JP2011136395A - Vibration control method of robot and control device of robot - Google Patents
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Abstract
【課題】ロボットの先端の振動を抑制する。
【解決手段】複数のリンク24〜34と対応するリンクを駆動する複数のモータ36〜46とを有するロボットの動作が停止するときに発生するロボット先端の振動を抑制するロボットの制振方法であって、ロボット先端の加速度を加速度センサ52によって検出し、加速度センサが検出した加速度に基づいてロボット先端の速度を算出する。ロボット先端の速度と、加速度センサの加速度検出タイミングにおける複数のモータの回転角度と、ヤコビ行列Jの逆行列J−1とに基づいて、各リンクと対応するモータとの間のねじれ角速度を算出する。さらに、ねじれ角速度に基づいてねじれ角度を算出し、ねじれ角速度とねじれ角度とに基づいて、各リンクと対応するモータとの間に発生したねじれが解消する、各モータの制御入力に加算する補償量を算出し、補償量を加算した制御入力を各モータに出力する。
【選択図】図3The vibration of the tip of a robot is suppressed.
A vibration damping method for a robot that suppresses vibration of a robot tip that occurs when operation of a robot having a plurality of links and a plurality of motors driving a corresponding link is stopped. Then, the acceleration of the robot tip is detected by the acceleration sensor 52, and the speed of the robot tip is calculated based on the acceleration detected by the acceleration sensor. Based on the speed of the robot tip, the rotation angles of the plurality of motors at the acceleration detection timing of the acceleration sensor, and the inverse matrix J −1 of the Jacobian matrix J, the torsional angular velocity between each link and the corresponding motor is calculated. . Furthermore, the torsion angle is calculated based on the torsional angular velocity, and the amount of compensation added to the control input of each motor that eliminates the torsion generated between each link and the corresponding motor based on the torsional angular velocity and torsional angle. And a control input with the compensation amount added is output to each motor.
[Selection] Figure 3
Description
本発明は、ロボットの振動を抑制する制振方法およびロボットの制御装置に関する。 The present invention relates to a vibration suppression method and a robot control apparatus that suppress vibrations of a robot.
従来より、先端に溶接ガンやスプレーガンなどのツールを取付けて動作する多関節ロボットは、動作の停止直後にその先端が振動するという問題がある。これは、ツールやロボットの先端部分の慣性により、ロボットのリンクが、片持ち梁のように振動することにより起こる。 Conventionally, an articulated robot that operates by attaching a tool such as a welding gun or a spray gun to the tip has a problem that the tip vibrates immediately after the operation stops. This occurs when the robot link vibrates like a cantilever due to the inertia of the tool or the tip of the robot.
このリンクの振動(先端の振動)に対処する方法として、例えば特許文献1に記載する方法がある。この特許文献1に記載する方法は、加速度センサをロボットの先端に取付け、その加速度センサが検出した先端の加速度に基づいてリンクを駆動するモータを制御することにより、リンクを制振し、ロボットの先端の振動を抑制する。
As a method for dealing with the vibration of the link (vibration at the tip), for example, there is a method described in
しかしながら、上述の特許文献1の場合、加速度センサがロボットの先端の加速度を検出してから、その検出結果に基づいてリンクを制振するまでに大きな時間遅れが生じる。具体的に説明すると、加速度センサが検出したロボットの先端の加速度は、速度演算、座標演算を順に経てロボットの先端の位置変化量に演算される。この位置変化量に基づいてリンクを制振できる位置変更指令値が算出され、その位置変更指令値はリンクを駆動するモータに対する指令値に変換演算される。このように複数の演算を重ねるために、加速度センサがロボットの先端の加速度を検出してからモータの指令に反映されるまでの時間遅れが大きくなる。リンクの振動周期によっては(特に周期が短い場合)、この時間遅れによってリンクを十分に制振できず、最悪な場合、ロボットの先端の振動が長期化する可能性がある。
However, in the case of the above-mentioned
そこで、本発明は、ロボットの動作の停止直後において、加速度センサロボットの先端の加速度を検出してからすぐに、その加速度に基づいてリンクを駆動するモータを制御することにより、リンクを十分に制振し、先端の振動を抑制することを課題とする。 Therefore, the present invention controls the link sufficiently by controlling the motor that drives the link based on the acceleration immediately after detecting the acceleration of the tip of the acceleration sensor robot immediately after the robot operation stops. The object is to suppress vibration and vibration at the tip.
上述の課題を解決するために、本発明の請求項1に係る発明は、
複数のリンクと対応するリンクを駆動する複数のモータとを有するロボットの動作が停止するときに発生するロボット先端の振動を抑制するロボットの制振方法であって、
ロボット先端の加速度を加速度センサによって検出し、
加速度センサが検出した加速度に基づいてロボット先端の速度を算出し、
ロボット先端の速度と、加速度センサの加速度検出タイミングにおける複数のモータの回転角度と、ヤコビ行列の逆行列とに基づいて、各リンクと対応するモータとの間のねじれ角速度を算出し、
ねじれ角速度に基づいてねじれ角度を算出し、
ねじれ角速度とねじれ角度とに基づいて、各リンクと対応するモータとの間に発生したねじれが解消する、各モータの制御入力に加算する補償量を算出し、
補償量を加算した制御入力を各モータに出力することを特徴とする。
In order to solve the above-described problem, the invention according to
A vibration damping method for a robot that suppresses vibration of a robot tip that occurs when operation of a robot having a plurality of links and a plurality of motors that drive the corresponding links stops,
The acceleration of the robot tip is detected by an acceleration sensor,
Calculate the speed of the robot tip based on the acceleration detected by the acceleration sensor,
Based on the speed of the robot tip, the rotation angle of the plurality of motors at the acceleration detection timing of the acceleration sensor, and the inverse matrix of the Jacobian matrix, the torsional angular velocity between each link and the corresponding motor is calculated,
Calculate the twist angle based on the twist angular velocity,
Based on the torsional angular velocity and torsional angle, calculate the compensation amount to be added to the control input of each motor, which eliminates the torsion that occurred between each link and the corresponding motor,
A control input to which the compensation amount is added is output to each motor.
