JPH01304501A - Servo loop control method for industrial robot - Google Patents

Abstract

PURPOSE:To realize the stable control of an industrial robot by calculating the inertial moment of a rotor, the inertial moment of a robot arm and the angular speed in an on-line method based on the working attitude and the working speed of the robot. CONSTITUTION:When the servo loop of an industrial robot, i.e., a control subject 22 is controlled, a command rotational speed is transmitted from an external controller and converted into a command torque T via a speed torque converter 20 having the integration gain K4 and the proportion gain K5. A prescribed servo motor set in the robot is driven by the current control corresponding to the torque T and the output rotational speed x1 of the motor is measured by a pulse encoder, etc., and fed back. The difference between the speed x1 and the command rotational speed is supplied to the converter 20. An observer 24 is added to the control of the servo loop for improvement of the system stability. Then a prescribed motion state equation is used when the state variable of the observer 24 is estimated. Thus it is possible to ensure the control where the variation of the dynamic characteristics is reflected in accordance with the working attitude and the working speed of the robot.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は産業用ロボットのサーボループ制御方法に関し
、特にオブザーバによる状態変数推定値のフィードバッ
クゲインをロボットの姿勢を考慮してオンライン的に変
化させる制御方法に関する。[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention relates to a servo loop control method for an industrial robot, and in particular a method for changing the feedback gain of a state variable estimate by an observer online in consideration of the robot's posture. Regarding control method.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

一般に産業用ロボットは片持ち構造を成しており、しか
も各アーム等の各可動機体部と各駆動源である各サーボ
モータとの間には低剛性な減速機等が存在している。従
って全体として低剛性であって共振周波数の低い、しか
も減衰性の非常に悪い制御対象系である。この低剛性で
低減衰性のロボットをサーボループによって駆動制御す
る場合、制御すべき状態変数を推定するオブザーバを使
用し、該状態変数の推定値をフィードバックさせる場合
に固定化されたフィードバックゲインを使用して減衰性
の良いフィードバック制御を行なおうとしていた。Generally, industrial robots have a cantilevered structure, and a low-rigidity reduction gear or the like is present between each movable body part such as each arm and each servo motor that is each drive source. Therefore, it is a controlled system that has low rigidity as a whole, a low resonance frequency, and very poor damping properties. When driving and controlling this low-rigidity, low-damping robot using a servo loop, an observer is used to estimate the state variable to be controlled, and a fixed feedback gain is used when feeding back the estimated value of the state variable. They were trying to perform feedback control with good damping performance.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

然しなから、上述の如〈産業用ロボットは片持ち構造を
成しており、作動に起因して変化する姿勢並びに作動速
度と共にその動特性は大きく変化する。そのためオブザ
ーバによる状態変数推定値のフィードハックゲインを固
定化することは制御対象系を素早く減衰させるためには
好ましいことではない。However, as mentioned above, industrial robots have a cantilevered structure, and their dynamic characteristics vary greatly with the posture and operating speed that change due to operation. Therefore, fixing the feed-hack gain of the state variable estimate by the observer is not preferable in order to quickly dampen the controlled system.

依って本発明は産業用ロボットの作動姿勢に応じたその
動特性の変動を反映させる該産業用ロボットのサーボル
ープ制御方法の提供を目的とする。Therefore, an object of the present invention is to provide a servo loop control method for an industrial robot that reflects changes in the dynamic characteristics of the industrial robot depending on its operating posture.

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

上記目的に鑑みて本発明は、産業用ロボットに所望の作
動をさせる場合において、前記産業用ロボットの運動解
析モデルに基づくオブザーバによって状態変数を推定し
、該各状態変数をフィードバックする際、該フィードバ
ックを含む産業用ロボットのサーボループ制御系におけ
る伝達関数が所定の理想伝達関数となるための条件から
各フィードバックゲインをオンライン的に変化させる産
業用ロボットのサーボループ制御方法を提供する。In view of the above object, the present invention estimates state variables using an observer based on a kinematic analysis model of the industrial robot when causing an industrial robot to perform a desired operation, and when feeding back each state variable, the feedback Provided is a servo loop control method for an industrial robot in which each feedback gain is changed online based on conditions for a transfer function in a servo loop control system of an industrial robot including a predetermined ideal transfer function.

