JPS63262084A

JPS63262084A - 振動低減制御方式

Info

Publication number: JPS63262084A
Application number: JP62095394A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Komoriya; 均小森谷; Hidetoshi Nogo; 野吾　英俊
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1987-04-20
Filing date: 1987-04-20
Publication date: 1988-10-28

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】〔概要〕この発明は、モータ側の角度情報に基づいてアームの移
動制御を行う振動低減制御方式において、モータとアー
ムとの間に設けた減速機構などがばね性を持つことによ
ってモータ側のみにエンコーダを設けてアームの速度・
位置制御した場合に、共振周波数の近傍でア・−ムが振
動してしまう問題を解決するため、アームが共振して振
動を発生させてしまう近傍の周波数成分に対してのみ抑
圧した態様の駆動入力信号を生成するフィルタを設け、
電源をこのフィルタを介してモータに供給することによ
り、簡単な構成によって応答特性を損なうことなく、ア
ーム側に生じる振動を抑制するようにしている。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、アームの共振周波数の近傍の周波数成分を抑
圧した態様の駆動入力信号を生成するフィルタを設け、
電源をこのフィルタを介してモータに供給するよう構成
した振動低減制御方式に関するものである。

〔従来の技術と発明が解決しようとする問題点〕多関節
ロボットは、一般に関節の駆動部にサーボモータと減速
機構とを持っている。弾性調和減速機（ハーモニンクド
ライブ）は、コンパクトな減速機構であり、ロボットに
良く用いられる。これは、コンパクトな反面、ばね性が
あるので、共振を起こしやすい。この共振周波数は、バ
ネ定数と、慣性モーメントとによって決定される。ロボ
ットの根元に近い関節や、大型のロボットの関節は、慣
性モーメントが大きくなるので、共振周波数が５〜２０
Ｈｚと低くなり、機構が共振周波数の付近で大きな振幅
で振動する。ロボットを組み立て作業に用いたとき、こ
の共振周波数の付近で生じた大きな振幅の振動が、狭路
を通過する時に周囲の壁と接触したり、部品を取り付は
時に被取り付は物の位置をずらしたりなどしてしまう問
題点がある。以下第７図および第８図を用いて節単に説
明する。

第７図は、従来の制御回路例を示す。パワーアンプ２３
で電力増幅した駆動電流■をモータ２４に供給すると、
当該モータ２４が回転し、図示外の減速機によって減速
され、アームが所定の位置に駆動制御される。この時、
モータ２４の駆動軸に連結されたエンコーダ２５によっ
て検出された現在の角度信号と、アームを目標位置に移
動させるための目標角度信号との偏差信号をオブザーバ
（推定器）２１および積分回路２６に入力する。

そして、夫々によって生成された図示速度偏差推定値信
号、位置偏差推定値信号、および位置偏差積分信号に対
して所定のフィードバック係数ｋ。

ｋ、　、ｋ、を夫々乗算した値の総和を制御入力信号と
して生成し、パワーアンプ２３に入力する。

この入力した制御入力信号は、パワーアンプ２３によっ
て電力増幅され、モータ２４をフィードバックする態様
で駆動する。

以上のように、ロボットを構成する各関節にモータ側の
角度を検出するエンコーダ２５を１つ配置してコンパク
トな構成とし、かつエンコーダ２５を用いて検出した角
度（位置偏差推定値信号）、この角度を微分して生成し
た角速度（速度偏差推定値信号）、およびこの角度を積
分して生成した位置（位置偏差積分信号）の３つをフィ
ードバック制御することにより、サーボ系の帯域を２０
〜５０Ｈ２程度に広帯域として応答性を良好にし、かつ
位置決め時の定常位置偏差を少なくするようにしている
。しかし、モータ２４と図示外のアームとの間に連結さ
れた減速機例えば弾性調和減速機にばね性が存在し、ア
ームが共振周波数で振動してしまう０例えば第７図に示
すフィードバック係数に、、に、　、ｋ、を適切な値に
設定した時、第８図に示すような伝達関数が得られる。

第８図（イ）は、モータ側の角度／゛制御入力のゲイン
を縦軸、周波数ｆ　　（Ｈｚ）を横軸に表したものであ
る。この伝達関数から、ばね性のある減速機を接続した
場合、モータ側の角度にはアーム側の共振周波数の影響
が殆ど現れないことが判る。

