JPH10138187A - Automatic computing method of load weight and load center-of-gravity position of articulated robot - Google Patents
Automatic computing method of load weight and load center-of-gravity position of articulated robotInfo
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- JPH10138187A JPH10138187A JP8305475A JP30547596A JPH10138187A JP H10138187 A JPH10138187 A JP H10138187A JP 8305475 A JP8305475 A JP 8305475A JP 30547596 A JP30547596 A JP 30547596A JP H10138187 A JPH10138187 A JP H10138187A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】サーボモータにより駆動し、
その姿勢を記憶、再生できる多関節ロボットにおいて、
アーム先端に取り付けられたツール等の負荷の重量及び
重心位置を算出する方法に関する。TECHNICAL FIELD The present invention is driven by a servomotor,
In an articulated robot that can store and reproduce its posture,
The present invention relates to a method for calculating the weight and the position of the center of gravity of a load such as a tool attached to the tip of an arm.
【０００２】[0002]
【従来の技術】多関節ロボットの動作制御では、アーム
先端に位置する負荷の重量及び重心位置の影響を考慮す
る必要があることは広く知られている。具体的に言う
と、多関節ロボットの動作制御のうち、駆動軸に使用さ
れている減速機にかかるトルクを制御する加減速制御に
おいては、ロボット自身の質点情報とともにアーム先端
に位置する負荷の質点情報すなわち重量及び重心位置の
パラメータが必要不可欠である。例えば、溶接ロボット
の加減速制御においては、アーム先端に取り付けられた
溶接ガンの重量及び重心位置を予め設定しておく必要が
ある。また、ハンドリングロボットの加減速制御におい
ては、アーム先端に取り付けられた把持部材単独の重量
及び重心位置と、把持部材により被搬送物を把持した状
態におけるアーム先端の負荷全体の重量及び重心位置と
を予め設定しておき、被搬送物を把持しない状態におけ
る加減速制御においては前者の重量及び重心位置を考慮
し、一方、被搬送物を把持した状態における加減速制御
においては後者の重量及び重心位置を考慮し制御するよ
うにしている。2. Description of the Related Art It is widely known that in the operation control of an articulated robot, it is necessary to consider the influence of the weight of the load located at the tip of the arm and the position of the center of gravity. Specifically, in the operation control of the articulated robot, in the acceleration / deceleration control for controlling the torque applied to the speed reducer used for the drive shaft, the mass point of the load located at the tip of the arm together with the mass point information of the robot itself. Information, ie parameters of weight and center of gravity, is essential. For example, in the acceleration / deceleration control of the welding robot, it is necessary to set the weight and the position of the center of gravity of the welding gun attached to the tip of the arm in advance. In addition, in the acceleration / deceleration control of the handling robot, the weight and the center of gravity of the gripping member alone attached to the tip of the arm, and the total weight and the center of gravity of the load at the tip of the arm in a state where the transported object is gripped by the gripping member are determined. The weight and the center of gravity of the former are considered in the acceleration / deceleration control in a state where the object is not gripped, and the weight and the center of gravity of the latter are considered in the acceleration / deceleration control in a state where the object is gripped. Is taken into account and controlled.
【０００３】さらに、グラインダがけやバリ取りのよう
な切削加工ロボットでは、加減速制御の他に力制御にお
いても、切削ツールが被加工物から受ける切削反力を算
出する際に、切削ツール自身の重量及び重心位置を基
に、切削ツール自身が受ける重力等の影響を算出しこれ
を排除するようにしている。このようにアーム先端に位
置する負荷の重量及び重心位置は、多くの多関節ロボッ
トの動作制御において重要な要素となっており、これを
正確に算出することは動作制御を高精度に行う上では必
須の条件となっている。Further, in a cutting robot such as a grinder or deburring, not only acceleration / deceleration control but also force control, when calculating the cutting reaction force received from the workpiece by the cutting tool, the cutting tool itself. Based on the weight and the position of the center of gravity, the influence of the gravitational force or the like on the cutting tool itself is calculated and eliminated. As described above, the weight and the center of gravity of the load located at the tip of the arm are important elements in the operation control of many articulated robots, and accurately calculating this is necessary for performing the operation control with high accuracy. It is a mandatory condition.
【０００４】ハンドリングロボットにおける負荷の重量
及び重心位置を算出する方法は、特開平３−５５１８９
号等に開示されている。特開平３−５５１８９号では、
ロボットのアーム先端に力センサを介して把持部材を取
り付け、その把持部材に被搬送物を持たせた状態で、予
め設定された手順に従ってロボットアームの姿勢をロボ
ット制御装置からの指令値によって種々変化させ、各姿
勢毎の姿勢データと力センサからの出力値とを測定し、
姿勢データを基に力センサ自身、把持部材、及び被搬送
物等のアーム先端の負荷の重量及びその重心位置を算出
するようにしている。A method for calculating the weight of a load and the position of the center of gravity of a handling robot is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-55189.
And the like. In JP-A-3-55189,
With the gripping member attached to the end of the robot arm via a force sensor, and with the object held by the gripping member, the posture of the robot arm can be variously changed according to a command value from the robot controller according to a preset procedure. And measure the posture data for each posture and the output value from the force sensor,
Based on the posture data, the weight of the load at the tip of the arm such as the force sensor itself, the gripping member, and the transferred object, and the position of the center of gravity are calculated.
【０００５】また、切削加工ロボットにおける負荷とし
ての切削ツールの重量及び重心位置を算出する方法は、
特開平６−３１５８８２号等に開示されている。特開平
６−３１５８８２号においても前述の特開平３−５５１
８９号と同様に、ロボットアームに複数の姿勢をとら
せ、各姿勢での姿勢データと力センサからの出力値を基
にアーム先端の負荷すなわち切削ツールの重量及びその
重心位置を算出するようにしているが、力センサにおい
て検出される力データは、切削ツールが力作業を行って
いないとき即ち切削加工を行っていないときには切削ツ
ール自身の重量であり、被加工物に接触して力作業を行
っているとき即ち切削加工を行っているときには被加工
物から切削ツールに加わる力と切削ツール自身の重量と
が複合されたものである点が、ハンドリングロボットに
はない切削加工ロボット特有のものとなっている。A method for calculating the weight and the position of the center of gravity of a cutting tool as a load in a cutting robot is as follows.
It is disclosed in JP-A-6-315882 and the like. JP-A-6-315882 also discloses the above-mentioned JP-A-3-551.
Similar to No. 89, the robot arm is made to take a plurality of postures, and based on the posture data in each posture and the output value from the force sensor, the load at the arm tip, that is, the weight of the cutting tool and the position of the center of gravity are calculated. However, the force data detected by the force sensor is the weight of the cutting tool itself when the cutting tool is not performing force work, that is, when cutting is not being performed, and performs force work by contacting the workpiece. The point that the force applied from the workpiece to the cutting tool and the weight of the cutting tool itself are combined when performing, that is, when performing the cutting process, is unique to the cutting robot that the handling robot does not have. Has become.
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】しかし、これらの従来
技術はいずれも、負荷の重量及び重心位置の算出過程に
おいてアーム先端部に取り付けた力センサからの出力値
を必要としていた。切削加工ロボットにおいて行われる
力制御においては、切削加工時に切削ツールにかかる切
削反力を測定するために一般に力センサの取り付けは必
要不可欠なものとなっているが、ハンドリングロボット
や溶接ロボットにおいて行われる加減速制御において
は、負荷の重量及び重心位置の算出過程以外では一般に
力センサは必要ではない。負荷の重量及び重心位置の算
出時期は、ハンドリングロボットにおいては把持部材や
被搬送物が変更になったときのみでよく、使用形態にも
よるが一般にその頻度は少ない場合が多く、また溶接ロ
ボットにいたっては負荷である溶接ガンを交換すること
はほとんどないことを考慮すると初期導入時やメンテナ
ンス終了時のみでよいことになり、負荷の重量及び重心
位置の算出のみのために力センサ及びその周辺機器を設
置することはコストの面で問題があった。However, all of these prior arts require an output value from a force sensor attached to the tip of the arm in the process of calculating the weight of the load and the position of the center of gravity. In the force control performed by the cutting robot, the installation of a force sensor is generally indispensable in order to measure the cutting reaction force applied to the cutting tool during the cutting process, but is performed by a handling robot or a welding robot. In the acceleration / deceleration control, a force sensor is generally not required except for the process of calculating the weight of the load and the position of the center of gravity. The calculation time of the load weight and the position of the center of gravity may be calculated only when the gripping member or the transferred object is changed in the handling robot. Considering that there is almost no need to replace the welding gun, which is a load, it is sufficient only at the time of initial installation and at the end of maintenance, and it is only necessary to calculate the weight of the load and the position of the center of gravity. Installing the equipment was problematic in terms of cost.
