JP6645083B2 - 制御モデル取得方法、ロボット制御装置 - Google Patents
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Description
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、シミュレーション上では現れなかった振動を考慮した制御モデルを取得することができる制御モデル取得方法、ロボット制御装置を提供することにある。
しかし、従来のロボットは、非動作方向振動が考慮されていなかったため、回転方向以外の振動を検出する手段をそもそも備えておらず、また、非動作方向振動の検出自体ができていないことから、その非動作方向振動を収束させる制御も行うこともできない構成となっている。
まず、ロボットのi軸目出力(yi)、i軸目入力(ui)、およびi軸目入力からj軸目出力までの伝達特性(^Pij)を用いて、入力から出力までの軸間干渉を含む制御モデルを干渉制御モデルとして定義し、ロボットの軸数と同じ回数、且つ、試験ごとに与える周波数測定試験用の外乱入力(τDi)を変化させる態様にて周波数測定試験を行い、得られたn回分の試験結果を干渉制御モデルに反映させることで、伝達特性(^Pij)を、i軸以外の軸間干渉による影響を含むとともにi軸目入力(ui)によって表される形で求める。
そこで、i軸以外の軸間干渉による影響を補償するために、軸間干渉トルクを含むi軸目に加わる全トルク(τi)と、i軸目に加わる全トルクからi軸目出力までの伝達特性(Pi)とを用いて、干渉制御モデルに等価となる制御モデルを等価制御モデルとして定義する。また、i軸目入力(ui)、およびi軸目出力からj軸目干渉トルクまでの伝達特性(Qij)を用いて、i軸目に加わる全トルク(τi)を、i軸目入力(ui)と、伝達特性(Qij)により表される軸間干渉トルク推定値との和として定義する。
そして、等価制御モデルと周波数測定試験の試験結果を反映させた干渉制御モデルとを対比することで、等価制御モデルの係数である伝達特性(Pi)および伝達特性(Qij)を、伝達特性(^Pij)により表される形で求める。
したがって、このような制御モデル取得方法を用いることにより、加速度センサを備えていないロボットであっても、軸間干渉の影響を補償することができ、モデルベース制御に適した制御モデルを取得することができる。なお、加速度センサを備えたロボットであっても、同様の方法にてモデルベース制御に適した制御モデルを取得することができるのは勿論である。
また、請求項4に係る発明のように、i軸目入力(ui)は、モータトルク指令(τMi)、または、実際のモータが出力するトルクの測定値、モータ電流指令値、モータ電流測定値のうちいずれかによって与えてもよい。
より具体的には、請求項6に係る発明のように、i軸目出力(yi)は、当該i軸目モータ角度によって与えられ、i軸目入力(ui)は、当該i軸目モータトルク指令(τMi)によって与えられ手居る場合、ロボットのi軸目モータ角度(yi)、i軸目モータトルク指令(τMi)、およびi軸目モータトルク指令からj軸目モータ角度(j軸目出力に相当する)までの伝達特性(^Pij)を用いて、モータトルク指令からモータ角度までの軸間干渉を含む制御モデルを干渉制御モデルとして定義するとともに、i軸目のモータ角度指令値(ri)、周波数測定試験用の外乱信号(τDi)、フィードバック伝達特性(Ci)を用いて、i軸目モータトルク指令(τMi)を定義する。
この時点では、求まった伝達特性(^Pij)には、i軸以外の軸間干渉による影響、具体的には、i軸が振動したことによって別の軸が振動し、その別の軸が振動したことによってi軸が振動することの影響が含まれている。
そして、軸間干渉トルクを完全に補償した状態の伝達特性(Pi)および伝達特性(Qij)を等価制御モデルに適用することで、請求項1記載の発明と同様に、軸間干渉トルクを補償した制御モデルを取得することができる。
これにより、請求項1に係る発明と同様に、加速度センサを備えていないロボットであっても、軸間干渉の影響を補償することができ、モデルベース制御に適した制御モデルを取得することができる。
図1に示すように、ロボット制御装置1は、制御部1aを備えており、ロボット2を制御する。ロボット2は、モータ等で構成された駆動系2aと、駆動系2aによって駆動されるアーム2bを備えている。なお、図1では説明の簡略化のために駆動系2aとアーム2bとを1つずつ示しているが、実際のロボット2は、複数のアーム2bを備えており、各アーム2bに対してそれぞれ駆動系2aが設けられている。具体的には、n軸のロボットの場合、n個の駆動系2aとn個のアーム2bとを備えている。なお、アーム2bとしては、例えば水平多関節型ロボットに設けられるボールねじスプライン等のシャフトも含まれる。
