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JPH07295650A - 多関節型ロボットの制御方法 - Google Patents

多関節型ロボットの制御方法

Info

Publication number
JPH07295650A
JPH07295650A JP8289894A JP8289894A JPH07295650A JP H07295650 A JPH07295650 A JP H07295650A JP 8289894 A JP8289894 A JP 8289894A JP 8289894 A JP8289894 A JP 8289894A JP H07295650 A JPH07295650 A JP H07295650A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
control
gain
robot
speed
arm
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP8289894A
Other languages
English (en)
Inventor
Mutsumi Yamamoto
睦 山本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ricoh Co Ltd
Original Assignee
Ricoh Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ricoh Co Ltd filed Critical Ricoh Co Ltd
Priority to JP8289894A priority Critical patent/JPH07295650A/ja
Publication of JPH07295650A publication Critical patent/JPH07295650A/ja
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 多少振動が発生しても問題ない動作区間はフ
ィードバックゲインを高くして速応性を良くし高速に駆
動させることができる。 【構成】 各関節軸のサーボモータの制御系のフィード
バックゲイン、位置制御ゲイン、速度制御ゲインを、ロ
ボットの加速動作区間、等速動作区間、減速動作区間、
動作整定後の位置決め制御区間の各動作状態に応じて可
変して制御する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、多関節型ロボットの制
御方法に係り、産業用ロボットや組立用ロボット等のロ
ボットアームのモータサーボ制御技術に適用することが
でき、特に、多少振動が発生しても問題ない動作区間は
フィードバックゲインを高くして速応性を良くし高速に
駆動させることができる多関節型ロボットの制御方法に
関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、産業用組立ロボットでは、ロボッ
トを導入することによる各種作業の自動化が図られてお
り、より一層の高速動作及び高精度位置決め動作を行う
ことが求められている。このような産業用組立ロボット
では、組立費の低コスト化を追究するため、組立時間の
短縮化が求められている。また、多品種少量生産を行う
ためには、多種ハンドを搭載した１台のロボットによる
大小様々な複数の部品組立も実施され始めている。
【０００３】従来の多関節型ロボットは、一般に、関節
を駆動する構成としてサーボモータを用い、このサーボ
モータのモータ軸に減速機を取り付け、回転自在に支持
したアームを複数繋げ合わせることにより多関節を構成
している。この従来の多関節型ロボットは、各関節のモ
ータ角度位置を目標値として各関節を位置決め制御して
多自由度を得る構造になっており、加速動作、等速動作
及び減速動作によって短時間で移動して目標位置に停止
する位置決め動作を繰り返して、組立等の作業を行って
いる。
【０００４】また、この従来の多関節型ロボットは、各
関節の加減速駆動を行う場合、ロボットアームの回転方
向に直行する法線方向の剛性が高くなるため、振動を発
生させないようにできる。しかしながら、この従来の多
関節型ロボットでは、減速機のバックラッシュと弾性変
形、アーム自身の構造部の弾性変形によって各関節の回
転動作方向に捻れが生じてしまうため、モータ角度位置
の目標位置決めが正確であっても、アーム先端のハンド
部で減速機とアームの弾性変形による残留振動が生じて
しまうという欠点を有する。
【０００５】このため、従来では、一般的にロボットア
ームの各関節軸のサーボモータの制御系のフィードバッ
クゲインを、ロボットアームの固有振動周波数よりかな
り落として制御系を構成し、ロボットアームの固有振動
周波数やアームの振動状態に合わせた加減速動作のパタ
ーンを与え、できるかぎりアーム先端部に振動が発生し
ないように駆動させることができる手法が用いられてき
ている。なお、この従来技術については、例えば特開平
３−１６４８１３号公報等で報告されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の多関節型ロボットの制御方法では、多種のハン
ドを搭載し、アーム先端重量が重くて固有振動周波数が
低いロボットの場合、アーム等の弾性変形による残留振
動を抑えるために、各関節軸のサーボモータの制御系の
フィードバックゲインをかなり低く設定しなければなら
ないため、制御の速応性が低くなってしまううえ、定常
偏差が大きくなってしまうため、高速動作や高精度位置
決め動作させるのが困難になってしまい、高速組立を実
施することが困難になってしまうという問題があった。
【０００７】また、重量の異なる複数の部品を扱うとと