【０００７】本発明は、上記の課題を解決するためにな
されたものであり、力センサを使用することなく多関節
ロボットのアーム先端の負荷の重量及び重心位置を自動
的に算出する方法を提供することを目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and provides a method for automatically calculating the weight and the center of gravity of the load at the tip of an arm of an articulated robot without using a force sensor. The purpose is to do.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、請求項１にかかる発明では、サーボモータによっ
て駆動される複数の駆動軸を備えた多関節ロボットのア
ーム先端に位置する負荷の重量及び重心位置を算出する
方法において、教示装置により基準姿勢を教示し、この
基準姿勢に基づいて動作パターンプログラムが作成され
るようにし、作成された動作パターンプログラムに従っ
てアーム先端に所定の負荷を有した多関節ロボットを動
作させ、この動作中に各駆動軸を駆動するサーボモータ
の駆動電流を予め設定されたスキャンタイム毎に検出
し、各駆動軸のそれぞれについて、検出された駆動電流
の平均値に基づいて動作パターンプログラムの実行中に
各駆動軸にかかったトルクの平均値を算出し、この各駆
動軸にかかったトルクの平均値は各駆動軸にかかるアン
バランストルクと等価であるとすることにより、アンバ
ランストルクに未知数として含まれる負荷の重量及び重
心位置を算出するようにしたことを特徴とする多関節ロ
ボットの負荷重量及び負荷重心位置の自動算出方法を提
供するようにした。According to a first aspect of the present invention, there is provided an articulated robot having a plurality of drive shafts driven by a servomotor. In the method for calculating the weight and the position of the center of gravity, a reference posture is taught by a teaching device, an operation pattern program is created based on the reference posture, and a predetermined load is applied to the tip of the arm according to the created operation pattern program. The multi-joint robot is operated, and during this operation, the drive current of the servo motor that drives each drive axis is detected at every preset scan time, and the average value of the detected drive currents for each drive axis is detected. The average value of the torque applied to each drive shaft during the execution of the operation pattern program is calculated based on the The average value of is equivalent to the unbalance torque applied to each drive shaft, so that the weight and the center of gravity of the load included as unknowns in the unbalance torque are calculated. An automatic calculation method of a load weight and a position of a load center of gravity is provided.
【０００９】上記の構成は以下に述べる理論に基づいて
いる。理論の根幹は、駆動軸に実際にかかるトルクすな
わちモータ駆動トルクはロボットの質点モデルから力学
的に求められるトルクすなわち負荷トルクと等価である
とするものである。すなわち、アーム先端に負荷を取り
付けた状態でロボットを動作させたときの各駆動軸モー
タに流れる駆動電流を測定し、この駆動電流よりモータ
駆動トルクを求める。一方、ロボットを質点モデルとし
て考えたとき、この質点モデルに負荷の重量及び重心位
置のパラメータを含ませるようにすれば、負荷トルクは
このロボットの質点モデルから力学的に求めることがで
きる。ここで、モータ駆動トルクと負荷トルクが等価で
あると仮定すれば、ロボットの質点モデルに未知数とし
て含まれている負荷の重量及び重心位置を計算により算
出することができる。The above configuration is based on the theory described below. The basis of the theory is that the torque actually applied to the drive shaft, that is, the motor drive torque is equivalent to the torque dynamically obtained from the mass model of the robot, that is, the load torque. That is, the drive current flowing through each drive shaft motor when the robot is operated with a load attached to the tip of the arm is measured, and the motor drive torque is determined from the drive current. On the other hand, when the robot is considered as a mass model, if the mass model includes parameters of the weight of the load and the position of the center of gravity, the load torque can be obtained dynamically from the mass model of the robot. Here, assuming that the motor driving torque and the load torque are equivalent, the weight and the position of the center of gravity of the load included as unknowns in the mass model of the robot can be calculated.
【００１０】さらに詳述すれば、モータ駆動トルクを算
出する際に必要となる駆動電流データは、駆動軸モータ
であるサーボモータとこれを制御するサーボアンプとの
間に電流検出器を介在させるなどすることにより容易に
得ることができる。しかし、負荷トルクを算出する際に
必要となる駆動軸の角度、角速度、及び角加速度の各デ
ータについて考えると、このうち角度データについては
駆動軸に付属の角度検出器により容易に得ることができ
るが、角速度データ及び角加速度データについては計算
処理により算出する必要があり、これを算出するように
すると計算処理が煩雑になり、ロボット制御装置に多大
の負担をかけることになるという問題が生ずる。More specifically, the drive current data required for calculating the motor drive torque is obtained by interposing a current detector between a servo motor serving as a drive shaft motor and a servo amplifier controlling the drive motor. Can be easily obtained. However, considering the respective data of the angle, angular velocity, and angular acceleration of the drive shaft required when calculating the load torque, the angle data among them can be easily obtained by the angle detector attached to the drive shaft. However, it is necessary to calculate the angular velocity data and the angular acceleration data by a calculation process. If the calculation is performed, the calculation process becomes complicated and a heavy load is imposed on the robot controller.
【００１１】そこで、計算処理を軽減するために、本発
明では、駆動軸を低速かつ一定速度にて動作させる分に
ついては、ロボットの質点モデルのうち、角速度データ
に起因する遠心力及びコリオリ力によるトルクの和は極
めて小さく、また角加速度データに起因するイナーシャ
によるトルクは無視してもよいことに着目し、動作パタ
ーンプログラムの実行においては駆動軸を低速かつ一定
速度にて動作させ、これによりロボットの質点モデルか
ら求められる負荷トルクについては角度データに起因す
るアンバランストルクのみを考慮することとした。さら
に、モータ駆動トルクを算出する際に必要となる電流デ
ータは、動作パターンプログラムの実行中にスキャンタ
イム毎に検出される電流値の平均値を使用し、また、負
荷トルク（アンバランストルク）を算出する際に必要と
なる角度データについては、動作パターンプログラムの
実行中に変化した軸角度の平均値を使用することとした
ので、負荷の重量及び重心位置の算出処理は動作パター
ンプログラムの実行後に１回だけ行えば済むことにな
る。Therefore, in order to reduce the calculation process, in the present invention, the drive shaft is operated at a low speed and a constant speed by the centrifugal force and the Coriolis force caused by the angular velocity data in the mass model of the robot. Focusing on the fact that the sum of the torques is extremely small, and that the torque due to the inertia caused by the angular acceleration data can be ignored, the drive shaft is operated at a low speed and a constant speed in executing the operation pattern program, thereby As for the load torque obtained from the mass point model, only the unbalance torque caused by the angle data was considered. Further, as the current data required for calculating the motor driving torque, an average value of current values detected at each scan time during execution of the operation pattern program is used, and a load torque (unbalance torque) is used. For the angle data required for the calculation, the average value of the axis angles changed during the execution of the operation pattern program was used, so the calculation of the load weight and the center of gravity was performed after the execution of the operation pattern program. You only have to do it once.
【００１２】なお、この計算処理においては負荷の重量
及び重心位置を未知数とする連立方程式を解くことにな
るが、これらの未知数を精度良く算出するために、好ま
しくは実行中に大きなアンバランストルクが駆動軸にか
かるように動作パターンプログラムが作成されるように
する。具体的には、負荷の動作において重力の影響を大
きく受けるような、すなわち負荷が上下に揺動するよう
な動作を行わせることにより、駆動軸に大きなアンバラ
ンストルクがかかるようにする必要があり、このために
はロボットの基準姿勢を良好な位置に選定する必要があ
る。In this calculation process, simultaneous equations in which the weight of the load and the position of the center of gravity are solved as unknowns are solved. In order to calculate these unknowns with high accuracy, preferably, a large unbalance torque is generated during execution. An operation pattern program is created so as to cover the drive axis. Specifically, it is necessary to apply a large unbalance torque to the drive shaft by performing an operation such that the load is greatly affected by gravity in the operation of the load, that is, the operation of the load swinging up and down. For this purpose, it is necessary to select a good reference position of the robot.
