JPH10138187A - 多関節ロボットの負荷重量及び負荷重心位置の自動算出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 力センサを使用することなく多関節ロボット
のアーム先端の負荷の重量及び重心位置を自動的に算出
する方法を提供する。 【解決手段】 サーボモータ３によって駆動される複数
の駆動軸を備えた多関節ロボット１のアーム先端に位置
する負荷２の重量及び重心位置を算出する方法におい
て、教示装置10により教示された基準姿勢に基づいて動
作パターンプログラムが作成されるようにし、この動作
パターンプログラムに従ってアーム先端に所定の負荷２
を有した多関節ロボット１を動作させ、この動作中に各
駆動軸を駆動するサーボモータ２の駆動電流を予め設定
されたスキャンタイム毎に検出し、各駆動軸のそれぞれ
について、検出された駆動電流の平均値に基づいて算出
された各駆動軸にかかったトルクの平均値は各駆動軸に
かかるアンバランストルクと等価であるとすることによ
り、アンバランストルクに未知数として含まれる負荷の
重量及び重心位置を算出するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】サーボモータにより駆動し、
その姿勢を記憶、再生できる多関節ロボットにおいて、
アーム先端に取り付けられたツール等の負荷の重量及び
重心位置を算出する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】多関節ロボットの動作制御では、アーム
先端に位置する負荷の重量及び重心位置の影響を考慮す
る必要があることは広く知られている。具体的に言う
と、多関節ロボットの動作制御のうち、駆動軸に使用さ
れている減速機にかかるトルクを制御する加減速制御に
おいては、ロボット自身の質点情報とともにアーム先端
に位置する負荷の質点情報すなわち重量及び重心位置の
パラメータが必要不可欠である。例えば、溶接ロボット
の加減速制御においては、アーム先端に取り付けられた
溶接ガンの重量及び重心位置を予め設定しておく必要が
ある。また、ハンドリングロボットの加減速制御におい
ては、アーム先端に取り付けられた把持部材単独の重量
及び重心位置と、把持部材により被搬送物を把持した状
態におけるアーム先端の負荷全体の重量及び重心位置と
を予め設定しておき、被搬送物を把持しない状態におけ
る加減速制御においては前者の重量及び重心位置を考慮
し、一方、被搬送物を把持した状態における加減速制御
においては後者の重量及び重心位置を考慮し制御するよ
うにしている。

【０００３】さらに、グラインダがけやバリ取りのよう
な切削加工ロボットでは、加減速制御の他に力制御にお
いても、切削ツールが被加工物から受ける切削反力を算
出する際に、切削ツール自身の重量及び重心位置を基
に、切削ツール自身が受ける重力等の影響を算出しこれ
を排除するようにしている。このようにアーム先端に位
置する負荷の重量及び重心位置は、多くの多関節ロボッ
トの動作制御において重要な要素となっており、これを
正確に算出することは動作制御を高精度に行う上では必
須の条件となっている。

【０００４】ハンドリングロボットにおける負荷の重量
及び重心位置を算出する方法は、特開平３−５５１８９
号等に開示されている。特開平３−５５１８９号では、
ロボットのアーム先端に力センサを介して把持部材を取
り付け、その把持部材に被搬送物を持たせた状態で、予
め設定された手順に従ってロボットアームの姿勢をロボ
ット制御装置からの指令値によって種々変化させ、各姿
勢毎の姿勢データと力センサからの出力値とを測定し、
姿勢データを基に力センサ自身、把持部材、及び被搬送
物等のアーム先端の負荷の重量及びその重心位置を算出
するようにしている。

【０００５】また、切削加工ロボットにおける負荷とし
ての切削ツールの重量及び重心位置を算出する方法は、
特開平６−３１５８８２号等に開示されている。特開平
６−３１５８８２号においても前述の特開平３−５５１
８９号と同様に、ロボットアームに複数の姿勢をとら
せ、各姿勢での姿勢データと力センサからの出力値を基
にアーム先端の負荷すなわち切削ツールの重量及びその
重心位置を算出するようにしているが、力センサにおい
て検出される力データは、切削ツールが力作業を行って
いないとき即ち切削加工を行っていないときには切削ツ
ール自身の重量であり、被加工物に接触して力作業を行
っているとき即ち切削加工を行っているときには被加工
物から切削ツールに加わる力と切削ツール自身の重量と
が複合されたものである点が、ハンドリングロボットに
はない切削加工ロボット特有のものとなっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、これらの従来
技術はいずれも、負荷の重量及び重心位置の算出過程に
おいてアーム先端部に取り付けた力センサからの出力値
を必要としていた。切削加工ロボットにおいて行われる
力制御においては、切削加工時に切削ツールにかかる切
削反力を測定するために一般に力センサの取り付けは必
要不可欠なものとなっているが、ハンドリングロボット
や溶接ロボットにおいて行われる加減速制御において
は、負荷の重量及び重心位置の算出過程以外では一般に
力センサは必要ではない。負荷の重量及び重心位置の算
出時期は、ハンドリングロボットにおいては把持部材や
被搬送物が変更になったときのみでよく、使用形態にも
よるが一般にその頻度は少ない場合が多く、また溶接ロ
ボットにいたっては負荷である溶接ガンを交換すること
はほとんどないことを考慮すると初期導入時やメンテナ
ンス終了時のみでよいことになり、負荷の重量及び重心
位置の算出のみのために力センサ及びその周辺機器を設
置することはコストの面で問題があった。

