JP2740691B2

JP2740691B2 - 制御方法

Info

Publication number: JP2740691B2
Application number: JP2220317A
Authority: JP
Inventors: 彰啓伊藤
Original assignee: Nidec Sankyo Corp
Current assignee: Nidec Sankyo Corp
Priority date: 1990-08-22
Filing date: 1990-08-22
Publication date: 1998-04-15
Anticipated expiration: 2013-04-15
Also published as: JPH04102905A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明はロボットの複数の制御対象の動作を制御する
制御方法に関する。

〔従来の技術〕

従来、ロボットの複数の制御対象の各動作を制御して
この各動作の合成によりロボットに所望の動作を実行さ
せる場合には、ロボットに所望の動作を実行させる動作
指令パターンを制御対象ごとに複数のサーボ系に入力
し、この複数のサーボ系で入力に追従して複数の制御対
象をそれぞれ制御している。また、例えば第10図に示す
ようにロボットのX/Y軸方向の水平動作ａとＺ軸方向の
挿入動作ｂとの複合動作を高速に行わせる場合は、経路
Ｃを通るようにロボットを動作させるために、挿入動作
ｂを開始させるタイミングｄをロボットの水平動作ａに
よる移動距離によって決定していた。この場合、ロボッ
トが部品を確実に挿入するためにはロボットの挿入時の
Ｚ軸方向の動作Z_Eの直線性を確保することが必要であ
り、このＺ軸方向の動作Z_Eの直線性を確保するために、
試行錯誤しながらタイミングｄを決めていた。

また、ロボットに第４図に示すようなアーミモーショ
ンを実行させる場合、そのＺ軸方向の直線部分Z_Sを保証
することは比較的容易であり、サーボ系において、Ｚ軸
についての速度指令パルスと,Z軸についてのフィードバ
ックパルスとを管理することで、制御対象のX/Y軸方向
の動作開始タイミングを決めることができる。つまり、
第４図に示すように制御対象からＺ軸についてのフィー
ドバックパルスをサンプリングしてロボットがＳ点から
Z_Sだけ移動したタイミングＳ′を求め、このタイミング
Ｓ′でロボットX/Y軸方向の動作を開始させればよい。

〔発明を解決しようとする課題〕

従来は上述の如く第10図に示すロボットのX/Y軸方向
の水平動作ａとＺ軸方向の挿入動作ｂとの複合動作を高
速に行わせる場合にはＺ軸方向の動作Z_Eの直線性を確保
するために、試行錯誤しながらタイミングｄを決めてい
たので、このような複合動作が多い場合は試行錯誤する
回数が著しく増加し、ほとんど実行不可能となってい
る。また、Ｚ軸方向の動作Z_Eの直線性を保証することは
ロボットの実軌道の未近予測という問題であり、Ｚ軸方
向の動作Z_Eの直線性を完全に保証することは不可能であ
る。

本発明は上記欠点を改善し、複数の制御対象の各動作
の合成でロボットに所望の動作を行わせる上で、複数の
制御対象の各動作の発生タイミングを精度良く、しかも
簡単に設定することができる制御方法を提供することを
目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、本発明は、複数の制御対象
を有するロボットに水平動作と垂直動作との複合動作を
実行させる動作指令パターンを前記制御対象ごとに複数
のサーボ系に入力し、この複数のサーボ系で入力に追従
して前記複数の制御対象をそれぞれ制御する制御方法に
おいて、第１図に示すように前記複数のサーボ系の各伝達関数
を一次の伝達関数に近似させ、前記動作指令パターンに
対する前記制御対象の実際の各動作パターンを求めてこ
の求めた各動作パターンと前記一次の伝達関数による遅
れ時間に基づいて前記ロボットに前記複合動作を実行さ
せるための動作起動タイミングを計算し、前記制御対象
の各動作を前記サーボ系により前記動作起動タイミング
に従って実行させてこの各動作の合成により前記ロボッ
トに前記複合動作を実行させる。