もに、組立部品の重量が重くてロボットアーム全体の固
有振動周波数が低くなる組立ロボットの場合は、アーム
等の弾性変形による残留振動を抑えるために、重量の重
い部品に合わせてサーボ系の制御周波数を調整しなけれ
ばならないため、重量の軽い部品の組立時においても、
結局上記と同様高速組立や高精度位置決め組立を実施す
ることが困難になってしまうという問題があった。
【０００８】そこで、本発明は、多少振動が発生しても
問題ない動作区間はフィードバックゲインを高くして速
応性を良くし高速に駆動させることができるとともに、
振動を少なくしたい動作区間はフィードバックゲインを
低く設定して振動がなく、かつ振動が収まって整定した
後再びゲインを高くすることで定常偏差が少なく高精度
な位置決め制御を行うことができる多関節型ロボットの
制御方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
サーボモータによって駆動する複数の関節を有し、各関
節によって回転自在に支持したアームにより多関節を構
成し、各関節軸のモータ角度位置を目標値として各関節
が個別のサーボ系により駆動される多自由度の運動機構
を有し、多関節ロボットの手先を目標位置に位置制御す
る多関節型ロボットの駆動制御方法において、各関節軸
のサーボモータの制御系のフィードバックゲイン、位置
制御ゲイン、速度制御ゲインを、ロボットの加速動作区
間、等速動作区間、減速動作区間、動作整定後の位置決
め制御区間の各動作状態に応じて可変して制御すること
を特徴とするものである。
【００１０】請求項２記載の発明は、上記請求項１記載
の発明において、各関節軸のサーボモータの制御系のフ
ィードバックゲイン、位置制御ゲイン、速度制御ゲイン
を、ロボットの各関節軸の減速時間若しくは減速時の加
速度に応じて可変して制御することを特徴とするもので
ある。請求項３記載の発明は、上記請求項１記載の発明
において、各関節軸のサーボモータの制御系のフィード
バックゲイン、位置制御ゲイン、速度制御ゲインを、ロ
ボットの各関節軸の等速時の軸動作速度に応じて可変し
て制御することを特徴とするものである。
【００１１】請求項４記載の発明は、上記請求項１記載
の発明において、ロボットのアームの先端若しくはハン
ドに加速度センサーを設け、各関節軸のサーボモータの
制御系のフィードバックゲイン、位置制御ゲイン、速度
制御ゲインを、アームの先端の加速度に応じて可変して
制御することを特徴とするものである。請求項５記載の
発明は、上記請求項１記載の発明において、各関節軸の
サーボモータの制御系のフィードバックゲイン、位置制
御ゲイン、速度制御ゲインをロボットの各軸姿勢角度に
応じて可変して制御することを特徴とするものである。
【００１２】請求項６記載の発明は、上記請求項１記載
の発明において、各関節軸のサーボモータの制御系のフ
ィードバックゲイン、位置制御ゲイン、速度制御ゲイン
を、ロボットのアームに固定されるハンド重量と搬送す
る部品重量に応じて可変して制御することを特徴とする
ものである。請求項７記載の発明は、上記請求項１記載
の発明において、各関節軸のサーボモータの制御系のフ
ィードバックゲイン、位置制御ゲイン、速度制御ゲイン
を、ロボットアームの動作領域に応じて可変して制御す
ることを特徴とするものである。
【００１３】請求項８記載の発明は、上記請求項１記載
の発明において、各関節軸のサーボモータの制御系のフ
ィードバックゲイン、位置制御ゲイン、速度制御ゲイン
を、ロボットアームの停止位置に応じて可変して制御す
ることを特徴とするものである。請求項９記載の発明
は、上記請求項１記載の発明において、各関節軸のサー
ボモータの制御系のフィードバックゲイン、位置制御ゲ
イン、速度制御ゲインを、ロボットアームが行う組立作
業内容に応じて可変して制御することを特徴とするもの
である。
【００１４】
【作用】さて、ロボットアームの制御を行う場合は、作
業プログラムやティーチングデータより制御系に対する
目標値の軌道が生成される。一般に、マニピュレータ等
のアームの運動は、直角座標系等の作業座標系で与えら
れるため、アームの制御系は、作業座標系で与えられた
運動を実現するように構成される。実際に、駆動制御す
るのは、各関節のサーボモータであるため、作業座標系
での運動を関節座標系の運動に変換し、関節座標系につ
いてフィードバック制御系が構成される。関節の目標値
θは、手先の目標値ｑW から逆運動学の式の計算により
得られる。また、産業用ロボットで行われるティーチン
グは、教示者が実際にアームの手先を見ながら教示を行
うため、直接関節の目標値θが与えられる。ロボットア
ームの手先の目標軌道を与える方法は、作業手順をティ
ーチングして教示する教示再生方式が一般的である。
【００１５】この教示再生方式は、実際にアームの手先
をその目標値にならうように動かして、作業時の速度等
の情報とともに教示し、実行時には、その教示された動
作を再生することにより、目標軌道に沿った動作を行
う。ロボットアームの制御は、アーム手先（エンドエフ
ェクター）の位置、姿勢と各関節の変位の関係を考慮す
る必要がある。また、アームの運動としては、アームの
手先の２点間の単純な移動だけでなく、ある空間経路に
沿って動作させたい場合もある。そのためには、アーム
の位置だけではなく、速度や加速度も考慮する必要があ
る。
【００１６】ここで、図１は一般的な軌道生成法を示す
図である。入力のｑW は、ティーチング等の作業に適し
た直角座標系（絶対座標系）で表した目標位置と目標速
度である。この入力ｑW を絶対座標系からロボットの座
標系（機械座標系）に変換し、時々刻々の軌道を機械座
標系で求める。次に、この機械座標系で求めた各直角成
分（ＸB ，ＹB ，ＺB ）を、現在位置から目標位置まで
の時系列データとして求める。この時、ロボットを制御
