KR20220159889A - 로봇의 제어 방법 및 제어 장치 - Google Patents

Abstract

다관절 로봇을 제어할 때, 로봇이 보유 지지하는 워크의 질량 변화에 구애되지 않고 진동의 발생을 억제하여 안정된 제어를 행한다.
관절축이 모터(50)에 의해 구동되는 다관절 로봇을 제어하는 제어 장치(10)는, 모터 위치 지령에 기초하여 상태 피드백 제어를 실행하는 상태 피드백 제어부(11)와, 모터 위치 지령에 기초하여 단관성계 모델에 기초하는 제어를 실행하는 단관성계 제어부(12)와, 로봇이 보유 지지하는 워크의 질량이 역치 이하일 때는 상태 피드백 제어부(11)를 선택하고, 그렇지 않을 때는 단관성계 제어부(12)를 선택하는 선택부(13)를 구비한다. 워크의 질량에 따라서 선택부(13)에 의해 선택된 어느 것의 제어부(11, 12)의 출력에 의해 모터(50)를 제어한다.

Description

로봇의 제어 방법 및 제어 장치{CONTROL METHOD AND CONTROL DEVICE FOR ROBOT}

본 발명은, 로봇의 제어 방법 및 제어 장치에 관한 것으로, 특히 각 축이 모터에 의해 구동되는 다관절 로봇에 있어서의 위치와 속도를 제어하는 제어 방법 및 제어 장치에 관한 것이다.

복수의 링크 혹은 암이 관절을 통해 접속되는 수평 다관절 로봇 등의 다관절 로봇(이하, 단순히 로봇이라고도 말함)은, 관절에 마련된 모터에 의해 구동되고, 예를 들어 그 선단에 있어서 워크를 파지하거나, 그 선단에 워크가 적재되거나 한다. 로봇이 워크를 파지하거나 워크가 적재되거나 하는 것을 총칭하여 「로봇이 워크를 보유 지지한다」라고 칭한다. 대형의 로봇에서는 그 선단(즉 손끝)에 보유 지지하는 워크의 질량의 대소에 의해 관절축 둘레에서의 링크의 관성 모멘트가 변화하여, 제어 대상인 그 로봇의 특성이 변화한다. 워크의 질량에 구애되지 않고 제어의 노미널 모델을 고정하면, 워크의 질량 변화에 의해 모델 미스매치가 발생하여, 피드백에 기초하는 제어가 불안정해지거나, 진동이 발생할 우려가 있다. 특히 로봇에 있어서는 그 관절축에 대하여 모터는 감속기를 통해 접속하는 것이 일반적이며, 감속기는 스프링 요소로서의 성질도 구비하기 때문에, 제어가 부적절한 경우에는, 감속기 등을 포함하는 스프링 요소 때문에 로봇에서는 그 움직임에 수반하여 진동이 유발되기 쉽다. 로봇이 보유 지지하는 워크의 질량 변화에 구애되지 않고, 로봇의 위치와 속도를 안정적으로 제어할 수 있는 제어 방법 및 제어 장치가 요구되고 있다.

특허문헌 1은, 로봇의 제어 등에 사용되는 위치 결정 제어 장치에 있어서, P-PI(비례-비례 적분) 제어에 의한 위치 결정 제어를 행하는 고전 제어 수단과, 2관성계 상태 옵저버에 의한 상태 피드백 제어에 의해 위치 결정 제어를 행하는 현대 제어 수단을 마련하고, 관절축 둘레의 관성 모멘트가 역치보다 작은 경우에는 P-PI 제어(혹은 PID(비례 적분 미분) 제어)를 실시하고, 역치 이상인 경우에는 상태 피드백 제어를 행함으로써, 진동을 억제하여 고속 또한 고정밀도로 위치 결정 제어를 행하는 것을 개시하고 있다. 또한, 비특허문헌 1은, R-P-P형의 로봇에 있어서, 통상 시에는 PID 제어를 행하고, 암을 뻗을 때는 상태 피드백 제어를 행하여 손끝의 진동을 억제하는 것을 개시하고 있다. 특허문헌 2는, 2관성계 상태 옵저버에 의한 상태 피드백 제어에 의해 로봇을 제어할 때, 로봇의 선단 부하의 질량 대소에 따라서 상태 옵저버의 물리 모델 즉 제어 파라미터를 전환하여 제어를 행하는 것을 개시하고 있다. 또한 특허문헌 3은, 2관성계 상태 옵저버에 의한 상태 피드백 제어의 구체예의 하나를 개시하고 있다.

일본 특허 공개 평7-319546호 공보 일본 특허 제6097174호 공보 국제 공개 제2018/061097호

이토 요시테루, "대형 로봇의 제진 제어", 도요다 중앙 연구소 R&D 리뷰, 1995년 3월, 제30권, 제1호, p.57

특허문헌 1에 기재된 방법은, 관절축 둘레의 관성 모멘트의 대소에 의해 P-PI 제어와 상태 피드백 제어를 전환하고 있고, 이 방법을 로봇의 제어에 적용한 경우, 로봇에 있어서 제어 대상의 관절축으로부터 보아 선단측에 보유 지지되는 워크의 질량이 클 때는 상태 피드백 제어가 로봇의 제어 방법으로서 선택되게 된다. 본 발명자들의 검토에 의하면, 다관절 로봇, 특히 수평 다관절 로봇에 특허문헌 1의 방법을 적용한 경우, 로봇에 보유 지지되는 워크의 질량이 클 때에 충분한 제진 효과를 얻지 못하였다.

