JP2010076012A - Manipulator system and control method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、アクチュエータの動力を動力伝達機構を介して作用部に伝達するマニピュレータシステムおよびその制御方法に関する。 The present invention relates to a manipulator system that transmits power of an actuator to an action part via a power transmission mechanism and a control method thereof.
マニピュレータの把持力を把持機構部にセンサを設けることなく制御することは従来からの課題である。例えば特許文献1に記載されている医療用マニピュレータの場合、マニピュレータ先端部は体腔内部に侵入されるため、細径小型化が求められるとともに、十分な力の伝達が必要とされる。また、医療用機器であるため、洗浄滅菌処理が可能で、通電部分がないことが好ましい。このような理由から、先端部には把持力検出用のセンサ等を配置しない方が望ましい。医療用マニピュレータに限らず、配管作業ロボット、ホームロボット等でも小型化、軽量化、低コスト化の面から、少ないセンサ数で制御可能であることが望まれている。
It has been a conventional problem to control the gripping force of the manipulator without providing a sensor in the gripping mechanism. For example, in the case of the medical manipulator described in
このような課題を解決するために、特許文献2には、ハンドを駆動するモータ電流から物体を把持したことを認識し、モータ電流値によってトルク制御を行う技術が記載されている。また、特許文献3には、把持機構を駆動するモータ電流と角速度からオブザーバを構築して、把持力用の出力トルクを推定し、この出力トルクを制御する技術が記載されている。
しかしながら、モータ電流値と実際の把持力とはヒステリシスな関係を持っており、必ずしも1対1に対応していない。このため、モータ電流値によるトルク制御では十分とはいえない。上述した特許文献3には、オブザーバを構築して摩擦や慣性の影響を考慮することが記載されているが、ここで求められたトルク推定量と実際の把持力は必ずしも1対1に対応するものではない。
However, the motor current value and the actual gripping force have a hysteresis relationship and do not necessarily correspond one-to-one. For this reason, torque control based on the motor current value is not sufficient.
また、上述した特許文献2、3のいずれも、把持機構とそれを駆動するモータが1対1に対応しており、比較的良好な制御性能を示すことが考えられるが、把持機構以外にも自由度を持つマニピュレータであって、把持動作に関与するモータが他の自由度の動作にも寄与しているような干渉系機構の場合であると、よりいっそう電流値と実際の作用力との相関は複雑となる。そういったことから、電流値によるトルク制御で把持力を制御すると、実際の把持力が必ずしも所望の値になるとは限らないこと、力制御の挙動が位置(角度)の偏差挙動を引き起こすことなどといった問題がある。
Further, in each of
本発明は、把持力等の作用力を安定に精度よく制御可能なマニピュレータシステムおよびその制御方法を提供するものである。 The present invention provides a manipulator system capable of stably and accurately controlling an acting force such as a gripping force and a control method thereof.
本発明の一態様によれば、アクチュエータと、
前記アクチュエータの動力に基づいて対象物に対して力を作用する作用部と、
可撓性部材を有し、前記アクチュエータの動力を前記作用部に伝達する動力伝達機構と、
前記アクチュエータを制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
角速度および加速度の少なくとも一方の大きさには依存しないが方向には依存する項を考慮に入れずに、前記作用部の作用力開始角度を推定するためのオブザーバ信号を生成するオブザーバ信号生成手段と、
前記オブザーバ信号の信号レベルを所定の基準値と比較することにより、作用力開始角度を推定する作用力開始角度推定手段と、
予め設定された前記作用部の作用力に対応する姿勢軸角度と前記作用力開始角度推定手段で推定された作用力開始角度とに基づいて、姿勢軸限界角度を検出する限界角度検出手段と、
前記作用部の姿勢軸角度を前記姿勢軸限界角度まで角度制御する角度制御手段と、を有することを特徴とするマニピュレータシステムが提供される。
According to one aspect of the invention, an actuator;
An action unit that applies a force to an object based on the power of the actuator;
A power transmission mechanism having a flexible member and transmitting the power of the actuator to the action portion;
A control unit for controlling the actuator,
The controller is
An observer signal generating means for generating an observer signal for estimating an acting force start angle of the acting portion without taking into consideration a term that does not depend on a magnitude of at least one of angular velocity and acceleration but depends on a direction; ,
Action force start angle estimation means for estimating an action force start angle by comparing the signal level of the observer signal with a predetermined reference value;
Limit angle detection means for detecting a posture axis limit angle based on a posture axis angle corresponding to a preset action force of the action portion and an action force start angle estimated by the action force start angle estimation means;
There is provided a manipulator system comprising angle control means for controlling the attitude axis angle of the action part to the attitude axis limit angle.
また、本発明の一態様によれば、複数のアクチュエータと、
前記複数のアクチュエータの動力に基づいて対象物に対して力を作用する姿勢軸と、前記対象物をそれぞれ異なる方向に動作させる複数の動作軸と、を有する作用部と、
可撓性部材を有し、前記アクチュエータの動力を前記作用部に伝達する動力伝達機構と、
前記アクチュエータを制御する制御部と、を備え、
前記複数のアクチュエータは、前記姿勢軸および前記複数の動作軸の駆動に影響を与える干渉系アクチュエータであり、
前記制御部は、
前記複数のアクチュエータのそれぞれごとに設けられ、角速度および加速度の少なくとも一方の大きさには依存しないが方向には依存する項を考慮に入れずに、前記作用部の作用力開始角度を推定するためのオブザーバ信号候補をそれぞれ生成する複数のオブザーバ信号候補生成手段と、
前記複数のアクチュエータの各駆動軸の動作速度に応じて、前記複数の作用力開始角度推定手段から出力されたオブザーバ信号のいずれか一つを選択するオブザーバ信号選択手段と、
前記オブザーバ信号の信号レベルを所定の基準値と比較することにより、作用力開始角度を推定する作用力開始角度推定手段と、
予め設定された前記作用部の作用力に対応する姿勢軸角度と前記作用力開始角度推定手段で選択されたオブザーバ信号に対応する作用力開始角度とに基づいて、姿勢軸限界角度を検出する限界角度検出手段と、
前記作用部の姿勢軸角度を前記姿勢軸限界角度まで角度制御する角度制御手段と、を有することを特徴とするマニピュレータシステムが提供される。
According to one aspect of the present invention, a plurality of actuators;
An action unit having a posture axis that applies a force to an object based on power of the plurality of actuators, and a plurality of operation axes that move the object in different directions;
A power transmission mechanism having a flexible member and transmitting the power of the actuator to the action portion;
A control unit for controlling the actuator,
The plurality of actuators are interference system actuators that affect the driving of the posture axis and the plurality of operation axes,
The controller is
In order to estimate the acting force start angle of the acting portion, which is provided for each of the plurality of actuators and does not take into consideration a term that does not depend on the magnitude of at least one of angular velocity and acceleration but depends on the direction. A plurality of observer signal candidate generating means for generating the respective observer signal candidates;
Observer signal selection means for selecting one of the observer signals output from the plurality of acting force start angle estimation means according to the operation speed of each drive shaft of the plurality of actuators;
Action force start angle estimation means for estimating an action force start angle by comparing the signal level of the observer signal with a predetermined reference value;
A limit for detecting a posture axis limit angle based on a preset posture axis angle corresponding to the acting force of the acting portion and an acting force start angle corresponding to an observer signal selected by the acting force start angle estimating means An angle detection means;
There is provided a manipulator system comprising angle control means for controlling the attitude axis angle of the action part to the attitude axis limit angle.
本発明によれば、把持力等の作用力を安定に精度よく制御可能なマニピュレータシステムおよびその制御方法を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manipulator system which can control action force, such as a gripping force, stably accurately, and its control method can be provided.
以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態について説明する。以下では、主に医療用マニピュレータの例を説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Below, the example of a medical manipulator is mainly demonstrated.
図1は医療用マニピュレータシステムの外観図である。図1のシステムは、マスタスレーブ方式で動作するマニピュレータ本体1と、マニピュレータ本体1の駆動を制御する制御装置2とを備えている。この他、図1では省略しているが、マニピュレータ本体1の動作状態を表示する動作状態表示器を図1のシステムに設けてもよい。
FIG. 1 is an external view of a medical manipulator system. The system of FIG. 1 includes a
マニピュレータ本体1は、操作者(術者)が操作を指令する操作指令部3と、その操作指令に応じて対象物に所定量の力を作用する作用部4と、操作指令部3と作用部4とを一体的に接続する連結部5と、作用部4の駆動力を発生する駆動部6とを有する。
The
操作指令部3は、作用部4の作用量と作用方向を指示する少なくとも一つの指令デバイス(ダイヤル等)を有し、各指令デバイスには、その指令値を読み取るセンサが取り付けられている。操作者が操作指令部3を操作すると、その指令情報は逐次、制御装置2に送信される。
The
作用部4は、例えば、人体の患部に種々の処置を施すものである。作用部4は、患部に対して処置を施すための少なくとも一つの自由度を有し、先端の姿勢を可変させたり、先端に取り付けられたグリッパの開閉角度を可変させることが可能である。作用部4の作用力の変更は操作指令部3の指令によって行われる。
For example, the
マニピュレータ本体1の作用部4と連結部5は作業部7を構成し、操作指令部3と駆動部6は操作部8を構成しており、作業部7と操作部8は互いに着脱可能な構造になっている。
The
図2は作業部7と操作部8を分離した状態を示す図である。図2に示すように、作業部7内の連結部5の一端側には、複数の出力軸プーリ11a,11b,11cが設けられており、各プーリにはそれぞれワイヤ12a,12b,12cが巻掛けられている。連結部5は中空であり、作用部4側が開口になっているため、ワイヤ12a,12b,12cは、連結部5の内部を通過して作用部4側まで延在している。なお、ワイヤ12a,12b,12cの一部にロッドリンク等を用いて動力を伝達してもよい。
FIG. 2 is a diagram illustrating a state where the
作用部4には、図2では省略しているが、ワイヤ12a,12b,12cを巻掛けるプーリ、歯車、リンク等が設けられている。これにより、動力が作業部7内の出力軸プーリ11a,11b,11cとワイヤ12a,12b,12cを介して作用部4まで伝達される。各出力軸プーリ11a,11b,11cには、駆動部6からの動力を受け取るための動力受取部13a,13b,13cが接続されている。
Although not shown in FIG. 2, the
駆動部6は、複数の(図2では3つの)モータ14a,14b,14cを有する。これらモータ14a,14b,14cの動力は、それぞれ不図示の減速機を介して、カップリングからなる動力伝達部15a,15b,15cに伝達される。各モータ14a,14b,14cには、不図示のエンコーダが装備されており、モータ14a,14b,14cの回転角度を計測することができる。各エンコーダの計測信号は制御装置2に伝送される。
