JP2003340755A - Gain setting method in controller for servo motor, method for verifying effectiveness of the controller, and robot control method - Google Patents

Gain setting method in controller for servo motor, method for verifying effectiveness of the controller, and robot control method

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JP2003340755A
JP2003340755A JP2002154694A JP2002154694A JP2003340755A JP 2003340755 A JP2003340755 A JP 2003340755A JP 2002154694 A JP2002154694 A JP 2002154694A JP 2002154694 A JP2002154694 A JP 2002154694A JP 2003340755 A JP2003340755 A JP 2003340755A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To design a controller for setting a gain parameter in an off-line manner while considering factors which cannot be included in a mathematical formula, and for suppressing generation of parasitic vibration in a robot to change the dynamic characteristic depending on the attitude and the position. <P>SOLUTION: A finite number of selection points for a part to be controlled are selected in advance in a series of motions of a robot, and a non-linear dynamic characteristic of the robot is linearized for each selection point in the vicinity thereof. The system identification is performed for each selection point in the vicinity thereof from input-output data when the robot is actually moved, the difference between a linearized model and the identified model is acquired as non-certainty to represent the parasitic vibration characteristic of the robot, a gain cross frequency is selected to avoid generation of the resonance mode attributable to the non-certainty, the phase margin is sufficiently ensured, and the gain in the controller at each selection point is determined. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、サーボモータ制御
用コントローラにおけるゲイン設定法、コントローラの
有効性検証法およびロボット制御法に係り、詳しくは、
ロボットをシステム同定することによりロボットの動特
性をモデル化したとき含み得ない要因の大きさを予め把
握し、その要因による寄生的な振動の発生を抑えつつ姿
勢や位置に依存して動特性を変化させるロボットを制御
できるようにするためのコントローラの設計法に関する
もので、それに関連する検証法等も含むものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a gain setting method, a controller effectiveness verification method, and a robot control method in a servo motor control controller.
When the dynamic characteristics of a robot are modeled by system identification of the robot, the magnitude of factors that cannot be included is grasped in advance, and the dynamic characteristics depend on the posture and position while suppressing the occurrence of parasitic vibrations due to the factors. The present invention relates to a controller design method for enabling control of a robot to be changed, and also includes verification methods related thereto.

【0002】[0002]

【従来の技術】各関節を動かすためのサーボモータを個
々に駆動してロボットを動作させる場合、制御装置本体
からの指令を満たすように各モータを作動させてロボッ
トに所望する挙動を行わせるが、その場合、各モータの
動きを制御するためにサーボドライバが使用される。サ
ーボドライバは通常PID制御によるが、制御装置本体
からの指令例えば到達すべき位置の情報や限界トルクが
入力されると、モータに供給すべき電流の大きさを演算
し、その電流値によって動いたモータの位置を検出して
フィードバックが掛けられ、所望する位置が達成される
ようにコントロールするようになっている。
2. Description of the Related Art When a servomotor for moving each joint is individually driven to operate a robot, each motor is operated so as to satisfy a command from a main body of a control device to cause the robot to perform a desired behavior. , Then a servo driver is used to control the movement of each motor. The servo driver is normally based on PID control, but when a command from the main body of the control device, for example, information on a position to be reached or a limit torque is input, the magnitude of the current to be supplied to the motor is calculated, and the current value is used to operate The position of the motor is detected, feedback is applied, and control is performed so that the desired position is achieved.

【0003】ところで、モータを駆動するための信号を
出力するサーボドライバ(以下コントローラという)に
は、ロボットを所望する位置へ動かすにしても、例えば
その速度や加速度をどのように与えるかという問題があ
る。通常は制御対象となるロボットの性能および動作仕
様を満たすように、また保持したワークピースを変位さ
せるなどに相応しい状況を現出させることができるよう
に、そのゲインパラメータの選定や調整が必要とされ
る。
By the way, even if a robot is moved to a desired position, a servo driver (hereinafter referred to as a controller) that outputs a signal for driving a motor has a problem of how to give its speed and acceleration, for example. is there. Normally, it is necessary to select and adjust the gain parameter so that the performance and operation specifications of the robot to be controlled are met, and that it is possible to bring out a situation suitable for displacing the held workpiece. It

【0004】ところが、そのゲインパラメータが妥当な
ものであるかは、そのコントローラを使用してロボット
を実際に動かし、その挙動を観察して良し悪しを一つひ
とつ判断することになる。すなわち、ロボットが所望外
の動きを呈したり無用の振動を生じさせるなどすれば、
そのゲインパラメータを変更する。ロボットで要求され
る範囲で速度を2倍にするといったように、動作パター
ンを変えるなどしても不具合が生じないかを確かめる。
However, whether the gain parameter is appropriate or not is determined by actually moving the robot by using the controller and observing its behavior to judge good or bad one by one. That is, if the robot exhibits an undesired movement or causes unnecessary vibration,
Change the gain parameter. Make sure that there is no problem even if you change the motion pattern, such as doubling the speed within the range required by the robot.

【0005】しかし、このように実ロボットを動かしな
がらゲインパラメータを見つけていく手法では、コント
ローラをロボットに適用する準備が必要となるだけでな
く、教示データ等に基づく指令値に従った動きを製品の
生産現場で再現させる必要がある。それがためにロボッ
トの稼働ラインを一時的に休止させるなど製品の生産に
しわ寄せを及ぼすことになったり、場合によっては極め
て煩雑な作業も要求されたりする。また、そのコントロ
ーラに従うロボットの挙動から各種データを収集し、そ
れを研究室や設計室に持ち帰って解析するなど、コント
ローラの利用可能性確認のために幾多の作業や時間を余
儀なくされることが少なくない。
However, in the method of finding the gain parameter while moving the real robot in this way, not only preparation for applying the controller to the robot is necessary, but also the movement according to the command value based on the teaching data etc. Need to be reproduced at the production site. As a result, the production line of the product is wrinkled by temporarily stopping the operation line of the robot, and in some cases extremely complicated work is required. In addition, various data are collected from the behavior of the robot that follows the controller, brought back to the laboratory or design room for analysis, and it is possible to reduce the amount of work and time required to check the availability of the controller. Absent.

【0006】このような操作や作業は回避したいという
要求があり、それがために実ロボットによる検証を避け
て研究室でコントローラの評価を得る試みが古くからな
されている。この場合、使用されるロボットの動特性を
備えたロボットモデル(動特性を反映した運動方程式)
を作っておき、それをパソコン上で動かしたり計算する
などしてシミュレーションし、コントローラ設計の労力
軽減を図ろうとするのである。ロボットの特性も把握で
きているのでその特性を利用してコントローラが設計で
き、シミュレーションによってその良否を確認すること
もできる。
There is a demand for avoiding such operations and works, and for that reason, attempts have been made for a long time to obtain controller evaluations in a laboratory while avoiding verification by an actual robot. In this case, a robot model with the dynamic characteristics of the robot used (kinetic equation reflecting the dynamic characteristics)
It is intended to reduce the labor of controller design by making it and simulating it by moving or calculating it on a personal computer. Since the characteristics of the robot can be grasped, the controller can be designed by using the characteristics, and the quality can be confirmed by simulation.

【0007】このような場合、ロボットが完全な剛体で
あるなら、実ロボットと寸分違わぬモデルを作ることが
できる。しかし、ロボットモデルが実ロボットを完全に
模写したものとはなり得ないことが少なくない。仮に模
写できたとしても、姿勢や位置に依存して動特性を変化
させるロボットである場合には、その動特性が非線形と
なり、それが高次さらには多項といったように計算処理
上厄介な式となってしまう。
In such a case, if the robot is a completely rigid body, it is possible to make a model that is exactly the same as a real robot. However, it is often the case that a robot model cannot be a perfect copy of a real robot. Even if it can be copied, if it is a robot that changes its dynamic characteristics depending on its posture and position, its dynamic characteristics become non-linear, which is a complicated calculation equation such as higher order or polynomial. turn into.

【0008】その要因として、ロボット各関節の位置の
変化により生じる負荷イナーシャの変動、ロボット各関
節の位置・加速度の変化により生じる他の関節の加速度
運動から受ける干渉トルクの変動、ロボット各関節の位
置・速度の変化により生じる遠心力やコリオリ力からな
る外乱トルクの変動、ロボット各関節の位置変化により
生じる重力加速度の影響による外乱トルクの変動等を挙
げることができる。
[0008] Factors involved are fluctuations in load inertia caused by changes in the positions of the robot joints, fluctuations in interference torque caused by acceleration motion of other joints caused by changes in the position / acceleration of the robot joints, and positions of the robot joints. -Variation of disturbance torque due to centrifugal force or Coriolis force caused by change in speed, variation of disturbance torque due to influence of gravitational acceleration caused by position change of each joint of the robot, and the like.

【0009】ところで、ロボットの動特性を非線形運動
方程式であるにせよモデル化できたとしても、その演算
には多大の時間を要したり極めて計算能力の大きいコン
ピュータが必要となったりして、その実現性は乏しいも
のとなる。そのうえ、あくまでも計算上の動きであり、
実ロボットとの間には多少の差が残ることは避けられな
い。
By the way, even if the dynamic characteristics of the robot can be modeled even though it is a non-linear equation of motion, it takes a lot of time for its calculation and a computer with extremely large calculation capability is required. The feasibility is poor. On top of that, it's just a calculation move,
It is inevitable that there will be some difference from the actual robot.

【0010】更に言えば、ロボットの動特性にはロボッ
トの設置基礎、ロボットアーム等の部材の捩れや歪み、
動力伝達系例えばクローベルトの不測の伸縮や減速ギヤ
の不均一な歯当たりに基づくトルクの変動といった弾性
変形的要因等による特性も加重される。しかし、それら
に基因する避け得ない振動まで数理式に折り込むことは
至難の技である。このことを考慮すれば、ロボットの動
きを運動方程式で再現するにも限界のあることが分か
る。
Furthermore, the dynamic characteristics of the robot include the installation foundation of the robot, the twisting and distortion of members such as the robot arm,
Characteristics due to elastic deformation factors such as unexpected expansion and contraction of the power transmission system, torque fluctuations due to uneven tooth contact of the reduction gear, and the like are also weighted. However, it is a difficult technique to fold inevitable vibrations due to them into a mathematical formula. Considering this, it can be seen that there is a limit in reproducing the motion of the robot by the equation of motion.

【0011】そこで、モデルをある程度簡略化して、演
算上実用に供し得るようにする。ところが、数理式の簡
略化はロボットモデルの挙動を実ロボットからますます
遠ざけたものとなる。ましてや、上記したように弾性系
等があると、ロボットモデルと実ロボットとの間には大
きな誤差が残り、線形運動方程式の利用の途は大きく制
約されることになる。
Therefore, the model is simplified to some extent so that it can be put to practical use in calculation. However, the simplification of the mathematical formula makes the behavior of the robot model further away from the real robot. Furthermore, if there is an elastic system or the like as described above, a large error remains between the robot model and the real robot, and the use of the linear motion equation is greatly restricted.

【0012】ところで、上記したように、ロボットアー
ムは姿勢や位置によってその動特性が異なる。例えばあ
る一つの位置での挙動に適するように設計したコントロ
ーラは、他の位置へ行くとアームをうまく動かせない。
つまりアームが伸びた状態と縮んだ状態とでは動特性が
異なるにもかかわらず、アームが伸びた位置で設計され
たコントローラをアームの縮んだ状態に適用してもうま
くいくとは限らない。これでは広範囲に動作できかつ安
定した動きでワークピースを扱えるように、ロボットを
稼働させることができなくなる。
By the way, as described above, the dynamic characteristics of the robot arm differ depending on the posture and position. For example, a controller designed to behave in one position does not move the arm well when moving to another position.
That is, although the dynamic characteristics are different between the extended state and the contracted state of the arm, it is not always successful if the controller designed in the extended position of the arm is applied to the contracted state of the arm. This makes it impossible to operate the robot so that it can operate over a wide range and handle the workpiece with stable movement.

