JP2000218577A - ロボット制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 産業用ロボットの制御装置において、コンプ
ライアンス制御を力センサを用いずに実現する。安全性
が高く、指令値への高精度追従が可能な方式を実現す
る。 【解決手段】 外力によるロボットの変位を検出し、該
検出した変位量とその時間微分に基づいてサーボアンプ
に与える位置指令値を補正することにより、コンプライ
アンス制御を実現する。また、位置指令値の時間微分を
フィードフォワードする。 各軸サーボアンプの制御ゲ
インを変更する必要がないので、通常のサーボアンプと
同等の異常検知を行うことができ、安全性が向上する。
また、フィードフォワードにより、指令値への追従特性
が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は産業用等に広く使用
されているロボットの制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図６は一般的なロボット制御装置を示す
ブロック図である。図において、１は各関節の位置指令
値を生成する位置指令値生成手段、１０１はロボットの
第１関節の位置を制御する第１関節位置サーボ手段、１
０２はロボットの第２関節の位置を制御する第２関節位
置サーボ手段、１０３はロボットの第３関節の位置を制
御する第３関節位置サーボ手段である。また、５はロボ
ットの関節を駆動するモータ、６はモータの位置を検出
する位置検出器、７は位置検出器６で検出された位置を
微分して関節速度を出力する速度検出器である。さら
に、２は関節位置サーボの位置フィードバックループに
おける位置ゲインＫｐ、３、４はそれぞれ、関節速度フ
ィードバックループにおける速度ゲインＫｖ、および積
分器で、Ｋｉは積分ゲインである。また、８は異常検知
手段である。

【０００３】図６では第１関節サーボ手段１０１の構成
のみを詳しく描いているが、第２関節サーボ手段１０
２、第３関節サーボ手段１０３も同様に構成されてい
る。また、図６では、３個の関節から構成されるロボッ
トの例を示しているが、関節の個数が３個以外ロボット
の場合は関節位置サーボ手段の個数が関節の数に対応し
て変化するだけで、同様に構成される。図６以外の図に
おいても同様である。

【０００４】次に、図６に示した制御装置の作用を第１
関節を例に説明する。指令値生成手段１で生成された第
１関節位置指令値は第１関節位置サーボ手段１０１に入
力される。この位置指令値と位置検出器６で検出された
第１関節の現在位置との差が位置誤差となり、これに位
置ゲイン２を乗ずることにより速度指令値を求める。こ
の速度指令値と速度検出器７で検出された関節速度との
差が速度偏差となる。この速度偏差に速度ゲインＫｖを
乗じた値と、これを積分器４で積分し、積分ゲインＫｉ
を乗じた値とを加算することによりトルク指令を求め、
該トルク指令によりモータ５を駆動する。

【０００５】また、通常の関節位置サーボ手段では、安
全性を高めるため、いくつかの異常検知手段が設けられ
ている。８の異常検知手段はその一つを示したものであ
り、指令値と実際のモータ位置との位置誤差が設定値よ
りも大きくなった場合には関節位置サーボ手段１０１に
何らかの異常が発生したものと判断して、ロボットを緊
急停止させるなどの処置を取るようになっている。

【０００６】従来のロボット制御装置は上記のように構
成され、指令値生成手段１で生成された位置指令値に精
度よく追従するように、ロボットの各関節位置を制御し
ている。一般に、位置制御ゲインＫｐ、および、速度制
御ゲインＫｖを大きく設定する程、高速・高精度の制御
が実現できることから、ロボット制御装置においても、
Ｋｐ、Ｋｖを出来るだけ大きく設定することにより、指
令値に高速・高精度に追従する制御を実現している。

