JPH08286759A - 静摩擦を補償するロボット駆動制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ロボット軸が静止している状態から移動開始
する際の遅れを改善する。 【構成】 軸を駆動するモータの速度ｖf が設定値Δｖ
以下で、軸が停止している際には、トルク指令Ｔｃか
ら、静止摩擦トルクよりも僅かに小さいトルクを出力す
る程度の補償トルク指令Ｆ−ΔＦを、所定時間毎加算も
しくは減算し、この補正されたトルク指令Ｔｃ´で、モ
ータを駆動する（Ｓ１〜Ｓ１１）。これにより、静止し
ていた軸を移動させようとする場合、トルク指令Ｔｃが
僅かに上昇しただけで該軸を移動させることができ、移
動開始時の遅れを短くすることができる。最大でも、上
記補償トルク指令Ｆ−ΔＦの加算減算周期の１／２程度
の遅れに抑えることができる。移動開始後はクーロン摩
擦トルク程度のトルクを発生する補償トルク指令Ｔm を
トルク指令に加算する（Ｓ１２〜１４）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ロボットの駆動制御方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ロボット軸には静摩擦が存在するため、
動作を開始する際に、静摩擦に打ち勝つだけのトルクを
与えるまでは該軸は動き出さない。そのため動作開始に
遅れが生じてしまう。また、ロボットは複数の軸（例え
ば６軸）で構成され、ロボットの動作に応じてある軸は
移動しているが、他の軸は停止しているという現象が生
じる。そして、停止している軸が移動開始するとき、上
述したように静摩擦のために遅れが生じると滑らかなロ
ボット動作が生じない。従来、摩擦を補償する方法とし
て、ロボットの回転方向にしたがって、正又は負の一定
値のトルクを加えるクーロン摩擦補償方法が知られてい
る。このクーロン摩擦補償方法は、図５（ａ）に示すよ
うに、軸が負方向に移動している間には、負の一定値の
クーロン摩擦補償量のトルクを該軸に加え（該軸を駆動
するモータからクーロン摩擦補償量のトルクを該軸に加
え）、正方向に移動している間には正の一定値のクーロ
ン摩擦補償量のトルクを該軸に加えるものである。しか
し、この方法では、速度が０のとき、トルクがばたつく
ことから、このばたつきを防止するために図５（ｂ）に
示すように、速度０の近傍で、該クーロン摩擦補償のト
ルクを０にする方法や、又は図５（ｃ）に示すようなヒ
ステリシス的にクーロン摩擦補償のトルクを加える方法
が採用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述したクーロン摩擦
補償方法では停止しているロボット軸の上述した遅れを
補償することはできない。図５（ａ）や図５（ｃ）のク
ーロン摩擦補償方法においては、例えば、軸が負方向に
移動して停止している際には、該軸には負方向の一定値
のクーロン摩擦補償量のトルクがかかっており、停止か
ら再び移動を開始するとき、その方向が負方向であれば
静摩擦が補償されるが、逆に正方向に移動する場合に
は、移動しようとする方向とは逆のトルクがかかってお
り、その分移動開始に遅れが生じる。このように、停止
前の移動方向と停止後に移動する方向が逆の場合には、
クーロン摩擦補償の方法では静摩擦が補償されず、逆に
応答の遅れを増大させる作用をなしている。また、図５
（ｂ）に示す方法では、速度が０の近傍では、補償トル
クが０であり静摩擦は全く補償されていない。そこで、
本発明の目的は、ロボットの軸が静止している状態から
移動開始する際の遅れを改善するロボット駆動制御方法
を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、軸が静止して
いる間、静摩擦より小さいトルクがディザ的に発生する
ように、該軸を駆動するモータに対しディザ的に補償ト
ルク指令を加えることによって、静止している軸が移動
を開始するときの静摩擦を補償し該軸の遅れを防止す
る。とくに、モータを駆動制御する制御系のゲインを小
さくしてロボットの剛性制御を行う場合に、この静摩擦
補償を行うことによって剛性制御をより能率的に行うよ
うにする。

