JPH11184512A - ロボットの制御ゲイン決定方法 - Google Patents
ロボットの制御ゲイン決定方法Info
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- JPH11184512A JPH11184512A JP36496797A JP36496797A JPH11184512A JP H11184512 A JPH11184512 A JP H11184512A JP 36496797 A JP36496797 A JP 36496797A JP 36496797 A JP36496797 A JP 36496797A JP H11184512 A JPH11184512 A JP H11184512A
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- acceleration
- deceleration
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 出力トルクが飽和しない範囲でロボットを高
速に動作させるために、軸にかかる負荷の状態に応じて
ゲインを切り替えられるようにする。 【解決手段】 設定加減速度より、移動指令を実行する
際に必要な所要加減速時間を求めるステップと、前記所
要加減速時間に基づいて生成される動作指令において、
加速完了時及び減速完了時の各軸モータの出力トルクを
近似的に推定し、その値を推定トルクとするステップ(S
4)と、前記推定トルクと、予め記憶されている各軸の比
較用トルクパラメータとを比較し(S5)、推定トルクが比
較用トルクパラメータを越える場合は、フィードフォワ
ード制御のゲインを低く設定し(S6)、推定トルクが比較
用トルクパラメータを越えない場合は、フィードフォワ
ード制御のゲインを高く設定して(S7)、モータに指令を
与えるステップとを有する。
速に動作させるために、軸にかかる負荷の状態に応じて
ゲインを切り替えられるようにする。 【解決手段】 設定加減速度より、移動指令を実行する
際に必要な所要加減速時間を求めるステップと、前記所
要加減速時間に基づいて生成される動作指令において、
加速完了時及び減速完了時の各軸モータの出力トルクを
近似的に推定し、その値を推定トルクとするステップ(S
4)と、前記推定トルクと、予め記憶されている各軸の比
較用トルクパラメータとを比較し(S5)、推定トルクが比
較用トルクパラメータを越える場合は、フィードフォワ
ード制御のゲインを低く設定し(S6)、推定トルクが比較
用トルクパラメータを越えない場合は、フィードフォワ
ード制御のゲインを高く設定して(S7)、モータに指令を
与えるステップとを有する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ロボットの制御ゲ
イン決定方法に関する。
イン決定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に経路作業を行なうロボットは、加
減速制御を行い、滑らかな動きを得ている。指令生成時
には、一定の加速及び減速を行う、直線型加減速制御が
よく用いられている。この指令をサーボ制御部によって
平滑化する。図２は、ロボットの各軸の移動距離と到達
速度、及び出力トルクの関係を表すグラフである。図２
（ａ）のように、十分移動量が大きい場合には、動作速
度は指令速度に到達する。通常は、発生する出力トルク
は許容値を越えないように加減速度時定数が決められて
いる。しかし、図２（ｂ）のように、指定された移動命
令の移動距離が短い場合、生成される指令が教示された
指令速度に到達しない。この場合、サーボ遅れにより実
際のモータの速度は、動作指令の到達速度にまで到達し
ないため、モータの出力トルクに余裕がある。そこで、
このような短い移動距離を動作する場合には、図２
（ｃ）のようにフィードフォワード制御のゲインを高く
設定し、モータの応答を速めて、動作の高速化を図る方
法が一般的に採られている。従来、このゲインの切替の
判定は、移動距離や各軸の移動量を、予め記憶された移
動量判定値と比較して、判定値より小さい場合にゲイン
を高く設定するようにしていた。あるいは、指令の到達
速度が、教示時の指令速度に到達しているかどうかを判
定し、到達していない場合にゲインを高く設定するよう
にしていた。
減速制御を行い、滑らかな動きを得ている。指令生成時
には、一定の加速及び減速を行う、直線型加減速制御が
よく用いられている。この指令をサーボ制御部によって
平滑化する。図２は、ロボットの各軸の移動距離と到達
速度、及び出力トルクの関係を表すグラフである。図２
（ａ）のように、十分移動量が大きい場合には、動作速
度は指令速度に到達する。通常は、発生する出力トルク
は許容値を越えないように加減速度時定数が決められて
いる。しかし、図２（ｂ）のように、指定された移動命
令の移動距離が短い場合、生成される指令が教示された
指令速度に到達しない。この場合、サーボ遅れにより実
際のモータの速度は、動作指令の到達速度にまで到達し
ないため、モータの出力トルクに余裕がある。そこで、
このような短い移動距離を動作する場合には、図２
（ｃ）のようにフィードフォワード制御のゲインを高く
設定し、モータの応答を速めて、動作の高速化を図る方
法が一般的に採られている。従来、このゲインの切替の
判定は、移動距離や各軸の移動量を、予め記憶された移
動量判定値と比較して、判定値より小さい場合にゲイン
を高く設定するようにしていた。あるいは、指令の到達
速度が、教示時の指令速度に到達しているかどうかを判
定し、到達していない場合にゲインを高く設定するよう
にしていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところが、実際にロボ
ットが動作する場合は、ロボットの姿勢や動作速度、及
び他軸からの干渉トルク等によって、各軸にかかる負荷
状態は異なる。そのため、図２（ｄ）のように移動量が
小さい、あるいは速度が到達していない場合でも、静止
負荷が大きい、あるいは他軸からの干渉トルクが大きい
場合には、高いゲインが適用されると、出力トルクが飽
和してしまう。一方、負荷が大きい場合に出力トルクが
飽和しないように移動量判定値を設定しようとすると、
高いゲインが適用されるパターンは少なくなるため、高
速化の効果が得られない。そこで、本発明は、出力トル
クが飽和しない範囲でロボットを高速に動作させるため
に、軸にかかる負荷の状態に応じてゲインを切り替え
る、ロボットの制御方法を提供することを目的とする。
ットが動作する場合は、ロボットの姿勢や動作速度、及
び他軸からの干渉トルク等によって、各軸にかかる負荷
状態は異なる。そのため、図２（ｄ）のように移動量が
小さい、あるいは速度が到達していない場合でも、静止
負荷が大きい、あるいは他軸からの干渉トルクが大きい
場合には、高いゲインが適用されると、出力トルクが飽
和してしまう。一方、負荷が大きい場合に出力トルクが
飽和しないように移動量判定値を設定しようとすると、
高いゲインが適用されるパターンは少なくなるため、高
速化の効果が得られない。そこで、本発明は、出力トル
クが飽和しない範囲でロボットを高速に動作させるため
に、軸にかかる負荷の状態に応じてゲインを切り替え
る、ロボットの制御方法を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記問題を解決するた
め、本発明は、ロボットの教示点の位置、姿勢や各軸の
動作方向、動作速度によって、重力モーメント、加速度
による慣性、他軸の動作による干渉トルク等の影響を受
ける駆動軸を有するロボットの制御ゲイン決定方法にお
いて、設定加減速度より、移動指令を実行する際に必要
な所要加減速時間を求めるステップと、前記所要加減速
時間に基づいて生成される動作指令において、加速完了
時及び減速完了時の各軸モータの出力トルクを近似的に
推定し、その値を推定トルクとするステップと、前記推
定トルクと、予め記憶されている各軸の比較用トルクパ
ラメータとを比較し、推定トルクが比較用トルクパラメ
ータを越える場合は、フィードフォワード制御のゲイン
を低く設定し、推定トルクが比較用トルクパラメータを
越えない場合は、フィードフォワード制御のゲインを高
く設定して、モータに指令を与えるステップとを有する
ことを特徴とするものである。上記手段により、各軸の
到達速度や負荷の状態に応じて、フィードフォワード制
御のゲインの切替が行われるので、出力トルクが飽和し
ない範囲でロボットを高速に動作させることが出来る。
め、本発明は、ロボットの教示点の位置、姿勢や各軸の
動作方向、動作速度によって、重力モーメント、加速度
による慣性、他軸の動作による干渉トルク等の影響を受
ける駆動軸を有するロボットの制御ゲイン決定方法にお
いて、設定加減速度より、移動指令を実行する際に必要
な所要加減速時間を求めるステップと、前記所要加減速
時間に基づいて生成される動作指令において、加速完了
時及び減速完了時の各軸モータの出力トルクを近似的に
推定し、その値を推定トルクとするステップと、前記推
定トルクと、予め記憶されている各軸の比較用トルクパ
ラメータとを比較し、推定トルクが比較用トルクパラメ
ータを越える場合は、フィードフォワード制御のゲイン
を低く設定し、推定トルクが比較用トルクパラメータを
越えない場合は、フィードフォワード制御のゲインを高
く設定して、モータに指令を与えるステップとを有する
ことを特徴とするものである。上記手段により、各軸の
到達速度や負荷の状態に応じて、フィードフォワード制
御のゲインの切替が行われるので、出力トルクが飽和し
ない範囲でロボットを高速に動作させることが出来る。
【０００５】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を、図に
基づいて説明する。図３は、教示点とロボットの形態を
示したスケルトン図で、教示点（Ｓ）を動作開始点、教
示点（Ｅ）を動作終了点とする。図４は、本実施例で使
用するロボットの機構を表したスケルトン図で、３軸で
構成される。１は大地に平行な軸回りに自由度を持つ第
１軸、２は第１軸１回りに駆動する第１腕、３は第１腕
２の先端部に設けられ、第１軸１に平行な軸回りに自由
度を持つ第２軸、４は第２軸３回りに駆動する第２腕、
５は第２腕４の先端部に設けられ、第２軸に平行な軸回
りに自由度を持つ第３軸、６は第３軸５回りに駆動し、
先端部に質点を有する第３腕である。各軸は１自由度ず
つ有し、合計３自由度を有する、ＸＹ平面内を動作する
ロボットである。そして、各軸がそれぞれ、重力モーメ
ント、加速度による慣性、他軸の動作による干渉トルク
等の影響を受ける。ロボットの加減速制御は、通常、各
軸毎に最大加減速度をパラメータとして持っており、こ
の加減速度と指令速度から、必要な加減速時間を求め、
その中で最大の加減速時間に、全軸を揃えて加減速制御
を行っている。また、場合によっては、特開平５−４６
２３４号公報のように、位置、姿勢から負荷イナーシャ
を演算し、これに基づいて加減速度を可変にする方法な
どが採られている。これらの方法によって求められた加
減速時間を元にロボットを動作させる際、各軸にかかる
負荷トルクを推定することを考える。
基づいて説明する。図３は、教示点とロボットの形態を
