KR101612218B1 - 다관절 로봇의 탄성 변형 보상 제어 장치 및 제어 방법 - Google Patents

Abstract

탄성 변형 보상 제어 장치(10)에 있어서, 제1 동특성 연산부(300)는 모터 각도 지령값 계산부(600)로부터 출력된 모터 각도 지령값(θmc)을 필터링 처리하여 처리 후의 모터 각도 목표값(θmd)을 출력한다. 제2 동특성 연산부(400)는 제1 동특성 연산부(300)보다도 낮은 컷오프 주파수를 갖는 고주파 차단 특성을 구비하여, 축력 토크 계산부(200)로부터의 출력을 필터링 처리하고, 처리 후의 축력 토크 보상값(fd)을 출력한다.

Description

다관절 로봇의 탄성 변형 보상 제어 장치 및 제어 방법 {ELASTIC-DEFORMATION-COMPENSATION CONTROL DEVICE FOR ARTICULATED ROBOT, AND CONTROL METHOD}

본 발명은, 예를 들어 아크 용접에 사용되는 다관절 로봇의 제어에 관한 것으로, 특히, 높은 궤적 정밀도로 위빙 동작을 가능하게 하는 다관절 로봇의 궤적 제어에 관한 것이다.

아크 용접에 의해 복수의 모재의 용접을 행할 때에는, 용접 전극을 용접 방향으로 진행시키면서, 용접선의 좌우 방향으로 정현파 위빙 동작을 시키면서 용접하는 위빙 용접이 채용된다. 이 위빙 용접은, 종래부터, 용접 토치 자체를 좌우로 요동시키거나, 또는 용접 토치 자체를 중심으로 하여 좌우로 틸팅시킴으로써 행해지고 있다. 이와 같은 위빙 용접을 다관절 로봇에 행하게 하는 경우, 높은 궤적 정밀도가 요구된다.

이와 같은 다관절 로봇에서는 각 축단위로 서보 제어가 행해진다. 그러나, 고유 진동수가 낮기 때문에, 진동 억제의 관점에서, 속도 피드 포워드 등은 거의 적용되지 않는다. 따라서, 목표값에 대해 실제의 피드백값의 위상 지연은 크고, 서보 제어부의 속도 제어부의 응답 특성이 축마다 달라, 궤적 오차로 연결되고 있었다. 또한, 이와 같은 다관절 로봇의 각 축을 동작시키는 모터는 감속기를 통해 아암에 결합되어 있다. 이 감속기의 강성 부족 등에 기인하는 탄성 변형을 보정하는 경우, 모터가 지령값대로 동작하는 것이 전제로 되어 있다. 그러나, 피드 포워드 등이 충분히 기능하고 있지 않으므로, 모터가 지령값대로 동작하는 것은 거의 불가능해, 탄성 변형 보상은 충분히 기능하고 있지 않았다. 이와 같은 다관절 로봇의 탄성 변형 보상 제어에 대해, 이하와 같은 기술이 공지이다.

일본 특허 출원 공개 소61-201304호 공보(특허문헌 1)는 감속기 등의 관절 군의 기계적인 강성이 낮은 경우라도, 위치 지령값에 대해 로봇 아암을 고정밀도로 위치 제어하는 방법을 개시한다. 이 위치 제어 방법에 있어서는, 로봇을 구성하는 각 아암의 위치 지령값과, 그것을 1계 미분하여 얻은 속도와, 2계 미분하여 얻은 가속도를, 각 아암 사이의 관절의 기계적 강성을 고려한 로봇 아암의 운동 방정식에 대입함으로써, 각 관절에 가해지는 토크가 산출된다. 그리고, 구해진 토크를 상수 혹은 함수 혹은 제어 장치 내의 테이블로서 부여된 각 관절의 기계적 스프링 강성으로 나눔으로써, 각 관절의 기계적 강성에 따르는 휨각이 구해진다. 구해진 휨각을, 각 관절의 휨을 상쇄하도록, 위치 지령값과 합함으로써, 새로운 위치 지령값이 설정된다.

또한, 일본 특허 출원 공개 제2005-186235호 공보(특허문헌 2)는 간섭력이 작용해도 각 축이 지령대로 동작하는 로봇의 제어 장치를 개시한다. 이 제어 장치는 서로 간섭하는 복수축으로 구성되는 로봇의 제어 장치이며, 로봇은 모터와, 모터에 감속기 등을 통해 결합된 아암과, 모터의 위치를 검출하는 모터 위치 검출기로 구성된 각 축을 각 축마다의 지령대로 동작시키기 위한 위치 제어부 및 속도 제어부를 구비한다. 이 제어 장치는 자축의 지령으로부터 타축에 작용하는 간섭력을 계산으로 구하는 간섭력 계산부와, 타축으로부터 작용하는 간섭력이 있는 경우도 자축이 지령대로 동작하는 모터 토크 지령 신호를, 자축의 지령과 타축으로부터 작용하는 간섭력의 계산값으로부터 구하는 비간섭 토크 신호 작성부를 구비한다. 제어 장치는 또한, 타축으로부터 작용하는 간섭력이 있는 경우도 자축이 지령대로 동작하는 모터 위치 신호를, 자축의 지령과 타축으로부터 작용하는 간섭력의 계산값으로부터 구하는 비간섭 위치 신호 작성부를 구비한다.

일본 특허 출원 공개 소61-201304호 공보 일본 특허 출원 공개 제2005-186235호 공보

상술한 특허문헌 1에서는, 감속기 등의 강성 부족으로 발생하는 휨(탄성 변형)을 관절각 목표값 등으로부터 산출하고, 그 탄성 변형을 보상하도록 모터로의 각도 지령값에 탄성 변형량을 가산함으로써, 위치 정밀도의 개선이 도모되어 있다. 그러나, 상술한 바와 같이 양호한 피드 포워드 제어 등이 행해져 있지 않으므로, 모터는 지령값대로 동작하지 않아, 탄성 변형 보상은 충분히 기능하고 있지 않다.

또한, 특허문헌 2에서는, 각 축 사이의 간섭을 비간섭화하는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 이 방법에서는 아암 가속도의 1계 미분값, 2계 미분값이 필요하고, 노이즈에 매우 약하다. 또한 약간 급준한 동작이 있는 것만으로 아암 가속도에 2계 미분값은 천문학적인 값을 나타내는 등, 실현하는 데 있어서 매우 제약이 크다.

즉, 종래 기술에서는, 이하와 같은 문제가 해결되어 있지 않다.

(1) 로봇의 고유 진동이 낮은 상태에서, 탄성 변형 보상 및 축력 토크 보상을 유효하게 작용시킬 수 없으므로, 탄성 변형의 영향을 보상할 수 없는 것이, 정밀도 열화로 이어지고 있다.

(2) 서보 제어부의 위상 지연이 있는 상태에 있어서, 탄성 변형 보상 제어를 유효하게 작용시킬 수 없으므로, 탄성 변형의 영향을 보상할 수 없는 것이, 정밀도 열화로 이어지고 있다.

(3) 축마다 서보 제어 특성이 다르기 때문에, 각 축의 응답에 차가 발생하는 것이, 궤적 정밀도의 열화로 이어지고 있다.

(4) 지령값의 계산 주기가 서보 제어부에 있어서의 계산 주기보다도 느린 경우에 발생하는 위상차가, 궤적 정밀도의 열화로 이어지고 있다.

