JPS61173305A - Method of optimum control of moving body - Google Patents
Method of optimum control of moving bodyInfo
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
この発明は、移動体の最適制御方法に関し、特に低剛性
のロボットアームなどの移動体の位置決め制御システム
に有用な最適制御方法に関するものである。[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention relates to an optimal control method for a moving object, and in particular to an optimal control method useful for a positioning control system for a moving object such as a low-rigidity robot arm. .
例えば、移動体としての天吊り型で直交座標型のロボッ
トシステムの一例を第4図を参照して説明すると、先ず
同システムはロボット本体1と制御装置2とからなる。For example, an example of a ceiling-suspended, orthogonal coordinate type robot system as a moving body will be described with reference to FIG. 4. First, the system consists of a robot body 1 and a control device 2.
ロボット本体1は1図示しない梁部などに固定した基部
3と、この基部3から垂下した状態で矢示X方向に水平
移動する比較的低剛性のアーム4と、このアーム4の先
端部に取り付けた手首部5とからなり1手首部5には負
荷6が取り付けらけている。The robot body 1 consists of a base 3 fixed to a beam (not shown), an arm 4 of relatively low rigidity that moves horizontally in the direction of the arrow X while hanging from the base 3, and an arm 4 attached to the tip of the arm 4. A load 6 is attached to one wrist part 5.
そして、アーム4はサーボモータフによって回転される
ボールネジ8によりガイドレール92日に案内支持され
なから矢示X方向に自由に移動できるようになっており
、その移動位置は基部3に付設したリニアボンテンショ
メータ10によって検出するようになっている。The arm 4 is guided and supported by a guide rail 92 by a ball screw 8 rotated by a servo motor, and can freely move in the direction of arrow X. It is detected by a meter 10.
制御装置2は、ティーチデータに基づく位置指令値とリ
ニアポテンショメータ10の検出値とに基づく速度指令
値を例えば第5図に示すような速度パターンでサーボモ
ータ7に出力し、それによってアーム4を目標位置まで
当該速度パターンで移動させる。The control device 2 outputs a speed command value based on a position command value based on the teach data and a detection value of the linear potentiometer 10 to the servo motor 7 in a speed pattern as shown in FIG. Move to the position using the speed pattern.
ところで、このようなロボットシステムにおいては、ア
ーム4の剛性の低さに起因してアーム作動時に機械的振
動が発生するため、この機械的振動を第5図の速度パタ
ーンの最高値を所要値以下に抑える形で抑制していた。By the way, in such a robot system, mechanical vibration occurs when the arm operates due to the low rigidity of the arm 4. Therefore, this mechanical vibration can be controlled by reducing the maximum value of the speed pattern shown in Fig. 5 below the required value. It was suppressed by keeping it in check.
すなわち、アーム4を例えば単位ステップ指令で動かし
た場合を例に採ってみると、アーム4の先端作業点は起
動時点から第6図に示すような振幅変化で減衰振動する
形で応答して自然整定していくが、その応答変化が指令
の10%以内の範囲φまで整定するのに図示のように凡
そ1.53秒もの時間がかかつてしまう。In other words, if we take as an example the case where arm 4 is moved by a unit step command, the working point at the tip of arm 4 will naturally respond in the form of damped oscillation with an amplitude change as shown in Fig. 6 from the time of startup. However, as shown in the figure, it takes about 1.53 seconds for the response change to settle to a range φ within 10% of the command.
そのため、従来は速度指令を低く抑えることによって、
発生する振動が大きくならないようにして対処していた
。Therefore, conventionally, by keeping the speed command low,
The measures were taken to prevent the vibrations from increasing.
しかしながら、このような従来の方法では速度パターン
を緩和する形で振動発生を抑制するようにしていたため
、負荷6が大きい(重い)場合やロボット自体が重量制
限等からアーム剛性を所定値以上に上げられない場合に
、高速移動、高速位置決めの妨げとなる問題があった。However, in such conventional methods, vibration generation is suppressed by relaxing the speed pattern, so if the load 6 is large (heavy) or the robot itself has weight restrictions, the arm stiffness may be increased above a predetermined value. If this is not possible, there is a problem in that high-speed movement and high-speed positioning are hindered.
