JPH10309684A - Compliance control method of manipulator - Google Patents

Compliance control method of manipulator

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JPH10309684A
JPH10309684A JP11703697A JP11703697A JPH10309684A JP H10309684 A JPH10309684 A JP H10309684A JP 11703697 A JP11703697 A JP 11703697A JP 11703697 A JP11703697 A JP 11703697A JP H10309684 A JPH10309684 A JP H10309684A
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JP
Japan
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manipulator
force
tip
equation
torque
Prior art date
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Pending
Application number
JP11703697A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Shingo Ando
慎悟 安藤
Mitsunori Kawabe
満徳 川辺
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Yaskawa Electric Corp
Original Assignee
Yaskawa Electric Corp
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Filing date
Publication date
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Publication of JPH10309684A publication Critical patent/JPH10309684A/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To realize stable and precise contact work by setting off disturbance by using an observer to estimate disturbance caused by non-linear friction, etc., in the inside of a force feedback loop of torque base compliance control. SOLUTION: Torque generated on a joint by a force vector Fext which a terminal of a manipulator gives to an environment is detected by a force torque detection means 218. Inertial force and viscous frictional force of the manipulator is determined by a computing part 215 (nominal values Mjn (q), Djn of an inertial matrix and a viscosity matrix of the manipulator). In addition to these values, non-linear friction of the manipulator is estimated in accordance with a joint speed vector of the manipulator and a low pass filter 216 (a low pass filter matrix Flt (s) to remove a high frequency component). Thereafter, force torque compliance control is constituted by regarding a difference of the non-linear friction estimated as control input uj as new control input.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明はマニピュレータと環
境との接触を伴う作業において、マニピュレータのコン
プライアンス制御方式に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a manipulator compliance control system in an operation involving contact between a manipulator and the environment.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、環境との接触を伴うマニピュレー
タの力制御方式として、コンプライアンス制御方式が開
発されている。コンプライアンス制御方式は、マニピュ
レータの手先の外力に対する動特性が望みの機械インピ
ーダンス(慣性、粘性、剛性)を有するような制御をソ
フトウェアにより実現するものである。コンプライアン
ス制御方式の内の一つに、マニピュレータに位置(速
度)制御系を構成し、その上位にインピーダンスモデル
を付加し、そのインピーダンスモデルを用いて下位の位
置(速度)制御系に位置(速度)指令を与える方式があ
る。例えば文献「計測自動制御学会論文集Vol.24,No.1,
55/62,1988」にみられる古田、小菅らの方式は位置ベー
スのコンプライアンス制御方式である(以下、位置ベー
ス・コンプライアンス制御と呼ぶ)。また、特公平4−
43744号公報にみられる方式は速度ベースのコンプ
ライアンス制御方式である(以下、速度ベース・コンプ
ライアンス制御と呼ぶ)。
2. Description of the Related Art Conventionally, a compliance control method has been developed as a force control method for a manipulator accompanied by contact with the environment. The compliance control method realizes, by software, a control in which the dynamic characteristics of the manipulator with respect to an external force at the hand have a desired mechanical impedance (inertia, viscosity, rigidity). As one of the compliance control methods, a position (speed) control system is configured on the manipulator, an impedance model is added to the upper position, and the position (speed) is set to the lower position (speed) control system using the impedance model. There is a method to give instructions. For example, in the literature `` Transactions of the Society of Instrument and Control Engineers, Vol.
55/62, 1988 "is a position-based compliance control method (hereinafter referred to as position-based compliance control). In addition,
The system disclosed in Japanese Patent No. 43744 is a speed-based compliance control system (hereinafter, referred to as speed-based compliance control).

【0003】マニピュレータの手先位置ベクトルを P =
[p1,p2,...,pi,...,pn]'(n<=6) 、その目標値ベクトル
を Pref = [pr1,pr2,...,pri,...,prn]'、マニピュレー
タの手先が環境に与える力ベクトルを fe = [fe1,fe
2,...,fei,...,fen]'とすると、位置(速度)ベース・
コンプライアンス制御は、マニピュレータの手先に取り
付けられた力検出手段あるいは推定手段によって得られ
るfe、マニピュレータの位置検出手段によって検出され
るP、および計算機内部のPrefから、
The hand position vector of the manipulator is represented by P =
[p1, p2, ..., pi, ..., pn] '(n <= 6) and the target value vector is Pref = [pr1, pr2, ..., pri, ..., prn]' , The force vector given to the environment by the manipulator hand is fe = [fe1, fe
2, ..., fei, ..., fen] '
Compliance control is based on fe obtained by force detecting means or estimating means attached to the tip of the manipulator, P detected by position detecting means of the manipulator, and Pref inside the computer,

【0004】[0004]

【数1】 (Equation 1)

【0005】などのインピーダンス特性式を満足するマ
ニピュレータの位置(速度)ベクトルを計算し、その値
を位置(速度)指令値ベクトルとして下位の位置(速
度)制御系に与える。このように、インピーダンス特性
式は式(1)〜(3)のように様々なタイプがある。式(1)〜
(3)においてMd, Dd, Kdはそれぞれ慣性、粘性、剛性を
表す正定対称行列である。一方、文献「ロボット工学ハ
ンドブック p.254,日本ロボット学会,1990,コロナ
社」にみられる方式は、位置あるいは速度ベース・コン
プライアンス制御方式とは異なり、まず、マニピュレー
タに力およびトルクのフィードバツク制御を構成し、そ
の上位に位置、速度、加速度などのフィードバックルー
プを構成することにより、マニピュレータの仮想的な慣
性、粘性、剛性(仮想慣性、仮想粘性、仮想剛性)を調
節する力トルクベースのコンプライアンス制御方式であ
る(以下、力トルクベース・コンプライアンス制御と呼
ぶ)。
[0005] A position (speed) vector of the manipulator that satisfies the impedance characteristic equation is calculated, and the calculated value is given to a lower position (speed) control system as a position (speed) command value vector. As described above, there are various types of impedance characteristic expressions as shown in Expressions (1) to (3). Equation (1)-
In (3), Md, Dd, and Kd are positive definite symmetric matrices representing inertia, viscosity, and rigidity, respectively. On the other hand, the method found in the document “Robot Engineering Handbook p.254, Robotics Society of Japan, 1990, Corona” differs from the position or velocity-based compliance control method in that feedback control of force and torque is first performed on the manipulator. Force torque-based compliance control that adjusts the virtual inertia, viscosity, and stiffness (virtual inertia, virtual viscosity, virtual stiffness) of the manipulator by configuring a feedback loop for position, velocity, acceleration, etc. (Hereinafter referred to as force torque based compliance control).

【0006】作業空間で表したマニピュレータの運動方
程式はつぎのように表される。
The equation of motion of the manipulator expressed in the work space is expressed as follows.

【0007】[0007]

【数2】 (Equation 2)

【0008】q = [q1,q2,...,qi,...,qn]' は関節変数
ベクトル、uf = [uf1,uf2,...,ufi,...,ufn]'は制御入
力ベクトルである。M(q),D(q) はそれぞれマニピュレー
タの慣性行列、粘性行列である。S(q,dq/dt)はマニピュ
レータの重力、関節間の遠心力・コリオリ力、非線形摩
擦力を表す項である。制御入力ufは各関節に設けられた
アクチュエータの発生力(トルク)によって生ずるマニ
ピュレータ手先での発生力(モーメント)を表してい
る。すなわち、関節駆動力(トルク)をuj = [uj1,uj
2,...,uji,...,ujn]'とすると、 uj = J(q)' uf (5) が成り立つ。ここでJ(q)はマニピュレータのヤコビ行列
である。力トルクベース・コンプライアンス制御では、
まず、つぎのような力トルクフィードバツク制御を構成
する。
Q = [q1, q2, ..., qi, ..., qn] 'is a joint variable vector, and uf = [uf1, uf2, ..., ufi, ..., ufn]' is a control This is an input vector. M (q) and D (q) are a manipulator inertia matrix and a viscous matrix, respectively. S (q, dq / dt) is a term representing the gravity of the manipulator, the centrifugal force / Coriolis force between the joints, and the nonlinear friction force. The control input uf represents a force (moment) generated at the manipulator hand by the force (torque) generated by the actuator provided at each joint. That is, the joint driving force (torque) is expressed as uj = [uj1, uj
2, ..., uji, ..., ujn] ', then uj = J (q)' uf (5). Here, J (q) is the Jacobian matrix of the manipulator. With force torque based compliance control,
First, the following force torque feedback control is configured.

【0009】 uf = fcmd + Kf( fcmd - fe ) (6) ここで、fcmd,Kfはそれぞれ力指令値ベクトル、力フィ
ードバツクゲイン行列である。式(4),(6) より、fcmdに
対するマニピュレータの応答は、
Uf = fcmd + Kf (fcmd-fe) (6) Here, fcmd and Kf are a force command value vector and a force feedback gain matrix, respectively. From equations (4) and (6), the response of the manipulator to fcmd is

【0010】[0010]

【数3】 (Equation 3)

【0011】となる。ここで、Iは単位行列を表す。さ
らに、力指令fcmdを位置、速度、加速度のフィードバツ
クにより、
## EQU1 ## Here, I represents a unit matrix. In addition, the force command fcmd is given by feedback of position, speed and acceleration.

