JPH0683453A - ロボット関節の負荷補償制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ロボット関節に加わる自重を含めた負荷を、
これらの既知、未知を問わず、また力センサやトルクセ
ンサ、カウンタバランスウェイトなどを付加することな
く、正確に補償すること。 【構成】 位置制御モードと電流制御モードの切り換え
が可能なサーボドライバ２と、これとの間で指令信号２
５、２８及び電流検出信号２６の授受を行うコントロー
ラ３とを用い、コントローラ３は位置制御モードと関節
角度の目標値を指令している時、サーボドライバ２から
ロボット関節１のアクチュエータ１１に供給している電
流値をメモリ３１Ｂに記憶し、電流制御モードを指令し
ている間は、記憶した電流値と同じ大きさの電流を絶え
ず出力するようにサーボドライバ２に目標電流値を指令
して自重を含めた負荷を支持するのに過不足ないトルク
をアクチュエータ１１に発生させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、産業用ロボット等の電
動式サーボアクチュエータで駆動される関節の自重を含
めた負荷を補償する制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】産業用ロボットの教示操作時などでは、
軽い操作力でロボットの位置姿勢決めを行うことができ
る必要がある。そのため、ロボット関節に加わる自重を
含めた負荷を補償する必要があり、カウンタバランスウ
ェイトを用いる以外の従来の負荷補償方法として、以下
の３つの方法がある。

【０００３】第１の従来方法：ロボット関節と負荷との
間に力センサを設け、力センサによって計測した負荷の
大きさから関節に加わる負荷トルクを計算し、この計算
で得た負荷トルクに相当するトルクを発生するように、
アクチュエータを制御するサーボドライバに指令を与え
ることにより、関節に加わる負荷を補償する方法。

【０００４】第２の従来方法：ロボット関節の可動側リ
ンクの重量及び重心位置、負荷の重量及び重心位置、並
びに、ロボット関節の可動側リンクの重力方向に対する
姿勢から関節に加わる負荷トルクを計算し、この計算で
得た負荷トルクに相当するトルクを発生するようにサー
ボドライバに指令を与えることにより、関節に加わる負
荷を補償する方法。なお、可動側リンクの重力方向に対
する姿勢は通常、関節の固定側リンクの重力方向に対す
る姿勢と、関節角度とから計算される。

【０００５】第３の従来方法：ロボット関節にトルクセ
ンサを設けて関節に加わる負荷トルクを直接測定しなが
ら、このトルクセンサの出力がゼロになるように、サー
ボドライバに指令を与えることにより、負荷を補償する
方法。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】

（１）第１の従来方法では、力センサよりも先端側に加
わる負荷は補償できるが、関節と力センサとの間に負わ
る負荷や、関節と力センサとの間の構造材即ちロボット
関節の可動側リンクの自重を補償することはできない。 （２）第２の従来方法では、負荷や自重の重量及び重心
位置、更には関節の取り付け姿勢は通常正確に知ること
ができないため、これによって起る誤差により、正確に
負荷を補償することができない。しかも、負荷が未知の
場合は、全く補償できない。 （３）第３の従来方法では、関節にトルクセンサを設け
ると、これによって生じる関節の回転剛性の低下、トル
クセンサのケーブル処理の都合上生じる関節の大型化及
び可動角範囲の制限など、マニプレータのハードウェア
に対するインパクトが大きい。

【０００７】上述した従来技術に鑑み、本発明は、未
知、既知を問わずに自重を含めて負荷を正確に補償で
き、しかもマニプレータのハードウェアにインパクトを
与えることがないロボット関節の負荷補償制御方法を提
供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明のロボット関節の負荷補償制御方法は、ロボット関節
の電動式アクチュエータを制御する位置制御モードと電
流制御モードの切り換えが可能なサーボドライバと、こ
のサーボドライバとの間でモード切換の指令信号、目標
値の指令信号及びサーボドライバからアクチュエータに
供給されている電流値の検出信号を授受するコントロー
ラとを用い、コントローラがサーボドライバに位置制御
モードを指令している時は、関節角度の目標値をサーボ
ドライバに指令し、サーボドライバはコントローラの指
令通りの関節角度となるようにアクチュエータに電流を
供給し、且つ、コントローラはこの時の電流値を記憶
し、コントローラがサーボドライバに電流制御モードを
指令している時は、前記記憶した電流値を目標値として
サーボドライバに指令し、サーボドライバはコントロー
ラの指令通りの電流値となるようにアクチュエータに電
流を供給することを特徴とするものである。

