JP4888374B2 - ロボットの動作制御装置及びその動作制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、目標点に対してパラメータを適用して座標変換を行うことでロボットの動作を制御するロボットの動作制御装置及びその動作制御方法に関する。

ロボットの静的精度を向上させるためにパラメータの誤差を補正する手法が用いられており、そのパラメータの誤差を補正する手法としては、ロボットに多種の動作を行わせ、先端部（手先）の誤差が最小となるようにパラメータを導出する多点位置決め法が用いられている（例えば特許文献１，２参照）。
特開平６−３０４８９３号公報 特開昭６０−２１８１０８号公報

ところで、上記した多点位置決め法は、測定点において誤差が最小となるようにパラメータを導出するため、測定点での動作に対してはロボットの静的精度が向上するが、測定点以外での動作に対してはロボットの静的精度が低下することになる。そのため、ロボットの動作空間（動作領域）の全体にわたって測定点を設定してパラメータを導出すれば良いものであるが、メカ要因以外の誤差や非線形性により、ロボットの動作空間の全体で精度が高いパラメータを導出することは困難である。その結果、ロボットの静的精度が低下することになり、ティーチングに要する時間が長期化するという問題がある。

本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ロボットの静的精度を向上させることができ、ティーチングに要する時間を短縮することができるロボットの動作制御装置及びその動作制御方法を提供することにある。

請求項１，６に記載した発明によれば、ロボットの動作空間の全体にわたって測定点を設定してパラメータを導出するのではなく、ロボットの動作空間を複数の領域に分割し、その分割した動作空間毎に測定点を設定してパラメータを導出し、その導出した動作空間毎のパラメータのうち目標点が属する動作空間のパラメータを選択し、目標点に対して当該選択したパラメータを適用して座標変換を行うことでロボットの動作を制御するようにしたので、目標点が属する動作空間が変化する毎に、分割した動作空間毎に設定した測定点で導出したパラメータを切換えて座標変換を行うことになり、メカ要因以外の誤差や非線形性による影響を受けることなく、ロボットの静的精度を向上させることができ、ティーチングに要する時間を短縮することができる。

請求項２，７に記載した発明によれば、導出した動作空間毎のパラメータの導出精度を判定し、その導出した動作空間毎のパラメータの導出精度が一定値未満であることを判定すると、ロボットの動作空間を複数の領域に再分割し、その再分割した動作空間毎に測定点を再設定してパラメータを再導出するようにしたので、パラメータの導出精度を一定値以上に保つことができ、ロボットの静的精度を確実に向上させることができる。

請求項３，８に記載した発明によれば、ロボットの動作空間をｘ軸、ｙ軸、ｚ軸に、各先端部の姿勢を表すヨー角、ピッチ角、ロール角を加えた６次元領域で複数の領域に分割するようにしたので、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸に、各先端部の姿勢を表すヨー角、ピッチ角、ロール角を加えた６次元領域において、ロボットの静的精度を向上させることができる。

請求項４，９に記載した発明によれば、ロボットの動作空間を極座標系で複数の領域に分割するようにしたので、極座標系において、ロボットの静的精度を向上させることができる。

以下、本発明を、垂直多関節型ロボットの動作を制御する制御装置に適用した一実施形態について、図面を参照して説明する。図２に示すように、産業用ロボット装置としてのロボット装置１は、垂直多関節型ロボット（以下、ロボットと称する）２と、ロボット２の動作を制御する制御装置３（本発明でいう動作制御手段、動作空間分割手段、パラメータ導出手段、パラメータ選択手段、導出精度判定手段）と、制御装置３に接続されているティーチングペンダント４とを備えて構成されている。

ロボット２は、例えば６軸の垂直多関節を有するロボットであり、ベース５と、ベース５に水平方向に旋回可能に支持されているショルダ部６と、ショルダ部６に上下方向に旋回可能に支持されている下アーム７と、下アーム７に上下方向に旋回可能に支持されている第１の上アーム８と、第１の上アーム８の先端部に捻り回転可能に支持されている第２の上アーム９と、第２の上アーム９に上下方向に回転可能に支持されている手首１０と、手首１０に回転（捻り動作）可能に支持されているフランジ１１とを備えて構成されている。

上記したベース５を含め、ショルダ部６、下アーム７、第１の上アーム８、第２の上アーム９、手首１０及びフランジ１１は、ロボット２におけるリンクとして機能し、ベース５を除く各リンクは、下段のリンクに対して回転関節により回転可能に連結されている。最先端のリンクであるフランジ１１は、ワークを把持するためのハンド（図示せず）が取付け可能になっている。また、リンク同士を連結する回転関節には前段のリンク側に固定されているモータの回転を減速して次段のリンクに伝達する減速装置が設けられている。

