JP2000246681A - マニピュレータにおける駆動部の力制御方法および力制御装置 - Google Patents

マニピュレータにおける駆動部の力制御方法および力制御装置

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JP2000246681A
JP2000246681A JP4562999A JP4562999A JP2000246681A JP 2000246681 A JP2000246681 A JP 2000246681A JP 4562999 A JP4562999 A JP 4562999A JP 4562999 A JP4562999 A JP 4562999A JP 2000246681 A JP2000246681 A JP 2000246681A
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JP
Japan
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force
unit
control
signal
angular velocity
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JP4562999A
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English (en)
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Kunio Miyawaki
国男 宮脇
Noriaki Shinohara
紀昭 篠原
Kazuyuki Sunayama
和之 砂山
Masaru Uchiyama
勝 内山
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Hitachi Zosen Corp
Original Assignee
Hitachi Zosen Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】トルクを制御するに際し、特異領域において
も、安定した制御を行い得るマニピュレータにおける駆
動部の力制御方法提供する。 【解決手段】目標指令を比較部2を介して入力し、コン
トローラ3にて制御指令を得た後、この制御指令を駆動
部5に入力させるとともに、この駆動部5で検出された
トルクTを比較部2にフィードバックさせてトルクの制
御を行う際に、動作部材であるリンクにて検出された動
作角度θを微分して得られた角速度の絶対値が、設定値
a以上の場合には、検出されたトルクTをフィードバッ
ク信号として比較部2に入力させるとともに、角速度の
絶対値が設定値aより小さい場合には、リンクでの最大
静止摩擦力に相当する疑似トルクの正負信号をフィード
バック信号として比較部2に入力させる制御方法であ
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、マニピュレータに
おける駆動部の力制御方法および力制御装置に関するも
のである。
【0002】
【従来の技術】一般に、ロボット装置として、リンク式
マニピュレータのものが多く使用されており、このマニ
ピュレータの駆動部、例えばモータについては、トルク
の制御が行われている。従来、トルクの制御は、マニピ
ュレータの駆動部に設けられたトルク検出センサにより
検出されたトルクを、その目標指令にフィードバックさ
せることにより行われていた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上記従来のトルクの制
御方法によると、マニピュレータの動作範囲には特異領
域が存在し、この特異領域に入るとその動きが不安定に
なり、制御を行うことができなくなるという問題があっ
た。そこで、本発明は、トルクなどの力(回転力)を制
御するに際し、特異領域においても、安定した制御を行
い得るマニピュレータにおける駆動部の力制御方法およ
び力制御装置を提供することを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明のマニピュレータにおける駆動部の力制御方
法は、マニピュレータにおける動作部材を駆動する駆動
部の力制御方法であって、目標指令を比較部を介して入
力し、所定の制御則に基づき制御指令を得た後、この制
御指令を駆動部に入力させるとともに、この駆動部で検