また、請求項2に係る発明は、
複数のリンクと対応するリンクを駆動する複数のモータとを有するロボットの動作が停止するときに発生するロボット先端の振動を抑制することが可能なロボットの制御装置であって、
ロボットの外部に予め定義されたXYZ直交座標系と、
ロボット先端のX,Y,およびZ軸方向の加速度とX,Y,およびZ軸まわりの加速度とを検出する加速度センサと、
対応するモータの回転角度を検出する複数のエンコーダと、
加速度センサが検出した加速度に基づいてロボット先端の速度を算出する速度算出手段と、
速度算出手段が算出した速度と、加速度センサの加速度検出タイミングにおいて複数のエンコーダが検出した回転角度と、ヤコビ行列の逆行列とに基づいて、各リンクと対応するモータとの間のねじれ角速度を算出するねじれ角速度算出手段と、
ねじれ角速度算出手段が算出したねじれ角速度に基づいて、ねじれ角度を算出するねじれ角度算出手段と、
ねじれ角速度算出手段が算出したねじれ角速度と、ねじれ角度算出手段が算出したねじれ角度とに基づいて、各リンクと対応するモータとの間に発生したねじれが解消する、各モータの制御入力に加算する補償量を算出する補償量算出手段と、
補償量を加算した制御入力を各モータに出力するモータ制御手段とを有することを特徴とする。
The invention according to claim 2
A robot control device capable of suppressing vibration of a robot tip generated when operation of a robot having a plurality of links and a plurality of motors driving corresponding links is stopped,
An XYZ Cartesian coordinate system predefined outside the robot;
An acceleration sensor that detects acceleration in the X, Y, and Z axis directions of the robot tip and acceleration around the X, Y, and Z axes;
A plurality of encoders for detecting the rotation angle of the corresponding motor;
Speed calculating means for calculating the speed of the robot tip based on the acceleration detected by the acceleration sensor;
Calculate the torsional angular velocity between each link and the corresponding motor based on the velocity calculated by the velocity calculation means, the rotation angle detected by multiple encoders at the acceleration detection timing of the acceleration sensor, and the inverse matrix of the Jacobian matrix Torsional angular velocity calculating means to
A twist angle calculating means for calculating a twist angle based on the twist angular speed calculated by the twist angular speed calculating means;
Based on the torsional angular velocity calculated by the torsional angular velocity calculating unit and the torsional angle calculated by the torsional angle calculating unit, the torsion generated between each link and the corresponding motor is eliminated and added to the control input of each motor. Compensation amount calculating means for calculating a compensation amount;
Motor control means for outputting a control input with the compensation amount added to each motor.
さらに、請求項3に係る発明は、
3つのリンクと対応するリンクを駆動する3つのモータとを有するロボットの動作が停止するときに発生するロボット先端の振動を抑制することが可能なロボットの制御装置であって、
ロボットの外部に予め定義されたXYZ直交座標系と、
ロボット先端のX,Y,およびZ軸方向の加速度を検出する加速度センサと、
対応するモータの回転角度を検出する複数のエンコーダと、
加速度センサが検出した加速度に基づいてロボット先端の速度を算出する速度算出手段と、
速度算出手段が算出した速度と、加速度センサの加速度検出タイミングにおいて複数のエンコーダが検出した回転角度と、ヤコビ行列の逆行列とに基づいて、各リンクと対応するモータとの間のねじれ角速度を算出するねじれ角速度算出手段と、
ねじれ角速度算出手段が算出したねじれ角速度に基づいてねじれ角度を算出するねじれ角度算出手段と、
ねじれ角速度算出手段が算出したねじれ角速度と、ねじれ角度算出手段が算出したねじれ角度とに基づいて、各リンクと対応するモータとの間に発生したねじれが解消する、各モータの制御入力に加算する補償量を算出する補償量算出手段と、
補償量を加算した制御入力を各モータに出力するモータ制御手段とを有することを特徴とする。
Furthermore, the invention according to claim 3
A robot control device capable of suppressing vibration of a robot tip generated when an operation of a robot having three links and three motors driving corresponding links stops.
An XYZ Cartesian coordinate system predefined outside the robot;
An acceleration sensor that detects acceleration in the X, Y, and Z axis directions of the robot tip;
A plurality of encoders for detecting the rotation angle of the corresponding motor;
Speed calculating means for calculating the speed of the robot tip based on the acceleration detected by the acceleration sensor;
Calculate the torsional angular velocity between each link and the corresponding motor based on the velocity calculated by the velocity calculation means, the rotation angle detected by multiple encoders at the acceleration detection timing of the acceleration sensor, and the inverse matrix of the Jacobian matrix Torsional angular velocity calculating means to
A twist angle calculation means for calculating a twist angle based on the twist angular speed calculated by the twist angular speed calculation means;
Based on the torsional angular velocity calculated by the torsional angular velocity calculating unit and the torsional angle calculated by the torsional angle calculating unit, the torsion generated between each link and the corresponding motor is eliminated and added to the control input of each motor. Compensation amount calculating means for calculating a compensation amount;
Motor control means for outputting a control input with the compensation amount added to each motor.
さらにまた、請求項4に係る発明は、
ロボットは、複数のリンクと対応するリンクを駆動する複数のモータとを有し、
上記3つのリンクは、複数のリンクの一部であって、他のリンクに比べて長いことを特徴とする。
Furthermore, the invention according to claim 4
The robot has a plurality of links and a plurality of motors that drive the corresponding links,
The three links are part of a plurality of links and are longer than other links.
本発明によれば、ロボットの動作の停止直後、加速度センサが検出した加速度からロボット先端の速度が算出され、その速度とヤコビ行列の逆行列とに基づいてリンクとモータとの間のねじれ角速度が算出される。次にねじれ角速度に基づいてねじれ角度が算出され、ねじれ角速度とねじれ角度に基づいて複数のモータそれぞれの制御入力に加算される、ねじれを解消する補償量が算出される。そして、補償量はそれぞれ、対応するモータの制御入力に加算される。 According to the present invention, immediately after the movement of the robot is stopped, the speed of the robot tip is calculated from the acceleration detected by the acceleration sensor, and the torsional angular speed between the link and the motor is calculated based on the speed and the inverse matrix of the Jacobian matrix. Calculated. Next, a torsion angle is calculated based on the torsional angular velocity, and a compensation amount for eliminating the torsion, which is added to the control inputs of the plurality of motors based on the torsional angular velocity and the torsion angle, is calculated. Each compensation amount is added to the control input of the corresponding motor.
