JP2007233613A - Speed control method and speed controller - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、物体の速度(すなわち、軌跡の接線速度をいう)を制御する方法及びその装置に関する。 The present invention relates to a method and apparatus for controlling the velocity of an object (ie, the tangential velocity of a trajectory).
従来、ロボットハンドの手先や搬送台車等の物体を移動させる場合、物体の移動の開始時及び終了時には、物体の速度が所定速度となるまで加速度を一定とし、物体が所定速度となった際には、加速度を0、すなわち、速度を一定とする台形型の速度制御が行われている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, when moving an object such as a hand of a robot hand or a transport carriage, at the start and end of the movement of the object, the acceleration is constant until the speed of the object reaches a predetermined speed. Is a trapezoidal speed control in which the acceleration is 0, that is, the speed is constant (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、前記従来のような台形型の速度制御方法では、物体が移動する経路(軌跡)が曲線である場合や角部を有する場合等の物体の経路が大きく曲がっている場所、すなわち、曲率の大きい場所においても速度が一定であるため、物体が高速で移動すると、遠心力が大きくなり、決められた軌道からずれてしまうという問題があった。 However, in the trapezoidal speed control method as in the prior art, a place where the path of the object is greatly bent, that is, where the path (trajectory) of the object is a curve or has a corner, that is, the curvature of Since the speed is constant even in a large place, if the object moves at a high speed, there is a problem that the centrifugal force increases and deviates from the determined trajectory.
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、物体の通過する軌跡上の各点における曲率に応じた速度で物体を移動させる速度制御方法及びその装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a speed control method and apparatus for moving an object at a speed corresponding to the curvature at each point on a trajectory through which the object passes.
前記目的に沿う本発明に係る速度制御方法は、予め設定された軌跡を通過する物体の速度制御方法であって、
前記軌跡の座標データを入力する第1工程と、
前記軌跡上の各点における曲率を計算する第2工程と、
前記算出された前記各点での曲率から該各点での前記物体の速度を(1)式に示される角速度を用いた(2)式に従って計算する第3工程と、
前記算出された各点での速度を前記物体に出力する第4工程とを有する。
The speed control method according to the present invention that meets the above-mentioned object is a speed control method for an object that passes through a preset trajectory,
A first step of inputting coordinate data of the trajectory;
A second step of calculating a curvature at each point on the locus;
A third step of calculating the velocity of the object at each point from the calculated curvature at each point according to equation (2) using an angular velocity represented by equation (1);
And a fourth step of outputting the calculated speed at each point to the object.
ここで、αは、1未満であり、好ましくは、1/3を超えかつ4/5未満、より好ましくは、1/2を超えかつ3/4未満である。この範囲内において、αが1に近い場合では曲率の小さい場所と曲率の大きい場所での速度(すなわち、接線速度)の差が人間の動作で観察されるより小さくなり、人型ロボットに応用した際には動きが不自然となり、αが1の場合には、曲率cの大小に関わらず常に物体の速度vが一定となり、αが1を超える場合には、曲率が大きくなると、速度も大きくなる。また、αが1/3以下の場合には、曲率の変化に対して、速度の変化が大きくなり過ぎる。なお、本発明において、軌跡とは、物体(運動部品上の1点、一般には、機能点又は代表点)が運動中に空間に占める位置を連ねた線のことをいう。 Here, α is less than 1, preferably more than 1/3 and less than 4/5, more preferably more than 1/2 and less than 3/4. Within this range, when α is close to 1, the difference in speed (that is, tangential speed) between a place with a small curvature and a place with a large curvature is smaller than that observed by human movement, and it was applied to a humanoid robot. When α is 1, the velocity v of the object is always constant regardless of the magnitude of the curvature c. When α exceeds 1, the velocity increases as the curvature increases. Become. When α is 1/3 or less, the change in speed becomes too large with respect to the change in curvature. In the present invention, the locus means a line connecting positions occupied by an object (one point on a moving part, generally a functional point or a representative point) in space during movement.
