JPH0550005B2 - - Google Patents

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JPH0550005B2
JPH0550005B2 JP19939784A JP19939784A JPH0550005B2 JP H0550005 B2 JPH0550005 B2 JP H0550005B2 JP 19939784 A JP19939784 A JP 19939784A JP 19939784 A JP19939784 A JP 19939784A JP H0550005 B2 JPH0550005 B2 JP H0550005B2
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JP
Japan
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manipulator
feedback control
nonlinear compensation
control
feedback
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JP19939784A
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Tooru Takahashi
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Nissan Motor Co Ltd
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Nissan Motor Co Ltd
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    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00Program-control systems
    • G05B19/02Program-control systems electric
    • G05B19/18Numerical 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 program data in numerical form
    • G05B19/19Numerical 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 program 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
    • G05B19/21Numerical 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 program 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
    • G05B19/23Numerical 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 program 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
    • G05B19/231Numerical 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 program 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

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Control Of Position Or Direction (AREA)
  • Feedback Control In General (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 <産業上の利用分野> 本発明は非線形補償機能を有するマニピユレー
タの制御装置に関する。
<従来の技術> 従来より、マニピユレータの制御装置において
は、フイードバツク制御と共に、非線形補償を行
つている。すなわち、制御対象のマニピユレータ
が多関節構造である場合などには、その動きは常
に慣性モーメント、コリオリ・遠心力、そして重
力等の非線形な力の影響を受けているので、それ
を補償するための非線形補償量をマニピユレータ
の関節角及び関節角速度より求めて、マニピユレ
