JPH05301157A

JPH05301157A - 研削ロボット

Info

Publication number: JPH05301157A
Application number: JP10754292A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Yamada; 一徳山田; Kunio Kashiwagi; 邦雄柏木; Tooru Kurenuma; 榑沼　　透
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1992-04-27
Filing date: 1992-04-27
Publication date: 1993-11-16

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】研削ロボットにおいて、研削工具の押し付け
力を所望の負荷パターンに従って発生させ、仕上げ位置
の精度を高めかつ仕上げ位置の設定の自由度を高める。【構成】研削工具７への力センサ５と位置を検出する
角度計２１を備える。研削工具は、位置と力を制御する
制御手段２６で設定される仮想バネに基づいて発生する
力で、ワーク６に押し付けられ、研削する。さらに押し
付け力を設定する研削力設定手段４４と、研削する時に
生じる位置偏差に基づき押し付け方向の位置偏差を算出
する研削偏差演算手段４１と、被加工部の表面の仕上げ
位置を決定するために必要なワーク面の基準位置と仕上
げ位置の差を設定する仕上げ偏差設定手段４３と、仮想
バネ定数、研削力、位置偏差、仕上げ偏差を用いて力目
標値を演算する付加力演算手段４２を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は研削ロボットに関し、特
に、被研削物に対する研削工具の押し付け力を所望の状
態に正確に設定できる研削ロボットに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、産業用研削ロボットでは、位置と
力を制御することにより、ロボット本体（多自由度作業
機械）に作業を行なわせる仮想コンプライアンス制御方
式が提案されている（特開昭６２−３５９１５号等）。
一般に、かかる制御方式が適用される研削ロボットで
は、アームのリスト部に力センサを設け、この力センサ
を介して研削工具をアームに取り付ける。研削ロボット
の動作を制御する制御装置には、研削工具の運動特性を
決定する仮想の質量、バネ定数、粘性減衰係数などの制
御パラメータが設定される。制御装置は、当該制御装置
に設定された各種の制御パラメータと、外部から付与さ
れる基準位置姿勢指令と、研削工具に加わる力に関する
計測データと、研削工具の位置や姿勢に関する計測デー
タに基づいて研削工具の速度指令値等の制御指令値を演
算する。制御装置で得られた制御指令値は、駆動回路を
経由してロボット本体の各駆動装置に提供される。ロボ
ット本体の姿勢および動作は制御指令値により制御さ
れ、研削工具は所定の研削作業を実行する。研削ロボッ
トでは、研削工具は、被加工物の形態に沿って移動し、
移動しながら研削作業を行う。

【０００３】仮想コンプライアンス制御では、制御装置
に基づいて指定される研削工具が移動すべき位置と研削
工具の実際の位置との偏差、および制御パラメータとし
て設定されている仮想バネ定数に基づいて、前記偏差に
応じたバネ力を算出する。そして、算出されたバネ力の
値に基づき、被加工物に対する研削工具の押し付け力と
して、研削工具に対する力目標指令値を与える。

【０００４】上記のように、ソフトウェアによって実現
される制御方式に基づき、研削作業を行う研削工具に対
し、あたかも、本当の機械的バネ機構が付設されている
かのような運動特性を与えることができる。

【０００５】従来の研削ロボットでは、バネ定数の制御
が適切に行われないため、被加工部の削残し量に対し研
削工具の押し付け力が最適に設定されず、被加工部に削
残しが生ずるという不具合が存在した。

【０００６】そこで本発明者らは、先に、押し圧制御式
研削装置（特開平３−１４２１５９号）を提案した。こ
の押し圧制御式研削装置は、ワークにおける仕上げ位置
と研削工具の実際位置とに基づいて位置偏差を求め、研
削動作中、被加工部の削残し量に関係なく、予め設定し
た所望の研削力が得られるように仮想バネ定数を変更す
るように構成される。これにより、研削作業の開始から
終了まで適切な研削力を得ることができ、また良好な研
削精度を得ることができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らによって提
案された研削ロボットでは、位置・力制御演算部で設定
される仮想バネ定数を被研削部での研削量に応じて変更
することにより、研削作業中において、被研削部の状況
に応じて生ずる押し付け力の過不足をなくすように構成
した。しかしながら、例えば、被研削部の仕上げ位置を
ワーク表面よりも削り込んだ位置にする場合には、仮想
バネ定数による調整だけでは、かかる研削を行うことが
できない。

【０００８】また、ワーク上の溶接ビード等の被研削部
に対する研削作業では、一般的に、その研削作業中に多
種多様な押し付け力パターンで研削を行うことが要求さ
れる。このような研削作業では、単に仮想バネ定数の変
更による押し付け力の過不足の調整だけでは、不十分で
ある。