(5) 용접 로봇의 위빙 동작에서는, 위빙 주기에서의 위상 지연 및 게인 특성을 각 축 정렬시키는 것이 매우 중요하지만, 감속기에 의한 탄성 변형에 의한 서보 특성 변화나 축마다에서의 특성의 차이에 의해, 위상ㆍ게인 특성을 고주파 위빙 동작으로 정렬시키는 것이 매우 곤란하다.

본 발명은 상술한 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 복수축을 구비한 다관절 로봇에 있어서, 각 축의 탄성 변형의 영향을 보상하여 높은 궤적 정밀도로 위빙 등의 동작을 가능하게 할 수 있는, 다관절 로봇의 탄성 변형 보상 제어 장치 및 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 관한 다관절 로봇의 탄성 변형 보상 제어 장치는 이하의 기술적 수단을 강구하고 있다.

즉, 본 발명에 관한 다관절 로봇의 탄성 변형 보상 제어 장치는 다관절 로봇의 관절축을 구동하는 모터와 아암이 탄성 변형되는 감속기를 통해 결합된 다관절 로봇에 설치된 툴에 원하는 동작을 행하게 하도록 복수의 관절축을 구동시킨다. 이 탄성 변형 보상 제어 장치는 원하는 툴 동작을 실현하기 위한 각 관절축의 관절 각도 지령값 θlc를 산출하여 출력하는 관절 각도 지령값 계산부와, 상기 관절 각도 지령값 θlc대로 동작했을 때에 발생하는 각 관절축에 작용하는 축력 토크 fc를, 동역학 모델에 기초하여 관절 각도 지령값 θlc로부터 산출하여 출력하는 축력 토크 계산부와, 관절축의 강성 파라미터를 포함하는 파라미터에 기초하여, 관절 각도 지령값 θlc와 축력 토크 fc로부터 모터 각도 지령값 θmc를 산출하여 출력하는 모터 각도 지령값 계산부와, 로봇의 고유 진동 주파수보다도 낮은 컷오프 주파수를 갖는 고주파 차단 특성을 구비하여, 상기 모터 각도 지령값 θmc를 필터링 처리하고, 처리 후의 모터 각도 목표값 θmd를 출력하는 제1 동특성 연산부와, 상기 모터 각도 목표값 θmd가 상기 모터에 대한 목표값으로서 입력되는 모터 각도 제어부와, 상기 제1 동특성 연산부보다도 낮거나, 또는 동등한 컷오프 주파수를 갖는 고주파 차단 특성을 구비하여, 상기 축력 토크 계산부로의 입력 및 상기 축력 토크 계산부로부터의 출력 중 적어도 어느 하나를 필터링 처리하고, 처리 후의 축력 토크 보상값 fd를 출력하는 제2 동특성 연산부와, 상기 모터 각도 제어부로부터 출력되는 모터 토크 지령값에, 상기 축력 토크 보상값 fd가 가산된 값이 목표값으로서 입력되는 모터 전류 제어부를 포함하여 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

탄성 변형 보상 제어 장치는, 바람직하게는 상기 모터 각도 제어부의 응답이 느린 축의 제1 동특성 연산부의 위상 지연을, 상기 모터 각도 제어부의 응답이 빠른 축의 제1 동특성 연산부의 위상 지연보다도 짧게 부여하도록 구성할 수 있다.

탄성 변형 보상 제어 장치는, 더욱 바람직하게는, 각 축 사이의 축력이 없는 상태에서의 모터 각도 목표값 θmd로부터 실제의 모터 각도 θm까지의 피드백 제어 동특성을, 위치 피드백 게인 및 속도 피드백 게인 중 적어도 어느 하나를 포함하는 파라미터에 기초하여 산출하도록 구성되고, 상기 제2 동특성 연산부에 있어서의 컷오프 주파수를 상기 제1 동특성 연산부에 있어서의 컷오프 주파수보다도 낮게 함과 함께, 상기 제2 동특성 연산부에 있어서의 특성을 상기 피드백 제어 동특성으로 나눈 특성에 대응하도록, 상기 제1 동특성 연산부의 특성을 부여하도록 구성할 수 있다.

탄성 변형 보상 제어 장치는, 더욱 바람직하게는 상기 모터 전류 제어부의 전류 제어 특성을 고려하는 경우, 상기 제2 동특성 연산부에 있어서의 특성을 상기 피드백 제어 동특성으로 나눔과 함께, 전류 제어 특성을 곱한 특성에 대응하도록, 상기 제1 동특성 연산부의 특성을 부여하도록 구성할 수 있다.

탄성 변형 보상 제어 장치는, 더욱 바람직하게는 상기 모터 각도 지령값 계산부에 있어서의 계산 주기가, 상기 모터 각도 제어부에 있어서의 제어 주기보다도 느린 경우, 상기 모터 각도 지령값 계산부에 있어서, 축력 토크 계산값 또는 탄성 변형량 계산값과 관절 각도 지령값의 위상차를 맞추어, 위상 보정 후의 축력 토크 계산값 또는 탄성 변형량 계산값과 위상 보정 후의 관절 각도 지령값으로부터, 모터 각도 지령값을 산출하도록 구성할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 형태에 관한 다관절 로봇의 탄성 변형 보상 제어 방법은 원하는 툴 동작을 실현하기 위한 각 관절축의 관절 각도 지령값 θlc를 산출하여 출력하는 관절 각도 지령값 계산 스텝과, 상기 관절 각도 지령값 θlc대로 동작했을 때에 발생하는 각 관절축에 작용하는 축력 토크 fc를, 동역학 모델에 기초하여 관절 각도 지령값 θlc로부터 산출하여 출력하는 축력 토크 계산 스텝과, 관절축의 강성 파라미터를 포함하는 파라미터에 기초하여, 관절 각도 지령값 θlc와 축력 토크 fc로부터 모터 각도 지령값 θmc를 산출하여 출력하는 모터 각도 지령값 계산 스텝과, 로봇의 고유 진동 주파수보다도 낮은 컷오프 주파수를 갖는 고주파 차단 특성을 구비하여, 상기 모터 각도 지령값 θmc를 필터링 처리하고, 처리 후의 모터 각도 목표값 θmd를 출력하는 제1 동특성 연산 스텝과, 상기 모터 각도 목표값 θmd가 상기 모터에 대한 목표값으로서 입력되는 모터 각도 제어 스텝과, 상기 제1 동특성 연산 스텝보다도 낮거나, 또는 동등한 컷오프 주파수를 갖는 고주파 차단 특성을 구비하여, 상기 축력 토크 계산 스텝으로의 입력 및 상기 축력 토크 계산 스텝으로부터의 출력 중 적어도 어느 하나를 필터링 처리하고, 처리 후의 축력 토크 보상값 fd를 출력하는 제2 동특성 연산 스텝과, 상기 모터 각도 제어 스텝으로부터 출력되는 모터 토크 지령값에, 상기 축력 토크 보상값 fd가 가산된 값이 목표값으로서 입력되는 모터 전류 제어 스텝을 포함하여 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 관한 탄성 변형 보상 제어 장치 또는 제어 방법을 사용함으로써, 복수축을 구비한 다관절 로봇에 있어서, 각 축의 탄성 변형의 영향을 보상하여 높은 궤적 정밀도로 위빙 등의 동작을 가능하게 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 형태에 관한 탄성 변형 보상 제어 장치가 적용되는 다관절 로봇의 전체 구성을 도시하는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 탄성 변형 보상 제어 장치의 제어 블록도이다.
도 3은 도 2에 도시하는 제어 블록도에 의해 제어된 다관절 로봇의 위빙 궤적을 도시하는 도면이다.
도 4는 종래 기술에 관한 탄성 변형 보상 제어 장치의 제어 블록도이다.
도 5는 도 4에 도시하는 제어 블록도에 의해 제어된 다관절 로봇의 위빙 궤적을 도시하는 도면이다.
도 6은 종래 기술에 관한 다른 탄성 변형 보상 제어 장치의 제어 블록도이다.
도 7은 도 6에 도시하는 제어 블록도에 의해 제어된 다관절 로봇의 위빙 궤적을 도시하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 탄성 변형 보상 제어 장치(도 2의 동특성과는 다른 특성)에 의해 제어된 다관절 로봇의 위빙 궤적을 도시하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시 형태의 변형예에 관한 탄성 변형 보상 제어 장치에 관한 제어 블록도이다.
도 10은 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 탄성 변형 보상 제어 장치(도 2의 동특성과는 다른 특성)에 의해 제어된 다관절 로봇의 위빙 궤적을 도시하는 도면이다.
도 11은 본 발명의 제4 실시 형태에 관한 탄성 변형 보상 제어 장치(동특성을 축마다 변경)에 의해 제어된 다관절 로봇의 위빙 궤적을 도시하는 도면이다.
도 12는 본 발명의 제5 실시 형태에 관한 탄성 변형 보상 제어 장치의 제어 블록도이다.
도 13은 본 발명의 제5 실시 형태의 변형예에 관한 탄성 변형 보상 제어 장치의 제어 블록도이다.
도 14는 본 발명의 제6 실시 형태에 관한 탄성 변형 보상 제어 장치의 제어 블록도이다.
도 15는 본 발명의 제6 실시 형태에 관한 탄성 변형 보상 제어 장치의 다른 제어 블록도이다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 관한 다관절 로봇의 탄성 변형 보상 제어 장치 및 제어 방법을, 도면에 기초하여 상세하게 설명한다. 또한, 이하의 설명에서는, 동일한 부품은 동일한 부호가 부여되고, 그들의 명칭 및 기능도 동일하다. 따라서, 그들에 대한 상세한 설명은 반복하지 않는다. 또한, 이하에 있어서는, 제어 대상으로서 용접 토치를 틸팅 동작(위빙 동작)시키는 다관절 로봇을 설명하지만, 이는 일례에 지나지 않는다. 본 발명에 관한 탄성 변형 보상 제어 장치는 다관절 로봇의 관절축을 구동하는 모터와 아암이 탄성 변형되는 감속기를 통해 결합된 다관절 로봇에 설치된 툴에 원하는 동작을 행하게 하도록 복수의 관절축을 구동하기 위한 제어에, 널리 적용이 가능하다.

