JPH11249724A - ロボット制御のための経路計画装置及び経路計画方法 - Google Patents

ロボット制御のための経路計画装置及び経路計画方法

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JPH11249724A
JPH11249724A JP10368134A JP36813498A JPH11249724A JP H11249724 A JPH11249724 A JP H11249724A JP 10368134 A JP10368134 A JP 10368134A JP 36813498 A JP36813498 A JP 36813498A JP H11249724 A JPH11249724 A JP H11249724A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明の課題はロボットの経路計画装置でジ
ャークの変化を緩やかにすることによりロボットボディ
ーの損傷を減少させ、動きを円滑にして、経路計画装置
の応答速度を改善することである。 【解決手段】 本発明の経路計画装置は、目標に対する
位置信号の入力を受けて速度プロファイルＶａを計算し
て出力するプランナー、一つの低域通過フィルタで形成
され、プランナーから速度プロファイルＶａの入力を受
けて経路補間を遂行して平滑化された速度プロファイル
Ｖｂを出力する補間器、補間器の出力を受けてサーボモ
ーターの加／減速を制御するサーボ制御部を含むことを
特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はロボット制御に関す
るもので、より詳しくはロボットが動作する経路計画装
置及び経路計画方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】産業用ロボットの動作を制御する場合に
は、動作経路が精密に維持され、線形又は環形の部分経
路の間のコーナー組合せを単純で確実にすることが大変
重要である。このために最近では平滑な加速及び減速を
通じてロボットの動作経路を計画する方法が使われてい
る。
【０００３】図１に従来のロボットの経路計画装置のブ
ロック図を図示した。図１のように従来の経路計画装置
は、目標位置の入力を受けて速度プロファイルを計算し
て出力するプランナー（planner）１０、プランナー１
０から速度プロファイル（profile）の入力を受けて経
路補間（path interpolation）を遂行して平滑化された
速度プロファイルを出力する補間器（interpolator）２
０、補間器２０の出力を受けてサーボモーター（servo
motor）４０を制御するサーボ制御部３０とからなる。
補間器２０は図２のように単位遅延素子（unit delay）
２１と加算器（adder）２２及び係数乗算器（coefficie
nt multiplier）２３で構成された線形フィルタとから
なる。ここでＦはフィルタの次数（order）であり加／
減速区間の長さになる。
【０００４】かかる経路計画装置でプランナー１０が目
標位置に至るために計算された速度プロファイルＶａを
補間器２０に入力するとフィルタリングされた速度プロ
ファイルＶｂが出力されサーボ制御部３０に入力されて
サーボモーターを駆動するようになる。図３に入力速度
プロファイルＶａを図示し、図４に出力速度プロファイ
ルＶｂを図示した。
【０００５】出力速度プロファイルＶｂを微分すると加
速度プロファイルＡが求められ、これを再び微分すると
ジャークプロファイルＪを求めることができる。図４に
加速度プロファイルＡとジャークプロファイルＪを各々
図示した。ここでジャークは加速度の時間的変化率を指
定するベクトルであって産業用ロボットにおけるロボッ
トボディーの耐久性に大きな影響を及ぼす。図４のよう
に従来の経路計画装置は急激なジャークを発生するので
ロボットボディーに損傷を与えやすい。
【０００６】かかるジャークの変化を減少させるための
アメリカ特許第５４３４４８９号明細書では二つの線形
フィルタを使った経路計画装置を提示した。図５にこの
ような二つの線形フィルタを使った経路計画装置を図示
した。図５のように補間器２０は二つの線形フィルタ２
４，２５よりなっている。この場合、図３のような速度
プロファイルＶａが補間器２０に入力されると、図６の
ような速度プロファイルＶｂが出力される。図６の速度
プロファイルＶｂにおける加／減速部分は２次関数より
なるＳ字曲線の形態になっていることがわかる。
【０００７】図６の速度プロファイルＶｂから加速度プ
ロファイルＡおよびジャークプロファイルＪが求めら
れ、これを図６に併せて図示した。図６のように二つの
