JPH0673086B2 - ロボット制御装置 - Google Patents
ロボット制御装置Info
- Publication number
- JPH0673086B2 JPH0673086B2 JP3317388A JP31738891A JPH0673086B2 JP H0673086 B2 JPH0673086 B2 JP H0673086B2 JP 3317388 A JP3317388 A JP 3317388A JP 31738891 A JP31738891 A JP 31738891A JP H0673086 B2 JPH0673086 B2 JP H0673086B2
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- signal
- vibration
- compensator
- position deviation
- equation
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- Numerical Control (AREA)
- Manipulator (AREA)
- Control Of Position Or Direction (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はロボット制御装置に関
し、特にロボットのアームやマニピュレータが目標指示
軌跡へ高い精度で追従しつつ移動する際にともなって発
生するアームの振動を有効に抑制することができるロボ
ット制御装置に関する。
し、特にロボットのアームやマニピュレータが目標指示
軌跡へ高い精度で追従しつつ移動する際にともなって発
生するアームの振動を有効に抑制することができるロボ
ット制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、ロボットのアームのように、３次
元空間上を自由に移動するアームの制御装置において
は、アームの３次元空間上での位置を正確に検出できる
小型で使い易いセンサが得られないという理由で、アー
ムの位置については制御が行われていないのが現状であ
る。このため従来のロボットの制御装置では、図５に示
す如く、関数発生部１から逐次関節軸の目標指示位置信
号（以後、指示位置信号と書く）ｙp と関節軸の指示回
転加速度信号ｙa を出力し、この指示回転加速度信号ｙ
a に応じて関節軸を駆動するモータ３を駆動するととも
に、このモータ３によりアームの如き機械系部を駆動し
ている。そしてモータ３に設けたエンコーダ（図示省
略）によりモータ３の回転位置を検出して得られる位置
信号ｙm と前記指示位置信号ｙp とを比較して位置偏差
信号ｅm を求め、位置偏差補償器２により位置偏差補償
信号を得、この位置偏差補償信号と前記回転加速度信号
ｙa を加算してモータ操作信号ｕを算出し、これにより
モータ３の回転を制御していた。
元空間上を自由に移動するアームの制御装置において
は、アームの３次元空間上での位置を正確に検出できる
小型で使い易いセンサが得られないという理由で、アー
ムの位置については制御が行われていないのが現状であ
る。このため従来のロボットの制御装置では、図５に示
す如く、関数発生部１から逐次関節軸の目標指示位置信
号（以後、指示位置信号と書く）ｙp と関節軸の指示回
転加速度信号ｙa を出力し、この指示回転加速度信号ｙ
a に応じて関節軸を駆動するモータ３を駆動するととも
に、このモータ３によりアームの如き機械系部を駆動し
ている。そしてモータ３に設けたエンコーダ（図示省
略）によりモータ３の回転位置を検出して得られる位置
信号ｙm と前記指示位置信号ｙp とを比較して位置偏差
信号ｅm を求め、位置偏差補償器２により位置偏差補償
信号を得、この位置偏差補償信号と前記回転加速度信号
ｙa を加算してモータ操作信号ｕを算出し、これにより
モータ３の回転を制御していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】このように、モータ３
にエンコーダ等を取りつけモータの回転角を位置信号と
してフィードバックすることにより、関節角を駆動する
モータに対しては指示位置に偏差なく追従できるが、こ
のモータにより駆動されるアーム等の機械系について
は、この機械系が開ループとなっているため、アームの
移動中、特に加速、減速、停止時に極めて大きな振動が
発生するという欠点を有していた。
にエンコーダ等を取りつけモータの回転角を位置信号と
してフィードバックすることにより、関節角を駆動する
モータに対しては指示位置に偏差なく追従できるが、こ
のモータにより駆動されるアーム等の機械系について
は、この機械系が開ループとなっているため、アームの
移動中、特に加速、減速、停止時に極めて大きな振動が
発生するという欠点を有していた。
【０００４】例えば、塗装や溶接作業等のように、移動
