JP6989542B2 - ロボット制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ロボット制御装置に関するものである。

ロボットの軽量化に伴い、ロボット機構部のたわみが大きくなることによるロボットの精度に及ぼす影響を低減するために、リンクに発生するたわみをロボットの運動学に基づいて算出し、ロボット全体のたわみを補正して目標とする位置姿勢に位置決めするロボット制御装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特許第３８０８３２１号公報

しかしながら、ロボットのアームを軽量素材、例えば、樹脂により構成すると、弾性変形によるたわみに加えて、時間経過とともにクリープ変形によるたわみが発生し易い。クリープ変形によるたわみが発生した場合にも、ロボットを精度よく動作させることが望ましい。時間経過だけでなく、周囲温度や湿度の上昇、負荷の増加でもクリープ変形が大きくなることが知られている。

本発明の一態様は、ロボットに発生するクリープ変形によるたわみ量を、累積時間に対応付けて記憶するクリープ情報記憶部と、前記ロボットのマスタリングデータを記憶するマスタリングデータ記憶部と、前記累積時間を計数するタイマと、該タイマにより計数された前記累積時間に対応して前記クリープ情報記憶部に記憶されている前記たわみ量に基づいて、前記マスタリングデータ記憶部に記憶されている前記マスタリングデータを補正する補正部とを備えるロボット制御装置である。

本発明の一実施形態に係るロボット制御装置を備えるロボットシステムを示す模式図である。 図１のロボット制御装置を示すブロック図である。 図２のロボット制御装置に備えられるクリープ情報記憶部に対応付けて記憶されている積算時間およびたわみ量の一例のテーブルを示す図である。 図１のロボットシステムに備えられるロボットに発生するクリープ変形の一例を示す模式図である。 図１のロボット制御装置の補正部によるマスタリングデータの補正前後のロボットの原点位置における姿勢を示す模式図である。 図３のテーブルの変形例を示す図である。 図２のロボット制御装置の変形例を示すブロック図である。 図２のロボット制御装置の補正部による補正前後の機構パラメータの一例を示す模式図である。 図１のロボットシステムに備えられるロボットにおいて、慣性力のみがアームに作用する動作を示す模式図である。 図１のロボットシステムに備えられるロボットにおいて、慣性力に加えて重力もアームに作用する動作を示す模式図である。 図９の動作における時間とクリープ変形によるたわみ量との関係を示す図である。 図１０の動作における時間とクリープ変形によるたわみ量との関係を示す図である。 図９および図１０の動作における各継続時間分のたわみ量を積分したグラフを示す図である。

本発明の一実施形態に係るロボット制御装置１について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係るロボット制御装置１は、図１に示されるロボットシステム１００に備えられている。ロボットシステム１００は、例えば、垂直多関節型のロボット２０と、該ロボット２０に接続されるロボット制御装置１とを備えている。ロボット２０の種類は限定されるものではない。

ロボット２０は、図４に示されるように、床面（被設置面）Ｆに設置されるベース２１と、鉛直な第１軸線回りにベース２１に対して回転可能に支持された旋回胴２２と、水平な第２軸線回りに旋回胴２２に対して回転可能に支持された第１アーム２３と、水平な第３軸線回りに第１アーム２３に対して回転可能に支持された長手軸を有する第２アーム２４と、該第２アーム２４の先端に支持された手首ユニット２５とを備えている。図中、符号Ｓはツールである。

手首ユニット２５は、第２アーム２４の先端に、第２アームの長手軸に沿う第４軸線回りに回転可能に支持された第１手首要素２６と、第１手首要素２６に対して回転可能に支持された第２手首要素２７と、第２手首要素２７に対して回転可能に支持された第３手首要素２８とを備えている。第２手首要素２７は、第１手首要素２６に対して第４軸線に直交する第５軸線回りに回転可能に支持されている。第３手首要素２８は、第２手首要素２７に対して第５軸線に直交しかつ第４軸線と第５軸線との交点を通過する第６軸線回りに回転可能に支持されている。

ロボット制御装置１は、図２に示されるように、タイマ１１と、クリープ情報を記憶するクリープ情報記憶部１２と、ロボット２０のマスタリングデータを記憶するマスタリングデータ記憶部１３と、補正部１４とを備えている。
タイマ１１は、ロボット２０が設置された際に起動され、設置後の積算時間を計数するとともに、計数された積算時間を補正部１４に出力する。

マスタリングデータは、ロボット２０を原点位置に配置したときの、ロボット２０の各軸の回転角度を検出するエンコーダの値である。
マスタリングデータ記憶部１３は、例えば、ロボット２０が製造された後に実施されるマスタリング作業により生成されるマスタリングデータを記憶している。各ロボット２０に対してマスタリング作業を実施することにより、ロボット２０の構成部品が個体差による寸法の誤差を有していても、ツールＳの先端点を所望の位置に配置することができる。

