JPH0255803B2 - - Google Patents

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JPH0255803B2
JPH0255803B2 JP10630182A JP10630182A JPH0255803B2 JP H0255803 B2 JPH0255803 B2 JP H0255803B2 JP 10630182 A JP10630182 A JP 10630182A JP 10630182 A JP10630182 A JP 10630182A JP H0255803 B2 JPH0255803 B2 JP H0255803B2
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JP
Japan
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robot hand
arm
robot
servo motor
parameters
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JP10630182A
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Japanese (ja)
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JPS58222307A (en
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Shoichiro Hara
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00Programme-control systems
    • G05B19/02Programme-control systems electric
    • G05B19/18Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/416Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by control of velocity, acceleration or deceleration

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

本発明は関節型ロボツトの制御方法、特に数置
制御装置によつて制御され、自動加工或いは自動
組立を行なう関節型ロボツトの制御方法に関する
ものである。 近時、各種製造部門においては省力化或いは製
品の均一化が図られ、ロボツトを使用して機械加
工或いは組立てを行なうことが広く行なわれてい
る。 第1図には2自由度の関節型ロボツトのモデル
構成が示され、剛性体10には所定間隔離れて第
1アーム12と第2アーム14が回動自在に設け
られている。そして、第1アーム12の先端部B
には第3アーム16が、また第2アーム14の先
端部Dには第4アーム18がそれぞれ回動自在に
連結されており、この第3アーム16と第4アー
ム18の先端部Cによつて作業用のロボツトハン
ド20が保持されている。この結果ロボツトハン
ド20を保持する各アームの連結機構、すなわち
リンク機構がロボツトアームを形成し、このロボ
ツトアームの動作を規制することによりロボツト
ハンドの位置を制御することができる。 前記第1アームの基部Aには第1サーボモータ
22の駆動軸が連結されており、また第2アーム
14の基部Eには第2サーボモータ24の駆動軸
が連結されており、この第1第2サーボモータ2
2,24の駆動によりロボツトアームが所望の位
置に駆動操作され前記ロボツトハンド20の位置
および姿勢が制御される。 前記第1第2サーボモータ22,24は図示さ
れていない数値制御装置の指令によつて回転駆動
される。すなわち数値制御装置はロボツトハンド
20を動かす際の加速特性、減速特性、及び最高
速度を与えられたパラメータに基づいて数値制御
装置内の演算処理回路で演算し、この演算生成さ
れた指令速度曲線に位置のループと速度のループ
とを持つたサーボ系に基づくサーボモータ22,
24を追従駆動し前記ロボツトハンド20の位置
の制御が行なわれる。 この種の従来方法においてはロボツトハンドの
位置および姿勢を制御する指令速度曲線は数値制
御装置内での演算処理時間を短くし、さらに記憶
装置の容量を小さくするために機械系の慣性は一
定と見なし、モータの回転角度の大きさのみをパ
ラメータとして加速特性、減速特性、及び最高速
度が演算されていた。 しかしながら関節型ロボツトにおいて、サーボ
モータ22,24にかかる負荷慣性はロボツトア
ームの姿勢により大きく変動することとなり、負
荷慣性が小さくなる様なロボツトアームの姿勢に
おいてはサーボモータ22,24のパワーが十分
発揮できずこの為ロボツトハンドの動きが低速と
なり作業能率を高めることができないという欠点
があつた。 すなわちこの欠点は第1図に示す五節リンクロ
ボツトの運動方程式により次の様に理解される。
すなわち第1図において第1アーム12の基部と
第2アーム14の基部を結ぶ直線をx軸にとり、
この第1アーム12と第2アーム14との中間点
Oから垂線を引きこれをy軸とし、x軸と第1ア
ーム12との傾きをθ1、x軸と第2アーム14と
の傾きをθ2、x軸と第3アーム16との傾きを
θ3、x軸と第4アーム18との傾きをθ4とし、更
に各アームの長さを等しく形成する。そして第3
アーム16および第4アーム18の中間点P、Q
をそれぞれのアームの重心位置とし、P点の座標
をPx,Py、Q点の座標をqx、qy)としまた第1
サーボモータ22のトルクをT1同様に第2サー
ボモータ24のトルクをT2とすれば、この五節
リンクロボツトの運動方程式は(1)式に示す様にな
る。 Ti=Jiθ¨i+J3(Dθ3)∂θ3/∂θi+J4(Dθ4
∂θ4/∂θi+M3{(Dxp)∂xp/∂θi+(Dyp)∂yp
/∂θi} +M4{(Dxq)∂xq/∂θi+(Dyq)∂yq/∂θi
}+Mc{(Dxc)∂xc/∂θi+(Dyc)∂yc/∂θi}…
(1) ただし(1)式において、 i=1、2 { D=(θ¨1∂/∂θ1+θ¨2∂/∂θ2)+(θ〓∂
/∂θ1+θ〓2∂/∂θ22 M:アームの質量 J:アームの慣性モーメント である。 ここで第1サーボモータ22に対する慣性を
JM1、第2サーボモータ24に対する慣性をJM2
すると、 JM1=Ti/θ¨i ……(2) ただし(2)式において i=1、2 である。 前記(1)式によりTiはθ1,θ2,θ〓1、θ〓2、θ¨1