ータへの制御出力(トルク指令)を非線形補償す
ることにより、マニピユレータの非線形効果を相
殺し、線形動作を実現しようとしている(特開昭
55−41585号公報参照)。
<発明が解決しようとする問題点> しかしながら、このような従来のマニピユレー
タの制御装置にあつては、非線形補償を行う演算
において、高速演算アルゴリズム(例えばLuhの
アルゴリズム)を使用しても、多関節多自由度と
なると、かなり演算時間が増加し、これに伴いフ
イードバツク制御周期も非線形補償周期に合わせ
ざるを得ず、長い制御周期となるため、非線形補
償があまり必要のない位置決め時の精密サーボ制
御が粗い制御となり、位置決め時間がかかり、マ
ニピユレータ動作性能の低下を招くという問題点
があつた。
そこで本発明は、位置決め時のマニピユレータ
の動作性能を向上させることのできるマニピユレ
ータの制御装置を提供することを目的とする。
<問題点を解決するための手段> 本発明は、上記の目的を達成するため、第1図
に示すように、第1には、各時点での目標値と実
際値とを比較しつつマニピユレータMへの制御出
力をフイードバツク制御するフイードバツク制御
手段Aと、マニピユレータMの有する非線形性を
補償するため上記制御出力を非線形補償する非線
形補償手段Bとを設ける他、実際値が最終目標値
付近に達したときに非線形補償手段Aの作動を停
止させる非線形補償停止手段Cを設けるようにし
たことを特徴とする。
第2には、更に上記非線形補償停止手段Cの作
動と同期して上記フイードバツク制御手段Aのフ
イードバツク制御周期を短くするフイードバツク
制御周期切換手段Dを設けるようにしたことを特
徴とする。
第3には、更に上記フイードバツク制御周期切
換手段Dの作動と同期してその制御周期に合つた
フイードバツク制御ゲインに切換えるフイードバ
ツク制御ゲイン切換手段Eを設けるようにしたこ
とを特徴とする。
<作用> すなわち、マニピユレータの非線形形が強くで
る高速動作時は従来通り非線形補償しつつ線形フ
イードバツク制御を行い、非線形性があまり問題
とならない最終目標値付近での位置決め時には、
非線形補償を停止してフイードバツク制御のみで
制御し(第1の発明)、更にはフイードバツク制
御周期を短くし(第2の発明)、更にはその制御
周期に合つたフイードバツク制御ゲインに切換え
る(第3の発明)のである。
<実施例> 以下実施例を説明する。
第2図はマイクロコンピユータを用いた場合の
ハードウエア構成例を示す。同図において、1は
マイクロコンピユータ(CPU)であり、その出
力によりD/A変換器2及び電流アンプ3を介し
てマニピユレータの各関節軸のDCモータ4を駆
動する。5はタコジエレータで、これにより関節
角速度θ・を検出する。6はカウンタで、これによ
り関節角θを検出する。尚、2〜6は各関節軸毎
に設けられるが、図では省略してある。ここにマ
イクロコンピユータ1内部で、目標パターン発
生、線形フイードバツク制御、非線形補償等を行
う。
第3図は制御系ブロツク図であり、図中11は
線形フイードバツクコンローラ、12は非線形補
償演算ブロツク、13はマニピユレータである。
第4図は動作手順を示すフローチヤートであ
り、これは第1の発明に対応している。
所定の制御周期毎にこのフローを繰返すが、先
ずステツプ1(図ではS1)でマニピユレータの現
在の関節角θと関節角速度θ・と検出しデータとし
て取り込む。
ステツプ2ではある動作の最終目標関節角と
実際値θとを比較して、所定範囲(Aは所定値)
に入つたか否かを判定し、YESであれば、次の
ステツプ3で最終目標関節角速度θ・r(通常は零)
と実際値θ・とを比較して、所定範囲(Bは所定
値)に入つたか否かを判定する。
ステツプ2でNO、若しくはステツプ3でNO
の場合は、高速動作中とみなし(第7図参照)、
ステツプ11へ進んでその時点での目標値θr、θ・r
と実際値θ、θ・との偏差に基づいて定められるフ
イードバツク制御量uを計算し(第3図参照)、
次のステツプ12でuとθとθ・とから非線形補償演
算により非線形補償量(指令トルク)Tを計算し
出力する。
ステツプ3でYESの場合は、充分低速になつ
て最終目標値に近づいたとみなし(第7図参照)、
ステツプ21へ進んでその時点での目標値θr、θ・r
と実際値θ、θ・との偏差に基づいて定められるフ
イードバツク制御量uを計算し、この場合は非線
形補償演算を行うことなく、次のステツプ22で、 T=A′u+B′(A′、B′は所定値) として、指令トルクTを計算し出力する。
第5図のフローチヤートは第2の発明に対応す
るものであり、フイードバツク制御と非線形補償
とを行うときはステツプ11、12の次のステツプ13
