JPH06270079A - Articulated robot control device - Google Patents
Articulated robot control deviceInfo
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Landscapes
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は多関節ロボット制御装置
に係り、特に多関節型ロボットのロバストな非干渉化制
御装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an articulated robot controller, and more particularly to a robust decoupling controller for an articulated robot.
【0002】[0002]
【従来の技術】スカラ型ロボットのような多関節ロボッ
トの場合、通常の各軸の慣性力や摩擦力のほかに、各軸
間に慣性干渉力やコリオリ力・遠心力などが働いてい
る。このような相互干渉力があると、ある軸だけに対す
る指令が他の軸の出力にも影響を与えるため、本来望ま
ない応答が現われることになる。特に慣性干渉力は加速
度に依存するので、停止時のオーバーシュートやタクト
に悪い影響を与える。2. Description of the Related Art In the case of a multi-joint robot such as a SCARA type robot, in addition to the usual inertial force and frictional force of each axis, inertial interference force, Coriolis force, centrifugal force, etc. act between each axis. If there is such a mutual interference force, a command for only one axis affects the outputs of other axes, and an originally undesired response appears. In particular, since the inertial interference force depends on the acceleration, it has a bad influence on overshoot and tact at the time of stop.
【0003】従来は各軸の駆動装置が高減速比でその影
響が弱められ、これらの干渉力は「その他外乱」として
積分補償のみですませ、構造の簡単な各軸ごとのPIサ
ーボ系を構成するのが一般的であった。しかし、年々ロ
ボットの動作性能に対する要求が高まって、アームスピ
ードは増加し、タクトも従来の半分以下というレベルに
なってきている。このような要求に対し、PI制御では
補償しきれないダイナミクスの影響や、高減速比駆動で
あっても干渉力などの影響が無視できなくなる。Conventionally, the influence of the drive unit for each axis is weakened by a high reduction ratio, and these interference forces are only "integral compensation" as "other disturbances", thus forming a PI servo system for each axis with a simple structure. It was common to do. However, the demand for robot performance has increased year by year, the arm speed has increased, and the tact has become less than half of the conventional level. In response to such a request, the influence of dynamics that cannot be completely compensated by PI control, and the influence of interference force or the like cannot be ignored even at high reduction ratio drive.
【0004】これに対し、最近、外乱推定によるロバス
ト制御が注目されている。これは外乱推定オブザーバに
より外乱を補償した後、その補償後の系に対して、状態
(速度)オブザーバを付けて制御系を構成するもので、
演算量も多い。また、外乱としてステップ状外乱を想定
しているため、過渡的な応答には偏差が大きくなるとい
うことには変わりはない。さらに制度を向上するために
は、ダイレクトドライブ方式が有利であるが、そのとき
はこのような外乱の影響は非常に大きなものとなり、も
っと積極的に対処することが不可欠となる。On the other hand, recently, robust control based on disturbance estimation has attracted attention. This is to compose a control system by adding a state (speed) observer to the compensated system after compensating for the disturbance by the disturbance estimation observer.
A lot of calculation is required. Further, since a step-like disturbance is assumed as the disturbance, there is no change in that the transient response has a large deviation. In order to further improve the system, the direct drive method is advantageous, but at that time, the influence of such a disturbance becomes extremely large, and it is essential to deal with it more actively.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】一方、相互干渉力を補
償し、指令の出力応答に見かけ上何の干渉もないよう制
御する非干渉化制御の手法があり、これまで種々の手法
が提案されてきている。しかし、これらは理論や構成が
複雑であったり、正確なパラメータや計算精度を要する
ことが多かった。さらに、ロバスト性を付加するために
補償器を挿入すると、次数が増大し演算量を増すことに
なる。On the other hand, there is a decoupling control method for compensating the mutual interference force and controlling so that there is no apparent interference in the output response of the command, and various methods have been proposed so far. Is coming. However, these are often complicated in theory and configuration, or require accurate parameters and calculation accuracy. Furthermore, if a compensator is inserted to add robustness, the order increases and the amount of calculation increases.
【0006】最近、マイクロプロセッサの速度は向上し
ているとはいえ、経済的理由などで実用上まだ演算量の
多少は大きな問題である。そして、整数演算をさせるこ
とがほとんどであるため、演算誤差が外乱として制御系
に影響を及ぼすことになる。Although the speed of microprocessors has recently been improved, the amount of calculation is still a big problem in practice due to economic reasons. Since most of the arithmetic operations are performed as integers, the arithmetic error affects the control system as a disturbance.
