JPS58217015A

JPS58217015A - ロボツトのヒステリシスの補正方法

Info

Publication number: JPS58217015A
Application number: JP10001382A
Authority: JP
Inventors: Katsushi Nishimoto; 西本　克史; Susumu Kawakami; 進川上; Takashi Uchiyama; 隆内山; Makoto Araki; 誠荒木
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1982-06-11
Filing date: 1982-06-11
Publication date: 1983-12-16

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】〔発明の技術分野〕本発明は、多関節型ロボットにおいて各関節に使用され
る減速器の有するバック・ラッシュに起因する運転のヒ
ステリシス特性を所望の関数で近似して目標回転角を算
出し、その出力によりロボットの各関節を制御するロボ
ットのヒステリシス補正方法に関する。

〔従来技術と問題点〕

第１図は一般的な多関節型ロボットの概観を示す図、第
２図はロボットの関節部の構造の１例を示す断面図、第
３図はエンコーダの形状を示す図、第４図はロボットの
関節部にみられる典型的なヒステリシス特性の例を示す
図、第５図はロボットの関節部にみられる実際のヒステ
リシス特性の例を示す図である。

図において、１．１′と１／ｌは関節、２と３はアーム
、４はベアリング、５は減速器、６は磁石、７はモータ
の電機子、８は回転シャフト、９はエンコーダ、ｌＯは
スリット検出部、９′はスリットを示す。

電気サーボ式のロボットの多くは、モータと減速器が一
体となって使用されている。かかるロボットを、電子部
品、半導体部品の組立等の１０μｍ以内の精密組立作業
に適用する場合、減速器の非線形性が大きな問題となる
。３つの回転揺動する関節１．１′と１〃を有する多関
節型ロボットの一般的な概観を示したのが第１図であり
、それらの関節１．１′と１＃のうちの関節１に相当す
る部分の断面図を示したのが第２図である。関節１では
、アーム２が固定側になり、アーム３が回転揺動側にな
って内蔵された駆動機構によシ駆動されて回転揺動する
。関ＷＪ１の内部には、第２図に示すようにその中央部
に回転シャフト８が設けられ、回転シャフト８にモータ
の電機子７と例えばオプティカル・ロータリーΦタイプ
のエンコータ９カ取！０付けられる。回転揺動側のアー
ム３にはモータの固定子となる磁石６が取り付けられる
。そして固定側のアーム２と回転揺動側のアーム３およ
び回転シャフト８０間はハーモニック・ドライブ・シス
テムからなる減速器５によシ結合される。エンコーダ９
は、第３図に示すように１位置信号を発生するスリット
９′が周上に切ってあり、このスリット９′がスリット
検出部１０によって検出される。

スリット検出部ＩＯは、スリット９′をはさんで両側に
発光部と受光部とを設け、その発光部と受光部との間を
スリット９′が通過したとき受光部が受光状態となるよ
うに構成され、受光部からの受光状態を示す信号が位置
信号として用いられる。関節１には第２図に示すように
減速器５が用いられておシ、関節１を１回転させるため
には、モータは多回転する必要がある。したがって、モ
ータに直結されたエンコーダ９も多回転する。例えば減
速比を１／１００とす扛ば、関節１の１回転はエンコー
ダ９０１００回転を意味する０関節１の位置信号は、１
００回転するエンコーダ９のスリット９′によって検出
されるので、きわめて精度の高い位置検出信号が得られ
る。即ち、関節１が１／１００回転揺動したときエンコ
ーダ９は１回転し、スリット９／の数の位置検出パルス
信号が得られる。

しかしながら、このように高精度な位置信号であっても
、それが厳密に関節１の動き即ち可動側のアーム３の動
きと対応していることが必要である。

ところが減速器は、それの有するバック・ラッシュのた
めヒステリシス曲線を描く。典型的なヒステリシス曲線
の例を示したのが第４図であり、実際に現わ扛るヒステ
リシス特性の例を示したのが第５図である。図において
、横軸は指示された目標回転角でめ９、縦軸は実際に動
いた回転角である。ここで■、■の部分は目標回転角が
実際の回転角と一致する部分であるが、■、■の部分は
減速器の有するバック・ラッシ凰のため目標回転角に実
際の回転角が追従できず動は彦い部分である。

