KR102036837B1

KR102036837B1 - 다관절 로봇의 탄성 변형 보상 제어 장치

Info

Publication number: KR102036837B1
Application number: KR1020157021631A
Authority: KR
Inventors: 요시하루 니시다; 다카시 와다; 요시히데 이노우에; 슈이치 이나다
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2013-02-15
Filing date: 2014-02-14
Publication date: 2019-10-28
Also published as: EP2957395A4; US20150367511A1; EP2957395A1; CN104981326B; JP5642214B2; KR20150105447A; JP2014155982A; US9597800B2; CN104981326A; WO2014126218A1; EP2957395B1

Abstract

본 발명에 관한 다관절 로봇의 탄성 변형 보상 제어 장치(10)는, 관절 각도 명령값 계산부(100), 축력 토크 계산부(200), 제1 동적 특성 연산부(300), 피드백 제어부(500) 및 모터 각도 명령값 계산부(600)로 구성된다. 제1 동적 특성 연산부(300)는 N차 곡선 보간으로 구성된 보간부와 M차 필터로 구성된 필터부로 구성되고, N+M이 4 이상으로 되어 있다.

Description

다관절 로봇의 탄성 변형 보상 제어 장치{CONTROL DEVICE FOR COMPENSATION OF ELASTIC DEFORMATION OF ARTICULATED ROBOT}

본 발명은 다관절 로봇의 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 행하여진다. 이러한 위빙 용접을 다관절 로봇에 행하게 하는 경우, 높은 궤적 정밀도가 요구된다.

이러한 다관절 로봇은, 각 축 단위로 서보 제어되고 있다. 그러나, 고유 진동수가 낮기 때문에, 진동 억제의 관점에서, 속도 피드 포워드 등은 거의 적용되지 않아, 목표값에 대하여 실제의 피드백값의 위상 지연은 커, 서보 제어부의 속도 제어부의 응답 특성이 축마다 상이하거나, 궤적 오차로 이어지고 있었다. 또한, 이러한 다관절 로봇의 각 축을 동작시키는 모터는, 감속기를 통하여 아암에 결합되어 있다. 이 감속기의 강성 부족 등에 기인하는 탄성 변형을 보정하는 경우, 모터가 명령값대로 동작하는 것이 전제로 되어 있다. 그러나, 피드 포워드 등이 충분히 기능하고 있지 않기 때문에, 모터가 명령값대로 동작하는 것은 거의 불가능하여, 탄성 변형 보상은 충분히 기능하고 있지 않았다. 이러한 다관절 로봇의 탄성 변형 보상 제어에 대하여, 이하와 같은 기술이 공지이다.

일본 특허 공개(소) 61-201304호 공보(특허문헌 1)는, 감속기 등의 관절군의 기계적인 강성이 낮은 경우에도, 위치 명령값에 대하여 로봇 아암을 고정밀도로 위치 제어하는 방법을 개시한다. 이 위치 제어 방법은, 로봇을 구성하는 각 아암의 위치 명령값과, 그것을 1계 미분하여 얻은 속도와, 2계 미분하여 얻은 가속도를, 각 아암간의 관절의 기계적 강성을 고려한 로봇 아암의 운동 방정식에 대입함으로써 각 관절에 가해지는 토크를 산출하고, 구한 토크를 상수 혹은 함수 혹은 제어 장치 내의 테이블로서 부여된 각 관절의 기계적 스프링 강성으로 제함으로써 각 관절의 기계적 강성에 의한 처짐각을 구하고, 구한 처짐각을 각 관절의 휨을 상쇄하도록 위치 명령값과 합하여 새로운 위치 명령값으로 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 일본 특허 공개 2005-186235호 공보(특허문헌 2)는, 서로 간섭하는 복수 축으로 구성되는 로봇을, 간섭력이 작용해도 각 축이 명령대로 동작하는 로봇의 제어 장치를 개시한다. 이 제어 장치는, 서로 간섭하는 복수 축으로 구성되는 로봇이며, 모터와, 모터에 감속기 등을 통하여 결합된 아암과, 모터의 위치를 검출하는 모터 위치 검출기로 구성된 각 축을, 각 축마다의 명령대로 동작시키기 위한 위치 제어부 및 속도 제어부를 구비한 로봇의 제어 장치이다. 이 제어 장치는, 자축의 명령으로부터 타축에 작용하는 간섭력을 계산으로 구하는 간섭력 계산부와, 타축으로부터 작용하는 간섭력이 있는 경우도 자축이 명령대로 동작하는 모터 토크 명령 신호를, 자축의 명령과 타축으로부터 작용하는 간섭력의 계산값으로부터 구하는 비간섭 토크 신호 작성부와, 타축으로부터 작용하는 간섭력이 있는 경우도 자축이 명령대로 동작하는 모터 위치 신호를, 자축의 명령과 타축으로부터 작용하는 간섭력의 계산값으로부터 구하는 비간섭 위치 신호 작성부를 구비한 것을 특징으로 한다.

