JPS6139110A - 解読コンプライアント運動制御によるマニピユレ−タ装置用制御システム - Google Patents
解読コンプライアント運動制御によるマニピユレ−タ装置用制御システムInfo
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- JPS6139110A JPS6139110A JP12235985A JP12235985A JPS6139110A JP S6139110 A JPS6139110 A JP S6139110A JP 12235985 A JP12235985 A JP 12235985A JP 12235985 A JP12235985 A JP 12235985A JP S6139110 A JPS6139110 A JP S6139110A
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- Japan
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- manipulator
- arm
- velocity
- loop
- feedback signal
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J13/00—Controls for manipulators
- B25J13/08—Controls for manipulators by means of sensing devices, e.g. viewing or touching devices
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J9/00—Programme-controlled manipulators
- B25J9/16—Programme controls
- B25J9/1628—Programme controls characterised by the control loop
- B25J9/1633—Programme controls characterised by the control loop compliant, force, torque control, e.g. combined with position control
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J9/00—Programme-controlled manipulators
- B25J9/16—Programme controls
- B25J9/1628—Programme controls characterised by the control loop
- B25J9/1638—Programme controls characterised by the control loop compensation for arm bending/inertia, pay load weight/inertia
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Robotics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Human Computer Interaction (AREA)
- Control Of Position Or Direction (AREA)
- Manipulator (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
(産業上の利用分野)
本発明は、マニピュレータ用の制御装置及び方法に関し
、特に、フィードバック信号を合成し、負荷のモデル化
を利用することにより解読コンブライアント(reso
lved compliant)運動制御を与えて、サ
ーボループの応答を改善する制御装置及び方法に関する
ものである。
、特に、フィードバック信号を合成し、負荷のモデル化
を利用することにより解読コンブライアント(reso
lved compliant)運動制御を与えて、サ
ーボループの応答を改善する制御装置及び方法に関する
ものである。
(従来の技術、発明が解決しようとする問題点)複数の
軸又は継手で移動可能なマニピュレータアームを有する
マニピュレータ装置用のサーボループ制御系の速度は、
継手用制御ループのバンド中に依存する。マニピュレー
タ、特に高い負荷定格を持つものは、非常に低い1次の
非共鳴構造周波数を有するため、これら制御系の応答つ
まり安定動作用の速度は、比較的低い値に制限される。
軸又は継手で移動可能なマニピュレータアームを有する
マニピュレータ装置用のサーボループ制御系の速度は、
継手用制御ループのバンド中に依存する。マニピュレー
タ、特に高い負荷定格を持つものは、非常に低い1次の
非共鳴構造周波数を有するため、これら制御系の応答つ
まり安定動作用の速度は、比較的低い値に制限される。
これまで、トルクループ、圧力(油圧)又は流れ(電流
)のフィードバック及び慣性の計量化(scaling
)を用いることにより、例えば米国特許Na4,362
,978に記述のごとく、マニピュレータ装置の安定な
応答が改善されてきた。
)のフィードバック及び慣性の計量化(scaling
)を用いることにより、例えば米国特許Na4,362
,978に記述のごとく、マニピュレータ装置の安定な
応答が改善されてきた。
より速い応答と動作速度を達成するのが望ましいので、
機械的設計が最適とすれば、残る唯一の可能性は制御系
を改良することである。
機械的設計が最適とすれば、残る唯一の可能性は制御系
を改良することである。
1つの方法は、マニピュレータアームの各点又は継手か
らのフィードバック信号であって増大したバンド中を与
えるフィードバック信号を利用することである。しかし
、継手又は軸の相互接続及び構造部材が複雑であるため
、これらのフィードハック信号は、理論的にも実用的に
も計算あるいは測定いずれで得るのも困難である。
らのフィードバック信号であって増大したバンド中を与
えるフィードバック信号を利用することである。しかし
、継手又は軸の相互接続及び構造部材が複雑であるため
、これらのフィードハック信号は、理論的にも実用的に
も計算あるいは測定いずれで得るのも困難である。
従って、本発明の主な目的は、構造的なコンプライアン
スを考慮に入れ、コンブライアント構造の後方に位置し
たアームのより遠い地点における移動を表わすフィード
バック信号を合成する負荷モデル化技術を使用すること
によって、ループのバンド中とサーボ応答が改善された
マニピュレータ装置用の制御システムを提供することに
ある。
スを考慮に入れ、コンブライアント構造の後方に位置し
たアームのより遠い地点における移動を表わすフィード
バック信号を合成する負荷モデル化技術を使用すること
によって、ループのバンド中とサーボ応答が改善された
マニピュレータ装置用の制御システムを提供することに
ある。
合成信号は、コンブライアント構造の前方における運動
を表わすフィードバック信号から合成され、合成フィー
ドバック信号の使用により、サーボル−プのバンド11
は、マニピュレータ構造の1次の非共鳴周波数を越えて
上昇される。
を表わすフィードバック信号から合成され、合成フィー
ドバック信号の使用により、サーボル−プのバンド11
は、マニピュレータ構造の1次の非共鳴周波数を越えて
上昇される。
(問題点を解決するだめの手段、作用)要約すれば、本
発明の上記及びその他の目的は、複数の軸で移動可能な
マニピュレータアームを有し、解読コンブライアント運
動制御を利用してサーボ応答特性を改善するマニピュレ
ータ装置用の制御システムを提供することによって達成
される。
発明の上記及びその他の目的は、複数の軸で移動可能な
マニピュレータアームを有し、解読コンブライアント運
動制御を利用してサーボ応答特性を改善するマニピュレ
ータ装置用の制御システムを提供することによって達成
される。
マニピュレータアームの位置と速度ハ、アームノコンブ
ライアンスを考慮に入れ、アームノ遠イ地点の運動を表
わすフィードバック信号であって、駆動地点により近く
てマニピュレータの上記より遠くない内側地点からのフ
ィードパ・ツク信号で得られるのより大きいループバン
ド中を与えるフィードバック信号を合成する負荷のモデ
ル化を用しすることによって、制御される。フィードツ
マ・ツク信号は、軸駆動機構からの力に関するフィード
ツク信号と、マニピュレータの主ドライブ及び支持構造
により近い地点であって且つマニピュレータアームのコ
ンブライアント部分より前方の地点におけるマニピュレ
ータアーム装置の位置及び速度フィードバック信号と、
の所定の組合せを使って’4られる。マニピュレータア
ームの応答と制御を更に高めるため、負荷のモデル化は
、作業動作中にマニピュレータアームが停止される前に
、制御された減速を与えるのにも使われる。
ライアンスを考慮に入れ、アームノ遠イ地点の運動を表
わすフィードバック信号であって、駆動地点により近く
てマニピュレータの上記より遠くない内側地点からのフ
ィードパ・ツク信号で得られるのより大きいループバン
ド中を与えるフィードバック信号を合成する負荷のモデ
ル化を用しすることによって、制御される。フィードツ
マ・ツク信号は、軸駆動機構からの力に関するフィード
ツク信号と、マニピュレータの主ドライブ及び支持構造
により近い地点であって且つマニピュレータアームのコ
ンブライアント部分より前方の地点におけるマニピュレ
ータアーム装置の位置及び速度フィードバック信号と、
の所定の組合せを使って’4られる。マニピュレータア
ームの応答と制御を更に高めるため、負荷のモデル化は
、作業動作中にマニピュレータアームが停止される前に
、制御された減速を与えるのにも使われる。
本発明の動作の機構と方法は、上記以外の目的と利点を
含め、添付の図面を参照した以下の説明から充分に理解
されるであろう。
含め、添付の図面を参照した以下の説明から充分に理解
されるであろう。
(実 施 例)
本発明は、構造の被駆動点と、マニピュレータアーム構
造のそれより遠い地点と、の間にコンブライアント構造
を有するマニピュレータ装置を、駆動点により近く且つ
コンブライアント構造より前方の構造地点で検知された
フィートノ\・ツク信号から、外側のアーム位置を表わ
すフィードノー・ツク信号を合成することによって、制
御するのに有用である。以下本発明の実施動作と構造を
、代表的なマニピュレータ構造とマニピュレータの被制
御軸を1つだけ有する図示例について説明する。しかし
、以下詳述するように、本発明は、各種B様のマニピュ
レータ構造に適用でき、マニピュレータの1つ以上任意
な数の軸の運動を制御するのに使用可能である。
造のそれより遠い地点と、の間にコンブライアント構造
を有するマニピュレータ装置を、駆動点により近く且つ
コンブライアント構造より前方の構造地点で検知された
フィートノ\・ツク信号から、外側のアーム位置を表わ
すフィードノー・ツク信号を合成することによって、制
御するのに有用である。以下本発明の実施動作と構造を
、代表的なマニピュレータ構造とマニピュレータの被制
御軸を1つだけ有する図示例について説明する。しかし
、以下詳述するように、本発明は、各種B様のマニピュ
レータ構造に適用でき、マニピュレータの1つ以上任意
な数の軸の運動を制御するのに使用可能である。
米国特許Na3,661.051及びNci4,275
.986に記されたマニピュレータの構造について考え
ると、マニピュレータアームの動きを制御するために駆
動される相互接続された構造部分に対応するマニピュレ
ータの継手又は軸は、多数度(many degree
s)のスプリング部材を含む可撓性構造を持った能動的
なコンブライアント系である。実際のシステム及び実際
の作業上の問題からすると、1つ又は2つのスプリング
部材だけが、はる埼1に少ないスチフであって他のスプ