【０００５】

【作用】静止している軸を駆動するモータに加えられた
ディザ的トルク指令によって、該軸は静止している間、
ディザ的に静摩擦より小さいトルクが加えられることに
なる。加えられたトルクは静摩擦より小さいトルクであ
るから、該軸は移動することはない。しかし、該軸を移
動させる場合には、移動指令によるトルク指令にデッザ
的に加えられた補償トルク指令が加算もしくは減算され
るから、補償トルク指令がトルク指令の方向と一致し加
算されたときには、静摩擦トルクより大きなトルクを発
生させるから、軸はすばやく移動開始することになる。
その遅れは、最大で、補償トルク指令の繰り返し周期の
半周期程度の遅れとなり、停止状態から移動開始までの
遅れ時間を短くすることができる。

【０００６】また、モータを駆動制御する制御系のゲイ
ンを小さくしてロボットの剛性制御を行う場合、ゲイン
が低下していることから、移動指令に対する軸の移動の
応答は遅くなる。即ち、停止状態から移動を開始しよう
とする際には該軸を駆動するモータからは低トルクしか
発生せず、静摩擦に打ち勝つために必要なトルクになる
までは時間を要する。そこで、このロボットの剛性制御
を行う場合に、軸が低ししている間に静摩擦より小さい
トルクをディザ的に軸に加えることによって、静止状態
から移動開始するまでの時間を短くすることができ、ロ
ボットの剛性制御をより効率的、能率的に行うことがで
きる。又、外力によりロボットのツール先端点を移動さ
せる場合にも、小さな外力でロボットを動き出させるこ
とができる。

【０００７】

【実施例】図２は本発明の一実施例を実施するロボット
制御系の要部ブロック図である。図２中、１はロボット
を制御するホストプロセッサで、補間、直交座標系の座
標値から各軸の回転角への変換，逆変換等を行うと共
に、ロボットの各軸へ位置指令を分配する。２はホスト
プロセッサ１とディジタルサーボ回路３のプロセッサ間
の情報の伝達を仲介する共有ＲＡＭで、ホストプロセッ
サ１が書き込んだ位置指令等のデータをディジタルサー
ボ回路３のプロセッサに受け渡し、ディジタルサーボ回
路３のプロセッサが書き込んだアラーム情報等をホスト
プロセッサに引き渡す機能を行うものである。３はディ
ジタルシグナルプロセッサ等で構成されるディジタルサ
ーボ回路でプロセッサ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等で構成され、
ロボットの各軸のサーボモータの制御を行う。４はトラ
ンジスタインバータ等で構成されるサーボアンプで、５
はサーボモータである。また、６はサーボモータ５の位
置、速度を検出する位置・速度検出器であり、検出され
たサーボモータの位置、速度はディジタルサーボ回路３
にフィードバックされている。なお、サーボアンプ４，
サーボモータ５は１軸のみを図示している。このロボッ
トを制御する制御系は従来の制御系と同一であり、詳細
は省略する。

【０００８】図３は、上記ディジタルサーボ回路３が各
軸のサーボモータ５を駆動制御するサーボ系のブロック
図であり、このサーボ系も従来と同一の構成である。相
違する点は、後述するように当該軸が停止している間、
当該軸を駆動するサーボモータ５よりディザ的トルクを
発生するようにディザ的トルク指令を該サーボモータ５
に与える点である。

【０００９】ホストプロセッサ１から共有ＲＡＭ２を介
して送られてきた位置指令から位置・速度検出器６から
の位置のフィードバック値を減算し位置偏差を求め、該
位置偏差に位置ループゲインＫｐを乗じて速度指令Ｖｃ
を求める。即ち、従来と同様の位置ループ制御を行って
速度指令Ｖｃを求める。この速度指令Ｖｃから位置・速
度検出器６からの速度フィードバック値Ｖf を減じて速
度偏差を求め、従来の速度ループ制御と同様に比例積分
制御を行いトルク指令（電流指令）Ｔc を求める。この
速度ループ制御によって得られたトルク指令Ｔc に設定
されている摩擦トルク分を補償するための補償トルクＴ
f を加算し、この補正されたトルク指令（Ｔc ＋Ｔf ）
でサーボモータ５を駆動する。なお、図３中Ｋ２は速度
ループの比例ゲイン、Ｋ１は速度ループの積分ゲインで
あり、Ｓはラプラス演算子を示す。また、電流ループは
ゲインが１として省略している。

