JP7384933B2 - 制御システム - Google Patents

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Description

本発明は、制御システムに関する。
ロボット機構部のアーム先端部（位置制御の対象部位）の位置を制御することにより、レーザ加工、シーリング、アーク溶接等を行う例えば産業用ロボットが知られている。このようなロボットでは、動作を高速化することによって、タクトタイムを短縮することができ、生産効率を向上することができる。しかしながら、ロボットの動作を高速化すると、減速機、ロボット機構部のアームの剛性不足等の要因によって、ロボット機構部のアーム先端部に振動が発生することがあり、これにより、加工対象物の品質が悪化する場合がある。
特許文献１及び２には、このような問題点を解決するロボットが記載されている。これらのロボットは、ロボット機構部のアーム先端部にセンサを備え、センサにより、動作プログラムに基づくロボット機構部の動作中のロボット機構部のアーム先端部の振動を計測する。ロボットは、計測した振動を低減する学習補正量を算出する学習制御を繰り返し行う。
ロボットは、学習補正量を用いて、ロボット機構部のアーム先端部（位置制御の対象部位）の位置制御の補正を行い、ロボット機構部のアーム先端部の振動を低減する。
特開２０１１－１６７８１７号公報 特開２０１２－２４０１４２号公報
上記のような学習制御を行うために、ロボット機構部のアーム先端部の振動を検出するセンサをアーム先端部に配置する必要がある。
このようなセンサを有する端末装置をアーム先端部に取り付けて振動を検出する場合、端末装置内のセンサは、一般的にサンプリング周期が粗く、検出精度が不十分であるという問題があった。したがって、ロボットの動作を高い精度で制御することができる制御システムが望まれていた。
本開示の一態様に係る制御システムは、ロボットの振動に基づく加速度を検出するセンサと、前記センサにより検出された複数のセンサデータを補間する補間部と、前記補間部により補間された複数の補間データに基づいて、サンプリング周期が細かい合成データを生成するデータ生成部と、を備える。
本発明によれば、ロボットの動作を高い精度で制御することができる。
本実施形態に係る制御システムの概要を示す図である。 ロボット制御装置及び端末装置の構成を示すブロック図である。 センサデータを合成する処理を示す図である。 ロボット制御装置の処理を示すフローチャートである。
以下、本発明の実施形態の一例について説明する。
図１は、本実施形態に係る制御システム１の概要を示す図である。
図１に示すように、制御システム１は、ロボット制御装置２と、ロボット３と、端末装置４ａ及び４ｂと、を備える。
ロボット制御装置２は、ロボットプログラムに基づいて、ロボット３に対して駆動指令を出力し、ロボット３の動作を制御する。
ロボット３は、例えば、図１に示すように、６軸の垂直多関節ロボットであり、関節軸の各々により連結されるアーム部３１を有する。
ロボット３は、ロボット制御装置２からの駆動指令に基づいて、関節軸の各々に配置されるサーボモータ３０ａ～３０ｆを駆動することによって、アーム部３１等の可動部材を駆動する。なお、サーボモータ３０ａ～３０ｆは、全体としてサーボモータ３０とも称する。
また、ロボット３のフランジ３２には、例えば、溶接ガン、握持ハンド、レーザ照射装置等のエンドエフェクタ３３が取り付けられる。なお、ロボット３は、６軸の垂直多関節ロボットとしたが、６軸以外の垂直多関節ロボットでもよく、水平多関節ロボットやパラレルリンクロボット等であってもよい。
端末装置４ａ及び４ｂは、ロボット３のエンドエフェクタ３３に取り付けられる。端末装置４ａ及び４ｂは、ロボット３の振動に基づく加速度を検出し、検出されたセンサデータをロボット制御装置２へ送信する。なお、端末装置４ａ及び４ｂは、全体として端末装置４とも称する。
図２は、ロボット制御装置２及び端末装置４の構成を示すブロック図である。
ロボット制御装置２は、通信部２１と、制御部２２と、記憶部２３と、を備える。
通信部２１は、ネットワークを介して端末装置４との間で通信をするための通信インターフェースである。通信部２１は、通信を実行するためのプロセッサ、コネクタ、電気回路等を含む。通信部２１は、端末装置４から受信した通信信号に所定の処理を行ってデータを取得し、取得したデータを制御部２２に入力する。また、通信部２１は、制御部２２から入力されたデータに所定の処理を行って通信信号を生成し、生成した通信信号を端末装置４に送信する。例えば、通信部２１は、端末装置４からセンサデータを受信する。
制御部２２は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等のプロセッサであり、記憶部２３に記憶されたプログラムを実行することによって座標変換部２２１、補間部２２２、データ生成部２２３、動作制御部２２４、補正量算出部２２５及び学習制御部２２６として機能する。
