JP7460800B2 - ロボット制御装置及びロボットシステム - Google Patents

Description

本発明は、ロボット制御装置及びロボットシステムに関する。

例えばロボット溶接システム等、ロボットの先端部に保持される工具、ワーク等の搬送物の位置を代表する基準点を予め定められた軌跡に沿って移動させることで所望の作業を行うシステムが広範に利用されている。このようなロボットシステムでは、所望の軌跡を複数の通過点で表す動作プログラムに従って、ロボットの先端部が複数の通過点を順番に通過するようロボットを動作させる。

ロボットは、その機械的構造に僅かではあるが弾性を有するため、その動作に伴って振動を発生する。ロボットの動作を高速化することで作業効率を向上しようとすると、ロボットの振動が大きくなる。そこで、実際のロボットの動作時の振動を測定し、この測定値に基づく機械学習によって、ロボットの振動を抑制できるようロボットの加減速時間を修正することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１９－１４７１９７公報

機械学習によってロボットの振動を十分に抑制するためには、ロボットを動作させて実際に発生する振動を確認する工程と、確認された振動を操作するよう指令値を補正する工程とを繰り返し行う必要がある。ロボットが例えば多品種少量生産の製造ラインに用いられる場合等、同じロボットシステムにおいて多様な動作プログラムを実行する場合には、動作プログラムごとに機械学習のための動作を繰り返すことが必要である。振動を許容範囲内とするために必要な機械学習のための繰り返し回数は、ロボットの動作速度を大きくすれば増加する。このため、必要とされる動作プログラム実行回数が少ない場合、ロボットの動作速度の増大による時間短縮を機械学習のために要する時間が相殺してしまう。

かかる実情に鑑みて本発明は、少ない回数の動作に基づく機械学習によりロボットの振動を低減できるロボット制御装置及びロボットシステムを提供することを課題とする。

本発明の一態様に係るロボット制御装置は、ロボットによって移動させられる対象物について作業を行うために、前記作業を行う１又は複数の作業区間を含む移動経路を複数の通過点によって特定する動作プログラムに基づいて前記ロボットの動作を制御するロボット制御装置であって、前記動作プログラムに基づいて前記ロボットの時刻ごとの状態を指示する指令値を作成する指令値作成部と、前記指令値に従って前記ロボットを駆動する駆動部と、前記駆動部により駆動される前記ロボットの時刻ごとの振動量を取得する振動量取得部と、前記動作プログラムに基づいて、前記振動量取得部が取得した前記振動量の中から、前記作業区間に対応する時刻の前記振動量を抽出する振動量抽出部と、前記振動量抽出部が抽出した前記振動量に基づいて、前記指令値を補正する指令値補正部と、を備える。

本発明によれば、少ない回数の動作に基づく機械学習により振動を低減できるロボットシステムを提供できる。

本発明の一実施形態に係るロボットシステムの構成を示す模式図である。 図１のロボットシステムによりスポット溶接を行う場合の対象物の移動経路を示す模式図である。 図１のロボットシステムによりレーザ加工を行う場合の対象物の移動経路を示す模式図である。 図２の移動経路において振動量が抽出される範囲を示す模式図である。 図３の移動経路において振動量が抽出される範囲を示す模式図である。 図１のロボットシステムにおける指令値補正の流れを示す制御ブロック図である。 図１のロボットシステムにおける対象物の位置の変化を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明をする。図１は、本発明の一実施形態に係るロボットシステム１の構成を示す模式図である。

本実施形態に係るロボットシステム１は、ロボット１０と、ロボット１０の先端に保持され、ロボット１０によって移動させられる対象物２０と、ロボット１０の振動量（先端部の理論上の位置と実際の位置との乖離）に関する値を検出する振動検出器３０と、ロボット１０を制御するロボット制御装置４０と、を備える。