<제1 실시 형태>

[전체 구성]

우선, 본 실시 형태에 관한 탄성 변형 보상 제어 장치가 적용되는 수직 다관절 로봇(이하, 간단히 다관절 로봇으로 기재하는 경우가 있음)의 개요에 대해 설명한다.

도 1은 용접 토치를 틸팅 동작(위빙 동작)시키는 로봇의 일례이며, 본 실시 형태에 관한 탄성 변형 보상 제어 장치가 적용되는 다관절 로봇(1)의 개요를 도시하는 도면이다. 이 다관절 로봇(1)은 수직 다관절형이며 J1 내지 J6에 6개의 관절을 구비하여, J6의 축의 선단에 설치된 용접 토치로부터 송출되는 용접 와이어에 의해 아크 용접을 행한다. 이 다관절 로봇(1)은 미리 정해진 용접 개시점과 용접 종료점 사이를 용접 작업 구간으로서 설정하고, 용접 개시점과 용접 종료점을 연결하는 용접선 방향으로 이동하면서, 용접 와이어를 미리 정해진 진폭 및 주파수로 틸팅하는 동작(위빙 동작)을 행하도록 세트되어 있다.

이와 같은 다관절 로봇(1)은 도시한 다관절 로봇(1)의 본체 외에, 교시 펜던트를 갖고 각 축을 서보 제어하는 제어 장치(서보 제어부)와, 상위 컴퓨터(상위 CPU)를 포함한다. 이들 제어 장치 및 상위 컴퓨터에 의해, 본 실시 형태에 관한 궤적 제어 장치가 실현되어 있다.

제어 장치(서보 제어부)는 다관절 로봇(1)에 설치된 용접 토치를, 미리 교시한 프로그램에 따라서, 상술한 용접선을 따라서 위빙 동작으로 이동하도록 제어한다. 교시 프로그램은 제어 장치에 접속된 교시 펜던트를 사용하여 작성되는 경우나, 상위 컴퓨터를 이용한 오프라인 교시 시스템을 사용하여 작성되는 경우가 있다. 어떤 경우라도, 교시 프로그램은 실제의 동작 전에 미리 작성된다. 상위 컴퓨터에서는 용접 패스가 생성되거나, 그것에 기초하는 위빙 동작 지령이 생성된다.

[제어 블록]

도 2는 도 1의 다관절 로봇(1)을 제어하는 탄성 변형 보상 제어 장치(10)의 제어 블록도를 도시한다. 상술한 바와 같이, 이 탄성 변형 보상 제어 장치(10)는 상위 CPU에서 실현되는 부분과 서보 제어부에서 실현되는 부분을 포함하여 구성되어 있다.

도 2에 도시한 바와 같이, 이 탄성 변형 보상 제어 장치(10)는 다관절 로봇(1)에 설치된 툴(여기서는 용접 토치)에 원하는 동작(여기서는 위빙 동작)을 행하게 하도록, 복수의 관절축을 구동한다.

이 탄성 변형 보상 제어 장치(10)는 상위 CPU에서 실현되는, 관절 각도 지령값 계산부(100)와, 축력 토크 계산부(「축력 FF」로서 도시)(200)와, 모터 각도 지령값 계산부(「탄성 변형 보상」으로서 도시)(600)를 구비한다. 또한, 탄성 변형 보상 제어 장치(10)는 서보 제어부에서 실현되는, 제1 동특성 연산부(「동특성(1)」으로서 도시)(300)와, 제2 동특성 연산부(「동특성(2)」으로서 도시)(400)와, 피드백 제어부(「서보 제어 FB 특성」으로서 도시)(500)를 구비한다. 피드백 제어부(500)는 모터 각도 제어부(510) 및 모터 전류 제어부(「전류 제어」로서 도시)(520)를 포함하여 구성되어 있다. 또한, 이하에 있어서, 제어 블록에 있어서의 요소의 특성은 동특성과의 기재가 없는 경우라도, 모두 동특성이다. 또한, 기재 「FB」는 피드백을 의미하고, 기재 「FF」는 피드 포워드를 의미한다.

관절 각도 지령값 계산부(100)는 용접 토치의 위빙 동작을 실현하기 위한 각 관절축의 관절 각도 지령값 θlc를 산출하여 출력한다.

축력 토크 계산부(200)는 관절 각도 지령값 계산부(100)로부터 출력된 관절 각도 지령값 θlc대로 동작했을 때에 발생하는 각 관절축에 작용하는 축력 토크 fc를, 동역학 모델에 기초하여 관절 각도 지령값 θlc로부터 산출하고, 출력한다.

모터 각도 지령값 계산부(600)는 관절축의 강성 파라미터를 포함하는 파라미터에 기초하여, 관절 각도 지령값 θlc와 축력 토크 fc로부터 모터 각도 지령값 θmc를 산출하고, 출력한다.

