JPH04286003A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はスカラ型ロボットの動作
を制御するロボットの制御方法に関し、特に複数のロボ
ットアームの関節部における弾性力に基づくアーム部の
振動を抑制するロボットの制御方法を提案することを目
的とする。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種のロボットの制御方法は図
４ないし図８に示すように比例・積分・微分（ＰＩＤ）
制御を用いてスカラ型ロボットを制御する方法がある。 このスカラ型ロボットは稼動範囲が広く、比較的安価な
ことから工場の組立作業に用いられる。

【０００３】このスカラ型ロボットは多関節型であり、
ロボットアーム先端の位置により２軸２１の関節角度θ
２　が変化し、それに応じて１軸１１の減速機（ハーモ
ニック・ドライブ；図示を省略）から見た先端のイナー
シャが変化する。一方、イナーシャＩが減速機のバネ定
数ｋと機構の共振周波数ｆとの間には以下の関係がある
。

【０００４】 　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｆ＝１／（２×
π）×（ｋ／Ｉ）１／２　　　　　　　　　　　…（１
）この関係から２軸２１の関節角度θ２　が０°に近づ
き１軸１１の減速機からロボットの先端迄の距離が伸び
ることによりイナーシャＩが増大すると共振周波数ｆが
下がり、機構としては共振し易くなる。それに対しロボ
ットの制御系は、一般的には各軸ごとに独立した制御が
行われており、高ゲインフィードバックをするために目
標角度と現在角度の偏差を基にしたＰＩＤ制御（図４及
び図５）が行われている。このようなＰＩＤ制御系のロ
ボットは、作業時間の短縮等の目的にあわせ応答性を向
上するためと、ロボットの持つ摩擦・非線型性に打ち勝
って停止時の位置精度を向上するために、Ｉ（積分）要
素のフィードバックゲインを大きくする方法が用いられ
ていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来のロボットの制御
方法は以上のように構成されていたことから、Ｉ（積分
）要素のフィードバックゲインが大きくなるとロボット
アームが共振した場合に、共振に基づく振動を継続させ
又は振動を増大させるという課題を有していた。即ち、
図９に示すようにＩ（積分）要素は振動を制御する作用
を有するＤ（微分）要素に対して逆位相であることによ
る。

【０００６】本発明は前記課題を解決するためになされ
たもので、ロボットアームの関節部の弾性力に起因する
振動を抑制することができるロボットの制御方法に関す
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】図１は本発明の原理説明
図である。同図において本発明に係るロボットの制御方
法は、複数のロボットアームが複数の関節軸で接続され
、当該ロボットアームの最先端にハンドを有する多関節
のスカラ型ロボットを、積分要素を含む制御系で制御す
るロボットの制御方法において、前記複数のロボットア
ームの動作前に前記ハンドの現在位置又は目標位置に対
する前記関節軸のうち第２軸以降の角度が予め定められ
た所定の閾値以下の場合に、前記積分要素のフィードバ
ックゲインを小さくする第１の工程と、前記第１の工程
後に複数のロボットアームを動作させ、前記ハンドの現
在位置における関節軸の角度が前記閾値以上の場合に、
前記積分要素のフィードバックゲインを大きくする第２
の工程とを備え、前記第１及び第２の各工程により現在
位置から目的位置までハンドを移動制御するものである
。

【０００８】

【作用】本発明においては、第１の工程で現在位置、目
標位置に対するロボットアームの角度が所定の閾値より
大きいか否かにより制御系に含まれる積分要素のフィー
ドバックゲインを小さくして動作させ、第２工程でロボ
ットアームの角度が閾値より大きいか否かによりフィー
ドバックゲインを大きくするようにしたので、多関節の
関節軸の弾性力に起因する振動及びこの振動によるロボ
ットの共振を極力抑制すると共に、振動を早期に減衰さ
せてロボットの高精度且つ高速性を保持する。