出された力を上記比較部にフィードバックさせて力の制
御を行う際に、上記動作部材にて検出された動作角度を
微分して得られた角速度の絶対値が、設定値以上の場合
には、上記検出された力信号をフィードバック信号とし
て上記比較部に入力させるとともに、上記角速度の絶対
値が設定値より小さい場合には、所定の疑似力の正負信
号をフィードバック信号として上記比較部に入力させる
制御方法である。
【0005】また、本発明のマニピュレータにおける駆
動部の力制御装置は、マニピュレータにおける動作部材
を駆動する駆動部の力制御装置であって、目標設定部か
らの目標指令を比較部を介して入力して所定の制御則に
基づき制御指令を得るとともにこの制御指令を上記駆動
部に出力するコントローラと、上記駆動部にて発生して
いる力を上記比較部にフィードバックさせるフィードバ
ック制御部とから構成し、このフィードバック制御部
を、上記駆動部にて発生している力を検出する力検出器
と、上記動作部材の動作角度を検出する角度検出器と、
これら両検出器で検出された力および角度を入力して、
フィードバック信号を作成するフィードバック信号作成
部とから構成し、さらにこのフィードバック信号作成部
を、上記力検出器で検出された力を上記比較部にフィー
ドバックさせる主信号経路の途中に並列に設けられた副
信号経路と、この副信号経路の途中に設けられて上記動
作部材の最大静止摩擦力に相当する力を正負交互に出力
する疑似力発生部と、主信号経路と副信号経路とのいず
れかに切り換える経路切換部と、上記角度検出器からの
検出角度を入力して角速度を得る微分器と、この微分器
で得られた角速度を入力して設定値と比較するととも
に、この角速度の絶対値が設定値よりも小さい場合には
副信号経路に切り換える切換信号を上記経路切換部に出
力する判断部とから構成したものである。
【0006】上記力制御方法および力制御装置の構成に
よると、動作部材の動作状態が、角速度が設定値より小
さいような場合、例えば特異領域に入った場合には、駆
動部に疑似力を、例えば最大静止摩擦力を正負交互にフ
ィードバックさせて、制御指令に微小振動が付加される
ので、例えば静止摩擦力が大きい影響を及ぼすような特
異領域においては、動作部材に微小振動が付加されるた
め、安定した状態で作動する。
【0007】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態のマニ
ピュレータにおける駆動部の力制御方法および力制御装
置を、図1〜図4に基づき説明する。なお、本実施の形
態においては、リンク式マニピュレータを有するロボッ
ト装置のマニピュレータにおける駆動部(アクチュエー
タともいい、具体的には、モータが使用される)の回転
力、すなわちトルクを制御する場合について説明する。
【0008】図1は、マニピュレータにおけるトルクの
制御装置の要部構成を示すブロック図である。図1に示
すように、この制御装置は、マニピュレータに所定の目
標を与える目標設定部1と、この目標設定部1からの目
標指令をフィードバック信号(後述する)と比較減算し
て動作指令を出力する比較部2と、この比較部2で得ら
れた動作指令を入力して、所定の制御則に基づき作成さ
れかつヤコビ行列を操作させて制御指令を得るコントロ
ーラ(制御器)3と、このコントローラ3からの制御信
号を増幅してマニピュレータの駆動部5に出力するため
の増幅部4と、上記マニピュレータにおける動作部材で
ある所定リンクを駆動するための駆動部5で発生してい
るトルクを上記比較部2にフィードバックさせるフィー
ドバック制御部6とから構成されている。
【0009】このフィードバック制御部6は、駆動部5
にて発生しているトルクTを検出するためのトルク検出
センサ(力検出器)11と、リンクの動作角度θを検出
する角度検出センサ(角度検出器)12と、これら両セ
ンサ11,12で検出されたトルクTおよび角度θを入
力して、フィードバック信号を得るためのフィードバッ
ク信号作成部13とから構成されている。
【0010】そして、このフィードバック信号作成部1
3は、図2に示すように、トルク検出センサ11からの
検出トルクTを比較部2にフィードバックさせる主信号
経路21の途中の一部分だけ並列に分岐された副信号経
路22と、この副信号経路22の途中に設けられた疑似
トルク(疑似力)を発生させる疑似トルク発生部(疑似
力発生部)23と、上記両信号経路21,22の上手側
の分岐部に設けられていずれかの信号経路に切り換える
ための切換部(経路切換部の一例で、図面上、ハード的
