WO1988000369A1 - Robot control apparatus - Google Patents

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WO1988000369A1
WO1988000369A1 PCT/JP1987/000450 JP8700450W WO8800369A1 WO 1988000369 A1 WO1988000369 A1 WO 1988000369A1 JP 8700450 W JP8700450 W JP 8700450W WO 8800369 A1 WO8800369 A1 WO 8800369A1
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robot
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Inventor
Mitsuo Kurakake
Keiji Sakamoto
Takashi Iwamoto
Original Assignee
Fanuc Ltd
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B19/02—Programme-control systems electric
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    • G05B19/19—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by positioning or contouring control systems, e.g. to control position from one programmed point to another or to control movement along a programmed continuous path
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    • G05B19/23—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by positioning or contouring control systems, e.g. to control position from one programmed point to another or to control movement along a programmed continuous path using an incremental digital measuring device for point-to-point control
    • G05B19/231—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by positioning or contouring control systems, e.g. to control position from one programmed point to another or to control movement along a programmed continuous path using an incremental digital measuring device for point-to-point control the positional error is used to control continuously the servomotor according to its magnitude
    • G05B19/237—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by positioning or contouring control systems, e.g. to control position from one programmed point to another or to control movement along a programmed continuous path using an incremental digital measuring device for point-to-point control the positional error is used to control continuously the servomotor according to its magnitude with a combination of feedback covered by G05B19/232 - G05B19/235
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
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    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1602—Programme controls characterised by the control system, structure, architecture
    • B25J9/1607—Calculation of inertia, jacobian matrixes and inverses
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/33—Director till display
    • G05B2219/33074—Calculation loop, first one slow changing value, then several quick varying values
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/39—Robotics, robotics to robotics hand
    • G05B2219/39178—Compensation inertia arms

Definitions

  • a torque command of a mouth arm is calculated online based on an equation of motion of a manipulator, and each driving means is servo-controlled.
  • each driving means is servo-controlled.
  • the drive torque of the servo motor used to drive such an ⁇ -bottom is the weight and arm of the work gripped by the hand. It is determined as a function of the inertia, which is determined by the length of the work.However, when the work is gripped or not, it is necessary for exercise. The torque is different. Therefore, the operator inputs into the control device whether or not the robot is working, and the weight of the work. In the control system, the control system performed complicated simultaneous equations, measured the inertia, and used this to command the torque of the thermomotor. As a result, the operation of the driving torque for the servomotor is complicated, and the processing of the control device is also complicated. For example, there was a problem in that calculation of the control current required rejection of a high-speed calculation capability.
  • Takishiaki has been developed to solve these problems, and shortens the operation time required for torque calculation, thereby disturbing other processes such as current control.
  • the purpose is to provide an inexpensive mouth bot control device that can perform control with good accuracy.
  • the mouth bot control device of Taimei is configured as follows. Immediately, the servomotor that drives the manipulator through the robot arm and the dynamic torque of this servomotor are calculated by the equations of motion. The operation time of the arithmetic means and the inertia term included in the above-mentioned motion equation is larger than the operation time period of the driving torque according to the position of the robot arm.
  • Fig. 1 shows a block diagram of * Kiyoshi
  • Fig. 2 shows a schematic linear diagram
  • Fig. 3 is a flowchart showing an example of the operation
  • Fig. 4 is an external view of a horizontal articulated robot.
  • FIG. 1 is a schematic block diagram of the present invention.
  • a is the input device
  • b is the CPU (central processing unit)
  • c is the robot hand
  • the robot hand has gripped the work.
  • This is a sensor that detects the weight, for example, a weight detector provided between the D-bottom hand and the wrist can be used.
  • d is a servo control circuit
  • e is a servo motor for driving each axis of the robot
  • f is a pulse coder that detects the rotation angle of the servo motor
  • g is a servo motor. This is a tachogenerator that detects the number of revolutions.