The
駆動部6内の動力伝達部15a,15b,15cの端部には凹部が形成され、連結部5内の動力受取部13a,13b,13cの端部には凸部が形成されている。これら凹部と凸部は互いに係合され、これにより動力伝達部15a,15b,15cの動力が動力受取部13a,13b,13cに伝達される。動力伝達部15a,15b,15cと動力受取部13a,13b,13cの位相が合わないと、凹部と凸部が係合されないようにすることで、原点姿勢以外では操作部8と作業部7との結合を防止している。
Concave portions are formed at the end portions of the
図2では、モータやスイッチ、センサなどの電子機器を操作部8側に配置し、作業部7側には機構部品を配置している。これにより、作業部7全体を洗浄でき、洗浄性と保守性の向上が図れる。すなわち、図2では、汚染度合いと洗浄方法の違いを考慮に入れて、作業部7と操作部8に分離している。
In FIG. 2, electronic devices such as a motor, a switch, and a sensor are arranged on the
操作部8は、連結部5の基端側に接続されたブラケット81と、このブラケット81に対して回動自在に取り付けられた円柱状の操作桿82と、この操作桿82に取り付けられた操作デバイスとを有する。操作桿82の操作デバイスは作用部4の姿勢決め等を指示する機能を有する。
The
操作デバイスは、図2に示すように、横方向ダイヤル83と、縦方向ダイヤル84と、トリガ85と、操作モード切替スイッチ86とを有する。図2の操作デバイスを用いて図3のような把持動作を行う作業部7を操作する例について説明する。図3において、横方向ダイヤル83がヨー軸29の動作を指令し、縦方向ダイヤル84がロール軸46の動作を指令し、トリガ85がグリッパ軸θgの動作を指令する。操作モード切替スイッチ86は、マスタスレーブ動作の開始・終了、初期姿勢復帰動作等の操作モードの切り替えを行うスイッチである。
As shown in FIG. 2, the operation device has a
横方向ダイヤル83、縦方向ダイヤル84及びトリガ85には、その動作量を検出するセンサがそれぞれ組み込まれており、センサ信号は制御装置2に送られ、その内部の演算部で処理される。横方向ダイヤル83と縦方向ダイヤル84に組み込まれるセンサは、操作桿82との相対的な回動量を検出するものであり、例えばポテンショメータやエンコーダを適用することができる。
The
トリガ85は、操作桿82に対して並進動作が可能であり、その動作量により、作業部7のグリッパ角度を指令する。トリガ85には並進動作位置を検出するセンサが設けられている。
The
図3はマニピュレータ本体1の作用部4の構造を示す斜視図、図4は作用部4の詳細構造を示す分解斜視図である。図3および図4に示すように、作用部4は、処置対象に対して処置を行う第1の作用部材325と第2の作用部材326を先端に有する連結部材41と、連結部材41の長手方向に沿った方向に対して直交する第1の回動軸部材16と、第1の回動軸部材16の回動軸29回りの方向に回動自在に支持されて第1の回動軸部材16に対して直交する主軸部320bを有する主軸部材320と、第1の回動軸部材16の回動軸29回りの方向に回動自在に支持される第1の歯車117と、第1の回動軸部材16の回動軸29回りの方向に回動自在に支持される第2の歯車218とを有する。
FIG. 3 is a perspective view showing the structure of the
主軸部材320にはプーリ320aが結合され、第1の歯車117にはプーリ117aが結合され、第2の歯車218にはプーリ218aが結合されている。プーリ320a、プーリ117a、プーリ218aにはそれぞれ第1ワイヤ50a、第2ワイヤ50b、第3ワイヤ50cが巻掛けられている。
A
また、作用部4は、第1の歯車117と直交して噛み合い、主軸部320b回りの方向に回動自在に支持される第3の歯車321aと、第2の歯車218と直交して噛み合い、主軸部320b回りの方向に回動自在に支持される第4の歯車322aと、第3の歯車321aとともに同軸に回動する第2の回動軸部材321bと、第4の歯車322aとともに同軸に回動する第5の歯車322bとを有する。
Further, the
また、作用部4は、主軸46周りに回動する第2の回動軸部材321bに直交して第2の回動軸部材321bの回動とともに主軸46回りに回動し、第1の回動軸部材16の回動軸29に対して捩れの位置から平行な位置に回動自在に配置される第3の回動軸部材323aを有する。
Further, the
また、作用部4は、第3の回動軸323a回りの方向に回動自在に支持され、第5の歯車322bと直交して噛み合う第6の歯車323と、第2の回動軸321b 回りの方向に回動するとともに、第6の歯車323とともに第3の回動軸323a回りの方向に回動する第1の作用部材325と、第3の歯車321aおよび第2の回動軸321bとともに回動する第2の作用部材326とを有する。第1の作用部材325と第2の作用部材326は、一対の作用部材(グリッパ)を構成している。第1の作用部材325が第3の回動軸323a回りの方向に回動することで、第2の作用部材326に対して、相対的に開閉可能な把持機構を構成している。
The
このように、本実施形態の作用部4は、回動軸29(回動軸部材16)と主軸46(主軸部材321b)を回動中心とした2自由度で姿勢変更が可能な開閉機能(把持機構:グリッパ)を構成する第1および第2の作用部材325、326を有する。
As described above, the
カバー327は、歯車の露出を最小限にとどめるためのものであり、カバー固定ピン328により、第2の作用部材326の下部にて固定されている。カバー327は、第2の作用部材326とともに、第2の回動軸部材321b(主軸46)回りの方向に回動する。固定ナット329は、主軸部材320の先端部のねじ部に固定されており、第3の歯車321aおよび第2の回動軸部材321bの主軸部320bの軸方向の位置を拘束するために設けられる。固定ナット330は、第3の回動軸323aおよび第6の歯車323の第3の回動軸323aの軸方向の位置を拘束するために設けられる。
The
図5は制御装置2とその周辺の制御系の詳細構成の一例を示すブロック図である。制御装置2は、操作指令部3による操作指令に応じた力を作用部4が対象物に作用するようにモータ14a,14b,14cを動作させる制御(第1の制御手段)と、この制御の後に、作用部4による作用力が低下しない範囲で作用部4が対象物に対して所定量よりも小さい力を逆に作用するようにモータ14a,14b,14cを動作させる制御(第2の制御手段)とを行う。
FIG. 5 is a block diagram showing an example of a detailed configuration of the
より具体的には、図5の制御装置2は、電源部21と、演算部22と、モータ駆動回路部23と、安全保護装置24と、動作状態提示器25と、指令入力部26とを有する。
More specifically, the
電源部21は、外部電源27から不図示の変圧器と整流器を介して、演算部22とモータ駆動回路部23に必要な電力を供給する。
The
マニピュレータ本体1内の操作部8は、作業部7を駆動するモータ14a,14b,14cと、モータ14a,14b,14cの回転角度を検出する角度検出器16と、操作指令部3の姿勢角度(操作量)を検出する角度検出器17とを有する。
The
演算部22は、不図示のCPUと、記憶装置と、論理回路と、IOインターフェイスとを有し、角度検出器17で検出した操作指令部3の操作量に基づいてモータ14a,14b,14cの制御目標値を生成する機能と、角度検出器16で検出したモータ14a,14b,14cの回転角度とモータ14a,14b,14cの制御目標値との偏差を検出して、その偏差を解消するためのモータ指令入力を算出する機能とを有する。
The
また、演算部22は、医療用マニピュレータに装備された不図示の認識手段の信号を読み取るとともに、各種スイッチ28の信号入力を監視して、予め決められたプログラムに従って制御演算を行う。
In addition, the
モータ駆動回路部23は、演算部22からの指令入力に従ってモータ14a,14b,14cに電力を供給する回路であり、指令入力に比例した電流をモータ14a,14b,14cに出力する電流指令制御を行う。また、モータ駆動回路部23は、各モータ14a,14b,14cの電流値を計測する。
The motor
安全保護装置24は、演算部22の演算周期異常、モータ駆動回路異常、緊急停止指令などの異常事態に備えて、マニピュレータ本体1への電力を遮断し、その動作を直ちに停止させる機能を有する。
The
動作状態提示器25は、演算部22の指示に応じて、マニピュレータ本体1の動作状態を文字情報や画像情報にて提示する。指令入力部26は、各種のスイッチ等の操作部材からなり、指令入力部26の操作情報は演算部22に送られる。指令入力部26は、マニピュレータ本体1の動作状態や電源の切換などを指令する。
The
図6は図5の演算部22が実行するプログラムの一例を示すフローチャートである。演算部22は、図6のフローチャートを予め決められた制御周期に従って繰り返し実行する。
FIG. 6 is a flowchart illustrating an example of a program executed by the
まず、操作指令部3の角度検出器17の出力と駆動部6内のモータ14a,14b,14cの角度検出器16の出力を読み取る(ステップS11)。また、操作指令部3や制御装置2に装備されたスイッチ等の操作情報を演算部22で認識し(ステップS12)、その認識結果をもとにマニピュレータ本体1の動作モードを決定する(ステップS13)。ここで、動作モードとは、予め決められた動作を自動で実行する自動モードや、操作指令部3の操作に従って作業部7を動作させるマスタスレーブ動作モードを指す。動作方式とは、両動作モードの切り換えにおいて安全に動作をつなげるための、加速動作、減速動作、等速動作、停止動作などの動作方式を指す。
First, the output of the
次に、判定された動作モードに従って動作方式の判別とモータ14a,14b,14cの目標値を生成する(ステップS14)。生成された制御目標値と先に読み取った角度検出器16の検出値とからPID制御などの制御演算を行ってモータ出力を算出し、モータ駆動回路部23に出力する(ステップS15)。
Next, according to the determined operation mode, the operation method is determined and target values for the
なお、上記ステップS14では、後述する図9に示すように、操作デバイスから得られた値をもとに算出されたヨー軸目標角度θy、ロール軸目標角度θr、グリッパ軸目標角度θgを第1モータ軸角度θ1、第2モータ軸角度θ2、モータ14c軸角度θ3に変換するための逆キネマティック演算を行って目標値を生成する。
In step S14, as shown in FIG. 9 described later, the yaw axis target angle θy, the roll axis target angle θr, and the gripper axis target angle θg calculated based on the values obtained from the operation device are set to the first value. A target value is generated by performing an inverse kinematic calculation to convert the motor shaft angle θ1, the second motor shaft angle θ2, and the
次に、定義された種々の条件とセンサなどで読み取った状態とを比較し、状態判別を行う(ステップS16)。判別された結果に基づき、制御装置2に装備されたランプや動作状態提示器25に出力を行う(ステップS17)。
Next, various defined conditions are compared with the state read by a sensor or the like to determine the state (step S16). Based on the determined result, an output is made to the lamp and the
以下、作用部4のグリッパによる把持動作について説明する。説明の簡略化のために、図3のマニピュレータ本体1の先端部分の歯車の歯数がすべて等しいとすると、モータ14a,14b,14cの出力軸角度θ1、θ2、θ3と先端部の姿勢軸角度θy、θr、θgとの関係は、(1)式で表すことができる。
上述した(1)式における3×3行列は、逆キネマティック行列K-1と呼ばれるものである。 The 3 × 3 matrix in the above equation (1) is called an inverse kinematic matrix K −1 .
グリッパ軸の把持動作のみについて考えると、他の姿勢軸を動作させない場合は、θy=θr=0であるから、θ3=−θgとなる。つまり、モータ14a、14b、14cをθd=[0、0、−θg]Tと制御することでグリッパ軸をθgだけ動作させることができる。グリッパ軸角度は、ちょうど閉じた状態を0度、開く方向をプラス方向とし、グリッパ軸をマイナス方向に動作させるということは、より閉じる方向に力をかけるようにモータ14cを制御することを意味する。
Considering only the gripper shaft gripping operation, when no other posture axis is operated, since θy = θr = 0, θ3 = −θg. That is, by controlling the
さて、実際に把持力がどのように変化するかを評価するために、グリッパの片側である第2の作用部材326の把持面に感圧センサを貼り付け、その出力を測定するシステムを構築した。上述したように、モータ駆動回路部55は電流制御方式を採用している。また、グリッパ軸の角度制御はPD制御を基本として構築している。すなわち、図5の制御装置2は、速度のPI制御、位置のPD制御および速度フィードフォワード制御を組み合わせた制御を行う。
Now, in order to evaluate how the gripping force actually changes, a system has been constructed in which a pressure-sensitive sensor is attached to the gripping surface of the
図7は制御装置2によって制御される把持角度と実際の把持力との関係を示す図である。図示のように、把持角度と把持力とは1次相関関係になる。位置のI制御が含まれると、把持角度と把持力との関係は1次相関とはならないため、把持力調整には採用しない。
FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the gripping angle controlled by the
図7において、領域1は、把持角度が小さくて、ワイヤ15cの伸び量と把持力が比例する領域である。この領域1では、モータ14cは所望の目標角度に適度に制御される。領域2は、ワイヤ15cが伸びきってモータ14cのトルクと把持力が比例する領域であり、モータ14cは所望の目標角度からずれた角度に制御された状態を維持する。
In FIG. 7,
このように、領域1ではワイヤ15cの伸びと把持力は比例し、領域2では位置のI制御を含まない位置偏差が把持力と比例する。どちらの領域であっても、把持角度と把持力は1次相関の関係にある。制御状態が領域1と2のどちらであるかは、モータ14cの制御偏差の大きさにより確認することができる。
Thus, in the
上述したように、グリッパ軸角度は、閉じた角度を0度と定義している。例えば、何も物体を把持せずにグリッパ4を開き角45度から閉じ角35度すなわちθgを45度から−35度まで動作するようにモータ14cを制御した場合、実際のグリッパは45度から0度まで動作し、その後グリッパ角度が幾何的拘束を受けて実際にはそれ以上閉じる方向には動かないが、モータ14cはよりいっそう閉じる方向にグリッパ軸換算で35度だけ制御される。このとき、把持角度は35度となる。
As described above, the gripper shaft angle defines a closed angle as 0 degrees. For example, when the
さて、図7に示すように、把持角度と実際の把持力とが1次相関関係にあるシステムを構築できた場合には、把持角度を目標に制御すれば、把持力を制御することができるといえる。 As shown in FIG. 7, when a system in which the gripping angle and the actual gripping force have a primary correlation can be constructed, the gripping force can be controlled by controlling the gripping angle as a target. It can be said.
