JPH06262559A

JPH06262559A - 産業用ロボットの制御装置

Info

Publication number: JPH06262559A
Application number: JP5207793A
Authority: JP
Inventors: Katsumi Kimura; 勝己木村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1993-03-12
Filing date: 1993-03-12
Publication date: 1994-09-20

Abstract

(57)【要約】【目的】産業用ロボットのアーム駆動用のモータに結
合するエンコーダに分解能の低いものを用いても、正確
な速度信号が得られるようにする。【構成】アームを駆動するモータ(6)にエンコーダ(8)
を結合し、モータ(6)に流れる電流信号ｉとエンコーダ
(8)の速度ω_e及びモータ軸換算慣性モーメントのノミナ
ル値Ｊ_nから速度信号ω₀を計算する。 ω₀＝∫１／Ｊ_n［Ｋ_tn・ｉ−Ｇ（ω₀−ω_e）］ｄｔここに、Ｋ_tn：モータのトルク定数のノミナル値Ｊ_tn Ｇ：比例ゲイン又は比例＋積分ゲイン

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、産業用ロボットの各
関節のモータをエンコーダの出力により制御する装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】産業用ロボットでは、ロボットの各関節
に設けられたモータにエンコーダを結合し、このエンコ
ーダの出力によりアームの位置を検出したり、モータの
速度を求めたりして、ロボットを制御するようにしてい
る。従来、このエンコーダにインクリメンタル信号を出
力するインクリメンタルエンコーダが用いられている
が、インクリメンタルエンコーダでは、関節の絶対的な
位置を知ることができないため、原点出し等の操作を必
要とする。また、インクリメンタル信号特有の処理回路
を必要とし、また、パルス数のカウントも必要である。

【０００３】そこで、インクリメンタルエンコーダに代
わって、エンコーダの円盤に絶対位置を記録してアブソ
リュート信号を出力するアブソリュートエンコーダが用
いられるようになった。しかし、アブソリュート信号は
絶対位置を記録しているため、インクリメンタルエンコ
ーダと同等の分解能を得ることは非常にむずかしく、産
業用ロボットの制御用として充分な性能を得ることはで
きない。そのため、アブソリュートエンコーダと言って
も、インクリメンタル信号とアブソリュート信号を併用
したものとなっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来の産
業用ロボットの制御装置では、エンコーダの信号として
インクリメンタル信号にアブソリュート信号を併用する
ものを用いているため、原点出しをする必要はなくなっ
たが、処理回路が多いことは変わらず、更に信号線が増
加するという問題点がある。最近、産業用ロボットにも
用いることが可能なほど分解能の高いアブソリュートエ
ンコーダも出現しているが、非常に高価であるという問
題点がある。

【０００５】この発明は上記問題点を解消するためにな
されたもので、高分解能のエンコーダを用いなくても、
安定した制御ができ、かつ信号線を少なくすることがで
きるようにした産業用ロボットの制御装置を提供するこ
とを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明の第１の発明に
係る産業用ロボットの制御装置は、各関節に設けられ、
減速機を介してアームを駆動するモータに、アブソリュ
ート信号だけを出力するエンコーダを結合し、モータに
流れる電流、エンコーダの出力、及びモータ軸換算慣性
モーメント値からモータの速度信号を演算する速度推定
手段を備えたものである。

【０００７】また、第２の発明に係る産業用ロボットの
制御装置は、各関節に設けられ、減速機を介してアーム
を駆動するモータに、インクリメンタル信号を出力する
エンコーダを結合し、モータに流れる電流、エンコーダ
の出力、及びモータ軸換算慣性モーメント値からモータ
の速度信号を演算する速度推定手段を備えたものであ
る。

【０００８】また、第３の発明に係る産業用ロボットの
制御装置は、各関節に設けられ、アームを直接駆動する
モータにエンコーダを結合し、モータに流れる電流、エ
ンコーダの出力、及びモータ軸換算慣性モーメント値か
らモータの速度信号を演算する速度推定手段を備えたも
のである。

【０００９】また、第４の発明に係る産業用ロボットの
制御装置は、各関節に設けられ、アームを駆動するモー
タにエンコーダを結合し、モータに流れる電流とエンコ
ーダの出力から外乱トルクを演算する外乱トルク推定手
段と、モータに流れる電流、エンコーダの出力、モータ
軸換算慣性モーメント値、及び外乱トルク推定手段の出
力から速度信号を演算する速度推定手段を備えたもので
ある。