【０００７】しかし、このような制御ではロボットが何
らかの原因で外部の物体に接触した場合などには作業を
続行することが不可能となる場合がある。これは、接触
している物体が障害物となり、ロボットが指令された位
置に到達できないにもかかわらず、制御装置は、この物
体に抗して、ロボットを指令された位置に移動させよう
とするためである。そのため、過大なモータトルクが発
生し、ロボットやワークの破損、または、ロボットの異
常停止を招くことになる。特に、嵌め合い作業などで
は、ロボットが把持している部品と外部に固定されたワ
ークとが接触することが前提となっているため、ワーク
の位置が少しでもずれていると作業が出来なくなる。

【０００８】このような不都合を回避するため、たとえ
ば、特開昭６３−１３９６７８に開示されているような
コンプライアンス制御が用いられる。この先行技術に示
されたコンプライアンス制御は、力センサを用いてロボ
ットの先端に作用する外力を検出し、検出した外力に基
づいてロボットの動作を制御するものである。これによ
り、ロボットが外部の物体に接触した場合でも、接触力
を検出しながらロボットを制御するので、過大なモータ
トルクを発生することなく、柔軟な制御を達成すること
ができる。しかし、この先行技術では構造が複雑で高価
な力センサを必要とすると言う問題点があった。

【０００９】他の先行技術は、たとえば、特開平６−３
３２５３８号公報に開示されている。この先行技術で
は、力センサを用いずにコンプライアンス制御と同等の
機能を実現している。図７は特開平６−３３２５３８号
公報に開示された従来技術によるコンプライアンス制御
方法を示すブロック図である。図７は第１関節の関節位
置サーボ手段のみを示したものであり、図６と同一、ま
たは相当部分には同一の番号を付して示している。

【００１０】この制御方法では、ロボットの各関節を駆
動する関節位置サーボ手段のゲインを変更可能とし、必
要に応じて、位置ゲインＫｐ、および、速度ゲインＫｖ
を小さく設定することにより、過大なモータトルクの発
生を防止するものである。位置ゲインＫｐを小さくする
と、位置偏差に該ゲインＫｐが乗じられて得られる速度
指令値も通常の制御時よりも小さな値となる。これにと
もない、該速度指令とモータ速度との差である速度偏差
も通常時よりも小さくなり、さらに速度ゲインＫｖも小
さな値に設定されているので、速度偏差に速度ゲインＫ
ｖを乗じた値も小さくなる。また、速度制御ループの積
分器の出力は小さな値にクランプされて出力されるよう
になっており、このため、トルク指令は大きな値となる
ことはなく、過大なモータトルクが発生することがなく
なる。

【００１１】これにより、ロボットが外部の障害物に接
触して位置誤差が大きくなった場合でも、過大な力が作
用することがなくなり、ロボットやワークを破損するこ
となく作業を続行することが出来るようになる。また、
嵌め合い作業で、ワークの位置がずれているような場合
でも、ワークとロボットとの接触によって生じる外力に
よりロボットの各関節が受動的に変位させられ、ワーク
位置のずれに合わせてロボットの位置が補正されること
になる。これにより、嵌め合い作業を円滑に行うことが
できるようになる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来技
術では、必要に応じて各関節の位置サーボ手段の位置ゲ
インＫｐと速度ゲインＫｖを小さな値に変更するように
構成されており、これにより、過大なモータトルクが発
生するのを防止している。また、ロボットに外部から力
が作用した場合には、この外力により各関節が受動的に
変位することにより、ワークの位置ずれを吸収するよう
に構成されていた。したがって、ロボットに大きな外力
が作用する場合には、各関節のサーボ系に与えられる指
令値と実際のモータ位置との偏差が大きくなるが、これ
は、該制御方法が正常に作用しているためである。図６
に示した通常のロボット制御装置では、安全性を高める
ため、上記のように指令値と実際のモータ位置との偏差
が大きくなった場合にはサーボ制御装置に何らかの異常
があるものと判断している。一方、図７に示した制御方
法では、サーボ制御手段が正常に作用している場合にも
上記のように大きな偏差が出ることがあるため、この異
常検知が出来なくなり、安全性が低下すると言う問題が
あった。