  • the horizontally articulated robot shown in FIG. 4 can be represented by a simplified diagram as shown in FIG. In the figure,
  • the drive torque Ti of the first ⁇ 01 is calculated by the following equation of motion. Is represented. That is,
  • T! [X m 1 i £ 1 I 2 + 2 m 2 i ⁇ il i 2
  • the weight m 2 11 of the op-les-over data species' s word over click The input is input to the CPU b in advance by the input device a, and the CPU b depends on the weight of each work and depends only on the position of the manipulator in the above torque calculation formula. Find the coefficients A, B, C, and D of the terms and ait as the inertia term corresponding to the weight of the peak and the arm position.
  • a signal for determining that the work has been gripped from the sensor c is sent to the CPU b.
  • the CPU b sends the signal sent from this sensor c and the manipulator from the pulse coder f.
  • the corresponding inertia term is read out, and the drive torque is compensated for the servo motor e by the feed mode.
  • the control signal is sent to the servo control circuit d.
  • the ⁇ -bot control device checks the robot's control program. With this force, it is possible to determine the type of work to be gripped or the type of work being gripped.
  • FIG. 3 is a ⁇ -chart showing an example of an arithmetic operation in the above-mentioned port control device.
  • step d the speeds and accelerations 01, ⁇ 1, ⁇ z, and 02 of the first axis and the second axis are obtained (step d), and are calculated by the above step c.
  • the torque TJL is calculated from the stored initial value (step e), and the torque axis is given to the first axis (step f).
  • This calculation cycle (steps d to f) is repeated n times (step g), during which the calculation cycle is repeated.
  • step a after the same inertia value is deviated from the reference. Assuming that the calculation time in the above step e is B, the flow in FIG. 3 is repeated with a period AC> nB).
