JPH01136215A - 多関節ロボットのサーボ制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は多関節ロボットのサーボ制御方法に関し、特に
、リレー制御系にみられる滑り現象を活用して、アーム
の手先を目標軌跡通りに制御するようにしたものの改良
に関する。

（従来の技術） 従来より、多関節型ロボットの動作制御系は非線形、可
変パラメータ、干渉特性を含むため、制御は一般に簡単
でない。このため、各種の補償方法が考えられているが
、フィードフォワード制御、非干渉、線形化などの手法
はダイナミックス・パラメータの正確な把握を必要とす
る。また、モデル模範型などの適応制御はかなり複雑な
アルゴリズムが必要であり、学習による方法は望む出力
が得られるまでに数回の試行が必要で、リアルタイム制
御が困難である。

そこで、近年、歯車のないダイレクトドライブ方式の実
用化に伴い、リレー制御系の滑り現象を積極的に活用し
て、アームの手先位置を目標位置にすべり状態制御（Ｓ
　１１ｄｌｎｇ　　ｍｏｄｅ制御）する方法が提案され
ている。このすべり状態制御は、制御対象が状態空間内
に設定された超平面に拘束されたとき、超平面（切換え
面）の両側で制御装置パラメータが切換えられることに
より、制御対象が超平面の近傍で微少振動を繰返し、拘
束されることになる制御であり、制御対象パラメータ変
動、負荷の乱れ、外乱等に対して不感な安定性（ロバス
ト性）を特徴とするものである。

そして、多関節ロボットの動作制御にすべり状態制御を
適用する場合、サーボモータの出力トルクを切換関数で
決定する方法が一般的に採用されている。

（発明が解決しようとする問題点） ところで、上記すべり状態制御を採用した場合、各関節
のモータにおいて出力トルクそのものは電流フィードバ
ック等により正確に制御され得る。

しかし、他軸モータが発生するトルク、遠心力、コリオ
リカなどの影響があり、この影響は電流フィードバック
で除去することができないしたがって、上記従来のよう
なすべり状態制御により出力トルクを制御するだけでは
、ロボットを高精度で軌跡制御するのが困難であるとい
う問題がある。

本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その
目的は、すべり状態制御をフィードバック制御系に適用
することにより、他軸モータのからの作用、外乱、負荷
変動等の影響を低減し、良好な制御性を得ることにある
。

（問題点を解決するための手段） 上記目的を達成するため、本発明の解決手段は、多関節
ロボットのサーボ制御方法として、アーム手先が移動す
べき軌跡に基づく各関節の目標角度信号に応じて各関節
の角度をすべり状態制御するための切換信号を求めると
ともに、各関節の実関節角度をフィードバックして上記
アーム手先の軌跡に基づく目標角加速度との各加速度偏
差信号を求め、該角加速度偏差信号を上記切換信号に加
え合せた後、該加え合せた値に応じて各関節の駆動機構
を駆動して、アーム手先が目標軌跡に一致するように制
御することにある。

（作用） 以上の方法により、本発明では、アーム手先が移動すべ
き目標軌跡に基づき求められた各関節の目標角度信号に
基づき、各関節の角度をすべり状態制御するための切換
信号が求められる。また、上記アーム手先の軌跡に基づ
き求められた各関節の目標角加速度とフィードバックさ
れた実関節加速度との偏差が上記切換信号に加え合され
、この加え合わされた値に応じて多関節ロボットの各関
節の動作が制御される。

その場合、フィードバックされた各関節の角加速度と目
標角加速度との角加速度偏差信号を上記すべり状態制御
の切換信号に加え合せるようにしたいわゆる実関節角加
速度のフィードバック補償を行っているので、他軸モー
タからの干渉、あるいは外乱、負荷変動などの影響があ
っても、それらを打ち消すような角加速度偏差信号がフ
ィードバックされることになる。よって、すべり状態制
御における切換信号の不連続量を大きくすることなく他
軸モータの干渉等が低減され、ロバスト性を確保しなが
ら、制御応答性および軌跡制御精度の向上を図ることが
できる。

（実施例） 以下、本発明の実施例について図面に基づき説明する。

第１図は多関節ロボットに本発明を適用した場合の一関
節におけるブロック線図を示し、θｒ。

θ「、υ「はそれぞれロボットのアーム手先が移動すべ
き目標軌跡信号に基づいて目標関節角度計算器（図示せ
ず）から逐次出力される関節の目標角度信号、目標角速
度信号、目標角加速度信号である。

