JP2010069584A - Device and method for controlling manipulator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、マニピュレータの制御に関し、特にアームと多指ハンドを備え、多指ハンドにて物体の把持動作を行うマニピュレータの制御に関する。 The present invention relates to control of a manipulator, and more particularly to control of a manipulator that includes an arm and a multi-finger hand and performs an object gripping operation with the multi-finger hand.
従来より、複数の指を備えた多指ハンドによって物体を把持する装置が開示されている。
こうした多指ハンドの制御方法として、多指ハンドによる物体の把持状況に応じて位置制御と力制御を切り替えているものがある(例えば、特許文献1参照)。また、複数の指の協調制御により対象物を把持する場合において、各指の制御モードをコンプライアンス制御または力制御に切り替えているものもある(例えば、特許文献2参照)。
従来の多指ハンドの制御方法では、物体の把持状況やハンドの動作状態によってハンド全体または各指の制御モードを切り替えて対象物を把持するという手順をとっている。
As a method for controlling such a multi-fingered hand, there is a method in which position control and force control are switched according to the gripping state of an object by the multi-fingered hand (see, for example, Patent Document 1). In addition, when a target is gripped by cooperative control of a plurality of fingers, there is a case where the control mode of each finger is switched to compliance control or force control (see, for example, Patent Document 2).
In the conventional multi-finger hand control method, a procedure is adopted in which the object is gripped by switching the entire hand or the control mode of each finger according to the gripping state of the object or the operation state of the hand.
しかし、多指ハンドはアーム等の先端部に装着されて使用される場合が多いにも関わらず、従来技術では多指ハンドを装着しているアームの動作状態については考慮されていなかった。そのためアームの動作状態に対応した最適な物体把持が行われていなかった。
一方、多指ハンドの各指を力制御することで、把持対象物の形状や位置が未知な場合であっても指が柔軟に動作して物体を把持し、かつ把持力を維持することができる。しかし一旦把持した物体をアームの動作によって移動、搬送する際に多指ハンドや把持対象物に加速度が加わると、その慣性力によって力制御している指がそれぞれ影響を受けて動作し、把持状態が不安定になったりハンド内の把持対象物が動いてしまったりするという欠点があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、ハンドを先端に装着したアームの動作状態に応じて多指ハンドの指ごとに位置制御と力制御とを切り替え、物体の把持や搬送に適した多指ハンドの制御を行うことができる制御方法および装置を提供することを目的とする。
However, although the multi-fingered hand is often used by being attached to the tip of an arm or the like, the prior art has not considered the operating state of the arm to which the multi-fingered hand is attached. For this reason, optimal object gripping corresponding to the operating state of the arm has not been performed.
On the other hand, by force-controlling each finger of a multi-fingered hand, even if the shape and position of the object to be grasped are unknown, the finger can flexibly operate to grasp the object and maintain the grasping force it can. However, when acceleration is applied to the multi-fingered hand or the object to be grasped when moving or transporting the object once grasped by the movement of the arm, the finger whose force is controlled by its inertial force will be affected, and the grasping state Has the disadvantages of becoming unstable and the object in the hand moving.
The present invention has been made in view of such problems, and switches position control and force control for each finger of a multifingered hand according to the operating state of an arm with the hand attached to the tip, An object of the present invention is to provide a control method and apparatus capable of controlling a multi-fingered hand suitable for conveyance.
