JPH04352012A - ロボットの位置制御方法 - Google Patents
ロボットの位置制御方法Info
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- G05B19/251—Numerical 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 positioning or contouring control systems, e.g. to control position from one programmed point to another or to control movement along a programmed continuous path using an incremental digital measuring device for continuous-path control the positional error is used to control continuously the servomotor according to its magnitude
- G05B19/253—Numerical 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 positioning or contouring control systems, e.g. to control position from one programmed point to another or to control movement along a programmed continuous path using an incremental digital measuring device for continuous-path control the positional error is used to control continuously the servomotor according to its magnitude with speed feedback only
Abstract
め要約のデータは記録されません。
Description
又は直交ロボットの位置制御動作を、残留振動を防止し
つつ高速で行うことができるようにすると共に、離散時
間状態方程式によりロボットの加減速を実現し、サンプ
リング時間を減少させることによって、高精度の位置制
御を行うことのできるロボットの位置制御方法に関する
ものである。
ットの位置制御には、種々の方法が応用されていた。す
なわち、図1に示すごとき直線加減速方式が存在したが
、この方式は速度(V)対時間(t)の関係において、
0軸を中心としてロボットが台形波形で移動する際、ロ
ボットの移動方向が変更されるA,B,C,D点におい
て速度が不連続的となっているため、剛性のないロボッ
ト等に対する振動を生じさせる原因となり、ロボットの
移動位置を決定する時間が長くなるという欠点を有して
いた。
式は、加速時(B)の速度(V(t))はV(t)=V
max{1−exp(t/τ)}(τ;指数関数の時定
数)であり、毎サンプリング時間(Ts)ごとのモータ
の速度(V(Ts))は、V(Ts)=Vmax{1−
exp(Ts/τ}となり、この際のロボット位置(P
(Ts))は、P(Ts) = V(Ts) ・ Ts
= Vmax{1 − exp(Ts/τ)}・ T
s ・・・・・・・・・・・ (1)となり、減速
時のモータの速度(V(t))はV(t)=Vmax・
exp(−t/τ)となり、毎サンプリング時間ごとの
モータの速度(V(Ts))はV(Ts)=Vmax・
exp(−Ts/τ)となり、この際の位置(P(Ts
))は、P(Ts) = V(Ts) ・ Ts =
Vmax ・ exp (−Ts/τ}・ Ts ・
・・・・・・・・・・・・・ (2)となる関係上、
マイクロプロセッサにおいて毎サンプリング時間ごとに
加速又は減速の判別を行い、前記(1)又は(2)式を
用いて各軸ごとに計算を行わなければならないため、結