そして、（３）は関節側からフィードバックされる実関
節角度信号θと上記目標角度信号ｏｒとの代数差を演算
して角度偏差Ｘを算出する第１加え合せ点、（４）は該
角度偏差Ｘに角度ループゲインＣを乗じる角度ループゲ
イン要素、（５）は上記目標角速度信号θｒと実関節角
速度信号θとの代数差を演算して角速度偏差−文（−θ
「−θ）を算出する第２加え合わせ点、（７）は上記角
度ループゲイン要素（４）の乗算結果Ｃ−Ｘと上記角速
度偏差−文との代数差（Ｃ−Ｘ十文）を演算する第３加
え合せ点、（８）は該第３加え合せ点（７）の出力信号
（Ｃ−ｘ十文）をすべり状態で切換えるためのリレー回
路である。ここに、該すレー回路（８）において、その
入力信号ＺＷを切換関数としてすべり状態制御するよう
になされており、切換関数ｚｗは ＺＷ−Ｃ−ｘ十文　　　　　　　　　　　（１）で表わ
される。

ここで、上記切換関数ｚｗは下記のように設定されてい
る。

ｚｗ＞０　　ならば　２ＷくＯ ｚｗ＜０　　ならば　之Ｗ　＞　０　　　　　　（２）
あるいは、 ｚｗ＞０　　ならば　父＜−Ｃ−文 ｚｗ＜０　　ならば　父＞−〇・文　　　　（３）を満
足するように、つまり、 ２ｚｗ−２ｗ＜０　　　　　　　　　　　（４）になる
ように設計されている。すなわち、第２図に示すように
、状態点が切換線に収束していわゆるスライディングモ
ードに入るように設計されており、上記リレー回路（８
）により、角度偏差Ｘおよび角加度偏差文を零に収束さ
せるような切換関数ｚｗによるすべり状態制御を行って
、出力信号としての切換信号ｕ（ｕは切換関数ｚｗの値
によって変化する量である）を求めるようにしている。

一方、本発明の特徴として、関節部には実関節角加速度
をフィードバックする角加速度フィードバックループが
設けられていて、（１０）は上記目標角加速度信号υｒ
とフィードバックされた実関節角加速度信号υの代数差
を演算して角加速度偏差−父（−υｒ−υ）を算出する
第４加え合わせ点である。このとき、関節側からフィー
ドバックされる実関節角加速度υは、加速度計を用いる
方法、角速度を微分する方法、オブザーバを用いる方法
等により検出されるものであって、実関節角加速度信号
υには所定の検出誤差ｎが加重されているので、上記第
４加え合せ点（１０）から出力される信号値は−（父＋
ｎ）となる。

そして、（１１）は上記リレー回路（１１）からの切換
信号ｚｗと上記第４加え合せ点（１０）から出力される
角加速度偏差信号−（父子〇）との代数和を演算する第
５加え合せ点であって、下記出力信号 ＺＱ　”ｕ−父−ｎ（５） を出力するものである。

さらに、（１３）は上記第５加え合せ点（１１）からの
出力信号ＺＱに角加速度ループゲインＫａを乗じてトル
ク信号を算出する角加速度ループゲイン要素、（１４）
は該角加速度ループゲインから出力されるトルク信号に
応じて関節を回転駆動する駆動機構としてのモータ、（
１５）は該モータ（１４）の実関節角加速度信号υを積
分して関節の角速度θを得る第１積分要素、（１６）は
該第１積分要素（１５）の実関節角速度信号θを積分し
て実関節角度θを得る第２積分要素であり、該第２積分
要素（１６）の出力値である関節角度θがそれぞれアー
ムに入力され三次元座標に変換されるようになされてい
る。

図において、ロボットのアーム手先の速度計画にに基づ
き目標角速度信号θｒが出力されると、第２加え合せ点
（５）において、該目標角速度信号θ「と実関節角速度
信号θとの角速度偏差−文が演算される。また、第１加
え合せ点（３）において、目標角度信号θｒと実関節角
度信号θとの角度偏差Ｘが演算され、角度ループゲイン
要素（４）により、該角度偏差信号Ｘに角度ループゲイ
ンＣが乗じられて信号Ｃ−ｘが出力される。そして、第
３加え合せ点（７）で、上記第２加え合　。

