JP7613738B2 - Control method and control device - Google Patents
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Description
本発明は、制御方法および制御装置に関する。 The present invention relates to a control method and a control device.
非特許文献1では、マニピュレータの未知の動力学パラメータやペイロードをオンラインで推定している、PDフィードバック部と完全ダイナミクスフィードフォワード補償部(full dynamics feedforward compensation part)とからなる適応型ロボット制御アルゴリズムを開示している。このアルゴリズムは、マニピュレータダイナミクスの構造を効果的に利用しているので計算が簡単である。
Non-Patent
非特許文献2では、線形コントローラの伝達関数の正実性を必要とする系全体の大域的漸近安定性を開示している。
Non-patent
非特許文献3では、制約条件付きの多目的加重タスクとして定式化された二次計画法(QP)を用いて、トラッキング誤差を効率的に最小化するトルク制御型ヒューマノイドロボットに対する制御フレームワークを開示している。
Non-Patent
従来のトルクまたは電流制御は、たとえば、質量分布および荷重負荷が間違っている場合に、モデル化誤差の影響を受けやすい。したがって、一般的に高利得の位置制御が使用され、そのため、特に予期しない接触が発生したときに、動的運動におけるトラッキング誤差ならびに周囲の人間および環境にとって危険な状態が生じる。 Traditional torque or current control is susceptible to modeling errors, for example when mass distribution and load loading are incorrect. Therefore, high-gain position control is typically used, which leads to tracking errors in dynamic motion and dangerous conditions for surrounding personnel and the environment, especially when unexpected contact occurs.
したがって、本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、エネルギー効率およびロバスト性をさらに改善することが可能な制御方法および制御装置を提供することにある。 Therefore, the present invention has been made in consideration of the above problems, and the object of the present invention is to provide a control method and a control device that can further improve energy efficiency and robustness.
本発明は、上記の知見に基づきなされたものであり、その要旨は次のとおりである。 The present invention was made based on the above findings, and its gist is as follows:
[1]制御方法であって、
制御対象であるターゲットのプロセス変数を測定するステップと、
基準値とプロセス変数との差として定義されている誤差値e(t)を計算するステップと、
微分利得Ksと時間に関する誤差値の微分s(t)との積、比例利得Keと誤差値e(t)との積、および積分利得KEと時間に関する誤差値の積分E(t)との積の総和を使用して操作変数uを計算するステップと、
操作変数uに基づきターゲットを制御するステップとを含み、
式(1)として定義されている状態ベクトルx(t)は、式(2)
[1] A control method comprising the steps of:
Measuring a target process variable to be controlled;
calculating an error value e(t) defined as the difference between a reference value and the process variable;
calculating the manipulated variable u using the sum of the product of a derivative gain Ks and the derivative of the error value with respect to time s(t), the product of a proportional gain Ke and the error value e(t), and the product of an integral gain KE and the integral of the error value with respect to time E(t);
and controlling the target based on the manipulated variable u;
The state vector x(t) defined as equation (1) is expressed as equation (2)
を満たし、
tは時間を表し、α0およびα1は正の数を表す、方法。
[2][1]に記載の制御方法であって、微分利得Ksは式(3)を満たし、比例利得Keは式(4)を満たし、積分利得KEの積は式(5)を満たし、
Ks=λM+Ka+C 式(3)
Ke=μM+λKa+L+λC 式(4)
KE=μKa+γλL+μC 式(5)
ここで、λ、μ、およびγは正のスカラー、γは1未満であり、KaおよびLは正定値行列であり、Mは質量行列である、制御方法。
[3][1]または[2]に記載の制御方法であって、ターゲットはn個の関節を有し、n個の関節の各々は位置を1つ有し、
操作変数uは、式(6)
Fulfilling
A method in which t represents time, and α 0 and α 1 represent positive numbers.
[2] The control method according to [1], wherein the differential gain Ks satisfies the formula (3), the proportional gain Ke satisfies the formula (4), and the product of the integral gain KE satisfies the formula (5),
K s =λM+K a +C Formula (3)
K e =μM+λK a +L+λC Formula (4)
K E =μK a +γλL+μC Formula (5)
where λ, μ, and γ are positive scalars, γ is less than one, K a and L are positive definite matrices, and M is a mass matrix.
[3] The control method according to [1] or [2], wherein the target has n joints, and each of the n joints has one position;
The operation variable u is expressed by the following equation (6):
として定義され、
ここで、qは関節位置であり、
is defined as
where q is the joint position,
は関節速度であり、 is the joint velocity,
は関節加速度であり、Cはコリオリ行列であり、Gはターゲットの重力ベクトルであり、Jiは関節点iのヤコビアン行列であり、Fiは関節点iにおける一般化力であり、iは0からnの間の値である、制御方法。
[4]制御装置であって、
制御対象であるターゲットのプロセス変数を感知するように構成されているセンサーユニットと、
入力されるべき基準値を記憶するように構成されているメモリユニットと、
微分利得Ksと時間に関する誤差値e(t)の微分s(t)との積、比例利得Keと誤差値e(t)との積、および積分利得KEと時間に関する誤差値の積分E(t)との積の総和を使用して操作変数uを計算するように構成されている計算ユニットと、
操作変数uに基づきターゲットを制御するように構成されている制御ユニットと、を備え、
式(1)として定義されている状態ベクトルx(t)は、式(2)
is the joint acceleration, C is the Coriolis matrix, G is the gravity vector of the target, J i is the Jacobian matrix of joint point i, and F i is the generalized force at joint point i, where i is a value between 0 and n.
