JP2000094368A

JP2000094368A - ロボットアームの制御装置

Info

Publication number: JP2000094368A
Application number: JP10272985A
Authority: JP
Inventors: Hiroichi Matsuo; 博一松尾
Original assignee: Nippon Signal Co Ltd
Current assignee: Nippon Signal Co Ltd
Priority date: 1998-09-28
Filing date: 1998-09-28
Publication date: 2000-04-04

Abstract

(57)【要約】【課題】アームを統一的に制御することを可能にし、
制御を関節ごとに分散処理して処理速度の向上を図る。【解決手段】冗長な構造を有するロボットアームの運
動を制御する制御装置において、アーム先端及び作業対
象の位置を検出する位置検出手段４Ｅと、アーム先端の
各位置に対応する反応負荷閾値を記憶している記憶手段
と、関節ごとに設けられ、当該関節の負荷量を検出する
手段３1 ，３2 〜３7 と、関節ごとに設けられ、前記位
置検出手段より得た位置情報に対応する反応負荷閾値を
選択し、当該関節の負荷量が前記反応負荷閾値を越えた
か否かを判定し、越えた場合に当該関節のアクチュエー
タに駆動命令を与える制御手段とを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、産業用ロボットの
制御装置、とくにロボットアームの制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般的に、ロボットアームの運動制御
は、ロボットアームの与件について、以下のような運動
学及び動力学という枠組みで解析して、各関節のアクチ
ュエータに対する制御量を決定することにより、行って
いる。１．運動学(kinematics) 位置、速度、加速度を扱い、時間とともに変化するリン
ク機構の幾何学的関係を解析する。２．動力学(dynamics) 各関節のアクチュエータに適切な力、トルクなどの力学
的関係を動的に解析する。

【０００３】ロボットアームのアクチュエータは関節に
取付けられている。従って、基準座標形で表現された作
業対象に届くように手先の位置と姿勢を制御するために
は、逆運動学問題を解く必要がある。すなわち、手先の
位置・姿勢を表すベクトルＸが与えられたとき、それを
実現する関節関数ｑをどのように求めるかである。その
ためには、順運動学の非線形関数Ｘ＝ｆ（ｑ）をｑに関して解くことが要求される。

【０００４】任意の機構のロボットアームについて、上
記の式の一般解を求めることは不可能である。ただし、
特殊な機構のロボットアームについては、解析的に求め
ることができる。そのような構造を可解構造という。た
だし、解は一義に決まらず、何通りも存在する場合もあ
る。

【０００５】一般に、物体の位置を３次元空間で決定す
るためには（ｘ、ｙ、ｚ）の３変数が必要であり、さら
に姿勢を決定するためには回転量（α、β、γ）が必要
である。結局、物体の位置と姿勢を特定するためには、
最低限６個の変数、すなわち６自由度が必要である。つ
まり、６自由度以下のアームでなければ解は一義に決ま
らない。６自由度のアームであっても、次の２つの条件
のうち、どちらかを満たさなければ、閉じた解は得られ
ない。１．隣接する３つの関節軸が１点で交わる。２．隣接する３つの関節軸が互いに平行。

【０００６】例えば、図９のＰＵＭＡロボットは、この
条件を満たす６自由度の産業用ロボットである。現在市
販されている産業用ロボットの大部分は、上記の条件を
満たすように設計されている。つまり、解析的に答えを
見出だすことができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前記ＰＵＭＡロボット
は、一例として図１０のように、ロボットアームの手先
をポジション１に移動し、そこでワークをつかみ、ポジ
ション２まで移動してそこにワークを置き、当初の位置
に戻すように制御する場合は、図１１のような命令を解
析し、各関節への動作命令を計算している。また、動力
学を考慮してロボットアームを制御することは大変困難
である。その困難さを回避するために、つまり、動力学
的問題を考慮せずに済むように、通常の産業用ロボット
のアームは、剛性の高い構造にする必要がある。

