JPS6072004A - ダイレクト教示型工業用ロボットの制御装置 - Google Patents

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】 本発明はダイレクト教示型工業用ロボットに於けるクラ
ッチのスベリによる影響を受けず、且つ安定性に優れた
制御装置を提供するものである。

一般に工業用ロボットの教示方法は、大きく分けてオペ
レータがリモートコントロールボックスのスイッチを操
作してロボットをインチング操作で動かして教示するリ
モートコントロール式ティーチング方式と、ロボットア
ームの先端或いは手首や工具をオペレータが直接操作し
て入力にて教示するダイレクト教示（マニュアル教示と
も呼ぶ）方式とがある。後者は前者と比べて教示時間の
短縮及び複雑な軌跡を能率良く教示できるという長所が
あるが、人力で容易に教示操作を行い得るように成す為
に、駆動源とアーム等のロボット要素との間にクラッチ
機構等を挿入して軽動化する機構が必要であり、かかる
軽動化機構を設けた結果、ロボット要素の位置検出器は
前記クラッチよりも後側即ちロボット要素側に取り付け
る必要がある（°リモート教示方式のようにモータ等の
駆動源側に位置検出器を取り付けるとクラッチＯＦＦ時
、即ち教示時に位置データを取り込むことが出来ない）
。そして通雷、ロボット要素は駆動源とロボット要素と
の間に減速機等の伝達手段を設けており、かかる伝達手
段はギアのバックラッシュやねじれ、撓み等による制御
の遅れを有している為にロボット要素側に取り付けた位
置検出器からの出力を主フィードバツク量とすると制御
ループ内に伝達手段による振動等が入り制御が不安定と
なる為、ループゲインを上げて制御の高速化を図ると発
振状態となるという欠点を有するものであった。

本発明者は、上記のような欠点を解消する為、駆動源に
よって減速機等の伝達手段を介してアーム等のロボット
要素を駆動するダイレクト教示型工業用ロボットの制御
装置に於いて、駆動源の位置を検出する第１の位置検出
手段と、ロボット要素の位置を検出してその位置情報を
制御系の入力側ヘフィードバソクする第２の位置検出手
段と、第１図及び第２の位置検出手段によって得られた
位置情報から、駆動源とロボット要素間の位置のずれに
相当する位置差情報を算出し、これを制御系の入力側に
フィードパ・ツクする変換手段と、教示時に第２の位置
検出手段から送出されるロボ・ノド要素の教示位置デー
タを逐次記憶する位置記憶手段と、教示時に生じた第１
及び第２の位置検出手段の位置の差を再生時にクリアす
る為のリセット手段と、再生時に上記位置記憶手段から
取り出した教示位置データと上記位置差情報との合成値
と、教示位置データとの差の信号に一定ゲインを乗じて
駆動系に出力する制御手段とを有してなることを特徴と
するダイレクト教示型工業用ロボットを発明し既に出願
した（特願昭５７−１９００９３号）。

これはロボットアーム等のロボット要素側から位置検出
しながらあたかも駆動源側の位置検出を行っているよう
に補正するもので、この為に駆動源側にも位置検出器を
取り付け、２個の位置検出器の差をロボット要素側の位
置検出器の出力値に加算することにより駆動源側の位置
をめるものであった。

そのため上記発明（特願昭５７−１９００９３号）によ
る場合、減速機等の撓みやねじれによる遅れが相殺され
、ロボット要素側の位置を検出しつつ、あたかも駆動源
側の位置信号を用いて制御を行うように制御が安定し、
ループゲインを上げても発振状態になる等の不都合が生
じなくなった。

ところがこのような制御が正確に行われる為には、クラ
ッチが繋がっている時（再生時）にクラッチのスベリが
皆無であることが条件であるが、取付スペースや軽量化
の為、手軽の摩擦クラッチを用いた場合、かかるスベリ
を皆無にすることは困難で、このクラッチのスベリによ
り位置決め精度が低下する。