본 발명의 목적은, 다관절 로봇을 제어하는 제어 방법 및 제어 장치이며, 로봇이 보유 지지하는 워크의 질량 변화에 구애되지 않고 진동의 발생을 억제하여 안정된 제어를 행할 수 있는 제어 방법 및 제어 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명자들이 검토한 결과, 다관절 로봇에서는, 로봇의 손끝에 보유 지지하는 워크의 질량이 클 때는, 상태 피드백 제어에 의해 로봇의 관절축의 모터를 제어하는 것보다도 단관성계 모델에 의한 제어를 행했을 때의 쪽이, 로봇에 발생하는 진동을 억제할 수 있어 안정된 로봇의 제어를 행할 수 있는 것이 판명되었다. 한편, 워크의 질량이 작을 때는, 상태 피드백 제어를 실시함으로써, 보다 큰 제진 성능이 얻어졌다. 따라서 본 발명의 제어 방법은, 관절축이 모터에 의해 구동되는 다관절 로봇을 제어하는 제어 방법이며, 적어도 하나의 모터에 관해서, 지령에 기초하여, 다관절 로봇이 보유 지지하는 워크의 질량이 역치 이하일 때는 상태 피드백 제어를 실시하고 질량이 역치를 초과할 때는 단관성계 모델에 기초하는 제어를 실시하도록, 질량에 따라서 전환하여 제어를 행한다.

본 발명의 제어 장치에 있어서 사용 가능한 상태 피드백 제어는, 예를 들어, 2관성계 상태 옵저버에 의한 상태 피드백 제어이며, 일례로서, 특허문헌 3에 기재된 상태 피드백 제어이다. 또한, 본 발명의 제어 방법에 있어서 사용 가능한 단관성계 모델에 기초하는 제어는, 예를 들어, P-PI 제어, 혹은 PID 제어이다. 지령은 예를 들어 모터 위치 지령이다.

본 발명의 제어 방법에서는, 워크를 다관절 로봇에 보유 지지시키는 로드 동작과 보유 지지되어 있는 워크를 다관절 로봇으로부터 내리는 언로드 동작을 적어도 규정하는 동작 프로그램에 기초하여 다관절 로봇의 동작을 제어하고, 동작 프로그램에 의해 상태 피드백 제어와 단관성계 모델에 기초하는 제어의 전환을 행할 수 있다. 워크의 반송 등에 사용되는 로봇은, 통상, 동작 프로그램에 기초하여 동작이 제어되고, 그와 같은 동작 프로그램은, 로드 동작과 언로드 동작을 적어도 규정하고 있다. 동작 프로그램에 있어서 워크를 어떻게 반송시킬지가 규정되어 있는 것이면, 동작 프로그램의 실행 시에 있어서 워크의 질량도 기지인 것으로 생각해도 되므로, 동작 프로그램에 의해 상태 피드백 제어와 단관성계 모델에 기초하는 제어의 전환을 행함으로써, 보다 적은 처리량으로 제어의 전환을 행할 수 있다.

본 발명의 제어 방법에서는, 동작 프로그램에 의해 로봇을 제어하는 경우에, 워크를 보유 지지하고 있지 않은 다관절 로봇을 동작 프로그램에 기초하여 워크의 수취 위치까지 이동시킬 때는 상태 피드백 제어를 실시하고, 그 후, 질량이 역치를 초과하는 경우에 워크와 다관절 로봇이 접촉하기 전에 단관성계 모델에 기초하는 제어로 전환하는 것이 바람직하다. 이와 같이 제어를 행함으로써, 상태 피드백 제어를 행하고 있는 상태에서 무거운 워크를 보유 지지하는 것에 의한 진동의 발생을 방지할 수 있다.

본 발명의 제어 방법에서는, 동작 프로그램에 의해 로봇을 제어하는 경우에, 동작 프로그램에 기초하여 워크를 보유 지지한 채 다관절 로봇을 워크의 적하 위치까지 이동시키고, 언로드 동작을 실행한 후, 상태 피드백 제어로 전환하면 된다. 이와 같이 제어를 행함으로써, 워크를 보유 지지하고 있지 않을 때는 상태 피드백 제어가 실시되게 되어, 고속 또한 안정적으로 로봇을 이동시킬 수 있다.

본 발명의 제어 방법에서는, 워크의 질량을 측정 또는 추정하여 상태 피드백 제어와 단관성계 모델에 기초하는 제어를 전환할 수 있다. 예를 들어, 연직축의 모터가 다관절 로봇에 구비되어 있는 경우에, 연직축의 모터에 대한 토크 지령값에 기초하여 워크의 질량을 판별해도 된다. 로봇의 기구의 각 부의 질량은 기지이기 때문에, 연직축의 모터에 대한 토크 지령값에 대응하는 질량을 구하고, 그 질량으로부터 로봇측의 각 부의 질량을 차감함으로써, 워크의 질량을 구할 수 있다. 혹은, 소정 조건을 충족하는 워크를 보유 지지하고 있는지를 검출하는 재하(在荷) 센서가 다관절 로봇에 구비되어 있는 경우에, 재하 센서에 의해 소정 조건을 충족하는 워크를 검출했을 때, 단관성계 모델에 기초하는 제어로 전환하도록 할 수도 있다. 재하 센서는 질량을 검출하는 것이어도 된다. 또한, 두께나 평면 치수가 큰 워크는 질량이 큰 워크라고 추정할 수 있으므로, 재하 센서는, 두께나 평면 치수를 검출하는 센서이어도 된다. 연직축의 모터의 토크 지령값이나 재하 센서에 의해 워크의 질량을 측정 또는 추정함으로써, 동작 프로그램에 의해 제어의 전환을 행할 때에 있어서 프로그램 오류가 있어도, 무거운 워크를 보유 지지하고 있을 때에 상태 피드백 제어에 의해 로봇이 제어되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명의 제어 방법에 있어서 다관절 로봇은, 예를 들어 수평 다관절 로봇이다. 수평 다관절 로봇은 그 손끝에 워크를 보유 지지하여 그 워크를 반송하기 위해 종종 사용된다. 그와 같은 수평 다관절 로봇에 본 발명의 제어 방법을 적용함으로써, 로봇에 있어서의 진동의 발생을 억제하여 안정된 제어를 실행한다는 본 발명의 효과가 보다 발휘된다.

