JPH0230041B2 - Kogyoyorobotsutonoseigyosochi - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は溶接、切断あるいは塗装などの作業を
指令信号に従つて行う工業用ロボツトに関するも
のであり、特に加工具の姿勢変更時における動作
を円滑に行うための制御装置に関するものであ
る。

一般に工業用ロボツトにおいては加工具と被加
工物とを相対的に例えば互いに直交する座標軸
Ｘ，Ｙ，Ｚの３軸に沿つて移動させるための座標
軸（以後これらの座標軸を主座標軸とよぶ）と、
この加工具を保持する手首部の姿勢を決定するた
めの副座標軸である姿勢制御軸、例えばＸ軸およ
びＹ軸に平行な面即ちXY平面内にて回転するΘ
軸、およびＺ軸に平行な面内にて回転するΨ軸
（以後Θ軸およびΨ軸を一括して主首軸とよぶ）
とを備えこれら各軸を教示された通りに移動させ
て三次元空間内に形成された加工線を忠実に再現
するように制御される。

第１図は、このように構成された工業用ロボツ
トの例を示す斜視図であり、同図において１はベ
ース、２はベース１上にＸ軸方向に横行自在に取
付けられたコラム、３はコラム２にＺ軸方向に昇
降自在に取付けられたアーム支持体、４はアーム
支持体３にＹ軸方向に前後動自在に支持されたア
ームであり、このアーム先端には加工具６例えば
アーク溶接用トーチを有する手首５が取付けら
れ、さらにこの手首５は加工具６をXY平面内に
てΘ軸廻りに、またＺ軸に平行な面内にてΨ軸廻
りに廻動して姿勢制御可能になつている。これら
のコラム２、アーム支持体３、アーム４はそれぞ
れ主座標軸としての直交軸を構成、電動機あるい
は油圧シリンダ等図示を省略した駆動手段により
それぞれ指令された位置まで駆動されて位置決め
される。さらにこれらロボツト本体は別途用意さ
れる被加工物７の取付治具８に対応して設置され
れる。被加工物取付治具は必要により図のＵ軸お
よびＶ軸廻りに回転可能に、またＷ軸方向に移動
可能に構成される。

この種の工業用ロボツトにおいて、曲線あるい
は折れ線状の加工線を加工する場合には、加工具
は常に被加工物の加工線に対して一定の姿勢に保
つことが要求される。いま説明を簡単にするため
に、第２図に示すようにXY平面内において、Ｂ
点で屈曲した加工線Ａ、Ｂ、Ｃが存在し、加工具
６もXY平面内において移動する場合について考
える。同図において、点Ａ−Ｂ間は直線であるか
ら加工具の姿勢は一定でよく、点Ｂにおいて屈曲
しているため手首軸をθだけ回転させてＢ−Ｃ間
においても加工線に対して加工具６がＡ−Ｂ間に
おけと同じ角度αとなるようにすることが必要と
なる。このとき手首の支持部即ち第１図のアーム
４の先端の位置を変えずに手首軸だけを角度θ回
転させると、その回転中心が加工具先端と離れて
いるために加工具先端は図中に点線で示すように
本来の指向位置とは大きく離れた位置となる。

従来このような屈曲する加工線を加工する場合
あるいは加工線に対する加工具の姿勢を変化させ
ても加工具先端の指向位置が変化しないようにす
るためには、加工線を記憶させる段階、即ちテイ
ーチング時において手首姿勢変更のために発生し
た加工具先端位置の変化を、手動指令によりＸ軸
およびＹ軸を移動させて、加工具先端が正常位置
に復帰したことを確認した後にテイーチング指令
を行い、手首軸およびＸ軸およびＹ軸の目標値を
記憶させておき、実行時において、この手首姿勢
の変更時におけるＸ，Ｙ各軸の必要な移動量を先
に記憶した各目標値からコンピユータにより計算
させながら行う方法が用いられていた。このよう
な方法によるときは、テイーチング作業が非常に
繁雑となるのみならず、実行時において手首軸の
廻動とこれによるアーム先端位置の補正動作とが
独立して行なわれることになる。このとき、手首
の廻動によつても加工具先端の位置が完全に不動
の状態を保つためには各軸の動特性を一致させる
ことが必要となる。ところで、主座標軸である
Ｘ，Ｙ，Ｚ各軸にはそれぞれ異なる重量の機構が
装着されておりかつ極座標系である手首回転のた
めのΘ、Ψ軸とは当然ループゲインおよび応答速
度が異なり、これらを正確に調整して動特性を一
致させることは相当な困難性を有する。しかも、
これら各軸の動特性は各軸の現在位置によつても
負担重量の変化や慣性モーメントが変化するため
に一定ではなく、これらを変動する動特性をすべ
ての位置において一致させることはほとんど不可
能に近い。

