JPS6190207A - ロボツト制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈発明の技術分野〉 この発明は、ロボット制御装置に関するもので、特に、
回転自由度を有するロボットにおいて、アクチュエータ
の動作量に応じて変化するイナーシャの変動の効果を取
り込んだ制御を行なうためのロボット制御装置に関する
。

〈発明の背景〉 回転自由度を有するロボット、たとえば多関節形ロボッ
トや極座標型ロボットにおいては、アクチュエータの動
作量に応じて当該回転自由度に関する負荷イナーシャが
変動する。このようなイナーシャの変動は。サーボ系に
おける応答に影響を与えるえめ、何らかの形で制御系に
取り込むことが必要となる。

ところがアナログ回路で構成したサーボ系においては、
その性質上、このような変動を取り込むことは不可能で
ある。また多関節形ロボットなどにおいては、ベースに
近い関節はど負荷イナーシャの変動が大きく影響するた
め、このような影響を軽減する目的で減速比の大きな減
速機を用いなければならない。このため、この種減速機
に起因するコストの増大・効率の低下、負荷変動の増大
、ガタの増大を招き、それに微小送りが困難である等、
幾多の欠点を有していた。

またソフトウェアによって位置サーボ系を構成する場合
には、複数の関節の関節角度などから各関節の軸まわり
のイナーシャを計算し、そのイナーシャに対応する速度
ゲインを求め、それに基いて位置サーボ系における出力
値を演算する必要があり、これがため多大の演算時間を
要する。このため上記速度ゲインを求める演算を、ロボ
ットの動作中に実時間で求めることは困難であり、従来
は、あらかじめ動作する目標角度を用いてオフラインで
速度ゲインの計算を行なって、その計算結果をメモリに
記憶させておき、動作中は、記憶されていた速度ゲイン
の値を順次読み出して、サーボ系で用いるようにしてい
た。ところがこの方法は、ティーチングの際の動作には
上記オフライン処理が不可能であることや、カメラ等の
外界センサを利用したセンサフィードバック制御におい
て、動作中に目標点を変更して移動させることが不可能
であるなどの欠点を有している。

〈発明の目的〉 °この発明は、ロボットの動作中において、各アクチュ
エータの動作量に応じた速度ゲインの値をサーボ系に実
時間で与え、それによって、種々の制御状況下における
負荷イナーシャの変動を最適に取り込んだロボット制御
装置を提供することを主目的とする。また、この発明の
他の目的は、このような制御を、経済性の低下や、他の
性能の劣化を与えることなく実現できるロボット制御装
置を提供することである。

〈発明の構成と効果〉 上述の目的を達成するため、この発明にかかるロボット
制御装置は、ロボットのアクチュエータの動作量と位置
サーボ系における速度ゲイ　　。

ンの値とを互いに対応させて記憶する記憶手段と、検知
手段によって検知されたアクチュエータの動作量の現在
値に応じて前記記憶手段から対応する速度ゲインの値を
読出す読出し手段とを設け、この読出し手段より読出さ
れた速度ゲインの値を基礎として、サーボ系の出力値を
演算するように構成した。

このロボット制御装置によれば、ロボットのアクチュエ
ータの動作量の変化、したがってロボットの位置や姿勢
の変化によるイナーシャの変動に応じて、サーボ系の応
答を最適に設定できる。特に外界センサーフィードバッ
クのように、動作中に目標経路や目標位置が変更される
ような場合にも上記効果を発揮できる。またイナーシャ
の変動による発振や振動等の制御性の劣化がなく、低減
速比の機構を用いることが可能となり、コストダウンや
効率の向上、負荷変動の低下、ガタの減少をもはかるこ
とができる。

〈実施例の説明〉 以下、この発明の実施例を、第１図に示した多関節ロボ
ットの制御装置を例にとって説明する。第１図の多関節
ロボツ）ＲＢは、６自由度を有しており、６個の関節１
〜６において、それぞれθ　〜θ６の回転自由度（この
明細書では、■ 本来の回転の他、旋回自由度もまた「回転自由度」と呼
ぶ。）を有している。これらの関節１〜６は、駆動機構
としてのサーボモータＭ１〜．Ｍ６（第１図には図示せ
ず）によってそれぞれ駆動される。