本発明に係る速度制御方法において、前記物体の前記軌跡上の各点での速度を算出して、該物体の軌道生成を行うことができる。
本発明に係る速度制御方法において、前記第1工程で前記物体の最大速度を入力し、前記第3工程で前記(2)式によって算出された前記各点での前記物体の速度のデータが前記最大速度を超える場合、該物体の速度を前記最大速度以下に補正するのが好ましい。
本発明に係る速度制御方法において、前記第3工程では、前記(2)式による前記物体の速度の変化率(すなわち、加速度)が所定値以下となるように、前記物体の速度を補正してもよい。
In the speed control method according to the present invention, the speed of the object at each point on the trajectory can be calculated to generate the trajectory of the object.
In the speed control method according to the present invention, the maximum speed of the object is input in the first step, and the speed data of the object at each point calculated by the equation (2) in the third step is When exceeding the maximum speed, it is preferable to correct the speed of the object below the maximum speed.
In the speed control method according to the present invention, in the third step, the speed of the object is corrected so that a rate of change (that is, acceleration) of the speed of the object according to the equation (2) is a predetermined value or less. Also good.
本発明に係る速度制御方法において、前記第2工程では、前記曲率の変化率が所定値以下となるように、前記軌跡上の各点での曲率を補正した後、前記第3工程で該補正した曲率から前記物体の速度を計算してもよい。
本発明に係る速度制御方法において、前記(2)式では、αが2/3であるのが好ましい。ここで、αが2/3である場合、(1)式は、ビビアーニ(Viviani P.)らが人間の手先の動かし方の観察から見出した心理物理的な経験則である三分の二乗則(The 2/3 power low)に従うので、(1)式に示される角速度を用いた(2)式も三分の二乗則に従う。
本発明に係る速度制御方法を、ロボットアーム又は搬送車(物体の一例)の速度を制御するのに用いてもよい。
ここで、搬送車としては、搬送台車や、レール上を移動しない無軌道台車等がある。
In the speed control method according to the present invention, in the second step, the curvature at each point on the locus is corrected so that the change rate of the curvature is a predetermined value or less, and then the correction is performed in the third step. The velocity of the object may be calculated from the calculated curvature.
In the speed control method according to the present invention, in the formula (2), α is preferably 2/3. Here, when α is 2/3, equation (1) is the third-square law, which is a psychophysical empirical rule found by Viviani P. and others from observation of how to move the human hand. Since (The 2/3 power low) is obeyed, the equation (2) using the angular velocity shown in the equation (1) also follows the square law.
The speed control method according to the present invention may be used to control the speed of a robot arm or a transport vehicle (an example of an object).
Here, examples of the transport vehicle include a transport cart and a trackless cart that does not move on the rail.
前記目的に沿う本発明に係る速度制御装置は、予め設定された軌跡を通過する物体の速度制御装置であって、
前記軌跡の座標データを入力する初期値入力部と、
前記軌跡上の各点における曲率を計算する曲率計算部と、
前記算出された前記各点での曲率から該各点での前記物体の速度を(1)式に示される角速度を用いた(2)式に従って計算する速度計算部と、
前記算出された各点での速度を前記物体に出力する出力部とを有する。
本発明に係る速度制御装置において、前記出力部はロボットアーム又は搬送車(物体の一例)に前記算出された各点での速度を出力してもよい。
The speed control device according to the present invention that meets the above-mentioned object is a speed control device for an object that passes through a preset trajectory,
An initial value input unit for inputting the coordinate data of the locus;
A curvature calculator for calculating the curvature at each point on the locus;
A velocity calculation unit that calculates the velocity of the object at each point from the calculated curvature at each point according to equation (2) using an angular velocity represented by equation (1);
An output unit that outputs the calculated speed at each point to the object.
In the speed control device according to the present invention, the output unit may output the calculated speed at each point to a robot arm or a transport vehicle (an example of an object).
請求項1〜7に記載の速度制御方法においては、入力された軌跡の座標データから、軌跡上の各点における曲率を計算し、この算出された各点での曲率から各点での物体の速度を計算するので、曲率に応じた速度で物体を移動させることができ、特に軌跡が大きく曲がっている所では、物体の速度を遅くして、予め決められた軌跡からずれ難くなる。
特に、請求項2記載の速度制御方法においては、物体の軌跡上の各点での速度を算出して、物体の軌道生成を行うので、軌道上の各点での物体の速度を制御する軌道を作成することができる。
請求項3記載の速度制御方法においては、第3工程で算出された各点での物体の速度のデータが入力した最大速度を超える場合、物体の速度を最大速度以下に補正するので、特に、曲率が小さい場所で速度超過とならない。
In the speed control method according to any one of
In particular, in the speed control method according to claim 2, the trajectory for controlling the speed of the object at each point on the trajectory is generated by calculating the speed at each point on the trajectory of the object and generating the trajectory of the object. Can be created.
