JPS61159391A - 産業用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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、スカラ（ＳＣＡＲＡ）型ロボットに通用さ
れる産業用ロボットの制御方法に関する。

〔従来の技術〕

異形部品の実装等に使用されるスカラ型ロボットは、（
Ｘ−Ｙ）平面内を第１のアーム及び第２のアームが点か
ら点へ移動するロボットである。

このスカラ型ロボットは、ある点からある点に移動する
場合、位置によっては、非常に遅く動（問題点があった
。

従来のスカラ型ロボットでは、位置の違いを考慮せずに
、各軸の角加速度を常に一定にしていた。

しかし、本願の発明者の解析によると、移動距離が同様
の場合でも、点の位置によっては、各軸の必要トルクが
著しく異なることが判明した。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述のように、スカラ型ロボットの各軸の必要トルクが
位置により異なるにもかかわらず、各軸の角加速度を一
定とすると、一連の作業のなかで、最もトルクがかかる
移動パターンに合わせて角加速度を低めに設定せざるを
得ない。その結果、トルクがかからない移動パターンで
は、本来の能力より、３０％〜８０％程度も移動時間が
長くなる欠点があった。

従って、この発明の目的は、ある点からある点に移動す
る時の各軸の最適加速度（即ち、一方の軸のトルクが許
容トルク値になるような角加速度）を定め、この最適加
速度で移動するように制御し、移動時間の短縮化を図る
ことができる産業用ロボットの制御方法を提供すること
にある。

この発明の他の目的は、最適加速度を求める簡単な解析
方法で、ロボットの動作時のリアルタイム演算を可能と
する産業用ロボットの制御方法を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明は、第１の０１軸により回動される第１のアー
ム２と第２のθ２軸により回動される第２のアーム６と
が（Ｘ−Ｙ）平面内で移動するスカラ型ロボットを制御
する産業用ロボ・ノドの制御方法である。

この発明は、（Ｘ−Ｙ）平面内での位置情報から第１の
θ１軸と第２の０２軸との何れの移動時間が長いかを、
２点間の移動動作毎に解析するステップと、 移動時間が長い方の第１のθ１軸又は第２のθ２軸の一
方を許容最大トルクとし、第１のθ１軸又は第２の０２
軸の他方を許容最大トルク以下になるように、第１のθ
１軸及び第２のθ２軸の夫々の角加速度を２点間の移動
動作毎に設定するステップと からなることを特徴とする産業用ロボットの制御方法で
ある。

〔作用〕

０１軸及び０２軸の一方を許容トルクとし、その他方を
許容トルク以下で動作させる。この場合、２個の軸が同
期動作する条件を満足するために、移動時間が長い方の
軸を判定し、移動時間が長い方の軸を許容トルクとする
。この解析は、一連の動作の各移動動作毎になされる。

従って、各移動動作毎に一方の軸が必ず許容トルクとな
り、移動時間の短縮化を図ることができる。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例について説明する。

第１図は、この発明を通用することができるスカラ型の
ロボットの一例を示す。

このロボットは、基台部１に第１のアーム２の基部が回
動自在に支持され、基台部１上に配置したサーボモータ
３及び減速機４から成る駆動部５により、第１のアーム
２の軸（θ１軸と称する。

）が回動される。第１のアーム２の先端部には、第２の
アーム６が回動自在に支持される。第１のアーム２の先
端部上に配置したサーボモータ７及び減速機８から成る
駆動部９により第２のアーム６の軸（θ２軸と称する。

）が回動される。第２のアーム６の先端部にハンド１０
が取り付けられている。スカラ型のロボットでは、第１
のアーム２及び第２のアーム６の両者が（Ｘ−Ｙ）平面
上を移動する。この時の動作は、移動の開始点と終了点
との位置を指示し、この２点間をどのような速度及び加
速度で移動するかを指示することで制御される。