【0012】[0012]

【数4】 (Equation 4)

【0013】と構成すると、式(7),(8) より、マニピュ
レータの手先に加わる外力 -feに対するマニピュレータ
の応答は、
From the equations (7) and (8), the response of the manipulator to the external force -fe applied to the hand of the manipulator is:

【0014】[0014]

【数5】 (Equation 5)

【0015】となる。式(9)より力フィードバックゲイ
ン行列Kf、速度フィードバックゲイン行列Dv、加速度フ
ィードバックゲイン行列Maを調節することにより、マニ
ピュレータの仮想慣性、仮想粘性を任意ではないがある
程度自由に設定できる。また、位置フィードバックゲイ
ン行列Kdによって仮想剛性は任意に設定できる。
## EQU1 ## By adjusting the force feedback gain matrix Kf, the velocity feedback gain matrix Dv, and the acceleration feedback gain matrix Ma from Expression (9), the virtual inertia and the virtual viscosity of the manipulator can be set to some extent, though not arbitrarily. The virtual stiffness can be arbitrarily set by the position feedback gain matrix Kd.

【0016】[0016]

【発明が解決しようとする課題】位置、速度ベース・コ
ンプライアンス制御は位置、速度制御系をべ一スにして
いるため位置制御精度は良い。しかし、マニピュレータ
の手先が剛性の高い環境に接触した場合、位置、速度制
御系の位相遅れのためにインピーダンスモデルの仮想粘
性を小さく設定すると、接触が不安定になるという問題
がある。一方、力トルクベース・コンプライアンス制御
は、位置、速度ベース・コンプライアンス制御に比ベて
より小さな仮想粘性に対して接触は安定となる。しか
し、非線形摩擦や重力の影響により、位置制御精度が悪
いという問題がある。また、アクチュエータ部とリンク
部が減速機などの動力伝達機構を介して結合されたロボ
ットマニピュレータでは、減速機の剛性に起因するマニ
ピュレータの機械的共振の影響によりコンプライアンス
制御系の接触安定性が劣化し、従来の力トルクベース・
コンプライアンス制御においても十分な接触安定性が保
証されないという問題がある。したがって、従来のコン
プライアンス制御方式では、接触安定性と位置制御精度
の両者共に良好なコンプライアンス制御系を実現できな
いという問題がある。
The position and speed based compliance control is based on a position and speed control system, so that the position control accuracy is good. However, when the tip of the manipulator comes into contact with a highly rigid environment, there is a problem that if the virtual viscosity of the impedance model is set small due to the phase delay of the position / speed control system, the contact becomes unstable. On the other hand, in the force torque based compliance control, the contact becomes stable with respect to a smaller virtual viscosity than in the position and velocity based compliance control. However, there is a problem that the position control accuracy is poor due to the effects of nonlinear friction and gravity. In the case of a robot manipulator in which the actuator section and the link section are connected via a power transmission mechanism such as a speed reducer, the contact stability of the compliance control system deteriorates due to the mechanical resonance of the manipulator caused by the rigidity of the speed reducer. , Conventional force torque base
There is a problem that sufficient contact stability cannot be guaranteed even in compliance control. Therefore, the conventional compliance control method has a problem that it is not possible to realize a good compliance control system in both the contact stability and the position control accuracy.

【0017】[0017]

【課題を解決するための手段】本発明は、上記従来技術
の問題点を解決するために、マニピュレータに力および
トルクのフィードバツク制御を構成し、その上位に、位
置、速度、加速度のフィードバツク制御を構成したこと
を特徴とする力トルクベースのコンプライアンス制御方
式において、力トルクフィードバックループの内部に、
非線形摩擦やマニピュレータの重力、各関節間の干渉力
による等価外乱を推定するオブザーバを用いて上記外乱
を相殺する補償器を付加したことを特徴とするものであ
る。本発明は、また、マニピュレータの先端の位置、速
度、加速度信号および先端に加わる外力を計測または推
定する手段を有し、マニピュレータの先端の運動を、先
端の位置、速度、加速度信号および先端に加わる外力信
号と、作業に応じて値を設定する仮想慣性、仮想粘性、
仮想剛性に基づいて表されるインピーダンス特性式から
計算される運動に一致するように制御を行うコンプライ
アンス制御方式において、インピーダンス特性式を超平
面(切替え平面)とするスライディングモード制御を構
成することによって、マニピュレータ先端に仮想的なイ
ンピーダンスを実現することを特徴とする。
SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the above-mentioned problems of the prior art, the present invention provides a manipulator with feedback control of force and torque. In the force torque based compliance control method characterized by comprising control, inside the force torque feedback loop,
The present invention is characterized in that a compensator for canceling the above-mentioned disturbance is added by using an observer for estimating an equivalent disturbance due to nonlinear friction, the gravity of the manipulator, and the interference force between the joints. The present invention also has means for measuring or estimating the position, velocity, acceleration signal and external force applied to the tip of the manipulator, and applying the movement of the manipulator tip to the position, velocity, acceleration signal and the tip of the manipulator. External force signal, virtual inertia, virtual viscosity to set the value according to the work,
In a compliance control method that performs control so as to match a motion calculated from an impedance characteristic expression expressed based on virtual stiffness, by configuring a sliding mode control in which the impedance characteristic expression is a hyperplane (switching plane), It is characterized by realizing a virtual impedance at the tip of the manipulator.

【0018】また、本発明は、アクチュエータ部とリン
ク部が有限の剛性を有する動力伝達機構を介して結合さ
れているロボットマニピュレータの制御方式であり、ア
クチュエータ部の位置、速度、リンク部の位置、速度、
加速度およびマニピュレータの先端に加わる外力信号を
検出あるいは推定する手段を有し、マニピュレータの先
端の運動を、先端の位置、速度、加速度および先端に加
わる外力信号と、作業に応じて値を設定する仮想慣性、
仮想粘性、仮想剛性に基づいて表されるインピーダンス
特性式から計算される運動に一致するように制御を行う
コンブライアンス制御方式において、アクチュエータ部
の位置とリンク部の位置の偏差を、ロボットマニピュレ
ータへの新たな外部力トルク指令の動力伝達機構の剛性
分の1に収束させる制御することを特徴とする。
Further, the present invention is a control system for a robot manipulator in which an actuator section and a link section are connected via a power transmission mechanism having a finite rigidity, and the position, speed, position of the link section, speed,
A means for detecting or estimating acceleration and an external force signal applied to the tip of the manipulator, and setting the value of the motion of the tip of the manipulator in accordance with the position, speed, acceleration and the external force signal applied to the tip, and the value according to the work; inertia,
In the vibrance control system that performs control to match the motion calculated from the impedance characteristic formula based on virtual viscosity and virtual stiffness, the deviation between the position of the actuator unit and the position of the link unit is applied to the robot manipulator. It is characterized in that control is performed to converge the new external force torque command to one-stiffness of the power transmission mechanism.

【0019】[0019]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。まず、減速機を有するロボットマ
ニピュレータについて簡単に説明する。図3(a)はア
クチュエータ部とリンク部が減速機によって結合された
1自由度ロボットマニピュレータの概略図を表してい
る。同図において、1はアクチュエータ、2はリンク、
3はエンドエフェクタ、4は減速機、5はアクチュエー
タ部の位置、速度検出器、6はリンク部の位置、速度、
加速度検出器、7はエンドエフェクタに加わる外力の検
出器である。減速機4の剛性のために減速後のアクチュ
エータ回転角とリンク回転角にはねじりが生じる。ここ
で、図3(b)のように、エンドエフェクタ3が環境8
に接触している場合を考える。ただし、アクチュエータ
1のステータと環境8は作業空間に固定されているもの
とする。このとき、接触点近傍での1自由度ロボットマ
ニピュレータの運動は図5のようにモデル化できる。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. First, a robot manipulator having a speed reducer will be briefly described. FIG. 3A is a schematic diagram of a one-degree-of-freedom robot manipulator in which an actuator unit and a link unit are connected by a speed reducer. In the figure, 1 is an actuator, 2 is a link,
3 is an end effector, 4 is a speed reducer, 5 is a position and speed detector of an actuator unit, 6 is a position and speed of a link unit,
The acceleration detector 7 is a detector for detecting an external force applied to the end effector. Due to the rigidity of the speed reducer 4, the actuator rotation angle and the link rotation angle after deceleration are twisted. Here, as shown in FIG. 3B, the end effector 3 is
Consider the case of contact with. However, the stator of the actuator 1 and the environment 8 are assumed to be fixed in the working space. At this time, the motion of the one-degree-of-freedom robot manipulator near the contact point can be modeled as shown in FIG.

