JPH0242502A - ロボットのディジタル制御方式 - Google Patents
ロボットのディジタル制御方式Info
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- JPH0242502A JPH0242502A JP19282588A JP19282588A JPH0242502A JP H0242502 A JPH0242502 A JP H0242502A JP 19282588 A JP19282588 A JP 19282588A JP 19282588 A JP19282588 A JP 19282588A JP H0242502 A JPH0242502 A JP H0242502A
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、産業用ロボットの制御方式に関し、特に、制
御対象のロボット可動部をACサーボモータ等の電動サ
ーボモータをアクチュエータとしてディジタル制御方式
でフィードバック制御を行うときに、各ロボット可動部
の動作制御をオン・ラインで最適化する適応制御機能を
有したロボット制御方式に関するものである。
御対象のロボット可動部をACサーボモータ等の電動サ
ーボモータをアクチュエータとしてディジタル制御方式
でフィードバック制御を行うときに、各ロボット可動部
の動作制御をオン・ラインで最適化する適応制御機能を
有したロボット制御方式に関するものである。
最近、産業用ロボットの動作制御にソフトウェアサーボ
技術が導入されて実用化されつつある。
技術が導入されて実用化されつつある。
すなわち、マイクロプロセッサの発展と高速演算能力を
有したディジタルシグナルプロセッサの出現に伴い、駆
動モータのサーボ機構をアナログサーボ機構からディジ
タルサーボ機構に転換し、アナログサーボ機構では実現
困難であった高機能化が図られつつあり、例えば、制御
対象の不安定特性の改善等に種々の提案がなされている
。
有したディジタルシグナルプロセッサの出現に伴い、駆
動モータのサーボ機構をアナログサーボ機構からディジ
タルサーボ機構に転換し、アナログサーボ機構では実現
困難であった高機能化が図られつつあり、例えば、制御
対象の不安定特性の改善等に種々の提案がなされている
。
然しなから、産業用ロボットにディジタルサーボ技術を
適用した場合には、制御対象であるロボットの可動部、
即ち、ロボット旋回胴、ロボット腕、ロボット手首等の
動作部は、NC工作機械のテーブルや主軸頭等と異なり
、片持ち構造を有し、しかもロボット腕等は長尺構造で
あるために制御対象としては低剛性体であり、また、イ
ナーシャ比が大きいという宿命を負っている。故に、斯
かる低剛性体からなる制御対象をサーボモータからなる
アクチュエータにより制御する場合には必然的にバネ定
数、粘性抵抗を無視した制御が不可能である。しかも、
ロボット可動部は、3次元空間内で種々姿勢を変化させ
ながらロボット動作するために、可動部自体のイナーシ
ャ、バネ定数、粘性係数等のパラメータも時々刻々変化
する。従って、制御対象の特性安定化を図るには実時間
制御、つマリ、オンライン制御によりパラメータを修正
し、また、ディジタルサーボ系のサーボゲインも調整、
変更しながら制御を遂行しなければ、真のソフトウェア
サーボまたはディジタルサーボを遂行し得ないと言う問
題点がある。他方、近時のマイクロプロセッサの発展の
一貫として高速演算機能を有した演算ハードウェアとし
てディジタルシグナルプロセッサ(DSP)が市場に提
供されている。このDSPは、機能面で、通常は、加減
乗算機能しか有しないながら、極めて演算速度が高速で
ある利点を有していることから、ディジタルサーボ機構
の演算制御部として適用される傾向にある。依って、本
発明の目的は、産業用ロボットの動作制御に当たり、高
速演算機能を有したDSPを内蔵するディジタルサーボ
機構を介してロボット可動部の動作制御を遂行するに当
たり、制御系のパラメータをオンラインで推定し、また
、制御対象の安定化に適したループゲインをオンライン
で都度、演算・決定し、更にそのループゲインを上記オ
ンラインで推定したパラメータを取り入れることにより
最適化する適応制御型のロボットの制御方式を提供せん
とするものである。
適用した場合には、制御対象であるロボットの可動部、
即ち、ロボット旋回胴、ロボット腕、ロボット手首等の
動作部は、NC工作機械のテーブルや主軸頭等と異なり
、片持ち構造を有し、しかもロボット腕等は長尺構造で
あるために制御対象としては低剛性体であり、また、イ
ナーシャ比が大きいという宿命を負っている。故に、斯
かる低剛性体からなる制御対象をサーボモータからなる
アクチュエータにより制御する場合には必然的にバネ定
数、粘性抵抗を無視した制御が不可能である。しかも、
ロボット可動部は、3次元空間内で種々姿勢を変化させ
ながらロボット動作するために、可動部自体のイナーシ
ャ、バネ定数、粘性係数等のパラメータも時々刻々変化
する。従って、制御対象の特性安定化を図るには実時間
制御、つマリ、オンライン制御によりパラメータを修正
し、また、ディジタルサーボ系のサーボゲインも調整、
