JPH06261572A - トルク供給機のトルク制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 トルク供給機が経時変化しても、目的のトル
クを得ることができる。 【構成】 トルク指令信号に応じてモータ２１を制御す
るトルク制御モードと、速度指令信号に応じてモータ２
１を制御する速度制御モードとを切り替えることができ
る。モータ２１の角速度を検出する角速度センサ３６
と、速度指令信号に対するモード２１の検出角速度か
ら、この速度指令信号に対する応答特性を算出する応答
特性算出部４２と、初期状態時における応答特性と所定
時期における応答特性との差異から補正係数を求める補
正係数算出部４４と、補正係数と検出角速度とを掛け合
わせて補正量を求める乗算器４５と、トルク制御モード
の際に補正量をトルク指令信号に付加する加算器４６と
を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、アクチュエータと共に
減速機等を備えているトルク供給機の制御装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、アクチュエータと、その出力軸に
接続されている減速機等と有しているトルク供給機の制
御装置としては、例えば、図５に示すようなものがあ
る。

【０００３】この制御装置は、トルク指令信号を出力す
るトルク指令出力部３２と、このトルク指令出力部３２
からのトルク指令信号に対応するトルクが出力されるよ
うＤＣモータ２１に供給する電流を制御する電流サーボ
部３１とを備えている。

【０００４】すなわち、この制御装置は、ＤＣモータ２
１の出力端におけるトルクを管理することにより、トル
ク供給機２０の出力端２３におけるトルクを管理してい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
制御装置では、アクチュエータの出力端におけるトルク
管理であるため、減速機が劣化した場合、又は減速機の
潤滑剤が劣化した場合等においては、トルク供給機から
目的のトルクを発生することができないという問題点が
ある。具体的には、例えば、トルク供給機がネジ締め作
業をする場合、減速機の潤滑剤が劣化して、減速機の粘
性摩擦係数が変化したとすると、たとえ、アクチュエー
タ自体が目的のトルクに対応したトルクを発生したとし
ても、トルク供給機から目的のトルクを発生しえず、ネ
ジを目的のトルクで締め付けることができなくなってし
まう。

【０００６】本発明は、このような従来の問題点に着目
してなされたもので、トルク供給機が経時変化しても、
トルク供給機から目的のトルクを出力させることができ
るトルク制御装置、及びこれを備えているマニピュレー
タを提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
のトルク制御装置は、アクチュエータを備えているトル
ク供給機がトルク指令信号に応じたトルクを発生するよ
う、該トルク供給機を制御するトルク制御装置におい
て、前記アクチュエータの出力端の速度を検出する速度
検出手段と、前記アクチュエータの出力端の速度を指定
する一定の速度指令信号を複数回出力する速度指令出力
手段と、前記速度指令信号が指定する速度で前記アクチ
ュエータの出力端が動くよう、前記アクチュエータを制
御する速度制御手段と、前記トルク指令信号に応じて前
記アクチュエータを制御するトルク制御モードと、前記
速度指令信号に応じて前記アクチュエータを制御する速
度制御モードとを切り替えるモード切替手段と、前記速
度制御モードの際に得られる、前記速度指令出力手段か
らの前記速度指令信号に対する前記アクチュエータ出力
端の検出速度から、該速度指令信号に対する応答特性を
算出する応答特性算出手段と、前記応答特性を記憶する
応答特性記憶手段と、前記応答特性記憶手段に記憶され
ている応答特性と、該応答特性に対する前記速度指令信
号が発せられた時期よりも後に発せられた速度指令信号
に対する応答特性との差異を用いて、前記トルク指令信
号に対する補正量を求める補正量算出手段と、前記トル
ク制御モードの際に、前記補正量により前記トルク指令
信号を補正するトルク指令信号補正手段と、を備えてい
ることを特徴とするものである。

【０００８】

【作用】トルク供給機の初期状態時に、一時的に速度制
御モードにして、アクチュエータ出力端の検出速度か
ら、該速度指令信号に対する応答特性を求め、これを応
答特性記憶手段に記憶しておく。

