JP3599969B2

JP3599969B2 - How to create an acceleration / deceleration pattern

Info

Publication number: JP3599969B2
Application number: JP25203097A
Authority: JP
Inventors: 昭彦高橋; 聡野條; 快彦鈴木
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1997-09-17
Filing date: 1997-09-17
Publication date: 2004-12-08
Anticipated expiration: 2017-09-17
Also published as: JPH1195826A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロボットの動作部の駆動源の速度制御に用いる加減速パターンの作成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の加減速パターンとしては、いわゆる直線加減速パターン（図２（ａ）参照）と、例えば正弦曲線加減速パターン（図２（ｅ）参照）などの曲線加減速パターンとが知られている。ところで、直線加減速パターンに従う速度制御では、例えばサーボモータなどの駆動源の加減速時のトルクは加減速開始時から終了時までほぼ一定であり、トルクを加減速開始時及び終了時に瞬時に変化させるようになっているため、加減速開始時及び終了時に駆動源やロボット等に大きなショックが加わったり、振動が発生したりし易い。これに対して、正弦曲線加減速パターンに従う速度制御では、駆動源のトルクが、始動時等の加減速開始時から次第に増減し、所定の極値に達するとその後次第にもとに戻るよう変化されるため、駆動源のトルクが加減速開始時及び終了時に瞬時に変化されることがなく、駆動源や動作部に加わるショックを小さくできると共に振動の発生を抑制でき、有利である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、正弦曲線加減速パターンなどの曲線加減速パターンに従って速度制御を行うには、加減速時間及び加減速前後の速度差が同じ場合、直線加減速パターンに従って速度制御を行う場合に比べて、加速度最大時には最大約１．５７倍のトルクが必要になるため、より大きなトルクが得られる駆動源が必要になってロボット装置が大型化したり、高価になったりする。
【０００４】
本発明は、駆動源の出力性能が最大限活用され、駆動源や動作部に加減速開始時及び終了時に加わるショックを可及的に小さくなると共に振動を発生しにくくなる加減速パターンの作成方法を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するため本発明は、ロボットの動作部の駆動源の速度制御に用いる加減速パターンの作成方法において、直線加減速に用いられる直線加減速パターンを用いる場合に必要な最大トルクをＴｒ 1 、曲線加減速に用いられる曲線加減速パターンを用いる場合に必要な最大トルクをＴｒ 2 、駆動源の加減速時に許容されるトルク上限値をＴｒ max として、係数Ｋを次式、Ｋ＝（Ｔｒ max −Ｔｒ 1 ）／（Ｔｒ 2 −Ｔｒ 1 ）で設定し、前記直線加減速パターンを表す関数をＦ(t)1、前記曲線加減速パターンを表す関数をＦ(t)2として、加減速パターンを表す関数Ｆ(t)3を次式、Ｆ(t)3＝Ｋ×（Ｆ(t)2−Ｆ(t)1）＋Ｆ(t)1で求める。
【０００６】
尚、曲線加減速パターンは、速度の変化の割合が速度変化開始点から次第に大きくなり、速度変化終了点に近づくに連れて小さくなるように変化し、速度変化開始点と終了点との間に１つの変曲点を有するものであり、例えば正弦曲線加減速パターンがこれに該当する。
【０００７】
関数Ｆ（ｔ）３では、駆動源のトルクの一部が、曲線加減速パターンに従って変化される。曲線加減速パターンに従う制御は、加減速開始時及び終了時に瞬時に駆動源のトルクの大きさが変化するような制御ではなく、駆動源のトルクの大きさが漸次増加しあるいは減少するような制御である。従って、上記関数Ｆ（ｔ）３により作成された加減速パターンを用いれば、加減速開始時及び終了時のトルクの変化の大きさが、曲線加減速パターンに従って変化されるトルク分だけ小さくなり、駆動源や動作部に加わるショックが小さくなると共に振動が発生しにくくなる。また、関数Ｆ（ｔ）３を用いて作成した加減速パターンを用いることで所望の性能が得られれば、より大きなトルクが得られる駆動源を用いる必要がなくなり、ロボット装置の大型化やコストアップを防止できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１を参照して１は制御部２により制御されるロボットであり、動作部として旋回動作するアーム１ａを備える。該アーム１ａは駆動源たるサーボモータ（以下、単にモータと記す）１ｂにより旋回されて所定位置に移動されるようになっており、モータ１ｂは制御部２から出力される信号に基づいてアンプ３から出力される電力により回転される。
【０００９】
制御部２は、ＣＰＵと、モータ１ｂの回転速度の加減速制御に用いられる加減速パターンが記憶されている記憶手段４と、図示しないキーボードやティーチングボックス等の入力手段やＣＲＴ等の出力手段との間での信号のやり取りに用いられるインターフェース５と、モータ１ｂとの間での信号のやり取りに用いられるサーボインターフェース６とを備える。このうち記憶手段４には、経過時間に比例して速度が増減する直線加減速パターン（図２（ａ）参照）と、時間経過に伴い速度が正弦曲線を描くように増減する、曲線加減速パターンたる正弦曲線加減速パターン（図２（ｅ）参照）とが記憶されている。
【００１０】