【0020】図5において21はアクチュエータ部の慣
性Mm、22はアクチュエータ部の粘性摩擦係数Dm、23
はリンク部の償性Ml、24はリンク部の粘性摩擦係数D
l、25は減速機の剛性Kg、26は環境の剛性Ko、27
はアクチュエータ発生力uf、28はエンドエフェクタ3
が環境8に与える力feを表している。ここで、アクチュ
エータ部の位置、速度検出器5から計算されるエンドエ
フェクタの微小変位をxm、リンク部の位置、速度、加速
度検出器6から得られるエンドエフェクタの微小変位を
xlとおくと、図5のモデルはつぎの数式で表される。
In FIG. 5, reference numeral 21 denotes an inertia Mm of the actuator section, 22 denotes a viscous friction coefficient Dm of the actuator section, 23
Is the compensation Ml of the link, and 24 is the viscous friction coefficient D of the link
l, 25 is the reduction gear rigidity Kg, 26 is the environmental rigidity Ko, 27
Is the actuator generating force uf, 28 is the end effector 3
Represents the force fe applied to the environment 8. Here, the position of the actuator unit, the minute displacement of the end effector calculated from the speed detector 5 is xm, and the position, the speed of the link unit, and the minute displacement of the end effector obtained from the acceleration detector 6 are xm.
If xl is set, the model in FIG. 5 is represented by the following equation.

【0021】[0021]

【数6】 (Equation 6)

【0022】また、エンドエフェクタ3と環境8との接
触点を微小変位xm,xlの原点とすると、 fe = Ko xl (12) が成り立つ。 (実施例1)つぎに、本発明の実施例である制御系の構
成について説明する。2つの微小変位xmと xlの偏差を ex = xm - xl (13) とおく。ここで、偏差exが新たな制御入力vに対して、
超平面W = 0 を
If the contact point between the end effector 3 and the environment 8 is the origin of the small displacement xm, xl, fe = Ko xl (12) holds. (Embodiment 1) Next, the configuration of a control system according to an embodiment of the present invention will be described. Let the deviation between the two small displacements xm and xl be ex = xm-xl (13). Here, the deviation ex corresponds to a new control input v.
Hyperplane W = 0

【0023】[0023]

【数7】 (Equation 7)

【0024】とするスライディングモードが生じるよう
に制御入力ufを設計する。ただし、Cは正のスカラ定数
である。式(14)において、アクチュエータ部の位置xmと
リンク部の位置xlの偏差exが新たな外部トルク指令vの
動力伝達機構の剛性分の1(1/Kg)に収束するよに超
平面を設定している。スライディングモードが生じてい
るときの1自由度ロボットマニピュレータについては、
式(11),(14) の応答は
The control input uf is designed so that the following sliding mode occurs. Where C is a positive scalar constant. In equation (14), a hyperplane is set such that the deviation ex between the position xm of the actuator unit and the position xl of the link unit converges to 1 / (1 / Kg) of the rigidity of the power transmission mechanism for the new external torque command v. doing. For the one-degree-of-freedom robot manipulator when the sliding mode occurs,
The responses of Eqs. (11) and (14) are

【0025】[0025]

【数8】 (Equation 8)

【0026】となる。式(16)をラプラス変換すると## EQU1 ## Equation (16) is Laplace transformed

【0027】[0027]

【数9】 (Equation 9)

【0028】となる。C [ rad/s ]より十分低い周波数
帯域ではex = v/Kg すなわち、 xm = xl + v/Kg (18) が成り立つ。1自由度ロボットマニピュレータの新たな
制御入力vに対する応答は、式(15),(17)より次のよう
になる。
## EQU1 ## In a frequency band sufficiently lower than C [rad / s], ex = v / Kg, that is, xm = xl + v / Kg (18) holds. The response of the one-degree-of-freedom robot manipulator to a new control input v is as follows from Expressions (15) and (17).

【0029】[0029]

【数10】 (Equation 10)

【0030】ここで、V を V = Kf( fcmd - fe ) + fcmd (20)Here, V is expressed as V = Kf (fcmd-fe) + fcmd (20)

【0031】[0031]

【数11】 [Equation 11]

【0032】のように、マニピュレータ先端に加わる外
力フィードバツクの外側にリンク部の位置、速度フィー
ドバツクを構成する力トルクベース・コンプライアンス
制御における力トルク指令とする。ここで、Kf, Dv, Kd
はそれぞれ力フィードバツクゲイン、速度フィードバツ
クゲイン、位置フィードバツクゲインである。式(19),
(20),(21)より、外力 -fe(図5参照)に対する1自由
度ロボットマニピュレータの応答は、
As described above, the position of the link portion outside the external force feedback applied to the tip of the manipulator, and the force torque command in the force torque base compliance control constituting the speed feedback. Where Kf, Dv, Kd
Are the force feedback gain, velocity feedback gain, and position feedback gain, respectively. Equation (19),
From (20) and (21), the response of the one-degree-of-freedom robot manipulator to the external force -fe (see Fig. 5) is

【0033】[0033]

【数12】 (Equation 12)

【0034】となり、ロボットマニピュレータの機械的
共振が抑えられていることがわかる。また、式(22)はC
[ rad/s ]より十分低い周波数帯域では、
This indicates that the mechanical resonance of the robot manipulator is suppressed. Equation (22) is C
In the frequency band sufficiently lower than [rad / s],

【0035】[0035]

【数13】 (Equation 13)

【0036】となる。ただし、xrefはエンドエフェクタ
の微小変位xlの目標軌道である。式(23)はインピーダン
ス特性式そのものである。式(12),(22) より、xref = 0
とすると接触系のブロック線図は図4のように表され
る。図4において、11は1自由度マニピュレータの応
答式(22)を示すブロック、12は環境の剛性Koを表すブ
ロックである。図4の接触系が安定となる必要十分条件
## EQU1 ## Here, xref is the target trajectory of the minute displacement xl of the end effector. Equation (23) is the impedance characteristic equation itself. From Equations (12) and (22), xref = 0
Then, a block diagram of the contact system is represented as shown in FIG. In FIG. 4, reference numeral 11 denotes a block representing the response equation (22) of the one-degree-of-freedom manipulator, and reference numeral 12 denotes a block representing the rigidity Ko of the environment. The necessary and sufficient conditions for stabilizing the contact system in FIG.

【0037】[0037]

【数14】 [Equation 14]

【0038】となる。環境の剛性Koが有限であれば、C
を大きくすることによって接触安定条件の式(24)が満足
されることがわかる。以上の手段により、減速機などの
動力伝達機構の剛性に起因するマニピュレータの機械的
共振が抑圧された力トルクベース・コンプライアンス制
御が構成されるため、従来のコンプライアンス制御系に
比ベて接触安定性が良く実用的なコンプライアンス制御
が実現できる。つぎに、式(14)を超平面とするスライデ
ィングモードを生じさせる制御入力ufを求める。なお、
図1は制御系全体のブロック線図である。式(10),(11),
(13),(14),(20),(21) より、制御入力ufを
## EQU4 ## If the rigidity of the environment Ko is finite, C
It can be seen that increasing the value of satisfies the equation (24) for the contact stability condition. By the above means, the force torque-based compliance control that suppresses the mechanical resonance of the manipulator due to the rigidity of the power transmission mechanism such as the reduction gear is configured, and the contact stability is higher than the conventional compliance control system. Good and practical compliance control can be realized. Next, a control input uf for generating a sliding mode in which the expression (14) is a hyperplane is obtained. In addition,
FIG. 1 is a block diagram of the entire control system. Equations (10), (11),
(13), (14), (20), (21)

【0039】[0039]

【数15】 (Equation 15)

【0040】とおくと、W dW/dt はつぎのようになる。In other words, W dW / dt is as follows.

【0041】[0041]

【数16】 (Equation 16)

【0042】したがって、 he < Kg(1 + Mm/Ml) - C Mm(1+Kf)Dv/Ml if W ex > 0 he > Kg(1 + Mm/Ml) - C Mm(1+Kf)Dv/Ml if W ex < 0Therefore, he <Kg (1 + Mm / Ml) -C Mm (1 + Kf) Dv / Ml if W ex> 0 he> Kg (1 + Mm / Ml) -C Mm (1 + Kf) Dv / Ml if W ex <0

【0043】[0043]

【数17】 [Equation 17]

【0044】を満足するように式(25)の各ゲインを切り
替えることによって、W dW/dt < 0 が成り立ち、スライ
ディングモードが生じる。制御系全体のブロック線図は
図1のようになる。図1において、101はロボットマ
ニピュレータのダイナミクス(10),(11) 、102は環境
の剛性である。103は位置フィードバックゲイン(仮
想剛性)Kd、104は速度フィードバツクゲイン(仮想
粘性を調節するゲイン)Dv、105は力フィードバック
ゲインKf、106は微分演算器である。107は超平面
(14)の計算部、108aは式(27)に基づくフィードバツ
クゲインの切替え演算部である。109、110、11
2、113、113aはそれぞれex, dxm/dt, dxl/dt,
dfe/dt, feのフィードバツクゲインである。111はdx
ref/dtのフィードフォワードゲインである。114、1
15、116、117、118はそれぞれロボットマニ
ピュレータ先端に加わる外力の検出器、アクチュエータ
部の位置xmの検出器、アクチュエータ部の速度dxm/dtの
検出器、リンク部の位置xlの検出器、リンク部の速度dx
l/dtの検出器である。
By switching each gain of the equation (25) so as to satisfy the condition, W dW / dt <0 is satisfied, and a sliding mode is generated. FIG. 1 is a block diagram of the entire control system. In FIG. 1, 101 is the dynamics (10) and (11) of the robot manipulator, and 102 is the rigidity of the environment. 103 is a position feedback gain (virtual rigidity) Kd, 104 is a velocity feedback gain (gain for adjusting virtual viscosity) Dv, 105 is a force feedback gain Kf, and 106 is a differential calculator. 107 is a hyperplane
The calculation unit 108a in (14) is a feedback gain switching calculation unit based on equation (27). 109, 110, 11
2, 113 and 113a are ex, dxm / dt, dxl / dt,
This is the feedback gain of dfe / dt, fe. 111 is dx
This is the feed forward gain of ref / dt. 114, 1
Reference numerals 15, 116, 117, and 118 denote detectors for an external force applied to the tip of the robot manipulator, a detector for the position xm of the actuator unit, a detector for the speed dxm / dt of the actuator unit, a detector for the position xl of the link unit, and the link unit, respectively. Speed dx
l / dt detector.

