JP2013193131A - ロボットの制御方法及びロボット制御装置、並びにロボット制御システム - Google Patents
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Abstract
冗長自由度を利用して制御性を向上することができ、回転系アクチュエータの小型化、ロボットの小型化を実現できるロボットの制御方法及びロボット制御装置、並びにロボット制御システムを提供する。
【解決手段】
ロボット制御装置のCPUは手先位置姿勢を目標値とした拘束条件の下で冗長自由度が許容するリンク位置姿勢を示す姿勢パラメータを順次変化させる毎に各リンクの関節軸の慣性力、遠心力・コリオリ力、重力、摩擦トルク及びアクチュエータ慣性トルクに基づく負荷トルクを算出する。CPUは姿勢パラメータの変化の中で、負荷トルクと第1〜7サーボモータの定格トルク比が最小となるリンク位置姿勢を求め、手先位置姿勢を目標値とした各関節軸の第1〜7サーボモータの制御指令に負荷トルクと第1〜7サーボモータの定格トルク比が最小となるときの各負荷トルクとなるフィードフォワード値を付与する。
【選択図】図1
Description
請求項4の発明は、作業自由度に対して少なくとも1つの冗長自由度を備えるように複数のリンクが各関節軸にて連結されたマニピュレータを備え、前記関節軸を該関節毎に設けられた回転系アクチュエータにより駆動するロボット制御装置において、手先位置姿勢を目標値とした拘束条件の下で、前記冗長自由度が許容するリンク位置姿勢を示す姿勢パラメータを順次変化させる毎に、少なくとも各リンクの関節軸の慣性力と遠心力・コリオリ力と重力に基づく負荷トルクを算出する負荷トルク算出部と、前記姿勢パラメータの変化の中で、前記負荷トルクと前記回転系アクチュエータの定格トルク比が最小となるリンク位置姿勢を求めるリンク姿勢算出部と、前記手先位置姿勢を目標値とした各関節軸の回転系アクチュエータの制御指令に、前記負荷トルクと前記回転系アクチュエータの定格トルク比が前記最小となるときの各負荷トルクとなるフィードフォワード値を付与する付与部を備えることを特徴とするロボット制御装置を要旨としている。
まず、本実施形態の作業自由度に対して冗長自由度を有するマニピュレータについて説明する。
コントローラーRCは、コンピュータ90と、コンピュータ90に電気的に接続されたPWMジェネレータ51〜57と、PWMジェネレータ51〜57に電気的に接続されたサーボアンプ61〜67を有する。各サーボアンプ61〜67はそれぞれ第1サーボモータ41〜第7サーボモータ47に電気的に接続されている。
次に、本実施形態による多関節ロボットのコントローラーRCの作用を説明する。図4及び図5は、コントローラーRCのCPU91が実行する作業プログラムに書き込まれている教示点(最終目標位置、並びにツール49の先端の補間点における位置)に手先を位置させるときの制御フローチャートである。前記ロータリエンコーダ71〜77は下記各ステップが実行される制御周期よりも、十分に速い検出周期で回転角度(すなわち、関節角度)を検出している。
まず、ステップ10(以下、ステップをSという)では、CPU91は、記憶部94の作業プログラムに書き込まれている教示点(手先位置)、手先姿勢及び速度データをRAM93の所定領域にセットする。なお、手先位置及び手先姿勢を合わせて手先位置姿勢という。
次に、CPU91は、S20で、手先をS10でセットした教示点(手先位置)において、負荷トルク/定格トルク比最小姿勢決定を行う。このS20の処理の詳細を図5のフローチャートを参照して説明する。
S21では、CPU91は、姿勢パラメータΦを初期化する、本実施形態ではΦ=0にして初期化するが、初期値は0に限定するものではない。姿勢パラメータΦについて説明する。
S22では、CPU91は姿勢パラメータΦとして所定値を加算して更新する。すなわち、仮想的に姿勢パラメータΦを増加させてリンクの位置姿勢を変えたものとするのである。
S23では、手先位置姿勢から関節角度を求めるために逆変換演算を行う。
ここで、第1関節21〜第7関節27の関節角度q1,q2,q3,…,q7とし、手先座標(x,y,z)及び手先姿勢(a,b,c)とすると、ベクトルq及び手先位置姿勢Xは下記のように表される。
