JPH06114761A - 制振制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ロボットアーム等を加速動作とこれに続く減
速動作の連続により短距離駆動する場合に、ロボットア
ーム等の固有振動を予め学習しておき、ロボットアーム
停止時の振動を打ち消すように速度制御カーブを補正す
ることにより、ロボットアーム停止時の振動の発生を抑
制する。 【構成】 ステップＳ１、ステップＳ２においてロボッ
トアームの固有振動周期を測定し、ステップＳ３でロボ
ットアーム所望の距離だけ駆動するための速度パターン
を求め、ステップＳ４では測度パターンに対応してロボ
ットアームを駆動する駆動系の加速と減速のそれぞれの
トルクピークの時間差を求め、ステップＳ５、ステップ
Ｓ６、ステップＳ７ではステップＳ４で得られたトルク
ピークの時間差がロボットアームの固有振動周期の整数
倍となるようにの速度パターンを修正する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は制振制御方法に係り、
特に自動組付け機等に使用されるロボットアームの位置
決め時の振動を抑制するに好適な制振制御方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】図５は一般的なロボットの制御系の概略
構成図である。図において示すように、ワークピースを
ハンドリングするためのフィンガー部５はロボットアー
ム４の先端に取りつけられており、ロボットアーム４は
サーボモータ３により回動駆動および昇降駆動される。
なお、サーボモータ３はコントローラ１からサーボ増幅
器２を介して駆動される。

【０００３】以上述べたような構成において、次にその
動作をロボットアーム４の回転駆動を例にとって、図６
のタイミングチャートに従って説明する。

【０００４】今、ロボットアーム４を位置ａから位置ｃ
に駆動するものとする。その場合、コントローラ１はサ
ーボモータ３に対してロボットアーム４が図６（Ａ）に
示すような位置変化をするように、図６（Ｂ）に示すよ
うな速度指令を与える。

【０００５】この場合、理想的にはロボットアーム４は
フィンガー部５と共に時点ｔ１から時点ｔ２の間に加
速、時点ｔ２から時点ｔ４の間に一定速度、時点ｔ４か
ら時点ｔ５の間に減速と、その速度を変えながら位置ａ
から位置ｃまでの回転位置を変える。

【０００６】一方、ロボットアーム４を位置ａから位置
ｂに駆動する場合も同様に、コントローラ１はサーボモ
ータ３に対してロボットアーム４が図６（Ｄ）に示すよ
うな位置変化をするように、図６（Ｅ）に示すような速
度指令を与える。

【０００７】この場合、理想的にはロボットアーム４は
フィンガー部５と共に時点ｔ１から時点ｔ３の間に加
速、時点ｔ３から時点ｔ５の間に減速と、常時その速度
を変えながら位置ａから位置ｂまでの回転位置を変え
る。

【０００８】ところが実際にはサーボモータ３により駆
動されるロボットアーム４とフィンガー部５には慣性力
や弾性力が作用するために、加速時、加速終了時、減速
時、減速終了時のそれぞれの場合にロボットアーム４及
びフィンガー部５に振動を発生する。その結果、同図
（Ｃ）、（Ｆ）に示すように、ロボットアーム４の先端
のフィンガー部５においては加減速に伴う振動が発生
し、特に位置ｂ、位置ｃに位置決め停止した時点でも振
動が納まらないという問題がある。

【０００９】以上のように、ロボット等においてはコン
トローラ１からの動作指令に対して駆動されるロボット
アーム４やフィンガー部５等の可動部は加減速時、動き
始めや停止時に振動する。これは、可動部の慣性力や弾
性力によるものであり高速化を図るべく動作スピードや
加減速速度を上げれば上げるほど顕著になってくる。こ
の振動は位置決め停止時に特に問題となるものであり、
振動が納まるまでは次の動作に移れないので、実質的な
動作速度の低下を招いていた。