In the speed control method according to claim 3, when the speed data of the object at each point calculated in the third step exceeds the input maximum speed, the speed of the object is corrected to be equal to or lower than the maximum speed. Speed does not exceed where the curvature is small.
請求項4記載の速度制御方法においては、第3工程で物体の速度の変化率が所定値以下となるように物体の速度を補正するので、物体が急激に加減速しないように速度を調整することができる。
請求項5記載の速度制御方法においては、第2工程で曲率の変化率が所定値以下となるように軌跡上の各点での曲率を補正した後、第3工程で補正した曲率から物体の速度を計算するので、物体が急激に加減速しないように速度を調整することができる。
請求項6記載の速度制御方法においては、αが2/3であるので、物体の動きが、三分の二乗則に従って滑らかになり、特に人型のロボットでは人の動作に近づかせることができる。
In the speed control method according to claim 4, since the speed of the object is corrected in the third step so that the rate of change of the speed of the object is not more than a predetermined value, the speed is adjusted so that the object does not suddenly accelerate or decelerate. be able to.
In the speed control method according to claim 5, after correcting the curvature at each point on the trajectory in the second step so that the rate of change of the curvature is equal to or less than a predetermined value, the curvature of the object is calculated from the curvature corrected in the third step. Since the speed is calculated, the speed can be adjusted so that the object does not accelerate or decelerate suddenly.
In the speed control method according to the sixth aspect, since α is 2/3, the movement of the object is smooth according to the second-square law, and in particular, a humanoid robot can approach a human movement. .
請求項8及び9に記載の速度制御装置においては、入力された軌跡の座標データから、軌跡上の各点における曲率を計算する曲率計算部と、算出された各点での曲率から各点での物体の速度を計算する速度計算部とを有するので、曲率に応じた速度で物体を移動させることができ、特に軌跡が大きく曲がっている所では、物体の速度を遅くして、予め決められた軌跡からずれ難くすることができる。 In the speed control device according to claim 8 and 9, a curvature calculator that calculates the curvature at each point on the trajectory from the input coordinate data of the trajectory, and at each point from the calculated curvature at each point. It has a speed calculation unit that calculates the speed of the object, so that the object can be moved at a speed according to the curvature. It can be difficult to deviate from the trajectory.
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
ここで、図1は本発明の一実施の形態に係る速度制御装置のブロック図、図2は本発明の一実施の形態に係る速度制御方法での物体の軌跡を示す説明図、図3は同速度制御方法での物体の経路長と曲率の関係を示すグラフ、図4は同速度制御方法での物体の経路長と接線速度の関係を示すグラフ、図5(A)、(B)はそれぞれ同速度制御方法での接線速度を補正した場合の説明図、図6(A)〜(D)はそれぞれ同速度制御方法での曲率を補正した場合の説明図、図7(A)、(B)はそれぞれ同速度制御方法を適用したシミュレーションでの物体の概念図、二次系システムの説明図、図8は物体の速度制御装置に予め与えられた物体の軌道を示すグラフ、図9は曲率の計算結果を示すグラフ、図10は物体の速度の計算結果を示すグラフ、図11は物体を移動させた際の軌跡を示すグラフである。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings for understanding of the present invention.
Here, FIG. 1 is a block diagram of a speed control device according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is an explanatory diagram showing a locus of an object in a speed control method according to an embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 4 is a graph showing the relationship between the path length of the object and the curvature in the speed control method, FIG. 4 is a graph showing the relationship between the path length of the object and the tangential speed in the speed control method, and FIGS. FIGS. 6A to 6D are explanatory diagrams when the tangential speed is corrected by the same speed control method, and FIGS. 6A to 6D are explanatory diagrams when the curvature is corrected by the same speed control method. B) is a conceptual diagram of an object in a simulation applying the same speed control method, an explanatory diagram of a secondary system, FIG. 8 is a graph showing the trajectory of an object given in advance to the object speed control device, and FIG. FIG. 10 is a graph showing the calculation result of the velocity of the object. Figure 11 is a graph showing the trajectories of moving the object.
