JP7488992B2 - manipulator - Google Patents
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Description
本発明は、マニピュレータに関するものである。 The present invention relates to a manipulator.
ロボットアーム制御において、移動～停止後に残留振動が生じることがある。その際、振動が落ち着くのを待ってから次の動作へ移るため、残留振動が大きいと動作の遅れにつながる。そのため、特許文献１に開示の成形品取出機のチャック制振方法においては、チャックの移動停止時に出力される停止指示信号に基づいて加速度センサからの信号を制御に用いることで、停止後の残留振動を低減している。 In controlling a robot arm, residual vibrations can occur after it has moved and stopped. In such cases, the robot must wait for the vibrations to settle before moving on to the next action, and large residual vibrations can lead to delays in the action. For this reason, the chuck vibration control method for a molded product removal machine disclosed in Patent Document 1 reduces residual vibrations after stopping by using a signal from an acceleration sensor for control based on a stop command signal output when the chuck stops moving.
ところが、停止指示信号を受けた瞬間、即ち、位置指令の動作停止となった瞬間に加速度センサの出力値をいきなり制御に反映させると、制御の出力が急峻に変化するため、振動を誘発する虞がある。 However, if the output value of the acceleration sensor is suddenly reflected in the control at the moment when a stop command signal is received, i.e., the moment when the position command operation stops, the control output changes abruptly, which may induce vibration.
上記課題を解決するためのマニピュレータは、リンクが関節を介して繋がり、基端がベース部材に固定され、先端に設けたエンドエフェクタが前記関節の動作により目標の位置に移動可能なアームと、前記アームの関節を動作させて前記エンドエフェクタを目標の位置に移動させるためのアクチュエータと、前記アクチュエータの動作を検出する位置センサと、前記アームまたは前記エンドエフェクタのいずれかに設けられた加速度センサと、位置指令に基づいて前記アクチュエータを駆動して前記位置センサの出力値をフィードバックしつつ前記エンドエフェクタを目標の位置に移動させるフィードバック制御を行うとともに、前記加速度センサの出力値に基づいて振動抑制制御を行う制御部と、を備えるマニピュレータであって、前記制御部は、位置指令の動作停止タイミングを検知した後の前記加速度センサの出力値が基準レベルとクロスするタイミングで前記振動抑制制御を有効化することを要旨とする。 A manipulator for solving the above problem includes an arm having links connected via joints, a base end fixed to a base member, and an end effector at the tip of which can be moved to a target position by the operation of the joint, an actuator for moving the end effector to a target position by operating the joint of the arm, a position sensor for detecting the operation of the actuator, an acceleration sensor provided on either the arm or the end effector, and a control unit that drives the actuator based on a position command and performs feedback control to move the end effector to a target position while feeding back the output value of the position sensor, and also performs vibration suppression control based on the output value of the acceleration sensor, and the control unit activates the vibration suppression control at the timing when the output value of the acceleration sensor crosses a reference level after detecting the timing of the stop of the operation of the position command.
これによれば、位置指令の動作停止タイミングを検知した後の加速度センサの出力値が基準レベルとクロスするタイミングで振動抑制制御を有効化することにより、位置指令の動作停止となった瞬間に加速度センサの出力値を制御に反映させる場合に比べ、振動を適切に抑制することができる。 By activating vibration suppression control when the output value of the acceleration sensor crosses a reference level after detecting the timing at which the position command stops operating, vibration can be suppressed more appropriately than when the output value of the acceleration sensor is reflected in the control at the moment the position command stops operating.
また、マニピュレータにおいて、前記制御部は、重力によるオフセット分を差し引いた前記加速度センサの出力値を元に算出した検出振動が、前記基準レベルとしてのゼロレベルとゼロクロスするタイミングで前記振動抑制制御を有効化するとよい。 In addition, in the manipulator, the control unit may activate the vibration suppression control at the timing when the detected vibration calculated based on the output value of the acceleration sensor minus the offset due to gravity crosses the zero level as the reference level.
また、マニピュレータにおいて、前記制御部は、前記加速度センサの出力値を元に算出した検出振動が、前記基準レベルとしてのゼロレベルとゼロクロスするタイミングで前記振動抑制制御を有効化するとよい。 In addition, in the manipulator, the control unit may activate the vibration suppression control when the detected vibration calculated based on the output value of the acceleration sensor crosses zero with a zero level as the reference level.
また、マニピュレータにおいて、前記制御部は、前記加速度センサの出力値を元に算出した検出振動が、ゼロレベルに重力によるオフセット分を加算した前記基準レベルとクロスするタイミングで前記振動抑制制御を有効化するとよい。 Furthermore, in the manipulator, the control unit may activate the vibration suppression control at the timing when the detected vibration calculated based on the output value of the acceleration sensor crosses the reference level obtained by adding an offset due to gravity to the zero level.
また、マニピュレータにおいて、前記制御部は、前記クロスするタイミングから一定時間後に前記振動抑制制御を無効化するとよい。 Furthermore, in the manipulator, the control unit may disable the vibration suppression control a certain time after the crossing occurs.
本発明によれば、振動を適切に抑制することができる。 The present invention allows vibrations to be appropriately suppressed.
以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１、図２に示すように、マニピュレータ１０は、アーム２０と、アクチュエータ３０と、位置センサ４０と、加速度センサ５０と、制御部としてのコントローラ６０と、を備える。図１において、水平方向をｘ，ｙ方向で示すとともに、上下方向をｚ方向としている。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 and 2, a manipulator 10 includes an arm 20, an actuator 30, a position sensor 40, an acceleration sensor 50, and a controller 60 as a control unit. In Fig. 1, the horizontal direction is indicated as the x and y directions, and the up and down direction is indicated as the z direction.