変更しながら制御を遂行しなければ、真のソフトウェア
サーボまたはディジタルサーボを遂行し得ないと言う問
題点がある。他方、近時のマイクロプロセッサの発展の
一貫として高速演算機能を有した演算ハードウェアとし
てディジタルシグナルプロセッサ(DSP)が市場に提
供されている。このDSPは、機能面で、通常は、加減
乗算機能しか有しないながら、極めて演算速度が高速で
ある利点を有していることから、ディジタルサーボ機構
の演算制御部として適用される傾向にある。依って、本
発明の目的は、産業用ロボットの動作制御に当たり、高
速演算機能を有したDSPを内蔵するディジタルサーボ
機構を介してロボット可動部の動作制御を遂行するに当
たり、制御系のパラメータをオンラインで推定し、また
、制御対象の安定化に適したループゲインをオンライン
で都度、演算・決定し、更にそのループゲインを上記オ
ンラインで推定したパラメータを取り入れることにより
最適化する適応制御型のロボットの制御方式を提供せん
とするものである。
即ち、上述の発明目的に鑑みて、本発明は、先ず、ロボ
ットの夫々の可動部を制御対象とする各アクチュエータ
モータを高速演算装置を備えたディジタルサーボ系によ
りフィードバック制御するロボット制御方式において、
前記各アクチュエータモータで駆動される制御対象を慣
性モーメントとバネ定数と粘性係数とをパラメータとす
るロボットモデルにモデル化し、該ロボットモデルを含
めたサーボ系の3次伝達関数を決定し、前記ロボットモ
デルを含めたサーボ系の3次伝達関数のボード線図上の
共振点または反共振点に対応した周波数とゲインとを前
記ロボットモデルのトルクと速度とのオンラインにおけ
るサンプル値から決定し、該決定した周波数とゲインと
の値から前記サーボ系のバネ定数と粘性係数とを実時間
決定し、決定されたバネ定数と粘性係数とにより、前記
各可動部の動作を制御するロボットの制御方式を提供す
るものである。
ットの夫々の可動部を制御対象とする各アクチュエータ
モータを高速演算装置を備えたディジタルサーボ系によ
りフィードバック制御するロボット制御方式において、
前記各アクチュエータモータで駆動される制御対象を慣
性モーメントとバネ定数と粘性係数とをパラメータとす
るロボットモデルにモデル化し、該ロボットモデルを含
めたサーボ系の3次伝達関数を決定し、前記ロボットモ
デルを含めたサーボ系の3次伝達関数のボード線図上の
共振点または反共振点に対応した周波数とゲインとを前
記ロボットモデルのトルクと速度とのオンラインにおけ
るサンプル値から決定し、該決定した周波数とゲインと
の値から前記サーボ系のバネ定数と粘性係数とを実時間
決定し、決定されたバネ定数と粘性係数とにより、前記
各可動部の動作を制御するロボットの制御方式を提供す
るものである。
また、本発明は、ロボットの夫々の可動部を制御対象と
する各アクチュエータモータを高速演算装置を備えたデ
ィジタルサーボ系によりフィードバック制御するロボッ
ト制御方式において、前記各アクチュエータモータで駆
動される制御対象を慣性モーメントとバネ定数と粘性係
数とをパラメータとするロボットモデルにモデル化し、
該ロボットモデルを含めたサーボ系の運動方程式を決定
し、該運動方程式から該ロボットモデルを含めたアクチ
エエータモータの実時間等価慣性モーメントに関する状
態方程式を決定し、該状態式から前記アクチュエータモ
ータの実時間等価慣性モーメントに関する特性方程式を
求め、該特性方程式からラウスハルビッツの安定条件を
満たす前記サーボ系のループゲインを前記高速演算装置
で高速演算により決定するロボットの制御方式を提供す
るものである。更に、本発明は、上述のようにして制御
系のパラメータであるバネ定数と粘性係数とをオンライ
ンで決定すると共にオンラインで都度決定されたそのパ
ラメータに基づき、かつ、制御対象の慣性モーメントを
モータ部における等価慣性モーメントに換算したサーボ
ループの安定制御用ループゲインをオンラインで決定、
変更して制御の最適化を図るロボットの制御方式を提供
するものである。以下、本発明を添付図面に示す実施例
に基づいて、更に詳細に説明する。
する各アクチュエータモータを高速演算装置を備えたデ
ィジタルサーボ系によりフィードバック制御するロボッ
ト制御方式において、前記各アクチュエータモータで駆
動される制御対象を慣性モーメントとバネ定数と粘性係
数とをパラメータとするロボットモデルにモデル化し、
該ロボットモデルを含めたサーボ系の運動方程式を決定
し、該運動方程式から該ロボットモデルを含めたアクチ
エエータモータの実時間等価慣性モーメントに関する状
態方程式を決定し、該状態式から前記アクチュエータモ
ータの実時間等価慣性モーメントに関する特性方程式を
求め、該特性方程式からラウスハルビッツの安定条件を
満たす前記サーボ系のループゲインを前記高速演算装置
で高速演算により決定するロボットの制御方式を提供す
るものである。更に、本発明は、上述のようにして制御
系のパラメータであるバネ定数と粘性係数とをオンライ
ンで決定すると共にオンラインで都度決定されたそのパ
ラメータに基づき、かつ、制御対象の慣性モーメントを
モータ部における等価慣性モーメントに換算したサーボ
ループの安定制御用ループゲインをオンラインで決定、
