JPS583001A - ロボツト制御方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はロボット制御方式に関し、特にロボットのアー
ム中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方式に関する。

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方式においては、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層内で、アームの位置について
は制御が行な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方式′では、第１Ｈに示す如く、関
数発生部１から遂次目標位置信号ｙ、と関節軸の指示回
転加速度信号ｙ、　　ｔ−出力し、この指示回転加速度
信号ｙ、　　Ｋ応じて関節軸を駆動するモータ３を駆動
するとともに、とのモータ３によりアームの如龜機械系
部を駆動している。そしてモータ３に設は九エンコーダ
（図示省略）によシモータ３の回転位置を検出して得ら
れる位置信号ｙ　と前記目標位置信号ｙ、と全比較して
位置偏差信号＃、ｔ−求め、位置偏差補償器２によ多位
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ｙｔ加算してモータ操作信号Ｕ’ｌｉ−算出
し、これによりモータ３の回＠を制御していた。

このように、モータ３にエンコーダ等を取付は毫−夕の
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
、関節軸を駆動するモータに対しり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
っている丸め、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。

例えば塗鋏や溶接作業等のように、移動径路が重視され
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【低下させ、また停止時の振動が作業空間内の
器具や組み立て部品の摩耗や破損を招くという欠点があ
った。さら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ｎ’を低下させる原因と
もなり、みた目もよくない、その丸めこのような撮動の
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シ、撮動の抑制を針かつていた。

その丸め作業能率の高速性を向上する場合、大きな問題
となってい友。

し九がって本発明の目的は、このようを問題を改善する
ために、ロボットにセン？Ｉ＊付けて機械系の振動を検
出し、それ’ｔ１１１ａ発生部の指示値に追従するよう
Ｋ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、さらにその補償器がす
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方式を提供することＫあ条
。

そしてこの目的を達成するために１本発明のロボット制
御方式はロボットのアームや１ニビ二Ｖ−夕の移動を関
数発生部から出力される目標位置、該アーム関節軸の指
示回転加速度信号により制御するようにし九ロボット制
御方式において、前記移動に＃う機械系の振動を検出す
る振動検出部と検出された信号管前記関数尭生部の指示
賦に一致するように補償する振動ｎ１１ＩＩｔ補償手段
を有することを特徴とすゐ。

以下本発明の一夷Ｊ１１例を第２図〜第５図にも七づき
説明する。

第２図は本発明の一実施例構成図、第３図轢本発明の構
成を伝達関数として示したもの、第４ｗＪは本発明にお
ける補償器の詳細説明図であシ、第５図は指示軌跡を示
すものでおる。

図中、２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、−例として加速度を検出する加
速度針が使用され、６は撮動抑制補償器であって、関数
発生部ｌから出力されえ指示回転加速度信号ｙ、と振動
検出器５から検出され九機械系加速度信号ｙ、の差に応
じ九信号が入力され、これに応じてモータ系３を制御す
るものである。

関数発生部ｌは、第５図（ａ−３）のような、始点およ
び終点近傍で一定加速度の加減速を行なわせる指示値ｙ
、を発生する場合の伝達関数モデルでアシ、ま九モータ
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ｙ１．Ｉ＆なるの
でＫｍ　／　８”　、アームのまず、各制御系を状態方
程式で記述する。

関数発生部は、ｘ、ｔ３次の状態ベクトル、ｙ、ｔ２次
の出力ベクトル、ｙ、【指示位置およびｙ、を指示加速
度とすると、 ｘ、（ｉ）＝人、　ｘ、（ｔ）　　叩・曲叫・・・・聞
・・・（１）で表される。ここでＡｒは系の３×３係数
行列、ａｒｐ””ｒａは３次の出力ベクトルである。