ここで、把持角度について説明を加えておく。把持角度とは把持する方向に動作させたときの最大動作量である。先の説明で、45度から−35度まで動作させた場合は、把持角度が35度であると述べたが、45度から−45度まで動作させた後に−35度まで戻した場合に、把持角度が35度であるとは言わない。 Here, the grip angle will be described. The gripping angle is the maximum amount of movement when operated in the gripping direction. In the above description, when the operation is performed from 45 degrees to -35 degrees, the grip angle is described as 35 degrees, but when the operation is performed from 45 degrees to -45 degrees and then returned to -35 degrees, It is not said that the grip angle is 35 degrees.
把持角度で把持力を制御する場合、すなわち角度制御にて把持力を制御する場合には、実際に物体を把持し始めたグリッパ角度を認識し、その角度を基点に把持角度分だけ制御する必要がある。グリッパ4に力センサがあれば直接物体を把持したことを認識でき、角度センサがあれば実際のグリッパ角度が停止あるいは目標値との偏差の発生で物体を把持したことを推定できるが、本実施形態は、センサレスで把持力制御を行うことを念頭に置いており、センサを用いた制御は想定外である。
When gripping force is controlled by gripping angle, that is, when gripping force is controlled by angle control, it is necessary to recognize the gripper angle that actually started gripping the object and control it by the gripping angle based on that angle. There is. If the
そこで、本実施形態では、把持開始推定オブザーバを用いて把持開始角度を推定する。この把持開始推定オブザーバは、図5の制御装置2の内部、例えば演算部22の内部に設けられる。
Therefore, in this embodiment, the grip start angle is estimated using a grip start estimation observer. This grip start estimation observer is provided inside the
図8は把持開始推定オブザーバを有する制御装置2が行う処理動作の一例を示す制御システム図である。図8に示すように、制御装置2は、把持開始推定オブザーバ(オブザーバ信号生成手段)51と、把持角度決定部52と、逆キネマティック行列演算部53と、PID制御部54と、モータ駆動部55と、目標把持角度設定部56と、最閉角度決定部57と、操作量更新部58とを有する。
FIG. 8 is a control system diagram illustrating an example of a processing operation performed by the
把持開始推定オブザーバ51は、後で詳述するように、把持開始角度を推定するための把持開始角度推定信号(把持開始角度推定信号)faを生成する。
As will be described in detail later, the grip start
把持角度決定部52は、把持開始角度推定信号faと操作デバイスの操作量に基づいて、ヨー軸およびロール軸に関する参照目標値θa(y,r)と、グリッパ軸に関する参照目標値θa(g)を生成する。
Based on the grip start angle estimation signal fa and the operation amount of the operation device, the grip
逆キネマティック行列演算部53は、上述した(1)式に基づいて、モータ14a,14b,14cの出力軸角度θdを算出する。上述した(1)式を簡易的に表すと、以下の(2)式で表される。θd=[θ1,θ2,θ3]T、θa=[θy,θr,θg]Tである。
The inverse kinematic
θd=K-1θa …(2) θd = K −1 θa (2)
図8のPID制御部54は、逆キネマティック行列演算部53の出力値(モータの目標値)θdとモータの実測値θmとの偏差をフィードバック制御する。より具体的には、PID制御部54は、偏差が小さくなるように、モータ駆動部55に供給する電圧Vinを制御する。
The
目標把持角度設定部56は、例えば操作デバイスとは別個に設けられるボリューム等の値を読み取って、図7に示した把持角度と把持力の1次相関関係に基づいて、所望の把持力を得るための設定把持角度θhを設定する。
The target gripping
最閉角度決定部57は、以下の(3)式に基づいて、把持開始角度θtから設定把持角度θhを減じることにより、グリッパ軸の最閉角度θcを算出する。
The most closed
θc=θt−θh …(3) θc = θt−θh (3)
操作量更新部58は、最閉角度決定部57からの決定結果に応じて、グリッパ軸目標値θgを逆キネマティック演算部53に送り、グリッパ軸目標値θgを更新する。
The operation
把持開始推定オブザーバ51は、モータ角速度ωmを検出する微分回路61と、モータ加速度αmを検出する微分回路62と、クーロン摩擦項算出部63と、粘性摩擦項算出部64と、慣性項算出部65と、粘性摩擦項と慣性項を加算する加算器66と、クーロン摩擦項を考慮に入れるか否かを切替える第1の切替部SW1と、モータ電流から加算器66の出力と第1の切替部SW1の出力とを減じる減算器67と、この減算器67の出力に含まれる高周波ノイズを除去するローパスフィルタ(LPF)68と、各モータに応じたLPF68の出力のうちゼロでないものを一つ選択する第2の切替部SW2とを有する。
The grip start
把持開始推定オブザーバ51の内部構成のうち、第2の切替部SW2を除く部分は、各モータ14a,14b,14cのそれぞれごとに設けられている。図9は把持開始推定オブザーバ51のより詳細な内部構成の一例を示すブロック図である。図示のように、モータ14a,14b,14cのそれぞれごとに、微分回路61からローパスフィルタ68までの部分(オブザーバ信号候補生成手段)51a,51b,51cが設けられており、各ローパスフィルタ68の出力のうちいずれか一つが第2の切替部SW2で選択されて、把持開始角度推定信号faとして出力される。この第2の切替部SW2はオブザーバ信号選択手段に対応する。
Of the internal configuration of the grip start
なお、1軸方向しか制御を行わないマニピュレータシステムの場合は、第2の切替部SW2は不要となる。 In the case of a manipulator system that performs control only in one axial direction, the second switching unit SW2 is unnecessary.
以下、把持開始推定オブザーバ51の処理動作について説明する。電動モータの場合、モータ電流はモータ出力トルクに比例するため、モータ出力軸からグリッパ軸までの機構パラメータに基づいて、モータ出力軸とグリッパ軸の軸間の関係が求まり、ひいてはモータ電流とグリッパ軸のトルクの関係が求まる。把持力は、グリッパ軸のトルクと、グリッパ軸と把持点との距離とで算出できる。
Hereinafter, the processing operation of the grip start
モータ電流やモータ角度等の情報を用いた外乱オブザーバを利用することで、把持力を推定することができる。ここで、外乱とは、モータ電流から機構パラメータを換算して差し引いた残りの値である。把持機構を備えている場合は、物体を把持することにより生じる外力が把持力であると想定している。 The gripping force can be estimated by using a disturbance observer using information such as motor current and motor angle. Here, the disturbance is a remaining value obtained by converting and subtracting the mechanism parameter from the motor current. When a gripping mechanism is provided, it is assumed that an external force generated by gripping an object is a gripping force.
図8の把持開始推定オブザーバ51内の慣性項算出部65は、モータ加速度αに係数Jnを乗じた項を算出する。粘性摩擦項算出部64は、モータ速度ωに粘性摩擦係数fvを乗じた項を算出する。クーロン摩擦項算出部63は、モータ速度ωの符号関数にクーロン摩擦係数fcを乗じた項を算出する。これら3つの算出部63〜65をモータ電流iから減じることにより、グリッパ軸のトルク、すなわち把持力に変換した出力を得ることができる。
The inertia
なお、回転については、回転速度を角速度、回転加速度を角加速度と呼ぶのが正式であるが、機構系においては、回転や並進を複合したものである場合を踏まえて、ここでは説明上区別していない。同じ理由で、位置制御と角度制御は同義である。 For rotation, it is formal to call the rotation speed angular velocity and the rotation acceleration angular acceleration.However, in the mechanical system, it is distinguished here for the explanation in consideration of the combination of rotation and translation. Not. For the same reason, position control and angle control are synonymous.
図8の慣性係数Jn、粘性摩擦係数fv、クーロン摩擦係数fcは設計値や実験により求められる値である。慣性項を算出するにあたり、加速度情報を得るために離散的な角度情報の差分処理を二度行うとノイズが増幅されることがある。そこで、特許文献3の図2に示す等価的なブロック図のようなものを用いて慣性項を求めてもよい。 Inertia coefficient Jn, viscous friction coefficient fv, and Coulomb friction coefficient fc in FIG. 8 are values determined by design values or experiments. In calculating the inertial term, noise may be amplified if difference processing of discrete angle information is performed twice in order to obtain acceleration information. Therefore, the inertia term may be obtained by using an equivalent block diagram as shown in FIG.
図10は図8の把持開始推定オブザーバ51の特性を示す図である。図10(a)はグリッパ4の開動作→ヨー軸動作→ロール軸動作→グリッパ4の閉動作→グリッパ4の開動作を連続的に行った場合のグリッパ軸角度θg、ヨー軸角度θy、ロール軸角度θr、モータ14cの軸角度θ3が変化する様子を示している。
FIG. 10 is a diagram showing the characteristics of the grip start
図10(b)は図8の把持開始推定オブザーバ51内に第1および第2の切替部SW1,SW2を設けない場合に生成されたオブザーバ信号feの変化する様子を示す図である。図10(c)は把持力センサの出力を示す図である。
FIG. 10B is a diagram illustrating a change in the observer signal fe generated when the first and second switching units SW1 and SW2 are not provided in the grip start
オブザーバ信号feは、モータ電流から、慣性係数Jn、粘性摩擦係数fvおよびクーロン摩擦係数fcの3つの項を減じることにより生成されるが、このオブザーバ信号feを用いて推定した把持力を、実際に測定した把持力と比較すると、図10(b)に示すように、オブザーバ信号feを用いて推定した把持力(電流換算値)は振動性の特徴を持ち、動作速度変化点付近にはスパイク状の信号も現れる。これは、伝達機構系において発生するクーロン摩擦の非線形性や、動作角度や位置による摩擦係数の微小変化によるものであり、実測した把持力との差異が大きくなる。 The observer signal fe is generated by subtracting the three terms of the inertia coefficient Jn, the viscous friction coefficient fv, and the Coulomb friction coefficient fc from the motor current. The gripping force estimated using the observer signal fe is actually Compared with the measured gripping force, as shown in FIG. 10 (b), the gripping force (current conversion value) estimated using the observer signal fe has a vibration characteristic, and has a spike shape near the operating speed change point. The signal also appears. This is due to the non-linearity of the Coulomb friction generated in the transmission mechanism system and the minute change in the friction coefficient depending on the operating angle and position, and the difference from the measured gripping force becomes large.
