JPH0991004A - 負荷重量の推定方法 - Google Patents

負荷重量の推定方法

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JPH0991004A
JPH0991004A JP26627895A JP26627895A JPH0991004A JP H0991004 A JPH0991004 A JP H0991004A JP 26627895 A JP26627895 A JP 26627895A JP 26627895 A JP26627895 A JP 26627895A JP H0991004 A JPH0991004 A JP H0991004A
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】 ユーザの使用実態に即して負荷重量を簡便且
つ正しく推定すること。 【解決手段】 ロボットに静止姿勢をとらせた状態で、
ホストCPU10からサーボDSP12にトルク/各軸
値書込指令を送り、トルク指令と、各軸値を共有RAM
11に書き込ませる。各軸値は各軸モータ14のパルス
コーダからのフィードバック信号から得られる。ホスト
CPU10は、各軸値、不揮発性メモリ15に格納され
ている設定データ、共有RAM11に書き込まれたトル
ク指令値等からロボットの姿勢と、各軸のトルクτ1 〜
τ6 を推定する。そして、静止姿勢時の各軸のバランス
式に関して、既知な負荷重量条件との間で差分をとる形
式、または、複数の静止姿勢におけるトルク推定値から
リンクパラメータを求めた上で、負荷重量のパラメータ
を求める形式で、負荷重量を推定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ロボットや工作機
械のようなサーボモータで駆動される自動機械の制御の
ために負荷重量を推定する技術に関する。本発明の方法
で推定された負荷重量を表わすパラメータは、例えばフ
ィードフォワード制御時にフィードフォワード項の計算
に利用される。
【0002】
【従来技術】昨今、ロボット等を制御するためのディジ
タルサーボ制御技術においては、DSP(ディジタルシ
グナルプロセッサ)の処理能力や制御対象の特性(イナ
ーシャが大きいなど)から、フィードバックゲインの更
なるハイゲイン化を図ることは困難な状況にある。従っ
て、目に見える制御性能の違いを与える要因は、フィー
ドフォワードをうまく活用出来るか否かにかかって来
る。
【0003】フィードフォワードは、サーボモータを用
いてロボットのアームや工作機械の送り軸などを駆動す
る場合にサーボ系の追従遅れを低減させる制御方法とし
て、広く用いられている手法で、例えば、位置ループと
速度ループに関してフィードフォワードを適用する場合
には、位置・速度の処理周期毎に位置指令(移動指令)
を微分し、この微分値を位置ループ処理で計算された速
度指令値に加算して速度指令値を求める一方、イナーシ
ャに関するパラメータに基づいて定められるフィードフ
ォワード項を、速度ループ処理で計算されたトルク指令
値に加算し、フィードフォワード制御時のトルク指令と
する処理を行う。
【0004】フィードフォワード制御を適正に行う為に
は、ロボットの動特性を正しく把握して、フィードフォ
ワード項の計算を正しく行なわれなければならない。フ
ィードフォワード項は、制御対象とする系自体に変更が
あれば当然変化する。そのため、従来は、ユーザがロボ
ット等の自動機械に付加的な物体(例えば、ハンド、加
工ツールなど)を取り付けた際に、その物体の質量、重
心位置などのパラメータをユーザが入力し、そのパラメ
ータをフィードフォワード項の計算に取り入れられる方
式が採用されていた。
【0005】しかし、ユーザが市販のハンドやツール等
を自動機械に装着する場合、その質量や重心位置が簡単
に判らないことも多く、それを知る為の調査がユーザの
負担となっていた。また、ユーザが負荷重量値を入力し
ない場合には、最大許容値が自動設定されることが通例
であり、無用なサイクルタイムの遅延や、フィードフォ
ワードが不正確さによる振動を生ずるおそれがあった。
【0006】このような状況から、ロボット等の製造時
には未確定である負荷重量を、負荷が実際に取り付けら
れる現場で簡便且つ正確に推定する方法が求められてい