上記問題を解決するため、本発明は、次のようにしたのである。
請求項1に記載の発明は、先端部に各々力センサを設けた複数の指を備えた多指ハンドと、前記多指ハンドを先端に装着したアームとからなるマニピュレータの制御装置において、前記制御装置は、前記アームを制御するアーム制御部と前記多指ハンドを制御する多指ハンド制御部とを備え、前記アーム制御部は、前記多指ハンド制御部に対し前記アームの動作状態として前記アームの先端部の加速度、速度または移動距離の少なくとも1つと、前記アームの先端部の位置姿勢を出力し、前記多指ハンド制御部は、前記指ごとに位置制御または前記力センサの出力に応じた力制御を行う指制御部と、前記アームの動作状態をそれぞれについての所定の閾値と比較することにより前記指制御部に対し力制御と位置制御の間で切り替えを指令する制御モード選択部を備えることを特徴とするものである。
請求項2に記載の発明は、前記指制御部は、目標力指令と、前記力センサによって検出した力の大きさと向きとをもとに前記指の位置補正量を出力する力制御部と、目標位置指令と、前記指の各関節の位置を検出する位置検出器によって検出した位置情報とをもとに前記指を位置制御する位置制御部と、前記制御モード選択部からの切り替え指令により前記力制御部から出力される位置補正量を前記目標位置指令に加算する制御モード切替スイッチを備えることを特徴とするものである。
請求項3に記載の発明は、前記制御モード選択部は、前記複数の指のうち前記力センサによって検出した力の向きが所定の範囲内であるものをグループ化して把持側と支持側との2つのグループに分け、前記把持側の指制御部に対し力制御への切り替えを指令し、前記支持側の指制御部に対し位置制御への切り替えを指令することを特徴とするものである。
請求項4に記載の発明は、前記アームは複数の関節を有する垂直多関節ロボットであることを特徴とするものである。
請求項5に記載の発明は、先端部に各々力センサを設けた複数の指を備えた多指ハンドと、前記多指ハンドを先端に装着したアームとからなるマニピュレータの制御方法において、前記アームの先端部の加速度、速度または移動距離の少なくとも1つと、前記アームの先端部の位置姿勢を含む前記アームの動作状態に応じて前記指ごとに位置制御と前記力センサの出力に応じた力制御とを切り替えて制御を行うことを特徴とするものである。
請求項6に記載の発明は、前記複数の指のうち前記力センサによって検出した力の向きが所定の範囲内であるものをグループ化して把持側と支持側との2つのグループに分け、前記把持側の指を力制御に切り替えて動作させ、前記支持側の指を位置制御に切り替えて動作させることを特徴とするものである。
In order to solve the above problem, the present invention is as follows.
The invention according to claim 1 is a manipulator control device comprising a multi-finger hand having a plurality of fingers each provided with a force sensor at the tip, and an arm having the multi-finger hand attached to the tip. The apparatus includes an arm control unit that controls the arm and a multi-finger hand control unit that controls the multi-finger hand, and the arm control unit sets the arm as an operation state of the arm with respect to the multi-finger hand control unit. At least one of acceleration, speed, or moving distance of the tip of the arm and the position and orientation of the tip of the arm, and the multi-finger hand control unit responds to position control or output of the force sensor for each finger. Instructs the finger control unit to switch between force control and position control by comparing the finger control unit performing force control and the operating state of the arm with a predetermined threshold value for each. It is characterized in further comprising a control mode selection section.
The invention according to
According to a third aspect of the present invention, the control mode selection unit groups the plurality of fingers whose direction of the force detected by the force sensor is within a predetermined range, and sets the grip side and the support side. It is divided into two groups, and the switch to the force control is instructed to the finger control unit on the holding side, and the switch to the position control is instructed to the finger control unit on the support side.
According to a fourth aspect of the present invention, the arm is a vertical articulated robot having a plurality of joints.
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a manipulator control method comprising: a multi-finger hand having a plurality of fingers each provided with a force sensor at a tip portion; and an arm having the multi-finger hand attached to the tip. Position control for each finger and force control according to the output of the force sensor according to at least one of acceleration, speed or moving distance of the tip of the arm and the operating state of the arm including the position and orientation of the tip of the arm The control is performed by switching between and.
The invention according to claim 6 groups the fingers whose direction of the force detected by the force sensor is within a predetermined range, and divides them into two groups, a grip side and a support side, The gripping finger is operated by switching to force control, and the supporting finger is operated by switching to position control.
請求項1に記載の発明によると、アームの動作状態に応じて多指ハンド各指の制御を位置制御または力制御に適切に切り替えて、アームの動作に伴い多指ハンドや把持対象物が受ける慣性力によって把持状態が乱れることを防止し、把持状態を安定させることができる。
また請求項2に記載の発明によると、多指ハンド各指の制御を力制御と位置制御との間で即座に切り替えを行うことができアームの動作状態に応じた安定した把持状態を実現することができる。
請求項3に記載の発明によると、支持側の指を力制御から位置制御に切り替えることで、支持側の指が固定され、アームの動作に伴い多指ハンドや把持対象物が受ける慣性力による影響を受けないようにすることができる。
請求項4に記載の発明によると、安定した把持状態のまま、多指ハンドおよび把持対象物に様々な位置姿勢を取らせることが可能となる。
請求項5に記載の発明によると、アームの動作状態に応じて多指ハンド各指の制御を位置制御または力制御に適切に切り替えて、アームの動作に伴い多指ハンドや把持対象物が受ける慣性力によって把持状態が乱れることを防止し、把持状態を安定させることができる。
また請求項6に記載の発明によると、支持側の指を力制御から位置制御に切り替えることで、支持側の指が固定され、アームの動作に伴い多指ハンドや把持対象物が受ける慣性力による影響を受けないようにすることができる。
According to the first aspect of the present invention, the control of each finger of the multi-fingered hand is appropriately switched to position control or force control according to the operating state of the arm, and the multi-fingered hand or the gripping object is received by the arm operation. It is possible to prevent the gripping state from being disturbed by the inertia force and to stabilize the gripping state.