、θ¨2
関数であるので第2式から当然にJM1はθ1、θ2
θ〓1、θ〓2、θ¨1、θ¨2の関数となる。この結果サ
ーボモ
ータ22,24に対する負荷慣性の大きさはロボ
ツトハンドの位置、速度、加速度によつて変動す
ることが理解できる。 従来装置においてはこのJMiを一定と見なして
指令速度曲線を決定しており、この様な場合には
JMiの最大値を仮想の負荷慣性と見なさなければ
ならず、従つてJMiが小さくなる様なロボツトア
ームの姿勢においてはサーボモータ22,24が
出し得るパワーを十分に出し切つていない状態と
なり前述した様にロボツトハンドの移動速度が低
下するという欠点があつた。 本発明は前述した従来の課題に鑑み為されたも
のであり、その目的はロボツトアームの姿勢に係
わらずサーボモータのパワーを十分に発揮でき、
ロボツトハンドの高速制御を行なうことができる
関節型ロボツトの制御方法を提供することにあ
る。 上記目的を達成する為に本発明は所望の与えら
れたパラメータから演算生成される指令速度曲線
に基づいてサーボモータを駆動し作業用ロボツト
ハンドの姿勢および位置を制御する関節型ロボツ
トの制御方法において、ロボツトハンドの全作業
領域を複数の領域に小分割し、ロボツトハンドの
始点が属する領域と終点が属する領域との組合せ
ごとに指令速度曲線の演算パラメータをサーボモ
ータの負荷慣性変動の情報を加味して予め設定し
ておき、このパラメータを用いサーボ系への入力
となる速度指令曲線を演算し前記ロボツトハンド
の位置および姿勢を高速制御することを特徴とす
る。 以下図面および表に基づいて本発明の好適な実
施例を説明する。 本発明において特徴的なことはロボツトハンド
の全作業領域を複数の領域に小分割し、ロボツト
ハンドの始点が属する領域と終点が属する領域と
の組合せごとに指令速度曲線の演算パラメータを
サーボモータの負荷慣性変動の情報を加味して予
め設定しておき、このパラメータを用いサーボ系
への入力となる速度指令曲線を演算し前記ロボツ
トハンドの位置および姿勢を高速制御するように
構成したことである。 本実施例においてはロボツトハンドの作業全領
域を第2図に示す様にA1、A2、A3の3つの領域
に分割し、この作業領域内でロボツトハンドの始
点が属する領域と終点が属する領域との組合せご
とに表1に示す様に第1サーボモータ22に対す
る指令速度曲線および第2サーボモータ24に対
する指令速度曲線がそれぞれ数値制御装置によつ
て演算される。
The present invention relates to a method for controlling an articulated robot, and more particularly to a method for controlling an articulated robot that is controlled by a numerical controller and performs automatic processing or assembly. Recently, in various manufacturing departments, efforts are being made to save labor or make products uniform, and the use of robots for machining or assembly has become widespread. FIG. 1 shows a model configuration of an articulated robot with two degrees of freedom, in which a rigid body 10 is rotatably provided with a first arm 12 and a second arm 14 spaced apart from each other by a predetermined distance. Then, the tip end B of the first arm 12
A third arm 16 is rotatably connected to the distal end D of the second arm 14, and a fourth arm 18 is rotatably connected to the distal end D of the second arm 14. A robot hand 20 for working is held. As a result, the connecting mechanism of each arm holding the robot hand 20, that is, the link mechanism forms a robot arm, and by regulating the movement of this robot arm, the position of the robot hand can be controlled. A drive shaft of a first servo motor 22 is connected to the base A of the first arm, and a drive shaft of a second servo motor 24 is connected to the base E of the second arm 14. 2nd servo motor 2
2 and 24, the robot arm is driven to a desired position, and the position and posture of the robot hand 20 are controlled. The first and second servo motors 22 and 24 are rotationally driven by commands from a numerical control device (not shown). In other words, the numerical control device calculates the acceleration characteristics, deceleration characteristics, and maximum speed when moving the robot hand 20 using the arithmetic processing circuit within the numerical control device based on the given parameters, and applies the calculated command speed curve to the calculated command speed curve. A servo motor 22 based on a servo system having a position loop and a velocity loop,