【０００７】本発明は、上記の課題を解決するためにな
されたものであり、力センサを使用することなく多関節
ロボットのアーム先端の負荷の重量及び重心位置を自動
的に算出する方法を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、請求項１にかかる発明では、サーボモータによっ
て駆動される複数の駆動軸を備えた多関節ロボットのア
ーム先端に位置する負荷の重量及び重心位置を算出する
方法において、教示装置により基準姿勢を教示し、この
基準姿勢に基づいて動作パターンプログラムが作成され
るようにし、作成された動作パターンプログラムに従っ
てアーム先端に所定の負荷を有した多関節ロボットを動
作させ、この動作中に各駆動軸を駆動するサーボモータ
の駆動電流を予め設定されたスキャンタイム毎に検出
し、各駆動軸のそれぞれについて、検出された駆動電流
の平均値に基づいて動作パターンプログラムの実行中に
各駆動軸にかかったトルクの平均値を算出し、この各駆
動軸にかかったトルクの平均値は各駆動軸にかかるアン
バランストルクと等価であるとすることにより、アンバ
ランストルクに未知数として含まれる負荷の重量及び重
心位置を算出するようにしたことを特徴とする多関節ロ
ボットの負荷重量及び負荷重心位置の自動算出方法を提
供するようにした。

【０００９】上記の構成は以下に述べる理論に基づいて
いる。理論の根幹は、駆動軸に実際にかかるトルクすな
わちモータ駆動トルクはロボットの質点モデルから力学
的に求められるトルクすなわち負荷トルクと等価である
とするものである。すなわち、アーム先端に負荷を取り
付けた状態でロボットを動作させたときの各駆動軸モー
タに流れる駆動電流を測定し、この駆動電流よりモータ
駆動トルクを求める。一方、ロボットを質点モデルとし
て考えたとき、この質点モデルに負荷の重量及び重心位
置のパラメータを含ませるようにすれば、負荷トルクは
このロボットの質点モデルから力学的に求めることがで
きる。ここで、モータ駆動トルクと負荷トルクが等価で
あると仮定すれば、ロボットの質点モデルに未知数とし
て含まれている負荷の重量及び重心位置を計算により算
出することができる。

【００１０】さらに詳述すれば、モータ駆動トルクを算
出する際に必要となる駆動電流データは、駆動軸モータ
であるサーボモータとこれを制御するサーボアンプとの
間に電流検出器を介在させるなどすることにより容易に
得ることができる。しかし、負荷トルクを算出する際に
必要となる駆動軸の角度、角速度、及び角加速度の各デ
ータについて考えると、このうち角度データについては
駆動軸に付属の角度検出器により容易に得ることができ
るが、角速度データ及び角加速度データについては計算
処理により算出する必要があり、これを算出するように
すると計算処理が煩雑になり、ロボット制御装置に多大
の負担をかけることになるという問題が生ずる。

【００１１】そこで、計算処理を軽減するために、本発
明では、駆動軸を低速かつ一定速度にて動作させる分に
ついては、ロボットの質点モデルのうち、角速度データ
に起因する遠心力及びコリオリ力によるトルクの和は極
めて小さく、また角加速度データに起因するイナーシャ
によるトルクは無視してもよいことに着目し、動作パタ
ーンプログラムの実行においては駆動軸を低速かつ一定
速度にて動作させ、これによりロボットの質点モデルか
ら求められる負荷トルクについては角度データに起因す
るアンバランストルクのみを考慮することとした。さら
に、モータ駆動トルクを算出する際に必要となる電流デ
ータは、動作パターンプログラムの実行中にスキャンタ
イム毎に検出される電流値の平均値を使用し、また、負
荷トルク（アンバランストルク）を算出する際に必要と
なる角度データについては、動作パターンプログラムの
実行中に変化した軸角度の平均値を使用することとした
ので、負荷の重量及び重心位置の算出処理は動作パター
ンプログラムの実行後に１回だけ行えば済むことにな
る。

【００１２】なお、この計算処理においては負荷の重量
及び重心位置を未知数とする連立方程式を解くことにな
るが、これらの未知数を精度良く算出するために、好ま
しくは実行中に大きなアンバランストルクが駆動軸にか
かるように動作パターンプログラムが作成されるように
する。具体的には、負荷の動作において重力の影響を大
きく受けるような、すなわち負荷が上下に揺動するよう
な動作を行わせることにより、駆動軸に大きなアンバラ
ンストルクがかかるようにする必要があり、このために
はロボットの基準姿勢を良好な位置に選定する必要があ
る。