経路が重視される場合には、振動によるアームの指示軌
跡からのずれが作業内容を低下させ、また停止時の振動
が作業空間内の器具や組立部品の摩耗や破損を招くとい
う欠点があった。更にこのような振動はロボット自身の
機械的要素のガタを生み、ロボットの性能を低下させる
原因ともなり、みた目も良くない。そのためこのような
振動の発生を防止するために従来は高速性を犠牲にして
低速駆動して加速度を小さくし、振動の抑制を計ってい
た。そのため作業能率の高速性を向上する場合、大きな
問題となっていた。
経路が重視される場合には、振動によるアームの指示軌
跡からのずれが作業内容を低下させ、また停止時の振動
が作業空間内の器具や組立部品の摩耗や破損を招くとい
う欠点があった。更にこのような振動はロボット自身の
機械的要素のガタを生み、ロボットの性能を低下させる
原因ともなり、みた目も良くない。そのためこのような
振動の発生を防止するために従来は高速性を犠牲にして
低速駆動して加速度を小さくし、振動の抑制を計ってい
た。そのため作業能率の高速性を向上する場合、大きな
問題となっていた。
【０００５】従って本発明の目的は、このような問題を
改善するために、ロボットにセンサを取り付けて機械系
の振動を変位量として検出し、それが零になるようにす
る振動抑制補償器を備えることにより、移動に伴って発
生する振動を抑制すること、更にその補償器がすでにあ
る位置偏差補償器と調和するように設定することによ
り、高速性を失うことなくアームを忠実に追従させるこ
とを満たすロボット制御装置を提供することにある。
改善するために、ロボットにセンサを取り付けて機械系
の振動を変位量として検出し、それが零になるようにす
る振動抑制補償器を備えることにより、移動に伴って発
生する振動を抑制すること、更にその補償器がすでにあ
る位置偏差補償器と調和するように設定することによ
り、高速性を失うことなくアームを忠実に追従させるこ
とを満たすロボット制御装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】そしてこの目的を達成す
るために、本発明のロボット制御装置は、図１に示す如
く、ロボットのアームやマニピュレータの３次元空間あ
るいは関節軸での指示加速度信号、指示速度信号、及び
指示位置信号を出力する関数発生器１と、位置偏差信号
とモータ系の操作信号に基づきモータ系の状態量を観測
するモータ系状態観測器と、モータ系の位置偏差信号を
積分する位置偏差積分器を具備する位置偏差補償器２
と、上記アームやマニピュレータに設けられ、変位計に
より振動状態を検出する振動検出手段５と、変位計の振
動検出手段の変位信号及びモータ系からの位置信号を入
力して機械系の状態量を推定する機械系状態観測器及び
変位信号を積分する振動抑制積分器を有する振動抑制補
償器６と、関数発生部から出力される指示加速度信号、
指示速度信号及び指示位置信号と、前記位置偏差補償器
のモータ系の状態観測器の出力信号と位置偏差積分器の
出力信号と、前記振動抑制補償器の機械系の状態観測器
の出力信号と振動抑制積分器の出力信号と、各々係数器
を介して加算する加算手段を具備し、その出力をモータ
系の操作信号に使用し、上記各係数器の係数を過渡振動
の抑制と高い位置決め精度を得るよう最適な値に決定す
ることを特徴とする。
るために、本発明のロボット制御装置は、図１に示す如
く、ロボットのアームやマニピュレータの３次元空間あ
るいは関節軸での指示加速度信号、指示速度信号、及び
指示位置信号を出力する関数発生器１と、位置偏差信号
とモータ系の操作信号に基づきモータ系の状態量を観測
するモータ系状態観測器と、モータ系の位置偏差信号を
積分する位置偏差積分器を具備する位置偏差補償器２
と、上記アームやマニピュレータに設けられ、変位計に
より振動状態を検出する振動検出手段５と、変位計の振
動検出手段の変位信号及びモータ系からの位置信号を入
力して機械系の状態量を推定する機械系状態観測器及び
変位信号を積分する振動抑制積分器を有する振動抑制補
償器６と、関数発生部から出力される指示加速度信号、
指示速度信号及び指示位置信号と、前記位置偏差補償器
のモータ系の状態観測器の出力信号と位置偏差積分器の
出力信号と、前記振動抑制補償器の機械系の状態観測器
の出力信号と振動抑制積分器の出力信号と、各々係数器
を介して加算する加算手段を具備し、その出力をモータ
系の操作信号に使用し、上記各係数器の係数を過渡振動
の抑制と高い位置決め精度を得るよう最適な値に決定す
ることを特徴とする。
【０００７】
【作用】これによりロボットのアームやマニピュレータ
の移動のときに生ずる振動を有効に抑制することがで
き、これらを速い速度で駆動可能にできる。
の移動のときに生ずる振動を有効に抑制することがで
き、これらを速い速度で駆動可能にできる。
【０００８】
【実施例】以下本発明の一実施例を図１〜図４に基づき
説明する。図１は本発明の一実施例構成図、図２は本発
