JPH0149962B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は産業用ロボツト、特にその過渡振動を
防止する制御装置を備えた産業用ロボツトに関す
る。

産業用ロボツトの構造は、軽量化と可動範囲を
大きくするために、“開放型”、つまりアーム等の
可動部の端部が自由端となつている。このため、
産業用ロボツトの機構は固有振動数が低く、かつ
減衰系数が小さい。

したがつて、産業用ロボツトにより高速の軌道
制御を行おうとする場合、軌道の曲率が大きい部
分において回転モータに大きな加速度の変化が生
ずるために、機構部に好ましくない過渡振動が発
生し、その結果、軌道誤差を生じる。

この機構部の過渡振動を防止する基本的な対策
は機構部の剛性と減衰率を高くすることである
が、このような機構部の改善は機構部の大きさ、
重量の増大、したがつてコストのアツプを招くた
め容易ではない。

上記の軌道誤差は、軌道の曲率を小さくすれ
ば、減少するが、同一軌道に対して回転モータが
発生する加速度の大きさは軌道の接線速度に比例
するので、高速の軌道制御を行なうためには、機
構部の過渡振動を防止することが本質的に必要で
ある。

本出願人は振動的な特性を有する機械系を等価
的にその剛性を高めたり、あるいは非振動的に制
御する方法として特開昭54−31877「機械剛性補償
サーボ制御装置」と特願昭56−92155「電動機械の
制御方式」で提案した。前者は過渡振動を、後者
は持続振動（強制振動）を主として小さくする効
果がある。これらの方法はいずれも基本的には一
軸のサーボ系に対するものである。

一般に産業用ロボツトの運動はテイーチング
等により予め指示されたデータに基づく正規の運
動に前述の好ましくない過渡振動が重ね合わさ
つたものである。この２つの運動は、運動の周波
数成分の違いで区別することができ、の運動は
通常、数秒から数10秒の周期であり、の運動は
機械系の共振周波数である５〜50Hz以上の周波数
である。したがつて、通常のサーボ系の応答性か
らすると、の運動は直流成分、の運動は交流
成分と考えることができる。この過渡振動を減衰
させるには、ロボツトの先端の運動の交流成分で
あるｖ（ｔ）（時間の関数で三次元ベクトル）を零
に収束させればよい。一軸のサーボ系について
は、前記特許公報の方法に従つてサーボ軸の回転
モータの制御装置に回転位置、回転速度とともに
過渡振動の加速度の信号を帰還すると加速度の変
動に対して減衰作用が生じ、定常状態において加
速度はゼロに収束する。加速度がゼロのとき速度
は一定となり、速度の交流成分はゼロとなる。

しかしながら、産業用ロボツトは一般に多軸構
成で、各軸は互いに強く機械的に干渉しているこ
とが多い。したがつて、産業用ロボツトでは、あ
る一軸に生起した振動は他の軸にも振動を引き起
し、ビートを生じたり、多軸の振動が合成された
複雑な振動となる。このため、産業用ロボツトの
特定の、例えば特に振動の大きい軸にのみ、前記
特許公報の方法を適用しても、過渡振動や持続振
動（強制振動）を減衰させる大きな効果を得るこ
とができない。第１図ａは軸間干渉のない場合の
１軸の減衰を表わしているが、２つの互いに強く
干渉する軸の間では、第１図ｂに示すように、ビ
ートを生ずることがある。このような場合に一方
の軸にのみ前記特許公報の方法を適用すると、適
用した軸の振動の振巾が大きくなる期間だけ振動
減衰の効果があり、他方の軸の振動の振巾が大き
くなる期間は減衰作用がないため、結局、前記特
許公報の方法を適用した軸の振動も急速には減衰
させることができない。第１図ｃは軸に前記特
許公報の方法を適用した場合の振動実験の例を示
している。破線Ｐが振動抑制の制御の無いときの
ビート（第１図ｂ）に相当している。

そこで、本出願人は、多軸のサーボ系で構成さ
れる産業用ロボツトに関して、高速の軌道制御時
における過渡振動を防止する方法を特願昭57−
178153「産業用ロボツト」で提案した。

しかしながら、この提案による方法は、直交座
標型、円筒座標型、平行四辺形リンクで構成した
関節型等、ロボツトを構成する各軸の静止座標系
（大地）に対する運動が他の軸と非干渉である場
合に限定されるもので、各軸の静止座標系に対す
る運動が、該当する回転モータの位置だけでな
く、該当する以外の軸の回転モータの位置にも依
存する場合には、該当する可動機構要素上の点の
加速度は該当する軸の静止座標系に対する加速度
情報のみでなく運動が依存している軸の運動加速
度をも含むことになる。したがつて前記の加速度
信号を検出して該当する軸の静止座標系に対する
加速度のみを取り出すためには、これ以外の信号
成分を除去することが必要となる。この信号の除
去は、産業用ロボツトのような複雑な構成の機構
では一般に多次元のマトリツクス演算（本質的に
ロボツトの座標系から静止座標系への座標変換演
算に等しい）が必要となるため、その構成は複雑
でありかつ加速度のように高速な処理を必要とす
る信号に対しては実用にならなかつた。

