JP5353581B2 - robot - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ロボットに関するものである。 The present invention relates to a robot.
多リンク構造を有するロボットには、各リンクを駆動させるアクチュエーター(例えば、電動モーター)と、各アクチュエーターの回転角度を検出する角度センサー(例えば、エンコーダ)とを備えて構成されている。従来、アクチュエーターの回転角度を制御して、間接的に各リンクの回転角度を制御する技術が用いられている。しかしながら、アクチュエーターのトルクをリンクへ伝達するトルク伝達機構は、一般に剛体ではなくバネ特性を有する。よって、多リンク機構を有するロボットにおいては、アクチュエーターやリンクが機械的な共振特性を有し、互いに振動してしまうという問題がある。 A robot having a multi-link structure includes an actuator (for example, an electric motor) that drives each link and an angle sensor (for example, an encoder) that detects a rotation angle of each actuator. Conventionally, a technique has been used in which the rotation angle of each link is indirectly controlled by controlling the rotation angle of an actuator. However, the torque transmission mechanism that transmits the torque of the actuator to the link generally has a spring characteristic rather than a rigid body. Therefore, in a robot having a multi-link mechanism, there is a problem that actuators and links have mechanical resonance characteristics and vibrate with each other.
このような問題点を解決するための技術が各種開発されており、例えば、特許文献1では、2次モード以上の高周波数成分を除去し1次モード周波数成分及び直流成分を通過させるローパスフィルタを用いている。すなわち、ローパスフィルタにより2次モード以上の加速度信号をカットし、2次モード以上の振動が励起されてアームが振動しまうことを抑制してアームの正確な位置決めを可能にしている。
また、特許文献2では、ワークの掴み部(チャック部)近傍に慣性センサーを設けてチャック部の動作(振れ状態)を検出している。そして、慣性センサー及び各アームの関節となる駆動体に接続された制御回路に指令信号が入力されることにより、各アームの駆動を制御してチャック部の振れの制振を行っている。
Various techniques for solving such problems have been developed. For example, in
Further, in
これら特許文献1及び2では、アクチュエーターやリンクが互いに振動することを防止することができるが、慣性センサーのバイアスドリフトの影響によって速度偏差や位置偏差などの定常偏差(オフセット)が生じる問題がある。これに対して、特許文献3では、角速度の積分値のうちカットオフ周波数以上の高周波数成分と、アクチュエーターの回転角度とトルク伝達機構の所定の減速比との積のうちカットオフ周波数以下の低周波数成分とを用いることで、角速度センサーのバイアスドリフトの影響を除去している。
In these
しかしながら、特許文献1〜3では、慣性センサーのバイアスドリフトの影響以外のその他外乱等によるノイズの影響が考慮されていない。このため、外乱等によるノイズの影響によって定常偏差(オフセット)が生じ、高精度な制御を行うことができなくなる。
However,
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、角速度センサーのバイアスドリフトの影響を除去するとともに外乱等によるノイズの影響を除去し、高精度な制御を行うことが可能なロボットを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and a robot capable of performing high-precision control by removing the influence of bias drift of the angular velocity sensor and removing the influence of noise due to disturbance or the like. The purpose is to provide.
上記の課題を解決するため、本発明のロボットは、基体に対して回転運動可能なリンクと、前記リンクを駆動するアクチュエーターと、前記アクチュエーターのトルクを前記リンクに所定の減速比で伝達するトルク伝達機構と、前記アクチュエーターの回転角度を検出する角度センサーと、前記基体に対する前記リンクの角速度を検出する角速度センサーと、所定の減速比と前記回転角度との積のうちカットオフ周波数以下の低周波数成分及び前記角速度の積分値のうち前記カットオフ周波数以上の高周波数成分を用いるとともに前記高周波数成分において特定の周波数特性を有するフィルタを用いて前記リンクの角度を算出する演算部と、を備えることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a robot according to the present invention includes a link that can rotate with respect to a base, an actuator that drives the link, and torque transmission that transmits torque of the actuator to the link at a predetermined reduction ratio. A low frequency component equal to or lower than a cut-off frequency among products of a mechanism, an angle sensor that detects a rotation angle of the actuator, an angular velocity sensor that detects an angular velocity of the link with respect to the base, and a predetermined reduction ratio and the rotation angle And an arithmetic unit that uses a high frequency component equal to or higher than the cut-off frequency in the integral value of the angular velocity and calculates a link angle using a filter having a specific frequency characteristic in the high frequency component. Features.
