JP6697544B2

JP6697544B2 - 最適化装置及びそれを備えた垂直型多関節ロボット

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Publication number: JP6697544B2
Application number: JP2018510178A
Authority: JP
Inventors: 政利藤田
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Priority date: 2016-04-06
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Publication date: 2020-05-20
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Description

本発明は、最適化装置及びそれを備えた垂直型多関節ロボットに関する。

垂直型多関節ロボットは、自動車をはじめとした様々な生産技術分野において活用されている。一般に、垂直型多関節ロボットは、複数のロボットアームが関節を介して連結されると共に各関節に取り付けられたモータによって各ロボットアームを作動させることにより、ロボット先端のエンドエフェクタを所望の位置へ移動する（特許文献１）。

特開平６−１３１０３２号公報（図１０）

この種の垂直型多関節ロボットは、スカラロボットやパラレルリンクロボットなどと比べて剛性が低く、さらに動作姿勢ごとの機械的な特性の変化が大きいため、作業の高精度化を図るのが難しい。一般的に、実際に作業を行うロボット先端の振動は、動作速度の高速化に伴って大きくなる傾向が見られるが、その振動が大きくなりすぎると要求される作業精度を実現できないという問題もあった。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、垂直型多関節ロボットの作業の高精度化を図ることを主目的とする。

本発明の最適化装置は、
複数のロボット可動部が関節を介して連結されると共に各関節に取り付けられたモータにより各ロボット可動部を作動させることによりロボット先端を所望の位置へ移動させる垂直型の多関節ロボットの動作を最適化する装置であって、
前記ロボット先端の少なくとも移動元と移動先の座標を取得する座標取得手段と、
前記移動元及び前記移動先の座標に基づいて動作軌跡を設定する動作軌跡設定手段と、
前記ロボット先端の動作条件を設定する動作条件設定手段と、
前記動作軌跡と前記動作条件とに基づいて前記多関節ロボットの動作中の時間に対する前記ロボット先端の目標位置情報を導出し、前記動作軌跡の慣性値に応じた動特性モデルと前記多関節ロボットの動作制御とに基づいて前記目標位置情報から前記ロボット先端の振動を導出する振動導出手段と、
前記ロボット先端の振動が予め定められた許容範囲に収まるか否かの判定を行い、前記判定の結果が否定だったならば前記設定された動作条件の少なくとも一つを低い値に設定して前記ロボット先端の振動を導出して再び前記判定を行い、前記判定の結果が肯定だったならばそのときの前記動作条件を最適な動作条件に設定する動作条件設定手段と、
を備えたものである。

この最適化装置は、多関節ロボットの動特性モデルと動作制御とに基づいて各関節の目標位置情報からロボット先端の振動を導出し、その振動が予め定められた許容範囲に収まるか否かの判定を行う。この最適化装置は、判定の結果が否定だったならば、設定された動作条件の少なくとも一つを低い値に設定してロボット先端の振動を導出して再び判定を行い、判定の結果が肯定だったならば、そのときの動作条件を最適な動作条件に設定する。本発明では、作業精度に影響を与えるロボット先端の振動が許容範囲に収まるように動作条件を設定する。そのため、本発明によれば、垂直型多関節ロボットの作業の高精度化を図ることができる。

本発明の最適化装置において、前記動作軌跡設定手段は、前記動作軌跡を設定するにあたり、前記多関節ロボットの姿勢による慣性値が最小となるように動作軌跡を設定してもよい。従来、設計時には、垂直型多関節ロボットがあらゆる動作姿勢に対して最低限の性能が維持できるような条件にて、動作条件の設定を行っていた。そのため、高速動作が可能なロボット姿勢であっても最も条件の悪い姿勢を前提とした動作条件が設定されることがあった。これに対して、ここでは、多関節ロボットの姿勢による慣性値が最小となるように動作軌跡を設定する。そのため、慣性値が大きい場合に比べて、多関節ロボットの動作制限を超えない範囲でできるだけ動作条件を高速にすることができる。つまり、作業の高精度化だけでなく高速化も図ることができる。

