JPH05150825A - ロボツトの制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ロボットの速度指令値を演算するために参照
するデータを記憶するパターンテーブルの記憶領域を従
来より増加させずに、速度指令値の最小分解能を上げら
れ、ロボットを無用に加振しないようにサーボ系の遅れ
を補償し、良好な軌跡制御を実現できるロボットの制御
装置を提供する。 【構成】 演算処理部101は、無次元化した加速度ある
いはサンプル時刻間の速度変分の数値から構成された加
速度パターンテーブル106を順次参照してテーブルデー
タをサンプル時刻毎に加算積分し変換定数を乗ずること
によって速度指令値を生成すると同時に、最終に参照し
たテーブルデータに対してある時定数を乗じたものを前
記速度指令値に加算することにより一次進みフィードフ
ォワード補償を実現する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ロボット関節を駆動す
る際にテーブルデータを参照して速度指令値あるいは位
置変分指令値を生成するロボットの制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ロボット関節を駆動する際にテー
ブルデータを参照して速度あるいは位置変分指令値を生
成する方法あるいは装置として、たとえば特開平２−１
４４７０５号公報記載のように、無次元化した速度パタ
ーンテーブルを順次参照してこれに変換定数を乗ずるこ
とによるものなどが知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ロボットに無用の振動
を生じさせないためには、速度指令値あるいは位置変分
指令値（以下共に速度指令値と称する）はできるだけ滑
らかに変化することが望ましい。それには速度指令値の
最小分解能を上げることが必要になるが、上記従来技術
においてそれを実現しようとすると、速度テーブル値の
表現のためより多くの記憶領域を要することになるか、
または補間演算等の余分な計算を要することになる。

【０００４】また、ロボットの制御システムの仕様とし
て、動作状況に応じて加速パターン、減速パターンの種
類を切り替えることを考えた場合、何種類もの速度パタ
ーンテーブルが必要であり、それらが全記憶領域に占め
る割合は決して無視できないものになりうる。そのた
め、何らかの方法によって速度指令値を生成するのに用
いるテーブルの占める記憶領域を圧縮する必要が生じ
る。

【０００５】さらに、ロボットの応答特性改善のために
一次進み要素によるフィードフォワード補償を加える場
合には、速度指令値の微分値を必要とするが、記憶領域
中に速度パターンテーブルしか存在しない場合には、そ
れらの微分値は差分等で求められることになる。その結
果として得られる補償量は非常に振動的なものになり、
これがまたロボットに対して無用の振動を引き起こす加
振源となり、好ましくない。

【０００６】本発明の目的は、ロボットの動作速度を演
算するために参照するテーブルの記憶領域を増加させ
ず、あるいは補間演算等を行うことなく、速度指令値の
最小分解能を上げることのできるロボットの制御装置を
提供することにある。

【０００７】本発明の他の目的は、ロボットを無用に加
振しないように一次進みフィードフォワード補償を加え
ることによって、サーボ系の遅れを補償し、良好な軌跡
制御を実現できるロボットの制御装置を提供することに
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のロボットの制御装置は、教示されるロボッ
トの移動位置及び速度等のデータをもとにロボットを動
作させる関節の回動速度を演算するための制御プログラ
ム及びデータテーブルを格納する記憶手段と、制御プロ
グラムに従いデータテーブルをサンプル時間毎に参照し
て速度指令値を演算し出力する速度指令値演算手段と、
その該速度指令値演算手段からの指令値により回動する
関節の応答速度を検出する検出手段とを備えたロボット
の制御装置であって、データテーブルは無次元化した加
速度パターンを示すテーブル値群で構成され、また速度
指令値演算手段はデータテーブルをサンプル時間毎に順
次参照して得られるテーブル値に変換定数を乗算した値
を順次加算積算することにより速度指令値を生成するこ
とを特徴としている。

