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JP2665984B2 - 外乱推定オブザーバによる衝突検出方法 - Google Patents

外乱推定オブザーバによる衝突検出方法

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JP2665984B2
JP2665984B2 JP1334967A JP33496789A JP2665984B2 JP 2665984 B2 JP2665984 B2 JP 2665984B2 JP 1334967 A JP1334967 A JP 1334967A JP 33496789 A JP33496789 A JP 33496789A JP 2665984 B2 JP2665984 B2 JP 2665984B2
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哲朗 加藤
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    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00Programme-control systems
    • G05B19/02Programme-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 programme data in numerical form
    • G05B19/406Numerical 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 programme data in numerical form characterised by monitoring or safety
    • G05B19/4061Avoiding collision or forbidden zones

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  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Control Of Position Or Direction (AREA)
  • Control Of Electric Motors In General (AREA)
  • Manipulator (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、サーボモータで駆動される産業用ロボット
や工作機械等の被駆動体の衝突検出方法に関する。
従来の技術 ロボットのアーム、または工作機械のテーブルやワー
クが障害物に衝突したとき、アームやテーブルの移動は
停止するが、サーボモータは指令位置まで移動させよう
として大きなトルクを発生する。そのため、機構部の破
損と2次災害を生じる危険性がある。
衝突検出機構のないサーボ系においては、誤差過大ア
ラームによって異常を検出し、これにより衝突を検出す
るようにしている。即ち、アームやテーブル等の被駆動
体が異物と衝突し、その移動が停止した場合、指令位置
と実際の移動位置の差である位置偏差は大きな値とな
る。この位置偏差の過大を誤差過大としてアラームを発
生させ、このアラームによって衝突を検出するものであ
る。
また、サーボモータの駆動電流値に上限値を設け、こ
の上限値を越えた場合、アラームを出し、被駆動体が異
物に衝突したことを検出する方法も公知である。
さらに、産業用ロボット等においては、サーボモータ
で駆動される被駆動体が、他の異物と衝突したことを検
出する方法として、従来、ロボットの表面にタッチセン
サを取付け、該タッチセンサで異物とロボットの接触を
検出する方法が採用されている。
発明が解決しようとする課題 上述したタッチセンサを被駆動体に取り付けて衝突を
検出する方法では、駆動装置とは別にセンサーを設ける
必要がありコスト上昇となる。また、センサを設置して
いない部分に異物が衝突したときは、衝突を検出できな
いという欠点がある。
また、誤差過大アラームで衝突を検出する方法では、
位置偏差が誤差過大アラーム値に達するまでに、モータ
が機構部が耐えられないくらいのトルクを発生し機構部
を破壊させる場合がある。さらに、上記モータの駆動電
流値がある上限値以上になったことによって衝突を検出
する方法も、電流値が上限値に達するまでに時間を要
し、衝突検出が遅れ、機構部や衝突した異物を破損させ
る恐れがある。
そこで、本願出願人は、被駆動体が異物に衝突したと
き、速度偏差が増大することから、速度偏差の微分値の
大きさによって衝突を検出する方法、及びトルク指令値
の微分値の大きさによって衝突を検出する方法を提案し
た(特願昭63−328866号参照)。