第２図は、第１図に示した多関節ロボツ１−ＲＢの制御
装置７の概略構成を示す。キーボード８は、ＣＰＵ　（
Ｃｅｎｔｒａｌ　　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　　ＬＪｎｉ
ｔ　）　９への入出力のためのものであり、ＣＰＬＪ　
９は、命令解析、指令値計算、位置制御のサーボ系にお
ける演算などを実行する。ＣＰＵ９の出力はサーボアン
プゲイン八〇に与えられており、これらのサーボアンプ
Ａ１〜Ａ６はＣＰＵ　９　　からのそれぞれの出力値を
増幅して、上記の各サーボモータＭｔＮＭ６へ与える。

エンコーダＥ１〜Ｌ６は、サーボモータＭ１〜Ｍ６にそ
れぞれ取り付けられたフォトエルコーダであって、各モ
ータの回転角度を検出してＣＰＵ９へ与える。

第３図は、ひとつの関節に関する位置サーボ系のブロッ
ク図であり、この実施例では、これと同様のサーボ系が
合計６つ存在する。このサーボ系は、位置サーボループ
１０の中に、速度のマイナーループ１１を含んでいる。

メモリ（図示せず）の中に記憶させであるティーチング
情報や、第２図のキーボード８から入力された命令など
に基いて作成された指令角度データ１２は、位置サーボ
ループ１０を通してフィードバックされた位置フィード
バックデータ２７が差し引かれて偏差信号１３となる。

この偏差信号１３は、ブロック１４における位置ゲイン
Ｋｐを受けて位置出力１５となり、この位置出力１５は
、速度のマイナーループ１１を通ってフィードバックさ
れた速度フィードバックデータ２９が差し引かれて、偏
差信号１６となる。この偏差信号１６は、サーボアンプ
１７（上記Ａ１〜Ａ６　のうちのひとつ）においてサー
ボアンプゲインＫＡを受け、その増幅出力１８がモータ
Ｍ（上記Ｍ１〜Ｍ６のうちのひとつ）に与えられる。

このモータＭでは、ブロック１９におけるトルク定数Ｋ
【に応じて発生トルク２０となり、この発生トルク２０
がブロック２１において時間積分され、かつイナーシャ
で除された回転速度２２へと変換される。なお図中、Ｓ
はラプラス演算子を、Ｊは関節軸まわりのイナーシャを
モータ軸まわりに換算したものを示す。回転速度２２は
ブロック２３においてさらに時間積分されて、モータの
回転角度２４として現われる。

七−夕の回転速度２２は、エンコーダＥ（上記Ｅ　１〜
Ｅ６のうちのひとつ）において、エンコーダゲインＫＥ
を受けつつエンコードされて、エンコード出力２５とな
る。ただし、第２図においては、エンコーダＥ１〜Ｅ６
は回転角度検出を行なうものであるとしたが、第３図で
は、概念を示す便宜上、回転速度２２を検出する形であ
るとした。エンコーダ出力２５は、ブロック２６におい
て時間積分された後に、ブロック１４の前段へと戻る位
置フィードバックデータ２７になるとともに、ブロック
２８における速度ゲインＫＶの影響を受けて、速度フィ
ードバックデータ２９となる。なお、これらにおいては
、簡単のため、粘性抵抗は無視している。

この第３図のサーボ系における伝達関数Ｇ（ｓ）は、次
の（１）式のように表わされる。

ただしω。およびξは、それぞれ固有角周波数および減
衰係数であって、 で与えられる。また各関節についての機械的な共振角周
波数ωＳは、イナーシャＪと回転軸まわりのはね定数に
とを用いて、 と表わされる。ここで上記固有角周波数ω。および減衰
係数ξは、ロポッ１−ＲＢの動作が振動的になることを
避ける目的で、 １　　　　　　　　　　　　　・・・（５）ω。≦　ｉ
ωＳ ξ　−１・・・（６） 程度に設定される。

以下、第１図の関節１を例にとって、速度ゲインの取扱
いを説明する。関節１に関するイナーシャＪの変動原因
は、関節２〜６の関節角度や、ロボットＲＢが把持する
ワーク（図示せず）の質量の大小などである。第１図の
ロボットＲＢの具体例では、イナーシャＪの最小値Ｊｍ
ｉｎと最大値Ｊｍａｘとの間には、はぼつぎの関係があ
る。

