JP2010118036A - 複合式サーボ制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】効率的にサーボ数を増加することができる、複合式サーボ制御システムの提供。
【解決手段】複合式サーボ制御システムは、メインコントローラが制御コマンドを発し、サーボアンプが制御コマンドを受信して対応する制御信号を生成する。前記制御信号は識別情報と作動設定値を含む。複数の直列に接続されたサーボグループをサーボアンプに並列接続し、各直列に接続されたサーボグループはそれぞれ複数のサーボを含み、そのうち各サーボは識別情報が付与される。サーボアンプは識別情報に基づき制御信号を指定の直列に接続されたサーボグループに伝送し、制御信号は順に直列に接続されたサーボグループのサーボに受信され、かつ後方に伝送され、制御信号が付与された識別情報に合致すると、サーボが作動設定値を実行する。
【選択図】図３

Description

本発明はサーボの制御に関し、特に、直列構成と並列構成で結合され、サーボの負荷制御に用いるシステム及び方法に関する。

サーボはロボットや自動化機械において、部材を駆動して必要な作動量及びタイミングに基づき作動させ、部材に予め定めた動作をさせるために用いられる。動作がより複雑なロボットや自動化機械ほど、必要とするサーボ数量も多くなる。先行技術において、サーボの制御構成はサーボとコントローラの接続形式により異なり、並列式制御構成と直列式制御構成に区分することができる。

図１に並列式制御構成のシステムブロック図を示す。並列式制御構成はサーボ１のピンをサーボアンプ２のピンに直接接続する。サーボアンプ２はメインコントローラ３が発する制御コマンドをエンコードして制御信号を形成し、対応するピンから指定のサーボ１に伝送し、該サーボ１を制御して作動させ、かつ該サーボ１のフィードバック信号を受信してメインコントローラ３に伝送する。

並列式制御構成において、サーボ１のピンはサーボアンプ２のピンに直接接続されるため、各サーボ１は皆直接かつ同時にサーボアンプ２が出力する制御信号を受信し、同時に作動を発生することができる。しかしながら、並列式制御構成において、各サーボ１が一組のサーボアンプ２のピンを占用しなければ、各制御されるサーボ１すべてが制御信号を受信することはできないため、サーボアンプ２に接続できるサーボ１の数がサーボアンプ２のピンの数に制限される。ロボットや自動化機械が必要とするサーボ１の数が増加すると、より多くの出力ピンを具備したサーボアンプを採用しなければより多くのサーボ１を制御することができない。

図２に直列式制御構成のシステムブロック図を示す。直列式制御構成において、１つ目のサーボ１’がサーボアンプ２に直接接続されるのを除き、残りのサーボ１は順に前のサーボ１に接続され、制御信号を伝達するシリアル伝送路が構成される。各サーボ１は識別情報を具備している。メインコントローラ３が発する制御コマンド中に識別情報が含まれ、特定のサーボ１を指定して作動させる。サーボアンプ２は制御コマンドが発する制御信号をパケット形式で送信し、各パケットには識別情報と作動設定値が含まれる。制御信号はシリアル伝送路に沿って伝送され、順に各サーボ１を通過する。各サーボはパケットを受信した後、識別情報が自身の識別情報と合致するか否かを判断し、合致する場合はそのパケット中の作動設定値を実行する。サーボ１が照合後識別情報が自身の識別情報と合致しないと判断した場合、パケットを次のサーボ１に伝送する。このような構成においてサーボアンプ２は一組のピンに１つ目のサーボ１’を接続することができればよく、このため、サーボ数を増加するときサーボアンプ２のピン数の制限を受けない。作動を要求される各サーボ１が制御コマンドを受信した時間点とサーボアンプ２が制御コマンドを発した時間点に一定の時間差が生じ、この直列式制御構成において、シリアル伝送路の後端にあるサーボ１ほど、制御コマンドを受信する時間差が大きくなり、時間差が大きすぎると全体の作動が不正確になりやすい。このほか、サーボが多すぎると、シリアル伝送路が長すぎ、シリアル伝送路末端に伝送される信号強度が正確にサーボ１を駆動できる安全限度値以下まで衰退してしまい、シリアル伝送路末端のサーボ１を正確に駆動することができなくなることもある。

並列式と直列式制御構成にはそれぞれ利点があるが、サーボ１の数が多いとき、それぞれ異なる問題を引き起こす。現有のロボットや自動化機械は皆自由度の高い作動を強調しているため、採用するサーボ１の数が増加している。このため、いかに各構成の利点を維持しながら、前述の問題が引き起こす影響を低減するかが、早急に解決しなければならない技術的課題である。