【0007】本発明の目的は以上のような問題を解決す
る簡易かつ計算誤差や外乱にも強い実用的な多関節ロボ
ットの非干渉化制御装置を提供することにある。An object of the present invention is to provide a practical and non-interacting decoupling controller for a multi-joint robot that solves the above problems and is strong against calculation errors and disturbances.
【0008】[0008]
【課題を解決するための手段】本発明の多関節ロボット
制御装置は、上記目的を達成するため、所定の位置指令
信号に応じて所定の演算装置により算出された制御入力
信号により多関節型ロボットを駆動制御し、該ロボット
の角位置出力信号を検出するように構成され、前記演算
装置は前記位置指令信号から角位置出力信号に至る伝達
関数行列が干渉要素のない希望伝達関数行列となるよう
に、所定の制御法則に基づいて前記制御入力信号を算出
するようになっていることを要旨とする。In order to achieve the above object, an articulated robot control apparatus of the present invention is an articulated robot according to a control input signal calculated by a predetermined arithmetic unit according to a predetermined position command signal. Is configured to detect the angular position output signal of the robot, and the arithmetic unit sets the transfer function matrix from the position command signal to the angular position output signal to a desired transfer function matrix without interference elements. In addition, the gist is that the control input signal is calculated based on a predetermined control law.
【0009】[0009]
【作用】本発明では、外乱補償機能をインプリシットに
状態(速度)オブザーバに含ませている。これにより、
ロボットに入力するトルク指令とロボットの位置出力だ
けから、少ない制御器次数(すなわち少ない演算量)で
ロバスト性を保ちつつ制御目的を達成している。この場
合、制御目的は多関節ロボットの非干渉化と各軸ごとの
希望モデル(伝達関数)への極配置である。すなわち、
単に制御器次数が少ないだけでなく、外乱補償、非干渉
化及び極配置という三つの機能を1ステップで同時に達
成する、極めてシンプルな設計法と制御アルゴリズムを
提供することができる。In the present invention, the disturbance compensation function is implicitly included in the state (speed) observer. This allows
Only the torque command input to the robot and the position output of the robot achieve the control purpose while maintaining robustness with a small controller order (that is, a small amount of calculation). In this case, the control purpose is to decoupling the articulated robot and to arrange poles in the desired model (transfer function) for each axis. That is,
It is possible to provide an extremely simple design method and control algorithm that not only has a small number of controller orders but also simultaneously achieves the three functions of disturbance compensation, decoupling, and pole placement in one step.
【0010】[0010]
【実施例】一般にn軸の多関節型ロボットの運動方程式
は次式のように表わせる。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Generally, the equation of motion of an n-axis articulated robot can be expressed as the following equation.
【0011】[0011]
【数1】 [Equation 1]
【0012】ここで、M( )はn×n慣性行列、D
( )は粘性摩擦・コリオリ力・遠心力・逆起電力に関
するn×n行列で各々非対角要素が干渉項である。Kは
モータ・ドライバ・駆動機構などのn×nの対角なゲイ
ン行列、fはクーロン摩擦・重力を表わすn次元ベクト
ルである。またθ,dθ/dt,d2θ/dt2はそれぞ
れ軸角度、角速度、角加速度を表わし、uはドライバに
印加されるn次元制御入力信号である。Where M () is an n × n inertia matrix, D
() Is an n × n matrix relating to viscous friction, Coriolis force, centrifugal force, and back electromotive force, and each non-diagonal element is an interference term. K is an n × n diagonal gain matrix of the motor, driver, drive mechanism, etc., and f is an n-dimensional vector representing Coulomb friction and gravity. Further, θ, dθ / dt and d 2 θ / dt 2 respectively represent an axis angle, an angular velocity and an angular acceleration, and u is an n-dimensional control input signal applied to the driver.
