JPH0839465A - 産業用ロボットの撓み補正方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 特にアームの先端に大きな荷重がかかるバリ
取り作業等に使用する産業用ロボットのアームの撓みを
補正する。 【構成】 産業用ロボットを制御する制御装置により指
令される工具の送り速度より工具先端に作用する加工中
の反力を算出する手段と（２２，２３）、この反力をデ
ジタル量で微分する手段と（２４）、この微分された反
力を平滑化する手段と（２５）、この平滑化された反力
の微分値と力センサーの検出値の和をアームの各関節に
作用する加工中の力に変換する手段と（３０）、この変
換されたアームの各関節に作用する加工中の力とアーム
の各関節に作用する重力の力よりアームの各関節の撓み
量を算出する手段と（３２）、を備え、この算出された
アームの各関節の撓み量より制御装置により指令される
工具先端の指令位置を補正する（３４）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、産業用ロボット（以下
「ロボット」と記す）を用いてバリ取り等の作業を行う
場合の、ロボットアームの撓み補正方法に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】一般に、複数の工作機械より構成された
生産ラインではバリ取り専用機を切削加工機の後ろに配
設したり、トランスファマシンでは切削ユニットの後に
バリ取りユニットを設けたりしている。これらの生産設
備のほとんどは少品種大量生産用のものであるため、こ
れに使用されるバリ取り専用機やバリ取りユニットも比
較的単純な機構の装置で対応できる。しかし、近年、生
産ラインのフレキシブル化の推進による多品種生産に対
応するため、ロボットにバリ取り工具を持たせてバリ取
り作業を行う方法が導入され始めている。

【０００３】ロボットにバリ取り作業を行わせる利点
は、プログラミング手段により多品種生産への対応が容
易なこと、工作機械と比較してロボット本体の大きさに
対する可動範囲が大きいため本体の設置面積が小さくて
済むこと、バリ取り専用機と比較して一般に安価である
こと等がある。しかし、一般にロボットは関節の駆動部
に使用される減速機（以下「減速機」と記す）の剛性が
低いので、バリ取り工具を被加工物に対して強い力で押
し付けると、反力によりロボットのアームの関節が撓ん
でしまい（以下、このロボットのアームの関節の撓みを
「アームの撓み」と記す）、またアーム先端に取り付け
られているバリ取り工具やこれを把持するチャックの重
量によっても同様にアームが撓んでしまう。このためバ
リ取り工具の位置決め精度が悪くなり、高精度が要求さ
れる加工では使用できず、精度が比較的ラフな使用に用
途が限定されていた。

【０００４】アームの剛性を上げるためには、アームの
機構を関節型ではなく直交座標型とすることが考えられ
るが、これでは可動範囲が小さくなり工作機械のバリ取
り専用機と大差がなくなる。また、高剛性の減速機の使
用はロボット本体の大型化とコストの上昇を招くことに
なる。

【０００５】そこで、アームの撓みを補正する方法とし
て、特開平４−２３３６０２号公報では、アームの先端
位置（工具先端位置）の指令値に対応するロボットの姿
勢からロボットの各軸にかかる関節トルクを求め、この
関節トルクより各軸の撓み量として撓み角を求め、この
各軸の撓み角より各軸に対する指令値の補正量を求める
方法が開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この方法は、
ロボットの姿勢から関節トルクを求めているため、アー
ムが静止している状態即ち静的状態における重力の影響
によるアームの撓みしか考慮されておらず、アームが動
いている状態や被加工物にアームを押し付けている状
態、即ち動的状態でのアームの撓みを考慮したものでは
ない。したがって、この方法は、アームの重量が軽く、
かつ、アームの移動速度が遅く、しかもアームの先端に
かかる荷重が小さい、例えばスポット溶接等の用途にお
いては有効であるが、バリ取り作業のように長時間アー
ムの先端に荷重がかかり、かつ、高精度が要求される作
業には適用できないという問題があった。

