JPH09222910A - 多軸ロボットの制御装置 - Google Patents

多軸ロボットの制御装置

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JPH09222910A
JPH09222910A JP8032230A JP3223096A JPH09222910A JP H09222910 A JPH09222910 A JP H09222910A JP 8032230 A JP8032230 A JP 8032230A JP 3223096 A JP3223096 A JP 3223096A JP H09222910 A JPH09222910 A JP H09222910A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 各軸に減速機等のバネ要素を含む産業用ロボ
ットに関して、高速動作時においても互いの軸の干渉を
完全に取り除く。 【解決手段】 各軸のサーボモータとアームとの間に減
速機等のバネ要素を含む機構を持つ多軸ロボットの制御
装置において、干渉を与える軸と干渉を受ける軸のサー
ボモータへの制御入力と各軸減速機に生じるねじり角に
基づき、各軸アーム側に発生する他の軸からの干渉力と
さらに、前記干渉力により生じる各軸独立のセミクロー
ズドループで構成されたサーボモータの制御入力に含ま
れる干渉力とを算出する手段１４を有し、各軸のアーム
先端が他の軸からの干渉を生じずに動作するように、他
の軸からの干渉力とサーボモータの制御入力に含まれる
干渉力に基づいて補正トルクを算出し、前記制御入力に
前記補正トルクを加算して出力する手段からなる多軸ロ
ボットの制御装置。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、互いの制御軸間に力学
的な干渉を有し、且つ各軸にバネ要素を含む、産業用ロ
ボットを代表とする多軸ロボットに関し、特にアーム先
端に生じる干渉力を完全に除去する制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に電動機により各軸が駆動される産
業用ロボットにおいて、電動機の力不足や負荷側からの
外乱力の影響を極力小さくするために減速比の大きなハ
ーモニックドライブ等のギアを介して、負荷側のアーム
を駆動している。したがって、制御軸間の力学的干渉は
従来あまり問題とされなかった。しかし、高速化、高精
度化の要求の高まりからＰＩ制御では補償しきれない力
学的影響や高減速比駆動であっても無視できない外乱が
生じ問題となっている。この問題を解決するために外乱
推定オブザーバにより外乱補償する方法やダイレクトド
ライブ駆動方式のロボットと同様に動力学方程式に基づ
き予め補償する方法が報告されている（例えば特開昭６
３−３１４６０６号公報、特開平６−２７００７９号公
報、特開平７−７３０７号公報）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】負荷側に生じる外乱が
大きい場合、外乱補償オブザーバによる方法では、干渉
等に関する動特性は考慮していないため十分な精度の向
上は望めない。動力学方程式に基づき予め補償する方法
についても、従来の方法ではギアを介した場合の動特性
や各軸を動作させるため計算された制御入力の含む干渉
力については十分に考慮されておらず、高速動作時には
完全に干渉を取り除くことはできない。本発明が解決す
べき課題は、各軸に減速機等のバネ要素を含む産業用ロ
ボットに関して、高速動作時においても互いの軸の干渉
を完全に取り除くことにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明の多軸ロボットの
制御装置は、上記の課題を解決するため、各軸のサーボ
モータとアームとの間に減速機等のバネ要素を含む機構
を持つ多軸ロボットの制御装置において、干渉を与える
軸と干渉を受ける軸のサーボモータへの制御入力と各軸
減速機に生じるねじり角に基づき、各軸アーム側に発生
する他の軸からの干渉力とさらに、前記干渉力により生
じる各軸独立のセミクローズドループで構成されたサー
