JP5864322B2 - リンク作動装置の制御方法およびその制御装置 - Google Patents
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Description
この発明の他の目的は、コンパクトな構成でありながら、広範な作動範囲で動作を行うことができ、先端側部材の高速で高精度の位置決め動作を実現することが可能なリンク作動装置の制御装置を提供することである。
この制御方法は、前記アクチュエータのすべてが同時に動作を開始して同時に動作を完了するように制御する同期制御により、前記アクチュエータごとの動作を制御して、前記先端側のリンクハブを任意の姿勢に変更する姿勢制御を行い、前記すべてのアクチュエータの減速時間を、前記リンク作動装置の持つ共振周波数の1周期付近に設定して、前記同期制御および姿勢制御を行うことを特徴とする。なお、ここで言う共振周波数は、先端側のリンクハブに搭載物を設置した状態での共振周波数のことである。
正弦波が最大振幅となるのは、0.75周期と1.25周期である。そこで、減速終了後に最大振幅で振動している状態となるのを避けるために、減速時間をリンク作動装置の持つ共振周波数の0.8ないし1.2周期としている。
先端側のリンクハブは共振周波数の約半周期後に加速を打ち消す方向に振動するため、アクチュエータの加速時間がリンク作動装置の持つ共振周波数の1周期付近に設定されていると、周期的に加速するステップ加速を行う場合に、ステップ加速後の先端側のリンクハブの振動が小さくなる。その結果、始動時に発生する先端側のリンクハブの振動が小さくなり、先端側のリンクハブを高速で高精度の位置決め動作させることが可能となる。
正弦波が最大振幅となるのは、0.75周期と1.25周期である。そこで、加速終了後に最大振幅で振動している状態となるのを避けるために、加速時間をリンク作動装置の持つ共振周波数の0.8ないし1.2周期としている。
リンク作動装置の姿勢制御時には、各アクチュエータの指令動作量が異なるため、その比率により指令速度を設定すれば、容易に同期制御が可能になる。
cos(θ/2)sinβn−sin(θ/2)sin(φ+δn)cosβn+sin(γ/2)=0
で表される式を逆変換することにより、前記姿勢制御における前記各基端側の端部リンク部材の目標とする回転角を求め、この目標とする回転角と、前記各基端側の端部リンク部材の現在の回転角との差分により、前記各アクチュエータの指令動作量を算出する。
この手法によると、容易に指令動作量を求めることができ、姿勢制御が簡略になる。
cos(θ/2)sinβn−sin(θ/2)sin(φ+δn)cosβn+sin(γ/2)=0
で表される式を逆変換することにより、前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢と、前記各基端側の端部リンク部材の回転角との関係を示すテーブルを作成し、このテーブルを用いて、前記姿勢制御における前記各基端側の端部リンク部材の目標とする回転角を求め、この目標とする回転角と、前記各基端側の端部リンク部材の現在の回転角との差分により、前記各アクチュエータの指令動作量を算出する。
この手法によると、事前に基端側のリンクハブに対する先端側のリンクハブの姿勢と各基端側の端部リンク部材の回転角との関係をテーブル化しておくことにより、上記式を用いた指令動作量の計算時間が短くすることができ、より一層高速な姿勢制御が可能となる。
上記式を用いることで、ベース速度Vは各アクチュエータの動作速度Vnの合成速度となり、どのような状況においても基端側のリンクハブの移動速度がほぼ一定となるように制御できる。
Vn=Vmax(βn´−βn)/Δβmax
で表される式を用いて計算しても良い。
この場合は、常に少なくても1つのアクチュエータを最高速度で位置決め駆動することができ、基端側のリンクハブの移動速度が最大となるように制御できる。
冗長制御を行うことで、先端側のリンクハブがどのような姿勢である場合においても、各アクチュエータの駆動バランスを良くすることができ、また先端側のリンクハブの整定時間を短くできる。さらに、アクチュエータおよびその周辺部分のガタやリンク機構のガタを詰めるように制御できるため、アクチュエータを停止した後のガタによる先端側のリンクハブの振動を抑制でき、整定時間が短くなる。
先端負荷やリンク作動装置の剛性が変わっても、容易に加速時間および減速時間を更新できるため、どのような状況においてもアクチュエータを停止した後の先端側のリンクハブの振動が小さくなり、高速で高精度の位置決め動作が可能となる。