尚、本実施形態では、第１のリンクであるベース５と第２のリンクであるショルダ部６との間を連結する回転関節の関節軸を第１軸、第２のリンクであるショルダ部６と第３のリンクである下アーム７との間を連結する回転関節の関節軸を第２軸、第３のリンクである下アーム７と第４のリンクである第１の上アーム８との間を連結する回転関節の関節軸を第３軸、第４のリンクである第１の上アーム８と第５のリンクである第２の上アーム９との間を連結する回転関節の関節軸を第４軸、第５のリンクである第２の上アーム９と第６のリンクである手首１０との間を連結する回転関節の関節軸を第５軸、第６のリンクである手首１０と第７のリンクであるフランジ１１との間を連結する回転関節の関節軸を第６軸として図示している。

ロボット２の動作を制御する制御装置３は、図３に示すように、ＣＰＵ１２と、駆動回路１３と、位置検出回路１４とを備えて構成されている。ＣＰＵ１２には、ロボット２全体のシステムプログラムや動作プログラムを作成するためのロボット言語などを記憶するＲＯＭ１５及びロボット２の動作プログラムなどを記憶するＲＡＭ１６が接続されていると共に、ティーチング作業を行なう際に使用するティーチングペンダント４が接続されている。ティーチングペンダント４は、図２に示すように、各種の操作部４ａ及び表示器４ｂを備えて構成されている。

位置検出回路１４は、ショルダ部６、各アーム７〜９、手首１０及びフランジ１１の位置を検出するためのもので、ショルダ部６、各アーム７〜９、手首１０及びフランジ１１の駆動源であるモータ１７に設けられているロータリエンコーダ１８が接続されている。位置検出回路１４は、ロータリエンコーダ１８から入力する検出信号に基づいてベース５に対するショルダ部６の回転角度、ショルダ部６に対する下アーム７の回転角度、下アーム７に対する第１の上アーム８の回転角度、第１の上アーム８に対する第２の上アーム９の回転角度、第２の上アーム９に対する手首１０の回転角度、手首１０に対するフランジ１１の回転角度を検出し、それら検出した位置検出情報をＣＰＵ１２に出力する。そして、ＣＰＵ１２は、動作プログラムに基づいてショルダ部６、各アーム７〜９、手首１０及びフランジ１１を動作させる際に、位置検出回路１４から入力する位置検出情報をフィードバック信号としてそれらの動作を制御する。

各リンクには、図２に示すように、３次元の座標が規定されている。このうち、床面に据え付けられるベース５の座標系は、不動の座標系としてロボット２の基準座標とされるものであり、ベース５の下端中心を原点とし、水平方向の２つの座標軸Ｘｂ，Ｙｂ及び垂直方向の１つの座標軸Ｚｂが規定されている。他のリンクの座標系は、各回転関節の回転により基準座標上での位置と向きが変化し、ＣＰＵ１２は、位置検出回路１４から入力するショルダ部６、各アーム７〜９、手首１０、フランジ１１の各回転関節の位置検出情報と予め記憶されている各関節の長さ情報とに基づいて各関節の座標の位置と向きとを座標変換の計算機能により基準座標上での位置と向きとに変換して認識する。

また、上記した各関節の座標系のうちフランジ１１の座標系は、フランジ１１の先端面の回転中心を原点とし、フランジ１１の先端面上で２つの座標軸Ｘｍ，Ｙｍ及びフランジ１１の回転軸上で１つの座標軸Ｚｍが規定されている。尚、これら座標軸Ｘｍ，Ｙｍ，Ｚｍに対する回転角はヨー角ＲＸ、ピッチ角ＲＹ、ロール角ＲＺで表される。

次に、上記した構成の作用について、図１及び図４を参照して説明する。
ロボット２のティーチング動作は、測定点の位置、測定点での姿勢、速度及び加速度により規定される。測定点の位置及び測定点での姿勢は、ティーチングペンダント４により実際にロボット２を動かしてロボット２の先端部であるフランジ１１を測定点に移動させて所望の姿勢をとらせることで行われ、ＣＰＵ１２は、各モータ１７の回転位置を検出するロータリエンコーダ１８の検出信号に基づいて各リンク６〜１１の基準座標上での位置を計算して各リンク６〜１１の測定点の位置を計算すると共に、各リンク６〜１１の座標について２つの座標軸の単位ベクトルの方向を計算して測定点での各リンク６〜１１の姿勢を計算する。また、測定点での速度及び加速度は、ティーチングペンダント４から数値入力することで設定され、ＣＰＵ１２は、ティーチングペンダント４から入力した速度及び加速度に基づいて各リンク６〜１０の速度及び加速度を計算する。