この■、■の部分は、現実には■、■のように少しは動
くことができるが、目標回転角に実際の回転角が一致す
ることはない０このような減速器のバック・ラッシュは
、減速器の弾性的な歪や摩擦等のために生じるもので、
関節の回転揺動する方向を反転したところでみられる。

従りて、このようなヒステリシス特性を有する減速器を
多関節型ロボットに用いる場合には大きな問題が生ずる
。

多関節型ロボットにおける３次元空間での位置決めは、
６個の関節の協調作業によって行わｎる。

これは、ハンドの方向を変えないでｂｇ＋Ｙ＋ｇの夫々
の方向にハンドを動かす場合、６個の関節の回転角度θ
１ないしθ・６が全て変化することを意味する。このよ
うな状況において、各関節が夫々光に述べたようなヒス
テリシスを持てば、各関節は指令値通９には動かず、例
えばＸ方向に動かしているつもりが、１１ｇ方向にも変
化していくような結果が生ずる。このような動きは、関
節の動きが反転した場合、ロボットの腕の先端の軌跡の
誤差となって表われ、例えばＸ方向に直線に動かしてい
るつもりがそのとおりに動かなくなる。又、ヒスグリシ
２内部での数μ常の微細な動きでは、その位置決め精度
に重大な影響を及ぼす０以上のヒステリシス特性による
誤差は、結局のところ、目標回転角だけモータは回転し
たことがエンコーダによって検出されても、減速器が介
在することにより実際のロボットの腕はエンコーダによ
って検出された角度だけ動いていないため生じるもので
ある。

〔発明の目的〕

本発明は、上記の欠点を除去するものであって、ロボッ
トの各関節の駆動に使用される減速器がバック争ラッシ
ュを持っていても、それを補償してヒステリシス内の微
細な動きにおける位置決め精度を向上させることができ
るロボットのヒステリシス補正方法を提供することを目
的とするものである。

〔発明の構成〕

そのため本発明のロボットのヒステリシス補正方法は、
モータと該モータに結合された回転角検出手段と上記モ
ータに結合された減速器とを関節に有し該減速器が可動
腕に結合されたロボット、および上記回転角検出手段の
出力信号によシ上記ロボットの腕の先端の位置を検出す
ると共に該先端の位置と目標位置から目標回転角を求め
て上記ロボットの腕の先端の位置が上記目標位置に位置
決めされるように上記回転角検出手段の出力に基づいて
上記モータを制御する制御装置を備えたロボット制御シ
ステムにおいて、ロボットの腕の回転する方向が反転し
た時に目標回転角と実際の回転角との間に生じるヒステ
リシス曲線を求め、上記制御装置により、上記腕の先端
の位置を目標位置に位置決めする際に目標回転角を求め
た後、■　上記目標回転角が前回の回転方向と比べて反
転したかどうかを調べる処理と、 ■　上記■の処理によシ反転したと判定されたことを条
件に反転する直前の点を上記ヒステリシス曲線の原点に
定める処理と、 ■　上記■の処理により反転しないと判定されたときに
は前回に用いられた原点位置に従い、上記■の処理によ
り反転したと判定されたときには上記■の処理により定
められた原因位置に従って上記目標回転角が上記ヒステ
リシス曲線の非線形部分より小さいかどうかを調べる処
理と、 ■　上記■の処理により小さいと判定されたことを条件
に上記目標回転角を実際に動かすのに必要な補正回転角
を上記ヒステリシス曲線に基づいて求める処理と、 ■　上記■の処理により小石くないと判定されたことを
条件に上記目標回転角を上記位置決めの指令として出力
し、又は上記■の処理によシ求められた補正Ｎ転角を上
記位置決めの指令として出力する処理と。

を行うことを特徴とするものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を図面を参照しつつ説明する。

第６図はヒステリシス曲線の非線形部分の拡大図、第７
図は本発明が適用されるロボット制御システムの概要を
示す図、第８図は本発明による制御回路の処理の流れを
示すフロー〇チャートであるＯ第７図において、　１１はＣＰＵ　（中央処理装置）、
ｌ２はメモリ、１３はＣＲＴ　（表示装置）、１４はキ
ー・ボード、１５はフロッピィΦディスク・ユニット、
１６ハパラレル入出力ボート、１７はフォース・センサ
・インターフェイス、１８はサーボ制御回路、１９はポ
ジションｅセンサ・インターフェイス、２０はセンサー
インターフェイス、２１はティーチングΦペンダン）−
インターフェイス％２２はティーチング・ペンダント、
２３は多量節目ボットを示す。