線形フィルタを使った場合には一つの線形フィルタを使
った場合よりジャークプロファイルＪが緩やかになるの
で、ボットボディーの損傷を減少させて円滑な動作が得
られる。しかし、依然としてジャークの変化が大きくて
ロボットボディーが損傷するおそれがあり、フィルタの
過剰な使用によって、計算時間が増えて応答速度が遅く
なると言う短所がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明はかかる問題点
を解決するためのもので、本発明の課題はロボットの経
路計画装置でジャークの変化を緩やかにすることにより
ロボットボディーの損傷を軽減し、動きを円滑にして、
経路計画装置の応答速度を改善することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】かかる課題を達成するた
めに本発明では、設定された目標に対する位置信号の入
力を受けて速度プロファイルを計算し、一つの低域通過
フィルタを使って速度プロファイルに対して経路補間を
遂行することで、平滑化された速度プロファイルを形成
してサーボモーターの加／減速を制御する。
【００１０】かかる経路計画に使われる低域通過フィル
タは直列接続された多数の単位遅延素子と係数乗算器及
び加算器からなる。フィルタに入力された信号は単位遅
延素子によって順次に遅延する。このように遅延した各
信号に所定の利得値を係数乗算器で乗算して、この値を
加算器ですべて加算した後、ここに前記利得値の全体の
和の逆数がまた他の係数乗算器で乗算されてフィルタ出
力になる。
【００１１】ここで、利得値を調節してサーボモーター
の加速度の変化率を調節することができ、利得値を時間
に対する関数で表わした時、その次数が大きければ大き
いほどサーボモーターの動作がスムーズになる。すなわ
ち、フィルタに入力される速度プロファイルが０次であ
る時、利得値が時間に対して１次関数である場合にはジ
ャークプロファイルは０次になり、利得値が時間に対し
て２次関数である場合にはジャークプロファイルは１次
になってさらに平滑化される。このようにジャークプロ
ファイルを平滑化させる経路計画はロボット制御に使わ
れる場合、ロボットボディーの損傷を減少させることが
できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、本発明のもっとも好ましい
実施形態を記載する。本発明の実施形態による経路計画
装置を図７に図示した。図７のように本発明による経路
計画装置は目標に対する位置信号の入力を受けて速度プ
ロファイルＶａを計算して出力するプランナー１０と、
プランナー１０から速度プロファイルＶａの入力を受け
て平滑化された速度プロファイルＶｂを出力する低域通
過フィルタ５０と、低域通過フィルタ５０の出力を受け
てサーボモーター４０の加／減速を制御するサーボ制御
部３０とからなる。低域通過フィルタ５０は経路補間を
遂行する補間器の機能を有する。すなわち、本発明によ
る実施形態では一つの低域通過フィルタ５０だけで経路
補間を遂行することができる。
【００１３】かかる低域通過フィルタ５０を図８に図示
した。図８のように、低域通過フィルタ５０はシフトレ
ジスタで形成されている多数の単位遅延素子５１と係数
乗算器５２、５４及び加算器５３からなる。単位遅延素
子５１は直列接続されて遅延した信号を出力し、係数乗
算器５２は遅延した各々の信号に所定の利得値ｋ1、
ｋ2、…、ｋFを乗じ、加算器５３は係数乗算器５２の各
出力をすべて加算し、係数乗算器５４は係数乗算器５２
でに乗算された利得値ｋ1、ｋ2、…、ｋF全体の和の逆
数１／Ｓkを加算器５３の出力値に乗算する。ここでＦ
はサーボモーターの加／減速区間の大きさである。
【００１４】一般に、デジタルフィルタの伝達関数がｆ
(ｎＴ)であり、フィルタの入力信号がＶ(ｎＴ)である
時、フィルタ出力ｗ(ｎＴ)は次の数５のように入力信号
Ｖ(ｎＴ)と伝達関数のｆ(ｎＴ)のコンボルション（conv
olution）で表示される。ここでＴはサンプリング周期
であり、ｎ＝０、１、２、…である。
【００１５】
【数５】
【００１６】従って、前記低域通過フィルタ５０に速度
プロファイルＶａ（ｎＴ）が入力されると、出力される
速度プロファイルＶｂ（ｎＴ）は次の数６の通りであ
る。
【００１７】
【数６】
【００１８】図８のように実際にフィルタを具現する場
合には各利得値の合計Ｓkは初期値として設定されるの
でフィルタの計算速度にはあまり影響を与えない。
【００１９】上記数６の利得値ｋiによってサーボモー
ター４０の加速度の変化率が決定される。便宜上利得値
ｋiを時間ｔに対する連続関数ｋ(ｔ)で表現し、ｋ(ｔ)
が次の数７のような時間に対する１次関数の関係を有す