図1〜図4を参照して、本発明の一実施の形態に係る物体の速度制御装置10について説明する。
図1に示すように、速度制御装置10は、図示しない物体(例えば、ロボットハンドの手先)が通過する予め設定された軌跡A(図2参照)及び物体の最大速度vmaxを入力する初期値入力部11と、初期値入力部11に入力された軌跡A上の各点Xにおける曲率cを計算する曲率計算部12と、初期値入力部11に入力された最大速度vmax及び曲率計算部12で計算された曲率cに基づいて、各点Xでの物体の速度vを計算する速度計算部13と、速度計算部13で算出された速度vを物体の制御部(図示せず)に出力する出力部14とを有し、物体が軌跡Aに沿って速く、かつ、正確に移動するように物体の速度の制御を行っている。
With reference to FIGS. 1-4, the
As shown in FIG. 1, the
次に、速度制御装置10を使用した物体の速度制御方法について説明する。
(第1工程)
まず、初期値入力部11に、軌跡A及び物体の最大速度vmaxを入力する。ここで、図2に示すように、軌跡Aは、中間点Mで連結された2本の直線からなり、中間点Mで折れ曲がって角部が形成された構造となっている。なお、軌跡Aは、二次元であって、軌跡A上の始点X0(x0,y0)から終点X1(x1,y1)までの複数の点Xi(xi,yi)(但し、0≦i≦1である)によって、軌跡Aの座標データが構成されている。初期値入力部11には、これら軌跡A上の全ての点の座標のデータが入力される。なお、軌跡は、三次元で与えられてもよく、また、ベジエ曲線等のパラメトリック曲線等の数式で与えてもよい。初期値入力部11から曲率計算部12に軌跡A上の各点の座標を示す数値が送られ、速度計算部13に最大速度vmaxを示す数値が送られる。
Next, an object speed control method using the
(First step)
First, the trajectory A and the maximum velocity v max of the object are input to the initial
(第2工程)
次に、曲率計算部12で軌跡A上の各点Xにおける曲率をそれぞれ計算する。
まず、物体が軌跡A上を始点X0から終点X1まで一定速度で進むと仮定し、軌跡A上の点を微小な刻み時間δtでサンプリングした際の時刻tでの速度v(t)を(3)式によって求める。また、加速度も同様に計算できるので、各点での曲率c(t)は(4)式によって求められる。
(Second step)
Next, the
First, it is assumed that the object travels on the trajectory A from the start point X 0 to the end point X 1 at a constant speed, and the speed v (t) at the time t when the point on the trajectory A is sampled with a minute step δt is obtained. (3) It calculates | requires by Formula. Further, since the acceleration can be calculated in the same manner, the curvature c (t) at each point can be obtained by the equation (4).
ここで、軌跡A上の任意の点Xの始点X0からの距離を経路長sとして、刻み時間δtの間に刻み幅δsで軌跡A上の点をサンプリングし、時刻tに経路長sの点Xに到達する場合、経路長sの位置での接線速度v(s)は、(5)式で示される。従って、軌跡Aのみが与えられた場合の経路長sの位置での曲率c(s)は(6)式で示され、軌跡Aの経路長sでの曲率c(s)は図3のように示される。求められた曲率c(s)のデータは、速度計算部13に送られる。
Here, the distance from the starting point X 0 of an arbitrary point X on the trajectory A is set as the path length s, and a point on the trajectory A is sampled with a step width δs during the step time δt. When the point X is reached, the tangential velocity v (s) at the position of the path length s is expressed by equation (5). Accordingly, the curvature c (s) at the position of the path length s when only the trajectory A is given is expressed by the equation (6), and the curvature c (s) at the path length s of the trajectory A is as shown in FIG. Shown in Data of the calculated curvature c (s) is sent to the
(第3工程)
ここで、(5)式は、等速度運動であるので、各点Xでの曲率c(s)に応じた接線速度vd(s)を(7)式によって計算する(図4では、一点鎖線で示す)。なお、パラメータをuとした場合の物体の速度v(u)は、(1)式に示される角速度ωを用いた(2)式によって計算されており、(2)式のパラメータを経路長sに置き換えることにより、(7)式が得られる。また、曲率cが曲率半径rの逆数であるので、速度vd(s)を(8)式で表すこともできる。また、速度vd(s)の大きさは速度v(s)と異なるが、それらの方向は一致するので、速度vd(s)のx方向成分xd(s)及びy方向成分yd(s)は、(9)式及び(10)式で示される。
このように、物体の速度vd(s)は、曲率c(s)に応じて決定されるので、軌跡Aが大きく曲がっている、すなわち、曲率cが大きい所では、物体の接線速度を遅くして、物体が遠心力によって軌跡Aからずれるのを防止することができる。
(Third step)
Here, since the equation (5) is a constant velocity motion, the tangential velocity v d (s) corresponding to the curvature c (s) at each point X is calculated by the equation (7) (in FIG. (Indicated by a chain line). Note that the velocity v (u) of the object when the parameter is u is calculated by the equation (2) using the angular velocity ω shown in the equation (1), and the parameter of the equation (2) is changed to the path length s. (7) Formula is obtained by substituting. Further, since the curvature c is the reciprocal of the curvature radius r, the velocity v d (s) can also be expressed by equation (8). Further, although the magnitude of the velocity v d (s) is different from the velocity v (s), their directions coincide with each other, and therefore the x-direction component x d (s) and the y-direction component y d of the velocity v d (s). (S) is expressed by Equation (9) and Equation (10).
