JP2019141968A - ロボットのアーム回転軸速度検出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】アームの軸側に配置する回転センサの分解能が低いものであっても、回転速度の検出精度を高める。【解決手段】ロボットアームの回転軸25側に、ホールセンサ28(1),28(2)を互いに90度位相差のセンサ信号を出力するように配置する。速度用マイコン14の速度演算部31は、各センサ信号をそれぞれ微分すると、微分信号の2乗和を演算してアームの回転速度Vを求める。【選択図】図1
Description
本発明は、ロボットのアーム回転軸速度を検出する装置に関する。
ロボットアームの各軸を駆動するモータには、ロータリエンコーダのような回転センサが取り付けられている。そして、ロボットのアームは、モータの回転軸に連結された減速機構を介して駆動される。このようなロボットが動作する際に安全を確保するため、例えば図8に示すように、減速機構を経たアームの回転軸,つまり出力側にも回転センサを設けてアームの動作速度を直接検出し、動作速度が上限値を超えた際にモータの駆動を停止させることが考えられる。
出力側に配置する回転センサとして、例えば同図に示すようにホールセンサを用いることができる。アームの回転軸25に永久磁石27を配置し、その磁石27の回転に伴う磁気の変化をホールセンサ28により検出する。2つのホールセンサ28(1),28(2)を用いて90度位相差のセンサ信号を得るようにすれば、アームの回転方向も検出できる。
2相のセンサ信号から回転速度を得ることを想定すると、一方の信号がsinθ,他方の信号がcosθに対応するので、回転位置θを次式で求め、
θ=arctan(sinθ/cosθ) …(1)
回転位置θを微分すれば速度が得られる。
θ=arctan(sinθ/cosθ) …(1)
回転位置θを微分すれば速度が得られる。
しかしながら、一般に、ホールセンサにより得られる回転位置情報は分解能が低い。そのため、上記の式に基づいて回転速度を求めると、誤差が非常に大きくなってしまう。例えば、図9に示すような2相のホールセンサ信号をA/D変換すると、図10に示すように、量子化誤差を含んだ値となる。そして、これらの値から(1)式により角度θを求めると図11に示すようになり、その角度θを微分して得られた速度は、図12に示すように極めてばらつきが大きい値となってしまう。
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、アームの軸側に配置する回転センサの分解能が低いものであっても、回転速度の検出精度を高めることができるロボットのアーム回転軸速度検出装置を提供することにある。
請求項1記載のロボットのアーム回転軸速度検出装置によれば、減速機構を介して駆動されるロボットアームの駆動機構に適用され、第1及び第2回転センサは、アームの回転軸側に配置されて、互いに90度位相差の回転位置信号を出力する。第1及び第2微分器は、第1及び第2回転センサより出力される第1及び第2回転位置信号をそれぞれ微分する。速度演算部は、第1及び第2微分器より出力される第1及び第2微分信号の2乗和を演算してアームの回転速度を求める。
2つの回転センサより得られる回転位置信号の分解能が低く、それらによって得られる軸の回転位置が粗くても、回転位置信号を微分した信号のばらつきは、回転位置の即値が示すばらつきよりも小さくなる。したがって、分解能が低い回転センサを用いても、それらが出力する回転位置信号から回転位置を求め、速度を求める場合に比較して、より精度が高い回転速度を得ることができる。
請求項2記載のロボットのアーム回転軸速度検出装置によれば、第1及び第2回転センサを、アームの回転軸に配置される永久磁石の磁気変化を検出する磁気センサとする。このように構成すれば、安価な磁気センサを2つ用いてロボットのアーム回転軸速度を検出できる。
以下、一実施形態について図1から図8を参照して説明する。図3に示すように、ロボットシステム1は、垂直多関節型のロボット2、ロボット2を制御するコントローラ3を備えている。このロボットシステム1は、一般的な産業用に用いられている。ロボット2は、いわゆる6軸の垂直多関節型ロボットとして周知の構成を備えており、ベース5上に、Z方向の軸心を持つ第1軸(J1)を介してショルダ6が水平方向に回転可能に連結されている。ショルダ6には、Y方向の軸心を持つ第2軸(J2)を介して上方に延びる下アーム7の下端部が垂直方向に回転可能に連結されている。下アーム7の先端部には、Y方向の軸心を持つ第3軸(J3)を介して第一上アーム8が垂直方向に回転可能に連結されている。