ボモータの制御入力に含まれる干渉力とを算出する手段
を有し、各軸のアーム先端が他の軸からの干渉を生じず
に動作するように、他の軸からの干渉力とサーボモータ
の制御入力に含まれる干渉力に基づいて補正トルクを算
出し、前記制御入力に前記補正トルクを加算して出力す
る手段からなるものである。この装置において、各軸減
速機に生じるねじり角は、各軸のサーボモータの制御入
力と実際のサーボモータの位置により状態量を再現する
状態観測手段により再現された値を用いることもでき
る。具体的には、各軸のサーボモータとアームとの結合
をバネ要素を含む２慣性系で表現することにより動力学
方程式を求め、各軸のアーム側に発生する多軸からの干
渉力を算出するとともに、セミクローズドループ構成さ
れた各軸の制御入力が含む干渉力を算出し、干渉力を完
全に打ち消すような補正トルクを制御入力に加算して出
力する。
【０００５】
【発明の実施の形態】説明を容易にするため、２軸ロボ
ットに関して述べる。多軸ロボットにおいては、前記２
軸ロボットに関して以下に説明される事項を拡大して適
用することが可能である。図１は、Ｌ軸、Ｕ軸を有する
一般的な垂直２軸ロボットの模式図、図２は、平行四辺
形リンク構造の垂直２軸ロボットの模式図である。図中
ｌLはＬ軸の長さ、ＭLはＬ軸の質量、ｌLgはＬ軸の重心
までの長さ、θlLはＬ軸の角度、ＭUはＵ軸の質量、ｌ
UgはＵ軸の重心までの長さ、θlUはＵ軸のＬ軸に対する
角度である。図１、２に示す２軸ロボットの運動方程式
は、以下に示す数１〜数６により表すことができる。ま
ず、各軸減速機に生じるねじり角を表す関係式が、次式
で表される。
【数１】
【数２】 ここで、θmLはＬ軸モータの角度、θmUはＵ軸モータの
角度、ＮLはＬ軸減速機の減速比、ＮUはＵ軸減速機の減
速比、θSLはＬ軸減速機に生じるねじり角、θSUはＵ軸
減速機に生じるねじり角である。
【０００６】次の第３式及び第４式は、ラグランジェの
運動方程式より求められる関係式である。
【数３】
【数４】 ここで、ＫCLはＬ軸減速機のバネ定数、ＫCUはＵ軸減速
機のバネ定数、ｄLはＬ軸に働くトルク外乱、ｄUはＵ軸
に働くトルク外乱である。図３に運動方程式の各係数に
ついて示す。また、図４に示すモータとアームの間のト
ルク伝達機構は次式で表すことができる。図中１はアー
ム、２は負荷、３はアーム１を駆動するモータ、４はモ
ータ３とアーム１との間に設けられた減速機である。減
速機４は、減速機構とバネ要素から成り立っていると考
える。
【数５】
【数６】 ここで、ＪmLはＬ軸モータの慣性モーメント、ＪmUはＵ
軸モータの慣性モーメント、ｕLrefはＬ軸の制御入力、
ｕUrefはＵ軸の制御入力である。ここでの制御入力は加
速度指令として表している。
【０００７】図５は、本発明の制御装置による制御系の
構成を２軸について示したブロック図である。図中１０
はＬ軸状態観測手段、１１はＵ軸状態観測手段、１２は
Ｌ軸状態コントローラ、１３はＵ軸状態コントローラ、
１４は干渉力算出手段である。数１〜６から、アーム１
の位置θlL、θlUの４回微分について解くと、次式のよ
うに表すことができる。
【数７】
【数８】 式７、８において、アームの位置の４回微分には、自軸
の状態量、制御入力の他に、他軸の状態量、外乱項が含
まれている。制御入力を指令により算出される値、他軸
からの干渉による値、干渉以外の外乱による値に分離す
ると次式のように表すことができる。
【数９】
【数１０】 ここで、各軸の非干渉化の条件は、次式が成り立つこと
だと言える。
【数１１】
【数１２】 したがって、次式が成り立つ必要がある。
【数１３】
【数１４】 自軸の動作に対する干渉力を取り除くための条件は、第
１１式、第１２式が成り立つように制御入力を補償して
やることである。つまり、第１３式、第１４式が成り立
つことである。
【０００８】ここで、さらに各軸を動作させるため計算
された制御入力の含む干渉力を補償するために数１〜６
により求められる次式を導入する。
【数１５】
【数１６】 数１５、１６を数１３、１４に代入することにより、非
干渉化の補償量として次式が得られる。
【数１７】
【数１８】
【０００９】ただし、この補償量には、減速機でのねじ
