JPH01171004A - Control device for robot - Google Patents

Control device for robot

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Publication number
JPH01171004A
JPH01171004A JP33149087A JP33149087A JPH01171004A JP H01171004 A JPH01171004 A JP H01171004A JP 33149087 A JP33149087 A JP 33149087A JP 33149087 A JP33149087 A JP 33149087A JP H01171004 A JPH01171004 A JP H01171004A
Authority
JP
Japan
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value
control
compensation
torque
arm
Prior art date
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Pending
Application number
JP33149087A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takahiko Kondo
近藤 隆彦
Fumio Noguchi
野口 文雄
Toshiyuki Ochiai
落合 寿幸
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shinmaywa Industries Ltd
Original Assignee
Shin Meiva Industry Ltd
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Publication date
Application filed by Shin Meiva Industry Ltd filed Critical Shin Meiva Industry Ltd
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Publication of JPH01171004A publication Critical patent/JPH01171004A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE:To compensate a mutual interference, to eliminate the need for a torque sensor and to improve a control accuracy by operating a compensation torque to compensate a torque due to the mutual interference between plural freedom degrees of a robot arm, giving a control input value to add the position compensation value in accordance with the compensation torque to a driving control system and compensating an orbit. CONSTITUTION:The title device is provided with a coordinate converter 1 to convert the target position of the end effector of a robot to a control target value at the local coordinate system of respective freedom degrees, a compensation torque computing element 2 to execute the interference compensation, a compensation torque converter 3 and a command position converter 4 to form a reference control input value deriving means to obtain the reference position command for the driving control of an arm. A position command value thetaref,i and a position compensation value DELTAthetaref,i are added by an adder 5 given to an arm position control system 10, and then, the forecasting control based on the motion equation of a robot arm is executed. Consequently, while the mutual interference of plural freedom degrees is compensated, the position control of respective servo motors 20 can be executed. For the arm position control system 10 used at such a time, an ordinary position control system can be used. Thus, the compensation of the mutual interference is executed, the torque sensor is made unnecessary and the control accuracy is improved.

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) この発明は予測制御によりロボットアームの軌道制御を
行なうロボットの制御装置に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Field of Industrial Application) The present invention relates to a robot control device that controls the trajectory of a robot arm by predictive control.

(従来の技術とその問題点) 第3図は従来のロボット制御装置を示すブロック図であ
る。図において、アーム位置制御系10はロボットアー
ムを駆動するサーボモータ20の制御を行なうための速
度・位置フィードバックを備えた位置IIJ御系であり
、1自由度当りの制御系を示したものである。アーム位
置制御系10は、位置指令値θ、。fと位置帰還値θ「
との差をとる減口器11と、減算器11の出力を増幅す
る増幅器12と、増幅器12の出力を一定周期毎に保持
するサンプルホールド回路(図中rs/1−(Jと略す
。)13と、サンプルホールド回路13の出力値V と
速度帰還値V、との差をとる減算器14と、減算器14
の出力を増幅してサーボモータ20に電流指令値I、を
与える増幅器15と、サーボモータ20の位置現在値θ
 を速度帰還値■。
(Prior art and its problems) FIG. 3 is a block diagram showing a conventional robot control device. In the figure, the arm position control system 10 is a position IIJ control system equipped with speed and position feedback for controlling the servo motor 20 that drives the robot arm, and shows the control system per degree of freedom. . The arm position control system 10 receives a position command value θ. f and position feedback value θ
an amplifier 12 that amplifies the output of the subtracter 11, and a sample hold circuit that holds the output of the amplifier 12 at regular intervals (rs/1- (abbreviated as J in the figure)). 13, a subtracter 14 that takes the difference between the output value V of the sample hold circuit 13 and the speed feedback value V, and the subtracter 14.
an amplifier 15 that amplifies the output of and provides a current command value I to the servo motor 20, and a current position value θ of the servo motor 20;
■The speed feedback value.

に変換する変換器16′と、位置現在値θ。を位置帰還
値θ、に変換する変換器17とを備えている。なお、図
中の増幅器12.15および変換器16’、17に示す
記@K  、Kv、に2.に3は、それぞれの比例ゲイ
ンを示している。また、ロボット制御装置全体は、複数
自由度のそれぞれに対応したサーボモータ20について
図に示すアーム位置制御系10をそれぞれ備えており、
個々のアーム位置制御系10に位置指令値θ  を与e
r えるため、エンドエフェクタの目標位行父を個々のサー
ボモータ20の位置(回転角)指令値θ、。
and a converter 16' for converting the current position value θ. and a converter 17 for converting the position feedback value θ into a position feedback value θ. Note that 2.2. and 3 indicate the respective proportional gains. In addition, the entire robot control device includes an arm position control system 10 shown in the figure for each of the servo motors 20 corresponding to each of the multiple degrees of freedom.
Give a position command value θ to each arm position control system 10.
In order to determine the target position of the end effector, the position (rotation angle) command value θ of each servo motor 20 is set.

、に変換する座標変換器1′を有している。ただし、目
標位置Xは、所定の目標軌道C上の位置である。
It has a coordinate converter 1' for converting into . However, the target position X is a position on a predetermined target trajectory C.

