JP2007144621A - ロボットの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】柔軟制御時のロボットアームの動作制限を安全に行うことを解決課題とする。
【解決手段】位置及び速度の状態フィードバックループを有し、各関節を駆動するモータの制御回路と、位置制御ゲインまたは速度制御ゲインを通常ゲインより小さく設定する手段とを備えたロボットの制御装置において、位置制御ゲインまたは速度制御ゲインを通常ゲインより小さく設定する手段と、前記モータの動作制限値を設定または演算により導出する手段と、前記動作制限値をサーボ系の指令値とする前記制御回路とは別の第２のフィードバック制御手段と、第２のフィードバック制御の程度を決定する調節係数設定手段と、前記調節係数を乗じた第２のフィードバック制御系の出力値を、第１のフィードバック速度制御系のトルク制御部分または速度制御部分に加算する手段を有するものである。
【選択図】図２

Description

本発明はロボットに用いられるモータの制御系において、柔軟制御装置時のロボットアームの動作制限を行う制御装置に関する。

従来のロボット関節を駆動するモータのサーボ系では、位置フィードバックループと速度フィードバックループを有し、指令との差であるサーボ偏差を増幅し、その増幅ゲインをできるだけ高くとることにより制御を行っている。

図７にロボットの従来の運動制御のブロック図を示す。図において、１０は軌道発生ブロックであり、ティーチペンダントＪＯＧキー１２の入力から、あるいはメモリ１３のデータからモータの運動の指令を生成する。メモリ１３にはあらかじめ教示された位置、速度等のデータ及び補間方法が保存されている。ティーチペンダント１２あるいはメモリ１３のデータをもとに、軌道生成部座標変換部１４で生成された軌道データは座標変換され、各関節のモータの回転指令として運動制御ブロック１１へ送られる。

運動制御ブロック１１はモータのサーボ系であり、ロボット関節駆動モータ１５の位置・速度フィードバック信号と軌道生成部座標変換部１４で生成された各モータの運動指令とに基づいて制御信号を出力するサーボ制御系メインループ１６と、制御信号を電力増幅するアンプ１７を備えている。この運動制御ブロック１１は、ロボットの駆動系を構成しているモータの数だけ存在する。

図８は、各関節で位置制御系を構成する場合の運動制御ブロック１１を更に詳しく示している。ここでは、１軸のサーボ系のみを記載しているが他のモータ軸に関しても同様の構成である。図８において、Ｋｐは位置制御ゲイン、Ｋｖは速度制御ゲイン、Ｔｉは積分器の時定数である。ここで、従来においては、位置ループと速度ループのゲインＫｐ、Ｋｖは高めにトルク外乱の影響を受けにくくし、積分時定数Ｔｉは短めに設定することにより、位置の指令値に対してモータの追従性を良くしている。

このようなモータの追従性を考慮した制御に対して、ＫｐやＫｖを小さく設定する、あるいはトルク指令を小さく制限することで、衝突時の安全性を高めたり、ロボットに外力を意図的に加えてその外力に倣うように制御したりすることが可能となる。このような制御を柔軟制御と呼ぶ。

柔軟制御時では、外力を受けている場合やロボットアームが外部に接触している場合には、実際のモータの位置は位置指令と大きく異なることが多い。そのため、サーボモータの制御系の指令値でロボットの動作の制限を行うことができない。これについては、エンコーダ値など位置検出器の値を監視しながら、位置検出器の値が制限値を越える場合に以下の処理を行うことで、制限値以上にロボットが動作しないよう制御を行うことが可能である。

その第１の方法としては、サーボモータの運動が動作制限値を越える場合には制御構造を柔軟制御から位置制御に変化させる方法が考えられる。位置制御で制御されている状態では、位置指令値により動作制限制御を設けることができる。

この方法ではサーボ電源の遮断を伴うことなく、その後の動作が引き続き制御される。

一方、第２の方法として、サーボモータの運動が動作制限を越える場合はサーボ電源を遮断しロボットを急停止させる方法がある。

これらの方法について検討すると、第１の方法によりロボットの関節角度が制限角度に達した場合、制御構造を柔軟制御から位置制御に変化させロボットの運動を止める場合は、第２の方法のようにサーボ電源を遮断することなく、その後の動作を継続させることが可能である。ところが、現実的には動作制限値を挟んで柔軟制御と位置制御を切り替える場合、制御的に連続性を保って切り替えることは非常に困難である。

位置制御系には通常積分動作を含んでおり、この積分要素により連続的で円滑な軌道制御を行っている。また、柔軟制御では指令値とロボット現在値の偏差を許容するため通常積分動作を実行しないかまたは、積分出力を大きく制限している。

この積分動作は制御偏差の情報が蓄積されたもので、重力や摩擦を含む様々な情報を含んでおり、柔軟制御から位置制御に移行する場合の積分の初期値をショックなく連続的に変更することができない。また、位置制御から柔軟制御に移行する場合にも、積分値としてモータの発生トルクの一部となっていた値を急に変更することになり、補償されていた重力トルクや摩擦トルクが影響を与えるようになるため、発生トルクが急変し、ぎくしゃくした動きになる。そのため、連続的に相互の制御間を移行することは困難である。