【０００９】トルク制御モードで、一定時間制御してい
ると、減速機の潤滑剤等が劣化してくる。そこで、再
び、一時的に速度制御モードに切り替えて、速度指令信
号に対する応答特性を求める。そして、この応答特性と
記憶手段に記憶されている初期状態時の応答特性との差
異を用いて、トルク指令信号の補正量を求める。トルク
指令信号は、求められた補正量で補正され、この補正さ
れたトルク指令信号によりアクチュエータが制御され
る。

【００１０】以上のように、トルク指令信号が補正され
て、トルク供給機の経時変化分が補償されているので、
トルク供給機が経時変化しても目的のトルクを得ること
ができる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明に係る各種実施例について、図
１〜図４を用いて説明する。まず、本発明に係るマニピ
ュレータの第１の実施例について、図１〜３を用いて説
明する。

【００１２】本実施例のマニピュレータは、対象物１０
に対してトルクを供給するトルク供給機２０と、このト
ルク供給機２０を制御する制御装置３０とを備えてい
る。

【００１３】トルク供給機２０は、ＤＣモータ２１と、
ＤＣモータ２１の出力端に接続されてい減速機２２とを
備えている。この減速機２２の出力端は、マニピュレー
タのエンドエフェクタ２３を構成している。

【００１４】また、制御装置３０は、ＤＣモータ２１に
対して所定の電流を供給してモータ２１を制御する電流
サーボ部３１と、トルク指令信号(目標トルクに対応し
た電流サーボ部３１が出力する電流値)を出力するトル
ク信号出力部３２と、速度指令信号(目標速度に対応し
た電流サーボ部３１が出力する電流値)を出力する速度
指令信号出力部３３と、トルク指令信号に応じてＤＣモ
ータ２１が制御されるトルク制御モードと速度指令信号
に応じてＤＣモータ２１が制御される速度制御モードと
を切り替えるモード切替スイッチ３４ａ，３４ｂ，３４
ｃと、モードを切り替えるためにモード切替スイッチ３
４ａ，３４ｂ，３４ｃに対してリセット信号を出力する
リセット信号出力部３５と、ＤＣモータ２１の出力端子
の角速度を検出する角速度センサ３６と、速度指令信号
が特定する速度と角速度センサ３６が検出した速度との
偏差を求める減算器３７と、速度制御モード時において
減算器３７からの出力に応じて電流サーボ部３１を制御
する速度制御器３８と、トルク制御モードにおいて角速
度センサ３６からの出力に応じてトルク指令信号を補正
するトルク指令信号補正部４０とを有している。

【００１５】トルク指令信号補正部４０は、速度指令信
号が出力されてから、減算器３７からの出力（速度指令
信号が特定する速度と角速度センサ３６が検出した速度
との偏差）が所定値(ωs)になるまでの時間（Ｔ０，Ｔ
１）を計測するカウンタ４１と、カウンタ４１からの出
力を基にして速度指令信号に対するＤＣモータ２１の応
答特性を算出する応答特性算出器４２と、応答特性算出
器４２で算出される応答特性のうち初期状態時の応答特
性を記憶しておくメモリ４３と、初期状態時の応答特性
と所定時期の応答特性との差を求める減算器４７と、減
算器４７の出力値から補正係数Δを求める補正係数算出
器４４と、補正係数Δと角速度センサ３６が検出した角
速度ωとを掛け合わせて補正量Δ×ωを求める乗算器４
５と、トルク指令信号に対して補正量Δ×ωを加算する
加算器４６とを有している。

【００１６】なお、以上で説明した構成のうち、トルク
信号出力部３２、速度指令信号出力部３３、速度制御器
３８、トルク指令信号補正部４０、モード切替スイッチ
３４ａ，３４ｂ，３４ｃ等は、制御装置３０の機能構成
要素として説明したもので、本実施例の制御装置３０
は、実際には、図２に示すように構成されている。