【０００９】本発明の目的は、位置と力のフィードバッ
クループを備え、位置と力による制御の下に研削作業が
実行され、研削工具の押し付け力を所望の負荷パターン
に従って発生させ、仕上げ位置の精度を高めかつ仕上げ
位置の設定の自由度を高め、多種多様な研削作業を行え
る研削ロボットを提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係る研削ロボッ
トは、上記問題点に鑑み、次のように構成される。

【００１１】まず研削ロボットは、基本的な前提構成と
して、力センサ等を利用して研削工具に加わる力を検出
する力検出手段と、研削工具の位置を検出する位置検出
手段と、力検出手段で得られた力データと位置検出手段
で得られた位置データを入力し、入力した各データを用
いて制御指令のデータを作成し、研削工具の位置と力を
制御する制御手段を備える。研削工具は、制御手段で設
定される仮想バネに基づいて発生する力で、ワークの被
加工部に押し付けられ、被加工部を研削する。研削ロボ
ットは、さらに、研削作業上必要とされる押し付け力を
設定するための研削力設定手段と、研削工具が被加工部
の表面を倣いながら研削する時に生じる位置偏差に基づ
き押し付け方向の位置偏差を算出する研削偏差演算手段
と、被加工部の表面の仕上げ位置を決定するために必要
なワーク面の基準位置と仕上げ位置との差を設定する仕
上げ偏差設定手段と、予め設定されている仮想バネ定
数、研削力設定手段で設定された研削力、研削偏差演算
手段で得られた位置偏差、仕上げ偏差設定手段で設定さ
れた仕上げ偏差を用いて力目標値を演算する付加力演算
手段を備える。付加力演算手段で求められた力目標値
は、力検出手段で得られた力データに加算される。

【００１２】前記の構成において、付加力演算手段に研
削作業中の研削工具の押し付け力を負荷パターンとして
設定し、付加力演算手段は負荷パターンに基づいて力目
標値を演算するように構成される。この負荷パターン
は、高い自由度で設定することができ、実行できる研削
作業の自由度を高める。

【００１３】

【作用】本発明による研削ロボットでは、研削偏差演算
手段で被研削部の削り残り量を求め、次に、付加力演算
手段で、予め設定された仮想バネ力に基づき削り残り量
に対応させて発生させる研削工具の押し付け力と、所望
の研削工具の押し付け力との差異を求める。そして、実
際の押し付け力の過不足分である前記押し付け力の差異
を、力目標値として制御手段の内部に設定する。これに
より、被研削部の削り残り量が変化しても、研削工具の
押し付け力を、所望の押し付け力に制御することが可能
となる。

【００１４】また仮想バネにおける変位が０になって
も、すなわち仮想バネに基づく押し付け力が０になって
も、力目標値を増加させることにより、研削工具の押し
付け力を所要の分だけ確保することができる。従って、
被研削部の基準面、すなわち、仮想バネが自然長である
ときの研削工具と被研削部との接触面よりも深く被研削
部を削り込むことが可能である。

【００１５】

【実施例】以下に、本発明の実施例を添付図面に基づい
て説明する。

【００１６】図１は、本発明に係る研削ロボットの全体
構成を示す。図１で、１はロボット本体であり、複数の
関節部を有するアーム２が基台３に取り付けられる。各
関節部にはモータ等の駆動装置が配設され、各関節部は
可動作用を有する。アーム２の各関節部の可動作用によ
り、アーム全体の姿勢は作業上必要な姿勢に変化し、ア
ーム２の先部は作業上必要とされる位置に移動する。ア
ーム２のリスト部４には６軸の力センサ５が取り付けら
れる。力センサ５の先には、ワーク６に対して研削工具
７が取り付けられる。８はコントローラであり、コント
ローラ８はコンピュータで構成される。コントローラ８
は、位置と力の制御のため予め設定された演算式を用い
て、ロボット本体１の動作を制御する。

【００１７】コントローラ８は、信号ライン９でロボッ
ト本体１に対して研削作業の動作を指令するための指令
信号を与える。またコントローラ８は、力センサ５から
研削工具７に加わる力およびモーメントに関する検出信
号、すなわち力信号１０を与えられる。１１は研削ロボ
ットに対し諸条件をセットするための操作器である。操
作器１１は、テンキー、および各種の指令を与えるため
の操作スイッチを有する。この操作器１１によって、例
えば、研削動作の教示、研削条件の設定、研削工具７の
研削力の設定、仕上げ位置に対する仕上げ偏差の設定が
行われる。