同時に、制限値を挟んで制御系の相互の不連続な状態が頻繁に入れ替わるため、ロボットの運動は振動的で非常に不安定なものになる。

次に、前記第２の方法では、運動制限値に達した場合サーボ電源を遮断すると共に、ロボットの運動を機械的なブレーキで止めることになる。従って、単にロボットの運動を制限することだけが必要な場合でも、再度サーボ電源を投入する必要があり操作が非常に煩雑であるだけでなく、ロボット作業の円滑性や自動化を阻害する大きな要因になる。

従来の方法では柔軟制御の動作制限を実施する上で以上に述べるような問題点があり、結果として安全な柔軟制御を制御的に実行することができなかった。

そこで本発明は、柔軟制御時のロボットアームの動作制限を安全に行うことを解決課題とする。

前記課題を解決するための第１の手段は、位置及び速度の状態フィードバックループを有し、各関節を駆動するモータの制御回路と、位置制御ゲインまたは速度制御ゲインを通常ゲインより小さく設定する手段とを備えたロボットの制御装置において、前記モータの動作制限値を設定または演算により導出する手段と、前記動作制限値をサーボ系の指令値とする前記制御回路とは別の第２のフィードバック制御手段と、前記第２のフィードバック制御の出力値の重み付けを調節する調節係数設定手段と、前記調節係数を乗じた前記第２のフィードバック制御系の出力値を、第１のフィードバック速度制御系のトルク制御部分または速度制御部分に加算する手段を有するものである。

前記課題を解決するための第２の手段は、位置及び速度の状態フィードバックループを有し、各関節を駆動するモータの制御回路と、トルクの発生を通常制御時のトルク値より小さく制限する手段とを備えたロボットの制御装置において、ロボットの関節を駆動する前記モータの動作制限値を設定または演算により導出する手段と、前記動作制限値をサーボ系の指令値とする前記制御回路とは別の第２のフィードバック制御手段と、前記第２のフィードバック制御の出力値の重み付けを調節する調節係数設定手段と、前記調節係数を乗じた前記第２のフィードバック制御系の出力値を、第１のフィードバック速度制御系のトルク制御部分または速度制御部分に加算する手段とを有するものである。

以上説明したように、本発明によれば、ロボットの柔軟制御時における制御的な動作制限を制御的安定性を保った状態で実行することが可能になる。これにより、サーボ電源を遮断することなくロボットの運動を制限値近傍で制限することができ、安全性が大幅に向上し、さらに電源再投入など煩雑な操作の必要性がなくなる。

図１は本発明の実施例を示す外観図である。図１には２つの実施態様を示しており、図１（ａ）はロボットの関節を駆動する各モータの回転座標系毎に独立に動作制限範囲を設けた例を示しており、図１（ｂ）はロボットの基本座標（直交座標系）に合わせて動作制限範囲を設定した例を示している。

まず、図１（ａ）の例について説明する。図２は本実施例の制御系のブロック図である。本実施例では、位置、速度の状態フィードバックループを有し、関節を駆動するモータの制御回路において、位置速度の制御系３０１に、位置制御ゲインまたは速度制御ゲインを通常の制御時のゲインより小さく設定する手段３０６，３０７を有する。ブロック３０３は、ロボットの関節を駆動するモータの動作制限値を設定または演算により算出する。ブロック３０２は、前記動作制限値をサーボ系の指令値とする前記制御回路とは別の第２のフィードバック制御ブロックである。３０４は、第２のフィードバック制御の程度を決定する調節係数設定器である。３０５は、前記第２のフィードバック制御系の出力値を、第１の速度制御系のトルク制御部分あるいは速度制御部分に加算するブロックである。教示時においては、予め通常の制御時のゲインより小さく設定されているゲインをブロック３０６，３０７より自動的に出力する。

図３は、図１（ａ）の例における他の実施例を示すブロック図である。

図３において、４０１は通常の制御部分であり、４０２の点線で囲まれた部分が動作制限を越えた場合に機能する部分である。通常の制御部分４０１はゲインＫｐ、Ｋｖを低く設定したり、発生トルクの制限器などにより発生トルクを抑えることで、外部から作用する力によりロボットアームが柔軟に動くようにしている。

４０３は動作制限が作用する制限角度である。制限角度に達するまではブロック４０１の部分だけが機能する。すなわち、柔軟制御状態では通常の角度指令が変化した場合にはロボットアームは運動し、サーボ剛性以上の外力が作用した場合にはロボットアームは外力により動かされる。

ロボットアームが制限角度を越えた場合は、調節係数設定器４０４の作用により、ブロック４０２が機能を始める。このブロック４０２の作用はロボットの自力による運動、または他者から動かされる運動によらず、制限値とロボットの現在位置だけで判断され機能するブロックである。