Thus, since the velocity v d (s) of the object is determined according to the curvature c (s), the tangential velocity of the object is slowed down when the locus A is bent greatly, that is, where the curvature c is large. Thus, it is possible to prevent the object from deviating from the locus A due to the centrifugal force.
ここで、(7)式において、αは、1未満であり、好ましくは、1/3を超えかつ4/5未満、より好ましくは、1/2を超えかつ3/4未満である。また、αを2/3とした場合には、(1)式に示す角速度ωが、人の手先の動かし方の観察から得られた心理物理的な経験則である三分の二乗則に従うので、(1)式に示される角速度ωを用いた(2)式も三分の二乗則に従う。これによって、(2)式によって計算された速度vで物体を動かした場合、物体が人の動きに近づいて滑らかに動く。なお、αが1/3以下の場合には、曲率がさほど大きくない場所でも速度が小さくなり過ぎ、αが1である場合には、速度が曲率に依らず一定となり、αが1を超える場合には、曲率が大きくなる、すなわち、曲率半径rが小さくなるに従って速度が大きくなるので不適である。 Here, in the formula (7), α is less than 1, preferably more than 1/3 and less than 4/5, more preferably more than 1/2 and less than 3/4. In addition, when α is 2/3, the angular velocity ω shown in the equation (1) follows the square-third rule that is a psychophysical empirical rule obtained from observation of how to move the human hand. The equation (2) using the angular velocity ω shown in the equation (1) also follows the square law. As a result, when the object is moved at the speed v calculated by the equation (2), the object moves smoothly as it approaches the movement of a person. When α is 1/3 or less, the speed is too small even in a place where the curvature is not so large. When α is 1, the speed is constant regardless of the curvature, and α exceeds 1. Is not suitable because the curvature increases, that is, the speed increases as the curvature radius r decreases.
更に、速度計算部13では、速度vd(s)が初期値入力部11に入力した物体の最大速度vmaxを超えている場合、速度vd(s)を最大速度vmax以下(例えば、最大速度vmax)にする。これによって、物体が移動する速度を抑えることができ、特に、曲率cの大きい場所、すなわち、曲率半径の小さい場所での物体の速度を遅くして、遠心力による軌跡からのずれを防止することができる。このようにして、図4に示すように、経路長sと速度vd(s)のグラフが求められる。
Further, in the
(第4工程)
速度計算部13で算出された速度を出力部14から物体の動きを制御する制御部に出力する。物体の制御部は、与えられた速度で物体を移動させるので、物体が軌跡Aに沿って速く、かつ、正確に移動することができる。以上のようにして、軌道生成を行なう。
(4th process)
The speed calculated by the
(第1の補正の方法)
図4に示すように、始点及び終点では、曲率の値に関わらず加減速が行われる。また、軌跡Aが急に折れ曲がっている、すなわち、曲率cが急峻に大きくなる場所(中間点M)でも、物体の速度の変化率(加速度)が大きくなり、急激な加減速を行わなければならない。ここで、物体の速度の変化率とは、加速度であって、図4においてグラフの傾きで示される。
(First correction method)
As shown in FIG. 4, at the start point and the end point, acceleration / deceleration is performed regardless of the value of curvature. Further, even when the locus A is bent sharply, that is, where the curvature c is sharply increased (middle point M), the rate of change (acceleration) of the speed of the object becomes large, and rapid acceleration / deceleration must be performed. . Here, the rate of change of the speed of the object is acceleration, and is indicated by the slope of the graph in FIG.
