JPH1055207A

JPH1055207A - ロボット制御装置

Info

Publication number: JPH1055207A
Application number: JP21174396A
Authority: JP
Inventors: Yoshiko Iriyama; 佳子入山
Original assignee: Tokico Ltd
Current assignee: Tokico Ltd
Priority date: 1996-08-09
Filing date: 1996-08-09
Publication date: 1998-02-24

Abstract

(57)【要約】【課題】ロボットを移動させる軌道を変更することな
く、マニピュレータの能力に応じてタクトタイムを最適
化することを可能とし、軌跡精度を確保して作業品質、
生産性及び安全性等の向上を図り得るロボット制御装置
を提供する。【解決手段】コントローラ１内の演算処理装置におい
て、第１〜第６の各軸における旋回ベース８、第１アー
ム１０等の回転角度θ1〜θ6から塗装ガン１８のガン先
位置ｘf及び姿勢Ｒfを求め、これらに基づいて仮の角速
度指令θ′dumを求める。そして、これと各軸における
最大角速度とを比較し、角速度に最も余裕のない軸の角
速度指令値が当該軸における最大角速度となるような角
速度指令θ′comを求め、これに応じた指令信号を出力
する。又、モータトルクτに最も余裕のない軸における
トルクに合わせて角速度指令を求め、指令信号を出力す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、軌跡精度を重要と
する工業用ロボットに用いて好適なロボット制御装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、工業用ロボットの制御装置におい
ては、アームの各軸において発生させ得るトルクや回転
速度等のマニピュレータの能力に応じて、タクトタイム
を演算する機能が設けられていた。そして、かかる機能
を有するロボット制御装置は、ロボットが移動する軌道
を変更することによって、各軸におけるトルクや回転速
度が当該マニピュレータの能力を越えることがないよう
にするものであった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、工業用ロボ
ットの制御においては、ロボットを移動させたときの軌
跡が正確でかつ安定していることが要求される。特に、
塗装ロボットやアーク溶接ロボット、シーリングロボッ
ト等の特定の軌道を移動させるロボットに関しては、軌
跡精度を確保することは極めて重要である。

【０００４】しかし、上述した従来のロボット制御装置
は、マニピュレータの能力に応じて動作に余裕を持たせ
るように軌道自体を変更し、タクトタイムを決定して制
御を行うものであるので、マニピュレータの動作におけ
る加減速時に軌道が外側にふくらむことがある。このた
め、従来のロボット制御装置は、特定の軌道を移動させ
るロボットに適用することが困難であり、又、適用を試
みた場合には、ワークや周辺機器等の環境と干渉するお
それもあるという問題点を有していた。

【０００５】一方、上記機能を有しないロボット制御装
置を用いることとすると、作業軌道以外の軌道における
軌跡精度が著しく低下する。そして、この影響により、
作業軌道における軌跡精度も低下し、作業工程を経た製
品の品質を低下させることになる。

【０００６】従って、従来においては、オペレータが自
らロボットの軌道や移動時間を修正しなければならず、
動作中のロボットの近くで長時間の作業を行わなければ
ならなかった。このため、オペレータは周囲の状況に十
分注意して長時間の作業を行う必要があり、多大な労力
を要していた。更に、かかる時間中はロボットによる作
業を行うことができないので、生産効率を低下させるこ
とにもなっていた。

【０００７】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、ロボットを移動させる軌道を変更することな
く、マニピュレータの能力に応じてタクトタイムを最適
化することを可能とし、軌跡精度を確保してロボットの
作業品質、生産性及び安全性等の向上を図ることができ
るロボット制御装置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】請求項１記載の発明は、
一定時間毎に教示データに基づく目標位置を求めてロボ
ットの可動部分を制御し、教示点間で前記ロボットを移
動させるロボット制御装置において、前記教示点間を結
ぶ軌道上の中間点であって、前記可動部分によって前記
ロボットを現在位置から前記一定時間内に移動させ得る
範囲内にある中間点を求める演算手段と、前記ロボット
を移動させるべき次の目標位置を、前記教示データに基
づく目標位置から前記中間点に変更し、当該変更後の目
標位置に基づいて前記可動部分を動作させる指令信号を
出力する指令信号出力手段とを有することを特徴として
いる。

【０００９】請求項２記載の発明によれば、請求項１記
載のロボット制御装置において、前記演算手段は、少な
くとも一つの可動部分による前記ロボットの移動量を、
当該可動部分によって前記ロボットを現在位置から前記
一定時間内に移動させ得る最大の移動量とする前記中間
点を求める演算手段であることを特徴としている。

【００１０】

【発明の実施の形態】

＜１．構成＞以下に図面を参照して本発明の実施の形態
について説明する。図１は本発明の一実施形態によるロ
ボット制御装置を適用した塗装ロボットシステムの構成
を示す図である。

【００１１】図において、１はコントローラであり、テ
ィーチングペンダント２からの指示データを受け、電源
ケーブル３及び信号ケーブル４を介してマニピュレータ
５の可動部分の軸に設けられたモータ（後述）へ電源を
供給すると共に、マニピュレータ５との間で各種信号の
授受を行い、これによりマニピュレータ５の状態を監視
し、かつ、その動作を制御する。このコントローラ１
は、マニピュレータ５の制御プログラム、教示データ、
各種制御パラメータ等を記憶する記憶装置と、それらプ
ログラム等と前記指示データ及びマニピュレータ５から
受けた信号とに基づいて各種演算処理を行う演算処理装
置とを有しており、該演算処理装置による演算処理の結
果に基づいてマニピュレータ５への指令信号及び電源の
供給を行う。尚、ここにいう演算処理の具体的内容につ
いては、後述の動作説明において明らかにする。

