JP4524729B2

JP4524729B2 - Remote control robot controller

Info

Publication number: JP4524729B2
Application number: JP2001225004A
Authority: JP
Inventors: 賢一安田; 康之井上; 英夫永田
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2001-07-25
Filing date: 2001-07-25
Publication date: 2010-08-18
Anticipated expiration: 2021-07-25
Also published as: JP2003039348A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ロボット等の制御装置に関し、特に遠隔操縦ロボットにおいて力センサレスで操作者に力覚をフィードバックすることができる制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
人間が作業場所に近づくのが危険であったり、あるいは作業が人間にとって肉体的、精神的に負担が大きい場合に、作業場所にロボットを配して、安全・快適な場所で操作者がロボットを遠隔操縦しながら作業を遂行する、いわゆる遠隔操縦ロボットを用いることがある。この場合、操作者はジョイスティックやマスタアームを用いてロボットヘ指令を与えることにより、ロボットを操縦することが多い。この時、組立作業や機器のメンテナンス作業など、ロボットアームが作業対象物と接触しながら作業遂行する場合には、ロボット側に力制御を施したり、また操作者にロボットアーム先端と作業対象物との接触力をフィードバック、すなわち力覚フィードバックを行う。このようにすることで作業対象物を壊すことなく作業遂行でき、また操作者の負担を軽減することが可能となる。力覚フィードバックには力センサを用いる方式と力センサレスの方式がある。力センサを用いる方式は精度のよい力覚フィードバックが可能であるが、信頼性やコストの面から力センサレスで行われることも多い。
【０００３】
ここで、図５に力センサレス方式の従来の遠隔操縦ロボットの全体構成図を示す。図５において、マスタ制御部２はジョイスティック４の情報からロボット５への指令を生成したり、ジョイスティック４のモータ４２を制御する。ロボット制御部１はロボット５の制御を行うものであり、通常各関節位置指令に対して、位置と速度の比例積分制御が行われる。マスタ制御部２とロボット制御部１の間の通信は通信部３で行われる。
【０００４】
ジョイスティック４にはポテンショメータ４１がつけれらており、ジョイスティック４の揺動角が検出可能である。この検出角に応じてロボット５への位置指令が指令生成部２１で生成される。生成された指令は通信部３を経てロボット制御部１へ伝送され、動作指令部１１でロボット５の各軸のモータ５１への指令が再構成され、モータ制御部１２へ払い出される。
【０００５】
また、ロボット５が作業対象物との接触時に、接触状態に応じた信号をマスタ制御部２のモータ制御部２２へ送ることによって、ジョイスティックのモータ４２が駆動され、操作者が力覚を感じることが可能となる。
【０００６】
図６に従来のロボット制御部１のより詳細な構成図を示している。図５中のマスタ制御部２からきた直交座標系の位置指令が関節位置指令生成部１１１に入力され、逆運動学演算を行うことにより、ロボット５の各関節位置指令が生成される。モー夕制御部１２は通常位置と速度の比例積分制御が用いられ、位置速度制御部１２１からアンプ１２２を通してモータ５１ヘ電流指令を出力する。また、座標変換部１１３において、エンコーダ５２及び他軸エンコーダから得られる各関節軸のエンコーダ値から順運動学演算を行うことにより直交座標系の位置フィードバック値が生成される。そして、力覚フィードバック信号生成部（位置偏差監視部）１１２により直交位置指令値とフィードバック値の偏差が計算され、ロボット通信部３１へ送られる。この位置偏差に応じて図５中のマスタ通信部３２を介してジョイスティックのモータ４２を制御する。
【０００７】
特開平８−７１９６０号公報に示されている方法では、モータの負荷をモータの電流値で検出して、その電流値に応じてジョイスティックの操作力にフィードバックしている。
【０００８】
また、ここでは操作装置としてジョイスティックで説明したが、ジョイスティックの代わりにマスタアームを用いることも可能である。特にロボットアームと同じ自由度で同じ関節構成のいわゆる同構造マスタアームの場合はロボット側には順運動学演算をすることなく、対応する各関節の位置偏差を監視することで、マスタアームに力覚フィードバックが可能である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の遠隔操縦ロボットの制御装置においては、位置偏差を用いるため、通信遅れやロボットアームの制御追従遅れ等により位置偏差が増大するために、作業対象物と接触していなくてもロボットの運動によって、誤って力覚をフィードバックするという問題があった。
