JP2020037172A

JP2020037172A - ロボット

Info

Publication number: JP2020037172A
Application number: JP2019035508A
Authority: JP
Inventors: 一隆中山; Kazutaka Nakayama; 健一郎小栗; kenichiro Oguri
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2018-08-31
Filing date: 2019-02-28
Publication date: 2020-03-12
Anticipated expiration: 2039-02-28
Also published as: JP6943906B2

Abstract

【課題】トルクが算出される関節と、先端側の関節とを接続するアームに、リードスルー教示などによって作業者による外力が加わってしまう場合でも、関節の軸回りのトルクを正しく算出するロボットを提供する。【解決手段】軸線回りに回転駆動する複数の関節Ｊ１〜Ｊ６と、複数の関節Ｊ１〜Ｊ６の内の１つである対象関節Ｊ１の軸線回りのトルクを検出するトルクセンサＳ１と、各関節Ｊ１〜Ｊ６の軸線回りの回転角度に関連する情報を検出する角度関連情報検出部ＥＮ２〜ＥＮ６と、検出された情報に基づいて、トルクセンサＳ１により検出されたトルクの対象関節Ｊ１の軸線回りのトルク以外の負荷による変動量を推定するトルク変動量推定部と、推定された変動量を用いてトルクセンサＳ１により検出されたトルクを補正する補正部とを備えるロボット１００である。【選択図】図１

Description

本開示は、ロボットに関する。

複数の関節を備え、各関節に、関節の軸線回りのトルクを検出するトルクセンサを備える多関節型ロボットが知られている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１のロボットは、一の関節の軸線回りのトルクを当該一の関節よりも先端側に位置する他の関節のトルクセンサにより検出されたトルクを用いて補正している。
一の関節の軸線回り以外の方向に加わる負荷の影響で、一の関節の軸線回りのトルクが変動してしまうためである。

特開２０１７−８０８４１号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、全ての関節にトルクセンサが配置されることが前提となるため、ロボットが高価になってしまう。また、トルクが算出される関節と、先端側の関節とを接続するアームに、リードスルー教示などによって作業者による外力が加わってしまうと、関節の軸回りのトルクを正しく算出できない。トルクセンサのボディの剛性を高くすることにより、関節の軸線回り以外に加わる負荷の影響を軽減できるが、トルクセンサ自体が大きくなってしまい、ロボットが大型化し、ロボット質量が増加してしまう。

本開示の一態様は、軸線回りに回転駆動する複数の関節と、複数の前記関節の内の１つである対象関節の軸線回りのトルクを検出するトルクセンサと、各前記関節の軸線回りの回転角度に関連する情報を検出する角度関連情報検出部と、検出された前記情報に基づいて、前記トルクセンサにより検出されたトルクの前記対象関節の軸線回りのトルク以外の負荷による変動量を推定するトルク変動量推定部と、推定された前記変動量を用いて前記トルクセンサにより検出されたトルクを補正する補正部とを備えるロボットを提供する。

本開示の一実施形態に係るロボットの概略平面図である。図１のロボットのベースと旋回胴との接続部分の概略側面図である。図１のロボットの制御部によるモータのトルク制御のブロック線図である。Ｊ１軸回りの旋回胴の回転角度に対する検出トルクの変化の一例を示すグラフである。図４に示される検出トルクに基づいて算出された補正トルクの一例を示すグラフである。図１のロボットに備えられた第１トルクセンサの一例を示す斜視図である。

本開示の一実施形態に係るロボット１００について、図面を参照しながら以下に説明する。
本実施形態に係るロボット１００は、それぞれの軸線回りに回転駆動される６つの関節を備える垂直多関節型ロボットである。