果としてはサンプリング時間が長くなり、位置径路の精
度に劣り位置制御システムが不安定となるという問題が
あった。
個の軸(4軸)を有する場合、各軸が共に出発して共に
終了されるようにして、軸の運動干渉により生ずるロボ
ット胴体の振動を防止するためには、図3に示すごとき
各軸の移動量(Vx(K),Vy(K))を利用して各
軸の速度分布を決めるべきであるが、前記速度分布を決
定するにはかなりの困難を伴っていた。
62−62363号の位置決め制御方式が存在するが、
この方式は可動部と座標上で移動させるモータから出力
されるタコパルスに基づいて前記可動部の現在位置を確
め、その結果にしたがって前記モータの駆動を制御して
前記駆動部を前記座標上の目標位置に位置決めする第1
の手段と、前記可動部が前記座標上の特定のチェックポ
イントを通過する際に前記タコパルスより広幅の位置信
号を前記座標上から読み取る第2の手段と、前記第2の
手段で読取られた位置信号の中間点を位置基準として、
前記第1手段における前記可動部の現在位置の認識結果
を修正させる第3の手段とを具備し、前記可動部がチェ
ックポイントを通過するたびに、前記第1の手段で認識
された前記可動部の現在位置と実際位置との差を補正す
るように構成されている。
、位置信号として比較的広幅の矩形パルスを用いること
により、制御精度が低下するという問題があった。
問題を解決するためになされたもので、この発明の目的
は指数関数を用いた加減速時、加速時との位置と減速時
の位置をマイクロプロセッサで毎サンプリング時間ごと
に計算せずに、離散時間状態方程式により指数関数的な
加減速を実現してサンプリング時間を減少させ、位置径
路の精度を向上せしめると共に、高速で位置制御を行う
ことのできるロボットの位置制御方法を提供することに
ある。この発明の他の目的は、ロボットの各軸が共に出
発し、共に目標位置に到達されるようにして、軸の運動
干渉による振動発生を防止できるロボットの位置制御方
法を提供することにある。
に、この発明によるロボットの位置制御方法は、各軸の
移動量を利用して最大移動量を決定し、加減速のない場
合毎サンプリングごとに移動されるパルス数により入力
パルスの回数を求める入力パルス回数計算ステップと、
前記入力パルスの回数から最大移動量を有する軸をの除
く軸の入力パルス数を求める軸の入力パルス計算ステッ
プと、各軸を離散時間状態方程式により、毎サンプリン
グ時間ごとの目標位置を演算し、各軸の現在位置を検出
し、位置偏差を計算して比例積、分微分制御を行う比例
積分微分制御ステップと、前記比例積分微分された制御
信号をサーボモータの駆動信号に出力するサーボモータ
の駆動信号出力ステップとからなり、サンプリン時間を
減少せしめ、位置径路の精度を向上せしめ、高速の位置
制御が可能となると共に、各軸が共に出発して共に目標
位置に到達可能となるようにすることを特徴とする。
述する。図4は、ロボットの各軸が毎サンプリング時間
ごとに移動すべきパルス数を示した波形図であり、図5
は、この発明の位置制御方法に用いられた位置制御シス
テム図を示したものであって、この発明で用いられた位
置制御システムを一つの軸についてのみ、示したブロッ
ク図である。
x,y,z,w)が毎サンプリン時間(Ts)ごとに移
動すべきパルス数を示したものであり、Vxmax,
Vymax, Vzmax, Vwmaxは各軸に取付
けられたモータの最高速度である。つまり、前記各軸の
毎サンプリング時間(Ts)ごとに移動すべきパルス数
と、モータの最高速度を用いて加速のない場合の毎サン
プリング時間ごとに移動すべきパルス数を計算すること
ができる。
を出力するマイクロプロセッサであり、(2)は前記マ
イクロプロセッサ(1)から出力されたディジタル値の
速度命令をアナログ値に変換するディジタル/アナログ
変換器(Digital/Analog conver
ter)であって、前記変換されたアナログ値を図示し
ないサーボドライバに入力し、サーボモータの正方向及
び逆方向に駆動する命令信号及び駆動速度信号を出力す
る。
流帰還信号(IX)が帰還されると共に、タコゼネレー