【００１３】請求項２にかかる発明では、請求項１にか
かる発明において、教示装置により教示された基準姿勢
を記憶装置に記憶させるようにした。前述のように、ロ
ボットの基準姿勢の選定に際しては、動作パターンプロ
グラムの実行中に大きなアンバランストルクが駆動軸に
かかるように注意しなければならないが、この選定作業
はロボット技術に精通した作業者であれば比較的容易で
あるが、ロボット技術に精通しない多くの作業者にとっ
ては容易なことではない。また、基準姿勢の設定に際し
ては、作業者が教示装置を逐一操作してロボットの各駆
動軸を位置決めさせる必要があり、溶接ロボットのよう
に負荷である溶接ガンの交換がほとんどないものについ
てはともかく、ハンドリングロボットのように負荷であ
る被搬送物が頻繁に変更されるものについては、負荷が
変更になる度毎にこの作業を行うのは大変煩雑となる。
そこで、教示装置により教示された基準姿勢のデータは
制御装置内の記憶装置に記憶するようにしておき、負荷
の重量及び重心位置の算出の際には記憶された基準姿勢
のデータが記憶装置より呼び出され、このデータに基づ
き動作パターンプログラムが作成されるようにした。According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the reference posture taught by the teaching device is stored in a storage device. As described above, when selecting the reference posture of the robot, care must be taken to apply a large unbalance torque to the drive shaft during the execution of the motion pattern program. This is relatively easy, but not easy for many workers who are not familiar with robot technology. Further, when setting the reference posture, it is necessary for the operator to operate the teaching device one by one to position each drive shaft of the robot, and in any case such as a welding robot, there is almost no replacement of the welding gun which is a load. For a robot whose load is frequently changed, such as a handling robot, it becomes very complicated to perform this operation every time the load changes.
Therefore, the data of the reference posture taught by the teaching device is stored in the storage device in the control device, and the data of the stored reference posture is stored in the storage device when calculating the weight of the load and the position of the center of gravity. It is called and an operation pattern program is created based on this data.
【００１４】請求項３にかかる発明では、請求項１また
は２にかかる発明において、基準姿勢を複数個教示し、
これにより動作パターンプログラムが複数個作成される
ようにした。負荷の重量及び重心位置算出する上記の計
算処理においては、その未知数は負荷の重量ｍ及び負荷
の重心位置即ち負荷の重心座標（ｘ，ｙ，ｚ）の計４つ
であり、これら４つの未知数を算出するためには連立方
程式は最低でも４元必要となる。駆動軸が４つ以上の場
合は１つの基準姿勢によって作成される１つの動作パタ
ーンプログラムを実行させるだけで４元以上の連立方程
式を作成することができるが、駆動軸が３つ以下の場合
は１つの動作パターンプログラムの実行のみでは４元以
上の連立方程式は作成できない。According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect, a plurality of reference postures are taught,
Thereby, a plurality of operation pattern programs are created. In the above calculation processing for calculating the weight and the center of gravity of the load, the unknowns are a total of four of the weight m of the load and the position of the center of gravity of the load, that is, the coordinates (x, y, z) of the center of the load. Requires at least four simultaneous equations in order to calculate. When there are four or more drive axes, simultaneous equations of four or more elements can be created simply by executing one operation pattern program created by one reference posture, but when there are three or less drive axes, Simultaneous execution of one operation pattern program cannot create simultaneous equations of four or more elements.
【００１５】これに関連して、請求項３にかかる発明で
も前述の請求項１にかかる発明と同様に、ロボットの質
点モデルは角度データに起因するアンバランストルクの
みを考慮することとしているが、このアンバランストル
クは多関節ロボットを構成する全ての駆動軸に関与され
るわけではない。例えば、図３に示す６軸の垂直多関節
ロボットにおいては、上腕の揺動軸であるＶ軸、手首部
分の揺動軸であるＢ軸、及び負荷が接続されるアーム先
端のＲ１軸の合計３軸がアンバランストルクに大きく関
与することになるが、その他の駆動軸はアンバランスト
ルクにほとんど関与しない。したがって、この場合、１
回の動作パターンプログラムの実施により得られる連立
方程式の有効な元数は３つしかなく、最低必要となる４
つには足りないことになる。In this connection, in the invention according to the third aspect, similarly to the first aspect, the mass point model of the robot considers only the unbalance torque caused by the angle data. This unbalanced torque is not involved in all drive shafts of the articulated robot. For example, in the 6-axis vertical articulated robot shown in FIG. 3, the sum of the V axis, which is the swing axis of the upper arm, the B axis, which is the swing axis of the wrist, and the R1 axis at the tip of the arm to which the load is connected. The three axes will contribute significantly to the unbalance torque, but the other drive axes will contribute little to the unbalance torque. Therefore, in this case, 1
The number of effective elements of the simultaneous equations obtained by executing the operation pattern program three times is only three, and the minimum required
That's not enough.
【００１６】そこで、アンバランストルクの算出に有効
な駆動軸が３つ以下の場合においては、基準姿勢を複数
個教示し、各基準姿勢に対応して動作パターンプログラ
ムが複数個作成されるようにしこれを実行するように
し、これにより４元以上の連立方程式が作成されるよう
にした。また、有効な駆動軸が４つ以上の場合において
も、基準姿勢を複数個教示し、各基準姿勢に対応して動
作パターンプログラムが複数個作成されるようにしこれ
を実行するようにすれば、多くの元数を有する連立方程
式が作成されることとなり、これを解くことにより未知
数である負荷の重量及び負荷の重心位置を高精度に算出
することができるようになる。Therefore, when the number of drive axes effective for calculating the unbalance torque is three or less, a plurality of reference postures are taught, and a plurality of operation pattern programs are created corresponding to each reference posture. This is performed so that simultaneous equations of four or more elements are created. Further, even when the number of effective drive axes is four or more, if a plurality of reference postures are taught and a plurality of operation pattern programs are created and executed corresponding to each reference posture, Simultaneous equations having a large number of elements are created, and by solving these equations, the weight of the load and the position of the center of gravity of the load, which are unknown variables, can be calculated with high accuracy.
【００１７】請求項４にかかる発明では、請求項１乃至
３のいずれかにかかる発明において、動作パターンプロ
グラムでは、重力に反して負荷を持ち上げる動作即ち上
昇動作と、この上昇動作と同一の経路を負荷を持ち下げ
る動作即ち下降動作とを行わせるようにした。一般に、
サーボ系より取り込まれるサーボモータの駆動電流に
は、減速機の効率及び摺動抵抗による誤差が含まれてい
る。そのため、負荷の重量及び重心位置を高精度に算出
することを考えた場合、駆動電流よりモータ駆動トルク
を算出する際は、減速機の効率及び摺動抵抗による誤差
を補償することが好ましいことになる。しかし、減速機
の効率及び摺動抵抗は駆動軸個々に固有な値であるとと
もにロボットの動作形態によっても異なる値をとる数値
であるので、これを一義的に設定することは一般に困難
である。According to a fourth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to third aspects, in the operation pattern program, the operation of lifting the load against gravity, that is, the lifting operation, and the same path as the lifting operation are performed. An operation of lowering the load, that is, a lowering operation is performed. In general,
The drive current of the servomotor taken in from the servo system includes an error due to the efficiency and sliding resistance of the speed reducer. Therefore, when calculating the load weight and the position of the center of gravity with high accuracy, when calculating the motor drive torque from the drive current, it is preferable to compensate for errors due to the efficiency and sliding resistance of the speed reducer. Become. However, since the efficiency and sliding resistance of the speed reducer are values unique to each drive shaft and different values depending on the operation mode of the robot, it is generally difficult to uniquely set them.
【００１８】そこで、重力に反して負荷を持ち上げる動
作即ち上昇動作と、この上昇動作と同一の経路を負荷を
持ち下げる動作即ち下降動作とでは、減速機の効率及び
摺動抵抗によるトルクのロスの値は正負が逆となるだけ
で絶対値は等しくなるということに着目し、モータ駆動
トルクと負荷トルクとの関係式において、上昇動作によ
り定義付けられる関係式と下降動作により定義付けられ
る関係式の２つを加え合わせることにより、減速機の効
率及び摺動抵抗によるトルクのロスを相殺した関係式を
導出するようにした。この導出された関係式を適用する
ことにより、減速機の効率及び摺動抵抗の誤差の影響を
受けることなく、負荷の重量及び重心位置を高精度に算
出することができるようになる。Therefore, the operation of lifting the load against the gravity, ie, the ascending operation, and the operation of lifting the load along the same path as the ascending operation, ie, the descending operation, reduce the torque loss due to the efficiency of the reduction gear and the sliding resistance. Focusing on the fact that the absolute value becomes equal only when the value is reversed, the relational expression between the motor drive torque and the load torque, the relational expression defined by the ascending operation and the relational expression defined by the descending operation By adding the two, a relational expression that offsets the torque loss due to the reduction gear efficiency and the sliding resistance is derived. By applying the derived relational expression, the weight and the position of the center of gravity of the load can be calculated with high accuracy without being affected by errors in the efficiency and the sliding resistance of the speed reducer.