変更して制御の最適化を図るロボットの制御方式を提供
するものである。以下、本発明を添付図面に示す実施例
に基づいて、更に詳細に説明する。
第1A図は、本発明の1実施例に係る産業用ロボットの
制御方式を実施する場合におけるある1軸に関するロボ
ット可動部を制御対象にするサーボループを示した基本
ブロック図、第1B図は、第1A図のディジタルサーボ
機構を、アクチュエータ、制御対象を含めて機能表示し
た機能ブロック図、第2図は、同制御方式を適用する場
合に各ロボット可動部をアクチュエータから見たロボッ
トモデルを示す機構図、第3図は、第2図示したロボッ
トモデルのボード線図の概略を説明するグラフ図、第4
図は、本発明のロボット制御方式の実施において、制御
対象であるロボット可動部の慣性モーメントを、その駆
動モータ部の等価慣性モーメントに換算して構成したサ
ーボループを示すブロック図である。
制御方式を実施する場合におけるある1軸に関するロボ
ット可動部を制御対象にするサーボループを示した基本
ブロック図、第1B図は、第1A図のディジタルサーボ
機構を、アクチュエータ、制御対象を含めて機能表示し
た機能ブロック図、第2図は、同制御方式を適用する場
合に各ロボット可動部をアクチュエータから見たロボッ
トモデルを示す機構図、第3図は、第2図示したロボッ
トモデルのボード線図の概略を説明するグラフ図、第4
図は、本発明のロボット制御方式の実施において、制御
対象であるロボット可動部の慣性モーメントを、その駆
動モータ部の等価慣性モーメントに換算して構成したサ
ーボループを示すブロック図である。
先ず、第1A図を参照すると、産業用ロボットにはホス
トCPUl0が具備され、このホストCPUl0にはロ
ボットの所望動作に応じて教示入力が作業者により、人
力可能になっている。この教示入力に従って、ホストC
PU10は各軸回りのロボット可動部に対して成る位置
から他の成る目的位置への移動指令をディジタル指令と
して出力する(図示例は6軸ロボツトにおき6軸夫々に
対して位置指令を示すディジタル指令を出力することを
示している。)。各軸系にはディジタルサーボ機構12
が設けられ、このディジタルサーボ機構12はホストC
PUl0からのディジタル位置指令に従って、当該軸系
のアクチュエータ14へ作動指令を出力する。ここで、
ディジタルサーボ機構12は高速プロセッサである周知
のディジタルシグナルプロセッサDSPから成る演算機
能部を具備し、アクチュエータ14を形成する駆動モー
タ(通常はACサーボモータ)に対する指令量と制御対
象16の位置を示すフィードバック信号とから新たな電
気指令信号を作成、送出する。
トCPUl0が具備され、このホストCPUl0にはロ
ボットの所望動作に応じて教示入力が作業者により、人
力可能になっている。この教示入力に従って、ホストC
PU10は各軸回りのロボット可動部に対して成る位置
から他の成る目的位置への移動指令をディジタル指令と
して出力する(図示例は6軸ロボツトにおき6軸夫々に
対して位置指令を示すディジタル指令を出力することを
示している。)。各軸系にはディジタルサーボ機構12
が設けられ、このディジタルサーボ機構12はホストC
PUl0からのディジタル位置指令に従って、当該軸系
のアクチュエータ14へ作動指令を出力する。ここで、
ディジタルサーボ機構12は高速プロセッサである周知
のディジタルシグナルプロセッサDSPから成る演算機
能部を具備し、アクチュエータ14を形成する駆動モー
タ(通常はACサーボモータ)に対する指令量と制御対
象16の位置を示すフィードバック信号とから新たな電
気指令信号を作成、送出する。
アクチュエータ14は上記電気指令信号から駆動信号を
作成するアンプと上記駆動モータとから構成され、作動
量をディジタルサーボ機構にフィードバックする構成を
有すると共に制御対象16を所望量だけ動作させるもの
である。このようなサーボ制御ループは多軸(6軸)ロ
ボットの各軸系に具備されている。
作成するアンプと上記駆動モータとから構成され、作動
量をディジタルサーボ機構にフィードバックする構成を
有すると共に制御対象16を所望量だけ動作させるもの
である。このようなサーボ制御ループは多軸(6軸)ロ
ボットの各軸系に具備されている。
ここで、第1B図を参照すると、ディジタルサーボ機構
12は、既述のDSPと共に位置制御ユニット22(ゲ
インに、)、速度制御ユニット24(ゲインK)の機能
部を有した構成にあり、DSPから位置制御ユニット2
2へ位置の作動指令が印加される。この位置の作動指令
は制御対象(または、他の実施例としてアクチュエータ
とすることもある。)から構成される装置フィードバッ
ク信号と加算点で加算され上記位置制御ユニット22へ
送出される。次ぎに位置の作動指令は、位置制御ユニッ
ト22から速度指令に転換されて速度制御ユニット24
へ印加される。このとき、アクチュエータ14から帰還
される速度フィードバック信号と加算点で加算されて速
度制御ユニット24に印加される。DSPへは位置及び
速度フィードバック信号がいずれも帰還されている。
12は、既述のDSPと共に位置制御ユニット22(ゲ
インに、)、速度制御ユニット24(ゲインK)の機能
