JP2024044522A - 算出方法および算出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】適正なイナーシャを設定することができ、ロボットに適正な動作を行わせることができる算出方法および算出装置を提供すること。
【解決手段】回転軸を中心として回転する関節と、前記関節を回転駆動するモーターと、を有するロボットアームにおける、前記関節のイナーシャを算出する算出方法であって、前記モーターを駆動して前記関節を回転させ、所定の加速度条件で加速動作を実行する第1ステップと、前記加速動作中における前記モーターに生じるトルクに関する情報であるトルク情報を取得する第2ステップと、前記加速度条件と、前記第2ステップで取得した前記トルク情報と、に基づいて、前記関節のイナーシャを算出する第3ステップと、を有することを特徴とする算出方法。
【選択図】図6
【解決手段】回転軸を中心として回転する関節と、前記関節を回転駆動するモーターと、を有するロボットアームにおける、前記関節のイナーシャを算出する算出方法であって、前記モーターを駆動して前記関節を回転させ、所定の加速度条件で加速動作を実行する第1ステップと、前記加速動作中における前記モーターに生じるトルクに関する情報であるトルク情報を取得する第2ステップと、前記加速度条件と、前記第2ステップで取得した前記トルク情報と、に基づいて、前記関節のイナーシャを算出する第3ステップと、を有することを特徴とする算出方法。
【選択図】図6
Description
本発明は、算出方法および算出装置に関する。
近年、工場では人件費の高騰や人材不足により、ロボットアームを有するロボットを用いて製造、加工、組み立て等の作業が行われるようになり、人手で行われてきた作業の自動化が加速している。
ロボットに所定の決められた作業内容の作業を行わせるに際しては、例えば特許文献1に示すような装置を用いて、事前にロボットの動作パラメーターを設定する。動作パラメーターとしては、ロボットアームに装着されるハンドの重量、ハンドの偏心位置、ロボットアームの先端の許容最大イナーシャ等が挙げられる。
特許文献1に記載されている装置では、ロボットアームの動作に先立って、所定の姿勢のロボットアームにハンドを設置し、その際に取得したモーター駆動トルク値から、負荷の重量、重心位置を求め、設定している。
しかしながら、特許文献1に記載されている装置では、許容最大イナーシャを算出することができず、作業者が許容最大イナーシャを自分で入力しなければならない。したがって、適正な値の許容最大イナーシャを設定できなかった場合、ロボットアームが適正な動作を行うことができない、すなわち、動作中にロボットアームに過剰に負荷がかかってしまったり、動作中に過剰に低速度で動作してしまったりするという問題がある。
本発明の適用例にかかる算出方法は、回転軸を中心として回転する関節と、前記関節を回転駆動するモーターと、を有するロボットアームにおける、前記関節のイナーシャを算出する算出方法であって、
前記モーターを駆動して前記関節を回転させ、所定の加速度条件で加速動作を実行する第1ステップと、
前記加速動作中における前記モーターに生じるトルクに関する情報であるトルク情報を取得する第2ステップと、
前記加速度条件と、前記第2ステップで取得した前記トルク情報と、に基づいて、前記関節のイナーシャを算出する第3ステップと、を有することを特徴とする。
前記モーターを駆動して前記関節を回転させ、所定の加速度条件で加速動作を実行する第1ステップと、
前記加速動作中における前記モーターに生じるトルクに関する情報であるトルク情報を取得する第2ステップと、
前記加速度条件と、前記第2ステップで取得した前記トルク情報と、に基づいて、前記関節のイナーシャを算出する第3ステップと、を有することを特徴とする。
本発明の適用例にかかる算出装置は、回転軸を中心として回転する関節と、前記関節を回転駆動するモーターと、を有するロボットアームにおける、前記関節のイナーシャを算出する算出装置であって、
前記モーターを駆動して前記関節を回転させ、所定の加速度条件で加速動作を実行する実行部と、
前記加速動作中における前記モーターに生じるトルクに関する情報であるトルク情報を取得する取得部と、
前記加速度条件と、前記取得部が取得した前記トルク情報と、に基づいて、前記関節のイナーシャを算出する算出部と、を有することを特徴とする。
前記モーターを駆動して前記関節を回転させ、所定の加速度条件で加速動作を実行する実行部と、
前記加速動作中における前記モーターに生じるトルクに関する情報であるトルク情報を取得する取得部と、
前記加速度条件と、前記取得部が取得した前記トルク情報と、に基づいて、前記関節のイナーシャを算出する算出部と、を有することを特徴とする。
以下、本発明の算出方法および算出装置を添付図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。
<第1実施形態>
図1は、本発明の算出方法を実行する算出装置の第1実施形態を備えるロボットシステムの全体構成を示す図である。図2は、図1に示すロボットシステムのブロック図である。図3は、関節のトルク情報を示すグラフである。図4は、関節のトルク情報を示すグラフである。図5は、補正トルク情報を示すグラフである。図6は、本発明の算出方法の一例を示すフローチャートである。
