JPS60201408A - 産業用ロボツト - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は産業用ロボットに関する。より特定的には、
この発明は、高慣性負荷を移動制御するような産業用ロ
ボットに関する。

（従来技術の説明） 複数の制御軸を有し、各制御軸が同時に発進されかつ同
時に停止されるような産業用ロボットが、たとえば特開
昭５７−１３９８１０号公報などによって周知である。

このような産業用ロボットにおいて、たとえばエンドエ
フェクタなどの被制御部分の重量が大きくしかもその移
動速度も速い場合には、慣性が太き（なる。そしてこの
ような高慣性負荷を高精度に位置決めしなければならな
い場合は、通常、各制御軸のサーボ系のサーボゲインを
高くする必要がある。しかしながら、サーボゲインを高
くすると加減速時の衝撃が大きくなり、そして、このよ
うな衝撃に対しても充分な強度を得ようとすれば、各部
の剛性を大きくしなければならない。剛性を上げれば重
量がさらに大きくなり、慣性もまた大きいものとなり、
結局は問題の解決は図れないことになる。すなわち、従
来の産業用ロボットでは、高慣性負荷を高精度に位置決
めすることは非常に困難であった。

（発明の目的） それゆえに、この発明の目的は、加減速時の衝撃を小さ
くして高慣性負荷を高精度に位置決めできるようにした
、産業用ロボットを提供することである。

（発明の概要） この発明は、簡単にいえば、起動時および停止時におい
て、移動速度を時間の三角関数で近似して位置指令を出
すようにした、産業用ロボットである。

この発明の上述の目的およびその他の目的と特徴は図面
を参照して行なう以下の詳細な説明から一層明らかとな
ろう。

（実施例の説明） 第１図はこの発明の背景となるかつこの発明が有利に実
施され得る産業用ロボットの一例を示す図解図である。

この例に示す産業用ロボット１０は、複合ロボットであ
るが、この発明は、このような複合ロボットに限らず、
任意の構成の産業用ロボットに適用され得るものである
、ということを予め指摘しておく。

ロボット１０は、Ｙ軸方向（この第１図において紙面に
直角な方向）に延びる基台１２を含む。

基台１２上には移動台Ｉ４が載せられ、この移動台１４
は基台１２に案内されてＹ軸方向に移動自在に構成され
る。そして、移動台１４は、動力源１６によって、Ｙ軸
方向に位置制御される。動力源１６は、図示しないが、
たとえばザーホモータおよびそれによって回転されるポ
ールねしを含む。

移動台１４には、Ｘ軸方向に慴動自在に慴動腕１８が支
持され、ごの慴動腕１８は動力源２０によってＸ軸方向
に位置制御される。慴動腕１８の先端には垂直軸回りに
回動可能にかつ昇降自在に垂直腕２２が支持される。こ
の垂直腕２２は、動力源２４によってＸ軸方向に移動制
御されるとともに、動力源２６によってその回動角β３
が制御される。垂直腕２２の下端には、水平方向の軸２
８によって回動可能に、エンドエフェクタ３０が取り付
けられる。この例では、エンドエフェクタ３０は、上下
方向に開閉可能な把持爪として構成されている。そして
、このエンドエフェクタ３０は、図示しない動力源によ
って、軸２８回りの回動角β４が制御される。したがっ
て、エンドエフェクタ３０は、第１図の実線で示す垂直
の姿勢と２点鎖線で示す水平の姿勢との間の任意の角度
β４をとり得る。

垂直腕２２には、この垂直腕２２と同軸に回動可能な回
動体３２が設げられ、この回動体３２は動力源３４によ
って回動角α１が制御される。回動体３２には、水平軸
回りに俯仰自在に、第１腕３６が支持され、この第１腕
３６は動力源３８によって、その俯仰角α２が制御され
る。このような第１１１５ｉｉ　３６には、さらに、水
平軸回りに俯仰自在に第２腕４０が取り付けられる。こ
の第２腕４０は、動力源４２によって、その俯仰角α３
が制御される。第２腕４０の先端には、水平軸回りに回
動ないし俯仰自在に手首４２が支持され、この手首４２
は動力源４４によってその俯仰角α４が制御される。