【0013】このような場合に一般的に考えられている
のは、ゲインスケジュールなる手法である。これは、上
記の例で言えば、アームが縮んだときに作ったコントロ
ーラと、伸びたときに作ったコントローラとを徐々につ
なぎ合わせて動かすという手法である。すなわち、ロボ
ットの位置または姿勢の情報をコントローラに取り込
み、コントローラをロボットの位置または姿勢に応じて
切り換えるのである。
In such a case, a method generally considered is a gain schedule. In the above example, this is a technique of gradually connecting the controller created when the arm is contracted and the controller created when the arm is extended and moving. That is, information on the position or orientation of the robot is taken into the controller, and the controller is switched according to the position or orientation of the robot.

【0014】[0014]

【発明が解決しようとする課題】このようなゲインスケ
ジュールに基づく思想は、例えば特開平5−25000
5号公報にも開示されるところであるが、それによって
シミュレーションすることができたとしても、それを実
ロボットに適用したとき常にうまくいくという保証はな
い。その理由は幾つか考えられるが、その最たるもの
は、アームやその他の部位に揺れる箇所があり、それが
振動の原因となるということである。つまりロボットに
は共振的な振動(寄生的な振動)があり、その部分での
制御に不味さがあると共振モードを刺激し、すなわち振
動の発生を助成したり振動を助長したりして、ロボット
の挙動を悪化させてしまうのである。
The idea based on such a gain schedule is disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 5-25000.
As disclosed in Japanese Patent No. 5, even if the simulation can be carried out by using it, there is no guarantee that it will always work when applied to a real robot. There are several possible reasons for this, the most important of which is that there are swaying points on the arms and other parts, which cause vibrations. In other words, the robot has a resonance vibration (parasitic vibration), and if the control in that part is unsatisfactory, it stimulates the resonance mode, that is, it assists the generation of vibration or promotes vibration. However, the behavior of the robot is deteriorated.

【0015】ちなみに、ロボットとシミュレータ(ロボ
ットモデル)とは根本的に異なるものである。たとえ非
線形運動方程式が計算できるものであるとしても、理論
的に導き出されたそのモデルには共振的な振る舞いの要
素を含せ得ない。ましてや特開平5−77176号公報
にも記載されているように線形化するなど簡略化を図っ
たモデルでは、実ロボットとの差が広がるばかりであ
る。すなわち、共振周波数が何処にあるのかその大きさ
はどの位であるのか分からないままロボットモデルでシ
ミュレーションさせても、実ロボットを再現動作させる
に満足なコントローラを設計することはできない。
Incidentally, a robot and a simulator (robot model) are fundamentally different. Even if the nonlinear equation of motion can be calculated, the theoretically derived model cannot include the element of the resonant behavior. Furthermore, as described in Japanese Patent Laid-Open No. 5-77176, the simplified model such as linearization only widens the difference from the real robot. That is, even if the robot model is simulated without knowing where the resonance frequency is and how large it is, it is impossible to design a controller that is sufficient to reproduce the actual robot.

【0016】ところで、特許第3200059号公報に
は、広い帯域の周波数成分を持つ同定信号をモータに入
力して関節を駆動し、これにより、関節変位信号を収集
して動特性を同定することが紹介されている。これに
は、マルチデシメーション同定法を用いれば、ある帯域
に共振点が存在するのを見い出し得ることも開示されて
いる。
By the way, in Japanese Patent No. 3200059, an identification signal having a frequency component in a wide band is input to a motor to drive a joint, whereby a joint displacement signal is collected to identify a dynamic characteristic. Has been introduced. It is also disclosed that the use of the multi-decimation identification method can find that a resonance point exists in a certain band.

【0017】ちなみに、先に触れた特開平5−7717
6号公報には、制御入力データである操作量と制御量で
あるモータ回転角度とを用いて線形化多入出力系の高周
波帯域での機械共振特性を表す伝達関数モデルをオンラ
インで同定することが記載されている。この場合、ロボ
ットの負荷変動や特性に経年変化があっても、ゲインパ
ラメータをいちいち試行錯誤的に設定し直す必要がなく
なるなどの利点が発揮される。しかし、あくまでもオン
ライン処理となることから、上で述べたように生産ライ
ンを乱すことは避けられない。
Incidentally, the above-mentioned Japanese Patent Laid-Open No. 5-7717.
In JP-A-6-1994, a transfer function model representing a mechanical resonance characteristic in a high frequency band of a linearized multiple input / output system is identified online by using a manipulated variable which is control input data and a motor rotation angle which is a controlled variable. Is listed. In this case, there is an advantage that the gain parameter does not need to be reset by trial and error even if the load variation or the characteristic of the robot changes with time. However, since it is an online process, it is inevitable to disturb the production line as described above.

【0018】本発明は上記した問題に鑑みなされたもの
で、その目的は、システム同定するにしても、数理式で
は含み得ない要因をも考慮しつつオフラインでゲインパ
ラメータの設定を可能にすること、それによって生産ラ
インの稼働率低下を回避すると共に、コントローラにお
ける計算能力の増大を避けてゲインパラメータ設定の時
間短縮やコスト低減ができること、を実現したサーボモ
ータ制御用コントローラにおけるゲイン設定法を提供す
ることである。
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and an object thereof is to enable the setting of the gain parameter off-line while considering the factors that cannot be included in the mathematical formula even when the system is identified. , Thereby avoiding a decrease in the operating rate of the production line and shortening the gain parameter setting time and cost while avoiding an increase in the calculation capacity of the controller. That is.

【0019】加えて、姿勢や位置に依存して動特性を変
化させるロボットであっても、ロボットモデルにおいて
は非線形的に挙動させ得るようにして、すなわち共振の
発生やその助長の有無確認まで折り込んでシミュレーシ
ョン精度を高めることができるようにしたコントローラ
の有効性検証法を提供することである。これにより、サ
ーボモータ制御用コントローラにおけるゲイン設定法や
コントローラの有効性検証法に則って得られたコントロ
ーラでもってロボットを制御できるようにし、その際ロ
ボットが有する寄生的な振動の発生を回避して、迅速か
つ正確な動きを再現できるようにすることである。
In addition, even a robot whose dynamic characteristics are changed depending on its posture and position can be made to behave in a non-linear manner in the robot model. It is to provide a method of verifying the effectiveness of a controller that can improve the simulation accuracy. As a result, the robot can be controlled by the controller obtained according to the gain setting method and the controller effectiveness verification method in the servo motor control controller, while avoiding the occurrence of parasitic vibration of the robot. , To be able to reproduce the movements quickly and accurately.

【0020】[0020]

【課題を解決するための手段】本発明は、ロボットをシ
ステム同定することによりロボットの動特性をモデル化
したとき含み得ない要因の大きさを予め把握しておき、
該要因による寄生的な振動の発生を抑えつつ姿勢や位置
に依存して動特性を変化させるロボットのサーボモータ
制御用コントローラにおけるゲイン設定方法に適用され
る。その特徴とするところは、図1および図3を参照し
て、ロボットの一連の動きの中で、制御対象部位がとる
特定の位置または姿勢を予め有限個選定する〔図3のS
1〕。ロボットの有する非線形な動特性を、上記選定さ
れた特定の位置または姿勢ごとにその近傍で線形化する
〔図1のS22〕。ロボットを実際に動かしたときの入
出力データから、特定の位置または姿勢ごとにその近傍
でシステム同定する〔S24〕。線形化によって得られ
た線形化モデルとシステム同定して得られた同定化モデ
ルとの差分を、ロボットの有する寄生的な振動特性を呈
する不確かさとして捉える〔S25〕。不確かさに基因
する共振モードの発生を回避すべくゲイン交差周波数を
選定すると共に位相余裕を十分に確保して、特定の位置
または姿勢におけるコントローラのゲインを決定する
〔S26〕。このようにして、ロボットに一連の動作を
行わせる各サーボモータを、ロボットが有する寄生的な
振動特性を陽に考慮したうえで、ゲインスケジュール手
法に基づき制御できるようにしたことである。
According to the present invention, the magnitude of factors that cannot be included when the dynamic characteristics of a robot are modeled by system identification of the robot is grasped in advance,
It is applied to a gain setting method in a controller for controlling a servo motor of a robot, which changes dynamic characteristics depending on a posture and a position while suppressing generation of parasitic vibration due to the factor. The feature is that, with reference to FIG. 1 and FIG. 3, a finite number of specific positions or postures taken by the control target portion are selected in advance in a series of movements of the robot [S in FIG. 3].
1]. The nonlinear dynamic characteristics of the robot are linearized in the vicinity of each of the selected specific positions or postures [S22 in FIG. 1]. From the input / output data when the robot is actually moved, the system is identified in the vicinity of each specific position or posture [S24]. The difference between the linearized model obtained by linearization and the identified model obtained by system identification is taken as the uncertainty that exhibits the parasitic vibration characteristic of the robot [S25]. A gain crossover frequency is selected to avoid the occurrence of a resonance mode due to uncertainty, and a sufficient phase margin is secured to determine the gain of the controller at a specific position or posture [S26]. In this way, each servo motor that causes the robot to perform a series of operations can be controlled based on the gain schedule method, taking into consideration the parasitic vibration characteristics of the robot.

【0021】設定されたゲインに基づくロボットの動作
が、位相を進ませるか遅らせるかのいずれをとってもロ
ボットの性能および動作仕様を満たし得ない場合には、
既に選定されている位置または姿勢のいずれかを変更す
るか、新たな特定の位置または姿勢を追加し、それらの
位置または姿勢に基づき、ゲインを決定し直すようにし
たことである。
When the operation of the robot based on the set gain cannot meet the performance and operation specifications of the robot by either advancing or delaying the phase,
This means that either the already selected position or orientation is changed, or a new specific position or orientation is added, and the gain is determined again based on those positions or orientations.

【0022】サーボモータ制御用コントローラにおける
ゲイン設定法により得られたコントローラをロボットに
適用すれば、寄生的な振動の発現を抑えてロボットの稼
働を制御することができる。
If the controller obtained by the gain setting method in the servo motor control controller is applied to the robot, the operation of the robot can be controlled while suppressing the occurrence of parasitic vibration.

【0023】サーボモータ制御用コントローラにおける
ゲイン設定法により得られたコントローラを用いて非線
形ロボットモデルを動作させ、その非線形ロボットモデ
ルによるシミュレーションによりコントローラによる制
御の有効性を検証するようにしたことである。
The non-linear robot model is operated by using the controller obtained by the gain setting method in the servo motor control controller, and the effectiveness of the control by the controller is verified by the simulation using the non-linear robot model.

【0024】非線形ロボットモデルは特定の位置または
姿勢ごとの線形化モデルの集まりとしておき、シミュレ
ーションにおいて非線形ロボットモデルの動作中はその
時点での位置または姿勢における不確かさをそのときの
線形化モデルの演算結果に加算することにより、実際の
ロボットに極めて近い動きを再現させるようにすればよ
い。
The non-linear robot model is set as a group of linearized models for each specific position or posture, and during the operation of the non-linear robot model in the simulation, the uncertainty in the position or posture at that time is calculated by the linearized model at that time. It is only necessary to reproduce the movement extremely close to that of the actual robot by adding it to the result.

【0025】サーボモータ制御用コントローラの有効性
検証法により検証されたコントローラをロボットに適用
して制御できることは言うまでもなく、検証済みである
がゆえに、そのロボットの稼働の安定性は高く、極めて
信頼性の確保されたロボットとして動作させることがで
きる。
It is needless to say that the controller verified by the effectiveness verification method of the servo motor control controller can be applied to the robot for control, and since it has already been verified, the robot is highly stable in operation and extremely reliable. Can be operated as a secured robot.