第一上アーム8の先端部には、X方向の軸心を持つ第4軸(J4)を介して第二上アーム9が捻り回転可能に連結されている。第二上アーム9の先端部には、Y方向の軸心を持つ第5軸(J5)を介して手首10が垂直方向に回転可能に連結されている。手首10には、X方向の軸心を持つ第6軸(J6)を介してフランジ11が捻り回転可能に連結されている。
ベース5、ショルダ6、下アーム7、第一上アーム8、第二上アーム9、手首10およびフランジ11は、ロボット2のアームとして機能し、アームの先端となるフランジ11には、ワークを保持するための図示しないツールが取り付けられる。ロボット2に設けられている各軸(J1〜J6)には、それぞれに対応して駆動源となる図示しないモータが設けられている。
コントローラ3は、ロボット2の制御装置であり、図示しないCPU、ROMおよびRAM等で構成されたコンピュータからなる制御手段においてコンピュータプログラムを実行することで、ロボット2を制御する。具体的には、コントローラ3は、インバータ回路等から構成された駆動部を備えており、各モータに対応して設けられているエンコーダで検知したモータの回転位置に基づいて例えばフィードバック制御によりそれぞれのモータを駆動する。
コントローラ3は、CPU、ROM、RAM、上記駆動部に相当するモータドライバ等を備えている。ROMは、ロボット2のシステムプログラムや動作プログラム等を記憶している。RAMは、これらのプログラムを実行する際にパラメータの値等を記憶する。位置検出回路には、コントローラ3には、ロボット2の各関節に設けられた図示しない各エンコーダの検出信号がそれぞれ入力される。
図2は、コントローラ3について、本実施形態の要部に係る部分を示す機能ブロック図である。コントローラ3は、メインCPU12と、各軸J1〜J6のそれぞれに対応して設けられる制御用マイコン13及び速度用マイコン14とを備えている。コントローラ3には、例えばティーチングペンダントのようなユーザ操作部15が接続されており、ユーザは、ユーザ操作部15によりロボット2を制御するための各種パラメータを設定する。メインCPU12は、各軸の制御用マイコン13,速度用マイコン14に対し、それぞれ角度指令,監視速度を与える。監視速度は、各軸の回転速度を監視するための上限値である。
図1は、ロボット2の各軸の軸周りの構成と、それらに係るコントローラ3の制御部の構成とをモデル的に示している。尚、軸周りの構成は、基本的に図8に示すイメージと同じであり、図8にも同じ符号を付している。モータ21には、モータ側エンコーダ22が取り付けられている。エンコーダ22は、モータ21の回転角度を制御用マイコン13に入力する。モータ21の回転軸23は、複数段のギアからなるモジュールである減速機構24の入力側に連結されている。減速機構24の出力側は、対応するロボットアームの回転軸25に連結されている。
回転軸25には、アームの動きを制するための機械式ブレーキ26が配置されている。また、回転軸25には永久磁石27が取り付けられており、回転軸25が回転することに伴う永久磁石27の磁界の変化は、2つのホールセンサ28(1),28(2)により検出される。ホールセンサ28(1),28(2)は、位相が90度異なる回転位置信号,センサ信号を出力する。
ホールセンサ28(1),28(2)より出力されるセンサ信号は、それぞれアンプ29(1),29(2)により増幅されて、速度用マイコン14が備えるA/D変換器30(1),30(2)に入力される。A/D変換器30(1),30(2)によりA/D変換されたデータは、角度・速度演算部31に入力される。
演算部31は、入力される2相センサ信号のデータに基づいて、回転軸25の回転角度及び回転速度を演算する。演算された回転角度,アーム角度は、制御用マイコン13に入力される。また、演算された回転速度は、演算部31において、メインCPU12より与えられる監視速度と比較される。そして、アームの回転速度が監視速度を超えると、速度マイコン14は、制御用マイコン13に停止指令を出力する。
