JPS62257508A

JPS62257508A - ロボツトの制御方式

Info

Publication number: JPS62257508A
Application number: JP10171886A
Authority: JP
Inventors: Yasuyuki Inoue; 康之井上; Takanobu Iwagane; 岩金　孝信; Toshio Matsumoto; 敏雄松本
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1986-05-01
Filing date: 1986-05-01
Publication date: 1987-11-10
Anticipated expiration: 2013-08-06
Also published as: JP2783321B2

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、互いに干渉を有する多関節形ロボットに関し
、更に詳しくは、ｌ駆動源の発生する力がｌ軸以上の腕
の加速力となるような構成の多関節形ロボットの制御方
式に関する。

〔従来の技術〕

多関節形ロボットは、−ｍに１自由度に対し、１個の駆
動源によって駆動されている。その際、１Ｍ動源が発生
する力（トルク）は、ｌ軸のみの運動として考慮されて
いる。したがって、他軸に及ぼす影響を考えることなく
、他軸からの影響は単に外乱として捉えてフィードバッ
ク制御系が設計されている。その様子は、第６図に示さ
れているようにｌ軸ｌ軸独立したフィードバック速度系
となっている。

説明を容易にするため、トルク発生源Ｔ□及びＴ、ｚで
直接駆動される水平形の２軸ロボツトに関して述べる。

第７図に示した水平２輪形の運動方程式を記述すると、Ｔａ＋＝　Ｊ　＋＋　ｌ　＋　＋　Ｊ　＋ｚｌ　ｚ　＋
　Ｃｏ＋　Ｃａｌ・・・・・（ｌａ）Ｔａｔ＝　Ｊ　Ｉ
Ｊ　Ｉ　＋　Ｊ　ｚｚｌ　ｚ　＋　Ｃｅ２　・・・・”
・・・（ｌｂ）となる、ただし、Ｊ＋＋　＝Ｉ１１＋＋”＋ｌ１ｚ（ｊ！　＋”＋Ｓｚ″
÷２１１．５ｚｃｏｓθｇ）＋＋１＋ＩｚＪ１ｇ−１１
２３２”＋１ｇＪｔｚ　＝ｔａｘＣｓｔ”＋　ｌ　＋５ｚＣＯ３θｚ）
＋［ｔＣ，：：ｌリオリカ＝　　２ｍｚｌ＋Ｓｚｅ＋ｆ
）ｚｃ、ｌ：４心力＝　　ｍｌ　１１ｓ２（Ｓｉｎθｚ
）　Ｏｔ”Ｃ０２：遠心力＝ｌｌ１２ρ、５ｚ（ｓｉｎ
θｚ）Ｏｌ”■ｌ　：アーム１の重心回りイナーシャＩ
２　：アーム２の重心回りイナーシャまた、θ、は１軸
回転角、Ｃ２は２軸回転角、ｆ。

はｌ軸アーム長、１２は２軸アーム長＋　　ｓＩはｌ軸
重心距離、ｓ２は２軸重心距離、ｍ、は１軸質量、　ｍ
ｆｉは２軸質景である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

この制御対象の１軸、２軸のそれぞれに速度フィードバ
ンク比例制御を施した場合を考える。フィードバック制
御では、指令に対する高速応答と外乱に対する抑止力を
高めるため、ループゲインを高くすることが必要になる
。しかし、（ｌａ）　、　（ｌｂ）式で示される干渉を
有する制御系では、それぞれの軸を機械的に固定し独立
して制御させた場合よりハンチングを起こし易く、安定
に制御させることが難しい。この理由を説明するために
（ｌａ）　、　（ｌｂ）式より、次の（２ａ）、　（２
ｂ）式を導く、ここでは、１軸、２軸とも、速度が低く
、非線形力Ｃ８，Ｃ，１゜Ｃ，２が小さいものとし、ま
たｊ？擦も考えないものとする。

に１１　　＝（ＪｚｚＴｅｌ−Ｊ＋ｚＴｅ２）／Ｄ　、
、、、−−−−−・−Ｃ２ａ）ｂ２＝（−Ｊ１□Ｔｃｌ
＋Ｊ１１Ｔｅ２）／Ｄ・・・・・・・自（２ｂ）ただし
、ω＋−０＋　＋　　ω２−６□、　Ｄ＝Ｊ、、、Ｊ、
□−Ｊ１２２である。

ｌ軸の運動、すなわち（２ａ）式において、Ｔｅ２によ
る成分は外乱トルクとみなすことができる。

Ｔｅ２＝Ｏとしたとき、１軸系のイナーシャはＪ２□／
（Ｊ＋＋・Ｊ２□−ｊ１□′）となり、相互干渉が働か
ない場合に比較して、イナーシ中値が小さくなったもの
と考えることができる。したがって、干渉が存在する状
態でそれぞレノフィードバンク制御系におけるループゲ
インを増大させた場合、干渉がない場合に比較して早く
ハンチングを起こし、制御系を安定に制御させることが
できない。加えて、Ｔｅ２によるトルクが働いている場
合には、その外乱力により制御系が更に不安定になる。