〔実施例〕

第３図は本発明により制御される水平旋回アームロボ
ットの例を示す。

このロボットはロボット本体１に対して水平方向に旋
回可能に設けられた第１のアーム２と、この第１のアー
ム２の先端部に取付けられた垂直軸の関節を中心として
回転自在に設けられた第２のアーム３と、第２のアーム
３の先端部分に上下動自在に設けられたＺ軸４とを備
え、第１のアーム２及び第２のアーム３は垂直軸の関節
を中心として水平方向に旋回自在に支持されている。第
１のアーム２及び第２のアーム３はそれぞれ関節軸上で
モータからなる直接駆動方式の駆動源5,6により駆動さ
れて旋回し、Ｚ軸４は第２のアーム３に水平方向旋回軸
と平行に取付けられたモータからなる駆動源７によりプ
ーリ，ベルト，送りねじなどの伝達手段８を介して駆動
されて上下方向に移動する。上記モータ5,6,7は制御装
置９により制御される。

第２図は上記制御装置９の構成を示す。

制御装置９はモータ5,6,7に対応したサーボ系10,11,1
2とコントローラ13とで構成され、サーボ系10,11,12は
それぞれコントローラ13からの指令信号によりモータ5,
6,7と機構部2,3,4からなる制御対象を制御する。

サーボ系10は位置制御手段14,速度制御手段15,ドライ
バー16,速度変換手段17及び位置変換手段18により構成
され、サーボ系11,12は上記サーボ系10と同様に構成さ
れている。また、各モータ5,6,7の軸にはパルスジェネ
レータ19,20,21が取付けられ、このパルスジェネレータ
19,20,21はそれぞれモータ5,6,7の現在位置（回転角）
を検出する。なお、パルスジェネレータ19,20,21はモー
タ5,6,7の現在位置を検出する磁気センサなどを用いて
もよい。

サーボ系10において、位置変換手段14はパルスジェネ
レータ19からのパルス信号をモータ５の現在位置に比例
したパルス信号に変換して比較部22へフィードバックす
る。位置制御手段14はコントローラ13からの指令信号と
位置変換手段18からのパルス信号とを比較部22で比較し
てその差分を速度制御手段15へ出力し、最終的にモータ
５を目標位置に動かす役割を果たす。制御対象2,5が目
標位置に来ると、比較部22の比較結果が０となるが、制
御対象2,5は慣性によって目標位置を通り越してしま
い、制御対象2,5が目標位置からはずれるほど位置変換
手段18からのフィードバック量が増加して制御対象2,5
を目標位置に戻そうとする力が増加することによってバ
ネのような働きがなされる。

速度制御手段15は位置制御手段14からのバネ力の信号
に対して制御対象2,5の速度に比例した信号を減算す
る。具体的にはパルスジェネレータ19からのパルス信号
が速度変換手段17によりF/V変換（パルス周波数／電圧
変換）されて比較部23へフィードバックされ、速度制御
手段15が位置制御手段14からのバネ力の信号に対して速
度変換手段17の出力信号を比較部22で減算してドライバ
ー16へ出力する。これは位置制御手段15,19によるバネ
力のような振動を抑えるためのものであり、モータ５を
目標位置に高速でかつ精度良く到達させる。モータ５の
軸位置が目標位置に来た時には、比較部23の比較結果が
０となるが、速度変換手段17からのフィードバックがか
かっていると、その時の制御対象2,5の速度が大きいほ
ど、モータ５を逆に回転させるような力が大きく働いて
慣性力に対して制動がかかり、ダンパの働きをする。

サーボ系11,12もサーボ系10と同様に動作する。

ここで、サーボ系10,11,12は高次の系（内部に積分要
素を多く持っている系）であるが、位置制御手段14,モ
ータ5,パルスジェネレータ19,位置変換手段18を含む位
置制御ループのループゲインKp比べてに速度制御手段1
5,ドライバー16,モータ5,パルスジェネレータ19,速度変
換手段17を含む速度制御ループＡのループケインＫがKp
≪Ｋである場合には、速度制御ループＡは積分要素のな
いただのゲイン１（Ｋ＝１）の要素に近似できる。した
がって、サーボ系10,11,12の全体はそれぞれ発振のない
１次の系とみなすことができ、伝達関数でみれば第８図
に示すような１次フィルタとなる。なお、サーボ系10,1
1,12はそれぞれ位置制御ループのループゲインKpが大き
いほど、追従性の良い高性能なサーボ系となるが、不安
定な系ともなって制御対象2,3,4が振動を起こし易くな
る。また、Kpはシステム全体（制御装置9,モータや機械
を含むシステム）の特性により制限を受ける。ここに、
サーボ系10,11,12の伝達関数は一次の伝達関数とみなす
のであり、この伝達関数は逆伝達関数ではない。