ロボット１０としては、典型的には図示するような垂直多関節型ロボットが用いられる。以下の説明では、ロボット１０が垂直多関節型ロボットであるものとして説明するが、ロボット１０は、例えばスカラー型ロボット、パラレルリンク型ロボット、直交座標型ロボット等であってもよい。

ロボット１０は、関節で接続される複数のリンクを含み、ロボット制御装置４０から入力される指令値に従って各関節の駆動軸の角度位置を定めることで、対象物２０をワールド座標系（通常はロボット１０の基部が固定される空間の座標系）上で位置決めする。ロボット１０のリンク及び関節の駆動機構は、わずかながら弾性変形し得るため、ロボット１０の動作に伴って振動を発生させ得る。ロボット１０の振動は、対象物２０の振動量を生じる。

対象物２０としては、例えば加工、測定等各種の作業を行う機器、作業の対象となるワークなどが想定され、それらを保持する保持具であってもよい。図１に一例として図示する対象物２０は、ワークを挟み込んで溶接電流を印加することによりスポット溶接を行う溶接ヘッドである。

振動検出器３０は、ロボット１０の先端部又は対象物２０のワールド座標系における位置、加速度等、振動量を算出するために利用可能な値を検出する。図示する例では、振動検出器３０は、ロボット１０の先端部に対象物２０に対して相対移動しないよう固定されているが、振動検出器３０は、ワールド座標系において不動に配設されてもよい。

ロボット制御装置４０は、ロボット１０によって移動させられる対象物２０について作業を行うために、その作業を行う１又は複数の作業区間を含む移動経路を複数の通過点によって特定する動作プログラムに基づいてロボット１０の動作を制御する。具体的には、ロボット制御装置４０は、動作プログラムに従ってロボット１０を動作させるために、ロボット１０の各駆動軸に対して駆動電流を供給する。

ロボット制御装置４０は、例えばメモリ、ＣＰＵ、入出力インターフェイス等を有する１又は複数のコンピュータ装置に適切な制御プログラムを実行させることにより実現できる。なお、以下に説明するロボット制御装置４０の各構成要素は、その機能において類別されるものであって、物理構成及びプログラム構成において明確に区分できるものでなくてもよい。

ロボット制御装置４０は、プログラム記憶部４１と、指令値作成部４２と、指令値記憶部４３と、駆動部４４と、振動量取得部４５と、振動量抽出部４６と、指令値補正部４７と、を備える。

プログラム記憶部４１は、動作プログラムを記憶する。ロボットシステム１において、例えば図２に示すような移動経路でスポット溶接を行うための動作プログラムは、次のように記述され得る。

（スポット溶接プログラム例）
１：カクジク ＠イチ［１］ １００％ イチギメ
２：
３：カクジク ＠イチ［２］ １００％ ナメラカ５０
４：チョクセン ＠イチ［３］ ３０００ｍｍ／ｓｅｃ イチギメ
５：
６： ガクシュウカイシ［１］ タッセイド ０％ スポット
７：チョクセン ＠イチ［４］ ２０００ｍｍ／ｓｅｃ ナメラカ１００
： スポット［Ｓ＝１］
８：
９：チョクセン ＠イチ［５］ ２０００ｍｍ／ｓｅｃ ナメラカ１００
： スポット［Ｓ＝１］
１０：
１１：チョクセン ＠イチ［６］ ２０００ｍｍ／ｓｅｃ ナメラカ１００
： スポット［Ｓ＝１］
１２： ガクシュウ オワリ
１３：
１４：チョクセン ＠イチ［７］ １００ｍｍ／ｓｅｃ ナメラカ１００
１５：カクジク ＠イチ［１］ １００％ イチギメ
［オワリ］