図１に示すように、アーム２０は、リンク２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅ，２１ｆが関節２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅを介して繋がっている。詳しくは、基端側の棒状のリンク２１ａの先端側には関節２２ａが設けられ、関節２２ａと関節２２ｂとの間が棒状のリンク２１ｂで連結されている。関節２２ｂと関節２２ｃとの間が棒状のリンク２１ｃで連結されている。関節２２ｃと関節２２ｄとの間が棒状のリンク２１ｄで連結されている。関節２２ｄと関節２２ｅとの間が棒状のリンク２１ｅで連結されている。関節２２ｅには先端側の棒状のリンク２１ｆが繋がっている。 As shown in FIG. 1, the arm 20 has links 21a, 21b, 21c, 21d, 21e, and 21f connected via joints 22a, 22b, 22c, 22d, and 22e. In more detail, joint 22a is provided at the tip side of rod-shaped link 21a on the base end side, and joint 22a and joint 22b are connected by rod-shaped link 21b. Joint 22b and joint 22c are connected by rod-shaped link 21c. Joint 22c and joint 22d are connected by rod-shaped link 21d. Joint 22d and joint 22e are connected by rod-shaped link 21e. Rod-shaped link 21f on the tip side is connected to joint 22e.
リンク２１ａの基端がベース部材２４に固定されている。これにより、アーム２０は、基端がベース部材２４に固定されている。リンク２１ｆの先端にはエンドエフェクタ（手先効果器）２３が取り付けられている。これにより、アーム２０は、先端に設けたエンドエフェクタ２３が関節２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅの動作により目標の位置に移動可能である。 The base end of link 21a is fixed to base member 24. As a result, the base end of arm 20 is fixed to base member 24. An end effector (hand effector) 23 is attached to the tip of link 21f. As a result, end effector 23 at the tip of arm 20 can be moved to a target position by the operation of joints 22a, 22b, 22c, 22d, and 22e.
アクチュエータ３０は、アーム２０の関節２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅに設けられている。アクチュエータ３０は、アーム２０の関節２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅを動作させてエンドエフェクタ２３を目標の位置に移動させるためのものである。アクチュエータ３０は、例えば、関節モータで構成されている。エンドエフェクタ２３は、例えば、把持機器である。 The actuators 30 are provided at the joints 22a, 22b, 22c, 22d, and 22e of the arm 20. The actuators 30 are for operating the joints 22a, 22b, 22c, 22d, and 22e of the arm 20 to move the end effector 23 to a target position. The actuators 30 are, for example, composed of joint motors. The end effector 23 is, for example, a gripping device.
位置センサ４０は、アクチュエータ３０の動作を検出する。位置センサ４０により、例えば、アクチュエータ３０の動作としてモータの回転角を検出でき、これにより関節角度等を検知することが可能となる。 The position sensor 40 detects the operation of the actuator 30. The position sensor 40 can detect, for example, the rotation angle of the motor as the operation of the actuator 30, which makes it possible to detect the joint angle, etc.
加速度センサ５０は、エンドエフェクタ２３に設けられている。加速度センサ５０は、アーム２０の先端部の振動を検出するためのものである。
図１に示すように、エンドエフェクタ２３に設けられた加速度センサ５０は、取付面に対して平行方向（ｘ´，ｙ´方向）と垂直方向（ｚ´方向）の３方向の加速度を検出する。よって、図１のリンク２１ｆが斜め下方に延びる状態では、地面に対して水平方向（ｘ，ｙ方向）と加速度検出方向とはずれている。これにより、加速度センサ５０の検出値には、重力によるオフセット分が含まれている。
The acceleration sensor 50 is provided on the end effector 23. The acceleration sensor 50 is for detecting vibrations of the tip end of the arm 20.
As shown in Fig. 1, the acceleration sensor 50 provided on the end effector 23 detects acceleration in three directions: parallel (x', y') and vertical (z') directions relative to the mounting surface. Therefore, when the link 21f in Fig. 1 extends diagonally downward, the acceleration detection direction is different from the horizontal (x, y) directions relative to the ground. As a result, the detection value of the acceleration sensor 50 includes an offset due to gravity.
コントローラ６０は、マイクロコンピュータを中心に構成されている。マイクロコンピュータは、命令を解読しデータ処理を実行するＣＰＵ、プログラムやデータを保存するメモリ、外部のセンサ、アクチュエータとのデータの送受信を制御する入出力部等から構成されている。 The controller 60 is mainly composed of a microcomputer. The microcomputer is composed of a CPU that decodes commands and executes data processing, memory that stores programs and data, and input/output units that control the transmission and reception of data to and from external sensors and actuators.
図２に示すように、コントローラ６０には上位機器であるホストコンピュータ１００が接続されている。ホストコンピュータ１００からコントローラ６０に位置指令が送られてくる。なお、位置指令とは、上位から送られてくる位置指令だけでなくフィルタを介した位置指令も含む。コントローラ６０にはアクチュエータ３０が接続されている。コントローラ６０は、アクチュエータ３０に指令を出してアーム２０の関節２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅを動作させてエンドエフェクタ２３を目標の位置に移動させる。 As shown in FIG. 2, the controller 60 is connected to a host computer 100, which is a higher-level device. A position command is sent from the host computer 100 to the controller 60. Note that the position command includes not only a position command sent from a higher level but also a position command via a filter. The actuator 30 is connected to the controller 60. The controller 60 issues a command to the actuator 30 to operate the joints 22a, 22b, 22c, 22d, and 22e of the arm 20 and move the end effector 23 to the target position.