Ｊｍｉｎ−６Ｊｍａｘ　　　　　　　　　　・・・（７
）ところで（２）式と（４）式かられかるように、固有
角周波数ω。は、共振角周波数ωＳと同形、すなわち１
／、／Ｔ　　に比例し、イナーシャＪに依存している。

このため、上述した原因によってイナーシャＪが変動し
た場合には、互いに同一の比率で、ω。とωＳとに変化
が生ずる。このため、イナーシャＪが変動しても、（５
）式は常に満足されることになる。一方、減衰係数ξに
ついでは、イナーシャＪの値が変動すると、（３）式に
従ってその値が変動し、もはや（６）式を満足しなくな
る。たとえば、 Ｊ　”’　２　（Ｊｍｉｎ　＋　Ｊ　ｍａｘ　）　　　
　　　　・・・（８）の条件で（６）式が満足されるよ
うに、速度ゲインＫｖの値を設定しておいた場合には、 Ｊ　＝　Ｊｍｌ、において、ξ＝１．８７　　　・・・
（９）Ｊ＝Ｊｍａｘにおいて、ξ−０，７６・・・００
）となるため、 Ｊ　＜　ｉ（Ｊｍｉｎ十Ｊｍａｘ　）　　　　　　　　
−（Ｉｌｌでは過減衰に、 Ｊ　＞　ｉ（Ｊｍｉｎ＋Ｊｍａｘ　）　　　　　　　・
・・ｑカでは減衰不足になってしまう。そこで、速度ゲ
インＫｖ　を、 となるように、イナーシャＪに応じて変化させるような
構成とすれば、 となるため、イナーシャＪが変化しても、減衰係数ξは
一定値のままであって、安定な制御が実現できる。

ところで、上述したイナーシャＪの変動原因のうち、関
節４〜６の関節角度の変動によるものは、他の原因に比
べて比較的小さいため、この実施例では、関節２．３の
関節角度と７−７の質量とに応じて速度ゲインＫｖ　の
値を変化させるよう構成する。また、これらの対応関係
も、関節角度θ２．θ３の動作範囲を複数（以下の例で
は１６）に分割し、その領域のそれぞれに対応してひと
つの速度ゲインＫｙ　をあらかじめ計算して、記憶手段
たとえばＲＡＭなどのメモリに記憶させておく。さらに
、ワークの質量についても、３段階に段階分けして対応
させている。

関節１〜３に関するこのような対応関係を、１１ｇ　１
表ないし第３表にそれぞれ示す。第１表を例にとれば、
関節２の関節角度θ２　が領域（区間）ｉ（ｉ＝１〜１
６）に、関節３の関節角度θ３が領域ｊ（ｊ−１〜１６
）にそれぞれ存在し、ワークの質量がパラメータｋ（ｋ
−ｔ、２゜３）で示される段階にある場合には、Ｋｖｉ
　、にの値が関節１に対する速度ゲインＫｖ　の値であ
る。

第　　１　　表 また、第２表の関節２に対する速度ゲインＫｖの値は、
関節４〜６の関節角度変化に対する依存性を無視してい
るため、関節３の関節角度θ３が属する領域ｉと、７−
７の属する質量段階ｋに対して、ＫＶｋ　と書かれてい
る。第３表の関節３に対する速度ゲインＫｖの値は、同
様に関節４〜６の回転の効果を無視しているため、７−
７の質量段階にのみに依存して、Ｋｖｋテ示、れている
。

第　　　２　　　表 第　　　３　　　表 これらの速度ゲインＫｖの値は、関節角度θ２゜θ３の
各領−内の所定の値、たとえば、その領域の中央値に相
当する回転角度に対してイナーシャＪを計算し、上記１
３）式の一関係によってこのイナーシャＪの値から求め
た値である。関節４〜６については、この実施例では、
このような対応関係を設定せず、速度ゲインＫｖの値は
一定値を用いる。

このような対応関係のもとに、メモリ内の適当なエリア
内にテーブルとして記憶された速度ゲインＫｖの値を用
いた制御を、第４図のフローチャートを参照しつつ説明
する。第４図において、最初のステップ３１で、ワーク
の質量が、いずれの段階に属するかを判断する。このス
テップ３１においては、ワークの種類が１種類か複数種
類かによって、その手続が若干具なる。

すなわち、前者の場合には、まず、ロボットＲＢのバン
ドの開閉を検知することによって、ハンドがワ〜りを保
持しているかどうかを判断し、あらかじめ指定されたメ
モリ内のテーブルからワークの質量を読谷出す。ワーク
が複数種類のときには、動作プログラム上から、ロボツ
）ＲＢが現在保持しているワークの種類を知り、ワーク
質量テーブルから、該当する質量を求める。

