JPS603714A - ロボツトの制御方法 - Google Patents

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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、手先に加わる荷重が作業に伴い不連続に変化
するロボットの慣性モーメントと重力トルクとを正確に
補償する方式に糸り、特に、精黒二の良い軌跡制岬に好
適なロボットの制御方法に関する。

〔発明の背景〕

従来、このようなロボットの制岬方法では、あらかしめ
教示されたロボット各＄１１１の位置データを補間演算
することにより、各軸駆動系に対１−る時々刻々の位置
指令請求め、この位置指令値に基つき各軸駆動糸が位置
制御されている。このとき、各軸駆動系の制（財）パラ
メータは、位＃刺帥特性が最適になるよう調整されたの
ち、ロボットの動作中一定として制御されていた。一方
、このような多自由度機構のロボットでは、ロボットの
姿勢変化によって各軸駆動系の慣性モーメントや重カド
　、ルクが変化する。従って、このような方法では、ロ
ボットの動作に伴って、各軸駆動系の応答が震動するた
め、ロボット手先の位置決め精度や軌跡制御性能が低下
する。

これに対して、ロボットの姿勢変化に応じて慣性モーメ
ントや重力トルクの変化ｔａｒｔ補償する方法が提案さ
れているが、組立て用のロボットなとではロボットの動
作中に作業対象物をつかんだりすることにより、ロボッ
トの手先に加わる荷重が不連続に変化する。慣性モーメ
ントや車力トルクはロボットの手先に加わる荷車に依存
して変化するので、荷重の変化を考慮せずに慣性モーメ
ント、重力トルクの変＠を補償する方式では、慣性モー
メントと塩カトルクの変化を完全に補償することができ
ない。このため、ロボットが作業対象をつかんだりする
ことによって、ロボット手・先の制β１１性ｎヒが慾く
なるという不Ｓ合が生じていた。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、ロボットに加わる前止が変化しても、
梢朋のよい軌跡側Ｘ１ｔ−実現できるロボットの制仰方
法ケ提供するにある。

〔発明の概要〕

本発明の要点は、ロボットの動作を教示するときに、ロ
ボットの教示位置におけるロボット先端の荷重の大きさ
全指令として与えて、他の教示データと共にメモリに格
納しておき、ロボットの動作時に、あらかじめ格納した
荷車１ｉ％ｅｌを用いて、ロボット本体の［ｔにロボッ
ト手先の荷重が加わったものとして、慣性モーメント及
び重力トルクを演算し補償するにある。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を第１図ないし第６図全相いて説
明する。第１図は本発明による制御方法が適用されるロ
ボットとその制Ｈ＠ｍｌの一実施例全示す構成図で、５
自由度リンク機構のロボット１とその制御装置２及びロ
ボットに動作を教示するためのティーチングボックス３
とから構成される。図において、θ、〜θ、はロボット
のｐＡ節角であり、θ１は本体１０１の旋回角度、θ２
は上腕１０２の曲げ角度、θ、は前腕１０３の曲げ角度
、θ４はグリップ１０５の曲は角度、θ５はグリップ１
０５のひね！７月ｌｆヲそれぞれ表わ１−０本　１実施
例では、ティーチングボックス３かやの指令によりロボ
ット１（１−動かして目標とする姿勢に位置決めし、そ
のときの各関節角度を制御装置２のメモリに格納するこ
とにより、ロボットのとるべき姿勢を教示し、これら全
いくつかの教示点について行なうことにより、ロボット
の動作を教示する。