また上記発明（特願昭５７−１９００９３号）において
は、クラッチを繋ぐ時における位置差情報をゼロクリア
することにより、教示作業前後のクラッチの噛み合い位
置のずれによる位置検出誤差を０にしているが、これは
ロボット要素と駆動源との間に存在する減速機等の可撓
要素の変形がセロクリア時に皆無であることが前提であ
る。ロボットにはこの為バネバランス装置が設けである
が、このようなバネバランス機構を用いても減速機等の
変形を完全にゼロにすることは困難で、リセットする毎
に少量の誤差を生じる欠点があった。

本発明は上記のようなりラッチのスベリによって生じる
制御精度の低下を防止することを目的さするものであり
、その要旨とする処が、モータ。

油圧シリンダ等の駆動源により、減速機、クラッチ機構
等を介してロボットアーム等のロボット要素を駆動する
ダイレクト教示型工業用ロボットの制御装置に於いて、
前記駆動源の動きを検出する第１の位置検出器と、ロボ
ット要素の位置を検出してその位置情報を制御系の入力
側へフィードバックする第２の位置検出手段と、上記第
１の位置検出器と第２の位置検出器との出力値の差をめ
る比較手段と、上記比較手段の出力信号から低周波成分
を除去して制御系へ伝達するローカットフィルタとを有
してなる点にあるダイレクト教示型工業用ロボットの制
御装置を提供するものである。

第１図に本発明を適用することの出来るダイレクトティ
ーチング型の溶接ロボットの一例を示す。

旋回台３０１は内部にモータ、減速機、クラッチ等の駆
動部を有し、矢印θ１の方向に旋回する。

アーム及び手首用の駆動部３０２はカバーで囲まれロボ
ットの左右に各々１個当て設けられており、それぞれに
アーム用駆動部と手首用駆動部とが１個ずつ内蔵されて
いる。

即ち該駆動部３０２の側面に取り付けた第１アーム用モ
ータ３１４は、後に第２図に用いて詳述する如く減速機
、クラッチを経て第１アーム用リンク３１３．を旋回さ
せる。第１アーム用モーク３１４の直上に軸１０を中心
に揺動自在の第１アーム３０４に一体的に取り付けたア
ーム３０４ａと、上記第１アーム用リンク３１３．と、
更にこれらアーム３１３ａ及び３０４．を連結するリン
ク３１３トとが平行リンクを構成している。リンク３１
３．の回転に伴ってアーム３０４ａ及び第１アーム３０
４がアーム３１３ａと同方向に同角度だけ矢印θ２の方
向に回転する。

第２アーム３０５は第１アーム３０４の先端に取り付け
た軸１１に揺動自在に取り付けられており、駆動部３０
２の裏側（図のモータ３１４の裏側）に取り付けられた
第２アーム用モータ（３１４′）によって回転駆動され
るリンク１４と、前記軸１０を中心として回転自在に軸
支されたリンク１３と、該リンク１３及び１４を連結す
るウェードリンク３１６によって第１の平行リンクが形
成され、リンク１３と、該リンク１３の先端と前記第２
アームの後端部１２とを連結する連結リンク３０３と、
前記第１アーム３０４、と第２アーム３０５の後端部１
２とが第２の平行リンクを構成しており、この２組の平
行リンクにより前記第２アーム用モータ３１４′の回転
によって第２アーム３０５が矢印θ３の方向に回転する
。

更に手首については、第１アーム３０４の根元部左右画
側に揺動用のモータ３１５と、その裏側に設けた旋回用
のモータ３工５′とが取り付けられており、これらの手
首駆動用モータによって第１アーム及び第２アーム内に
内蔵されたチェーンが回転し、かかるチェーンの末端部
は手首機構部３０６まで到達しており、手首３０６３に
θ、力方向揺動運動と０５方向の旋回運動を与え、手首
３０６ａに取り付けられた溶接トーチ３０８を任意の位
置に導くと共に、溶接動作に必要な任意の姿勢をとらせ
る。

