JPWO2002066210A1 - ロボット制御装置 - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、2つ以上の駆動部を有するロボットの動作を、指令速度以下で制御するための制御装置に関するものである。
背景技術
従来のロボット制御装置においては、ロボット先端部のハンド等の位置を制御点として、その速度が指令速度を超えないような制御や、特異点を通過したりする場合の関節部の速度が駆動装置の限界速度を超えないような制御を行うものがある。
図6は、従来より用いられている水平関節型ロボットの外観構成を示す図であり、ロボット1、制御装置2、ロボットの操作を行う手動操作装置3から構成されている。ロボット1は、物品を把持するハンド11、第二アーム12、第一アーム13、支柱14、ベース15からなる。
図7は、日本国特開平11−104981号公報に記載された、ロボット用の制御装置2と手動操作装置3の各内部構成を示すブロック図である。ただし図には、ロボット装置の構成を明確にするために、ロボット1の外形を追記している。制御装置2は、パラメータ記憶部21、軌跡生成部22、速度制御部23、動作指令部24、駆動制御部25から構成されている。また、手動操作装置3はキー入力部31、キー情報出力部32から構成されている。
操作者によるキー操作は、手動操作装置3のキー入力部31に入力され、その情報がキー情報出力部32に出力される。これにより、出力される手動動作情報ΔPは、制御装置2の軌跡生成部12に入力される。ここで、手動動作情報ΔPより、パラメータ記憶部21に記憶されている指令速度VSが選択され、この指令速度VSを基に、制御装置2の計算周期である単位時間ΔT当りの移動量ΔLの算出を行う。
ΔL=VS×ΔT
ここで算出した移動量ΔLを基に動作軌跡生成を行う。
P2=P1+ΔL
ただし、P1はロボット1の現在位置、P2はロボット1の動作目標位置を表す。ここで生成されたロボット1の動作目標位置P2を動作指令として、速度制御部23に出力する。速度制御部23では、動作目標位置P2を基に速度監視制御を行う。ここでは、ロボット1の現在位置P1と、動作目標位置P2より実速度Vjを算出する。
Vj=|P2−P1|/ΔT
算出された速度Vjについて、パラメータ記憶部21に記憶されている指令速度VSとから速度比Vratioの算出を行う。
Vratio=VS/j
ここで、Vratio>1の場合には、まだ速度を上げることが可能であることを示し、Vratio<1の場合には、現在の速度を下げさせることが必要であることを示している。
ここで算出したVratioの比率によって、動作指令部24で再度動作目標位置P2の作成を行う。
P2=P1+ΔL×Vratio
ここで算出された動作目標位置P2は、動作指令として駆動制御部15に出力される。この速度制御部23での速度監視、動作制御部24での動作目標位置再生成を制御装置2の計算周期毎に行うことによって、基準速度以下での速度で動作する。
以上説明したように、従来のロボットの制御装置においては、ロボット先端部のハンド11や関節部を制御点として、その速度が安全速度を超えないように移動速度を制御している。また、ロボットの教示モード中においても、教示者とロボットは非常に接近して作業を行うので、その安全を確保するため制御点であるハンド11や関節部の速度が安全速度を超えないように、移動速度を制御することが開示されている。
しかし、一般にロボットは複数の関節からなり、姿勢によってはアーム先端部に取付けられたハンド11や関節部が、最も早い速度で移動するわけではない。これらの例について図8、図9、図10のロボットの動作説明図を用いて説明する。