【００１７】すなわち、電流サーボ（＝電流サーボ部）
３１と、光学式エンコーダ（＝角速度センサ）３６と、
ＦＶＣ(Frequency Voltage Converter)５５と、Ａ／Ｄ
変換器５６と、Ｄ／Ａ変換器５７と、リセット信号発信
スイッチ（＝リセット信号出力部）３５と、デジタルコ
ントローラ５０とを有して構成されている。デジタルコ
ントローラ５０は、インターフェース回路（Ｉ／Ｏ）５
３，５４と、各種演算を実行するＣＰＵ５１と、ＣＰＵ
５１が演算を実行するためのプログラムやデータが記憶
されているＲＡＭ５２とを有している。従って、トルク
指令信号補正部４０等の動作は、実際には、ＲＡＭ５２
に記憶されているプログラムやデータに基づき、ＣＰＵ
５１が諸演算を実行することにより達成される。

【００１８】また、本実施例において、速度制御手段は
速度制御器３８及び電流サーボ部３１で構成され、モー
ド切替手段はモード切替スイッチ３４ａ，３４ｂ，３４
ｃ及びリセット信号出力部３５で構成されている。さら
に、応答特性算出手段は応答特性算出部４２で、補正量
算出手段は補正係数算出部４４及び乗算器４５で、トル
ク信号補正手段は加算器４６で構成されている。

【００１９】ここで、本実施例の動作について説明する
前に、トルク制御の原理について説明する。ＤＣモータ
２１の発生トルクをτm、減速機２２等のトルク伝達効
率の劣化により発生する摩擦トルク分をτl、エンドエ
フェクタ２３に取り付けられた負荷１０の慣性定数を
Ｊ、ＤＣモータ２１の回転速度をωとすると、エンドエ
フェクタ２３が発生するトルクτは次式で表せる。但
し、減速比は簡単のため１とする。

【００２０】

【数１】

【００２１】また、τlが粘性摩擦成分で代表されると
すると、τlは次式で表せる。なお、同式において、Ｃ
は粘性摩擦係数である。

【００２２】

【数２】

【００２３】従って、初期状態時での粘性摩擦係数をＣ
0、初期状態時後の所定時期における粘性摩擦係数をＣ1
とすると、粘性摩擦摩擦係数の変動により発生する初期
状態時から所定時期までの摩擦トルクの変化量Δτは、
次式で表せる。

【００２４】

【数３】

【００２５】また、ＤＣモータ２１の電機子電流ｉaと
モータ発生トルクτmとの関係は、トルク定数をＫtとす
ると、次式で表せる。

【００２６】

【数４】

【００２７】そこで、同一の速度において、粘性摩擦の
変動に関わらず（Ｃ0→Ｃ1）、エンドエフェクタ２３の
トルクτを一定とするためには、ＤＣモータ２１の電機
子電流ｉaを次式のｉa'にする必要がある。

【００２８】

【数５】

【００２９】ここで、（数５）をｉa'について解くと、
（数６）のように表せる。

【００３０】

【数６】

【００３１】従って、（数６）より、粘性摩擦の変動に
関わらず、エンドエフェクタ２３の発生トルクτを一定
とするためには、ＤＣモータ２１の電機子電流ｉa'を当
初の電流値ｉaに補正量Δ×ωを加えた値にすればよい
ことがわかる。

【００３２】そこで、次に、補正量Δ×ωを得るために
必要な補正係数Δの算出について説明する。補正係数Δ
は、速度制御モードにおいて、初期状態時と所定時期に
ステップ状の速度指令信号を出力し、そのステップ応答
特性の変化から求める。

【００３３】図３は、速度制御モードにおける応答波形
例を示しており、同図中、一点鎖線がステップ状の速度
指令信号で、実線がその応答特性である。また、Ｔ0は
初期状態時に速度制御動作がスタートしてから許容到達
値ωsに到達するまでの時間、Ｔ1は所定時期に同一速度
指令で同一の慣性負荷で速度制御動作を行った時に同様
にして得られる時間を表す。

【００３４】ここで、（数１）より速度制御時に発生す
る加速度は、（数７）で表せる。

【００３５】

【数７】

【００３６】また、ωsに到達するまでの応答特性を直
線近似すると、初期状態時での加速度および所定時期で
の加速度はそれぞれωs／Ｔ0、ωs／Ｔ1で表せ、（数
７）と合わせて次式が成立する。