上記のようなアーム位置制御系10は、ロボットが1自
由度のみの場合には十分精度の良い位置制御が可能であ
る。しかし、ロボットが複数の自由度を有する場合には
各自由度の軸が相互に干渉するので、個々のアーム位置
制御系10にそれぞれの位置指令値θ  を与えるだけ
ではエンドエer フェクタを、目標軌道Cに沿って精度良く制御すること
が不可能であった。特に、近年盛んに用いられているダ
イレクトドライブモータは減速ギヤを用いておらず、負
荷側のトルク外乱がそのままモータの外乱となるので、
多軸の相互干渉によるモータのトルク外乱を補償する必
要性が高い。
The arm position control system 10 as described above is capable of sufficiently accurate position control when the robot has only one degree of freedom. However, if the robot has multiple degrees of freedom, the axes of each degree of freedom will interfere with each other, so simply giving each position command value θ to each arm position control system 10 will not move the end effector toward the target trajectory. It was impossible to precisely control along C. In particular, direct drive motors, which have been widely used in recent years, do not use reduction gears, and torque disturbances on the load side become disturbances to the motor.
There is a high need to compensate for motor torque disturbance due to mutual interference between multiple axes.

このような多軸干渉を補償するため、多軸相互間の運動
方程式を考慮した予測制御を行なうロボット制御装置が
従来から知られている。第4図はこのような予測制御を
行なうロボットの制御装置を示すブロック図である。図
に示す予測制御系はエンドエフェクタの目標位置Xを各
自由度毎の目標位置θ・、目標速度θiおよび目標加速
度θ1■ に変換する座標変換器1″と、座標変換器1″の出力を
受けてサーボモータ20へのトルク指令値τ、。fを演
輝するトルク演算器31と、サーボモータ20のトルク
を検出してトルク帰還値τ「を得るトルク検出器42と
、トルク指令値τ  とef トルク帰還値τ、との差をとる減算器43と、減算器4
3の出力を対応するトルク指令電流値I。
In order to compensate for such multi-axis interference, robot control devices that perform predictive control that takes into account equations of motion between multiple axes are conventionally known. FIG. 4 is a block diagram showing a robot control device that performs such predictive control. The predictive control system shown in the figure includes a coordinate converter 1'' that converts the end effector's target position In response, a torque command value τ to the servo motor 20 is given. A torque calculator 31 that calculates f, a torque detector 42 that detects the torque of the servo motor 20 and obtains a torque feedback value τ, and a subtraction that takes the difference between the torque command value τ and the torque feedback value τ. device 43 and subtractor 4
Torque command current value I corresponding to the output of 3.

に変換する変換器44(比例ゲインKt)を備えている
。この制御装置では、前記トルク指令電流値I、をサー
ボモータ20に与えることにより行なわれる制御が主要
なものであるが、さらに位置・速度フィードバックを行
うために第3図と同様なアーム位置制御系10’が設け
られている。トルク指令電流値Itと、位置・速度フィ
ードバックにより求めた電流指令値I、とは加算器45
で加算されてサーボモータ20に与えられる。このよう
なトルク指令値τ  に基づく位置制御系でef は、多軸相互の干渉力、遠心力、コリオリカ、重力等を
考慮した運動方程式に基づいてトルク演算器41が各サ
ーボモータ20に与えるべきトルク指令値τ  を演算
する。
It is equipped with a converter 44 (proportional gain Kt) for converting into . In this control device, the main control is performed by applying the torque command current value I to the servo motor 20, but an arm position control system similar to that shown in FIG. 3 is also used to perform position/velocity feedback. 10' is provided. The torque command current value It and the current command value I obtained by position/velocity feedback are calculated by the adder 45.
and is added to the servo motor 20. In a position control system based on such a torque command value τ, ef is the torque that should be given to each servo motor 20 by the torque calculator 41 based on an equation of motion that takes into account mutual interference force between multiple axes, centrifugal force, Coriolis, gravity, etc. Calculate the torque command value τ.

af ところが、サーボモータ2oは回転リップル。af However, the servo motor 2o has rotation ripple.

モータ鉄損、サーボモータ20内に組込まれているPW
M制御回路のトルク不感帯等に基づく非線型性が大きい
。従って、主要な指令値であるトルク指令電流値■1を
非線型性の大きなサーボモータ20に入力する制御系で
は精度良い制御が困難であるという問題があった。また
、正確なトルク帰還値τ「を得るために必要な精度良い
トルクセンサを得ることが難しく、それによって制御精
度に限界があるという問題もあった。
Motor core loss, PW built into the servo motor 20
There is significant nonlinearity due to the torque dead zone of the M control circuit. Therefore, in a control system in which the torque command current value (■1), which is a main command value, is input to the highly nonlinear servo motor 20, there is a problem that accurate control is difficult. Furthermore, it is difficult to obtain a highly accurate torque sensor that is necessary to obtain an accurate torque feedback value τ, and this poses a problem in that there is a limit to control accuracy.

(発明の目的) この発明は上記のような問題点を解決するためになされ
たもので、ロボットアームの複数自由度の相互干渉を補
償できるとともに、トルクセンサが不要でかつ制御精度
の良いロボット制御装置を得ることを目的とする。
(Purpose of the Invention) This invention was made to solve the above-mentioned problems, and it is possible to compensate for the mutual interference of multiple degrees of freedom of the robot arm, and to control the robot with high control accuracy without the need for a torque sensor. The purpose is to obtain equipment.