尚、加速前の速度をＶ１、加速後の速度をＶ２、そして加速時間をＴとすると、例えば直線加速パターンや正弦曲線加速パターンは、時間ｔをパラメータとする次の関数Ｆ（ｔ）１´，Ｆ（ｔ）２´

で表される。
【００１１】
このように構成される制御部２では、ＣＰＵにおいて記憶手段４から読み出した所定の加減速パターンに従って指令速度を求め、該指令速度を示す指令速度信号をサーボインターフェース６に出力する。サーボインターフェース６には、指令速度信号の他に、モータ１ｂより検出される実速度を示す実速度信号と、図示しない電流センサにより検出されるモータ１ｂの実電流値を示す実電流信号とが入力されており、サーボインターフェース６では、指令速度と実速度とを比較して実速度が指令速度になるようなトルクをモータ１ｂに生じさせる電流値（指令電流値）を示す信号（指令電流信号）を生成すると共に、指令電流値と実電流値とを比較して実電流値が指令電流値になるような電圧値（指令電圧値）を示す信号（指令電圧信号）を生成し、生成した両信号をアンプ３に出力する。これらの信号を基にアンプ３から所定の電力がモータ１ｂに供給される。このような動作をアーム１ａが所定の旋回位置に移動するまで繰り返す。
【００１２】
ところで、モータ１ｂの回転速度を加減速制御する場合、上述したように、正弦曲線加減速パターンに従う方が直線加減速パターンに従うよりショックや振動が発生しにくく有利であるが、加減速時間及び加減速前後の速度差が同じ場合、直線加減速パターンに従うよりも、加速度最大時には最大で約１．５７倍のトルクが必要になるため、より大きなトルクが得られるモータが必要になったりする。
【００１３】
そこで、本実施形態では、直線加減速パターンを示す関数をＦ（ｔ）１、正弦曲線加減速パターンを示す関数をＦ（ｔ）２、加速度最大時に必要なトルクが駆動源の加減速時に許容されるトルク上限値を越えないように定めた係数をＫ（０＜Ｋ＜１）とする関数Ｆ（ｔ）３＝Ｋ×（Ｆ（ｔ）２−Ｆ（ｔ）１）＋Ｆ（ｔ）１により加減速パターンを作成して記憶手段４に記憶させ、加減速制御のときにＣＰＵに該関数Ｆ（ｔ）３で作成された加減速パターンを読み出させて指令速度値を求めさせることとした。尚、上記の関数Ｆ（ｔ）１，Ｆ（ｔ）２，Ｆ（ｔ）３はいずれも時間ｔをパラメータとする関数である。また、係数Ｋはインターフェース５に接続されるキーボード等の入力手段から設定するようになっており、係数Ｋを設定すると加減速パターンが作成され記憶手段４に記憶される。
【００１４】
図２の（ａ）〜（ｅ）は、係数Ｋの値を各表の上側に表示した値にした場合に作成される加減速パターンＰ１〜Ｐ５である。尚、各表に合わせて表示したグラフＧ１〜Ｇ５はトルクの変化を示している。図示するように、係数Ｋを０にして作成した加減速パターンＰ１は直線加減速パターンに一致し、係数Ｋを１にして作成した加減速パターンＰ５は正弦曲線加減速パターンに一致している。
【００１５】
つまり、関数Ｆ（ｔ）３により作成される加減速パターンは、図３（ａ）に示すように、係数Ｋを大きくするほど正弦曲線加減速パターンに近づく。そして係数Ｋはモータ１ｂのトルクのうち、正弦曲線加減速パターンに従って変化されるトルクの割合に一致する。また、図３（ｂ）に示されるように、係数Ｋを大きくするほど加速開始時及び終了時のトルクの変化量Ｅ１〜Ｅ５が小さくなり、加速開始時及び終了時のショックや振動が減少する。これらの点からすれば係数Ｋは大きいほど好ましいが、係数Ｋを大きくすると、図３（ｂ）に示されるように、加速度最大時に必要なトルクが大きくなるため、係数Ｋは、加速度最大時に必要なトルクがトルク上限値を越えない範囲でしか大きくできない。
【００１６】
したがって、加速度最大時に必要なモータのトルクが、該モータの性能として加減速時に許容されるトルク上限値に一致するように係数Ｋを定めて作成した加減速パターンを用いれば、モータの出力性能が最大限利用され、加減速開始時及び終了時のトルク変化量を可及的に小さくすることができ、より大トルクが得られるモータを用いなくても加減速開始時及び終了時にモータやロボットのアームに加わるショックや振動を小さくすることができる。
【００１７】
また、直線加減速パターンを用いる場合に必要な最大トルクをＴｒ１、正弦曲線加減速パターンを用いる場合に必要な最大トルクをＴｒ２、モータの性能として加減速時に許容されるトルク上限値をＴｒｍａｘとする次式
Ｋ＝（Ｔｒｍａｘ −Ｔｒ１）／（Ｔｒ２ −Ｔｒ１）
を用いてモータの出力性能が最大限利用される係数Ｋを定めることができる。例えば、これらのトルクＴｒ１，Ｔｒ２，Ｔｒｍａｘが図３（ｂ）に示される値であれば、係数Ｋは０．５に定まる。
【００１８】
尚、図３（ａ）及び（ｂ）では、説明上、速度及びトルクの変化を示すパターン形状を誇張して描いたため、実際に用いられるパターン形状と必ずしも一致するものではなく、また図３（ｂ）では、トルク変動時に現れるいわゆるオーバシュートを除いてグラフ形状を比較している。
【００１９】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、駆動源の出力を最大限活用して、駆動源や動作部に加減速開始時及び終了時に加わるショックがより小さく、振動がより発生しにくい加減速パターンを作成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用されるロボットの一実施形態を示すブロック図
【図２】（ａ）〜（ｅ）は、係数Ｋの値を変えて、本発明の方法により作成した加減速パターン形状と、トルクの変化を示すグラフ形状とを示す図
【図３】（ａ）は、図２に示される加減速パターン形状を重ね合わせたものの要部を示す図、（ｂ）は、図２に示されるトルクの変化を示すグラフ形状を重ね合わせたものの要部を示す図
【符号の説明】
１ロボット
１ａアーム（動作部）
１ｂサーボモータ（駆動源）
２制御部
３アンプ
Ｇ１〜Ｇ５トルクパターン
Ｐ１直線加減速パターン