일본 특허 공개(소) 61-201304호 공보 일본 특허 공개 2005-186235호 공보

상술한 특허문헌 1에서는, 감속기 등의 강성 부족으로부터 발생하는 휨(탄성 변형)을 관절각 목표값 등으로부터 산출하고, 그 탄성 변형을 보상하도록 모터에의 각도 명령값에 탄성 변형량을 가산함으로써 위치 정밀도의 개선을 도모하고 있다. 그러나, 상술한 바와 같이 양호한 피드 포워드 제어 등이 행하여지지 않고 있으므로, 모터는 명령값대로 동작하지 않아, 탄성 변형 보상은 충분히 기능하고 있지 않다.

또한, 특허문헌 2에서는, 각 축간의 간섭을 포함한 탄성 변형 보상에 대하여 기재되어 있다. 그러나, 아암 가속도의 1계 미분값, 2계 미분값이 필요하고, 매우 노이즈에 약하고, 또한 조금 급준한 동작을 시키는 것만으로, 아암 가속도의 2계 미분값은 천문학적인 값을 나타내는 등, 이 탄성 변형 보상의 실현은 매우 크게 제약된다.

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 없기 때문에, 탄성 변형의 영향을 보상할 수 없어, 정밀도 열화로 이어진다.

(2) 서보 제어부의 위상 지연이 있는 상태에 있어서, 탄성 변형 보상 제어를 유효하게 작용시킬 수 없기 때문에, 탄성 변형의 영향을 보상할 수 없어, 정밀도 열화로 이어진다.

(3) 축마다 서보 제어 특성이 상이하기 때문에, 각 축의 응답에 차가 발생하여, 궤적 정밀도의 열화로 이어진다.

(4) 명령값의 계산 주기가 서보 제어부에 있어서의 계산 주기보다도 느린 경우에 발생하는 위상차가, 궤적 정밀도의 열화로 이어진다.

(5) 용접 로봇의 위빙 동작에서는, 위빙 주기에서의 위상 지연 및 게인 특성을 각 축 맞추는 것이 매우 중요하다. 그러나, 감속기에 의한 탄성 변형에 의한 서보 특성 변화나 축마다에서의 특성의 차이에 따라, 위상·게인 특성을 고주파 위빙 동작으로 맞추는 것이 매우 곤란하다.

본 발명은, 상술한 문제를 감안하여 이루어진 것이며, 복수 축을 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 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 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 변형하는 감속기를 통하여 결합된 다관절 로봇에 설치된 툴에 원하는 동작을 행하게 하도록 복수의 관절축을 구동시키는 다관절 로봇의 탄성 변형 보상 제어 장치에 있어서, 원하는 툴 동작을 실현하기 위한 각 관절축의 관절 각도 명령값 θlc를 산출하여 출력하는 관절 각도 명령값 계산부와, 상기 관절 각도 명령값 θlc대로 동작한 때에 발생하는 각 관절축에 작용하는 축력 토크 fc를, 동력학 모델에 기초하여 관절 각도 명령값 θlc로부터 산출하여 출력하는 축력 토크 계산부와, 관절축의 강성 파라미터를 포함하는 파라미터에 기초하여, 관절 각도 명령값 θlc와 축력 토크 fc로부터 모터 각도 명령값 θmc를 산출하여 출력하는 모터 각도 명령값 계산부와, 로봇의 고유 진동 주파수보다도 낮은 컷오프 주파수를 갖는 고주파 차단 특성을 구비하고, 상기 모터 각도 명령값 θmc를 필터링 처리하고, 처리 후의 모터 각도 목표값 θmd를 출력하는 제1 동적 특성 연산부와, 상기 모터 각도 목표값 θmd가 상기 모터에 대한 목표값으로서 입력되는 모터 각도 제어부와, 상기 모터 각도 제어부로부터 출력되는 모터 토크 명령값에, 축력 토크 보상값 fd가 가산된 값이 목표값으로서 입력되는 모터 전류 제어부를 갖고 있으며, 상기 제1 동적 특성 연산부가, N차 곡선 보간으로 구성된 보간부와, M차 필터로 구성된 필터부로 구성됨과 함께, N+M이 4 이상으로 되어 있는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 필터부를 구성하는 M차 필터를, 이하의 수학식 (1)로 하고 있으면 된다.

바람직하게는, 상기 필터부를 구성하는 M차 필터를, 이하의 수학식 (2)로 하고 있으면 된다.

바람직하게는, 상기 필터부를 구성하는 M차 필터의 파형을, 당해 M차 필터의 스텝 응답 시의 파형에 관하여 M-1계 미분값이 연속된 것으로 하고 있으면 된다. 바람직하게는, 상기 필터부를 구성하는 M차 필터의 파형을, 당해 M차 필터의 임펄스 응답 시의 파형에 관하여 M-2계 미분값이 연속된 것으로 하고 있으면 된다.

