JP2000047732A - サーボ制御装置およびサーボ制御方法 - Google Patents

サーボ制御装置およびサーボ制御方法

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JP2000047732A
JP2000047732A JP10218306A JP21830698A JP2000047732A JP 2000047732 A JP2000047732 A JP 2000047732A JP 10218306 A JP10218306 A JP 10218306A JP 21830698 A JP21830698 A JP 21830698A JP 2000047732 A JP2000047732 A JP 2000047732A
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arm
gain
holding brake
released
brake
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Toshiyuki Kurebayashi
敏之 榑林
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Yaskawa Electric Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 保持ブレーキを解除した際のアームの落下を
防止できると共に、通常の動作においては、発振などの
不具合を生じないサーボ制御装置を提供する。 【解決手段】 サーボモータの保持用ブレーキ(37)
の解除を認知する手段(35)と、所定の時間を設定す
るタイマーと、2種のゲイン(Ki1,Ki2)を設定
でき、前記保持ブレーキが解除されてから前記タイマー
で設定された所定の時間までの間は前記ゲインのうち大
きい方の値(Ki2)を選択し、前記所定時間の経過後
は前記ゲインのうちの小さい方の値(Ki1)を選択す
るゲイン切り替え手段(32)を備える。アーム保持ブ
レーキ(37)が開放されて、サーボモータに所定のト
ルクが指令されて、前記サーボモータのトルク(25)
とアームに加わる重力による負荷モーメント(23)が
均衡するまでの短時間だけ、大きなゲイン(Ki2)を
選択できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、サーボ制御装置、
特に産業用ロボットのアームを駆動するサーボモータの
保持用ブレーキを解除した時に生じるアームの落下を防
止するサーボ制御装置、および方法に関する。
【0002】
【従来の技術】図3は産業用ロボットのサーボ制御回路
を示すブロック図である。図において、1は産業用ロボ
ットのアームを駆動するサーボモータであり、2はサー
ボモータ1の主軸に連結され、前記主軸の回転に応じて
パルス列を出力するパルスジェネレータである。パルス
ジェネレータ2から出力された前記パルス列は速度検出
器3および位置検出器4にフィードバック入力され、そ
れぞれサーボモータ1の回転速度および回転角度を演算
して、速度フィードバックおよび位置フィードバックと
して出力する。5は位置指令器であり、所定のプログラ
ムに従って、サーボモータ1の回転角度を指令する装置
である。ここでは簡単のために、位置指令器5を1個の
ブロックとしているが、実際には、CPU、プログラム
解読部、軌跡計画部、マンマシンインターフェイス部等
から構成されるロボット制御装置である。位置指令器5
が出力した位置指令と前記位置フィードバックの差、す
なわち位置偏差が演算され、位置制御器6に入力され
る。位置制御器6は前記位置偏差に応じた速度指令を出
力する。前記速度指令と前記速度フィードバックの差、
すなわち速度偏差が演算され、速度制御器7に入力され
る。速度制御器7は前記速度偏差に応じたトルク指令を
電流制御器8に出力する。電流制御器8は前記トルク指
令に応じた駆動電流をサーボモータ1に供給する。図4
は速度制御器7の内部での処理を示すブロック図であ
る。 図4において、9は積分回路であり、10および
11は比例回路である。入力された前記速度偏差は積分
回路9で積分され、その積分値は比例回路10に入力さ
れる。比例回路10では前記積分値に積分ゲインKiを
乗算して出力する、この値に更に前記速度偏差を加算し