次に、第２図にロボット制御１１装置２の構成を示す。

ロボット制側Ｉ装匝２は、ロボットの教示位置に′Ｊ３
″ける関節角データやロボット手先の荷重データ全メモ
リに格納したり、ロボット動作時に、各軸駆動系に対す
る位置指令値や慣性モーメント、恵方トルクなどの補償
ｆｒ全演膵するための演算処理回路と、ロボットの５軸
分の駆動軸をそれぞれ個別に位置開側ｊするための各軸
サーホ系とから構成される。ここで、演算処理回路はマ
イクロプロセッサ２０１とその同辺素子でるるランダム
・アクセス・メモリ２０２、リード・オンリー・メモＩ
Ｉ　２０３、及び教示位置における関節角データやロボ
ットの荷車データなど全記憶するための比較的大容量の
メモリ２０５などのディジタル回路で構成さすＬる。又
演算処理回路は、インターフェース回路２０４ケ介して
ティーチングボックス３と、インターフェース回路２０
６を介して各軸サーボ系と、それぞれ接続さ扛ている。

ここで、演算処理回路でめられた位１代指令１１ＩＩは
、ディジタル・アナログ変換器によってアナログ量に置
換されて各軸サーボ系への指令値となる。

各軸サーボ系はアナログ回路で構成さ１ｒ、ており、位
置制御回路２　（１８＋　２１５　）　、速度制御回路
２０９（２１６）、電流制御回路２１０１２１７１及び
パワーアンプ２１１　（２１８）から成り、１）Ｃモー
タ２１２＋２１９）？駆動する。ここで、モータの′電
流、回転速度、回転角度はそれぞれ東流検出器２２２　
（２２３１、タコジェネレータ２１３１２２０）、ポテ
ンショメータ２１４１２２１１によって検出されて、各
軸サーボ糸にフィードバックされる。このような位置制
御回路が駆動軸数（５軸）分たけ用意されている。仁こ
で、慣性モーメントと恵方トルクの変化量の補償は、速
度制御回路２０９　ｔ２１６）の制御パラメータを変化
させることによって行なわれる。

さて、第１図に示す５自由１［リンク？次構のロボット
１の各軸駆動系において、慣性モーメントや重力トルク
の変化の影響が特に著しいのは、本体１０１の旅回軸１
施１ｏ！ｌｆｔ４［θ、］、上腕１０２の曲は軸（曲は
角度θ！　）　、ｎｉＪ腕１０３の曲げ軸（曲は角度θ
１　）の３つの駆動系である。本実施例では、これら３
秘勤糸に対して、ロボット荷重を考慮に入ｆ′した慣性
モーメント及び車力トルクの補償全行なうものとする。

そこで、以下の実施例の説明は、この３駆動系について
行なう。

このときのロボット機構のモデルは第３図に示すように
表わせる。ここで、ロボットの手先に相当するグリップ
１０５の屯第・と、グリッパ１０５がつかんだ作業対板
物の＃車とは、ロボット１の前腕１０３の先端部分に集
中しているとする。いま、第３図に示すような直交座標
系ｘｙｚ全設定しｚ軸を鉛直方向とする。ロホットｖｆ
−購成する各リンクの回転角θ１．θ２．θｓｋ”ｌｚ
ａ標糸に対してそれぞれｌ１ｇ３図１のように選ふと、
りンク１（１１の旅回に対する慣性モーメントＪ、、重
力トルクτｇ＋＋　リンク１０２０曲げに対する慣性モ
ーメントＪ、、重力トルクτｔ２＋’）ンク１（１３の
曲けに対する慣性モーメントＪＲ，Ｔｌカトルクτ１３
け、そｎ、それ以下の式のように与えられる。

Ｊ＋　＝　１＋　＋　ａ、　ｓｉｎ”θ、　＋２　ａ、
　ｓｉｎθ２ｓｉｎ（θ２＋θ、）十ａ３ｓｉｎ”　ｌ
θ２＋０３）　・・・（１）τ、、＝（１・・・（２１ ＬＬ　＝１２＋ｌｓ＋ａ、＋ａｍ＋２ａ４ｃｏｓθｓ　
・”（３１τｔ２　＝　（ａＢ　Ｓｉｎθ２　＋ａ６　
ｓｉｎ　（θつ＋θ３））ｇ・・・（４）Ｊｓ　”　ａ
ｓ　＋　Ｉｇ　・・−＋５１τ、、＝　−ａｎ　ｓｉｎ
　ｆθ２＋θｓ　）　ｇ　−（６１ここで、ａ２　＋　
”３１　ａ４　＋　”５　＋　８６はロボット本体の賀
搦とロボットに加わるφ１ｆｋの大きさとによって決１
６パラメータであり、以下の式のように表わされる。

