JP2577713B2 - ロボツト用制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ロボツトアームのごとき被可動体とモータ
との間に、減速機等の誤差信号（回転ムラ）を有する伝
達機構をそなえたロボツトの経路制御や位置決め制御を
行なうための装置に関し、特に、上記伝達機構の誤差振
動特性に応じてその誤差振動を打ち消すようにしたロボ
ツト用制御装置に関するものである。

［従来の技術］ 従来、第３図に示すごとく、モータ１に速度検出器４
および位置検出器（パルスエンコーダ）５を取り付け、
このモータ１の出力軸に、ハーモニツクドライブ減速機
２を介して被可動体としてのロボツトアーム３を連結さ
せた産業用ロボツトが提案されている。なお、上記ハー
モニツクドライブ減速機２は、図示しないがウエーブジ
エネレータ，サーキユラスプラインおよびフレクスプラ
インにより構成されている。

かかるロボツトによれば、モータ１を回転駆動させる
と、所要の減速比だけ減速された状態でロボツトアーム
３が作動するようになつている。

［発明が解決しようとする問題点］ ところで、一般に、産業用ロボツトやNC機械などにお
いては、回転ムラが誤差振動（ビビリ）の原因になるこ
とがある。特に、多関節型の如く多軸を合成して工具軌
跡を得る溶接ロボツト等の産業用ロボツトやその周辺機
器（ワークポジシヨナ，ロボツトスライダ）において
は、振動が工具軌跡の歪となって現われることが知られ
ている。

溶接ロボツト等の産業用ロボツトでは正確な経路制御
や位置決め制御が重要なポイントであるが、上述の回転
ムラのために現状では±0.5mm程度の誤差振動を含む場
合がしばしばある。この回転ムラによる誤差振動の発生
には種々の原因がある。例えば、サーボ制御性能の悪さ
や、位置検出器の分解能や角度誤差等による影響や、制
御時の計算誤差であつたりする場合もあるが、ロボツト
アームのごとき被可動体とモータとの間にそなえられる
減速機等の伝達機構の部分における角度伝達誤差によつ
て生じる回転ムラも大きな影響を与える。

上記のような伝達機構の一例としてハーモニツクドラ
イブ減速機における伝達ムラにつき第3,4図に従つて説
明する。

第３図に示すハーモニツクドライブ減速機２は、その
入力軸2a（モータ１に連結される側）の回転角度と、出
力軸2b（ロボツトアーム３に連結される側）の回転角度
との間に第４図に示すグラフのような関係を有してい
る。この第４図のグラフは、横軸に入力軸2aつまりモー
タ１の回転角度をとり、縦軸に出力軸2bの回転角度をと
つたもので、傾き45゜の直線ｉによつて、回転伝達ムラ
のない理想的な場合の入力軸2aと出力軸2bとの関係が示
されている。

しかし、実際には、第４図の曲線ｊ（代表的なハーモ
ニツク減速比での減速カーブ）で示すように、直線ｉに
対して、入力軸2aの１回転あたり２周期のムラを有する
出力軸2bの回転が得られることが知られている。従つ
て、図示のごとく、曲線ｊの幅δがハーモニツクドライ
ブ減速機２の回転伝達誤差を示す。なお、第４図中、Ｔ
は上記回転ムラの周期、ａは歪の零点位置を示す位相差
である。

この伝達誤差は１〜２分程度であるが、その他の減速
機の中にはこの値よりもさらに大きいものも多くある。
そして、この伝達誤差がロボツトアーム先端の軌跡に与
える大きさは±0.1〜0.2mm程度と小さいが、これが振動
源となつて他の要素機械の固有振動数やサーボ回路の固
有振動数と伝達誤差の周波数が一致すると共振現象を起
こし、その結果大きな場合には、ロボツトアーム先端で
±２〜3mmといつた振動を招くおそれもある。

なお、伝達機構として、以上ではハーモニツクドライ
ブ減速機を用いた場合について説明しているが、他にも
サイクロ減速機や遊星減速機についても同様の伝達誤差
が発生する。また、ボールネジ構造をもつロボツト駆動
機構においては「よろめき」と呼ばれる伝達誤差がある
ほか、チエーンスプロケツト等のロボツト伝達機構には
「多角形運動」と呼ばれる伝達誤差が生じる。