【０００８】既存のロボットアーム制御装置において採
用されている、動力学を考慮してのロボットアーム制御
における困難性について、詳述する。アーム先端を作業
目的に向かって動かすには、各関節のアクチュエータか
ら各リンクに駆動力を供給しなければならないが、高精
度に実現するため、サーボ制御が構成される。ロボット
アームの運動制御の方法には、動力学モデルを用いた
制御と、各軸を独立にサーボ機構で制御するサーボ系
制御とがある。は、力学による解析法を用い、各座標
軸に関する動力学方程式を求める必要がある。しかしな
がら、各関節でのトルクは、リンク運動を介して相互に
干渉を受けるという問題がある。また、には、ＰＴＰ
制御（pose to pose control）と軌道制御がある。ＰＴ
Ｐ制御は、関節間トルクの干渉を無視し、関節をそれぞ
れ単一のサーボ系として制御（独立関節制御）するもの
であるが、これは重力などの静的な外力に対して誤差を
生じるという問題がある。軌道制御は、関節の駆動力に
動力や他の関節駆動力で引起こされる干渉が加わり、そ
の影響で軌道に誤差が生じるという問題がある。このよ
うな干渉を消す方法として、上記動力学モデル制御が用
いられている。関節間の干渉を無くす方法として、逆動
力学モデルとアクチュエータとを結合する制御装置も知
られている。しかしながら、上記従来装置は、いずれ
も、複雑な方程式を用いる必要があり、その定数や係数
の設定が容易でないのである。

【０００９】一方、人間の腕は図５のように肩に３つ、
肘に１つ、手首に３つの計７つの自由度を持つ構造にな
っている。図５において、Ｒｏｌｌ、Ｐｉｔｃｈ、Ｙａ
ｗは船の回転方向に由来し、Ｒｏｌｌは進行方向と直角
の回転、Ｐｉｔｃｈは舵方向、Ｙａｗはマスト方向の回
転を表す。つまり、人間の腕は、３次元空間で位置と姿
勢を決定することに関しては、冗長性を持った構造にな
っている。しかしながら、冗長な構造は人間の腕に柔軟
性を保証する一方、付加的な拘束を加えない限り、関節
の運動が一義に定められない。つまり、既存のロボット
アーム制御装置には、以下の欠点がある。１．自由度に冗長性のあるアームの制御を統一的に行え
ない（その都度、冗長性を減らすための拘束条件を設け
なければならない。）。２．集中管理的な方法で制御を行わなければならないの
で、制御を分散化して処理速度を上げることが困難であ
る。

【００１０】本発明は、上記の点に鑑みてなされたもの
であり、その課題は、冗長な構造を有するロボットアー
ムを統一的に制御することができ、かつ、制御を関節ご
とに分散処理して処理速度の向上を図ることができるロ
ボットアームの制御装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】発達心理学の一つのアプ
ローチの中で、ブルートファクトという概念がある。こ
れは、無目的的な粗いオリジナル（原始的）な基本的運
動のことである。例えば、幼児が腕を伸ばして物に触れ
る運動をリーチングというが、この運動はじっとして何
も手を動かさない状態から段々と動かし方を学んで行く
のではなく、腕をぐるぐる回したり、バタバタと上下さ
せたりするといったブルートファクト、つまり、無目的
的なオリジナルな運動の変形と見ることが可能だとい
う。これは人間だけではなく、静的な生き物に見える植
物でも同様である。植物の運動はたえず微少な螺旋運動
を繰返している。この運動をブルーファクトとする運動
のバリエーション（外部要因による増幅、変形）とし
て、根が柔らかい土を探る運動や弦巻運動を行うという
説がある。

【００１２】つまり、静的な状態から基本となる要素運
動を積み重ねて、全体の運動が出来上がっているのでは
なく、まず、始まりがあり、粗な全体運動があり、その
全体運動の変形という形で、秩序だった運動を構成する
ことも可能であることを示している。