【0026】[0026]

【発明の実施の形態】以下に、本発明に係るサーボモー
タの制御用コントローラにおけるゲイン設定法、コント
ローラの有効性検証法およびロボット制御法を、その実
施の形態を表した図面に基づいて詳細に説明する。図1
は、ロボットをシステム同定することによりロボットの
動特性をモデル化したとき含み得ない要因の大きさを予
め把握しておき、その要因による寄生的な振動の発生を
抑えつつ姿勢や位置に依存して動特性を変化させるロボ
ットのサーボモータを制御できるようにしたコントロー
ラにおけるゲイン設定法を表したフローチャートであ
る。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION A gain setting method, a controller effectiveness verification method and a robot control method in a controller for controlling a servo motor according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings showing the embodiments. explain. Figure 1
Knows in advance the magnitude of factors that cannot be included when modeling the dynamic characteristics of a robot by system identification of the robot, and suppresses the occurrence of parasitic vibration due to that factor while depending on the posture and position. 3 is a flowchart showing a gain setting method in a controller that can control a servo motor of a robot that changes dynamic characteristics by using a controller.

【0027】ところで、このゲイン設定法の説明に入る
前に、本発明によって得ようとするコントローラに対す
る全体的な扱いから述べる。その主たるところは、ロボ
ットが有する寄生的な振動モードを陽に取り込んだゲイ
ンスケジュール制御系の設計法である。すなわち、ロボ
ットは姿勢による動特性の変化、摩擦や粘性、ベルトの
伸縮等動特性に悪影響を与える要素を含んでいる。これ
らの要素によりロボットの運動性能は低下し、動作速度
や位置精度が影響を受ける。ロボットに高速化・高精度
化が求められることや、ロボットによって搬送されるワ
ークピースの大形化等とそれに派生する二次的な要因
は、今や無視することができない場合が多くなってきて
いる。
Before the description of the gain setting method, the overall handling of the controller to be obtained by the present invention will be described. The main point is the design method of the gain schedule control system that explicitly incorporates the parasitic vibration mode of the robot. That is, the robot includes elements that adversely affect dynamic characteristics such as changes in dynamic characteristics due to posture, friction and viscosity, and expansion and contraction of the belt. These factors reduce the motion performance of the robot and affect the operation speed and position accuracy. The demands for robots to be faster and more accurate, the size of workpieces conveyed by robots, and the secondary factors that are derived from them are now often not negligible. .

【0028】そこで、本発明は、基本的には非線形シス
テムに有効なゲインスケジューリングを用いて、上記し
た悪影響を与える要因(不確かさ)を定義し、これをロ
ボットの非線形運動方程式と組み合わせることにより、
ロボットが有する寄生的振動モードを陽に取り込んだゲ
インスケジュール制御系設計の手法を提案する。
Therefore, the present invention basically defines a factor (uncertainty) having the above-mentioned adverse effect by using gain scheduling which is effective for a non-linear system, and combines this with a non-linear equation of motion of the robot,
We propose a method of gain schedule control system design that explicitly incorporates parasitic vibration modes of a robot.

【0029】先ず、ロボットのように動作点の移動に伴
いその動特性が変化する非線形システムの制御には、ゲ
インスケジューリングが有効である。そのゲインスケジ
ューリングは、一般的に次のようなステップからなる。 (1)運動方程式は数式上短時間で演算可能となるよう
に理想化しておくことが好ましい。そこで、非線形シス
テムを幾つかの動作点で線形化する。 (2)得られた線形システムに対して、その一つひとつ
に対応してコントローラを設計する。 (3)設計した複数のコントローラを、順次スケジュー
リングする。ちなみに、非線形システムを適当な幾つか
の凍結点で線形化して制御系設計を行う場合、得られた
個々のコントローラが有効に働く動作範囲は狭い領域に
とどまる。上記したゲインスケジューリングは、このよ
うな欠点を補おうとするものである。
First, gain scheduling is effective for controlling a non-linear system, such as a robot, whose dynamic characteristics change as the operating point moves. The gain scheduling generally consists of the following steps. (1) It is preferable that the equation of motion is idealized so that it can be calculated in a short time in the mathematical formula. Therefore, the nonlinear system is linearized at some operating points. (2) A controller is designed corresponding to each of the obtained linear systems. (3) The designed plurality of controllers are sequentially scheduled. By the way, when a nonlinear system is linearized at some appropriate freezing points to design a control system, the obtained operating range of each controller is effectively limited to a narrow range. The gain scheduling described above attempts to make up for such drawbacks.

【0030】ところで、シミュレーションに必要な制御
対象であるロボットの動特性は、詳細な非線形運動方程
式を利用しても十分な精度をもって表現することが困難
である。フィードバックループの内部に変動するパラメ
ータ例えば姿勢θを有するという特長から、制御系全体
の安定性あるいは制御性能を理論的に保証することが困
難であり、実ロボットへの適用に先立ち広範なシミュレ
ーションによる安定性の確認が必要となる。ロボットの
動作性能を優先すればロボットの非線形モデルは高次と
なり、線形化するための動作点(凍結点)を数多くとら
なければならなくなる。
By the way, it is difficult to express the dynamic characteristics of the robot, which is a control target necessary for the simulation, with sufficient accuracy even by using a detailed nonlinear motion equation. It is difficult to theoretically guarantee the stability or control performance of the entire control system due to the fact that the feedback loop has a variable parameter such as the posture θ. Confirmation of sex is required. If the motion performance of the robot is prioritized, the non-linear model of the robot becomes a higher order, and it becomes necessary to take many motion points (freezing points) for linearization.

【0031】そこで、後に詳しく述べるが、本発明にお
ける一連の流れは、ロボットの非線形運動方程式の導
出、システム同定による実ロボットの動特性計測、ロボ
ットの非線形運動方程式を利用しても表現し切れない寄
生的振動モードの抽出とそのモデル化(不確かさ)、お
よびシミュレーションへの寄生的振動モードの組み込み
というプロセスをたどるものである。以下に、図2およ
び図3に基づいて述べることにする。
Therefore, as will be described in detail later, the series of flow in the present invention cannot be expressed even if the nonlinear motion equation of the robot is derived, the dynamic characteristic of the real robot is measured by system identification, and the nonlinear motion equation of the robot is used. It traces the process of extracting the parasitic vibration modes, modeling them (uncertainty), and incorporating the parasitic vibration modes into the simulation. Hereinafter, description will be made with reference to FIGS. 2 and 3.

【0032】図2はウエハ搬送ロボット1の一例であ
り、ウエハを乗載する手先がX軸方向に進退する構造と
なっている。その手先リンク2を動かすために第一リン
ク3、第二リンク4、第三リンク5が設けられ、第一リ
ンク3が縦軸Yとなす角度θを図示のように他のリンク
にも与えるようにしておき、そのθをロボットの姿勢と
扱い、以後その動きを把握することにする。
FIG. 2 shows an example of the wafer transfer robot 1, which has a structure in which the hand on which the wafer is mounted moves back and forth in the X-axis direction. A first link 3, a second link 4, and a third link 5 are provided to move the hand link 2, and an angle θ formed by the first link 3 and the vertical axis Y is given to other links as shown in the drawing. Then, θ will be treated as the posture of the robot, and its movement will be grasped thereafter.

【0033】図3は、本発明に係る方法を含んだ処理全
体を表したフローチャートである。大筋を説明する。先
ず、ロボットの一連の動きの中で、制御対象部位である
手先がとる特定の位置または姿勢を予め有限個選定し、
それを選択点として上記した凍結点としての意味合いで
取り扱う(フローチャートのステップ1、以後S1など
と記す)。
FIG. 3 is a flow chart showing the entire processing including the method according to the present invention. I will explain the outline. First, in a series of movements of the robot, a finite number of specific positions or postures taken by the hand, which is the control target portion, are selected in advance
It is treated as a selection point in the sense of the freezing point described above (step 1 of the flowchart, hereinafter referred to as S1 and the like).

【0034】選択点は多いほどロボットの動作を忠実に
再現させることができるが、演算量が多くなるなどの理
由で例えば姿勢θが、0度,25.4度,59度といっ
た例えば3点に絞られる。これらは、手先の全動作範囲
をカバーするに相応しく、そしてある程度の動特性を見
ることができるような何点かである。例えば、あるとこ
ろまでは特性が大きく変化しなく、あるところから急激
に変化するというような場合、それを推測して選定され
た点である。
The more the selection points are, the more faithfully the motion of the robot can be reproduced, but the posture θ is set to, for example, three points such as 0 degree, 25.4 degrees, and 59 degrees because of the large amount of calculation. Squeezed. These are some points that are suitable to cover the entire range of motion of the hand and allow some dynamics to be seen. For example, in the case where the characteristics do not change significantly up to a certain point and the characteristics change abruptly from a certain point, the point is selected by inferring this.

【0035】これらの選択点を基にして、後述する手順
により、ロボットに一連の動作を行わせるサーボモータ
を、ロボットが有する寄生的な振動特性を陽に考慮した
うえでゲインスケジュール手法に基づいて制御できるよ
うに、そのゲインパラメータが設定される〔S2〕。も
ちろん、一つのロボットにモータが幾つかあるなら、そ
れぞれのモータに関するコントローラにおいても同様に
行われる。
Based on these selection points, a servomotor for causing the robot to perform a series of operations is based on the gain schedule method in consideration of the parasitic vibration characteristic of the robot by the procedure described later. The gain parameter is set so that it can be controlled [S2]. Of course, if one robot has several motors, the same applies to the controller for each motor.

【0036】次に、ゲイン設定されたコントローラを用
いて非線形ロボットモデルを動作させ、この非線形ロボ
ットモデルによるシミュレーションにより、コントロー
ラによる制御の有効性を検証する〔S3〕。実ロボット
を使用しないから、パソコン上などで簡単にシミュレー
ションすることができる。この場合、非線形ロボットモ
デルは選択点(θt :t=1,2,3)ごとの線形化モ
デルの集まりとしておき、シミュレーションにおいて非
線形ロボットモデルの動作中はその時点での選択点にお
ける不確かさを、そのときの線形化モデルの演算結果に
加算することにより、実際のロボットに極めて近い動き
を再現させるようにしている。なお、この点については
後でもう少し詳しく説明する。
Next, the non-linear robot model is operated using the gain-set controller, and the effectiveness of the control by the controller is verified by simulation using this non-linear robot model [S3]. Since it does not use a real robot, it can be easily simulated on a personal computer. In this case, the nonlinear robot model is set as a set of linearized models for each selection point (θ t : t = 1, 2, 3), and the uncertainty at the selection point at that time is calculated during the operation of the nonlinear robot model in the simulation. , By adding to the calculation result of the linearized model at that time, a motion extremely close to that of an actual robot is reproduced. Incidentally, this point will be described in more detail later.

【0037】ところで、設定されたゲインに基づくロボ
ットの動作、例えば速度や加速度が性能や動作仕様どお
りに発揮されないとか、寄生的な振動が現れて(振動モ
ードが励起されて)それがウエハの搬送において許容し
難いものであるかどうか〔S4〕、それがシミュレーシ
ョンにおける観察などを通して判断される。
By the way, the operation of the robot based on the set gain, for example, the speed and the acceleration are not exhibited according to the performance and the operation specification, or parasitic vibration appears (the vibration mode is excited) and the wafer is transferred. In [S4], it is judged through observation in the simulation, etc.