(目的を達成するための手段) この発明のロボット制御装置は、複数の自由度のそれぞ
れについて駆動手段が設けられるとともに、前記駆動手
段に対応して設けられた駆動制御手段に制御入力を与え
ることによってロボットのエンドエフェクタの軌道制御
を行なう装置として構成されており、この装置には、前
記アームの相互干渉を無視した場合に前記制御入力とし
て与えるべき基準制御入力値を、前記エンドエフェクタ
の所望の軌道から算出された前記アームの制御目標値に
基いて求める基準制御入力値導出手段と、前記干渉によ
って前記駆動手段の駆動状態に生ずる影響を補償するた
めに前記駆動手段が出力すべき一般化補償力の値を前記
制御目標値に基づいて求める一般化補償力導出手段と、
前記駆動手段に前記一般化補償力を出力させるために前
記制御入力として与えるべき制御入力補償値の値を求め
る制御入力補償値導出手段と、前記基準制御入力値と前
記制御入力補償値とを合成して前記駆動制御手段へ前記
制御入力として与える合成手段とが設けられている。
(Means for Achieving the Object) The robot control device of the present invention is provided with drive means for each of a plurality of degrees of freedom, and provides control input to the drive control means provided corresponding to the drive means. This device is configured as a device for controlling the trajectory of the end effector of a robot, and this device includes a reference control input value that should be given as the control input when mutual interference of the arms is ignored, and a desired value of the end effector. a reference control input value deriving means calculated based on the control target value of the arm calculated from the trajectory; and generalized compensation to be output by the driving means to compensate for the influence caused on the driving state of the driving means due to the interference. Generalized compensation force deriving means for calculating a force value based on the control target value;
control input compensation value deriving means for calculating a value of a control input compensation value to be given as the control input in order to output the generalized compensation force to the drive means; and synthesizing the reference control input value and the control input compensation value. and a synthesizing means for supplying the control input to the drive control means as the control input.

(実施例) A、ロボットの制御装置の構成 第1図は、本発明の一実施例によるロボットの制御装置
を示すブロック図である。図においてアーム位置制御系
10は第3図に示した従来のロボット制御装置における
アーム位置制御系10と同じものであるが、サーボモー
タ20を詳細なブロックで示している。すなわち、サー
ボモータ20は電流指令値I と電流帰還値I、との差
をとる減算器21と、減算器21の出力を増幅して電圧
□指令値■、とする増幅器22と、電圧指令値■、と電
圧帰還値vfとの差をとる差分器23と、サーボモータ
20の巻線24とを備えている。そして、サーボモータ
20の電流現在値■。はブロック25においてトルク現
在値τ。に変換される。
(Embodiment) A. Configuration of robot control device FIG. 1 is a block diagram showing a robot control device according to an embodiment of the present invention. In the figure, the arm position control system 10 is the same as the arm position control system 10 in the conventional robot control device shown in FIG. 3, but the servo motor 20 is shown as a detailed block. That is, the servo motor 20 includes a subtracter 21 that takes the difference between the current command value I and the current feedback value I, an amplifier 22 that amplifies the output of the subtractor 21 to obtain a voltage □ command value ■, and a voltage command value (2) and a voltage feedback value vf, and a winding 24 of a servo motor 20. And the current value of the servo motor 20 ■. is the current torque value τ in block 25. is converted to

また、電流現在値I。により発生するトルクτ。Also, the current current value I. The torque generated by τ.

はブロック26においてトルク外乱Δτが減算され、減
惇されたトルク(τ。−Δτ)は、ブロック27で速度
現在値θ。に変換される。速度現在値θ。はブロック2
8で位置現在値θ。へと変換される。また、サーボモー
タ20は、電流現在値1cを電流帰還値■、に変換する
変換器29と、速度現在値θ に基づく起電力を電圧帰
還値V。
is subtracted by the torque disturbance Δτ in block 26, and the reduced torque (τ.−Δτ) is converted to the current speed value θ in block 27. is converted to Current speed value θ. is block 2
8 is the current position value θ. is converted into. The servo motor 20 also includes a converter 29 that converts the current current value 1c into a current feedback value (2), and converts the electromotive force based on the current speed value θ into a voltage feedback value V.

とする変換器30とを備えている。また、以上の増幅器
22.ブロック25.変換器29.30はそれぞれ比例
ゲインK・、に、、に1.KBを有している。また、図
における巻線24の記号は巻線抵抗Rと巻線インダクタ
ンスLを示し、ブロック27の記号はモータのイナーシ
ャJを示している。
A converter 30 is provided. Moreover, the above amplifier 22. Block 25. The transducers 29, 30 have proportional gains K·, , , 1, respectively. It has KB. Further, the symbol of the winding 24 in the figure indicates the winding resistance R and the winding inductance L, and the symbol of the block 27 indicates the inertia J of the motor.

アーム位置制御系10の他の構成は前述の通りであり、
減算器11.増幅器12.サンプルホールド回路13.
減算器14.増幅器15.変換器16.17を備えてい
るとともに、増幅器12゜15および変換器17.18
はそれぞれ比例ゲインK  、K  、K  、に3を
有している。
The other configuration of the arm position control system 10 is as described above,
Subtractor 11. Amplifier 12. Sample hold circuit 13.
Subtractor 14. Amplifier 15. A converter 16.17 is provided, as well as an amplifier 12.15 and a converter 17.18.
have proportional gains K , K , and K , respectively, of 3.

