JPS60118478A - 関節形ロボツトの位置制御装置 - Google Patents

関節形ロボツトの位置制御装置

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JPS60118478A
JPS60118478A JP22415983A JP22415983A JPS60118478A JP S60118478 A JPS60118478 A JP S60118478A JP 22415983 A JP22415983 A JP 22415983A JP 22415983 A JP22415983 A JP 22415983A JP S60118478 A JPS60118478 A JP S60118478A
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JP
Japan
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robot
joint
angle
arm
operating
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JP22415983A
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加納 稔
小沢 房明
正道 富田
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は関節形ロボットの位置制御装置に係り、さらに
詳しくはロボットの手先位置を高精度に位置決め制御し
得る装置に関する。
〔発明の背景〕
近年、関節形ロボツl−においては、精密な組立作業を
実行させるために、その手先位置の位置決(1) め精度をμmオーダの値にすることが要求されている。
そして、このロボッl−の手先位置の制御はロボットア
ームの寸法により決定される幾何学的条件を用いて行な
われている。しかし、実際にはロボットアームは弾性変
形するので、精度のよい位置決めが困難である。このロ
ボットアームの弾性変形を回避する一方策として、ロボ
ット全体をきわめて剛性の高い構造とし、その変形量を
許容範囲におさえることが考えられるが、この方策では
コストアップの原因となると共に、全体の固有振動数の
低下も招き、制御上不利である。
このため、特開昭57−69315号公報に示されるよ
うに、ロボットアームに作用するワーク重量によりアー
ムの弾性変形を補正する方策が提案されている。
しかし、関節形ロボットにおいては、」二連したアーム
の弾性変形以外に関節部に設けた駆動系の減動機の剛性
が問題となっている。すなわち、この駆動系における減
速機はアームの剛性に比べて非常に低いので、この減速
機の低剛性がロボット(2) の手洗位置決め精度に悪影響を与えている。
〔発明の目的〕
本発明は上述の事柄にもとづいてなされたもので、関節
形ロボットの関節部における駆動系の出力側の低剛性に
よって生じるそのねじれ変形を補正することができる関
節形ロボットの位置制御装置を提供することを目的とす
る。
〔発明の概要〕
本発明は上記の目的を達成するために、教示データに従
って動作する関節形ロボットにおいて、教示データによ
りロボットの関節部の動作関節角をめる手段と、動作関
節角に対応して関節部に作用する重力トルク負荷によっ
て生じる動作関節角のねじれ量を演算する手段と、ロボ
ットの動作関節角とねじれ量により実際の動作関節角を
演算し、これをロボットの駆動系に出力する手段とを備
えたものである。
〔発明の実施例〕
以下本発明の実施例を図面を参照して説明する。
第1図は本発明の装置の一例を備えた関節形口(3) ポットを示すもので、この図において、1は操作盤であ
り、この盤面にはロボットの運転操作のためのスイッチ
および表示装置類が設けられている。
操作盤1の内部にはロボットの動作を制御するための演
算装置、記憶装置および演算装置からの指示によってロ
ボットの各軸を動作させるためのサーボアクチュエータ
等が設けられている。2は操作盤1と電気的に接続され
た関節形ロボットである。この関節形ロボット2は基台
3.旋回台4゜第1アーム2.第2アーム6、手首軸7
,8で構成されている。手首軸7,8の先端にはワーク
を一ハンドリングするためのグリッパ9が設けられてい
る。
このロボットの動作は旋回台4の基台3に対する軸S1
まわりの回転、第1アーム5の旋回台4に対する軸S2
まわりの回転、第2アーム6の第1アーム5に対する軸
S3まわりの回転、手首軸7の第2アーム6に対する軸
S4まわりの回転、手首軸8の手首軸7に対する軸S5
まわりの回転およびグリッパ9の開閉を適宜組み合せる
ことに(4) より得られる。
このようなロボットの各部材を各回転軸81〜S5まわ
りに回転させるための駆動系を第2図に示す。この図に
おいて13は例えば直流サーボモータ等の駆動用モータ
、14は減速機、15はロボットの構成部材、12は駆
動用モータ13の回転位置検出器で、例えば増分式のロ
ータリエンコーダである。11は例えばタコジュネレー
タ等の駆動用モータ13の回転速度検出器である。この
駆動系しこおいては、例えばロボットの構成部材15が
第1アーム5であり、この第17−ム5を旋回台4に対
して回転軸S2まわりに角度02回転させる場合におい
て、減速機14の減速比をRとすると、駆動用モータ1
3に要求される回転角はRO2となる。この要求に対し
、操作盤1に内蔵された演算装置は、要求される動作速
度、加速度を勘案して微少サンプリング時間毎にAc1
の回転角増分指令を、第1アーム5の駆動を司どるサー
ボ系に与える。サーボ系は駆動用モータ13に回転指令
を与えると共に、モータの回転によつ(5) て生じる回転位置検出器12の出力パルス信号を積算し
、回転角増分指令Aθiと一致するまで駆動用モータ1
3を回転させる。すなわち、n回の回転角増分指令によ
り、モータ13は要求回転角Rθ2−flB’h回転す
る。ここで、回転速度検出器1 出塁11の出力信号も前記サーボ系にフィードバックさ
れ、モータ制御動作の安定化と円滑化のために利用され
る。このロボットの構成部材15の回転角は駆動用モー
タ13の回転角と一意に関係づけられ、駆動用モータ1
3の回転角のみしか制御されていないため、駆動系にお
ける減速機14の低剛性に伴い、この部分では構成部材
15に作用する重力モーメントによりねじれが生じる。
またこのねじれは作用する重力モーメントの関数関係に
ある。そこで、重力モーメントと関節部の回転角のねじ
れとの関係を第3図によって説明する。
第3図において、第1図と同符号のものは同一部分であ
る。いま第2アーム6の先端より先に位置する手首、グ
リッパ等の統重量Woが第2アーム6の先端に集中して
いるとし、第1アーム5゜(6) 第27−八6はそれぞれ長さfll+I22を重量W+
 = W2であり、それぞれ各アーム重量Wl tW2
がアーム5,6の中央部に作用しているものとする。ま
た第2アーム6の駆動系重量W12は関節部の回転軸S
3に作用しているものとする。また第1アーム5および
第27−八6はそれぞれ図示のように水平面より02.