ただし、モータ角度は、例えばアーム角度で代用してもよく、位置や速度あるいは加速度など位置に依存した制御値を用いることができる。また、モータトルク指令は、実際にモータが出力しているトルクの測定値を用いてもよいし、モータ電流指令、モータ電流測定値を用いてもよい。また、摩擦などの既知外乱分に相当するトルクを差し引いた値を用いてもよい。
さて、(2)式にri=0を代入すると、以下の(3)式となる。
この場合、n回目の周波数特性測定試験の結果は、以下の(4)式で表すことができる。
このように、(7)式に示した制御モデルは、モデルベース制御に適したものとは言えなくなっている。
まず、軸間干渉トルクを含んだi軸目に加わる全トルクをτiとし、i軸目モータ角度からj軸目干渉トルクまでの伝達特性をQijとし、i軸目に加わる全トルクからi軸目モータ角度までの伝達特性をPiとする。
この(16)式を(1)式と対比すると、次の(17)式の関係が明らかになる。
そして、(17)式のPiは、純粋に、i軸目の全入力トルクから出力角度までの伝達特性を示すものとなっている。具体例で説明すると、図6に示すように、P1の周波数特性には、単一の共振のみが表れるようになっている。また、図7に示すように、P2の周波数特性にも、単一の共振のみが表れるようになっている。また、Q12およびQ21の周波数特性は、図8に示すようにQ12の場合にはP1およびP2の***振周波数に該当する周波数の共振が表れており、図9に示すようにQ21の場合もP1およびP2の***振周波数に該当する周波数の共振が表れたものとなっている。
実施形態では、ロボット2のi軸目出力(yi)、i軸目入力(ui)、およびi軸目入力からj軸目出力までの伝達特性(^Pij)を用いて、入力から出力までの軸間干渉を含む制御モデルを干渉制御モデルとして定義し、ロボット2の軸数と同じ回数、且つ、試験ごとに与える周波数測定試験用の外乱入力(τDi)を変化させる態様にて周波数測定試験を行い、得られたn回分の試験結果を干渉制御モデルに反映させることで、伝達特性(^Pij)を、i軸以外の軸間干渉による影響を含むとともにi軸目入力(ui)によって表される形で求める。
達特性(^Pij)により表される形で求める。
実施形態では2軸の例を説明したが、本発明は、3軸以上の多軸に拡張することができる。具体的には、軸の数をnとすると、上記した(1)式を以下の(18)式のように拡張することができる。なお、以下の演算は、実施形態と共通する流れで行われる。
実施形態ではi軸目入力(ui)としてi軸目モータトルク指令を用いたが、i軸目の制御指令値(ri)、外乱入力(τDi)、フィードバック伝達特性(Ci)を用いてi軸目入力(ui)を導出してもよい。
実施形態では2軸の場合について説明したが、3軸以上のロボットであっても、行列やベクトルの次数を増やすことにより、実施形態と同様の方法にて制御モデルを取得することができる。
また、実施形態では、角速度センサを備えていないロボット2を例示したが、モータ角度の代わりにリンク角速度を用いることで、角速度センサを備えているロボットに対しても本発明を適用することができる。
Claims (7)
- 多軸のロボットをモデルベース制御するための制御モデルを取得する制御モデル取得方法であって、
前記ロボットのi軸目出力(yi)、i軸目入力(ui)、およびi軸目入力からj軸目出力までの伝達特性(^Pij)を用いて、入力から出力までの軸間干渉を含む制御モデルを干渉制御モデルとして定義し、
前記ロボットの軸数と同じ回数、且つ、試験ごとに与える周波数測定試験用の外乱入力(τDi)を変化させる態様にて周波数測定試験を行い、得られたn回分の試験結果を前記干渉制御モデルに反映させることで、前記伝達特性(^Pij)を、i軸以外の軸間干渉による影響を含むとともに前記i軸目入力(ui)によって表される形で求め、
軸間干渉トルクを含むi軸目に加わる全トルク(τi)と、i軸目に加わる全トルクからi軸目出力までの伝達特性(Pi)とを用いて、前記干渉制御モデルに等価となる制御モデルを等価制御モデルとして定義し、
前記i軸目入力(ui)、およびi軸目出力からj軸目干渉トルクまでの伝達特性(Qij)を用いて、前記i軸目に加わる全トルク(τi)を、前記i軸目入力(ui)と、前記伝達特性(Qij)により表される軸間干渉トルク推定値との和として定義し、
前記等価制御モデルと前記周波数測定試験の試験結果を反映させた前記干渉制御モデルとを対比することで、前記等価制御モデルの係数である前記伝達特性(Pi)および前記伝達特性(Qij)を、前記伝達特性(^Pij)により表される形で求め、
