JPH07104725B2 - Manipulator drive system - Google Patents

Manipulator drive system

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JPH07104725B2
JPH07104725B2 JP60067429A JP6742985A JPH07104725B2 JP H07104725 B2 JPH07104725 B2 JP H07104725B2 JP 60067429 A JP60067429 A JP 60067429A JP 6742985 A JP6742985 A JP 6742985A JP H07104725 B2 JPH07104725 B2 JP H07104725B2
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JP
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joint
manipulator
motor
tacho
generator
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裕彦 荒井
▲すすむ▼ 舘
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工業技術院長
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Description

【発明の詳細な説明】 (イ)発明の目的 [産業上の利用分野] この発明はマニピュレータの駆動方式に関するものであ
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (A) Object of the Invention [Field of Industrial Application] The present invention relates to a driving system for a manipulator.

マニピュレータの操作方式の種類としては、まずマニピ
ュレータの一種である産業用ロボット、特に塗装用ロボ
ット、溶接用ロボット、シール用ロボット等において
は、操作者がアーム先端のガン等を持って動かすことに
よって作業の教示を行うことが多い。
As for the type of manipulator operation method, first, in the case of industrial robots, which are a type of manipulator, especially for painting robots, welding robots, sealing robots, etc., the operator works by holding the gun at the end of the arm. Is often taught.

また、作業環境における実際の作業をその作業環境の遠
隔にある操作環境にいる操作者が行う場合に用いられる
マスタスレーブ型マニピュレータにおいては操作者がマ
スタ側アームを手で動かすことによって作業環境下のス
レーブ側アームを操作し作業を行う。
Further, in a master-slave type manipulator used when an operator in an operation environment remote from the work environment performs an actual work in the work environment, the operator moves the master side arm by hand to reduce the work environment. Operate the slave arm to perform the work.

さらにまた、重量物をマニピュレータでハンドリングす
る場合には、マニピュレータに重量物を持たせ操作者が
それに手を添えて操作者の手の動きに沿って重量物を動
かすようにマニピュレータを制御するという操作方法が
考えられる。
Furthermore, when handling a heavy object with a manipulator, an operation is performed in which the manipulator holds the heavy object and the operator puts his or her hand on it to control the manipulator so as to move the heavy object along the movement of the operator's hand. A method can be considered.

以上の3つのマニピュレータの操作方法において、アー
ムが操作者の動きに忠実に沿って動くことが必要であ
り、操作者がアームを小さい力で動かせるように操作者
が負担する力を補助することが必要であり、またマニピ
ュレータ及び操作者の安全を確保することが必要であ
る。
In the above three manipulator operating methods, it is necessary that the arm moves along the movement of the operator faithfully, and it is possible to assist the force that the operator bears so that the operator can move the arm with a small force. It is necessary to ensure the safety of the manipulator and the operator.

[従来の技術] これら、操作者の動きの忠実な伝達や、操作者の安全の
確保や、さらには、操作者が負担する力を補助すること
を十分満足に実現するように、マニピュレータを制御
し、駆動するためには、基本的にマニピュレータに作用
する外力を検出する必要がある。
[Prior Art] These manipulators are controlled so that they faithfully transmit the movements of the operator, ensure the safety of the operator, and assist the force that the operator bears. However, in order to drive, it is basically necessary to detect the external force acting on the manipulator.

従来、マニピュレータに作用する外力を検出するために
は、力センサを使用している。しかるに、力センサは原
理的には力を簡単に検出し得る利点を有するが、誤差が
多く、動作が不安定で計測値にばらつきが生じ、かつ高
価である。しかも関節の軸が多数になると、力検出機構
が複雑になるという問題点がある。また一般にセンサは
アーム先端に置かれるためアーム中間部での干渉・衝突
等は検出できない。このようなことから、その対策技術
の開発が望まれている。
Conventionally, a force sensor is used to detect an external force acting on the manipulator. However, in principle, the force sensor has an advantage that the force can be easily detected, but it has many errors, its operation is unstable, the measured values vary, and it is expensive. Moreover, when the number of joint axes increases, the force detection mechanism becomes complicated. Further, since the sensor is generally placed at the tip of the arm, it is not possible to detect interference or collision at the middle part of the arm. Under such circumstances, the development of countermeasure technology is desired.

