JP2001038673A - 水平多関節型ロボットアームのインピーダンス制御装置 - Google Patents
水平多関節型ロボットアームのインピーダンス制御装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 アームが環境とどの部分で接触しても適切な
回避動作が可能な水平多関節型ロボットアームの制御装
置を提供する。 【解決手段】 水平多関節型ロボットアームに、そのア
ームに作用する外力、外トルクを計測する外力計測用セ
ンサを複数種類取り付け、各センサ情報から各関節を力
制御するロボットアームのインピーダンス制御装置にお
いて、外力計測用センサ１０２とトルクセンサ１０３と
表面感圧センサ１０４から計測された情報を、手先部に
加わる外力と、各関節に加わる外トルクに分離し、各関
節に加わる外トルクと設定された関節部仮想インピーダ
ンスからアームの逃げ量を算出する関節変位算出部１１
０と、手先部に加わる外力と、設定された手先部仮想イ
ンピーダンスからアームの逃げ量を算出する手先変位算
出部１０７を有し、それぞれ算出した変位算出量を加算
装置１１５で加算した各関節の角度指令をサーボコント
ローラ１１６に与えるようにした。
回避動作が可能な水平多関節型ロボットアームの制御装
置を提供する。 【解決手段】 水平多関節型ロボットアームに、そのア
ームに作用する外力、外トルクを計測する外力計測用セ
ンサを複数種類取り付け、各センサ情報から各関節を力
制御するロボットアームのインピーダンス制御装置にお
いて、外力計測用センサ１０２とトルクセンサ１０３と
表面感圧センサ１０４から計測された情報を、手先部に
加わる外力と、各関節に加わる外トルクに分離し、各関
節に加わる外トルクと設定された関節部仮想インピーダ
ンスからアームの逃げ量を算出する関節変位算出部１１
０と、手先部に加わる外力と、設定された手先部仮想イ
ンピーダンスからアームの逃げ量を算出する手先変位算
出部１０７を有し、それぞれ算出した変位算出量を加算
装置１１５で加算した各関節の角度指令をサーボコント
ローラ１１６に与えるようにした。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ハンドリング作業
等に好適な水平多関節型ロボットアームのインピーダン
ス制御装置に関する。
等に好適な水平多関節型ロボットアームのインピーダン
ス制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、ロボットアームにインピーダンス
制御を施す場合、図４に示す従来の水平多関節型ロボッ
トアームのインピーダンス制御装置のブロック図のよう
に、アーム１０１が環境と接触するような場合、アーム
１０１の手先部に取付けた力センサ１０２から手先部に
作用する、力、モーメント等の外力を計測し、設定した
仮想インピーダンス１０７から手先位置の逃げ量を算出
する方式や、図５に示すトルクセンサを用いた水平多関
節型ロボットアームのインピーダンス制御装置のブロッ
ク図のように、各関節軸根元に取付けた、例えば、磁歪
型等のトルクセンサ１０３から各関節部に加わるトルク
を計測し、その関節トルク情報を基に、設定した仮想イ
ンピーダンスから各関節の逃げ量を算出して、回避動作
を行う方式などがある。
制御を施す場合、図４に示す従来の水平多関節型ロボッ
トアームのインピーダンス制御装置のブロック図のよう
に、アーム１０１が環境と接触するような場合、アーム
１０１の手先部に取付けた力センサ１０２から手先部に
作用する、力、モーメント等の外力を計測し、設定した
仮想インピーダンス１０７から手先位置の逃げ量を算出
する方式や、図５に示すトルクセンサを用いた水平多関
節型ロボットアームのインピーダンス制御装置のブロッ
ク図のように、各関節軸根元に取付けた、例えば、磁歪
型等のトルクセンサ１０３から各関節部に加わるトルク
を計測し、その関節トルク情報を基に、設定した仮想イ
ンピーダンスから各関節の逃げ量を算出して、回避動作
を行う方式などがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例においては、図４のように、アーム手先部に取付け
た力センサにより計測した外力を用いてインピーダンス
制御を行う場合、手先部ではなくアーム部が環境と接触
した場合、外力が計測できないため回避動作を行えない
という問題があった。また、図５のように、アーム各関
節軸根元に取り付けたトルクセンサにより計測した外ト
ルクを用いてインピーダンス制御を行う場合、駆動部の
摩擦等のロスにより、特にアームの上下方向に加わる微
小な力を計測するのが難しく、また、アームが動作して
いる場合アーム自身の慣性力の影響が大きくて、適切な
回避動作を行うことが難しいという問題があった。そこ
で、本発明は、ロボットアームが環境とどの部分で接触
しても、適切な回避動作を行うことができる水平多関節
型ロボットアームのインピーダンス制御装置を提供する
ことを目的としている。
来例においては、図４のように、アーム手先部に取付け
た力センサにより計測した外力を用いてインピーダンス
制御を行う場合、手先部ではなくアーム部が環境と接触
した場合、外力が計測できないため回避動作を行えない
という問題があった。また、図５のように、アーム各関
節軸根元に取り付けたトルクセンサにより計測した外ト
ルクを用いてインピーダンス制御を行う場合、駆動部の
摩擦等のロスにより、特にアームの上下方向に加わる微
小な力を計測するのが難しく、また、アームが動作して
いる場合アーム自身の慣性力の影響が大きくて、適切な
回避動作を行うことが難しいという問題があった。そこ
で、本発明は、ロボットアームが環境とどの部分で接触
しても、適切な回避動作を行うことができる水平多関節
型ロボットアームのインピーダンス制御装置を提供する
