JP3283650B2 - ロボット制御装置 - Google Patents

ロボット制御装置

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JP3283650B2 JP19196293A JP19196293A JP3283650B2 JP 3283650 B2 JP3283650 B2 JP 3283650B2 JP 19196293 A JP19196293 A JP 19196293A JP 19196293 A JP19196293 A JP 19196293A JP 3283650 B2 JP3283650 B2 JP 3283650B2
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    • Y02P90/02Total factory control, e.g. smart factories, flexible manufacturing systems [FMS] or integrated manufacturing systems [IMS]

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ロボットアーム等を駆
動するサーボモータの制御に関し、位置、速度制御ルー
プを有し、位置を制御するサーボ制御装置に関する。柔
軟なサーボ制御に関し、特にロボットが認識する座標系
に関連して柔らかさの尺度を指定することのできる柔軟
なサーボ制御を行うロボット制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】ロボットのアームの制御において、該ア
ームを駆動するサーボモータの制御は、位置、速度ルー
プを有し、該サーボモータの位置を制御することによっ
てアームの位置を制御している。このような制御系にお
いて、サーボモータが制御されると、位置指令を与え、
その位置に向かってロボットアームが移動している途中
に、障害物があっても、その障害物を避けることが出来
ず、そのまま目標位置に向かって移動し続けるという現
象が生じる。例えば、ロボットがハンドによって工作機
械にワークを取り付ける作業を行なっている場合、ワー
クの精度が悪くて、指令した位置とワークの位置に多少
のずれが生じる場合には、ワークを工作機械に取り付け
ることができない。しかも、このような場合に、外力で
ロボットアームを移動させてワークを工作機械の取付け
位置に移動させることも困難となる。
【0003】このような問題点を解決して、外力によっ
て被駆動体を移動させ、障害物から回避させることがで
きる柔軟なサーボ制御方法が提案されている。図5は、
従来の柔軟なサーボ制御方法に用いるサーボ系のブロッ
ク図である。図5において、柔軟なサーボ制御を行なう
には、ポジションゲインKp、速度制御ループの比例ゲ
インK2を設定した柔らかさの尺度に応じて低下させ、
また、速度制御ループの積分器の出力を設定クランプ値
にリミットする。これにより、位置偏差が増大してもト
ルク指令は格別大きな値とならないので、このサーボモ
ータで駆動される被駆動体を外力で移動させることが可
能となる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記の
従来の柔軟なサーボ制御方法において、その柔らかさの
尺度の指定は、ロボットアームを駆動するロボットのモ
ータの(3軸およびその軸の回り)サーボ系に対するも
のであって、実際にロボットが認識する座標系に関連す
る指定となっていない。したがって、ロボットアームを
従来の柔軟なサーボ制御方法によりその柔らかさの尺度
を指定しようとすると、ロボットが認識している座標系
でのロボットアームの移動状態を推定しながら、このロ
ボットアームを駆動するモータのサーボ系に対して、ポ
ジションゲインと速度制御ループの比例ゲインを、設定
した柔らかさの尺度に応じて低下させる必要がある。し
かしながら、各軸の動作は他の軸の動作と関連している
ため、モータのサーボ系に対する柔らかさの調整を行な
うことによってロボットが認識している座標系に関連し
て柔らかさを設定することは、実際上困難である。
【0005】そこで、本発明は前記した従来の柔軟なサ
ーボ制御方法の問題点を解消し、ロボットが認識してい
る座標系に関連した柔らかさの尺度の設定により、モー
タのサーボ系のゲインの変更を可能とする柔軟なサーボ
制御装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、前記目的を達
成するために、ロボットアームの駆動に用いられ、位置
制御ループおよび速度制御ループを備える制御系で制御
されるサーボモータの制御装置に関連して、ロボットが
認識している座標系に関連して柔らかさの尺度を指定す
る手段と、該指定された柔らかさの尺度を前記夫々のサ
