JP5177008B2 - Robot control device and robot - Google Patents
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Description
本発明は，ロボットの駆動力を制御して作業を遂行するためのロボットの制御装置およびこれを備えたロボットに関する。 The present invention relates to a robot control apparatus for performing a work by controlling a driving force of the robot, and a robot including the same.
人間と共存して作業を遂行するロボットの制御装置において、安全のためにはロボットが(人間を含む)外部環境と予期せずして接触した場合、これを確実に検出することが必要である。更には、ロボットが(人間を含む)外部環境に対してする仕事量や手先力を適切な値に制限する必要がある。従来の安全対策としては手先に設けた力センサで手先力を監視し、所定の閾値を超えたらロボットを停止させる技術や関節軸毎にトルク制限を設ける技術などがあった。
あるいは、ロボットが外部環境に接触したことを検出して警告発生や停止などの措置をとることで安全を確保する技術も提案されている。
In a robot controller that co-operates with humans, it is necessary to reliably detect when the robot unexpectedly contacts the external environment (including humans) for safety. . Furthermore, it is necessary to limit the amount of work and hand force that the robot does to the external environment (including humans) to an appropriate value. Conventional safety measures include a technique for monitoring the hand force with a force sensor provided at the hand and stopping the robot when a predetermined threshold is exceeded, or a technique for providing a torque limit for each joint axis.
Alternatively, a technique for ensuring safety by detecting that the robot has come into contact with the external environment and taking measures such as generating a warning or stopping has been proposed.
例えば、特許文献1の技術では、ロボットの過負荷状態を監視し障害の発生を防止するため、所定時間Ｔ内におけるモータの実効トルクの値を監視し、監視値が規定値を越えた場合に警告を発する，関節最高速度を遅く設定する，といった措置をとっていた。
この例では、演算によって実効トルクを求め、結果が閾値よりも大きくなった場合に過負荷状態として警告を発生していた。あるいは、実効トルクが閾値を大きく超過した場合には関節最高速度を減らし、超過量が少ない場合は逆に関節最高速度を増やすことで、過負荷を防止していた。本方法によれば、ロボットが外部環境と接触すると関節負荷が増大して警告発生や減速などの措置がとられるため、安全性が高められる。
For example, in the technique of Patent Document 1, in order to monitor the robot overload state and prevent the occurrence of a failure, the value of the effective torque of the motor within a predetermined time T is monitored, and the monitored value exceeds a specified value. Measures were taken such as issuing a warning and setting the maximum joint speed slower.
In this example, an effective torque is obtained by calculation, and a warning is generated as an overload state when the result exceeds a threshold value. Alternatively, when the effective torque greatly exceeds the threshold, the maximum joint speed is reduced, and when the excess amount is small, the maximum joint speed is increased to prevent overload. According to this method, when the robot comes into contact with the external environment, the joint load increases and measures such as generation of a warning or deceleration are taken, so that safety is improved.
特許文献２の技術では、計算量を削減し高精度に衝突判定するため、動作指令からロボットの運動方程式を用いて算出した必要駆動トルク指令要素と、各関節のフィードバック値と、前記動作指令と、から必要駆動トルクを演算し、必要駆動トルクと実際のモータ駆動トルクとの差を、別途演算により求めた閾値と比較するようにしていた。ここで必要駆動トルク指令要素は、位置指令、速度指令、加速度指令をロボットの運動方程式に代入して計算するものである。また、必要駆動トルクは、実際にフィードバックされたロボット動作を実現するために必要な駆動トルクであって、本来ならば位置、速度、加速度のフィードバック値をロボットの運動方程式に代入して求めるものであるが、特許文献２では計算量節約のために近似式が用いられていた。 In the technique of Patent Document 2, in order to reduce the amount of calculation and determine the collision with high accuracy, the necessary drive torque command element calculated using the motion equation of the robot from the motion command, the feedback value of each joint, the motion command, Thus, the required drive torque is calculated, and the difference between the required drive torque and the actual motor drive torque is compared with a threshold value obtained by separate calculation. Here, the necessary drive torque command element is calculated by substituting the position command, speed command, and acceleration command into the motion equation of the robot. The required drive torque is the drive torque required to realize the robot operation that is actually fed back, and is obtained by substituting the feedback values of position, speed, and acceleration into the robot equation of motion. However, in Patent Document 2, an approximate expression is used to save calculation amount.
特許文献２の実施例であるロボット制御装置は、位置、速度、加速度それぞれの指令を生成する指令値生成手段、必要駆動トルク指令要素演算手段、必要駆動トルク演算手段、衝突判別のための閾値を演算する閾値演算手段、閾値とモータ駆動電流に基づいて衝突を判別する衝突判別手段、ロボットの各軸を駆動するモータを制御するモータ制御手段によって構成されていた。ここでは閾値演算手段は、関節毎に予め記憶した閾値をそれぞれ出力するものである。衝突判別手段では、まず、モータ制御手段から入力されるモータ電流から各関節のモータ駆動トルクを演算する。次に、必要駆動トルクと実際のモータ駆動トルクとの差を関節毎に計算する。いずれかの関節における必要駆動トルクとモータ駆動トルクの差がしきい値演算手段から出力された上側しきい値以上の場合、もしくは下側しきい値以下となった場合にロボットが衝突したと判別し、指令値生成手段に停止命令を送信する。本方法によれば、ロボットと外部環境との接触をある程度精度良く検出できるので、接触検出時に停止するなどの措置によって安全性を向上することができる。 The robot control apparatus according to the embodiment of Patent Document 2 includes command value generation means for generating commands for position, velocity, and acceleration, required drive torque command element calculation means, required drive torque calculation means, and threshold values for collision determination. Threshold calculation means for calculating, collision determination means for determining a collision based on the threshold value and motor drive current, and motor control means for controlling the motor that drives each axis of the robot. Here, the threshold value calculation means outputs a threshold value stored in advance for each joint. In the collision determination means, first, the motor drive torque of each joint is calculated from the motor current input from the motor control means. Next, the difference between the required drive torque and the actual motor drive torque is calculated for each joint. When the difference between the required drive torque and motor drive torque at any joint is greater than or equal to the upper threshold output from the threshold value calculation means, or less than the lower threshold, it is determined that the robot has collided. Then, a stop command is transmitted to the command value generation means. According to this method, since the contact between the robot and the external environment can be detected with a certain degree of accuracy, the safety can be improved by measures such as stopping at the time of detecting the contact.
特許文献３では，ロボットの動特性を模擬したモデルとロボット実機の位置および姿勢を比較することで衝突を判定していた。
即ち、特許文献３の技術は多自由度ロボットアーム(実機)と、多自由度ロボットアームのモデルと位置・姿勢を監視する１つのリンクと周辺機器とから構成されており、複数のリンク位置および姿勢について実機とモデルを比較することで，図のようにリンクの途中に周辺機器が接触した場合も検出できる構成となっていた。特許文献３の技術によれば手先以外の接触もある程度精度良く検出できるため、ロボットの作業領域全体で安全性向上を図ることができる。
In Patent Document 3, a collision is determined by comparing a model simulating the dynamic characteristics of a robot with the position and orientation of the actual robot.
That is, the technique of Patent Document 3 is composed of a multi-degree-of-freedom robot arm (actual machine), a model of the multi-degree-of-freedom robot arm, one link for monitoring the position and orientation, and peripheral devices. By comparing the actual machine with the model for the posture, it was possible to detect even when a peripheral device touched the middle of the link as shown in the figure. According to the technique of Patent Document 3, contact other than the hand can be detected with a certain degree of accuracy, so that the safety can be improved in the entire work area of the robot.