【0013】実際の制御アルゴリズムは、マイクロプロ
セッサ上にソフトウエアとしてインプリメントされるこ
とを前提として、入力をDAコンバータで0次ホールド
し、サンプリング時間τs(s)で離散化する。このよ
うにして式(1)を離散系状態方程式で表わすと、An actual control algorithm is implemented as software on a microprocessor, and the input is zero-order held by a DA converter and discretized at a sampling time τ s (s). Thus, when the equation (1) is expressed by the discrete state equation,
【0014】[0014]
【数2】 [Equation 2]
【0015】ここで、η(k)はクーロン摩擦・重力等
の定値外乱項である。もとの連続系には零点(伝達関数
の分子多項式の根)はないが、このような離散化によっ
て単位円近傍に零点をもつようになり、サンプリング時
間を短くすると零点が単位円の外側にある非最小位相系
となる。このことはまた後で扱うことにする。ここで後
述する外乱補償機能により、式(2)の定値外乱η
(k)は完全に補償されるためη項を除いて考え、式
(2),(3)をrrp分解して進み演算子z(時系列
信号s(k)に対し、s(k+1)=zs(k)となる
ような演算子)のn×n多項式行列P(z),R(z)
によって表わすと、Here, η (k) is a constant value disturbance term such as Coulomb friction and gravity. The original continuous system does not have zeros (roots of the numerator polynomial of the transfer function), but such discretization makes it possible to have zeros near the unit circle. If the sampling time is shortened, the zeros will be outside the unit circle. It becomes a certain non-minimum phase system. This will be dealt with later. Due to the disturbance compensation function described below, the constant-value disturbance η in equation (2) is
Since (k) is completely compensated for, the η term is excluded, and equations (2) and (3) are rrp decomposed into a lead operator z (for a time series signal s (k), s (k + 1) = an operator n × n polynomial matrix P (z), R (z) such that zs (k)
When expressed by
【0016】[0016]
【数3】 y(k)=R(z)P-1(z)u(k) (4) となる。この式(4)が制御対象の離散系伝達関数行列
で、多変数系を扱う場合のひとつの表現方法である。## EQU00003 ## y (k) = R (z) P.sup.- 1 (z) u (k) (4). This expression (4) is a discrete transfer function matrix to be controlled, which is one expression method when dealing with a multivariable system.
【0017】ここで以降の論議を簡便にするため、新た
に演算子δ=z−1を用いる。これにより制御対象の多
項式行列を表わすと次のようになる。Here, in order to simplify the subsequent discussion, the operator δ = z−1 is newly used. This represents the polynomial matrix to be controlled as follows.
【数4】 P(δ)=Iδ2+P1δ+P0 (5) R(δ)=R1δ+R0 (6) ロボットの位置決め制御の場合、P0=0であるが、
P1,R1,R0は対角要素のほかに非対角の0でない干
渉要素がある。また、R(δ)は正則とする(逆行列が
存在する)が、この仮定は通常のロボットでは成立す
る。P (δ) = Iδ 2 + P 1 δ + P 0 (5) R (δ) = R 1 δ + R 0 (6) In the case of robot positioning control, P 0 = 0,
In addition to diagonal elements, P 1 , R 1 and R 0 have non-diagonal non-zero interference elements. Further, R (δ) is regular (there is an inverse matrix), but this assumption holds for a normal robot.
【0018】次に、外乱モデルを求める。式(2)でη
を表わす外乱モデルは、各軸ごとにη(t)=η0+η1
t+……+ηdtdで表わされ、そのz変換をδで表わす
と、Next, a disturbance model is obtained. Η in equation (2)
The disturbance model representing is η (t) = η 0 + η 1 for each axis.
t + ... + η d t d , and its z-transform by δ,
【数5】 η(δ)=η0/δ+……+ηd/δd+1 (7) のように定義できる。ηは定値外乱であるからd=0で
ある。なお、η1は未知である。[Equation 5] η (δ) = η 0 / δ + ... + η d / δ d + 1 (7) Since η is a constant value disturbance, d = 0. Note that η 1 is unknown.
【0019】さて本発明の制御目的は、ロボットの動特
性が非干渉化され、さらに各軸ごとの伝達関数が極配置
され、希望伝達関数に一致することである。つまり、各
軸ごとに伝達関数m(δ)=m0/(δ2+m1δ+m0)
となるように、指令v(k)からy(k)に至る希望伝
達関数行列をThe control object of the present invention is that the dynamic characteristics of the robot are made non-interfering, and the transfer function for each axis is pole-arranged so as to match the desired transfer function. That is, the transfer function m (δ) = m 0 / (δ 2 + m 1 δ + m 0 ) for each axis
So that the desired transfer function matrix from the command v (k) to y (k) is
【数6】 y(k)=N(δ)M-1(δ)v(k) (8) M(δ)=I(δ2+m1δ+m0) N(δ)=Im0 と設定すれば、伝達行列が対角化され干渉要素が0とな
り、非干渉化されることになる。Y (k) = N (δ) M −1 (δ) v (k) (8) M (δ) = I (δ 2 + m 1 δ + m 0 ) N (δ) = Im 0 For example, the transfer matrix is diagonalized and the interference element becomes 0, which makes the matrix non-interfering.
