JPH0498304A - ロボットアームの計算トルク制御器 - Google Patents

ロボットアームの計算トルク制御器

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JPH0498304A
JPH0498304A JP21026590A JP21026590A JPH0498304A JP H0498304 A JPH0498304 A JP H0498304A JP 21026590 A JP21026590 A JP 21026590A JP 21026590 A JP21026590 A JP 21026590A JP H0498304 A JPH0498304 A JP H0498304A
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JP
Japan
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output
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robot arm
disturbance
section
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Pending
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JP21026590A
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English (en)
Inventor
Koichi Yoshida
耕一 吉田
Takayuki Yamada
孝行 山田
Takeshi Tsujimura
健 辻村
Tetsuo Yabuta
藪田 哲郎
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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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、ロボットの運動制御装置に関し、特にロッボ
トアームの計算トルク制御器に関する。
[従来の技術] 従来のロボットアームの計算トルク制御器は、トルク計
算部と関節毎に設けられているフィードバック部を含む
サブコントローラとからなっており、トルク計算部は直
前のサンプリング周期の出力と、各フィードバック部を
介して関節軸毎の直前のサンプリング周期における角度
の目標値との偏差と角速度の目標値との偏差から算出し
た状態フィードバック値により目標角炉速度を修正して
関節毎の運動の慣性力、コリオリ力、求心力、重力をリ
アルタイムで計算し、これと等価のトルクを関節駆動ア
クチュエータに発生させていた。
上記ロボットアームの計算トルク制御器の理論的構成に
ついて説明すると、一般的に、n自由度を持つ多関節型
ロボットアームの運動方程式は次式の非線型微分方程式
により記述できる。
・・・(1) ここでq=(θ1.・・・、θ。)はn個の関節角から
なるn次元ベクトル、Mはロボットアームのnxn慣性
行列、hはコリオす力、求心力、重力の項を表わすn次
元ベクトル、では各関節への入力トルクベクトル、τ、
は各関節に加わる摩擦力や外力の影響を表わすn次元ベ
クトルである。
多関節マニピュレータの複雑な非線形性と干渉性を補償
する方法として、計算トルク手法が知られている。この
手法はジャーナル・ダイナミック・システムズ(J、 
Dynamic Systems) vol、 121
980のルー(J、 Y、 S、 Luh)らの文献“
On−1inecamputational  sch
eme  for  mechanical  man
ipu−1ators”にも記されているように、ロボ
ットアームの運動に伴う慣性力、コリオす力、求心力等
をリアルタイムで計算しこれらと等価なトルクを関節駆
動アクチュエータに発生させて制御する方法である。計
算トルク手法による各関節への入力トルつては次のよう
に与えられる。
ただし、M、hはロボットアームのダイナミック解析に
基づ<M、hの推定値、Uはn次元の新しい制御入力ベ
クトル、q、は目標角度のベクトル、・は1次微分係数
、・・は2次微分係数である。
(1)式で表わされるロボットアームに(2)式の入力
を用いれば、M′=rMの場合法のように線形化できる
△q ==U+d             ・・・(
3)ただし、△は目標値からの偏差を表わす。dはhに
関するモデル化誤差や摩擦力で、の影響を表わす、ディ
ジタル制御を考えてロボットアームの動作コントロール
周波数に対し十分速いサンプリング周期Tで離散化する
ことを考えれば(4)式で示されるn組の各関節軸毎の
線形化サブシステムを得る。
机、、 =AXQ +b [U二十dQ ]   ・・
・(4)xQ=[Δθ: 、Δθk l  (1=1〜
n)添え字iは1番目の関節軸に関係した量を表わし、
kはサンプリング時刻を表わしている。
上記システムは不安定系となるが、状態フィードバック
U、=−FXk (Fは横ベクトルの意)によって閉ル
ープ系(A−bF)を安定化することかできる。
[発明が解決しようとする課題] 上述した従来のロボットアームの計算トルク制御器では