【００１０】
また、特開平８−７１９６０号公報において、モータの電流値を検出する方法は、電流値に重力やイナーシャ等のロボットの動特性が加わることになるので、実際には定格トルクをオーバーするなどの過負荷検出にしか利用することができず、ジョイスティックによりロボットアームを作業対象物に接触させてその感覚をフィードバックしながら作業を遂行するといったことが困難であった。
【００１１】
従って、この発明の目的は、ジョイスティックやマスタアームを用いて、確実に接触時にのみ力覚をフィードバックし、しかも効率的に接触作業を行うことができる遠隔操縦ロボットの制御装置を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、請求項１記載の遠隔操縦ロボットの制御装置は、ジョイスティックやマスタアームを制御するマスタ制御部と、ロボットを制御するロボット制御部と、前記マスタ制御部とロボット制御部との通信を行う通信部を有する遠隔操縦ロボットの制御装置において、前記ロボット制御部は関節角度を検出し、関節座標系での角度指令をもとに位置・速度の状態フィードバック制御を行うモータ制御手段を有し、前記モータ制御手段の位置速度制御部の後段にトルク制限を行う柔軟制御手段と、前記トルク制限の前後のトルク指令値の偏差を監視する手段と、前記偏差に応じた力覚フィードバック信号を生成する手段とを有し、前記柔軟制御手段において、各軸のモータの動作指令からモータの加速トルク及び速度を維持するためのトルクを計算し加算した値をトルク制限値としたことを特徴とする。
【００１５】
請求項２記載の遠隔操縦ロボットの制御装置は、ジョイスティックやマスタアームを制御するマスタ制御部と、ロボットを制御するロボット制御部と、前記マスタ制御部とロボット制御部との通信を行う通信部を有する遠隔操縦ロボットの制御装置において、前記ロボット制御部は関節角度を検出し、作業座標系での位置指令をもとに位置・速度の状態フィードバック制御を行うモータ制御手段を有し、前記モータ制御手段の位置速度制御部の後段に力制限を行う柔軟制御手段と、前記力制限の前後の力指令値の偏差を監視する手段と、前記偏差に応じた力覚フィードバック信号を生成する手段と、を有する。
【００１６】
請求項３記載の遠隔操縦ロボットの制御装置は、前記柔軟制御手段において、各作業座標軸毎に一定の力制限値を設けたことを特徴とする。
【００１７】
請求項４記載の遠隔操縦ロボットの制御装置は、前記柔軟制御手段において、各軸のモータの動作指令からモータの加速トルク及び速度を維持するためのトルクを計算して加算した値を各作業座標系の力に変換し、前記各作業座標系の力を力制限値としたことを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施形態の遠隔操縦ロボットの制御装置について図１に基づいて説明する。なお、制御装置全体の構成は図５と同等であり、同一構成には同一符号を付し説明は省略、以降の図面においても同様である。図１は本発明によるロボット制御部１の構成を示しており、従来の位置速度制御系に制限値設定部１２４とトルク制限部１２３による柔軟制御手段１２０と、重力補償部１２８と、偏差監視部１２５、力覚フィードバック信号生成部１１３を加えたものである。
【００２０】
ここで各要素の働きを説明する。まずトルク制限部１２３と制限値設定部１２４からなる柔軟制御手段１２０について説明する。
【００２１】
柔軟制御手段１２０は上位の動作指令部１１からの指令により位置速度制御部１２１で生成されたトルク指令をトルク制限部１２３において、制限値設定部１２４で設定した一定のトルク制限値以上にならないように制限を施した上でアンプに出力する。また、図示していないが、位置速度制御部１２１の速度積分の出力をモータの追従動作に必要最小限の値で制限しておく。このようにすることにより、ロボットが対象物と接触して位置偏差や速度偏差が増大することで大きなトルク指令が発生した場合でも、このトルク制限によりトルク指令を小さく制限する事が可能であり、ロボットが作業対象物に倣うように動作させることができる。すなわち、過大なトルクを発生することなく、ロボットアームのどの部分でもロボットと作業対象物間で安定した接触状態を維持することが可能となる。
【００２２】
また、重力補償部１２８により、ロボットアームや先端に取り付けられた作業工具等の自重によつて加わる各軸の重力トルクをロボットの姿勢に応じて演算し、トルク制限部の後段に重力補償トルクを加えることにより、トルク制限値を小さく設定しても、トルク不足でロボットアームが自重で落下するようなことを避けることができる。また、常に重力バランスを保っているので、制限値設定部１２４で設定するトルク制限値は重力分のトルクを考慮する必要がない。従ってトルク制限値を小さく設定することが可能となり、小さな接触力に対して応答できる。
【００２３】