본 발명의 제어 장치는, 관절축이 모터에 의해 구동되는 다관절 로봇을 제어하는 제어 장치이며, 지령에 기초하여 상태 피드백 제어를 실행하는 제1 제어부와, 지령에 기초하여 단관성계 모델에 기초하는 제어를 실행하는 제2 제어부와, 다관절 로봇이 보유 지지하는 워크의 질량이 역치 이하일 때는 제1 제어부를 선택하고, 질량이 역치를 초과할 때는 제2 제어부를 선택하는 선택부를 구비하고, 질량에 따라서 선택부에 의해 선택된 제어부의 출력에 의해 모터를 제어한다.

본 발명의 제어 장치에 의하면, 워크의 질량이 작을 때에 상태 피드백 제어에 의해 로봇이 동작하고, 워크의 질량이 클 때에 단관성계 모델에 기초하는 제어에 의해 로봇이 동작하므로, 워크의 질량에 구애되지 않고 진동의 발생을 억제하여 안정적으로 로봇을 제어할 수 있다. 제1 제어부가 실행하는 상태 피드백 제어는, 예를 들어, 2관성계 상태 옵저버에 의한 상태 피드백 제어이며, 일례로서 특허문헌 3에 기재된 상태 피드백 제어이다. 제2 제어부가 실행하는 단관성 모델계에 기초하는 제어는, 예를 들어, P-PI 제어, 혹은 PID 제어이다. 지령은 예를 들어 모터 위치 지령이다.

워크를 보유 지지하는 기능을 갖는 다관절 로봇은, 통상, 워크를 다관절 로봇에 보유 지지시키는 로드 동작과 보유 지지되어 있는 워크를 다관절 로봇으로부터 내리는 언로드 동작을 적어도 규정하여 다관절 로봇의 동작을 제어하는 동작 프로그램에 기초하여 제어된다. 거기서 본 발명의 제어 장치에서는, 그와 같은 동작 프로그램을 실행하는 연산부를 마련함과 함께, 연산부로부터의 전환 지령에 의해 선택부가 제1 제어부와 제2 제어부 중 어느 것을 선택하도록 하는 것이 바람직하다. 이와 같이 구성함으로써, 동작 프로그램에 의해 상태 피드백 제어와 단관성계 모델에 기초하는 제어의 전환이 행해지는 것으로 되어, 보다 적은 처리량으로 제어의 전환을 행할 수 있다.

본 발명의 제어 장치에서는, 연산부가 마련되는 경우에, 연산부는, 워크를 보유 지지하고 있지 않은 다관절 로봇을 워크의 수취 위치까지 이동시킬 때는 선택부에 의해 제1 제어부를 선택하고, 그 후, 질량이 역치를 초과하는 경우에 워크와 다관절 로봇이 접촉하기 전에 선택부에 의해 제2 제어부를 선택하는 것이 바람직하다. 이와 같이 제어부의 선택을 행함으로써, 상태 피드백 제어를 행하고 있는 상태에서 무거운 워크를 보유 지지하는 것에 의한 진동의 발생을 방지할 수 있다.

본 발명의 제어 장치에서는, 연산부가 마련되는 경우에, 연산부는, 워크를 보유 지지한 채 다관절 로봇을 워크의 적하 위치까지 이동시키고, 언로드 동작을 실행한 후, 선택부에 의해 제1 제어부를 선택하도록 해도 된다. 이와 같이 제1 제어부의 선택을 행함으로써, 워크를 보유 지지하고 있지 않을 때는 상태 피드백 제어가 실시되게 되어, 고속 또한 안정적으로 로봇을 이동시킬 수 있다.

본 발명의 제어 장치에서는, 워크의 질량을 측정 또는 추정하여 제1 제어부와 제2 제어부의 전환을 행할 수 있다. 예를 들어, 다관절 로봇이 연직축의 모터를 구비하고 있을 때, 연산부는, 연직축의 모터에 대한 토크 지령값에 기초하여 워크의 질량을 판별해도 된다. 혹은, 소정 조건을 충족하는 워크를 보유 지지하고 있는지를 검출하는 재하 센서를 다관절 로봇이 구비하는 경우라면, 재하 센서에 의해 소정 조건을 충족하는 워크를 검출했을 때에 제2 제어부가 선택되도록 해도 된다. 연직축의 모터의 토크 지령값이나 재하 센서에 의해 워크의 질량을 측정 또는 추정함으로써, 동작 프로그램에 의해 제어의 전환을 행할 때에 있어서 프로그램 오류가 있어도, 무거운 워크를 보유 지지하고 있을 때에 상태 피드백 제어에 의해 로봇이 제어되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명의 제어 장치에 있어서 그 제어 대상이 되는 다관절 로봇은, 예를 들어 수평 다관절 로봇이다. 수평 다관절 로봇은 그 손끝에 워크를 보유 지지하여 그 워크를 반송하기 위해 종종 사용된다. 수평 다관절 로봇의 제어에 본 발명의 제어 장치를 사용함으로써, 로봇에 있어서의 진동의 발생을 억제하여 안정된 제어를 실행한다고 하는 본 발명의 효과가 보다 발휘된다.