これにより、加速度センサが検出した加速度からモータの制御入力の補償量が短時間で算出され、その補償量が加算された制御入力によってモータが対応するリンクとの間のねじれを解消するためにすばやく回転する。したがって、加速度センサが検出した加速度からロボット先端の位置変化量を求め、位置変化量からリンクを制振できる位置姿勢変更指令値を算出し、その位置変更指令値をモータの指令値に演算してリンクを制振する場合に比べて、ロボット先端の加速度を検出してからリンクが制振されるまでの時間が短くなる。その結果、リンクを十分に制振でき、ロボット先端の振動を抑制することができる。 As a result, the compensation amount of the motor control input is calculated in a short time from the acceleration detected by the acceleration sensor, and the control input to which the compensation amount is added can be quickly used to eliminate the torsion between the motor and the corresponding link. Rotate. Therefore, the position change amount of the robot tip is obtained from the acceleration detected by the acceleration sensor, the position / orientation change command value capable of damping the link is calculated from the position change amount, and the position change command value is calculated as the motor command value. Compared to the case where the link is damped, the time from when the acceleration at the tip of the robot is detected until the link is damped is shortened. As a result, the link can be sufficiently damped, and vibration at the tip of the robot can be suppressed.
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態に係るロボットのリンクモデルを図1に示す。図1に示すロボット10は、6つの関節12〜22を備え、複数のリンク24〜34と対応するリンクを駆動する複数のモータ36〜46(図3参照)とを有する。モータ36はリンク24を駆動し、モータ38はリンク26、モータ40はリンク28、モータ42はリンク30、モータ44はリンク32、モータ46はリンク34を駆動する。
(First embodiment)
FIG. 1 shows a link model of the robot according to the first embodiment of the present invention. The robot 10 illustrated in FIG. 1 includes six
また、ロボット10は、先端48に溶接ガン、スプレーガン、またはハンドツールなどのツール50を備えている。
In addition, the robot 10 includes a
さらに、ロボット10は、その先端48の加速度を検出する6軸センサ52と、対応するモータの回転角度を検出する複数のエンコーダ54〜64(図3参照)とを備えている。6軸センサ52を用いて、ロボットの外部に予め定義されている固定の基準座標系ΣBを基準としてロボット先端48の加速度を検出する。具体的には、例えば、6軸センサ52のセンサ座標系に関する出力を、公知の手段によって基準座標系ΣBのX,Y,およびZ軸方向の加速度と、X,Y,およびZ軸まわりの加速度に変換する。エンコーダ54はモータ36の回転角度θ1を検出し、エンコーダ56はモータ38の回転角度θ2、エンコーダ58はモータ40の回転角度θ3、エンコーダ60はモータ42の回転角度θ4、エンコーダ62はモータ44の回転角度θ5、エンコーダ64はモータ46の回転角度θ6を検出する。
Furthermore, the robot 10 includes a 6-axis sensor 52 that detects the acceleration of the
さらにまた、ロボット10(ロボット10の制御装置)は、ロボット10の動作の停止直後に、複数のリンク24〜34を制振するように構成されている。すなわち、ロボット10の動作の停止直後に、複数のリンク24〜34を振動しないようにする。
Furthermore, the robot 10 (the control device for the robot 10) is configured to control the plurality of
まず、複数のリンク24〜34の制振を説明する前に、ロボット10の動作の停止直後に発生する複数のリンク24〜34の振動(制振しない場合に発生する振動)について、図2を参照しながら説明する。
First, before explaining the vibration control of the plurality of
リンクの振動の発生は、主に3つのケースに分けられる。他のリンクの動作が停止することによってリンクが振動し始めるケース(図2(A))と、モータによる駆動が停止することによってリンクが振動し始めるケース(図2(B))と、これら2つを組み合わせたケースがある。 The occurrence of link vibration is mainly divided into three cases. The case where the link starts to vibrate when the operation of the other link stops (FIG. 2A), the case where the link starts to vibrate when the driving by the motor stops (FIG. 2B), and these 2 There are cases where two are combined.
例えば、図2(A)に示すように、他のリンクが動作することによってリンクLがそのツール側端が位置P0に位置する状態から移動し始め、そのツール側端が位置P1に到達したときに他のリンクが停止すると、リンクLよりツール側に位置する他のリンク、モータ、ツールなどの慣性により、リンクLがたわむ。このリンクLのたわみにより、リンクLのツール側端が位置P1を通過して位置P2に位置し、リンクLと該リンクLと連結されたモータMとの間にねじれが発生する(ねじれ角度αが発生する)。そして、リンクLは、このねじれを原因として、ツール側端が位置P1で停止するまで、振動し続ける。なお、本明細書では、「ねじれ角度α」は、図に示すように、ツール側端が本来あるべき位置P1とモータMの中心とを結ぶ直線と、ツール側端の現状の位置P2とモータMの中心とを結ぶ直線との間の角度を言う。 For example, as shown in FIG. 2A, the link L starts to move from the state where the tool side end is located at the position P 0 by the operation of another link, and the tool side end reaches the position P 1 . When the other link stops, the link L bends due to the inertia of other links, motors, tools, etc. that are located on the tool side of the link L. The deflection of the link L, positioned at the position P 2 the tool side end of the link L passes through the position P 1, torsion is generated between the motor M is connected to the link L and the link L (twist An angle α is generated). The link L continues to vibrate until the tool side end stops at the position P 1 due to this twist. In the present specification, as shown in the figure, the “twist angle α” is defined as a straight line connecting a position P 1 where the tool side end should be originally and the center of the motor M and a current position P 2 of the tool side end. And the angle between the straight line connecting the center of the motor M.