タ(5)が前記サーボモータ(4)の駆動速度により検
出された速度帰還信号(Vox)が帰還されると、この
電流帰還信号(IX)及び速度帰還信号(Vox)を用
いてサーボモータ(4)をサーボ制御するサーボ制御部
であり、(7)は前記サーボモータ(4)の回転数によ
りそれに該当されるパルス信号を出力するエンコーダ(
6)からのパルス信号をアップカウント又はダウンカウ
ントし、ロボットの現在位置が判断できるように、マイ
クロプロセッサ(1)に入力するアップ/ダウンカウン
タであり、(8)はロボットの現在位置を正確に判断で
きるように所定時間間隔で前記マイクロプロセッサ(1
)にインタラップトをかけさせるためのタイマである。
御方法においては、タイマ(8)が所定時間間隔でマイ
クロプロセッサ(1)にインタラップトをかけると、前
記マイクロプロセッサ(1)は前記タイマ(8)により
インタラップトがかけられる時ごとに、指数関数加減速
によるロボット各軸の位置増分量を計算して目標位置を
求め、エンコーダ(6)からのパルス信号をカウントし
たアップ/ダウンカウンタ(7)から入力された値を基
にロボットの現在位置を判断し、最終目標位置と現在位
置との差を求めた後、位置ループゲインを乗じてディジ
タル/アナログ変換器(2)に入力する。
入力されたディタル値は、アナログ値に変換されてサー
ボ制御部(3)に入力され、前記サーボ制御部(3)か
らサーボモータ(4)を正方向及び逆方向に駆動させる
命令信号及び駆動信号を出力すると、前記電流帰還信号
(IX)と共にタコゼネレータ(5)からの速度帰還信
号(Vox)が帰還され、サーボ制御部(3)に入力さ
れることによってこれを用いて、前記サーボモータ(4
)を自動制御するようになる。
発明のロボットの位置制御方法の動作順序を示すフロー
チャートであて、図6におけるSはステップ(段階)を
意味する。この発明は、ロボットの位置を制御するもの
であるため、この発明のロボットの位置の制御のための
機器が動作されると、先ず、ステップS1から各軸の位
置偏差(Px,Py,Pz,Pw)を求める。
位置でのロボットの駆動中の現在位置値を減らした値で
あるため、4軸(x,y,z,w)の位置偏差をX軸に
対してはPx,Y軸に対してはPy,Z軸に対してはP
wと規定し、夫々の軸に対する位置偏差(Px,Py,
Pz,Pw)を求めるのである。
差(Pmax)を求めるのであるが、前記最大位置偏差
(Pmax)はPmax=MAX{Px,Py,Pz,
Pw}−(3)で求められる。これにより、無加速の場
合サンプリング時間ごとに移動すべきパルス数(fi)
の計算が可能であり、例えば、モータの最高速度(Wm
ax)を3,000rpmであるとし、エンコーダ(6
)のパルス数(P)を1,000パルス/回転、タイマ
(8)によるインタラップト周期、つまり、サンプリン
グ時間(Ts)を1msecと仮定すれば、上記無加速
の場合のサンプリング時間ごとに移動すべきパルス数(
fi)は、(ここで、Tは時間である)の公式により=
3000rpm/60sec×1000パルス×1×1
0−3sec fi=3000rpm/60sec×1000パルス×
1msec =50パルス(pulse)となる。
サンプリング時間は固定値であるため、結局、前記無加
速の場合のサンプリング時間ごとに移動すべきパルス数
(fi)が変化するためには、モータ(4)の最高速度
(Vmax)を変更させてこそ可能であり、サンプリン
グ時間(Ts)及びエンコーダ(6)のパルス数(P)
変更も不可能でないことはもとよりである。
動すべきパルス数(fi)が求められたため、ステップ
S3からは無加速の場合のサンプリング時間ごと移動す
べきパルス数(fi)の回転(N)を求め、この回数(
N)は前記ステップS2から求められた最大位置偏差値
(Pmax)を前記無加速の場合のサンプリング時間ご
とに移動すべきパルス数(fi)で除することによって
求められる。
サンプリング時間ごとの各軸の移動パルス(fix,f
iy,fiz,fiw)を求め、ここで、前記ステップ
S2から求められた最大位置偏差(Pmax)とX軸の
