JPH083758B2

JPH083758B2 - 多関節構造機械の制御装置

Info

Publication number: JPH083758B2
Application number: JP61076585A
Authority: JP
Inventors: 吉男中島; 和男本間; 宏明東海林; 広志稲満
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1986-04-04
Filing date: 1986-04-04
Publication date: 1996-01-17
Anticipated expiration: 2011-01-17
Also published as: JPS62233811A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は多関節アームを備える多関節構造機械の制御
装置、さらに詳しくは多関節構造機械の多関節アームの
振動を抑制するに好適な制御装置に関する。

〔従来の技術〕

多関節構造機械の一例として、多関節形アームを備え
るロボツトがある。この種のロボツトのアームは比較的
剛性が高いものであるが、それでもアームが振動するた
め、その振動を抑制する手段が種々提案されている。
（特開昭54-31877号公報、特開昭58-3001号公報）一方、多関節構造機械の他の例として、アームを２個
以上備えるものが、種々提案されている。この種の多関
節構造機械においてはアーム数の増加に伴い、その駆動
系の容量も増加するので、駆動用アクチユエータ例えば
油圧シリンダの小形化や省エネルギの面からアームの軽
量化が進められつつある。ところが、アームの形状を細
くして軽量化を行うと、アームの剛性が低くなり、固有
振動数も低くなる。このため、アーム部質量と油の圧縮
性によるばね質量効果にアームの低剛性が加わるのが、
系の減衰特性が悪くなる。そのため、駆動用アクチユエ
ータの起動時や停止時に生じる低振動の脈動が短時間で
減衰せず、操作性が悪かつた。この振動を抑制する方策
として、特開昭58-135388号公報に記載されたものがあ
る。この方策は油圧アクチユエータと油圧アクチユエー
タの速度を制御する油圧ポンプとを常時結合するもので
ある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前述した多関節構造機械の油圧回路においては、管路
の破損等によるアームの落下を防ぐために、油圧アクチ
ユエータと油圧アクチユエータの速度を制御する制御弁
との間に、油圧管路を結合分離する切換弁が通常装置さ
れており、操作レバーが中立の場合は、この切換弁によ
り管路を分離するようになつている。このため、このよ
うな切換弁を有する多関節構造機械に上記従来例を適用
した場合、起動時のアームの振動に対しては、その振動
を抑制できるが、停止時の振動に対しては操作レバーを
中立に戻した途端に切換弁により油圧アクチユエータと
制御弁との間の管路が分離されるので、その振動を抑制
することができなかつた。また、操作レバーが中立の場
合に、何等かの原因により振動が発生した場合にも、そ
の振動を抑制することができないという問題点があつ
た。

本発明は前述の事柄にもとづいてなされたもので、ア
ームに振動が生じたならば、どの様な場合においてもそ
の振動を抑制することができる多関節構造機械の制御装
置を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の上記の目的は、少なくとも１個以上のアーム
の駆動制御系を、アームを駆動するアクチエエータと、
操作レバーの操作により制御される制御弁と、制御弁と
アクチエエータとの間の圧油の流れを断接する切換弁と
で構成した多関節構造機械の制御装置において、前記ア
ームの振動を検出する振動検出手段を設け、前記制御弁
に、アームに生じる振動を抑制する振動抑制手段を接続
し、前記切換弁に、前記振動検出手段からの信号に応じ
てON-OFF信号を出力する加速度チェック回路と、この加
速度チェック回路からのON-OFF信号と前記操作レバーの
操作量信号との論理和により切換弁をON-OFF制御する切
換弁制御回路とを接続することにより達成される。