ーボモータのサーボゲインに変換する手段と、該変換し
たサーボゲインにより前記夫々のサーボモータを駆動す
る手段とを備えたことを特徴としたロボット制御装置
で、該サーボモータで駆動されるロボットアームを外力
で移動可能とするものであり、ロボットが認識している
座標系に関連して、柔らかさの尺度を指定可能とするも
のである。
【0007】また、ロボットが認識している座標系に関
連した柔らかさの尺度の指定は、前記座標系の軸方向お
よび/又はその軸回りのバネ定数を指定することにより
行なうことができる。
【0008】また、前記夫々のサーボモータのサーボゲ
インは、該夫々のサーボモータの位置制御ループゲイン
および速度制御ループゲインにより指定することができ
るものである。
【0009】
【作用】本発明によれば、前記構成により、位置制御ル
ープおよび速度制御ループを備える制御系でサーボモー
タを制御するロボット制御装置において、ロボットが認
識している座標系に関連して柔らかさの尺度を指定する
と、その柔らかさの尺度は夫々のサーボモータのサーボ
ゲインに変換され、該変換されたサーボゲインにより夫
々のサーボモータが駆動される。この指定された柔らか
さの尺度に応じてサーボモータを駆動することにより、
ロボットアームを外力で移動可能とすることができ、柔
らかさの尺度をロボットが認識している座標系に関連さ
せて指定することができる。
【0010】
【実施例】図1は本発明のロボットが認識している座標
系に関連して柔らかさの尺度を指定可能なサーボ制御を
実施するサーボ制御系のブロック図である。図5に示す
従来のサーボ制御系と相違する点は、サーボモータを制
御するサーボ制御系中の位置制御ループのポジションゲ
インKpおよび速度制御ループの比例ゲインK2の変更
を、ロボットが認識している座標系に関する柔軟制御の
柔らかさの尺度の指定に応じて行なう点である。
【0011】本発明の柔軟なサーボ制御を行うロボット
制御装置においては、ロボットが認識している座標系に
関連して柔軟制御の柔らかさの尺度を指定すると、この
指定された柔らかさの尺度は夫々のサーボモータのサー
ボ制御系に対する柔らかさの尺度に変換されて、各サー
ボ制御系中の位置制御ループのポジションゲインKpお
よび速度制御ループの比例ゲインK2が変更される。
【0012】各サーボ系中のサーボ制御系の位置制御ル
ープのポジションゲインKpおよび速度制御ループの比
例ゲインK2が変更されると、その後は従来の柔軟なサ
ーボ制御方法と同様にして、ポジションゲインが柔らか
さの尺度に応じて通常のポジションゲインより小さな値
となるため、位置偏差に該ゲインKpが乗じられて得ら
れる速度指令も通常の制御時よりも小さくなる。そのた
め、該速度指令とモータ速度との差の速度偏差も通常時
よりは小さくなる。そして、速度制御ループの比例ゲイ
ンK2も通常より小さな値に変更されているので、比例
項3からの出力値も通常より小さくなる。さらに、速度
制御ループの積分器2もその出力をクランプ値にリミッ
トするため、トルク指令Tcは大きな値となることはな
く、外力τによってロボットを移動させることができ
る。
【0013】図2は本発明の一実施例を実施するロボッ
ト制御系のブロック図である。図2中、10はロボット
を制御するホストコンピュータ、11は該ホストコンピ
ュータから出力される移動指令や制御信号を後述するデ
ィジタルサーボ回路のプロセッサに引き渡し、逆にディ
ジタルサーボ回路のプロセッサからの各種信号をホスト
コンピュータに引き渡すための共有メモリである。ま
た、12は、上述したサーボ制御を実行するディジタル
サーボ(ソフトウエアサーボ)回路で、プロセッサ(C
PU)、ROM、RAM等のメモリ等で構成されてい
る。13はロボット14における各サーボモータの位置
のフィードバック値、速度のフィードバック値、電流の
フィードバック値等が書き込まれる帰還レジスタであ
る。
【0014】ここで、本発明のロボットの認識する座標
系に関連して柔らかさの尺度を指定可能な柔軟なサーボ
制御を行うロボット制御装置において、ロボットの認識
する座標系に関連して柔軟制御の柔らかさの尺度の指定
を、夫々サーボモータのサーボ制御系に対する柔らかさ
の尺度に変換して、各サーボ制御系中の位置制御ループ
の位置ループゲイン(ポジションゲイン)Kpおよび速
度ループゲイン(比例ゲインK2×トルク定数Kt)K
vを求める手順について説明する。
【0015】図3は、ロボットの認識する座標系からモ
ータのサーボ制御系への変換の概略を説明する図であ
る。図3において、21は通常においてロボットが認識
している例えばx,y,z座標等の座標系であり、23
はモータに組み込まれるサーボ制御系であり、22はロ
ボットが認識している座標系21での柔らかさの尺度を
表わすゲインからサーボ制御系23での柔らかさの尺度