[4] A control device comprising:
a sensor unit configured to sense a target process variable to be controlled;
a memory unit configured to store the reference value to be input;
a calculation unit configured to calculate the manipulated variable u using a sum of a product of a derivative gain Ks and a derivative s(t) of the error value e(t) with respect to time, a product of a proportional gain Ke and the error value e(t), and a product of an integral gain KE and an integral E(t) of the error value with respect to time;
a control unit configured to control the target based on the manipulated variable u;
The state vector x(t) defined as equation (1) is expressed as equation (2)
を満たし、
ここで、e(t)は基準値とプロセス変数との間の差として定義され、tは時間を表し、α0およびα1は正の数を表す、制御装置。
[5][4]に記載の制御装置であって、微分利得Ksは式(3)を満たし、比例利得Keは式(4)を満たし、KEは式(5)を満たし、
Ks=λM+Ka+C 式(3)
Ke=μM+λKa+L+λC 式(4)
KE=μKa+γλL+μC 式(5)
ここで、λ、μ、およびγは正のスカラー、γは1未満であり、KaおよびLは正定値行列であり、Mは質量行列である、制御装置。
[6][4]または[5]に記載の制御装置であって、ターゲットはn個の関節を有し、n個の関節の各々は位置を1つ有し、
操作変数uは、式(6)
Fulfilling
where e(t) is defined as the difference between a reference value and a process variable, t represents time, and α 0 and α 1 represent positive numbers.
[5] The control device according to [4], wherein the differential gain Ks satisfies the formula (3), the proportional gain Ke satisfies the formula (4), and the KE satisfies the formula (5);
K s =λM+K a +C Formula (3)
K e =μM+λK a +L+λC Formula (4)
K E =μK a +γλL+μC Formula (5)
where λ, μ, and γ are positive scalars, γ is less than 1, K a and L are positive definite matrices, and M is a mass matrix.
[6] The control device according to [4] or [5], wherein the target has n joints, and each of the n joints has one position;
The operation variable u is expressed by the following equation (6):
として定義され、
ここで、qは関節位置であり、
is defined as
where q is the joint position,
は関節速度であり、 is the joint velocity,
は関節加速度であり、Cはコリオリ行列であり、Gはターゲットの重力ベクトルであり、Jiは関節点iのヤコビアン行列であり、Fiは関節点iにおける一般化力であり、iは0からnの間の値である、制御装置。 is the joint acceleration, C is the Coriolis matrix, G is the gravity vector of the target, J i is the Jacobian matrix of joint point i, and F i is the generalized force at joint point i, where i is a value between 0 and n.
上で説明されているように、本発明によれば、エネルギー効率およびロバスト性をさらに改善することができる制御方法および制御装置を提供することが可能である。 As described above, the present invention makes it possible to provide a control method and a control device that can further improve energy efficiency and robustness.
これ以降、本開示の一実施形態は、添付図面を参照しつつ詳しく説明される。それに加えて、本明細書および図面において、実質的に同一の機能および構成を有する同一の構成要素には同一の参照数字を付し、重複する説明は省略する。 Hereinafter, an embodiment of the present disclosure will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, in this specification and the drawings, identical components having substantially the same functions and configurations are designated by the same reference numerals, and duplicated descriptions are omitted.
図1は、本発明の実施形態による制御方法の流れの一例を示すフローチャートである。図1に示されているように、本発明の実施形態による制御方法は、特徴として、
(a)制御対象であるターゲットのプロセス変数を測定するステップと、
(b)基準値とプロセス変数との差として定義されている誤差値e(t)を計算するステップと、
(c)微分利得Ksと時間に関する誤差値の微分s(t)との積、比例利得Keと誤差値e(t)との積、および積分利得KEと時間に関する誤差値の積分E(t)との積の総和を使用して操作変数uを計算するステップと、
(d)操作変数uに基づきターゲットを制御するステップと、を含み、
式(1)として定義されている状態ベクトルx(t)は、式(2)
Fig. 1 is a flowchart showing an example of a flow of a control method according to an embodiment of the present invention. As shown in Fig. 1, the control method according to the embodiment of the present invention is characterized by:
(a) measuring a target process variable to be controlled;
(b) calculating an error value e(t), defined as the difference between a reference value and the process variable;
(c) calculating the manipulated variable u using the sum of the product of a derivative gain Ks and the derivative of the error value with respect to time s(t), the product of a proportional gain Ke and the error value e(t), and the product of an integral gain KE and the integral of the error value with respect to time E(t);
(d) controlling the target based on the manipulated variable u;
The state vector x(t) defined as equation (1) is expressed as equation (2)
を満たし、
tは時間を表し、α0およびα1は正の数を表す。
Fulfilling
t represents time, and α 0 and α 1 represent positive numbers.
(制御対象であるターゲットのプロセス変数を測定するステップ)
本発明の実施形態において、制御対象であるターゲットのプロセス変数が測定される。プロセス変数およびターゲットは限定されない。ターゲットは、n個の関節を有することができる。n個の関節の各々は、位置を1つ有することができる。ターゲットは、ロボットであってもよい。ターゲットのプロセス変数を測定するためのセンサーが、測定装置とし使用され得る。本発明の実施形態において、センサーは、関節位置センサーである。それに加えて、センサーは、トルクセンサー、圧力センサー、慣性センサー、または同様のセンサーをさらに含むことができる。
(Step of measuring the target process variable to be controlled)
In an embodiment of the present invention, a process variable of a target to be controlled is measured. The process variable and the target are not limited. The target can have n joints. Each of the n joints can have one position. The target can be a robot. A sensor for measuring the process variable of the target can be used as the measurement device. In an embodiment of the present invention, the sensor is a joint position sensor. In addition, the sensor can further include a torque sensor, a pressure sensor, an inertial sensor, or a similar sensor.