ことを目的としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明は、各種ハンドリング作業を
行う水平多関節型ロボットアームに、アームに作用する
外力、外トルクを計測する外力計測用センサを複数種類
取付け、該各センサ情報から各関節を力制御する水平多
関節型ロボットアームのインピーダンス制御装置におい
て、外力計測用センサから計測された情報を手先部に加
わる外力と各関節に加わる外トルクに分離し、各関節に
加わる外トルクと設定された関節部仮想インピーダンス
からアームの逃げ量を算出する関節変位算出部と、手先
部に加わる外力と設定された手先部仮想インピーダンス
からアームの逃げ量を算出する手先変位算出部とを有し
ている。この水平多関節型ロボットアームのインピーダ
ンス制御装置によれば、水平方向の関節トルクと上下方
向作用力を合成したアームの各関節トルクと、関節部仮
想インピーダンスからアームの逃げ量を算出し、それに
手先部に加わる外力と手先部仮想インピーダンスから算
出したアームの逃げ量を加算して、サーボコントローラ
に角度指令として与えてアームを駆動するので、アーム
が水平、上下動中に、どの部分で環境に接触しても適切
な回避動作を実現できる。また、請求項２に記載の発明
は、前記外力計測用センサから計測された情報を全て各
関節に加わるトルクに変換し、設定された関節部仮想イ
ンピーダンスからアームの逃げ量を算出する関節変位算
出部を有している。この水平多関節型ロボットアームの
インピーダンス制御装置によれば、手先部に加わる外力
をトルクに変換し、これに、水平方向の関節トルクにア
ームの上下方向作用力を合成した各関節トルクを加算し
て、関節部仮想インピーダンスからアーム関節部の逃げ
量を算出しサーボコントローラを駆動するので、アーム
が水平、上下動中、どの部分で環境に接触しても、関節
部の逃げ量（角度指令値）により適切な回避動作が実現
できる。また、請求項３に記載の発明は、前記外力計測
用センサから計測された情報を全て手先部に加わる力に
変換し、設定された手先部仮想インピーダンスからアー
ムの逃げ量を算出する手先変位算出部を有している。こ
の水平多関節型ロボットアームのインピーダンス制御装
置によれば、手先部に加わる力と、上下方向も含む各関
節トルクを手先作用力に変換した作用力とを加算して、
手先部仮想インピーダンスからアーム手先部の逃げ量を
算出し、各関節の角度指令としてサーボコントローラを
駆動するので、アームが水平、上下動中、どの部分で環
境に接触しても、手先部の逃げ量（位置指令値）により
適切な回避動作が実現できる。
め、請求項１に記載の発明は、各種ハンドリング作業を
行う水平多関節型ロボットアームに、アームに作用する
外力、外トルクを計測する外力計測用センサを複数種類
取付け、該各センサ情報から各関節を力制御する水平多
関節型ロボットアームのインピーダンス制御装置におい
て、外力計測用センサから計測された情報を手先部に加
わる外力と各関節に加わる外トルクに分離し、各関節に
加わる外トルクと設定された関節部仮想インピーダンス
からアームの逃げ量を算出する関節変位算出部と、手先
部に加わる外力と設定された手先部仮想インピーダンス
からアームの逃げ量を算出する手先変位算出部とを有し
ている。この水平多関節型ロボットアームのインピーダ
ンス制御装置によれば、水平方向の関節トルクと上下方
向作用力を合成したアームの各関節トルクと、関節部仮
想インピーダンスからアームの逃げ量を算出し、それに
手先部に加わる外力と手先部仮想インピーダンスから算
出したアームの逃げ量を加算して、サーボコントローラ
に角度指令として与えてアームを駆動するので、アーム
が水平、上下動中に、どの部分で環境に接触しても適切
な回避動作を実現できる。また、請求項２に記載の発明
は、前記外力計測用センサから計測された情報を全て各
関節に加わるトルクに変換し、設定された関節部仮想イ
ンピーダンスからアームの逃げ量を算出する関節変位算
出部を有している。この水平多関節型ロボットアームの
インピーダンス制御装置によれば、手先部に加わる外力
をトルクに変換し、これに、水平方向の関節トルクにア
ームの上下方向作用力を合成した各関節トルクを加算し
て、関節部仮想インピーダンスからアーム関節部の逃げ
量を算出しサーボコントローラを駆動するので、アーム
が水平、上下動中、どの部分で環境に接触しても、関節
部の逃げ量（角度指令値）により適切な回避動作が実現
できる。また、請求項３に記載の発明は、前記外力計測
用センサから計測された情報を全て手先部に加わる力に
変換し、設定された手先部仮想インピーダンスからアー
ムの逃げ量を算出する手先変位算出部を有している。こ
の水平多関節型ロボットアームのインピーダンス制御装
置によれば、手先部に加わる力と、上下方向も含む各関
節トルクを手先作用力に変換した作用力とを加算して、
手先部仮想インピーダンスからアーム手先部の逃げ量を
算出し、各関節の角度指令としてサーボコントローラを
駆動するので、アームが水平、上下動中、どの部分で環
境に接触しても、手先部の逃げ量（位置指令値）により
適切な回避動作が実現できる。
【０００５】
【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施の形態
について図を参照して説明する。図１は本発明の第１の
実施の形態に係る水平多関節型ロボットアームのインピ
ーダンス制御装置のブロック図である。図１において、
１０１はアーム、１０２はアーム手先部に作用する外力
を計測する力センサ、１０３は各関節軸に作用するトル
クを計測するトルクセンサである。１０４はアーム上下
方向に作用する外力を計測する複数の表面感圧センサ、
１０５はアーム１０１を駆動するモータ（図のように各
関節毎に設置）、１０６は各モータ１０５の回転角を検
出する回転角検出計、１０７は手先作用力他の情報をア
ーム１０１の手先位置変位に変換する手先変位算出部、