【０００９】また上記他の目的を達成するために、本発
明の別のロボットの制御装置は、教示されるロボットの
移動位置及び速度等のデータをもとにロボットを動作さ
せる関節の回動速度を演算するための制御プログラム及
びデータテーブルを格納する記憶手段と、制御プログラ
ムに従いデータテーブルをサンプル時間毎に参照して速
度指令値を演算し出力する速度指令値演算手段と、該速
度指令値演算手段からの指令値により回動する関節の応
答速度を検出する検出手段とを備えたロボットの制御装
置であって、データテーブルは無次元化した加速度パタ
ーンを示すテーブル値群で構成され、また速度指令値演
算手段はデータテーブルをサンプル時間毎に順次参照し
て得られるテーブル値に変換定数を乗算した値を順次加
算積算することにより速度指令値を生成し、かつ該速度
指令値に、最終に参照したテーブル値にある時定数を乗
ずることにより得られる値を加えあわせた修正速度指令
値を出力することによって一次進みフィードフォワード
補償を行うことを特徴としている。

【００１０】

【作用】本発明のロボットの制御装置において、無次元
化された加速度あるいはサンプル時刻間の速度変分のパ
ターンテーブルを記憶手段の中に用意し、これをサンプ
ル時刻毎に順次参照し加算したものに変換定数を乗ずる
ことによって速度指令値を生成するようにしたので、従
来のごとき速度パターンテーブルに比べ、一つのテーブ
ル値を表現するのに用いる記憶領域を同一とするなら
ば、速度指令値の最小分解能を上げることができ、速度
指令値をよりなめらかなものにすることができ、速度指
令値が階段状であることに起因する振動を抑制すること
ができる。

【００１１】また本発明の別のロボットの制御装置にお
いて、上記本発明のロボットの制御装置と同様にして速
度指令値を生成し、さらにこの速度指令値を生成する際
の最終に参照したテーブル値にある時定数を乗ずること
によって一次進みフィードフォワード補償量を求め、こ
れを速度指令値に加算することによってサーボ系の遅れ
を補償するようにしたので、従来のごとき速度パターン
テーブルを用いる場合のように差分等の近似微分操作を
行うことなく、加速度パターンテーブルのテーブル値か
ら直接速度の微分値が得られるため、これを用いて一次
進みフィードフォワード補償を行った場合、ロボットの
挙動が振動的になることなく速度指令値に対する追従性
が向上し、良好な軌跡制御を実現することができる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。

【００１３】図１は本発明の一実施例のロボットの制御
装置を備えたロボットシステムを示す図である。このシ
ステムはロボット制御装置１０とロボット本体１１とか
ら構成される。ロボット制御装置10は演算処理部101、
Ｄ／Ａ変換器102、パワーアンプ103、パルスカウンタ10
4、プログラムおよびデータ記憶部105からなる。

【００１４】プログラムおよびデータ記憶部105には教
示されるロボットの移動位置及び速度等のデータをもと
にロボットを動作させる関節の回動速度を演算するため
の制御プログラム及びデータテーブルが格納されてい
る。演算処理部101はロボットに与えた速度指令値とそ
れに対するロボットの速度応答とから制御量を計算す
る。Ｄ／Ａ変換器102された制御量をアナログ電圧に変
換する。パワーアンプ103はＤ／Ａ変換器102から出力さ
れた指令電圧を増幅する。パワーアンプ103の出力電流
はロボット本体11のモータを駆動し、ロボットの関節を
回動させる。その関節に取り付けられたパルスエンコー
ダはその関節において一定の角度変化が起こるごとにパ
ルスを発生する。パルスカウンタ104はパルスエンコー
ダから発生するエンコーダパルスの数をカウントする。

【００１５】演算処理部101はパルスカウンタ104によっ
てカウントされたパルス数に対して差分等の処理を行う
ことによって速度応答の情報を得る。演算処理部101は
さらに、速度指令値と速度応答をもとに、プログラム上
に演算処理の形で記述されたサーボ系により新たな制御
量を計算し、Ｄ／Ａ変換器にセットする。以上の一連の
処理はサンプル時刻毎に行われる。

