JP7414426B2

JP7414426B2 - ロボットシステム

Info

Publication number: JP7414426B2
Application number: JP2019150290A
Authority: JP
Inventors: 慶太巣山
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2019-08-20
Filing date: 2019-08-20
Publication date: 2024-01-16
Anticipated expiration: 2039-08-20
Also published as: CN112405510A; US20210053211A1; US11453120B2; JP2021030326A; DE102020121092A1

Description

本開示は、ロボットシステムに関するものである。

ロボットの関節部においては、モータの回転を減速機構によって減速して出力軸が駆動される。モータに取り付けたエンコーダにより回転角度を検出して出力軸の位置を制御する場合に、減速機構等におけるバックラッシュやねじれにより位置ずれが発生し、位置決め精度が向上できない場合がある。
このような場合に、出力軸側にも位置検出センサを配置して、出力軸の位置決め精度を向上することが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１９－９４８号公報

出力軸側の位置検出センサにより検出された位置情報を用いて、出力軸の位置を直接の制御量としてロボットの各軸を動作させる場合には、減速機構等におけるバックラッシュ等によって出力軸の挙動に遅延が生じることから、制御ゲインを大きくとれず、応答性に問題を生じる場合がある。出力軸を速やかに動作させて位置決めまでの時間を短縮することが望まれている。

本開示の一態様は、複数の駆動軸を有するロボットと、該ロボットを制御する制御装置とを備え、各前記駆動軸が、第１部材に対して第２部材を動作させる駆動部を備え、各該駆動部が、モータと、該モータの回転を減速して前記第１部材と前記第２部材とに供給する減速機構と、前記モータの回転角度位置を検出する入力側検出器を備え、少なくとも１つの前記駆動部が、前記第１部材に対する前記第２部材の動作位置を検出する出力側検出器を備え、前記制御装置が、前記入力側検出器により検出された前記モータの回転角度位置、前記出力側検出器により検出された前記動作位置に基づいて、各前記駆動軸を制御ゲインが大きい順に動作させるよう前記モータを制御し、前記出力側検出器を備えない前記駆動部のモータについては、前記モータの回転角度位置に基づいて制御し、前記出力側検出器を備える前記駆動部のモータについては、前記第１部材に対する前記第２部材の動作目標位置と前記動作位置との偏差をゼロにするように制御するロボットシステムである。

本開示の一実施形態に係るロボットシステムを示す全体構成図である。図１のロボットシステムのロボット本体およびポジショナの駆動軸と制御装置との接続を説明する図である。図１のロボットシステムにおいて、ロボット本体のみを動作させて目標位置決め位置に精度よく到達させる理想的な場合を説明する全体構成図である。図１のロボットシステムにおいて設定される新たな動作目標位置を説明する全体構成図である。図１のロボットシステムにおいて、図４により設定された新たな動作目標位置に向かってロボット本体およびポジショナを動作させる場合を説明する全体構成図である。図１のロボットシステムの変形例を示す全体構成図である。

本開示の一実施形態に係るロボットシステム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システム１は、例えば、図１に示されるように、６つの駆動軸１０を有する６軸多関節型のロボット２と、搭載したワークＷの位置および姿勢を変更可能なポジショナ（外部装置）３と、ロボット２およびポジショナ３を制御する制御装置４とを備えている。

ロボット２は、床面Ｆに設置されるベース５と、鉛直な第１軸線Ｊ１回りにベース５に対して回転可能に支持された旋回胴６とを備えている。また、ロボット２は、水平な第２軸線Ｊ２回りに旋回胴６に対して回転可能に支持された第１アーム７と、第２軸線Ｊ２に平行な第３軸線Ｊ３回りに第１アーム７に対して回転可能に支持された第２アーム８とを備えている。さらに、ロボット２は、第２アーム８の先端に支持された３軸の手首ユニット９を備えている。

手首ユニット９は、第３軸線Ｊ３に直交する第４軸線Ｊ４回りに第２アーム８に対して回転可能に支持された第１手首要素９ａと、第３軸線Ｊ３に平行かつ第４軸線Ｊ４に直交する第５軸線Ｊ５回りに第１手首要素９ａに対して回転可能に支持された第２手首要素９ｂと、第５軸線Ｊ５に直交する第６軸線Ｊ６回りに第２手首要素９ｂに対して回転可能に支持された第３手首要素９ｃとを備えている。