【００１３】請求項２にかかる発明では、請求項１にか
かる発明において、教示装置により教示された基準姿勢
を記憶装置に記憶させるようにした。前述のように、ロ
ボットの基準姿勢の選定に際しては、動作パターンプロ
グラムの実行中に大きなアンバランストルクが駆動軸に
かかるように注意しなければならないが、この選定作業
はロボット技術に精通した作業者であれば比較的容易で
あるが、ロボット技術に精通しない多くの作業者にとっ
ては容易なことではない。また、基準姿勢の設定に際し
ては、作業者が教示装置を逐一操作してロボットの各駆
動軸を位置決めさせる必要があり、溶接ロボットのよう
に負荷である溶接ガンの交換がほとんどないものについ
てはともかく、ハンドリングロボットのように負荷であ
る被搬送物が頻繁に変更されるものについては、負荷が
変更になる度毎にこの作業を行うのは大変煩雑となる。
そこで、教示装置により教示された基準姿勢のデータは
制御装置内の記憶装置に記憶するようにしておき、負荷
の重量及び重心位置の算出の際には記憶された基準姿勢
のデータが記憶装置より呼び出され、このデータに基づ
き動作パターンプログラムが作成されるようにした。

【００１４】請求項３にかかる発明では、請求項１また
は２にかかる発明において、基準姿勢を複数個教示し、
これにより動作パターンプログラムが複数個作成される
ようにした。負荷の重量及び重心位置算出する上記の計
算処理においては、その未知数は負荷の重量ｍ及び負荷
の重心位置即ち負荷の重心座標（ｘ，ｙ，ｚ）の計４つ
であり、これら４つの未知数を算出するためには連立方
程式は最低でも４元必要となる。駆動軸が４つ以上の場
合は１つの基準姿勢によって作成される１つの動作パタ
ーンプログラムを実行させるだけで４元以上の連立方程
式を作成することができるが、駆動軸が３つ以下の場合
は１つの動作パターンプログラムの実行のみでは４元以
上の連立方程式は作成できない。

【００１５】これに関連して、請求項３にかかる発明で
も前述の請求項１にかかる発明と同様に、ロボットの質
点モデルは角度データに起因するアンバランストルクの
みを考慮することとしているが、このアンバランストル
クは多関節ロボットを構成する全ての駆動軸に関与され
るわけではない。例えば、図３に示す６軸の垂直多関節
ロボットにおいては、上腕の揺動軸であるＶ軸、手首部
分の揺動軸であるＢ軸、及び負荷が接続されるアーム先
端のＲ１軸の合計３軸がアンバランストルクに大きく関
与することになるが、その他の駆動軸はアンバランスト
ルクにほとんど関与しない。したがって、この場合、１
回の動作パターンプログラムの実施により得られる連立
方程式の有効な元数は３つしかなく、最低必要となる４
つには足りないことになる。

【００１６】そこで、アンバランストルクの算出に有効
な駆動軸が３つ以下の場合においては、基準姿勢を複数
個教示し、各基準姿勢に対応して動作パターンプログラ
ムが複数個作成されるようにしこれを実行するように
し、これにより４元以上の連立方程式が作成されるよう
にした。また、有効な駆動軸が４つ以上の場合において
も、基準姿勢を複数個教示し、各基準姿勢に対応して動
作パターンプログラムが複数個作成されるようにしこれ
を実行するようにすれば、多くの元数を有する連立方程
式が作成されることとなり、これを解くことにより未知
数である負荷の重量及び負荷の重心位置を高精度に算出
することができるようになる。

【００１７】請求項４にかかる発明では、請求項１乃至
３のいずれかにかかる発明において、動作パターンプロ
グラムでは、重力に反して負荷を持ち上げる動作即ち上
昇動作と、この上昇動作と同一の経路を負荷を持ち下げ
る動作即ち下降動作とを行わせるようにした。一般に、
サーボ系より取り込まれるサーボモータの駆動電流に
は、減速機の効率及び摺動抵抗による誤差が含まれてい
る。そのため、負荷の重量及び重心位置を高精度に算出
することを考えた場合、駆動電流よりモータ駆動トルク
を算出する際は、減速機の効率及び摺動抵抗による誤差
を補償することが好ましいことになる。しかし、減速機
の効率及び摺動抵抗は駆動軸個々に固有な値であるとと
もにロボットの動作形態によっても異なる値をとる数値
であるので、これを一義的に設定することは一般に困難
である。

【００１８】そこで、重力に反して負荷を持ち上げる動
作即ち上昇動作と、この上昇動作と同一の経路を負荷を
持ち下げる動作即ち下降動作とでは、減速機の効率及び
摺動抵抗によるトルクのロスの値は正負が逆となるだけ
で絶対値は等しくなるということに着目し、モータ駆動
トルクと負荷トルクとの関係式において、上昇動作によ
り定義付けられる関係式と下降動作により定義付けられ
る関係式の２つを加え合わせることにより、減速機の効
率及び摺動抵抗によるトルクのロスを相殺した関係式を
導出するようにした。この導出された関係式を適用する
ことにより、減速機の効率及び摺動抵抗の誤差の影響を
受けることなく、負荷の重量及び重心位置を高精度に算
出することができるようになる。

