JP7070114B2 - Robot control device and robot control method - Google Patents
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本発明は、ロボット制御装置及びロボット制御方法に関する。 The present invention relates to a robot control device and a robot control method.
近年、製品の製造現場等においては、労働人口の減少による作業者不足等を背景として、ロボットを用いた作業の自動化が促進されている。例えば、切削や研削等の加工工程では、加工ロボットを用いた自動化が促進されており、溶接工程では、溶接ロボットを用いた自動化が促進されている。また、塗装工程では、塗装ロボットを用いた自動化が促進されており、仕上げ工程では、仕上げロボットを用いたバリ取り、面取り、R付け、磨き等の自動化が促進されている。 In recent years, at product manufacturing sites and the like, automation of work using robots has been promoted against the background of a shortage of workers due to a decrease in the working population. For example, in machining processes such as cutting and grinding, automation using a machining robot is promoted, and in a welding process, automation using a welding robot is promoted. Further, in the painting process, automation using a painting robot is promoted, and in the finishing process, automation of deburring, chamfering, rounding, polishing, etc. using a finishing robot is promoted.
このようなロボットは、ロボット制御装置の制御によって、直線や曲線を繋ぎ合わせた軌道に沿うように動作する。軌道が複数の直線及び曲線からなる場合において、直線と曲線との繋ぎ目では速度が急激に変化する。例えば、直線から曲線に変化する箇所においては、直線に沿って一定の速度で動作しているロボットが、曲線に沿って円運動することになるから、角速度が0から急激に上昇する。このため、ロボットを軌道に沿って厳密に追従させようとすると、速度(角速度)の不連続性が生ずる直線と曲線との繋ぎ目において、ロボットの駆動装置(例えば、モータ)に過大な負荷がかかる。 Such a robot operates along a trajectory in which straight lines and curves are connected under the control of a robot control device. When the orbit consists of a plurality of straight lines and curves, the velocity changes abruptly at the joint between the straight lines and the curves. For example, at a place where a straight line changes to a curved line, a robot operating at a constant speed along the straight line moves in a circular motion along the curved line, so that the angular velocity rises sharply from 0. For this reason, when the robot is made to follow exactly along the trajectory, an excessive load is applied to the robot drive device (for example, a motor) at the joint between a straight line and a curve where a discontinuity of velocity (angular velocity) occurs. It takes.
このような駆動装置にかかる過大な負荷を回避するために、ロボットを軌道に沿って動作させる前に、軌道を補正して速度の急激な変化を抑える必要がある。以下の特許文献1,2には、速度の急激な変化を抑えるための従来の補正方法の一例が開示されている。具体的に、以下の特許文献1,2では、最大加速度や加速区間に基づいて、軌道を補正するようにしている。
In order to avoid such an excessive load on the drive device, it is necessary to correct the trajectory and suppress a sudden change in speed before the robot is operated along the trajectory. The following
ところで、上述した各種ロボットを制御する場合には、軌道追従性が重要となる。つまり、上述した各種ロボットを制御する場合には、目標軌道に対する追従誤差が、予め定められた目標追従誤差に収まることが重要になる。上記特許文献1,2では、加速区間等の補正に用いるパラメータを試行錯誤的に変化させて、目標軌道に対する追従誤差が目標追従誤差に収まるようにする必要があり、最適な軌道を得るのに時間を要していたという問題があった。
By the way, when controlling the various robots described above, the orbital followability is important. That is, when controlling the various robots described above, it is important that the tracking error with respect to the target trajectory is within the predetermined target tracking error. In
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、過大な負荷を回避し得る最適な軌道を短時間で求めることができるロボット制御装置及びロボット制御方法を提供することを目的とする。 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 and a robot control method capable of obtaining an optimum trajectory that can avoid an excessive load in a short time.