第６図は、第５図の下の部分を拡大して示して１おシ、
同一記号は同一の部分を示している（以下、上部につい
ても全く同様であるン。■の部分は指示された回転角に
追従してロボットが正確に動く線形部分、■の部分は■
の部分から回転角の方向が反転した時に、バック・ラッ
シュの影響で指示された回転角に追従し得ない非線形部
分である。

今、回転の方向が反転した点を原点Ｏとし、横軸を指示
される目標回転角、縦軸を実際の回転角とする。そして
■は非線形部分■と線形部分■との分岐点、■はその点
の縦軸への射影である。このようなヒステリシス曲線は
、例えば関節を正弦波で励振して腕の先端を高精度の位
置センサで測定することにより得られる。この得られた
ヒステリシス曲線から非線形部分■を多項式で近似する
。

多項式の次数は一意的ではなく、次数をあげｎばあげる
程精度はよくなるが、測定誤差なども含まれるため２次
ないし５次が適当である。最小二乗法等で得られた多項
式関数をＳＩ＝／（π）とする。ここで２が横軸の目標
回転角、Ｖが縦軸の実際の回転角に対応する。

本発明は、非線形部分■を近似した多項式関数ν＝　／
　（ｍ）を用い、非線形部分■の範囲をロボットの腕が
回転する場合に実際の回転角ｙｏを得る必要な目標回転
角’２６を算出して補正するものである。

制御システム全体の概要を第７図に示す。システム全体
を制御するＣＰＵ　（中央処理装置）１１、メモリ１２
、ＣＲＴ　（表示装置ン１３、キー・ボード１４゜フロ
ッピィ・ディスク会ユニット１５等にバスが接続さｎ、
バスとＩ１０データ制御ケーブルとの間にはパラレル入
出力ボート１６が接続される。工１０データー制御ケー
ブルには、フォース・センサ−インターフェイス１７．
サーボ制御ション−センサ・インターフェイス１９，センサーイン
ターフェイス２０，およびティーチ・ペンダント・イン
ターフェイス２１が接続される。フォース・センサ・イ
ンターフェイス１７からは，多関節ロボットのハンド先
端の圧力がセンスされる。サーボ制御回路１８は多関節
ロボット２３の関節やハンドの各種制御を行うもので，
各関節のポジション・センサの内容がポジション書セン
サ・インターフェイス１９との間で参照さｎる。センサ
・インターフェイス２０からは、例えは電源投入時に各
関節を原点位置にセットする際，原点位置をセンスする
など．各センサの内容がここから読み込まれる〇ティー
チング・ペンダント・インターフェイス２１にはティー
チング・ペンダント２２が接続される。

ロボットのティーチングを行う場合には，ティーチング
・ペンダント２２からオペレータによシ指令が出てれ，
出された指令に基づいてサーボ制御回路１８は多関節ロ
ボット２３の各関節を回転揺動させるＯ次に第７図に示す制御システムにおいて５本発明による
制御回路１８が目標位置を与えられたときの処理の流れ
を第８図を参照しつつ説明する。

■　ロボットのハンドの目標位置に対して各関節の目標
回転角を求め、■の処理を行う。

■　■の処理によシ求めた目標回転角が前回の方向と比
べて反転したかどうかを調べる。

Ｙ−８の場合にａωの処理を行い％Ｎｏ　の場合には■
の処理を行う。

■　反転する直前の点を第６図に示す原点Ｏと定め、■
の処理を行う。

■　原点０に従って，求めた回転角が第６図の点■よル
小さいかどうかを調べる。

Ｙｅｓの場合にはωの処理を行いｈ　Ｎｏ　の場合には
のの処理を行う。

■　求めた回転角を動かすのに必要表目標回転角を計算
し，■の処理を行う。

この場合には、求め′ｆｃ回転角がヒステリシス曲線の
非線形部分にあることを意味する０従って求めた回転角
が例えば点０のｙｏであるとすれば、それをその捷ま目
標回転角とすると点０となるから実際の回転角は点０′
シか得られない。

そこで点■の実際の回転角を得るには、先に述べた多項
式を用いて／（ｅ）　　！１０＝ｏ　　（非線形部分の
曲線の多項式ｙ　−／　（ＩＣ）から変形される）の方
程式を満足する根２６を求め、■′の目標回転角として
Ｚ６を与える。この場合、ｚｏは良く知られてイルニュ
ートン拳うプソンの方法等で求めることができる。