記憶部２３は、ＯＳ（Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）やアプリケーションプログラム等を格納するＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、その他の各種情報を格納するハードディスクドライブやＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）等の記憶装置である。
記憶部２３は、例えば、ロボット３を動作させるロボットプログラムを記憶する。
端末装置４（端末装置４ａ及び４ｂ）は、通信部４１と、制御部４２と、記憶部４３と、センサ４４と、を備える。
通信部４１は、ネットワークを介してロボット制御装置２との間で通信をするための通信インターフェースである。通信部４１は、通信を実行するためのプロセッサ、コネクタ、電気回路等を含む。通信部４１は、ロボット制御装置２から受信した通信信号に所定の処理を行ってデータを取得し、取得したデータを制御部４２に入力する。また、通信部４１は、制御部４２から入力されたデータに所定の処理を行って通信信号を生成し、生成した通信信号をロボット制御装置２に送信する。
制御部４２は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等のプロセッサである。
記憶部４３は、ＯＳ（Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）やアプリケーションプログラム等を格納するＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、その他の各種情報を格納するハードディスクドライブやＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）等の記憶装置である。
センサ４４は、ロボット３の動作に伴うエンドエフェクタ３３における加速度を所定のサンプリング時間で周期的に検出する加速度センサである。センサ４４は、加速度センサに限定されず、例えば、ビジョンセンサ、加速度センサ、ジャイロセンサ、慣性センサ、及び歪ゲージ等であってもよい。
また、制御部４２は、図示しないクロックを有し、加速度を検出する度に、当該クロックから出力される時刻情報を、加速度を検出した時刻として取得する。そして、通信部４１は、検出された加速度及び時刻情報を含むセンサ信号をセンサデータとしてロボット制御装置２に送信する。
次に、図２及び図３を参照して制御部２２の制御について説明する。図３は、センサデータを合成する処理を示す図である。図３に示すように、端末装置４ａ及び４ｂの各々において、センサ４４によりＮ個のセンサデータが検出される。なお、本実施形態では、端末装置４は、２つの端末装置４ａ、４ｂによってセンサデータを取得する例を用いて説明したが、３つ以上の端末装置４を用いてセンサデータを取得してもよく、又は１つの端末装置４を用いて複数回センサデータを取得してもよい。
座標変換部２２１は、通信部２１により受信されたセンサデータを、ロボット３のフランジ３２の面を基準としたセンサ座標系から、ロボット３の先端部を基準としたツール座標系に変換する。なお、センサ座標系は、各端末装置４ａ及び４ｂについて、例えばロボット３のフランジ３２の面を基準としたセンサ４４の位置及び姿勢を予め設定することによって得られる。また、ロボット３の先端部は、例えばエンドエフェクタ３３である。
これにより、ロボット制御装置２は、位置が異なる複数の端末装置４ａ及び４ｂのセンサ４４においてセンサデータを取得した場合であっても、ツール座標系で定義される位置を用いて、エンドエフェクタ３３が取付けられたロボット３の先端部の位置を制御することができる。また、座標変換部２２１は、ツール座標系が定義されていない場合には、フランジ座標系を用いてもよい。
補間部２２２は、座標変換された複数のセンサデータを補間する。具体的には、補間部２２２は、図３に示されるように、離散的な複数のセンサデータを補間し、連続的な補間データを生成する。ここで、補間部２２２は、例えば、線形補間、スプライン補間を用いて補間データを生成する。
データ生成部２２３は、補間部により補間された複数の補間データに基づいて、サンプリング周期が細かい合成データを生成する。
具体的には、データ生成部２２３は、複数の補間データを合成し、１つの合成データを生成する。すなわち、データ生成部２２３は、複数の補間データの波形を重ね合わせ、１つの合成データを生成する。また、データ生成部２２３は、合成された合成データを平均化する。
また、データ生成部２２３は、複数の補間データに基づいて相関係数を算出し、相関係数に基づいて複数の補間データを合成し、合成された合成データを平均化してもよい。
このように複数の補間データを合成することにより、データ生成部２２３は、サンプリング周期が細かい合成データを生成することができる。
また、複数の補間データの各々は、時刻を同期していないため、データ生成部２２３は、複数の補間データを時刻同期し、時刻同期された複数の補間データに基づいて合成データを生成する。