た。負荷重量を推定する一つの手法として、重力モーメ
ントの釣合を表わす方程式を解く方法が知られている。
この手法を例えば6軸ロボットに適用する場合には、次
のような方程式を解くことになる。
【0007】 τi =Mi +P*Li (X,Y,Z)+Fi ・・・(1) ここで、 τi ;ロボットの静止時に第i軸にかかるトルク P ;負荷重量 Fi ;第i軸の静摩擦 Mi ;負荷以外の重量から発生し、第i軸にかかる重力
モーメント (X,Y,Z);負荷の重心位置で、最終軸(6軸ロボ
ットであれば、第6軸)に固定された座標系上の座標値
で、後述するように、(x6g,y6g,z6g)など表記さ
れる。
【0008】Li ;第i軸について、負荷の重力モーメ
ントの腕の長さ。負荷重量Pとの積は、第i軸にかかる
負荷の重力モーメントを表わす。
【0009】Mi 及びLi は、同一のロボットであれ
ば、負荷を取り付けた後は、ロボットの姿勢のみの関数
となる。静止時には、負荷のモーメントを表わすデータ
をロボットから得ることは出来ないので、上記(1)式
を解いて求めるパラメータは、Pi ,X,Y,Zの4つ
になる。原理的には、負荷による重力モーメントがかか
る4つ(以上)の軸を選んでトルクτi を測定し、上記
(1)式を連立させて解けば、負荷重量の推定値と重心
位置を表わす4つのパラメータPi ,X,Y,Zが求め
られる。
【0010】しかし、この方法を実際に適用しようとし
た場合、静摩擦Fi の個体差やユーザの使用状況による
ロボットリンクの重量の変化(例えば、ケーブルや溶接
機などがロボットアームに装着されることによって変化
する)の影響を補正することが困難なので、負荷重量の
推定精度を上げることが出来なかった。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明の目的
は、サーボモータで駆動される制御対象(自動機械)に
付加的に取り付けられる物体に関して、その物体の負荷
重量に関するパラメータ(質量、重心位置を表わすパラ
メータ)を簡便且つ正確に推定することにある。また、
本発明は、そのことを通して、ユーザがハンド、ツール
等の物体をロボットや工作機械に取り付けて作業を行な
う場合の作業負担を軽減するとともに、フィードフォワ
ード制御の性能の向上に寄与しようとするものである。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記技術課題
を解決する為に、ソフトウェア処理能力を有する制御装
置によって制御され、サーボモータで駆動される複数の
軸を有する制御対象について、静止中の各軸のバランス
を表わす下記のバランス式、 τi =Mi +P*Li (X,Y,Z)+Fi (但し、τi ;ロボットの静止時に第i軸にかかるトル
ク P;負荷重量 Fi ;第i軸の静摩擦 Mi ;負荷以外の重量から発生し、第i軸にかかる重力
モーメント (X,Y,Z);負荷の重心位置 Li ;第i軸について、負荷の重力モーメントの腕の長
さ) の右辺に影響を与える変量について、既知な条件を含む
複数の互いに異なる条件をロボットに与え、各条件の下
で所要数の軸についてトルクを測定し、それを前記式
(1)の左辺に代入して得られる所要数の方程式を連立
させ、未知の負荷重量のパラメータを求めることによっ
て、前記付加的に取り付けられた物体の負荷重量を表わ
すパラメータを算出するようにしたものである。
【0013】バランス式の右辺に影響を与える変量とし
ては、「負荷重量」と「姿勢」が有用である。前者を採
用した場合には、共通した静止姿勢の下で、既知な第1
の負荷重量条件と未知の第2の負荷重量条件を前記制御
対象に与え、各負荷重量条件の下で、少なくとも4つの
軸についてトルクを前記制御装置内部で測定し、上記バ
ランス式の左辺に代入し、両負荷重量条件の間でバラン
ス式の差分をとる形式で作成される連立方程式を解く。
これによって、未知の第2の負荷重量条件を表わす未知
パラメータが求められる。
【0014】バランス式の右辺に影響を与える変量とし
て、「姿勢」を採用した場合には、相互に異なる所定数
の静止姿勢条件の下で、未知の負荷重量条件を制御対象
に与え、各静止姿勢条件の下で、1つ以上の軸について
トルクを制御装置内部で測定する。そして、これらの測
定されたトルクを前記のバランス式に代入して得られる
方程式を連立させ、負荷以外の重量から発生し、第i軸
