JPS61217802A - ロボツト制御装置 - 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】 〈発明の技術分野〉 この発明は、ロボット制御装置に関するもので、特に、
回転自由度を有するロボットにおし）で、アクチュエー
タの動作量やワークの変化に応じて変化するイナーシャ
の変動の効果を取り込んだ制御を行なうためのロボット
制御装置に関する。

〈発明の概要〉 この発明のロボット制御装置は、ロボットのアクチュエ
ータの動作量と、アクチュエータのイナーシャの基準値
と、ワーク質量の変化に対するアクチュエータのイナー
シャの変動巾の値とを互いに対応させて第１の記憶手段
に記憶させておくとともに、ロボットのアクチュエータ
の動作量と、位置サーボ系における速度ゲインの基準値
と、ワーク質量の変化に対する速度ゲインの変動巾の値
とを互いに対応させて第２の記憶手段に記憶させておき
、検知手段がアクチュエータの動作量を検知したとき、
その動作量に応じて前記アクチュエータのイナーシャの
基準値およびその変動巾の値、並びに前記速度ゲインの
基準値およびその変動巾の値を読出し、これらの値に基
づきアクチュエータのイナーシャに応じた速度ゲインを
演算し、然る後この速度ゲインに基づきサーボ系の出力
値を演算するようにしてあり、これにより、ロボットの
位置や姿勢の変化によるイナーシャの変動およびロボッ
トの保持するワークの変化によるイナーシャの変動）こ
応して、サーボ系の応答を最適に設定できるようにして
いる。

〈発明の背景〉 回転自由度を有するロボット、たとえば多関節形ロボッ
トや極座標型ロボットにおいては、アクチュエータの動
作量に応じて当該回転自由度に関する負荷イナーシャが
変動する。このようなイナーシャの変動は、サーボ系に
おける応答に影響を与えるため、何らかの形で制御系に
取り込むことが必要となる。

ところがアナログ回路で構成したサーボ系においては、
その性質上、このような変動を取り込むことは不可能で
ある。また多関節形ロボットなどにおいては、ベースに
近い関節はど負荷イナーシャの変動が大きく影響するた
め、このような影響を軽減する目的で減速比の大きな減
速機を用いなければならない。このため、この種減速機
に起因するコストの増大・効率の低下、負荷変動の増大
、ガタの増大を招き、それに微小送りが困難である等、
幾多の欠点を有していた。

またソフトウェアによって位置サーボ系を構成する場合
には、複数の関節の関節角度などから各関節の軸まわり
のイナーシャを計算し、そのイナーシャに対応する速度
ゲインを求め、それに基いて位置サーボ系における出力
値を演算する必要があり、これがため多大の演算時間を
要する。このため上記速度ゲインを求める演算を、ロボ
ットの動作中に実時間で求めることは困難であり、従来
は、あらかじめ動作する目標角度を用いてオフラインで
速度ゲインの計算を行なって、その計算結果をメモリに
記憶させておき、動作中は、記憶されていた速度ゲイン
の値を順次読み出して、サーボ系で用いるようにしてい
た。ところがこの方法は、ティーチングの際の動作には
上記オフライン処理が不可能であることや、カメラ等の
外界センサを利用したセンサフィードバック制御におい
て、動作中に目標点を変更して移動させることが不可能
であるなどの欠点を有している。

〈発明の目的〉 この発明は、ロボットの動作中において、各アクチュエ
ータの動作量に応じた速度ゲインの値をサーボ系に実時
間で与え、それによって、種々の制御状況下における負
荷イナーシャの変動を最適に取り込んだロボット制御装
置を提供することを主目的とする。また、この発明の他
の目的は、このような制御を、経済性の低下や、他の性
能の劣化を与えることなく実現できるロボット制御装置
を提供することである。