【０００７】本発明の目的は、特にアームの先端に大き
な荷重がかかるバリ取り作業等に使用する産業用ロボッ
トの位置決めを高精度に行わせることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】このため本発明は、アー
ムの先端に取り付けられた工具により被加工物に対して
所定の加工を行う多関節型の産業用ロボットのアームの
撓みを補正する方法において、まず、産業用ロボットを
制御する制御装置により指令される工具の送り速度より
工具先端に作用する加工中の反力を算出し、この算出さ
れた反力をデジタル量で微分し、このデジタル量で微分
された反力をフィルターにより平滑化する。次に、この
平滑化された反力の微分値と工具の近傍に設置された力
センサーの検出値の和をアームの各関節に作用する加工
中の力に変換し、この変換されたアームの各関節に作用
する加工中の力と前記アームの各関節に作用する重力の
力よりアームの各関節の撓み量を算出する。さらに、こ
の算出されたアームの各関節の撓み量より制御装置によ
り指令される工具先端の指令位置を補正することによ
り、上述した従来技術の課題を解決した。

【０００９】

【作用】本発明における産業用ロボットの撓み補正方法
によれば、ロボットの制御装置はアームの先端に取り付
けられた力センサーより検出された工具先端にかかる力
より動的状態でのアームの撓み量を算出し工具先端位置
を補正する。しかし、力センサーにより検出された工具
先端にかかる力のみからアームの撓み量を求め、この撓
み量を補正量とするようにすると、この補正量の算出に
要する演算のスキャンタイムの分だけ工具先端位置の補
正が遅れてしまう。

【００１０】図６（ａ）に示すグラフは切削中（加工
中）に工具先端に実際にかかる力Ｆと力センサーにより
検出された力Ｆｓの関係を示したものである。なお、図
６（ａ）乃至（ｄ）及び図７（ａ）乃至（ｂ）に示すグ
ラフの横軸は時間ｔ、縦軸は力ｆであり、ａ、ｂはそれ
ぞれ切削開始点、切削終了点を示す。図６（ａ）に示す
ように、補正量の算出に要する演算のスキャンタイムに
より、切削開始点ａの直後では力センサーにより検出さ
れた力Ｆｓは工具先端に実際にかかる力Ｆより遅れて立
ち上がり、また切削終了点ｂの直後でも力センサーによ
り検出された力Ｆｓは工具先端に実際にかかる力Ｆより
遅れて立ち下がる。このため、切削開始直後と切削終了
直後では正確なアームの撓み量が求められず、この結果
適切な補正が行われなくなる。

【００１１】そこで本発明は、制御装置より指令される
工具の送り速度から工具の送り方向とは逆向きに作用す
る切削反力Ｆｒと工具の回転軸回りに作用する切削トル
クＴｒを計算し、これらを工具先端の手首座標系に変換
し工具先端に作用する反力Ｆｔを求め、その微分値を平
滑化した値ΔＦｔ′を力センサーにより検出された力Ｆ
ｓに加えることにより、切削開始直後と切削終了直後に
おける力センサーの検出値を補償し、この補償された力
Ｆ′よりアームの撓み量を求め、適性な補正を行うもの
である。

【００１２】ここで、図６（ｂ）は制御装置より指令さ
れる工具の送り速度から算出される工具先端に作用する
反力Ｆｔを示し、図６（ｃ）はこの反力Ｆｔをデジタル
量で微分した値ΔＦｔを示し、図６（ｄ）はこの微分さ
れた反力ΔＦｔをフィルタリングすることにより平滑化
した値ΔＦｔ′を示し、このΔＦｔ′が力センサーの検
出値の補償値となる。また、図７（ａ）は前述の力セン
サーにより検出された力Ｆｓと微分された反力を平滑化
した値ΔＦｔ′を示し、図７（ｂ）はこれらを加算する
ことにより求められた力即ち補償された力Ｆ′を示す。