本発明の最適化装置において、前記ロボット先端の目標位置情報として、前記ロボット先端に最も近い関節の目標位置情報を代用してもよい。こうすれば、多関節ロボットのロボット先端に位置検出センサが設けられていない場合であっても、本発明を適用することができる。

本発明の最適化装置において、前記動作条件は、移動速度及び加減速度としてもよい。作業速度は移動速度及び加減速度に依存するため、動作条件としてこれらを用いることが好ましい。

本発明の垂直型多関節ロボットは、上述した最適化装置を備えたものである。この垂直型多関節ロボットでは、上述した最適化装置によって最適な動作条件が設定されるため、作業の高精度化を図ることができる。

多関節ロボット１０の斜視図。コントローラ６０の電気的接続を表すブロック図。動作条件最適化処理ルーチンのフローチャート。全体の動特性モデルと動作中に実行される制御とを合わせた制御系の一例を示す説明図。

本発明の好適な実施形態を、図面を参照しながら以下に説明する。図１は本実施形態の垂直型の多関節ロボット１０の斜視図、図２はコントローラ６０の電気的接続を表すブロック図である。

垂直型の多関節ロボット１０は、６つのロボット可動部（ショルダ１４、下アーム１６、第１上アーム１８、第２上アーム２０、リスト２２及びコネクタ２４）と、コントローラ６０とを備えたものである。

６つのロボット可動部は、円柱型のベース１２の上に連結されている。具体的には、ベース１２の上面に、第１関節３１を介してショルダ１４が上下軸３１ａの周りに回転可能に連結されている。このショルダ１４には、第２関節３２を介して下アーム１６の下端部が水平軸３２ａの周りに回転可能に連結されている。下アーム１６の上端部には、第３関節３３を介して第１上アーム１８の基端部が水平軸３３ａの周りに回転可能に連結されている。第１上アーム１８の先端部には、第４関節３４を介して第２上アーム２０の基端部が第２上アーム２０の長手方向に延びる軸３４ａの周りに回転可能に連結されている。第２上アーム２０の先端部には、第５関節３５を介してリスト２２の基端部が第２上アーム２０の長手方向と直交する方向に延びる軸３５ａの周りに回転可能に連結されている。このリスト２２の先端部には、第６関節３６を介してコネクタ２４が軸３５ａと直交する方向に延びる軸３６ａの周りに回転可能に連結されている。コネクタ２４には、各種のエンドエフェクタ２６を着脱自在に取り付けることができる。第１関節３１は、ショルダ１４を回転駆動する第１モータ４１を内蔵し、第２関節３２は、下アーム１６を回転駆動する第２モータ４２を内蔵している。第３関節３３は、第１上アーム１８を回転駆動する第３モータ４３を内蔵し、第４関節３４は、第２上アーム２０を回転駆動する第４モータ４４を内蔵している。第５関節３５は、リスト２２を回転駆動する第５モータ４５を内蔵し、第６関節３６は、コネクタ２４を回転駆動する第６モータ４６を内蔵している。第１〜第６モータ４１〜４６は、それぞれ第１〜第６エンコーダ５１〜５６（図２参照）を備えている。本実施形態では、モータとしてサーボモータ、エンコーダとしてロータリーエンコーダを用いるものとする。

コントローラ６０は、多関節ロボット１０のロボット可動部の動作を制御する装置である。コントローラ６０は、図２に示すように、ＣＰＵ６１を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、処理プログラムを記憶するＲＯＭ６２、各種データを記憶するＨＤＤ６３、作業領域として用いられるＲＡＭ６４などを備えており、これらは図示しないバスで電気的に接続されている。ＣＰＵ６１には、第１〜第６駆動回路７１〜７６や第１〜第６位置検出回路８１〜８６，入力装置９０、出力装置９２が接続されている。第１〜第６駆動回路７１〜７６は、第１〜第６モータ４１〜４６のそれぞれに対応して設けられている。第１〜第６駆動回路７１〜７６は、ＣＰＵ６１からの指令信号に基づく電気信号を、それぞれに対応する第１〜第６モータ４１〜４６へ出力する。第１〜第６位置検出回路８１〜８６は、各ロボット可動部の位置を検出するためのものであり、第１〜第６エンコーダ５１〜５６のそれぞれに対応して設けられている。第１〜第６位置検出回路８１〜８６は、それぞれに対応する第１〜第６エンコーダ５１〜５６から入力した検出信号に基づいて第１〜第６モータ４１〜４６の角度位置を検出してＣＰＵ６１へ出力する。入力装置９０は、オペレータが入力操作を行うキーボードやマウスである。出力装置９２は、各種データを画像等の視覚的情報として表示するディスプレイである。