【0020】次に、干渉要素をもった伝達関数行列で表
わされる制御対象(式(4))に対し、位置指令v
(k)からy(k)に至る伝達関数行列を干渉要素のな
い対角なN(δ)M-1(δ)に一致させる制御法則を求
める。Next, with respect to the controlled object (equation (4)) represented by the transfer function matrix having the interference element, the position command v
A control law for matching the transfer function matrix from (k) to y (k) with diagonal N (δ) M −1 (δ) without interference elements is obtained.
【0021】まず、制御対象の軸ごとの次数(最大列次
数)が2、外乱の次数がd+1=1であるから、これら
の次数により、任意の(2−1)+(d+1)=2次の
モニック安定多項式をq(δ)=δ2+q1δ+q0と
し、これを対角要素とするn×n多項式行列をFirst, since the degree of each axis to be controlled (maximum column degree) is 2 and the degree of disturbance is d + 1 = 1, an arbitrary (2-1) + (d + 1) = second degree is obtained by these degrees. Let q (δ) = δ 2 + q 1 δ + q 0 be the monic stable polynomial of
【数7】 Q(δ)=Iq(δ) (9) とする。このq(δ)がオブザーバの特性多項式とな
り、制御系の極配置モデルとは独立に設定できる。そし
て次式のような、Q(δ)の次数より1次低い1次のn
×n多項式行列K(δ)、およびQ(δ)と同じ2次の
n×n多項式行列H(δ)を考える。## EQU00007 ## Let Q (.delta.) = Iq (.delta.) (9). This q (δ) becomes the characteristic polynomial of the observer and can be set independently of the pole placement model of the control system. Then, as in the following equation, a first-order n that is one-order lower than the order of Q (δ)
Consider a × n polynomial matrix K (δ) and a quadratic n × n polynomial matrix H (δ) that is the same as Q (δ).
【0022】[0022]
【数8】 K(δ)=K1δ+K0 (10) H(δ)=H2δ2+H1δ+H0 (11) 最大列行次数が3次の任意の多項式行列F(δ)に対
し、多項式方程式(12)を満足する式(10),(1
1)のような多項式行列K(δ),H(δ)を係数比較
により求める。## EQU8 ## K (δ) = K 1 δ + K 0 (10) H (δ) = H 2 δ 2 + H 1 δ + H 0 (11) For any polynomial matrix F (δ) with the maximum column row degree of the third order , Equations (10), (1 that satisfy the polynomial equation (12)
The polynomial matrices K (δ) and H (δ) as in 1) are obtained by coefficient comparison.
