JP5989694B2 - 制御装置、制御方法及び制御プログラム - Google Patents
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Description
この一態様において、前記共振相殺手段は、前記指令生成手段により生成された前記トルク指令値に対して第1ゲイン(α+β/s)、および、第2ゲイン(γ+δ/s)を夫々乗算し、前記第1及び第2駆動手段に対する前記トルク指令値の比率を調整することで共振を相殺してもよい。
この一態様において、前記共振相殺手段は、前記トルク指令生成手段により生成されたトルク指令値から高周波成分を抽出する第1フィルタと、前記トルク指令生成手段により生成されたトルク指令値から低周波成分を抽出する第2フィルタと、を有しており、前記第1フィルタにより抽出された高周波のトルク指令値に対して、第1及び第2ゲインを夫々乗算し、該トルク指令値を調整することで共振を相殺して、前記第1及び第2駆動手段を制御し、前記第2フィルタにより抽出された低周波のトルク指令値に基づいて、前記第1駆動手段を制御してもよい。
この一態様において、前記共振相殺手段は、前記トルク指令生成手段により生成されたトルク指令値から高周波成分を抽出する第1フィルタと、前記トルク指令生成手段により生成されたトルク指令値から低周波成分を抽出する第2フィルタと、を有しており、前記第1フィルタにより抽出された高周波のトルク指令値に対して、第1ゲイン(αV+βV/s)、および、第2ゲイン(γV+δV/s)を夫々乗算し、該トルク指令値を調整することで共振を相殺して、前記第1及び第2駆動手段を制御すると共に、前記第2フィルタにより抽出された低周波のトルク指令値をも用いて、前記第1駆動手段を制御し、パラメータαV(0≦αV≦1)を調整し、該調整したパラメータαVに基づいてパラメータβV、γV、及びδVを下記式を用いて設定してもよい。
この一態様において、前記第1フィルタは、ハイパスフィルタ(1−F(s))であり、
前記第2フィルタは、ローパスフィルタ(F(s))であってもよい。
この一態様において、前記共振相殺手段は、パラメータαVを設定後、該設定されたパラメータαVに基づいて前記ハイパスフィルタ及びローパスフィルタのカットオフ周波数を調整し設定してもよい。
この一態様において、前記制御対象は、ロボットの関節部であってもよい。
上記目的を達成するための本発明の一態様は、制御対象を駆動する駆動側に設けられ、該制御対象をトルク伝達手段を介して駆動する第1駆動手段と、前記制御対象側に設けられ、該制御対象を駆動する第2駆動手段と、を備える制御装置の制御方法であって、 前記第1及び第2駆動手段を駆動するためのトルク指令値を生成するステップと、前記生成されたトルク指令値に対して、前記駆動側及び前記制御対象側の慣性係数、粘性係数及び前記トルク伝達手段の減速比を含む第1ゲインを乗算し、前記トルク指令値に対して、前記駆動側及び前記制御対象側の慣性係数、粘性係数、及び前記トルク伝達手段の減速比を含む第2ゲインを乗算し、前記第1及び第2駆動手段に対する前記トルク指令値の比率を調整することで共振を相殺するステップと、を含む、ことを特徴とする制御装置の制御方法であってもよい。
この一態様において、前記生成された前記トルク指令値に対して第1ゲイン(α+β/s)、および、第2ゲイン(γ+δ/s)を夫々乗算し、前記第1及び第2駆動手段に対する前記トルク指令値の比率を調整することで共振を相殺してもよい。
この一態様において、前記生成されたトルク指令値から高周波成分を第1フィルタにより抽出するステップと、前記生成されたトルク指令値から低周波成分を第2フィルタにより抽出するステップと、を更に含み、 前記抽出された高周波のトルク指令値に対して、第1及び第2ゲインを夫々乗算し、該トルク指令値を調整することで共振を相殺して、前記第1及び第2駆動手段を制御すると共に、前記抽出された低周波のトルク指令値をも用いて、前記第1駆動手段を制御してもよい。
この一態様において、前記生成されたトルク指令値から高周波成分を第1フィルタにより抽出するステップと、前記生成されたトルク指令値から低周波成分を第2フィルタにより抽出するステップと、を更に含み、
