JPH06170769A - 制振制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ロボットアーム等を加速動作とこれに続く減
速動作の連続により駆動する場合に、ロボットアーム停
止時の振動の発生を抑制する。 【構成】 ステップＳ１、ステップＳ２においてロボッ
トアームの固有振動周期と減衰率を測定し、ステップＳ
３でロボットアーム所望の距離だけ駆動するための速度
パターンを求め、ステップＳ４では速度パターンに対応
してロボットアームを駆動する駆動系の加速と減速のそ
れぞれのトルクピークの時間差を求め、ステップＳ５、
ステップＳ６、ステップＳ７ではステップＳ４で得られ
たトルクピークの時間差がロボットアームの固有振動周
期の整数倍となるようにの速度パターンを修正し、ステ
ップＳ８、ステップＳ９では減速時の最大トルクが加速
時の最大トルクの減衰量を乗じた値となるように速度パ
ターンを修正する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は制振制御方法に係り、
特に自動組付け機等に使用されるロボットアームの位置
決め時の残留振動を抑制するに好適な制振制御方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】図７は一般的なロボットの制御系の概略
構成図である。図において、５は図示しないワークピー
スをハンドリングするためのフィンガー部、４はフィン
ガー部５を先端に取りつけてこれを回転および昇降させ
るロボットアーム、３はロボットアーム４を回動駆動お
よび昇降駆動するサーボモータ、２はサーボモータ３を
駆動するためのサーボ増幅器、１はサーボ増幅器２を介
してサーボモータ３を駆動しロボットアーム４を制御す
るためのコントローラである。

【０００３】以上述べたような構成において、次にその
動作をロボットアーム４の回転駆動を例にとって、図８
のタイミングチャートに従って説明する。

【０００４】今、ロボットアーム４を位置ａから位置ｃ
に駆動するものとする。その場合、コントローラ１はサ
ーボモータ３に対してロボットアーム４が図８（Ａ）に
示すような位置変化をするように、図８（Ｂ）に示すよ
うな速度指令を与える。

【０００５】この場合、理想的にはロボットアーム４は
フィンガー部５と共に時点ｔ１から時点ｔ２の間に加
速、時点ｔ２から時点ｔ４の間に一定速度、時点ｔ４か
ら時点ｔ５の間に減速と、その速度を変えながら位置ａ
から位置ｃまでの回転位置を変える。

【０００６】一方、ロボットアーム４を位置ａから位置
ｂに駆動する場合も同様に、コントローラ１はサーボモ
ータ３に対してロボットアーム４が図８（Ｄ）に示すよ
うな位置変化をするように、図８（Ｅ）に示すような速
度指令を与える。

【０００７】この場合、理想的にはロボットアーム４は
フィンガー部５と共に時点ｔ１から時点ｔ３の間に加
速、時点ｔ３から時点ｔ５の間に減速と、常時その速度
を変えながら位置ａから位置ｂまでの回転位置を変え
る。

【０００８】ところが実際にはサーボモータ３により駆
動されるロボットアーム４とフィンガー部５には慣性力
等が作用するために、加速時、加速終了時、減速時、減
速終了時のそれぞれの場合にロボットアーム４及びフィ
ンガー部５に振動を発生する。その結果、図８（Ｃ）、
（Ｆ）に示すように、ロボットアーム４の先端のフィン
ガー部５においては加減速に伴う振動が発生し、特に位
置ｂ、位置ｃに位置決め停止した時点でも振動が納まら
ないという問題がある。

【０００９】以上のように、ロボット等においてはコン
トローラ１からの動作指令に対して駆動されるロボット
アーム４やフィンガー部５等の可動部は加減速時、動き
始めや停止時に振動する。これは、可動部の慣性力や剛
性によるものであり高速化を図るべく動作速度や加速
度、減速度を大きくすればするほど顕著になってくる。
この振動は位置決め停止時に特に問題となるものであ
り、振動が納まるまでは次の動作に移れない。このた
め、作動時間が長くなり、実質的な動作速度の低下を招
いていた。