S24では、CPU91は、各関節軸に設けられたモータの負荷トルクを式(3)により算出し、記憶部94に格納する。
(S25)
S25では、CPU91は、姿勢パラメータΦが、予め設定された上限値Φmax以下であれば、S22に戻り、姿勢パラメータΦが予め設定された上限値Φmを超えた場合には、S26に移行する。この上限値Φmは、予め試験等により設定されたものである。
S26では、CPU91は、S24で算出した各負荷トルクと、予め記憶部94に格納されている各関節軸のモータの定格トルクの比(負荷トルク/定格トルク)を算出して、最小の比となった負荷トルクが算出された姿勢パラメータΦを導出する。
(S30)
S30では、CPU91は、前記最小の比となった負荷トルクが算出された姿勢パラメータΦにおいて、該負荷トルクとなるトルクフィードフォワード値、すなわち、前記負荷トルクを生成するためのモータ電流値を公知の方法で算出する。
S40では、CPU91は、S10でセットした手先位置姿勢を目標値とした各関節軸の回転系アクチュエータの制御指令に、前記算出したトルクフィードフォワード値を付与し、そのトルクフィードフォワード値が付与された制御指令を、今回の制御周期分の指令としてPWMジェネレータ51〜57にそれぞれ出力する。PWMジェネレータ51〜57は、その制御指令に基づくPWM信号をサーボアンプ61〜67に出力する。サーボアンプ61〜67は、その出力に応じて各関節軸の第1サーボモータ41〜第7サーボモータ47を作動させることにより、各リンク12〜18を回転させる。
CPU91は、S50において、各ロータリエンコーダ71〜77からの検出信号に基づいて、最終目標位置、及び最終目標姿勢(すなわち、最終の目標位置姿勢)に手先が到達したか否かを判定し、達していないと判定した場合はS10に戻り、反対に作業プログラムの最終の目標位置姿勢に達していると判定した場合は、このフローチャートを終了する。なお、S10に戻った場合、作業プログラムに記述されている次の手先位置姿勢、速度データをセットする。
(1) 本実施形態の制御方法は、作業自由度に対して1つの冗長自由度を備えるように複数の第1リンク11〜第8リンク18が各関節軸(J1軸〜J7軸)にて連結されたマニピュレータ10を備え、前記関節軸を該関節毎に設けられた第1サーボモータ41〜第7サーボモータ47(回転系アクチュエータ)により駆動するロボットの制御方法であって、手先位置姿勢を目標値とした拘束条件の下で、冗長自由度が許容するリンク位置姿勢を変化させた場合の、各リンクの関節軸の慣性力と遠心力・コリオリ力と重力、摩擦トルク及びアクチュエータ慣性トルクに基づく負荷トルクを算出した。さらに、変化させた場合のリンク位置姿勢の中で、前記負荷トルクと第1サーボモータ41〜第7サーボモータ47の定格トルク比が最小となるリンク位置姿勢を求めるようにした。さらに、手先位置姿勢を目標値とした各関節軸の第1サーボモータ41〜第7サーボモータ47の制御指令に、前記負荷トルクと第1サーボモータ41〜第7サーボモータ47の定格トルク比が最小となるときの各負荷トルクとなるフィードフォワード値を付与するようにした。この結果、本実施形態の制御方法によれば、冗長自由度を利用して制御性を向上することができ、さらには、第1サーボモータ41〜第7サーボモータ47のトルク容量を必要最小限にできるため、第1サーボモータ41〜第7サーボモータ47の小型化、ひいてはロボットの小型化を実現できる。
・ 前記実施形態では、S10〜S50の処理及びS21〜S26の処理は、作業プログラムの実行時に負荷トルク/定格トルク比最小姿勢の導出をリアルタイムに行うようにしている。この制御方法に代えて、ロボット制御システムとして具体化してもよい。
・ 前記実施形態では、アクチュエータをサーボモータとしてのACモータを使用したが、DCモータでもよく、ステッピングモータ等を使用してもよい。
10…マニピュレータ、11〜18…リンク、
41〜47…サーボモータ(回転系アクチュエータ)、
91…CPU(リンク姿勢算出部、負荷トルク算出部、付与部)、
94…記憶部。
Claims (6)