本発明のロボットによれば、角速度の積分値のうちカットオフ周波数以上の高周波数成分と、アクチュエーターの回転角度とトルク伝達機構の所定の減速比との積のうちカットオフ周波数以下の低周波数成分とを用いているので、角速度センサーのバイアスドリフトの影響を除去することができる。また、角速度の積分値のうちカットオフ周波数以上の高周波数成分において特定の周波数特性を有するフィルタを用いているので、外乱等によるノイズの影響を除去することができる。したがって、角速度センサーのバイアスドリフトの影響を除去するとともに外乱等によるノイズの影響を除去し、高精度な制御を行うことが可能なロボットが提供できる。 According to the robot of the present invention, a low frequency component equal to or lower than the cutoff frequency among products of a high frequency component equal to or higher than the cutoff frequency in the integral value of the angular velocity and a rotation angle of the actuator and a predetermined reduction ratio of the torque transmission mechanism. Therefore, the influence of the bias drift of the angular velocity sensor can be eliminated. In addition, since the filter having a specific frequency characteristic is used in the high frequency component equal to or higher than the cutoff frequency in the integrated value of the angular velocity, the influence of noise due to disturbance or the like can be removed. Therefore, it is possible to provide a robot capable of removing the influence of the bias drift of the angular velocity sensor and removing the influence of noise due to disturbance and the like and performing highly accurate control.
また、このロボットにおいては、前記フィルタが前記高周波数成分において前記リンクと前記アクチュエーターと前記トルク伝達機構とからなる系の固有周波数のうち少なくとも最も低い周波数の固有周波数よりも高い周波数を減衰させる特性を有していてもよい。 Further, in this robot, the filter has a characteristic of attenuating a frequency higher than at least the lowest natural frequency among the natural frequencies of the system including the link, the actuator, and the torque transmission mechanism in the high frequency component. You may have.
この構成によれば、リンク、アクチュエーター、トルク伝達機構からなる系の固有周波数のうち少なくとも最も低い周波数の固有周波数よりも高い周波数が減衰されるので、制御に必要な系の固有周波数帯の信号をとりつつ、制御に必要のない外乱等によるノイズの影響の大きい周波数成分を除去することができる。したがって、ノイズの影響の少ない高精度の制御を行うことができる。 According to this configuration, a frequency higher than at least the lowest natural frequency among the natural frequencies of the system including the link, the actuator, and the torque transmission mechanism is attenuated. In addition, it is possible to remove frequency components having a large influence of noise due to disturbances and the like that are not necessary for control. Therefore, highly accurate control with little influence of noise can be performed.
また、このロボットにおいては、前記フィルタが前記高周波数成分において前記系の固有周波数のうち少なくとも測定対象となる周波数の固有周波数のゲインが相対的に大きい特性を有していてもよい。 In this robot, the filter may have a characteristic that a gain of a natural frequency of at least a frequency to be measured among the natural frequencies of the system in the high frequency component is relatively large.
この構成によれば、リンク、アクチュエーター、トルク伝達機構からなる系の固有周波数のうち少なくとも測定対象となる固有周波数のゲインが相対的に大きいので、系の測定したい部分においてセンサーの感度を高める効果があり、リンクやアクチュエーターの振動を強調して測定を行うことが可能となる。したがって、強調して測定された振動のデータを基に制御を行うことで、リンクやアクチュエーターの振動を確実に抑制することができる。 According to this configuration, since the gain of the natural frequency to be measured is relatively large among the natural frequencies of the system composed of the link, the actuator, and the torque transmission mechanism, the effect of increasing the sensitivity of the sensor in the portion to be measured of the system is effective. Yes, it is possible to perform measurement while emphasizing the vibration of the link and actuator. Therefore, by performing control based on the vibration data measured with emphasis, the vibration of the link and the actuator can be reliably suppressed.
また、このロボットにおいては、前記フィルタが前記高周波数成分において電気的な外乱ノイズのうち少なくとも最もエネルギー強度の大きい周波数の外乱ノイズのゲインが相対的に小さい特性を有していてもよい。 Further, in this robot, the filter may have a characteristic in which a gain of at least a disturbance noise having a frequency with the highest energy intensity among electric disturbance noises in the high frequency component is relatively small.
この構成によれば、電気的な外乱ノイズのうち少なくとも最もエネルギー強度の大きい周波数の外乱ノイズのゲインが相対的に小さくなる。このため、センサーで検出したくない部分においてセンサーの感度が低くされるので、外乱ノイズなどの制御に必要のない信号を確実に除去することができる。したがって、格段に高精度な制御を行うことが可能となる。 According to this configuration, the gain of disturbance noise having a frequency with the highest energy intensity among electrical disturbance noises is relatively small. For this reason, since the sensitivity of the sensor is lowered in a portion that is not desired to be detected by the sensor, it is possible to reliably remove signals that are not necessary for control such as disturbance noise. Therefore, it is possible to perform control with extremely high accuracy.
また、このロボットにおいては、前記フィルタが前記高周波数成分において外部からの物理的な振動のうち少なくとも最もエネルギー強度の大きい周波数の物理的な振動のゲインが相対的に小さい特性を有していてもよい。 Further, in this robot, even if the filter has a relatively small gain of a physical vibration at a frequency having the highest energy intensity among the physical vibrations from the outside in the high frequency component. Good.
この構成によれば、外部からの物理的な振動のうち少なくとも最もエネルギー強度の大きい周波数の物理的な振動のゲインが相対的に小さくなる。このため、センサーで検出したくない部分においてセンサーの感度が低くされる効果があるので、物理的な振動などの制御に必要のない信号を確実に除去することが可能となる。したがって、格段に高精度な制御を行うことが可能となる。 According to this configuration, the gain of the physical vibration of the frequency having the largest energy intensity among the physical vibrations from the outside becomes relatively small. For this reason, there is an effect that the sensitivity of the sensor is lowered in a portion that is not desired to be detected by the sensor, so that it is possible to reliably remove signals that are not necessary for control such as physical vibration. Therefore, it is possible to perform control with extremely high accuracy.