〔作　用〕[For production]

オブザーバによる状態変数推定値のフィードバックゲイ
ンに関し、全体制御系であるサーボループ内での前記フ
ィードバックを含む産業用ロボットの伝達関数が、例え
ばステップ人力に対し理想的な減衰特性を示す理想伝達
関数となるための条件から各フィードバックゲインをオ
ンライン的に算出して各推定値のフィードバックを行な
う。従って産業用ロボットの作動姿勢並びに作動速度に
応じた動特性の変動を反映した制御が行なえる。Regarding the feedback gain of the state variable estimated value by the observer, the transfer function of the industrial robot that includes the feedback in the servo loop that is the overall control system is an ideal transfer function that exhibits ideal damping characteristics for, for example, human step force. Each feedback gain is calculated online from the conditions for the calculation, and each estimated value is fed back. Therefore, control can be performed that reflects changes in dynamic characteristics depending on the operating posture and operating speed of the industrial robot.

〔実施例〕〔Example〕

以下本発明を添付図面に示す実施例に基づいて更に詳細
に説明する。第２図は産業用ロボ・ノドの可動機体部、
例えばアーム１２と駆動源であるサーボモータのロータ
１０とを並列配置された１次元ばね１４とダッシュポッ
ト１６とで接続した運動解析モデルである。この１次元
ばね１４とダッシュポット１６とは主としてアーム１２
とサーボモータのロータ１０との間に介在する減速機１
８をモデル化したものであり、このモデルは減速機その
ものの動特性を概ね正確に表わすものであることが簡単
な実験により分かっている。この解析モデルによって次
の運動方程式が成立する。The present invention will be described in more detail below based on embodiments shown in the accompanying drawings. Figure 2 shows the movable body of the industrial robot Nodo.
For example, this is a motion analysis model in which an arm 12 and a rotor 10 of a servo motor serving as a drive source are connected by a one-dimensional spring 14 and a dashpot 16 arranged in parallel. This one-dimensional spring 14 and dashpot 16 are mainly connected to the arm 12.
and the rotor 10 of the servo motor.
8, and it has been found through simple experiments that this model generally accurately represents the dynamic characteristics of the reducer itself. This analytical model establishes the following equation of motion.

ここで、 Ｔニモータの出力トルク、 θＭ：ロータ１０の回転角度、 ＪＭ二フロータ１０慣性モーメント、 θＲ：モータ軸換算のロボットアーム回転角度、ＪＲ：
モータ軸換算のロボットアームの慣性モーメント、 ＫＣ：減速機部分の涙り捩りばね係数、ＢＫ：減速機部
分の減衰係数、 である。この解析モデルにおいて、出力トルクＴを入力
とし、モータにおけるロータの回転角速度ｊＭを出力と
する伝達関数Ｇは次式となる。Here, T motor output torque, θM: rotation angle of rotor 10, JM two floater 10 moment of inertia, θR: robot arm rotation angle converted to motor axis, JR:
The moment of inertia of the robot arm in terms of the motor shaft, KC: tear torsional spring coefficient of the reducer section, BK: damping coefficient of the reducer section. In this analytical model, a transfer function G whose input is the output torque T and whose output is the rotational angular velocity jM of the rotor in the motor is expressed by the following equation.

−Ｊω’−ＢＫ・（１／ＪＭ＋１／ＪＲ）・ω”＋ＫＣ
・（１／ＪＭ＋１／ＪＲ）・Ｊω−参〇　　　ノλ ゲインＩＧＩは次式で表わされる。-Jω'-BK・(1/JM+1/JR)・ω”+KC
・(1/JM+1/JR)・Jω−三〇ノλ Gain IGI is expressed by the following formula.