手首４２には、この手首４２の俯仰軸に直角の軸４３回
りに回動自在に、トーチ取付具４６が支持される。この
トーチ取付具４６は、動力源４８によってその回動角α
５が制御される。そして、この取付具４６の先端に溶接
トーチ４８が取りイ」けられる。このとき、溶接トーチ
４８の先端の作動点すなわち溶接点は、上述の軸４３上
になるように構成される。

このようにして、ロボット１０は、制御軸Ｘ。

ｙ、ｚ、β３およびβ４の４つの自由度を有する親ロボ
ットの途中に回動角α１．α２．α３．α４およびα５
の５つの自由度を有する子ロボットが設けられた、複合
ロボットとして構成されている。なお、親ロボットの制
御軸Ｘ、Ｙ、Ｚ、β３およびβ４は、固定された基台１
を基準に定められ、子ロボットの制御軸α１〜α５は、
腕１８の先端を基準として設けられているものと理解さ
れたい。

第２図は第１図のロボットを制御する制御回路の一例を
示すブロック図である。第１図に示す動力源１６，２０
．　・・・などは、対応するサーボ回路５０〜６８のそ
れぞれによって制御される。

これらサーボ回路５０〜６８には、周知のように、号−
ホモータＭやエンコーダＥが設けられる。エンコーダＥ
は、各軸における移動量には回動角の情報を出力するた
めのものである。そして、これらサーボ回路５０〜６８
は、それぞれ、パスライン・７０によって、制御装置７
２に連結される。制御装置７２は、たとえば、ＣＰＵ７
４とこのｃｐＵ７４に連結されるメモリ７６を含む。制
御装置７２は、典型的にはマイクロコンピュータないし
マイクロプロセサによって構成される。さらに、ハスラ
イン７０には、操作盤７８が接続される。

この操作盤７８には、速度設定スイッチ８０．モード切
り換えスイッチ８２およびマニュアル操作スイッチ群８
４が設けられる。マニュアル操作スイッチ群８４は、親
ロボットシステムを操作するか或いは子ロボットシステ
ムを操作するかを選択する選択スイッチ８６によって、
その機能が切り換えられる。そしてマニュアル操作スイ
ッチ群８４および選択スイッチ８６は、公知の３位置ト
グルスイッチからなる。操作盤７８には、さらに、子ロ
ボットシステムにおける円弧補間指令スイッチ８８．直
線補間指令スイッチ９０が設けられる。

スタートスイッチ９２は、自動モードの際のスタート指
令を与えまたティーチングモードの際のティーチング指
令を与える。

つぎに、上述のロボットの操作の一例を説明する。オペ
レータは、ロボット１０および制御装置７２等に通電し
て、それらを能動化する。そして、スイッチ８２によっ
て、マニュアルモード（Ｍ）を設定する。ロボットによ
って行なう作業の一例として、第１図に示す鋼板Ｗ１の
上に向かい合わせに２本の鋼チャネル材Ｗ２が載置され
たワークピースについて、このチャネル材ｗ２１１板Ｗ
１に仮付溶接する場合を想定する。この場合、チャネル
材Ｗ２と鋼板Ｗ１とが直接板イ１けされるのではなく、
短チヤネル材Ｗ３をエンドエフェクタ３０によって把持
したまま、この第１図において示すように、チャネル材
Ｗ２に被せて鋼板Ｗ１に押し付けるようにし、その短チ
ヤネル材Ｗ３とチャネル材Ｗ２および短チヤネル材Ｗ３
と鋼板Ｗ１とを、それぞれ、溶接トーチ４８によって仮
付けする。このような場合、エンドエフェクタ３０が短
チヤネル材Ｗ３を把持して移動されるためには親ロボッ
トを制御しなければならない。このように親ロボットに
は子ロボットがさらに組み込まれているため、エンドエ
フェクタ３０の移動に際しては大きな慣性が生じる。こ
の発明は、このような高慣性負荷を有するロボットをい
かに制御するかという点にその特徴がある。

第３図はこの発明の基本的な考え方を説明するグラフで
あり、第３図（Ａ）は時間（横軸）に対する速度（縦軸
）の関係を示し、第３図（Ｂ）は時間（横軸）に対する
加速度を示すグラフである。

この第３図から判るように、この発明では、起動時（第
３図の時間Ｏ〜ｔｌ；Ｔ）および停止時（時間ｔ２〜ｔ
３；Ｔ＞の移動速度を、時間の三角関数で近似するよう
にし、その移動速度に応じて目標位置を指令する。起動
時の目標速度Ｖｔは次式（１）で与えられ、そのときの
順次の目標位置ｐｔは次式（２）で与えられる。