〈発明の構成と効果〉 上述の目的を達成するため、この発明にかかるロボット
制御装置は、ロボットのアクチュエータの動作量と、ア
クチュエータのイナーシャの基準値と、ワーク質量の変
化に対するアクチュエータのイナーシャの変動巾の値と
を互いに対応させて記憶する第１の記憶手段と、ロボッ
トのアクチュエータの動作量と、位置サーボ系における
速度ゲインの基準値と、ワーク質量の変化に対する速度
ゲインの変動巾の値とを互いに対応させて記憶する第２
の記憶手段と、検知手段によって検知されたアクチュエ
ータの動作量に応じて前記第１の記憶手段から対応する
イナーシャの基準値およびその変動巾の値を読み出すと
ともに、前記第２の記憶手段から対応する速度ゲインの
基準値およびその変動巾の値をＭ〜段とを設け、この読
出し手段により読み出されたイナーシャの基準値および
その変動巾の値、並びに速度ゲインの基準値およびその
変動巾の値とを基礎としてアクチュエータのイナーシャ
に応じた速度ゲインを演算し、この速度ゲインに基つき
サーボ系の出力値を演算するように構成した。

このロボット制御装置によれば、ロボットのアクチュエ
ータの動作量の変化、したがってロボットの位置や姿勢
の変化によるイナーシャの変動およびロボットの保持す
るワークの変化によるイナーシャの変動に応じて、サー
ボ系の応答を最適に設定できる。特に外界センサーフィ
ードバックのように、動作中に目標経路や目標位置が変
更されるような場合にも上記効果を発揮できる。またイ
ナーシャの変動による発振や振動等の制御性の劣化がな
く、低減速比の機構を用いることが可能となり、コスト
ダウンや効率の向上、負荷変動の低下、ガタの減少をも
はかることができる。

〈実施例の説明〉 以下、この発明の実施例を、第２図に示した多関節ロボ
ットの制御装置を例にとって説明する。第２図の多関節
ロボットＲＢは、６自由度を有しており、６個の関節１
〜６において、それぞれθ１〜θ６の回転自由度（この
明細書では、本来の回転の他、旋回自由度もまた「回転
自由度」と呼ぶ。）を有している。これらの関節１〜６
は、駆動機構としてのサーボモータ鴇〜Ｎ−（第２図に
は図示せず）によってそれぞれ駆動される。

第３図は、第２図に示した多関節ロボツ１−ＲＢの制御
装置７の概略構成を示す。キーボード８は、ＣＰＵ（Ｃ
ｅｎｔｒａｌ　　ＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）９へ
の入出力のためのものであり、（：ＰＵｇは、命令解析
、指令値計算、位置制御のサーボ系における演算などを
実行する。ＣＰＵ９の出力はサーボアンプＡ１〜Ａ６に
与えられており、これらのサーボアンプＡ、〜Ａ６はＣ
ＰＵ９からのそれぞれの出力値を増幅して、上記の各サ
ーボモータＭ、〜Ｍ６へ与よる。エンコータＥ１〜Ｅ６
ハ、サーボモータＭ、〜Ｍ６にそれぞれ取り付けられた
フォトエンコーダであって、各モータの回転角度を検出
してＣＰＵ９へ与える。

第４図は、ひとつの関節に関する位置サーボ系のブロッ
ク図であり、この実施例では、これと同様のサーボ系が
合計６つ存在する。このサー・ボ系は、位置サーボルー
プ１０の中に、速度のマイナーループ１１を含んでいる
。メモリ（図示せず）の中に記憶させてあるティーチン
グ情報や、第３図のキーボード８から入力された命令な
どに基いて作成された指令角度データ１２は、位置サー
ボループ１０を通してフィードバックされた位置フィー
ドバックデータ２７が差し引かれて偏差信号１３となる
。この偏差信号１３は、ブロック１４における位置ゲイ
ンＫｐを受けて位置出力１５となり、この位置出力１５
は、速度のマイナーループ１１を通ってフィードバック
された速度フィードバックデータ２９が差し引かれて、
偏差信号１６となる。この偏差信号１６は、サーボアン
プ１７（上記Ａ、〜Ａ６のうちのひとつ）においてサー
ボアンプゲインＫＡを受け、その増幅出力１８がモータ
Ｍ（上記Ｍ１〜Ｍ６　　のうちのひとつ）に与えられる
。