にかかる重力モーメントMi を記述するリンクパラメー
タと第i軸の静摩擦Fi を先に求め、更に、それに基づ
いて未知の負荷重量条件を表わす未知パラメータを求め
ることにより、未知の負荷重量が推定される。
【0015】制御対象としては、6軸ロボットや工作機
械が考えられる。また、求められた負荷重量を表わすパ
ラメータは、例えば、フィードフォワード制御を実行す
る際のフィードフォワード項の計算に利用される。
【0016】
【作用】本発明は、制御対象の静止中の各軸のバランス
を表わす前出のバランス式、 τi =Mi +P*Li (X,Y,Z)+Fi (但し、τi ;ロボットの静止時に第i軸にかかるトル
ク P;負荷重量 Fi ;第i軸の静摩擦 Mi ;負荷以外の重量から発生し、第i軸にかかる重力
モーメント (X,Y,Z);負荷の重心位置 Li ;第i軸について、負荷の重力モーメントの腕の長
さ) の右辺に影響を与える変量について、既知な条件を含む
複数の互いに異なる条件をロボットに与え、各条件の下
で所要数の軸についてトルクを測定し、それを前記式
(1)の左辺に代入することによって、複数の独立した
方程式が得られる点に着目したものである。即ち、求め
るべき未知数の数以上の独立した方程式が得られれば、
これらを連立させて、直接または間接に負荷重量を表わ
すパラメータが求められる。
【0017】バランス式の右辺に影響を与える変量とし
て、「負荷重量」を採用した場合には、共通した静止姿
勢の下で、既知な第1の負荷重量条件と未知の第2の負
荷重量条件を前記制御対象に与え、各負荷重量条件の下
で、少なくとも4つの軸についてトルクを前記制御装置
内部で測定する。そして、それらを上記バランス式の左
辺に代入し、両負荷重量条件の間でバランス式の差分を
とる形式で作成される連立方程式を解けば、未知の第2
の負荷重量条件を表わすパラメータが求められる。
【0018】バランス式の右辺に影響を与える変量とし
て制御対象の「姿勢」を採用した場合には、相互に異な
る所定数の静止姿勢条件の下で、未知の負荷重量条件を
制御対象に与え、各静止姿勢条件の下で、1つ以上の軸
についてトルクを制御装置内部で測定する。そして、こ
れらの測定されたトルクを前記のバランス式に代入して
得られる方程式を連立させる。
【0019】この場合には、未知の負荷重量条件を表わ
すパラメータを直接求めずに、先ず負荷以外の重量から
発生し、第i軸にかかる重力モーメントMi を記述する
リンクパラメータと第i軸の静摩擦Fi を先に求め、次
いで、それに基づいて未知の負荷重量条件を表わすパラ
メータを求める手順を踏む。
【0020】このようにして求められた負荷重量のパラ
メータを、ロボットや工作機械のフィードフォワード制
御時のフィードフォワード項の計算に利用すれば、フィ
ードフォワード項の計算値がユーザの使用実態を反映し
たものとなり、制御性能の向上が期待出来る。
【0021】
【発明の実施の形態】本発明の一つの実施形態として、
ここでは、図1に示したような「平行リンクなし」の軸
(J5軸)が存在する6軸構成のロボット1の手先にツ
ール2が装着された場合に、ツール2によって生じた負
荷重量を推定する方法について説明する。図1で使用さ
れている各符号の意味は次の通りである。 t1 〜t6 ;ロボット1のJ1 軸〜J6 軸の変位量を表
わす変数 m1 〜m5 ;各々J1 軸〜J5 軸のアームの質量 m6 ;負荷(ツール)2の質量 x0 ,y0 ,z0 ;ロボットのベースに固定された座標
系のx、y,z軸座標系の原点はJ1 軸の回転中心にと
る。 x1 ,y1 ,z1 ;ロボットのJ1 軸に固定された座標
系のx、y,z軸座標系の原点はJ2 軸の回転中心にと
る。 x2 ,y2 ,z2 ;ロボットのJ2 軸に固定された座標
系のx、y,z軸座標系の原点はJ3 軸の回転中心にと
る。 x3 ,y3 ,z3 ;ロボットのJ3 軸に固定された座標
系のx、y,z軸座標系の原点はJ4 軸の回転中心にと
る。 x4 ,y4 ,z4 ;ロボットのJ4 軸に固定された座標
系のx、y,z軸座標系の原点はJ5 軸の回転中心にと
る。 x5 ,y5 ,z6 ;ロボットのJ5 軸に固定された座標
系のx、y,z軸座標系の原点はJ5 軸の回転中心にと
る。 x6 ,y6 ,z6 ;ロボットのJ6 軸に固定された座標