この発明は上記の如き事情に鑑みてなされたものであっ
て、マニピュレータに作用する外力を容易かつ正確に検
出することができ、見かけ上負荷及びマニピュレータの
重量をゼロ、慣性力・摩擦力を大幅に減少させることに
より、操作者が負担する力を補助することができ、しか
も構造が簡単でかつ安価なマニピュレータの駆動方式を
提供することを目的とするものである。
The present invention has been made in view of the above circumstances and can easily and accurately detect an external force acting on a manipulator, and apparently reduces the load and the weight of the manipulator to zero, and greatly reduces the inertial force / friction force. It is an object of the present invention to provide a manipulator drive system that can assist the force borne by the operator by reducing the number of the manipulators, and that has a simple structure and is inexpensive.

(ロ)発明の構成 [問題を解決するための手段] この目的に対応して、この発明のマニピュレータの駆動
方式は、マニピュレータのアームの関節に設けた低速・
高トルクのモータを用いて駆動する関節直接駆動方式の
マニピュレータにおいて、前記モータの電流を検出する
モータ電流検出器と、前記関節の軸の関節角を検出する
ポテンショメータと、前記関節の軸の関節角速度を検出
するタコジェネレータと、前記タコジェネレータの出力
信号を微分するタコジェネレータ信号微分器と、及びサ
ーボ増幅器を備え、前記モータ電流検出器によるモータ
電流と前記ポテンショメータによる関節角度と前記タコ
ジェネレータによる関節角速度と、前記タコジェネレー
タ信号微分器による関節角加速度から前記アームに作用
する外力を導出しかつポテンシャルによる力を打ち消し
た信号にして、前記サーボ増幅器で増幅し前記モータに
入力することを特徴としている。
(B) Configuration of the Invention [Means for Solving the Problem] To this end, the drive system of the manipulator according to the present invention is a low-speed drive provided at the joint of the arm of the manipulator.
In a joint direct drive type manipulator driven by using a high-torque motor, a motor current detector that detects a current of the motor, a potentiometer that detects a joint angle of the shaft of the joint, and a joint angular velocity of the shaft of the joint A tachogenerator for detecting the output of the tachogenerator, a tachogenerator signal differentiator for differentiating the output signal of the tachogenerator, and a servo amplifier, and the motor current by the motor current detector, the joint angle by the potentiometer, and the joint angular velocity by the tachogenerator. The external force acting on the arm is derived from the joint angular acceleration by the tacho-generator signal differentiator, and the signal resulting from canceling the force due to the potential is amplified by the servo amplifier and input to the motor.

以下、この発明の詳細を一実施例を示す図面について説
明する。
Hereinafter, details of the present invention will be described with reference to the drawings illustrating an embodiment.

第1図において、1はマニピュレータであり、操作者2
が操作する。マニピュレータ1は1本または複数本のア
ーム3を1個または複数個の関節4によって相対変位可
能に接続している。操作者2はマニピュレータ1を操作
するについて、負荷5を負担する。アーム3は関節4に
内蔵されたモータ6によって駆動される。すなわち、関
節直接駆動方式が採用されている。モータ6としては減
速機構を必要としないもの、すなわち、低速・高トルク
のダイレクトドライブ用モータを使用する。
In FIG. 1, 1 is a manipulator, and an operator 2
To operate. In the manipulator 1, one or a plurality of arms 3 are connected by one or a plurality of joints 4 so as to be capable of relative displacement. The operator 2 bears the load 5 when operating the manipulator 1. The arm 3 is driven by a motor 6 built in the joint 4. That is, the joint direct drive system is adopted. As the motor 6, a motor that does not require a speed reduction mechanism, that is, a low speed / high torque direct drive motor is used.