【００１０】本発明は、上述した速度ループ制御によっ
て求められたトルク指令Ｔｃに付加する補償トルク指令
Ｔf が従来と異なるものである。本発明においては、軸
の移動速度が０のときには当該軸を駆動するサーボモー
タに対しては摩擦を補償する補償トルク指令Ｔf として
図４に示すようなディザ的トルク指令を付加し、軸が移
動すると、従来と同様にクーロン摩擦トルクと同等のト
ルクを発生するトルク指令を補償トルク指令Ｔf として
付加するようにしている。軸停止時に付加するディザ的
トルク指令は、図４に示すように、静摩擦トルクに対応
するトルク指令の大きさＦより僅かの量ΔＦだけ小さい
大きさを持ち、設定された短時間Δｔ交互（１周期２Δ
ｔ）に符号の反転するトルクである。

【００１１】本実施例においては、軸が停止している状
態を該軸を駆動するサーボモータの速度で検出し、位置
・速度検出器からの速度フィードバック値ｖf の絶対値
が設定値Δｖより小さいときには、当該軸は停止してい
るとみなし、図４に示すようなディザ的な補償トルク指
令Ｔf をトルク指令Ｔｃに付加し、速度フィードバック
値ｖf の絶対値が設定地Δｖより大きくなると、その速
度方向に合わせ調整されたクーロン摩擦に対応するトル
ク指令Ｔｍをトルク指令Ｔｃに加算もしくは減算してサ
ーボモータへのトルク指令とするものである。即ち、こ
の補償トルク指令Ｔf は次のようになる。

【００１２】｜ｖf ｜≦Δｖのとき ２ｉ・Δｔ≦ｔ＜（２ｉ＋１）Δｔのときは、
Ｔf ＝Ｆ−ΔＦ （２ｉ＋１）Δｔ≦ｔ＜（２ｉ＋２）Δｔのときは、Ｔ
f ＝−（Ｆ−ΔＦ） （なお、ｉ＝０，１，２，…） ｜ｖf ｜＞Δｖのとき ｖf ＞０のときは、Ｔf ＝Ｔm ｖf ＜０のときは、Ｔf ＝−Ｔm ただし、Δｖは正の設定値、Ｆは静摩擦に対応するトル
ク指令の大きさ、ΔＦは設定値、Ｔm はクーロク摩擦に
対応するトルク指令の大きさであり、これらΔｖ、Ｔm
、及び上記Δｔ、Ｆ−ΔＦの値は調整によって決めら
れる。

【００１３】図１は、ディジタルサーボ回路３のプロセ
ッサがサーボモータ５を駆動制御するため、所定位置・
速度ループ周期毎に実行する処理のフローチャートであ
る。

【００１４】まず、共有ＲＡＭ２を介してホストプロセ
ッサ１から送られてくる位置指令と、位置・速度検出器
６からの位置のフィードバック値に基づいて、従来と同
様に位置ループ処理を行い速度指令Ｖｃを求める（ステ
ップＳ１）。次に位置・速度検出器６からの速度フィー
ドバック値ｖf を読み（ステップＳ２）、ステップＳ１
で求めた速度指令Ｖｃと速度フィードバック値ｖf より
従来と同様に速度ループ処理を行いトルク指令Ｔｃを求
める（ステップＳ３）。

【００１５】次に、ステップＳ２で読み込んだ速度フィ
ードバック値ｖf の絶対値が設定値Δｖ以下か否か判断
し（ステップＳ４）、サーボモータ５が停止状態（該サ
ーボモータ５によって駆動される軸が停止状態）で、速
度フィードバック値ｖf の絶対値が設定値Δｖ以下であ
れば、指標ｉが（Ｉm ／２）より小さいか否か判断する
（ステップＳ５）。なお、指標ｉはロボット制御装置に
電源が投入されたときに「０」に初期設定されている。
また、上記Ｉm の値は、ディザ的補償トルク指令の繰り
返し周期に対応する値であり、この図１で示す位置・速
度ループ処理の周期をτとするとτ・Ｉm ／２が図４に
おけるΔｔに対応するものであり、設定値Ｉm として調
整されて設定されているものである。