【００１３】この補償された力Ｆ′が前述の工具先端に
実際にかかる力Ｆと一致すればアームの撓み量が正確に
求められるわけであるが、数種の動作条件を想定した動
作試験を行った結果、平滑化するためのフィルタ−のパ
ラメータを適宜選択すれば、切削開始点ａと切削終了点
ｂにおける加工精度が向上された。このことから、制御
装置より指令される工具の送り速度から最終的に算出さ
れた反力の微分値ΔＦｔ′よりアームの撓み量を求める
ことは妥当であると判断できた。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。図１は、制御装置４により制御されるロボット
１のアームの先端に力センサー２を取り付けて、その先
にバリ取り工具（以下「工具」と記す）３を取り付け
て、被加工物５に対してバリ取りを行うシステムの概略
を示す。

【００１５】図２は制御装置の構成を示すブロック図で
ある。座標変換器１０はアーム１の先端に取りつけられ
た力センサー２により検出された工具３にかかる荷重に
比例した電圧信号を、手首座標系で示される反力Ｆｓに
変換する。工具反力計算部１２は位置制御部９から指令
された工具３の送り速度Ｓｒより、バリ取り作業時に工
具３の先端にかかる反力Ｆｔを計算し、微分器１１は工
具反力計算部１２で算出された反力Ｆｔをデジタル量で
微分した値ΔＦｔを算出した後これをフィルターにより
平滑化した値ΔＦｔ′を算出する。ここで、工具３の先
端にかかる反力Ｆｔとは、工具３の送り方向とは逆向き
に作用する切削反力Ｆｒと工具３の回転軸回りに作用す
る切削トルクＴｒを指す。

【００１６】補正量計算部８は、先に求められた力セン
サー２により検出された工具３にかかる力Ｆｓと工具３
の先端にかかる反力の微分値ΔＦｔ′を加算することに
より、アームの各関節にかかる力Ｆ′を算出し、これよ
り求めた各関節の撓み量から工具３の先端位置の補正量
を求める。ＣＰＵ６はメモリー７から読み取ったプログ
ラムデータと先に求められたバリ取り工具３の先端位置
の補正量からプログラムデータ中の工具先端位置座標を
補正し、これを位置制御部９へ伝達する。位置制御部９
は補正された工具先端位置座標で指令される位置へ工具
３の先端位置を移動するようにロボット１へ指令する。

【００１７】次に、図５に示すフローチャートを用い
て、本発明の実施例における工具先端位置の補正量の算
出方法について述べる。切削時に工具３の先端にかかる
力は図３に示すように、工具３の送り速度をＳｒとする
と、切削反力Ｆｒが工具３の送り方向とは逆方向に作用
し、さらに切削トルクＴｒが工具３の回転軸回りに作用
する（ステップ２２）。式（１）、式（２）はそれぞれ
切削反力Ｆｒと送り速度Ｓｒ、切削トルクＴｒと送り速
度Ｓｒの関係を示したものであり、ｆａ、ｆｂはそれぞ
れ送り速度Ｓｒから切削反力Ｆｒを求める関数、送り速
度Ｓｒから切削トルクＴｒを求める関数である。

【００１８】

【数１】

【００１９】

【数２】

【００２０】工具３の回転軸を３次元（Ｘ、Ｙ、Ｚ）の
直交座標系の任意の１軸とし、工具３の先端における座
標を工具３の回転軸と直交する残りの２軸の平面座標で
表せる手首座標系を設定すると、式（１）及び式（２）
は式（３）に示すように手首座標系での力Ｆｔに分解さ
れる（ステップ２３）。ここで、式（３）の右辺の行列
の第１列から第６列はそれぞれ手首座標系での力のＸ成
分（Ｆｒｘ）、力のＹ成分（Ｆｒｙ）、力のＺ成分（Ｆ
ｒｚ）、トルクのＸ成分（Ｔｒｘ）、トルクのＹ成分
（Ｔｒｙ）、トルクのＺ成分（Ｔｒｚ）を表している。