位置偏差(Px)とが同一であると仮定すれば、(Pm
ax=Px)、夫々の軸に対する無加減速の場合サンプ
リング時間ごとの移動パルスは、X軸に対するfiy=
fi、Y軸に対するFiy=Py/N、Z軸に対するF
iz=Pz/N、Wに対するFiw=Pw/Nとなる。
=4321パルス Py=3214パルス Pz=2413パルス Pw=1234パルスの場合 無加速の場合のサンプリング時間ごとの移動パルス(F
i)の回数(N)は、N=4321/50=86+21
=Qx+RxとなってN=86となる。 となる。(ここでQx,Qy,Qwは整数値、Rx,R
y,Rz,Rwは小数点以下値である)。
X,Y,Z,W軸がサンプリング時間ごとに移動すべき
夫々のパルス数(Fix,Fiy,Fiz,Fiw)は
夫々Fix=86,Fiy=37,Fiz=29,Fi
w=14であり、第87番目には夫々fix=21,f
iy=32,fiz=19,fiw=29であり、第8
8番目からのX,Y,Z,W軸の移動すべきパルス数(
fix,fiy,fiz,fiw)は0(Zero)で
ある。これにより、ステップS6からは下記式を用いて
各軸の位置増分量を求める。すなわち、 x軸の
位置増分量 fox(k+1) = fox(k)+
[fix(k+1)−fox(k)]/A y軸
の位置増分量 foy(k+1) = foy(k)
+[fiy(k+1)−foy(k)]/A −(6
) z軸の位置増分量 foz(k+1) =
foz(k)+[fiz(k+1)−foz(k)]
/A w軸の位置増分量 fow(k+1)
= fow(k)+[fiw(k+1)−fow(k)
]/Aにより各軸の位置増分量を求めるのである。
・のため、ステップS5から上記各軸の位置増分量を求
める公式のK値に0を代入すると、 fox(
0) = foy(0) = foz(0) = fo
w(0) = 0 である。前記ステップS6からの各
軸の位置増分量を求めると、図3に示すような指数関数
加減速状の速度曲線が得られる。
する常数Aは、指数関数速度曲線の時定数を調整するた
めの常数であり、常数A値が、大きいすぎると、時定数
が大となり、加減速時間が長くなり、常数のA値が小さ
すぎると、時定数が小となって加減速が短くなるため、
加減速時間を適宜調整するために、前記常数A値はサー
ボモータ(M)に取付けられた機械系の特性により適宜
選ばれる。また、ロボットの正確な位置径路が計算でき
るように、前記各軸の位置増分量の計算結果から得られ
た小数点以下値をステップS7から補正し、前記ステッ
プS7の小数点以下値の補正は下記のように処理する。
点において、 であれば fo(k) ← fo(k)+1fo(
k) ← fo(k)
k) ← fo(k)
数点以下の値に対し補正を行った後、ステップS6から
求められたサンプリング時間ごとの各軸(x,y,z,
w)の位置増分量を用いてステップS8からはサンプリ
ング時間ごとの各軸に対する任意のK時点におけるロボ
ット駆動目標位置を求める。
(Px(k),Py(k)、Pz(k),Pw(k)は
、
との各軸に対するK時点における目標位置が求められた
ため、K時点における位置偏差(目標位置−現在位置)
を求めるために、ステップS9に進んで、 x軸
に対する位置偏差 = Px(k) − Cx
(k) y軸に対する位置偏差 = Py(
k) − Cy(k) z軸に対する位置偏
差 = Pz(k) − Cz(k)
−(8) w軸に対する位置偏差 = Pw
(k) − Cw(k)によって位置偏差を求める
。(ここで、Cx(k),Cy(k),Cz(k),C
w(k)は、任意のK時点で各軸ごとにアップ/ダウン
カウンタ(7)からマイクロプロセッサ(1)に入力さ
れた値を読取ったロボットの現在位置値を意味する)。
の位置偏差が求められたため、S10に進んで前記ステ
ップS9から求められたK時点における各軸の位置偏差
に比例積分微分(PID:Proportional
Integral Differential)制
御を行い、下記式のように計算する。
ut,Dwoutは、各軸のディジタル/アナログ変換