図1は、本発明の算出方法を実行する算出装置の第1実施形態を備えるロボットシステムの全体構成を示す図である。図2は、図1に示すロボットシステムのブロック図である。図3は、関節のトルク情報を示すグラフである。図4は、関節のトルク情報を示すグラフである。図5は、補正トルク情報を示すグラフである。図6は、本発明の算出方法の一例を示すフローチャートである。
なお、以下では、説明の便宜上、ロボットアームについては、図1中の基台11側を「基端」、その反対側、すなわち、エンドエフェクター20側を「先端」とも言う。
図1に示すように、ロボットシステム100は、ロボット1と、本発明の算出装置5と、を備える。算出装置5は、ロボット1の各部の作動を制御する制御装置3と、教示装置4と、を備える。
まず、ロボット1について説明する。
図1に示すロボット1は、本実施形態では単腕の6軸垂直多関節ロボットであり、基台11と、ロボットアーム10と、を有する。また、ロボットアーム10の先端部にエンドエフェクター20を装着することができる。なお、エンドエフェクター20は、ロボット1の構成要件であってもよく、ロボット1とは別部材、すなわち、ロボット1の構成要件でなくてもよい。
図1に示すロボット1は、本実施形態では単腕の6軸垂直多関節ロボットであり、基台11と、ロボットアーム10と、を有する。また、ロボットアーム10の先端部にエンドエフェクター20を装着することができる。なお、エンドエフェクター20は、ロボット1の構成要件であってもよく、ロボット1とは別部材、すなわち、ロボット1の構成要件でなくてもよい。
なお、ロボット1は、図示の構成に限定されず、例えば、双腕型の多関節ロボットであってもよい。また、ロボット1は、水平多関節ロボットであってもよい。
基台11は、ロボットアーム10をその基端側において、駆動可能に支持する支持体であり、例えば工場内の床に固定されている。ロボット1は、基台11が中継ケーブルを介して制御装置3と電気的に接続されている。なお、ロボット1と制御装置3との接続は、図1に示す構成のように有線による接続に限定されず、例えば、無線による接続であってもよい。また、インターネット等のネットワークを介して接続されていてもよい。
本実施形態では、ロボットアーム10は、第1アーム12と、第2アーム13と、第3アーム14と、第4アーム15と、第5アーム16と、第6アーム17とを有し、これらのアームが基台11側からこの順に連結されている。なお、ロボットアーム10が有するアームの数は、6つに限定されず、例えば、1つ、2つ、3つ、4つ、5つまたは7つ以上であってもよい。また、各アームの全長等の大きさは、それぞれ、特に限定されず、適宜設定可能である。
基台11と第1アーム12とは、関節171を介して連結されている。そして、第1アーム12は、基台11に対し、鉛直方向に延びる第1回転軸を回転中心とし、その第1回転軸回りに回転可能となっている。このように、第1回転軸は、基台11が固定される床の床面の法線と一致しており、ロボットアーム10の全体が第1回転軸の軸回りに正方向・逆方向のいずれへも回転することができる。
第1アーム12と第2アーム13とは、関節172を介して連結されている。そして、第2アーム13は、第1アーム12に対し、水平方向に延びる第2回転軸を回転中心として回転可能となっている。
第2アーム13と第3アーム14とは、関節173を介して連結されている。そして、第3アーム14は、第2アーム13に対し、水平方向に延びる第3回転軸を回転中心として回転可能となっている。第3回転軸は、第2回転軸と平行である。
第3アーム14と第4アーム15とは、関節174を介して連結されている。そして、第4アーム15は、第3アーム14に対し、第3アーム14の中心軸方向と平行な第4回転軸を回転中心として回転可能となっている。第4回転軸は、第3回転軸と直交している。
第4アーム15と第5アーム16とは、関節175を介して連結されている。そして、第5アーム16は、第4アーム15に対して第5回転軸を回転中心として回転可能となっている。第5回転軸は、第4回転軸と直交している。
第5アーム16と第6アーム17とは、関節176を介して連結されている。そして、第6アーム17は、第5アーム16に対して第6回転軸O6を回転中心として回転可能となっている。第6回転軸O6は、第5回転軸と直交している。
第6アーム17は、ロボットアーム10の中で最も先端側に位置するロボット先端部となっている。この第6アーム17は、ロボットアーム10の駆動により、エンドエフェクター20ごと変位することができる。
図1に示すエンドエフェクター20は、ワークまたは工具を把持することができる把持部を有する構成である。第6アーム17にエンドエフェクター20を装着した状態では、エンドエフェクター20の先端部は、制御点TCPとなる。
ロボット1は、駆動部としてのモーターM1、モーターM2、モーターM3、モーターM4、モーターM5およびモーターM6と、エンコーダーE1、エンコーダーE2、エンコーダーE3、エンコーダーE4、エンコーダーE5およびエンコーダーE6とを備える。モーターM1は、関節171に内蔵され、基台11に対し第1アーム12を前記第1回転軸回りに回転させる。モーターM2は、関節172に内蔵され、第1アーム12と第2アーム13とを前記第2回転軸回りに相対的に回転させる。モーターM3は、関節173に内蔵され、第2アーム13と第3アーム14とを前記第3回転軸回りに相対的に回転させる。モーターM4は、関節174に内蔵され、第3アーム14と第4アーム15とを前記第4回転軸回りに相対的に回転させる。モーターM5は、関節175に内蔵され、第4アーム15と第5アーム16とを前記第5回転軸回りに相対的に回転させる。モーターM6は、関節176に内蔵され、第5アーム16と第6アーム17とを第6回転軸O6回りに相対的に回転させる。