The position of the robot hand 20 is controlled by following the robot hand 24. In this type of conventional method, the command speed curve that controls the position and orientation of the robot hand is created by using a constant inertia of the mechanical system in order to shorten the calculation processing time within the numerical control device and further reduce the capacity of the storage device. Acceleration characteristics, deceleration characteristics, and maximum speed were calculated using only the rotation angle of the motor as a parameter. However, in articulated robots, the load inertia applied to the servo motors 22, 24 varies greatly depending on the posture of the robot arm, and the power of the servo motors 22, 24 cannot be fully exerted when the robot arm is in a posture where the load inertia is small. As a result, the robot hand moves at a slow speed, making it impossible to increase work efficiency. That is, this drawback can be understood from the equation of motion of the five-bar link robot shown in FIG. 1 as follows.
That is, in FIG. 1, the x-axis is a straight line connecting the base of the first arm 12 and the base of the second arm 14,
A perpendicular line is drawn from the midpoint O between the first arm 12 and the second arm 14 , and this is the y-axis. θ 2 is the inclination between the x-axis and the third arm 16, θ 3 is the inclination between the x-axis and the fourth arm 18, and θ 4 is the inclination between the x-axis and the fourth arm 18, and each arm is formed to have the same length. and the third
Midpoints P and Q of arm 16 and fourth arm 18
is the center of gravity of each arm, the coordinates of point P are Px, Py, the coordinates of point Q are q x , q y ), and the first
If the torque of the servo motor 22 is T1 and the torque of the second servo motor 24 is T2 , then the equation of motion of this five-bar link robot is as shown in equation (1). T i =J i θ¨ i +J 3 (Dθ 3 )∂θ 3 /∂θ i +J 4 (Dθ 4 )
∂θ 4 /∂θ i +M 3 {(Dx p )∂x p /∂θ i + (Dy p )∂y p
/∂θi} +M 4 {(Dx q )∂x q /∂θ i + (Dy q )∂y q /∂θ i
}+Mc{(Dx c )∂x c /∂θi+(Dy c )∂y c /∂θ i }...
(1) However, in equation (1), i=1, 2 { D=(θ¨ 1 ∂/∂θ 1 +θ¨ 2 ∂/∂θ 2 )+(θ〓∂
/∂θ 1 +θ〓 2 ∂/∂θ 2 ) 2 M: Mass of arm J: Moment of inertia of arm. Here, the inertia for the first servo motor 22 is
J M1 and the inertia with respect to the second servo motor 24 is J M2 , J M1 = T i /θ¨ i ...(2) However, in equation (2), i = 1, 2. According to the above formula (1), Ti is θ 1 , θ 2 , θ〓 1 , θ〓 2 , θ〓 1
, θ¨ 2 , so from the second equation it follows that J M1 is a function of θ 1 , θ 2 ,