このように物体が急激に加減速する場所では、物体が軌道上を空回りして速度が遅くなったり、遠心力によって軌跡からずれることがあるので、軌跡上を移動する物体の速度の変化率を所定値(許容値)以下に(すなわち、図4においては、傾きを小さく)して、物体が軌跡上を速くかつ正確に移動できるように、速度の変化率の大きいところの前後の速度を補正する。なお、速度の変化率の所定値は、物体によっても、また、同じ物体でも設定する軌跡によっても異なる。この速度の変化率(加速度)の所定値は、工作機械などでは10G(Gは重力加速度を示す)を超えることも可能であるが、人間が乗車する車両等では数G以内が好ましい。 In such a place where the object suddenly accelerates or decelerates, the object may idle on the trajectory and slow down, or it may deviate from the trajectory due to centrifugal force. Correct the front and rear speeds where the rate of change of speed is large so that the object can move quickly and accurately on the trajectory by making it below the predetermined value (allowable value) (ie, the slope is small in FIG. 4). To do. Note that the predetermined value of the rate of change in speed differs depending on the object and also on the locus set for the same object. The predetermined value of the rate of change (acceleration) of the speed can exceed 10 G (G indicates gravitational acceleration) in a machine tool or the like, but is preferably within a few G in a vehicle or the like on which a person rides.
そこで、第3工程では、速度計算部13において、速度vd(s)の変化率の大きいところ(図4において、傾きの大きい場所)の前後に加減速区間Bを設けて、急激な加減速が起きないようにする。加減速区間Bでは、例えば、図5(A)に示すように、速度vd(s)を多項式で変換してS字状に補正してもよく、図5(B)に示すように、速度vd(s)を直線的に補正し、物体の急激な加減速を防止する。これによって、物体は、軌跡上を速くかつ正確に移動することができる。
Therefore, in the third step, the
(第2の補正の方法)
また、図3に示すように、軌跡A上の曲率cが急峻に大きくなっている中間点Mでは、軌跡Aの曲率の変化率、すなわち、グラフの傾きが大きくなる。このような場所では、前記したように、物体の速度vd(s)の変化率も大きくなって、物体が急激に加減速されるので、物体が軌道上を空回りしたり、軌跡からずれたりして、軌跡上を速くかつ正確に移動できない。そこで、第2工程において、曲率演算部12で曲率の変化率、すなわち、曲率cの傾きが緩やかになるように曲率cを補正した後、第3工程において、この補正した曲率cに基づいて、物体の速度を計算し、物体を急激に加減速させずに、軌跡上を速くかつ正確に移動できるようにする。なお、このような速度にする曲率の変化率の最大値を所定値という。ここで、速度の変化率と、曲率の変化率との間には、前記した(7)式の関係が成り立つので、前記した速度の変化率の所定値から曲率の変化率の所定値を求めることができる。
(Second correction method)
Further, as shown in FIG. 3, at the intermediate point M where the curvature c on the locus A is steeply increased, the rate of change of the curvature of the locus A, that is, the inclination of the graph is increased. In such a place, as described above, the rate of change of the velocity v d (s) of the object also increases, and the object is suddenly accelerated or decelerated, so that the object idles on the trajectory or deviates from the trajectory. Thus, it cannot move quickly and accurately on the trajectory. Therefore, in the second step, the
更に、速度計算部13では、得られた曲率c(s)に基づいて、軌跡A上の各点Xでの接線速度vd(s)を(7)式によって計算すると共に、速度vd(s)が初期値入力部11に入力した物体の最大速度vmaxを超えている場合、速度vをvmax以下にする。この結果、図6(A)、(C)に示すように、曲率c(s)をS字状に補正した場合には、速度vd(s)がS字状となり、図6(B)、(D)に示すように、曲率c(s)を傾きを大きくした直線状に補正した場合には、速度vd(s)が直線状となり、物体の急激な加減速を防止して、物体を軌跡上で速くかつ正確に移動することができる。
Further, the
次に、本発明の作用効果を確認するためにシミュレーションを行った。
図7(A)に示すように、台車20と、台車20の上部に設けられたバネ21と、バネ21の先端部に取付けられた重り22とを有する物体23を使用し、物体23の重り22が、図8に示す軌跡Kに沿って通過するように軌跡K上の各点における接線速度Vd(s)を求め、更に、物体23を得られた速度Vd(s)で動かした際の軌跡K’を求めた。
Next, a simulation was performed in order to confirm the effect of the present invention.
