(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定ベースと、前記固定ベースにサーボモータと減速機によって垂直なＳ軸回りで旋回駆動される旋回ヘッドと、前記旋回ヘッドにサーボモータと減速機によって水平なＬ軸回りで揺動駆動される下部アームと、前記下部アームにサーボモータと減速機によって水平なＵ軸回りで揺動駆動される上部アームと、前記上部アームの先端に取り付けられた負荷質量と、を備え、前記Ｓ軸と前記Ｌ軸と前記Ｕ軸のそれぞれの減速機が再生動作中にその減速比を変更可能な可変減速機で構成された、垂直多関節ロボットの制御方法において、
前記垂直多関節ロボットに所望の動作径路を教示し、
前記Ｓ軸と前記Ｌ軸と前記Ｕ軸のそれぞれの減速機の減速比を大きいほうの値にセットし、
前記動作径路に従って前記垂直多関節ロボットを再生動作させながら、前記Ｓ軸と前記Ｌ軸と前記Ｕ軸のそれぞれのサーボモータのトルクを記録し、
前記記録したトルクの変化に従って前記Ｓ軸と前記Ｌ軸と前記Ｕ軸のそれぞれの減速機の減速比のスケジュールを決定し、
前記スケジュールを組み込んだプログラムで前記再生動作を行うよう制御すること、を特徴とする垂直多関節ロボットの制御方法。
【請求項２】
請求項１記載の垂直多関節ロボットの制御方法において、
前記垂直多関節ロボットに所望の動作径路を教示し、前記Ｓ軸と前記Ｌ軸と前記Ｕ軸のそれぞれの減速機の減速比を大きいほうの値にセットし、前記動作径路に従って前記垂直多関節ロボットを再生動作させながら、前記Ｓ軸と前記Ｌ軸と前記Ｕ軸のそれぞれのサーボモータのトルクを記録し、前記記録したトルクの変化に従って前記Ｓ軸と前記Ｌ軸と前記Ｕ軸のそれぞれの減速機の減速比のスケジュールを決定する際、コンピュータ上でこれらを行なうことを特徴とする垂直多関節ロボットの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、減速機を介してモータで駆動されるロボット、特に垂直多関節形ロボットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日、いわゆる産業用の垂直多関節型ロボットはサーボモータで駆動される電動ロボットが主流である。一般にサーボモータはロボットに要求される回転速度とトルクに比べて高回転低トルクの特性を有してので、ロボットとサーボモータの間に減速機を介在させている。これらの減速機にはサイクロ減速機やハーモニック減速機が選ばれるが、いずれも減速比が固定されていてサーボモータの出力を一定の減速比で減速するものであった。
例外として、特開昭６４−５１２８５号公報に関節機構と減速機の間に減速比を変更する手段を設けた電動ロボットの発明が開示されている。しかし、前記発明の電動ロボットは、作業者がロボットを腕力で操作して教示を行ういわゆるダイレクトティーチングロボットにおいて、ティーチング時の操作力を小さくするために、ティーチング時とプレイバック動作時で減速比を切り替えるものであり、プレイバック動作中の減速比は一定の値に固定されていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところがこの従来の垂直多関節型ロボットは、設計上の最大負荷質量をロボットに取り付けた上で、サーボモータに加わる負荷が最大になる姿勢つまり、水平面内の旋回であればアームを外側に振り出して回転慣性が最大になる姿勢、前後軸の揺動であれば、アームを水平に倒して重力によるモーメントが最大になる姿勢を基準にして、この様な最大負荷に見合う減速比を決めていた。
そのため、最大負荷質量に満たない負荷質量で使用する場合や、回転慣性や重力によるモーメントが小さい姿勢で使用する場合は、サーボモータのパワーが余る一方、十分な動作速度が得られないという問題、つまり負荷に応じた減速比を選択すれば得られるはずの速度が得られないという問題があった。