〔作用〕

加速度チエツク回路は振動検出手段からの信号がある
規定値以上であつたならば、一定時間常にON信号をアク
チユエータと制御弁との間に設けた切換弁に出力して、
この切換弁をON状態に維持するので、操作レバーが中立
であつてもアームに振動が生じている場合には振動抑制
手段によつて制御される制御弁の制御にもとづいてアク
チユエータが動作されるので、アームの振動を速やかに
抑制することができる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明の制御装置の一例を備えた多関節構造
機械の構成を示すもので、図において１は旋回体、２は
旋回体１上に設けたブラケツト、３はブラケツト２に設
けた第１アーム、５は第１アーム３の先端に取付けた第
２アーム、７は第２アームの先端に取付けた第３アーム
である。これらの第１アーム3,第２アーム５及び第３ア
ーム７はそれぞれ第１シリンダ４、第２シリンダ６及び
第３シリンダ８によつて操作される。これらの第１シリ
ンダ４、第２シリンダ６及び第３シリンダ８のヘツド側
とロツド側の圧力は圧力検出器９〜14によつて検出され
る。圧力検出器９〜14の検出値は検出回路15によって推
力演算回路すなわちシリンダ推力演算回路16へ伝えられ
る。シリンダ推力演算回路16は、第１シリンダ４のヘツ
ド側圧力Ｐ_1Hとロツド側圧力Ｐ_1R及びヘツド側面積Ａ_1H
とロツド側面積Ａ_1Rに基づいて、第１シリンダ４の推力
ｆ₁を演算し、第２シリンダ６のヘツド側圧力Ｐ_2Hとロ
ツド側圧力Ｐ_2R及びヘツド側面積Ａ_2Hとロツド側面積Ａ
_2Rに基づいて、第２シリンダ６の推力ｆ₂を演算し、第
３シリンダ８のヘツド側圧力Ｐ_3Hとロツド側圧力Ｐ_3R及
びヘツド側面積Ａ_3Hロツド側面積Ａ_3Rに基づいて、第３
シリンダ８の推力ｆ₃を演算し、これをフイルタ回路17
を経由して比較演算制御回路18へ出力する。多関節構造
機械の運転席（図示せず）には入力装置19が設置されて
いる。この入力装置19は各シリンダ4,6,8の速度ｖ₁,v₂,
v₃を与える操作レバーを備えている。この入力装置19は
比較演算制御回路18に第１シリンダ４の速度指令ｖ₁，
第２シリンダ６の速度指令ｖ₂，第３シリンダ８の速度
指令ｖ₃を出力する。比較演算制御回路18は各シリンダ
の速度指令ｖ₁〜ｖ₃と各シリンダ推力ｆ₁〜ｆ₃に基づい
て、各アーム3,5,7の振動を抑制するのに必要な各シリ
ンダ4,6,8への流量を電圧の形でサーボ増幅器20へ出力
する。サーボ増幅器20はこの電圧入力を電流に変換し、
入力電流に対して出力流量が比例する電気油圧サーボ
弁、いわゆるサーボ弁21〜23を駆動する。これにより各
シリンダ4,6,8は作動する。24,25,26は第１アーム３、
第２アーム５、第３アーム７に設けられた加速度検出器
である。これらの加速度検出器24〜26の検出値は検出回
路27、フイルタ回路28を経由して加速度チエツク回路29
へ伝えられる。加速度チエツク回路29は、各アーム3,5,
7の加速度値とある規定値に基づいて、アーム3,5,7が振
動していればON、振動していないならばOFFの信号を切
換弁制御回路30へ出力する。切換弁制御回路30は入力装
置19からの各シリンダの速度指令ｖ₁〜ｖ₃と加速度チエ
ツク回路29からのON,OFF信号に基づいて、サーボ弁21〜
23とシリンダ4,6,8との間に設けられた切換弁32〜34の
切換信号を駆動回路31へ出力する。

まず、アームの振動抑制手段を構成するための要素、
すなわち、シリンダ推力演算回路16、フイルタ回路17、
比較演算制御回路18について詳しく説明する。この説明
においては、切換弁32〜34の状態は第１図の右側の機能
になつているものとする。

