JP2013255981A

JP2013255981A - ロボット制御装置および撓み補正方法

Info

Publication number: JP2013255981A
Application number: JP2012135190A
Authority: JP
Inventors: Masakazu Miyamoto; 昌和宮本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-06-14
Filing date: 2012-06-14
Publication date: 2013-12-26

Abstract

【課題】撓み量の推定をより正確に行うことにより位置精度および軌跡精度を向上したロボット制御装置を得ること。
【解決手段】実施の形態のロボット制御装置１００は、ロボットアームの軸周りの撓み量に比例する弾性成分と当該軸周りの摩擦に依存する成分との和が当該軸周りの全トルクに等しいとして、当該撓み量を算出する撓み量算出部１０３と、前記撓み量に基づいて補正した指令値にて、前記ロボットアームの前記軸周りの動きを駆動するモータを制御する指令値生成部１０４と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロボット制御装置および撓み補正方法に関する。

多関節ロボットを用いて、シーリング作業やレーザ加工など非接触で軌跡精度が要求される作業において、高速かつ正確に動作することが求められている。しかし、高速に動作させると、ロボット手先に取り付けられた工具やロボット自身の慣性力が働くことにより、各関節やアームに撓みが発生するため、軌跡精度が犠牲となってしまう。

特許第３８０８３２１号公報特開平８−９０４６１号公報

しかしながら、従来の技術によれば、バリ取りなどロボット手先を対象物に押し付けて作業する接触作業についての撓み補正は検討されていたが（例えば、特許文献１参照）、シーリング作業などの非接触作業についての検討はされていなかった。接触作業に比べ、非接触作業ではより高速化が求められる。そのため、各関節でのオイルシールなどによる摩擦成分の影響が大きくなるが、従来は弾性成分のみで関節についてのモデル化が行われていたため、撓み量の推定が不正確であった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、撓み量の推定をより正確に行うことにより位置精度および軌跡精度を向上したロボット制御装置および撓み補正方法を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、ロボットアームの軸周りの撓み量に比例する弾性成分と当該軸周りの摩擦に依存する成分との和が当該軸周りの全トルクに等しいとして、当該撓み量を算出する撓み量算出部と、前記撓み量に基づいて補正した指令値にて、前記ロボットアームの前記軸周りの動きを駆動するモータを制御する指令値生成部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、撓み量の推定をより正確に行うことにより位置精度および軌跡精度を向上したロボット制御装置および撓み補正方法を得るという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態にかかるロボットおよびロボット制御装置の構成を示す図である。図２は、実施の形態にかかるロボット制御装置における撓み補正方法の手順を示すフローチャートである。図３は、実施の形態にかかる撓み補正方法で用いる摩擦モデルを示す図である。

以下に、本発明にかかるロボット制御装置および撓み補正方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、本発明の実施の形態にかかるロボットおよびロボット制御装置１００の構成を示す図である。本実施の形態においては、例としてアーム１の軸１０の周りの撓み量の算出および補正について説明するが、以下の議論はアーム１の他の軸の周り、他のアームの軸の周りについても同様に適用可能である。

実施の形態にかかるロボットは、アーム１、アーム２、およびアーム３を備え、アーム３のフランジ４部分に力覚センサ５を介してハンド６が装着されている。ハンド６はワーク（対象物）７を掴み取ることが可能である。アーム１の軸１０にはモータ１１が取り付けられており、アーム１はモータ１１により軸１０の周りに駆動する。モータ１１にはエンコーダ１２が接続されている。ロボット制御装置１００は、第１トルク算出部１０１、第２トルク算出部１０２、撓み量算出部１０３、および指令値生成部１０４を備える。

第１トルク算出部１０１は、力覚センサ５からの情報に基づいてハンド６などの工具の重量や慣性力による軸１０にかかる関節トルクＴ₁を算出する。第２トルク算出部１０２は、エンコーダ１２から取得したアーム１の軸１０周りの角度および角速度に基づいてロボット自身の重量や動作の際に働く慣性力による軸１０にかかる関節トルクＴ₂を算出する。撓み量算出部１０３は、第１トルク算出部１０１および第２トルク算出部１０２が算出した関節トルクＴ₁およびＴ₂を足し合わせ、後述する関節モデルに従って、アーム１の軸１０周りの撓み量を算出する。指令値生成部１０４は、モータ１１を駆動する指令値を電流値として生成してモータ１１を制御するが、本実施の形態においては、撓み量算出部１０３が算出した撓み量に基づいて指令値を補正することによりアーム１の軸１０周りの撓みを補正する。