■　目標回転角を出力する。

求めた回転角が点■のように点■を越えていればそれを
目標回転角として出力する。即ちこの部分はヒステリシ
ス曲線の線形部分に当シ、第６図に示されるように直線
の傾きが４５°となシ実際に求めた目標回転角が実際の
回転角に一致するため、補正は行わずそのまま出力する
。しかし、求めた回転角が点［Ｆ］のように点■より小
さい場合には。

先に述べた方法で算出された勾を目標回転角として出力
すれば実際の回転角としてｙｏが得られる。

その結果ロボットの腕の先端は正確に位置決めされる。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように１本発明によれば、ロボ
ットの関節のもつヒステリシス特性の曲線から、目標の
角度を回転させるのに必要な回転角を求めてそれを出力
するので、ヒステリシス内部の微少な動きに対しても正
確な位置決めを行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は一般的な多関節型四ポットの概観を示す図、第
２図はロボットの関節部の構造の１例を示す断面図、第
３図はエンコーダの形状を示す図。第４図はロボットの関節部にみられる典型的なヒステリ
シス特性の例を示す図、第５図はロボットの関節部にみ
らｎる実際のヒステリシス特性の例を示す図、第６図は
ヒステリシス曲線の非線形部分の拡大図、第７図は本発
明が適用されるロボット制御システムの概要を示す図、
第８図は本発明による制御回路の処理の流れを示す７０
−・チャートである。１．１′と１１・・・関節、２と３・・・アーム、４・
・・ベアリング、５・・・減速器、６・・・磁石、７・
・・モータの電機子、８・・・回転シャフト、９・・・
エンコーダ、９′・・・スリット、１０・・・スリット
検出部、　１１・・・ＣＰＵ　（中央処理装置）、１２
・・・メモリ、ｉａ・・・ＣＲＴ　（表示装置１ｌｋ）
、１４・・・キー・ボード、１５・・・フロッピィ令デ
ィスク・ユニット、１６・・・パラレル入出力ボート、
１７・・・フォース嗜センサ・インターフェイス、１８
・・・サーボ制御回路、１９・・・ポジシロン・センサ
・インターフェイス、　２０・・・センサ・インターフ
ェイス％２１・・・ティーチング争ペンダント・インタ
ーフェイス、２２・・・ティーチング争ペンダント、２
３・・・多関節ロボク　　ト　０特許出願人　富士通株式会社代理人弁理士　宗　谷　四　部火　２　図２　　　　σ　　乙７　　タ　３４２苧ワ

Claims

【特許請求の範囲】モータと該モータに結合された回転角検出手段と上記モ
ータに結合された減速器とを関節に有し該減速器が可動
腕に結合されたロボット、および上記回転角検出手段の
出力信号によシ上記ロボットの腕の先端の位置を検出す
ると共に該先端の位置と目標位置から目標回転角を求め
て上記ロボットの腕の先端の位置が上記目標位置に位置
決めされるように上記回転角検出手段の出力に基づいて
上記モータな制御する制御装置を備えたロボット制御シ
ステムにおいて、ロボットの腕の回転する方向が反転し
た時に目標回転角と実際の回転角との間に生じるヒステ
リシス曲線を求め、上記制御装置により、上記腕の先端
の位置を目標位置に位置決めする際に目標回転角を求め
た後、■　上記目標回転角が前回の回転方向と比べて反
転したかどうかを調べる処理と、 ■　上記■の処理によシ反転したと判定されたことを条
件に反転する直前の点を上記ヒステリシス曲線の原点に
定める処理と。 ■　上記■の処理により反転しないと判定されたときに
は前回に用いられた原点位置に従い、上記■の処理によ
シ反転したと判定され友ときには上記■の処理によシ定
められた原因位置に従って上記目標回転角が上記ヒステ
リシス曲線の非線形部分よシ小さいかどうかを調べる処
理と、 ■　上記■の処理により小さいと判定されｋことを条件
に上記目標回転角を実際に動かすのに必要な補正回転角
を上記ヒステリシス曲線に基づいて求める処理と。 ■　上記■の処理により小さくないと判定されたことを
条件に上記目標回転角を上記位置決めの指令として出力
し、又は上記■の処理により求められた補正回転角を上
記位置決めの指令として出力する処理と、を行うことを特徴とするロボットのヒステリシスの補正
方法。