そこで、本発明はサーボモータのパワーをフルに利用することによって、高速度で動作できるロボットを提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記の問題を解決するために、請求項１記載の発明は、固定ベースと、前記固定ベースにサーボモータと減速機によって垂直なＳ軸回りで旋回駆動される旋回ヘッドと、前記旋回ヘッドにサーボモータと減速機によって水平なＬ軸回りで揺動駆動される下部アームと、前記下部アームにサーボモータと減速機によって水平なＵ軸回りで揺動駆動される上部アームと、前記上部アームの先端に取り付けられた負荷質量と、を備え、前記Ｓ軸と前記Ｌ軸と前記Ｕ軸のそれぞれの減速機が再生動作中にその減速比を変更可能な可変減速機で構成された、垂直多関節ロボットの制御方法において、前記垂直多関節ロボットに所望の動作径路を教示し、前記Ｓ軸と前記Ｌ軸と前記Ｕ軸のそれぞれの減速機の減速比を大きいほうの値にセットし、  前記動作径路に従って前記垂直多関節ロボットを再生動作させながら、前記Ｓ軸と前記Ｌ軸と前記Ｕ軸のそれぞれのサーボモータのトルクを記録し、前記記録したトルクの変化に従って前記Ｓ軸と前記Ｌ軸と前記Ｕ軸のそれぞれの減速機の減速比のスケジュールを決定し、前記スケジュールを組み込んだプログラムで前記再生動作を行うよう制御すること、を特徴とする垂直多関節ロボットの制御方法とするものである。
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の垂直多関節ロボットの制御方法において、前記垂直多関節ロボットに所望の動作径路を教示し、前記Ｓ軸と前記Ｌ軸と前記Ｕ軸のそれぞれの減速機の減速比を大きいほうの値にセットし、前記動作径路に従って前記垂直多関節ロボットを再生動作させながら、前記Ｓ軸と前記Ｌ軸と前記Ｕ軸のそれぞれのサーボモータのトルクを記録し、前記記録したトルクの変化に従って前記Ｓ軸と前記Ｌ軸と前記Ｕ軸のそれぞれの減速機の減速比のスケジュールを決定する際、コンピュータ上でこれらを行なうことを特徴とする垂直多関節ロボットの制御方法とするものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、図にしたがって本発明の実施例を説明する。
図１は本発明の実施例を示す垂直多関節型ロボットの概念図である。図において１は固定ベースであり、固定ベース１には旋回ヘッド２が旋回軸（Ｓ軸）回りに旋回自在に取付けられている。旋回ヘッド２の上部には下部アーム３が前後軸（Ｌ軸）回りに揺動自在に取付けられ、下部アーム３の上部には上部アーム４が上下軸（Ｕ軸）回りに揺動自在に取付けらている。５は上部アーム４の先端に取付けられた負荷質量である。ここで負荷質量５はロボットの先端に取付けられるエンドエフェクタの質量に相当する。
６は旋回ヘッド２に取り付けられた減速機であり、その出力部は固定ベース１に結合され、入力部にはサーボモータ７が固定されている。旋回ヘッド２はサーボモータ７と減速機６によってＳ軸回りに旋回駆動される。
８は旋回ヘッド２に固定された第１の減速機付サーボモータであり、その出力部は下部アーム３に結合されて、下部アーム３をＬ軸回りに揺動駆動する。
９は下部アーム３に固定された第２の減速機付サーボモータであり、その出力部は上部アーム４に結合されて、上部アーム４をＬ軸回りに揺動駆動する。
減速機６と第１の減速機付サーボモータ７および第２の減速機付サーボモータ８は図示しないロボット制御装置の指令によりロボットの再生（プレイバック）動作中に大小２種の減速比を切り換える機構を備えている。減速比を切り換える機構は、歯車の噛み合わせを変更する機構、２組の遊星歯車を組み合わせた機構、あるいはプーリの噛み合わせを変更する機構など公知の機構を適宜選択すれば良い。
【０００６】