そこで、第５図に示すようなロボツト用制御装置も提
案されている。

この装置では、基本的には、モータ１に直結された位
置検出器（パルスエンコーダ）５から変換器（パルスカ
ウンタ）６を経て検出されるモータ１の回転位置検出信
号と、位置指令信号発生器８からの位置指令信号とを比
較して、その偏差に基づきサーボアンプ９によりオータ
１をフイードバツク制御し、ロボツトアーム３の経路制
御や位置決め制御が行なうようになつている。

そして、ハーモニツクドライブ減速機２の出力軸側の
回転ムラを打ち消すべく、変換器６からの位置検出信号
と予め調べられているハーモニツクドライブ減速機２の
減速特性（誤差振動特性）とに基づいて補正器（関数発
生器）７から出力される補正信号を、上記変換器６から
の位置検出信号に加算して、ハーモニツクドライブ減速
機２の伝達誤差を補正した後、この位置検出信号により
フイードバツク制御を行なつて回転ムラを打ち消すこと
が行なわれている。

しかしながら、このようなロボツト用制御装置では、
サーボドライバ内に演算処理を行なう補正器７を設ける
必要があるため、コスト高を招くことになるほか、フイ
ードバツク系内において補正信号を加算するようにする
と、制御系が不安定になるおそれがあるといつた問題点
があつた。

本発明は、このような問題点を解決をはかろうとする
もので、位置指令信号自体を補正することにより回転ム
ラを打ち消して、安価に且つ安定性よく正確な経路制御
および位置決め制御を行なえるようにしたロボツト用制
御装置を提供することを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は上記目的を達成するため、被可動体が伝達機
構を介してモータに連結されたロボットに、上記モータ
の回転位置を検出する位置検出器と、位置指令信号を出
力する位置指令信号発生手段とをそなえ、上記位置検出
器からの位置検出信号と、上記位置指令信号発生手段か
らの位置指令信号とを比較して、上記ロボットの径路制
御および位置決め制御を行なう装置において、上記位置
指令信号発生手段が、基準となる位置指令ベース信号を
出力する位置指令ベース信号発生手段と、上記伝達機構
の回転に伴い発生する誤差振動とは逆相で同じ周期の補
正信号を前記位置指令ベース信号の関数として算出し出
力する補正信号発生手段と、上記位置指令ベース信号と
補正信号とを加算して補正された位置指令信号として上
記位置指令信号に代えて出力する加算手段とをそなえる
構成としたものである。

［作用］ 上述の本発明のロボツト用制御装置では、ロボツトに
おける被可動体（ロボツトアーム等）の経路制御および
位置決め制御を行なうに際し、加算手段において、位置
指令ベース信号発生手段からの位置指令ベース信号に、
補正信号発生手段からの伝達機構のもつ誤差振動（回転
ムラ）とは逆相で同じ周期の補正信号を加算することに
より、位置指令信号が得られ、この位置指令信号が位置
指令信号発生手段から出力される。そして、上記位置指
令信号と位置検出器からの位置検出信号とを比較して、
上記ロボツトの経路制御および位置決め制御を行なうこ
とにより、上記伝達機構のもつ誤差振動が打ち消され
る。

［発明の実施例］ 以下、図面により本発明の一実施例としてのロボツト
用制御装置について説明すると、第１図はその全体構成
を示すブロツク図、第２図はその作用を説明するための
グラフである。

第１図において、１はモータ、２は誤差振動を有する
伝達機構としてのハーモニツクドライブ減速機、３はモ
ータ１にハーモニツクドライブ減速機２を介して連結さ
れる被可動体としてのロボツトアーム、５はモータ１の
出力軸に取り付けられ同モータ１の回転位置を検出する
ための位置検出器（パルスエンコーダ）、６はこの位置
検出器５から絶対位置を得る変換器（パルスカウン
タ）、９は後述する位置指令発生手段18からの位置指令
信号θinと変換器６からの位置検出信号との偏差に基づ
きモータ１をフイードバツク制御するサーボアンプであ
る。

また、本実施例において、10は基準となる位置指令ベ
ース信号θin₀を出力する位置指令ベース信号発生手段
としてのロボツト演算装置、11はハーモニツクドライブ
減速機２のもつ誤差振動とは逆相で同じ周期Ｔ（第2,4
図参照）の補正信号θ_Ｒを出力する補正信号発生手段で
あり、この補正信号発生手段11は、除算器12,位相設定
器13,加算器14,歪振幅設定器15および関数発生器16から
構成されている。