【0045】超平面の計算部107はVの値と式(14)に
基づいてWの値を計算する。切替え演算部108aはW
値と式(27)に基づいて各フィードバツクゲイン109〜
113、113aの値を変更する。また、リンク部の加
速度が検出できる場合は、制御入力ufを
The hyperplane calculation unit 107 calculates the value of W based on the value of V and equation (14). The switching operation unit 108a has W
Based on the value and equation (27), each feedback gain 109-
Change the values of 113 and 113a. If the acceleration of the link can be detected, the control input uf

【0046】[0046]

【数18】 (Equation 18)

【0047】とおくと、W dW/dt はIn other words, W dW / dt is

【0048】[0048]

【数19】 [Equation 19]

【0049】となるから、 he < Kg if W ex > 0 he > Kg if W ex < 0He <Kg if W ex> 0 he> Kg if W ex <0

【0050】[0050]

【数20】 (Equation 20)

【0051】を満足するように式(28)の各ゲインを切り
替えれば良い。このときの制御系全体のブロック線図は
図2のようになる。式(29),(30) より、リンク部の加速
度信号を用いることによってリンク部の慣性Ml、粘性摩
擦係数Dlの値がわからなくても、制御系を構成すること
ができる。図2において108b、112b、119は
それぞれ式(30)に基づくゲイン切替え演算部、リンク部
の加速度のフィードバツクゲイン、リンク部の加速度の
検出器である。他の要素については図1と全く同じであ
る。また、ここでは1自由度ロボットマニピュレータに
ついての実施形態を示したが、多自由度ロボットマニピ
ュレータについても全く同様の方法で制御系を構成する
ことができる。 (実施例2)本発明の実施例2について説明する。
It suffices to switch the respective gains in the equation (28) so as to satisfy the above condition. A block diagram of the entire control system at this time is as shown in FIG. From the equations (29) and (30), it is possible to configure a control system by using the acceleration signal of the link portion without knowing the values of the inertia Ml and the viscous friction coefficient Dl of the link portion. In FIG. 2, reference numerals 108b, 112b, and 119 denote a gain switching calculator, a feedback gain of the acceleration of the link unit, and a detector of the acceleration of the link unit based on the equation (30), respectively. The other elements are exactly the same as in FIG. In addition, although the embodiment has been described with respect to the one-degree-of-freedom robot manipulator, the control system can be configured in exactly the same manner for a multi-degree-of-freedom robot manipulator. (Embodiment 2) Embodiment 2 of the present invention will be described.

【0052】マニピュレータの関節空間での運動方程式
The equation of motion of the manipulator in the joint space is

【0053】[0053]

【数21】 (Equation 21)

【0054】おく。ここで、Mj(q),Djはそれぞれ関節空
間でのマニピュレータの慣性行列、粘性行列である。Tf
ric は関節空間での非線形摩擦ベクトル、Textはマニピ
ュレータの手先が環境に与える力ベクトル(トルクも含
む)Fextによって関節に生じるトルクであり、 Tfric = J(q)'Ffric , Text = J(q)' Fext (32) が成り立つ。慣性行列 Mj(q)、粘性行列Djの公称値(ノ
ミナル値:パラメータ同定によって求める)をMjn(q),
Djn とおく。また、マニピュレータの関節速度ベクトル
をy=dq/dtとおく。式(31)からマニピュレータの非線形
摩擦をつぎのように推定する。 ^Tfric(s) = Flt(s)[ uj(s) - Text(s) - {Mjn(q)s + Djn }Y(s)] (33) ここで、^ は推定値であることを表す。Flt(s)は、推
定値の高周波成分を除去するローパスフィルタ行列であ
る。
I will put it. Here, Mj (q) and Dj are an inertia matrix and a viscous matrix of the manipulator in the joint space, respectively. Tf
ric is the nonlinear friction vector in the joint space, Text is the torque generated at the joint by the force vector (including torque) Fext given to the environment by the manipulator's hand, and Tfric = J (q) 'Ffric, Text = J (q) 'Fext (32) holds. The nominal values (nominal values: obtained by parameter identification) of the inertia matrix Mj (q) and the viscosity matrix Dj are Mjn (q),
Djn. Also, let the joint velocity vector of the manipulator be y = dq / dt. From the equation (31), the non-linear friction of the manipulator is estimated as follows. ^ Tfric (s) = Flt (s) [uj (s)-Text (s)-{Mjn (q) s + Djn} Y (s)] (33) where ^ represents an estimated value . Flt (s) is a low-pass filter matrix that removes high-frequency components of the estimated value.

【0055】式(33)より推定された非線形摩擦 ^Tfric
(s)を用いて、制御入力ujをつぎのように構成する。 uj(s) =  ̄uj(s) + ^Tfric(s) (34) 式(33), (34)より外乱オブザーバを用いた非線形摩擦の
補償器は、図6に示すような構成となる。図6におい
て、215はマニピュレータの慣性力と粘性摩擦力の計
算部、216はローパスフィルタ、217はヤコビ行列
の転置行列、218はマニピュレータ手先に加わる力ト
ルク検出手段、219はマニピュレータの関節角速度検
出手段、220は関節アクチュエータのトルクを制御す
るドライバ、221はマニピュレータのダイナミクスで
ある。
The nonlinear friction ^ Tfric estimated from equation (33)
Using (s), the control input uj is configured as follows. uj (s) =  ̄uj (s) + ^ Tfric (s) (34) From Equations (33) and (34), the nonlinear friction compensator using the disturbance observer has a configuration as shown in FIG. In FIG. 6, reference numeral 215 denotes a calculation unit for calculating the inertial force and viscous friction force of the manipulator, 216 denotes a low-pass filter, 217 denotes a transpose of a Jacobian matrix, 218 denotes a force torque applied to the manipulator hand, and 219 denotes a joint angular velocity detection means of the manipulator. , 220 are drivers for controlling the torque of the joint actuator, and 221 is the dynamics of the manipulator.

【0056】ここで、式(34)の ̄uj を新たな制御入力
とみなして前述の力トルクベース・コンプライアンス制
御を構成する。式(33), (34)より制御入力ujは、
Here,  ̄uj in equation (34) is regarded as a new control input, and the above-described force torque base compliance control is configured. From Equations (33) and (34), the control input uj is

【0057】[0057]

【数22】 (Equation 22)

【0058】と表さる。力トルクベース・コンプライア
ンス制御を式(6),(8) と同様に、  ̄uf = Fcmd + Kf( Fcmd - Fext ) (36)
## EQU5 ##  ̄uf = Fcmd + Kf (Fcmd-Fext) (36)

【0059】[0059]

【数23】 (Equation 23)

【0060】と構成する。 ̄ujを式(5) と同様にマニピ
ュレータのヤコビ行列を用いて、  ̄uj = J(q)'  ̄uf (38) と構成する。ローパスフィルタ行列を
The configuration is as follows.  ̄uj is constructed as 式 uj = J (q) ' ̄uf (38) using the Jacobian matrix of the manipulator in the same manner as in equation (5). Low-pass filter matrix

【0061】[0061]

【数24】 (Equation 24)