본 발명에 관한 탄성 변형 보상 제어 장치를 사용함으로써, 복수 축을 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 장치의 동적 특성 (1)을 도시하는 블록도이다.
도 2a는 본 실시 형태의 방법에 의해 동적 특성 (1)을 구성하고 제어한 결과(X, Z축 방향의 동작)를 나타낸다(N=4, M=0).
도 2b는 본 실시 형태의 방법에 의해 동적 특성 (1)을 구성하고 제어한 결과(Z축 방향의 동작 확대도)를 나타낸다(N=4, M=0).
도 3a는 본 실시 형태의 방법에 의해 동적 특성 (1)을 구성하고 제어한 결과(X, Z축 방향의 동작)를 나타낸다(N=5, M=0).
도 3b는 본 실시 형태의 방법에 의해 동적 특성 (1)을 구성하고 제어한 결과(Z축 방향의 동작 확대도)를 나타낸다(N=5, M=0).
도 4a는 본 실시 형태의 방법에 의해 동적 특성 (1)을 구성하고 제어한 결과(X, Z축 방향의 동작)를 나타낸다(N=3, M=1).
도 4b는 본 실시 형태의 방법에 의해 동적 특성 (1)을 구성하고 제어한 결과(Z축 방향의 동작 확대도)를 나타낸다(N=3, M=1).
도 5a는 본 실시 형태의 방법에 의해 동적 특성 (1)을 구성하고 제어한 결과(X, Z축 방향의 동작)를 나타낸다(N=2, M=2).
도 5b는 본 실시 형태의 방법에 의해 동적 특성 (1)을 구성하고 제어한 결과(Z축 방향의 동작 확대도)를 나타낸다(N=2, M=2).
도 6a는 본 실시 형태의 방법에 의해 동적 특성 (1)을 구성하고 제어한 결과(X, Z축 방향의 동작)를 나타낸다(N=1, M=3).
도 6b는 본 실시 형태의 방법에 의해 동적 특성 (1)을 구성하고 제어한 결과(Z축 방향의 동작 확대도)를 나타낸다(N=1, M=3).
도 7a는 본 실시 형태의 방법에 의해 동적 특성 (1)을 구성하고 제어한 결과(X, Z축 방향의 동작)를 나타낸다(N=0, M=4).
도 7b는 본 실시 형태의 방법에 의해 동적 특성 (1)을 구성하고 제어한 결과(Z축 방향의 동작 확대도)를 나타낸다(N=0, M=4).
도 8a는 1차 필터의 스텝 응답을 도시한 도면이다.
도 8b는 1차 필터의 스텝 응답의 1계 미분값을 도시한 도면이다.
도 9a는 1차 상당의 이동 평균 필터의 이동 평균 가중치를 도시한 도면이다.
도 9b는 1차 상당의 이동 평균 필터의 스텝 응답을 도시한 도면이다.
도 9c는 1차 상당의 이동 평균 필터의 스텝 응답의 1계 미분값을 도시한 도면이다.
도 10a는 3차 보간과 1차 상당의 이동 평균 필터를 사용하여, 제어한 결과(X, Z축 방향의 동작)를 도시한 도면이다.
도 10b는 3차 보간과 1차 상당의 이동 평균 필터를 사용하여, 제어한 결과(Z축 방향의 동작 확대도)를 도시한 도면이다.
도 11a는 2차 상당의 이동 평균 필터의 이동 평균 가중치를 도시한 도면이다.
도 11b는 2차 상당의 이동 평균 필터의 스텝 응답을 도시한 도면이다.
도 11c는 2차 상당의 이동 평균 필터의 스텝 응답의 1계 미분값을 도시한 도면이다.
도 11d는 2차 상당의 이동 평균 필터의 스텝 응답의 2계 미분값을 도시한 도면이다.
도 12a는 3차 상당의 이동 평균 필터의 이동 평균 가중치를 도시한 도면이다.
도 12b는 3차 상당의 이동 평균 필터의 스텝 응답을 도시한 도면이다.
도 12c는 3차 상당의 이동 평균 필터의 스텝 응답의 1계 미분값을 도시한 도면이다.
도 12d는 3차 상당의 이동 평균 필터의 스텝 응답의 2계 미분값을 도시한 도면이다.
도 12e는 3차 상당의 이동 평균 필터의 스텝 응답의 3계 미분값을 도시한 도면이다.
도 13은 본 실시 형태의 동적 특성 (1)이 적용되는 탄성 변형 보상 제어 장치의 블록도이다.
도 14a는 종래의 방법(0차 홀드)에 의해 동적 특성 (1)을 구성하고 제어한 결과(X, Z축 방향의 동작)를 나타낸다.
도 14b는 종래의 방법(1차 보간)에 의해 동적 특성 (1)을 구성하고 제어한 결과(X, Z축 방향의 동작)를 나타낸다.
도 14c는 종래의 방법(2차 보간)에 의해 동적 특성 (1)을 구성하고 제어한 결과(X, Z축 방향의 동작)를 나타낸다.
도 14d는 종래의 방법(3차 보간)에 의해 동적 특성 (1)을 구성하고 제어한 결과(X, Z축 방향의 동작)를 나타낸다.
도 14e는 종래의 방법(3차 보간)에 의해 동적 특성 (1)을 구성하고 제어한 결과(Z축 방향의 동작 확대도)를 나타낸다.
도 15는 본 실시 형태의 동적 특성 (1)이 적용되는 다른 탄성 변형 보상 제어 장치의 블록도이다.
도 16은 탄성 변형 보상 제어 장치가 적용되는 다관절 로봇의 전체 구성을 도시하는 개략도이다.
도 17은 N차 보간을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 관한 다관절 로봇의 탄성 변형 보상 제어 장치를, 도면에 기초하여 상세하게 설명한다. 또한, 이하의 설명에서는, 동일한 부품에는 동일한 부호를 부여하고 있다. 그들의 명칭 및 기능도 동일하다. 따라서, 그들에 관한 상세한 설명은 반복하지 않는다. 또한, 이하에 있어서는, 제어 대상으로서 용접 토치를 틸팅 동작(위빙 동작)시키는 다관절 로봇을 설명하지만 이것은 일례에 지나지 않는다. 본 발명에 관한 탄성 변형 보상 제어 장치는, 다관절 로봇의 관절축을 구동하는 모터와 아암이 탄성 변형하는 감속기를 통하여 결합된 다관절 로봇에 설치된 툴에 원하는 동작을 행하게 하도록 복수의 관절축을 구동시키기 위한 제어에 널리 적용할 수 있다.