【００１８】図２に基づき、コントローラ８内に形成さ
れる制御機構の詳細構成について説明する。

【００１９】研削作業を行うロボット本体１に対し適用
される制御方式は、コンピュータを利用してソフト的に
実現される。図２は、その制御要素および接続関係を示
すブロック図である。

【００２０】ロボット本体１の内部にはアーム２の各関
節部を動作させるため駆動モータが複数内蔵されてい
る。これらの駆動モータには、それぞれ、駆動量を計測
する角度計２１が取り付けられる。角度計２１によって
各関節部の軸角度データを測定する。

【００２１】位置・力制御演算系の構成を説明する。ロ
ボット本体１のアームの先端部に取り付けられた力セン
サ５で検出される力信号１０は、力演算部２２に送られ
る。力演算部２２は、入力した力信号をセンサ座標系か
ら基準座標系（絶対座標系）に変換し、かつ力信号から
研削工具７の重力分を差し引いて重力補償を行う。こう
して力演算部２２で、ワーク６と研削工具７の接触点部
分で発生する力〈ｆ〉が算出される。ここで、記号
「〈ｆ〉」はｆがベクトル量であること意味する。
「〈〉」の意味は以下同じである。

【００２２】力演算部２２で得られた力〈ｆ〉は、後述
する付加力演算部４２で求められた力目標値ｆｒと、加
算器４５で加算され、力〈ｆ′〉として位置・力制御演
算部２６に送られる。力目標値ｆｒは、研削工具７の押
し付け方向の力の過不足を調整し、所望の負荷パターン
を作るための指令値である。

【００２３】また、角度計２１によって検出された各軸
に関する角度データは、位置演算部２３に送られる。位
置演算部２３では、入力された角度データに基づいて絶
対座標系における研削工具７の位置〈ｘ〉（姿勢データ
を含む）を算出する。算出された位置〈ｘ〉は、位置偏
差演算部２５において、位置目標値設定部２４で設定さ
れた位置の目標値〈ｘｒ〉と比較され、それらの間の位
置偏差〈Δｘ〉が求められる。

【００２４】上記のごとく、加算器４５で得られた力
〈ｆ′〉と位置偏差演算部２５で得られた位置偏差〈Δ
ｘ〉は、位置・力制御演算部２６に入力される。

【００２５】位置・力制御演算部２６は、減算器２７
と、バネ定数演算部２８と、特性補償演算部２９を有す
る。加算器４５から出力された力〈ｆ′〉は、減算器２
７に入力される。位置偏差演算部２５から出力された位
置偏差〈Δｘ〉は、バネ定数演算部２８に入力される。
バネ定数演算部２８には仮想バネ定数行列Ｋが設定され
る。バネ定数演算部２８は、入力された位置偏差〈Δ
ｘ〉に対し、設定された仮想バネ定数行列Ｋを乗算する
ことによりＫ〈Δｘ〉を算出する。バネ定数演算具２８
で算出されたＫ〈Δｘ〉は減算器２７に対して出力され
る。減算器２７では〈ｆ′〉−Ｋ〈Δｘ〉が演算され
る。減算器２７で求められた演算結果は特性補償演算部
２９に与えられる。

【００２６】特性補償演算部２９にはコントローラゲイ
ンＫｃが設定される。特性補償演算部２９ではコントロ
ーラゲインＫｃに基づいて入力された〈ｆ′〉−Ｋ〈Δ
ｘ〉が制御上の特性補償を受け、それにより速度指令値
〈ｖ〉が算出される。位置・力制御演算部２６で求めら
れた速度指令値〈ｖ〉は駆動指令部３１〈θ〉に供給さ
れ、この駆動指令部３１において、速度指令値〈ｖ〉
は、ロボット本体１の各駆動モータの駆動指令値〈θ〉
に変換される。得られた駆動指令値は、ロボット本体１
の各駆動モータに供給され、各駆動モータの動作に基づ
きロボット本体１は所望の位置および姿勢で動作する。

【００２７】次に、研削工具７の押し付け力の過不足を
調整するために必要とされる力目標値ｆｒを算出する力
目標値演算部４０の構成と、力目標値の算出方法につい
て説明する。

【００２８】図示されるごとく、力目標値演算部４０
は、研削偏差演算部４１と、前述の付加力演算部４２
と、仕上げ偏差設定部４３と、研削力設定部４４とによ
って構成される。

【００２９】研削偏差演算部４１は、図３に示すごと
く、ワーク基準面５１と、研削工具７の位置偏差ΔＨを
演算する機能を有する。ワーク基準面５１は、被研削部
５２が形成されたワーク６の表面である。研削偏差演算
部４１は、前記の位置偏差演算部２５で得られた位置偏
差〈Δｘ〉の値に基づいて押し付け方向の位置偏差を求
める。

