JPH01140310A - ロボットの制御方法 - 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、高速回転時にトルク減少特性を示すモータの
回転により関節を駆動するようにしたロボットの制御方
法に係り、特に移動時間の短縮対策に関する。

（従来の技術） 従来より、ロボットのアーム手先の運動を制御する方法
として、第９図に示すように、出発地点から所定時間の
間は速度Ｖをリニアに増加つまり加速度を一定の値に保
持する加速部（ａ）と、−定の速度に達するとその速度
を維持する定速部（ｂ）と、目標地点に近づくと速度を
リニアに減少つまり加速度を負の一定の値に保持する減
速部（ｃ）とからなる台形状の速度計画線図で表わされ
る速度計画を立案し、該速度計画に基づいてロボットの
アーム手先の運動を制御する方法は一般的に知られてい
る。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、上記従来の方法では、モータの種類によ
って、以下のような問題が生ずる。

例えば、第１図に示すようなトルクニーモータ角速度θ
特性を有するリアクタンス可変形のいわゆるＶＲ型ステ
ッピングモータの場合、高速回転ではトルクが減少する
特性を有し、回転速度がθＳからθＲ（θρ〉θＳ）に
上昇すると、モータのトルクはＴｓからＴＲ（ＴＲ＜Ｔ
Ｓ）に減少する。したがって、上記のような台形状の速
度計画線図を利用すると、高速運転時のトルクが不足し
て減速過程で振動を生ずる虞れがある。その一方、高速
運転時のトルクを十分大きくもたせるべく容量を大きく
設定すると、低速運転時には十分にその容量を利用でき
ず、無駄が生じると共に関節等の重量が大きくなる。さ
らに、そのような事態を回避しようとすると、加速度を
十分大きく設定できず目標値に到達するまでの時間が長
くな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、トルクの減少に見合った速度計画の変更を行うこ
とにより、モータの容量を十分活用してロボット動作の
高速化を図ることにある。

（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、高速回転
時にトルクが減少する特性を有する関節駆動用モータの
加減速制御により、ロボットの動作を制御するロボット
制御方法を対象とし、ロボットのアーム手先が移動すべ
き経路に対応して、加減速時における回転速度の変化を
上記モータの有する高速回転時のトルク減少特性に所定
の関数で近似させながらロボットの速度計画を立案し、
該速度計画に基づきモータの回転速度を調節して、アー
ム手先の運動を制御することにある。

（作用） 以上の方法により、本発明では、ロボットのアーム手先
の移動経路に対応して速度計画が立案され、該速度計画
に基づいてモータ（１８）の回転が調節されてロボット
の運動が制御される。