第2図には制御装置が示されている。制御装置7はモー
タ電流検出器8、ポテンショメータ11、タコジェネレー
タ12、タコジェネレータ信号微分器13、サーボ増幅器14
及び外力トルク検出回路15を備えている。
The control device is shown in FIG. The controller 7 includes a motor current detector 8, a potentiometer 11, a tacho generator 12, a tacho generator signal differentiator 13, and a servo amplifier 14.
And an external force torque detection circuit 15.

モータ電流検出器8はモータ6の電流を検出して外力ト
ルク検出回路15に入力する。
The motor current detector 8 detects the current of the motor 6 and inputs it to the external force torque detection circuit 15.

ポテンショメータ11は関節4の軸の関節角度を検出して
外力トルク検出回路15に入力する。
The potentiometer 11 detects the joint angle of the axis of the joint 4 and inputs it to the external force torque detection circuit 15.

タコジェネレータ12は関節4の軸の関節角速度を検出し
て外力トルク検出回路15に入力する。
The tacho generator 12 detects the joint angular velocity of the axis of the joint 4 and inputs it to the external force torque detection circuit 15.

タコジェネレータ信号微分器13はタコジェネレータ12の
出力を微分して関節4の軸の関節角加速度を導出して外
力トルク検出回路15に入力する。外力トルク検出回路15
はモータ電流検出器8によるモータ電流と、ポテンショ
メータ11による関節角度と、タコジェネレータ12による
関節角速度と、タコジェネレータ信号微分器13による関
節角加速度から関節4に作用する外力トルクを導出す
る。導出された外力トルク信号はサーボ増幅器14で増幅
される。このとき、サーボ増幅器14にはポテンシャルに
よる力を打ち消すように信号を与える。サーボ増幅器14
で増幅されかつポテンシャルによる力を打ち消した信号
はモータ6に入力され、アーム3が駆動される。
The tacho-generator signal differentiator 13 differentiates the output of the tacho-generator 12 to derive the joint angular acceleration of the axis of the joint 4 and inputs it to the external force torque detection circuit 15. External torque detection circuit 15
Derives the external force torque acting on the joint 4 from the motor current by the motor current detector 8, the joint angle by the potentiometer 11, the joint angular velocity by the tachogenerator 12, and the joint angular acceleration by the tachogenerator signal differentiator 13. The derived external force torque signal is amplified by the servo amplifier 14. At this time, a signal is given to the servo amplifier 14 so as to cancel the force due to the potential. Servo amplifier 14
The signal amplified by and canceling the force due to the potential is input to the motor 6, and the arm 3 is driven.

[作用] 低速・高トルクのモータを用いた関節直接駆動方式のマ
ニピュレータにおいては、非線形摩擦、バックラッシ
ュ、ばね成分等が極めて小さいため、アームの運動方程
式は J:アームと負荷の慣性モーメント、 b:粘性摩擦係数、K:モータ定数 τ0:外力トルク、τ(θ):ポテンシャルによるトル
ク、θ:回転角、i:モータ電流、G:外力増幅率とすると と表わされる。
[Operation] In a manipulator of a direct joint drive system that uses a low-speed and high-torque motor, nonlinear friction, backlash, spring component, etc. are extremely small. Therefore, the arm motion equation is J: arm inertia moment and load moment, b : Viscous friction coefficient, K: Motor constant τ 0 : External force torque, τ g (θ): Potential torque, θ: Rotation angle, i: Motor current, G: External force amplification factor Is represented.

モータ電流検出器8の出力から左辺第1項、ポテンショ
メータ11の出力から左辺第3項、タコジェネレータ12の
出力から右辺第2項、タコジェネレータ信号微分器13の
出力から右辺第1項が求められるため、左辺第2項の外
力を求めることができる。
The left side first term is obtained from the output of the motor current detector 8, the left side third term is determined from the potentiometer 11 output, the right side second term is determined from the tacho generator 12 output, and the right side first term is determined from the tacho generator signal differentiator 13 output. Therefore, the external force of the second term on the left side can be obtained.