【０００９】

【作用】ロボット関節に自重を含めた負荷によりトルク
が加わっている状態で位置制御により或る関節角度に静
止させている時は、ロボット関節のアクチュエータには
その時の関節軸トルクを支持するのに過不足ない電流が
サーボドライバから供給されている。そこで、この電流
値をコントローラで記憶しておき、位置制御から電流制
御にモードを切り換えた時に、この電流値を目標値とし
てコントローラからサーボドライバに指令する。これに
よりロボット関節の静止時の電流値と同じ大きさの電流
がサーボドライバからアクチュエータに絶えず供給され
ることになり、ロボット関節にはその時の自重を含めた
負荷を支持するのに過不足ないトルクが発生する。即
ち、負荷が補償され、負荷を含めたロボット関節の可動
側リンクを一種の無重力状態に制御することができる。
この負荷補償制御方法では、従来方法におけるようなロ
ボット関節の可動側リンクの自重や重心位置のデータ、
負荷の重量や重心位置のデータが必要でなく、即ち自重
を含めた負荷の既知、未知を問わず、しかもロボット関
節の姿勢も問わずに正確に負荷を補償できる。その上、
関節軸にはカウンタバランスウェイトや力センサやトル
クセンサといった追加装置を必要とせずに、サーボドラ
イバ及びコントローラの機能のみで負荷を補償できるた
め、マニプレータには何のインパクトも与えない。

【００１０】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を示
す。図１は本発明を適用したロボット関節制御システム
の一実施例を示し、図２は制御のフローを示し、図３は
マニプレータの外観を示す。図１に示したロボット関節
制御システムは、内蔵の電動式アクチュエータ１１によ
って駆動されるロボット関節１と、アクチュエータ１１
を制御するサーボドライバ２と、サーボドライバ２との
間で信号２５、２６、２８の授受を行うコントローラ３
とから構成されている。

【００１１】ロボット関節１にはこれを駆動するアクチ
ュエータ１１の他、ロボット関節１に取付けられたポテ
ンショメータ等の角度センサ１２があり、これから位置
検出信号２７が得られる。また、ロボット関節１の固定
側と可動側の各リンク１３、１４のうち、可動側リンク
１４の先端に負荷４が加わる。

【００１２】サーボドライバ２には位置制御モードと電
流制御モードの２つの制御モードがあり、そのため、電
流制御アンプ２１、アクチュエータ１１に流れる電流値
を検出する電流センサ２２及び位置制御アンプ２３に加
えて、モード切換スイッチ２４Ａと２４Ｂを有してい
る。２つのモード切換スイッチ２４Ａ，２４Ｂは連動し
ており、コントローラ３からのモード切換指令信号２５
に応じて動作することにより、サーボドライバ２が位置
制御モードか電流制御モードになる。即ち、 （１）モード切換指令信号２５が位置制御モードを示し
ている場合は、一方のモード切換スイッチ２４Ａを通し
てコントローラ３からの指令信号２８が位置制御アンプ
２３に入力し、この位置制御アンプ２３の出力信号２９
が他方のモード切換スイッチ２４Ｂを通して電流制御ア
ンプ２１に入力する。従って、位置制御アンプ２３は角
度センサ１２からの位置検出信号２７を負のフィードバ
ック信号として用い、ロボット関節１の角度がコントロ
ーラ３からの指令信号２８通りの角度になるように電流
制御アンプ２１に電流指令信号２９を与える。電流制御
アンプ２１は電流センサ２２からの電流検出信号２６を
負のフィードバック信号として用い、アクチュエータ１
１に位置制御アンプ２３からの指令信号２９通りの電流
を出力する。この結果、ロボット関節１の角度がコント
ローラ３の指令信号２８通りの角度になるように、アク
チュエータ１１に電流が流れる。この位置制御モードで
は、電流センサ２２からの電流検出信号２６はコントロ
ーラ３にも与えられる。 （２）モード切換指令信号２５が電流制御モードを示し
ている場合は、位置制御アンプ２３をバイパスし、コン
トローラ３からの指令信号２８を、２つのモード切換ス
イッチ２４Ａ，２４Ｂを通して直接電流制御アンプ２１
に入力する。従って、電流制御アンプ２１は電流検出信
号２６を負のフィードバック信号に用い、コントローラ
３からの指令信号２８通りの電流をアクチュエータ１１
に流す。

