JP3072687B2 - 固有振動数の算出方法 - Google Patents

固有振動数の算出方法

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JP3072687B2
JP3072687B2 JP5067855A JP6785593A JP3072687B2 JP 3072687 B2 JP3072687 B2 JP 3072687B2 JP 5067855 A JP5067855 A JP 5067855A JP 6785593 A JP6785593 A JP 6785593A JP 3072687 B2 JP3072687 B2 JP 3072687B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はロボットの作動制御に関
し、特にロボットアームの作動時に発生する振動を制振
する際に問題となる固有振動数を算出する方法に関す
る。
【0002】
【従来の技術】今日、産業用ロボットは製造業を始め様
々な業種において使用されている。このロボットは、省
力化が図れる、劣悪な環境の下でも作業が可能であるな
どの優れた特性があるが、その一つに正確な作業が行え
ることがある。
【0003】図5には、3軸制御型のロボットが示され
ている。Xフレーム1上をx方向にYフレーム2が摺動
可能に設けられ、さらにZフレーム3がYフレーム2上
をy方向に摺動可能に設けられている。Zフレーム3に
はハンド部4が設けられ、Z方向に移動可能である。こ
の構成によって、このロボットは所定の範囲内におい
て、ある位置のワークを掴み、別の位置まで移動させ、
ここでワークを放すという動作ができる。従って、この
ようなロボットは製造業において、組み付け工程に盛ん
に用いられている。
【0004】この組み付け工程に際しては、移動終端点
においてワークの移動を急速に停止することによって振
動が発生し、この振動が収束してからでないと所定の位
置に組み付けられないという問題がある。このときの振
動は、ロボットのフレームの剛性、質量や掴んでいるワ
ークの質量により決定される固有振動数で振動する。こ
れを利用して、本出願人により先に出願された特願平4
−263714号、特願平4−264385号、特願平
4−325346号などにより示された技術には、1回
目の加振力に対し、2回目の加振力が制振力として作用
するように制御タイミングが設定される技術が記載され
ている。すなわち、1回目の加振力によって発生した振
動は、そのときの系の固有振動数で振動し2回目の加振
力はこの振動と逆の位相で加えられ、これによって1回
目の加振によって発生した振動を打ち消すように設定さ
れている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】前述の出願に開示され
た技術によれば、固有振動数を何らかの形で求める必要
がある。固有振動数を求める最も一般的な方法として
は、対象となる物体に加速度センサを取り付けて、対象
となる物体を加振し、前述の加速度センサからの信号を
高速フーリエ変換器(FFT)により周波数分析すると
いう方法がある。この方法を図5に示した装置において
行おうとすれば、ワークを移動する際の移動終端点ごと
に、また移動するワークの質量ごとに固有振動数を求め
る必要が生じる。すなわち、図5のAの位置とBの位置
のように終端点が違う場合にはy方向のオーバハング量
が変化するため、系の剛性などが変化し、固有振動数が
変化する。また、ワークの質量が変化しても固有振動数
が変化する。
【0006】したがって、様々なワークを対象にして、
様々な組み付け作業を行うロボットにおいて、その作業
ごと、ワークごとに固有振動数を前述の方法で求めてい
ては、多くの工数が必要となる。
【0007】また、新たな作業を行わせる場合は、その
終端点とワーク質量により、その都度固有振動数を測定
する必要がある。この場合には、一旦設置したロボット
に加速度センサを取り付け、FFTにより解析を行なう
必要が生じる。しかし、他の施設・設備の関係で設置さ
れたロボットの近傍にFFTを持ち込むことができない
場合もある。また、ロボットを設置した工場にFFTが
ない場合もあり得る。以上のように、作業内容ごとに固
有振動数を求めていては多くの工数が必要となるという
問題があった。また、新たな作業内容に対応して、固有
振動数を測定しようとしても、これができない場合もあ
るという問題があった。
【0008】本発明は前述の問題点を解決するためにな
されたものであり、作業内容ごとに固有振動数を測定す
る必要がなく、作業内容を指定することによりその作業
内容に対応する固有振動数を算出する方法を提供するこ
とを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】前述の目的を達成するた
めに、本発明にかかる固有振動数の算出方法は、ロボッ
トアームの可動範囲内の複数箇所で、複数種の質量のワ