サーボモータ３，７として、ＤＣサーボモータ或いはＡ
Ｃサーボモータが使用される。第２図は、サーボモータ
３．７のサーボ回路の一例の構成を示す。

第２図において、１１がマイクロコンピュータを示す。

このマイクロコンピュータ１１は、動作制御用のプログ
ラムに従って速度プログラム回路１２に速度指令１３及
び方向指令１４を供給する。

速度プログラム回路１２は、マイクロコンピュータ１１
からの指令に基づいて加減速曲線を形成する。この速度
プログラム回路１２の出力信号がサーボパック１５に供
給される。このサーボパック１５には、速度検出器１６
からの速度信号及び位置検出器１７からの位置信号がフ
ィードバックされて供給される。

サーボパック１５は、フィードバックされた検出信号に
より、位置毎に定まる所定の加減速曲線通りの移動をア
ームが行うように、サーボモータ１８が制御される。第
３図は、加減速曲線の一例を示す。

第３図において、Ａ点からＢ点の間は、定加速度の区間
で、Ｂ点から０点は、定速度の区間で、０点からＤ点が
定加速度の区間である。このＡ点からＤ点までの速度制
御により、目標点の近傍まで、軸が移動され、Ｄ点から
位置決め動作に切り換えられる。そして、Ｅ点で目標位
置に到達する。

従って、Ａ点からＥ点までの時間が移動時間である。

移動時間の短縮を目的とするこの発明は、移動の停止時
の加速度を上昇させ、第３図において、破線で示すよう
な加減速曲線を実現するものである。

第１図に示す産業用ロボットのサーボモータ３又はサー
ボモータ７の各々に関して、第２図に示す構成が設けら
れている。この場合、アーム２及び６の夫々の軸の内で
、より時間がかかる方の軸の移動時間と他の軸の移動時
間とが一致するように、他方の速度が合わせられ、２個
の軸が同期動作を行うようにされている。

また、マイクロコンピュータ１１のメモリには、教示（
ティーチング）データが記憶されている。

この教示データは、ロボットの動きの順序、位置、時間
に関するものである。この教示データが読み出されて、
マイクロ、コンピュータ１１によＪｌ軸の位置、速度、
加速度等が計算され、速度指令１３及び方向指令１４が
速度プログラム回路１２に出力される。

上述のスカラ型ロボットの動作解析について、第４図を
参照して説明する。この動作解析は、計算が簡単で、方
程式でなく、かなりの精度を確保できる特徴を有してい
る。

この解析方法は、基本的に、次のような特徴を有してい
る。第１に、第１のアーム２及び第２のアーム６を夫々
１つ以上の質量点で代表させる。

第２に、第１のアーム２を回動させるθ１軸のトルクは
、第１のアーム２の質量点の移動角度と、第２のアーム
の質量点の０１軸から見た移動角度と、半径から夫々算
出してトルクの合成トルクとして求める。第３に、θ１
軸と０２軸の移動角度の比をしきい値にして、θ２軸の
トルクに影響するθ１軸の角加速度を選択することによ
り方程式化を防止している。以下により詳しく述べる。

（ａ）モデル化を行う。

第１のアーム２及び第２のアーム６の質量を夫々一点に
代表させる。

質量（ｍ、、ｍｚ　）＝Σｍｉ 関節からの距ｇｉ　（Ｉｔ　ｍｌ、　Ａ　ｍｚ　）　＝
（Σｍ１Ｘｒｉ２／Σｍｉ）”２ 但し、ｍｉは、微細区間の質量、ｒｉは、中心からの距
離である。

（ｂ）アーム２を回動させるθ１軸の動作解析まず、点
Ｐ１から点Ｐ２への移動をするために必要なθ１軸のト
ルクＴ　ｒｅｑを算出する。

第４図から分かるように、この系は、Ｉｔ、ｍｚの２つ
の質量から構成されているので、ｍ、、ｍ２の夫々の移
動（実際には、停止時）に要するトルクを算出し、加算
すれば良い。ここで、θｌ軸の停止時の角加速度をｉｌ
とすると、質量ｍ、の停止時に要するトルクＴｌ１ｒｅ
ｑは、次式のように、表される。

