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JP2018158418A - ロボットの負荷重心位置推定装置及びロボットの負荷重心位置推定方法 - Google Patents

ロボットの負荷重心位置推定装置及びロボットの負荷重心位置推定方法 Download PDF

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Abstract

【課題】水平4軸構成のロボットアームが扱う負荷について、重心位置を推定する。【解決手段】先端に質量mが既知のワーク11がある状態で、アームが第1初期位置から第1推定用位置に至るまでの第1動作期間に、第1軸,第2軸の定速領域につき角速度ω1,ω2を取得する(S1〜S5)。同第1動作期間に第4軸の静止トルクτu4及び定速トルクτc4を取得し(S6)、第1パラメータT1を演算する(S7)。アームを、第1初期位置について第4軸位置をθ4からθ4’に変化させた第2初期位置から第2推定用位置に至るまでの第2動作期間に、第1軸,第2軸の定速領域につき角速度ω1’,ω2’を取得する(S8〜S11)。同第2動作期間に第4軸の静止トルクτu4’及び定速トルクτc4’を取得し(S12)第2パラメータT2を演算すると(S14)、パラメータT1,T2に基づきワーク11の重心位置xcog,ycogを算出する(S15〜S17)。【選択図】図1

Description

本発明は、水平4軸構成のロボットアームの先端に負荷がある状態で、前記負荷の重心位置を推定する装置及び方法に関する。
従来より、垂直6軸型のロボットアームが負荷であるワークを把持した状態で、そのワークの重心位置を推定する技術については、例えば特許文献1等に開示されている。
特許第5327722号公報
垂直6軸型のロボットアームでは、第5軸の動作によってワークに対し重力を作用させる状態を変化させることができるので、ワークの重心位置を推定することは可能である。特許文献1等に開示されている技術はそのような構成を前提としているため、水平4軸構成のように、ワークに対して重力を作用させる状態を変化させることができないロボットアームに対しては前記技術を適用することができない。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、水平4軸構成のロボットアームが扱う負荷についても、重心位置を推定できるロボットの負荷重心位置推定装置及びロボットの負荷重心位置推定方法を提供することにある。
請求項1記載のロボットの負荷重心位置推定装置によれば、第1速度取得部は、先端に質量mが既知の負荷がある状態で、水平4軸構成のロボットアームを第1初期位置から、第1軸及び/又は第2軸を動作させて第1推定用位置に至るまでの第1動作期間における、第1軸及び/又は第2軸が定速となる領域について速度を取得する。第1トルク取得部は、第1動作期間における第4軸の静止トルク及び定速トルクを取得する。
ここで、静止トルクとは、第1軸及び/又は第2軸を第1動作期間で動作させる前の状態を維持するために第4軸に掛けられるトルクである。また、定速トルクとは、第1軸及び/又は第2軸が第1動作期間で動作している際に、第4軸を静止状態と同じように維持するために第1軸及び/又は第2軸への抗力として発生させるトルクである。
第1パラメータ演算部は、第4軸から負荷までの重心距離をl,第4軸位置をθ,前記θを基準とする負荷の重心方向をθとすると、前記速度並びに前記静止トルク及び定速トルクに基づいて第1パラメータT=lsin(θ+θ)を演算する。
第2速度取得部は、ロボットアームを、第1初期位置について第4軸位置をθ’に変化させた第2初期位置から第1軸及び/又は第2軸を動作させて第2推定用位置に至るまでの第2動作期間における、第1軸及び/又は第2軸が定速となる領域について速度を取得する。第2推定用位置は、第1推定用位置から第4軸位置のみを上記のように変化させたものとなる。
第2トルク取得部は、第2動作期間における第4軸の静止トルク及び定速トルクを取得する。第2パラメータ演算部は、前記速度並びに前記静止トルク及び定速トルクに基づいて第2パラメータT=lsin(θ’+θ)を演算する。そして、重心位置算出部は、第1パラメータT,第2パラメータTに基づいて、負荷の重心位置xcog,ycogを算出する。