明の構成を伝達関数として示したもの、図３は本発明に
おける補償器の詳細説明図であり、図４は指示軌跡を示
すものである。
説明する。図１は本発明の一実施例構成図、図２は本発
明の構成を伝達関数として示したもの、図３は本発明に
おける補償器の詳細説明図であり、図４は指示軌跡を示
すものである。
【０００９】図中、５は振動検出器であってロボットの
アームの振動を検出するものであり、一例として振動を
変位量として検出する変位計が使用され、６は振動抑制
補償器であって、振動検出器５から検出された機械系の
振動状態を示す変位信号ｙ0が入力され、これに応じて
モータ系３を制御するものである。
アームの振動を検出するものであり、一例として振動を
変位量として検出する変位計が使用され、６は振動抑制
補償器であって、振動検出器５から検出された機械系の
振動状態を示す変位信号ｙ0が入力され、これに応じて
モータ系３を制御するものである。
【００１０】関数発生部１は、図４（ａ−３）のよう
な、始点及び終点近傍で一定加速度の加減速を行わせる
指示値ｙa を発生する場合の伝達関数モデルであり、ま
たモータ系３（モータ、モータ駆動回路、エンコーダ位
置カウンタ等）は、電流の２回積分が位置信号ｙm とな
るのでＫm ／ｓ2 、アームのような機械系４は、その振
動検出器５まで含めると、図２に示す如く、下記の数式
で表される。
な、始点及び終点近傍で一定加速度の加減速を行わせる
指示値ｙa を発生する場合の伝達関数モデルであり、ま
たモータ系３（モータ、モータ駆動回路、エンコーダ位
置カウンタ等）は、電流の２回積分が位置信号ｙm とな
るのでＫm ／ｓ2 、アームのような機械系４は、その振
動検出器５まで含めると、図２に示す如く、下記の数式
で表される。
【００１１】
【数１】
【００１２】まず、各制御系を状態方程式で記述する。
関数発生部は、ｘr を位置ｘr1, 速度ｘr2, 加速度ｘr3
からなる３次の状態ベクトルとすると、
関数発生部は、ｘr を位置ｘr1, 速度ｘr2, 加速度ｘr3
からなる３次の状態ベクトルとすると、
【数２】 で表される。
【００１３】ここで、Ａr は３×３の係数行列である。
【００１４】
【数３】
【００１５】次にｙr を指示位置ｙp とすると、
【数４】 で表される。
【００１６】ここで、ｃ′rpは３次の出力ベクトルであ
り、
り、
【数５】 である。
【００１７】モータ系はｘm を２次の状態ベクトル、ｕ
をスカラーの操作量及びｙm をスカラー出力（モータの
位置信号）とすると、
をスカラーの操作量及びｙm をスカラー出力（モータの
位置信号）とすると、
【数６】 となる。ここで、Ａm は系の２×２係数行列、ｂm は２
次の駆動ベクトル、ｃ′m は２次の出力ベクトルであ
る。ここで、
次の駆動ベクトル、ｃ′m は２次の出力ベクトルであ
る。ここで、
【数７】 である。
【００１８】なお、上記(4),(5) 式は下記のようにして
得られる。モータ系の伝達関数はＫm ／ｓ2 で表され
る。これをラプラス変換すると下記の如くなる。
得られる。モータ系の伝達関数はＫm ／ｓ2 で表され
る。これをラプラス変換すると下記の如くなる。
【数８】
【００１９】これを微分方程式で表すと、
【数９】 となる。ここで、
【数１０】 と定義して、状態方程式で表すと
【数１１】 となる。これをベクトル表現すると
【数１２】 となる。
【００２０】また機械系はｘ0 を２次の状態ベクトル、
ｙ0 をスカラー出力（機械系の加速度信号）とすると、
ｙ0 をスカラー出力（機械系の加速度信号）とすると、
【数１３】 で表すことができる。ここで、Ａ0 は系の２×２係数行
列、ｂ0 は２次の駆動ベクトル、ｃ′0 は２次の出力ベ
クトルである。ただし、「’」は転置を意味するもので
ある。ここで、
列、ｂ0 は２次の駆動ベクトル、ｃ′0 は２次の出力ベ
クトルである。ただし、「’」は転置を意味するもので
ある。ここで、
【数１４】 で表される。なお、上記(6),(7) 式は下記のようにして
得られる。機械系の伝達関数は
得られる。機械系の伝達関数は
【数１５】 で表される。これをラプラス変換すると下記の如くな
る。
る。
【数１６】
【００２１】これを微分方程式で表すと
【数１７】 となる。ここで、
【数１８】 と定義して、状態方程式で表すと
【数１９】 となる。これをベクトル表現すると
【数２０】 また、
【数２１】 となる。
【００２２】モータ系についての位置偏差補償器２内の
位置偏差積分器及び機械系の振動による変位量ｙ
0 （∞）を零にするための振動抑制積分器については、
それぞれ、
位置偏差積分器及び機械系の振動による変位量ｙ
0 （∞）を零にするための振動抑制積分器については、
それぞれ、
【数２２】 と示すことができる。
【００２３】さて振動抑制補償器６を位置偏差補償器２
と調和させて、
と調和させて、
【数２３】 にするサーボ問題は、各制御系を合成することにより最
適レギュレータ問題に帰着できる。前記(1) 〜(10)式を