[전제가 되는 실시 형태]

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

도 16은 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 S1 내지 S6의 6관절을 구비한다. S6축의 선단에 용접 토치가 설치되고, 용접 토치로부터 송출되는 용접 와이어에 의해 아크 용접이 행하여진다. 이 다관절 로봇(1)은, 미리 정해진 용접 개시점과 용접 종료점 사이가 용접 작업 구간 내를, 용접 개시점과 용접 종료점을 연결하는 용접선 방향으로 이동하면서, 용접 와이어를 미리 정해진 진폭 및 주파수에서 틸팅하는 동작(위빙 동작)을 행하도록 세트되어 있다.

이러한 다관절 로봇(1)은, 도시한 다관절 로봇(1)의 본체에 추가해서, 도시하지 않은 교시 펜던트를 구비하고 각 축을 서보 제어하는 제어 장치(서보 제어부)와, 도시하지 않은 상위 컴퓨터(상위 CPU)를 포함한다. 이들 제어 장치 및 상위 컴퓨터에 의해, 본 실시 형태에 관한 탄성 변형 보상 제어 장치가 실현되고 있다.

제어 장치(서보 제어부)는, 다관절 로봇(1)에 설치된 용접 토치를, 미리 교시한 프로그램에 따라, 상술한 용접선을 따라 위빙 동작하여 이동하도록 제어한다. 교시 프로그램은, 제어 장치에 접속된 교시 펜던트를 사용하여 작성하는 경우나, 상위 컴퓨터를 이용한 오프라인 교시 시스템을 사용하여 작성하는 경우가 있다. 어느 경우든, 교시 프로그램은, 실제의 동작 전에 미리 작성된다.

상위 컴퓨터에서는, 용접 패스가 생성되거나, 거기에 기초하는 위빙 동작 명령이 생성되거나 한다.

도 13은, 도 16의 다관절 로봇(1)을 제어하는 탄성 변형 보상 제어 장치(10)의 제어 블록도를 나타낸다. 상술한 바와 같이, 이 탄성 변형 보상 제어 장치(10)는 상위 CPU로 실현되는 부분과 서보 제어부로 실현되는 부분을 포함하여 구성되어 있다.

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

이 탄성 변형 보상 제어 장치(10)는 상위 CPU로 실현되는, 관절 각도 명령값 계산부(100), 축력 토크 계산부(「축력 FF」로서 도시)(200) 및 모터 각도 명령값 계산부(「탄성 변형 보상」으로서 도시)(600)와, 서보 제어부로 실현되는, 제1 동적 특성 연산부(「동적 특성 (1)」로서 도시)(300), 제2 동적 특성 연산부(「동적 특성 (2)」로서 도시)(400) 및 피드백 제어부(「서보 제어 FB 특성」으로서 도시)(500)로 구성된다. 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 (동적 특성이라는 기재가 없어도) 모두 동적 특성이다. 또한, 기재 「FB」는 피드백을 의미하고, 기재 「FF」는 피드 포워드를 의미한다.

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

축력 토크 계산부(200)는 관절 각도 명령값 계산부(100)로부터 출력된 관절 각도 명령값 θlc대로 동작한 때에 발생하는 각 관절축에 작용하는 축력 토크 fc를, 동력학 모델에 기초하여 관절 각도 명령값 θlc로부터 산출하여 출력한다.

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

보다 상세하게는, 축력 토크 계산부(200)가 관절 각도 명령값 θlc에 기초하여 명령값대로 동작한 때에, 각 축에 작용하는 축력 토크 fc를 산출한다. 모터 각도 명령값 계산부(600)는 축력 토크 fc로부터 축 강성 K나 점성 B 등에 기초하여(점성은 작기 때문에 생략 가능) 탄성 변형량 ec를 산출하고, 관절 각도 명령값 θlc와 탄성 변형량 ec로부터 모터 각도 명령값 θmc를 산출한다.

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

제2 동적 특성 연산부(400)는 축력 토크 계산부(200)에의 입력 및 축력 토크 계산부(200)로부터의 출력 중 적어도 어느 하나를 필터링 처리하고, 처리 후의 축력 토크 보상값 fd를 출력한다. 도 13에 있어서, 제2 동적 특성 연산부(400)는 축력 토크 계산부(200)로부터의 출력을 필터링 처리하고 있다. 이 제2 동적 특성 연산부(400)는 제1 동적 특성 연산부(300)보다도 낮거나 또는 동등한 컷오프 주파수를 갖는 고주파 차단 특성을 구비한다.