一方、テイーチング作動を容易にするための手
首軸の回転指令を分割し、この指令信号に応じて
加工具先端をもとの位置に保持するために、アー
ム先端の移動すべき量を演算し、この演算結果を
Ｘ，Ｙ，Ｚ各軸に対する位置指令信号に加算して
主座標軸の位置を補正しながら制御する方法、あ
るいは手首軸の回転角度を検出し、この検出値に
よつてＸ，Ｙ，Ｚ各座標軸の補正量を計算して制
御する方法が提案されている。しかるに、前者に
おいては、手首軸の回転指令信号により手首の廻
動と補正のための主座標軸の駆動とを独立して行
うことになるので、手首軸と主座標軸との間にた
とえ共通のクロツクパルスを供給して同期化を計
つたとしても、前述の例のように各軸の動特性の
差から各軸を正確に協働させることは困難であ
り、手首の廻動が先行したり、主座標軸の補正動
作が先行したりするので、正確に加工具先端の指
向位置を変化させずに、手首軸を回転させて姿勢
変更をすることはできない。一方、後者において
は手首軸の回転量を検出してからこの検出値に対
する主座標軸の補正量を演算し、この演算結果に
よつて主座標軸を移動させることになるので相当
量の動作遅れが避けられない。さらに、主座標軸
の位置の補正を正確に行うには、手首軸の回転角
の検出をできるだけ細かい間隔で行うことが必要
となるが、この補正量の演算には後述するように
三角函数を含むから、このような演算を細かい間
隔で行うときは大量の三角函数の演算を高速で行
うことが必要となり、一般に工業用ロボツトに用
いられるマイクロコンピユータ程度の能力では到
底実現不可能である。したがつて、演算能力の範
囲内に検出間隔が制約されることになり、遅れの
増加は避けられず、正確な補正動作は望めない。
これを防止するためには、速演算可能な大形コ
ンピユータを用いるか、あるいはθ，φの各値に
対する三角函数表を記憶しておき、これから必要
な数値を読み出して四則計算のみを行う方法が考
えられている。しかるに前者においてはロボツト
の一般的な動作のためにはマイクロコンピユータ
で充分であるにもかかわらず単に三角函数の演算
のみを目的として価な大形コンピユータを用意
することになり、非常に価で不経済な装置とな
る。一方、後者においては、函数表を記憶するた
めに記憶容量の多くの部分が占有されることにな
り、他の作業に支障を来たすことになる。

本発明は上記従来装置の欠点を改善したもので
あり、手首軸を廻動させることによつて加工具の
姿勢を変更するものにおいて、姿勢制御指令信号
を受けて姿勢制御軸即ち手首軸を駆動するととも
に姿勢制御指令信号を受けて姿勢変更により発生
する加工具先端の指向位置の変化量を予測しあら
かじめ算出する演算回路を設け、この演算結果を
順次記憶しておくとともに姿勢制御軸に対する指
令信号をパルス列に変換するパルス分配器の出力
信号により先に演算して記憶しておいた加工具先
端の指向位置の変化予測量を読み出し、この予測
値により主座標軸に対する位置指令信号を修正し
て主座標軸の位置を制御する構造として、手首軸
を廻動して加工具の姿勢を変化させる場合におい
て加工具先端の指向位置を全く変化させることな
く正確でかつ遅れのない位置制御を可能にしたも
のである。

第３図は、本発明を第１図に示したような主座
標軸としてＸ，Ｙ，Ｚの直交３軸および主首軸と
してΘ，Ψの回転２軸を有する工業用ロボツトに
適用するときの実施例を示す構成図である。同図
において、９は各軸に対する指令信号を発生する
制御器であり、９０１は各軸の移動を手動指令す
るためのテイーチング操作箱、９０２は自動運転
実行時に運転開始、停止などを指令する自動操作
箱である。１０は制御器９からの位置指令信号
ｘ，ｙ，ｚ，θ，φをパルス列x_c，y_c，z_c，θ_c，
φ_cに変換するパルス分配器、１１ａはＸ軸駆動制
御回路、１１ｂはＸ軸駆動電動機、１１ｃはＸ軸
位置検出用エンコーダであり、この１１ａないし
１１ｃはＸ軸位置決め用サーボ制御回路を構成し
ている。同様に１２ａ，１３ａ，１４ａ，１５ａ
はそれぞれＹ軸，Ｚ軸、Θ軸およびΨ軸の各駆動
制御回路、１２ｂ，１３ｂ，１４ｂ，１５ｂは各
軸駆動用電動機、１２ｃ，１３ｃ，１４ｃ，１５
ｃは各軸位置検出用エンコーダであり、１２ａな
いし１２ｃはＹ軸用、１３ａないし１３ｃはＺ軸
用、１４ａないし１４ｃはΘ軸用、１５ａないし
１５ｃはΨ軸用のそれぞれ位置決め用サーボ制御
回路を構成している。