部を有した構成にあり、DSPから位置制御ユニット2
2へ位置の作動指令が印加される。この位置の作動指令
は制御対象(または、他の実施例としてアクチュエータ
とすることもある。)から構成される装置フィードバッ
ク信号と加算点で加算され上記位置制御ユニット22へ
送出される。次ぎに位置の作動指令は、位置制御ユニッ
ト22から速度指令に転換されて速度制御ユニット24
へ印加される。このとき、アクチュエータ14から帰還
される速度フィードバック信号と加算点で加算されて速
度制御ユニット24に印加される。DSPへは位置及び
速度フィードバック信号がいずれも帰還されている。
アクチュエータ14は、(KL /J S )の特性を
有し、また、ロボット可動部からなる制御対象は(1/
s)の特性を有している。
有し、また、ロボット可動部からなる制御対象は(1/
s)の特性を有している。
さて、本発明によると、制御対象16をアクチュエータ
14により駆動(回転駆動)する場合には既述のように
、各ロボット可動部は低剛性、片持ち構造を有して摩擦
抵抗下で作動することからハネ定数、粘性抵抗とを有し
たイナーシャ体であると考察することができ、従って、
各アクチュエータから見た制御対象16は、第2図に示
すようにモデル化することができる。即ち、アクチュエ
ータ14を構成する駆動モータの慣性モーメントJ5、
人力トルクをT、モータ回転角度を09、モータ回転角
速度04、制御対象16の慣性モーメントJI+、回転
角OR1R1回転変速R、バネ定数をKc、粘性係数を
BKと定義すると、制御対象を駆動する過程における駆
動モータの伝達関数は、 G = e M / T = 17s xここで、この
制御対象16の制御系は、バネ定数Kcと粘性係数を8
8とを有した閉ループ制御であるから、周波数応答を考
察すべく、上記伝達関数を変換すると、次の式になる。
14により駆動(回転駆動)する場合には既述のように
、各ロボット可動部は低剛性、片持ち構造を有して摩擦
抵抗下で作動することからハネ定数、粘性抵抗とを有し
たイナーシャ体であると考察することができ、従って、
各アクチュエータから見た制御対象16は、第2図に示
すようにモデル化することができる。即ち、アクチュエ
ータ14を構成する駆動モータの慣性モーメントJ5、
人力トルクをT、モータ回転角度を09、モータ回転角
速度04、制御対象16の慣性モーメントJI+、回転
角OR1R1回転変速R、バネ定数をKc、粘性係数を
BKと定義すると、制御対象を駆動する過程における駆
動モータの伝達関数は、 G = e M / T = 17s xここで、この
制御対象16の制御系は、バネ定数Kcと粘性係数を8
8とを有した閉ループ制御であるから、周波数応答を考
察すべく、上記伝達関数を変換すると、次の式になる。
この(1)式で示すボード線図を考察すると、上記式は
分子が2次系、分母が3次系であるから3つの極を有し
た第3図に図示のグラフ図のようになる。
分子が2次系、分母が3次系であるから3つの極を有し
た第3図に図示のグラフ図のようになる。
第3図において、ω、及びω2は夫々、分子側及び分母
側がゼロに限り無く近づく周波数で、つまり、反共振点
と共振点とを示す周波数であり、産業用ロボットでは共
振点ω2がせいぜいl082程度の低周波数である。I
G、l 1021は夫々、反共振点ω、と共振点ω2
とにおけるゲインを示している。
側がゼロに限り無く近づく周波数で、つまり、反共振点
と共振点とを示す周波数であり、産業用ロボットでは共
振点ω2がせいぜいl082程度の低周波数である。I
G、l 1021は夫々、反共振点ω、と共振点ω2
とにおけるゲインを示している。
上記の(1)式から、
・・・ (1)
この(2)式において、J、とJRとはロボット動作中
における各時点の姿勢により、決定される慣性モーメン
トであり、ロボット自身が姿勢毎に知っている値である
。
における各時点の姿勢により、決定される慣性モーメン
トであり、ロボット自身が姿勢毎に知っている値である
。
いま、反共振点ω1を考察すると、(2)弐から、Kc
/Js −JR1/JM ・ω” =Oが成立す
る条件より、 Kc=J*ω1 ・・・ (3) となり、バネ定数に、が決定する。即ち、ロボット動作
の各姿勢状態における反共振点を見出せことでバネ定数
Kcが決定できるのである。また、同様に、反共振点ω
1におけるゲインICIから、サーボ系の粘性係数BK
は、 となる。ただし、A−(1/J、4+1/JR)、B
= 1 / J M 、 C=1 / J 、4 ・J、lである。
/Js −JR1/JM ・ω” =Oが成立す
る条件より、 Kc=J*ω1 ・・・ (3) となり、バネ定数に、が決定する。即ち、ロボット動作
の各姿勢状態における反共振点を見出せことでバネ定数
Kcが決定できるのである。また、同様に、反共振点ω
1におけるゲインICIから、サーボ系の粘性係数BK
は、 となる。ただし、A−(1/J、4+1/JR)、B
= 1 / J M 、 C=1 / J 、4 ・J、lである。
上記の(3)式、(4)式から反共振点ω1を見出せば
、その時点における当該制御対象に関するサーボ系のパ
ラメータであるバネ定数Kcと粘性係数B、とのオンラ
インでの現在値を知ることができ、故に制御操作を例え