しかしながら、上述した速度偏差の微分値の大きさ,
トルク指令値の微分値の大きさによって衝突を検出する
方法においても、低速度でサーボモータが動作中に衝突
が生じると、速度指令自体が小さい値であるため速度偏
差はゆっくりと増加し、その結果、微分値は大きな値を
示さず、又、速度偏差の変化(微分値)が小さいからト
ルク指令値の微分値も大きな値とはならず、衝突を検知
するには衝突を検出するしきい値を小さくしなければな
らない。しきい値を小さくすれば、通常の動作のときに
おいて衝突が生じないにもかかわらず、衝突を検出する
ことになり、結局、低速度での動作中は衝突を検出する
ことができないという問題があった。
そこで、本発明の目的は、機構部の破壊限界に達する
前に確実に衝突を検出する衝突検出方法を提供すること
にある。
課題を解決するための手段 本発明は、サーボ回路の速度ループに対し外乱推定オ
ブザーバを組み、該外乱推定オブザーバによってトルク
指令と実速度から外乱トルクを推定し、推定された外乱
トルクの大きさが設定値以上になったとき被駆動体が異
物に衝突したとして衝突を検出するするようにした。
作用 外乱推定オブザーバを組めば、外乱トルクを推定する
ことができる。そこで、衝突によるトルク変動を外乱ト
ルクとみなし、オブザーバで推定される外乱トルクが設
定値以上に達したとき衝突として検出する。この設定値
を機構部の耐強度に合わせて設定しておけば、機構部を
破損するトルクが発生する前に衝突を検出することがで
きる。
実施例 第2図は、位置に対し比例(P)制御を行い、速度に
対し比例,積分(P1)制御を行うロボット等のサーボモ
ータ制御系のブロック線図であり、伝達関数10のKPは
位置ループにおける比例ゲイン、伝達関数12は速度ルー
プにおける伝達関数で、K1は積分定数、K2は比例定数で
ある。また、伝達関数14,16はモータの伝達関数で、Kt
はトルク定数、Jはイナーシャであり、伝達関数18が速
度を積分して位置θを算出する伝達関数である。ま
た、TLは外乱トルクである。
位置指令値θrから現在位置θのフィードバック値を
減算し、その差の位置偏差ε(=θr−θ)に比例定数
KPを乗じ、速度指令値を求め、該速度指令値と実速度
との差(速度偏差)によってP1制御を行ってトルク指
令値としての電流値Iを求め、該電流Iをモータの巻線
に流し、モータを駆動する。モータは速度で回転し、
この速度を積分して位置θが求められる。
この第2図に示すサーボモータに対し、外乱推定オブ
ザーバを組む。まず、サーボモータのサーボ制御をプロ
セッサで行うデジタルサーボ制御において、従来から行
われている外乱推定オブザーバについて説明する。
第3図は、サーボモータにおけるオブザーバ対象のモ
デルのブロック図で、符号14は第2図に示すサーボモー
タのトルク定数Ktの伝達関数、16aは第2図における伝
達関数16を分割し、イナーシャJの伝達関数16aと積分
項16bに分けたものである。第3図におて、Iは入力と
してのトルク指令、,TLは状態変数としての速度,外
乱トルクを意味する。
この第3図のモデルにおいて、状態変数,TLに対す
る状態方程式は次の第(1)式のようになる。
なお、上記第(1)式においては加速度、Lは外
乱トルクの変化度を意味するが、短い時間では外乱トル
クTLには変化がないとしてL=0と仮定している。
の第(1)式で示す方程式より、オブザーバを組む一般
的な手法により、速度,外乱TLを推定する同一次元
オブザーバを組むと第1図に符号50で示すオブザーバと
なる。外乱推定オブザーバ50の項52,53のK3,K4は外乱推
定オブザーバのパラメータであり、項51は実際にサーボ
モータに出力されるトルク指令としての電流値Iに乗じ
るパラメータの値で、モータのトルク定数Ktをイナーシ
ャJで除した値である。54は積分項である。
この第1図のブロック図を解析すると、 {I・Kt+TL}(1/J・S)= …(2) {I・(Kt/J)+(−v)K3 +(−v)(K4/S)}(1/S)=v …(3) (なお、vは積分項54の出力で推定速度) 第(2)式より I=(・J・S−TL)/Kt …(4) 第(3)式に第(4)式を代入し整理すると、 (・J・S−TL)/J+(−v)K3 +(−v)(K4/S)=v・S …(5) S(−v)+(−v)・K3 +(−v)(K4/S)=TL/J …(6) 第(6)式より 上記第(7)式より項53の出力xは次の第(8)式で
示される。
第(8)式において、パラメータK3,K4を極が安定す
るように選択すると、 x≒TL/J …(9) となり、外乱トルクTLをイナーシャJで除した値が推
定される。
こうして、外乱推定オブザーバ50によって得られた外
乱TLに比例した値x(=TL/J)に項60のパラメータJ
・A(Jはイナーシャ,Aは単位系を合わせるための定
数)を乗じれば外乱トルクy≒TLが推定される。この
推定外乱トルクy≒YLと衝突を検出するために設定さ
