JPH04276806A - アーム用振動抑制装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は産業用ロボット等が有す
る柔構造アームの振動抑制装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電器製品の自動組立機に代表される産業
用ロボットにおいては、電器製品の高密度化あるいは、
多種小量生産に対応できるように、３次元的に細部に入
り組んだ所での作業が求められている。例えば、図５は
、従来より考案されている、加速度センサ１，２，３を
用いてアーム４，５，６の振動の抑制を試みた自動半田
付け機における振動抑制装置のアーム部分の構成を示す
模式図である。７，８，９は回動機、１０は半田こて先
である。このように、３本のアーム（または、リスト）
４，５，６を回動（回転および屈伸動作）可能に連結し
た多関節構造を採っている。

【０００３】従来使用されているロボット等におけるよ
うにアームを剛構造とするとアームの大型化を招き、３
次元的に入り組んだ部分での作業が不可能となる。そこ
で、アーム形状を極力軽量化し、細くするが、その結果
、剛性が低くなり柔構造となり、作業時や起動時、停止
時にアームの振動が発生し、長時間継続するので、作業
性が非常に悪くなり、またアームの振幅を考慮すれば、
微細に入り組んだ部分での作業はできない。

【０００４】そこで、前述したようにアーム４，５，６
の先端または、根元に加速度センサ１，２，３を装着す
る。非駆動時にはこの加速度センサからの出力が、ゼロ
となるように、駆動手段にフィードバックをかけ、積極
的に振動を抑制する振動抑制装置が考案されている。

【０００５】図６にこの振動抑制装置における一番根元
のアーム４の振動をシミュレートした結果を示す。この
図は回転動作を停止した直後の各部の波形を示すもので
あり、１１は回動機７を構成するサーボモータの出力波
形である。１２は加速度センサ１の出力信号波形であり
アーム４の振動状態を示している。１３は振動抑制制御
を行わない場合の加速度センサ１の出力信号波形である
。加速度センサ１を備えた振動抑制装置によりアーム４
の振動の抑制されていることがわかる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ロボッ
トのアームは、近年ますます多軸化の傾向があり、加速
度センサの出力信号から振動の部位を固定することが困
難になっている。上述したのはあくまで１番根元のアー
ム４の振動抑制のシミュレーション結果である。

【０００７】ここで、例えば、図５に示す振動抑制装置
において、加速度センサ１，２の装着点を振動の節とし
て振動した場合を想定すれば、加速度センサ３からのみ
出力を得る。実際に振動をしているアーム４，５は振動
していないものと見なされ、実際にはあまり振動してい
ないアーム６のみが振動しているものと判断され、逆に
加振されることになる。したがってこの振動に対しては
、何ら対策はなく自然に振動の減衰するのを待つことに
なる。振動の発生を抑えるためには比較的剛構造とし回
動速度を抑えなければならない。

【０００８】したがって、従来より考案されている、加
速度センサを備えた振動抑制装置の場合では、装置は十
分には小型化しえず、作業性も悪くなるという問題点が
あった。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は上記問題点を解
決するために、操作指令手段からの指令信号により駆動
可能な回動手段と、この回動手段に連結されたアームと
、このアームに設置されアームの角速度を検出する角速
度センサと、前記操作指令手段と検出された角速度を示
す信号とを比較演算して回動手段を駆動する信号を生成
する信号生成手段とを備えたものである。

【００１０】

【作用】本発明によれば、操作指令手段からの指令信号
と角速度センサからの検出結果が信号生成手段に入力さ
れ、その比較により、回動手段を駆動する信号が生成さ
れる。例えば、回動停止後は、指令信号がないから、ア
ームの振動により角速度が発生すると、それに応じた抑
制信号が信号生成手段から出力されて、回動手段がアー
ム振動を抑制する方向に駆動される。