보다 상세하게는, 축력 토크 계산부(200)가, 관절 각도 지령값 θlc에 기초하여 지령값대로 동작했을 때에 각 축에 작용하는 축력 토크 fc를 산출한다. 모터 각도 지령값 계산부(600)는 축력 토크 fc로부터 축 강성 K나 점성 B 등에 기초하여(점성은 작으므로 생략 가능) 탄성 변형량 ec를 산출한다. 그리고, 모터 각도 지령값 계산부(600)는 관절 각도 지령값 θlc와 탄성 변형량 ec로부터, 모터 각도 지령값 θmc를 산출한다.

제1 동특성 연산부(300)는 모터 각도 지령값 계산부(600)로부터 출력된 모터 각도 지령값 θmc를 필터링 처리하고, 처리 후의 모터 각도 목표값 θmd를 출력한다. 이 제1 동특성 연산부(300)는 다관절 로봇(1)의 고유 진동 주파수보다도 낮은 컷오프 주파수를 갖는 고주파 차단 특성을 구비한다.

제2 동특성 연산부(400)는 축력 토크 계산부(200)로의 입력 및 축력 토크 계산부(200)로부터의 출력 중 적어도 어느 하나를 필터링 처리하고, 처리 후의 축력 토크 보상값 fd를 출력한다. 또한, 도 2에 있어서, 제2 동특성 연산부(400)는 축력 토크 계산부(200)로부터의 출력을 필터링 처리하고 있다. 이 제2 동특성 연산부(400)는 제1 동특성 연산부(300)보다도 낮거나, 또는 동등한 컷오프 주파수를 갖는 고주파 차단 특성을 구비한다.

모터 각도 제어부(510)에는 모터에 대한 목표값으로서, 모터 각도 목표값 θmd가 입력된다.

모터 전류 제어부(520)에는 모터 각도 제어부(510)로부터 출력되는 모터 토크 지령값에, 제2 동특성 연산부(400)로부터 출력된 축력 토크 보상값 fd가 가산된 값이, 목표값으로서 입력된다.

도 2에 도시하는 블록도에서 나타나는 탄성 변형 보상 제어 장치(10)는 이하와 같은 특징을 구비한다.

비선형항인 축력 토크 계산부(200)의 전 및/또는 후(여기서는 후만)에, 제2 동특성 연산부(400)가 배치되어 있다. 이 제2 동특성 연산부(400)에 의해, 제1 동특성 연산부(300)의 고주파 차단 특성 이상의 고주파 대역을 차단하는 특성이 부여되어 있다. 여기서, 제2 동특성 연산부(400)의 컷오프 주파수는 제1 동특성 연산부(300)의 컷오프 주파수보다도 낮거나 동등하다.

이와 같이 구성함으로써, 제1 동특성 연산부(300)에 의해, 관절 각도 지령값 θlc에 포함되는 고유 진동 성분을 포함하는 고주파를 억제할 수 있다. 또한, 제2 동특성 연산부(400)에 의해, 축력 토크 fc에 포함되는 고유 진동 성분을 포함하는 고주파를 억제할 수 있다. 이에 의해, 다관절 로봇(1)에 발생하는 고주파 진동을 억제할 수 있다.

또한, 다관절 로봇(1)에서는 XYZ 공간에서 저주파 동작을 시켜도 특이점 근방 등의 야코비안(Jacobian)이 급준하게 변화되는 곳에 있어서, 관절 각도로 변화되면 2배나 3배 성분의 고주파가 발생한다. 또한, 관절 각도 공간에서 저주파 동작을 시켜도, 비선형항은 속도의 2승항 등을 갖고 있으므로, 관절 각도의 2배나 3배 성분의 고주파가 발생한다. 이로 인해, 비선형항인 축력 토크 계산부(200)로부터의 출력인 축력 토크 fc를, 제1 동특성 연산부(300)의 고주파 차단 특성 이상의 고주파 차단 특성을 구비한 제2 동특성 연산부(400)에서 처리하여 축력 토크 보상값 fd로 한다. 이에 의해, 다관절 로봇(1)에 발생하는 고주파 진동을 더욱 억제하고 있다.

[제어 특성(위빙 궤적)]

이상과 같은 구성을 구비한 탄성 변형 보상 제어 장치(10)를 사용하여 다관절 로봇(1)을 제어한 경우의 제어 특성(위빙 궤적)에 대해 설명한다.

도 3은 제2 동특성 연산부(400)의 고주파 차단 특성으로서, 제1 동특성 연산부(300)와 동등한 고주파 차단 특성을 부여한 경우의 위빙 궤적을 도시한다.

이를 평가하는 데 있어서, 우선 종래 기술(제어 블록도 및 위빙 궤적)에 대해 설명한다.

도 4는 가장 일반적인 다관절 로봇의 제어 블록도를 도시한다. 도 4에 도시한 바와 같이, 이 제어 블록은 위치 제어부(Gp)와 속도 제어부(Gv)와 전류 제어부로 구성된다. 위치 제어부는 관절 각도를 피드백 제어하고, 각도 편차를 비례 제어(P 제어)하고, 속도 지령으로서 속도 제어부에 지령한다. 속도 제어부는 관절 각속도를 피드백 제어하고, 부여된 속도 지령과의 편차를 비례 적분 제어(PI 제어)하고, 전류 제어 지령으로서 전류 제어부에 지령한다. 전류 제어부는 부여된 전류 제어 지령에 기초하여 모터 전류를 제어한다.

또한, 다관절 로봇은 기계의 고유 진동수가 낮기 때문에, 목표값에 고유 진동을 여기하는 성분이 포함되지 않도록, 도 4에 도시하는 제1 동특성 연산부(동특성 1) 등에서의 필터 처리에 의해, 그들의 성분을 억제하고 있다.

단, 다관절 로봇에서는 각 축 사이에서 간섭 토크가, 중력항 등을 포함하고, 비선형항 c로서 각 링크에 작용한다. 스프링 요소로서 작용하는 감속기를 통해 링크와 모터가 결합되어 있으므로, 축력이 링크와 모터에 작용ㆍ반작용으로서 작용한다. 특히 용접 로봇의 위빙 동작에서는, 상하로 흔들리지 않고(상하 방향의 움직임을 발생시키지 않고) 원하는 방향으로 원하는 진폭으로 용접 토치를 요동시키는 것이 필요하므로, 매우 고정밀도의 동적 제어가 필요해진다. 그로 인해, 이 축력 및 탄성 변형의 영향은 막대하다.

도 5는 도 4의 제어 블록에서 도시되는 제어 장치로 다관절 로봇을 제어한 경우의 위빙 궤적을 도시한다. 이 도 5에 도시한 바와 같이, 비선형항, 축력 및 탄성 변형이 작용하면 상하 방향의 움직임이 발생해 버려, 위빙 동작으로서 전혀 적합하지 않는다. 이를 억제하기 위해서는, 목표값 베이스에서 축력을 산출하여, 피드 포워드 보상하는 것이 생각된다.

도 6은 이와 같은 생각에 기초한 목표값 베이스의, 종래 기술에 관한 비선형 피드 포워드 보상을 실현하는 제어 블록도를 도시한다.

도 7은 도 6의 제어 블록에서 도시되는 제어 장치로 다관절 로봇을 제어한 경우의 위빙 궤적을 도시한다. 이는 목표값 베이스의 피드 포워드 보상이므로, 위상 지연의 영향에 의해 피드 포워드 타이밍이 어긋나 버려, 오히려 상하 방향의 움직임을 악화시키는 결과로 되어 있다.

일반적으로, 이와 같은 종래 기술에 관한 제어에서는, 피드백 제어부(서보 제어 피드백 특성)에 있어서의 위상 특성이나 게인 특성이 각 축마다 다르기 때문에, 피드 포워드 제어 등의 위상을 맞추는 것이 곤란했다. 이로 인해, 상기와 같은 축력 토크 보상이나 탄성 변형 보상은 거의 실용화되어 있지 않고, 탄성 변형 등의 영향을 억제하는 것은 곤란하게 되어 있었다.