以下、上述の問題点を産業用ロボツトの一つの
形態について詳述する。第２図は、産業用ロボツ
トの基本となる機構を表わす記号で、同図ａはア
ームＣが静止座標系に固定されていることを示
し、同図ｂは駆動部ＢによりフアームＣがθ方向
に回転する回転機構を、同図ｃはアームＣがジヨ
イントＪに取り付けられた駆動部によりジヨイン
トＪを中心にθ方向に回転する回転機構をそれぞ
れ表わす。第３図は産業用ロボツトの一つの形態
を表わしており、アームＡはθ方向に回転し、ア
ームＢはジヨイントJ₁を中心としてφ方向に回転
し、アームＣはジヨイントJ₂を中心としてψ方向
に回転する。以上のアームを以下、それぞれθ
軸、φ軸、ψ軸とする。さて、θ軸とφ軸につい
ては、静止座標系に対する運動は、それぞれθ
軸、φ軸の位置のみで規定されるから、前出願
（特開昭57−178153）が適用できる。しかし、ψ
軸については、静止座標系に対する運動はψ軸の
位置のみでなく、φ軸の位置にも関係する。第４
図はψ軸の加速度関係を示す図である。ジヨイン
トJ₂の静止座標系に対する加速度をαJ₂、ψ軸上
のジヨイントJ₂から距離ｌの点Ｑにおけるこのψ
軸に垂直な方向の直線加速度lαψとすると、点Ｑ
の静止座標系に対する直線加速度は加速度αJ₂と
lαψの合成ベクトルαとなる。静止座標系に対す
る直線加速度検出器を点Ｑにこの軸に垂直に取り
付けると、この検出器の出力はαQ＝ｆ（αJ₂、
lαψ）となり、加速度αJ₂、lαψの両方の値の関数
となる。したがつて、この出力αQをψ軸の制御
装置に帰還しても、ψ軸に無関係な情報αJ₂を含
んでいるため、ψ軸の振動の防止には役立たな
い。すなわち、ψ軸については前出願（特願昭57
−178153）は適用できず、さらにψ軸に取付けた
直線加速度検出器の出力とφ軸、ψ軸の位置から
ψ軸の静止座標系に対する回転加速度を演算によ
り求めることは非常に複雑であり、実現が困難で
ある。

本発明は、上述のような、可動機構要素の静止
座標系に対する位置が該サーボ軸の回転位置のみ
で規定されないサーボ軸に対しても該可動機構要
素上の相異なる位置に、該回転モータの回転によ
り生ずる運動の接線方向と並行な方向に２個の直
線加速度検出器を配置し、該直線加速度検出器の
両出力を減算することにより該サーボ軸の静止座
標系に対する回転加速度信号を検出して該サーボ
軸の回転モータの制御装置に該回転モータの回転
位置信号と回転速度信号と共に帰還することによ
り、産業用ロボツトの高速の軌道制御時における
過渡振動を防止して、産業用ロボツトの高速かつ
精度の高い軌道制御を実現することを目的とす
る。

以下、本発明の原理を第５図により詳述する。

第３図に示す産業用ロボツトのアームＣ上のジ
ヨイントJ₂から距離l₁、l₂（l₁≠l₂）の位置に２点
Q₁、Q₂をとると、これら２点Q₁、Q₂に関する加
速度は図示したようになる。すなわち、ジヨイン
トJ₂の加速度αJ₂は２点Q₁、Q₂でも同じ値で、点
Q₁、Q₂におけるψ軸の回転加速度はそれぞれ、
l₁αψ、l₂αψ（αψ；ψ軸の回転加速度）となる。し
たがつて、点Q₁、Q₂にα軸に垂直に直線加速度
検出器を設けると、その出力はそれぞれ回転加速
度l₁αψとαJ₂のベクトル合成値α₁のψ軸に垂直な
方向成分αQ₁、回転加速度l₂αψとαJ₁のベクトル
合成値α₂のψ軸に垂直な方向成分αQ₂となる。両
出力αQ₁、αQ₂において、ジヨイントJ₂の加速度
のαJ₂に関する成分は共通であるから、その差を
とると αQ₂−αQ₁＝（l₂−l₁）αψ となり、αψ、つまりψ軸の回転加速度にのみ比
例した信号を得ることができる。したがつて、
（αQ₂−αQ₁）に適切なゲインを乗じてψ軸の制
御装置に帰還することによりψ軸の振動を減衰さ
せることが可能となる。