【００１３】本発明者は、上記のような知見に基づい
て、次のようなロボットアームの制御方法を考案した。（ａ）先ず、上記オリジナルな運動の概念に対応する、
基本となるアームの運動（要素運動）を設定した。これ
は、各関節が同様なことを行う方が望ましい。そこで、
（ｂ）各関節が以下のアルゴリズムで要素運動を動作し
続けることにした。全関節を一斉に動作させると、腕を
回旋するような運動が発生する。（ｃ）負荷に対して反
応する閾値（以下、反応負荷閾値という。反応負荷閾値
とは、関節に加わる負荷量がある値以上ならば動作し、
未満ならば動作しないという値である。）を上下させる
ことで、回旋の動作速度を調整するようにした。

【００１４】つまり、関節全体に共通な一つの反応負荷
閾値を設け、その反応負荷閾値を所定の条件を元に調節
することで、７関節で作りだし得る運動を表現できる。
例えば、図６のようなアームの構造の場合は、７つの関
節の各々の相対角度と動作速度、加速度によって、各関
節のトルク負荷量が違うので、反応負荷閾値が同じでも
全体として多様な動きを作り出せる。図６において、Ａ
はロボットアーム全体、Ａ1 〜Ａ3 はそれぞれＡのａ1
〜ａ3 部分の詳細図である。

【００１５】反応負荷閾値の上下調整による作用効果を
図７に基づき説明すると、図５の７自由度のロボットア
ームのおける各関節〜の負荷量（力覚センサ値）β
が図７（ａ）に示すような状態の時に、反応負荷閾値α
を同図の鎖線で示す位置α1に設定された場合は、関節
のみが動作することを意味する。また、各関節〜
の負荷量（力覚センサ値）βが図７（ｂ）に示すような
状態の時に、反応負荷閾値を同図の鎖線で示す位置α2
に設定された場合は、関節とが動作することを意味
する。すなわち、反応負荷閾値を適時変化させることに
より、閾値を越えた負荷値βを示す関節のみを動作させ
るようにしてある。

【００１６】つまり、図８（１）のように１関節ｊ1 の
場合は、点線ｍａの動きが可能である。図８（２）のよ
うに２関節ｊ2 ，ｊ2 の場合は、点線ｍｂの動きが可能
である。それぞれの関節の動作速度、加速度が違えば、
より複雑な曲線を描くことができる。図８（３）は後述
される図３のフローチャート中のワープモードの場合の
動きを表現している。ここで、ワープモードとは、当該
関節の回転角度がその関節において設定されている最大
値と最小値のいずれにも達しない範囲で、アクチュエー
タを動作させるモードをいう。動作途中で角度変化方向
が変更されると、それから先の回転をすることがなくな
る。つまり、ある時点から先の運動を省略することがで
きる。この機能がアームのより複雑な動きを保証する。

【００１７】ある運動を無から要素運動を元に構成しよ
うとすると、その要素の次元分の制御を意識しなければ
ならないが、静止状態は発現しようしようとする、ある
オリジナルの運動が抑制されていると見ると、アームの
移動・静止は、［運動を抑制する］−［運動を抑制しな
い］という二項関係に換言できる。本発明では、上記の
ように全関節に対して反応負荷閾値を設け、その反応負
荷閾値を上下させることを［運動を抑制する］−［運動
を抑制しない］に対応させるようにした。反応負荷閾値
を下げれば下げるほど、容易に負荷に反応し、オリジナ
ルな運動が発現するようにする。アームはその構えで発
生する自重によって、静止状態でも各関節に加わる負荷
量が違う。よって、反応負荷閾値を全関節一様に変化さ
せても、関節が動作を始めるタイミングは、関節ごとに
異なる。逆に、アームのその時々の構え、形を検出し
て、検出結果を元に運動を制御することができる。

【００１８】本発明によれば、次のような効果が得られ
る。１．任意の自由度を持った冗長性アームを統一的視点で
制御することができる。すなわち、反応負荷閾値と
いう一つのパラメータの上げ下げで、複数の関節を
同時に制御することができる。２．中央制御部は、各関節の制御部に反応負荷閾値とい
う一つのパラメータを与えるだけで良いので、各関節の
制御部は、自己の負荷量その他の検出結果に対応した処
理・制御をすることができるので、分散処理に適してお
り、処理を高速に行うことができる。３．アームの構造が変わっても、制御アルゴリズムを変
更する必要がない。４．各関節の負荷量の変化に応じて運動制御の是非が決
定されるので、移動範囲内に人その他の障害物が偶然存
在する場合は、その障害物に軽く当った後に運動軌道が
変更されるため、障害物などに強い衝撃を与えることが
ない。従って、安全性が向上される。