そして、いずれの場合も、このようにして求めた質量が
いずれの段階に属するかを判断するのである。次のステ
ップ３２では、この質量の段階に応じて、ｇ４３表の内
容に相当するメモリ内のテーブルから、関節３に関する
速度ゲインＫｙの値を読取る。読取られた速度ゲインＫ
ｖの値は、メモリ内のゲインテーブルに書込まれる。

次のステップ３３で、関節角度θ３を検知し、これがい
ずれの領域に属するかを判断する。この検知は、移動の
目標角度をメモリから読出すことによって行なってもよ
く、また、エンコーダＥ３　によって、現実の関節角度
を検知してもよい。いずれにしても、ロボットＲＢの動
作中における関節角度の値を求めるのであり、この明細
書では、これらの方法によって検知された関節角度を「
現在値」と呼ぶ。

ステップ３４においては、求められた関節角度θ３が属
する領域と、上記ワーク質量の属する段階とに応じて、
第２表に相当するメモリ内のテーブルから、関節２に関
する速度ゲインＫＶの値が読取られて、ゲインテーブル
に書込まれる。同様に、ステップ３５では関節角度θ２
が検知されて、いずれの領域に属するかが判断され、次
のステップ３６において、上記θ２．θ３の属する領域
と、ワーク質量の属する段階とに対応する関節ｌに関す
る速度ゲインＫｖの値が、第１表に相当するメモリ内の
テーブルから読取られて、ゲインテーブルに書込まれる
。

このようにして、特定の時刻における速度ゲインＫｖ　
の値が各関節について特定されると、入力手段によって
入力されたロボットの動作指令値や他の定数データ、そ
れにフィードバックデータなどとともに、この速度ゲイ
ンＫｖの値がＣＰＵ　Ｑ　内に取り込まれ、これらに基
いて、サーボ系における出力値が演算され、駆動機構へ
与えられる（ステップ３７）。ステップ３８では１、動
作指令値が最終のものであるか否かが判断され、以上の
ステップが最終の動作指令値まで繰返される。

以上が、関節２，３の関節角度θ２．θ３と、ワークの
質量とに応じて関節１〜３のサーボ系の速度ゲインＫｖ
　を変えるように構成された実施例であるが、機構的に
関節４〜６の関節角度θ４〜θ６の影°響が無視できな
いときには、それらの関節角度０４〜θ６の影響を取り
入れたものとすればよい。また逆に、ワークの質量の影
響を無視できるような場合などにおいては、ワークの質
量をパラメータ中から取り除くこともできる。

ところで、第１図に示したような垂直関節形のロボット
では、関節２，３に対する重力トルりの影響が比較的大
きく、サーボ系に外乱として働くために、精度面に悪影
響を与える。そこで、従来では、重力補償と称して、各
関節角度とロボットの数学モデル（質量、重心位置、腕
の長さ）とを用いて、重力トルクを補償するトルクを計
算し、モータの入力側に加算して与えていた。ところが
、各関節に関する重力トルクの変動の原因は、関節２〜
６の関節角度０２〜θ６および、ワークの質量などであ
って、上述したイナーシャＪの変動の原因とほとんど同
じである。このため、第１表〜第３表に示した各領域ご
とに、速度ゲインＫｖ　と重力トルクの値とを与えてお
き、これらの表に対応するテーブルをメモリ内に記憶さ
せておけば、上述した重力トルクの影響についての計算
を実時間で行なう必要がなくなり、ＣＰＵ９で処理すべ
きタスクを軽減することができる。