例えば、データ生成部２２３は、第１センサデータを補間した第１補間データｆ（ｔ）と、第２センサデータを補間した第２補間データｇ（ｔ）との相関関係を数値化した相関値Ｃを演算し、この相関値Ｃに応じて、第２補間データｇ（ｔ）に対する第１補間データｆ（ｔ）の遅れ時間ｔａを演算する。
相関値Ｃは、例えば最小二乗法の手法を連続関数に応用することにより求めることができる。すなわち、互いに同一時点における第１補間データｆ（ｔ）と第２補間データｇ（ｔ）との差を二乗し、この二乗した値を所定の時間範囲にわたって積分した二乗和を、相関値Ｃとする。具体的には、相関値Ｃは、以下の式で与えられることができる。
Figure 0007384933000001
この場合、第１補間データｆ（ｔ）と第２補間データｇ（ｔ）との相関が強いほど、最小二乗法による演算値、すなわち相関値Ｃが小さくなる。最適な遅れ時間ｔａは、以下の式から与えられる。
Figure 0007384933000002
例えば、センサデータをスプライン補間した場合、ｆ（ｔ），ｇ（ｔ）は、それぞれｔの多項式で与えられるため、
Figure 0007384933000003
 は、遅れ時間ｔａの多項式とみなすことができる。そのため、例えばニュートン法を用いて最適な遅れ時間ｔａを求めることができる。
なお、最小二乗法ではなく、第１補間データｆ（ｔ）と第２補間データｇ（ｔ）との相関の程度を表す相関値Ｃは、以下のように演算することもできる。
Figure 0007384933000004
 第１補間データｆ（ｔ）と第２補間データｇ（ｔ）との相関が強いほど、相関係数は大きくなる。
なお、この場合も遅れ時間ｔａは、最小二乗法の場合と同様の手順で求められる。すなわち、ｆ（ｔ），ｇ（ｔ）がｔの多項式で与えられていれば、例えばニュートン法を用いて最適な遅れ時間ｔａを求めることができる。
データ生成部２２３は、例えば、基準となる補間データに対する複数の補間データの遅れ時間ｔａをそれぞれ演算する。そして、データ生成部２２３は、基準となる補間データの時間値から遅れ時間ｔａを減算又は加算することにより、複数の補間データの各々を時刻同期することができる。
動作制御部２２４は、ロボットプログラムに基づく動作指令値によりロボット３の動作を制御する。
補正量算出部２２５は、データ生成部２２３により合成された合成データに基づいてロボット３の動作軌跡を算出する。そして、補正量算出部２２５は、ロボット３の振動を抑制するように振動補正量を算出する。
なお、ロボット３の動作軌跡は、既知の技術を用いて算出される。例えば、センサ４４の動作軌跡は、合成データに含まれる加速度のデータを２回積分することによって得られる。そして、センサ４４の動作軌跡をセンサ座標系からツール座標系に変換することによりロボット３の動作軌跡を算出することができる。
学習制御部２２６は、算出した振動補正量を次回の同じ動作指令値によるロボット３の動作制御に適用する学習制御を行う。学習制御部２２６は、このような学習制御を繰り返すことにより、ロボット３のエンドエフェクタ３３に生じる振動を低減させる。
図４は、ロボット制御装置２の処理を示すフローチャートである。
ステップＳ１において、動作制御部２２４は、ロボットプログラムに基づく動作指令値によりロボット３の動作を制御し、端末装置４のセンサ４４は、ロボット３の振動に基づく加速度を検出する。そして、端末装置４は、センサ４４により検出されたセンサデータを、通信部４１を介してロボット制御装置２へ送信する。
ステップＳ２において、座標変換部２２１は、通信部２１により受信されたセンサデータを、ロボット３のフランジ３２の面を基準としたセンサ座標系から、ロボット３の先端部を基準としたツール座標系に変換する。
ステップＳ３において、補間部２２２は、線形補間や、スプライン補間等を用いて、座標変換された複数のセンサデータを補間する。
ステップＳ４において、データ生成部２２３は、補間部２２２により補間された複数の補間データに基づいて、サンプリング周期が細かい合成データを生成する。
ステップＳ５において、補正量算出部２２５は、データ生成部２２３により合成された合成データに基づいてロボット３の動作軌跡を算出する。補正量算出部２２５は、ロボット３の振動を抑制するように振動補正量を算出する。
ステップＳ６において、学習制御部２２６は、算出された振動補正量を次回の同じ動作指令値によるロボット３の動作制御に適用する学習制御を行う。
本実施形態によれば、制御システム１は、ロボット３の振動に基づく加速度を検出するセンサ４４と、センサ４４により検出された複数のセンサデータを補間する補間部２２２と、補間部２２２により補間された複数の補間データに基づいて、サンプリング周期が細かい合成データを生成するデータ生成部２２３と、を備える。
これにより、制御システム１は、一般的にはサンプリング周期が粗いデータを出力する端末装置４のセンサ４４を用いて、サンプリング周期が細かい合成データを生成することができる。したがって、制御システム１は、サンプリング周期が細かい合成データを用いて、ロボット３の動作を高い精度で制御することができる。
また、制御システム１は、合成データからロボット３の動作軌跡を算出し、ロボット３の振動を抑制するようにロボット３の動作補正量を算出する補正量算出部２２５を更に備える。これにより、制御システム１は、ロボット３の動作補正量を好適に算出することができる。