合成した複合系を
適レギュレータ問題に帰着できる。前記(1) 〜(10)式を
合成した複合系を
【数２４】 ここでｙ(t) は下記の通り記述できる。
【数２５】
【００２４】ここで系の係数行列Ａ、駆動ベクトルｂ及
び出力行列Ｃは次のように表される。
び出力行列Ｃは次のように表される。
【数２６】 と表す。
【００２５】ここで、高い位置決め精度を実現しつつ機
械系の振動を抑制するために次式に評価関数を設定す
る。
械系の振動を抑制するために次式に評価関数を設定す
る。
【数２７】
【００２６】但し、第１項は高い位置決め精度を実現す
るために挿入した位置偏差の積分値の２乗であり、第２
項は振動を抑制するために挿入した機械系についての振
動による変位量の積分値２乗である。第３項はモータへ
の操作エネルギーを表している。また、σ、λは第１項
を１としたときの重み係数である。(14)式〜(16)式を制
約条件としてこの評価関数を最小にする最適な操作量ｕ
(t) は一意に求めることができ、次式で与えられる。
るために挿入した位置偏差の積分値の２乗であり、第２
項は振動を抑制するために挿入した機械系についての振
動による変位量の積分値２乗である。第３項はモータへ
の操作エネルギーを表している。また、σ、λは第１項
を１としたときの重み係数である。(14)式〜(16)式を制
約条件としてこの評価関数を最小にする最適な操作量ｕ
(t) は一意に求めることができ、次式で与えられる。
【数２８】
【００２７】ここで、Ｋは次のリッカチの代数方程式に
よって求める。
よって求める。
【数２９】
【００２８】ここで、
【数３０】 である。
【００２９】また上記(18)式は、
【数３１】 と書ける。モータ系や機械系の内部状態ベクトルｘm ,
ｘ0 については直接測定できないので、下記の推定値を
用いる。
ｘ0 については直接測定できないので、下記の推定値を
用いる。
【数３２】 のモータ系状態観測器２−０から生成される。ただし、
ｇm はこのモータ系状態観測器２−０の２次のゲインベ
クトルである。
ｇm はこのモータ系状態観測器２−０の２次のゲインベ
クトルである。
【００３０】
【数３３】 の機械系状態観測器６−０から生成される。ただし、ｇ
0 は機械系状態観測器６−０の２次のゲインベクトルで
ある。
0 は機械系状態観測器６−０の２次のゲインベクトルで
ある。
【００３１】これは閉ループ系を漸近的に安定する安定
化補償器としても働いている。また(21)式第１項は関数
発生部１からのフィードフォワードなループで、目標位
置に関する値を加えるものであり、アームの指示軌跡へ
の追従特性を向上させる働きをしている。
化補償器としても働いている。また(21)式第１項は関数
発生部１からのフィードフォワードなループで、目標位
置に関する値を加えるものであり、アームの指示軌跡へ
の追従特性を向上させる働きをしている。
【００３２】以上のようにして得られた、本発明におけ
る位置偏差補償器２及び振動抑制補償器６の構成は, 図
３に示すようになる。また(18)式のｆについては、評価
関数の重みσ、λをパラメータとして高い位置決め精度
を実現でき、振動が抑制するように(19)式、(20)式を用
いて予め計算される。
る位置偏差補償器２及び振動抑制補償器６の構成は, 図
３に示すようになる。また(18)式のｆについては、評価
関数の重みσ、λをパラメータとして高い位置決め精度
を実現でき、振動が抑制するように(19)式、(20)式を用
いて予め計算される。
【００３３】本発明の実施例によれば, 図４（ａ−１）
〜（ａ−３）のような場合に限らず、図４(b),(c) のよ
うな指示軌跡がステップ関数や、ランプ関数の場合に
も、アームがそれらに偏差なく追従し、移動中及び停止
時の振動を充分に抑制することができる。また関数発生
部の伝達関数モデルの積分器の数がＬ個の場合には、位
置偏差補償器及び振動抑制補償器内の積分器の数をそれ
ぞれＬ−２個以上にすることにより、Ｌ−１次関数を含
む指示軌跡に対して、アームを偏差なく追従させ、振動
を抑制させることができる。このようにして図５（ｄ−
１）〜（ｄ−４）のような、始点及び終点近傍で加速度
の変分を一定とする場合においても極めて有効である。
さらに機械系の次数をｍ次にすることによって、ｍ／２
個の共振点を持つような振動に対しても十分抑制効果が
ある。
〜（ａ−３）のような場合に限らず、図４(b),(c) のよ
うな指示軌跡がステップ関数や、ランプ関数の場合に
も、アームがそれらに偏差なく追従し、移動中及び停止
時の振動を充分に抑制することができる。また関数発生
部の伝達関数モデルの積分器の数がＬ個の場合には、位
置偏差補償器及び振動抑制補償器内の積分器の数をそれ
ぞれＬ−２個以上にすることにより、Ｌ−１次関数を含
む指示軌跡に対して、アームを偏差なく追従させ、振動
を抑制させることができる。このようにして図５（ｄ−
１）〜（ｄ−４）のような、始点及び終点近傍で加速度
