JP2787207B2

JP2787207B2 - 多軸位置サーボ装置

Info

Publication number: JP2787207B2
Application number: JP63112130A
Authority: JP
Inventors: 謙二久保; 聡天野; 武志橋本; 正彦渡辺
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Keiyo Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Keiyo Engineering Co Ltd
Priority date: 1988-05-09
Filing date: 1988-05-09
Publication date: 1998-08-13
Anticipated expiration: 2013-08-13
Also published as: JPH01281504A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、多軸位置サーボ装置に係り、たとえば産業
用ロボットと周辺装置の駆動軸とを同期して制御するに
好適な多軸位置サーボ装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、産業用ロボットなどの複数軸の位置サーボは、
例えば、柿倉著「産業用ロボットの制御方法と利用技
術」、日刊工業（1985）に記述されているように、所定
の周期で演算される多軸の位置指令値を、サーボ装置側
で内挿補間することにより、指令周期が荒くても、サー
ボ側の位置指令値が十分滑らかになるようにして位置サ
ーボを実行している。ロボット以外にポジショナなどの
補軸を制御する場合も、ロボットに対する位置指令値の
演算周期で補軸の位置指令値が演算され、位置サーボ装
置側で内挿補間して位置サーボを実行しているものであ
る。

すなわち、第21図において、１は複数の位置サーボ軸
への位置指令値を発生するための位置指令値、２は第１
軸から第（ｎ＋２）軸からなる複数軸の位置サーボ装置
である。この例では、第１軸から第ｎ軸までが、同期し
て制御される駆動軸（グループ１とする）、第（ｎ＋
１）と第（ｎ＋２）軸がそれとは非同期で制御される駆
動軸（グループ２）とする。グループ１に属する位置指
令値は101に示すタスク１の部分で、グループ２への位
置指令値はタスク２（102）で、それぞれ別のタイミン
グで指令される。第22図に、その指令出力のタイミング
図を示す。タスク１に属するA,B2つの軸は、T_Aの周期で
ロで示すように位置指令値が出力される。これに対し、
タスク２のＣという軸は、Δで示すタイミングで周期T_B
毎に指令値が出力される。このように、タスク１とタス
ク２では指令出力タイミングが異なるが、複数の位置サ
ーボ軸（第１軸〜第（ｎ＋２）軸）に対しては、同じサ
ンプリング周期で位置指令値を出力する必要があるた
め、T_Qの周期で位置指令値を補間する。しかし、タスク
１と２とではタイミングが異なるので、従来の方式で
は、103に示す補間（１）の機能を付加し、指令周期の
長いタスク２の指令値をあらかじめタスク１と同じ周期
になるよう補間しておき、それらのデータをまとめて、
補間（２）で内挿補間することで、T_Qの補間周期毎に、
全軸の位置指令値を出力していた。ここで、第22図にお
いて、破線で示すＣ′は、タスク１と同じタイミングで
指令値を出力したときの出力値であり、103に示す補間
（１）の出力である。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、従来にあっては、位置サーボすべき全駆動軸
を同じタイミングで内挿補完して制御するため、たとえ
ばロボット軸と非同期で制御してよいような補軸に対し
ても、一括して同期制御するしかなかった。

すなわち、ロボット軸に対し位置指令値の演算周期を
間引いてもよいような非同期軸に対しても、高速なタイ
ミングで位置指令値を演算する必要があった。このた
め、余分な演算が追加されることになり、制御機能が低
下してしまうという問題点があった。

これに対して、ロボット軸と同期して制御する駆動軸
と非同期の駆動軸とをあらかじめ別々の位置サーボ装置
に割り当てておき、固定的に用いることが考えられるが
位置サーボすべき複数の駆動軸の組合せを変更すること
が難しく、作業内容に応じて実時間で切換えられないと
いう問題点を有する。

