JP2011235423A - Force control device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、組立、ばりとり、研磨、基板実装、検査などを行うロボット、自動組立装置、実装機、加工機、検査装置などに適用される力制御装置に関する。 The present invention relates to a force control device applied to a robot that performs assembly, deburring, polishing, substrate mounting, inspection, and the like, an automatic assembly apparatus, a mounting machine, a processing machine, and an inspection apparatus.
一般的な力制御装置において、部品を収納したマガジンから部品を取り出し、所定位置まで移動して部品組み付け作業を行うロボットの先端部には、力センサが設けられている。ロボットコントローラは、力センサで検出した力のフィードバックによるコンプライアンス制御を行い、検出した力とあらかじめ設定された力の閾値とを比較して、その比較結果により、次のロボット動作の決定、作業成否の判定を行う。 In a general force control device, a force sensor is provided at the tip of a robot that takes out a component from a magazine that stores the component, moves the component to a predetermined position, and performs component assembly work. The robot controller performs compliance control by feedback of the force detected by the force sensor, compares the detected force with a preset force threshold, and determines the next robot operation and determines whether the work is successful or not based on the comparison result. Make a decision.
例えば、丸棒状の部品をハンドで把持し、下降し、挿入するといった一連の動作を行う場合、挿入中(下降中)に検出した力が閾値を超えた場合には、ロボットコントローラは、挿入作業が失敗したと判断し、下降動作を停止する。この結果、過大な力の発生を防止することができる。そして、ハンド停止後は、再び作業を行うか、あるいは、異常警報を発生することとなる。 For example, when performing a series of operations such as gripping a round bar-shaped part with a hand, lowering it, and inserting it, and the force detected during insertion (descent) exceeds a threshold value, the robot controller Is determined to have failed, and the descent operation is stopped. As a result, generation of excessive force can be prevented. Then, after the hand stops, the work is performed again or an abnormal alarm is generated.
しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
挿入作業の失敗を検知して停止する場合、検知した地点から実際に停止するまでの間に、ロボットは下降する。このため、ロボットおよび対象物には、この下降の間に、検出に用いた閾値以上の力が作用することも考えられる。挿入失敗を検知して停止した際に作用する力(以下の説明においては、このような「作用する力」のことを単に作用力と表現する場合もある)が、ロボットおよび対象物の許容値以下となるようにするには、停止時の作用力が許容値以下となることを保証できる速度以下で下降させる必要がある。
However, the prior art has the following problems.
When the insertion operation is detected and stopped, the robot moves down from the detected point until it actually stops. For this reason, it is conceivable that a force greater than the threshold value used for detection acts on the robot and the object during the descent. The force that acts when the insertion failure is detected and stopped (in the following description, such “acting force” may be simply expressed as acting force) is the allowable value of the robot and the object. In order to satisfy the following condition, it is necessary to lower the speed below the speed at which it can be ensured that the acting force at the time of stoppage is less than the allowable value.
しかしながら、従来の力制御装置は、停止時の作用力が許容値以下となる速度を算出する機能を備えていなかった。このため、必要以上に下降速度を下げる、あるいは、停止時の作用力が許容値以下となる速度を試行錯誤であらかじめ求めておくといった対策が必要であった。しかしながら、前者の場合は、速度が遅いため、動作時間が長くなるといった問題があった。また、後者の場合には、事前調整に時間を要するといった問題があった。 However, the conventional force control device does not have a function of calculating a speed at which the acting force at the time of stopping is equal to or less than an allowable value. For this reason, it is necessary to take measures such as lowering the descending speed more than necessary, or obtaining in advance trial and error a speed at which the acting force at the time of stopping is less than an allowable value. However, in the former case, there is a problem that the operation time becomes long because the speed is low. In the latter case, there is a problem that time is required for the pre-adjustment.