(基準値とプロセス変数との差として定義されている誤差値e(t)を計算するステップ)
本発明の実施形態において、誤差値e(t)は、基準値およびプロセス変数を使用することによって計算される。基準値は、プリセット値である。誤差値e(t)は、基準値とプロセス変数との間の差として定義される。
(Calculating an error value e(t) defined as the difference between a reference value and the process variable)
In an embodiment of the present invention, the error value e(t) is calculated by using a reference value and a process variable. The reference value is a preset value. The error value e(t) is defined as the difference between the reference value and the process variable.
(フィードバック操作変数uを算出するステップ)
本発明の実施形態では、フィードバック操作変数ufは、微分利得Ksと時間に関する誤差値の微分s(t)との積、比例利得Keと誤差値e(t)との積、および積分利得KEと時間に関する誤差値の積分E(t)との積の総和を使用して計算される。フィードバック操作変数ufは、式
(Step of calculating the feedback operation variable u)
In an embodiment of the present invention, the feedback manipulated variable u f is calculated using the sum of the product of the derivative gain K s and the derivative of the error value with respect to time s(t), the product of the proportional gain K e and the error value e(t), and the product of the integral gain K E and the integral of the error value with respect to time E(t). The feedback manipulated variable u f is calculated using the formula
によって表すことができる。 can be expressed as:
微分利得Ksは、好ましくは式(3)を満たす。比例利得Keは、好ましくは式(4)を満たし、積分利得KEの積は式(5)を満たす。
Ks=λM+Ka+C 式(3)
Ke=μM+λKa+L+λC 式(4)
KE=μKa+γλL+μC 式(5)
ここで、λ、μ、およびγは正のスカラーであり、γは1未満であり、KaおよびLは正定値行列であり、Mは関節の質量行列である。
The differential gain Ks preferably satisfies equation (3), the proportional gain Ke preferably satisfies equation (4), and the product of the integral gain KE preferably satisfies equation (5).
K s =λM+K a +C Formula (3)
K e =μM+λK a +L+λC Formula (4)
K E =μK a +γλL+μC Formula (5)
where λ, μ, and γ are positive scalars, γ is less than one, K a and L are positive definite matrices, and M is the joint mass matrix.
ターゲットが、n個の関節を有するときに、n個の関節の各々は位置を1つ有し、操作変数uは、好ましくは式(6) When the target has n joints, each of the n joints has one position, and the operation variable u is preferably expressed by equation (6).
として定義される。
ここで、qは関節位置であり、
It is defined as:
where q is the joint position,
は関節速度であり、 is the joint velocity,
は関節加速度であり、Cはコリオリ行列であり、Gはターゲットの重力ベクトルであり、Jiは関節点iのヤコビアン行列であり、Fiは関節点iにおける一般化力であり、iは0からnの間の値である。 is the joint acceleration, C is the Coriolis matrix, G is the gravity vector of the target, J i is the Jacobian matrix of joint point i, and F i is the generalized force at joint point i, where i ranges from 0 to n.
(操作変数uに基づきターゲットを制御するステップ)
本発明の実施形態において、ターゲットは、操作変数uに基づき制御される。
(Step of controlling the target based on the manipulated variable u)
In an embodiment of the present invention, the target is controlled based on the manipulated variable u.
本発明の実施形態によれば、操作変数uは、積分利得KEと時間に関する誤差値の積分E(t)との積を含む。したがって、低周波におけるモデリング誤差の補正を可能にし、予測されない接触があった場合により安全なコンプライアント挙動を有することが可能である。 According to an embodiment of the present invention, the manipulated variable u comprises the product of the integral gain K E and the integral of the error value with respect to time E(t), thus allowing the correction of modeling errors at low frequencies and having a safer compliant behavior in case of unexpected contact.
さらに、本発明の実施形態によれば、式(1)として定義されている状態ベクトルx(t)は、式(2) Furthermore, according to an embodiment of the present invention, the state vector x(t) defined as equation (1) is expressed as equation (2)
を満たし、
tは時間を表し、α0およびα1は正の数を表す。したがって、状態ベクトルx(t)は、一次指数関数的収束となる。このような理由から、収束証明は、速い収束の保証を与える。
Fulfilling
t represents time, and α0 and α1 represent positive numbers. Therefore, the state vector x(t) has a first-order exponential convergence. For this reason, the convergence proof provides a guarantee of fast convergence.