まず、図8の動作説明図で示す水平関節型ロボットにおいて、ハンド11の位置を点Aから点Bに移動させると、第一アーム13と第二アーム12の関節部である点Cは、支柱14の旋回中心点Oを中心として点Dに移動する。また第一アーム13の先端部である点Eは、点Fまで移動することになり、図からも明らかなように、ハンド11の位置移動量の線分ABに比較して、第一アーム13先端部移動量の線分EFのほうが長く移動速度が大きいことがわかる。一般に、ハンド11の位置である点Aが、支柱14の旋回中心点Oからみて第一アーム13の長さLOの半径内に位置する場合に、第一アーム13と第二アーム12の関節部である肘の部分、すなわち点Cまたは点Eのほうが、ハンド11の移動速度よりも大きな速度で移動する。
さらに、図9の動作説明図で示す水平関節型ロボットにおいて、第一アーム13と第二アーム12が直線上に伸びた状態から、ハンド11の位置の点Aを支柱14の旋回中心点Oに向かって点Bまで移動させる場合にも同様に、第一アーム13と第二アーム12の関節部の点Cおよび第一アーム13の先端部の点Eは、ハンド11の位置の点Aよりも高速で移動する。
さらに、図10で示す垂直多関節型ロボットにおいても、図8で示される水平関節型ロボットと同一の記号を付してあるように、ハンド11の位置の点Aよりも、関節部の点Cのほうが高速で移動し、さらに、第二アーム12の一方の点Eが高速で移動する。
発明の開示
この発明は、ロボットの制御点以外の動作速度が大きくなりうる部分、言い換えれば、関節部分から最も離れたアーム端部を監視点とし、関節部から監視点までの距離や角度を監視点情報としてパラメータ記憶部に記憶し、ロボットの制御点の移動指令から求められる関節部の回転速度を基に、監視点の移動速度を計算し、各制御点の移動速度と各監視点の移動速度の全てが指令速度以下になるように目標動作位置を変更して、その結果、動作速度を変更制御するようにしたものである。
監視点情報として、関節部からアーム両端部までの距離や角度を、パラメータ記憶部に記憶するようにしたものである。
監視点情報として、関節部から搬送物までの距離や角度と、アーム端部までの距離や角度とをパラメータ記憶部に記憶するようにしたものである。
ロボットの制御点の移動指令から求められる各関節部分の回転速度と各アーム等の姿勢を基にして各監視点の移動速度を計算し、さらに、アームの連結状態と各監視点の移動速度とから合成移動速度を計算し、各制御点の移動速度、各監視点の移動速度、各監視点の合成移動速度の全てが指令速度以下になるように目標動作位置を変更して、その結果、動作速度を変更制御するようにしたものである。
この発明のロボット制御装置を使用すれば、ロボットの制御点とロボットの監視点は、ロボットのベースから見て、指令速度よりも高速で移動することがないので、指令速度の設定を行うための試運転等が不要になる効果がある。
また、教示作業者がロボット付近で教示作業を行う場合において、アーム等が不意にかつ指令速度よりも高速で移動することがないので、教示作業者の安全性を確保でき、さらに、安全を見込んで教示速度を低速に設定して教示作業を行う必要が無いので、教示作業を効率良く行える効果がある。
また、この発明のロボット制御装置をロボットの先端部に設けられた手首軸に採用し、監視点を搬送物の先端部に指定すれば、手首軸の回転速度指令をたとえ高速に設定したとしても、搬送物の先端部を指定速度がロボットの動作指令速度よりも高速で移動することがないので、作業者の安全性を確保でき、回転速度の設定も簡単になる効果がある。
発明を実施するための最良の形態
−実施の形態1.−
この発明の実施の形態1について、図1から図3を用いて説明する。
図1は実施の形態1を示すブロック図、図2はそのフローチャートである。図3はロボットの動作説明図である。なお、装置の外観構成は図7で示す従来装置と同様で、ロボット1、制御装置2、手動操作装置3から構成される。従来装置と異なる点は、制御装置2の構成であり、図を用いてその詳細を説明する。