で制御周期をDT0に設定するが、非線形補償を
停止してフイードバツク制御のみ行うときはステ
ツプ21、22の次のステツプ23で制御周期をDT0
からDT1(DT1<DT0)に切換え、制御周期を早
める。
第6図のフローチヤートは第3の発明に対応す
るものであり、ステツプ23で制御周期をDT1に
切換えて短くした場合に、次のステツプ24でそれ
に合わせてフイードバツク制御ゲインK1,K2(第
3図参照)を切換える。
次に作用を説明する。
先ず、マニピユレータの持つ強い非線形性を取
除く非線形補償について述べる。
よく知られているように、多関節マニピユレー
タは次の(1)式のような非線形性、軸間干渉性を有
しており、高速・高精度な動作を線形フイードバ
ツクで実現するには、これが問題となつてくる。
〓(θ)θ¨+〓(θ、θ・)+〓(θ)θ・ +〓(θ)=〓 ……(1) ここに、θ=〔θ1、…θot(θi:各ジヨイト関節
角、n:各ジヨイント数) 〓=〔T1、…Tot(Ti:各ジヨイントへの駆動ト
ルク) 〓(θ):慣性モーメント行列 〓(θ、θ・):コリオリ・遠心力項 〓(θ):各ジヨイントの粘性摩擦 〓(θ):重力項 そこで、例えば次の(2)式のように指令トルクを
定めてやることで、マニピユレータの非線形性、
軸間干渉性をある程度取除けて、次の(3)式のよう
に線形化され、線形フイードバツク制御をより効
果的に行うことができる。
〓=〓(θ)〔〓1θ+〓2θ・+〓〓〕 +〓(θ、θ・)+〓(θ)θ・+〓(θ) …(2) θ¨=〓2θ・+〓1θ+〓〓 …(3) ここに、〓1、〓2、〓は定数行列で、特に干
渉性を取除くために、〓1、〓2、〓は対角行列
に選んでいる。〓はフイードバツク制御量であ
る。
そこで、非線形補償演算ブロツクでは、マニピ
ユレータの諸元値、すなわち、各軸に固定された
座標系で表された各リンクの重心位置、リンク重
量、慣性モーメント、摩擦係数、リンク座標間の
変換行列、ゲイン〓1、〓2、〓を記憶してい
て、マニピユレーの関節角θと関節角速度θ・、及
び線形フイードバツクコントローラの制御出力で
あるフイードバツク制御量uを入力し、式(2)を例
えばLuhのアルゴリズム(式(1)の形の方程式を高
速で演算することが可能なアルゴリズム)で計算
し、非線形補償量である指令トルク〓を定めて、
マニピユレータの各軸のモータに出力する。これ
により、マニユピユレーは略線形化され、また各
軸は略独立として見なすことができる。
さて、一般的な6軸多関節マニピユレータで式
(2)の補償演算を考えてみると、大体乗算・加算合
計600位あり、現状の演算プロセツサを用いても
20〜50ms程度はかかつてしまい、線形フイード
バツクコントローラの制御周期も、これに同期さ
せざるを得ず、マニピユレータの機械的共振周波
数が一般的に10数Hzであることから、充分短い制
御周期と言うこともできず、位置決め精度低下、
整定時間が長くなる等の問題を生じてしまう。
ところで、式(1)を見てもわかるように、マニピ
ユレータの非線形力はθ¨、θ・が大きい時に強くで
て、低速時にはあまり出ない。つまり、第7図の
ように、ある作業動作で位置決めに近づいた時点
では、かなり低速化しており、〓(θ)の変化も
少なく、非線形補償も不必要となつてくる。
そこで補償演算を簡略化するため、|−θ|
<A、|θ・r−θ・|<Bの領域に入つたら(A、
Bはマニピユレータの非線形力特性から適当に定
める)、ほぼθ・=0と考え、 T=A′u+B …(4) ここに、 A′=〓()〓、 B′=〓()〓1 +〓(、0)+〓() の定数 にてフイードバツク制御のみを行う(第1の発
明)。
これにより、制御系でかなりの演算部分を占め
ていた非線形補償演算がなくなり、演算負荷が激
減される。
第2の発明では、第1発明で激減された演算負
荷分を線形フイードバツクコントローラの制御周
期の短縮化に使用する。精密な位置決めを整定時
間短く行うには目標値に対する偏差を早く検出
し、早く対処する必要があり、制御周期を非線形
補償演算周期DT0に合わせたものから、補償演
算を止め短い周期DT1(<DT0)にすることで、
第8図に示すように整定時間が短縮化され、また
位置繰返し精度も向上する。
第3の発明では、第2の発明に加えて、変更さ
れたフイードバツク制御周期に合つた制御ゲイン
K1,K2(第3図参照)に切換える。
例えば第10図の例で考えると、閉ループ系で
は、 θ¨−(F2+GK2)θ・−(F1+GK2K1)θ =GK2K1θr …(5) となる。ここで、これをZ変換(Z=est、Δt=
制御周期)し、所望特性とするゲインK1,K2
Δtの関数となることから、制御周期に合つた制