次に偏差監視部１２５と力覚フィードバック信号生成部１１３について説明する。ロボット５が作業対象物に接触し、位置や速度等の制御偏差が増大することにより、位置速度制御部１２１から設定されたトルク制限値を越える大きなトルク指令が発生した場合に、偏差監視部１２５においてトルク制限部１２３への入力トルクと制限値との偏差を計算する。位置速度制御系の発生トルクがトルク制限値を越えない場合は偏差はゼロとする。このトルク偏差をロボットの各関節について計算し、力覚フィードバック信号生成部１１３へ送る。力覚フィードバック信号生成部１１３ではトルク偏差を（式１）によって作業座標系での力偏差に変換する。
【００２４】
【数１】

ここでＪ^−Ｔはヤコビ行列の転置逆行列であり、τｄは各関節軸のトルク指令とトルク制限値の偏差である。またＦｄは作業座標系での力の偏差であり、このＦｄを作業対象物との接触力とし、不感帯処理やフィルタ処理等を施したあと、図５に示すジョイスティック４への力フィードバック信号としてマスタ制御部２へ通信手段３を用いて伝送する。このようにして接触力を計算することにより、力センサを用いる必要がなく、しかもアームのどの部分が接触していても、接触状態のオペレータへのフィードバックが可能である。
【００２５】
図２（ａ）はトルク制限部１２３の作用を表す図である。位置速度制御部１２１の発生トルク（トルク指令値）がトルク制限値で制限されるため、ロボットアームが作業対象物に対して接触しても柔軟に動作すると同時に、位置速度制御部１２１の発生トルクとトルク制限値との偏差が接触状態に応じて大小変化するので、ロボットを操縦する操作者は接触状態に応じた力覚を感じることが可能となり、スムーズな作業遂行ができる。また、トルク制限値はできるだけ低く設定した方が、より小さな接触力に対して応答することができる。さらにトルク制限値に応じて対象物にかかる最大接触力を変えることが可能であるため、様々な作業に対応できる。
【００２６】
図４にマスタ制御部の構成を示すブロック図を示す。指令生成部２１ではジョイスティック４のポテンショメータ４１の出力を速度に変換し、積分して直交座標系の位置指令を生成する。また、モータ制御部２２ではロボット５からの力覚フィードバック信号とジョイスティック４の操作量からモータ４２へのトルク指令が生成され、電流アンプヘ出力しモータを動作させる。このような制御を行うことにより、ロボット制御部１の力覚フィードバック信号生成部１１３で計算された力の方向と大きさにより、ジョイスティック４の中立点からのバネ定数をモータによって変化させることができるので、ロボット５の先端の接触状態に応じた操作者への力覚呈示が可能となる。また、ジョイスティックから手を離しても、ロボットは一定の接触力を保ったまま静止させることが可能である。
【００２７】
本発明の第２の実施の形態の遠隔操縦ロボットの制御装置について説明する。
第２の実施の形態は、図１に示す柔軟制御手段の制限値設定部１２４で設定するトルク制限値が第１の実施の形態と異なる。第１の実施の形態では、制限値設定部１２４で設定されるトルク制限値は一定値としていた。第２の実施の形態はトルク制限値として（式２）を用いる。
【００２８】
【数２】

ここで、τｌｉｍはトルク制限値、Ｊ_Ｌはロボットアームのイナーシャ値、Ｖは関節の粘性摩擦係数、Ｃはクーロン摩擦係数、Ｗは制限幅値である。イナーシャ値を求める方法としては、（１）代表的な値を用いる、（２）ロボットの姿勢に応じて動力学演算により求める、（３）オブザーバ等パラメータ同定手段を用いる等の方法がある。また、粘性摩擦係数とクーロン摩擦係数は速度と摩擦の関係からあらかじめ求めることができる。このクーロン摩擦と粘性摩擦による速度分のトルクとイナーシャによる加速度分のトルクを加えたものは、位置速度制御部でのトルク指令にほぼ等しい値になる。また、制限幅値Ｗは上記計算の誤差を吸収するために最大トルクの数％程度の適度な値を設定しておく。
【００２９】
上記計算結果により、図２（ｂ）に示しているように、ロボットへの運動指令に応じた最小のトルク制限値が計算できる。通常の動作でロボットが運動する際、位置速度制御部での状態フィードバックループにより上記速度分と加速度分のトルクが発生するが，ロボットに外部から力が作用する（またはロボット自身が外部に接触する）場合には、外力によりロボットが押されたり、軌道を外れたりするため、大きな位置や速度の制御偏差が発生することになる。従って、その時のトルク指令は上記制限値設定部で演算を行ったトルクの制限域から逸脱したものになる。このとき、トルク制限値はロボットへの運動指令に対して逐次最小に設定されているため、より小さな接触力で力覚フィードバックが可能となる。また接触力を大きくしたい場合は制限幅値Ｗを大きくすればよい。
【００３０】
本発明の第３の実施の形態の遠隔操縦ロボットの制御装置について、図３に基づいて説明する。第１、第２の実施の形態が関節座標系の位置速度制御系を基本としているのに対して、図３は作業座標系での位置速度制御系を基本としている。そして第１の実施形態と同じように力制限値設定部１２４と力制限部１２３による柔軟制御手段１２０と、偏差監視部１２５、力覚フィードバック信号生成部１１３を加えたものである。
【００３１】