次に本発明の実施例を示す。第６図ａは本発明
１実施例に係る産業用ロボツトの形態を示してお
り、第３図の形態の産業用ロボツトに適用したも
のである。第６図ｂはそのψ軸のブロツク図であ
る。アームＡ，Ｂについては前出願（特願昭57−
178153）が適用できる。アームＣについては、こ
の軸の可動機構要素の静止座標系に対する運動は
この軸の回転モータMψの回転位置のみでは規定
できないため、アームＣ上の相異なる位置に、回
転モータMψの回転により生ずる運動の接線方向
と並行な方向に２個の直線加速度検出器AC₁，
AC₂を配置し、これら直線加速度検出器AC₁，
AC₂の両出力を減算し、増幅器Ｋで適切なゲイン
を乗じてψ軸の静止座標系に対する回転加速度
αψ得て、タコゼネレータTGψの出力である回転
速度の信号vψ、パルスゼネレータPGψの出力で
ある回転位置の信号ψと共にψ軸の制御装置Gψ
に帰還する。

第７図に示すような、ジヨイントJ₃，J₄により
さらにアームＤ，Ｅがつながつた産業用ロボツト
の場合には、アームＤ，Ｅについて上述のアーム
Ｃと同じ方法を適用する。

複数のサーボ軸により構成され、各サーボ軸の
回転モータが直接にあるいは機械的伝達機構を介
して該サーボ軸の可動機構要素に結合され、該可
動機構要素を直線あるいは回転運動させ、かつ該
運動中の前記可動機構要素の静止座標系に対する
位置が該サーボ軸の回転モータの回転位置のみで
規定されないサーボ軸を含む、多軸の産業用ロボ
ツトにおいて、前記可動機構要素の静止座標系に
対する位置が該サーボ軸の回転モータの回転位置
のみで規定されない軸について、各サーボ軸毎に
該回転モータの回転位置信号と回転速度信号とを
各サーボ軸の制御装置に帰還するとともに、各サ
ーボ軸毎に該回転モータに連結された可動機構要
素上の相異なる位置に、かつ該回転モータの回転
により生ずる運動の接線方向と並行な方向に２個
の直線加速度検出器を配置し、該直線加速度検出
器の両出力信号を減算することにより該サーボ軸
の静止座標系に対する回転加速度信号を検出し、
各サーボ軸毎に該回転加速度信号を前記各サーボ
軸の制御装置に帰還するようにしたことにより、
産業用ロボツトを高速に軌道制御する際に発生す
る回転モータの駆動トルクの変化あるいは回転モ
ータのトルクリツプルあるいは機械系の共振現象
に基づく産業用ロボツトの過渡振動を防止して、
高速、かつ精度の高い軌道制御が可能となる。す
なわち、産業用ロボツトの機構部のみ合成を数倍
高くすることと同じ効果を得る。本発明は既存の
産業用ロボツトに加速度検出器を適切に配置する
だけで、産業用ロボツトの機構部や制御装置には
何らの変更も要しないために、容易にしかも安価
に実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は軸の振動の状態を示す図、第２図は産
業用ロボツトの基本となる機構を示す図、第３図
は産業用ロボツトの１つの形態を示す図、第４図
は第３図のψ軸の加速度の関係を示す図、第５図
は第３図の形態の産業用ロボツトに適用した本発
明の原理を示す図、第６図は本発明の１実施例に
係る産業用ロボツトの形態を示す図とブロツク
図、第７図は本発明の他の実施例に係る産業用ロ
ボツトの形態を示す図である。 ψ…サーボ軸、Mψ…回転モータ、AC₁，AC₂
…直線加速度検出器、Gψ…制御装置、ψ…回転
位置信号、vψ…回転速度信号、αψ…回転加速度
信号。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 複数のサーボ軸により構成され、各サーボ軸
   の回転モータが直接に、あるいは機械的伝達機構
   を介して該サーボ軸の可動機構要素に結合され、
   該可動機構要素を直線あるいは回転運動させ、か
   つ該運動中の前記可動機構要素の静止座標系に対
   する位置が該サーボ軸の回転モータの回転位置の
   みで規定されないサーボ軸を含む、多軸の産業用
   ロボツトにおいて、 前記可動機構要素の静止座標系に対する位置が
   該サーボ軸の回転モータの回転位置のみで規定さ
   れないサーボ軸について、各サーボ軸毎に該回転
   モータの回転位置信号と回転速度信号とを各サー
   ボ軸の制御装置に帰還するとともに、各サーボ軸
   毎に該回転モータに連結された可動機構要素上の
   相異なる位置に、かつ該回転モータの回転により
   生ずる運動の接線方向と並行な方向に２個の直線
   加速度検出器を配置し、該直線加速度検出器の両
   出力信号を減算することにより該サーボ軸の静止
   座標系に対する回転加速度信号を検出し、各サー
   ボ軸毎に該回転加速度信号を前記各サーボ軸の制
   御装置に帰還するようにしたことを特徴とする産
   業用ロボツト。