【００１３】コントローラ３はその内部に、デジタル式
コンピュータ３１と、信号インターフェース（Ｉ／Ｆ）
器３２と、アナログデジタル変換器（Ａ／Ｄ）３３と、
デジタル出力器（Ｄ／Ｏ）３４と、デジタルアナログ変
換器（Ｄ／Ａ）３５とを有している。コンピュータ３１
は中央処理装置（ＣＰＵ）３１Ａとメモリ３１Ｂを有す
る。このような構成により、コントローラ３はオペレー
タや上位コンピュータ等の外部からの指令に応じて、サ
ーボドライバ２に対する位置制御モードと電流制御モー
ドとのモード切換指令信号２５を、コンピュータ３１か
ら信号インターフェース器３２及びデジタル出力器３３
を通して、デジタル信号として出力する。また、コント
ローラ３はモードに応じてサーボドライバ２との間で次
のように信号２６、２８を授受する。 （１）位置制御モードを指令した場合、コントローラ３
は、関節角度の目標値を、コンピュータ３１から信号イ
ンターフェース器３２及びデジタルアナログ変換器３５
を通して、アナログ指令信号２８としてサーボドライバ
２に出力する。また、サーボドライバ２からアナログの
電流検出信号２６を、アナログデジタル変換器３３及び
信号インターフェース器３１を通してコンピュータ３１
に読み込み、アクチュエータ１１に流れている電流値の
データをメモリ３１Ｂに記憶する。 （２）電流制御モードを指令した場合、コントローラ３
は、メモリ３１Ｂに位置制御モード時に記憶したロボッ
ト関節１の静止状態での電流値データを、コンピュータ
３１から信号インターフェース器３２及びデジタルアナ
ログ変換器３５を通して、アナログ指令信号２８として
電流制御モード中たえずサーボドライバ２に出力する。

【００１４】上述した構成のロボット関節制御システム
の動作をまとめて説明すると、次のようになる。 （１）位置制御モード：コントローラ３からサーボドラ
イバ２に対し、位置制御モードをモード切換指令信号２
５によって指令し、またロボット関節１の目標角度θを
指令信号２８によって指令する。これにより、サーボド
ライバ２は位置制御モードになり、位置制御アンプ２３
に指令信号２８とこれに対する負のフィードバック信号
である角度センサ１２の位置検出信号２７が入力し、電
流制御アンプ２１には位置制御アンプ２３の出力信号２
９とこれに対する負のフィードバック信号である電流セ
ンサ２２の電流検出信号２６が入力する。この結果、ロ
ボット関節１の角度をコントローラ３からサーボドライ
バ２へ与えられた指令信号２８通りの角度θに制御する
ように、サーボドライバ２が位置制御アンプ２３及び電
流制御アンプ２１を通してアクチュエータ１１に電流を
出力する。（図２のステップＳ１参照） （２）電流値の検出と記憶：上述した位置制御時には、
サーボドライバ２はアクチュエータ１１に出力している
電流を電流センサ２２で検出してなるアナログの電流検
出信号２６をコントローラ３に出力しており、コントロ
ーラ３はこの電流検出信号２６をコンピュータ３１に取
り込み、メモリ３１Ｂに電流値データとして記憶する。
（図２のステップＳ２参照） （３）電流制御モード：コントローラ３はサーボドライ
バ２に対し、電流制御モードをモード切換指令信号２５
によって指令し、また、メモリ３１Ｂに記憶した電流値
データを読み出して絶えず目標値としてアナログ指令信
号２８によって出力する。これにより、サーボドライバ
２は電流制御モードになり、電流制御アンプ２１に指令
信号２８とこれに対する負のフィードバック信号である
電流検出信号２６が入力する。この結果、アクチュエー
タ１１に流れる電流をコントローラ３からサーボドライ
バ２に与えられた指令信号２８通りの電流値に制御する
ように、サーボドライバ２が電流制御アンプ２１を通し
てアクチュエータ１１に電流を出力する。（図２のステ
ップＳ３参照）

【００１５】上記構成を持つロボット関節制御システム
においては、位置制御モードにより或る角度θにロボッ
ト関節１を制御して静止させている時には、ロボット関
節１には当該ロボット関節１の可動側リンク１４の自重
及び先端の負荷４によるトルクが加わっているが、この
時サーボドライバ２からアクチュエータ１１に供給され
ている電流は、これら自重及び負荷４を支持するのに過
不足ない大きさである。この時の電流値がサーボドライ
バ２からコントローラ３に電流検出信号２６として出力
され、記憶される。次にコントローラ３がモード切換指
令信号２５によってサーボドライバ２を位置制御モード
から電流制御モードに切り換え、また、指令信号２８に
よって先に記憶した電流値と同じ大きさの電流を常にア
クチュエータ１１に流すようにサーボドライバ２に指令
する。これにより、ロボット関節１には自重及び負荷４
を支持するだけの過不足ないトルクが発生し、自重及び
負荷４が補償された状態になり、この状態で教示操作等
を行う。この時発生するトルクは関節角度が変化しても
一定であり、自重及び負荷４がキャンセルされた状態に
保たれることから、ロボット関節１の可動側部分を一種
の無重力状態のように容易に操作することができる。