このように、クーロン摩擦等を考慮に入れて生成したオブザーバ信号feでは、作業部7が微細な構造で、把持力が相当な大きさの場合には、ノイズ成分と小さな把持力とを区別するのは困難であり、把持開始点を正確に検出することができない。例えば、ノイズの大きさを考慮に入れて、判定既定値をプラス側(例えばf0)に設定しておき、判定既定値より推定把持力が大きくなった点を把持開始と推定することも可能だが、この場合、小さな把持力を認識できない。カットオフ周波数がより低いフィルタを使用してノイズ成分を除去することもできるが、生成された信号に位相遅れが生じてしまい、把持開始時点T2を認識するのに時間的な遅れが生じ、その結果、実際の把持開始角度と推定角度に大きなずれが生じてしまう。
As described above, the observer signal fe generated in consideration of Coulomb friction or the like distinguishes a noise component from a small gripping force when the working
このような事情で、本実施形態では、把持開始の認識に遅れが生じずにノイズ成分と区別できるように、把持開始推定オブザーバ51内に第1の切替部SW1を設けている。この第1の切替部SW1は、グリッパ軸動作時にはオフして、クーロン摩擦項を考慮に入れずに把持開始推定信号faを生成し、グリッパ軸動作時以外はオンして、クーロン摩擦項を考慮に入れて同信号faを生成する。クーロン摩擦項を考慮に入れないとは、角速度および加速度の少なくとも一方の大きさには依存しないが方向には依存する項を考慮に入れないことと等価である。第1の切替部SW1のように、クーロン摩擦項を計算した後にその出力を遮断する代わりに、グリッパ軸動作時には、クーロン摩擦係数fcをゼロとして、クーロン摩擦項の計算結果がゼロになるようにしてもよい。
Under such circumstances, in the present embodiment, the first switching unit SW1 is provided in the grip start
図8の把持開始推定オブザーバ51を正常に動作させるには、把持開始のタイミングを精度よく認識しなければならない。把持開始の認識は、グリッパ4を閉じるとき、すなわち、グリッパ軸速度ωgが負の場合に起こるため、第1の切替部SW1は、グリッパ軸速度ωgが負になったときにオフするように切替制御される。なお、グリッパ軸速度は、図8の把持角度決定部52の出力である参照目標値θa(g)を微分処理することにより得られる。
In order for the grasping
図10(d)は把持開始時に第1の切替部SW1をオフした状態で得られた把持開始推定信号faの波形図である。図10(d)の把持開始推定信号faの波形を見ればわかるように、クーロン摩擦項を考慮に入れないことから、グリッパ4を閉じ始めた時点T0以降での信号faの信号レベルは図10(b)の信号feの信号レベルよりも大きい。そして、信号faが所定のしきい値f1を超えた時点T1で、把持開始角度θtに達したと判断される。この時刻T1は、図10(b)で把持開始を認識する時刻T2よりも前であり、把持開始を迅速かつ正確に推定できることがわかる。
FIG. 10D is a waveform diagram of the grip start estimation signal fa obtained with the first switching unit SW1 turned off at the start of gripping. As can be seen from the waveform of the grip start estimation signal fa in FIG. 10D, the Coulomb friction term is not taken into consideration, and therefore the signal level of the signal fa after the time T0 when the
把持開始角度θtが検出されると、上述した(3)式により、グリッパ軸の最閉角度θcを求めることができる。 When the grip start angle θt is detected, the most closed angle θc of the gripper shaft can be obtained from the above-described equation (3).
このように、本実施形態では、所望の把持力をまず設定して、角度(位置)制御でグリッパ軸を閉じる動作を行い、把持力開始推定オブザーバの出力にて把持開始角度を認識したら、次にグリッパ軸の最閉角度を設定し、次にグリッパ軸角度をグリッパ軸の最閉角度まで角度(位置)制御する。 As described above, in this embodiment, a desired gripping force is first set, the gripper shaft is closed by angle (position) control, and the gripping start angle is recognized by the output of the gripping force start estimation observer. Is set to the most closed angle of the gripper shaft, and then the angle (position) of the gripper shaft angle is controlled to the most closed angle of the gripper shaft.
なお、把持力の設定または把持角度の設定は、制御装置や操作指令部3に付属のボリューム等を用いて設定してもよいし、作業部7の種類に応じて予め決められた設定値を付与してもよい。把持中にグリッパ軸の最閉角度を調整すると、把持しながら把持力を微調整することが可能となる。
The gripping force setting or gripping angle setting may be set using a volume attached to the control device or the
図8の把持開始推定オブザーバ51では、慣性項や粘性項を考慮に入れているが、例えばマニピュレータが微細構造で慣性の影響を無視できる場合には、慣性係数Jnをゼロにしてもよい。粘性摩擦項についても必要に応じて無視してもよい。このように、把持開始推定オブザーバ51の具体的構成は、適宜変更可能である。
In the grasping
図8の最閉角度決定部57は、例えば図11のフローチャートに示す処理手順に従ってグリッパ軸の最閉角度を設定する。この図11のフローチャートは例えば図6のステップS14の中で行われるものであり、作用フラグ決定手段に対応する。
The most closed
まず、図8の把持開始推定オブザーバ51から出力される把持開始推定信号faを取得する(ステップS21)。次に、把持フラグ(作用フラグ情報)の状態を確認する(ステップS22)。ここで、把持フラグとは、グリッパが対象物を把持しているか否かを示すフラグ情報であり、把持している場合にオンし、把持していない場合にオフする。
First, the grip start estimation signal fa output from the grip start
把持フラグがオフと判断された場合は、グリッパ軸の目標角度θgがグリッパ軸の最大角度θpより小さいか否かを判定する(ステップS23)。θg<θpの場合は、グリッパ速度ωgが負か否かを判定する(ステップS24)。 If it is determined that the grip flag is OFF, it is determined whether the target angle θg of the gripper shaft is smaller than the maximum angle θp of the gripper shaft (step S23). If θg <θp, it is determined whether or not the gripper speed ωg is negative (step S24).
ωgが負であれば、グリッパ軸が閉じる方向に動作していると判断できる。そこで、次に、把持開始推定信号faが所定のしきい値f1以上か否かを判定する(ステップS25)。fa≧f1であれば、図10(d)の時刻t1と同様に把持を開始したと判断して、把持フラグをオンする(ステップS26)。そして、この時点でのグリッパ軸の最閉角度θgを把持開始角度θtに設定する(ステップS27)。次に、上述した(3)式に従って、把持開始角度θtから設定把持角度θhを減じてグリッパ最閉角度θcを算出する(ステップS28)。上述したステップS25〜S27の処理が作用力開始角度推定手段に対応し、ステップS28の処理が限界角度検出手段に対応する。 If ωg is negative, it can be determined that the gripper shaft is moving in the closing direction. Therefore, it is next determined whether or not the grip start estimation signal fa is equal to or greater than a predetermined threshold value f1 (step S25). If fa ≧ f1, it is determined that gripping has started as in the case of time t1 in FIG. 10D, and the gripping flag is turned on (step S26). Then, the most closed angle θg of the gripper shaft at this time is set to the grip start angle θt (step S27). Next, the gripper most closed angle θc is calculated by subtracting the set gripping angle θh from the gripping start angle θt according to the above-described equation (3) (step S28). The processing in steps S25 to S27 described above corresponds to the acting force start angle estimation means, and the processing in step S28 corresponds to the limit angle detection means.
上述したステップS23〜S25のいずれかの判定結果がNOの場合には、把持が開始されたとは判断されない。 When the determination result of any of steps S23 to S25 described above is NO, it is not determined that gripping has started.
一方、ステップS22で把持フラグがオンであると判定された場合は、グリッパ軸の目標角度θgがグリッパ軸の最大角度θpに等しいか否かを判定する(ステップS29)。等しくない場合には、目標角度θgが把持開始角度θtより大きいか否かを判定する(ステップS30)。 On the other hand, if it is determined in step S22 that the grip flag is on, it is determined whether or not the target angle θg of the gripper shaft is equal to the maximum angle θp of the gripper shaft (step S29). If not equal, it is determined whether or not the target angle θg is larger than the grip start angle θt (step S30).
ステップS29でθgがθpに等しいと判定された場合、またはステップS30でθg>θtと判定された場合は、把持動作は終了したと判定して、把持フラグをオフする(ステップS31)。次に、グリッパ軸の最小角度θnを把持開始角度θtとして設定する(ステップS323)。ここで、把持開始角度θtをグリッパ軸の最小角度に設定するのは、把持開始角度をリセットするためである。把持動作が終了したのに把持開始角度をリセットしないとすると、前回把持した対象物よりも厚さが薄いものを把持するまでグリッパが動作しないといった不具合が生じうるためである。このとき、把持開始角度をゼロに設定してもよいが、後述するように初期誤差が考えられるため、動作可能範囲での最小角度に設定している。 If it is determined in step S29 that θg is equal to θp, or if it is determined in step S30 that θg> θt, it is determined that the gripping operation has ended, and the gripping flag is turned off (step S31). Next, the minimum angle θn of the gripper shaft is set as the grip start angle θt (step S323). Here, the reason why the grip start angle θt is set to the minimum angle of the gripper shaft is to reset the grip start angle. If the grip start angle is not reset even after the gripping operation is completed, there is a possibility that the gripper does not operate until a gripper that is thinner than the previously gripped object is gripped. At this time, the grip start angle may be set to zero, but since an initial error is considered as described later, it is set to the minimum angle in the operable range.
ステップS29でθgがθpに等しくないと判定されるか、またはステップS30でθg≦θtと判定された場合には、まだ把持動作を行っていると判断して把持フラグをオンのまま維持する。この場合は、グリッパ軸の目標角度θgが最閉角度θtに達するまで角度制御が行われる。この角度制御は制御装置2が行うものであり、角度制御手段に対応する。
If it is determined in step S29 that θg is not equal to θp, or if it is determined in step S30 that θg ≦ θt, it is determined that the gripping operation is still being performed, and the gripping flag is kept on. In this case, the angle control is performed until the target angle θg of the gripper shaft reaches the most closed angle θt. This angle control is performed by the
図3に示した作業部7を駆動する駆動部6は、干渉系の機構を有する。モータ14a,14b,14cの出力軸角度θd=[θ1、θ2、θ3]Tと作業部7の先端部の姿勢軸θa=[θy、θr、θg]Tとの関係は、上述した(1)式および(2)式で表される。これらの式では、マニピュレータの先端部分の歯車の歯数がすべて等しいと仮定している。
The
グリッパ軸の把持動作のみについて考えると、他の姿勢軸を動作させない場合はθy=θr=0であるため、θ3=−θgとなる。すなわち、モータをθd=[0、0、−θg]Tと制御することで、グリッパ軸をθgだけ動作させることができる。 Considering only the gripper shaft gripping operation, θ3 = −θg because θy = θr = 0 when no other posture axis is operated. That is, by controlling the motor to θd = [0, 0, −θg] T , the gripper shaft can be operated by θg.
グリッパ軸角度は、閉じた状態を0度、開く方向をプラス方向としている。したがって、グリッパ軸をマイナス方向に動作させるということは、より閉じる方向に力をかけるようにモータを制御することを意味する。 Regarding the gripper shaft angle, the closed state is 0 degree and the opening direction is a positive direction. Therefore, operating the gripper shaft in the minus direction means controlling the motor so as to apply a force in the closing direction.
グリッパ軸を動作させる場合、把持開始推定信号faはモータ14cの電流値だけで生成できる。モータ14cの電流値の波形は図10(b)のようになる。モータ14cの電流値だけでグリッパ軸の動作が決まるのは、1自由度しか持たないグリッパを備えたマニピュレータや、2以上の自由度を持っていてもグリッパ軸を駆動するアクチュエータが他の姿勢軸と干渉しない非干渉構造の場合でも同様である。
When operating the gripper shaft, the grip start estimation signal fa can be generated only by the current value of the
ところが、例えば図3の作業部7を備えたマニピュレータなどのように、他の姿勢軸と同時にグリッパ軸を動作させる場合は、モータ14cの電流値だけで把持力が決まるとは限らない。
However, when the gripper shaft is operated simultaneously with other posture axes such as a manipulator provided with the working
そこで、干渉系機構を備えたマニピュレータを念頭に置いて、トルク干渉を考慮に入れて、把持力とモータトルクの関係を求めてみる。 Therefore, with the manipulator provided with the interference mechanism in mind, the relationship between the gripping force and the motor torque will be obtained in consideration of torque interference.
仮想仕事の原理により、モータ14a,14b,14cのトルクτ1、τ2、τ3と作業部7の姿勢軸であるヨー軸回り、ロール軸回り、グリッパ軸回りのトルクτy、τr、τgとの関係は、以下の(4)式で表される。
把持力が出力されている状態とは、トルクτgが出力されている状態であり、他の姿勢軸の出力をゼロにすれば、上記(4)式から、各モータ14a,14b,14cのトルクτ1、τ2、τ3は、以下の(5)式で求められる。
(5)式を見ればわかるように、モータ14c以外のモータ14a,14bにも把持トルクの影響が現れることになり、各モータ軸に関するオブザーバ信号により把持開始を推定できることがわかる。
As can be seen from the equation (5), the influence of the gripping torque also appears on the
端的な例として、マニピュレータのグリッパ軸とヨー軸の動作が同期して行われる場合を説明する。ヨー軸動作角度とグリッパ軸動作角度が同量だけ同期して動作するとき、モータ14a、14bの動作速度は等しく、モータ14cの速度はゼロ、すなわち停止した状態で把持動作を行うことになる。
As a simple example, the case where the operations of the gripper axis and the yaw axis of the manipulator are performed in synchronization will be described. When the yaw axis operating angle and the gripper axis operating angle operate synchronously by the same amount, the operating speeds of the
図12は、グリッパ軸を単独動作させた後、引き続いてグリッパ軸とヨー軸が同期して動作する場合の動作波形図である。図12(a)はモータ角度の波形図、図12(b)はモータ電流の波形図、図12(c)は把持開始推定信号faの波形図、図12(d)は把持力の波形図であり、これらの図の横軸はいずれも時間である。 FIG. 12 is an operation waveform diagram in the case where the gripper shaft and the yaw axis are operated synchronously after the gripper shaft is independently operated. 12A is a waveform diagram of the motor angle, FIG. 12B is a waveform diagram of the motor current, FIG. 12C is a waveform diagram of the grip start estimation signal fa, and FIG. 12D is a waveform diagram of the grip force. In these figures, the horizontal axis is time.