또한, 도 6에서는, 상위 CPU가 비선형 피드 포워드 계산을 행하고 있다. 비선형항의 계산이 매우 복잡하고 계산량이 많아, 서보 제어부에서 계산하는 것이 어려우므로, 상위 CPU에 의해 목표값 베이스에서 행해지는 것이 일반적이다.

이와 같은 종래 기술에 관한 제어에 의한 결과(위빙 궤적)를 나타내는 도 5 및 도 7과 비교하면, 본 실시 형태에 관한 탄성 변형 보상 제어 장치(10)에 의한 결과(위빙 궤적)는, 도 3에 도시한 바와 같이, 상하 이동 성분은 발생하고 있지만 현저히 상하 이동 성분이 억제되어 있다. 또한, 도 3은 제2 동특성 연산부(400)에 있어서의 고주파 차단 특성을, 제1 동특성 연산부(300)에 있어서의 고주파 차단 특성과 동등한 것으로 한 경우의 결과이다.

본 실시 형태에 관한 탄성 변형 보상 제어 장치(10)에 있어서는, 제1 동특성 연산부(300)에 의해, 관절 각도 지령값 θlc에 포함되는 고유 진동 성분을 포함하는 고주파가 억제된다. 또한, 제2 동특성 연산부(400)에 의해, 축력 토크 fc에 포함되는 고유 진동 성분을 포함하는 고주파가 억제된다. 이에 의해, 상술한 종래 기술에 있어서의 비선형항에 기인하는 진동이 억제된다.

이상과 같이 하여, 본 실시 형태에 관한 탄성 변형 보상 제어 장치에 따르면, 다관절 로봇에 있어서, 각 축의 탄성 변형의 영향을 보상하여 높은 궤적 정밀도로 위빙 등의 동작을 가능하게 할 수 있다.

<제2 실시 형태>

이하, 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 탄성 변형 보상 제어 장치에 대해 설명한다. 또한, 본 실시 형태에 관한 탄성 변형 보상 제어 장치는 상술한 제1 실시 형태에 관한 탄성 변형 보상 제어 장치(10)와, 제1 동특성 연산부(300)의 부여 방법에 있어서 다르다. 그 이외는 제1 실시 형태와 동일하므로, 상술한 설명과 중복되는 부분에 대해서는 여기서는 반복하지 않는다.

상술한 제1 실시 형태에 있어서는, 제1 동특성 연산부(300)와 동등 이상의 고주파 차단 특성이 제2 동특성 연산부(400)에 부여되어 있었다. 본 실시 형태에 있어서는, 제2 동특성 연산부(400)가, 제1 실시 형태와 같이 매우 강한 고주파 차단 특성을 구비하도록 부여된다. 또한, 제1 동특성 연산부(300)가, 제2 동특성 연산부(400)의 동특성에 각 축 서보 제어에 의해 상정되는 피드백 특성의 역특성을 곱한 것으로 하여 부여된다. 이는, 제2 동특성 연산부(400)에 있어서의 특성을 피드백 제어 동특성으로 나눈 특성에 대응하도록, 제1 동특성 연산부(300)의 특성을 부여하도록 구성되어 있는 것을 나타낸다.

도 2에 도시하는 제어 블록의 경우, 각 축 서보 피드백 제어의 동특성은 이하의 식 1로 부여된다. 또한, 이하에 나타내는 식에 있어서는, 「동특성 1」은 제1 동특성 연산부(300)에 있어서의 동적 특성을 나타내고, 「동특성 2」는 제2 동특성 연산부(400)에 있어서의 동적 특성을 나타내고 있다.

[식 1]

따라서, 제1 동특성 연산부(300)는 이하의 식 2로 부여된다.

[식 2]

단, 식 2가 프로퍼(proper)한 전달 함수(분자 다항식의 차수가 분모 다항식의 그것에 비해 동등하거나 또는 낮음)로 되도록, 제2 동특성 연산부(400)에는 강한 고주파 차단 특성을 부여할 필요가 있다.

이와 같이 하여, 제1 동특성 연산부(300) 및 제2 동특성 연산부(400)를 부여한 경우의 위빙 궤적을 도 8에 도시한다. 도 8에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 탄성 변형 보상 제어 장치에 의한 위빙 궤적에서는 제1 실시 형태에 있어서의 위빙 궤적(도 3)보다도, 더욱 상하 방향의 진동이 억제되어 있는 것을 알 수 있다.

이상과 같이 하여, 본 실시 형태에 관한 탄성 변형 보상 제어 장치는 다관절 로봇에 있어서, 각 축의 탄성 변형의 영향을 보상하여, 더욱 높은 궤적 정밀도로 위빙 등의 동작을 가능하게 할 수 있다.

<제2 실시 형태의 변형예>

다음에, 제2 실시 형태의 변형예에 관한 탄성 변형 보상 제어 장치에 대해 설명한다.

상술한 바와 같이, 제2 동특성 연산부(400)의 특성은 원하는 동특성(매우 강한 고주파 차단 특성으로 구비함)으로서 부여되어 있었다. 그러나, 모터 전류 제어부(520)의 전류 제어 특성을 무시할 수 없는 경우에는, 원하는 동특성을 전류 제어 특성으로 나눈 특성으로서, 제2 동특성 연산부(400)의 특성이 부여된다. 이는, 모터 전류 제어부(520)의 전류 제어 특성을 고려한 경우, 제2 동특성 연산부(400)에 있어서의 특성을 피드백 제어 동특성으로 나눔과 함께, 전류 제어 특성을 곱한 특성에 대응하도록, 제1 동특성 연산부(300)의 특성을 부여하도록 구성되어 있는 것을 나타낸다.

이 경우, 제2 동특성 연산부(400)의 특성은 이하의 식 3으로 부여된다.

[식 3]

이로 인해, 상술한 식 2에서 나타난 제1 동특성 연산부(300)의 특성은 이하의 식 4로 부여된다.

[식 4]

도 9는 상술한 바와 같이 하여, 제1 동특성 연산부(300) 및 제2 동특성 연산부(400)를 부여하는 경우의 제어 블록도를 도시한다. 도 9에 도시한 바와 같이, 이 탄성 변형 보상 제어 장치(20)에 있어서의 제2 동특성 연산부(2400)의 특성은, 원하는 동특성(2410)에 전류 제어 특성의 역특성(2420)을 곱한 것으로 되어 있다.

이상과 같이 하여, 본 변형예에 관한 탄성 변형 보상 제어 장치는 다관절 로봇에 있어서, 모터 전류 제어부(520)의 전류 제어 특성을 고려하여, 각 축의 탄성 변형의 영향을 보상하여, 더욱 높은 궤적 정밀도로 위빙 등의 동작을 가능하게 할 수 있다.

<제3 실시 형태>

이하, 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 탄성 변형 보상 제어 장치에 대해 설명한다. 또한, 본 실시 형태에 관한 탄성 변형 보상 제어 장치는 상술한 제1 실시 형태에 관한 탄성 변형 보상 제어 장치(10)와, 제1 동특성 연산부(300)의 부여 방법에 있어서 다르다. 그 이외는, 제1 실시 형태와 동일하므로, 상술한 설명과 중복되는 부분에 대해서는 여기서는 반복하지 않는다.