系のx、y,z軸座標系の原点はJ6 軸の回転中心にと
る。なお、これらxj ,yj ,zj 軸(j=1〜6)を
持つ座標系を座標系jと呼ぶことにする。
【0022】l1x;J1 軸の回転中心とJ2 軸の回転中
心の間の距離のx1 成分 l1y;J1 軸の回転中心とJ2 軸の回転中心の間の距離
のy1 成分 l2x;J2 軸の回転中心とJ3 軸の回転中心の間の距離
のx2 成分 l3x;J3 軸の回転中心とJ4 軸の回転中心の間の距離
のx3 成分 l4y;J4 軸の回転中心とJ5 軸の回転中心の間の距離
のy4 成分 l6z;J5 軸の回転中心とJ6 軸の回転中心の間の距離
のz6 成分 隣合う座標系の関係を表わす一般的な方法としてD−H
パラメータ(θ,d,a,α)による記述法が周知であ
る。図1に示した軸構成を有するロボットのD−Hパラ
メータは、図2の通りに与えられる。良く知られている
ように、D−Hパラメータが定まれば、各座標系間の関
係を表わす同次変換行列が決まる。従って、上記l1x,
l1y・・・l6zを教示しておけば、座標変換に必要なデ
ータが教示されたことになる。
【0023】以下、図中に示した質量m1 〜m6 の重心
位置をそれぞれ座標系j上で表わしたものを(xjg,y
jg,zjg)で表記する。すると、質量m6 を有する負荷
重量の重心位置は、座標系6上で(x6g,y6g,z6g)
となる。即ち、推定されるべき負荷重量のパラメータ
は、質量m6 とその重心位置(x6g,y6g,z6g)とな
る。
【0024】ロボットに対して本発明の方法を実施する
には、従来より使用されている通常のロボット制御シス
テムを利用することが出来る。図3は、その基本的なシ
ステム構成を記したものである。同図において、符号1
0はシステム全体を統括制御するロボット制御装置のホ
ストCPUである。再生運転時には、ホストCPU10
が動作プログラムを読み込み、軌道計画を立て、3次元
空間上の補間点を作成する。ホストCPU10は更に、
逆変換処理により、各軸の移動指令を作成して共有RA
M11に書き込む。
【0025】サーボDSP12は、共有RAM11に書
き込まれた移動指令と、モータ14の位置検出器(パル
スコーダ)からのフィードバック信号に基づき、速度指
令、トルク指令を作成する。そして、トルク指令に応じ
た電流が、アンプ13から各軸のモータ14に供給され
る。
【0026】本発明を実施する際には、ロボットに負荷
重量推定のための静止姿勢をとらせた状態で、各軸のト
ルクを知る必要がある。そこで、ロボットに静止姿勢を
とらせた状態でホストCPU10からサーボDSP12
にトルク/各軸値書込指令を送り、その時点におけるト
ルク指令と、各軸値を共有RAM11に書き込ませる。
各軸値はフィードバック信号から知ることが出来る。
【0027】ホストCPU10は、各軸値(t1 〜t6
)とホストCPU10に実装された不揮発性メモリ1
5に予め格納されているリンクパラメータを使ってD−
Hパラメータを求め、ロボットの姿勢を計算する。ホス
トCPU10は、更に、共有RAM11に書き込まれた
トルク指令値を読み出し、不揮発性メモリ15に予め格
納されているトルク定数等から実際のトルクτ1 〜τ6
(一部または全部)を推定する。
【0028】以下、このようにして推定されたトルク
と、ロボットの姿勢、リンクパラメータ等を用いて、負
荷重量のパラメータ(m6 ,x6g,y6g,z6g)を推定
する計算が、ホストCPU10によって実行される。以
下、その計算内容について説明する。
【0029】本発明に従って負荷重量のパラメータを推
定するには、静止中のロボットのバランスを表わす前記
式(1)の右辺に影響を与える変量について、既知な条
件を含む複数の互いに異なる条件をロボットに与え、各
条件の下で所要数の軸についてトルクを測定し、それを
前記式(1)の左辺に代入して得られる所要数の方程式
を連立させ、未知の負荷重量のパラメータを求めること
が必要である。既知条件を与えることが容易で、前記式
(1)の右辺に影響を与える変量として、「負荷重量」
と「ロボット姿勢」がある。先ず、前者に該当する実施
形態について説明する。
【0030】[負荷重量の条件を変えてバランス式を立
てる実施形態]この実施形態を採用する場合には、任意
の共通のロボット姿勢の下で、未知の負荷重量がロボッ
トに作用する条件と、既知な負荷重量がロボットに作用