れた設定値Tsを比較器62で比較し、推定外乱トルクyが
大きければ、アラームを出力し速度ループの積分器の値
を「0」とすると共に以後の速度指令を「0」にしてモ
ータを停止させる。
衝突を検出するために設定する上記設定値Tsは機械の
静摩擦,バネ系の反力,重力項よりも大きく、かつ、機
構部の破壊限界よりも小さい値に設定する。これに寄
り、機構部が破壊される前に確実に衝突を検出し、モー
タを停止させることができる。
第4図は、デジタルサーボ(ソフトウェアサーボ)の
プロセッサが位置,速度ループ処理周期毎実施する処理
のフローチャートである。
数値制御装置から出力される位置指令とサーボモータ
に取付けられたパルスコーダ等によって検出される現在
位置(位置のフィードバック値)より、従来と同様に位
置ループ処理を行って速度指令を算出する(ステップ10
0)。次に、フラグFが「1」か否か判断する(ステッ
プ101)。なお、このフラグFは初期設定で「0」に設
定されており、衝突が検出されなければ「0」の状態を
維持している。該フラグFが「1」でなければ、第1図
に示す外乱推定オブザーバ50及びブロック61の処理を実
行し、推定外乱トルクyを求める(ステップ102)。そ
して、求められた推定外乱トルクyが衝突を検出するた
めに設定されたしきい値Ts以上か否か判断し(ステップ
103)、しきい値Tsより小さければ、ステップ100で求め
られた速度指令とサーボモータに取付けられたパルスコ
ーダ等の速度検出器で検出されるサーボモータの実速度
より、従来と同様に速度ループ処理を行い電流指令(ト
ルク指令)を算出し、電流ループに該電流指令を引き渡
し、当該周期の処理を終了する(ステップ106,107)。
一方、ステップ103で算出された推定外乱トルクyが
しきい値Ts以上のときには、衝突が検出されたとしてア
ラームを出力し、フラグFを「1」にセットし、速度指
令を「0」,速度ループの積分器を「0」にする(ステ
ップ104,105)。そして、ステップ106の速度ループ処理
では速度指令「0」,速度ループの積分器が「0」とし
て速度ループ処理を行い、電流指令を求め、電流ループ
に引渡す。
次の周期からはフラグFが「1」にセットされている
から、ステップ101からステップ105へ移行し、速度指令
を「0」,速度ループの積分器を「0」として速度ルー
プ処理を行って電流指令を求め、電流ループに引渡すこ
ととなる。
なお、上記実施例では衝突検出について説明したが、
過負荷時のアラームも本方式によって検出可能である。
発明の効果 本発明は、外乱推定オブザーバによって外乱トルクを
推定し、該推定された外乱トルクが設定されたしきい値
以上になると衝突発生として検出するようにしたので、
上記設定するしきい値を機械の摩擦力,バネ系の反力,
重力項よりも大きくし、かつ、機構部の耐強度より小さ
い値に設定することにより、確実に機構部の破損を防止
することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例の外乱推定オブザーバのブロ
ック図、第2図はサーボモータ制御系のブロック図、第
3図は外乱推定オブザーバを組むモデルのブロック図、
第4図はデジタルサーボのプロセッサが行う本実施例の
位置,速度ループ処理及び外乱推定オブザーバ処理のフ
ローチャートである。 50……外乱推定オブザーバ、I……トルク指令、TL…
…外乱トルク、……サーボモータの実速度、v……推
定速度、y……推定外乱トルク。
フロントページの続き (72)発明者 吉田 修 山梨県南都留郡忍野村忍草字古馬場3580 番地 ファナック株式会社商品開発研究 所内 (56)参考文献 特開 平3−110606(JP,A) 特開 平3−17703(JP,A) 特開 平2−297603(JP,A) 特開 昭61−251915(JP,A) 特開 昭63−120312(JP,A) 特開 昭62−77608(JP,A)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】少なくとも位置ループと該位置ループのマ
    イナーループとして速度ループを有するサーボ回路によ
    ってサーボモータを駆動制御し該サーボモータで駆動さ
    れる被駆動体の衝突検出方法において、速度ループに対
    し外乱推定オブザーバを構成し、トルク指令と実速度に
    より外乱トルクを推定し、推定された外乱トルクの大き
    さが設定値以上になったとき、被駆動体が異物に衝突し
    たとして衝突を検出するようにした、外乱推定オブザー
    バによる衝突検出方法。
JP1334967A 1989-12-26 1989-12-26 外乱推定オブザーバによる衝突検出方法 Expired - Lifetime JP2665984B2 (ja)

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