次に、本実施形態の多関節ロボット１０のコントローラ６０が実行する処理について説明する。ここでは、コントローラ６０によって実行される動作条件最適化処理ルーチンについて説明する。オペレータが入力装置９０を介して動作条件の最適化の実行を指示すると、コントローラ６０は動作条件最適化処理のプログラムをＲＯＭ６２から読み出してこれを実行する。図３は、動作条件最適化処理ルーチンのフローチャートである。

コントローラ６０のＣＰＵ６１は、まず、エンドエフェクタ２６の作業部位（例えば部品を把持する部位）の移動元、移動先及び中継通過点のそれぞれの座標と移動対象物体の質量を取得する（ステップＳ１１０）。移動対象物体とは、エンドエフェクタ２６の作業部位に把持されて移動元から移動先へ運ばれる物体のことをいう。移動元、移動先及び中継通過点のそれぞれの座標は、オペレータが入力装置９０を介して入力したデータをＣＰＵ６１が取得するようにしてもよいし、予めＨＤＤ６３などの記憶装置に記憶されたデータをＣＰＵ６１が読み出して取得するようにしてもよい。

続いて、ＣＰＵ６１は、動作軌跡を設定する（ステップＳ１２０）。具体的には、ＣＰＵ６１は、エンドエフェクタ２６の作業部位の移動元、移動先及び中継通過点のそれぞれの座標に基づいて、エンドエフェクタ２６の作業部位の動作軌跡を設定する。例えば、ＣＰＵ６１は、エンドエフェクタ２６の作業部位が移動元から中継通過点を通って移動先に至るまでの動作軌跡を、サンプリング時間（数ｍｓｅｃ）ごとのエンドエフェクタ２６の作業部位の位置座標として演算する。また、動作軌跡は、動作イナーシャ（慣性値）が最小となるように設定する。例えば、エンドエフェクタ２６の作業部位の移動元が、図１に示すように、下アーム１６が床面の法線方向から後方へわずかに傾き第１及び第２上アーム１８，２０が床面と平行な位置だとする。また、エンドエフェクタ２６の作業部位の移動先が、図１の状態から、第１及び第２上アーム１８，２０が床面と平行のまま、下アーム１６が床面の法線方向から前方へ大きく（例えば６０°）傾き、ショルダ１４が大きく（例えば右に１２０°）回転した位置だとする。この場合、動作軌跡の候補として、図１の状態から先にショルダ１４を旋回したあと下アーム１６を前方へ大きく傾ける軌跡Ａと、図１の状態から先に下アーム１６を前方へ大きく傾けたあとショルダを旋回する軌跡Ｂの２つがあるとする。動作イナーシャは、エンドエフェクタ２６が旋回するときの旋回軸からエンドエフェクタ２６までの距離が短い方が小さくなる。この距離は、軌跡Ａの方が短い。そのため、軌跡Ａが、動作イナーシャが最小となる動作軌跡として設定される。

続いて、ＣＰＵ６１は、動作条件を設定する（ステップＳ１３０）。ここでは、動作条件として、エンドエフェクタ２６の作業部位の移動速度及び加減速度を設定する。ＣＰＵ６１は、停止状態のエンドエフェクタ２６の作業部位が移動元から加速してある一定の速度に到達したあと移動先の手前までその速度を維持して移動し、その移動先の手前で減速して移動先で停止する、というパターンで移動することを前提として、エンドエフェクタ２６の動作制限を超えない範囲で最大の移動速度及び加減速度に自動設定する。なお、動作条件は、オペレータが入力装置９０を介して入力するようにしてもよい。