このモータＭでは、ブロック１９におけるトルク定数Ｋ
【に応じて発生トルク２０となり、この発生トルク２０
がブロック２１において時間積分され、かつイナーシャ
で除された回転速度２２へと変換される。なお図中、Ｓ
はラプラス演算子を、Ｊは関節軸まわりのイナーシャを
モータ軸まわりに換算したものを示す。回転速度２２は
ブロック２３においてさらに時間積分されて、モータの
回転角度２４として現われる。

モータの回転速度２２は、エンコーダＥ（上記Ｅ、〜Ｅ
６のうちのひとつ）において、エンコー・ダゲインＫｇ
を受けつつエンコードされて、エンコード出力２５とな
る。ただし、第３図においては、エンコーダＥ１〜Ｅ６
は回転角度検出を行なうものであるとしたが、第４図で
は、概念を示す便宜上、回転速度２２を検出する形であ
るとした。エンコーダ出力２５は、ブロック２６におい
て時間積分された後に、ブロック１４の前段へと戻る位
置フィードバックデータ２７になるとともに、ブロック
２８における速度ゲインに■の影響を受けて、速度フィ
ードバックデータ２９となる。なお、これらにおいては
、簡単のため、粘性抵抗は無視している。

この第４図のサーボ系における伝達関数Ｇ（ｓｌは、次
の（１）式のように表わされる。

ただしω。およびξは、それぞれ固有角周波数および減
衰係数であって、 で与えられる。また各関節についての機械的な共振角周
波数ωＳは、イナーシャＪと回転軸まわりのばね定数に
とを用いて、 と表わされる。ここで上記固有角周波数ω□および減衰
係数ξは、ロボットＲＢの動作が振動的になることを避
ける目的で、 、ｎ≦医。、　　　　　　　　　　　・・・（５）ξ　
＝　１　　　　　　　　　　　　・・・（６）程度に設
定される。

以下、第２図の関節１を例にとって、速度ゲインの取扱
いを説明する。関節１に関するイナーシャＪの変動原因
は、関節２〜６の関節角度や、ロボツ）ＲＢが把持する
ワーク（図示セス）の質量の大小などである。第２図の
ロボットＲＢの具体例では、イナーシャＪの最小値Ｊｍ
ｉ　ｎと最大値Ｊｍａｘ　との間には、はぼつぎの関係
がある。

Ｊｍｉｎ　＝　５　Ｊｍａｘ　　　　　　　　　　・・
・（７）ところで（２）式と（４）式かられかるように
、固有角周波数ω。は、共振角周波数ω、と同形、すな
わち１／ｙ７に比例し、イナーシャＪに依存してい名。

このため、上述した原因によってイナーシャＪが変動し
た場合には、互いに同一の比率で、ω。とω、とに変化
が生ずる。このため、イナーシャＪが変動しても、（５
）式は常に満足されることになる。一方、減衰係数ξに
ついては、イナーシャＪの値が変動すると、（３）式に
従ってその値が変動し、もはや（６）式を満足しなくな
る。

たとえば、 Ｊ　＝　−（Ｊｍｉｎ十Ｊｍａｘ　）　　　　　　　−
＋ｓ＋の条件で（６）式が満足されるように、速度ゲイ
ンＫｖの値を設定しておいた場合には、 Ｊ　＝　Ｊｍｉｎにおいて、ξ＝１．８７　　　・・・
（９）Ｊ　＝　Ｊｍａｘにおいて、ξ＝０．７６　　−
（１■となるため、 １　　　　　　　　　　　　　　　・・・（１１）Ｊ　
＜　２　（Ｊｍｉｎ　＋　Ｊ　ｒｒｈａｘ　）では過減
衰に、 Ｊ　　＞　　’　　（Ｊｍｉｎ＋　Ｊｍａｘ　　）　　
　　　　　　　　　　−ａｚでは減衰不足になってしま
う。そこで、速度ゲインＫｖを、 ｖ □＝定数　　　　　　　　　　・・・０３丁 となるように、イナーシャＪに応じて変化させるような
構成とすれば、 となるため、イナーシャＪが変化しても、減衰係数ξは
一定値のままであって、安定な制御が実現できる。