コントローラ６０には位置センサ４０が接続されている。コントローラ６０は位置センサ４０の出力値を入力してアクチュエータ３０の動作を検知することができる。コントローラ６０には加速度センサ５０が接続されている。コントローラ６０は加速度センサ５０の出力値を入力してアーム２０またはエンドエフェクタ２３の振動を検知することができる。 The position sensor 40 is connected to the controller 60. The controller 60 can detect the operation of the actuator 30 by inputting the output value of the position sensor 40. The acceleration sensor 50 is connected to the controller 60. The controller 60 can detect the vibration of the arm 20 or the end effector 23 by inputting the output value of the acceleration sensor 50.
コントローラ６０は、位置指令に基づいてアクチュエータ３０を駆動して位置センサ４０の出力値をフィードバックしつつエンドエフェクタ２３を目標の位置に移動させるフィードバック制御を行う。コントローラ６０は、加速度センサ５０の出力値に基づいて振動抑制制御を行う。 The controller 60 performs feedback control to drive the actuator 30 based on the position command and move the end effector 23 to a target position while feeding back the output value of the position sensor 40. The controller 60 performs vibration suppression control based on the output value of the acceleration sensor 50.
図３に示すように、コントローラ６０は、減算部６１と減算部６２と開閉部６３と開閉制御部６４と検出振動算出部６５と振動抑制制御部６６と位置制御部６７と速度制御部６８と速度推定部６９を有する。また、本例では位置制御－速度制御のＰ－ＰＩカスケード構造を示しているが、速度推定部や速度制御部を有さないＰＩＤ制御やＩ－ＰＤ制御も同様の効果を期待できる。 As shown in FIG. 3, the controller 60 has a subtraction unit 61, a subtraction unit 62, an opening/closing unit 63, an opening/closing control unit 64, a detected vibration calculation unit 65, a vibration suppression control unit 66, a position control unit 67, a speed control unit 68, and a speed estimation unit 69. In addition, although this example shows a P-PI cascade structure of position control-speed control, the same effect can be expected from PID control or I-PD control that does not have a speed estimation unit or a speed control unit.
位置指令であるアクチュエータへの駆動指令値が減算部６１に入力される。位置センサ４０の出力値が減算部６１に入力される。減算部６１において、位置指令（アクチュエータへの駆動指令値）に対する位置センサ４０の出力値である実位置の差が出力される。 The drive command value for the actuator, which is a position command, is input to the subtraction unit 61. The output value of the position sensor 40 is input to the subtraction unit 61. The subtraction unit 61 outputs the difference between the actual position, which is the output value of the position sensor 40 relative to the position command (drive command value for the actuator).
位置制御部６７において、減算部６１の出力が入力され、制御信号ωｒｅｆが出力される。
検出振動算出部６５において、加速度センサ５０の出力値である実加速度が入力され、オフセット処理ならびに姿勢に応じた座標変換処理がなされ、検出振動が出力される。ここで算出される検出振動は、振動抑制制御を行うアクチュエータの回転軸から見た接線方向の振動である。図１において、関節２２ｃ内のアクチュエータで振動抑制制御を実施する際の検出振動の方向は、関節２２ｃ内のアクチュエータの回転軸の接線方向となる。
The output of the subtraction unit 61 is input to the position control unit 67, which outputs a control signal ωref.
The detected vibration calculation unit 65 receives the actual acceleration, which is the output value of the acceleration sensor 50, performs offset processing and coordinate conversion processing according to the posture, and outputs the detected vibration. The detected vibration calculated here is the vibration in the tangential direction as seen from the rotation axis of the actuator performing the vibration suppression control. In FIG. 1, the direction of the detected vibration when the actuator in the joint 22c performs the vibration suppression control is the tangential direction of the rotation axis of the actuator in the joint 22c.
振動抑制制御部６６において、検出振動が入力され、制御信号ωａｃｃが出力される。
速度推定部６９において、アクチュエータないしはアームの速度ωｍが出力される。
減算部６２において、制御信号ωｒｅｆと、制御信号ωａｃｃと、速度ωｍが入力される。減算部６２において、制御信号ωｒｅｆに対する制御信号ωａｃｃと、速度ωｍの差が出力される。
The detected vibration is input to the vibration suppression control section 66, which outputs a control signal ωacc.
A speed estimator 69 outputs the speed ωm of the actuator or arm.
The control signal ωref, the control signal ωacc, and the speed ωm are input to the subtraction unit 62. The subtraction unit 62 outputs the difference between the control signal ωacc relative to the control signal ωref and the speed ωm.
減算部６２の出力が速度制御部６８に入力され、速度制御部６８は駆動指令を出力する。
速度制御部６８の出力がアクチュエータ（関節モータ）３０に駆動指令として送られ、この駆動指令に基づいてアクチュエータ（関節モータ）３０が駆動する。
The output of the subtraction unit 62 is input to a speed control unit 68, which outputs a drive command.
The output of the speed control section 68 is sent to the actuator (joint motor) 30 as a drive command, and the actuator (joint motor) 30 is driven based on this drive command.
