CN103203755A - 机器人控制装置、机器人系统以及机器人控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人控制装置、机器人系统以及机器人控制方法。在机器人控制装置中包括：力控制部，其基于从力觉传感器获取的检测传感器值来输出机器人的目标轨道的修正值；目标值输出部，其对目标轨道进行基于修正值的修正处理来求出目标值，并输出所求出的目标值；以及机器人控制部，其基于目标值进行机器人的反馈控制。并且，在由检测传感器值表示的外力的方向是第一方向的情况下，力控制部进行第一力控制，在外力的方向是与第一方向相反的方向即、第二方向的情况下，力控制部进行与第一力控制不同的第二力控制。

Description

机器人控制装置、机器人系统以及机器人控制方法

技术领域

本发明涉及机器人控制装置、机器人系统以及机器人控制方法等。

背景技术

在使用机械手等机器人进行的作业中，存在各种约束条件，例如伴随着与物体的接触的作业。在这种情况下，除了位置的控制，还要求力的控制的情况较多。例如，在描绘物体的表面的情况、使一个物体嵌合于其他物体的情况、不破坏柔软物地进行把持的情况下等，除了单纯的位置的控制之外，还需要与来自物体的反作用力对应的动作。

作为在机器人中进行力控制的代表手法，存在被称为阻抗控制的手法。所谓阻抗控制是，使机器人以不管其实际的质量、粘性特性、弹性特性如何，都宛如具有适合作业的这些值的方式动作的控制手法。这是基于从安装在机器人上的力觉传感器等得到的力信息来求解运动方程式，并使机器人按照该解进动作作的控制手法。通过适当地设定该运动方程式，从而能够使机械手等机器人以宛如具有规定的质量、粘性、弹性那样的方式进行动作。

此外，在阻抗控制中，为了使机器人等以具有所希望的特性（质量、粘性特性、弹性特性）的方式动作，需要对使用了与该特性对应的系数参数的常微分方程式（作为二阶线性常微分方程式的运动方程式）进行求解。已知各种求解常微分方程式的手法，但使用Runge－Kutta法、Newton法等。

作为与这种阻抗控制、力控制有关的现有技术，已知专利文献1中公开的技术。

专利文献1：日本特开平10－128685号公报

上述的阻抗控制中的常微分方程式是线性，所以这样的阻抗控制具有相对于力（外力）的方向（朝向）对称的特性。

可是，在人进行作业时，经常发生对力进行控制以使位移相对于外力的方向不对称的情况。例如，在对具有某些引入机构的装置插入物体的情况下，针对来自装置的回弹力，施加力来抵抗该抵抗回弹力，但是一旦引入机构工作，切换为引入力，则照此进行动作，换句话说具有“柔软”的特性。因此，在机器人进行与人相同的这样的作业时，需要这种非对称的阻抗控制。

此处，在专利文献1中公开了一种如下的手法：通过使力控制中的运动方程式的柔顺项（弹性项）相对于假想位移呈非线性的函数，从而使柔顺项具有非线性性。在专利文献1的说明书中未明确地记载，但能够认为在上述的非线性的柔顺项中包括非对称的柔顺项，由此也能够认为能够实现非对称的阻抗控制。

可是，该手法是相对于位置（位移）的非对称性，并不是如上述说明的那样的相对于力的方向的位移（修正值）的非对称性。换句话说，在专利文献1中所公开的手法中，不能够实现位移相对于力的方向非对称的阻抗控制。

发明内容

根据本发明的几个方式，能够提供一种进行修正值相对于力的方向不对称的阻抗控制的机器人控制装置、机器人系统以及机器人控制方法等。

本发明的一方式涉及机器人控制装置，该机器人控制装置包括：力控制部，其基于从力觉传感器获取的检测传感器值来输出机器人的目标轨道的修正值；目标值输出部，其对上述目标轨道，进行基于上述修正值的修正处理来求出目标值，并输出所求出的上述目标值；以及机器人控制部，其基于上述目标值进行上述机器人的反馈控制，在由上述检测传感器值表示的外力的方向是第一方向的情况下，上述力控制部进行第一力控制，在上述外力的方向是与上述第一方向相反的方向即、第二方向的情况下，上述力控制部进行与上述第一力控制不同的第二力控制。

由此，能够进行位移的变化量相对于外力的方向呈非对称的阻抗控制。

另外，在本发明的一方式中，上述力控制部也可以在上述外力的方向是上述第一方向的情况下，把使相对于外力的位移变化量成为第一位移变化量的力控制作为上述第一力控制来进行，在上述外力的方向是上述第二方向的情况下，把使相对于外力的上述位移变化量成为与上述第一位移变化量不同的第二位移变化量的力控制作为上述第二力控制来进行。

由此，能够例如在检测出朝向第一方向的外力的情况下，进行位移变化量变大的力控制，在检测出朝向第二方向的外力的情况下，进行位移变化量变小的力控制等。

另外，在本发明的一方式中，上述力控制部可以在上述外力的方向是上述第一方向的情况下，进行输出与上述第一位移变化量对应的第一修正值的上述第一力控制，在上述外力的方向是上述第二方向的情况下，进行输出与上述第二位移变化量对应的第二修正值的上述第二力控制。

由此，能够根据外力的方向来输出不同的修正值等。

另外，在本发明的一方式中，上述力控制部可以包括外力方向判定部，该外力方向判定部对由上述检测传感器值表示的上述外力的方向进行判定。

由此，能够判定外力的方向等。

另外，在本发明的一方式中，上述力控制部具有：控制参数存储部，其存储多个力控制中的控制参数集；以及控制参数选择部，其进行从存储在上述控制参数存储部的上述控制参数集中选择要使用的上述控制参数集的选择处理，在由上述检测传感器值表示的上述外力的方向是上述第一方向的情况下，上述力控制部进行选择第一控制参数集的上述选择处理，在上述外力的方向是上述第二方向的情况下，上述力控制部进行选择第二控制参数集的上述选择处理，使用选择出的上述控制参数集，求出力控制中的常微分方程式的解作为上述修正值，并输出上述修正值也可以。

由此，能够通过切换使用于阻抗控制的控制参数集，实现非线性阻抗控制等。

另外，在本发明的一方式中，当使用上述第一控制参数集进行力控制时，在判断出有规定的控制参数变更指示的情况下，上述力控制部也可以进行将要使用的上述控制参数集从上述第一控制参数集向上述第二控制参数集变更的变更处理。

由此，能够在有规定的控制参数变更指示的情况下，变更要使用的控制参数集等。

另外，在本发明的一方式中，上述力控制部也可以在使用上述第二控制参数集进行力控制的情况下，当判断出朝向上述第一方向的外力的大小超过第一阈值时，进行将要使用的上述控制参数集变更为上述第一控制参数集的上述变更处理，在使用上述第一控制参数集进行力控制的情况下，当判断出朝向上述第二方向的外力的大小超过第二阈值时，进行将要使用的上述控制参数集变更为上述第二控制参数集的上述变更处理。

由此，能够对控制参数集的变更控制赋予迟滞特性，从而能够避免频繁地发生要使用的控制参数集的变更等。

另外，在本发明的一方式中，上述力控制部也可以在由上述检测传感器值表示的外力的方向是上述第二方向的情况下，对进行上述第一力控制所求出的第一修正值、和进行上述第二力控制所求出的第二修正值进行加权处理，求出第三修正值，并输出所求出的上述第三修正值。

由此，使用多个数字滤波器的参数，求出进行数字滤波器处理时的输出值，进行各输出值的加权相加，从而能够求出修正值，实现非对称阻抗控制等。

另外，在本发明的一方式中，上述力控制部可以具有数字滤波器部，该数字滤波器部求出力控制中的常微分方程式的解作为上述修正值。

由此，能够在求出常微分方程式的解的这样的力控制中使用数字滤波器进行所需要的处理，所以能够使硬件化较容易等。

另外，在本发明的一方式中，上述力控制部可以对求出上述修正值的上述数字滤波器部的动作的稳定度进行判定，并在判定出上述数字滤波器部的上述动作是稳定的情况下，求出力控制中的上述常微分方程式的解作为上述修正值。

由此，能够判定数字滤波器的稳定性等。

另外，在本发明的一方式中，上述常微分方程式也可以是将假想质量项、假想粘性项以及假想弹性项作为系数参数的运动方程式。

由此，能够求出运动方程式的解等。

另外，本发明的其他方式涉及机器人系统，该机器人系统包括上述机器人控制装置、和基于从上述目标值输出部获取的上述目标值来使各部动作的上述机器人。

由此，不限于机器人控制装置，也能够实现执行本实施方式的处理的机器人系统等。

另外，本发明的其他方式涉及机器人控制方法，该机器人控制方法的特征在于，基于从力觉传感器获取的检测传感器值，求出力控制中的常微分方程式的解作为机器人的目标轨道的修正值，在由上述检测传感器值表示的外力的方向是第一方向的情况下，进行第一力控制，在上述外力的方向是与上述第一方向相反的方向、即第二方向的情况下，进行与上述第一力控制不同的第二力控制，对上述目标轨道进行基于上述修正值的修正处理来求出目标值，并输出所求出的上述目标值，基于上述目标值，进行上述机器人的反馈控制。