【００１６】指標ｉが（Ｉm ／２）より小さいときに
は、ステップＳ３で求めたトルク指令Ｔｃに設定された
静摩擦補償量に対応する補償トルク指令値Ｆ−ΔＦを加
算してサーボモータ５へのトルク指令Ｔｃ´とする（ス
テップＳ６）。静摩擦補償量に対応する補償トルク指令
値Ｆ−ΔＦは、静摩擦トルクよりも僅かに小さいトルク
をサーボモータ５が出力するよう調整して設定されるも
のである。次に、指標ｉを「１」インクリメントし（ス
テップＳ８）、該指標ｉがディザ的トルクの１周期に対
応する数のＩm 以上か判断し（ステップＳ９）、未満で
あれば、ステップＳ１１に移行し、ステップＳ６で求め
た補正されたトルク指令Ｔｃ´を電流ループに出力し、
サーボモータ５を駆動する。

【００１７】以下、サーボモータ５で駆動される軸が停
止状態にあり、速度フィードバック値ｖf の絶対値が設
定値Δｖ以下である間は、ステップＳ１〜Ｓ９、Ｓ１１
の処理を繰り返し、該サーボモータ５から静摩擦トルク
よりも小さい正のトルク（Ｆ−ΔＦに対応するトルク）
を出力する。そしてステップＳ５で指標ｉがＩm ／２の
値以上になったことが判断されると、ステップＳ７に移
行しステップＳ３で求めたトルク指令Ｔｃから補償トル
ク指令値Ｆ−ΔＦを減じた値Ｔｃ´をサーボモータ５へ
のトルク指令値とし、ステップＳ８、Ｓ９の処理を行っ
た後ステップＳ１１で電流ループにこの補正トルク指令
Ｔｃ´を出力する。そして、指標ｉの値が設定値Ｉm の
値になると、ステップＳ９からステップＳ１０に移行し
指標ｉを「０」にセットしステップＳ１１に進む。

【００１８】ステップＳ３で求められたトルク指令Ｔｃ
が「０」である時の状況を考える。速度フィードバック
値ｖf の絶対値が設定値Δｖ以下である間は、指標ｉが
０から（Ｉm ／２）−１の間は、正の補償トルク指令値
Ｆ−ΔＦをサーボモータ５に出力し、指標ｉが（Ｉm ／
２）から（Ｉm −１）の間は負の補償トルク指令値Ｆ−
ΔＦをサーボモータ５に出力し、サーボモータ５は、Δ
ｔ（＝τ・Ｉm ／２）時間毎正負の補償トルク指令Ｆ−
ΔＦを交互に図４に示すように出力し、静止している軸
を駆動するサーボモータを駆動することになる。

【００１９】そして、ステップＳ３で求められたトルク
指令Ｔｃが「０」ではなく、正、負いずれか一方にモー
タを駆動するトルク指令Ｔｃであると、ステップＳ６若
しくはステップＳ７で、該トルク指令Ｔｃに補償トルク
指令値Ｆ−ΔＦが加算若しくは減算されることになり、
トルク指令Ｔｃの方向（正負）と補償トルク指令値Ｆ−
ΔＦの方向が一致したときには、ステップＳ３で求めた
トルク指令ＴｃがΔＦ以上になるだけで、静摩擦トルク
以上のトルクをモータから発生されることができるの
で、静止状態から移動開始するまでの時間を短くするこ
とができる。最大に遅れてもディザ的トルク指令の半周
期のΔｔの遅れですむ。

【００２０】こうしてサーボモータ５が回転し、軸が移
動して、ステップＳ４で、速度フィードバックの値ｖf
の絶対値が設定値Δｖを越えていることが判断される
と、ステップＳ４からステップＳ１２に移行し、該速度
フィードバックｖf の値が正の場合には、クーロン摩擦
補償量に対応する調整され設定されている補償トルク指
令Ｔm をステップＳ３で求めたトルク指令Ｔｃに加算し
補正トルク指令Ｔｃ´を求め、速度フィードバックｖf
の値が負の場合には上記補償トルク指令Ｔm をステップ
Ｓ３で求めたトルク指令Ｔｃに減算し補正トルク指令Ｔ
ｃ´を求め（ステップＳ１３、Ｓ１４）、指標ｉを
「０」にセットし（ステップＳ１５）、該補正トルク指
令Ｔｃ´を電流ループ制御処理に引き渡し、サーボモー
タ５を駆動することになる。