例示する動作プログラムは、従来と同様に、ロボット１０の通過点を指定する命令文と、学習の開始点及び終了点を示す命令文とを含む。ロボット１０の通過点を指定する命令文には、対象物２０についての作業の実行を指示する命令を記述できる。例示する動作プログラムにおいて、「イチ［ｎ］」は、別途通過点を定義するテーブルにおいてｎ番目に定義された通過点を示す。実際に対象物について作業を行う作業区間の始点及び終点は、それぞれいずれかの通過点によって特定され得る。なお、「イチ［ｎ］」については、図面上では、簡略化のため「ｐ［ｎ］」と示す。

本実施形態のロボット制御装置４０では、学習の開始点を示す命令文に作業の種類を記述できるよう構成されている。記述された作業の種類によって、スポット溶接のように単一の通過点で行われる作業であるか、例えばレーザ加工のようにいずれかの通過点で開始され、他の通過点において終了する作業であるか、が判別される。例示する動作プログラムにおいて、第６行の学習の開始点を示す命令文末尾の「スポット」は、作業内容がスポット溶接であり、作業区間が１つの通過点のみ、つまり作業区間の始点と終点とが同一であることを示すスイッチである。上記動作プログラムにおいて、第７行、第９行及び第１１行の「スポット［Ｓ＝１］」は、その行に記述され得る通過点においてスポット溶接を行うべきことを示す。

次に、対象物２０をワークに連続的にレーザを照射して線状の溝を形成するためのレーザヘッドとし、例えば図３に示すような移動経路でレーザ加工を行う場合の動作プログラムを例示する。

（レーザ加工プログラム例）
１ ： カクジク イチ［１］ １００％ イチギメ
２ ：
３ ： ガクシュウカイシ［１］ タッセイド０％ レーザカコウ
４ ： ＤＯ［１］ ＝ オン
５ ： エンコ イチ［２］
イチ［３］ ４００ｍｍ／ｓ ナメラカ１００
６ ： エンコ イチ［３］
イチ［４］ ４００ｍｍ／ｓ ナメラカ１００
７ ： エンコ イチ［４］
イチ［１］ ４００ｍｍ／ｓ イチギメ
８ ： ＤＯ［１］ ＝ オフ
９ ：
１０ ： チョクセン イチ［５］ ２０００ｍｍ／ｓ イチギメ
１１ ： ＤＯ［１］ ＝ オン
１２ ： チョクセン イチ［６］ ４００ｍｍ／ｓ ＣＲ０
１３ ： チョクセン イチ［７］ ４００ｍｍ／ｓ ＣＲ０
１４ ： チョクセン イチ［８］ ４００ｍｍ／ｓ ＣＲ０
１５ ： チョクセン イチ［５］ ４００ｍｍ／ｓ ＣＲ０
１６ ： ＤＯ［１］ ＝ オフ
１７ ：
１８ ：チョクセン イチ［９］ ２０００ｍｍ／ｓ イチギメ
１９ ： ＤＯ［１］ ＝ オン
２０ ： エンコ イチ［１０］
イチ［１１］ ４００ｍｍ／ｓ ナメラカ１００
２１ ： エンコ イチ［１１］
イチ［１２］ ４００ｍｍ／ｓ ナメラカ１００
２２ ： エンコ イチ［１２］
イチ［９］ ４００ｍｍ／ｓ イチギメ
２３ ： ＤＯ［１］ ＝ オフ
２４ ： ガクシュウ オワリ
［オワリ］

例示する動作プログラムにおいて、第３行の学習の開始点を示す命令文末尾の「レーザカコウ」は、作業内容がレーザ加工であり、作業区間がレーザ照射の開始点を示す命令が記載された通過点に始まり、レーザ照射の終了点を示す命令が記載された通過点で終わることを示すスイッチである。上記動作プログラムにおいて、第４行、第１１行及び第１９行の「ＤＯ［１］ ＝ オン」は、次の行に記述された通過点においてレーザ照射を開始することを指示し、第８行、第１６行及び第２３行の「ＤＯ［１］ ＝オフ」は、前の行に記述された通過点においてレーザ照射を終了することを指示する命令である。