１６は制御器９からのΘ、Ψ軸に対する位置指
令信号θ，φを受けてこれらを積算し、Θ、Ψ軸
の現在位置を算出するとともに、このときの直交
軸即ちＸ，Ｙ，Ｚ各軸の修正量を算出する演算回
路であり、１７は記憶回路であつて演算回路１６
の演算終了信号ｍを書込み指令として演算結果を
到来する順に記憶し、パルス分配器１０からの出
力パルスθ_c，φ_cによりパルス分配して出力するも
のである。この記憶回路１７は図中に示すように
例えばレジスタ１８および補間器１９にて構成さ
れる。このレジスタ１８は演算回路１６の演算終
了信号ｍを受けて演算回路１６の出力Δx、Δy、
Δzを記憶し、補間器１９の補間完了信号ｒによ
り読み出す。２０ないし２２はパルス分配器１０
の出力を補間器１９の出力にて修正して総合出力
を得る修正回路である。

第３図において、パルス分配器１０は制御器９
からの各軸に対する位置指令信号ｘ，ｙ，ｚ，
θ，φと速度指令信号ｓとを受け、この速度指令
ｓに対応したパルス間隔で各位置指令信号を指令
単位毎のパルス列に分配し、各軸はこの出力信号
を受けてサーボ制御回路により入力信号に対応し
て駆動される。

この位置決め結果は、それぞれに設けられたエ
ンコーダ１１ｃないし１５ｃによつて検出されそ
れぞれ軸の制御回路１１ａないし１５ａにフイー
ドバツクされて入力信号との間に偏差がなくなつ
た位置で停止する。手首軸に対する位置指令信号
θ，φはまた演算回路１６に入力され、演算回路
１６は後に詳述するようにこのθ、φ信号から
Ｘ、Ｙ、Ｚ各軸の修正量を演算し記憶回路１７に
出力する。記憶回路１７は前述のようにレジスタ
１８および補間器１９から成りレジスタ１８は演
算回路１６の演算終了によりこの演算結果を受け
て順次記憶する。一方、パルス分配器１０は制御
器９からの手首軸に対する指令信号θ，φを受け
てΘ軸およびΨ軸に対してパルス列θ_c，φ_cを出力
する。このパルス分配器１０からの出力パルス
θ_c，φ_cによつて補間器１９はレジスタ１８の内容
を記憶した順に読み出して記憶内容をパルス分配
して円弧補間あるいは直線補間によりＸ，Ｙ，Ｚ
各直交軸に対する修正量を順次出力する。この修
正量は、修正回路２０ないし２２にてパルス分配
器１０からの指令信号x_c，y_c，z_cと加算合成され
て主座標軸の駆動制御回路１１ａないし１３ａに
供給される。この結果、加工具の先端は手首軸Θ
およびΨ軸の位置変化にかかわらず常に同じ指向
位置に向うことになる。この補間器１９は原理上
円弧補間器を用いることが望ましいが近似的には
直線補間器でもよい。