その場合、速度計画の加減速特性がモータ（１８）の高
速回転時におけるトルク減少特性に応じた所定の関数で
近似されているので、低速側では加速値を大きく高速側
では加速値を小さくしてモータ（１８）のトルク特性に
対応して設定されることになり、振動等の不安定状態の
発生を防止しながら、加減速に要する時間が短縮される
。さらに、モータ（１８）のトルク特性の有効利用によ
りモータ容量を小形化することができるに加えて、移動
距離の長短に拘らず一定のパターンで簡易に制御を行う
ことができ、ロボットの総合性能を向上させることがで
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４図は大関節マニピュレータの制御系に本発明を適用
した場合のブロック線図を示す。尚、各関節の信号伝達
系は互いに同一であるので、根元と手先の関節のみにつ
いて図示し、中間の関節については図示を省略している
。同図において、（Ｐ　Ｌ）は目標地点の設定信号に応
じて、ロボットのアーム手先の最適な速度計画を作成し
、該速度計画に基づく目的の手先軌跡信号を出力するプ
ランナ、（１）は該プランナ（Ｐ　Ｌ）の目的の手先軌
跡信号に基づいて各関節の目標関節角度信号θｒ＋、　
　θｒ６を逐次内挿演算して出力する目標関節角度計算
器、（２）は該目標関節角度計算器（１）の目標関節角
度信号θ「１．θｒ６を伝達関数１＋ｓ／Ｋｐ（ｓは制
御理論におけるラプラス演算子）で遅れを補償する遅れ
補償回路、（３）は上記遅れ補償回路（２）からの目標
関節角度信号θ′「１．θ′ｒ６と実関節角度θ１．θ
６との代数差を演算する第１加え合せ点、（４）は該第
１加え合せ点（′３）の演算結果θ′　・「ｌ−θ１、
θ′　・ｒ６−θ６に関節角度ループゲインＫｐを乗じ
る関節角度ループゲイン器、（５）は該関節角度ループ
ゲイン器（４）の乗算結果Ｋｐ（θ′　φｒ１−θ＋）
、Ｋｐ（θ／　’ｒ６−０６）と関節角速度１ｊ＋、ｌ
Ｊ６との代数差を演算する第２加え合せ点、（１０）は
該第２加え合せ点（５）の演算結果（以下切換え関数と
記す）Ｓ＋　−Ｋｐ（θ′　・「１−θ１）−〇＋　＋
　　Ｓｓ　’−Ｋｐ　　（θ′・「６−０６）−０６に
応じて出力Ｕが変化するショートステップリレーであっ
て、該ショートステップリレー（１０）はその枠内に図
示されるように、正側リニア部と、負側リニア部と、上
記両リニア部間で出力が非連続的に変化するステップ部
と、出力が一定の飽和正値となる定常正値領域と、出力
が一定の飽和負値となる定常負値領域とからなる信号を
、その出力平均値まわりに移動させた出力Ｕｌ、Ｕ６を
生成するものである。また、（１１）はモーター電流の
位相遅れを補償する補償回路、（１２）は制御信号ＴＪ
ＩＩＵｌｉと上記補償回路（１１）の出力信号Ｕｃｌ、
Ｕｃ６との代数和を演算して、最終的に後述のサーボモ
ータ（１８）を駆動するための目標電流値１．、Ｉ６を
算出する第３加え合せ点である。

次に、（１８）はコイルインダクタンスＬｌ。

Ｌ６．内部抵抗Ｒ１，Ｒ６，トルク定数Ｋｌ、に６を有
するＶＲ可変形のステッピングモータからなるサーボモ
ータであって、該サーボモータ（１８）は、第１図に示
すように、回転速度θに対して２次関数的にトルクが減
少するようなトルク特性を有している。また、（１４）
は、上記サーボモータ（１８）の目標電流値Ｉ＋＋１６
およびタコジェネレータ（ＶＳ）で検出されたサーボモ
ータ（１８）の回転速度（角速度）θ１．θ６に基づき
、ＰＷＭ方式により、サーボモータ（１８）を制御する
ためのパルス状制御信号を出力するマイクロコンピュー
タ、（１５）は該マイクロコンピュータ（１４）のパル
ス信号に応じて、サーボモータ（１８）の制御電流を出
力するトランジスタ装置である。

そして、（Ｆ）はアームの対応する関節の位置を制御す
る関節ダイナミックスであって、該関節ダイナミックス
（Ｆ）は、上記サーボモータ（１８）のトルクを関節の
角加速度７ｊ１．υ６に変換する慣性モーメント要素（
１９）と、該慣性モーメント要素（１９）の角加速度υ
１．υ６を積分して関節の角速度θ１．θ６を得る第１
積分要素（２０）と、該第１積分要素（２０）の角速度
θ１、θ６を積分して関節角度θ１．θ２を得る第２積
分要素（２１）とからなり、該各節２積分要素（２１）
の出力値である関節角度０１〜θ６はそれぞれアーム（
２２）に入力されて、三次元座標系（Ｘ、Ｙ、Ｚ’）に
変換されるようになされている。

ここで、本発明の特徴として、上記プランナ（Ｐ　Ｌ）
では、以下のようにして、基本的な速度計画が立案され
る。

すなわち、第５図に示すごとく高速回転側で２次関数的
にトルクが減少するようなトルクニー速度θ特性を有す
るモータ（１８）を使用する場合、トルクＴと角速度０
との関係を下記式 ０式％） （ただし、Ｔｏ、　ω０は、それぞれ特性曲線とＴ軸、
θ軸との交点における値、つまりトルクＴおよび角速度
θの最大値）で近似する。