According to the invention of
According to the third aspect of the present invention, the support-side finger is fixed by switching the support-side finger from the force control to the position control, and is based on the inertial force that the multi-finger hand or the gripping object receives as the arm moves. It can be made unaffected.
According to the fourth aspect of the present invention, it is possible to allow the multi-fingered hand and the object to be gripped to take various positions and postures in a stable gripping state.
According to the fifth aspect of the present invention, the control of each finger of the multi-fingered hand is appropriately switched to position control or force control according to the operating state of the arm, and the multi-fingered hand or the gripping object is received by the arm operation. It is possible to prevent the gripping state from being disturbed by the inertia force and to stabilize the gripping state.
According to the sixth aspect of the present invention, the support side finger is fixed by switching the support side finger from the force control to the position control, and the inertial force received by the multi-fingered hand or the gripping object in accordance with the operation of the arm. You can avoid being affected by.
以下、本発明の方法の具体的実施例について、図に基づいて説明する。 Hereinafter, specific examples of the method of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明のマニピュレータおよびその制御装置の外観例を示す図である。マニピュレータはアームとアーム先端に装着した3本の指を持つ多指ハンドとからなり、アームおよびハンドは制御装置によって制御される。
アームは多関節ロボットである。さらには多指ハンドが把持対象物へアプローチしたり、把持状態を保ちながら把持対象物を移動させたりする際に多指ハンドの位置や姿勢を自在に調整できるように垂直多関節ロボットであることが望ましい。
図2は図1のハンド部分を拡大した図である。ハンドの指は各々複数の関節軸を備えており、各関節はサーボモータなどの駆動源によって動作する。このような複数の指が協調して動作することで把持対象物を把持したり、対象物を把持した状態のまま対象物の姿勢を変更したりすることができる。図2では各指が2つの関節を備えた例を示している。
また、各指の先端部には力センサ18が設けられており、把持対象物を把持した際に指先に働く力の大きさと向きを検知することができる。
なお図1や図2に示したハンドの指の数や各指の関節数は一例であり、ハンドの指の本数や各指の関節数は適宜変更可能である。
FIG. 1 is a diagram showing an example of the appearance of a manipulator and its control device according to the present invention. The manipulator includes an arm and a multi-fingered hand having three fingers attached to the tip of the arm, and the arm and the hand are controlled by a control device.
The arm is an articulated robot. Furthermore, it must be a vertical articulated robot so that the position and posture of the multi-fingered hand can be adjusted freely when the multi-fingered hand approaches the gripping object or moves the gripping object while maintaining the gripping state. Is desirable.
FIG. 2 is an enlarged view of the hand portion of FIG. Each finger of the hand has a plurality of joint axes, and each joint is operated by a drive source such as a servomotor. By such a plurality of fingers operating in a coordinated manner, it is possible to grasp the grasped object or change the posture of the object while keeping the object grasped. FIG. 2 shows an example in which each finger has two joints.
Further, a
The number of fingers of the hand and the number of joints of each finger shown in FIGS. 1 and 2 are examples, and the number of fingers of the hand and the number of joints of each finger can be changed as appropriate.