図12(a)に示すように、グリッパ軸が単独で動作しているときは(時刻t0〜t2)、モータ14cのみが動作しており、グリッパ軸とヨー軸が同期して動作しているときは(時刻t2〜t4)は、把持動作中であってもモータ14cは停止し、モータ14bが動作していることを示している。
As shown in FIG. 12A, when the gripper shaft is operating alone (time t0 to t2), only the
このように、時刻t2〜t4では、グリッパで把持動作をしている間、モータ14cが停止中であるため、図12(b)に示すようにモータ14cの電流値はほぼ一定となっており、角度の変化がないため、オブザーバ信号の変化も生じない。しかしながら、実際には、図12(d)に示すように、把持力は生じているため、上述のようにモータ14cの軸にも反力が働いているはずである。
Thus, at time t2 to t4, the
本来ならば、モータ14cが停止中であっても、反力が働くと電流値に変化が生じるが、動力伝達機構の摩擦により把持力とモータトルクとの間にヒステリシスが生じて、モータ軸まで把持力が伝わらなくなる。このようなときは、停止しているモータ14c以外で、トルク干渉の関係から反力が加わる軸のうち実際に駆動しているモータ、ここではモータ14bの把持開始推定信号faを用いて把持開始点を推定すればよい。
Originally, even when the
図12(c)は、時刻t0〜t2の間はモータ14cに対応する把持開始推定信号faを利用し、時刻t2〜t4ではモータ14bに対応する把持開始推定信号faを利用して、それぞれ把持開始を推定する例を示している。
In FIG. 12C, the gripping start estimation signal fa corresponding to the
把持動作時に、ヨー軸、ロール軸およびグリッパ軸が同期して動作し、モータ14bとモータ14cの速度がいずれもゼロになる場合もありうるが、この場合はモータ14aの把持開始推定信号faに基づいて把持開始点を推定すればよい。
During the gripping operation, the yaw axis, roll axis, and gripper axis may operate synchronously, and the speeds of the
すべてのモータ14a,14b,14cの速度が同時にゼロになった状態で把持動作を行うことはありえないため、いずれか一つのモータの把持開始推定信号faで把持開始を推定することができる。
Since it is impossible to perform a gripping operation in a state where the speeds of all the
このように、トルク干渉の関係から把持力のかかるモータ軸を特定し、特定したモータ軸に対応するモータのうち、モータ速度に応じて把持開始推定信号faを切替えるため、作用部4の種々の動きによらず、把持開始点を精度よく推定することができる。より具体的には、図8に示すように、モータ軸速度ωdに基づいて、第2の切替部SW2を切替えることにより、いずれか一つのモータに対応する把持開始推定信号faを選択する。 In this way, the motor shaft to which the gripping force is applied is identified from the relationship of torque interference, and among the motors corresponding to the identified motor shaft, the grip start estimation signal fa is switched according to the motor speed. Regardless of the movement, the grip start point can be accurately estimated. More specifically, as shown in FIG. 8, the grip start estimation signal fa corresponding to any one of the motors is selected by switching the second switching unit SW2 based on the motor shaft speed ωd.
モータ軸速度がゼロとなるような特殊な場合でないときは、上述した(5)式より、把持トルクの反力が最も大きくなる軸はモータ14aの軸である。ところが、実際はモータと出力軸との間には減速機が介在しており、この減速比がモータ14b,14cよりも2倍以上大きい(出力軸が2倍以上に減速される)と、モータ14aのモータ電流から算出される把持開始推定信号faは、他の軸から算出される値よりも小さくなり、判定では扱いにくい。
When it is not a special case where the motor shaft speed becomes zero, the shaft having the largest reaction force of the gripping torque is the shaft of the
逆に、3軸とも減速比が同じであれば、モータ14aのモータ電流から算出される把持開始推定信号faを積極的に使用するとよいことを上記(5)式は示している。
On the contrary, the above equation (5) shows that the grip start estimation signal fa calculated from the motor current of the
このように、測定しているモータ電流に対応する軸(モータ入力軸)からグリッパ4に至るまでのすべての減速比を換算した値と把持トルクの反力の大きさとに基づいて、第2の切替部SW2を切替えてもよい。
Thus, based on the value obtained by converting all the reduction ratios from the shaft (motor input shaft) corresponding to the measured motor current to the
図8の第1および第2の切替部SW1,SW2の切替の条件をまとめると、以下のようになる。 The conditions for switching the first and second switching units SW1 and SW2 in FIG. 8 are summarized as follows.
第1の切替部SW1は、グリッパ軸目標速度ωgが負の場合にオフする。この場合、把持開始推定オブザーバ51は、クーロン摩擦項を考慮に入れずに把持開始推定信号faを生成する。
The first switching unit SW1 is turned off when the gripper shaft target speed ωg is negative. In this case, the grip start
第1の切替部SW1は、グリッパ軸目標速度ωgが正かゼロの場合にオフする。この場合、把持開始推定オブザーバ51は、クーロン摩擦項を考慮に入れて把持開始推定信号faを生成する。
The first switching unit SW1 is turned off when the gripper shaft target speed ωg is positive or zero. In this case, the grip start
第2の切替部SW2は、代表的にはグリッパ軸を駆動するモータ14cに対応するオブザーバ信号を把持開始推定信号faとして選択するが、トルク干渉があることを考慮して、他のモータ14aまたはモータ14bに対応するオブザーバ信号を把持開始推定信号faとして選択することもできる。より具体的には、把持動作中(グリッパ軸速度ωgが負のとき)には、以下の3つの切替を行う。
The second switching unit SW2 typically selects an observer signal corresponding to the
モータ14cの速度が正の場合にはモータ14cを選択する。モータ14cの速度が正でなく、かつモータ14bの速度が正の場合はモータ14bを選択する。モータ14b、14cの速度が正でない場合は、モータ14aを選択する。
When the speed of the
このように、第1の実施形態では、把持開始推定オブザーバ51を設けて、把持開始角度を推定し、推定した把持開始角度に基づいてグリッパ4の最閉角度を設定して、最閉角度に達するまでグリッパ軸角度を制御する。これにより、モータのトルク制御で把持力を制御する場合よりも、精度よくグリッパ4の把持力制御が可能となる。
As described above, in the first embodiment, the grip start
また、本実施形態の把持開始推定オブザーバ51では、クーロン摩擦項を考慮に入れずに把持開始角度を推定するため、把持開始角度を精度よく推定することができる。
In addition, since the grip start
さらに、トルク干渉機構を備えたマニピュレータの場合には、各モータごとに把持開始推定オブザーバ51a,51b,51cを設けて、各モータのモータ速度によって、いずれか一つの把持開始推定オブザーバの出力を最終的な把持開始推定信号faとして選択するため、トルク干渉機構の場合であっても、迅速かつ正確に把持開始角度を推定できる。
Further, in the case of a manipulator having a torque interference mechanism, gripping
(第2の実施形態)
第2の実施形態は、上述した把持開始推定オブザーバ51を用いて、医療用マニピュレータのようなマスタスレーブ操作による把持動作を行うものである。
(Second Embodiment)
In the second embodiment, a gripping operation by a master-slave operation like a medical manipulator is performed using the grip start
図13(a)および図13(b)は操作桿82の内部構造の一例を示す図であり、図13(a)はトリガ85の復帰状態、図13(b)はトリガ85を引いた状態を示している。これらの図に示すように、操作桿82は、トリガ85の端部に取り付けられたロック棒87を保持するロック部材88と、トリガ85の引き量を検出するセンサ89と、トリガ85に形成されたガイド孔90を通って挿脱されるガイド棒91と、ガイド棒91の周囲に取り付けられたばね92とを有する。
13 (a) and 13 (b) are diagrams showing an example of the internal structure of the operating
センサ89は、トリガ85の並進動作位置を検出するものであり、具体的には、スライドポテンションメータやリニアエンコーダ等で構成することができる。例えば、スライドポテンションメータでセンサ89を構成する場合、トリガ85の端部に取り付けられた突起部材93の凹部がスライドポテンションメータのつまみ94の凸部と係合される。これら凹部と凸部は、トリガ85の並進動作に合わせて一体に移動する。そして、センサ89は、凸部の位置によりトリガ85の引き量を検出する。
The
トリガ85を最も引いた状態が作用部4のグリッパを最も閉じた状態(図13(a))、すなわち開閉角度が最大閉角度となる状態となり、トリガ85を最も戻した状態がグリッパを最も開いた状態となり、すなわち、グリッパを最も開いた状態となるように、センサ89で検出した値を変換することで、グリッパ開閉目標値を得ることができる。
The state where the
トリガ85の引き量を長時間維持することは操作者にとって負担が大きく、作用部4での細かい操作指示にも影響を与える可能性がある。このため、トリガ85から手を離してもその引き量が維持されるように、操作桿82にロック機構を設けることがあり、本実施形態の操作桿82においても、ロック機構が設けられている。
Maintaining the pulling amount of the
トリガ85を最大限引くと、トリガ85の端部に取り付けられたロック棒87が操作桿82のロック部材88に収まる。その後、操作者がトリガ85から手を離しても、ロック部材88はロック棒87を固定し、トリガ85の引き量が一定に維持される。ロック部材88には、トリガ85の引き量に応じて、ロック棒87がわずかに並進動作するためのあそび範囲が設けられている。このように、ロック棒87とロック部材88によりロック機構が実現されている。
When the
トリガ85がロックされた状態でさらにトリガ85を引くと、ロック部材88はロック棒87を開放する。トリガ85には、操作桿82のガイド棒91を挿脱するためのガイド孔90が設けられている。トリガ85をロックした状態では、ガイド棒91がガイド孔90に挿入され、ばね92がトリガ85の端部により収縮される。このロック状態でトリガ85をさらに引いてロック部材88がロック棒87を開放すると、ばね92の復元力により、トリガ85は押し出されて、元の位置に復帰する。このとき、図13(a)のように、ガイド棒91はガイド孔90から抜き出される。
When the
図13(a)および図13(b)に示すように、マスタースレーブ操作によりグリッパ軸を動作させて把持力を調整する場合を考えると、操作者は把持状態を観測しながら操作を行うため、トリガ85を引く程度に応じてグリッパ4が閉じて把持力が増大し、設定した最大把持力が最大限トリガ85を引いたときに得られるようにすると、操作感と適合して望ましい。すなわち、マスタスレーブ操作による把持力調整機能とは、最大把持力を設定する機能と言い換えることができる。
As shown in FIGS. 13 (a) and 13 (b), considering the case of adjusting the gripping force by operating the gripper shaft by the master / slave operation, the operator performs the operation while observing the gripping state. It is desirable that the
ここで、センサ89が検出する電圧範囲がトリガを最大に引いたときにV0、トリガが最も出ている状態でV2であるとする。トリガ85が最も出ている状態では、グリッパ軸角度がθp(>0)に設定されるものとする。
Here, it is assumed that the voltage range detected by the
図14はセンサ89の出力電圧とグリッパ軸目標値との関係を示す図である。センサ出力電圧Vtは、把持開始推定オブザーバ51によって検出更新された把持開始角度に対応するセンサ出力電圧であり、以下の(6)式で表される。
ここで、センサ電圧V1は、グリッパ4が物体を把持していないときの、センサ出力とグリッパ軸目標値との関係を決める既定値で、V0とV2の間に設定されるものである。より具体的には、V1はグリッパ4が物体を把持せずに閉じた場合に、グリッパ軸目標値を0度とする電圧値である。
Here, the sensor voltage V1 is a predetermined value that determines the relationship between the sensor output and the gripper shaft target value when the
トリガ85の引き量に応じてグリッパ4の把持力が変化する感度をよくするためには、V0とV1の間隔を広めに取っておけばよい。また、硬くて小さいものを設定した最大力で掴むことを前提にしていれば、V0とV1との間隔を狭く取っておくと良い。
In order to improve the sensitivity with which the gripping force of the
物体を把持していない状態、すなわち、センサ出力電圧VgがVt以上の場合、グリッパ軸目標角度θg1と電圧Vgとの関係は以下の(7)式で表される。
物体を把持している状態、すなわち、VgがVt以下の場合、グリッパ軸目標角度θg2と電圧Vgとの関係は以下の(8)式で表すことができる。
上述した図8の把持開始推定オブザーバ51で生成された把持開始推定信号faに基づいて把持開始角度が推定されると、推定された把持開始角度でのセンサ89の電圧を検出し、検出されたセンサ電圧を基点として、トリガ85の引き量に応じたセンサ出力電圧とグリッパ軸角度との関係を求めて、グリッパ軸の角度目標値を設定する。これにより、設定した最大把持力が最大限トリガ85を引いたときに得られるような把持力調整機能をグリッパ軸の位置(角度)制御で実現することができる。
When the grip start angle is estimated based on the grip start estimation signal fa generated by the grip start
このように、第2の実施形態では、トリガ85の引き量をセンサ89のセンサ電圧で検出可能なマスタスレーブ操作のマニピュレータにおいて、把持開始角度が推定された時点を基点として、センサ出力電圧とグリッパ軸角度の関係から、トリガ85の引き量に応じたグリッパ軸角度の制御を行うため、把持力の制御を精度よく行うことができる。
As described above, in the second embodiment, in the master-slave operation manipulator capable of detecting the pulling amount of the
(第3の実施形態)
第1の実施形態では、本発明がトルク干渉機構を備えたマニピュレータにも適用できることを説明した。以下に説明する第3の実施形態では、この種のトルク干渉機構におけるトルク干渉補正について説明する。
(Third embodiment)
In the first embodiment, it has been described that the present invention can also be applied to a manipulator having a torque interference mechanism. In a third embodiment described below, torque interference correction in this type of torque interference mechanism will be described.