【００１１】

【実施例】図１は本発明の一実施例におけるアーム用振
動抑制装置の制御系のブロック図である。２１は角速度
センサ、２２は角速度センサ２１の検出角速度信号を周
波数弁別する周波数弁別器である。２３は操作指令装置
、２４は比較演算器で周波数弁別器２２により周波数弁
別された信号と操作指令装置２３からの操作指令信号と
を比較演算し、振動抑制信号を出力する。２５はサーボ
増幅器であり、この振動抑制信号を増幅し回動機２６を
駆動できる信号に変換する。比較演算器２４は、単に周
波数弁別器２２により周波数弁別された信号と操作指令
装置２３からの操作指令信号との差をとるだけでなく、
アームの振動をできる限り早く減衰させるようにアルゴ
リズムされていれば、振動抑制はいっそう効果的である
。

【００１２】図２は同実施例における自動半田付け機の
アーム部分の構成を示す模式図である。２７，２８，２
９はアーム、３０，３１，３２は回動機、３３は角速度
センサ、３４は半田こて先である。このように、３本の
アーム（または、リスト）２７，２８，２９を回動可能
に連結した多関節構造をとっている。それぞれの回動機
３０，３１，３２は、サーボモータにより回転，屈伸動
作を行うが、サーボモータは図示していない。

【００１３】図１の回動機２６は図２の回動機３０，３
１，３２を一般化して表したものである。図１の角速度
センサ２１は、図２の角速度センサ３３と同一のもので
あると見なして差し支えない。

【００１４】それぞれのアーム２７，２８，２９の固有
振動数をあらかじめ分離して設計しておけば、検出され
た角速度の信号の周波数分析を行うことにより、どのア
ームが振動しているかの弁別ができるので、少ない角速
度センサで多くのアームの振動を抑制することができる
。

【００１５】本実施例では図３（ａ）に示す音叉型ピエ
ゾジャイロを用いている。３５，３６は駆動用圧電素子
であり、この音叉型の角速度センサに角速度が働いた場
合に生じるコリオリの力をピックアップする。なお、３
７は結合部材であり、３８は支持棒である。２個のセン
スエレメント３９，４０の出力信号を差動増幅すること
で、ピックアップ信号から角速度成分を選択的に増幅し
ているが、合計をとって増幅することで加速度成分を抽
出することができるので、従来例にあるように加速度セ
ンサとしての出力信号をも制御に用いれば、いっそう効
果的な制御を行い得る可能性がある。

【００１６】なお、後述するように、角速度センサは必
要に応じて図３（ｂ）に示す音片型ピエゾジャイロ、あ
るいは、図３（ｃ）に示すように水晶を音叉型に切り出
したピエゾジャイロ等を選ぶこともできる。図３（ｂ）
において、４１は振動を担う恒弾性体であり、駆動用圧
電素子４２により駆動されている。この角速度センサに
角速度が働けば、恒弾性体４１は駆動方向と垂直の方向
に振動するので、検知用圧電素子４３によりピックアッ
プしている。なお、４４は支持体である。

【００１７】また、図３（ｃ）において、４５は水晶を
カッティングした音叉振動体であり、これに角速度が働
くと、音叉振動体４５全体がねじれ振動をし、支持棒４
６に付けた検出端４７が振動するので、これをピックア
ップする。４８は支持体である。

【００１８】なお、３軸すべての角速度情報を得るため
には、このような角速度センサ３つをそれぞれ直角に配
する必要がある。

【００１９】図４にこの振動抑制装置における一番根元
のアーム２７を駆動したときの振動をシミュレートした
結果を示す。この図は停止状態より一定角速度で回転さ
せた後、回転動作を停止した状況の各部の波形を示すも
のであり、５０は回動機３０への操作指令信号、５１は
角速度センサ３３の出力信号波形であり、アーム２７の
回転方向の回転，振動状態を示している。５２は回動機
３０を構成するサーボモータの出力波形である。５３は
振動抑制制御を行わない場合の角速度センサ３３の出力
信号波形である。アーム２７の振動が抑制されているこ
とがわかる。