図1において、21はパラメータ記憶部で、ロボット1の駆動制御に必要な各種パラメータ値や動作プログラム等を記憶するものである。この発明においては監視点情報として、各アームの関節部からのアーム先端部までの距離LA、LC等をパラメータとしてパラメータ記憶部21に記憶する。22は軌跡生成部で、手動操作装置3からの移動指令、または、ロボット動作プログラムからの移動指令を、パラメータ記憶部に記憶された指令速度VSと、制御装置2のCPU(図示せず)の計算周期である時間ΔTから移動量ΔLを決定し、現在位置P1から時間ΔT後の目標位置P2への移動軌跡生成を繰り返し行って、最終移動指令位置までの軌跡生成を行うものである。26は制御点速度制御部で、ハンド11や各関節部における動作速度を、制御点の動作速度として算出するものである。
27は監視点速度制御部で、26の制御点速度制御部で求められた制御点の動作速度とパラメータ記憶部21に格納された監視点情報から、監視点における移動速度を求めるものである。28は動作指令部で、制御点における移動速度、監視点における移動速度およびパラメータ記憶部21に記憶された指令速度とを比較し、制御点または監視点における移動速度が指令速度よりも大きい場合に、制御点または監視点が指令速度となるように関節の動作速度を変更するものである。25は駆動制御部で、動作指令部28からの指令に基づき駆動モータ(図示せず)をサーボ制御し、ロボット1側の支柱14や各アームの関節部の回転制御を行うものである。
次に動作について図2のフローチャートを基に説明する。
パラメータ記憶部21に記憶された動作プログラムの起動、または手動操作装置3から移動指令が発生すると、ステップ41において軌跡生成部22は、移動指令の終点位置に向けて、制御装置2の計算周期ΔT毎の移動量ΔLを、パラメータ記憶部21に記憶されている指令速度VSから算出する。
ΔL=VS×ΔT
ここで算出した移動量ΔLを基に軌跡生成部22は、動作軌跡生成を行う。
P2=P1+ΔL
なおP1はロボット1の現在位置、P2は時間ΔT経過後のロボット1の動作目標位置を表す。軌跡生成部22で生成されたロボット1の動作目標位置P2は、動作指令として、制御点速度制御部26に出力される。
ステップ42において制御点速度制御部26は、動作目標位置P2を基に単位時間ΔT当たりの第一アーム13の回転角度Δθ1、第二アーム12の回転角度Δθ2等を求める。さらに求められた回転角度から関節部などの各制御点における移動速度を求める。例えば、第一アーム13の関節部である点Cの移動速度VCは、第一アーム13の長さLCと回転角度Δθ1とから、以下に示す式により求めることができる。
VC=LC×Δθ1/ΔT
同様にハンド11の位置である点Aの速度VAも、支柱14の回転角度Δθ1、第二アーム12の回転角度Δθ2、各アームの長さLC、LA、各アームの姿勢θ1、θ2などから求めることができる。
次に、ステップ43において監視点速度制御部27は、制御点速度制御部26で求められた各制御点の移動速度と、パラメータ記憶部21に記憶された各監視点の情報とから、各監視点における移動速度を求める。例えば、第一アーム13の監視点Eの移動速度は、支柱14の回転中心点Oから点Eまでの距離LEと、支柱14の回転角度Δθ1とから、以下に示す式により求めることができる。
VE=LE×Δθ1/ΔT
同様に、第二アーム12の監視点Gの移動速度は、第一アーム13の回転による点Cの移動速度と、第一アーム13に対して点Cを中心とした第二アーム12の回転による点Gの移動速度を合成して求めることができる。
ステップ44において動作指令部28は、制御点速度制御部26と監視点速度制御部27で求められた制御点の速度と監視点の速度とを、指令速度VSと比較する。指令速度VSよりも大きい速度があれば最大速度のものを選択しステップ45に進み、すべて指令速度VS以下であればステップ46に進む。なお、ここでは図3における監視点Eの移動速度VEが最も大きく、指令速度VSよりも大きいと仮定して説明する。
ステップ45において動作指令部28は、従来と同様に速度比Vratioを以下の式で求める。
Vratio=VS/VE
ここで算出されたVratioの比率によって、再度動作目標位置P2の作成を以下の式に基づいて行う。