するためには、加減速パターンが必要である。この加減
速パターンは、一般的に図２の速度プロフィールに示す
如く、加速区間、等速区間、減速区間の台形の動作が行
われる。
【００１７】次に、ロボットアームの制御法が一般的な
デジタル制御の場合は、サンプリング制御であるので、
サンプル間隔ＴS 毎のロボットの目標位置、速度及び加
速度の時系列データをロボットの各関節に配置されたモ
ータの回転角θ、回転角速度θ及び回転角加速度θに変
換（座標逆変換）を行う。通常の産業用ロボットでは、
上記計算で得られた各関節の目標値を受け取り、モータ
の位置、速度、電流指令値を作成する。この時、必要な
現在の関節角度、関節角速度は、エンコーダの位置デー
タから求める。ここで、図３は制御系の構成を示すブロ
ック図である。図３において、１００１〜１００３は各
々速度制御部、位置制御部、駆動制御部であり、１００
４〜１００６は各々モータ、エンコーダ、積分処理部で
ある。次に、図４は各関節のサーボモータに用いられる
制御系の詳細な構成を示すブロック図である。図４にお
いて、１０１１〜１０１４は各々比較制御部、駆動制御
部、減速機構部、ロボットアーム部である。Ｇp は位置
制御ゲイン、Ｋｇは減速機ばね定数、Ｇv は速度制御ゲ
イン、Ｎは減速比、Ｋe はモータ誘起電圧定数、Ｊ l は
ロボットアーム慣性モーメント、Ｋt はモータトルク定
数、Ｒa はモータ電機子抵抗、Ｊm はモータ慣性モーメ
ント、Ｄm はモータ制動定数、Ｔm はモータ電気的時定
数である。
【００１８】このサーボ制御は、各関節毎に単純な１入
力１出力系として扱っているため、構成が簡単であり、
現在の産業用ロボットのほとんどが、この関節サーボに
より構成されている。しかしながら、動特性を見ると、
厳密には、慣性項や速度項により関節間に動的な干渉が
存在する。このため、関節サーボでは、これらの干渉や
位置、姿勢によるパラメータの変化は外乱と見做し、そ
の影響を少なくするために、フィードバックゲイン（位
置制御ゲインＧp ，速度制御ゲインＧv ）を、安定性を
保つ範囲でなるべく大きな値で設定し、系としての剛性
を高めて制御している。
【００１９】しかしながら、この従来の多関節型ロボッ
トの制御方法では、多種のハンドを搭載し、アーム先端
重量が重くて固有振動周波数が低いロボットの場合、各
関節軸のサーボモータの制御系のフィードバックゲイン
を高く設定すると、残留振動が発生して、却って位置整
定時間が遅くなってしまうという問題が生じる。次に、
図５は代表的な水平多関節型ロボットの構成を示す図で
ある。図５の水平多関節型ロボットは、胴体部１０２１
に第１軸１０２２を有し、第１サーボモータ１０２２
ａ、第１減速機１０２２ｂで構成され、この第１減速機
１０２２ｂで回転自在に第１アーム１０２３が支持さ
れ、この第１アーム１０２３先端に第１軸１０２２と同
じ法線方向に回転する第２軸１０２４が設けられてい
る。そして、この第２軸１０２４も第１軸１０２２と同
様に第２サーボモータ１０２４ａ及び第２減速機１０２
４ｂで構成され、この第２減速機１０２４ｂで回転自在
に第２アーム１０２５が支持される。更に、この第２ア
ーム１０２５先端に第１軸１０２２、第２軸１０２４と
同じ法線方向に回転する第３軸１０２６が設けられ、こ
の第３軸１０２６の先にタレット１０２７を介してハン
ド１０２８が設けられている。
【００２０】次に、図６は図５に示す水平多関節型ロボ
ットの各関節軸のモータ制御系の位置制御ゲインＧp を
５［Ｈｚ］、１０［Ｈｚ］、２５［Ｈｚ］に変化させ、
第１軸１０２２及び第２軸１０２４を同時動作させた時
の各軸の速度状態を示す図、図７は図５に示す水平多関
節型ロボットの停止時のアーム先端の残留振動を示す図
である。図６に示すように、位置制御ゲインＧp が高い
と、速応性が良くて高速で動作し、５［Ｈｚ］に比較し
て、２５［Ｈｚ］が目標位置まで約０．１秒早く動作す
るが、図７の停止時のアーム先端状態を見ると、位置制
御ゲインＧp が２５［Ｈｚ］と高いと、残留振動が大き
く、なかなか位置整定しない。そして、位置制御ゲイン
Ｇp が低い場合は、速応性は悪く速度の立上り時間が遅
いが、停止時にアーム先端に残留振動がなく、安定した
位置決めが行えるため、スタートから目標位置までの位
置決め整定時間は、位置制御ゲインＧp が低い方が良
い。また、ロボットアームの制御系フィードバックゲイ
ンを高く設定すると、停止時に残留振動が発生し、逆に
フィードバックゲインを低く設定すると、通常の移動動
作で時間を要してしまうという点が問題となる。
【００２１】これに対し、本発明では、各関節のサーボ
モータのフィードバックゲイン（位置制御ゲインＧp 、
速度制御ゲインＧv ）を一定値とせずに、ロボットアー
ムの動作状況に応じて変化させて、高速に制御するよう
に構成している。以下、本発明の作用を請求項毎に説明
する。ロボットは、加速、等速、減速動作によって短時
間で目標位置に停止し、位置決め制御する動作を繰り返
す。そこで、請求項１記載の発明では、各関節軸のサー
ボモータの制御系のフィードバックゲイン、位置制御ゲ
イン、速度制御ゲインを、ロボットの加速動作区間、等
速動作区間、減速動作区間、動作整定後の位置決め制御
区間の各動作状態に応じて可変して制御するように構成
するため、ロボットの各関節軸のサーボモータの制御系
のフィードバックゲイン、位置制御ゲイン、速度制御ゲ
インを、ロボットの加速、等速、減速、停止の各動作状
態に応じて可変して制御することができるので、各々の
動作に適したサーボ制御を行うことができる。このた
め、例えば、加速・等速時は、フィードバックゲインを
高く設定して速応性を上げて制御し、目標軌跡の位置偏
差なく高速に駆動させることができるうえ、減速時はフ
ィードバックゲインを低くして停止時のアームの振動を
少なく制御し、アームが目標位置に整定後再びフィード