It is a function of θ〓 1 , θ〓 2 , θ¨ 1 , θ¨ 2 . As a result, it can be understood that the magnitude of the load inertia to the servo motors 22 and 24 varies depending on the position, speed, and acceleration of the robot hand. In conventional equipment, the command speed curve is determined by assuming that J Mi is constant.
The maximum value of J Mi must be regarded as the virtual load inertia, and therefore, in the posture of the robot arm where J Mi becomes small, the servo motors 22 and 24 are not able to fully output the power they can produce. Therefore, as mentioned above, there was a drawback that the moving speed of the robot hand decreased. The present invention was made in view of the above-mentioned conventional problems, and its purpose is to be able to fully exert the power of a servo motor regardless of the posture of the robot arm.
An object of the present invention is to provide a control method for an articulated robot that can perform high-speed control of a robot hand. In order to achieve the above object, the present invention provides a method for controlling an articulated robot that controls the posture and position of a working robot hand by driving a servo motor based on a command speed curve that is calculated and generated from desired given parameters. , subdivides the entire working area of the robot hand into multiple areas, and calculates the calculation parameters of the command speed curve for each combination of the area to which the robot hand's starting point belongs and the area to which the end point belongs, taking into account information on the load inertia fluctuation of the servo motor. The present invention is characterized in that the parameters are set in advance, and the position and attitude of the robot hand are controlled at high speed by calculating a speed command curve to be input to a servo system using these parameters. Preferred embodiments of the present invention will be described below based on the drawings and tables. The characteristic feature of the present invention is that the entire working area of the robot hand is subdivided into a plurality of areas, and the calculation parameters of the command speed curve are set for each combination of the area to which the robot hand's starting point belongs and the area to which the end point belongs. The system is configured so that the position and orientation of the robot hand are controlled at high speed by setting the parameters in advance by taking into account information on load inertia fluctuations, and using these parameters to calculate a speed command curve that is input to the servo system. . In this embodiment, the entire work area of the robot hand is divided into three areas A 1 , A 2 , and A 3 as shown in FIG. A command speed curve for the first servo motor 22 and a command speed curve for the second servo motor 24 are respectively calculated by the numerical control device as shown in Table 1 for each combination with the area to which it belongs.