另外，在本发明的其他方式中涉及机器人控制方法，该机器人控制方法的特征在于，在上述外力的方向是上述第一方向的情况下，把使相对于外力的位移变化量成为第一位移变化量的力控制作为上述第一力控制来进行，在上述外力的方向是上述第二方向的情况下，把使相对于外力的上述位移变化量成为与上述第一位移变化量不同的第二位移变化量的力控制作为上述第二力控制来进行。

另外，本发明的其他方式涉及机器人控制方法，该机器人控制方法的特征在于，是进行具有力觉传感器的机器人的控制的机器人控制方法，根据施加给上述力觉传感器的外力的方向，进行上述机器人的位移的大小不同的力控制。

另外，本发明的其他方式涉及机器人控制方法，该机器人控制方法的特征在于，是进行具有力觉传感器的机器人的控制的机器人控制方法，进行对上述力觉传感器施加了第一外力的情况下的上述机器人的位移的大小、和对上述力觉传感器施加了与上述第一外力大小相同、方向相反的力即、第二外力的情况下的上述机器人的位移的大小不同的力控制。

附图说明

图1是机器人控制装置以及机器人系统的基本构成例。

图2（A）、图2（B）是机器人系统的一个例子。

图3（A）～图3（C）是关于力控制的说明图。

图4（A）、图4（B）是关于柔顺控制的说明图。

图5（A）、图5（B）是关于阻抗控制的说明图。

图6（A）～图6（C）是需要非对称阻抗控制的事例的说明图。

图7（A）～图7（D）是各力控制中的外力与位移的关系的说明图。

图8是不包括力觉反馈的控制系统的基本构成例。

图9是包括力觉反馈的控制系统的基本构成例。

图10是求出运动方程式的解时的数字滤波器的基本形。

图11（A）～图11（C）是系统的稳定性判定手法的说明图。

图12是使用了数字滤波器的机器人控制装置以及机器人系统的基本构成例。

图13是第一实施方式的详细的系统构成例。

图14是说明第一实施方式的阻抗数字滤波器处理的流程图。

图15（A）～图15（E）是说明非对称阻抗控制的各动作步骤的具体例。

图16是相对于正弦波外力的对称阻抗控制的响应例。

图17是相对于正弦波外力的非对称阻抗控制的响应例。

图18是2个阻抗处理输出的加权相加的例子。

图19是第二实施方式的详细的系统构成例。

图20是说明第二实施方式的阻抗数字滤波器处理的流程图。

图21是控制参数的变更处理的说明图。

图22（A）、图22（B）是求出目标轨道、修正值、目标值的具体的系统构成例。

具体实施方式

以下，对本实施方式进行说明。首先，说明本实施方式的概要。接下来，关于第一实施方式与第二实施方式，分别对系统构成例与详细的处理进行说明。此外，以下说明的本实施方式并未不当地限定权利要求书中所记载的本发明的内容。另外，在本实施方式中所说明的构成的全部未必是本发明的必要构成要件。

1．概要

1．1基本构成

图1表示本实施方式的机器人控制装置（机械手控制装置）以及包括机器人控制装置的机器人系统的构成例。此外，本实施方式的机器人控制装置、机器人系统并不限于图1的构成，而能够实施省略其一部分构成要素，或者追加其他构成要素等的各种变形。

本实施方式的机器人控制装置包括力控制部20、目标值输出部60、和机器人控制部80。另外，本实施方式的机器人系统由该机器人控制装置和机器人100（力觉传感器10）构成。

目标值输出部60输出机器人（狭义上说，是机械手）的反馈控制的目标值。基于该目标值来实现机器人100的反馈控制。如果以多关节机器人等为例，该目标值是机器人的关节角信息等。机器人的关节角信息例如是表示机器人的手臂的联杆机构中的各关节的角度（接合轴与接合轴所成的角度）的信息。

目标值输出部60能够包括轨道生成部62和逆运动学处理部64。轨道生成部62输出机器人的轨道信息。轨道信息能够包括机器人的末端执行器部（末端）的位置信息（x，y，z）、和绕各坐标轴旋转的旋转角度信息（u，v，w）。逆运动学处理部64基于来自轨道生成部62的轨道信息进行逆运动学处理，例如输出机器人的关节角信息作为目标值。逆运动学处理是对具有关节的机器人的动作进行计算的处理，是根据机器人的末端执行器部的位置姿势等，通过逆运动学来计算关节角信息等的处理。

力控制部20（狭义上说，是阻抗控制部）基于来自力觉传感器10的传感器信息进行力控制（力觉控制），并输出目标值的修正值。更具体而言，力控制部20（阻抗控制部）基于来自力觉传感器10的传感器信息（力信息、力矩信息）进行阻抗控制（或者柔顺控制）。力控制例如是，相对于现有的位置控制而增加了力的反馈的控制。阻抗控制是，通过控制使末端执行器部（手指）相对于外力产生位移的容易度（机械阻抗）成为所希望的状态的手法。具体而言，是在机器人的末端执行器部联系质量、粘性系数、和弹性要素的模型中，以作为目标而设定的质量、粘性系数、和弹性系数来与物体接触的控制。另外，力觉传感器10是，对作为针对机器人100产生的力的反作用力而受到的力、力矩进行检测的传感器。该力觉传感器10通常被安装于机器人100的手臂上的手腕部分，检测出的力、力矩作为传感器信息被用于各种的力控制（阻抗控制）。

机器人控制部80基于从目标值输出部60得到的目标值进行机器人100的反馈控制。具体而言，根据输出基于来自力控制部20的修正值的修正处理的结果的目标值进行机器人100的反馈控制。例如基于目标值、和来自机器人100的反馈信号进行机器人100的反馈控制。例如机器人控制部80包括多个驱动控制部82-1～82-N（狭义上说，是电机控制部），并对机器人100所具有的驱动部102-1～102-N输出其控制信号。此处，驱动部102-1～102-N是用于使机器人100的各关节活动的驱动机构，例如通过电机等来实现。

此处，图2（A）表示包括本实施方式的机器人控制装置的机器人系统的例子。该机器人系统包括控制装置300（信息处理装置）和机器人310（图1的机器人100）。控制装置300进行机器人310的控制处理。具体而言，进行基于动作顺序信息（脚本信息）使机器人310动作的控制。机器人310具有手臂320以及手部（把持部）330。而且，按照来自控制装置300的动作指示而动作。例如，进行把持或者移动载置在未图示的托盘上的工件等的动作。另外，基于由未图示的拍摄装置所获取的拍摄图像信息来检测机器人的姿势、工件的位置等信息，并将检测出的信息发送给控制装置300。

本实施方式的机器人控制装置例如设在图2（A）的控制装置300上，并且通过控制装置300的硬件、程序来实现机器人控制装置。而且，根据本实施方式的机器人控制装置，能够降低对控制装置300等控制硬件的性能要求，并且能够以较高的响应性使机器人310动作。

另外，在图2（A）中，机器人主体310（机器人）与控制装置300（机器人控制装置）独立地构成，但本实施方式的机器人并不限于图2（A）的构成，也可以如图2（B）那样，机器人主体310与控制装置300一体地构成。具体而言，如图2（B）所示，机器人包括机器人主体310（具有手臂320以及手部330）以及支承机器人主体310的基座单元部，在该基座单元部收纳控制装置300。在图2（B）的机器人中，在基座单元部设置有车轮等，机器人整体形成为能够移动的结构。此外，图2（A）是单臂型的例子，但如图2（B）所示，机器人也可以是双臂型等的多臂型机器人。此外，机器人的移动也可以手动进行，也可以设置驱动车轮的电机，通过控制装置300控制该电机进行。

1．2力控制·阻抗控制

接下来，对力控制、阻抗控制（柔顺控制）的概要进行说明。

图3（A）表示利用机器人的左臂AL、右臂AR夹住物体OB进行移动的情况。例如，只利用位置控制，有可能掉落或者破坏物体。根据力控制，如图3（A）所示，能够从两侧以适当的力夹住柔软的物体、易碎的物体，并使之移动。

另外，根据力控制，如图3（B）所示，能够利用手臂AM等来描绘存在不确定性的物体的表面SF。这样的控制仅依靠位置控制则不可能实现。另外，根据力控制，如图3（C）所示，也能够在进行粗略定位之后，试探地进行对位，使物体OB嵌入孔部HL。

然而，在弹簧等的实际的机械部件进行的力控制中存在限制用途这样的问题。另外，在这样的机械部件进行的力控制中，特性的动态切换较困难。

另一方面，控制电机的扭矩的扭矩控制简单，但存在位置精度差这样的问题。另外，在异常时产生碰撞等问题。例如在图3（A）中，在发生异常情况，物体OB掉落的情况下，在扭矩控制中，应平衡的反作用力消失，所以产生左右臂AL、AR会碰撞等问题。