As shown in FIG. 7A, a weight of the
図7(B)に示すように、物体23は、質点、バネ、ダンパーの二次系システムに近似でき、その運動方程式は、(11)式及び(12)式で示される。ここで、例えば、台車20を工作機械とした場合、台車20の移動経路は予め設定された軌跡Kとし、重り22の移動経路が物体23が実際に移動する軌跡K’とすることができる。また、台車20を予め設定された軌跡Kを移動する車両とした場合、重り22を車両に乗っている人間とすることもでき、この際の人の移動経路は軌跡K’で表される。
As shown in FIG. 7B, the
物体23の台車20が通過する軌跡Kは、ベジエ曲線(B-spline関数)として与えられている。ベジエ曲線は、端点x1、x3と、その中間の制御点x2とを指定して作成され、(13)式のように示される。軌跡Kは、ベジエ曲線を複数、例えば、3つ組み合わせて作成している。作成した軌跡K上の各点の座標は、始点からのx座標及びy座標の配列として、初期値入力部11に入力した。また、初期値入力部11に、動体23(すなわち、台車20)の最大速度vmaxを入力した。
A trajectory K through which the
初期値入力部11で入力された軌跡Kの座標データ及び最大速度vmaxは、曲率計算部12、速度計算部13にそれぞれ送られる。まず、曲率計算部12では、台車20が軌跡K上を刻み時間毎に移動するものと仮定し、(3)式によって接線速度v(t)を、(4)式によって曲率c(t)を計算する。ここで、物体23が軌跡K上を一定速度で移動しているため、得られた曲率c(t)は経路長sの関数となっていると考えられる。従って、(6)式より曲率c(s)が求められ、その結果を図9に示す(図9では補正前として示した)。
The coordinate data of the trajectory K and the maximum velocity v max input by the initial
図9に示すように、得られた曲率c(s)には、急峻に大きくなっている場所が2カ所あり、ここでは軌跡Kの曲率の変化率が所定値以上となって、物体23の速度v(s)の変化が大きくなり、急激な加減速を行わなければならないので、以下のように補正を行った。まず、c1(i)を補正前の曲率データとする。ここで、iはデータのサンプル点を示し、1からサンプル数Nまでの範囲をとる。まず、c2(i)=c1(i)とし、iを2からNまで増加させながら、(14)式を計算する。
c2(i)=βc2(i−1) ・・・(14)
ここで、βは減衰定数であり、0<β<1である。
As shown in FIG. 9, the obtained curvature c (s) has two places that are steeply increased. Here, the rate of change of the curvature of the locus K becomes a predetermined value or more, and the
c 2 (i) = βc 2 (i−1) (14)
Here, β is an attenuation constant, and 0 <β <1.
もし、c2(i)<c1(i)となった場合には、c2(i)=c1(i)とする。次に、c3(i)=c2(i)とし、iをN−1から1まで減少させながら、(15)式を計算する。
c3(i)=βc2(i+1) ・・・(15)
もし、c3(i)<c2(i)となった場合には、c3(i)=c2(i)とする。このような処理を行うことで、βが大きいときには、曲率の変化率を緩やかにすることができ、図9に示すように、補正後の曲率c(s)は緩やかな裾野を形成することができた。
If c 2 (i) <c 1 (i), then c 2 (i) = c 1 (i). Next, c 3 (i) = c 2 (i) is set, and the equation (15) is calculated while i is decreased from N−1 to 1.
c 3 (i) = βc 2 (i + 1) (15)
If c 3 (i) <c 2 (i), then c 3 (i) = c 2 (i). By performing such processing, when β is large, the rate of change of curvature can be made gentle, and the corrected curvature c (s) can form a gentle base as shown in FIG. did it.