御ゲインK1,K2に切換える意味は明白である。
尚、第9図は、ゲインを切換えずDT0周期で
マツチングされたゲインで制御した場合と、
DT1周期でマツチングされたゲインに切換えた
場合との制御性の差を示している。
<発明の効果> 以上説明したように本発明によれば、マニピユ
レータの非線形性が強くでる高速動作時は、従来
通り非線形補償しつつ線形フイードバツク制御を
行い、非線形形があまり問題にならない最終目標
位置及び速度に近づいたら、非線形補償を止めフ
イードバツク制御のみで制御するようにしたた
め、位置決め時の演算負荷を大巾に低減できると
いう効果が得られる。
また、第2には、非線形補償の停止と同時にフ
イードバツク制御周期を短くすることで、位置繰
返しが精度が向上し、整定時間も短くすることが
できるという効果が得られる。
また第3には、フイードバツク制御周期の短縮
化と同時にこれに合つたフイードバツク制御ゲイ
ンに切換えることで、最適なゲイン選択により更
に制御性能を向上させることができるという効果
が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の構成を示すブロツク図、第2
図はマイクロコンピユータによるハードウエア構
成例を示すブロツク図、第3図は制御系ブロツク
図、第4図〜第6図はそれぞれ第1〜第3の発明
に対応する動作手順のフローチヤート、第7図〜
第9図は作用を説明するための線図、第10図は
非線形補償停止時の制御系ブロツク図である。 11……線系フイードバツクコントローラ、1
2……非線形補償演算ブロツク、13……マニピ
ユレータ。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 各時点での目標値と実際値とを比較しつつマ
    ニピユレータへの制御出力をフイードバツク制御
    するフイードバツク制御手段と、マニピユレータ
    の有する非線形性を補償するため上記制御出力を
    非線形補償する非線形補償手段とを有するマニピ
    ユレータの制御装置において、実際値が最終目標
    値付近に達したときに上記非線形補償手段の作動
    を停止させる非線形補償停止手段を設けたことを
    特徴とするマニピユレータの制御装置。 2 各時点での目標値と実際値とを比較しつつマ
    ニピユレータへの制御出力をフイードバツク制御
    するフイードバツク制御手段と、マニピユレータ
    の有する非線形性を補償するため上記制御出力を
    非線形補償する非線形補償手段とを有するマニピ
    ユレータの制御装置において、実際値が最終目標
    値付近に達したときに上記非線形補償手段の作動
    を停止させる非線形補償停止手段と、該非線形補
    償停止手段の作動と同期して上記フイードバツク
    制御手段のフイードバツク制御周期を短くするフ
    イードバツク制御周期切換手段とを設けたことを
    特徴とするマニピユレータの制御装置。 3 各時点での目標値と実際値とを比較しつつマ
    ニピユレータへの制御出力をフイードバツク制御
    するフイードバツク制御手段と、マニピユレータ
    の有する非線形性を補償するため上記制御出力を
    非線形補償する非線形補償手段とを有するマニピ
    ユレータの制御装置において、実際値が最終目標
    値付近に達したときに上記非線形補償手段の作動
    を停止させる非線形補償停止手段と、該非線形補
    償停止手段の作動と同期して上記フイードバツク
    制御手段のフイードバツク制御周期を短くするフ
    イードバツク制御周期切換手段と、該フイードバ
    ツク制御周期切換手段の作動と同期してその制御
    周期に合つたフイードバツク制御ゲインに切換え
    るフイードバツク制御ゲイン切換手段とを設けた
    ことを特徴とするマニピユレータの制御装置。
JP19939784A 1984-09-26 1984-09-26 マニピユレ−タの制御装置 Granted JPS6177906A (ja)

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JPS6177906A JPS6177906A (ja) 1986-04-21
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JPH0769734B2 (ja) * 1987-04-24 1995-07-31 株式会社日立製作所 マニピュレータ装置
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