を表わすゲインへの変換を概念的に示した変換部分であ
る。
【0016】サーボ制御系23は、従来の柔軟なサーボ
制御において示したように、モータの(6軸)サーボ制
御系でのゲインをゲインKJ1〜ゲインKJ6で表すと、こ
のゲインKJ1〜ゲインKJ6を柔らかさの尺度に応じて設
定し、このゲインによりモータを制御する。
【0017】一方、ロボットが認識している座標系21
は、通常の作業を行なう座標系であり、この座標系を
x,y,z座標とすると、柔らかさの尺度はゲインKx
,Ky,Kz ,KMX,KMY,KMZを指定することによっ
て設定される。なお、このゲインKx ,Ky ,Kzはそ
れぞれx軸,y軸,z軸方向のバネ定数であり、ゲイン
KMX,KMY,KMZはそれぞれx軸,y軸,z軸の回りの
モーメントのバネ定数である。
【0018】そして、通常、ロボットが認識している座
標系21上においては、柔らかさの尺度はこのゲインK
x ,Ky ,Kz ,KMX,KMY,KMZにより指定可能であ
り、サーボ制御系でのゲインKJ1〜ゲインKJ6を直接に
ロボットが認識している座標系21上で設定することは
困難である。そこで、本発明では変換部22において、
ロボットが認識している座標系21上で設定した柔らか
さの尺度を表すゲインKx ,Ky ,Kz ,KMX,KMY,
KMZをサーボ制御系23でのゲインKJ1〜ゲインKJ6に
変換し、このゲインKJ1〜ゲインKJ6によってモータを
制御する。
【0019】次に、各系におけるゲインKを図4を用い
て説明する。図4は、ロボットが認識している座標系お
よびサーボ制御系での位置フィードバックによる位置ル
ープの状態を説明する図であり、図4の(a)はロボッ
トが認識している座標系を示し、図4の(a)はサーボ
制御系を示している。
【0020】図4の(a)のロボットが認識している座
標系において、x軸,y軸,z軸方向およびその回りに
ついて、位置ループを求めると以下の式となる。
【0021】 Kx (xcod −xfb)=Fx …(1) Ky (ycod −yfb)=Fy …(2) Kz (zcod −zfb)=Fz …(3) KMX(θxcod−θxfb )=Mx …(4) KMY(θycod−θyfb )=My …(5) KMZ(θzcod−θzfb )=Mz …(6) なお、上式においてKx ,Ky ,Kz はロボットが認識
している座標系の各軸方向のバネ定数、KMX,KMY,K
MZはロボットが認識している座標系の各軸の回りのモー
メントのバネ定数であり、xcod ,ycod ,zcod ,θ
xcod,θycod,θzcodはロボットが認識している座標系
の指令位置であり、xfb,yfb,zfb,θxfb ,θyfb
,θzfbはロボットが認識している座標系のフィードバ
ック量であり、Fx,Fy ,Fz はロボットが認識して
いる座標系の各軸方向の力であり、Mx,My ,Mzは
ロボットが認識している座標系の各軸方向の回りのモー
メントである。
【0022】上記式(1)〜(6)において、例えば式
(1)においては、例えば停止状態(xcod =0)から
x軸方向にxfbだけ移動させるにはFxの力を要するこ
とを意味しており、バネ定数Kx を変えることによって
そのFxの大きさを変更することができる。
【0023】また、図4の(b)のサーボ制御系におい
て、モータの各軸(6軸)について、位置ループを求め
ると以下の式となる。なお、モータの各軸をJ1〜J6
によって表すものとする。
【0024】 KJ1(θJ1cod −θJ1fb)=TJ1 …(7) KJ2(θJ2cod −θJ2fb)=TJ2 …(8) KJ3(θJ3cod −θJ3fb)=TJ3 …(9) KJ4(θJ4cod −θJ4fb)=TJ4 …(10) KJ5(θJ5cod −θJ5fb)=TJ5 …(11) KJ6(θJ6cod −θJ6fb)=TJ6 …(12) なお、上式においてKJ1〜KJ6はモータのサーボ制御系
の柔らかさを表すバネ定数であってゲインを表してお
り、θJ1cod 〜θJ6cod はサーボ制御系の各軸への指令
位置であり、θJ1fb〜θJ6fbはサーボ制御系のフィード
バック量であり、TJ1〜TJ6はサーボ制御系へのモーメ
ントである。
【0025】上記式(7)〜(12)において、例えば
式(7)においては、例えば停止状態(θJ1cod =0)
から各軸方向にθJ1fbだけ回転させるにはTJ1のトルク
を要することを意味しており、ゲインKJ1を変えること
によってそのトルクTJ1の大きさを変更することができ
る。
【0026】上式(1)〜(6)のロボットが認識して
いる座標系の各軸方向のバネ定数Kx ,Ky ,Kz およ
びロボットが認識している座標系の各軸の回りのモーメ
ントのバネ定数KMX,KMY,KMZを直接設定することが
困難であるため、本発明の柔軟なサーボ制御装置におい