上述したように、把持動作をすると、トルク干渉により各モータ軸に対して反力がかかる。より具体的には、作用部4の姿勢軸周りにトルクが作用すると、各姿勢軸を駆動するモータ出力軸に反力となるトルクが作用する。モータ出力軸のトルクは、上述した(4)式で表される。
As described above, when a gripping operation is performed, a reaction force is applied to each motor shaft due to torque interference. More specifically, when a torque acts around the posture axis of the
マニピュレータの場合、各モータ出力軸と先端の作用部4との間には、動力伝達機構の一部を構成するワイヤ(可とう性部材)12a,12b,12cが存在する。これらワイヤは力に比例して伸びるため、各モータ出力軸が上述した(2)式を満たすように角度制御されていても、実際の先端部の従属プーリはモータ軸側に対して角度がずれて姿勢が変化してしまう。
In the case of a manipulator, wires (flexible members) 12a, 12b, and 12c that constitute a part of the power transmission mechanism exist between each motor output shaft and the
そこで、そのずれ量を求めてみる。今、ワイヤの剛性をwとすると、以下の(9)式が成り立つ。
把持トルクτgとグリッパ軸角度は比例することから、比例定数αを用いると、以下の(10)式の関係が成り立つ。 Since the gripping torque τg and the gripper shaft angle are proportional, the relationship of the following equation (10) is established when the proportional constant α is used.
τg=αΔθg …(10) τg = αΔθg (10)
モータ出力軸と姿勢軸との関係を表した上記(5)式の両辺にそれぞれ(9)式と(10)式を代入して整理すると、以下の(11)式が得られる。
このとき、Δθd=KΔθaを用いることで、姿勢軸偏差角度Δθdは、以下の(12)式で表される。
ここで、(12)式において、Δθgの項の等式が成り立つとすると、Δθg=6(α/w)Δθgとなり、α/w=1/6となる。これにより、グリッパ軸偏差Δθg(グリッパ軸目標値と実際のグリッパ軸角度との偏差)と、ヨー軸、ロール軸の姿勢偏差Δθy、Δθrとの関係は、以下の(13)式および(14)式で表される。
これまでの算出で用いられている姿勢軸偏差角度Δθdは、モータ出力軸角度を上記(2)式により換算した値で、これはトルク損失がない場合であるが、実際はトルク損失が起こり、先端部の姿勢はこれと異なる。実際の先端部姿勢偏差は、モータ出力軸から先端部姿勢軸までのトルク効率ηを用いると、以下の(15)式および(16)式で表される。
把持開始点を認識したら、把持開始後のグリッパ軸角度Δθgに応じて上述のように求めた偏差角度分だけ、姿勢軸補正を行うように制御すればよい。なお、ここでトルク効率ηは、モータ出力軸からグリッパ軸に至る動力伝達機構の軸数の関数として表すことができる。例えば、図2〜図4に示すマニピュレータにおいては、出力軸プーリ39c、回転軸16、ギア322の回転軸、グリッパ軸323aの4軸を通じてグリッパ軸動作が行われているため、通常の潤滑状態であれば1軸あたりの効率を0.9として、0.9の4乗がトルク効率ηになる。
When the gripping start point is recognized, it may be controlled to perform posture axis correction by the deviation angle obtained as described above according to the gripper shaft angle Δθg after the gripping start. Here, the torque efficiency η can be expressed as a function of the number of axes of the power transmission mechanism from the motor output shaft to the gripper shaft. For example, in the manipulator shown in FIGS. 2 to 4, since the gripper shaft operation is performed through the output shaft pulley 39c, the rotating
例えば、洗浄された直後の医療用マニピュレータの場合、洗浄後に潤滑処理していない無潤滑状態であれば、1軸あたりの効率を0.8とすればよい。もちろん軸の材質などでも変化するので適宜設定すればよい。 For example, in the case of a medical manipulator immediately after being washed, the efficiency per axis may be set to 0.8 if the lubrication is not performed after washing. Of course, it may be set appropriately because it changes depending on the material of the shaft.
なお、上述したように、(12)式からα/w=1/6の関係が得られるため、この関係を(11)式に代入して求めた各モータ出力軸のずれ角度を補正角度として、逆キネマティック算出後の各モータ出力軸目標値にこの補正角度を減算してはならない。このようにすると、新たな姿勢角度を定義することになり、グリッパ軸の目標値までも変化してしまい、目的とした把持力を出力できなくなってしまう。よって、上述した(13)および(14)式に示すように、グリッパ軸角度を基準とした補正角度を姿勢軸換算で求め、それを目標の各姿勢角度から減算した後、逆キネマティック演算をして、各モータ軸の目標値を算出するのが望ましい。 As described above, since the relationship of α / w = 1/6 is obtained from the equation (12), the deviation angle of each motor output shaft obtained by substituting this relationship into the equation (11) is used as the correction angle. The correction angle must not be subtracted from the motor output shaft target value after the inverse kinematic calculation. If this is done, a new posture angle will be defined, and the target value of the gripper shaft will also change, making it impossible to output the desired gripping force. Therefore, as shown in the above formulas (13) and (14), a correction angle based on the gripper shaft angle is obtained in terms of posture axis, and after subtracting it from each target posture angle, an inverse kinematic calculation is performed. Thus, it is desirable to calculate a target value for each motor shaft.
ここで、把持力を調整するための把持力開始点を推定する既定値と、姿勢補正を行うための把持力開始点を推定する既定値とは同じである必要はない。把持力調整の場合、把持開始角度と把持角度から最大把持力を決めるが、その最大把持力の大きさは把持角度と絶対的な関係にあるわけではない。例えば、図15において、把持力開始点を判定するための規定値f1の代わりに、より大きな値f2を規定値として設定してもよい。この場合、規定値f2からの把持力と把持角度との関係は、規定値f1からの把持力と値がオフセットされるだけで、把持力と把持角度についての1次的な関係には変化がないため、規定値が変化しても把持力の調整は可能である。 Here, the default value for estimating the gripping force start point for adjusting the gripping force and the default value for estimating the gripping force start point for performing posture correction need not be the same. In the case of gripping force adjustment, the maximum gripping force is determined from the gripping start angle and the gripping angle, but the magnitude of the maximum gripping force is not absolutely related to the gripping angle. For example, in FIG. 15, a larger value f2 may be set as the prescribed value instead of the prescribed value f1 for determining the gripping force start point. In this case, the relationship between the gripping force and the gripping angle from the specified value f2 changes only in the primary relationship between the gripping force and the gripping angle only by offsetting the gripping force and the value from the specified value f1. Therefore, the gripping force can be adjusted even if the specified value changes.
このように、規定値を変更しても、設定したい把持力の大きさの基準またはスケールが変化したに過ぎない。規定値以下の把持力を調整することはできず、規定値を高くするほどオブザーバ信号に含まれるノイズの影響を受けにくくなることから、両者のトレードオフにより規定値のレベルは設定される。 Thus, even if the specified value is changed, only the reference or scale of the magnitude of the gripping force that is desired to be set is changed. The gripping force below the specified value cannot be adjusted, and the higher the specified value, the less affected by the noise contained in the observer signal. Therefore, the level of the specified value is set by a trade-off between the two.
一方、姿勢補正を行う場合は、把持力の変化が姿勢変化につながることから、できるかぎり把持開始点を正確に推定する必要がある。このため、図15に示すように、姿勢補正を行う場合の規定値は、把持開始時に変化が現れるf3以上で、かつf1以下に設定するのが望ましい。このf3は動作軸補正基準値に対応する。姿勢補正のための把持開始点を推定する処理は制御装置2が行うものであり、この処理は補正開始角度推定手段に対応する。また、制御装置2は、把持開始点を推定した後に上述した(15)および(16)式に基づいて偏差角度を算出する処理を行うが、この処理は偏差角度算出手段に対応する。その後、制御装置2は、偏差角度に基づいて各姿勢軸の姿勢補正を行うが、この処理は動作軸補正手段に対応する。
On the other hand, when posture correction is performed, since a change in gripping force leads to a posture change, it is necessary to estimate the grip start point as accurately as possible. For this reason, as shown in FIG. 15, it is desirable that the prescribed value for posture correction is set to be f3 or more and f1 or less where a change appears at the start of gripping. This f3 corresponds to the motion axis correction reference value. The process of estimating the grip start point for posture correction is performed by the
このように、第3の実施形態では、トルク干渉機構を備えたマニピュレータの場合、把持動作の制御により、他の姿勢軸にも影響が及ぶことから、把持開始後のグリッパ軸角度に応じて姿勢軸補正を行う。これにより、把持力が変化しても姿勢補正を精度よく行うことができる。 Thus, in the third embodiment, in the case of a manipulator equipped with a torque interference mechanism, the control of the gripping operation affects other posture axes, so the posture is determined according to the gripper shaft angle after the gripping is started. Perform axis correction. Thereby, even if the gripping force is changed, posture correction can be performed with high accuracy.
(第4の実施形態)
以下に説明する第4の実施形態は、把持開始推定信号faを用いて、対象物の相対的な柔軟度を測定するものである。
(Fourth embodiment)
In the fourth embodiment described below, the relative flexibility of an object is measured using the grip start estimation signal fa.
把持力を把持角度で制御することが従来行われていない理由の一つは、対象物が変形することにより、角度制御では実際の把持力が当初予定していた把持力よりも小さくなってしまうことがあるためである。第1および第2の実施形態においても、非常に柔らかい物体を把持するときと、変形しない硬い物体を把持するときでは、同じ把持角度を設定しても、同じ把持力にはならない。 One of the reasons that control of the gripping force with the gripping angle has not been performed conventionally is that the actual gripping force becomes smaller than the originally planned gripping force in the angle control due to the deformation of the object. Because there are things. Also in the first and second embodiments, when gripping a very soft object and when gripping a hard object that does not deform, even if the same gripping angle is set, the same gripping force is not obtained.
しかしながら、把持力を決定する把持角度は任意に調整できるため、対象物に応じて設定を調整することで実用的な対応が可能となる。未知の大きさの物体を、設定した大きさ以上の把持力で把持することはないことから、最大把持力を設定することと同等と考えることができる。把持力を必要以上に出さないシステムは、安全性の上でも望ましく、モータの発熱を抑えて劣化を防止し、また省エネで効率的なシステムを構築できる。例えば、干渉機構では、把持動作に寄与するモータが他の姿勢軸動作にも影響を与えるが、把持動作に必要以上の出力を割り当てないとすると、他の姿勢軸動作に十分な出力を割り当てることができる。 However, since the grip angle for determining the grip force can be arbitrarily adjusted, it is possible to take a practical measure by adjusting the setting according to the object. Since an object having an unknown size is not gripped with a gripping force larger than the set size, it can be considered equivalent to setting the maximum gripping force. A system that does not generate excessive gripping force is desirable from the viewpoint of safety. It can prevent the deterioration by suppressing the heat generation of the motor, and can construct an energy-saving and efficient system. For example, in the interference mechanism, if the motor that contributes to the gripping operation also affects other posture axis operations, but assigns an output that is not necessary for the gripping operation, it allocates sufficient output to the other posture axis operations. Can do.