また、エンコーダーE1は、関節171に内蔵され、モーターM1の位置を検出する。エンコーダーE2は、関節172に内蔵され、モーターM2の位置を検出する。エンコーダーE3は、関節173に内蔵され、モーターM3の位置を検出する。エンコーダーE4は、関節174に内蔵され、モーターM4の位置を検出する。エンコーダーE5は、第5アーム16に内蔵され、モーターM5の位置を検出する。エンコーダーE6は、第6アーム17に内蔵され、モーターM6の位置を検出する。なお、ここで言う「位置を検出」とは、モーターの回転角すなわち正逆を含む回転量および角速度を検出することを言い、当該検出された情報を「位置情報」と言う。
図2に示すように、モータードライバーD1~モータードライバーD6は、それぞれ、対応するモーターM1~モーターM6に接続され、これら各モーターの駆動を制御する。モータードライバーD1~モータードライバーD6は、それぞれ、関節171、関節172、関節173、関節174、第5アーム16および第6アーム17に内蔵されている。
エンコーダーE1~エンコーダーE6、モーターM1~モーターM6およびモータードライバーD1~モータードライバーD6は、それぞれ、制御装置3と電気的に接続されている。エンコーダーE1~エンコーダーE6で検出されたモーターM1~モーターM6の位置情報、すなわち、回転量は、制御装置3に電気信号として送信される。そして、この位置情報に基づいて、制御装置3は、図2に示すモータードライバーD1~モータードライバーD6に制御信号を出力し、モーターM1~モーターM6を駆動させる。すなわち、ロボットアーム10を制御するということは、モーターM1~モーターM6の駆動を制御して、ロボットアーム10に属する第1アーム12~第6アーム17の作動を制御することである。
トルクセンサー18は、モーターM6のトルクを検出するセンサーである。トルクセンサー18のトルクの検出方式は、特に限定されないが、例えば、磁歪式、ひずみゲージ式、回転トランス式、テレメーター式、圧電式、光学式、静電容量式等が挙げられる。トルクセンサー18が検出したトルクに関する情報は、電気信号に変換されて、制御装置3に送信される。なお、この構成に限定されず、トルクセンサー18が検出したトルクに関する情報が、教示装置4に直接送信される構成であってもよい。この場合、教示装置4の、トルクセンサー18からの信号線が接続される端子が後述する取得部45となる。
ロボットアーム10の先端部には、エンドエフェクター20を着脱可能に装着することができる。本実施形態では、エンドエフェクター20は、互いに接近離間可能な一対の爪部を有し、各爪部によりワーク200または工具(図示せず)を把持、解除するハンドで構成される。このエンドエフェクター20に装着された力検出器は、両爪部でワーク200を把持した際の把持力の反力の大きさや向きを検出することができる。
なお、エンドエフェクター20としては、図示の構成に限定されず、例えば吸着部を有し、該吸着部の吸着によりワーク200または工具を把持する構成のものであってもよい。また、エンドエフェクター20としては、例えば、研磨機、研削機、切削機、スプレーガン、レーザー光照射器、ドライバー、レンチ等の工具であってもよい。
次に、制御装置3および教示装置4について説明する。
図1に示すように、制御装置3は、本実施形態では、ロボット1と離れた位置に設置されている。ただし、この構成に限定されず、制御装置3は、基台11に内蔵されていてもよい。また、制御装置3は、ロボット1の駆動を制御する機能を有し、前述したロボット1の各部と電気的に接続されている。制御装置3は、制御部31と、記憶部32と、通信部33と、を有する。これらの各部は、例えばバスを介して相互に通信可能に接続されている。
図1に示すように、制御装置3は、本実施形態では、ロボット1と離れた位置に設置されている。ただし、この構成に限定されず、制御装置3は、基台11に内蔵されていてもよい。また、制御装置3は、ロボット1の駆動を制御する機能を有し、前述したロボット1の各部と電気的に接続されている。制御装置3は、制御部31と、記憶部32と、通信部33と、を有する。これらの各部は、例えばバスを介して相互に通信可能に接続されている。
制御部31は、例えば、CPU(Central Processing Unit)で構成され、記憶部32に記憶されている動作プログラム等の各種プログラムを読み出し、実行する。制御部31で生成された信号は、通信部33を介してロボット1の各部に送信され、ロボット1の各部からの信号は、通信部33を介して制御部31で受信される。制御部31で受信された信号は、所定の処理が施され、記憶部に32に記憶され、あるいはロボットアーム10の動作の制御や教示作業に利用される。このような制御部31により、ロボットアーム10が所定の作業を所定の条件で実行することができる。
また、制御部31は、教示装置4から取得した動作プログラムに基づいて、モーターM1~M6を駆動して関節171~176を回転させ、所定の速度条件(加速度条件)、所定の動作パラメーターで加速動作を実行する実行部である。なお、所定の加速度条件には、関節171~176の角加速度を含み、また、加速度には、正の値を持つ加速度、負の値を持つ減速度を含む。