上記課題を解決するために、本発明の一態様によるロボット制御装置は、目標軌道と、該目標軌道に対して許容される許容誤差とを取得する取得部(21)と、前記目標軌道に対する誤差が前記許容誤差に収まる加工軌道を生成する軌道生成部(22)と、前記軌道生成部で生成された前記加工軌道に追従するようにロボット(10)を制御する制御部(23)と、を備える。
また、本発明の一態様によるロボット制御装置は、前記軌道生成部が、前記ロボットの加速度が連続する前記加工軌道を生成する。
また、本発明の一態様によるロボット制御装置は、前記軌道生成部が、複数生成された前記加工軌道のうち、最大加速度が最も小さいものを選択する。
また、本発明の一態様によるロボット制御装置は、前記許容誤差には、位置及び姿勢の許容誤差が含まれる。
また、本発明の一態様によるロボット制御方法は、目標軌道と、該目標軌道に対して許容される許容誤差とを取得する取得ステップ(S11)と、前記目標軌道に対する誤差が前記許容誤差に収まる加工軌道を生成する軌道生成ステップ(S12)と、前記軌道生成ステップで生成された前記加工軌道に追従するようにロボット(10)を制御する制御ステップ(S13)と、を含む。
In order to solve the above problems, the robot control device according to one aspect of the present invention has an acquisition unit (21) for acquiring a target trajectory and an allowable error with respect to the target trajectory, and an error with respect to the target trajectory. A track generation unit (22) that generates a machining trajectory within the margin of error, and a control unit (23) that controls a robot (10) to follow the machining trajectory generated by the trajectory generation unit. Be prepared.
Further, in the robot control device according to one aspect of the present invention, the trajectory generation unit generates the processing trajectory in which the acceleration of the robot is continuous.
Further, in the robot control device according to one aspect of the present invention, the track generation unit selects the one having the smallest maximum acceleration among the plurality of generated processing tracks.
Further, in the robot control device according to one aspect of the present invention, the permissible error includes the permissible error of position and posture.
Further, in the robot control method according to one aspect of the present invention, the acquisition step (S11) for acquiring the target trajectory and the permissible error with respect to the target trajectory, and the error with respect to the target trajectory are within the permissible error. It includes a trajectory generation step (S12) for generating a machining trajectory and a control step (S13) for controlling the robot (10) so as to follow the machining trajectory generated in the trajectory generation step.
本発明によれば、過大な負荷を回避し得る最適な軌道を短時間で求めることができるという効果がある。 According to the present invention, there is an effect that an optimum trajectory that can avoid an excessive load can be obtained in a short time.
以下、図面を参照して本発明の一実施形態によるロボット制御装置及びロボット制御方法について詳細に説明する。 Hereinafter, the robot control device and the robot control method according to the embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
〈ロボットシステム〉