ロボットがn個の関節を有するときに、各々実数で表される1つの位置を有する。これらの関節位置のベクトルは、qと表記される。これらの関節の各々は、トルク発生器により作動される。これらのトルクのベクトルはτで表される。留意すべき重要な要因の1つは、τおよびqが同じサイズを有するベクトルであることである。ロボットは、接点iにおいてFiで各々表される外力も受ける。時間微分演算子d/dtは、ドット When a robot has n joints, each has one position represented by a real number. The vector of these joint positions is denoted as q. Each of these joints is actuated by a torque generator. The vector of these torques is represented by τ. One important factor to note is that τ and q are vectors with the same size. The robot is also subjected to external forces at the nodes i, each represented by F i . The time derivative operator d/dt is expressed as a dot
で表され、2次のd2/dt2は、2つのドット The quadratic d 2 /dt 2 is expressed as
で表される。q、 is expressed as q,
、 ,
、τ、およびFiをリンクする運動方程式は、ラグランジュ力学と呼ばれ、 The equations of motion linking , τ, and F i are called Lagrangian mechanics,
であり、
記号は、以下のように定義され得る。
q=q(t):現在の関節位置
qr=qr(t):基準関節位置
and
The symbols may be defined as follows:
q = q(t): current joint position qr = qr (t): reference joint position
:現在の関節速度 : Current joint speed
:基準関節速度 : Reference joint speed
:現在の関節加速度 : Current joint acceleration
:基準関節加速度
M=M(q):質量行列/慣性行列
e=q-qr:関節位置誤差
: Reference joint acceleration M = M(q) : Mass matrix/inertia matrix e = q - q r : Joint position error
:dM/dt=C+Ctとなるようなコリオリ行列 Coriolis matrix such that dM/dt=C+ Ct
:関節速度誤差
G=G(q):ロボットの重力ベクトル
: joint velocity error G = G(q): robot gravity vector
:関節位置誤差の積分
Ji= Ji(q):接点iのヤコビアン行列
λ、μ、γ:正のスカラー(γ<1)
Fi=Fi(t):接点iにおける一般化力
Ka、L:正定値行列
: Integral of joint position error J i = J i (q): Jacobian matrix of contact point i λ, μ, γ: Positive scalars (γ<1)
F i =F i (t): generalized force K a at tangent point i, L: positive definite matrix
ロボットが時間に依存する所定の基準軌道qrをたどることが望まれる場合、上記の基準軌道は2回微分可能であるべきなので、微分 If it is desired that the robot follow a given reference trajectory qr that depends on time, then the reference trajectory should be twice differentiable, so that the derivative
および and
も定義される。問題はトルクτをどのように発生させるかである。上述の基準軌道によれば、tが無限大になるときにqがqrに収束することを保証することは困難である。tが無限大になるときに is also defined. The question is how to generate the torque τ. According to the above reference trajectory, it is difficult to guarantee that q converges to qr when t goes to infinity.
が but
に収束し、tが無限大になるときに and when t goes to infinity
が but
に収束するという望ましい特性を得ることは困難である。 It is difficult to obtain the desirable property of converging to .
一方、本発明の実施形態による制御方法は、上述の問題を解決することができる。 On the other hand, the control method according to the embodiment of the present invention can solve the above-mentioned problems.
本発明の実施形態による制御方法は、受動性に基づくPID(比例積分微分)制御法を含む。ここで、受動性に基づくとは、入力ソースと外部ソースとで導入されたエネルギーを超えるエネルギーを発生しない系の特性である。 Control methods according to embodiments of the present invention include a PID (proportional integral derivative) control method based on passivity, which is the property of a system not to generate energy in excess of the energy introduced by the input sources and external sources.
系のエネルギーは式 The energy of the system is given by the formula
で表され、
Pは、ポテンシャル重力エネルギーである。エネルギーの時間微分は、機械力であり、式
It is expressed as
P is the potential gravitational energy. The time derivative of energy is the mechanical power, given by the formula
によって与えられ、
次いで、
is given by
Next,
である場合に、次の式が得られる。 then we obtain the following formula:
第2の項に In the second section
が加えられ、次の式が得られる。 is added, giving the following formula:
行列 Matrix
は、歪対称である。これは、任意のベクトル is skew-symmetric. This means that any vector
について、 About
が得られることを意味する。 means you get.
この系において、受動性による In this system, passivity
であるという事実から恩恵を受け得る。したがって、この利得行列Ks、Ke、およびKEは、次のように表すことができる。
Ks=λM+Ka+C 式(3)
Ke=μM+λKa+L+λC 式(4)
KE=μKa+γλL+μC 式(5)
これは、式
Therefore, the gain matrices K s , K e , and K E can be expressed as follows:
K s =λM+K a +C Formula (3)
K e =μM+λK a +L+λC Formula (4)
K E =μK a +γλL+μC Formula (5)
This is the formula
を与える。
ここで、これらの利得は、qおよび
Gives.
where these gains are q and
に依存し、したがって時間で異なる。 depends on and therefore varies over time.
本発明の実施形態による制御方法は、リアプノフ安定性を有する。リアプノフ安定性は、力学系を記述する微分方程式または差分方程式の解に対する様々なタイプの安定性もしくは収束性のうちの1つである。平衡点xe付近から出発した解が、いつまでも平衡点xe付近に留まるときに、その平衡点xeはリアプノフ安定である。より正確には、平衡点xeがリアプノフ安定であり、平衡点xe付近から出発したすべての解が平衡点xeに収束するとき、平衡点xeは漸近安定である。 The control method according to the embodiment of the present invention has Lyapunov stability. Lyapunov stability is one of various types of stability or convergence for a solution of a differential or difference equation describing a dynamical system. When a solution starting from near the equilibrium point xe stays near the equilibrium point xe forever, the equilibrium point xe is Lyapunov stable. More precisely, when the equilibrium point xe is Lyapunov stable and all solutions starting from near the equilibrium point xe converge to the equilibrium point xe , the equilibrium point xe is asymptotically stable.
状態空間内の任意の場所から始まる解がすべて平衡点xeに収束するときに、平衡点xeは大域的漸近安定である(条件1)。
状態空間Rnの任意の場所で時刻t=0から始まる解が特性
When all solutions starting from any point in the state space converge to the equilibrium point xe , the equilibrium point xe is globally asymptotically stable (condition 1).