【００１６】次にロボットに与える速度指令値を生成す
る演算処理に関して図２〜図５を用いて説明する。

【００１７】図２は本発明に係る無次元化加速度パター
ンテーブルの例（加速部分のみを示す）である。これを
グラフで表示したものが図３である。加減速動作開始時
のサンプル時刻をt[0]とし、ｎサンプル後の時刻をt[n]
で表すとする。加速度パターンテーブルを表す配列のｎ
番目の要素をacctbl[n]とすると、時刻t[n]での無次元
化速度velnd[n]は次に示す（１）式によって求められ
る。即ち表にから順次参照したテーブル値を積算した値
となる。

【００１８】

【数1】

【００１９】ｎ回目のサンプル時刻においてエンコーダ
パルス数に換算した速度指令値velenc[n]は、（２）式
に示すように、エンコーダパルス数に換算するための変
換定数ndtoencを乗ずることによって求められる。

【００２０】 velenc[n] = velnd[n]× ndtoenc (2) 変換定数 ndtoencの値はロボットの移動距離（角度）と
最高速度（角速度）によって決められる。ここでは詳し
くは説明しない。

【００２１】図４は従来の速度パターンテーブル（加速
区間のみを示す）である。ここで一例として、サイクロ
イド曲線を用いた加速時間acc_time = 0.3[s]の加速パ
ターンを考える。テーブルの１つのデータは符号付き１
バイト整数で表現するものとする。符号で１ビットを用
いるので、残７ビットで表せる速度パターンテーブルの
値はわずか１２８段階しかないことになる。サンプル周
期tp = 2[ms]とする。ｎサンプル目に参照される無次元
化速度パターンテーブルの値veltbl[n]は次の（３）式
で計算される。ここで、 tbl_max = 127であり、テーブ
ル値の最大値を示している。 roundは整数値に丸める関
数である。

【００２２】 veltbl[n] = round(tbl_max/2 × (1 - cos(2π× (tp× (round(acc_time/ts) - n) - acc_time ) /(2× acc_time)))) (3) （３）式によって計算された速度パターンテーブルのデ
ータを表１に示す。このデータによると、このときの速
度テーブル値の変分の最高値は２である。また、図５は
表１のテーブルに示すサイクロイド曲線を図示したもの
で、横軸に時間、縦軸に無次元化速度を示す。

【００２３】

【表１】

【００２４】一方、同じ１バイトで加速度パターンテー
ブルの１つのデータを表した場合、速度の変分（≒加速
度）を１２８段階で表現することができるので、速度指
令値の最小分解能はおおむね１２８／２＝６４倍にな
る。表２はサンプル時刻毎の加速度を計算したものを、
その最大値が１２７（＝７ＦＨ）になるように係数を修
正・無次元化して１バイトで表現したものである。

【００２５】

【表２】

【００２６】表２を見て分かるように、動作途中に加速
度が零になっている部分はない。すなわちこの場合、
（３）式に見られる丸めによって生じていたテーブル値
の飛びは起こらないので、速度指令値が不連続であるこ
とに起因する振動を抑えることができる。図６は表２に
示すように１バイトで表現される無次元加速度パターン
例を曲線で示した図である。

【００２７】次に、従来の速度パターンテーブルを用い
た場合と同等の速度指令値の分解能を与えるのに必要な
加速度パターンテーブルのサイズについて考える。表１
に見られるように、速度テーブル値のサンプル時刻間に
変分は０から２までの間の数である。この値は、すなわ
ち、無次元化加速度（≒速度の変分）に相当するが、こ
れを二進数で表すのに必要なビット数は高々２ビットで
ある。よって、図７に示すように、１バイトの記憶領域
を２ビットづつ４分割して用いることによって、４回分
のテーブルデータを格納することができる。

【００２８】従来は、同じ１バイト（８ビット）の記憶
領域を用いて１回分のテーブルデータを格納していたの
で、これらを比較すると、記憶領域は２／８＝１／４の
サイズで済むことがわかる。これにより、状況に応じて
速度パターンを切り替えてゆくことを考えた場合に生じ
るであろうパターンテーブルのサイズの増加を抑えるこ
とができる。