【００３７】

【数８】

【００３８】但し、速度制御器３８は比例制御とし、同
一電流値指令に対しては、同一速度、同一モータ発生ト
ルクτmが発生し、以下の式が成立するものとする。

【００３９】

【数９】

【００４０】次に、i=0を代入した（数８）から、i=1を
代入した（数８）を引き、次式を得る。

【００４１】

【数１０】

【００４２】但し、ωsは、ω＝ωsとして（数１０）が
精度上成立できる範囲として選定する。これより、（数
１０）を変形して補正係数Δの近似解を得る。

【００４３】

【数１１】

【００４４】すなわち、補正係数Δは、応答特性を示す
加速度の初期状態時の値と所定時期の値との差から求め
ることができる。

【００４５】次に、本実施例の動作について説明する。
まず、トルク供給機２０の初期状態時にリセット信号出
力部３５からモード切替スイッチ３４ａ，３４ｂ，３４
ｃに対してリセット信号を出力し、速度制御モードにす
る。

【００４６】速度制御モードになると、直ちに速度指令
信号出力部３３からステップ状の速度指令信号が減算器
３７を介して速度制御器３８に出力されると共に、ＤＣ
モータ２１の出力端の角速度が角速度センサ３６により
検出される。減算器３７では、速度指令信号と角速度セ
ンサ３６からの角速度信号との偏差が求められ、速度制
御器３８から、この偏差が無くなるような値の電流値指
令信号が電流サーボ部３１に出力される。電流サーボ部
３１は、ＤＣモータ２１には、電流サーボ部３１から電
流値指令信号に応じた電流が供給され、速度指令信号に
応じた速度になる。ＤＣモータ２１が速度指令信号に応
じた速度に達する過程において、速度指令信号が発せら
れた時から予め定められた角速度ωsになるまでの時間
Ｔ０（図３に示す。）がカウンタ４１に計測される。そ
して、前述した（数８）を用いて、応答特性算出部４２
により、初期状態時における応答特性が求められ、この
特性がメモリ４３に記憶される。

【００４７】初期状態時における応答特性が記憶される
と、再び、リセット信号出力部３５からリセット信号が
出力され、トルク制御モードに切り替わる。トルク制御
モードでは、トルク指令信号出力部３２からのトルク指
令信号が電流サーボ部３１に出力され、このトルク指令
信号に応じたトルクをエンドエフェクタ２３が発生する
よう、ＤＣモータ２１が制御される。

【００４８】トルク制御モードにおいて、トルク供給器
２０がある程度駆動されていると、減速機２２の歯が摩
耗したり、減速機２２の潤滑剤が劣化して、エンドエフ
ェクタ２３において、トルク指令信号に応じたトルクを
発生できなくなる。そこで、このような潤滑剤の劣化等
に対応すべく、トルク指令信号出力部から出力されるト
ルク指令信号自体を補正する。

【００４９】トルク指令信号を補正するには、まず、初
期状態時より一定期間経過した所定時期において、リセ
ット信号出力部３５からリセット信号を出力させ、速度
制御モードに切り替える。速度制御モードになると、前
述したように、ステップ状の速度指令信号（前述した速
度指令信号とまったく同じもの）が出力され、速度指令
信号が発せられた時から予め定められた角速度ωsにな
るまでの時間Ｔ１（図３に示す。）がカウンタ４１に計
測される。そして、応答特性算出部４２により、所定時
期における応答特性が求められる。減算器４７では、前
述した（数１０）に示すように、この所定時期における
応答特性とメモリ４３に記憶されている初期状態時の応
答特性との差が求められ、補正係数算出部４４により、
前述した（数１１）に示すように、補正係数Δが求めら
れる。

【００５０】補正係数Δが求められると、再び、リセッ
ト信号が出力されてトルク制御モードに切り替わる。ト
ルク制御モードになると、トルク指令信号ｉが出力され
ると共に、角速度センサ３６によりＤＣモータ２１の出
力端の角速度ωが計測される。

