JPS6224989A - 工業用ロボツトの揺動防止装置 - 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】 発明の技術分野 本発明は、工業用ロボットに関し、特にそのアームの振
動を抑えるための手段に係る。

発明の背景 一般に、片持式のアームをその長手方向に直角の方向へ
移動させるとき、運動力学的に面倒な現象が起きる。そ
の現象は、基部の発進停止、その他の運動で加速度の急
変時に、アームそれ自体、およびそれらに取り付けられ
たロボットヘッドなどの重量および慣性によるアーム先
端部分の運動の遅れである。

この遅れ現象は、アームの加速度の急変時に、そのアー
ムの基部を中心とした慣性的な回転力に基づいている。

この回転力に対抗してアームを支える部材は、架台に取
り付いたガイドレールや、それに摺動状態で嵌りあって
いる案内体のほか、架台、およびアームの基部自体と各
部分を連結するための部材である。さらに、ガイドレー
ルと摺動体の間には、通常、有限のすきまが形成されて
おり、またそれらが剛性に限界のある転動体で構成さて
いる。

そして、この部分は、アームの回転力を支える部材の中
で、剛性的に最も弱い部分である。しかも、ロボットの
構成部材は、材料を問わず、必ず有限の弾性を有する材
料で構成されているので、アームの速度が急変するとき
には、必ずアームの先端部分に振動が発生する。

アームの加速度の変化が小さいときには、この振動は、
材料の減衰特性によって吸収されるため、実用上問題と
されない。

しかし、加速度の変化が大きいときには、機械系全体の
共振周波数によって、振動が発生し、機械系全体の減衰
能力に応じた共振的な減衰振動となる。

一方、この種の工業用ロボットで所定の作業をさせる場
合に、点から点への位置決めによる作業では、早送り運
動によって所定の位置に案内させるが、その場合の発進
および停止時に、加速度を充分に小さくして、いわゆる
スローアンプ、スローダウンの状態で移動させれば、運
動力学的振動が最小限変度に抑えられる。

しかし、プラズマジェットやレーザ光線などを用いて高
速で種々の曲線を切断させるときには、必然的に曲線に
沿った等速運動をさせることになり、小さな円弧や角立
ったコーナーの切断領域では、アームの曲線に沿った等
速運動にも関わらず、アームの加速度は、大きくなって
、振動発生の限界を越えることになる。その結果、期待
した切断形状とはかけ離れた切断線が現れ、工業用ロボ
ットの高い位置決め精度に拘わらず、加工精度が低下す
る結果となる。

プラズマジェットやレーザ光線による切断加工では、加
工方法それ自体非接触加工であり、加工速度が早く、今
日では毎分速度１０メートルも珍しいことではない。そ
して、片持ち支持形式のアームの支持部分の幅と、アー
ムの長さの比率が大きくなると、アームの固有振動数は
、毎秒３〜７回にも達する。このため、振動が減衰する
までに、１秒を要するほどの振動も起きているため、実
用上の加工精度は、とうてい期待できないことになる。

従来技術 従来から、このような揺動の防止手段がすでに提案され
ている。

まず、その第１は、工業用ロボットを構成する機械的な
部材の開成を高め、かつ、アームを軽量化して、振動変
位を少なくし、同時に固有振動数を高めて、共振現象を
防止することである。これの寸法的な対策としては、片
持ち状態のアームの摺動部分の幅を大きく取り、そのア
ームの長さを小さくし、それらの寸法の割合を増加させ
ることである。このような対策によると、必然的に摺動
部分やアームの基台、ガイドレール、および架台などの
重量が増加して、工業用ロボットの製作コストが高価と
なり、経済的な問題が大きい。また、アーム自体、およ
びロボットヘッドの重量を減らそうとすれば、軽合金や
樹脂などの軽い材料を使用しなければならず、これもま
たコスト高をまねく原因となっている。

つぎに、第２の振動防止対策は、長いロボットアームを
片側でなく、両持ち状態とし、その両端部分で駆動しな
がら移動させることであった。この対策によれば、反対
側にも架台を設けて、駆動装置、およびその運動機構が
２組以上必要となるため、使用状態において変化する速
度に対応して、２つの駆動部分を速度、加速度、変位量
のすべてにおいて、完全に同期した状態で運転しなけれ
ばならないので、制御的にも高度な技術が必要となり、
制御装置のコスト高をまねいていた。また、悪いことに
、このようにすればアームの両端側にガイドレールや架
台を設ける必要があるため、工業用ロボットの作業域に
近づくためには、残された２方向から遠まわりする他は
なく、加工物の交換や、取り付は用のジグを交換するな
どの作業性の点で著しく不利となる。したがって、この
工業用ロボットを使用する側において、作業性が悪いと
いう結果になる。