【００１０】このようなロボットの位置決め時の振動を
抑制するための研究は制振制御という形で広く行われて
いる。例えば、特開昭６３−３１４６０６号や特開昭６
３−３１４６０７号に示されている装置はその一例であ
るが、いずれもロボットアームの先端に振動が発生して
からロボットアームの先端に取りつけた加速度センサの
信号を外乱トルクとしてフィードバックし、加速度を制
御することにより制振しようとするものである。

【００１１】従来のロボット等における制振制御方法は
以上のようにフィードバック制御により行っていたの
で、実際に振動が発生してから制振に入ることになり、
振動発生から振動の収束までの時間を短縮できてもゼロ
にすることはできない。また、振動を収束させるための
制御情報を振動している状態からとらえているため、振
動が発生しないと制振制御が行えないことになり、完全
な制振とは言えなかった。しかも、振動に追従してこれ
を制振するためには高速度演算のできるＣＰＵが必要と
なり、制振制御系が高価で複雑になるという問題点があ
った。

【００１２】これに対して、図９のブロック図に示すよ
うに、コントローラ１にＣＰＵ１１とメモリ１２を設け
た構成が本出願人により特願平４−２６３７１４号及び
特願平４−２６４３８５号において提案されている。

【００１３】これは、先端にフィンガー部５を有するロ
ボットアーム４およびサーボモータ３から成る駆動対象
の固有振動を予め測定しておき、コントローラ１におい
てＣＰＵ１１とメモリ１２により駆動対象を駆動するた
めの速度パターンを求めておき、この速度パターンに対
応してサーボ増幅器２とサーボモータ３による駆動系の
加速と減速のそれぞれのトルクピークの時間差ｔ１を求
め、トルクピークの時間差ｔ１が駆動対象の固有振動周
期の整数倍となるように速度パターンを修正することに
よってサーボモータ３、ロボットアーム４、フィンガー
部５から成る駆動対象の動作終了後の残留振動を抑制し
ようとするものである。

【００１４】しかし、これでは図１０のタイミングチャ
ートに示すように、同図（Ａ）に示すような速度パター
ンに対して、サーボモータ３の電流、つまりトルクは同
図（Ｂ）のように変化する。この場合のトルクピーク時
間差ｔ１が固有振動周期の整数倍となるように速度パタ
ーンを修正し、ロボットアーム４を制御した場合、ロボ
ットアーム４の残留振動を抑制することはできる。しか
し、ロボットアームの振幅のピーク値は必ずしも加速時
と減速時で同じではないので、振動の抑制は完全には行
われず、ロボットアーム４の先端部の加速度は同図
（Ｃ）に示すように変化し、残留振動を或る程度抑制で
きても、完全に収束させることはできない。つまり、加
速時にロボットアーム先端に振動を発生した場合、図１
０（Ｃ）に示すように、この振動のピーク値はａとな
る。この振動は図１１のタイミングチャートに示すよう
に、ロボットアームの移動中に減衰し、減速時には、そ
の振幅はＢまで減少している。振動１回あたりの減衰量
をα、振動回数をｎとすれば、 Ｂ／Ａ＝ｎα … （１） となる。ここで、ｎαを加速時に対する減速時の減衰量
として以後説明する。ロボットアームの先端の振動の減
衰率であり、α＜１である。ロボットアームの加速時お
よび減速時のトルクピーク時間差ｔ１、つまり位相差の
みの振動抑制では、加速時に発生し、減速時には減衰し
ようとしている振動に対して抑制作用が強すぎる。つま
り、加速時と同じトルクを減速時に与えると、減速時の
ロボットアームの先端加速度は図１０（Ｃ）に矢印で示
すように、減速側にオーバーシュートする。その結果、
減速終了後に残留振動を発生することになってしまう。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】従来の制振制御方法は
以上のように構成されていたので、加速、減速の時間
差、つまり位相差を操作することによって残留振動の抑
制はある程度まではできても、結局ロボットアーム４を
停止させた後の完全収束ができないという問題点があ
る。つまり、加速時に発生した振動が減速時に減衰して
いる場合においては、減速時も加速時と同じ振幅を発生
させようとするため、完全には制振はできない場合があ
った。このことは、加速開始時の発生振動を加速終了時
の発生振動で打ち消そうとする場合もまったく同じであ
り、振動周期という時間にしか着目しない方法では、完
全には制振できない場合があった。