【００１０】また、第５の発明に係る産業用ロボットの
制御装置は、第１〜第４の発明のいずれかに、関節の動
作角度に応じてモータ軸換算慣性モーメント値を算出す
る慣性モーメント演算手段を設けたものである。

【００１１】

【作用】この発明の第１の発明においては、アームを駆
動するモータにアブソリュート信号だけを出力するエン
コーダを結合し、モータに流れる電流、エンコーダの出
力、及びモータ軸換算慣性モーメント値からの速度信号
を演算するようにしたため、インクリメンタル信号の処
理回路は不要となる。また、速度信号の演算はソフトウ
ェアアルゴリズムにより実現可能である。

【００１２】また、第２の発明においては、アームを駆
動するモータにインクリメンタル信号を出力するエンコ
ーダを結合し、モータに流れる電流、エンコーダの出
力、及びモータ軸換算慣性モーメント値から速度信号を
演算するようにしたため、速度信号の精度はエンコーダ
の分解能に影響されない。

【００１３】また、第３の発明においては、アームを直
接駆動するモータにエンコーダを結合し、モータに流れ
る電流、エンコーダの出力、及びモータ軸換算慣性モー
メント値から速度信号を演算するようにしたため、速度
信号の精度はエンコーダの分解能に影響されない。

【００１４】また、第４の発明においては、アームを駆
動するモータにエンコーダを結合し、モータに流れる電
流とエンコーダの出力から外乱トルクを演算し、モータ
に流れる電流、エンコーダの出力、モータ軸換算慣性モ
ーメント値、及び外乱トルクから速度信号を演算するよ
うにしたため、外乱トルクを近似するものに比して誤差
が小さい。

【００１５】また、第５の発明においては、関節の動作
角度に応じて、慣性モーメント値を算出するようにした
ため、ロボットの各位置に対する最適の慣性モーメント
値が適用できる。

【００１６】

【実施例】

実施例１．（第１の発明）図１〜図３はこの発明の第１の発明の一実施例を示す図
で、図１はブロック線図、図２は速度推定手段のブロッ
ク線図、図３はエンコーダの出力波形図であり、同一符
号は同一部分を示す（他の実施例も同じ）。

【００１７】図において、(1)は速度指令値ω*と速度信
号ω₀の偏差を演算する加算器、(2)は電流指令値ｉ*を
出力する速度制御器、(3)は電流指令値ｉ*と電流信号ｉ
の偏差を演算する加算器、(4)は電圧指令値Ｖ*を出力す
るトルク制御器、(5)はインバータで構成された電流増
幅器、(6)は各関節に設けられアームを駆動するモー
タ、(7)はモータ(6)に流れる電流信号ｉを検出する電流
検出器である。

【００１８】(8)はモータ(6)に減速機（図示しない）を
介して結合され、アブソリュート信号で示される速度ω
_eを出力するエンコーダ、(9)はエンコーダ(8)及び電流
検出器(7)に接続され、モータ(6)の回転速度を演算して
速度信号ω₀を出力する速度推定手段、(10)は乗算器、
(11)は加算器、(12)は積分器、(13)(14)は平均値演算
器、(15)は加算器、(16)はＰＩ制御器である。

【００１９】次に、この実施例の動作を説明する。速度
指令値ω*と速度信号ω₀の偏差が速度制御器(2)に入力
されて電流指令値ｉ*となり、電流指令値ｉ*と電流信号
ｉの偏差がトルク制御器(4)に入力されて電圧指令値Ｖ*
となる。そして、この電圧指令値Ｖ*に従った電圧がモ
ータ(6)に印加されてモータ(6)は駆動され、関節を介し
てアームを駆動する。モータ(6)が回転するとエンコー
ダ(8)は図３に示すように、その分解能により量子化さ
れた速度ω_eを出力し、速度推定手段(9)を介して出力さ
れる速度信号ω₀が帰還されることにより、モータ(6)は
精度高く速度制御される。

