JP4545701B2 - 速度制御方法及び速度制御装置 - Google Patents
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Description
前記軌跡の座標データを入力する第1工程と、
前記軌跡上の各点における曲率を計算する第2工程と、
前記算出された前記各点での曲率から該各点での前記物体の速度を(1)式に示される角速度を用いた(2)式に従って計算する第3工程と、
前記算出された各点での速度を前記物体に出力する第4工程とを有する。
本発明に係る速度制御方法において、前記第1工程で前記物体の最大速度を入力し、前記第3工程で前記(2)式によって算出された前記各点での前記物体の速度のデータが前記最大速度を超える場合、該物体の速度を前記最大速度以下に補正するのが好ましい。
本発明に係る速度制御方法において、前記第3工程では、前記(2)式による前記物体の速度の変化率(すなわち、加速度)が所定値以下となるように、前記物体の速度を補正してもよい。
本発明に係る速度制御方法において、前記(2)式では、αが2/3であるのが好ましい。ここで、αが2/3である場合、(1)式は、ビビアーニ(Viviani P.)らが人間の手先の動かし方の観察から見出した心理物理的な経験則である三分の二乗則(The 2/3 power low)に従うので、(1)式に示される角速度を用いた(2)式も三分の二乗則に従う。
本発明に係る速度制御方法を、ロボットアーム又は搬送車(物体の一例)の速度を制御するのに用いてもよい。
ここで、搬送車としては、搬送台車や、レール上を移動しない無軌道台車等がある。
前記軌跡の座標データを入力する初期値入力部と、
前記軌跡上の各点における曲率を計算する曲率計算部と、
前記算出された前記各点での曲率から該各点での前記物体の速度を(1)式に示される角速度を用いた(2)式に従って計算する速度計算部と、
前記算出された各点での速度を前記物体に出力する出力部とを有する。
本発明に係る速度制御装置において、前記出力部はロボットアーム又は搬送車(物体の一例)に前記算出された各点での速度を出力してもよい。
特に、請求項2記載の速度制御方法においては、物体の軌跡上の各点での速度を算出して、物体の軌道生成を行うので、軌道上の各点での物体の速度を制御する軌道を作成することができる。
請求項3記載の速度制御方法においては、第3工程で算出された各点での物体の速度のデータが入力した最大速度を超える場合、物体の速度を最大速度以下に補正するので、特に、曲率が小さい場所で速度超過とならない。
請求項5記載の速度制御方法においては、第2工程で曲率の変化率が所定値以下となるように軌跡上の各点での曲率を補正した後、第3工程で補正した曲率から物体の速度を計算するので、物体が急激に加減速しないように速度を調整することができる。
請求項6記載の速度制御方法においては、αが2/3であるので、物体の動きが、三分の二乗則に従って滑らかになり、特に人型のロボットでは人の動作に近づかせることができる。
ここで、図1は本発明の一実施の形態に係る速度制御装置のブロック図、図2は本発明の一実施の形態に係る速度制御方法での物体の軌跡を示す説明図、図3は同速度制御方法での物体の経路長と曲率の関係を示すグラフ、図4は同速度制御方法での物体の経路長と接線速度の関係を示すグラフ、図5(A)、(B)はそれぞれ同速度制御方法での接線速度を補正した場合の説明図、図6(A)〜(D)はそれぞれ同速度制御方法での曲率を補正した場合の説明図、図7(A)、(B)はそれぞれ同速度制御方法を適用したシミュレーションでの物体の概念図、二次系システムの説明図、図8は物体の速度制御装置に予め与えられた物体の軌道を示すグラフ、図9は曲率の計算結果を示すグラフ、図10は物体の速度の計算結果を示すグラフ、図11は物体を移動させた際の軌跡を示すグラフである。
図1に示すように、速度制御装置10は、図示しない物体(例えば、ロボットハンドの手先)が通過する予め設定された軌跡A(図2参照)及び物体の最大速度vmaxを入力する初期値入力部11と、初期値入力部11に入力された軌跡A上の各点Xにおける曲率cを計算する曲率計算部12と、初期値入力部11に入力された最大速度vmax及び曲率計算部12で計算された曲率cに基づいて、各点Xでの物体の速度vを計算する速度計算部13と、速度計算部13で算出された速度vを物体の制御部(図示せず)に出力する出力部14とを有し、物体が軌跡Aに沿って速く、かつ、正確に移動するように物体の速度の制御を行っている。
(第1工程)
まず、初期値入力部11に、軌跡A及び物体の最大速度vmaxを入力する。ここで、図2に示すように、軌跡Aは、中間点Mで連結された2本の直線からなり、中間点Mで折れ曲がって角部が形成された構造となっている。なお、軌跡Aは、二次元であって、軌跡A上の始点X0(x0,y0)から終点X1(x1,y1)までの複数の点Xi(xi,yi)(但し、0≦i≦1である)によって、軌跡Aの座標データが構成されている。初期値入力部11には、これら軌跡A上の全ての点の座標のデータが入力される。なお、軌跡は、三次元で与えられてもよく、また、ベジエ曲線等のパラメトリック曲線等の数式で与えてもよい。初期値入力部11から曲率計算部12に軌跡A上の各点の座標を示す数値が送られ、速度計算部13に最大速度vmaxを示す数値が送られる。
次に、曲率計算部12で軌跡A上の各点Xにおける曲率をそれぞれ計算する。
まず、物体が軌跡A上を始点X0から終点X1まで一定速度で進むと仮定し、軌跡A上の点を微小な刻み時間δtでサンプリングした際の時刻tでの速度v(t)を(3)式によって求める。また、加速度も同様に計算できるので、各点での曲率c(t)は(4)式によって求められる。