加速度ピックアップは小型で設置しやすく、FFTアナライザは容易に加速時間および減速時間を設定できる。
cos(θ/2)sinβn−sin(θ/2)sin(φ+δn)cosβn+sin(γ/2)=0
;(n=1,2,3) …(式1)
ここで、γ(図4)は、基端側の端部リンク部材5に回転自在に連結された中央リンク部材7の連結端軸と、先端側の端部リンク部材6に回転自在に連結された中央リンク部材7の連結端軸とが成す角度である。δn(図4におけるδ1,δ2,δ3)は、基準となる基端側の端部リンク部材5に対する各基端側の端部リンク部材5の円周方向の離間角である。
この場合、ベース速度Vは各アクチュエータ53の指令速度Vnの合成速度となり、どのような状況においても基端側のリンクハブ5の移動速度がほぼ一定となるように制御できる。
Vn=Vmax(βn´−βn)/Δβmax ;(n=1,2,3) …(式3)
この場合、常に少なくても1つのアクチュエータ53を最高速度で駆動でき、基端側のリンク部材5の回転速度が最大となるように制御できる。
また、大歯車77のピッチ円半径が前記アーム長の1/2以上であると、大歯車77が、基端側のリンクハブ2と基端側の端部リンク部材5の回転対偶に設置する軸受12の外径よりも十分大きな径となるため、大歯車77の歯部と軸受12との間にスペースができ、大歯車77の設置が容易である。
3…先端側のリンクハブ
4…リンク機構
5…基端側の端部リンク部材
6…先端側の端部リンク部材
7…中央リンク部材
51,61,91…リンク作動装置
53,70…アクチュエータ
58,85…制御装置
58a,85a…同期・姿勢制御手段
92…共振周波数検出用センサ
93…共振周波数測定器
QA…基端側のリンクハブの中心軸
QB…先端側のリンクハブの中心軸
Claims (13)
- 基端側のリンクハブに対し先端側のリンクハブを、3組以上のリンク機構を介して姿勢を変更可能に連結し、前記各リンク機構は、それぞれ前記基端側のリンクハブおよび先端側のリンクハブに一端が回転可能に連結された基端側および先端側の端部リンク部材と、これら基端側および先端側の端部リンク部材の他端に両端がそれぞれ回転可能に連結された中央リンク部材とでなり、前記各リンク機構は、このリンク機構を直線で表現した幾何学モデルが、前記中央リンク部材の中央部に対する基端側部分と先端側部分とが対称を成す形状であり、前記3組以上のリンク機構のうち2組以上のリンク機構に、前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢を任意に変更させるアクチュエータを設けたリンク作動装置における、前記アクチュエータの動作を制御する方法であって、
前記アクチュエータのすべてが同時に動作を開始して同時に動作を完了するように制御する同期制御により、前記アクチュエータごとの動作を制御して、前記先端側のリンクハブを任意の姿勢に変更する姿勢制御を行い、前記すべてのアクチュエータの減速時間を、前記リンク作動装置の持つ共振周波数の1周期付近に設定して、前記同期制御および姿勢制御を行うことを特徴とするリンク作動装置の制御方法。 - 請求項1において、前記減速時間を、前記リンク作動装置の持つ共振周波数の0.8ないし1.2周期の範囲内に設定したリンク作動装置の制御方法。
- 請求項1または請求項2において、前記すべてのアクチュエータの加速時間を、前記リンク作動装置の持つ共振周波数の1周期付近に設定して、前記同期制御および姿勢制御を行うリンク作動装置の制御方法。
- 請求項3において、前記加速時間を、前記リンク作動装置の持つ共振周波数の0.8ないし1.2周期の範囲内に設定したリンク作動装置の制御方法。
- 請求項1ないし請求項4のいずれか1項において、前記姿勢制御は、目標となる前記先端側のリンクハブの姿勢から前記アクチュエータごとに指令動作量を決定し、前記同期制御は、前記すべてのアクチュエータの指令動作量の比率により各アクチュエータの動作速度を設定するリンク作動装置の制御方法。
- 請求項5において、前記基端側のリンクハブに対する前記基端側の端部リンク部材の回転角をβn、前記基端側の端部リンク部材に回転自在に連結された中央リンク部材の連結端軸と、前記先端側の端部リンク部材に回転自在に連結された中央リンク部材の連結端軸とが成す角度をγ、基準となる基端側の端部リンク部材に対する各基端側の端部リンク部材の円周方向の離間角をδn、前記基端側のリンクハブの中心軸に対して前記先端側のリンクハブの中心軸が傾斜した垂直角度をθ、前記基端側のリンクハブの中心軸に対して前記先端側のリンクハブの中心軸が傾斜した水平角度をφとした場合に、