１０８は加算装置、１０９は水平方向と上下（垂直）方
向の力の合成装置、１１０は水平方向関節トルク情報と
上下方向作用力情報をアーム１０１の関節角度変位に変
換する関節変位算出部、１１１はトルクセンサ１０３が
測定した水平方向関節トルク情報を補正する水平トルク
補正部、１１２は加算装置、１１３は無負荷時のアーム
１０１の手先位置を設定する手先釣り合い位置設定部、
１１４はアーム１０１の手先位置から関節角度を算出す
る逆運動学計算部、１１５は加算装置、１１６は角度指
令に基づきモータ１０５を制御するサーボコントローラ
である。
について図を参照して説明する。図１は本発明の第１の
実施の形態に係る水平多関節型ロボットアームのインピ
ーダンス制御装置のブロック図である。図１において、
１０１はアーム、１０２はアーム手先部に作用する外力
を計測する力センサ、１０３は各関節軸に作用するトル
クを計測するトルクセンサである。１０４はアーム上下
方向に作用する外力を計測する複数の表面感圧センサ、
１０５はアーム１０１を駆動するモータ（図のように各
関節毎に設置）、１０６は各モータ１０５の回転角を検
出する回転角検出計、１０７は手先作用力他の情報をア
ーム１０１の手先位置変位に変換する手先変位算出部、
１０８は加算装置、１０９は水平方向と上下（垂直）方
向の力の合成装置、１１０は水平方向関節トルク情報と
上下方向作用力情報をアーム１０１の関節角度変位に変
換する関節変位算出部、１１１はトルクセンサ１０３が
測定した水平方向関節トルク情報を補正する水平トルク
補正部、１１２は加算装置、１１３は無負荷時のアーム
１０１の手先位置を設定する手先釣り合い位置設定部、
１１４はアーム１０１の手先位置から関節角度を算出す
る逆運動学計算部、１１５は加算装置、１１６は角度指
令に基づきモータ１０５を制御するサーボコントローラ
である。
【０００６】つぎに動作について説明する。ここで用い
られる水平多関節型ロボットアームは、病院や医療福祉
施設等の介護・医療サービス機関において、介護者を食
事時間帯の食事の搬送・配膳・下膳作業から開放して、
肝心な対面介護に集中させる目的で導入されている食事
搬送ロボットに使用されている例である。従って、以下
の動作説明では、食事搬送ロボットが食事用トレイの配
膳・下膳等の作業を行う場合を例に、水平多関節ロボッ
トアームが環境と接触する危険がある場合に、適切な回
避動作を如何にして実現できるかを説明する。また、水
平多関節型アーム自体は、従来から一般的にスカラ型と
呼ばれて組立自動化ラインの組立作業、ハンドリング作
業等に多用されているロボット形式であり、沿直な支柱
部から横に水平方向へ伸びた人間の肩、肘の２つの関節
に相当する２つの関節部を有し、先端には手首部分とし
て回転軸、ハンド等が配置されて、各関節部は各サーボ
モータによる回転駆動によって、それぞれアームを水平
方向へ自由に動かし、上下にはＺ軸モータ（図示してい
ない）により支柱部に沿ってアーム全体が平行移動可能
に構成されている。本実施の形態では、このアーム先端
のハンドで食事トレイ等を把持して、アームを水平方向
と上下（垂直）方向へ移動させて棚から配膳・下膳等の
作業を行うもので、以下、この作業中におけるアームの
環境との接触の回避動作について詳しく説明する。先
ず、水平トルク補正部１１１はアーム１０１の角関節の
角度・角速度・角加速度からアーム自身の水平動作によ
って生ずる関節トルクの値と、水平方向の手先作用力情
報から手先作用力によって生じる関節トルクを算出す
る。このトルクは加算装置１０８により、各関節に取付
けられたトルクセンサ１０３によって計測された水平方
向関節トルクと加算され、補正される。この関節トルク
と、ｚ軸モータによりアーム１０１を上下方向へ移動さ
せる場合に作用する外力を計測する感圧センサ１０４に
より計測された上下方向作用力とを、合成装置１０９に
よって合成して、関節変位算出部１１０に入力し、設定
された関節部仮想インピーダンスの値（Ｊｊ、ｄｊ、ｋ
ｊ）から各関節の変位量を算出する。又、手元に取付け
られた外力計測用センサ（力センサ）１０２によって計
測された手先作用力は、手先変位算出部１０７に入力さ
れ、設定された手先部仮想インピーダンスの値（Ｊｅ、
ｄｅ、ｋｅ）を用いて、手先の変位量に変換される。こ
の手先変位量は、加算装置１１２によって手先釣り合い
位置設定部１１３の手先釣り合い位置（接触前の無負荷
時のアーム１０１の手先釣り合い位置）と加算され、手
先位置の指令値が算出される。そして算出された手先位
置指令は、逆運動学計算部１１４で各関節の角度指令に
変換される。この各関節指令値は加算装置１１５で、各
関節の変位量と加算され、サーボコントローラ１１６に
入力する。サーボコントローラ１１６では、入力した角
度指令と回転角検出計１０５により検出した角度情報と
の差を比較してモータ１０５を制御する。このように、
本実施の形態によれば、各センサからの情報を、各関節
に加わるトルクと手先に加わる力に分離し、各々に設定
された仮想インピーダンスからアームの逃げ量を算出す
ることにより、アームが水平、上下動中、どの部分で環
境に接触しても、低衝撃で適切な回避動作を実現でき
る。
られる水平多関節型ロボットアームは、病院や医療福祉
施設等の介護・医療サービス機関において、介護者を食
事時間帯の食事の搬送・配膳・下膳作業から開放して、
肝心な対面介護に集中させる目的で導入されている食事
搬送ロボットに使用されている例である。従って、以下
の動作説明では、食事搬送ロボットが食事用トレイの配
膳・下膳等の作業を行う場合を例に、水平多関節ロボッ
トアームが環境と接触する危険がある場合に、適切な回
避動作を如何にして実現できるかを説明する。また、水
平多関節型アーム自体は、従来から一般的にスカラ型と
呼ばれて組立自動化ラインの組立作業、ハンドリング作
業等に多用されているロボット形式であり、沿直な支柱
