JPH07185817A - 多軸ロボットのウィービング制御方法 - Google Patents

多軸ロボットのウィービング制御方法

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JPH07185817A
JPH07185817A JP33830193A JP33830193A JPH07185817A JP H07185817 A JPH07185817 A JP H07185817A JP 33830193 A JP33830193 A JP 33830193A JP 33830193 A JP33830193 A JP 33830193A JP H07185817 A JPH07185817 A JP H07185817A
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宏樹 上田
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 他軸側からの外乱を考慮した制御を行い、制
御ゲインを必要以上に上げることなく精度の良いウィー
ビング制御を可能にするロボットのウィービング制御方
法を提供することを目的とする。 【構成】 多軸ロボットのウイービング制御において、
各軸を駆動するモータに対する制御指令が、外乱を相殺
する外乱推定量を含み、当該外乱は他軸側からの干渉力
であり、上記外乱推定量は、実測される値と予め設定し
たウイービング特性に基づき演算により推定した量であ
ることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ロボットのウィービン
グ制御に用いて好適なウィービング制御方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の多軸ロボットのアームの駆動・制
御は、各回転軸毎に独立した制御系により駆動する。
【0003】溶接ロボットでは、図7に示すように、ア
ーム1先端の工具であるトーチ2を、実線a、bで示す
如く溶接線c、d方向に対して、ほぼ直角に揺動させな
がら溶接(ウィービング作業)を行なう場合がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】このウィービング作業
では、全軸を同時に周期的に動かして行なうので、他軸
側からの干渉を受けるが、上記した従来の各軸毎に独立
して制御する制御方法では、この他軸側からの干渉を考
慮していないので、精度の良い制御を行なうことができ
ない。
【0005】以下、その理由を図1、図2および図6を
参照して説明する。
【0006】図1は、多軸ロボットのアームの駆動・制
御系を模式的に示したもので、11は第1アーム10の
駆動モータ、21は第2アーム部20の駆動モータ、3
1は第3アーム30の駆動モータ、40はトーチであ
る。51はA/Dコンバータ、52は制御演算部、53
はA/Dコンバータ、54は電力増幅器である。
【0007】制御演算部52は、各回転軸の回転角を検
出するエンコーダ(図示しない)からの検出信号をA/
Dコンバータ51を通して取り込み、角速度を演算し、
PID制御信号を、A/Dコンバータ53を通して対応
する駆動モータの駆動系に送出する。
【0008】図2は、図1に示した多軸ロボットの力学
モデル図である。同図において、m1 はモータ11から
見てトーチ側の全質量、m2 はモータ21から見てトー
チ側の全質量、m3 はモータ31から見てトーチ側の全
質量である。K1 、K2 、K3 は、それぞれ、モータ1
1、21、31の減速機のバネ定数、C1 、C2 、C3
は減衰定数である。θ1 は第1アームの基礎に対する回
転角、θ2 は第1アームと第2アーム間の回転角、θ3
は第1アームと第2アーム間の回転角である。前記した
ウィービング作業時には、例えば、駆動モータ21にと
っては、駆動モータ11および31の動きが周期的な干
渉力となり、これが外乱wとして作用する。通常、制御
ゲインを上げることにより、外乱wに起因する振動の抑
制を図るが制御ゲインを上げ過ぎると、発振を招いてし
まうことがある。これを図6に示す。
【0009】図6において、実線はPID制御時のウィ
ービング周波数−θ2 関係を示し、一点鎖線は制御ゲイ
ンを上げた場合のウィービング周波数−θ2 関係を示し
ている。破線は、無制御の場合を示す。制御ゲインを上
げると、ウィービング周波数に対する振幅は下がるが、
系の固有振動数foでの発振が生じている。
【0010】本発明は上記問題を解決するめためになさ
れたもので、他軸側からの外乱を考慮した制御を行い、
制御ゲインを必要以上に上げることなく精度の良いウィ
ービング制御を可能にするロボットのウィービング制御
方法を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため、請求項1では、多軸ロボットのウイービング
制御において、各軸を駆動するモータに対する制御指令
が、外乱を相殺する外乱推定量を含み、当該外乱は他軸
側からの干渉力であり、上記外乱推定量は、実測される
値と予め設定したウイービング特性に基づき演算により
推定した量である構成とした。
【0012】請求項2では、実測される値は、各軸の回
転角と角速度であることを特徴とする。
【0013】請求項3では、ウイービング特性は定数項
と、ウイービング周波数を持つ変数項で表現される特性
であることを特徴とする。
【0014】請求項4では、任意の1つの軸の回転角と
角速度を、実測される値値とすることを特徴とする。
【0015】
【作用】本発明では、制御指令により、外乱(他軸側か
らの干渉力)を相殺する量の制御量を与えるので、この