第８図（ロ）は、アーム側の角度／モータ側の角度のゲ
インを縦軸、周波数ｒ　　（Ｈｚ）を横軸に表したもの
である。これは、モータ側の角度からアーム側の角度へ
の伝達関数を表し、モータとアームと間にばね性のある
減速機が連結されているので、共振周波数の付近では、
ゲインが大きくなることが判る。

第８図（ハ）は、アーム側の角度／制御入力のゲインを
縦軸、周波数ｒ　　（Ｈｚ）を横軸に表したものである
。この第８図（ハ）の伝達関数は、第８図（イ）と（ロ
）との積の関係にあり、ボーデ線図上では和として表さ
れる。従って、この第８図（ハ）の特性曲線から判明す
るように、アーム側で共振が発生する。しかもこの共振
周波数が既述したようにアームの応答を良好にした第７
図構成のフィードバック制御する帯域内に入ってしまう
ため、大きな振動が生じてしまうという問題点があった
。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、前記問題点を解決するため、モータ側の角度
情報に基づいてモータを制御する所定の制御入力信号を
生成させるオブザーバ１および積分回路６と、このオブ
ザーバ１および積分回路６によって生成させた制御入力
信号をフィルタリングしてアーム側がモータ側からの駆
動によって共振しないような所定の駆動入力信号を生成
するフィルタ２とを設け、このフィルタ２によって生成
された駆動入力信号に基づいてモータを駆動してアーム
を移動制御するようにしている。

第１図は本発明の原理構成図を示す。図中オブザーバ（
推定器）■は、現在角度信号と目標角度信号との偏差を
表す偏差信号に基づいて、位置偏差推定値信号、速度偏
差推定値信号を生成してフィードバック制御するもので
ある。

フィルタ２は、オブザーバ１および積分回路６によって
生成された制御入力信号をフィルタリングして、モータ
４に連結された図示外の弾性調和減速機によって移動さ
れるアーム（負荷）に共振による振動が生じないように
、共振周波数の近傍のゲンイを低減させた駆動入力信号
を生成するものである。

パワーアンプ３は、駆動入力信号を電力増幅するもので
ある。

モータ４は、弾性調和減速機などを介してアームを移動
させるものである。

エンコーダ５は、モータ４例の角度を検出するものであ
る。

積分回路６は、偏差信号を積分して位置偏差積分信号を
生成するものである。

〔作用〕

次に動作を説明する。

第１図において、目標角度信号が入力されると、エンコ
ーダ５によって検出されたモータ側の角度との偏差であ
る偏差信号が生成され、オブザーバ１および積分回路６
に入力される。オブザーバ１および積分回路６は、図示
のように速度偏差推定値信号、位置偏差推定値信号、お
よび位置偏差積分信号を夫々生成する。これら生成した
信号は、夫々フィードバック係数に３、ｋ２、ｋＩが夫
々乗算された後、加算器によって加算されて制御入力信
号が生成される。この生成された制御入力信号は、フィ
ルタ２に入力きれ、アーム側の共振周波数の近傍のゲイ
ンを低減して共振が生じさせないような周波数特性を持
った駆動入力信号が生成され、パワーアンプ３によって
電力増幅されてモータ４に供給される。モータ４は、図
示外の弾性調和減速機を介してアームを目標位置に移動
させる。

以上のように、速度偏差推定値信号、位置偏差推定値信
号、および位置偏差積分信号に基づいて生成した制御Ｗ
Ｊ入力信号をフィルタ２を介してモータ４に供給して駆
動することにより、アーム側の共振周波数の近傍でおけ
るゲインのみが低減され、アームの振動を抑制すること
が可能となる。

〔実施例〕

次に、第１図ないし第６図を用いて本発明の１実施例の
構成および動作を詳細に説明する。

第２図（イ）は、フィルタの出力／制御入力の伝達特性
を示す、これは、第１図フィルタ２０周波数対ゲインＧ
の関係例を表したものであって、アーム側の共振周波数
ｆ、の近傍のゲインのみを低減させて、アームの振動を
抑制するように制御するものである。

第２図（ロ）は、モータ側の角度／フィルタの出力の伝
達特性を示す。

第２図（ハ）は、アーム側の角度／モータ側の角度の伝
達特性を示す。これは、モータ４とアームとの間に連結
された弾性調和減速機のばね性とアームの慣性モーメン
トとによって主に定まる共振周波数ｒ、の位置でゲイン
が高（なっており、この近傍でアームが振動する。