【００１２】ティーチングペンダント２は、オペレータ
がマニピュレータ５の動作を指示するための指示データ
を入力する入力装置であり、入力された指示データをコ
ントローラ１へ出力する。又、電源ケーブル３及び信号
ケーブル４は、コントローラ１とマニピュレータ５とを
接続する接続線であり、電源ケーブル３はマニピュレー
タ５の各軸のモータを駆動するための電流を伝達し、信
号ケーブル４は上記コントローラ１とマニピュレータ５
との間で授受される信号を伝達する。

【００１３】マニピュレータ５は、本塗装ロボットシス
テムにおける塗装ロボットの主要部であって、床面に固
定された固定ベース６によって床面の所定位置に取り付
けられており、図中の符合７〜１８で示す旋回ベース、
モータ、アーム等の構成要素によって構成されている。
以下にこれらの各構成要素について説明する。

【００１４】７は固定ベース６と旋回ベース８との間
（第１軸）に設けられた第１軸ユニットである。この第
１軸ユニット７は、固定ベース６側に固定された第１軸
用モータと、その出力軸と旋回ベース８との間に介在し
て設けられた減速機とからなっている。そして、コント
ローラ１から供給される指令信号に基づいて第１軸用モ
ータが駆動され、その駆動力が減速機を介して伝達され
て旋回ベース８を図中の矢印θ1方向に回動させるよう
になっている。

【００１５】又、旋回ベース８の図中上側部分には、第
２軸用モータ及び減速機からなる第２軸ユニット９が取
り付けられている。この第２軸ユニット９においては、
第２軸用モータが旋回ベース８側に固定されており、そ
の出力軸が減速機を介して第１アーム１０の一端と連結
されて第２軸を構成している。そして、コントローラ１
から供給される指令信号に基づいて第２軸用モータが駆
動され、これにより、第１アーム１０が図中の矢印θ2
方向に回動移動するようになっている。

【００１６】一方、第１アーム１０の先方端側には、第
３軸用モータと減速機とからなる第３軸ユニット１１が
取り付けられている。この第３軸ユニット１１において
は、第３軸用モータの出力軸が減速機を介して第２アー
ム１２と連結されて第３軸を構成している。そして、コ
ントローラ１から供給される指令信号に基づいて第３軸
用モータが駆動され、これにより、第２アーム１２が図
中の矢印θ3方向に回動移動するようになっている。

【００１７】第２アーム１２には、上記第３軸ユニット
１１との連結部側に手首軸ユニットケース１３が取り付
けられており、先方端側に第１手首部材１４、第２手首
部材１５、第３手首部材１６及びパターン旋回部１７が
取り付けられている。

【００１８】ここで、手首ユニットケース１３内には、
第４、第５及び第６軸用モータと、それらのモータそれ
ぞれの減速機とが収納されている（図示略）。又、第１
手首部材１４、第２手首部材１５、第３手首部材１６、
パターン旋回部１７は、それぞれ、図中の矢印θ4、θ5
-1、θ5-2、θ6方向に回動自在な連結軸を介して順次取
り付けられている。更に、第２アーム１２内には、第４
軸用モータの駆動力をθ4方向の回転力として第１手首
部材１４へ伝達する伝達機構と、第５軸用モータの駆動
力をθ5-1及びθ5-2方向の回転力として第２手首部材１
５及び第３手首部材１６へそれぞれ伝達する伝達機構
と、第６軸用モータの駆動力をθ6方向の回転力として
パターン旋回部１７へ伝達する伝達機構とが設けられて
いる。

【００１９】そして、上述したような手首軸部分の構成
において、上記同様、第４、第５、第６軸用モータがコ
ントローラ１から供給される指令信号に基づいて駆動さ
れ、第１手首部材１４、第２手首部材１５、第３手首部
材１６、パターン旋回部１７がそれぞれθ4、θ5-1、θ
5-2、θ6方向に回動するようになっている。

【００２０】１８は一定の方向へ一定の広がりをもって
塗料を噴射する塗装ガンであり、パターン旋回部１７の
先端にブラケットを介して取り付けられている。この塗
装ガン１８の位置及び姿勢は、上記各回転角度θ1、θ
2、θ3、θ4、θ5-1、θ5-2及びθ6（以下、「θ1〜θ
6」と記述する）に基づいて決定され、当該位置にて当
該姿勢でガン先（図中の符合１８ｘ）から塗料が噴射さ
れてワーク（図示略）の塗装がなされる。

【００２１】このように、本塗装ロボットシステムにお
いては、上記各軸ユニット等における旋回ベース８、第
１アーム１０、第２アーム１２、第１手首部材１４、第
２手首部材１５、第３手首部材１６及びパターン旋回部
１７の回転角度θ1〜θ6によって、塗装ガン１８のガン
先１８ｘ位置（ｘ）とそのときの姿勢（Ｒ）とが決定さ
れる。そして、これらの位置、姿勢及び回転角度等は、
コントローラ１の演算処理装置における演算処理により
決定され、その決定に基づく第１〜第６軸用モータへの
指令信号によって制御される。

【００２２】＜２．動作＞Ａ．動作説明における前提事項次に、本塗装ロボットシステムの動作態様について説明
する。まず、動作説明の前提事項として、特定の軌道を
移動させるロボットの一般的な動作態様と、各軸ユニッ
ト等における回転角速度及びトルクの指令値（目標値）
と実際値との関係について説明しておくこととする。

