JPH0454605A - 多自由度ロボツトの制御方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、その駆動手段に対し位置指令の変分をパルス
列で入力する形式によって駆動されるモータを用いた多
自由度ロボットの制御方法およびパルス列発生方法に関
する。

〔従来の技術〕

モータ制御用のサーボ系をその内部に持つモータ駆動手
段（以下ドライバと称する）に対し、位置指令の変分を
パルス列で入力する形式によって駆動されるモータ（以
下パルス駆動型サーボモータと称する）を用いて多自由
度ロボット（以下、特に断らない限り、ロボットという
表記は多自由度ロボットを意味する）の関節駆動を行う
場合、演算処理手段はパルス発生手段に対し一周期内で
発生すべきパルス数を設定することによってドライバに
パルスを送るだけで良く、演算処理手段における制御に
関する負担が軽減される。しかし、これはドライバのサ
ーボ系の伝達特性がロボットの応答性や追従性を規定し
てしまうことになり、特性に応じた遅れが生じる。この
遅れを打ち消す方法の一つとして、ドライバ内のサーボ
系に対して遅れを補償する要素を電子回路等で実現し、
これを新たに付加するといったものが考えられる。

また、別の方法は、ドライバへ入力される指令値をドラ
イバ内のサーボ系の伝達特性の逆特性で予め修正してお
くものが考えられる。後者の例である特開昭６１−１６
９９０５号公報には、ロボットの各関節のサーボ系の動
特性が非干渉化、定係数化され、一定の伝達関数を持っ
ているという前提のもとにこの伝達関数が一次遅れおよ
び二次遅れの特性を持つとした場合の指令値の修正方法
が示されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、上記の方法のうち前者は、モジュールとしての
完結性を高めて設計されたドライバの回路特性を劣化さ
せたり、予想外の挙動をひきおこしたりするおされがあ
る。また、ロボットの姿勢変化による伝達特性のパラメ
ータ変動までを考慮に入れて補償を行おうとした場合、
電子回路等でこれを実現しようとするとかなり大掛かり
なものになってしまうと考えられ、得策とは言えない。

一方、後者の例である特開昭６１−１６９９０５号公報
に記載の発明では、前提条件としてロボットの各関節の
動特性が非干渉化、定係数化され、一定の伝達関数を持
つようになるための方法なり装置が別途必要となる。ま
た、この公報にはパルス駆動型サーボモータを用いたロ
ボットに対して前置補償を加える場合の、位置変分パル
ス数の具体的な修正方法といったものは示されていない
。

本発明の目的は、パルス駆動型サーボモータを用いたロ
ボットにおいては、ドライバへ入力する位置変分パルス
数をロボットの姿勢に応じたパラメータを用いてソフト
ウェア上で修正することによって、サーボ系の遅れを補
償し、良好な軌跡制御を実現する制御装置を提供するこ
とにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、上記目的を達成するために、ロボットの制御
手段の内部の、演算処理手段において、一定周期毎にド
ライバへ入力される位置変分パルス数を、ロボットの姿
勢に応じて各軸ごとに予め求められ格納手段によって格
納されている時定数の組のテーブルを用いて修正し、修
正されたパルス数だけのパルスの発生をパルス発生手段
に対して設定することで、ロボットの姿勢に応じて時定
数の変化する位置遅れ要素として近似できるドライバ内
のサーボ系に対し、それと略同−の時定数を持つ位相進
み要素を用いた前置補償を加えるようにしたものである
。

また、修正されたパルス数がパルス発生手段の一度に発
生するように設定しうる最大パルス数を超えないように
パルス数を分割し、位置指令変分パルス数計算周期より
短周期でパルス発生手段に対しパルス発生を設定するよ
うにしたものである。

〔作用〕

上記のように、本発明の構成をとる制御手段によって制
御される多自由度ロボットにおいて、ロボットの姿勢に
応じて各軸ごとに予め求められ格納手段によって格納さ
れている時定数の組のテーブルを用いて一定周期毎にド
ライバへ入力されるパルス数を修正し、修正されたパル
ス数だけのパルスの発生をパルス発生手段に対して設定
するという方法で位相進み要素を用いた前置補償を実現
する。それによって、ロボットの姿勢によって変化する
時定数の組を持つ位相遅れ要素として近似できるドライ
バ内のサーボ系の伝達特性が打ち消され、全体としての
伝達関数が近似的に１となるため、ドライバのサーボ系
の伝達特性に起因した応答遅れを打ち消すことができる
。

また、修正されたパルス数を分割し１位置指令計算周期
より短周期でパルス発生手段に対しパルス発生を設定す
ることによって、パルス発生手段をその性能限界以下で
使用することができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図を用いて説明する。