それ故、本発明の目的は、簡単な構成で、制御性能を
向上させ、駆動軸の同期、非同期の切り換えのできる多
軸位置サーボ装置を提供するにある。

〔課題を解決するための手段〕

このような目的を達成するために、本発明は、複数の
駆動軸に対する位置指令値を受け取る位置指令値入力手
段と、前記位置指令値を所定の回数だけ内挿補間する内
挿補間手段と、を備え、各駆動軸の位置指令値と前記内
挿補間手段により内挿補間された位置指令値とから各駆
動軸の位置サーボを行う多軸位置サーボ装置において、
前記複数の駆動軸に関する情報が駆動軸相互の同期・非
同期によって複数のグループに分類され、各グループに
属する各駆動軸の情報として各駆動軸に関する位置指令
値と内挿補間に関する情報がグループ毎に記憶されてい
る情報記憶手段を設け、前記内挿補間手段は、前記情報
記憶手段の情報を検索して前記情報記憶手段で分類され
たグループ毎に内挿補間処理を指定の回数だけ実行し、
各グループの全ての駆動軸に関する内挿補間処理を完了
した後、内挿補間処理の完了したグループに属する全て
の駆動軸の位置指令値を更新してなることを特徴するも
のである。

また、本発明は、前記情報記憶手段を、各グループに
属する駆動軸の情報が書き換え可能に構成したものであ
る。

〔作用〕

このように構成することによって、相互に同期すべき
駆動軸からなるグループ毎に独立して処理が実行される
ので、各グループ毎に必要な処理だけを行うことができ
るとともに、各グループ毎に補間回数に対応してグルー
プ内で同期の取れた補間制御を実行することができる。
さらに、情報記憶手段に記憶された情報を書換えて、同
期させる軸の組合せを変更することで、同期・非同期の
駆動軸の設定に自由度をもたせることができる。

〔実施例〕

第１図は本発明による多軸位置サーボ装置の一実施例
を示す概略構成図である。同図において、３が複数の駆
動軸に対する位置指令値、４がその指令値により、複数
軸の位置サーボを行う位置サーボ軸を示す。ここで、タ
スク1,2は従来と同様、非同期に位置指令値を発生する
部分であり、各タスク毎に、まとまった指令値が、多軸
位置サーボ装置４に出力される。ここでは、401,402に
示すように、独立して補間処理を行う補間（Ａ）と
（Ｂ）の機能があるため、これにより、非同期に指令さ
れる位置指令値A,BおよびＣを、第２図に示すように効
率よくT_Qの同期で補間でき、これを第１軸〜第（ｎ＋
２）軸への位置指令値とできる。ここでの説明では、補
間（Ａ），補間（Ｂ）の場合について記したが、この数
は同期して制御されるグループ数に一致する。

したがって、このようにすれば、非同期で指令される
指令周期をそろえるための余分な補間処理を必要としな
いため、同期、非同期軸の混在した多軸位置サーボ処理
を効率よく実行できる。

以下、各構成についての詳細および機能について説明
する。

第３図は、本発明をサーボ制御回路に適用した場合の
ハードウェア構成を示し、第４図に本発明方法を実施す
る為の産業用ロボットを示している。

まず、第４図において、産業用ロボットを大別すると
ロボット本体12と制御装置13、補軸システム14に分類さ
れる。ロボット本体12は、多関節タイプの溶接ロボット
であって旋回台15、支柱16、上腕17、前腕18、手首のひ
ねり動作部19、まげ動作部20よりなる可動部とこれらを
駆動させる為の駆動源とを備えている。また前記補軸シ
ステム14は、ロボット本体と同じタイミングで指令値を
受けて動作の同期を取る軸や、ロボット本体の動作とは
関係なく非同期で制御される軸を設定し種々の作業に利
用している。前記制御装置13は、ロボット本体12と補軸
システム14の各々の駆動源をサーボ制御するために第３
図のサーボ制御回路が内蔵されている。