【0062】と設定すると、式(35)〜(39)より、外乱オ
ブザーバによる非線形摩擦補償器を内部に持つ力トルク
ベース・コンプライアンス制御系のブロック線図は図7
のように表される。図7は本発明の実施例2における制
御ブロック図である。図7において、201、202、
203はそれぞれ、位置フィードバックゲイン、速度フ
ィードバックゲイン、力フィードバックゲインである。
204、205、206はそれぞれ、マニピュレータの
ヤコビ行列の転置行列、ヤコビ行列、マニピュレータの
順キネマティクス変換行列である。207、208、2
09はそれぞれ、マニピュレータの関節駆動力指令の比
例積分器、外力による関節トルクの積分器、マニピュレ
ータの慣性力および粘性摩擦力の積分値の計算部であ
る。210、211、212、213、214はそれぞ
れ、マニピュレータ手先に加わる力トルク検出手段、マ
ニピュレータの関節角速度検出手段、マニピュレータの
関節角検出手段、マニピュレータ関節アクチュエータの
ドライバ(トルク制御器)、マニピュレータのダイナミ
クスである。図7の207〜209が図6の外乱トルク
補償器に相当する。ただし、図7の制御系では加速度フ
ィードバックゲインを零行列としている。Mj(q) はマニ
ピュレータの位置、姿勢によって変化するが、産業用マ
ニピュレータでは減速機の効果により慣性行列の対角要
素が非対角要素に比ベて優勢となるため、Mjn(q)を対角
行列に近似して計算量を低減することができる。また、
Mjn(q)をある位置、姿勢で線形化近似して求め、定数行
列として等価外乱補償器を構成してもよい。 (実施例3)実施例2では外乱オブザーバによる非線形
摩擦、重力項の補償器を関節空間で構成したが、同様に
してその補償器を作業空間で構成することもできる。
From the equations (35) to (39), a block diagram of a force torque based compliance control system having a nonlinear friction compensator with a disturbance observer therein is shown in FIG.
It is represented as FIG. 7 is a control block diagram according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 7, 201, 202,
203 is a position feedback gain, a speed feedback gain, and a force feedback gain, respectively.
Reference numerals 204, 205, and 206 denote a transpose matrix of the Jacobian matrix of the manipulator, a Jacobian matrix, and a forward kinematics transformation matrix of the manipulator, respectively. 207, 208, 2
Reference numeral 09 denotes a proportional integrator for manipulator joint driving force command, an integrator for joint torque due to external force, and a calculator for calculating integrated values of inertia force and viscous friction force of the manipulator. 210, 211, 212, 213 and 214 are force torque detecting means applied to the manipulator hand, manipulator joint angular velocity detecting means, manipulator joint angle detecting means, manipulator joint actuator driver (torque controller), and manipulator dynamics, respectively. is there. Reference numerals 207 to 209 in FIG. 7 correspond to the disturbance torque compensator in FIG. However, in the control system of FIG. 7, the acceleration feedback gain is a zero matrix. Mj (q) changes depending on the position and attitude of the manipulator.In industrial manipulators, the diagonal element of the inertia matrix becomes dominant over the off-diagonal element due to the effect of the reduction gear. The amount of calculation can be reduced by approximating an angular matrix. Also,
Mjn (q) may be linearized and approximated at a certain position and orientation, and an equivalent disturbance compensator may be configured as a constant matrix. (Embodiment 3) In Embodiment 2, the compensator for the non-linear friction and the gravitational term by the disturbance observer is configured in the joint space, but the compensator may be configured in the work space in the same manner.

【0063】マニピュレータの作業空間での慣性行列、
粘性行列の公称値Mn(q), Dn(q)はマニピュレータの関節
空間での慣性行列、粘性行列の公称値Mjn(q),Djnにより
The inertia matrix in the workspace of the manipulator,
The nominal value of the viscosity matrix Mn (q), Dn (q) is calculated by the inertia matrix in the joint space of the manipulator, the nominal value of the viscosity matrix Mjn (q), Djn.

【0064】[0064]

【数25】 (Equation 25)

【0065】と表される。式(33), (34)の非線形摩擦の
補償器を ^Ffric(s) = Flt(s)[ uf(s) - Fext(s) - { Mn(q)s + Dn(q) }Z(s) ] (41) uf(s) =  ̄uf(s) + ^Ffric(s) (42) と構成し、 ̄uf を新たな制御入力として力トルクベー
ス・コンプライアンス制御を構成すればよい。ただし、
z は z=dX/dtである(マニピュレータの作業空間での速
度ベクトル)。実施例2と同様に、マニピュレータの減
速効果が大きく、作業空間での等方性が良い場合には、
Mn(q), Dn(q)をある位置、姿勢で線形近似して求め、定
数行列として等価外乱補償器を構成することもできる。 (実施例4)スライディングモード制御におけるW = 0
Is expressed as follows.非 線形 Ffric (s) = Flt (s) [uf (s)-Fext (s)-{Mn (q) s + Dn (q)} Z ( s)] (41) uf (s) =  ̄uf (s) + ^ Ffric (s) (42), and  ̄uf may be used as a new control input to configure force torque based compliance control. However,
z is z = dX / dt (manipulator velocity vector in the workspace). As in the second embodiment, when the deceleration effect of the manipulator is large and the isotropy in the work space is good,
It is also possible to obtain Mn (q) and Dn (q) by linear approximation at a certain position and orientation, and configure an equivalent disturbance compensator as a constant matrix. (Embodiment 4) W = 0 in sliding mode control
To

【0066】[0066]

【数26】 (Equation 26)

【0067】で表されるインピーダンス特性式とし、仮
想粘性行列Dd、仮想剛性行列Kdは対角行列 Dd = diag[ dd1, dd2, ... , ddi, ... , ddn ] (44) Kd = diag[ kd1, kd2, ... , kdi, ... , kdn ] (45) とする。 ̄fe は、feをローパスフィルタ行列式 Flt = diag[ 1/(t1 s + 1),1/(t2 s + 1), ... ,1/(tn s + 1) ] (46) によってフィルタリングした力ベクトルである。ただ
し、ローパスフィルタのカットオフ周波数は kdi/ddiよ
りも十分大きく設定する。マニピュレータの軌跡に沿っ
て常に d( W' W )/dt < 0 (47) が成り立っときスライディングモードが生じ、マニピュ
レータの軌跡は超平面 W= 0に収束し、そこに拘束され
る。式(47)を満足するように制御則を決定する。
The virtual viscosity matrix Dd and the virtual stiffness matrix Kd are represented by the following equation. The diagonal matrix Dd = diag [dd1, dd2,..., Ddi,..., Ddn] (44) Kd = diag [kd1, kd2, ..., kdi, ..., kdn] (45).  ̄fe filters fe by the low-pass filter determinant Flt = diag [1 / (t1 s + 1), 1 / (t2 s + 1), ..., 1 / (tn s + 1)] (46) It is the force vector that was obtained. However, the cut-off frequency of the low-pass filter is set sufficiently higher than kdi / ddi. When d (W'W) / dt <0 (47) always holds along the trajectory of the manipulator, a sliding mode occurs, and the trajectory of the manipulator converges to the hyperplane W = 0 and is constrained there. The control law is determined so as to satisfy Expression (47).

【0068】まず、W をつぎのようにn個の超平面に分
割する。 W = [ w1, w2, ... , wi, ... , wn ]' (48)
First, W is divided into n hyperplanes as follows. W = [w1, w2, ..., wi, ..., wn] '(48)

【0069】[0069]

【数27】 [Equation 27]

【0070】このとき、d(W'W)/dt はAt this time, d (W'W) / dt is

【0071】[0071]

【数28】 [Equation 28]

【0072】と表せる。式(4),(43)よりdW/dt を計算す
るとつぎのようになる。
Can be expressed as follows. Calculating dW / dt from equations (4) and (43) gives the following.

【0073】[0073]

【数29】 (Equation 29)

【0074】制御入力ufを uf = M(q) ^uf + fe (52) ^uf = [ ^uf1, ^uf2, ... , ^ufi, ... , ^ufn ]' とおくと、dW/dt は新たな制御入力^uf に関して対角
化される。このとき、dwi/dtは
If the control input uf is uf = M (q) ^ uf + fe (52) ^ uf = [^ uf1, ^ uf2, ..., ^ ufi, ..., ^ ufn] ', then dW / dt is diagonalized with respect to the new control input ^ uf. At this time, dwi / dt is

【0075】[0075]

【数30】 [Equation 30]

【0076】となる。新たな制御入力^ufiをIs obtained. New control input ufi

【0077】[0077]

【数31】 (Equation 31)

【0078】とおくと、式(53),(54) よりFrom the equations (53) and (54),

【0079】[0079]

【数32】 (Equation 32)

【0080】が成り立つ。したがって、Holds. Therefore,

【0081】[0081]

【数33】 [Equation 33]

【0082】を満足するように式(54)の各ゲインを切替
えることによって、wi dwi/dt < 0 が成り立つ。このと
き、式(50)より式(47)が成り立ち、マニピュレータの運
動は超平面(インピーダンス特性式)に完全に拘束され
る。マニピュレータの運動が超平面に拘束されていると
きは、常に接触安定性が保証される。つまり、外力信号
 ̄feの微分値をフィードバツクすることによって、接触
安定性すなわち環境に接触しているときの超平面への収
束性を保証している。作業空間でのマニピュレータの慣
性行列M(q)は、関節空間での慣性行列Mj(q)を用いて、
By switching each gain in the equation (54) so as to satisfy the condition, widwi / dt <0 holds. At this time, Expression (47) is established from Expression (50), and the motion of the manipulator is completely constrained by the hyperplane (impedance characteristic expression). When the motion of the manipulator is constrained to the hyperplane, contact stability is always guaranteed. In other words, the feedback of the differential value of the external force signal  ̄fe guarantees the contact stability, that is, the convergence to the hyperplane when in contact with the environment. The inertia matrix M (q) of the manipulator in the work space is calculated using the inertia matrix Mj (q) in the joint space.

【0083】[0083]

【数34】 (Equation 34)

【0084】と表されるので、式(5) の関節駆動力ujは
制御入力^uf を用いてつぎのように構成すればよい。
Thus, the joint driving force uj in equation (5) may be configured as follows using the control input ^ uf.