【００３０】研削力設定部４４は、研削工具７の有する
能力やワーク６の材質等を配慮して、最も効率良く研削
できる研削工具の押し付け力Ｆgrを設定する機能を有す
る。さらに、仕上げ偏差設定部４３は、図３に示すごと
く、ワーク基準面５１と仕上げ位置５３との差ΔＨｅを
設定する機能を有する。ΔＨｅの符号について、ワーク
基準面５１に対し削り込む方向を負（−）とする。

【００３１】研削偏差演算部４１で求められた位置偏差
ΔＨ、研削力設定部４４で設定された押し付け力Ｆgr、
仕上げ偏差設定部４３で設定された仕上げ偏差ΔＨｅ
は、それぞれ、付加力演算部４２に入力される。付加力
演算部４２には、さらに、仮想バネ定数演算部２８に予
め設定されている押し付け力方向のバネ定数Ｋｉが入力
される。

【００３２】付加力演算部４２は、入力されたＦgr，Δ
Ｈｅ，ΔＨ，Ｋｉに基づいて、仮想バネによる押し付け
力の過不足を、所望の研削力になるように調整するため
の力目標値ｆｒを算出する機能を有している。付加力演
算部４２には、研削作業にて必要とされる研削工具７の
押し付け力が、負荷パターンとして設定される。付加力
演算部４２では、設定された負荷パターンに基づいて力
目標値ｆｒが演算される。負荷パターンは、多種多様の
ものを設定することが可能である。

【００３３】力目標値演算部４０における力目標値〈ｆ
ｒ〉の算出方法を説明する。

【００３４】図４に、仕上げ位置５３に達するまでの研
削工具７の負荷パターンの一例を示す。図４（ａ）の負
荷パターンはΔＨｅが負である例を示し、図４（ｂ）の
負荷パターンはΔＨｅが正である例を示す。図４に示さ
れる負荷パターン６１では、ΔＨｅを境として立ち下が
るステップ状のパターンであり、ΔＨｅ＜ΔＨの範囲で
は一定のＦgr、ΔＨ≦ΔＨｅの範囲では０である。

【００３５】ロボット本体１の研削工具７は、図２に示
した位置・力制御演算部２６による位置と力の制御に基
づいて、ワーク６の被研削部を研削する。研削ロボット
では位置と力の制御に基づき、仮想コンプライアンス制
御が実行される。研削工具７は、仮想バネの作用に基づ
いてワーク６の被研削部５２に必要な押し付け力で押し
付けられる。仮想バネによって生じる押し付け力は、仮
想バネの強さが一定に保持される場合には、図３に示す
被研削部５２の高さΔＨによって決まる。図４において
６２は仮想バネによって発生する負荷を示し、仮想バネ
による負荷６２は直線的に変化する。仮想バネによる負
荷６２の特性で明らかなように、ΔＨが小さくなるに従
い、仮想バネによる押し付け力は減少する。すなわち、
仮想バネによる押し付け力だけでは、負荷パターン６１
を得ることができない。

【００３６】そこで、所望の負荷パターン６１を生成す
るために、力目標値演算部４０で付加するための力目標
値ｆｒを算出し、加算器４５を介して、位置・力制御演
算部２６に与える。付加する力目標値ｆｒは、図４中特
性６３で示される。かかる力目標値ｆｒは、次式で与え
られる。

【００３７】

【数１】ΔＨｅ＜ΔＨの条件が満たされているときに
は、ｆｒ＝Ｆgr−Ｋｉ・ΔＨなお、ΔＨ≦ΔＨｅの範囲では削り過ぎになるために、
力目標値ｆｒを次のように設定する。

【００３８】

【数２】ΔＨ≦ΔＨｅの条件となったときには、ｆｒ＝Ｆ₀＝−Ｋｉ・ΔＨｅ上記の条件の判定、および付加する力目標値ｆｒの算出
は、付加力演算部４２で行われる。こうして求められた
力目標値ｆｒを付加することにより、仕上げ位置ΔＨｅ
に至るまで所望する研削力Ｆgrで研削作業を行うことが
できる。