【００２９】次にサーボ系の応答遅れを補償するために
フィードフォワードを行う場合について、図８〜図１０
を用いて説明する。通常、ロボットの関節は図８に示す
ようにサーボ系を構成することによって、速度応答ωが
速度指令値ωrに追従するように駆動される。このと
き、一般には指令値に対する応答を表すωrからωまで
の伝達関数をラプラス変換して得られる伝達関数は、分
母分子ともに複素数ｓに関する高次の多項式で表され
る。しかしそれらはある時定数Ｔをもつ一次遅れ要素１
／（１＋Ｔｓ）によって近似できることが多い。その場
合、図９に示すように、速度指令値ωrを一次進み要素
（１＋Ｔｓ）によって修正したものをサーボ系に与えれ
ば、一次遅れ要素１／（１＋Ｔｓ）と一次進み要素（１
＋Ｔｓ）とが打消し合うことにより系全体の伝達関数は
１に近づく。これはサーボ系の応答遅れが改善されるこ
とを意味する。そのとき、ｓは時間領域では微分に相当
するので、前置補償器 71においては微分操作が必要に
なる。

【００３０】表１に示す従来の速度パターンテーブルの
値を用いると、この補償器と等価な演算は以下のように
表せる。ここではサンプル時刻間の差分を取る方法で微
分値を近似的に求めている。速度パターンテーブルの値
をエンコーダパルス換算の速度指令値に変換する定数を
tbltoencとすると velenc[n] = veltbl[n]×tbltoenc ……(4) velenc*[n] = velenc[n] + T′×(velenc[n] - velenc[n-1]) (5) ここで T′= T/tp ｔp：サンプル周期 ただしvelenc*[n]は修正された速度指令値である。(5)
式によって求めた速度指令値velenc*[n]は、速度パター
ンテーブルの値veltbl[n]が１２８段階になるように丸
められることから、その値の変化が不連続になる部分が
生じるため、これがロボットに対して無用の振動を引き
起こす加振源となり、好ましくない。

【００３１】そこで図１０に示すように、指令値は加速
度で与え、加速度指令値αrを積分器８２で積分するこ
とによって速度指令値ωrを生成するとともに、加速度
指令値αrに時定数Ｔを乗じたものを加え合わせること
によって速度指令値ωrを修正し、一次進み補償を実現
する。これを式で表すと、 ωr＝αr／ｓ ∴αr＝ｓωr (6) ωr*＝ωr＋Ｔαr＝ωr＋Ｔｓαr＝（１＋Ｔｓ）ωr (7) となり、確かに一次進み補償になっている。このωr*を
関節サーボ系83に与えると、前述同様に（１＋Ｔｓ）と
１／（１＋Ｔｓ）とが打消し合い、系の伝達特性は１に
近づく。

【００３２】表２に示す本発明に係る加速度パターンテ
ーブルの値を用いると、前置補償器84と等価な演算は以
下のように表せる。velenc[n]は(1)式、 (2)式より求め
る。

【００３３】 velenc*[n] = velenc[n] + T″× acctbl[n] (8) ここで T″= T′× ndtoenc (8)式には微分に相当する操作は含まれていないので、
補償量が振動的になったり急変したりすることがない。
したがって指令値の不連続性に起因する振動を抑えるこ
とができ、なおかつ本来の目的であるサーボ系の応答遅
れの改善を果たすことができる。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、ロボットの制御装置に
おいて、無次元化した加速度パターンを示すパターンテ
ーブルを用いてロボットの速度を制御するように構成し
たので、一つのテーブル値を表現するのに用いる記憶領
域の大きさを従来と同じとしたままで速度指令値の最小
分解能を上げることができ、補間演算等を行うことなく
速度指令値をよりなめらかなものにでき、それによって
速度指令値が階段状であることに起因する振動を抑制す
ることができる。見方を変えれば、速度指令値の最小分
解能を変えることなく一つのテーブル値を表現するのに
用いる記憶領域の大きさを小さくすることもでき、速度
指令値に関して同等のなめらかさを保ちつつパターンテ
ーブル全体に要する記憶領域の大きさを圧縮することが
できる。