【００２３】（１）教示点間の移動軌道図２に一般的な塗装ロボットにおける教示データと該教
示データに基づいて塗装作業を行うときの軌道の一例を
示す。この図において、点Ｐj（ｊ＝０、１、２、…）
は教示点を表し、これら教示点間を結ぶ実線が、マニピ
ュレータのガン先を移動させる軌道となる。尚、図中符
合Ｗで示した実線枠は、このときのワークの位置であ
る。

【００２４】図において、軌道上の小点は、ロボットの
制御周期毎にガン先を移動させるべき目標位置を示して
いる。この目標位置間の移動は、所定時間毎（例えば５
ms毎）に、コントローラが各軸のモータに対してガン先
を次の目標位置まで移動させるための指令信号を順次出
力することによって行われる。そして、かかる移動中に
おいて、図中「ＯＮ」と示した直線軌道上（ワークＷ
上）では塗装ガンをＯＮして塗装を行い、「ＯＦＦ」と
示した軌道上では塗装ガンをＯＦＦして塗装を行わない
こととするのである。

【００２５】（２）目標値と実際値との相違角速度（θ′）について図３及び図４に第ｉ軸における時間（ｔ）の経過に伴う
角速度の指令値（目標値）とフィードバック値（実際
値）の推移を示す。図においては、実線が角速度指令値
を、破線が角速度フィードバック値を示しており、図中
のθ′i_maxは動作可能な角速度の最大値を、θ′i_minは
最小値（θ′i_maxと逆方向の最大値）を示している。
尚、ここにいう角速度とは、制御周期毎の回転角度を意
味する。

【００２６】図３は最大値θ′i_max及び最小値θ′i_min
に対して角速度指令値に余裕がある場合であり、この場
合には、図示のように実際の角速度が目標とする角速度
に無理なく追従する。

【００２７】一方、図４は角速度指令値が最大値θ′i
_max及び最小値θ′i_minの範囲を超える場合であり、こ
の場合には、図示のように最大値θ′i_max若しくは最小
値θ′i_minを超えている角速度指令値に対し、実際の角
速度が追従できなくなって飽和する。そして、角速度指
令値が再び最大値θ′i_max及び最小値θ′i_minの範囲内
の値となったときに応答遅れが生じる。これは、当該軸
（第ｉ軸）を介したアーム等の先端において大きな誤差
となり、更に、角速度が振動的に変化するためガン先も
振動することになる。

【００２８】トルク（τ）について図５及び図６に第ｉ軸における時間（ｔ）の経過に伴う
トルクの指令値（目標値）とフィードバック値（実際
値）の推移を示す。尚、図においては、実線がトルク指
令値を、破線がトルクフィードバック値を示しており、
又、図中のτi_maxは第ｉ軸における発生可能なトルクの
最大値を、τi_minは最小値（τi_maxと逆方向の最大値）
を示している。

【００２９】図５は最大値τi_max及び最小値τi_minに対
してトルク指令値に余裕がある場合であり、この場合に
は、図示のように実際のトルクが目標とするトルクに対
してある程度の遅れを持って追従する。

【００３０】一方、図６はトルク指令値が最大値τi_max
及び最小値τi_minの範囲を超える場合であり、この場合
には、トルク不足により、当該軸（第ｉ軸）を介したア
ーム等の先端誤差が大となる。更に、トルク指令値が最
大値τi_max及び最小値τi_minの範囲内の値となっても、
追従できない分を補償するように動作するため、実際の
トルクは振動的に変化する。これにより、ガン先も振動
し、その軌道は大きく乱れることになる。

【００３１】Ｂ．本塗装ロボットシステムの動作態様（１）ガン先１８ｘの目標位置修正次に、本塗装ロボットシステムにおいて生成されるガン
先移動軌道上の目標位置（中間点）について説明する。
ここでは、マニピュレータ５の角速度が不足する場合、
トルクが不足する場合及びトルクに余裕がある場合を例
に挙げて説明する。

【００３２】角速度が不足する場合まず、目標とする角速度に対してマニピュレータ５の動
作可能な角速度（θ′i_max、θ′i_min）が不足する場合
の目標位置を図７に示す。この図は、上記図２同様、点
Ｐj（ｊ＝０、１、２、…）が教示点を表し、これら教
示点間を結ぶ実線がガン先１８ｘの移動軌道を、該軌道
上の小点が教示データに基づいて生成された目標位置を
表している。但し、ワークの位置は省略してある。

【００３３】図において、教示点Ｐ1、Ｐ2を結ぶ曲線軌
道は、塗装ガン１８をＯＦＦにして塗装作業をせずに移
動のみを行う部分である。そして、この曲線軌道Ｐ1Ｐ2
上にある印（・）は、教示データに基づいて生成された
ものの、マニピュレータの角速度が不足するために実際
には目標位置として用いることができない中間点を示し
ている。

【００３４】このような場合、本塗装ロボットシステム
においては、曲線軌道Ｐ1Ｐ2上に印×で示したような中
間点を新たに生成し、中間点（・）を消去して目標位置
を中間点×に変更する。この中間点×は、マニピュレー
タ５の第１軸〜第６軸の内で、最も余裕がない（角速度
が不足した）軸の角速度に合わせて生成するものであ
り、中間点（・）よりも間隔が短く、その数（軌道の分
割数）が多いものとなる。

【００３５】トルクが不足する場合続いて、図８に目標とするトルクに対してマニピュレー
タ５の発生可能なトルク（τi_max、τi_min）が不足する
場合の目標位置を示す。尚、この図においても、教示
点、移動軌道及び中間点を上記同様の方式で示してあ
る。

