JP2003039374A - ロボット用制御システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 従来の欠点および不都合を克服することので
きる改善されたロボット制御アーキテクチャを提供す
る。 【解決手段】 ロボットのための制御システムは、ロボ
ットの可動部品の運動経路を生成および制御するための
制御ユニット（ＲＣＵ）と、ロボットの可動部品に結合
されたモータ（Ｍ．１、．．．、Ｍ．ｎ）を制御するた
めの制御信号を生成するためのドライブユニット（ＤＳ
Ａ）と、制御ユニット（ＲＣＵ）とドライブユニット
（ＤＳＡ）とを接続するためのイーサネット型のネット
ワーク（ＦＥＬ）と、を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ロボット用制御シ
ステムに関し、その制御システムは、産業用ロボットに
利用できるように特に配慮して開発されたものである。

【０００２】

【従来の技術】良く知られた形態のロボットに使用され
る制御システムは、一般的かつ総合的には、３つの機能
ブロックによって表わすことができる。

【０００３】第１のブロックは、スーパバイザ機能また
は監視機能によって代表される。これは、ユーザプログ
ラムを実行することによってシステムの自動化を達成す
る。それは、システムおよびそれに付随する診断機能と
安全機能を管理するのを可能にする論理型の信号を、入
力においては受信し、出力においては生成する。それ
は、その他の制御ユニット（ファクトリーオートメーシ
ョン）または付加的なカード（セルオートメーション）
と通信を行い、アプリケーションプログラムの実行を調
整する情報を受信する。

【０００４】第２のブロックは、運動を生成および制御
するための機能によって代表される。それは、運動に関
する要求をユーザプログラムから受信すると、運動の経
路および（恐らくは）システムのモータから得られるト
ルクを生成することを実行し、調整機能と通信を行う。

【０００５】最後に、第３のブロックは、調整機能によ
って代表される。これは、位置およびトルク経路を受信
し、システムに存在するモータの角度位置／直線位置を
測定し、予測時間内に要求精度でユーザプログラムを実
行するのを保証するために、様々なモータに流れるべき
電流を計算する。この機能ブロックは、電力信号の生成
を管理し、また、測定器とのインタフェースをとる。

【０００６】上述した機能的な構造は、一般的なもので
あり、現在市販されているロボットに用いられる実質的
にすべての制御を表現するものである。様々な商品が、
それらが提供するアーキテクチャの独特な構造によって
差別化されている。

【０００７】一般的に、３つの機能を実現するシステム
アーキテクチャは、様々な形態でお互いに通信を行う３
つのレベルのプロセッサを使用することを意図してい
る。すなわち、−スーパバイザ機能を実行する主制御ユ
ニット、−運動を生成および制御するための機能を実行
する１つまたはそれ以上のユニット、−アクチュエータ
の角度位置／直線位置を測定することによって、また、
ドライブへの調整信号を生成することによって、システ
ムを制御するための１つまたはそれ以上のユニット。

【０００８】様々な機能ブロック間において所定の時間
内に要求されたモードで情報を伝送することは、システ
ムを適切に実行させるのを保証するものである。電力信
号の生成が間近に迫っているとき、様々な制御ユニット
間での通信は、優先順位および複雑性の異なるレベル
と、より厳しい時間的制約とを特徴とする。

【０００９】それが運動の観点から機械の性能に及ぼす
影響の中でも特に重要なことは、位置経路の生成を管理
する制御ユニットと、モータの位置およびトルクを制御
するユニットとの間における通信である。

【００１０】経路生成器は、運動に関するユーザ要求
を、アプリケーションプログラムのインタープリタから
受信し、デカルト空間における運動連鎖の端点の変位を
計算する。この点は、特定のアプリケーションに必要な
装置の位置と一致する。機械の幾何学的表現（運動学）
は、要求されたデカルト変位から開始して、モータの関
節経路（角度位置）を計算するのを可能にする。