示したスケルトン図で、教示点（Ｓ）を動作開始点、教
示点（Ｅ）を動作終了点とする。図４は、本実施例で使
用するロボットの機構を表したスケルトン図で、３軸で
構成される。１は大地に平行な軸回りに自由度を持つ第
１軸、２は第１軸１回りに駆動する第１腕、３は第１腕
２の先端部に設けられ、第１軸１に平行な軸回りに自由
度を持つ第２軸、４は第２軸３回りに駆動する第２腕、
５は第２腕４の先端部に設けられ、第２軸に平行な軸回
りに自由度を持つ第３軸、６は第３軸５回りに駆動し、
先端部に質点を有する第３腕である。各軸は１自由度ず
つ有し、合計３自由度を有する、ＸＹ平面内を動作する
ロボットである。そして、各軸がそれぞれ、重力モーメ
ント、加速度による慣性、他軸の動作による干渉トルク
等の影響を受ける。ロボットの加減速制御は、通常、各
軸毎に最大加減速度をパラメータとして持っており、こ
の加減速度と指令速度から、必要な加減速時間を求め、
その中で最大の加減速時間に、全軸を揃えて加減速制御
を行っている。また、場合によっては、特開平５−４６
２３４号公報のように、位置、姿勢から負荷イナーシャ
を演算し、これに基づいて加減速度を可変にする方法な
どが採られている。これらの方法によって求められた加
減速時間を元にロボットを動作させる際、各軸にかかる
負荷トルクを推定することを考える。
【０００６】図４に示すモデルについて、ラグランジェ
の運動方程式から、第１軸１にかかる負荷トルクを導出
すると、（１）式の形で表されることが知られている。 τL1 ＝ ｍ｛｛２cos(θ2 ＋θ3)ｒ1 ｒ3 ＋２cos θ2 ｒ1 ｒ2 ＋２cos θ3 ｒ2 ｒ3 ＋ｒ1 2＋ｒ2 2 ＋ｒ3 2 ｝θ1" ＋｛cos(θ2 ＋θ3)ｒ1 ｒ3 ＋cos θ2 ｒ1 ｒ2 ＋２cos θ3 ｒ2 ｒ3 ＋ｒ2 2 ＋ｒ3 2 ｝θ2" ＋｛ cos( θ2 ＋θ3)ｒ1 ｒ3 ＋ cos θ3 ｒ2 ｒ3 ＋ｒ3 2 ｝θ3" −２ｒ1 ｛ sin( θ2 ＋θ3)ｒ3 ＋sin θ2 ｒ2 ｝θ1'θ2' −２ｒ3 ｛ sin( θ2 ＋θ3)ｒ1 ＋sin θ3 ｒ2 ｝θ1'θ3' −２ｒ3 ｛ sin( θ2 ＋θ3)ｒ1 ＋sin θ3 ｒ2 ｝θ2'θ3' −ｒ1 ｛ sin( θ2 ＋θ3)ｒ3 ＋sin θ2 ｒ2 ｝θ2'2 −ｒ3 ｛ sin( θ2 ＋θ3)ｒ1 ＋sin θ3 ｒ2 ｝θ3'2 −ｇ｛ cos( θ1 ＋θ2 ＋θ3)ｒ3 ＋cos(θ1 ＋θ2)ｒ2 ＋cos θ1 ｒ1 ｝｝ ……（１） ここで、τL1は、第１軸１に発生する負荷トルク、
θ1', θ2', θ3'は各軸の指令速度、θ1", θ2", θ3"
は各軸の加速度、ｇは重力加速度を示す。距離ｒ1,ｒ2,
ｒ3 、質量ｍは、既知である。指令速度θ1', θ2', θ
3'、角度θ1,θ2,θ3 が与えられるとすれば、上記
（１）式は、（２）式に示すように加速度θ1", θ2",
θ3"のみをパラメータとする式へと書き換えられる。 τL1＝ａ1 ・θ1"＋ａ2 ・θ2"＋ａ3 ・θ3"＋τLv1 ＋τLg1 ……（２） ここで、 ａ1 ＝ｍ｛２cos(θ2 ＋θ3)ｒ1 ｒ3 ＋２cos θ2 ｒ1 ｒ2 ＋２cos θ3 ｒ2 ｒ 3 ＋ｒ1 2 ＋ｒ2 2 ＋ｒ3 2 ｝ ａ2 ＝ｍ｛cos(θ2 ＋θ3)ｒ1 ｒ3 ＋cos θ2 ｒ1 ｒ2 ＋２cos θ3 ｒ2 ｒ3 ＋ ｒ2 2 ＋ｒ3 2 ｝ ａ3 ＝ｍ｛cos(θ2 ＋θ3)ｒ1 ｒ3 ＋ cos θ3 ｒ2 ｒ3 ＋ｒ3 2 ｝ τLv1 ＝ｍ｛−２ｒ1 ｛ sin( θ2 ＋θ3)ｒ3 ＋sin θ2 ｒ2 ｝θ1'θ2' −２ｒ3 ｛ sin( θ2 ＋θ3)ｒ1 ＋sin θ3 ｒ2 ｝θ1'θ3' −２ｒ3 ｛ sin( θ2 ＋θ3)ｒ1 ＋sin θ3 ｒ2 ｝θ2'θ3' −ｒ1 ｛ sin( θ2 ＋θ3)ｒ3 ＋sin θ2 ｒ2 ｝θ2'2 −ｒ3 ｛ sin( θ2 ＋θ3)ｒ1 ＋sin θ3 ｒ2 ｝θ3'2 ｝ τLg1 ＝ｍ｛−ｇ｛ cos( θ1 ＋θ2 ＋θ3)ｒ3 ＋cos(θ1 ＋θ2)ｒ2 ＋cos θ 1 ｒ1 ｝｝
の運動方程式から、第１軸１にかかる負荷トルクを導出
すると、（１）式の形で表されることが知られている。 τL1 ＝ ｍ｛｛２cos(θ2 ＋θ3)ｒ1 ｒ3 ＋２cos θ2 ｒ1 ｒ2 ＋２cos θ3 ｒ2 ｒ3 ＋ｒ1 2＋ｒ2 2 ＋ｒ3 2 ｝θ1" ＋｛cos(θ2 ＋θ3)ｒ1 ｒ3 ＋cos θ2 ｒ1 ｒ2 ＋２cos θ3 ｒ2 ｒ3 ＋ｒ2 2 ＋ｒ3 2 ｝θ2" ＋｛ cos( θ2 ＋θ3)ｒ1 ｒ3 ＋ cos θ3 ｒ2 ｒ3 ＋ｒ3 2 ｝θ3" −２ｒ1 ｛ sin( θ2 ＋θ3)ｒ3 ＋sin θ2 ｒ2 ｝θ1'θ2' −２ｒ3 ｛ sin( θ2 ＋θ3)ｒ1 ＋sin θ3 ｒ2 ｝θ1'θ3' −２ｒ3 ｛ sin( θ2 ＋θ3)ｒ1 ＋sin θ3 ｒ2 ｝θ2'θ3' −ｒ1 ｛ sin( θ2 ＋θ3)ｒ3 ＋sin θ2 ｒ2 ｝θ2'2 −ｒ3 ｛ sin( θ2 ＋θ3)ｒ1 ＋sin θ3 ｒ2 ｝θ3'2 −ｇ｛ cos( θ1 ＋θ2 ＋θ3)ｒ3 ＋cos(θ1 ＋θ2)ｒ2 ＋cos θ1 ｒ1 ｝｝ ……（１） ここで、τL1は、第１軸１に発生する負荷トルク、
θ1', θ2', θ3'は各軸の指令速度、θ1", θ2", θ3"
は各軸の加速度、ｇは重力加速度を示す。距離ｒ1,ｒ2,
ｒ3 、質量ｍは、既知である。指令速度θ1', θ2', θ
3'、角度θ1,θ2,θ3 が与えられるとすれば、上記
（１）式は、（２）式に示すように加速度θ1", θ2",