The solution starting at time t = 0 at any point in the state space R n is
を有するような2つの正数α0およびα1が存在するときに、状態xは平衡点xeに大域的指数関数的に収束する(条件2)。 When there exist two positive numbers α 0 and α 1 such that
の定数正定値行列Hが存在し、 There exists a constant positive definite matrix H,
の2つの他の正定値行列H0(t)>HおよびH1(t)>Hが存在し、状態空間Rn内の任意の場所から始まる解が特性 There exist two other positive definite matrices H 0 (t)>H and H 1 (t)>H such that the solution starting from any place in the state space R n has the characteristic
を有するときに(条件3)、以下のようになる。 When we have (condition 3), we get the following:
状態xは平衡点xeに大域的指数関数的に収束する。条件3は、条件1より少し強い条件であり、一次大域的指数関数的収束と呼ばれる。本発明の実施形態による制御方法は、好ましくは、一次大域的指数関数的収束を満たす。
The state x converges to the equilibrium point xe in a globally exponential manner.
状態ベクトルxが The state vector x is
として定義されるときに、
式
When defined as
formula
は式 is the formula
の中で置き換えられ、閉ループダイナミクス is replaced in closed loop dynamics
が得られ、
これは、
is obtained,
this is,
を与える。
これは、自律的状態ダイナミクス
Gives.
This is the autonomous state dynamics
を与え、
I3×3は3×3単位行列であり、03×3は3×3零行列である。
Given
I 3×3 is a 3×3 identity matrix and 0 3×3 is a 3×3 zero matrix.
ここで、これは時間変化行列を有する自律的な線形ダイナミクスである。これは、xe=(0 0 0)が系の平衡点であることを意味する。ここで、この平衡点の大域的漸近安定性が得られると、tが無限大になるときにqがqrに収束することを保証することが可能であることは重要である。また、tが無限大になるときに where this is an autonomous linear dynamics with a time-varying matrix. This means that x e = (0 0 0) is an equilibrium point of the system. Now, it is important to note that once we have global asymptotic stability of this equilibrium point, it is possible to guarantee that q converges to q r as t goes to infinity. Also,
が but
に収束し、tが無限大になるときに and when t goes to infinity
が but
に収束するという望ましい特性を得ることが可能である。 It is possible to obtain the desirable property that it converges to
Ks、Ke、およびKEの値がそれぞれ式(3)、(4)、および(5)からの値で置き換えられたときに、 When the values of Ks , Ke , and KE are replaced with the values from equations (3), (4), and (5), respectively:
における定数正定値行列H、および A constant positive definite matrix H in and
における他の2つの正定値行列H0(t)>H、H1(t)>Hが存在して、 There exist two other positive definite matrices H 0 (t)>H, H 1 (t)>H in
であり、これが条件3を満たすときに、これは条件2も満たされることを意味し、これは系が大域的指数関数的安定であることを意味する。
and when this satisfies
本発明の実施形態による制御方法は、速度誤差、位置誤差、および位置誤差の積分において誤差がゼロに収束する1次指数的収束の理論的証明を達成することができる。位置誤差は、通常、単に誤差と呼ばれるものである。位置誤差がゼロに収束するときに、これは完全系の場合に、トラッキングが良好であり、ダイナミクスが安定していることを意味する。速度誤差がゼロに収束するときに、動体トラッキングが良く、遅延がないことを意味する。位置誤差の積分がゼロに収束するときに、モデルと現実との間に小さなミスマッチがある場合、定常誤差はないことを意味する。 The control method according to the embodiment of the present invention can achieve theoretical proof of first-order exponential convergence in the velocity error, position error, and integral of the position error, where the error converges to zero. The position error is usually simply called the error. When the position error converges to zero, this means that in the case of a perfect system, the tracking is good and the dynamics are stable. When the velocity error converges to zero, it means that the moving object tracking is good and there is no delay. When the integral of the position error converges to zero, it means that there is no steady-state error when there is a small mismatch between the model and reality.
位置誤差の積分の存在は、系が静的誤差を有しないことを許し、定常誤差はゼロ周波数外乱の結果である。同様に、低周波数外乱があるときに、この積分項はまたそれを補償することになる。これは、積分が低周波成分を増幅するからである。この項により、われわれは定常誤差なしで低い利得を保つことができ、コンプライアンスをさらに許し、ロボットと人間との間の相互作用の場合に通常はより安全なものとなる。 The presence of the integral of the position error allows the system to have no static errors, the steady-state errors being the result of zero-frequency disturbances. Similarly, when there is a low-frequency disturbance, this integral term will also compensate it, since the integral amplifies the low-frequency components. This term allows us to keep a low gain without steady-state errors, allowing more compliance and usually being safer in case of interaction between robots and humans.