ここで本発明の重要な部分を占める演算回路１
６および記憶回路１７について第４図とともに詳
細に説明する。

第４図は第１図の装置の加工具部分のみを取出
して座標軸との関係を示した説明図である。第４
図において、l₁は手首のΘ軸の回転中心から加工
具取付位置までの手首の長さを示し、l₂は加工具
の実効長さを示す。いま、手首取付位置が点Ｑに
あり、加工具先端が点P₀にあるときを考える。
点P₀の座標をP₀（x₀、y₀、z₀）とし、これから図
示の方向にΘ軸廻りにΘ，Ψ軸廻りにφだけ回転
したときの加工具の先端の位置をP₁（x₁，y₁，z₁）
とすると、このとき点P₀は点P₀から Δx₁＝l₁（cosθ−１）−l₂Sinφsinθ………(1) Δy₁＝l₁sinθ＋l₂sinφcosθ ………(2) Δz₁＝l₂（１−cosφ） ………(3) だけ移動することになる。したがつて手首軸の位
置が（θ、φ）のときは加工具の先端の位置は
P₀（x₁＋Δx₁、y₀＋Δy₁＋、z₀＋Δz₁）となる。こ
れをもとの位置P₀に保つには手首の取付部Ｑを
直交座標軸に沿つて（−Δx₁、−Δy₁、−Δz₁）だ
け移動させればよい。このようにして修正した状
態からさらに手首軸をΔθ、Δφだけ回転させる
と、このときの加工具先端の位置（Δx₂、Δy₂、
Δz₂）は上記(1)ないし(3)式のθを（θ＋Δθ）、φ
を（φ＋Δφ）とおくことによつて得られるが、
実際には手首の取付部はすでに（−Δx₁、−Δy₁、
−Δz₁）だけ修正されているから今回の補正すべ
き量は（Δx₂−Δx₁、Δy₂−Δy₁、Δz₂−Δz₁）で
ある。したがつて、演算回路１６はΘ軸およびΨ
軸の位置指令変更毎に上記(1)ないし(3)式の演算を
行うとともにこれを記憶し先に演算して記憶して
おいた以前のΔx，Δy、Δzの値から差引いて差の
主座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚの修正信号として記憶回路１
７に演算終了信号とともに出力するものであれば
よい。

ところで上記各演算は、工業用ロボツトに用い
られるマイクロコンピユータにおいては通常デイ
ジタル信号を入力とし、デイジタル信号にて出力
される方式によるのが便利である。そして上記(1)
ないし(3)式の演算において、演算結果をデイジタ
ル量にて出力する際には、演算毎に１単位量未満
の値は切捨てられるから、単にデイジタル化され
た演算結果の（Δx、Δy、Δz）と１指令前の演算
結果との差を修正量として採用すると演算の都度
端数が切捨てられて、これが順次累積されて大き
な誤差を生ずる可能性がある。これを防止するに
は、演算回路１６としてΘおよびΨ軸に対する第
ｎ番目の指令信号を受けたときに、各原点からの
角度に対する上記(1)ないし(3)式のΔx_o、Δy_o、
Δz_oを求める第１の演算器と、原点から第（ｎ−
１）番目までに各指令毎に算出した修正量Δx₁、 Δy′、Δz′の総和_o-1 〓ⁱ⁼¹ Δx′_i、_o-1 〓ⁱ⁼¹ Δy′_i、_o-1 〓ⁱ⁼¹ Δz を算出する加算器と、上記第１の演算器の演算結
果からこの加算器の加算結果を差し引き Δx′_o＝Δx_o−_o-1 〓ⁱ⁼¹ Δx′_i ………(4) Δy′_o＝Δy_o−_o-1 〓ⁱ⁼¹ Δx′_i ………(5) Δz′_o＝Δz_o−_o-1 〓ⁱ⁼¹ Δx′_i ………(6) を算出する第２演算器とから構成すればよい。演
算回路１６をこのように構成することによつてデ
イジタル化された値により演算を行う場合の上記
誤差は、ΘおよびΨ軸の各指令毎に随時補償され
る。この結果、誤差の発生は極めて少なくなり精
度を飛躍的に向上させることができる。

次に記憶回路１７の役割と動作について説明す
る。前述のように手首軸の廻動に対する主座標軸
の補正量の演算には三角函数を含む。このような
三角函数を含む演算の工業用ロボツトに多用され
るマイクロコンピユータの演算速度でも十分間に
合うようにするために設けられたのが記憶回路１
７である。即ち制御器９から出力される手首軸に
対する指令信号θ，φをパルス分配する前に、演
算回路１６に供給して修正量をあらかじめ算出す
ることによつて演算時間に余裕を持たせる。そし
てこの演算結果を直ちに主座標軸の指令パルスに
加算すると手首軸の動作よりも主座標軸の修正動
作が先行することにより不都合であるので、演算
回路１６と修正回路２０ないし２２との間に記憶
回路１７を設け、演算回路１６の出力を一旦記憶
し、この記憶値をパルス分配器１０から指令パル
スθ_cおよびφ_cが出力されたときに、このθ_c，φ_cか
らタイミングを得て補間法によりパルス分配して
修正回路２０ないし２２に出力してパルス分配器
１０からの出力信号x_c，y_c，z_cと合算する。この
ようにすることにより手首軸の廻動とこれに起因
する加工具先端の指向位置の変化を修正する動作
を完全に同期させることができる。