【００１９】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て、主として図１ないし図４の図面に基づいて説明す
る。図１は産業用ロボットの一般的な構成の概略を示す
ブロック図、図２は本発明によるロボット制御装置の構
成を示すブロック図、図３は一つの関節に対応する動作
制御部の動作を説明するフローチャート、図４は本発明
によるアームの各種運動制御の例を示す模写図である。

【００２０】ロボット制御装置１は、図１に示すよう
に、上位システム２から与えられる、又は内蔵している
作業プログラムに基づき、第１種のロボットセンサであ
る内界センサ３から作業実行時におけるロボット内部の
状態の情報を検出し、また、第２種のロボットセンサで
ある外界センサ４から作業環境に関する情報を検出し
て、ロボットアームを作業対象に対応して移動させるた
め、アクチュエータ５の運動を制御し、サーボ機構によ
るフィードバックにより誤差を修正しながら目標位置に
到達させる。

【００２１】本発明に係るロボットのアームの構造は、
図５に例示するように、ベースＢに回動自在又は揺動自
在に設けられた肩関節と、交互に接続された複数のリン
ク及び肘関節と、先端の手首関節とを有し、肩関節から
手首関節まで計７自由度を有している。

【００２２】そして、図２に示すように、各関節にサー
ボモータからなるアクチュエータ（ＡＣ）５1 ，５2 ，
〜５7 を備えており、また、各関節には、アクチュエー
タが動作されたときの負荷トルク量（負荷量）を常時検
出するための負荷量検出部３1 ，３2 ，〜３7 が設けら
れている。負荷量検出部３1 ，３2 ，〜３7 は、ストレ
インゲージなどの力覚センサが用いられる。また、この
ロボットには、その時々のアーム先端（手先）の位置
と、作業対象の位置を検出するための位置検出部４Ｅが
設けられている。位置検出部４Ｅには、好ましくは、Ｃ
ＣＤカメラなどの、アーム全体の構え、形を撮像して画
像処理に適するディジタル画像信号を出力するものが用
いられる。ＣＣＤカメラを用いる場合は、画像処理によ
り被写体の位置、移動方向、速度などの情報を得ること
ができ、アームの速度制御、ステアリング制御、距離制
御などに利用することができる利点がある。しかし、ア
ーム先端及び作業対象の位置の検出は、他の既知の技術
を用いることもできる。

【００２３】本発明によるロボット制御装置１は、図２
に示すように、システム管理部１１と、システム制御部
１２と、動作制御部１３と、サーボ制御部１４1 ，１４
2 ，〜１４7 とからなっている。

【００２４】システム管理部１１は、プログラミング、
プログラム実行管理、作業進行の監視（モニタ）、通
信、データベースなどの諸機能と、その実行を支援する
下位システム及び周辺装置（図示省略）を管理するもの
であり、基本的には、従来のロボットアーム制御装置に
おけるものと同様である。しかし、本発明では、後述さ
れるように、作業目的の位置、アームの構え、形などに
応じてその時々の各関節の負荷量に対して最適なパター
ンでアーム全体の運動制御を実現するための反応負荷閾
値を設定するための入力部（人間−ロボットインタフェ
ース部）を有する。入力部を備える代わりに、上位シス
テム２から複数の反応負荷閾値をロボット制御装置１に
入力して、記憶部（図示省略）に格納しておき、アーム
の姿勢に基づいて所要の反応負荷閾値を自動的に選択す
るようにしても良い。