ここで、このロボットの作用を説明する、図２はロボットの３種の姿勢を示す説明図であり、（ａ）は下部アーム３を直立させ、上部アーム４を水平にした姿勢を示し、（ｂ）は下部アーム３を直立の姿勢から角度θだけ前方に倒した姿勢を示し、（ｃ）は下部アーム３と上部アーム４を共に直立させた姿勢を示す。
Ｓ軸から負荷質量５の重心までの距離は、図２（ａ）に示す姿勢においては、Ｘ１であるが、図２（ｂ）のように下部アーム３を倒すと大きくなりＸ１’になる。また、下部アーム３および上部アーム４の重心もＳ軸から遠ざかることになる。したがって、図２（ｂ）に示す姿勢では図２（ａ）に示す姿勢に比べてＳ軸回りの回転慣性が大きくなる。
逆に、図２（ｃ）に示す姿勢においては、Ｓ軸から負荷質量５の重心までの距離は、Ｘ１”で示されるように小さくなり、下部アーム３および上部アーム４の重心もＳ軸に接近するので、Ｓ軸回りは回転慣性が小さくなる。
Ｓ軸回りの回転慣性が大きくなると、サーボモータ７の加減速時の負荷が大きくなり、反対にＳ軸回りの回転慣性が小さくなると、負荷が小さくなる。そこで、下部アーム３および上部アーム４の姿勢に応じて減速機６の減速比をロボット制御装置の指令によって変更する。つまり、下部アーム３および上部アーム４の角度がＳ軸回りの回転慣性が所定の値より大きくなる範囲にある時は、大きな減速比を選び、Ｓ軸回りの回転慣性を小さくなる範囲にある時は小さな減速比を選ぶ。
また、下部アーム３および上部アーム４の自重も考慮してＳ軸回りの回転慣性を計算して、その結果の大小に応じて減速比の大小を選んでも良い。
また、負荷質量５の大小に応じて、減速比の大小を選んでも良い。一般にロボットは大型になるほど、取付け可能なエンドエフェクタの最大質量つまり可搬質量と動作範囲が大きくなる。逆にロボットの最大速度、最大加速度は小さくなる傾向にある。動作範囲を大きく取るためにエンドエフェクタの実際の質量に比べて可搬質量の大きい大型ロボットを選ぶ場合がある。このような場合に、エンドエフェクタの質量に応じて、小さい減速比を選べば大型ロボットを高速で動作できる。
【０００７】
つぎに、下部アーム３を駆動する第１の減速機付サーボモータ８の減速比の変更について説明する。
図２（ａ）に示す姿勢におけるＬ軸の回転中心から負荷質量５の重心までの距離、つまり負荷質量５によって第１の減速機付サーボモータ８に負荷される重力のモーメントの梃子の長さＸ２は、図２（ｂ）に示す姿勢においては長くなりＸ２’になる。また図２（ｃ）に示す姿勢では、前記梃子の長さは０になる。
このように負荷質量５によって第１の減速機付サーボモータ８に負荷される重力のモーメントは下部アーム３および上部アーム４の姿勢が水平であるとき最大になり、下部アーム３および上部アーム４の姿勢が共に直立している時は０になる。
そこで、下部アーム３および上部アーム４の姿勢、すなわち基準姿勢（通常、水平姿勢か直立姿勢のどちらかを基準にすれば良い）に対する角度の大小に応じて、第１の減速機付サーボモータ８の減速比を変更する指令をロボット制御装置が発する。
また、下部アーム３と上部アーム４の姿勢を基に、第１の減速機付モータ８に負荷される重力のモーメントを計算して、その結果の大小に応じて減速比を変更しても良い。
【０００８】
同様にして、上部アーム４を駆動する第２の減速機付サーボモータ９の減速比も変更される。
図２（ａ）に示す姿勢においては、負荷質量５によって第２の減速機付モータ８に負荷される重力のモーメントの梃子の長さもＸ２で表されるが、図２（ｃ）に示す姿勢では、前記梃子の長さは０になる。
このように負荷質量５によって第２の減速機付モータ９に負荷される重力のモーメントは上部アーム４の姿勢が水平であるとき最大になり、直立している時は０になる。
そこで、上部アーム４の姿勢、すなわち基準姿勢（通常、水平姿勢か直立姿勢のどちらかを基準にすれば良い）に対する角度の大小に応じて第２の減速機付モータ９の減速比を変更する指令をロボット制御装置が発する。