また、このロボットにおいては、前記フィルタが前記高周波数成分において前記ロボットの筐体または設置台の固有周波数のうち少なくとも最もエネルギー強度の大きい周波数の固有周波数のゲインが相対的に小さい特性を有していてもよい。 In this robot, the filter has a characteristic in which the gain of the natural frequency of the frequency having the highest energy intensity among the natural frequencies of the robot casing or the installation base in the high frequency component is relatively small. May be.
この構成によれば、ロボットの筐体または設置台の固有周波数のうち少なくとも最もエネルギー強度の大きい周波数の固有周波数のゲインが相対的に小さくなる。このため、センサーで検出したくない部分においてセンサーの感度が低くされる効果があるので、筐体または設置台の固有周波数などの制御に必要のない信号を確実に除去することが可能となる。したがって、格段に高精度な制御を行うことが可能となる。 According to this configuration, the gain of the natural frequency of the frequency having the highest energy intensity among the natural frequencies of the robot casing or the installation base becomes relatively small. For this reason, there is an effect of reducing the sensitivity of the sensor in a portion that is not desired to be detected by the sensor, so that it is possible to surely remove a signal that is not necessary for controlling the natural frequency of the housing or the installation table. Therefore, it is possible to perform control with extremely high accuracy.
また、このロボットにおいては、前記角速度センサーに振動型ジャイロを用いる場合であって、前記フィルタが前記高周波数成分において前記振動型ジャイロの駆動周波数、検出周波数、離調周波数、または素子の固有周波数のうち少なくとも最もエネルギー強度の大きい周波数の駆動周波数、検出周波数、離調周波数、または素子の固有周波数のゲインが相対的に小さい特性を有していてもよい。 Further, in this robot, a vibration gyro is used for the angular velocity sensor, and the filter has a driving frequency, a detection frequency, a detuning frequency, or an element natural frequency of the vibration gyro in the high frequency component. Of these, at least the drive frequency, the detection frequency, the detuning frequency, or the natural frequency gain of the element having the highest energy intensity may have a relatively small characteristic.
この構成によれば、角速度センサーに振動型ジャイロを用いる場合、振動型ジャイロの駆動周波数、検出周波数、離調周波数、または素子の固有周波数のうち少なくとも最もエネルギー強度の大きい周波数の駆動周波数、検出周波数、離調周波数、または素子の固有周波数のゲインが相対的に小さくなる。このため、センサーで検出したくない部分においてセンサーの感度が低くされる効果があるので、振動型ジャイロの駆動周波数、検出周波数、離調周波数、または素子の固有周波数などの制御に必要のない信号を確実に除去することが可能となる。したがって、格段に高精度な制御を行うことが可能となる。 According to this configuration, when the vibration type gyro is used for the angular velocity sensor, at least the drive frequency and detection frequency of the vibration type gyro having the highest energy intensity among the drive frequency, detection frequency, detuning frequency, and element natural frequency. The gain of the detuning frequency or the natural frequency of the element becomes relatively small. For this reason, there is an effect that the sensitivity of the sensor is lowered in the part that the sensor does not want to detect. It can be reliably removed. Therefore, it is possible to perform control with extremely high accuracy.
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。かかる実施の形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。また、以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、実際の構造と各構造における縮尺や数等が異なっている。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. This embodiment shows one aspect of the present invention, and does not limit the present invention, and can be arbitrarily changed within the scope of the technical idea of the present invention. Moreover, in the following drawings, in order to make each structure easy to understand, an actual structure and a scale, a number, and the like in each structure are different.