前記抽出された高周波のトルク指令値に対して、第1ゲイン(αV+βV/s)、および、第2ゲイン(γV+δV/s)を夫々乗算し、該トルク指令値を調整することで共振を相殺して、前記第1及び第2駆動手段を制御し、前記抽出された低周波のトルク指令値に基づいて、前記第1駆動手段を制御し、パラメータαV(0≦αV≦1)を調整し、該調整したパラメータαVに基づいてパラメータβV、γV、及びδVを下記式を用いて設定してもよい。
この一態様において、前記第1フィルタは、ハイパスフィルタ(1−F(s))であり、
前記第2フィルタは、ローパスフィルタ(F(s))であってもよい。
この一態様において、前記パラメータαVを設定後、該設定されたパラメータαVに基づいて前記ハイパスフィルタ及びローパスフィルタのカットオフ周波数を調整し設定してもよい。
この一態様において、前記制御対象は、ロボットの関節部であってもよい。
上記目的を達成するための本発明の一態様は、制御対象を駆動する駆動側に設けられ、該制御対象をトルク伝達手段を介して駆動する第1駆動手段と、前記制御対象側に設けられ、該制御対象を駆動する第2駆動手段と、を備える制御装置の制御プログラムであって、前記第1及び第2駆動手段を駆動するためのトルク指令値を生成する処理と、前記生成されたトルク指令値に対して、前記駆動側及び前記制御対象側の慣性係数、粘性係数及び前記トルク伝達手段の減速比を含む第1ゲインを乗算し、前記トルク指令値に対して、前記駆動側及び前記制御対象側の慣性係数、粘性係数、及び前記トルク伝達手段の減速比を含む第2ゲインを乗算し、前記第1及び第2駆動手段に対する前記トルク指令値の比率を調整することで共振を相殺する処理と、をコンピュータに実行させる、ことを特徴とする制御装置の制御プログラムであってもよい。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図1は、本発明の実施の形態1に係る制御装置が制御するロボットの一例を示す図である。本実施の形態1に係る制御装置は、例えば、3つの関節部を有する脚式ロボット100の駆動を制御する。脚式ロボット100は、股関節101、膝関節102及び足首関節103を有している。図2に示すように、各関節部101〜103には、モータが設けられている。各モータは、例えば、ハーモニックギア104及びタイミングベルト105を介して各関節部101〜103に係合している。
回転センサ2は、例えば、負荷(関節部)8あるいは負荷側モータ4に設けれたポテンショメータ、ロータリーエンコーダなどであり、負荷8の回転情報(回転角度、回転角速度、回転角加速度)を検出する。回転センサ2は、検出した負荷8の回転情報を制御装置7に出力する。
通常、バネ要素5によって軸捩れ共振が生じると、上述の如く、その共振周波数以上に制御帯域を上げることができない。一方で、本実施の形態1に係る制御装置1によれば、軸捩れ共振を相殺することで制御帯域を上げることができ、制御性能を向上させることができる。
共振相殺部72は、指令値生成部71からの入力トルクTinに第1ゲイン(α+β/s)を乗算し、負荷側トルクTLを算出する。
制御対象のモデルにおいては、負荷側モータ4の回転角度θLに減速比rを乗算した値と、駆動側モータ3の回転角度θMとの偏差が算出される。該算出した偏差にバネ定数K及び減速比rが乗算され、該算出した乗算値が、上記共振相殺部72により算出された負荷側トルクTLに加算される。該加算値に1次遅れの伝達関数(1/(JLs+BL))が乗算され、積分処理が行われることで、負荷側モータ4の回転角度θLが算出される。
制御対象のモデルにおいては、負荷側モータ4の回転角度θLに減速比rを乗算した値と、駆動側モータ3の回転角度θMとの偏差が算出される。該算出した偏差にバネ定数Kが乗算され、該算出した乗算値が、上記共振相殺部72により算出された負荷側トルクTLから減算される。該減算値に1次遅れの伝達関数(1/(JMs+BM))が乗算され、積分処理が行われることで、駆動側モータ3の回転角度θMが算出される。
但し、入力トルクTinから負荷側モータ4の回転角度θLまでの伝達関数をPL(s)とし、入力トルクTinから駆動側モータ3の回転角度θMまでの伝達関数をPM(s)とする。
上記(10)乃至(13)式に示すように係数α、β、γ、δを設定することで、入力トルクTinから負荷側モータ4の回転角度θLまでの伝達関数をPL(s)、および、入力トルクTinから駆動側モータ3の回転角度θMまでの伝達関数をPM(s)は、夫々、下記(14)及び(15)式で表すことができる。したがって、これら伝達関数PL(s)、PM(s)に共振項が存在しなくなる。