リング部材にわたって支配するため、マニピュレータ継
手の性能に影響を及ぼす。こうしたより支配的なスプリ
ング部材は、通常、構造部材間の接続点に位置する。
.986に記されたマニピュレータの構造について考え
ると、マニピュレータアームの動きを制御するために駆
動される相互接続された構造部分に対応するマニピュレ
ータの継手又は軸は、多数度(many degree
s)のスプリング部材を含む可撓性構造を持った能動的
なコンブライアント系である。実際のシステム及び実際
の作業上の問題からすると、1つ又は2つのスプリング
部材だけが、はる埼1に少ないスチフであって他のスプ
リング部材にわたって支配するため、マニピュレータ継
手の性能に影響を及ぼす。こうしたより支配的なスプリ
ング部材は、通常、構造部材間の接続点に位置する。
こ\で第1図を参照すると、はとんどの小型電気マニピ
ュレータの各継手とその付属構造は、1度のコンブライ
アント運動を脩えた継手として表わせ〜第1a図の2質
量−1スプリング系としてモデル化でき、第1b図に示
したような電気等価(analogue)回路を有する
。尚同図中、印加トルクTは電圧、各質量Jの慣性はイ
ンダクタンス、速度すは電流、バネ定数には容量の逆数
にそれぞれ対応する。このモデルで、dlはフィードハ
ックタコメータで検出された継手の速度、δ2は負荷の
速度、Jlはモータ又はトランクの慣性、J2は負荷と
アーム継手構造の慣性、K、は調和振動駆動のスチフネ
スをそれぞれ表わしている。
ュレータの各継手とその付属構造は、1度のコンブライ
アント運動を脩えた継手として表わせ〜第1a図の2質
量−1スプリング系としてモデル化でき、第1b図に示
したような電気等価(analogue)回路を有する
。尚同図中、印加トルクTは電圧、各質量Jの慣性はイ
ンダクタンス、速度すは電流、バネ定数には容量の逆数
にそれぞれ対応する。このモデルで、dlはフィードハ
ックタコメータで検出された継手の速度、δ2は負荷の
速度、Jlはモータ又はトランクの慣性、J2は負荷と
アーム継手構造の慣性、K、は調和振動駆動のスチフネ
スをそれぞれ表わしている。
このモデルは、次に示す関係で数学的に定義される:
T Kt(θ1−θz) = J lθ1 (
1)K、(θ1−θz)=Jzθ2(2) 速度とトルク間の伝達関数は、次のように得られる: T (s) (J+ + JZ) s (1+ s”
/w7+”)(J++Jz) K区 但し、Wr、+ と11.1 は、それぞれJ、、
J、及びに、から得られる共鳴及び非共鳴周波であり、
Wa+は1.より低い。
1)K、(θ1−θz)=Jzθ2(2) 速度とトルク間の伝達関数は、次のように得られる: T (s) (J+ + JZ) s (1+ s”
/w7+”)(J++Jz) K区 但し、Wr、+ と11.1 は、それぞれJ、、
J、及びに、から得られる共鳴及び非共鳴周波であり、
Wa+は1.より低い。
パラメータJ r、 J 2.”K’lが、幾何形状か
ら容易に計算できないときは、タコメータからの継手速
度θ、を記録しながら、継手のアクチュエータをサイン
波状入力トルクにより異なった周波数で駆動する周波数
解析法で得られる。j 、/’rの最小比を持つ周波数
か−、1であり、I;t/Tの最大比を持つ周波数がW
r+である。更に式(3)から、極めて低い周波数にお
いて、継手と付属構造は、1つの合計慣性Jt =Jl
+、J2を持った剛性系として挙動する。従って、Jt
はタコメータの測定値から得られ、印加トルク又は圧力
の値は油圧アクチュエータから得られる。、J、、、H
□及びIv、、Iに基き〜継手パラメータは、式(5)
、(6)から得た以下の関係に従って計算できる: hr+ Jz=Jt 、il (slK+
=’J! ka% f9)パラメー
タJ1とに、が得られ、負荷慣性J2は異なった負荷と
マニピュレータ位置によって変化する。
ら容易に計算できないときは、タコメータからの継手速
度θ、を記録しながら、継手のアクチュエータをサイン
波状入力トルクにより異なった周波数で駆動する周波数
解析法で得られる。j 、/’rの最小比を持つ周波数
か−、1であり、I;t/Tの最大比を持つ周波数がW
r+である。更に式(3)から、極めて低い周波数にお
いて、継手と付属構造は、1つの合計慣性Jt =Jl
+、J2を持った剛性系として挙動する。従って、Jt
はタコメータの測定値から得られ、印加トルク又は圧力
の値は油圧アクチュエータから得られる。、J、、、H
□及びIv、、Iに基き〜継手パラメータは、式(5)
、(6)から得た以下の関係に従って計算できる: hr+ Jz=Jt 、il (slK+
=’J! ka% f9)パラメー
タJ1とに、が得られ、負荷慣性J2は異なった負荷と
マニピュレータ位置によって変化する。
例えば米国特許1に3,661.051の第1図に示し
たtlNIMATE (商標)2000又は4000
シリーズの装置等、大型のマニピュレータについて見る
と、トランク60の垂直軸を中心としたブーム又はアー
ム組体50の運動で規定される回転継手又は軸は、2度
のコンプライアンスつまり2個のスプリング部材を持つ
系に対応する。第1のスプリング部材は、ブーム又はア
ーム50のトランク606二対する“肩”継手への接続
を表わす。第2のスプリング部材は、ブーム組体50の
コンプライアンスを表わす。
たtlNIMATE (商標)2000又は4000
シリーズの装置等、大型のマニピュレータについて見る
と、トランク60の垂直軸を中心としたブーム又はアー
ム組体50の運動で規定される回転継手又は軸は、2度
のコンプライアンスつまり2個のスプリング部材を持つ
系に対応する。第1のスプリング部材は、ブーム又はア
ーム50のトランク606二対する“肩”継手への接続
を表わす。第2のスプリング部材は、ブーム組体50の
コンプライアンスを表わす。
米国特許Nct4,275,986に記載されその第2
7図に示された被制御軸又は継手を持つような外旋(r
evolute)継手マニピュレータ装置の場合、第2
のスプリング部材はエルボに位置する。
7図に示された被制御軸又は継手を持つような外旋(r
evolute)継手マニピュレータ装置の場合、第2
のスプリング部材はエルボに位置する。
次に第2図を参照すると、第2図に示した3質量−2ス
プリング系の機械的モデルは、高デユーテイマニピュレ
ータの回転軸又は継手を表わしている。その電気等価回
路を第2b図に示す。このモデルでは、減衰係数が無視
されている。
プリング系の機械的モデルは、高デユーテイマニピュレ
ータの回転軸又は継手を表わしている。その電気等価回
路を第2b図に示す。このモデルでは、減衰係数が無視
されている。
第2図のモデルは以下の関係で表わせるTT −K 、
(θ1−θz)−J+θ、 (10)K
、(θ1−62)−に2(θ2−θ3)−J2θ、 (
11)K2(θ2−θz)=Jzθ3
(12)速度とトルクの間の伝達関数は次のように得
られる: T (s) Jts(1+s”/wr+”)(1+
s2/mrz”)汐z(s) ’ (1+s”/w
+13”)但し JL −JI+Jz+、J3
’ (16)wrI2= 1 / 2 (e−R
7下) ’(17)Wry” = 1 / 2 (
e + 5”TT ) (18)w、+” =
1 / 2 (g −aT−1) (21)Wa
2” =1/2 (g十Ji]r−=−π) (2
2)イ旦しMat<Wrt<Mat<Wrz + Ma
t<Wa3<Wa2aUNIMATE(商標)2000
シリーズマニピユレータの例において、各パラメータは
次のように定義される: J、 l−ランクの慣性 δ1 トランクの速度 J2 ブームの慣性 δ2 ブーム速度 J、 手又は負荷(外側アーム)の慣性03 手又は負
荷(外側アーム)の速度通常、パラメータは未知であり
、幾何形状から計算するのがかなり困難なため、アクチ
ュエータをサイン波状の入力トルクにより異なった周波
数で駆動し、タコメータによりθ、を記録し、加速度計
からの積算でbtと63を記録する上記のような周波数
解析法が用いられる。又、W11+5例!2.l’1m
3+Wrl+Wr2は、振巾及び位相対周波数のプロッ
トから求められる。従って、合計慣性は上述した低周波
数法から得られる。パラメータJL r l1al+
病、3.何。、及び料2により、残りの継手ラメータは
、次の関係に従って近似的に求めることができる: a、b、c及びdを次式で各々定義する二a ”Wa3
” 、= K z / J 2 (26)こ
れらの変数を代入すると、各パラメータは次のように得
られる: J 、 = −J L(30) J 3= J t〜Jt Jt (3
2)K = −Jt(33) Kt = a J2(34) 上記の関係から、全てのマニピュレータ構造について、
J、、J2.に、が定数であり、J3が負荷に依存する
変数であることが理解できよう。又、K2は、外旋継手
アームの場合定数であり、米国特許血3.66LO51
に示されたような伸張可能部を含むアーム又はブーム組
体を備えたマニピュレータの場合変数である。
(θ1−θz)−J+θ、 (10)K
、(θ1−62)−に2(θ2−θ3)−J2θ、 (
11)K2(θ2−θz)=Jzθ3
(12)速度とトルクの間の伝達関数は次のように得
られる: T (s) Jts(1+s”/wr+”)(1+
s2/mrz”)汐z(s) ’ (1+s”/w
+13”)但し JL −JI+Jz+、J3
’ (16)wrI2= 1 / 2 (e−R
7下) ’(17)Wry” = 1 / 2 (
e + 5”TT ) (18)w、+” =
1 / 2 (g −aT−1) (21)Wa
2” =1/2 (g十Ji]r−=−π) (2
2)イ旦しMat<Wrt<Mat<Wrz + Ma
t<Wa3<Wa2aUNIMATE(商標)2000
シリーズマニピユレータの例において、各パラメータは
次のように定義される: J、 l−ランクの慣性 δ1 トランクの速度 J2 ブームの慣性 δ2 ブーム速度 J、 手又は負荷(外側アーム)の慣性03 手又は負
荷(外側アーム)の速度通常、パラメータは未知であり
、幾何形状から計算するのがかなり困難なため、アクチ
ュエータをサイン波状の入力トルクにより異なった周波
数で駆動し、タコメータによりθ、を記録し、加速度計
からの積算でbtと63を記録する上記のような周波数
解析法が用いられる。又、W11+5例!2.l’1m
3+Wrl+Wr2は、振巾及び位相対周波数のプロッ
トから求められる。従って、合計慣性は上述した低周波
数法から得られる。パラメータJL r l1al+
病、3.何。、及び料2により、残りの継手ラメータは
、次の関係に従って近似的に求めることができる: a、b、c及びdを次式で各々定義する二a ”Wa3
” 、= K z / J 2 (26)こ
れらの変数を代入すると、各パラメータは次のように得
られる: J 、 = −J L(30) J 3= J t〜Jt Jt (3
2)K = −Jt(33) Kt = a J2(34) 上記の関係から、全てのマニピュレータ構造について、
J、、J2.に、が定数であり、J3が負荷に依存する
変数であることが理解できよう。又、K2は、外旋継手
アームの場合定数であり、米国特許血3.66LO51
に示されたような伸張可能部を含むアーム又はブーム組
体を備えたマニピュレータの場合変数である。
上記のモデル、等価回路及び関連パラメータによれば、
d、がマニピュレータトランクからの位置エンコーダの
微分の形で又はタコメータからのサーボループフィード
ハック信号として検出されるような継手速度制御サーボ
ループの場合、非共鳴周波数61が制限因子と認められ
る。
d、がマニピュレータトランクからの位置エンコーダの
微分の形で又はタコメータからのサーボループフィード
ハック信号として検出されるような継手速度制御サーボ
ループの場合、非共鳴周波数61が制限因子と認められ
る。
例えば第3図を参照すると、サイン波状の入力トルクを
トランク駆動用の回転アクチュエータに加えた結果帯ら
れる各パラメータδ1.δ2及びθ3の振巾の周波数に