【００１９】請求項５にかかる発明では、請求項１乃至
４のいずれかにかかる発明において、動作パターンプロ
グラムでは各駆動軸を個別に動作させるようにした。多
関節ロボットにおいて、１つの駆動軸の動作が他の駆動
軸にかかるトルクに影響を与えることはよく知られると
ころである。前述のように、本発明では、質点モデルに
おいてアンバランストルクのみを考慮するようにしてい
るために、動作パターンプログラムの実行中は駆動軸を
低速かつ一定速度にて動作させるようにしており、１つ
の駆動軸の動作が他の駆動軸のトルクに与える影響は通
常の動作に比してかなり少ないと言える。しかし、より
高精度に負荷の重量及び重心位置を算出するためには、
１つの駆動軸の動作が他の駆動軸のトルクに与える影響
を完全に排除することが好ましく、そのために動作パタ
ーンプログラムでは各駆動軸を個別に動作させるように
した。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態につい
て図面を参照して説明する。図２は本発明が適用される
多関節ロボットの制御装置の一例を示したものである。
教示装置としての軸操作装置１０は作業者がこれを使用
してロボット１を操作するためのティーチングデータを
教示する装置である。指令値生成装置５は、軸操作装置
１０を介して作業者が与えたティーチングデータや記憶
装置６に記憶されている動作プログラムを入力し、各駆
動軸を動作させるための指令値を作成し、これをサーボ
アンプ４へ出力する。また、ここで作成された指令値は
記憶装置６へ転送し一時的に記憶される。サーボアンプ
４は指令値生成装置５からの指令値を入力し、ロボット
１の各駆動軸毎に設けられた駆動軸モータであるサーボ
モータ３に対して電流指令を出力する。この電流指令に
よって各駆動軸が所定の角度に設定されることにより、
ロボット１のアーム先端の負荷２を位置決めすることが
できる。

【００２１】記憶装置６には、動作プログラムなどのプ
ログラムデータ、及び角度データやティーチングデータ
等の数値データが記憶される。プログラム作成装置７で
は、記憶装置６に記憶されているティーチングデータを
基に、各駆動軸にかかるトルクすなわちモータ駆動トル
クを算出するために必要な電流データを採取するための
動作パターンプログラムを自動的に作成し、これを記憶
装置６へ転送する。この動作パターンプログラムの自動
作成作業は、記憶装置６に予め入力されている動作パタ
ーンプログラムの自動作成プログラムにより自動的に行
われる。電流取り込み装置９では、サーボアンプ４とサ
ーボモータ３との間に設置された電流検出器９ａにおい
て検出された電流データ（駆動電流）を取り込み、これ
を重量・重心演算装置８へ転送する。重量・重心演算装
置８では、電流取り込み装置９から入力された電流デー
タに基づいて、負荷の重量及び重心位置を算出する。

【００２２】ここで、重量・重心演算装置８にて行われ
る負荷の重量及び重心位置の算出方法について、その根
幹となる理論も交えて説明する。電流検出器９ａにより
検出された任意の駆動軸ｊの駆動電流をＩ_j とすると、
このとき駆動軸ｊに実際にかかるトルクすなわちモータ
駆動トルクＴ_Rjは式（１）で表される。

【００２３】

【数１】

【００２４】式（１）において、Ｒ_j は駆動軸ｊの減速
比、Ｋｔ_j は駆動軸ｊのトルク定数であり、双方とも駆
動軸に固有な定数である。一方、ロボットの質点モデル
から力学的に求められるトルクすなわち負荷トルクＴ_Mj
は式（２）で表される。

【００２５】

【数２】

【００２６】式（２）において、ｍは負荷の重量、ｒ
（ｘ，ｙ，ｚ）は負荷の重心位置、θ_j は軸ｊの軸角
度、ω_j は軸ｊの角速度、α_j は軸ｊの角加速度、Ｊ
θ，_j は軸角度θ_j のとき軸ｊにおけるイナーシャを表
す関数（加速度項）、Ｐθ，_j は軸角度θ_j のとき軸ｊ
におけるアンバランストルクを表す関数（重力項）、Ｃ
θ，_j は軸角度θ_j のとき軸ｊにおける遠心力およびコ
リオリ力によるトルクの和を表す関数（速度項）をそれ
ぞれ示す。なお、負荷の重心位置（ｘ，ｙ，ｚ）は手首
座標系における座標であり、ロボットの姿勢によって変
化するものではない。

【００２７】本発明では、式（１）で表されるモータ駆
動トルクＴ_Rjと式（２）で表される負荷トルクＴ_Mjとは
理論的には等価であると考えることにした。すなわち式
（３）に示す方程式を解くことにより、未知数である負
荷の重量ｍ及び負荷の重心位置（ｘ，ｙ，ｚ）が算出さ
れることになる。