θ3"のみをパラメータとする式へと書き換えられる。 τL1＝ａ1 ・θ1"＋ａ2 ・θ2"＋ａ3 ・θ3"＋τLv1 ＋τLg1 ……（２） ここで、 ａ1 ＝ｍ｛２cos(θ2 ＋θ3)ｒ1 ｒ3 ＋２cos θ2 ｒ1 ｒ2 ＋２cos θ3 ｒ2 ｒ 3 ＋ｒ1 2 ＋ｒ2 2 ＋ｒ3 2 ｝ ａ2 ＝ｍ｛cos(θ2 ＋θ3)ｒ1 ｒ3 ＋cos θ2 ｒ1 ｒ2 ＋２cos θ3 ｒ2 ｒ3 ＋ ｒ2 2 ＋ｒ3 2 ｝ ａ3 ＝ｍ｛cos(θ2 ＋θ3)ｒ1 ｒ3 ＋ cos θ3 ｒ2 ｒ3 ＋ｒ3 2 ｝ τLv1 ＝ｍ｛−２ｒ1 ｛ sin( θ2 ＋θ3)ｒ3 ＋sin θ2 ｒ2 ｝θ1'θ2' −２ｒ3 ｛ sin( θ2 ＋θ3)ｒ1 ＋sin θ3 ｒ2 ｝θ1'θ3' −２ｒ3 ｛ sin( θ2 ＋θ3)ｒ1 ＋sin θ3 ｒ2 ｝θ2'θ3' −ｒ1 ｛ sin( θ2 ＋θ3)ｒ3 ＋sin θ2 ｒ2 ｝θ2'2 −ｒ3 ｛ sin( θ2 ＋θ3)ｒ1 ＋sin θ3 ｒ2 ｝θ3'2 ｝ τLg1 ＝ｍ｛−ｇ｛ cos( θ1 ＋θ2 ＋θ3)ｒ3 ＋cos(θ1 ＋θ2)ｒ2 ＋cos θ 1 ｒ1 ｝｝
【０００６】加速度＝速度／時間であるから、加速時間
をｔとおくと、θ”＝θ’／ｔとおけるので、次のよう
に式が変形できる。 τL1＝｛ａ1 ・θ1 ’＋ａ2 ・θ2 ’＋ａ3 ・θ3 ’｝／ｔ＋τLv1 ＋τLg1 … …（３） 指令速度θ* ’が既知であることから、｛｝内も係数と
見ることが出来る。従って（３）式は次のように変形で
きる。 τL1 ＝ τLa1 ／ｔ＋τLv1 ＋τLg1 ここで、 τLa1 ＝ａ1 ・θ1'＋ａ2 ・θ2'＋ａ3 ・θ3' 第２軸３、第３軸５についても、ラグランジェの運動方
程式から導出される負荷トルクを求める式が異なるだけ
で、上記と同様の手法により、それぞれ（４）式に相当
する式を得ることが出来る。即ち、τli ＝τLai ／ｔ
＋τLvi ＋τLgi ……（４）上記は、負荷軸に働く負荷
トルクについて考えられている。これをモータ軸に換算
して考える。モータ軸におけるトルクは、（負荷（アー
ム側）から減速機を介して与えられるトルク）＋（モー
タ軸自身の回転による慣性モーメント）となる。すなわ
ち、 τm ＝ τL ／ (η・Ｎ) ＋Ｊm ・θm ” 但し、 τm ：モータ軸トルク、τL ：負荷軸トルク η：効率、Ｎ：減速比 Ｊm ：モータ軸イナーシャ、θm ”：モータ軸加速度 θm " ＝θ' m ／ｔより τmi ＝ (τLai ／ｔ＋τLvi ＋τLgi ) ／( η・Ｎ)
＋ Ｊmi・θ' mi／ｔ＝｛τLai ／（η・Ｎ）＋Ｊmi・
θ' mi｝／ｔ ＋ （τLvi ＋τLgi ）／(η・Ｎ) ここで、 τai ＝ ｛τLai ／( η・Ｎ) ＋Ｊmi・θ' mi｝ τvi ＝ τLvi ／( η・Ｎ) τgi ＝ τLgi ／( η・Ｎ) とおく。
をｔとおくと、θ”＝θ’／ｔとおけるので、次のよう
に式が変形できる。 τL1＝｛ａ1 ・θ1 ’＋ａ2 ・θ2 ’＋ａ3 ・θ3 ’｝／ｔ＋τLv1 ＋τLg1 … …（３） 指令速度θ* ’が既知であることから、｛｝内も係数と
見ることが出来る。従って（３）式は次のように変形で
きる。 τL1 ＝ τLa1 ／ｔ＋τLv1 ＋τLg1 ここで、 τLa1 ＝ａ1 ・θ1'＋ａ2 ・θ2'＋ａ3 ・θ3' 第２軸３、第３軸５についても、ラグランジェの運動方
程式から導出される負荷トルクを求める式が異なるだけ
で、上記と同様の手法により、それぞれ（４）式に相当
する式を得ることが出来る。即ち、τli ＝τLai ／ｔ
＋τLvi ＋τLgi ……（４）上記は、負荷軸に働く負荷
トルクについて考えられている。これをモータ軸に換算
して考える。モータ軸におけるトルクは、（負荷（アー
ム側）から減速機を介して与えられるトルク）＋（モー
タ軸自身の回転による慣性モーメント）となる。すなわ
ち、 τm ＝ τL ／ (η・Ｎ) ＋Ｊm ・θm ” 但し、 τm ：モータ軸トルク、τL ：負荷軸トルク η：効率、Ｎ：減速比 Ｊm ：モータ軸イナーシャ、θm ”：モータ軸加速度 θm " ＝θ' m ／ｔより τmi ＝ (τLai ／ｔ＋τLvi ＋τLgi ) ／( η・Ｎ)
＋ Ｊmi・θ' mi／ｔ＝｛τLai ／（η・Ｎ）＋Ｊmi・
θ' mi｝／ｔ ＋ （τLvi ＋τLgi ）／(η・Ｎ) ここで、 τai ＝ ｛τLai ／( η・Ｎ) ＋Ｊmi・θ' mi｝ τvi ＝ τLvi ／( η・Ｎ) τgi ＝ τLgi ／( η・Ｎ) とおく。
【０００７】このようにして、ラグランジェの運動方程
式から、モータ軸にかかる負荷トルクを、加速度により
発生するトルク（慣性モーメント）：τai、速度により
発生するトルク（遠心力、コリオリ力）：τvi、重力に
より発生するトルク（重力モーメント）：τgiの３つに
分離できる。以下、それぞれを、加速度項トルク、速度
項トルク、重力項トルクと称する。これらは、次のよう
に各軸速度、および角度の関数となる。 τai ＝ ｆai｛ θ'*、θ* ｝ τvi ＝ ｆvi｛ θ'*、θ* ｝ τgi ＝ ｆgi｛ θ* ｝ ※ ＊＝１〜３軸 ……（５）
式から、モータ軸にかかる負荷トルクを、加速度により
発生するトルク（慣性モーメント）：τai、速度により
発生するトルク（遠心力、コリオリ力）：τvi、重力に
より発生するトルク（重力モーメント）：τgiの３つに
分離できる。以下、それぞれを、加速度項トルク、速度
項トルク、重力項トルクと称する。これらは、次のよう