Ｐ５正弦曲線加減速パターン（曲線加減速パターン）[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for creating an acceleration / deceleration pattern used for controlling the speed of a drive source of an operating unit of a robot.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as this kind of acceleration / deceleration pattern, a so-called linear acceleration / deceleration pattern (see FIG. 2A) and a curved acceleration / deceleration pattern such as a sine curve acceleration / deceleration pattern (see FIG. 2E) are known. ing. By the way, in the speed control according to the linear acceleration / deceleration pattern, for example, the torque at the time of acceleration / deceleration of a drive source such as a servomotor is almost constant from the start to the end of acceleration / deceleration, and the torque changes instantaneously at the start and end of acceleration / deceleration. Therefore, at the start and end of acceleration / deceleration, a large shock is likely to be applied to the drive source, the robot, and the like, and vibration is likely to occur. On the other hand, in the speed control according to the sine curve acceleration / deceleration pattern, the torque of the drive source gradually increases and decreases from the start of acceleration / deceleration such as at the time of starting, and changes to return to the original state after reaching a predetermined extreme value. Therefore, the torque of the drive source is not instantaneously changed at the start and end of the acceleration / deceleration, so that the shock applied to the drive source and the operation unit can be reduced, and the generation of vibration can be advantageously suppressed.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, when speed control is performed in accordance with a curve acceleration / deceleration pattern such as a sine curve acceleration / deceleration pattern, when the acceleration / deceleration time and the speed difference before and after acceleration / deceleration are the same, the acceleration is higher than when speed control is performed in accordance with the linear acceleration / deceleration pattern. At the maximum, a torque of about 1.57 times is required at the maximum, so that a drive source capable of obtaining a larger torque is required, which increases the size and cost of the robot apparatus.
[0004]
The present invention provides a method for creating an acceleration / deceleration pattern in which the output performance of a drive source is utilized to the utmost, a shock applied to a drive source and an operation unit at the start and end of acceleration / deceleration is reduced as much as possible, and vibration is hardly generated. The task is to provide