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態における角速度センサー12,13が設けられたロボット100の模式断面図である。図1に示すように、ロボット100は、架台(基体)1と、リンク3,8と、モーター(アクチュエーター)4,9と、減速機(トルク伝達機構)5,11と、角度センサー6,10と、角速度センサー12,13と、演算部15と、を備えて構成されている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a
架台1の上部にはリンク3の一端が取り付けられており、リンク3の他端にはリンク8の一端が取り付けられている。リンク3は、軸2を中心として架台1に対して相対的に回転運動可能になっている。リンク8は、軸7を中心としてリンク3に対して相対的に回転運動可能になっている。
One end of the link 3 is attached to the upper part of the
モーター4は、減速機5を介してリンク3を駆動するものである。モーター9は、減速機11を介してリンク8を駆動するものである。ここで、減速機5における所定の減速比をN1、減速機11における所定の減速比をN2とする。
The
角度センサー6は、モーター4の頂部に設けられている。角度センサー6は、軸2の回りにおけるモーター4の回転角度Θm1を検出する機能を有する。角度センサー10は、モーター9の頂部に設けられている。角度センサー10は、軸7の回りにおけるモーター9の回転角度Θm2を検出する機能を有する。
The
角速度センサー12は、リンク3の他端に設けられている。角速度センサー12は、架台1に対するリンク3の角速度w1を検出する機能を有する。角速度センサー13は、リンク8の他端に設けられている。角速度センサー13は、架台1に対するリンク8の角速度w2を検出する機能を有する。なお、架台1に対するリンク3の角速度w1は、リンク3の回転面内の角速度成分である。また、架台1に対するリンク8の角速度w2は、リンク8の回転面内の角速度成分である。
The
演算部15は、架台1の近傍に設けられている。演算部15は、モーター4,9の回転角度Θm1,Θm2と所定の減速比N1,N2との積Θm1・N1,Θm2・N2のうちカットオフ周波数以下の低周波数成分及び角速度w1,(w2−w1)の積分値のうちカットオフ周波数以上の高周波数成分を用いるとともに高周波数成分において特定の周波数特性を有するフィルタを用いてリンクの角度ΘA1,ΘA2を算出する機能を有する。
The
なお、本実施形態においては、リンク、モーター、減速機、角度センサー、角速度センサーがそれぞれ2つ設けられているが、これに限らない。例えば、リンク、モーター、減速機、角度センサー、角速度センサーがそれぞれ1つずつ設けられていてもよく、あるいは3つ以上など任意の数が設けられていてもよい。 In this embodiment, two links, a motor, a speed reducer, an angle sensor, and an angular velocity sensor are provided, but the present invention is not limited to this. For example, one link, one motor, one speed reducer, one angle sensor, and one angular velocity sensor may be provided, or any number such as three or more may be provided.
また、角速度センサー12,13は、それぞれリンク3,8の先端に配置されているが、これに限らない。例えば、角速度センサー12,13は、それぞれリンク3,8の任意の位置に配置されていてもよい。また、演算部15は、架台1の近傍に配置されているが、これに限らない。例えば、演算部15は、ロボット100の外部など任意の位置に配置されていてもよい。
Moreover, although the
図2は、リンク3の角度ΘA1、リンク8の角度ΘA2を算出する過程を示すフローチャート図である。ステップS1及びS6以外の演算処理は、ロボット100内に配置された演算部15が実行してもよく、または、ロボット100の外部に設けられた演算部15が実行してもよい。
FIG. 2 is a flowchart showing a process of calculating the angle ΘA1 of the link 3 and the angle ΘA2 of the
先ず、角速度センサー12によって架台1に対するリンク3の角速度w1が検出される。また、角速度センサー13によって架台1に対するリンク8の角速度w2が検出される(S1)。
First, the angular velocity w1 of the link 3 with respect to the
次に、演算部15によって、リンク3の単独の角速度dΘA1/dtが算出される。また、演算部15によってリンク8の単独の角速度dΘA2/dtが算出される。角速度w1及びw2は、それぞれ架台1に対するリンク3及び8の角速度であるので、角速度dΘA1/dt及びdΘA2/dtは、以下の式(1)のように表すことができる。
Next, the
dΘA1/dt=w1, dΘA2/dt=w2−w1 ……(1) dΘA1 / dt = w1, dΘA2 / dt = w2-w1 (1)
次に、演算部15によって、リンクの角速度dΘA1/dt及びdΘA2/dtが積分される(S3)。 Next, the angular velocities dΘA1 / dt and dΘA2 / dt of the link are integrated by the calculation unit 15 (S3).
次に、これらの積分結果がハイパスフィルタFHに通過されるとともに特定の周波数成分を有するフィルタに通過される(S4)。これにより、リンクの角度ΘA1及びΘA2のうちカットオフ周波数1/Tf以上の高周波数成分が得られる。
Next, these integration results are passed through the high-pass filter FH and through a filter having a specific frequency component (S4). As a result, a high frequency component of the cut-
ここで、リンクの角度ΘA1及びΘA2のうち低周波数成分を除去する理由は、リンクの角速度dΘA1/dt及びdΘA2/dtの積分ではバイアスドリフトの影響によりリンクの角度ΘA1及びΘA2を正確に求めることができないので、このバイアスドリフトの影響を除去するためである。また、リンクの角度ΘA1及びΘA2が特定の周波数成分を有するフィルタに通過される理由は、リンクの角速度dΘA1/dt及びdΘA2/dtの積分では外乱等によるノイズの影響によりリンクの角度ΘA1及びΘA2を正確に求めることができないので、この外乱等によるノイズの影響を除去するためである。 Here, the reason for removing the low frequency component of the link angles ΘA1 and ΘA2 is that the link angles ΘA1 and ΘA2 are accurately obtained by the influence of bias drift in the integration of the link angular velocities dΘA1 / dt and dΘA2 / dt. This is because the influence of this bias drift is eliminated. The reason why the link angles ΘA1 and ΘA2 are passed through a filter having a specific frequency component is that the link angles ΘA1 and ΘA2 are affected by noise caused by disturbances or the like in the integration of the link angular velocities dΘA1 / dt and dΘA2 / dt. This is because the influence of noise due to this disturbance or the like is removed because it cannot be obtained accurately.