ｖｔ＝　（Ｖ／２）　・　（−ｃｏｓωｔ＋１）・・・
　（１） Ｐ　を−（Ｖ／２）　・　（（＝ｓｉｎωｔ／ω）＋ｔ
）＋Ｐｏ　・・・　（２） ここで、■は操作盤７８のスイッチ８０によって設定し
た速度であり、ＰＯは第４図に示すように起動点であり
、Ｐ２は停止移行点である。ただし、ω＝π／Ｔ（０≦
ｔ≦Ｔ）であり、Ｔは起動（または停止）時間である。

そして、停止時の速度Ｖｔおよび位置情報ｐｔは、それ
ぞれ、次式（３）および（４）で与えられる。

ｖｔ−（Ｖ／２）　・　（ｃｏｓωｔ＋１）・・・　（
３） Ｐｔ＝　（Ｖ／２）　・（（ｓｉｎωｔ／ω）十ｔ）十
Ｐ２　・・・　（４） そして、第３図（Ｂ）に示す起動時および停止時の最大
加速度ａ　（ｍａｙ　）は、次式（５）で与えられる。

ａ　（ｍａｘ　）　−（ｄ　／ｄ　ｔ）　（Ｖ　ｔ）、
ｊｔ−ｐ−Ｖω／２　・　・　・　（５） 上述のように、起動時および停止時の速度を三角関数に
近似させることによって、第３図（Ａ）に示すように、
起動時および停止時において速度が滑らかに変化される
ようになる。そのために、高慣性負荷を高速に移動制御
しても、振動や衝撃が生じることが少ない。また、三角
関数で近似することは、高次微分でも連続的であること
、速度の積分が得やすいこと、各軸の同期が取り易いこ
となどの利点がある。

等速移動中すなわち第３図における時間ｔｌ〜ｔ２すな
わち時間Ｔｃの間は、当然のことながら、目標速度Ｖｔ
および目標位置ｐｔは、それぞれ、次式（６）および（
７）で与えられる。

Ｖｔ＝Ｖ　・　・　・　（６） ｐｔ＝ｖｔ・Δｔ＋ＰＩ　・・・　（７）ここで、Ｐｌ
は、第４図で示す等速移行点である。

第５Ａ図および第５Ｂ図はこの発明の一実施例の操作な
いし動作を説明するフロー図である。最初のステップＳ
１においては、初期状態が示される。すなわち、第２図
に示すメモリ７６に、最大加速度ａ　’　（ｍａｘ　）
　、設定速度ｙ＋、起動位置ＰＯＩおよび停止位置Ｐ３
星が予め設定されかつ記憶されている。ここで、最大加
速度ａ　’　（ｍａに）は、各軸に関してロボット１０
　（第１図）の重量、構造等から、設計上求められてい
る値である。

なお、ｉはロボット１０の親ロボットの自由度の数すな
わち直角座標系による軸数である。設定速度ないし目標
速度■１は、操作盤７８の速度設定スイッチ８０によっ
て設定される速度（Ｖ）に対し、各袖口）毎に案分され
る速度データである。

起動位置ＰＯ１は、ティーチングによってその点の直角
座標上の情報が各軸毎の情報として取り込まれたもので
あり、第４図に示す点ｐｏに相当す１ る。また、停止位置Ｐ３１は、ティーチングによるその
点の直角座標上の情報が各軸毎の情報として取り込まれ
たものであり、第４図の点Ｐ３に相当する。なお、メモ
リ７６（第２図）には、さらに、後述の三角関数すなわ
ちサイン（ｓｉｎ）およびコザイン（ｃｏｓ）などのテ
ーブルもまた併せて記憶されているものとする。

ステップＳ２においては、ＣＰＵ７４　（第２図）は、
加速時間Ｔａ’を次式（８〉にしたがって演算する。

Ｔａ　ｉ　＝　（πｌ　Ｖ　’　ｌ）　／２ａ　’　（
ｍａｘ　）・・・　（８） ここで、Ｔａ’は各軸毎の加速時間を表わす。そして、
続くステップＳ３において、各軸毎の加速時間（Ｔａ’
）中の最大のものが判断ないし選択される。