【００３６】トルクが不足する場合には、各軸において
加速又は減速を行う距離を長くしてこれを補償する必要
がある。このため、図示のように、直線軌道（作業軌
道）Ｐ0Ｐ1における最終目標位置（Ｐ1直前の中間点
（・））を教示点Ｐ0側へ変更する。又、曲線軌道Ｐ1Ｐ
2においては、中間点×を設ける間隔を徐々に短くした
後に再び徐々に長くし、教示点Ｐ2前方の目標位置をよ
り前方の位置に変更する。

【００３７】このようにして、マニピュレータ５の発生
可能なトルクの範囲で加速又は減速を行う距離、回数を
増やし、これにより、トルク不足を補償するのである。
尚、この場合、必要に応じて直線軌道Ｐ0Ｐ1上の最終目
標位置のみならず、その手前のいくつかの目標位置を変
更することとしてもよい。

【００３８】トルクに余裕がある場合一方、図９は直線軌道Ｐ0Ｐ1間でトルクに余裕がある場
合の目標位置を示す図である。尚、この図においても、
教示点、移動軌道及び中間点を上記同様の方式で示して
ある。この場合には、各軸の加減速部（モータ及び減速
機等）による発生トルクに余裕があるので、図示の中間
点×のように、直線軌道Ｐ0Ｐ1間における間隔を大き
く、かつ、一定なものとする（図中の間隔ｄ）。そして
これにより、塗装作業中のガン先移動速度を一定にする
のである。

【００３９】（２）制御系図１０に上述のように中間点（目標位置）を生成して制
御を行う本塗装ロボットシステムにおける制御ブロック
図を示す。尚、図中ｘ、Ｒは、それぞれガン先位置ベク
トル、姿勢ベクトルを表し、下付き添え字ｒ、ｆは、そ
れぞれベクトルが目標（位置、姿勢、値）、フィードバ
ック（位置、姿勢、値）であることを表している。又、
θ′ri、θ′fi（ｉ＝１、２、…、６）は、第１軸〜第
６軸それぞれの角速度目標値、角速度フィードバック値
であり、下付き添え字ｉが軸番号を表している。これら
の表記方式は、以下の説明においても同様に用いる。

【００４０】図において、上段のブロックは、教示デー
タに基づく目標位置の変更演算を行う演算部であり、下
段のブロックは、各軸のモータへ実際に出力する指令信
号を求めるサーボ制御部である。上段ブロックでは、ま
ず、ガン先目標位置ｘr及び目標姿勢Ｒrとガン先フィー
ドバック位置ｘf及びフィードバック姿勢Ｒfとの偏差を
求め、該偏差を位置比例ゲインマトリクスＫp及びヤコ
ビ行列の逆行列Ｊ^-1によって、いわゆるロボット座標系
における目標角速度θ′r（θ′r＝［θ′r1，θ′r2，
…，θ′r6］^T）に変換する。そして、各軸の角速度目
標値θ′riについて、角速度リミッタθ′limにより、
各軸の動作能力が該角速度目標値に対して不足していな
いか、又、余裕があるか否かをチェックする。

【００４１】次いで、上記角速度目標値θ′riを目標値
として、Ｋvi、τlim、Motor+Armを含む速度フィードバ
ックループにより、通常のフィードバック制御系による
制御演算同様の演算処理を行う。尚、図においては、第
１軸と第６軸についての制御系以外を省略してあるが、
第２軸〜第５軸についての制御系も同様の速度フィード
バックループによって構成される。

【００４２】ここで、Ｋviは角速度目標値をトルク目標
値に変換する変換演算子Ｋvの第ｉ軸に対応する成分
を、Motor+Armは制御対象である上記モータや減速機等
からなる各軸を表すものである。そして、τlimは、各
軸において発生可能なトルクが目標トルクに対して不足
していないか、又、余裕があるか否かをチェックするト
ルクリミッタである。

【００４３】本塗装ロボットシステムでは、上記上段ブ
ロックの角速度リミッタθ′lim及びトルクリミッタτl
imのチェック結果に基づき、ガン先目標位置ｘr及び目
標姿勢Ｒrを演算し直す。そして、その演算し直したガ
ン先目標位置ｘr及び目標姿勢Ｒrを目標値として、下段
ブロックのサーボ制御系により各軸のモータへの指令値
を算出し、該指令値に応じた指令信号を出力する。尚、
これらの演算処理手法の詳細については、次の「（３）
制御動作」において説明する。

【００４４】ここで、下段ブロックの各構成要素（Ｋ
p、Ｊ^-1、Ｋvi、Motor+Arm ）は、上記上段ブロックの
各構成要素と同様であり、第１軸と第６軸以外の制御系
も同様に省略してある。又、下段ブロックの後段におい
ては、各軸の角速度フィードバック値を積分演算子ｚ／
ｚ−１によって積分した後、運動学変換演算子ｆ（θ）
によってガン先フィードバック位置ｘr、フィードバッ
ク姿勢Ｒrとしてフィードバックする。

【００４５】（３）制御動作次に、本塗装ロボットシステムにおける塗装ロボットの
制御動作について説明する。本塗装ロボットシステムで
は、（２）の制御系において、（１）で述べた目標値修
正が以下の手順によって行われて塗装ロボットが制御さ
れる。尚、以下においては、角速度により目標値を変更
する場合（図７）と、トルクにより目標値を変更する場
合（図８及び図９）とを分けて説明するが、必要に応じ
て両者を併用することとしてもよい。