本実施形態において、６つの駆動軸１０とは、ベース５に対して旋回胴６を第１軸線Ｊ１回りに回転駆動する機構、旋回胴６に対して第１アーム７を第２軸線Ｊ２回りに回転駆動する機構、第１アーム７に対して第２アーム８を第３軸線Ｊ３回りに回転駆動する機構、第２アーム８に対して第１手首要素９ａを第４軸線Ｊ４回りに回転駆動する機構、第１手首要素９ａに対して第２手首要素９ｂを第５軸線Ｊ５回りに回転駆動する機構、および第２手首要素９ｂに対して第３手首要素９ｃを第６軸線Ｊ６回りに回転駆動する機構である。

手首ユニット９の先端にはツールＳが固定されている。
本実施形態においては、説明を簡略にするために、ワークＷは、位置決め目標位置を指示するための針状部材であり、ツールＳは、ツール先端点を指示するための針状部材を用いている。

各駆動軸１０は、図２に示されるように、第１部材Ａに対して第２部材Ｂを動作させる駆動部を備えている。駆動部は、駆動するモータ１１と、モータ１１の回転を減速して第２部材Ｂに伝達する減速機構Ｃとを備えている。ここで、第１部材Ａに対する第２部材Ｂは、ベース５に対する旋回胴６、旋回胴６に対する第１アーム７、第１アーム７に対する第２アーム８である。

また、駆動部は、モータ１１の回転角度位置を検出可能な第１エンコーダ（入力側検出器）Ｅ１を備えている。さらに、駆動部は、各駆動軸１０において第１部材Ａに対する第２部材Ｂの回転角度位置（作動位置）を検出する第２エンコーダ（出力側検出器）Ｅ２を備えている。

ポジショナ３は、図１に示されるように、ベース１２と、水平な軸線Ｇ１回りにベース１２に対して回転駆動され、ワークＷを装着する載置台１３とを備えている。ポジショナ３にもベース１２に対して載置台１３を揺動させるモータ１１と、モータ１１の回転角度位置を検出するエンコーダ（入力側検出器）Ｅ３とが備えられている。

制御装置４には、図２に示されるように、駆動部の第１エンコーダＥ１により検出されたロボット２の各駆動軸１０のモータ１１の回転角度位置と、第２エンコーダＥ２により検出された第１部材Ａに対する第２部材Ｂの回転角度位置（作動位置）とが入力される。また制御装置４には、ポジショナ３のエンコーダＥ３により検出されたモータ１１の回転角度位置が入力される。

制御装置４は、入力されたロボット２の各駆動軸１０のモータ１１の回転角度位置と、第１部材Ａに対する第２部材Ｂの回転角度位置と、ポジショナ３のモータ１１の回転角度位置に基づいて、各駆動軸１０のモータ１１への動作指令信号を算出し、モータ１１に対して出力する。
各駆動軸１０の第１エンコーダＥ１により検出されたモータ１１の回転角度位置のみに基づいてモータ１１を制御する場合に、減速機構Ｃにおけるバックラッシュ等の影響により、ロボット２のツール先端を高い精度で位置決め目標位置に位置決めすることができない。
例えば、図３に誇張して示されるように、鎖線が位置決め目標位置に位置決めされた状態のロボット２、実線が位置決め目標位置からずれた状態のロボット２を示している。

この場合には、第１エンコーダＥ１により検出されたモータ１１の回転角度位置は目標回転角度位置に到達しているので、それ以上の訂正動作が行われず、位置決め目標位置と現在位置との間に偏差が残ることになる。
一方、第２エンコーダＥ２により検出される第１部材Ａに対する第２部材Ｂの回転角度位置は、ロボット２の各駆動軸１０の現在位置を直接的に表している。

したがって、制御装置４は、各駆動軸１０のモータ１１を制御して、各駆動軸１０の目標回転角度位置と、第２エンコーダＥ２により検出された第１部材Ａに対する第２部材Ｂの回転角度位置との偏差をゼロにする。
この場合において、制御装置４におけるモータ１１の制御ゲインは駆動軸１０毎に相違しており、ある駆動軸１０では制御ゲインが大きく、他の駆動軸１０では制御ゲインが小さい。