バックゲインを高くして定常偏差が少ない高精度な位置
決め制御状態にすることができる。
【００２２】請求項２記載の発明では、各関節軸のサー
ボモータの制御系のフィードバックゲイン、位置制御ゲ
イン、速度制御ゲインを、ロボットの各関節軸の減速時
間若しくは減速時の加速度（減速度）に応じて可変して
制御するように構成するため、ロボットの各関節軸の減
速時間若しくは減速時の減速度に応じて適切な制御系の
フィードバックゲインを設定することができるので、停
止時のアームの振動を少なくすることができ、短時間で
目標位置に位置決め制御することができる。
【００２３】ロボットは、アームの動作範囲内の様々な
位置に移動動作を繰り返すため、各関節軸の動作速度は
移動位置毎に異なる。そこで、請求項３記載の発明で
は、各関節軸のサーボモータの制御系のフィードバック
ゲイン、位置制御ゲイン、速度制御ゲインを、ロボット
の各関節軸の等速時の軸動作速度に応じて可変して制御
するように構成するため、ロボットの各関節軸の各軸モ
ータの制御系のフィードバックゲインを各軸の等速時の
軸動作速度に応じて可変して制御することができる。こ
のため、各軸の等速時の動作速度に対応した加速動作、
等速動作、減速動作に適した駆動を行うことができるの
で、振動の少ない安定な駆動制御を行うことができる。
【００２４】請求項４記載の発明では、ロボットのアー
ムの先端若しくはハンドに加速度センサーを設け、各関
節軸のサーボモータの制御系のフィードバックゲイン、
位置制御ゲイン、速度制御ゲインを、アームの先端の加
速度に応じて可変して制御するように構成するため、ロ
ボットの各関節軸の各軸モータの制御系のフィードバッ
クゲインをアームの先端の加速度に応じて可変して制御
することができる。このため、アームの動作プロフィー
ルに適した駆動を行うことができるので、高速動作で、
かつ振動の少ない安定な駆動制御を行うことができる。
【００２５】ロボットアームは、動作時の姿勢で慣性モ
ーメントが異なる。そこで、請求項５記載の発明では、
各関節軸のサーボモータの制御系のフィードバックゲイ
ン、位置制御ゲイン、速度制御ゲインを、ロボットの各
軸姿勢角度に応じて可変して制御するように構成するた
め、各関節軸のサーボモータの制御系のフィードバック
ゲインを、ロボットの各軸姿勢角度に応じて可変して制
御することができる。このため、各軸姿勢角度による固
有振動数に適した制御を行うことができるので、あらゆ
る作業姿勢においても安定した駆動を達成することがで
きる。
【００２６】請求項６記載の発明では、各関節軸のサー
ボモータの制御系のフィードバックゲイン、位置制御ゲ
イン、速度制御ゲインを、ロボットのアームに固定され
るハンド重量と搬送する部品重量に応じて可変して制御
するように構成するため、各関節軸のサーボモータの制
御系のフィードバックゲインを、ロボットのアームに固
定されるハンド重量と搬送するワーク重量に応じて可変
して制御することができるので、非常に小さく軽い部品
は、高速に位置精度よく安定な駆動を行うことができる
うえ、大きくて重い部品は、振動が少なくなるようにワ
ークの重量に応じた安定な駆動を行うことができる。
【００２７】請求項７記載の発明では、各関節軸のサー
ボモータの制御系のフィードバックゲイン、位置制御ゲ
イン、速度制御ゲインを、ロボットアームの動作領域に
応じて可変して制御するように構成するため、各関節軸
のサーボモータの制御系のフィードバックゲインを、ロ
ボットアームの動作領域に応じて可変して制御すること
ができるので、部品供給機、パーツフィーダ、ハンド置
場等の周辺機器との遣り取りに合わせた制御を行うこと
ができる。
【００２８】請求項８記載の発明では、各関節軸のサー
ボモータの制御系のフィードバックゲイン、位置制御ゲ
イン、速度制御ゲインを、ロボットアームの停止位置に
応じて可変して制御するように構成するため、各関節軸
のサーボモータの制御系のフィードバックゲインを、ロ
ボットアームの停止位置に応じて可変して制御すること
ができるので、部品供給機、パーツフィーダ、ハンド置
場等の周辺機器や、更に部品別や組立状態に合わせて停
止時の振動を抑制した制御を行うことができる他、ティ
ーチング時に停止位置を教示すると同時に、制御系のフ
ィードバックゲインを設定することで、停止位置毎の振
動抑制制御の調整を行うことができる。
【００２９】ロボットは、予め決められた組立作業を繰
り返し実行するシステムである。そこで、請求項９記載
の発明では、各関節軸のサーボモータの制御系のフィー
ドバックゲイン、位置制御ゲイン、速度制御ゲインを、
ロボットアームが行う組立作業内容に応じて可変して制
御するように構成するため、各関節軸のサーボモータの
制御系のフィードバックゲインを、ロボットアームが行
う組立作業内容に応じて可変して制御することができる
ので、決められた組立作業毎に、高速でかつ振動がなく
安定した駆動状態を設定することができる。
【００３０】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。 （実施例１）ロボットを制御するための加減速の速度プ
ロフィールは、一般に図２に示す如く制御する。本実施
例もこの図２の加減速の速度プロフィールを適用する。
本実施例では、図８に示すように、速度が０から目標
速度までの加速区間、目標速度で一定速度運転する等
速区間、目標速度から減速して位置整定するまでの減
速区間、位置決め制御する停止区間の４区間に動作を
分ける。次に、図９に示すように、図１の軌道生成法の
ブロック図に上記加速区間、等速区間、減速区間、停止
区間の各４区間を判断する計算部と、この計算部に対応
するゲイン決定部を設ける。そして、図１０に示すよう
に、図４の制御ブロック図の位置制御ゲインＧp 、速度
制御ゲインＧv を、可変ゲインコントローラ１で構成す