【００４６】各軸の角速度による目標値修正と動作制
御初めに、各軸の角速度によりガン先目標位置ｘr及び目
標姿勢Ｒrの修正演算を行い、これに基づいて塗装ロボ
ットの動作を制御する制御動作について、図１１を参照
して説明する。図１１に示す処理は、一定の単位時間毎
に繰り返し行われるもので、ここにいう単位時間とは、
現在のガン先位置等の信号と指令信号の授受が行われる
サンプリングタイム（Ｔs）がこれに当たる。本塗装ロ
ボットシステムにおいては、コントローラ１の演算処理
装置により、５msのサンプリングタイム毎に図１１に示
す処理がなされ、ガン先目標位置ｘr及び姿勢Ｒrが算出
されて各軸が制御される。尚、以下においては、このガ
ン先目標位置等を算出するサンプリングタイム毎のカウ
ンタをｋで表す。又、教示点（Ｐj）のカウンタはｊで
表すものとする。

【００４７】まず、マニピュレータ５から信号ケーブル
４を介してコントローラ１へ各軸の回転角度信号が供給
され、コントローラ１内の演算処理装置が各軸の回転角
度θ（ｋ）（θ（ｋ）＝［θ1（ｋ），θ2（ｋ），…，
θ6（ｋ）］^T）を取り込む（ステップＳ1）。そして、
この取り込んだ回転角度θ（ｋ）を基に、このときのガ
ン先位置ｘf（ｋ）及び姿勢Ｒf（ｋ）を算出する（ステ
ップＳ2）。ここで、ガン先位置及び姿勢は、幾何学的
手法により、各軸の回転角度の関数として求めることが
できる。

【００４８】次に、ステップＳ3でガン先目標位置ｘr及
び姿勢Ｒrを求める処理Ｉを行う。この処理Ｉの手順を
図１２に示す。図１２においては、まず、ステップＳ20
で塗装ガン１８の塗料噴射がＯＮ状態かＯＦＦ状態かを
判断する。この塗装ガン１８のＯＮ／ＯＦＦは、コント
ローラ１からの指令信号によって制御されるもので、ス
テップＳ20では、教示データ中の該指令信号を決定する
指示データ（塗装ガン１８のＯＮ／ＯＦＦ情報）を参照
して前記判断を行う。

【００４９】このとき、塗料噴射がＯＮ状態であった場
合には、目標位置カウンタｋを１インクリメントし（ス
テップＳ21）、ＯＦＦ状態であった場合には、目標位置
カウンタｋを間隔ｄｋだけ大きくする（ステップＳ2
2）。ここで、間隔ｄｋは、角速度の余裕が最も少ない
軸における角速度目標値に対する角速度最大値θi_maxの
比であり、後述の処理によって求められるものである。
従って、動作開始時の間隔ｄｋが求められていない状態
にあっては、例外的に塗料噴射のＯＮ／ＯＦＦに拘らず
ステップＳ21へ進むこととしたり、間隔ｄｋに適当な初
期値を設定しておいたりして処理を行う。

【００５０】次に、ガン先目標位置ｘrが教示点Ｐj上に
到達したか否かを判断する（ステップＳ23）。この判断
は、目標位置カウンタｋと、教示点Ｐj-1〜Ｐj間の総カ
ウント数Ｎとを比較して判断する。ここに、総カウント
数Ｎは、教示点間の移動時間ＴをサンプリングタイムＴ
sで割った値であり、教示データに基づいて教示点間を
分割する中間点（目標位置）の総数に相当する。

【００５１】ステップＳ23においては、目標位置カウン
タｋが総カウント数Ｎに等しいときのみならず、それよ
り大きいときにも教示点上に到達したものと判断され、
ステップＳ24へ進む。これは、本塗装ロボットシステム
における制御が上述のように目標位置カウンタｋを必ず
しも１づつインクリメントするものではないことに起因
する。尚、動作開始時にあっては、ガン先目標位置ｘr
が教示点Ｐ0であるので、ｋ＝Ｎ（＝０）であり、ステ
ップＳ24へ進むことになる。

【００５２】ステップＳ24では、教示点カウンタｊを１
インクリメントし、目標位置カウンタｋを０としてクリ
アする。

【００５３】次いで、ステップＳ25で教示点Ｐj（現在
位置）と教示点Ｐj+1（次にめざす教示点）との間のガ
ン先目標位置ｘrの補間式を決定する。この補間式は、
通常、時間ｔの多項式で表され、その多項式が教示点Ｐ
jとＰj+1との間を結ぶ軌道を表す式となる。又、同時
に、教示点Ｐjでの姿勢Ｒjから教示点Ｐj+1での姿勢Ｒj
+1への回転ベクトルｒと、ｋのカウント時毎に該回転ベ
クトルｒの方向へ各軸を回転させる回転角度αを表す多
項式も決定する。尚、これらの多項式は、図中のステッ
プＳ27（後述）において示されているような形となって
おり、時間ｔが与えられることによって、当該時間ｔに
応じたガン先目標位置ｘr及び目標姿勢Ｒrを算出できる
ようになっている。

【００５４】続いて、ステップＳ26で教示点Ｐj〜Ｐj+1
間の教示データに基づいた移動時間Ｔを求め、これをサ
ンプリングタイムＴsで割り、移動時間Ｔに対応する総
カウント数Ｎを求める。

【００５５】そして、ステップＳ27において、時間ｔを
カウンタｋの値に対応した時間ｋ・Ｔsとし、これを上
述の多項式に代入してガン先目標位置ｘr及び目標姿勢
Ｒrを算出する。尚、上記ステップＳ23において、教示
点上に到達していないと判断されたときには、ステップ
Ｓ24〜Ｓ26の処理を行わず、既に求められている現在移
動中の軌道についての多項式により、ステップＳ27の処
理を行う。