본 발명에 따르면, 다관절 로봇을 제어할 때, 로봇이 보유 지지하는 워크의 질량 변화에 구애되지 않고 진동의 발생을 억제하여, 안정된 제어를 행하는 것이 가능해진다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태의 제어 장치의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 2는 수평 다관절 로봇의 구성의 일례를 도시하는 도면이며, (a)는 평면도, (b)는 정면도이다.
도 3은 상태 피드백 제어를 실시했을 때와 P-PI 제어를 실시했을 때에 있어서의 로봇의 선단 진동을 설명하는 파형도이다.
도 4에 있어서, (a), (b)는 상태 피드백 제어를 실시했을 때의 극영점 배치도이다.
도 5에 있어서, (a), (b)는 P-PI 제어를 실시했을 때의 극영점 배치도이다.
도 6은 다른 실시 형태의 제어 장치의 구성을 도시하는 블록도이다.

다음에, 본 발명의 실시 형태에 대해서, 도면을 참조하여 설명한다. 도 1은, 본 발명의 일 실시 형태의 제어 장치를 도시하고 있다.

도 1에 도시되는 제어 장치(10)는 관절축마다 그 축을 구동하는 모터(50)가 마련되는 다관절 로봇의 구동 제어에 사용되는 것이다. 모터(50)에는 모터(50)에 의해 구동되고, 또한 모터(50)에 대하여 반력이나 외란을 가하는 링크(60)가 기계적으로 접속하고 있다. 도 1에 도시하는 링크(60)는 주목하고 있는 모터(50)에 직접 접속하고 있는 링크 혹은 암만을 나타내는 것은 아니며, 주목하고 있는 모터(50)에 대하여 기계적인 영향을 주는, 로봇에 있어서의 모든 부분을 추상적으로 나타내고 있다. 따라서 도 1에 도시하는 링크(60)는 로봇에 있어서의 암 등 외에, 특히 모터(50)에 접속하는 감속기와 로봇에 보유 지지된 워크(70)(도 2 참조)가 포함되어 있다. 모터(50)를 인코더 구비 모터이며, 모터 위치가 제어 장치(10)에 피드백된다. 도 1에서는, 다관절 로봇에 있어서의 1개의 관절축의 제어에 사용되는 부분만이 도시되어 있지만, 실제로는, 각 관절축의 모터(50)에 대하여 그 모터(50)를 제어하기 위한 기구가 마련된다.

제어 장치(10)는, 지령, 예를 들어 모터 위치 지령에 기초하여 모터(50)의 위치와 속도의 제어를 행한다. 모터(50)의 위치와 속도의 제어를 위해, 제어 장치(10)는, 모터 위치 지령에 기초하여 모터(50)의 상태 피드백 제어를 실행하는 상태 피드백 제어부(11)와, 모터 위치 지령에 기초하여 모터(50)의 단관성계 모델에 기초하는 제어를 실행하는 단관성계 제어부(12)와, 상태 피드백 제어부(11)의 출력과 단관성계 제어부(12)의 출력의 어느 한쪽을 선택하는 선택부(13)를 구비하고 있다. 상태 피드백 제어부(11)는 모터 위치가 피드백되어 있고, 2관성계 상태 옵저버에 의한 상태 피드백 제어, 예를 들어 특허문헌 3에 기재된 상태 피드백 제어를 실행한다. 단관성계 제어부(12)에도 모터 위치가 피드백되어 있고, 예를 들어, P-PI 제어 혹은 PID 제어를 실행한다. 선택부(13)는 다관절 로봇이 보유 지지하는 워크(70)의 질량이 역치 이하일 때는 상태 피드백 제어부(11)를 선택하고, 워크(70)의 질량이 역치를 초과할 때는 단관성계 제어부(12)를 선택한다. 모터(50)는 선택부(13)에 의해 선택된 출력에 기초하는 모터 전류에 의해 구동된다.

도 2는, 도 1에 도시하는 제어 장치(10)에 의해 제어되는 다관절 로봇의 일례를 도시하고 있다. 여기에 도시되는 다관절 로봇은, 워크(70)의 반송에 사용되는 수평 다관절 로봇이다. 도 2에 있어서, (a)는 수평 다관절 로봇의 평면도이며, (b)는 수평 다관절 로봇의 정면도이다. 도 2의 (b)에는, 로봇에 접속되는 제어 장치(10)도 그려져 있다. 도시되는 로봇은, 기대(55)에 일단부가 설치되어 수평하게 연장되는 제1 링크(60A)와, 제1 링크(60A)의 타단부에 일단부가 설치되어 수평하게 연장되는 제2 링크(60B)와, 제2 링크(60B)의 타단부에 설치되어 로봇의 엔드 이펙터인 핸드(61)를 구비하고 있다. 핸드(61) 상에, 반송 대상물인 워크(70)가 적재된다. 핸드(61)에 있어서, 제2 링크(60B)와의 접속 위치와는 반대측의 선단이 이 로봇의 손끝 위치가 된다.