θ3の角度で位置しているものとする。さらに、ロボッ
トの座標系の方向を図示の方向にとり、座標系の原点を
関節部の回転軸S2の中心にとる。そして、関節部にた
わみがないとすれば、第2アーム6先端の位置(Xo 
y Zo )は、次のようになる。
また、関節部の回転軸S2.S3に作用する重力トルク
T2.T3はそれぞれ次のようになる。
この重力トルクT2.T2により、減速機14は(7) 弾性変形し、上記重力トルクT2 、T3に相当するだ
けの回転角のねじれAθ2.Aθ3が生じるので、実際
の関節部の回転軸S2.S3の回転角02′、03′は
それぞれ近似的に となる。ただし、 であり、LMは減速機のロストモーション、Kはハネ定
数、TLMはLM/2のロストモーションを生じたとき
の入力トルクである。
次に本発明の装置の一例の構成を第4図によって説明す
る。この図において、31は関節ロボットの初期設定お
よび動作のためのデータおよび操作信号等を入力する手
動入力装置である。32は関節ロボットの動作制御を司
どる主制御装置である。この主制御装置32はロボット
の初期化制御部33.教示制御部34.ロボットの動作
位置、姿勢、動作条件等を記憶する記憶部35.ロボツ
(8) トのアーム長さ。各部重量、重心位置等を記憶す記憶部
36.記憶部35のデータに従って次のロボットの動作
位置、姿勢を演算する補間演算部37、ロボットの動作
位置、姿勢からロボットの動作関節角を演算する動作関
節角演算部38.ロボットの動作関節角のねじれ量を演
算するねじれ角演算部39.ロボットの動作関節角とね
じれ角とにより、実際のロボットの各関節の動作角をめ
る関節角補正演算部40を具備している。41は加算器
、42は駆動系の回転角信号を検出するアップダウンカ
ウンタ、43はサーボアンプ44は第2図に示したサー
ボモータ、減速機、ロータリエンコーダ等によりなる駆
動系、45は駆動系により駆動されるロボットの機構部
材の1つである。これらの要素41〜45はサーボ系4
6を構成している。このサーボ系46は第4図において
は1つしか示していないが、実際には関節ロボットの関
節数だけ準備されている。
次に、上述した本発明の装置の一例の動作を説明する。
(9) あらかじめ、手動入力装置31により、ロボットのアー
ム長さ、各部重量、重心位置等を記憶部36に入力して
おく。記憶部31がROMの場合はROMライタにより
上記データを書き込んでおく。ロボットの動作は手動入
力装置31によりロボットのサーボ系46の電源を投入
し、続いて初期化制御部33により、あらかじめ定めら
れたロボツ1への動作原点にロボットが移動させられ、
制御装置32内の各種演算条件が初期化されるとともに
、ロボットの動作原点における位置姿勢データが記憶部
35に記憶される。なお、初期化制御部33によりロボ
ットを動作原点に移動させる場合には、前記サーボ系4
6に動作信号が出力され、ロボットの各構成部材に設け
られた原点検出センサにより原点が検出された位置を原
点とするように動作する。
ロボットに動作を教示する場合は、手動入力装置31の
信号により教示制御部が動作し、手動入力装置31より
入力される方向に、記憶部35に記憶されている現在位
置姿勢を微少量修正し、再(10) 記憶すると共に、その修正値の位置姿勢にロボットを動
作させるようにサーボ系46にロボット各軸の動作信号
を出力する。このようにロボットを微少量ずつ動作させ
て目標位置または姿勢に到達すると、手動入力装置31
の教示操作入力により現在位置姿勢およびその現在位置
までの到達方法などを記憶部35に記憶する。このよう
な一連の操作により、ロボットの自動運転時に経由すべ
き位置、姿勢、作業方法などが記憶部35に記憶されて
教示操作が終了する。なおここでロボットの動かし方お
よびサーボ系46に与える信号および信号伝達経路につ
いては図示していないが、これは以下の自動運転時の方
法と同一である。
ロボツl〜を自動運転させる場合は、手動入力装置31
の操作により37〜40の演算部が動作する。すなわち
、補間演算部37は記憶部35に記憶されているロボッ
トの現在位置、姿勢および教示された位置、姿勢、動作
速度および加速度などの動作制御データから次にロボッ
1〜が占めるべき位置およびとるべき姿勢を補間演算に
より算出す(11) る。次に動作関節角演算部38がこのデータおよび記憶
部36に記憶されたロボット諸元データを用いて、例え
ば(1)式のような関係式をもとにロボットの動作関節
角を計算してめる。
次にねじれ角演算部37が、ロボットの動作関節角およ
び記憶部36に記憶されたロボットの諸元データを用い
てロボットの各関節部に作用する重力トルクを例えば(