【００１１】上述した経路は、点に基づいて計算され、
モータの位置制御を行う計算ユニットに通知される。関
節空間における経路を表現および拘束する点の数（モー
タの角度位置の時間的な移動）は、精度および敏捷性を
調整し、それに基づいて、ロボットアームは、デカルト
経路に沿って動く。

【００１２】点の数が増加すれば、経路を表現する分解
能が増大し、２つの隣接する点間で経過する時間間隔が
短くなる。これは、経路の生成と機械の実際の位置との
間の遅延を減少させるのに寄与する。

【００１３】点の数が増加すれば、単位時間内に伝送さ
れる数値の数が増加する。

【００１４】所望の角度位置を有する経路に加えて、位
置を制御する責任がある計算ユニットは、情報を受信す
る（また、伝送する）。その情報は、−進行している運
動の実行を確認し、−動作条件（例えば、重力によって
軸に加えられるトルクを釣り合わせるための予め計算さ
れた電流値）に基づいて、モータの変動率を調整し、−
システム診断を管理する、ことを可能にする。

【００１５】このように、所望の経路位置を生成する機
能と、実際の位置を制御および調整する閉ループ機能と
の間における通信の意義および重要性が、はっきりと現
れてくる。

【００１６】２つの機能レベル間で通信を行うには大量
の情報が要求されるので、これまでに、この分野で多く
の解決方法が提案されてきた。

【００１７】ある程度は単純化し、しかしながら、現状
に忠実に従えば、これらの良く知られている解決方法
は、以下で参照される２つの基本的なアーキテクチャの
範囲内におさまる。

【００１８】従来から幅広く使用されている第１の解決
方法が、図１のブロック構成図に示される。

【００１９】この方法によれば、一方が経路を計画する
ことにのみ使用され、他方が位置を制御することにのみ
使用される２つの中央処理装置（ＣＰＵ）１および２
が、バス（例えば、ＶＭＥ）を介して、あるいは、共用
メモリ（例えば、デュアルポートＲＡＭ）を介して、お
互いに通信を行い、電流基準および測定された位置が、
２つの信号バス（一般には、アナログ信号）３および４
に現れ、その信号バス３および４は、ドライブ５．
１、．．．、５．ｎ、および、モータ６．１、．．．、
６．ｎを、多重分離／多重化ブロック３ａおよび４ａを
介して、制御電子装置に接続する。この方法は、専用高
速通信チャンネルによって、２つのＣＰＵ１および２を
お互いに接続するという利点を提供する（２つのＣＰＵ
は同じカード上にある場合）。

【００２０】上述した方法には、以下のような大きな欠
点がある。すなわち、−ＣＰＵ間の通信チャンネルは、
それ専用のものであり、「ポイントツーポイント」の接
続を容易に実現できるが、本質的に「マルチポイント」
通信チャンネルではない。

【００２１】−アナログ信号のバスは、コストがかかり
（それらは、信号を調整するための専用ハードウェアを
必要とする）、必ず雑音信号から影響を受ける。

【００２２】図１に示されたアーキテクチャの変形は、
インターロック機能（モータ速度の制御）を部分的に提
供するドライブを使用することを意図するものである。
この場合、ドライブが、たとえディジタル式でも（速度
を制御する機能を実行するボード上にＣＰＵを備え
る）、そのドライブに送信される信号は、アナログ信号
であり（アースを基準にした電圧）、所望の回転数／分
に比例したものである。位置制御ループは、モータの角
度位置を測定する責任がある専用ＣＰＵによって閉じら
れる。

【００２３】つい最近になって、図２に示される特徴に
基づいて構成された速度調整機能および位置調整機能を
備えたディジタルドライブが開発された。この場合、経
路を生成するＣＰＵ１と、モータ６．１、．．．、６．
ｎの位置を制御するいくつかのＣＰＵ（これらのＣＰＵ
は、ディジタルドライブ５．１、．．．、５．ｎのＣＰ
Ｕに組み込まれる）との間の通信は、情報をディジタル
形式で転送するフィールドバス３および４を使用する。
制御ループは、ドライブ５．１、．．．、５．ｎのＣＰ
Ｕによって局所的に閉じられる。測定された実際の位置
は、進行している運動の実行を確認するために、また、
診断業務のために、その他の情報とともに、経路の生成
を処理するＣＰＵに送信される。更に、この場合には、
多重分離ブロック３ａおよび多重化ブロック４ａが、そ
れぞれ、フィールドバス３および４に接続される。