ところが、力センサで手先力を監視する従来技術では、力センサを追加設置する必要があり，コスト高を招く。また，手先以外の接触によって生じる力を検出できないという課題もある。
また、関節軸毎にトルク制限を設ける従来技術では、図７のように障害物と接触する姿勢や障害物が接触する位置によっては小さいトルクでも接触点に大きな力が発生するため、各関節でトルクの増大を検出する前に環境やロボット自身に過大な負荷がかかる虞があった。
即ち、図において、７００はロボットアーム、７０１はロボットアーム７００の第1関節、７０２はロボットアーム７００の第２関節、７０３は第1の障害物、７０４は第２の障害物、矢印７０５は第１関節７０１の回転の向き、矢印７０６は第２関節７０２の回転の向き、矢印７０７は第１の障害物７０３からロボットアーム７００が受ける接触力、矢印７０８は第２の障害物７０４からロボットアーム７００が受ける接触力である。ロボットアーム７００は直線に近い姿勢をとっているため、第1の障害物７０３から受ける接触力７０７が第１関節７０１および第２関節７０２のトルクに与える影響は軽微である。関節７０１および７０２のトルクが制限値を上回らないまま各関節が矢印７０５および７０６の向きに運動を継続すれば、接触力７０７は非常に大きくなってしまう。
However, in the conventional technique for monitoring the hand force with a force sensor, it is necessary to additionally install a force sensor, which increases costs. In addition, there is a problem that a force generated by contact other than the hand cannot be detected.
Further, in the prior art in which torque limitation is provided for each joint axis, a large force is generated at the contact point even with a small torque depending on the posture in contact with the obstacle and the position in which the obstacle contacts as shown in FIG. There is a risk that an excessive load is applied to the environment and the robot itself before an increase in torque is detected.
That is, in the figure, 700 is the robot arm, 701 is the first joint of the robot arm 700, 702 is the second joint of the robot arm 700, 703 is the first obstacle, 704 is the second obstacle, and the arrow 705 is the first joint. Direction of rotation of one joint 701, arrow 706 is the direction of rotation of the second joint 702, arrow 707 is the contact force received by the robot arm 700 from the first obstacle 703, and arrow 708 is the robot arm from the second obstacle 704. The contact force that 700 receives. Since the robot arm 700 takes a posture close to a straight line, the influence of the contact force 707 received from the first obstacle 703 on the torque of the first joint 701 and the second joint 702 is slight. If the joints continue to move in the directions of the arrows 705 and 706 without the torque of the joints 701 and 702 exceeding the limit value, the contact force 707 becomes very large.
また、ロボットアーム７００は第２の障害物７０４と第１関節７０１に近い位置で接触しているため、第２の障害物７０４から受ける接触力７０８が第２関節７０２のトルクに与える影響はなく、第１関節７０１への影響も軽微である。
第1関節７０１のトルクが制限値を上回らないまま第１関節７０１が矢印７０５の向きに運動を継続すれば、接触力７０８が非常に大きくなる虞がある。このように、各関節のトルクを制限するだけでは、ロボットのあらゆる動作部分と外部環境との接触に対応するには限界がある。また、画一的なトルク制限ではロボットの姿勢変化に伴う駆動トルクの大きな変動に対応できず、ロボットの動作性能が制限されてしまう場合もあった。
Further, since the robot arm 700 is in contact with the second obstacle 704 at a position close to the first joint 701, the contact force 708 received from the second obstacle 704 has no effect on the torque of the second joint 702. The influence on the first joint 701 is also slight.
If the first joint 701 continues to move in the direction of the arrow 705 without the torque of the first joint 701 exceeding the limit value, the contact force 708 may become very large. In this way, there is a limit to responding to contact between any moving part of the robot and the external environment only by limiting the torque of each joint. In addition, uniform torque limitation cannot cope with large fluctuations in driving torque due to changes in the posture of the robot, and the operation performance of the robot may be limited.
特許文献１の技術の場合、ロボットの急な加減速によって瞬間的に駆動トルクが増大すると、過負荷による破損の危険性が極めて少ないにもかかわらず警告が誤動作してしまうという問題があった。
これを防ぐためには、実効トルクを求める所定の時間Ｔを十分大きく設定する、警告発生の閾値を十分大きく設定する、といった方法が考えられるが、これらを適用すると過負荷検出の感度が低下してしまう。
また、障害物と接触する姿勢や障害物が接触する位置によっては小さいトルクでも接触点に過大な力が発生することを防止できない虞がある。
In the case of the technique disclosed in Patent Document 1, if the drive torque increases instantaneously due to sudden acceleration / deceleration of the robot, there is a problem that the warning malfunctions despite the extremely low risk of damage due to overload.
In order to prevent this, it is conceivable to set the predetermined time T for obtaining the effective torque sufficiently large, or to set the warning threshold sufficiently large. However, if these methods are applied, the sensitivity of overload detection is reduced. End up.
Further, depending on the posture in contact with the obstacle and the position in which the obstacle comes into contact, it may not be possible to prevent an excessive force from being generated at the contact point even with a small torque.
特許文献２の場合、関節トルクを監視して衝突有無を判定する限り、障害物と接触する姿勢や障害物が接触する位置によっては小さいトルクでも接触点に大きな力が発生する問題は解決できない。また、必要駆動トルクの算出に用いられる関節加速度のフィードバック値は、実際には関節位置のフィードバック値を二階差分して求める必要があるため、ノイズの影響が増大して衝突判定精度が落ちるという問題もあった。 In the case of Patent Document 2, as long as the joint torque is monitored to determine the presence or absence of a collision, the problem that a large force is generated at the contact point cannot be solved even with a small torque depending on the posture in contact with the obstacle and the position where the obstacle contacts. In addition, the feedback value of joint acceleration used to calculate the required drive torque actually needs to be obtained by subtracting the feedback value of the joint position from the second order, which increases the effect of noise and lowers the collision determination accuracy. There was also.
また、トルクではなくロボットの複数のリンク位置および姿勢を監視する場合には、障害物と接触する姿勢や障害物が接触する位置によっては小さいトルクでも接触点に過大な力が発生することを防止できない虞がある。
更に、上記特許文献を含めた多くの従来技術では、ロボットと障害物との接触や過負荷を検出できても、力センサを用いないでロボットと障害物との接触力を制限することはできていなかった。
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、力センサを用いることなく、ロボットと障害物との接触を高精度に検出可能で安全性を向上させるロボットの制御装置を提供することを目的とする。
In addition, when monitoring multiple link positions and postures of the robot instead of torque, it is possible to prevent excessive force from being generated at the contact point even with a small torque, depending on the posture in contact with the obstacle and the position in which the obstacle contacts. There is a possibility that it cannot be done.
Furthermore, in many conventional technologies including the above-mentioned patent documents, even if contact and overload between the robot and the obstacle can be detected, it is possible to limit the contact force between the robot and the obstacle without using a force sensor. It wasn't.
The present invention has been made in view of such a problem, and provides a robot control device that can detect contact between a robot and an obstacle with high accuracy and improve safety without using a force sensor. With the goal.