【００２８】

【数３】

【００２９】具体的には、式（３）においては未知数は
負荷の重量ｍ及び負荷の重心位置（ｘ，ｙ，ｚ）の４つ
であることを考慮し、ロボットの駆動軸を４つ以上設定
し、各駆動軸のそれぞれについて、基準姿勢から各駆動
軸を所定量動作させ、この動作の実行中に各駆動軸の駆
動電流Ｉ_j 、軸角度θ_j 、角速度ω_j 、及び角加速度α
_j の変数データを得、この変数データに基づいて式
（３）の連立方程式を解くことにより、負荷の重量ｍ及
び負荷の重心位置（ｘ，ｙ，ｚ）を算出すればよいこと
になる。

【００３０】しかし、上記の変数データのうち、各駆動
軸の電流データである電流値Ｉ_j と角度データである軸
角度θ_j はそれぞれ電流検出器及びエンコーダより容易
に得ることができるが、角速度ω_j （角速度データ）及
び角加速度α_j （角加速度データ）については、軸角度
θ_j や移動時間等のデータに基づいて計算処理により算
出する必要があり、計算処理が煩雑になる。そこで、本
発明では、駆動軸を低速かつ一定速度にて動作させる分
については、ロボットの質点モデルのうち、角速度ω_j
に起因する遠心力及びコリオリ力によるトルクの和Ｃ
θ，_j は極めて小さく、また角加速度データに起因する
イナーシャによるトルクＪθ，_j は無視してもよいこと
に着目し、動作パターンプログラムの実行においては駆
動軸を低速かつ一定速度にて動作させ、これによりロボ
ットの質点モデルは角度データに起因するアンバランス
トルクＰθ，_j のみを考慮することとし、これにより計
算処理が軽減されるようにした。すなわち、本発明で
は、式（４）に示す方程式を解くことにより、負荷の重
量ｍ及び負荷の重心位置（ｘ，ｙ，ｚ）を算出するよう
にした。

【００３１】また、動作の実行中に制御装置のスキャン
タイム毎に変数データを得、この度毎に式（３）に示す
連立方程式を解くようにすると、高速な演算装置を必要
とすることになり、費用が嵩むことになる。そこで、モ
ータ駆動トルクを算出する際に必要となる電流データ
は、動作パターンプログラムの実行中にスキャンタイム
毎に検出される電流値の平均値を使用し、また、負荷ト
ルクを算出する際に必要となる角度データについては、
動作パターンプログラムの実行中に変化した軸角度の平
均値を使用することとしたので、負荷の重量及び重心位
置の算出処理は動作パターンプログラムの実行後に１回
だけ行えば済むようにした。

【００３２】

【数４】

【００３３】具体的には、式（４）においては未知数は
式（３）と同様に負荷の重量ｍ及び負荷の重心位置
（ｘ，ｙ，ｚ）の４つであるので、動作パターンプログ
ラムでは、ロボットの駆動軸を４つ以上設定し、各駆動
軸のそれぞれについて、軸操作装置１０によりティーチ
ングデータとして与えた基準姿勢から各駆動軸を所定量
（所定角度α）動作させ、この動作の実行中にスキャン
タイム毎に各駆動軸の駆動電流Ｉ_j を得る。動作の終了
後に、検出された駆動電流Ｉ_j の積算値をスキャン回数
で割ることにより、動作の実行中に検出された駆動電流
Ｉ_j の平均値が得られ、この値より式（４）の左辺であ
るモータ駆動トルクＴ_Rjが求められる。一方、式（４）
の右辺であるアンバランストルクＰθ，_j は各駆動軸の
軸角度に起因しているが、ここでは基準姿勢における軸
角度に移動動作の所定量αの半分の値すなわちα／２を
加えた値を、動作の実行中の軸角度の平均値として設定
することとした。

【００３４】これにより得られた式（４）についての４
元以上の連立方程式を解くことにより、アンバランスト
ルクＰθ，_j に含まれる負荷の重量ｍ及び負荷の重心位
置（ｘ，ｙ，ｚ）を算出する。なお、所定角度αは動作
パターンプログラムにおいて予め固定値として設定して
おいてもよいし、パラメータの一つとして任意の設定値
が与えられるようにしておいてもよい。

【００３５】上述の計算処理の手順を図１に示すフロー
チャートにて説明する。まず、軸操作装置１０を操作し
て、ロボットの初期姿勢としてのロボットの基準姿勢を
教示する（ステップ１１）。教示の際は各駆動軸毎に軸
操作装置１０にある寸動ボタンを操作するなどして基準
姿勢として設定する姿勢をとらせる。この基準姿勢の設
定の際に注意すべきことは、動作パターンプログラムの
実行中に大きなアンバランストルクが駆動軸にかかるよ
うに基準姿勢を設定することである。