【００１３】また、図６に示した通常のロボット制御装
置では、与えられた位置指令値に高速・高精度に追従す
る制御を実現するため、位置ゲインＫｐ、および、速度
ゲインＫｖを出来るだけ大きな値に設定していた。とこ
ろが、図７に示す制御方法では、位置ゲインＫｐと速度
ゲインＫｖを小さな値に変更するため、指令値への追従
が高精度には出来なくなると言う問題点があった。

【００１４】本発明は、図７に示した先行技術の問題点
を解決するためになされたものであり、図７で実現され
ていたコンプライアンス制御機能を、安全性を犠牲にす
ることなく実現し、同時に指令値への高精度な追従を可
能とするロボット制御装置を提供するものである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の第１および第３
の構成によるロボット制御装置は、ロボットに外力が作
用したとき、外力によるロボットの変位を検知し、該検
知された変位に基づいてロボットの位置指令値を補正
し、該補正された位置指令値を関節位置サーボ手段にサ
ーボ指令値として与えるものである。

【００１６】また、発明の第２および第４の構成による
ロボット制御装置は、第１および第３の構成によるロボ
ット制御装置に加えて、指令値生成手段で生成された位
置指令値の時間微分をフィードフォワード項として、サ
ーボ指令値に加算するように構成したものである。

【００１７】

【発明の実施の形態】実施の形態１．図１は本発明の実
施の形態１であるロボット制御装置を示すブロック図で
あり、図６と同一または相当部分には同じ番号を付して
示している。図において、２０１は第１関節の指令値補
正手段であり、以下のように構成される。すなわち、１
１は位置指令値生成手段１で生成された位置指令値と位
置検出器６で検出されたモータ位置との差を計算する位
置誤差計算手段、１２は上記位置誤差計算手段１１の出
力と任意の値に設定された位置ゲイン補正係数Ｋｃｐと
の積を計算する補正量計算手段、１３は上記補正量計算
手段１２の出力に上記各関節の現在位置を加算する加算
手段、１４は位置検出器６で検出されたモータ位置を微
分することにより関節速度を計算する速度検出手段、１
５は上記関節速度に任意に設定された速度ゲイン補正係
数Ｋｃｖを乗ずる速度ゲイン補正手段、１６は上記速度
ゲイン補正手段１５の出力と上記加算手段１３の出力と
を加算して補正指令値を計算する補正指令値計算手段で
ある。上記補正指令値計算手段１６の出力は各関節のサ
ーボ指令値として第１関節位置サーボ手段１０１に入力
される。また、２０２は第２関節の指令値補正手段、２
０３は第３関節の指令値補正手段であり、上記第１関節
の指令値補正手段２０１と同様に構成されている。

【００１８】図１に示した制御装置の作用を説明するた
めに、該ブロック図を等価変換する。 Ｋｃｐ＝Ｋ１＊Ｋ２ Ｋｃｖ＝（１−Ｋ２）／Ｋｐ とおいて、第１関節の指令値補正手段２０１と関節位置
サーボ手段１０１の部分を等価変換すると図２に示すブ
ロック図となる。図２において、Ｋ１＊Ｋｐを新たに位
置ゲインＫｐと見なし、Ｋ２＊Ｋｖを新たに速度ゲイン
Ｋｖと見なすと、図２のブロック図と図７に示した従来
技術によるブロック図とは同じものとなる。しかも、図
２に示す実施の形態では上式のＫ１、Ｋ２を適当に設定
することにより、図７の従来技術と同様に位置ゲインと
速度ゲインを自由に変更できるようになっている。つま
り、図１に示した制御方式では、位置ゲイン補正係数Ｋ
ｃｐと速度ゲイン補正係数Ｋｃｖを変更することによ
り、関節サーボ手段に含まれる位置ゲインＫｐと速度ゲ
インＫｖを変更することなく、図７に示した制御方式と
全く同じコンプライアンス制御を果たすことができる。