指令値作成部４２は、動作プログラムに基づいてロボット１０の時刻ごとの状態を指示する指令値を作成する。具体的には、対象物２０を動作プログラムに記述される経路に沿って移動させる場合にロボット１０の各駆動軸が時刻毎に取るべき位置を算出する。

指令値記憶部４３は、指令値作成部４２が作成した指令値を記憶する。指令値記憶部４３に記憶される指令値は、指令値補正部４７によって更新され得る。

駆動部４４は、指令値記憶部４３に記憶されている指令値に従ってロボット１０を駆動する。具体的には、ロボット１０の各駆動軸が指令値により指定される角度位置になるよう、駆動軸の回転速度及びそれに必要な駆動電流を算出し、算出された駆動電流をロボット１０の各軸に供給する。

振動量取得部４５は、振動検出器３０の検出値に基づいて、駆動部４４により駆動されるロボット１０の時刻ごとの振動量を取得する。具体的には、振動検出器３０がロボット１０の先端部又は対象物２０のワールド座標系における位置を検出する場合、振動量取得部４５は、振動検出器３０の検出値とロボット制御装置４０の指令値から算出される位置との差から振動量を算出するよう構成され得る。また、振動検出器３０がロボット１０の先端部又は対象物２０の加速度を検出する場合、振動量取得部４５は、振動検出器３０の検出値とロボット制御装置４０の指令値から算出される加速度との差から振動量を算出するよう構成されてもよい。

振動量抽出部４６は、動作プログラムに基づいて、振動量取得部４５が取得した振動量の中から、作業区間に対応する時刻の振動量を抽出する。ここで、「作業区間に対応する時刻」とは、作業区間の全範囲及びその終点が作業区間の始点と一致する所定の設定範囲、つまり作業区間の直前の設定範囲に属する時刻とすることが好ましい。「設定範囲」は、作業区間の始点におけるロボット１０の振動に大きな影響を及ぼすと予想される範囲であり、予め設定される所定の規則に基づいて定められる。具体的には、設定範囲は、例えば一定の時間範囲、一定の移動距離範囲、移動速度に比例する時間範囲等、予想されるロボット１０の振動に応じて適宜設定され得る。なお、設定範囲は、「ゼロ」に設定、つまり振動量の抽出範囲を作業区間に一致させるよう設定されてもよい。

図４に、図２の移動経路において振動量が抽出される範囲を太線で示し、図５に、図３の移動経路において振動量が抽出される範囲を太線で示す。このように、振動量抽出部４６は、対象物２０について作業を行う作業区間及びその直前の設定範囲における振動量だけを抽出し、作業区間の直前の設定範囲を除く作業を行わない区間の振動量を無視する。

一般に、動作プログラムは、作業区間においては対象物２０について作業を正確に行うために対象物２０の速度及び加速度を制限するよう作成されるが、作業区間の間ではサイクルタイムを短縮するために速度及び加速度を制限せずに作成される。このような動作プログラムに従うと、作業区間の終点から次の作業区間の始点への移動を開始した直後に、ロボット１０の加速度が最大となるのロボット１０の弾性変形による振動量が大きくなりやすい。

指令値補正部４７は、振動量抽出部４６が抽出した振動量に基づく機械学習により、ロボット１０の振動量が小さくなる指令値を補正する。指令値補正部４７は、振動量抽出部４６が抽出しなかった時刻の振動量はゼロであるものとして扱う。つまり、指令値補正部４７は、作業区間及びその直前の設定範囲における対象物２０についての作業の精度に影響し得る振動量だけを小さくするよう指令値を補正する。一方、指令値補正部４７は、作業区間の終点から次の作業区間の始点への移動を開始した直後の対象物２０についての作業の精度に影響せず、かつ振動量が大きくなりやすい範囲における振動量を補償しない。なお、振動量に基づく機械学習による指令値の補正は、公知の方法により行うことができる。