【００３６】すなわち、多関節ロボットは、その構造
上、各駆動軸の可動範囲は限定されているので、基準姿
勢によっては大きなアンバランストルクが駆動軸にかか
るような動作パターンプログラムが作成されないことが
ある。例えば、図３に示す本実施形態の多関節ロボット
の場合、図４に示すように負荷がロボット本体ベース付
近にくるように基準姿勢を設定するようにすると、Ｖ軸
を駆動させた際、大きなアンバランストルクは作用せ
ず、この結果負荷の重量及び重心位置は高精度に算出さ
れなくなる。したがって、基準姿勢の選定にはこの旨十
分注意をはらう必要がある。本実施形態の多関節ロボッ
トにおいては、図５に示す位置に基準姿勢を設定するよ
うにすれば、Ｖ軸、Ｂ軸、及びＲ１軸のいずれにも大き
なアンバランストルクが作用する動作パターンプログラ
ムが作成されることになる。

【００３７】次に、記憶装置６に予め記憶されている動
作パターンプログラムの自動作成プログラムにより、基
準姿勢のデータを基に動作パターンプログラムが自動的
に作成される（ステップ１２）。負荷の重量及び重心位
置の算出に際しては、ロボットを基準姿勢に対して所定
量移動させ、移動の間のサーボモータの駆動電流を電流
検出器により検出するわけであるから、動作パターンプ
ログラムの自動作成のために必要なデータとしては、ロ
ボットの基準姿勢、基準姿勢からの移動量、駆動軸の選
定、及び移動速度などである。このうちロボットの基準
姿勢についてはステップ１１により設定されるが、残り
のデータについてはパラメータとして予め与えておけば
よい。

【００３８】次に、ステップ１２において作成された動
作パターンプログラムに従って、ロボットを動作させる
（ステップ１３）。このステップにおいては既に負荷が
アーム先端に取り付けられていなければならないことは
当然であるが、負荷をアーム先端に取り付ける工程はこ
のステップの直前である必要はなく、ステップ１１を実
行する時点で既に負荷が取り付けられていてもよい。

【００３９】次に、ステップ１３の実行中における各駆
動軸のサーボモータの駆動電流を検出する（ステップ１
４）。駆動電流の検出はスキャンタイム毎に行い、検出
された駆動電流は電流取り込み装置９内に一時的に記憶
される。

【００４０】最後に、ステップ１４において検出された
各駆動軸のサーボモータの駆動電流に基づいて、式
（４）についての連立方程式を解くことにより負荷の重
量及び重心位置を算出する（ステップ１５）。ここで、
式（４）の右辺であるアンバランストルクＰθ，_j は各
駆動軸の軸角度に起因しているが、ここでは基準姿勢に
おける軸角度に動作の所定量αの半分の値をすなわちα
／２を加えた値を、動作の実行中の軸角度の平均値とし
て設定することとした。駆動軸が４つ以上選定されてい
れば、４元以上の連立方程式ができあがることとなり、
この連立方程式を解くことにより、アンバランストルク
Ｐθ，_j に含まれている負荷の重量及び重心位置が算出
されることとなる。

【００４１】ところで、ロボットの基準姿勢の選定に際
しては、動作パターンプログラムの実行中に大きなアン
バランストルクが駆動軸にかかるように注意しなければ
ならないが、この選定作業はロボット技術に精通した作
業者であれば比較的容易であるが、ロボット技術に精通
しない多くの作業者にとっては容易なことではない。ま
た、基準姿勢の設定に際しては、作業者が教示装置を逐
一操作してロボットの各駆動軸を位置決めさせる必要が
あり、溶接ロボットのように負荷である溶接ガンの交換
がほとんどないものについてはともかく、ハンドリング
ロボットのように負荷である被搬送物が頻繁に変更され
るものについては、負荷が変更になる度毎にこの作業を
行うのは大変煩雑となる。そこで、教示装置により教示
された基準姿勢のデータは制御装置内の記憶装置に記憶
するようにしておき、負荷の重量及び重心位置の算出の
際には記憶された基準姿勢のデータが記憶装置より呼び
出され、このデータに基づき動作パターンプログラムが
作成されるようにしてもよい。

【００４２】また、ロボットの質点モデルは角度データ
に起因するアンバランストルクのみを考慮することとし
ているが、このアンバランストルクは多関節ロボットを
構成する全ての駆動軸に関与されるわけではない。例え
ば、図３に示す６軸の垂直多関節ロボットにおいては、
上腕の揺動軸であるＶ軸、手首部分の揺動軸であるＢ
軸、及び負荷が接続されるアーム先端のＲ１軸の合計３
軸がアンバランストルクに大きく関与することになる
が、その他の駆動軸はアンバランストルクにほとんど関
与しない。したがって、この場合、１回の動作パターン
プログラムの実施により得られる連立方程式の有効な元
数は３つしかなく、最低必要となる４つには足りないこ
とになる。

【００４３】そこで、アンバランストルクの算出に有効
な駆動軸が３つ以下の場合においては、基準姿勢を複数
個教示し、各基準姿勢に対応して動作パターンプログラ
ムが複数個作成されるようにしこれを実行するように
し、これにより４元以上の連立方程式が作成されるよう
にすればよい。また、有効な駆動軸が４つ以上の場合に
おいても、基準姿勢を複数個教示し、各基準姿勢に対応
して動作パターンプログラムが複数個作成されるように
しこれを実行するようにすれば、多くの元数を有する連
立方程式が作成されることとなり、これを解くことによ
り未知数である負荷の重量及び負荷の重心位置を高精度
に算出することができるようになる。