ば、最適化すること等に利用できることになる。このと
き、上記反共振点を見出すことに替えて、共振点ω2を
見出すことでもこれらのパラメータをオンラインで知る
ことが出来る。
、その時点における当該制御対象に関するサーボ系のパ
ラメータであるバネ定数Kcと粘性係数B、とのオンラ
インでの現在値を知ることができ、故に制御操作を例え
ば、最適化すること等に利用できることになる。このと
き、上記反共振点を見出すことに替えて、共振点ω2を
見出すことでもこれらのパラメータをオンラインで知る
ことが出来る。
さて、ボード線図上における反共振点ω、をオンライン
で見出すには、以下の演算をサーボ機構12のDSPで
遂行する。すなわち、アクチュエータ14からの入力ト
ルクTとその時点におけるアクチュエータの速度出力(
アクチュエータを構成する駆動モータのパルスコーダに
より検出することができる。)とからサンプル値制御手
法で演算を行うのである。
で見出すには、以下の演算をサーボ機構12のDSPで
遂行する。すなわち、アクチュエータ14からの入力ト
ルクTとその時点におけるアクチュエータの速度出力(
アクチュエータを構成する駆動モータのパルスコーダに
より検出することができる。)とからサンプル値制御手
法で演算を行うのである。
サンプル値制御手法によるため、周知の適応同定法によ
り前記伝達関数(1)式をZ変換すると間代は、一般式
として、 系が決定される。A、〜A3、B、〜B、は一般的係数
で、これをS関数系へ移行させると、周知のZ=esT
を代入して、 ・ ・ ・ (5) となる。
り前記伝達関数(1)式をZ変換すると間代は、一般式
として、 系が決定される。A、〜A3、B、〜B、は一般的係数
で、これをS関数系へ移行させると、周知のZ=esT
を代入して、 ・ ・ ・ (5) となる。
今、反共振点の検出から、分子側だけ注目すると、周波
数領域では、 F (ω) =B、e””+Bze”+83= B +
(cos2ωT+jsin2ωT)+B、(cosωT
十jsinωT)+83 = (BICO32(L)T +BzcosωT +B
l)十j(B、5in2ωT +BzsinωT)・
・ ・ (6) となる。故に、 F(ω)1= となる。
数領域では、 F (ω) =B、e””+Bze”+83= B +
(cos2ωT+jsin2ωT)+B、(cosωT
十jsinωT)+83 = (BICO32(L)T +BzcosωT +B
l)十j(B、5in2ωT +BzsinωT)・
・ ・ (6) となる。故に、 F(ω)1= となる。
この式(7)を用いてサーボ機構12のDSPで極値ω
1を計算で見出すことは、高速演算機能を有したDSP
によっても極めて難しいが、ロボットの場合には、−船
釣に極値が各動作毎にそんなに大きくは変化しないこと
を考慮すると、予め反共振点の最大及び最小ω値を実験
的に決定しておき、それを必要な精度で等分割して当該
サーボ機構12のディジタルシグナルプロセッサと結合
した記憶手段に記憶しておけば、上記分割幅で前回の動
作過程における極値周波数ω、の推定値から始めて該ω
1を前後に移動し、サンプルしたロボット動作1()ル
クT、速度0.4)に関して、最小ゲインG1になる周
波数ω1を今回のω、として決定でき、前述した(3)
式、(4)式からバネ定数Kcと粘性係数BKとを演算
決定することができるのである。しかも、DSPを用い
ればホス)CPUIO(第1図参照)から順次に送出さ
れる隣接入力の間に上述の演算過程を実行してオンライ
ンにより、バネ定数Kcと粘性係数BKの両パラメータ
を決定できるのである。こうして決定されたオンライン
のパラメータを利用すれば各制御対象の閉ループ制御系
の制御性を改善させることができ、例えば、後述のよう
にループゲインを変更調節して制御の最適化を果たすこ
ともできるのである。
1を計算で見出すことは、高速演算機能を有したDSP
によっても極めて難しいが、ロボットの場合には、−船
釣に極値が各動作毎にそんなに大きくは変化しないこと
を考慮すると、予め反共振点の最大及び最小ω値を実験
的に決定しておき、それを必要な精度で等分割して当該
サーボ機構12のディジタルシグナルプロセッサと結合
した記憶手段に記憶しておけば、上記分割幅で前回の動
作過程における極値周波数ω、の推定値から始めて該ω
1を前後に移動し、サンプルしたロボット動作1()ル
クT、速度0.4)に関して、最小ゲインG1になる周
波数ω1を今回のω、として決定でき、前述した(3)
式、(4)式からバネ定数Kcと粘性係数BKとを演算
決定することができるのである。しかも、DSPを用い
ればホス)CPUIO(第1図参照)から順次に送出さ
れる隣接入力の間に上述の演算過程を実行してオンライ
ンにより、バネ定数Kcと粘性係数BKの両パラメータ
を決定できるのである。こうして決定されたオンライン
のパラメータを利用すれば各制御対象の閉ループ制御系
の制御性を改善させることができ、例えば、後述のよう
にループゲインを変更調節して制御の最適化を果たすこ
ともできるのである。
他方、第2図のロボットモデルによれば、運動方程式は
、 T=JlI Q+BK l+4−OR)+KC(ex
OR) ・・・ (8)0=JR6