、状態X、は外乱dkによって影響を受けることになる
。外乱d、が一定値外乱であればPID制御によってそ
の影響を抑え、オフセットを取り除くことができるが、
一般的にはロボッアームの力学モデルの正確な把握は難
しく非線形項りの推定誤差や摩擦力等の未知のダイナミ
ックの影響により時刻kによって変化するため追従性に
問題が残るという欠点がある。
本発明の目的は、従来の計算トルク手法で除去しきれな
かった摩擦力等の未知のダイナミックやロボットアーム
に関する慣性行列以外のダイナミックのパラメータ誤差
の影響を抑制する外乱補償制御によるロボットアームの
計算トルク制御器を提供することである。
C問題を解決するための手段〕 本発明のロッボトアームの計算トルク制御器は、 所定のサンプリング周期毎に、当該関節軸の運動におけ
る角度の目標値からの偏差と、角速度の目標値からの偏
差と、1サンプリング周期前のサブコントローラの出力
とを入力とし、該入力値から1サンプリング周期前の外
乱値を算出する外乱推定部と、 外乱推定部の出力を入力とし、現在の外乱値を線形予測
して出力する予測部と、 予測部の出力を入力とし、ロボットアームの動作コント
ロール信号周波数領域以上のノイズの周波数を除去する
低域通過フィルタ部と、低域通過フィルタ部を経由した
予測部の出力を前記フィードバック部の出力に加えてト
ルク計算部と、前記外乱推定部へ出力する出力部とを含
むサブコントローラを有している。
〔作   用] 各関節軸毎のサブコントローラにおいて、外乱推定部が
所定サンプリング周期毎の運動の角度と角速度の目標値
に対する偏差と、1サンプリング周期前のサブコントロ
ーラの出力とを入力として1サンプリング周期前の外乱
値を算出し、予測部が該外乱値から次の出力時の出力の
値を線形予測し、その予測値を低域通過フィルタ部を介
して出力し、該出力を、フィードバック部を介して転送
された直前のサンプリング周期における運動の角度と角
速度の目標値に対する偏差値から算出された状態フィー
ドバックに出力部で加えて出力し、トルク計算部へ人力
することにより、トルク計算部は刻々変化する外乱に対
応して補償し、目標値に極めて近い運動を行わせる制御
が可能になる。
〔実 施 例] 次に、本発明の実施例について説明する。
第1図は本発明のロボットアームの計算トルク制御器の
一実施例のブロック図、第2図は第1図に示す外乱補償
制御器4のサブコントローラ3゜のブロック図、第3図
は平行リンクアームの実験系のブロック図、第4図は第
3図の実験系に本発明を適用した場合の目標角度への補
償度合を示す図、第5図は第3図の実験系に対し従来の
フィードバック制御のみを適用した場合の補償度合を示
す図である。
このロッボトアームの計算トルク制御器は、トルク計算
部2と外乱補償制御器4とからなる。トルク計算部2は
、ロボットアーム1に対して、外乱補償制御器4からの
出力と、サンプリング時の出力値と、目標角加速度と、
1サンプリング周期前の出力とからコリオリ力、求心力
、重力をリアルタイムで計算し、それと等価のトルクの
値を関節駆動アクチュエータに指示して発生させる制御
装置である。
外乱補償制御器4は各関節別に設けられているサブコン
トローラ3..3.、〜,3oからなり、各サブコント
ローラ35,3□、〜、3゜は、第2図に示すように外
乱推定部5と、予測部7と、低域通過フィルタ8とフィ
ードバックゲイン9と、出力部10とからなる。外乱推
定部5は、所定の周期でサンプリングされた当該関節軸
の角度の目標値からの偏差と、角速度の目標値からの偏
差と、1サンプリング周期前の自サブコントローラの出
力とを入力して角加速度からの変差を次式から計算して
出力する。
(4)式より △θ1.1−△θm+Tへ03 +T2/2 (Uk +dk )   ・・・(5)’
、dk=2(△θう、l −△θう −T△θ、)/T
2−U、               ・・・(6)
(6)式は(4)式の線形化サブシステムに対する逆シ
ステムとなる。実際のアルゴリズムでは演算時間遅れか
ら時刻kに2サンプリング周期遅れた外乱推定値d、−
2が使用されることになる。外乱推定部5は(6)式に
よる逆システム6からなる。予測部7は時刻kに2サン
プリング周期遅れの外乱推定部5の出力d k−zを入
力として2サンプリング周期先の値を線形予測する手段
で、次式の計算を行う。
生v =4dk−z−46に一3+dい、 ・・・(7
)低域通過フィルタ8はロボットアームlの動作コント
ロール信号周波数の領域以上のノイズの周波数を除去す
るために予測部7の出力を通すフィルタである。フィー
ドバックゲイン9は従来のフィードバックループであり
、1サンプリング周期前の状態X K−+をフィードバ
ックする。出力部10は、低域通過フィルタ8を通過し
たd、をフィードバックゲイン9の出力X、−1に加え
て制御人力Uv、をトルク計算部2へ入力する。
UK ==l”Xg−1−dk       ・・−(
8)第3図に示す実験系は2自由度の平行リンクアーム
の概要を示すブロック図で、平行リンクアーム11と、
関節毎の動作の角度偏差と角速度変差値をAD変換する
AD変換器12と、ロボットアームの計算トルク制御器
であるマイクロコンピュータ13と、DA変換器14と
、DA変換されたコントロール信号によりロボットアー
ムを動作させるサーボアンプ15を有している。
次に、第3図に示す平行リンクアーム11に本実施例を
適用した結果を説明する。