機( 比例積分微分(PID)はロボットの運動状態が最適と
なるように決定する。従って、前記比例積分微分された
値Dxout(k),Dyout(k),Dzout(
k),Dwout(k)をディジタル/アナログ変換機
(2)に出力すると、前記ディタル/アナログ変換機(
2)によりアナログ値に変換された値がサーボ制御部(
3)に入力され、正確に計算された駆動制御値に従って
モータ(4)を駆動させる。
おけるロボットの目標位置を求めるために、K+1値を
式(7)のKに代入後、ステップS12に進んでK値の
無加減速の場合のサンプリング時間ごとの移動パルス(
Fi)回数(N)と同一であるかどうかを判断し、同一
の場合(yesの場合)にはステップS13から無加速
の場合のサンプリング時間ごとの移動パルス(Fi)回
数を求めることにより、得られた各軸の小数点以下の値
(Rx,Ry,Rz,Rw)を各軸ごとの移動パルス(
Fix,Fiy,Fiz,Fiw)に代入して求め、ス
テップS14ではKの値がサンプリング時間ごとの移動
パルス(Fi)の回数(N)より大であるかを判断し、
大きい場合(yesの場合)にはステップS15に進ん
で各軸ごとの移動パルス(Fix,Fiy,Fiz,F
iw)に0を代入して計算し、ステップS16から最終
目標位置であるかを判断する。
ると判断された場合(yesの場合)には、ロボットの
駆動が終了され、最終目標位置でない場合(NOの場合
)には、ステップS6に復帰し次後の動作を繰り返す。 一方、前記ステップS12でKの値がサンプリング時間
ごとの移動パルス(Fi)回数と同一でない場合(K≠
N,NOの場合)には、直接ステップS16に進んで一
先ずロボットの最終目標位置であるかを判断し、前記ス
テップS14でKの値がサンプリング時間ごとの移動パ
ルス(Fi)回数(N)より大きくない場合(NOの場
合)には、これも同じく直接ステップS16に進んでロ
ボットの最終目標位置であるかを判断する。
制御方法によれば、指数関数加減速により各軸を駆動さ
せ、離散時間状態方程式によりサンプリング時間ごとの
目標位置を演算するため、位置径路の精度が良好になり
、振動のない高速制御が可能となるのみならず、各軸が
共に出発し共に駆動終了されるため、軸の運動干渉によ
り生ずる振動を減少できるという優れた効果を有する。
減速方式を示すグラフである。
数加減速方式を示すグラフである。
すべきパルス数を示す波形図である。
た位置制御システム図である。
を示すフローチャートの前半部である。
を示すフローチャートの後半部である。
Claims (4)
- 【請求項1】 各軸の移動量を利用して最大移動量を
決定し、加減速のない場合毎サンプリングごとに移動さ
れるパルス数により入力パルスの回数を求める入力パル
ス回数計算ステップと、前記入力パルスの回数から最大
移動量を有する軸を除く軸の入力パルス数を求める軸の
入力パルス計算ステップと、各軸を離散時間状態方程式
により、毎サンプリング時間ごとの目標位置を演算し、
各軸の現在位置を検出し、位置偏差を計算して比例積分
、微分制御を行う比例積分微分制御ステップと、前記比
例積分微分された制御信号をサーボモータの駆動信号に
出力するサーボモータの駆動信号出力ステップとからな
ることを特徴とするロボットの位置制御方法。 - 【請求項2】 前記サンプリング時間は、タイマによ
りインタラップトされる時間に連関され、所定値を有す
ることを特徴とする請求項1に記載のロボットの位置制
御方法。 - 【請求項3】 前記加減速のない場合の毎サンプリン
グ時間ごとに移動されるパルス数は、モータの最高速度
を変更させることによってのみ変化されることを特徴と
する請求項1に記載のロボットの位置制御方法。 - 【請求項4】 前記比例積分微分ゲインは、ロボット
の運動状態が最適となるように決定され、ディジタル/
アナログ変換機によりアナログ信号に変換された後、サ
ーボ制御部に入力されることにより、モータが駆動制御
されることを特徴とする請求項1に記載のロボットの位
置制御方法。
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