図3は、制御装置内の構成のうち、アームの動作状態に応じて多指ハンドの指ごとに位置制御と力制御とを切り替える機能に関する部分についての概略図である。マニピュレータの制御装置の内部はアーム制御部1と多指ハンド制御部2のブロックに分かれている。多指ハンド制御部2はさらに第1指、第2指、第3指の制御部51、52、53に分かれており、それぞれが第1指、第2指、第3指の動作を制御している。
アーム制御部1は、図1の基準座標系に基づくアーム先端部の位置姿勢の他、アーム先端部の速度情報をアームの動作状態3として多指ハンド制御部2に定期的に出力している。またアーム制御部1から伸びている白抜き矢印は、アームの各関節の駆動源やエンコーダとの信号のやり取りを示している。
多指ハンド制御部2ではアームの動作状態に関する情報を制御モード選択部4において受け、制御モード選択部4はこれらの情報に基づいて各指の制御モードについて位置制御または力制御のいずれかを選択し、各指の制御部の制御モードを切り替える(図3の矢印24)。各指の制御部51〜53は、制御モード選択部4によってそれぞれ選択された制御モードすなわち位置制御、力制御のいずれかによって指を駆動する。また各指制御部から伸びている白抜き矢印は、多指ハンドの各指の駆動源やエンコーダ、力センサとの信号のやり取りを示している。詳細は図4に沿って説明する。
FIG. 3 is a schematic diagram of a portion related to a function of switching position control and force control for each finger of the multi-fingered hand in accordance with the operation state of the arm in the configuration in the control device. The inside of the manipulator control device is divided into an arm control unit 1 and a multi-finger
In addition to the position and orientation of the arm tip based on the reference coordinate system of FIG. 1, the arm controller 1 periodically outputs the arm tip speed information as the arm operating state 3 to the
The multi-finger
図4は、図3のうち第1指制御部51の内部構成を示した概略図である。図において、位置制御部11は追従目標位置12と第1指の駆動源14に設けられた位置検出器であるエンコーダ15から得られるフィードバック位置16に基づき駆動源14への指令を生成して位置制御を行う。
一方、力制御部17は第1指の指先に設けられた力センサ18が検出した力情報(力の大きさ、向き)19と目標力指令20に基づき位置補正量21を生成し、これを目標位置指令22に加算して前述の追従目標位置12とすることで、力制御を構成している。なお、目標力指令20と目標位置指令22は、マニピュレータの動作を決定する上位装置の動作プログラム等(図示せず)から多指ハンド制御部2に送られてくる指令である。
ここで、制御モード切替スイッチ23を閉じて力制御部17から出力される位置補正量21を目標位置指令22に加算するようにすれば力制御によって第1指が動作する。また制御モード切替スイッチ23を開けば第1指は位置制御によって動作する。
制御モード選択部4は、制御モード切替スイッチ23の開閉を制御することで第1指について位置制御と力制御との切り替えを行う。
第2指制御部52、第3指制御部53も第1指制御部51と同様の構成となっており、制御モード選択部4が各指制御部の51、52、53内の制御モード切替スイッチの開閉を個別に制御することで各指について位置制御と力制御との切り替えを行う。
なおアームが静止もしくは狭い範囲を低速で動きながら多指ハンドが物体を把持しようとする際には従来のように多指ハンドのすべての指を力制御によって動作させてもよい。
FIG. 4 is a schematic diagram showing the internal configuration of the first
On the other hand, the
If the control mode changeover switch 23 is closed and the position correction amount 21 output from the
The control
The second
When the multi-fingered hand tries to grasp an object while the arm is stationary or moves at a low speed in a narrow range, all the fingers of the multi-fingered hand may be operated by force control as in the past.
図5は、制御モード選択部4において、3本の指のうち位置制御にて動作させる指、力制御にて動作させる指の組み合わせを決定する手法を説明する概念図である。図5は多指ハンドにて直方体の把持対象物を把持した状態を図1の白抜き矢印方向から見た様子を示している。
制御モード選択部4では、多指ハンドによって把持対象物を把持するとき、対向する指の対を設定し、対の一方の制御モードとして力制御を選択し、対向するもう一方には位置制御を選択する。
こうした制御を行うため、制御モード選択部4は各指先の力センサ18の出力から指ごとに作用している力の向きを調べ、対向する指の対を設定する。そのため制御モード選択部4は各指のエンコーダ15の値を取得し順変換を行って各指先の位置と姿勢を求め、さらに力センサから力情報を取得する。
指先に設けられた力センサによって検知された力の向きを指先の姿勢によって変換することによって図5のように基準座標系に基づく力の向きを知ることができる。
FIG. 5 is a conceptual diagram illustrating a method for determining a combination of a finger operated by position control and a finger operated by force control among the three fingers in the control
The control
In order to perform such control, the control
By converting the direction of the force detected by the force sensor provided on the fingertip according to the posture of the fingertip, the direction of the force based on the reference coordinate system can be known as shown in FIG.