例えば、本実施形態においては、ロボット２の各駆動軸１０の剛性よりもポジショナ３の駆動軸１０の剛性の方が高く、モータ１１を制御するための制御ゲインはポジショナ３の方が大きい。
制御ゲインが高い駆動軸１０ほど、急峻な加減速で動作可能なことから、高い速度で動作させる時間を長くでき、目標位置到達までの時間を短縮することができる。
そこで、制御装置４は、ロボット２の駆動軸１０およびポジショナ３の駆動軸１０を制御ゲインの大きいものから優先して動作させるよう制御する。

すなわち、制御装置４は、図３に鎖線で示されるように、ロボット２のみを制御して目標位置に到達させるのではなく、ロボット２およびポジショナ３の両方の駆動軸１０を応答性、つまり、制御ゲインの大きい順に制御する。これにより、制御装置４は、図５に鎖線で示されるように、ツール先端点をワークＷの位置決め目標位置に一致させることが可能な位置に、ロボット２およびポジショナ３を配置する。

さらに具体的には、制御装置４は、図４に示されるように、ポジショナ３による位置決め目標位置の動作軌跡上に新たな動作目標位置を設定する。
新たな動作目標位置は、各駆動軸１０の応答性、すなわち、制御ゲインの大きさに基づいて決定する。例えば、剛性の高いポジショナ３は、剛性の低いロボット２の駆動軸１０よりも長く動作して動作目標位置にワークＷを到達させる。そして、制御装置４は、図５に示されるように、ロボット２およびポジショナ３を新たな動作目標位置に向かって動作させることにより、ワークＷとツールＳとを相互に近づける。

このように、本実施形態に係るロボットシステム１によれば、６軸の駆動軸１０を有するロボット２とともに１軸以上の駆動軸１０を有するポジショナ３を使用する場合に、ロボット２の減速機構Ｃのバックラッシュ等による位置ずれを修正する動作において、応答性が高い駆動軸１０を優先して動作させる。これにより、迅速に精度よく位置決めすることができるという利点がある。

ワークＷに対するツールＳの配置が単一である場合、ポジショナ３の駆動軸１０の回転角度位置に応じてロボット２の姿勢が一義的に決定されるが、ツール先端点のワークＷの位置決め目標位置への到達方法は複数通り存在する。したがって、制御装置４は、ポジショナ３の駆動軸１０をできるだけ長く動作させる位置に新たな動作目標位置を設定すればよい。

なお、本実施形態においては、６軸多関節型のロボット２と１軸のポジショナ３とを備えるロボットシステム１を例示したが、これに限定されるものではない。例えば、外部装置として、１軸のポジショナ３に代えて、図６に示されるように、ロボット２全体を移動させる走行装置１５、あるいは図示しない走行台車を採用してもよい。この場合、ワークＷを搭載するポジショナ３は、駆動軸１０を有していないものを採用してもよい。

また、本実施形態においては、各駆動軸１０の応答性の高いものを優先して動作させるとしたが、各駆動軸１０の位置修正量と軸速度に応じて、位置決めまでの時間が最短になるよう各駆動軸１０を動作させればよい。

また、ロボットとして、６軸多関節型のロボットを例示したが、ロボットの形式は限定されるものではない。水平多関節型のロボット、円筒座標系のロボットあるいは直動型のロボット等の任意のロボットを採用することができる。

また、ロボットとして、６軸のロボットを例示したが、任意の駆動軸数（例えば、７軸以上等）のロボットを採用してもよい。また、任意の駆動軸数の外部装置を採用してもよい。６軸以上のロボットと任意の駆動軸数の外部装置とを備えるロボットシステムに代えて、７軸以上のロボットを備えるロボットシステムを採用してもよい。制御装置は、上記と同様に、各駆動軸の応答性の高いものを優先して動作させることにすればよい。

また、本実施形態においては、ベースと旋回胴との間、旋回胴と第１アームとの間、第１アームと第２アームとの間にそれぞれ第２エンコーダを配置することとしたが、バックラッシュ等の問題が発生しにくい駆動軸については第２エンコーダを設けなくてもよい。また、手首ユニットの３つの駆動軸の少なくとも１つに第２エンコーダを配置してもよい。また、ポジショナに第２エンコーダを配置してもよい。