また例えば、図2(B)に示すように、モータMに駆動されることによってリンクLがそのツール側端が位置P0に位置する状態から回転し始め、角度β回転した後に(ツール側端が位置P1に到達したときに)モータMが停止すると、リンクLよりツール側に位置する他のリンク、モータ、ツールなどの慣性により、リンクがたわむ。このリンクのたわみにより、リンクのツール側端が位置P1を通過して位置P2に位置し、リンクLと該リンクLと連結されたモータMとの間にねじれが発生する(ねじれ角度αが発生する)。そして、リンクLは、このねじれを原因として、ツール側端が位置P1で停止するまで、振動し続ける。 Further, for example, as shown in FIG. 2 (B), the link L starts to rotate from the state where the tool side end is located at the position P 0 by being driven by the motor M, and after rotating by the angle β (tool side end) There when) motor M when it reaches the position P 1 stops, other links located from the link L to the tool side, the motor, the inertia of such tools, the link bends. Due to the deflection of the link, the tool side end of the link passes through the position P 1 and is positioned at the position P 2 , and a twist occurs between the link L and the motor M connected to the link L (twist angle α). Occurs). The link L continues to vibrate until the tool side end stops at the position P 1 due to this twist.
このようなリンクとモータとの間に発生するねじれを原因として発生する振動を抑制するために、ロボット10の制御装置は、複数のモータ36〜46に対して制振制御を実行する。
In order to suppress vibration generated due to the twist generated between the link and the motor, the control device of the robot 10 executes vibration suppression control on the plurality of
モータ36〜46に対して制振制御を実行するための構成を図3に示す。
A configuration for executing vibration suppression control on the
図3は、ロボット10の制御装置の一部、複数のモータ36〜46の制振制御に関連する構成要素のブロック図である。
FIG. 3 is a block diagram of components related to vibration suppression control of a part of the control device of the robot 10 and the plurality of
ロボット10の制御装置は、図3に示すように、ロボット先端48の速度を算出する第1フィルタ70と、ヤコビ行列の逆行列を算出する逆行列演算部72と、リンク24〜34とモータ36〜46との間のねじれ角速度を算出するねじれ角速度演算部74と、リンク24〜34とモータ36〜46との間のねじれ角度を算出する積分器76と、モータ36〜46の制御入力に加算する補償量を算出する補償量演算部78と、制御入力をモータ36〜46に出力するモータ制御部80とを有する。
As shown in FIG. 3, the control device of the robot 10 includes a
第1フィルタ70は、ロボット10の停止直後に6軸センサ52が検出したロボット先端48のX軸方向の加速度
、Y軸方向の加速度
、Z軸方向の加速度
、X軸まわりの加速度
、Y軸まわりの加速度
、およびZ軸まわりの加速度
に基づいて、ロボット先端48のX軸方向の速度
、Y軸方向の速度
、Z軸方向の速度
、X軸まわりの速度
、Y軸まわりの速度
、Z軸まわりの速度
を算出する。具体的には、第1フィルタ70は、6軸センサ52から出力された信号からHPF(High Pass Filter)によってDC成分をカットし、その後に積分演算することにより、加速度
から速度
を算出する。
The
, Acceleration in the Y-axis direction
, Acceleration in the Z-axis direction
, Acceleration around X axis
, Acceleration around Y axis
, And acceleration around the Z axis
Based on the speed of the
, Y-axis speed
, Speed in the Z-axis direction
, Speed around X axis
, Speed around Y axis
, Speed around Z axis
Is calculated. Specifically, the
From speed
Is calculated.
逆行列演算部72は、後述するねじれ角速度演算部74がねじれ角速度を算出するにあたって必要なヤコビ行列Jの逆行列をJ−1算出する。
The inverse
具体的には、複数のモータ36〜46の回転角度θ1〜θ6を変数とする関数のヤコビ行列J(数式1)が予め定義されており(例えば、制御装置の記憶部に記憶されており)、逆行列演算部72は、そのヤコビ行列Jに回転角度θ1〜θ6を代入し、その後にヤコビ行列Jの逆行列J−1を算出する。さらに具体的に言えば、逆行列演算部72は、6軸センサ52がロボット先端48の加速度
を検出するタイミングにおける複数のモータ36〜46の回転角度θ1〜θ6に基づいて、ヤコビ行列Jの逆行列J−1を算出する。なお、複数のモータ36〜46の回転角度θ1〜θ6は、対応するモータの回転角度を検出する複数のエンコーダ54〜64から得られる。
The inverse matrix J −1 of the Jacobian matrix J is calculated based on the rotation angles θ 1 to θ 6 of the plurality of
ねじれ角速度演算部74は、リンク24〜34とモータ36〜46との間のねじれ角速度
を算出する。なお、
はリンク24とモータ36との間のねじれ角速度であって、
はリンク26とモータ38、
はリンク28とモータ40、
はリンク30とモータ42、
はリンク32とモータ44、
はリンク34とモータ46との間のねじれ角速度である。
The torsional angular
Is calculated. In addition,
Is the torsional angular velocity between the
Is the
Is link 28 and
Is
Is the
Is the torsional angular velocity between the
具体的には、第1フィルタ70が算出したロボット先端48の速度
と、逆行列演算部72が算出したヤコビ行列Jの逆行列J−1とに基づいて、数式2を用いて、ねじれ角速度
を算出する。
And the torsional angular velocity using Equation 2 based on the inverse matrix J −1 of the Jacobian matrix J calculated by the
Is calculated.
第2フィルタ76は、ねじれ角速度
に基づいて、リンク24〜34とモータ36〜46との間のねじれ角度α1〜α6を算出する。
The
Based on the above, the twist angles α 1 to α 6 between the
具体的には、第2フィルタ76は、ねじれ角速度
を積分することによってねじれ角度α1〜α6を算出する。
Specifically, the
To calculate the twist angles α 1 to α 6 .
補償量演算部78は、複数のモータ36〜46それぞれに対するモータ制御部80の制御入力(電流指令)に加算する補償量を算出する。
The compensation
複数のモータ36〜46の補償量I1〜I6は、駆動するリンクのイナーシャ、バネ定数、およびダンパと、自身のトルク定数に基づいて算出される。
The compensation amounts I 1 to I 6 of the plurality of
具体的に説明すると、リンクのイナーシャをH、バネ定数をK、ダンパをD、リンクとモータとの間のねじれ角度をα、ねじれ角速度をΔαとすると、リンクの運動方程式は、数式3のように表現することができる。
数式3において、aは、リンクの加速度である。 In Equation 3, a is the link acceleration.