【００４４】ところで、一般に、サーボ系より取り込ま
れるサーボモータの駆動電流には、減速機の効率及び摺
動抵抗による誤差が含まれている。そのため、負荷の重
量及び重心位置を高精度に算出することを考えると、駆
動電流よりモータ駆動トルクを算出する際は、減速機の
効率及び摺動抵抗による誤差を補償することが好ましい
ことになる。しかし、減速機の効率及び摺動抵抗は駆動
軸個々に固有な値であるとともにロボットの動作形態に
よっても異なる値をとる数値であるので、これを一義的
に設定することは一般に困難である。

【００４５】そこで、重力に反して負荷を持ち上げる動
作即ち上昇動作と、この上昇動作と同一の経路を負荷を
持ち下げる動作即ち下降動作とでは、減速機の効率及び
摺動抵抗によるトルクのロスの値は正負が逆となるだけ
で絶対値は等しくなるということに着目することにし
た。すなわち、駆動軸ｊにおける減速機の効率及び摺動
抵抗によるトルクのロスをτ_j とおけば、上昇動作と下
降動作におけるモータ駆動トルクと負荷トルクとの関係
式はそれぞれ式（５）及び式（６）で表される。

【００４６】

【数５】

【００４７】式（５）におけるＩup_j は上昇動作時の駆
動電流であり、式（６）におけるＩdown_j は下降動作時
の駆動電流である。ここで式（５）と式（６）を加え合
わせることにより、減速機の効率及び摺動抵抗によるト
ルクのロスτ_j が相殺された式（７）が導き出される。

【００４８】

【数６】

【００４９】減速機の効率及び摺動抵抗の誤差の影響を
排除した高精度な算出結果が要求される場合には、式
（７）を適用することにより負荷の重量及び重心位置を
算出すればよい。

【００５０】ところで、多関節ロボットにおいて、１つ
の駆動軸の動作が他の駆動軸にかかるトルクに影響を与
えることはよく知られているところである。前述のよう
に、本発明では、質点モデルにおいてアンバランストル
クのみを考慮するようにしているために、動作パターン
プログラムの実行中は駆動軸を低速かつ一定速度にて動
作させるようにしており、１つの駆動軸の動作が他の駆
動軸のトルクに与える影響は通常の動作に比してかなり
少ないと言える。しかし、より高精度に負荷の重量及び
重心位置を算出するためには、１つの駆動軸の動作が他
の駆動軸にかかるトルクに与える影響を完全に排除する
ことが好ましい。これに対処するためには、基準姿勢デ
ータに基づいて各駆動軸が個別に動作されるような動作
パターンプログラムが作成されるように、動作パターン
プログラムを自動作成する動作パターンプログラムの自
動作成プログラムをプログラミングすればよい。

【００５１】

【発明の効果】請求項１にかかる発明によれば、サーボ
モータによって駆動される複数の駆動軸を備えた多関節
ロボットのアーム先端に位置する負荷の重量及び重心位
置を算出する方法において、教示装置により基準姿勢を
教示し、この基準姿勢に基づいて動作パターンプログラ
ムが作成されるようにし、作成された動作パターンプロ
グラムに従ってアーム先端に所定の負荷を有した多関節
ロボットを動作させ、この動作中に各駆動軸を駆動する
サーボモータの駆動電流を予め設定されたスキャンタイ
ム毎に検出し、各駆動軸のそれぞれについて、検出され
た駆動電流の平均値に基づいて動作パターンプログラム
の実行中に各駆動軸にかかったトルクの平均値を算出
し、この各駆動軸にかかったトルクの平均値は各駆動軸
にかかるアンバランストルクと等価であるとすることに
より、アンバランストルクに未知数として含まれる負荷
の重量及び重心位置を算出するようにした。

【００５２】そのため、負荷の重量及び重心位置を算出
するための必要データは、駆動軸モータであるサーボモ
ータの電流データと駆動軸の角度データのみとなり力デ
ータは不要となったので、力データを得るための手段と
しての力センサの必要性はなくなった。そして、これに
より、負荷の重量及び重心位置の算出頻度の少ないハン
ドリングロボットや溶接ロボット等の力制御を必要とし
ない多関節ロボットにおいては、力センサ及びその周辺
機器が不要となり、制御装置を含むロボットシステム全
体のコストが低減されるとともに、これらのメンテナン
スに要する時間及び費用を不要にすることも可能となっ
た。

【００５３】請求項２にかかる発明によれば、請求項１
にかかる発明において、教示装置により教示された基準
姿勢を記憶装置に記憶させるようにした。そのため、教
示装置により教示された基準姿勢のデータは制御装置内
の記憶装置に記憶されるようになり、負荷の重量及び重
心位置の算出の際には記憶された基準姿勢のデータが記
憶装置より呼び出され、このデータに基づき動作パター
ンプログラムが作成されるようになったので、基準姿勢
の設定をその都度行う必要はなくなった。これにより、
例えば、基準姿勢のデータ入力はロボット技術に精通し
たメーカーの担当者が行い、ユーザー側の作業者におけ
る基準姿勢のデータ入力を不要とすることも可能となっ
た。