…二 このゲインＩＣＩは２つの極値ＩＧＩＩと１Ｇ２１を有
し、夫々ω＝ω１又はω＝ω２の所でボード線図におい
て極値となるとすれば次式が成り立つ。...2 This gain ICI has two extreme values IGII and 1G21, and assuming that they become extreme values in the Bode diagram at ω=ω1 or ω=ω2, respectively, the following equation holds true.

ＫＣ干ＪＲ・ω１！　・・・ホ ここで、Ａ＝　１／ＪＭ＋　１７ＪＲ Ｂ＝１／ＪＭ Ｃ＝　１／　（ＪＭ−ＪＲ） である。ロボットの場合変化の小さなω、の変動幅を予
め実験的に定めておき、それを所望の精度で等分割し、
その分割幅で１回前のω１の推定値からはじめてω、を
移動し、最小ゲインになる位置を現時点でのω、として
決定し、その値ω１を上記の式ホへ代入してＫＣを算出
し、またこのω−ω１の条件を式ニヘ代入してゲインｌ
Ｇ１１を算出して弐へからＢＫを算出する。なおＪＭと
ＪＲは現時点でのロボット姿勢から算出できる。KC Han JR・ω1! ...Here, A=1/JM+17JR B=1/JM C=1/(JM-JR). In the case of robots, the fluctuation range of ω, which has a small change, is determined experimentally in advance, and it is divided into equal parts with the desired accuracy.
Using that division width, move ω starting from the previous estimated value of ω1, determine the position where the minimum gain is achieved as the current ω, and substitute that value ω1 into the above formula E to calculate KC. Then, by substituting this ω-ω1 condition into equation N, the gain l
Calculate G11 and then calculate BK. Note that JM and JR can be calculated from the current robot posture.

第１図は制御対象２２である産業用ロボットのサーボル
ープ制御を示している。外部のコントローラ（図示せず
）において指令回転速度が発信され、積分ゲインに４と
比例ゲインに５とを有した速度トルク変換器２０を通し
て指令トルクＴに変換する。ロボット内の所定のサーボ
モータは指令トルクＴに応じた電流制御によって駆動さ
れ、回転速度ｘｉ（−／７Ｍ）が出力される。この出力
回転速度ｘｌはパルスエンコーダ等によって実測され、
その実測回転速度ｘ１をフィードバックして、指令回転
速度との差を速度トルク変換器２０へ入力させる。FIG. 1 shows servo loop control of an industrial robot, which is a controlled object 22. A command rotational speed is transmitted from an external controller (not shown) and converted into a command torque T through a speed-torque converter 20 having an integral gain of 4 and a proportional gain of 5. A predetermined servo motor within the robot is driven by current control according to the command torque T, and outputs a rotational speed xi (-/7M). This output rotational speed xl is actually measured by a pulse encoder etc.
The measured rotational speed x1 is fed back and the difference between it and the commanded rotational speed is input to the speed-torque converter 20.

このサーボループ制御１１において、系の安定性向上の
ためオブザーバ２４を設けている。このオブザーバ２４
の状態変数の推定には前述の運動状態方程式イと口を使
用しており、ｘ２Ｃ＝ＯＭ−ＪＲ）及びｘ３　（＝θＭ
−θＲ）の推定値ｘ２とｘ３を夫々ゲインに２　、に３
を有する増幅器２６゜２８を通して指令トルクＴヘフィ
ードバックさせている。入力を指令トルクＴ、出力をモ
ータ回転速度θＭ（＝Ｘ１）とする二点鎖ｖＡ３０で示
す部分子　　　　Ｓ　　　Ｓ”＋（ＢＫ／ＪＭ＋ＢＫ／
ＪＲ−に２）・Ｓ＋　（ＫＣ／ＪＭ＋ＫＣ／ＪＲ，に３
）この伝達関数を、ステップ入力に応じて第３図に示す
応答をする北森の理想伝達関数と比較する。In this servo loop control 11, an observer 24 is provided to improve the stability of the system. This observer 24
The state variables of
-θR) estimated values x2 and x3 are set to gains 2 and 3, respectively.
The command torque T is fed back through an amplifier 26. Partial molecule S S”+(BK/JM+BK/
JR-2)・S+ (KC/JM+KC/JR, 3)
) This transfer function is compared with Kitamori's ideal transfer function, which responds as shown in FIG. 3 in response to a step input.