する条件下を与え、前記(1)式に関する差分をとるこ
とで、連立方程式を解く。
【0031】ここでは、既知な負荷重量として最も明解
な「無負荷(ツール2をロボットからはずした状態)]
を採用する。作業と処理の手順は、次の通りである。 1.ツール2を装着せずに(無負荷)、ロボット1に適
当な静止姿勢をとらせる。静止姿勢は一般にはほぼ任意
であるが、バランス式のトルク項に採用しようとする軸
に、トルクがかかり難い姿勢は好ましくない。
【0032】2.ロボット制御装置の教示操作盤等を用
いた指令入力により、ホストCPU10からサーボDS
P12にトルク/各軸値書込指令を送る。すると、上記
したように、ロボット制御装置内部でトルク推定値とロ
ボットの姿勢が求められ、記憶される。この無負荷条件
(一般には、既知な第1の負荷重量条件)で、第i軸に
ついて得られたトルク推定値をT1i とする。
【0033】3.ツール2をロボット1に装着する。
【0034】4.上記1.で定めたロボット1の静止姿
勢を維持したまま、ないしは、予め姿勢を教示しておい
て、負荷取付け後ロボットをその点に移動させてから、
再度、ロボット制御装置の教示操作盤等を用いた指令入
力により、ホストCPU10からサーボDSP12にト
ルク/各軸値書込指令を送り、トルク推定値を算出・記
憶させる。この未知の負荷条件(m6 ;x6g,y6g,z
6g)で、第i軸について得られたトルク推定値をT2i
とする。
【0035】5.4つ以上の軸について、測定されたT
1i ,T2i を用いて前出のバランス式(1)の差分を
とる形で、連立方程式を立ててこれを解き、未知のパラ
メータm6 ;x6g,y6g,z6gを求める。その計算手順
は次の通りである。
【0036】各軸についてのバランスの式は、 T1i =M1i +P1*L1i (X1,Y1,Z1)+F1i ・・・(2) T2i =M2i +P2*L2i (X2,Y2,Z2)+F2i ・・・(3) となる。ここで、 P1;既知な第1の負荷重量。ここでは、P1=0 F1i ;既知な第1の負荷重量条件の下での第i軸の静
摩擦 M1i ;既知な第1の負荷重量条件の下で、負荷以外の
重量から発生し、第i軸にかかる重力モーメント (X1,Y1,Z1);既知な第1の負荷P1の重心位
置。ここでは、P1=0であるから、実際には不要なデ
ータである。形式的には、例えば、X2=Y2=Z2と
して良い。
【0037】L1i ;既知な第1の負荷重量条件の下で
第i軸にかかる負荷の重力モーメントの腕の長さ P2;第1の未知の負荷重量。ここでは、P2=m6 で
ある。 F2i ;未知な第2の負荷重量条件の下での第i軸の静
摩擦 M2i ;未知な第2の負荷重量条件の下で、負荷以外の
重量から発生し、第i軸にかかる重力モーメント (X2,Y2,Z2);未知な第2の負荷P2の重心位
置。ここでは、(x6g,y6g,z6g)である。
【0038】M1i とM2i は、同一のロボットに同一
の姿勢をとらせた場合は、等しい値を持つ。また、静摩
擦F1i とF2i についても、同一のロボットに同一の
姿勢をとらせた場合はほぼ等しい値とみなすことが出来
る。従って、i軸に関するバランス式の差分として、上
記(3)−(2)を採用すれば、次の(4)式が得られ
る。
【0039】 T2i −T2i =m6 *L2i (x6g,y6g,z6g) ・・・(4) ここで、L2i (x6g,y6g,z6g)は、第i軸にかか
る負荷m6 による重力モーメントの腕の長さである。従
って、(4)式を未知のパラメータm6 ,x6g,y6g,
z6gについて解くには、座標系iにおける負荷m2 の位
置(xig,yig,zig)を、x6g,y6g,z6gを使って
表わす必要がある。
【0040】上述したように、各座標系間の座標変換の
式は、D−Hパラメータから計算可能である。そこで、
既知なロボット姿勢(各軸値t1 〜t6 )と設定済みの
リンクパラメータで記述されるD−Hパラメータを用い
て(図2参照)、L2i が未知のパラメータx6g,y6
g,z6gに関する式で求められる。
【0041】このようにして、少なくとも4軸(例え
ば、i=2,3,4,5)について、(4)式を計算す
れば、4個の未知パラメータm6 ,x6g,y6g,z6gに
関する4個以上の独立した方程式が得られる。そこで、
ロボット制御装置内でホストCPU10を利用したソフ