ロボット１０の加速度が大きい間の振動を補償すると、ロボット１０の加速度が低下したときにオーバーシュートが発生して振動量が大きくなり得る。指令値補正部４７は、このようなロボット１０の加速度が大きい間の振動を許容するので、作業区間内に振動量補償のオーバーシュートによる振動量の増大が生じることを防止できる。なお、作業区間と次の作業区間との間で作業を行わずに対象物２０を移動する間は、ロボット１０の実際の位置と動作プログラムによって企図される位置との間に乖離が生じても、作業の結果に影響を及ぼさない。

図６に、ロボットシステム１における指令値補正の流れを制御ブロック図で示す。このように、振動検出器３０の検出値の一部を振動量抽出部４６によってマスキングしてから、指令値補正部４７によって指令値を補正することで、少ない回数の動作に基づく機械学習により作業区間におけるロボット１０の振動を効果的に低減できる。

図７に、ロボットシステム１によるスポット溶接における対象物２０の位置の時間変化の一例をグラフに示す。図には、動作プログラムに従う補正前の指令値による位置変化、３回の動作により全区間の振動を軽減するよう補正した指令値による位置変化、及び３回の動作により作業区間及び設定区間だけの振動を軽減するよう補正した指令値による位置変化を示す。この例において、作業区間（スポット溶接を行う通過点）の時刻は１．５秒であり、設定範囲の始点の時刻は０．７秒である。

図示するように、振動量抽出部４６により作業区間及び設定区間だけの振動量だけを抽出して指令値を補正することによって、スポット溶接を行う時点での振動を大幅に抑制できる。

以上、本開示に係るロボットシステムの実施形態について説明したが、本開示の範囲は前述した実施形態に限るものではない。また、前述した実施形態に記載された効果は、本開示に係るロボットシステムから生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本開示に係るロボットシステムによる効果は、前述の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 ロボットシステム
１０ ロボット
２０ 対象物
３０ 振動検出器
４０ ロボット制御装置
４１ プログラム記憶部
４２ 指令値作成部
４３ 指令値記憶部
４４ 駆動部
４５ 振動量取得部
４６ 振動量抽出部
４７ 指令値補正部

Claims (5)

1. ロボットによって移動させられる対象物について作業を行うために、前記作業を行う１又は複数の作業区間を含む移動経路を複数の通過点によって特定する動作プログラムに基づいて前記ロボットの動作を制御するロボット制御装置であって、
   前記動作プログラムに基づいて前記ロボットの時刻ごとの状態を指示する指令値を作成する指令値作成部と、
   前記指令値に従って前記ロボットを駆動する駆動部と、
   前記駆動部により駆動される前記ロボットの時刻ごとの振動量を取得する振動量取得部と、
   前記動作プログラムに基づいて、前記振動量取得部が取得した前記振動量の中から、前記作業区間に対応する時刻の前記振動量を抽出する振動量抽出部と、
   前記振動量抽出部が抽出した前記振動量に基づいて、前記指令値を補正する指令値補正部と、
   を備える、ロボット制御装置。
2. 前記作業区間の始点及び終点がいずれかの前記通過点によって特定される、請求項１に記載のロボット制御装置。
3. 前記作業区間の始点及び終点は、前記動作プログラムに記述される前記作業の実行を指示する命令によって特定される、請求項１又は２に記載のロボット制御装置。
4. 前記振動量抽出部は、前記作業区間の全範囲及びその終点が前記作業区間の始点と一致する所定の設定範囲に属する時刻の前記振動量を抽出する、請求項１から３のいずれかに記載のロボット制御装置。
5. 請求項１から４のいずれかに記載のロボット制御装置と、
   前記ロボット制御装置により制御されるロボットと、
   前記ロボットの振動量に関する値を検出する振動検出器と、
   を備える、ロボットシステム。

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