一方、ロボット100が停止あるいは極低周波帯域で動作している場合には、減速機5,11はほとんど捩れないので以下の式(2)が成り立つ。
On the other hand, when the
ΘA1=Θm1・N1,ΘA2=Θm2・N2 ……(2) ΘA1 = Θm1 · N1, ΘA2 = Θm2 · N2 (2)
そこで、角度センサー6によってモーター角度Θm1が検出される。また、角度センサー10によってモーター角度Θm2が検出される(S6)。
Therefore, the motor angle Θm1 is detected by the
次に、演算部15によって、所定の減速比N1(N1<1)がモーター角度Θm1に乗算され、Θm1・N1が算出される。また、演算部15によって、所定の減速比N2(N2<1)がモーター角度Θm2に乗算され、Θm2・N2が算出される(S7)。
Next, the
次に、これらの算出結果がローパスフィルタFLに通過される(S8)。これにより、リンクの角度ΘA1及びΘA2のうちカットオフ周波数1/Tf以下の低周波数成分が得られる。ここで、リンクの角度ΘA1及びΘA2の高周波数成分を除去する理由は、高周波数成分では減速機5,11が捩れるため式(2)が成立しなくなるからである。 Next, these calculation results are passed through the low-pass filter FL (S8). As a result, a low frequency component having a cut-off frequency of 1 / Tf or less is obtained from the link angles ΘA1 and ΘA2. Here, the reason why the high-frequency components of the link angles ΘA1 and ΘA2 are removed is because the reduction gears 5 and 11 are twisted at the high-frequency components, so that equation (2) is not established.
ハイパスフィルタFHのフィルタ係数をHFとし、ローパスフィルタFLのフィルタ係数をLFとすると、以下の式(3)が成り立つ。 When the filter coefficient of the high-pass filter FH is HF and the filter coefficient of the low-pass filter FL is LF, the following equation (3) is established.
HF=1−LF ……(3) HF = 1-LF (3)
このように、式(3)の関係を有するハイパスフィルタFH及びローパスフィルタFLを用いることによって、ステップS1〜S4により得られたリンクの角度ΘA1及びΘA2の高周波数成分と、ステップS6〜S8により得られたリンクの角度ΘA1及びΘA2の低周波数成分と、を加算することができる(S10)。この演算によって、架台1に対するリンク3の角度ΘA1及びリンク3に対するリンク8の角度ΘA2を算出することができる。
Thus, by using the high-pass filter FH and the low-pass filter FL having the relationship of Expression (3), the high-frequency components of the link angles ΘA1 and ΘA2 obtained in steps S1 to S4 and the steps S6 to S8 are obtained. The low-frequency components of the link angles ΘA1 and ΘA2 thus added can be added (S10). By this calculation, the angle ΘA1 of the link 3 with respect to the
さらに、ステップS2において得られた角速度dΘA1/dt及びdΘA2/dtを1回近似微分することによって、リンク3及び8の角加速度d2ΘA1/dt2及びd2ΘA2/dt2を算出することができる(S5)。また、ステップS6において得られたモーター角度Θm1及びΘm2を1回近似微分することによって、モーター4及び10のモーター角速度dΘm1/dt及びdΘm2/dtを算出することができる(S9)。
Further, the angular accelerations d 2 ΘA1 / dt 2 and d 2 ΘA2 / dt 2 of the
このように、1回積分または1回微分によって、モーター角度Θm1及びΘm2、モーター角速度dΘm1/dt及びdΘm2/dt、リンクの角度ΘA1及びΘA2、リンクの角速度dΘA1/dt及びdΘA2/dt、リンクの角加速度d2ΘA1/dt2及びd2ΘA2/dt2を求めることができる。すなわち、バイアスドリフトの影響を受けやすくなる2回積分または2回微分を必要としないので、正確な制御を行うことができる。 Thus, the motor angles Θm1 and Θm2, the motor angular velocities dΘm1 / dt and dΘm2 / dt, the link angles ΘA1 and ΘA2, the link angular velocities dΘA1 / dt and dΘA2 / dt, and the link angle The accelerations d 2 ΘA1 / dt 2 and d 2 ΘA2 / dt 2 can be determined. That is, since it is not necessary to perform two-time integration or two-time differentiation that is easily affected by bias drift, accurate control can be performed.
図3は、本実施形態に係るフィルタの周波数特性を示すグラフである。図3(a)は、リンクとモーターと減速機とからなる系の応答特性、図3(b)は、本実施形態に係るフィルタ特性を示している。図3は、横軸に周波数、縦軸にゲインを示したグラフである。図3において、符号f0はリンクとモーターと減速機とからなる系の固有周波数帯のうちの測定対象部、符号f1は第1カットオフ周波数、符号f2は第2カットオフ周波数である。なお、第1カットオフ周波数f1及び第2カットオフ周波数f2はf1<f2の関係を有している。 FIG. 3 is a graph showing the frequency characteristics of the filter according to the present embodiment. FIG. 3A shows a response characteristic of a system including a link, a motor, and a speed reducer, and FIG. 3B shows a filter characteristic according to the present embodiment. FIG. 3 is a graph with frequency on the horizontal axis and gain on the vertical axis. In FIG. 3, reference numeral f0 is a measurement target portion in a natural frequency band of a system including a link, a motor, and a speed reducer, reference numeral f1 is a first cutoff frequency, and reference numeral f2 is a second cutoff frequency. Note that the first cutoff frequency f1 and the second cutoff frequency f2 have a relationship of f1 <f2.