【００３９】図５に基づいて、他の負荷パターンによっ
て研削作業を行う例について説明する。この実施例で
は、位置・力制御演算部２６で予め設定されている仮想
バネの特性を利用して研削工具７における押し付け力の
過不足を調整し、かつ定められた仕上げ位置まで削り過
ぎないように研削する負荷パターンを用いる。図５にお
いて６１が負荷パターンを示す。この負荷パターン６１
では、押し付け力変更位置ΔＨｆまでは一定の押し付け
力Ｆgrとし、ΔＨｅ〜ΔＨｆの間では一定の変化率で徐
々に減少する。図４と同様に、６２は仮想バネによる負
荷特性を示す。負荷パターン６１を生成するために、力
目標値演算部４０では、図５において特性６３で示され
る力目標値ｆｒを生成する。かかる力目標値ｆｒは、次
式で与えられる。

【００４０】

【数３】ΔＨｆ＜ΔＨの条件のときには、ｆｒ＝Ｆgr−Ｋｉ・ΔＨここで、ΔＨｆ＝Ｆgr／Ｋ＋ΔＨｅである。

【００４１】ΔＨ≦ΔＨｆの条件のときには、ｆｒ＝Ｆ₀＝−Ｋｉ・ΔＨ前記の実施例では、２種類の負荷パターンについて説明
したが、負荷パターンは上記のものに限定されず、任意
のものを設定することができる。

【００４２】前述の付加力演算部４２で演算される力目
標値ｆｒは、任意の時間間隔ごと、または繰り返し行わ
れる研削動作ごとに出力される。

【００４３】さらに、前記実施例では研削ロボットにつ
いて説明したが、被加工部を加工するに当たって設定し
た任意の負荷パターンに基づいて加工する制御方式を、
研削ロボットに類似する他の作業ロボットに適用するこ
とができるは勿論である。

【００４４】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、位置と力の制御に基づいてワーク表面上に形成さ
れた被研削部を研削する研削ロボットにおいて、力目標
値演算部を設け、仮想バネ定数で調整できない研削工具
の押し付け力の過不足を、力目標値を与えることにより
補うように構成したため、研削残量が０になっても、ま
たは研削り量がマイナスに設定されても、所望の研削仕
上げ面を形成することができる。これにより、被研削部
の研削作業に関し、ワーク基準面に対して削り込むこと
が可能となる。

【００４５】また力目標値演算部で求められる力目標値
は、予め設定された負荷パターンを基準にして算出され
るので、その結果、負荷パターンを変更することによ
り、研削工具に必要な押し付け力の条件を変更すること
ができる。従って、研削効率を高めることができ、精度
良く研削作業を行うことができ、また負荷パターンを任
意に変更することにより、多種多様な研削加工を行うこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る研削ロボットの全体構成を示す構
成図である。

【図２】制御装置の内部構成を示すブロック図である。

【図３】研削工具による研削作業の一態様を示す図であ
る。

【図４】負荷パターンの第１実施例を示す図である。

【図５】負荷パターンの第２実施例を示す図である。

【符号の説明】

１ロボット本体５力センサ６ワーク７研削工具８コントローラ２４位置目標値設定部２６位置・力制御演算部４０力目標値演算部４１研削偏差演算部４２付加力演算部４３仕上げ偏差設定部４４研削力設定部４５加算器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】研削工具に加わる力を検出する力検出手
段と、前記研削工具の位置を検出する位置検出手段と、
前記力検出手段で得られた力データと前記位置検出手段
で得られた位置データを入力し、前記各データを用いて
制御指令のデータを作成し、前記研削工具の位置と力を
制御する制御手段を備え、前記制御手段で設定される仮
想バネに基づいて発生する力でワークの被加工部に前記
研削工具を押し付けながら前記被加工部を研削する研削
ロボットにおいて、研削作業上必要とされる押し付け力を設定するための研
削力設定手段と、前記研削工具が前記被加工部の表面を倣いながら研削す
る時に生じる位置偏差に基づき押し付け方向の位置偏差
を算出する研削偏差演算手段と、前記被加工部の表面の仕上げ位置を決定するために必要
なワーク面の基準位置と仕上げ位置との差を設定する仕
上げ偏差設定手段と、予め設定されている仮想バネ定数、前記研削力設定手段
で設定された研削力、前記研削偏差演算手段で得られた
位置偏差、前記仕上げ偏差設定手段で設定された仕上げ
偏差を用いて力目標値を演算する付加力演算手段と、を備え、前記力検出手段で得られた前記力データに前記
付加力演算手段で演算された前記力目標値を加算するよ
うに構成したことを特徴とする研削ロボット。
【請求項２】請求項１記載の研削ロボットにおいて、
前記付加力演算手段に研削作業中の研削工具の押し付け
力を負荷パターンとして設定し、前記付加力演算手段は
前記負荷パターンに基づいて前記力目標値を演算するこ
とを特徴とする研削ロボット。