次に第３図のサーボ制御回路を用いてロボット軸、補
軸の動作を説明する。ロボットを駆動させる時には、ま
ず手先の軌動を点で教示し、その指令値を上位制御装置
１に送信する。上位制御装置１は、教示点からロボット
軸と補軸の全ての指令値を計算し、相方向性記憶装置で
あるデュアルポードメモリ（以下DPRAMと称す）２に書
き込む。次にこの指令値を種々の計算を行うマイクロプ
ロセッサ３によりマイクロプロセッサ３専用の記憶装置
（メモリ）４に書き込む。また位置検出器であるエンコ
ーダ10がモータ８の位置を検出してその検出信号をカウ
ンタ回路11に出力すると、カウンタ回路がその入力信号
をカウントして位置指令値が求まる。この検出値と上位
からの指令値を基にマイクロプロセッサが速度指令値を
計算してその値がディジタル・アナログ変換器（以下D/
A）５によりアナログ値に変換され、該当軸へ指令値を
分岐させるマルチプレクサ６を通って各軸の速度制御ア
ンプに入力される。また、タコジェネレータ９は、速度
検出器である。第５図にマイクロプロセッサの１軸につ
いての処理を示す。まずメモリ４から位置指令値21を読
み取り、位置指令値を滑らかに出力するための計算（後
述する補間計数計算処理22,内挿補間処理23）を行う。
そして出力された位置指令値ａと位置検出器25により検
出された位置検出値ｂとの偏差Ｅにより位置制御24を実
行して速度指令値ｃを出力している。本発明では、ロボ
ット本体とロボットと同期して制御すべき補軸を一つの
グループにまとめて位置指令値の受け渡しを行うことに
より、動作の同期を可能にしている。非同期の補軸は他
のグループとして制御する。そのため、DPRAM2は、グル
ープごとにデータの受け渡しが可能なようにして、グル
ープごとに指令値データの書き込み許可を示すフラグを
設け、このフラグを基に上位制御装置１はグループごと
に指令値の書き込みを行い、マイクロプロセッサ３は、
メモリ４への読み取りを行う。これにより、位置指令値
の受け渡しは、他のグループの処理と関係なく行われ処
理効率が向上する。

次に実際の補軸システムを例にとって上記のソフトウ
ェアについて説明する。第６図に位置指令値を同じタイ
ミングで与える同期軸としてロボット６軸、補軸２軸、
非同期軸として補軸２軸を扱った例を示す。補軸は全６
軸の設定で２軸は使用しない。まず、非同期軸における
回転板26に溶接する品物を乗せ溶接しやすいように設定
する。この回転板はモータとの着脱が容易にでき、ロボ
ットの作業用側の回転板27との交換がロボットと補軸シ
ステムの制御とは別に行なわれている。溶接用に設定さ
れた回転板27のモータと水平移動機28のモータは、ロボ
ット６軸と同期して制御され溶接を助けている。また、
ロボットが溶接している間に前回溶接された品物をロボ
ットとは非同期のモータによる水平移動機29を用いて別
の作業領域に送り、初期状態に戻してから非同期軸の回
転板に次に溶接する品物を設定しておく。そして溶接が
完了したら回転板を交換し、以下同じ処理を繰り返し行
う。次にサーボ制御装置の具体的な処理内容をPAD図を
用いて説明する。