て、比例回路11に入力して速度ゲインKvを乗算した
値をトルク指令として出力している。
【0003】ここで、図5に示すような垂直多関節形の
産業用ロボット21の上部アーム22を駆動する保持ブ
レーキ付きサーボモータを例に取り上げる。保持ブレー
キとは、サーボモータの出力軸がある回転角度で静止し
ている時に、前記出力軸が回転しないように保持するブ
レーキである。上部アーム22は、水平軸U(図の表か
ら裏を貫く軸である)回りの回転自由度を持ち、上下に
揺動駆動されるアームである。図に示すように、上部ア
ーム22を水平に保持する時、上部アーム22には、重
力が加わり、上部アーム22の先端を下に下げるモーメ
ントが水平軸U回りに生じる。前記保持ブレーキが動作
していない時は、前記モーメントに対抗して上部アーム
22を水平に保持するための所要のトルクを、サーボ制
御装置がサーボモータに指令する。また、前記保持ブレ
ーキを動作している時は、前記モーメントは前記保持ブ
レーキに負荷されるので、前記サーボ制御装置は、サー
ボモータにトルクを指令しない。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところが、前記保持ブ
レーキの動作を解除して、前記モーメントの負荷が前記
保持ブレーキから前記サーボモータに移る時は、アーム
が重力によって落下するという問題がある。図6は、前
記保持ブレーキを解除した時の、前記サーボモータに加
わる重力負荷によるモーメント23、前記サーボモータ
の回転速度24、トルク25、回転角度の変位26の変
動を時間軸を共通にして表示したタイムチャートであ
る。前記保持ブレーキは、極めて短時間で開放されるの
で、重力負荷によるモーメント23は図6に示すよう
に、階段状の曲線を描いて不連続に変化する。このよう
に重力負荷によるモーメント23が急激に負荷される
と、前記サーボモータは重力負荷によるモーメント23
によって回転し、上部アーム22の先端が落下する。そ
のため、回転角度の変位26、速度24共に大きくな
る。つまり、位置偏差、速度偏差共に大きくなるので、
前記サーボ制御装置は前記サーボモータの回転角度の変
位26を零に戻すためにトルクを指令する。このトルク
指令によって前記サーボモータを減速し、さらに速度を
逆転させ、前記サーボモータの回転角度の変位26を零
に戻し停止させる。このように、従来のサーボ制御装置
では、保持ブレーキが解除されてから、サーボモータに
トルクが指令されて、アームが前記サーボモータによっ
て保持されるまで、時間を要するので、前記保持ブレー
キを解除すると、前記アームが、一旦落下するという問
題がある。また、前記アームが落下して、周辺装置等に
接触して、前記アームあるいは周辺装置等を損傷すると
いう問題がある。このアームの落下を最小にするには、
積分ゲインKiや速度ゲインKvの値を大きくすればよ
いが、ロボットの位置、姿勢によってアームに加わる重
力負荷が小さいときは、制御系が不安定になり発振など
の不具合を発生する場合がある。また保持ブレーキを徐
々に解除して、サーボモータに加わる重力負荷を徐々に
変化させる方法も考えられるが、保持ブレーキの機構が
複雑になり、コストの上昇や信頼性の低下につながる。
そこで本発明は、保持ブレーキを解除した際のアームの
落下を防止できると共に、通常の動作においては、発振
などの不具合を生じないサーボ制御装置を提供すること
を目的とする。
【0005】
【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、本発明は、サーボモータの保持用ブレーキの解除
を認知する手段と、所定の時間を設定するタイマーと、
2種のゲインを設定でき、前記保持ブレーキが解除され
てから前記タイマーで設定された所定の時間までの間は
前記ゲインのうち大きい方の値を選択し、前記所定時間
の経過後は前記ゲインのうちの小さい方の値を選択する
ゲイン切り替え手段を備えて、サーボ制御装置を構成す
るものである。
【0006】
【発明の実施の形態】図1は本発明の実施例を示すサー
ボ制御装置の速度制御器のブロック図である。以下、図
1に基づいて本発明の実施例を説明する。なお、従来技
術と共通する部分については説明を省略する。図1にお
いて、31は速度制御器であり、従来技術で説明したサ
ーボ制御装置において、速度制御器7と置き換えられる
ものである。32はゲイン切替回路であり、外部からの
信号が入力されると、内部に備えられたタイマーに設定