V2 さらに、この実施例によるロボットの制御II装置では
、ロボットのエンドエフェクタの目標位置Xを各自由度
の局所座標系における目標位nθi。
V2 Furthermore, in the robot control II device according to this embodiment, the target position X of the end effector of the robot is set to the target position nθi in the local coordinate system of each degree of freedom.

らをまとめて「制御目標値」と呼ぶ。)に変換する座標
変換器1を備えている。この制御目標値θ。
These are collectively called the "control target value." ). This control target value θ.

θ、θのうち、目標位置θの値は指令位置変換器(アー
ムモータアンプ逆特性フィルタ)4に与えられる。この
指令位置変換器4は、複数の自由度(アーム)の相互の
干渉を無視して、目標位置θの値から、アームの駆動υ
制御のための基準制御入力値(具体的には、基準位置指
令値θ  、)をref、+ 求める基準制御入力値導出手段を形成している。
Of θ and θ, the value of the target position θ is given to the command position converter (arm motor amplifier inverse characteristic filter) 4. This command position converter 4 ignores the mutual interference of multiple degrees of freedom (arms) and calculates the arm drive υ from the value of the target position θ.
It forms a reference control input value deriving means for obtaining a reference control input value for control (specifically, a reference position command value θ,).

また、第1図の装置には、干渉補償のための補償トルク
演算器2と補償トルク変換器7とが設けられている。こ
れらのうち、補償トルク演算器2は、上記干渉によって
サーボモータ20の駆動状態に生ずる影響を補償するた
めの補償トルクΔτ(一般化補償力)の値を、制御目標
値θ、θ、θに基づいて求める一般化補償力導出手段を
形成している。
The apparatus shown in FIG. 1 is also provided with a compensation torque calculator 2 and a compensation torque converter 7 for interference compensation. Among these, the compensation torque calculator 2 converts the value of the compensation torque Δτ (generalized compensation force) for compensating the influence caused on the drive state of the servo motor 20 due to the interference into the control target values θ, θ, θ. A generalized compensating force deriving means is formed based on the above.

さらに、補償トルク変換器3は、サーボモータ20が補
償トルクΔτに相当するトルクを付加的に出すための位
置補償値Δθ  ・ (制御入力補ref、+ 1値)を求める制御人力補r!i値導出手段を形成して
いる。そして、基準位置指令値θ  、と位置ref、
+ 補償値へ〇  、とは、加算器5(合成手段)にref
、+ おいて加締(合成)され、アーム位置制御系10に制御
入力信号として与えられる。
Furthermore, the compensation torque converter 3 calculates a position compensation value Δθ · (control input compensation ref, +1 value) for the servo motor 20 to additionally output a torque corresponding to the compensation torque Δτ. It forms an i value deriving means. Then, the reference position command value θ, and the position ref,
+ To the compensation value〇 means that the adder 5 (synthesizing means)
, + are caulked (synthesized) and given to the arm position control system 10 as a control input signal.

B、ロボットアームの運動方程式 次に、上記のロボットの制御装置において、制御目標値
θ、θ、θから補償トルクΔτiを求めるための方程式
について説明する。
B. Equation of Motion of Robot Arm Next, an equation for determining the compensation torque Δτi from the control target values θ, θ, θ in the robot control device described above will be explained.

一般に、多自由度を有するロボットアームの方程式は、
ラグランシュの運動方程式により以下のように表わされ
る。
In general, the equation for a robot arm with multiple degrees of freedom is
It is expressed as follows using Lagranche's equation of motion.

・・・(1) ここで、τiは自由1iiの一般化力としてのトルク、
θ・、θにはそれぞれ自由度j、にの一般化変位として
の関節角を示す。また、ロボットはn個の自由度を有し
、1≦j≦nかつ1≦に≦nとする。また、記号上の点
(ドツト)は時間微分を示す。さらにHij、hijk
はそれぞれ自由度i。
...(1) Here, τi is the torque as the generalized force of freedom 1ii,
θ· and θ respectively indicate joint angles as generalized displacements in degrees of freedom j. Further, the robot has n degrees of freedom, and 1≦j≦n and 1≦≦n. Also, the dots on the symbols indicate time differentiation. More Hij, hijk
each has the degree of freedom i.

」又はi、j、にの組合せごとに定まる係数、0、は重
力項を示す。
” or the coefficient 0, which is determined for each combination of i and j, indicates a gravitational term.

なお、(1)式の右辺第1項は慣性力、第2項は遠心力
とコリオリカ、第3項は重力を表わす項である。
Note that the first term on the right side of equation (1) is a term representing inertial force, the second term is a term representing centrifugal force and Coriolis, and the third term is a term representing gravity.

この運動方程式によるトルクτiを、当該自由度iの自
己のみの慣性力τ1、とその他の干渉力(以下「補償ト
ルクJと呼ぶ。)Δτ・とに分割する。
The torque τi based on this equation of motion is divided into an inertial force τ1 of only the self of the degree of freedom i and another interference force (hereinafter referred to as “compensation torque J”) Δτ·.