４０２のブロックの働きを説明する。動作制限角度とロボットの関節角度は位置制御系の偏差ｅの符号により判断され、４０４の調節係数が０から１になることによりブロック４０２の機能が開始される。位置偏差ｅが負の間、すなわち関節角度が動作制限を越えている間、ブロック４０２は機能を続ける。ブロック４０２の位置制御系と速度制御系の構造自体は通常のサーボモータの制御系と同様な構成である。ブロック４０２の制御系のゲインは一般的にブロック４０１のブロックの制御ゲインより大きく設定される。あるいは速度制御系に積分器などを含むことにより、さらにサーボ剛性を高くする措置が施される。

このような構成がとられることでロボットが制限角度を越えた時には、サーボ剛性が高く制御される。仮に高ゲインの設定や積分器などの導入によりサーボ剛性が非常に高く制御された場合には、ロボットアームは動作制限をほとんど越えることはない。一方、比較的ゲインを小さ目に設定した場合には動作制限を越えても運動を続けることが可能であるが、次第に抵抗力が大きくなり制御系ブロック４０２の角度指令値や外力によるトルクと制御系の発生トルクがバランスした位置まで引き戻されることになる。

これらゲインの設定は必要な制限設定に合わせて適度な値に設定することが可能である。また、変位に応じて可変であるゲインや制御構造をとることにより多様な特性を持たせることができる。重力補償演算は、例えばロボットの関節角度とアームの重心位置、重量から必要となるトルクを算出することで行われる。

図５はロボットの関節の運動を示す。５０は関節の１つであり、図に示されたθｒ部分が運動の制限角度とする。その場合の運動とトルクの関係は図６で示される。制限角度以上の運動を行なった時、急激に反力が増大し、運動が制限される様子を示している。図６（ａ）は図３の制御系４０１でゲインＫｐ、Ｋｖを比較的低くとった場合の柔軟制御系での特性であり、図６（ｂ）はトルク制限を設けることにより柔軟制御系を構成した場合の特性を示したものである。

次に、図１（ｂ）はロボットの基本座標に合わせて動作制限を設定した例を示す。図４はその制御系ブロック図である。ここでの柔軟制御系は関節座標系で構成されるものとする。ロボット基本座標系（直交系）の位置指令ブロック４０６から出力された位置指令は座標変換部４０８で関節座標系に変換されるとともに、制限値は制限値演算部４０７において関節座標系に変換される。関節座標系に変換された値はそのまま図３の制御系と同じ制御系での制限角度となる。

図１（ｂ）に示すような直方体内部を動作領域とする場合には、制限値は関節角の関数関係で表されるため、相互の関係を保ちつつ制限を決定することにより実行が可能である。また、サーボ系そのものが作業座標系で構成されている場合には、図３と同様の構成で直交座標系での制限を容易に行うことができる。

本発明の実施例の動作制限を表す斜視図である。 図１（ａ）の実施例の制御系を示すブロック図である。 本発明の実施例の制御系の他の例を示すブロック図である。 図１（ｂ）の実施例の制御系を示すブロック図である。 図４の実施例の作用を示すための一軸アームの運動例である。 図４の実施例の効果を示すブロック図である。 従来の制御装置の信号の流れを示すブロック図である。 従来のモータのサーボ制御部のブロック図である。

符号の説明

１０ 軌道発生ブロック、１１ 運動制御ブロック、１２ ティーチペンダントＪＯＧキー、１３ メモリ、１４ 軌道生成部、１５ ロボット関節駆動モータ、１６ サーボ制御系メインループ、１７ トルク（電流）制御アンプ、２８ 位置検出器、３０ ロボット、

Claims (2)

1. 位置及び速度の状態フィードバックループを有し、各関節を駆動するモータの制御回路と、位置制御ゲインまたは速度制御ゲインを通常ゲインより小さく設定する手段とを備えたロボットの制御装置において、
   前記モータの動作制限値を設定または演算により導出する手段と、
   前記動作制限値をサーボ系の指令値とする前記制御回路とは別の第２のフィードバック制御手段と、
   前記第２のフィードバック制御の出力値の重み付けを調節する調節係数設定手段と、
   前記調節係数を乗じた前記第２のフィードバック制御系の出力値を、第１のフィードバック速度制御系のトルク制御部分または速度制御部分に加算する手段とを有することを特徴とするロボットの制御装置。
2. 位置及び速度の状態フィードバックループを有し、各関節を駆動するモータの制御回路 と、トルクの発生を通常制御時のトルク値より小さく制限する手段とを備えたロボットの制御装置において、
   ロボットの関節を駆動する前記モータの動作制限値を設定または演算により導出する手段と、
   前記動作制限値をサーボ系の指令値とする前記制御回路とは別の第２のフィードバック制御手段と、
   前記第２のフィードバック制御の出力値の重み付けを調節する調節係数設定手段と、
   前記調節係数を乗じた前記第２のフィードバック制御系の出力値を、第１のフィードバック速度制御系のトルク制御部分または速度制御部分に加算する手段とを有することを特徴とするロボットの制御装置。

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