従来技術における並列式及び直列式制御構成はそれぞれ異なる問題を引き起こし、サーボの数を増加しにくいという結果を招いている。上述の問題に鑑みて、本発明の目的は、効率的にサーボ数を増加することができる、複合式サーボ制御システムを提供することにある。

上述の目的を達するため、本発明が提供する複合式サーボ制御システムは、メインコントローラ、サーボアンプ、及び複数の直列に接続されたサーボグループを含む。前記メインコントローラは制御コマンドを発するために用いられ、前記サーボアンプが前記メインコントローラに接続され、前記制御コマンドを受信し、対応する制御信号を生成する。そのうち、前記制御信号は識別情報と作動設定値を含む。前記複数の直列に接続されたサーボグループはサーボアンプに並列接続され、且つ各直列に接続されたサーボグループはそれぞれ複数のサーボを備え、そのうち各サーボは識別情報が付与される。サーボアンプは識別情報に基づき制御信号を指定の直列に接続されたサーボグループに伝送し、制御信号は順に前記直列に接続されたサーボグループのサーボによって受信され、かつ後方へ伝送され、制御信号が付与された識別情報に合致すると、サーボが作動設定値を実行する。

本発明がさらに提供する別の複合式サーボ制御システムは、メインコントローラ、サーボアンプ、少なくとも１つの直列に接続されたサーボグループ、少なくとも１つの分岐して直列に接続されたサーボグループを含む。メインコントローラは制御コマンドを発するために用いられ、サーボアンプは前記メインコントローラに接続され、制御コマンドを受信して対応する制御信号を生成する。そのうち、前記制御信号は識別情報と作動設定値を含む。直列に接続されたサーボグループ及び分岐して直列に接続されたサーボグループそれぞれ複数のサーボを含み、各サーボは識別情報が付与される。そのうち、直列に接続されたサーボグループはサーボアンプに接続され、且つ分岐して直列に接続されたサーボグループは直列に接続されたサーボグループのいずれかのサーボに接続される。サーボアンプ識別情報に基づき制御信号を直列に接続されたサーボグループまたは分岐して直列に接続されたサーボグループに伝送し、制御信号は順にサーボによって受信され、かつ後方へ伝送され、制御信号が付与された識別情報に合致すると、サーボが作動設定値を実行する。

本発明の複合式サーボ制御システムは、並列式構成と直列式構成を結合し、サーボアンプの接続数が限られた状況において、サーボの数を増加すると同時に、制御信号の伝送経路の長さを過度に増加せず、並列式と直列式構成においてサーボ数を増加したときに直面する問題を同時に回避することができる。

従来技術の並列式制御構成のシステムブロック図である。 従来技術の直列式制御構成のシステムブロック図である。 本発明の実施例のシステムブロック図である。 本発明の実施例の制御装置のシステムブロック図である。 実施例を簡略化したシステムブロック図である。

図３に示すように、本発明の実施例の複合式サーボ制御システム１００は、ロボット/機械アーム、または自動化機械に応用される。この複合式サーボ制御システム１００は、制御装置１８０と複数の直列に接続されたサーボグループ１１０、１２０、１３０、１４０、１５０を含み、各直列に接続されたサーボグループ１１０、１２０、１３０、１４０、１５０はそれぞれ複数のサーボを直列に接続して構成され、制御信号の伝達に供するシリアル伝送路S１、S２、S３、S４、S５を構成し、且つ各直列に接続されたサーボグループ１１０、１２０、１３０、１４０、１５０は制御装置１８０に並列に接続され、個別に制御装置１８０が発する制御信号を受信する。

図３と図４に示すように、制御装置１８０はメインコントローラ１８１とサーボアンプ１８２を含む。メインコントローラ１８１は予め制御プログラムを搭載しており、予め設定されたコマンドまたはユーザが入力するコマンドに従い、タイミングに従って制御コマンドを発する。サーボアンプ１８２はシリアルインターフェースでメインコントローラ１８１に接続され、双方向通信が達成される。メインコントローラ１８１及びサーボアンプ１８２のシリアルインターフェースは、変換インターフェース１８３に同時に接続することができ、例えばシリアル・パラレル変換インターフェース（UART、Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）で、メインコントローラ１８１とサーボアンプ１８２をコンピュータ２００に接続させ、コンピュータ２００でメインコントローラ１８１の制御プログラムまたは予め設定されたコマンドを書き換えたり、あるいは直接コンピュータ２００でサーボアンプ１８２に制御コマンドを発したりすることができる。同時にコンピュータ２００もメインコントローラ１８１またはサーボアンプ１８２からサーボフィードバック情報を取得することができる。コンピュータ２００と変換インターフェース１８３の間は、電位レベルシフタ１８４(voltage level shifter)で接続し、コンピュータ２００のインターフェースと変換インターフェース１８３の動作電圧の違いの問題を解決する。