【００２０】さて、モータ(6)の速度ωは次式で示され
る。 ω＝∫１／Ｊ（Ｋ_t・ｉ−Ｔ_d）ｄｔ・・・(1) ここに、Ｊ：モータ軸換算慣性モーメントＫ_t：モータのトルク定数ｉ：モータの電流Ｔ_d：モータ軸の加わる外乱トルク次に、速度信号（指定速度）ω₀は次式で表される。 ω₀＝∫１／Ｊ_n［Ｋ_tn・ｉ−Ｇ（ω₀−ω_e）］ｄｔ・・・(2) ここに、Ｊ_n：モータ軸換算慣性モーメントのノミナル
値Ｋ_tn：モータのトルク定数のノミナル値Ｇ：比例ゲイン又は比例＋積分ゲイン ω_e：エンコーダにより計算される速度

【００２１】速度推定手段(9)は上記(2)式を演算する回
路である。すなわち、モータ(6)の電流ｉに乗算器(10)
でモータ(6)のトルク定数のノミナル値Ｋ_tnを乗じてト
ルクが算出され、これを積分器(12)でモータ軸換算慣性
モーメントのノミナル値Ｊ_nで除して積分することによ
り速度信号ω₀となる。一方、エンコーダ(8)の出力が平
均された速度ω_eと積分器(12)の出力が平均された速度
信号ω₀は加算器(15)へ入力され、ω₀−ω_eが計算され
る。この値をＰＩ制御器(16)を通して加算器(11)へ帰還
し、乗算器(10)の出力から減算して積分器(12)へ入力し
ている。これは、実際のモデルと速度推定手段(9)にお
いて構成されるモデルのずれを補償するためである。

【００２２】このようにして、モータ(6)に流れる電流
から速度を求めているため、位相遅れも少なく分解能が
高い速度が得られる。また、アブソリュート信号だけを
用いているので、従来のインクリメンタル信号の処理回
路は不要である。更に、インクリメンタル信号伝送のた
めの信号線も不要になり、信号線数は６本から２本に減
っている。ロボットは通常４軸から８軸存在し、１軸に
一つのエンコーダ(8)がついているため、かなりの信号
線を減らすことが可能である。

【００２３】実施例２．（第２の発明）実施例１では、エンコーダ(8)はアブソリュート信号だ
けを出力するものとしたが、分解能の高いインクリメン
タル信号を出力するエンコーダに適用することももちろ
ん可能である。すなわち、インクリメンタル信号を併用
するロボットの制御装置についても、速度推定手段(9)
を設けることによって、従来よりも分解能の低いエンコ
ーダを用いても、同等の制御が可能になる。

【００２４】実施例３．（第３の発明）通常のロボットの各関節は、モータ(6)とアームの間に
１００分の１程度の減速機が介在している。エンコーダ
はモータ(6)側に設けられており、アームの速度はエン
コーダにより計算される速度ω_eの１００分の１にな
る。したがって、各関節にアームを直接駆動するモータ
を用いると、使用速度は１００分の１になるため、減速
機を用いた場合のエンコーダ(8)よりも１００倍程度、
分解能が高いエンコーダを用いなければ、同等の制御が
できないことになる。この場合も、速度推定手段(9)を
設けることにより、分解能が低いエンコーダを用いて
も、同等の制御が可能になる。

【００２５】実施例４．（第４の発明）図４及び図５はこの発明の第４の発明の一実施例を示す
図で、図４はブロック線図、図５は速度推定手段及び外
乱トルク推定手段のブロック線図である。

【００２６】図において、(19)は、速度推定手段(9)及
び電流検出器(7)に接続され、モータ(6)の外乱トルクＴ
_dを演算する外乱トルク推定手段、(20)は乗算器、(21)
は微分器、(22)(23)は加算器である。

【００２７】実施例１では、(1)式における外乱トルク
Ｔ_dを(2)式ではＧ（ω_e−ω₀）として近似しているが、
実施例４では、外乱トルクＴ_dを計算して求めようとす
るものである。外乱トルクＴ_dは次式で求められる。Ｔ_d＝Ｋ_tn・ｉ−Ｊ_n・ｄω_e／ｄｔ・・・(3)