전류 제어 특성은 매우 고속 응답이므로 1로 하여 근사해도 양호한 성능이 얻어지는 것을 고려하면, 식 1은 이하의 식 5로 변형된다.

[식 5]

그리고, 제1 동특성 연산부(300)를 부여하는 식 2는 이하의 식 6으로 변형된다.

[식 6]

이는, 제2 동특성 연산부(400)에 있어서의 컷오프 주파수를 제1 동특성 연산부(300)에 있어서의 컷오프 주파수보다도 낮게 함과 함께, 제2 동특성 연산부(400)에 있어서의 특성을 피드백 제어 동특성(서보 FB 제어 동특성)으로 나눈 특성에 대응하도록, 제1 동특성 연산부(300)의 특성을 부여하도록 구성되어 있는 것을 나타낸다.

또한, 이 경우, 각 축 사이의 축력이 없는 상태에서의 모터 각도 목표값 θmd로부터 실제의 모터 각도 θm까지의 피드백 제어 동특성을, 위치 피드백 게인 및 속도 피드백 게인 중 적어도 어느 하나를 포함하는 파라미터에 기초하여 산출하도록 구성되어 있다.

도 10은 이와 같이 하여, 제1 동특성 연산부(300) 및 제2 동특성 연산부(400)를 부여한 경우의 위빙 궤적을 도시한다. 도 10에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 탄성 변형 보상 제어 장치에 있어서는, 전류 제어 특성을 1에서 근사하고 있으므로, 당연히 제2 실시 형태에 있어서의 위빙 궤적(도 8)의 성능에는 미치지 않는다. 그러나, 종래 기술에 비해 양호한, 실용에 충분히 견딜 수 있는 성능을 발휘하고 있는 것을 알 수 있다. 이와 같이 전류 제어 특성을 1에서 근사함으로써, 실용에 충분히 견딜 수 있는 성능을 만족하면서, 연산 시간을 단축할 수 있다.

<제4 실시 형태>

이하, 본 발명의 제4 실시 형태에 관한 탄성 변형 보상 제어 장치에 대해 설명한다. 또한, 본 실시 형태에 관한 탄성 변형 보상 제어 장치는 상술한 제1 실시 형태에 관한 탄성 변형 보상 제어 장치(10)와, 제1 동특성 연산부(300)의 부여 방법에 있어서 다르다. 그 이외는 제1 실시 형태와 동일하므로, 상술한 설명과 중복되는 부분에 대해서는 여기서는 반복하지 않는다.

본 실시 형태에 관한 탄성 변형 보상 제어 장치는 모터 각도 제어부(510)의 응답이 느린 축의 제1 동특성 연산부(300)의 위상 지연을, 모터 각도 제어부(510)의 응답이 빠른 축의 제1 동특성 연산부(300)의 위상 지연보다도 짧게 부여하도록 구성되어 있다.

상술한 제2 및 제3 실시 형태에 있어서는, 각 축마다 원하는 동특성이 부여되어 있었지만, 실제의 위빙 동작에서는 각 축의 동특성을 정렬시킬 필요가 있다. 이를 위해서는, 전체 축에서 동일한(공통의) 원하는 동특성이 부여되면 된다. 상술한 도 8 및 도 10은, 이미 전체 축에서 동일한 원하는 동특성이 부여되어 있다.

도 11은 원하는 동특성을 축마다 약간 변경했을 때의 위빙 궤적을 도시한다. 도 11에 도시한 바와 같이, 축마다 동특성을 변경시킴으로써, 각 축의 응답을 다르게 하면, 상하 이동이 발생하는 것을 알 수 있다. 즉, 상술한 제1 내지 제3 실시 형태(및 종래 기술)의 결과는 각 축의 응답을 정렬시킨 결과이고, 각 축의 응답을 정렬시키지 않은 경우, 위빙 정밀도는 악화된다.

또한, 제1 내지 제3 실시 형태에 있어서는, 원하는 동특성이 전체 축에 대해 동일하다. 식 1 및 식 2로부터 명백한 바와 같이, 서보 FB 제어 동특성의 역특성을 「동특성 1」에 곱하고 있으므로, 서보 FB 제어 동특성이 느린 축에서는, 빠른 축에 비해, 「동특성 1」의 응답이 빨라진다. 또한, 서보 FB 제어 동특성이 빠른 축에서는, 느린 축에 비해, 「동특성 1」의 응답이 느려진다.

식 1 및 식 2에 의해 「동특성 1」을 부여하는 것이 가장 좋은 방법이지만, 관절 각도 지령값 θlc로부터 관절 각도 θ까지의 위상 특성이나 게인 특성은 축마다 다르다. 본 실시 형태에 관한 탄성 변형 보상 제어 장치는 서보 FB 제어 동특성이 느린 축에 비해 빠른 축의 「동특성 1」을 느리게 함으로써, 도 11의 상태로부터, 전체 축에서 동일한 동특성을 「동특성 1」로서 부여한 도 3, 도 8 또는 도 9의 상태에 서서히 근접시킬 수 있다.

<제5 실시 형태>

이하, 본 발명의 제5 실시 형태에 관한 탄성 변형 보상 제어 장치에 대해 설명한다. 또한, 본 실시 형태에 관한 탄성 변형 보상 제어 장치는 상술한 제1 실시 형태에 관한 탄성 변형 보상 제어 장치(10)가 구비하지 않았던 속도 피드 포워드 제어 및/또는 가속도 피드 포워드 제어가 추가되어 있는 점에 있어서 다르다. 그 이외는, 제1 실시 형태와 동일하므로, 상술한 설명과 중복되는 부분에 대해서는 여기서는 반복하지 않는다.

상술한 실시 형태에 있어서는, 속도 피드 포워드 제어 및/또는 가속도 피드 포워드 제어를 구비하고 있지 않았다. 그러나, 본 실시 형태에 관한 탄성 변형 보상 제어 장치(30)는 속도 피드 포워드 제어 및 가속도 피드 포워드 제어를 구비한다.

도 12는 제5 실시 형태에 관한 탄성 변형 보상 제어 장치(30)의 블록도를 도시한다. 탄성 변형 보상 제어 장치(30)는 속도 피드 포워드 제어 및 가속도 피드 포워드 제어를 구비한다.

도 12에 도시한 바와 같이, 탄성 변형 보상 제어 장치(30)는 모터 각도 제어부(510) 대신에, 모터 각도 제어부(3510)를 구비한다.

이 도 12에 도시하는 탄성 변형 보상 제어 장치(30)에서는, 식 1은 이하의 식 7로 부여된다.

[식 7]

이 식 7에 기초하여, 식 2, 식 4 및 식 6을 사용하여 「동특성 1」을 산출하면 된다. 전류 제어 특성을 무시하고 「게인＝1」로 해도, 종래 기술보다도 양호한 성능이 얻어진다.

또한, 여기서, Gda 및 Gdv는 가속도 피드 포워드 및 속도 피드 포워드 게인이고, 0 내지 1의 값을 취한다. 또한, Jd는 Jm의 예측값이다.

또한, 상술한 바와 같이, 전류 제어 특성도 전류 제어 게인 및 모터 파라미터(인덕턴스나 저항)로부터 산출 가능하다.

이상과 같이 하여, 본 실시 형태에 관한 탄성 변형 보상 제어 장치에 따르면, 속도 피드 포워드 제어 및 가속도 피드 포워드 제어를 추가하고, 각 축의 탄성 변형의 영향을 보상하여, 높은 궤적 정밀도로 위빙 등의 동작을 가능하게 할 수 있다.

<제5 실시 형태의 변형예>

다음에, 제5 실시 형태의 변형예에 관한 탄성 변형 보상 제어 장치에 대해 설명한다.