第２図はシリンダ推力演算回路16の構成を示すもの
で、この図において、まず、第１シリンダ４の系統につ
いて説明すると、検出回路15からの第１シリンダ４のヘ
ツド側圧力信号Ｐ_1Hに係数器160において、ヘツド側面
積Ａ_1Hを掛けた値と、ロツド側圧力信号Ｐ_1Rに係数器16
1においてロツド側面積Ａ_1Rを掛けた値との差を、比較
器162により求め、その値、すなわちシリンダ推力ｆ₁を
フイルタ回路17に出力する。このように、第２シリンダ
６の系統及び第３シリンダ８の系統についても同様の処
理をして、シリンダ推力ｆ₂,f₃をフイルタ回路17に出力
する。

第３図は前述したフイルタ回路17の周波数特性を示す
もので、この図において、横軸は周波数ω、縦軸は入力
と出力の振幅比Ｂをデシベルで表わしている。ω₁は重
力加速度によるシリンダ推力の影響を除去するための低
域遮断周波数であり、ω₂は高域遮断周波数である。フ
イルタ回路17はバンドパスフィルタになつており、同特
性（折点周波数は異なつてもよい）のフイルタを第１シ
リンダ４、第２シリンダ６及び第３シリンダ８に対応し
て３回路有している。そして、多関節構造機械はアーム
が複雑な構造をしており、また油圧管路や油圧シリンダ
とアームとの相互作用により、種々の振動モードを有し
ている。ところが、機械を操作してアームの先端に装設
した作業装置をある場所へ位置決めしようとするとき、
アームの先端が振動して操作しづらいと感じる振動成分
は、１次モードもしくは２次モードである。その理由を
次に説明する。高次のモードは大きな加速度変動が生じ
ていても、周波数が高いため、アーム先端の位置変動は
小さいが、１次モードや２次モードは周波数が低いた
め、アーム先端の位置変動が大きいからである。したが
つて、振動抑制の対象とする振動モードは１次モードも
しくは２次モードまででよい。また、振動抑制の制御装
置をマイクロコンピユータ等を用いるデイジタル式に処
理しようとすると、アリアスノイズの問題を生じること
がある。すなわち、マイクロコンピユータ等はある時間
間隔で演算処理しているが、この時間間隔の1/2以下の
高い周波数が入力されると、入力周波数成分を完全に把
握することができないので、実際の信号とは全く違つた
信号して処理してしまい、誤まつた演算結果を出力して
しまうことになる。

上述した２つの理由より、第３図に示す周波数特性中
の周波数ω₂は２次モードもしくは３次モード以上の周
波数成分を除去するための高域遮断周波数である。

次に比較演算制御回路18の構成を第４図を用いて説明
する。まず、第１シリンダ４の系統について説明する
と、入力装置19の速度入力用の操作レバー191からの信
号ｖ₁とフイルタ回路17を通過後の第１シリンダ推力信
号ｆ₁に係数器181において係数Ｋ₁を掛けた値との差ε₁
を、比較器182により求め、その差ε₁に係数器183によ
つて係数Ｋv₁を掛け、その値V1をサーボ増幅器20に出力
する。このように第２シリンダ６の系統および第３シリ
ンダ８の系統についても同様の処理を施して、V2,V3を
出力する。また、後述する切換弁制御回路30の出力がOF
Fの時は係数Ｋ₁〜Ｋ₃は零にする。

第５図は従来の制御回路による作動状況を、第６図は
本発明の制御装置による作動状況を示すためのタイムチ
ヤートである。

第５図は従来の制御装置による作動状況のうち、第１
シリンダ４の系統の信号を示したものであり、（ａ）は速度入力用の操作レバー191からの信号ｖ₁、（ｂ）は比較演算制御回路18からの信号V1、（ｃ）は第１シリンダ４のヘツド側圧力信号Ｐ_1Hであ
る。操作レバー191を（ａ）に示したように操作する
と、それに対応して信号V1は（ｂ）のようになる。圧力
信号Ｐ_1Hは時刻ｔ₀においては、第１アーム３、第２ア
ーム５、第３アーム７の重量に対応した圧力Ｐ_1H0にな
つている。この状態から（ｂ）のような信号が入ると、
（ｃ）に示すように起動時の過渡振動が持続する。