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a method for creating an acceleration / deceleration pattern used for speed control of a drive source of an operating unit of a robot, wherein the maximum torque required when a linear acceleration / deceleration pattern used for linear acceleration / deceleration is used is Tr. 1. The coefficient K is given by the following equation, where Tr 2 is the maximum torque required when the curve acceleration / deceleration pattern used for curve acceleration / deceleration is used, and Tr max is the torque upper limit allowed during acceleration / deceleration of the drive source. set with Tr max -Tr 1) / (Tr 2 -Tr 1), the linear acceleration a function representing the pattern F (t) 1, a function representing the curve acceleration and deceleration pattern as F (t) 2, pressurized The function F (t) 3 representing the deceleration pattern is obtained by the following equation: F (t) 3 = K × (F (t) 2-F (t) 1) + F (t) 1.
[0006]
Note that the curve acceleration / deceleration pattern changes so that the rate of speed change gradually increases from the speed change start point, and decreases as the speed change end point approaches, between the speed change start point and the end point. It has one inflection point, for example, a sinusoidal acceleration / deceleration pattern.
[0007]
In the function F (t) 3, a part of the torque of the driving source is changed according to the curve acceleration / deceleration pattern. The control according to the curve acceleration / deceleration pattern is not a control in which the magnitude of the torque of the drive source changes instantaneously at the start and end of the acceleration / deceleration, but a control in which the magnitude of the torque of the drive source gradually increases or decreases. It is. Therefore, if the acceleration / deceleration pattern created by the function F (t) 3 is used, the magnitude of the torque change at the start and end of the acceleration / deceleration becomes smaller by the torque changed according to the curve acceleration / deceleration pattern, Shock applied to the driving source and the operating unit is reduced, and vibration is less likely to occur. Further, if desired performance is obtained by using the acceleration / deceleration pattern created by using the function F (t) 3, it is not necessary to use a drive source capable of obtaining a larger torque, and the robot apparatus becomes larger and costs increase. Can be prevented.