  • the operation period A of the inertia term may be set to be larger than the operation cycle of the drive torque in accordance with the movement of the hand, and the present invention is limited to the above embodiment. Without departing from the spirit and scope of the present invention, various modifications are possible, and these are not excluded from the scope of the present invention.
  • Suekiaki relates to a horizontally articulated robot, but it can also be applied to an implanted robot or other types of industrial robots.

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Description

明 細 書
ロ ポ ッ ト 制御装置
技 術 分 野
本発明 は 、 マ ニ ピ ュ レ ー タ の運動方程式 に 基 づ い て 口 ボ ッ ト ア ー ム の ト ル ク 指令を オ ン ラ イ ン で演算 し 、 各鼷 動手段 を サ ー ボ制御 す る ロ ボ ッ ト 制御装置 に 関 す る 。
背 景 技 術
最近 、 工場 の組立 ラ イ ン等では、 第 4 図 に 示 す よ う な 水 平 関 節 形 ロ ボ ッ 卜 が用 い ら れ る よ ラ に な っ て き て い る 。 こ の タ イ プ の α ボ ッ ト は 、 ポ ス ト 1 、 第 1 ア ー ム
2 、 第 2 ア ー ム 3 、 ハ ン ド 4 、 関節轴 5 、 ケ ー ブル 6 、 支 合 1 1 、 カ バ 一 2 2 ， 3 2 等 よ り 構成 さ れ、 図示 し な い サ ー ボ モ ー タ に よ リ ア ー ム お よびハ ン ドが鬆動 され 、 ワ ー ク の把持 、 そ の 他 の動作を行な う と き 、 サ ー ボ制御 用 の マ イ ク ロ コ ン ピ ュ ー タ に よ り マニ ピ ュ レ ー タ の運動 方程式 に 基づ い て π ボ ッ ト ア ー ム の ト ル ク 指 · を オ ン ラ イ ン で演箕 し 、 各駆動手段を サー ボ制御 す る よ う に し て い る 。
こ の よ う な α ボ ッ ト ァ.一 ム の駆動 に用 い ら れ る サ 一 ボ モ ー タ の駆動 ト ル ク は 、 ハ ン ドが把持す る ワ ー ク の重量 と ア ー ム の長 さ に よ り 決定 され る イ ナ一 シ ャ の 関数 と し て求め ら れ る が、 ワ ー ク を把持 し て い る 時 と 、 そ う で な い 時 と で は 、 運動 に 必要 な ト ル ク が異 な っ て い る 。 し た が っ て 、 オ ペ レ ー タ は ロ ボ ッ ト ァ 一 ム カ ワ ー ク を 摑ん で い る か ど う か や 、 そ の ワ ー ク の重量 な ど を 制御 装置 に 入 力 し 、 制御装置では複雑な連立方程式を演箕 し て イ ナ 一 シ ャ を計箕 し 、 こ れ に よ り サーポモー タ の蘿動 ト ル ク を 指令 し ていた。 こ のため、 サ一ボモータ に対する駆動 ト ル ク の指今操作が煩雑 と な り 、 制御装置の演箕処理も 複 雑 と な り 、 こ の演算処理の期間中に他のバラ メ ー タ 、 例 えば制御電流の演算を行なう には、 拒当 に高速 な演算能 力が必要 と な る等の問題があ っ た。
太癸明は、 こ う し た問題点を解決すべ く な された も の で、 ト ル ク 計算に必要な演算時間の短縮を 図る こ と で 、 電流制御な どの他の処理が妨害される こ と な く 、 しか も 耩度良 く 制御 を実行でき る安価な口 ボッ ト 制御装置を提 供する こ と を 目 的 と している。
発 明 の 開 示
太宪明の 口ボ ッ ト 制御装置は次の よ う に構成 される 。 即 ち 、 ロ ボ ッ ト アー ム を媒介に してマニ ピ ュ レ ー タ を駆 動する サ ー ボ モー タ と 、 こ のサーボモ ー タ の ¾動 ト ル ク を運動方程式に ょ リ 演算する演算手段 と 、 前記運動方程 式 に含 まれ る イ ナ ー シ ャ 項 に つ い て の演箕を ロ ボ ッ ト ア ー ム の位置に応 じ て駆動 ト ルク の演箕周期よ り 大き い 所定の周期で実行 し その演箕結果を逐次に更新記億す る 記億手段 と 、 前記運動方程式 に基づ き サ一ボモー タ の フ ィ ー ド フ ォ ヮ 一 ド捕償を行な う制御手段 と を具備する こ と を特徵 と する も の である。
図面の簡単な説明