또한, 제1 동적 특성 연산부(300)와 제2 동적 특성 연산부(400)는, 동일한 특성을 갖는 것이어도 된다. 2개의 동적 특성 연산부(300, 400)가 동일한 특성인 경우, 1개의 제1 동적 특성 연산부(300)가 관절 각도 명령값 계산부(100)의 출구측에 설치되는 탄성 변형 보상 제어 장치와 등가로 된다. 이러한 탄성 변형 보상 제어 장치에 대해서도 본 발명의 기술(상세 후술)은 적용 가능하다.

모터 각도 제어부(510)에는, 모터 각도 목표값 θmd가, 모터에 대한 목표값으로서 입력된다. 모터 각도 제어부(510)는 속도 피드 포워드 제어 및/또는 가속도 피드 포워드 제어를 갖는다. Gda 및 Gdv는 가속도 피드 포워드 및 속도 피드 포워드 게인이며, 0 내지 1의 값을 취한다.

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

도 13에 도시하는 블록도에 도시된 탄성 변형 보상 제어 장치(10)는 이하와 같은 특징을 갖춘다.

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

이와 같은 구성에 의하면, 제1 동적 특성 연산부(300)에 의해, 관절 각도 명령값 θlc에 포함되는 고유 진동 성분을 포함하는 고주파를 억제할 수 있는 것에 추가해서, 제2 동적 특성 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 곳에서는, 관절 각도로 변화하면 2배나 3배 성분의 고주파가 발생한다. 또한, 관절 각도 공간에서 저주파 동작을 시켜도, 비선형항은 속도의 2승항 등을 갖고 있기 때문에, 관절 각도의 2배나 3배 성분의 고주파가 발생한다. 이로 인해, 비선형항인 축력 토크 계산부(200)로부터의 출력인 축력 토크 fc를, 제1 동적 특성 연산부(300)의 고주파 차단 특성 이상의 고주파 차단 특성을 구비한 제2 동적 특성 연산부(400)로 처리하여 축력 토크 보상값 fd로 함으로써, 다관절 로봇(1)에 발생하는 고주파 진동을 더 억제하고 있다.

[제1 실시 형태]

이상 설명한 탄성 변형 보상 제어 장치(10)를 사용함으로써 다관절 로봇(1)에 있어서, 각 축의 탄성 변형의 영향을 보상하여 높은 궤적 정밀도로 위빙 등의 동작을 가능하게 할 수 있다. 그러나, 도 13의 블록도에 도시된 탄성 변형 보상 제어 장치(10)에 설치된 동적 특성 (1), 즉 제1 동적 특성 연산부(300)를 적절하게 설계하지 않고, 탄성 변형 보상 및 피드 포워드 제어를 행하면, 용접 토치 선단에서의 진동이 발생해 버리는 것을 본원 발명자들은 알아내었다. 이 상황은, 제1 동적 특성 연산부(300)를 축력 토크 계산부(200)의 입력측에 배치했다고 해도 마찬가지이다. 또한, 제1 동적 특성 연산부(300)를 2개의 동적 특성부로 분리하여, 「도 13에서의 제1 동적 특성 연산부(300)의 위치」와, 「축력 토크 계산부(200)의 입력측」에 각각 배치했다고 해도 동일하다.

따라서, 본원 출원인 등은, 도 1에 도시한 바와 같이, 제1 동적 특성 연산부(300)를, 상위 CPU가 산출한 용접 툴의 대략적인 궤적(제어 궤적)을 더욱 세밀한 스케일로 보간하는 보간부(301)와, 보간부(301)의 출력을 필터링하는 필터부(302)로 구성하도록 했다. 이 보간부(301)에는, N차 곡선 보간이 채용되고, 필터부(302)에는 M차 필터가 채용되는 것으로 했다.

보간부(301)로 실시되는 N차 곡선 보간이란, 거친 샘플링 주기에서 부여된 점렬의 점간을 N차 함수(곡선)로 보간하는 것이다. 가장 일반적인 N차 곡선 보간은, N=0인 0차 홀드나, N=1인 1차 보간까지이며, 2차 이상의 보간은 일본 특허 4119011호에 개시된 기술 등을 사용함으로써 실현 가능하다. 도 17은 5차 보간의 예를 나타내고 있다.

그렇다고 해도, N차 곡선에 있어서의 N의 값이나, M차 필터에 있어서의 M의 값을 적절한 것으로 하지 않으면, 도 14a 내지 도 14e에 도시한 바와 같이, 용접 토치 선단에서의 진동(특히 Z 방향에 있어서의 진동)이 발생해 버리는 것을, 본원 발명자들은 발견하고 있다.