【0023】[0023]
【数9】 K(δ)P(δ)+H(δ)R(δ)=F(δ) (12) このとき、K1=Iq1,i=0〜dとすることで、η
(k)を漸近的に0とする外乱補償機能を制御法則に内
包させ、定常偏差を生じさせなくすることができる。さ
らに、このようにK1,i=0〜dを選ぶことで、その
他のK(δ),H(δ)の係数を唯一に決めることがで
きる。さて式(12)において、F(δ)を## EQU9 ## K (δ) P (δ) + H (δ) R (δ) = F (δ) (12) At this time, by setting K 1 = Iq 1 and i = 0 to d, η
The disturbance compensating function for asymptotically setting (k) to 0 can be included in the control law to prevent the steady deviation from occurring. Furthermore, by selecting K 1 and i = 0 to d in this way, the other coefficients of K (δ) and H (δ) can be uniquely determined. Now, in equation (12), F (δ) is
【0024】[0024]
【数10】 F(δ)=Q(δ){P(δ)−GM(δ)N-1(δ)R0} (13) G=N(δ)R0 -1 としたとき、以下の制御法則[Equation 10] F (δ) = Q (δ) {P (δ) -GM (δ) N −1 (δ) R 0 } (13) When G = N (δ) R 0 −1 , the following is obtained. Control law of
【0025】[0025]
【数11】 u(k)=Q-1(δ){K(δ)u(k)+H(δ)y(k)}+Gv(k) (14) を考える。式(4),(14)よりConsider u (k) = Q −1 (δ) {K (δ) u (k) + H (δ) y (k)} + Gv (k) (14). From equations (4) and (14)
【0026】[0026]
【数12】 y(k)=R(δ){Q(δ)P(δ)−K(δ)P(δ) −H(δ)R(δ)}-1Q(δ)Gv(k) (15)Y (k) = R (δ) {Q (δ) P (δ) -K (δ) P (δ) -H (δ) R (δ)} −1 Q (δ) Gv (k ) (15)
【0027】式(15)に式(12),(13)を代入
すると、Substituting equations (12) and (13) into equation (15),
【数13】 y(δ)=R(δ){Q(δ)GM(δ)N-1(δ)R0}-1Q(δ)Gv(k) =R(δ)R0 -1N(δ)M-1(δ)G-1Q-1(δ)Q(δ)Gv(k) =R(δ)R0 -1N(δ)M-1(δ)v(k) (16) 式(16)第2行目のQ(δ)は、その対角要素q
(δ)を安定多項式に選んであるので、Q-1(δ)Q
(δ)=Iというようにキャンセル可能である。Y (δ) = R (δ) {Q (δ) GM (δ) N −1 (δ) R 0 } −1 Q (δ) Gv (k) = R (δ) R 0 −1 N (δ) M -1 (δ) G -1 Q -1 (δ) Q (δ) G v (k) = R (δ) R 0 -1 N (δ) M -1 (δ) v (k) (16) Q (δ) in the second line of equation (16) is the diagonal element q
Since (δ) is selected as the stable polynomial, Q −1 (δ) Q
It can be canceled as (δ) = I.
【0028】ここでR(δ)は、ロボットを0次ホール
ドして、短いサンプリング時間で離散化したことによっ
て、単位円近傍に零点をもつため、式(16)においてHere, R (δ) has a zero point in the vicinity of the unit circle because the robot is held in the 0th order and discretized in a short sampling time.
【数14】 R(δ)R0 -1=R1R0 -1δ+I ≒I(0.5δ+1) =I(z+1)/2 (17)R (δ) R 0 −1 = R 1 R 0 −1 δ + I ≈I (0.5δ + 1) = I (z + 1) / 2 (17)
【0029】という近似を行う。したがって、式(1
7)を式(16)に代入すると、The following approximation is performed. Therefore, the formula (1
Substituting 7) into equation (16) gives
【数15】 y(k)≒N(δ)M-1(δ)(z+1)v(k)/2 (18) となって、新たにv(k)=(z+1)v(k)/2と
なるように規範入力を細工することで、非干渉化と極配
置が同時に達成できる。## EQU15 ## y (k) ≈N (δ) M −1 (δ) (z + 1) v (k) / 2 (18), and new v (k) = (z + 1) v (k) / By modifying the reference input so as to be 2, decoupling and pole placement can be achieved at the same time.
【0030】図1は上述した式(14)により規定され
る制御法則に基づく本発明の制御系全体の構成を示す。
同図において、1は制御対象としての多関節型ロボッ
ト、2は演算装置、3は位置指令信号発生装置、4は駆
動装置、5は角位置出力信号検出装置である。ロボット
1の実際の伝達関数(離散系伝達関数行列)はR(z)
P-1(z)で、演算装置2は干渉要素をもった上記伝達
関数の制御対象1に対し、干渉要素のない対角なN
(δ)M-1(δ)の希望伝達関数としての処理を可能と
するため、前記式(14)に基づく演算により位置指令
信号v(k)に応じた最適な制御入力信号u(k)を出
力する。なお、以上においてはn×nの多項式行列で説
明したが、n=1の場合でも本発明は成立する。FIG. 1 shows the overall configuration of the control system of the present invention based on the control law defined by the above-mentioned equation (14).
In the figure, 1 is an articulated robot to be controlled, 2 is a computing device, 3 is a position command signal generating device, 4 is a driving device, and 5 is an angular position output signal detecting device. The actual transfer function (discrete transfer function matrix) of the robot 1 is R (z)
At P −1 (z), the arithmetic unit 2 has a diagonal N with no interference element with respect to the controlled object 1 of the transfer function having the interference element.