【0085】[0085]

【数35】 (Equation 35)

【0086】式(54)より^uf をFrom equation (54), ^ uf

【0087】[0087]

【数36】 [Equation 36]

【0088】とおくと、制御系の一構成例は図8のブロ
ック図のように表せる。図8において、301は仮想粘
性Ddと仮想剛性Kdのインピーダンスパラメータ設定部、
302は式(43)の超平面の演算部、303は式(56)で表
されるフィードバックゲインの切替え演算部である。イ
ンピーダンスパラメータDd,Kdが変更されると、演算部
302および303も変更される。304は微分演算器
である。305はdPref/dtのフィードフォワードゲイン
Hr、306はd ̄fe/dt のフィードバックゲインHf、3
07は非線形摩擦、重力、関節間干渉力の補償入力Hs、
308はdP/dt のフィードバックゲインHvである。30
9は式(58)に見られるマニピュレータの手先加速度指令
^ufから関節アクチュエータ発生力(トルク)指令への
変換行列である。310はヤコビ行列の転置行列であ
り、手先作用力(モーメント)から関節作用力(トル
ク)への変換を行う。311はヤコビ行列であり、関節
速度dq/dt から手先速度dP/dt への変換を行う。312
は順キネマティクス変換行列R(q)である。313は力モ
ーメント検出手段、314は関節アクチュエータのドラ
イバ、315は関節速度検出手段、316は関節位置検
出手段である。317は式(4)で表されるマニピュレー
タのダイナミクス、318はマニピュレータが接触する
環境のダイナミクスである。319はローパスフィルタ
である。超平面の演算部302は式(43)に基づいてWの
値を計算する。切替え演算部303はWの値を式(56)に
基づいて各フィードバックゲイン305〜308の値を
変更する。
In particular, one configuration example of the control system can be represented as a block diagram in FIG. 8, reference numeral 301 denotes an impedance parameter setting unit for virtual viscosity Dd and virtual rigidity Kd.
Reference numeral 302 denotes a hyperplane operation unit of Expression (43), and reference numeral 303 denotes a feedback gain switching operation unit expressed by Expression (56). When the impedance parameters Dd and Kd are changed, the calculation units 302 and 303 are also changed. Reference numeral 304 denotes a differential calculator. 305 is the feed forward gain of dPref / dt
Hr, 306 is a feedback gain Hf of d ̄fe / dt, 3
07 is a compensation input Hs for nonlinear friction, gravity, and joint interference force,
308 is a feedback gain Hv of dP / dt. 30
Reference numeral 9 denotes a conversion matrix from the manipulator's hand acceleration command ^ uf found in equation (58) to a joint actuator generated force (torque) command. Reference numeral 310 denotes a transposed matrix of the Jacobian matrix, which converts a force acting on the hand (moment) into a force acting on the joint (torque). Reference numeral 311 denotes a Jacobian matrix, which converts a joint speed dq / dt into a hand speed dP / dt. 312
Is a forward kinematics transformation matrix R (q). 313 is a force moment detecting means, 314 is a driver of a joint actuator, 315 is a joint speed detecting means, and 316 is a joint position detecting means. Numeral 317 denotes the dynamics of the manipulator represented by the equation (4), and numeral 318 denotes the dynamics of the environment where the manipulator contacts. 319 is a low-pass filter. The hyperplane calculation unit 302 calculates the value of W based on equation (43). The switching operation unit 303 changes the value of each of the feedback gains 305 to 308 based on the value of W based on Expression (56).

【0089】この方式では、外力信号の微分値を必要と
する。力センサによって検出される外力信号には比較的
大きなノイズが含まれることが多いため、外力信号をロ
ーパスフィルタによってフィルタリングした信号 ̄feを
用いる。実際に制御系を構成する際には、パラメータ同
定によって得られたM(q),D(q),S(q,dq/dt)の公称値Mn
(q),Dn(q),Sn(q,dq/dt) を用いるが、演算量を軽減する
ために、
This method requires a differential value of the external force signal. Since the external force signal detected by the force sensor often includes relatively large noise, a signal  ̄fe obtained by filtering the external force signal with a low-pass filter is used. When actually constructing the control system, the nominal values Mn of M (q), D (q), S (q, dq / dt) obtained by parameter identification
(q), Dn (q), Sn (q, dq / dt) are used.

【0090】[0090]

【数37】 (37)

【0091】の最大値と最小値を見積もり、式(56)を満
足する2種類の各定数ゲインを予め定めておくこともで
きる。アクチュエータの減速比が大きなマニピュレータ
ではM(q),D(q) の対角項は非対角項に比ベてかなり優勢
であるから、非対角項を無視し、hvij,j!=i をゼロとし
て制御則をさらに簡略化してもよい。その際、hsi の絶
対値を大きめに設定して無視した非対角項の不確かさに
対するロバスト安定性を高めるとよい。また、減速比が
大きい場合はMjn(q)を対角行列で近似することもでき
る。さらに、近似して定数行列とすることもできるが、
超平面への収束性を保証するためには、hsi の絶対値を
かなり大きく設定する必要があり、保守的になってしま
う。 (実施例5) ローパスフィルタ
The maximum value and the minimum value can be estimated, and two types of constant gains satisfying the expression (56) can be determined in advance. In a manipulator with a large reduction ratio of the actuator, the diagonal terms of M (q) and D (q) are considerably dominant compared to the off-diagonal terms, so the off-diagonal terms are ignored and hvij, j! = I May be set to zero to further simplify the control law. At this time, it is preferable to increase the absolute value of hsi to increase the robust stability against the uncertainty of the ignored off-diagonal term. When the reduction ratio is large, Mjn (q) can be approximated by a diagonal matrix. Furthermore, it can be approximated as a constant matrix,
In order to guarantee the convergence to the hyperplane, it is necessary to set the absolute value of hsi to a considerably large value, which is conservative. (Example 5) Low-pass filter

【0092】[0092]

【数38】 (38)

【0093】によってフィルタリングされたマニピュレ
ニタ手先の位置 ̄P、目標位置 ̄Pref、速度 ̄dP/dt、加
速度 ̄d2P/dt2、外力- ̄feに対して、超平面 W = 0を
For the position ピ ュ P, target position  ̄Pref, speed  ̄dP / dt, acceleration  ̄d2P / dt2, and external force - ̄fe of the manipulator,

【0094】[0094]

【数39】 [Equation 39]

【0095】と設定し、スライディングモードが生じる
ように制御系を設計する。仮想慣性行列Mdは対角行列 Md = diag[ md1, md2, ... , mdi, ... , mdn ] (63) とする。スライディングモードが生じ、マニピュレータ
の運動が超平面に拘束されているときは常に、
Then, the control system is designed so that the sliding mode is generated. The virtual inertia matrix Md is a diagonal matrix Md = diag [md1, md2, ..., mdi, ..., mdn] (63). Whenever a sliding mode occurs and the manipulator motion is constrained to the hyperplane,

【0096】[0096]

【数40】 (Equation 40)

【0097】が成り立つ。式(61),(62) より、W はつぎ
のように表される。
Holds. From Equations (61) and (62), W is expressed as follows.

【0098】[0098]

【数41】 [Equation 41]

【0099】実施例4と同様にW をn 個の超平面に分割
すると、wiはつぎのようになる。
When W is divided into n hyperplanes as in the fourth embodiment, wi becomes as follows.

【0100】[0100]

【数42】 (Equation 42)

【0101】ここで、実施例1と同様に制御入力ufを式
(52)のようにおいて、式(4),(65)よりdW/dt を計算する
と以下のようになる。
Here, similarly to the first embodiment, the control input uf is expressed by the following expression.
As shown in (52), when dW / dt is calculated from equations (4) and (65), the following is obtained.

【0102】[0102]

【数43】 [Equation 43]

【0103】よって、dwi/dtはつぎのようになる。Therefore, dwi / dt is as follows.

【0104】[0104]

【数44】 [Equation 44]

【0105】制御入力をThe control input

【0106】[0106]

【数45】 [Equation 45]

【0107】とおくと、wi dwi/dt はつぎのようにな
る。
In other words, widwi / dt is as follows.

【0108】[0108]

【数46】 [Equation 46]

【0109】式(70)より、From equation (70),

【0110】[0110]

【数47】 [Equation 47]

【0111】を満足するように式(69)の各ゲインを切替
えることによって、式(47)が満足され、マニピュレータ
の運動は超平面(インピーダンス特性式)に拘束され
る。実施例4と同様に、マニピュレータの運動が超平面
に拘束されているときは、常に接触安定性が保証され
る。実施例5では、実施例4とは異なり、インピーダン
ス特性式に仮想慣性による加速度項が含まれている。ロ
ーパスフイルタによってフィルタリングされた位置、速
度、加速度、外力信号に対して超平面を定義することに
よって、実際の加速度信号を用いずにマニピュレータの
仮想慣性を制御することができる。式(69)より
By switching each gain of the expression (69) so as to satisfy the expression (69), the expression (47) is satisfied, and the motion of the manipulator is restricted by a hyperplane (an impedance characteristic expression). As in the fourth embodiment, when the motion of the manipulator is constrained to the hyperplane, the contact stability is always guaranteed. In the fifth embodiment, unlike the fourth embodiment, an acceleration term due to virtual inertia is included in the impedance characteristic equation. By defining a hyperplane for the position, velocity, acceleration, and external force signals filtered by the low-pass filter, the virtual inertia of the manipulator can be controlled without using the actual acceleration signal. From equation (69)

【0112】[0112]

【数48】 [Equation 48]