図３と図４に示すように、サーボアンプ１８２はメインコントローラ１８１が発する制御コマンドを受信し、対応する制御信号を生成する。シリアルインターフェースを介して指定のシリアル伝送路に送信し、指定の１つまたは複数のサーボを制御して作動させる。

図５に本発明の実施例を簡略化したシステムブロック図を示す。この図５では３つの直列に接続されたサーボグループ１１０、１２０、１３０のみを挙げて説明を行うが、実際の直列に接続されたサーボグループの許容数量はサーボアンプ１８２のピン数によって決定される。各直列に接続されたサーボグループ１１０、１２０、１３０はサーボアンプ１８２に並列に接続され、各直列に接続されたサーボグループ１１０、１２０、１３０はそれぞれ一組のピンに接続される。ここで、各直列に接続されたサーボグループ１１０、１２０、１３０は第１の直列に接続されたサーボグループ１１０、第２の直列に接続されたサーボグループ１２０、及び第３の直列に接続されたサーボグループ１３０とそれぞれ定義する。第１の直列に接続されたサーボグループ１１０、第２の直列に接続されたサーボグループ１２０、及び第３の直列に接続されたサーボグループ１３０はサーボアンプ１８２の異なるシリアルポートピンにそれぞれ接続され、双方向伝送を行う。

各直列に接続されたサーボグループは複数の直列に接続されたサーボを有し、且つ各サーボは識別情報が付与される。例えば本実施例において、第１の直列に接続されたサーボグループ１１０は４つの直列に接続されたサーボ１１１、１１２、１１３、１１４を備え、各サーボに付与される識別情報の形式は（第１の直列に接続されたサーボグループ、第１/第２/第３/第４サーボ）とすることができるが、前述の形式に限らない。第２の直列に接続されたサーボグループ１２０及び第３の直列に接続されたサーボグループ１３０のサーボ１２１、１２２、１２３、１２４、１３１、１３２、１３３、１３４も同様とする。メインコントローラ１８１が第１の直列に接続されたサーボグループ１１０のサーボ１１１、１１２、１１３、１１４のいずれかに制御コマンドを発するとき、制御コマンド中で同時にどのサーボを作動させるかを指定する。つまり、制御コマンド中には制御サーボの作動設定値のほか、制御されるサーボの識別情報も含まれ、前述のように、この識別情報はサーボが存在する直列に接続されたサーボグループ及びそのもののコードが含まれる。この制御コマンドがサーボアンプ１８２に受信された後、サーボアンプ１８２はそれをエンコードして制御コマンドパケットとし、かつ識別情報に基づき指定の直列に接続されたサーボグループに指定のシリアルポートピンから出力する。制御コマンドパケットが直列に接続されたサーボグループに送られた後、サーボは順に制御コマンドパケットを受信し、その内部の識別情報を解析して識別情報が自身に付与された識別情報と合致するか否かを確認する。合致しない場合、サーボは作動を行わず、この制御コマンドパケットを通過（Pass）させ、次のサーボに到達させる。合致する場合、サーボがさらに作動設定値を解析し、メインコントローラ１８１が指定した動作を行う。

例えば、第１の直列に接続されたサーボグループ１１０の第３サーボ１１３を制御して作動させるとき、制御コマンド中に第１の直列に接続されたサーボグループ１１０と第３サーボ１１３を代表する識別情報が含まれ、このほか第３サーボ１１３に実行させる必要がある作動設定値（出力量及び出力方向）も含まれる。制御コマンドがメインコントローラ１８１からサーボアンプ１８２に伝送された後、サーボアンプ１８２は第１の直列に接続されたサーボグループ１１０が接続されたシリアルポートから制御コマンドパケットを送信する。制御コマンドパケットはまず第１サーボ１１１に受信され、かつ識別情報と照合され、照合結果が第１サーボ１１１と合致しない場合、制御コマンドパケットは第１サーボ１１１を通過して第２サーボ１１２に伝送される。同様に、制御コマンドパケットは第２サーボ１１２を通過して第３サーボ１１３に伝送される。第３サーボ１１３は識別情報を照合し、自身の識別情報と合致したことを確認した後、さらに制御コマンドパケット中の作動設定値を実行する。同様に、各サーボも状態情報パケットをフィードバックし、サーボアンプ１８２を通してメインコントローラ１８１に伝送し、メインコントローラ１８１で現在の各サーボの状態がモニタリングされる。状態情報パケット中はサーボの現在の状態データのほか、同時にサーボの識別情報も含まれ、メインコントローラ１８１で識別情報のソースを確認することができる。