[0008]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Referring to FIG. 1, reference numeral 1 denotes a robot controlled by a control unit 2, which includes an arm 1a that performs a turning operation as an operation unit. The arm 1a is turned and moved to a predetermined position by a servomotor (hereinafter simply referred to as a motor) 1b as a drive source. The motor 1b is driven by an amplifier 3 based on a signal output from the control unit 2. It is rotated by the electric power output from.
[0009]
The control unit 2 includes a CPU, storage means 4 for storing acceleration / deceleration patterns used for acceleration / deceleration control of the rotation speed of the motor 1b, input means (not shown) such as a keyboard and teaching box, and output means such as a CRT. And a servo interface 6 used for exchanging signals with the motor 1b. The storage means 4 stores a linear acceleration / deceleration pattern in which the speed increases / decreases in proportion to the elapsed time (see FIG. 2 (a)), and a curve acceleration / deceleration in which the speed increases / decreases in a sinusoidal manner with time. A sine curve acceleration / deceleration pattern (see FIG. 2E) serving as a pattern is stored.
[0010]
Assuming that the speed before acceleration is V1, the speed after acceleration is V2, and the acceleration time is T, for example, a linear acceleration pattern or a sinusoidal acceleration pattern has the following function F (t) 1 ′ using time t as a parameter. , F (t) 2 '

It is represented by
[0011]
In the control unit 2 configured as described above, the CPU obtains a command speed in accordance with a predetermined acceleration / deceleration pattern read from the storage unit 4 and outputs a command speed signal indicating the command speed to the servo interface 6. In addition to the command speed signal, the servo interface 6 receives an actual speed signal indicating the actual speed detected by the motor 1b and an actual current signal indicating the actual current value of the motor 1b detected by a current sensor (not shown). The servo interface 6 compares the command speed with the actual speed, and a signal (command current signal) indicating a current value (command current value) that causes the motor 1b to generate a torque such that the actual speed becomes the command speed. And a signal (command voltage signal) indicating a voltage value (command voltage value) such that the actual current value becomes the command current value by comparing the command current value with the actual current value. The signal is output to the amplifier 3. Based on these signals, predetermined power is supplied from the amplifier 3 to the motor 1b. Such an operation is repeated until the arm 1a moves to a predetermined turning position.
[0012]
In the case of controlling the rotation speed of the motor 1b to accelerate or decelerate, as described above, it is more advantageous to follow a sine curve acceleration / deceleration pattern than to follow a linear acceleration / deceleration pattern, as it is less likely to generate shock or vibration. When the speed difference before and after deceleration is the same, a torque of about 1.57 times at the maximum is required at the time of the maximum acceleration as compared with the linear acceleration / deceleration pattern. Therefore, a motor that can obtain a larger torque is required.
[0013]
Therefore, in the present embodiment, the function indicating the linear acceleration / deceleration pattern is F (t) 1, the function indicating the sine curve acceleration / deceleration pattern is F (t) 2, and the torque required when the acceleration is maximum is allowed when the drive source accelerates / decelerates. F (t) 3 = K × (F (t) 2-F (t) 1) + F (t) where K (0 <K <1) is a coefficient determined so as not to exceed the upper limit value of the torque to be performed. (1) creating an acceleration / deceleration pattern and storing it in the storage means (4), and causing the CPU to read out the acceleration / deceleration pattern created by the function F (t) 3 during acceleration / deceleration control to obtain a command speed value. And The above functions F (t) 1, F (t) 2, and F (t) 3 are functions using time t as a parameter. The coefficient K is set from input means such as a keyboard connected to the interface 5. When the coefficient K is set, an acceleration / deceleration pattern is created and stored in the storage means 4.
[0014]
FIGS. 2A to 2E show acceleration / deceleration patterns P1 to P5 created when the value of the coefficient K is set to a value displayed above each table. Graphs G1 to G5 displayed in accordance with each table show changes in torque. As shown, the acceleration / deceleration pattern P1 created with the coefficient K set to 0 matches the linear acceleration / deceleration pattern, and the acceleration / deceleration pattern P5 created with the coefficient K set to 1 matches the sine curve acceleration / deceleration pattern.