れ量も含まれているため、制御演算に使用される状態変
数に次の補正量を加える。
【数１９】
【数２０】
【数２１】
【数２２】 前記の制御装置により、各軸アーム先端の動作によって
生じる干渉力と各軸の制御入力が含む干渉力とが非干渉
化され、アーム先端の動作に関して、干渉のない応答が
得られる。外乱が無視できる場合あるいは観測できない
場合は、数１〜数２２の外乱項を省略して適用すること
ができる。
【００１０】以下、本発明の実施例の効果について説明
する。図６に示すように、第１軸にはゼロ指令（図６の
上の特性）を、第２軸にはステップ型の速度指令（図６
の下の特性）を与えた場合、通常のＰＩ制御では、第１
軸に図７のような干渉力が生じるが、本発明の制御装置
を用いることにより、図８のように干渉力を取り除くこ
とができる。また、先端に水平方向に直線軌道を描くよ
う指令した場合、通常のＰＩ制御では図９のようにかな
り軌跡にずれを生じるが、本発明の制御装置を用いるこ
とにより図１０のように改善することができる。
【００１１】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、サ
ーボモータとアームとの間に減速機等のバネ要素を含む
機構を持つ多軸ロボットにおいても、各軸のアーム側に
発生する他の軸からの干渉力と各軸独立のセミクローズ
ドループで構成されたサーボモータの制御入力に含まれ
る干渉力が算出され、各軸に生じる干渉トルクが補正さ
れる。これにより、減速機にねじり振動が生じるような
高速動作時においても干渉力を取り除くことができ、あ
たかも各駆動軸間に干渉がないかのごとく各軸のサーボ
モータを制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 一般的な垂直２軸ロボットの模式図である。
【図２】 平行四辺形リンク構造の垂直２軸ロボットの
模式図である。
【図３】 運動方程式の各係数について示す説明図であ
る。
【図４】 モータとアームの間のトルク伝達機構の説明
図である。
【図５】 本発明の制御装置による制御系の構成を２軸
について示したブロック図である。
【図６】 第１軸に与えるゼロ指令と、第２軸に与える
ステップ型の速度指令の特性図である。
【図７】 通常のＰＩ制御において、第１軸に生じる干
渉力の説明図である。
【図８】 本発明において干渉力が取り除かれた様子を
示す説明図である。
【図９】 通常のＰＩ制御において生じる軌跡のずれを
示す説明図である。
【図１０】 本発明において改善された軌跡のずれを示
す説明図である。
【符号の説明】
１ アーム、２ 負荷、３ モータ、４ 減速機、１０
Ｌ軸状態観測手段、１１ Ｕ軸状態観測手段、１２
Ｌ軸状態コントローラ、１３ Ｕ軸状態コントローラ、
１４ 干渉力算出手段

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 各軸のサーボモータとアームとの間に減
    速機等のバネ要素を含む機構を持つ多軸ロボットの制御
    装置において、 干渉を与える軸と干渉を受ける軸のサーボモータへの制
    御入力と各軸減速機に生じるねじり角に基づき、各軸ア
    ーム側に発生する他の軸からの干渉力とさらに、前記干
    渉力により生じる各軸独立のセミクローズドループで構
    成されたサーボモータの制御入力に含まれる干渉力とを
    算出する手段を有し、各軸のアーム先端が他の軸からの
    干渉を生じずに動作するように、他の軸からの干渉力と
    サーボモータの制御入力に含まれる干渉力に基づいて補
    正トルクを算出し、前記制御入力に前記補正トルクを加
    算して出力する手段からなることを特徴とする多軸ロボ
    ットの制御装置。
  2. 【請求項２】 サーボモータの制御入力と実際のサーボ
    モータの位置により状態量を再現する状態観測手段を各
    軸に有し、前記状態観測手段により再現されたねじり角
    を用いて干渉力を算出することを特徴とする請求項１記
    載の多軸ロボットの制御装置。
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