このことは、２軸の制御系に対しても全く同様に当ては
まる。

以上のように干渉のある多軸制御系、特に駆動源による
直接駆動を行う多軸ロボフトでは、ゲインの上限が低く
、そのため高速応答や高剛性サーボを得ることが難しい
という欠点があった。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたも
のであり、各軸電動機のトルク指令を演算合成すること
により、慣性項の非干渉化を行い、制御系における応答
速度の向上並びに剛性の強化を可能にすることを目的と
する。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、互いの軸間に干渉のある多関節形ロボットの
フィードバック速度制御において、各軸の駆動源に対す
る速度指令と速度検出値との偏差量を検出し、該偏差￥
に対して比例・積分・微分を組み合わせた演算操作を施
し、電流制御系に入力する以前の信号とイナーンヤデー
ク又は該イナーシ中データより導かれた結果の値とを用
いて補償信号を生成し、該補償信号により慣性に関する
各軸間の干渉を除去することを特徴とする。

〔作用〕

第１図は、本発明の非干渉化制御ブロック５１を示すも
ので、ωげ、ω２′及びＣ１はそれぞれ１軸。

２軸及び３軸の速度指令、ω１．ω２及びＣ３はそれぞ
れｌ軸、２軸及び３軸の検出速度、１１及び１２はそれ
ぞれ速度指令と検出速度から比例・積分・微分の組み合
わせによる動作を施す第１及び第２の速度制御器、ｒｚ
、Ｌ□は速度制御部の出力信号、２１〜２４は慣性負荷
データ（非干渉データ）メモリ又は惰性負荷データによ
る演算部、３１は乗算器、３２は加算器、４１及び４２
は１軸力及び２軸力制御部補償器、ｔｘｔ、　　Ｔ、□
は非干渉化制御ブロックの出力である。

第１図に示した制御ブロックを制御対象に含む全体の速
度制御系を第２図に示す。この第２図において、３０１
は速度制御部、３０２は非干渉制御部、３０３は発生力
制御部、３０４は負荷部、３０５は検出部、３０６は速
度指令入力、３０７は速度を表している。ここで、制御
対象の運動方程式を（３）式で記述する。

・・・・・・・・・・・・（３）なお、以下の説明において、τ、　ｔｔｉ、　ｆはそれ
ぞれ（３）式のτ、ｔａ、ｆに関するベクトルである。

この（３）式において、「、〜「１はω１〜ω７の関数
であるが、値が小さく無視できるとき、発生力に対する
アームの加速は次式で求められる。

乙＝Ａ−１τ　　　　　・・・・・・・・・・・・・・
・・・・（４）τ＝（Ｋｔ／に＋）ＢＡｔ”　　　　・
・・・・・・・・・・・・（５）ただし、（４）式にお
いて、ｄｅｔＡ＝ｏは無いアーム構造とする。また、（
５）式において、Ｂ＝ｄｉａｇ（λ１゜λ２．・・・・
・・λい）である、この（５）式で示されるような力を
発生させた場合、見かけ上、τ“により出力を１対ｌで
制御することができる。たとえば、Ｂを単位行列とした
場合、各軸トルクを（ただし、τ、°：各軸速度制御部
出力、　Ｋ’ｒｉ／に１．：発生力制御部ゲイン）のよ
うに発生させればよい、（６）式を書き下すと、したがって、非干渉制御部３０２で発生する各軸トルク
（力）指令は、次の（８−１）、　（８−２）式のよう
になる。

・・・・・・（８−１）・・・・・・（８−２）発生力制御部の周波数特性が異なる場合には、作用力が
同時に働（よう補償器４１．４２等を置き、時間的遅れ
の補償を行う。

（３）式における非線形力ｒ１〜ｆｌｌは、遠心力やコ
リオリカ、１９！擦力、外力等であるが、その補償はそ
れぞれの軸のフィードバックループで行われる。

〔実施例〕

以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて具体的に説
明する。

第３図は本発明を水平２軸ロボツトの制御に適用した実
施例を示す６図において、３０１は前に述べたロボット
運動方程式（ｌａ）、　（ｌｂ）の演算ブロック、１０
７．１０８．１０９は慣性マトリクスを対角化させるた
めのイナーシャデータである。このイナーシャデータが
既知の場合又はθ２アーム先端の質量の変化が小さい場
合は、メモリに保存しておくことができる。