外乱を抑制するために制御ゲインを必要以上に上げなく
て済む。
【0016】
【実施例】以下、本発明の1実施例を図1、図2および
図3を参照して説明する。
【0017】本実施例では、前記したウィービング作業
は、周期的な動作をさせながら、アーム先端の位置を移
動させるため、例えば、モータ21に作用する外乱wも
周期的なものw1 と非周期的w0 なものからなる、と仮
定する。すなわち、ウィービング特性を次のように定義
する。
【0018】 w=w0 +w1 =a0 +a1 cosωd t・・・・・・・・・・・・・(1) ωd ;ウィービング周波数 この外乱wは、センサ類で直接測定することはできない
ので、外乱推定オブザーバを構築する。
【0019】図2に示した力学モデルの運動方程式、状
態方程式を下記(2)式および(3)式で表現される。
【0020】
【数01】
【0021】u:制御入力 w;外乱 A、B、D;係数マトリクス また、出力方程式は(直接測定できる量はθ1 、θ2
θ3 )として、
【0022】
【数02】
【0023】上記外乱推定オブザーバを構築するに際し
ては、外乱wを含んだ下記式の状態量
【0024】
【数03】
【0025】を導入して、下記の拡大系の状態方程式x
a 、出力方程式Ya を得る。
【0026】
【数04】
【0027】
【数05】
【0028】この状態量における外乱を推定する外乱推
定オブザーバを一般的な最小次元オブザーバで構成する
と、最小次元オブザーバは、
【0029】
【数06】
【0030】で表現される。
【0031】ここで、wはオブザーバの制御量、 は測
定できる値(θ1 、θ2 、θ3 、θ1 、θ2
θ3 、)、uは制御指令(モータ側から見て、制御入
力)、wは外乱推定値でる。A、K,B、D、Hはそれ
ぞれ係数マトリクスで、係数マトリクスの求め方を次に
示す。
【0032】
【数07】
【0033】となるような、任意行列Sを求める。ここ
で、Wは任意の係数行列である。
【0034】次に、オブザーバの係数マトリクスは次式
で与えられる。
【0035】
【数08】
【0036】Lは次式の解 を求めることによって得ら
れる。
【0037】
【数09】
【0038】ここで、Q、Rは任意の係数マトリクスで
ある。
【0039】上記から、制御入力uは、駆動モータ21
の角度θ2 、角速度θ2 のフィードバックと、外乱推定
値wを用い、駆動モータ21に発生する外乱を相殺する
向きにフィードフォワードを考えると、次式となる。
【0040】
【数10】
【0041】なお、上記各演算は、制御演算部52で実
行する。
【0042】本実施例では、駆動モータ21への制御指
令として、このuを与え、当該モータに発生する外乱を
外乱推定量wにより相殺するするように、フィードフォ
ワード制御する。他の駆動モータ11、31についても
同様てだある。
【0043】図3に、この制御指令を算出するためのア
ルゴリズムを示し、図4に、本発明を実施したロボット
について測定したウィービング周波数−θ2 関係を示
す。図4と図6の対比から明らかなように、本発明を実
施した場合、ウイービング周波数近傍においては、極め
て良好な制御効果を得ている。
【0044】なお、制御システムを、図5に示すような
制御システムとし、実測量をモータ21の角度、角速度
のみとし、モータ11および31の角度、角速度も推定
量に含めてしまうこともできる。
【0045】
【数11】
【0046】
【発明の効果】本発明は以上説明した通り、制御指令に
より、外乱(他軸側からの干渉力)を相殺する量の制御
量を与えるので、この外乱を抑制するために制御ゲイン
を必要以上に上げなくて済み、特に、ウイービング周波
数近傍においては、極めて良好な制御効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を実施するロボットの1例のアーム部分
を示す図である。
【図2】図1のロボットの力学モデルを示す図である。
【図3】制御指令演算アルゴリズムを示す図である。
【図4】本発明を実施したロボットにおけるウィービン
グ周波数−振幅特性の実測例を示す図である。
【図5】本発明を実施するロボットの他の1例のアーム
部分を示す図である。
【図6】従来の制御方法を実施したロボットにおけるウ
ィービング周波数−振幅特性の実測例を示す図である。
【図7】溶接ロボットのウィービング作業を説明するた
めの図である。
【符号の説明】
10、20、30 アーム 11、21、31 モータ 52 制御演算部(CPU)

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 多軸ロボットのウイービング制御におい
    て、各軸を駆動するモータに対する制御指令が、外乱を
    相殺する外乱推定量を含み、当該外乱は他軸側からの干
    渉力であり、上記外乱推定量は、実測される値と予め設
    定したウイービング特性に基づき演算により推定した量
    であることを特徴とする多軸ロボットのウイービング制
    御方法。
  2. 【請求項2】 実測される値は、各軸の回転角と角速度
    であることを特徴とする請求項1記載の多軸ロボットの
    ウイービング制御方法。
  3. 【請求項3】 ウイービング特性は定数項と、ウイービ
    ング周波数を持つ変数項で表現される特性であることを
    特徴とする請求項1記載の多軸ロボットのウイービング
    制御方法。
  4. 【請求項4】 任意の1つの軸の回転角と角速度を、実
    測される値値とすることを特徴とする請求項2または3
    記載の多軸ロボットのウイービング制御方法。
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