与此相对，阻抗控制（柔顺控制）的控制虽然较复杂，但存在通用性、安全性较高这样的优点。

图4（A）、图4（B）是说明作为阻抗控制之一的柔顺控制的图。柔顺是指弹簧常数的倒数，弹簧常数表示硬度，而柔顺指柔软度。当在机器人与环境之间起相互作用时，将赋予机械柔软性亦即柔顺的控制称为柔顺控制。

例如在图4（A）中，在机器人的手臂AM安装有力觉传感器SE。进行编程使该机器人的手臂AM根据由力觉传感器SE所得到的传感器信息（力、扭矩信息）改变姿势。具体而言，图4（A）的A1所示的假想弹簧以宛如安装在手臂AM的前端的方式控制机器人。

例如A1所示的弹簧的弹簧常数是100Kg／m。如果如图4（B）的A2所示，以5Kg的力推压弹簧，则如A3所示，弹簧收缩5cm。反言之，可以说如果收缩5cm，则是以5Kg的力推压。换句话说，力信息与位置信息呈线性、且对称地对应。

在柔顺控制中，进行宛如该A1所示的假想弹簧被安装在手臂AM的前端那样的控制。具体而言，机器人被控制为响应力觉传感器SE的输入而动作，针对A2所示的5Kg的加重，如A3所示，后退5cm，从而被控制为位置信息对应于力信息而变化。

在这样的单纯的柔顺控制中不包括时间项，而包括时间项、且连其2次项都考虑到的控制是阻抗控制。具体而言，2次项是质量项，1次项是粘性项，阻抗控制的模型能够由下式（1）所示的运动方程式表示。

【数1】

$f\left(t\right)=m\stackrel{\·\·}{x}+\mathrm{\μ}\stackrel{\·}{x}+\mathrm{kx}\·\·\·\·\·\left(1\right)$

在上式（1）中，m是质量，μ是粘性系数，k是弹性系数，f是力，x是来自目标位置的位移。另外，x的1次微分、2次微分分别对应于速度、加速度。在阻抗控制中，构成用于使作为手臂的前端的末端执行器部具有上式（1）的特性的控制系统。即、以手臂的前端宛如具有由上式（1）表示的假想质量、假想粘性系数、假想弹性系数的方式进行控制。

这样，阻抗控制是，在粘性要素与弹性要素在各方向上与手臂的前端的质量联系的模型中，以作为目的而设定的粘性系数与弹性系数与物体接触的控制。

例如图5（A）所示，考虑一种利用机器人的手臂AL、AR抓取物体OB，使之沿着轨道TR移动的控制。在这种情况下，轨道TRL是通过设定在物体OB的左侧的内侧的点PL的轨道，是假定阻抗控制而决定的假想的左手轨道。另外，轨道TRR是通过设定在物体OB的右侧的内侧的点PR的轨道，是假定阻抗控制而决定的假想的右手轨道。在这种情况下，手臂AL被控制为产生与手臂AL的前端和点PL的距离差对应的力。另外，手臂AR被控制为产生与手臂AR的前端和点PR的距离差对应的力。如果这样，则能够实现一边较软地抓取物体OB一边使之移动的阻抗控制。而且，在阻抗控制中，如图5（A）的B1所示，即使产生物体OB落下的情况，如B2、B3所示，手臂AL、AR也被控制为其前端在点PL、PR的位置停下。即、如果假想的轨道不是碰撞轨道，则能够防止手臂AL、AR碰撞。

另外，如图5（B），在控制为描绘物体的表面SF的情况下，在阻抗控制中，控制为对手臂AM的前端作用与假想的轨道TRVA和前端的距离差DF对应的力。因此，能够进行一边对手臂AM施加力一边描绘表面SF这样的控制。

这些例子表示进行线性且对称的阻抗控制的情况。此外，此处，所谓线性阻抗控制是指，位移相对于外力呈线性地变化的阻抗控制，所谓非线性阻抗控制是指，位移相对于外力呈非线性地变化的阻抗控制。并且，所谓对称阻抗控制是指，位移相对于外力的方向对称的阻抗控制，所谓非对称阻抗控制是指，位移相对于外力的方向非对称的阻抗控制。

1．3非对称阻抗控制

可是，在线性且对称的阻抗控制中，在图6（A）～图6（C）所示的那样的根据外力的朝向来要求不同的力控制的事例中，不能够充分地应对。

此处，具体而言，在图6（A）～图6（C）中对求出的阻抗控制进行说明。

首先，图6（A）表示作为引入机构而具有辊子部RL、此外还具有导向辊部GRL的装置中，机器人的手臂AM插入工件WK的情况。此外，导向辊部GRL是不具有引入机构的辊子，在手臂AM的前端设有力觉传感器SE。

在本例中，在工件WK的前端与导向辊部GRL接触时，力觉传感器SE检测朝右的力。在此刻，优选进行抵抗朝右的外力这样的可靠的力控制。即、应使位移相对于外力的变化量较小。

然后，工件WK被手臂AM推压而向右移动，工件WK的前端接触到辊子部RL时，力觉传感器检测朝左的力。因为是辊子部RL将工件WK引入。在本例中，因为目的是将工件WK压入装置内，所以之后应进行按照朝左的外力进行动作的柔和的力控制。换言之，应使位移的变化量相对于外力较大。

图6（B）的例子也与图6（A）的例子相同，在导向辊部GRL上使工件WK移动的情况下，进行抵抗朝右的外力的力控制，在工件WK接触到传送带一部分BC的时刻，应相对于朝左的外力进行顺从的力控制。

并且，图6（C）的情况也与图6（A）以及图6（B）的例子相同，优选地，在上坡时进行相对于外力的位移变化量变小的控制，在下坡时进行相对于外力的位移变化量变大的控制。

接下来，使用图7（A）～图7（D），从各力控制中的外力与位移的关系观点来说明对称阻抗控制与非对称阻抗控制的不同。此外，例如，考虑在图6（A）的例子中适用图7（A）～图7（D）的情况下，将在压入工件WK时所受到的右方向的力表示为负的外力，将在工件WK被辊子部RL拉动时所受到的左方向的力表示为正的外力。

首先，图7（A）表示线性且对称的阻抗控制的例子。即、图7（A）的图表表示外力越大，位移也成正比例地变大的情况。这样的关系在前述的图5（A）、图5（B）中外力与位移中成立。

接下来，图7（B）表示在外力增大至规定的阈值以上的情况下，位移难以变大的非线性阻抗控制的例子。

在这些图7（A）与图7（B）所示的对称阻抗控制中，即使外力的方向变化了，外力与位移的关系也不变化。换句话说，在图7（A）与图7（B）中，如果无论外力的方向是第一方向（右方向）还是与第一方向相反的方向的第二方向（左方向），外力的大小都相同，则相对于此的位移的大小（绝对值）都相同。

接下来，对在图6（A）那样的事例中所求出的外力与位移的理想关系以及实现该理想关系的力控制进行说明。此外，此处为了使说明易懂，而只进行柔顺控制的说明，但并不限于柔顺控制，对阻抗控制也适用。

首先，从结论先叙述，在后述的第一实施方式以及第二实施方式中，进行施加给力觉传感器的外力的方向与施加外力时的机器人的位移的大小的关系呈非对称的力控制，作为图6（A）那样的事例中所求出的力控制。即、根据施加给力觉传感器的外力的方向来进行机器人的位移的大小不同的力控制。

此处，具体而言，考虑将式（1）中的柔顺项（弹性项）设为x的函数g（x）的运动方程式亦即下式（2）。

【数2】

$f\left(t\right)=m\stackrel{\·\·}{x}+\mathrm{\μ}\stackrel{\·}{x}+g\left(x\right)\·\·\·\·\·\left(2\right)$

例如，如果式（2）中的g（x）呈图7（C）的曲线那样的形状，则看起来实现了在压入图6（A）的工件WK时所受到的右方向的外力较生硬，在拉动工件WK时所受到的左方向的外力较柔和的构造。如果进行这样的阻抗控制，则能够获得相对于外力的方向的非对称性。

可是，如果正确地来说，该g（x）是位移x的函数，取决于外力的方向，控制参数并不变化。换句话说，即使在外力的方向未变化的范围内，响应特性也变化，与在图6（A）中求出的响应特性有点微妙地不同。实际想要的是，例如以下所示的图7（D）的特性。

在图7（D）所示的非对称阻抗控制中，针对第一方向的外力与位移的关系如g1直线，针对与第一方向相反的方向亦即第二方向的外力与位移的关系如g2直线。即、与图7（A）、图7（B）所示的对称阻抗控制不同，在外力的方向是第一方向时、与外力的方向是第二方向时，相对于外力的位移变化量（换句话说，g1与g2直线的斜率）不同。换言之，外力与位移的关系根据外力的方向而不同。