【００１０】このようなロボットの位置決め時の振動を
抑制するための研究は制振制御という形で広く行われて
いる。例えば、特開昭６３−３１４６０６号や特開昭６
３−３１４６０７号に示されている装置はその一例であ
るが、いずれもロボットアームの先端に振動が発生して
からロボットアームの先端に取りつけた加速度センサの
信号を外乱トルクとしてフィードバックし、加速度を制
御することにより制振しようとするものである。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】従来のロボット等にお
ける制振制御方法は以上のようにフィードバック制御に
より行っていたので、実際に振動が発生してから制振に
入ることになり、振動発生から振動の収束までの時間を
短縮できてもゼロにすることはできない。また、振動を
収束させるための制御情報を振動している状態からとら
えているため、振動が発生しないと制振制御が行えない
ことになり、完全な制振とは言えなかった。しかも、振
動に追従してこれを制振するためには高速度演算のでき
るＣＰＵが必要となり、制振制御系が高価で複雑になる
という問題点があった。

【００１２】この発明の目的は上記のような従来技術の
課題を解決し、特にロボットアームの加速動作とこれに
続く減速動作の連続により短距離移動させる場合に、ロ
ボットアーム等の先端の位置決め等に伴う振動を予め学
習しておき、ロボットアームの制御指令に振動を打ち消
すような条件を加え、速度制御カーブを補正することに
よって、ロボットアームの停止時の振動の発生を抑制す
ることを可能とした制振制御方法を得ることにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明は制振制御方法として、駆動対象の固有振
動周期を測定する第１の過程と、前記駆動対象を駆動す
るための速度パターンを求める第２の過程と、前記測度
パターンに対応して駆動系の加速と減速のそれぞれのト
ルクピークの時間差を求める第３の過程と、トルクピー
クの時間差が駆動対象の固有振動周期の整数倍となるよ
うに前記速度パターンを修正する第４の過程と、を備え
る制振制御方法を提供するものである。

【００１４】

【作用】上記手段において、第１の過程において駆動対
象の固有振動周期を測定し、第２の過程で前記駆動対象
を所望の距離だけ駆動するための速度パターンを求め、
第３の過程では前記測度パターンに対応して駆動対象を
駆動する駆動系の加速と減速のそれぞれのトルクピーク
の時間差を求め、第４の過程では前記第３の過程で得ら
れたトルクピークの時間差が駆動対象の固有振動周期の
整数倍となるように速度パターンを修正する。

【００１５】

【実施例】以下、図面を参照しながらこの発明の実施例
を説明する。図１は本発明の一実施例に係る制振制御方
法のフローチャートである。同図に示すように、ステッ
プＳ１とステップＳ２は事前準備として設定されるもの
であり、ステップＳ１ではロボットのロボットアームや
フィンガー部などの可動部の固有振動数ｆの測定を行
い、ステップＳ２では可動部の自由振動周期、つまり固
有振動周期λの算出を行う。ちなみに、この計算は固有
振動数ｆの逆数を求めることで行われる。

【００１６】次からの、ステップＳ３〜ステップＳ８は
実際にロボットアームを動作させている時の制御として
設定されるものである。まず、ステップＳ３ではロボッ
トアーム先端部の移動の速度パターンを算出し（図３
（ａ）参照）、ステップＳ４ではサーボモータのトルク
ピークの時間差Ｔを算出する（図３（ｂ）参照）。次の
ステップＳ５では、トルクピーク時間差Ｔを固有振動周
期λで余剰計算する。これはトルクピーク時間差Ｔを固
有振動周期λで割り算することにより行われる。ここ
で、割り算結果ｎと余りＴ´を得るが、ステップＳ６で
は余りＴ´が“０またはλ”に近いかどうかを判断す
る。ここで余りＴ´が“０またはλ”に近い場合はトル
クピーク時間差ＴをそのままにしてステップＳ８に移行
してサーボモータを駆動する。これに対して、余りＴ´
が“０またはλ”の近傍でない場合はトルクピーク時間
差ＴがＴ３＝（ｎ＋１）λとなるように速度パターンを
修正し、ステップＳ８ではこれに基づきサーボモータの
駆動を行う。