図3(a)に示すように、リンクとモーターと減速機とからなる系の固有周波数が3箇所に生じている。図3(b)に示すように、本実施形態に係るフィルタは、3箇所に生じている系の固有周波数のうち少なくとも最も低い周波数の固有周波数よりも高い周波数を減衰させる特性を有する。これにより、振動への寄与の大きい最も低い固有振動数を測定しつつ、制御に必要のない外乱等によるノイズの影響の大きい周波数成分を除去することができる。 As shown in FIG. 3A, the natural frequency of the system including the link, the motor, and the speed reducer is generated at three locations. As shown in FIG. 3B, the filter according to this embodiment has a characteristic of attenuating a frequency higher than at least the lowest natural frequency among the natural frequencies of the system generated in three places. As a result, it is possible to remove frequency components having a large influence of noise due to disturbances and the like that are not necessary for control while measuring the lowest natural frequency that contributes greatly to vibration.
また、第1カットオフ周波数f1と第2カットオフ周波数f2との間の帯域には、制御に必要のない外乱等によるノイズの影響が除かれた系の固有周波数帯となっている。測定対象部f0は第1カットオフ周波数f1と第2カットオフ周波数f2との間の帯域に含まれている。このため、第1カットオフ周波数f1と第2カットオフ周波数f2との間において、制御に必要な系の固有周波数帯の信号をとることができる。 In addition, the band between the first cutoff frequency f1 and the second cutoff frequency f2 is a natural frequency band of the system from which the influence of noise due to disturbances and the like that are not necessary for control is removed. The measurement target part f0 is included in a band between the first cutoff frequency f1 and the second cutoff frequency f2. For this reason, a signal in the natural frequency band of the system necessary for control can be taken between the first cutoff frequency f1 and the second cutoff frequency f2.
本発明のロボット100によれば、リンクの角速度dΘA1/dt及びdΘA2/dtの積分値のうちカットオフ周波数1/Tf以上の高周波数成分と、モーターの回転角度と減速機の所定の減速比との積Θm1・N1及びΘm2・N2のうちカットオフ周波数1/Tf以下の低周波数成分とを用いているので、角速度センサー12,13のバイアスドリフトの影響を除去することができる。また、リンクの角速度dΘA1/dt及びdΘA2/dtの積分値のうちカットオフ周波数1/Tf以上の高周波数成分において特定の周波数特性を有するフィルタを用いているので、外乱等によるノイズの影響を除去することができる。したがって、角速度センサー12,13のバイアスドリフトの影響を除去するとともに外乱等によるノイズの影響を除去し、高精度な制御を行うことが可能なロボット100が提供できる。
According to the
また、この構成によれば、リンクとモーターと減速機とからなる系の固有周波数のうち少なくとも最も低い周波数の固有周波数よりも高い周波数が減衰されるので、制御に必要な系の固有周波数帯の信号をとりつつ、制御に必要のない外乱等によるノイズの影響の大きい周波数成分を除去することができる。したがって、ノイズの影響の少ない高精度の制御を行うことができる。 In addition, according to this configuration, a frequency higher than at least the lowest natural frequency among the natural frequencies of the system including the link, the motor, and the speed reducer is attenuated. While taking a signal, it is possible to remove a frequency component having a large influence of noise due to a disturbance or the like which is not necessary for the control. Therefore, highly accurate control with little influence of noise can be performed.
(第2実施形態)
図4は、本発明の第2実施形態に係るフィルタの周波数特性を示すグラフである。図4は、図3(b)に対応した、第2実施形態におけるフィルタ特性を示したグラフである。図4に示すように、本実施形態のフィルタは特定の帯域においてゲインを大きくする特性を有する点で、上述の第1実施形態で説明したフィルタと異なっている。その他の点は第1実施形態と同様であるので、図3(b)と同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 4 is a graph showing frequency characteristics of the filter according to the second embodiment of the present invention. FIG. 4 is a graph showing filter characteristics in the second embodiment corresponding to FIG. As shown in FIG. 4, the filter of this embodiment is different from the filter described in the first embodiment in that it has a characteristic of increasing the gain in a specific band. Since the other points are the same as in the first embodiment, the same elements as those in FIG. 3B are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図4に示すように、本実施形態に係るフィルタは、第1カットオフ周波数f1以上の高周波数成分において系の固有周波数のうち少なくとも測定対象となる周波数の固有周波数のゲインが相対的に大きい特性を有する。言い換えると、フィルタは第1カットオフ周波数f1以上の高周波数成分における特定の帯域においてゲインを相対的に大きくし、このゲインが相対的に大きくなった帯域に測定対象部f0が含まれるようにしている。なお、特定の帯域においてゲインを大きくすることは、特定の帯域でセンサーの感度を高くすることと等価である。 As shown in FIG. 4, the filter according to the present embodiment has a characteristic that the gain of the natural frequency of at least the frequency to be measured among the natural frequencies of the system is relatively large in the high frequency component equal to or higher than the first cutoff frequency f1. Have In other words, the filter has a relatively large gain in a specific band in a high frequency component equal to or higher than the first cut-off frequency f1, and the measurement target part f0 is included in the band in which the gain is relatively large. Yes. Note that increasing the gain in a specific band is equivalent to increasing the sensitivity of the sensor in the specific band.