次に、制御装置９の動作について説明する。

水平旋回アームロボットの旋回運動は第１のアーム2,
第２のアーム3,伝達手段８毎にコントローラ13からの指
令信号により制御される。コントローラ13は第11図に示
すようにキーボード等から入力された制御対象について
の移動距離，速度，加速度，直線距離等のデータにより
各サーボ系10,11,12の動作パターン及び動作タイミング
を算出し、各サーボ系10,11,12に対してその動作タイミ
ングで動作パターンを出力して制御対象を目標値に位置
決めさせる。

今、コントローラ13が第１のアーム２に所定の回転角
に相当する位置指令信号（パルス数信号）をサーボ系10
に与えると、この位置指令信号はサーボ系10において、
位置制御手段14により速度指令信号に変換され、さら
に、速度制御手段15によりトルク指令信号に変換され
る。ドライバー16は速度制御手段15からトルク指令信号
が入力されてこのトルク指令信号を対応する電流を発生
し、この電流でモータ５を回転させて第１のアーム２を
駆動する。また、パルスジェネレータ19はモータ５の現
在位置を検出してモータ５の現在位置に比例したパルス
数信号を出力する。このパルスジェネレータ19からのパ
ルス信号は位置変換手段18により位置信号に変換されて
比較部22に入力され、コントローラ13からの位置指令信
号と位置交換手段18からの位置信号との偏差が求められ
る。位置制御手段14はその偏差に対応した信号、即ち、
偏差量を０にするような信号を出力する。

また、パルスジェネレータ19からのパルス数信号は速
度変換手段17により速度信号に変換されて比較部23に入
力され、位置制御手段14の出力信号と速度変換手段17か
らの速度信号との偏差が求められる。速度制御手段15は
その偏差が０となるような信号をドライバー16へ出力す
る。

このような動作によりサーボ系10はモータ５及び第１
のアームに対してコントローラ13からの指令信号により
応答遅れのない制御を行う。

サーボ系11,12もサーボ系10と同様にコントローラ13
からの指令信号によりモータ6,7及び第２のアーム,3,Z
軸４の制御を行う。

上記制御装置９は例えばロボットに第４図に示すよう
なアーチモーションを実行させる場合にはサーボ系10,1
1,12をそれぞれ第８図に示すような１次フィルタに近似
してＺ軸４の起動タイミングｄを算出することにより、
高い精度と確率でロボットのＺ軸方向の動作Z_Eの直線性
を保証している。

制御装置９がロボットに第４図に示すようなアーチモ
ーションを実行させる場合には、ロボットのX/Y軸方向
動作（第１のアーム２及び第２のアーム３の動作）が始
点Ｓ′より開始されてからタイミングｄでロボットのＺ
軸方向動作（Ｚ軸４の動作）が開始されるまでの時間t_S
を求めるのが問題であるが、このt_Sは第６図に示すよう
にt_c,t_f,t_eに分解して t_S＝（t_c＋t_f）−t_e ……（１）と表わすことができる。ここに、t_cはロボットのX/Y軸
方向動作開始点Ｓ′からX/Y軸方向動作に対する指令終
了点（コントローラ13からサーボ系10,12への指令信号
が両方とも終了する点）までの時間であり、これはコン
トローラ13においてX/Y軸方向動作の開始前に知ること
ができる。t_fはX/Y軸方向動作に対する指令終了点から
実際に制御対象2,3のX/Y軸方向動作が終了するまでの遅
れ時間であり、コントローラ13で予測する部分である。
このt_fはコントローラ13からのサーボ系10,11への指令
信号に対する１次フィルタ10,11の出力信号から算出す
ることができる。例えば第９図に示すような台形速度パ
ターンの指令信号に対して時定数1/Kp secの１次フィル
タをかけた時には指令信号パターンの終了から、１次フ
ィルタから出力される残りのパルスがPeとなるまでの時
間t_fは次の（２）式で与えられる。

である。また、t_eはＺ軸４が起動されてからロボットの
動作終了点ＥよりZ_Eを残した点までの時間であり、第７
図に示すようにt_ecとt_qとに分解できる。t_ecは指令信号
パターンにおいてＺ軸４が起動されてからロボットの動
作終了点ＥよりZ_Eを残した点までの時間であり、コント
ローラ13が指令信号パターンを出力する前に計算するこ
とが可能である。t_qはt_ecに対する制御対象の実動作の
遅れ時間であり、コントローラ13で予測する時間であ
る。このt_qはコントローラ13からのサーボ系12への指令
信号に対する１次フィルタ12の出力信号から（２）式で
算出することができるが、実際上は時間を解とする逆演
算が行えないので、予め速度指令パターンとt_qとの関係
を示すテーブルを作成してこのテーブルのデータを補間
することにより算出する。