実施の形態にかかるロボットおよびロボット制御装置１００における撓み補正方法を、図２に示すフローチャートに従い説明する。

まず、ステップＳ１において、第２トルク算出部１０２は、エンコーダ１２からアーム１の軸１０周りの角度および角速度を取得する。そして、ニュートン・オイラー法により力覚センサ５、ハンド６、ワーク７を除いたロボット本体の運動方程式を導出する（ステップＳ２）。次に、第２トルク算出部１０２は、この運動方程式を、例えば、ルンゲ・クッタ法などの比較的精度がよいとされる数値計算法を用いて数値計算する。これにより、ロボット自身の重量による重力や動作の際に働く慣性力によって軸１０にかかる関節トルクＴ₂が、第２トルク算出部１０２により求められる（ステップＳ３）。ロボット自身の重量による重力や動作の際に働く慣性力によって軸１０にかかる関節トルクＴ₂とは、アーム１、２、および３などの工具以外のロボット構成要素の重力および慣性力に起因するトルクである。さらに、非接触作業などにおいてハンド６としてアーム先端に取り付けられた工具などの重量や慣性力による外力を力覚センサ５で取得する。第１トルク算出部１０１は、力覚センサ５が取得した力情報から軸１０にかかる関節トルクＴ₁を算出する（ステップＳ４）。なお、関節トルクＴ₂を求めるステップＳ１〜Ｓ３と、関節トルクＴ₁を求めるステップＳ４の順番は図２と逆でもよいし同時並行して求めても構わない。

そして、ステップＳ５において、撓み量算出部１０３は、第１トルク算出部１０１および第２トルク算出部１０２が算出した関節トルクＴ₁およびＴ₂を加算した合計の関節トルクＴを求める。その上で、以下の式で示した関節（軸）のモデルに基づいて、アーム１の軸１０周りの角度の単位で表現した撓み量Δθを求める。
（関節動作時）

（関節静止時）

ここで、ｋ：バネ定数、ｃ：摩擦係数、Ｔｒ：関節回転し初めの摩擦トルク（動摩擦トルク）、Ｔｓ：最大静止摩擦トルク、Ｔ：関節トルク（＝Ｔ₁＋Ｔ₂）であり、

は、撓み量Δθの時間微分であり角速度の単位を有する。そして、摩擦係数ｃ、関節回転し初めの摩擦トルク（動摩擦トルク）Ｔｒ、および最大静止摩擦トルクＴｓの３つの定数は、図３の摩擦モデルで示したような関係を有している。ここで、図３の横軸は角速度で、縦軸は摩擦トルクである。上記した式（１）および（２）で示したように関節（軸）のモデルに摩擦成分

や、動摩擦トルクＴｒを加えることで、摩擦を考慮した撓み量Δθの推定を行うことができる。これにより、例えば、高速動作時の軌跡精度の向上が実現可能となる。

式（２）において、（関節静止時）のＴ＜Ｔｓの場合に、静止直前に式（１）で求められたΔθを撓み量とするのは、動作時から静止した際にすでに撓みが発生した状態で停止し、停止した際の関節トルクＴが最大静止摩擦トルクＴｓより小さい場合、その位置で停止するためである。また、Ｔ＞Ｔｓの場合に上記のようなＴｒを考慮した式となるのは、撓み量が変化するということは微小ながらも一瞬関節が動くということと、動いたとしても微小な角速度と考えられるためである。

最後に、指令値生成部１０４は、ステップＳ５で求めた撓み量Δθに基づいて、それを打ち消す指令値の補正量を算出し、それにより指令値を補正する（ステップＳ６）。ロボット制御装置１００は、補正後の指令値によりモータ１１を制御することにより撓み量に対する補正が可能となり、位置精度および軌跡精度を向上することが可能である。

上述したように、上記手順は例としてアーム１の軸１０周りの撓み量の算出および補正について説明したものであるが、アーム１の他の軸周り、他のアームの軸の周りについても、図示しないが同様にモータおよびエンコーダが備えられているので、同様の手順で撓み量を推定することができる。従って、それらに基づいてもさらに補正量を算出して、それぞれのモータに対する指令値を補正し、補正後の指令値によりそれぞれのモータを制御する。これにより、全ての軸（関節）周りの撓み量に対する補正が可能となり、位置精度および軌跡精度を向上することが可能である。また、このような補正を、予め撓み量が大きくなることが予測される軸（関節）に限定して実行することも可能である。