具体而言，对于在压入图6（A）的工件WK时所受到的右方向的外力而言，按照g1曲线，进行外力即使变大，位移也难以变化的较生硬的力控制，对于拉动工件WK时所受到的左方向的外力而言，按照g2的曲线，实现即使是较小的外力，位移也容易变化的较柔和的力控制。

这样，本申请人提出一种对例如图6（A）～图6（C）的事例进行图7（D）所示的非对称阻抗控制的机器人控制装置等。

1．4控制系统的构成

另外，此处，图8表示不包括力觉反馈的情况下的控制系统的基本构成例。

轨道生成部562生成轨道信息p（xyzuvw），并输出给逆运动学处理部564。此处，轨道信息p包括例如手臂的前端（末端执行器部）的位置信息（xyz）与绕各轴旋转的旋转信息（uvw）。而且，逆运动学处理部564基于轨道信息p进行逆运动学处理，从而生成作为目标值的各关节的关节角θ，并将其输出。然后，基于该关节角θ进行电机控制，从而进行机器人的手臂的动作控制。在这种情况下，通过公知的PID控制来实现图8的电机（M）的控制。该PID控制是公知的技术，所以此处省略详细的说明。

图8中，由轨道生成部562与逆运动学处理部564构成目标值输出部。该目标值输出部的处理成为机器人的整体处理。另一方面，后段的电机控制成为每个关节的控制。

图9表示包括力觉反馈的情况下的控制系统的基本构成例。在图9中，相对于图8，进一步设有力觉传感器510、姿势修正部532、手部、工具自重修正部534、运动方程式处理部536、和正向运动学处理部540。

在图9中，姿势修正部532接受来自力觉传感器510的传感器信息来进行传感器的姿势修正，手部、工具自重修正部534进行手部、工具自重修正。然后，运动方程式处理部536进行求出前述的式（1）所示的运动方程式的解的处理，并输出修正值Δp。根据该修正值Δp修正轨道信息p，从而进行作为目标值的关节角θ的修正处理。另外，正向运动学处理部540进行正向运动学处理，求出机器人的轨道信息p’并将其反馈给轨道生成部562。另外，对姿势修正部532、和手部、工具自重修正部534输出用于确定姿势的信息。此外，机器人的轨道信息p’向轨道生成部562的反馈用于进行基于p’的轨道的修正处理等，如果不进行该修正处理等，则未必需要反馈。

在手部、工具自重修正部534中进行手部、工具自重修正，在姿势修正部532中进行姿势修正。此处，手部、工具自重修正是用于根据来自力觉传感器510的传感器信息（力信息）来抵消机器人的手部的自重、手部抓取的工具的自重带来的影响的修正处理。另外，姿势修正是用于根据传感器信息（力信息）来抵消力觉传感器510的姿势带来的影响的修正处理。这些手部、工具自重修正以及姿势修正能够例如下式（3）所示。

【数3】

在上式（3）中，Fx、Fy、Fz、Fu、Fv、Fw是来自力觉传感器510的传感器信息亦即力信息和扭矩信息。另外，Bx、By、Bz、Bu、Bv、Bw是偏置项。而且，作为修正后的传感器信息（力信息、扭矩信息）的fx、fy、fz、fu、fv、fw被输入给运动方程式处理部536。此外，因为在数据中存在固定值，所以实际的修正系数是6×7＝42个。这些手部、工具自重修正以及姿势修正是公知的修正处理，所以省略详细的说明。

1．5数字滤波器处理

在图9的运动方程式处理部536中需要求出运动方程式（广义上说，是常微分方程式）的解。以往，使用了Newton法、Runge－Kutta法等用于求出运动方程式的解。可是，这些手法不适合硬件化，且稳定性的判定也较困难。并且还存在难以与响应性的切换对应的问题。

于是，本申请人为了应对上述的3个问题，而使用数字滤波器作为求解常微分方程式的手法。

1．5．1运动方程式的使用了数字滤波器的解法

运动方程式以上述的式（1）的形式表现。运动方程式是线性常微分方程式，所以如果求出脉冲输入的解亦即脉冲响应，则通过脉冲响应与外力项的卷积能够得到任意的外力项的解。

此处，如果获知是在求出运动方程式的解的步骤中对力觉传感器的传感器信息的输入输出解（例如位置信息）的滤波器，则能够考虑根据上式（1）的形式，作为2极模拟滤波器。

换句话说，运动方程式的解能够作为模拟滤波器的输出而求出，所以通过将该模拟滤波器进行数字滤波器化，从而能够使用数字滤波器来求解运动方程式。

已知各种模拟滤波器的数字滤波器化的手法，但例如使用ImpulseInvariance（脉冲响应不变）法即可。这是考虑赋予与以离散时间T对模拟滤波器的脉冲响应进行采样而得的值相同的脉冲响应的数字滤波器的手法。Impulse Invariance法是公知的手法，所以省略详细的说明。

以上的结果为常微分方程式的解能够作为数字滤波器的输出而求出。如果是运动方程式，则如图10所示，成为2极数字滤波器。图10中，d是1次采样量的延迟，C₀、C₁、C₂是数字滤波器的系数（数字滤波器参数）。此外，图10的数字滤波器的输入值F与输出值Y_n的关系能够如式（4）所示。

【数4】

Y_n＝C₀F+C₁Y_n-1+C₂Y_n-2·····(4)

如果是数字滤波器进行的处理，则硬件化较容易，并如后述，稳定性的判定也较容易。另外，如果切换数字滤波器的系数，则也能够切换特性（柔和地动作或是生硬地动作等），且也能够切换滤波器驱动频率来切换解的响应性。

1．5．2数字滤波器的稳定度判定

在阻抗控制中，有可能在运动方程式的质量项（m）、粘性项（μ）以及弹性项（k）的设定顺序下，会建成不稳定的系统。以极端的例子来说，能成为如下的系统，即、如果一旦对机器人施加力，则能成为不管之后完全没触到与否，机器人的振动都继续那样、进行振荡的系统。那种稳定性（稳定度）较低的系统在实用上不优选，所以判定与运动方程式有关的系统的稳定性，并需要在不稳定的情况下进行一些应对。

可是，在上述的Newton法、Runge－Kutta法等中，即使能够求出运动方程式的解，也不能进行稳定性的判定。因此，需要与求出解的处理不同的判定稳定性的处理，但众所周知一般的稳定性的判定处理并不容易。

在本实施方式的手法中，使用数字滤波器来处理运动方程式，所以与运动方程式有关的系统的稳定性的判定无非是所对应的数字滤波器的稳定性的判定。数字滤波器的稳定性的判定能够容易地进行，判定极是否处于单位圆中即可。

图11（A）～图11（C）表示具体例子。这些例子都是极落在单位圆中的例子，而在极位于单位圆外的情况下，判定为不稳定。另外，如位于图11（C）那样，在某种程度上，从单位圆的圆周上朝向内侧离开的位置存在极的情况下，没有太大的问题。可是，如图11（A）那样，在离单位圆相当近的位置存在极（此外，图11（A）是在不是重根且无限近的位置存在2个极的例子）的情况下，需要注意。原因是，因数字滤波器的安装手法而有可能相对于设计值产生误差。在该误差成为使极的位置向单位圆的外侧方向移动的重要因素的情况下，图11（A）那样的稳定性没有富余的数字滤波器不管设计上如何稳定，都有可能在安装时进行不稳定的动作，所以需要一些应对。

1．5．3使用了数字滤波器的情况下的构成例

图12表示使用数字滤波器来求出运动方程式的解的情况下的、机器人控制装置以及包括机器人控制装置的机器人系统以及传感器信息装置的构成例。此外，本实施方式的机器人控制装置、机器人系统以及传感器信息装置并不限于图12的构成，而能够实施省略其一部分的构成要素，或者追加其他构成要素等的各种变形。

力觉传感器10、目标值输出部60、机器人控制部80以及机器人100与图1相同，所以省略详细的说明。

力控制部20包括数字滤波器部22。数字滤波器部22对来自力觉传感器的传感器信息（也包括对传感器信息实施修正处理、频带限制处理的信息）进行数字滤波器处理，并将输出值作为修正值输出给目标值输出部60。另外，力控制部20也可以包括对传感器信息进行频带限制处理的频带限制部25。

数字滤波器部22包括数字滤波器运算部221、数字滤波器系数输出部222、和数字滤波器稳定度判定部223。数字滤波器运算部221基于传感器信息与数字滤波器系数，进行数字滤波器处理来求出运动方程式的解。数字滤波器系数输出部222基于运动方程式的系数参数（质量项m、粘性项μ、弹性项k以及驱动周期T）来求出数字滤波器系数，并将其输出给数字滤波器运算部221与数字滤波器稳定度判定部223。数字滤波器稳定度判定部223基于数字滤波器系数进行该数字滤波器的稳定性的判定。