第２図（ニ）は、アーム側の角度／制御入力の伝達特性
を示す。これは、第２図（ハ）に示すよな伝達特性を持
つロボットの関節に対し、第２図（イ）に示すようない
わば共振周波数の近傍に逆の伝達特性をフィルタ２に持
たせて第１図図示位置に挿入することにより、第２図（
イ）ないし（ハ）図示伝達特性の積を求めることにより
、下式のように生成される。

アーム側の角度　フィルタの出力制御入力　　　　制御入力この式（１）を満足する第２図（ニ）伝達特性を第１図
フィードバンク制御系中のフィルタ２に持たせることに
より、アームは共振周波数の近傍でゲ、インが低減され
、振動を抑制することが可能となる。

次に、第２図（イ）に示す伝達特性を持つフィルタ２の
生成について詳細に説明する。

まず、振動を発生するロボットの関節に対し、第５図（
イ）および（ロ）に示すように、モータ側の角度、／制
御入力、およびアーム側の角度／モータ側の角度の伝達
関数を夫々測定する。この第５図の場合には、アーム（
機構部）は、約１５Ｈ２で共振することが判る。ここで
、共振周波数ｆ、に対し、共振周波数付近だけゲインを
下げる第２図（イ）フィルタ２の設計について説明する
。

第３図（イ）および（ロ）に示すようなゲインをもつ関
数は、下式で表される。

Ｇ１−５”　＋　（２ｙｃｆ＋）”　　＋＋・・・・１
２）Ｇｚ　＝１／　（ｓ”　＋　（２πｆｔ　）”　）
　　・・１３１この式（２）と式（３）との積Ｇ１　・
Ｇ２は、第３図（ハ）に示すようになる。

次に、式（３）を下式のように変形する。

Ｇｔ　’　　”１／　（（１＋α）ｓ２　＋βＳ＋（２
πｒ＋）’ｌ　　・・・・・・・・・・・・・・・・（
４）ここで、α、βは定数を表す。このα、βに零以外
の数を代入すれば、第３図（ロ）図中“Ｌｘ゛は短くな
る。従って、ａ、−ｃ、”　の特性は、第３図（イ）に
示すし、が第３図（ロ）に示すＬ２よりも大きくなるよ
うにα、およびβを設定すれば、共振周波数ｆ１でゲイ
ンが小さくなる第３図（ニ）に示す特性のフィルタが得
られる。

今、約１５Ｈｚで減衰するフィルタとして、例えば若干
高い周波数であるｆ＋　−２０Ｈｚを考え、回路を実現
可能なように式（２）と式（４）との積をＧとすると、
下式が得られる。

Ｇ＝　（ｓ”　＋１３０”　）／　（１，１ｓ”　＋１
３ｇ＋１３０”）　　・・・・・・・・・（５）ここで
、式（４）中のα−０，１、β−１３と置く。

この式（５）から第４図ブロック図を作成する。

第６図は、この第４図ブロック図に基づいて生成した回
路によって得られたゲインおよび位相の特性曲線を表す
。

以上のように、アーム側の共振周波数ｆ１の近傍のゲイ
ンを低減するフィルタ２を作成して第１図図示の位置に
配置し、モータ４を駆動する駆動入力信号の伝達特性を
制御してアーム側が振動しないように抑制することが可
能となる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、アームが共振し
て振動を発生させてしまう近傍の周波数成分に対しての
み抑圧した態様の駆動入力信号を生成するフィルタを設
け、電源をこのフィルタを介してモータに供給する構成
を採用しているため、簡単な構成によって応答特性を損
なうことなく、アーム側に生じる振動を抑制することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理構成図、第２図は本発明の制御回
路における伝達特性図、第３図はフィルタ特性説明図、
第４図はブロック図、第５図はゲイン測定例、第６図は
フィルタの特性図、第７図は従来の制御回路例、第８図
は従来の制御回路における伝達特性図を示す。図中、１はオブザーバ（推定器）、２はフィルタ、４は
モータ、５はエンコーダ、６は積分回路を表す。

Claims

【特許請求の範囲】モータ側の角度情報に基づいてアームの移動制御を行う
振動低減制御方式において、モータ側の角度情報に基づいてモータを制御する所定の
制御入力信号を生成させるオブザーバ（１）および積分
回路（６）と、このオブザーバ（１）および積分回路（６）によって生
成させた制御入力信号をフィルタリングしてアーム側が
モータ側からの駆動によって共振しないような所定の駆
動入力信号を生成するフィルタ（２）とを備え、このフィルタ（２）によって生成された駆動入力信号に
基づいてモータを駆動してアームを移動制御するよう構
成したことを特徴とする振動低減制御方式。