１ロボットシステム
２ロボット
３ポジショナ（外部装置）
４制御装置
１０駆動軸
１１モータ
１５走行装置（外部装置）
Ａ第１部材
Ｂ第２部材
Ｃ減速機構
Ｅ１第１エンコーダ（入力側検出器）
Ｅ２第２エンコーダ（出力側検出器）
Ｗワーク

Claims

複数の駆動軸を有するロボットと、
該ロボットを制御する制御装置とを備え、
各前記駆動軸が、第１部材に対して第２部材を動作させる駆動部を備え、
各該駆動部が、モータと、該モータの回転を減速して前記第１部材と前記第２部材に供給する減速機構と、前記モータの回転角度位置を検出する入力側検出器を備え、
少なくとも１つの前記駆動部が、前記第１部材に対する前記第２部材の動作位置を検出する出力側検出器を備え、
前記制御装置が、前記入力側検出器により検出された前記モータの回転角度位置、前記出力側検出器により検出された前記動作位置に基づいて、各前記駆動軸を制御ゲインが大きい順に動作させるようモータを制御し、前記出力側検出器を備えない前記駆動部のモータについては、前記モータの回転角度位置に基づいて制御し、前記出力側検出器を備える前記駆動部のモータについては、前記第１部材に対する前記第２部材の動作目標位置と前記動作位置との偏差をゼロにするように制御するロボットシステム。
少なくとも１つの駆動軸を有するロボットと、
少なくとも１つの駆動軸を有する外部装置と、
前記ロボットおよび前記外部装置を制御する制御装置とを備え、
各前記駆動軸が、第１部材に対して第２部材を動作させる駆動部を備え、
各該駆動部が、モータと、該モータの回転を減速して前記第１部材と前記第２部材とに供給する減速機構と、前記モータの回転角度位置を検出する入力側検出器を備え、
少なくとも１つの前記駆動部が、前記第１部材に対する前記第２部材の動作位置を検出する出力側検出器を備え、
前記外部装置が、前記ロボットによる作業位置にワークを位置決めするポジショナまたは前記ロボットを搭載して移動させる走行装置であり、
前記制御装置が、前記入力側検出器により検出された前記モータの回転角度位置、前記出力側検出器により検出された前記動作位置に基づいて、各前記駆動軸を制御ゲインが大きい順に動作させるよう前記モータを制御し、前記出力側検出器を備えない前記駆動部のモータについては、前記モータの回転角度位置に基づいて制御し、前記出力側検出器を備える前記駆動部のモータについては、前記第１部材に対する前記第２部材の動作目標位置と前記動作位置との偏差をゼロにするように制御するロボットシステム。
少なくとも１つの駆動軸を有するロボットと、
少なくとも１つの駆動軸を有する外部装置と、
前記ロボットおよび前記外部装置を制御する制御装置とを備え、
各前記駆動軸が、第１部材に対して第２部材を動作させる駆動部を備え、
各該駆動部が、モータと、該モータの回転を減速して前記第１部材と前記第２部材とに供給する減速機構と、前記モータの回転角度位置を検出する入力側検出器を備え、
少なくとも１つの前記駆動部が、前記第１部材に対する前記第２部材の動作位置を検出する出力側検出器を備え、
前記外部装置が、前記ロボットによる作業位置にワークを位置決めするポジショナまたは前記ロボットを搭載して移動させる走行装置であり、
前記制御装置が、前記入力側検出器により検出された前記モータの回転角度位置、前記出力側検出器により検出された前記動作位置に基づいて、各前記駆動軸を制御ゲインが大きい順に動作させるよう前記モータを制御し、各前記駆動軸の動作目標位置における前記ロボットのツール先端点とワークとの必要な相対位置関係を保ちつつ、前記駆動軸を制御ゲインが大きい順に動作させる新たな動作目標位置を設定し、前記出力側検出器を備えない前記駆動部のモータについては、前記モータの回転角度位置に基づいて制御し、前記出力側検出器を備える前記駆動部のモータについては、新たな動作目標位置と前記動作位置との偏差をゼロにするように制御するロボットシステム。