作業座標系の位置速度制御系は次のように構成される。すなわち順運動学演算部１２７において、モータ５１のエンコーダ５２で計測された関節角度フィードバックからロボット５のエンドエフェクタの位置を求める順運動学演算の解を求め、その解である位置フィードバックと作業座標系の位置指令をもとに、作業座標系での位置速度制御系が構成される。作業座標系での位置速度制御部１２１の力指令値は、力制限部１２３において制限値設定部１２４で設定した力制限値以上にならないように制限を施した上で、力−トルク変換演算部１２６によって各軸のトルクヘ変換され、各軸のアンプヘ出力される。このように作業座標系で位置速度制御系を組むことにより、作業座標系に基づいた柔軟制御手段１２０が実現できる。これにより、例えばＸ方向には柔らかく、Ｙ、Ｚ方向には硬くと言ったように作業座標系での柔軟性の設定が可能となる。
【００３２】
偏差監視部１２５では位置速度制御部１２１の力指令値と制限値設定部１２４で設定した力制限値との偏差を計算する。力制限値を越えない場合は偏差をゼロとする。力覚フィードバック信号生成部１１３ではその偏差を不感帯処理やフィルタ処理等を施したあと、ジョイスティック４への力覚フィードバック信号とし、マスタ制御部２側へ送る。このように作業座標系で位置速度制御系を構成し力制限することにより、力偏差も作業座標系のまま出力されるため、関節座標系でのトルク制限による力覚フィードバックよりも、より作業座標系に忠実な力覚フィードバックが可能となる。
【００３３】
さらに、本発明の第４の実施の形態としては、図３の柔軟制御手段の制限値設定部の力制限値を（式３）の値を用いる。
【００３４】
【数３】

ここで、Ｆｌｉｍはトルク制限値、Ｊ_Ｌはロボットアームのイナーシャ値、Ｖは関節の粘性摩擦係数、Ｃはクーロン摩擦係数、Ｗは力制限幅値である。またＪ^−Ｔはヤコビ行列の転置逆行列である。これにより、力制限値はロボットへの運動指令に対して逐次最小に設定できるため、より小さな接触力でも力覚フィードバックが可能となる。接触力を大きくしたい場合は力制限値幅Ｗを大きく設定すればよい。
【００３５】
以上は操作器としてジョイスティックを前提に説明したが、アクチュエータ付きのマスタアームでも同様に力覚フィードバックが可能である。このときマスタ制御部に送られてきた力覚フィードバック信号をマスタアームの構造に基づいて計算されたヤコビ行列によってマスタアームの各関節アクチュエータへのトルクとして分配することにより、ロボットと同構造でない異構造のマスタアームでも力センサレスで力覚フィードバックが可能となる。
【００３６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の請求項１から４によれば、遠隔操縦ロボットの制御装置において、位置速度制御系の位置偏差には直接関係なくトルク指令とトルク制限値、または力指令と力制限値との偏差の大きさに応じて力覚フィードバック信号が生成されるため、通信遅れや制御追従遅れ等による誤った力覚フィードバックがなく、確実に力覚フィードバックが成されるため、作業がスムーズに行える。
【００３７】
またこれらと同時に、トルク制限部や力制限部を設けることによって、ロボットアームが作業対象物に接触した場合でも柔軟に倣ったり、ジョイスティックから手を離しても一定の接触力で静止させることもできるため、ロボットの安全性が向上するとともに操作者の作業負担を軽減できるという効果がある。
【００３８】
また、請求項１および４によれば、ロボットの運動指令に対して最小のトルク制限値または力制限値が設定可能なので、より小さな接触力に対して応答が可能となる。
【００３９】
また、請求項２から４によれば、接触時に作業座標系での力指令の偏差が計算されるので、より作業座標系に忠実な力覚フィードバックが行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の構成を示すブロック図。
【図２】本発明の第１の実施の形態の作用を示す図。
【図３】本発明の第２の実施の形態の構成を示すブロック図。
【図４】本発明のマスタ制御部の構成を示すブロック図。
【図５】従来の遠隔操縦ロボットの全体構成を示すブロック図。
【図６】従来のロボット制御部の構成を示すブロック図。
【符号の説明】
１：ロボット制御部
２：マスタ制御部
３：通信部
４：ジョイスチック
５：ロボット
１１：動作司令部
１２：モータ制御部
２１：指令生成部
２２：モータ制御部
１１３：力覚フィードバック信号生成部
１２０：柔軟制御手段
１２３：トルク制限部
１２４：制限値設定部
１２５：偏差監視部
１２８：重力補償部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a control device such as a robot, and more particularly to a control device capable of feeding back a force sense to an operator without a force sensor in a remote control robot.