リンクの加速度aを実現するために必要なモータ電流IMは、数式4のように表現することできる。なお、数式4のKtはモータのトルク定数である。
数式4で表現されるモータ電流IMは求めるべき補償量Iでもあるので、数式4を数式3に代入すると、数式5に示す補償量Iの式が得られる。
補償量演算部78が算出した補償量I1〜I6それぞれが対応するモータの制御入力に加算されることにより、複数のモータ36〜46それぞれが対応するリンクとの間のねじれが解消するように回転する。これにより、ロボット10の動作の停止直後において、複数のリンク24〜34の振動の発生が抑制される。なお、このときロボット10の動作は停止しているが、その停止姿勢を維持するために必要な制御入力が、モータ制御部80から複数のモータ36〜46それぞれに出力されている。
Each of the compensation amounts I 1 to I 6 calculated by the compensation
本実施形態によれば、ロボット10の動作の停止直後、6軸センサ52が検出した加速度
からロボット先端48の速度
が算出され、その速度
とヤコビ行列Jの逆行列J−1とに基づいてリンク24〜34とモータ36〜46との間のねじれ角速度
が算出される。次にねじれ角速度
に基づいてねじれ角度α1〜α6が算出され、ねじれ角速度
とねじれ角度α1〜α6に基づいて複数のモータ36〜46それぞれの制御入力に加算される、ねじれを解消する補償量I1〜I6が算出される。そして、補償量I1〜I6はそれぞれ、対応するモータの制御入力に加算される。
According to the present embodiment, the acceleration detected by the 6-axis sensor 52 immediately after the operation of the robot 10 is stopped.
To
Is calculated and its speed
And the torsional angular velocity between the links 24-34 and the motors 36-46 based on the inverse matrix J- 1 of the Jacobian matrix J
Is calculated. Next, the torsional angular velocity
Torsional angles α 1 to α 6 are calculated based on
Based on the torsion angles α 1 to α 6 , compensation amounts I 1 to I 6 that are added to the control inputs of the plurality of
これにより、6軸センサ52が検出した加速度
からモータ36〜46の制御入力の補償量I1〜I6が短時間で算出され、その補償量I1〜I6が加算された制御入力によってモータ36〜46が対応するリンク24〜34との間のねじれを解消するためにすばやく回転する。したがって、加速度センサが検出した加速度からロボット先端の位置変化量を求め、位置変化量からリンクを制振できる位置姿勢変更指令値を算出し、その位置変更指令値をモータの指令値に演算してリンクを制振する場合に比べて、ロボット先端の加速度を検出してからリンクが制振されるまでの時間が短くなる。その結果、リンクを十分に制振でき、ロボット先端の振動を抑制することができる。
Thereby, the acceleration detected by the 6-axis sensor 52
The compensation amounts I 1 to I 6 of the control inputs of the
(第2の実施形態)
本実施形態は、第1の実施形態に比べてより現実的且つ経済的な形態である。
(Second Embodiment)
This embodiment is a more realistic and economical form compared to the first embodiment.
第1の実施形態の場合、ロボット10の停止直後において、複数のリンク24〜34を制振するために、6軸センサ52を使用している。すなわち、ロボット先端のX軸方向の加速度
、Y軸方向の加速度
、Z軸方向の加速度
、X軸まわりの加速度
、Y軸まわりの加速度
、およびZ軸まわりの加速度
を検出している。しかしながら、実際に問題になるリンクやロボット先端の振動は、X軸方向、Y軸方向、Z軸方向、またはこれらを組み合わせた方向の振動であるため、ロボット先端の加速度としてRx,Ry,Rz成分を検出する必要は現実的にはあまりない。したがって、本実施形態は、第1の実施形態と異なり、ロボット先端のX軸方向の加速度
、Y軸方向の加速度
、Z軸方向の加速度
を検出する3軸センサを使用する。3軸センサは6軸センサに比べて安価であるため、3軸センサを使用することは第1の実施形態に比べて経済的に有利である。
In the case of the first embodiment, immediately after the robot 10 stops, the six-axis sensor 52 is used to control the plurality of
, Acceleration in the Y-axis direction
, Acceleration in the Z-axis direction
, Acceleration around X axis
, Acceleration around Y axis
, And acceleration around the Z axis
Is detected. However, since the vibration of the link or the robot tip that actually becomes a problem is the vibration in the X-axis direction, the Y-axis direction, the Z-axis direction, or a combination thereof, Rx, Ry, and Rz components are used as the robot tip acceleration In reality, there is not much need to detect. Therefore, this embodiment differs from the first embodiment in the acceleration in the X-axis direction of the robot tip.
, Acceleration in the Y-axis direction
, Acceleration in the Z-axis direction
A three-axis sensor for detecting Since the 3-axis sensor is less expensive than the 6-axis sensor, it is economically advantageous to use the 3-axis sensor as compared to the first embodiment.
また、第1の実施形態の場合、複数(6つ)のリンク24〜34全てについて制振を実行している。しかしながら、実際には、全てのリンク24〜34に対して制振する必要はあまりない。図1を用いて説明すると、ロボット10は、基本的には、手首部とアーム部とで構成される。アーム部のリンク24〜28は、ツール50の位置と姿勢とを大きく制御するために、そのリンク長が手首部のリンク30〜34に比べて長い。一方、手首部のリンク30〜34は、ツール50の位置と姿勢とを細かく制御するために、そのリンク長がアーム部のリンク24〜28に比べて短い。そのため、ロボット先端48の振動に対する寄与は、リンク長が長いアーム部のリンク24〜28が振動する方が、リンク長が短い手首部のリンク30〜34が振動する方に比べて大きい。したがって、本実施形態は、リンク長が長いリンク24〜28に対して制振する、すなわちリンク24〜28を駆動するモータ36〜40に対して制振制御を実行する。
In the case of the first embodiment, vibration suppression is performed for all of the plurality of (six) links 24-34. However, in practice, it is not necessary to dampen all the links 24-34. Referring to FIG. 1, the robot 10 basically includes a wrist portion and an arm portion. The
さらに、本実施形態では、上述したように3軸センサを使用するにあたり、またすべてのリンクではなくリンク長が長いアーム部のリンク24〜28に対して制振するにあたり、ヤコビ行列Jの部分行列を使用する。
Further, in the present embodiment, when using the three-axis sensor as described above, and for damping the
具体的に説明すると、図4に示すように、ヤコビ行列Jは、3つの部分行列Ja,Jb,Jcから構成されている。部分行列Jaは、ヤコビ行列Jの第1行から第3行まで且つ第1列から第3列までの成分を抽出して構成される行列である。部分行列Jbは、ヤコビ行列Jの第1行から第3行まで且つ第4列から第6列までの成分を抽出して構成される行列である。部分行列Jcは、ヤコビ行列Jの第4行から第6行までの成分を抽出して構成される行列である。 Specifically, as shown in FIG. 4, the Jacobian matrix J is composed of three partial matrices J a , J b , and J c . The partial matrix J a is a matrix configured by extracting components from the first row to the third row and from the first column to the third column of the Jacobian matrix J. The partial matrix Jb is a matrix configured by extracting components from the first row to the third row and the fourth column to the sixth column of the Jacobian matrix J. The partial matrix Jc is a matrix configured by extracting components from the fourth row to the sixth row of the Jacobian matrix J.