また、制御システム１は、補正量算出部２２５により算出された動作補正量をロボット３の動作制御に適用する学習制御を行う学習制御部２２６を更に備える。これにより、制御システム１は、ロボット３の学習制御を好適に行うことができる。
また、データ生成部２２３は、複数の補間データを合成し、合成された合成データを平均化する。これにより、制御システム１は、動作補正量を算出するために、適切な合成データを得ることができる。
また、データ生成部２２３は、複数の補間データに基づいて相関係数を算出し、相関係数に基づいて複数の補間データを合成し、合成された合成データを平均化する。これにより、制御システム１は、動作補正量を算出するために、適切な合成データを得ることができる。
また、データ生成部２２３は、複数の補間データを時刻同期し、時刻同期された複数の補間データに基づいて合成データを生成する。これにより、制御システム１は、動作補正量を算出するために、適切な合成データを得ることができる。
また、制御システム１は、センサ４４を有し、ロボット３に設置される端末装置４と、センサデータを、ロボット３のフランジ面を基準としたセンサ座標系から、ロボット３の先端部を基準としたツール座標系に変換する座標変換部２２１と、を更に備える。これにより、制御システム１は、複数の端末装置４（端末装置４ａ及び４ｂ）のセンサ４４を用いて、サンプリング周期が細かい合成データを生成することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前述した実施形態に限るものではない。また、本実施形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本実施形態に記載されたものに限定されるものではない。
１ 制御システム
２ ロボット制御装置
３ ロボット
４ 端末装置
２１ 通信部
２２ 制御部
２３ 記憶部
４１ 通信部
４２ 制御部
４３ 記憶部
４４ センサ
２２１ 座標変換部
２２２ 補間部
２２３ データ生成部
２２４ 動作制御部
２２５ 補正量算出部
２２６ 学習制御部

Claims (7)

  1. ロボットの振動に基づく加速度を検出するセンサと、
    前記センサにより検出された複数のセンサデータを補間する補間部と、
    前記補間部により補間された複数の補間データに基づいて、サンプリング周期が細かい合成データを生成するデータ生成部と、
    を備え、
    前記データ生成部は、前記複数の補間データに基づいて相関係数を算出し、前記相関係数に基づいて前記複数の補間データを合成し、合成された前記合成データを平均化する、
    制御システム。
  2. ロボットの振動に基づく加速度を検出するセンサと、
    前記センサにより検出された複数のセンサデータを補間する補間部と、
    前記補間部により補間された複数の補間データに基づいて、サンプリング周期が細かい合成データを生成するデータ生成部と、
    を備え、
    前記データ生成部は、前記複数の補間データを時刻同期し、時刻同期された前記複数の補間データに基づいて前記合成データを生成する、
    制御システム。
  3. 前記合成データから前記ロボットの動作軌跡を算出し、前記ロボットの振動を抑制するように前記ロボットの動作補正量を算出する補正量算出部を更に備える請求項１又は２に記載の制御システム。
  4. 前記補正量算出部により算出された前記動作補正量を前記ロボットの動作制御に適用する学習制御を行う学習制御部を更に備える請求項３に記載の制御システム。
  5. 前記データ生成部は、前記複数の補間データを時刻同期し、時刻同期された前記複数の補間データに基づいて前記合成データを生成する、請求項１に記載の制御システム。
  6. 前記センサを有し、前記ロボットに設置される複数の端末装置と、
    前記センサデータを、前記ロボットのフランジ面を基準としたセンサ座標系から、前記ロボットの先端部を基準としたツール座標系に変換する座標変換部と、
    を更に備える、
    請求項１に記載の制御システム。
  7. 少なくとも１つのメモリと、
    少なくとも１つのプロセッサと、を備え、
    前記少なくとも１つのプロセッサは、
    ロボットの振動を検出するセンサにより検出されたセンサデータを取得し、
    前記センサデータを補間した補間データに基づいて、サンプリング周期が細かい合成データを生成し、
    少なくとも、
    前記補間データに基づいて相関係数を算出し、前記相関係数に基づいて複数の補間データを合成し、合成された前記合成データを平均化することと、
    前記複数の補間データを時刻同期し、時刻同期された前記複数の補間データに基づいて前記合成データを生成することと、
    前記センサデータを、センサ座標系から前記ロボットの先端部を基準としたツール座標系に変換することと、のいずれかを実行するように構成される、制御装置。
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