数字滤波器系数输出部222可以包括数字滤波器系数存储部224和数字滤波器系数转换部225。数字滤波器系数转换部225将运动方程式的系数参数转换为数字滤波器系数。数字滤波器系数存储部224对转换得到的数字滤波器系数进行存储。如果事先在数字滤波器系数存储部224存储多个数字滤波器系数，则能够通过切换输出的数字滤波器系数，切换机器人的动作特性、解的响应性。

以下，基于图12的构成，对实现图7（D）的非对称阻抗控制的第一实施方式与第二实施方式进行说明。第一实施方式是本发明的基本形，是根据外力的方向切换使用的控制滤波器的参数，进行非对称阻抗控制的例子。而且，第二实施方式是，在有规定的控制参数变更指示等的情况下，变更控制参数来进行非对称阻抗控制的例子。

2．第一实施方式

2．1构成

图13表示第一实施方式所涉及的机器人控制装置的构成例。

力觉传感器10、目标值输出部60（轨道生成部62、逆运动学处理部64）、机器人控制部80（电机控制部82－1～电机控制部82－N）等与图1相同，所以省略详细的说明。另外，输入修正部30对检测传感器值（传感器信息）进行修正处理，例如可以包括图9的姿势修正部532、手部、工具自重修正部534等。正向运动学处理部40对应于图9的正向运动学处理部540，将正向运动学处理的结果输出给输入修正部30，并且，也可以根据需要输出给轨道生成部62。

另外，机器人控制装置的力控制部20包括阻抗处理部21、第一控制参数存储部24－1、第二控制参数存储部24－2、控制参数选择部26、和外力方向判定部27。此外，本实施方式的力控制部20并不限于图13的构成，而能够实施省略其一部分的构成要素，或者追加其他构成要素等的各种变形。

另外，图13的阻抗处理部21对应于图12的数字滤波器运算部221，且动作也相同，所以省略说明。并且，图13的第一控制参数存储部24－1与第二控制参数存储部24－2对应于图12的数字滤波器系数存储部224，图13的控制参数选择部26对应于图12的数字滤波器系数转换部225。

第一控制参数存储部24－1与第二控制参数存储部24－2分别存储不同的控制参数。此处，所谓的控制参数，可以是后述的运动方程式的系数参数，也可以是数字滤波器的参数。并且，可以存储补偿参数作为控制参数。此处，所谓补偿参数是指，外力为0的情况下的假想位移。控制参数存储部的功能能够通过RAM等存储器、HDD（硬盘驱动器）等实现，实际上，可以通过一个存储器等构成，也可以通过多个存储器等构成。

接下来，外力方向判定部27基于从输入修正部30获取的姿势修正后的检测传感器值（外力）来判定外力的方向，并向控制参数选择部26通知外力的方向。

然后，控制参数选择部26基于由外力方向判定部27所判定出的外力的方向，从存储在第一控制参数存储部24－1与第二控制参数存储部24－2中的控制参数中选择要使用的控制参数，并将其输出给阻抗处理部21。另外，在存储于第一控制参数存储部24－1与第二控制参数存储部24－2中的控制参数是运动方程式的系数参数的情况下，进行将系数参数向数字滤波器的参数转换的处理等。

另外，在本实施方式中，能够使用由与图10所示的数字滤波器相同的结构构成的数字滤波器。

如果是图10所示的数字滤波器进行的处理，硬件化较容易，稳定性的判定也较容易。

2．2详细的处理

接下来，使用图14的流程图，对本实施方式中的力控制部进行的数字滤波器处理的流程进行说明。另外，图15（A）～图15（E）表示对图6（A）的事例中的非对称阻抗控制的各动作步骤进行说明的具体例子。以下，掺杂具体例子，进行流程图的说明。

作为数字滤波器处理的流程，首先，等待输出时机（S101），在到了输出时机时，从输入修正部30获取姿势修正后的外力（外力值）F（S102）。

在图15（A）～图15（E）所示的具体例子中，在图15（A）的时刻，机器人的手臂AM把持的工件WK的前端未触到导向辊部GRL，未检测到外力（检测传感器值为0），但在图15（B）的时刻，检测出从导向辊部GRL受到的朝右的外力。此外，即使在检测传感器值为0的情况下，也可以进行以下的处理。

接下来，判定前一个外力值与当前的外力值的符号是否相同（S103）。此处，所谓外力值的符号是指外力的方向。例如，在外力值的符号是“－”的情况下，外力的方向是附图的右方向（第一方向），在外力值的符号是“＋”的情况下，外力的方向是附图的左方向（第二方向）。即、在步骤S103中，判定外力的方向是否变化了。

在判定为前一个外力值与当前的外力值的符号不同的情况下，判断为外力的方向变化了，设定与当前的符号（外力的方向）对应的控制参数（S104），并进行步骤S105的处理。

例如，图15（B）中的外力的方向是右方向，外力值的符号是“－”。另一方面，在图15（C）的状态下，辊子部RL将工件WK引入，所以外力的方向是左方向，外力值的符号是“＋”。因此，在图15（B）的状态与图15（C）的状态下，外力值的符号不同。因此，控制参数选择部26判断为外力的方向变化了，并使控制参数变更。此外，在本例中，在初始状态下，设定存储于第一控制参数存储部24－1的第一控制参数，在外力的方向变化了的时刻，变更用作存储于第二控制参数存储部24－2的第二控制参数的控制参数。

另一方面，在判定为前一个外力值与当前的外力值的符号相同的情况下，判断为没有发现外力的方向变化，不变更当前设定的控制参数，而进行步骤S105的处理。

例如，图15（C）中的外力的方向是左方向，外力值的符号是“＋”。并且，即使在图15（D）、图15（E）的状态下，外力的方向也是左方向，外力值的符号保持原样是“＋”，所以从图15（C）的状态至图15（E）的状态下，外力值的符号没有变化。因此，此处，不变更要使用的控制参数。

然后，基于设定的控制参数，计算式（4），求出Y_n（S105），返回到步骤S101。以上是本实施方式的数字滤波器处理的流程。

接下来，使用图16与图17来比较对称阻抗控制的响应与非对称阻抗控制的响应。

首先，图16表示对称阻抗控制对正弦波外力F的响应（Y_s、Y_h）。在图16的图表中，将对将运动方程式的系数参数（假想质量、假想粘性、假想刚性）的设定作为该图所示的PR1时的外力F的响应表示为Y_s，将系数参数的设定作为PR2时的响应表示为Y_h。此外，在图16以及图17中，将纵轴设为任意刻度，将横轴设为时间（秒），将驱动周期设为与机械手的电流控制环路的周期相同的125微秒（8k采样点／秒），将外力设为周期为1秒的正弦波。

在图16的PR1与PR2中，假想质量m与假想粘性μ是相同的，但关于假想刚性k，PR2是PR1的2倍。因此，机器人在PR1设定时进行所谓的像较柔和的弹簧那样的响应，在PR2设定时进行像PR1设定时的2倍的较硬弹簧那样的响应。此外，因为存在粘性项、质量项，所以PR1或者PR2设定时的响应的相位与外力的相位偏离。

如看图16所明白的那样，虽然振幅、周期不同，但是响应Y_s以及响应Y_h都成为相对于外力F的方向（符号）对称的正弦波。

接下来，在图17中表示非对称阻抗控制对正弦波外力F的响应Y_n。该图所示的Y_n是根据外力的方向来切换运动方程式的系数参数的非对称阻抗控制的响应（位移、修正值）。

作为系数参数，使用该图所示的PR3与PR4。将外力的方向是左方向（第二方向）的情况下设定的系数参数设为PR3，将外力的方向是右方向（第一方向）的情况下设定的系数参数设为PR4。图17的PR3与PR4的假想质量m是相同的，但关于假想粘性μ，PR4是PR3的32倍，关于假想刚性k，PR4是PR3的4倍。因此，机器人在PR3设定时进行与PR4设定时相比像较软的弹簧那样的响应，在PR4设定时进行与PR3设定时相比像较硬的弹簧那样的响应。

例如，在图17的图表中，在T1时刻，外力从正（左方向）变为负（右方向），所以设定PR4的系数参数。因此，响应Y_n难以向负的方向移动，位移的变化量相对于外力的变化变小。另一方面，例如在T2时刻，外力从负（右方向）变为正（左方向），所以设定PR3的系数参数。因此，响应Y_n容易向正的方向移动，位移的变化量相对于外力的变化变大。

如果能进行图17的阻抗控制，则能够进行位移的变化量相对于外力的方向呈非对称的阻抗控制。这样，比较图16所示的响应Y_s以及Y_h与图17的响应Y_n的曲线，可知对称阻抗控制的响应与非对称阻抗控制的响应的不同。