【００１９】請求項５にかかる発明では、請求項１乃至
４のいずれかにかかる発明において、動作パターンプロ
グラムでは各駆動軸を個別に動作させるようにした。多
関節ロボットにおいて、１つの駆動軸の動作が他の駆動
軸にかかるトルクに影響を与えることはよく知られると
ころである。前述のように、本発明では、質点モデルに
おいてアンバランストルクのみを考慮するようにしてい
るために、動作パターンプログラムの実行中は駆動軸を
低速かつ一定速度にて動作させるようにしており、１つ
の駆動軸の動作が他の駆動軸のトルクに与える影響は通
常の動作に比してかなり少ないと言える。しかし、より
高精度に負荷の重量及び重心位置を算出するためには、
１つの駆動軸の動作が他の駆動軸のトルクに与える影響
を完全に排除することが好ましく、そのために動作パタ
ーンプログラムでは各駆動軸を個別に動作させるように
した。In the invention according to claim 5, in the invention according to any one of claims 1 to 4, each drive axis is individually operated in the operation pattern program. It is well known that in an articulated robot, the operation of one drive shaft affects the torque applied to another drive shaft. As described above, in the present invention, since only the unbalanced torque is considered in the mass model, the drive shaft is operated at a low speed and a constant speed during the execution of the operation pattern program. It can be said that the influence of the operation of one drive shaft on the torque of the other drive shaft is considerably smaller than the normal operation. However, in order to calculate the weight and the center of gravity of the load with higher accuracy,
It is preferable to completely eliminate the influence of the operation of one drive shaft on the torque of the other drive shaft. For this purpose, the operation pattern program operates each drive shaft individually.
【００２０】[0020]
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態につい
て図面を参照して説明する。図２は本発明が適用される
多関節ロボットの制御装置の一例を示したものである。
教示装置としての軸操作装置１０は作業者がこれを使用
してロボット１を操作するためのティーチングデータを
教示する装置である。指令値生成装置５は、軸操作装置
１０を介して作業者が与えたティーチングデータや記憶
装置６に記憶されている動作プログラムを入力し、各駆
動軸を動作させるための指令値を作成し、これをサーボ
アンプ４へ出力する。また、ここで作成された指令値は
記憶装置６へ転送し一時的に記憶される。サーボアンプ
４は指令値生成装置５からの指令値を入力し、ロボット
１の各駆動軸毎に設けられた駆動軸モータであるサーボ
モータ３に対して電流指令を出力する。この電流指令に
よって各駆動軸が所定の角度に設定されることにより、
ロボット１のアーム先端の負荷２を位置決めすることが
できる。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS One embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 2 shows an example of a control device of an articulated robot to which the present invention is applied.
The axis operating device 10 as a teaching device is a device that teaches teaching data for an operator to operate the robot 1 using the axis operating device 10. The command value generation device 5 inputs teaching data given by an operator via the axis operation device 10 and an operation program stored in the storage device 6, and generates a command value for operating each drive axis, This is output to the servo amplifier 4. The command value created here is transferred to the storage device 6 and temporarily stored. The servo amplifier 4 inputs a command value from the command value generation device 5 and outputs a current command to the servo motor 3 which is a drive shaft motor provided for each drive shaft of the robot 1. By setting each drive shaft to a predetermined angle by this current command,
The load 2 at the end of the arm of the robot 1 can be positioned.
【００２１】記憶装置６には、動作プログラムなどのプ
ログラムデータ、及び角度データやティーチングデータ
等の数値データが記憶される。プログラム作成装置７で
は、記憶装置６に記憶されているティーチングデータを
基に、各駆動軸にかかるトルクすなわちモータ駆動トル
クを算出するために必要な電流データを採取するための
動作パターンプログラムを自動的に作成し、これを記憶
装置６へ転送する。この動作パターンプログラムの自動
作成作業は、記憶装置６に予め入力されている動作パタ
ーンプログラムの自動作成プログラムにより自動的に行
われる。電流取り込み装置９では、サーボアンプ４とサ
ーボモータ３との間に設置された電流検出器９ａにおい
て検出された電流データ（駆動電流）を取り込み、これ
を重量・重心演算装置８へ転送する。重量・重心演算装
置８では、電流取り込み装置９から入力された電流デー
タに基づいて、負荷の重量及び重心位置を算出する。The storage device 6 stores program data such as operation programs and numerical data such as angle data and teaching data. The program creation device 7 automatically generates an operation pattern program for collecting current data necessary for calculating the torque applied to each drive shaft, that is, the motor drive torque, based on the teaching data stored in the storage device 6. And transfers it to the storage device 6. The operation of automatically creating the operation pattern program is automatically performed by the automatic creation program of the operation pattern program which is input to the storage device 6 in advance. The current capture device 9 captures current data (drive current) detected by a current detector 9 a provided between the servo amplifier 4 and the servomotor 3, and transfers the data to the weight / gravity center calculation device 8. The weight / center-of-gravity calculating device 8 calculates the weight of the load and the position of the center of gravity based on the current data input from the current capturing device 9.
【００２２】ここで、重量・重心演算装置８にて行われ
る負荷の重量及び重心位置の算出方法について、その根
幹となる理論も交えて説明する。電流検出器９ａにより
検出された任意の駆動軸ｊの駆動電流をＩj とすると、
このとき駆動軸ｊに実際にかかるトルクすなわちモータ
駆動トルクＴRjは式（１）で表される。Here, the method of calculating the weight of the load and the position of the center of gravity performed by the weight / gravity center arithmetic unit 8 will be described together with the theory underlying the calculation. Assuming that the drive current of an arbitrary drive axis j detected by the current detector 9a is I j ,
At this time, the torque actually applied to the drive shaft j, that is, the motor drive torque T Rj is expressed by Expression (1).
【００２３】[0023]
【数１】 (Equation 1)
【００２４】式（１）において、Ｒj は駆動軸ｊの減速
比、Ｋｔj は駆動軸ｊのトルク定数であり、双方とも駆
動軸に固有な定数である。一方、ロボットの質点モデル
から力学的に求められるトルクすなわち負荷トルクＴMj
は式（２）で表される。In the equation (1), R j is a reduction ratio of the drive shaft j, Kt j is a torque constant of the drive shaft j, and both are constants specific to the drive shaft. On the other hand, the torque dynamically obtained from the mass model of the robot, that is, the load torque T Mj
Is represented by equation (2).
【００２５】[0025]
【数２】 (Equation 2)
【００２６】式（２）において、ｍは負荷の重量、ｒ
（ｘ，ｙ，ｚ）は負荷の重心位置、θj は軸ｊの軸角
度、ωj は軸ｊの角速度、αj は軸ｊの角加速度、Ｊ
θ，j は軸角度θj のとき軸ｊにおけるイナーシャを表
す関数（加速度項）、Ｐθ，j は軸角度θj のとき軸ｊ
におけるアンバランストルクを表す関数（重力項）、Ｃ
θ，j は軸角度θj のとき軸ｊにおける遠心力およびコ
リオリ力によるトルクの和を表す関数（速度項）をそれ
ぞれ示す。なお、負荷の重心位置（ｘ，ｙ，ｚ）は手首
座標系における座標であり、ロボットの姿勢によって変
化するものではない。In the equation (2), m is the weight of the load, r
(X, y, z) is the position of the center of gravity of the load, θ j is the axis angle of axis j, ω j is the angular velocity of axis j, α j is the angular acceleration of axis j, J
θ, j is a function (acceleration term) representing the inertia at axis j when the axis angle is θ j , and Pθ, j is the axis j when the axis angle is θ j
Representing the unbalanced torque at (gravity term), C
θ and j indicate functions (velocity terms) representing the sum of the torque due to the centrifugal force and Coriolis force on the axis j at the axis angle θ j , respectively. The position (x, y, z) of the center of gravity of the load is a coordinate in the wrist coordinate system, and does not change depending on the posture of the robot.
【００２７】本発明では、式（１）で表されるモータ駆
動トルクＴRjと式（２）で表される負荷トルクＴMjとは
理論的には等価であると考えることにした。すなわち式
（３）に示す方程式を解くことにより、未知数である負
荷の重量ｍ及び負荷の重心位置（ｘ，ｙ，ｚ）が算出さ
れることになる。In the present invention, the motor driving torque T Rj expressed by the equation (1) and the load torque T Mj expressed by the equation (2) are considered to be theoretically equivalent. That is, by solving the equation shown in Expression (3), the weight m of the load and the position of the center of gravity (x, y, z) of the load, which are unknowns, are calculated.