クリープ情報記憶部１２は、図３に示されるように、クリープ変形によるたわみ量と積算時間（累積時間）とを対応付けて記憶している。たわみ量と積算時間との関係は、予め実施される実験により取得されればよい。クリープ情報記憶部１２は、たわみ量と積算時間とをテーブルによって対応付けて記憶している。なお、テーブルに代えて、マップあるいは近似式によって記憶していてもよい。

ロボット２０には、特に重力が作用するアーム２３，２４に、図４に示されるように、時間経過とともにクリープ変形が発生する。この図４においては説明を簡単にするために、第２アーム２４のみにクリープ変形が発生している場合を示している。図中実線は、クリープ変形が発生する前のロボット２０の原点位置における姿勢を示し、図中、一転鎖線は、クリープ変形が発生した後のロボット２０の原点位置における姿勢を示している。たわみ量は、図中矢印によって示されるたわみベクトルである。

アーム２３，２４を軽量素材、例えば、樹脂により構成するとクリープ変形によるたわみが発生し易い。
図４によれば、クリープ変形の前後において、ツールＳの先端点は、符号Ａの位置から符号Ａ´の位置に移動する。

補正部１４は、マスタリングデータを補正することによって、クリープ変形により符号Ａ´の位置に移動したツールＳの先端点を符号Ａの位置に修正する。図５に、マスタリングデータを補正後のロボット２０の原点位置における姿勢を実線により、クリープ変形が発生する前のロボット２０の原点位置における姿勢を一転鎖線により示す。

補正部１４は、タイマ１１から入力されてくる積算時間を受け取って、所定の時間間隔で、あるいは必要に応じて、クリープ情報記憶部１２に積算時間に対応して記憶されているたわみ量を読み出す。クリープ情報記憶部１２に記憶されている積算時間とたわみ量との対応付けが離散的なデータである場合には、データ間を保管してたわみ量を算出すればよい。補正部１４は、プロセッサにより構成されている。

そして、補正部１４は、クリープ情報記憶部１２から読みだされたたわみ量を用いてマスタリングデータを補正し、マスタリングデータ記憶部１３に記憶されているマスタリングデータを更新する。

例えば、図５に示される例では、クリープ変形後の第４軸線と第５軸線との交点である手首中心の位置をクリープ変形前の位置に戻すのに必要な角度だけ、旋回胴２２に対する第１アーム２３の角度および第１アーム２３に対する第２アーム２４の角度を変化させている。その状態で、さらに、クリープ変形前後のツールＳの先端点を一致させるのに必要な角度だけ、第１手首要素２６に対する第２手首要素２７の第５軸線回りの角度も変化させている。すなわち、補正部１４により、上記に従ってクリープ変形前の姿勢に対して各軸の角度を変化させた姿勢がクリープ変形後の原点位置の姿勢となるようにマスタリングデータが補正される。

このように、本実施形態に係るロボット制御装置１によれば、設置後の時間経過とともにクリープ変形によるたわみ量が増大しても、積算時間と対応付けて記憶されているたわみ量に基づいて、補正部１４がマスタリングデータを適時に補正する。これにより、冶具等を用いたマスタリングを再度行うことなく、作業用のツールＳの原点であるツールＳの先端点の位置精度を良好に保つことができる。

なお、本実施形態に係るロボット制御装置１においては、クリープ情報記憶部１２に、積算時間とたわみ量とを対応付けて記憶したが、これに代えて、図６に示されるように、動作環境温度ごとに積算時間とたわみ量とを対応付けて記憶しておいてもよい。
ロボット２０が、例えば、クリーンルームのように、動作環境温度の変化しない環境下で継続的に動作させられる場合には、入力されたロボット２０の動作環境温度に対応する積算時間とたわみ量との関係から、積算時間に対応するたわみ量を読み出せばよい。動作環境温度は、操作者が入力してもよいし、ロボット制御装置１に備えられる温度計により検出してもよい。

これによれば、ロボット２０の動作環境温度によっても変動するクリープ変形によるたわみ量をより精度よく推定して、マスタリングデータをより精度よく補正することができる。
動作環境温度に代えて、あるいは、これに加えて、動作環境湿度を用いてもよい。

また、ロボット２０が、動作環境温度、動作環境湿度あるいはロボット２０に作用する負荷等の動作環境条件の変化する環境下で動作させられる場合には、タイマ１１が、動作環境条件毎に動作の継続時間と累積時間とを計数し、補正部１４が、タイマ１１により計数された累積時間におけるたわみ量の時間変化とタイマ１１により計数された継続時間とに基づいて算出されるたわみ量の増分を積分して累積たわみ量を算出し、算出された累積たわみ量に基づいて、マスタリングデータおよび機構パラメータの少なくとも一方を補正してもよい。

