JPH08263128A - ロボットの位置決め制御時の加減速制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ロボットの軌跡精度を保ちながら、高速の加
減速を行なうこと。 【構成】 Ｐ［１］Ｐ［２］間の直線移動時に加減速を
行なう。ロボットを直線動作でＰ［１］へ移動させ（Ｓ
１）、加減速制御の為の処理を開始する。Ｓ２で、Ｐ
［１］Ｐ［２］間の直線軌跡を生成し、Ｓ３でＰ［１］
の各軸姿勢を計算する。次いで、Ｐ［１］でのヤコビア
ンを計算し（Ｓ４）、各軸最大速度とヤコビアンから、
経路方向に発生可能な速度Ｖrealを教示速度を越えない
範囲で計算する（Ｓ５）。Ｓ６で、Ｐ［１］での各軸の
最大トルク、慣性モーメント、外力から、各軸の最大加
速度が計算され、Ｓ７で加減速に要する時間Ｔと距離ｄ
を計算する。Ｓ３〜Ｓ７と同等の処理をＰ［２］につい
ても行なう（Ｓ８）。更に、Ｓ９でＴとｄから加減速区
間を設定し、加速完了／減速開始位置を決定し、始点／
減速開始位置と加速完了位置／終点の間で等加速度運動
が行なわれるよう、教示軌跡上で補間を行なう（Ｓ１
０）。作成された軌跡を表わす移動指令は、サーボ制御
系へ出力される（Ｓ１１）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本願発明は産業用ロボット（以
下、単に「ロボット」と言う。）の位置決め制御時にお
ける加減速制御方法に関する。

【０００２】

【従来技術】位置決め制御方式でロボット動作させた場
合には、各教示点の前後で加減速制御が行なわれ、各教
示点は各々の経路移動区間の端点（始点あるいは終点）
となる。これら端点付近においては、ロボット動作につ
いて種々の好ましくない現象が発生し易い。

【０００３】教示された経路、教示された速度並びに各
軸モータの能力（最大発生トルク）との関係において加
減速制御の時定数が過小であった場合には、ロボットの
軌跡精度が悪化し、場合によっては、不快な振動やオー
バーラン現象（ロボットが終点で停止出来ず、通り過ぎ
てしまうこと）が発生する。逆に、時定数が過大であっ
た場合には、モータの能力が十分に発揮されず、端点前
後の加減速に無用に長い時間を要する恐れがある。

【０００４】従来は、教示後の試行的な再生運転を通し
て、教示速度を調整することでこのような事態を回避し
ていた。この方式によれば、試行的な再生運転時に軌跡
精度の悪化、振動、オーバーランなどが発生する場合に
は、教示速度が下方修正される。そして、再度の再生運
転によって適正な教示速度の修正が行なわれたことを確
認する。

【０００５】また、試行的な再生運転時に端点前後の動
作に要する時間が長すぎると判断される場合には、教示
速度は上方修正される。そして、再度の再生運転によっ
て適正な教示速度の修正が行なわれたことを確認する。

【０００６】いずれの場合にも、一度の作業で最適の教
示速度を見い出すことは困難で、試行錯誤的な作業とな
りがちである。また、この従来方式では教示速度を修正
する方式であるから、ロボットの能力を十分に発揮させ
ないまま加減速制御が行なわれる場合があった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】そこで本願発明の目的
は、位置決め制御時のロボットについて、与えられた教
示経路と教示速度の下で、軌跡精度の悪化、振動の発
生、オーバーラン等の事態を回避しながらロボットの能
力を十分に発揮させることが出来る加減速制御方法を提
供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本願発明はロボットの位
置決め制御に際してロボット姿勢とツール先端点速度を
考慮した加減速制御を行なうことで上記課題を解決した
ものである。本願発明に従えば、先ず、教示経路中の位
置決め制御が行なわれる各経路移動区間について、各端
点におけるロボットの直交座標系上の位置を表わすデー
タから各端点におけるロボットの各軸値が計算される。
そして、前記直交座標系上におけるツール先端点の位置
とそれに対応する各軸値との変換関係を規定するヤコビ
アンの値を前記端点について計算する。

【０００９】このヤコビアンを用いて、各軸モータの能
力に照らして発生可能な各軸の速度を表わすデータか
ら、前記端点において前記経路方向に発生し得る前記ツ
ール先端点の最大速度が計算される。但し、最大速度は
教示速度を上下回らない条件で定められる。

【００１０】更に、各軸モータの能力に依存して発生可
能な最大トルク、各軸にかかる慣性モーメント及び外力
を表わすデータに基づき、前記端点において各軸が発生
し得る最大加速度を計算する。そして、前記端点につい
て定められた最大速度及び最大加速度から、加減速に要
する時間と距離を計算し、加速区間を定める。これによ
り、加速完了位置あるいは減速開始位置が決定される。
前記始点から前記加速完了位置に至る区間、あるいは、
前記減速開始位置から前記終点に至る区間を等加速度で
移動するように、前記教示経路上に補間点を定め、補間
処理で計算された各軸に関する移動指令を各軸のサーボ
制御系へ出力する。