モータ系は４１２次の状態ベクトル、Ｕｌｌスフ−の操
作量およびｙｆｆｉｆｆミラスカラーモータの位置信号
）とすると、 ｘ、　（ｔ　）　−Ａｓ〜（ｔ）＋％　Ｕ（ｔ）・・・
・・・・・・（４）ｙ　　（ｔ）＝Ｃｘ　　（ｔ）・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・−（
５）となる。ここでＡＡ系の２×２係数行列、　ｂ、ｍ
次の駆動ベクトル、Ｃ＝　　は２次の出力ベクトルであ
る。また機械系はｘ、ｔ２次の状態ベクトルＫｙ。

をスカラー出力（機−系の加速度信号）とすると、ｘ、
　（ｔ）　−Ａ、　ｘ、　（ｔ）＋ｂ、　ｙ、（ｔ）・
・・・・・（６）ｙ。　　（ｔ）　　＝　　Ｃ’、　　
ｘ、　　　（ｔ）十ｄ、　　ｙ、　　（ｔ）−・・・・
（７）で表わすこと、ができる。ここでム、は系の２Ｘ
２係数行列、ｂ、は２次の駆動ベクトル、ｑは２次の出
力ベクトル、ｄｏはスカラーの伝達係数である。ただし
「１」は転置を意味するものである。モータ系について
の位置偏差補償器２内の積分器および機械系の定常加速
度偏差叱（（１））を零にするための積分器については
、それぞれ、 塙（ｔ）　＝　ｅ、　（ｔ）・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・（８）＝ｙ、（ｔ）−入（１）・・
・・・・（９）”ｍｔ　（ｔ）−も（１）　　・・・・
・・・・・・・・・・・・・・（１０）＝入（ｔ）　−
ｙ　（ｔ）・・・・・・（１１）と示すことができる。

さて振動抑制補償器６ｔ−位置偏差補償器２と調和さ゛
せて ｇ、（ｔ）＝ｏ　　　・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・（１２）（、（ｔ）＝Ｃ・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
（１３）にするサーボ問題は、各制御系を合成すること
によシ最適レギュレータ問題に帰着できる。前記（１）
弐〜（１１）式を合成し九複合系を ｘ（ｔ）　＝Ａｘ（ｔ）　＋　ｂｕ（ｔ）　”・・・・
・（１４）ｙ（ｔ）　＝　Ｃｘ（ｔ）　　　・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・（１５）ここで系の
係数行列人、駆動ベクトルｂおよびと表す。

ここで、高い位置決め精度を実現しつつ機械系の振動を
抑制する九めに次式の評価関数會設定する。

ただし第１項は高い位置決め精度を実現する九めに挿入
し九位置偏差の積分値の２乗であ抄、第２項は振動を抑
制ｒる丸めに挿入し九機械系についての加速度偏差の積
分値の２乗である。第３項はモータへの操作エネルギー
を表わしている。ま九σ、λは第１項を１とし九ときの
重み係数である。　（１４）弐〜（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−意に求めることができ、次式で与えられる。

Ｕ（ｔ）　＝　ｆ’ｘ（ｔ）　　・・・・・・・・・・
・・・・・、・・・・・・・・・（１８）ｆ’　＝　−
ｂ’に／λ　・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・（１９）ここでＫは次のリツカチの代数方程
式によって求めます。

Ｋｂｂ’に／λ−ＫＡ−Ａ’に−Ｃ１ｍ、Ｃ−−Ｃ６，
Ｃ１，、ａ　＝　　０　、、。

・・・・・・・・・（２０） まえ上記（１８）式は Ｕ（ｔ）　＝　ｆ’、　　Ｘ、　（ｔ）　＋　ｆ、、　
　、ｘｍｌ（ｔ）＋ｆ、、　　へ、（ｔ）＋　ｆ二　金
−（ｔ）、＋　　ｒ；　　金、（ｔ）・・・（２１）と
書ける。モータ系や機械系の内部状態ベクトル％４ｐ　
ｘ、については直接測定できないので、推定値（・仝、
？用いる。

丸□は Ｑ、（ｔ＞　−Ａ１．％　ｃ　ｔ＞　＋ｂ、Ｕ（ｔ＞　
十ｇ、＜ｅ、　＜ｔ＞＋ｔ、９．＜ｔ＞＞・・・・・・
・・・・・・（２２） のモータ系状ｍ観測器２−０から生成される。友だＬ亀
はこのモータ系状態観測器２−００２次のゲインベクト
ルである。