【００２４】上述した制御アーキテクチャによれば、ア
ナログ形式で情報を伝送することは、排除されている。

【００２５】しかしながら、また、上述した方法は、そ
れに欠点がないわけではない。

【００２６】例えば、位置制御を実行する単一ＣＰＵ
が、一般的には存在しない。これは、位置ループを閉じ
るＣＰＵは、どれもが、機械全体の総合的な状態（位
置、電流）を完璧に把握していないことを意味する。市
販されているドライブのＣＰＵは、一般的に、簡単な制
御機能を実行し、アプリケーションからの要求に基づい
た制御動作を調整することにはまったく適していない
「閉じた」ソフトウェアアーキテクチャを有する。

【００２７】更に、アプリケーションからの要求に基づ
いた位置制御の調整は、そのいずれもが、機械の総合的
な状態（モータの角度位置および電流−それらがドライ
ブによって伝送される場合）を把握しているボード上の
単一ＣＰＵ（すなわち、図２のＣＰＵ１）でなされなけ
ればならない。したがって、位置制御機能は、２つのレ
ベルで、すなわち、ドライブ（分散された調整）と制御
電子装置（「機械」調整、制御を動作条件およびアプリ
ケーションからの要求に適合させる）とによって実行さ
れる。単一ＣＰＵによって実行される位置制御機能を有
するという大きな利点がなくなる。

【００２８】最後に、ＣＰＵとドライブとの間の通信
は、汎用フィールドバスを使用する。これは、伝送され
る情報が、使用されるプロトコルの規則に従わなければ
ならないことを意味する。情報を同期させて送信および
受信することを保証するのは難しいかもしれない。すな
わち、位置経路を表現する点は、同一の時刻を意味する
が、ドライブによって異なる時刻に受信される。これ
は、機械がたどる実際の経路にずれを発生させることが
あり、そのずれの大きさは、ＢＵＳ上における通信、予
想伝送遅延、および、それらの時間的変動率の関数であ
る。

【００２９】

【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
目的は、上述した欠点および不都合を克服することので
きる改善されたロボット制御アーキテクチャを提供する
ことである。

【００３０】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、上述し
た目的は、請求の範囲に記載される特徴を有するロボッ
トのための制御アーキテクチャによって達成される。

【００３１】以下、本発明を添付された図面を参照し
て、実施例によって説明する。

【００３２】

【発明の実施の形態】本発明の好ましい実施形態は、２
つの主機能ユニットまたは主機能ブロックを使用するこ
とを意図したものである。

【００３３】それらの第１のブロックは、スーパバイザ
機能および経路生成制御機能を実行するロボット制御ユ
ニット（ＲＣＵ）である。この制御ユニットは、有利な
点として、２つの中央処理装置（ＣＰＵ）を使用するこ
とを意図したものであり、それらのＣＰＵは、２つの機
能を実行し、更に、例えばＰＣＩ型のようなバスを介し
てお互いに通信を行う。

【００３４】その代わりに、符号ＤＳＡが、多軸ドライ
ブユニットからなる第２の機能ブロックを示し、それ
は、位置制御ループを提供し、かつ、モータＭ．
１、．．．、Ｍ．ｎの軸のための電流を生成する。ドラ
イブＤＳＡの内部には、位置を制御する責任があるＣＰ
Ｕと、電力段（インバータ）のためのパルス幅変調（Ｐ
ＷＭ）信号を生成し、かつ、モータの相電流を測定する
ことによって、電流の閉ループ制御を実行するいくつか
のＣＰＵ（典型的には、ディジタル信号プロセッサＤＳ
Ｐの形態として）とが存在する。これらの制御信号（モ
ータの位相および電圧）は、まとめて符号ＣＭによって
示される一組の線路によって、モータＭ．１、．．．、
Ｍ．ｎ自身へ伝送される。それに対応するフィードバッ
ク信号（モータの位相および電流、例えばエンコーダに
よって得られた軸の位置）が、まとめて符号ＦＭによっ
て示される複合線路を介して、モータからドライブＤＳ
Ａへ送り返される。