制御用マイコン13は、制御対象のアーム角度が、メインCPU12より与えられる角度指令に一致するようにモータ21を制御する。モータ21の制御信号は、アンプ32及びモータドライバを介してモータ21に与えられる。また、制御用マイコン13は、ブレーキ26のON/OFFも制御する。速度用マイコン14より停止指令が入力されると、制御用マイコン13は、ブレーキ26をONにすると共に、モータ21の駆動制御を停止する。また、制御用マイコン13は、アーム角度を参照することで、特許文献1と同様にモータ21が何回転しているかを検出する多回転数検出処理を行う。
次に、本実施形態の作用について図4から図7を参照して説明する。図4は、制御用マイコン13により行われる、減速機構24におけるバックラッシを解消するための処理である。先ず、ブレーキ26により回転軸25をロックする(S1)。それから、モータドライバを構成する例えばFETなどのスイッチング素子を全てオフして、モータ21をフリー状態にする(S2)。続いて、各アーム軸が重力の作用で動かない姿勢か否かを判断する(S3)。
ここで、ロボット2が、アームの回転軸25に重力が作用する姿勢を取っていれば(NO)、バックラッシはステップS2の時点で解消される。したがってこの場合は、モータドライバのローサイドFETのみをONにすることでモータ21をショートブレーキ状態にして(S8)処理を終了する。
一方、ロボット2のアームが、例えば重力方向に沿って一直線となるような姿勢を取っている場合(S3;YES)、バックラッシは解消されない。そこで、ブレーキロック状態を維持するようにトルク制限値を設定してから(S4)、モータ21をサーボロック状態にする(S5)。それから、モータ21を時計回り方向,又は反時計回り方向に、極低速の一定速制御で回転させる(S6)。この処理を、モータ21の出力トルクが制限値に達するまで継続し(S7;NO)、トルクが制限値に達すると(YES)ステップS8に移行する。
尚、出力トルクは、例えばモータ21に通電される電流を検出して推定したり、ベクトル制御を行う際にはq軸電流の値をトルクと見なせば良い。この処理により、バックラッシの解消を図る。その後、アームの駆動制御を開始する際に、ブレーキ26によるロック状態を解消する。
尚、出力トルクは、例えばモータ21に通電される電流を検出して推定したり、ベクトル制御を行う際にはq軸電流の値をトルクと見なせば良い。この処理により、バックラッシの解消を図る。その後、アームの駆動制御を開始する際に、ブレーキ26によるロック状態を解消する。
図5は、速度用マイコン14により実行される回転軸25の回転速度を求める処理を示す。尚、ステップS11〜S15の処理は、ホールセンサ28(1),28(2)について並行的に実行される。速度演算部31は、AD変換器30が出力する変換値が変化したか否かを判断する(S11)。変換値が変化していなければ(NO)、変化時間をカウントするためのカウンタをインクリメントして(S15)ステップS11に戻る。
AD変換値が変化すると(S11;YES)、その変換値の前回値と今回値との差分を算出し(S12)、前記カウンタのカウント値から変換値が変化するまでの時間を求める(S13)。そして、前記差分値を前記変化時間で除すことで、微分値を算出する(S14)。速度演算部31は、第1及び第2微分器の機能も備えている。
以上のようにして、ホールセンサ28(1),28(2)が出力するセンサ信号の微分値を求めると、これらを合成して回転軸25の速度を求める(S16)。すなわち、各微分値を微分値(1),(2)とすると、
(合成速度)=√{微分値(1)2+微分値(2)2}
より求める。
(合成速度)=√{微分値(1)2+微分値(2)2}
より求める。
速度マイコン14は、上式で求めた速度を監視速度と比較して、監視速度を超えると前述したように制御用マイコン13に停止指令を出力する。すると、制御用マイコン13はブレーキ26をONにすると共に、モータ21の駆動制御を停止する。尚、このように速度を監視する際には、合成速度Vそのものではなく、その2乗値V2について監視しても良い。
すなわち、この処理は、ホールセンサ28(1),28(2)により出力される2相のセンサ信号H1,H2がそれぞれ、例えばsin(ωt),cos(ωt)であるとする。これらを微分すれば、それぞれ速度V1,V2が得られる。
V1=dH1/dt=V1=ω×cos(ωt)
V2=dH2/dt=V2=−ω×sin(ωt)
そして、ステップS16で求める速度Vは、
V=√{V12+V22}
である。
V1=dH1/dt=V1=ω×cos(ωt)
V2=dH2/dt=V2=−ω×sin(ωt)