対するプロントは、例示のマニピュレータ構成の場合、
HeIが約4Hzであることを示している。
トランク駆動用の回転アクチュエータに加えた結果帯ら
れる各パラメータδ1.δ2及びθ3の振巾の周波数に
対するプロントは、例示のマニピュレータ構成の場合、
HeIが約4Hzであることを示している。
従って、マニピュレータの回転軸が速度フィードバック
信号θ1を持つ通常の継手サーボ系で制御されると、速
度ループのバンド中は約2112に制限され、位置ルー
プのバンド中は約1.2 Hzに制限される。
信号θ1を持つ通常の継手サーボ系で制御されると、速
度ループのバンド中は約2112に制限され、位置ルー
プのバンド中は約1.2 Hzに制限される。
米国特許L4,362,978に記されたようなトルク
に関するフィードバックを含むトルク命令ループを用い
たサーボ制御では、トルクつまり力のループで7〜8翫
のバンド中が可能である。しかし、θ、として測定され
るトランク速度は碑1、では\0に下降し、従って、大
きなエラー信号が生ずる。これは、1゜の率で比較的小
さい振巾の速度命令に応じ、アーム又はブームが大きく
変位するという結果をもたらす。
に関するフィードバックを含むトルク命令ループを用い
たサーボ制御では、トルクつまり力のループで7〜8翫
のバンド中が可能である。しかし、θ、として測定され
るトランク速度は碑1、では\0に下降し、従って、大
きなエラー信号が生ずる。これは、1゜の率で比較的小
さい振巾の速度命令に応じ、アーム又はブームが大きく
変位するという結果をもたらす。
つまり、トランクが効果的に停止する一方、ブーム/ア
ーム複合部は、サーボループ制御と独立して移動する。
ーム複合部は、サーボループ制御と独立して移動する。
こうした状況は、サーボループの設計が一11値以下の
比較的低い値に制限される結果を生み、θ、でトランク
から見た負荷のコンブライアント性によって生じる。
比較的低い値に制限される結果を生み、θ、でトランク
から見た負荷のコンブライアント性によって生じる。
マニピュレータの制御を向上する1つの可能性は、機械
的設計を改善し、トランクとアーム/ブーム組体間の継
手にスチフネスのより高いスプリング部材を設けること
にある。しかし、機械的構造を最適化しても、比較的低
い周波数では、同様の制限状況が尚存在する。
的設計を改善し、トランクとアーム/ブーム組体間の継
手にスチフネスのより高いスプリング部材を設けること
にある。しかし、機械的構造を最適化しても、比較的低
い周波数では、同様の制限状況が尚存在する。
第3図の02とδ3のプロットを検討すると、最も高い
サーボループバンド中が可能である速度を検知するのに
最良であるマニピュレータの構造上の地点は、ブーム/
アーム組体の外側における負荷の速度θ、であることが
分る。これは、d3をフィードバック信号として用いた
サーボループのバンド中ははるかに高くなり、制御する
のに望ましい実際の地点での情報を与えることから、真
実である。これが理論上理想的としても、δ3を計算又
は測定するのは極めて難しく、実用的でない。又、dz
もサーボループのバンド中上良好なフィードバック信号
を与えるが、この信号も同じく計算又は測定するのが難
しい。例えば、フィードバック信号としてθ2を用いる
と、速度ループについて4〜5 Jlzのバンド中が可
能であり、これは、フィードバック信号としてθ。
サーボループバンド中が可能である速度を検知するのに
最良であるマニピュレータの構造上の地点は、ブーム/
アーム組体の外側における負荷の速度θ、であることが
分る。これは、d3をフィードバック信号として用いた
サーボループのバンド中ははるかに高くなり、制御する
のに望ましい実際の地点での情報を与えることから、真
実である。これが理論上理想的としても、δ3を計算又
は測定するのは極めて難しく、実用的でない。又、dz
もサーボループのバンド中上良好なフィードバック信号
を与えるが、この信号も同じく計算又は測定するのが難
しい。例えば、フィードバック信号としてθ2を用いる
と、速度ループについて4〜5 Jlzのバンド中が可
能であり、これは、フィードバック信号としてθ。
を用いた速度ループにおけるリミットの少くとも2倍で
ある。
ある。
本発明によれば、例えば、フィードバック信号θ2が、
θ】のフィードバック信号と、油圧アクチュエータ用の
回転アクチュエータに加えられるトルク又は力あるいは
電気作動アクチュエータ用の駆動モータに加えられる電
流と、を用いて、マニピュレータ構造のモデルから合成
される。これにより、コンブライアント部材の前方にお
けるフィードバック測定から、コンブライアント部材の
後方におけるマニピュレータアームの外側地点の速度と
位置を定義可能となる。このようにして速度サーボルー
プのバンド中は、θ8のフィードバック信号を利用しな
がらも匈、、の周波数点を越えて延長できる。
θ】のフィードバック信号と、油圧アクチュエータ用の
回転アクチュエータに加えられるトルク又は力あるいは
電気作動アクチュエータ用の駆動モータに加えられる電
流と、を用いて、マニピュレータ構造のモデルから合成
される。これにより、コンブライアント部材の前方にお
けるフィードバック測定から、コンブライアント部材の
後方におけるマニピュレータアームの外側地点の速度と
位置を定義可能となる。このようにして速度サーボルー
プのバンド中は、θ8のフィードバック信号を利用しな
がらも匈、、の周波数点を越えて延長できる。
第2図に示したような3質量−2スプリング系を含む高
デユーテイ、高ペイロードのマニピュレータアームモデ
ルの場合、多くの実用用途では、トランク頂部のスプリ
ングに、(肩継手)の方がはるかに軟かく、従って、ブ
ーム組体のコンプライアンスを表わすスプリングに2よ
り大巾に低いパラメータ値を持つ。従って、K2はに、
よりはるかに大きく無限大に等しく設定でき、このため
、構造モデル又はサーボ制御系の挙動あるいは解析に有
意な影響を及ぼさないので無視できる。
デユーテイ、高ペイロードのマニピュレータアームモデ
ルの場合、多くの実用用途では、トランク頂部のスプリ
ングに、(肩継手)の方がはるかに軟かく、従って、ブ
ーム組体のコンプライアンスを表わすスプリングに2よ
り大巾に低いパラメータ値を持つ。従って、K2はに、
よりはるかに大きく無限大に等しく設定でき、このため
、構造モデル又はサーボ制御系の挙動あるいは解析に有
意な影響を及ぼさないので無視できる。
すなわち、説明の便宜上、本発明の高デユーテイマニピ
ュレータへの適用を説明するのに、2質量−1スプリン
グモデルを用いる。これは、モデルが小型マニピュレー
タへの適用の場合゛と同じなので便利である。しかし、
例示として用いる特殊のモデルは、いかなる意味におい
ても本発明の概念又は応用を制限するものと解されるべ
きでない。
ュレータへの適用を説明するのに、2質量−1スプリン
グモデルを用いる。これは、モデルが小型マニピュレー
タへの適用の場合゛と同じなので便利である。しかし、
例示として用いる特殊のモデルは、いかなる意味におい
ても本発明の概念又は応用を制限するものと解されるべ
きでない。
こへで、再び第1図を参照すると、このモデルと等価回
路は、第2図に示した高デユーテイマニピュレータモデ
ルの近似であり、第1図のJ2は、第2図の複合慣性J
t =J2+J3に等しくこれを表わしている。
路は、第2図に示した高デユーテイマニピュレータモデ
ルの近似であり、第1図のJ2は、第2図の複合慣性J
t =J2+J3に等しくこれを表わしている。
第1b図から次の式が得られる:
θ2−θ、−θ。 (35)但し、O
Klはスプリング部材に、の速度である。
Klはスプリング部材に、の速度である。
θ1がエンコーダからの検知位置であり、θ、がタコメ
ータからの検知速度ならば、信金を合成するのに02.
θ81が得られなければつまり解かれなげれ゛ばならな
い。第1b図の等価回路から、”’に+は次式で定義さ
れる: 信号0は、合成近似解を表わすのに使われている。
ータからの検知速度ならば、信金を合成するのに02.
θ81が得られなければつまり解かれなげれ゛ばならな
い。第1b図の等価回路から、”’に+は次式で定義さ
れる: 信号0は、合成近似解を表わすのに使われている。
式(36)のθX1を式(35)に代入すると:UNI
MATE(商標)2000及び4000型マニピユレー
タのようなほとんど大型マニピュレータにおける回転軸
の例でのどと(J、<<Jtなら、θ2は弐(37)か
ら次のように書き直せ、あらゆる実用目的に使用可能な
推定値を与える良好な近似が得られる二に+ 位置θ2を考えると、位置θ2は第1図から次のように
表わせる。: θ2−θ】−θxI’ (39) θ。は式(36)を積分して次式で表わせる:再び、J
、<<K、ならばθ2は式(39) 、 (4,0)か
ら次式で表わせる: θ2−θ、 −T/に、 (41)本
発明の重要な特徴によると、式(38)、 (41)で
表わされるフィードバック信号は、コンブライアント構
造の前方におけるトランクの位置θ、と速度θ。
MATE(商標)2000及び4000型マニピユレー
タのようなほとんど大型マニピュレータにおける回転軸
の例でのどと(J、<<Jtなら、θ2は弐(37)か
ら次のように書き直せ、あらゆる実用目的に使用可能な
推定値を与える良好な近似が得られる二に+ 位置θ2を考えると、位置θ2は第1図から次のように
表わせる。: θ2−θ】−θxI’ (39) θ。は式(36)を積分して次式で表わせる:再び、J
、<<K、ならばθ2は式(39) 、 (4,0)か
ら次式で表わせる: θ2−θ、 −T/に、 (41)本
発明の重要な特徴によると、式(38)、 (41)で
表わされるフィードバック信号は、コンブライアント構
造の前方におけるトランクの位置θ、と速度θ。
及び印加トルクTに基いて、コンブライアント肩構造を
越えた後方のブー云速度及び位置を表わす位置及び速度
のフィードバック信号を提供するのに使われる;つまり
、負荷のモデル化と、コンブライアント構造より前方で
あって駆動点により近いところで検知されたフィードバ
ック信号と、から得られる合成フィードバック信号θ2
、θ2は改良されたバンド巾のサーボ制御ループを与え
るのに使われる。
越えた後方のブー云速度及び位置を表わす位置及び速度
のフィードバック信号を提供するのに使われる;つまり
、負荷のモデル化と、コンブライアント構造より前方で
あって駆動点により近いところで検知されたフィードバ
ック信号と、から得られる合成フィードバック信号θ2
、θ2は改良されたバンド巾のサーボ制御ループを与え
るのに使われる。
上記では例示を目的として1度のコンブライアント運動
の一例を解いて合成フィードバック信号を得たが、勿論
本発明はそれより高いオーダ一つまり度のコンブライア
ント運動を解くのにも適用できる。但し勿論、そのよう
な高度のコンブライアント運動は、実用に適した近似を
与えるのがもっと複雑になり、又後に詳述するようなフ
ィードバック信号を合成化するためのサーボ制御系にお
ける手段もより複雑になる。
の一例を解いて合成フィードバック信号を得たが、勿論
本発明はそれより高いオーダ一つまり度のコンブライア
ント運動を解くのにも適用できる。但し勿論、そのよう
な高度のコンブライアント運動は、実用に適した近似を
与えるのがもっと複雑になり、又後に詳述するようなフ
ィードバック信号を合成化するためのサーボ制御系にお
ける手段もより複雑になる。
次に第4図を参照すると、UNIMATE (商標)
2000又は4000型マニピユレータのような高デユ
ーテイマニピュレータの回転軸という特殊な例における
対象のパラメータと点が模式的に示しである。前述のご
とく、第1図の単純化モデルはに2の貢献を無視し、第
1図のJ2としてJ2とJ、の合計慣性を含む。更に、
外旋マニピュレータ用のパラメータが第5図に模式的に
示しである。
2000又は4000型マニピユレータのような高デユ
ーテイマニピュレータの回転軸という特殊な例における
対象のパラメータと点が模式的に示しである。前述のご