ては、上式(7)〜(12)中のサーボ制御系のモータ
の柔らかさを表すゲインKJ1〜KJ6を変化させることに
よって、上式(1)〜(6)中のロボットが認識してい
る座標系の各軸方向のバネ定数Kx ,Ky ,Kz および
ロボットが認識している座標系の各軸の回りのモーメン
トのバネ定数KMX,KMY,KMZが指定した値となるよう
に制御する。
【0027】そこで次に、上式(1)〜(6)をサーボ
制御系の各軸の座標に書き直して、ゲインKx ,Ky ,
Kz ,KMX,KMY,KMZをゲインKJ1〜ゲインKJ6に変
換する関係式を求める。
【0028】各軸θから、x,y,z軸およびその軸の
回りへは、一般に順変換fによって変換することができ
る。この順変換fによると、式(1)〜(6)のxcod
,ycod ,zcod ,θxcod,θycod,θzcodは式
(7)〜(12)のθJ1cod 〜θJ6cod を用いて次式
【0029】
【数1】 によって表される。
【0030】また、各軸へのモーメントTJ1〜TJ6と、
ロボットが認識している座標系の各軸方向の力Fx,F
y,Fzと各軸方向の回りのモーメントMx,My ,Mz
との間には、力に関してヤコビアンJを用いて次式(1
4)で表されることが一般に知られている。
【0031】
【数2】 なお、JT はヤコビアンの転置を表している。
【0032】次に、上式(13),(14)を用いて、
式(1)〜(6)を書き直すと、
【0033】
【数3】 となる。なお、diag〔λ1 ,λ2 〕はλ1 およびλ2
を対角要素に持つ対角行列である。
【0034】上式(15)書き直すと、
【0035】
【数4】 なお、ErrorθJ はθJcod とθJfb の誤差(θJcod
−θJfb )を表している。
【0036】上式(16)において、Kx,Ky,Kz,KM
X,KMY, KMZはロボットが認識している座標系で柔ら
かさの尺度を指定する際に設定する設定値であり、f
(θJ1cod 〜θJ6cod )はロボットが認識している座標
系に関連して入力する指令値であり、f(θJ1fb 〜θJ
6fb )はロボットが認識している座標系における検出値
であり、ErrorθJ1〜ErrorθJ6はエラーレジスタに記
憶される誤差値であるから、各軸上でのゲインKJ1〜ゲ
インKJ6はこれらの既知の値の関数として求めることが
できる。
【0037】そこで、式(16)を各軸上でのゲインK
J1〜ゲインKJ6について解き、ロボットが認識している
座標系で指定した柔らかさの尺度をオンライン等で入力
し、CPUにおいてこのゲインKJ1〜ゲインKJ6の値を
各周期毎に変更し、その値に基づいて制御を行なうこと
により、柔軟なサーボ制御を行なうことができる。
【0038】なお、このゲインKJ の設定を、例えばサ
ーボ制御系においてあらかじめ基準となる柔らかさを定
めておき、その柔らかさに対する尺度により行なうこと
ができる。また、このゲインKJ は位置ループゲイン
(ポジションゲイン)Kpと速度ループゲインKv(比
例ゲインK2×トルク定数Kt)の積で表されるので、
このゲインKJ の設定を位置ループゲインKpおよび速
度ループゲインKvをそれぞれ設定することにより行な
うことができる。
【0039】例えば、柔らかさが0%(充分に固い状
態)の場合のゲインKJ をKJ (0%)とし、そのとき
の位置ループゲインKpおよび速度ループゲインKvを
それぞれKp(0%)、およびKv(0%)とすると、
ゲインKJ は、位置ループゲインKpと速度ループゲイ
ンKvの二つのループゲインによりそれぞれ Kp=Kp(0%)×(KJ /KJ (0%))1/2 …(17) Kv=Kv(0%)×(KJ /KJ (0%))1/2 …(18) となる。
【0040】そこで、このロボット制御系におけるディ
ジタルサーボ回路12のプロセッサは、上記のようにし
て、本発明のロボットが認識している座標系で柔らかさ
の尺度を指定可能な柔軟なサーボ制御を行うロボット制
御装置において、ロボットが認識している座標系におけ
る柔らかさの尺度の指定を、モータのサーボ制御系に対
する柔らかさの尺度に変換して求められる各軸の位置制
御ループの位置ループゲイン(ポジションゲイン)K
p、および速度ループゲイン(比例ゲインK2×トルク
定数Kt)Kvを用いて柔軟なサーボ制御の処理を行な
う。
【0041】なお、柔軟制御指令、および柔らかさの尺
度はオペレータがマニュアル入力してもよく、また、あ
らかじめ柔軟な制御を行なうプログラム領域をプログラ
ムで指定してもよい。
【0042】ロボットの動作を開始すると、ディジタル
サーボ回路12のプロセッサは、柔軟制御指令にしたが
って、通常の制御から柔軟な制御に切り換え、位置・速
度ループ処理周期毎に柔軟な制御の処理を行なう。そし
て、共通メモリ等に記憶しておいたロボットが認識して
いる座標系における柔らかさの尺度を表すKx,Ky,Kz,