[0015]
In other words, the acceleration / deceleration pattern created by the function F (t) 3 approaches the sinusoidal acceleration / deceleration pattern as the coefficient K increases, as shown in FIG. The coefficient K matches the ratio of the torque of the motor 1b that is changed according to the sinusoidal curve acceleration / deceleration pattern. Further, as shown in FIG. 3B, the larger the coefficient K, the smaller the torque change amounts E1 to E5 at the start and end of the acceleration, and the shock and vibration at the start and the end of the acceleration are reduced. . From these points, it is preferable that the coefficient K is as large as possible. However, as the coefficient K is increased, as shown in FIG. The torque can only be increased within a range where the torque does not exceed the torque upper limit.
[0016]
Therefore, if the acceleration / deceleration pattern created by defining the coefficient K so that the torque of the motor required at the time of the maximum acceleration matches the torque upper limit allowed during acceleration / deceleration as the performance of the motor is used, the output performance of the motor is improved. It is used to the maximum extent, the amount of torque change at the start and end of acceleration and deceleration can be made as small as possible, and the motor and robot can be used at the start and end of acceleration and deceleration without using a motor that can obtain a larger torque. Shock and vibration applied to the arm can be reduced.
[0017]
Also, the maximum torque required when using the linear acceleration / deceleration pattern is Tr1, the maximum torque required when using the sine curve acceleration / deceleration pattern is Tr2, and the upper limit of the torque that is permitted during acceleration / deceleration as the motor performance is Trmax. The following equation K = (Trmax−Tr1) / (Tr2−Tr1)
Can be used to determine a coefficient K that maximizes the output performance of the motor. For example, if these torques Tr1, Tr2, Trmax are the values shown in FIG. 3B, the coefficient K is determined to be 0.5.
[0018]
In FIGS. 3A and 3B, the pattern shape showing the change in speed and torque is exaggerated for the sake of explanation, and therefore does not always match the actually used pattern shape. In b), the graph shapes are compared except for the so-called overshoot that appears when the torque fluctuates.
[0019]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, an acceleration / deceleration pattern in which the shock applied to the drive source and the operation unit at the start and end of acceleration / deceleration is smaller and vibration is less likely to be generated by making the most of the output of the drive source. Can be created.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a robot to which the present invention is applied. FIGS. 2A to 2E show acceleration / deceleration patterns created by a method of the present invention by changing the value of a coefficient K; FIG. 3 (a) is a diagram showing a main part of the acceleration / deceleration pattern shape shown in FIG. 2 which is superimposed, and FIG. The figure which shows the principal part of what superimposed the graph shape which shows the change of the torque which is shown in [the explanation of the mark]
1 Robot 1a arm (moving part)
1b Servo motor (drive source)
2 Control unit 3 Amplifiers G1 to G5 Torque pattern P1 Linear acceleration / deceleration pattern P5 Sine curve acceleration / deceleration pattern (curve acceleration / deceleration pattern)

Claims

In the method for creating an acceleration / deceleration pattern used for controlling the speed of the drive source of the robot operating unit, the maximum torque required when a linear acceleration / deceleration pattern used for linear acceleration / deceleration is used is Tr 1 , and a curve acceleration / deceleration used for curve acceleration / deceleration is used. When the maximum torque required when the deceleration pattern is used is Tr 1 , and the upper limit of the torque allowed during acceleration / deceleration of the driving source is Tr max , the coefficient K is expressed by the following equation.
K = (Tr max -Tr 1) / (Tr 2 -Tr 1)
Set with
The linear acceleration a function representing the pattern F (t) 1, the function representing the curve acceleration and deceleration pattern as F (t) 2, the function F representing the acceleration and deceleration patterns (t) 3 and the following equation F (t) 3 = K × (F (t) 2-F (t) 1) + F (t) 1
A method for creating an acceleration / deceleration pattern, characterized in that: