(57)【要約】【課題】高脆性ワークの搬送作業において、ワークに対して衝撃を与えることなく搬送作業を行うことが可能な産業用ロボットの補間点生成装置を提供する。【解決手段】本発明に係る産業用ロボットの補間点生成装置は、円弧補間半径、通過速度、許容加速度、および通過速度にて生じる遠心加速度と接線加速度との分担率を入力することにより、通過速度の最高速度を算出する最高速度決定部６１と、前記通過速度の最高速度、円弧補間開始位置、円弧補間半径、円弧補間中心位置、許容加速度、および前記通過速度の最高速度にて生じる遠心加速度と接線加速度との分担率を入力することにより、許容加速度を守ったデカルト空間上の円弧軌跡の補間点位置を算出するデカルト指令値生成部６２と、前記円弧軌跡の補間点位置に対して逆キネマティクスの手法を適用することによりロボットの各関節の指令値を算出する関節指令値生成部６３と、を有するようにした。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも円弧補間半径および通過速度を含む円弧補間情報と、ロボットのアーム先端に装備されたワーク把持用のツールに把持されたワークの種類や形態に基づいて設定される許容加速度と、前記通過速度にて生じる遠心加速度と接線加速度との分担率とを入力することにより、通過速度の最高速度を算出し出力する最高速度決定部と、
該最高速度決定部が算出した通過速度の最高速度と、少なくとも円弧補間開始位置、円弧補間半径および円弧補間中心位置を含む円弧補間情報と、前記許容加速度と、前記通過速度の最高速度にて生じる遠心加速度と接線加速度との分担率とを入力することにより、前記許容加速度を守ったデカルト空間上の円弧軌跡の補間点位置を算出し出力するデカルト指令値生成部と、
該デカルト指令値生成部が算出したデカルト空間上の円弧軌跡の補間点位置に対して逆キネマティクスの手法を適用することによりロボットの各関節の指令値を算出し出力する関節指令値生成部と、
を有することを特徴とする産業用ロボットの補間点生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、産業用ロボットの補間点生成装置に関し、特に、産業用ロボットのアーム先端に装備されたツールの先端部における許容加速度を守りながら円弧軌道を描く際の補間点を生成する産業用ロボットの補間点生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、搬送用の産業用ロボットにおいては、その応用範囲の拡大により、ロボットのアーム先端に装備されたワーク把持用のツールには、様々なワークが取り付けられるようになってきた。それらのワークの中には、例えばガラスのような少ない衝撃や振動で割れる高脆性のものもある。そのような高脆性のワークの搬送においては、ツール先端を不連続に速度変化させることなく、許容された加速度（許容加速度）で、かつ、可能な限り最短時間で動作させることが重要となっている。
【０００３】
ワークが把持されるロボットのツール先端部における軌道を滑らかにする方法としては、例えば、図１に示すように、内回り円弧軌道をつなぎ目に内挿する方法がある。また、図２に示すような極座標ロボットにおいては、単純に旋回軸を動作させるだけでツール先端部が円弧軌道を描くことになる。このようにツール先端部を円弧軌道にて動作させることは、ロボット本体を滑らかに動作させる上で非常に重要である。
【０００４】
ツール先端部を円弧軌道にて許容加速度を守りながら動作させる技術は従来から存在し、例えば、特許文献１や特許文献２では、内回り軌道中の加速度を通過速度から算出し、この算出された内回り軌道中の加速度が許容加速度の範囲内になるように通過速度を補正することによって許容加速度を守る構成が開示されている。
【特許文献１】特開平７−６４６２１号公報
【特許文献２】特開平８−３３９２２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、これらの通過速度を補正する方法では、図３に示すように、通過速度に決定される遠心加速度３２を守ることはできるが、円弧軌跡上で加速および減速する場合の接線加速度３１は考慮されていない。また、従来の直線軌跡上で加速および減速する際によく知られた加減速方法を利用すれば、接線加速度３１を守ることはできるが、遠心加速度３２を考慮することはできない。実際、接線速度の時間変化を示した図４のような接線速度にて円弧軌跡を通過する場合を想定すると、この場合の遠心加速度３２と接線加速度３１との複合加速度の時間変化は図５に示すようになり、加速度のピークの箇所において部分的に加速度の許容値をオーバーしてしまう。このように、従来技術においては、円弧軌跡上で加速および減速する際に、遠心加速度と接線加速度との複合加速度が許容加速度をオーバーしてしまう現象が生ずる可能性がある。そのため、従来技術においては、ガラスをはじめとした高脆性ワークに対して衝撃を与えることなく搬送作業を行うことが難しいという問題がある。
【０００６】
本発明は、前述した従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、ロボット等のマニピュレータを使用したガラスをはじめとした高脆性ワークの搬送作業において、ワークに対して衝撃を与えることなく搬送作業を行うことが可能な産業用ロボットの補間点生成装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前述した目的を達成するために、本発明では、以下の機能を具備する最高速度決定部６１、デカルト指令値生成部６２、および関節指令値生成部６３を有することを特徴とする産業用ロボットの補間点生成装置を提供した。
【０００８】
すなわち、最高速度決定部６１は、少なくとも円弧補間半径ｒおよび通過速度ｖを含む円弧補間情報と、ロボットのアーム先端に装備されたワーク把持用のツールに把持されたワークの種類や形態に基づいて設定される許容加速度ａと、通過速度ｖにて生じる遠心加速度ａ１と接線加速度との分担率αとを入力することにより、通過速度の最高速度ｖ１を算出し出力する。
【０００９】
また、デカルト指令値生成部６２は、前記最高速度決定部６１において算出され出力された通過速度の最高速度ｖ１と、少なくとも円弧補間開始位置（ｘｓ，ｙｓ）、円弧補間半径ｒおよび円弧補間中心位置（ｘ０，ｙ０）を含む円弧補間情報と、前記許容加速度ａと、通過速度の最高速度ｖ１にて生じる遠心加速度ａ２と接線加速度ａ３との分担率αとを入力することにより、前記許容加速度ａを守ったデカルト空間上の円弧軌跡の補間点位置（ｘ（ｎ），ｙ（ｎ））を算出し出力する。
【００１０】
さらに、関節指令値生成部６３は、デカルト指令値生成部６２から入力したデカルト空間上の円弧軌跡の補間点位置（ｘ（ｎ），ｙ（ｎ））に対して逆キネマティクスの手法を適用することにより、ロボットの各関節の指令値を算出し出力する。
【００１１】
係る構成としたことにより、まず、最高速度決定部６１では、通過速度ｖと円弧補間半径ｒから遠心加速度ａ１を求め、この遠心加速度ａ１が許容加速度ａに対して適当な比率αを乗じた加速度を超えないような通過速度の最高速度ｖ１を求める。次に、デカルト指令値生成部６２では、最高速度決定部６１において算出された通過速度の最高速度ｖ１にて生じる遠心加速度ａ２および接線加速度ａ３の複合加速度が許容加速度ａを超えないような接線速度ｖ（ｎ）を求め、その接線速度ｖ（ｎ）および前述の通過速度の最高速度ｖ１を満足するような円弧軌道上の補間点（ｘ（ｎ），ｙ（ｎ））を算出する。これにより、ロボットの先端に発生する加速度が許容加速度ａを超えないような円弧軌跡上の補間点（ｘ（ｎ），ｙ（ｎ））を求めることができる。最後に、関節指令値生成部６３では、求められた円弧軌跡上の補間点（ｘ（ｎ），ｙ（ｎ））に基づいてロボットの各関節の指令値を算出する。これにより、ロボットの先端に発生する加速度が許容加速度ａを超えることはなくなる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、ロボットの先端に発生する加速度が許容加速度を超えなくなるように、円弧軌跡や内回り動作における遠心加速度と接線加速度との複合加速度を制御することが可能となるので、ロボット等のマニピュレータを使用したガラスをはじめとした高脆性ワークの搬送作業において、ワークに対して衝撃を与えることなく搬送作業を行うことが可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。図６は、本発明に係る産業用ロボットの補間点生成装置の一実施形態を示したブロック図である。
【００１４】