この発明は、このような問題の解決を図ろうとするもの
である。This invention attempts to solve such problems.
そこで、この発明による移動体の最適制御方法では、移
動体の位置決め制御システムにおいて、移動体をその機
械的振動状態を予測し得る状態方程式で数式表現して1
位置指令値に応じた移動体の機械的振動をその状態方程
式の状態変数を逐次求めることによって予測すると共に
、その予測で逐次求めた状態変数に基づく補正値で位置
指令値に負帰還をかけて位置指令値を逐次補正して機械
的振動を抑制する。Therefore, in the optimal control method for a moving object according to the present invention, in a positioning control system for a moving object, the moving object is expressed mathematically using a state equation that can predict its mechanical vibration state.
The mechanical vibration of the moving body according to the position command value is predicted by successively determining the state variables of the state equation, and the position command value is subjected to negative feedback with a correction value based on the state variables successively determined in the prediction. Sequentially corrects the position command value to suppress mechanical vibration.
以下、この発明の実施例を図面の第1図乃至第3図を参
照しながら説明する。Embodiments of the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 to 3 of the drawings.
第1図は、この発明を適用したロボットの位置決め制御
システムのこの発明に係る部分を機能ブロック化して示
すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing a portion of a robot positioning control system according to the present invention in functional blocks.
なお、このロボットの位置決め制御システムとは、例え
ば第4図に示すロボット本体1と制御装置2とからなる
ものである。Note that this robot positioning control system includes, for example, a robot body 1 and a control device 2 shown in FIG.
同図において、11はアームメカニズムであり、第4図
のアーム4及びアーム4を駆動するサーボモータフとボ
ールネジ8などによって構成され、位置指令値(位置指
令入力)ttによって第4図の矢示X方向に移動した時
にアーム4の先端作業点はyで表わされる位置に位置す
る。In the figure, reference numeral 11 denotes an arm mechanism, which is composed of the arm 4 in Figure 4, a servo motor for driving the arm 4, a ball screw 8, etc. When the arm 4 moves to , the tip working point of the arm 4 is located at the position represented by y.
すなわち、この位Myはアーム4の先端挙動を表わすも
のであり、アーム4を位置指令値Uで動かした時の機械
的振動を意味する。That is, this amount My represents the behavior of the tip of the arm 4, and means the mechanical vibration when the arm 4 is moved by the position command value U.
なお0、アーム4は、実際には前述したように位置指令
値Uと第4図のリニアポテンショメータ10による検出
値(アーム4の移動位置)との偏差に基づく速度指令値
に応じて回転するサーボモータ7によって動かされるも
のである。Note that the arm 4 is actually a servo that rotates according to the speed command value based on the deviation between the position command value U and the detected value (movement position of the arm 4) by the linear potentiometer 10 shown in FIG. It is driven by a motor 7.
12はこの発明に係る補償回路であり、アームメカニズ
ム11の剛性を表現し、得る。云い換えるとアーム4の
機械的振動状態を予測し得る状態方程式でアームメカニ
ズム11を数式表現して、後述する位置指令値U′に応
じたアーム4の機械的振動をその状態方程式の状態変換
数2を逐次求めることによって予測するアームシミュレ
ータ13と、このアームシミュレータ13によって得ら
れた状態変数2に基づく補正値で位置指令値Uに負帰還
をかけて位置指令値UをU′に逐次補正する補正回路1
4とによって機能構成されている。12 is a compensation circuit according to the present invention, which expresses and obtains the rigidity of the arm mechanism 11. In other words, the arm mechanism 11 is expressed mathematically by a state equation that can predict the mechanical vibration state of the arm 4, and the mechanical vibration of the arm 4 according to the position command value U', which will be described later, is expressed by the state conversion number of the state equation. The arm simulator 13 makes a prediction by sequentially calculating 2, and the position command value U is sequentially corrected to U' by applying negative feedback to the position command value U using a correction value based on the state variable 2 obtained by the arm simulator 13. Correction circuit 1
It is functionally configured by 4.
