JPH0436812A - ロボットの制御装置 - 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、ロボットの制御装置に関するものであり、更
に詳しくは、ロボッ）・のアームを回転駆動するモータ
、特に減速機を介さないで駆動するダイレクト・ドライ
ブ・モータの場合、該モータに対する速度フィートバン
ク系の周波数応答特性の改善を図ってアーム駆動の高速
応答を可能にするロボットの制御装置に関するものであ
る。

〔従来の技術］ 近年、組立ロボットは電気・電子関連の業界分野で電子
部品のハンドリング１基板への挿入・搭載のために超高
速化、高精度化のニーズが高い。

しかし、ヘル１へやハーモニックトライブなどの滅速機
とモータを組み合わせてアームを駆動する従来のロボッ
トではガタやハックラッシがあり精度と高速化の点で限
界があった。そこで、この問題を解決するために減速機
を介さずに直接アームを駆動可能な高トルク・高精度な
りＤ（ダイレクト・ドライブ）モータが使用されるよう
になってき／こ。

しかしながら、ＤＤモータは減速機がなく、機構部の振
動は、位置検出器で直接検出されるため、モータの速度
制御サーボ系の帯域を広げて応答特性を改善しようとし
て速度ループのゲインを上げていくと、機構系の持つ共
振周波数で発振を引き起ごしてしまう。このため、機械
共振系が存在すると速度ループゲインを大きくすること
ができない。従って位置帯域幅が小さくなり、ザーボ剛
性が低下し、ロボットの高速化、高精度化が図れないと
いう問題があった。また、この機械共振の周波数はロボ
ソｌ〜のアーム姿勢１負荷変動により変化するものであ
る。

上記の問題に対して従来は、共振周波数に共振と逆特性
のフィルタを設定して共振のピークを抑えてノυ振をな
くしていた。また、アーム姿勢、負荷変動によって共振
周波数が変化するのに合わせて、フィルタの特性を変化
させるものであった。

前述のフィルタの使用例については、雑誌「省力と自動
化」の１９８９年２月号の特集ｒＤＤモータ技術とその
応用（その２）」の５０ページに記載されている。

〔発明が解決しようとする課題］ 上記従来技術は、機構部の共振を抑制することは可能で
あるが、モータの速度ループゲインは一定としているた
め設定可能なゲインの値は、あらゆるアーム姿勢や負荷
条件に対しても発振をおこさない最も小さい値に制限さ
れてしまう。つまり、それぞれのアーム姿勢、負荷条件
において速度ループゲインが最適値となっていないため
、高速な運動特性（高速応答）をあらゆる動作条件で充
分発揮できないという問題があった。

本発明は、アーム姿勢、負荷が変化する場合においても
、それに応した最適な速度ループゲインを得て、高速な
動作特性を得ることのできるロボットの制御装置を提供
することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明では、アームを駆動
するモータの速度指令を増幅する速度アンプ（モータの
速度制御ループに含まれる速度アンプ）の増幅率を、ア
ーム姿勢、負荷条件（特に荷重）に依存して最適な値に
なるよう可変として、常に最適な速度ループゲインを得
るようにしたものである。

〔作用］ 以上のように構成した本発明のロボットの制御装置は、
アームの姿勢、負荷条件によって、アームを駆動するモ
ータの速度ループゲインを常に最適値になるように調整
できるので、サーボ周波数帯域幅を常に最大に取れ、そ
の結果、加減速の短い高速動作時の応答特性を向上させ
ることができる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を第１図より第６図を用いて説明
する。

第２図は本発明の制御装置による制御対象としてのロボ
ットの主要構造図である。ロボットベース１９上には第
１アーノ、モータ８により水平方向に回転される第１ア
ーム１５が設けられ、第１７−１．の先端には第２アー
ムモータ９により水平方向に回転される第２７−１．１
６が設けられている。

また、第２アーム１６の先端には上・下方向に動作する
リスＩ・軸１７に連結されたハフ１：１日が取付しＪら
れ、第１アー１．１５および第２アーム１６によりハン
ド１８を水平方向に移動させ、位置決めして作業を行な
うようになっている。

第３図は上記第２図のロボットを上面から見た場合の上
面モデル図である。ここで、角度θＡθ６は第１アーｌ
、】５に対してなす第２アーム１６の角度である。

産業用ロボットにおいて、アームを駆動するモータのサ
ーボ系としては、速度制御系と位置制御系があるが、本
発明が関係するのは速度制御系の方である。

そごで、第４図に、第２図における第１モータ８（或い
は第２モータ９）を制御する速度制御ループのブロック
線図を示した。

第４図において、４は速度アンプ（そのゲインＥが速度
ループゲインとなる）、６ばモータドライバ、８はモー
タ（モータを伝達関数で表すと図示の如＜ＫＴ／（ＪＳ
）となり、ここでＩ（□はトルク定数、Ｊはモータイナ
ーシャ、Ｓはラプラス演算子、である）、３０はＦ／Ｖ
コンバータ（モータ８の回転速度を表すエンコーダ・パ
ルス周波数を入力され電圧に変換してフィードバックす
る）で、ＫＦ／ＶばＦ／Ｖコンバータ３０のゲインであ
る。