【００１９】図１に示す制御方式では、関節位置サーボ
手段に与えるサーボ指令値を補正することにより、コン
プライアンス制御を実現しており、関節位置サーボ手段
に含まれる位置ゲインＫｐと速度ゲインＫｖは変更して
いない。したがって、関節位置サーボ手段は通常の制御
手段と同様に、与えられたサーボ指令に対して高速・高
精度にモータを追従させるように制御しており、サーボ
指令と実際のモータ位置との差である位置誤差が、従来
技術によるコンプライアンス制御方法のように大きくな
ることはない。これにより、位置誤差が大きくなった場
合は、関節位置サーボ手段に何らかの異常があるものと
判断することができ、図６に示した通常のサーボ制御手
段と同様の異常検知を行うことができるようになる。

【００２０】実施の形態２．図３は本発明の実施の形態
２であるロボット制御装置を示すブロック図であり、図
１と同一または相当部分には同じ番号を付して示してい
る。図において、１７は位置指令値の時間微分を求める
微分手段であり、１８は上記位置指令値の時間微分に速
度フィードフォワード係数Ｋｆを乗ずる速度フィードフ
ォワード手段である。

【００２１】図３において、 Ｋｃｐ＝Ｋ１＊Ｋ２ Ｋｃｖ＝（１−Ｋ２）／Ｋｐ Ｋｆ＝Ｋ２／Ｋｐ とおいて、図１と同様に等価変換すると図４に示すブロ
ック図が得られる。これは、図７に示す従来技術に指令
速度のフィードフォワードを付加したものと等価とな
る。コンプライアンス制御を実現するために位置ゲイン
Ｋｐ、速度ゲインＫｖを小さく設定すると関節位置指令
値に高精度に追従できなくなるが、本発明では、指令値
速度のフィードフォワードを付加することにより、指令
値への追従特性を改善することができ、モータ位置を指
令値へ高精度に追従させることができるようになる。

【００２２】なお、この実施の形態では、フィードフォ
ワード係数Ｋｆを、Ｋｆ＝Ｋ２／Ｋｐとしているが、こ
の値に限るものではなく、ロボットの動きを見ながら調
整することで、より良い性能を得ることができるように
なる。

【００２３】実施の形態３．図５は本発明の実施の形態
３であるロボット制御装置を示すブロック図であり、図
３と同一または相当部分には同じ番号を付して示してい
る。図において、２２は各関節の位置検出器６で検出さ
れたモータ位置を直交座標系におけるロボットの位置に
変換する座標変換手段である。

【００２４】３０１は直交座標における指令値補正手段
であり、以下のように構成される。すなわち、１１は位
置指令値生成手段１で生成された直交系位置指令値と座
標変換手段２２で求めたロボット位置との差を計算する
位置誤差計算手段、１２は上記位置誤差計算手段１１の
出力と任意の値に設定された位置ゲイン補正行列Ｋｃｐ
との積を計算する補正量計算手段、１３は上記補正量計
算手段１２の出力に上記直交座標系におけるロボットの
位置を加算する加算手段、１４は上記直交座標系におけ
るロボットの位置を微分することにより直交座標系にお
けるロボットの速度を計算する速度検出手段、１５は上
記直交座標系におけるロボットの速度に任意に設定され
た速度ゲイン補正行列Ｋｃｖを乗ずる速度ゲイン補正手
段、１６は上記速度ゲイン補正手段１５の出力と上記加
算手段１３の出力とを加算して直交座標系における補正
指令値を計算する補正指令値計算手段である。また、２
１は直交座標系における補正指令値を関節座標系に変換
する逆変換手段であり、上記補正指令値計算手段１６の
出力は逆変換手段により、各関節のサーボ指令値に変換
され、第１関節位置サーボ手段１０１〜１０３に入力さ
れる。