【0113】とおくと、制御系の一構成例は図9のブロ
ック図のように表せる。ただし、Hv,Hr,Hf,Hsの定義は
式(60)と同じである。図9において、301は仮想慣性
Md、仮想粘性Dd、仮想剛性Kdのインピーダンスパラメー
タ設定部、302は式(65)の超平面の演算部、303は
式(71)で表されるフィードバックゲインの切替え演算部
である。305はd ̄Pref/dt のフィードフォワードゲ
インHr、320はd ̄P/dtのフィードバックゲインLvで
ある。319は式(61)のローパスフィルタである。他の
要素については実施例4と全く同じである。実際に制御
系を構成する際の
In other words, one configuration example of the control system can be represented as a block diagram in FIG. However, the definitions of Hv, Hr, Hf, Hs are the same as in the equation (60). In FIG. 9, reference numeral 301 denotes a virtual inertia.
Impedance parameter setting units for Md, virtual viscosity Dd, and virtual rigidity Kd, 302 is a hyperplane calculation unit of Expression (65), and 303 is a feedback gain switching calculation unit expressed by Expression (71). 305 is a feedforward gain Hr of d ̄Pref / dt, and 320 is a feedback gain Lv of d ̄P / dt. 319 is a low-pass filter of Expression (61). Other elements are exactly the same as in the fourth embodiment. When actually configuring the control system

【0114】[0114]

【数49】 [Equation 49]

【0115】および式(5)の関節駆動力ujの構成法や近
似処理についても、実施例4と同様のことがいえる。
The same applies to the construction method and the approximation processing of the joint driving force uj in equation (5) as in the fourth embodiment.

【0116】[0116]

【発明の効果】本発明によれば、アクチュエータ部の位
置とリンク部の位置の偏差を、マニピュレータ先端に加
わる外力フィードバツクの外側にリンク部の位置、速度
フィードバツクを構成する力トルクベース・コンプライ
アンス制御における力トルク指令をローパスフィルタに
よりフィルタリングした信号の動力伝達機構の剛性分の
1に収束させる制御を構成することによって、減速機な
どの動力伝達機構の剛性に起因するマニピュレータの機
械的共振が抑圧された力トルクベース・コンプライアン
ス制御が構成されるため、従来のコンプライアンス制御
系に比ベて接触安定性が良く実用的なコンプライアンス
制御が実現できるという効果がある。本発明によれば、
トルクベース・コンプライアンス制御の力フィードバツ
クループの内部に、非線形摩擦やマニピュレータの重力
による外乱を推定するオブザーバを用いて上記外乱を相
殺する補償器を付加したので、常に安定で精度の良い接
触作業が実現できるという効果がある。
According to the present invention, the deviation between the position of the actuator and the position of the link is determined by the force torque base compliance that forms the position of the link and the speed feedback outside the external force feedback applied to the manipulator tip. By configuring the control so that the force torque command in the control is converged to one-stiffness of the power transmission mechanism of the signal filtered by the low-pass filter, the mechanical resonance of the manipulator caused by the rigidity of the power transmission mechanism such as the speed reducer is suppressed. Since the configured force torque-based compliance control is configured, there is an effect that contact stability is good and practical compliance control can be realized as compared with the conventional compliance control system. According to the present invention,
Inside the force feedback loop of torque-based compliance control, a compensator has been added to cancel the disturbance using an observer that estimates the disturbance due to nonlinear friction and the gravity of the manipulator, so that stable and accurate contact work is always possible. There is an effect that it can be realized.

【0117】また、本発明によれば、マニピュレータの
先端の位置、速度、加速度信号および外力信号と、作業
に応じて値を設定する仮想慣性、仮想粘性、仮想剛性に
基づいて表されるインピーダンス特性式を超平面(切替
え平面)とするスライディングモード制御を構成するこ
とによって、マニピュレータ先端の仮想的なインピーダ
ンスを実現するため、常に安定で精度の良い接触作業が
実現できるという効果がある。
Further, according to the present invention, the impedance characteristic expressed based on the position, speed, acceleration signal, and external force signal of the tip of the manipulator, and virtual inertia, virtual viscosity, and virtual rigidity whose values are set according to the work. By configuring the sliding mode control using the equation as a hyperplane (switching plane), a virtual impedance at the tip of the manipulator is realized, so that there is an effect that a stable and accurate contact operation can always be realized.

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

【図1】本発明の実施の形態における制御系のブロック
線図
FIG. 1 is a block diagram of a control system according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の実施の形態における制御系のブロック
線図
FIG. 2 is a block diagram of a control system according to the embodiment of the present invention.

【図3】(a)アクチュエータ部とリンク部が減速機で
結合された1白山度ロボットマニピュレータの概略図
(b)アクチュエータ部とリンク部が減速機で結合され
た1自由度ロボットマニピュレータと接触する環境を表
す図
FIG. 3A is a schematic view of a 1-Hakusan degree robot manipulator in which an actuator section and a link section are connected by a speed reducer.
(B) A diagram showing an environment in which the actuator unit and the link unit come into contact with a one-degree-of-freedom robot manipulator coupled with a speed reducer.

【図4】本発明実施時の接触系のブロック線図FIG. 4 is a block diagram of a contact system when the present invention is implemented.

【図5】アクチュエータ部とリンク部が減速機で結合さ
れた1自由度ロボットマニピュレータのモデル図
FIG. 5 is a model diagram of a one-degree-of-freedom robot manipulator in which an actuator unit and a link unit are connected by a speed reducer;

【図6】本発明の実施例における等価外乱補償器のブロ
ック図
FIG. 6 is a block diagram of an equivalent disturbance compensator according to the embodiment of the present invention.

【図7】本発明の実施例における制御ブロック図FIG. 7 is a control block diagram according to the embodiment of the present invention.

【図8】本発明の実施例における制御系のブロック図FIG. 8 is a block diagram of a control system according to the embodiment of the present invention.