ステップＳ４において、起動時の距離すなわち各軸の起
動位置ｐｏ＋から等速に移行する点Ｐ１１までの距離ｄ
ｉを、次式（９）に基づいて算出する。

２ ｄ　’−（Ｖ　’／２）　・（（−５ｉｎａ＋Ｔａ／ω
）十’ｌ’　ａ　）　・・・　（９） なお、ここにおける三角関数ｓｉｎωＴａは、メモリ７
６（第２図）に記憶されているテーブルから引き出され
る。このように起動時の距離ｄ１をめるのは、その起動
距離内に停止位置Ｐ３ｉが入ってしまう場合、別の制御
を行なう必要があるからである。同じ理由で、ステップ
ｓ５において、移動距１１Ｌｉを次式（１０）にしたが
って計算する。

Ｌｉ＝Ｐ３ｉ−ＰＯｉ　−−−（１０）なお、ＬＩは、
起動位置Ｐｏｔと停止位置Ｐ３Ｉとの間の距離を各軸に
案分したものである。

起動距離ｄｉが起動位置ｐｏ＋と停止位置Ｐ３濁との間
の距離の半分に満たないような場合は、等速移動時間を
特別の方法で算出しなければならないタメ、ステップＳ
６において、ｒｄ　ｌ＜Ｌ　ｌ／２？」を、ＣＰＵ７４
　（第２図）が判断する。

もしステップＳ６における判断で、ｄｌ〈ＬＩ／２であ
れば、移動距１ｉｌＩｔＬ１が短い場合であり、このと
きには、続くステップＳ７において、係数Ｃを計算する
。この係数Ｃは、Ｌ’／２Ｄｉの内の最大のものが選ば
れる。このような係数Ｃは速度を圧縮するために用いら
れる。すなわち、速度■１が大きくなれば時間ｔが小さ
くなりＶＩが小さくなれば時間ｔが大きくなるだけでＬ
’／２は不変である、ということを利用して、速度を通
常の場合に比べて遅くする。ステップＳ８において、新
しい目標速度ｖＩを次式（１１）で、そしてそれに対応
する起動釦＠ｄｉを次式（１２）で、それぞれめる。

Ｖ　＋＝ＣＶ　＋　・・・　（１１） ｄ　’−（Ｖ　’／２）　・（（−ｓｉｎωＴａ／ω）
Ｔａ）　・・・　（１２） ステップＳ９において等速時間すなわち第３図における
時間ｔ１−ｔ２の期間Ｔｃを、次式（１３）から計算す
る。

Ｔｃ−（Ｌ−２ｄ）／■　・・・　（１３）ここで、Ｌ
は起動位置と停止位置との間の距離を直角座標で表わし
たものであり、ｄは起動距離を直角座標で表わしたもの
であり、そしてＶば操作盤７８の速度設定スイッチ８０
によってマニュアル設定した各軸共通の速度すなわち合
成速度である。そして、この等速時間Ｔｃは、極端な例
では、すなわち移動距離が非常に短い場合には、Ｔｃ−
〇となることもあろう。

つぎのステップＳＩＯにおいて、初期状態として時間ｔ
＝Ｑとする。そして、微少時間Δを毎に、目標位置Ｐ１
を算出し、制御装置７２から各サーボ回路５０〜６８に
位置情報として指令される。

すなわち、ステップＳ１２においては、「ｔ＜Ｔａ？Ｊ
を判断して、起動時間中であるかどうかを判断する。そ
してもし起動時間中であれば、つぎのステップＳ１３に
おいて前述の第（２）式に基づいて目標位置Ｐｉ（ｔ）
を算出する。それとともに、つぎの計算の基準となる点
すなわち等速移行点Ｐｌｉを計算しておく。そして、時
間の経過とともにステップ３１４の判断において、ｔ≦
Ｔａ＋Ｔｃとなり、等速移動に移行する。そしてこの等
速移動中においては、ステップＳ１５のよう５ な計算式すなわち前述の第（６）式に基づいて、逐次の
目標位置Ｐｉ（ｔ）を計算する。それとともに、このス
テップＳ１５においては、つぎの計算の基準点すなわち
停止開始点（第４図のＰ２に相当する）Ｐ２＋をめてお
く。その後の時間の経過とともに、ステップＳ１６の判
断において、ｔ≦２Ｔａ＋Ｔｃとなり、等速移動が終わ
り停動が開始される。このような停動中においては、ス
テップＳ１７で、時間ｔ′を次式（１４）にしたがって
計算する。