【００５６】以上述べた処理Ｉを図１１のステップＳ3
で行い、その後ステップＳ4へ進んで塗装ガン１８の塗
料噴射がＯＮ状態であるか否かを判断する。このとき、
塗料が噴射されており、ＯＮ状態であると判断されたと
きは、塗装作業が行われているときであるので、目標位
置カウンタｋを１インクリメントした通常のガン先目標
位置ｘr及び目標姿勢Ｒrに基づいて各軸の移動速度ｘ′
を求め、各軸の角速度指令値θ′i_comを算出する（ステ
ップＳ5）。

【００５７】ここで、目標位置カウンタｋを１インクリ
メントしたガン先目標位置ｘr、目標姿勢Ｒrは、上記処
理Ｉによって求められている。従って、それらからガン
先フィードバック位置ｘf、フィードバック姿勢Ｒfをそ
れぞれ減じることによって、サンプリングタイム毎の移
動距離、すなわち、移動速度ｘ′が求められる（ｘ′＝
［ｘr−ｘf，Ｒr−Ｒf］^T）。ステップＳ5の演算処理で
は、各軸の角速度θ′と移動速度ｘ′との関係がｘ′＝
Ｊθ′（Ｊはヤコビ行列）であることから、移動速度
ｘ′をヤコビ逆行列Ｊ^-1と位置比例ゲインマトリクスＫ
pとで変換して各軸の角速度指令値θ′i_comを算出す
る。尚、この場合の処理は、図１０の上段ブロックによ
る目標位置の変更を行わずに、教示データに基づく通常
の目標位置を用いて指令値を算出する処理に相当する。

【００５８】一方、塗料が噴射されておらず、塗装ガン
１８がＯＦＦ状態であるときは、図１０の上段ブロック
による目標位置の変更が行われ、変更後の目標位置に基
づいて指令値が算出される。この場合は、図１１におい
てステップＳ4からステップＳ6へ進み、以下に述べる処
理が行われる。

【００５９】まず、ステップＳ6で仮の角速度指令θ′
_dumを算出する。ここでは、上記ステップＳ5同様の演算
処理により、目標位置カウンタｋを１インクリメントし
たガン先目標位置ｘr及び目標姿勢Ｒrに基づいて算出し
た各軸の角速度指令値を仮の角速度指令θ′_dum（θ′
_dum＝［θ′1_dum，θ′2_dum，…，θ′6_dum］^T）とす
る。

【００６０】次いで、第１軸〜第６軸それぞれについ
て、上記仮の角速度指令値θ′i_dumと当該軸の最大角速
度θ′i_maxとの比ｒａｔｉｏ（ｉ）を求め（ステップＳ
7）、それら求めた各軸についての比ｒａｔｉｏ（ｉ）
のうち、最も小さい値をとるもの（ｒａｔｉｏ_min）を
選択する（ステップＳ8）。

【００６１】そして、ステップＳ9でその選択した比ｒ
ａｔｉｏ_minを間隔ｄｋに代入する。この間隔ｄｋは、
ステップＳ4でＯＦＦ状態と判断された場合のサンプリ
ングタイム時において目標位置カウンタｋを増加させる
間隔となり、後の処理においてｋに加算される。又、こ
れと同時にステップＳ9では、ステップＳ3の処理Ｉにお
けるステップＳ21若しくはＳ22でインクリメントしたｋ
の値を前回のサンプリングタイムにおける値に戻す。こ
れは、ステップＳ6以後の処理が、ステップＳ3の処理Ｉ
により求めた目標位置カウンタｋ及びガン先目標位置ｘ
r等を仮の値及び仮の目標位置等として使用するに過ぎ
ず、実際の目標値をこれから新たに求めるものであるた
めである。

【００６２】次に、ステップＳ10で再び上述の処理Ｉを
行い、ガン先目標位置ｘr及び目標姿勢Ｒrを算出する。
ここでの処理Ｉは、図１２に示した上記ステップＳ3に
おける処理Ｉと基本的に同様であるが、ステップＳ10で
は塗料噴射がＯＦＦ状態にあるので、ステップＳ20から
は必ずステップＳ22へ進み、目標位置カウンタｋを上記
ステップＳ9で求めた間隔ｄｋだけ増加させることとな
る。

【００６３】これにより、ステップＳ27で各多項式に代
入される時間ｔ（ｋ・Ｔs）は、角速度に最も余裕のな
い軸における角速度指令値を当該軸の最大角速度とする
サンプリング間隔に対応した時間となる。すなわち、ス
テップＳ27では、教示データに基づく軌道上であって、
かつ、最大角速度に対して最も余裕のない軸に合わせて
変更されたガン先目標位置ｘr及び目標姿勢Ｒrが算出さ
れることになるのである。

【００６４】尚、このステップＳ27での演算は、角速度
に最も余裕のない軸の仮の角速度指令値が最大角速度を
下回っている場合にも同様に行われ、当該軸の角速度指
令値を当該最大角速度とするようなガン先目標位置ｘr
及び目標姿勢Ｒrが算出される。

【００６５】そして、変更後のガン先目標位置ｘr及び
目標姿勢Ｒrに基づいて角速度指令θ′_comを算出する
（図１１のステップＳ11）。尚、ここでの演算も上記同
様、移動速度ｘ′をヤコビ逆行列Ｊ^-1と位置比例ゲイン
マトリクスＫpとで変換するものである。このようにし
て、角速度に最も余裕がない軸に合わせて最適化された
角速度指令θ′_comが求められる。

【００６６】以上述べたように、ステップＳ4からステ
ップＳ5若しくはステップＳ6〜Ｓ11の処理を経て、ステ
ップＳ12へ進み、現在移動中の軌道における塗装ガン１
８のＯＮ／ＯＦＦ情報に基づく指令信号により塗料噴射
を制御する。そして、ステップＳ13で上述のようにして
求めた角速度指令θ′_comに基づき、第１〜第６軸用モ
ータそれぞれに対して角速度の指令信号を出力し、各軸
を制御する。