記憶部32は、制御部31で実行される各種プログラム等を保存する。記憶部32としては、例えば、RAM(Random Access Memory)等の揮発性メモリー、ROM(Read Only Memory)等の不揮発性メモリー、着脱式の外部記憶装置等を有する構成のものが挙げられる。
通信部33は、例えば有線LAN(Local Area Network)、無線LAN等の外部インターフェースを用いて他の機器との間で信号の送受信を行う。この場合、図示しないサーバーを介して通信を行ってもよく、また、インターネット等のネットワークを介して通信を行ってもよい。
教示装置4は、作業(作業動作)の開始前にロボットアーム10の動作プログラムを作成したり、ロボットアーム10を動作させるための速度条件や、各種動作パラメーター等を設定したりする装置である。
動作プログラムとしては、実際に作業を行うための作業動作プログラム、試験的に動作を行って適切な動作パラメーターを設定するための試験動作プログラム等が挙げられる。
作業動作プログラムは、作業時のロボットアーム10の経時的な位置情報を示すプログラムであり、例えば、直接教示、間接教示等により作成される。これらの教示を行うことによって位置情報を作成し、別途、経時的な速度条件、各種動作パラメーターを設定する。なお、教示を行わずに、作業者が予め作成された作業動作プログラム、経時的な速度条件および各種動作パラメーターを設定する構成であってもよい。
試験動作プログラムは、試験運転時の経時的な位置情報を示すプログラムであり、予め設定されている。また、試験運転時には、速度条件や、各種動作パラメーターは、所定の値に設定されている。試験運転時のロボットアーム10の動作としては、特に限定されず、制御点TCPが直線運動を行うような動作であってもよく、制御点TCPが円運動を行うような動作であってもよい。
また、試験運転時の速度条件は、等速運動時の速度の情報および加速運動時の経時的な加速度の情報のうち、少なくとも加速度の情報を含む。このため、「速度条件」を、以下、「加速度条件」として説明する。
各種動作パラメーターとしては、例えば、エンドエフェクター20の重量、エンドエフェクター20の重心位置、および、関節のイナーシャ等が挙げられる。イナーシャは、慣性モーメントのことであり、回転のしやすさを表す指標である。以下、本実施形態では、イナーシャは、関節176のイナーシャとして説明する。イナーシャM(kg・m2)は、トルクF(kgf)を各加速度A(rad/s2)で除算することにより求めることができる。以下では、「イナーシャを設定する」とは、許容し得る最大のイナーシャを設定することとする。イナーシャを設定することにより、ロボットアーム10は、動作中の関節のイナーシャが設定値を超えずに、可及的に速度を高めて動作を行う。
図1に示すように、教示装置4は、表示部であるディスプレイ40と、入力操作部44と、を有し、本実施形態では、ノート型パソコンで構成される。
上述した動作パラメーターや、速度条件の設定は、図示はしないが、ディスプレイ40に表示された入力画面で、入力操作部44を操作することによりなされる。
入力操作部44は、キーボードおよび図示しないマウスで構成され、ユーザーがこれらを適宜操作することによって、前述した動作パラメーター等の各種情報の入力操作が行われる。後述する教示ボタンの押下は、例えば、キーボード上の任意のキー、例えばエンターキーを押すことにより実行され、あるいはディスプレイ40上の適正な位置にカーソルまたはポインタを合わせた状態で、マウスをクリック操作することにより実行される。なお、教示ボタンは、入力操作部44とは別の箇所に設置されていてもよい。
ディスプレイ40は、例えば、液晶、有機EL等により構成され、各種表示画面をカラーまたはモノクロで表示することができる。なお、教示装置4は、ノート型パソコンに限らず、デスクトップ型パソコン、タブレット型端末でもよい。
図2に示すように、教示装置4は、制御部41と、記憶部42と、通信部43と、を有する。
制御部41は、例えば、CPU(Central Processing Unit)等の少なくとも1つのプロセッサーで構成され、記憶部42に記憶されている教示プログラム等の各種プログラムを読み出し、実行する。制御部41は、後述するように、ロボットアーム10の加速度条件と、取得したトルク情報と、に基づいて、関節176のイナーシャを算出する。
記憶部42としては、例えば、RAM(Random Access Memory)等の揮発性メモリー、ROM(Read Only Memory)等の不揮発性メモリー、着脱式の外部記憶装置等を有する構成のものが挙げられる。また、記憶部42には、本発明の算出方法を実行するためのプログラムが記憶されている。より具体的には、イナーシャを求めるための演算式等の各種情報が記憶されている。また、記憶部42には、作業者が入力した各種動作プログラム、取得したトルク情報、トルク補正情報、算出したイナーシャの数値等が一時的に記憶される。
通信部43は、例えば有線LAN(Local Area Network)、無線LAN等の外部インターフェースを用いて制御装置3との間で信号の送受信を行う。この場合、図示しないサーバーを介して通信を行ってもよく、また、インターネット等のネットワークを介して通信を行ってもよい。通信部43は、記憶部42に記憶された動作プログラムに関する情報等を制御装置3に送信する。また、通信部43は、記憶部32に記憶された情報を受信し、記憶部42に当該情報を記憶することもできる。