ヤコビ行列Jを構成する3つの部分行列Ja〜Jcの中、3軸センサが検出したロボット先端の加速度
からリンク24〜28とモータ36〜40との間のねじれ角速度
を算出するために絶対に必要な行列は、部分行列Jaである。そこで、本実施形態は、第1の実施形態がヤコビ行列Jを使用しているのに対し、ヤコビ行列Jの部分行列Jaを使用する(以下、「部分ヤコビ行列Ja」と称する)。6行6列のヤコビ行列Jに代って3行3列の部分ヤコビ行列Jaを使用するので、第1の実施形態に比べて、必要となる演算量を大幅に削減できる。
The acceleration at the tip of the robot detected by the three-axis sensor among the three sub-matrices J a to J c constituting the Jacobian matrix J
Torsional angular velocity between links 24-28 and motors 36-40
Absolutely necessary matrix to calculate is the partial matrix J a. Therefore, the present embodiment, while the first embodiment uses the Jacobian matrix J, using partial matrix J a of the Jacobian matrix J (hereinafter, referred to as "partial Jacobian matrix J a"). Since the 3 × 3 partial Jacobian matrix Ja is used in place of the 6 × 6 Jacobian matrix J, the required amount of computation can be greatly reduced compared to the first embodiment.
なお、発明者は、ヤコビ行列Jの代わりに部分ヤコビ行列Jaを使用するにあたり、実質的に問題がないことを確認している。 Incidentally, the inventors, when using partial Jacobian J a, instead of the Jacobian matrix J, it was confirmed that there is no problem substantially.
具体的には、図5にリンクモデルを示す6関節ロボットにおいて、6つのモータに同一の制御入力を与えたときの先端(フランジF)の基準座標系ΣBにおける位置の変化量を、図5に示すヤコビ行列Jと部分ヤコビ行列Jaとを用いて算出した。制御入力を与える前の6つのモータの回転角度は、関節JT1のモータの回転角度θ1が20°、関節JT2のモータの回転角度θ2が20°、関節JT3のモータの回転角度θ3が35°、関節JT4のモータの回転角度θ4は−40°、関節JT5のモータの回転角度θ5は30°、関節JT6のモータの回転角度θ6は−20°である。この状態から各モータを1°回転させた。また、図に示す距離d0は385mm、d1は21mm、d2は1100mm、d3は1300mm、d4は0mm、d5は228mmである。さらに、図に示すように、関節JT1,JT2間のリンクL1、関節JT2,JT3間のリンクL2、および関節JT3,JT4間のリンクL3は、関節JT4,JT5間のリンク、関節JT5,JT6間のリンク,および関節JT6とフランジFとの間のリンクに比べてそのリンク長が長い。 Specifically, in the six-joint robot whose link model is shown in FIG. 5, the amount of change in the position of the tip (flange F) in the reference coordinate system ΣB when the same control input is given to the six motors is shown in FIG. It was calculated using the Jacobian matrix J and partial Jacobian matrix J a showing. Rotation angle of the six motors before giving control input, the rotation angle theta 1 is 20 ° of the joint JT 1 motor, the rotation angle theta 2 is 20 ° of the joint JT 2 motor, the rotation angle of the motor of the joint JT 3 theta 3 is 35 °, the rotation angle theta 4 is -40 ° in the joint JT 4 motor, the rotation angle theta 5 is 30 ° of the motor of the joint JT 5, the rotation angle theta 6 of the motor of the joint JT 6 in -20 ° is there. From this state, each motor was rotated by 1 °. In the figure, the distance d 0 is 385 mm, d 1 is 21 mm, d 2 is 1100 mm, d 3 is 1300 mm, d 4 is 0 mm, and d 5 is 228 mm. Also as shown, the link L 1 between the joint JT 1, JT 2, joint JT 2, the link between JT 3 L 2, and joint JT 3, the link L 3 between the JT 4 is joint JT 4, links between JT 5, is long the link length as compared to the link between the joint JT 5, JT 6 between the links, and a joint JT 6 and the flange F.
ヤコビ行列Jを用いて算出されたフランジFの位置変化量(Δx1,Δy1,Δz1)は、(−24.6,−10.9,−29.0)であった。一方、部分ヤコビ行列Jaを用いて算出されたフランジFの位置変化量(Δx2,Δy2,Δz2)は、(−26.6,−7.42,−27.1)であった。ヤコビ行列Jの位置変化量と部分ヤコビ行列Jaの位置変化量との誤差(xe,ye,ze)は、(2.0,−3.5,−1.9)である。この誤差をヤコビ行列Jの位置変化量に対する大きさで評価すると、5.5%((xe2+ye2+ze2)/(Δx1 2+Δy1 2+Δz1 2)×100=5.5)となり、軽微である。したがって、ヤコビ行列Jに代って部分ヤコビ行列Jaを用いても実質的には問題ない。 The positional change amount (Δx 1 , Δy 1 , Δz 1 ) of the flange F calculated using the Jacobian matrix J was (−24.6, −10.9, −29.0). On the other hand, the position variation of the flange F which is calculated by using the partial Jacobian matrix J a (Δx 2, Δy 2 , Δz 2) are (- 26.6, -7.42, -27.1) was . Error between the position change amount and the partial change in position of the Jacobian matrix J a of the Jacobian matrix J (xe, ye, ze) is (2.0, -3.5, -1.9). When this error is evaluated with respect to the position change amount of the Jacobian matrix J, it is 5.5% ((xe 2 + ye 2 + ze 2 ) / (Δx 1 2 + Δy 1 2 + Δz 1 2 ) × 100 = 5.5). Minor. Therefore, no problem substantially even with partial Jacobian matrix J a in place of the Jacobian matrix J.