なものとして示したが、実際には、ソフト的に切り換え
るようにされている。勿論、ハード的な切換回路を使用
してもよい。)24と、上記主信号経路21の副信号経
路22よりも下手側に設けられて各信号経路21,22
から出力されたトルク信号を、動作指令に合わせるため
に逆ヤコビ行列を操作させる変換部25と、上記角度検
出センサ12からの検出角度θを入力して微分操作によ
り角速度を得るための微分器(微分回路)26と、この
微分器26から角速度を入力して例えばリンクの駆動に
際しての最大静止摩擦力に相当する設定値aと比較し、
角速度の絶対値が設定値以上である場合には、検出トル
クTそのものがフィードバック信号となるように主信号
経路21側を接続させ、一方、角速度の絶対値が設定値
aより小さい場合には、疑似トルク発生部23で発生さ
れた疑似トルクTPがフィードバック信号となるように
副信号経路22側に接続させるように、切換スイッチ2
4に、切換信号を出力する判断部27とから構成されて
いる。
【0011】上記疑似トルク発生部23においては、上
述したように、角速度の絶対値が設定値より小さい場合
に作動させられて、すなわち角速度が非常に小さくなる
特異点にごく近い特異領域(図3の斜線にて示す)に入
ってきた場合に、短い周期(例えば、1〜2ミリ秒)で
もって、リンクの駆動時における最大静止摩擦力に相当
するトルクTPが正負交互に出力(±TP)される。な
お、この疑似トルク発生部23での発生動作は、例えば
副信号経路22側に切り換えられた時に自動的に作動さ
れる。
【0012】ここで、トルクの制御方法について説明す
る。目標設定部1からの目標指令が比較部2を経てコン
トローラ3に入力され、ここで、所定の制御則に基づき
信号が作成された後、ヤコビ行列が操作されて制御信号
が得られる。次に、この制御信号は、増幅部4にて駆動
レベルまで増幅され、マニピュレータの駆動部5に出力
されて、動作部材であるリンクが作動される。
【0013】そして、上記駆動部5にて発生するトルク
Tおよびリンクの動作角度θが、それぞれセンサ11,
12からフィードバック信号作成部13に入力され、動
作角度θについては、微分器26にて角速度が求めら
れ、この角速度が判断部27に入力されて設定値aと比
較される。この角速度が、設定値a以上である場合に
は、リンクの動作状態が特異領域外であると判断され
て、トルク検出センサ11からの検出トルクTがそのま
まフィードバック信号として、変換部25を経て比較部
2にフィードバックされる。
【0014】一方、角速度が、設定値aより小さい場合
には、リンクの動作変化が殆ど生じない特異領域内にあ
ると判断されて、切換スイッチ24に切換信号が出力さ
れる。したがって、疑似トルク発生部23から疑似トル
ク(±TP)が、フィードバック信号として、変換部2
5を経て比較部2にフィードバックされる。すなわち、
目標指令に正負の疑似トルク(±TP)が付加されるた
め、制御指令自体に微小振動が付加された状態でリンク
が作動させられる。すなわち、リンクがどのような状態
にあっても、微小動作が行われているため、静止摩擦力
ではなく、その値が小さい動摩擦力の影響だけを受ける
ため、安定した動作が行われる。
【0015】このように、リンクの動作状態が、角速度
がゼロ付近である特異領域に入った場合には、リンクの
駆動時における少なくとも最大静止摩擦トルクを正負交
互にフィードバックさせて、制御指令に微小振動を付加
するようにしているので、静止摩擦力が大きい影響を及
ぼす特異領域において、リンクを安定した状態で作動さ
せることができる。なお、微小振動を付加しない場合に
は、特異領域においては、静止摩擦力によりリンクがハ
ンチング動作をしたりして、動作が不安定となる。
【0016】図4に、上記制御方法を適用した場合と、
適用しない場合とにおけるトルク変化のグラフを示す。
図4(a)は制御方法を適用しない場合を示しており、
大きく変化しているAの部分が特異領域を示している。
これに対して、図4(b)は制御方法を適用した場合
で、図4(a)のA部に対応する特異領域では、トルク
の大きい変化が見られず、微小な振動を生じながら滑ら
かにトルクが変化しているのがよく判る。
【0017】
【発明の効果】以上のように本発明の駆動部の力制御方
法および力制御装置の構成によると、動作部材の動作状
態が、角速度が設定値より小さいような場合、例えば特
異領域に入った場合には、駆動部に疑似力を、例えば最
大静止摩擦力を正負交互にフィードバックさせて、制御