次いで前記第１アーム及び第２アームの重力モーメント
を相殺する為の重力バランス機構について説明する。ま
ず第１アームについては、前記のように第１アーム３０
４の下端に軸ＩＯを中心に回転自在に軸支されたリンク
１３と、これに平行のリンクエ４と、上記リンク１３．
１４を連結する垂直のウェードリンク３１６とが平行リ
ンクを成し、ウェードリンク３１６の上端部Ｂは常にリ
ンク１３とウェードリンク３１６との接続点りの鉛直線
上にあり、該上端部Ｂと第２アームの後端Ａとの間には
、引張りスプリング等より成るバネバランス機構３１０
が張設されており、この三角形ＡＢＤの形とバネバラン
ス機構３１０の張力により第１アーム３０４にθ°２方
向の回転モーメントが作用し、第１アーム３０４の重力
モーメントが打ち消される。尚バネバランス機構３１０
の引張力については、取付長さであるＡＢ間の距離に比
例するように構成すれば、第１アームの傾き角度θ２の
値に関係なくバランス出来る。又第２アームについては
、第２アーム３０５の軸１１回りの重力モーメントを前
記バネバランス機構３１０の自重とウェードリンク３１
６等の自重により相殺している。このような重力バラン
スを用いることにより教示時の操作に力を要しないと共
に、後記するように位置制御の精度が向上する。

次にダイレクトティーチングに不可欠な軽動化機構と位
置決め用の位置検出器を取り付けた駆動機構の一例とし
てアーム用の駆動機構について第２図を参照して説明す
る。このような駆動機構はアーム動作用ばかりでなく旋
回台３０１の旋回駆動や手首部の作動用にも用いること
が出来る。

第２図に於いて、Ｍは駆動用のＤＣサーボモータで、こ
のモータＭの反出力軸側にはモータＭの回転角度の変化
に応じてパルスを発生させるパルスエンコーダＥ、と、
速度検出器としてのタコジェネレーク８１とが取り付け
られている。又出力側には間怠形で大きな減速比を得る
ことの出来るハーモニックドライブ減速機４１　（商品
名：ハーモニソクドライブシステム社製）が取り付けら
れており、該減速機の出力軸にはクラッチ５１が取り付
けられている。このクラッチは摩擦板５６．５７の部分
が接触又は離脱することにより減速機４１の出力軸４２
の回転がロボット要素駆動軸５９に伝達（ＯＮ）され、
又は遮断（ＯＦＦ）される。

該クラッチ５１の構造はコイル５３を取り巻くロータ５
２が出力軸４２に固着されており、コイル５３とロータ
５２とは非接触でコイル５３は該駆動機構のケース５４
に固着されている。

ロボット要素駆動軸５９に一体的に取り付けたスプライ
ン軸５８にスプライン嵌合され、軸方向に摺動自在のア
ーマチュア５５は、コイル５３が励磁されるとロータ５
２側に引き寄せられ、前記摩擦板５６と５７が密着する
。また逆にコイル５３が励磁されていない状態では図示
せぬスプリングによってアーマチュア５５はコイル５３
とは反対の方向に移動され、摩擦板５６．５７が離れる
。

更に上記ロボット要素駆動軸５９には、同軸に大歯車６
０が刻設されており、該大歯車６０はケーシングに回転
自在に取り付けられた軸６１に同軸一体の小歯車６３と
噛み合い、更に軸６１に同軸一体の大歯車６４は、パル
スエンコーダＥ２の駆動軸６８に取り付けられた小山車
６６と噛み合っている。上記ロボット要素駆動軸５９に
は、前記第１図に示した平行リンクの一部が取り付けら
れ、該ロボット要素駆動軸５９の回転によって第１アー
ム３０４又は第２アーム３０５が駆動される。

