JPS61271509A - 多関節ロボツトの動作制御装置 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は多関節ロボットの動作制御装置に関し、特に、
リレー制御系にみられる滑り現象を活用して、アームの
手先軌跡を目的通りに制御するようにしたものの改良に
関する。

（従来の技術） 従来より、多関節型ロボットの動作制御系は非線形、可
変パラメータ、干渉特性を含むため、制御は一般に簡単
でない。このため、各種の補償方法が考えられているが
、フィードフォワード制御、非干渉、線形化などの手法
はダイナミックス・パラメータの正確な把握を必要とす
る。また、モデル規範型などの適応制御はかなり複雑な
アルゴリズムが必要であり、字間による方法は望む出力
が嵜られるまでに数回の試行が必要で、リアルタイム制
御が困難である。

そこで、近年、ｍＴＨのないダイレクトドライブ方式の
実用化に伴い、リレー制御系の滑り現象を積極的に活用
するすべり状態制御（Ｓ　ｌｉｄｉｎｇ　　ｍ。

ｄｅ制御）を利用したものが種々提案されている。

例えば、昭和５９年１１月１４〜１６日の第２７回自動
制御連合講演会では、位相間Ｆの切換え線（超平面）の
傾きをアームの位置と速度に応じて逐次切換変更して、
常に他のアームからの干渉を押さえて、アームの高速動
作性の向上を図るようにしたもの、あるいは１９７８年
２月のに、Ｄ。

Ｙ　ｏｕｎｇ氏ノＩＥＥＥ　　Ｔｒａｎｓ、　　、　Ｓ
ＭＣ−８１０１／１０７では、リレーの出力値をアーム
の位置と速度に応じて逐次増減変更しで、アームのべ速
動作性の向上を図るようにしたものが提案されている。

（発明がｒＥ決しようとする問題点） しかしながら、上記提案のものでは、何れもアームの位
置と速度に応じて切換え線の傾きやリレー出力値を逐次
変更するものであるため、構成が複雑になるという憾み
がある。

本発明は斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目
的は、すべり状態制御において、目標値に対してフィー
ドフォワード補償を施すことにより、ｌ！！Ｔ用な構成
でもってアーム軌跡を目標軌跡に高精度に制御するとと
もに、アームの動作速度の向上を図ることにある。

（問題点を解決するための手段） 上記目的を達成するため、本発明の解決手段は、第１図
に示すように、目的の手先軌跡に応じＩ；各関節の一連
の目標関節角度信号（θｒ１）・・・を逐次出力する目
標関節角度信号出力手段（１）と、アームの各関節の位
置を制御するサーボ機構（１２）と、上記目標関節角度
信号出力手段（１）の目標関節角度信号（θｒ１）・・
・に基づいて上記サーボ機構（１２）をすべり状態ｆｆ
、ＩＩ御するすべり状態制御手段く１７）とを備えて、
アームの手先軌跡を目的の手先軌跡に制御するようにし
た多関節ロボットの動作制御装置において、上記目標関
節角度信号出力手段（１）の目標関節角度信号（θｒｌ
）・・・をフィードフォワード補償するフィードフォワ
ード補償回路（２）を備える構成としたものである。

（作用） 以上により、本発明では、逐次出力される目標関節角度
信号（θｒ１　）・・・が予めフィードフォワード補償
回路（２）ぐフィードフォワード補償されるのｒ１アー
ムは高速で動作しながら逐次目標関節角度に制御されて
、アーム軌跡が高精度で目標軌跡に一致することになる
のである。

（実施例） 以下、本発明の実施例を第２図以下の図面に基づいて説
明する。

第２図は六関節マニピュレータの制御系に本発明を適用
した場合のブロック線図を示す。尚、各関節の信号伝達
系は互いに同一であるので、根元と手先の関節のみにつ
いて図示し、中間の関節については図示を省略している
。同図において、（１）は目的の手先軌跡信号に基づい
て各関節の目標関節角度信号θｒ１〜θｒ６を計粋して
逐次出力する目標関節角変信号出力手段としての目標関
節角度計算器、（２）は該目標関節角度計算器（１）の
目標関節角度信号θｒ＋、θ「６を伝達関数１＋Ｓ／Ｋ
ｌ）でフィードフォワード補償するフィードフォワード
補償回路である。