ここで、(5)式は、等速度運動であるので、各点Xでの曲率c(s)に応じた接線速度vd(s)を(7)式によって計算する(図4では、一点鎖線で示す)。なお、パラメータをuとした場合の物体の速度v(u)は、(1)式に示される角速度ωを用いた(2)式によって計算されており、(2)式のパラメータを経路長sに置き換えることにより、(7)式が得られる。また、曲率cが曲率半径rの逆数であるので、速度vd(s)を(8)式で表すこともできる。また、速度vd(s)の大きさは速度v(s)と異なるが、それらの方向は一致するので、速度vd(s)のx方向成分xd(s)及びy方向成分yd(s)は、(9)式及び(10)式で示される。
このように、物体の速度vd(s)は、曲率c(s)に応じて決定されるので、軌跡Aが大きく曲がっている、すなわち、曲率cが大きい所では、物体の接線速度を遅くして、物体が遠心力によって軌跡Aからずれるのを防止することができる。
速度計算部13で算出された速度を出力部14から物体の動きを制御する制御部に出力する。物体の制御部は、与えられた速度で物体を移動させるので、物体が軌跡Aに沿って速く、かつ、正確に移動することができる。以上のようにして、軌道生成を行なう。
図4に示すように、始点及び終点では、曲率の値に関わらず加減速が行われる。また、軌跡Aが急に折れ曲がっている、すなわち、曲率cが急峻に大きくなる場所(中間点M)でも、物体の速度の変化率(加速度)が大きくなり、急激な加減速を行わなければならない。ここで、物体の速度の変化率とは、加速度であって、図4においてグラフの傾きで示される。
また、図3に示すように、軌跡A上の曲率cが急峻に大きくなっている中間点Mでは、軌跡Aの曲率の変化率、すなわち、グラフの傾きが大きくなる。このような場所では、前記したように、物体の速度vd(s)の変化率も大きくなって、物体が急激に加減速されるので、物体が軌道上を空回りしたり、軌跡からずれたりして、軌跡上を速くかつ正確に移動できない。そこで、第2工程において、曲率演算部12で曲率の変化率、すなわち、曲率cの傾きが緩やかになるように曲率cを補正した後、第3工程において、この補正した曲率cに基づいて、物体の速度を計算し、物体を急激に加減速させずに、軌跡上を速くかつ正確に移動できるようにする。なお、このような速度にする曲率の変化率の最大値を所定値という。ここで、速度の変化率と、曲率の変化率との間には、前記した(7)式の関係が成り立つので、前記した速度の変化率の所定値から曲率の変化率の所定値を求めることができる。
図7(A)に示すように、台車20と、台車20の上部に設けられたバネ21と、バネ21の先端部に取付けられた重り22とを有する物体23を使用し、物体23の重り22が、図8に示す軌跡Kに沿って通過するように軌跡K上の各点における接線速度Vd(s)を求め、更に、物体23を得られた速度Vd(s)で動かした際の軌跡K’を求めた。
c2(i)=βc2(i−1) ・・・(14)
ここで、βは減衰定数であり、0<β<1である。
c3(i)=βc2(i+1) ・・・(15)
もし、c3(i)<c2(i)となった場合には、c3(i)=c2(i)とする。このような処理を行うことで、βが大きいときには、曲率の変化率を緩やかにすることができ、図9に示すように、補正後の曲率c(s)は緩やかな裾野を形成することができた。
更に、出力部14から補正した速度vd(s)を物体23の制御部(図示せず)に出力し、物体23の台車20を移動させた場合について、コンピュータによる計算を行った。図11に、その際の重り22の軌跡K’を示す。
例えば、前記実施の形態の物体の速度制御方法において、適用する物体として、ロボットハンドの手先及びバネを介して重りを取付けた車台としたが、軌跡が曲線となるような動きを行うもの、例えば、搬送台車や、レール上を移動しない無軌道台車等の搬送車にも適用できる。
Claims (9)
- 請求項1記載の速度制御方法において、前記物体の前記軌跡上の各点での速度を算出して、該物体の軌道生成を行うことを特徴とする速度制御方法。
- 請求項1及び2のいずれか1項に記載の速度制御方法において、前記第1工程で前記物体の最大速度を入力し、前記第3工程で前記(2)式によって算出された前記各点での前記物体の速度のデータが前記最大速度を超える場合、該物体の速度を前記最大速度以下に補正することを特徴とする速度制御方法。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載の速度制御方法において、前記第3工程では、前記(2)式による前記物体の速度の変化率が所定値以下となるように、前記物体の速度を補正することを特徴とする速度制御方法。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載の速度制御方法において、前記第2工程では、前記曲率の変化率が所定値以下となるように、前記軌跡上の各点での曲率を補正した後、前記第3工程で該補正した曲率から前記物体の速度を計算することを特徴とする速度制御方法。
- 請求項1〜5のいずれか1項に記載の速度制御方法において、前記(2)式では、αが2/3であることを特徴とする速度制御方法。
- 請求項1〜6のいずれか1項に記載の速度制御方法を、ロボットアーム又は搬送車の速度を制御するのに用いることを特徴とする速度制御方法。
- 請求項8記載の速度制御装置において、前記出力部はロボットアーム又は搬送車に前記算出された各点での速度を出力することを特徴とする速度制御装置。
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