【００２５】システム制御部１２は、システム管理部１
１から定期的に、あるいは一定条件の成就に基づいて与
えられる作業プログラムを解読し、その進行を司り、前
記外界センサに相当する位置検出部４Ｅから与えられる
位置情報による判断と意思決定を行って、プログラムで
表されているモデルとしての状態と作業空間での現実の
状態とが一致するように、所定の反応負荷閾値を選択し
てこれを動作制御部１３に与えて、アームの運動制御を
するものであり、これには、外部機器との間の情報転
送、外部機器との同期やインタロックも含まれる。換言
すると、システム制御部１２は、定期的に位置検出部４
Ｅからの画像信号を処理して、アーム先端の位置、移動
方向、速度などの情報、少なくとも手先の位置情報及び
作業対象の位置情報を生成し、その位置情報に基づき、
アーム先端が作業目的に到達するように、動作制御部１
３に与えるべき反応負荷閾値を選択し、これを動作制御
部１３に与える作用を行う。

【００２６】動作制御部１３は、プログラムの作業内容
に合ったアームの動きを実現するための制御を実行する
ものであるが、本発明においては、ロボットアームの動
きに応じてその時々に変化する各関節の負荷量を前記内
界センサに相当する負荷量検出部３1 ，３2 〜３7 によ
り常時検出し、その検出値がシステム管理部１２から定
期的に与えられる反応負荷閾値を越えたか否かにより、
各関節のアクチュエータに対する制御を決定する。すな
わち、動作制御部１３は、システム制御部１２から与え
られた反応負荷閾値をメモリに一時的に格納し、負荷量
検出部３1 ，３2 〜３7 から与えれる負荷量をその予め
設定されている反応負荷閾値と比較する機能を有してい
る。そして、負荷量が反応負荷閾値よりも大きくなった
と判定したときに、関節の回転角度に基本変化量を付加
するように働く。このようにして、動作制御部１３は、
各関節に対応する負荷量検出部３1 ，３2 〜３7 からの
検出値に対応して、基本変化量を付加して、その制御量
を各関節のサーボ制御部１４1 ，１４2 ，〜１４7 に与
えるようになっている。

【００２７】各サーボ制御部１４１，１４2 〜１４7
は、ロボットの各関節を上記制御量どおりに駆動するた
めのフィードバック制御機能を有する。そして、当該関
節の現在の回転角度が最大になっているか否か、また、
当該関節の現在の回転角度が最小になっているか否か
を、アクチュエータ５1 ，５2 〜５7 にすでに与えてい
るパルス数に基づき判断する機能と、角度判定の結果に
応じて、前記角度に付加される基本変化量の符号を正又
は負に決定する機能とを有している。高速・高精度、感
応制御、感覚制御などの高度な運動機能を実現する本発
明の場合は、運動制御と明確に分離することなく、運動
制御と融合した形をとる。

【００２８】要約すると、本発明においては、図２に示
すように、位置検出部４Ｅからアーム先端（手先）及び
作業対象の位置情報を受信し、システム制御部１２は、
作業プログラムの実行により定期的に手先の位置を観察
しながら、適切な反応負荷閾値αを動作制御部１３に与
え、動作制御部１３はその反応負荷閾値と各関節におけ
る負荷量との比較結果に基づき、各関節のアクチュエー
タ５1 ，５2 〜５7 に与える制御内容を決定するように
なっている。すなわち、アーム先端が作業対象に向かう
ように反応負荷閾値をプラスした場合に、位置検出部４
Ｅからの位置情報に基づいて、手先が作業対象から離れ
たと判断した場合は、反応負荷閾値をマイナスして、対
象に接近させる。逆の場合も同様に制御する。そして、
システム制御部１２は、各関節の負荷量検出部３1 ，３
2 〜３7 からの検出値に基づいて手先を作業対象に接近
するように制御するために、作業プログラムの実行によ
り手先が原点（初期位置）Ａから所定の通過点Ａ，Ｂ，
Ｃ…に到達するたびに、目標点Ｚに達するまで、アーム
全体の負荷量が最低になるように、定期的に反応負荷閾
値を上下する。