【００１６】この発明の目的は上記のような従来技術の
課題を解決し、特にロボットアームを加速動作とこれに
続く減速動作により移動させる場合に、ロボットアーム
等の先端の位置決め等に伴う振動を予め学習しておき、
ロボットアームの制御指令に振動を打ち消すような条件
を加え、速度制御カーブを補正することによって、ロボ
ットアームの加速時に発生した振動でロボットアームの
減速時に発生する振動を打ち消し、ロボットアームの停
止時の残留振動の発生を抑制することを可能とした制振
制御方法を得ることにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は制振制御方法として、駆動対象の固有振動
周期と減衰率を測定する第１の過程と、前記駆動対象の
移動距離に応じた速度パターンを求める第２の過程と、
前記速度パターンに対応して駆動系の加速と減速のそれ
ぞれのピークの時間差を求める第３の過程と、ピークの
時間差が駆動対象の固有振動周期の整数倍に近い場合は
そのままの速度パターンに基づいて、ピークの時間差が
駆動対象の固有振動周期の整数倍と異なる場合はこれが
整数倍となるように修正した速度パターンに基づいて、
減速時の最大トルクが加速時の最大トルクの減衰量を乗
じた値となるように速度パターンを修正して駆動対象を
駆動する第４の過程と、を備える制振制御方法を提供す
るものである。

【００１８】

【作用】上記手段において、本発明に係る制振制御方法
は、第１の過程で駆動対象の固有振動周期と減衰率を測
定し、第２の過程で前記駆動対象の移動距離に応じた速
度パターンを求め、第３の過程で前記速度パターンに対
応して駆動対象を駆動する駆動系の加速と減速のそれぞ
れのピークの時間差を求め、第４の過程では第３の過程
で得られたピークの時間差が駆動対象の固有振動周期の
整数倍に近い場合はそのままの速度パターンに基づい
て、ピークの時間差が駆動対象の固有振動周期の整数倍
と異なる場合はこれが整数倍となるように修正した速度
パターンに基づいて、減速時の最大トルクが加速時の最
大トルクの減衰量を乗じた値となるように速度パターン
を修正して駆動対象を駆動する。

【００１９】

【実施例】以下、図面を参照しながらこの発明の実施例
を説明する。

【００２０】図１は本発明の一実施例に係る制振制御方
法のフローチャートである。

【００２１】同図に示すように、ステップＳ１とステッ
プＳ２は事前準備として設定されるものであり、次から
の、ステップＳ３〜ステップＳ１０は実際にロボットア
ームを動作させている時の制御として設定されるもので
ある。

【００２２】次に、図２、図３、図４、図５、図６のタ
イミングチャートに基づいて、実施例の制振制御方法を
説明する。

【００２３】ステップＳ１ではロボットのロボットアー
ムやフィンガー部などの可動部、つまりロボット先端部
の固有振動数ｆを含む振動の測定を行う。これは、実際
にロボットアームを振動させ、これを測定することによ
り行う。その結果、図２のタイミングチャートに示すよ
うに、ロボットアームの振動に伴う固有振動数ｆ（固有
振動周期λ）や振幅の変化の様子を測定することができ
る。

【００２４】次のステップＳ２では、ステップＳ１での
測定結果、つまり図２のタイミングチャートで示される
振動動作の様子に基づき、可動部の自由振動周期つまり
固有振動周期λと減衰率αの算出を行う。ちなみに、固
有振動周期λの計算は固有振動数ｆの逆数を求めること
で行われる。

【００２５】以上のような動作を通じて、事前の準備を
完了する。

【００２６】実際にロボットアームを動かす場合は、ス
テップＳ３以降の制御が行われる。まず、ステップＳ３
ではロボットアーム先端部の移動距離、最大速度、最大
加速度などの入力条件に基づいて、ロボットアームの移
動の速度パターンを算出する。この速度パターンは例え
ば図３（Ａ）のタイミングチャートで示すような形で得
られることになる。

