JPH02273806A - ロボット運動制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ 本発明は、ロボットの動作を制御するシステム及び方法
に関するものである。

［発明の技術的背景及びその問題点］ 工業設定において、一般に、ロボットは、それぞれ、複
数の可動関節を介してベースに接続された可動ハンド、
すなわち、エンドエフェクタを備えている。通常、こう
したロボットの各関節またはその近くには、サーボモー
タが配置されており、エンドエフェクタが制御を受けて
部品や工具の操作を行なえるようになっている。こうし
たロボットが製造工程において複雑かつ多様なタスクを
実施するためには、ロボットに、それぞれ、独自の自由
度が備わっていなければならない。また、各関節のモー
タが個々に制御を受ける場合でも、多関節ロボットの動
作に整合性が備わっていることが極めて望ましい。

従来のロボット構成の場合、ロボットの関節用モータを
制御するマイクロプロセッサ−及び他の回路は、全て、
単一カードケージ内に配置されるのが普通であり、通常
、ロボットの各関節を相互接続するのに６〜１４の制御
ワイヤを必要とする。

従って、６つ以上の関節を備えたロボットの制御を行な
うには、ロボットのアームと関節の間を縫うようにして
４０以上もの導線を張りめぐらせなければならない、こ
うした従来の構成では、製造コストが高くつくだけでな
く、ロボットの信幀性が低下し、同時に、維持費用も増
大することになる。

従って、多関節ロボットに対する既知の相互接続構成の
複雑さを軽減することが必要になる。

［発明の目的］ 本発明は、多関節ロボットの各関節間における簡単な電
気的相互接続構成を有する装置を提供することを目的と
する。

［発明の概要］ 本発明によれば、ロボットの制御回路は、ロボット全体
に分散し、単体バス構造によって並列に相互接続される
。ある特定の実施例の場合、単体バス構造には、４つの
導線が含まれるが、そのうちの２つは電力導線であり、
残りの２つはデータ導線である。データ導体は、制御回
路の全てに共通であり、双方向データ通信が時分割多重
化によって実施されるのが望ましい。単体バス構造によ
って、製造時間及び費用は減少し、信鯨性が高まり、維
持費が低下することになる。

［発明の実施例］ 第１図は、プログラマブルコンピュータ４及び運動プロ
セッサー６によって制御できるように接続された多関節
ロボット１が示されている。コンピュータ４と運動プロ
セッサー６は、協働して、エンドエフェクタ７を備えた
ロボットによる調整のとれた動作を指示する。詳細に後
述するように、運動プロセッサー６は、ロボットの複数
の関節プロセッサーとの通信を可能にすることで、結果
としてインテリジェントネットワークを形成している単
体の電力及びデータバス９によって、ロボット１に接続
されている。

例示のため、第１図のロボットｌは、線形関節１４Ａ（
第１図の視野から隠れている）を介してロボットの水平
方向における並進運動を可能ならしめるキャリヤ部材１
２に取りつけられた、ベース１０を備える多関節タイプ
のものとして示されている。

さらに、ロボット１には、上腕２０、前腕２２、及び、
リスト２４から成るアーム１６が接続された回転肩関節
１４Ｂが設けられている。上腕２０と前腕２２は、回転
ひじ関節１４Ｃによって接続されている。前腕２２とリ
スト２４は、回転リスト関節１４Ｄによって接続されて
いる。アーム１６の端部において、回転ねじり関節１４
Ｅが、リスト２４とエンドエフェクタを接続している。

望ましい実施例の場合、エンドエフェクタ７は、はさみ
関節１４Ｆによって接続され、はさみのような動作を行
なう２つの向かい合った部材を有するグリッパである。

第１図のロボット１の動作時、関節１４Ａ−１４Ｆの動
作は、コンピュータ４と接続した運動プロセッサー６に
よって制御される。コンピュータ４は、例えば、標準的
なＨＰＩＢバスを介して運動プロセッサー６に接続され
た。ヒユーレットバラカード社製ｖｅｃｔｒａシリーズ
のようなパーソナルコンピュータシステムとすることが
できる。通常の実施時には、コンピュータ４には、オペ
レータがロボット１に対する高レベルの動作を指示でき
るようにプログラミングが施されており、運動プロセッ
サー６には、コンピュータ４からの指令に基づいて、ロ
ボットの各関節に対し整合性のある動作制御を加えるよ
うにプログラミングが施されている。