に各軸速度、および角度の関数となる。 τai ＝ ｆai｛ θ'*、θ* ｝ τvi ＝ ｆvi｛ θ'*、θ* ｝ τgi ＝ ｆgi｛ θ* ｝ ※ ＊＝１〜３軸 ……（５）
【０００８】なお、ここではロボット先端部の質点のみ
を考慮してラグランジェの運動方程式を解いているが、
ロボットアーム自身の質量などについては、集中マスの
モデルを考え、各マスにより発生する負荷トルクを求
め、最後に個別の負荷トルクを合計したものが、各軸に
かかる負荷トルクとなる。従って、（５）式の各項につ
いても、同様に各マス毎の値を演算して合計をとればよ
い。また、上記では直列駆動型のロボットについて述べ
ているが、並列駆動型（平行リンク型）のロボットにつ
いても、ラグランジェの運動方程式から導出される負荷
トルクの演算式の形が異なるだけで、同様の手法が適用
できる。
を考慮してラグランジェの運動方程式を解いているが、
ロボットアーム自身の質量などについては、集中マスの
モデルを考え、各マスにより発生する負荷トルクを求
め、最後に個別の負荷トルクを合計したものが、各軸に
かかる負荷トルクとなる。従って、（５）式の各項につ
いても、同様に各マス毎の値を演算して合計をとればよ
い。また、上記では直列駆動型のロボットについて述べ
ているが、並列駆動型（平行リンク型）のロボットにつ
いても、ラグランジェの運動方程式から導出される負荷
トルクの演算式の形が異なるだけで、同様の手法が適用
できる。
【０００９】このようにして求められる負荷トルクは、
各軸の速度が指令速度に到達した場合の推定値である。
しかし、実際の動作指令の移動量が小さければ、図２
（ｂ）のように、軸速度は指令速度：Ｖref まで到達し
ない場合がある。ここで、実際に動作指令が到達する速
度：Ｖr 、Ｖr に到達するのに要する加速時間：ｔr を
考慮する。移動量が十分に大きく、定常速度部分が存在
する場合は、Ｖr ＝Ｖref である。また、上位から与え
られる指令に対し、サーボ制御されるモータの動作は、
サーボ遅れを含んだものとなる。これらを考慮に入れ
て、各軸にかかる負荷トルクを、推定トルク：τeiとし
て求める。
各軸の速度が指令速度に到達した場合の推定値である。
しかし、実際の動作指令の移動量が小さければ、図２
（ｂ）のように、軸速度は指令速度：Ｖref まで到達し
ない場合がある。ここで、実際に動作指令が到達する速
度：Ｖr 、Ｖr に到達するのに要する加速時間：ｔr を
考慮する。移動量が十分に大きく、定常速度部分が存在
する場合は、Ｖr ＝Ｖref である。また、上位から与え
られる指令に対し、サーボ制御されるモータの動作は、
サーボ遅れを含んだものとなる。これらを考慮に入れ
て、各軸にかかる負荷トルクを、推定トルク：τeiとし
て求める。
【００１０】まず、上位指令について考えると、（４）
式より τei＝（τai・（Ｖr ／Ｖref ））／ｔr ＋τvi・（Ｖr ／Ｖref ）2 ＋τgi… …（６） さらに、サーボ遅れを考慮する。一次遅れで近似する
と、 τei＝ ｛（τai・（Ｖr ／Ｖref ））／ｔr ＋τvi・（Ｖr ／Ｖref ）2 ｝・ （１−ｅｘｐ（−ｋｐ・ｔr ））＋τgi……（７）
式より τei＝（τai・（Ｖr ／Ｖref ））／ｔr ＋τvi・（Ｖr ／Ｖref ）2 ＋τgi… …（６） さらに、サーボ遅れを考慮する。一次遅れで近似する
と、 τei＝ ｛（τai・（Ｖr ／Ｖref ））／ｔr ＋τvi・（Ｖr ／Ｖref ）2 ｝・ （１−ｅｘｐ（−ｋｐ・ｔr ））＋τgi……（７）
【００１１】ここで、ｋｐは推定時定数であり、予めパ
ラメータとして用意しておく。なお、厳密には、加速完
了時の各軸角度は始点より移動している。しかし、その
差は十分に小さいとして、τgiを求める際の各軸角度
は、始点位置で近似して良い。こうして、実際に各軸に
かかる負荷トルクを、近似的に推定することが出来る。
予めパラメータとして、許容トルク：Ｔpi、効率係数：
ηi を用意しておく。そして、前記推定トルクτeiと、
許容トルクＴpi×効率係数ηi を比較する。比較の結
果、τei＜（τpi・ηi ）となった場合は、負荷トルク
にはまだ余裕がある。従って、ＦＦ制御のゲインを高く
設定し、応答性を上げることが出来る。一方、τei＞τ
pi・ηi となった場合には、負荷トルクが十分に大きい
ということなので、ＦＦ制御のゲインは低く設定し、ト
ルクの飽和を回避する。
ラメータとして用意しておく。なお、厳密には、加速完
了時の各軸角度は始点より移動している。しかし、その
差は十分に小さいとして、τgiを求める際の各軸角度
は、始点位置で近似して良い。こうして、実際に各軸に
かかる負荷トルクを、近似的に推定することが出来る。
予めパラメータとして、許容トルク：Ｔpi、効率係数：
ηi を用意しておく。そして、前記推定トルクτeiと、
許容トルクＴpi×効率係数ηi を比較する。比較の結
果、τei＜（τpi・ηi ）となった場合は、負荷トルク
にはまだ余裕がある。従って、ＦＦ制御のゲインを高く
設定し、応答性を上げることが出来る。一方、τei＞τ
pi・ηi となった場合には、負荷トルクが十分に大きい
ということなので、ＦＦ制御のゲインは低く設定し、ト
ルクの飽和を回避する。
【００１２】以下では、ＦＦ制御のゲインを高く設定し
た状態を「ＨＩＧＨゲイン」、低く設定した状態を「Ｌ
ＯＷゲイン」と称する。なお、指令生成時の加減速時間
の設定方法の一つとして、特開平７−２６１８２２号公
報にて示された方法がある。特開平７−２６１８２２号
では、上記（４）式を元に、各軸が許容トルクを越えな
い範囲での最短の加減速時間を求める方法について述べ
ている。これによると、（４）式を加速時間ｔについて