求めた前記伝達特性(Pi)および前記伝達特性(Qij)を前記等価制御モデルに適用することで、軸間干渉トルクを補償した制御モデルを取得する制御モデル取得方法。 - n回目の試験時にはn軸目のみに外乱入力(τDi)を与える態様にて周波数測定試験を行う請求項1記載の制御モデル取得方法。
- 前記i軸目出力(yi)は、当該i軸目モータ角度、角速度および角加速度、あるいはリンク角度、角速度および角加速度、あるいはアーム速度および加速度のいずれかによって与えられる請求項1または2記載の制御モデル取得方法。
- 前記i軸目入力(ui)は、モータトルク指令(τMi)、または、実際のモータが出力するトルクの測定値、モータ電流指令値、モータ電流測定値のうちいずれかによって与えられる請求項1から3のいずれか一項記載の制御モデル取得方法。
- i軸目の制御指令値(ri)、外乱入力(τDi)、フィードバック伝達特性(Ci)を用いて、前記i軸目入力(ui)を導出する請求項1から4のいずれか一項記載の制御モデル取得方法。
- 前記i軸目出力(yi)は、当該i軸目モータ角度(yi)によって与えられ、
前記i軸目入力(ui)は、当該i軸目モータトルク指令(τMi)によって与えられ、
前記ロボットのi軸目モータ角度(yi)、i軸目モータトルク指令(τMi)、およびi軸目モータトルク指令からj軸目モータ角度までの伝達特性(^Pij)を用いて、モータトルク指令からモータ角度までの軸間干渉を含む制御モデルを干渉制御モデルとして定義し、
i軸目のモータ角度指令値(ri)、周波数測定試験用の外乱信号(τDi)、フィードバック伝達特性(Ci)を用いて、前記i軸目モータトルク指令(τMi)を定義し、
前記ロボットの軸数と同じ回数、且つ、n回目の試験ではn軸目のみに外乱入力(τDi)を与える態様にて周波数測定試験を行い、得られたn回分の試験結果を前記干渉制御モデルに反映させることで、前記伝達特性(^Pij)を、i軸以外の軸間干渉による影響を含むとともに前記i軸目モータトルク指令(τMi)によって表される形で求め、
軸間干渉トルクを含むi軸目に加わる全トルク(τi)、およびi軸目に加わる全トルクからi軸目モータ角度までの伝達特性(Pi)を用いて、モータ実トルクがモータトルク指令に等しいと仮定した場合において前記干渉制御モデルに等価となる制御モデルを等価制御モデルとして定義し、
前記i軸目モータトルク指令(τMi)、およびi軸目モータ角度からj軸目干渉トルクまでの伝達特性(Qij)を用いて、前記i軸目に加わる全トルク(τi)を、前記i軸目モータトルク指令(τMi)と、前記伝達特性(Qij)により表される軸間干渉トルク推定値との和として定義し、
前記等価制御モデルと前記周波数測定試験の試験結果を反映させた前記干渉制御モデルとを対比することで、前記等価制御モデルの係数である前記伝達特性(Pi)および前記伝達特性(Qij)を、前記伝達特性(^Pij)により表される形で求め、
求めた前記伝達特性(Pi)および前記伝達特性(Qij)を前記等価制御モデルに適用することで、軸間干渉トルクを補償した制御モデルを取得する請求項1から5のいずれか一項記載の制御モデル取得方法。 - 多軸のロボットをモデルベース制御するためのロボット制御装置であって、
前記ロボットのi軸目出力(yi)、i軸目入力(ui)、およびi軸目入力からj軸目出力までの伝達特性(^Pij)を用いて、入力から出力までの軸間干渉を含む制御モデルを干渉制御モデルとして定義し、
前記ロボットの軸数と同じ回数、且つ、試験ごとに与える周波数測定試験用の外乱入力(τDi)を変化させる態様にて周波数測定試験を行い、得られたn回分の試験結果を前記干渉制御モデルに反映させることで、前記伝達特性(^Pij)を、i軸以外の軸間干渉による影響を含むとともに前記i軸目入力(ui)によって表される形で求め、
軸間干渉トルクを含むi軸目に加わる全トルク(τi)、およびi軸目に加わる全トルクからi軸目モータ角度までの伝達特性(Pi)を用いて、前記干渉制御モデルに等価となる制御モデルを等価制御モデルとして定義し、
前記i軸目入力(ui)、およびi軸目出力からj軸目干渉トルクまでの伝達特性(Qij)を用いて、前記i軸目に加わる全トルク(τi)を、前記i軸目入力(ui)と、前記伝達特性(Qij)により表される軸間干渉トルク推定値との和として定義し、
前記等価制御モデルと前記周波数測定試験の試験結果を反映させた前記干渉制御モデルとを対比することで、前記等価制御モデルの係数である前記伝達特性(Pi)および前記伝達特性(Qij)を、前記伝達特性(^Pij)により表される形で求め、
求めた前記伝達特性(Pi)および前記伝達特性(Qij)を前記等価制御モデルに適用することで、軸間干渉トルクを補償した制御モデルを取得し、
取得した制御モデルを用いて前記ロボットをモデルベース制御するロボット制御装置。
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