【００１１】

【作用】本願発明では、ロボット姿勢とツール先端点の
速度を考慮してロボットの能力を計算し、その能力の範
囲内で最短の等加速または等減速の加減速制御を行なう
ものである。ロボットの姿勢としては、加減速制御が行
なわれる端点におけるものを採用し、そのヤコビアンを
計算する。

【００１２】このヤコビアンを用いて、各軸モータの能
力に照らして発生可能な各軸の速度を表わすデータか
ら、その端点において経路方向に発生し得るツール先端
点の最大速度が、教示速度を越えない範囲で計算され
る。

【００１３】更に、加減速制御の時定数の調整に相当す
る処理が行なわれる。各軸モータの能力に依存して発生
可能な最大トルク、各軸にかかる慣性モーメント及び外
力を表わすデータに基づき、前記端点において各軸が発
生し得る最大加速度が計算される。そして、前記端点に
ついて定められた最大速度及び最大加速度から、加減速
に要する時間と距離が計算される。

【００１４】それに基づいて加速区間が定められ、加速
完了位置あるいは減速開始位置が求められる。前記始点
から前記加速完了位置に至る区間、あるいは、前記減速
開始位置から前記終点に至る区間を等加速度で移動する
ように、前記教示経路上に補間点が定められ、補間処理
で計算された各軸に関する移動指令が各軸のサーボ制御
系へ出力される。

【００１５】本願発明では、最適の加減速制御を行なう
為に、位置決め制御区間の端点におけるロボット姿勢か
ら、加減速制御時のツール先端点の直交座標系上におけ
る最大可能速度並びに最大可能加速度が各軸の能力から
予測される。そして、この予測に基づいて、各軸の加減
速制御の計画が各軸共通の時定数の下で立てられる。従
って、各軸の加減速制御の計画は、ロボットの能力とマ
ッチしたものとなる。即ち、ロボットの能力を越えた計
画や能力が十分に発揮されない計画が立てられることは
が回避される。

【００１６】また、加減速を考慮に入れて計算された補
間点は、必ず与えられた経路（教示経路）上にあるの
で、加減速制御時の軌跡精度が保たれる。

【００１７】

【実施例】本願発明に従った加減速制御の計画は、オン
ラインで実施される。図１は、その為に使用されるロボ
ット制御装置の代表的な構成を要部ブロック図で示した
ものである。

【００１８】図１において、符号３０で表示されたロボ
ット制御装置はプロセッサボード３１が装備されてお
り、このプロセッサボード３１はマイクロプロセッサか
らなる中央演算処理装置（以下、ＣＰＵと言う。）３１
ａ、ＲＯＭ３１ｂ並びにＲＡＭ３１ｃを備えている。

【００１９】ＣＰＵ３１ａはＲＯＭ３１ｂに格納された
システムプログラムに従ってロボット制御装置全体を制
御する。ＲＡＭ３１ｃの相当部分は不揮発性メモリ領域
を構成しており、動作プログラムの他、後述する処理を
実行する為のプログラムに関連した諸データ等が後述す
る大容量メモリからダウンロードされる。また、ＲＡＭ
３１ｃの一部はＣＰＵ３１ａの実行する計算処理等の為
の一時的なデータ記憶に使用される。

【００２０】プロセッサボード３１はバス３９に結合さ
れており、このバス結合を介してロボット制御装置内の
他の部分と指令やデータの授受が行なわれるようになっ
ている。先ず、デジタルサーボ制御回路３２がプロセッ
サボード３１に接続されており、ＣＰＵ３１ａからの指
令を受けて、サーボアンプ３３を経由してサーボモータ
５１〜５６を駆動する。各サーボモータ５１〜５６はロ
ボットＲＢに内蔵されており、各軸を動作させる。

【００２１】シリアルボード３４はバス３９に結合さ
れ、液晶表示部付の教示操作盤５７、ＲＳ２３２Ｃ機器
（通信用インターフェイス）及びＣＲＴ３６ａに接続さ
れている。教示操作盤５７は動作プログラム等のプログ
ラムや位置データ、その他必要な設定値等を入力する為
に使用される。この他、バス３９には、デジタル信号用
の入出力装置（デジタルＩ／Ｏ）３５、アナログ信号用
の入出力装置（アナログＩ／Ｏ）３７及び大容量メモリ
３８が結合されている。