上記パルスエンコーダＥ、が後記する駆動源モータＭ側
の位置を検出する為の第１の位置検出手段の構成要素で
あり、又パルスエンコーダＥ２がロボット要素の位置を
検出する為の第２の位置検出手段の構成要素である。

従ってモータＭが回転すると減速機４１の出力軸４２が
低速で回転し、クラッチ５１がＯＮ状態であると、出力
軸４２０回転がロボット要素駆動軸５９に直接伝達され
る。そしてロボット要素駆動軸５９０回転はギヤ６０，
６３，６４．６６を介してパルスエンコーダＥ２に伝達
される。モータ（駆動源）Ｍ側のパルスエンコーダＥ１
とロボット要素駆動軸５９側のパルスエンコーダＥ２の
出力パルス数を揃える為にギヤ列６０．６３，６４．６
６が挿入されている。即ち減速機４１の減速比が例えば
３００である場合、上記ギヤ列の増速比を３０とし、パ
ルスエンコーダＥ２の駆動軸６８の一回転光たりの発生
パルス数を１００パルスとすれば、パルスエンコーダＥ
２は１回転当たり１０００パルスを出力するようなもの
をもちいればよい。このような両パルスエンコーダの出
力パルス数を揃えることにより後の演算が容易となる。

但しパルス数を揃える為には分周器等を用いてもよい。

このような２カ所に取り付けた位置検出器Ｅ１及びＥ２
のそれぞれのパルス数を和算してモータＭの出力軸４２
の回転角度及びアーム等のロボット要素の回転角度に対
応したカウント数θ、及びθｄを得ることが出来る。定
速運転状態では減速１Ｍ４１等のねじれかないためこの
θ□とθ！は１対１に対応する。

次に本発明の第１の実施例に係る制御装置全体のブロッ
ク図を第３し１に示す。この制御装置は図に示すように
一般にはマイクロコンピュータのＣＰＵによって構成さ
れる演算装置２０４から出力される目標位置データθ、
の値と、アーム等のロボット要素１０７の位置を示すカ
ウンタ１０５の値、即ちθβとを位置制御装置１０２に
取り込み、ここで両者の差（θ□−θりに適当なゲイン
Ｋｌを乗じて位置指令ω。とじて出力し、該位置指令ω
□をＤ／Ａ変換器１０３でアナログ量に変換し、比較器
１１１及び増幅器２０１を経てモータＭを回転させ、該
モータの回転により減速器４１を介してロボット要素１
０７を回転させる通常の比例制御方式が採用されている
。カウンタ１０５を駆動する位置検出器Ｅ２（第２図参
照）は増分式（インクリメンタル型）パルスエンコーダ
が採用されており、この場合にはアームの回転角度の絶
対値を算出する為に積算器であるカウンタ１０５を併設
する必要があり、このようなインクリメンタル型パルス
エンコーダを用いた場合には位置検出器Ｅ２が第２の位
置検出器に該当する。

本発明に於いては上記のような従来の制御手段に加えて
モータ側にも前記したような第１の位置検出器Ｅ、を設
け、更に第１及び第２の位置検出器Ｅ、及びＥ２からの
パルス信号を積算し同時にその差の値をカウントする比
較手段の一種である差カウンタ１０６を設けている。こ
の場合第１の位置検出器Ｅｌ　もインクリメンタルパル
スエンコーダが用いられ、その出力はカウンタ１０４に
入力され、積算値として差カウンタ１０６に入力されて
いる。但し第１及び第２の位置検出器としてアブソルー
トタイプのパルスエンコーダを用いることも可能で、こ
の場合カウンタ１０５，１０４は省略されると共に、差
カウンタ１０６は両位置検出器からの出力値の差を単に
演算するものであればよい。第３図示の実施例の場合、
差カウンタ１０６はθ□とθ！との位置差情報（θ、−
θ。