図1は、ロボットシステムの概要構成を示す図である。図1に示す通り、ロボットシステム1は、ロボット10及びロボット制御装置20を備えており、ワークWに対して所定の処理を行う。ここで、ロボットシステム1がワークWに対して行う処理としては、例えば加工(切削や研削等)、溶接、塗装、仕上げ(バリ取り、面取り、R付け、磨き等)、その他の処理が挙げられる。尚、本実施形態において、ロボットシステム1は、ワークWの溶接(レーザ溶接)を行うものであるとする。
<Robot system>
FIG. 1 is a diagram showing an outline configuration of a robot system. As shown in FIG. 1, the
ロボット10は、ロボットアーム11、ハンド部12、レーザ溶接装置13、及びロボットコントローラ14を備える。ロボットアーム11は、複数のアームが複数の関節によって直列的に接続された多関節機構を有する。ロボットアーム11の各関節には、各関節を駆動するモータ(図示省略)が設けられている。ロボットアーム11は、ロボット制御装置20の制御の下で、ロボットコントローラ14によりモータが駆動されることで、例えば、三次元空間を6軸方向に移動することができる。また、各関節には、モータの回転角度を検知するエンコーダが設けられている。
The
ハンド部12は、工具としてのレーザ溶接装置13をロボットアーム11に対して着脱可能に接続する。レーザ溶接装置13は、ハンド部12によりロボットアーム11の先端に取り付けられる。ロボットアーム11を駆動することで、三次元空間内におけるレーザ溶接装置13の位置及び姿勢を変更することができる。レーザ溶接装置13は、レーザ光をワークWに照射し、ワークWを局部的に溶融・凝固させることによってワークWを接合する。
The
ロボットコントローラ14は、ロボット制御装置20の制御の下で、ロボットアーム11の動作を制御する。具体的に、ロボットコントローラ14は、ロボットアーム11の各関節に設けられたモータを駆動することによって、ロボットアーム11の動作を制御する。このロボットコントローラ14は、ロボット制御装置20との間でリアルタイム通信を行う。これにより、ロボットシステム1では、予め規定された制御周期でロボットアーム11のリアルタイム制御が実現される。
The
〈ロボット制御装置〉
ロボット制御装置20は、取得部21、軌道生成部22、制御部23、及び記憶部24を備えており、ロボット10の制御を行う。取得部21は、ロボット10の目標軌道と、目標軌道に対して許容される許容誤差とを取得する。この取得部21は、ロボット制御装置20に設けられる不図示の入力装置(例えば、キーボード)から入力される指示に応じて、入力装置から入力される目標軌道及び許容誤差、或いは、記憶部24に記憶された目標軌道及び許容誤差を取得する。
<Robot control device>
The
上記の目標軌道は、レーザ溶接装置13を移動させる軌道である。例えば、レーザ溶接装置13に設けられたレーザ光の射出口を移動させる軌道を目標軌道としても良い。目標軌道を示すデータは、一定距離間隔における空間座標(X,Y,Z)を示すデータと、レーザ溶接装置13の姿勢(θX,θY,θZ)を示すデータとを含む。尚、θX,θY,θXはそれぞれ、X軸、Y軸、Z軸周りの回転量である。上記の許容誤差には、上記の空間座標(X,Y,Z)に対して許容される許容誤差(位置の許容誤差)と、上記の姿勢(θX,θY,θZ)に対して許容される許容誤差(姿勢の許容誤差)とが含まれる。
The above target trajectory is a trajectory for moving the
軌道生成部22は、取得部21で取得された目標軌道に対する誤差が、取得部21で取得された許容誤差に収まる滑らかな加工軌道を生成する。ここで、滑らかな加工軌道とは、ロボット10(レーザ溶接装置13)の加速度が連続するような加工軌道である。加速度が連続するとは、例えば直線状の軌道から曲線状の軌道に移行する際のように、加速度が0から急激に上昇する(不連続となる)ものではなく、加速度が連続的な変化を示すこと(例えば、加速度が微分可能であること)をいう。
The
軌道生成部22は、上記の加工軌道を、目標軌道からの誤差が許容誤差に収まることを制約条件とする最適化計算によって求める。最適化計算における評価関数は、ワークWの加工内容によって決まり、例えば加加速度の最大値が挙げられる。ここで、最適化計算によって加工軌道を求める場合には、複数の加工軌道が求められることもある。複数の加工軌道が求められた場合には、軌道生成部22は、最大加速度が最も小さい加工軌道を選択する。
The
以下、軌道生成部22で行われる処理について説明する。尚、ここでは、理解を容易にするために、ロボット10(レーザ溶接装置13)をX軸に沿って移動させる場合の加工軌道を生成する例について説明する。ロボット10の目標軌道をxとして、教示点近傍の軌道を考える。教示点を直線で結んだ軌道では、教示点において速度が変化する。教示点の位置をx=0、教示点を通過する時間t=0、教示点前後の速度をそれぞれv1,v2とすると、目標軌道xは、以下の(1)式で表される。
Hereinafter, the processing performed by the
軌道生成部22は、例えば、加工軌道を求める区間を複数に分け、各々の区間の加工軌道を滑らかに繋げる処理を行うことで加工軌道x1を求める。ここで、加工軌道を求める区間を4つに分けるとすると、各々の区間は、t=-Δ,0,Δの3点で分けられる。尚、Δは、許容誤差eを用いて決まる値であり、以下の(2)式で示される。
The
各区間の接続点で2回微分まで連続であるという条件の下では、各区間の加工軌道x1は、以下の(3)式を用いて表される。 Under the condition that the connection point of each section is continuous up to the second derivative, the processing track x1 of each section is expressed by using the following equation (3).