図5(a)の場合は、第2指と第3指の力センサによって検知される力の向きが同じになるので、第2指と第3指を一まとめとし、残りの第1指をこれに対向する指と判断する。
指の対を設定する際、第2指と第3指の力センサによって検知される力の向きは全く同じである必要はなく、その力の向きの違いが予め設定された範囲内であれば同方向とみなすようにする。
図5(a)のように第1指とこれに対向する第2指および第3指で物体を挟んで把持した際に、第1指を位置制御により動作させる一方、第2指および第3指は力制御により動作させ、第2指と第3指で力を発生させる。
第1指は力を受けても位置を保つ位置制御によって動作しているため、第2指と第3指で発生させた力を支える支持指として機能して反力を発生させる。これによって第1指〜第3指を力制御して図5(b)のように向き合ってつり合う力を発生させて把持するのと同じ効果を得ている。
加えて、図5(a)では一部の指を位置制御としているので、ハンドを装着したアームの動作に伴いハンドや把持物体が加速度を受けて慣性力が生じても、位置制御で動作している指が支持指として機能し、その慣性力に対して対抗する反力を発生させて把持状態を保つことができるという利点がある。図5(b)のようにすべての指を力制御している場合は、慣性力が生じた際にその力によって指が動いてしまうが図5(a)の場合にはそのようなことはない。
In the case of FIG. 5A, the direction of the force detected by the force sensor of the second finger and the third finger is the same, so the second finger and the third finger are put together and the remaining first finger is moved. It is determined that the finger is opposite to this.
When setting a pair of fingers, the direction of the force detected by the force sensor of the second finger and the third finger does not have to be exactly the same, as long as the difference in the direction of the force is within a preset range Consider the same direction.
When the object is held between the first finger and the second and third fingers opposed to the first finger as shown in FIG. 5A, the first finger is moved by position control, while the second finger and the third finger The finger is operated by force control, and a force is generated by the second and third fingers.
Since the first finger operates by position control that keeps its position even when it receives a force, it functions as a support finger that supports the force generated by the second and third fingers and generates a reaction force. As a result, the same effect is obtained as when the first finger to the third finger are force-controlled to generate a force of facing and balancing as shown in FIG. 5B.
In addition, in FIG. 5 (a), some fingers are position controlled, so even if the hand or gripping object receives acceleration due to the movement of the arm to which the hand is attached and the inertial force is generated, it operates with position control. There is an advantage that the finger that is functioning as a supporting finger can maintain a gripping state by generating a reaction force that opposes the inertial force. When force control is performed on all fingers as shown in FIG. 5B, when the inertial force is generated, the finger is moved by the force, but in the case of FIG. Absent.
図5では、指ごとに作用している力の向きによって対向する指の対を設定しやすい直方体を把持対象物として説明したが、本発明は指ごとに作用している力の向きが異なる場合にも適用できる。
図6のような球体(または円筒)を把持する場合には、1つの指(例えば第1指)を位置制御により動作させるようにし、残りの各指先(第2指、第3指)については力制御により動作させるようにする。
この際、第2指、第3指の各指先の力センサによって検知される力を、第1指の力センサによって検知される力の向きと平行な成分と直交する成分とに分解し、平行な成分同士を図5のような対と想定することで、図5の場合と同様に制御することができる。
In FIG. 5, a rectangular parallelepiped in which a pair of opposing fingers is easily set depending on the direction of the force acting on each finger has been described as the gripping object. However, in the present invention, the direction of the force acting on each finger is different. It can also be applied to.
When gripping a sphere (or cylinder) as shown in FIG. 6, one finger (for example, the first finger) is operated by position control, and the remaining fingertips (second finger, third finger) are Operate by force control.
At this time, the force detected by the force sensor of each fingertip of the second finger and the third finger is decomposed into a component orthogonal to a component parallel to the direction of the force detected by the force sensor of the first finger and parallel. Assuming these components as a pair as shown in FIG. 5, control can be performed in the same manner as in FIG.
このように、物体を把持する多指ハンドの各指について、力制御によって力を発生させる指、それに対向して位置制御によって支持指として機能する指、と異なる機能を持たせることにより把持力を発生させ、かつアームの動作によって慣性力が生じても把持状態の乱れを抑えて把持状態を保つことができる。
また、制御モード選択部4は、物体を把持する際に物体を挟んで対向する指を把持側と支持側に分けた後であっても、アームの動作状態3によって再度支持側の指の制御モードを力制御と位置制御との間で切り替えることもできる。
In this way, for each finger of the multi-fingered hand that grips an object, the gripping force is increased by giving a different function to a finger that generates force by force control and a finger that functions as a support finger by position control. Even if the inertia force is generated by the movement of the arm, the grip state can be maintained while suppressing the disturbance of the grip state.