部から横に水平方向へ伸びた人間の肩、肘の２つの関節
に相当する２つの関節部を有し、先端には手首部分とし
て回転軸、ハンド等が配置されて、各関節部は各サーボ
モータによる回転駆動によって、それぞれアームを水平
方向へ自由に動かし、上下にはＺ軸モータ（図示してい
ない）により支柱部に沿ってアーム全体が平行移動可能
に構成されている。本実施の形態では、このアーム先端
のハンドで食事トレイ等を把持して、アームを水平方向
と上下（垂直）方向へ移動させて棚から配膳・下膳等の
作業を行うもので、以下、この作業中におけるアームの
環境との接触の回避動作について詳しく説明する。先
ず、水平トルク補正部１１１はアーム１０１の角関節の
角度・角速度・角加速度からアーム自身の水平動作によ
って生ずる関節トルクの値と、水平方向の手先作用力情
報から手先作用力によって生じる関節トルクを算出す
る。このトルクは加算装置１０８により、各関節に取付
けられたトルクセンサ１０３によって計測された水平方
向関節トルクと加算され、補正される。この関節トルク
と、ｚ軸モータによりアーム１０１を上下方向へ移動さ
せる場合に作用する外力を計測する感圧センサ１０４に
より計測された上下方向作用力とを、合成装置１０９に
よって合成して、関節変位算出部１１０に入力し、設定
された関節部仮想インピーダンスの値（Ｊｊ、ｄｊ、ｋ
ｊ）から各関節の変位量を算出する。又、手元に取付け
られた外力計測用センサ（力センサ）１０２によって計
測された手先作用力は、手先変位算出部１０７に入力さ
れ、設定された手先部仮想インピーダンスの値（Ｊｅ、
ｄｅ、ｋｅ）を用いて、手先の変位量に変換される。こ
の手先変位量は、加算装置１１２によって手先釣り合い
位置設定部１１３の手先釣り合い位置（接触前の無負荷
時のアーム１０１の手先釣り合い位置）と加算され、手
先位置の指令値が算出される。そして算出された手先位
置指令は、逆運動学計算部１１４で各関節の角度指令に
変換される。この各関節指令値は加算装置１１５で、各
関節の変位量と加算され、サーボコントローラ１１６に
入力する。サーボコントローラ１１６では、入力した角
度指令と回転角検出計１０５により検出した角度情報と
の差を比較してモータ１０５を制御する。このように、
本実施の形態によれば、各センサからの情報を、各関節
に加わるトルクと手先に加わる力に分離し、各々に設定
された仮想インピーダンスからアームの逃げ量を算出す
ることにより、アームが水平、上下動中、どの部分で環
境に接触しても、低衝撃で適切な回避動作を実現でき
る。
【０００７】次に、本発明の第２の実施の形態について
図を参照して説明する。図２は本発明の第２の実施の形
態に係る水平多関節型ロボットアームのインピーダンス
制御装置のブロック図である。図２において、２０１は
手先部に取付けた力センサ１０２により計測した手先作
用力Ｆｅを、各関節トルクτｅに変換する力→トルク変
換部、２０２はその加算装置、２０３は関節釣り合い角
度設定部、２０４は加算装置である。なお、その他の図
１と同一構成には同一符号を付して、重複する説明は省
略する。つぎに動作について説明する。先ず、水平トル
ク補正部１１１は、アーム１０１の各関節の角度・角速
度・角加速度からアーム自身の水平動作によって生じる
関節トルクの値と、水平方向の手先作用力情報から手先
作用力によって生じる関節トルクを算出し、各関節に取
り付けられたトルクセンサ１０３によって計測された水
平方向関節トルクと加算され、補正される。そして、ア
ーム上下方向に作用する外力を計測する表面感圧センサ
１０４によって計測された上下方向作用力と合成装置１
０９によって合成され、関節トルクτｊとなる。一方、
手先に取付けられた外力計測用力センサ１０２によって
計測された手先作用力は、力→トルク変換部２０１に入
力され、以下の式（１）による演算を行って各関節に加
わるトルクτｅに変換される。 τｅ＝ＪT Ｆｅ （１） ここで、Ｆｅは手先作用力を、ＪT はアームの転置ヤコ
ビアンを、τｅは各関節に加わるトルクを、それぞれ表
す。この関節トルクτｅは、先の関節トルクτｊと、加
算装置２０２において加算され、関節変位算出部１１０
に入力される。関節変位算出部１１０は設定された関節
部仮想インピーダンスの値（Ｊｊ、ｄｊ、ｋｊ）から各
関節の変位量を算出する。この各関節変位量は加算装置
２０４によって関節釣り合い角度設定部２０３の釣り合
い角度と加算され、各関節の角度指令値が算出される。
このようにして算出された関節角度指令は、サーボコン
トローラ１１６へ入力し、サーボコントローラ１１６は
角度指令と回転角検出計１０６で検出した角度情報との
差を比較して、モータ１０５を制御する。このように、
第２の実施の形態によれば、センサ情報を全て関節トル
クに変換し、トルク対応の関節部仮想インピーダンスの
値（Ｊｊ、ｄｊ、ｋｊ）だけを用いる変位量算出方式に
より、手先作用力Ｆｅも一旦関節トルクτｅに変換した
後に、上下方向作用力も合成された関節トルクτｊに加
算して、トルク対応の関節変位量（角度指令）を算出し
ているので、アームの水平、上下動中、どの部分で環境
と接触しても低衝撃で適切な回避動作が可能になると同
時に、簡略化、コストの削減等も図れる。
図を参照して説明する。図２は本発明の第２の実施の形
態に係る水平多関節型ロボットアームのインピーダンス
制御装置のブロック図である。図２において、２０１は
手先部に取付けた力センサ１０２により計測した手先作
用力Ｆｅを、各関節トルクτｅに変換する力→トルク変
換部、２０２はその加算装置、２０３は関節釣り合い角
度設定部、２０４は加算装置である。なお、その他の図
１と同一構成には同一符号を付して、重複する説明は省
略する。つぎに動作について説明する。先ず、水平トル
ク補正部１１１は、アーム１０１の各関節の角度・角速
度・角加速度からアーム自身の水平動作によって生じる
関節トルクの値と、水平方向の手先作用力情報から手先