本実施形態では、対象物の硬さによって生じる把持力の誤差を補正できるとともに、対象物の硬さを推定できることを特徴とする。 The present embodiment is characterized in that an error in gripping force caused by the hardness of the object can be corrected and the hardness of the object can be estimated.
図16はマニピュレータが物体を把持するときのモータ14cの出力軸角度θ3と把持開始推定信号faとの関係を示すグラフである。上述したように、θ3=−θgであるため、θ3が増加するほど把持力が高くなる。
FIG. 16 is a graph showing the relationship between the output shaft angle θ3 of the
把持開始推定信号faが図15に示した既定値f1と一致するときの把持角度は、図16では符号を反転させて−θtとしている。仮に物体Aを用いて関係付けられた把持角度と把持力の関係から把持力を調整する機能が初期設定されていたとする。この設定で、物体Aよりも柔らかい物体Bを把持すると、算出された最閉角度θc(モータ14cの出力軸では−θc)までグリッパ4を閉じても予定の把持力まで達しない。これは物体Aの硬さ係数kaと物体Bの硬さ係数kbとが異なり、同じ角度θhだけ閉じても把持力は異なるためである。
The grip angle when the grip start estimation signal fa matches the predetermined value f1 shown in FIG. 15 is set to −θt by inverting the sign in FIG. It is assumed that a function for adjusting the gripping force from the relationship between the gripping angle and the gripping force related using the object A is initially set. With this setting, when the object B softer than the object A is gripped, even if the
そこで、物体の硬さ係数を、把持動作中であって、グリッパ軸角度θgが把持開始を認識した把持開始角度θtからそのとき算出された最閉角度θcまでの間の角度θuにあるときのグリッパ軸動作に関わるモータ軸角度、ここではモータ14cの出力軸角度と、把持開始推定オブザーバ51の出力との関係を最小二乗法で算出する。算出された値はその物体bの硬さを表す指標kbである。
Therefore, the hardness coefficient of the object is during the gripping operation, and the gripper shaft angle θg is at an angle θu between the grip start angle θt at which the grip start is recognized and the most closed angle θc calculated at that time. The relationship between the motor shaft angle related to the gripper shaft operation, here the output shaft angle of the
予め物体aの硬さ係数kaを同様の手法で算出しておくとすると、物体aを把持する把持角度θaで設定された把持力と同等の把持力で物体bを把持するときの把持角度θbの関係は以下の(17)式で表される。 If the hardness coefficient ka of the object a is calculated in advance by the same method, the gripping angle θb when gripping the object b with the gripping force equivalent to the gripping force set by the gripping angle θa for gripping the object a Is represented by the following equation (17).
kaθa=kbθb …(17)
この場合、kb<kaであるから、θb>θaである。よって、物体aを把持角度θaで把持した場合の把持力と同等の把持力で物体bを把持するときの把持角度θbとの差Δθcは、以下の(18)式で表すことができる。
In this case, since kb <ka, θb> θa. Therefore, the difference Δθc between the gripping angle θb and the gripping angle θb when gripping the object b with the gripping force equivalent to the gripping force when gripping the object a with the gripping angle θa can be expressed by the following equation (18).
上記(18)式で算出された分だけ最閉角度を増やせばよいことになる。 It is only necessary to increase the most closed angle by the amount calculated by the above equation (18).
図17は硬さ補正処理の処理手順の一例を示すフローチャートである。この処理は図6のフローチャート内のステップS13の処理の中で行われ、より具体的には図11の処理に引き続いて行われる。 FIG. 17 is a flowchart showing an example of the processing procedure of the hardness correction processing. This process is performed in the process of step S13 in the flowchart of FIG. 6, and more specifically, is performed subsequent to the process of FIG.
まず、図11の処理によって求めた把持開始角度θtとグリッパ軸最閉角度θcを取得する。そして把持開始角度θtとグリッパ軸最閉角度θcとから、角度θuを取得する。(ステップS41)。次に、グリッパ軸角度θgがθt>θg>θuの範囲内にあるか否かを判定する(ステップS42)。ステップS42の判定がYESの場合には、その時点でのグリッパ軸動作に関係するモータ出力軸角度、具体的にはモータ14cの出力軸角度θ3と、モータ14cに対応する把持開始推定信号faを取得して保存する(ステップS43)。θ3とfaを保存する理由は、後に硬さ係数kbを算出する際に用いるためである。このステップS43の処理は記録手段に対応する。
First, the grip start angle θt and the gripper shaft most closed angle θc obtained by the processing of FIG. 11 are acquired. Then, the angle θu is obtained from the grip start angle θt and the gripper shaft most closed angle θc. (Step S41). Next, it is determined whether or not the gripper shaft angle θg is within a range of θt> θg> θu (step S42). If the determination in step S42 is YES, the motor output shaft angle related to the gripper shaft operation at that time, specifically, the output shaft angle θ3 of the
ステップS42の判定がNOの場合には、物体の違いによる補正を行ったか否かを示す補正フラグの状態を判定する(ステップS44)。この補正フラグは初期状態ではリセットされており、補正前であることを示している。 If the determination in step S42 is NO, the state of a correction flag indicating whether correction due to the difference in object has been performed is determined (step S44). This correction flag is reset in the initial state, indicating that it is before correction.
補正フラグがリセット状態と判断された場合は、ステップS43で保存したモータ出力軸角度θ3と把持開始推定信号faを用いて最小二乗法により硬さ係数を算出し(ステップS45)、上述した(18)式に基づいてグリッパ軸最閉角度を更新し(ステップS46)、補正フラグをセットする(ステップS47)。このステップS45の処理は硬さ推定手段に対応し、ステップS46の処理は姿勢軸限界角度更新手段に対応する。 When it is determined that the correction flag is in the reset state, the hardness coefficient is calculated by the least square method using the motor output shaft angle θ3 and the grip start estimation signal fa stored in step S43 (step S45), and the above-described (18 ) Updates the gripper shaft most closed angle (step S46) and sets a correction flag (step S47). The processing in step S45 corresponds to hardness estimation means, and the processing in step S46 corresponds to posture axis limit angle updating means.
以降、グリッパ軸目標値θgが更新された最閉角度になるまでの間、補正フラグはセット状態を維持するため、新たな最閉角度で制御される。なお、把持状態が解除されて把持フラグがリセットされるとともに、補正フラグもリセットされる。 Thereafter, until the gripper shaft target value θg reaches the updated most closed angle, the correction flag is controlled at a new most closed angle in order to maintain the set state. Note that the gripping state is released and the gripping flag is reset, and the correction flag is also reset.
図17のステップS46では、対象物の硬さ係数を算出しているが、この係数を提示(表示)するようにすれば、対象物の硬さを操作者に知らせることができる。ただし、実際には、対象物の動力学モデルには速度に依存するダンパ効果があることや、マニピュレータ全体に作用する力と把持力との区別などが困難であることなどから、絶対的な物体の硬さを算出提示することは困難である。しかし、同様な把持動作を自動動作などで実現すれば、対象物の部分ごとに把持した結果から、相対的な硬さの違いを認識することが可能である。この機能により、周囲に対してある部分だけ硬さが違うとその部分を推定して候補として上げることができる。 In step S46 of FIG. 17, the hardness coefficient of the object is calculated. If this coefficient is presented (displayed), the operator can be informed of the hardness of the object. In reality, however, the dynamic model of the object has a damper effect that depends on the speed, and it is difficult to distinguish between the force acting on the entire manipulator and the gripping force. It is difficult to calculate and present the hardness. However, if a similar gripping operation is realized by an automatic operation or the like, it is possible to recognize a difference in relative hardness from the result of gripping each part of the object. With this function, if the hardness of a certain part is different from the surroundings, that part can be estimated and raised as a candidate.
このように、第4の実施形態では、把持対象物が硬い場合と柔らかい場合では、同じ把持角度を設定しても、同じ把持力にはならないことから、把持開始角度を推定した後に対象物の硬さ係数を計算し直して、グリッパの最閉角度を更新するため、対象物の硬さに応じて把持力を調整できる。これにより、対象物の硬さに差異があっても、角度制御により精度よく把持力を調整できる。 Thus, in the fourth embodiment, when the gripping object is hard and soft, even if the same gripping angle is set, the same gripping force is not obtained. Therefore, after the gripping start angle is estimated, Since the hardness coefficient is recalculated and the most closed angle of the gripper is updated, the gripping force can be adjusted according to the hardness of the object. Thereby, even if there is a difference in hardness of the object, the gripping force can be adjusted with high accuracy by angle control.
(第5の実施形態)
第5の実施形態は、初期姿勢誤差を推定して初期姿勢を補正するものである。
(Fifth embodiment)
In the fifth embodiment, the initial posture error is estimated and the initial posture is corrected.
上述した把持開始推定オブザーバ51は、物体を把持していない場合、例えばマニピュレータの場合は、グリッパを構成する第1および第2の作用部材325,326が接触した角度を推定することになる。例えば、グリッパを閉じた状態を初期姿勢とすれば、グリッパ軸における初期姿勢を推定することになる。したがって、マニピュレータの製造、組み立て誤差によりグリッパ軸の初期姿勢にばらつきが生じても、グリッパ軸の試行動作中の把持開始推定信号faに基づいて、初期姿勢の誤差を推定して補正することができる。
When the above-described grip start
もちろん、本実施形態の手法によれば、物体の大きさによらず把持開始点を推定できるため、初期姿勢に誤差があっても、その影響を受けることなく、把持力を調整することができるのは言うまでもない。 Of course, according to the method of the present embodiment, since the grip start point can be estimated regardless of the size of the object, even if there is an error in the initial posture, the grip force can be adjusted without being affected by the error. Needless to say.
初期姿勢の補正は、例えば以下の手順で行われる。マニピュレータを使用する前の準備動作等でグリッパに強く把持する動作を行わせて、初期姿勢誤差を推定して記録しておく。運用中に推定した把持開始点の最小値は、物体を把持せずにグリッパの第1および第2の作用部材325,326が接触した点である。この最小値が運用中あるいは運用再開時に低下していることが確認されたら、動力伝達機構に異常が発生していると推定でき、簡易的に異常検知手段を実現できる。例えば、動力伝達機構におけるワイヤの伸びやほつれ、ワイヤとプーリとの締結緩み、軸のずれなどにより、認識した把持開始点の低下が考えられる。
The correction of the initial posture is performed by the following procedure, for example. An initial posture error is estimated and recorded by causing the gripper to perform a strong gripping operation such as a preparatory operation before using the manipulator. The minimum value of the grip start point estimated during operation is the point where the first and
このように、把持開始点の最小値を記録して、その変化を観測することで、マニピュレータの異常検知を行うことができる。同様に、準備動作等における物体を把持しない把持動作において、硬さ係数を算出して記録しておき、定期的な同等の動作でこの値を比較することで、ワイヤの硬さ変化すなわち、ワイヤの劣化を検知することができる。検知した結果は表示器等で使用者に知らせればよい。 Thus, by recording the minimum value of the grip start point and observing the change, abnormality detection of the manipulator can be performed. Similarly, in a gripping operation that does not grip an object in a preparatory operation or the like, a hardness coefficient is calculated and recorded, and this value is compared in a regular equivalent operation, thereby changing the hardness of the wire, that is, the wire Can be detected. The detected result may be notified to the user with a display or the like.