【０００９】さらに、具体的には現在位置と目標位置と
の位置偏差を基準としたＰＩＤ制御系において２軸の角
度を閾値として１，２軸各のＩ（積分）要素のフィード
バックゲインを小さく「０」にしたり元の値に戻すこと
により、ロボットの振動し易い領域における振動を減少
させることができる。その結果振動し易い領域での振動
の減衰を早くし静定時間を短くすることができるので、
作業時間の短縮を可能とする。また、先端に力覚センサ
を装着し力制御を行うときには振動が減少することによ
り力制御の押付け力の精度をあげることができる。また
振動の少ない領域においては通常のＰＩＤ制御に制御系
のダウンなしに戻ることができ、ロボットの高速性や位
置ぎめの高精度を保つことができる。

【００１０】

【実施例】（ａ）本発明の一実施例 以下、本実施例をスカラ型ロボットがＰＩＤ制御系で制
御される場合について図２ないし図７に基づいて説明す
る。この図２は本実施例のＰＩＤ制御系の動作フローチ
ャート、図３は本実施例の全体動作フローチャート、図
４は一般的なＰＩＤ連続系の制御ブロック図、図４は一
般的ＰＩＤ離散系の制御ブロック図、図５はＰＩＤ離散
系の制御ブロック図、図６はスカラ型ロボットの概略構
成図、図７は図６記載スカラ型ロボットの平面図を示す
。

【００１１】前記各図において本実施例制御方法は、図
２（Ａ）、（Ｂ）に示すように２軸２１の角度θ２　が
９０°の閾値より大きい値か小さい値かによりＰＩＤ制
御の制御系を変更するように制御する。前記２軸の角度
θ２が９０°以下の場合（図２（Ａ））には、図５記載
の制御ブロックにおいてモータ等の制御対象１６０の出
力ｙ（ｔ）をエンコーダ（図示を省略）で検出した検出
値ｙ（ｋ）がフィードバックループを介して入力される
（ステップ１−１）。この入力された検出値ｙ（ｋ）と
目標値ｒ（ｋ）との差を加算器１００で演算して誤差信
号ｅ（ｋ）（＝ｒ（ｋ）−ｙ（ｋ））を出力し、この誤
差信号ｅ（ｋ）を積分器１１２、比例器１２０及び微分
器１３１に入力する。前記積分器１１２の積分出力信号
ｗ（ｋ）を「０」として加算器１４０で前記比例器１２
０及び微分器１３１の各出力を加算して制御信号ｕ（ｋ
）＝ｋｐ　・ｅ（ｋ）＋ｋ０　｛ｅ（ｋ）−ｅ（ｋ−１
）｝を換算する（ステップ１−２）。この制御信号ｕ（
ｋ）をフィードバック回路を介して出力し（ステップ１
−３）、次のフィードバック制御のためにｋをｋ＋１に
インクリメントする（ステップ１−４）。

【００１２】前記２軸の角度θ２　が９０°以上の場合
（図２（Ｂ））には、図５記載の制御ブロックにおいて
前記図２（Ａ）と同様に検出値ｙ（ｋ）が入力される（
ステップ２−１）。さらに、この検出値ｙ（ｋ）と目標
値ｒ（ｋ）との差として得られる誤差信号ｅ（ｋ）が積
分器１１０、比例器１２０及び微分器１３０に入力され
る。この積分器１１０から積分出力信号ｗ（ｋ）＝ｗ（
ｋ−１）＋ｋＩ　・ｅ（ｋ）が出力されると共に、前記
積分器１１０、比例器１２０及び微分器１３０からの各
出力を加算器１４０で加算して制御信号ｕ（ｋ）＝ｗ（
ｋ）＋ｋｐ　・ｅ（ｋ）＋ｋＤ　｛ｅ（ｋ）−ｅ（ｋ−
１）｝を演算する（ステップ２−２）。さらに前記制御
信号ｕ（ｋ）を出力し（ステップ２−３）、ｋをｋ＋１
にインクリメントする（ステップ２−４）。