）をＤ／Ａ変換器１０９．増幅器１０８．及びローカッ
トフィルタ１５２を経て比較器１１１ヘフイードバソク
する。

またカウンタ１０５からの信号は演算装置２０４にも伝
達されるように構成されており、教示時、演算装置２０
４はカウンタ１０５から入力されるロボット要素１０７
の位置情報を作業動作の順に記憶装置１１２へ格納する
。

前記ローカットフィルタ１５２は、クラッチ５１のスベ
リのように稀に生じる低周波数の変動成分を除去する為
のものである。尚このローカットフィルタ１５２の遮断
周波数は機械の固有振動数とのかかわりが強く機械振動
は十分に伝達しなければならない為、遮断周波数を機械
の固有振動数の半分以下の値に設定することが望ましい
。一般にロボットの固有振動数は１０Ｈｚ位であるので
、５Ｈ２以下の遮断周波数を有するローカットフィルタ
を用いればよい。

本発明の場合クラッチ５１のスベリやリセット時の誤差
が差カウンタ１０６の出力値（θ□−θりの中に含まれ
るが、この出力値がローカットフィルタ１５２を通過す
ることにより、クラッチ５１のスベリば滑った一瞬ロー
力ットフィルタ１５２を通過して誤差を生じるが、スベ
リが止まれば、その滑った量はフィルタを通過しないの
でその後は誤差にならない。

またリセット時の誤差は変化として現れないのでフィル
タを通過せず、ロボット要素の検出位置誤差に繋がらな
い。

再生制御に当たっては、記憶装置１１２がら順次取り出
される教示値が指令値θ１として演算装置２０４から位
置制御装置１０２に与えられ、ここでカウンタ１０５の
出力値θ！との差θ１−θＩに一定のゲインに１を乗し
たω。が算出されると共に、更にこのω□がＤ／Ａ変換
器１０３を通ってアナログ量に変換された後、比較器１
１１に与えられる。比較器１１１では、ω□−（θ、−
θり（増幅器１０８のゲインＫｆ＝１の場合）の演算が
行われ、結果的にθ１−θａ（θ□−θｌ）−θ１−θ
、の信号がモータＭに与えられることにより、θ！を位
置情報としているにもかがゎらず、見かけ上θ□を主フ
イードパンク量として制御していることになり、制御ル
ープの中から減速機等の伝達手段等による機械系統の振
動、ねじれ等を除外出来る。即ちダイレクト教示型ロボ
ットの制御特性がリモートティーチング型ロボットの制
御特性にまで改善されたことになる。又差情報θ、＋ｌ
−θｌに適当な値Ｋｆ　（Ｋｆ　＞１）を乗じてω。と
比較すれば加速度フィードバックの効果を生じて更に制
御性能を向上させることが出来る。

又θ□とθｌの関係は前記クラッチ５１がＯＦＦされて
いる状態、即ち教示動作が行われている状態では無縁で
あるから一致せず、再生時に再び接続した始点でもその
値は当初から異なったものとなる。これでは再生時にθ
□−θｌを正しく測定することが出来ない為クラッチ５
１を０ＮＬｋ時即ち再生開始時に差カウンタ１０６の値
をリセット（ゼロクリア）する必要がある。この差カウ
ンタ１０６をリセットすればθ□とθ、との差がＯにな
りその後に生じた差情報θ１−θ、の値が減速機４１等
のねじれや振動等の量を表す。

このリセット信号を発生するタイミングは再生開始時、
厳密には再生動作を開始する直前に行うことが望ましい
。これは加速している時点では減速機４１がねじれてθ
□とθ！がすでに一致していないからである。但しこの
ようなりセント操作は上記したような差カウンタ１０６
の値を完全にＯとするリセット操作のみでなく、教示終
了時に又は再生開始直前に発生している差カウンタ１０
６の値を初期差として記憶しておき、再生時に差カウン
タ１０６から構成される装置差情報から上記初期差を減
算したものを真の位置差情報として比較機１１１に入力
するようになしても同様のりセント効果が得られる。