【００３５】また、本発明によれば、別のロボットの制
御装置において、無次元化した加速度パターンを示すパ
ターンテーブルを用いてロボットの速度を制御するよう
に構成したので、差分等の近似微分操作を行うことな
く、テーブル値により直接に速度の微分値が得られるた
め、これを用いて一次進みフィードフォワード補償を行
った場合、ロボットの挙動が振動的になることなく速度
指令値に対する追従性が向上し、良好な軌跡制御を実現
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る実施例のロボットの制御装置の構
成図である。

【図２】無次元化加速度パターンテーブル例を示す図で
ある。

【図３】図２をグラフ化した図である。

【図４】従来の速度パターンテーブルをグラフ化した図
である。

【図５】サイクロイド曲線を用いた従来の速度パターン
例を示す図である。

【図６】１バイトで表現される無次元加速度パターン例
を示す図である。

【図７】１バイト領域中での加速度パターンデータのテ
ーブル例を示す図である。

【図８】ロボットの関節サーボ系を示す図である。

【図９】速度指令値を用いた一次進み補償のブロック線
図である。

【図１０】加速度指令値を用いた一次進み補償のブロッ
ク線図である。

【符号の説明】

10 ロボットの制御装置 11 ロボット本体 101 演算処理部 102 Ｄ／Ａ変換器 103 パワーアンプ 104 パルスカウンタ 105 プログラムおよびデータ記憶部 106 加速度パターンテーブル 107 指令値生成演算処理部 61 コントローラの伝達特性 62 ロボット関節の伝達特性 63 ロボット関節サーボ系 71 一次進みフィードフォワード補償の前置補償器 72 一次遅れ要素で近似されたロボットの関節サーボ系 81 加速度指令値に対して乗算される時定数 82 加速度指令値の積分器 83 一次遅れ要素で近似されたロボットの関節サーボ系 84 一次進みフィードフォワード補償を実現する前置補
償器

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 教示されるロボットの移動位置及び速度
   等のデータをもとにロボットを動作させる関節の回動速
   度を演算するための制御プログラム及びデータテーブル
   を格納する記憶手段と、制御プログラムに従いデータテ
   ーブルをサンプル時間毎に参照して速度指令値を演算し
   出力する速度指令値演算手段と、該速度指令値演算手段
   からの指令値により回動する関節の応答速度を検出する
   検出手段とを備えたロボットの制御装置において、前記
   データテーブルは無次元化した加速度パターンを示すテ
   ーブル値群で構成され、前記速度指令値演算手段はデー
   タテーブルをサンプル時間毎に順次参照して得られるテ
   ーブル値に変換定数を乗算した値を順次加算積算するこ
   とにより速度指令値を生成することを特徴とするロボッ
   トの制御装置。
2. 【請求項２】 教示されるロボットの移動位置及び速度
   等のデータをもとにロボットを動作させる関節の回動速
   度を演算するための制御プログラム及びデータテーブル
   を格納する記憶手段と、制御プログラムに従いデータテ
   ーブルをサンプル時間毎に参照して速度指令値を演算し
   出力する速度指令値演算手段と、該速度指令値演算手段
   からの指令値により回動する関節の応答速度を検出する
   検出手段とを備えたロボットの制御装置において、前記
   データテーブルは無次元化した加速度パターンを示すテ
   ーブル値群で構成され、前記速度指令値演算手段はデー
   タテーブルをサンプル時間毎に順次参照して得られるテ
   ーブル値に変換定数を乗算した値を順次加算積算するこ
   とにより速度指令値を生成し、かつ該速度指令値に、最
   終に参照したテーブル値にある時定数を乗ずることによ
   り得られる値を加えあわせた修正速度指令値を出力する
   ことによって一次進みフィードフォワード補償を行うこ
   とを特徴とするロボットの制御装置。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載のロボットの制御
   装置を備えたことを特徴とするロボット。