Further, the control
図7は制御モード選択部4の内部構成を示す概略図である。
前述のように、アームの動作状態3として図1の基準座標系に基づくアーム先端部の位置姿勢の他、アーム先端部の速度情報が定期的に提供されている。
制御モード選択部4ではアーム先端部の位置姿勢や速度の変化をもとに、アーム先端部の移動方向、加速度を演算部25にて求める。さらに移動距離についても演算部25で求めるようにしてもよい。一方座標変換部26では、指の各関節のエンコーダ15から得られるフィードバック位置16とアーム先端部の位置姿勢を基に、基準座標系に基づく多指ハンドの各指の位置を求める。
閾値記憶部27では予め設定された速度閾値、加速度閾値、移動距離閾値を記憶しており、比較部28ではアーム先端部の速度や演算部25で求めた加速度とこれら閾値とを比較する。アームの動作に係る速度や加速度、移動距離がそれぞれの閾値を越えたり、閾値より小さくなったりした場合には比較部28が切替指令部29へ指令を出力し、その指令を受けた切替指令部29が力制御で動作している指の制御モードを位置制御に切り替え、逆に位置制御で動作している指の制御モードを力制御に切り替える。
この際、切替指令部29では基準座標系に基づくアーム先端部の移動方向を演算部25から取得し、基準座標系から見た多指ハンドの各指の位置を座標変換部26から取得して、どの指の制御モードを切り替えるか判断する。
FIG. 7 is a schematic diagram showing the internal configuration of the control
As described above, in addition to the position and orientation of the arm tip based on the reference coordinate system of FIG. 1 as the arm operating state 3, speed information of the arm tip is periodically provided.
The control
The threshold value storage unit 27 stores a preset speed threshold value, acceleration threshold value, and movement distance threshold value, and the
At this time, the switching
なお本実施例ではアーム制御部1はアームの動作状態3として、図1の基準座標系に基づくアーム先端部の位置姿勢の他、アーム先端部の速度を多指ハンド制御部2に出力しているが、制御モード選択部4内の演算部25の機能をアーム制御部1内にて実現することにより、アーム動作状態としてアーム先端部の加速度を出力するようにしてもよい。
またアーム先端部の移動距離もアームの動作状態3としてアーム制御部1から多指ハンド制御部2に出力するようにしてもよい。
さらにアーム制御部1から多指ハンド制御部2に出力されるアーム先端部の位置姿勢以外のアームの動作状態3として、アーム先端部の加速度、速度、移動距離を併用してもよいし、アーム先端部の加速度、速度、移動距離のいずれか1つのみを出力するようにしてもよい。
In this embodiment, the arm control unit 1 outputs the speed of the arm tip part to the multi-finger
The movement distance of the arm tip may also be output from the arm control unit 1 to the multi-finger
Further, as the arm operating state 3 other than the position and orientation of the arm tip outputted from the arm control unit 1 to the multi-finger
図8のように、把持対象物を多指ハンドで把持したまま、アームの動作によって下(図中のa地点)から上(図中のb地点)へと移動させる場合を例に説明する。図9は多指ハンドにて直方体の把持対象物を把持した状態を図8の白抜き矢印方向から見た様子を示している。
把持対象物を把持した多指ハンドがa地点で停止した状態からアーム先端部の移動に伴って上方へ移動を開始しその移動速度が増加すると把持対象物には下向きの慣性力が働く。よって安定した把持状態を実現するためには、把持対象物の下にある指では位置制御を行って把持対象物を支持するのが望ましい。
制御モード選択部4はアーム制御部1からアーム動作状態3として、図1の基準座標系に基づくアーム先端部の位置姿勢と速度を取得する。また各指の指制御部51〜53より各指先端の位置を取得する。
制御モード選択部4はアーム先端部の位置姿勢と各指先端の位置とから、どの指が把持対象物を下から支えているか、またどの指が把持対象物を下から支えている指と対向しているかを把握するとともにアーム先端部の速度変化から加速度を求める。アーム先端部の加速度が予め設定した第1の閾値を越えたら把持対象物を下から支えている指の制御モードを位置制御に切り替え、把持対象物を上から押さえている指の制御モードを力制御に切り替える。
この様子を示したのが図9(a)である。把持対象物を下から支えている第2指、第3指の制御モードが位置制御となり、把持対象物を上から押さえている第1指の制御モードが力制御となっている。
As shown in FIG. 8, a case will be described as an example where the object to be grasped is moved from the bottom (point a in the figure) to the top (point b in the figure) by the operation of the arm while being grasped by the multi-finger hand. FIG. 9 shows a state in which a rectangular parallelepiped object is grasped with a multi-fingered hand as seen from the direction of the white arrow in FIG.
When the multi-fingered hand that grips the gripping object starts to move upward from the state of stopping at point a and the movement speed increases, a downward inertial force acts on the gripping object. Therefore, in order to realize a stable gripping state, it is desirable to support the gripping object by performing position control with the finger under the gripping object.