次に、本発明の一実施形態による制御装置が、添付図面を参照しつつ詳しく説明される。 Next, a control device according to one embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図2は、本実施形態による制御装置が搭載される制御装置のコンポーネントを示す図である。図2に示されているように、本実施形態による制御装置100は、センサーユニット200と、メモリユニット300と、計算ユニット400と、制御ユニット500とを備える。
Figure 2 is a diagram showing components of a control device in which the control device according to this embodiment is installed. As shown in Figure 2, the
(センサーユニット)
本発明の実施形態によるセンサーユニット200は、制御対象であるターゲットのプロセス変数を感知する。たとえば、センサーユニット200は、関節位置センサーによって実現され得る。それに加えて、センサーユニット200は、トルクセンサー、圧力センサー、慣性センサー、または同様のセンサーをさらに含むことができる。
(Sensor unit)
The
(メモリユニット)
本発明の実施形態によるメモリユニット300は、入力されるべき基準値を記憶する。たとえば、メモリユニット300は、リードオンリーメモリ(ROM)、ランダムアクセスメモリ(RAM)、ハードディスクドライブ(HDD)、フラッシュメモリ、または同様のものによって実現され得る。
(Memory Unit)
The
(計算ユニット)
本発明の実施形態による計算ユニット400は、微分利得Ksと時間に関する誤差値e(t)の微分s(t)との積、比例利得Keと誤差値e(t)との積、および積分利得KEと時間に関する誤差値の積分E(t)との積の総和を使用して操作変数uを計算する。たとえば、計算ユニット400は、算術論理演算ユニット(ALU)とすることができる。
(Calculation Unit)
The
本発明の実施形態による計算ユニット400は、微分利得Ksが式(3)を満たし、比例利得Keが式(4)を満たし、積分利得KEの積が式(5)を満たすように、操作変数uを計算する。
Ks=λM+Ka+C 式(3)
Ke=μM+λKa+L+λC 式(4)
KE=μKa+γλL+μC 式(5)
ここで、λ、μ、およびγは正のスカラー、γは1未満であり、KaおよびLは正定値行列であり、Mは質量行列である。
The
K s =λM+K a +C Formula (3)
K e =μM+λK a +L+λC Formula (4)
K E =μK a +γλL+μC Formula (5)
where λ, μ, and γ are positive scalars, γ is less than one, K a and L are positive definite matrices, and M is a mass matrix.
ターゲットが、n個の関節を有するときに、n個の関節の各々は位置を1つ有し、操作変数uは、好ましくは式(6) When the target has n joints, each of the n joints has one position, and the operation variable u is preferably expressed by equation (6).
として定義される。
ここで、qは関節位置であり、
It is defined as:
where q is the joint position,
は関節速度であり、 is the joint velocity,
は関節加速度であり、Cはコリオリ行列であり、Gはターゲットの重力ベクトルであり、Jiは関節点iのヤコビアン行列であり、Fiは関節点iにおける一般化力であり、iは0からnの間の値である、制御方法が提供される。 A control method is provided in which: j is the joint acceleration, C is the Coriolis matrix, G is the gravity vector of the target, J i is the Jacobian matrix of joint point i, and F i is the generalized force at joint point i, where i is a value between 0 and n.
(制御ユニット)
本発明の実施形態による制御ユニット500は、操作変数uに基づきターゲットを制御する。たとえば、制御ユニット500は、プログラム(ソフトウェア)を実行する中央演算処理装置(CPU)またはグラフィックスプロセッシングユニット(GPU)などのプロセッサによって実現され得る。それに加えて、これらの構成要素のいくつかまたはすべては、大規模集積回路(LSI)、特定用途向け集積回路(ASIC)、またはフィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)などのハードウェア(回路ユニット、回路を含む)によって実現されるか、またはソフトウェアとハードウェアとの連携によって実現されもよい。
(Control Unit)
The
上で説明されている実施形態は、以下のように表すことができる。
プログラムを記憶する記憶装置と、プロセッサとを備える、制御装置であって、プロセッサはプログラムを実行し、制御対象であるターゲットのプロセス変数を測定することと、基準値とプロセス変数との差として定義されている誤差値e(t)を計算することと、微分利得Ksと時間に関する誤差値の微分s(t)との積、比例利得Keと誤差値e(t)との積、および積分利得KEと時間に関する誤差値の積分E(t)との積の総和を使用して操作変数uを計算することと、操作変数uに基づきターゲットを制御することとを実行するように構成され、式(1)として定義されている状態ベクトルx(t)は、式(2)
The above described embodiment can be expressed as follows.
A control device including a storage device that stores a program and a processor, the processor being configured to execute the program and execute the following operations: measuring a process variable of a target to be controlled; calculating an error value e(t) defined as a difference between a reference value and the process variable; calculating a manipulated variable u using a sum of a product of a differential gain K s and a time-dependent differential s(t) of the error value, a product of a proportional gain K e and the error value e(t), and a product of an integral gain K E and a time-dependent integral E(t); and controlling the target based on the manipulated variable u, wherein a state vector x(t) defined as equation (1) is expressed by equation (2):
を満たし、tは時間を表し、α0およびα1は正の数を表す、制御装置。 where t represents time, and α 0 and α 1 represent positive numbers.
次に、本発明の例について説明する。実施例における条件は、本発明の実施可能性および効果を確認するために採用されている条件の一例であるが、本発明は、条件のこの例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨から逸脱することなく、本発明の目的が達成される限り、種々の条件を採用することができる。 Next, an example of the present invention will be described. The conditions in the examples are one example of conditions adopted to confirm the feasibility and effects of the present invention, but the present invention is not limited to this example of conditions. Various conditions can be adopted in the present invention as long as the object of the present invention is achieved without departing from the gist of the present invention.