【００２８】外乱トルク推定手段(19)は、上記(3)式を
演算する回路である。すなわち、モータ(6)の電流信号
ｉに乗算器(20)でモータ(6)のトルク定数のノミナル値
Ｋ_tnを乗じる。また、エンコーダ(8)で計算された速度
ω_eは微分器(21)でモータ軸換算慣性モーメントのノミ
ナル値Ｊ_nにラプラス演算子Ｓを乗じた値を乗じて、Ｊ_n
・ｄω_e／ｄｔを求める。この値を加算器(22)へ入力
し、乗算器(20)の出力から減算して外乱トルクＴ_dが求
められる。外乱トルクＴ_dは加算器(23)へ入力され、乗
算器(10)の出力から減算される。

【００２９】これで、加算器(15)及びＰＩ制御器(16)に
より演算される(2)式のＧ（ω_e−ω₀）により補償され
るのは、外乱トルク推定手段(19)と速度推定手段(9)の
モデル化誤差だけになり、更に正確な速度が求められる
ようになる。

【００３０】実施例５．（第５の発明）図６〜図８はこの発明の第５の発明の一実施例を示す図
で、図６は図１の要部ブロック線図、図７は図４の要部
ブロック線図、図８は慣性モーメント説明図である。

【００３１】図において、(25)はロボットの関節の動作
角度θに応じてモータ軸換算慣性モーメントのノミナル
値Ｊ_nを演算する慣性モーメント演算手段である。実施
例１〜実施例４に用いた慣性モーメントのノミナル値Ｊ
_nは一定値である。しかし、ロボットにおいては、慣性
モーメントは動作中大きく変化するため、実際のモデル
と各推定手段(9)(19)において構成されるモデルのずれ
は大きくなり、(2)式のＧ（ω_e−ω₀）によって補正さ
れるとはいえ、各推定値の正確さが低下するのは避けら
れない。

【００３２】実施例５では、各推定手段(9)(19)に用い
る慣性モーメントのノミナル値Ｊ_nを計算し、これを関
節の動作角度に応じて変更することによって、速度信号
ω₀をいっそう正確なものとすることができる。図８に
おいて、Ａ₁は第１関節、Ｂ₁は第２関節、ｍ₁は第１ア
ームの質量、ｍ₂は第２アームの質量、ｌ₁₁は第１アー
ムの長さ、ｌ₁₂は第２アームの重心までの距離、ｌ₂₁は
第２アームの長さ、ｌ₂₂は第２アームの重心までの距
離、θ₁は第１関節と第２関節軸のなす角である。

【００３３】第１関節Ａ₁のモータ軸換算慣性モーメン
トＪ_m1は、Ｊ_m1＝ｍ₁ｌ₁₂ ²＋ｍ₂（ｌ₁₁ ²＋ｌ₂₂ ²−２ｌ₁₁ｌ₂₂cosθ₁）・・・(4) となり、動作角度θ₁により変化する。なお、第２関節
Ａ₂のモータ軸換算慣性モーメントＪ_m2は、ワークの有
無を考えなければ一定値となる。

【００３４】慣性モーメンノ演算手段(25)は上記(3)式
を演算する回路である。すなわち、関節の動作角度θを
入力して、上記(4)式で計算して慣性モーメントのノミ
ナル値Ｊ_nを求める。そして、これを速度推定手段(9)及
び外乱トルク推定手段(19)に送出する。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したとおりこの発明の第１の発
明では、アームを駆動するモータにアブソリュート信号
だけを出力するエンコーダを結合し、モータに流れる電
流、エンコーダの出力、及びモータ軸換算慣性モーメン
ト値からの速度信号を演算するようにしたので、インク
リメンタル信号の処理回路は不要となり、信号線数も減
少し、装置を簡単に構成できる効果がある。また、速度
信号の演算はソフトウェアアルゴリズムにより実現可能
であり、コスト低減を図ることができる効果がある。

【００３６】また、第２の発明では、アームを駆動する
モータにインクリメンタル信号を出力するエンコーダを
結合し、モータに流れる電流、エンコーダの出力、及び
モータ軸換算慣性モーメント値から速度信号を演算する
ようにしたので、速度信号の精度はエンコーダの分解能
に影響されず、インクリメンタル信号を併用する場合、
従来よりも分解能の低いエンコーダを用いても、同等の
制御ができる効果がある。