とく、第1図の単純化モデルはに2の貢献を無視し、第
1図のJ2としてJ2とJ、の合計慣性を含む。更に、
外旋マニピュレータ用のパラメータが第5図に模式的に
示しである。
例示として第6図を参照しながら、本発明をUNIMA
TE 2000マニピユレータの回転軸に実施する場合
を考えると、ブロック図を表わすのbこ油圧−アクチュ
エータと油圧系が評価がされる。第6図すこ示した各パ
ラメータは、次のように定義される: V、 、V2 二送り及び戻り室の容積、in”。
TE 2000マニピユレータの回転軸に実施する場合
を考えると、ブロック図を表わすのbこ油圧−アクチュ
エータと油圧系が評価がされる。第6図すこ示した各パ
ラメータは、次のように定義される: V、 、V2 二送り及び戻り室の容積、in”。
Q+ 、G2 :送り及び戻り流量、in3/see
。
。
p、、pz =送り及び戻り圧力、pSi 。
Ap ニ ピストン面積、in2゜Xp :
ピストン変位、in。
ピストン変位、in。
R: トランクギヤ半径、in。
θ : トランク回転角、radian。
F : 線形力、pound 。
T : 回転力、in−/b。
油圧アクチュエータ系を定義するには、次の関係が役に
立つ: APL=PI Pg dt e dtQ+Qz V r = Vo + Ap XpV2=V0+
AIl xp Vt、= VH+ Vz 2V6 但し、β8=アクチユエータ系の有効体積率、psiV
o−各室の初期容積、in3 ■t=画室の合計含有容量、1n3 QL=負荷流量、in” /sec。
立つ: APL=PI Pg dt e dtQ+Qz V r = Vo + Ap XpV2=V0+
AIl xp Vt、= VH+ Vz 2V6 但し、β8=アクチユエータ系の有効体積率、psiV
o−各室の初期容積、in3 ■t=画室の合計含有容量、1n3 QL=負荷流量、in” /sec。
そして上記の関係から:
2βe dt dt
dt dt dtd/dt
Ps = 0 但しPsは一定の供給圧力であるから:QL = A
X 、 + V J4e clPt/dt又女
p=RfJであるから、 QL =ARδ+V、/4 dPt/dt (4
2)力F、、トルクT及び負荷圧力APLの関係は:F
”= A P t 及びT = A RP L(4
3)UNIl’1ATE 2000の回転軸では、A=
4.91in”、R=4.5in、 Vt =1−30
in” 、β、=2X106psiである。しかし、流
れ中にトラップされた空気のため、β8はもっと低い値
になる。
Ps = 0 但しPsは一定の供給圧力であるから:QL = A
X 、 + V J4e clPt/dt又女
p=RfJであるから、 QL =ARδ+V、/4 dPt/dt (4
2)力F、、トルクT及び負荷圧力APLの関係は:F
”= A P t 及びT = A RP L(4
3)UNIl’1ATE 2000の回転軸では、A=
4.91in”、R=4.5in、 Vt =1−30
in” 、β、=2X106psiである。しかし、流
れ中にトラップされた空気のため、β8はもっと低い値
になる。
MOOG型AO7,6X’775線形サーボ弁が制御さ
れて送り及び流量Q4、Qtを与える特別な例では、サ
ーボ弁への駆動電流I (単位mA)と出力流1Qt(
単位in’ /sec )の間の伝達関数はニ一般に、
δと印加トルクTの間の関係は次の通り:T(s)
’ Jts 但し、Jtは、トランクギヤの中心に対する継手の合計
慣性であり、Gz(s)はグイナミソク負荷を表わす。
れて送り及び流量Q4、Qtを与える特別な例では、サ
ーボ弁への駆動電流I (単位mA)と出力流1Qt(
単位in’ /sec )の間の伝達関数はニ一般に、
δと印加トルクTの間の関係は次の通り:T(s)
’ Jts 但し、Jtは、トランクギヤの中心に対する継手の合計
慣性であり、Gz(s)はグイナミソク負荷を表わす。
負荷がn個のスプリングを持つ場合、G2(S)は次式
゛で表わせる: 式(42)〜(45)から、回転アクチュエータ系のブ
ロック図は、第7図のように表わすことができる。又、
トランクの速度と流量の間の伝達関数は次式で表わせる
: (Gt(s、)、 ) δ(s) ^R QL(S) S”/se、” +GL(s)但し であり、Wl、は油圧の非減衰固有周波数。
゛で表わせる: 式(42)〜(45)から、回転アクチュエータ系のブ
ロック図は、第7図のように表わすことができる。又、
トランクの速度と流量の間の伝達関数は次式で表わせる
: (Gt(s、)、 ) δ(s) ^R QL(S) S”/se、” +GL(s)但し であり、Wl、は油圧の非減衰固有周波数。
又、PLとQLO間の関係は次のように表わせる:従っ
て、第7図の油圧系ブロック図は第8図のフロック図に
縮約できる。
て、第7図の油圧系ブロック図は第8図のフロック図に
縮約できる。
11NIMATE 2000の回転軸に関するパラメー
タについては、測定と解析から下記の値が得られた:肩
前方の慣性: J + = 90 1n−1b−sec
”手の慣性:ブームイン: Jh== 530 1n−
1b−sec” ブームアウト: Jbo=2100 1nlb−sec
” 鋳物の慣性: Jc=Jti−J、−J□、、= 36
0in −1b −sec” 負荷の慣性;ブームイン:Jい=270in−1b−s
ee” ブームアウト:JL、=1050 inlb−sec” K + = 5− I X 10 ’ 1n−1b/r
ad。
タについては、測定と解析から下記の値が得られた:肩
前方の慣性: J + = 90 1n−1b−sec
”手の慣性:ブームイン: Jh== 530 1n−
1b−sec” ブームアウト: Jbo=2100 1nlb−sec
” 鋳物の慣性: Jc=Jti−J、−J□、、= 36
0in −1b −sec” 負荷の慣性;ブームイン:Jい=270in−1b−s
ee” ブームアウト:JL、=1050 inlb−sec” K + = 5− I X 10 ’ 1n−1b/r
ad。
但し、Jl、−合計慣性であり、使用負荷は651bで
あり、Jc十Jl、=Jzである。
あり、Jc十Jl、=Jzである。
上記の値は、本発明の実施及びその例示にとって有用だ
が、モデル化パラメータは、実際のマニピュレータの近
似に過ぎないことに留意されたい。
が、モデル化パラメータは、実際のマニピュレータの近
似に過ぎないことに留意されたい。
つまり、以上の解析は、本発明を実施するのに充分な精
度の値を与えるのに有用だが、マニピュレータはその構
造中りこ他のスプリング部材も含んでいるので、近似モ
デルと見なされるべきである。
度の値を与えるのに有用だが、マニピュレータはその構
造中りこ他のスプリング部材も含んでいるので、近似モ
デルと見なされるべきである。
共鳴及び非共鳴周波数も測定され、非共鳴周波数につい
ては負荷から無負荷状態でfaA=10〜12Hz、共
鳴周波数については39〜40Hzの近似値が得られた
。解析時には、10〜20Hzの範囲の他の低い共鳴周
波数が評価され、ベースの強化、ブームの延長、ロッド
の補強等を含む構造上の各種変化によって、周波数が高
められか、あるいは取り除かれた。
ては負荷から無負荷状態でfaA=10〜12Hz、共
鳴周波数については39〜40Hzの近似値が得られた
。解析時には、10〜20Hzの範囲の他の低い共鳴周
波数が評価され、ベースの強化、ブームの延長、ロッド
の補強等を含む構造上の各種変化によって、周波数が高
められか、あるいは取り除かれた。
本発明で用いる回転軸の制御系は、圧力(トルク又は力
)ループ、速度ループ、及び位置ループを含む。この一
般的構成の説明は、米国特許隘4.362.978に記
してあり、同特許の第3図に示しである。
)ループ、速度ループ、及び位置ループを含む。この一
般的構成の説明は、米国特許隘4.362.978に記
してあり、同特許の第3図に示しである。
まず、圧力又はカループについて見ると、電流サーボ弁
増巾器への電圧で駆動される広いバンド中(7) MO
OG型弁MOOG A 076 X 775が、この用
途番二適している。サーボ増巾器のゲインが1vであり
28.37mAの駆動電流を与える本構成において、式
(44)は次のように書き直せる。:但し、V5は駆動
電圧である。
増巾器への電圧で駆動される広いバンド中(7) MO
OG型弁MOOG A 076 X 775が、この用
途番二適している。サーボ増巾器のゲインが1vであり
28.37mAの駆動電流を与える本構成において、式
(44)は次のように書き直せる。:但し、V5は駆動
電圧である。
再び第6図を参照すると、信号Pt=P+ Ptを与
えるのに差圧増巾器が使われる。又PI、Ptを測定し
、psLを差圧増巾器への入力用電圧に変換するために
、圧力変換器が配置されている。特定の実施例では、圧
力変換器の感度と偏差に応じ、偏差の調整及び平衡化ポ
テンショメータが設けられ、圧力フィードバック信号を
平衡化する。2重の積分を用い、低周波数に右ける負荷
を変化させる応答をより一定化させてもよい。更に、圧
力ループ用の補償器が設けられ、下記の伝達関数による
ゲインと位相シフトについて所望の周波数応答を確実と
する: 約6Hzのバンド中を持つ速度ループ、及び約3Hzの
バンド中を持つ位置ループに対応した制御系全体の適切
な応答には、20)Lzの圧力ループバンド中が望まし
い。こうして得られた閉圧力ループを、第9図のブロッ
ク図に示す。
えるのに差圧増巾器が使われる。又PI、Ptを測定し
、psLを差圧増巾器への入力用電圧に変換するために
、圧力変換器が配置されている。特定の実施例では、圧
力変換器の感度と偏差に応じ、偏差の調整及び平衡化ポ
テンショメータが設けられ、圧力フィードバック信号を
平衡化する。2重の積分を用い、低周波数に右ける負荷
を変化させる応答をより一定化させてもよい。更に、圧
力ループ用の補償器が設けられ、下記の伝達関数による
ゲインと位相シフトについて所望の周波数応答を確実と
する: 約6Hzのバンド中を持つ速度ループ、及び約3Hzの
バンド中を持つ位置ループに対応した制御系全体の適切
な応答には、20)Lzの圧力ループバンド中が望まし
い。こうして得られた閉圧力ループを、第9図のブロッ
ク図に示す。
次に、1次の非共鳴周波数が6Hzで複合負荷を駆動す
る速度ループとして、最大3)Lxのバンド中が一般的
である例について考える。つまり、本発明の解読コンブ
ライアント運動制御による速度ループで、最小6Hzの
バンド中を与える例を説明する。第10図を参照すると
、速度ループのプロ・り図が、式(38)の関係に従9
て82を合成する構成を示している。又、θ、と圧力へ
PLのそれぞれでタコメータからのフィードバック信号
中における高周波ノイズを濾波して取除くため、ループ
フィルタ100.102が加えである。従って、負荷モ
デルのパラメータ及び測定値ΔPL、PL、及びd、か
ら合成されるブーム又はマニピュレータアームのシミュ
レート化制御速度は、次式で与えられ゛る。
る速度ループとして、最大3)Lxのバンド中が一般的
である例について考える。つまり、本発明の解読コンブ
ライアント運動制御による速度ループで、最小6Hzの
バンド中を与える例を説明する。第10図を参照すると
、速度ループのプロ・り図が、式(38)の関係に従9
て82を合成する構成を示している。又、θ、と圧力へ
PLのそれぞれでタコメータからのフィードバック信号
中における高周波ノイズを濾波して取除くため、ループ
フィルタ100.102が加えである。従って、負荷モ
デルのパラメータ及び測定値ΔPL、PL、及びd、か
ら合成されるブーム又はマニピュレータアームのシミュ
レート化制御速度は、次式で与えられ゛る。
但し、K、 =に、 /にイ、■(□はΔPLを01と
関連させる換算係数である。この特定例では、Kg=1
157゜ 次に第11図を参照すると、閉速度ループのブロック図
全体が示しである。図中、プログラマブル慣性ブロック
Kvが慣性に従って変化する;慣性の計量化及びプログ
ラマブルな計量化の詳細については、米国特許N14.