後述のように、ロボット１の関節１４Ａ−１４Ｆは、そ
れぞれ、指令プロセッサー、直流サーボモータ、及び、
関節位置の検出を行なう位置センサーを含む独立したサ
ーボメカニズムによって制御される。

第２図に示すシステムの場合、運動プロセッサー６は、
頻繁かつ規則正しい間隔で、マイクロプロセッサ−をベ
ースにした指令プロセッサー１５Ａ〜１５Ｆに指令を加
えるように接続されている。もちろん、指令プロセッサ
ー１５Ａ−１５Ｆは、第１図のロボットのそれぞれの関
節１４Ａ〜１４Ｆまたはその近くに配置されている。指
令プロセッサー１５Ａ〜１５Ｆは、それぞれの関節１４
Ａ−１４Ｆを駆動するサーボ１８Ａ〜１８Ｆを個々に制
御するように接続される。実際には、各指令プロセッサ
ーには、オンボード（ｏｎ−ｂｏａｒｄ）　ＲＡ　Ｍ及
びＲＯＭを備えた日立製Ｍｏｄｅ１６３０１　といった
単一チツブマイクロプロセッサ−、タイマー、及び、直
列インターフェースが設けられている。場合によっては
、関節の中央に配置された単一のマイクロプロセッサ−
によって、２つ以上の関節サーボモータ１８Ａ〜１８Ｆ
を制御することも可能である。

さらに、第２図に関して注目すべきは、指令プロセッサ
ー１５Ａ〜１５Ｆが、望ましい実施例の場合、双方向性
データバス９Ａを含む単一バス９を共用しており、運動
プロセッサー６は、指令プロセッサーからフィードバッ
ク信号を受信することができるという点である。実際に
は、バス９は、指令プロセッサーのボードのそれぞれを
通ってループをなしており、各ボード毎に、データは、
タップによってバスから取り出される。データバス９Ａ
は、データ通信が時分割多重化された平衡デジタル分岐
システムに関するＲ３４８５規格に基づ（働きをする。

双方向性の差動対をなすより腺によるデータ導線で構成
するのが望ましい。対をなすより線の代わりに、光ファ
イバーでデータバス９Ａを構成することによって、複雑
さや費用の増大を適度にして、双方向性の通信を行なう
ことが可能になる。

第３図に示すように、連動プロセッサー６は２つの独立
したモジュール、すなわち、カルテシアン軌道計算モジ
ュール４４とカルテシアン・回転変換モジュール４６と
みなすことができる。２つのモジュール４４及び４６は
、Ｍｏｔｏｒｏｌａ　ＭＣ６８０００の製品群の１つの
ようなマイクロプロセッサ−として実現することができ
る。動作時、カルテシアン軌道モジュール４４は、ロボ
ットの動作包絡線内において、ロボットの関節の特定の
直線運動に関するカルテシアン（ｘ、ｙ、ｚ）空間にお
ける一連の座標点を計算する。一連の座標点は、しばし
ば、直線運動のプロフィールと称される。実際には、関
節について計算される各運動のプロフィールには、運動
の開始時には、速度インクリメントを増し、ピーク速度
になると、速度インクリメントを一定にし、最終位置に
近づくにつれて、速度のインクリメントを少なくすると
いう、運動プロセッサー６による要求が含まれている。