本実施形態の構成によれば、系の固有周波数のうち少なくとも測定対象となる固有周波数のゲインが相対的に大きいので、系の測定したい部分においてセンサーの感度を高める効果があるため、リンク3,8やモーター4,10の振動を強調して測定を行うことが可能となる。したがって、強調して測定された振動のデータを基に制御を行うことで、リンク3,8やモーター4,10の振動を確実に抑制することができる。
According to the configuration of the present embodiment, since the gain of at least the natural frequency to be measured among the natural frequencies of the system is relatively large, there is an effect of increasing the sensitivity of the sensor in the portion to be measured in the system. 8 and
(第3実施形態)
図5及び図6は、本発明の第3実施形態に係るフィルタの周波数特性を示すグラフである。図5(a)は、ノイズのエネルギー強度、図5(b)は、本実施形態に係るフィルタ特性を示している。図5(b)及び図6は、図3(b)に対応した、第3実施形態におけるフィルタ特性を示したグラフである。図5及び図6に示すように、本実施形態のフィルタは特定の帯域においてゲインを小さくする特性を有する点で、上述の第1実施形態で説明したフィルタと異なっている。その他の点は第1実施形態と同様であるので、図3(b)と同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
(Third embodiment)
5 and 6 are graphs showing the frequency characteristics of the filter according to the third embodiment of the present invention. FIG. 5A shows the energy intensity of noise, and FIG. 5B shows the filter characteristics according to the present embodiment. FIGS. 5B and 6 are graphs showing filter characteristics in the third embodiment corresponding to FIG. As shown in FIGS. 5 and 6, the filter of this embodiment is different from the filter described in the first embodiment in that it has a characteristic of reducing the gain in a specific band. Since the other points are the same as in the first embodiment, the same elements as those in FIG. 3B are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図5(b)及び図6に示すように、本実施形態に係るフィルタは、第1カットオフ周波数f1以上の高周波数成分において電気的な外乱ノイズのうち少なくとも最もエネルギー強度の大きい周波数の外乱ノイズのゲインが相対的に小さい特性を有する。本実施形態では、フィルタは第2カットオフ周波数f2の帯域においてゲインを相対的に小さくし、このゲインが相対的に小さくなった帯域に外乱ノイズが含まれるようにしている。なお、特定の帯域においてゲインを小さくすることは、特定の帯域でセンサーの感度を低くすることと等価である。 As shown in FIGS. 5B and 6, the filter according to the present embodiment is a disturbance noise having a frequency with at least the highest energy intensity among the electrical disturbance noises in the high frequency component of the first cutoff frequency f1 or higher. Have a relatively small gain. In the present embodiment, the filter has a relatively small gain in the band of the second cut-off frequency f2, and disturbance noise is included in the band in which the gain is relatively small. Note that reducing the gain in a specific band is equivalent to reducing the sensitivity of the sensor in the specific band.
つまり、図5に示すように、本実施形態のフィルタにより、電気的な外乱ノイズはゲインが相対的に小さくされた第2カットオフ周波数f2の帯域近傍に含まれる。これにより、電気的な外乱ノイズをゲインが相対的に小さくなった帯域にもっていくことができる。 That is, as shown in FIG. 5, the electrical disturbance noise is included in the vicinity of the band of the second cutoff frequency f2 in which the gain is relatively reduced by the filter of the present embodiment. As a result, electrical disturbance noise can be brought to a band where the gain is relatively small.
本実施形態の構成によれば、電気的な外乱ノイズのうち少なくとも最もエネルギー強度の大きい周波数の外乱ノイズのゲインが相対的に小さくなる。このため、センサーで検出したくない部分においてセンサーの感度が低くされるので、外乱ノイズなどの制御に必要のない信号を確実に除去することができる。したがって、格段に高精度な制御を行うことが可能となる。 According to the configuration of the present embodiment, the gain of disturbance noise having a frequency having the highest energy intensity among electrical disturbance noises is relatively small. For this reason, since the sensitivity of the sensor is lowered in a portion that is not desired to be detected by the sensor, it is possible to reliably remove signals that are not necessary for control such as disturbance noise. Therefore, it is possible to perform control with extremely high accuracy.