【図9】本発明の実施例における制御系のブロック図FIG. 9 is a block diagram of a control system according to the embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1:アクチュエータ 2:リンク 3:エンドエフェクタ 4:減速機 5:アクチュエータ部の位置、速度検出器 6:リンク部の位置、速度、加速度検出器 7:エンドエフェクタに加わる外力の検出器 8:エンドエフェクタが接触する環境 11:本発明実施時のマニピュレータの応答(22)を表
すブロック 12:環境の剛性を表すブロック 21:アクチュエータ部の慣性 22:アクチュエータ部の粘性摩擦係数 23:リンク部の慣性 24:リンク部の粘性摩擦係数 25:減速機の剛性 26:環境の剛性 27:アクチュエータの発生力 28:マニピュレータのエンドエフェクタが環境に与え
る力 101:アクチュエータ部とリンク部が減速機を介して
結合されたロボットマニピュレータのダイナミクス 102:環境の剛性 103:リンク部の位置フィードバツクゲイン(仮想剛
性) 104:リンク部の速度フィードバツクゲイン(仮想粘
性を調節するゲイン) 105:力フィードバツクゲイン 106:微分演算器 107:超平面Wの計算部 108a:式(27)に基づくフィードバツクゲインの切
替え演算部 108b:式(30)に基づくフィードバツクゲインの切
替え演算部 109:アクチュエータ部位置とリンク部位置の偏差の
フィードバツクゲイン 110:アクチュエータ部の速度フィードバックゲイン 111:目標速度指令のフィードフォワードゲイン 112:リンク部の速度フィードバツクゲイン 112b:リンク部の加速度フィードバックゲイン 113:外力の時間微分のフィードバツクゲイン 113a:外力のフィードバツクゲイン 114:外力の検出器 115:アクチュエータ部位置の検出器 116:アクチュエータ部速度の検出器 117:リンク部位置の検出器. 118:リンク部速度の検出器 119:リンク部加速度の検出器 201:位置フィードバツクゲイン行列 202:速度フィードバツクゲイン行列 203:力トルクフィードバツクゲイン行列 204:マニピュレータのヤコビ行列の転置 205:マニピュレータのヤコビ行列(関節速度から手
先速度への変換行列) 206:マニピュレータの順キネマティクス変換行列 207:関節駆動力指令の比例積分器 208:外力による関節トルクの積分器 209:関節角速度の比例積分器 210:力トルク検出手段 211:関節角速度検出手段 212:関節角検出手段 213:関節アクチュエータのドライバ 214:マニピュレータのダイナミクス 215:マニピュレータのダイナミクス計算部 216:ローパスフィルタ行列 217:マニピュレータのヤコビ行列の転置 218:力トルク検出手段 219:関節角速度検出手段 220:関節アクチュエータのドライバ 221:マニピュレータのダイナミクス 301:インピーダンスパラメータMd,Dd,Kdの設定部 302:超平面Wの演算部 303:フィードバックゲインの切替え演算部 304:微分演算器 305:dPref/dt あるいはd ̄Rref/dtのフィードフォ
ワードゲインHr 306:d ̄fe/dt のフィードバツクゲインHv 307:非線形摩擦、重力、関節間干渉力の補償入力Hs 308:dP/dt のフィードバツクゲインHv 309:マニピュレータの手先加速度指令^ufから関節
アクチュエーダ発生力(トルク)指令への変換行列 310:ヤコビ行列の転置行列、手先作用力(モーメン
ト)から関節作用力(トルク)への変換 311:ヤコビ行列、関節速度dq/dtから手先速度dP/
dtへの変換 312:順キネマティクス変換行列、P=R(q) 313:力モーメント検出手段 314:関節アクチュエータのドライバ 315:関節速度検出手段 316:関節位置検出手段 317:マニピュレータのダイナミクス 318:マニピュレータが接触する環境のダイナミクス 319:ローパスフイルタ 320:d ̄P/dtのフィードバツクゲインLV
1: Actuator 2: Link 3: End effector 4: Reducer 5: Position and speed detector of actuator part 6: Position, speed and acceleration detector of link part 7: Detector of external force applied to end effector 8: End effector 11: Block representing the response (22) of the manipulator when the present invention is implemented 12: Block representing the rigidity of the environment 21: Inertia of the actuator 22: Viscous friction coefficient of the actuator 23: Inertia of the link 24: Viscous friction coefficient of link part 25: Rigidity of reduction gear 26: Rigidity of environment 27: Force generated by actuator 28: Force given to environment by end effector of manipulator 101: Actuator part and link part are connected via reduction gear Dynamics of robot manipulator 102: Rigidity of environment 103: Link Position feedback gain (virtual stiffness) 104: speed feedback gain (gain for adjusting virtual viscosity) of the link portion 105: force feedback gain 106: differential calculator 107: hyperplane W calculator 108a: equation ( Feedback gain switching calculation section based on 27) 108b: Feedback gain switching calculation section based on equation (30) 109: Feedback gain of deviation between actuator section position and link section position 110: Speed feedback gain of actuator section 111 : Feedback forward gain of target speed command 112: Speed feedback gain of link portion 112b: Acceleration feedback gain of link portion 113: Feedback gain of time derivative of external force 113a: Feedback gain of external force 114: Detector of external force 1 15: Detector of actuator section position 116: Detector of actuator section speed 117: Detector of link section position. 118: Detector of link speed 119: Detector of link acceleration 201: Position feedback gain matrix 202: Speed feedback gain matrix 203: Force torque feedback gain matrix 204: Transpose of Jacobian matrix of manipulator 205: Manipulator Jacobi matrix (transformation matrix from joint velocity to hand velocity) 206: forward kinematics transformation matrix of manipulator 207: proportional integrator of joint driving force command 208: integrator of joint torque by external force 209: proportional integrator of joint angular velocity 210 : Force torque detecting means 211: joint angular velocity detecting means 212: joint angle detecting means 213: driver of joint actuator 214: manipulator dynamics 215: manipulator dynamics calculator 216: low-pass filter matrix 217: mani Transpose of the Jacobian matrix of the manipulator 218: Force torque detecting means 219: Joint angular velocity detecting means 220: Driver of joint actuator 221: Manipulator dynamics 301: Impedance parameters Md, Dd, Kd setting unit 302: Hyperplane W computing unit 303 : Feedback gain switching calculator 304: Differential calculator 305: Feed forward gain Hr of dPref / dt or d ̄Rref / dt 306: Feedback gain Hv of d ̄fe / dt 307: Nonlinear friction, gravity, inter-joint interference Force compensation input Hs 308: Feedback gain of dP / dt Hv 309: Conversion matrix from manipulator hand acceleration command ^ uf to joint actuator generation force (torque) command 310: Transpose matrix of Jacobian matrix, hand force (moment) ) To joint acting force (torque) 311: Jacobi Column, the hand from the joint velocity dq / dt rate dP /
Conversion to dt 312: Forward kinematics conversion matrix, P = R (q) 313: Force moment detecting means 314: Driver of joint actuator 315: Joint velocity detecting means 316: Joint position detecting means 317: Dynamics of manipulator 318: Manipulator Dynamics of the environment where the light comes in contact 319: Low-pass filter 320: Feedback gain LV of d ̄P / dt

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 マニピュレータに力およびトルクのフィ
ードバツク制御を構成し、その上位に、位置、速度、加
速度のフィードバツク制御を構成したことを特徴とする
力トルクベースのコンプライアンス制御方式において、
力トルクフィードバツクループの内部に、非線形摩擦や
マニピュレータの重力、各関節間の干渉力による等価外
乱を推定するオブザーバを用いて上記外乱を相殺する補
償器を付加したことを特徴とするマニピュレータの力ト
ルクベース・コンプライアンス制御方式。
1. A force torque-based compliance control system comprising: a manipulator having feedback control of force and torque; and a feedback control of position, velocity, and acceleration configured above the manipulator.
A compensator for canceling the disturbance using an observer for estimating an equivalent disturbance due to nonlinear friction, the gravity of the manipulator, and the interference force between the joints inside the force torque feedback loop; Torque-based compliance control method.
【請求項2】 マニピュレータの先端の位置、速度、加
速度信号および先端に加わる外力を計測または推定する
手段を有し、マニピュレータの先端の運動を、先端の位
置、速度、加速度信号および先端に加わる外力信号と、
作業に応じて値を設定する仮想慣性、仮想粘性、仮想剛
性に基づいて表されるインピーダンス特性式から計算さ
れる運動に一致するように制御を行うコンプライアンス
制御方式において、前記インピーダンス特性式を超平面
(切替え平面)とするスライディングモード制御を構成
することによって、マニピュレータ先端に仮想的なイン
ピーダンスを実現することを特徴とするマニピュレータ
のコンプライアンス制御方式。
And a means for measuring or estimating a position, a velocity, an acceleration signal and an external force applied to the tip of the manipulator. The movement of the tip of the manipulator is controlled by the position, speed, acceleration signal of the manipulator and an external force applied to the tip. Signals,
In a compliance control method in which control is performed so as to match a motion calculated from an impedance characteristic expression represented based on virtual inertia, virtual viscosity, and virtual rigidity that set values according to work, the impedance characteristic expression is expressed by a hyperplane A manipulator compliance control method characterized by realizing a virtual impedance at the tip of the manipulator by configuring a sliding mode control with (switching plane).
【請求項3】 マニピュレータ先端の位置、速度、加速
度信号または先端に加わる外力信号をローパスフィルタ
によってフィルタリングした新たな位置、速度、加速度
信号または外力信号に対してインピーダンス特性式を設
定することを特徴とする請求項2に記載のマニピュレー
タのコンプライアンス制御方式。
3. An impedance characteristic equation is set for a new position, velocity, acceleration signal or external force signal obtained by filtering a position, velocity, acceleration signal of the manipulator tip or an external force signal applied to the tip by a low-pass filter. The compliance control method for a manipulator according to claim 2.
【請求項4】 アクチュエータ部とリンク部が有限の剛
性を有する動力伝達機構を介して結合されているロボッ
トマニピュレータの制御方式であり、アクチュエータ部
の位置、速度、リンク部の位置、速度、加速度およびマ
ニピュレータの先端に加わる外力信号を検出あるいは推
定する手段を有し、マニピュレータの先端の運動を、先
端の位置、速度、加速度および先端に加わる外力信号
と、作業に応じて値を設定する仮想慣性、仮想粘性、仮
想剛性に基づいて表されるインピーダンス特性式から計
算される運動に一致するように制御を行うコンプライア
ンス制御方式において、アクチュエータ部の位置とリン
ク部の位置の偏差を、ロボットマニピュレータへの新た
な外部力トルク指令の動力伝達機構の剛性分の1に収束
させる制御を構成することを特徴とするロボットマニピ
ュレータの力トルクベース・コンプライアンス制御方
式。
4. A control method for a robot manipulator in which an actuator section and a link section are connected via a power transmission mechanism having a finite rigidity, wherein the position and speed of the actuator section, the position, speed, acceleration and Having means for detecting or estimating the external force signal applied to the tip of the manipulator, the motion of the tip of the manipulator, the position of the tip, the velocity, the external force signal applied to the tip and the tip, the virtual inertia to set the value according to the work, In a compliance control method that performs control so as to match the motion calculated from the impedance characteristic formula expressed based on virtual viscosity and virtual stiffness, the deviation between the position of the actuator and the position of the link is added to the robot manipulator. Construct control to converge to one-stiffness of the power transmission mechanism for external force torque command A force torque based compliance control method for a robot manipulator.
【請求項5】 マニピュレータ先端に加わる外力フィー
ドバツクの外側にリンク部の位置、速度フィードバツク
を構成する力トルクベース・コンプライアンス制御方式
における力トルク指令をローパスフィルタによってフイ
ルタリングした信号を、新たな外部力トルク指令とする
ことを特徴とする請求項4に記載のロボットマニピュレ
ータの力トルクベース・コンプライアンス制御方式。
5. A signal obtained by filtering a force torque command by a low-pass filter in a force torque-based compliance control system that constitutes a position and a speed feedback of a link portion outside an external force feedback applied to a tip of a manipulator, to a new external signal. The force torque-based compliance control method for a robot manipulator according to claim 4, wherein the command is a force torque command.
【請求項6】 アクチュエータ部の位置とリンク部の位
置の偏差が、新たな外部力トルク指令の動力伝達機構の
剛性分の1に収束するようなスライディングモード制御
を構成することを特徴とする請求項4または5に記載の
ロボットマニピュレータの力トルクベース・コンプライ
アンス制御方式。
6. A sliding mode control in which a deviation between the position of the actuator unit and the position of the link unit converges to one-stiffness of a power transmission mechanism for a new external force torque command. Item 6. A force torque-based compliance control method for a robot manipulator according to item 4 or 5.
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