即ち、第４図の速度制御ループでは、モータ８の回転速
度をＦ／Ｖコンバータ３０によりフィードバックして速
度指令との間で減算を行い、その減算により得られる誤
差信号が零になるように、該誤差信号を速度アンプ４で
増幅してモータドライハロに加えてフィードバック制御
を行い、モータ８の回転速度が速度指令に一致するよう
に制御しているわけである。

一般にサーボ制御系では、入力信号として正弦波交流を
加え、角周波数（ω）の変化に対する振幅比や位相の特
性を調べ、これにより系の特性を知る方法が周波数応答
と呼ばれて良く知られているが、第５図は、かかる意味
での一般のサーボ制御系の開ループ周波数応答特性のモ
デル図である。

以下、この特性モデル図について説明する。位相が−１
８０°の時のゲインの絶対値をゲイン余裕といい、この
ゲイン余裕が０ｃｌＢであると発振を起ごず。そのため
、一般のザーボ系では、１２〜２０ｄＢのゲイン余裕を
とることが望ましいとされζいる。

ここで、この周波数特性を持つ制御系において上げるこ
とが可能なループゲインの値は、ゲイン余裕を１２ｄＢ
とるとすると、位相が一１８０°の時のゲインの絶対値
から１２ｄＢをひいた値となり、第５図中に示すａｄＢ
となる。

尚、ループゲインをａｄＢ以上にすると、上述に述べた
ように不安定となり発振を起こすことが合成に本発明の
制御対象であるロボットのアーム角度が第３図に見られ
る如く、θ８．θ６である場合の速度制御系の開ループ
周波数応答特性を第６図に示す。実線が角度θヶのとき
の特性であり、破線が角度θ８のときの特性である。

特性は第６図に見られるように、アームの姿勢でイナー
シャ等が変化するので一定とはならず、この図で、角度
θ４およびθおの時のゲイン余裕はそれぞれ図に示すＣ
Ａ、Ｃ，となり、アーム角度により変化することが分か
るであろう。すなわち、アーム角度がθ８の時は角度θ
９の時と比較し、（ＧＡ　−ＣＢ　）ｄＢだけ速度ルー
プゲインを」二げることか可能であることを示している
。

また、前記はアーム姿勢が変化した場合について述べた
が、同様に負荷条件（例えば荷重）によっても、上げる
ことが可能な速度ループゲインは変化する。

以上述べたように、アーム姿勢および負荷条件により周
波数応答特性が変化するような場合、従来は、発振を防
くためにアーＪ、姿勢と負荷条件の組み合わせで決まる
速度ループゲインの最小値を設定していたため、速度ル
ープゲインを」二げる余地がある場合でもその分を犠牲
にしていたので、高速動作特性を充分発揮できなかった
が、ロボットのアーム姿勢、負荷条件に合わせて、速度
ループケインを変化さゼ常に最適な設定にすることで、
常に最適な高速動作特性が得られる。これが本発明の原
理である。

そこで、本発明では上記速度ループゲインを、アーＪ、
姿勢、負荷条件に応じて制御回路により可変できるよ・
うにした。

第１図は、かかる本発明の一実施例を示すブロック図で
ある。具体的には同図は、速度ループゲイン可変部を含
むＤＤモータ制御部の構成図である。

第１アームと第２アームの制御部は同一の構成となって
いるので第１図を用いて第１アー１、についてその構成
を説明する。ます、ロボット動作指令手段ｌより出力さ
れた指令は第１アーム位置制御手段２から速度指令とし
て出力される。この速度指令を第１アーム速度アンプ４
で所定の倍率に増幅し第１アームモータドライバ６に送
り第１アームモータ８を駆動する。１０はエンコーダで
あり、モータ８の回転速度に比例した繰り返し周波数で
パルス列を出力する。また、前記ロボット動作指令手段
Ｊには、アーム姿勢および負荷条件により決定され、１
対１に対応する、最適な速度アンプ倍率データをあらか
じめ格納されている最適ゲイン記憶手段１３が存在する
。１２はゲイン指令手段である。

以上のように構成されるモータ制御システムの動作につ
いて以下説明する。ここでも第１アームについてのみ説
明する。

まず外部や操作入力手段からロボットに起動がかげられ
るとロボット動作指令手段１より、あらかじめ決められ
た動作パターンの位置の指令が第１アー１、位置指令手
段２に出力され、第１アーム位置指令手段２ば現在の位
置フィードバンク値により速度指令値を第１アーム速度
アンプ４に出力する。