【0038】例えば加速度を例にとるならそれに着目し
てあるパターンを想定し、それに対してシミュレーショ
ンの結果が、後述する図37のように、大体納まってい
ればそのゲインパラメータは問題ないという扱いにな
る。また、場合によっては、整定時間が満たされたもの
であるどうかということも検討される。問題がなければ
コントローラとして使用可能と判断されるが〔S5〕、
例えば図40の実線のような挙動を呈すれば、先ずは、
ボード線図上の位相を進ませたり遅らせるなどして、ロ
ボットの性能や動作等の仕様を満たすものが見い出され
るまで、ゲイン調整が行われる〔S6〕。なお、ここで
の処理は詳しく述べないが、例えば図4のステップ61
から64のような公知の要領によって行えばよい。
For example, if acceleration is taken as an example, it is assumed that a pattern paying attention to it is assumed, and if the simulation result is roughly within the range as shown in FIG. Become. In some cases, it is also considered whether the settling time is satisfied. If there is no problem, it is judged that it can be used as a controller [S5],
For example, if the behavior shown by the solid line in FIG.
The gain is adjusted by advancing or delaying the phase on the Bode diagram until the one satisfying the specifications such as the performance and operation of the robot is found [S6]. Although the processing here is not described in detail, for example, step 61 of FIG.
It may be performed by a known procedure such as No. 64 to 64.

【0039】それにもかかわらずロボットの性能および
ウエハ搬送ロボットとしての動作仕様が満たせない場合
には、今まで採用していた選択点のいずれかを変更し
て、それらの姿勢に基づき前記ゲインを決定し直す。場
合によっては、新しい選択点を追加し、その姿勢におけ
る不確かさも反映させることによりゲイン設定をやり直
す〔S7〕。ちなみに、不確かさと表現しているが、そ
の実、後述するように不確かさの量的なものは分かって
いる。これは運動方程式とシステム同定との差分である
からである。しかし、その原因は弾性変形的要因である
にしても具体的には何に原因するものかは分かっていな
いという意味である。
If the performance of the robot and the operation specification of the wafer transfer robot are not satisfied nonetheless, any of the selection points that have been adopted so far is changed, and the gain is determined based on those postures. Do it again. In some cases, a new selection point is added, and the uncertainty in the posture is also reflected to reset the gain setting [S7]. By the way, although it is expressed as uncertainty, the fact is that the uncertainty is quantitative, as will be described later. This is because it is the difference between the equation of motion and system identification. However, even if the cause is an elastic deformation factor, it means that it is not known what the cause is.

【0040】ここで、本発明に係るサーボモータ制御用
コントローラにおけるゲイン設定法について述べる。そ
の具体的な例は後で説明するので、図1のフローチャー
トを参照して手短に述べる。図3のS1において選択点
が決まると、図1のS21へと進む。そして、先ず、ロ
ボットの有する非線形な動特性を、選択点ごとにその近
傍で線形化する〔S22〕。その線形運動方程式を基に
して、各選択点近傍での動特性G(θt ,s)を導出す
る〔S23〕。なお、θt は各選択点での姿勢を意味
し、そのG(θt ,s)は後述する式(7)として表さ
れる。
Now, a gain setting method in the servo motor control controller according to the present invention will be described. A specific example will be described later, and will be briefly described with reference to the flowchart of FIG. When the selection point is determined in S1 of FIG. 3, the process proceeds to S21 of FIG. Then, first, the nonlinear dynamic characteristic of the robot is linearized near each selected point [S22]. Based on the linear equation of motion, the dynamic characteristic G (θ t , s) near each selected point is derived [S23]. Note that θ t means the posture at each selected point, and G (θ t , s) thereof is represented by the equation (7) described later.

【0041】次に、ウエハ搬送ロボットを実際に動かし
たときの入出力データから、選択点ごとにその近傍でシ
ステム同定する〔S24〕。その入出力データは、モー
タのトルク入力とエンコーダ角度出力である。同定法に
はARXモデルを採用して一段予測誤差を評価基準とす
る場合や、パラメトリックモデルあるいはノンパラメト
リックモデルを使用するなどがあり、公知のいずれかの
システム同定法を採用すればよい。後に示した例ではA
RXモデルによる同定法を採っている。いずれのシステ
ム同定にしてもいろいろ誤差のあるのは避けられない
が、それは十分に小さいと無視して扱うことができる。
Next, from the input / output data when the wafer transfer robot is actually moved, system identification is performed for each selected point in the vicinity thereof [S24]. The input / output data are the torque input of the motor and the encoder angle output. As an identification method, there is a case where an ARX model is adopted and a one-step prediction error is used as an evaluation criterion, a parametric model or a nonparametric model is used, and any known system identification method may be adopted. In the example shown later, A
The identification method based on the RX model is adopted. It is unavoidable that there are various errors in any system identification, but they can be ignored if they are sufficiently small.

【0042】そのようなシステム同定により得られた同
定化モデルは実ロボットに限りなく近づけたものであ
り、これと先に線形化によって得た線形化モデルとの差
分を、ロボットの有する寄生的な振動特性を呈する不確
かさとして捉え、それを重み関数W(θt ,s)として
導出しておく〔S25〕。これは後述する式(8)で表
される。
The identification model obtained by such system identification is as close as possible to a real robot, and the difference between this and the linearization model obtained by the above-mentioned linearization is the parasitic model of the robot. It is considered as an uncertainty that exhibits a vibration characteristic and is derived as a weighting function W (θ t , s) [S25]. This is represented by equation (8) described below.

【0043】その不確かさに基因する共振モードの発生
を回避すべく、ゲイン交差周波数を選定すると共に位相
余裕を十分に確保して、選択点におけるコントローラの
ゲインを決定した補償器C(θt ,s)を得る〔S2
6〕。これは後述する式(9)で表され、そのブロック
ダイアグラムは例えば図5のようになる。
In order to avoid the occurrence of a resonance mode due to the uncertainty, the gain crossover frequency is selected and the phase margin is sufficiently secured to determine the gain of the controller at the selection point C (θ t , s) [S2
6]. This is represented by the equation (9) described later, and its block diagram is, for example, as shown in FIG.

【0044】これにより、ウエハ搬送ロボットに一連の
動作を行わせる各サーボモータを、ロボットが有する寄
生的な振動特性を陽に考慮したうえで、ゲインスケジュ
ール手法に基づき制御可能となる。念のため述べれば、
姿勢によって動特性の変わるロボットの場合、システム
同定はある姿勢θごとに行う必要があるが、上記したC
(θt ,s)についても姿勢θt ごとに補償機能を発揮
するように動作させることになる。
This makes it possible to control each servo motor that causes the wafer transfer robot to perform a series of operations based on the gain schedule method, taking into consideration the parasitic vibration characteristics of the robot. Just in case,
In the case of a robot whose dynamic characteristics change depending on the posture, system identification must be performed for each certain posture θ.
With respect to (θ t , s), the operation is performed so that the compensation function is exhibited for each posture θ t .

【0045】先に述べたコントローラもしくは今述べた
シミュレーションにより検証されたコントローラをロボ
ットに適用して、該当するサーボモータを制御すれば、
ウエハの搬送に支障の出ない、かつ所望する速度や加速
度をもって動作させることができる好適なロボットとな
ることは言うまでもない。もちろん、ウエハ搬送ロボッ
トに限られるものでなく、その他の各種の多軸ロボット
であっても特に制約を受けることなく適用することがで
きる。
If the controller described above or the controller verified by the simulation described above is applied to the robot and the corresponding servo motor is controlled,
It goes without saying that the robot can be a suitable robot that does not hinder the transfer of wafers and can be operated at a desired speed and acceleration. Of course, the present invention is not limited to the wafer transfer robot, and can be applied to other various multi-axis robots without particular restrictions.

【0046】ここで、非線形ロボットモデルによるシミ
ュレーション検証において、非線形モデルの動作に不確
かさを加重することについて説明する。この意図すると
ころは、寄生モデルを同定しそれをシミュレータに取り
込むことによってロボットアームを実際に動かしたと
き、寄生的な振動モードを発現させないようにするため
のものである。従って、ロボットアームに付属する寄生
的な要素を陽に表しつつシミュレータに取り込んで設計
する。つまり、サイクルとしてある設計を行い、これが
実際に動くかということをロボットに代わるシミュレー
タの上で検証するのである。
Here, in the simulation verification by the non-linear robot model, the weighting of the uncertainty of the motion of the non-linear model will be described. The intention is to prevent the parasitic vibration mode from being expressed when the robot arm is actually moved by identifying the parasitic model and incorporating it in the simulator. Therefore, the parasitic elements attached to the robot arm are explicitly expressed and designed by incorporating them into the simulator. In other words, a certain design is done as a cycle, and it is verified whether or not this actually moves on a simulator instead of a robot.

【0047】シミュレータを作るときは、ロボットアー
ムの同定結果からどのような寄生要素があるかを情報と
してシミュレータに取り込む。そうすれば、シミュレー
タはロボットそのものの動きではないにしても可なりロ
ボットに近い動きをとることになる。その上で検証し、
それを通じて設計したものを肯定しまたは修正するため
の情報を提供する。このようにすれば、ロボットの性能
や動作仕様を満たした制御系の設計は容易なものとな
る。
When making a simulator, what kind of parasitic element is present from the identification result of the robot arm is taken into the simulator as information. Then, the simulator will behave like a robot, if not the robot itself. And then verify,
Provide information to affirm or modify what you have designed through it. By doing so, it becomes easy to design a control system that satisfies the robot performance and operation specifications.

【0048】ロボットの姿勢θによって特性が大きく異
なる場合、ロボットを一つのコントローラで自由自在に
動かすことは不可能であることが多い。そこで、寄生的
な振動モードを持っているロボットの姿勢θなる情報を
コントローラに取り込み、コントローラをロボットの姿
勢に応じて切り換える。これがゲインスケジュールの一
般的な組み方である。
When the characteristics greatly differ depending on the posture θ of the robot, it is often impossible to freely move the robot with one controller. Therefore, information about the posture θ of the robot having a parasitic vibration mode is fetched into the controller, and the controller is switched according to the posture of the robot. This is the general way of building a gain schedule.

【0049】本発明においては、ゲインスケジューリン
グの手法によって繋くことができるシミュレーションモ
デルに関しても、姿勢θに応じてコントロールしてい
る。その際に不確かさを組み込んでいる点に注目すべき
であり、その不確かさを上乗せしておくからこそ、順次
動く姿勢θに対して制御系が安定であるというコントロ
ーラを各点で設計できるようになるのである。
In the present invention, the simulation model that can be connected by the gain scheduling method is also controlled according to the posture θ. It should be noted that the uncertainty is incorporated at that time, and because the uncertainty is added, it is possible to design the controller that the control system is stable with respect to the sequentially moving posture θ at each point. It becomes.

【0050】ところで、姿勢θはリアルタイムでやって
来るので、フィードバックで制御することができる。一
方、不確かさの大きさは姿勢θによって異なる。不確か
さ自体もθというパラメータでフィードバックして反映
させる必要があるので、ロボットモデルが現在如何なる
姿勢θについて動作を再現しようとしているのかの情報
を発し、それに対応する不確かさの大きさを取り出すよ
うにする。後述する図7はそれを表している。
By the way, since the posture θ comes in real time, it can be controlled by feedback. On the other hand, the magnitude of uncertainty depends on the posture θ. Since the uncertainty itself must also be fed back and reflected in the parameter θ, it is necessary to issue information about what posture θ the robot model is currently trying to reproduce and to extract the magnitude of the uncertainty corresponding to it. To do. FIG. 7, which will be described later, shows this.

【0051】これによって、現実に存在する実際のロボ
ットを使った場合により近いかたちで検証することがで
きる。ちなみに、選択点の例えば3つは大雑把に代表的
な点として与えたものであるが、その都度乗り移ってい
くと考えればよく、その要領はスイッチ的に切り替える
ものであったり、補間しながら乗り移っていくものであ
ったりすればよく、その選択は適宜行うことができる。
As a result, the verification can be performed in a manner closer to that when an actual robot that actually exists is used. By the way, the selection points, for example, three are roughly given as representative points, but it can be thought that they will change each time, and the point is to switch like a switch, However, the selection can be made appropriately.