第６図は本発明の制御装置による作動状況のうち、第
１シリンダ４の系統の信号を示したものであり、第５図
と同様の信号を示す。操作レバー191を（ａ）のように
操作すると、ヘツド側圧力Ｐ_1Hが（ｃ）のように上昇す
るので、信号V1は第５図（ｂ）のように（ａ）に対応し
て上昇せずゆるやかに上昇する（図中Ａ）ので、ヘツド
側圧力Ｐ_1Hがゆるやかに上昇する。またヘツド側圧力Ｐ
_1Hが下がると、信号V1は上昇する（図中Ｂ）ので、ヘツ
ド側圧力Ｐ_1Hの落ち込みが小さくなる。この動作を繰り
返すことにより、（ａ）のように操作レバー191を操作
しても、起動時の過渡振動が速やかに減衰する。

次に、切換弁32〜34のON-OFFに関する制御について説
明する。

各アーム先端の加速度は加速度検出器24〜26によつて
検出され、その検出値α₁〜α₃は検出回路27を経由し
て、フイルタ回路28へ伝えられる。フイルタ回路28は重
力加速度を除去し、アームが振動することによつて生じ
る加速度のみを通過させるもので、ハイパスフイルタで
あり、同特性（折点周波数は異つてもよい）のフイルタ
を各アームに対応して３回路有している。そして、それ
らのフイルタを通つた加速度値α₁′〜α₃′は加速度チ
エツク回路29へ伝えられる。

第７図は加速度チエツク回路29のうち第１アーム３の
系統における構成を説明するためのものであり、加速度
チエツク回路29は第２アーム５及び第３アーム７の系統
を含め第７図の構成のものを３回路有している。絶対値
回路290によりフイルタ回路28からの加速度信号α₁′の
絶対値｜α₁′｜を取り、比較器291により加速度規定値
α₁₀との比較を行い、加速度規定値α₁₀＜加速度の絶対
値｜α₁′｜の場合にON信号を、その他の場合OFF信号を
タイマー292とOR回路293へ出力する。タイマー292は比
較器291の出力がONからOFFに切換わつた瞬間から設定さ
れた時間だけON信号を、その他の場合はOFF信号をOR回
路293へ出力する。OR回路293は比較器291とタイマー292
の信号の論理和をとつて、切換弁制御回路30へ出力す
る。

第８図は第７図における信号の状態を示したものであ
り、（ａ）は加速度信号α₁′を、（ｂ）は絶対値回路2
90の出力信号｜α₁′｜を、（ｃ）は比較器291の出力信
号を、（ｄ）はタイマーの出力信号を、（ｅ）はOR回路
293の出力信号であり、（ｃ）と（ｄ）の論理和を取つ
たものを示している。タイマーの出力信号は時刻Ｔ₁でO
Nとなり、時刻ｔ₂でOFFとなるが、それ以前に時刻Ｔ₂で
ONとなるので、タイマーはON状態を継続する。同様の状
況を繰り返し、時刻ｔ₇までタイマーの出力信号はONと
なる。なお、タイマーの設定時間（ｔ₂−Ｔ₁,t₃−Ｔ₂，
…）は第１次振動モードの固有振動周期の1/2以上と設
定する。この理由は、1/2周期以上の間加速度値が規定
値より小さいならば、アームの振動は小さいとみなせる
からである。