上記目的を達成するため，本発明は次のような手段をとる。
請求項１にかかるロボットの制御装置は、ロボットの駆動力を制御するロボットの制御装置であって、所望の動作軌跡と速度を出力する動作指令記憶部と、前記駆動力が所定時間内に前記ロボットに対してした仕事量である制御仕事量を算出する制御仕事量算出部と、前記ロボットのエネルギー推定値を算出するエネルギー推定部と、前記ロボットの前記所定時間内のエネルギー変化の推定値を算出するエネルギー変化推定値算出部と、前記制御仕事量と前記エネルギー変化推定値とに基づいてロボットへの動作指令速度を調整または停止指令を発生する動作指令調整部と、を備えたことを特徴としている。
In order to achieve the above object, the present invention takes the following means.
The robot control apparatus according to claim 1 is a robot control apparatus that controls a driving force of the robot, and an operation command storage unit that outputs a desired operation locus and speed, and the driving force is within the predetermined time. A control work calculation unit that calculates a control work that is a work performed on the robot; an energy estimation unit that calculates an energy estimate of the robot; and an estimated value of an energy change of the robot within the predetermined time. An energy change estimated value calculating unit for calculating, and an operation command adjusting unit for adjusting an operation command speed to the robot or generating a stop command based on the control work amount and the energy change estimated value. It is said.
また、前記制御仕事量算出部は、フィードバックした前記ロボットの関節速度と前記駆動力の積である制御仕事率を所定時間にわたって積分することで前記制御仕事量を算出することが好ましい（請求項２）。
また、前記エネルギー推定部は、フィードバックした前記ロボットの関節速度および位置と、内蔵する前記ロボットの動力学モデルと、にもとづいて前記エネルギー推定値を算出することが好ましい（請求項３）。
また、前記エネルギー変化推定値算出部は、所定時間にわたって前記エネルギー推定値を時刻と対応付けて保存するエネルギー推定値履歴保存部を備え、所定時間だけ前のエネルギー推定値を現在のエネルギー推定値から減じたものを前記エネルギー変化推定値として出力することが好ましい（請求項４）。
また、前記動作司令調整部は、前記制御仕事量と前記エネルギー変化推定値との差である外部出力仕事量推定値が所定の第一閾値を超えた場合に停止指令を発生することが好ましい（請求項５）。
また、環境との接触を通知する警報発生部を更に備え、前記制御仕事量と前記エネルギー変化推定値との差である外部出力仕事量推定値が前記第一閾値を超えた場合に警報を発生することが望ましい(請求項６)。
Further, it is preferable that the control work calculation unit calculates the control work by integrating a control work rate that is a product of the fed back joint speed and the driving force over a predetermined time. ).
In addition, it is preferable that the energy estimation unit calculates the energy estimation value based on the fed back joint speed and position of the robot and a built-in dynamic model of the robot.
The energy change estimated value calculation unit includes an energy estimated value history storage unit that stores the energy estimated value in association with time for a predetermined time, and calculates an energy estimated value that is a predetermined time earlier from the current energy estimated value. It is preferable to output the reduced value as the estimated energy change value.
The operation command adjustment unit preferably generates a stop command when an external output work amount estimated value, which is a difference between the control work amount and the energy change estimated value, exceeds a predetermined first threshold value ( Claim 5).
In addition, an alarm generation unit that notifies contact with the environment is further provided, and an alarm is generated when an external output work amount estimated value that is a difference between the control work amount and the energy change estimated value exceeds the first threshold value. (Claim 6).
また、前記第一閾値は、前記ロボットが環境に接触したときに発生する接触力の制限値を前記ロボットが接触し得る環境内物体に印加したときに蓄えられる弾性エネルギーの大きさよりも小さな値であることが好ましい（請求項７）。
また、前記第一閾値は、前記ロボットが環境に接触したときに発生する接触力の制限値を前記ロボット表面に装着した弾性柔軟材料に印加したときに蓄えられる弾性エネルギーの大きさよりも小さな値であることが好ましい（請求項８）。
また、前記動作指令調整部は、前記外部出力仕事量推定値が所定の第二閾値を超えた場合に前記動作指令記憶部が出力する動作指令の速度を遅らせたものを出力することが好ましい（請求項９）。
また、前記ロボットはアクチュエータとしてサーボモータを有し、前記制御仕事量算出部における前記駆動力は前記サーボモータを流れる電流値から算出することが好ましい（請求項１０）。
また、前記制御仕事量算出部における駆動力は前記駆動力指令をそのまま用いることが好ましい（請求項１１）。
また、前記駆動力は摩擦補償分を除いたものであることが好ましい（請求項１２）。
The first threshold is a value smaller than the magnitude of elastic energy stored when the limit value of the contact force generated when the robot comes into contact with the environment is applied to an object in the environment where the robot can come into contact. It is preferable that it is present (claim 7).
Further, the first threshold value is smaller than the magnitude of elastic energy stored when the limit value of the contact force generated when the robot comes into contact with the environment is applied to the elastic flexible material mounted on the robot surface. It is preferable that it is present (claim 8).
In addition, it is preferable that the operation command adjustment unit outputs a delayed operation command output by the operation command storage unit when the estimated external output work amount exceeds a predetermined second threshold value ( Claim 9).
Preferably, the robot has a servo motor as an actuator, and the driving force in the control work amount calculation unit is calculated from a current value flowing through the servo motor.
Moreover, it is preferable that the driving force command is used as it is for the driving force in the control work amount calculation section.
Further, it is preferable that the driving force excludes friction compensation (claim 12).
また、請求項１３にかかるロボットは、アームと、前記アームに内蔵され、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のロボットの制御装置によって制御されるアーム駆動用のサーボモータと、ロボットの制御装置からの前記動作指令速度または前記停止指令に基づいてロボットの関節を駆動制御するサーボ制御部と、を備えたことを特徴としている。
また、前記アームの表面の一部または全体が弾性柔軟材料で覆われていることが好ましい（請求項１４）。
A robot according to a thirteenth aspect is provided with an arm, a servo motor for arm driving that is built in the arm and controlled by the robot control device according to any one of the first to eleventh aspects, And a servo control unit that drives and controls the joints of the robot based on the operation command speed or the stop command from the control device.
Further, it is preferable that a part or the whole of the surface of the arm is covered with an elastic flexible material.
請求項１及び請求項１３の発明によれば，力センサなどを追加することなくロボットのあらゆる動作部分と外部環境との接触を検出でき，またロボットの動作指令を適切に調整できるため，ロボットシステムの安全性を高めることができる。
請求項２の発明によれば，極めて簡単な演算によってロボットの駆動力がロボットおよび外部環境に対してした仕事量を求められる。また，数値誤差の蓄積による誤検出を防止できる。
請求項３の発明によれば，ロボットが保持する力学的エネルギーを正確に推定できる。
請求項４の発明によれば，ロボットが保持する力学的エネルギーの変化を正確に検出できる。
請求項５の発明によれば，ロボットのあらゆる動作部分と外部環境との接触が起こった場合にロボットを停止させ，ロボットや外部環境物に過大な力が発生することを防止することができる。
請求項６の発明によれば、ロボットのあらゆる動作部分と外部環境との接触が起こった場合に周囲の作業者や周辺機器に警報で通知することで、迅速な対応を促すことができる。
According to the first and thirteenth aspects of the present invention, it is possible to detect contact between any movement part of the robot and the external environment without adding a force sensor, and to appropriately adjust the movement command of the robot. Can improve the safety.
According to the second aspect of the invention, the amount of work performed by the driving force of the robot with respect to the robot and the external environment can be obtained by a very simple calculation. In addition, erroneous detection due to accumulation of numerical errors can be prevented.