在以上的本实施方式的机器人控制装置中，包括：力控制部20，其基于从力觉传感器10获取的检测传感器值来输出机器人100的目标轨道的修正值；目标值输出部60，其对目标轨道进行基于修正值的修正处理来求出目标值，并输出求出的目标值；以及机器人控制部80，其基于目标值进行机器人100的反馈控制。而且，在由检测传感器值表示的外力的方向是第一方向的情况下，力控制部20进行第一力控制，在外力的方向是与第一方向相反的方向亦即第二方向的情况下，力控制部20进行与第一力控制不同的第二力控制。

首先，力控制基于从力觉传感器10获取的检测传感器值来求出机器人100的目标轨道的修正值，并输出求出的修正值。

此处，所谓检测传感器值（传感器信息），可以是来自力觉传感器10的输出值本身，也可以是对该输出值实施输入修正部30的修正处理后的值。另外，也可以是实施了频带限制部25（图12中记载）的频带限制处理后的值。并且，也可以是与它们数学上等价的信息。

另外，所谓修正值是通过力控制部20求出，用于通过目标值输出部60修正目标轨道的值。例如，修正值是图7（D）的图中表示的位移。图7（D）的图等中表示的位移是阻抗控制相对于外力的响应（输出），实际上，并不是表示机器人100的机械手等移动的距离等的值。因此，为了与机器人100的机械手等实际上移动时的位移加以区别，而将该位移称为假想位移（假想的位移）。此外，转换处理前的修正值也能够改称为中间值、中间修正值。

而且，目标值输出部对目标轨道进行基于修正值的修正处理来求出目标值。

此处，所谓目标值是，机器人100的反馈控制中的目标值，基于该目标值进行机器人控制部80的控制。目标值能够通过对目标轨道进行基于修正值的修正处理而获取。

另外，所谓目标轨道狭义上说，可以是表示机器人100的末端执行器部（末端）的空间目标位置的变化。一个目标位置例如由三维空间坐标xyz（如果也考虑姿势，则可以追加绕各轴旋转的旋转角uvw）表示，所谓目标轨道成为该目标位置的集合。但是，目标轨道并不限于此，也可以是机器人100的目标关节角的集合。若在具有关节的机器人100中，决定各关节的角度，则通过正向运动学处理决定唯一的末端执行器部的位置。换句话说，在N关节机器人中，能够通过N个关节角（θ1～θN）来表现一个目标位置，所以如果将该N个的关节角的组作为一个目标关节角，则所谓目标轨道能够考虑为目标关节角的集合。因此，从力控制部20输出的修正值可以是与位置有关的值，也可以是与关节角有关的值。

图22（A）、图22（B）表示具体例子。如后述，如果使用上式（1）的运动方程式作为力控制中的常微分方程式，则该运动方程式的解成为与位置有关的值。因此，在目标轨道是目标位置的情况下，将解保持原样作为修正值即可，系统构成例如图22（A）。此外，目标值可以是与位置有关的值也可以是与关节角有关的值，但一般假定机器人100的反馈控制使用关节角。

与此相对，与目标值输出部60的逆运动学处理部64不同，也考虑像力控制部20包括逆运动学处理部23的图22（B）那样的事例。例如，是在目标值输出部60中的目标轨道生成处理、与力控制部20中的修正值输出处理中，处理的时机、处理速度不同的情况等。该情况下，目标轨道是目标关节角，在力控制部20中对运动方程式的解进行转换处理（例如逆运动学处理），作为修正值。

另外，所谓力控制中的常微分方程式是，在力控制中需要求出解的常微分方程式。狭义上说，可以是线性常微分方程式。更狭义地说，也可以是为了使机器人宛如具有所希望的特性（质量、粘性、弹性等）那样动作而需要求出解的常微分方程式，也可以是式（1）所示的运动方程式。

而且，力控制部20在由检测传感器值所表示的外力的方向是第一方向的情况下，进行第一力控制，在外力的方向是与第一方向相反的方向亦即第二方向的情况下，进行与第一力控制不同的第二力控制。此外，后述第一力控制与第二力控制的详细。

由此，能够进行位移的变化量相对于外力的方向呈非对称的阻抗控制。这在机器人的实用上非常有效、能够实现作业适应度高的力控制。

另外，力控制部20在外力的方向是第一方向的情况下，进行位移变化量相对于外力成为第一位移变化量的力控制，作为第一力控制，在外力的方向是第二方向的情况下，把使相对于外力的位移变化量成为与第一位移变化量不同的第二位移变化量的力控制作为第二力控制来进行。

此处，所谓位移变化量是指，相对于外力的位移的变化量。例如，在图7（D）的图中，位移变化量是指表示位移的直线的斜率。换言之，从一定方向对机器人的机械手施加力，使之缓缓地变化来测量机械手的瞬间的位移，在如图7（A）～图7（D）那样进行图表化时，图表的斜率相对于某个大小的外力成为位移变化量。

因此，为了确认这样的位移变化量，例如，对机器人的机械手赋予相互大小不同的第一外力、第二外力、第三外力，并分别求出在赋予了第一外力时的机械手的位移、赋予第二外力时的位移、和赋予了第三外力时的位移。然后，能够确认赋予了第一外力时的机械手的位移与赋予了第二外力时的位移之差或赋予了第二外力时的位移与赋予了第三外力时的位移之差，作为位移变化量。此外，如果使第一外力与第二外力（第二外力与第三外力）的差较微小，则能够求出与图的斜率相同的值。即、位移变化量也能够指施加了第一外力时的位移与施加了和第一外力不同的第二外力时的位移之差。而且，此时，第一外力与第二外力之差可以较微小。此处，微小是指无限接近于0。

另外，如上述，在确认出位移变化量时，如果位移与外力成正比例地变大，则可知在位移与外力中成立图7（A）的关系，如果不管如何增大外力，而不增大位移，则可知在位移与外力中图7（B）的关系成立。

这样，能够通过进行第一位移变化量与第二位移变化量不同的力控制，实现非对称阻抗控制。例如能够在检测出向第一方向的外力的情况下，进行位移变化量变大的力控制，在检测出向第二方向的外力的情况下，进行位移变化量变小的力控制等。即、能够进行图7（D）的图那样的力控制。

另外，力控制部20也可以在外力的方向是第一方向的情况下，进行输出与上述第一位移变化量对应的第一修正值的第一力控制，在外力的方向是第二方向的情况下，进行输出与上述第二位移变化量对应的第二修正值的第二力控制。

即、上述的第一力控制又是输出第一修正值的力控制，上述第二力控制又是输出第二修正值的力控制。

由此，能够根据外力的方向输出不同的修正值等。

另外，力控制部20可以包括外力方向判定部27，该外力方向判定部27对由检测传感器值表示的外力的方向进行判定。

由此，能够判定外力的方向等。

另外，力控制部20可以具有：控制参数存储部24，其存储多个力控制中的控制参数集；以及控制参数选择部26，其进行从存储在控制参数存储部24中的控制参数集中选择要使用的控制参数集的选择处理。而且，力控制部20可以在由检测传感器值表示的外力的方向是第一方向的情况下，进行选择第一控制参数集的选择处理，在外力的方向是第二方向的情况下，进行选择第二控制参数集的选择处理，并使用选择出的控制参数集来求出力控制中的常微分方程式的解作为修正值，并输出修正值。

此处，所谓控制参数集可以是力控制中的常微分方程式的各项的系数参数集，也可以是数字滤波器的参数集。

另外，所谓常微分方程式的各项的系数参数是指，常微分方程式中的常数项、1阶微分项的系数、2阶微分项的系数、…n阶微分项的系数。如果是上述式（1）的例子，则m、μ、k为系数参数。

另一方面，所谓数字滤波器的参数是指式（4）中的各项的系数。具体而言，是C₀、C₁、C₂。此外，对于第一参数集与第二参数集而言，任一的参数都不同。

此外，在本实施方式中，基于外力的方向进行使用于阻抗控制的控制参数集的选择处理，但也可以不基于外力的方向而基于假想位移进行选择处理。

由此，能够通过切换使用于阻抗控制的控制参数集，实现非线性阻抗控制。

另外，力控制部20也可以在由检测传感器值表示的外力的方向是第二方向的情况下，对进行第一力控制所求出的第一修正值、和进行第二力控制所求出的第二修正值进行加权处理，求出第三修正值，并输出求出的第三修正值。

例如，力控制部20也可以求出加权处理后的第一修正值与第二修正值之和作为第三修正值。

作为具体例子，图18表示2个阻抗处理输出的加权相加的例子。这是使用了与图16相同的2组控制参数（PR1与PR2）的情况，但在本例中，不切换参数，使2组阻抗处理并列动作，并对该输出进行加权相加。

在图18中，外力为F，对外力F使用图16所示的运动方程式的系数参数集PR1进行阻抗控制时的响应为Y_s，使用系数参数集PR2进行阻抗控制时的响应为Y_h，响应Y_s与Y_h的加权相加值为CPR。此外，在本例中，不管外力的方向如何，都始终求出加权和（CPR）。