まず、上位制御装置１の処理を表わすPADを第７図に
示す。始めにロボットを起動させてロボットの手先の経
路を教示し、その教示されたデータを入力する（SO）。
このデータを点A,点Ｂとしたとき、位置指令値P_jが計算
される仕組みを表わした図を第８図に示す。ｊは１〜Ｎ
まで変化し、Ｎは分割数を表わす。点Ａから点Ｂに移動
させる時の加減速パターンΔS_jを計算し、これにより、
点A,B間の補間を行って手先の位置指令値P_jを計算して
いる（S1）。次に算出された位置指令値P_jを基にロボッ
ト軸と同期した軸に対して（S2）、座標変換を行い、各
軸の位置指令値を計算している（S3）。ロボット軸と非
同期の軸に対しては、これとは別に位置指令値の計算を
行う（S4）。ここでロボット軸との同期軸・非同期軸の
判別は、第９図のグループ判別テーブルを用いて行う。
これは位置指令値の受け渡しを同時に行うものを同期軸
として１つのグループに設定している。テーブルのビッ
ト０は第１軸のフラグを示し、以下順番にビット11の第
12軸のフラグまで同期して駆動する軸のビットに１を割
り着ける。この例では、グループNo.1としてロボット６
軸と補軸２軸がビット０からビット７に設定され、ロボ
ット軸とは非同期の軸として補軸２軸がグループNo.2と
して設定されている。最後に、計算された位置指令値を
相方向性記憶装置であるDPRAMテーブルへ書き込む。こ
のテーブルは、第10図に示すようにグループごとに設定
され、それぞれのテーブルはそのグループ内の全軸に対
応する位置指令値のデータの書き込みが可能である。ま
た各グループごとのテーブルの先頭にフラグをもうけ、
データの書き込み、読み取りを制御している。まず、全
グループについて（S5）DPRAMのフラグを判別し（S
6）、フラグが０でテーブルへの指令値の書き込みが可
能なとき、そのグループ内の全ての軸に対して（S7）、
上位制御装置からDPRAMへ指令値データの書き込みを行
う（S8）。そしてDPRAMフラグを１にしてマイクロプロ
セッサの指令値の読み取りを許可する（S9）。

DPRAMのフラグが１のときはそのグループ内にまだ内
挿補間処理（後述する）の完了していない軸が存在する
ことを示し、DPRAMへの指令値の書き込みは行なわれな
い。

以上の処理によりグループごとに同期した指令値の受
け渡しが可能となる。

次にマイクロプロセッサの割込処理について説明す
る。１回の割り込みで実行される処理を第１図に示し、
タイムチャートを第12図に示す。第12図においてINTは
マイクロプロセッサに対する割込信号でありその同期を
T_Sとしている。この図は、１台のマイクロプロセッサで
多軸ロボットの位置制御を実行する場合の処理タイミン
グを示しており、その軸数を今12軸（図中1,2,……12で
示す）とし、ロボット軸２軸、補軸２軸を順次実行すれ
ば、その特定のサーボ軸に対するサンプリング周期は3.
T_Sのように設定される。これは、１回の割り込みで処理
する軸数を制限して、より正確な指令値で制御を行なわ
せるためである。マイクロプロセッサの処理は、第11図
に示すように、まず前処理してDPRAMからの位置指令値
の取り込みを行い（S10）、次にロボット軸２軸、補軸
２軸に対して（S11）、位置指令値演算である内挿補間
処理（S12）、位置制御（S13）を行う。そして同じ軸に
対して（S14）、位置指令値をDPRAMから読み取り補間の
ための計算を行う補間計数計算処理（S15）を行う。そ
して後処理として軸No.の更新（S16）とDPRAMへのデー
タ入力許可を判別する（S17）。

次に割込処理の各部の処理について説明する。DPRAM
からの位置指令値の取り込み（S10）のPADを第13図に示
す。この処理は第９図のグループ判別テーブルで設定さ
れた全てのグループについて行う（S18）。各グループ
ごとにまず第10図のDPRAMテーブルに上位制御装置から
位置指令値が書き込まれたかどうかを示すDPRAMフラグ
を判別し（S19）、フラグが１で指令値が書き込まれて
いることを示すとき、そのグループの全軸分の位置指令
値と分割数のデータをサーボ指令値キューテーブルに書
き込み（S20）。このテーブルは、ロボット６軸、補軸
６軸分の分割数と位置指令値のデータを軸No.の順番に
書き込める。また読み取り許可を示すフラグを設定し、
ビット割り付けとして０から11ビットまでを第１軸から
第12軸までのフラグとする。このサーボ指令値キューテ
ーブルの構成を第14図に示す。次に、この指令値キュー
テーブルにデータが書き込まれたことを示すため、この
テーブルの先頭のキューフラグに、グループ内の全軸に
対応したビットに対して１を書き込む。このキューフラ
グは指令値データが読み取られない限り０にはならい。
このような位置指令値の取り込みによれば、同一グルー
プ内の全軸の位置指令値は完全に同期して受け渡され
る。