【００２９】以上に説明した実施の形態は、基本的にシ
ステム管理部１１において作業プログラムを走らせ、定
期的に位置検出部４Ｅからの手先及び作業対象の位置情
報を取込み、これをモデルと比較して、適切な反応負荷
閾値を選択して、動作制御部１３によりその時々の各関
節の負荷量との比較結果に基づき、所要のアクチユエー
タのみを駆動させて、最小のトルクでアームを目標位置
まで運動させるように制御するものである。しかし、本
発明は、作業プログラムの実行支援の形で、位置情報及
び反応負荷閾値と負荷量との比較結果を用いるのではな
く、作業プログラムを用いずに、手先及び作業対象の位
置情報及び反応負荷閾値と負荷量との比較結果に基づい
て、直接に動作制御部にサーボ制御部を制御させて、初
期位置Ａから目標位置Ｚまで随時反応負荷閾値を上げ下
げして、最小トルクで目標点に到達させるように、運動
制御を実現することもできる。この場合、当該ロボット
のアームのいかなる姿勢の時に、閾値テーブルに格納し
ている反応負荷閾値のうち、どの反応負荷閾値を用いる
かの運動制御パターンは、テスト使用の経験又は当該ロ
ボットの最短距離運動を実現する学習能力により、決定
することができる。

【００３０】このシステム管理部による作業プログラム
の実行を伴わないアーム運動制御の例を、続いて、説明
する。

【００３１】ロボット制御装置１は、その時々に位置検
出部４から入力される手先及び作業目的の位置情報に応
じて、記憶部の閾値テーブルらか適切な反応負荷閾値を
選択して、動作制御部１３に与えるようになっている。

【００３２】動作制御部１３は、与えられた反応負荷閾
値をメモリに一時的に格納する機能及び負荷量検出部７
1 〜７7 から逐次与えれる負荷量βを反応負荷閾値αと
比較する機能を有している。そして、負荷量βが反応負
荷閾値αよりも大きいと判定したときに、関節の回転角
度に基本変化量を付加するように働く。このようにし
て、動作制御部１３は、上述したように、設定された反
応負荷閾値と各関節に対応する負荷量検出部７1 〜７7
からの検出値とに対応して、基本変化量を付加して、適
正な制御量を各関節のサーボ制御部１４1 〜１４7 に与
える。

【００３３】サーボ制御部１４1 〜１４7 は、それぞれ
各関節を目標どおりに駆動するためのフィードバック制
御機能を有するものであり、図示されていない回転角セ
ンサによりその回転角度を検出して、ワープモードにあ
るか否かを判定し、また、当該関節の現在の回転角度が
最大になっているか否か、また、当該関節の現在の回転
角度が最小になっているか否かを、アクチュエータ５1
〜５7 にすでに与えているパルス数に基づき判断する機
能と、角度判定の結果に応じて、前記角度に付加される
基本変化量の符号を正又は負に決定する機能とを有して
いる。

【００３４】要約すると、本発明においては、図２に示
すように、ロボット制御装置１は、位置検出部４からア
ーム先端（手先）の位置情報及び作業対象の位置情報を
受信し、その位置情報に対応する反応負荷閾値を動作制
御部１３に与え、動作制御部１３では、各関節の負荷量
βと反応負荷閾値αとを比較し、その結果に応じて、各
関節のアクチュエータ５1 〜５7 の制御をする、しない
を決定し、サーボ制御部１４1 ，１４2 〜１４7 にそれ
ぞれ制御信号を与え、また、その制御信号に基づく各ア
クチュエータの動作による各関節の負荷量の変化に基づ
き、同様に、負荷量βと反応負荷閾値αとの比較を行
い、目標位置に到達するまで、位置検出と負荷量及び反
応負荷閾値の比較と、運動制御とが繰り返されるように
なっている。すなわち、アーム先端が作業対象に向かう
ように反応負荷閾値を＋符号にして付加した場合に、手
先が作業対象から離れた場合は、反応負荷閾値を−符号
に変更して、対象に接近させる。逆の場合も同様に制御
する。そして、反応負荷閾値は、各関節の負荷量検出部
３1 〜３7 からの検出値に基づいて手先を作業対象に接
近するように、上下される。

【００３５】図２において、ＡＣ５7 は肩関節のアクチ
ュエータ、１４7 は肩関節のアクチュエータの運動を制
御するためのサーボ制御部、ＡＣ５1 〜５6 は肩以外の
関節のアクチュエータ、１４1 〜１４6 は、肩以外の各
アクチュエータの運動を制御するためのサーボ制御部で
あり、肩以外の関節の動作を引き起こす元になる動き
は、肩を動かすことによって行われ、肩を動かしている
最中に、変化する各関節の負荷量の変化が腕の動作を引
き起こす。