制御コマンドのデータ形式は、各制御コマンドパケット中にパケットヘッダ(header)、作動設定植、識別情報(Servo ID)、及びチェックサム(Check Sum)等の情報が含まれる。表１に示すように、コマンドパケットの基本形式は複数のバイト（Bytes）から組成され、データパケットのサイズ（バイト数）は特定の制限はなく、主に伝送が必要な作動設定値と識別情報により決定される。

表１に示すパケット形式において、各パケット先頭の１つまたは複数の先頭バイトは主にパケットヘッダであり、受信するサーボが連続した情報の中から各パケットの始まりを見つけるために用いられ、末尾の１つまたは複数の末尾バイトはパケット内容の正確性を確認するためのチェックサム（Check SUM）を入れるために用いられる。チェックサムは中間バイトの情報から簡単な演算公式で取得することができる。

複数の中間バイトは各パケットが主に運ぶ情報であり、作動設定値と識別情報を含む。作動設定値と識別情報のバイト数に制限はなく、情報を完全に伝達できさえすればよい。このほか、作動設定値と識別情報の排列順序にも制限はなく、作動設定値と識別情報のフィールドをパケット中で入れ替えて排列してもよい。

表２に示すのは識別情報であり、識別情報は２つの部分に分割することができる。識別情報が１つのバイト（Byte）で表されるとき、この２つの部分は上位ニブル（High Nibble）と下位ニブル（Low Nibble）に分けることができ、上位ニブルに直列に接続されたサーボグループ番号を格納し、下位ニブルにサーボ番号（直列に接続されたサーボグループ中におけるサーボの順序）を格納する。例えば、第１の直列に接続されたサーボグループ１１０の第３サーボ１１３は(１,３)と表すことができる。格納する値の順序はこれに限らず、かつ識別情報も１つのバイトでの表示に限らない。このほか、どのサーボの識別情報とも重複しない識別情報を指定し、すべてのサーボを同時に作動させるよう指定することもできる。

作動設定値が表される形式は多様である。これはサーボに実行させる作動方式が作動設定値が表される形式に影響するためである。ただし、多くの場合作動設定値は主に作動モードと目標値等の２つの数値を含む。作動モードは開閉モード、作動量指定モード、作動継続モード、パラメータ設定モード等を含み、作動モードの違いにより、入力される目標値の形式も異なる。サーボはまず指定の作動モードに切り換え、目標値に基づいて指定の動作を実行する。

上述のように、制御コマンドパケットの完全な形式は表３のような形式となる。

前述の表３の目標値は１つに限らず、複数の目標値とすることもできる。このほか、中間バイトのフィールド排列も表３の形式に限定されず、任意の排列順序とすることができる。

各パケットコマンドは単一のサーボに対して下された制御コマンドであるとは限らず、一部の制御コマンドは同時に複数の同じ識別情報を具備したサーボに対して制御を行うものである場合もあるため、このようなシステムにおいて制御コマンドパケットの中間バイトはサーボ数のフィールドを増加する必要があり、下の表４に示すようになる。

同様に、各サーボは定時または制御コマンドを受信した後、状態情報パケットを送信することもでき、シリアル伝送路に沿ってサーボアンプ１８２に伝送され、さらにメインコントローラに伝送される。状態情報パケットの形式を下の表５に示す

表１に示すパケット形式において、各パケット先頭の１つまたは複数の先頭バイトは主にパケットヘッダであり、受信するサーボが連続した情報の中から各パケットの始まりを見つけるために用いられ、末尾の１つまたは複数の末尾バイトはパケット内容の正確性を確認するためのチェックサム（Check SUM）を入れるために用いられる。チェックサムは中間バイトの情報から簡単な演算公式で取得することができる。このほか、状態情報パケットに付与されたパケットヘッダは制御コマンドパケットのパケットヘッダとは異なり、サーボにこのパケットが状態情報パケットであることを識別させ、パケットをサーボアンプ１８２の方向に伝送させる。複数の中間バイトは各パケットが主に運ぶ情報であり、１つまたは複数の状態情報値と識別情報を含む。状態情報値と識別情報のバイト数に制限はなく、完全に状態情報を伝達できさえすればよい。このほか、状態情報値と識別情報の排列順序にも制限はなく、状態情報値と識別情報のフィールドをパケット中で入れ替えて排列することもできる。メインコントローラ１８１はサーボアンプ１８２から状態情報を取得した後、状態情報値から例えば各項パラメータ設定、現在の位置、現在の回転速度、現在の温度等のサーボの状態を解読することができ、識別情報を状態情報値のソースを識別するために用いることができる。