[0002]
[Prior art]
When it is dangerous for humans to approach the work place, or when the work is physically and mentally burdensome for humans, a robot is placed at the work place and the operator places the robot in a safe and comfortable place. A so-called remote control robot that performs work while performing remote control may be used. In this case, the operator often controls the robot by giving a command to the robot using a joystick or a master arm. At this time, when performing the work while the robot arm is in contact with the work object such as assembly work or equipment maintenance work, force control is performed on the robot side, and the robot arm tip and work object are given to the operator. The contact force is fed back, that is, haptic feedback is performed. By doing so, the work can be performed without destroying the work object, and the burden on the operator can be reduced. Force feedback includes a method using a force sensor and a method without a force sensor. A method using a force sensor can provide accurate force feedback, but is often performed without a force sensor from the viewpoint of reliability and cost.
[0003]
Here, FIG. 5 shows an overall configuration diagram of a conventional remote control robot of a force sensorless system. In FIG. 5, the master control unit 2 generates a command to the robot 5 from information on the joystick 4 and controls the motor 42 of the joystick 4. The robot control unit 1 controls the robot 5 and normally performs proportional integral control of position and speed for each joint position command. Communication between the master control unit 2 and the robot control unit 1 is performed by the communication unit 3.
[0004]
A potentiometer 41 is attached to the joystick 4 so that the swing angle of the joystick 4 can be detected. A command command to the robot 5 is generated by the command generator 21 in accordance with the detected angle. The generated command is transmitted to the robot control unit 1 via the communication unit 3, and the command to the motor 51 of each axis of the robot 5 is reconfigured by the operation command unit 11 and is sent out to the motor control unit 12.
[0005]
In addition, when the robot 5 is in contact with the work object, a signal corresponding to the contact state is sent to the motor control unit 22 of the master control unit 2, whereby the joystick motor 42 is driven and the operator feels a sense of force. Is possible.
[0006]
FIG. 6 shows a more detailed configuration diagram of the conventional robot control unit 1. The position command of the orthogonal coordinate system coming from the master control unit 2 in FIG. 5 is input to the joint position command generation unit 111, and each joint position command of the robot 5 is generated by performing inverse kinematic calculation. The motor control unit 12 uses a proportional integral control of the normal position and speed, and outputs a current command from the position / speed control unit 121 to the motor 51 through the amplifier 122. Further, in the coordinate conversion unit 113, a position feedback value of the orthogonal coordinate system is generated by performing forward kinematics calculation from the encoder value of each joint axis obtained from the encoder 52 and the other axis encoder. Then, the deviation between the orthogonal position command value and the feedback value is calculated by the force feedback signal generation unit (position deviation monitoring unit) 112 and sent to the robot communication unit 31. The joystick motor 42 is controlled via the master communication unit 32 in FIG. 5 in accordance with the position deviation.
[0007]
In the method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-71960, the motor load is detected by the current value of the motor and is fed back to the operation force of the joystick according to the current value.
[0008]
Although the joystick has been described as the operating device here, a master arm can be used instead of the joystick. In particular, in the case of a so-called master arm with the same joint configuration with the same degree of freedom as the robot arm, the robot arm does not perform forward kinematics calculations, but monitors the position deviations of the corresponding joints. Sense feedback is possible.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above conventional remote control robot control device, since the position deviation is used, the position deviation increases due to communication delay, control follow-up delay of the robot arm, etc. There was a problem that the force sense was fed back by mistake.
[0010]
Further, in Japanese Patent Laid-Open No. 8-71960, the method of detecting the current value of the motor adds the dynamic characteristics of the robot such as gravity and inertia to the current value, so that the rated torque is actually exceeded. It can only be used for overload detection, and it has been difficult to carry out the work while bringing the robot arm into contact with the work object with a joystick and feeding back the sense.
[0011]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a control apparatus for a remote control robot that can reliably feed back a force sense only at the time of contact using a joystick or a master arm and can efficiently perform a contact operation. .