本発明の実施の形態2に係る制御装置は、駆動周波数を分離した共振相殺制御(FS−ARC:Frequency Separation Actuation Resonance Cancellation)を行う。図7は、本実施の形態2に係る制御装置の共振相殺部を示すブロック線図である。本実施の形態2に係る共振相殺部20は、上記実施の形態1に係る共振相殺部72の構成に、ローパスフィルタ21及びハイパスフィルタ22を更に備える。
なお、本実施の形態2において、上記実施の形態1と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
上記実施の形態1に係る共振相殺制御(以下、ARC)では、共振を相殺し、入力トルクから負荷側の回転角度までの共振モードを不可観測化している。これに対し、上記実施の形態2に係る共振相殺制御(以下、FS−ARC)において、共振を完全に相殺しないことで、共振モードを可観測化し、外乱による振動を抑制することも可能である。これにより、システムに外乱が入力された場合でも、予期しない振動が発生するのを防止できる。
図8は、伝達関数PLM(s)、PL、ARC(s)、PFS−ARC(c)のボーデ線図である。FS−ARC(s)において、ローパスフィルタF(s)のカットオフ周波数fLFPは、例えば、共振の55(Hz)より小さい5(Hz)に設定されている。
・Case1:
ARCを適用し、可変制御パラメータαV=α、及びカットオフ周波数fLPF=0(Hz)に設定し、感度関数SARC(s)の極を30(Hz)に設定する。
このCase1は、トルク指令値に対する応答の振動抑制に重点を置いた設計となっている。
・Case2:
FS−ARCを適用し、可変制御パラメータαV=α、及びカットオフ周波数fLPF=1.0(Hz)に設定し、感度関数SARC(s)の極を25(Hz)に設定する。
このCase2は、負荷側モータ4の小型化に重点を置いた設計となっている。
・Case3:
FS−ARCを適用し、可変制御パラメータαV=0.1、及びカットオフ周波数fLPF=5.0(Hz)に設定し、感度関数SARC(s)の極を32(Hz)に設定する。
このCase3は、外乱抑制性能に重点を置いた設計となっている。
なお、上記Case1の場合、位相余裕が43.5°となることから、Case2とCase3の位相余裕が等しくなるように、感度関数SARC(s)の極とカットオフ周波数fLPFを設計している。
(1)周波数応答
図15は、実験装置を用いて測定したナイキスト線図である。図15に示す如く、Case1及び2の場合、共振が略相殺されていることが分かる。一方、Case3の場合、共振モードを点−1+j0から遠ざけて配置されており、位相安定化が図られていることが分かる。Case1乃至3で上記シミュレーション結果と同様の傾向が見られる。
ステップ状指令及びステップ外乱の時間応答により、ARC及びFS−ARCの評価を行う。
ARC及びFS−ARCのステップ応答を評価する。図16は、負荷側モータの回転角度のステップ応答波形を示す図である。図16に示す如く、Case1の場合、振動が抑制されていることが分かる。Case2の場合も、振動が抑制されていることが分かる。しかし、感度関数SARC(s)の極を遅くしているため、オーバーシュートがCase1より大きくなっている。
ARC及びFS−ARCの外乱応答を評価する。負荷側に0.02(N・m)のステップ状外乱を0.1(s)与える。このとき、負荷側モータ4の回転角度θLは0(rad)となっている。図18は、負荷側モータの回転角度の外乱応答波形を示す図である。図18に示す如く、Case1及び2の応答は、外乱により振動していることが分かる。一方、可変制御パラメータαV≠αとしたCase3の場合、外乱抑制効果が高く振動が抑制できていることが分かる。
ここで、上記(17)式に用いるαVを、下記(a)及び(b)のトレードオフのバランスを取ることで決定できる。
(a)トルク指令値に対する追従性及び振動特性を重視する。
(b)外乱に対する抑圧特性(外乱抑圧特性)及び振動特性を重視する。
上記(a)を最重視する場合は、上記のように、可変制御パラメータαV=αとする。一方、上記(b)を少し重視した場合、可変制御パラメータαVにより調整(0≦αV≦1)を行う。
本実施の形態3において、上記実施の形態1及び2と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
プログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体(non-transitory computer readable medium)を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体(tangible storage medium)を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体(例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ)、光磁気記録媒体(例えば光磁気ディスク)、CD−ROM(Read Only Memory)、CD−R、CD−R/W、半導体メモリ(例えば、マスクROM、PROM(Programmable ROM)、EPROM(Erasable PROM)、フラッシュROM、RAM(random access memory))を含む。
また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体(transitory computer readable medium)によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。
Claims (15)
- 制御対象を駆動する駆動側に設けられ、該制御対象をトルク伝達手段を介して駆動する第1駆動手段と、
前記制御対象側に設けられ、該制御対象を駆動する第2駆動手段と、
前記第1及び第2駆動手段を駆動するためのトルク指令値を生成する指令生成手段と、
前記指令生成手段により生成されたトルク指令値に対して、前記駆動側及び前記制御対象側の慣性係数、前記駆動側の粘性係数及び前記トルク伝達手段の減速比を含む第1ゲインを乗算し、前記トルク指令値に対して、前記駆動側及び前記制御対象側の慣性係数、前記制御対象側の粘性係数、及び前記トルク伝達手段の減速比を含む第2ゲインを乗算し、前記第1及び第2駆動手段に対する前記トルク指令値の比率を調整することで共振を相殺する共振相殺手段と、
を備える、ことを特徴とする制御装置。 - 請求項1記載の制御装置であって、
前記共振相殺手段は、前記指令生成手段により生成された前記トルク指令値に対して第1ゲイン(α+β/s)、および、第2ゲイン(γ+δ/s)を夫々乗算し、前記第1及び第2駆動手段に対する前記トルク指令値の比率を調整することで共振を相殺する、ことを特徴とする制御装置。
但し、
- 請求項1又は2記載の制御装置であって、
前記共振相殺手段は、
前記指令生成手段により生成されたトルク指令値から高周波成分を抽出する第1フィルタと、
前記指令生成手段により生成されたトルク指令値から低周波成分を抽出する第2フィルタと、
を有しており、
前記第1フィルタにより抽出された高周波のトルク指令値に対して、第1及び第2ゲインを夫々乗算し、該トルク指令値を調整することで共振を相殺して、前記第1及び第2駆動手段を制御すると共に、
前記第2フィルタにより抽出された低周波のトルク指令値をも用いて、前記第1駆動手段を制御する、ことを特徴とする制御装置。 - 請求項1記載の制御装置であって、
前記共振相殺手段は、
前記指令生成手段により生成されたトルク指令値から高周波成分を抽出する第1フィルタと、
前記指令生成手段により生成されたトルク指令値から低周波成分を抽出する第2フィルタと、
を有しており、
前記第1フィルタにより抽出された高周波のトルク指令値に対して、第1ゲイン(αV+βV/s)、および、第2ゲイン(γV+δV/s)を夫々乗算し、該トルク指令値を調整することで共振を相殺して、前記第1及び第2駆動手段を制御し、
前記第2フィルタにより抽出された低周波のトルク指令値に基づいて、前記第1駆動手段を制御し、
パラメータαV(0≦αV≦1)を調整し、該調整したパラメータαVに基づいてパラメータβV、γV、及びδVを下記式を用いて設定する、ことを特徴とする制御装置。
- 請求項3又は4記載の制御装置であって、
前記第1フィルタは、ハイパスフィルタ(1−F(s))であり、
前記第2フィルタは、ローパスフィルタ(F(s))である、ことを特徴とする制御装置。 - 請求項4記載の制御装置であって、