取得部45は、トルクセンサー18から送信されたトルク情報を取得し、教示装置4内に取り込む端子である。取り込んだトルク情報は、記憶部42に記憶され、後述するイナーシャの算出の際に読み出して用いられる。
さて、従来では、各種動作パラメーターを設定するに際し、エンドエフェクター20に相当するハンドの重量、エンドエフェクター20に相当するハンドの重心位置に関しては、教示装置4に相当する装置が算出して設定することが可能である。しかしながら、イナーシャに関しては、自動で算出することができず、作業者が数値を入力しなければならない。作業者が、不適切なイナーシャの数値を入力してしまうと、その不適切なイナーシャを考慮してロボットアームを動作させることになる。この場合、ロボットアームに過剰な負荷がかかってしまう。本発明では、以下のようにしてイナーシャを算出し、設定することができる。以下このことについて説明する。
まず、制御装置3の制御部31は、教示装置4から取得した試験動作プログラム、所定の加速度条件、所定の動作パラメーターでロボットアーム10に加速動作を行わせる、すなわち、試験動作を実行する。
このように、制御部31は、モーターM6を駆動して関節176を回転させ、所定の加速度条件で加速動作を含む試験動作を実行する第1ステップを実行する。
次いで、制御装置3は、トルクセンサー18から取得したトルク情報を取得し、教示装置4に送信する。教示装置4は、取得部45を介してトルク情報を取得し、このトルク情報を補正した補正トルク情報を作成する。
取得部45が取得するトルク情報は、例えば、図3および図4に示すような経時的なトルク値のデータである。図3および図4は、横軸が時間、縦軸がトルクの実測値を示すグラフである。例えば、図4に示す領域A1が加速動作を行った際の経時的なトルクを示し、領域A2が減速動作を行った際の経時的なトルクを示している。加速時の方が減速時よりもトルク値が大きくなる傾向を示す。
このように、取得部45は、加速動作中におけるモーターM6に生じるトルクに関する情報であるトルク情報を取得する第2ステップを実行する。
また、制御部41は、試験動作を行った際の加速度条件と、補正トルク情報とに基づいて、関節176のイナーシャを算出する。具体的には、補正トルク情報から得られたトルクF(kgf)を、試験動作を行った際の加速度A(rad/s2)で除算する、すなわち、F/Aを演算する。これにより、イナーシャを算出することができる。
Fとしては、加速時の最大トルクをトルクTmax1、減速時の最大トルクをTmax2という(例えば、図3参照)。
(パターン1)
試験動作時の最大トルクをトルクFとする。すなわち、トルクTmax1をトルクFとする。また、そのトルクFを計測した時刻における加速度を加速度Aとする。このような値でF/Aを演算することにより、イナーシャを算出することができる。
試験動作時の最大トルクをトルクFとする。すなわち、トルクTmax1をトルクFとする。また、そのトルクFを計測した時刻における加速度を加速度Aとする。このような値でF/Aを演算することにより、イナーシャを算出することができる。
このようなパターン1によってイナーシャを算出することにより、関節176に可及的に負荷がかかった状態のイナーシャを算出することができる。よって、作業動作時のロボットアーム10の関節171~関節176の速度を可及的に速くすることができる。
(パターン2)
試験動作時の加速動作における最大トルクと、減速動作における最大トルクとの平均値をFとする。すなわち、トルクTmax1と、トルクTmax2との中間値をトルクFとする。加速と減速の中間値とすることにより、摩擦や粘性抵抗等のメカニカルなロスを相殺した、より高精度な算出が可能となる。また、加速および減速も、同じ加速度Aとする。このような値でF/Aを演算することにより、イナーシャを算出することができる。
試験動作時の加速動作における最大トルクと、減速動作における最大トルクとの平均値をFとする。すなわち、トルクTmax1と、トルクTmax2との中間値をトルクFとする。加速と減速の中間値とすることにより、摩擦や粘性抵抗等のメカニカルなロスを相殺した、より高精度な算出が可能となる。また、加速および減速も、同じ加速度Aとする。このような値でF/Aを演算することにより、イナーシャを算出することができる。
このようなパターン2によってイナーシャを算出することにより、ロボットアーム10の負荷の軽減と、迅速な作業とをバランスよく両立することができる。
(パターン3)
試験動作時のトルク値の平均値をFとする。すなわち、図3に示すトルク波形と横軸とで囲まれた部分の面積を算出し、総時間で除算した値をFとする。また、試験動作の総時間の平均加速度を加速度Aとする。
試験動作時のトルク値の平均値をFとする。すなわち、図3に示すトルク波形と横軸とで囲まれた部分の面積を算出し、総時間で除算した値をFとする。また、試験動作の総時間の平均加速度を加速度Aとする。
このようなパターン3によってイナーシャを算出することにより、ロボットアーム10の負荷の軽減と、迅速な作業とをバランスよく両立することができる。
このように、補正トルク情報と加速度条件とに基づいて、すなわち、F/Aを演算することにより、イナーシャを算出することができる。そして、算出した値を許容最大イナーシャとして設定することにより、動作中のイナーシャが算出した値を超えないように、各関節171~176の回転速度を適正に設定することができる。
なお、補正トルク情報は、トルク情報に基づいて求められた情報であるため、補正トルク情報と加速度条件とに基づいてイナーシャを算出するということは、トルク情報と加速度条件とに基づいてイナーシャを算出することである。