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problem, a remote control robot control device according to claim 1 is a master control unit that controls a joystick or a master arm, a robot control unit that controls a robot, the master control unit, and a robot control unit. In the remote control robot control apparatus having the communication unit for performing the communication, the robot control unit detects the joint angle and performs the position / velocity state feedback control based on the angle command in the joint coordinate system. has a step, and the motor control soft control hand stage downstream of the position and speed control section of the hand stage the torque limit, and means to monitor the deviation of the torque command value before and after the torque limit, depending on the deviation possess the means to generate a tactile feedback signal, in the flexible control means, to maintain the acceleration torque and speed of the motor from the operation command of each axis motor Characterized in that the torque limit value calculated by adding the value of torque for.
[0015]
The remote control robot control device according to claim 2 includes: a master control unit that controls a joystick and a master arm; a robot control unit that controls the robot; and a communication unit that performs communication between the master control unit and the robot control unit. the control apparatus for the remote control robot with the robot control unit detects the joint angle, and a motor control hand stage performs position and speed of state feedback control on the basis of the position command in the work coordinate system, the motor generation and flexible control hand stage for performing power restriction downstream of the position and speed control section of the control hand stage, and means to monitor the deviation of the longitudinal force command value of the force limit, the force feedback signal corresponding to the difference It has a means to, a.
[0016]
Control device for remote control robot according to claim 3, wherein is characterized in that a constant force limit value to the flexible control hand stage Oite, each working axis.
[0017]
Control device for remote control robot according to claim 4, wherein the Oite the flexible control hand stage, a value obtained by adding by calculating the torque for maintaining the acceleration torque and speed of the motor from the operation command of each axis motor The force is converted into a force of each work coordinate system, and the force of each work coordinate system is used as a force limit value.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A remote control robot control apparatus according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The entire configuration of the control device is the same as that in FIG. 5, and the same components are denoted by the same reference numerals and the description thereof is omitted. FIG. 1 shows a configuration of a robot control unit 1 according to the present invention. In a conventional position / speed control system, a flexible control means 120 including a limit value setting unit 124 and a torque limit unit 123, a gravity compensation unit 128, and a deviation monitoring unit. 125, a force feedback signal generation unit 113 is added.
[0020]
Here, the function of each element will be described. First, the flexible control means 120 including the torque limiting unit 123 and the limit value setting unit 124 will be described.
[0021]
The flexible control means 120 does not cause the torque command generated by the position / speed control unit 121 in response to a command from the higher-order operation command unit 11 to exceed the fixed torque limit value set by the limit value setting unit 124 in the torque limit unit 123. Output to the amplifier after limiting to. Although not shown, the speed integration output of the position / speed control unit 121 is limited to a minimum value necessary for the follow-up operation of the motor. By doing in this way, even when a large torque command is generated due to an increase in position deviation or speed deviation due to contact of the robot with the object, it is possible to restrict the torque command to a small value by this torque limitation. The robot can be operated so as to follow the work object. That is, it is possible to maintain a stable contact state between the robot and the work object at any part of the robot arm without generating excessive torque.
[0022]
In addition, the gravity compensation unit 128 calculates the gravity torque of each axis applied by its own weight, such as a robot arm or a work tool attached to the tip, according to the posture of the robot, and the gravity compensation torque is added to the subsequent stage of the torque limiting unit. In addition, even if the torque limit value is set to a small value, it is possible to prevent the robot arm from falling due to its own weight due to insufficient torque. Further, since the gravity balance is always maintained, the torque limit value set by the limit value setting unit 124 does not need to consider the torque for gravity. Therefore, it is possible to set the torque limit value small and respond to a small contact force.
[0023]
Next, the deviation monitoring unit 125 and the force feedback signal generation unit 113 will be described. When the robot 5 comes into contact with the work object and the control deviation such as position and speed increases, a large torque command exceeding the torque limit value set from the position / speed control unit 121 is generated. The deviation between the torque input to the torque limiting unit 123 and the limit value is calculated. The deviation is zero when the torque generated by the position / speed control system does not exceed the torque limit value. This torque deviation is calculated for each joint of the robot and sent to the force feedback signal generation unit 113. The haptic feedback signal generation unit 113 converts the torque deviation into a force deviation in the work coordinate system using (Equation 1).
[0024]
[Expression 1]

Here, J− ^T is a transposed inverse matrix of the Jacobian matrix, and τd is a deviation between the torque command and the torque limit value of each joint axis. Fd is a force deviation in the work coordinate system. This Fd is used as a contact force with the work object, and after performing a dead zone process, a filter process, etc., as a force feedback signal to the joystick 4 shown in FIG. The data is transmitted to the control unit 2 using the communication unit 3. By calculating the contact force in this way, it is not necessary to use a force sensor, and feedback to the operator in the contact state is possible regardless of which part of the arm is in contact.