但し、上記(3)式中のa3は、以下の(4)式で表される。 However, a3 in the above equation ( 3 ) is represented by the following equation (4).
上記(2)~(4)式を参照すると、加工軌道x1は、速度v1,v2と許容誤差eとによって求められることが分かる。つまり、加工軌道x1は、目標軌道xと許容誤差eとから求められることが分かる。 With reference to the above equations (2) to (4), it can be seen that the machining track x1 is obtained by the velocities v1 and v2 and the margin of error e. That is, it can be seen that the machining track x1 is obtained from the target track x and the margin of error e.
図2は、本発明の一実施形態によるロボット制御装置で求められる加工軌道の一例を示す図である。尚、図2においては、速度v1=-1[m/sec]、速度v2=1[m/sec]、許容誤差e=0.5[m]である場合の目標軌道TR0、加工軌道TR1、及び許容誤差範囲ERを図示している。図2を参照すると、加工軌道TR1は、全区間(-2≦t≦2)において、許容誤差範囲ER内に収まる滑らかな軌道になっていることが分かる。 FIG. 2 is a diagram showing an example of a machining trajectory required by a robot control device according to an embodiment of the present invention. In FIG. 2, the target trajectory TR0 and the machining trajectory when the velocity v 1 = -1 [m / sec], the velocity v 2 = 1 [m / sec], and the margin of error e = 0.5 [m]. TR1 and the margin of error range ER are shown. With reference to FIG. 2, it can be seen that the machining track TR1 is a smooth track that falls within the permissible error range ER in the entire section (-2 ≦ t ≦ 2).
制御部23は、軌道生成部22で生成された加工軌道x1に追従するようにロボット10を制御する。記憶部24は、ロボット制御装置20で用いられる各種データ、各種パラメータ、各種プログラムを記憶する。例えば、目標軌道を示すデータ、軌道生成部22で生成された加工軌道を示すデータ、目標軌道に対して許容される許容誤差を示すデータ、その他のデータを記憶する。
The
このようなロボット制御装置20は、例えばパーソナルコンピュータ等のコンピュータによって実現される。そして、ロボット制御装置20の各機能(取得部21、軌道生成部22、制御部23、及び記憶部24)は、例えば記憶部24に記憶されたプログラムがコンピュータに実行されることによりソフトウェア的に実現される。つまり、ロボット制御装置20の各機能は、ソフトウェアとハードウェア資源とが協働することによって実現される。
Such a
〈ロボット制御方法〉
図3は、本発明の一実施形態によるロボット制御装置の動作を示すフローチャートである。図4は、本発明の一実施形態で用いられるワーク及び目標軌道の一例を示す図である。図4に示す通り、本実施形態では、XY面内の形状がトラック形状のワークW(Y軸に沿う平行な2本の直線とこれらを繋ぐ2つの曲線とを有する形状のワーク)の溶接を行う場合を例に挙げて説明する。この例におけるレーザ溶接装置13の目標軌道TR10は、図示の通り、直線部P1、曲線部P2、及び直線部P3が連続するものとなる。
<Robot control method>
FIG. 3 is a flowchart showing the operation of the robot control device according to the embodiment of the present invention. FIG. 4 is a diagram showing an example of a workpiece and a target trajectory used in one embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, in the present embodiment, welding of a work W having a track shape in the XY plane (a work having two parallel straight lines along the Y axis and two curves connecting them) is welded. The case of doing this will be described as an example. As shown in the figure, the target trajectory TR10 of the
図3に示すフローチャートの処理が開始されると、まず目標軌道及び許容誤差を取得する処理が、ロボット制御装置20の取得部21で行われる(ステップS11:取得ステップ)。例えば、ロボット制御装置20に設けられた不図示の入力装置から入力される指示に基づいて、記憶部24に記憶された目標軌道(図4に示す目標軌道TR10)及び許容誤差を取得する処理が取得部21で行われる。