また、教示装置4の制御部41は、トルク情報を補正して補正トルク情報を生成してもよい。補正トルク情報としては、平滑化移動平均処理がなされたデータが挙げられる。
例えば、図4に示すような経時的なトルク値のデータである。図4は、横軸が時間、縦軸がトルクの実測値を示すグラフである。図4に示す領域A1が加速動作を行った際の経時的なトルクを示し、領域A2が減速動作を行った際の経時的なトルクを示している。加速時の方が減速時よりもトルク値が大きくなる傾向を示す。なお、図示の構成では、加速および減速を1セットとして、4セット同じ動作を行っている。
このように、取得部45は、加速動作中におけるモーターM6に生じるトルクに関する情報であるトルク情報を取得する第2ステップを実行する。
教示装置4の制御部41は、トルク情報を補正して補正トルク情報を生成する。補正トルク情報としては、図5に示すような、平滑化移動平均処理がなされたデータDが挙げられる。平滑化移動平均処理は、ある時刻でのトルク値に、過去のトルク値の推移を反映させる処理であり、その種類としては、単純移動平均処理、加重移動平均処理、指数移動平均処理等が挙げられる。このような補正トルクデータを用いることにより、ノイズによる外れ値を除外することができる。よって、イナーシャの算出をより正確に行うことができる。
また、制御部41は、試験動作を行った際の加速度条件と、補正トルク情報とに基づいて、関節176のイナーシャを算出する。具体的には、補正トルク情報から得られたトルクF(kgf)を、試験動作を行った際の加速度A(rad/s2)で除算する、すなわち、F/Aを演算する。これにより、イナーシャを算出することができる。
以上説明したように、本発明の算出装置5は、第6回転軸O6を中心として回転する関節176と、関節176を回転駆動するモーターM6と、を有するロボットアーム10における、関節176のイナーシャを算出するものである。また、算出装置5は、モーターM6を駆動して関節176を回転させ、所定の加速度条件で加速動作を実行する実行部である制御部31と、加速動作中におけるモーターM6に生じるトルクに関する情報であるトルク情報を取得する取得部45と、加速度条件と、取得部45が取得したトルク情報と、に基づいて、関節176のイナーシャを算出する算出部である制御部41と、を備える。これにより、イナーシャを算出することができ、算出した値を最大許容イナーシャとして設定することができる。よって、作業者が最大許容イナーシャとして不適切な値を設定することに起因する不具合、例えば、動作時にロボットアーム10に過剰な負荷がかかってしまうことや、動作時のロボットアーム10の速度が過剰に遅くなってしまうことを防止することができる。
なお、関節およびモーターとして、関節176、モーターM6を例に挙げて説明したが、本発明ではこれに限定されず、関節およびモーターとして、関節171、モーターM1を適用してもよく、関節172、モーターM2を適用してもよく、関節173、モーターM3を適用してもよく、関節174、モーターM4を適用してもよく、関節175、モーターM5を適用してもよい。
また、本実施形態では、算出部の一例として、制御部41を例に挙げて説明したが、本発明ではこれに限定されず、制御部31が、算出部として機能する構成であってもよい。この場合、制御装置3の、トルクセンサー18からの信号線が接続される端子が取得部となる。
また、取得したトルク値がしきい値以上である場合、その旨を報知してもよい。この場合、教示装置4のディスプレイ40に表示する構成や、音声により報知する構成であってもよい。
次に、図6に示すフローチャートを参照しつつ、算出装置5を用いた本発明の算出方法の一例について説明する。
まず、ステップS101において、各種設定を行う。本ステップは、作業者が教示装置4を用いて、動作プログラム、速度条件や、各種動作パラメーターを入力することによりなされる。
次いで、ステップS102において、試験運転を実行する。すなわち、制御装置3が、ステップS101で設定された情報に基づいて、ロボットアーム10を駆動する。このステップS102が、モーターM6を駆動して関節176を回転させ、所定の加速度条件(ステップS101で設定された速度条件)で加速動作を実行する第1ステップである。
次いで、ステップS103において、試験運転中にトルクセンサー18が検出したトルク情報を取得部45が取得する。ステップS102とステップS103とは、時間的に重複して行われる。取得したトルク情報は、例えば、図3および図4に示すような経時的なトルクの変化に関する情報である。このステップS103が、加速動作中におけるモーターM6に生じるトルクに関する情報であるトルク情報を取得する第2ステップである。
次いで、ステップS104において、イナーシャを算出し、設定する。すなわち、ステップS101で設定された速度条件と、ステップS103で取得したトルク情報に基づいて、関節176のイナーシャを算出する。さらに換言すれば、F(kgf)/A(rad/s2)を演算する。これにより、イナーシャを算出することができる。
また、本実施形態では、ステップS104において、トルク情報として、図5に示すような補正トルクデータが用いられる。
また、F、Aに代入する数値は、前述したパターン1~パターン3で説明した値とすることができる。