【００６７】各軸のトルクによる目標値修正と動作制
御次に、各軸のトルクによりガン先目標位置ｘr及び目標
姿勢Ｒrの修正演算を行い、これにより塗装ロボットの
塗装作業中以外の移動時間を最適化して動作を制御する
制御動作について、図１３を参照して説明する。尚、図
１３に示す処理は、図１１同様、サンプリングタイムＴ
s毎に繰り返し行われるものである。又、サンプリング
タイム毎のカウンタ、教示点（Ｐj）のカウンタは、上
記同様ぞれぞれｋ、ｊで表す。

【００６８】まず、ステップＳ30でマニピュレータ５か
ら信号ケーブル４を介してコントローラ１へ各軸の回転
角度信号が供給され、コントローラ１内の演算処理装置
が各軸の回転角度θ（ｋ）を取り込む。又、この取り込
んだ回転角度θ（ｋ）を基に、このときのガン先位置ｘ
f（ｋ）及び姿勢Ｒf（ｋ）を算出する。

【００６９】次いで、回転角度θ（ｋ）より、マニピュ
レータ５の慣性マトリクスＨの対角成分Ｈiiと重力トル
クτg（τg＝［τ1g，τ2g，…，τ6g］^T）とを算出す
る（ステップＳ31）。ここで、対角成分Ｈii及び重力ト
ルクτgは、回転角度θ（ｋ）に基づいて、第１アーム
１０や第２アーム１２等の長さ、質量及び質量中心位置
等の既知の量を用いることにより、幾何学的手法によっ
て求めることができる。

【００７０】そして、各軸の角加速度θ″（ｋ）及び角
速度θ′（ｋ）を算出する（ステップＳ32、Ｓ33）。こ
こで、角加速度θ″（ｋ）、角速度θ′（ｋ）は、それ
ぞれ差分法を用いて θ″（ｋ）＝｛θ（ｋ）−θ（ｋ−１）｝−｛θ（ｋ−
１）−θ（ｋ−２）｝ θ′（ｋ）＝θ（ｋ）−θ（ｋ−１）として算出される。尚、これらの演算に必要な１サンプ
リングタイム前の回転角度θ（ｋ−１）及び２サンプリ
ングタイム前の回転角度θ（ｋ−２）は、コントローラ
１内の記憶装置に予め記憶しておくこととする。

【００７１】次に、ステップＳ34で各軸において必要と
されるトルクτ（τ＝［τ1，τ2，…，τ6］^T）を算出
する。通常、図１に示したような塗装ロボットにおいて
必要とされるトルクτは、

【数１】として求められる。数１中、（ｉ）はトルクτの各成分
と角速度θ′等の各成分との対応を表し、右辺第１項は
慣性トルク、第２及び第３項は他の軸との干渉トルク、
第４項は減速機の摩擦等によるトルク、第５項は重力ト
ルクに相当する。

【００７２】上記数１の右辺のうち、主に第１、第４及
び第５項がトルクτを決定するので、ステップＳ34では
第２及び第３項を省略し、各軸のトルクτiを τi＝Ｈiiθ″i（ｋ）＋Ｃiθ′i（ｋ）＋τig として算出する。尚、ここで、Ｃiθ′i（ｋ）は第ｉ軸
における減速機の摩擦抵抗によるトルクに相当する。

【００７３】続いて、第１軸〜第６軸それぞれについ
て、

【数２】により、比ｒａｔｉｏ（ｉ）を求める（ステップＳ3
5）。ここで、求めたトルクτi、当該軸の最大トルクτ
i_maxのそれぞれからトルクＣiθ′i（ｋ）及びτigを減
じたものは、トルクτiと最大トルクτi_maxのうちのモ
ータの駆動力によるトルクに相当し、数２ではそれらを
２乗したものの比をｒａｔｉｏ（ｉ）とする。

【００７４】そして、各軸についての比ｒａｔｉｏ
（ｉ）のうちで最も小さい値をとるもの（ｒａｔｉｏ
_min）を選択し（ステップＳ36）、その選択した比ｒａ
ｔｉｏ_minを間隔ｄｋに代入する（ステップＳ37）。但
し、各軸の角速度を減速させているときについては、選
択したｒａｔｉｏ_minの逆数を間隔ｄｋに代入する。こ
のようにして求めた間隔ｄｋは、モータトルクに最も余
裕がない軸における現在のモータトルクと最大のモータ
トルクとの比になる。

【００７５】次に、ステップＳ38で図１２の処理Ｉを上
記同様に行い、ガン先目標位置ｘr及び目標姿勢Ｒrを算
出する。ここでの処理Ｉにおいては、塗装作業中でない
ことから、ステップＳ20から必ずステップＳ22へ進み、
目標位置カウンタｋを上記ステップＳ37で求めた間隔ｄ
ｋだけ増加させることとなる。

【００７６】これにより、ステップＳ27で各多項式に代
入される時間ｔ（ｋ・Ｔs）は、モータトルクに最も余
裕のない軸におけるモータトルクを当該軸用モータの最
大トルクとするサンプリング間隔に対応した時間とな
る。すなわち、ステップＳ27では、教示データに基づく
軌道上であって、かつ、最大モータトルクに対して最も
余裕のない軸に合わせて変更されたガン先目標位置ｘr
及び目標姿勢Ｒrが算出されることになるのである。