ここで、ロボット動作中において、アームの姿勢または
負荷条件が変化すると、そのことはロボット動作指令手
段１において分かるので、その条件に対応した最適な第
１アーム速度アンプ４の倍率データが最適ゲイン記憶手
段１３より読み出されてケイン指令手段１２を介し第１
アー１１．速度アンプ４に送られる。第１アーム速度ア
ンプ４は倍率データに対応した増幅率で、速度指令から
速度フィードバック値を減算して得られる誤差信号を増
幅し第１７−ノ、モータトライバ６に送り、第１アーム
モータ８を駆動する。

ここで上記第１アーム速度アンプ４０倍率データは、現
在の第１アームエンコーダ１０及び第２アームエンコー
ダ１１よりの位置フィードバック値と負荷検出手段１４
の検出した負荷値によって前記のアーム姿勢や負荷条件
の変化が分かるので、これをキーとして最適な最大ゲイ
ン値が最適ゲイン記憶手段１３より選び出されるわけで
ある。負荷検出手段１４は、リスト軸１７（第２図）の
保持方によって負荷を検出する方法や、ロボットに現在
の負荷の質量等を入力する方法等いくつか考えられるが
、いずれの方法をとってもかまわない。

以上第１アームモータ８の制御についてのみ説明したが
、前記と同様の制御が第２アームに行われていることは
言うまでもない。

本実施例によれば、ロボットのアーム姿勢または、負荷
条件により速度ループゲインを瞬時に最適な値に制御す
ることができるので、常に発振をおこさない最大値にま
で制御系のループケインを向上させることができる。従
って応答周波数を向上させ、短い加減速で高速の動作を
行え、位置決めのための時間も短くなるので、短いタク
トでロボットが作業することが可能となる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ロボットのアーム駆動モータの周波数
応答特性を向」ニさせることができるので、高速応答が
可能となり、タクトタイムの短縮によりロボッＩ−・シ
ステムの能率向上に効果がある。

また、負荷変動に対しても強い信頼性の高いシステムを
構築できる。

特に、減速機を用いないダイレクト・ドライブ形ロボッ
トにおいては、発生しやすい機構系の共振による発振を
避けながら最大限にザーボ系の周波数特性を向上できる
ので、その特長である高速２位置決め時間が短い等の点
を十分に活用できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例であるＬノポット制御装置の
制御ブロック図、第２図は本発明の制御対象であるロボ
ットの主要構造図、第３図は本発明の制御対象であるロ
ボットの上面モデル図、第４図は第２図における第１ア
ームモータあるいは第２アームモータの速度制御ループ
のブロック線図、第５図はザーボ制御系の開ループ特性
のモデル図、第６図は第３図に示すアーム姿勢角度時の
速度制御ループの開ループ周波数応答特性図、である。 符号の説明 １・・・ロボット動作指令手段、２・・・第１アーム位
置制御手段、４・・・第１アーム速度アンプ、６・・・
第エイ １アーｌ、モータトライバ、８・・・第１アームモータ
、９・・・第２アームモータ、１０・・・第１アームエ
ンコーダ、１２・・・ゲイン指令手段、１９・・・ロボ
ットベース、１５・・・第１アーム、１６・・・第２ア
ーム、１７・・・リスト軸、１８・・・ハンド。 代理人　弁理士　並　木　昭　夫 第　２ ｆａ３ 図 図 １、［Ｊ 第 図 第 図 周席数（Ｈｚ）　−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ロボットのアームを回転駆動するモータと、前記ロ
   ボットのアーム位置を指定するアーム位置指令を受けて
   速度指令信号を出力するアーム位置制御手段と、該アー
   ム位置制御手段からの速度指令信号を増幅して出力する
   速度アンプと、該速度アンプからの増幅出力を受けて前
   記モータをドライブするモータドライバと、前記モータ
   により回転駆動される前記アームの回転速度を検出して
   前記速度指令信号より減算することにより該アームの回
   転速度を前記速度指令に一致させる速度フィードバック
   系と、を有して成るロボットの制御装置において、 前記アームの姿勢又は該アームにかかる負荷に応じた最
   適の速度アンプ増幅率データを予め求めて記憶しておく
   記憶手段と、前記アームの姿勢又は該アームにかかる負
   荷を検出する検出手段と、検出されたアームの姿勢又は
   アームにかかる負荷に応じた最適の速度アンプ増幅率デ
   ータを前記記憶手段から読み出して前記速度アンプのゲ
   インとして該速度アンプに指令するゲイン指令手段と、
   を具備したことを特徴とするロボットの制御装置。