なお上記実施例では、多関節形ロボットを考え、動作も
関節角度によって表現されるものとした。しかしなから
、この発明は多関節形ロボットのみに適用されるもので
はなく、第５図に示した極座標型ロボットなどにおいて
も適用可能であって、回転自由度を有するロボット全般
に利用できる。また、この第５図に示したようなロボッ
トでは、リニアアクチュエータ４０の伸び量が、回転軸
４１のまわりのイナーシャに影響を与えるのであるから
、関節角度のみでなく、各種アクチュエータの動作量一
般すなわち関節角度や伸び量その他イナーシャＪに影響
を与える諸量をパラメータとすることが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例によって制御されるロボット
の例を示す機構図、第２図はこの発明の実施例の全体的
構成図、第３図はこの発明の実施例に含まれるサーボ系
の概念的ブロック図、第４図はこの発明の実施例におい
て行なわれる制御の概要を示すフローチャート、第５図
はこの発明の実施例によって制御されるロボットの他の
例を示す機構図である。 １〜６・・・関節、　　　７・・・ロボット制御装置、
９・・・ｃｐｕ　　　　　　　　ｉｏ・・・速度のマイ
ナーループ、１１・・・位置サーボ系、　４０・・・　
リニアアクチュエータ、咲ノ　廷ろ ／／０．イｉ直訃ホー糸 手続補正書＜ｔｏ己、方式〉 昭和６０年１月１４日 １、事件の表示　　昭和５９年特許願第２１２３１５号
２、発明の名称　　ロボット制御装置 ３、補正をする者　　　事件との関係　特許出願人住所
〒６１６京都市右京区花園土堂町１０番地名称（２９４
）立石電機株式会社 住　所　〒５４２大阪市南区島之内１丁目２１番２２号
　共通ピル５、補正の対象 図面および明細書の発明の詳細な説明の欄６、補正の内
容 （１）図面中、「第３図」を別紙のとおり補正。 （２）明細書第４頁１２行目「イナーシャの変動は。サ
ーボ系」を 「イナーシャの変動は、サーボ系」に補正。 （３）明細書第４頁１３行目「与えるえめ」を「与える
ため」に補正。 （４）明細書箱１０頁３〜４行目Ｅ時間積分され」を ｒ時間積分され」に補正。 （５）明細書第１５頁９行目 （６）明細書第１５頁９行目、第１５頁末行および、第
１６頁３〜４行目「７−７」を 「ワーク」に補正。 （７）明細書第１５頁に示された「第１表」を下記のと
おり補正。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）速度のマイナーループを含んだ位置サーボ系を有
   し、入力された情報に基いて回転自由度を有するロボッ
   トを制御するためのロボット制御装置であつて、 前記ロボットのアクチュエータの動作量と 前記位置サーボ系における速度ゲインの値とを互いに対
   応させて記憶する記憶手段と、 ロボット動作中における前記アクチュエー タの動作量の現在値を検知する検知手段と、前記アクチ
   ュエータの動作量の現在値に対 応する前記速度ゲインの値を前記記憶手段から読出す読
   出し手段と、 入力手段によつて入力されたロボットの動 作指令値および定数値と、前記読出し手段によつて読出
   された速度ゲインの値と、ロボットから得られるフィー
   ドバック情報とを含む入力情報に基づき前記サーボ系に
   おける出力値を演算して、前記ロボットの駆動機構へ出
   力する演算手段とを備えて成るロボット制御装置。
2. （２）前記記憶手段には、前記アクチュエータの動作範
   囲を複数に分割して形成される動作領域のそれぞれに対
   応して、前記動作領域内の所定の動作量における前記ア
   クチュエータのイナーシャに応じた前記速度ゲインの値
   が記憶されており、 前記読出し手段は、前記動作量の現在値が 前記領域のいずれに含まれるかを判断し、その領域に対
   応する前記速度ゲインの値を読出す手段を含む特許請求
   の範囲第１項記載のロボット制御装置。
3. （３）前記記憶手段には、前記ロボットが保持するワー
   クの種類に応じて、前記動作量の値と前記速度ゲインの
   値とが互いに対応して記憶されており、 前記ロボット制御装置は、前記ロボットが 保持するワークの種類を特定するワーク特定手段を含み
   、 前記読出し手段は、前記ワーク特定手段に よって特定されたワークの種類と前記動作量の現在値と
   に対応した前記速度ゲインの値を読出す特許請求の範囲
   第１項または第２項記載のロボット制御装置。
4. （４）前記記憶手段には、前記動作量に対応して、前記
   速度ゲインの値と、前記ロボットの回転自由度に関する
   重力トルクの値が記憶されており、 前記読出し手段は、前記動作量の現在値に 対応する前記速度ゲインの値と前記重力トルクの値とを
   読出し、 前記演算手段における前記演算は、前記読 出し手段によつて読出された前記速度ゲインの値と前記
   重力トルクとの値とを含んで行なわれる特許請求の範囲
   第１項または第２項記載のロボット制御装置。