362.978と1983年3月25日付のM、 J、
Dunneによる米国特許出願Th478,646
、とを参照。共鳴及び/又は調和ノイズが生ずる場合に
は、速度ループの正方向伝達関数中に能動ノツチフィル
タを設ける。この構成によると、複合合成フィードバッ
ク信号が、トランク速度l、の1次非共鳴周波数で応答
を与える。
関連させる換算係数である。この特定例では、Kg=1
157゜ 次に第11図を参照すると、閉速度ループのブロック図
全体が示しである。図中、プログラマブル慣性ブロック
Kvが慣性に従って変化する;慣性の計量化及びプログ
ラマブルな計量化の詳細については、米国特許N14.
362.978と1983年3月25日付のM、 J、
Dunneによる米国特許出願Th478,646
、とを参照。共鳴及び/又は調和ノイズが生ずる場合に
は、速度ループの正方向伝達関数中に能動ノツチフィル
タを設ける。この構成によると、複合合成フィードバッ
ク信号が、トランク速度l、の1次非共鳴周波数で応答
を与える。
次に、式(41)セ表わされる本発明に基く位置ループ
を考えると、位置補償ゲイン段Kpを含む全体の回転軸
制御系が第12図に示しである。
を考えると、位置補償ゲイン段Kpを含む全体の回転軸
制御系が第12図に示しである。
一部のマニピュレ〜り装置では、位置エンコーダ信号が
低い共鳴周波数を含み、これは、例えば駆動ギヤ列に接
続されたスチフネスの高いエンコーダ駆動チェーンを設
けることで、高められる。
低い共鳴周波数を含み、これは、例えば駆動ギヤ列に接
続されたスチフネスの高いエンコーダ駆動チェーンを設
けることで、高められる。
速度ループの正方向ゲインでフィルタを必要とする別の
用途及びマニピュレータアーム位置では、解読コンブラ
イアント運動制御の閉位置ループは、位置ループの性能
を改善しないか、又は、θ1がらの位置フィードバック
信号と比べ応答性能をわずかに劣化させる。これは、速
度フィルタによる低ゲイン限界の結果である。こうした
マニピュレータ構造の場合、110に現われる位置フィ
ードバック信号は、第12図の制御系から排除され、位
置ループに対する閉ループの解読コンプライ、アンド運
動制御を取除く。勿論、θ、の位置フィードバックがそ
のまま保持される。又、閉ループの解読コンブライアン
ト運動制御を使わない特定の実施例では、圧力−加速命
令に暴く供給正方向ブロック120を用いた開ループの
形で、位置ループに対する解読コンブライアント運動1
1mが行われる。
用途及びマニピュレータアーム位置では、解読コンブラ
イアント運動制御の閉位置ループは、位置ループの性能
を改善しないか、又は、θ1がらの位置フィードバック
信号と比べ応答性能をわずかに劣化させる。これは、速
度フィルタによる低ゲイン限界の結果である。こうした
マニピュレータ構造の場合、110に現われる位置フィ
ードバック信号は、第12図の制御系から排除され、位
置ループに対する閉ループの解読コンプライ、アンド運
動制御を取除く。勿論、θ、の位置フィードバックがそ
のまま保持される。又、閉ループの解読コンブライアン
ト運動制御を使わない特定の実施例では、圧力−加速命
令に暴く供給正方向ブロック120を用いた開ループの
形で、位置ループに対する解読コンブライアント運動1
1mが行われる。
更に、マニピュレータ構造のスチフネルを強めて最低非
共鳴周波数の発止を高めたり、もっと複雑で正確な系モ
デルを用い、本発明の実施例で得られるものより更にサ
ーボ応答を改善することもできる。
共鳴周波数の発止を高めたり、もっと複雑で正確な系モ
デルを用い、本発明の実施例で得られるものより更にサ
ーボ応答を改善することもできる。
しかし、閉位置ループの解読コンブライアント運動制御
を含まない速度ループの解読コンブラにアント運動制御
を用い、速度ループだけが位置ループと独立に変更され
ていても、解読コンブライアント運動制御はサーボルー
プの応答を改善できる。尚、例示を目的として回転軸用
の制御系について検討したが、本発明の解読コンブライ
アント運動制御の原理は、垂直軸等信のマニピュレータ
軸にも適用できる。垂直軸に実施する場合、モデルのし
々ラメータは、負荷、前進−後退軸及び上下軸の位Wに
よって変化する。
を含まない速度ループの解読コンブラにアント運動制御
を用い、速度ループだけが位置ループと独立に変更され
ていても、解読コンブライアント運動制御はサーボルー
プの応答を改善できる。尚、例示を目的として回転軸用
の制御系について検討したが、本発明の解読コンブライ
アント運動制御の原理は、垂直軸等信のマニピュレータ
軸にも適用できる。垂直軸に実施する場合、モデルのし
々ラメータは、負荷、前進−後退軸及び上下軸の位Wに
よって変化する。
次に第13図を参照すると、本発明の解読コンブライア
ント運動制御を用いた第12図のサーボ制御系のデジタ
ル式実施例が示しである。プログラマブル慣性ブロック
130.132が、加速−圧力ループと速度ループ中に
それぞれ設けられ、米国特許N14.362.978及
び前出の米国特許出願陽478.646で論じられてい
るような慣性計量化の原理に基き、慣性/重力プロセッ
サ段134によって、制御される。慣性/重力プロセッ
サ段134は、その入力として、マニピュレータの各軸
に関する継手位置を受取る。
ント運動制御を用いた第12図のサーボ制御系のデジタ
ル式実施例が示しである。プログラマブル慣性ブロック
130.132が、加速−圧力ループと速度ループ中に
それぞれ設けられ、米国特許N14.362.978及
び前出の米国特許出願陽478.646で論じられてい
るような慣性計量化の原理に基き、慣性/重力プロセッ
サ段134によって、制御される。慣性/重力プロセッ
サ段134は、その入力として、マニピュレータの各軸
に関する継手位置を受取る。
本発明の更に重要な特徴によれば、マニピュレータの制
御系が、第14図の200で示した制御減速特性を備え
ている。マニピュレータ運動(D位置、速度、及び加速
の概括的例示については、LINIMATION社製1
1NIMATE (商標)2000及びPIIMA (
商ll)型マニピュレータのVAL (商標)コントロ
ーラプログラミングマニュアルと制御系、更に米国特許
FkL4,338,672の第2〜6図及び第9〜11
図を参照のこと。
御系が、第14図の200で示した制御減速特性を備え
ている。マニピュレータ運動(D位置、速度、及び加速
の概括的例示については、LINIMATION社製1
1NIMATE (商標)2000及びPIIMA (
商ll)型マニピュレータのVAL (商標)コントロ
ーラプログラミングマニュアルと制御系、更に米国特許
FkL4,338,672の第2〜6図及び第9〜11
図を参照のこと。
マニピュレータアームの減速用である本発明の制御減速
特性は、特に、コンブライアント構造が存在する場合に
有用である。減速特性は、対象運動間の減速度を滑らか
且つ一様に減少させ、コンブライアント部材によって7
ニピユレータ内に貯えられたエネルギーのほとんどを消
散するのに有効である。コンブライアント部材中に貯え
られたエネルギーの消散は、マニピュレータアームが目
標地点へ達する前に、マニピュレータアームがスポット
溶接を行うため停止する運動の終りで、あるいは、各種
作業サイクル工程のプログラムされた運動中に方向及び
/又は速度を変えながら移動している間に生ずる。@?
ll減速特性は、特に、解読コンブライアント運動制御
と組合せて系の性能を更に改善し、運動の終りで迅速な
アームの安定化を与えるのに有用であり、解読コンブラ
イアント運動制御から目標地点に至るまでのサーボ応答
時間を改善できるという利点を持つ。
特性は、特に、コンブライアント構造が存在する場合に
有用である。減速特性は、対象運動間の減速度を滑らか
且つ一様に減少させ、コンブライアント部材によって7
ニピユレータ内に貯えられたエネルギーのほとんどを消
散するのに有効である。コンブライアント部材中に貯え
られたエネルギーの消散は、マニピュレータアームが目
標地点へ達する前に、マニピュレータアームがスポット
溶接を行うため停止する運動の終りで、あるいは、各種
作業サイクル工程のプログラムされた運動中に方向及び
/又は速度を変えながら移動している間に生ずる。@?