トウェア処理によって、これら方程式を連立させて解く
ことで、負荷重量を表わすパラメータm6 ,x6g,y6
g,z6gを求めることが出来る。独立した方程式の数が
5以上である場合には、最小2乗計算等によって最適解
を求めれば良い。
【0042】[ロボットの姿勢の条件を変えてバランス
式を立てる実施形態]この実施形態を採用する場合に
は、未知の負荷重量を付けたままロボットに所定数の異
なるロボット姿勢条件を与え、各後見下で得られる前記
(1)式を連立させて、リンクパラメータを求め、それ
から未知の負荷重量のパラメータm6 ,x6g,y6g,z
6gを推定する。作業と処理の手順は、次の通りである。
【0043】1.ツール2をロボット1に装着する。 2.ロボット1に第1の静止姿勢をとらせる。 3.第1の静止姿勢を維持したまま、ロボット制御装置
の教示操作盤等を用いた指令入力により、ホストCPU
10からサーボDSP12にトルク/各軸値書込指令を
送り、トルク推定値を算出・記憶させる。第1の姿勢条
件下で、第i軸について得られたトルク推定値T(1)iを
記憶する。
【0044】4.ロボットをジョグ操作して、ロボット
1に第1の静止姿勢とは異なる第2の静止姿勢をとらせ
る。この静止姿勢で測定されたトルク推定値T(2)iを記
憶する。 5.以下、必要な組数Kのデータが得られるまで、ロボ
ット1に第1、第2・・・第k−1の静止姿勢とは異な
る第k(k=3,4・・・K)の静止姿勢を順次とら
せ、各静止姿勢で得られたトルク推定値T(k)iを順次記
憶する。 6.各姿勢における各軸についてのバランスの式は、 T(k)i=M(k)i +P*L(k)i (X,Y,Z)+F(k)i ・・・(5) となる。ここで、 P;未知の負荷重量。ここでは、P=m6 L(k)i;第kの静止姿勢条件の下で、第i軸にかかる負
荷の重力モーメントの腕の長さ F(k)i;第kの静止姿勢条件の下での第i軸の静摩擦 M(k)i;第kの静止姿勢条件の下で、負荷以外の重量か
ら発生し、第i軸にかかる重力モーメント (X,Y,Z);未知の負荷の重心位置で、ここでは、
(x6g,y6g,z6g)である。
【0045】式(5)におけるL(k)iは、静止姿勢kに
おいて第i軸にかかる負荷m6 による重力モーメントの
腕の長さである。従って、上述の差分をとるケースと同
様に、k番目の既知なロボット姿勢における各軸値(t
1 〜t6 )と設定済みのリンクパラメータで記述される
D−Hパラメータを用いて(図2参照)、L(k)iが、未
知のパラメータx6g,y6g,z6gに関する式としてロボ
ット制御装置内部で求められる。
【0046】M(k)i については、6軸ロボットの場
合、次式(6)で与えられる。
【0047】
【数1】 ここで、Aij,Bij(i=1,2,3・・・6;j=
1,2,3・・・5)は、リンクパラメータで記述され
る係数である。また、J(j) はj軸の角度で、各軸値
(t1 〜t6 )と同じものである。本実施形態では、所
要数の姿勢に関する上記(5)式におけるM(k)iついて
上記(6)式を代入し、得られた連立方程式を係数Ai
j,Bij 並びに静摩擦F(k)i について解く。独立した
方程式の数が未知数の数以上である場合には、最小2乗
計算等によって最適解を求めれば良い。
【0048】そして、最後に、求められたM(k)i とF
(k)i を(5)式に再代入して、負荷重量の未知パラメ
ータm6 ,x6g,y6g,z6gが求められる。以上の計算
は、すべて、ロボット制御装置内部で、ホストCPU1
0を利用したソフトウェア処理によって実行される。
【0049】こうして、上記いずれかの実施形態で求め
られたツール(物体)2の負荷重量に関するパラメータ
は、フィードフォワード制御時にフィードフォワード項
の算出の為に使用される。以下、図4に示されたような
簡単なケースについてフィードフォワード制御の概略を
説明する。
【0050】図4は、モータ3(例えば、第1軸のモー
タ)で駆動される制御対象が、図示した関係でアーム4
の手先にツール(物体)2を取り付けた系であると見な
せる場合を表わしている。同図に併記したように、ここ
では各パラメータJm ,m1,s1 ,I1z,l1 ,m6
,s6 の意味は次の通りである。
【0051】Jm ;モータ3のロータイナーシャ m1 ;アームの質量 s1 ;アーム4の重心位置 I1z,;z軸回りに関するアーム4の重心回りのイナー