【００１３】さらに、図６、図７を参照して前記図３（
Ａ）、（Ｂ）の動作を詳述する。前記スカラロボットに
おいては、１軸１１の減速機の弾性に起因する共振周波
数ｆは２軸２１の角度θ２　とロボット先端のハンド５
と把持物の重量に依存する。よって、例えばロボットの
先端の重量が３ｋｇで２軸２１の角度θ２　、または直
線運動をするときの通過点での角度が９０°以下とな命
令を認識したら、この命令を実行する前に１軸１１と２
軸２１との各Ｉ（積分）要素のフィードバックゲインを
「０」にする。さらに、Ｉ（積分）要素のフィードバッ
クゲインを０にした時に、目標に対する２軸２１の角度
θ２　が９０°を超える場合にはその命令を実行し目標
に到達した時点で１軸１１と２軸１２との各Ｉ（積分）
要素フィードバックゲインを元の値に戻す。ここで１軸
１１だけでなく２軸２１のゲインも変更する理由は、１
軸１１の振動の影響で２軸２１が振動する事による。

【００１４】このゲインの切り換えにおいて、Ｉ（積分
）要素のフィードバックゲインを０にするときは全体の
フィードバックが弱くなるのでサーボ制御が制御量オー
バーフロー等の原因によりダウンすることはない。だが
、Ｉ（積分）要素のフィードバックゲインを０から元の
大きな値に戻すときは、それまでのＩ（積分）要素のフ
ィードバックゲインが０のためロボットの機構に摩擦等
がある場合に位置の偏差に定常偏差が残り、大きなＩ（
積分）要素のフィードバックゲインが掛かったときに制
御量のオーバーフローが発生し制御系がダウンすること
がある。そこで、Ｉ（積分）要素のフィードバックゲイ
ンを大きな値に変更する前に１，２軸１１，２１の各現
在角度と目標角度（支持角度）との間に差が存在する時
は、その差をバッファに記憶しておき目標角度を現在角
度の値に変更する。この時スカラ型ロボットではロボッ
トの静止時に１，２軸１１，２１の回転方向に重力等の
影響はないので現在地は変化せず目標との偏差は０とな
る。この状態でＩ（積分）要素のフィードバックゲイン
を大きくすれば制御系のダウンは発生しない。そしてゲ
イン変更後にバッファに記憶しておいた偏差分を関数発
生ソフト等を用いて目標値を段々に変化させ、真の目標
値に位置決めする。

【００１５】次に、本実施例制御方法の動作を図３及び
図５に基づいて説明する。まず、最初にＩ（積分）要素
のフィードバックゲインを予め定められたロボットの機
構に適合する所定値とし、このフィードバックゲインで
ロボット先端の重量を変化させた場合に、ロボットの振
動が継続する２軸の角度θ２　を測定する。この測定値
を表１に示す。

【００１６】

【表１】 ここで、ＰＩＤ制御系を構成する図５の演算プロセッサ
（ＤＳＰ）は、ロボットの目標値を図示を省略するパソ
コンから与えられ、この目標値を与えられたのちに現在
値と目標値と角速度・角加速度値とから速度カーブを決
定し、ディジタルサーボによりアームを制御する。

【００１７】スカラ型ロボットを角度モードで動かす場
合には、２軸の角度θ２　は現在値と目標値との間を動
くので、現在値と目標値とが閾値（例えば９０°）の同
じ側にあれば途中の経由点が閾値を越えることはない。 また直線モードで動かす場合にも、２本のロボットアー
ムでＸＹ平面の位置をきめる形状なので、２軸の角度θ
２　は現在値と目標値とが閾値（例えば９０°）より小
さい角度であれば途中に閾値より大きい角度になること
はあるが、閾値より大きくなったときにＩ（積分）要素
を大きくして振動し易くする必要はない。その理由は途
中の通過点では位置精度はそれほど必要ないからである
。