【００２０】本実施例にあっては、特に回動終了時の振
動の減衰を早める効果が明らかにされているが、発生量
を抑えることは為されていない。特に回動開始時のトル
クによって各アーム２７，２８，２９に蓄えられた弾性
エネルギーが回動終了時に開放される。この弾性エネル
ギーが、振動を発生させる原因となる。したがって、起
動開始時に指令信号と各速度センサ３３からの検出結果
を比較演算し、蓄えられる弾性エネルギーが最小限にな
るように回動機３０，３１，３２を駆動させることによ
り最終的に発生する振動を抑えることができる。作業時
においても、弾性エネルギーの蓄積，開放を最小限に抑
えるように制御することで振動発生を抑えることができ
るのは言うまでもない。また、副次的な効果として、通
常回動起動時にサーボモータの最大のトルクが必要とな
るのであるが、弾性エネルギーと化す部分を軽減させる
ことができるので、この最大トルクを抑えることができ
、ひいては装置全体を小型軽量化することができる。

【００２１】角速度センサの駆動周波数を２００ｋＨｚ
以上にすれば、例えば、ワイヤボンディング装置の先端
のアーム（人の手になぞらえて、リストという場合も多
い）あるいはその先端にあるボンディングツールに発生
する微振動（周波数〜１０ｋＨｚ以上，振幅〜５μｍ以
下）を抑制することができる。半田付け装置や部品実装
機のように上記のような微振動が問題にならない場合は
、前記実施例に用いた音叉型ピエゾジャイロ（駆動周波
数１ｋＨｚ）がコスト的にも最適となるが、図３（ｂ）
に示す音片型ピエゾジャイロを選ぶことで、周波数の選
択幅は〜５０ｋＨｚまで広げることができ、また図３（
ｃ）に示す水晶を音叉型に切り出したピエゾジャイロを
選べば、〜１ＭＨｚまで広げることができる。装置の各
部の固有振動数に応じて、角速度センサを選ぶことがで
きる。

【００２２】なお、本発明は、産業用ロボットが有する
柔構造アームの振動抑制装置に対してのみならず、油圧
ショベルやクレーン等が有する柔構造アームの振動抑制
装置に対しても有効であることは言うまでもない。

【００２３】

【発明の効果】以上の説明より明らかなように本発明に
よれば、回動部分の角速度を検出し、検出された角速度
と操作指令とを比較することにより、駆動トルクが弾性
エネルギーとして蓄積されないようにし、抑制信号によ
り回動手段を駆動するようにしたので、柔構造アームの
作業時や回動停止時の振動の発生を抑制し、発生した振
動は速やかに減衰させることができる。したがって、ア
ームの軽量化が図れ、操作性が向上する。また、弾性エ
ネルギーの蓄積，開放が小さくなり、応力状態が緩和さ
れるので、疲労寿命が向上する。また、最大トルクを小
さく設計できる。したがって、装置全体の小型軽量化が
図れ、消費電力も小さく抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例におけるアーム用振動抑制装
置の制御系のブロック図

【図２】同実施例におけるアーム部分の構成を示す模式
図

【図３】（ａ）は同実施例における角速度センサ素子の
斜視図 （ｂ）は角速度センサ素子の他の例を示す斜視図（ｃ）
は角速度センサ素子の他の例を示す斜視図

【図４】同実
施例における振動のシミュレーションでの操作指令信号
、角速度センサの出力信号，駆動信号、振動抑制制御を
行わない場合の角速度センサの出力信号を示す波形図

【図５】従来例におけるアーム用振動抑制装置のアーム
部分の構成を示す模式図

【図６】従来例における振動のシミュレーションでの駆
動信号、加速度センサの出力信号、振動抑制制御を行わ
ない場合の加速度センサの出力信号を示す波形図

【符号の説明】

２１　　角速度センサ ２３　　操作指令装置 ２４　　比較演算器 ２６　　回動機

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】操作指令手段からの指令信号により駆動可
   能な回動手段と、この回動手段に連結されたアームと、
   このアームに設置されアームの角速度を検出する角速度
   センサと、前記操作指令手段と検出された角速度を示す
   信号とを比較演算して回動手段を駆動する信号を生成す
   る信号生成手段とからなるアーム用振動抑制装置。