ところで、上述したイナーシャＪの変動原因のうち、関
節４〜６の関節角度の変動によるものは、他の原因に比
べて比較的小さいため、この実施例では、関節２．３の
関節角度とワークの質量とに応じて速度ゲインＫｖの値
を変化させるよう構成する。また、これらの対応関係も
、関節角度θ２．θ３の動作範囲を複数（以下の例では
１６）に分割し、その領域のそれぞれに対応して、ワー
クの質量がゼロのときのアクチュエータのイナーシャ値
Ｊ。と、ワークの質量が最大可搬型！：　ＭＭＡＸ時の
アクチュエータのイナシア値Ｊ　ＭＡＸと前記ゼロ質量
にかかるアクチュエータのイナーシャ値Ｊ。との差（変
動巾）ΔＪをあらかじめ計算して、記憶手段たとえばＲ
ＯＭなどのメモリに記憶させておく。ただし、本実施例
では、イナーシャＪ。と差ΔＪとは、適当な数値処理を
実施して、イナーシャＪ０　　のうち最小のＪｏ　が「
０」になり、イナーシャＪ　ＭＡＸのうち最大のものが
「３１」となり、従って差ΔＪは０〜３１の整数となる
ように、自然数化している。

関節１〜３に関するこのような対応関係を、第１表ない
し第３表にそれぞれ示す。

第　　　１　　　　表 第１表を例にとれば、関節２の関節角度θ２が領域（区
間）ｉ　（ｉ＝１〜１６）に、関節３の関節角度θ３が
領域ｊ　（ｊ＝１〜１６）にそれぞるイナーシャＪｏ　
　の値であり、ΔＪ、が変動巾ΔＪの値である。そして
この場合、ワークの質量がｍｃｋｇＪ　　であるとする
と、サーボループで用いるべき速度ゲインの値Ｋｖ　は
、つぎの１９式で算出することになる。

ただしＫｖｏは、イナーシャＪｏのうち最小のＪ。

（ｔなわちワーク質量がゼロのときのアクチュエータの
最小のイナーシャの値）に対応する速度ゲイン値である
。またΔＫｖは、イナーシャＪＭＡＸ、のうち最大のＪ
ＭＡＸ　（すなちちワーク質量が最大可搬重量のときの
アクチュエータの最大のイナーシャの値）に対応する速
度ゲインと前記速度ゲインＫＶｏ　　との差である。こ
れらの速度ゲインＫＶｏおよびその変動巾の値ΔＫｖも
、ＪＱ　＋ΔＪｏ　　と同様、記憶手段、たとえばＲＯ
Ｍなどのメモリに記憶されている。

またつぎの第２表の関節２に対するアクチュエータのイ
ナーシャＪｏおよびその変動巾ΔＪの値は、関節４〜６
の関節角度変化に対する依存性を無視しているため、関
節３の関節角度θ。

が属する領域ｉに対してそれぞれＪ。１１ΔＪｉと書か
れている。

そしてこの場合、ワーク質量がｍｃｋｇ）　　であると
すると、サーボループで用いるべき速度ゲインＫｖは前
記の１９式で求めることになる。

更に関節３に対するアクチュエータのイナーシャＪ。お
よびその変動巾ΔＪは、関節４〜６の関節角度変化の効
果を無視しているため、ワークの質量のみに依存し、従
って第３表のイナーシャＪ。およびその変動巾ΔＪを用
いて、前記ＵＳｔ式により求める。