【００２５】１０１、１０２、１０３はそれぞれ、第１
関節、第２関節、第３関節の関節位置サーボ手段であ
り、図１における１０１、１０２、１０３と同じもので
ある。また、上記の位置ゲイン補正行列Ｋｃｐ、およ
び、速度ゲイン補正行列Ｋｃｖは直交座標系の各軸方向
の柔らかさを指定するパラメータを要素とする対角行列
である。

【００２６】図５に示す実施の形態３は、図３に示す実
施の形態２を直交座標系における表現に書き直したもの
であり、図３とほぼ同様に作用し、コンプライアンス制
御を実現すると同時に、指令値へも高精度に追従する制
御を実現することができる。

【００２７】本発明の第１および第２の構成によるロボ
ット制御装置は、駆動部の座標系例えば関節座標系にお
いてコンプライアンス制御を実現するものであり、各関
節のサーボ制御の柔らかさを調整するものである。これ
に対して、実施の形態３に示す本発明の第３および第４
によるロボット制御装置は直交座標系でコンプライアン
ス制御を実現するものであり、直交座標系の各軸方向の
柔らかさを独立に調整することができる。たとえば、嵌
め合い作業では、挿入方向には剛性を高く設定し、挿入
方向と直交する方向には剛性を低く設定して柔らかい制
御をするのが良いと言われている。第３および第４の構
成によるロボッット制御装置はこのような機能を実現す
るものであり、位置ゲイン補正行列Ｋｃｐ、および、速
度ゲイン補正行列Ｋｃｖの値を変更することにより、直
交座標系の各軸方向の柔らかさを任意に設定することが
できる。

【００２８】以上の説明は駆動部がロボットの関節であ
る場合について説明したが、本発明はこれに限らずロボ
ットの手、手首など他の駆動部も対象となり得る。

【００２９】

【発明の効果】本発明の第１および第３の構成によるロ
ボット制御装置によれば、駆動部位置サーボ手段の位置
ゲインＫｐと速度ゲインＫｖを変更することなく、該駆
動部位置サーボ手段に与えるサーボ指令値を補正するこ
とによりコンプライアンス制御を実現しているので、通
常のサーボ手段と同様の異常検知を行うことができ、安
全性の高い制御装置を得ることができる。

【００３０】また、本発明の第２および第４の構成によ
るロボット制御装置によれば、指令速度のフィードフォ
ワードを付加することにより、コンプライアンス制御と
指令値への高精度な追従とを同時に実現することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態１であるロボット制御装
置を示すブロック図である。

【図２】 本発明の実施の形態１であるロボット制御装
置の作用を説明するためのブロック図である。

【図３】 本発明の実施の形態２であるロボット制御装
置を示すブロック図である。

【図４】 本発明の実施の形態２であるロボット制御装
置の作用を説明するためのブロック図である。

【図５】 本発明の実施の形態３であるロボット制御装
置を示すブロック図である。

【図６】 一般的なロボット制御装置を示すブロック図
である。

【図７】 従来技術によるコンプライアンス制御方法を
示すブロック図である。

【符号の説明】

１ 位置指令値生成手段、２ 位置ゲイン、３ 速度ゲ
イン、４ 積分器、５モータ、６ 位置検出器、７ 速
度検出器、８ 異常検知手段、１１ 位置誤差計算手
段、１２ 補正量計算手段、１３ 加算手段、１４ 速
度検出手段、１５ 速度ゲイン補正手段、１６ 補正指
令値計算手段、１７ 微分手段、１８速度フィードフォ
ワード手段、２１ 逆変換装置、２２ 座標変換装置、
１０１第１関節位置サーボ手段、１０２ 第２関節位置
サーボ手段、１０３ 第３関節位置サーボ手段、２０１
第１関節の指令値補正手段、２０２ 第２関節の指令
値補正手段、２０３ 第３関節の指令値補正手段、３０
１ 指令値補正手段。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０５Ｄ 3/12 ３０６ Ｇ０５Ｂ 19/18 Ｊ Ｆターム(参考） 3F059 FB30 FC03 5H004 GA05 GB16 HA07 HB07 HB08 JA03 JA12 JA22 JB08 KA65 KB02 KB03 KB04 KB13 KB32 KB39 LA18 MA19 5H269 AB33 BB03 CC09 GG01 GG06 NN02 5H303 AA10 BB03 BB15 CC02 EE03 FF03 JJ02 KK18 KK28 LL05 MM05 9A001 GG16 HH19