According to the invention of claim 3, the mechanical energy held by the robot can be accurately estimated.
According to invention of Claim 4, the change of the mechanical energy which a robot hold | maintains can be detected correctly.
According to the fifth aspect of the present invention, it is possible to prevent an excessive force from being generated in the robot or the external environmental object by stopping the robot when any operation part of the robot comes into contact with the external environment.
According to the sixth aspect of the present invention, a prompt response can be promoted by notifying surrounding workers and peripheral devices by an alarm when contact is made between any operating part of the robot and the external environment.
請求項７の発明によれば，力センサなどを追加することなく，ロボットのあらゆる動作部分と外部環境との接触力を制限でき，ロボットシステムの安全性を向上できる。
請求項８の発明によれば，力センサなどを追加することなく，また外部環境の物理特性によらず，ロボットのあらゆる動作部分と外部環境との接触力を制限でき，ロボットシステムの安全性を向上できる。
請求項９の発明によれば，ロボットのあらゆる動作部分と外部環境との接触が起こった場合にロボットを減速させ，ロボットや外部環境物に過大な力が発生することを防止することができる。
請求項１０の発明によれば，制御仕事量算出に用いる駆動力の値を正確に得られる。
請求項１１の発明によれば，制御仕事量算出に用いる駆動力の値を得る処理負荷を軽減できる。
請求項１２の発明によれば，制御仕事量を正確に算出できる。
According to the seventh aspect of the present invention, it is possible to limit the contact force between any operating part of the robot and the external environment without adding a force sensor, and the safety of the robot system can be improved.
According to the invention of claim 8, it is possible to limit the contact force between any movement part of the robot and the external environment without adding a force sensor or the like, and regardless of the physical characteristics of the external environment, thereby improving the safety of the robot system. Can be improved.
According to the ninth aspect of the present invention, it is possible to prevent the robot or the external environment from generating excessive force when the contact between any movement part of the robot and the external environment occurs, decelerating the robot.
According to the invention of claim 10, the value of the driving force used for calculating the control work amount can be obtained accurately.
According to the invention of claim 11, it is possible to reduce the processing load for obtaining the value of the driving force used for calculating the control work amount.
According to the invention of claim 12, the control work can be accurately calculated.
請求項１４の発明によれば，外部環境の物理特性によらずロボットのあらゆる動作部分と外部環境との接触を正確に検出でき，またロボットの動作指令を適切に調整できるため，ロボットシステムの安全性を一層高めることができる。 According to the fourteenth aspect of the present invention, it is possible to accurately detect the contact between all the movement parts of the robot and the external environment regardless of the physical characteristics of the external environment, and to appropriately adjust the robot operation command. It is possible to further improve the properties.
本発明の実施の形態を具体的に説明するために，まずロボットの動力学の特徴を概説する。一般に剛体nリンク型ロボットの運動方程式は以下の数式（１）を用いて In order to specifically describe the embodiment of the present invention, first, the characteristics of the dynamics of the robot will be outlined. In general, the equation of motion of a rigid n-link robot is as follows:
である。ロボットが作業対象物を把持している場合は上記運動方程式中のパラメータ値が変わるが，基本的な構造は変わらない。したがって以後の説明では，ロボットが作業対象物を把持しているか否かは区別しない。
ある時刻tにおいてロボットが保有する力学的エネルギーE(以下，単にエネルギーと表記)は，運動エネルギーとポテンシャルエネルギーＵ（ｑ）の和として
It is. When the robot is holding the work object, the parameter values in the equation of motion change, but the basic structure does not change. Therefore, in the following description, it is not distinguished whether the robot is holding the work object.
The mechanical energy E (hereinafter simply referred to as energy) possessed by the robot at a certain time t is expressed as the sum of kinetic energy and potential energy U (q).
を満足する関節位置ベクトルｑによって変化するスカラー関数である。ロボットが外部環境に対してする仕事率(パワー)である Is a scalar function that changes according to a joint position vector q that satisfies The work rate (power) the robot does for the external environment
となり，これを時間Ｔにわたって積分すると，該時間中にロボットが外部環境に対してする仕事量ｗｅ（ｔ，Ｔ）は以下の数式（２）を用いて Next, when integrating this over time T, workload w e (t, T) of the robot in the time to the external environment by using the following formula (2)
である。数式（２）は，ロボットが外部環境に対してする仕事量は，ロボットが保有する力学的エネルギーの変化量−ΔＥ（ｔ，Ｔ）と摩擦補償を除いた関節駆動制御トルクがした仕事量ｗｃ（ｔ，Ｔ）の和に等しいことを示している。この事実を利用すれば，ロボットと外部環境との接触力が計測できない場合でも，ロボットと外部環境との接触を検出することができる。 It is. Equation (2) shows that the amount of work performed by the robot with respect to the external environment is the amount of change in mechanical energy possessed by the robot -ΔE (t, T) and the amount of work w obtained by the joint drive control torque excluding friction compensation. c is equal to the sum of (t, T). By utilizing this fact, even when the contact force between the robot and the external environment cannot be measured, the contact between the robot and the external environment can be detected.
以下、本発明の具体的実施例について、図を用いて説明する。 Specific embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図１は，本発明の第1実施例におけるロボットの制御装置の構成を示した図である。図において，点線内部１０１が前記ロボットの制御装置，１０２がロボットの制御装置１０１で制御され作業を遂行するロボット，１０３が動作指令記憶部，１０４が制御仕事量算出部，１０５がエネルギー推定部，１０６がエネルギー変化推定値算出部，１０７が動作指令調整部，１０８がサーボ制御部，１０９が速度算出部，１１０が動作指令，１１１が関節速度，１１２が関節トルク，１１３が制御仕事量，１１４がエネルギー推定値，１１５がエネルギー変化推定値，１１６が関節動作指令，１１７が関節トルク指令，１１８が関節位置、１２０が警報部である。ロボット１０２は関節トルク指令１１７にしたがって駆動される。フィードバックされる関節トルク１１２は，関節トルク指令１１７そのものか，関節を駆動するアクチュエータを流れる電流値の計測結果から算出したものである。関節位置１１８はロボット１０２の各関節に取り付けられたロータリーエンコーダによって取得される。本実施例においては，動作指令記憶部１０３，制御仕事量算出部１０４，エネルギー推定部１０５，エネルギー変化推定値算出部１０６，動作指令調整部１０７，サーボ制御部１０８および速度算出部１０９は，図示しない計算機によって構成する。なお，計算機は所定の制御周期δtで動作するディジタル計算機である。また、警報部１２０は前記計算機から制御される図示しないブザーである。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a robot control apparatus according to the first embodiment of the present invention. In the figure, a dotted line 101 is the robot controller, 102 is a robot controlled by the robot controller 101 and performs work, 103 is an operation command storage unit, 104 is a control work calculation unit, 105 is an energy estimation unit, 106 is an energy change estimated value calculation unit, 107 is an operation command adjustment unit, 108 is a servo control unit, 109 is a speed calculation unit, 110 is an operation command, 111 is a joint speed, 112 is a joint torque, 113 is a control work, 114 Is an estimated energy value, 115 is an estimated energy change value, 116 is a joint motion command, 117 is a joint torque command, 118 is a joint position, and 120 is an alarm unit. The robot 102 is driven according to a joint torque command 117. The feedback joint torque 112 is calculated from the measurement result of the current value flowing through the joint torque command 117 itself or the actuator that drives the joint. The joint position 118 is acquired by a rotary encoder attached to each joint of the robot 102. In the present embodiment, the operation command storage unit 103, the control work calculation unit 104, the energy estimation unit 105, the energy change estimated value calculation unit 106, the operation command adjustment unit 107, the servo control unit 108, and the speed calculation unit 109 are illustrated in the figure. Configure with a computer that does not. The computer is a digital computer that operates at a predetermined control cycle δt. The alarm unit 120 is a buzzer (not shown) controlled from the computer.