解くことにより、次の（８）式を得ることが出来る。
た状態を「ＨＩＧＨゲイン」、低く設定した状態を「Ｌ
ＯＷゲイン」と称する。なお、指令生成時の加減速時間
の設定方法の一つとして、特開平７−２６１８２２号公
報にて示された方法がある。特開平７−２６１８２２号
では、上記（４）式を元に、各軸が許容トルクを越えな
い範囲での最短の加減速時間を求める方法について述べ
ている。これによると、（４）式を加速時間ｔについて
解くことにより、次の（８）式を得ることが出来る。
【００１３】（加速時） ｔai ＝τai／（Ｔi −（τvi＋τgi）） （τai＞０：Ｔi ＝τpi） （τai＜０：Ｔi ＝−τpi） （減速時） ｔdi ＝ −τai／（Ｔi −（τvi＋τgi）） （τai＞０：Ｔi ＝−τpi） （τai＜０：Ｔi ＝τpi） ……（８）
【００１４】こうして求められた加減速時間は、軸速度
が指令速度に到達したときにかかる負荷トルクを想定し
て求められる。こうして加減速時間が求まれば、これを
元に、直線型加減速制御を指令生成部に行わせることが
できる。そこで、加減速時間決定を、特開平７−２６１
８２２号公報の方法により行い、その際に求めた加速度
項トルクτai、速度項トルクτvi、重力項トルクτgiを
ローカルデータ格納エリアに記憶しておく。そして推定
トルクτeiを求める場合には、先に記憶しておいた
τai、τvi、τgiを用いて求めることにより、無駄な演
算時間を費やさずに、より効率的な加減速制御を行うこ
とが出来る。図５は、本方法を実施するためのロボット
制御装置の概略を示すブロック図である。図中１１は教
示部、１２は前処理部、１３は指令生成部、１４はサー
ボ制御部、１５は駆動部、２１は教示データ格納エリ
ア、２２はパラメータ格納エリア、２３は加減速時間格
納エリア、２４はＦＦゲイン指定値格納エリアである。
前処理部１２は、教示データ格納エリア２１から始点及
び終点位置、指令速度等を読み込み、これらとパラメー
タ格納エリア２２に記憶された各種パラメータを用い
て、加減速時間を決定し、加減速時間格納エリア２３へ
格納する。さらにＦＦゲインの切替判定を行い、結果を
ＦＦゲイン指定値格納エリア２４へ格納する。指令生成
部１３は、所定周期毎に実行され、加減速時間格納エリ
ア２３に格納された加減速時間をもとに加減速が行われ
るよう、指令を生成し、所定周期毎にサーボ制御部１４
へ指令を出力する。サーボ制御部１４は、この指令生成
部１３からの指令に応じて、駆動部１５を駆動させる。
その際のＦＦ制御は、ＦＦゲイン指定値格納エリア２４
に格納されたゲイン指定値によって実行される。図１
は、本発明における、前処理部１２での制御ゲイン切替
方法の処理に関するフローチャートである。図におい
て、Ｓに続く数値はステップ番号を示す。また、各変数
のサフィックスｉは、軸番号を表すものである。各ステ
ップに於ける処理は、ロボットの各軸に対して行われ
る。
が指令速度に到達したときにかかる負荷トルクを想定し
て求められる。こうして加減速時間が求まれば、これを
元に、直線型加減速制御を指令生成部に行わせることが
できる。そこで、加減速時間決定を、特開平７−２６１
８２２号公報の方法により行い、その際に求めた加速度
項トルクτai、速度項トルクτvi、重力項トルクτgiを
ローカルデータ格納エリアに記憶しておく。そして推定
トルクτeiを求める場合には、先に記憶しておいた
τai、τvi、τgiを用いて求めることにより、無駄な演
算時間を費やさずに、より効率的な加減速制御を行うこ
とが出来る。図５は、本方法を実施するためのロボット
制御装置の概略を示すブロック図である。図中１１は教
示部、１２は前処理部、１３は指令生成部、１４はサー
ボ制御部、１５は駆動部、２１は教示データ格納エリ
ア、２２はパラメータ格納エリア、２３は加減速時間格
納エリア、２４はＦＦゲイン指定値格納エリアである。
前処理部１２は、教示データ格納エリア２１から始点及
び終点位置、指令速度等を読み込み、これらとパラメー
タ格納エリア２２に記憶された各種パラメータを用い
て、加減速時間を決定し、加減速時間格納エリア２３へ
格納する。さらにＦＦゲインの切替判定を行い、結果を
ＦＦゲイン指定値格納エリア２４へ格納する。指令生成
部１３は、所定周期毎に実行され、加減速時間格納エリ
ア２３に格納された加減速時間をもとに加減速が行われ
るよう、指令を生成し、所定周期毎にサーボ制御部１４
へ指令を出力する。サーボ制御部１４は、この指令生成
部１３からの指令に応じて、駆動部１５を駆動させる。
その際のＦＦ制御は、ＦＦゲイン指定値格納エリア２４
に格納されたゲイン指定値によって実行される。図１
は、本発明における、前処理部１２での制御ゲイン切替
方法の処理に関するフローチャートである。図におい
て、Ｓに続く数値はステップ番号を示す。また、各変数
のサフィックスｉは、軸番号を表すものである。各ステ
ップに於ける処理は、ロボットの各軸に対して行われ
る。
【００１５】［Ｓ１］ロボットの始点に於ける姿勢と、
各軸指令速度θ' i より、各軸の負荷トルク成分を求め
る。求めるのは、（５）式における各成分、 τai：加速度項トルク τvi：速度項トルク τgi：重力モーメント である。
各軸指令速度θ' i より、各軸の負荷トルク成分を求め
る。求めるのは、（５）式における各成分、 τai：加速度項トルク τvi：速度項トルク τgi：重力モーメント である。
【００１６】［Ｓ２］［Ｓ１］で求めた負荷トルク成分
より、各軸許容加速度Ａpiを求める。予めパラメータ格
納エリア２２に格納されている各軸の許容トルクτpiよ
り、（８）式から、各軸許容加速時間ｔaiを求め、ｔai
の最大値ｔaMAXを求めて、このｔaMAXと各軸指令速度
