HPJMハーモニック・ジョイント・アクチュエータのPIDチューニング：位置決めジッターを低減する方法

位置決めジッターは、ロボットの関節が指令位置の周りで繰り返し振動したり、目標位置に到達した後にスムーズに安定しない場合に発生します。高精度ハーモニックジョイントアクチュエータの場合、この挙動は多くの場合、PIDパラメータ、負荷条件、伝達特性、および機械構造間の相互作用に関連しています。

HPJMハーモニックジョイントアクチュエータは、設定可能なPIDインターフェースを備えており、ユーザーは負荷や動作条件に応じて速度および位置制御パラメータを調整できます。電流ループは出荷前に校正済みですが、速度ループと位置ループは必要に応じてユーザーが調整できます。

この記事では、HPJMハーモニックジョイントアクチュエータのPID制御構造、主要なPIDパラメータの役割、およびCAN、CANopen、EtherCAT、またはMagicソフトウェアを介して位置決めジッターを低減するための実践的な手順について説明します。

ロボット関節アクチュエータにおいて、位置決めジッターが発生するのはなぜか？

ロボット関節は、モーター単体では動作しません。完全な動作システムは、モーター、ハーモニックトランスミッション、エンコーダー、ベアリング、機械ハウジング、負荷、およびサーボ制御システムで構成されています。

指令位置に到達すると、コントローラは目標位置と実際の位置を継続的に比較します。制御応答が関節の機械的特性に対して過剰である場合、アクチュエータは位置を反対方向に繰り返し修正する可能性があります。

これは次のように表示されます。

• 目標位置を中心とした小さな振動

• 繰り返し行われる順方向および逆方向の修正

• 可聴または可視の振動

• より長い沈降時間

• 特定の負荷下での不安定な動き

したがって、位置決めジッターは、自動的に高調波減速機やエンコーダに起因するものと断定すべきではありません。多くの場合、PIDパラメータはロボット関節の実際の負荷と機械的条件に合わせて調整する必要があります。

HPJMハーモニックジョイントアクチュエータにおけるPID制御の仕組みとは？

PID制御は、指令値と実際のシステム応答との誤差に基づいて制御出力を決定する。

基本的な構成要素は以下の3つです。

P — 比例

比例項は、現在の誤差の大きさに応じて変化します。一般的に、比例ゲインを大きくすると、制御システムは位置や速度のずれに対してより強く反応するようになります。

I — 積分

積分項は時間とともに誤差を蓄積し、主に定常状態誤差または残留偏差を低減するために使用されます。

D — 微分

微分項は誤差の変化率に反応し、動的な変化の際に予測的な減衰を提供することができる。

HPJMの制御アーキテクチャでは、ループはカスケード構造で配置されています。

電流ループ → 速度ループ → 位置ループ

電流ループは最も内側のループであり、モータ電流と電磁トルクを直接制御します。速度ループはモータ速度を制御し、位置ループは最終的な位置応答を制御します。

電流ループのパラメータは出荷前に校正されており、原則としてユーザーが変更すべきではありません。

アプリケーション固有のチューニングにおいて、調整すべき主なパラメータは以下のとおりです。

スピードループP → スピードループI → ポジションループP → ポジションループD

なぜPIDパラメータは負荷に応じて調整する必要があるのか？

ハーモニックジョイントアクチュエータは、機械的負荷が大きく異なる様々なロボット用途に搭載することができる。

例えば、同じHPJMアクチュエータでも、以下のような場所に設置した場合、動特性が異なる場合があります。

• ロボットアームの関節

• 人型ロボットの関節

• 軽量協働ロボット

• 回転ヘッド機構

• 小型ロボットマニピュレーター

荷重は、関節全体の慣性、摩擦、加速度応答、および機械的共振特性に影響を与える。

その結果、ある負荷条件下ではうまく機能するPIDパラメータが、別の負荷条件下では同じ位置決め性能を発揮しない可能性がある。

そのため、PIDチューニングは、あらゆるアプリケーションに対して単一のパラメータセットを使用するのではなく、実際の、あるいは代表的な動作負荷の下で行うべきである。