KMX,KMY, KMZを読み出し、このデータに基づいて上
記した本発明の柔軟な制御方法によりゲインKJ1〜ゲイ
ンKJ6を例えば位置ループゲインKpJ1〜KpJ6、およ
び速度ループゲインKvJ1〜KvJ6の形態で演算して更
新し、再び共通メモリ等に記憶する。ディジタルサーボ
回路は、この共通メモリから更新したゲインKJ1〜ゲイ
ンKJ6(位置ループゲインKpJ1〜KpJ6、および速度
ループゲインKvJ1〜KvJ6)を読み出し、そのデータ
に基づいてモータの制御を行なう。
【0043】その結果、サーボモータが出力するトルク
は、小さな値となり、この柔軟な制御状態においては、
オペレータがサーボモータで制御されるロボットアーム
を外力によって任意の位置に移動させることができる。
これにより、ワークを工作機械等に取り付ける場合に、
ワークの精度が悪く、取付け位置とロボットアームによ
り搬送されるワークの位置が一致しない場合、外力によ
りロボットアームを移動させて取付け位置にワークを位
置決めすることができる。
【0044】(本発明の実施例の効果) 本発明の実施例によれば、ゲインKJ の設定を位置ルー
プゲインKpおよび速度ループゲインKvをそれぞれ設
定することによりサーボ制御系の安定性が得られるとい
う効果がある。
【0045】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能で
あり、それらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
【0046】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ロボットが認識している座標系に関連した柔らかさの尺
度の指定により、夫々のサーボモータのサーボ制御系の
ゲインの変更を可能とする柔軟なサーボ制御を行うロボ
ット制御装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のロボットが認識している座標系に関連
して柔らかさの尺度を指定可能な柔軟なサーボ制御を行
うロボット制御を実施するサーボ制御系のブロック図で
ある。
【図2】本発明の一実施例を実施するロボット制御系の
ブロック図である。
【図3】ロボットが認識している座標系からモータのサ
ーボ制御系への変換の概略を説明する図である。
【図4】ロボットが認識している座標系およびサーボ制
御系での位置フィードバックによる位置ループの状態を
説明する図である。
【図5】従来の柔軟なサーボ制御を行うロボット制御装
置に用いるサーボ系のブロック図である。
【符号の説明】
1 位置制御ループのポジションゲインの項 2 速度制御ループの積分器の項 3 速度制御ループの比例ゲインの項 4 モータの伝達関数の項 5 モータ速度からモータ位置を求める伝達関数の項 Kp ポジションゲイン K1 積分ゲイン K2 比例ゲイン 10 ホスト 11 共有メモリ 12 ディジタルサーボ回路 13 帰還信号レジスタ 14 ROBOT 21 ロボットが認識している座標系 22 変換部 23 サーボ制御
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−314110(JP,A) 特開 平2−287602(JP,A) 特開 平5−108108(JP,A) 特開 昭62−4584(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G05D 3/00 - 3/20 B25J 3/00 - 3/04 B25J 13/00

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ロボットのアームの駆動に用いられるサ
    ーボモータを、位置制御ループおよび速度制御ループを
    備える制御系で制御するロボット制御装置において、 前記ロボットが認識する座標系に関連して柔らかさの尺
    度を指定する手段と、 該指定された柔らかさの尺度を前記夫々のサーボモータ
    のサーボゲインに変換する手段と、 該変換したサーボゲインにより前記夫々のサーボモータ
    を駆動する手段とを備えたことを特徴とするロボット制
    御装置。
  2. 【請求項2】 前記ロボットが認識する座標系に関連し
    て指定する柔らかさの尺度は、前記座標系の軸方向およ
    び/又はその軸回りのバネ定数である請求項1記載のロ
    ボット制御装置。
  3. 【請求項3】 前記夫々のサーボモータのサーボゲイン
    は、該夫々のサーボモータの位置制御ループゲインおよ
    び速度制御ループゲインである請求項1、又は2記載の
    ロボット制御装置。
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