ａ２”　ａｌＯ十〇〕ｗｔ２ｔ　・・・（７）１８ｓ　
＝　ａｓｏ　＋　”ｗｔ３２”・（８１ａ、　＝　ａ、
、　＋　ｍ、　ｔｇ　ｔ、　・−（９１ａ＠　＝　８６
゜十”’ｖ　４　、”（１０）ａＢ　＝　８６６　＋　
”’ｗ　ｔｓ　・・−（川（７）〜（１ｎ）式で第１項
町。（ｉ＝２〜６）はロボット本体の質量によって決ま
る定数で、第２項はロボットに加わる荷重の大きさｎ−
によって変化する量である。ここで、ａ＋ｏ（ｊ＝２〜
６）は以下の式で与えられる。

Ｂ、ｏ＝　ｍ、　ＩＢ”　＋（１１１３＋ｍｂ　）　Ａ
ｔ’　・＝（１２）ａｓｏ　”　ｍｓ　Ｉｔｓ”　＋１
１．ｔ、”　−・・（１ａＪａ４ｏ　”（”ｓ　ｌｚｓ
＋ｍｈｌＢ　）　ｌ！　−（１４）ａａｏ　＝”ｔ　ｔ
ｇ、＋　（ｍ３＋ｎＬｂ　）　１２　−（１５）ａｅｏ
　””ｓ　ｔｇｓ　＋’ηｈ　ｔｌ　−＋１６）ただし
、（１）〜（１６）の各式における記号は以下の皿を表
わす。ここで、リンク１０１を第１リンク、リンクｌθ
２を第２リンク、リンク１０３ｉ第３リンクとする。

ｍｌ：　第Ｉリンクの質量 ｔ、：　第１リンクの長さ ’ｔ＋　’　第”）ンクの根元から巣ｉリンクの重心棟
での長さ ＩＩ：第ｉリンクの重心の管わりの慣性モーメント ｍｈ：　ロボットが（０］もつかんでいないときの、グ
リップ部分の質量 ｒｎ、：　ロボットに外部から加わる荷重ｇ　：重力加
速度 （１）〜（１６）式から明ら刀・な工うに、ロボット各
軸駆動系の慣性モーメントと重力トルクは、ロボットの
関節角数θ、〜θ３とロボットに加わる荷重Ｉ１１　、
。

の関数として変化する。本発明では、このような慣性モ
ーメントと重力トルクの変化ｆ：（１）〜（６）式に示
す開光式に基づいて補償する。

以下、本実施例における慣性モーメントと車力トルクの
変化の補償方法について述べる。

適格、ロボットの作業では、ロボットに加わる荷重の変
化は、作業対象物をつかんだり、あるいは離したりする
ことにより生じる。一方、このような作業の指令は、作
業全行なう位置とその内容（作業対象音つかむ、あるい
は離す）をめらかしめ教示することにより行なわれる。

したがって、ロボットに加わる荷重が変化するタイミン
グは、教示位置データからあらかじめ知ることができる
。

又、ロボットに加わる荷重は、１つの作業において多く
の種類に沿って変化するものではない。そこでロボット
の教示位置毎に、ロボット荷重の情報？あらかしめ記録
しておき、ロボット動作時にこ扛らの記録から、正帳な
慣性モーメントと重力トルクの補償を行なうようにした
。