[0025]
FIG. 2A is a diagram illustrating the operation of the torque limiting unit 123. Since the generated torque (torque command value) of the position / speed control unit 121 is limited by the torque limit value, the robot arm operates flexibly even if it contacts the work object, and at the same time, the generated torque of the position / speed control unit 121 Since the deviation between the torque limit value and the torque limit value changes depending on the contact state, the operator who operates the robot can feel a force sense according to the contact state, and can perform a smooth operation. Further, setting the torque limit value as low as possible can respond to a smaller contact force. Furthermore, since it is possible to change the maximum contact force applied to the object according to the torque limit value, it is possible to cope with various operations.
[0026]
FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the master control unit. The command generation unit 21 converts the output of the potentiometer 41 of the joystick 4 into a speed and integrates it to generate a position command in the orthogonal coordinate system. The motor control unit 22 generates a torque command to the motor 42 from the force feedback signal from the robot 5 and the operation amount of the joystick 4 and outputs it to the current amplifier to operate the motor. By performing such control, the spring constant from the neutral point of the joystick 4 can be changed by the motor according to the direction and magnitude of the force calculated by the force feedback signal generation unit 113 of the robot control unit 1. Therefore, it is possible to present a force sense to the operator according to the contact state of the tip of the robot 5. Further, even if the hand is released from the joystick, the robot can be kept stationary while maintaining a certain contact force.
[0027]
A remote control robot control apparatus according to a second embodiment of the present invention will be described.
The second embodiment differs from the first embodiment in the torque limit value set by the limit value setting unit 124 of the flexible control means shown in FIG. In the first embodiment, the torque limit value set by the limit value setting unit 124 is a constant value. The second embodiment uses (Equation 2) as the torque limit value.
[0028]
[Expression 2]

Here, Taulim the torque limit value, J _L is the inertia value of the robot arm, V is the viscous friction coefficient of the joints, C is Coulomb friction coefficient, W is limited width value. As a method for obtaining the inertia value, there are a method of (1) using a representative value, (2) obtaining by a dynamic calculation according to the posture of the robot, and (3) using a parameter identification means such as an observer. The viscous friction coefficient and the Coulomb friction coefficient can be obtained in advance from the relationship between speed and friction. A value obtained by adding the torque for the speed due to the Coulomb friction and the viscous friction and the torque for the acceleration due to the inertia becomes a value substantially equal to the torque command in the position speed control unit. The limit width value W is set to an appropriate value of about several percent of the maximum torque in order to absorb the calculation error.
[0029]
Based on the calculation result, as shown in FIG. 2B, the minimum torque limit value corresponding to the motion command to the robot can be calculated. When the robot moves in normal operation, torque for the speed and acceleration is generated by the state feedback loop in the position / speed control unit, but force is applied to the robot from the outside (or the robot itself contacts the outside). ), The robot is pushed by an external force or deviated from the trajectory, resulting in a large position and speed control deviation. Therefore, the torque command at that time deviates from the torque limit region calculated by the limit value setting unit. At this time, since the torque limit value is successively set to the minimum with respect to the motion command to the robot, force feedback can be performed with a smaller contact force. If the contact force is to be increased, the limit width value W may be increased.
[0030]
A remote control robot control apparatus according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Whereas the first and second embodiments are based on the position / speed control system of the joint coordinate system, FIG. 3 is based on the position / speed control system of the work coordinate system. As in the first embodiment, a flexible control means 120 including a force limit value setting unit 124 and a force limit unit 123, a deviation monitoring unit 125, and a force feedback signal generation unit 113 are added.
[0031]
The position / speed control system of the work coordinate system is configured as follows. That is, the forward kinematics calculation unit 127 obtains a solution of forward kinematics calculation for obtaining the position of the end effector of the robot 5 from the joint angle feedback measured by the encoder 52 of the motor 51, and the position feedback and work coordinate system which are the solutions. Based on this position command, a position speed control system in the work coordinate system is configured. The force command value of the position / velocity control unit 121 in the work coordinate system is limited so that it does not exceed the force limit value set by the limit value setting unit 124 in the force limit unit 123, and then a force-torque conversion calculation unit. The torque is converted to the torque of each axis by 126 and output to the amplifier of each axis. In this way, by constructing the position / speed control system in the work coordinate system, the flexible control means 120 based on the work coordinate system can be realized. This makes it possible to set flexibility in the work coordinate system, such as soft in the X direction and hard in the Y and Z directions.