ロボット１００は、図１に示されるように、設置面に固定されたベース１と、ベース１に対して鉛直方向に延びるＪ１軸（対象関節）回りに回転可能に支持された旋回胴（ロボット構成部品）２と、旋回胴２に対してＪ１軸に直交する水平なＪ２軸（関節）回りに回転可能に支持された第１アーム（ロボット構成部品）３と、第１アーム３に対してＪ２軸に平行なＪ３軸（関節）回りに回転可能に支持された第２アーム（ロボット構成部品）４と、第２アーム４に対してＪ３軸とねじれの位置にあるＪ４軸（関節）回りに回転可能に支持された第１手首要素（ロボット構成部品）５と、第１手首要素５に対してＪ４軸に直交するＪ５軸（関節）回りに回転可能に支持された第２手首要素（ロボット構成部品）６と、第２手首要素６に対してＪ５軸に直交するＪ６軸（関節）回りに回転可能に支持された第３手首要素７とを備えている。

また、ロボット１００は、ベース１と旋回胴２との間に配置されてＪ１軸回りのトルクを検出する第１トルクセンサ（トルクセンサ）Ｓ１と、旋回胴２と第１アーム３との間に配置されてＪ２軸回りのトルクを検出する第２トルクセンサＳ２と、第１アーム３と第２アーム４との間に配置されてＪ３軸回りのトルクを検出する第３トルクセンサＳ３とを備えている。

また、ロボット１００は、Ｊ１〜Ｊ６軸回りに各部を駆動させる各モータＭＴ１〜ＭＴ６と、各モータＭＴに備えられＪ１〜Ｊ６軸回りの回転角度を検出する各エンコーダ（角度関連情報検出部）ＥＮ１〜ＥＮ６と、検出された各軸回りの回転角度を用いて各部のＪ１〜Ｊ６軸回りの駆動を制御する制御部１０とを備えている。なお、ベース１に対して旋回胴２をＪ１軸回りに駆動させるモータＭＴ１およびエンコーダＥＮ１は、図２に示され、図１における図示が省略されている。

図１に示される制御部１０は、図示されていないＣＰＵと、ＲＯＭと、ＲＡＭとで構成されている。ＣＰＵが、ＲＯＭに格納されたプログラムを、ＲＡＭに展開することにより、制御部１０は各プログラム機能を実行する。

制御部１０は、図３に示されるように、ロボット１００の姿勢変化に応じて第１トルクセンサＳ１により検出されるトルクの変動量を推定することにより補正トルク（変動量）Ｔｆを算出する変動量推定部（トルク変動量推定部）１３と、変動量推定部１３により算出された補正トルクＴｆを用いて検出トルクＴを補正する補正部１１と、モータＭＴ１を駆動するために入力されるトルク指令値Ｔｉ、検出トルクＴおよび補正トルクＴｆに基づいてモータＭＴ１を駆動させる駆動部１２とを備えている。

変動量推定部１３は、各関節を各軸回りに回転させたときの、回転角度に対してトルクセンサにより検出される検出トルクＴを当てはめたテーブルあるいは近似式からなる回転角度特性を予め（出荷時等に）求めて記憶している。
例えば、Ｊ１軸回りの回転角度のみを変化させ、他の各関節をＪ１軸に負荷がかからない回転角度に固定した場合に、第１トルクセンサＳ１により検出されるトルクＴ０を図４に示す。

Ｊ１軸に負荷がかからないロボット１００の姿勢としては、例えば、Ｊ４軸およびＪ６軸がＪ１軸の延長線に実質的に一致するロボット１００の姿勢、旋回胴２以上の先端側の機構を取り外した状態のロボット１００の姿勢などが挙げられる。

Ｊ１軸回りに負荷がかからないロボット１００の姿勢を保ったまま旋回胴２がＪ１軸回りに回転すれば、理想的には、第１トルクセンサＳ１によって検出されるＪ１軸回りのトルクはゼロである。しかし、実際には、図６に示されるように、第１トルクセンサＳ１のボディＢＤの表面には、２つの歪みゲージＧ１，Ｇ２が貼り付けられ、Ｇ１，Ｇ２により検出された歪み量によって検出トルクＴが決定される。歪みゲージＧ１，Ｇ２の貼り付け位置のずれなどを原因として、検出トルクＴに誤差が発生する場合がある。