以上説明したように、本発明の算出方法は、第6回転軸O6を中心として回転する関節176と、関節176を回転駆動するモーターM6と、を有するロボットアーム10における、関節176のイナーシャを算出する方法である。また、算出方法は、モーターM6を駆動して関節176を回転させ、所定の加速度条件で加速動作を実行する第1ステップと、加速動作中におけるモーターM6に生じるトルクに関する情報であるトルク情報を取得する第2ステップと、加速度条件と、第2ステップで取得したトルク情報と、に基づいて、関節176のイナーシャを算出する第3ステップと、を有する。これにより、イナーシャを算出することができ、算出した値を最大許容イナーシャとして設定することができる。よって、作業者が最大許容イナーシャとして不適切な値を設定することに起因する不具合、例えば、動作時にロボットアーム10に過剰な負荷がかかってしまうことや、動作時のロボットアーム10の速度が過剰に遅くなってしまうことを防止することができる。
また、第2ステップで取得するトルク情報は、加速動作中にモーターM6に生じるトルクの経時変化の情報である。これにより、トルクの経時変化を加味したイナーシャを算出することができる。よって、イナーシャの設定をより適正に行うことができる。
なお、上記構成に限定されず、例えば、加速度が最も速くなる時刻等、指定された時刻のトルク情報を検出し、このトルク情報に基づいてイナーシャを算出する構成であってもよい。
また、第3ステップでは、トルク情報として、加速動作中にモーターM6に生じるトルクの経時変化を補正処理した補正トルク情報を用いる(図5参照)。これにより、例えばノイズによる外れ値を除外することができる。よって、より適正なイナーシャの設定が可能となる。
また、上記構成に限定されず、補正トルク情報を用いずに、図3および図4に示すようなトルク情報を用いてイナーシャを算出してもよい。すなわち、図3および図4に示すトルク情報を用いて、上述したパターン1~パターン3と同様にトルクFおよび加速度条件を設定し、イナーシャを算出してもよい。
また、第3ステップでは、トルク情報として、加速動作中にモーターM6に生じるトルクの平均値を用いる(パターン3)。これにより、より適正なイナーシャを算出することができ、ロボットアーム10の負荷の軽減と、迅速な作業とをバランスよく両立することができる。
また、第3ステップでは、トルク情報として、加速動作中にモーターM6に生じるトルクの最大値を用いる(パターン1)。これにより、関節176に可及的に負荷がかかった状態のイナーシャを算出することができる。よって、作業動作時のロボットアーム10の関節171~関節176の速度を可及的に速くすることができる。
また、補正トルク情報は、加速動作中にモーターM6に生じるトルクの経時変化に移動平均処理を行った情報であり、第3ステップでは、トルク情報として、補正トルク情報における加速時のトルクの最大値と、減速時のトルクの最大値との中間値を用いる(パターン2)。これにより、より適正なイナーシャを算出することができ、ロボットアーム10の負荷の軽減と、迅速な作業とをバランスよく両立することができる。
また、ロボットアーム10は、複数の関節171~176と、各関節171~176を回転させる複数のモーターM1~M6を有し、第2ステップでは、最も先端側に位置するモーターM6に生じるトルクに関する情報であるトルク情報を取得する。これにより、付加がかかりやすい関節176のイナーシャを算出することができ、ロボットアーム10の負荷をより確実に軽減することができる。
<第2実施形態>
図7~図9は、本発明の算出方法の第2実施形態におけるトルク情報および補正トルク情報の一例を示すグラフである。
図7~図9は、本発明の算出方法の第2実施形態におけるトルク情報および補正トルク情報の一例を示すグラフである。
以下、これらの図を参照しつつ本発明の算出方法および算出装置の第2実施形態について説明するが、以下では、第1実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については説明を省略する。
本実施形態では、トルクセンサー18は、モーターM6の電流値を検出し、検出した電流値に基づいてトルク値(トルク予測値T2)を推定している。この場合、比較的大きい値のトルク出力時には、電流値は、二次曲線のように上昇する。従って、補正トルク情報として、増加曲線に対応した補正が要求される。すなわち、図7~図9に示すように、実測トルクT1とトルク予測値T2との乖離を小さくする補正を行うことが好ましい。
なお、イナーシャが0の場合であっても生じるトルクを、以下では、トルク0T0と言う。また、メカによる伝達ロスを考慮した係数(傾き)をKとする。
図7~図9は、縦軸がトルク、横軸がイナーシャで表されるグラフである。図7に示す構成では、下記式(1)に基づいて、補正を行う。
トルク予測値T2=イナーシャF×K+トルク0T0…(1)
トルク予測値T2=イナーシャF×K+トルク0T0…(1)
このような式(1)を用いることにより、実測トルクT1とトルク予測値T2との乖離を小さくし、正確なイナーシャを算出することができる。
図8に示す構成では、下記式(2)に基づいて、補正を行う。
トルク予測値T2=イナーシャF×K+トルク0T0+イナーシャF2…(2)
このような式(2)を用いることにより、実測トルクT1とトルク予測値T2との乖離を小さくし、正確なイナーシャを算出することができる。
トルク予測値T2=イナーシャF×K+トルク0T0+イナーシャF2…(2)