北森の理想伝達関数とは２次の場合次式で表示される。Kitamori's ideal transfer function is expressed by the following equation in the quadratic case.

０．５・δ２・Ｓ２＋δ・Ｓ＋１ ここでδは、応答目標値の６３％に達するまでの時間を
示す時定数である。この両伝達関数の特性方程式の係数
比較から次式を得る。0.5・δ2・S2+δ・S+1 Here, δ is a time constant indicating the time until 63% of the response target value is reached. The following equation is obtained by comparing the coefficients of the characteristic equations of both transfer functions.

８に／ＪＭ＋ＢＫ／ＪＲ−Ｋ　２　＝　１　／　０．５
６・・・トＫＣ／ＪＭ＋ＫＣ／ＪＲ−Ｋ　３　＝　１　
／　０．５δ２・・・チこの各式ト、チに、前述の式ホ
、へを代入することによりフィードバックゲインに２と
に３を算出することができる。時定数δは第１図に示す
速度ループの時定数の１／４〜Ｉ１５とする。To 8/JM+BK/JR-K 2 = 1 / 0.5
6... KC/JM+KC/JR-K 3 = 1
/0.5δ2...C By substituting the above-mentioned equations E and E into each of these equations G and J, it is possible to calculate a feedback gain of 2 and 3. The time constant δ is set to 1/4 to I15 of the time constant of the speed loop shown in FIG.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上の説明から明らかな様に本発明によれば、刻々変化
するロボットの作動姿勢並びに作動速度からオンライン
的にＪＭ、ＪＲ１及びω１を算定することができ、゛こ
の現時点の各値から推定値／＼　　　／へ ｘ２とｘ３の各フィードバックゲインに２とに３をオン
ライン的に変化させ、最適なサーボループ制御を行なう
ことができる。即ち減衰性の高い安定な制御が可能とな
る。As is clear from the above description, according to the present invention, JM, JR1, and ω1 can be calculated online from the ever-changing operating posture and operating speed of the robot. By changing the feedback gains of x2 and x3 by 2 and 3 online, optimal servo loop control can be performed. In other words, stable control with high damping performance is possible.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第１図は制御対象のサーボループ制御図、第２図は制御
対象（ロボット）のオブザーバに使用する解析モデル図
、 第３図は理想伝達関数の説明用応答図。 ＩＯ・・・サーボモータのロータ、 １２・・・アーム、　　　１８・・・減速機。Fig. 1 is a servo loop control diagram of the controlled object, Fig. 2 is an analytical model diagram used for an observer of the controlled object (robot), and Fig. 3 is an explanatory response diagram of the ideal transfer function. IO...Rotor of servo motor, 12...Arm, 18...Reduction gear.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] １、産業用ロボットに所望の作動をさせる場合において
、前記産業用ロボットの運動解析モデルに基づくオブザ
ーバによって状態変数を推定し、該各状態変数をフィー
ドバックする際、該フィードバックを含む産業用ロボッ
トのサーボループ制御系における伝達関数が所定の理想
伝達関数となるための条件から各フィードバックゲイン
をオンライン的に変化させることを特徴とする産業用ロ
ボットのサーボループ制御方法。1. When causing an industrial robot to perform a desired operation, state variables are estimated by an observer based on the motion analysis model of the industrial robot, and when each state variable is fed back, the servo of the industrial robot including the feedback is A servo loop control method for an industrial robot, characterized in that each feedback gain is changed online based on conditions for a transfer function in a loop control system to be a predetermined ideal transfer function.