そして、ステップS16で求める速度Vは、
V=√{V12+V22}
である。
ホールセンサ28(1),28(2)により出力される各信号の微分値は、図6に示すようになり、これらの微分値を合成して求めた速度Vは、図7に示すようになる。これは、図12に示したように、センサ信号から角度θを求め、角度θを微分して求めた速度とばらつきの最大,最小間の振れ幅を比較すると、約30倍程度に精度が改善されている。
以上のように本実施形態によれば、ロボットアームの回転軸25側に、ホールセンサ28(1),28(2)を互いに90度位相差のセンサ信号を出力するように配置する。速度用マイコン14の速度演算部31は、各センサ信号をそれぞれ微分すると、微分信号の2乗和を演算してアームの回転速度Vを求める。これにより、分解能が低いく安価なホールセンサ28を用いても、それらが出力するセンサ信号から角度を求めて速度を求める場合に比較して、より精度が高い回転速度Vを得ることができる。
また、制御用マイコン13は、ブレーキ26により回転軸25を拘束すると、モータ21の駆動トルクについて、ブレーキ26による拘束力を下回るトルク制限値を設定する。そして、モータ21の駆動トルクがトルク制限値に達するまでモータ21を回転させて、バックラッシを解消する。
すなわち、回転軸25を拘束した状態でモータ21を回転させれば、バックラッシが存在している分だけモータ21は回転することになり、その分の隙間が無くなった時点で回転は停止し、モータ21の駆動トルクが上昇する。したがって、駆動トルクがトルク制限値に達した時点で、バックラッシ分の隙間が消滅したことを判定でき、バックラッシを解消してモータ21の制御精度を向上させることができる。
この時、制御用マイコン13は、ブレーキ26により回転軸25を拘束すると、モータドライバによるモータ21の駆動を停止させた状態にして、ロボットアームの姿勢が回転軸に重力が作用する姿勢か否かを判断する。そして、回転軸に重力が作用する姿勢でなければバックラッシ解消処理を行う。
一般に、ロボットアームは、回転軸に重力が作用する姿勢で停止していることが多い。その場合、アーム側の回転軸を拘束した状態でモータ21の駆動を停止させれば、モータ21は回転フリーの状態となり、回転軸25は重力が作用する方向に回転して止まる。これにより、バックラッシは解消される。そして、回転軸25に重力が作用しない特殊な姿勢である時だけバックラッシ解消処理を行うので、処理を短時間に終了できるようになる。
また、制御用マイコン13は、ホールセンサ28より得られるセンサ信号を参照することで、モータ21の回転軸22が回転した回数を求める多回転検出処理を行う。このような処理を行うに当たり、事前にバックラッシを解消することで、回転回数の検出を高精度に行うことができる。
本発明は上記した、又は図面に記載した実施形態にのみ限定されるものではなく、以下のような変形又は拡張が可能である。
ステップS2及びS3の処理を省略しても良い。
回転センサは、磁気センサに限ることはない。
垂直6軸型以外のロボットに適用しても良い。
ステップS2及びS3の処理を省略しても良い。
回転センサは、磁気センサに限ることはない。
垂直6軸型以外のロボットに適用しても良い。
図面中、1はロボットシステム、2はロボット、3はコントローラ、13は制御用マイコン、14は速度用マイコン、21はモータ、24は減速機構、25は回転軸、27は永久磁石、28はホールセンサ、31は角度・速度演算部を示す。
Claims (2)
- モータと、このモータの回転軸に連結される減速機構と、この減速機構を介して駆動されるロボットアームの回転軸とで構成されるロボットアームの駆動機構に適用され、
前記アームの回転軸側に配置され、90度位相差の回転位置信号を出力する第1及び第2回転センサと、
前記第1及び第2回転センサより出力される第1及び第2回転位置信号をそれぞれ微分する第1及び第2微分器と、
これら第1及び第2微分器より出力される第1及び第2微分信号の2乗和を演算して、前記アームの回転速度を求める速度演算部とを備えるロボットのアーム回転軸速度検出装置。 - 前記アームの回転軸には永久磁石が配置されており、
前記第1及び第2回転センサは、前記永久磁石の磁気変化を検出する磁気センサである請求項1記載のロボットのアーム回転軸速度検出装置。
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