第 1 図 は *癸明 の プ ロ ッ ク 図 、 第 2 図は概略の線形 図、 第 3 図は動作の一例を示す流れ図、 第 4 図 は水平関 節形 ロ ボ ッ ト の外観図であ る。
発明 を実施す る ための最良の形
以下、 図面 を用 い て本発明の一実施例 に つ い て詳細 に 説明 す る 。 第 1 図 は 、 本発明 の 概略 の ブ π ッ ク 図で あ る 。 図 に おい て、 a は入力装置、 b は C P U ( 中央処理 装置） 、 c は ロ ボ ッ ト ハ ン ド、に設け ら 、 ロ ホ ッ ト ハ ン ド が ワ ー ク を把持 し た こ と を検出する セ ン サ で あ り 、 例 え ば D ボ ッ ト ハ ン ド と 手首 と の間に設けた重量検 出器を 用 い る こ と が出来 る 。
d は サ ー ボ 制御 回路 、 e は ロ ボ ッ ト の各軸駆動用 の サ ー ボ モ ー タ 、 f は サー ボモー タ の回転角度 を検出 す る パル ス コ ー ダ 、 g は サー ボモー タ の回転数 を検 出す る タ コ ジ ェ ネ レ ー タ であ る 。
次に 、 *発明 の ロ ボ ッ ト 制御装置に よ る サ 一 ボ モ ー タ e に対す る ト ル ク 指会の方法について説明-す る 。 第 4 図 に示 し た水平関節形 ロ ボ ッ ト は、 第 2 図 の よ う に簡略化 し た線図 に よ り 表わ す こ とがで き る 。 図 に お い て 、
ϋ 1 ： 第 1 ア ー ム の長 さ
2 ： 第 2 アー ム の長 さ
2 ' ： 回転軸 0 2 か ら 、 ハ ン ド ま で の長 さ 但 し 、 簡単のため、 £ 2 = ϋ 2 ' と す る m 1 i , m 2 j ： そ れぞれの铀の ァ 一 ム 重畺 を k , n 分割 し た際の第 i 番目 、 第 j 番 目 の重量 1 i , S. 2 〗 ： 铀の回転中心か ら重量分割 点 i , j ま で の長 さ
ま た 、 ワ ー ク の重量を、 第 2 ア ー ム の n 番 目 の質点 ノ 重量 012 II と 考え る と 、 第 1 轴 0 1 の駆動 ト ル ク T i は 次の運動方程式に ょ リ 表わされる。 即ち 、
T ！ = [ X m 1 i £ 1 I 2 + 2 m 2 i { il i 2
+ Jl z j 2 + 2 £ l S. z j cos Θ z } ] d i
+ [ ∑ m 2 J C Si 2 J 2 + S. 1 1 2 j C O S Θ 2 ) ] 2
- [ X m 2 J ( 2 £ i £ 2 n sin ø 2 )】 i θ 2 - [ X m 2 I C 1 1 2 n sin Θ 2 ) Q z 2 = A 5 1 + B Θ 2 - C Θ 1 Θ 2 - D 5 2 2 こ こ で 、 各非線形項の係数 A , Β , C ， D は、 ワ ー ク の重量 と ア ー ム位置 と に対応する イ ナ一シ ャ を表わ し て いる 。
さ て、 こ の よ う な水平閬節形ロボ ッ ト を実際に工場の 組立 ラ イ ン等 で使用す る 際 に は 、 オペ レ ー タ は種 々 の ワ ー ク の重量 m 2 11 を入力装置 a によ り C P U b に予め 入力 し てお き 、 C P U b は、 各 ワ ー ク の重量に基づい て 上記 ト ル ク 算定式の う ちのマニ ピュ レー タ の位置のみ に 依存す る 非線形項の係数 A ， B ， C , D を求め て、 ヮ 一 ク の重量 と ア ー ム位置 と に対応する イ ナ ー シ ャ 項 と し て ai t し て お く 。
次に 、 ロ ボ ッ ト が稼動 して ワ ー ク を把持する と 、 セ ン サ c か ら ワー ク を把持 したこ と を判別す る信号が C P U b に送出 され る 。 C P U b は、 こ の セ ン サ c よ り 送 ら れ て きた信号 と 、 パ ル ス コ ーダ f から のマニ ピ ュ レ ー タ の 位置信号 に応 じ て 、 対応する イ ナ一シ ャ 項 を 読 み 出 し 、 サ ー ボ モ ー タ e に 対 し て フ ィ 一 ド フ ォ ヮ ー ド で駆動 ト ル ク を 補 償 す る 制 御 信 号 を サ ー ボ 制 御 回 路 d に 送 出 す る 。
な お 、 ボ ッ ト の ワ ー ク の把持動作 に お い て 、 π ボ ッ ト 制 御 装 置 は 、 ロ ボ ッ ト の コ ン ト ロ ー ル プ ロ グ ラ ム を チ ェ ッ ク し 、 こ れ力 ら把持 し ょ う と す る ワ ー ク 、 あ る い は 把 持 し て い る ワ ー ク の 種 類 を 判 別 す る こ と が で き る 。
第 3 図 は 、 上記 ロ ポ ッ ト 制御装置での 演算動作 の一例 を 示す フ σ—チ ヤ 一 ト で あ る 。