例えば、負荷以外の動作環境条件は一定であると仮定して、図９に示されるように、重力がアーム２３，２４に作用せず慣性力のみがアーム２３，２４に作用する動作Ａと、図１０に示されるように、慣性力に加えて重力もアーム２３，２４に作用する動作Ｂとが繰り返し実施される場合を例示する。この場合に、図１１に示される動作Ａのみが行われる場合の時間とクリープ変形によるたわみ量との関係および図１２に示される動作Ｂのみが行われる場合の時間とクリープ変形によるたわみ量との関係をクリープ情報記憶部１２に記憶しておく。

そして、タイマ１１により動作Ａが行われている継続時間ｔ１および累積時間Ｔ１、動作Ｂが行われている継続時間ｔ２および累積時間Ｔ２をそれぞれ計数する。
そして、動作Ａが継続時間ｔ１にわたって継続し、動作Ａの累積時間がＴ１となったときには、図１１の累積時間Ｔ１におけるたわみ量の時間変化（傾き）をクリープ情報記憶部１２から読み出して継続時間ｔ１を乗算する。これにより、動作Ａの継続時間ｔ１分のたわみ量δ１を算出する。

また、動作Ｂが継続時間ｔ２にわたって継続し、動作Ｂの累積時間がＴ２となったときには、図１２の累積時間Ｔ２におけるたわみ量の時間変化（傾き）をクリープ情報記憶部１２から読み出して継続時間ｔ２を乗算する。これにより、動作Ｂの継続時間ｔ２分のたわみ量δ２を算出する。そして、図１３に示されるように、これらのたわみ量を積分することにより、現在のたわみ量δを算出することにすればよい。図中、符号Ｋは初期たわみ量である。

動作環境条件としてロボット２０に作用する負荷のみが変動する場合を例示したが、これに限定されるものではなく、他の動作環境条件が変動する場合あるいは１以上の動作環境条件が変動する場合にも適用することができる。

また、ロボット２０が先端に装着するツールＳやツールＳによって把持するワークの質量および重心位置、あるいはアーム２３，２４に取り付ける周辺装置の質量および重心位置によってもクリープ変形によるたわみ量が変化するので、これらの負荷情報に対応付けて積算時間とたわみ量との関係を記憶しておいてもよい。負荷情報はユーザが入力してもよいし、第２アーム２４を駆動するモータの電流値、あるいは、第２アーム２４にトルクセンサが備えられている場合にはトルクセンサの出力によって測定してもよい。

なお、本実施形態においては、クリープ情報記憶部１２に記憶されているたわみ量に基づいてマスタリングデータを補正することとしたが、これに代えて、または、これに加えて、図７に示されるように、機構パラメータを記憶するパラメータ記憶部１５を備え、たわみ量に基づいて機構パラメータを補正することにしてもよい。

機構パラメータとしては、例えば、ロボット２０の各リンクの幾何学的な状態を示すＤＨパラメータを挙げることができる。ロボット２０の全ての動作軸がリンクを相対的に回転させる回転軸である場合には、機構パラメータとして、動作軸毎のＤＨパラメータを用いることができる。ここで、ＤＨパラメータは、リンク間の距離、動作軸間距離、リンク間の角度、リンクのねじれ角等を含んでいる。また、位置決め誤差を大きくする要因となる機構パラメータの数はロボット２０の動作軸の数に一致しているものとする。

さらに具体的には、図４に示されるように、第２アーム２４のみにクリープ変形によるたわみが発生した場合には、図８に示されるように、第２アーム２４のオフセット量がＬ_ａ０からＬ_ａ１に変化し、第２アーム２４の長さがＬ_ｂ０からＬ_ｂ１に変化したものとみなすことができる。

この場合に、クリープ変形前後の第４軸線と第５軸線との交点の変位量Ｄ、変位角度θとすると、
θ＝ｓｉｎ^−１（Ｄ／Ｌ_ｂ０）
Ｌ_ｂ１＝Ｌ_ｂ０ｃｏｓθ
Ｌ_ａ１＝Ｌ_ａ０−Ｄ
と近似することができる。

したがって、ＤＨパラメータを、クリープ変形後の第２アーム２４の長さＬ_ｂ１およびオフセット量Ｌ_ａ１を用いて計算されたＤＨパラメータに補正することができる。そして、補正後のＤＨパラメータを用いて逆運動学演算を行って各動作軸の角度を求めることにより、クリープ変形後においても、クリープ変形前と同じ位置にツールＳの先端点を配置することができる。これにより、クリープ変形が増大しても、冶具等を用いたマスタリングを再度行うことなく、ツールＳの先端点の位置精度を良好に保つことができるという利点がある。