図3は、本発明の一例による制御対象の関節を備えるロボットを示す図である。例では、関節トルクは Figure 3 shows a robot with joints to be controlled according to an example of the present invention. In the example, the joint torque is
に設定される。 is set to
したがって、次の特性を有するトルクが得られた。外乱がなく、現在の軌道から所望の軌道が始まるときに、 Therefore, we obtained a torque with the following characteristics: When there are no disturbances and the desired trajectory starts from the current trajectory,
、 ,
、q=qrが得られた。したがって、完全な状態では、実施例による制御方法は、系の性能を低下させない。外乱があるときに、または所望の軌道が現在の軌道と異なる状態から始まるときに、1次指数関数的ダイナミクスにおいて、s、e、Eのゼロへの収束が得られる。したがって、系は摂動に対してロバストである。この収束は、系の自然な受動性を利用しているので、モデル化誤差に対してかなりロバストである。この定式化は、適応制御に適している。 , q = qr is obtained. Thus, in perfect conditions, the control method according to the embodiment does not degrade the performance of the system. In the presence of disturbances or when the desired trajectory starts from a state different from the current trajectory, convergence of s, e, E to zero is obtained in first-order exponential dynamics. Thus, the system is robust to perturbations. This convergence is quite robust to modeling errors, since it exploits the natural passivity of the system. This formulation is suitable for adaptive control.
図4は、本発明の例による運動学的フィードバックおよび受動性に基づくPIDの下での完全なモデルに対するラジアン/秒単位の関節速度(vq)およびミリ秒単位の時間に関するラジアン単位の位置(q)のRMS誤差を示す図である。図5は、本発明の比較例による運動学的フィードバックおよび受動性に基づくPIDの下でのバイアスモデルに対するラジアン/秒単位の関節速度(vq)および時間(ms)に関するラジアン単位の位置(q)のRMS誤差を示す図である。図4および図5は、サンプリングされた時間に関する関節速度の誤差||s||および関節位置の誤差||e||についての二乗平均平方根(RMS)誤差を示す。軸は、x軸:サンプル時間[ms]、y軸:左側では関節速度[rad/s]、右側では関節角度[rad]である。古典的なPID(kf)の信号はピンク色で、受動性に基づくPIDの信号は緑色である。
マニピュレータアームSawyer(Rethink Robotics社製)のシミュレーションモデルは、所望の軌道を追跡する。2つの異なるアルゴリズムがテストされ、第1のアルゴリズムは、運動学的フィードバック(kf)と呼ばれる従来のPID制御であり、第2のアルゴリズムは、受動性に基づく積分(ip)として表される受動性に基づくPIDである。図5は、サンプリングされた時間に関する所望の関節軌道を追跡する際のRMS誤差を示している。図4に示されているように、完全な状態では、誤差は同様に両方ともゼロになる。
Fig. 4 shows the RMS error of joint velocity (vq) in radians/sec and position (q) in radians over time in milliseconds for the perfect model under kinematic feedback and passivity-based PID according to an example of the present invention. Fig. 5 shows the RMS error of joint velocity (vq) in radians/sec and position (q) in radians over time (ms) for the biased model under kinematic feedback and passivity-based PID according to a comparative example of the present invention. Figs. 4 and 5 show the root mean square (RMS) error for joint velocity error ||s|| and joint position error ||e|| over sampled time. The axes are x-axis: sample time [ms], y-axis: joint velocity [rad/s] on the left, joint angle [rad] on the right. The classical PID (kf) signal is in pink and the passivity-based PID signal is in green.
A simulation model of the manipulator arm Sawyer (Rethink Robotics) tracks the desired trajectory. Two different algorithms are tested, the first is a traditional PID control called kinematic feedback (kf) and the second is a passivity-based PID expressed as integral based passivity (ip). Figure 5 shows the RMS error in tracking the desired joint trajectory with respect to the sampled time. In perfect conditions, the errors are both zero as well, as shown in Figure 4.
しかしながら、図5に示されているように、たとえば、トルクにバイアスを加えることによってモデル化誤差が加えられたときに、従来のコントローラの関節誤差は増大し、受動性に基づくものは誤差をゼロに非常に近い値に維持した。 However, as shown in Figure 5, when modeling errors were added, for example by adding a bias to the torque, the joint error of the conventional controller increased, while the passivity-based one kept the error very close to zero.
図5の右に示されているように、図5の右は、PD制御に関する最新技術(Slotine 1987)(Landau 1989)から知られているが、PID制御には使用されたことがない。図6は、コントローラのブロック図である。基準加速度発生器は、所望の位置、速度、および加速度を発生するユニットである。トルク/電流制御は、逆ダイナミクスを利用して運動の加速度を発生するために使用される。受動性に基づくPIDは、系のロバスト性を向上させる補正項を追加することによって通常の逆ダイナミクスを改善する。実施例において示されているように、系が完全なときには、誤差がないので、追加項はゼロとなり、逆ダイナミクスに影響を及ぼさない。これらの項は、系がモデルのように完全な挙動を示さないときのみ、補正されるように見える。大域的指数関数的収束は、制御が安定しており、良好な性能を持つことを保証する。 As shown in the right of Fig. 5, the control scheme is known from the state of the art (Slotine 1987) (Landau 1989) for PD control, but has never been used for PID control. Fig. 6 is a block diagram of the controller. The reference acceleration generator is the unit that generates the desired position, velocity, and acceleration. The torque/current control is used to generate the acceleration of the motion using the inverse dynamics. Passivity-based PID improves on the usual inverse dynamics by adding correction terms that improve the robustness of the system. As shown in the example, when the system is perfect, there are no errors, so the additional terms are zero and do not affect the inverse dynamics. These terms appear to be corrected only when the system does not behave perfectly like the model. The global exponential convergence ensures that the control is stable and has good performance.