【００２１】

【数３】

【００２２】ここで定義した手首座標系では、工具３の
回転軸として指定された軸のトルクの成分は切削トルク
Ｔｒと等しくなり、さらに、この軸の力の成分とこの軸
以外のトルクの成分は０となる。例えば、工具３の回転
軸をＹ軸に設定すると、工具３の先端座標はＸ−Ｙ座標
で表され、このとき、トルクのＹ成分（Ｔｒｙ）は切削
トルクＴｒと等しくなり、さらに、力のＹ成分（Ｆｒ
ｙ）、トルクのＸ成分（Ｔｒｘ）及びトルクのＺ成分
（Ｔｒｚ）はともに０となる。

【００２３】次に、式（３）で示された手首座標系での
反力Ｆｔをデジタル量で微分し、フィルターを用いて平
滑化する。あるサンプリング時間ｔｎにおける反力をＦ
ｔ（ｔｎ）とし、このサンプリング時間ｔｎの１回前の
サンプリングにおける反力をＦｔ（ｔｎ−１）とする
と、この反力の微分値ΔＦｔは式（４）に示すようにな
る（ステップ２４）。

【００２４】

【数４】

【００２５】式（４）より求められた反力の微分値ΔＦ
ｔに対して、フィルターのレジスターＲの初期値０から
サンプリング周期毎に式（５）に示す計算を行う。ここ
で、Ｔｓはフィルターの時定数である。

【００２６】

【数５】

【００２７】式（５）により求められたレジスターＲを
用いると、フィルターで平滑化した後の微分値ΔＦｔ′
は式（６）に示すようになる（ステップ２５）。

【００２８】

【数６】

【００２９】図４はバリ取り作業中のアームの撓みを示
しており、実線１５は制御装置４より指令される指令位
置でのアームの状態であり、破線１６は工具３の先端に
力が加わったときのアームの状態である。ここで、δＨ
ｎは関節ｎ１７における撓み量としての撓み角である。

【００３０】力センサー２によりバリ取り作業中に工具
３の先端に加わる力を検出し、それを座標変換器１０で
手首座標系での力Ｆｓに変換すると式（７）に示すよう
になる（ステップ２６）。ここで、式（７）の右辺の行
列の第１列から第６列はそれぞれ手首座標系での力のＸ
成分（ｆｘ）、力のＹ成分（ｆｙ）、力のＺ成分（ｆ
ｚ）、トルクのＸ成分（ｍｘ）、トルクのＹ成分（ｍ
ｙ）、トルクのＺ成分（ｍｚ）を表している。

【００３１】

【数７】

【００３２】式（８）に示すように、式（７）で示され
た力センサー２により検出された力Ｆｓと、式（６）で
示された補償値としての工具３の先端にかかる反力の微
分値ΔＦｔ′を合計すると、補正量の算出に要するスキ
ャンタイムによる演算の遅れを補償した工具３の先端に
かかる力Ｆ′が求まる（ステップ２７）。

【００３３】

【数８】

【００３４】式（８）で求められた工具３の先端にかか
る力Ｆ′を基にこのときの各関節にかかる力を求める。
ヤコビ行列Ｊｎの転置行列Ｊｎ^T を用いると、任意の関
節ｎにかかる力Ｆｎは式（９）に示すようになる（ステ
ップ３０）。ここで、式（９）の右辺の行列の第１列か
ら第６列はそれぞれ手首座標系での力のＸ成分（ｆｎ
ｘ）、力のＹ成分（ｆｎｙ）、力のＺ成分（ｆｎｚ）、
トルクのＸ成分（ｍｎｘ）、トルクのＹ成分（ｍｎ
ｙ）、トルクのＺ成分（ｍｎｚ）を表している。また、
ヤコビ行列Ｊｎは６行６列で表される行列であり、その
成分はロボットの姿勢により変化するため、演算のスキ
ャンタイム毎に算出する必要がある。

【００３５】

【数９】

【００３６】式（９）は動的状態における任意の関節ｎ
にかかる力を示しているが、これとは別に静的状態即ち
重力により任意の関節ｎにかかる力Ｆｎｇも考慮しなけ
ればならず、これは式（１０）に示すようになる（ステ
ップ３１）。ここで、式（１０）の右辺の行列の第１列
から第６列はそれぞれ手首座標系での力のＸ成分（ｆｎ
ｇｘ）、力のＹ成分（ｆｎｇｙ）、力のＺ成分（ｆｎｇ
ｚ）、トルクのＸ成分（ｍｎｇｘ）、トルクのＹ成分
（ｍｎｇｙ）、トルクのＺ成分（ｍｎｇｚ）を表してい
る。