ると、低域通過フィルタ５０は図３のような速度プロフ
ァイルＶａが入力された時、図６のような速度プロファ
イルＶｂを出力する。
【００２０】
【数７】
【００２１】ここで、ａは任意の正数で、数７の関係を
図９にグラフで図示した。かかる利得値ｋ(ｔ)は低域通
過フィルタ５０がデジタルフィルタであるので実際には
０からＦまでの期間の間にサンプリングの周期Ｔでサン
プリング処理される。図６の速度プロファイルＶｂにお
いて加／減速部分は２次関数からなっているＳ字曲線の
形態を有する。
【００２２】かかる速度プロファイルＶｂを微分すると
図６のような加速度プロファイルＡとジャークプロファ
イルＪを得ることができる。すなわち、従来の二つの線
型フィルタを使った場合のようなジャークプロファイル
Ｊを一つの低域通過フィルタだけで得ることができる。
【００２３】これと異なり、利得値ｋ(ｔ)が次の数８の
ような時間に対する２次関数の関係を有すると、低域通
過フィルタ５０は図３のような速度プロファイルＶａが
入力された時に図１１のような速度プロファイルＶｂを
出力する。
【００２４】
【数８】
【００２５】ここでａは任意の正数で、上記数８の関係
を図１０にグラフで図示した。図１１の速度プロファイ
ルＶｂを微分すると図１１の加速度プロファイルＡとジ
ャークプロファイルＪを得ることができる。この場合に
はジャークプロファイルＪが図６に図示したものよりは
るかに平滑化されてサーボモーターがよりスムーズに動
作できる。
【００２６】かかるように利得値の次数が大きければ大
きいほどジャークプロファイルが平滑化されてジャーク
によってロボットボディーに与えられる損傷を減少させ
ることができる。
【００２７】以下、本発明の実施形態による経路計画方
法を説明する。まず、設定された目標に対する位置信号
の入力を受けて速度プロファイルＶａを計算し、速度プ
ロファイルＶａに対して経路補間を遂行して平滑化され
た速度プロファイルＶｂを形成し、速度プロファイルＶ
ｂでサーボモーターの加／減速を制御して経路計画を遂
行する。この時、経路補間は一つの低域通過フィルタを
使ってフィルタリングすることによって遂行される。
【００２８】低域通過フィルタを使ってフィルタリング
する方法は、入力信号を連続的に遅延させて順次の遅延
値を有する多数の遅延信号を形成し、遅延信号に各々の
利得値を乗じて出力した後、利得値が乗算された各出力
を合わせた値に利得値全体の和の逆数を乗じてフィルタ
リングする。ここで利得値の全体の和の逆数に対する計
算はフィルタリングする前に予め計算して初期値として
設定することによってフィルタリングにかかる時間を減
少させることができる。
【００２９】かかる低域通過フィルタの利得値を調節す
ることで、サーボモーターの加速度の変化率を調節する
ことができる。利得値を時間に対する連続関数で表現す
る時、関数の次数が大きければ大きいほどサーボモータ
ーの動作がスムーズになる。すなわち、低域通過フィル
タに入力される速度プロファイルが０次である時、利得
値が時間に対する１次関数である場合にはジャークプロ
ファイルは０次になり、利得値が時間に対する２次関数
である場合にはジャークプロファイルは１次になる。ロ
ボットの制御では、かかるジャークプロファイルの次数
が増加して平滑化されればされるほどロボットボディー
の損傷を減少させることができる。
【００３０】
【発明の効果】前記のように本発明による経路制御では
一つの低域通過フィルタの利得値を調節して経路補間を
遂行することによってサーボモーターの動作をスムーズ
にし、ロボット制御に使う場合、ジャークの変化が緩や
かになってロボットボディーに対する損傷を減少させる
ことができる。また低域通過フィルタを具現する場合、
利得値の和を加／減速区間が与えられると予めて計算す
ることができるのでフィルタの計算速度を増加させるこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来のロボット制御における経路計画装置を
図示したブロック図である。
【図２】 図１の経路計画装置の補間器として使われる
線形フィルタを図示したブロック図である。
【図３】 図１の補間器に入力される速度プロファイル
を図示したグラフである。
【図４】 図１の補間器に出力される速度プロファイル
とこれを微分した加速度プロファイル及びジャークプロ
ファイルを図示したグラフである。
【図５】 二つの線形フィルタを使った従来の経路計画
装置の補間器を図示したブロック図である。
【図６】 図５の補間器から出力される速度プロファイ
ルとこれを微分した加速度プロファイル及びジャークプ
ロファイルを図示したグラフである。
【図７】 本発明の実施形態による経路計画装置を図示
したブロック図である。