本発明の好ましい実施形態が上で説明され、例示されているが、これらは本発明の例示であって、限定するものとして考えられるべきではないことは理解されたい。本発明の精神または範囲から逸脱することなく、追加、省略、置換、および他の修正が行われ得る。したがって、本発明は、前述の説明によって制限されるものと考えられるべきではなく、付属の請求項の範囲によってのみ制限される。本発明の実施形態による制御装置は、油圧式または電動式のいずれかのアクチュエータを備えたロボットとすることができる。 While preferred embodiments of the present invention have been described and illustrated above, it should be understood that these are illustrative of the present invention and should not be considered as limiting. Additions, omissions, substitutions, and other modifications may be made without departing from the spirit or scope of the present invention. Thus, the present invention should not be considered as limited by the foregoing description, but only by the scope of the appended claims. A control device according to an embodiment of the present invention may be a robot with either hydraulic or electric actuators.
本発明によれば、エネルギー効率およびロバスト性をさらに改善することができる制御方法および制御装置を提供することが可能である。したがって、本発明は、産業上の高い応用性を有する。 According to the present invention, it is possible to provide a control method and a control device that can further improve energy efficiency and robustness. Therefore, the present invention has high industrial applicability.
100 制御装置
200 センサーユニット
300 メモリユニット
400 計算ユニット
500 制御ユニット
100
Claims (6)
制御対象であるターゲットのプロセス変数を測定するステップと、
基準値と前記プロセス変数との差として定義されている誤差値e(t)を計算するステップと、
微分利得Ksと時間に関する前記誤差値の微分s(t)との積、比例利得Keと前記誤差値e(t)との積、および積分利得KEと時間に関する前記誤差値の積分E(t)との積の総和を使用して操作変数uを計算するステップと、
前記操作変数uに基づき前記ターゲットを制御するステップと、を含み、
式(1)として定義されている状態ベクトルx(t)は、式(2)
tは時間を表し、α0およびα1は正の数を表す、制御方法。 1. A control method comprising:
Measuring a target process variable to be controlled;
calculating an error value e(t) defined as the difference between a reference value and the process variable;
calculating a manipulated variable u using the sum of a product of a derivative gain Ks and a derivative of the error value with respect to time s(t), a product of a proportional gain Ke and the error value e(t), and a product of an integral gain KE and an integral of the error value with respect to time E(t);
controlling the target based on the manipulated variable u;
The state vector x(t) defined as equation (1) is expressed as equation (2)
A control method in which t represents time, and α 0 and α 1 represent positive numbers.
Ks=λM+Ka+C 式(3)
Ke=μM+λKa+L+λC 式(4)
KE=μKa+γλL+μC 式(5)
λ、μ、およびγは正のスカラー、γは1未満であり、KaおよびLは正定値行列であり、Mは質量行列である、請求項1に記載の制御方法。 The differential gain K s satisfies equation (3), the proportional gain K e satisfies equation (4), and the product of the integral gain K E satisfies equation (5),
K s =λM+K a +C Formula (3)
K e =μM+λK a +L+λC Formula (4)
K E =μK a +γλL+μC Formula (5)
2. The control method of claim 1, wherein λ, μ, and γ are positive scalars, γ is less than 1, K a and L are positive definite matrices, and M is a mass matrix.
前記操作変数uは、式(6)
ここで、qは関節位置であり、
The operation variable u is expressed by the following equation (6):
where q is the joint position,
制御対象であるターゲットのプロセス変数を感知するように構成されているセンサーユニットと、
入力されるべき基準値を記憶するように構成されているメモリユニットと、
微分利得Ksと時間に関する誤差値e(t)の微分s(t)との積、比例利得Keと前記誤差値e(t)との積、および積分利得KEと時間に関する前記誤差値の積分E(t)との積の総和を使用して操作変数uを計算するように構成されている計算ユニットと、
前記操作変数uに基づき前記ターゲットを制御するように構成されている制御ユニットとを備え、
式(1)として定義されている状態ベクトルx(t)は、式(2)
e(t)は前記基準値と前記プロセス変数との間の差として定義され、tは時間を表し、α0およびα1は正の数を表す、制御装置。 A control device,
a sensor unit configured to sense a target process variable to be controlled;
a memory unit configured to store the reference value to be input;
a calculation unit configured to calculate a manipulated variable u using a sum of a product of a derivative gain Ks and a derivative s(t) of an error value e(t) with respect to time, a product of a proportional gain Ke and said error value e(t), and a product of an integral gain KE and an integral E(t) of said error value with respect to time;
a control unit configured to control the target based on the manipulated variable u;
The state vector x(t) defined as equation (1) is expressed as equation (2)
A control device, wherein e(t) is defined as the difference between said reference value and said process variable, where t represents time, and α 0 and α 1 represent positive numbers.
Ks=λM+Ka+C 式(3)
Ke=μM+λKa+L+λC 式(4)
KE=μKa+γλL+μC 式(5)
λ、μ、およびγは正のスカラー、γは1未満であり、KaおよびLは正定値行列であり、Mは質量行列である、請求項4に記載の制御装置。 The differential gain K s satisfies Equation (3), the proportional gain K e satisfies Equation (4), and K E satisfies Equation (5),
K s =λM+K a +C Formula (3)
K e =μM+λK a +L+λC Formula (4)
K E =μK a +γλL+μC Formula (5)
The controller of claim 4 , wherein λ, μ, and γ are positive scalars, γ is less than 1, K a and L are positive definite matrices, and M is a mass matrix.
前記操作変数uは、式(6)
ここで、qは関節位置であり、
The operation variable u is expressed by the following equation (6):
where q is the joint position,
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