このような式(2)を用いることにより、実測トルクT1とトルク予測値T2との乖離を小さくし、正確なイナーシャを算出することができる。
図9に示す構成では、下記式(3)、(4)に基づいて、補正を行う。
トルク値が所定値未満の場合:トルク予測値T2=イナーシャF×K+トルク0T0…(3)
トルク値が所定値以上の場合:トルク予測値T2=イナーシャF×K’+トルク0T0’…(4)
トルク値が所定値未満の場合:トルク予測値T2=イナーシャF×K+トルク0T0…(3)
トルク値が所定値以上の場合:トルク予測値T2=イナーシャF×K’+トルク0T0’…(4)
このような式(3)、(4)を用いることにより、イナーシャの値にあわせて適切な数式を用いることにより、実測トルクT1とトルク予測値T2との乖離を小さくし、より正確なイナーシャを算出することができる。
以上、本発明の算出方法および算出装置を図示の各実施形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。各実施形態における構成を、適宜組み合わせたり置換したりすることができる。また、算出方法には、任意の工程が付加されていてもよい。また、算出装置の各部は、同様の機能を発揮し得る任意の構造物と置換することができる。また、任意の構造体が付加されていてもよい。
1…ロボット、3…制御装置、4…教示装置、5…算出装置、10…ロボットアーム、11…基台、12…第1アーム、13…第2アーム、14…第3アーム、15…第4アーム、16…第5アーム、17…第6アーム、18…トルクセンサー、20…エンドエフェクター、31…制御部、32…記憶部、33…通信部、40…ディスプレイ、41…制御部、42…記憶部、43…通信部、44…入力操作部、45…取得部、100…ロボットシステム、171…関節、172…関節、173…関節、174…関節、175…関節、176…関節、A1…領域、A2…領域、D1…モータードライバー、D2…モータードライバー、D3…モータードライバー、D4…モータードライバー、D5…モータードライバー、D6…モータードライバー、E1…エンコーダー、E2…エンコーダー、E3…エンコーダー、E4…エンコーダー、E5…エンコーダー、E6…エンコーダー、M1…モーター、M2…モーター、M3…モーター、M4…モーター、M5…モーター、M6…モーター、TCP…ツールセンターポイント、Tmax1…トルク、Tmax2…トルク、Tmax3…トルク、Tmax4…トルク、Tmax5…トルク、Tmax6…トルク、Tmax7…トルク、Tmax8…トルク
Claims (8)
- 回転軸を中心として回転する関節と、前記関節を回転駆動するモーターと、を有するロボットアームにおける、前記関節のイナーシャを算出する算出方法であって、
前記モーターを駆動して前記関節を回転させ、所定の加速度条件で加速動作を実行する第1ステップと、
前記加速動作中における前記モーターに生じるトルクに関する情報であるトルク情報を取得する第2ステップと、
前記加速度条件と、前記第2ステップで取得した前記トルク情報と、に基づいて、前記関節のイナーシャを算出する第3ステップと、を有することを特徴とする算出方法。 - 前記第2ステップで取得する前記トルク情報は、前記加速動作中に前記モーターに生じる前記トルクの経時変化の情報である請求項1に記載の算出方法。
- 前記第3ステップでは、前記トルク情報として、前記加速動作中に前記モーターに生じる前記トルクの経時変化を補正処理した補正トルク情報を用いる請求項1に記載の算出方法。
- 前記第3ステップでは、前記トルク情報として、前記加速動作中に前記モーターに生じる前記トルクの平均値を用いる請求項2または3に記載の算出方法。
- 前記第3ステップでは、前記トルク情報として、前記加速動作中に前記モーターに生じる前記トルクの最大値を用いる請求項2または3に記載の算出方法。
- 前記補正トルク情報は、前記加速動作中に前記モーターに生じる前記トルクの経時変化に移動平均処理を行った情報であり、
前記第3ステップでは、前記トルク情報として、前記補正トルク情報における加速時の前記トルクの最大値と、減速時の前記トルクの最大値との中間値を用いる請求項3に記載の算出方法。 - 前記ロボットアームは、複数の前記関節と、各前記関節を回転させる複数の前記モーターを有し、
前記第2ステップでは、最も先端側に位置する前記モーターに生じる前記トルクに関する情報である前記トルク情報を取得する請求項1に記載の算出方法。 - 回転軸を中心として回転する関節と、前記関節を回転駆動するモーターと、を有するロボットアームにおける、前記関節のイナーシャを算出する算出装置であって、
前記モーターを駆動して前記関節を回転させ、所定の加速度条件で加速動作を実行する実行部と、
前記加速動作中における前記モーターに生じるトルクに関する情報であるトルク情報を取得する取得部と、
前記加速度条件と、前記取得部が取得した前記トルク情報と、に基づいて、前記関節のイナーシャを算出する算出部と、を有することを特徴とする算出装置。
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JP2022150085A JP2024044522A (ja) | 2022-09-21 | 2022-09-21 | 算出方法および算出装置 |
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2022
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