さて、制御装置３において、ＣＰＵ１２は、ロボット２の動作空間を複数の領域に分割する（ステップＳ１）。ここで、本実施形態では、図１に示すように、ロボット２の動作空間をＳ１（一点破線で示す空間），Ｓ２（二点鎖線で示す空間）に分割した例を示している。次いで、ＣＰＵ１２は、分割した動作空間毎に測定点（動作空間Ｓ１ではＰ１、動作空間Ｓ２ではＰ２）を設定し（ステップＳ２）、ティーチングペンダント４により実際にロボット２を動かしてロボット２の先端部（フランジ１１）を測定点に移動させて所望の姿勢をとらせることで各測定点での３次元の位置データを取得する（ステップＳ３）。尚、動作空間の分割数や分割した動作空間での測定点の数は、動作指令の内容や動作範囲などの種々の要因を考慮して決定すれば良い。

次いで、ＣＰＵ１２は、その取得した３次元の位置データと測定点との誤差を計算し（ステップＳ４）、各測定点での誤差からＤＨパラメータを導出する（ステップＳ５）。この場合、ＣＰＵ１２は、ＤＨパラメータとして回転軸ｉのｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を基準に回転軸ｉから見た回転軸ｉ＋１の相対位置であるａｉ、ｂｉ、ｄｉ及び各軸方向の回転αｉ、βｉ、γｉのうちの全て又は一部を導出する。

そして、ＣＰＵ１２は、その導出したＤＨパラメータの導出精度が予め設定した一定値以上であるか否かを判定する（ステップＳ６）。ここで、ＣＰＵ１２は、導出したＤＨパラメータの導出精度が一定値以上でない（一定値未満である）と判定すると（ステップＳ６にて「ＮＯ」）、上記したステップＳ１に戻り、ステップＳ１〜Ｓ６を繰返して行う。つまり、ＣＰＵ１２は、導出したＤＨパラメータの導出精度が一定値以上になるまで、ロボット２の動作空間を複数の領域に再分割し、その再分割した動作空間毎に測定点を再設定してＤＨパラメータを再導出することで、分割した動作空間毎に一定値以上の導出精度を有するＤＨパラメータを導出する。

一方、ＣＰＵ１２は、導出したＤＨパラメータの導出精度が一定値以上であると判定すると（ステップＳ６にて「ＹＥＳ」）、ティーチングペンダント４から動作指令を入力した後（ステップＳ７）、その入力した動作指令の動作空間に応じたＤＨパラメータを選択し（ステップＳ８）、その選択したＤＨパラメータを適用して座標変換を行うことでロボット２の動作を制御する（ステップＳ９）。つまり、ＣＰＵ１２は、入力した動作指令における目標点が動作空間Ｓ１に属するものあれば、その動作空間Ｓ１の測定点で導出した一定値以上の導出精度を有するＤＨパラメータを適用して座標変換を行うことでロボット２の動作を制御し、また、入力した動作指令における目標点が動作空間Ｓ２に属するものあれば、その動作空間Ｓ２の測定点で導出した一定値以上の導出精度を有するＤＨパラメータを適用して座標変換を行うことでロボット２の動作を制御する。尚、ＣＰＵ１２は、動作指令が複数の動作空間に跨るときであれば、一連の動作内でＤＨパラメータが連続して変動しないようにヒステリシスを持たせてＤＨパラメータを切替える。

以上に説明したように本実施形態によれば、ロボット２の動作空間を複数の領域に分割し、その分割した動作空間毎に測定点を設定してＤＨパラメータを導出し、その導出した動作空間毎のＤＨパラメータのうち目標点が属する動作空間のＤＨパラメータを選択し、目標点に対して当該選択したＤＨパラメータを適用して座標変換を行うことでロボット２の動作を制御するようにしたので、目標点が属する動作空間が変化する毎に、動作空間毎に設定した測定点で導出したＤＨパラメータを切換えて座標変換を行うことになり、メカ要因以外の誤差や非線形性による影響を受けることなく、ロボット２の静的精度を向上させることができ、ティーチングに要する時間を短縮することができる。

また、導出した動作空間毎のＤＨパラメータの導出精度を判定し、その導出した動作空間毎のＤＨパラメータの導出精度が一定値未満であると判定すると、ロボット２の動作空間を複数の領域に再分割し、その再分割した動作空間毎に測定点を再設定してＤＨパラメータを再導出するようにしたので、ＤＨパラメータの導出精度を一定値以上に保つことができ、静的精度を確実に向上させることができる。

本発明は、上記した実施形態にのみ限定されるものではなく、以下のように変形又は拡張することができる。
垂直多関節型ロボットは、６軸のものに限られない。
ロボットの動作空間をｘ軸、ｙ軸、ｚ軸に、各先端部の姿勢を表すヨー角、ピッチ角、ロール角を加えた６次元領域で複数の領域に分割する構成に限らず、ロボットの動作空間を極座標系で複数の領域に分割しても良く、その場合は、極座標系においてロボットの静的精度を向上させることができる。