ークを移動させたときの固有振動数を各々測定するステ
ップと、前記測定された固有振動数を基に固有振動数を
ロボットアームの作動位置とワーク質量との関数として
表すステップと、任意のアーム作動位置と任意のワーク
質量における固有振動数を前記の関数に基づき算出する
ステップとを含む。
【0010】
【作用】本発明は以上のような構成を有しており、ロボ
ットの固有振動数をロボットアームの作動位置とワーク
の質量との関数として予め表しているので、個々の作業
内容が定められれば、直接固有振動数を測定することな
く、前記関数によって、これを求めることが可能とな
る。
【0011】
【実施例】以下、本発明にかかる好適な実施例を図面に
従って説明する。
【0012】図1は本実施例の装置を示し、図5に示し
た装置と同様の構成については、同一の符号を付し説明
を省略する。図中の点A1 から点A8 の8個の点により
囲まれた領域が本装置のハンド部4の可動範囲である。
本装置は前述の装置と同様、可動領域内の任意の点から
別の点までワーク5を把持して移動させることができ
る。この作動は図2に示した制御部で行われる。すなわ
ち、コントローラ10内のCPU11は内部メモリ12
に記憶されている作動プログラムに基づいてサーボアン
プ13に指令を送る。この指令に基づきサーボモータ1
4が駆動され、このモータ14がロボットの各フレーム
の移動を行いハンド部4の位置決めを行う。本装置の場
合はxyzの各方向の各々にサーボアンプ13、サーボ
モータ14が備えられており、独立して駆動されてい
る。
【0013】前述の移動の開始点と終了点の組み合わせ
は作業内容ごとに異なり、さらにワークも作業内容によ
り異なるためにワークの質量も異なる。よって、装置全
体の剛性や、梁としての寸法が異なるので、固有振動数
も異なる。本実施例の装置においては、前記可動範囲内
の複数の点および複数のワーク質量において、その固有
振動数を加速度センサを取り付けてFFTにより測定
し、これらのデータを基に固有振動数の算出式を求めて
いる。
【0014】すなわち、ロボットのハンド部4の座標を
(x,y,z)、ワーク5の質量をW、固有振動数をf
とすると、これらの関係を示す関数 f=X(x,y,z,W) …(1) を導く。
【0015】この関数(1)を前述の内部メモリ12に
記憶し、ハンド部4の移動制御ごとにその移動終了点の
座標と、このときのワークの質量から、関数(1)に基
づき固有振動数を算出する。
【0016】そして、実際の移動制御においては、前述
の固有振動数に基づき制振制御を行なう。例として、ロ
ボットアームを停止する時の減速開始時に生じる振動を
減速終了時に生じる振動によって打ち消す、特願平4−
264385号において示された制振制御を用いて説明
する。この制振制御は、定速移動しているロボットアー
ムを停止する時に生じる2つの振動、すなわち減速開始
時に発生する振動と、減速終了時に生じる振動とを互い
に干渉させることにより制振効果を得ている。ロボット
アームを停止させる際には、所定の加速度で減速させる
必要があるが、定速制御から減速制御に移行する点にお
いてサーボモータのトルクピークが発生し、このとき1
回目の振動が発生する。さらに一定の加速度で減速させ
る減速制御から静止位置に停止させる際にもサーボモー
タのトルクピークが発生し、このとき2回目の振動が発
生する。1回目の振動は、厳密には静止位置とは異なる
位置で発生するために、静止位置での固有振動数とは異
なる振動数で振動するが、この違いはごく僅かのもので
ある。よって、静止位置における固有振動数に基づき制
御を行なっても実際には問題は生じない。この振動を2
回目の振動で打ち消すわけであるが、2回目の加振は1
回目の加振と反対方向に加振されることを考慮すれば、
1回目と2回目の加振の時間間隔がちょうど固有振動数
の逆数である固有周期(T=1/f)の整数倍であるこ
とが制振の条件となることが分かる。すなわち、減速の
開始時から、静止トルク発生時までの時間tが t=nT (n=0,1,2,…) となるように制御される。このように、1回目と2回目
の加振力が固有周期だけ位相をずらすことによって、1
回目の加振により発生した振動を2回目の加振で打ち消
すことができる。
【0017】図3には、本実施例の装置の操作を示すフ
ローチャートが示されている。図3(a)のフローは前
述の関数(1)を求める事前段階のフローである。まず
ロボットアームの可動範囲内の複数の代表点での固有振
動数を、加速度センサの出力をFFTで解析することに
より求める(ステップS1)。実際に実験したデータの
一部を図4に示す。このときの実験においては、x,
y,zの各座標に対して各4か所、すなわち64の位置
に対して、各々3種の質量のワークにより測定を行って
いる。次に、測定条件、すなわちロボットアームの位置
とワークの質量と、固有振動数の関係を示す式を求める
(ステップS2)。前述の実験データを基に関数を求め