カルテシアン・回転変換モジュール４６は、球面三角関
数を用いて、直線運動のプロフィールを回転座標、すな
わち、″関節空間°°座標に変換する。

次に、第２図及び第３図のシステムの動作について、−
船釣な説明を行なう。最初に、コンピュータ４によって
、ロボっトの所望の動作タイプを指定する高レベルの指
令が運動プロセッサー６に加えられる。例えば、高レベ
ル指令は、ロボットがラックから試験管を取り出して、
さらに、その試験管の内容物をビー力に注入することに
なる、一連の直線運動から構成されるといった場合もあ
る。運動プロセッサー６は、カルテシアン軌道コンピュ
ータ４４を介して、高レベル指令を直線運動回転変換モ
ジュール４６が、直線運動プロフィールを回転関節空間
座標に変換する。実際には、回転関節空間座標の個々の
集合は、約４０ミリ秒毎に、モジュール４６によって計
算され、座標点の各集合は、最初の座標位置と最後の座
標位置との中間の位置を形成する。さらに、回転座標の
集合は、データ及び電力バス９を介して指令プロセッサ
ー１５Ａ〜１５Ｆに伝達される。

実際には、上述のように運動プロセッサーの制御を受け
るロボットの円滑な動作を実現するには、前述の４０ミ
リ秒の間隔未満の時間インクリメントで、回転関節空間
座標の分解すなわち、補間が必要になる。第２図のシス
テムによれば、回転座標の集合の線形補間は１１個々の
指令プロセッサー１５Ａ〜１５Ｆによって行なわれる。

データバス９Ａにおける指令プロセッサー１５Ａ〜１５
Ｆのそれぞれの出力は、カルテシアン・回転変換モジュ
ール４６によって得られる各中間座標の間に均等に分散
する間隔の細密な一連の回転座標から構成される。

実際には、特定の関節に対する命令がコンピュータ４か
ら運動プロセッサー６へ送られる速度は、毎秒約１回で
あり、特定の関節に対する命令が運動プロセッサー６か
ら特定の指令プロセッサーに送られる速度は、毎秒約１
００回であり、特定の関節のモータが実際に補間命令を
受信する速度は、毎秒約１０００回である。

さらに、第２図に示すように、サーボモータ１８Ａ〜１
８Ｆ及び指令プロセッサー１５Ａ〜１５Ｆはそれぞれ、
電力バス４２及びスイッチング・レギュレータ４５Ａ〜
４５Ｆを介して電源３０に接続されている。

実際には、電源３０は、第２図に番号３９で表示された
ダッシュラインによる矩形で示すように、運動プロセッ
サー６と共に収容されている。また、実際には、バス４
２の電力は、６アンペアまでの容量で３２ボルト（公称
）になるように粗調整が施される。各指令プロセッサー
１５Ａ−１５Ｆにおける電圧は、スイッチング・レギュ
レータ４５Ａ〜４５Ｆの関連する１つによって低下する
ように調整される。

一方、サーボモータ１８Ａ〜１８Ｆは、それ以上調整せ
ずに、電力バス４２から直接電力供給を受けることがで
きる。当然明らかなように、データバス９Ａと電力バス
４２は、まとまって、単体バス９を形成する。また、当
然明らかなように、電力チャネルとデータチャネルは、
データを変調して電力バスに送り込むことにより、組み
合わせることも可能である。

次に、プロセッサー１５Ｂのような指令プロセッサーの
典型的な例を示す第４図を参照する。第４図には、デー
タバス９Ａにおける指令プロセッサー１５Ｂとの直列デ
ータインターフェースを形成するＲ３４８５１−ランシ
ーバチツブも示されている。

実際には、第２図及び第３図の指令プロセッサーと運動
プロセッサー止の間における通信のために、Ｒ３４８５
トランシーバチップによって、−様に適合する物理的相
互接続層が形成される。また、Ｒ３４８５トランシーバ
チップがデータバス９Ａを構成している対をなすワイヤ
の電圧を差動比較することによって、大幅にノイズを免
れている。