作用力によって生じる関節トルクを算出し、各関節に取
り付けられたトルクセンサ１０３によって計測された水
平方向関節トルクと加算され、補正される。そして、ア
ーム上下方向に作用する外力を計測する表面感圧センサ
１０４によって計測された上下方向作用力と合成装置１
０９によって合成され、関節トルクτｊとなる。一方、
手先に取付けられた外力計測用力センサ１０２によって
計測された手先作用力は、力→トルク変換部２０１に入
力され、以下の式（１）による演算を行って各関節に加
わるトルクτｅに変換される。 τｅ＝ＪT Ｆｅ （１） ここで、Ｆｅは手先作用力を、ＪT はアームの転置ヤコ
ビアンを、τｅは各関節に加わるトルクを、それぞれ表
す。この関節トルクτｅは、先の関節トルクτｊと、加
算装置２０２において加算され、関節変位算出部１１０
に入力される。関節変位算出部１１０は設定された関節
部仮想インピーダンスの値（Ｊｊ、ｄｊ、ｋｊ）から各
関節の変位量を算出する。この各関節変位量は加算装置
２０４によって関節釣り合い角度設定部２０３の釣り合
い角度と加算され、各関節の角度指令値が算出される。
このようにして算出された関節角度指令は、サーボコン
トローラ１１６へ入力し、サーボコントローラ１１６は
角度指令と回転角検出計１０６で検出した角度情報との
差を比較して、モータ１０５を制御する。このように、
第２の実施の形態によれば、センサ情報を全て関節トル
クに変換し、トルク対応の関節部仮想インピーダンスの
値（Ｊｊ、ｄｊ、ｋｊ）だけを用いる変位量算出方式に
より、手先作用力Ｆｅも一旦関節トルクτｅに変換した
後に、上下方向作用力も合成された関節トルクτｊに加
算して、トルク対応の関節変位量（角度指令）を算出し
ているので、アームの水平、上下動中、どの部分で環境
と接触しても低衝撃で適切な回避動作が可能になると同
時に、簡略化、コストの削減等も図れる。
【０００８】次に、本発明の第３の実施の形態について
図を参照して説明する。図３は本発明の第３の実施の形
態に係る水平多関節型ロボットアームのインピーダンス
制御装置のブロック図である。図３において、３０１は
水平方向トルクと上下方向作用力から合成された関節ト
ルクτｊを、手先部に作用する手先作用力Ｆｊに変換す
るトルク→力変換部、３０２は加算装置である。なお、
その他の図１と同一構成には同一符号を付して重複する
説明は省略する。つぎに動作について説明する。水平ト
ルク補正部１１１は、アーム１０１の各関節の角度・角
速度・角加速度からアーム自身の水平動作によって生じ
る関節トルクの値と、水平方向の手先作用力情報から手
先作用力によって生じる関節トルクを算出する。このト
ルクは加算装置１０８により各関節に取付けられたトル
クセンサ１０３によって計測された水平方向関節トルク
と加算され、補正される。それに、アーム上下方向に作
用する外力を計測する表面感圧センサ１０４によって計
測された上下方向作用力と合成装置１０９によって合成
され、関節トルクτｊとなる。関節トルクτｊはトルク
→力変換部３０１に入力されて、以下の式（２）による
演算を行って手先作用力Ｆｊに変換される。 Ｆｊ＝Ｊ-Tτｊ （２） ここで、τｊは各関節に加わるトルクを、Ｊ-Tはアーム
の転置逆ヤコビアンを、Ｆｊは手先作用力を、それぞれ
表す。この変換された手先作用力Ｆｊは、手先に取付け
た力センサ１０２によって計測された手先作用力Ｆｅと
加算装置３０２で加算され、手先変位算出部１０７に入
力して設定された手先部仮想インピーダンスの値（Ｊ
ｅ、ｄｅ、ｋｅ）から、手先位置の変位量を算出する。
この手先位置変位量は加算装置１１２によって手先釣り
合い位置設定部１１３の釣り合い位置と加算され、手先
位置の指令値が算出される。この手先位置指令は逆運動
学計算部１１４により、各関節の角度指令に変換され、
サーボコントローラ１１６に入力し、サーボコントロー
ラ１１６は角度指令と回転角検出計１０６で検出した角
度情報との差を比較してモータ１０５を制御する。この
ように、第３の実施の形態によれば、センサ情報を全て
手先作用力に変換し、手先作用力対応の手先部仮想イン
ピーダンスの値（Ｊｅ、ｄｅ、ｋｅ）だけを用いる変位
量算出方式により、関節トルクτｊも一旦、作用力Ｆｊ
に変換した後に、手先作用力Ｆｅに加算して、手先部作
用力対応の位置指令値を算出して各関節の角度指令に変
換しているので、アームが水平、上下動中、どの部分で
環境と接触しても、低衝撃で適切な回避動作が可能にな
ると同時に、簡略化、コスト削減等も図れる。
図を参照して説明する。図３は本発明の第３の実施の形
態に係る水平多関節型ロボットアームのインピーダンス
制御装置のブロック図である。図３において、３０１は
水平方向トルクと上下方向作用力から合成された関節ト
ルクτｊを、手先部に作用する手先作用力Ｆｊに変換す
るトルク→力変換部、３０２は加算装置である。なお、
その他の図１と同一構成には同一符号を付して重複する
説明は省略する。つぎに動作について説明する。水平ト
ルク補正部１１１は、アーム１０１の各関節の角度・角
速度・角加速度からアーム自身の水平動作によって生じ
る関節トルクの値と、水平方向の手先作用力情報から手
先作用力によって生じる関節トルクを算出する。このト
ルクは加算装置１０８により各関節に取付けられたトル
クセンサ１０３によって計測された水平方向関節トルク
と加算され、補正される。それに、アーム上下方向に作
用する外力を計測する表面感圧センサ１０４によって計
測された上下方向作用力と合成装置１０９によって合成
され、関節トルクτｊとなる。関節トルクτｊはトルク
→力変換部３０１に入力されて、以下の式（２）による
演算を行って手先作用力Ｆｊに変換される。 Ｆｊ＝Ｊ-Tτｊ （２） ここで、τｊは各関節に加わるトルクを、Ｊ-Tはアーム
の転置逆ヤコビアンを、Ｆｊは手先作用力を、それぞれ
表す。この変換された手先作用力Ｆｊは、手先に取付け