【００２８】[0028]
【数３】 (Equation 3)
【００２９】具体的には、式（３）においては未知数は
負荷の重量ｍ及び負荷の重心位置（ｘ，ｙ，ｚ）の４つ
であることを考慮し、ロボットの駆動軸を４つ以上設定
し、各駆動軸のそれぞれについて、基準姿勢から各駆動
軸を所定量動作させ、この動作の実行中に各駆動軸の駆
動電流Ｉj 、軸角度θj 、角速度ωj 、及び角加速度α
j の変数データを得、この変数データに基づいて式
（３）の連立方程式を解くことにより、負荷の重量ｍ及
び負荷の重心位置（ｘ，ｙ，ｚ）を算出すればよいこと
になる。Specifically, in equation (3), taking into account that the unknowns are four, ie, the weight m of the load and the position (x, y, z) of the center of gravity of the load, four or more drive axes are set for the robot. For each of the drive axes, each drive axis is operated by a predetermined amount from the reference posture, and during this operation, the drive current I j , axis angle θ j , angular velocity ω j , and angular acceleration α of each drive axis are performed.
By obtaining the variable data of j and solving the simultaneous equations of the equation (3) based on the variable data, the weight m of the load and the position (x, y, z) of the center of gravity of the load may be calculated.
【００３０】しかし、上記の変数データのうち、各駆動
軸の電流データである電流値Ｉj と角度データである軸
角度θj はそれぞれ電流検出器及びエンコーダより容易
に得ることができるが、角速度ωj （角速度データ）及
び角加速度αj （角加速度データ）については、軸角度
θj や移動時間等のデータに基づいて計算処理により算
出する必要があり、計算処理が煩雑になる。そこで、本
発明では、駆動軸を低速かつ一定速度にて動作させる分
については、ロボットの質点モデルのうち、角速度ωj
に起因する遠心力及びコリオリ力によるトルクの和Ｃ
θ，j は極めて小さく、また角加速度データに起因する
イナーシャによるトルクＪθ，j は無視してもよいこと
に着目し、動作パターンプログラムの実行においては駆
動軸を低速かつ一定速度にて動作させ、これによりロボ
ットの質点モデルは角度データに起因するアンバランス
トルクＰθ，j のみを考慮することとし、これにより計
算処理が軽減されるようにした。すなわち、本発明で
は、式（４）に示す方程式を解くことにより、負荷の重
量ｍ及び負荷の重心位置（ｘ，ｙ，ｚ）を算出するよう
にした。[0030] However, among the above variables data, each axial angle theta j is the current value I j and the angle data is the current data of the drive shaft can be obtained more easily respective current detectors and encoders, angular velocity ω j (angular velocity data) and angular acceleration α j (angular acceleration data) need to be calculated by a calculation process based on data such as the axis angle θ j and the movement time, which makes the calculation process complicated. Therefore, in the present invention, for the operation of the drive shaft at a low speed and a constant speed, the angular velocity ω j of the robot mass model is used.
Of the torque due to the centrifugal and Coriolis forces caused by the vibration C
Focusing on the fact that θ, j is extremely small, and that the torque Jθ, j due to inertia due to the angular acceleration data may be ignored, the drive shaft is operated at a low speed and a constant speed in executing the operation pattern program. As a result, the robot mass model considers only the unbalanced torque Pθ, j resulting from the angle data, thereby reducing the calculation processing. That is, in the present invention, the weight m of the load and the position of the center of gravity (x, y, z) of the load are calculated by solving the equation shown in Expression (4).
【００３１】また、動作の実行中に制御装置のスキャン
タイム毎に変数データを得、この度毎に式（３）に示す
連立方程式を解くようにすると、高速な演算装置を必要
とすることになり、費用が嵩むことになる。そこで、モ
ータ駆動トルクを算出する際に必要となる電流データ
は、動作パターンプログラムの実行中にスキャンタイム
毎に検出される電流値の平均値を使用し、また、負荷ト
ルクを算出する際に必要となる角度データについては、
動作パターンプログラムの実行中に変化した軸角度の平
均値を使用することとしたので、負荷の重量及び重心位
置の算出処理は動作パターンプログラムの実行後に１回
だけ行えば済むようにした。Further, if variable data is obtained at each scan time of the control device during the execution of the operation, and the simultaneous equations expressed by the equation (3) are solved each time, a high-speed arithmetic device is required. , And the cost will increase. Therefore, as the current data required for calculating the motor drive torque, the average value of the current value detected at each scan time during the execution of the operation pattern program is used, and the current data required for calculating the load torque is used. For the angle data
Since the average value of the shaft angles changed during the execution of the operation pattern program is used, the calculation of the weight of the load and the position of the center of gravity need be performed only once after the execution of the operation pattern program.
【００３２】[0032]
【数４】 (Equation 4)
【００３３】具体的には、式（４）においては未知数は
式（３）と同様に負荷の重量ｍ及び負荷の重心位置
（ｘ，ｙ，ｚ）の４つであるので、動作パターンプログ
ラムでは、ロボットの駆動軸を４つ以上設定し、各駆動
軸のそれぞれについて、軸操作装置１０によりティーチ
ングデータとして与えた基準姿勢から各駆動軸を所定量
（所定角度α）動作させ、この動作の実行中にスキャン
タイム毎に各駆動軸の駆動電流Ｉj を得る。動作の終了
後に、検出された駆動電流Ｉj の積算値をスキャン回数
で割ることにより、動作の実行中に検出された駆動電流
Ｉj の平均値が得られ、この値より式（４）の左辺であ
るモータ駆動トルクＴRjが求められる。一方、式（４）
の右辺であるアンバランストルクＰθ，j は各駆動軸の
軸角度に起因しているが、ここでは基準姿勢における軸
角度に移動動作の所定量αの半分の値すなわちα／２を
加えた値を、動作の実行中の軸角度の平均値として設定
することとした。More specifically, in equation (4), the unknowns are four, ie, the weight m of the load and the position (x, y, z) of the center of gravity of the load, as in equation (3). , Four or more drive axes of the robot are set, and for each of the drive axes, each drive axis is operated by a predetermined amount (a predetermined angle α) from the reference attitude given as teaching data by the axis operating device 10, and this operation is executed. obtaining a driving current I j of each drive shaft for each scan time in. After completion of the operation, by dividing the integrated value of the detected driving current I j in number of scans, the average value of the drive current I j which are detected during the operation is obtained, from the value of formula (4) The motor driving torque T Rj on the left side is obtained. On the other hand, equation (4)
The unbalanced torque Pθ, j on the right side of the above is caused by the axis angle of each drive shaft. Here, a value obtained by adding half the value of the predetermined amount α of the movement operation, that is, α / 2, to the axis angle in the reference posture. Is set as the average value of the shaft angle during execution of the operation.
【００３４】これにより得られた式（４）についての４
元以上の連立方程式を解くことにより、アンバランスト
ルクＰθ，j に含まれる負荷の重量ｍ及び負荷の重心位
置（ｘ，ｙ，ｚ）を算出する。なお、所定角度αは動作
パターンプログラムにおいて予め固定値として設定して
おいてもよいし、パラメータの一つとして任意の設定値
が与えられるようにしておいてもよい。The equation (4) thus obtained is
By solving the above simultaneous equations, the weight m of the load and the position of the center of gravity (x, y, z) of the load included in the unbalance torque Pθ, j are calculated. The predetermined angle α may be set as a fixed value in advance in the operation pattern program, or an arbitrary set value may be given as one of the parameters.
【００３５】上述の計算処理の手順を図１に示すフロー
チャートにて説明する。まず、軸操作装置１０を操作し
て、ロボットの初期姿勢としてのロボットの基準姿勢を
教示する（ステップ１１）。教示の際は各駆動軸毎に軸
操作装置１０にある寸動ボタンを操作するなどして基準
姿勢として設定する姿勢をとらせる。この基準姿勢の設
定の際に注意すべきことは、動作パターンプログラムの
実行中に大きなアンバランストルクが駆動軸にかかるよ
うに基準姿勢を設定することである。The procedure of the above calculation process will be described with reference to the flowchart shown in FIG. First, the user operates the axis operating device 10 to teach the reference posture of the robot as the initial posture of the robot (step 11). At the time of teaching, a posture to be set as a reference posture is taken by, for example, operating a jog button on the axis operating device 10 for each drive shaft. It should be noted that when setting the reference posture, the reference posture is set such that a large unbalance torque is applied to the drive shaft during execution of the operation pattern program.