さらに、第４図に示すように、指令プロセッサー１５Ｂ
は、電流増幅器５２Ｂを介して関節モータ１８Ｂの制御
が行なえるように接続されている。実際には、制御方法
は、パルス幅変調とデジタル・アナログ変換のいずれか
によることになる。さらに、第４図に示すように、モー
タの閉ループ制御を可能にするため、インクリメンタル
エンコーダ５４Ｂが、モータ１８Ｂ及び直角位相デコー
ダ５６Ｂに接続されている。インクリメンタルエンコー
ダ５４Ｂは、明るいセグメントと暗いセグメントに交互
に分割された回転ディスクと、位相が９０度ずれた２つ
の光電池から構成されるタイプである。こうしたインク
リメンタルエンコーダは、直角位相デコーダによって、
モータの電機子に関する位置変化の相対的大きさと方向
の両方を検出することが可能になるので、望ましい。イ
ンクリメンタルエンコーダ及び直角位相デコーダーは、
例えば、ヒユーレットバラカード社から市販されている
。

第４図のシステムの動作時、指令プロセッサー１５Ｂは
、データバス９Ａによって要求位置を受信し、直角位相
デコーダ５６Ｂから後続（ｆｏｌｌｏｗ）の位置を受信
する。要求位置と後続位置は、指令プロセッサー１５Ｂ
と一体にになった専用レジスタ５８Ｂ及び６０Ｂに、そ
れぞれ、記憶される。記憶された要求位置及び後続位置
に基づいて、指令プロセッサー１５Ｂ、対をなす位置の
差を計算する働きをする。こうした計算によって、関連
した関節の位置エラーがリアルタイムで示されることに
なる。

次に、指令プロセッサー１５Ｂは、計算した位置エラー
を利用して、関節の速度が位置エラーに比例するといっ
た制御法則等の制御アルゴリズムに従って、モータ１８
Ｂに対する電流の大きさを決める。

静的要求位置に対する望ましい制御戦略の場合、指令プ
ロセッサー１５Ｂの操作によって、制御プロセッサー１
４Ｂとモータ１８Ｂの間の制御ループを、位置エラーが
ゼロになるまで、繰返し移動することになる。従って、
モータ１８Ｂの全体制御は、３つのネストされた制御ル
ープとして、すなわち、最も内側にある電流制御ループ
、次の速度制御ループ、及び、最も外側にある位置制御
ループとして理解することができる。

さらに、制御プロセッサー１５Ｂについては、第５図に
示すソフトウェア編成のブロック図を参照することによ
って理解できる。第５図に示すように、指令プロセッサ
ー１５Ｂは、３つのモジュール：位置指令モジュール６
２Ｂ、状況機能モジュール６４Ｂ、及び、“段取り°゛
機能モジュール６６Ｂから構成される装置指令モジュー
ル６２Ｂは、上述のように、要求位置に関して、関節座
標位置の線形補間を行なう線形補間装置７０Ｂに接続さ
れている。

補間は、例えば、各位置指令毎に３２ステツプから構成
することができる。

第５図には、さらに、サーボアルゴリズム、及び、要求
位置レジスタや後続位置レジスタを含むいくつかのレジ
スタから成る、サーボモジュール６８が示されている。

該レジスタに記憶されている情報に従って、状況機能モ
ジュール６４Ｂは、指令プロセッサー１５Ｂが受信する
位置指令に応答し、戻り情報を運動プロセッサー６（第
１図及び第２図）に与える。普通、戻り情報には、モー
タ位置とモータの電流に関する状況が含まれている。モ
ータの電流状況は、モータのトルクを表わしており、従
って、ロボットのアームが障害物に出くわしたか否かを
表わすことになる。

第５図の段取り機能モジュール６６Ｂは、指令プロセッ
サー１５Ｂを指令プロセッサーのボードの従来のコンポ
ーネントと接続するために設けられている。例えば、モ
ジュール６６は、サーボパラメータ及びボードアドレス
を含む記憶レベスタに対する読取り、書込みを可能にす
る。また、当然明らかなように、モジュール６６によっ
て、リセット及び初期設定といった機能も得られること
になる。

第６図には、データバス９Ａにおける時間スロット割当
てのための同期プロトコルの一例が示されている。望ま
しい操作方法の場合、運動プロセッサー６が指令プロセ
ッサー１５Ａ〜１５Ｆに対し位置指令を出すことができ
、各指令プロセッサーが関節角度及び位置エラーメツセ
ージを運動プロセッサーに戻すことができるように、デ
ータバス９Ａにおける時間スロットの割当てが行なわれ
る。