なお、補正回路14は補正機能の他に整定判定機能も備
えているが、その詳細は後述する。In addition to the correction function, the correction circuit 14 also has a settling determination function, the details of which will be described later.
アーム4の機械的振動を予測し得る状態方程式は、状態
変数(状態変数ベクトルのことで、この場合「位置」を
表わすベクトル)を2.その−階微分(「速度」を表わ
すベクトル)をま、アーム4を数式モデル化した場合の
係数行列をA、B。The state equation that can predict the mechanical vibration of the arm 4 is a state variable (state variable vector, in this case a vector representing "position") of 2. A and B are the coefficient matrices when the arm 4 is mathematically modeled using its -order differential (vector representing "velocity").
C1位置3に対応する計算上の出力変数を3′とすると
、入力変数としての位置指令値U′に対して、
Z=AZ+B u’
y’ =CZ
と表わすことができる。Assuming that the calculated output variable corresponding to C1 position 3 is 3', it can be expressed as Z=AZ+B u'y' =CZ with respect to the position command value U' as an input variable.
ここで、係数行列A、B、Cは、アームメカニズム11
における負荷重量だ、バネ定数に、及びダンパ係数Gに
よって定めることができるものである。Here, the coefficient matrices A, B, and C are the arm mechanism 11
The load weight can be determined by the spring constant and the damper coefficient G.
なお、アーム4の数式モデルは伝達関数表現では
G(S)= ((C/g)s+(&/m))/ (s”
+(C/g)s+(k/II))と表わされる2次近
似式であるが、上記の状態方程式を用いることにより計
算式の簡素化によるリアルタイム処理が可能になり、又
誤差も少ない。In addition, the mathematical model of arm 4 is expressed as a transfer function as G(S)=((C/g)s+(&/m))/(s”
+(C/g)s+(k/II)) By using the above-mentioned state equation, real-time processing is possible by simplifying the calculation formula, and there are few errors.
また、!l′=C2の方は厳密に云うと状態方程式では
なく出力方程式であり、整定判定に供するy′を求める
のに必要な計算式である。Also,! Strictly speaking, l'=C2 is not a state equation but an output equation, and is a calculation formula necessary to obtain y' to be used for settling determination.
以下、第1図の補償回路12の作用を第2図のフロー図
をも参照しながら説明する。Hereinafter, the operation of the compensation circuit 12 shown in FIG. 1 will be explained with reference to the flowchart shown in FIG. 2.
第2図に示すように、先ず位置指令値Uを入力し、第1
図の補正回路14に対応する次ステツプで初期値がゼロ
の7−ムジミユレータ13に対応する次次ステップで得
られた状態変数2に予め定めたフィードバック係数行列
Fを乗じて得られる補正値FZにて、入力した位置指令
値Uに負帰還をかけて振動を打ち消し得る補正位置指令
値U′(初期値は2=0だからu’=u)を演算する。As shown in Fig. 2, first input the position command value U, and then
In the next step corresponding to the correction circuit 14 in the figure, the initial value is zero, and the correction value FZ obtained by multiplying the state variable 2 obtained in the next step corresponding to the 7-modulator 13 by a predetermined feedback coefficient matrix F is calculated. Then, negative feedback is applied to the input position command value U to calculate a corrected position command value U' (initial value is 2=0, so u'=u) that can cancel out the vibration.
次に、演算して求めたU′を前述した状態方程式に代入
して、状態変数Zと出力変数3′を求める。Next, the calculated U' is substituted into the state equation described above to obtain the state variable Z and the output variable 3'.