P2=P1+ΔL×Vratio
ステップ46において動作指令部28は、算出された動作目標位置P2を、動作指令として駆動制御部25に出力する。
ステップ47とステップ48において駆動制御部25は、目標位置P2に達するまでロボット1の駆動モータの駆動指令を出力する。
ステップ49において制御装置2のCPUは、移動指令の終点位置まで移動したかを判断し、移動完了でないと判断した場合はステップ41にもどり、次の目標位置P2の設定を行う。また移動完了と判断した場合はこの処理を終了し、次の移動指令があるまで待機する。
−実施の形態2.−
図4は、実施の形態2である大型ガラス基板を搬送するロボットのハンド部分を示す平面図である。図において、11はロボット1の第二アーム12先端部に設けられたフォーク形状のハンドである。ハンド11は、第二アーム12に設けられた手首軸の回転中心点Oを中心にして回転するように構成される。16は搬送物であるガラス基板を示す。
ガラス基板16のパレットとの間における取出しや格納と処理装置への搬送を行う場合、プログラムにより指定された手首軸の指令回転速度ω1を指令して、点Oを中心として回転させると、回転速度ω1の値によっては、ガラス基板16のコーナ部の移動速度が、予め指定されているロボットの移動指令速度VSをオーバーすることがある。
このような場合、制御点である手首軸に対して監視点Hを指定して、例えば点Oからガラス基板コーナまでの距離LHをパラメータ記憶部21に記憶させておき、過大な回転速度指令ω1があったときには、実施の形態1と同様に、回転速度指令ω1を変更して指令する。
変更にあたって、まず、コーナ部の速度VOを次の式で算出する。
VO=LH×ω1
コーナ部の速度VOを制御点の移動指令速度VSと比較して、速度比Vratioを算出する。
Vratio=VS/VO
ここでVratio<1の場合は、再度回転速度指令ω1を以下の式に基づいて変更して駆動制御部25に指令する。
ω1=ω1×Vratio
以上の処理により、ガラス基板16コーナ部の点Hの移動速度VHは、制御点やアーム等の指令速度VS以内に変更制御される。
なお、上記の説明においては、手首軸の指令回転速度ω1が指定された場合の例を示したが、ロボットの移動指令速度VSと監視点情報から、手首軸の指令回転速度ω1を求めて、駆動制御部25に指令すれば、手首軸の指令回転速度ω1を予め指定する必要が無いので、プログラムやパラメータの入力が不要になる。
−実施の形態3.−
図5は、実施の形態3を説明するための多関節型ロボット装置を示す図で、図10の従来動作の問題点を説明するためのロボットと同じものある。実施の形態3は、関節部から見たアームの両端部までの距離および角度を監視点として入力し、関節の動作に伴って移動するそれぞれの制御点と監視点の移動速度を求め、各制御点の移動速度に起因する監視点の移動速度を合成して合成移動速度を求め、制御点の移動速度、監視点の移動速度および監視点の合成移動速度のうちの最大速度と指令速度と比較して、最大速度が指令速度を超えた場合にその速度を制限するようにしたものである。
なお、図1の制御装置ブロック図、図2の動作フローチャートは同一であるが、監視点速度制御部27、および、ステップ43における処理内容が実施の形態1と異なっている。
以下、図について説明する。
図5において、11はロボット本体1の先端部のハンド、12は第二アーム、13は第一アーム、14は支柱、15はベースである。また点Aはハンド11の制御点、点Cは第一アーム13と第二アーム12との関節の回転中心、点Oは支柱14と第一アーム13との関節の回転中心である。θ1は第一アーム13と水平面との成す角度、θ2は第一アーム13と第二アーム12との成す角度である。