検出振動算出部６５から振動抑制制御部６６への信号伝達ライン上には開閉部６３が設けられている。開閉部６３は開閉制御部６４により開閉される。開閉制御部６４は、位置指令を入力するとともに検出振動算出部６５の出力値を入力する。開閉制御部６４は、位置指令と検出振動算出部６５の出力値に基づいて開閉部６３を開閉する。 An opening/closing unit 63 is provided on the signal transmission line from the detected vibration calculation unit 65 to the vibration suppression control unit 66. The opening/closing unit 63 is opened and closed by an opening/closing control unit 64. The opening/closing control unit 64 inputs a position command and an output value of the detected vibration calculation unit 65. The opening/closing control unit 64 opens and closes the opening/closing unit 63 based on the position command and the output value of the detected vibration calculation unit 65.
コントローラ６０は、アクチュエータへの駆動指令値あるいは位置センサ４０の実測値からアーム２０の姿勢を検知する。コントローラ６０は、アーム２０の姿勢から加速度センサ５０の姿勢を検知する。コントローラ６０は、加速度センサ５０の姿勢に基づいて重力によるオフセット分ＯＳｇ（図４（ｂ）参照）を算出する。つまり、コントローラ６０は、アーム２０の姿勢が分かることにより加速度センサ５０の出力値のうちの重力によるオフセット分ＯＳｇを検知することができる。 The controller 60 detects the posture of the arm 20 from the drive command value to the actuator or the actual measurement value of the position sensor 40. The controller 60 detects the posture of the acceleration sensor 50 from the posture of the arm 20. The controller 60 calculates the offset due to gravity OSg (see FIG. 4(b)) based on the posture of the acceleration sensor 50. In other words, by knowing the posture of the arm 20, the controller 60 can detect the offset due to gravity OSg in the output value of the acceleration sensor 50.
次に、作用について説明する。
図４（ａ）には位置指令を示す。図４（ｂ）には検出振動算出部６５の出力値を示す。図４（ｃ）には開閉部６３の開閉、即ち、検出振動算出部６５の出力値を制御に使用する、あるいは、不使用とする指令を示す。図４（ｄ）には開閉部６３が開くことによる振動抑制制御部６６の入力信号ａｃｃを示す。
Next, the operation will be described.
Fig. 4(a) shows a position command. Fig. 4(b) shows an output value of the detected vibration calculation unit 65. Fig. 4(c) shows an instruction to open or close the opening/closing unit 63, i.e., to use or not use the output value of the detected vibration calculation unit 65 for control. Fig. 4(d) shows an input signal acc to the vibration suppression control unit 66 when the opening/closing unit 63 is opened.
図４（ａ）においてｔ１が動作開始タイミングであり、ｔ２が動作停止タイミングである。
図１、図４（ｂ）に示すように、加速度センサ５０の加速度検出方向と重力の方向が直交しない場合、アーム２０の姿勢に応じて加速度センサ５０の出力値に重力によるオフセット分ＯＳｇが生じる。即ち、加速度センサ５０の出力値には重力によるオフセット分ＯＳｇが含まれている。コントローラ６０の開閉制御部６４は、加速度センサ５０の出力値から姿勢による重力オフセット分（ＯＳｇ）を差し引いて検出振動を得る。つまり、アクチュエータへの駆動指令値あるいは位置センサ４０の実測値からアーム２０の姿勢が分かるので加速度センサ５０の姿勢が分かり、加速度センサ５０の姿勢に基づいて重力によるオフセット分ＯＳｇを計算することができる。
In FIG. 4A, t1 is the operation start timing, and t2 is the operation stop timing.
1 and 4B, when the acceleration detection direction of the acceleration sensor 50 is not perpendicular to the direction of gravity, an offset OSg due to gravity is generated in the output value of the acceleration sensor 50 depending on the posture of the arm 20. That is, the output value of the acceleration sensor 50 includes the offset OSg due to gravity. The opening/closing control unit 64 of the controller 60 obtains the detected vibration by subtracting the gravity offset (OSg) due to the posture from the output value of the acceleration sensor 50. That is, since the posture of the arm 20 is known from the drive command value to the actuator or the actual measurement value of the position sensor 40, the posture of the acceleration sensor 50 is known, and the offset OSg due to gravity can be calculated based on the posture of the acceleration sensor 50.
そして、コントローラ６０の開閉制御部６４は、図４（ａ）～図４（ｄ）に示すように、検出振動と基準レベルとしてのゼロレベルとを比較して検出振動が基準レベルとしてのゼロレベルとゼロクロスするｔ３のタイミングで開閉部６３を閉じる。これにより、減算部６２において、減算部６１の出力に対し加速度センサ５０の出力値が減算されてアクチュエータ３０の駆動指令となる。 Then, as shown in Figures 4(a) to 4(d), the opening/closing control unit 64 of the controller 60 compares the detected vibration with a zero level as a reference level, and closes the opening/closing unit 63 at timing t3 when the detected vibration crosses the zero level as the reference level. As a result, in the subtraction unit 62, the output value of the acceleration sensor 50 is subtracted from the output of the subtraction unit 61 to become a drive command for the actuator 30.
このように、コントローラ６０は、位置指令の動作停止タイミングを検知した後の重力によるオフセット分ＯＳｇを差し引いた加速度センサ５０の出力値を元に算出した検出振動が、基準レベルとしてのゼロレベルとゼロクロスするタイミングで加速度センサ５０を用いた振動抑制制御を有効化する。広義には、コントローラ６０は、位置指令の動作停止タイミングを検知した後の加速度センサ５０の出力値が基準レベルとクロスするｔ３のタイミングで振動抑制制御を有効化する。 In this way, the controller 60 activates vibration suppression control using the acceleration sensor 50 at the timing when the detected vibration calculated based on the output value of the acceleration sensor 50 minus the gravity offset OSg after detecting the timing of the position command to stop operation crosses the zero level as a reference level. In a broader sense, the controller 60 activates vibration suppression control at the timing t3 when the output value of the acceleration sensor 50 after detecting the timing of the position command to stop operation crosses the reference level.