τ=J+b−Ki−τ(θ) こうして得られた外力信号τに増幅率Gを掛け、更に
ポテンシャル項τ(θ)を除いて、サーボ増幅器で発
生すべきモータ電流iを、 i=(Gτ−τ(θ))/K とすれば、マニピュレータの運動は、 (1+G)τ=J+b となる。ポテンシャルによるτ(θ)が打ち消され
て、あたかも負荷及びアームの重量がゼロになったよう
な状態が生じ、また本来の外力τに加えて増幅された
トルクGτが作用し、外力の効果は(1+G)倍に増
幅されるため、外力(操作力)を補助することができ
る。
τ 0 = J + b−Ki−τ g (θ) The external force signal τ 0 thus obtained is multiplied by the amplification factor G, and the potential term τ g (θ) is removed, and the motor current i to be generated by the servo amplifier is If i = (Gτ 0 −τ g (θ)) / K, the motion of the manipulator is (1 + G) τ 0 = J + b. The potential τ g (θ) is canceled out, resulting in a state in which the load and the weight of the arm are zero, and the amplified torque Gτ 0 acts in addition to the original external force τ 0 , and the external force Since the effect is amplified by (1 + G) times, external force (operating force) can be assisted.

[他の実施例] 次に関節が複数(多軸)の制御装置7b構成を第3図に示
す。
[Other Embodiments] FIG. 3 shows the configuration of the control device 7b having a plurality of joints (multi-axis).

制御装置7bでは、各関節の軸ごとに、サーボ増幅器14、
モータ6、ポテンショメータ11、タコジェネレータ12を
設け、また、第2図の制御装置7の外力トルク検出回路
15に代えてコンピュータ16を用い、コンピュータ16の入
力側をA/D変換器17を介してサーボ増幅器14、モータ
6、ポテンショメータ11、タコジェネレータ12、タコジ
ェネレータ信号微分器13を接続し、かつ、出力側をD/A
変換器18を介して各サーボ増幅器14に接続している。
In the control device 7b, for each joint axis, the servo amplifier 14,
The motor 6, the potentiometer 11, and the tacho-generator 12 are provided, and the external force torque detection circuit of the control device 7 of FIG.
A computer 16 is used in place of 15, the input side of the computer 16 is connected to a servo amplifier 14, a motor 6, a potentiometer 11, a tacho generator 12, and a tacho generator signal differentiator 13 via an A / D converter 17, and Output side is D / A
Each servo amplifier 14 is connected via a converter 18.

軸数nの第1軸についてのアルゴリズムを第4図に示
す。
FIG. 4 shows the algorithm for the first axis with the number of axes n.

軸数nの場合の第l軸については、アームの運動方程式
となり、 で外力τ0lを求めることができる (ハ)発明の効果 この発明のマニピュレータの駆動方式では、特別の力セ
ンサを使用せず、マニピュレータの各関節に従来から設
けられているモータ、タコジェネレータ、ポテンショメ
ータをそのまま使用して外力を検出することができるの
で、従来のマニピュレータのセンサ構成に何等の変更を
加える必要がなく、構造が簡単で安価に外力の検出をす
ることができる。
For the 1st axis when the number of axes is n, the equation of motion of the arm is Next to The external force τ 0l can be calculated by (C) Effect of the invention In the driving method of the manipulator of the present invention, no special force sensor is used, and the motor, tachometer and potentiometer which are conventionally provided in each joint of the manipulator are used. Since the external force can be detected by using as it is, it is not necessary to change the sensor configuration of the conventional manipulator, and the external force can be detected inexpensively with a simple structure.

しかも力センサを使用しないところから、力センサの物
理的特性による耐環境性、耐ノイズ性の問題もなく動作
が極めて安定している。
Moreover, since the force sensor is not used, the operation is extremely stable without the problems of environment resistance and noise resistance due to the physical characteristics of the force sensor.