１丁、ロボットに！助作救示全行なう前に、あらかじめ
一連の作業で取扱う作業対象の亀＃を、ティーチングホ
ックス３を用いて、制御装置ｔ２のメモリに人力する。

このとき、メモリに格納するデータ金、第４図を用いて
簡明する。制ｎ装置では、作業対象の１１が入力をれる
順に、１，２，３．・・・と融号を割当てる。これを荷
車番号と呼ぶ。ここで、荷車番号０は、ロボットに荷重
が刀シからないすなわち、ロボットが対象物を持たない
場合に、対応させておく。制両装置２は、人力された作
業対象の重量と、制御ｉＱＩ装置に格納されているロボ
ット本体の車量や寸法などの定数とを用いて、（７）〜
（１１）式の関係式で与えられるパラメータａ２＋８８
＊ａ４．ａｆｉを計算し、それらのデータを、荷車番号
に対応つけて、荷車の大きさと共にメモリに格納する。

丁なわ５、荷車番号１では、そのときの荷ｉｍ、（１１
と、そのときのパラメータａ　２　（１）　＋　”　３
（１）。

ａ４（１）　＋　ａＲ（１）　ｋ　、メモリに格納する
。このような処理ケ、ロボットが取扱う荷電の全てにつ
いて前もって行なう。前述したように、一連のロボット
の作業において、ロボットが取扱う荷重の種類は、通常
あ１ジ多くないので、このような作業はわ１り負担にな
らない。

次に、ロボットの動作教示時には、次のような手順で、
ロボットに荷車の情報全教示する。それケ第５図を用い
て説明する。い壕、」番目の教示位置について考える。

Ｊ番目の教示位置では、こ、、、いよ。。、７．１カよ
、。ｏ０□ヵ、　１ら次の教示位置、すなわちｊ＋１番
目の教示位置１での間にロボットに加わる荷重の大きざ
を、前述した荷重有号のなかから選び、その番号を荷重
情報として、ティーチングホックスから入力する。

ロボット制仰装置２Ｆｉ、ｊ命目の教示位置におけるロ
ボット関節角と荷車番号と紫、教示データとして、第５
図に示すようにメモリに格納する。ここで、ロボットに
荷重が加わらないときには、荷車番号０が記録される。

きて、ロボットの動作時には、ロボットは、前述した方
法によって格納された教示データに基ついて、次のよう
にして側脚される。すなわち、教示点Ｊからｊ＋ｌ企目
の区間では、教示点における関節角を、指定された補間
方法と軌道速度なとの情報によって、補間演算し、これ
らをも軸駆動系に対する位置指令として与える。これら
の処理を、補間ささみ毎にくり返して実行する。

このとき、各ｉ１１＋ＰＡＡ動糸の慣性モーメント、重
力トルクの補償は次のようにして竹なわれる。教示点ｊ
とＪ＋１査目の区間では、Ｊ蕾目の教示点すこおける教
示データとして格納されている荷車番号を読出し、その
荷車番号を用いて、第４１に示したメモリテーブルを索
引して、そのときの慣性モーメント、重力トルク計算用
のノくラメータａ２　ｗａ３１　ａ４１　ａａ　’に読
出す。ロボット制Ｎｌ１ｋ２の演算処理回路では、この
ノくラメータを用いて、補間きさみ毎に慣性モーメント
と重力トルクとを演算し、この結果に応じて各軸駆動系
の制岬ノ（ラメータを補償する。この演算は、（１）〜
（６）式であられされる計算弐會、演算処理回路のリー
ド・オンリー・メモリにあらかじめプログラムとして格
納しておき、そのプログラムによって演算する。

このようにして不めた、補１ｉＪＩ　＠さみ毎の慣性モ
ーメントと重力トルクとを用いて制御ノくラメータ會補
償する方法を第６図を用いて簡明する。第６図Ｖｃｊ＝
−いて、Ｊｌｔ　τｔ＋　ｋロボットの動作に伴って変
化する慣性モーメントと重力トルクとする。ここで、位
置制御回路は単純なケインｌ（、ｐとし、電流制御回路
２１０ｔＩｉ時定数Ｔｃの１次遅れ糸で近似した。又、
Ｋ？’＜）ルク定数とする。１査目の補間きさみでは、
Ｊｌ、τ１．−の変化に伴い、速実制御回路２０９のゲ
インＫｓ１　（Ｊ　）とオフセットＫｏ。