発明の目的 したがって、本発明は、従来の解決手段に代わって、運
動力学的な観点から、片持ち状態のアームの加速度の急
変時に、その加速度の急変方向と逆向きの重錘運動を与
えることによって、アーム先端部分の共振的な振動を抑
え、運動の遅れを防止することである。

発明の概要 そこで、本発明は、工業用ロボットのアームの駆動側の
基部、およびそのアームの先端側に第１加速度センサー
および第２加速度センサーをそれぞれ取り付けている。

これらの加速度センサーは、アームの長手方向と交返す
る運動方向の加速度を検出しており、それを加速度信号
として、制御装置に送り込む。さらに、本発明は、最も
特徴的な部分として、上記アームの先端部にアームの運
動方向に移動可能で、かつサーボモータによって駆動さ
れる重錘を取り付けている。この重錘は、アームの運動
方向の加速度の急変時に、アームの慣性による運動を相
殺する方向に移動することによって、アームの減衰特性
を運動力学的に小さく抑える方向に作用する。このよう
なサーボモータの制御は、上記の制御装置によって行わ
れる。すなわちこの制御装置は、上記第１の加速度セン
サー、および第２の加速度センサーから加速度信号を入
力とし、それらの差が常に最小となるように、重錘の移
動方向、および所要の加速度で、上記サーボモータを回
転させる。このような制御では、ロボットヘッドの運動
の方向が変化しても、あるいはアームの固有振動数に製
品や部品の材料力学的な変化が起きても、それらの変化
に常に追従していくため、安定な制御が実現できる。

実施例の構成 第１図および第２図は、本発明の工業用ロボットの揺動
防止装置１を直交座標型の工業用ロボット２に組み込ん
だ例を示している。

この工業用ロボット２は、全体として、Ｘ軸方向の一対
のガイドレール３、このガイドレール３によって基端部
分でいわゆる片持ちの状態で支持されるロボットアーム
４、このロボットアーム４にＹ軸方向に移動可能な状態
で支持されるロボットヘッド５によって構成されている
。

上記一対のガイドレール３は、工業用ロボット２の設置
位置に据え付けられた架台６の上にＸ軸方向に平行な状
態で取り付けられており、ロボットアーム４の基端部分
に取り付けられたアーム基台７のあり状の案内溝８に対
しすべり対偶の状態で嵌りあっている。このアーム基台
７の上面にＸ軸方向駆動用減速機付の駆動モータ９が取
り付けられており、その出力側のギヤ１０は、上記架台
６の上面でＸ軸方向に取り付けられたラックギヤ１１と
噛み合っている。

また、上記ロボットアーム４は、その基端部分で、アー
ム基台７の上面に対し、ガイドレール３と直交する状態
で、いわゆる片持ちの状態で取り付けられており、基端
部および、先端部の軸受け１３によって、Ｙ軸方向の送
りねじ１２を回転自在に支持している。なお、この送り
ねじ１２は、ロボットアーム４の基端部分に取り付けら
れたＹ軸方向の減速機付の駆動モータ１４によって駆動
される関係にある。

また、上記ロボットヘッド５は、その背面側の案内溝１
９の部分で、ロボットアーム４のＹ軸方向の案内面１８
に対し摺動自在に取り付けられており、背面側の送りナ
ツト１７によって、上記送りねじＩ２にねじ対偶のもと
に嵌りあっている。

また、このロボットヘッド５は、垂直方向、すなわちＸ
軸方向の上下動軸１５を上下動自在に支持しており、そ
の駆動モータ１６によって適当な高さの位置に設定でき
るようになっている。また、この上下動軸１５の先端部
分は、同じ方向の六輪２０および交差方向のＢ軸によっ
て、ロボットリスト２２に連結されている。上記のロボ
ットヘッド５は、上記Ａ軸２０を駆動するために、駆動
モータ２３ａを備えており、また上記上下軸１５は、そ
の内部にロボットリスト２２のＢ軸２１を回転させるた
めの駆動モータ２３ｂを備えている。

さて、本発明の揺動防止装置１は、上記工業用ロボット
２の部分に組み込まれるものとして、第ｌ加速度センサ
ー２４、第２加速度センサー２５、重錘２６、およびこ
れを駆動するためのサーボモータ２７を備えている。