In order to enable the processing of (δ) M −1 (δ) as a desired transfer function, the optimum control input signal u (k) corresponding to the position command signal v (k) is calculated by the equation (14). Is output. In the above description, the n × n polynomial matrix has been described, but the present invention is applicable even when n = 1.
【0031】次に、図1の制御系の外乱応答特性の解析
においては、規範入力をv(k)=0として、外乱η
(k)から出力y(k)に至る伝達特性を調べる。ま
ず、外乱η(k)は式(2)のように入力u(k)に加
算された形で印加されるので、式(4)は、Next, in the analysis of the disturbance response characteristic of the control system of FIG. 1, the reference input is set to v (k) = 0, and the disturbance η
The transfer characteristic from (k) to the output y (k) is examined. First, since the disturbance η (k) is applied in the form of being added to the input u (k) as in the equation (2), the equation (4) is
【数16】 y(k)=R(δ)P-1(δ){u(k)+η(k)} (19) となる。Y (k) = R (δ) P −1 (δ) {u (k) + η (k)} (19)
【0032】式(12),(13),(14)および
(19)より、From equations (12), (13), (14) and (19),
【数17】 y(k)=R(δ)R0 -1N(δ)G-1{Q(δ)−K(δ)} ×M-1(δ)Q-1(δ)η(k) (20)Y (k) = R (δ) R 0 −1 N (δ) G −1 {Q (δ) −K (δ)} × M −1 (δ) Q −1 (δ) η ( k) (20)
【0033】この式で、定常応答、すなわちk→∞とし
たときのy(k)は、In this equation, the stationary response, that is, y (k) when k → ∞, is
【0034】[0034]
【数18】 [Equation 18]
【0035】である。ここで、η(δ)=η’(δ)/
δd+1と表わせる。また、K1=Iq1,i=0〜dのよ
うに選んであるから、Q(δ)−K(δ)=δ
d+1{Q’(δ)−K’(δ)}と表わせ、η(δ)の
分母δd+1がキャンセルされる。したがって式(21)
は、It is Where η (δ) = η ′ (δ) /
It can be expressed as δ d + 1 . Further, since K 1 = Iq 1 and i = 0 to d are selected, Q (δ) -K (δ) = δ
It is expressed as d + 1 {Q ′ (δ) −K ′ (δ)}, and the denominator δ d + 1 of η (δ) is canceled. Therefore, equation (21)
Is
【0036】[0036]
【数19】 [Formula 19]
【0037】となり、ここで、分母行列M-1(δ)Q-1
(δ)は安定に選んであるから、式(22)の値は0に
なる。すなわち、k→∞のとき外乱η(δ)の出力への
影響は0に収束する。したがって、この系は式(7)の
ような外乱ベクトルη(δ)に対して定常偏差を生じな
い。Where denominator matrix M −1 (δ) Q −1
Since (δ) is stably selected, the value of the equation (22) becomes 0. That is, when k → ∞, the influence of the disturbance η (δ) on the output converges to zero. Therefore, this system does not produce a steady deviation with respect to the disturbance vector η (δ) as in the equation (7).
【0038】図2は図1の制御系に基づく本発明の多関
節ロボット制御装置の一実施例で、多関節型ロボット1
は、例えば、スカラ型ロボットが用いられ、このロボッ
トの制御軸数は4軸であるが、主に干渉のある水平2リ
ンク機構を構成するθ1軸(第1軸)とθ2軸(第2軸)
に本発明の制御方式を適用する。演算装置2としては、
例えばディジタル信号処理装置(DSP)が用いられ、
この装置による演算制御のためP(z)等は下記のよう
にして定める。すなわち、制御対象1のパラメータは、
駆動装置4を含めて行った最小自乗法によるパラメータ
同定試験により得られ、FIG. 2 shows an embodiment of an articulated robot controller of the present invention based on the control system of FIG.
For example, a SCARA type robot is used, and the number of control axes of this robot is four. However, the θ 1 axis (the 1st axis) and the θ 2 axis (the 1st axis) which mainly constitute a horizontal two-link mechanism with interference are used. 2 axes)
The control method of the present invention is applied to. As the arithmetic unit 2,
For example, a digital signal processor (DSP) is used,
P (z) and the like are determined as follows for arithmetic control by this device. That is, the parameter of the controlled object 1 is
Obtained by a parameter identification test by the method of least squares including the driving device 4,
【0039】[0039]
【数20】 [Equation 20]
【0040】である。希望モデルの二つの極は20ra
d/sおよび800rad/s、オブザーバは2次のバ
タワース極120rad/sに設定した。制御法則(式
(14))のパラメータは、以下のようになる。It is The two poles of the desired model are 20ra
d / s and 800 rad / s, the observer was set to 120 rad / s of Butterworth pole of the second order. The parameters of the control law (equation (14)) are as follows.