第９図は加速度チエツク回路29をコンピユータで構成
した場合の処理手順を示したものである。まず、手順29
5でフイルタ回路28からの加速度信号α′を取り込む、
次に手順296でその加速度信号α′の絶対値をとる。そ
して、手順297で規定値α₁₀と比較し、絶対値｜α′｜
の方が大きかつたならば、手順298へ進みカウンタＣを
Ｏとすると共に手順299でON出力を行い、再び手順295へ
戻る。手順297で絶対値｜α′｜の方が小さいと判断さ
れたならば、手順300へ移り、カウンタＣの値が規定値
Ｃ_mAXより小さいかどうか比較し、Ｃの値の方が小さか
つたならば、手順301へ移りカウンタＣへ１を加えると
共に手順299でON出力を行い、再び手順295へ戻る。手順
300でカウンタＣの方が大きいと判断されたならば、す
なわち、α₁₀｜α′｜の状態がＣ_maX×ΔＴ（ΔＴは
プログラムのサンプリング時間）の間継続していたなら
ば、手順302に移りOFF出力を行い、再び手順295へ戻
る。以上説明した手順を行うことにより、第７図に示す
加速度チエツク回路29と同様の処理内容となる。

切換弁制御回路30は、操作レバーが引かれたことによ
り信号と加速度チエツク回路29の出力信号の論理和をと
り、駆動回路31へ切換弁のON-OFF信号を出力する。

第10図は従来の制御装置を用いた場合の各部の動きを
示し、第11図は本発明の制御装置を用いた場合の各部の
動きを示したものであり、これらの図において、まず第
10図に示す従来の制御装置について説明すると、（ａ）
は操作レバーの操作量、（ｂ）はアーム先端の加速度、
（ｃ）は切換弁のON-OFF信号である。時刻ｔ₀で操作レ
バーを操作すると、切換弁制御回路30から切換弁ONの信
号が出力されると共に、サーボ弁例えば第１シリンダ用
のサーボ弁21から第１シリンダ４へ油が供給され、第１
アーム３が駆動される。アームが駆動されると、前述し
たようにアームが振動するが、シリンダ推力演算回路16
等により、その振動が減衰するように制御され、第10図
の（ｂ）に示すように第１アーム３の加速度脈動は速や
かに減衰する。そして、時刻ｔ₁で操作レバーを戻し始
めると、アームに減衰力が作用するので、再びアームが
振動し、シリンダ推力演算回路16等により、その振動が
減衰するように制御されるが、時刻ｔ₂で操作レバーが
中立になると同時に切換弁制御回路30から切換弁OFFの
信号が出力され、サーボ弁21と第１シリンダ４との間の
管路が分離されてしまうので、アームの振動を止めるこ
とができない。

これに対し、本発明の制御装置を用いた場合について
第11図を用いて説明すると、（ａ）は操作レバーの操作
量、（ｂ）はアーム先端の加速度、（ｃ）はレバー操作
に伴う切換弁のON-OFF信号指令、（ｄ）は加速度チエツ
ク回路29による切換弁のON-OFF指令（ｅ）は切換弁のON
-OFF信号である。アームの起動時は第10図と同様であ
る。停止時は時刻ｔ₂で操作レバーを中立にすると、信
号（ｃ）は切換弁OFF指令となるが、加速度チエツク回
路29は切換弁ON指令となつているので、切換弁信号はON
を継続する。そして、アームの振動が小さくなつたとこ
ろで（時刻ｔ_３）切換弁信号はOFFとなる。

以上説明したように、本発明の制御装置を用いること
により、アームを停止する時に生じる振動を確実に抑制
できると共に、操作レバーが中立で、アームに振動が生
じていない時は振動抑制手段が動作せず、また切換弁が
OFFしているので安全である。

なお、上述の実施例においては、各アーム先端に取り
付けた加速度検出器を用いて、各アーム用の切換弁をON
-OFFしたが、１つの加速度検出器を用いて、すべての切
換弁をON-OFFしてもよい。また、逆に各アームに複数の
加速度検出器を取り付けて、それらの信号から各アーム
の切換弁をON-OFFしてもよい。さらに、加速度検出器に
換え、アームを駆動するシリンダのロッド側、または、
ヘッド側の圧力変動を検出する圧力検出器からの信号に
より、アームに振動が生じているかどうかを検出するよ
うにしてもよい。