第３図のイナーシャデータで慣性項における非干渉化が
できることは、（５）式において、となることにより明
らかである。

なお、Ｊ１１′はＪｌｌの代表値で、θ２の変化により
Ｊｌｌが変化することによってｌ軸速度ループ中のルー
プゲインが変化することを防止するものである。Ｊｌｌ
は一定である。また、速度制御部１０１゜２０１中のゲ
インに１．に、□は、イナーシャＪ、′。

Ｊ２□に対して適当な値に設定する。

速度制御部１０１．２０１中のゲインは、非干渉化を行
ったことにより、ハンチングを防止できるので、それに
より干渉時より大きな値を設定することができる。

本発明による改善の様子を、従来のものと比較した第４
図に示す。すなわち、第６図に示す従来の制御系で制御
を行った場合の安定ゲイン設定の範囲を示すグラフ（第
４図（ａ）、ただしＴ、、−ψ）と、第３図に示す本発
明の制御系での安定ゲイン範囲グラフ（第４図（ｂ））
とを比較した場合、その範囲が広くなったことで明らか
である。また、ループゲインを同じに選び、干渉及び非
干渉時の速度ステップ応答を比較したものを第５同に示
す。

すなわち、第５図（ａｌ）及び（ａ２）は従来の制御方
法による干渉時及び非干渉時のステップ応答を示し、（
ｂｌ）及び（ｂ２）は本発明の制御方法による干渉時及
び非干渉時のステップ応答を示す。

なお、慣性項以外の干渉力すなわちコリオリカ９遠心力
については、速度の変化すなわち力の変化が速度ループ
応答速度と比較して遅いために速度ループの剛性で補償
することができる。

１０４、２０４は電流制御部であり、トルク定数ＩＯ５
゜２０５も含めてｌ、２軸では特性の差がある。ゲイン
の差は、イナーシャデータ部分１０９．２０８で補償を
行い、遅れはＩ　１２”＋　　Ｉ　ｚｚ”の出力の段階
で補正を行う必要がある。

例えば、Ｋ＋＋ｔｉｌ＝１／（１＋Ｔ＋ｓ）、　Ｋｔｚ
（ｓｌ＝１／（１＋Ｔｔｓ）とすると、補償器１０３に
は、Ｇ＋（ｓｌ”１／（１＋Ｔｔｓ）。

Ｇｘ（Ｓ）　−１／　＜１　＋　Ｔ、ｓ）などの補償要
素を挿入し、、１゜２軸での遅れを等しくする。Ｋ　＋
　ｌ＋ｓ１．　　Ｋ　ｔｄｓｌでの遅れの差が無視でき
る場合には、補償２Ｓ１０３．２０３は省略することが
できる。

〔発明の効果〕

以上に述べたように、本発明においては、各軸の駆動源
に対する速度指令と速度検出値との偏差量に基づいて補
償１３号を作り、この補償信号により慣性に関する各軸
間の干渉を除去するようにしている。したがって、従来
の多軸速度制御系に簡単な記憶機能及び演算装置を付加
し、各軸間の情報交換を行うだけで、フィードバック制
御系のループゲインを大幅に上昇することができ、高速
応答、高剛性を持った多軸制御系を得ることができる。

また、ＣＰＵを持ったディジタル速度制御系で本発明を
実施する場合は、情作交換とソフトウェアの追加のみで
、上記の’ｔｌ＆ｎを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る制御方式の構成を示すブロック図
、第２図は本発明の制御方式を含むロボット制御システ
ム全体の速度制御系のブロック図、第３図は本発明の実
施例のブロック図、第４図は従来の制御系と本発明の制
御系での安定ゲイン設定範囲を比較するグラフ、第５図
は従来の制御系と本発明の制御系での干渉及び非干渉時
の速度ステップ応答を比較するグラフ、第６図は従来の
制御方式の例を示すブロック図、第７図は水平２軸型の
ロボットの運動方程式を説明するための概略図である。１１：１軸速度制御８１２：２軸速度制御器２１：非干
渉データｌ　２２：非干渉データ２２３：非干渉データ
３２４：非干渉データ４３１：乗算器　　　　　３２：
加算器４１：１軸力制御部補償器４２：２軸力制御部補償器５１：非干渉化制御ブロック

Claims

【特許請求の範囲】

１、互いの軸間に干渉のある多関節形ロボットのフィー
ドバック速度制御において、各軸の駆動源に対する速度
指令と速度検出値との偏差量を検出し、該偏差量に対し
て比例・積分・微分を組み合わせた演算操作を施し、電
流制御系に入力する以前の信号とイナーシャデータ又は
該イナーシャデータより導かれた結果の値とを用いて補
償信号を生成し、該補償信号により慣性に関する各軸間
の干渉を除去することを特徴とする多関節形ロボットの
制御方式。