【００２２】デジタルＩ／Ｏ３５には、ＣＲＴ３６ａの
画面を見ながら動作条件の設定、変更等を行なう為の操
作パネル３６ｂが接続されている。また、大容量メモリ
３８には、教示データ、位置データ、各種設定値、動作
プログラム等が格納される。

【００２３】加減速制御を実行する為のプログラムやヤ
コビアン等を算出する為の構造パラメータ、各軸モータ
の能力を表わすパラメータ等も、不使用時にはこの大容
量メモリ３８に格納されており、システムの立ち上げ時
にＲＯＭ３１ｂに格納されている起動プログラムが作動
して、所要の関連データと共に適宜プロセッサボード３
１内のＲＡＭ３１ｃにダウンロードされる。

【００２４】ここでは、上記したロボット制御装置３０
に次のような命令を実行するケースを考える。 １０： Ｌ Ｐ［１］ ２０００ｍｍ／ｓｅｃ ＦＩＮ
Ｅ ２０： Ｌ Ｐ［２］ １０００ｍｍ／ｓｅｃ ＦＩＮ
Ｅ ＰＴＡＣ 各記号の意味は次の通りである。

【００２５】Ｌ；直線動作命令 Ｐ［１］，Ｐ［２］；教示点［１］及び教示点［２］ ２０００ｍｍ／ｓｅｃ，１０００ｍｍ／ｓｅｃ；教示速
度（毎秒２０００ｍｍ及び毎秒１０００ｍｍ） ＦＩＮＥ；位置決め付加命令 ＰＴＡＣ：ロボット姿勢とツール先端点速度を考慮した
加減速制御を有効化する付加命令 次に、図２のフローチャートを参照して、上記命令を実
行する為の処理を説明する。先ず、命令文１０を読み込
んで、ロボットを直線動作でＰ［１］まで移動させる為
の処理が行なわれる（ステップＳ１）。Ｐ［１］への位
置決め時の加減速制御は従来方式で行なわれ、本願発明
の方法は適用されない。次いで、命令文２０を読み込ま
れると、Ｐ［１］Ｐ［２］間の移動の為の処理が開始さ
れる。

【００２６】ステップＳ２では、Ｐ［１］Ｐ［２］間を
直線で結ぶ軌跡が生成される。続くステップＳ３では、
Ｐ［１］におけるロボットの各軸姿勢が計算される。こ
の計算は、ロボットの構造パラメータを用いて、Ｐ
［１］におけるロボット姿勢（直交座標系上でのツール
先端点の位置と姿勢）から各軸姿勢を計算する逆運動学
によって実行される。

【００２７】次いで、ロボットの構造パラメータとＰ
［１］における各軸姿勢から、Ｐ［１］におけるヤコビ
アンＪを計算する（ステップＳ４）。一般に、ヤコビア
ンＪの行列要素をＪmnとすれば、Ｊmnは直交座標系上で
のツール先端点の位置と姿勢を表わす変数を成分とする
ベクトル｛ｘ｝の第ｍ成分を各軸姿勢を表わす変数を成
分とするベクトル｛θ｝の第ｎ成分で偏微分したもので
ある。ＪmnのＰ［１］における値をＪmn(P1)とすれば、
ステップＳ４で求められるのは、Ｊmn(P1)を第ｍ行第ｎ
列の行列要素とする行列である。

【００２８】次に、ステップＳ５で、Ｐ［１］における
各軸の最大速度（予め設定される。）とヤコビアンＪか
ら、経路方向に発生し得るツール先端点の速度Ｖreal
（直交座標系上）が、教示速度Ｖt を越えない条件で計
算される。この計算は次のようにして行なわれる。一般
に、｛θ｝と｛ｘ｝、並びに｛θ｝ドット（時間微分、
以下同じ）と｛ｘ｝ドットの間には、次式（１），
（２）の関係がある。

【００２９】

【数１】 実際に採用する各軸の最大速度｛θreal｝ドットとして
は、式（３）で定められるαを用いて計算される式
（４）を採用する。なお、ＭＡＸ(i) は、ｉを変化させ
て（）内の最大値を選ぶ記号である。最大速度Ｖrealと
しては（５）式が採用される。式（３）において、α＝
１となれば、それは教示速度Ｖt が能力一杯に指定され
ていることを意味する。αについて、α≦１という制限
を設けることで、（５）式で計算される最大速度Ｖreal
が教示速度Ｖt を越えないことが保証される。