図４によれば、トルクＴ０は、第１エンコーダＥＮ１により検出されたＪ１軸回りの回転角度に応じて変化している。
そこで、図５に示されるように、変動量推定部１３には、第１トルクセンサＳ１により検出されるトルクＴ０の回転角度特性をテーブルまたは近似式により記憶しておく。そして、変動量推定部１３には、全ての関節の回転角度に対するトルクの回転角度特性をテーブルまたは近似式により記憶しておく。このテーブルまたは近似式は、実験により、回転角度およびトルクのデータの相関関係をデータプロットして求める。このプロットデータよりテーブルまたは近似式の係数を算出する。

トルクの回転角度特性は、実際にロボットを動作させて測定する場合の他、シミュレーションによって測定することにしてもよい。
これにより、ロボットの実際の動作時には、変動量推定部が、エンコーダにより検出された各軸の回転角度を、記憶されている回転角度特性に当てはめて、あるいは補間して、補正トルクＴｆを算出することができる。

そして、補正部１１は、下記式（１）に示されるように、使用時のロボット１００における第１トルクセンサＳ１の検出トルクＴから、変動量推定部１３により推定された補正トルクＴｆを差し引くことによって、推定実トルクＴｒを算出する。
推定実トルクＴｒ＝検出トルクＴ−補正トルクＴｆ・・・（１）

推定実トルクＴｒは、Ｊ１軸回りのトルク以外が排除されてＪ１軸に加わるＪ１軸回りの実際のトルクを表している。なお、補正部１１は、推定実トルクＴｒを算出するために、検出トルクＴから補正トルクＴｆを減算するのではなく、加算、乗算、および除算のいずれの算出方法を用いてもよい。

駆動部１２は、ロボット１００を制御するための入力指令に基づく入力トルクＴｉから推定実トルクＴｒを差し引いた駆動トルクによってモータＭＴ１を駆動させる。モータＭＴ１が駆動中に第１トルクセンサＳ１により検出される検出トルクＴは、図３に示されるように、補正トルクＴｆが減算されて推定実トルクＴｒとして駆動部１２のフィードバック制御に用いられる。

このように構成された本実施形態に係るロボット１００の作用について以下に説明する。
第１トルクセンサＳ１により検出される検出トルクＴには、Ｊ１軸回りのトルク以外の負荷によって発生するトルクが含まれている場合がある。本実施形態においては、変動量推定部１３が、図６に示されるように、ロボット１００の各関節の回転角度に基づいて、記憶されている回転角度特性から、変動量としての補正トルクＴｆを推定する。そして、補正部１１が補正トルクＴｆを用いて第１トルクセンサＳ１の検出トルクＴを補正することにより、第１トルクセンサＳ１の検出トルクＴからＪ１軸回りのトルク以外の負荷が排除された推定実トルクＴｒが得られる。すなわち、推定実トルクＴｒによりＪ１軸回りのトルクが精度よく取得され、ロボット１００を精度よく制御することができる。

また、上記実施形態に係るロボット１００によれば、作業者がアームに直接触れて外力を加えることによるリードスルー教示が行われる場合に、推定実トルクＴｒが用いられることにより、外力によってＪ１軸回りに発生するトルクを精度よく推定できる。これにより、第１トルクセンサＳ１の検出トルクＴを用いた駆動部１２のフィードバック制御において、ロボット１００の誤作動を防止することができる。

また、本実施形態によれば補正部１１が、Ｊ１軸回りの検出トルクＴを補正するための補正トルクＴｆの算出に、第１トルクセンサＳ１以外のトルクセンサの検出値を必要としない。そのため、ロボット１００の全ての関節にトルクセンサが配置される必要がなく、ロボット１００が低コスト化を図ることができる。

また、本実施形態においては、角度関連情報検出部としてエンコーダを例示し、角度に関連する情報としてＪ１〜Ｊ６軸回りの回転角度を例示したが、これに限定されるものではなく、角速度あるいは角加速度を検出することにしてもよい。また、Ｊ１〜Ｊ６軸回りの回転角度に加えて、Ｊ１〜Ｊ６軸回りの角速度および／または角加速度も用いて補正トルクＴｆを算出してもよい。また、全ての関節ではなく一部の関節の角度に関連する情報を用いて、補正トルクＴｆを算出してもよい。