기대(55)와 제1 링크(60A)의 접속 위치가 관절 A이며, 관절 A를 구동하기 위해 기대(55) 내에 모터(50A)와 감속기(51A)가 마련되어 있다. 제1 링크(60A)는 감속기(51A)를 통해 모터(50A)에 의해 관절 A를 회전 중심으로 하여 수평면 내를 회전하도록 구동된다. 마찬가지로, 제1 링크(60A)와 제2 링크(60B)의 접속 위치가 관절 B이며, 관절 B를 구동하기 위해 제1 링크(60A) 내에 모터(50B)와 감속기(51B)가 마련되어 있다. 제2 링크(60B)는 감속기(51B)를 통해 모터(50B)에 의해 관절 B를 회전 중심으로 하여 수평면 내를 회전하도록 구동된다. 제2 링크(60B)와 핸드(61)의 접속 위치가 관절 C이며, 관절 C를 구동하기 위해 제2 링크(60B) 내에 모터(50C)와 감속기(51C)가 마련되어 있다. 핸드(61)는 감속기(51C)를 통해 모터(50C)에 의해 관절 C를 회전 중심으로 하여 수평면 내를 회전하도록 구동된다. 그 결과, 이 로봇에서는, 모터(50A, 50B, 50C)를 구동함으로써, 핸드(61)의 방향을 유지한 채, 도시 진행 방향의 화살표로 나타낸 바와 같이, 기대(55)에 접근하거나 기대로부터 멀어지거나 하도록 핸드(61)를 수평면 내에서 이동시킬 수 있다. 수평면 내의 방향이며 진행 방향에 직교하는 방향을 횡방향이라 하자. 로봇에 있어서 관절 A로부터 핸드(61)까지의 부분은 수평 다관절 기구이다. 또한 로봇은, 핸드(61)를 수직 방향으로 승강시키기 위해, 기대(55)의 내부에 승강 기구(56)가 마련되어 있다. 승강 기구(56)는 볼 나사 등을 구비하고, 연직축의 모터(50Z)에 의해 감속기(51Z)를 통해 구동되어, 로봇의 수평 다관절 기구를 승강시킨다.

다음에, 본 실시 형태에 있어서의 상태 피드백 제어와 단관성계 모델에 의한 제어의 전환에 대해서, 도 3을 사용하여 설명한다. 도 2에 도시한 로봇에 있어서 모터(50A, 50B, 50C)를 구동함으로써, 제1 링크(60A) 및 제2 링크(60B)가 완전히 절첩된 상태와, 제1 링크(60A) 및 제2 링크(60B)가 일직선상으로 최대한 신장한 상태 사이에서, 도 2에 도시하는 진행 방향을 따라서 핸드(61)를 왕복 이동시키는 것을 생각한다. 도 3에 있어서 (a)에 도시하는 파형은, 로봇의 손끝 위치에 관한 위치 지령의 시간 변화를 나타내고 있다. 그리고 이와 같이 핸드(61)를 왕복 이동시켰을 때의 손끝 위치에서의 횡방향에서의 진동의 속도를 조사하였다. 핸드(61)에 보유 지지되는 워크(70)로서, 질량이 2kg인 것(「워크 질량: 소」에 대응)과 질량이 80kg인 것(「워크 질량: 대」에 대응)을 사용하였다. 또한, 위치 지령에 기초하는 모터(50A, 50B, 50C)의 제어에 상태 피드백 제어를 사용하는 경우와 P-PI 제어를 사용하는 경우의 양쪽에 있어서, 횡방향에서의 진동의 속도를 조사하였다. 결과를 도 3의 (b) 내지 (e)에 도시한다.

모터(50A, 50B, 50C)의 제어에 상태 피드백 제어를 사용했을 때는, 워크(70)의 질량이 작으면, 도 3의 (b)에 도시한 바와 같이, 양호한 제진 효과가 얻어졌지만, 워크(70)의 질량이 크면, 도 3의 (c)에 도시한 바와 같이 진동이 수렴하지 않고, 발산하였다. 즉, 워크(70)의 질량이 클 때는, 상태 피드백 제어에 의해서는 제어가 불안정해지는 것을 알았다. 한편, 모터(50A, 50B, 50C)의 제어에 P-PI 제어를 사용했을 때는, 워크(70)의 질량이 작은 경우(도 3의 (d)) 및 질량이 큰 경우(도 3의 (e)) 중 어느 것에 있어서도 제진 효과가 얻어졌다. 단, 워크(70)의 질량이 작을 때는, 상태 피드백 제어의 쪽이 P-PI 제어보다도 양호한 제진 효과를 나타냈다.

이와 같이, 워크의 질량에 따라서 제어의 거동이 변화되는 것에 대해서, 도 4 및 도 5를 사용하여 설명한다. 도 4 및 도 5는, 도 3의 (b) 내지 (e)에 도시하는 각각의 경우에 있어서의, 관절 A의 모터(50A)의 위치 지령으로부터 관절 A의 각도까지의 극-영점의 배치를 나타내고 있고, 도면 중, 일점쇄선의 사각으로 둘러싼 극은 대표극이다. 도 4는, 모터 제어에 상태 피드백 제어를 사용한 경우를 나타내고 있고, (a)는 워크 질량이 작을 때의 극영점 배치도이며, (b)는 워크 질량이 클 때의 극영점 배치도이다. 도 5는 모터 제어에 P-PI 제어를 사용한 경우를 나타내고 있고, (a)는 워크 질량이 작을 때의 극영점 배치도이며, (b)는 워크 질량이 클 때의 극영점 배치도이다.

