JP2006341372A

JP2006341372A - ロボットの制御方法

Info

Publication number: JP2006341372A
Application number: JP2006229656A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Kakisaka; 洋一柿坂; Mitsunori Kawabe; 満徳川辺
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2006-08-25
Filing date: 2006-08-25
Publication date: 2006-12-21

Abstract

【課題】ロボットアームとコンプライアンス制御されたエンドエフェクタによる操作対象物の環境との接触を伴う動作において、操作対象物の姿勢が変化してもエンドエフェクタの位置や姿勢の偏りを小さくする。
【解決手段】コンプライアンス計算部４Ｂにおいて、多指ハンド８の各指の先端位置の情報と各指先端の力覚センサ７で計測された力情報Ｆをもとにコンプライアンス中心の力を求め、操作対象物のハンドベース座標系における位置、姿勢を計算する。コンプライアンス計算部２Ｂでは、アームの力覚センサによって計測された外力Ｆからコンプライアンス中心に加わる外力と予め与えられた目標力、アームの現在位置、姿勢、目標指令からアームの位置、姿勢を計算する。ここで、アームの仮想弾性係数を０もしくは非常に小さく設定することによって、外力と目標力が等しくなるようにアームの位置・姿勢が制御される。
【選択図】図１

Description

本発明は、コンプライアンスを持ったロボットアームとエンドエフェクタのコンプライアンス制御方法に関する。

ロボットによって対象物あるいは外界との物理的な接触を伴う作業を行う場合、エンドエフェクタ自体にコンプライアンスを持たせることが一般的である。この場合、エンドエフェクタにＲＣＣデバイスのような機械的なコンプライアンス機構を設ける、あるいはエンドエフェクタ自体をコンプライアンス制御する、あるいはロボットア−ムをコンプライアンスアンス制御することが考えられる。ロボットアームのコンプライアンス制御とは、ロボットアーム先端の位置と姿勢、およびアーム先端にかかる力を用いて、ロボットの軟らかい動きをさせる力制御手法である。この手法は、弾性・粘性・慣性の各パラメータを仮想的に設定したモデルの運動をロボットの動きで実現するもので、パラメータの値を変えることによりロボットの見かけ上の応答特性を自由に設定することができる。コンプライアンス制御は、

という特性方程式で表される。ここで、Ｍは仮想慣性係数、Ｄは仮想粘性係数、Ｋは仮想
弾性係数、Ｆはアーム先端が受ける力、Ｆｄは目標力、ｘはアーム先端の現在位置、ｘｄ
は目標位置を表す。アーム先端に加わる外力Ｆを力センサによって計測し、（１）または
（２）式を満足するようにロボットを制御する。一般によく利用される手法として、図２または図３に示すように、コンプライアンスのモデルにしたがってロボットが追従すべき値をコンプライアンス計算部２Ａまたは２Ｂで（１）または（２）式より求め、その位置に対応するロボットの各関節角度を逆キネマティクス計算部３によって求め、これをロボットへの位置指令とする制御方法がある。エンドエフェクタの一つとして多指ハンドを考えた場合、特開平５ー１７７５６６にて開示されているように、コンプライアンス制御を用いた協調制御により外乱が加わっても安定して把持できることが示されている。

物体の接触を伴う作業をロボットアームにより行う場合、アーム自体をコンプライアンス制御する手法やアーム先端にコンプライアンス制御されたツールを取り付ける手法およびそれらを組み合わせた手法を用いることにより、環境の誤差などを吸収し高精度な作業の実現が期待できる。ここでは操作対象物のある面を環境のある面に押しつける動作を、エンドエフェクタとしてコンプライアンス制御された多指ハンドを持つロボットアームに行わせる例を示す。図４および５はその制御ブロック図で、目標指令決定部１Ｂ又は２Ｂとコンプライアンス計算部４Ａ又は４Ｂと逆キネマティクス計算部５を備えたものである。押しつけ動作は、押しつける面同士が平行になるように操作対象物の姿勢を保ちながら環境へ接近させることで実現される。ここで操作対象物の回転に関するコンプライアンスが軟らかくなるように（１）式または（２）式のパラメータを設定することによって、押しつける環境と操作対象物との相対的な位置および姿勢が不確定な場合にも対象に倣う形で押しつけ動作が達成される。予想される環境面１６にコンプライアンス制御された多指ハンド１３によって把持された対象１４をロボットアーム１１によって押しつける作業において、予想される環境面１６と実際の環境面１５との誤差がある場合、図６のように目標とは異なる形で操作対象物１４と環境面１５の接触が生じる。操作対象物１４と環境面１５との接触によって生じる力とモーメントがハンドの力覚センサ１２によって計測され、制御システム内でコンプライアンス中心１７における力１９とモーメント２０へと変換され、（１）式または（２）式のＦとして利用される。ここで、コンプライアンス中心１７の回りの回転の仮想弾性係数Ｋを軟らかく設定しておけば、操作対象物は加わったモーメント２０の方向に回転し姿勢を変える。また、コンプライアンス中心１７の位置は設定されているＫと外力１８の平衡点へ移動する。このためパラメータの設置が適当ならば図７に示すように環境面１５に対して操作対象物１４の押しつけが達成される。