【００１８】前記現在値、目標値及び閾値の関係から本
実施例の動作を詳述する。まず、前記２軸のロボットア
ーム２２の１軸のロボットアームθ１２に対する現在値
の角度θ２Ａが閾値９０°より大きいか否かを判断する
（ステップ１０）。現在値角度θ２Ａが閾値９０°より
小さい場合には積分器１１０のフイードバックゲインを
「０」にして積分出力信号ｗ（ｋ）＝０として出力し（
ステップ２０）、さらに前記当初目標値の角度θ２Ｔが
閾値９０°より大きいか否かを判断する（ステップ３０
）。このステップ３０で当初目標値の角度θ２Ｔが閾値
９０°より小さいと判断された場合には、積分器１１０
のフィードバックゲインを変化させることなく目標値へ
ロボットアームを動作させる（ステップ４０）。

【００１９】前記ステップ３０で目標値の角度θ２Ｔが
閾値９０°より大きいと判断された場合には、目標値に
対してロボットアームを動作させ（ステップ４１）、前
記現在値の１軸角度θ１Ａ及び２軸角度θ２Ａと目標値
の１軸・２軸の各角度θ１Ｔ、θ２Ｔとの偏差を計算し
て記憶部（図示を省略）に記憶する（ステップ４２）。 前記当初の目標値の１軸・２軸の各角度θ１Ｔ、θ２Ｔ
に前記現在値の１軸・２軸の各角度θ１Ａ、θ２Ａを代
入して中間の目標値とする１軸・２軸の各角度θ１ｎＴ
　、θ２ｎＴ　とする（ステップ４３）。さらに、積分
器１１０でフィードバックゲインを乗算して積分出力信
号ｗ（ｋ）＝ｗ（ｋ＋１）＋ｋＩ　・ｅ（ｋ）を計算し
（ステップ４４）、この状態において当初の目標値の１
軸・２軸の各角度θ１Ｔ、θ２Ｔを目標として数サンプ
リング同期に分けて順次当初の目標値に近づくように、
途中の目標値を指示する（ステップ４５）。

【００２０】また、前記ステップ１０において、現在値
の角度θ２Ａが閾値９０°より大きい場合には所定のフ
イードバックゲインにより積分器１１０で積分出力信号
ｗ（ｋ）＝ｗ（ｋ−１）＋ｋＩ　・ｅ（ｋ）を計算し（
ステップ２１）、さらに前記当初目標値の角度θ２Ｔが
閾値９０°より大きいか否かを判断する（ステップ２２
）。このステップ２２の判断で当初目標値の角度θ２Ｔ
が閾値９０°より小さいとされた場合には積分器１１０
のフィードバックゲイン「０」として積分出力信号ｗ（
ｋ）＝０が出力され（ステップ２３）、当初の各目標値
θ１Ｔ、θ２Ｔへロボットアームを動かす（ステップ２
４）。

【００２１】前記ステップ２２の判断で目標値の角度θ
２Ｔが大きいと判断された場合には、フィードバックゲ
インを変更することなくそのまま当初の各目標値θ１Ｔ
、θ２Ｔへロボットアームを動作させる（ステップ２４
）。前記ステップ４３，４４，４５手順の中において到
着後にＩ（積分）要素のフィードバックゲインを元の値
に戻す手順は、単純に行うと制御系がダウンするので、
目標に到着後ロボットが静定した状態で、目標値θ１Ｔ
、θ２Ｔ、現在値θ１Ａ、θ２Ａに対し θ１ｅ＝θ１ｔ−θ１Ａ　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　…（２）θ２ｅ＝θ２ｔ−θ２Ａ　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　…（３）θ１ｅ：１
軸の位置偏差、θ２ｅ：２軸の位置偏差θ１ｅ、θ２ｅ
を求めて記憶する。その後、現在値の各角度θ１Ａ、θ
２Ａの値を当初の目標値の各角度θ１Ｔ、θ２Ｔに代入
する。演算ようのブロセッサではこの変更は１ｍｓ以内
には可能であり、重力等の影響のないθ１　、θ２　軸
では現在値が変動したりすることはない。これは、ロボ
ットのイナーシャが大きいので反応が追いつけない等の
理由によるものである。その後位置偏差が「０」になっ
たままでＩ（積分）要素を０から元の値に戻す。これは
サーボ制御をかける時と同じ処理であり、制御系がダウ
ンすることはない。その後最初の目標値と今の目標値の
差を段々と減らすように途中目標値を指示する。例えば
差が１００パルスあるときにはＩサンプリング毎に途中
目標値をθ１Ａ＋１０、θ１Ａ＋２０、θ１Ａ＋３０、
…θ１Ａ＋１００というように変化させ、サーボ制御が
ダウンしないように動かす。