サーボアンプ15がアーム32に対してトルクで、を加
えるとアーム32は角度θ1の方向へ回転を始める。こ
の時刻に一’2にサンプリングされ、その時の目標角度
をθ、rとすると、この時の角度の偏差θ、r−θ1が
AD変換器12でディジタル変換され、その値からマイ
クロコンピュータ13内の外乱推定部5、予測部7、低
域通過フィルタ8を経由してd、が出力され、他方マイ
クロコンピュータ13内のフィードバックゲイン9を経
てX、−1が出力され出力部10で両出力が加えられて
制御人力Uk”  FX*−+  dkがマイクロコン
ピュータ13内のトルク計算部2へ入力され、トルク計
算部2内で現在時刻に出力すべき角加速度が計算され、
その数値がDA変換器14を介してアナログ信号でサー
ボアンプ15に指示される。サーボアンプ15が指示さ
れた数値だけアーム32を回転させる。
このように、順次所定の周期毎にサンプリングを行いそ
の都度制御人力U、による制御を行った一つの例として
第4図に示すような極めて目標角度に近い実績を得た。
従来の偏差のみのフィードバックによるPD副制御は第
5図に示すような結果となった。この例ではアーム32
のみについて説明したがアーム33および他のアームの
関節軸についても同様である。
[発明の効果1 以上説明したように本発明は、外乱補償制御を用いた制
御入力値をトルク計算部に入力して関節駆動アクチュエ
ータに出力トルクを指示することにより、摩擦力の影響
も容易に吸収でき、ロボットアームの慣性項以外にダイ
ナミクスの計算を省略できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明のロボットアームの計算トルク制御器の
一実施例のブロック図、第2図は第1図に示す外乱補償
制御器4のサブコントローラ3のブロック図、第3図は
平行リンクアームの実験系のブロック図、第4図:ま第
3図の実験系に本発明を適用した場合の目標角度への補
償度合を示す図、第5図は第3図の実験系に対し従来の
フィードバック制御のみを適用した場合の補償度合を示
す図である。 ■・・・ロボットアーム、  2・・・トルク計算部、
31.32〜,3o・・・サブコントローラ、4・・・
外乱補償制御器、  5・・・外乱推定部、6・・・逆
システム、    7・・・予測部、8・・・低域通過
フィルタ、 9・・・フィードバックゲイン、10・・・出力部、■
・・・平行リンクアーム、12・・・AD変換器、3・
・マイクロコンピュータ、 4・・・DA変換器、    31・・・関節軸、2.
33・・・アーム。 特許出廓人  日本電信電話株式会社

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、ロボットアームの運動に伴って、所定のサンプリン
    グ周期毎の出力値と、角度の目標値との偏差と角速度の
    目標値との偏差とからの状態フィードバック値とにより
    目標角加速度を修正して慣性力、コリオリ力、求心力、
    重力をリアルタイムで計算し、それらと等価のトルクを
    関節駆動アクチュエータに発生させてロボットアームの
    運動を制御する、トルク計算部と、関節毎の前記状態フ
    ィードバック値を算出して出力するフィードバック部を
    含むサブコントローラとを有するロボットアームの計算
    トルク制御器において、所定のサンプリング周期毎に、
    当該関節軸の運動における角度の目標値からの偏差と、
    角速度の目標値からの偏差と、1サンプリング周期前の
    サブコントローラの出力とを入力とし、該入力値から1
    サンプリング周期前の外乱値を算出する外乱推定部と、 外乱推定部の出力を入力とし、現在の外乱値を線形予測
    して出力する予測部と、 予測部の出力を入力とし、ロボットアームの動作コント
    ロール信号周波数領域以上のノイズの周波数を除去する
    低域通過フィルタ部と、 低域通過フィルタ部を経由した予測部の出力を前記フィ
    ードバック部の出力に加えてトルク計算部と、前記外乱
    推定部へ出力する出力部とを含むサブコントローラを有
    することを特徴とするロッボトアームの計算トルク制御
    器。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06187471A (ja) * 1992-12-21 1994-07-08 Nec Corp マルチプライヤ
US5402282A (en) * 1991-11-07 1995-03-28 Kabushiki Kaisha Toshiba Device for setting one cassette tape of a series of cassette tapes into a tape drive section
KR100468825B1 (ko) * 1998-02-11 2005-03-16 삼성전자주식회사 회전형액츄에이터의피봇베어링의마찰특성보상방법및그장치
EP2639020A2 (en) 2012-03-15 2013-09-18 Jtekt Corporation Robot control method, robot control device, and robot control system

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