るか、若しくはマイコン等でソフト演算機能によって可
変できる構成にする。上記４つの区間別に各関節軸の制
御系のフィードバックゲインを、予め個別に設定してお
き、区間別にゲイン可変制御を行う。
【００３１】図１１，１２に示すように、従来の位置制
御ゲインＧp ５［Ｈｚ］一定制御と、本発明の加速・等
速・停止時に位置制御ゲインＧp ［２５Ｈｚ］、整定ま
での減速時位置制御ゲインＧp ５［Ｈｚ］に区間ゲイン
可変制御した速度と残留振動の比較を行ったところ、本
発明の制御を行えば、従来よりも起動時を高速動作する
ことができるうえ、停止時の振動を少なくすることがで
き、従来よりも高速動作を実現することができることが
判った。
【００３２】このように、本実施例（請求項１）では、
各関節軸のサーボモータの制御系のフィードバックゲイ
ン、位置制御ゲイン、速度制御ゲインを、ロボットの加
速動作区間、等速動作区間、減速動作区間、動作整定後
の位置決め制御区間の各動作状態に応じて可変して制御
するように構成するため、ロボットの各関節軸のサーボ
モータの制御系のフィードバックゲイン、位置制御ゲイ
ン、速度制御ゲインを、ロボットの加速、等速、減速、
停止の各動作状態に応じて可変して制御することができ
るので、各々の動作に適したサーボ制御を行うことがで
きる。このため、例えば、加速・等速時は、フィードバ
ックゲインを高く設定して速応性を上げて制御し、目標
軌跡の位置偏差なく高速に駆動させることができるう
え、減速時はフィードバックゲインを低くして停止時の
アームの振動を少なく制御し、アームが目標位置に整定
後再びフィードバックゲインを高くして定常偏差が少な
い高精度な位置決め制御状態にすることができる。
【００３３】（実施例２）ロボットの制御で一番問題に
なるのが残留振動である。この残留振動の量は、減速時
間、若しくは減速時の減速度によって大きく左右され
る。このため、ロボットを制御する時の加減速の速度プ
ロフィールのうち、図１３に示すように、減速時間に対
して適当な残留振動になる位置制御ゲインＧp 、速度制
御ゲインＧvを予め設定しておき、図１４に示すよう
に、図１の軌道生成法のブロック図に上記減速時間を判
断する計算部と、この計算部に対応するゲイン決定部を
設ける。そして、前述した図１０の制御ブロック図で減
速時間、若しくは減速度に応じたゲインで制御を行う。
【００３４】このように、本実施例（請求項２）では、
各関節軸のサーボモータの制御系のフィードバックゲイ
ン、位置制御ゲイン、速度制御ゲインを、ロボットの各
関節軸の減速時間若しくは減速時の加速度（減速度）に
応じて可変して制御するように構成するため、ロボット
の各関節軸の減速時間若しくは減速時の減速度に応じて
適切な制御系のフィードバックゲインを設定することが
できるので、停止時のアームの振動を少なくすることが
でき、短時間で目標位置に位置決め制御することができ
る。
【００３５】（実施例３）ロボットは、アームの動作範
囲内の様々な位置に移動動作を繰り返すため、各関節軸
の等速時の動作速度は、移動位置毎に異なる。例えば、
ある位置に移動させる時、一般に各軸の動作が同時に始
まり同時に終了するように駆動されるため、各関節軸の
速度プロフィールは、図１５に示すように、移動量の多
い軸は、最大速度で駆動されるが、移動量の少ない軸
は、移動量に合わせた等速時の動作速度の速度プロフィ
ールで駆動される。この場合、各軸毎に等速時の動作速
度に対して適当な応答と残留振動になる位置制御ゲイン
Ｇp 、速度制御ゲインＧv を予め設定しておき、図１６
に示すように、前述した図１の軌道生成法のブロック図
に各軸の等速時の動作速度を求める計算部と、この計算
部に対応するゲイン決定部を設ける。そして、前述した
図１０の制御ブロック図で各軸動作速度に応じたゲイン
で制御を行う。
【００３６】このように、本実施例（請求項３）では、
各関節軸のサーボモータの制御系のフィードバックゲイ
ン、位置制御ゲイン、速度制御ゲインを、ロボットの各
関節軸の等速時の軸動作速度に応じて可変して制御する
ように構成するため、ロボットの各関節軸の各軸モータ
の制御系のフィードバックゲインを各軸の等速時の軸動
作速度に応じて可変して制御することができる。このた
め、各軸の等速時の動作速度に対応した加速、等速、減
速動作に適した駆動を行うことができ、振動の少ない安
定な駆動制御を行うことができる。
【００３７】（実施例４）ロボットは、できるだけ高速
に作業を行うようにするため、経由点を設け、その経由
点近傍で速度を落とすことなく通過する駆動が行われ
る。この駆動時の各関節軸の速度プロフィールは、図１
７に示すように、複雑な速度プロフィールで駆動され
る。この場合、図１８，１９に示すように、ロボットの
ハンド１０２８、若しくは図２０に示すように、タレッ
ト１０２７（アーム先端）に加速度センサー２を設け、
各関節軸のサーボモータの制御系のフィードバックゲイ
ンを、加速度センサー２の加速度信号に応じて可変して
制御を行う構成とする。この場合、アームの加速度に対
して適当な応答と、残留振動になる位置制御ゲイン
Ｇp 、速度制御ゲインＧv の値を予め設定しておき、図
２１に示すように、加速度センサー２の加速度信号に応
じたフィードバックゲインを求める計算部を設ける。な
お、図２１において、３，４は各々増幅器、フィルター
である。そして、前述した図１０の制御ブロック図でア
ームの先端の加速度に応じたゲインで制御を行う。
【００３８】このように、本実施例（請求項４）では、
ロボットのアームの先端若しくはハンドに加速度センサ
ー２を設け、各関節軸のサーボモータの制御系のフィー
ドバックゲイン、位置制御ゲイン、速度制御ゲインを、
アームの先端の加速度に応じて可変して制御するように
構成するため、ロボットの各関節軸の各軸モータの制御
系のフィードバックゲインをアームの先端の加速度に応