Ｔｌ１ｒｅｑ　＝力×腕の長さ ＝（質量×加速度）×腕の長さ ＝（質量×（角加速度×腕の長さ））×腕の長さ＝ｍ、
ｘ？１ｌＸｊ！ｍ、” それでは、・質ｆｆｉｍｚに対しては、どのようにすれ
ば良いか次に述べる。

まず、点Ｐ１から点Ｐ２への移動停止の問題であるので
、腕の長さは、点Ｐ２におけるＬｍであり、ｆｆｆｉが
ｍ２であることは、明白である。しかし、ｅ＋を角加速
度として計算することは出来ない。なぜならば、（Δθ
ｍ≠Δθ、）であるからである。そこで、ここではく角
加速度が（ｉ１×（Δθｍ／Δθ１））に略々等しいと
して計算する。

Ｔ１２ｒｅｑ　＝ｍ、　ｘσＩＸ（Δθｍ／Δθ１）×
Ｌｍ” 従って、質ｆｆｉ　ｍ　＋の０１軸の停止時に必要とさ
れるトルクＴ　１　ｒｅｑ　は、 Ｔ　１ｒｅｑ　＝Ｔ１１ｒｅｑ　＋Ｔ１２ｒｅｑ＝？Ｊ
、　　（ｍ、Ｘ１ｍ、”　　＋ｍ、Ｘ　　（Δθｍ／Δ
θ　ｌ）ｘＬｍ２　） と求まる。

ここで、点Ｐ１から点Ｐ２への移動時間を最短にするに
は、Ｔ　ｌ　ｒｅｑがサーボモータの最大トルクと等し
くなるように、ｉｌの値を変化させてやれば良い。ここ
で、σ１の最適値をｆａｒｍとし、使用するサーボモー
タの許容トルクをＴ　１ｍａｘとすると、 σｒ＊＝　ｉ　１　Ｘ　（Ｔ１ｍａｘ／Ｔ　１ｒｅｑ　
）となる。この（Ｔ１ｍａｘ／　Ｔ　１　ｒｅｑ　）を
θ１軸のトルクの利用率と称する。

（ｃ）アーム６を回動させるθ２軸の動作解析まず、質
量ｍ２生じる力は、第４図に示すように、・θ２軸の停
止の停止に伴う加速度により生じる力Ｆθ２とθ１軸の
停止に伴う加速度により生じる力Ｆθ１の合力となる。

まず、Ｆｅ２を考えると、第４図の場合、θ２軸は、Δ
θ２だけ動いているが、絶対座標で見ると、ΔΔθ２し
か動いていない。加速度は、当然、絶対座標における変
化に対して生じるので、θ２の停止時の加速度をｉ２と
すると、Ｆｅ２は、次のように表される。

Ｆｅ２　＝ｍｚ　×？ｊ２　Ｘ　ｊ２１Ｔ１２　Ｘ　（
ΔΔθ２／Δθ２） 次に、θ１軸の角加速度を？ｉ１とすると、Ｆｅ２は、 Ｆθ１＝ｍｚＸ＆ＩＸＬｍ 但し、Ｆｅ２は、第１のアーム２に直交するベクトルな
ので、θ２軸の必要トルクＴ２ｒｅｑは、Ｆｅ２のθ２
軸に対する有効比率ｃｏｓθ２２を加えて、次のように
なる。

Ｔ２ｒｅｑ　＝ｊ２ｍ、（Ｆｅ２−（ＦθＩＸｃｏｓｓ
θこの後は、θ１軸と同様に、 ？１ｚｔ＝　？ｊ　２　Ｘ　（Ｔ２ｍａｘ／　Ｔ　２　
ｒｅｑ　）θ２軸のトルクの利用率ＲＡ２は、 ＲＡ　２　＝　Ｔ　２ｍａｘ／　Ｔ２　ｒｅｑとなる。