された時間内だけ、積分回路9の出力先を、常用比例回
路33からブレーキ開放時用比例回路34へ切り替える
回路である。常用比例回路33には常用積分ゲインKi
1が設定され、ブレーキ開放時用比例回路34にはブレ
ーキ開放時用積分ゲインKi2が設定されている。ブレ
ーキ開放時用積分ゲインKi2は常用積分ゲインKi1
より大きな値を持っている。常用比例回路33あるいは
ブレーキ開放時用比例回路34に入力された積分回路9
の出力は、常用積分ゲインKi1あるいはブレーキ開放
時用積分ゲインKi2が乗じられて出力される。この値
に速度偏差を加算した値が比例回路11に入力されて、
速度ゲインKvを乗算され、トルク指令として出力され
る。35はアーム保持ブレーキ開放信号であり、図示し
ないCPUから、アーム保持ブレーキ37を開放するた
めに出力される信号である。アーム保持ブレーキ開放信
号35は積分ゲイン切り替え回路32とアーム保持ブレ
ーキ開放回路36に入力される。アーム保持ブレーキ開
放信号35が入力されると、アーム保持ブレーキ開放回
路36はアーム保持ブレーキ37を開放するための電流
を出力する。なお、一般に産業用ロボットにおいては安
全のために、アーム保持ブレーキ開放信号35が立ち上
がっている時にだけ、アーム保持ブレーキ37が開放さ
れるように構成されている。一方、積分ゲイン切替回路
32にアーム保持ブレーキ開放信号35が入力される
と、内部のスイッチが切り替わり積分回路9の出力をブ
レーキ開放時用比例回路34に入力すると同時に内部の
タイマーを起動する。前記タイマーが指定された時間だ
け動作すると、前記スイッチが再び切り替わり、積分回
路9の出力を常用比例回路33に入力する。
【0007】次に、積分ゲイン切替回路32の内部での
処理の詳細を説明する。積分ゲイン切替回路32の内部
では、図2に示す積分ゲイン切替処理が一定周期で常時
実行されている。前記積分ゲイン切替処理のフローは次
のようなものである。 ステップST1:積分ゲイン切替処理が実行されると、
まずアーム保持ブレーキ開放信号35を読み取る。 ステップST2:アーム保持ブレーキ開放信号35のO
N/OFFを判断し、ONならばステップST3の処理
に進み、OFFならばステップST15の処理に進む。 ステップST3:前回ブレーキ開放フラグのON/OF
Fを判断する。ここで、前回ブレーキ開放フラグは、前
周期の処理においてブレーキ開放信号を検知したことを
示す積分ゲイン切替回路32の内部の信号である。OF
Fならば、その周期の処理で初めて、アーム保持ブレー
キ開放信号35を検知した訳なので、ステップST4の
処理に進み、ONならばステップST8の処理に進む。 ステップST4:タイマカウンタを0に戻し、ステップ
ST5の処理に進む。 ステップST5:ブレーキ開放時積分ゲインKi2を選
択する。つまり、積分回路9の出力をブレーキ開放時用
比例回路34に入力するように切り替え、ステップST
6に進む。 ステップST6:Ki2選択フラグをONにして、ステ
ップST7に進む。 ステップST7:前回ブレーキ開放フラグをONにし
て、終了。 ステップST8:Ki2選択フラグのON/OFFを判
別して、ONならば、前周期でブレーキ開放時積分ゲイ
ンKi2を選択しているから、ステップST9に進む。
OFFならば、ステップST14に進む。 ステップST9:タイマカウンタに1を加え、ステップ
ST10に進む。 ステップST10:タイマカウンタの値を事前に設定し
た値と比較し、タイムアップしたか否かを判定する。タ
イムアップしていなければステップST11に進み、タ
イムアップしてればステップST12に進む。 ステップST11:ブレーキ開放時積分ゲインKi2を
選択し、ステップST7に進む。 ステップST12:常用積分ゲインKi1を選択する。
つまり、積分回路9の出力を常用比例回路33に入力す
るように切り替え、ステップST13に進む。 ステップST13:Ki2選択フラグをOFFにして、
ステップST7に進む。 ステップST14:常用積分ゲインKi1を選択し、ス
テップST7に進む。 ステップST15:前回ブレーキ開放フラグをOFFに
して、ステップST16に進む。 ステップST16:常用積分ゲインKi1を選択し、終
了する。
【0008】以上のように、アーム保持ブレーキ37が
開放されて、サーボモータに所定のトルクが指令され
て、前記サーボモータのトルクとアームに加わる重力に