ll減速特性は、特に、解読コンブライアント運動制御
と組合せて系の性能を更に改善し、運動の終りで迅速な
アームの安定化を与えるのに有用であり、解読コンブラ
イアント運動制御から目標地点に至るまでのサーボ応答
時間を改善できるという利点を持つ。
第14図に示した全体のマニピュレータ運動は、第14
a図の速度対時間のプロットつまりグラフと、第14b
図の加速度対時間のプロットつまりグラフと、を含んで
いる。第143.14b図のグラフは、時間間隔T1の
一定な加速部分202と時間間隔T2の一定な減速部分
゛204とを有する。第14図は、継手座標系の各軸に
おけるマニピュレータアームの一定な加速と減速により
、空間中の2つの所望地点間を、マニピュレータに与え
られたグイナミソク特性、例えば最大加速及び減速パラ
メータによる最小の時間で、マニピュレータアームが移
動可能であるようないわゆる短距離移動を示している。
a図の速度対時間のプロットつまりグラフと、第14b
図の加速度対時間のプロットつまりグラフと、を含んで
いる。第143.14b図のグラフは、時間間隔T1の
一定な加速部分202と時間間隔T2の一定な減速部分
゛204とを有する。第14図は、継手座標系の各軸に
おけるマニピュレータアームの一定な加速と減速により
、空間中の2つの所望地点間を、マニピュレータに与え
られたグイナミソク特性、例えば最大加速及び減速パラ
メータによる最小の時間で、マニピュレータアームが移
動可能であるようないわゆる短距離移動を示している。
もっと長い移動の場合には、第14図のグラフの加速及
び減速画部分202.204の間に、最大v等所定速度
の一定な速度部分が加えられる。
び減速画部分202.204の間に、最大v等所定速度
の一定な速度部分が加えられる。
本発明の重要な特徴によれば、高い一定度の減速部分2
04の終りに、時間T3の間だけ、制御減速特性200
が加えられる。本発明の特定例では、第14b図に見ら
れるよう番こ、特性200が線形に減少する減速である
。この時間T3中に、系の各種コンブライアント部材の
偏向が線形的にゼtllJl1mされ、マニピュレータ
アームは摂動を生じずに停止する:つまり、構造のコン
プライアンスを表わすスプリング部材がT3中に解放さ
れる。構造内のコンブライアント部材は、例えば、第1
.2図の構造モデルでに+ 、Kz等のスプリングによ
り示しである。
04の終りに、時間T3の間だけ、制御減速特性200
が加えられる。本発明の特定例では、第14b図に見ら
れるよう番こ、特性200が線形に減少する減速である
。この時間T3中に、系の各種コンブライアント部材の
偏向が線形的にゼtllJl1mされ、マニピュレータ
アームは摂動を生じずに停止する:つまり、構造のコン
プライアンスを表わすスプリング部材がT3中に解放さ
れる。構造内のコンブライアント部材は、例えば、第1
.2図の構造モデルでに+ 、Kz等のスプリングによ
り示しである。
勿論、200のような制m加遠/減速特性は、T、の開
始時及びT、〜T2間で行うこともできる。しかし、こ
れらの時間中に生ずる位置及び速度のエラーは、サーボ
制御系が減速部分200へ至る前にそうしたエラーを修
正してしまうので、通常重要でない。一方、マニピュレ
ータアームが停止しようとするときの部分204の終り
における特性200は、そこで作業が行われたり、安定
化が必要なら時間が遇されたりするのが普通なため、重
要である。勿論、運動の終りが作業時間の安定化に重要
でなかったり、作業が実施されないようなら、特性20
0を省略できる。
始時及びT、〜T2間で行うこともできる。しかし、こ
れらの時間中に生ずる位置及び速度のエラーは、サーボ
制御系が減速部分200へ至る前にそうしたエラーを修
正してしまうので、通常重要でない。一方、マニピュレ
ータアームが停止しようとするときの部分204の終り
における特性200は、そこで作業が行われたり、安定
化が必要なら時間が遇されたりするのが普通なため、重
要である。勿論、運動の終りが作業時間の安定化に重要
でなかったり、作業が実施されないようなら、特性20
0を省略できる。
第14a、b図から明らかなように、運動は通常アーム
を時刻206で停止させ、特性200に必要な追加の時
間はΔtで示しである。しかし、停止後の安定化時間が
△tより長いときはいつも、特性200により、全体の
作業サイクル時間が減少される;つまり、時刻206で
停止したアームは、△tより大きい追加の安定化時間を
必要とするからである。
を時刻206で停止させ、特性200に必要な追加の時
間はΔtで示しである。しかし、停止後の安定化時間が
△tより長いときはいつも、特性200により、全体の
作業サイクル時間が減少される;つまり、時刻206で
停止したアームは、△tより大きい追加の安定化時間を
必要とするからである。
第1.2図の構造モデルと電気等価凹成を用いた場合、
第14図の時間T、にわたりθ=一定の制m減速特性を
使用すると、アームの“鳴り共鳴”を取除き、目標位置
に達したときの安定化時間を減少させる。全ての運動及
び位置エネルギーが目標地点でゼロに制御されれば、鳴
り共鳴と安定化時間は減少でき避けられる。構造上のこ
のことは、JI、Jt、J、の速度ができるだけゼロに
接近すべきことを意味する。同じく、スプリング部材に
1、K2のiりもできるだけ小さくすべきである。
第14図の時間T、にわたりθ=一定の制m減速特性を
使用すると、アームの“鳴り共鳴”を取除き、目標位置
に達したときの安定化時間を減少させる。全ての運動及
び位置エネルギーが目標地点でゼロに制御されれば、鳴
り共鳴と安定化時間は減少でき避けられる。構造上のこ
のことは、JI、Jt、J、の速度ができるだけゼロに
接近すべきことを意味する。同じく、スプリング部材に
1、K2のiりもできるだけ小さくすべきである。
第1図の単純化モデルについてまず見ると、J2)JT
であり、それゆえElはE2にはソ等しい。
であり、それゆえElはE2にはソ等しい。
T3の間、線形状にゼロへ傾斜するようにElを制御す
ると、スプリングに、lの一定の放電率は(]/に+
)dE+ / ratに等しくなる。この放電電流が、
θ2を命令し制孤する解読コンブライアント運動制御の
速度制御ループによって、Jlに“差し向け”られる。
ると、スプリングに、lの一定の放電率は(]/に+
)dE+ / ratに等しくなる。この放電電流が、
θ2を命令し制孤する解読コンブライアント運動制御の
速度制御ループによって、Jlに“差し向け”られる。
時間間隔T3の終了時、1/に、中に電荷が残っていす
、スプリングに重は完全に弛緩している。同時に、J2
に残留速度は存在せず、従ってJ2の運動エネルギーは
ゼロに等しい。この結果、J、の運動エネルギーは極く
わずかであって、はとんど又は全く影響を及ぼさない。
、スプリングに重は完全に弛緩している。同時に、J2
に残留速度は存在せず、従ってJ2の運動エネルギーは
ゼロに等しい。この結果、J、の運動エネルギーは極く
わずかであって、はとんど又は全く影響を及ぼさない。
アームは、合2−02命令、分、=tj2命令=0で停
止する。こ\で得られる利点は、J。
止する。こ\で得られる利点は、J。
に残留速度が残っていることである;例えば、ブームア
ウトであり、回転全負荷のUNIMATE 2000ロ
ボツトの場合、J、はJ2の約1/4oの慣性値を持つ
。従って、鳴り共鳴エラーのエネルギーポテンシャルは
、解読コンブライアント運動制御を含まない従来の場合
より39/40だけ減少する。jlでなくδ2をflI
llalすることによって、J。
ウトであり、回転全負荷のUNIMATE 2000ロ
ボツトの場合、J、はJ2の約1/4oの慣性値を持つ
。従って、鳴り共鳴エラーのエネルギーポテンシャルは
、解読コンブライアント運動制御を含まない従来の場合
より39/40だけ減少する。jlでなくδ2をflI
llalすることによって、J。
の代すルこJ、Lこ放電電流が残される場合に存在する
わずかな残留運動エネルギーのため、J2の運動エネル
ギーは、T3の終了時にゼロLこ制御され ′る。
わずかな残留運動エネルギーのため、J2の運動エネル
ギーは、T3の終了時にゼロLこ制御され ′る。
これは、解読コンブライアント運動制御が目標地点に至
ったときの運動エネルギーを最少III 化することで
優れた応答をいかに与えるかを明瞭ムこ示している。
ったときの運動エネルギーを最少III 化することで
優れた応答をいかに与えるかを明瞭ムこ示している。
次に、スプリングに、、に2を含む第2b図の3質量−
2スプリングモデルb二ついて見ると、単純化した解読
コンブライアント運動の制御回路が、残留エネルギーを
、第1図のモデルbこ関して得た程度に減じることが理
解されよう。一方、時間間隔T3のスタート時の系中の
ポテンシャルエネルギーは、はとんどに、中に存在し、
このエネルギーは前述と同様に扱われるので、効果の減
少は小さい; (シリーズ2000のマニピュレータア
ームの場合、K、のポテンシャルエネルギーは通常に2
の7倍)。K2中のポテンシャルエネルギーは、制御減
速特性期間T3の結果として、制御系から主に消散され
る。しがし、乞でなくl5izを制御しているので、乞
の残留値は、 1 / K z(a/dt )(EgK
(t) )であり、これは、期間T。
2スプリングモデルb二ついて見ると、単純化した解読
コンブライアント運動の制御回路が、残留エネルギーを
、第1図のモデルbこ関して得た程度に減じることが理
解されよう。一方、時間間隔T3のスタート時の系中の
ポテンシャルエネルギーは、はとんどに、中に存在し、
このエネルギーは前述と同様に扱われるので、効果の減
少は小さい; (シリーズ2000のマニピュレータア
ームの場合、K、のポテンシャルエネルギーは通常に2
の7倍)。K2中のポテンシャルエネルギーは、制御減
速特性期間T3の結果として、制御系から主に消散され
る。しがし、乞でなくl5izを制御しているので、乞
の残留値は、 1 / K z(a/dt )(EgK
(t) )であり、これは、期間T。
bこわたり一定のスプリング解放速度(192K)をマ
イナスすることに対応する。ある1つの運動例で、K2
のポテンシャルエネルギーは、8.44in−1bsと
計算され、期間T3の終了時、K2のポテンシャルエネ
ルギーは、はソ′ゼロルこ減少する。
イナスすることに対応する。ある1つの運動例で、K2
のポテンシャルエネルギーは、8.44in−1bsと
計算され、期間T3の終了時、K2のポテンシャルエネ
ルギーは、はソ′ゼロルこ減少する。
但し、T3中には0.23641n−1bsに等しいわ
ずかな残留運動エネルギーが残る。このように、K2の
貯蔵エネルギーの97%は除去され、3%だけをJ3の
運動エネルギーとして残す。このわずかな残留運動エネ
ルギーが、長さ120 ″のアームブームの先端に約士
(LO13“の減衰ピーク回転偏向のパ鳴り共鳴°を生
じるが、この程度の外乱は、はとんどの用途で許容可能
である。
ずかな残留運動エネルギーが残る。このように、K2の
貯蔵エネルギーの97%は除去され、3%だけをJ3の
運動エネルギーとして残す。このわずかな残留運動エネ
ルギーが、長さ120 ″のアームブームの先端に約士
(LO13“の減衰ピーク回転偏向のパ鳴り共鳴°を生
じるが、この程度の外乱は、はとんどの用途で許容可能
である。
要するに、期間T3中における制御減速期間と、解読コ
ンブライアント運動制御と、の組合せ効果が、目標地点
における鳴り共鳴の大部分を除去する。制御減速期間を
設けることシこより、スプリングに、とに2は滑らかに
解放し、(、−1/に、)(d /dt )(E、x
(t))に等しい残留速度をJ、に残すと共に、(−1
/Kg )(d /dt )(E2K(t) )に等し
い残留速度をJ、に残す。期間T3が長くなるほど、残
留速度は少くなり、マニピュレータアーム系中の最終運
動エネルギーは低くなる。解読コンブライアント運動制
御法は企2を制御するように作用し、この結果、より大
きい一定のδ□放電速度を、はるかに慣性が大きい(、