【0052】個々の点において実際のロボットがどのよ
うに振る舞うかを、モデルのかたちで表現するのである
が、後述する式(1)は非線形の微分方程式であり、こ
れが非線形モデルに対応する。しかし、演算の都合上そ
れを選択点θt ごとに線形化し、それが式(7)のG
(θt ,s)で与えられる。これはθt でどのように動
くかということを表しており、陽に入っていることが分
かる。
How the actual robot behaves at each point is expressed in the form of a model. Equation (1) described later is a non-linear differential equation, which corresponds to the non-linear model. However, for convenience of calculation, it is linearized for each selected point θ t , and this is G in Eq. (7).
It is given by (θ t , s). This shows how it moves with θ t , and you can see that it is in the sun.

【0053】次に、大雑把な情報しか分からない不確か
さの大きさW(θt ,s)が求められる。その値は、図
17にあるように、破線で表されたG(θt ,s)と実
線で表された図6の不確かさを考慮した線形化モデル全
体との差である。なお、G(θt ,s)が補間される場
合には、W(θt ,s)についてもθt に関して補間さ
れることになる。
Next, the magnitude W (θ t , s) of the uncertainty, which allows only rough information to be obtained, is obtained. As shown in FIG. 17, the value is the difference between G (θ t , s) represented by the broken line and the entire linearized model considering the uncertainty of FIG. 6 represented by the solid line. When G (θ t , s) is interpolated, W (θ t , s) is also interpolated with respect to θ t .

【0054】以上は選択点を姿勢θt として説明してき
たが、手先の位置を直接の選択点として採り上げること
もできる。その位置は図2の例で言えば、0mm,2×
350 sin25.4°=300mm,2×350 sin5
9°=600mmという3点を採用することになる。
Although the selection point has been described as the posture θ t , the position of the hand may be taken as the direct selection point. The position is 0 mm, 2 × in the example of FIG.
350 sin 25.4 ° = 300 mm, 2 × 350 sin5
Three points of 9 ° = 600 mm will be adopted.

【0055】[0055]

【実施例】以下に、ウエハ搬送ロボットの軌道追従制御
に関してロボットが有する寄生的な振動特性を陽に考慮
した上で構成された制御系の具体的な設計法や有効性検
証手法の実例を述べる。
[Embodiment] The following will describe an actual example of a specific design method and effectiveness verification method of a control system configured by explicitly considering parasitic vibration characteristics of the robot for trajectory tracking control of the wafer transfer robot. .

【0056】先ず、ウエハ搬送ロボットに関しては、シ
ステム同定を実行することにより、各姿勢θの近傍での
不確かさの大きさW(θ,s)を知ることができる。す
なわち、各姿勢θの近傍でのウエハ搬送ロボットの動特
性は、図6に示すように線形システムG(θt ,s)、
不確かさの大きさW(θt ,s)および1以下の任意の
変動Δ(s)を利用して表現される。不確かさの大きさ
は、ロボットの姿勢θに応じて異なったものである。以
上を基にして構成されたゲインスケジューリング制御系
の性能を検証する枠組みとして、図7で表される手法が
提案される。
First, regarding the wafer transfer robot, by performing system identification, it is possible to know the magnitude W (θ, s) of the uncertainty in the vicinity of each posture θ. That is, the dynamic characteristics of the wafer transfer robot in the vicinity of each posture θ are as shown in FIG. 6, a linear system G (θ t , s),
It is expressed using the uncertainty magnitude W (θ t , s) and an arbitrary variation Δ (s) of 1 or less. The magnitude of uncertainty varies depending on the posture θ of the robot. The method shown in FIG. 7 is proposed as a framework for verifying the performance of the gain scheduling control system configured based on the above.

【0057】これ以後に説明する処理を、ここで簡単に
紹介する。先ず、非線形運動方程式を導出する。この非
線形運動方程式を線形化することにより、各姿勢θt
近傍での動特性G(θt ,s)を得る。実験により得ら
れた入出力データを利用してシステム同定を行う。この
システム同定と線形化モデルとを比較することによっ
て、各姿勢θt の近傍での不確かさの大きさW(θt
s)を与える。固定された各姿勢θt におけるコントロ
ーラC(θt ,s)の設計行う。構成したゲインスケジ
ューリング制御系の有効性をシミュレーションにより検
証する。その際、先ずロボットへの規範入力となるτ
ref を求める。不確かさの大きさW(θt ,s)のスケ
ジューリング法を与え、これを利用したシミュレーショ
ンを行う。以下に、個々の処理を実例に則して説明す
る。
The processing described below will be briefly introduced here. First, a nonlinear equation of motion is derived. By linearizing this nonlinear equation of motion, the dynamic characteristic G (θ t , s) in the vicinity of each posture θ t is obtained. System identification is performed using the input and output data obtained by the experiment. By comparing the system identification and the linearized model, uncertainty in the vicinity of the orientation theta t size W (theta t,
s) is given. The controller C (θ t , s) in each fixed posture θ t is designed. The effectiveness of the constructed gain scheduling control system is verified by simulation. At that time, first, τ which becomes the reference input to the robot
ask for ref . A scheduling method with uncertainty W (θ t , s) is given, and a simulation using this method is performed. The individual processes will be described below based on actual examples.

【0058】ちなみに、図7の説明を少し加える。図に
おいて、ロボットモデル1MからW(θ,s)に姿勢θ
が入っていることが重要である。その意味するところ
は、シミュレーションにおいても不確かさはシステム同
定したときのパラメータを使って求めているので、姿勢
θが変わればロボットの特性も変わる。すなわち、θが
違えば、モデルも変わるし不確かさの大きさも変わる。
姿勢θを重み関数W(θ,s)に入れ、その都度違った
ものに対応させている。結局は、姿勢によってロボット
モデルを変えているのである。
Incidentally, the description of FIG. 7 is added a little. In the figure, the posture θ from the robot model 1M to W (θ, s)
Is important. This means that even in the simulation, the uncertainty is obtained using the parameters when the system is identified, so the characteristics of the robot will change if the posture θ changes. That is, if θ is different, the model changes and the magnitude of uncertainty also changes.
The posture θ is put in the weighting function W (θ, s), and a different one is corresponded to each time. After all, the robot model is changed depending on the posture.

【0059】それゆえ、コントローラ6もあるところま
で行くとゲインスケジュールに従って、姿勢θをパラメ
ータにして切り替えられる。すなわち、今のモデルの位
置を教えることにより、コントローラも不確かさも、そ
のときのθに対応したものが使われる。不確かさの大き
さはシステム同定で求められているので、それと運動方
程式とで得られる差、結局はその差を足したものが、実
際の出力と同じものになる。
Therefore, when the controller 6 also reaches a certain position, it can be switched using the posture θ as a parameter according to the gain schedule. That is, by teaching the current model position, both the controller and the uncertainty are used corresponding to θ at that time. Since the magnitude of uncertainty is obtained by system identification, the difference obtained from it and the equation of motion, and eventually the difference becomes the same as the actual output.

【0060】運動方程式で表せないところをW(θ,
s)で補うが、そのときのθを教えて不足分を提示して
いると考えれば理解は得られやすい。なお、目標値入力
θrefに対して、シミュレータはθを例えば0から変化
させていくので、その時点のθを不確かさの部分にも教
える意味で、Δ(s)への流れも確保されている。
Where W (θ,
Although it is supplemented by s), it is easy to obtain an understanding if we teach θ at that time and present the shortfall. Since the simulator changes θ from 0, for example, with respect to the target value input θ ref , the flow to Δ (s) is also secured in order to teach θ at that time also to the uncertainty part. There is.

【0061】〔モデリング〕 ロボットの動特性の解析
および制御するにはロボットの運動方程式が必要であ
る。ロボットの運動方程式はラグランジュ法やニュート
ン・オイラー法で導出され、一般に非線形の運動方程式
が得られる。ここではラグランジュ法によりウエハ運送
ロボットの運動方程式を導出する。導出した運動方程式
は後の制御系設計、シミュレーションの基礎となる。
[Modeling] In order to analyze and control the dynamic characteristics of the robot, a motion equation of the robot is required. The equation of motion of the robot is derived by the Lagrange method or the Newton-Euler method, and generally a nonlinear equation of motion is obtained. Here, the motion equation of the wafer transport robot is derived by the Lagrangian method. The derived equation of motion becomes the basis for later control system design and simulation.

【0062】〔ウエハ搬送ロボットの力学モデル〕 ウ
エハ搬送ロボットは平面を動く2自由度マニピュレータ
であるが、図2に示したウエハ搬送ロボット1の手先の
直線運動を考える。ロボットの各パラメータは、以下の
ように与える。そして、ラグランジュの運動方程式から
ウエハ搬送ロボットの運動方程式を導出する。
[Mechanical Model of Wafer Transfer Robot] Although the wafer transfer robot is a two-degree-of-freedom manipulator that moves in a plane, consider the linear motion of the hand of the wafer transfer robot 1 shown in FIG. Each parameter of the robot is given as follows. Then, the equation of motion of the wafer transfer robot is derived from the Lagrangian equation of motion.

【表1】 [Table 1]

【数1】 第一リンク,第二リンク,第三リンクと手先リンクの運
動エネルギをT1 ,T 2 ,T3 ,T4 とする。
[Equation 1] 1st link, 2nd link, 3rd link and minion link luck
Kinetic energy T1, T 2, T3, TFourAnd

【数2】 また、各リンク及び手先はθ回転しているので、回転エ
ネルギの総和をT5 とすると、
[Equation 2] Further, since each link and the hand are rotated by θ, when the total sum of rotational energy is T 5 ,

【数3】 である。以下ではI=I1 +I2 +I3 +I4 とする。
T=T1 +T2 +T3 +T4 +T5 とすると、ラグラン
ジュの運動方程式
[Equation 3] Is. In the following, I = I 1 + I 2 + I 3 + I 4 .
Letting T = T 1 + T 2 + T 3 + T 4 + T 5 , Lagrange's equation of motion

【数4】 よりこのモデルの運動方程式を求める。Qは一般化力で
あるが、この場合はトルクになる。よって、運動方程式
は、
[Equation 4] The equation of motion of this model is obtained from this. Q is a generalized force, but in this case it is a torque. Therefore, the equation of motion is

【数5】 となり、非線形の微分方程式が得られる。[Equation 5] And a non-linear differential equation is obtained.

【0063】〔運動方程式の線形化〕 式(1)をその
まま扱って制御系設計を行うのは困難である。そこで式
(1)の線形化を行う。制御対象の線形化はある姿勢θ
t において、
[Linearization of Equation of Motion] It is difficult to design the control system by treating the equation (1) as it is. Therefore, the linearization of Expression (1) is performed. The linearization of the controlled object is a certain posture θ
At t ,

【数6】 である。この平衡点の近傍での運動を仮定して線形化を
行う。式(1)は以下のように書くことができる。
[Equation 6] Is. Linearization is performed assuming movement near this equilibrium point. Equation (1) can be written as:

【数7】 [Equation 7]

【数8】 となる。式(7)より、線形化した運動方程式はリンク
角度の平衡点θt に依存し、また式(7)の伝達関数表
現から2次の積分特性を持つことが分かる。
[Equation 8] Becomes From equation (7), it can be seen that the linearized equation of motion depends on the equilibrium point θ t of the link angle, and has a quadratic integral characteristic from the transfer function expression of equation (7).

【0064】〔ARXモデルによるシステム同定〕 シ
ステム同定にはARXモデルを用いる。ARXモデルに
おける入出力関係は
[System Identification by ARX Model] The ARX model is used for system identification. Input-output relation in ARX model

【数9】 となる。この一段予測誤差が小さくなるようにパラメー
タを決定すればよい。ARXモデルでは最小自乗法を用
いてパラメータが決定される。
[Equation 9] Becomes The parameters may be determined so that this one-step prediction error becomes small. In the ARX model, the parameters are determined by using the method of least squares.