【0041】[0041]
【数21】 [Equation 21]
【0042】図3(b)は同図(a)のようにロボット
1のθ1軸のみ動作させた時の、位置指令信号v(k)
に対する実位置の偏差をプロットしたもので、点線は従
来方式、実際は本発明の方式による結果を示す。同図か
ら明らかなように、非干渉化を行わない従来の各軸サー
ボ制御方式の場合、干渉力が高減速でかなり小さくなっ
ているにもかかわらず、0指令のはずのθ2軸は大きく
振れているが、本発明の方式により非干渉化制御した場
合、θ2軸はほとんど振れず、干渉力の影響が十分に補
償されているのがわかる。FIG. 3B shows a position command signal v (k) when only the θ 1 axis of the robot 1 is operated as shown in FIG.
Is a plot of the deviation of the actual position with respect to, and the dotted line shows the result by the conventional method, actually by the method of the present invention. As is clear from the figure, in the case of the conventional servo control method for each axis without decoupling, the θ 2 axis, which should be the 0 command, is large even though the interference force is considerably small at high deceleration. Although it is oscillating, when the decoupling control is performed by the method of the present invention, it is understood that the θ 2 axis hardly oscillates and the influence of the interference force is sufficiently compensated.
【0043】また、図4(b)は図3と同様にして図4
(a)のようにθ2軸のみ動作させた結果を示す。この
場合は、両方式のどちらも干渉による影響は少なく、非
動作軸のθ1軸の振れは小さい。しかし明らかに本発明
の非干渉化制御した方が振れが少なく、特性は良好であ
ることがわかる。Further, FIG. 4B is similar to FIG.
The result of operating only the θ 2 axis as shown in (a) is shown. In this case, the influence of interference is small in both of the two types, and the shake of the non-operating axis θ 1 axis is small. However, it is apparent that the non-interacting control of the present invention causes less shake and has better characteristics.
【0044】更に、図5(b)は同図(a)のようにθ
1,θ2の両軸を同時に動作させたときの位置偏差の時間
応答特性を示す。同図から明らかなように、従来方式の
非干渉化をしない場合、減速・停止時に大きな動作の乱
れが生じ、それによってタクトが遅れるが、本発明方式
の非干渉化制御した場合は、動作の乱れも小さく、タク
ト遅れもなくなっていることがわかる。Further, FIG. 5 (b) shows θ as shown in FIG. 5 (a).
The time response characteristics of position deviation when both 1 and θ 2 axes are operated simultaneously are shown. As is clear from the figure, if the conventional method is not used for decoupling, a large disturbance of the operation occurs during deceleration and stop, which delays the tact, but when the decoupling control of the method of the present invention is performed, It can be seen that the disturbance is small and the tact delay is gone.
【0045】[0045]
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、外
乱補償機能をオブザーバに含ませることで、多関節ロボ
ットのロバストな非干渉化および極配置を同時に達成す
る制御アルゴリズムをシンプルに構成できる。このアル
ゴリズムは多変数系を扱って、さらに外乱補償機能をも
っているにもかかわらず、演算量が非常に少ない。例え
ばパラメータを最小にすると、スカラ型ロボット2軸分
で、積和演算が約20回である。さらに、制御パラメー
タの計算(パラメータ設計)も、多項式の係数比較をす
る程度で、外乱補償、非干渉化および極配置のすべてを
同時に達成するパラメータが得られる。したがってCA
D化も容易であり、非常に実用的である。また、スカラ
型ロボットによる実施例では、駆動機構が高減速比であ
るにもかかわらず、従来行われてきた各軸ごとのサーボ
系に比べ、停止時のオーバーシュートはなくなり、これ
によってタクトも短縮され、その有効性は明らかであ
る。As described above, according to the present invention, by including the disturbance compensation function in the observer, a control algorithm for simultaneously achieving robust decoupling and pole placement of an articulated robot can be simply constructed. . Although this algorithm handles multivariable systems and has a disturbance compensation function, the amount of computation is very small. For example, if the parameter is minimized, the product-sum operation is performed about 20 times for two axes of the scalar robot. Further, in the calculation of control parameters (parameter design), parameters that achieve all of disturbance compensation, decoupling, and pole placement at the same time can be obtained only by comparing polynomial coefficients. Therefore CA
It is easy to convert to D and is very practical. Further, in the embodiment using the SCARA type robot, the overshoot at the time of stop is eliminated as compared with the conventional servo system for each axis, even though the drive mechanism has a high reduction ratio, thereby shortening the tact time. And its effectiveness is clear.