第１及び第２の位置検出器としてアブソールトタイプの
エンコーダを使用した場合には、再生に先立ってこれら
の位置検出器の値も合致せる為に第２位置検出器の値を
第１位置検出器に転送する等のリセット信号を用いる。

増幅器１０８のゲインＫｆを増大させ減速機４１のねじ
れ量を余分にフィードバックすると、このねじれ量は加
速度に比例するものであることから周知の加速度フィー
ドバックの効果が加わることになり、前記のように制御
は一層安定する。

第４図は上記のような差情報θ□−θ！をフィードバッ
クせず、θＩのみをフィードバックした一般的ダイレク
ト教示型ロボットにおけるステップ応答であり、減速機
のねじれ等による振動が著しい。

これに対して第５図はＫｔ＝１として差情報θ１−θｌ
をフィードバックしたもので制御がかなり安定している
ことが理解される。また増幅器１０８のゲインに、を上
げて加速度フィードバックの効果を助長すると、制御は
第６図に示すように更に安定する。

本発明は以上述べた如くモータ、油圧シリンダ等の駆動
源により、減速機クラッチ機構等を介してロボットアー
ム等のロボット要素を駆動するダイレクト教示型工業用
ロボットの制御装置において前記駆動源の動きを検出す
る第１の位置検出器と、ロボット要素の位置を検出して
その位置情報を制御系の入力端ヘフィードバソクする第
２の位置検出手段と上記第１の位置検出器と第２の位置
検出器との出力値の差をめる比較手段と上記比較手段の
出力信号から低周波成分を除去して制御系へ伝達するロ
ーカットフィルタとを有してなることを特徴とするダイ
レクト教示型工業用ロボット制御装置であるから、主フ
ィードバツク量を負荷側（ロボット要素側）から取り出
し、負荷側と駆動源側との差をローカットフィルタで変
化分のみを検出して補償用としてフィードバックループ
を形成させることで、クラッチのスベリや減速機の変形
の影響を受けない正確な位置決めを行うことができ、同
時に減速機のねじれや振動物の影響を受けず制御特性を
安定化させることが可能となり、また負荷側と駆動源側
との差情報は加速度を表わすもので、これをフィードバ
ックすることにより一層安定した制御特性を得ることが
でき、クローズトループ制御方式とセミクローズトルー
プ制御方式の両者の長所を併せもつ制御装置の提供に成
功したものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の一般的溶接用のロボット全体の側面図
、第２図は本発明を適用することのできるロボットアー
ムの駆動機構の一例示す側断面図、第３図は本発明の一
実施例である制御装置における信号伝達系統を示すブロ
ック図、第４図乃至第６図は本発明の効果を示すステッ
プ応答のグラフである。 （符号の説明） ２０４・・・演算装置　１０２・・・位置制御装置１１
１・・・比較器　４１・・・減速機５１・・・クラッチ
　１０７・・・ロボット要素１０４．１０５・・・カウ
ンタ １５２・・・ローカットフィルタ Ｍ・・・モータ（駆動源）１０６・・・差カウンタ（比
較手段） Ｅ、、Ｅ２・・・パルスエンコーダ。 第４図 第６図 第５図 時間ｔ（ｓ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 モータ、油圧シリンダ等の駆動源により、減速機、クラ
   ッチ機構等を介してロボットアーム等のロボット要素を
   駆動するダイレクト教示型工業用ロボットの制御装置に
   おいて、 ■前記駆動源の動きを検出する第１の位置検出器と、 ■ロボット要素の位置を検出してその位置情報を制御系
   の入力側へフィードバックする第２の位置検出手段と、 ■上記第１の位置検出器と第２の位置検出器との出力値
   の差をめる比較手段と、 ■上記比較手段の出力信号から低周波成分を除去して制
   御系へ伝達するローカッｌ−フィルタ、とを有してなる
   ことを特徴とするダイレクト教示型工業用ロボットの制
   御装置。