1+BK (ex −ON )+Kc (θえ一θM
) ・・・ (9)ここで、周知のシステムの構
造理論(システム制御理論入門、第4章、昭和54年1
2月、実教出版社刊、)に準拠すべく、上記運動方程式
に対して、新たな状態変数としてθ、−eM=e、、Q
、−6,=白、を導入すると、上記運動方程式は、次の
状態方程式として書き換えることができる。
、 T=JlI Q+BK l+4−OR)+KC(ex
OR) ・・・ (8)0=JR6
1+BK (ex −ON )+Kc (θえ一θM
) ・・・ (9)ここで、周知のシステムの構
造理論(システム制御理論入門、第4章、昭和54年1
2月、実教出版社刊、)に準拠すべく、上記運動方程式
に対して、新たな状態変数としてθ、−eM=e、、Q
、−6,=白、を導入すると、上記運動方程式は、次の
状態方程式として書き換えることができる。
y= [1,O,O] x” ・ ・ ・ (11
)となる。なお、 az=0. a目= BK /JN r a、=
−Kc /JM、 atl=0. a、、= (BK / Jpi +
BK / JR) 。
)となる。なお、 az=0. a目= BK /JN r a、=
−Kc /JM、 atl=0. a、、= (BK / Jpi +
BK / JR) 。
a 23= (Kc / JM +KC/ J *
) 。
) 。
bt = bt = 1 / JM
この場合に、制御対象16の速度出力を近似的にバルス
コーダから検出可能な駆動モータの速度出力に置き換え
て考察すると、第2図のロボットモデルを含めたサーボ
ループは、第4図のような速度ループ系と考察すること
ができる。なお、第4図におけるKはループゲインであ
る。
コーダから検出可能な駆動モータの速度出力に置き換え
て考察すると、第2図のロボットモデルを含めたサーボ
ループは、第4図のような速度ループ系と考察すること
ができる。なお、第4図におけるKはループゲインであ
る。
このサーボループ系の状態式は、
となる。なお、■oは速度指令値を意味する。
従って、この状態方程式の特性方程式から上記第4図の
サーボ系の安定条件として周知のラウスフルビッツの安
定条件を満たすようにループゲインKを決定すれば、制
御対象16の制御安定性を改善することができる。
サーボ系の安定条件として周知のラウスフルビッツの安
定条件を満たすようにループゲインKを決定すれば、制
御対象16の制御安定性を改善することができる。
特性方程式は、
S’ (az Kb+ +azz) S” +
(az+azz Kazzl)+ ats a
+zaz+KbI a12)s+ (−at:+az
++az3a 目 Kaz:+b+ )・・・ (
13) となる。
(az+azz Kazzl)+ ats a
+zaz+KbI a12)s+ (−at:+az
++az3a 目 Kaz:+b+ )・・・ (
13) となる。
故に、ラウスフルビッツの安定条件を満たすためには、
次の諸条件を満たすことである。
次の諸条件を満たすことである。
■ K>az+azz/bl 、(bt >O)K<a
ll+azt/b+ 、(bt <O)a I+atz
at3 a ItazK<− ■ K” bt (bt aI2 aztb+
)=AKX (atsFx +tz (a++
azz az3a+za++) (bt ad
z aztl)+ )X (az+azz) )
−B azsaII a+zaz+ (az+att)
X CaIIatz at3 atza目)=Cただ
し、 A<0のとき、 B”−4AC<Q、または、 Agoのとき、 B” −4AC>O且つ、 これら■〜■を満たすようにループゲインにの最大値を
決定すれば、制御系は安定条件下で最も高いゲインにの
もとに制御作動されることになるのである。このような
ループゲインにの決定過程もサーボ機構12のディジタ
ルシステムプロセッサDSPにより、高速度で演算を行
うことができることにより、オンラインで遂行すること
ができる。つまり、試行錯誤的に制御系の安定かつ高速
ループゲインKを見出すのと違い、本発明の方式によれ
ば、実時間でゲイン決定が遂行できる有利を有するので
ある。
ll+azt/b+ 、(bt <O)a I+atz
at3 a ItazK<− ■ K” bt (bt aI2 aztb+
)=AKX (atsFx +tz (a++
azz az3a+za++) (bt ad
z aztl)+ )X (az+azz) )
−B azsaII a+zaz+ (az+att)
X CaIIatz at3 atza目)=Cただ
し、 A<0のとき、 B”−4AC<Q、または、 Agoのとき、 B” −4AC>O且つ、 これら■〜■を満たすようにループゲインにの最大値を
決定すれば、制御系は安定条件下で最も高いゲインにの
もとに制御作動されることになるのである。このような
ループゲインにの決定過程もサーボ機構12のディジタ
ルシステムプロセッサDSPにより、高速度で演算を行
うことができることにより、オンラインで遂行すること
ができる。つまり、試行錯誤的に制御系の安定かつ高速
ループゲインKを見出すのと違い、本発明の方式によれ
ば、実時間でゲイン決定が遂行できる有利を有するので
ある。
そして、上述のようにして、各制御対象であるロボット