ると、 f=−0.0083y−0.0511z−1.1628W+35.22 …(2) となる。
【0018】この結果によれば、x方向の位置に関して
は固有振動数に影響しないことが分かる。これは実験に
用いた装置はXフレーム1が両端支持の梁となる構造を
有し、その他のフレームの片持ち支持構造に比して十分
な剛性があったためと考えられる。また、各変数(y,
z,W)に関して2次の項がないことから、x,y,z
の各座標に対して2か所、ワーク質量に対して2種の1
6種のデータによって、前記の関数を求めても、予測の
精度に関して影響を与えないことが分かる。すなわち、
本実施例のような3軸直交型ロボットであって、各フレ
ームの断面形状または断面2次モーメントが大きく変化
しないような場合は、前述のように16種のデータによ
り実用上十分な精度の予測が行える。
【0019】図3(b)に、以上のように求められた予
測式(2)に基づき行われる固有振動数算出のフローが
示されている。固有振動数を求めたい点の座標(x,
y,z)、ワーク重量(W)の情報を内部メモリ12か
ら読み出す(ステップS3)。そして、この値に基づき
固有振動数の算出を行う(ステップS4)。この固有振
動数に基づき、前述したように1回目と2回目の加振の
タイミングを調整し、1回目の加振で発生した振動が2
回目の加振で制振される制御を算出し、これを内部メモ
リに記憶する。(ステップS5)。そして、対象となる
全ての点について固有振動数の算出が終了したかが判断
され、終了していない場合はステップS3に戻り、また
終了している場合は固有振動数算出プログラムを終了す
る。
【0020】以上、本実施例においては3軸直交型のロ
ボットについて説明したが、多関節型のロボットにおい
ても、その可動範囲の複数の点において実測を行い、こ
の実測によって得られたデータを基に、固有振動数をロ
ボットアームの位置(姿勢)とワークの質量の関数とし
て表すことができる。よって、本発明の範囲は3軸直交
型ロボットに限らず、その他の構成を有するロボットに
おいても適用可能である。
【0021】また、実施例おいてはワークの質量を変数
として取り扱ったが、ハンド部4を作業内容に応じたも
のに取り替えて作業する場合も考慮して、このハンド部
4の質量も含めた質量を変数として取り扱うことも可能
である。
【0022】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、固有振動
数を算出するための予測式を、予め固有振動数と、ロボ
ットアームの位置とワークの質量との関数として求めて
おくことにより、任意の点における固有振動数を予測す
ることができる。そして、作業内容ごとに固有振動数の
測定を行う必要がなく、また新たな作業を行う場合に
も、あらためて測定を行う必要がない。よって、作業の
効率化を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかる実施例の構成を示す図である。
【図2】本実施例の制御系のブロック図である。
【図3】本実施例の操作を示すフローチャートである。
【図4】実際に固有振動数を測定したデータの一部を示
す図である。
【図5】一般的な3軸直交型ロボットの構成を示す図で
ある。
【符号の説明】
1 Xフレーム 2 Yフレーム 3 Zフレーム 4 ハンド部 5 ワーク 10 コントローラ 11 CPU 12 内部メモリ 14 サーボモータ
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平6−114761(JP,A) 特開 平6−114762(JP,A) 特開 平6−138950(JP,A) 特開 平6−269188(JP,A) 特開 平5−177627(JP,A) 特開 昭58−191933(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B25J 3/00 - 3/04 B25J 9/10 - 9/22 B25J 13/00 - 13/08 B25J 19/02 - 19/06 G05B 19/18 - 19/46 B23Q 15/00 - 15/28 G01H 1/00 - 17/00

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ワークを把持して当該ワークの移動を行
    うロボットアームの固有振動数の算出方法であって、 前記ロボットアームの可動範囲内の複数箇所で、複数種
    の質量のワークを移動させたときの固有振動数を各々測
    定するステップと、 前記測定された固有振動数を基に、固有振動数をロボッ
    トアームの作動位置とワーク質量との関数として表すス
    テップと、 任意のアーム作動位置と任意のワーク質量における固有
    振動数を前記の関数に基づき算出するステップと、を含
    む固有振動数の算出方法。
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