【００３５】符号ＦＩＡは、インタフェースモジュール
を示し、それによって、すべての制御周辺装置（プログ
ラミングパネル、オペレータインタフェース、端末装
置、ＰＣ）に、すなわち、分散入出力装置（Ｉ／Ｏ）、
機械安全装置（安全チェーン）のための調整信号、およ
び、考えられる外部制御カード（ＰＬＣ、付加的な装
置、および、センサ）にＲＣＵを結合することができ
る。そのための接続が、Ｉ（入力）およびＯ（出力）に
よって概略的に示される。ブロックＦＩＡおよびＲＣＵ
は、好ましくはＣａｎＢｕｓからなるバスＣＢによっ
て、通信を行う。ブロックＦＩＡの特徴は、顧客ごとに
厳密に個別化できることである。

【００３６】上述した方法の重要な特徴によれば、ユニ
ットＲＣＵとユニットＤＳＡとの間の接続は、１００Ｍ
バイト／秒の専用ファストイーサネット（登録商標）(F
astEthernet)（登録商標）ネットワークからなる。符号
ＦＥＬで示されるこのネットワークは、実際には、経路
を生成するＣＰＵと位置制御を実行するＣＰＵとの間の
通信チャンネルである。（良く知られている種類の）プ
ロトコルが使用され、それが、アプリケーションごとに
個々に最適化される。

【００３７】本発明によるアーキテクチャを取り入れる
ことによって達成することのできる大きな利点を以下で
説明する。

【００３８】インタフェースユニットまたはインタフェ
ースモジュールＦＩＡを使用することによって、アプリ
ケーションに応じて、ユーザに対するインタフェースお
よびシステムのその他のものとの通信のより大きな柔軟
性およびコンフィギュレーション能力を得ることができ
る。

【００３９】アナログ信号の形態による情報の伝送が、
位置制御については、すべて排除される。すなわち、測
定値は、ディジタル（エンコーダ位置）であり、所望の
位置は、イーサネット（登録商標）(Ethernet)（登録商
標）を介して、すなわち、ネットワークＦＥＬを介して
伝送される浮動小数点数値の位置である。

【００４０】位置制御に責任があるＣＰＵは、多軸ドラ
イブ（ユニットＤＳＡ）の内部に存在し、かつ、ドライ
ブ内において、電流制御ループ（モータによって生成さ
れるトルクの制御）を閉じるいくつかのＣＰＵと通信を
行う。したがって、位置ループおよび速度ループは、ユ
ニットＤＳＡ内にある単一ＣＰＵによって提供され、そ
れが、機械の「全体状況」を把握している。

【００４１】位置制御に必要な位置基準およびその他の
情報は、共通のイーサネット（登録商標）データパケッ
トとして受信され、ユニットＤＳＡのＣＰＵによって、
同期して取り扱われ、そのＣＰＵは、それらのパケット
を処理し、すべての位置調整ループおよび速度調整ルー
プを同時に閉じる。

【００４２】多くの情報を制御されるそれぞれの軸に高
い信頼性で伝送することが可能である。これによって、
ほんの数ミリ秒のサンプリングレートで高度な制御機能
を実現することができ、処理の一部は、経路を生成し、
かつ、モジュールＦＩＡに接続された付加的センサから
情報を受信するユニットＲＣＵのＣＰＵによってなされ
る。駆動は、ドライブユニットのＣＰＵによってなさ
れ、イーサネット（登録商標）は、調整ループを閉じる
のを可能にするチャンネルである。その結果として、本
発明の方法によれば、第２のレベルの制御アーキテクチ
ャを得ることができ、それは、アプリケーションからの
要求に応じた、また、商品の進化に応じた柔軟性および
コンフィギュレーション能力を有するものである。