另外，权重W如式（5），加权相加值（输出值、修正值）Output如式（6）。在本实施方式中，也可以将这样求出的加权相加值作为修正值求出。

【数5】

W＝0.5*(1.0-tanh(Y_h)·····(5)

【数6】

Output＝(1.0-W)×Y_s+W×Y_h·····(6)

此外，加权函数在正负两方向上具有饱和特性，如果是单调增加函数，则也可以是其他的函数，但在此处使用tanh或者S型函数（实际上是与tanh相同的函数）。S型函数是赋予2值的系统的最大熵状态的函数，出现在各种场景中。但是，此处，最大熵并没有特别的意思。

由此，并不是控制参数的切换，而使用多个数字滤波器的参数，求出进行数字滤波器处理时的输出值，并进行各输出值的加权相加，从而能够求出修正值，实现非对称阻抗控制等。

另外，力控制部20可以具有数字滤波器部22，该数字滤波器部22求出力控制中的常微分方程式的解作为修正值。

由此，在求出常微分方程式的解这样的力控制中能够使用数字滤波器进行所需的处理，所以与使用Newton法、Runge－Kutta法等手法的情况相比，硬件化较容易。而且，通过切换使用于数字滤波器处理的数字滤波器（例如切换滤波器系数），从而也能够简单地切换响应特性。

另外，力控制部20可以对求出修正值的数字滤波器部22的动作的稳定度进行判定，在判定出数字滤波器部22的动作稳定的情况下，求出力控制中的常微分方程式的解作为修正值。

由此，能够判定数字滤波器的稳定性等。存在力控制中的常微分方程式的系数参数造出设定顺序上在现实中不可能的系统（例如振荡的机器人等）的情况。因此，需要判定常微分方程式的稳定性，但如果使用数字滤波器，则该判定变得容易。

另外，常微分方程式也可以是将假想质量项、假想粘性项以及假想弹性项作为系数参数的运动方程式。

由此，能够求出运动方程式的解等。因此，能够使机器人100宛如具有与假想质量项对应的质量、与假想粘性项对应的粘性、与假想弹性项对应的弹性那样动作。

另外，以上的本实施方式涉及机器人系统，该机器人系统包括上述的机器人控制装置（包括力控制部20、目标值输出部60、和机器人控制部80）；和机器人100，该机器人100基于从目标值输出部60获取的目标值使各部动作。

由此，并不限于机器人控制装置，也能够实现执行本实施方式的处理的机器人系统等。

此外，上述叙述了使用数字滤波器进行力控制的情况，但也可以利用其他的构成要素来代替数字滤波器。利用其他的构成要素来代替了数字滤波器的情况，也包含在本发明的范围内。

3．第二实施方式

在第二实施方式中，在有规定的控制参数变更指示的情况下等，变更控制参数，进行非对称阻抗控制。

3．1构成

图19表示第二实施方式所涉及的机器人控制装置的构成例。

机器人控制装置的力控制部20包括：阻抗处理部21、第一控制参数存储部24－1、第二控制参数存储部24－2、阈值存储部（基准外力方向存储部）24－3、控制参数选择部26、外力方向判定部（外力方向、外力值判定部）27、以及状态设定部（复位部）29。此外，本实施方式的力控制部20并不限于图19的构成，能够实施省略其一部分的构成要素，或者追加其他构成要素等的各种变形。

此处，力觉传感器10、输入修正部30、正向运动学处理部40、目标值输出部60（轨道生成部62、逆运动学处理部64）、机器人控制部80（电机控制部82－1～电机控制部82－N）、阻抗处理部21、第一控制参数存储部24－1、第二控制参数存储部24－2等与图13相同，所以省略说明，仅进行与图13不同的构成或者动作的功能部的说明。

首先，阈值存储部（基准外力方向存储部）24－3对使用于是否变更控制参数的判定处理的规定的阈值、后述的基准外力方向进行存储。阈值存储部（基准外力方向存储部）24－3的功能能够通过RAM等存储器、HDD（硬盘驱动器）等实现。实际上可以由与第一控制参数存储部24－1以及第二控制参数存储部24－2共用的单一的存储器等构成，也可以由分别不同的多个存储器等构成。

接下来，外力方向判定部（外力方向、外力值判定部）27除了判定外力的方向之外，也可以基于检测传感器值来判定外力值是否比从阈值存储部24－3获取的规定的阈值大等。

并且，控制参数选择部26基于从外力方向判定部（外力方向、外力值判定部）27获取的表示外力的方向或外力与阈值的大小关系的信息，选择要使用的控制参数。此外，不是外力方向判定部27，控制参数选择部26也可以判定外力值是否比规定的阈值大等。

而且，在获取了控制参数变更指令、复位信号的情况下，状态设定部（复位部）29将该意思通知给控制参数选择部。

此外，在第二实施方式中，与第一实施方式相同，能够利用图10所示的数字滤波器。

3．2详细的处理

接下来，使用图20的流程图，对本实施方式中的力控制部进行的数字滤波器处理的流程进行说明。

至步骤S301、S302为止的流程与图14相同。此外，在本实施方式的初始状态下，使用第一参数集PR1作为数字滤波器的参数集。

另外，在本实施方式中，基于外力值F（外力的方向与大小）来变更要使用的数字滤波器的参数集。图21使用将横轴设为外力值F、将纵轴设为控制参数的图表来表示其情况。

如前述，在初始状态下，选择第一参数集PR1，所以如图21所示，假定外力值F比第二阈值Th2大。此外，如果是第二阈值Th2以下，则应将要使用的数字滤波器的参数集变更为第二参数集PR2。

为此，首先，判定当前设定的阈值是否是第二阈值Th2（S303）。

然后，在判定为当前设定的阈值是第二阈值Th2的情况下，判定外力值F是否是第二阈值以下（S304）。

在判定为外力值F是第二阈值Th2以下的情况下，将数字滤波器的参数集设定为第二参数集PR2（S305）。

此处，同样在判定是否从使用第二参数集的状态（以下，称为第二状态）向使用第一参数集的状态（以下，称为第一状态）迁移时的比较处理中，若使用第二阈值Th2，则在外力值F是第二阈值Th2附近的值的情况下，存在要使用的数字滤波器的参数集频繁地变化的情况。若要使用的数字滤波器的参数集变化，则响应特性也变化，所以通常不优选这样的频繁变更。

于是，对数字滤波器的参数集的变更控制赋予迟滞特性，所以在步骤S305之后，将阈值变更为第一阈值Th1（S306）。由此，能够防止要使用的数字滤波器的参数集的变更频繁地发生。

另一方面，在步骤S304中，在判定为外力值F比第二阈值大的情况下，不进行要使用的数字滤波器的参数集的变更处理。

而且，在步骤S306的处理后或者步骤S304中，判定为外力值F比第二阈值大的情况下，进行步骤S310的处理，求出Y_n（S310），返回到步骤S301。

另一方面，在进行从第二状态向第一状态的迁移判定的情况下，如前述，比较外力值F与第一阈值Th1。此外，在是第二状态的情况下，应设定第一阈值Th1作为与外力值F比较的阈值（参照步骤S306）。

于是，在步骤S303中判定为当前设定的阈值不是第二阈值Th2（即、判定为设定有第一阈值Th1）的情况下，判定外力值F是否是第一阈值Th1以上（S307）。

在判定为外力值F是第一阈值Th1以上的情况下，将数字滤波器的参数集设定为第一参数集PR1（S308）。然后，与步骤S306相同，为了使要使用的数字滤波器的参数集的变更控制具有迟滞特性，而将阈值变更为第二阈值Th2（S309）。

另一方面，在步骤S307中判定为外力值F比第一阈值Th1小的情况下，不进行要使用的数字滤波器的参数集的变更处理。

然后，在步骤S309的处理后或者步骤S307中，判定为外力值F比第一阈值Th1小的情况下，进行步骤S310的处理，求出Y_n（S310），返回到步骤S301。以上是本实施方式的数字滤波器处理的流程。

以上的本实施方式的机器人控制装置的力控制部20可以在使用第一控制参数集来进行力控制时，且在判断为有规定的控制参数变更指示的情况下，进行将要使用的控制参数集从第一控制参数集向第二控制参数集变更的变更处理。

此处，所谓规定的控制参数变更指示如前述，可以是外力值与规定的阈值的比较结果，也可以是从状态设定部29输出的控制参数的变更命令。

例如，在规定的控制参数变更指示是前者的情况下，控制参数选择部26获取到外力值比规定的阈值大这样的比较结果时，进行要使用的控制参数集的变更处理。

另一方面，例如，在规定的控制参数变更指示是后者的情况下，进行以下的处理。

首先，本实施方式的机器人控制装置的力控制部20具有基本外力方向存储部24－3。此外，基本外力方向存储部24－3可以是与阈值存储部相同的存储器等。另外，在初始状态下，设定与存储在基本外力方向存储部24－3中的基本外力方向对应的控制参数集（第一控制参数）。