可動部に就き、オンラインによりパラメータ(バネ定数
、粘性係数)を決定することが可能であり、かつ、ルー
プゲインKを閉ループ制御系の安定で且つ高速性を備え
た値に選定できることから、サーボ機構12は両者を総
合して、時々刻々の制御系パラメータに対応したループ
ゲインKを時々刻々に決定し、制御動作をオンラインで
常に最適化することができるのである。
可動部に就き、オンラインによりパラメータ(バネ定数
、粘性係数)を決定することが可能であり、かつ、ルー
プゲインKを閉ループ制御系の安定で且つ高速性を備え
た値に選定できることから、サーボ機構12は両者を総
合して、時々刻々の制御系パラメータに対応したループ
ゲインKを時々刻々に決定し、制御動作をオンラインで
常に最適化することができるのである。
その結果、従来のアナログサーボ機構がロボット姿勢に
おける最悪条件を考慮した固定ゲインにより制御する場
合と対比すると、本発明によれば、ロボットの姿勢条件
に拘束されることなく、その都度、最適の制御条件にパ
ラメータやゲインを設定して各ロボット可動部を最適条
件下で動作制御することが可能となるのである。
おける最悪条件を考慮した固定ゲインにより制御する場
合と対比すると、本発明によれば、ロボットの姿勢条件
に拘束されることなく、その都度、最適の制御条件にパ
ラメータやゲインを設定して各ロボット可動部を最適条
件下で動作制御することが可能となるのである。
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、高速
演算機能を有したディジタルシステムプロセッサを内蔵
したディジタルサーボ機構を介してロボット可動部にお
ける各可動部を制御対象としたロボット制御がロボット
モデルにおけるパラメータをオンラインで決定し、また
制御系を安定条件の下で高速制御する最大のループゲイ
ンを時々刻々決定して制御できるから、ロボットの全て
の動作過程を常に最適制御条件下で制御することができ
ると言うディジタルサーボないしソフトウェアサーボの
特徴を如°何なく発揮させ得る効果が得られるのである
。
演算機能を有したディジタルシステムプロセッサを内蔵
したディジタルサーボ機構を介してロボット可動部にお
ける各可動部を制御対象としたロボット制御がロボット
モデルにおけるパラメータをオンラインで決定し、また
制御系を安定条件の下で高速制御する最大のループゲイ
ンを時々刻々決定して制御できるから、ロボットの全て
の動作過程を常に最適制御条件下で制御することができ
ると言うディジタルサーボないしソフトウェアサーボの
特徴を如°何なく発揮させ得る効果が得られるのである
。
第1A図は、本発明の1実施例に係る産業用ロボットの
制御方式を実施する場合におけるある1軸に関するロボ
ット可動部を制御対象にするサーボループを示した基本
ブロック図、第1B図は、第1A図のディジタルサーボ
機構を、アクチュエータ、制御対象を含めて機能表示し
た機能ブロック図、第2図は、同制御方式を適用する場
合に各ロボット可動部をアクチュエータから見たロボッ
トモデルを示す機構図、第3図は、第2図示したロボッ
トモデルのボード線図の概略を説明するグラフ図、第4
図は、本発明のロボット制御方式の実施において、制御
対象であるロボット可動部の慣性モーメントを、その駆
動モータ部の慣性モーメントに換算して構成したサーボ
ループを示すブロック図。 10・・・ホストcpu。 12・・・ディジタルサーボ機構、 DSP・・・ディジタルシステムプロセッサ、14・・
・アクチュエータ、 16・・・制御対象、ω、・・
・反共振点周波数、 ω2・・・共振点周波数、Kc・
・・バネ定数、 BI[・・・粘性係数、K・・
・ループゲイン。
制御方式を実施する場合におけるある1軸に関するロボ
ット可動部を制御対象にするサーボループを示した基本
ブロック図、第1B図は、第1A図のディジタルサーボ
機構を、アクチュエータ、制御対象を含めて機能表示し
た機能ブロック図、第2図は、同制御方式を適用する場
合に各ロボット可動部をアクチュエータから見たロボッ
トモデルを示す機構図、第3図は、第2図示したロボッ
トモデルのボード線図の概略を説明するグラフ図、第4
図は、本発明のロボット制御方式の実施において、制御
対象であるロボット可動部の慣性モーメントを、その駆
動モータ部の慣性モーメントに換算して構成したサーボ
ループを示すブロック図。 10・・・ホストcpu。 12・・・ディジタルサーボ機構、 DSP・・・ディジタルシステムプロセッサ、14・・
・アクチュエータ、 16・・・制御対象、ω、・・
・反共振点周波数、 ω2・・・共振点周波数、Kc・
・・バネ定数、 BI[・・・粘性係数、K・・
・ループゲイン。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1、ロボットの夫々の可動部を制御対象とする各アクチ
ュエータモータを高速演算装置を備えたディジタルサー
ボ系によりフィードバック制御するロボット制御方式に
おいて、前記各アクチュエータモータで駆動される制御
対象を慣性モーメントとバネ定数と粘性係数とをパラメ
ータとするロボットモデルにモデル化し、該ロボットモ
デルを含めたサーボ系の3次伝達関数を決定し、前記ロ