【００１７】さて、ここでロボットアームの移動距離が
短い場合の先端の速度波形、サーボモータの電流波形
（＝トルク）、ロボットアーム先端における移動方向の
加速度波形を図４に示す。ちなみに、同図（ａ）は移動
距離ｌの場合の速度波形、同図（ｂ）は移動距離ｌの場
合のモータ電流、同図（ｃ）は移動距離ｌの場合の先端
の加速度、同図（ｄ）は移動距離４×ｌの場合の速度波
形、同図（ｅ）は移動距離４×ｌの場合のモータ電流、
同図（ｆ）は移動距離４×ｌの場合の先端の加速度をそ
れぞれ示すものである。

【００１８】いま、加速度、減速度が一定であるとする
と、移動距離ｌの場合は図４（ａ）に示すように速度変
化は小さく、移動距離４×ｌの場合は図４（ｄ）に示す
ように速度変化は大きい。一方、モータ電流は加速時に
正、減速時に負となり、トルクもこれに伴い変化する
が、移動距離ｌの場合は加速時間も減速時間も短いの
で、加速時のトルクピークと減速時のトルクピークの間
の時間差、つまりトルクピーク時間差Ｔは図４（ｂ）に
示すようにＴ１となり、移動距離が４×ｌの場合は加速
時間も減速時間も長くなり図４（ｅ）に示すようにトル
クピーク時間差ＴはＴ２となる。

【００１９】さて、この場合、ロボットアームの先端の
加速度は加速時、減速時はモータ電流つまりトルクに応
じて変化するが、停止時にはロボットアームの慣性力や
弾性力により振動する。この場合の振動周期は、図４
（ｃ）、（ｆ）に示すように、移動時の加速度にかかわ
らずロボットアームを含む可動部の固有振動数ｆにより
決定される。

【００２０】ちなみに、ロボットアームの固有振動数ｆ
と固有振動周期λの関係は λ＝１／ｆ … （１） である。ここで、移動距離ｌの場合のトルクピーク時間
差Ｔ１と固有振動周期λの関係が Ｔ１＝λ／２ … （２） であり、移動距離４×ｌの場合のトルクピーク時間差Ｔ
２と固有振動周期λの関係が Ｔ２＝λ … （３） であるものとする。この場合、図４（ｃ）、（ｆ）から
も明らかなように、トルクピークの時間差Ｔ２＝λとな
る移動距離４×ｌの方がロボットアーム先端の加速度に
おける残留振動が小さくなっているのが解る。つまり、
モータ電流のトルクピーク時間差Ｔがロボットアーム先
端の停止時の残留振動の大きさに関係する。

【００２１】更に説明するならば、ロボットアームの加
速、減速によりモータ電流波形は正と負の両方向に２つ
のピークを持つ。この時間差、つまりトルクピーク時間
差ＴがＴ（＝λ／２）の場合は、加速時に発生させたロ
ボットアームの振動を減速時に増大させることになるた
め、残留振動が大きくなっている。言い換えれば、この
加減速は周波数ｆの加振と同じことであり、ロボットア
ームの固有振動数ｆを励起していることになる。これに
対して、トルクピーク時間差ＴがＴ２（＝λ）場合は、
加速時に発生させたロボットアームの振動を減速時に打
ち消して抑制することになるため、残留振動は抑制され
て小さくなる。言い換えれば、この加減速は周波数ｆ／
２の加振（振動抑制）と同じことであり、ロボットアー
ムの固有振動数ｆを抑制することになる。

【００２２】従って、全てのロボットアームの移動距離
においてトルクピーク時間差Ｔがロボットアームの固有
振動数ｆつまり固有振動周期λに対応して振動を抑制す
る方向に作用するように加減速のタイミングを制御する
ことにより、ロボットアームの停止時の残留振動を抑制
できることになる。すなわち、ロボットアームの加減速
のモータ電流（トルク）のピークの時間差、つまりトル
クピーク時間差Ｔ３が Ｔ３＝ｎλ … （４） ただし、ｎ＝１、２、３・・・・、となるように速度パ
ターンを修正することによりロボットアーム停止時の残
留振動を抑制することができる。