【００７７】尚、このステップＳ27での演算は、トルク
に最も余裕のない軸のモータトルクが最大モータトルク
を下回っている場合にも同様に行われ、当該軸のモータ
トルクを最大モータトルクとするようなガン先目標位置
ｘr及び目標姿勢Ｒrが算出される。

【００７８】そして、この変更後のガン先目標位置ｘr
及び目標姿勢Ｒrに基づいて角速度指令θ′_comを算出す
る（図１３のステップＳ39）。このようにして、モータ
トルクに最も余裕がない軸に合わせて最適化された角速
度指令θ′_comが求められ、これに基づいた指令信号が
第１〜第６軸用モータそれぞれに対して出力されて各軸
が制御される（ステップＳ40）。

【００７９】以上述べた本塗装ロボットシステムにおけ
る制御動作により、角速度又はモータトルクに最も余裕
のない軸については、角速度又はモータトルクを当該軸
における最大角速度又は最大モータトルクとするような
指令信号が供給され、他の軸については、教示データに
基づく移動軌道において、前記指令信号が供給される時
間に対応した指令信号が供給される。すなわち、動作可
能な角速度又は発生可能なモータトルクの範囲内で、移
動軌道を変更することなく、教示点間の中間点（ガン先
目標位置及び目標姿勢）が変更され、その変更後の中間
点までの移動距離に応じて角速度が制御される。これに
より、移動軌道の変更を要せず、かつ、ガン先１８ｘの
軌跡を乱すこともなく、マニピュレータ５の能力に合わ
せてタクトタイムを最適化しつつ、塗装ロボットの制御
を行うことができることになる。

【００８０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、教
示点間でロボットを移動させるロボット制御装置におい
て、目標位置を、教示点間を結ぶ軌道上に位置し、か
つ、ロボットの可動部分によって移動させ得る範囲内に
ある中間点に変更することとしたので、ロボットを移動
させる軌道を変更することなく、タクトタイムを長、短
両方に調整してロボットの動作能力に合わせた制御を行
うことができる。これにより、自動的にタクトタイムを
最適化することができると共に、軌跡精度を向上させて
ロボットの作業品質も向上させることができるという効
果が得られる。

【００８１】更に、軌跡精度が確保されることから、ロ
ボットがワークや周辺機器等と干渉することがなくな
り、オペレータが軌道修正の作業を行う必要もなくな
る。これにより、干渉による機器破損のおそれを回避す
ることができると共に、オペレータによる教示時間を短
縮することができ、安全性、生産性の向上及びオペレー
タの労力軽減等を図ることができるという効果が得られ
る。

【００８２】又、請求項２記載の発明によれば、少なく
とも一つの可動部分によるロボットの移動量が最大とな
るように目標位置が変更されるので、ロボットの動作能
力を最大限活用しつつ、上記タクトタイムの最適化や作
業品質の向上等を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態によるロボット制御装置
を適用した塗装ロボットシステムの構成を示す図であ
る。

【図２】一般的な塗装ロボットにおける教示データ及
び該教示データに基づく塗装作業の軌道を示す図であ
る。

【図３】角速度指令値に余裕がある場合の角速度指令
値とフィードバック値の推移を示す図である。

【図４】角速度指令値が最大値θ′i_max及び最小値
θ′i_minの範囲を超える場合の角速度指令値とフィード
バック値の推移を示す図である。

【図５】トルク指令値に余裕がある場合のトルク指令
値とフィードバック値の推移を示す図である。

【図６】トルク指令値が最大値τi_max及び最小値τi
_minの範囲を超える場合のトルク指令値とフィードバッ
ク値の推移を示す図である。

【図７】本実施形態における角速度が不足する場合の
目標位置修正を示す図である。

【図８】本実施形態におけるトルクが不足する場合の
目標位置修正を示す図である。

【図９】本実施形態におけるトルクに余裕がある場合
の目標位置修正を示す図である。

【図１０】本塗装ロボットシステムにおける制御ブロ
ック図である。

【図１１】各軸の角速度により目標位置及び目標姿勢
を変更して塗装ロボットを制御する制御動作を示す図で
ある。

【図１２】ガン先目標位置ｘr及び姿勢Ｒrを求める処
理Ｉの手順を示す図である。

【図１３】各軸のトルクにより目標位置及び目標姿勢
を変更して塗装ロボットを制御する制御動作を示す図で
ある。

【符号の説明】

１コントローラ２ティーチングペンダント３電源ケーブル４信号ケーブル５マニピュレータ７第１軸ユニット９第２軸ユニット１０第１アーム１１第３軸ユニット１２第２アーム１４第１手首部材１５第２手首部材１６第３手首部材１７パターン旋回部１８塗装ガン１８ｘガン先

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所 // Ｂ２５Ｊ 17/00 Ｇ０５Ｂ 19/415 Ｈ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一定時間毎に教示データに基づく目標位
置を求めてロボットの可動部分を制御し、教示点間で前
記ロボットを移動させるロボット制御装置において、前記教示点間を結ぶ軌道上の中間点であって、前記可動
部分によって前記ロボットを現在位置から前記一定時間
内に移動させ得る範囲内にある中間点を求める演算手段
と、前記ロボットを移動させるべき次の目標位置を、前記教
示データに基づく目標位置から前記中間点に変更し、当
該変更後の目標位置に基づいて前記可動部分を動作させ
る指令信号を出力する指令信号出力手段とを有すること
を特徴とするロボット制御装置。
【請求項２】請求項１記載のロボット制御装置におい
て、前記演算手段は、少なくとも一つの可動部分による前記
ロボットの移動量を、当該可動部分によって前記ロボッ
トを現在位置から前記一定時間内に移動させ得る最大の
移動量とする前記中間点を求める演算手段であることを
特徴とするロボット制御装置。