シャ(重心回りのイナーシャのz成分) l1 ;アームの長さ m6 ;ツール2の質量 s6 ;アーム4の先端からツール2の重心位置までの距
離 ここで、Jm は予めロボットに設定されるパラメータ、
m1 ,s1 ,I1z並びにl1 はロボットの姿勢から計算
されるパラメータである。また、m6 は上記処理で求め
られた値がそのまま使用される。s6 の値は、上記処理
で求められた値x6g,y6g,z6gとロボット姿勢から計
算される。
【0052】このケースにおけるフィードフォワード項
は次のようにして定められる。先ず、制御対象の運動方
程式を立てる。モータ3の出力トルク及び位置を各々
τ,tとおけば、運動方程式は次式(7)で与えられ
る。ここで、J=Jm +m1 ・s12+I1z,L=(s1
+l1 +s6 )2 とおけば、運動方程式(7)は式
(8)で表わされる。但し、ツール2の重心まわりのイ
ナーシャは無いものとする。
【0053】
【数2】 この右辺をそのままフィードフォワード項として採用し
て、速度指令値に加算する。図5に、位置ループにこの
フィードフォワード項を加算するフィードフォワード制
御のブロック図を示した。同図において明らかなよう
に、ロボット制御装置の位置作成部(工作機械であれ
ば、CNC)から所定周期で出力される位置指令は、モ
ータの位置検出器(パルスコーダ)と比較されその偏差
が計算される。計算された位置偏差に基づいてゲインK
pで位置ループ処理が実行され、フィードフォワード項
加算以前の速度指令が作成される。
【0054】一方、位置・速度の処理周期毎に位置指令
(移動指令)が微分され、この微分値がゲインKpで実
行される位置ループの処理得られた速度指令に加算され
る。更に、ゲインKvで実行される速度ループ処理で計
算されるトルク指令値に関しては、上記(2)式の右
辺、即ち(J+m6 ・L)に位置指令の2階微分を乗じ
たものをフィードフォワード項としてトルク指令値に加
算する。こうして計算されたトルク指令に基づいてサー
ボアンプからモータ3に電流が供給され、モータ3が駆
動される。なお、1/(J+m6 ・L)は、モータ3に
かかる負荷を表わす伝達関数であり、1/sは、モータ
速度を積分したものがモータの回転位置であることを表
わしている。
【0055】以上、6軸ロボットを例にとって、本発明
を説明したが、制御対象が軸数の異なるロボット(例え
ば、4軸ロボット)や工作機械(例えば3軸構成)に変
わっても、上記説明した考え方を適用して付加的に取り
付けられた物体に負荷重量を計算し得ることは明らかで
ある。
【0056】
【発明の効果】本発明の負荷重量推定方法によれば、ロ
ボット等の自動機械の製造時には未確定な各ユーザの使
用態様に即した負荷重量が設定出来るので、動力学の補
正がより正確に行えるようになり、制御性能の向上が期
待出来る。例えば、フィードフォワード制御時のフィー
ドフォワード項の計算だ正しく行なわれるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態において、本発明の方法が適用される
ロボットの軸構成を表わした図である。
【図2】図1に示した軸構成を有するロボットのD−H
パラメータを記した図である。
【図3】ロボット制御システムの基本的なシステム構成
を記したものである。
【図4】実施形態で求めた負荷重量のパラメータが使用
されるフィードフォワード制御の適用事例を説明する図
である。
【図5】図4に示したケースにおけるフィードフォワー
ド制御の概要を説明する為のブロック図である。
【符号の説明】
1 ロボット 2 ツール(付加的に取り付けられた物体) 3,14 モータ 4 アーム 10 ホストCPU 11 共有RAM 12 サーボDSP 13 アンプ 15 不揮発性メモリ

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ソフトウェア処理能力を有する制御装置
    によって制御され、サーボモータで駆動される複数の軸
    を有する制御対象に付加的に取り付けられた物体の負荷
    重量を推定する負荷重量推定方法であって、 静止中の制御対象について各軸のバランスを表わす下記
    のバランス式、 τi =Mi +P*Li (X,Y,Z)+Fi ・・・(1) (但し、τi ;ロボットの静止時に第i軸にかかるトル
