JPS61224012A - Driving system of manipulator - Google Patents
Driving system of manipulatorInfo
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- JPS61224012A JPS61224012A JP6742985A JP6742985A JPS61224012A JP S61224012 A JPS61224012 A JP S61224012A JP 6742985 A JP6742985 A JP 6742985A JP 6742985 A JP6742985 A JP 6742985A JP S61224012 A JPS61224012 A JP S61224012A
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Abstract
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) Purpose of the Invention [Field of Industrial Application] The present invention relates to a drive 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。Regarding the types of manipulator operation methods, first, industrial robots, which are a type of manipulator, especially painting robots, welding robots, sealing robots, etc., are operated by the operator by holding a gun at the end of the arm and moving it. This 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ビル−タにおいては操作者がマス
ク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。In addition, in master-slave type manibilators, which are used when the actual work in a work environment is performed by an operator located in an operation environment remote from the work environment, the operator can manually move the mask-side arm to control the work environment. Operate the lower slave side 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ぜ操作者が
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, the operator holds the heavy object on the manipulator, puts his hand on it, and controls the manipulator to move the heavy object in accordance with the movement of the operator's hand. There are possible ways.
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 for the arm to move faithfully along with the operator's movements, and it is necessary to assist the force borne by the operator 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
を充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] The manipulator is controlled in such a way as to faithfully transmit the operator's movements, ensure the safety of the operator, and furthermore, fully and satisfactorily assist the force borne by the operator. However, in order to drive the manipulator, 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。しがるに、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(、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。しが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。このようなことがら、その対策技術
の開発が望まれている。Conventionally, force sensors have been used to detect external forces acting on manipulators. In principle, force sensors have the advantage of being able to easily detect force, but they are prone to many errors (i.e., their movements are unstable, resulting in variations in measured values, and they are expensive. When the number of axes increases, the problem is that the force detection mechanism becomes complicated.Also, since the sensor is generally placed at the tip of the arm, it is not possible to detect interference or collisions in the middle of the arm. 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ゼることに
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り式を
提供することを目的とするものである。This invention was made in view of the above-mentioned circumstances, and can easily and accurately detect the external force acting on the manipulator, reducing the apparent load and weight of the manipulator to zero, and greatly reducing inertial force and frictional force. The object of the present invention is to provide a driving type manipulator that can assist the force borne by the operator by reducing the amount of force required by the operator, 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rJA節角迎角速
度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、前記導出された外力信号を前記
サーボ増幅器で増幅して前記モータに入力することを特
徴としている。(B) Structure of the Invention [Means for Solving the Problem] In response to this objective, the manipulator drive system of the present invention provides a low-speed
In a joint direct drive type manipulator driven using a high-torque motor, the manipulator includes a motor current detector that detects the current of the motor, a potentiometer that detects the joint angle of the joint axis, and an rJA node of the joint axis. The tacho generator includes a tacho generator that outputs an angular attack velocity, a tacho generator signal differentiator that differentiates an output signal of the tacho generator, and a servo amplifier, and the tacho generator outputs a motor current from the motor current detector, a joint angle from the potentiometer, and a tacho generator from the tacho generator. The external force acting on the arm is derived from the joint angular velocity and the joint angular acceleration by the tacho generator signal differentiator, and the derived external force signal 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 explained with reference to the drawings showing one 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木または複数本のア
ーム3を1個または複数個の関部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
operates. The manipulator 1 has one or more arms 3 connected by one or more connecting parts 4 so as to be relatively displaceable. The operator 2 bears a load 5 when operating the manipulator 1. The arm 3 is driven by a motor 6 built into the joint 4. That is, a 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0?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。FIG. 2 shows the control device. The control device 7 includes a motor current detector 8, a potentiometer 11, a tacho generator 12, and a tacho generator 0? It is equipped with a signal differentiator 13, 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。Motor current detector 8 detects the current of motor 6 and inputs it to 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1
2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 is the tacho generator 1
The joint angular acceleration of the axis of the joint 4 is derived by differentiating the output of 2 and inputted to the external force torque detection circuit 15. The external force torque detection circuit 15 detects the external force torque acting on the joint 4 from the motor current detected by the motor current detector 8, the joint angle detected by the potentiometer 11, the joint angular velocity detected by the tachometer generator 12, and the joint angular acceleration detected by the tachometer signal differentiator 13. Derive. 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. The signal amplified by the servo amplifier 14 and canceling the potential force 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lL!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@擦係数、 K:モータ定数
τ :外力トルク、 τg (θ):ポテンシャルによ
るトルク、 θ:回転角、 i:モータ電流、Gニゲ
インどすると
と表わされる。[Operation] In a joint direct drive type manipulator using a low-speed, high-torque motor, nonlinear lL! Since friction, backlash, spring components, etc. are extremely small, the equation of motion of the arm is: J: Moment of inertia of arm and load, b: Viscosity @ coefficient of friction, K: Motor constant τ: External force torque, τg (θ): Depends on potential It is expressed as torque, θ: rotation angle, i: motor current, and G gain.