線分LEは関節部の点Cから第二アーム12の右側の最長位置である点Eまでの距離、θEは関節部の点Cから見た点Eの角度で、第二アーム12の軸心12aとの成す角度で表す。また線分LHは、同様に点Cから第二アームの左側の最長位置である点Hまでの距離、θHは関節部の点Cから見た点Hの角度で第二アーム12の軸心12aとの成す角度で表す。これらの距離と角度は、監視点情報としてキー入力部31から入力されて、パラメータ記憶部21に記憶される。なお、ハンド11の部分に搬送物を取付けた状態において、搬送物の最長部分までの距離をLHとして入力すれば、搬送物先端部の速度に対して監視が可能である。また、上記の監視点情報である距離と角度を、図5で示す関節部の点Cから点Eまでの距離HCEおよび点Cから点Eまでの第二アーム12の軸心方向の距離LCEを、監視点情報として入力してもよい。第二アーム12の他端の点Hについても同様に、距離LHC、距離HHCを入力するようにしてもよい。
次に、プログラムから点Aの制御点に対して移動指令があり、その結果、第一アーム13と第二アーム12の双方の回転移動が発生した場合の動作について説明する。
軌跡生成部22において、プログラムからのハンド11の移動指令があると、制御装置2は計算周期ΔTのハンド11の移動量ΔLを、指令速度VSから決定する(ステップ41)。制御点速度制御部26は、移動量ΔLに基づいて、第一アーム13の動作角度である関節部の点Oの回転角度Δθ1と第二アーム12の動作角度である点Cの回転角度Δθ2等の各制御点における移動指令を決定する(ステップ42)。
次に、監視点速度制御部27において、ステップ42で決定された各関節の回転角度の移動指令に基づいて、各監視点の移動速度を求める。(ステップ43)
例えば、関節部の点Oの回転に伴う監視点Eの速度VEOは、次の式で求められる。
VEO=LOE×Δθ1/ΔT
ただし、距離LOEは点Oと点E間の距離である。距離LOEは、第一アーム13の関節間距離LC、第一アーム13の姿勢角度θ1、第二アーム12の姿勢角度θ2、監視点Eの角度θE、監視点Eまでの距離LEから求めることができる。
次に、関節部の点Cの回転に伴う監視点Eの速度VECは、次の式で求められる。
VEC=LE×Δθ2/ΔT
ここで、それぞれの関節の移動に伴い発生する速度VEO、VECを合成して監視点Eの速度VEを求めることができる。
同様に関節部の点Oの回転に伴う監視点Hの速度VHOは、次の式で求められる。
VHO=LOH×Δθ1/ΔT
ただし、距離LOHは点Oと点H間の距離である。距離LOHは、第一アーム13の関節間距離LC、第一アーム13の姿勢角度θ1、第二アーム12の姿勢角度θ2、監視点Hの角度θH、監視点Hまでの距離LHから求めることができる。
次に関節部の点Cの回転に伴う監視点Hの速度VHCは、次の式で求められる。
VHC=LH×Δθ1/ΔT
ここで、それぞれの関節の移動に伴い発生する速度VHO、VHCと方向とのベクトルを合成して監視点Eの合成速度VHを求めることができる。
このほかにも指定された監視点の移動速度すべてを算出し、制御点速度制御部26で求めた、すべての制御点の移動速度も併せて、その速度を比較する。動作指令部28において、指令速度VSを超える最大速度の制御点あるいは監視点があれば、最大速度が指令速度VSとなるように移動位置を変更し、その結果として移動速度を変更する。
産業上の利用可能性
以上のように、この発明に係るロボット制御装置は、ロボットの各部位の移動速度を、指令速度以下に変更制御することができるので、ロボットの教示作業を安全に行うのに適している。
【図面の簡単な説明】
図1は、この発明の実施の形態1に係るロボット制御装置のブロック図である。
図2は、実施の形態1に係る処理動作を説明するフローチャートである。
図3は、実施の形態1に係るロボットの動作を説明する動作説明図である。
図4は、実施の形態2に係るロボットハンド部分を示す平面図である。
図5は、実施の形態3に係るロボットの動作を説明する動作説明図である。
図6は、一般のロボット装置の外観を示す構成図である。
図7は、従来のロボット制御装置のブロック図である。
図8は、従来の水平多関節型ロボットの動作を説明する動作説明図である。
図9は、従来の水平多関節型ロボットの動作を説明する動作説明図である。