이러한 지견에 기초하여, 본원 발명자들은 예의 연구를 행했다. 그 결과, 탄성 변형 보상 제어 장치(10)(탄성 변형 보상으로 위치 제어를 행하는 제어계)에 있어서, 제1 동적 특성 연산부(300)를, N차 곡선 보간으로 구성된 보간부(301)와, M차 필터로 구성된 필터부(302)로 구성함과 함께, N+M이 4 이상으로 되도록 하는 것을 발견했다. 이에 의해, 도 14a 내지 도 14e에 도시한 바와 같은 용접 토치 선단에서의 진동의 발생을 억제하고, 각 축의 탄성 변형의 영향을 보상하여 높은 궤적 정밀도로 위빙 등의 동작을 가능하게 하는 것이 가능함이 분명해졌다.

바람직하게는, 필터부(302)에 적용되는 필터는, 수학식 (1)로 나타나는 것으로 하면 된다.

또한, 분모와 분자의 차수차가 M으로 되는 수학식 (2)로 나타나는 M차 필터를 채용해도 된다.

도 2a 내지 도 7b는, N차 곡선 보간으로 구성된 보간부(301)와 M차 필터로 구성된 필터부(302)와 (단, N+M≥4)로 구성된 제1 동적 특성 연산부(300)를 사용하여, 제어한 결과를 나타낸다.

도 2a, 도 2b는 제1 동적 특성 연산부(300)를 4차 곡선 보간으로 구성된 보간부(301)만으로 구성한 경우의 제어 결과를 나타내고 있다. 종래의 기술에서는, 도 14a 내지 도 14e에 도시한 바와 같이, 용접 토치를 Z 방향으로 3×10^-3m 이동한 경우에, Z 방향으로 20×10^-3m이라는 엄청난 진폭을 갖는 진동이 발생하고 있었다. 그러나, 보간부(301)를 4차 곡선 보간으로 함으로써, 도 2b에 도시한 바와 같이 진동의 진폭을 Z 방향으로 1×10^-5m 이하로 하는 것이 가능하게 되었다.

도 3a, 도 3b는 제1 동적 특성 연산부(300)를, 5차 곡선 보간으로 구성된 보간부(301)만으로 구성한 경우의 제어 결과를 나타내고 있다. 이 경우도, 진동의 진폭을 Z 방향으로 1×10^-5m 이하로 하는 것이 가능하게 되었다.

도 4a, 도 4b는 제1 동적 특성 연산부(300)를, 3차 곡선 보간으로 구성된 보간부(301)와, 1차 필터가 채용된 필터부(302)로 구성한 경우의 제어 결과를 나타내고 있다. 이 경우도, 진동의 진폭을 Z 방향으로 1×10^-5m 이하로 하는 것이 가능하게 되었다.

도 5a, 도 5b는 제1 동적 특성 연산부(300)를, 2차 곡선 보간으로 구성된 보간부(301)와, 2차 필터가 채용된 필터부(302)로 구성한 경우의 제어 결과를 나타내고 있다. 이 경우도, 진동의 진폭을 Z 방향으로 1×10^-5m 이하로 하는 것이 가능하게 되었다.

도 6a, 도 6b는 제1 동적 특성 연산부(300)를, 1차 곡선 보간으로 구성된 보간부(301)와, 3차 필터가 채용된 필터부(302)로 구성한 경우의 제어 결과를 나타내고 있다. 이 경우도, 진동의 진폭을 Z 방향으로 1×10^-5m 이하로 하는 것이 가능하게 되었다.

도 7a, 도 7b는 제1 동적 특성 연산부(300)를, 4차 필터로 구성된 필터부(302)만으로 구성한 경우의 제어 결과를 나타내고 있다. 이 경우, 진동의 진폭이 Z 방향으로 1×10^-5m 정도로 되어 있다. 도 7a, 도 7b의 결과는, 도 2a 내지 도 6b의 결과보다 약간 떨어지는 것으로 되어 있지만, 도 12a 내지 도 12e에 도시하는 종래의 기술 결과보다는 명백하게 진동의 진폭이 작게 되어 있다.

이상 서술한 바와 같이 제1 동적 특성 연산부(300)를, N차 곡선 보간으로 구성된 보간부(301)와 M차 필터로 구성된 필터부(302)로 구성하고, N+M이 4 이상으로 되도록 함으로써, 도 14a 내지 도 14e에 도시한 바와 같은 용접 토치 선단의 진동을 확실하게 억제하면서, 각 축의 탄성 변형의 영향을 보상하여 높은 궤적 정밀도로 위빙 등의 동작을 가능하게 할 수 있다.

[제2 실시 형태]

그런데, 필터부(302)에 적용되는 M차 필터의 파형은, 당해 M차 필터의 스텝 응답 시의 파형에 관한 것이며, M-1계 미분값이 연속된 것으로 해도 된다. 한편, 필터부(302)에 적용되는 M차 필터의 파형은, 당해 M차 필터의 임펄스 응답 시의 파형에 관한 것이며, M-2계 미분값이 연속된 것으로 해도 된다.