【００１６】図３に、本発明の適用対象の一例として７
軸の制御軸を有する多関節マニプレータの外観を示す。
図３において、図示しない作業床面や作業壁面等に固定
される取付面５１が形成された取付ベース５２には、前
記取付面５１に対して垂直な第１軸周りに旋回し得る旋
回台５３が連結されており、この旋回台５３には前記第
１軸に対して直交する第２軸周りに回動する腕スリーブ
５４の基端部が連結されている。又、この腕スリーブ５
４の先端部には、前記第２軸に対して直交する第３軸周
りに回転する中間腕５５の基端部が連結されており、こ
の中間腕５５の先端部には前記第３軸に対して直交する
第４軸周りに回動する接続スリーブ５６の基端部が連結
されている。更に、この接続スリーブ５６の先端部に
は、前記第４軸に対して直交する第５軸周りに回転する
延長スリーブ５７の基端部が連結されており、この延長
スリーブ５７の先端部には前記第５軸に対して直交する
第６軸周りに回動する手首部５８が連結されている。そ
して、この手首部５８には前記第６軸に対して直交する
第７軸周りに回転し且つ各種作業機器等の負荷が組み付
けられる面板５９が取り付けられている。これら第１軸
〜第７軸の各関節にはそれぞれ関節駆動用の電動式アク
チュエータが内蔵され、また角度センサが取付けられて
いる。各関節のアクチュエータ及び角度センサには図１
に示したようにサーボドライバ２が接続されており、コ
ントローラ３の指令によって自重及び負荷が補償され
る。

【００１７】

【発明の効果】以上詳しく説明したように、本発明によ
れば、ロボット関節の可動側リンクの自重、負荷を含め
た重量データも重心データも不要であり、ロボット関節
の姿勢、負荷の有無、ロボットの取付姿勢を問わず、何
時でも手軽にロボット関節に加わる自重を含めた負荷を
正確に補償できる。また、関節軸には力センサやトルク
センサ、更にはカウンタバランスウェイトなどといった
追加装置が不要であり、サーボドライバ及びコントロー
ラの機能のみで負荷を補償できる。従って、ロボットの
位置姿勢決めを軽く行える必要がある産業用ロボットの
教示操作時などでは、従来は力センサ、トルクセンサあ
るいはカウンタバランスウェイトのためにマニプレータ
のハードウェアが複雑化、大型化して場合によっては低
性能になっていたものが、本発明によってマニプレータ
のハードウェアに何らのインパクトを与えることなく、
高精度な負荷補償が可能となり、小型化や高性能化を図
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用したロボット関節制御システムの
一実施例を示す図。

【図２】制御のフローを示す図。

【図３】本発明の適用対象の一例として示す多関節マニ
プレータの外観図。

【符号の説明】

１ ロボット関節 １１ アクチュエータ １２ 角度センサ １３ 固定側リンク １４ 可動側リンク ２ サーボドライバ ２１ 電流制御アンプ ２２ 電流センサ ２３ 位置制御アンプ ２４Ａ，２４Ｂ モード切換スイッチ ２５ モード切換指令信号 ２６ 電流検出信号 ２７ 位置検出信号 ２８ 位置、電流値の指令信号 ３ コントローラ ３１ コンピュータ ３１Ａ ＣＰＵ ３１Ｂ メモリ ４ 負荷

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ロボット関節の電動式アクチュエータを
   制御する位置制御モードと電流制御モードの切り換えが
   可能なサーボドライバと、このサーボドライバとの間で
   モード切換の指令信号、目標値の指令信号及びサーボド
   ライバからアクチュエータに供給されている電流値の検
   出信号を授受するコントローラとを用い、コントローラ
   がサーボドライバに位置制御モードを指令している時
   は、関節角度の目標値をサーボドライバに指令し、サー
   ボドライバはコントローラの指令通りの関節角度となる
   ようにアクチュエータに電流を供給し、且つ、コントロ
   ーラはこの時の電流値を記憶し、コントローラがサーボ
   ドライバに電流制御モードを指令している時は、前記記
   憶した電流値を目標値としてサーボドライバに指令し、
   サーボドライバはコントローラの指令通りの電流値とな
   るようにアクチュエータに電流を供給することを特徴と
   するロボット関節の負荷補償制御方法。