そして、上述の実施例においては、各制御装置等の一
実施例をアナログ回路で示したが、マイクロコンピユー
タ等のデイジタル回路を用いて構成してもよい。

更に、上述の実施例では、アームの振動を抑制するの
にシリンダ推力演算回路等から構成したが、他の振動抑
制方式、例えば加速度フイードバツク方式等を用いても
よい。

以上述べた本発明の実施例によれば、アームの振動を
抑制することができるので、アームの位置決め精度を向
上させることができると共に、アームの安定性を高める
ことができ、さらにアームの構造軽量化を図ることがで
きる。

〔発明の効果〕本発明によれば、アームに振動が生じたならば、どの
様な場合においても、その振動を抑制することができる
ので、アームの位置決め精度を向上させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の制御装置の一例を備えた多関節構造機
械の構成図、第２図は本発明の制御装置を構成するシリ
ンダ推力演算回路の構成を示す図、第３図は本発明の制
御装置を構成するフイルタ回路の周波数特性を示す図、
第４図は本発明の装置を構成する比較回路の構成を示す
図、第５図は従来の制御装置による作動状況を示す説明
図、第６図は本発明の制御装置による作動状況を示す説
明図、第７図は本発明の装置を構成する加速度チエツク
回路の構成を示す図、第８図は第７図に示す加速度チエ
ツク回路における各信号の状態を示す図、第９図は加速
度チエツク回路をコンピユータで構成する場合のフロー
チヤート図、第10図および第11図はそれぞれ従来の制御
装置と本発明の制御装置を用いた場合の各部の挙動状況
を示す説明図である。 3,5,7……アーム、4,6,8……シリンダ、９〜14……圧力
検出器、16……シリンダ推力演算回路、18……比較演算
制御回路、20……サーボ増幅器、21〜23……サーボ弁、
24〜26……加速度検出器、29……加速度チエツク回路、
30……切換弁制御回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者稲満広志茨城県土浦市神立町650番地日立建機株式会社土浦工場内 (56)参考文献特開昭61−23212（ＪＰ，Ａ) 特開昭52−101569（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも１個以上のアームの駆動制御系
を、アームを駆動するアクチュエータと、操作レバーの
操作により制御される制御弁と、制御弁とアクチュエー
タとの間の圧油の流れを断接する切換弁とで構成した多
関節構造機械の制御装置において、前記アームの振動を
検出する振動検出手段を設け、前記制御弁に、アームに
生じる振動を抑制する振動抑制手段を接続し、前記切換
弁に、前記振動検出手段からの信号に応じてON-OFF信号
を出力する加速度チェック回路と、この加速度チェック
回路からのON-OFF信号と前記操作レバーの操作量信号と
の論理和により切換弁をON-OFF制御する切換弁制御回路
とを接続したことを特徴とする多関節構造機械の制御装
置。
【請求項２】特許請求の範囲第１項記載の多関節構造機
械の制御装置において、前記振動検出手段は、前記アー
ムに設けた加速度検出器であることを特徴とする多関節
構造機械の制御装置。
【請求項３】特許請求の範囲第１項記載の多関節構造機
械の制御装置において、前記振動検出手段は、前記アク
チュエータの入出力ポートの圧力を検出する圧力検出器
であることを特徴とする多関節構造機械の制御装置。
【請求項４】特許請求の範囲第１項記載の多関節構造機
械の制御装置において、前記振動抑制手段は、前記アク
チュエータの入出力ポートの圧力を検出する圧力検出器
と、この圧力検出器からの圧力信号に基づきアクチュエ
ータの推力またはトルクを演算する推力演算回路と、前
記操作レバーの操作量と前記推力演算回路の出力値との
差を演算する比較演算制御装置とで構成したことを特徴
とする多関節構造機械の制御装置。
【請求項５】特許請求の範囲第４項記載の多関節構造機
械の制御装置において、前記推力演算回路の後段に、バ
ンドパスフィルタを設けたことを特徴とする多関節構造
機械の制御装置。