=τ・・+Δτ、          ・・・(2)従
って、 τ・・=H・・θ・           ・・・(3
)+1111 以上の自己の慣性力τ・・と補償トルクΔτ1とのうら
、自己の慣性力τiiは、アーム位置制御系10に基準
位置指令値θ  ・を与えることによref、 + り実現される。但し、基準位置指令値θ  、とre(
+ して与えるべき値は、アーム位置制御系10の伝達関数
G(S)を考慮して決定する必要がある。
=τ・・+Δτ, ...(2) Therefore, τ・・=H・・θ・ ...(3
)+1111 In addition to the self-inertial force τ... and the compensation torque Δτ1, the self-inertial force τii is realized by ref, + by giving the reference position command value θ to the arm position control system 10. . However, the reference position command value θ, and re(
The value to be given as + needs to be determined in consideration of the transfer function G(S) of the arm position control system 10.

すなわち、アーム位置制御系10への入力が基準位置指
令値θ  、のみであり、出力が位置現在raf、+ 値θ。どなるとき、両者に次式の関係が成立つ。
That is, the input to the arm position control system 10 is only the reference position command value θ, and the output is the current position raf, + value θ. When yelling, the following relationship holds true between the two.

θ −G(S)θ、。fj        ・・・(5
)に れを変形して θ  、=    00        ・・・(6)
ref・’  G(S) このため、干渉を無視した状態で位置現在値θ を目標
位置θ・に一致させるには、θ0=θ、とじて(6)式
により求めたθ  、をアーム+          
     ref、+位置制御系10に与える必要があ
る。そこで、第1図に示す実施例では座標変換器1によ
って求められた目標位置θ、を、アーム位E fii制
御系10の伝達関数G(S)の逆特性を有する変換器(
アームモータアンプ逆特性フィルタ)4に入力すること
によって、位置指令値θ  ・を得ている。
θ −G(S)θ,. fj...(5
) by transforming Nire to θ, = 00...(6)
ref・' G(S) Therefore, in order to match the current position value θ with the target position θ・ while ignoring interference, θ0=θ, and θ calculated by equation (6), is set as arm +
ref, + must be given to the position control system 10. Therefore, in the embodiment shown in FIG. 1, the target position θ, determined by the coordinate converter 1, is converted to
The position command value θ is obtained by inputting it to the arm motor amplifier inverse characteristic filter) 4.

ref、+ 一方、補償トルクΔτiは、補償トルク演算器2によっ
て上記(4)式に基づいて求められる。また、これをア
ーム位置制御系10内部の増幅器12からブロック25
までの間の伝達特性に基づいて位置補償値Δθ  ・に
変換し、アーム位置制ref、 + 御系10に与えている。すなわち、サーボモータ20の
軸トルクに対する外乱としての補償トルクΔτiは、ア
ーム位置制御系10における位置指令値θ  、の外乱
としての位置補償値Δθref。
ref, + On the other hand, the compensation torque Δτi is determined by the compensation torque calculator 2 based on the above equation (4). Also, this is transmitted from the amplifier 12 inside the arm position control system 10 to the block 25.
The position compensation value Δθ is converted into a position compensation value Δθ· based on the transfer characteristics up to this point, and is provided to the arm position control system 10. That is, the compensation torque Δτi as a disturbance to the shaft torque of the servo motor 20 is the position compensation value Δθref as a disturbance to the position command value θ in the arm position control system 10.

ref、+ 、に単純換算でき、以下の式で表わされる。ref,+ It can be simply converted into , and is expressed by the following formula.

上記(7)式に基づいて、補償トルクΔτiを変換器3
により位置補這値へ〇  ・に変換する。
Based on the above equation (7), the compensation torque Δτi is set to the converter 3.
Convert to position supplementary value by .

re(+ 以上のようにして求められた基準位置指令値θ、。7.
1と位置補償値Δθ  ・を加剪器5によref、+ り加算してアーム位置制御系10に与えることにより、
上記(1)式で示した運動方程式を考慮した予測制御を
行うことができる。
re(+ Reference position command value θ obtained as above, 7.
1 and the position compensation value Δθ · by adding ref, + by the shearer 5 and giving it to the arm position control system 10,
Predictive control can be performed in consideration of the equation of motion expressed by equation (1) above.

C0水平2自由度ロボットにおける  1次に、上記の
予測制御を水平2自由度を有するロボットに適用した場
合について説明する。
First in a C0 robot with two horizontal degrees of freedom Next, a case will be described in which the above predictive control is applied to a robot with two horizontal degrees of freedom.

第2図は水平2自由度ロボットのロボットアームの機構
を示す図である。図において、第1と第2のアームA1
.A2はそれぞれモータM1.M2により駆動され、そ
の位置は回転角θ 、θによって規定される。また、第
2のアームA2の先端にはエンドエフェクタEが設けら
れている。
FIG. 2 is a diagram showing the mechanism of a robot arm of a horizontal two-degree-of-freedom robot. In the figure, the first and second arms A1
.. A2 is the motor M1. M2, and its position is defined by the rotation angles θ and θ. Further, an end effector E is provided at the tip of the second arm A2.

なお、第1と第2のアームA1.A2はそれぞれ質ff
i m 1 、 m 2および有効長l 、12を有す
るとともに、モータM、M、2のそれぞれの中心から各
アームA、A2の重心までのそれぞれの距離がS 、S
2であるものと仮定する。
Note that the first and second arms A1. A2 is quality ff
i m 1 , m 2 and effective length l , 12, and the respective distances from the respective centers of motors M, M, 2 to the centers of gravity of each arm A, A2 are S , S
Assume that 2.

第1と第2のモータM、M2でそれぞれ駆動される部分
についてのラグランシュの運動方程式は(1)式を用い
て次のように表わせる。
The Lagranche equation of motion for the parts driven by the first and second motors M and M2, respectively, can be expressed as follows using equation (1).