【００３６】すなわち、多関節ロボットは、その構造
上、各駆動軸の可動範囲は限定されているので、基準姿
勢によっては大きなアンバランストルクが駆動軸にかか
るような動作パターンプログラムが作成されないことが
ある。例えば、図３に示す本実施形態の多関節ロボット
の場合、図４に示すように負荷がロボット本体ベース付
近にくるように基準姿勢を設定するようにすると、Ｖ軸
を駆動させた際、大きなアンバランストルクは作用せ
ず、この結果負荷の重量及び重心位置は高精度に算出さ
れなくなる。したがって、基準姿勢の選定にはこの旨十
分注意をはらう必要がある。本実施形態の多関節ロボッ
トにおいては、図５に示す位置に基準姿勢を設定するよ
うにすれば、Ｖ軸、Ｂ軸、及びＲ１軸のいずれにも大き
なアンバランストルクが作用する動作パターンプログラ
ムが作成されることになる。That is, in the articulated robot, since the movable range of each drive shaft is limited due to its structure, an operation pattern program in which a large unbalance torque is applied to the drive shaft depending on the reference posture may not be created. is there. For example, in the case of the articulated robot according to the present embodiment shown in FIG. 3, if the reference posture is set so that the load comes near the base of the robot body as shown in FIG. The unbalance torque does not act, and as a result, the weight and the position of the center of gravity of the load cannot be calculated with high accuracy. Therefore, it is necessary to pay close attention to the selection of the reference posture. In the articulated robot according to the present embodiment, if the reference posture is set at the position shown in FIG. 5, an operation pattern program in which a large unbalance torque acts on any of the V axis, the B axis, and the R1 axis is obtained. Will be created.
【００３７】次に、記憶装置６に予め記憶されている動
作パターンプログラムの自動作成プログラムにより、基
準姿勢のデータを基に動作パターンプログラムが自動的
に作成される（ステップ１２）。負荷の重量及び重心位
置の算出に際しては、ロボットを基準姿勢に対して所定
量移動させ、移動の間のサーボモータの駆動電流を電流
検出器により検出するわけであるから、動作パターンプ
ログラムの自動作成のために必要なデータとしては、ロ
ボットの基準姿勢、基準姿勢からの移動量、駆動軸の選
定、及び移動速度などである。このうちロボットの基準
姿勢についてはステップ１１により設定されるが、残り
のデータについてはパラメータとして予め与えておけば
よい。Next, an operation pattern program is automatically created based on the data of the reference posture by an automatic creation program of the operation pattern program stored in the storage device 6 in advance (step 12). When calculating the weight of the load and the position of the center of gravity, the robot is moved by a predetermined amount with respect to the reference posture, and the drive current of the servomotor during the movement is detected by the current detector. Necessary data include a reference posture of the robot, a moving amount from the reference posture, selection of a drive shaft, and a moving speed. Of these, the reference posture of the robot is set in step 11, but the remaining data may be given in advance as parameters.
【００３８】次に、ステップ１２において作成された動
作パターンプログラムに従って、ロボットを動作させる
（ステップ１３）。このステップにおいては既に負荷が
アーム先端に取り付けられていなければならないことは
当然であるが、負荷をアーム先端に取り付ける工程はこ
のステップの直前である必要はなく、ステップ１１を実
行する時点で既に負荷が取り付けられていてもよい。Next, the robot is operated according to the operation pattern program created in step 12 (step 13). In this step, it is natural that the load must be already attached to the tip of the arm. However, the step of attaching the load to the tip of the arm does not need to be immediately before this step. May be attached.
【００３９】次に、ステップ１３の実行中における各駆
動軸のサーボモータの駆動電流を検出する（ステップ１
４）。駆動電流の検出はスキャンタイム毎に行い、検出
された駆動電流は電流取り込み装置９内に一時的に記憶
される。Next, the drive current of the servo motor of each drive shaft during the execution of step 13 is detected (step 1).
4). The drive current is detected every scan time, and the detected drive current is temporarily stored in the current capturing device 9.
【００４０】最後に、ステップ１４において検出された
各駆動軸のサーボモータの駆動電流に基づいて、式
（４）についての連立方程式を解くことにより負荷の重
量及び重心位置を算出する（ステップ１５）。ここで、
式（４）の右辺であるアンバランストルクＰθ，j は各
駆動軸の軸角度に起因しているが、ここでは基準姿勢に
おける軸角度に動作の所定量αの半分の値をすなわちα
／２を加えた値を、動作の実行中の軸角度の平均値とし
て設定することとした。駆動軸が４つ以上選定されてい
れば、４元以上の連立方程式ができあがることとなり、
この連立方程式を解くことにより、アンバランストルク
Ｐθ，j に含まれている負荷の重量及び重心位置が算出
されることとなる。Finally, based on the drive currents of the servo motors of the respective drive shafts detected in step 14, the weight of the load and the position of the center of gravity are calculated by solving the simultaneous equations of equation (4) (step 15). . here,
The unbalanced torque Pθ, j on the right side of equation (4) is caused by the axis angle of each drive shaft.
The value obtained by adding / 2 is set as the average value of the shaft angle during the execution of the operation. If four or more drive shafts are selected, simultaneous equations of four or more elements will be completed,
By solving this simultaneous equation, the weight of the load and the position of the center of gravity included in the unbalance torque Pθ, j are calculated.
【００４１】ところで、ロボットの基準姿勢の選定に際
しては、動作パターンプログラムの実行中に大きなアン
バランストルクが駆動軸にかかるように注意しなければ
ならないが、この選定作業はロボット技術に精通した作
業者であれば比較的容易であるが、ロボット技術に精通
しない多くの作業者にとっては容易なことではない。ま
た、基準姿勢の設定に際しては、作業者が教示装置を逐
一操作してロボットの各駆動軸を位置決めさせる必要が
あり、溶接ロボットのように負荷である溶接ガンの交換
がほとんどないものについてはともかく、ハンドリング
ロボットのように負荷である被搬送物が頻繁に変更され
るものについては、負荷が変更になる度毎にこの作業を
行うのは大変煩雑となる。そこで、教示装置により教示
された基準姿勢のデータは制御装置内の記憶装置に記憶
するようにしておき、負荷の重量及び重心位置の算出の
際には記憶された基準姿勢のデータが記憶装置より呼び
出され、このデータに基づき動作パターンプログラムが
作成されるようにしてもよい。In selecting the reference posture of the robot, care must be taken to apply a large unbalance torque to the drive shaft during the execution of the operation pattern program. This is relatively easy, but not easy for many workers who are not familiar with robot technology. Further, when setting the reference posture, it is necessary for the operator to operate the teaching device one by one to position each drive shaft of the robot, and in any case such as a welding robot, there is almost no replacement of the welding gun which is a load. For a robot whose load is frequently changed, such as a handling robot, it becomes very complicated to perform this operation every time the load changes. Therefore, the data of the reference posture taught by the teaching device is stored in the storage device in the control device, and the data of the stored reference posture is stored in the storage device when calculating the weight of the load and the position of the center of gravity. It may be called and an operation pattern program may be created based on this data.
【００４２】また、ロボットの質点モデルは角度データ
に起因するアンバランストルクのみを考慮することとし
ているが、このアンバランストルクは多関節ロボットを
構成する全ての駆動軸に関与されるわけではない。例え
ば、図３に示す６軸の垂直多関節ロボットにおいては、
上腕の揺動軸であるＶ軸、手首部分の揺動軸であるＢ
軸、及び負荷が接続されるアーム先端のＲ１軸の合計３
軸がアンバランストルクに大きく関与することになる
が、その他の駆動軸はアンバランストルクにほとんど関
与しない。したがって、この場合、１回の動作パターン
プログラムの実施により得られる連立方程式の有効な元
数は３つしかなく、最低必要となる４つには足りないこ
とになる。Although the mass point model of the robot considers only the unbalance torque caused by the angle data, the unbalance torque is not involved in all drive shafts of the articulated robot. For example, in a 6-axis vertical articulated robot shown in FIG.
V axis which is the pivot axis of the upper arm, B which is the pivot axis of the wrist
A total of 3 for the axis and the R1 axis at the tip of the arm to which the load is connected
The shaft will contribute significantly to the unbalance torque, while the other drive shafts will contribute little to the unbalance torque. Therefore, in this case, the number of effective elements of the simultaneous equations obtained by one execution of the operation pattern program is only three, which is less than the minimum required four.
【００４３】そこで、アンバランストルクの算出に有効
な駆動軸が３つ以下の場合においては、基準姿勢を複数
個教示し、各基準姿勢に対応して動作パターンプログラ
ムが複数個作成されるようにしこれを実行するように
し、これにより４元以上の連立方程式が作成されるよう
にすればよい。また、有効な駆動軸が４つ以上の場合に
おいても、基準姿勢を複数個教示し、各基準姿勢に対応
して動作パターンプログラムが複数個作成されるように
しこれを実行するようにすれば、多くの元数を有する連
立方程式が作成されることとなり、これを解くことによ
り未知数である負荷の重量及び負荷の重心位置を高精度
に算出することができるようになる。Therefore, when the number of drive axes effective for calculating the unbalance torque is three or less, a plurality of reference postures are taught, and a plurality of operation pattern programs are created corresponding to each reference posture. This may be performed so that simultaneous equations of four or more elements are created. Further, even when the number of effective drive axes is four or more, if a plurality of reference postures are taught and a plurality of operation pattern programs are created and executed corresponding to each reference posture, Simultaneous equations having a large number of elements are created, and by solving these equations, the weight of the load and the position of the center of gravity of the load, which are unknown variables, can be calculated with high accuracy.