【００４３】１つのユニットＲＣＵと、制御動作に責任
があるいくつかのユニットＤＳＡとが存在する制御アー
キテクチャを得ることができる。これは、例えば、２つ
のロボットのための、さもなければ、１つのロボットと
いくつかの補助軸のための制御アーキテクチャを可能に
する。

【００４４】イーサネット（登録商標）ネットワークＦ
ＥＬは、多軸ドライブユニットＤＳＡが、ロボットのす
ぐ近くに存在し、かつ、制御ユニットＲＣＵが、機械か
ら少し離れたところに存在してもよい（例えば、それ
は、ロボットから５０メーター離れたところに配置され
てもよい）ロボット制御システムのための配置を、性能
をなんら低下させることなく実現するのを可能にする。

【００４５】当然ながら、本発明の範囲から逸脱するこ
となく本発明の原理により、ここで説明および図示した
ものに基づいて、構成の細部および実施形態を変えるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術を説明するための図である。

【図２】従来技術を説明するための図である。

【図３】本発明による制御アーキテクチャのブロック構
成図である。

【符号の説明】

１、２ 中央処理装置（ＣＰＵ） ３、４ フィールドバス、信号バス ３ａ 多重分離ブロック ４ａ 多重化ブロック ５．１、．．．、５．ｎ ドライブ ６．１、．．．、６．ｎ モータ ＲＣＵ 制御ユニット ＤＳＡ ドライブユニット ＦＥＬ ファストイーサネット（登録商標）ネットワー
ク ＦＩＡ インタフェースモジュール ＣＢ バス ＣＭ、ＦＭ 線路 Ｍ．１、．．．Ｍ．ｎ モータ Ｉ 入力 Ｏ 出力

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 カンテーロ，ジォルジォ イタリー国アイ−10125トリノ，ヴィア・ カンパーナ・１・ビス (72)発明者 カルニーノ，グイド イタリー国アイ−10137トリノ，ヴィア・ トリポリ・124 (72)発明者 ザッカニーニ，アントニオ イタリー国アイ−10135トリノ，コルソ・ ジァンボーネ・46／17 Ｆターム(参考） 3C007 JS01 JS07 5H269 AB01 BB01 BB05 KK03