指令に微小振動を付加するようにしているので、例えば
静止摩擦力が大きい影響を及ぼすような特異領域におい
ては、動作部材に微小振動が付加されるため、動作部材
を安定した状態で作動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態のマニピュレータにおける
駆動部の制御装置の概略構成を示すブロック図である。
【図2】同制御装置の要部構成を示すブロック図であ
る。
【図3】同制御装置における疑似トルクの発生状態を示
す線図である。
【図4】同制御方法を適用した場合と適用しない場合に
生じるトルクの変化を示す線図である。
【符号の説明】
1 目標設定部 2 比較部 3 コントローラ 5 駆動部 6 フィードバック制御部 11 トルク検出センサ 12 角度検出センサ 13 フィードバック信号作成部 21 主信号経路 22 副信号経路 23 疑似トルク発生部 24 切換スイッチ 26 微分器 27 判断部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 砂山 和之 大阪府大阪市住之江区南港北1丁目7番89 号 日立造船株式会社内 (72)発明者 内山 勝 宮城県仙台市泉区加茂4−22−9 Fターム(参考) 3F059 BA02 DA09 DC04 FB13 FB28 FC03

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】マニピュレータにおける動作部材を駆動す
    る駆動部の力制御方法であって、 目標指令を比較部を介して入力し、所定の制御則に基づ
    き制御指令を得た後、この制御指令を駆動部に入力させ
    るとともに、この駆動部で検出された力を上記比較部に
    フィードバックさせて力の制御を行う際に、 上記動作部材にて検出された動作角度を微分して得られ
    た角速度の絶対値が、設定値以上の場合には、上記検出
    された力信号をフィードバック信号として上記比較部に
    入力させるとともに、上記角速度の絶対値が設定値より
    小さい場合には、所定の疑似力の正負信号をフィードバ
    ック信号として上記比較部に入力させることを特徴とす
    るマニピュレータにおける駆動部の力制御方法。
  2. 【請求項2】マニピュレータにおける動作部材を駆動す
    る駆動部の力制御装置であって、 目標設定部からの目標指令を比較部を介して入力して所
    定の制御則に基づき制御指令を得るとともにこの制御指
    令を上記駆動部に出力するコントローラと、上記駆動部
    にて発生している力を上記比較部にフィードバックさせ
    るフィードバック制御部とから構成し、 このフィードバック制御部を、上記駆動部にて発生して
    いる力を検出する力検出器と、上記動作部材の動作角度
    を検出する角度検出器と、これら両検出器で検出された
    力および角度を入力して、フィードバック信号を作成す
    るフィードバック信号作成部とから構成し、 さらにこのフィードバック信号作成部を、上記力検出器
    で検出された力を上記比較部にフィードバックさせる主
    信号経路の途中に並列に設けられた副信号経路と、この
    副信号経路の途中に設けられて上記動作部材の最大静止
    摩擦力に相当する力を正負交互に出力する疑似力発生部
    と、主信号経路と副信号経路とのいずれかに切り換える
    経路切換部と、上記角度検出器からの検出角度を入力し
    て角速度を得る微分器と、この微分器で得られた角速度
    を入力して設定値と比較するとともに、この角速度の絶
    対値が設定値よりも小さい場合には副信号経路に切り換
    える切換信号を上記経路切換部に出力する判断部とから
    構成したことを特徴とするマニピュレータにおける駆動
    部の力制御装置。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003029315A (ja) * 2001-07-16 2003-01-29 Sony Corp 撮像装置に用いられる制御装置および方法
JP2009269102A (ja) * 2008-05-01 2009-11-19 Sony Corp アクチュエータ制御装置及びアクチュエータ制御方法、アクチュエータ、ロボット装置、並びにコンピュータ・プログラム

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