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 与えられたサーボ指令値に追従するよう
   にロボットの各駆動部の位置を制御する駆動部位置サー
   ボ手段を備え、該駆動部位置サーボ手段は駆動部位置フ
   ィードバックループと駆動部速度フィードバックループ
   とを備えて構成されるロボット制御装置において、上記
   ロボットの各駆動部の位置指令値と該各駆動部の現在位
   置との差を計算する位置誤差計算手段と、上記位置誤差
   計算手段の出力と任意の値に設定された位置ゲイン補正
   係数との積を計算する補正量計算手段と、上記補正量計
   算手段の出力に上記各駆動部の現在位置を加算する加算
   手段と、上記ロボットの各駆動部の速度に任意に設定さ
   れた速度ゲイン補正係数を乗ずる速度ゲイン補正手段
   と、上記速度ゲイン補正手段の出力と上記加算手段の出
   力とを加算して補正指令値を計算する補正指令値計算手
   段とを備え、上記補正指令値計算手段の出力を各関節の
   サーボ指令値として上記駆動部位置サーボ手段に入力す
   ることを特徴とするロボット制御装置。
2. 【請求項２】 各駆動部の位置指令値の時間微分に速度
   フィードフォワード係数を乗ずる速度フィードフォワー
   ド手段を付加し、上記補正指令値計算手段において、上
   記加算手段の出力と上記速度ゲイン補正手段の出力と上
   記速度フィードフォワード手段の出力とを加算して補正
   指令値を計算することを特徴とするロボット制御手段を
   備えたことを特徴とする請求項１記載のロボット制御装
   置。
3. 【請求項３】与えられたサーボ指令値に追従するように
   ロボットの各駆動部の位置を制御する駆動部位置サーボ
   手段を備え、該駆動部位置サーボ手段は駆動部位置フィ
   ードバック手段と駆動部速度フィードバック手段とを備
   えて構成されるロボット制御装置において、任意に設定
   された直交座標系におけるロボットの現在位置を計算す
   る座標変換手段と、上記直交座標系におけるロボットの
   移動速度を計算する速度計算手段と、上記直交座標系を
   基準として与えられた直交位置指令値と上記ロボットの
   現在位置との差を計算する位置誤差計算手段と、上記位
   置誤差計算手段の出力と任意に設定された位置ゲイン補
   正係数との積を計算する補正量計算手段と、上記補正量
   計算手段の出力に上記ロボットの現在位置を加算する加
   算手段と、上記ロボットの移動速度に速度ゲイン補正係
   数を乗ずる速度ゲイン補正手段と、上記速度ゲイン補正
   手段の出力と上記加算手段の出力とを加算して補正指令
   値を計算する直交補正指令値計算手段と、上記直交補正
   指令値計算手段の出力を駆動部位置指令値に変換する逆
   変換手段とを備え、上記逆変換手段の出力を各駆動部の
   サーボ指令値として上記駆動部位置サーボ手段に入力す
   ることを特徴とするロボット制御装置。
4. 【請求項４】 直交位置指令値の時間微分に速度フィー
   ドフォワード係数を乗ずる速度フィードフォワード手段
   と、上記加算手段の出力と上記速度ゲイン補正手段の出
   力と上記速度フィードフォワード手段の出力とを加算し
   て上記直交補正指令値を計算する直交補正指令値計算手
   段を備えたことを特徴とする請求項３記載のロボット制
   御装置。