ロボットの制御装置１０１の構成要素について，個別に説明する。
動作指令記憶部１０３はロボットに作業を遂行させるための動作指令を記憶させておく前記計算機の記憶領域に相当し，必要に応じて記憶している動作指令を出力する。本実施例における動作指令は，各制御周期においてロボットの手先が通るべき目標軌跡ベクトルｘｒｅｆ［ｔ］である。
制御仕事量算出部１０４は，以下の数式（３）によって制御仕事量１１３(式ではｗｃ［ｔ，Ｔ］と表記)を計算し出力する。
The components of the robot control device 101 will be described individually.
The operation command storage unit 103 corresponds to a storage area of the computer for storing an operation command for causing the robot to perform work, and outputs the stored operation command as necessary. The operation command in the present embodiment is a target locus vector x ref [t] that the robot's hand should pass in each control cycle.
The control work amount calculation unit 104 calculates and outputs a control work amount 113 (in the expression, expressed as w c [t, T]) by the following expression (3).
ここでδｔは前記計算機の制御周期である。上記演算は連続時間系における時間積分に相当する。また、τｃは前述のように関節トルクから摩擦補償トルクτｆｃを除いた関節駆動制御トルクである。 Here, δt is a control cycle of the computer. The above calculation corresponds to time integration in a continuous time system. Further, τ c is a joint drive control torque obtained by removing the friction compensation torque τ fc from the joint torque as described above.
エネルギー推定部１０５は、以下の数式（４）に基づいてロボットが現在保有するエネルギーＥ［ｔ］の推定値であるエネルギー推定値１１４(式ではＥ＾［ｔ］と表記)を計算し出力する。 The energy estimation unit 105 calculates and outputs an energy estimated value 114 (denoted as E ^ [t] in the equation) that is an estimated value of the energy E [t] currently held by the robot based on the following equation (4). .
ここで(＾)は推定値であることを表す。Ｍ＾やＵ＾に含まれるロボットの物理パラメータには、設計値またはパラメータ同定の結果を用いる。
エネルギー変化推定値算出部１０６は、エネルギー推定値１１４の履歴を時間Ｔ以上にわたって前記計算機のメモリに保持し、以下の数式（５）により時間Tのエネルギー変化推定値１１５(式ではΔＴＥ＾［ｔ］と表記)を計算する。
Here, (^) represents an estimated value. Design values or parameter identification results are used as the physical parameters of the robot included in M ^ and U ^.
The energy change estimated value calculation unit 106 holds the history of the energy estimated value 114 in the memory of the computer for the time T or more, and the energy change estimated value 115 at the time T (Δ T E ^ in the equation) by the following equation (5). [Denoted as [t]).
動作指令調整部１０７は、動作指令１１０、制御仕事量１１３およびエネルギー変化推定値１１５を入力とし、ロボットの関節動作指令１１６を出力する処理単位である。本実施例では、関節動作指令１１６は、各制御周期におけるロボットの関節位置指令ｑｃｍｄ［ｔ］である。本実施例における動作指令調整部１０７の処理内容を図２を参照して説明する。図において、２０１が制御仕事量１１３とエネルギー変化推定値１１５との差である外部出力仕事量推定値ｗｅ＾［ｔ，Ｔ］を算出する処理、２０２が前記外部出力仕事量推定値を閾値ｗｔｈと比較した結果にもとづいて以後の処理を分岐する処理、２０３は停止指令を出力する処理，２０４は動作指令１１０の時刻をδtだけ進める処理、２０５は動作指令１１０から逆運動学演算によって関節動作指令１１６(すなわちロボットの関節位置指令ｑｃｍｄ［ｔ］を算出する処理である。処理２０１では，以下の数式（６）にもとづいて外部出力仕事量推定値を算出する。 The motion command adjustment unit 107 is a processing unit that receives the motion command 110, the control work amount 113, and the energy change estimated value 115 and outputs a joint motion command 116 of the robot. In the present embodiment, the joint operation command 116 is a joint position command q cmd [t] of the robot in each control cycle. The processing contents of the operation command adjustment unit 107 in this embodiment will be described with reference to FIG. In the figure, the external output workload estimate is the difference between the 201 control workload 113 and energy change estimates 115 w e ^ [t, T ] process of calculating the 202 threshold the external output workload estimate Processing to branch subsequent processing based on the result of comparison with w th , 203 processing to output a stop command, 204 processing to advance the time of the motion command 110 by δt, 205 from the motion command 110 by inverse kinematic calculation This is a process of calculating a joint motion command 116 (that is, a joint position command q cmd [t] of the robot. In process 201, an external output work amount estimated value is calculated based on the following equation (6).
また，処理２０２では以下の論理の真偽を調べ，真であれば処理２０３へ，偽であれば処理２０４へと進む。
ｗｅ＾［ｔ，Ｔ］＞ｗｔｈ
ここで閾値ｗｔｈは予め定めた正定数である。その値を決定する方法は後述する。以上に示した一連の処理によって，動作指令調整部１０７は，ロボット１０２が外部環境と接触することによって外部に出力した仕事量の推定値である外部出力仕事量推定値
が閾値ｗｔｈよりも大きい場合は停止指令を出力し，それ以外の場合は指令された動作指令１１０が実現されるように関節動作指令を生成して出力する。
In process 202, the following logic is checked for true / false. If true, the process proceeds to process 203, and if false, the process proceeds to process 204.
w e ^ [t, T] > w th
Here, the threshold value w th is a predetermined positive constant. A method for determining the value will be described later. Through the series of processes described above, the motion command adjustment unit 107 causes the external output work amount estimated value, which is an estimated value of the work output to the outside when the robot 102 contacts the external environment.
Is greater than the threshold value w th, a stop command is output, and otherwise, a joint motion command is generated and output so that the commanded motion command 110 is realized.
サーボ制御部１０８は，関節動作指令１１６と関節位置１１８を入力とし，関節トルク指令１１７を出力する処理単位である。躯体的には，関節位置１１８が関節動作指令１１６にできるだけ追従するようにフィードバック制御するのであるが，そのための制御ループ構成には多くの公知技術が存在するため割愛する。関節位置１１６を関節動作指令１１６に追従させるような制御ループ構成であれば何でも良く，特に構成を限定する必要はない。なお，サーボ制御部には摩擦補償が含まれることも多い。摩擦補償トルクτｆｃはロボットの関節に存在する摩擦力を打ち消すように設定するのであるが，その算出方法についても公知技術が多く，特に方法は限定しないため割愛する。 The servo control unit 108 is a processing unit that receives the joint operation command 116 and the joint position 118 and outputs the joint torque command 117. As a matter of fact, feedback control is performed so that the joint position 118 follows the joint operation command 116 as much as possible, but this is omitted because there are many known techniques in the control loop configuration. Any control loop configuration that causes the joint position 116 to follow the joint operation command 116 may be used, and the configuration is not particularly limited. The servo controller often includes friction compensation. The friction compensation torque τ fc is set so as to cancel out the friction force existing in the joint of the robot, but there are many known techniques for its calculation method, and the method is not particularly limited.