ボットモデルを含めたサーボ系の3次伝達関数のボード
線図上の共振点または反共振点に対応した周波数とゲイ
ンとを前記ロボットモデルのトルクと速度とのオンライ
ンにおけるサンプル値から決定し、該決定した周波数と
ゲインとの値から前記サーボ系のバネ定数と粘性係数と
を実時間決定し、決定されたバネ定数と粘性係数とによ
り、前記各可動部の動作を制御することを特徴としたロ
ボットの制御方式。 2、ロボットの夫々の可動部を制御対象とする各アクチ
ュエータモータを高速演算装置を備えたディジタルサー
ボ系によりフィードバック制御するロボット制御方式に
おいて、前記各アクチュエータモータで駆動される制御
対象を慣性モーメントとバネ定数と粘性係数とをパラメ
ータとするロボットモデルにモデル化し、該ロボットモ
デルを含めたサーボ系の運動方程式を決定し、該運動方
程式から該ロボットモデルを含めたアクチュエータモー
タの実時間等価慣性モーメントに関する状態方程式を決
定し、該状態式から前記アクチュエータモータの実時間
等価慣性モーメントに関する特性方程式を求め、該特性
方程式からラウスハルビッツの安定条件を満たす前記サ
ーボ系のループゲインを前記高速演算装置で高速演算に
より決定することを特徴したロボットの制御方式。 3、ロボットの夫々の可動部を制御対象とする各アクチ
ュエータモータを高速演算装置を備えたディジタルサー
ボ系によりフィードバック制御するロボット制御方式に
おいて、前記各アクチュエータモータで駆動される制御
対象を慣性モーメントとバネ定数と粘性係数とをパラメ
ータとするロボットモデルにモデル化し、該ロボットモ
デルを含めたサーボ系の3次伝達関数を決定し、前記ロ
ボットモデルを含めたサーボ系の3次伝達関数のボード
線図上の共振点または反共振点に対応した周波数とゲイ
ンとを前記アクチュエータモデルのトルクと速度とのオ
ンラインにおけるサンプル値から決定し、該決定した周
波数とゲインとの値から前記サーボ系のバネ定数と粘性
係数とを実時間決定し、該決定されたバネ定数と粘性係
数とをパラメータとして前記ロボットモデルを含めたサ
ーボ系の運動方程式を決定し、該運動方程式から該ロボ
ットモデルを含めたアクチュエータモータの実時間等価
慣性モーメントに関する状態方程式を決定し、該状態式
から前記アクチュエータモータの実時間等価慣性モーメ
ントに関する特性方程式を求め、該特性方程式からラウ
スハルビッツの安定条件を満たす前記サーボ系の最適ル
ープゲインを前記高速演算装置で高速演算により決定す
ることを特徴としたロボットの制御方式。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19282588A JPH0242502A (ja) | 1988-08-03 | 1988-08-03 | ロボットのディジタル制御方式 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19282588A JPH0242502A (ja) | 1988-08-03 | 1988-08-03 | ロボットのディジタル制御方式 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0242502A true JPH0242502A (ja) | 1990-02-13 |
Family
ID=16297604
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP19282588A Pending JPH0242502A (ja) | 1988-08-03 | 1988-08-03 | ロボットのディジタル制御方式 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0242502A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8838275B2 (en) | 2011-09-21 | 2014-09-16 | Seiko Epson Corporation | Robot and robot control method |
| WO2025126408A1 (ja) * | 2023-12-13 | 2025-06-19 | ファナック株式会社 | 機械特性情報生成装置、シミュレーション装置、及び制御装置 |
-
1988
- 1988-08-03 JP JP19282588A patent/JPH0242502A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8838275B2 (en) | 2011-09-21 | 2014-09-16 | Seiko Epson Corporation | Robot and robot control method |
| WO2025126408A1 (ja) * | 2023-12-13 | 2025-06-19 | ファナック株式会社 | 機械特性情報生成装置、シミュレーション装置、及び制御装置 |
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