本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、挿入失敗等により力制限を超過した際にロボットを動作途中で減速停止する場合でも、作用力が許容値以下となる制約を満たす範囲で動作時間の短縮を図ること、および作用力が許容値以下となる制約を満たす範囲で動作時間の短縮を実現するための調整時間の短縮を図ることのできる力制御装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems. When the force limit is exceeded due to an insertion failure or the like, even when the robot is decelerated and stopped in the middle of the operation, the acting force is less than the allowable value. A force control device capable of shortening the operation time within a range satisfying the constraints and shortening the adjustment time for realizing the shortening of the operation time within a range satisfying the constraints where the acting force is less than an allowable value is obtained. For the purpose.
本発明に係る力制御装置は、対象物に対するロボットの目標位置指令を生成する指令生成手段と、目標位置指令に応じてロボットの追従制御を行うロボット制御手段と、追従動作に伴って対象物からロボットへ働く作用力が、対象物もしくはロボットにより決まる作用力の上限値に相当する所定の許容値よりも小さい値として規定される所定の力制限値を超過した場合に、指令生成手段で生成される目標位置指令によりロボットを減速停止させるための停止指令を生成する力制限超過判別手段と、力制限超過判別手段により停止指令が生成されることでロボットを減速停止させる場合を考慮して、対象物の特性および所定の力制限値に基づいて、減速停止中において作用力が所定の許容値以下になる制約を満たす範囲で、動作速度を最大にする最適速度を算出する速度最適化手段とを備え、指令生成手段は、速度最適化手段で算出された最適速度に応じた目標位置指令を生成するとともに、力制限超過判別手段で生成された停止指令を受信した場合には、ロボットを減速停止させる指令を生成するものである。 A force control device according to the present invention includes: a command generation unit that generates a target position command for a robot with respect to an object; a robot control unit that performs tracking control of the robot in accordance with the target position command; Generated by the command generation means when the acting force acting on the robot exceeds a predetermined force limit value defined as a value smaller than a predetermined allowable value corresponding to the upper limit value of the acting force determined by the object or robot. Considering the case where the force limit excess discriminating means for generating a stop command for decelerating and stopping the robot by the target position command and the case of decelerating and stopping the robot by generating the stop command by the force limit excess discriminating means Based on the characteristics of the object and the predetermined force limit value, the operating speed is maximized within a range that satisfies the constraint that the applied force is below the predetermined allowable value during deceleration stop. A speed optimization unit that calculates an optimum speed, and the command generation unit generates a target position command corresponding to the optimum speed calculated by the speed optimization unit and a stop command generated by the force limit excess determination unit Is received, a command to decelerate and stop the robot is generated.
本発明に係る力制御装置によれば、対象物からロボットへ働く作用力が所定の力制限を超過したことでロボットを減速停止させる必要が生じた際に、減速停止中の作用力が許容値以下となる制約を満たす範囲での最高速度を算出し、算出した最高速度に基づいて位置指令を生成してロボットを動作させることで、作用力が許容値以下となる制約を満たす範囲でロボット動作時間を短縮でき、ロボット動作時間短縮のための事前の立上げ調整時間の短縮化を図ることのできる力制御装置を得ることができる。 According to the force control device of the present invention, when the acting force acting on the robot from the object exceeds a predetermined force limit, the acting force during the deceleration stop is an allowable value when it is necessary to decelerate and stop the robot. By calculating the maximum speed in the range that satisfies the following constraints and generating the position command based on the calculated maximum speed and operating the robot, the robot operates within the range that satisfies the constraint that the applied force is less than the allowable value. It is possible to obtain a force control device that can shorten the time and shorten the startup adjustment time in advance for shortening the robot operation time.