そこで、制御装置９は上記（１）式のt_S＝（t_c＋t_f）
−t_eによりt_Sを求める。この場合、制御装置９はt_cを指
令信号パターンより算出し、t_fを指令信号パターンと
（２）式により算出する。さらに、制御装置９はt_eを上
述のようにt_ecとt_qとに分解してt_ecを指令信号パターン
より算出し、t_qを上述のようにテーブルを用いて算出す
る。そして、制御装置９はt_Sに従ってサーボ系12への指
令信号パターンを出力して挿入動作ｂをタイミングｄで
開始させる。

この制御装置９ではロボットへの指令信号を発生する
段階で挿入動作ｂの開始タイミングｄを予め決定するの
で、ロボットのプログラム上で動作記述とともに直線性
を保ちたい部分Z_Eの情報を書き込むことで、試行錯誤を
せずに発生タイミングｄを精度良く、しかも簡単に設定
することができ、ロボットの高速で高い軌跡精度の複合
動作が可能となる。

なお、上記ロボットは直接駆動方式の水平関節型ロボ
ットであるが、本発明は減速駆動方式の水平多関節型ロ
ボット，円筒座標系のロボットのように水平旋回方向の
アームを有するロボットにも同様に適用することができ
る。また、上記モータ７は上下方向のＺ軸４に限らず、
他の回転部分、例えばチャックなどアーム以外の回転部
分を駆動する回転駆動源であってもよい。また、上記コ
ントローラ13からの指令信号やサーボ系の応答信号はパ
ルス、即ちデジタルであるが、アナログ信号であっても
よい。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、複数の制御対象を有す
るロボットに水平動作と垂直動作との複合動作を実行さ
せる動作指令パターンを前記制御対象ごとに複数のサー
ボ系に入力し、この複数のサーボ系で入力に追従して前
記複数の制御対象をそれぞれ制御する制御方法におい
て、前記複数のサーボ系の各伝達関数を一次の伝達関数に
近似させ、前記動作指令パターンに対する前記制御対象
の実際の各動作パターンを求めてこの求めた各動作パタ
ーンと前記一次の伝達関数による遅れ時間に基づいて前
記ロボットに前記複合動作を実行させるための動作起動
タイミングを計算し、前記制御対象の各動作を前記サー
ボ系により前記動作起動タイミングに従って実行させて
この各動作の合成により前記ロボットに前記複合動作を
実行させるので、試行錯誤をせずに複数の制御対象の各
動作の発生タイミングを精度良く、しかも簡単に設定す
ることができ、ロボットの高速で高い軌跡精度の複合動
作が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を示すフローチャート、第２図は本発明
の実施に用いた装置の一例を示すブロック図、第３図は
本発明により制御される水平旋回アームロボットの例を
示す概略図、第４図は同ロボットの動作例を示す図、第
５図乃至第７図は上記例における指令パターンと制御対
象の実際の動作とを示す図、第８図は上記例におけるサ
ーボ系の等価回路図、第９図は指令パターンとKpとを示
す図、第10図はロボットの動作例を示す図、第11図は上
記例におけるコントローラの処理フローを示すフローチ
ャートである。 10,11,12……サーボ系、13……コントローラ。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の制御対象を有するロボットに水平動
作と垂直動作との複合動作を実行させる動作指令パター
ンを前記制御対象ごとに複数のサーボ系に入力し、この
複数のサーボ系で入力に追従して前記複数の制御対象を
それぞれ制御する制御方法において、前記複数のサーボ系の各伝達関数を一次の伝達関数に近
似させ、前記動作指令パターンに対する前記制御対象の
実際の各動作パターンを求めてこの求めた各動作パター
ンと前記一次の伝達関数による遅れ時間に基づいて前記
ロボットに前記複合動作を実行させるための動作起動タ
イミングを計算し、前記制御対象の各動作を前記サーボ
系により前記動作起動タイミングに従って実行させてこ
の各動作の合成により前記ロボットに前記複合動作を実
行させることを特徴とする制御方法。