前記共振相殺手段は、パラメータαVを設定後、該設定されたパラメータαVに基づいて前記第1及び第2フィルタのカットオフ周波数を調整し設定する、ことを特徴とする制御装置。 - 請求項1乃至6のうちいずれか1項記載の制御装置であって、
前記制御対象は、ロボットの関節部である、ことを特徴とする制御装置。 - 制御対象を駆動する駆動側に設けられ、該制御対象をトルク伝達手段を介して駆動する第1駆動手段と、
前記制御対象側に設けられ、該制御対象を駆動する第2駆動手段と、を備える制御装置の制御方法であって、
前記第1及び第2駆動手段を駆動するためのトルク指令値を生成するステップと、
前記生成されたトルク指令値に対して、前記駆動側及び前記制御対象側の慣性係数、前記駆動側の粘性係数及び前記トルク伝達手段の減速比を含む第1ゲインを乗算し、前記トルク指令値に対して、前記駆動側及び前記制御対象側の慣性係数、前記制御対象側の粘性係数、及び前記トルク伝達手段の減速比を含む第2ゲインを乗算し、前記第1及び第2駆動手段に対する前記トルク指令値の比率を調整することで共振を相殺するステップと、
を含む、ことを特徴とする制御装置の制御方法。 - 請求項8記載の制御装置の制御方法であって、
前記生成された前記トルク指令値に対して第1ゲイン(α+β/s)、および、第2ゲイン(γ+δ/s)を夫々乗算し、前記第1及び第2駆動手段に対する前記トルク指令値の比率を調整することで共振を相殺する、ことを特徴とする制御装置の制御方法。
但し、
- 請求項8又は9記載の制御装置の制御方法であって、
前記生成されたトルク指令値から高周波成分を第1フィルタにより抽出するステップと、
前記生成されたトルク指令値から低周波成分を第2フィルタにより抽出するステップと、
を更に含み、
前記抽出された高周波のトルク指令値に対して、第1及び第2ゲインを夫々乗算し、該トルク指令値を調整することで共振を相殺して、前記第1及び第2駆動手段を制御すると共に、
前記抽出された低周波のトルク指令値をも用いて、前記第1駆動手段を制御する、ことを特徴とする制御装置の制御方法。 - 請求項8記載の制御装置の制御方法であって、
前記生成されたトルク指令値から高周波成分を第1フィルタにより抽出するステップと、
前記生成されたトルク指令値から低周波成分を第2フィルタにより抽出するステップと、
を更に含み、
前記抽出された高周波のトルク指令値に対して、第1ゲイン(αV+βV/s)、および、第2ゲイン(γV+δV/s)を夫々乗算し、該トルク指令値を調整することで共振を相殺して、前記第1及び第2駆動手段を制御し、
前記抽出された低周波のトルク指令値に基づいて、前記第1駆動手段を制御し、
パラメータαV(0≦αV≦1)を調整し、該調整したパラメータαVに基づいてパラメータβV、γV、及びδVを下記式を用いて設定する、ことを特徴とする制御装置の制御方法。
- 請求項10又は11記載の制御装置の制御方法であって、
前記第1フィルタは、ハイパスフィルタ(1−F(s))であり、
前記第2フィルタは、ローパスフィルタ(F(s))である、ことを特徴とする制御装置の制御方法。 - 請求項11記載の制御装置の制御方法であって、
前記パラメータαVを設定後、該設定されたパラメータαVに基づいて前記第1及び第2フィルタのカットオフ周波数を調整し設定する、ことを特徴とする制御装置の制御方法。 - 請求項8乃至13のうちいずれか1項記載の制御装置の制御方法であって、
前記制御対象は、ロボットの関節部である、ことを特徴とする制御装置の制御方法。 - 制御対象を駆動する駆動側に設けられ、該制御対象をトルク伝達手段を介して駆動する第1駆動手段と、
前記制御対象側に設けられ、該制御対象を駆動する第2駆動手段と、を備える制御装置の制御プログラムであって、
前記第1及び第2駆動手段を駆動するためのトルク指令値を生成する処理と、
前記生成されたトルク指令値に対して、前記駆動側及び前記制御対象側の慣性係数、前記駆動側の粘性係数及び前記トルク伝達手段の減速比を含む第1ゲインを乗算し、前記トルク指令値に対して、前記駆動側及び前記制御対象側の慣性係数、前記制御対象側の粘性係数、及び前記トルク伝達手段の減速比を含む第2ゲインを乗算し、前記第1及び第2駆動手段に対する前記トルク指令値の比率を調整することで共振を相殺する処理と、
をコンピュータに実行させる、ことを特徴とする制御装置の制御プログラム。
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