다관절 로봇의 경우, 관절간의 토크에 축간 간섭력이 발생한다. 워크의 질량이 큰 경우에는 축간 간섭력이 커져, 각 축을 2관성계에서는 근사시킬 수 없게 되어, 상태 피드백 제어보다도 단관성계 제어의 쪽이 로버스트성이 높아진다. 각 축 모터 위치 지령값으로부터 각 축 관절 각도까지의 대표극은, 가벼운 워크를 보유 지지하는 경우는, 도 4의 (a)와 도 5의 (a)를 비교하면 알 수 있는 바와 같이, 단관성계 모델에 기초하는 제어(P-PI 제어)보다도 상태 피드백 제어의 쪽이 허축으로부터 마이너스의 방향으로 이격되어 있다. 따라서, 상태 피드백 제어의 쪽이 제진 성능이 높다. 반대로, 무거운 워크를 보유 지지하는 경우는, 도 4의 (b)와 도 5의 (b)를 비교하면 알 수 있는 바와 같이, 대표극의 실부는, 단관성계 모델에 기초하는 제어에서는 마이너스이지만, 상태 피드백 제어에서는 플러스이며 소위 불안정 영역에 있다. 따라서, 단관성계 모델에 기초하는 제어의 쪽이 안정성이 높다.

그래서 본 실시 형태에서는, 모터의 제어 형태를, 워크(70)의 질량이 작은 경우는 상태 피드백 제어에, 질량이 큰 경우에는 단관성계 모델에 기초하는 제어로 전환함으로써, 가벼운 워크를 반송할 때의 제진 성능을 확보하면서, 무거운 워크를 실은 상태에서의 안정성을 확보하고 있다. 상태 피드백 제어에 있어서 질량이 큰 워크를 보유 지지할 때에 제어가 불안정해지는 것은, 계에 있어서 감속기 등에 의한 스프링 요소의 성분이 커지는 경우나, 착안하고 있는 관절로부터 워크까지의 거리가 길어지는 경우에 현저해진다. 따라서, 도 2에 도시하는 로봇에 있어서, 워크(70)의 보유 지지 위치에서 먼 모터, 예를 들어 관절 A의 모터(50A)에 있어서만, 혹은 관절 A와 관절 B의 모터(50A, 50B)에서만, 워크(70)의 질량에 따른 상태 피드백 제어와 단관성계 모델에 기초하는 제어의 전환을 행하도록 해도 된다.

이상 설명한 실시 형태에서는, 로봇에 있어서 보유 지지되는 워크의 질량에 따라서 상태 피드백 제어와 단관성계 모델에 기초하는 제어를 전환하여 모터를 제어함으로써, 로봇이 보유 지지하는 워크의 질량 변화에 구애되지 않고 진동의 발생을 억제하여, 안정된 제어를 행하는 것이 가능해진다.

도 6은, 본 발명의 다른 실시 형태의 제어 장치(10)를 도시하고 있다. 일반적으로 다관절 로봇은, 동작 프로그램을 실행함으로써 동작이 제어된다. 워크(70)를 반송하거나 혹은 보유 지지하는 로봇의 동작 프로그램은, 워크(70)를 다관절 로봇의 예를 들어 핸드(61)에 보유 지지시키는 로드 동작과, 보유 지지되어 있는 워크를 다관절 로봇으로부터 내리는 언로드 동작을 적어도 규정하고, 또한 로봇의 이동 경로 등을 규정한다. 유저 장치간에서 워크(70)의 반송을 행하는 것으로서, 로드 동작에서는, 워크(70)를 보유 지지하고 있지 않은 상태의 로봇(10)이 반송원의 유저 장치에 있어서의 워크(70)의 수취 위치까지 이동한다. 로드 동작에 있어서 실제로 워크(70)를 로봇(10)의 핸드(61) 상에 보유 지지시킬 때는, 예를 들어, 로봇(10)의 연직축 방향의 움직임에 의해 핸드(61) 상에 워크(70)가 적재되도록 해도 되고, 유저 장치측의 움직임에 의해 핸드(61) 상에 워크(70)가 적재되도록 해도 된다. 파지형의 핸드를 사용할 때는 핸드에 의해 워크를 파지하도록 해도 된다. 마찬가지로 언로드 동작에서는, 워크(70)를 보유 지지하고 있는 로봇(10)이 반송처의 유저 장치에 있어서의 워크(70)의 적하 위치로까지 이동한다. 언로드 동작에 있어서 실제로 워크(70)를 로봇(10)의 핸드(61)로부터 적하할 때는, 로봇(10)의 연직축 방향의 움직임에 의해 워크(70)가 유저 장치측에 적하되도록 해도 되고, 유저 장치측의 움직임에 의해 워크(70)가 적하되도록 해도 된다. 파지형의 핸드를 사용할 때는 핸드가 그 파지하고 있는 워크를 해방하도록 해도 된다.