θ' i より、各軸許容加速度Ａpiを求める。 Ａpi＝θ' i ／ｔaMAX
より、各軸許容加速度Ａpiを求める。予めパラメータ格
納エリア２２に格納されている各軸の許容トルクτpiよ
り、（８）式から、各軸許容加速時間ｔaiを求め、ｔai
の最大値ｔaMAXを求めて、このｔaMAXと各軸指令速度
θ' i より、各軸許容加速度Ａpiを求める。 Ａpi＝θ' i ／ｔaMAX
【００１７】［Ｓ３］始点から終点までの移動量と各軸
許容加速度Ａpiより、実際に到達可能な到達速度Ｖr 、
及びＶr に到達するまでの加速時間ｔr を求める。求め
られたｔr は、加減速時間格納エリア２３へ格納する。
移動量が十分に大きい場合は、Ｖr ＝Ｖref となる。
許容加速度Ａpiより、実際に到達可能な到達速度Ｖr 、
及びＶr に到達するまでの加速時間ｔr を求める。求め
られたｔr は、加減速時間格納エリア２３へ格納する。
移動量が十分に大きい場合は、Ｖr ＝Ｖref となる。
【００１８】［Ｓ４］各軸において、加速完了時点での
推定トルクτeiを、（７）式より求める。
推定トルクτeiを、（７）式より求める。
【００１９】［Ｓ５］推定トルクτeiと、（許容トルク
τpi×効率係数ηi ）を、全軸について比較する。 （τei＜τpi・ηi ）となる軸が一軸でも存在する場合
は［Ｓ６］に移行する。 （τei＜τpi・ηi ）となる軸が存在しない場合は、
［Ｓ７］に移行する。
τpi×効率係数ηi ）を、全軸について比較する。 （τei＜τpi・ηi ）となる軸が一軸でも存在する場合
は［Ｓ６］に移行する。 （τei＜τpi・ηi ）となる軸が存在しない場合は、
［Ｓ７］に移行する。
【００２０】［Ｓ６］ＦＦゲイン指定値格納エリア２４
に、「ＨＩＧＨゲイン」を格納する。
に、「ＨＩＧＨゲイン」を格納する。
【００２１】［Ｓ７］ＦＦゲイン指定値格納エリア２４
に、「ＬＯＷゲイン」を格納する。
に、「ＬＯＷゲイン」を格納する。
【００２２】こうして、前処理部において各ステップ毎
のＦＦゲインが決定される。指令生成部１３は、所定周
期毎に動作指令を生成してサーボ制御部１４へ送るが、
その際に、ＦＦゲイン指定値格納エリア２４からＦＦゲ
イン指定値を読み込み、サーボ制御部１４へそのＦＦゲ
インを指定する。サーボ制御部１４は、指令生成部１３
より送られてきた動作指令で、フィードフォワード制御
を指令生成部１３より指定されたＦＦゲインで実行し
て、駆動部１５を駆動する。上記フローチャートでは、
加速到達時のみについて述べられているが、減速時につ
いても、加速度項トルクの正負符号を反転させることに
より、同様に行うことが出来る。
のＦＦゲインが決定される。指令生成部１３は、所定周
期毎に動作指令を生成してサーボ制御部１４へ送るが、
その際に、ＦＦゲイン指定値格納エリア２４からＦＦゲ
イン指定値を読み込み、サーボ制御部１４へそのＦＦゲ
インを指定する。サーボ制御部１４は、指令生成部１３
より送られてきた動作指令で、フィードフォワード制御
を指令生成部１３より指定されたＦＦゲインで実行し
て、駆動部１５を駆動する。上記フローチャートでは、
加速到達時のみについて述べられているが、減速時につ
いても、加速度項トルクの正負符号を反転させることに
より、同様に行うことが出来る。
【００２３】
【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、出力
トルクが飽和しないようなＦＦゲインを決定することが
できるため、トルク不足による振動などを起こすことな
く、高速にロボットを動作させることが出来、低負荷で
のサイクルタイムの短縮、高負荷での寿命向上を得られ
るという効果がある。
トルクが飽和しないようなＦＦゲインを決定することが
できるため、トルク不足による振動などを起こすことな
く、高速にロボットを動作させることが出来、低負荷で
のサイクルタイムの短縮、高負荷での寿命向上を得られ
るという効果がある。
【図１】本発明の一実施例を示すフローチャート
【図２】従来例の問題を説明するための、ロボットの各
軸の移動距離と到達速度、及び出力トルクの関係を表す
グラフ
軸の移動距離と到達速度、及び出力トルクの関係を表す
グラフ
【図３】本実施例を説明するための教示位置とロボット
のスケルトン図
のスケルトン図
【図４】本実施例で使用したロボットの構成を示すスケ
ルトン図
ルトン図
【図５】本発明の一実施例を示すブロック図
１ 第１軸 ２ 第１腕 ３ 第２軸 ４ 第２腕 ５ 第３軸 ６ 第３腕 １１ 教示部 １２ 前処理部 １３ 指令生成部 １４ サーボ制御部 １５ 駆動部 ２１ 教示データ格納エリア ２２ パラメータ格納エリア ２３ 加減速時間格納エリア ２４ ＦＦゲイン指定値格納エリア
Claims (2)
- 【請求項１】 ロボットの教示点の位置、姿勢や各軸の
動作方向、動作速度によって、重力モーメント、加速度
による慣性、他軸の動作による干渉トルク等の影響を受
ける駆動軸を有するロボットの制御ゲイン決定方法にお
いて、 設定加減速度より、移動指令を実行する際に必要な所要
加減速時間を求めるステップと、 前記所要加減速時間に基づいて生成される動作指令にお
いて、加速完了時及び減速完了時の各軸モータの出力ト
ルクを近似的に推定し、その値を推定トルクとするステ
ップと、 前記推定トルクと、予め記憶されている各軸の比較用ト
ルクパラメータとを比較し、推定トルクが比較用トルク
パラメータを越える場合は、フィードフォワード制御の
ゲインを低く設定し、推定トルクが比較用トルクパラメ
ータを越えない場合は、フィードフォワード制御のゲイ
ンを高く設定して、モータに指令を与えるステップとを