本発明の一実施形態を示すもので、分割した動作空間を概略的に示す図 産業用ロボット装置の斜視図 機能ブロック図 フローチャート

符号の説明

図面中、２は垂直多関節型ロボット（ロボット）、３は制御装置（動作制御手段、動作空間分割手段、パラメータ導出手段、パラメータ選択手段、導出精度判定手段）である。

Claims (10)

1. 目標点に対してパラメータを適用して座標変換を行うことでロボットの動作を制御する動作制御手段を備えたロボットの動作制御装置において、
   前記ロボットの動作空間を複数の領域に分割する動作空間分割手段と、
   前記動作空間分割手段により分割された動作空間毎に測定点を設定してパラメータを導出するパラメータ導出手段と、
   前記パラメータ導出手段により導出された動作空間毎のパラメータのうち目標点が属する動作空間のパラメータを選択するパラメータ選択手段とを備え、
   前記動作制御手段は、入力された動作命令における目標点に対して、前記パラメータ選択手段により前記動作命令における目標点が属する動作空間のパラメータを適用して座標変換を行うことでロボットの動作を制御することを特徴とするロボットの動作制御装置。
2. 請求項１に記載したロボットの動作制御装置において、
   前記パラメータ導出手段により導出された動作空間毎のパラメータの導出精度を判定する導出精度判定手段を備え、
   前記パラメータ導出手段により導出された動作空間毎のパラメータの導出精度が一定値未満であることを前記導出精度判定手段が判定したときに、前記動作空間分割手段は、前記ロボットの動作空間を複数の領域に再分割し、前記パラメータ導出手段は、前記動作空間分割手段により再分割された動作空間毎に測定点を再設定してパラメータを再導出することを特徴とするロボットの動作制御装置。
3. 請求項１又は２に記載したロボットの動作制御装置において、
   前記動作空間分割手段は、前記ロボットの動作空間をｘ軸、ｙ軸、ｚ軸に、各先端部の姿勢を表すヨー角、ピッチ角、ロール角を加えた６次元領域で複数の領域に分割することを特徴とするロボットの動作制御装置。
4. 請求項１又は２に記載したロボットの動作制御装置において、
   前記動作空間分割手段は、前記ロボットの動作空間を極座標系で複数の領域に分割することを特徴とするロボットの動作制御装置。
5. 請求項１乃至４の何れかに記載したロボットの動作制御装置において、
   前記パラメータ導出手段は、前記パラメータとして回転軸ｉのｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を基準に回転軸ｉから見た回転軸ｉ＋１の相対位置であるａｉ、ｂｉ、ｄｉ及び各軸方向の回転αｉ、βｉ、γｉのうちの全て又は一部を導出することを特徴とするロボットの動作制御装置。
6. 目標点に対してパラメータを適用して座標変換を行うことでロボットの動作を制御する方法において、
   前記ロボットの動作空間を複数の領域に分割し、その分割した動作空間毎に測定点を設定してパラメータを導出し、その導出した動作空間毎のパラメータのうち入力された動作命令における目標点が属する動作空間のパラメータを選択し、前記動作命令における目標点に対して当該選択したパラメータを適用して座標変換を行うことでロボットの動作を制御することを特徴とするロボットの動作制御方法。
7. 請求項６に記載したロボットの動作制御方法において、
   導出した動作空間毎のパラメータの導出精度を判定し、その導出した動作空間毎のパラメータの導出精度が一定値未満であることを判定したときに、前記ロボットの動作空間を複数の領域に再分割し、その再分割した動作空間毎に測定点を再設定してパラメータを再導出することを特徴とするロボットの動作制御方法。
8. 請求項６又は７に記載したロボットの動作制御方法において、
   前記ロボットの動作空間をｘ軸、ｙ軸、ｚ軸に、各先端部の姿勢を表すヨー角、ピッチ角、ロール角を加えた６次元領域で複数の領域に分割することを特徴とするロボットの動作制御方法。
9. 請求項６又は７に記載したロボットの動作制御方法において、
   前記ロボットの動作空間を極座標系で複数の領域に分割することを特徴とするロボットの動作制御方法。
10. 請求項６乃至９の何れかに記載したロボットの動作制御方法において、
    前記パラメータとして回転軸ｉのｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を基準に回転軸ｉから見た回転軸ｉ＋１の相対位置であるａｉ、ｂｉ、ｄｉ及び各軸方向の回転αｉ、βｉ、γｉのうちの全て又は一部を導出することを特徴とするロボットの動作制御方法。

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