なお上記の説明においては説明を簡単にするた
めに加工具をＸ、Ｙ、Ｚの各直交３軸に沿つて位
置決めする工業用ロボツトについて説明したが、
これら主座標軸は２軸以下でもよく、また手首軸
もΘ軸あるいはΨ軸のいずれか一方のみを有する
ロボツトに対しても本発明の制御装置を適用する
ことができる。この場合前述の(1)ないし(6)式から
容易に理解できるように第１図の装置において直
交軸をＸ、Ｙ軸のみとした装置に対してはΘ軸の
み、Ｘ、Ｙ軸のみとした装置に対してはΨ軸のみ
に対して適用可能である。さらに加工具と被加工
物とは相対移動することによつて加工が行なわれ
るものであるからこれら主座標軸のうち任意の軸
を被加工物の位置を制御する軸としてもよいこと
はもちろんである。例えば第１図の装置において
Ｘ軸のかわりに被加工物取付治具のＷ軸の位置の
制御に本発明の装置を適用する。このようにする
ときは載荷重量および慣性モーメントともに最大
となり正確な位置決め制御が難しいＸ軸に微妙な
補正動作を行なわせる必要がなくなりまたＸ軸方
向の加工可能範囲がＸ軸およびＷ軸の調整範囲の
和となり機能の向上が計れるものである。

さらに本発明は、上記実施例に示したように主
座標軸が直交座標系にて構成される場合にのみ適
用されるものではなく、主座標軸が極座標系によ
り構成される場合および円柱座標系により構成さ
れる場合、あるいはこれら各座標系を部分的に混
合して用いる場合などあらゆる座標系により構成
される工業用ロボツトに対して適用し得ることは
容易に理解できるところである。これらの場合、
演算回路の演算内容および座標軸に対する指令信
号の種類などはそれぞれの座標系に応じたものと
することはもちろんである。

以上のように本発明の装置によるときは、手首
姿勢制御軸Θ、Ψに対する指令信号を受けて姿勢
変更のために生ずる主座標軸の位置修正量をあら
かじめ演算し、これを順次記憶するとともに、手
首軸の位置指令をパルス列に変換するパルス分配
器の出力パルスによつてこの記憶した修正量を補
間法によりパルス分配して主座標軸の位置指令値
を修正して各軸を駆動するようにしたので、手首
姿勢変更時も加工具先端の指向位置を所定の位置
にしたまま円滑に行うことができる。また修正量
の演算そのものは、姿勢指令信号発信時に行うの
で演算時間を比較的長くとることができ、また演
算結果を記憶回路に一時記憶し、これを順次読み
出して主座標軸の修正を行うようにしたので、演
算時間が比較的遅い安価なマイクロコンピユータ
を利用でき、しかも応答遅れによる誤差や不要な
修正動作がなく安定して正確に修正をすることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の対象となる工業用ロボツトの
外形を示す斜視図、第２図および第４図は加工具
が姿勢を変更するときの様子を示す説明図、第３
図は本発明の装置の実施例を示す構成図である。 ２……コラム、３……アーム支持体、４……ア
ーム、５……手首部、６……加工具、９……制御
器、１０……パルス分配器、１１ａ〜１５ａ……
各軸の駆動制御回路、１１ｂ〜１５ｂ……駆動電
動機、１１ｃ〜１５ｃ……エンコーダ、１６……
演算回路、１７……記憶回路、１８……レジス
タ、１９……補間器、２０〜２２……修正回路、
Ｘ，Ｙ，Ｚ……直交座標軸、Θ，Ψ……姿勢制御
軸。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 加工具と被加工物とを相対的に移動させるた
   めの座標軸と、加工具の姿勢を決定する姿勢制御
   軸とを有する工業用ロボツトにおいて、前記各軸
   の位置を指令する制御器と、前記制御器からの位
   置指令信号をパルス列に変換するパルス分配器
   と、パルス分配器の出力を受けて各軸を位置決め
   するサーボ制御回路と、前記位置指令信号のうち
   姿勢制御軸に対する指令信号を受けて姿勢変更時
   に発生する加工具先端指向位置の変化量を演算し
   前記座標軸の位置修正信号を算出する演算回路
   と、前記演算回路の出力を記憶し前記パルス分配
   器の出力に対応して読み出す記憶回路と、前記パ
   ルス分配器の出力信号のうち前記座標軸に対する
   指令信号を前記記憶回路の出力信号により修正し
   て前記サーボ制御回路に伝送する修正回路とを具
   備した工業用ロボツトの制御装置。 ２ 前記演算回路は、姿勢制御軸の姿勢変更指令
   信号を受けたときに各軸の原点からの回転角に応
   じて前記座標軸の位置修正信号を算出する第１の
   演算器と、前記第１の演算器の出力から姿勢制御
   軸の前記姿勢変更指令信号を受ける以前に算出し
   た前記座標軸の修正量の総和を差引く第２の演算
   器とからなる特許請求の範囲第１項に記載の工業
   用ロボツトの制御装置。