すなわち、異なる第4軸位置について、負荷を水平方向に同じように移動させて第4軸に加えるトルクに基づいて、2つのパラメータT,Tを得る。そして、これらのパラメータT,Tより、重心位置xcog,ycogを以下の式で求めることができる。
cog=lcosθ
cog=lsinθ
したがって、水平4軸構成のアームを備えるロボットについても、負荷の水平面内重心位置xcog,ycogを推定できる。
請求項2記載のロボットの負荷重心位置推定装置によれば、第1及び第2速度取得部は、それぞれ第1軸及び第2軸を動作させるので、負荷により大きな遠心力,つまりトルクを作用させることができる。したがって、重心位置をより高い精度で推定できる。
請求項3記載のロボットの負荷重心位置推定装置によれば、第1及びパラメータ演算部は、前記θ,θ’の一方を0°とし、他方を90°に設定する。これにより、2つのパラメータT,Tより重心位置xcog,ycogを直ちに求めることができ、演算処理が簡単になる。
請求項4記載のロボットの負荷重心位置推定装置によれば、第1及び第2速度取得部は第3軸を上端位置に固定して動作させる。これにより、アームを第1,第2推定用位置に動作させる際に、3軸の動きにより負荷に発生させる振動を抑制できるので、重心位置をより高い精度で推定できる。
一実施形態であり、重心位置推定処理の内容を示すフローチャート アームを第1初期位置から第1推定用位置に移動させる状態を、4軸アームモデルで示す図 第1軸及び第2軸の速度波形を示す図 第4軸のトルク波形を示す図 第4軸トルクの値に静止摩擦力の影響が及ぶことを説明する図 静止摩擦力の影響を含んだ状態で得られる第4軸トルクの一例を示す図 静止摩擦力の影響を排除して得られる第4軸トルクの一例を示す図 アームを第2初期位置から第2推定用位置に移動させる状態を、4軸アームモデルで示す図 産業用ロボットのシステム構成を示す図 4軸アームのモデルを示す図 定速領域における第4軸のモータトルクτM4を示す図
以下、一実施形態について図面を参照して説明する。図9は、一般的な産業用ロボットのシステム構成を示している。ロボットシステム1は、ロボット2と、ロボット2を制御するコントローラ3と、コントローラ3に接続されたティーチングペンダント4とから構成されている。コントローラ3は制御装置,負荷重心位置推定装置に相当する。
ロボット2は、例えば4軸の水平多関節型ロボットとして構成されている。ロボット2は、設置面に固定されるベース5と、ベース5上に垂直軸であるZ軸方向の軸心を持つ第1軸J1を中心に回転可能に連結された第1アーム6と、第1アーム6の先端部上にZ軸方向の軸心を持つ第2軸J2を中心に回転可能に連結された第2アーム7と、第2アーム7の先端部に上下動可能で且つ回転可能に設けられたシャフト8とから構成されている。シャフト8を上下動させる際の軸が第3軸J3であり、回転させる際の軸が第4軸J4である。シャフト8の下端部には、フランジ9が位置決めされて着脱可能に取り付けられる。
ベース5、第1アーム6、第2アーム7、シャフト8およびフランジ9は、ロボット2のアームとして機能する。アーム先端であるフランジ9には、ツールとして例えばエアチャック10が取り付けられている。図9ではエアチャック10により、負荷に相当するワーク11を吸着した状態を示している。ロボット2に設けられる複数の軸J1〜J4は、それぞれに対応して設けられる図示しないモータにより駆動される。各モータの近傍には、それぞれの回転軸の回転角度,回転位置を検出するための図示しない位置検出器が設けられている。
一般に、産業用のロボットは、予めティーチングなどを実施することにより作成される所定の動作プログラムに従って動作する。コントローラ3は、その動作プログラムに基づいてモータの駆動をフィードバック制御し、ロボット2のアームの動作制御を行う。
ティーチングペンダント4は、例えば使用者が携帯あるいは手に所持して操作可能な程度の大きさで、例えば薄型の略矩形箱状に形成されている。ティーチングペンダント4には、各種のキースイッチが設けられており、使用者は、それらキースイッチにより種々の入力操作を行う。ティーチングペンダント4は、ケーブルを経由してコントローラ3に接続され、通信インターフェイスを経由してコントローラ3との間で高速のデータ転送を実行するようになっており、キースイッチの操作により入力された操作信号等の情報はティーチングペンダント4からコントローラ3へ送信される。