次に内挿補間処理（S12）と補間計数計算処理（S15）
について説明する。内挿補間は、第15図に示すように前
回の指令値θ_Pと今回の指令値θ_Cとを分割して指令する
ことにより指令値が滑らかに出力される様に補間するも
のである。補間係数計算処理は上位からの指令値により
内挿する指令値の間の増分量Δθを計算している。内挿
補間処理はこの増分量Δθを基に補間を行っている。内
挿補間処理は、第16図のPADに示すように、まず補間係
数計算によって指令値増分量Δθが計算されているかを
示すカウンタNaを判別し（S25）、計算が完了している
ときに内挿補間（S26）を行う。ここで、前回の位置指
令値θ_nに指令値増分量Δθを加算してその値を新しい
位置指令値とする（S27）。また、カウンタNaの値を１
減らすことにより内挿補間処理の終了、すなわち新しい
位置指令値の上位から取り込みと指令値増分量の計算の
タイミングを図っている。補間係数計算処理のPADを第1
7図に示す。まずカウンタNaにより内挿補間処理が完了
しているかを判別し（S28）、カウンタの値が０で完了
を示すとき、第12図のサーボ指令値キューテーブルの該
当軸のフラグを判別し（S29）その値が１でその軸の分
割数と位置指令値のデータが新しく書き込まれたことを
示すとき、このデータを読み出し（S30）、この軸のキ
ューフラグを０にして次の指令値データの書き込みを許
可する（S31）。そして補間係数計算（S32）では、今回
の位置指令値θ_cから前回の位置指令値θ_Pを引き、分割
数Ｎで割ることにより位置指令値増分量Δθを計算して
いる。そしてカウンタNaに分割数Ｎを代入することによ
り分割数の数だけ内挿補間が実行されるように設定する
（S34）。また今回の指令値θ_cを前回の指令値θ_Pのメ
モリに書き込み、次回の補間係数計算を用いる（S3
5）。

以上の処理によって内挿補間の完了したグループのキ
ューフラグはすべて０となっている。

最後に上記制御装置からDPRAMへの位置指令値の書き
込みを許可するか判別する（S17）。PADの第18図に示
す。この処理は全グループについて行う（S22）。ま
ず、グループごとにグループ内の全軸のキューフラグを
判別するため第９図のグループ判別テーブルのすべての
グループNo.と第14図のサーボ指令値キューテーブルの
キューフラグとの論理和を計算する。計算結果が０、で
内挿補間の完了を示すとき、そのグループNo.のDPRAMフ
ラグを０にして上記制御装置からDPRAMテーブルへの位
置指令値の書き込みを許可する（S24）。

この実施例によるとグループごとに位置指令値の受け
渡しをするため内挿補間の処理は、グループごとに独立
して行なわれる。すなわち、あるグループについて内挿
補間処理が必要で他のグループに必要のない時、この必
要のないグループについては内挿補間処理を実行せずに
すみ位置指令値演算の負荷を減少させ制御性能を上げる
ことができる。また第９図のグループ判別テーブルにお
いて、各グループごとに設定した軸No.を書き換えるこ
とにより同期して制御すべき駆動軸の切換を可能にして
いる。

この例で内挿補間における分割回数が同じで同期制御
している軸に対し分割数を上げてより滑らかに制御をし
たい場合や、分割数を下げても、制御に影響が出ない場
合、その軸をグループに分けて非同期に制御することが
容易に可能である。