補正後の曲率c(s)を速度計算部13に送り、曲率cに応じた接線速度vd(s)を(7)式によって計算する。その結果を図10に示す。ここで、初期値入力部11から送られた物体23の最大速度vmaxを参照して、最大速度vmaxを超えている部分を最大速度vmaxとする補正を行った。
更に、出力部14から補正した速度vd(s)を物体23の制御部(図示せず)に出力し、物体23の台車20を移動させた場合について、コンピュータによる計算を行った。図11に、その際の重り22の軌跡K’を示す。
The corrected curvature c (s) is sent to the
Further, the corrected velocity v d (s) is output from the
また、比較例として、従来の台形型の速度制御により求められた速度で物体を移動した場合の重りの通過する軌跡K”をコンピュータで計算した。比較例では、物体23が移動を開始する時及び終了する時に、物体23の速度は所定速度(最大速度vmax)となるまで加速度を一定とし、物体23が所定速度となった際に、加速度を0、すなわち、速度を一定とする(図10に比較例として示す)。図11に示すように、比較例によって物体23の速度を制御した場合には、物体23の重り22は軌跡K”上を通過する。
As a comparative example, the trajectory K ″ through which the weight passes when the object is moved at a speed obtained by the conventional trapezoidal speed control is calculated by a computer. In the comparative example, when the
図11に示すように、本発明の物体の速度制御方法を適用したシミュレーションでは、重り22の振動が少なく、最初に与えた軌跡Kに近くなったが、従来の台形型の速度制御方法を適用した場合には、重り22の振動が大きくなっている。
As shown in FIG. 11, in the simulation to which the speed control method of the object of the present invention is applied, the vibration of the
本発明は、前記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲での変更は可能であり、例えば、前記したそれぞれの実施の形態や変形例の一部又は全部を組み合わせて本発明の速度制御方法を構成する場合も本発明の権利範囲に含まれる。
例えば、前記実施の形態の物体の速度制御方法において、適用する物体として、ロボットハンドの手先及びバネを介して重りを取付けた車台としたが、軌跡が曲線となるような動きを行うもの、例えば、搬送台車や、レール上を移動しない無軌道台車等の搬送車にも適用できる。
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be changed without changing the gist of the present invention. For example, some or all of the above-described embodiments and modifications are possible. A case where the speed control method of the present invention is configured by combining the above is also included in the scope of rights of the present invention.
For example, in the object speed control method of the above-described embodiment, the object to be applied is a chassis with a weight attached via the tip of a robot hand and a spring, but the object moves in a curved line, for example, It can also be applied to transport vehicles such as transport carts and trackless carts that do not move on rails.
10:物体の速度制御装置、11:初期値入力部、12:曲率計算部、13:速度計算部、14:出力部、20:台車、21:バネ、22:重り、23:物体 10: Object speed control device, 11: Initial value input unit, 12: Curvature calculation unit, 13: Speed calculation unit, 14: Output unit, 20: Dolly, 21: Spring, 22: Weight, 23: Object
Claims (9)
前記軌跡の座標データを入力する第1工程と、
前記軌跡上の各点における曲率を計算する第2工程と、
前記算出された前記各点での曲率から該各点での前記物体の速度を(1)式に示される角速度を用いた(2)式に従って計算する第3工程と、
前記算出された各点での速度を前記物体に出力する第4工程とを有することを特徴とする速度制御方法。
A first step of inputting coordinate data of the trajectory;
A second step of calculating a curvature at each point on the locus;
A third step of calculating the velocity of the object at each point from the calculated curvature at each point according to equation (2) using an angular velocity represented by equation (1);
And a fourth step of outputting the calculated speed at each point to the object.
前記軌跡の座標データを入力する初期値入力部と、
前記軌跡上の各点における曲率を計算する曲率計算部と、
前記算出された前記各点での曲率から該各点での前記物体の速度を(1)式に示される角速度を用いた(2)式に従って計算する速度計算部と、
前記算出された各点での速度を前記物体に出力する出力部とを有することを特徴とする速度制御装置。
An initial value input unit for inputting the coordinate data of the locus;
A curvature calculator for calculating the curvature at each point on the locus;
A velocity calculation unit that calculates the velocity of the object at each point from the calculated curvature at each point according to equation (2) using an angular velocity represented by equation (1);
And an output unit that outputs the calculated speed at each point to the object.
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