    ク P;負荷重量 Fi ;第i軸の静摩擦 Mi ;負荷以外の重量から発生し、第i軸にかかる重力
    モーメント (X,Y,Z);負荷の重心位置 Li ;第i軸について、負荷の重力モーメントの腕の長
    さ) の右辺に影響を与える変量について、既知の条件を含む
    複数の互いに異なる条件をロボットに与え、 各条件の下で所要数の軸についてトルクを測定し、それ
    を前記バランス式(1)の左辺に代入して得られる所要
    数の方程式を連立させ、未知の負荷重量のパラメータを
    求めることによって、前記付加的に取り付けられた物体
    の負荷重量を表わすパラメータを算出するようにした、
    前記負荷重量推定方法。
  2. 【請求項2】 ソフトウェア処理能力を有する制御装置
    によって制御され、サーボモータで駆動される複数の軸
    を有する制御対象に付加的に取り付けられた物体の負荷
    重量を推定する負荷重量推定方法であって、 共通した静止姿勢の下で、既知な第1の負荷重量条件と
    未知の第2の負荷重量条件を前記制御対象に与え、 前記各負荷重量条件の下で、少なくとも4つの軸につい
    てトルクを前記制御装置内部で測定し、 静止中の制御対象について各軸のバランスを表わす下記
    のバランス式、 τi =Mi +P*Li (X,Y,Z)+Fi (但し、τi ;ロボットの静止時に第i軸にかかるトル
    ク P;負荷重量 Fi ;第i軸の静摩擦 Mi ;負荷以外の重量から発生し、第i軸にかかる重力
    モーメント (X,Y,Z);負荷の重心位置 Li ;第i軸について、負荷の重力モーメントの腕の長
    さ) に代入し、前記少なくとも4つの軸について、前記既知
    な第1の負荷重量条件と前記未知の第2の負荷重量条件
    との間で上記バランス式の差分をとる形式で作成される
    連立方程式を、前記未知の第2の負荷重量条件を表わす
    未知パラメータに関して解くことにより、前記未知の第
    2の負荷重量条件に対応した負荷重量を推定するように
    した、前記負荷重量推定方法。
  3. 【請求項3】 ソフトウェア処理能力を有する制御装置
    によって制御され、サーボモータで駆動される複数の軸
    を有する制御対象に付加的に取り付けられた物体の負荷
    重量を推定する負荷重量推定方法であって、 相互に異なる所定数の静止姿勢条件の下で、未知の負荷
    重量条件を前記制御対象に与え、 前記各静止姿勢条件の下で、1つ以上の軸についてトル
    クを前記制御装置内部で測定し、 静止中の制御対象について各軸のバランスを表わす下記
    のバランス式、 τi =Mi +P*Li (X,Y,Z)+Fi (但し、τi ;ロボットの静止時に第i軸にかかるトル
    ク P;負荷重量 Fi ;第i軸の静摩擦 Mi ;負荷以外の重量から発生し、第i軸にかかる重力
    モーメント (X,Y,Z);負荷の重心位置 Li ;第i軸について、負荷の重力モーメントの腕の長
    さ) に代入して得られる方程式を連立させ、前記1つ以上の
    軸について、負荷以外の重量から発生し、第i軸にかか
    る重力モーメントMi を記述するリンクパラメータと第
    i軸の静摩擦Fi を求め、 更に、それに基づいて前記未知の負荷重量条件を表わす
    未知パラメータを求めることにより、前記未知の負荷重
    量を推定するようにした、前記負荷重量推定方法。
  4. 【請求項4】 前記制御対象が、ロボットである請求項
    1〜請求項3のいずれか1項に記載された負荷重量推定
    方法。
  5. 【請求項5】 前記制御対象が、6軸ロボットである請
    求項1〜請求項3のいずれか1項に記載された負荷重量
    推定方法。
  6. 【請求項6】 前記求められた負荷重量を表わすパラメ
    ータが、前記制御対象についてフィードフォワード制御
    を実行する際のフィードフォワード項の計算に利用され
    る、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載された負
    荷重量推定方法。
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