The control
The control
FIG. 9A shows this state. The control mode of the second finger and the third finger supporting the grasped object from below is position control, and the control mode of the first finger holding the grasped object from above is force control.
把持対象物が移動を続けb地点に近づくと、停止するためアーム先端部の移動速度は減少し始める。すると把持対象物には上向きの慣性力が働く。よって安定した把持状態を実現するためには、今度は把持対象物の上にある指では位置制御を行って把持対象物を支持するのが望ましい。
制御モード選択部4は先程と同様、アーム制御部1からアーム動作状態3として、図1の基準座標系に基づくアーム先端部の位置姿勢と速度を取得する。また各指の指制御部51〜53より各指先端の位置を取得する。今回は減速しているので、アーム先端部の加速度は負の値となる。
制御モード選択部4はアーム先端部の位置姿勢と各指先端の位置とから、どの指が把持対象物を上から押さえているか、またどの指が把持対象物を上から押さえている指と対向しているかを把握するとともにアーム先端部の速度変化から加速度を求める。アーム先端部の加速度が予め設定した第2の閾値より小さくなったら把持対象物を上から押さえている指の制御モードを位置制御に切り替え、把持対象物を下から支えている指の制御モードを力制御に切り替える。
この様子を示したのが図9(b)である。把持対象物を上から押さえている第1指の制御モードが位置制御となり、把持対象物を下から支えている第2指、第3指の制御モードが力制御となっている。
As the gripping object continues to move and approaches point b, the movement speed of the arm tip starts to decrease to stop. Then, an upward inertia force acts on the grasped object. Therefore, in order to realize a stable gripping state, it is desirable to support the gripping object by performing position control with a finger on the gripping object.
Similarly to the previous step, the control
The control
This state is shown in FIG. 9 (b). The control mode of the first finger holding the grasped object from above is position control, and the control mode of the second and third fingers supporting the grasped object from below is force control.
以上の例ではアーム動作状態の情報のうち、アーム先端部の速度をもとに加速度を求めて慣性力の作用する方向を導出したが、アーム先端部の位置の情報から単位時間あたりのアーム先端部の移動距離を取得し、さらにその変化を求めることによっても同様に慣性力を導出することもできる。
また、アーム先端の加速度、速度、移動距離を複合的に利用すれば、把持対象物に作用する慣性力をより適切に導出できる。前述のようにアーム先端部の速度が所定の値以下であれば比較部は切替指令部への指示は行わず、力制御と位置制御の切り替えを行わずにすべての指を力制御により動作させるようにしてもよい。
また、アーム動作による多指ハンドの移動方向についても、図8のような上下方向の移動は一例に過ぎない。アーム先端部の移動に伴って慣性力が作用する指を特定し、その指を位置制御に切り替え、対向する指を力制御に切り替えるようにすることで、様々なアーム動作に対しても適切な把持状態を維持できることは言うまでもない。
In the above example, the direction of the inertial force was derived by obtaining the acceleration based on the speed of the arm tip from the information on the arm operating state, but the arm tip per unit time was derived from the information on the position of the arm tip. The inertial force can be derived in the same manner by obtaining the movement distance of the part and obtaining the change.
Further, if the acceleration, speed, and moving distance of the arm tip are used in combination, the inertial force acting on the grasped object can be derived more appropriately. As described above, if the speed of the arm tip is equal to or less than a predetermined value, the comparison unit does not give an instruction to the switching command unit and operates all fingers by force control without switching between force control and position control. You may do it.
Also, the movement in the vertical direction as shown in FIG. 8 is merely an example of the movement direction of the multi-fingered hand by the arm operation. It is suitable for various arm movements by identifying the finger on which the inertial force acts with the movement of the arm tip, switching the finger to position control, and switching the opposing finger to force control. Needless to say, the gripping state can be maintained.
多指ハンドを装着したアームが静止した状態において、ハンドの指の動作によって把持対象物を把持したり、把持した後に操ったりしている場合には、指を全て力制御によって柔軟に動作させることが必要であるが、把持対象物を把持した後に把持状態を保ちながらアームの動作によって把持対象物を移動させる場合には、アームの動作によって生じる慣性力に対抗して把持状態を保つ力を発生させることが必要となる。
従って、以上説明したように、アームの動作状態によって多指ハンドの一部の指の制御モードを切り替えて対応することは、アームと多指ハンドから成るマニピュレータの制御方法として有効な手段である。
When the arm equipped with a multi-fingered hand is stationary, if the object to be grasped is gripped by the movement of the finger of the hand or is manipulated after gripping, all fingers are flexibly operated by force control However, if the gripping object is moved by the arm movement while holding the gripping object after gripping the gripping object, a force to keep the gripping state against the inertial force generated by the arm movement is generated. It is necessary to make it.