즉, 전술한 제1 실시 형태에서는, 연속 시간의 전달 함수로 표현할 수 있는 M차 필터(수학식 (1))에 대하여 나타냈지만, 이 M차 필터를, 임펄스 응답 근사하면 이동 평균 필터에 근사할 수 있다. 또한, M차 필터가 분수 형식으로 표현되는 경우에는, 분모와 분자의 차수차가 M으로 되고, 스텝 응답의 M-1계 미분값까지 연속으로, M계 미분값이 불연속으로 된다. 즉, 이동 평균 필터를 포함하여 다양한 필터에 대해서도, 상기 성질에 따라 M차 필터와 등가인 성질을 갖고 있으며, 이동 평균 필터를 포함한 스텝 응답의 M-1계 미분값까지 연속된 필터를 M차 필터와 등가인 필터로 할 수 있다. 이러한 등가의 필터를 필터부(302)에 채용할 수도 있고, 제1 실시 형태와 대략 마찬가지의 작용 효과를 발휘하는 것으로 된다.

도 8a, 도 8b, 도 9a, 도 9b, 도 11a 내지 도 11d, 도 12a 내지 도 12e는, 제2 실시 형태의 필터부(302)에 적용되는 필터의 파형을 나타낸 것이다.

도 8a, 도 8b는 제1 실시 형태의 1차 필터에 관한 것이고, 도 8a의 그래프는, 1차 필터의 스텝 응답의 파형이다. 이 파형은 연속으로 되어 있지만, 도 8b의 그래프에 도시한 바와 같이, 스텝 응답의 파형 1계 미분의 파형은 시간 0에서 불연속 변화하고 있다.

도 9a, 도 9b는 1차에 상당하는 이동 평균 필터의 일례이며, N-1=0이므로 스텝 응답의 N-1계 미분값, 즉 미분하지 않는 스텝 응답 그 자체까지 연속으로, N계 미분값, 즉 1계 미분값은 불연속으로 되어 있다.

도 10a, 도 10b는 도 9a, 도 9b에 도시하는 이동 평균 필터를 필터부(302)에 적용하고, 보간부(301)에 3차 보간을 적용하여 제어한 결과를 나타내고 있다.

도 10b와 같이, 이러한 제1 동적 특성 연산부(300)를 사용함으로써 진동의 진폭을 Z 방향으로 1×10^-5m 이하로 하는 것이 가능하게 되어 있다.

또한, 도 11a 내지 도 11d는 2차에 상당하는 이동 평균 필터의 일례이며, 스텝 응답의 N-1(=1)계 미분값까지 연속이고, N(=2)계 미분값은 불연속으로 되어 있다. 도 11a 내지 도 11d에 도시하는 이동 평균 필터를 필터부(302)에 적용하고, 보간부(301)에 2차 보간을 적용함으로써, 도 10a, 도 10b와 마찬가지의 진동이 억제 가능하다.

도 12a 내지 도 12e는, 3차에 상당하는 이동 평균 필터의 일례이며, 스텝 응답의 N-1(=2)계 미분값까지 연속이고, N(=3)계 미분값은 불연속으로 되어 있다. 도 12a 내지 도 12e에 도시하는 이동 평균 필터를 필터부(302)에 적용하고, 보간부(301)에 1차 보간을 적용함으로써, 도 10a, 도 10b와 마찬가지의 진동이 억제 가능하다.

마찬가지로 0차 홀딩한 후, 4차 상당의 이동 평균 필터를 적용한 필터부(302)만을 사용하여 제어를 실시해도, 도 10a, 도 10b와 마찬가지의 제어 결과를 얻을 수 있다.

또한, 이동 평균 필터의 경우, 가중치는 임펄스 응답에 일치하고, 또한 스텝 응답의 미분값과 임펄스 응답도 일치하므로, 스텝 응답의 N-1계 미분값은, 임펄스 응답의 N-2계 미분값과 등가이다.

[제3 실시 형태]

제1 실시 형태에서 설명한 탄성 변형 보상 제어 장치(10)(도 13 참조)에 관하여, 본원 발명자들은 더욱 예의 연구를 행하여, 이하를 알아내는 것에 이르고 있다.

즉, 도 13에 도시한 바와 같은 탄성 변형 보상 제어 장치(10)에 있어서는, Gda=0이면, N+M이 3 이상으로 된 N차 곡선 보간으로 구성된 보간부(301)와, M차 필터로 구성된 필터부(302)로 제1 동적 특성 연산부(300)를 구성해도, 용접 토치 선단의 진동을 확실하게 억제할 수 있다. 또한, 각 축의 탄성 변형의 영향을 보상하여 높은 궤적 정밀도로 위빙 등의 동작을 가능하게 할 수 있다.

특히, 본원 발명자 등은, Gda=Gdv=0이면, N+M이 2 이상으로 된 N차 곡선 보간으로 구성된 보간부(301)와, M차 필터로 구성된 필터부(302)로 제1 동적 특성 연산부(300)를 구성할 수 있는 것도 발견하고 있다.

즉, Gda≠0이면 N+M은 4 이상 필요하나, Gda=0의 경우이면 N+M이 3 이상, 또한 Gda=Gdv=0의 경우이면 N+M이 2 이상이면 된다. 이때, 동적 특성 (2)의 고주파 차단 특성은, 동적 특성 (1) 이상의 고주파 차단 특성을 부여할 필요가 있다.