上記第１加速度センサー２４は、ロボットアーム４の基
端部分、例えばアーム基台７の側面に取り付けられてお
り、ロボットアーム４の基端部分で、Ｘ軸方向の加速度
α１を検出し、それを電気的な信号に変換し、後述の制
御装置３０に送り込む。また、第２加速度センサー２５
は、ロボットアーム４の先端部分に取り付けられており
、ロボットアーム４のＸ軸方向の加速度α２を検出し、
前記と同様に、電気的な信号として制御装置３０に送り
込む。

また、重錘２６は、ロボットアーム４の運動方向、すな
わちＸ軸方向に移動可能となるように、例えばＹ軸方向
の連結軸２８の先端部分に揺動可能な状態で取り付けら
れている。この連結軸２８の先端部分は、ロボットアー
ム４の先端に取り付けられた支持板２９に対し°、回転
自在に支持されており、また基端部分で前記サーボモー
タ２７に連結されている。このサーボモータ２７は、上
記制御装置３０によって制御され、その回転量は、　　
　　′エンコーダ３１によって電気的に検出され、制御
装置３０の速度系フィードバック信号となる。

つぎに、第４図は制御系の構成を示している。

すでに述べたように、制御装置３０は、例えばデジタル
サーボ系を構成しており、その２つの入力側で、第１加
速度センサー２４、第２加速度センサー２５に接続され
ており、また出力側で、サーボドライバ３２を介し、サ
ーボモータ２７に接続されている。また、このサーボモ
ータ２７に連結されたエンコーダ３１は、すでに述べた
ように、制御装置３０の他の入力端にも接続されている
。

実施例の作用 工業用ロボット２には、位置決め制御によって、所望の
運動が与えられる。この運動中に、ロボットアーム４が
Ｘ軸方向に移動するとき、それが基端部分でいわゆる片
持ち状態で支持されているため、加速度のα１急変時に
、ロボットアーム４の先端部分の変位が基端部分のそれ
と正確に一致せず、またロボットアーム・４の材料的な
弾性力によって、振動が起き易い状態となっている。

第５図は本発明の揺動防止装置１を作用させないときの
ロボットアーム４の運動の状態を示している。ロボット
アーム４がＸ軸方向に等速度運動をしているとき、その
基端部の変位Ｓ１、先端部の変位Ｓ２は、時間Ｔと正比
例の関係で変化する。

しかも、その等速度運動では、加速度がＯであるから、
ロボットアーム４の基端部および先、端部分にＸ軸方向
の変位的なずれは、現れていない。しかし、ロボットア
ーム４が目標の位置に近づき、その速度が減速されると
、ロボットアーム４の基端部分は、その駆動源すなわち
駆動モータ９の減速時の速度Ｖ１に正確に追従していく
が、その先端部分に慣性力が作用するため、先端部分の
速度Ｖ２Ｈは、ロボットアーム４の基端部分よりもゆる
やかな勾配で、しかも時間遅れの下に減少していくこと
になる。この間に、ロボットアーム４の基端部分の加速
度αｌは、はぼ逆台形状に変化するが、その先端部分の
加速度α２は、慣性力と、ロボットアーム４の復帰方向
の材料的な弾力とによって、減衰振動を起こしながら、
ある時間の経過後にはじめて０の状態となる。この間に
、ロボットアーム４の先端部分は、同様に減衰振動を起
こしている。

一方、第６図は、本発明の揺動防止装置１による運動特
性を示している。ロボットアーム４がＸ軸方向に移動し
ている過程で、減速領域に入ると、その先端部分は、す
でに述べたように、慣性力によって、引き続き変位方向
に移動しようとする。

このときのロボットアーム４の基端部の加速度α１およ
び先端部の加速度α２は、それぞれの第１加速度センサ
ー２４、および第２加速度センサー２５によって検出さ
れ、電気的な加速度の信号として、制御装置３０に入力
される。そこで、この制御装置３０は、それらの両加速
度α１、α２の差を検出し、その差の値、および正負の
符号を判別し、その値および符号に基づいて、サーボモ
ータ２７を駆動し、重錘２６に加速度の信号の差が常に
最小となる方向に駆動する。

例えばロボットアーム４の基端部分の加速度α工が先端
部分の加速度α２よりも小さいとき、それらの差を解消
する方向、すなわち重錘２６に第７図で反時計方向の回
転力として与えられる。このとき、重錘２６の反作用に
よって、ロボットアーム４の先端部分に慣性力と逆方向
の反力により加速度α３が作用する。この結果、ロボッ
トアーム４の減速時における先端部分の慣性力がその反
力の加速度α３によって相殺される。このようにして、
ロボットアーム４の先端部分は、減速領域でも、その基
端部分に対しほとんど変位的なずれのない状態で、目標
の位置に停止することになる。