た力センサ１０２によって計測された手先作用力Ｆｅと
加算装置３０２で加算され、手先変位算出部１０７に入
力して設定された手先部仮想インピーダンスの値（Ｊ
ｅ、ｄｅ、ｋｅ）から、手先位置の変位量を算出する。
この手先位置変位量は加算装置１１２によって手先釣り
合い位置設定部１１３の釣り合い位置と加算され、手先
位置の指令値が算出される。この手先位置指令は逆運動
学計算部１１４により、各関節の角度指令に変換され、
サーボコントローラ１１６に入力し、サーボコントロー
ラ１１６は角度指令と回転角検出計１０６で検出した角
度情報との差を比較してモータ１０５を制御する。この
ように、第３の実施の形態によれば、センサ情報を全て
手先作用力に変換し、手先作用力対応の手先部仮想イン
ピーダンスの値（Ｊｅ、ｄｅ、ｋｅ）だけを用いる変位
量算出方式により、関節トルクτｊも一旦、作用力Ｆｊ
に変換した後に、手先作用力Ｆｅに加算して、手先部作
用力対応の位置指令値を算出して各関節の角度指令に変
換しているので、アームが水平、上下動中、どの部分で
環境と接触しても、低衝撃で適切な回避動作が可能にな
ると同時に、簡略化、コスト削減等も図れる。
【０００９】なお、本発明では、ここまで、病院や医療
福祉施設における食事搬送ロボットの水平多関節型ロボ
ットアームを例に説明してきたが、それ以外にも、食事
搬送ロボットとしては児童、工場の給食、学生食堂、レ
ストラン、結婚披露宴、ホテル等の会食場など、大勢の
人数を対象として配膳・下膳作業を行うような場所には
全て適用可能である。また、食事搬送ロボットに限ら
ず、各種の組立自動化ラインにおいて水平多関節型ロボ
ットアームを用いた産業用の組立ロボット（スカラ型ロ
ボット）。倉庫や、工場等の作業場において、ストッカ
からの製品の出入れ、ハンドリング作業などを行うスカ
ラ型ロボット等にも使用範囲を拡大できる。
福祉施設における食事搬送ロボットの水平多関節型ロボ
ットアームを例に説明してきたが、それ以外にも、食事
搬送ロボットとしては児童、工場の給食、学生食堂、レ
ストラン、結婚披露宴、ホテル等の会食場など、大勢の
人数を対象として配膳・下膳作業を行うような場所には
全て適用可能である。また、食事搬送ロボットに限ら
ず、各種の組立自動化ラインにおいて水平多関節型ロボ
ットアームを用いた産業用の組立ロボット（スカラ型ロ
ボット）。倉庫や、工場等の作業場において、ストッカ
からの製品の出入れ、ハンドリング作業などを行うスカ
ラ型ロボット等にも使用範囲を拡大できる。
【００１０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
各種ハンドリング作業を行う水平多関節型ロボットアー
ムに、アームに作用する外力、外トルクを計測する外力
計測用センサを複数種類取付け、その各外力計測用セン
サの情報から各関節を力制御する水平多関節型ロボット
アームのインピーダンス制御装置において、各センサか
らの情報を、各関節に加わるトルクと手先に加わる力に
分離し、各々に設定された仮想インピーダンスからアー
ムの逃げ量を算出することで、アームがどの部分で環境
に接触しても適切な回避動作を実現できるという効果が
ある。また、外力計測用のセンサ情報を全て各関節部に
加わるトルク、若しくは手先に加わる手先部作用力に変
換し、各設定された仮想インピーダンスから逃げ量を算
出することによって、アームがどの部分で環境に接触し
ても適切な回避行動が可能になると共に、回路構成、制
御等の簡略化とコストの削減が図れるという効果があ
る。
各種ハンドリング作業を行う水平多関節型ロボットアー
ムに、アームに作用する外力、外トルクを計測する外力
計測用センサを複数種類取付け、その各外力計測用セン
サの情報から各関節を力制御する水平多関節型ロボット
アームのインピーダンス制御装置において、各センサか
らの情報を、各関節に加わるトルクと手先に加わる力に
分離し、各々に設定された仮想インピーダンスからアー
ムの逃げ量を算出することで、アームがどの部分で環境
に接触しても適切な回避動作を実現できるという効果が
ある。また、外力計測用のセンサ情報を全て各関節部に
加わるトルク、若しくは手先に加わる手先部作用力に変
換し、各設定された仮想インピーダンスから逃げ量を算
出することによって、アームがどの部分で環境に接触し
ても適切な回避行動が可能になると共に、回路構成、制
御等の簡略化とコストの削減が図れるという効果があ
る。
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る水平多関節型
ロボットアームのインピーダンス制御装置のブロック図
である。
ロボットアームのインピーダンス制御装置のブロック図
である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る水平多関節型
ロボットアームのインピーダンス制御装置のブロック図
である。
ロボットアームのインピーダンス制御装置のブロック図
である。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係る水平多関節型
ロボットアームのインピーダンス制御装置のブロック図
である。
ロボットアームのインピーダンス制御装置のブロック図
である。
【図４】従来の水平多関節型ロボットアームのインピー
ダンス制御装置のブロック図である。
ダンス制御装置のブロック図である。
【図５】従来のトルクセンサを用いた水平多関節型ロボ
ットアームのインピーダンス制御装置のブロック図であ
る。
ットアームのインピーダンス制御装置のブロック図であ
る。
１０１ アーム １０２ 力センサ １０３ トルクセンサ １０４ 表面感圧センサ １０５ モータ １０６ 回転角検出計 １０７ 手先変位算出部 １０８、１１２、１１５、２０２、２０４、３０２ 加