図６において、６１は、通過速度の最高速度ｖ１を算出する最高速度決定部である。この最高速度決定部６１には、少なくとも円弧補間半径ｒおよび通過速度ｖを含む円弧補間情報が入力される。さらに、この最高速度決定部６１には、ロボットのアーム先端に装備されたワーク把持用のツールに把持されたワークの種類や形態などに基づいて設定されるツール先端部の許容加速度ａ、および通過速度ｖにて生じる遠心加速度ａ１と接線加速度との分担率αが入力される。一方、この最高速度決定部６１からは、今回の円弧補間演算で利用する通過速度の最高速度ｖ１が出力される。
【００１５】
また、６２は、許容加速度ａを守ったデカルト空間上の円弧軌跡の補間点位置（ｘ（ｎ），ｙ（ｎ））を算出するデカルト指令値生成部である。このデカルト指令値生成部６２には、前述した最高速度決定部６１において算出され出力された円弧補間演算で利用する通過速度の最高速度ｖ１が入力される。また、このデカルト指令値生成部６２には、少なくとも円弧補間開始位置（ｘｓ，ｙｓ）、円弧補間半径ｒ、および円弧補間中心位置（ｘ０，ｙ０）を含む円弧補間情報が入力される。さらに、このデカルト指令値生成部６２には、ロボットのアーム先端に装備されたワーク把持用のツールに把持されたワークの種類や形態などに基づいて設定される前述した許容加速度ａ、および通過速度の最高速度ｖ１にて生じる遠心加速度ａ２と接線加速度ａ３との分担率αとが入力される。一方、このデカルト指令値生成部６２からは、デカルト空間上の補間点位置（ｘ（ｎ），ｙ（ｎ））が出力される。
【００１６】
また、６３は、デカルト空間上の補間点位置の情報に基づいてロボットの各関節の指令置を算出する関節指令値生成部である。この関節指令値生成部６３には、前述したデカルト指令値生成部６２において算出され出力されたデカルト空間上の補間点位置（ｘ（ｎ），ｙ（ｎ））が入力される。一方、この関節指令値生成部６３からは、最終出力として、許容加速度ａを守りつつ円弧軌跡を描くために必要なロボットの各関節の指令値（位置情報）が出力される。
【００１７】
次に、前述した最高速度決定部６１、デカルト指令値生成部６２、および関節指令値生成部６３にて行われる各処理について説明する。
【００１８】
まず、最高速度決定部６１において行われる、円弧補間演算で利用する通過速度の最高速度ｖ１の算出処理について説明する。最高速度決定部６１に入力された円弧軌跡情報に含まれる円弧補間半径ｒおよび通過速度ｖより、その円弧補間半径ｒおよび通過速度ｖにて生じる遠心加速度ａ１は、式（１）により求められる。
【００１９】
【数１】
2005074546.tif 000003
この式（１）に基づくと、許容加速度ａに通過速度ｖにて生じる遠心加速度ａ１と接線加速度との分担率α（αは１未満）を乗じたものを許容される遠心加速度とすると、通過速度の最高速度ｖ１は、式（２）により求められる。
【００２０】
【数２】
2005074546.tif 000004
なお、式（２）において、ｓｑｒｔ（）の表記は、括弧内の平方根を意味する。
【００２１】
次に、デカルト指令値生成部６２において行われる、許容加速度ａを守ったデカルト空間上の円弧軌跡の補間点位置（ｘ（ｎ），ｙ（ｎ））の算出処理について説明する。ここでは、まず、前回の補間演算時刻における接線速度をｖ（ｎ−１）としたときの今回の補間演算時刻における接線加速度ａ（ｎ）を式（３）により算出する。
【００２２】
【数３】
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この式（３）においては、前述したように、ａは許容加速度、αは通過速度の最高速度ｖ１にて生じる遠心加速度ａ２と接線加速度ａ３との分担率α、ｒは円弧補間半径である。次に、この式（３）において算出された今回の補間演算時刻における接線加速度ａ（ｎ）をもとに、今回の補間演算時刻における接線速度ｖ（ｎ）を式（４）により算出する。
【００２３】
【数４】
2005074546.tif 000006
この式（４）において、ｄｔは補間演算周期である。前述の式（２）および式（３）より、通過速度の最高速度ｖ１にて生じる遠心加速度ａ２および接線加速度ａ３を式（５）および式（６）によりそれぞれ算出する。
【００２４】
【数５】
2005074546.tif 000007