図４（ｃ）に示すように、コントローラ６０の開閉制御部６４は、位置指令の動作停止タイミングを検知した後の一定時間Ｔ２が経過した後のｔ４のタイミングで開閉部６３を開く。 As shown in FIG. 4(c), the opening/closing control unit 64 of the controller 60 opens the opening/closing unit 63 at timing t4 after a certain time T2 has elapsed after detecting the timing at which the position command operation stops.
このように、コントローラ６０は、図４（ｃ）に示すように、クロスするタイミングから一定時間Ｔ２後のｔ４のタイミングで開閉部６３を開いて振動抑制制御を無効化する。
その結果、図４（ｄ）に示すように、ｔ３～ｔ４の期間における加速度センサ５０の出力値が振動抑制制御に反映される。
In this manner, the controller 60 opens the opening/closing unit 63 at timing t4, a certain time T2 after the crossing timing, to disable vibration suppression control, as shown in FIG. 4C.
As a result, as shown in FIG. 4(d), the output value of the acceleration sensor 50 during the period from t3 to t4 is reflected in the vibration suppression control.
図５に示すように、リンク２１ｆが水平方向に延びる状態からエンドエフェクタ２３を水平方向に移動させる場合には、リンク２１ｆでは、水平方向（ｘ，ｙ方向）と加速度検出方向とが一致している。これにより、加速度センサ５０の検出値には、重力によるオフセット分が含まれない。即ち、水平方向にしか動かない場合には重力によるオフセット分を考慮しなくてもよい。 As shown in FIG. 5, when the end effector 23 is moved horizontally from a state in which the link 21f extends horizontally, the horizontal direction (x, y directions) and the acceleration detection direction of the link 21f coincide. As a result, the detection value of the acceleration sensor 50 does not include an offset due to gravity. In other words, if the movement is only horizontal, there is no need to take into account the offset due to gravity.
重力に直交する水平方向へ移動する場合、即ち、加速度センサ５０の加速度検出方向と重力の方向が直交する場合、加速度センサ５０の出力値に重力によるオフセット分が生じない。この場合には、次のようになる。 When moving in a horizontal direction perpendicular to gravity, i.e. when the acceleration detection direction of the acceleration sensor 50 is perpendicular to the direction of gravity, no offset due to gravity occurs in the output value of the acceleration sensor 50. In this case, the following occurs:
図６（ａ）においてｔ１が動作開始タイミングであり、ｔ２が動作停止タイミングである。
図５、図６（ｂ）に示すように、加速度センサ５０の出力値には重力によるオフセット分が含まれていない。よって、加速度センサ５０の出力値が検出振動となる。コントローラ６０の開閉制御部６４は、加速度センサ５０の出力値を元に算出した検出振動と基準レベルとしてのゼロレベルとを比較して加速度センサ５０の出力値を元に算出した検出振動が基準レベルとしてのゼロレベルとゼロクロスするｔ１０のタイミングで開閉部６３を閉じる。これにより、減算部６２において、減算部６１の出力に対し加速度センサ５０の出力値が減算されてアクチュエータ３０の駆動指令となる。このように、コントローラ６０は、加速度センサ５０の出力値を元に算出した検出振動が基準レベルとしてのゼロレベルとゼロクロスするｔ１０のタイミングで加速度センサ５０の出力値を用いた振動抑制制御を有効化する。
In FIG. 6A, t1 is the operation start timing, and t2 is the operation stop timing.
As shown in FIG. 5 and FIG. 6B, the output value of the acceleration sensor 50 does not include an offset due to gravity. Therefore, the output value of the acceleration sensor 50 becomes the detected vibration. The opening/closing control unit 64 of the controller 60 compares the detected vibration calculated based on the output value of the acceleration sensor 50 with a zero level as a reference level, and closes the opening/closing unit 63 at the timing t10 when the detected vibration calculated based on the output value of the acceleration sensor 50 crosses the zero level as the reference level. As a result, the output value of the acceleration sensor 50 is subtracted from the output of the subtraction unit 61 in the subtraction unit 62 to become a drive command for the actuator 30. In this way, the controller 60 enables the vibration suppression control using the output value of the acceleration sensor 50 at the timing t10 when the detected vibration calculated based on the output value of the acceleration sensor 50 crosses the zero level as the reference level.
図６（ｃ）に示すように、コントローラ６０の開閉制御部６４は、位置指令の動作停止タイミングを検知した後の一定時間Ｔ２が経過した後のｔ１１のタイミングで開閉部６３を開く。このように、コントローラ６０は、図６（ｃ）に示すように、クロスするタイミングから一定時間Ｔ２後のｔ１１のタイミングで開閉部６３を開いて振動抑制制御を無効化する。 As shown in FIG. 6(c), the opening/closing control unit 64 of the controller 60 opens the opening/closing unit 63 at timing t11 after a certain time T2 has elapsed after detecting the timing at which the position command stops operating. In this way, as shown in FIG. 6(c), the controller 60 opens the opening/closing unit 63 at timing t11 after a certain time T2 from the crossing timing, thereby disabling vibration suppression control.