第 1 轴 に ト ル ク 指今 を与え る ため に は 、 ト ル ク 箕定式 力 ら Τ ι を 計算 し な く て は な ら ないが、 通常の α ボ ッ ト の運動方程式 に お い て は 、 ア ー ム の位置 の変化率は 、 速 度や加速度の変化率 よ り 小 さ い と 想定 さ れ る こ と 力ゝ ら 、 ま ず第 2 軸の 位置つ ま り 回転角度 0 2 を 得 る （ ス テ ッ プ a ) 。 こ の 角度 を も と に し て 、 関数テ ー ブル な どか ら 対 応す る 正弦値 、 余弦値 を計箕 し （ ス テ ッ プ b ) 、 ワ ー ク の 重 量 に 応 じ た イ ナ 一 シ ャ 項 を 計 算 す る 〔 ス テ ッ プ c ) 。 つ ぎ に 、 第 1 轴、 第 2 軸の それぞれ の速度、 加速 度 0 1 ， Θ 1 ， Θ z ， 0 2 を得 （ ス テ ッ プ d ) 、 上記 ス テ ツ プ c で計算 さ れ 、 記憶 されてい る イ ナ 一 シ ャ 値 よ り ト ル ク T JL を 計算 し （ ス テ ッ プ e ) 、 第 1 軸 に ト ル ク 指 今 を 与 え る （ ス テ ッ プ f ) 。 こ の計算サ イ ク ル （ ス テ ツ プ d 〜 f ) は 、 n 回繰 り 返 され （ ス テ ッ プ g ) 、 そ の 間 は同一の イ ナ ー シ ャ 値が基準と ざれ、 そ の後ス テ ツ ブ a に 復帰 す る 。 上記 ス テ ッ プ e で の 計算時間を B と す る と 、 第 3 図 の フ ロ ー は周期 A C > n B ) で繰 り 返され る 。
なお、 本発明は、 上記実施例のよ う に イ ナ一 シ ャ 項の 演算周期 A を ト ル ク の計算周期 B の II倍 に 固定 し て決め てお く 必要は な く 、 例えばロ ボ ッ ト ハ ン ドの動 き に応 じ て適宜に駆動 ト ルク の演算周期に対して イ ナー シ ャ項の 演箕の周期を大き ぐ 設定すればよ く 、 本発明は上記実施 例に限定ざれ る も の ではな く 、 本発明の趣旨の範囲内で 種 々 の変形が可能でぁ リ 、 これ らを末発明の範囲か ら排 除する も の ではない。
以上説明 し た よ う に、 *癸明に よれば、 ロ ボ ッ 卜 の還 動方程式を用 い て ト ル ク計算を行な う際 に 、 位置の変化 率が 、 速度や加速度の変化率 よ り 小 さ い こ と か ら 、 ィ ナー シ ャ 項の計算周期 A を ト ル ク の計箕周期 B よ り 長 く 設定 し 、 ト ル ク 計箕 に 必要 な時簡 を 短縮 し た こ と に よ リ 、 電流制御 な ど他の演算処理を妨害す る こ と な く 精度 良い ト ル ク 指令を形成でき、 ト ルク 制御 と 共に電流制御 等を同時に処理する う えで都合が良い。
産業上の利用可能性
末癸明 は 、 水平関節型 ロ ボ ッ 卜 に 関 する も の で あ る が、 これを植座標型 あ る いは他の形式の産業用 ロ ボ ッ ト に も 適用で き る 。

Claims

一 7 — 請 求 の 範 囲
( 1 ) マ ニ ピ ュ レ ー タ の運動方程式に 基づい て ロ ポ ッ ト ア ー ム の ト ル ク 指令を オ ン ラ イ ン で演算 し 、 各駆動手 段を サ ー ボ制御す る ロ ボ ッ ト 制御装置は 、 次 を 含む ： ロ ボ ッ ト ア ー ム を 媒介に し てマニ ピュ レ ー タ を駆動す る サー ボモ ー タ ；
こ の サ一 ポ モー タ の駆動 ト ル ク を運動方程式 に よ り 演 算す る 演算手段 ；
前記運動方程式に 含 まれる ィ ナー シ ャ 項 に つい て の演 算を ロ ボ ッ ト ア ー ム の位置に応 じて駆動 ト ル ク の演算周 期 よ リ 大 き い所定の周期で実行 しそ の演算結果 を逐次 に 更新記憶する 記憶手段 ；
前記運動方程式に基づき サ一 ボモー タ の フ ィ 一 ド フ ォ ヮ ー ド補償を行な ラ 制御手段。
( 2 ) 前記演算手段での イ ナ一 シ ャ 項 の演算周期が 、 駆動 ト ル ク の演算周期 よ り 大 き い固定周期 に て制御 さ れ てい る こ と を特徴 と す る 請求の範囲第 （ 1 ) 項記載の 口 ボ ッ ト 制御装置。
( 3 ) 前記演算手段での イ ナー シ ャ項の演算周期が 、 ロ ボ ッ ト ア ー ム の動作速度に応 じた可変周期 に て制御 さ れてい る こ と を特徴 と す る請求の範囲第 （ 1 ) 項記載 の ロ ボ 、、/ ト 制御装置。
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