HPJMハーモニックジョイントアクチュエータの位置ループを調整する方法は？

位置ループは、ロボット関節が位置誤差にどのように反応するかに直接的な影響を与える。

位置ループPゲイン

位置比例ゲインは、アクチュエータが位置誤差にどれだけ強く反応するかを決定します。

位置Pゲインが低すぎると、アクチュエータの応答が遅くなったり、位置決め剛性が不十分になったりする可能性があります。

位置Pゲインが高すぎると、アクチュエータが小さな位置誤差を継続的に補正し、目標値付近で振動や位置決めジッターが発生する可能性があります。

したがって、位置決めジッターが発生した場合、位置Pゲインを下げることは検討すべきパラメータの1つとなり得る。

適切な値は、実際の負荷、機械的剛性、減速機の特性、および望ましい応答によって異なります。

位置ループDゲイン

位置微分ゲインは位置誤差の変化に反応し、位置ループの減衰特性に影響を与える可能性があります。

Dゲインが過度に高いと、特に測定ノイズや機械的振動が存在する場合に、振動が発生したり、ジョイントの応答が不安定になったりする可能性があります。

したがって、位置Pと位置Dは、結果として生じる動きを観察せずに個別に調整するのではなく、まとめて検討する必要がある。

HPJMハーモニックジョイントアクチュエータのスピードループを調整する方法は？

速度ループは、電流ループと位置ループの間の中間層を形成する。

スピードループPゲイン

速度比例ゲインは、速度誤差に対する応答強度を決定します。

ゲインが低すぎると、アクチュエータの応答速度が遅くなる可能性があります。

ゲインが高すぎると、特定の動作条件下で速度ループが不安定になる可能性がある。

スピードループIゲイン

速度積分パラメータは、時間経過に伴う速度誤差を蓄積し、持続的な速度偏差を解消するのに役立ちます。

しかし、過剰な積分動作はアクチュエータの安定化挙動に影響を与え、システムが安定するまでに必要な時間を増加させる可能性がある。

したがって、速度ループは実際の機械的負荷と動作条件を考慮して調整する必要がある。

HPJMハーモニックジョイントアクチュエータの推奨PIDチューニングシーケンス

実用的なチューニングプロセスでは、複数のパラメータを同時に無作為に変更すべきではない。

基本的な手順は以下のとおりです。

アクチュエータを停止 → PIDパラメータを変更 → パラメータを保存 → アクチュエータを有効化 → 動作をテスト → 必要に応じて繰り返す

パラメータを変更する前に、アクチュエータを停止状態または無効化状態にする必要があります。

HPJMの場合、ユーザーはサポートされている通信インターフェースまたはMagicソフトウェアを介してPIDパラメータにアクセスできます。

一般的なチューニング手順は以下のとおりです。

1. 機械の設置と負荷を確認する

ハーモニックジョイントアクチュエータが正しく取り付けられ、想定された負荷条件下で動作していることを確認してください。

2. 電流ループパラメータを確認する

電流ループは納品前に校正済みであり、通常は変更する必要はありません。

3. スピードループを調整する

実際の負荷条件下でのアクチュエータの応答に応じて、速度ループのPおよびIパラメータを調整してください。

4. 位置ループを調整する

位置PとDを調整して、過度の振動を起こさずに所望の位置決め応答が得られるようにします。

5. アクチュエータをテストする

位置決め動作を繰り返し実行し、オーバーシュート、安定挙動、振動、および位置決めジッターを観察します。

6. パラメータを保存する

安定した動作が確認できたら、パラメータを保存して新しい設定を保持してください。

この段階的なアプローチにより、どのパラメータが行動の変化を引き起こしているかを特定しやすくなる。

CAN、CANopen、およびEtherCATによるPIDパラメータ調整

HPJMハーモニックジョイントアクチュエータは、様々な通信インターフェースを介してPIDパラメータへのアクセスを提供します。

CANインターフェース

CANインターフェースを介して、ユーザーは関連する速度ループおよび位置ループのPIDパラメータを読み書きできます。

このインターフェースは以下の目的で使用できます。

• スピードループパラメータを読み取る