速度算出部１０９は，関節位置１１６の時間差分によって関節速度１１１を算出する処理単位である。
以上のような構成によって，ロボット１０２が外部環境と接触することによって外部に出力した仕事量の推定値である外部出力仕事量推定値ｗｅ＾［ｔ，Ｔ］が閾値ｗｔｈよりも大きい場合は停止指令が出力されるため，ロボット１０２を安全に停止することができる。それ以外の場合は動作指令１１０を忠実に実行し，作業を遂行することができる。
また、警報部１２０は動作指令調整部が停止指令を発すると同時に警報ブザー音を発し、周囲の人間に異常発生を通知する。警報によって周囲の人間は異常発生を即座に感知でき、素早い対応が可能となる。なお、警報部１２０は本実施例ではブザーとしたが、周囲の人間や周辺機器に異常発生を通知できるものであれば何でもよく、前記計算機に付属のモニタ装置や、異常発生ディジタル信号を発するディジタル出力ポートなども用いることができる。
The speed calculation unit 109 is a processing unit that calculates the joint speed 111 based on the time difference of the joint position 116.
The configuration described above, when the external output workload estimate is an estimate of workload that is output to the outside by the robot 102 is in contact with the external environment w e ^ [t, T] is greater than the threshold w th Since a stop command is output, the robot 102 can be stopped safely. In other cases, the operation command 110 can be executed faithfully and work can be performed.
The alarm unit 120 also emits an alarm buzzer at the same time as the operation command adjustment unit issues a stop command, and notifies the surrounding people of the occurrence of an abnormality. The alarm enables the surrounding people to immediately detect the occurrence of an abnormality and to respond quickly. In this embodiment, the alarm unit 120 is a buzzer. However, any alarming unit 120 can be used as long as it can notify a surrounding person or peripheral device of the occurrence of an abnormality, and a monitor device attached to the computer or a digital device that generates an abnormality occurrence digital signal. An output port or the like can also be used.
外部出力仕事量は接触力と接触力によって生じた変位の積でもあり，ロボットと外部環境との接触位置やロボットの姿勢には無関係である。したがって，その推定値である外部出力仕事量推定値ｗｅ＾［ｔ，Ｔ］の値によってロボットの動作を調整することにより，ロボットと外部環境との接触位置やロボットの姿勢に影響されずに安全措置を講ずることができるのである。
前記閾値ｗｔｈの決定方法について説明する。まず，ロボットが動作中に接触し得る障害物を抽出する。ここで障害物とは，人間の体やロボット周辺機器などであって，ある程度剛性が低いものとする(障害物の剛性が高い場合の対策については，本発明の第２実施例として後述する)。次いで，前記ロボットが障害物に接触したときに発生する接触力の制限値ｆｅｌｉｍを定める。接触力の制限値ｆｅｌｉｍは，障害物あるいはロボットにかかる負荷の限界値よりも十分小さな値とする。接触力の制限値が定まったら，障害物に力ｆｅｌｉｍを印加したときに障害物に蓄えられる弾性エネルギーＵｅｌｉｍ１を実験的あるいは理論的に算出する。
The external output work is also the product of the contact force and the displacement produced by the contact force, and is independent of the contact position between the robot and the external environment and the posture of the robot. Thus, the external output workload estimate is the estimated value w e ^ [t, T] by adjusting the operation of the robot by the value of, without being affected by the posture of the contact position and the robot between the robot and the external environment Safety measures can be taken.
A method for determining the threshold value w th will be described. First, obstacles that can be touched while the robot is moving are extracted. Here, the obstacle is a human body, a robot peripheral device, or the like, and is assumed to have a certain degree of rigidity (a countermeasure when the obstacle has a high rigidity will be described later as a second embodiment of the present invention). . Next, a limit value f elim of a contact force generated when the robot touches an obstacle is determined. The contact force limit value f elim is sufficiently smaller than the limit value of the load applied to the obstacle or the robot. When the limit value of the contact force is determined, the elastic energy U elim1 stored in the obstacle when the force f elim is applied to the obstacle is calculated experimentally or theoretically.
前記弾性エネルギーＵｅｌｉｍ１を実験的に求める方法の例を図３および図４を用いて説明する。図３において３０１は押し付け用プローブ，３０２は力センサ，３０３は障害物試料，矢印３０４は押し付け用プローブ３０１の押し付け方向，矢印３０５は押し付けによって押し付け用プローブ３０１および力センサ３０２が受ける接触力である。また，図３の左側は押し付け前，右側は押し付け後の様子を示している。 An example of a method for experimentally obtaining the elastic energy U elim1 will be described with reference to FIGS. In FIG. 3, 301 is a pressing probe, 302 is a force sensor, 303 is an obstacle sample, arrow 304 is a pressing direction of the pressing probe 301, and arrow 305 is a contact force received by the pressing probe 301 and the force sensor 302 by pressing. . Further, the left side of FIG. 3 shows a state before pressing, and the right side shows a state after pressing.
押し付け用プローブ３０１は，障害物試料３０３に力を印加するためのプローブであって，ロボットと同程度の大きさの立体を用い，先端に接触力測定用の力センサ３０２を備える。押し付け用プローブ３０１を押し付け方向３０４に沿って移動させると，やがて障害物試料３０３に接触して接触力３０５を発生する。更に移動を継続すると，障害物試料３０３は変形して弾性エネルギーを内部に蓄えるとともに，接触力３０５が増大して力ｆｅｌｉｍを上回る。このときの押し付け用プローブ３０１の変位量と接触力をグラフ化した例が図４である。図４において，４０１は押し付け用プローブ３０１の押し付け方向３０４に沿った変位量に対応する軸，４０２は接触力３０５に対応する軸，４０３は接触力曲線，４０４は力ｆｅｌｉｍに対応する直線，４０５は接触力が発生したとき(非零の値となったとき)の変位量に対応する直線，４０６は接触力曲線４０３および直線４０４および直線４０５によって囲まれる領域の面積である。弾性エネルギーＵｅｌｉｍ１は，面積４０６を算出することで求められる。 The pressing probe 301 is a probe for applying a force to the obstacle sample 303. The pressing probe 301 uses a solid having the same size as the robot and includes a force sensor 302 for measuring a contact force at the tip. When the pressing probe 301 is moved along the pressing direction 304, it eventually comes into contact with the obstacle sample 303 and generates a contact force 305. When the movement is further continued, the obstacle sample 303 is deformed and stores elastic energy therein, and the contact force 305 increases and exceeds the force f elim . FIG. 4 shows an example in which the displacement amount and contact force of the pressing probe 301 at this time are graphed. In FIG. 4, 401 is an axis corresponding to the amount of displacement along the pressing direction 304 of the pressing probe 301, 402 is an axis corresponding to the contact force 305, 403 is a contact force curve, 404 is a straight line corresponding to the force f elim , Reference numeral 405 denotes a straight line corresponding to the amount of displacement when the contact force is generated (when it becomes a non-zero value), and reference numeral 406 denotes an area of a region surrounded by the contact force curve 403, the straight line 404, and the straight line 405. The elastic energy U elim1 is obtained by calculating the area 406.
前記弾性エネルギーＵｅｌｉｍ１を理論的に求めるには，障害物の弾性係数Ｅ０を予め推定または調べておき，以下の数式（７）を用いればよい。 In order to theoretically obtain the elastic energy U elim1 , the elastic modulus E 0 of the obstacle is estimated or examined in advance, and the following formula (7) may be used.