また、変動量推定部１３は、Ｊ１〜Ｊ６軸を連結するロボット構成部品（例えば、第１アーム３など）の物理パラメータ（例えば、寸法および重量等）を記憶しておき、物理パラメータと、回転角度とに基づいて補正トルクＴｆを推定してもよい。この場合に、変動量推定部１３は、アーム重量などによって発生するＪ１軸回り以外に加わる慣性モーメント、Ｊ１軸に沿う方向に加わる引張力あるいは圧縮力を用いて、より正確に補正トルクＴｆを算出できる。

また、上記実施形態においては、補正部１１が、第１トルクセンサＳ１の検出トルクＴを補正したが、第２トルクセンサＳ２により検出されるトルクおよび第３トルクセンサＳ３により検出されるトルクを、第１トルクセンサＳ１の検出トルクＴと同じように各軸の補正トルクを用いて補正してもよい。また、ロボット１００は、上記実施形態と異なる関節（例えば、Ｊ４軸など）の軸線回りのトルクを検出するトルクセンサを備えていてもよい。

また、本実施形態においては、補正部１１または変動量推定部１３は、それぞれがロボット１００のアーム３，４上の任意の部品に設けられていてもよいし、ロボット１００を制御するロボット制御装置の内部に設けられていてもよい。また、ロボット１００のアーム３，４およびロボット制御装置を除いた周辺装置の内部に設けられていてもよいし、補正部１１または変動量推定部１３を別置きの制御部として設置し、ロボット制御装置と接続してもよい。補正部１１または変動量推定部１３は、それぞれ別の場所に設けてもよい。

上記実施形態は、以下の本開示の各態様から導かれる。
本開示の一態様は、軸線回りに回転駆動する複数の関節と、複数の前記関節の内の１つである対象関節の軸線回りのトルクを検出するトルクセンサと、各前記関節の軸線回りの回転角度に関連する情報を検出する角度関連情報検出部と、検出された前記情報に基づいて、前記トルクセンサにより検出されたトルクの前記対象関節の軸線回りのトルク以外の負荷による変動量を推定するトルク変動量推定部と、推定された前記変動量を用いて前記トルクセンサにより検出されたトルクを補正する補正部とを備えるロボットを提供する。

対象関節を軸線回りに回転駆動したり、対象関節の軸線回りに外力が加わったりすると、トルクセンサにより軸線回りのトルクが検出されるが、各関節が軸線回りに回転してロボットの姿勢が変化すると、対象関節の軸線回りのトルク以外の負荷が重畳されたトルクがトルクセンサにより検出される場合がある。

本態様によれば、各関節が軸線回りに回転すると、角度関連情報検出部により、各関節の軸線回りの回転角度に関連する情報が検出され、検出された情報に基づいてトルク変動量推定部により、対象関節における軸線回りのトルク以外の負荷によるトルクの変動量が推定される。そして、トルクセンサにより検出されたトルクが、推定された変動量を用いて補正されることにより、対象関節の軸線回りのトルク以外の負荷が排除される。これにより、対象関節以外の関節にトルクセンサを配置しなくても、対象関節の軸線回りのトルクを精度よく取得して、ロボットを精度よく制御することができる。

上記態様においては、前記情報が、各前記関節の軸線回りの回転角度であってもよい。
この構成により、角度関連情報検出部により各関節の回転角度が検出され、ロボットの姿勢の変化に応じて推定された負荷の変動量を用いてトルクを補正することができる。

上記態様においては、前記情報が、各前記関節の軸線回りの角速度または角加速度であってもよい。
この構成により、角度関連情報検出部により各関節の角速度または角加速度が検出され、検出された角速度または角加速度に応じて負荷の変動量が推定される。