本発明の制御構成は並列式と直列式の複合であり、１つの長い直列に接続されたサーボグループを複数の比較的短い直列に接続されたサーボグループに分割し、並列方式で接続して制御信号がシリアル伝送路末端に伝送されるとき、十分な強度を維持できないという状況を回避することができる。同時に、本発明は異なる制御信号がシリアル伝送路で伝送されるときの時間差を減少し、時間差を許容範囲内に維持して、複数のサーボモータの作動を同時作動としてみなすことができるようにする。複数の直列に接続されたサーボグループをサーボアンプに並列に接続し、同時にすべてのサーボを並列接続するにはサーボアンプのシリアルポートピン数が不足するという問題を解決し、またサーボをサーボアンプに並列接続するときに直面する配線問題を完全に解決する。

１ サーボ
２ サーボアンプ
３ メインコントローラ
１００ 複合式サーボ制御システム
１１０ 第１の直列に接続されたサーボグループ
１１１、１１２、１１３、１１４ サーボ
１２０ 第２の直列に接続されたサーボグループ
１２１、１２２、１２３、１２４ サーボ
１３０ 第３の直列に接続されたサーボグループ
１３１、１３２、１３３、１３４ サーボ
１４０ 直列に接続されたサーボグループ
１５０ 直列に接続されたサーボグループ
１８０ 制御装置
１８１ メインコントローラ
１８２ サーボアンプ
１８３ 変換インターフェース
１８４ 電位レベルシフタ
２００ コンピュータ
S１、S２、S３、S４、S５ シリアル伝送路

Claims (8)

1. 複合式サーボ制御システムであって、メインコントローラと、サーボアンプと、複数の直列に接続されたサーボグループを含み、
   前記メインコントローラが制御コマンドを発するために用いられ、
   前記サーボアンプが前記メインコントローラに接続され、前記サーボアンプが前記制御コマンドを受信して対応する制御信号を生成し、且つ前記制御信号が識別情報と作動設定値を含み、及び
   前記複数の直列に接続されたサーボグループが前記サーボアンプに並列に接続され、各前記直列に接続されたサーボグループがそれぞれ複数のサーボを含み、そのうち各サーボに識別情報が付与され、
   そのうち前記サーボアンプが前記識別情報に基づき前記制御信号を指定の前記直列に接続されたサーボグループに送信し、前記制御信号が順に前記直列に接続されたサーボグループのサーボにより受信され、かつ後方に伝送され、前記制御信号が前記サーボに付与された前記識別情報に合致すると、該サーボが作動設定値を実行することを特徴とする、複合式サーボ制御システム。
2. さらにシリアル・パラレル変換インターフェースを含み、前記メインコントローラと前記サーボアンプをコンピュータに接続するために用いることを特徴とする、請求項１に記載の複合式サーボ制御システム。
3. 前記識別情報が、前記サーボが属する前記直列に接続されたサーボグループのコードと該サーボのコードを含むことを特徴とする、請求項１に記載の複合式サーボ制御システム。
4. 各前記サーボが、自身に付与された前記識別情報に合致しない前記制御信号を、自身が属する前記直列に接続されたサーボグループの次のサーボに伝送することを特徴とする、請求項１に記載の複合式サーボ制御システム。
5. 前記作動設定値がサーボの作動モードと目標値を含むことを特徴とする、請求項１に記載の複合式サーボ制御システム。
6. 前記制御信号が制御コマンドパケットであり、前記制御コマンドパケットが先頭バイト、中間バイト、及び末尾バイトを含み、そのうち前記先頭バイトがパケットヘッダであり、前記中間バイトが前記作動設定値及び前記識別情報であり、及び前記末尾バイトがチェックサムであることを特徴とする、請求項１に記載の複合式サーボ制御システム。
7. 前記サーボが少なくとも１つの状態情報パケットを前記制御装置に向かって発し、そのうち、前記各状態情報パケット中に該サーボの現在の状態データ及び該サーボに付与された識別情報が含まれることを特徴とする、請求項１に記載の複合式サーボ制御システム。
8. 前記状態情報パケットが先頭バイト、中間バイト、及び末尾バイトを含み、そのうち前記先頭バイトがパケットヘッダであり、前記中間バイトが前記識別情報及び前記状態データ値であり、及び前記末尾バイトがチェックサムであることを特徴とする、請求項７に記載の複合式サーボ制御システム。

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