次に、ツールを含むワーク11の重心位置を推定する原理について説明する。図10は、ロボット2の4軸アームモデルを示す。本実施形態では、アームの第1軸及び第2軸を動作させた際に、第4軸に作用する遠心トルクに基づいて重心位置を推定する。ツールを含むワーク11の質量mは既知であるとする。第4軸を固定して第1軸及び第2軸を動作させた際に、第4軸に作用する遠心力Fは、(1)式となる。
F=m{(2ω+ω)ω+ω (L+L)} …(1)
ω:第1軸角速度 ,L:第1アーム6のリンク長
ω:第2軸角速度 ,L:第2アーム7のリンク長
この時、第4軸に作用する遠心トルクτf4は、(2)式となる。
τf4=Flsin(θ+θ+θ) …(2)
θ:第2軸角度 ,θ:第4軸角度L
θ:(ツール+ワーク)の重心方向,l:(ツール+ワーク)の重心距離
ロボット2が動作した際に、モータに加わるトルクτは、(3)式となる。
τ=(τ+τ+τ+Frc)/Gear
+(Mdω/dt+Mvisω)Gear+MFrc …(3)
τ:イナーシャトルク M:モータのイナーシャ
τ:遠心トルク Mvis:モータの粘性 Gear:ギア比
τ:重力トルク MFrc:モータの摩擦 ω:モータの角速度
Frc:摩擦トルク dω/dt:モータの角加速度
各軸の加速度=0であれば、イナーシャトルクτ=0となる。したがって、図11に示す定速領域における第4軸のモータトルクτM4は、(4)式となる。
τM4=τf4/Gear=Flsin(θ+θ+θ)/Gear …(4)
ここで、θ=0となるようにして第4軸のモータトルクτM4を取得すれば、
sin(θ+θ)=τf4Gear/F …(5)
となる。
求めようとするワーク11の重心位置xcog,ycogは、
cog=lcosθ
cog=lsinθ …(6)
である。したがって、第4軸角度θを変化させた2回のアーム動作により第4軸のモータトルクτM4を取得し、重心距離l,重心方向θを決定すれば、重心位置xcog,ycogを求めることができる。
次に、以上の原理に基づく本実施形態の作用について図1から図8を参照して説明する。図1は、コントローラ3により実行される重心位置推定処理の内容を示すフローチャートである。先ず、ロボット2のアームを第1初期位置に移動させる(S1)。第1初期位置は例えば、図2に示すように、
(J1,J2,J3,J4)=J(−40,−40,220,0)
とする。尚、J3=220は、第3軸を上端にまで移動させた状態に対応する。
次に、アームに第1推定用位置を取らせるための動作を開始する(S2)。第1推定用位置は、例えば
J(40,40,220,0)
とする。第4軸は、初期位置のままJ4=0とする。そして、アームが第1推定用位置に移動するまでの第1動作期間内に、第1軸及び第2軸の速度波形及び第4軸のトルク波形をサンプリングする(S3)。これらはそれぞれ、例えば図3,図4に示すような波形となる。
そして、取得した速度波形より定速となっている領域を探索し(S4)、当該領域における第1軸,第2軸の角速度ω,ωを取得する(S5)。ステップS5は第1速度取得部に相当する。また、第4軸のトルク波形より、静止トルクτu4,定速トルクτc4を取得する(S6)。ステップS6は第1トルク取得部に相当する。これらの演算パラメータを(5)式に代入し、lsin(θ+θ)を算出する(S7)。但し、遠心トルクτf4については、定速トルクτc4と静止トルクτu4との差として与える。
sin(θ+θ)=(τc4−τu4)Gear/F …(7)
図5に示すように、実際に第4軸トルクの値を取得すると、静止摩擦力の影響があることで動作毎に得られる値が異なる。したがって、(7)式のように動作前の静止トルク値との差分をとることで、静止摩擦力の影響を除去する。図6は、静止摩擦力の影響を含んだ状態で得られる第4軸トルクの一例を示し、図7は、静止摩擦力の影響を排除して得られる第4軸トルクの一例を示している。
次に、アームを、第2初期位置に移動させる(S8)。第2初期位置は、第1初期位置から第4軸位置のみをθからθ’に変化させた位置である。
J(−40,−40,220,90)
それから、アームに、第2推定用位置を取らせるための動作を開始する(S9)。図8に示すように、第2推定用位置も、第1推定用位置から第4軸位置のみをθ’に変化させた位置となる。
J(40,40,220,90)