じて可変して制御することができる。このため、アーム
の複雑な動作プロフィールに適した駆動を行うことがで
きるとともに、リアルタイムで制御を行うことができ、
高速動作で振動の少ない安定な駆動制御を行うことがで
きる。
【００３９】（実施例５）多関節型ロボットは、アーム
の姿勢によってアームの固有振動数が変化する。例え
ば、図２２に示す水平多関節型ロボットの第１軸Ｊ１
は、図２３に示す簡易的なモデルと慣性モーメントの次
式（１）で示される。なお、図２２において、Ｇ1 は第
１アーム重心位置、Ｊ２は第２軸、Ｇ２は第２アーム重
心位置、Ｊ３は第３軸である。ｒ1 はＪ１からＧ1 の距
離、ｍ1 は第１アーム質量、Ｋ1 は第１軸バネ定数、ｒ
2 はＪ１からＧ2 の距離、ｍ2 は第２アーム質量、Ｋ2
は第２軸バネ定数である。
【００４０】
【数１】
【００４１】そして、第２軸Ｊ２の姿勢角度によって、
第１軸Ｊ１から見た慣性モーメントが図２４に示すよう
に変化する。第１軸Ｊ１から見たアームの固有振動数ｆ
1 は、簡易的に次式（２）で示される。
【００４２】
【数２】
【００４３】したがって、アームの姿勢、この場合は第
２軸Ｊ２の姿勢角度によって、第１軸Ｊ１から見たアー
ムの固有振動数が変化する。ロボットアームが作業する
時は様々な姿勢をとる。停止時のアームの残留振動を少
なく、しかも高速で制御するためには、様々な姿勢に応
じた固有振動数に合わせた制御を行う必要がある。この
ため、各軸の姿勢角度、特に、静止時の角度に対して適
当な応答と残留振動になる位置制御ゲインＧp 、速度制
御ゲインＧv を予め設定しておき、図２５に示すよう
に、前述した図１の軌道生成法のブロック図に各軸の姿
勢角度に対する各軸から見た固有振動数と、この固有振
動数に対応するゲイン計算部を設ける。そして、前述し
た図１０の制御ブロック図で各軸から見た固有振動数に
応じたゲインで制御を行う。
【００４４】このように、本実施例（請求項５）では、
各関節軸のサーボモータの制御系のフィードバックゲイ
ン、位置制御ゲイン、速度制御ゲインをロボットの各軸
姿勢角度に応じて可変して制御するように構成するた
め、各関節軸のサーボモータの制御系のフィードバック
ゲインを、ロボットの各軸姿勢角度に応じて可変して制
御することができる。このため、各軸姿勢角度による固
有振動数に適した制御を行うことができるので、動作時
の慣性モーメントに適した制御を行うことができ、あら
ゆる作業姿勢においても安定した駆動を達成することが
できる。
【００４５】（実施例６）多関節型ロボットは、アーム
の姿勢とともに、アームに固定されるハンド重量と搬送
する部品重量によってアームの固有振動数が変化する。
例えば、図２６に示す水平多関節型ロボットの第２軸Ｊ
２は、図２７に示す簡易的なモデルと慣性モーメントの
次式（３）で示され、第１軸Ｊ１は次式（４）で示され
る。図２７において、Ｍは部品の質量、ｒ3 はＪ１から
部品の距離、ｒ22はＪ２からＧ2 の距離、ｒ23はＪ２か
ら部品の距離である。
【００４６】
【数３】
【００４７】
【数４】
【００４８】そして、第２軸Ｊ２から見たアームの固有
振動数ｆ2 は、簡易的に式（５）で示され、第１軸Ｊ１
から見たアームの固有振動数ｆ1 は、上記式（２）で示
される。
【００４９】
【数５】
【００５０】例えば、ハンド重量と搬送するワーク重量
が１［ｋｇ］の場合、第２軸Ｊ２の姿勢角度によって、
第１軸Ｊ１から見た慣性モーメントが図２２のように変
化する。このように、ロボットの各軸姿勢角度とともに
ハンド重量と搬送するワーク重量によって、各軸から見
たアームの固有振動数が変化する。ロボットは、様々な
部品を取り扱う。停止時のアームの残留振動を少なく、
しかも高速で制御するためには、様々な部品を持った時
の固有振動数に合わせた制御を行う必要がある。各ハン
ド及び個別のハンドで扱う部品重量は、固定で変動しな
い。このため、そのハンドの重量、若しくは各ハンド及
び部品の重量に応じて適当な残留振動になる位置制御ゲ
インＧp 、速度制御ゲインＧv を、予め設定しておき、
図２８に示すように、前述した図１の軌道生成法のブロ
ック図にハンドの種類を識別するハンドＩＤ信号とハン
ドの部品チャック把持センサから、各ハンドの重量、若
しくは各ハンド及び部品の重量を求める演算部と、ハン
ド及び部品の重量と各軸の姿勢角度を合わせた各軸の固
有振動数と、この固有振動数に対応するゲイン計算部を
設ける。そして、前述した図１０の制御ブロック図で各
軸から見た固有振動数に応じたゲインで制御を行う。
【００５１】また、ハンドで扱う部品重量が大きく変動
する場合は、ハンドを支えるタレット部に荷重センサを
用い、このセンサ信号によってハンド及び部品重量を測
定し、同様に図２９に示すような制御系で測定したハン
ド及び部品の重量と各軸の姿勢角度を合わせた各軸の固
有振動数と、この固有振動数に対応するゲイン計算部を
設け、前述した図１０の制御ブロック図で各軸から見た
固有振動数に応じたゲインで制御を行う。なお、図２９
において、５は重量センサである。この制御法により、
各関節軸のサーボモータの制御系のフィードバックゲイ
ンを、ロボットのハンド＋部品の重量と各軸姿勢角度に
応じて可変して制御することで、多種部品搬送時の慣性
モーメントに適した制御が行え、あらゆる作業姿勢にお
いても安定した駆動を達成することができる。
【００５２】このように、本実施例（請求項６）では、
各関節軸のサーボモータの制御系のフィードバックゲイ
ン、位置制御ゲイン、速度制御ゲインを、ロボットのア
ームに固定されるハンド重量と搬送する部品重量に応じ
て可変して制御するように構成するため、各関節軸のサ
ーボモータの制御系のフィードバックゲインを、ロボッ
トのアームに固定されるハンド重量と搬送するワーク重
量に応じて可変して制御することができるので、非常に