図6は、第2の実施形態のロボットの制御装置の一部、3つのモータ36〜40の制振制御に関連する構成要素のブロック図である。リンク、モータ、エンコーダ、およびモータ制御部は、第1の実施形態と同一である。
FIG. 6 is a block diagram of components related to vibration suppression control of the three
3軸センサ152は、基準座標系ΣBのX,Y,およびZ軸方向の加速度
を検出する。
The
Is detected.
第1フィルタ170は、ロボット10の停止直後に3軸センサ152が検出したロボット先端48のX軸方向の加速度
、Y軸方向の加速度
、Z軸方向の加速度
に基づいて、ロボット先端48のX軸方向の速度
、Y軸方向の速度
、Z軸方向の速度
を算出する。また、第1フィルタ170は、第1の実施形態の第1フィルタ70と同様に、3軸センサ152の出力信号からDC成分をカットする。
The
, Acceleration in the Y-axis direction
, Acceleration in the Z-axis direction
Based on the speed of the
, Y-axis speed
, Speed in the Z-axis direction
Is calculated. Further, the
逆行列演算部172は、後述するねじれ角速度演算部174がねじれ角速度を算出するにあたって必要な部分ヤコビ行列Jaの逆行列Ja −1算出する。
The inverse
具体的には、3つのモータ36〜40の回転角度θ1〜θ3を変数とする関数の部分ヤコビ行列Ja(図4参照)が予め定義されており、逆行列演算部172は、その部分ヤコビ行列Jaに回転角度θ1〜θ3を代入し、その後に部分ヤコビ行列Jaの逆行列Ja −1を算出する。さらに具体的に言えば、逆行列演算部172は、3軸センサ152がロボット先端48の加速度
を検出するタイミングにおける3つのモータ36〜40の回転角度θ1〜θ3に基づいて、部分ヤコビ行列Jaの逆行列Ja −1を算出する。
Specifically, three
Based on the rotational angle theta 1 through? 3 of the three
ねじれ角速度演算部174は、リンク24〜28とモータ36〜40との間のねじれ角速度
を算出する。
The torsional angular
Is calculated.
具体的には、第1フィルタ170が算出したロボット先端48の速度
と、逆行列演算部172が算出した部分ヤコビ行列Jaの逆行列Ja −1とに基づいて、数式6を用いて、ねじれ角速度
を算出する。
And an inverse matrix J a −1 of the partial Jacobian matrix J a calculated by the inverse
Is calculated.
第2フィルタ176は、ねじれ角速度
に基づいて、リンク24〜28とモータ36〜40との間のねじれ角度α1〜α3を算出する。
The
Based on the above, torsion angles α 1 to α 3 between the
具体的には、第2フィルタ176は、ねじれ角速度
を積分することによってねじれ角度α1〜α3を算出する。
Specifically, the
Are integrated to calculate torsional angles α 1 to α 3 .
補償量演算部178は、3つのモータ36〜40それぞれに対するモータ制御部80の制御入力に加算する補償量I1〜I3を、第1の実施形態の補償量演算部78と同様に算出する。
The compensation
補償量演算部178が算出した補償量I1〜I3それぞれが対応するモータの制御入力に加算されることにより、3つのモータ36〜40それぞれが対応するリンクとの間のねじれが解消するように回転する。これにより、ロボット10の動作の停止直後において、3つのリンク24〜28の振動の発生が抑制される。
Each of the compensation amounts I 1 to I 3 calculated by the compensation
本実施形態によれば、ロボット先端48の加速度を検出するために3軸センサを使用するので、6軸センサを使用する第1の実施形態に比べて経済的である。また、6行6列のヤコビ行列Jの部分行列Jaを用いるので、第1の実施形態に比べて、必要となる演算量を大幅に削減できる。
According to the present embodiment, since the three-axis sensor is used to detect the acceleration of the
以上、2つの実施形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上述の2つの実施形態に限定されない。 Although the present invention has been described with reference to two embodiments, the present invention is not limited to the above-described two embodiments.
例えば、上述の実施形態の場合6関節のロボットであるが、本発明はこれに限らない。 For example, in the above-described embodiment, the robot is a six-joint robot, but the present invention is not limited to this.
また、上述の実施形態の場合、図3(図6)に示すように、各モータの回転角度θ1〜θ6(θ1〜θ3)をヤコビ行列J(部分ヤコビ行列Ja)に代入してから逆行列J−1(Ja −1)を算出している。この代わりとして、予めヤコビ行列Jの逆行列J−1を(部分ヤコビ行列Jaの逆行列Ja −1)求めておき、その逆行列J−1に各モータの回転角度θ1〜θ6(θ1〜θ3)を代入するようにしてもよい。 In the case of the above-described embodiment, as shown in FIG. 3 (FIG. 6), the rotation angles θ 1 to θ 6 (θ 1 to θ 3 ) of each motor are substituted into the Jacobian matrix J (partial Jacobian matrix J a ). Then, the inverse matrix J −1 (J a −1 ) is calculated. As an alternative, an inverse matrix J −1 of the Jacobian matrix J (an inverse matrix J a −1 of the partial Jacobian matrix J a ) is obtained in advance, and the rotation angles θ 1 to θ 6 of each motor are added to the inverse matrix J −1. (θ 1 ~θ 3) may be substituted for.