【００３７】

【数１０】

【００３８】結局、任意の関節ｎにかかる力は式（９）
で示された動的状態での力Ｆｎと式（１０）で示された
静的状態での力Ｆｎｇの和で表されることになる。これ
より求められる任意の関節ｎの撓み量としての撓み角δ
Ｈｎは、仮にこの関節がＸ軸回りの回転軸だとすれば式
（１１）で表され、関節がＹ軸回りの回転軸やＺ軸回り
の回転軸である場合も同様に求められる（ステップ３
２）。ここで、ｍｎｘ、ｍｎｇｘはそれぞれ動的状態に
おけるトルクのＸ成分、静的状態におけるトルクのＸ成
分であり、Ｋｎは関節ｎの減速機バネ定数である。

【００３９】

【数１１】

【００４０】式（１１）により求められた全ての関節の
撓み量より工具３の先端の補正量δＸを算出する（ステ
ップ３４）。工具先端位置を補正量δＸだけずらして指
令することにより、アームの撓み量を補正した位置に工
具３の先端を位置決めすることが可能となる。

【００４１】

【発明の効果】本発明によれば、アームの先端に取り付
けられた力センサーにより検出された工具先端に作用す
る力と、工具の送り速度から算出される工具先端に作用
する反力から、アームの撓み量を求め、アームの撓み量
を補正した工具先端位置をロボットへ指令することが可
能となったので、バリ取り等の大きな荷重がかかる作業
にロボットを使用する場合でも、減速機の剛性を特に高
めることなく高精度の位置決めを行わせることができる
ようになった。

【００４２】また、動作時のアームの撓み量を求めるよ
うにしたことにより、一般に行われているオフラインテ
ィーチングのプログラミング精度も向上されるので、オ
フラインティーチングされたプログラムを実際に実行す
る場合の位置決め精度も向上することになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例であるバリ取りを行うシステ
ムの概略を示す図である。

【図２】本発明の制御装置の構成を示すブロック図であ
る。

【図３】工具先端に作用する力を示す概念図である。

【図４】工具先端に力が作用した場合のアームの撓みを
示す概念図である。

【図５】本発明の工具先端位置の補正量の算出方法を示
すフローチャートである。

【図６】力センサーにより検出された力Ｆｓと、工具の
送り速度から算出される工具先端に作用する反力Ｆｔか
ら求められた微分値ΔＦｔ′を示すグラフである。

【図７】力センサーにより検出された力Ｆｓと微分値Δ
Ｆｔ′を加算することにより求められたスキャンタイム
による演算の遅れを補償した力Ｆ′を示すグラフであ
る。

【符号の説明】

１ 産業用ロボット ２ 力センサー ３ 工具 ４ 制御装置 ５ 被加工物

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】アームの先端に取り付けられた工具により
   被加工物に対して所定の加工を行う多関節型の産業用ロ
   ボットのアームの撓みを補正する方法において、前記産
   業用ロボットを制御する制御装置により指令される前記
   工具の送り速度より前記工具先端に作用する加工中の反
   力を算出する手段と、該算出された反力をデジタル量で
   微分する手段と、該デジタル量で微分された反力をフィ
   ルターにより平滑化する手段と、該平滑化された反力の
   微分値と前記工具の近傍に設置された力センサーの検出
   値の和をアームの各関節に作用する加工中の力に変換す
   る手段と、該変換されたアームの各関節に作用する加工
   中の力と前記アームの各関節に作用する重力の力より前
   記アームの各関節の撓み量を算出する手段と、を備え、
   該算出されたアームの各関節の撓み量より前記制御装置
   により指令される前記工具先端の指令位置を補正するこ
   とを特徴とする産業用ロボットの撓み補正方法。