その結果、図６（ｄ）に示すように、ｔ１０～ｔ１１の期間における加速度センサ５０の出力値が振動抑制制御に反映される。
以下、詳しく説明する。
As a result, as shown in FIG. 6(d), the output value of the acceleration sensor 50 during the period from t10 to t11 is reflected in the vibration suppression control.
The following provides a detailed explanation.
アクチュエータ（モータ）駆動開始直後から加速度センサ５０による振動抑制制御を行うと、駆動のための加速度を振動による加速度と捉えてしまい加速度を加わりにくくする方向にトルクが出るようにしてしまい移動速度が低下する懸念がある。振動にはアーム先端部が動いている時の振動と停止した時の振動がある。本実施形態では、アーム先端部が動いている時の振動、及び、位置指令の動作停止直後の振動は制御に反映させない。これにより、移動速度が低下することを防止することができる。 If vibration suppression control is performed using the acceleration sensor 50 immediately after the actuator (motor) starts to drive, there is a concern that the acceleration for driving may be perceived as acceleration due to vibration, causing torque to be generated in a direction that makes it difficult to apply acceleration, resulting in a decrease in the movement speed. There are vibrations when the arm tip is moving and vibrations when it stops. In this embodiment, vibrations when the arm tip is moving and vibrations immediately after the operation of the position command stops are not reflected in the control. This makes it possible to prevent a decrease in the movement speed.
また、特許文献１に開示の技術のように停止指示信号を入力した瞬間に振動抑制制御を行うと、加速度センサ出力値を入力した途端に大きな外乱を入力することにより振動が誘発されることが懸念される。アクチュエータ（モータ）停止後の残留振動について、本実施形態では、検出振動がゼロとなるタイミングから制御を開始することにより、ゼロでなければアクチュエータ（モータ）への指令が急峻に変化して振動を誘発するのに対し、振動の誘発を防ぐことができる。具体的には、図４（ａ）～図４（ｄ）でのｔ２～ｔ３の時間Ｔ１における加速度センサ出力値（ステップ状の外乱）を無効化する。 In addition, if vibration suppression control is performed the moment a stop command signal is input, as in the technology disclosed in Patent Document 1, there is a concern that vibrations may be induced by inputting a large disturbance as soon as the acceleration sensor output value is input. In this embodiment, by starting control from the timing when the detected vibration becomes zero, it is possible to prevent the induction of vibrations, which would otherwise occur if the command to the actuator (motor) were not zero due to a sudden change in the vibration. Specifically, the acceleration sensor output value (step-like disturbance) at time T1 from t2 to t3 in Figures 4(a) to 4(d) is invalidated.
このようにして、アーム２０の移動（アクチュエータ３０の駆動）速度を低下させることなく、かつアーム先端部の振動を抑制することができる。
また、目標指令値はＡ→Ｂ→Ｃというように変わっていくので、次にアクチュエータ（モータ）が駆動する際に加速度センサ５０を用いた制御が有効化していると次の動き出しにおいて動作に遅れが生じる。本実施形態では、加速度センサ５０を用いた制御を有効化してから一定時間Ｔ２が経過したら、加速度センサ５０を用いた制御を再度無効化する。よって、加速度センサ５０の出力値の内の所定時期の出力値を排除することにより、アクチュエータ（モータ）への指令に対して遅れなく追従することができる。
In this way, vibrations at the tip of the arm can be suppressed without reducing the movement speed of the arm 20 (driving speed of the actuator 30).
Furthermore, since the target command value changes from A to B to C, if the control using the acceleration sensor 50 is enabled when the actuator (motor) is next driven, a delay will occur in the next movement. In this embodiment, when a certain time T2 has elapsed since the control using the acceleration sensor 50 was enabled, the control using the acceleration sensor 50 is disabled again. Therefore, by excluding the output value of the acceleration sensor 50 at a predetermined time, it is possible to follow the command to the actuator (motor) without delay.
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）マニピュレータ１０の構成として、リンク２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅ，２１ｆが関節２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅを介して繋がり、基端がベース部材２４に固定され、先端に設けたエンドエフェクタ２３が関節２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅの動作により目標の位置に移動可能なアーム２０を備える。アーム２０の関節を動作させてエンドエフェクタ２３を目標の位置に移動させるためのアクチュエータ３０と、アクチュエータ３０の動作を検出する位置センサ４０を備える。エンドエフェクタ２３に設けられた加速度センサ５０を備える。位置指令に基づいてアクチュエータ３０を駆動して位置センサ４０の出力値をフィードバックしつつエンドエフェクタ２３を目標の位置に移動させるフィードバック制御を行うとともに、加速度センサ５０の出力値に基づいて振動抑制制御を行う制御部としてのコントローラ６０を備える。コントローラ６０は、位置指令の動作停止タイミングを検知した後の加速度センサ５０の出力値が基準レベルとクロスするタイミングで振動抑制制御を有効化する。
According to the above embodiment, the following effects can be obtained.
(1) The manipulator 10 is configured to include an arm 20 having links 21a, 21b, 21c, 21d, 21e, and 21f connected via joints 22a, 22b, 22c, 22d, and 22e, a base end of which is fixed to a base member 24, and an end effector 23 provided at the tip of the arm 20 that can be moved to a target position by the operation of the joints 22a, 22b, 22c, 22d, and 22e. The manipulator 10 is equipped with an actuator 30 for operating the joint of the arm 20 to move the end effector 23 to a target position, and a position sensor 40 for detecting the operation of the actuator 30. The manipulator 10 is equipped with an acceleration sensor 50. The manipulator 10 is equipped with a controller 60 as a control unit that performs feedback control for driving the actuator 30 based on a position command to move the end effector 23 to a target position while feeding back an output value of the position sensor 40, and performs vibration suppression control based on the output value of the acceleration sensor 50. The controller 60 activates the vibration suppression control at the timing when the output value of the acceleration sensor 50 crosses a reference level after detecting the timing at which the operation of the position command is stopped.