【００５１】角速度センサ３６からの角速度信号ωは、
乗算器４５で、先程求めた補正係数Δを掛け合わされ、
トルク指令信号の補正量Δ×ωが求められる。この補正
量Δ×ωは、前述した（数６）に示すように、加算器４
６で、トルク指令信号ｉaに加算され、トルク指令信号
ｉaは補正される。電流サーボ部３１には、補正された
トルク指令信号ｉa'が入力し、このトルク指令信号ｉa'
に応じたトルクがＤＣモータ２１から発生する。ＤＣモ
ータ２１からは、潤滑剤の劣化等を補償できるトルクが
発生しているので、減速機２２の出力端であるエンドエ
フェクタ２３からは当初のトルク指令信号ｉaに応じた
トルクが発生する。

【００５２】以上のように、本実施例では、初期状態時
の応答特性と所定時期の応答特性との差異に基づいて、
トルク供給機２０の経時変化を補償しているので、トル
ク供給機２０が経時変化しても目的のトルクを得ること
ができる。この結果、マニピュレータの寿命を伸ばすこ
とができ、コストの削減を図ることができる。また、ト
ルク供給機２０に対して何ら新たなものを設けず、且つ
トルク供給機２０の経時変化補償をソフトウェアで基本
的に対応しているので、マニピュレータの大型化を防ぐ
ことができる。

【００５３】なお、本実施例において、応答特性算出部
４２では、応答特性を示す加速度を求めているが、応答
特性を示すものであれば如何なるものでもよく、例え
ば、（数１１）におけるＫ／Ｔiを求めるようにしても
よい。

【００５４】次に、本発明に係るマニピュレータの第２
の実施例について、図４を用いて説明する。なお、本実
施例の説明するにつき、第１の実施例と同一部位につい
ては同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

【００５５】本実施例では、タイマ３９を設けて、予め
定められた時になり、このタイマ３９から信号が発っせ
られると、リセット信号出力部３５ａからリセット信号
を出力するようにしている。また、本実施例では、メモ
リ４３ａ内に、初期状態時の応答特性を記憶する初期状
態特性記憶部と所定時期における複数の応答特性を記憶
する所定時期特性記憶部とを設けると共に、所定時期に
おける複数の応答特性を平均値を求める平均値算出部４
８を加えている。

【００５６】初期状態時において、タイマ３９からリセ
ット信号出力部３５ａに対して発信指示信号が出力さ
れ、速度制御モードに切り替えられると、第１の実施例
と同様に、初期状態時の応答特性(ωs／T0)が求めら
れ、これがメモリ４３ａの初期状態特性記憶部に記憶さ
れる。

【００５７】初期状態時から一定時間経過し、再び、速
度制御モードに切り替えられると、複数回速度指令信号
が出力され、所定時期の複数の応答特性(ωs／T1,ωs／
T2,…)が求められて、これがメモリ４３ａの所定時期特
性記憶部に記憶される。所定時期特性記憶部に記憶され
た複数の応答特性(ωs／T1,ωs／T2,…)は、平均値算出
部４８により、平均化される。減算器４７では、この平
均値(ωs／Tav)と初期状態時の応答特性(ωs／T0)との
差が求められ、補正係数算出部４９において、この差か
ら第１の実施例と同様に補正係数Δが求められる。

【００５８】このように、本実施例では、応答特性のサ
ンプリングの自動化が図られると共に、複数の応答特性
を用いて補正係数Δを求めているので、トルク供給機２
０に対する経時変化補償の精度を高めることができる。

【００５９】なお、以上の実施例において、トルク指令
信号を１回しか補正していないが、定期的に複数回補正
してもよいことは言うまでもない。

【００６０】

【発明の効果】本発明によれば、初期状態時の応答特性
と所定時期の応答特性との差異に基づいて、トルク供給
機の経時変化分をトルク指令信号を補正することで補償
しているので、トルク供給機が経時変化しても目的のト
ルクを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る第１の実施例のマニピュレータの
機能ブロック図である。