図10は、従来の垂直多関節型ロボットの動作を説明する動作説明図である。
Claims (5)
- ロボット制御装置において、
ロボットの速度指令値、監視点の位置情報を入力指定する入力手段と、
上記ロボットの速度指令値、上記監視点の位置情報を記憶するパラメータ記憶手段と、
ロボットの移動指令に基づき、支柱アーム等の各関節部を駆動するための移動指令を生成する軌跡生成部と、
上記軌跡生成部からの移動指令に基づいて、それぞれの関節部を制御点として、その移動速度を求める制御点速度制御部と、
上記制御点速度制御部からの上記各制御点の動作速度と、上記パラメータ記憶手段に記憶された上記監視点情報に基づいて、上記監視点の動作速度を求める監視点速度制御部と、
上記各制御点の動作速度と上記監視点の動作速度のうち、最大の動作速度を最大動作速度として選択し上記速度指令値と比較して、上記最大動作速度が上記速度指令値を超えた場合に、上記最大動作速度の制御点あるいは監視点の動作速度が速度指令値以下となるように移動指令を変更出力する動作指令部と、
上記動作指令部から出力された動作速度に基づいてロボットを駆動させる駆動制御部と、
を具備したことを特徴とするロボット制御装置。 - ロボット制御装置において、
ロボットの速度指令値、監視点の位置情報を入力指定する入力手段と、
上記ロボットの速度指令値、上記監視点の位置情報を記憶するパラメータ記憶手段と、
ロボットの移動指令に基づき、支柱アーム等の各関節部を駆動するための動作指令を生成する軌跡生成部と、
上記軌跡生成部からの動作指令に基づいて、それぞれの関節部を制御点として、その動作速度を求める制御点速度制御部と、
上記制御点速度制御部にて求められた各制御点の移動速度と、上記パラメータ記憶手段に記憶された監視点情報に基づいて、上記各制御点の移動速度により発生する上記各監視点の移動速度を求め、さらに複数の関節の動作に伴う監視点の移動速度を、上記各監視点の移動速度から合成して合成移動速度を求める監視点速度制御部と、
上記各制御点の移動速度、上記監視点の移動速度および上記合成移動速度のうち、最大の移動速度を最大速度として選択し上記速度指令値と比較して、上記最大移動速度が上記速度指令値を超えた場合に、上記最大移動速度の制御点あるいは監視点の移動速度が速度指令値以下となるように移動指令を変更出力する動作指令部と、
上記動作指令部から出力された動作速度に基づいてロボットを駆動させる駆動制御部と、
を具備したことを特徴とするロボット制御装置。 - 監視点の情報として、関節部からみて2方向のアーム端部までの最大距離と角度を指定することを特徴とする請求の範囲第1項および第2項に記載のロボット制御装置。
- 監視点の情報として搬送物の部位を指定することを特徴とする請求の範囲第1項および第2項に記載のロボット制御装置。
- 回転軸を有するロボット制御装置において、
ロボットの速度指令値、ロボットの回転軸の回転速度指令値および監視点の位置情報を入力指定する入力手段と、
上記ロボットの速度指令値、上記回転軸の回転速度指令値および上記監視点の位置情報を記憶するパラメータ記憶手段と、
上記ロボットの回転軸の上記回転移動指令値に基づき、上記回転軸を回転駆動するための指令を生成する軌跡生成部と、
上記軌跡生成部からの回転移動指令に基づいて、上記回転軸の回転速度を求める制御点速度制御部と、
上記制御点速度制御部からの上記回転軸の回転速度と、上記パラメータ記憶手段に記憶された上記監視点情報に基づいて、上記監視点の移動速度を求める監視点速度制御部と、
上記監視点の移動速度が上記速度指令値を超えた場合に、監視点の移動速度が速度指令値以下となるように回転移動指令を変更出力する動作指令部と、
上記動作指令部から出力された動作速度に基づいてロボットの回転軸を駆動させる駆動制御部と、
を具備したことを特徴とするロボット制御装置。
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