１８の作業点のたわみ量（白塗り矢印で図示）を打ち消すだけの補償量（黒塗り矢印で図示）を得ることができ、ツール１８の作業点の位置ずれを解消することができる。

以下、第２関節部Ｊ２及び第３関節部Ｊ３への補償量の算出方法について説明する。図４に示すように、ツール１８の作業点と第ｉ関節部との水平方向の距離をｒ_i［ｍ］、ツール１８の作業点と第ｉ関節部との垂直方向の距離をｚ_i［ｍ］、第ｉ関節部の関節角をθ_i［°］、第ｉ関節部のバネ定数をｋ_i［Ｎｍ/rad］、第ｉ関節のモーメント剛性をＭ_i［Ｎｍ/rad］とする。

また、ロボットアーム１０及びツール１８の質量をｍ［ｋｇ］、ロボットアーム１０及びツール１８の重心位置をｘ_g、ロボットアーム１０及びツール１８の長さをＬ［ｍ］とする。

そして、第ｉ関節部の動作方向にかかる重力トルクτ_i［Ｎ］は、τ_i＝ｆ₁（ｍ,ｘ_g,Ｌ,θ_i）の関数で表すことができる。また、第ｉ関節の回転軸の傾く方向にかかる重力トルクＷ_i［Ｎ］は、Ｗ_i＝ｆ₂（ｍ,ｘ_g,Ｌ,θ_i）の関数で表すことができる。

また、ツール１８の作業点と第ｉ関節部との水平方向の距離ｒ_iは、ｒ_i＝ｆ₃（Ｌ,θ_i）の関数で表すことができる。また、ツール１８の作業点と第ｉ関節部との垂直方向の距離ｚ_iは、ｚ_i＝ｆ₄（Ｌ,θ_i）の関数で表すことができる。

次に、第２関節部Ｊ２及び第３関節部Ｊ３の回動方向にかかる重力トルクによるたわみ角度を算出する。具体的に、第２関節部Ｊ２のたわみ角度は、τ_２／ｋ_２で表すことができる。また、第３関節部Ｊ３のたわみ角度は、τ_３／ｋ_３で表すことができる。なお、これらの演算は、制御部２０によって行われる。

次に、第１関節部Ｊ１及び第４関節部Ｊ４の回転軸の傾きが、ツール１８の作業点に与える変位、つまり、たわみ量を算出する。補償量は、水平方向及び垂直方向のたわみ量に基づいて算出することができる。

具体的に、水平方向の合計たわみ量Σrは、下記（１）式で算出することができる。

Σr＝（Ｗ_１／Ｍ_１）・ｚ_１＋（Ｗ_４／Ｍ_４）・ｚ_４・・・（１）
また、垂直方向の合計たわみ量Σzは、下記（２）式で算出することができる。

Σz＝（Ｗ_１／Ｍ_１）・ｒ_１＋（Ｗ_４／Ｍ_４）・ｒ_４・・・（２）
そして、第ｉ関節部への補償量を△θ_i［rad］とすると、第２関節部Ｊ２への補償量△θ_２は、下記（３）式で算出することができる。

△θ_２＝（τ_２／ｋ_２）＋（ｚ_３・Σｚ−ｒ_３・Σｒ）／（ｚ_３・ｒ_２−ｒ_３・ｚ_２）・・・（３）
つまり、第２関節部Ｊ２の補償量△θ_２は、第１関節部Ｊ１、第２関節部Ｊ２、及び第４関節部Ｊ４のたわみ角度に基づいて算出される。

また、第３関節部Ｊ３への補償量△θ_３は、下記（４）式で算出することができる。

△θ_３＝（τ_３／ｋ_３）＋（ｒ_２・Σｒ−ｚ_２・Σｚ）／（ｚ_３・ｒ_２−ｒ_３・ｚ_２）・・・（４）
つまり、第３関節部Ｊ３の補償量△θ_３は、第１関節部Ｊ１、第３関節部Ｊ３、及び第４関節部Ｊ４のたわみ角度に基づいて算出される。

そして、制御部２０は、第２関節部Ｊ２の補償量△θ_２に基づいて、第２関節部Ｊ２を駆動させる一方、第３関節部Ｊ３の補償量△θ_３に基づいて、第３関節部Ｊ３を駆動させる。これにより、第１関節部Ｊ１から第４関節部Ｊ４で生じたたわみを解消することができる。

以下、第２関節部Ｊ２の関節角θ_２と、ツール１８の作業点の目標位置に対する誤差との関係について説明する。

まず、ロボットアーム１０の下アーム部１３、第１の上アーム部１４、及び第２の上アーム部１５を一直線状に延ばした状態で、図５に示すように、第２関節部Ｊ２の関節角θ_２を−９０°に設定する。この状態では、ロボットアーム１０は、図５で右方向に水平に延びた姿勢となっている。

次に、図６に示すように、第２関節部Ｊ２の関節角θ_２を０°に設定する。この状態では、ロボットアーム１０は、図６で上方向に垂直に延びた姿勢となっている。

そして、図７に示すように、第２関節部Ｊ２の関節角θ_２を９０°に設定する。この状態では、ロボットアーム１０は、図７で左方向に水平に延びた姿勢となっている。

ここで、ロボットアーム１０が、図５〜図７に示す姿勢となるように第２関節部Ｊ２の関節角θ_２を順に変更する際に、ツール１８の作業点の水平方向の誤差と、垂直方向の誤差とを、制御部２０においてリアルタイムで算出する。その結果を、図８及び図９のグラフ図に示す。