【００２１】なお、上記実施例では、ステップＳ１５で
指標ｉを「０」にセットしたが、必ずしもこのステップ
Ｓ１５は必要がない。この場合には、軸の移動が停止し
次に移動するときには、指標の値が「０」ではない場合
があるから、該指標ｉの値に応じてステップＳ６か、ス
テップＳ７に進むことになる。ロボットの剛性を弱くし
て、ロボットが運転中でも人手によってロボットアーム
等を移動させることができるようにする方法として、ロ
ボットの剛性制御方法がある（例えば特開平６−３３２
５３８号公報、特開平７−２０９４１号公報等参照）。
このロボットの剛性制御に、上述した軸が停止している
間に該軸を駆動するサーボモータにディザ的トルク指令
を加える制御を行うと、停止している軸を移動開始させ
るとき短期間で移動を開始させることができるから、ロ
ボットの剛性制御を効率的、能率的に行うことができ
る。

【００２２】ロボットの剛性制御を行う場合には、モー
タを制御する制御系のゲインを小さくすることから、軸
が移動開始するときに、該軸を駆動するモータには、最
初小さなトルク指令しか入力されなく、該軸の摩擦トル
クに打ち勝つまでの出力トルクがモータから出力される
間でには時間がかかることになるが、静止している軸を
駆動するサーボモータにディザ的トルク指令を加えてお
くことにより、僅かなトルク指令（ΔＦ）で、最大でも
ディザ的トルク指令の繰り返し周期の１／２の遅れ程度
で当該軸を移動開始することができることになり、効率
的なロボット剛性制御ができる。又、外力によりロボッ
トのツール先端点を移動させる場合にも、小さな外力で
ロボットを動き出させることができる。

【００２３】

【発明の効果】本発明では、軸が静止している間、該静
止している軸を駆動するモータに対してディザ的トルク
指令を入力し、該軸が移動しない程度の静止摩擦トルク
より小さいディザ的トルクを該モータより出力させ該軸
に加えるから、該軸が移動しようとして該モータにトル
ク指令が出されたとき、該トルク指令にディザ的トルク
指令が加算もしくは減算されることになるが、移動指令
によるトルク指令の方向とディザ的トルク指令の方向が
一致したとき、該モータからは静摩擦トルクよりも大き
いトルクを発生することになるから、軸の移動開始の遅
れは、最大でディザ的トルク指令の周期の１／２程度と
なり、遅れを小さくすることができる。そのため、複数
の軸を有するロボットにおいて、他の軸が移動している
状態で、停止していた軸が移動開始する際に、この停止
していた軸の移動が速やかに行われるからロボットの運
動は滑らかのものとなる。特にロボットの剛性制御を行
っても、静止している軸を短時間で移動開始させること
ができるから、効率的なロボット作業が可能になる。
又、外力によりロボットのツール先端点を移動させる場
合にも、小さな外力でロボットを動き出させることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を実施するディジタルサーボ
回路のプロセッサが実施する位置・速度ループ処理周期
の処理フローチャートである。

【図２】本発明の方法を実施する一実施例のロボット制
御部のブロック図である。

【図３】サーボモータを駆動制御するサーボ制御系のブ
ロック図である。

【図４】ディザ的トルクの説明図である。

【図５】クーロン摩擦補償方式の説明図である。

【符号の説明】

１ ロボット制御部のホストプロセッサ ２ 共有ＲＡＭ ３ ディジタルサーボ回路 ４ サーボアンプ ５ サーボモータ ６ 位置・速度検出器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ロボットの駆動制御方法において、軸が
   静止している間、静摩擦より小さいトルクがディザ的に
   発生するように、該軸を駆動するモータに対しディザ的
   に補償トルク指令を加えることを特徴とする静摩擦を補
   償するロボット駆動制御方法。
2. 【請求項２】 モータを駆動制御する制御系のゲインを
   小さくしてロボットの剛性制御を行う請求項１に記載の
   静摩擦を補償するロボット駆動制御方法。