続いて、ＣＰＵ６１は、各関節の目標位置情報を導出する（ステップＳ１４０）。具体的には、ＣＰＵ６１は、動作軌跡や動作条件に基づいてインバースキネマティクスを解いて各関節の目標位置情報を導出する。インバースキネマティクスとは、エンドエフェクタ２６の作業部位の位置が決定されるとそれを実現するために各関節の位置情報を逆計算する周知の手法である。ここでは、各関節の目標位置情報として、サンプリング時間ごとの目標角度位置を導出する。

続いて、ＣＰＵ６１は、エンドエフェクタ２６の作業部位の振動を導出する（ステップＳ１５０）。具体的には、ＣＰＵ６１は、多関節ロボット１０の全体の動特性モデルと動作中に実行される制御とを合わせた制御系を用いて、エンドエフェクタ２６の作業部位の目標角度位置に基づいてその作業部位の振動を仮想的に導出する。全体の動特性モデルとしては、多関節ロボット１０の姿勢によって決まる慣性値が最小となる動作軌跡におけるモデルを用いる。動特性モデルは、慣性値のほか、エンドエフェクタ２６の作業部位が動作軌跡を移動するときの多関節ロボット１０の各関節３１〜３６の摩擦力や各ロボット可動部（ショルダ１４、下アーム１６、第１上アーム１８、第２上アーム２０、リスト２２及びコネクタ２４）の剛性や移動対象物体の質量を考慮したものを用いる。動特性モデルの詳細は、例えば書籍「モード解析入門」（長松昭男著、（株）コロナ社発行）などに記載されているように数学的に算出することができる。

全体の動特性モデルと動作中に実行される制御とを合わせた制御系の一例を図４に示す。図４の制御系は、一般的な位置フィードバック制御回路であり、位置制御を実行したときのエンドエフェクタ２６の作業部位の位置を導出するためのものである。この制御系では、位置指令ｒ（第６関節３６の目標角度位置）とエンコーダ位置ｘ（第６エンコーダ５６から得られる位置）との偏差がフィードバック制御の伝達特性Ｃを持つ第１のブロックＢ１に入力され、第１のブロックＢ１からトルク指令τが出力される。フィードバック制御の伝達特性Ｃは、図４中の式に示すようにＰＩＤ制御を用いた場合を例示したが、特にこれに限定されるものではなく、例えばＰＩ制御を用いてもよい。第１のブロックＢ１から出力されたトルク指令τは、動特性モデルの伝達特性Ｐを持つ第２のブロックＢ２に入力され、第２のブロックＢ２からエンコーダ位置ｘが出力される。動特性モデルの伝達特性Ｐは、図４中の式に示すように２次系伝達関数として表されるものを例示したが、特にこれに限定されるものではない。エンコーダ位置ｘは、エンドエフェクタ２６の作業部位に最も近い第６関節３６に取り付けられた第６エンコーダ５６の検出信号である。また、第１のブロックＢ１から出力されたトルク指令τは、動特性モデルの伝達特性Ｐ^*を持つ第３のブロックＢ３に入力され、第３のブロックＢ３からエンドエフェクタ２６の作業部位の位置ｘ^*が出力される。動特性モデルの伝達特性Ｐ^*は、図４中の式に示すように、伝達特性Ｐと同様、２次系伝達関数として表されるものを例示したが、特にこれに限定されるものではない。エンドエフェクタ２６はエンコーダ（センサ）を有していないため、位置フィードバック制御には、第６関節３６の目標角度位置と第６エンコーダ５６から得られるエンコーダ位置ｘとを代用した。この制御系で得られるエンドエフェクタ２６の作業部位の位置ｘ^*のサンプリング時間ごとの推移から、その作業部位の振動を導出することができる。例えば、横軸を時間、縦軸を位置ｘ^*を表すグラフを作成すれば、振動の振幅や周期等を導出することができる。