【００４４】ところで、一般に、サーボ系より取り込ま
れるサーボモータの駆動電流には、減速機の効率及び摺
動抵抗による誤差が含まれている。そのため、負荷の重
量及び重心位置を高精度に算出することを考えると、駆
動電流よりモータ駆動トルクを算出する際は、減速機の
効率及び摺動抵抗による誤差を補償することが好ましい
ことになる。しかし、減速機の効率及び摺動抵抗は駆動
軸個々に固有な値であるとともにロボットの動作形態に
よっても異なる値をとる数値であるので、これを一義的
に設定することは一般に困難である。In general, the drive current of the servomotor taken in from the servo system includes an error due to the efficiency of the speed reducer and the sliding resistance. Therefore, considering that the weight and the position of the center of gravity of the load are calculated with high accuracy, when calculating the motor drive torque from the drive current, it is preferable to compensate for the error due to the efficiency of the reduction gear and the sliding resistance. . However, since the efficiency and sliding resistance of the speed reducer are values unique to each drive shaft and different values depending on the operation mode of the robot, it is generally difficult to uniquely set them.
【００４５】そこで、重力に反して負荷を持ち上げる動
作即ち上昇動作と、この上昇動作と同一の経路を負荷を
持ち下げる動作即ち下降動作とでは、減速機の効率及び
摺動抵抗によるトルクのロスの値は正負が逆となるだけ
で絶対値は等しくなるということに着目することにし
た。すなわち、駆動軸ｊにおける減速機の効率及び摺動
抵抗によるトルクのロスをτj とおけば、上昇動作と下
降動作におけるモータ駆動トルクと負荷トルクとの関係
式はそれぞれ式（５）及び式（６）で表される。Thus, the operation of lifting the load against gravity, ie, the ascending operation, and the operation of lifting the load along the same path as the ascending operation, ie, the descending operation, reduce the torque loss due to the efficiency of the reduction gear and the sliding resistance. We focused on the fact that the absolute value is the same, just the sign is reversed. That is, assuming that the torque loss due to the reduction gear efficiency and the sliding resistance in the drive shaft j is τ j , the relational expressions between the motor drive torque and the load torque in the ascending operation and the descending operation are expressed by Expressions (5) and ( 6).
【００４６】[0046]
【数５】 (Equation 5)
【００４７】式（５）におけるＩupj は上昇動作時の駆
動電流であり、式（６）におけるＩdownj は下降動作時
の駆動電流である。ここで式（５）と式（６）を加え合
わせることにより、減速機の効率及び摺動抵抗によるト
ルクのロスτj が相殺された式（７）が導き出される。In equation (5), Iup j is the drive current during the rising operation, and in equation (6), Idown j is the driving current during the falling operation. Here, by adding Equations (5) and (6), Equation (7) is derived in which the torque loss τ j due to the efficiency of the reduction gear and the sliding resistance is offset.
【００４８】[0048]
【数６】 (Equation 6)
【００４９】減速機の効率及び摺動抵抗の誤差の影響を
排除した高精度な算出結果が要求される場合には、式
（７）を適用することにより負荷の重量及び重心位置を
算出すればよい。When a high-precision calculation result excluding the effects of the reduction gear efficiency and sliding resistance error is required, the weight of the load and the position of the center of gravity can be calculated by applying equation (7). Good.
【００５０】ところで、多関節ロボットにおいて、１つ
の駆動軸の動作が他の駆動軸にかかるトルクに影響を与
えることはよく知られているところである。前述のよう
に、本発明では、質点モデルにおいてアンバランストル
クのみを考慮するようにしているために、動作パターン
プログラムの実行中は駆動軸を低速かつ一定速度にて動
作させるようにしており、１つの駆動軸の動作が他の駆
動軸のトルクに与える影響は通常の動作に比してかなり
少ないと言える。しかし、より高精度に負荷の重量及び
重心位置を算出するためには、１つの駆動軸の動作が他
の駆動軸にかかるトルクに与える影響を完全に排除する
ことが好ましい。これに対処するためには、基準姿勢デ
ータに基づいて各駆動軸が個別に動作されるような動作
パターンプログラムが作成されるように、動作パターン
プログラムを自動作成する動作パターンプログラムの自
動作成プログラムをプログラミングすればよい。It is well known that, in an articulated robot, the operation of one drive shaft affects the torque applied to another drive shaft. As described above, in the present invention, since only the unbalanced torque is considered in the mass model, the drive shaft is operated at a low speed and a constant speed during the execution of the operation pattern program. It can be said that the influence of the operation of one drive shaft on the torque of the other drive shaft is considerably smaller than the normal operation. However, in order to calculate the weight and the position of the center of gravity of the load with higher accuracy, it is preferable to completely eliminate the influence of the operation of one drive shaft on the torque applied to the other drive shaft. To cope with this, an operation pattern program automatic creation program that automatically creates an operation pattern program so that an operation pattern program in which each drive axis is individually operated based on the reference attitude data is created. Just program.
【００５１】[0051]
【発明の効果】請求項１にかかる発明によれば、サーボ
モータによって駆動される複数の駆動軸を備えた多関節
ロボットのアーム先端に位置する負荷の重量及び重心位
置を算出する方法において、教示装置により基準姿勢を
教示し、この基準姿勢に基づいて動作パターンプログラ
ムが作成されるようにし、作成された動作パターンプロ
グラムに従ってアーム先端に所定の負荷を有した多関節
ロボットを動作させ、この動作中に各駆動軸を駆動する
サーボモータの駆動電流を予め設定されたスキャンタイ
ム毎に検出し、各駆動軸のそれぞれについて、検出され
た駆動電流の平均値に基づいて動作パターンプログラム
の実行中に各駆動軸にかかったトルクの平均値を算出
し、この各駆動軸にかかったトルクの平均値は各駆動軸
にかかるアンバランストルクと等価であるとすることに
より、アンバランストルクに未知数として含まれる負荷
の重量及び重心位置を算出するようにした。According to the first aspect of the present invention, there is provided a method for calculating the weight and the center of gravity of a load located at the tip of an arm of an articulated robot having a plurality of drive shafts driven by a servomotor. The device teaches a reference posture, an operation pattern program is created based on the reference posture, and an articulated robot having a predetermined load at the arm tip is operated according to the created operation pattern program. The drive current of the servo motor that drives each drive axis is detected at every preset scan time, and for each of the drive axes, during the execution of the operation pattern program based on the average value of the detected drive currents, The average value of the torque applied to the drive shaft is calculated, and the average value of the torque applied to each drive shaft is calculated by the unbalancing applied to each drive shaft. By to be equivalent to the torque, and to calculate the weight and center of gravity of the load to be included as unknowns in the unbalanced torque.
【００５２】そのため、負荷の重量及び重心位置を算出
するための必要データは、駆動軸モータであるサーボモ
ータの電流データと駆動軸の角度データのみとなり力デ
ータは不要となったので、力データを得るための手段と
しての力センサの必要性はなくなった。そして、これに
より、負荷の重量及び重心位置の算出頻度の少ないハン
ドリングロボットや溶接ロボット等の力制御を必要とし
ない多関節ロボットにおいては、力センサ及びその周辺
機器が不要となり、制御装置を含むロボットシステム全
体のコストが低減されるとともに、これらのメンテナン
スに要する時間及び費用を不要にすることも可能となっ
た。Therefore, the necessary data for calculating the load weight and the position of the center of gravity are only the current data of the servo motor which is the drive shaft motor and the angle data of the drive shaft, and the force data becomes unnecessary. The need for a force sensor as a means of obtaining has been eliminated. Thus, in a multi-joint robot that does not require force control such as a handling robot or a welding robot that calculates the weight of the load and the position of the center of gravity with less frequency, a force sensor and its peripheral devices are unnecessary, and the robot including the control device is not required. The cost of the entire system is reduced, and the time and cost required for these maintenances can be eliminated.
【００５３】請求項２にかかる発明によれば、請求項１
にかかる発明において、教示装置により教示された基準
姿勢を記憶装置に記憶させるようにした。そのため、教
示装置により教示された基準姿勢のデータは制御装置内
の記憶装置に記憶されるようになり、負荷の重量及び重
心位置の算出の際には記憶された基準姿勢のデータが記
憶装置より呼び出され、このデータに基づき動作パター
ンプログラムが作成されるようになったので、基準姿勢
の設定をその都度行う必要はなくなった。これにより、
例えば、基準姿勢のデータ入力はロボット技術に精通し
たメーカーの担当者が行い、ユーザー側の作業者におけ
る基準姿勢のデータ入力を不要とすることも可能となっ
た。According to the invention of claim 2, claim 1
According to the invention, the reference posture taught by the teaching device is stored in the storage device. Therefore, the data of the reference posture taught by the teaching device is stored in the storage device in the control device, and the data of the stored reference posture is stored in the storage device when calculating the weight and the position of the center of gravity of the load. Since it is called and an operation pattern program is created based on this data, it is not necessary to set the reference posture each time. This allows
For example, the data input of the reference posture is performed by a person in charge of the manufacturer who is familiar with the robot technology, and it becomes unnecessary to input the data of the reference posture by the worker on the user side.