ここに、 Ｔ−１−υ（Ｉは関節の慣性モーメント）であるから、
結局次の方程式 ％式％（２） を得る。上記微分方程式をθについて解くと、θ−Ｋ・
ωｏ−ｔ（１−に−ｔ／４）　　（３）（ただし、Ｋ＝
Ｔｏ／Ｉ・ω（＋、ｔは時間である）となる。

また、角加速度υは １ｊ−Ｋ・ωｏ　　（１−に−ｔ／２）　　　　　（４
１となる。

第６図は、上記（４）式による角速度θ−待時間の関係
を示し、ゼロ点を通って時間ｔが２／にの時に最大値を
とる放物線となる。

また、モータ（１８）のトルク特性が第７図実線に示す
ような場合、モータ（１８）のトルクＴと角速度θの関
係を近似的に直線とみなす（同図破線の直線）ことがで
きるので、下記直線関数θ−（ωｏ　／Ｔｏ　）　　（
Ｔｏ　−Ｔ）　　　　　（５）により、トルク特性を近
似する。すなわち、次の方程式 ％式％［６） を解くことになり、上記微分方程式をθについて解くと
、 θ−（ＩＪＯ（１−ｅｘｐ　　（−に−ｔ）　）　　　
　　（力を得る。

第８図は（７）式による角速度θ−待時間の関係を示し
、最終的に収束する値ω０に対して、時定数１／Ｋを有
するような立上がり特性を示すものとなる。なお、減速
時にも加速時の角速度θの変化特性をそのまま使用する
ようにしている。

以上のように、モータ（１８）のトルク特性に応じて、
放物線状、直線状等の関数により加減速成の角速度変化
特性を近似させて速度計画を立案するようにしている。

次に、第１図の特性を有するモータ（１８）について、
具体的に速度計画を立案する方法を説明するに、まず、
上記モータの特性から使用するべき最大角速度ωＷａＸ
を定め、その角速度ωｌａＸを定速部として選択する。

そして、モータ（１８）のトルク特性は放物線関数で近
似され角加速度υの減少率は一定であるから、その減少
率の値をｋとし角加速度υの初期値をａｏとすると、一
定角速度ωＷａＸに達するまでの時間τは、ｒ−２ωｍ
ａｘ　／ａｏ　　（２−ｋ）　　　　　　（８）となり
、角速度θの方程式は、 θ−ｋ　ａ　ａｏ　＊　ｔ２／２　ｒ＋ａｏ　・ｔ　　
　（９）となる。また、上記（９）式より、角加速度υ
は９ｍ−ｋ　＠ａｏ　＊　ｔ／ｒ＋ａｏ　　　　　　Ｇ
ｏ）となる。

つまり、を秒後の移動距離ｒ（ｔ）は １’（ｔ）＝　（−ｋａｏ／６）（ｔ”　／ｒ）＋（１
／２）ａｏ　ｔ２　　　　　　ＧＤとなって、一定速度
に達するまでの移動距離はｆ’（ｒ）−（−ｋａｏ／６
＋ａｏ／２）ｒ２０２）により求められる。すなわち、
第２図上図実線（１）に示すような放物線状の角速度θ
の変化特性と、図下図実線■に示すような角加速度υの
変化特性とが得られることになる。

また、減速時の角速度θの変化特性も、上記加速時と同
様の（つまり対称的な）パターンで得られる。

以上により、加速と減速のパターンを同じとすると、速
度計画に基づく基本的な速度線図が求まることになる。

その場合、全移動距離をｇとすると、ｇ≧２・ｆ（τ）
のときには角速度ｅが一定の定速部が存在し、第４図上
図に示すような角速度ｅが放物線状に増加する加速部（
Ａ）と、一定の角速度ωｌａｘを示す定速部（Ｂ）と、
角速度ｅが放物線状に減少する減速部（Ｃ）とからなる
速度計画線図となる。