以下、本発明の力制御装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of a force control device of the present invention will be described with reference to the drawings.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1における力制御装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態1における力制御装置は、指令生成手段10、ロボット制御手段20、力制限超過判別手段30、および速度最適化手段40を備えており、制御対象であるロボット1の追従制御を行っている。このロボット1は、1軸もしくは複数軸のモータを備えるものであり、その一例として、産業用ロボットと呼ばれる6軸垂直多関節ロボット、あるいは4軸水平多関節ロボットが挙げられる。
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the force control device according to
指令生成手段10は、ロボット1に時々刻々の目標位置を与える。ロボット制御手段20は、指令生成手段10から与えられた位置指令に応じて、ロボット1を追従制御する。
The command generation means 10 gives the robot 1 a target position every moment. The
ロボット1の先端部近辺もしくはロボット1が作業する対象には、作用する力とモーメントを計測するための力覚センサ2が取り付けられている。そして、力覚センサ2で測定された力およびモーメントは、力検出値としてロボット制御手段20に入力されるとともに、力制限超過判別手段30にも入力される。
A
力検出値は、6軸の力覚センサ2を用いている場合には、3軸方向の力と各軸周りのモーメントで構成され、5軸以下の力覚センサ2を用いている場合には、3軸方向の力と各軸周りのモーメントのうち、計測できるデータのみで構成される。
The force detection value is composed of a force in three axes and a moment around each axis when the six-
また、ロボット1を駆動する各軸のモータには、エンコーダやレゾルバなどの各軸のモータ位置を測定する位置センサ3がそれぞれ取り付けられており、こうした位置センサ3で測定した各軸のモータ位置は、ロボット制御手段20に入力される。
In addition, a
力制限超過判別手段30は、軸ごとにあらかじめ記憶された所定の力閾値と力覚センサ2から送信される力検出値とを比較し、少なくとも1つの軸方向の力もしくはモーメントが力閾値を超えた場合には、指令生成手段10に停止指令を送信する。なお、本実施の形態1では、力制限超過の判別を、検出した力とモーメントの各成分に対してそれぞれ所定の力閾値と比較することで実施しているが、合成した力やモーメントに対して実施してもよい。
The force limit excess determining means 30 compares a predetermined force threshold stored in advance for each axis with the force detection value transmitted from the
速度最適化手段40は、力制限超過判別手段30から入力される力制限値(力閾値)、ロボット制御手段20から入力されるコンプライアンス制御パラメータ、および速度最適化手段40の内部にあらかじめ設定されている力許容値、対象物の剛性に関するパラメータ(対象物のばね定数)に基づいて、最適速度を求め、指令生成手段10に出力する。 The speed optimization means 40 is set in advance in the force limit value (force threshold) input from the force limit excess determination means 30, the compliance control parameter input from the robot control means 20, and the speed optimization means 40. The optimum speed is obtained based on the allowable force value and the parameter relating to the rigidity of the object (the spring constant of the object), and is output to the command generation means 10.
ここで、力許容値は、力制限値よりも大きい値であり、対象物の制約もしくはロボットの制約の低い方により決まる絶対超えてはいけない作用力の上限値であり、この値を超過することがないようにロボットを制御する値に相当する。一方、力制限値は、力許容値以下となる制約を満たすために設ける制限値で、力制限値を超えたらロボットを減速停止させることで、作用力が力許容値を超えることを防止しようとするものである。 Here, the force allowance value is a value larger than the force limit value, and is the upper limit value of the acting force that must not be exceeded, which is determined by the lower of the object restrictions or robot restrictions, and exceeds this value. It corresponds to a value for controlling the robot so that there is no. On the other hand, the force limit value is a limit value that is set to satisfy the constraint that is less than or equal to the force limit value. When the force limit value is exceeded, the robot is decelerated and stopped to prevent the applied force from exceeding the force limit value. To do.