”1”H1tθ1+H12θ2 一2m  I  S  sinθ ・θ θ・θ  ・
・・(8) 第2 j!182  Sinθ22 τ =Hθ +H22θ2 4m  I  S   sinθ CO1−(9)21
2   ま ただし H11=m18″1 4m  <1′″+S+211S2CO5θ2)+ 1
1+ IH1+ 12         ・・・(10
)H=m  (S  +j!182  CO3θ、2)
+−12・・・(11) H22= m 2 S 2 + I 2       
  ・= (12)なお、■ 、■ はそれぞれ第1と
第2の7−ムA1.A2のそれらの重心に関する慣性モ
ーメント、I はモータM1のイナーシャであり、他旧 方のモータM2のイナーシャは第2およびI2に内に含
めている。なお、このロボットは水平2自由度であるた
め(1)式第3項の重力項は存在しない。
"1"H1tθ1+H12θ2 -2m I S sinθ ・θ θ・θ ・
...(8) 2nd j! 182 Sinθ22 τ =Hθ +H22θ2 4m I S sinθ CO1-(9)21
2 Matadashi H11=m18″1 4m <1′″+S+211S2CO5θ2)+1
1+ IH1+ 12...(10
)H=m (S +j!182 CO3θ, 2)
+-12...(11) H22= m 2 S 2 + I 2
・= (12) Note that ■ and ■ are the first and second 7-m A1. The moment of inertia of A2 with respect to their center of gravity, I, is the inertia of motor M1, and the inertia of the other motor M2 is included in second and I2. Note that since this robot has two horizontal degrees of freedom, the gravitational term in the third term of equation (1) does not exist.

(8)式、(9)式で示されるトルクτ 、τ をそれ
ぞれ自己のみの慣性力τ 、τ と補償トルりΔτ1.
Δτ2に分割する。まず、第1のモータM1て駆動する
部分については次のようになる。
The torques τ and τ shown in equations (8) and (9) are respectively replaced by the self-only inertia forces τ and τ and the compensation torque Δτ1.
Divide into Δτ2. First, the portion driven by the first motor M1 is as follows.

’r: 1= r 1すΔτ1      ・・・(1
3a)” 11=H11θ1          ・・
・(13b)Δτ =H12θ2 一2m   I   S   sinθ  ・θ  θ
−m  1  3   stnθ  ・θ・・・(13
c) なお、補償トルクΔτ1としては(13c)式で与えら
れるものに(10)式第2項の変動分を含めたものとし
てもよい。すなわち、 Δτ′=Δτ+2m  I  S  cosθ ・θ・
・・(13C’) を補償トルクとしてもよく、この場合には、(13b)
式の係数H11から上記変動分が取除かれる。つまり、
このときには、静的な干渉(すなわち、第2のアームA
2が存在すること自体による第1のモータM1への影Y
1)と、動的な干渉(第1と第2のアームA、A2が相
対運動することによる第1のモータM1への影響)の双
方が、補償トルクΔτ′1の中に含まれている。これに
対して、(13c)式の補償トルクΔτ1は、動的な干
渉のみを含んでいる。換言すれば、この発明において叫
、すべての干渉を分離する必要はない。
'r: 1=r1suΔτ1...(1
3a)" 11=H11θ1...
・(13b)Δτ =H12θ2-2m I S sinθ ・θ θ
-m 1 3 stnθ ・θ...(13
c) Note that the compensation torque Δτ1 may be given by equation (13c) including the variation in the second term of equation (10). That is, Δτ′=Δτ+2m I S cosθ ・θ・
...(13C') may be used as the compensation torque; in this case, (13b)
The above variation is removed from the coefficient H11 of the equation. In other words,
At this time, static interference (i.e., the second arm A
The shadow Y on the first motor M1 due to the existence of
1) and dynamic interference (the influence on the first motor M1 due to the relative movement of the first and second arms A and A2) are included in the compensation torque Δτ'1. . On the other hand, the compensation torque Δτ1 in equation (13c) includes only dynamic interference. In other words, it is not necessary to separate all interferences in this invention.

第2のモータM2で駆動される部分については次のよう
になる。
The parts driven by the second motor M2 are as follows.

τ2=τ22+Δτ2         ・・・(14
a)・・・(14c) 上記(13b)式と(i4b)式に示す各々のアームA
  、A  の自己のみの慣性力で 、τ についでは
、前記(6)式に従ってそれぞれの一面角θ1゜θ2を
アーム位置制御系10の逆特性で変換して基準位置指令
値θ  、を求め、これをアーム位ref、+ 置制御系10に与えればよい。すなわち、θ  “=□
θ・       ・・・(15)ゝ””  G(S)
  ’ ただし、i=1.2である。
τ2=τ22+Δτ2...(14
a)...(14c) Each arm A shown in the above formulas (13b) and (i4b)
, A's own inertial force, and τ are obtained by converting each plane angle θ1゜θ2 using the inverse characteristic of the arm position control system 10 according to the above equation (6), and calculating the reference position command value θ. It is sufficient to give the arm position ref, + to the position control system 10. That is, θ “=□
θ・・・・(15)ゝ””G(S)
' However, i=1.2.

また、アーム位置制御系10の伝達関数G(S)は次式
で表わされる。
Further, the transfer function G(S) of the arm position control system 10 is expressed by the following equation.