よって、位置指令の動作停止タイミングを検知した後の加速度センサ５０の出力値が基準レベルとクロスするタイミングで振動抑制制御を有効化することにより、位置指令の動作停止となった瞬間に加速度センサの出力値をいきなり制御に反映させる場合に比べ、図４（ｂ）に示すように所定の時間Ｔ１だけ遅らせて振動を適切に抑制することができる。 Therefore, by activating vibration suppression control at the timing when the output value of the acceleration sensor 50 crosses the reference level after detecting the timing at which the position command stops operating, it is possible to appropriately suppress vibrations by delaying them by a predetermined time T1 as shown in FIG. 4(b) compared to when the output value of the acceleration sensor is suddenly reflected in the control at the moment the position command stops operating.
（２）図４（ａ）～図４（ｄ）を用いて説明したように、コントローラ６０は、重力によるオフセット分ＯＳｇを差し引いた加速度センサ５０の出力値を元に算出した検出振動が、基準レベルとしてのゼロレベルとゼロクロスするタイミングで振動抑制制御を有効化する。よって、加速度センサ５０において重力を加味して振動を適切に抑制することができる。 (2) As described with reference to Figures 4(a) to 4(d), the controller 60 activates vibration suppression control when the detected vibration calculated based on the output value of the acceleration sensor 50 minus the gravity offset OSg crosses the zero level as a reference level. Therefore, the acceleration sensor 50 can appropriately suppress vibration by taking gravity into account.
（３）図６（ａ）～図６（ｄ）を用いて説明したように、コントローラ６０は、加速度センサ５０の出力値を元に算出した検出振動が、基準レベルとしてのゼロレベルとゼロクロスするタイミングで振動抑制制御を有効化する。よって、加速度センサ５０において重力を加味することなく加速度検出方向のみ考慮すればよい場合において振動を適切に抑制することができる。 (3) As described with reference to Figures 6(a) to 6(d), the controller 60 activates vibration suppression control when the detected vibration calculated based on the output value of the acceleration sensor 50 crosses the zero level as a reference level. Therefore, vibration can be appropriately suppressed in cases where only the acceleration detection direction needs to be considered without taking gravity into account in the acceleration sensor 50.
（４）コントローラ６０は、クロスするタイミングから一定時間後に振動抑制制御を無効化する。よって、次の位置指令に対して動作に遅れが生じるのを抑制することができる。 (4) The controller 60 disables vibration suppression control a certain time after the crossing. This makes it possible to prevent delays in operation in response to the next position command.
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
・図４（ａ）～図４（ｄ）で説明したように、コントローラ６０は、位置指令の動作停止タイミングを検知した後の加速度センサ５０の出力値から重力によるオフセット分ＯＳｇを差し引いた検出振動が基準レベルとしてのゼロレベルとゼロクロスするタイミングで加速度センサ５０の出力値を用いた振動抑制制御を有効化した。
The embodiment is not limited to the above, and may be embodied as follows, for example.
As described in Figures 4(a) to 4(d), the controller 60 activates vibration suppression control using the output value of the acceleration sensor 50 at the timing when the detected vibration, which is the output value of the acceleration sensor 50 after detecting the timing at which the position command operation is stopped and the gravity offset OSg, crosses the zero level as a reference level.
これに代わり図７（ａ）～図７（ｄ）に示すようにしてもよい。
検出振動を計算せずに、加速度センサ５０の出力値と重力によるオフセット分ＯＳｇを直接比較する。アーム姿勢から重力によるオフセット分ＯＳｇを計算し、ゼロレベルに重力によるオフセット分ＯＳｇを加算したものを基準レベルＬｒｅｆとする。
Alternatively, the configuration shown in Figures 7(a) to 7(d) may be used.
The output value of the acceleration sensor 50 is directly compared with the offset OSg due to gravity without calculating the detected vibration. The offset OSg due to gravity is calculated from the arm posture, and the zero level plus the offset OSg due to gravity is set as the reference level Lref.
図７（ａ）においてｔ１が動作開始タイミングであり、ｔ２が動作停止タイミングである。図７（ｂ）に示すように、加速度センサ５０の出力値には重力によるオフセット分ＯＳｇが含まれている。コントローラ６０の開閉制御部６４は、ゼロレベルに重力によるオフセット分ＯＳｇを加算した基準レベルＬｒｅｆと加速度センサ５０の出力値を比較して基準レベル（ゼロレベルに重力オフセット分を加算したもの）Ｌｒｅｆに加速度センサ５０の出力値がクロスするｔ２０のタイミングで開閉部６３を閉じる。これにより、減算部６２において、減算部６１の出力に対し加速度センサ５０の出力値が減算されてアクチュエータ３０の駆動指令となる。よって、アクチュエータ（モータ）への指令が急峻に変化するのを防止できる。 In FIG. 7(a), t1 is the operation start timing, and t2 is the operation stop timing. As shown in FIG. 7(b), the output value of the acceleration sensor 50 includes an offset OSg due to gravity. The opening/closing control unit 64 of the controller 60 compares the output value of the acceleration sensor 50 with a reference level Lref obtained by adding the gravity offset OSg to the zero level, and closes the opening/closing unit 63 at the timing of t20 when the output value of the acceleration sensor 50 crosses the reference level (zero level plus the gravity offset) Lref. As a result, in the subtraction unit 62, the output value of the acceleration sensor 50 is subtracted from the output of the subtraction unit 61 to become a drive command for the actuator 30. This makes it possible to prevent the command to the actuator (motor) from changing suddenly.