- 作業自由度に対して少なくとも1つの冗長自由度を備えるように複数のリンクが各関節軸にて連結されたマニピュレータを備え、前記関節軸を該関節毎に設けられた回転系アクチュエータにより駆動するロボットの制御方法において、
手先位置姿勢を目標値とした拘束条件の下で、前記冗長自由度が許容するリンク位置姿勢を変化させた場合の、少なくとも各リンクの関節軸の慣性力と遠心力・コリオリ力と重力に基づく負荷トルクを算出し、
変化させた場合の前記リンク位置姿勢の中で、前記負荷トルクと前記回転系アクチュエータの定格トルク比が最小となるリンク位置姿勢を求め、
前記手先位置姿勢を目標値とした各関節軸の回転系アクチュエータの制御指令に、前記負荷トルクと前記回転系アクチュエータの定格トルク比が前記最小となるときの各負荷トルクとなるフィードフォワード値を付与することを特徴とするロボットの制御方法。 - 作業自由度に対して少なくとも1つの冗長自由度を備えるように複数のリンクが各関節軸にて連結されたマニピュレータを備え、前記関節軸を該関節毎に設けられた回転系アクチュエータにより駆動するロボットの制御方法において、
手先位置姿勢を目標値とした拘束条件の下で、前記冗長自由度が許容するリンク位置姿勢を示す姿勢パラメータを順次変化させる毎に、少なくとも各リンクの関節軸の慣性力と遠心力・コリオリ力と重力に基づく負荷トルクを算出し、
前記姿勢パラメータの変化の中で、前記負荷トルクと前記回転系アクチュエータの定格トルク比が最小となるリンク位置姿勢を求め、
前記手先位置姿勢を目標値とした各関節軸の回転系アクチュエータの制御指令に、前記負荷トルクと前記回転系アクチュエータの定格トルク比が前記最小となるときの各負荷トルクとなるフィードフォワード値を付与することを特徴とするロボットの制御方法。 - 前記負荷トルクには、摩擦トルクが含まれていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のロボットの制御方法。
- 作業自由度に対して少なくとも1つの冗長自由度を備えるように複数のリンクが各関節軸にて連結されたマニピュレータを備え、前記関節軸を該関節毎に設けられた回転系アクチュエータにより駆動するロボット制御装置において、
手先位置姿勢を目標値とした拘束条件の下で、前記冗長自由度が許容するリンク位置姿勢を示す姿勢パラメータを順次変化させる毎に、少なくとも各リンクの関節軸の慣性力と遠心力・コリオリ力と重力に基づく負荷トルクを算出する負荷トルク算出部と、
前記姿勢パラメータの変化の中で、前記負荷トルクと前記回転系アクチュエータの定格トルク比が最小となるリンク位置姿勢を求めるリンク姿勢算出部と、
前記手先位置姿勢を目標値とした各関節軸の回転系アクチュエータの制御指令に、前記負荷トルクと前記回転系アクチュエータの定格トルク比が前記最小となるときの各負荷トルクとなるフィードフォワード値を付与する付与部を備えることを特徴とするロボット制御装置。 - 前記負荷トルク算出部は、各リンクの関節軸の慣性力と遠心力・コリオリ力と重力の他に摩擦トルクを含む負荷トルクを算出することを特徴とする請求項4に記載のロボット制御装置。
- 作業自由度に対して少なくとも1つの冗長自由度を備えるように複数のリンクが各関節軸にて連結されたマニピュレータを備え、前記関節軸を該関節毎に設けられた回転系アクチュエータにより駆動するロボット制御システムにおいて、
手先位置姿勢を目標値とした拘束条件の下で、前記冗長自由度が許容するリンク位置姿勢を示す姿勢パラメータを順次変化させる毎に、少なくとも各リンクの関節軸の慣性力と遠心力・コリオリ力と重力に基づく負荷トルクを算出する負荷トルク算出部と、
前記姿勢パラメータの変化の中で、前記負荷トルクと前記回転系アクチュエータの定格トルク比が最小となるリンク位置姿勢を求めるリンク姿勢算出部と、
前記手先位置姿勢を目標値とした各関節軸の回転系アクチュエータの制御指令に、前記負荷トルクと前記回転系アクチュエータの定格トルク比が前記最小となるときの各負荷トルクとなるフィードフォワード値を付与する付与部を備えることを特徴とするロボット制御システム。
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