以降のステップS10〜S13は、第2初期位置→第2推定用位置への移動について、ステップS3〜S6と同様の処理を行うものである。但し、ステップS11で得られる定速角速度はω’,ω’となり、ステップS12で得られるトルクは静止トルクτu4’,定速トルクτc4’となる。ステップS11は第2速度取得部に相当し、ステップS12は第2トルク取得部に相当する。また、第1動作期間に対応するものが第2動作期間となる。そして、取得された各演算パラメータを用いて(8)式によりlsin(θ’+θ)を算出する(S14)。
sin(θ’+θ)=(τc4’−τu4’)Gear
/[m{(2ω’+ω’)ω’L+ω(L+L)}] …(8)
ここで、本実施形態のようにθ=0°,θ’=90°であれば(S15;YES)、(7)式は
sin(θ+θ)=lsinθ=ycog …(9)
となり、(8)式は
sin(90°+θ)=lcosθ=xcog …(10)
となって、ワーク11の重心位置xcog,ycogが得られる(S17)。
一方、θ=0°,θ’=90°でなければ(S15;NO)、以下の(11)式,(12)式より重心位置xcog,ycogを得る(S16)。ここで、
=lsin(θ+θ
=lsin(θ’+θ
とすれば、
sinθ=(Tsinθ’−Tsinθ
/sin(θ’−θ) …(11)
cosθ=(Tcosθ’−Tcosθ
/sin(θ−θ’) …(12)
となる。ステップS15〜S17は、重心位置算出部に相当する。
尚、ワーク11の実際の重心位置と、本実施形態で得られた重心位置xcog,ycogとの間に誤差が含まれる場合は、誤差値に応じた補正係数を用いて補正すれば良い。
以上のように本実施形態によれば、コントローラ3は、先端に質量mが既知のワーク11がある状態で、水平4軸ロボット2のアームが第1初期位置から、第1軸及び第2軸を動作させて第1推定用位置に至るまでの第1動作期間における、第1軸,第2軸それぞれの定速領域について角速度ω,ωを取得する。また、第1動作期間における第4軸の静止トルクτu4及び定速トルクτc4を取得する。そして、これらの演算パラメータに基づいて第1パラメータTを演算する。
また、アームが、第1初期位置について第4軸位置をθからθ’に変化させた第2初期位置から第2推定用位置に至るまでの第2動作期間における、第1軸,第2軸それぞれの定速領域について角速度ω’,ω’を取得する。更に、第2動作期間における第4軸の静止トルクτu4’及び定速トルクτc4’を取得する。そして、これらの演算パラメータに基づいて第2パラメータTを演算すると、第1,第2パラメータT,Tに基づいて、ワーク11の重心位置xcog,ycogを算出する。
すなわち、異なる第4軸位置θ,θ’について、ワーク11を水平方向に同じように移動させて第4軸に加えるトルクに基づき2つのパラメータT,Tを得ることで、水平4軸構成のアームを備えるロボット2についても、ワーク11の水平面内重心位置xcog,ycogを推定できる。この場合、第1軸及び第2軸を共に動作させることで、ワーク11により大きな遠心力,トルクを作用させることができる。したがって、重心位置をより高い精度で推定できる。
また、第4軸位置θ,θ’の一方を0°とし、他方を90°に設定することで、2つのパラメータT,Tより重心位置xcog,ycogを直ちに求めることができ、演算処理が簡単になる。更に、第3軸を上端位置に固定して動作させるので、アームを第1,第2推定用位置に動作させる際に、第3軸によりワーク11に発生する振動を抑制でき、重心位置をより高い精度で推定できる。
本発明は上記した、又は図面に記載した実施形態にのみ限定されるものではなく、以下のような変形又は拡張が可能である。
初期位置及び推定用位置については、適宜変更して実施しても良い。
十分なトルクが得られれば、第1軸,第2軸の何れか一方のみを動作させても良い。
振動の影響が問題なければ、第3軸は必ずしも上端位置を取る必要は無い。
第2,第3ステップの実行順序を入れ替えても良いし、第6,第7ステップの実行順序を入れ替えても良い。
図面中、2はロボット、3はコントローラ、11はワークを示す。

Claims (8)

  1. 水平4軸構成のロボットアームの先端に質量mが既知の負荷がある状態で、前記ロボットアームを第1初期位置から、第1軸及び/又は第2軸を動作させて第1推定用位置に至るまでの第1動作期間における、第1軸及び/又は第2軸が定速となる領域について速度を取得する第1速度取得部と、