【００３７】また、第３の発明では、アームを直接駆動
するモータにエンコーダを結合し、モータに流れる電
流、エンコーダの出力、及びモータ軸換算慣性モーメン
ト値から速度信号を演算するようにしたので、速度信号
の精度はエンコーダの分解能に影響されず、安定した制
御ができる効果がある。

【００３８】また、第４の発明では、アームを駆動する
モータにエンコーダを結合し、モータに流れる電流とエ
ンコーダの出力から外乱トルクを演算し、モータに流れ
る電流、エンコーダの出力、モータ軸換算慣性モーメン
ト値、及び上記演算した外乱トルクから速度信号を演算
するようにしたので、外乱トルクを近似するものに比し
て誤差が小さく、更に正確な速度信号を求めることがで
きる効果がある。

【００３９】また、第５の発明では、関節の動作角度に
応じて、慣性モーメント値を算出するようにしたので、
ロボットの各位置に対する最適の慣性モーメント値が適
用でき、更に正確な速度信号を求めることができる効果
がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１を示すブロック線図。

【図２】図１の速度推定手段のブロック線図。

【図３】図１のエンコーダの出力波形図。

【図４】この発明の実施例４を示すブロック線図。

【図５】図４の速度推定手段及び外乱トルク推定手段の
ブロック線図。

【図６】この発明の実施例５を示す図１の要部ブロック
線図。

【図７】この発明の実施例５を示す図４の要部ブロック
線図。

【図８】図６及び図７の慣性モーメント説明図。

【符号の説明】

６モータ７電流検出器８エンコーダ９速度推定手段１０乗算器１１加算器１２積分器１５加算器１６ＰＩ制御器１９外乱トルク推定手段２０乗算器２１微分器２２，２３加算器

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【手続補正書】

【提出日】平成５年８月１２日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３４】慣性モーメントの演算手段(25)は上記(3)
式を演算する回路である。すなわち、関節の動作角度θ
を入力して、上記(4)式で計算して慣性モーメントのノ
ミナル値Ｊ_nを求める。そして、これを速度推定手段(9)
及び外乱トルク推定手段(19)に送出する。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】各関節に設けられ減速機を介してアーム
を駆動するモータに、速度に対応するアブソリュート信
号だけを出力するエンコーダを結合し、このエンコーダ
の出力から演算される速度信号を帰還して上記モータを
制御して上記関節の位置及び速度を制御するロボットに
おいて、上記モータに流れる電流、上記エンコーダの出
力及びモータ軸換算慣性モーメント値から上記速度信号
を演算する速度推定手段を備えたことを特徴とする産業
用ロボットの制御装置。
【請求項２】各関節に設けられ減速機を介してアーム
を駆動するモータに、速度に対応するインクリメンタル
信号を出力するエンコーダを結合し、このエンコーダの
出力から演算される速度信号を帰還して上記モータを制
御して上記関節の位置及び速度を制御するロボットにお
いて、上記モータに流れる電流、上記エンコーダの出力
及びモータ軸換算慣性モーメント値から上記速度信号を
演算する速度推定手段を備えたことを特徴とする産業用
ロボットの制御装置。
【請求項３】各関節に設けられアームを直接駆動する
モータに、速度に対応する信号を出力するエンコーダを
結合し、このエンコーダの出力から演算される速度信号
を帰還して上記モータを制御して上記関節の位置及び速
度を制御するロボットにおいて、上記モータに流れる電
流、上記エンコーダの出力及びモータ軸換算慣性モーメ
ント値から上記速度信号を演算する速度推定手段を備え
たことを特徴とする産業用ロボットの制御装置。
【請求項４】各関節に設けられアームを駆動するモー
タに、速度に対応する信号を出力するエンコーダを結合
し、このエンコーダの出力から演算される速度信号を帰
還して上記モータを制御して上記関節の位置及び速度を
制御するロボットにおいて、上記モータに流れる電流、
上記エンコーダの出力から外乱トルクを演算する外乱ト
ルク推定手段と、上記モータに流れる電流、上記エンコ
ーダの出力、モータ軸換算慣性モーメント値及び上記外
乱トルク推定手段の出力から上記速度信号を演算する速
度推定手段を備えたことを特徴とする産業用ロボットの
制御装置。
【請求項５】関節の動作角度に応じてモータ軸換算慣
性モーメント値を算出する慣性モーメント演算手段を設
けたことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに
記載の産業用ロボットの制御装置。