また、操作力を補助して負荷の重量がみかけ上はゼロ、
慣性質量、粘性摩擦をみかけ上1/(g+1)(g:フィー
ドバックゲイン)にすることができ、操作者によるマニ
ピュレータの操作を極めて小さい力で行うことが可能に
なる。
In addition, the apparent weight of the load is zero by assisting the operating force,
The inertial mass and viscous friction can be apparently set to 1 / (g + 1) (g: feedback gain), and the manipulator can be operated by the operator with an extremely small force.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図はマニピュレータの説明図、第2図は関節が1個
(1軸)の場合の制御装置の構成説明図、第3図は関節
が複数(多軸)の場合の制御装置の構成説明図、及び第
4図は多軸の場合の制御装置のアルゴリズムを示す説明
図である。 1……マニピュレータ、2……操作者、3……アーム、
4……関節、5……負荷、6……モータ、7,7b……制御
装置、8……モータ電流検出器、11……ポテンショメー
タ、12……タコジェネレータ、13……タコジェネレータ
信号微分器、14……サーボ増幅器、15……外力トルク検
出回路、16……コンピュータ、17……A/D変換器、18…
…D/A変換器
FIG. 1 is an explanatory diagram of a manipulator, FIG. 2 is a configuration explanatory diagram of a control device when there is one joint (1 axis), and FIG. 3 is a configuration explanation of a control device when there are multiple joints (multi-axis). FIG. 4 and FIG. 4 are explanatory views showing the algorithm of the control device in the case of multiple axes. 1 ... Manipulator, 2 ... Operator, 3 ... Arm,
4 ... Joint, 5 ... Load, 6 ... Motor, 7, 7b ... Control device, 8 ... Motor current detector, 11 ... Potentiometer, 12 ... Tacho generator, 13 ... Tacho generator signal differentiator , 14 …… Servo amplifier, 15 …… External torque detection circuit, 16 …… Computer, 17 …… A / D converter, 18…
… D / A converter

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−189416(JP,A) 特開 昭59−176805(JP,A) 特開 昭59−107882(JP,A) 特開 昭59−157715(JP,A) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-59-189416 (JP, A) JP-A-59-176805 (JP, A) JP-A-59-107882 (JP, A) JP-A-59- 157715 (JP, A)

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】マニピュレータのアームの関節に設けた低
速・高トルクのモータを用いて駆動する関節直接駆動方
式のマニピュレータにおいて、前記モータの電流を検出
するモータ電流検出器と、前記関節の軸の関節角を検出
するポテンショメータと、前記関節の軸の関節角速度を
検出するタコジェネレータと、前記タコジェネレータの
出力信号を微分するタコジェネレータ信号微分器と、及
びサーボ増幅器を備え、前記モータ電流検出器によるモ
ータ電流と前記ポテンショメータによる関節角度と前記
タコジェネレータによる関節角速度と、前記タコジェネ
レータ信号微分器による関節角加速度から前記アームに
作用する外力を導出しかつポテンシャルによる力を打ち
消した信号にして、前記サーボ増幅器で増幅し前記モー
タに入力することを特徴とするマニピュレータの駆動方
1. A manipulator of a direct joint drive system, which is driven by using a low-speed / high-torque motor provided in a joint of an arm of a manipulator, and a motor current detector for detecting a current of the motor, and a shaft of the joint. A potentiometer for detecting a joint angle, a tacho-generator for detecting a joint angular velocity of the axis of the joint, a tacho-generator signal differentiator for differentiating an output signal of the tacho-generator, and a servo amplifier are provided. From the motor current, the joint angle by the potentiometer, the joint angular velocity by the tacho-generator, and the joint angular acceleration by the tacho-generator signal differentiator, an external force acting on the arm is derived and a signal that cancels the force by the potential is used to generate the servo signal. Amplify with an amplifier and input to the motor Drive system of the manipulator, characterized
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