[0032]
The deviation monitoring unit 125 calculates a deviation between the force command value of the position / speed control unit 121 and the force limit value set by the limit value setting unit 124. If the force limit value is not exceeded, the deviation is zero. The haptic feedback signal generation unit 113 performs the dead zone processing, filter processing, and the like on the deviation, and then sends it to the master control unit 2 as a haptic feedback signal to the joystick 4. By configuring the position / velocity control system in the work coordinate system and limiting the force, the force deviation is output as it is in the work coordinate system. Therefore, the work coordinate is more than the force feedback by torque limitation in the joint coordinate system. Force feedback that is faithful to the system is possible.
[0033]
Furthermore, as the fourth embodiment of the present invention, the value of (Equation 3) is used as the force limit value of the limit value setting unit of the flexible control means of FIG.
[0034]
[Equation 3]

Here, Flim the torque limit value, J _L is the inertia value of the robot arm, V is the viscous friction coefficient of the joints, C is Coulomb friction coefficient, W is the force limit width value. J- ^T is a transposed inverse matrix of the Jacobian matrix. As a result, the force limit value can be sequentially set to the minimum with respect to the motion command to the robot, so that force feedback can be performed even with a smaller contact force. In order to increase the contact force, the force limit value width W may be set large.
[0035]
The above explanation is based on the premise that a joystick is used as an operating device. However, force feedback is also possible in a master arm with an actuator. The force feedback signal sent to the master control unit at this time is distributed as torque to each joint actuator of the master arm by the Jacobian matrix calculated based on the structure of the master arm, so that the different structure that is not the same structure as the robot Force master feedback is possible without a force sensor even with the master arm.
[0036]
【The invention's effect】
As described above, according to the first to fourth aspects of the present invention, in the remote control robot control device, the torque command and the torque limit value, or the force command and the force command regardless of the position deviation of the position / speed control system. Since a force feedback signal is generated according to the magnitude of the deviation from the limit value, there is no erroneous force feedback due to communication delay or control follow-up delay, etc. It can be done smoothly.
[0037]
At the same time, by providing a torque limiting part and a force limiting part, even when the robot arm comes into contact with the work object, it can be flexibly copied or can be kept stationary with a constant contact force even when the hand is released from the joystick. As a result, the safety of the robot is improved and the work load on the operator can be reduced.
[0038]
According to the first and fourth aspects, since the minimum torque limit value or force limit value can be set with respect to the robot motion command, it is possible to respond to a smaller contact force.
[0039]
According to the second to fourth aspects, since the deviation of the force command in the work coordinate system is calculated at the time of contact, force feedback more faithful to the work coordinate system can be performed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a first exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing the operation of the first exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of a second exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of a master control unit of the present invention.
FIG. 5 is a block diagram showing an overall configuration of a conventional remote control robot.
FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of a conventional robot control unit.
[Explanation of symbols]
1: Robot control unit 2: Master control unit 3: Communication unit 4: Joystick 5: Robot 11: Operation command unit 12: Motor control unit 21: Command generation unit 22: Motor control unit 113: Force feedback signal generation unit 120 : Flexible control means 123: Torque limiting unit 124: Limit value setting unit 125: Deviation monitoring unit 128: Gravity compensation unit

Claims

In a remote control robot control device having a master control unit that controls a joystick and a master arm, a robot control unit that controls a robot, and a communication unit that communicates with the master control unit and the robot control unit,
The robot control unit detects the joint angle, and a motor control hand stage performs position and speed of state feedback control based on the angle command of the joint coordinate system,
And means to monitor the deviation of the motor control and the flexible control hand stage the torque limit to a position posterior to the speed control unit of the hand stage, the torque command value before and after the torque limit,
Possess the means to generate a tactile feedback signal corresponding to the deviation,
In the flexible control means, a torque control value is obtained by calculating and adding a torque for maintaining the motor acceleration torque and speed from the motor operation command of each axis, and controlling the remote control robot. .

In a remote control robot control device having a master control unit that controls a joystick and a master arm, a robot control unit that controls a robot, and a communication unit that communicates with the master control unit and the robot control unit,
The robot control unit includes a motor control unit that detects a joint angle and performs position / speed state feedback control based on a position command in a work coordinate system;
Flexible control means for limiting the force to the subsequent stage of the position / speed control unit of the motor control means; means for monitoring a deviation of the force command value before and after the force limitation;
Means for generating a force feedback signal in accordance with the deviation;
Control device for remote control robot, comprising a.

The remote control robot control device according to claim 2, wherein the flexible control means is provided with a constant force limit value for each work coordinate axis .

In the flexible control means, a value obtained by calculating and adding a torque for maintaining the acceleration torque and speed of the motor from the operation command of the motor of each axis is converted into a force of each work coordinate system, The remote control robot control device according to claim 2, wherein the force is a force limit value .