도 13에 도시한 바와 같이, 본 변형예에서는 비선형항인 축력 토크 계산부(200)의 전후에, 제2 동특성 연산부(4400)가 배치된다. 보다 상세하게는, 축력 토크 계산부(200) 전에 동특성(21)(4410)이 배치되고, 축력 토크 계산부(200) 후에 동특성(22)(4420)이 배치된다.

여기서, 동특성(21)×동특성(22)이 상술한 동특성(2)과 일치하도록 부여되면, 지금까지의 실시 형태와 동등한 효과가 얻어진다. 여기서, θle는 관절 각도 지령값 θlc를 동특성(21)(4410)에 입력했을 때의 출력값이다. 이 θle에 기초하여 축력 토크 계산부(200)에서 산출된 축력 토크 fc를 동특성(22)(4420)에 입력했을 때의 출력값이, 축력 토크 보상값 fd이다.

이상과 같이 하여, 본 변형예에 관한 탄성 변형 보상 제어 장치에 따르면, 다관절 로봇에 있어서, 분할하여 배치된 제2 동특성 연산부에 의해, 각 축의 탄성 변형의 영향을 보상하여, 높은 궤적 정밀도로 위빙 등의 동작을 가능하게 할 수 있다.

<제6 실시 형태>

이하, 본 발명의 제6 실시 형태에 관한 탄성 변형 보상 제어 장치에 대해 설명한다.

도 14 및 도 15는 본 실시 형태에 관한 탄성 변형 보상 제어 장치의 제어 블록도를 도시한다. 도 14에 도시하는 제어 블록과, 도 15에 도시하는 제어 블록은 역변환(역야코비) 요소의 수 및 위치에 있어서 다르다.

본 실시 형태에 있어서는, 「동특성 2」(또는 「원하는 동특성」)에 의해 목표값으로부터 실값으로의 동특성이 결정되므로, 부여된 「동특성 2」에 따라서, 위빙 동작 시의 주기에 있어서의 게인 특성 및 위상 특성을 역산하는 것이 가능해진다. 그 특성에 따라서 위빙 지령을 보정함으로써, 원하는 위빙 동작을 실현할 수 있게 된다.

<제7 실시 형태>

이하, 본 발명의 제7 실시 형태에 관한 탄성 변형 보상 제어 장치에 대해 설명한다. 또한, 본 실시 형태에 관한 탄성 변형 보상 제어 장치는 상술한 제1 실시 형태에 관한 탄성 변형 보상 제어 장치(10)와는, 축력 토크 계산값 또는 탄성 변형량 계산값과 관절 각도 지령값의 위상차를 맞추는 점에 있어서 다르다. 그 이외는, 제1 실시 형태와 동일하므로, 상술한 설명과 중복되는 부분에 대해서는 여기서는 반복하지 않는다.

본 실시 형태에 관한 탄성 변형 보상 제어 장치에 있어서는, 모터 각도 지령값 계산부에 있어서의 계산 주기가, 모터 각도 제어부에 있어서의 제어 주기보다도 느린 경우에는, 이하와 같이 처리한다. 모터 각도 지령값 계산부(600)에 있어서, 축력 토크 계산값 또는 탄성 변형량 계산값과 관절 각도 지령값의 위상차를 맞추고, 위상 보정 후의 축력 토크 계산값 또는 탄성 변형량 계산값과 위상 보정 후의 관절 각도 지령값으로부터, 모터 각도 지령값이 산출된다.

본 실시 형태에 관한 탄성 변형 보상 제어 장치에 대해, 이하에 상세하게 설명한다. 축력을 산출할 때, 관절 각도의 속도 및 가속도가 필요해지지만, 통상, 이들에는 차분 처리에 의해 산출된 속도 및 가속도가 사용된다. 축력을 산출하는 축력 토크 계산부(200)에서는 서보 제어 주기보다도 매우 느린 주기 dT로 처리가 행해지므로, 차분에 의한 위상 지연의 영향도 매우 크고, 그들의 위상을 정렬시키기 위해 위상 보정이 행해진다.

예를 들어, 가속도를 이하의 식 8에 의해 도출했을 때에는, 속도를 이하의 식 9에 의해 도출함으로써, 위상을 정렬시키는 것이 가능해진다.

[식 8]

[식 9]

또한, 위치는 이하의 식 10 또는 식 11로 부여하면 된다.

[식 10]

[식 11]

이와 같이, 위상을 맞춘 관절 각도 지령값 θlc를 사용하여 탄성 변형량 ec를 산출하고, 또한 모터 지령값을 산출할 때에는 위상을 맞춘 관절 각도 지령값 θlc에 대해 탄성 변형량 ec로 보정하여, 모터 각도 지령값 θmc를 산출하면 된다.

<각 실시 형태의 작용 효과>

상술한 제1 내지 제7 실시 형태와 같이, 즉 이하와 같이 구성한 탄성 변형 보상 제어 장치는 탄성 변형되는 감속기를 통해 모터와 아암이 결합된 다관절 로봇에 있어서, 높은 궤적 정밀도로 위빙 등의 동작을 가능하게 할 수 있다.

(1) 목표값으로부터 고유 진동 주기를 차단하는 저역 통과 필터 특성을 부여하여, 진동 성분을 목표 각도로부터 제거함과 함께, 축력 토크에 대해서도 저역 통과 필터 처리한다. 이에 의해, 목표값과 축력 토크의 위상을 정렬시키고, 진동 억제하면서 탄성 변형 보상을 행한다.

(2) 서보 제어부의 위상 지연이 있는 상태에 있어서도, 축력 토크 보상에 관한 저역 통과 필터의 특성을 지연시킴으로써, 목표값과 축력 보상 토크의 위상을 정렬시키고, 진동 억제하면서 탄성 변형 보상을 행한다.

(3) 축마다의 서보 제어 특성의 차이를, 상기 저역 통과 필터에 의해 흡수함으로써, 축마다의 특성차를 정렬시킨다.

(4) 모터 각도 지령값 계산부에 있어서의 계산 주기가, 모터 각도 제어부에 있어서의 제어 주기보다도 느린 경우에는, 모터 각도 지령값 계산부에 있어서, 축력 토크 계산값 또는 탄성 변형량 계산값과 관절 각도 지령값의 위상차를 맞춘다.

(5) 상술한 대응 후, 위빙 주기마다 위빙 진폭 보정을 행한다.

또한, 금회 개시된 실시 형태는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 상기한 설명이 아닌 특허 청구 범위에 의해 나타나고, 특허 청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다. 본 출원은 2012년 5월 30일 출원의 일본 특허 출원(일본 특허 출원 제2012-123239)에 기초하는 것이고, 그 내용은 여기에 참조로서 도입된다.