When the processing of the flowchart shown in FIG. 3 is started, the processing of acquiring the target trajectory and the tolerance is first performed by the
次に、取得部21で取得された目標軌道に対する誤差が、取得部21で取得された許容誤差に収まる滑らかな加工軌道を生成する処理が軌道生成部22で行われる(ステップS12:軌道生成ステップ)。例えば、目標軌道からの誤差が許容誤差に収まることを制約条件とする最適化計算が軌道生成部22で行われることによって、滑らかな加工軌道が生成される。尚、最適化計算によって複数の加工軌道が求められた場合には、最大加速度が最も小さい加工軌道が軌道生成部22によって選択される。
Next, the
図5は、図4に示すワークの溶接を行う例において生成される加工軌道の一例を示す図である。尚、前述の通り、目標軌道を示すデータには、空間座標(X,Y,Z)を示すデータと、レーザ溶接装置13の姿勢(θX,θY,θZ)を示すデータとが含まれる。この目標軌道を示すデータを用いて生成される加工軌道も同様に、空間座標を示すデータと姿勢を示すデータとが含まれる。図5では、理解を容易にするために、レーザ溶接装置13の姿勢(レーザ溶接装置13から射出されるレーザ光LのX軸に対する角度(θZ))についての目標軌道TR11と加工軌道TR12とを図示している。尚、図5に示す加工軌道TR12は、姿勢(角度)の許容誤差が10度である場合に生成されたものである。
FIG. 5 is a diagram showing an example of a processing track generated in the example of welding the workpiece shown in FIG. As described above, the data indicating the target trajectory includes data indicating spatial coordinates (X, Y, Z) and data indicating the posture (θX, θY, θZ) of the
図5に示す通り、レーザ溶接装置13の姿勢についての目標軌道TR11は、図4に示す直線部P1の溶接が行われる区間SE1(0~20[sec])、図4に示す曲線部P2の溶接が行われる区間SE2(20~38[sec])、図4に示す直線部P3の溶接が行われる区間SE3(38~56[sec])に大別される。各々の区間の目標軌道TR11は以下の通りであり、区間の接続点では不連続になっている。
直線部P1の溶接が行われる区間SE1:0度
曲線部P2の溶接が行われる区間SE2:0~180度まで徐々に変化
直線部P3の溶接が行われる区間SE3:180度
As shown in FIG. 5, the target trajectory TR11 for the posture of the
Section where the straight part P1 is welded SE1: 0 degrees Section where the curved part P2 is welded SE2: Gradually changes from 0 to 180 degrees Section where the straight part P3 is welded SE3: 180 degrees
これに対し、軌道生成部22で生成された加工軌道TR12は、許容誤差範囲ER1内に収まる滑らかな軌道になる。具体的に、加工軌道TR12は、直線部P1の溶接が行われる区間SE1の前半部分では、目標軌道TR11とほぼ同じであるが、区間SE1の後半部分では、許容誤差範囲ER1の下限付近(-10度)まで滑らかに変化した後に許容誤差範囲ER1の上限付近(+10度)まで滑らかに変化する軌道となる。
On the other hand, the processing track TR12 generated by the
また、加工軌道TR12は、曲線部P2の溶接が行われる区間SE2では、許容誤差範囲ER1の上限付近(+10度)から許容誤差範囲ER1の下限付近(+170度)まで徐々に変化する軌道となる。また、加工軌道TR12は、直線部P3の溶接が行われる区間SE3の前半部分では、許容誤差範囲ER1の上限付近(+190度)まで滑らかに変化した後に許容誤差範囲ER1の下限付近(+170度)まで滑らかに変化し、後半部分では目標軌道TR11とほぼ同じ軌道となる。 Further, the machining track TR12 is a track that gradually changes from the vicinity of the upper limit of the margin of error range ER1 (+10 degrees) to the vicinity of the lower limit of the tolerance range ER1 (+170 degrees) in the section SE2 where the curved portion P2 is welded. .. Further, in the first half of the section SE3 where the straight portion P3 is welded, the machining track TR12 smoothly changes to the vicinity of the upper limit of the tolerance range ER1 (+190 degrees) and then near the lower limit of the tolerance range ER1 (+170 degrees). It changes smoothly up to, and in the latter half, it becomes almost the same trajectory as the target trajectory TR11.