【0065】ARXモデルはシステム同定において最も
基本的なモデルである。そこで、ARXモデルを用いて
ウエハ搬送ロボットのシステム同定を行う。ロボットの
手先の位置が0 [mm] ,300 [mm] ,600 [m
m] にある3つの姿勢について同定を行う。ロボットは
モータ1軸を動かすことで直線運動するので、同定にお
いて入力はトルク、出力はモータ1軸の角度となる。ラ
ンダム入力をモータ1軸に入れてモータ1軸の角度を測
定し、入出力データをもって同定を行う。同定実験での
入力のサンプリング時間は0.005 [S](200 [H
z])である。
The ARX model is the most basic model in system identification. Therefore, system identification of the wafer transfer robot is performed using the ARX model. The position of the robot's hand is 0 [mm], 300 [mm], 600 [m
Identification is performed for three poses in m]. Since the robot moves linearly by moving the motor 1 axis, the input is the torque and the output is the angle of the motor 1 axis in the identification. Random input is input to the motor 1 axis, the angle of the motor 1 axis is measured, and the input / output data is used for identification. The input sampling time in the identification experiment is 0.005 [S] (200 [H
z]).

【0066】各姿勢において、同定前のデータ処理とし
てデータの平均値を0にし、高周波外乱の除去のため、
1つとった後続の2つを除去するといったデシメーショ
ンをする。これによりデータのサンプリング時間は0.
005 [S](200 [Hz])から0.015 [S](20
0/3 [Hz])になる。さらに150 [rad/s]ま
での3次のローパスフィルタをかけて処理する。またモ
デルの次数を12次とした。具体的な計算にはMATL
ABのSystem Idenfification toolbox を使用した。同
定した離散時間モデルの周波数特性を図8ないし図10
に示す。さらに得られた同定モデルを連続時間モデルに
変換したものが図11ないし図13である。
In each posture, as the data processing before identification, the average value of the data is set to 0, and in order to remove the high frequency disturbance,
Decimate by removing the two following one. As a result, the data sampling time is 0.
005 [S] (200 [Hz]) to 0.015 [S] (20
0/3 [Hz]). Furthermore, a third-order low-pass filter up to 150 [rad / s] is applied and processed. In addition, the model order is 12th. MATLAB for specific calculation
The System Idenfification toolbox of AB was used. The frequency characteristics of the identified discrete time model are shown in FIGS.
Shown in. Further, the obtained identification model is converted into a continuous time model as shown in FIGS. 11 to 13.

【0067】同定したモデルにおいて、その妥当性を検
討する必要がある。ここでは周波数応答結果と比較して
検討する。なお、周波数応答はトルク入力に対して出力
は角速度で測定してあるので、単位を合わせなければな
らない。そこで同定したモデルに微分器をかけて比較す
る。その結果を図14ないし図16に示す。図より比較
的よくあっているのが分かる。
It is necessary to examine the validity of the identified model. Here, the frequency response result is compared and examined. Since the output of the frequency response is measured in terms of the angular velocity with respect to the torque input, the units must be matched. Therefore, a model is applied to the identified model for comparison. The results are shown in FIGS. 14 to 16. It can be seen that it fits better than the figure.

【0068】さらにシステム同定により得られたモデル
とラグランジュの運動方程式から導出した伝達関数の比
較を図17ないし図19に示す。ゲイン特性は振動モー
ドを除けば、高周波帯域では比較的合っているが、位相
特性は全く合っていないのが分かる。
Further, FIGS. 17 to 19 show a comparison between the model obtained by system identification and the transfer function derived from the Lagrange's equation of motion. It can be seen that the gain characteristics are relatively matched in the high frequency band except for the vibration mode, but the phase characteristics are not matched at all.

【0069】〔不確かさの見積もり〕 システム同定に
より得られた結果から、ロボットの動特性は、特に高周
波帯域においてラグランジュ法で求めたノミナルモデル
(7)で表現し切れない振動特性を有することが分か
る。図21ないし図23に、各姿勢θ1 =0 [deg]
,θ2 =25.4 [deg] ,θ3 =59 [deg]
におけるノミナルモデルG(θi ,s),i=1,2,
3とシステム同定により得られた結果
[Estimation of Uncertainty] From the results obtained by system identification, it is found that the dynamic characteristics of the robot have vibration characteristics that cannot be represented by the nominal model (7) obtained by the Lagrangian method, especially in the high frequency band. . 21 to 23, each posture θ 1 = 0 [deg]
, Θ 2 = 25.4 [deg], θ 3 = 59 [deg]
The nominal model G (θ i , s), i = 1, 2,
3 and the results obtained by system identification

【数10】 の比較を示す。[Equation 10] Shows the comparison.

【0070】図21ないし図23に見られるノミナルモ
デルとシステム同定により得られた結果の差異を記述す
るため、ここでは加法的モデル化誤差による表現
In order to describe the difference between the results obtained by the system identification and the nominal model shown in FIGS. 21 to 23, the expression by additive modeling error is used here.

【数11】 を採用する(図20を参照)。ここで、G(θi
s),W(θi ,s)は各姿勢におけるノミナルモデル
および不確かさの大きさを表現する重み関数を表す。ま
た、Δ(s)は
[Equation 11] Is adopted (see FIG. 20). Where G (θ i ,
s) and W (θ i , s) represent the nominal model and the weighting function expressing the magnitude of uncertainty in each posture. Also, Δ (s) is

【数12】 を満たす任意の変動である。なお、ここでは、重み関数
W(θi ,s)を、図21ないし図23における差異、
すなわち
[Equation 12] It is an arbitrary variation that satisfies Note that, here, the weighting function W (θ i , s) is set to the difference in FIGS.
Ie

【数13】 で定める。この不確かさを含むシステムの表現として、
上記した加法的モデル化誤差に代えて、例えば乗法的モ
デル化誤差、既約分解を利用した表現、あるいは構造的
不確かさなどを採用することもできる。
[Equation 13] Determined by. As a system expression that includes this uncertainty,
Instead of the additive modeling error described above, for example, a multiplicative modeling error, a representation using irreducible decomposition, or structural uncertainty can be adopted.

【0071】〔制御系設計〕 線形化されたウエハ搬送
ロボットの数理モデルの前掲した式(7)に基づき、ル
ープ整形法によるコントローラの設計を行う。システム
同定の結果から、ロボットは高周波域に寄生的共振モー
ドを有することが分かっている。これより、ゲイン交差
周波数を大きくとり過ぎると不安定化を引き起こすと予
想される。そこで、ゲイン交差周波数を10 [rad/
s] 以下にして、十分な位相余裕を確保するようにコン
トローラの設計を行う。また、ここでは、姿勢θt の変
化に対して、ゲイン交差周波数、位相余裕が一定値をと
るようにコントローラの設計を行った。
[Control System Design] A controller is designed by the loop shaping method based on the above-mentioned equation (7) of the linearized mathematical model of the wafer transfer robot. From the system identification result, it is known that the robot has a parasitic resonance mode in the high frequency range. From this, it is expected that if the gain crossover frequency is set too large, destabilization will occur. Therefore, the gain crossover frequency is set to 10 [rad /
s] Below, the controller is designed so as to secure a sufficient phase margin. Further, here, the controller is designed so that the gain crossover frequency and the phase margin have constant values with respect to changes in the posture θ t .

【0072】具体的に設計したスケジューリングコント
ローラは、以下のとおりである。
The concretely designed scheduling controller is as follows.

【数14】 設計したスケジューリングコントローラを用いる場合、
開ループ伝達関数L(θi ,s)は姿勢θt に依存しな
い。これより、ロボットの姿勢の変化による動特性の変
動に対しても、一定の制御性能を保持することが期待さ
れる。図24ないし図26は、スケジューリングパラメ
ータθt を与えたときの制御対象と各開ループ伝達関数
のボード線図である。実線が制御対象G(θi ,s),
i=1,2,3のボード線図であり,破線が開ループ伝
達関数L(θi ,s),i=1,2,3のボード線図で
ある。制御対象(実線)は、スケジューリングパラメー
タθt に依存して特性を変化させるのに対し、開ループ
伝達関数(破線)は一定の特性を保持しているのが分か
る。
[Equation 14] When using the designed scheduling controller,
The open loop transfer function L (θ i , s) does not depend on the posture θ t . From this, it is expected that a constant control performance is maintained even when the dynamic characteristics change due to the change in the posture of the robot. 24 to 26 are Bode diagrams of the controlled object and each open-loop transfer function when the scheduling parameter θ t is given. The solid line is the controlled object G (θ i , s),
It is a Bode diagram of i = 1,2,3, and a broken line is a Bode diagram of an open loop transfer function L (θ i , s), i = 1,2,3. It can be seen that the controlled object (solid line) changes its characteristic depending on the scheduling parameter θ t , while the open-loop transfer function (broken line) holds a constant characteristic.

【0073】〔シミュレーション〕 非線形システムを
ある平衡点で線形化して線形制御系設計理論をもってコ
ントローラを設計した場合、その有効な範囲は平衡点の
近傍である。制御の目的が線形化の有効な範囲より大き
い動作を要求する場合では、設計したコントローラでは
十分な応答が得られないと考えられる。そのような欠点
を補うためにゲインスケジューリングを導入する。
[Simulation] When a nonlinear system is linearized at a certain equilibrium point and a controller is designed based on the linear control system design theory, its effective range is in the vicinity of the equilibrium point. It is considered that the designed controller does not have a sufficient response when the purpose of control requires an operation larger than the effective range of linearization. Gain scheduling is introduced to compensate for such drawbacks.

【0074】実際に制御対象を動かす場合、制御の目
的、条件などを考慮した目標軌道が与えられ、特にロボ
ットの場合は手先の目標軌道が与えられる。ここではウ
エハ搬送ロボットの手先の目標軌道を与え、その軌道に
追従する制御のシミュレーションを行う。制御系は図7
のように構築する。制御の目的の動作を参照入力トルク
τref で動かして、動作中のある手先位置(リンク角
度)での目標値との差をスケジューリング制御器C
(θ,s)が小さくするように働く制御系である。
When actually moving the controlled object, a target trajectory in consideration of the purpose and conditions of control is given, and in the case of a robot in particular, the target trajectory of the hand is given. Here, a target trajectory of the hand of the wafer transfer robot is given, and a control simulation that follows the trajectory is performed. The control system is shown in Fig. 7.
Build like. The target operation of control is moved by the reference input torque τ ref , and the difference from the target value at a certain hand position (link angle) during operation is calculated by the scheduling controller C.
This is a control system that works to reduce (θ, s).

【0075】全体の動作をフィードフォワード制御で行
い、目標値との差をフィードバック制御が小さくするの
で、高速、高精度な制御ができると考えられる。参照入
力トルクτref は逆動力学法で求める。フィードバック
制御での参照入力は、リンク角度の目標値応答としてシ
ミュレーションを行う。シミュレーションではゲインス
ケジューリングの有効性を検証するため、設計したスケ
ジューリング制御器C(θ,s)においてパラメータθ
を固定した場合のシミュレーションを行い検証する。
Since the entire operation is performed by the feedforward control and the difference from the target value is reduced by the feedback control, it is considered that high speed and highly accurate control can be performed. The reference input torque τ ref is obtained by the inverse dynamics method. The reference input in the feedback control simulates the target value response of the link angle. In the simulation, in order to verify the effectiveness of gain scheduling, the parameter θ in the designed scheduling controller C (θ, s) is used.
Simulation is performed when is fixed and verified.