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 制御信号をそれぞれのモータ（Ｍ．
   １、．．．、Ｍ．ｎ）に与えた結果として決定される経
   路に沿って動くことのできる部品を備えたロボットのた
   めの制御システムであって、 前記経路を生成および制御するための制御ユニット（Ｒ
   ＣＵ）と、 前記制御ユニット（ＲＣＵ）によって生成された経路に
   基づいて前記それぞれのモータ（Ｍ．１、．．．、Ｍ．
   ｎ）を制御するための前記制御信号（ＣＭ）を生成する
   ためのドライブユニット（ＤＳＡ）と、 前記制御ユニット（ＲＣＵ）と前記ドライブユニット
   （ＤＳＡ）とを接続するためのイーサネット型の専用ネ
   ットワーク（ＦＥＬ）と、を備えたことを特徴とする制
   御システム。
2. 【請求項２】 前記制御ユニット（ＲＣＵ）が、少なく
   とも２つの専用ＣＰＵを備え、その一方が、スーパバイ
   ザ機能を実行し、他方が、前記経路を生成および制御す
   る機能を実行することを特徴とする請求項１に記載の制
   御システム。
3. 【請求項３】 前記少なくとも２つのＣＰＵが、ＰＣＩ
   型のような１つのバスまたは複数のバスを介して、お互
   いに接続されることを特徴とする請求項２に記載の制御
   システム。
4. 【請求項４】 前記ドライブユニット（ＤＳＡ）が、一
   般的なフィードバック方式（ＣＭ、ＦＭ）に基づいて動
   作し、前記ドライブ信号（ＣＭ）をそれぞれのモータ
   （Ｍ．１、．．．、Ｍ．ｎ）に送信し、対応するフィー
   ドバック信号（ＦＭ）を前記モータ（Ｍ．１、．．．、
   Ｍ．ｎ）から受信することを特徴とする請求項１乃至３
   のいずれか１項に記載の制御システム。
5. 【請求項５】 前記制御信号が、前記モータ（Ｍ．
   １、．．．、Ｍ．ｎ）のための位相信号および電圧信号
   を形成する組の中から選択される信号を備え、前記フィ
   ードバック信号（ＦＭ）が、位相信号、電流信号および
   前記モータ（Ｍ．１、．．．、Ｍ．ｎ）の軸の位置信号
   を備える組の中から選択されることを特徴とする請求項
   ４に記載の制御システム。
6. 【請求項６】 前記ドライブユニット（ＤＳＡ）が、Ｐ
   ＷＭ信号のようなディジタル信号の形態で前記制御信号
   を生成することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか
   １項に記載の制御システム。
7. 【請求項７】 前記ネットワーク（ＦＥＬ）が、ファス
   トイーサネット型のネットワークであることを特徴とす
   る請求項１乃至６のいずれか１項に記載の制御システ
   ム。
8. 【請求項８】 前記ネットワーク（ＦＥＬ）が、約１０
   ０Ｍバイト／秒の伝送速度を有するネットワークである
   ことを特徴とする請求項１または７に記載の制御システ
   ム。
9. 【請求項９】 前記制御ユニット（ＲＣＵ）と制御周辺
   装置および／または入出力ユニットとを接続するための
   インタフェースモジュール（ＦＩＡ）を更に備えること
   を特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の制
   御システム。
10. 【請求項１０】 前記制御周辺装置が、プログラミング
    パネル、オペレータインタフェース、端末装置、およ
    び、パーソナルコンピュータシステムを形成する組の中
    から選択され、前記入出力ユニットが、安全のための調
    整信号を生成するためのユニットと、ＰＬＣ、付加的な
    装置、および、センサのような外部制御カードとを形成
    する組の中から選択されることを特徴とする請求項９に
    記載の制御システム。
11. 【請求項１１】 前記制御ユニット（ＲＣＵ）と前記イ
    ンタフェースモジュール（ＦＩＡ）とが、ＣａｎＢｕｓ
    型のようなバスを介して、通信を行うことを特徴とする
    請求項９または１０に記載の制御システム。
12. 【請求項１２】 前記ドライブユニット（ＤＳＡ）が、
    好ましくはエンコーダによって生成されたディジタル形
    式の位置信号を前記モータ（Ｍ．１、．．．、Ｍ．ｎ）
    から受信するように構成されることを特徴とする請求項
    １乃至１１のいずれか１項に記載の制御システム。
13. 【請求項１３】 前記ドライブユニット（ＤＳＡ）が、 前記モータ（Ｍ．１、．．．、Ｍ．ｎ）の位置制御に責
    任がある第１のＣＰＵと、 一組の更なるＣＰＵであって、そのそれぞれが、少なく
    とも１つのモータ（Ｍ．１、．．．、Ｍ．ｎ）の制御ル
    ープを閉じる機能を実行し、それらのＣＰＵが、前記第
    １のＣＰＵがロボットの全体状況を把握しているように
    構成された、該一組の更なるＣＰＵと、を備えたことを
    特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の制
    御システム。
14. 【請求項１４】 イーサネット型のネットワーク（ＦＥ
    Ｌ）を介して複数の前記ドライブユニット（ＤＳＡ）に
    接続された前記制御ユニット（ＲＣＵ）を備えたことを
    特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の制
    御システム。
15. 【請求項１５】 前記ドライブユニット（ＤＳＡ）が、
    それぞれのロボットのすぐ近くに配置され、前記制御ユ
    ニット（ＲＣＵ）が、前記ロボットから離れた位置に配
    置されることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか
    １項に記載の制御システム。