また、先端部分の加速度α１は、減速領域で、基端部分
の加速度α２に対して、時間的な遅れを示しているもの
の、ロボットアーム４のＸ軸方向の停止領域では、低い
周波数で、しかも小さな波高値で短い整定時間のもとに
Ｏの状態に落ち着く。

以上の動作説明は、ともに減速領域との関係で運動特性
を示しているが、このような運動特性は、ロボットアー
ム４の加速領域でも同様に発生している。第８図は、そ
の加速領域での加速度α１、α２のベクトルを示してい
る。加速領域では、ロボットアーム４の基端部分の加速
度α１がその先端部分の加速度α２よりも大きくなって
いる。そこで、制御装置３０は、前記の減速領域の場合
と逆にサーボモータ２７によって、重錘２６に時計方向
の回転力を与えている。

このようにして、ロボットアーム４の加減速領域で、ロ
ボットアーム４が片持ち状態で支持され、かつその基端
部分でのみ駆動されるにもがかわらず、ロボットアーム
４の先端部分は、その基端部分の運動に正確に追従し、
従来のような大きな減衰振動を起こさないで、短時間の
内に目標の位置に到達する。

発明の変形例 上記実施例は、本発明を直交座標型の工業用ロボット２
に組み込んだ例を示しているが、対象となる工業用ロボ
ット２は、それに限らず、例えば円筒座標型、あるいは
多関節型ロボットのように、片持ち状態のロボットアー
ムについて共通に利用できる。

また、上記制御装置３０は、デジタルサーボ、あるいは
アナログサーボのいずれでもよく、また、実用的には、
マイクロコンピュータのソフトウェアの分野においても
実現される。

また上記実施例は、重錘２６に回転運動を与えることに
よって、反力を発生させているが、この重錘２６の運動
は、当然、直線方向であってもよい。

発明の効果 本発明では、ロボットアームの加減速運動時に、ロボッ
トアームの先端部分で運動方向に変位可能な重錘に対し
、ロボットアームの慣性力や材料的な復元力を相殺する
方向の変位が与えられるため、ロボットアームがいわゆ
る片持ち状態であっても、その駆動側の基端部分と、従
動側の先端部分との間に変位量の差がなくなり、また加
減速時の振動的な減衰波が従来のものに比較して、小さ
な範囲に納められる。その結果、ロボットアームやそれ
に関係する各部分の剛性が従来のものよりも小さくても
よく、したがって工業用ロボットの機械的な構成が軽量
かつ簡略化でき、またその駆動源が小さな容量で足り、
さらに位置決め精度も従来のものに比較して高められる
。

しかも、これらの作用効果が運動の変化に追従して得ら
れ、部品のばらつきの下でも安定に期待できるから、工
業用ロボットの位置決め制御が容易となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の工業用ロボットの揺動防止装置の平面
図、第２図はその正面図、第３図は重錘部分の一部の正
面図、第４図は制御系のブロック線図、第５図は従来の
工業用ロボットの運動の特性図、第６図は本発明による
運動の特性図、第７図および第８図は加速度の大きさお
よび方向と重錘の運動方向との関係を示す説明図である
。 １・・工業用ロボットの揺動防止装置、２・・工業用ロ
ボット、３・・ガイドレール、４・・ロボットアーム、
５・・ロボットヘッド、７・・アーム基台、２４・・第
１加速度センサー、２５・・第２加速度センサー、２６
・・重錘、２７・・サーボモータ、２８・・連結軸、２
９・・支持板、３０・・制御装置、３トエンコーダ、３
２・・サーボドライバ。 第１図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）駆動源によって所定の方向に運動するアームを備
   えた工業用ロボットにおいて、上記アームの先端部にア
   ームの運動方向に移動可能でサーボモータによって駆動
   される重錘を取り付け、前記アームの基部加速度と先端
   部加速度との差が常に最小となるような重錘の移動方向
   、および所要の加速度で上記サーボモータを回転させる
   制御装置を設置してなることを特徴とする工業用ロボッ
   トの揺動防止装置。
2. （２）基部加速度と先端部加速度との差を常に最小とす
   る手段として、上記アームの駆動側の基部にアームの運
   動方向の第１加速度センサーを固定し、また、上記アー
   ムの先端部にアームの運動方向の第２加速度センサーを
   固定するとともに、前記制御装置に上記第１の加速度セ
   ンサーおよび第２の加速度センサーを接続して、上記第
   １加速度センサーと第２加速度センサーとの加速度信号
   の差が常に最小となるように制御することを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の工業用ロボットの揺動防止
   装置。