• 位置ループパラメータを読み取る

• スピードループのパラメータを書き込む

• 位置ループパラメータを書き込む

• 変更したパラメータを保存します

これにより、ホストコントローラまたは試運転ソフトウェアは、アプリケーションの要件に応じてアクチュエータを調整できるようになります。

CANopenインターフェース

CANopenベースのシステムでは、PIDパラメータは対応するオブジェクト辞書インデックスを介してアクセスできます。

HPJMインターフェースには、速度ループおよび位置ループのパラメータ用のオブジェクトが含まれており、ホストコントローラが関連する値を読み取ったり変更したりできるようになっています。

EtherCATインターフェース

EtherCATアプリケーションの場合、対応するオブジェクトを使用してPIDパラメータにアクセスすることもできます。

このため、HPJMは、アクチュエータを中央集権型のEtherCATベースのモーション制御アーキテクチャに統合する必要があるロボット制御システムに適しています。

詳細なインデックス、サブインデックス、コマンド、およびデータフォーマット情報については、エンジニアはHPJM通信プロトコルのドキュメントを参照してください。

PIDパラメータを調整後に保存する方法は？

PIDパラメータを変更したからといって、必ずしも新しい値が永続的に保存されるとは限りません。

チューニング処理が完了したら、対応する保存コマンドを使用してパラメータを保存する必要があります。

HPJMの場合、パラメータ保存操作はサポートされている通信インターフェースを介して実行できます。

基本的なワークフローは以下のとおりです。

調整 → テスト → 確認 → 保存

これは特に試運転時に重要です。そうしないと、テスト中に正常に動作しているように見えたパラメータが、アクチュエータの再起動後に保持されない可能性があるからです。

Magic Softwareを使用してHPJMハーモニックジョイントアクチュエータを調整する

CANコマンドやCANopenコマンドを直接送信するのではなく、グラフィカルな方法で設定を行うことを好むユーザー向けに、HPJMはMagicソフトウェアを介して調整できます。

一般的な手順は以下のとおりです。

ステップ1 — Magic Softwareを管理者として実行する

Magicソフトウェアを右クリックし、「管理者として実行」を選択してください。

ステップ2 - モーターを探す

上部メニューから「デバイス検索」を選択して、接続されているHPJMアクチュエータを検出します。

ステップ3 — 通信プロトコルを選択する

実際のシステム構成に応じて、CANやCANopenなどの適切な通信プロトコルを選択してください。

ステップ4 — 通信チャネルを選択する

アナライザーのハードウェアインターフェースに応じて、チャンネル1またはチャンネル2を選択してください。

ステップ5 — ボーレートを選択する

実際のシステム構成に合わせて通信ボーレートを設定してください。

ステップ6 — ID範囲を選択する

接続されたアクチュエータに対して、適切なデバイスID範囲を設定してください。

ステップ7 - アクチュエータが停止していることを確認する

通信確認が必要な場合は、モーターを一時的に作動させてから、モーターを無効にし、アクチュエーターが停止状態になっていることを確認してから、PIDパラメータを変更してください。

ステップ8 — PIDパラメータの変更とテスト

必要なPIDパラメータを調整し、アクチュエータをテスト用に有効化します。

位置決め反応を観察し、必要に応じて調整プロセスを繰り返してください。

ステップ9 — パラメータを保存する

目的の応答が得られたら、ソフトウェアを通してパラメータを保存してください。

PIDゲインを上げる前に、エンジニアは何をチェックすべきでしょうか？

PID制御による調整は、あらゆる位置決め問題に対する最初の解決策となるべきではない。

ゲインを上げる前に、技術者は機械システムが正しく組み立てられていることを確認する必要がある。

重要な要素は以下のとおりです。

機械設備の設置：

取り付け剛性、軸の芯出し、固定状態、および荷重接続を確認してください。

負荷条件:

実際の負荷と慣性がアクチュエータの想定動作範囲内にあることを確認してください。

トランスミッションの状態:

異常な摩擦、機械的な干渉、または伝達系の問題が発生していないか確認してください。

エンコーダーからのフィードバック:

位置フィードバックが安定しており、異常なノイズがないことを確認してください。

コミュニケーション：

コマンド送信とフィードバック通信が正しく動作しているかどうかを確認してください。

動作モード:

アクチュエータが意図した制御モードでテストされていることを確認してください。

機械システム自体に過度の振動や不安定性がある場合、単にPIDゲインを上げるだけでは問題が悪化する可能性があります。

PIDチューニングにおいて、統合型ハーモニックジョイントアクチュエータの設計が重要な理由とは？

ロボット関節の制御性能は、サーボモーター自体だけでなく、他の要素にも依存する。

一体型ハーモニックジョイントアクチュエータは、モータ、ハーモニック減速機、エンコーダ、駆動エレクトロニクス、ベアリング、機械ハウジングなど、制御応答に直接影響を与える複数のコンポーネントを組み合わせたものです。

この統合アーキテクチャにより、これらのコンポーネントを個別に選択して最終的なシステム統合段階で組み合わせるのではなく、開発段階で適合させることができる。

ロボットメーカーにとって、アクチュエータが既に定義されたモーター・伝達・フィードバックのアーキテクチャに基づいて開発されているため、試運転が簡素化される可能性がある。

残りのPID調整は、アクチュエータを特定のロボット構造と負荷に適合させることに主眼を置くことができる。

これは、ヒューマノイドロボット、ロボットアーム、協働ロボット、その他の多軸ロボットシステムなど、各関節が異なる慣性や機械的条件を受ける可能性がある用途において特に価値があります。

HPJMハーモニックジョイントアクチュエータ：工場出荷時校正から用途別チューニングまで

HPJMシリーズは、ロボット関節制御において実用的なアプローチを採用しています。

モーター電流ループは出荷前に校正されており、モーター制御のための既定の基盤が提供されます。ユーザーは、実際のアプリケーション要件に応じて、速度ループと位置ループを調整できます。

このアプローチにより、ユーザーがサーボ制御アーキテクチャ全体を再設計する必要なく、同じハーモニックジョイントアクチュエータプラットフォームをさまざまな機械的負荷やロボットアプリケーションに適応させることができます。

ロボット関節を開発するエンジニアリングチームにとって重要なのは、普遍的なPIDパラメータを探すことではない。

その代わりに、目標は、以下の条件を満たす安定したパラメータの組み合わせを見つけることです。

アクチュエータ + 調和伝達 + 機械構造 + 負荷 + 動作プロファイル

これらの要素が適切に一致すると、HPJMは不要な振動やジッターを最小限に抑えながら、安定した位置決めと応答性の高い動作を実現できます。

結論

ロボット関節における位置決めのずれは、単一の部品が原因というよりも、システムレベルの問題であることが多い。

HPJMハーモニックジョイントアクチュエータの場合、電流ループは出荷前に校正されますが、速度ループと位置ループは実際の負荷と使用条件に応じて調整できます。

実用的なチューニングプロセスでは、速度ループのP/Iパラメータと位置ループのP/Dパラメータの関係に焦点を当てるとともに、機械的な設置、負荷の慣性、伝達特性、エンコーダのフィードバック、および通信性能も考慮する必要があります。

HPJMをCAN、CANopen、EtherCAT、またはMagicソフトウェアを介して統合する場合、推奨される方法は、制御されたパラメータ変更を行い、代表的な条件下でアクチュエータをテストし、安定した性能が得られた後にパラメータを保存することです。

ヒューマノイドロボット、ロボットアーム、協働ロボット、その他の精密ロボットシステムを開発するエンジニアにとって、適切なPIDチューニングは、ハーモニックジョイントアクチュエータが位置決め精度、応答速度、および動作安定性の間でより良いバランスを実現するのに役立ちます。