ｔ　’　−ｔ−Ｔａ−Ｔｃ　・・・（１４）ついで、前
述の第（４）式に基づいて逐次の目標位置ＰＩ（ｔ）を
計算する。それとともに、つぎの区間の制御のために基
準点となるべき起動位置を計算しておく。

上述の説明から判るように、起動中および浮動中におい
ては、逐次の位置指令が三角関数で近似された速度■１
の関数として与えられることになり、したがって起動お
よび停動動作が非常に滑らかに行なわれる。

６ なお、上述の実施例では、ステップＳ１３．Ｓ１５およ
びＳ１７において、それぞれ、つぎの計算のための基準
点を予め算出しておくようにした。

しかしながら、これはあくまでも演算の便宜のためであ
り、それぞれのステップにおいて起動位置ＰＯｉからの
時間で逐次の目標位置Ｐ１　（ｔ）を算出するようにし
てもよい。

（発明の効果） 以上のように、この発明によれば、加減速時にそれぞれ
の速度を時間の三角関数とし、その速度に基づいて逐次
の位置指令を行なうようにしたので、起動時或いは停止
時においてエンドエフェクタないし被制御部の動きが非
常に滑らかになる。

そのために高慣性負荷を移動制御しても、慣性による影
響が低減されているので、比較的高精度の位置決めを行
なうことができる。また、加減速時の振動ないし衝撃を
防止することができるので、各部の剛性を余り大きくす
る必要もない。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の背景となるかつこの発明が有利に実
施され得る産業用ロボットの一例を示す図解図である。 第２図は第１図のロボットを制御するだめの制御回路の
一例を示すブロック図である。 第３図はこの発明の基本的な考え方を説明するためのグ
ラフである。 第４図は各点位置を表わす図解図である。 第５Ａ図および第５Ｂ図は操作ないし動作の一例を説明
するフロー図である。 図において、１０は産業用ロボット、５０〜６８は各軸
サーボ回路、７２は制御装置、７日は操作盤を示す。 特許出願人　新明和工業株式会社 代理人　弁理士　岡　１）全　啓 （ほか１名） ９ 手続補正書印釦 特許庁長官　若　杉　和　夫　殿 １、事件の表示 昭和５９年　特許側　第０５８６４５号２、発明の名称 産業用ロボット ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 住　所　兵庫県西宮市小曽根町１丁目５番２５号名　称
　（２３５）新明和工業株式会社代表者　玉　河　曽　
次 ４、代　理　人　ｅ５４０　’ｍ大阪（０６）　７６４
−５４４３　（代）住　所　大阪市東区谷町５丁目３０
番地７、補正の内容 （１）明細書第４頁第１５行、第１６行および第１７行
の「慴動腕」を「摺動腕」に訂正する。 （２）明細書第５頁第１５行、第１７行、第１８行、第
２０行、第６頁第２行および第３行の１俯抑」を「俯仰
」に訂正する。 （３）明細書第１０頁の第（２）式を下記のとおり訂正
する。 記 Ｐ　ｊ”　（Ｖ／２）　・（（−ｓｉｎωｔ／ω）　十
ｔ）十ｐｏ　・・・　（２） （４）明細書第１０頁第１３行の［起動点であり、Ｐ２
は停止移行点である。」を「起動点である。」に訂正す
る。 （５）明細書第１０頁第１７行の［・・・与えられる。 」の後に「なお、Ｐ２は停止移行点である。」の文章を
加入する。 以上

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　起動点から停止点までエンド−エフェクタを移動さ
   せる産業用ロボットであって、 起動時および停止時に、設定された速度を時間の三角関
   数で近似して、位置指令を出す、産業用ロホソト。 ２　前記起動点から停止点までの距離が起動時の距離の
   ２倍以下の場合、別の速度をめてこの別の速度を時間の
   三角関数で近似する、特許請求の範囲第１項記載の産業
   用ロボｙ’ｐ。 ３　前記別の速度は前記設定された速度と一定の係数と
   に基づいて算出する、特許請求の範囲第２項記載の産業
   用ロボット。 ４　前記起動時１等速移動時および停止時には、それぞ
   れ、起動点１等速移行点および等速終了点を基準として
   逐次の前記位置をめる、特許請求の範囲第１項ないし第
   ３項のいずれかに記載の産業用ロボット。