（３）は上記フィードフォワード補償回路（２）からの
目標関節角度信号θ’　ｒｌ＋　θｌ　ｒ６と実関節角
度θ１．θ６との代数差を演算する第１加え合せ点、〈
４）は該第１加え合せ点（３）の演算結果θｌ　ｒｌ−
θ１．θｌ　ｒ６−θ６に関節角度ループゲインＫｐを
乗じる関節角庇ループゲイン器、（５）は該関節角度ル
ープゲイン器（４）の乗算結果Ｋｐ　　（θ′ｒＩ−θ
ｉ、Ｋｐ（θ′ｒ６−θ６）と関節角速度θ１．θ６と
の代数差を演算する第２加え合せ点、（６）は該第２加
え合せ点（５）の演算結果ｅ＋−Ｋｐ（θｌ　ｒ　、−
θ１）−〇＋、ｅａ−Ｋｌ）（θＩｒ６−〇６）−δ６
に応じて出力１ノが変化するモータ駆動用のリレーであ
って、該リレー（６）は、 ｅｉ＞［）ｚに対して　υ＝ｊＮ　　の正値領域と、ｅ
ｔ＜　−［）　ｚに対してυ−−４Ｊｉの負値領域（ｉ
＝１〜６） とに加えて、 −Ｄｚ　＜ｅｉ＜ＤＺに対して　出力υがない幅２Ｑｚ
の不感帯を有する三値状態リレーよりなる。

さらに、（７）はモータ逆起電力係数Ｅ＋　、　Ｅｅの
モータ逆起電力係数器、（８〉は上記リレー（６）の出
力υと該モータ逆起電力係数器（７）のモータ逆起電力
係数Ｅ＋　、Ｅｅとの代数差を加え合せる加え合せ点、
（９）は上記リレー（６）の出力υがないとき開いて、
モータ逆起電力係数Ｅ１又はＥｅの加え合せ点（８）へ
の入力を阻止するリレースイッチ、（１０）は上記加え
合せ点（８）からのリレー出力υに増幅定数Ｋｍを乗じ
てトルクに交換するトルク変換器、（１１）はモータ電
流の遅れＴｌ１１によるトルクの一次遅れ１／（１＋Ｔ
ｍ５）の−次遅れ回路である。

加えて、（１２＞はアームの対応するｒＩＡｓの位、置
を制御するサーボ機構であって、該サーボ機構（１２）
は、上記−次遅れ回路（１１）のトルクを関節の角加速
度θ１．θ６に変換する角加速度変換器（１３）と、該
角加速度変換器（１３）の角加速度θ１．θ６を積分し
て関節の角３！４！度δ１゜θ６を得る第１積分器（１
４）と、該第１積分器（１４）の角速度ｊ＋　、７９６
を積分して関節角度θ１．θ６を４Ｑ８第２Ｖ４分器（
１５）とがらなり、該金弟２積分器（１５）の出力値で
ある関節角度θ宣〜θ６はそれぞれアーム（１６）に入
力されている。そして、上記第１加え合せ点（３）と関
節角度ループゲイン器（４）と第２加え合せ点（５）と
モータ駆動用リレー（サーボ機構制御リレー）（６）と
により、目標関節角度８１算器（１〉の目標関節角度信
号θｒ１〜θｒ６に基づいて上記サーボ機構（１２）を
すベリ状態制御づるようにしたすべり状態制御手段く１
７）を構成している。

また、（２０）は最大デユーティレイト検出器であって
、該最大デユーティレイト検出器（２０）は、上記モー
タ駆動用リレー（６）の出力を連続して受け、リレー出
力平均の出力値に対する割合（Ｒｏ　）を次式 ×（リレー出力平均）／ｌリレー出力１コ＋は加速又は
定常走行時 −は減速時 に財づいて算出し、これをデユーティレイト（Ｄｕｔｙ
　Ｒａｔｅ　）と名付けるとともに、その時の各関節の
加速、定常、減速の何れかの走行状態を上記フィードフ
ォワード補償回路（２）からの目標角速度θｒ１〜θｒ
６に基づいて判別するものである。（２１）は該最大デ
ユーティレイト検出器〈２ｏ）からのデユーティレイト
（Ｒ［））を受ける加減速適応変換器であって、該加減
速適応変換器（２１）は、デユーティレイｈ（Ｒｏ）が
一定値を越えないように加速度又は減速度ａをＦＡ整す
ることにより、上記フィードフォワード補償回路（２）
のフィードフォワード補償に伴うすべり状態からの逸脱
を防止するものである。そして、該加減ｍ″ｌ！ｉ応変
換器（２１）からの加速度又は減速度ａは二重積分器（
２２）で二重積分され、軌道位置ｐｒとして上記目標関
節角度計ｎ器（１）に入力されている。