このように本実施の形態にかかるロボット制御装置および撓み補正方法によれば、各関節を弾性成分に加えて摩擦成分も含めてモデル化しているので、ロボット動作中の撓み推定精度が向上する。従来、関節部は弾性成分のみでモデル化されていたため、オイルシールなどで生じる摩擦をモデル化できていなかったが、本実施の形態によりモデル精度が高まり、位置精度および軌跡精度を向上することができる。

また、力覚センサ５からの力情報は、従来は、接触作業の反力の取得などで利用されていた。これに対して、本実施の形態においては、非接触作業においてロボット手先に取り付けられた工具の重量や慣性力による外力を力覚センサ５で取得し、その力情報から各関節にかかる工具などの重量や慣性力による関節トルクを算出することで、撓み補正に利用する。これにより、工具について動力学を解く必要がなくなるため、従来に比べて演算負荷が軽減される。

さらに、本願発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、上記実施の形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出されうる。例えば、上記実施の形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出されうる。更に、異なる実施の形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

以上のように、本発明にかかるロボット制御装置および撓み補正方法は、位置精度および軌跡精度を向上させるためのより正確な撓み量の推定に有用であり、特に、シーリング作業などの非接触作業を実行するロボットのロボット制御装置および撓み補正方法に適している。

１，２，３アーム
４フランジ
５力覚センサ
６ハンド
７ワーク（対象物）
１０軸
１１モータ
１２エンコーダ
１００ロボット制御装置
１０１第１トルク算出部
１０２第２トルク算出部
１０３撓み量算出部
１０４指令値生成部
Ｓ１〜Ｓ６ステップ

Claims

ロボットアームの軸周りの撓み量に比例する弾性成分と当該軸周りの摩擦に依存する成分との和が当該軸周りの全トルクに等しいとして、当該撓み量を算出する撓み量算出部と、
前記撓み量に基づいて補正した指令値にて、前記ロボットアームの前記軸周りの動きを駆動するモータを制御する指令値生成部と、
を備える
ことを特徴とするロボット制御装置。
前記摩擦に依存する成分は動摩擦トルクを含んでいる
ことを特徴とする請求項１に記載のロボット制御装置。
ロボット先端に接続した工具に起因する前記軸周りの第１トルクを算出する第１トルク算出部と、
前記工具を除いたロボットの部位に起因する前記軸周りの第２トルクを算出する第２トルク算出部と、
を更に備え、
前記第１トルクと前記第２トルクの和を前記全トルクとする
ことを特徴とする請求項１または２に記載のロボット制御装置。
前記第１トルク算出部は、前記工具に装着された力覚センサからの情報に基づいて前記第１トルクを算出する
ことを特徴とする請求項３に記載のロボット制御装置。
前記第２トルク算出部は、前記ロボットアームの軸周りの角度および角速度に基づいて前記第２トルクを算出する
ことを特徴とする請求項３または４に記載のロボット制御装置。
前記ロボットアームが前記軸周りに動いているときは、前記摩擦に依存する成分は前記撓み量の時間微分に比例する成分を含んでいる
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のロボット制御装置。
ロボットアームの軸周りの全トルクを求める工程と、
前記ロボットアームの前記軸周りの撓み量に比例する弾性成分と前記軸周りの摩擦に依存する成分との和が前記全トルクに等しいとして、当該撓み量を算出する工程と、
前記撓み量に基づいて、前記ロボットアームの前記軸周りの動きを駆動するモータを制御する指令値を補正する工程と、
を有する
ことを特徴とする撓み補正方法。
前記撓み量を算出する工程において、前記摩擦に依存する成分は動摩擦トルクを含んでいる
ことを特徴とする請求項７に記載の撓み補正方法。
前記全トルクを求める工程は、
ロボット先端に接続した工具に起因する前記軸周りの第１トルクを算出する第１トルク算出工程と、
前記工具を除いたロボットの部位に起因する前記軸周りの第２トルクを算出する第２トルク算出工程と、
を含み、前記第１トルクと前記第２トルクの和を前記全トルクとする
ことを特徴とする請求項７または８に記載の撓み補正方法。
前記第１トルク算出工程は、前記工具に装着された力覚センサからの情報に基づいて前記第１トルクを算出する
ことを特徴とする請求項９に記載の撓み補正方法。
前記第２トルク算出工程は、前記ロボットアームの軸周りの角度および角速度に基づいて前記第２トルクを算出する
ことを特徴とする請求項９または１０に記載の撓み補正方法。
前記撓み量を算出する工程において、前記ロボットアームが前記軸周りに動いているときは、前記摩擦に依存する成分は前記撓み量の時間微分に比例する成分を含んでいる
ことを特徴とする請求項７〜１１のいずれか１項に記載の撓み補正方法。