以上、作用部4の機構としてグリッパが物体を把持する場合について説明してきたが、本発明に係るマニピュレータシステムの作用部4においては、例えば、物体を二つに分ける作用を行う機構、物体を一定方向に押さえつける機構、物体を切断する機構などを有する作用部4に対して適用できるのは言うまでもない。例えば対象物を剥離する機構を有する作用部4を制御する場合は、図17においてグリッパ軸目標値の向きを反対にすればよい。このようにシステム構成によって出力の向きが変わるが、それに応じて、出力信号の扱い方をプラス側をマイナス側、判定処理における「以上」を「以下」、「未満」を「より大きい」など、適宜変更すればよい。
As described above, the case where the gripper grips an object has been described as the mechanism of the
また、本発明に係るマニピュレータシステムは、医療用に限らず、例えば、配管内で異物除去を行う作業用ロボット、家庭やオフィス、店舗等で物品を運搬するロボットなどの種々の用途のシステムにも適用可能である。 In addition, the manipulator system according to the present invention is not limited to medical use, for example, a system for various uses such as a working robot that removes foreign matter in a pipe, and a robot that carries articles in a home, office, store, etc. Applicable.
さらに、本発明に係るマニピュレータのアクチュエータは、電機モータに限らず、空圧アクチュエータ等でもよい。本発明は、電機モータの電流に相当する量をセンシングできるアクチュエータで駆動されるマニピュレータシステムに幅広く適用可能である。 Furthermore, the actuator of the manipulator according to the present invention is not limited to an electric motor, and may be a pneumatic actuator or the like. The present invention can be widely applied to a manipulator system driven by an actuator capable of sensing an amount corresponding to an electric current of an electric motor.
図5に示した制御装置2の内部構成の少なくとも一部は、ハードウェアで構成してもよいし、ソフトウェアで構成してもよい。ソフトウェアで構成する場合には、制御装置2の少なくとも一部の機能を実現するプログラムをフレキシブルディスクやCD−ROM等の記録媒体に収納し、コンピュータに読み込ませて実行させてもよい。記録媒体は、磁気ディスクや光ディスク等の着脱可能なものに限定されず、ハードディスク装置やメモリなどの固定型の記録媒体でもよい。
At least a part of the internal configuration of the
また、制御装置2の少なくとも一部の機能を実現するプログラムを、インターネット等の通信回線(無線通信も含む)を介して頒布してもよい。さらに、同プログラムを暗号化したり、変調をかけたり、圧縮した状態で、インターネット等の有線回線や無線回線を介して、あるいは記録媒体に収納して頒布してもよい。
In addition, a program that realizes at least a part of the functions of the
この他、上記の記載に基づいて、当業者であれば、本発明の追加の効果を想到できたり、種々の変形が可能であるかもしれないが、これらも本発明の開示範囲に含まれるものと思料される。本発明の態様は、上述した個々の実施形態には限定されない。特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から定義される技術的範囲から逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。 In addition, based on the above description, those skilled in the art may arrive at additional effects of the present invention and various modifications may be made, but these are also included in the disclosure scope of the present invention. It is thought. Aspects of the invention are not limited to the individual embodiments described above. Various additions, modifications, and partial deletions can be made without departing from the technical scope defined by the content defined in the claims and equivalents thereof.
1 マニピュレータ本体
2 制御装置
3 操作指令部
4 作用部
5 連結部
6 駆動部
7 作業部
8 操作部
51 把持開始推定オブザーバ
52 把持角度決定部
53 逆キネマティック行列演算部
54 PID制御部
55 モータ駆動部
56 目標把持角度設定部
57 最閉角度決定部
58 操作量更新部
DESCRIPTION OF
Claims (14)
前記アクチュエータの動力に基づいて対象物に対して力を作用する作用部と、
可撓性部材を有し、前記アクチュエータの動力を前記作用部に伝達する動力伝達機構と、
前記アクチュエータを制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
角速度および加速度の少なくとも一方の大きさには依存しないが方向には依存する項を考慮に入れずに、前記作用部の作用力開始角度を推定するためのオブザーバ信号を生成するオブザーバ信号生成手段と、
前記オブザーバ信号の信号レベルを所定の基準値と比較することにより、作用力開始角度を推定する作用力開始角度推定手段と、
予め設定された前記作用部の作用力に対応する姿勢軸角度と前記作用力開始角度推定手段で推定された作用力開始角度とに基づいて、姿勢軸限界角度を検出する限界角度検出手段と、
前記作用部の姿勢軸角度を前記姿勢軸限界角度まで角度制御する角度制御手段と、を有することを特徴とするマニピュレータシステム。 An actuator,
An action unit that applies a force to an object based on the power of the actuator;
A power transmission mechanism having a flexible member and transmitting the power of the actuator to the action portion;
A control unit for controlling the actuator,
The controller is
An observer signal generating means for generating an observer signal for estimating an acting force start angle of the acting portion without taking into consideration a term that does not depend on a magnitude of at least one of angular velocity and acceleration but depends on a direction; ,
Action force start angle estimation means for estimating an action force start angle by comparing the signal level of the observer signal with a predetermined reference value;
Limit angle detection means for detecting a posture axis limit angle based on a posture axis angle corresponding to a preset action force of the action portion and an action force start angle estimated by the action force start angle estimation means;
And an angle control means for controlling the attitude axis angle of the action part to the attitude axis limit angle.
前記複数のアクチュエータの動力に基づいて対象物に対して力を作用する姿勢軸と、前記対象物をそれぞれ異なる方向に動作させる複数の動作軸と、を有する作用部と、
可撓性部材を有し、前記アクチュエータの動力を前記作用部に伝達する動力伝達機構と、
前記アクチュエータを制御する制御部と、を備え、
前記複数のアクチュエータは、前記姿勢軸および前記複数の動作軸の駆動に影響を与える干渉系アクチュエータであり、
前記制御部は、
前記複数のアクチュエータのそれぞれごとに設けられ、角速度および加速度の少なくとも一方の大きさには依存しないが方向には依存する項を考慮に入れずに、前記作用部の作用力開始角度を推定するためのオブザーバ信号候補をそれぞれ生成する複数のオブザーバ信号候補生成手段と、
前記複数のアクチュエータの各駆動軸の動作速度に応じて、前記複数の作用力開始角度推定手段から出力されたオブザーバ信号のいずれか一つを選択するオブザーバ信号選択手段と、
前記オブザーバ信号の信号レベルを所定の基準値と比較することにより、作用力開始角度を推定する作用力開始角度推定手段と、
予め設定された前記作用部の作用力に対応する姿勢軸角度と前記作用力開始角度推定手段で選択されたオブザーバ信号に対応する作用力開始角度とに基づいて、姿勢軸限界角度を検出する限界角度検出手段と、
前記作用部の姿勢軸角度を前記姿勢軸限界角度まで角度制御する角度制御手段と、を有することを特徴とするマニピュレータシステム。 Multiple actuators;
An action unit having a posture axis that applies a force to an object based on power of the plurality of actuators, and a plurality of operation axes that move the object in different directions;
A power transmission mechanism having a flexible member and transmitting the power of the actuator to the action portion;
A control unit for controlling the actuator,
The plurality of actuators are interference system actuators that affect the driving of the posture axis and the plurality of operation axes,
The controller is
In order to estimate the acting force start angle of the acting portion, which is provided for each of the plurality of actuators and does not take into consideration a term that does not depend on the magnitude of at least one of angular velocity and acceleration but depends on the direction. A plurality of observer signal candidate generating means for generating the respective observer signal candidates,
Observer signal selection means for selecting any one of the observer signals output from the plurality of acting force start angle estimation means according to the operation speed of each drive shaft of the plurality of actuators;
Action force start angle estimation means for estimating an action force start angle by comparing the signal level of the observer signal with a predetermined reference value;
A limit for detecting a posture axis limit angle based on a preset posture axis angle corresponding to the acting force of the acting portion and an acting force start angle corresponding to an observer signal selected by the acting force start angle estimating means An angle detection means;
And an angle control means for controlling the attitude axis angle of the action part to the attitude axis limit angle.
前記オブザーバ信号選択手段で選択されたオブザーバ信号と予め設定された動作軸補正基準値とに基づいて、前記複数の動作軸の動作量を補正するための動作軸補正開始角度を推定する補正開始角度推定手段と、
前記動作軸補正開始角度が推定された後に、前記作用部の姿勢軸角度に基づいて前記複数の動作軸の偏差角度を算出する偏差角度算出手段と、
前記偏差角度に基づいて前記複数の動作軸の動作量を補正する動作軸補正手段と、を有することを特徴とする請求項2または3に記載のマニピュレータシステム。 The controller is
A correction start angle for estimating an operation axis correction start angle for correcting an operation amount of the plurality of operation axes based on an observer signal selected by the observer signal selection means and a preset operation axis correction reference value. An estimation means;
A deviation angle calculation means for calculating a deviation angle of the plurality of movement axes based on a posture axis angle of the action part after the movement axis correction start angle is estimated;
The manipulator system according to claim 2, further comprising an operation axis correction unit that corrects an operation amount of the plurality of operation axes based on the deviation angle.
前記制御部は、前記作用力開始角度推定手段により推定された作用力開始角度に対応する前記操作指令部の操作量を基点として、前記操作指令部の操作量と前記作用部の姿勢軸角度との相関関係に基づいて、前記作用部の作用力を調整することを特徴とする請求項1乃至8のいずれかに記載のマニピュレータシステム。 An operation command unit for operating and commanding the acting force of the working unit;
The control unit uses the operation amount of the operation command unit corresponding to the action force start angle estimated by the action force start angle estimation unit as a base point, the operation amount of the operation command unit, and the attitude axis angle of the action unit, The manipulator system according to claim 1, wherein an action force of the action part is adjusted on the basis of the correlation.
前記作用部の姿勢軸角度が作用力開始角度と姿勢軸限界角度との間にある場合に、前記作用部の姿勢軸の駆動に直接関係するアクチュエータの駆動軸角度と、該アクチュエータに対応する前記作用力開始角度推定手段から出力されたオブザーバ信号とを記録する記録手段と、
前記作用部の姿勢軸角度が前記姿勢軸限界角度に達したときに、前記記録手段で記録された駆動軸角度とオブザーバ信号とを用いて前記対象物の硬さを推定する硬さ推定手段と、
予め設定された基準の硬さと前記硬さ推定手段で推定された硬さとに基づいて、前記姿勢軸限界角度を更新する姿勢軸限界角度更新手段と、を有することを特徴とする請求項1乃至11のいずれかに記載のマニピュレータシステム。 The controller is
When the posture axis angle of the action portion is between the action force start angle and the posture axis limit angle, the drive shaft angle of the actuator directly related to the drive of the posture axis of the action portion and the corresponding to the actuator Recording means for recording the observer signal output from the acting force start angle estimating means;
Hardness estimation means for estimating the hardness of the object using the drive shaft angle and the observer signal recorded by the recording means when the posture axis angle of the action part reaches the posture axis limit angle; ,
2. An attitude axis limit angle updating unit that updates the attitude axis limit angle based on a preset reference hardness and the hardness estimated by the hardness estimation unit. The manipulator system according to any one of 11.
前記アクチュエータの動力に基づいて前記対象物に対して力を作用する作用部と、
可撓性部材を有し、前記アクチュエータの動力を前記作用部に伝達する動力伝達機構と、
前記アクチュエータを制御する制御部と、を備えたマニピュレータシステムの制御方法であって、
前記制御部は、
角速度および加速度の少なくとも一方の大きさには依存しないが方向には依存する項を考慮に入れずに、前記作用部の作用力開始角度を推定するためのオブザーバ信号を生成するステップと、
前記オブザーバ信号の信号レベルを所定の基準値と比較することにより、作用力開始角度を推定するステップと、
予め設定された前記作用部の作用力に対応する姿勢軸角度と前記推定された作用力開始角度とに基づいて、姿勢軸限界角度を検出するステップと、
前記作用部の姿勢軸角度を前記姿勢軸限界角度まで角度制御するステップと、を有することを特徴とするマニピュレータシステムの制御方法。 An actuator for driving the posture axis of the object;
An action unit that applies a force to the object based on the power of the actuator;
A power transmission mechanism having a flexible member and transmitting the power of the actuator to the action portion;
A control unit for controlling the actuator, and a control method of a manipulator system comprising:
The controller is
Generating an observer signal for estimating an acting force start angle of the acting portion without taking into consideration a term that does not depend on the magnitude of at least one of angular velocity and acceleration but depends on a direction;
Estimating the acting force start angle by comparing the signal level of the observer signal with a predetermined reference value;
Detecting a posture axis limit angle based on a posture axis angle corresponding to a preset acting force of the acting portion and the estimated acting force start angle;
And a step of controlling the attitude axis angle of the action part to the attitude axis limit angle.
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