G (S)−に、KvK、に、/ (K、KvK、に、に3 + (KVKi K、に2 +に8に、)S+(R+に
、に1)JS  +JLS  )・・・(16) 特にディジタル制御を行なう場合には、(11)式をZ
変換した伝達関数G(Z、)を次のように表わすことが
できる。
G (S)-to, KvK, to, / (K, KvK, to, to 3 + (KVKi K, to 2 + to 8,) S+ (to R+, to 1) JS + JLS )... (16 ) Especially when performing digital control, equation (11) can be changed to Z
The converted transfer function G(Z,) can be expressed as follows.

・・・(11) ここで、mo、do−d3は定数である。従って、と表
わすことができる。ここでり、は定数である。
...(11) Here, mo and do-d3 are constants. Therefore, it can be expressed as Here, ri is a constant.

(18)式を(15)式に代入すれば次式となる。Substituting equation (18) into equation (15) yields the following equation.

これを時刻nにおけるサンプル値θ・ (n)で表■ わせば次式のようになる。This is expressed as the sample value θ・(n) at time n.■ In other words, the following formula is obtained.

θref、i (n)= 、;oo、e、 (n−1>
・・・(20) 従って、(20)式に基づいて変換器4により位置目標
値θ・を基準位置指令値θ  、に変換すれば、l  
        ref、 + それぞれの軸における自己のみの慣性力に対応した基準
位置指令値θ  ・を得ることができる。
θref, i (n)= , ;oo, e, (n-1>
...(20) Therefore, if the position target value θ is converted into the reference position command value θ by the converter 4 based on equation (20), then l
ref, + It is possible to obtain a reference position command value θ corresponding to the inertial force of only the self in each axis.

ref、 + 一方、補償トルクΔτ1に対応した位置補償値Δθ、。ref, + On the other hand, the position compensation value Δθ, corresponding to the compensation torque Δτ1.

(iを求めるには、まず補償トルク演算器2により(1
3c)式又は(14c)式に基づいてそれぞれのモータ
M、M2の補償トルクΔτiを演算する。次に、これを
(7)式に代入して位置補償値Δθ、。f、tを求めれ
ばよい。
(To find i, first use the compensation torque calculator 2 (1
Compensation torque Δτi of each motor M, M2 is calculated based on equation (3c) or equation (14c). Next, substitute this into equation (7) to obtain the position compensation value Δθ. All you have to do is find f and t.

特に、ディジタル制御を行なう場合には、(7)式をZ
変換して次式を得る。
In particular, when performing digital control, equation (7) can be changed to Z
Convert to obtain the following equation.

=1/K (1+NZ−1)・Δθ ref、i ・・・(21) ここで、■はサンプリング周期、K、Nは定数である。=1/K (1+NZ-1)・Δθ ref,i ...(21) Here, ■ is a sampling period, and K and N are constants.

これを時刻nのサンプル値Δτ、(n)で表わせば、次
式を得る。
If this is expressed as the sample value Δτ, (n) at time n, the following equation is obtained.

Δθ  ・ (n) ref、+ =に一Δr−(n)十KNΔr・ (n−1)・・・(
22) 従って、(22)式に基づいて変換器3により補償トル
クΔτ、を位置補償値Δθ  ・に変換すれ+    
      ref、 + ば、それぞれの軸における干渉力に対応した位置補償値
Δθ  ・を得ることができる。
Δθ ・ (n) ref, + = 1 Δr−(n) 10KNΔr・ (n−1)...(
22) Therefore, based on equation (22), converter 3 converts the compensation torque Δτ into a position compensation value Δθ ・+
ref, +, it is possible to obtain the position compensation value Δθ · corresponding to the interference force in each axis.

ref、 + 以上のようにして求められた位置指令値θ、。、。ref, + The position command value θ, obtained as described above. ,.

、と位置補償値へ〇  、を加算器5により加算+  
       ref、+ してアーム位置制御系10に与えれば、ロボットアーム
の運動方程式((1)式)に基いた予測制御を行なえる
。従って、複数自由度の相互干渉を補償しつつ各サーボ
モータ20の位置制御を行なえるので、エンドエフェク
タEの軌道制御を精度良く行なうことができる。また、
このとき用いるアーム位置制御系10は、通常の位置制
御系を用いることができるので、精密なトルクセンサが
不要であるという利点がある。
, and 〇 to the position compensation value are added by adder 5 +
By applying ref, + to the arm position control system 10, predictive control based on the equation of motion (formula (1)) of the robot arm can be performed. Therefore, since the position of each servo motor 20 can be controlled while compensating for mutual interference of multiple degrees of freedom, the trajectory of the end effector E can be controlled with high precision. Also,
The arm position control system 10 used at this time can be a normal position control system, which has the advantage of not requiring a precise torque sensor.

D、変形例 この発明は上記実施例に限定されるものではなく、次の
ような変形も可能である。
D. Modifications The present invention is not limited to the above embodiments, and the following modifications are also possible.