【００２３】ここで、この実施例の制振制御方法を図２
のタイミングチャートおよび図３のブロック図に従って
更に詳細に説明する。ちなみに、図２は移動距離ｌの場
合の速度、モータ電流、ロボットアーム先端の加速度を
示すものであるが、同図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は図４
の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に対応するものであり、同図
（ｄ）は修正された速度パターンによる速度波形、同図
（ｅ）は修正された速度パターンに対応するモータ電
流、同図（ｆ）は修正された速度パターンの場合のロボ
ットアーム先端の加速度をそれぞれ示すものである。ま
た、図３はこの実施例の制振制御方法を実現するための
具体的な構成を示すブロック図であり、図において示す
ように、先端にフィンガー部５を有するロボットアーム
４を駆動するためのサーボモータ３はサーボ増幅器２を
介してコントローラ１により制御されるが、コントロー
ラ１はＣＰＵ１１と内部メモリ１２を備えている。

【００２４】さて、先ず図１のフローチャートに示すよ
うに、ステップＳ１でロボットアーム４の固有振動数ｆ
を求める。これは実際にコントローラ１からサーボ増幅
器２を通じてサーボモータ３を駆動し実際にロボットア
ーム４の自由振動の様子を図示しない加速度センサーや
光学測定装置などにより実測する。この固有振動数ｆは
コントローラ１のＣＰＵ１１を通じて内部メモリ１２に
格納される。

【００２５】次に、ステップＳ２でＣＰＵ１１は内部メ
モリ１２からロボットアーム４の固有振動数ｆを呼び出
し、その固有振動周期λを式（１）に基づき演算する。
このようにして求めた固有振動周期λも内部メモリ１２
に格納しておく。

【００２６】以上のようにして準備作業を終了する。次
に、実際にロボットアーム４の制振制御を行う場合はＣ
ＰＵ１１によるプログラムに基づくステップＳ３以降の
動作により実施する。

【００２７】先ず、ステップＳ３において与えられたロ
ボットアーム４の移動距離に応じてその速度パターンを
求める。この速度パターンは速度、加速度共に最大とな
るような条件の基に決定される。これはロボットアーム
４の動作速度を最大限に速くするためである。

【００２８】次に、ステップＳ４において得られた速度
パターンを実現するためのサーボモータ３の電流パター
ンを演算し、トルクピーク時間差Ｔを算出する。

【００２９】そして、ステップＳ５においてトルクピー
ク時間差Ｔを固有振動周期λで余剰演算をする。演算式
は Ｔ／λ＝ｎ 余り Ｔ´ … （５） である。ここでｎは整数である。

【００３０】さて、以上のような演算の後に、その余り
Ｔ´をステップＳ６で評価する。この評価の結果、余り
Ｔ´がきわめて“０またはλ”に近ければトルクピーク
時間差Ｔは固有振動周期λの整数倍に近いということに
なる。つまり、ロボットアーム４の残留振動を抑制する
ような速度パターンでの制御が可能であるということで
あり、そのままステップＳ８に移行してサーボモータ３
を駆動する。その結果、ロボットアーム４の停止時の残
留振動が効果的に抑制されフィンガー部５によるワーク
ピースのハンドリング作業に直ちに入ることができる。

【００３１】一方、ステップＳ６の評価の結果、余りＴ
´が“０またはλ”にそれほど近くないという結果が得
られた場合、トルクピーク時間差Ｔは固有振動周期λの
整数倍にはないということであり、このままではロボッ
トアームの残留振動を増大する方向にしかならない。こ
のため、ステップＳ７に移行してトルクピーク時間差Ｔ
が固有振動周期λの整数倍になるように、つまり Ｔ３＝（ｎ＋１）λ … （６） なるトルクピーク時間差Ｔ３となるように速度パターン
を修正する。その結果、ロボットアーム４は残留振動を
抑制するような速度パターンに修正されるので、ステッ
プＳ８に移行してサーボモータ３を駆動することにより
ロボットアーム４の停止時の残留振動が抑制されること
になる。