【0076】〔参照入力〕 ウエハ搬送ロボットの操業
形態として、ここでは手先位置zをz=0 [mm] から
z=680 [mm] へ、すなわちリンク角度のθ=0
[deg] からθ=76.3 [deg] への移動を想定
する。またリンク手先位置の加速度の上限を700 [m
m/s2 ] とした。これより手先の目標軌道は、それぞ
[Reference Input] As an operation mode of the wafer transfer robot, here, the hand position z is changed from z = 0 [mm] to z = 680 [mm], that is, the link angle θ = 0.
Assume a movement from [deg] to θ = 76.3 [deg]. Also, the upper limit of the acceleration of the link hand position is 700 [m
m / s 2 ]. The target trajectories beyond this are

【数15】 で与えられる。[Equation 15] Given in.

【0077】図28,図30および図32は与えられた
手先の目標位置、目標速度、目標加速度である。図2
7,図29および図31は手先の目標軌道を式(1
1),(12),(13)に代入して得られるリンク角
度,角速度,角加速度である。図33はリンクの目標軌
道を運動方程式に代入することで得られるトルクの参照
入力である。
28, 30 and 32 show the target position, target speed and target acceleration of the given hand. Figure 2
7, FIG. 29 and FIG. 31 show the target trajectory of the hand with the formula (1
1), (12), and (13) are the link angles, angular velocities, and angular accelerations obtained by substitution. FIG. 33 is a reference input of torque obtained by substituting the target trajectory of the link into the equation of motion.

【0078】〔シミュレーション結果〕 スケジューリ
ングした重み関数W(θ,s)をもってモデル化誤差を
含むロボットのシミュレーションを行う。またコントロ
ーラC(θ,s)においてθ=0°あるいは76.3°
に固定したコントローラを使ってシミュレーションを行
う。モデル化誤差を考慮したシミュレーションでは、以
下のように重み関数をスケジューリングする。θに関し
てスケジューリングした重み関数の全体をW(θ,s)
とする。
[Simulation Results] A robot simulation including a modeling error is performed using the scheduled weighting function W (θ, s). Further, in the controller C (θ, s), θ = 0 ° or 76.3 °
Perform a simulation using the controller fixed to. In the simulation considering the modeling error, the weighting function is scheduled as follows. The entire weighting function scheduled for θ is W (θ, s)
And

【数16】 [Equation 16]

【0079】図34がゲインスケジューリングによる制
御のシミュレーション結果である。また、図35は各コ
ントローラにおいてθ=0°で固定したときのシミュー
ション結果で、図36はθ=76.3°で固定した場合
のシミュレーション結果である。また加速度応答につい
てもシミュレーション結果を見る。加速度はウエハが滑
らないためには加速度の出力が参照入力を越えてはなら
ない。その結果は図37ないし図39である。
FIG. 34 shows a simulation result of control by gain scheduling. Further, FIG. 35 shows a simulation result when θ = 0 ° is fixed in each controller, and FIG. 36 is a simulation result when θ = 76.3 ° is fixed. Also see the simulation results for acceleration response. The acceleration output must not exceed the reference input so that the wafer does not slip. The results are shown in FIGS. 37 to 39.

【0080】どのコントローラの参照入力に追従できて
いて、加速度が参照入力を越えないが、θ=0°で固定
した場合では加速度を見ると、振動的であるので望まし
くない。ゲインスケジューリングとθ=76.3°で固
定した場合を比較すると、ゲインスケジューリングの方
が参照入力との差が小さい。コントローラを実装した場
合では、このような差はさらに大きくなると考えられ
る。よって、ゲインスケジューリングが有効である。設
計したコントローラはモデル化誤差に対して、ただゲイ
ン交差周波数を大きくとり過ぎないようにループ整形で
設計した。高周波帯域でのモデル化誤差を考慮するなら
ば、ノッチフィルタなど高周波帯域のゲイン、特に共振
周波数でのゲインが小さくなるようなコントローラを設
計する必要がある。
Although it is possible to follow the reference input of which controller and the acceleration does not exceed the reference input, it is not preferable because the acceleration is oscillating when it is fixed at θ = 0 °. Comparing the gain scheduling with the case of fixing at θ = 76.3 °, the gain scheduling has a smaller difference from the reference input. When the controller is installed, such a difference is expected to be larger. Therefore, gain scheduling is effective. The designed controller was designed by loop shaping so that the gain crossover frequency would not be too large for the modeling error. Considering the modeling error in the high frequency band, it is necessary to design a controller such as a notch filter that reduces the gain in the high frequency band, especially the gain at the resonance frequency.

【0081】[0081]

【発明の効果】以上の説明から分かるように、本発明に
係るサーボモータ制御用コントローラにおけるゲイン設
定法によれば、ロボットの非線形運動方程式を利用して
も表現し切れない寄生的振動モードの抽出およびモデル
化が容易となる。そして、不確かさに基因する共振モー
ドの発生を回避すべくゲイン交差周波数を選定すると共
に位相余裕を十分に確保して、特定の位置または姿勢に
おけるコントローラのゲインを決定することができる。
As can be seen from the above description, according to the gain setting method in the controller for controlling the servo motor according to the present invention, the parasitic vibration mode extraction which cannot be expressed even by using the nonlinear motion equation of the robot is extracted. And the modeling becomes easy. Then, the gain crossover frequency can be selected to avoid the occurrence of the resonance mode due to the uncertainty, and the phase margin can be sufficiently secured to determine the gain of the controller at a specific position or posture.

【0082】それゆえ、ロボットに一連の動作を行わせ
る各サーボモータを、ロボットが有する寄生的な振動特
性を陽に考慮したうえで、ゲインスケジュール手法に基
づき制御できるようにしておくことができる。ロボット
の動特性を非線形運動方程式と寄生的振動モードに分け
ることによりモデルの高次化が回避され、コントローラ
の高性能化の要求を抑えてコスト低減も図られる。これ
は、PIDサーボドライバでは対処し得ない共振を排除
したコントローラとすることができる。
Therefore, each servo motor that causes the robot to perform a series of operations can be controlled based on the gain scheduling method, taking into consideration the parasitic vibration characteristics of the robot. By dividing the dynamic characteristics of the robot into a non-linear motion equation and a parasitic vibration mode, higher order models can be avoided, and the demand for higher performance of the controller can be suppressed and cost can be reduced. This can be a controller that eliminates resonances that the PID servo driver cannot handle.

【0083】設定されたゲインに基づくロボットの動作
が、位相を進ませるか遅らせるかのいずれをとってもロ
ボットの性能および動作仕様を満たし得ない場合には、
既に選定されている位置または姿勢のいずれかを変更
し、もしくは、新たな特定の位置または姿勢を追加し、
それらの位置または姿勢に基づき、ゲインを決定し直す
ことができる。仮に、ロボットの性能および動作仕様を
どうしても満たし得ない場合でも、どの程度の仕様であ
れば目的とする動きが可能になるかを探り出すことも可
能となる。
When the operation of the robot based on the set gain cannot satisfy the performance and operation specifications of the robot by advancing or delaying the phase,
Change any of the already selected positions or orientations, or add new specific positions or orientations,
Gains can be redetermined based on their position or orientation. Even if the performance and operation specifications of the robot cannot be satisfied by any means, it is possible to find out what kind of specifications allow the desired movement.

【0084】サーボモータ制御用コントローラにおける
ゲイン設定法により得られたコントローラを用いて非線
形ロボットモデルを動作させ、不確かさを組み込んで非
線形ロボットモデルによるシミュレーションをすれば、
コントローラによる制御の有効性を1サイクル回しなが
ら検証することができる。従来のようにノミナルモデル
のみを使用した場合に比べればコントローラの設計はや
や複雑となるものの、実機への適応時に安定性の低下や
制御性能の低下のおそれは解消される。もちろん、モデ
ルの低次数化が実現され、実ロボットへの適応性の高い
ものとすることができる。
If the nonlinear robot model is operated using the controller obtained by the gain setting method in the servo motor control controller and the uncertainty is incorporated into the simulation, the nonlinear robot model is simulated.
The effectiveness of control by the controller can be verified while rotating one cycle. Although the design of the controller is slightly more complicated than the case where only the nominal model is used as in the past, the fear of deterioration of stability and control performance when adapting to an actual machine is eliminated. Of course, the order of the model can be reduced and the adaptability to a real robot can be increased.

【0085】この場合、非線形ロボットモデルとして特
定の位置または姿勢ごとの線形化モデルの集まりとして
おき、シミュレーションにおいて非線形ロボットモデル
の動作中はその時点での位置または姿勢における不確か
さをそのときの線形化モデルの演算結果に加算するよう
にしているので、実際のロボットに極めて近い動きを再
現させ、シミュレーションによる安定性の確認すなわち
コントローラの有効性を精度高く検証することができ
る。
In this case, a set of linearized models for each specific position or orientation is set as the nonlinear robot model, and during the operation of the nonlinear robot model in the simulation, the uncertainty in the position or orientation at that time is linearized at that time. Since it is added to the calculation result of the model, it is possible to reproduce a motion extremely close to that of an actual robot and confirm the stability by simulation, that is, the effectiveness of the controller can be accurately verified.

【0086】サーボモータ制御用コントローラにおける
ゲイン設定法により得られたコントローラにせよ、サー
ボモータ制御用コントローラの有効性検証法により検証
されたコントローラにせよ、ロボットに適用して制御で
きることは言うまでもなく、その場合にロボットの有す
る寄生的な振動を抑制してロボットの性能や動作仕様に
合致した挙動を可能することができる。ひいてはロボッ
トによる処理の迅速化など能率向上に大きく寄与するも
のとなる。
Needless to say, whether the controller obtained by the gain setting method in the servo motor control controller or the controller verified by the effectiveness verification method of the servo motor control controller can be applied to a robot and controlled. In this case, it is possible to suppress the parasitic vibration that the robot has and to make the behavior that conforms to the performance and operation specifications of the robot possible. As a result, it will greatly contribute to the improvement of efficiency such as speeding up of processing by the robot.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 本発明に係るサーボモータ制御用コントロー
ラにおけるゲイン設定法を表したフローチャート。
FIG. 1 is a flowchart showing a gain setting method in a servo motor control controller according to the present invention.

【図2】 ウエハを乗載する手先リンクがX軸方向に進
退する構造のウエハ搬送ロボットの一例。
FIG. 2 is an example of a wafer transfer robot having a structure in which a hand link for mounting a wafer advances and retreats in the X-axis direction.

【図3】 本発明に係るゲイン設定法ならびにコントロ
ーラの有効性検証法の処理全体を表したフローチャー
ト。
FIG. 3 is a flowchart showing the overall processing of a gain setting method and a controller effectiveness verification method according to the present invention.

【図4】 ゲインを決定した補償器(コントローラ)の
ブロックダイアグラム。
FIG. 4 is a block diagram of a compensator (controller) whose gain is determined.

【図5】 位相の変更によるゲイン調整の一例を表した
フローチャート。
FIG. 5 is a flowchart showing an example of gain adjustment by changing the phase.

【図6】 不確かさを考慮した線形化モデル図。FIG. 6 is a linearized model diagram in which uncertainty is considered.

【図7】 ゲインスケジューリング制御系の性能を検証
する枠組みとして提案された不確かな非線形モデル採用
の検証用ブロック図。
FIG. 7 is a verification block diagram that employs an uncertain nonlinear model proposed as a framework for verifying the performance of a gain scheduling control system.

【図8】 x=0 [mm] の場合に同定した離散時間モ
デルにおける周波数特性。
FIG. 8 shows frequency characteristics in the discrete-time model identified when x = 0 [mm].

【図9】 x=300 [mm] の場合に同定した離散時
間モデルの周波数特性。
FIG. 9 shows frequency characteristics of the discrete-time model identified when x = 300 [mm].