有することを特徴とする、ロボットの制御ゲイン決定方
法。 - 【請求項２】 前記設定加減速度は、各教示点で教示さ
れた各駆動軸の位置、動作方向、及び動作速度からなる
教示データと、予めパラメータとして格納されたロボッ
ト各部の質量及び重心位置より、各軸に発生する負荷ト
ルク成分を、加減速度の影響を受ける負荷トルク成分で
ある加速度項トルクと、加減速度の影響を受けない負荷
トルク成分である速度項トルク及び重力項トルクとに分
けて演算して一時的に記憶し、指令速度まで立ち上がっ
た場合の各軸に発生するトルクが許容トルクを越えない
ような許容加減速度を求め、これを設定加減速度とし、 前記推定トルクを求める段階においては、前記加速度項
トルク及び速度項トルクを、予めパラメータとして与え
られた時定数と、前記所要加減速時間より、一次遅れ関
数として近似し、これに重力項トルクを加えたものを推
定トルクとして求めることを特徴とする請求項１記載の
ロボットの制御ゲイン決定方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP36496797A JPH11184512A (ja) | 1997-12-19 | 1997-12-19 | ロボットの制御ゲイン決定方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP36496797A JPH11184512A (ja) | 1997-12-19 | 1997-12-19 | ロボットの制御ゲイン決定方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11184512A true JPH11184512A (ja) | 1999-07-09 |
Family
ID=18483110
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP36496797A Pending JPH11184512A (ja) | 1997-12-19 | 1997-12-19 | ロボットの制御ゲイン決定方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH11184512A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7116077B2 (en) | 2002-04-12 | 2006-10-03 | Ford Global Technologies, Llc | Diagnostic system and method for an electric motor using torque estimates |
| US7116068B2 (en) | 2002-04-12 | 2006-10-03 | Ford Global Technologies, Llc | Diagnostic system and method for an electric motor using torque estimates |
| JP2008132595A (ja) * | 2008-02-08 | 2008-06-12 | Mitsubishi Electric Corp | ロボット制御装置 |
| JP2018088136A (ja) * | 2016-11-29 | 2018-06-07 | ファナック株式会社 | 数値制御装置 |
-
1997
- 1997-12-19 JP JP36496797A patent/JPH11184512A/ja active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7116077B2 (en) | 2002-04-12 | 2006-10-03 | Ford Global Technologies, Llc | Diagnostic system and method for an electric motor using torque estimates |
| US7116068B2 (en) | 2002-04-12 | 2006-10-03 | Ford Global Technologies, Llc | Diagnostic system and method for an electric motor using torque estimates |
| JP2008132595A (ja) * | 2008-02-08 | 2008-06-12 | Mitsubishi Electric Corp | ロボット制御装置 |
| JP2018088136A (ja) * | 2016-11-29 | 2018-06-07 | ファナック株式会社 | 数値制御装置 |
| US10642246B2 (en) | 2016-11-29 | 2020-05-05 | Fanuc Corporation | Numerical controller for correcting speed feedforward gain of machine |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20041115 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Effective date: 20050908 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20051107 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20060405 |