【００５４】請求項３にかかる発明によれば、請求項１
または２にかかる発明において、基準姿勢を複数個教示
し、これにより動作パターンプログラムが複数個作成さ
れるようにした。そのため、アンバランストルクの算出
に有効な駆動軸が３つ以下の場合においては、基準姿勢
を複数個教示することにより、各基準姿勢に対応する動
作パターンプログラムが複数個作成されるようにしこれ
を実行するようにし、これにより４元以上の連立方程式
の作成を可能にした。また、有効な駆動軸が４つ以上の
場合においても、同様にして多くの元数を有する連立方
程式が作成されるようにし、これを解くことにより負荷
の重量及び重心位置を高精度に算出することが可能とな
った。

【００５５】請求項４にかかる発明によれば、請求項１
乃至３のいずれかにかかる発明において、動作パターン
プログラムでは、重力に反して負荷を持ち上げる動作即
ち上昇動作と、この上昇動作と同一の経路を負荷を持ち
下げる動作即ち下降動作とを行わせるようにした。そし
て、この２つの動作により導出される関係式すなわち上
昇動作と下降動作のそれぞれの、駆動電流より算出され
るモータ駆動トルクとロボットの質点モデルより算出さ
れる負荷トルクとの関係式において、これら２つの関係
式を加え合わせることにより、減速機の効率及び摺動抵
抗によるトルクのロスを相殺した関係式を導出するよう
にした。そのため、この導出された関係式を適用するこ
とにより、減速機の効率及び摺動抵抗の誤差の影響を受
けることなく、負荷の重量及び重心位置を高精度に算出
することが可能となった。

【００５６】請求項５にかかる発明によれば、請求項１
乃至４のいずれかにかかる発明において、動作パターン
プログラムでは各駆動軸を個別に動作させるようにし
た。そのため、１つの駆動軸の動作が他の駆動軸のトル
クに与える影響を完全に排除することができ、より高精
度に負荷の重量及び重心位置を算出することが可能とな
った。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態における計算処理の手順を
示すフローチャートである。

【図２】本発明が適用される多関節ロボットの制御装置
の一例を示すブロック図である。

【図３】本発明が適用される多関節ロボットの一例を示
す外観図である。

【図４】大きなアンバランスがかからないロボットの基
準姿勢を示す図である。

【図５】大きなアンバランスがかかるロボットの基準姿
勢を示す図である。

【符号の説明】 １ 多関節ロボット ２ 負荷 ３ サーボモータ ６ 記憶装置 １０ 教示装置（軸操作装置）

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】サーボモータによって駆動される複数の駆
   動軸を備えた多関節ロボットのアーム先端に位置する負
   荷の重量及び重心位置を算出する方法において、 教示装置により基準姿勢を教示し、 該基準姿勢に基づいて動作パターンプログラムが作成さ
   れるようにし、 該動作パターンプログラムに従ってアーム先端に所定の
   負荷を有した多関節ロボットを動作させ、 該動作中に各駆動軸を駆動するサーボモータの駆動電流
   を予め設定されたスキャンタイム毎に検出し、 各駆動軸のそれぞれについて、前記検出された駆動電流
   の平均値に基づいて前記動作パターンプログラムの実行
   中に各駆動軸にかかったトルクの平均値を算出し、 該各駆動軸にかかったトルクの平均値は各駆動軸にかか
   るアンバランストルクと等価であるとすることにより、
   該アンバランストルクに未知数として含まれる負荷の重
   量及び重心位置を算出するようにしたことを特徴とする
   多関節ロボットの負荷重量及び負荷重心位置の自動算出
   方法。
2. 【請求項２】前記教示装置により教示された基準姿勢を
   記憶装置に記憶させるようにしたことを特徴とする請求
   項１に記載の多関節ロボットの負荷重量及び負荷重心位
   置の自動算出方法。
3. 【請求項３】前記基準姿勢を複数個教示し、これにより
   前記動作パターンプログラムを複数個作成するようにし
   たことを特徴とする請求項１または２に記載の多関節ロ
   ボットの負荷重量及び負荷重心位置の自動算出方法。
4. 【請求項４】前記動作パターンプログラムでは、重力に
   反して負荷を持ち上げる動作即ち上昇動作と、該上昇動
   作と同一の経路を負荷を持ち下げる動作即ち下降動作と
   を行わせるようにしたことを特徴とする請求項１乃至３
   のいずれかに記載の多関節ロボットの負荷重量及び負荷
   重心位置の自動算出方法。
5. 【請求項５】前記動作パターンプログラムでは、各駆動
   軸を個別に動作させるようにしたことを特徴とする請求
   項１乃至４のいずれかに記載の多関節ロボットの負荷重
   量及び負荷重心位置の自動算出方法。