また仝、は ４ミ（ｔ）＝Ａ、イ＞、（ｔ）　十す、ｙ、（ｔ）＋　
ｇ、（ε。（ｔ）＋　Ｃ′、弓ト、（ｔ）＋　ｄ、ｙ、
（ｔ）　）・・・・・（２３）の機械系状態観測器６−
０から生成される。友だし−は機械系状部観測器６−０
の２次のゲインベクトルである。

これは閉ループ系を漸近的に安定だ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
ｌからのツイ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ｔして
いる。

置偏差補償器２および振動抑制補償器６の構成は第４図
に示すようＫなる。を九（１８）式のｆ゛については、
評価関数の重みｌ、λをパラメータとして高い金置決め
精度を実現でき、振動が抑制するように（１９）式１　
（２０）　　式を用いてあらかじめ計算されゐ。

本発明の実施例によれば、ｔ４５図（ａ−１）〜（ａ＝
３）のような場合に＠らず、第５１ｉ１（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、移動中お
よび停止時の振動を充分く抑制すること、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Ｉ個の場
合には、位置偏差補償器および振動抑制補償器内の積分
器のｌ＆をそれぞれＩ−２個以上にすることによ）、Ｉ
−１次間ａｔ含む指示軌跡に対して、アームを偏差なく
追従させ、振＃會抑制させることができる。このように
して第Ｓ図（ｉ−１）〜（シー４）のような、始点およ
び終点近傍で加速度の変分會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個の共振点をもつような振動に対し
ても十分抑制効果がある。

また撫動検出器として変位針環を用いて振ｍｔ−位置信
号として検出したときは、位置決めについてはモータ系
の出力を、★た振動抑制については振動検出部の出力ｔ
−１関数発生部のそれぞれに対応した指示値に追従する
ようＫすることによシ、高い位置決め精度と振動の低減
を実現することができる。ただし機械系の振動を位置信
号として検出し九場合には、前記式中、ｙはｙとして考
えるｋｐ ことになる。

以上説明の如く、本発明によれば、ロボットのアームや
マニビュＶ−夕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。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のロボット制御方式會示し、第２図は本発
明の一実施例構成図、第３図社第２ａＱｔ伝達関数とし
て示し友もの、第４図は本発明における補償量の詳細説
明図、第５図は各種の指示軌跡を示すものである。 図中、ｌは関数発生部、２は位置偏差補償器、３はモー
タ系、４は機械系、５は振動検出器、６は振動抑制補償
器をそれぞれ示す。 特許出願人　富士通株式全社 代場人弁通士　山　谷　暗　秦

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　ロボットのアームやマニピュレータの移動管
   関数発生部から出力される目標位置、鋏アーム関節軸の
   指示回転加速度信号によ）制御するようにしたロボット
   制御方式において、前記移動に伴う機械系の振動を検出
   する振動検出部と検出された信号を前記関数発生部の指
   示値Ｋ　一致するように補償する振動抑制補償手段を有
   することを特徴とするロボット制御方式。
2. （２）前記振動検出部として加速度針を使用し、機械系
   の振動抑制補償手段として機械系の定常加速度偏差を零
   にするための積分器と閉ループ系を安定化するための機
   械系の状態Ｉ！一手段とアームやマニピュＶ−夕の指示
   軌跡への追従特性を向上させるための関数発生部からの
   フィードフォワードなループを有することｒｅ黴とする
   特許請求の範囲第（１）項記載のロボット制御方式・ ０）前記振動検出部として変位検出針を使用し、機械系
   の振動抑制補償手段として機械系の定常位置偏差を零に
   するための積分器と閉ループ系を安定化するための機械
   系の状態観測器とアームやマニピュレータの指示軌跡へ
   の追従特性を向上させるための関数発生部からのフィー
   ドフォワードなループを有することを特徴とする特許請
   求の範囲第α）項記載のロボット制御方式。