図７（ｃ）に示すように、コントローラ６０の開閉制御部６４は、位置指令の動作停止タイミングを検知した後の一定時間Ｔ２が経過した後のｔ２１のタイミングで開閉部６３を開く。このように、コントローラ６０は、図７（ｃ）に示すように、クロスするタイミングから一定時間Ｔ２後のｔ２１のタイミングで開閉部６３を開いて振動抑制制御を無効化する。その結果、図７（ｄ）に示すように、ｔ２０～ｔ２１の期間における加速度センサ５０の出力値が振動抑制制御に反映される。 As shown in FIG. 7(c), the opening/closing control unit 64 of the controller 60 opens the opening/closing unit 63 at timing t21, a certain time T2 after detecting the timing of the position command operation stop. In this way, as shown in FIG. 7(c), the controller 60 opens the opening/closing unit 63 at timing t21, a certain time T2 after the crossing timing, to disable vibration suppression control. As a result, as shown in FIG. 7(d), the output value of the acceleration sensor 50 during the period from t20 to t21 is reflected in the vibration suppression control.
このようにして、コントローラ６０は、加速度センサ５０の出力値を元に算出した検出振動が、ゼロレベルに重力によるオフセット分ＯＳｇを加算した基準レベルＬｒｅｆとクロスするタイミングで振動抑制制御を有効化する。よって、加速度センサ５０において重力を加味して振動を適切に抑制することができる。 In this way, the controller 60 activates vibration suppression control at the timing when the detected vibration calculated based on the output value of the acceleration sensor 50 crosses the reference level Lref, which is the zero level plus the gravity offset OSg. Therefore, the acceleration sensor 50 can appropriately suppress vibration by taking gravity into account.
・加速度センサ５０は、エンドエフェクタ２３に設けたが、加速度センサ５０は、アーム２０に設けられていてもよい。要は、加速度センサ５０は、アーム２０またはエンドエフェクタ２３のいずれかに設けられていればよい。 - Although the acceleration sensor 50 is provided on the end effector 23, the acceleration sensor 50 may be provided on the arm 20. In short, the acceleration sensor 50 may be provided on either the arm 20 or the end effector 23.
１０…マニピュレータ、２０…アーム、２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅ，２１ｆ…リンク、２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅ…関節、２３…エンドエフェクタ、２４…ベース部材、３０…アクチュエータ、４０…位置センサ、５０…加速度センサ、６０…コントローラ。 10...manipulator, 20...arm, 21a, 21b, 21c, 21d, 21e, 21f...links, 22a, 22b, 22c, 22d, 22e...joints, 23...end effector, 24...base member, 30...actuator, 40...position sensor, 50...acceleration sensor, 60...controller.
Claims (5)
前記アームの関節を動作させて前記エンドエフェクタを目標の位置に移動させるためのアクチュエータと、
前記アクチュエータの動作を検出する位置センサと、
前記アームまたは前記エンドエフェクタのいずれかに設けられた加速度センサと、
位置指令に基づいて前記アクチュエータを駆動して前記位置センサの出力値をフィードバックしつつ前記エンドエフェクタを目標の位置に移動させるフィードバック制御を行うとともに、前記加速度センサの出力値に基づいて振動抑制制御を行う制御部と、
を備えるマニピュレータであって、
前記制御部は、位置指令の動作停止タイミングを検知した後の前記加速度センサの出力値が基準レベルとクロスするタイミングで前記振動抑制制御を有効化する
ことを特徴とするマニピュレータ。 an arm having links connected via joints, a base end fixed to a base member, and an end effector provided at a tip end that can be moved to a target position by operation of the joint;
an actuator for operating a joint of the arm to move the end effector to a target position;
a position sensor for detecting the movement of the actuator;
an acceleration sensor provided on either the arm or the end effector;
a control unit that performs feedback control to drive the actuator based on a position command and move the end effector to a target position while feeding back an output value of the position sensor, and also performs vibration suppression control based on the output value of the acceleration sensor;
A manipulator comprising:
The control unit activates the vibration suppression control at a timing when the output value of the acceleration sensor crosses a reference level after detecting a timing at which a position command operation is stopped.
ことを特徴とする請求項１に記載のマニピュレータ。 The manipulator according to claim 1, characterized in that the control unit activates the vibration suppression control at a timing when a detected vibration calculated based on an output value of the acceleration sensor minus an offset due to gravity crosses a zero level as the reference level.
ことを特徴とする請求項１に記載のマニピュレータ。 The manipulator according to claim 1 , wherein the control unit activates the vibration suppression control at a timing when a detected vibration calculated based on an output value of the acceleration sensor crosses a zero level as the reference level.
ことを特徴とする請求項１に記載のマニピュレータ。 The manipulator according to claim 1, wherein the control unit activates the vibration suppression control at a timing when a detected vibration calculated based on an output value of the acceleration sensor crosses the reference level obtained by adding an offset due to gravity to a zero level.
ことを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載のマニピュレータ。 5. The manipulator according to claim 1, wherein the control unit disables the vibration suppression control after a certain time has elapsed since the crossing timing.
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