上記態様においては、各前記関節を連結するロボット構成部品を備え、前記情報が、各前記関節の軸線回りの回転角度、角速度または角加速度と、前記ロボット構成部品の物理パラメータとから計算される各前記関節にかかる負荷情報であってもよい。
この構成により、角度関連情報検出部により、回転角度に関する情報として、検出された回転角度、角速度または角加速度とロボット構成部品の物理パラメータに基づいた慣性モーメント、引張力または圧縮力等の負荷情報が算出される。算出された負荷情報に基づいて、対象関節に加わる軸線回りのトルク以外の負荷が算出されることにより、対象関節の軸線回りのトルクを精度よく取得できる。

上記態様においては、前記対象関節の軸線回りのトルク以外の負荷が、前記対象関節の軸線に直交する平面内に配置される直交軸線回りのトルクであってもよい。
上記態様においては、前記対象関節の軸線回りのトルク以外の負荷が、前記対象関節の軸線方向に作用する引張および圧縮方向の負荷であってもよい。

上記態様においては、前記補正部が、前記対象関節の軸線回りのトルク以外の負荷が加わっていない状態において前記対象関節の軸線回りに前記対象関節を回転させたときに前記トルクセンサにより検出されたトルクと前記角度関連情報検出部により検出された前記対象関節の前記情報との関係を示すトルク特性に基づいて、前記トルクセンサにより検出されるトルクを補正してもよい。

トルク特性は、対象関節の軸線回りのトルクが対象関節に加わっていない状態において角度関連情報検出部の検出値の変化に対するトルクの変動量を表している。すなわち、トルク特性は、トルクセンサ自体が備える検出誤差に起因した特性を表しているため、トルク特性を用いた検出トルクの補正が行われることにより、対象関節の軸線回りのトルクをさらに精度よく取得できる。

１ベース（ロボット構成部品）
２旋回胴（ロボット構成部品）
３第１アーム（ロボット構成部品）
４第２アーム（ロボット構成部品）
５第１手首要素（ロボット構成部品）
６第２手首要素（ロボット構成部品）
７第３手首要素（ロボット構成部品）
１１補正部
１３変動量推定部（トルク変動量推定部）
１００ロボット
ＥＮ１〜ＥＮ６エンコーダ（角度関連情報検出部）
Ｊ１〜Ｊ６関節
Ｊ１対象関節
Ｓ１第１トルクセンサ（トルクセンサ）
Ｔｆ補正トルク（変動量）

Claims

軸線回りに回転駆動する複数の関節と、
複数の前記関節の内の１つである対象関節の軸線回りのトルクを検出するトルクセンサと、
各前記関節の軸線回りの回転角度に関連する情報を検出する角度関連情報検出部と、
検出された前記情報に基づいて、前記トルクセンサにより検出されたトルクの前記対象関節の軸線回りのトルク以外の負荷による変動量を推定するトルク変動量推定部と、
推定された前記変動量を用いて前記トルクセンサにより検出されたトルクを補正する補正部とを備えるロボット。
前記情報が、各前記関節の軸線回りの回転角度である請求項１に記載のロボット。
前記情報が、各前記関節の軸線回りの角速度または角加速度である請求項１に記載のロボット。
各前記関節を連結するロボット構成部品を備え、
前記情報が、各前記関節の軸線回りの回転角度、角速度または角加速度と、前記ロボット構成部品の物理パラメータとから計算される各前記関節にかかる負荷情報である請求項１に記載のロボット。
前記対象関節の軸線回りのトルク以外の負荷が、前記対象関節の軸線に直交する平面内に配置される直交軸線回りのトルクである請求項１から請求項４までのいずれかに記載のロボット。
前記対象関節の軸線回りのトルク以外の負荷が、前記対象関節の軸線方向に作用する引張および圧縮方向の負荷である請求項１から請求項４までのいずれかに記載のロボット。
前記補正部が、前記対象関節の軸線回りのトルク以外の負荷が加わっていない状態において前記対象関節の軸線回りに前記対象関節を回転させたときに前記トルクセンサにより検出されたトルクと前記角度関連情報検出部により検出された前記対象関節の前記情報との関係を示すトルク特性に基づいて、前記トルクセンサにより検出されるトルクを補正する請求項１から請求項６のいずれかに記載のロボット。