（ｊ）？次式で与えられるように変化させる。

Ｋｓｌ（Ｊｌ　＝　Ｋａｏ−Ｊｌ（Ｊｌ　”・＋１７）
ここで、Ｊ　、　＋ｊ＋、τ、、ｔｊ＋は、ｊ番目の補
間きざみで演算してめた慣性モーメントと重力トルクの
ｅ［Ｓ、値とする。これによって、各軸駆動糸の負壱ｒ
トルクとして作用する重力トルクを完全に補償すること
ができ、更に、慣性モーメントの変化を補償するように
速度側両糸のゲインを調整できるので、各軸サーホ糸の
応答特性を一尾に保つことができる。この結果、ロボッ
トに加わる荷１Ｌが不漣続的に変化しても、精度の島い
軌跡制御が実現できる。

このように、本実施例によれは、教示点毎にロボットに
加わる荷車情報ケ教ボしておくことにより、ロボットに
加わる荷車の変化による慣性モーメントや重力トルクの
変化ケ正確に補償することができるので、ロボットに加
わる荷重変化？考慮せずに慣性モーメントや重力トルク
全補値する方法に比べて、よりｉｆｆ　ｔＷｒｌのよい
軌跡制＃１１％性が得られる。なお、２０７はマイクロ
プロセッサである。

なお、これらの実施−ｊは、５自由ｍ型Ｊンク仁ぐ構分
３自由社１−チルに近１以し、その３１１１１＋につい
て慣性モーメントと重力トルクの補償を行なう一合につ
いて説明したが、本発明はこれに隅丸さ扛るものではな
く、５軸分についてこれらの補償を行なう場合にも同様
に通用できる。更に、５自由度以　。

上のロボット機構の場合にも、本発明の制ｆ仰方法イ適
用できることけ看うまでもない。

〔発明の効果〕

不発明によれば、作業中にロボットに加わる荷車が変化
するような場合でも、正鋪に慣性モーメントと重力トル
クの変化？補償できるので、軌道指令に対する精度の良
い制御性能が侍られる。

【図面の簡単な説明】

纂１図は本発明による制御方法が通用されるロオッ、と
そ。ｔｌｊｌＪ。装置。ア施例ヶ示−ｊ−構成図、第　
１２図は制ｎ装置の構成を示すブロック図、第３図は第
１図における実施例の＃伯モテルヶ示１−概略　□図、
第４図は勾重情報を格納するデータ図、′＠５図は教示
データの格納テーブル図、第６図は制御パラメータの補
償方法金示すブロック図である。 ２０１・・・マイクロプロセッサ、２０８・・・位ｔｉ
ｅ：　１ｔｌｌ　１４１回路、２０９・・・速鹿制御１
１４１回路、２１　（＋・・・電流側聞Ｉ丁） 第１図 め４０ 窮Ｓ図 呑　ｉ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、複数のリンク機構から構成され、各リンクが個別の
   サーボ系によＶ駆動される多自由度機構機構のロボット
   で、教示データ全格納する手段と数値演算ケ行なう手段
   とを備え、あらかじめ教示さｔ’した前０ピロボツトの
   先端位置および姿勢のデータに基ついた前記ロボットの
   動作の制御方法において、 前記ロボットの動作教示時に、前８［シロボットの手先
   に加わる荷重の大きさ？！−他の教示データと共に７１
   七りに格納し、ｔｉＨピロボットの動作時に０４１６ｉ
   ：：メモリに格納した前記ロボットの手先の荷重の大き
   さと前記ロボットの姿勢のデータとから、演算によ請求
   めた谷軸駆鯛系の慣性モーメントと電力トルクとに基つ
   いて各−駆動系の制御パラメータケ補償することを特徴
   とするロボットの制岬方法。