多指ハンドはアームと比較して外部からの力やモーメントに対し高い応答性を得られる。そのため多指ハンドのコンプライアンス制御を利用することにより、アームのみを用いた場合よりも環境の変化や誤差に対して高速かつ柔軟に対応することが可能である。

上述した従来の方法では、環境面の誤差の大部分をより応答性の高い多指ハンドで吸収することとなるため、押しつけ動作が終了した時点で図７のように多指ハンドの姿勢がハンドのベースに対して大きく傾く場合がある。このため、この後さらにハンドによって物体の位置姿勢を操作する場合に操作可能な範囲が限られてしまうという問題があった。これは多指ハンドに限らずコンプライアンス制御されたエンドフェクタを利用する場合に常に生じる問題である。また、目標姿勢からのずれが生じた状態で（２）式が成立するために外力と目標が一致しない。これらは多指ハンドに限らずコンプライスアンス制御されたエンドフェクタを持つアームを利用する場合に常に生じる問題である。

本発明の目的は、ロボットアームとコンプライアンス制御されたエンドエフェクタによる操作対象物の環境との接触を伴う動作において、操作対象物の姿勢が変化してもエンドエフェクタの位置や姿勢の偏りを小さくする、ロボットのコンプライアンスの制御方法を提供することにある。

本発明のロボットの制御方法は、複数の自由度を持つロボットアームと、該アームの先端に取り付けられた少なくとも１自由度持つエンドエフェクタを有するロボットの制御方法において、アームとエンドエフェクタをそれぞれコンプライアンス制御し、それぞれのコンプライアンス制御中心を同一の点に設定し、エンドエフェクタが外界からエンドエフェクタの操作対象物に加わる力である外力と目標力が等しいときに所望の姿勢をとるように設定し、外力によって操作対象物の姿勢が変化するような動作を行う場合に、アームとエンドエフェクタのそれぞれに等しい目標力を予め与えてコンプライアンス制御を行い、動作時に操作対象物に加わる外力をエンドエフェクタおよびアームにおいて計測し、これが目標力と等しくなるようにアームの各部分の位置、姿勢を変更するものである。

本発明の実施態様によれば、アームとエンドエフェクタのコンプライアンス制御における目標力を一致させる。

以上説明したように、請求項１と２の発明は、複数の自由度を持つコンプライアンスを持つ先端部とそれ以外とに分割して制御可能なロボットアームを用いた操作対象物の環境への接触を伴う動作において、操作対象物に加わる外力が先端部の目標力と等しくなるようにアームのそれぞれの部分をコンプライアンス制御することにより、アーム先端部の最適な姿勢からの偏りを減少させ、その後のアームによる操作対象物の操作性を向上させる効果がある。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施形態のロボットのブロック図である。ハンド制御部では、操作対象物を把持するためのハンドベース座標系での各指先端位置の目標指令と各指の力覚センサ７からの力情報Ｆに基づいて、コンプライアンス中心に加わる外力を求め、コンプライアンス計算部４Ｂが物体を把持するための各指の協調も含めたコンプライアンス計算を特性方程式（２）により行い、各指先位置を決定する。これを逆キネマティクス部５で各指毎に逆キネマティクスを解き、関節角度指令を多指ハンド８へ送る。アーム制御部では、目標指令決定部１Ｂがアーム先端を最終的な目標位置および姿勢へ移動させるための目標指令を時系列的にコンプライアンス計算部２Ｂへ渡す。コンプライアンス計算部２Ｂでは、目標指令ｘｄとアーム力覚センサ６からの力情報Ｆに基づいて、力情報Ｆをコンプライアンス中心における力へと変換し、コンプライアンス中心の目標位置、姿勢ｘｄ'を計算し、これを実現するアームの関節角度θを逆キネマティクス計算部３で求め、これをロボットアームへの指令とする位置制御を行う。アームとハンドのコンプライアンス制御中心は同一の座標に設定する。これによりアームとハンドそれぞれの求めるコンプライアンス中心に加わる外力は等しくなる。