【００３６】肩関節に対しても反応負荷閾値による運動
制御を適用する場合は、手先の位置情報及び作業対象の
位置情報に対応する肩関節の運動パターンをプログラム
化し、その時々の実際の位置情報に対応する運動パター
ンを読出して、まず、肩関節の動きを種運動として、こ
れに基づき他の関節の運動制御を行うことができるの
で、腕（肘、手首）関節のみに適用する場合よりも格段
に大きい多様性をアームの動きにもたらすことができる
利点がある。

【００３７】続いて、一つの関節に対応する動作制御部
１３による制御動作を、図３に示すフローチャートに基
づいて説明する。ロボット制御装置１が起動されると、
まず、動作制御部１３は、当該関節の現状把握、すなわ
ち、当該関節に対する制御が現在ワープモードになって
いるか否かを判断する（Ｓ１）。第１ステップ（Ｓ１）
の判断結果が肯定（Ｙ）の場合は、当該関節についての
角度変化量の符号を変える（ステップＳ２）。すなわ
ち、当該関節のアクチュエータがその関節の角度を例え
ば正方向（又は負方向）に駆動している場合は、その角
度変化量をインクリメント（又はデクリメント）する処
理を行う。そして、第３ステップ（Ｓ３）に移行する。
第１ステップ（Ｓ１）の判断結果が否定（Ｎ）の場合
も、第３ステップ（Ｓ３）に移行し、第３ステップ（ｓ
３）においては、そのときの当該関節の負荷量検出部３
1 〜３7 の検出値から得られる負荷量βが現在設定され
ている反応負荷閾値αよりも大きいか否かを判断する。
その判断結果が肯定（Ｙ）の場合は、当該関節の現在の
角度に基本変化量を加える処理（現在角度＋基本変化
量）を行う（ステップＳ４）。基本変化量は、このプロ
グラムの実行が１順して同一ステップ（Ｓ４）に来るま
での間にモータが回転可能な単位角度である。

【００３８】そして、その加える基本変化量の符号は、
その時の関節の角度が、当該関節において可能な最大角
度か最小角度かによって、負又は正に決定されるように
なっている。すなわち、第５ステップ（Ｓ５）におい
て、現在の角度が最大か否かを判定し、肯定（Ｙ）の場
合は、第４ステップ（Ｓ４）において加えられるべき基
本変化量の符号を負にする（Ｓ６）。これにより、その
関節の角度が縮小する方向にアクチュエータが駆動制御
される。また、第５ステップ（Ｓ５）における判定結果
が否定（Ｎ）の場合、及び第６ステップ（Ｓ６）におい
て基本変化量の符号を負にした後は、現在の角度が最小
か否かを判定し（Ｓ７）、判定結果が肯定（Ｙ）の場合
は、第４ステップ（Ｓ４）において加えられるべき基本
変化量の符号を正にする（ステップ８）。これにより、
その関節の角度が拡大する方向にアクチュエータが駆動
制御される。そして、第３ステップ（Ｓ３）における判
断結果が否定（Ｎ）の場合、第７ステップにおける判定
結果が否定（Ｎ）の場合、及び第８ステップにおいて基
本変化量の符号を正にした後は、第１ステップ（Ｓ１）
に戻って、再び、当該関節の現状把握が繰り返される。

【００３９】第３ステップ（Ｓ３）における反応負荷閾
値αは、上述したように、位置検出部４Ｅからの位置情
報に対応するものが記憶部の閾値テーブルから読出され
て、第３ステップ（Ｓ３）において、当該関節の負荷量
検出部３1 〜３7 から得られるその時々の負荷量βと比
較される。各関節に対するこのような運動制御は、位置
検出部４Ｅにより検出されるアーム先端の位置情報が目
標値と合致するまで、反応負荷閾値αを全関節に共通に
上下調整しながら反復され、最終的にアーム先端が作業
目的に到達する。