ここでｌ０は障害物の平均的な厚み，Ａ０は障害物とロボットの平均的な接触面積，であって，抽出された障害物とロボットが接触した場合を想定して設定する量である。
前記弾性エネルギーＵｅｌｉｍ１が求まったら，これに１よりも十分小さい正の安全係数であるαｓａｆｅを乗じたものを閾値ｗｔｈとする。
即ち、ｗｔｈ＝αｓａｆｅＵｅｌｉｍ１
Here, l 0 is the average thickness of the obstacle, A 0 is the average contact area between the obstacle and the robot, and is an amount set assuming that the extracted obstacle and the robot are in contact with each other. is there.
When the elastic energy U elim1 is obtained, a value obtained by multiplying it by α safe which is a positive safety factor sufficiently smaller than 1 is set as a threshold value w th .
That is, w th = α safe U elim1
以上のように閾値ｗｔｈを決定することで，ロボットが障害物に接触したときに接触力がｆｅｌｉｍを上回る前に接触を検出し，ロボット動作を安全に停止できるのである。
本実施例は，ロボットが動作中に接触し得る外部環境がある程度の弾性を有する場合には有効であるが，外部環境の剛性が高い場合は接触と同時に接触力が急激に増大するため，停止指令が間に合わず接触力を制限できない可能性がある。そのような場合であっても本発明を適用可能であることを，以下に示す。
By determining the threshold value w th as described above, when the robot comes into contact with an obstacle, the contact is detected before the contact force exceeds felim , and the robot operation can be safely stopped.
This example is effective when the external environment that the robot can contact during operation has a certain degree of elasticity. However, if the external environment has high rigidity, the contact force increases rapidly at the same time as the contact, so the robot stops. There is a possibility that the command is not in time and the contact force cannot be limited. The following shows that the present invention can be applied even in such a case.
本発明の第２実施例は，ロボットが接触し得る外部環境の剛性が高い場合でも接触力の大きさを安全な範囲内に制限するものである。本実施例の基本構成は図１と同一であるが，外部環境と接触する可能性があるロボット部位の表面を弾性柔軟材料で覆う。
図５は２自由度ロボットアームを弾性柔軟材料で覆った例である。図において５０１が２自由度ロボットアーム，斜線部分５０２が弾性柔軟材料である。弾性柔軟材料５０２には，弾性係数Ｅｍが既知のものを用い，弾性柔軟材料５０２の厚さｌｍは，ロボットが動作中に停止指令を受けたときロボットが停止するまでに動く距離である制動距離よりも十分大きな値とする。
The second embodiment of the present invention limits the magnitude of the contact force within a safe range even when the rigidity of the external environment that the robot can contact is high. The basic configuration of this embodiment is the same as that shown in FIG. 1, but the surface of the robot part that may come into contact with the external environment is covered with an elastic flexible material.
FIG. 5 shows an example in which a robot arm with two degrees of freedom is covered with an elastic flexible material. In the figure, reference numeral 501 denotes a two-degree-of-freedom robot arm, and hatched portion 502 is an elastic flexible material. A material having a known elastic coefficient E m is used as the elastic flexible material 502, and the thickness l m of the elastic flexible material 502 is a distance that the robot moves to stop when it receives a stop command during operation. The value is sufficiently larger than the braking distance.
前記閾値ｗｔｈを決定する方法を説明する。まず，弾性柔軟材料５０２に力ｆｅｌｉｍを印加したときに障害物に蓄えられる弾性エネルギーＵｅｌｉｍ２を以下の数式（８）により求める。 A method for determining the threshold value w th will be described. First, the elastic energy U elim2 stored in the obstacle when the force f elim is applied to the elastic flexible material 502 is obtained by the following formula (8).
ここでＡｍはロボットと障害物との平均的な接触面積であって，ロボットが動作中に接触し得る環境中の障害物を抽出した上で，ロボットと抽出された障害物とが接触した場合を想定して設定する量である。前記弾性エネルギーＵｅｌｉｍ２が求まったら，これに1よりも十分小さい正の安全係数αｓａｆｅを乗じたものを閾値ｗｔｈとする。
即ち、ｗｔｈ＝αｓａｆｅＵｅｌｉｍ１
以上のような構成とすることで，ロボットが接触し得る障害物が剛体であっても，弾性柔軟材料５０２の変形によって外部出力仕事量推定値ｗｅ＾［ｔ，Ｔ］が増大するため，大きな接触力が発生する前にこれを検出し，停止させることができる。
Here, Am is the average contact area between the robot and the obstacle. After extracting the obstacles in the environment that the robot can contact during operation, the robot and the extracted obstacles contacted each other. The amount is set assuming the case. When the elastic energy U elim2 is obtained, a value obtained by multiplying the elastic energy U elim2 by a positive safety coefficient α safe sufficiently smaller than 1 is set as a threshold value w th .
That is, w th = α safe U elim1
With the above configuration, even if the obstacle that the robot can contact is a rigid body, the estimated external output work WE ^ [t, T] increases due to the deformation of the elastic flexible material 502. This can be detected and stopped before a large contact force is generated.
上記実施例１および２では，動作指令調整部１０７において外部出力仕事量推定値ｗｅ＾［ｔ，Ｔ］が閾値ｗｔｈを超えたらロボットを即停止させるようにしたが，図６に示した処理によれば，停止指令を発生する前にある程度動作指令の速度を落とすことによって，より安全性を高めることが可能である。図において６０１は閾値ｗｔｈ２と外部出力仕事量推定値ｗｅ＾［ｔ，Ｔ］を比較した結果に応じて以後の処理を分岐する処理，６０２は動作指令１１０の時刻をδt’だけ進める処理である。ここで閾値ｗｔｈ２は閾値ｗｔｈよりも小さな正の数，δt’はδtよりも小さな正の数である。 In Embodiment 1 and 2, the external output workload estimate in operation command adjustment unit 107 w e ^ [t, T ] is is so as to immediately stop the robot After exceeding the threshold value w th, shown in FIG. 6 According to the processing, it is possible to further improve safety by reducing the speed of the operation command to some extent before generating the stop command. In the figure, reference numeral 601 denotes a process for branching the subsequent processes in accordance with the result of comparison between the threshold value w th2 and the external output work amount estimated value w e ^ [t, T], and 602 denotes a process for advancing the time of the operation command 110 by δt ′. It is. Here, the threshold value w th2 is a positive number smaller than the threshold value w th , and δt ′ is a positive number smaller than δt.
図６の処理は，ロボットと外部環境との接触が発生していなければ所望の動作指令を実行し，ロボットと外部環境との軽微な接触が発生した可能性がある場合は動作指令の速度を遅くし，接触によって比較的大きな接触力が発生した可能性がある場合はロボットを停止させるものである。動作指令の速度を遅くすることでロボット停止までの制動距離を減らすことができるため，実施例１および２より安全性を向上させることができる。 The processing in FIG. 6 executes a desired operation command if there is no contact between the robot and the external environment, and if there is a possibility that minor contact between the robot and the external environment has occurred, the speed of the operation command is set. The robot is stopped when the contact force is delayed and a relatively large contact force may be generated by the contact. Since the braking distance until the robot stops can be reduced by reducing the speed of the operation command, the safety can be improved compared to the first and second embodiments.