Therefore, as described above, changing the control mode of some fingers of the multi-fingered hand according to the operating state of the arm is an effective means for controlling the manipulator composed of the arm and the multi-fingered hand.
本発明は力センサを備えた多指ハンドを先端に有するマニピュレータに広く適用可能である。 The present invention can be widely applied to manipulators having a multi-finger hand provided with a force sensor at the tip.
1 アーム制御部
2 多指ハンド制御部
3 アーム動作状態
4 制御モード選択部
11 位置制御部
12 追従目標位置
13 駆動部
14 駆動源
15 エンコーダ
16 フィードバック位置
17 力制御部
18 力センサ
19 力情報
20 目標力指令
21 位置補正量
22 目標位置指令
24 制御モード切替指令
25 演算部
26 座標変換部
27 閾値記憶部
28 比較部
29 切替指令部
51 第1指制御部
52 第2指制御部
53 第3指制御部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (6)
前記制御装置は、前記アームを制御するアーム制御部と前記多指ハンドを制御する多指ハンド制御部とを備え、
前記アーム制御部は、前記多指ハンド制御部に対し前記アームの動作状態として前記アームの先端部の加速度、速度または移動距離の少なくとも1つと、前記アームの先端部の位置姿勢を出力し、
前記多指ハンド制御部は、前記指ごとに位置制御または前記力センサの出力に応じた力制御を行う指制御部と、前記アームの動作状態のうち、前記アームの先端部の加速度、速度または移動距離の少なくとも1つをそれぞれについての所定の閾値と比較することにより前記指制御部に対し力制御と位置制御の間で切り替えを指令する制御モード選択部を備えることを特徴とするマニピュレータの制御装置。 In a control device for a manipulator comprising a multi-finger hand having a plurality of fingers each provided with a force sensor at the tip, and an arm with the multi-finger hand attached to the tip.
The control device includes an arm control unit that controls the arm and a multi-finger hand control unit that controls the multi-finger hand,
The arm control unit outputs to the multi-finger hand control unit at least one of an acceleration, a speed, or a moving distance of the tip of the arm as a movement state of the arm, and a position and orientation of the tip of the arm;
The multi-finger hand control unit includes a finger control unit that performs position control or force control according to the output of the force sensor for each finger, and the acceleration, speed, or speed of the tip of the arm among the operating states of the arm. Control of a manipulator comprising a control mode selection unit that commands the finger control unit to switch between force control and position control by comparing at least one of the movement distances with a predetermined threshold value for each. apparatus.
目標位置指令と、前記指の各関節の位置を検出する位置検出器によって検出した位置情報とをもとに前記指を位置制御する位置制御部と、
前記制御モード選択部からの切り替え指令により前記力制御部から出力される位置補正量を前記目標位置指令に加算する制御モード切替スイッチを備えることを特徴とする請求項1記載のマニピュレータの制御装置。 The finger control unit outputs a finger position correction amount based on a target force command and the magnitude and direction of the force detected by the force sensor;
A position control unit that controls the position of the finger based on a target position command and position information detected by a position detector that detects the position of each joint of the finger;
2. The manipulator control device according to claim 1, further comprising a control mode switching switch that adds a position correction amount output from the force control unit to the target position command in response to a switching command from the control mode selection unit.
前記把持側の指制御部に対し力制御への切り替えを指令し、
前記支持側の指制御部に対し位置制御への切り替えを指令することを特徴とする請求項1記載のマニピュレータの制御装置。 The control mode selection unit groups the fingers whose direction of the force detected by the force sensor is within a predetermined range and divides them into two groups, a grip side and a support side,
Instruct the finger control unit on the grip side to switch to force control,
2. The manipulator control device according to claim 1, wherein the support side finger control unit is instructed to switch to position control.
前記アームの先端部の加速度、速度または移動距離の少なくとも1つと、前記アームの先端部の位置姿勢を含む前記アームの動作状態に応じて前記指ごとに位置制御と前記力センサの出力に応じた力制御とを切り替えて制御を行うことを特徴とするマニピュレータの制御方法。 In a control method of a manipulator comprising a multi-finger hand provided with a plurality of fingers each provided with a force sensor at the tip, and an arm with the multi-finger hand attached to the tip.
According to the position control and the output of the force sensor for each finger according to at least one of the acceleration, speed or movement distance of the tip of the arm and the operating state of the arm including the position and orientation of the tip of the arm A control method for a manipulator characterized by switching between force control and control.
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