の変分を一定とする場合においても極めて有効である。
さらに機械系の次数をｍ次にすることによって、ｍ／２
個の共振点を持つような振動に対しても十分抑制効果が
ある。
【００３４】
【発明の効果】以上説明の如く、本発明よれば、ロボッ
トのアームやマニピュレータの移動のときに生じる振動
を有効に抑制することができるので、これらを速い速度
で駆動することが可能となり、その作業性能を向上させ
ることができる。
トのアームやマニピュレータの移動のときに生じる振動
を有効に抑制することができるので、これらを速い速度
で駆動することが可能となり、その作業性能を向上させ
ることができる。
【図１】本発明の一実施例構成図を示す。
【図２】図１を伝達関数として示したものである。
【図３】本発明における補償器の詳細説明図である。
【図４】各種の指示軌跡を示すものである。
【図５】従来のロボット制御装置を示す。
１ 関数発生部 ２ 位置偏差補償器 ３ モータ系 ４ 機械系 ５ 振動検出器 ６ 振動抑制補償器
Claims (1)
- 【請求項１】 ロボットのアームやマニピュレータの３
次元空間あるいは関節軸での指示加速度信号、指示速度
信号、及び指示位置信号を出力する関数発生器と、 位置偏差信号とモータ系の操作信号に基づきモータ系の
状態量を観測するモータ系状態観測器と、モータ系の位
置偏差信号を積分する位置偏差積分器を具備する位置偏
差補償器と、 上記アームやマニピュレータに設けられ、変位計により
振動状態を検出する振動検出手段と、 変位計の振動検出手段の変位信号及びモータ系からの位
置信号を入力して機械系の状態量を推定する機械系状態
観測器及び変位信号を積分する振動抑制積分器を有する
振動抑制補償器と、 関数発生部から出力される指示加速度信号、指示速度信
号及び指示位置信号と、 前記位置偏差補償器のモータ系の状態観測器の出力信号
と位置偏差積分器出力信号と、 前記振動抑制補償器の機械系の状態観測器の出力信号と
振動抑制積分器の出力信号と、 各々係数器を介して加算する加算手段を具備し、その出
力をモータ系の操作信号に使用し、上記各係数器の係数
を過渡振動の抑制と高い位置決め精度を得るよう最適な
値に決定することを特徴とするロボット制御装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3317388A JPH0673086B2 (ja) | 1991-11-06 | 1991-11-06 | ロボット制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3317388A JPH0673086B2 (ja) | 1991-11-06 | 1991-11-06 | ロボット制御装置 |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10184781A Division JPS583001A (ja) | 1981-06-30 | 1981-06-30 | ロボツト制御方式 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05303427A JPH05303427A (ja) | 1993-11-16 |
| JPH0673086B2 true JPH0673086B2 (ja) | 1994-09-14 |
Family
ID=18087699
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3317388A Expired - Lifetime JPH0673086B2 (ja) | 1991-11-06 | 1991-11-06 | ロボット制御装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0673086B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100923822B1 (ko) | 2005-05-31 | 2009-10-27 | 미쓰비시덴키 가부시키가이샤 | 전동기 제어 장치 |
| JP5369291B2 (ja) * | 2007-05-25 | 2013-12-18 | 株式会社小松製作所 | 産業機械の制御装置および制御方法 |
| KR20160020338A (ko) * | 2014-08-13 | 2016-02-23 | 박호석 | 매니플레이터용 진동 모니터링 장치 |
-
1991
- 1991-11-06 JP JP3317388A patent/JPH0673086B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05303427A (ja) | 1993-11-16 |
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