【００３２】例えば、ロボットアーム４を移動距離ｌ分
だけ移動するのにステップＳ３で図２（ａ）に示すよう
な速度パターンが得られたとすると、ステップＳ４で得
られるモータ電流のトルクピーク時間差Ｔは図２（ｂ）
に示すようにＴ１となりλ／２となる。その結果、この
ままでロボットアーム４を駆動した場合はその先端の加
速度は図２（ｃ）に示すように残留振動が大きくなって
しまうが、ステップＳ５とステップＳ６の演算と演算結
果の評価で、余りＴ´がλ／２となり“０またはλ”と
はならない。従って、ステップＳ７でトルクピーク時間
差Ｔが固有振動周期λの整数倍となるように、つまり式
（６）の条件が満足されるような速度パターンを求め
る。つまり、速度パターンを図２（ｄ）に示すようなパ
ターンに修正する。その結果、トルクピーク時間差Ｔは
図２（ｅ）に示すようにＴ３（＝λ）となり、ロボット
アーム４の先端の停止時の残留振動は図２（ｆ）に示す
ように抑制される。

【００３３】以上のような制御の結果、ロボットアーム
４の先端を短い距離だけ移動する場合に、ロボットアー
ム４の停止時の残留振動を効果的に抑制できるので、位
置決めを迅速に実施でき、ロボット制御の高速化を図る
ことができる。

【００３４】また、フィードバック制御ではないので、
高価なセンサーを組み込んだり制御系を高速化したりす
る必要がなく、ローコストでシステムを構成することが
できる。

【００３５】更に、振動を発生させてからこれを検出し
て抑制する構成と異なり、最初から振動を発生しないよ
うに制御するので、振動抑制効果が高く、省エネルギー
の観点からも効率的な運用ができる。

【００３６】なお、上記実施例ではリアルタイムで速度
パターンを修正するような構成を例示したが、全ての動
作パターンにおける速度パターンを予め求めておき、テ
ーブル参照により速度パターンを決定するような構成と
してもよい。

【００３７】また、上記実施例ではロボットアームの駆
動を例にとって説明したが、この発明は、他の制御対象
であっても同様に適用可能であり、同様の効果を得られ
ることはもちろんである。また、制御対象も回転移動だ
けでなく直線移動であっても、制御対象が複数ある場合
もまったく同様に適用できることは言うまでもない。

【００３８】

【発明の効果】以上述べたように、この発明の制振制御
方法は、ロボットアーム等の駆動対象の固有振動数を予
め測定しておき、この固有振動を抑制するような速度パ
ターンでロボットアームを移動するように構成したの
で、ロボットアームの駆動の高速化と停止時の残留振動
の抑制を行うことが可能であり、系を簡単にしかも安価
に構成できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例に係る制振制御方法のフロ
ーチャートである。

【図２】速度パターンによる残留振動の状態の説明図で
ある。

【図３】この発明を実施するための構成のブロック図で
ある。

【図４】残留振動の差異の説明図である。

【図５】一般的なロボットの制御系の説明図である。

【図６】ロボットアームの動きの説明図である。

【符号の説明】

１ コントローラ ２ サーボ増幅器 ３ サーボモータ ４ ロボットアーム ５ フィンガー部 １１ ＣＰＵ １２ 内部メモリ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 駆動対象の固有振動周期を測定する第１
   の過程と、前記駆動対象を駆動するための速度パターン
   を求める第２の過程と、前記速度パターンに対応して駆
   動系の加速と減速のそれぞれのトルクピークの時間差を
   求める第３の過程と、トルクピークの時間差が駆動対象
   の固有振動周期の整数倍となるように前記測度パターン
   を修正する第４の過程と、を備えることを特徴とする制
   振制御方法。