操作対象物を環境に押しつける動作をこのロボットアームで行う場合、本実施形態ではハンド制御部のコンプライアンス計算部４Ｂに、押しつける動作のコンプライアンス中心における目標力をハンドベース座標系で与え、アーム制御部のコンプライアンス制御部２Ｂには、ハンドに与えた目標力をアームの姿勢変化に応じてロボットベース座標系に変換したものを常に与える。また、外力と目標力が等しい場合にハンドが操作対象物を最も操作しやすくなるように、操作対象物のハンドベース座標系での目標位置、姿勢をハンドに与える。動作時には、コンプライアンス計算部４Ｂにおいて、多指ハンド８の各指の先端位置の情報および各指先端の力覚センサ７で計測された力情報Ｆをもとにコンプライアンス中心の力を求め、操作対象物のハンドベース座標系における位置、姿勢を計算する。アームのコンプライアンス計算部２Ｂでは、アームの力覚センサによって計測された外力Ｆからコンプライアンス中心に加わる外力と予め与えられた目標力、アームの現在位置、姿勢、目標指令からアームの位置、姿勢を計算する。ここで、アームの仮想弾性係数を０もしくは非常に小さく設定することによって、外力と目標力が等しくなるようにアームの位置・姿勢が制御される。アームとハンドのコンプライアンス中心および目標力は同一に設定されているので、押しつけ動作中のハンドにおいても目標力と外力が等しくなり、その結果としてハンドの最適な姿勢からのずれが補償される。

本発明の一実施形態を示すブロック図である。第１の従来例のブロック図である。第２の従来例のブロック図である。第３の従来例のブロック図である。第４の従来例のブロック図である。押しつけ動作時に操作対象物が環境と接触した時点での力関係を示す図である。押しつけが達成された時点でのアームとバンドの姿勢を示す図である。

符号の説明

１Ｂ目標指令決定部（アーム）
２Ａ，２Ｂコンプライアンス計算部（アーム）
３逆キネマティクス計算部（アーム）
４Ａ，４Ｂコンプライアンス計算部（ハンド）
５逆キネマティクス計算部（ハンド）
６，７力覚センサ
８多指ハンド
１１ロボットアーム
１２力覚センサ
１３多指ハンド
１４操作対象物
１５実際の環境面
１６予想される環境面
１７コンプライアンス制御中心
１８操作対象物が環境から受ける力
１９コンプライアンス中心の受ける力
２０コンプライナアンス中心の受けるモーメント

Claims

複数の自由度を持つロボットアームと、該アームの先端に取り付けられた少なくとも１自由度持つエンドエフェクタを有するロボットの制御方法において、
前記アームと前記エンドエフェクタをそれぞれコンプライアンス制御し、それぞれのコンプライアンス制御中心を同一の点に設定し、前記エンドエフェクタが外界からエンドエフェクタの操作対象物に加わる力である外力と目標力が等しいときに所望の姿勢をとるように設定し、外力によって前記操作対象物の姿勢が変化するような動作を行う場合に、前記アームと前記エンドエフェクタのそれぞれに等しい目標力を予め与えてコンプライアンス制御を行い、動作時に前記操作対象物に加わる外力を前記エンドエフェクタおよび前記アームにおいて計測し、これが目標力と等しくなるように前記アームの各部分の位置、姿勢を変更することを特徴とする、ロボットの制御方法。
前記アームと前記エンドエフェクタのコンプライアンス制御における目標力を一致させる請求項１記載のロボットの制御方法。