【図８】 図７の経路計画装置の補間器に使われる低域
通過フィルタを図示したブロック図である。
【図９】 図８の低域通過フィルタの利得値を図示した
グラフである。
【図１０】 図８の低域通過フィルタの利得値を図示し
たグラフである。
【図１１】 図８の低域通過フィルタから出力される速
度プロファイルとこれを微分した加速度プロファイル及
びジャークプロファイルを図示したグラフである。
【符号の説明】
１０ プランナー ３０ サーボ制御部 ４０ サーボモーター ５０ 低域通過フィルタ ５１ 単位遅延素子 ５２ 係数乗算器 ５３ 加算器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ Ｇ０５Ｄ 3/12 ３０６ Ｇ０５Ｄ 3/12 ３０６Ｒ ３０６Ｇ

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 目標に対する位置信号の入力を受けて速
    度プロファイルＶａを計算して出力するプランナー、 一つの低域通過フィルタで形成され、前記プランナーか
    ら前記速度プロファイルＶａの入力を受けて経路補間を
    遂行して平滑化された速度プロファイルＶｂを出力する
    補間器、 前記補間器の出力を受けてサーボモーターの加／減速を
    制御するサーボ制御部を含む経路計画装置。
  2. 【請求項２】 前記低域通過フィルタは 直列接続された多数の単位遅延素子と、 前記単位遅延素子の出力に各々の利得値を乗じる多数の
    第１係数乗算器と、 前記多数の係数乗算器の出力をすべて加える加算器と、 前記加算器の出力に前記利得値全体の和の逆数を乗じる
    第２係数乗算器とを含む請求項１に記載の経路計画装
    置。
  3. 【請求項３】 前記単位遅延素子はシフトレジスタで形
    成される請求項２に記載の経路計画装置。
  4. 【請求項４】 前記利得値は時間に対して１次関数の関
    係を有する請求項２に記載の経路計画装置。
  5. 【請求項５】 時間をｔとし、前記利得値をｋ(ｔ)と
    し、前記サーボモーター加／減速区間の大きさをＦと
    し、任意の正数をａとする時、前記１次関数は下記数式
    の通りである請求項４に記載の経路計画装置。 【数１】
  6. 【請求項６】 前記利得値は時間に対して２次関数の関
    係を有する請求項２に記載の経路計画装置。
  7. 【請求項７】 時間をｔとし、前記利得値をｋ(ｔ)と
    し、前記サーボモーター加／減速区間の大きさをＦと
    し、任意の正数をａとする時、前記２次関数は下記数式
    の通りである請求項６に記載の経路計画装置。 【数２】
  8. 【請求項８】 目標に対する位置信号の入力を受けて速
    度プロファイルＶａを計算する段階、 一つの低域通過フィルタを使って前記速度プロファイル
    Ｖａに対して経路補間を遂行して平滑化された速度プロ
    ファイルＶｂを形成する段階、 前記速度プロファイルＶｂでサーボモーターの加／減速
    を制御する段階を含む経路計画方法。
  9. 【請求項９】 前記速度プロファイルＶｂを形成する段
    階は、 入力信号を連続的に遅延させて順次の遅延値を有する多
    数の遅延信号を形成する段階、 前記遅延信号に各々の利得値を乗じて出力する段階、 前記利得値が乗じられた各出力を加算した値に前記利得
    値全体の和の逆数を乗じる段階を含む請求項８に記載の
    経路計画方法。
  10. 【請求項１０】 前記利得値全体の和の計算はフィルタ
    が動作する前に予め計算されて初期値として設定される
    請求項９に記載の経路計画方法。
  11. 【請求項１１】 前記利得値を調節してサーボモーター
    の加速度の変化率を調節する請求項９に記載の経路計画
    方法。
  12. 【請求項１２】 前記利得値は時間に対して１次関数の
    関係を有する請求項９に記載の経路計画方法。
  13. 【請求項１３】 時間をｔとし、前記利得値をｋ(ｔ)と
    し、前記補間器の加／減速区間の大きさをＦとし、任意
    の正数をａとする時、前記１次関数は下記数式の通りで
    ある請求項１２に記載の経路計画方法。 【数３】
  14. 【請求項１４】 前記利得値は時間に対して２次関数の
    関係を有する請求項９に記載の経路計画方法。
  15. 【請求項１５】 時間をｔとし、前記利得値をｋ(ｔ)と
    し、前記補間器の加／減速区間の大きさをＦとし、任意
    の正数をａとする時、前記２次関数は下記数式の通りで
    ある請求項１４に記載の経路計画方法。 【数４】
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