ここで、除算器12は、ロボツト演算装置10からの位置
指令ベース信号θin₀を既知であるハーモニツクドライ
ブ減速機２のもつ誤差振動の周期Ｔ（第2,4図参照）に
相当する量で割るものであり、加算器14は、除算器12で
割算をした結果得られた余り情報Ｒ_θと位相設定器13で
設定される位相差ａ（第2,4図参照；歪の零点位置と位
置指令ベース信号θin₀の起点とのズレ）との加算（減
算も含む）を行なうものである。

また、関数発生器16は、加算器14からの情報（Ｒ_θ＋
ａ）と、歪振幅設定器15で設定される上記誤差振動の振
幅ｘ（第２図参照）とに基づき、補正信号θ_Ｒを下記
（１）式により出力するものである。

θ_Ｒ＝−（x/2）・sin｛（Ｒ_θ＋ａ）・２π/T｝ ‥‥
（１） さらに、17はロボツト演算装置10からの位置指令ベー
ス信号θin₀と補正信号発生手段11からの補正信号θ_Ｒ
とを加算して位置指令信号θinとして出力する加算手段
としての加算器である。

そして、位置指令信号発生手段18は、上述したロボツ
ト演算装置10,補正信号発生手段11および加算器17から
構成される。

本発明の一実施例としてのロボツト用制御装置は上述
のごとく構成されているので、産業用ロボツトにおける
ロボツトアーム３の経路制御および位置決め制御を行な
うに際し、位置指令信号発生手段18の加算器17におい
て、ロボツト演算装置10からの位置指令ベース信号θin
₀に、補正信号発生手段11からの補正信号θ_Ｒ（同補正
信号θ_Ｒの演算手順は後述する）を加算することによつ
て、位置指令信号θinが得られ、この位置指令信号θin
が位置指令信号発生手段18から出力される。

ところで、誤差振動の周期Ｔは減速機の種類によつて
ほとんど決まつている（例えば、ハーモニツクドライブ
減速機では入力軸１回転で２周期、サイクロ減速機やボ
ールネジ構造をもつロボツト駆動機構では１周期、チエ
ーンスプロケツトでは１ピツチあたり１周期等）が、位
相差ａは減速機の組み方等によつて異なる。この位相差
ａについて機械的に調整することも可能であるが、本実
施例では、デイツプスイツチやキートンにより位相設定
器13から電気的に位相差ａを設定するようにしている。

また、誤差振動の振幅ｘについても必要に応じて任意
に設定入力できるように、本実施例では、歪振幅設定器
15から振幅ｘが設定されるようになつている。

さて、上記の位相設定器13および歪振幅設定器15によ
りそれぞれ設定される位相差ａおよび振幅ｘをもとに、
本実施例の補正信号発生手段11においては、次のように
して補正信号θ_Ｒが演算される。即ち、ロボツト演算装
置10からの位置指令ベース信号θin₀は除算器12におい
て既知の周期Ｔで割算され、その余り情報Ｒ_θが除算器
12から加算器14へ出力される。

この加算器14において、余り情報Ｒ_θには位相設定器
13からの位相差ａが加算され、その加算情報（Ｒ_θ＋
ａ）が関数発生器16に出力される。

そして、この関数発生器16では、歪振幅設定器15から
の振幅x,既知の周期Ｔおよび加算情報（Ｒ_θ＋ａ）か
ら、上記（１）式に基づいた演算が行なわれ、その演算
結果が補正信号θ_Ｒとして加算器17へ出力されるのであ
る。

このようにしてハーモニツクドライブ減速機２のもつ
誤差振動とは逆相で同じ周期Ｔの補正信号θ_Ｒが演算さ
れ、この補正信号θ_Ｒを加算器17で位置指令ベース信号
θin₀に加算することにより、第２図に示すごとく、ハ
ーモニツクドライブ減速機２の誤差振動（回転ムラ：第
４図参照）を打ち消すような位置指令信号θinが得られ
るようになる。

従つて、上記位置指令信号θinと位置検出器５からの
位置検出信号（変換器６を介して得られるもの）とを比
較して、その偏差に基づきサーボアンプ９によつてモー
タ１を駆動制御し、ロボツトアーム３の経路制御および
位置決め制御を行なうことで、ハーモニツクドライブ減
速機２のもつ誤差振動（回転ムラ）が打ち消されること
になる。