続いて、ＣＰＵ６１は、振動が許容範囲内に収まるか否かを判定する（ステップＳ１６０）。具体的には、ＣＰＵ６１は、振動の振幅が許容範囲に収まるか否かを判定する。許容範囲は、予め作業精度に応じて設定されているものである。振動の振幅が許容範囲内に収まらなかったならば、ＣＰＵ６１は動作条件を再設定し（ステップＳ１７０）、ステップＳ１４０以降の処理を繰り返す。ＣＰＵ６１は、動作条件を再設定するにあたり、速度及び加減速度の少なくとも一方を現在の設定値よりも低く再設定する。振動は、速度や加減速度に依存するからである。一方、振動の振幅が許容範囲内に収まったならば、ＣＰＵ６１は現在の動作条件を最適な動作条件として設定し（ステップＳ１８０）、本ルーチンを終了する。

ここで、本実施形態の構成要素と本発明の構成要素との対応関係を明らかにする。本実施形態のコントローラ６０が本発明の最適化装置に相当し、ショルダ１４、下アーム１６、第１上アーム１８、第２上アーム２０、リスト２２及びコネクタ２４がロボット可動部に相当し、第１〜第６関節３１〜３６が関節に相当し、第１〜第６モータ４１〜４６がモータに相当し、エンドエフェクタ２６の作業部位がロボット先端に相当する。また、コントローラ６０のＣＰＵ６１が、座標取得手段、動作軌跡設定手段、動作条件設定手段、振動導出手段及び動作条件設定手段に相当する。

以上説明した多関節ロボット１０のコントローラ６０によれば、作業精度に影響を与えるエンドエフェクタ２６の作業部位の振動が許容範囲に収まるように動作条件を設定するため、多関節ロボット１０の作業の高精度化を図ることができる。

また、従来、設計時には、多関節ロボット１０があらゆる動作姿勢に対して最低限の性能が維持できるような条件にて、動作条件の設定を行っていた。そのため、高速動作が可能なロボット姿勢であっても最も条件の悪い姿勢を前提とした動作条件が設定されることがあった。これに対して、ＣＰＵ６１は、多関節ロボット１０の姿勢による慣性値が最小となるように動作軌跡を設定する。そのため、慣性値が大きい場合に比べて、多関節ロボット１０の動作制限を超えない範囲でできるだけ動作条件を高速にすることができる。つまり、作業の高精度化だけでなく作業の高速化も図ることができる。

更に、ＣＰＵ６１は、エンドエフェクタ２６の作業部位の目標位置情報として、その作業部位に最も近い第６関節３６の第６エンコーダ５６の目標位置情報を代用して制御を行う。そのため、多関節ロボット１０のエンドエフェクタ２６の作業部位に位置検出センサが設けられていない場合であっても、本発明を適用することができる。

更にまた、エンドエフェクタ２６の作業部位の動作条件として、移動速度及び加減速度を採用している。作業速度は作業部位の移動速度及び加減速度に依存するため、動作条件としてこれらを用いることが好ましい。

そしてまた、多関節ロボット１０は、上述した動作条件最適化処理ルーチンを実行するコントローラ６０を備えたものである。この多関節ロボット１０では、コントローラ６０によって最適な動作条件が設定されるため、作業の高精度化、高速化を図ることができる。また、オペレータが入力装置９０を介して移動元・移動先の座標や振動の許容範囲を設定すれば、あとはコントローラ６０が自動的に最適な動作条件を設定してその動作条件で実際にエンドエフェクタ２６を用いた作業を実行するように各ロボット可動部を制御することができる。

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。

例えば、上述した実施形態では、動作イナーシャが最小となるような動作軌跡を設定したが、特に動作イナーシャを考慮せずに動作軌跡を設定してもよい。その場合、上述した実施形態に比べて作業速度は低下するものの、作業精度は高くすることができる。

上述した実施形態では、各関節の目標位置情報として、角度位置を用いることとしたが、角度位置のほかに角速度や角加速度を用いるようにしてもよい。角速度は、サンプリング時間ごとの角度位置がわかれば導出することができ、角加速度は、サンプリング時間ごとの角速度がわかれば導出することができる。

上述した実施形態では、エンドエフェクタ２６の作業部位の目標位置情報として、その作業部位に最も近い第６関節３６の目標位置情報を代用したが、エンドエフェクタ２６の作業部位が位置検出センサを有している場合には、エンドエフェクタ２６の作業部位の目標位置情報そのものを利用してフィードバック制御を行うようにしてもよい。