【００３０】

【数２】 ステップＳ６では、Ｐ［１］における各軸の最大トルク
（予め設定されたトルクカーブのデータとステップＳ５
で定められた最大速度Ｖrealから計算される。）、慣性
モーメント並びに外力（抵抗トルク）から、Ｐ［１］に
おける各軸の発生し得る最大加速度θi ツードットが計
算される。この計算は次のようにして行なわれる。一般
に、ツール先端点の進行方向に軸ｉが発生し得る最大ト
ルクをτi とすれば、τi は次式（６）または（７）で
与えられる。ここで、Ｓｉｇｎ（）は、（）内の値が正
か０の時には＋１、負の時には−１を表わす記号であ
る。また、軸ｉについて、抵抗となるトルクをＤi で表
すと、Ｄi はロボットの姿勢と速度の関数であり、次式
（８）または（９）で与えられる。Ｄi （｛θドッ
ト｝）はポテンシャルを表わす項、Ｄi'（｛θドッ
ト｝）は摩擦を表わす項である。

【００３１】更に、軸ｉについてのイナーシャＩi は姿
勢の時間変化率｛θドット｝の関数として次式（１０）
で求められる。これらから、軸ｉの最大加速度θmaxiツ
ードットは、次式（１１）で計算される。式（４）〜
（１１）の値を定めるに必要なパラメータは、予め設定
される。

【００３２】

【数３】 次に、ステップＳ７では、Ｐ［１］において求められた
最大速度Ｖreal、各軸ｉの最大加速度θmaxiツードット
から、加減速に要する時間Ｔと距離ｄを計算する。時間
Ｔは次式（１２）で計算される。距離ｄは、次式（１
３）で計算されるＰ［１］における直交座標系上での最
大加速度ａmax から、次式（１４）で計算される。

【００３３】

【数４】 以上、Ｐ［１］に関連したステップＳ３〜ステップＳ７
の処理は、Ｐ［２］についても同様に実行される。便宜
上、これらをまとめてステップＳ８とする。

【００３４】更に、ステップＳ９では、時間Ｔと距離ｄ
から、加減速区間を設定し、加速完了位置と減速開始位
置を決定する。そして、始点と加速完了位置の間、減速
開始位置と終点の間について等加速度運動が行なわれる
ように、教示軌跡上で補間を行なう処理を実行する（ス
テップＳ１０）。補間処理で定められた軌跡を表わす移
動指令は、サーボ制御系へ出力され（ステップＳ１
１）、命令文２０に付随した処理を終える。

【００３５】

【発明の効果】本願発明によれば、加減速制御が行なわ
れる動作の端点において、ロボットの姿勢に応じ、ロボ
ットの能力に見合った範囲で高速の加減速が行なわれ
る。また、サーボに渡される補間点が、与えられた経路
からはずれない。従って、軌跡精度を低下させることな
くロボットの能力が十分に発揮され、サイクルタイムが
短縮される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例で使用されるロボット制御装置の代表
的な構成を要部ブロック図で示したものである。

【図２】本実施例における処理の概要を記したフローチ
ャートである。

【符号の説明】

３０ ロボット制御装置 ３１ プロセッサボード ３１ａ メインプロセッサ ３１ｂ ＲＯＭ ３１ｃ ＲＡＭ ３２ ディジタルサーボ制御回路 ３３ サーボアンプ ３４ シリアルボード ３５ デジタル信号用の入出力装置（デジタルＩ／Ｏ） ３６ａ ＣＲＴ ３６ｂ 操作パネル ３７ アナログ信号用の入出力装置（アナログＩ／Ｏ） ３８ 大容量メモリ ３９ バス ５１〜５６ サーボモータ ５７ 液晶表示部付の教示操作盤 ５８ ＲＳ２３２Ｃ機器（通信用インターフェイス）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （ａ）教示経路中の位置決め制御が行な
   われる各経路移動区間について、各端点におけるロボッ
   トの直交座標系上の位置を表わすデータから各端点にお
   けるロボットの各軸値を計算する段階と、 （ｂ）前記直交座標系上におけるツール先端点の位置と
   それに対応する各軸値との変換関係を規定するヤコビア
   ンの値を前記端点について計算する段階と、 （ｃ）各軸モータの能力に照らして発生可能な各軸の速
   度を表わすデータから、前記端点において前記経路方向
   に発生し得る前記ツール先端点の最大速度を、教示速度
   を越えない範囲で定める段階と、 （ｄ）各軸モータの能力に依存して発生可能な最大トル
   ク、各軸にかかる慣性モーメント及び外力を表わすデー
   タに基づき、各軸の最大加速度を計算する段階と、 （ｅ）前記定められた最大速度及び最大加速度から、加
   減速に要する時間と距離を計算し、加速区間を定める段
   階と、 （ｆ）前記始点から前記加速完了位置に至る区間、ある
   いは、前記減速開始位置から前記終点に至る区間を等加
   速度で移動するように、前記教示経路上に補間点を定め
   る補間処理を実行する段階と、 （ｇ）前記補間処理で計算された各軸に関する移動指令
   を各軸のサーボ制御系へ出力する段階とを含む、前記ロ
   ボットの位置決め制御時の加減速制御方法。