而且，在检测出与基本外力方向不同的方向的外力时，控制参数选择部26选择与第一控制参数集不同的第二控制参数集。但是，至从状态设定部29输出控制参数集的变更命令为止，一直维持设定有第一控制参数集的状态。而且，在从状态设定部29输出控制参数集的变更命令时，首先设定被选择的控制参数集。另外，状态设定部29输出指示返回到初始状态的复位信号的情况下，控制参数选择部26重新设定第一控制参数集。

由此，能够在有规定的控制参数变更指示的情况下，变更要使用的控制参数集等。

另外，力控制部20可以在使用第二控制参数集进行力控制的情况下，判断为朝向第一方向的外力的大小超过第一阈值时，进行将要使用的控制参数集变更为第一控制参数集的变更处理，在使用第一控制参数集进行力控制的情况下，判断为朝向第二方向的外力的大小超过第二阈值时，进行将要使用的控制参数集变更为第二控制参数集的变更处理。

此处，第二方向是指，与第一方向在同一轴上的相反方向。

另外，在此处，区别外力的方向，以正数即、绝对值表示外力的大小。另一方面，在上述的例子中，如图21所示，以正数表示朝向第一方向的外力的大小与第一阈值，以负数表示朝向第二方向的外力的大小与第二阈值。可是，这些都是表现上的差异，所以本质上是相同的。

由此，如上述，能够对控制参数集的变更控制赋予迟滞特性，并可以避免频繁地发生要使用的控制参数集的变更等。

另外，可以进行在对力觉传感器施加了第一外力的情况下的机器人的位移的大小、与对力觉传感器施加与第一外力大小相同且方向相反的力亦即第二外力的情况下的机器人的位移的大小不同的力控制。

如以上，对本实施方式详细地进行了说明，使本领域技术人员能够对可进行与本发明的发明点以及效果不实质地脱离的多种变形容易理解。因此，这样的变形例包含在全部本发明的范围内。例如，在说明书或者附图中，至少一次，与更广义或者同义的不同用语一起记载的用语在说明书或者附图的任何位置都能够置换为该不同用语。另外，机器人控制装置以及机器人系统的构成、动作也并不限定为以本实施方式所说明的内容，而能够实施各种的变形。

符号说明：

10…力觉传感器；20…力控制部；21…阻抗处理部；22…数字滤波器部；23…逆运动学处理部；24－1…第一控制参数存储部；24－2…第二控制参数存储部；24－3…阈值存储部（基准外力方向存储部）；25…频带限制部；26…控制参数选择部；27…外力方向判定部；29…状态设定部；30…输入修正部；40…正向运动学处理部；60…目标值输出部；62…轨道生成部；64…逆运动学处理部；80…机器人控制部；82－1～82－N…驱动控制部（电机控制部）；100…机器人；102－1～102－N…驱动部（电机）；221…数字滤波器运算部；222…数字滤波器系数输出部；223…数字滤波器稳定度判定部；224…数字滤波器系数存储部；225…数字滤波器系数转换部；300…控制装置；310…机器人（主体）；320…臂；330…手部；510…力觉传感器；532…姿势修正部；534…手部、工具自重修正部；536…运动方程式处理部；540…正向运动学处理部；562…轨道生成部；564…逆运动学处理部。

Claims (16)

1.一种机器人控制装置，其特征在于，包括：

力控制部，其基于从力觉传感器获取的检测传感器值来输出机器人的目标轨道的修正值；

目标值输出部，其对所述目标轨道进行基于所述修正值的修正处理来求出目标值，并输出所求出的所述目标值；以及

机器人控制部，其基于所述目标值，进行所述机器人的反馈控制，

在由所述检测传感器值表示的外力的方向是第一方向的情况下，所述力控制部进行第一力控制，

在所述外力的方向是与所述第一方向相反的方向即、第二方向的情况下，所述力控制部进行与所述第一力控制不同的第二力控制。

2.根据权利要求1所述的机器人控制装置，其特征在于，

在所述外力的方向是所述第一方向的情况下，所述力控制部把使相对于外力的位移变化量成为第一位移变化量的力控制作为所述第一力控制来进行，

在所述外力的方向是所述第二方向的情况下，所述力控制部把使相对于外力的所述位移变化量成为与所述第一位移变化量不同的第二位移变化量的力控制作为所述第二力控制来进行。

3.根据权利要求2所述的机器人控制装置，其特征在于，

在所述外力的方向是所述第一方向的情况下，所述力控制部进行输出与所述第一位移变化量对应的第一修正值的所述第一力控制，

在所述外力的方向是所述第二方向的情况下，所述力控制部进行输出与所述第二位移变化量对应的第二修正值的所述第二力控制。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的机器人控制装置，其特征在于，

所述力控制部包括外力方向判定部，该外力方向判定部对由所述检测传感器值表示的所述外力的方向进行判定。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的机器人控制装置，其特征在于，

所述力控制部具有：

控制参数存储部，其存储多个力控制中的控制参数集；以及

控制参数选择部，其进行从存储在所述控制参数存储部的所述控制参数集中选择要使用的所述控制参数集的选择处理，

在由所述检测传感器值表示的所述外力的方向是所述第一方向的情况下，所述力控制部进行选择第一控制参数集的所述选择处理，

在所述外力的方向是所述第二方向的情况下，所述力控制部进行选择第二控制参数集的所述选择处理，

使用选择出的所述控制参数集，求出力控制中的常微分方程式的解来作为所述修正值，并输出所述修正值。

6.根据权利要求5所述的机器人控制装置，其特征在于，

当使用所述第一控制参数集进行力控制时，在判断出有规定的控制参数变更指示的情况下，所述力控制部进行将要使用的所述控制参数集从所述第一控制参数集向所述第二控制参数集变更的变更处理。

7.根据权利要求6所述的机器人控制装置，其特征在于，

在使用所述第二控制参数集进行力控制的情况下，当判断出朝向所述第一方向的外力的大小超过第一阈值时，所述力控制部进行将要使用的所述控制参数集变更为所述第一控制参数集的所述变更处理，

在使用所述第一控制参数集进行力控制的情况下，当判断出朝向所述第二方向的外力的大小超过第二阈值时，所述力控制部进行将要使用的所述控制参数集变更为所述第二控制参数集的所述变更处理。

8.根据权利要求1～7中任意一项所述的机器人控制装置，其特征在于，

在由所述检测传感器值表示的外力的方向是所述第二方向的情况下，所述力控制部对进行所述第一力控制所求出的第一修正值、和进行所述第二力控制所求出的第二修正值进行加权处理，求出第三修正值，并输出所求出的所述第三修正值。

9.根据权利要求1～8中任意一项所述的机器人控制装置，其特征在于，

所述力控制部具有数字滤波器部，该数字滤波器部求出力控制中的常微分方程式的解来作为所述修正值。

10.根据权利要求9所述的机器人控制装置，其特征在于，

所述力控制部对求出所述修正值的所述数字滤波器部的动作的稳定度进行判定，

并在判定出所述数字滤波器部的所述动作为稳定的情况下，求出力控制中的所述常微分方程式的解来作为所述修正值。

11.根据权利要求9或者10所述的机器人控制装置，其特征在于，

所述常微分方程式是将假想质量项、假想粘性项以及假想弹性项作为系数参数的运动方程式。

12.一种机器人系统，其特征在于，包括：

权利要求1～11中任意一项所述的所述机器人控制装置；

所述机器人，其基于从所述目标值输出部获取的所述目标值使各部动作。

13.一种机器人控制方法，其特征在于，

基于从力觉传感器获取的检测传感器值，求出力控制中的常微分方程式的解来作为机器人的目标轨道的修正值，

在由所述检测传感器值表示的外力的方向是第一方向的情况下，进行第一力控制，

在所述外力的方向是与所述第一方向相反的方向、即第二方向的情况下，进行与所述第一力控制不同的第二力控制，

对所述目标轨道进行基于所述修正值的修正处理来求出目标值，并输出所求出的所述目标值，

基于所述目标值，进行所述机器人的反馈控制。

14.根据权利要求13所述的机器人控制方法，其特征在于，

在所述外力的方向是所述第一方向的情况下，把使相对于外力的位移变化量成为第一位移变化量的力控制作为所述第一力控制来进行，

在所述外力的方向是所述第二方向的情况下，把使相对于外力的所述位移变化量成为与所述第一位移变化量不同的第二位移变化量的力控制作为所述第二力控制来进行。

15.一种机器人控制方法，其特征在于，

是进行具有力觉传感器的机器人的控制的机器人控制方法，

根据施加给所述力觉传感器的外力的方向，进行所述机器人的位移的大小不同的力控制。

16.一种机器人控制方法，其特征在于，

是进行具有力觉传感器的机器人的控制的机器人控制方法，

进行对所述力觉传感器施加了第一外力的情况下的所述机器人的位移的大小和对所述力觉传感器施加了与所述第一外力大小相同、方向相反的力即第二外力的情况下的所述机器人的位移的大小不同的力控制。

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