2)式により算出し、更にはこれより各関節部のねじれ
角を例えば(4)式により算出する。次に関節角補正演
算部40が請求められたロボット動作角およびねじれ角
により、ねじれ角を補正し、前記補間演算部37の与え
た位置、姿勢にロボットの位置姿勢が一致する実際のロ
ボット動作角を算出する。例えば(3)式の導出の考え
方の場合には、理想の動作角を02+ 03゜実際の動
作角を02′、03′とすると次のような関係になる。
さらに、関節角補正演算部40はこのようにして(12
) 求められたロボツ1−の実際の動作角、例えば02′0
3′をサーボ系46に出力する。サーボ系46は駆動系
44に取りつけられた駆動系の回転角センサより発生す
るパルス信号をアップダウンカウンタにより計数し、関
節角補正演算部40より出力された動作角信号と比較し
て、ロボットを動作させる偏差信号を加算器41により
生成し、公知のサーボアンプ43に供給する。サーボア
ンプ43は偏差信号から駆動系44を動作させる信号を
生成し、駆動系44を動作させる。すなわちロボットの
機構部材45を動作させる。サーボ系46は前記した偏
差信号を常時生成し、偏差信号がなくなるまで動作する
。すなわちロボットは関節角補正演算部40により指令
された動作位置姿勢となるようにサーボ系によって動作
させられる。
以上述べた動作、特に構成要素37〜40の動作は例え
ば数1.0m5ec毎の時間間隔でロボットが微少量ず
つ動作するように実行されるが、これらの一連の動作の
集積によって、ロボットは記憶部35に記憶された教示
データ通りに動作する。
(13) 特に、本発明によれば、ロボットの関節角のねじれに起
因する実際のロボットの動作経路、位置、姿勢と教示デ
ータとの相異が解消され、ロボットは教示データ通りに
高精度で動作するというすぐれた効果を得ることができ
る。
なお、上述の実施例では、ロボットの教示はすべて手動
教示によるとして説明したが、第4図の破線矢印で示す
ように、手動操作装置31から直接数値データを記憶部
36に設定しても良く、また両者を併用するようにして
も良い。また、種々のデータ入力を手動操作装置31に
のみ依存せず、通信回線等を介して別の計算機と接続し
、計算処理によって得られたデータを直接記憶部35゜
36等に入力するようにしても良い。
さらに上述の実施例では、高精度位置決めを要求するロ
ボットの取り扱うワークは小物であり、かつ軽量である
ので、ロボット本体の重量に起因する重力トルクが誤差
の生じる最大要因であるとしてワーク重量の影響につい
ては述べなかったが、ワーク重量の影響が無視しえない
場合には、記憶(14) 部35にワーク重量も記憶させ、ねじれ角演算部39の
演算処理にワーク重量分の演算を行なわせるようにして
も良い。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明によれば、ロボットの駆動
系内に存在する低剛性と、ロボットの各回転関節に作用
する重力モーメントによって生じる動作関節角のねじれ
を補正してロボットを動作させることができるので、ロ
ボットは教示された位置、姿勢通りに高精度で動作する
ことができるという効果を発揮することができるもので
ある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の装置の一例を適用する関節形ロボット
の構成を示す斜視図、第2図は第1図に示すロボットの
駆動系のブロック図、第3図は第1図に示すロボットに
作用する重力トルクを説明する図、第4図は本発明の装
置の一例の構成を示すブロック図である。 38・・・動作関節角演算部、39・・・ねじれ角演算
部、40・・・関節角補正演算部。 (15) ヰ 1区 を 2 巳

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1、教示データに従って動作する関節形ロボットにおい
    て、教示データによりロボットの関節部の動作関節角を
    める手段と、動作関節角に対応して関節部に作用する重
    力トルク負荷よって生じる動作関節角のねじれ量を演算
    する手段と、ロボットの動作関節角とねじれ量とにより
    実際の動作関節角を演算し、これをロボットの駆動系に
    出力する手段とを備えたことを特徴とする関節形ロボッ
    トの位置制御装置。
JP22415983A 1983-11-30 1983-11-30 関節形ロボツトの位置制御装置 Pending JPS60118478A (ja)

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