第２図に本発明の一実施例の全体構成を示す。

演算処理部２１は一定周期ｔｓ毎に位置変分パルス数Ｐ
、を計算し、これをパルス発生器２２に数値データの形
で渡す。パルス発生器２２は渡されたパルス数だけのパ
ルスをｔｐ≦ｔｓなるある一定時間ｔｐの間に均等に発
生するようにパルス幅を決定し、決定されたパルス幅を
持つパルス列をドライバ２３へ送る。ドライバ２３はパ
ルスを受は取るごとにパルス発生器に相当する角度だけ
ロボット２４のモータを回転させる。第３図の３２はド
ライバの制御系にロボットの機構の影響が加わったもの
を示している。これをＧ（ｓ）とする８Ｇ（ｓ）は、一
般には、二次以上の系になるが、二次以上の項の係数が
０次および一次の項の係数に比べて無視できる程度に小
さい場合、ロボットの姿勢に応じて時定数の変動する位
相遅れ要素として近似することができる。この時の時定
数の組をＴｌ、Ｔ２とすると と表せる。これに対しＧ（ｓ）の入力ｅ、を第３図の３
１に示されている位相進み要素によってと変化させるこ
とにより、 θ＝Ｇ（ｓ）θ：＝　ｅ　ｒ−（３） 即ち、θ＝θ、とすることができる。ここでθ。

はもとの位置指令値、θ；は位相進み要素によって修正
された指令値、θは位置応答であり、θ、。

θ７．θはそれらのグララス変換形である。

次に位相進み補償に相当するパルス数の修正方法を示す
。（２）式のＧｐｃ（Ｓ）を後退差分法を用いてｓ−ｚ
変換すると以下のような２領域での伝達関数が得られる
： Ｇｐｃ（ｚ）＝（ｔｓ＋Ｔｚ（１ｚ−’））／（ｔｓ＋
Ｔｚ（Ｉ　　Ｚ−”））・・・（４） （ただし、ｔｓ　：コントローラのサンプル周期）Ｚ−
１を数列の添字を一つ戻すオペレータとみなし、Ｐｒ（
ｔｎ＋１　）＝（ｏ　ｒ（ｔｎ＋１　）−θ　ｒ（ｔ　
ｎ））／　Ｒ・・・（５） （ただし、ｏｒ（ｔｎ）：時刻ｔｎにおける位置指令ｐ
ｒ（ｔｎ）：時刻ｔｎにおける位置指令変分パルス数 Ｒ：パルス数から角度への変換 定数） を考慮して式を整理すると時刻ｔ　ｎ＋１　　における
指令パルス数は次のように修正される： Ｐ　７（ｔｎ＋ｉ）＝　ＣｚＰ　ｒ（ｔｎ＋１）＋　Ｃ
ｘＰ　ｒ（ｔ　ｎ）＋　ＣｓＰ　：（ｔ　ｎ）・・・（
６） （ただし、Ｃｘ＝（Ｌｓ＋Ｔｚ）／（ｔｓ＋Ｔｘ）：　
Ｃ５＝Ｔｚ／（ｔｓ＋Ｔｚ）：　Ｃ５＝Ｔｚ／（ｔｓ＋
Ｔｚ）；　ｔｓ：コントローラのサンプル周期） ただしＰ：（ｔｎ＋ｘ）は修正された位置変分パルス数
である。各軸におけるＣ１〜Ｃ３は姿勢によって多少変
化するため、代表的ないくつかの姿勢における値の組を
テーブル化してそれを補間することによって実際の値の
組を得るものとする。ロボットの軸の数を２とした場合
のテーブルの一部分を第４図に示す。なお（６）式はパ
ルス数列に関する再帰的な形式で書かれており、この処
理をコントローラのプログラム上に付加するのは容易で
ある。

また、わずか数十命令で記述しうるため、演算時間の増
加は殆んど生じない。

以上によって修正された位置変分パルス数がパルス発生
器に渡される。パルス発生器は渡されたパルス数からな
るパルス列がある設定された時間内に均等に出力される
ようにパルス幅を調整し、ドライバへパルス列を送る。

このとき、渡されたパルス数がパルス発生器の一度に発
生しうるパルス数を超えることがある。このような場合
のパルス落ちを防ぐために、位置変分パルス数の計算周
期ｔｓより短周期でパルスを分割出力してやる６０ボツ
トの軸数がｎの場合のｔｓの間の処理をタイムチャート
で示すと、従来、第５図の左のようであったものを第５
図の右のようにすることでこれを実現するものとする。

その際に、コントローラのメモリ上に第６図のようなパ
ルス数分割出力用サイクリックバッファを用意する。図
中のラベルＡＸＩＳｉ［ｊコ（ｘ　ｔ　ｊ＝　１−　ｎ
　）をｊ軸のｊ番目の分割出力データの格納場所を表す
。ブロックごとのＡＸＩＳＩ　〜ＡＸＩＳｎ、および、
プロッり１〜ブロツクｎはメモリ上の連続した番地に割
り付けられている。ブロック１におけるＡＸＩＳ１〜Ａ
ＸＩＳｎのインデックスは、順に、ｎ、ｎ−１，・・・
　１となっており、以下法のブロックへ行くごとに各々
のインデックスは１ずつ増える。