■上記実施例ではアーム位置制御系10には基準位置指
令値θ  、と位置補償値Δθ  ・をref、 + 
        ref、 +加算して入力することと
しているが、位置補償値Δθ、。(iの寄与は基準位置
指令値θ  ・に比raf、+ べて小さいので、基準位置指令値θ  ・を入力ref
、+ する頻度(例えば1μsに1回)に比べて位置補償値Δ
θ  ・を入力する頻度は少なくてもよいrer、 + (例えば3〜4μsに1回)。
■In the above embodiment, the arm position control system 10 has a reference position command value θ and a position compensation value Δθ ref, +
Although it is supposed to be input by adding ref, + position compensation value Δθ,. (Since the contribution of i is smaller than the reference position command value θ ・raf,+, input the reference position command value θ ・ref
, + compared to the frequency (for example, once every 1 μs) of the position compensation value Δ
The frequency of inputting θ· may be low (for example, once every 3 to 4 μs).

■サーボモータ20としてダイレクトドライブモータを
用いたロボットでは、複数自由度相互の干渉力がモータ
のトルクに影響しやすいので、この発明の効果が特に大
きいが、ダイレクトドライブモータに限らず、他のタイ
プのモータを使用している場合や、直動アクチュエータ
を駆動手段として含むロボットにも適用可能である。
■In robots that use a direct drive motor as the servo motor 20, the interference force between multiple degrees of freedom tends to affect the torque of the motor, so this invention is particularly effective; however, it is not limited to direct drive motors, and other types It is also applicable to robots that use a motor or a linear actuator as a driving means.

■上記実施例では水平2自由度を有するロボットへの適
用する例を示したが、これに限らず、−般の複数自由度
を有するロボットに適用できることはいうまでもない。
(2) Although the above embodiment shows an example in which the present invention is applied to a robot having two horizontal degrees of freedom, it goes without saying that the present invention is not limited to this and can be applied to any other robot having multiple degrees of freedom.

(発明の効果) 以上説明したように、この発明によればロボットアーム
の複数自由度間の相互干渉によるトルクを補償する補償
トルクを演算し、当該補償トルクに応じた位置補償値を
加味した制御入力値を駆動制御系に与えてエンドエフェ
クタの軌道を補償するようにしたので、複数自由度の相
互干渉を補償できるとともに、トルクセンサが不要でか
つ制御精度が良いという効果がある。
(Effects of the Invention) As explained above, according to the present invention, a compensation torque is calculated to compensate for torque due to mutual interference between multiple degrees of freedom of a robot arm, and control is performed in which a position compensation value corresponding to the compensation torque is added. Since the input value is given to the drive control system to compensate for the trajectory of the end effector, mutual interference of multiple degrees of freedom can be compensated for, a torque sensor is not required, and control accuracy is high.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の一実施例を示すブロック図、第2図は
本発明の一実施例を適用するロボットアームの構成を示
す図、 第3図及び第4図は従来のロボットの制御ll装置を示
す図である。 1・・・座標変換器、   2・・・補償トルク演算器
、3・・・補償トルク変換器、4・・・指令位置変換器
5・・・加算器、    10・・・アーム位置制御系
、20・・・サーボモータ
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a diagram showing the configuration of a robot arm to which an embodiment of the present invention is applied, and FIGS. 3 and 4 are conventional robot control lll. It is a figure showing an apparatus. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Coordinate converter, 2... Compensation torque calculator, 3... Compensation torque converter, 4... Command position converter 5... Adder, 10... Arm position control system, 20... Servo motor

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)複数の自由度を有するロボットのアームの各自由
度毎に設けられた駆動手段を、前記駆動手段に対応して
設けられた駆動制御手段に制御入力を与えることによつ
て駆動制御し、それによって前記ロボットのエンドエフ
ェクタの軌道制御を行なうロボットの制御装置であって
、 前記アームの相互の干渉を無視した場合に前記制御入力
として与えるべき基準制御入力値を、前記エンドエフェ
クタの所望の軌道から算出された前記アームの制御目標
値に基いて求める基準制御入力値導出手段と、 前記干渉によつて前記駆動手段の駆動状態に生ずる影響
を補償するために前記駆動手段が出力すべき一般化補償
力の値を前記制御目標値に基づいて求める一般化補償力
導出手段と、 前記駆動手段に前記一般化補償力を出力させるために前
記制御入力として与えるべき制御入力補償値の値を求め
る制御入力補償値導出手段と、前記基準制御入力値と前
記制御入力補償値とを合成して前記駆動制御手段へ前記
制御入力として与える合成手段とを備えることを特徴と
するロボットの制御装置。
(1) Drive control of a drive means provided for each degree of freedom of an arm of a robot having multiple degrees of freedom by giving a control input to a drive control means provided corresponding to the drive means. , a control device for a robot that controls the trajectory of an end effector of the robot, wherein a reference control input value that should be given as the control input when mutual interference of the arms is ignored is set to a desired value of the end effector. a reference control input value deriving means calculated based on the control target value of the arm calculated from the trajectory; and a general control input value deriving means that the driving means should output in order to compensate for the influence caused on the driving state of the driving means due to the interference. generalized compensating force deriving means for determining a value of a generalized compensating force based on the control target value; and determining a value of a control input compensation value to be given as the control input in order to cause the driving means to output the generalized compensating force. A robot control device comprising: a control input compensation value deriving means; and a composition means for synthesizing the reference control input value and the control input compensation value and supplying the synthesized result to the drive control means as the control input.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10329063A (en) * 1997-05-28 1998-12-15 Yaskawa Electric Corp Robot control device
CN102873685A (en) * 2012-10-10 2013-01-16 浙江环球滤清器有限公司 Mechanical error compensation method of robot

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