そして、実際の位置(位置変位)!!に対応するy′が
例えば予め定めた整定範囲φχ内に治まり。And the actual position (position displacement)! ! For example, y' corresponding to is within a predetermined settling range φχ.
且つその範囲内に治まってから予め定めた時間Tx経過
したか否かを判定することによって位置指令値Uに基づ
くアーム4の振動が整定したか否かを判定し y /が
整定範囲φχ内に未だ入らないか、入ってもTx経過し
ないか、あるいは入って再びφXをオーバしていて振動
が整定していない時には、先に求めたU′をアームメカ
ニズム11を動かす位置指令値として出力してから、再
びU入力処理乃至整定判定処理を繰り返す。Moreover, it is determined whether the vibration of the arm 4 based on the position command value U has stabilized by determining whether or not a predetermined time Tx has elapsed since the vibration has settled within that range. If it has not entered yet, or Tx has not elapsed even after entering, or if it has entered and exceeded φX again and the vibration has not stabilized, output the previously obtained U' as the position command value to move the arm mechanism 11. From then on, the U input process to the settling determination process are repeated again.
また、!!′が整定範囲φχ内に入ってから時間Txの
間再度φXをオーバしなくなって振動が整定していれば
、先に求めたU′を入力したUに戻して出力する。Also,! ! If the vibration has stabilized and does not exceed φX again during the time Tx after ′ enters the settling range φχ, the previously obtained U′ is returned to the input U and output.
このような処理がなされることによって、位置指令値U
によるアーム4の可動時の振動発生が抑制されて速やか
に安定するようになり、又振動の整定後には位置指令値
Uがそのまま有効になるので、アーム4の停止時におけ
る安定性も向上させることができる。By performing such processing, the position command value U
The generation of vibration when the arm 4 moves is suppressed and the arm 4 becomes stable quickly, and the position command value U remains valid after the vibration has settled, so the stability when the arm 4 is stopped is also improved. I can do it.
なお、第1図の補償回路12を備えてアーム4を単位ス
テップ指令で動かした場合、アーム4の先端作業点は起
動時点から第3図に示すような振動変化で減衰振動する
形で応答して、指令の10%以内の整定範囲φまで凡そ
0.5秒で整定するようになり、従来(第6図参照)に
比べて著しい効果(1/3の時間短縮)があることが分
る。Furthermore, when the arm 4 is equipped with the compensation circuit 12 shown in Fig. 1 and moved by a unit step command, the end working point of the arm 4 responds in the form of damped oscillation with vibration changes as shown in Fig. 3 from the time of startup. It is now possible to settle to the setting range φ within 10% of the command in about 0.5 seconds, which shows that there is a remarkable effect (1/3 time reduction) compared to the conventional method (see Figure 6). .
なお、この実施例は振動の整定判定を起動時からの時間
が0.63秒経過したか否かによって行なったものであ
り、このように時間のみをカット&エラーによって設定
して整定判定に供するようにしても良い。In this example, the vibration settling judgment was made based on whether 0.63 seconds had elapsed since startup, and in this way, only the time was set by cut and error and used for the settling judgment. You can do it like this.
また、上記実施例における整定刃室は、アームシミュレ
ータ13がそもそも近似計算を行なっていることに鑑み
、整定後再び不安定になる可能性があるため行なうよう
にしたものであるが、省略したシステムを構築すること
もできる。In addition, the settling blade chamber in the above embodiment was designed to be performed in view of the fact that the arm simulator 13 performs approximate calculations and there is a possibility that the blade becomes unstable again after settling. You can also build .
さらに、上記実施例では移動体としてロボットのアーム
を例に採って説明したが、どのような移動体の位置決め
制御システムにもこの発明は適用できる。Furthermore, although the above embodiments have been described using a robot arm as an example of a moving object, the present invention can be applied to a positioning control system for any moving object.