さらに、上記二ｉＴ！積分器（２２）からの目標軌跡速
度ｐｒは上記加減速適応変換器（２１）に入力されてい
て、該加減速適応変換器〈２１）により、アーム手先が
目標軌跡上の最終目標値に近ずいた時、一旦、減速度ａ
の小さい減速曲線に従って減速し、もしデユーティレイ
ト（Ｒｏ　）が十分に小さければ、漸次、減速度ａの大
きい減速曲線に変更して、高速動作性能の向上を図るよ
うになされている。

尚、図中、（２３）は重力、非線形、干渉に対する補正
回路であって、角加速度θ１．θ６、角速度θ１．ｂ６
、関節角度θ１．θ６に基づいて上記−次遅れ回路（１
１）からの出力および手先関節を除く角加速度変換器（
１３）を補正するものである。

したがって、上記＊施例においては、第３図に示すよう
に、関節角度（θｉ−θｒｉ）−角速度（θｉ）の位相
線図上で、リレー（６）の不感帯幅２Ｄｚに相当する隔
たりを持った２木のリレー切換え線が描かれ、原点の近
くで、摩擦などの特性に応じた何れかのリレー切換え線
に沿った状態点の滑りが生じる。そして、不感帯の幅Ｄ
ｚが十分に小さければ、サーボ系の特性は１次遅れ特性
１　／　（１＋Ｓ／Ｋｌ）　）となり、ロボットやモー
タ、リレーの各特性に無関係となる。また、ｒＪＡ節角
度ループゲインＫｐが小さいほど、安定性が高く、滑り
動作範囲が広くなる。

さらに、目標関節角度信号器（１）の目標関節角度信号
θｒ１〜θｒ６が予めフィードフォワード補償回路（２
）において伝達関数１　＋Ｓ／Ｋｌ）でフィードフォワ
ード補償されているので、簡単な構成でもってアームの
動作速度を高速にできるとともに、軌道誤差を補償して
アームの手先軌跡を高精度で目標値に一致させることが
できる。しかも、上記すベリ状態制御により全ての関節
が同一の一次遅れ特性１／　（１＋Ｓ／Ｋｐ　）を示す
ようになるので、同一のフィードフォワード補償１＋Ｓ
／Ｋｐを施すのみで、目標値θｒ、〜θｒ６通りの手先
軌跡が得られる。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明の多関節ロボットの動作制
ｗＪ装置によれば、すべり状態制御において目標関節角
度信号にフィードフォワード補償を施してサーボ機構に
与えるようにしたので、簡１１１な構成でもつＣアーム
の高速動作性の向上を図ることができるとともに、アー
ム手先の軌道誤差を補償して、手先軌跡を高精醍で目標
軌跡に一致させることができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構成を示すブロック図である。 第２図および第３図は本発明の実施例を示し、第２図は
大関節マニピュレータのブロック線図、第３図は状態点
の滑りの様子を示す説明図である。 （１）・・・目標関節角度信号器、（２）・・・フィー
ドフォワード補償回路、（４）・・・関節角度ループゲ
イン器、（６）・・・リレー、（１２）・・・サーボ機
構、（１６）・・・アーム、（１７）・・・すべり状態
制御手段。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）目的の手先軌跡に応じた各関節の一連の目標関節
   角度信号（θｒ＿１）・・・を逐次出力する目標関節角
   度信号出力手段（１）と、アームの各関節の位置を制御
   するサーボ機構（１２）と、上記目標関節角度信号出力
   手段（１）の目標関節角度信号（θｒ＿１）・・・に基
   づいて上記サーボ機構（１２）をすべり状態制御するす
   べり状態制御手段（１７）とを備えて、アームの手先軌
   跡を目的の手先軌跡に一致させる軌跡制御をするように
   した多関節ロボットの動作制御装置において、上記目標
   関節角度信号出力手段（１）の目標関節角度信号（θｒ
   ＿１）・・・をフィードフォワード補償するフィードフ
   ォワード補償回路（２）を備えたことを特徴とする多関
   節ロボットの動作制御装置。