図８には、従来のたわみ補償方法、つまり、第２関節部Ｊ２及び第３関節部Ｊ３で生じるたわみのみを考慮した場合の、第２関節部Ｊ２の関節角θ_２と水平方向の誤差との関係を点線で示している。また、本実施形態のたわみ補償方法、つまり、第１関節部Ｊ１から第４関節部Ｊ４で生じるたわみを全て考慮した場合の、第２関節部Ｊ２の関節角θ_２と水平方向の誤差との関係を実線で示している。

図９には、従来のたわみ補償方法による第２関節部Ｊ２の関節角θ_２と垂直方向の誤差との関係を点線で示している。また、本実施形態のたわみ補償方法による第２関節部Ｊ２の関節角θ_２と垂直方向の誤差との関係を実線で示している。

図８及び図９に示すように、本実施形態のたわみ補償方法では、従来のたわみ補償方法に比べて、目標位置（誤差０の位置）に対する水平方向及び垂直方向の誤差が大きく算出されていることが分かる。

そのため、補償量を算出するのにあたって、従来のたわみ補償方法に比べて、実際のたわみ角度を考慮した補償量を算出することができ、ツール１８の作業点の位置ずれを抑えることができる。

次に、第３関節部Ｊ３の関節角θ_３と、ツール１８の作業点の目標位置に対する誤差との関係について説明する。

まず、図１０に示すように、ロボットアーム１０の下アーム部１３を上方向に垂直に延ばした姿勢とする。そして、第１の上アーム部１４及び第２の上アーム部１５を一直線状に延ばした状態で、第３関節部Ｊ３の関節角θ_３を−６０°に設定する。この状態では、ロボットアーム１０の第１の上アーム部１４及び第２の上アーム部１５は、図１０で左斜め下方に延びた姿勢となっている。

次に、図１１に示すように、第３関節部Ｊ３の関節角θ_３を０°に設定する。この状態では、ロボットアーム１０の第１の上アーム部１４及び第２の上アーム部１５は、図１１で左方向に水平に延びた姿勢となっている。

そして、図１２に示すように、第３関節部Ｊ３の関節角θ_３を９０°に設定する。この状態では、ロボットアーム１０の第１の上アーム部１４及び第２の上アーム部１５は、図１２で上方向に垂直に延びた姿勢となっている。

ここで、ロボットアーム１０が、図１０〜図１２に示す姿勢となるように第３関節部Ｊ３の関節角θ_３を順に変更する際に、ツール１８の作業点の水平方向の誤差と、垂直方向の誤差とを、制御部２０においてリアルタイムで算出する。その結果を、図１３及び図１４のグラフ図に示す。

図１３には、従来のたわみ補償方法、つまり、第２関節部Ｊ２及び第３関節部Ｊ３で生じるたわみのみを考慮した場合の、第３関節部Ｊ３の関節角θ_３と水平方向の誤差との関係を点線で示している。また、本実施形態のたわみ補償方法、つまり、第１関節部Ｊ１から第４関節部Ｊ４で生じるたわみを全て考慮した場合の、第３関節部Ｊ３の関節角θ_３と水平方向の誤差との関係を実線で示している。

図１４には、従来のたわみ補償方法による第３関節部Ｊ３の関節角θ_３と垂直方向の誤差との関係を点線で示している。また、本実施形態のたわみ補償方法による第３関節部Ｊ３の関節角θ_３と垂直方向の誤差との関係を実線で示している。

図１３及び図１４に示すように、本実施形態のたわみ補償方法では、従来のたわみ補償方法に比べて、目標位置（誤差０の位置）に対する水平方向及び垂直方向の誤差が大きく算出されていることが分かる。

以上のように、本実施形態に係るロボット１の制御方法によれば、重力方向に回動可能な第２関節部Ｊ２及び第３関節部Ｊ３を用いて、第２関節部Ｊ２及び第３関節部Ｊ３のたわみ角度を補償するだけではなく、第１関節部Ｊ１及び第４関節部Ｊ４の回転軸の傾きについても補償することで、ロボットアーム１０先端の位置ずれを抑えることができる。

以上説明したように、本発明は、ロボットアームの関節部のたわみに起因するロボットアーム先端の位置ずれを抑えることができるという実用性の高い効果が得られることから、きわめて有用で産業上の利用可能性は高い。

１ロボット
１０ロボットアーム
Ｊ１第１関節部
Ｊ２第２関節部
Ｊ３第３関節部
Ｊ４第４関節部

Claims

少なくとも４つの関節部を有するロボットアームの動作を制御するロボットの制御方法であって、
第１関節部及び第４関節部は、回転軸の傾きが前記ロボットアーム先端の位置ずれに影響を及ぼすように構成され、
第２関節部及び第３関節部は、回転軸が重力方向に回動するように構成されており、
前記第１関節部のモーメント剛性と、該第１関節部の回転軸が傾く方向にかかる重力トルクとに基づいて、該第１関節部のたわみ角度を算出するステップと、
前記第２関節部のバネ定数と、該第２関節部の回動方向にかかる重力トルクとに基づいて、該第２関節部のたわみ角度を算出するステップと、
前記第３関節部のバネ定数と、該第３関節部の回動方向にかかる重力トルクとに基づいて、該第３関節部のたわみ角度を算出するステップと、
前記第４関節部のモーメント剛性と、該第４関節部の回転軸が傾く方向にかかる重力トルクとに基づいて、該第４関節部のたわみ角度を算出するステップと、
前記第１関節部、前記第２関節部、及び前記第４関節部のたわみ角度に基づいて、該第２関節部のたわみ補償量を算出するステップと、
前記第１関節部、前記第３関節部、及び前記第４関節部のたわみ角度に基づいて、該第３関節部のたわみ補償量を算出するステップと、
前記第２関節部及び前記第３関節部の前記たわみ補償量に基づいて、該第２関節部及び該第３関節部を回動させるステップとを備えたことを特徴とするロボットの制御方法。