本発明は動作中に人間を含む外部環境と接触する恐れがある作業ロボット全般に適用可能である。 The present invention can be applied to all work robots that may come into contact with an external environment including humans during operation.
１００ 指令生成装置
１０１ サーボモータの制御装置
２０１ 外部出力仕事量推定値を算出する処理
２０２ 分岐処理
２０３ 停止指令出力処理
２０４ 動作指令１１０の時刻をδtだけ進める処理
２０５ 動作指令１１０から関節動作指令１１６を算出する処理
３０１ 押し付け用プローブ
３０２ 力センサ
３０３ 障害物試料
３０４ 押し付け用プローブ３０１の押し付け方向
３０５ 接触力
４０１ 押し付け用プローブ３０１の押し付け方向３０４に沿った変位量に対応する軸
４０２ 接触力３０５に対応する軸
４０３ 接触力曲線
４０４ 力に対応する直線
４０５ 接触力が発生したとき(非零の値となったとき)の変位量に対応する直線
４０６ 接触力曲線４０３および直線４０４および直線４０５によって囲まれる領域の面積
５０１ ２自由度ロボットアーム
５０２ 弾性柔軟材料
６０１ 分岐処理
６０２ 動作指令１１０の時刻をδt’だけ進める処理
7００ ロボットアーム
７０１ ロボットアーム７００の第1関節
７０２ ロボットアーム７００の第２関節
７０３ 第1の障害物
７０４ 第２の障害物
７０５ 第１関節７０１の回転の向き
７０６ 第２関節７０２の回転の向き
７０７ 第１の障害物７０３からロボットアーム７００が受ける接触力
７０８ 第２の障害物７０４からロボットアーム７００が受ける接触力
100 Command generation device 101 Servo motor control device 201 Processing to calculate external output work amount estimated value 202 Branch processing 203 Stop command output processing 204 Processing to advance time of motion command 110 by δt 205 Joint motion command 116 from motion command 110 Processing 301 to be Calculated Pressing Probe 302 Force Sensor 303 Obstacle Sample 304 Pressing Direction 305 of Pressing Probe 301 Contact Force 401 Shaft 402 Corresponding to Displacement Along Pressing Direction 304 of Pressing Probe 301 Corresponds to Contact Force 305 Axis 403 Contact force curve 404 A straight line 405 corresponding to the force A straight line 406 corresponding to the amount of displacement when the contact force is generated (when it becomes a non-zero value) A region surrounded by the contact force curve 403, the straight line 404, and the straight line 405 Area 501 2-DOF robot arm 02 resilient compliant material 601 advances the time of branching process 602 operation instruction 110 .DELTA.t 'only treatment
700 Robot arm 701 First joint 702 of robot arm 700 Second joint 703 of robot arm 700 First obstacle 704 Second obstacle 705 Direction of rotation 706 of first joint 701 Direction of rotation 707 of second joint 702 Contact force 708 received by the robot arm 700 from the first obstacle 703 Contact force received by the robot arm 700 from the second obstacle 704
Claims (14)
所望の動作軌跡と速度を出力する動作指令記憶部と、
前記駆動力が所定時間内に前記ロボットに対してした仕事量である制御仕事量を算出する制御仕事量算出部と、
前記ロボットのエネルギー推定値を算出するエネルギー推定部と、
前記ロボットの前記所定時間内のエネルギー変化の推定値を算出するエネルギー変化推定値算出部と、
前記制御仕事量と前記エネルギー変化推定値とに基づいてロボットへの動作指令速度を調整または停止指令を発生する動作指令調整部と、
を備えたことを特徴とするロボットの制御装置。 A robot control device that controls the driving force of the robot,
An operation command storage unit for outputting a desired operation locus and speed;
A control work amount calculation unit for calculating a control work amount that is a work amount that the driving force is applied to the robot within a predetermined time;
An energy estimation unit for calculating an energy estimation value of the robot;
An energy change estimated value calculating unit for calculating an estimated value of energy change within the predetermined time of the robot;
An operation command adjusting unit that adjusts an operation command speed to the robot or generates a stop command based on the control work amount and the energy change estimated value;
A robot control device comprising:
ことを特徴とする、請求項１記載のロボットの制御装置。 The control work calculation unit calculates the control work by integrating a control work rate that is a product of the fed back joint speed and the driving force over a predetermined time. The robot control device described.
ことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のロボットの制御装置。 The energy change estimated value calculation unit includes an energy estimated value history storage unit that stores the energy estimated value in association with time over a predetermined time, and subtracts the energy estimated value that is previous by a predetermined time from the current energy estimated value. The robot control apparatus according to claim 1, wherein a robot is output as the energy change estimated value.
ことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のロボットの制御装置。 The operation command adjustment unit generates a stop command when an external output work amount estimated value that is a difference between the control work amount and the energy change estimated value exceeds a predetermined first threshold value, The robot control device according to any one of claims 1 to 4.
ことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のロボットの制御装置。 An alarm generation unit for notifying contact with the environment, and generating an alarm when an external output work amount estimated value that is a difference between the control work amount and the energy change estimated value exceeds the first threshold value; The robot control device according to claim 1, wherein:
前記ロボットが環境に接触したときに発生する接触力の制限値を前記ロボットが接触し得る環境内物体に印加したときに蓄えられる弾性エネルギーの大きさよりも小さな値である
ことを特徴とする、請求項５または６記載のロボットの制御装置。 The first threshold is
The limit value of the contact force generated when the robot comes into contact with the environment is a value smaller than the magnitude of elastic energy stored when the limit value of the contact force is applied to an object in the environment where the robot can contact. Item 7. The robot control device according to Item 5 or 6.
前記ロボットが環境に接触したときに発生する接触力の制限値を前記ロボット表面に装着した弾性柔軟材料に印加したときに蓄えられる弾性エネルギーの大きさよりも小さな値である
ことを特徴とする、請求項５または６記載のロボットの制御装置。 The first threshold is
The limit value of the contact force generated when the robot comes into contact with the environment is a value smaller than the magnitude of elastic energy stored when applied to the elastic flexible material attached to the robot surface. Item 7. The robot control device according to Item 5 or 6.
ことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載のロボットの制御装置。 The operation command adjustment unit outputs a delayed operation command speed output by the operation command storage unit when the external output work amount estimated value exceeds a predetermined second threshold value, The robot control device according to claim 1.
前記制御仕事量算出部における前記駆動力は前記サーボモータを流れる電流値から算出する
ことを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載のロボットの制御装置。 The robot has a servo motor as an actuator,
The robot control apparatus according to claim 1, wherein the driving force in the control work amount calculation unit is calculated from a current value flowing through the servo motor.
ことを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のロボットの制御装置。 The robot control apparatus according to claim 1, wherein the driving force is obtained by removing friction compensation.
前記アームに内蔵され、請求項１〜１２のいずれか１項に記載のロボットの制御装置によって制御されるアーム駆動用のサーボモータと、
ロボットの制御装置からの前記動作指令速度または前記停止指令に基づいてロボットの関節を駆動制御するサーボ制御部と、
を備えたことを特徴とする、ロボット。 Arm,
A servo motor for driving an arm built in the arm and controlled by the robot control device according to any one of claims 1 to 12,
A servo control unit that drives and controls a joint of the robot based on the operation command speed or the stop command from the control device of the robot;
A robot characterized by comprising:
ことを特徴とする、請求項１３記載のロボット。 The robot according to claim 13, wherein a part or the whole of the surface of the arm is covered with an elastic flexible material.
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