도 6에 도시하는 제어 장치(10)는 도 1에 도시하는 제어 장치(10)와 마찬가지의 것이지만, 추가로 동작 프로그램을 실행하여 모터 위치 지령을 생성하는 연산부(14)와, 동작 프로그램을 저장하는 기억부(15)를 구비하고 있다. 동작 프로그램은, 일반적으로, 어떠한 워크에 대하여 어떠한 처리를 행하는 것인지, 예를 들어 어디에서 어디로 워크를 반송하는 것인지가 기지인 것으로서 제작되어 있으므로, 동작 프로그램의 실행 시에 있어서 워크의 질량은 기지라고 생각할 수 있다. 그래서 동작 프로그램에, 상태 피드백 제어와 단관성계 모델에 기초하는 제어의 어느 쪽에 의해 모터를 제어할지를 기술해 두면, 연산부(14)는 동작 프로그램을 실행했을 때에 선택부(13)에 대하여 전환 지령을 출력할 수 있고, 선택부(13)는 전환 지령에 기초하여 상태 피드백 제어부(11)의 출력과 단관성계 제어부(12)의 출력의 전환을 행할 수 있다.

연산부(14)가 실행하는 동작 프로그램에 의해 로봇이 제어되는 경우, 워크(70)를 보유 지지하고 있지 않은 상태에서 로봇을 워크(70)의 수취 위치까지 이동시킬 때는 상태 피드백 제어부(11)를 선택하고, 그 후, 무거운 워크(역치를 초과하는 질량의 워크)를 보유 지지할 때, 워크(70)와 핸드(61)가 접촉하기 전에 선택부(13)에 의해 단관성계 제어부(12)의 출력을 선택할 수 있다. 이와 같이 제어를 행함으로써, 상태 피드백 제어를 행하고 있는 상태에서 무거운 워크(60)를 보유 지지하는 것에 의한 진동의 발생을 방지할 수 있다. 또한, 연산부(14)가 실행하는 동작 프로그램에 의해 로봇이 제어되는 경우, 워크(70)를 보유 지지한 로봇을 워크에(70) 적하 위치까지 이동시키고, 언로드 동작을 실행한 후, 선택부(13)에 의해 상태 피드백 제어부(11)의 출력을 선택할 수 있다. 이와 같이 제어를 행함으로써, 워크(70)를 보유 지지하고 있지 않을 때는 상태 피드백 제어가 실시되게 되어, 고속 또한 안정적으로 로봇을 이동시킬 수 있다.

동작 프로그램에 기초하여 연산부(14)가 선택부(13)로 전환 지령을 출력하는 경우, 동작 프로그램의 프로그램 오류에 의해, 무거운 워크(70)를 보유 지지하고 있을 때에 상태 피드백 제어가 실행될 우려가 있다. 또한, 동작 프로그램에 구애되지 않고 로봇을 운전하는 수동 운전 동작에서는, 상태 피드백 제어와 단관성계 모델에 기초하는 제어를 자동적으로 전환하는 것이 바람직하다. 그래서, 본 실시 형태의 제어 장치(10)에서는, 워크의 질량을 측정 또는 추정하여 상태 피드백 제어와 단관성계 모델에 기초하는 제어를 전환할 수 있도록 구성하는 것도 가능하다.

도 2에 도시한 바와 같이 연직축의 모터(50Z)를 구비하는 로봇을 제어하는 제어 장치(10)에서는, 연직축의 모터(50Z)를 제어하는 연직축 제어부(16)가 마련된다. 로봇이 승강하지 않을 때라도 연직축의 모터(50Z)는 로봇과 워크(70)의 질량을 보유 지지하기 위한 보유 지지 토크를 발생시키고, 수직축 제어부(16)는 보유 지지 토크에 어울리는 토크 지령값을 발생시키고, 토크 지령값에 대응하는 모터 전류로 모터(50Z)를 구동한다. 로봇의 기구의 각 부의 질량은 기지이기 때문에, 연산부(14)는 연직축의 모터에 대한 토크 지령값에 대응하는 질량을 구하고, 그 질량으로부터 로봇측의 각 부의 질량을 차감함으로써 워크(70)의 질량을 구할 수 있고, 워크(70)의 질량에 따라서 전환 지령을 출력할 수 있다.

로봇에서는, 소정 조건을 충족하는 워크(70)를 보유 지지하고 있는지 여부를 검출하는 재하 센서(62)를 핸드(61)에 마련하고, 재하 센서(62)에 의한 검출 결과를 연산부(14)에 송신하는 구성으로 되어 있는 경우가 있다. 그와 같은 재하 센서(62)가 마련되어 있는 경우에는, 재하 센서(62)에 의해 소정 조건을 충족하는 워크를 검출했을 때, 전환 지령에 의해 선택부(13)가 단관성계 제어부(12)의 출력을 선택하도록 할 수도 있다. 재하 센서는 질량을 검출하는 것이어도 되지만, 두께나 평면 치수가 소정값 이상인 워크(70)를 검출하는 것이어도 된다. 두께나 평면 치수가 큰 워크는 질량이 큰 워크라고 추정할 수 있으므로, 재하 센서(62)의 검출 결과에 따라서 상태 피드백 제어와 단관성계 모델에 기초하는 제어를 전환함으로써, 무거운 워크를 보유 지지하고 있을 때에 상태 피드백 제어에 의해 로봇이 제어되는 것을 방지할 수 있다.

도 6에 도시한 제어 장치(10)를 사용함으로써, 동작 프로그램에 의해 상태 피드백 제어와 단관성계 모델에 기초하는 제어의 전환을 행할 수 있으므로, 보다 적은 처리량으로 제어의 전환을 행할 수 있다.