図示の割当てシステムによれば、各指令プロセッサー１
５Ａ〜１５Ｆ毎に１つの要求時間スロットが割当てられ
て、位置要求情報（すなわち、目標位置の座標）を受信
できるようになっている。また、例示のプロトコルの場
合、各要求スロットに対し、応答スロットが後続し、こ
れが、要求された関節プロセッサーに割り当てられて、
運動プロセッサー６に対し応答信号を送ることができる
ようになる。実際には、該バスにおける各指令プロセッ
サーに対する要求スロットと応答スロットは、まとめて
、データフレームと呼ばれる。

バス９Ａにおけるトランザクションデータの説明を補助
するため、第７図が示されている。例示のように、一般
的なパストランザクションには、２４ビツトの位置指令
と、一連の状況応答が含まれている。例えば、実際に、
６つの関節と単一の運動プロセッサーを備えたロボット
の場合、バスにおける７つの装置は、それぞれ、独自の
アドレスが害り当てられ老いる。さらに、データバス９
Ａにおける各メツセージは、装置アドレスを備え、１つ
の遊びバイトと、８つまでのデータバイトを含んでいる
見出しバイトによって示されている。第７図に例示され
ているように、一般的な位置指令には、指令された装置
のアドレス、指令コード、及び、３バイトの要求位置が
含まれている。第７図に例示のように、−ａ的な応答に
は、応答装置のアドレス、状況バイト、モータ位置３バ
イト表示、トルクバイト、及び、位置エラーの２バイト
表示が含まれている。最長メツセージの場合、ｌフレー
ムに、２４バイトのデータを含むことが可能である。実
際には、全部で１０ビツトに対し、１つのスタートビッ
トと、１つのストップビットを備えるようにして、バイ
トを逐次送り出すのが望ましい。これを実施することに
よって、最大で２、パストランザクション当り２００ビ
ツト、データブロック当り約１４００ビツトが生じるこ
とになる。普通、運動プロセッサー６は、毎秒２５のデ
ータブロックを取り扱うので、総合データ伝送速度は、
毎秒約３５キロビツトということになる。

当該技術における通常の技能者には明らかなように、本
発明の精神または本質的な特徴から逸脱することなく、
他の特定の形態で本発明を実施することができる。従っ
て、本書に開示の実施例は、あらゆる点で、例示のため
のものであって、規制のためのものではないと考えるべ
きである。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明を用いることにより、多関
節ロボットの各関節における電気的相互接続を簡単に行
うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明が用いられるロボットの一実施例を示す
図である。 第２図は該ロボットの制御システムの機能ブロック図で
ある。 第３図は第２図に示す運動プロセッサーの機能ブロック
図である。 第４図は第２図に示す指令プロセッサー及びサーボメカ
ニズムの詳細ブロック図である。 第５図は該指令プロセッサーのソフトウェア構成を示す
ブロック図である。 第６図はバス上のデータフレームの時間多重化を示す概
略図である。 第７図はデータフレームがバスにわたって通信される典
型的なトランザクションを示す概略図である。 １：多関節ロボット ４：プログラマブルコンピュータ ６：運動プロセッサー ７：エンドエフェクタ ９：バス

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　それぞれがロボットの関節に近接して配置され、該関
   節を駆動する複数の関節駆動手段と、 それぞれが前記駆動手段に近接して配置され、該駆動手
   段を制御する複数の制御手段と、 電源手段と、 前記制御手段の各々にデジタル符号化された位置要求信
   号の連続列を供給する運動プロセッサ手段と、 前記電源手段と前記運動プロセッサ手段と前記制御手段
   とを相互接続して、電力が前記駆動手段の各々に供給さ
   れ、データ通信が前記運動プロセッサ手段と前記制御手
   段の各々との間でも供給されるようにしたバス手段と、 を備えて成るロボット運動制御装置。