y2 →−Jl)路の代りにJlに“差向け”、それゆ
え、解読コンブライアント運動制御を行わない場合の残
留運動エネルギーの1/40’こはヌ等しいJl/(J
2+J、)のファクターに残留運動エネルギーを減少さ
せる。
ンブライアント運動制御と、の組合せ効果が、目標地点
における鳴り共鳴の大部分を除去する。制御減速期間を
設けることシこより、スプリングに、とに2は滑らかに
解放し、(、−1/に、)(d /dt )(E、x
(t))に等しい残留速度をJ、に残すと共に、(−1
/Kg )(d /dt )(E2K(t) )に等し
い残留速度をJ、に残す。期間T3が長くなるほど、残
留速度は少くなり、マニピュレータアーム系中の最終運
動エネルギーは低くなる。解読コンブライアント運動制
御法は企2を制御するように作用し、この結果、より大
きい一定のδ□放電速度を、はるかに慣性が大きい(、
y2 →−Jl)路の代りにJlに“差向け”、それゆ
え、解読コンブライアント運動制御を行わない場合の残
留運動エネルギーの1/40’こはヌ等しいJl/(J
2+J、)のファクターに残留運動エネルギーを減少さ
せる。
以上本発明の各種実施例を図示し説明したが、様々な変
形及び変更が当業者にとって可能なのは明らかであろう
。特許請求の範囲は、本発明の主旨及び範囲に入るそれ
らの変形及び変更を全て包含するものである。
形及び変更が当業者にとって可能なのは明らかであろう
。特許請求の範囲は、本発明の主旨及び範囲に入るそれ
らの変形及び変更を全て包含するものである。
第1a、lb図は、マニピュレータ装置の第1態様の機
械的モデルと電気等価回路とをそれぞれ示す図; 第2a、2b図は、マニピュレータ装置の第2態様の機
械的モデルと電気等価回路とをそれぞれ示す図; 第3図は、マニピュレータの構造モデルのフィードバッ
ク速度対入力駆動周波数のグラフを、構造中の各種異っ
た地点について示した図;第4.5図は、2つの各マニ
ピュレータの2つの構造モデルの模式図; 第6図は、マニピュレータの油圧アクチュエータ系の概
略図; 第7.8図は、第6図の油圧系の伝達関数を表わすブロ
ック図; 第9図は、マニピュレータの油圧アクチュエータの圧力
又はトルクループ用閉ループ制御系のブロック図; 第10図は、本発明の原理に基く速度ループ用のフィー
ドバック合成ネットワークの概略回路図;第11図は、
本発明に基くマニピュレータ用の閉速度ループ制御系の
ブロック図; 第12図は、本発明の原理に基く制御系のブロック図; 第13図は本発明の原理に基くデジタル制御系のブロッ
ク図: 第148.14b図は、速度分布及び対応する加速度分
布のグラフ図であり、本発明の制御系用の制?11減速
特性をそれぞれ示すグラフ図である。 K、、に、 ・・・コンプライアンス、第11図の1
/、977・−・フィードバック信号(j、)発生手段
、第11図の1/200・・・駆動信号(△PL)発生
手段、第10図の回路・・・合成△ フィードバック信号(θ2)発生手段。 ′“″ FIG、 1 FIG、 7 FIG、 11 手続補正書 特許庁長官 宇 賀 道 部 殿 1、事件の表示 昭和60年特許願第122359号
2、発明の名称 マニピュレータの制御方法及び装置
3、補正をする者 事件との関係 出願人 名称 ユニメイション インコルボレーテッド4、
代 理 人 (2、特許請求の範囲を別紙のとおり訂正する。 特許請求の範囲 〔1) マニピュレータアームと、該アームを複数の
軸について移動させる駆動手段と、を有するマニピュレ
ータを制御する方法であって、前記アームは支持構造を
有し、。 該支持構造は、前記軸のうち少なくとも1つの軸におい
て、前記アームの外側端部と、前記1つの軸についての
駆動手段と二の間に、コンプライアンスを含んでいる制
御方法において、所定位置に移動する間に、前記1つの
軸について少なくとも前記アームの所望速度を示すコマ
ンド信号を発生するステップと、 前記1つの軸について、前記コンプライアンスと、前記
1つの軸についての前記駆動手段と、の間の点で、前記
マニピュレータアームの実際の速度に対応する速度フィ
ードバック信号を発生するステップと、 前記1つの軸について前記アームの移動する間に、前記
コンプライアンスで損失された速度の成分に対応する量
を発生するステップと、前記実際の速度フィードバック
信号及び前記損失速度量を利用して、前記1つの軸につ
いて、前記コンプライアンスと、前記アームの外側端部
と、の間で、前記アームの実際の速度を示す合成速度フ
ィードバック信号を与えるステップと、 前記コマンド信号及び前記合成速度フィードバック信号
に従って、前記1つの軸について、前記マニピュレータ
アームの移動を制御するステップと、 を含む制御方法。 (2)前記合成速度フィードバック信号は、δ、−1/
に、(d/dt)(T)に等しく、この式において、δ
1 は前記実際の速度フィードバック信号であり、KI
は前記コンプライアンスのスプリング率であり、Tは
前記1つの軸について前記駆動手段により発生されるト
ルクである特許請求の範囲(1)の制御方法。 (3)前記コマンド信号は、前記アームが移動されるべ
き所望位置を示す成分を含んでおり、前記1つの軸につ
いて、前記コンプライアンスと、前記1つの軸について
の前記駆動手段と、の間の点で、前記アームの実際の位
置に対応する位置フィードバック信号を発生するステッ
プと、 前記1つの軸について前記アームの移動する間に、前記
コンプライアンスで損失された位置の成分に対応する量
を発生するステップと、前記実際の位置フィードバック
信号及び前記損失位置量を利用して、前記1つの軸につ
いて、前記コンプライアンスと、前記アームの外側端部
と、の間で、前記アームの実際の位置を示す合成位置フ
ィードバック信号を与えるステップと、 前記コマンド信号の前記位置成分及び前記合成位置フィ
ードバック信号に従って、前記1つの軸について、前記
マニピュレータアームの移動を制御するステップと、 を含む特許請求の範囲(1)の制御方法。 (4) 前記合成位置フィードバック信号は、θ、−T
/に、 に等しく、この式において、θ1 は前記実
際の位置フィードバック信号であり、K。 は前記コンプライアンスのスプリング率であり、Tは前
記1つの軸について前記駆動手段により発生されるトル
クである特許請求の範囲(3)の制御方法。 (5) 前記コマンド信号は、アームが前記所定位置
に近づくときに、制御される減速特性部を含み、アーム
が前記所定位置に到達する以前に、前記コンプライアン
スに蓄積されたエネルギの多くが消散されるようになっ
ている特許請求の範囲(1)の制御方法。 (6)前記制御される減速特性は、前記アームが、一定
の減速率で減少するようにする特許請求の範囲(5)の
制御方法。 (7)前記コマンド信号は、前記所定位置に移動する間
に、前記1つの軸について前記アームの速度における所
望変化を示す速度プロフィールを含む特許請求の範囲(
1)の制御方法。 (8)前記速度プロフィールは、アームが前記所定位置
に近づくときに、制御される減速部を含み、アームが前
記所定位置に到達する以前に、前記コンプライアンスに
蓄積されたエネルギの多くが消散されるようになってい
る特許請求の範囲(7)の制御方法。 (9)前記制御される減速部は、前記アームが前記所定
位置に近づくときに、前記アームの減速率に、線形減少
を生じさせる特許請求の範囲(8)の制御方法。 α@ マニピュレータアームき、該アームを複数の軸に
ついて移動させる駆動手段と、を有するプログラム可能
なマニピュレータを制御する装置であって、 前記アームは支持構造を有し、 該支持構造は、前記軸のうち少なくとも1つの軸におい
て、前記アームの外側端部と、前記1つの軸についての
駆動手段と、の間に、コンプライアンスを含んでいる制
御装置において、前記1つの軸について、前記コンプラ
イアンスと、前記1つの軸についての前記駆動手段と、
の間の点で、前記マニピュレータアームの実際の速度に
対応する速度フィードバック信号を発生ずる手段と、 前記1つの軸について前記アームの移動する間に、前記
コンプライアンスで損失される前記実際の速度の部分を
示す量を発生する手段と、前記速度フィードバック信号
及び前記損失速度を示す前記量に応答して、前記1つの
軸について、前記コンプライアンスと、前記アームの外
側端部と、の間で、前記マニピュレータアームの速度を
示す合成速度フィードバック信号を発生する手段と、 を含む制御装置。 (11)前記アームの移動の所望速度を示すコマンド信
号を与える手段と、 前記コマンド信号及び前記合成速度フィードバック信号
に応答して、前記駆動手段を制御するサーボループ手段
と、 を含む特許請求の範囲σQの制御装置。 (12)前記コマンド信号は、所定位置に移動する間に
、前記1つの軸について前記アームの速度における所望
変化を示す速度プロフィールを含む特許請求の範囲fl
llの制御装置。 (I3) 前記速度プロフィールは、アームが前記所
定位置に近づくときに、制御される減速部を含み、前記
アームが前記所定位置に到達するときに、前記コンプラ
イアンスに蓄積されたエネルギの多くが消散されるよう
になっている特許請求の範囲(12)の制御装置。 f14] 前記速度プロフィールの前記制御される減
速部は、前記アームが前記所定位置に近づくときに、前
記アームの減速率に、線形減少を生じさせる特許請求の
範囲113)の制御装置。 (I!lil マニピュレータアームと、該アームを
複数の軸について移動させる駆動手段と、を有するプロ
グラム可能なマニピュレータを制御する装置であって、 前記アームは支持構造を有し、 該支持構造は、前記軸のうち少なく唐も1つの軸におい
て、前記アームの外側端部と、前記1つの軸についての
駆動手段と、の間に、コンプライアンスを含んでおり、 この支持構造は、前記コンプライアンスのために、比較
的低い1次の非共鳴周波数を有している制御装置におい
て、 前記1つの軸について、前記コンプライアンスと、前記
1つの軸についての前記駆動手段と、の間の点で、前記
マニピニレータアームの実際の速度に対応する速度フィ
ードバック信号を発生する手段と、 前記実際の速度フィードバック信号に応答して、前記1
つの軸について、前記コンプライアンスと、前記アーム
の外側端部と、の間で、前記アームの実際の速度を示す
量を発生する手段と、 入力コマンド信号に従って前記1つの軸について前記駆
動手段を制御し、前記量を合成速度フィードバック信号
として使用するサーボループ手段であって、このサーボ
ループ手段の帯域幅は、前記支持構造の前記1次の非共
鳴周波数よりも上に増加され得るようになっているサー
ボループ手段と、 を含む制御装置。 叫 前記1つの軸について前記駆動手段により生じたト
ルクに対応する駆動信号を発生する手段と、 前記実際の速度フィードバック信号と、前記量を生じる
前記駆動信号と、に共に応答する手段と、 を含む特許請求の範囲固の制御装置。 (17)前記量は、al −1/に+(d/dt)(T
)に等しく、この式において、δ1 は前記実際の速度
フィードバック信号であり、KI は前記コンプライア
ンスのスプリング率であり、Tは前記1つの軸について
前記駆動手段により発生されるトルクである特許請求の
範囲叫の制御装置。 (18) 前記コマンド信号は、前記アームが移動さ
れるべき所望位置を示す成分を含んでおり、前記1つの
軸について、前記コンプライアンスと、前記1つの軸に
ついての前記駆動手段と、の間の点で、前記アームの実
際の位置に対応する位置フィードバック信号を発生する
手段と、前記実際の位置信号に応答して、前記1つの軸
について、前記コンプライアンスと、前記アームの外側
端部と、の間で、前記アームの実際の位置を示す他の量
を発生する手段と、゛前記サーボループ手段において前
記他の量を合成位置フィードバック信号として利用する
手段と、 を含む特許請求の範囲1151の制御装置。 (IL3 前記他の量は、δ1 T/に+ に等
しく、この式において、δ1 は前記実際の位置フィー
ドバック信号であり、Kl は前記コンプライアンス
のスプリング率であり、Tは前記1つの軸について前記