【００５４】請求項３にかかる発明によれば、請求項１
または２にかかる発明において、基準姿勢を複数個教示
し、これにより動作パターンプログラムが複数個作成さ
れるようにした。そのため、アンバランストルクの算出
に有効な駆動軸が３つ以下の場合においては、基準姿勢
を複数個教示することにより、各基準姿勢に対応する動
作パターンプログラムが複数個作成されるようにしこれ
を実行するようにし、これにより４元以上の連立方程式
の作成を可能にした。また、有効な駆動軸が４つ以上の
場合においても、同様にして多くの元数を有する連立方
程式が作成されるようにし、これを解くことにより負荷
の重量及び重心位置を高精度に算出することが可能とな
った。According to the third aspect of the present invention, the first aspect
Alternatively, in the invention according to the second aspect, a plurality of reference postures are taught, whereby a plurality of operation pattern programs are created. Therefore, when the number of drive axes effective for calculating the unbalance torque is three or less, a plurality of reference postures are taught, so that a plurality of operation pattern programs corresponding to each reference posture are created. This enabled the creation of a system of four or more simultaneous equations. Further, even when there are four or more effective drive shafts, a simultaneous equation having a large number of elements is created in the same manner, and by solving the equations, the weight of the load and the position of the center of gravity are calculated with high accuracy. It became possible.
【００５５】請求項４にかかる発明によれば、請求項１
乃至３のいずれかにかかる発明において、動作パターン
プログラムでは、重力に反して負荷を持ち上げる動作即
ち上昇動作と、この上昇動作と同一の経路を負荷を持ち
下げる動作即ち下降動作とを行わせるようにした。そし
て、この２つの動作により導出される関係式すなわち上
昇動作と下降動作のそれぞれの、駆動電流より算出され
るモータ駆動トルクとロボットの質点モデルより算出さ
れる負荷トルクとの関係式において、これら２つの関係
式を加え合わせることにより、減速機の効率及び摺動抵
抗によるトルクのロスを相殺した関係式を導出するよう
にした。そのため、この導出された関係式を適用するこ
とにより、減速機の効率及び摺動抵抗の誤差の影響を受
けることなく、負荷の重量及び重心位置を高精度に算出
することが可能となった。According to the invention of claim 4, according to claim 1,
In the invention according to any one of the first to third aspects, in the operation pattern program, an operation of lifting the load against gravity, ie, an ascending operation, and an operation of lifting the load along the same path as this ascending operation, ie, a descending operation, may be performed. did. In the relational expression derived from these two operations, that is, the relational expression between the motor driving torque calculated from the driving current and the load torque calculated from the mass point model of the robot in each of the ascending operation and the descending operation, By adding the two relational expressions, a relational expression that offsets the torque loss due to the reduction gear efficiency and the sliding resistance is derived. Therefore, by applying the derived relational expression, it is possible to calculate the weight and the center of gravity of the load with high accuracy without being affected by errors in the efficiency of the reduction gear and the sliding resistance.
【００５６】請求項５にかかる発明によれば、請求項１
乃至４のいずれかにかかる発明において、動作パターン
プログラムでは各駆動軸を個別に動作させるようにし
た。そのため、１つの駆動軸の動作が他の駆動軸のトル
クに与える影響を完全に排除することができ、より高精
度に負荷の重量及び重心位置を算出することが可能とな
った。According to the fifth aspect of the present invention, the first aspect is provided.
In the invention according to any one of the first to fourth aspects, each of the drive axes is individually operated in the operation pattern program. Therefore, the influence of the operation of one drive shaft on the torque of the other drive shaft can be completely eliminated, and the weight and the center of gravity of the load can be calculated with higher accuracy.
【図１】本発明の一実施形態における計算処理の手順を
示すフローチャートである。FIG. 1 is a flowchart illustrating a procedure of a calculation process according to an embodiment of the present invention.
【図２】本発明が適用される多関節ロボットの制御装置
の一例を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing an example of a control device of the articulated robot to which the present invention is applied.
【図３】本発明が適用される多関節ロボットの一例を示
す外観図である。FIG. 3 is an external view showing an example of an articulated robot to which the present invention is applied.
【図４】大きなアンバランスがかからないロボットの基
準姿勢を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a reference posture of a robot without a large imbalance;
【図５】大きなアンバランスがかかるロボットの基準姿
勢を示す図である。FIG. 5 is a diagram illustrating a reference posture of a robot that has a large imbalance;
【符号の説明】 １ 多関節ロボット ２ 負荷 ３ サーボモータ ６ 記憶装置 １０ 教示装置（軸操作装置）[Description of Signs] 1 Articulated robot 2 Load 3 Servo motor 6 Storage device 10 Teaching device (axis operation device)
Claims (5)
動軸を備えた多関節ロボットのアーム先端に位置する負
荷の重量及び重心位置を算出する方法において、 教示装置により基準姿勢を教示し、 該基準姿勢に基づいて動作パターンプログラムが作成さ
れるようにし、 該動作パターンプログラムに従ってアーム先端に所定の
負荷を有した多関節ロボットを動作させ、 該動作中に各駆動軸を駆動するサーボモータの駆動電流
を予め設定されたスキャンタイム毎に検出し、 各駆動軸のそれぞれについて、前記検出された駆動電流
の平均値に基づいて前記動作パターンプログラムの実行
中に各駆動軸にかかったトルクの平均値を算出し、 該各駆動軸にかかったトルクの平均値は各駆動軸にかか
るアンバランストルクと等価であるとすることにより、
該アンバランストルクに未知数として含まれる負荷の重
量及び重心位置を算出するようにしたことを特徴とする
多関節ロボットの負荷重量及び負荷重心位置の自動算出
方法。1. A method for calculating the weight and the center of gravity of a load located at the tip of an arm of an articulated robot having a plurality of drive shafts driven by a servomotor. An operation pattern program is created based on the posture, an articulated robot having a predetermined load at the tip of the arm is operated according to the operation pattern program, and a drive current of a servomotor that drives each drive shaft during the operation Is detected at every preset scan time, and for each of the drive axes, the average value of the torque applied to each drive axis during execution of the operation pattern program is determined based on the average value of the detected drive current. The average value of the torque applied to each drive shaft is calculated to be equivalent to the unbalanced torque applied to each drive shaft. ,
A method of automatically calculating a load weight and a load center of gravity of an articulated robot, wherein a weight and a center of gravity of a load included as unknowns in the unbalanced torque are calculated.
記憶装置に記憶させるようにしたことを特徴とする請求
項１に記載の多関節ロボットの負荷重量及び負荷重心位
置の自動算出方法。2. The method for automatically calculating a load weight and a load center of gravity of an articulated robot according to claim 1, wherein the reference posture taught by the teaching device is stored in a storage device.
前記動作パターンプログラムを複数個作成するようにし
たことを特徴とする請求項１または２に記載の多関節ロ
ボットの負荷重量及び負荷重心位置の自動算出方法。3. A load weight and a load center of an articulated robot according to claim 1, wherein a plurality of said reference postures are taught, and a plurality of said operation pattern programs are created. Automatic position calculation method.
反して負荷を持ち上げる動作即ち上昇動作と、該上昇動
作と同一の経路を負荷を持ち下げる動作即ち下降動作と
を行わせるようにしたことを特徴とする請求項１乃至３
のいずれかに記載の多関節ロボットの負荷重量及び負荷
重心位置の自動算出方法。4. The operation pattern program is characterized in that an operation of lifting a load against gravity, ie, an ascending operation, and an operation of lifting the load along the same path as the ascending operation, ie, a descending operation, are performed. Claims 1 to 3
The method for automatically calculating the load weight and the position of the load center of gravity of the articulated robot according to any one of the above.
軸を個別に動作させるようにしたことを特徴とする請求
項１乃至４のいずれかに記載の多関節ロボットの負荷重
量及び負荷重心位置の自動算出方法。5. The automatic movement of the load weight and the position of the center of gravity of the articulated robot according to claim 1, wherein each of the drive axes is individually operated in the operation pattern program. Calculation method.
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| JP30547596A JP3766484B2 (en) | 1996-11-01 | 1996-11-01 | Automatic calculation method of load weight and load center of gravity position of articulated robot |
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