cos(θ/2)sinβn−sin(θ/2)sin(φ+δn)cosβn+sin(γ/2)=0
で表される式を逆変換することにより、前記姿勢制御における前記各基端側の端部リンク部材の目標とする回転角を求め、この目標とする回転角と、前記各基端側の端部リンク部材の現在の回転角との差分により、前記各アクチュエータの指令動作量を算出するリンク作動装置の制御方法。 - 請求項5において、前記基端側のリンクハブに対する前記基端側の端部リンク部材の回転角をβn、前記基端側の端部リンク部材に回転自在に連結された中央リンク部材の連結端軸と、前記先端側の端部リンク部材に回転自在に連結された中央リンク部材の連結端軸とが成す角度をγ、基準となる基端側の端部リンク部材に対する各基端側の端部リンク部材の円周方向の離間角をδn、前記基端側のリンクハブの中心軸に対して前記先端側のリンクハブの中心軸が傾斜した垂直角度をθ、前記基端側のリンクハブの中心軸に対して前記先端側のリンクハブの中心軸が傾斜した水平角度をφとした場合に、
cos(θ/2)sinβn−sin(θ/2)sin(φ+δn)cosβn+sin(γ/2)=0
で表される式を逆変換することにより、前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢と、前記各基端側の端部リンク部材の回転角との関係を示すテーブルを作成し、このテーブルを用いて、前記姿勢制御における前記各基端側の端部リンク部材の目標とする回転角を求め、この目標とする回転角と、前記各基端側の端部リンク部材の現在の回転角との差分により、前記各アクチュエータの指令動作量を算出するリンク作動装置の制御方法。 - 請求項5ないし請求項7のいずれか1項において、前記各アクチュエータの動作速度は、この動作速度をVn、最高速度をVmax、前記基端側の端部リンク部材の現在の回転角をβn、前記姿勢制御における前記基端側の端部リンク部材の目標とする回転角をβn´、(βn´−βn)の最大値をΔβmaxとした場合、
Vn=Vmax(βn´−βn)/Δβmax
で表される式を用いて計算するリンク作動装置の制御方法。 - 請求項1ないし請求項9のいずれか1項において、前記3組以上のリンク機構のすべてに、前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢を任意に変更させるアクチュエータを設け、これら各アクチュエータを冗長制御により制御するリンク作動装置の制御方法。
- 請求項1ないし請求項10のいずれか1項において、前記先端側のリンクハブに前記リンク作動装置の持つ共振周波数を検出する共振周波数検出用センサを設置し、その信号から共振周波数測定器により共振周波数を計算し、その計算結果から前記アクチュエータの加速時間および減速時間の設定値を更新するリンク作動装置の制御方法。
- 請求項11において、前記共振周波数検出用センサとして加速度ピックアップを用い、かつ前記共振周波数測定器としてFFTアナライザを用いたリンク作動装置の制御方法。
- 基端側のリンクハブに対し先端側のリンクハブを、3組以上のリンク機構を介して姿勢を変更可能に連結し、前記各リンク機構は、それぞれ前記基端側のリンクハブおよび先端側のリンクハブに一端が回転可能に連結された基端側および先端側の端部リンク部材と、これら基端側および先端側の端部リンク部材の他端に両端がそれぞれ回転可能に連結された中央リンク部材とでなり、前記各リンク機構は、このリンク機構を直線で表現した幾何学モデルが、前記中央リンク部材の中央部に対する基端側部分と先端側部分とが対称を成す形状であり、前記3組以上のリンク機構のうち2組以上のリンク機構に、前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢を任意に変更させるアクチュエータを設けたリンク作動装置における、前記アクチュエータの動作を制御する装置であって、
前記アクチュエータのすべてが同時に動作を開始して同時に動作を完了するように制御する同期制御により、前記アクチュエータごとの動作を制御して、前記先端側のリンクハブを任意の姿勢に変更する姿勢制御を行い、前記すべてのアクチュエータの減速時間を、前記リンク作動装置の持つ共振周波数の1周期付近に設定して、前記同期制御および姿勢制御を行う同期・姿勢制御手段を設けたことを特徴とするリンク作動装置の制御装置。
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