また、ロボットの動作の始点と終点で、モータに負荷される重力のモーメントが変化する場合は、大きい方の負荷に応じて減速比を選べばよい。もちろん、前記始点と終点の間に中間点を定義して、前記中間点で一度ロボットを停止させて、減速比を切り替えても良いが、減速比を切り替えるのに要する時間と加減速による時間のロスを考慮すると必ずしも有利ではないであろう。
【０００９】
前述した減速比の変更方法は垂直多関節ロボットの各アームの姿勢を基準にする方法であり、静的な力の釣り合いを基にするものである。しかしながら、実際のロボットの動作では複数の駆動軸を同時に動作させるので、各軸の相互の干渉によるトルクが発生するので、駆動用モータの負荷は静的な釣り合いだけでは求められない場合がある。
そこで、実際にロボットを動作させて、モータの負荷の変動を求めて、前記モータの負荷の変動に応じて減速機の減速比の変更のスケジュールを決定する方法を説明する。
（１）まず、ロボットに所望の動作経路（例えば、ロボットがＡ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅ→ＦのようにＡからＦまでの各教示点を辿る経路）を教示する。
（２）各軸の減速比を大きい方の値にセットして、ロボットを先に教示した経路に従ってプレイバック動作させ、この時のモータの速度とトルクと電流を記録する。
（３）先に記録したモータのトルクの変化に従って、減速比の切り替えのスケジュールを決定する。例えば、ＡからＦまでの経路でモータのトルクが大→大→小→小→大→小のように変動する時は、減速比を大→大→小→大→大→小の順にＡからＦまでの各教示点で切り替えるスケジュールをプログラムする。
（４）減速比切り替えのスケジュールを組み込んだプログラムでロボットをプレイバック動作させて、モータの速度とトルクと電流を記録する。
（５）モータの速度とトルクと電流が制限を越えていなければ、終了。何れかが制限を越えている時は（３）から（５）のステップを繰り返す。
また、（１）から（５）までのステップを実際のロボットに依らずに、コンピュータ上でのシミュレーション、いわゆるオフラインティーチングソフト上で実行すれば、プレイバック動作中にモータの速度、トルク、電流が定格をオーバーしても、ロボットが暴走したり、モータが焼き付く心配がなく、減速比の切り替えスケジュールが最適な物に収束するまで、（１）から（５）までのステップを繰り返すことができる。
なお、実施例においては減速機を大小２つの減速比を選べる２段可変速減速機としたが、本発明は２段可変速減速機を使用したものに限られるものではなく、３段以上の多段変速機、あるいは無段階変速機を用いるなどの応用ができることはいうまでもない。
【００１０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、ロボットの姿勢やエンドエフェクタの質量の大小による各駆動軸の負荷に応じて、減速機の減速比を最適に切り換えるので、駆動用モータのパワーをフルに引き出せる。したがって、ロボットを高速で動作できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す垂直多関節型ロボットの概念図である。
【図２】本発明の実施例を示す垂直多関節型ロボットの説明図であり、（ａ）は下部アーム３を直立させ、上部アーム４を水平にした姿勢を示し、（ｂ）は下部アーム３を直立の姿勢から角度θだけ前方に倒した姿勢を示し、（ｃ）は下部アーム３と上部アーム４を共に直立させた姿勢を示す。
【符号の説明】
１：固定ベース  ２：旋回ヘッド  ３：下部アーム  ４：上部アーム
５：負荷質量  ６：減速機  ７：サーボモータ
８：第１の減速機付サーボモータ  ９：第２の減速機付サーボモータ
【図１】
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【図２】
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