ここで、定速部の期間ｔｃは ｔ　ｃ　＝　（ｆＩ−２・ｆ’（ｒ）　）　／ωｉａｘ
である。

一方、ｇ≦２・ｒ（τ）のときには速度が一定の定速部
が存在せず、第４図下図に示すような加速部（Ａ′）と
減速部（Ｃ′）とからなる速度計画線図となる。

したがりて、上記実施例では、ロボットのアーム手先の
移動する軌跡を算出するとき、従来のように角加速度υ
を一律に一定とするのではなく、モータ（１８）のトル
ク特性に応じ、トルクの変化特性に対応する関数で近似
した角速度変化を生ずるようにしているので、最適な速
度計画を立案することができる。従来のように、例えば
加速部の加速値を一定とする場合には、定速部つまり最
大角速度ωＩａＸ時におけるモータ（１８）のトルクＴ
の限界値から加速値が定まるので、第２図上図破線（１
）′のように小さな加速値に設定しなければならず、一
定速度ω＋ｍａｘに達するまでの時間が図中のτ′とな
る。それに対し、本発明では、加速時の角速度変化特性
をモータ（１８）のトルク特性に対応する所定の関数で
近似しているので、第２図（＋）に示すように、低速側
では加速値が大きく高速側では加速値が小さくなるよう
に変化することになり、一定角速度ωＷａＸに達するま
での時間を上記τ′よりも小さな値τに短縮することが
できる。また、高速回転側でトルクの減少に応じて回転
数が減することになり、振動等の不安定な状態を生ずる
ことがない。さらに、モータ（１８）のトルク特性の有
効利用により、モータ容量を小形化することができる。

加えて、従来の方法では、ロボットのアーム手先の移動
距離が短い場合、移動時間を短縮する目的で、加速値を
長距離時よりも大きく設定するなどの調節を頬繁に行う
必要があったが、本発明では、移動距離の長短に拘らず
一定のパターンをそのまま使用して速度計画を立案する
ことができ、簡易に制御を行うことができるなど、ロボ
ットの総合性能を向上させることができる。

なお、上記実施例では、モータ（１８）のトルク特性を
２次関数（放物線）で近似した場合について速度計画線
図の作成方法を説明したが、上記直線関数による近似の
場合や、その他モータ（１８）のトルク特性に応じた所
定の関数で近似した場合についても、基本的な速度計画
を立案して同様の効果を発揮することができる。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明のロボット制御方法によれ
ば、ロボットのアーム手先の運動を制御する場合、ロボ
ットのアーム手先が移動すべき経路に対応して、加減速
時における回転速度の変化をモータの有する高速回転時
のトルク減少特性に所定の関数で近似させて速度計画を
立案し、該速度計画に基づきモータの回転速度を加減速
制御するようにしたので、振動等の不安定状態の発生を
防止しながら移動時間の短縮、モータの小形化、制御の
簡易化などを図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第８図は本発明の実施例を示し、第１図はモー
タのトルク特性を示す図、第２図上図はモータのトルク
特性に対応した速度計画線図、第２図下図はその速度計
画線図に対応する加速度の変化特性図、第３図上図およ
び下図はそれぞれ定速部が存在するときおよび存在しな
いときの基本的な速度計画線図のパターンを示す図、第
４図は制御装置の全体構成を示すブロック図、第５図は
モータのトルク減少特性に応じた２次関数による近似の
説明図、第６図は放物線近似によるロボットの速度変化
特性図、第７図はモータのトルク減少特性に応じた直線
関数による近似の説明図、第８図は該直線近似によるロ
ボットの速度変化特性Ｌ″′Ｉである。第９図は従来の
方法による制御時の速度゛土面線図である。 （ｔ８）・・・サーボモータ、（２３）・・・サーボ制
御装置　（Ｐ　Ｌ）・・・プランナ。 ０”１′″ＪｉｉＡ　　７“−ｔ−＞　Ｉｍｎ：Ｅ＊ｉ
ｆ　、：。 代　　理　　人　　　　弁理士　前　１）　弘′パ４′
−二。 第７図 Ｕ 時間皇　　　　　第８図 第５図 第６図 山

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）高速回転時にトルクが減少する特性を有する関節
   駆動用モータの加減速制御により、ロボットの動作を制
   御するロボット制御方法であって、ロボットのアーム手
   先が移動すべき経路に対応して、加減速時における回転
   速度の変化を上記モータの有する高速回転時のトルク減
   少特性に所定の関数で近似させながらロボットの速度計
   画を立案し、該速度計画に基づきモータの回転速度を調
   節して、アーム手先の運動を制御することを特徴とする
   ロボットの制御方法。