【００４０】以上の制御フローにより、次のようなアー
ムの運動制御が可能である。１．各自由度の回転は負荷トルクがある反応負荷閾値α
を越えた場合のみ基本単位角度回転する任意数の関節を
持つアームを考える。２．図４（１）の場合は、オペレータが反応負荷閾値α
を上下させることにより、時には素早く反応負荷閾値α
を変化させることにより、また別なときは緩やかにαを
変化させることにより、各関節に係る負荷トルクを調整
してアームを制御する。３．これを図４（２）のようにアームの関節を増やし、
アームの構造が変わった場合でも、各関節が行う処理は
同じ。そして、オペレータが行うことも基本的に同様で
ある。４．また、このアームを自律的に動くロボットに取付け
た場合も、各関節の行う処理は同じでよい。ただし、オ
ペレータが行っていた処理は、ロボット自体が行わなけ
ればならない。その場合でも、ロボットが調整しなけれ
ばならないことは、目的としたアームの動きに応じた反
応負荷閾値αの上げ下げだけでよい。５．図４（４）のようにアームの構造を変えた場合も、
動作制御部１３による各関節の処理、ロボットが反応負
荷閾値αを変更させる処理をする必要はない。

【００４１】以上のように、本発明の特徴点を上げる
と、次の通りである。１．静止状態から各関節に演算結果としての運動司令を
行うことでアームの運動を制御するのではなく、各関節
の要素運動、それら全体で作られる運動を元にして、各
関節の負荷量が反応負荷閾値を越えたか否かを基準とし
て、運動を適時抑制するという方法でアームの運動を制
御すること。２．運動を抑制する方法として、各関節に係る負荷トル
ク量を用い、それに閾値を設けて、抑制、抑制解除を行
わせること。３．反応負荷閾値という唯一のパラメータの上げ下げ
で、複数の制御対象を制御可能であること。

【図面の簡単な説明】

【図１】産業用ロボットの一般的な構成の概略を示すブ
ロック図。

【図２】本発明によるロボット制御装置の主要構成要素
を示すブロック図。

【図３】一つの関節に対応する動作制御部の動作を説明
するフローチャート。

【図４】各種構造のアームの制御例を示す説明図。

【図５】７自由度を有する腕関節の説明図。

【図６】７自由度のロボットアームの分解図。

【図７】反応負荷閾値と負荷量による運動制御の原理説
明図。

【図８】関節の数と手先の運動範囲の関係の説明図。

【図９】ＰＵＭＡ型ロボットアームの斜視図。

【図１０】従来の制御装置による運動制御の際の制御条
件の説明図。

【図１１】従来の制御装置による運動制御の際の命令解
読処理の説明図。

【符号の説明】

１ロボット制御装置１３動作制御部１４1 ，１４2 〜１４7 サーボ制御部３1 ，３2 ，〜３7 負荷量検出部４Ｅ位置検出部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】冗長な構造を有するロボットアームの運動
を制御する制御装置において、アーム先端及び作業対象の位置を検出する位置検出手段
と、前記アーム先端の各位置に対応する反応負荷閾値を記憶
している記憶手段と、関節ごとに設けられ、当該関節の負荷量を検出する手段
と、関節ごとに設けられ、前記位置検出手段より得た位置情
報に対応する反応負荷閾値を選択し、当該関節の負荷量
が前記反応負荷閾値を越えたか否かを判定し、越えた場
合に当該関節のアクチュエータに駆動命令を与える制御
手段とを備えたことを特徴とするロボットアームの制御
装置。
【請求項２】制御手段は、位置検出手段より与えられる
初期のアーム先端及び作業対象の位置情報に基づいて、
アーム先端を作業対象位置に到達させるまでの通過点を
決定し、起動時は、設定された反応負荷閾値に基づく運
動制御を行い、各通過点において当該通過点の位置と位
置検出手段より与えられるアーム先端の位置とを比較
し、偏差がある場合は、その偏差をなくするように反応
負荷閾値を設定することを特徴とする請求項１に記載さ
れたロボットアームの制御装置。