小さく軽い部品は、高速に位置精度よく安定な駆動を行
うことができるうえ、大きくて重い部品は振動が少なく
なるようにワークの重量に応じた安定な駆動を行うこと
ができる。
【００５３】（実施例７）多関節型ロボットのロボット
アームの動作領域を分割し、個々の領域に応じて各関節
軸の制御系のフィードバックゲインを設定する。例え
ば、ロボットアームは、アームを伸ばす程アームの固有
振動数は低くなり、アームを縮める程アームの固有振動
数は高くなる。このため、図３０に示すように、ロボッ
トアームに同心状に領域を分割し、中心部から外周部に
向け制御系のフィードバックゲインが低くなるように可
変して設定する。あるいは、図３１に示すように、組立
台６位置、部品供給パレット７位置、パーツフィーダ８
位置、整列機９位置等作業範囲別、各々の機能別に動作
領域を設定する。図３１において、６ａ〜９ａは、各々
組立台動作領域、部品供給パレット、動作領域、パーツ
フィーダ動作領域、整列機動作領域である。例えば、組
立台６周辺は、フィードバックゲインを低くし、停止時
の残留振動を極力抑え精密な組立が行えるように設定
し、大物部品を供給する部品供給パレット７位置の動作
領域７ａは、できるだけ高速に把持、移載できるよう
に、フィードバックゲインを高めに設定する。このよう
にすることで、実施例５（請求項５）のような各軸の姿
勢角度に対する各軸から見た固有振動数を求める複雑な
計算をしなくても、アーム先端の動作位置によってフィ
ードバックゲインを簡単に設定することができる。
【００５４】このように、本実施例（請求項７）では、
各関節軸のサーボモータの制御系のフィードバックゲイ
ン、位置制御ゲイン、速度制御ゲインを、ロボットアー
ムの動作領域に応じて可変して制御するように構成する
ため、各関節軸のサーボモータの制御系のフィードバッ
クゲインを、ロボットアームの動作領域に応じて可変し
て制御することができるので、部品供給機、パーツフィ
ーダ、ハンド置場等の周辺機器との遣り取りに合わせた
制御を行うことができる。
【００５５】（実施例８）多関節型ロボットによる組立
は、組立る部品によって精度が異なる。このため、ロボ
ットアームの停止位置に応じて各関節軸の制御系のフィ
ードバックゲインを設定する。例えば、図３２に示すよ
うに、組立台６の精密組立の位置Ａ、単なる部品移載の
位置Ｂ、±０．１［ｍｍ］の挿入精度の位置Ｃ、部品供
給パレット７の重量部品の位置Ａ、位置Ｂ、パーツフィ
ーダ８の精密部品位置Ａ、標準部品の位置Ｂ等、作業の
個別位置の各々の要求精度に応じた残留振動に制御でき
るようにフィードバックゲインを設定する。特に、各位
置を教示するティーチング時に、各位置別にフィードバ
ックゲインをプログラム中に指定することで、各組立停
止位置に応じた停止時の残留振動に簡単に設定を行うこ
とができる。このように、本実施例（請求項８）では、
各関節軸のサーボモータの制御系のフィードバックゲイ
ン、位置制御ゲイン、速度制御ゲインを、ロボットアー
ムの停止位置に応じて可変して制御するように構成する
ため、各関節軸のサーボモータの制御系のフィードバッ
クゲインを、ロボットアームの停止位置に応じて可変し
て制御することができるので、部品供給機、パーツフィ
ーダ、ハンド置場等の周辺機器や、更に部品別や組立状
態に合わせて停止時の振動を抑制した制御を行うことが
できる他、ティーチング時に停止位置を教示すると同時
に、制御系のフィードバックゲインを設定することで、
停止位置毎の振動抑制制御の調整を行うことができる。
【００５６】（実施例９）ロボットは、予め決められた
組立作業を繰り返し実行するシステムである。このた
め、各関節軸のサーボモータの制御系のフィードバック
ゲインを、ロボットアームが行う組立作業内容に応じて
アームの動作プログラム中に詳細に設定するように構成
する。
【００５７】このように、本実施例（請求項９）では、
各関節軸のサーボモータの制御系のフィードバックゲイ
ン、位置制御ゲイン、速度制御ゲインを、ロボットアー
ムが行う組立作業内容に応じて可変して制御するように
構成するため、各関節軸のサーボモータの制御系のフィ
ードバックゲインを、ロボットアームが行う組立作業内
容に応じて可変して制御することができるので、決めら
れた組立作業毎に、高速で振動なく安定した駆動状態を
設定することができる。
【００５８】
【発明の効果】本発明によれば、多少振動が発生しても
問題ない動作区間はフィードバックゲインを高くして速
応性を良くし高速に駆動させることができる他、振動を
少なくしたい動作区間はフィードバックゲインを低く設
定して振動がない、かつ振動が収まって整定した後再び
ゲインを高くすることで定常偏差が少なく高精度な位置
決め制御を行うことができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般的な軌道生成法を示す図である。
【図２】加減速パターンの一般的な速度プロフィールを
示す図である。
【図３】制御系の構成を示すブロック図である。
【図４】各関節のサーボモータに用いられる制御系の構
成を示すブロック図である。
【図５】代表的な水平多関節型ロボットの構成を示す図
である。
【図６】図５に示す水平多関節型ロボットのロボット各
軸の速度プロフィールを示す図である。
【図７】図５に示す水平多関節型ロボットの停止時のア
ーム先端の残留振動を示す図である。
【図８】本発明に係る実施例１の加速区間、等速区間、
減速区間及び停止区間の４区間に動作を分ける様子を示
す図である。
【図９】本発明に係る実施例１の軌道生成法を示すブロ
ック図である。
【図１０】本発明に係る実施例１の制御系の構成を示す
ブロック図である。
【図１１】従来の一定制御した場合と本発明の区間ゲイ
ン可変制御した場合における速度の比較結果を示す図で
ある。
【図１２】従来の一定制御した場合と本発明の区間ゲイ