10: 제어 장치
11: 상태 피드백 제어부
12: 단관성계 제어부
13: 선택부
14: 연산부
15: 기억부
50, 50A, 50B, 50C, 50Z: 모터
51A, 51B, 51C, 51Z: 감속기
55: 기대
56: 승강 기구
60, 60A, 60B: 링크
61: 핸드
62: 재하 센서
70: 워크

Claims (14)

1. 관절축이 모터에 의해 구동되는 다관절 로봇을 제어하는 제어 방법이며,
   적어도 하나의 상기 모터에 관해서, 지령에 기초하여, 상기 다관절 로봇이 보유 지지하는 워크의 질량이 역치 이하일 때는 상태 피드백 제어를 실시하고 상기 질량이 상기 역치를 초과할 때는 단관성계 모델에 기초하는 제어를 실시하도록, 상기 질량에 따라서 전환하여 제어를 행하는 제어 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 워크를 상기 다관절 로봇에 보유 지지시키는 로드 동작과 보유 지지되어 있는 상기 워크를 상기 다관절 로봇으로부터 내리는 언로드 동작을 적어도 규정하는 동작 프로그램에 기초하여 상기 다관절 로봇의 동작을 제어하고,
   상기 동작 프로그램에 의해 상기 상태 피드백 제어와 상기 단관성계 모델에 기초하는 제어의 전환을 행하는 제어 방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 워크를 보유 지지하고 있지 않은 상기 다관절 로봇을 상기 동작 프로그램에 기초하여 상기 워크의 수취 위치까지 이동시킬 때는 상기 상태 피드백 제어를 실시하고, 그 후, 상기 질량이 상기 역치를 초과하는 경우에 상기 워크와 상기 다관절 로봇이 접촉하기 전에 상기 단관성계 모델에 기초하는 제어로 전환하는 제어 방법.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
   상기 동작 프로그램에 기초하여 상기 워크를 보유 지지한 채 상기 다관절 로봇을 상기 워크의 적하 위치까지 이동시키고, 상기 언로드 동작을 실행한 후, 상기 상태 피드백 제어로 전환하는 제어 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   연직축의 모터가 상기 다관절 로봇에 구비되어 있고,
   상기 연직축의 모터에 대한 토크 지령값에 기초하여 상기 워크의 질량을 판별하는 제어 방법.
6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   소정 조건을 충족하는 상기 워크를 보유 지지하고 있는지를 검출하는 재하 센서가 상기 다관절 로봇에 구비되어 있고,
   상기 재하 센서에 의해 상기 소정 조건을 충족하는 상기 워크를 검출했을 때, 상기 단관성계 모델에 기초하는 제어로 전환하는 제어 방법.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 다관절 로봇은 수평 다관절 로봇인 제어 방법.
8. 관절축이 모터에 의해 구동되는 다관절 로봇을 제어하는 제어 장치이며,
   지령에 기초하여 상태 피드백 제어를 실행하는 제1 제어부와,
   상기 지령에 기초하여 단관성계 모델에 기초하는 제어를 실행하는 제2 제어부와,
   상기 다관절 로봇이 보유 지지하는 워크의 질량이 역치 이하일 때는 상기 제1 제어부를 선택하고, 상기 질량이 상기 역치를 초과할 때는 상기 제2 제어부를 선택하는 선택부
   를 구비하고,
   상기 질량에 따라서 상기 선택부에 의해 선택된 제어부의 출력에 의해 상기 모터를 제어하는 제어 장치.
9. 제8항에 있어서,
   상기 워크를 상기 다관절 로봇에 보유 지지시키는 로드 동작과 보유 지지되어 있는 상기 워크를 상기 다관절 로봇으로부터 내리는 언로드 동작을 적어도 규정하여 상기 다관절 로봇의 동작을 제어하는 동작 프로그램을 실행하는 연산부를 더 구비하고,
   상기 연산부로부터의 전환 지령에 의해 상기 선택부가 상기 제1 제어부와 상기 제2 제어부 중 어느 것을 선택하는 제어 장치.
10. 제9항에 있어서,
    상기 연산부는, 상기 워크를 보유 지지하고 있지 않은 상기 다관절 로봇을 상기 워크의 수취 위치까지 이동시킬 때는 상기 선택부에 의해 상기 제1 제어부를 선택하고, 그 후, 상기 질량이 상기 역치를 초과하는 경우에 상기 워크와 상기 다관절 로봇이 접촉하기 전에 상기 선택부에 의해 상기 제2 제어부를 선택하는 제어 장치.
11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 연산부는, 상기 워크를 보유 지지한 채 상기 다관절 로봇을 상기 워크의 적하 위치까지 이동시키고, 상기 언로드 동작을 실행한 후, 상기 선택부에 의해 상기 제1 제어부를 선택하는 제어 장치.
12. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다관절 로봇은 연직축의 모터를 구비하고 있고,
    상기 연산부는, 상기 연직축의 모터에 대한 토크 지령값에 기초하여 상기 워크의 질량을 판별하는 제어 장치.
13. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다관절 로봇은, 소정 조건을 충족하는 상기 워크를 보유 지지하고 있는지를 검출하는 재하 센서를 구비하고,
    상기 재하 센서에 의해 상기 소정 조건을 충족하는 상기 워크를 검출했을 때, 상기 제2 제어부가 선택되는 제어 장치.
14. 제8항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다관절 로봇은 수평 다관절 로봇인 제어 장치.

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