1 : 다관절 로봇
10, 20, 30, 40 : 탄성 변형 보상 제어 장치
100 : 관절 각도 지령값 계산부
200 : 축력 토크 계산부(축력 FF)
300 : 제1 동특성 연산부[동특성(1)]
400, 2400, 4400 : 제2 동특성 연산부[동특성(2)]
500 : 피드백 제어부(서보 제어 FB 특성)
600 : 모터 각도 지령값 계산부(탄성 변형 보상)
510 : 모터 각도 제어부
520 : 모터 전류 제어부(전류 제어)

Claims (8)

1. 탄성 변형되는 감속기를 통해 모터와 아암이 결합된 다관절 로봇에 설치된 툴에 원하는 동작을 행하게 하도록 복수의 관절축을 상기 모터에 의해 구동하는 다관절 로봇의 탄성 변형 보상 제어 장치이며,
   상기 툴의 원하는 동작을 실현하기 위한 각 관절축의 관절 각도 지령값 θlc를 산출하여 출력하는 관절 각도 지령값 계산부와,
   상기 관절 각도 지령값 θlc대로 동작했을 때에 발생하는 각 관절축에 작용하는 축력 토크 fc를, 동역학 모델에 기초하여 관절 각도 지령값 θlc로부터 산출하여 출력하는 축력 토크 계산부와,
   상기 관절축의 강성 파라미터를 포함하는 파라미터에 기초하여, 관절 각도 지령값 θlc와 축력 토크 fc로부터 모터 각도 지령값 θmc를 산출하여 출력하는 모터 각도 지령값 계산부와,
   상기 다관절 로봇의 고유 진동 주파수보다도 낮은 컷오프 주파수를 갖는 고주파 차단 특성을 구비하여, 상기 모터 각도 지령값 θmc를 필터링 처리하고, 처리 후의 모터 각도 목표값 θmd를 출력하는 제1 동특성 연산부와,
   상기 모터 각도 목표값 θmd가 상기 모터에 대한 목표값으로서 입력되는 모터 각도 제어부와,
   상기 제1 동특성 연산부보다도 낮거나, 또는 동등한 컷오프 주파수를 갖는 고주파 차단 특성을 구비하여, 상기 축력 토크 계산부로의 입력 및 상기 축력 토크 계산부로부터의 출력 중 적어도 어느 하나를 필터링 처리하고, 처리 후의 축력 토크 보상값 fd를 출력하는 제2 동특성 연산부와,
   상기 모터 각도 제어부로부터 출력되는 모터 토크 지령값에, 상기 축력 토크 보상값 fd가 가산된 값이 목표값으로서 입력되는 모터 전류 제어부를 포함하여 구성되어 있는 것을 특징으로 하는, 다관절 로봇의 탄성 변형 보상 제어 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 모터 각도 제어부의 응답이 느린 축의 제1 동특성 연산부의 위상 지연을, 상기 모터 각도 제어부의 응답이 빠른 축의 제1 동특성 연산부의 위상 지연보다도 짧게 부여하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는, 다관절 로봇의 탄성 변형 보상 제어 장치.
3. 제1항에 있어서, 각 축 사이의 축력이 없는 상태에서의 모터 각도 목표값 θmd로부터 실제의 모터 각도 θm까지의 피드백 제어 동특성을, 위치 피드백 게인 및 속도 피드백 게인 중 적어도 어느 하나를 포함하는 파라미터에 기초하여 산출하도록 구성되고,
   상기 제2 동특성 연산부에 있어서의 컷오프 주파수를 상기 제1 동특성 연산부에 있어서의 컷오프 주파수보다도 낮게 함과 함께, 상기 제2 동특성 연산부에 있어서의 특성을 상기 피드백 제어 동특성으로 나눈 특성에 대응하도록, 상기 제1 동특성 연산부의 특성을 부여하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는, 다관절 로봇의 탄성 변형 보상 제어 장치.
4. 제2항에 있어서, 각 축 사이의 축력이 없는 상태에서의 모터 각도 목표값 θmd로부터 실제의 모터 각도 θm까지의 피드백 제어 동특성을, 위치 피드백 게인 및 속도 피드백 게인 중 적어도 어느 하나를 포함하는 파라미터에 기초하여 산출하도록 구성되고,
   상기 제2 동특성 연산부에 있어서의 컷오프 주파수를 상기 제1 동특성 연산부에 있어서의 컷오프 주파수보다도 낮게 함과 함께, 상기 제2 동특성 연산부에 있어서의 특성을 상기 피드백 제어 동특성으로 나눈 특성에 대응하도록, 상기 제1 동특성 연산부의 특성을 부여하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는, 다관절 로봇의 탄성 변형 보상 제어 장치.
5. 제3항에 있어서, 상기 모터 전류 제어부의 전류 제어 특성을 고려하는 경우, 상기 제2 동특성 연산부에 있어서의 특성을 상기 피드백 제어 동특성으로 나눔과 함께, 전류 제어 특성을 곱한 특성에 대응하도록, 상기 제1 동특성 연산부의 특성을 부여하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는, 다관절 로봇의 탄성 변형 보상 제어 장치.
6. 제4항에 있어서, 상기 모터 전류 제어부의 전류 제어 특성을 고려하는 경우, 상기 제2 동특성 연산부에 있어서의 특성을 상기 피드백 제어 동특성으로 나눔과 함께, 전류 제어 특성을 곱한 특성에 대응하도록, 상기 제1 동특성 연산부의 특성을 부여하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는, 다관절 로봇의 탄성 변형 보상 제어 장치.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모터 각도 지령값 계산부에 있어서의 계산 주기가, 상기 모터 각도 제어부에 있어서의 제어 주기보다도 느린 경우,
   상기 모터 각도 지령값 계산부에 있어서, 축력 토크 계산값 또는 탄성 변형량 계산값과 관절 각도 지령값의 위상차를 맞추어, 위상 보정 후의 축력 토크 계산값 또는 탄성 변형량 계산값과 위상 보정 후의 관절 각도 지령값으로부터, 모터 각도 지령값을 산출하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는, 다관절 로봇의 탄성 변형 보상 제어 장치.
8. 탄성 변형되는 감속기를 통해 모터와 아암이 결합된 다관절 로봇에 설치된 툴에 원하는 동작을 행하게 하도록 복수의 관절축을 상기 모터에 의해 구동하는 다관절 로봇의 탄성 변형 보상 제어 방법이며,
   상기 툴의 원하는 동작을 실현하기 위한 각 관절축의 관절 각도 지령값 θlc를 산출하여 출력하는 관절 각도 지령값 계산 스텝과,
   상기 관절 각도 지령값 θlc대로 동작했을 때에 발생하는 각 관절축에 작용하는 축력 토크 fc를, 동역학 모델에 기초하여 관절 각도 지령값 θlc로부터 산출하여 출력하는 축력 토크 계산 스텝과,
   상기 관절축의 강성 파라미터를 포함하는 파라미터에 기초하여, 관절 각도 지령값 θlc와 축력 토크 fc로부터 모터 각도 지령값 θmc를 산출하여 출력하는 모터 각도 지령값 계산 스텝과,
   상기 다관절 로봇의 고유 진동 주파수보다도 낮은 컷오프 주파수를 갖는 고주파 차단 특성을 구비하여, 상기 모터 각도 지령값 θmc를 필터링 처리하고, 처리 후의 모터 각도 목표값 θmd를 출력하는 제1 동특성 연산 스텝과,
   상기 모터 각도 목표값 θmd가 상기 모터에 대한 목표값으로서 입력되는 모터 각도 제어 스텝과,
   상기 제1 동특성 연산 스텝보다도 낮거나, 또는 동등한 컷오프 주파수를 갖는 고주파 차단 특성을 구비하여, 상기 축력 토크 계산 스텝으로의 입력 및 상기 축력 토크 계산 스텝으로부터의 출력 중 적어도 어느 하나를 필터링 처리하고, 처리 후의 축력 토크 보상값 fd를 출력하는 제2 동특성 연산 스텝과,
   상기 모터 각도 제어 스텝으로부터 출력되는 모터 토크 지령값에, 상기 축력 토크 보상값 fd가 가산된 값이 목표값으로서 입력되는 모터 전류 제어 스텝을 포함하여 구성되어 있는 것을 특징으로 하는, 다관절 로봇의 탄성 변형 보상 제어 방법.

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