なお、実際には、位置設定器13で設定される位相差ａ
は場合によつて異なるので、制御開始前の調整時にこの
位相差ａを少しづつ変化させ、誤差振動が最も小さくな
る位相差ａを実測的に求めることになる。また、歪振幅
設定器15で設定される振幅ｘも、予め誤差振動の振幅値
を実測（または計算）するか、徐々に設定値を変化させ
るかして、適正値を求めるようにする。

これにより、フイードバツク系に補正器等をそなえる
ことなくハーモニツクドライブ減速機２の回転ムラを打
ち消すことができ、安価に且つ安定性よく正確な経路制
御および位置決め制御が行なわれるようになる。

また、補正信号発生手段11や加算器17をソフトウエア
化してロボツト演算装置10内に組み込んでしまうことも
可能で、この場合、ソフトウエアの追加のみで本発明の
装置を実現するこができ、機械的部品の追加や高精度の
部品を必要とすることなく、極めて安価に制御精度の向
上を実現できる利点もある。

なお、上記実施例では、余り情報Ｒ_θに位相差ａを加
算するようにしているが、ロボツト演算装置10からの位
置指令ベース信号θin₀に適当な位相差を加算した後、
周期Ｔで割つて余り情報を得るようにしてもよい。

また、上記実施例では、関数発生器16から出力される
補正信号θ_Ｒが、伝達機構としてのハーモニツクドライ
ブ減速機２の誤差振動特性に応じてサインカーブ状とな
るように設定されているが、伝達機構が、他のもの、例
えばサイクロ減速機，ボールネジ構造あるいはチエーン
スプロケツトなどである場合には、その誤差振動特性に
応じて、関数発生器16からの補正信号θ_Ｒを、周期性の
ある任意の曲線状に設定すればよく、この場合も上記実
施例と同様の効果が得られる。

［発明の効果］ 以上詳述したように、本発明のロボツト用制御装置に
よれば、減速機等の伝達機構を経由することによつて生
じる誤差振動（回転ムラ，ビビリ現象）とは逆相で同期
した補正信号を、位置指令ベース信号に加算したもの
が、位置指令信号として出力され、この位置指令信号に
よりロボツトのフイードバツク制御を行なうように構成
したので、フイードバツク系に補正器等をそなえること
なく伝達機構のもつ誤差振動を打ち消すことができ、安
価に且つ安定性よく正確な経路制御および位置決め制御
を行なえる効果がある。

また、ソフトウエア化も容易で、ソフトウエアの追加
のみで本発明の装置を実現するこができ、機械的部品の
追加や高精度の部品を必要とすることなく、極めて安価
に制御精度の向上を実現できる効果もある。

【図面の簡単な説明】

第1,2図は本発明の一実施例としてのロボツト用制御装
置を示すもので、第１図はその全体構成を示すブロツク
図、第２図はその作用を説明するためのグラフであり、
第3,4図は従来のロボツト用制御装置を示すもので、第
３図はそのロボツト駆動部の概略構成図、第４図はその
角度伝達誤差を説明するためのグラフであり、第５図は
他のロボツト用制御装置の一例の全体構成を示すブロツ
ク図である。 図において、１……モータ、２……伝達機構としてのハ
ーモニツクドライブ減速機、３……被可動体としてのロ
ボツトアーム、５……位置検出器（パルスエンコー
ダ）、６……変換器（パルスカウンタ）、９……サーボ
アンプ、10……位置指令ベース信号発生手段としてのロ
ボツト演算装置、11……補正信号発生手段、12……除算
器、13……位相設定器、14……加算器、15……歪振幅設
定器、16……関数発生器、17……加算手段としての加算
器、18……位置指令信号発生手段。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被可動体が伝達機構を介してモータに連結
   されたロボットに、上記モータと回転位置を検出する位
   置検出器と、位置指令信号を出力する位置指令信号発生
   手段とをそなえ、上記位置検出器からの位置検出信号
   と、上記位置指令信号発生手段からの位置指令信号とを
   比較して、上記ロボットの径路制御および位置決め制御
   を行なう装置において、上記位置指令信号発生手段が、
   基準となる位置指令ベース信号を出力する位置指令ベー
   ス信号発生手段と、上記伝達機構の回転に伴い発生する
   誤差振動とは逆相で同じ周期の補正信号を前記位置指令
   ベース信号の関数として算出し出力する補正信号発生手
   段と、上記位置指令ベース信号と補正信号とを加算して
   補正された位置指令信号として上記位置指令信号に代え
   て出力する加算手段とをそなえて構成されたことを特徴
   とするロボツト用制御装置。