이상 서술한 바와 같이 본 발명에 관한 탄성 변형 보상 제어 장치(10)에 있어서, 제1 동적 특성 연산부(300)를 N차 곡선 보간으로 구성된 보간부(301)와 M차 필터로 구성된 필터부(302)로 구성하고, N+M이 4 이상으로 되도록 한다. 이에 의해, 용접 토치 선단의 진동을 확실하게 억제하면서, 각 축의 탄성 변형의 영향을 보상하여 높은 궤적 정밀도로 위빙 등의 동작을 가능하게 할 수 있다.

또한, 금회 개시된 실시 형태는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 상기한 설명에서가 아니라 특허 청구 범위에 의해 나타나고, 특허 청구 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

예를 들어, 본 발명의 기술은, 도 15에 도시한 바와 같은 탄성 변형 보상 제어 장치(20)에도 적용 가능하다. 탄성 변형 보상 제어 장치(20)는 당해 장치(20)를 구성하는 모터 각도 제어부(510)가, 속도 피드 포워드 제어 및/또는 가속도 피드 포워드 제어를 구비하고 있지 않다. 이 장치(20)에 대하여 본 발명의 기술을 적용함으로써, 제1 실시 형태 내지 제3 실시 형태 등에 개시한 작용 효과와 대략 마찬가지의 작용 효과를 발휘할 수 있다.

본 출원은 2013년 2월 15일 출원의 일본 특허 출원(일본 특허 출원 제2013-027947)에 기초하는 것이고, 그 내용은 여기에 참조로서 포함된다.

1 다관절 로봇
10, 20 탄성 변형 보상 제어 장치
100 관절 각도 명령값 계산부
200 축력 토크 계산부(축력 FF)
300 제1 동적 특성 연산부(동적 특성 (1))
400 제2 동적 특성 연산부(동적 특성 (2))
500 피드백 제어부(서보 제어 FB 특성)
600 모터 각도 명령값 계산부(탄성 변형 보상)
510 모터 각도 제어부
520 모터 전류 제어부(전류 제어)

Claims

다관절 로봇의 관절축을 구동하는 모터와 아암이 탄성 변형하는 감속기를 통하여 결합된 다관절 로봇에 설치된 툴에 원하는 동작을 행하게 하도록 복수의 관절축을 구동시키는 다관절 로봇의 탄성 변형 보상 제어 장치이며,
원하는 툴 동작을 실현하기 위한 각 관절축의 관절 각도 명령값 θlc를 산출하여 출력하는 관절 각도 명령값 계산부와,
상기 관절 각도 명령값 θlc대로 동작한 때에 발생하는 각 관절축에 작용하는 축력 토크 fc를, 동력학 모델에 기초하여 관절 각도 명령값 θlc로부터 산출하여 출력하는 축력 토크 계산부와,
관절축의 강성 파라미터를 포함하는 파라미터에 기초하여, 관절 각도 명령값 θlc와 축력 토크 fc로부터 모터 각도 명령값 θmc를 산출하여 출력하는 모터 각도 명령값 계산부와,
로봇의 고유 진동 주파수보다도 낮은 컷오프 주파수를 갖는 고주파 차단 특성을 구비하고, 상기 모터 각도 명령값 θmc를 필터링 처리하고, 처리 후의 모터 각도 목표값 θmd를 출력하는 제1 동적 특성 연산부와,
상기 축력 토크 계산부에의 입력 및 상기 축력 토크 계산부로부터의 출력 중 적어도 어느 하나를 필터링 처리하고, 처리 후의 축력 토크 보상 값 fd를 출력하는 제2 동적 특성 연산부와,
상기 모터 각도 목표값 θmd가 상기 모터에 대한 목표값으로서 입력되는 모터 각도 제어부와,
상기 모터 각도 제어부로부터 출력되는 모터 토크 명령값에, 축력 토크 보상값 fd가 가산된 값이 목표값으로서 입력되는 모터 전류 제어부를 갖고 있고,
상기 제1 동적 특성 연산부가, N차 곡선 보간으로 구성된 보간부와, M차 필터로 구성된 필터부로 구성됨과 함께, N+M이 4 이상으로 되어 있고,
제2 동적 특성 연산부에서의 필터링 처리의 컷오프 주파수는, 제1 동적 특성 연산부에서의 필터링 처리의 컷오프 주파수보다 낮거나 동등한 것을 특징으로 하는, 다관절 로봇의 탄성 변형 보상 제어 장치.
제1항에 있어서, 상기 필터부를 구성하는 M차 필터를, 이하의 수학식 (1)로 하고 있는 것을 특징으로 하는, 다관절 로봇의 탄성 변형 보상 제어 장치.
제1항에 있어서, 상기 필터부를 구성하는 M차 필터를, 이하의 수학식 (2)로 하고 있는 것을 특징으로 하는, 다관절 로봇의 탄성 변형 보상 제어 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 필터부를 구성하는 M차 필터의 파형을, 당해 M차 필터의 스텝 응답 시의 파형에 관하여 M-1계 미분값이 연속된 것으로 하고 있는 것을 특징으로 하는, 다관절 로봇의 탄성 변형 보상 제어 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 필터부를 구성하는 M차 필터의 파형을, 당해 M차 필터의 임펄스 응답 시의 파형에 관하여 M-2계 미분값이 연속된 것으로 하고 있는 것을 특징으로 하는, 다관절 로봇의 탄성 변형 보상 제어 장치.