【表】【table】

【表】 すなわち、本実施例において、表2に示すよう
に加速度の大きさα、減速度の大きさβ、定速領
域における最高速度の大きさvがサーボモータ2
2,24の負荷慣性変動の情報を加味して予め計
算され、これらの計算結果が数値制御装置の記憶
装置に演算パラメータとして記憶される。そして
この所定のパラメータから指令速度曲線Cが数値
制御装置内で演算されこの結果に基づいてロボツ
トハンドの位置の制御が行なわれる。
[Table] That is, in this embodiment, as shown in Table 2, the magnitude of acceleration α, the magnitude of deceleration β, and the magnitude of maximum speed v in the constant speed region are
The calculation results are calculated in advance by taking into account information on load inertia fluctuations No. 2 and 24, and the results of these calculations are stored as calculation parameters in the storage device of the numerical control device. Then, a command speed curve C is calculated in the numerical control device from these predetermined parameters, and the position of the robot hand is controlled based on this result.

【表】【table】

【表】 従つて本実施例によれば、指令速度曲線はロボ
ツトアームの各姿勢に応じてサーボモータのパワ
ーを最大限に発揮できる様に設定することが可能
であり、この為ロボツトアームの姿勢如何にかか
わらずサーボモータ22,24の出力パワーを十
分に活用でき、ロボツトハンドの位置の高速制御
を行なうことが可能である。 以上説明した様に本発明によれば、指令速度曲
線をサーボモータの負荷慣性変動の情報を加味し
てロボツトハンドの始点が属する領域と終点が属
する領域との組合わせごとに指令速度曲線の演算
パラメータを与える結果、ロボツトアームの姿勢
にかかわりなくロボツトハンドの姿勢及び位置を
高速に制御することが可能である。 なお、本実施例においては指令速度曲線の基本
形を台形速度曲線としたため加速度の大きさ、減
速度の大きか、定速領域における最高速度の大き
さ等を指令速度曲線を求めるためのパラメータと
して選定しているが、このパラメータは指令速度
曲線の特性を表わすものであれば他のパラメータ
を用いることも可能である。 また本実施例においてはロボツトハンドの作業
領域を3個の小領域に分割したが、数値制御装置
の記憶装置の容量に余裕があればさらに多くの小
領域に分割することが可能であり、この様にする
ことによりロボツトハンドの位置および姿勢のよ
り効果的な高速制御が可能となる。 さらに、本実施例においては、ロボツトハンド
の作業領域を位置だけの2次元領域の場合で示し
ているが、この作業領域をロボツトハンドの姿勢
を含む多次元領域に適用することが可能である。
[Table] Therefore, according to this embodiment, the command speed curve can be set to maximize the power of the servo motor according to each posture of the robot arm. Regardless of the situation, the output power of the servo motors 22 and 24 can be fully utilized, and the position of the robot hand can be controlled at high speed. As explained above, according to the present invention, the command speed curve is calculated for each combination of the region to which the starting point of the robot hand belongs and the region to which the end point belongs, taking into account the information on the load inertia fluctuation of the servo motor. As a result of providing the parameters, it is possible to control the posture and position of the robot hand at high speed regardless of the posture of the robot arm. In this example, since the basic shape of the command speed curve is a trapezoidal speed curve, the magnitude of acceleration, the magnitude of deceleration, the magnitude of the maximum speed in the constant speed region, etc. are selected as parameters for determining the command speed curve. However, other parameters may be used as long as they represent the characteristics of the command speed curve. Furthermore, in this embodiment, the work area of the robot hand is divided into three small areas, but if the storage device of the numerical control device has sufficient capacity, it is possible to divide it into even more small areas. By doing so, more effective high-speed control of the position and posture of the robot hand becomes possible. Further, in this embodiment, the working area of the robot hand is shown as a two-dimensional area containing only the position, but this working area can be applied to a multidimensional area including the posture of the robot hand.

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

第1図は関節型ロボツトのモデルを示す五節リ
ンクの構成図、第2図はロボツトハンドの全作業
領域の3分割状態を示す概略説明図である。 各図中同一部材には同一符号を付し、20はロ
ボツトハンド、22は第1サーボモータ、24は
第2サーボモータである。
FIG. 1 is a configuration diagram of a five-bar link showing a model of an articulated robot, and FIG. 2 is a schematic explanatory diagram showing a state in which the entire working area of the robot hand is divided into three parts. In each figure, the same members are given the same reference numerals, 20 is a robot hand, 22 is a first servo motor, and 24 is a second servo motor.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 所望の与えられたパラメータから演算生成さ
れる指令速度曲線に基づいてサーボモータを駆動
し作業用ロボツトハンドの姿勢および位置を制御
する関節型ロボツトの制御方法において、ロボツ
トハンドの全作業領域を複数の領域に小分割し、
ロボツトハンドの始点が属する領域と終点が属す
る領域との組合せごとに指令速度曲線の演算パラ
メータをサーボモータの負荷慣性変動の情報を加
味して予め設定しておき、このパラメータを用い
サーボ系への入力となる速度指令曲線を演算し前
記ロボツトハンドの位置および姿勢を高速制御す
ることを特徴とする関節型ロボツトの制御方法。
1. In an articulated robot control method that controls the posture and position of a working robot hand by driving a servo motor based on a command speed curve calculated from given desired parameters, subdivide into areas of
The calculation parameters of the command speed curve are set in advance for each combination of the area to which the robot hand's starting point belongs and the area to which the end point belongs, taking into account information on the load inertia fluctuation of the servo motor, and these parameters are used to calculate the calculation parameters for the servo system. A method for controlling an articulated robot, characterized in that the position and posture of the robot hand are controlled at high speed by calculating a speed command curve as an input.
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