【図10】 x=600 [mm] の場合に同定した離散
時間モデルの周波数特性。
FIG. 10 shows frequency characteristics of the discrete-time model identified when x = 600 [mm].

【図11】 x=0 [mm] の場合に同定した連続時間
モデルにおける周波数特性。
FIG. 11 shows frequency characteristics in the continuous-time model identified when x = 0 [mm].

【図12】 x=300 [mm] の場合に同定した連続
時間モデルの周波数特性。
FIG. 12 shows frequency characteristics of the continuous-time model identified when x = 300 [mm].

【図13】 x=600 [mm] の場合に同定した連続
時間モデルの周波数特性。
FIG. 13 shows frequency characteristics of the continuous-time model identified when x = 600 [mm].

【図14】 x=0 [mm] での離散時間モデルにおけ
る周波数応答との比較図。
FIG. 14 is a comparison diagram with a frequency response in a discrete-time model at x = 0 [mm].

【図15】 x=300 [mm] での離散時間モデルに
おける周波数応答との比較図。
FIG. 15 is a comparison diagram with the frequency response in the discrete-time model at x = 300 [mm].

【図16】 x=600 [mm] での離散時間モデルに
おける周波数応答との比較図。
FIG. 16 is a comparison diagram with a frequency response in a discrete-time model at x = 600 [mm].

【図17】 x=0 [mm] での線形化モデルとの比較
図。
FIG. 17 is a comparison diagram with a linearized model at x = 0 [mm].

【図18】 x=300 [mm] での線形化モデルとの
比較図。
FIG. 18 is a comparison diagram with a linearized model at x = 300 [mm].

【図19】 x=600 [mm] での線形化モデルとの
比較図。
FIG. 19 is a comparison diagram with a linearized model at x = 600 [mm].

【図20】 モデル誤差の導入を説明するブロック図。FIG. 20 is a block diagram illustrating introduction of a model error.

【図21】 姿勢θ1 =0 [deg] におけるノミナル
モデルG(θi ,s)とシステム同定モデルのボード線
図。
FIG. 21 is a Bode diagram of the nominal model G (θ i , s) and the system identification model in the posture θ 1 = 0 [deg].

【図22】 姿勢θ2 =25.4 [deg] におけるノ
ミナルモデルG(θ i ,s)とシステム同定モデルのボ
ード線図。
FIG. 22 Attitude θ2= 25.4 [deg]
Minal model G (θ i, S) and the system identification model
Diagram.

【図23】 姿勢θ3 =59 [deg] におけるノミナ
ルモデルG(θi ,s)とシステム同定モデルのボード
線図。
FIG. 23 is a Bode diagram of the nominal model G (θ i , s) and the system identification model in the posture θ 3 = 59 [deg].

【図24】 姿勢θt =0 [deg] を与えたときの制
御対象と各開ループ伝達関数のボード線図。
FIG. 24 is a Bode diagram of the controlled object and each open-loop transfer function when the attitude θ t = 0 [deg] is given.

【図25】 姿勢θt =25.4 [deg] を与えたと
きの制御対象と各開ループ伝達関数のボード線図。
FIG. 25 is a Bode diagram of the controlled object and each open-loop transfer function when the posture θ t = 25.4 [deg] is given.

【図26】 姿勢θt =59 [deg] を与えたときの
制御対象と各開ループ伝達関数のボード線図。
FIG. 26 is a Bode diagram of the controlled object and each open-loop transfer function when the posture θ t = 59 [deg] is given.

【図27】 リンクの参照入力(角度)。FIG. 27: Reference input (angle) of link.

【図28】 手先位置の参照入力(目標位置)。FIG. 28: Reference input of hand position (target position).

【図29】 リンクの参照入力(角速度)。FIG. 29: Reference input of link (angular velocity).

【図30】 手先位置速度の参照入力(目標速度)。FIG. 30. Reference input of hand position speed (target speed).

【図31】 リンクの参照入力(角加速度)。FIG. 31: Reference input of link (angular acceleration).

【図32】 手先位置加速度の参照入力(目標加速
度)。
FIG. 32 is a reference input of a hand position acceleration (target acceleration).

【図33】 トルクの参照入力。FIG. 33. Torque reference input.

【図34】 ゲインスケジューリングにより制御シミュ
レーション結果。
FIG. 34 is a control simulation result by gain scheduling.

【図35】 コントローラにおいてθ=0°で固定した
ときのシミューション結果。
FIG. 35 is a simulation result when the controller is fixed at θ = 0 °.

【図36】 θ=76.3°で固定した場合のシミュレ
ーション結果。
FIG. 36 is a simulation result when θ is fixed at 76.3 °.

【図37】 ゲインスケジューリングによる加速度応答
図。
FIG. 37 is an acceleration response diagram based on gain scheduling.

【図38】 θ=0°のときの加速度応答図。FIG. 38 is an acceleration response diagram when θ = 0 °.

【図39】 θ=76.3°のときの加速度応答図。FIG. 39 is an acceleration response diagram when θ = 76.3 °.

【図40】 加速度応答が想定された加速度パターンか
ら逸脱し、ロボットの性能または動作仕様を満たし得な
い様子を示す応答図。
FIG. 40 is a response diagram showing a state in which the acceleration response deviates from the assumed acceleration pattern and the robot performance or operation specification cannot be satisfied.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…ウエハ搬送ロボット、1M…ロボットモデル、2…
手先リンク、3…第一リンク、4…第二リンク、5…第
三リンク、6…コントローラ、θ…第一リンクと縦軸Y
とがなす角度(姿勢)。
1 ... Wafer transfer robot, 1M ... Robot model, 2 ...
Minor link, 3 ... First link, 4 ... Second link, 5 ... Third link, 6 ... Controller, θ ... First link and vertical axis Y
The angle (posture) formed by and.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 3C007 KS21 LS20 LT13 LV24 LW08 MT05    ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    F-term (reference) 3C007 KS21 LS20 LT13 LV24 LW08                       MT05

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ロボットをシステム同定することにより
ロボットの動特性をモデル化したとき含み得ない要因の
大きさを予め把握しておき、該要因による寄生的な振動
の発生を抑えつつ姿勢や位置に依存して動特性を変化さ
せるロボットのサーボモータ制御用コントローラにおけ
るゲイン設定方法において、 ロボットの一連の動きの中で、制御対象部位がとる特定
の位置または姿勢を予め有限個選定し、 ロボットの有する非線形な動特性を、上記選定された特
定の位置または姿勢ごとにその近傍で線形化し、 ロボットを実際に動かしたときの入出力データから、前
記した特定の位置または姿勢ごとにその近傍でシステム
同定し、 前記線形化によって得られた線形化モデルと上記システ
ム同定して得られた同定化モデルとの差分を、ロボット
の有する寄生的な振動特性を呈する不確かさとして捉
え、 該不確かさに基因する共振モードの発生を回避すべくゲ
イン交差周波数を選定すると共に位相余裕を十分に確保
して、前記特定の位置または姿勢におけるコントローラ
のゲインを決定し、 ロボットに一連の動作を行わせる各サーボモータを、ロ
ボットが有する寄生的な振動特性を陽に考慮したうえ
で、ゲインスケジュール手法に基づき制御できるように
したことを特徴とするサーボモータ制御用コントローラ
におけるゲイン設定法。
1. A posture and a position are preliminarily grasped for magnitudes of factors that cannot be included when the dynamic characteristics of the robot are modeled by system identification of the robot, and parasitic vibrations caused by the factors are suppressed. In the method of setting the gain in the controller for controlling the servo motor of the robot, which changes the dynamic characteristics depending on the The nonlinear dynamic characteristics possessed are linearized in the vicinity of each of the selected specific positions or postures, and from the input / output data when the robot is actually moved, the system is set in the vicinity of each of the specific positions or postures described above. The difference between the identified linearization model obtained by the linearization and the identification model obtained by the above system identification is calculated by the robot. The gain crossover frequency is selected to avoid the occurrence of a resonance mode due to the uncertainty, and a sufficient phase margin is secured to prevent the occurrence of a resonance mode caused by the parasitic vibration characteristic. The feature is that each servo motor that determines the gain of the controller and causes the robot to perform a series of operations can be controlled based on the gain scheduling method after explicitly considering the parasitic vibration characteristics of the robot. Gain setting method for servo motor controller.
【請求項2】 前記設定されたゲインに基づくロボット
の動作が、位相を進ませるか遅らせるかのいずれをとっ
てもロボットの性能および動作仕様を満たし得ない場合
には、既に選定されている位置または姿勢のいずれかを
変更して、それらの位置または姿勢に基づき、前記ゲイ
ンを決定し直すことを特徴とする請求項1に記載された
サーボモータ制御用コントローラにおけるゲイン設定
法。
2. If the robot motion based on the set gain cannot meet the robot performance and motion specifications by either advancing or retarding the phase, the position or posture already selected. 2. The gain setting method for a servo motor control controller according to claim 1, wherein any one of the above is changed and the gain is determined again based on the position or the posture thereof.
【請求項3】 前記設定されたゲインに基づくロボット
の動作が、位相を進ませるか遅らせるかのいずれをとっ
てもロボットの性能および動作仕様を満たし得ない場合
には、既に選定されている位置または姿勢に新たな特定
の位置または姿勢を追加し、それらの位置または姿勢に
基づき、前記ゲインを決定し直すことを特徴とする請求
項1に記載されたサーボモータ制御用コントローラにお
けるゲイン設定法。
3. A position or orientation that has already been selected when the robot motion based on the set gain cannot meet the robot performance and motion specifications by either advancing or delaying the phase. 2. The gain setting method in the servo motor control controller according to claim 1, wherein a new specific position or posture is added to, and the gain is determined again based on the position or posture.
【請求項4】 請求項1ないし請求項3に記載されたサ
ーボモータ制御用コントローラにおけるゲイン設定法に
より得られたコントローラをロボットに適用して制御す
ることを特徴とするロボット制御法。
4. A robot control method, characterized in that the controller obtained by the gain setting method in the servo motor control controller according to claim 1 is applied to a robot for control.
【請求項5】 請求項1ないし請求項3に記載されたサ
ーボモータ制御用コントローラにおけるゲイン設定法に
より得られたコントローラを用いて非線形ロボットモデ
ルを動作させ、該非線形ロボットモデルによるシミュレ
ーションにより前記コントローラによる制御の有効性を
検証するようにしたことを特徴とするサーボモータ制御
用コントローラの有効性検証法。
5. A non-linear robot model is operated using a controller obtained by the gain setting method in the servo motor control controller according to claim 1, and the controller is operated by a simulation using the non-linear robot model. A method for verifying the effectiveness of a servo motor control controller, characterized in that the effectiveness of the control is verified.
【請求項6】 前記非線形ロボットモデルは前記特定の
位置または姿勢ごとの線形化モデルの集まりとしてお
き、前記シミュレーションにおいて、非線形ロボットモ
デルの動作中はその時点での位置または姿勢における不
確かさをそのときの線形化モデルの演算結果に加算する
ことにより、実際のロボットに極めて近い動きを再現さ
せるようにしたことを特徴とする請求項5に記載された
サーボモータ制御用コントローラの有効性検証法。
6. The non-linear robot model is set as a group of linearized models for each of the specific positions or orientations, and in the simulation, during the operation of the non-linear robot model, the uncertainty in the position or orientation at that time is then calculated. 6. The method of verifying the effectiveness of a controller for servo motor control according to claim 5, wherein a motion extremely close to that of an actual robot is reproduced by adding it to the calculation result of the linearized model of.
【請求項7】 請求項5または請求項6に記載されたサ
ーボモータ制御用コントローラの有効性検証法により検
証されたコントローラをロボットに適用して制御するこ
とを特徴とするロボット制御法。
7. A robot control method, wherein a controller verified by the effectiveness verification method of the servo motor control controller according to claim 5 or 6 is applied to a robot for control.
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