【００２７】次の、ステップＳ４では、ロボットアーム
を駆動するサーボモータの加速時、減速時のそれぞれの
トルクピークの時間差ｔを算出する。このトルクピーク
時間差ｔは図３（Ｂ）のタイミングチャートに示すよう
に、加速時と減速時のそれぞれのサーボモータのトルク
ピーク間の時間間隔から得られる。

【００２８】次のステップＳ５では、トルクピーク時間
差ｔを固有振動周期λで余剰計算する。これはトルクピ
ーク時間差ｔを固有振動周期λで割り算することにより
行われる。

【００２９】ステップＳ５で割り算結果ｎと余りｔａを
得るが、ステップＳ６では余りｔａが“０”または
“λ”に近いかどうかを判断する。ここで、余りｔａが
“０”または“λ”に近くない場合はステップＳ７に移
行して ｔ３＝（ｎ＋１）λ … （２） となるように、つまりトルクピーク時間差ｔがｔ３とな
るように速度パターンを修正してステップＳ８に移行す
る。ちなみに、ｎは１、２、３・・・の整数である。そ
の結果、速度パターンは図４（Ａ）に示すように修正さ
れ、これに伴いトルクピーク時間差ｔも同図（Ｂ）に示
すように、時間差ｔ３に修正される。

【００３０】一方、ステップＳ６の判断で、余りｔａが
“０”または“λ”に近い場合は、 ｔ３＝ｔ … （３） とし、そのままステップＳ８に移行する。

【００３１】ステップＳ８ではステップＳ１で測定して
あった振動波形と時間差ｔ３から減衰量を求める。これ
は、 Ｂ／Ａ＝ｎα … （４） で求める。ちなみに、図５はロボットアームの先端部の
振動の減衰の様子を示すタイミングチャートであるが、
特定の時刻における振動の振幅Ａに対して時間差ｔ３が
経過した後の振幅として振幅Ｂが測定されているので、
両者の比をとることにより減衰量（Ｂ／Ａ）を求めるこ
とができる。

【００３２】次に、ステップＳ９に移行して、減速時の
最大トルクが加速時の最大トルクの減衰量倍となるよう
に速度パターンを修正する。その結果、図６（Ａ）に示
すように、点線で示されるような従来の速度パターンに
対して実線で示すような速度パターンを得ることができ
る。

【００３３】そして、図６（Ａ）に示すような速度パタ
ーンに対して、必要なサーボモータの電流、つまりトル
クを算出する。これは、加速時のトルク最大値Ｔｍａｘ
に対して減速時は Ｔｒ＝ｎα・Ｔｍａｘ …（５） となるような設定とされ、トルクパターンは図６（Ｂ）
に示すようになる。

【００３４】以上のような設定に基づいて、ステップＳ
１０に移行し、ロボットアームを駆動する。その結果、
図６（Ｃ）に示すように、ロボットアームの先端の加速
度は加速終了後から減速に至った時点でほぼ収束を完了
し、ロボットアームが停止した後の残留振動を完全に抑
制することができる。

【００３５】さて、以上のような動作を原理的な点に立
ち返って更に詳細に説明する。

【００３６】まず、ステップＳ１とステップＳ２ではロ
ボットアームを動作させて、ロボットアームの固有振動
数ｆ、固有振動周期λ、振動加速度の減衰率αを求め
る。

【００３７】次に、ステップＳ３に入り、移動距離、最
大速度、最大加速度などが入力されると、これに対応し
た速度パターンが求められ、加速トルクと減速トルクの
時間差ｔが求まる。また、加速または減速に伴い発生す
る振動の減衰率αは求まっているので、減速終了後の残
留振動を抑制するためには、（５）式の条件が成立すれ
ばよいと考えられる。

【００３８】さて、減速時に減速トルクを減衰率αに応
じて低下する場合、図１２の減速速度パターンに示すよ
うに、２次曲線部分、直線部分、２次曲線部分と続く速
度変化の中で、２次曲線部分の割合ｘ％を下げて行くこ
とで対応する。つまり、速度の変化の傾きを小さくする
ことで対応する。その結果、減速時のトルクは図６
（Ｂ）に示すように、減衰率αに対応して低めに設定さ
れる。