    前記第1軸及び/又は第2軸を前記第1動作期間で動作させる前の状態を維持するために第4軸に掛けられるトルクである静止トルク,及び前記第1軸及び/又は第2軸が前記第1動作期間で動作している際に、第4軸を静止状態と同じように維持するために前記第1軸及び/又は第2軸への抗力として発生させる定速トルクを取得する第1トルク取得部と、
    第4軸から前記負荷までの重心距離をl,第4軸位置をθ,前記θを基準とする前記負荷の重心方向をθとすると、前記速度並びに前記静止トルク及び定速トルクに基づいて第1パラメータT=lsin(θ+θ)を演算する第1パラメータ演算部と、
    前記ロボットアームを、前記第1初期位置について第4軸位置をθ’に変化させた第2初期位置から第1軸及び/又は第2軸を動作させて、第1軸から第3軸は第1推定用位置に等しい第2推定用位置に至るまでの第2動作期間における、第1軸及び/又は第2軸が定速となる領域について速度を取得する第2速度取得部と、
    前記第2動作期間における第4軸の静止トルク及び定速トルクを取得する第2トルク取得部と、
    前記速度並びに前記静止トルク及び定速トルクに基づいて第2パラメータT=lsin(θ’+θ)を演算する第2パラメータ演算部と、
    前記第1パラメータT及び前記第2パラメータTに基づいて、前記負荷の重心位置xcog,ycogを算出する重心位置算出部とを備えるロボットの負荷重心位置推定装置。
  2. 前記第1速度取得部及び前記第2速度取得部は、それぞれ第1軸及び第2軸を動作させる請求項1記載のロボットの負荷重心位置推定装置。
  3. 前記第1パラメータ演算部及び前記第2パラメータ演算部は、前記θ,θ’の一方を0°とし、他方を90°に設定する請求項1又は2記載のロボットの負荷重心位置推定装置。
  4. 前記第1速度取得部及び前記第2速度取得部は、第3軸を上端位置に固定して動作させる請求項1から3の何れか一項に記載のロボットの負荷重心位置推定装置。
  5. 水平4軸構成のロボットアームの先端に質量mが既知の負荷がある状態で、前記ロボットアームを第1初期位置から、第1軸及び/又は第2軸を動作させて第1推定用位置に移動させる第1ステップと、
    前記ロボットアームが前記第1初期位置から前記第1推定用位置に至るまでの第1動作期間における、第1軸及び/又は第2軸が定速となる領域について速度を取得する第2ステップと、
    前記第1軸及び/又は第2軸を前記第1動作期間で動作させる前の状態を維持するために第4軸に掛けられるトルクである静止トルク,及び前記第1軸及び/又は第2軸が前記第1動作期間で動作している際に第4軸を静止状態と同じように維持するため前記第1軸及び/又は第2軸への抗力として発生させる定速トルクを取得する第3ステップと、
    第4軸から前記負荷までの重心距離をl,第4軸位置をθ,前記θを基準とする前記負荷の重心方向をθとすると、前記速度並びに前記静止トルク及び定速トルクに基づいて第1パラメータT=lsin(θ+θ)を演算する第4ステップと、
    前記ロボットアームを、前記第1初期位置について第4軸位置をθ’に変化させた第2初期位置から第1軸及び/又は第2軸を動作させて、第1軸から第3軸は第1推定用位置に等しい第2推定用位置に移動させる第5ステップと、
    前記ロボットアームが前記第2初期位置から前記第2推定用位置に至るまでの第2動作期間における、第1軸及び/又は第2軸が定速となる領域について速度を取得する第6ステップと、
    前記第2動作期間における第4軸の静止トルク及び定速トルクを取得する第7ステップと、
    前記速度並びに前記静止トルク及び定速トルクに基づいて第2パラメータT=lsin(θ’+θ)を演算する第8ステップと、
    前記第1パラメータT及び前記第2パラメータTに基づいて、前記負荷の重心位置xcog,ycogを算出する第9ステップとからなるロボットの負荷重心位置推定方法。
  6. 前記第1及び前記第5ステップにおいて、それぞれ第1軸及び第2軸を動作させる請求項5記載のロボットの負荷重心位置推定方法。
  7. 前記第4及び前記第8ステップにおいて、前記θ,θ’の一方を0°とし、他方を90°に設定する請求項5又は6記載のロボットの負荷重心位置推定方法。
  8. 前記第1及び前記第5ステップにおいて、第3軸を上端位置に固定して動作させる請求項5から7の何れか一項に記載のロボットの負荷重心位置推定方法。
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