モータ電流検出器8の出力から左辺第1項、ボ、テンシ
ョメーター1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 output of the motor current detector 8 is the first term on the left side, the output of the tensionometer 1 is the third term on the left side, the output of the tacho generator 12 is the second term on the right side, and the output of the tacho generator signal differentiator 13 is the first term on the right side. Therefore, the external force of the second term on the left side can be found.
τo=Jθ+bθ−)(i−τg(θ)となり、外力信
号をサーボ増幅器で増幅するための信号を1りることが
できる。さらにポテンシャルによるτ (θ)を打ち消
すようにサーボ増幅器に信号を与えると、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、外
力(操作力)を補助することができる。τo=Jθ+bθ−)(i−τg(θ), and one signal is needed to amplify the external force signal with the servo amplifier.Furthermore, a signal is given to the servo amplifier so as to cancel τ(θ) due to the potential. Then, a state occurs as if the load and the weight of the arm were zero, and the 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] Next, FIG. 3 shows the configuration of a 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1
4、モータ6、ポテンショメーター1、タコジェネレー
タ12を設け、また、第2図の制御装@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、ポテンショメーター1、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。The control device 7b has a servo amplifier 1 for each axis of each joint.
4, a motor 6, a potentiometer 1, and a tacho generator 12 are provided, and a computer 16 is used in place of the external force torque detection circuit 15 of the control device @7 in FIG. 2, and the input side of the computer 16 is connected to an A/D converter 17. The servo amplifier 14, the motor 6, the potentiometer 1, the tacho generator 12, and the tacho generator signal differentiator 13 are connected through the servo amplifier 14, and the output side is connected to each servo amplifier 14 through the D/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 an algorithm for the first axis of n axes.
軸数nの場合の第1軸については、アームの運動方程式
は
+b、θ1
a!擦項
となり、
Kl’1−τg1(θ)
で外力τ。1を求めることができる。For the first axis when the number of axes is n, the equation of motion of the arm is +b, θ1 a! It becomes a friction term, and the external force τ is Kl'1−τg1(θ). 1 can be found.
(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。(C) Effects of the Invention The manipulator drive method of the present invention does not use a special force sensor, but instead uses the motor, tachogenerator, and potentiometer conventionally provided at each joint of the manipulator to detect external force. Therefore, there is no need to make any changes to the sensor configuration of the conventional manipulator, and external force can be detected at low cost 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。Furthermore, since no force sensor is used, the operation is extremely stable without any problems with environmental resistance or noise resistance due to the physical characteristics of the force sensor.
また、操作力を補助して負荷の1徹がみかけ上はゼロ、
慣性質溌、粘性r!i擦をみかけ上1/(Q+1>(Q
: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, by assisting the operating force, the load is apparently zero,
Inertial stress, viscosity r! When I saw i rubbing, 1/(Q+1>(Q
:feedback gain), allowing the operator to operate the manipulator with extremely small force.
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m+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
第3図
第4図Figure 1 is an explanatory diagram of the manipulator, Figure 2 is an explanatory diagram of the configuration of the control device when there is one joint (single axis), and Figure 3 is the configuration of the control device when there are multiple joints (multi-axis). The explanatory diagram and FIG. 4 are explanatory diagrams 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 force torque Detection circuit 16... Computer 17... A/
D converter 18...D/A converter Fig. 3 Fig. 4
Claims (1)
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、及びサーダ増幅
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、前記導出された外力信号を前記サーボ増幅器
で増幅して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式In a joint direct drive type manipulator that is driven using a low-speed, high-torque motor provided at the joint of a manipulator arm, a motor current detector detects the current of the motor, and a joint angle of the axis of the joint is detected. A potentiometer, a tacho generator for detecting the joint angular velocity of the axis of the joint, a tacho generator signal differentiator for differentiating the output signal of the tacho generator, and a Sardar amplifier, the motor current detected by the motor current detector and the potentiometer The external force acting on the arm is derived from the joint angle by the tachometer, the joint angular velocity by the tacho generator, and the joint angular acceleration by the tachogenerator signal differentiator, and the derived external force signal is amplified by the servo amplifier and applied to the motor. Manipulator drive system characterized by input
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP60067429A JPH07104725B2 (en) | 1985-03-29 | 1985-03-29 | Manipulator drive system |
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JP60067429A JPH07104725B2 (en) | 1985-03-29 | 1985-03-29 | Manipulator drive system |
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JPS61224012A true JPS61224012A (en) | 1986-10-04 |
JPH07104725B2 JPH07104725B2 (en) | 1995-11-13 |
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ID=13344656
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP60067429A Expired - Lifetime JPH07104725B2 (en) | 1985-03-29 | 1985-03-29 | Manipulator drive system |
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Legal Events
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EXPY | Cancellation because of completion of term |