【００３９】その結果、減速、停止直後にロボットアー
ム先端に残っていた振動を完全に抑制することができ
る。

【００４０】つまり、ステップＳ３からステップＳ１０
の制御を行うことにより、ロボットアームの停止時の残
留振動が効果的に抑制されロボットアーム先端に設けた
フィンガー部によるワークピースのハンドリング作業に
直ちに入ることができる。

【００４１】以上のような制御の結果、ロボットアーム
の先端を特定の距離だけ移動する場合に、ロボットアー
ムの停止時の残留振動を効果的に抑制できるので、位置
決めを迅速に実施でき、ロボット制御の高速化を図るこ
とができる。

【００４２】また、フィードバック制御ではないので、
高価なセンサーを組み込んだり制御系を高速化したりす
る必要がなく、ローコストでシステムを構成することが
できる。

【００４３】更に、振動を発生させてからこれを検出し
て抑制する構成と異なり、最初から振動を発生しないよ
うに制御するので、振動抑制効果が高く、省エネルギー
の観点からも効率的な運用ができる。

【００４４】なお、上記実施例ではリアルタイムで速度
パターンを修正するような構成を例示したが、全ての動
作パターンにおける速度パターンを予め求めておき、テ
ーブル参照により速度パターンを決定するような構成と
してもよい。

【００４５】また、上記実施例ではロボットアームの駆
動を例にとって説明したが、この発明は、他の制御対象
であっても同様に適用可能であり、同様の効果を得られ
ることはもちろんである。また、制御対象も回転移動だ
けでなく直線移動であっても、まったく同様に適用でき
ることは言うまでもない。

【００４６】

【発明の効果】以上述べたように、この発明の制振制御
方法は、ロボットアーム等の駆動対象の固有振動数と振
動の減衰率を予め測定しておき、この固有振動を抑制す
るような速度パターンを振幅の減衰を考慮して求め、こ
れに基づきロボットアームを移動するように構成したの
で、ロボットアームの駆動の高速化と停止時の残留振動
の抑制を行うことが可能であり、系を簡単にしかも安価
に構成できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例に係る制振制御方法のフロ
ーチャートである。

【図２】ロボットアームの振動の減衰パターンを示すタ
イミングチャートである。

【図３】初期算出された速度パターンに基づく速度、ト
ルクのタイミングチャートである。

【図４】修正速度パターンに基づく速度、トルクのタイ
ミングチャートである。

【図５】振動波形の時間に対応する減衰の状態を示すタ
イミングチャートである。

【図６】最終速度パターンに基づく速度、トルクのタイ
ミングチャートである。

【図７】周知のロボットの制御系のブロック図である。

【図８】図７の構成における動作を説明するタイミング
チャートである。

【図９】従来の制振制御方法を実現するロボットの制御
系のブロック図である。

【図１０】トルクピーク時間差補正に基づく制振制御方
法を説明するタイミングチャートである。

【図１１】加速加振によってのみ起こる振動を説明する
タイミングチャートである。

【図１２】減速時の速度パターンのタイミングチャート
である。

【符号の説明】

１ コントローラ ２ サーボ増幅器 ３ サーボモータ ４ ロボットアーム ５ フィンガー部 １１ ＣＰＵ １２ 内部メモリ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 駆動対象の固有振動周期と減衰率を測定
   する第１の過程と、前記駆動対象の移動距離に応じた速
   度パターンを求める第２の過程と、前記速度パターンに
   対応して駆動系の加速と減速のそれぞれのピークの時間
   差を求める第３の過程と、ピークの時間差が駆動対象の
   固有振動周期の整数倍に近い場合はそのままの速度パタ
   ーンに基づいて、ピークの時間差が駆動対象の固有振動
   周期の整数倍と異なる場合はこれが整数倍となるように
   修正した速度パターンに基づいて、減速時の最大トルク
   が加速時の最大トルクの減衰量を乗じた値となるように
   速度パターンを修正して駆動対象を駆動する第４の過程
   と、を備えることを特徴とする制振制御方法。