算装置 １０９ 合成装置 １１０ 関節変位算出部 １１１ 水平トルク補正部 １１３ 手先釣り合い位置設定部 １１４ 逆運動学計算部 １１６ サーボコントローラ ２０１ 力→トルク変換部 ２０３ 関節釣り合い角度設定部 ３０１ トルク→力変換部
算装置 １０９ 合成装置 １１０ 関節変位算出部 １１１ 水平トルク補正部 １１３ 手先釣り合い位置設定部 １１４ 逆運動学計算部 １１６ サーボコントローラ ２０１ 力→トルク変換部 ２０３ 関節釣り合い角度設定部 ３０１ トルク→力変換部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3F059 AA01 AA10 BA04 CA02 CA06 CA07 DC04 DE02 FC00 5H303 AA10 BB03 BB09 BB15 CC10 DD01 FF03 JJ05 KK11 KK33 MM05
Claims (3)
- 【請求項１】 各種ハンドリング作業を行う水平多関節
型ロボットアームに、アームに作用する外力、外トルク
を計測する外力計測用センサを複数種類取付け、該各セ
ンサ情報から各関節を力制御する水平多関節型ロボット
アームのインピーダンス制御装置において、 外力計測用センサから計測された情報を手先部に加わる
外力と各関節に加わる外トルクに分離し、各関節に加わ
る外トルクと設定された関節部仮想インピーダンスから
アームの逃げ量を算出する関節変位算出部と、手先部に
加わる外力と設定された手先部仮想インピーダンスから
アームの逃げ量を算出する手先変位算出部とを有するこ
とを特徴とする水平多関節型ロボットアームのインピー
ダンス制御装置。 - 【請求項２】 前記外力計測用センサから計測された情
報を全て各関節に加わるトルクに変換し、設定された関
節部仮想インピーダンスからアームの逃げ量を算出する
関節変位算出部を有することを特徴とする請求項１記載
の水平多関節型ロボットアームのインピーダンス制御装
置。 - 【請求項３】 前記外力計測用センサから計測された情
報を全て手先部に加わる力に変換し、設定された手先部
仮想インピーダンスからアームの逃げ量を算出する手先
変位算出部を有することを特徴とする請求項１記載の水
平多関節型ロボットアームのインピーダンス制御装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22143299A JP3383614B2 (ja) | 1999-08-04 | 1999-08-04 | 水平多関節型ロボットアームのインピーダンス制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22143299A JP3383614B2 (ja) | 1999-08-04 | 1999-08-04 | 水平多関節型ロボットアームのインピーダンス制御装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001038673A true JP2001038673A (ja) | 2001-02-13 |
| JP3383614B2 JP3383614B2 (ja) | 2003-03-04 |
Family
ID=16766659
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP22143299A Expired - Fee Related JP3383614B2 (ja) | 1999-08-04 | 1999-08-04 | 水平多関節型ロボットアームのインピーダンス制御装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3383614B2 (ja) |
Cited By (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007136564A (ja) * | 2005-11-15 | 2007-06-07 | Yaskawa Electric Corp | マニピュレータ制御方法および装置 |
| US7652446B2 (en) | 2007-04-13 | 2010-01-26 | Industrial Technology Research Institute | Method for detecting and controlling output characteristics of a DC motor and a self-propelled apparatus using the same |
| EP2272636A2 (en) | 2009-07-08 | 2011-01-12 | Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki Seisakusho | Robot |
| CN102393751A (zh) * | 2011-10-27 | 2012-03-28 | 中联重科股份有限公司 | 臂架回转位置的控制方法、装置和系统，以及工程机械 |
| WO2013027250A1 (ja) * | 2011-08-19 | 2013-02-28 | 株式会社安川電機 | ロボットシステム、ロボット及びロボット制御装置 |
| JP2013094952A (ja) * | 2011-11-07 | 2013-05-20 | Seiko Epson Corp | ロボット制御システム、ロボットシステム及びセンサー情報処理装置 |
| JP2014180719A (ja) * | 2013-03-19 | 2014-09-29 | Yaskawa Electric Corp | ロボット装置 |
| JPWO2013027250A1 (ja) * | 2011-08-19 | 2015-03-05 | 株式会社安川電機 | ロボットシステム、ロボット及びロボット制御装置 |