24〜34 リンク
36〜46 モータ
52 加速度センサ(6軸センサ、3軸センサ)
24-34 link 36-46 motor 52 acceleration sensor (6-axis sensor, 3-axis sensor)
Claims (4)
ロボット先端の加速度を加速度センサによって検出し、
加速度センサが検出した加速度に基づいてロボット先端の速度を算出し、
ロボット先端の速度と、加速度センサの加速度検出タイミングにおける複数のモータの回転角度と、ヤコビ行列の逆行列とに基づいて、各リンクと対応するモータとの間のねじれ角速度を算出し、
ねじれ角速度に基づいてねじれ角度を算出し、
ねじれ角速度とねじれ角度とに基づいて、各リンクと対応するモータとの間に発生したねじれが解消する、各モータの制御入力に加算する補償量を算出し、
補償量を加算した制御入力を各モータに出力することを特徴とするロボットの制振方法。 A vibration damping method for a robot that suppresses vibration of a robot tip that occurs when operation of a robot having a plurality of links and a plurality of motors that drive the corresponding links stops,
The acceleration of the robot tip is detected by an acceleration sensor,
Calculate the speed of the robot tip based on the acceleration detected by the acceleration sensor,
Based on the speed of the robot tip, the rotation angle of the plurality of motors at the acceleration detection timing of the acceleration sensor, and the inverse matrix of the Jacobian matrix, the torsional angular velocity between each link and the corresponding motor is calculated,
Calculate the twist angle based on the twist angular velocity,
Based on the torsional angular velocity and torsional angle, calculate the compensation amount to be added to the control input of each motor, which eliminates the torsion that occurred between each link and the corresponding motor,
A vibration control method for a robot, wherein a control input including a compensation amount is output to each motor.
ロボットの外部に予め定義されたXYZ直交座標系と、
ロボット先端のX,Y,およびZ軸方向の加速度とX,Y,およびZ軸まわりの加速度とを検出する加速度センサと、
対応するモータの回転角度を検出する複数のエンコーダと、
加速度センサが検出した加速度に基づいてロボット先端の速度を算出する速度算出手段と、
速度算出手段が算出した速度と、加速度センサの加速度検出タイミングにおいて複数のエンコーダが検出した回転角度と、ヤコビ行列の逆行列とに基づいて、各リンクと対応するモータとの間のねじれ角速度を算出するねじれ角速度算出手段と、
ねじれ角速度算出手段が算出したねじれ角速度に基づいて、ねじれ角度を算出するねじれ角度算出手段と、
ねじれ角速度算出手段が算出したねじれ角速度と、ねじれ角度算出手段が算出したねじれ角度とに基づいて、各リンクと対応するモータとの間に発生したねじれが解消する、各モータの制御入力に加算する補償量を算出する補償量算出手段と、
補償量を加算した制御入力を各モータに出力するモータ制御手段とを有することを特徴とするロボットの制御装置。 A robot control device capable of suppressing vibration of a robot tip generated when operation of a robot having a plurality of links and a plurality of motors driving corresponding links is stopped,
An XYZ Cartesian coordinate system predefined outside the robot;
An acceleration sensor that detects acceleration in the X, Y, and Z axis directions of the robot tip and acceleration around the X, Y, and Z axes;
A plurality of encoders for detecting the rotation angle of the corresponding motor;
Speed calculating means for calculating the speed of the robot tip based on the acceleration detected by the acceleration sensor;
Calculate the torsional angular velocity between each link and the corresponding motor based on the velocity calculated by the velocity calculation means, the rotation angle detected by multiple encoders at the acceleration detection timing of the acceleration sensor, and the inverse matrix of the Jacobian matrix Torsional angular velocity calculating means to
A twist angle calculating means for calculating a twist angle based on the twist angular speed calculated by the twist angular speed calculating means;
Based on the torsional angular velocity calculated by the torsional angular velocity calculating unit and the torsional angle calculated by the torsional angle calculating unit, the torsion generated between each link and the corresponding motor is eliminated and added to the control input of each motor. Compensation amount calculating means for calculating a compensation amount;
A control apparatus for a robot, comprising: motor control means for outputting a control input to which the compensation amount is added to each motor.
ロボットの外部に予め定義されたXYZ直交座標系と、
ロボット先端のX,Y,およびZ軸方向の加速度を検出する加速度センサと、
対応するモータの回転角度を検出する複数のエンコーダと、
加速度センサが検出した加速度に基づいてロボット先端の速度を算出する速度算出手段と、
速度算出手段が算出した速度と、加速度センサの加速度検出タイミングにおいて複数のエンコーダが検出した回転角度と、ヤコビ行列の逆行列とに基づいて、各リンクと対応するモータとの間のねじれ角速度を算出するねじれ角速度算出手段と、
ねじれ角速度算出手段が算出したねじれ角速度に基づいてねじれ角度を算出するねじれ角度算出手段と、
ねじれ角速度算出手段が算出したねじれ角速度と、ねじれ角度算出手段が算出したねじれ角度とに基づいて、各リンクと対応するモータとの間に発生したねじれが解消する、各モータの制御入力に加算する補償量を算出する補償量算出手段と、
補償量を加算した制御入力を各モータに出力するモータ制御手段とを有することを特徴とするロボットの制御装置。 A robot control device capable of suppressing vibration of a robot tip generated when an operation of a robot having three links and three motors driving corresponding links stops.
An XYZ Cartesian coordinate system predefined outside the robot;
An acceleration sensor that detects acceleration in the X, Y, and Z axis directions of the robot tip;
A plurality of encoders for detecting the rotation angle of the corresponding motor;
Speed calculating means for calculating the speed of the robot tip based on the acceleration detected by the acceleration sensor;
Calculate the torsional angular velocity between each link and the corresponding motor based on the velocity calculated by the velocity calculation means, the rotation angle detected by multiple encoders at the acceleration detection timing of the acceleration sensor, and the inverse matrix of the Jacobian matrix Torsional angular velocity calculating means to
A twist angle calculation means for calculating a twist angle based on the twist angular speed calculated by the twist angular speed calculation means;
Based on the torsional angular velocity calculated by the torsional angular velocity calculating unit and the torsional angle calculated by the torsional angle calculating unit, the torsion generated between each link and the corresponding motor is eliminated and added to the control input of each motor. Compensation amount calculating means for calculating a compensation amount;
A control apparatus for a robot, comprising: motor control means for outputting a control input to which the compensation amount is added to each motor.
上記3つのリンクは、複数のリンクの一部であって、他のリンクに比べて長いことを特徴とする請求項3に記載のロボットの制御装置。 The robot has a plurality of links and a plurality of motors that drive the corresponding links,
The robot control apparatus according to claim 3, wherein the three links are a part of a plurality of links and are longer than other links.
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