【図1】本発明の制御系の全体構成を示すブロック図で
ある。FIG. 1 is a block diagram showing an overall configuration of a control system of the present invention.
【図2】本発明の一実施例を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing an embodiment of the present invention.
【図3】ロボットのθ1軸のみ動作させた時の位置指令
信号に対する実位置の偏差を示す特性図である。FIG. 3 is a characteristic diagram showing a deviation of an actual position with respect to a position command signal when only the θ 1 axis of the robot is operated.
【図4】θ2軸のみ動作させた時の図3と同様の特性図
である。FIG. 4 is a characteristic diagram similar to FIG. 3 when only the θ 2 axis is operated.
【図5】θ1,θ2両軸を同時に動作させたときの位置偏
差の時間応答特性図である。FIG. 5 is a time response characteristic diagram of position deviation when both θ 1 and θ 2 axes are simultaneously operated.
1 ロボット 2 演算装置 3 位置指令信号発生装置 4 駆動装置 5 角位置出力信号検出装置 1 Robot 2 Computing Device 3 Position Command Signal Generator 4 Driving Device 5 Angular Position Output Signal Detection Device
Claims (1)
装置により算出された制御入力信号により多関節型ロボ
ットを駆動制御し、該ロボットの角位置出力信号を検出
するように構成され、前記演算装置は前記位置指令信号
から角位置出力信号に至る伝達関数行列が干渉要素のな
い希望伝達関数行列となるように、所定の制御法則に基
づいて前記制御入力信号を算出するようになっているこ
とを特徴とする多関節ロボット制御装置。1. A structure for driving and controlling an articulated robot by a control input signal calculated by a predetermined arithmetic unit according to a predetermined position command signal and detecting an angular position output signal of the robot, The arithmetic device is adapted to calculate the control input signal based on a predetermined control law so that the transfer function matrix from the position command signal to the angular position output signal becomes a desired transfer function matrix without interference elements. An articulated robot controller characterized by the above.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP08544993A JP3200496B2 (en) | 1993-03-18 | 1993-03-18 | Articulated robot controller |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP08544993A JP3200496B2 (en) | 1993-03-18 | 1993-03-18 | Articulated robot controller |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06270079A true JPH06270079A (en) | 1994-09-27 |
| JP3200496B2 JP3200496B2 (en) | 2001-08-20 |
Family
ID=13859197
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP08544993A Expired - Fee Related JP3200496B2 (en) | 1993-03-18 | 1993-03-18 | Articulated robot controller |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3200496B2 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6069463A (en) * | 1996-02-20 | 2000-05-30 | Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki | Controller of multi-axis robot |
| JP2001312301A (en) * | 2000-05-01 | 2001-11-09 | Sankyo Seiki Mfg Co Ltd | Controller |
| US7433758B2 (en) | 2003-12-26 | 2008-10-07 | Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki | Control apparatus of robot |
| CN120816510A (en) * | 2025-09-19 | 2025-10-21 | 山东大学 | Distributed control method and system for robot assembly based on disturbance observer |
-
1993
- 1993-03-18 JP JP08544993A patent/JP3200496B2/en not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6069463A (en) * | 1996-02-20 | 2000-05-30 | Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki | Controller of multi-axis robot |
| JP2001312301A (en) * | 2000-05-01 | 2001-11-09 | Sankyo Seiki Mfg Co Ltd | Controller |
| US7433758B2 (en) | 2003-12-26 | 2008-10-07 | Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki | Control apparatus of robot |
| CN120816510A (en) * | 2025-09-19 | 2025-10-21 | 山东大学 | Distributed control method and system for robot assembly based on disturbance observer |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3200496B2 (en) | 2001-08-20 |
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