ン可変制御した場合における残留振動の比較結果を示す
図である。
【図１３】本発明に係る実施例２の減速時間に対して適
当な残留振動になる位置制御ゲイン及び速度制御ゲイン
を予め設定する様子を示す図である。
【図１４】本発明に係る実施例２の軌道生成法を示す図
である。
【図１５】本発明に係る実施例３の多関節軸の速度プロ
フィールを示す図である。
【図１６】本発明に係る実施例３の軌道生成法を示す図
である。
【図１７】本発明に係る実施例４の各関節軸の速度プロ
フィールを示す図である。
【図１８】本発明に係る実施例４の多関節型ロボットの
構成を示す図である。
【図１９】図１８に示すハンドに加速度センサーを設け
た様子を示す図である。
【図２０】図１８に示すタレットに加速度センサーを設
けた様子を示す図である。
【図２１】本発明に係る実施例４の軌道生成法を示す図
である。
【図２２】水平多関節型ロボットの第１、第２、第３軸
と第１、第２アーム重心位置を示す図である。
【図２３】図２２に示す第１軸の簡易的なモデルを示す
図である。
【図２４】図２２に示す第１軸から見た慣性モーメント
を示す図である。
【図２５】本発明に係る実施例５の軌道生成法を示す図
である。
【図２６】水平多関節型ロボットの第１、第２、第３軸
と第１、第２アーム重心位置を示す図である。
【図２７】図２６に示す第１軸の簡易的なモデルを示す
図である。
【図２８】本発明に係る実施例６の軌道生成方法を示す
図である。
【図２９】本発明に係る実施例６の軌道生成方法を示す
図である。
【図３０】本発明に係る実施例７のコボットアームを同
心円状領域に分割した様子を示す図である。
【図３１】本発明に係る実施例７の組立台、部品供給パ
レット、パーツフィーダ及び整列機の各位置とその各動
作領域を示す図である。
【図３２】本発明に係る実施例８の作業の個別位置を示
す図である。
【符号の説明】
１ 可変ゲインコントローラ ２ 加速度センサー ３ 増幅器 ４ フィルター ５ 重量センサ ６ 組立台 ６ａ 組立台動作領域 ７ 部品供給パレット ７ａ 部品供給パレット動作領域 ８ パーツフィーダ ８ａ パーツフィーダ動作領域 ９ 整列機 ９ａ 整列機動作領域
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０５Ｄ 13/62 Ｂ Ｃ

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】サーボモータによって駆動する複数の関節
    を有し、各関節によって回転自在に支持したアームによ
    り多関節を構成し、各関節軸のモータ角度位置を目標値
    として各関節が個別のサーボ系により駆動される多自由
    度の運動機構を有し、多関節ロボットの手先を目標位置
    に位置制御する多関節型ロボットの駆動制御方法におい
    て、各関節軸のサーボモータの制御系のフィードバック
    ゲイン、位置制御ゲイン、速度制御ゲインを、ロボット
    の加速動作区間、等速動作区間、減速動作区間、動作整
    定後の位置決め制御区間の各動作状態に応じて可変して
    制御することを特徴とする多関節型ロボットの制御方
    法。
  2. 【請求項２】各関節軸のサーボモータの制御系のフィー
    ドバックゲイン、位置制御ゲイン、速度制御ゲインを、
    ロボットの各関節軸の減速時間若しくは減速時の加速度
    に応じて可変して制御することを特徴とする請求項１記
    載の多関節型ロボットの制御方法。
  3. 【請求項３】各関節軸のサーボモータの制御系のフィー
    ドバックゲイン、位置制御ゲイン、速度制御ゲインを、
    ロボットの各関節軸の等速時の軸動作速度に応じて可変
    して制御することを特徴とする請求項１記載の多関節型
    ロボットの制御方法。
  4. 【請求項４】ロボットのアームの先端若しくはハンドに
    加速度センサーを設け、各関節軸のサーボモータの制御
    系のフィードバックゲイン、位置制御ゲイン、速度制御
    ゲインを、アームの先端の加速度に応じて可変して制御
    することを特徴とする請求項１記載の多関節型ロボット
    の制御方法。
  5. 【請求項５】各関節軸のサーボモータの制御系のフィー
    ドバックゲイン、位置制御ゲイン、速度制御ゲインをロ
    ボットの各軸姿勢角度に応じて可変して制御することを
    特徴とする請求項１記載の多関節型ロボットの制御方
    法。
  6. 【請求項６】各関節軸のサーボモータの制御系のフィー
    ドバックゲイン、位置制御ゲイン、速度制御ゲインを、
    ロボットのアームに固定されるハンド重量と搬送する部
    品重量に応じて可変して制御することを特徴とする請求
    項１記載の多関節型ロボットの制御方法。
  7. 【請求項７】各関節軸のサーボモータの制御系のフィー
    ドバックゲイン、位置制御ゲイン、速度制御ゲインを、
    ロボットアームの動作領域に応じて可変して制御するこ
    とを特徴とする請求項１記載の多関節型ロボットの制御
    方法。
  8. 【請求項８】各関節軸のサーボモータの制御系のフィー
    ドバックゲイン、位置制御ゲイン、速度制御ゲインを、
    ロボットアームの停止位置に応じて可変して制御するこ
    とを特徴とする請求項１記載の多関節型ロボットの制御
    方法。
  9. 【請求項９】各関節軸のサーボモータの制御系のフィー
    ドバックゲイン、位置制御ゲイン、速度制御ゲインを、
    ロボットアームが行う組立作業内容に応じて可変して制
    御することを特徴とする請求項１記載の多関節型ロボッ
    トの制御方法。
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