第　　２　　表　　　　　　　　　　　　　第　３　表
これらのアクチュエータのイナーシャＪ。

および変動巾ΔＪの値は、関節角度θ２．θ、の各領域
内の所定の値、たとえば、その領域の中央値に相当する
回転角度に対して計算した値である。関節４〜６につい
ては、この実施例では、関節３と同様な方式をとってい
る。

第１図は速度ゲインＫｖの算出および−Ｊその算出値を
用いたロボットの制御動作を示すもので、まず同図のス
テップ３１においてワークの質量がどの程度かが読み取
られる。次のステップ３２では、第３表の内容に相当す
るメモリ内のテーブルから、関節３．４．５．６に関す
るそれぞれのイナーシャＪ。およびその変動巾ΔＪの値
と、速度ゲインＫＶＯおよびその変動巾Δに■の値を読
み取る。そして読み取られたイナーシャＪ。およびその
変動巾ΔＪの値、並びに速度ゲインＫＶＯおよびその変
動巾ΔＫｖ　　の値と、ワークの質量とに基づいて速度
ゲインＫｖが算出され、その算出値がメモリ内のゲイン
テーブルに書込まれる。次のステップ３３で、関節角度
θ３を検知し、これがいずれの領域に属するかを判断す
る。この検知は、移動の目標角度をメモリから読出すこ
とによって行なってもよく、また、エンコーダＥ３　に
よって、現実の関節角度を検知してもよい。いずれにし
でも、ロボットＲＢの動作中における関節角度の値を求
めるのであり、この明細書では、これらの方法にょっで
検知された関節角度を「現在値」と呼ぶ。

ステップ３４においては、求められた関節角度θ、が属
する領域に応じて、第２表に相当するメモリ内のテーブ
ルから、関節２に関するアクチュエータのイナーシャＪ
。と変動巾ΔＪの値が読み取られるとともに、関節２に
関する速度ゲインＫｖｏ　　およびその変動巾ΔＫｖ　
　の値が読み取られ、これらの値から速度ゲインＫｖが
算出されてその算出値がゲインテーブルに書き込まれる
。

同様に、ステップ３５では関節角度θ２が検知されて、
いずれの領域に属するかが判断され、次のステップ３６
において、上記θ２．θ３の寓する領域に対応する関節
１に関するアクチュエータのイナーシャＪ。とその変動
巾ΔＪの値が、第１表に相当するメモリ内のテーブルか
ら読み取られ、同様にして速度ゲインＫｖｏとその変動
巾ΔＫｖの値も読み取られて、これらの値から速度ゲイ
ンＫｖが算出され、その算出値がゲインテーブルに書き
込まれる。

このようにして、特定の時刻における速度ゲインＫｖの
値が各関節について特定されると、入力手段によって入
力されたロボットの動作指令値や他の定数データ、それ
にフィードバックデータなどとともに、この速度ゲイン
に■の値がＣＰＵＱ　内に取り込まれ、これらに基いて
、サーボ系Ｃζおける出力値が演算され、駆動機構へ与
えられる（ステップ３７）。ステップ３８では、動作指
令値が最終のものであるか否かが判断され、以上のステ
ップが最終の動作指令値まで繰返される。

以上が、関節２，３の関節角度θ２．θ３と、ワークの
質量とに応じて関節１〜３のサーボ系の速度ゲインＫｖ
を変えるように構成された実施例であるが、機構的に関
節４〜６の関節角度０４〜θ６の影響が無視でききいと
きには、それらの関節角度０４〜θ６の影響を取り入れ
たものとすればよい。また逆に、ワークの質量の影響を
無視できるような場合などにおいては、ワークの質量を
パラメータ中から取り除くこともできる。