上述した実施形態のステップＳ１６０では、振動の振幅が許容範囲内に収まるか否かを判定したが、振動の振幅に代えて又は加えて、振動の周期が許容範囲内に収まるか否かを判定してもよい。

上述した実施形態では、移動対象物体の質量を取得して、その質量に応じた動特性モデルを用いることとしたが、移動対象物体の質量がエンドエフェクタ２６と比べて無視できるほど小さい場合には、移動対象物体の質量を考慮しなくてもよい。

上述した実施形態では、最適化装置としてのコントローラ６０を多関節ロボット１０に搭載した場合を例示したが、こうしたコントローラ６０をシミュレーション装置に搭載してもよい。その場合、コントローラ６０によって設定された最適な動作条件を採用した多関節ロボット１０の動作を、シミュレーション装置のディスプレイ上に動画で表示してもよい。このとき、多関節ロボット１０とその周りの装置類との干渉などをオペレータが確認してもよい。

上述した実施形態では、できるだけ作業速度が高速で振動が許容範囲内に収まる動作条件を最適な動作条件として設定したが、それに代えて、各関節３１〜３６の各モータ４１〜４６のトルクを導出し、導出されたトルクと各モータ４１〜４６が有する許容範囲とを比較し、できるだけ大きな値で許容範囲内に収まるトルクを発生する動作条件を最適な動作条件として設定してもよい。あるいは、振動とトルクの両方を考慮して最適な動作条件を設定してもよい。

本発明は、垂直型多関節ロボットに利用可能である。

１０多関節ロボット、１２ベース、１４ショルダ、１６下アーム、１８第１上アーム、２０第２上アーム、２２リスト、２４コネクタ、２６エンドエフェクタ、３１第１関節、３１ａ上下軸、３２第２関節、３２ａ水平軸、３３第３関節、３３ａ水平軸、３４第４関節、３４ａ軸、３５第５関節、３５ａ軸、３６第６関節、３６ａ軸、４１〜４６第１〜第６モータ、５１〜５６第１〜第６エンコーダ、６０コントローラ、６１ＣＰＵ、６２ＲＯＭ、６３ＨＤＤ、６４ＲＡＭ、７１〜７６第１〜第６駆動回路、８１〜８６第１〜第６位置検出回路、９０入力装置、９２出力装置、Ｂ１〜Ｂ３第１〜第３ブロック。

Claims

複数のロボット可動部が関節を介して連結されると共に各関節に取り付けられたモータにより各ロボット可動部を作動させることによりロボット先端を所望の位置へ移動させる垂直型の多関節ロボットの動作を最適化する装置であって、
前記ロボット先端の少なくとも移動元と移動先の座標を取得する座標取得手段と、
前記移動元及び前記移動先の座標に基づいて動作軌跡を設定する動作軌跡設定手段と、
前記ロボット先端の動作条件を設定する動作条件設定手段と、
前記動作軌跡と前記動作条件とに基づいて前記多関節ロボットの動作中の時間に対する前記ロボット先端の目標位置情報を導出し、前記動作軌跡の慣性値に応じた動特性モデルと前記多関節ロボットの動作制御とに基づいて前記目標位置情報から前記ロボット先端の振動を導出する振動導出手段と、
前記ロボット先端の振動が予め定められた許容範囲に収まるか否かの判定を行い、前記判定の結果が否定だったならば前記設定された動作条件の少なくとも一つを低い値に設定して前記ロボット先端の振動を導出して再び前記判定を行い、前記判定の結果が肯定だったならばそのときの前記動作条件を最適な動作条件に設定する動作条件設定手段と、
を備え、
前記ロボット先端の目標位置情報として、前記ロボット先端に最も近い関節のエンコーダ検出信号のみに基づく目標位置情報を使用する、
最適化装置。
前記動作軌跡設定手段は、前記動作軌跡を設定するにあたり、前記多関節ロボットの姿勢による慣性値が最小となるように動作軌跡を設定する、
請求項１に記載の最適化装置。
前記動作条件は、移動速度及び加減速度である、
請求項１又は２に記載の最適化装置。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の最適化装置を備えた垂直型多関節ロボット。