なお、本実施形態においては、フィルタの電気的な外乱ノイズのゲインが相対的に小さい例を挙げて説明したが、これに限らない。例えば、電気的な外乱ノイズに替えて、外部からの物理的な振動、ロボットの筐体または設置台の固有周波数、などのセンサーで検出したくない信号においても適用可能である。また、角速度センサーに振動型ジャイロを用いる場合にあっては、振動型ジャイロの駆動周波数、検出周波数、離調周波数、または素子の固有周波数、などのセンサーで検出したくない信号においても適用可能である。 In the present embodiment, an example in which the gain of the electrical disturbance noise of the filter is relatively small has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, in place of electrical disturbance noise, the present invention can also be applied to a signal that is not desired to be detected by a sensor, such as physical vibration from the outside, the natural frequency of a robot casing or installation base, and the like. In addition, when using a vibrating gyroscope for the angular velocity sensor, it can also be applied to signals that you do not want to detect with the sensor, such as the driving frequency, detection frequency, detuning frequency, or element natural frequency of the vibrating gyroscope. is there.
(変形例)
図7は、リンクの角度を算出する過程の変形例を示すフローチャート図である。図7は、図2に対応した、リンクの角度の算出過程の変形例を示したフローチャート図である。図7に示すように、本変形例のリンクの角度の算出過程は、リンクの角速度dΘA1/dt及びdΘA2/dtの積分値のうちカットオフ周波数1/Tf以上の高周波数成分と、モーターの回転角度と減速機の所定の減速比との積Θm1・N1及びΘm2・N2のうちカットオフ周波数1/Tf以下の低周波数成分とを用いた後に、特定の周波数特性を持ったフィルタを用いる点で、上述の第1実施形態で説明したリンクの角度の算出過程と異なっている。その他の点は第1実施形態と同様であるので、図2と同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
(Modification)
FIG. 7 is a flowchart showing a modification of the process of calculating the link angle. FIG. 7 is a flowchart showing a modification of the link angle calculation process corresponding to FIG. As shown in FIG. 7, the calculation process of the link angle of the present modification includes the high frequency component of the link angular velocity dΘA1 / dt and dΘA2 / dt integrated value of the
本変形例のステップS4においては、バイアスドリフトを除去するために、演算部15によって、リンクの角速度dΘA1/dt及びdΘA2/dtの積分結果がハイパスフィルタFHに通過される。これにより、リンクの角度ΘA1及びΘA2のうちカットオフ周波数1/Tf以上の高周波数成分が得られる。ステップS1〜S4により得られたリンクの角度ΘA1及びΘA2の高周波数成分と、ステップS6〜S8により得られたリンクの角度ΘA1及びΘA2の低周波数成分とが加算され、外乱等によるノイズの影響を除去するために、特定の周波数特性を持ったフィルタに通過される(S10)。この演算によって、架台1に対するリンク3の角度ΘA1及びリンク3に対するリンク8の角度ΘA2が算出される(S11)。
In step S4 of this modification, in order to eliminate bias drift, the
このように、ハイパスフィルタFH及びローパスフィルタFLを用いることによって、ステップS1〜S4により得られたリンクの角度ΘA1及びΘA2の高周波数成分と、ステップS6〜S8により得られたリンクの角度ΘA1及びΘA2の低周波数成分と、が加算された後に、特定の周波数特性を持ったフィルタを用いる場合であっても、角速度センサー12,13のバイアスドリフトの影響を除去するとともに外乱等によるノイズの影響を除去し、高精度な制御を行うことができる。
Thus, by using the high-pass filter FH and the low-pass filter FL, the high-frequency components of the link angles ΘA1 and ΘA2 obtained in steps S1 to S4 and the link angles ΘA1 and ΘA2 obtained in steps S6 to S8 are used. Even when a filter having a specific frequency characteristic is used after adding the low frequency components, the influence of bias drift of the
1…架台(基体)、3,8…リンク、4,9…モーター(アクチュエーター)、5,11…減速機(トルク伝達機構)、6,10…角度センサー、12,13…角速度センサー、100…ロボット、w1,w2…リンクの角速度、ΘA1,ΘA2…リンクの角度、Θm1,Θm2…モーターの回転角度、1/Tf…カットオフ周波数、N1,N2…減速比
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記リンクを駆動するアクチュエーターと、
前記アクチュエーターのトルクを前記リンクに所定の減速比で伝達するトルク伝達機構と、
前記アクチュエーターの回転角度を検出する角度センサーと、
前記基体に対する前記リンクの角速度を検出する角速度センサーと、
前記所定の減速比と前記回転角度との積のうちカットオフ周波数以下の低周波数成分及び前記角速度の積分値のうち前記カットオフ周波数以上の高周波数成分を用いるとともに前記高周波数成分において特定の周波数特性を有するフィルタを用いて前記リンクの角度を算出する演算部と、を備えることを特徴とするロボット。 A link capable of rotating relative to the substrate;
An actuator for driving the link;
A torque transmission mechanism for transmitting the torque of the actuator to the link at a predetermined reduction ratio;
An angle sensor for detecting a rotation angle of the actuator;
An angular velocity sensor for detecting an angular velocity of the link with respect to the substrate;
Of the product of the predetermined reduction ratio and the rotation angle, a low frequency component equal to or lower than a cut-off frequency and a high frequency component equal to or higher than the cut-off frequency among integrated values of the angular velocities and a specific frequency in the high frequency component are used. And a calculation unit that calculates an angle of the link using a filter having characteristics.
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