以上説明したように、この発明によれば移動体の挙動を
シミュレータして得た結果によって位置指令値を補正し
て振動を抑制するので、移動体を位置決め制御システム
の最大駆動能力で動かすことができるようになり、又起
動、停止時の残留振動を速やかに打ち消すことができる
ため、高速位置決めが実現できる。As explained above, according to the present invention, vibrations are suppressed by correcting the position command value based on the results obtained by simulating the behavior of the moving object, so that the moving object can be moved at the maximum driving capacity of the positioning control system. Furthermore, residual vibrations at the time of starting and stopping can be quickly canceled out, making it possible to achieve high-speed positioning.
第1図はこの発明を適用したロボットの位置決め制御シ
ステムのこの発明に係る部分を機能ブロック化して示す
ブロック図。
第2FMは第1図の補償回路12の作用説明に供するフ
ロー図、
第3図は第1図の補償回路12の効果説明に供する線図
、
第4図は移動体としてのロボットシステムの一例を示す
構成図。
第5図は第4図の制御装置2が出力する速度指令値の速
度パターン図、
第6図は従来技術の欠点説明に供する線図である。
1・・・ロボット本体 2・・・制御装置4・・・
アーム 7・・・サーボモータ10・・・リ
ニアポテンショメータ
11・・・アームメカニズム 12・・・補償回路1
3・・・アームシミュレータ 14・・・補正回路筒1
WJ
1?
第2図
べ々
第4図
第5図FIG. 1 is a block diagram showing the parts of a robot positioning control system to which the present invention is applied in functional blocks. 2FM is a flow diagram for explaining the operation of the compensation circuit 12 in FIG. 1, FIG. 3 is a diagram for explaining the effect of the compensation circuit 12 in FIG. 1, and FIG. 4 is an example of a robot system as a moving object. The configuration diagram shown. FIG. 5 is a speed pattern diagram of the speed command value output by the control device 2 of FIG. 4, and FIG. 6 is a diagram for explaining the drawbacks of the prior art. 1... Robot body 2... Control device 4...
Arm 7... Servo motor 10... Linear potentiometer 11... Arm mechanism 12... Compensation circuit 1
3...Arm simulator 14...Correction circuit cylinder 1
WJ1? Figure 2: Figure 4: Figure 5
Claims (1)
体をその機械的振動状態を予測し得る状態方程式で数式
表現して、位置指令値に応じた前記移動体の機械的振動
を前記状態方程式の状態変数を逐次求めることによつて
予測すると共に、その予測で逐次求めた状態変数に基づ
く補正値で前記位置指令値に負帰還をかけて前記位置指
令値を逐次補正して前記機械的振動を抑制することを特
徴とする移動体の最適制御方法。1. In a positioning control system for a moving object, the moving object is expressed mathematically by a state equation that can predict its mechanical vibration state, and the mechanical vibration of the moving object according to a position command value is expressed as a state variable of the state equation. The mechanical vibration is suppressed by sequentially correcting the position command value by applying negative feedback to the position command value with a correction value based on the state variable successively obtained by the prediction. An optimal control method for a moving object characterized by:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP1268785A JPS61173305A (en) | 1985-01-28 | 1985-01-28 | Method of optimum control of moving body |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP1268785A JPS61173305A (en) | 1985-01-28 | 1985-01-28 | Method of optimum control of moving body |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS61173305A true JPS61173305A (en) | 1986-08-05 |
Family
ID=11812285
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP1268785A Pending JPS61173305A (en) | 1985-01-28 | 1985-01-28 | Method of optimum control of moving body |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS61173305A (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH04113054A (en) * | 1990-08-31 | 1992-04-14 | Tsubakimoto Chain Co | Control method of belt transmitting mechanism |
WO2011039929A1 (en) * | 2009-09-30 | 2011-04-07 | 三菱電機株式会社 | Positioning control device |
WO2018029910A1 (en) * | 2016-08-08 | 2018-02-15 | 三菱電機株式会社 | Device for controlling parallel link mechanism |
-
1985
- 1985-01-28 JP JP1268785A patent/JPS61173305A/en active Pending
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