よる負荷モーメントが均衡するまでの短時間だけ、高ゲ
インを選択できる。したがって、重力によるアームの落
下を小さくできる。実施例においては、切替の対象とし
て、速度制御器の積分ゲインを選択したが、切替の対象
は積分ゲインに限られず、速度ゲインであってもよい。
また位置制御器のゲインであってもよい。また、タイマ
ーの設定時間は、積分ゲイン切替処理の周期とタイムア
ップ時のタイムカウント値の積で表されるが、適用する
アームの特性に合わせて、最適な時間を設定すればよ
い。また、実施例の説明においてサーボ制御装置の構成
をハードウェアの組み合わせで表現したが、サーボ制御
装置の一部または全部をソフトウェアに置き換えてもよ
い。さらに、本発明の適用対象は産業用ロボットに限ら
れるものではなく、保持ブレーキを備え、前記保持ブレ
ーキを開放した時に制御対象が、例えば重力のような外
力で変位する装置に広く適用できることは言うまでもな
い。
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、保
持ブレーキが開放されて、サーボモータに所定のトルク
が指令されて、前記サーボモータのトルクとアームに加
わる重力による負荷モーメントが均衡するまでの短時間
だけ、高ゲインを選択できるので、重力によるアームの
落下を小さくできる効果がある。また、前記トルクと前
記負荷モーメントが均衡した後は、前記ゲインを小さな
値に切り替えるので、例えばアームの姿勢の変更による
負荷の減少に起因する発振等の不具合が発生しない。ま
た、本発明は機械装置やハード回路に依らず、ソフトウ
ェアでも実現できるので、安価に容易に製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例を示す速度制御器のブロック図
である。
【図2】本発明の実施例を示す積分ゲイン切替処理のフ
ローチャートである。
【図3】従来技術によるサーボ制御装置のブロック図で
ある。
【図4】従来技術による速度制御器のブロック図であ
る。
【図5】垂直多関節型の産業用ロボットの例を示す側面
図である。
【図6】従来技術による負荷モーメントとサーボモータ
の回転変位等の時間的変動を示すタイムチャートであ
る。
【符号の説明】
1:サーボモータ 2:パルスジェネレータ 3:速度検出器 4:位置検出器 5:位置指令器 6:位置制御器 7:速度制御器 8:電流制御器 9:積分回路 10:比例回路 11:比例回路 21:産業用ロボット 22:上部アーム 23:重力負荷によるモーメント 24:回転速度 25:トルク 26:回転角度の変位 31:速度制御器 32:積分ゲイン切替回
路 33:常用比例回路 34:ブレーキ開放時用
比例回路 35:アーム保持ブレーキ開放信号 36:アーム保持ブレーキ開放回路 37:アーム保持ブレーキ Ki:積分ゲイン Kv:速度ゲイン Ki1:常用積分ゲイン Ki2:ブレーキ開放時
用積分ゲイン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H02P 7/00 H02P 7/00 A

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 サーボモータの保持用ブレーキの解除を
    認知する手段と、所定の時間を設定するタイマーと、2
    種のゲインを設定でき、前記保持ブレーキが解除されて
    から前記タイマーで設定された所定時間までの間は前記
    ゲインのうち大きい方の値を選択し、前記所定時間の経
    過後は前記ゲインのうちの小さい方の値を選択するゲイ
    ン切り替え手段を備えたことを特徴とするサーボ制御装
    置。
  2. 【請求項2】 前記ゲインは速度制御用の積分ゲインで
    あることを特徴とする請求項1に記載のサーボ制御装
    置。
  3. 【請求項3】 2種のゲインを設定し、サーボモータの
    保持用ブレーキが解除されてから、所定時間が経過する
    までは、前記ゲインのうち大きい方の値を選択し、前記
    所定時間の経過後は前記ゲインのうちの小さい方の値を
    選択する特徴とするサーボ制御方法。
  4. 【請求項4】 前記ゲインは速度制御用の積分ゲインで
    あることを特徴とする請求項3に記載のサーボ制御方
    法。
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