なお上記実施例では、多関節形ロボットを考え、動作も
関節角度によって表現されるものとした。しかしながら
、この発明は多関節形ロボットのみに適用されるもので
はなく、第５図に示した極座標型ロボットなどにおいて
も適用可能であって、回転自由度を有するロボット全般
に利用できる。また、この第５図に示したようなロボッ
トでは、リニアアクチュエータ４０の伸び量が、回転軸
４１のまわりのイナーシャに影響を与えるのであるから
、関節角度のみでなく、各種アクチュエータの動作量一
般すなわち関節角度や伸び量その他イナーシャＪに影響
を与える諸量をパラメータとすることが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例において行なわれる制御の概
要を示すフローチャート、第２ｆｉｌＪはこの発明の実
施例によって制御されるロボットの機構を示す説明図、
第３図はこの発明の実施例の全体構成を示すブロック図
、第４図はこの発明の実施例に含まれるサーボ系のブロ
ック図、第５図はこの発明の実施例によって制御される
ロボットの他の例を示す機構説明図である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）速度のマイナーループを含んだ位置サーボ系を有
   し、入力された情報に基いて回転自由度を有するロボッ
   トを制御するためのロボット制御装置であつて、 前記ロボットのアクチュエータの動作量と、アクチュエ
   ータのイナーシャの基準値と、ワーク質量の変化に対す
   るアクチュエータのイナーシャの変動巾の値とを互いに
   対応させて記憶する第１の記憶手段と、 前記ロボットのアクチュエータの動作量と、前記位置サ
   ーボ系における速度ゲインの基準値と、ワーク質量の変
   化に対する速度ゲインの変動巾の値とを互いに対応させ
   て記憶する第２の記憶手段と、 ロボット動作中における前記アクチュエータの動作量の
   現在値を検知する検知手段と、前記アクチュエータの動
   作量の現在値に対応する前記アクチュエータのイナーシ
   ャの基準値およびその変動巾の値を前記第１の記憶手段
   から読み出すとともに、前記アクチュエータの動作量の
   現在値に対応する前記速度ゲインの基準値およびその変
   動巾の値を前記第２の記憶手段から読み出す読出し手段
   と、 ワークの質量と、読出しにかかるイナーシャの基準値お
   よびその変動巾の値並びに速度ゲインの基準値およびそ
   の変動巾の値とに基づき、前記アクチュエータのイナー
   シャに応じた速度ゲインの値を演算する第１の演算手段
   と、 入力手段によつて入力されたロボットの動作指令値およ
   び定数値と、前記演算手段によつて算出された速度ゲイ
   ンの値と、ロボットから得られるフィードバック情報と
   を含む入力情報に基づき前記サーボ系における出力値を
   演算して、前記ロボットの駆動機構へ出力する第２の演
   算手段とを備えて成るロボット制御装置。
2. （２）前記第１の記憶手段には、前記アクチュエータの
   動作範囲を複数に分割して形成される動作領域のそれぞ
   れに対応して、前記動作領域内の所定の動作量における
   前記アクチュエータのイナーシャの基準値およびその変
   動巾の値が記憶されており、 前記読出し手段は、前記動作量の現在値が前記領域のい
   ずれに含まれるかを判断し、その領域に対応する前記イ
   ナーシャの基準値およびその変動巾の値を読み出す手段
   を含む特許請求の範囲第１項記載のロボット制御装置。
3. （３）前記第１の記憶手段に記憶される前記アクチュエ
   ータのイナーシャの基準値は、ワークの質量がゼロであ
   るときのイナーシャの値であり、またイナーシャの変動
   巾は、最大可搬重量時のイナーシャの値と前記ゼロ質量
   にかかるイナーシャの値との差である特許請求の範囲第
   １項または第２項記載のロボット制御装置。
4. （４）前記第２の記憶手段に記憶される速度ゲインの基
   準値は、前記アクチュエータの動作範囲を複数に分割し
   て形成される動作領域のそれぞれに対応して、前記動作
   領域内での最小のアクチュエータのイナーシャの値に対
   して最適な速度ゲインの値であり、また速度ゲインの変
   動巾は、前記動作領域内での最大のアクチュエータのイ
   ナーシャの値に対して最適な速度ゲインの値と、前記最
   小イナーシャ時の速度ゲインの値との差である特許請求
   の範囲第１項ないし第３項のいずれかに記載のロボット
   制御装置。