せ点（５）の角速度偏差信号−文が減算され、その演算
結果ｚｗｃ＝ｃａｘ＋文）を切換関数としてリレー回路
（８）ですべり状態制御が行われて、切換関数ＺＷによ
る切換信号Ｕが出力される。

一方、第４加え合せ点（１０）で目標角速度信号υｒと
検出誤差ｎを含んだ実関節角加速度信号υとの偏差が演
算され、角加速度偏差信号−（父＋ｎ）が出力される。

そして、第５加え合せ点（１１）において、上記切換関
数ＺＷによるすべり状態制御による切換信号Ｕと角加速
度偏差信号−（父＋ｎ）との代数和が演算されて、最終
的に上記（５）式で示される制御信号ＺＱが出力され、
角加速度ループゲイン要素（１３）でトルク信号に変換
され、該トルク信号に応じてモータ（１４）が回転駆動
され、アーム手先が目標軌跡に一致するように多関節ロ
ボットの軌跡制御が行われる。

したがって、上記実施例では、目標角度信号θ「に基づ
いてモータ（１４）のすべり状態制御を行っているので
、安定なしかも強い拘束力を持ったロバストな制御を行
うことができる。

その場合、他軸モータで発生するトルク、遠心力、コリ
オリカなどの干渉、あるいは外乱、負荷変動の影響等が
あり、特に、応答性のよいダイレクトドライブモータの
場合などには、すべり状態制御のみでは、制御対象のモ
ータに所定の角加速度υを与えることができなくなるこ
とが生じ得る。

かかる状態を防止するには、すべり状態制御の切換時の
不連続量を大きく設定する必要があるが、あまり大きく
設定すると、過渡応答性や軌跡制御精度が損なわれる虞
れが生ずる。

それに対し、本発明では、関節の角加速度υをフィード
バックして目標角加速度υ「との偏差信号父を上記すべ
り状態制御の出力Ｕに加え合せるようにしたいわゆる実
関節角加速度υｒのフィードバック補償を行っているの
で、他軸モータからの作用などの影響があっても、それ
らを打ち消すような角加速度偏差信号父がフィードバッ
クされることになる。よって、すべり状態制御における
切換量を大きくすることなく他軸モータの影響等が低減
され、ロバスト性を確保しながら、制御応答性および軌
跡制御精度の向上を図ることができるのである。

なお、上記実施例においては、角度偏差Ｘおよび角速度
偏差文を零に収束させるような切換関数ｚｗ（−Ｃ−ｘ
十文）によるすべり状態制御を行っているので、角度誤
差つまり角度偏差Ｘがゲインの高いすべり状態制御で補
正されることになり、他軸モータで発生するトルク、遠
心力、コリオリカの干渉、外乱、負荷変動等の影響に対
して、よりロバストな制御ができるという効果がある。

（発明の効果） 以上に説明したように、本発明の多関節ロボットのサー
ボ制御方法によれば、各関節の目標角度信号に基づきす
べり状態制御を行うとともに、該すべり状態制御の出力
に対して角加速度のフィードバック補償を行うようにし
たので、すべり状態制御における切換量を大きくするこ
となく、他軸モータで発生するトルク、遠心力、コリオ
リカ等の干渉、外乱、負荷変動等の影響を低減すること
ができ、よって、ロバスト性を確保しながら、軌跡制御
の応答性および精度の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示し、第１図は多関節マニピュ
レータのうちの一関節の制御系を示すブロック線図、第
２図はリレー回路におけるすべり状態制御の切換特性図
である。 （８）・・・リレー回路、（１４）・・・モータ（駆動
機構） 特　許　出　願　人　ダイキン工業株式会社代　　　　
理　　　　人　　前　１）　　　弘　　　　５　！−１
０；

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）アーム手先が移動すべき軌跡に基づく各関節の目
   標角度信号に応じて各関節の角度をすべり状態制御する
   ための切換信号を求めるとともに、各関節の実関節角度
   をフィードバックして上記アーム手先の軌跡に基づく目
   標角加速度との各加速度偏差信号を求め、該角加速度偏
   差信号を上記切換信号に加え合せた後、該加え合せた値
   に応じて各関節の駆動機構を駆動して、アーム手先が目
   標軌跡に一致するように制御する多関節ロボットのサー
   ボ制御方法。