上述の実施例は、マイクロプロセッサが位置制御のみ
を行っていたが、第19図に示すように速度制御も実行す
る場合にも本発明を適用できる。位置制御24後の速度指
令値出力Ｃとタコジェネレータ９と速度検出器31により
検出された速度検出値ｄとの偏差Ｆにより速度制御30を
行い、電流指令値ｅを出力している。１回の割込みでロ
ボット６軸の速度制御とロボット２軸、補軸２軸につい
て位置制御を行なった場合のタイミング図を第20図に示
す。特定のサーボ軸に対するサンプリング周期は、速度
制御系でT_S、位置制御系で３・T_Sのように設定されてい
る。サーボ制御系において、より正確な指令値で制御を
行なわせるため一回の割込みで処理する軸数を位置制御
において、制限している。そのため、位置制御に加えて
速度制御を行なう時、速度制御は、高速にサンプリング
を行うため十分速く処理する必要があることから、１回
の割り込みで位置制御をロボット２軸、補軸２軸につい
て行うのに対し速度制御をロボット６軸について行え
ば、より効率的な制御が可能となる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、相互に同期す
べき駆動軸からなるグループ毎に独立して処理が実行さ
れるので、各グループ毎に必要な処理だけを行うことが
できるとともに、各グループ毎に補間回数に対応してグ
ループ内で同期の取れた補間制御を実行することができ
る。さらに、情報記憶手段に記憶された情報を書換え
て、同期させる軸の組合せを変更することで、同期・非
同期の駆動軸の設定に自由度をもたせることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による多軸位置サーボ装置の一実施例を
示す概念図、第２図は第１図に示した装置の作用を示す
図、第３図は本発明による多軸位置サーボ装置のサーボ
制御回路の一実施例を示す構成図、第４図は前記サーボ
制御回路によって制御されるハードウェア構成図、第５
図は一軸におけるマイクロプロセッサ処理のブロック
図、第６図は補軸システムの一実施例を示す上面図、第
７図は上位制御装置の処理を示すPAD、第８図は教示点
と位置指令値の関係を示す説明図、第９図はグループ判
別テーブルを示す構成図、第10はDPRAMテーブルを示す
構成図、第11ないし第13図はマイクロプロセッサの処理
内容を示す説明図、第14図はサーボ指令値キューテーブ
ルの構成図を示す説明図、第15図は内挿補間の具体例を
示す説明図、第16図は内挿補間処理を示すPAD、第17図
は補間係数計算処理を示すPAD、第18図はDPRAMへのデー
タ入力許可判別処理を示すPAD、第19図は本発明の他の
実施例を示し、一軸におけるマイクロプロセッサの処理
を示す説明図、第20図は他の実施例におけるタイムチャ
ートを示す図、第21図は従来の多軸位置サーボ装置の一
例を示す構成図、第22図は第21図に示す装置の作用を示
す説明図である。１……上位制御装置、２……双方向性メモリ、３……マ
イクロプロセッサ、12……ロボット本体、13……制御装
置、14……補軸システム。

フロントページの続き (72)発明者橋本武志千葉県習志野市東習志野７丁目１番１号日立京葉エンジニアリング株式会社内 (72)発明者渡辺正彦茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (56)参考文献特開平１−152508（ＪＰ，Ａ) 特開平１−152509（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−3006（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−95606（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G05B 19/4103

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の駆動軸に対する位置指令値を受け取
る位置指令値入力手段と、前記位置指令値を所定の回数
だけ内挿補間する内挿補間手段と、を備え、各駆動軸の
位置検出値と前記内挿補間手段により内挿補間された位
置指令値とから各駆動軸の位置サーボを行う多軸位置サ
ーボ装置において、前記複数の駆動軸に関する情報が駆
動軸相互の同期・非同期によって複数のグループに分類
され、各グループに属する各駆動軸の情報として各駆動
軸に関する位置指令値と内挿補間に関する情報がグルー
プ毎に記憶されている情報記憶手段を設け、前記内挿補
間手段は、前記情報記憶手段の情報を検索して前記情報
記憶手段で分類されたグループ毎に内挿補間処理を指定
の回数だけ実行し、各グループの全ての駆動軸に関する
内挿補間処理を完了した後、内挿補間処理の完了したグ
ループに属する全ての駆動軸の位置指令値を更新してな
ることを特徴とする多軸位置サーボ装置。
【請求項２】請求項第１項記載の多軸位置サーボ装置に
おいて、前記情報記憶手段は、各グループに属する駆動
軸の情報が書き換え可能に構成されてなることを特徴と
する多軸位置サーボ装置。