【図２】本発明に係る第１の実施例のマニピュレータの
回路ブロック図である。

【図３】経時変化によるモータの応答特性変化を示す説
明図である。

【図４】本発明に係る第２の実施例のマニピュレータの
機能ブロック図である。

【図５】従来の制御装置の回路ブロック図である。

【符号の説明】

１０…負荷、２０…トルク供給機、２１…ＤＣモータ、
２２…減速機、２３…エンドエフェクタ、３０，３０ａ
…制御装置、３１…電流サーボ部、３２…トルク指令信
号出力部、３３…速度指令信号出力部、３４ａ，３４
ｂ，３４ｃ…モード切替スイッチ、３５，３５ａ…リセ
ット信号出力部、３６…角速度センサ（光学式エンコー
ダ）、３８…速度制御器、３９…タイマ、４０，４０ａ
…トルク指令信号補正部、４１…カウンタ、４２…応答
特性算出部、４３，４３ａ…メモリ、４５…乗算器、４
６…加算器、４７…減算器、４８…平均値算出部。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】アクチュエータを備えているトルク供給機
   がトルク指令信号に応じたトルクを発生するよう、該ト
   ルク供給機を制御するトルク制御装置において、 前記アクチュエータの出力端の速度を検出する速度検出
   手段と、 前記アクチュエータの出力端の速度を指定する一定の速
   度指令信号を複数回出力する速度指令出力手段と、 前記速度指令信号が指定する速度で前記アクチュエータ
   の出力端が動くよう、前記アクチュエータを制御する速
   度制御手段と、 前記トルク指令信号に応じて前記アクチュエータを制御
   するトルク制御モードと、前記速度指令信号に応じて前
   記アクチュエータを制御する速度制御モードとを切り替
   えるモード切替手段と、 前記速度制御モードの際に得られる、前記速度指令出力
   手段からの前記速度指令信号に対する前記アクチュエー
   タ出力端の検出速度から、該速度指令信号に対する応答
   特性を算出する応答特性算出手段と、 前記応答特性を記憶する応答特性記憶手段と、 前記応答特性記憶手段に記憶されている応答特性と、該
   応答特性に対する前記速度指令信号が発せられた時期よ
   りも後に発せられた速度指令信号に対する応答特性との
   差異を用いて、前記トルク指令信号に対する補正量を求
   める補正量算出手段と、 前記トルク制御モードの際に、前記補正量により前記ト
   ルク指令信号を補正するトルク指令信号補正手段と、 を備えていることを特徴とするトルク制御装置。
2. 【請求項２】前記補正量算出手段は、前記応答特性の相
   互の差異と共に、前記トルク制御モード際の前記アクチ
   ュエータ出力端の検出速度を用いて、前記補正量を求め
   ることを特徴とする請求項１記載のトルク制御装置。
3. 【請求項３】前記モード切替手段は、タイマーを有し、
   前記トルク供給機の初期状態時とその後の所定時期とに
   おいて、前記トルク制御モードから前記速度制御モード
   に切り替え、再び該トルク制御モードに切り替えること
   を特徴とする請求項１又は２記載のトルク制御装置。
4. 【請求項４】前記応答特性記憶手段は、前記トルク供給
   機の初期状態時における前記応答特性を記憶する初期状
   態応答特性記憶手段と、該初期状態時後の複数の所定時
   期における前記応答特性を記憶する所定時期応答特性記
   憶手段とを有し、 前記補正量算出手段は、前記初期状態応答特性記憶手段
   に記憶されている応答特性と、前記所定時期応答特性記
   憶手段に記憶されている複数の前記応答特性の平均特性
   との差異を用いて、前記トルク指令信号に対する補正量
   を求めることを特徴とする請求項１、２又は３記載のト
   ルク制御装置。
5. 【請求項５】請求項１、２、３又は４記載のトルク制御
   装置と、 前記トルク制御装置により制御される前記トルク供給機
   とを備え、 前記トルク供給機の出力端がエンドエフェクタであるこ
   とを特徴とするマニピュレータ。