【００２２】（ｂ）本発明の他の実施例前記実施例にお
いては２軸で連結動作する第１及び第２のロボットアー
ムを備える構成としたが、他の複数軸で連結動作する複
数のロボットアームを有するスカラ型ロボットを制御す
る場合についても適用することができる。前記実施例に
おいてはスカラ型ロボットをＰＩＤ制御系で制御する構
成としたが、ＰＩ制御系その他の積分要素を含む制御系
で動作制御する場合についても適用することができる。

【００２３】

【発明の効果】以上のように本発明においては、第１の
工程で現在位置、目標位置に対するロボットアームの角
度が所定の閾値より大きいか否かにより制御系に含まれ
る積分要素のフィードバックゲインを小さくして動作さ
せ、第２工程でロボットアームの角度が閾値より大きい
か否かによりフィードバックゲインを大きくするように
したので、多関節の関節軸の弾性力に起因する振動及び
この振動によるロボットの共振を極力抑制すると共に、
振動を早期に減衰させてロボットの高精度且つ高速性を
保持するという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理説明図である。

【図２】本発明の一実施例のＰＩＤ制御系の動作フロー
チャートである。

【図３】図２記載の実施例の全体動作フローチャートで
ある。

【図４】一般的なＰＩＤ連続系の制御ブロック図である
。

【図５】一般的なＰＩＤ離散系の制御ブロック図である
。

【図６】スカラ型ロボットの概略構成図である。

【図７】図６記載のスカラ型ロボットの平面図である。

【図８】従来のロボットの制御方法におけるＰＩＤ制御
系の動作フローチャートである。

【図９】従来のロボットの制御方法における課題説明図
である。

【符号の説明】

１…１軸のモータ ２…２軸のモータ ３…Ｚ軸のモータ ４…力覚センサ ５…ハンド １１…１軸 １２…１軸アーム ２１…２軸 ２２…２軸アーム ３１…Ｚ軸 ３２…Ｚ軸アーム １００，１４０…加算器 １１０…積分器 １２０…比例器 １３０…微分器 １５０…０次ホールド １６０…制限対象

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　複数のロボットアームが複数の関節軸
   で接続され、当該ロボットアームの最先端にハンドを有
   する多関節のスカラ型ロボットを、積分要素を含む制御
   系で制御するロボットの制御方法において、前記複数の
   ロボットアームの動作前に前記ハンドの現在位置又は目
   標位置に対する前記関節軸のうち第２軸以降の角度が予
   め定められた所定の閾値以下の場合に、前記積分要素の
   フィードバックゲインを小さくする第１の工程と、前記
   第１の工程後に複数のロボットアームを動作させ、前記
   ハンドの現在位置における関節軸の角度が前記閾値以上
   の場合に、前記積分要素のフィードバックゲインを大き
   くする第２の工程とを備え、前記第１及び第２の各工程
   により現在位置から目的位置までハンドを移動制御する
   ことを特徴とするロボットの制御方法。
2. 【請求項２】　　前記請求項１記載のロボットの制御方
   法において、前記第１及び第２の各工程におけるハンド
   の現在位置、目標位置における各関節軸の角度は複数の
   ロボットアームのうち第１のロボットアームと第２のロ
   ボットアームとのなす角度とすることを特徴とするロボ
   ットの制御方法。
3. 【請求項３】　　前記請求項１記載のロボットの制御方
   法において、前記第２の工程は第１の工程における積分
   要素のフィードバックゲインを小さくしたことにより生
   じる動作後の変位に相当する値だけ目標位置を変化させ
   て位置偏差を零とした状態で前記積分要素のフィードバ
   ックゲインを小さくする前の予め定められたフィードバ
   ックゲインに大きくすることを特徴とするロボットの制
   御方法。