| KR101786104B1 (ko) * | 2011-08-18 | 2017-10-18 | 현대자동차주식회사 | 로봇의 동적보행 제어방법 및 시스템 |
| KR101786105B1 (ko) * | 2011-08-18 | 2017-10-18 | 현대자동차주식회사 | 착용로봇 제어방법 |
| WO2021009903A1 (ja) | 2019-07-18 | 2021-01-21 | 株式会社安川電機 | ロボットシステム、ロボットの制御方法、サーボシステム |
| CN115855477A (zh) * | 2023-02-27 | 2023-03-28 | 珞石（北京）科技有限公司 | 用于机器人关节性能测试的装置及测试方法 |
| US11750133B2 (en) | 2019-07-18 | 2023-09-05 | Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki | External force estimation during motor control |
| JP7604550B2 (ja) | 2015-10-27 | 2024-12-23 | キヤノン株式会社 | ロボット、物品の製造方法、制御方法、制御プログラム、記録媒体 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5765686B2 (ja) * | 2012-03-23 | 2015-08-19 | トヨタ自動車東日本株式会社 | ロボット接触検知装置 |
-
1999
- 1999-08-04 JP JP22143299A patent/JP3383614B2/ja not_active Expired - Fee Related
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|---|---|---|---|---|
| JP2007136564A (ja) * | 2005-11-15 | 2007-06-07 | Yaskawa Electric Corp | マニピュレータ制御方法および装置 |
| US7652446B2 (en) | 2007-04-13 | 2010-01-26 | Industrial Technology Research Institute | Method for detecting and controlling output characteristics of a DC motor and a self-propelled apparatus using the same |
| EP2272636A2 (en) | 2009-07-08 | 2011-01-12 | Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki Seisakusho | Robot |
| US8396596B2 (en) | 2009-07-08 | 2013-03-12 | Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki | Robot with load sensor |
| KR101786105B1 (ko) * | 2011-08-18 | 2017-10-18 | 현대자동차주식회사 | 착용로봇 제어방법 |
| KR101786104B1 (ko) * | 2011-08-18 | 2017-10-18 | 현대자동차주식회사 | 로봇의 동적보행 제어방법 및 시스템 |
| JPWO2013027250A1 (ja) * | 2011-08-19 | 2015-03-05 | 株式会社安川電機 | ロボットシステム、ロボット及びロボット制御装置 |
| WO2013027250A1 (ja) * | 2011-08-19 | 2013-02-28 | 株式会社安川電機 | ロボットシステム、ロボット及びロボット制御装置 |
| CN102393751A (zh) * | 2011-10-27 | 2012-03-28 | 中联重科股份有限公司 | 臂架回转位置的控制方法、装置和系统，以及工程机械 |
| JP2013094952A (ja) * | 2011-11-07 | 2013-05-20 | Seiko Epson Corp | ロボット制御システム、ロボットシステム及びセンサー情報処理装置 |
| JP2014180719A (ja) * | 2013-03-19 | 2014-09-29 | Yaskawa Electric Corp | ロボット装置 |
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| WO2021009903A1 (ja) | 2019-07-18 | 2021-01-21 | 株式会社安川電機 | ロボットシステム、ロボットの制御方法、サーボシステム |
| US11750133B2 (en) | 2019-07-18 | 2023-09-05 | Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki | External force estimation during motor control |
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| CN115855477A (zh) * | 2023-02-27 | 2023-03-28 | 珞石（北京）科技有限公司 | 用于机器人关节性能测试的装置及测试方法 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3383614B2 (ja) | 2003-03-04 |
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