駆動手段により発生されるトルクである特許請求の範囲
08)の制御装置。
械的モデルと電気等価回路とをそれぞれ示す図; 第2a、2b図は、マニピュレータ装置の第2態様の機
械的モデルと電気等価回路とをそれぞれ示す図; 第3図は、マニピュレータの構造モデルのフィードバッ
ク速度対入力駆動周波数のグラフを、構造中の各種異っ
た地点について示した図;第4.5図は、2つの各マニ
ピュレータの2つの構造モデルの模式図; 第6図は、マニピュレータの油圧アクチュエータ系の概
略図; 第7.8図は、第6図の油圧系の伝達関数を表わすブロ
ック図; 第9図は、マニピュレータの油圧アクチュエータの圧力
又はトルクループ用閉ループ制御系のブロック図; 第10図は、本発明の原理に基く速度ループ用のフィー
ドバック合成ネットワークの概略回路図;第11図は、
本発明に基くマニピュレータ用の閉速度ループ制御系の
ブロック図; 第12図は、本発明の原理に基く制御系のブロック図; 第13図は本発明の原理に基くデジタル制御系のブロッ
ク図: 第148.14b図は、速度分布及び対応する加速度分
布のグラフ図であり、本発明の制御系用の制?11減速
特性をそれぞれ示すグラフ図である。 K、、に、 ・・・コンプライアンス、第11図の1
/、977・−・フィードバック信号(j、)発生手段
、第11図の1/200・・・駆動信号(△PL)発生
手段、第10図の回路・・・合成△ フィードバック信号(θ2)発生手段。 ′“″ FIG、 1 FIG、 7 FIG、 11 手続補正書 特許庁長官 宇 賀 道 部 殿 1、事件の表示 昭和60年特許願第122359号
2、発明の名称 マニピュレータの制御方法及び装置
3、補正をする者 事件との関係 出願人 名称 ユニメイション インコルボレーテッド4、
代 理 人 (2、特許請求の範囲を別紙のとおり訂正する。 特許請求の範囲 〔1) マニピュレータアームと、該アームを複数の
軸について移動させる駆動手段と、を有するマニピュレ
ータを制御する方法であって、前記アームは支持構造を
有し、。 該支持構造は、前記軸のうち少なくとも1つの軸におい
て、前記アームの外側端部と、前記1つの軸についての
駆動手段と二の間に、コンプライアンスを含んでいる制
御方法において、所定位置に移動する間に、前記1つの
軸について少なくとも前記アームの所望速度を示すコマ
ンド信号を発生するステップと、 前記1つの軸について、前記コンプライアンスと、前記
1つの軸についての前記駆動手段と、の間の点で、前記
マニピュレータアームの実際の速度に対応する速度フィ
ードバック信号を発生するステップと、 前記1つの軸について前記アームの移動する間に、前記
コンプライアンスで損失された速度の成分に対応する量
を発生するステップと、前記実際の速度フィードバック
信号及び前記損失速度量を利用して、前記1つの軸につ
いて、前記コンプライアンスと、前記アームの外側端部
と、の間で、前記アームの実際の速度を示す合成速度フ
ィードバック信号を与えるステップと、 前記コマンド信号及び前記合成速度フィードバック信号
に従って、前記1つの軸について、前記マニピュレータ
アームの移動を制御するステップと、 を含む制御方法。 (2)前記合成速度フィードバック信号は、δ、−1/
に、(d/dt)(T)に等しく、この式において、δ
1 は前記実際の速度フィードバック信号であり、KI
は前記コンプライアンスのスプリング率であり、Tは
前記1つの軸について前記駆動手段により発生されるト
ルクである特許請求の範囲(1)の制御方法。 (3)前記コマンド信号は、前記アームが移動されるべ
き所望位置を示す成分を含んでおり、前記1つの軸につ
いて、前記コンプライアンスと、前記1つの軸について
の前記駆動手段と、の間の点で、前記アームの実際の位
置に対応する位置フィードバック信号を発生するステッ
プと、 前記1つの軸について前記アームの移動する間に、前記
コンプライアンスで損失された位置の成分に対応する量
を発生するステップと、前記実際の位置フィードバック
信号及び前記損失位置量を利用して、前記1つの軸につ
いて、前記コンプライアンスと、前記アームの外側端部
と、の間で、前記アームの実際の位置を示す合成位置フ
ィードバック信号を与えるステップと、 前記コマンド信号の前記位置成分及び前記合成位置フィ
ードバック信号に従って、前記1つの軸について、前記
マニピュレータアームの移動を制御するステップと、 を含む特許請求の範囲(1)の制御方法。 (4) 前記合成位置フィードバック信号は、θ、−T
/に、 に等しく、この式において、θ1 は前記実
際の位置フィードバック信号であり、K。 は前記コンプライアンスのスプリング率であり、Tは前
記1つの軸について前記駆動手段により発生されるトル
クである特許請求の範囲(3)の制御方法。 (5) 前記コマンド信号は、アームが前記所定位置
に近づくときに、制御される減速特性部を含み、アーム
が前記所定位置に到達する以前に、前記コンプライアン
スに蓄積されたエネルギの多くが消散されるようになっ
ている特許請求の範囲(1)の制御方法。 (6)前記制御される減速特性は、前記アームが、一定
の減速率で減少するようにする特許請求の範囲(5)の
制御方法。 (7)前記コマンド信号は、前記所定位置に移動する間
に、前記1つの軸について前記アームの速度における所
望変化を示す速度プロフィールを含む特許請求の範囲(
1)の制御方法。 (8)前記速度プロフィールは、アームが前記所定位置
に近づくときに、制御される減速部を含み、アームが前
記所定位置に到達する以前に、前記コンプライアンスに
蓄積されたエネルギの多くが消散されるようになってい
る特許請求の範囲(7)の制御方法。 (9)前記制御される減速部は、前記アームが前記所定
位置に近づくときに、前記アームの減速率に、線形減少
を生じさせる特許請求の範囲(8)の制御方法。 α@ マニピュレータアームき、該アームを複数の軸に
ついて移動させる駆動手段と、を有するプログラム可能
なマニピュレータを制御する装置であって、 前記アームは支持構造を有し、 該支持構造は、前記軸のうち少なくとも1つの軸におい
て、前記アームの外側端部と、前記1つの軸についての
駆動手段と、の間に、コンプライアンスを含んでいる制
御装置において、前記1つの軸について、前記コンプラ
イアンスと、前記1つの軸についての前記駆動手段と、
の間の点で、前記マニピュレータアームの実際の速度に
対応する速度フィードバック信号を発生ずる手段と、 前記1つの軸について前記アームの移動する間に、前記
コンプライアンスで損失される前記実際の速度の部分を
示す量を発生する手段と、前記速度フィードバック信号
及び前記損失速度を示す前記量に応答して、前記1つの
軸について、前記コンプライアンスと、前記アームの外
側端部と、の間で、前記マニピュレータアームの速度を
示す合成速度フィードバック信号を発生する手段と、 を含む制御装置。 (11)前記アームの移動の所望速度を示すコマンド信
号を与える手段と、 前記コマンド信号及び前記合成速度フィードバック信号
に応答して、前記駆動手段を制御するサーボループ手段
と、 を含む特許請求の範囲σQの制御装置。 (12)前記コマンド信号は、所定位置に移動する間に
、前記1つの軸について前記アームの速度における所望
変化を示す速度プロフィールを含む特許請求の範囲fl
llの制御装置。 (I3) 前記速度プロフィールは、アームが前記所
定位置に近づくときに、制御される減速部を含み、前記
アームが前記所定位置に到達するときに、前記コンプラ
イアンスに蓄積されたエネルギの多くが消散されるよう
になっている特許請求の範囲(12)の制御装置。 f14] 前記速度プロフィールの前記制御される減
速部は、前記アームが前記所定位置に近づくときに、前
記アームの減速率に、線形減少を生じさせる特許請求の
範囲113)の制御装置。 (I!lil マニピュレータアームと、該アームを
複数の軸について移動させる駆動手段と、を有するプロ
グラム可能なマニピュレータを制御する装置であって、 前記アームは支持構造を有し、 該支持構造は、前記軸のうち少なく唐も1つの軸におい
て、前記アームの外側端部と、前記1つの軸についての
駆動手段と、の間に、コンプライアンスを含んでおり、 この支持構造は、前記コンプライアンスのために、比較
的低い1次の非共鳴周波数を有している制御装置におい
て、 前記1つの軸について、前記コンプライアンスと、前記
1つの軸についての前記駆動手段と、の間の点で、前記
マニピニレータアームの実際の速度に対応する速度フィ
ードバック信号を発生する手段と、 前記実際の速度フィードバック信号に応答して、前記1
つの軸について、前記コンプライアンスと、前記アーム
の外側端部と、の間で、前記アームの実際の速度を示す
量を発生する手段と、 入力コマンド信号に従って前記1つの軸について前記駆
動手段を制御し、前記量を合成速度フィードバック信号
として使用するサーボループ手段であって、このサーボ
ループ手段の帯域幅は、前記支持構造の前記1次の非共
鳴周波数よりも上に増加され得るようになっているサー
ボループ手段と、 を含む制御装置。 叫 前記1つの軸について前記駆動手段により生じたト
ルクに対応する駆動信号を発生する手段と、 前記実際の速度フィードバック信号と、前記量を生じる
前記駆動信号と、に共に応答する手段と、 を含む特許請求の範囲固の制御装置。 (17)前記量は、al −1/に+(d/dt)(T
)に等しく、この式において、δ1 は前記実際の速度
フィードバック信号であり、KI は前記コンプライア
ンスのスプリング率であり、Tは前記1つの軸について
前記駆動手段により発生されるトルクである特許請求の
範囲叫の制御装置。 (18) 前記コマンド信号は、前記アームが移動さ
れるべき所望位置を示す成分を含んでおり、前記1つの
軸について、前記コンプライアンスと、前記1つの軸に
ついての前記駆動手段と、の間の点で、前記アームの実
際の位置に対応する位置フィードバック信号を発生する
手段と、前記実際の位置信号に応答して、前記1つの軸
について、前記コンプライアンスと、前記アームの外側
端部と、の間で、前記アームの実際の位置を示す他の量
を発生する手段と、゛前記サーボループ手段において前
記他の量を合成位置フィードバック信号として利用する
手段と、 を含む特許請求の範囲1151の制御装置。 (IL3 前記他の量は、δ1 T/に+ に等
しく、この式において、δ1 は前記実際の位置フィー
ドバック信号であり、Kl は前記コンプライアンス
のスプリング率であり、Tは前記1つの軸について前記
駆動手段により発生されるトルクである特許請求の範囲
08)の制御装置。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 マニピュレータアームと複数の軸に関して制御可能な所
定の幾何学的形状及び構造を有し、各制御可能な軸がそ
れぞれの軸に関してマニピュレータ構造を移動する駆動
機構(第6図等)を備え、上記マニピュレータ構造は、
マニピュレータアームの外側部分と、上記駆動機構に近
いマニピュレータアームの内側部分と、の間に、コンプ
ライアンスを有するマニピュレータ用の制御装置であっ
て、 少くとも1つの制御可能な軸に関するマニピュレータア
ームの速度を表わすフィードバック信号(■_1)を発
生する手段(第11図の1/.997)を含み、該フィ
ードバック信号は、上記コンプライアンスと駆動機構と
の間の地点で検知されており、 上記少くとも1つの制御可能な軸に関してマニピュレー
タ構造に加えられる駆動機構のトルクを表わす駆動信号
(△P_L)を発生する手段(第11図の1/200)
を備えており、 上記フィードバック信号(■_1)及び駆動信号(△P
_L)に応答し、上記コンプライアンスより後方地点で
の上記少くとも1つの軸に関するマニピュレータアーム
の速度を表わす合成フィードバック信号(■_2)を発
生する手段(第10図)を設けたことを特徴とする制御
装置。
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