途中でインデックスがｎに達したも顛については、その
次のブロックのインデックスは１になり、そこからまた
１ずつ増してゆく。すなわち、任意のＡＸＩＳｋ　（１
≦に≦ｎ）におけるインデックスはブロック（ｋ＋１５
ｈｏｄ　ｎ）におり１て１となり、その直前のブロック
（（ｋ　ｇｏｄ　ｎ）＋（ｋ　ｄｉｖ　ｎ）・ｎ）にお
いてｎとなる。このようにして各軸ごとにインデックス
の一つずれたサイクリックバッファが形成される。第５
図の右に示すように、ｔｓの中で任意の第に軸（１≦に
≦ｎ）に関する処理を行う順番が来たときには、その処
理手順の先頭でブロックｋに格納されている第１軸〜第
ｎ軸への分割出力パルス数に従って各軸へパルスを出力
する。よってこのように出力データを配置すると、マイ
クロプロセッサの間接データ参照形式であるポストイン
クリメントアドレスレジスタ間接形式によるデータの番
地類の逐次参照を行うことができ、複雑なアドレス計算
が不要になるため、プログラム上の処理時間および軸間
のパルス出力時刻のタイムラグを短縮することができる
。ブロックにのＡＸＩＳｋのインデックスはｎである。

ＡＸ　Ｉ　Ｓ　ｋ［ｎ］には一回前のｔｓで分割された
出力パルス数の最後の値が格納されており、ブロックに
の値を出力した時点で前回に計算された位置変分パルス
数をすべて出し終えたことになる。次に、バッファへの
分割出力パルス数の格納を行う。

分割の方法は色々考えられるが、分割された出力パルス
数の値とそれらの出力の順序が重要な意味を持つ場合が
ある。既述のサイクリックバッファにインデックスで順
序付けをしたのはこの理由による。分割格納の一例を第
７図に従って説明する。

ステップ１で第に軸への出力パルス数を計算する。

ステップ２でその値をｎで割り、商ｄと余りｍ（０５ｍ
　＜　ｎ　）を求める。ステップ３で１からｎのｉに対
して、ＡＸＩＳｋ［ｉｌ：＝ｄとする。ステップ４で余
りｍがＯかどうかを判断する。ｍ≠Ｏの場合は１からｍ
までのｉに対してＡＸＩＳｋ［ｉ　］：＝ＡＸＩＳｋ［
ｉｌ＋１とする。こうすることにより位置変分パルス数
の分割出力の値を±１パルスの範囲で均等にすることが
でき、出力パルスの不均等に起因する振動の発生等を抑
制できる。また、ここでは分割出力パルス数を均等にす
る方法を示したが、−回前と一回後の位置変分パルス数
を知ることで、この間を階段状になめらかにつなぐ等の
他の方法も考えられる。

〔発明の効果〕

本発明によれば （１）第２図に示された構成をとる多自由度ロボットと
その制御装置において、ドライバの伝達特性に起因した
応答遅れを打ち消すことができるので、ロボットの位置
および速度の追従性を向上させることができる。

（２）修正されたパルス数を分割し、パルス数の計算周
期より短周期でパルス発生器にパルス発生を設定するこ
とによってパルス発生器を性能限界以下で使用でき、高
速時におけるパルス数修正にともなうパルス落ちを防ぐ
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のフローチャート、第２図は
本発明の一実施例のブロック図、第３図は前置補償要素
と補償されるサーボ系の伝達特性図、第４図は位相進み
前置補償に用いる時定数の組のテーブルの説明図、第５
図は位置変分出力パルス数計算周期におけるタイムチャ
ート、第６図は分割出力パルス数用サイクリックバッフ
ァのデータ説明図、第７図はバッファへの値の格納手順
のフローチャートである。 ２１・・・制御装置の演算処理部、２２・・・パルス発
生器、２３・・・ドライバ、２４・・・ロボット本体、
３１・・・姿勢対応位相進み補償要素、３２・・ドライ
バの制御系子ロボットの機構系の影響を姿勢対応位相帛
３図 鳥４−図 帛 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、演算処理のプログラム及びデータを格納する格納手
   段と、前記格納手段に格納された内容に従つて演算処理
   を行う演算処理手段と、前記演算処理手段によつて一定
   周期毎に設定された数のパルスをその一周期内に発生す
   ることのできるパルス発生手段と、発生したパルスを受
   けてその内部に構成されているサーボ系によつてモータ
   を駆動するモータ駆動手段とからなるロボットの制御手
   段によつて制御される多自由度ロボットにおいて、 一定周期毎に位置変分パルス数を計算し、計算されたパ
   ルス数を前記ロボットの姿勢に応じて予め求められ前記
   格納手段によつて格納されている各軸ごとの時定数の組
   のテーブルを用いて位相進み前置補償に相当するパルス
   数の修正を行い、修正されたパルス数を用いて位置指令
   を行うことを特徴とする多自由度ロボットの制御方法。