実際の計算は、基本的に上述の原理通りであるが、θ２
軸の加速度設定には、若干の問題点かあるので、この点
について述べる。

この問題点は、Ｆｅ２を計算するためのｄｌが一定でな
いために住している。つまり、？ｉ１が常に＋９＋ｔｔ
であれば良いのであるが、実際には、θ２軸の移動量が
ある程度以上大きい場合には、（θ２軸の移動時間〉θ
１軸の移動時間）となり、０１軸とθ２軸とを同期動作
させるために、０１軸の加速度は小さくなる。

この問題を正確に解くためには、ニュートン法等の手法
で繰り返し、演算を行う必要があるので、１６ビツトの
マイクロコンピュータ程度では、リアルタイム演算は、
困難である。

ところで、θ１軸のサーボモータは、アーム２及び６の
両者が負荷となるので、一般に、θ２軸のサーボモータ
に比してトルクが強くされている。

また、速度及び加速度は、θ２軸よりθ１軸の方が小さ
いのが普通である。この速度及び加速度の比を共にＫと
すると、次の関係が成り立つ。

（ａ）ＩＫＸΔθ１／Δθ２１＞１（７）場合は、大体
θ１軸の方が移動時間が長い。即ち、θ１軸が支配的で
ある。この場合は、（ｉ１＝σ１ｊｌ）となり、θ１軸
が許容トルク値とされる。

（ｂ）ｌＫｘΔθ１／Δθ２１〈１の場合は、大体θ２
軸の方が移動時間が長い。即ち、θ２軸の方が支配的で
ある。この場合は、θ１軸のみを動かした場合の最大許
容加速度σｌｒｉ□ｔを用いて、ａ　１　＝／？　Ｉ　
Ｌｉｍ１ｔ　Ｘ　Ｉ　Ｋ　ＸΔθ１／Δθ２１とし、小
さくされた？ｉ１を用いる。

このようにして、移動時間が長い方に合わせる同期動作
を行うことができる。実際には、上述のように、一方の
軸を許容トルク値とした後に、再度計算を行ってチェッ
クがなされる。

以上の解析を各移動動作毎に行い、夫々の加減速曲線の
最適角加速度を決定する。

〔発明の効果〕

この発明に依れば、スカラ型ロボットの移動動作のパタ
ーン毎に最適な加速度を設定することができ、点から点
への移動時間を短縮化することができる。また、θ１軸
行うθ２軸の夫々の軸トルクを簡単な演算により解析で
きるので、位置情報のデータからリアルタイムで各動作
毎の最適加速度を求めることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明を適用することができるスカラ型ロボ
ットの一例の正面図、第２図はサーボ回路の一例のブロ
ック図、第３図は加減速曲線の説明のための路線図、第
４図はこの発明の一実施例の動作解析の説明のための路
線図である。 図面における主要な符号の説明 ２．６：アーム、３，７．ｉｓ：サーボモータ、１２：
速度プログラム回路。 代理人　　弁理士　杉　浦　正　姉 弟１図 ２．６：アーム ３．７：サーボモータ 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 第１の軸により回動される第１のアームと第２の軸によ
   り回動される第２のアームとが（Ｘ−Ｙ）平面内で移動
   するスカラ型ロボットを制御する産業用ロボットの制御
   方法において、 上記（Ｘ−Ｙ）平面内での位置情報から上記第１の軸と
   上記第２の軸との何れの移動時間が長いかを、２点間の
   移動動作毎に解析するステップと、上記移動時間が長い
   方の上記第１の軸又は上記第２の軸の一方を許容最大ト
   ルクとし、上記第１の軸又は上記第２の軸の他方を上記
   許容最大トルク以下になるように、上記第１の軸及び上
   記第２の軸の夫々の角加速度を上記２点間の移動動作毎
   に設定するステップと からなることを特徴とする産業用ロボットの制御方法。