この式（５）および式（６）においては、前述したように、ａは許容加速度、αは通過速度の最高速度ｖ１にて生じる遠心加速度ａ２と接線加速度ａ３との分担率αである。次に、これら式（５）および式（６）において算出された遠心加速度ａ２および接線加速度ａ３をもとに、遠心加速度ａ２と接線加速度ａ３との複合加速度を算出する。この場合の複合加速度はｓｑｒｔ（ａ２×ａ２＋ａ３×ａ３）から計算できるので、これら式（５）および式（６）より複合加速度はａとなる。したがって、この場合の複合加速度は前述した許容加速度と同一になる。これにより、遠心加速度と接線加速度との複合化速度を制御するようにすれば、ロボットの先端部における加速度が許容加速度を超えないことがわかる。
【００２５】
前述の式（４）から算出される接線速度ｖ（ｎ）より、円弧補間半径ｒにおけるデカルト空間上の円弧軌跡の補間点位置（ｘ（ｎ），ｙ（ｎ））を、以下のようにして求める。前述の式（４）から算出される接線速度ｖ（ｎ）より、円弧補間半径ｒにおける円弧上の動作の角速度ｗ（ｎ）は式（７）により算出される。
【００２６】
【数６】
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ここで、図７に示すように、前回の補間演算時刻における中心角度がθ（ｎ−１）で、今回の補間演算時刻における中心角度がθ（ｎ）であったとすると、前述の式（７）から算出される角速度ｗ（ｎ）より、今回の補間演算時刻における中心角度θ（ｎ）は式（８）により算出される。
【００２７】
【数７】
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この式（７）から算出される中心角度θ（ｎ）より、円弧補間半径ｒにおけるデカルト空間上の円弧軌跡の補間点位置（ｘ（ｎ），ｙ（ｎ））は、式（９）および式（１０）より算出することができる。
【００２８】
【数８】
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これら式（９）および式（１０）において、（ｘ０，ｙ０）は前述した円弧軌跡情報としてデカルト指令値生成部６２に入力される円弧補間中心位置である。また、θ０は円弧開始中心角度であり、これは前述した円弧軌跡情報としてデカルト指令値生成部６２に入力される円弧開始中心角度（ｘ０，ｙ０）および円弧補間開始位置（ｘｓ，ｙｓ）より、式（１１）および式（１２）から算出する。
【００２９】
【数９】
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以上のように式（３）から式（１２）までの処理をデカルト指令値生成部６２において行い、これにより円弧補間半径ｒにおけるデカルト空間上の円弧軌跡の補間点位置（ｘ（ｎ），ｙ（ｎ））を算出する。
【００３０】
最後に、関節指令値生成部６３において行われる、ロボットの各関節の指令置を算出する処理について説明する。この関節指令値生成部６３には、前述したデカルト指令値生成部６２において算出され出力されたデカルト空間上の補間点位置（ｘ（ｎ），ｙ（ｎ））が入力される。このデカルト空間上の補間点位置（ｘ（ｎ），ｙ（ｎ））に対して、よく知られた逆キネマティクスの手法を適用することにより、ロボットの各関節の指令値を算出する。このロボットの各関節の指令値を図示しないサーボ制御部へ出力することにより、ロボットを許容加速度を守りつつ動作させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】内回り円弧軌道をつなぎ目に内挿する方法を示した概念図である。
【図２】極座標ロボットにおけるツール先端部の円弧軌道を示した概念図である。
【図３】接線加速度３１および遠心加速度３２を示した説明図である。
【図４】接線速度にて円弧軌跡を通過する場合における接線速度の時間変化を示したグラフである。
【図５】図４で示した接線速度で動作する際に生じる遠心加速度３２と接線加速度３１との複合加速度の時間変化を示したグラフである。
【図６】本発明に係る産業用ロボットの補間点生成装置の一実施形態を示したブロック図である。
【図７】前回の中心角度がθ（ｎ−１）で今回の中心角度がθ（ｎ）である場合における円弧軌道を示した概念図である。
【符号の説明】
【００３２】
３１  接線加速度
３２  遠心加速度
６１  最高速度決定部
６２  デカルト指令値生成部
６３  関節指令値生成部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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