また、本実施形態においては、経過時間に対応付けられたたわみ量に基づいて、マスタリングデータの補正あるいは機構パラメータの補正を行う場合を例示したが、これに代えて、機構パラメータおよびマスタリングデータを両方補正することにしてもよい。
例えば、第２アーム２４の長さおよびオフセット量の変化については上述したようにＤＨパラメータの補正により対応し、図５の第１手首要素２６に対する第２手首要素２７の角度についてはマスタリングデータの補正によって対応してもよい。

また、本実施形態においては、クリープ変形によるたわみが発生する代表的な場合として、重力による曲げモーメントが常時作用している第２アーム２４を例示して説明した。これに加えて、第１アーム２３についても、一方向の曲げモーメントを受ける動作環境にある場合には、同様にクリープ変形によるたわみを補正してもよい。

また、動作プログラムによって、各動作軸の回転の加減速方向が偏っている場合には、そのような動作プログラムの継続的な実行によって、ロボット２０の各部が、ロボット２０およびツールＳの慣性による曲げモーメントを受ける。このため、ロボット２０の各部が受ける慣性による曲げモーメントについても、加減速度の大きさ毎に、経過時間に対応付けられたたわみ量を記憶しておけばよい。

そして、第１アーム２３および第２アーム２４が加減速を受ける時間を積算し、クリープ情報記憶部１２から積算時間に対応して記憶されているたわみ量を読み出す。これにより、重力によるクリープ変形と同様に、加減速によるクリープ変形が増大する場合についても、マスタリングデータおよび機構パラメータの少なくとも一方の補正によって、冶具等を用いたマスタリングを再度行うことなく、ツールＳの先端点の位置精度を良好に保つことができる。

１ ロボット制御装置（制御装置）
１１ タイマ
１２ クリープ情報記憶部
１３ マスタリングデータ記憶部
１４ 補正部
１５ パラメータ記憶部
２０ ロボット

Claims (6)

1. ロボットに発生するクリープ変形によるたわみ量を、累積時間に対応付けて記憶するクリープ情報記憶部と、
   前記ロボットのマスタリングデータを記憶するマスタリングデータ記憶部と、
   前記累積時間を計数するタイマと、
   該タイマにより計数された前記累積時間に対応して前記クリープ情報記憶部に記憶されている前記たわみ量に基づいて、前記マスタリングデータ記憶部に記憶されている前記マスタリングデータを補正する補正部とを備えるロボット制御装置。
2. ロボットに発生するクリープ変形によるたわみ量を、累積時間に対応付けて記憶するクリープ情報記憶部と、
   前記ロボットの機構パラメータを記憶するパラメータ記憶部と、
   前記累積時間を計数するタイマと、
   該タイマにより計数された前記累積時間に対応して前記クリープ情報記憶部に記憶されている前記たわみ量に基づいて、前記パラメータ記憶部に記憶されている前記機構パラメータを補正する補正部とを備えるロボット制御装置。
3. 前記ロボットの機構パラメータを記憶するパラメータ記憶部を備え、
   前記補正部が、前記タイマにより計数された前記累積時間に対応して前記クリープ情報記憶部に記憶されている前記たわみ量に基づいて、前記マスタリングデータ記憶部に記憶されている前記マスタリングデータおよび前記パラメータ記憶部に記憶されている前記機構パラメータの少なくとも一方を補正する請求項１に記載のロボット制御装置。
4. 前記クリープ情報記憶部が、前記ロボットの動作環境条件に対応付けて前記たわみ量を記憶し、
   前記補正部が、前記累積時間および前記動作環境条件に対応して前記クリープ情報記憶部に記憶されている前記たわみ量に基づいて、前記マスタリングデータおよび前記機構パラメータの少なくとも一方を補正する請求項３に記載のロボット制御装置。
5. 前記動作環境条件が、前記ロボットの動作環境の温度、動作環境の湿度および前記ロボットに作用する負荷情報の少なくとも１つである請求項４に記載のロボット制御装置。
6. 前記タイマが、前記動作環境条件毎に動作の継続時間と前記累積時間とを計数し、
   前記補正部が、前記タイマにより計数された前記累積時間における前記たわみ量の時間変化と前記タイマにより計数された前記継続時間とに基づいて算出される前記たわみ量を積分して累積たわみ量を算出し、算出された該累積たわみ量に基づいて、前記マスタリングデータおよび前記機構パラメータの少なくとも一方を補正する請求項４または請求項５に記載のロボット制御装置。
   

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