以上の処理が終了すると、軌道生成部22で生成された加工軌道TR12に追従するようにロボット10を制御する処理が制御部23によって行われる(ステップS13:制御ステップ)。上述の通り、軌道生成部22で生成された加工軌道TR12は、許容誤差に収まる滑らかな軌道であるため、ロボット10の駆動装置(モータ)に過大な負荷がかかるのを防止することできる。
When the above processing is completed, the
以上の通り、本実施形態では、ロボット10(レーザ溶接装置13)に対する目標軌道と、目標軌道に対して許容される許容誤差とを取得し、目標軌道に対する誤差が許容誤差に収まる加工軌道を生成し、生成された加工軌道に追従するようにロボット10を制御するようにしている。このため、従来のように、補正に用いるパラメータを試行錯誤的に変化させて、目標軌道に対する追従誤差が目標追従誤差に収まるようにする必要がない。これにより、過大な負荷を回避し得る最適な軌道を短時間で求めることができる。
As described above, in the present embodiment, the target trajectory for the robot 10 (laser welding device 13) and the permissible tolerance for the target trajectory are acquired, and a machining trajectory in which the error for the target trajectory falls within the permissible error is generated. The
以上、本発明の一実施形態によるロボット制御装置及びロボット制御方法について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されず、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では、ロボット10の駆動装置がモータである場合を例に挙げて説明したが、ロボット10の駆動装置がモータ以外(例えば、圧電素子、エアシリンダ、油圧シリンダ、油圧モータ等)である場合にも適用可能である。
Although the robot control device and the robot control method according to the embodiment of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above embodiment and can be freely changed within the scope of the present invention. For example, in the above embodiment, the case where the drive device of the
また、上記実施形態では、ロボット10が、レーザ溶接装置13を移動させる移動装置としてロボットアーム11を備える例について説明した。しかしながら、ロボット10は、必ずしもロボットアーム11を備えている必要は無く、アーム型ではない移動装置(例えば、直動軸等を有する移動装置)を備えるものであっても良い。
Further, in the above embodiment, an example in which the
1…ロボットシステム、10…ロボット、20…ロボット制御装置、21…取得部、22…軌道生成部、23…制御部 1 ... Robot system, 10 ... Robot, 20 ... Robot control device, 21 ... Acquisition unit, 22 ... Orbit generation unit, 23 ... Control unit
Claims (4)
前記目標軌道に対する誤差が前記許容誤差に収まる加工軌道を生成する軌道生成部と、 前記軌道生成部で生成された前記加工軌道に追従するようにロボットを制御する制御部と、を備え、
前記軌道生成部は、複数生成された前記加工軌道のうち、最大加速度が最も小さいものを選択するロボット制御装置。 An acquisition unit that acquires a target trajectory and an allowable error for the target trajectory,
It is provided with a trajectory generating unit that generates a machining trajectory in which an error with respect to the target trajectory falls within the margin of error, and a control unit that controls the robot so as to follow the machining trajectory generated by the trajectory generating unit.
The trajectory generation unit is a robot control device that selects the one having the smallest maximum acceleration among the plurality of generated processing tracks .
前記軌道生成ステップで生成された前記加工軌道に追従するようにロボットを制御する制御ステップと、を含み、 Includes a control step that controls the robot to follow the machining trajectory generated in the trajectory generation step.
前記軌道生成ステップでは、複数生成された前記加工軌道のうち、最大加速度が最も小さいものを選択するロボット制御方法。In the trajectory generation step, a robot control method for selecting the one having the smallest maximum acceleration among the plurality of generated machining tracks.
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