また、速度最適化手段40が出力する「最適速度」とは、力制限超過判別手段30で力制限超過を判別し停止する場合に、対象物およびロボット1に作用する力およびモーメントが、速度最適化手段40の内部に設定されている力許容値以下となる上限速度を意味している。
The “optimum speed” output from the speed optimization means 40 means that the force and moment acting on the object and the
指令生成手段10は、速度最適化手段40から入力された最適速度を最高速度とし、指令生成手段10の内部に記憶されている加減速パラメータに基づいて、指令生成周期ごとに位置指令を生成し、ロボット制御手段20に出力する。また、指令生成手段10は、力制限超過判別手段30から停止指令を受け取ると、現在の位置・速度から減速停止する指令を生成して、ロボット制御手段20に送信する。
The command generation means 10 sets the optimum speed input from the speed optimization means 40 as the maximum speed, and generates a position command for each command generation period based on the acceleration / deceleration parameters stored in the command generation means 10. To the robot control means 20. In addition, when receiving a stop command from the force limit
次に、ロボット制御手段20の機能について、詳細に説明する。図2は、本発明の実施の形態1におけるロボット制御手段20の内部構成図である。図2におけるロボット制御手段20は、力覚考慮補正手段21、逆変換手段22、および各軸位置制御手段23で構成されている。
Next, the function of the robot control means 20 will be described in detail. FIG. 2 is an internal configuration diagram of the robot control means 20 according to the first embodiment of the present invention. The
力覚考慮補正手段21は、指令生成手段10で生成された位置指令に基づいて、位置指令修正量を生成する。この位置指令修正量の生成の詳細に関しては、後述する。そして、位置指令は、力覚考慮補正手段21の出力である位置指令修正量を加算することで補正される。
The haptic
次に、逆変換手段22は、位置指令と位置指令修正量との加算値に対して、手先位置姿勢を実現する各軸のモータ位置を算出する逆変換計算を行い、ロボットの各軸の位置指令である関節位置指令に変換する。 Next, the inverse conversion means 22 performs an inverse conversion calculation for calculating the motor position of each axis that realizes the hand position / posture with respect to the added value of the position command and the position command correction amount, and the position of each axis of the robot. It is converted into a joint position command which is a command.
変換した関節位置指令は、各軸位置制御手段23に入力される。各軸位置制御手段23は、入力された関節位置指令に各軸のモータ位置が追従するように制御を行う。図3は、本発明の実施の形態1における各軸位置制御手段23の構成図の一例である。
The converted joint position command is input to each axis position control means 23. Each axis position control means 23 performs control so that the motor position of each axis follows the input joint position command. FIG. 3 is an example of a configuration diagram of each axis position control means 23 in
図3に示す各軸位置制御手段23の内部は、それぞれの軸(1軸〜n軸)が、比例演算部23a、微分演算部23b、および比例積分演算部23cで構成されている。符号の後ろの()内の数字は、軸の番号に対応している。
In each axis position control means 23 shown in FIG. 3, each axis (1 axis to n axis) is constituted by a proportional calculation unit 23a, a
比例演算部23aは、各軸の位置指令と当該軸のモータ位置との差に対して比例演算を行う。一方、微分演算部23bは、モータ位置を微分することでモータ速度を算出する。そして、比例積分演算部23cは、比例演算部23aの出力から微分演算部23bの出力を減算した値に対して比例積分演算を行う。
The proportional calculation unit 23a performs proportional calculation on the difference between the position command of each axis and the motor position of the axis. On the other hand, the
上記制御系は、位置比例制御系の内部に速度比例積分制御系がある構成になっており、モータの位置制御系としてはよく使われる構成である。なお、図3に示した一例では、各軸位置制御手段23の構成として、各軸ごとにモータ位置制御と速度制御を行うフィードバック制御系の構成とした。しかしながら、本発明の制御系は、このような構成に限定されるものではない。各軸ごとにオブザーバを含む制御系であってもよいし、フィードフォワードを含む制御系であっても構わない。また、全て各軸独立した構成ではなく、軸間の干渉トルクをフィードフォワードもしくはフィードバックで補正する構成であっても構わない。 The control system has a configuration in which a speed proportional integration control system is provided inside the position proportional control system, and is often used as a motor position control system. In the example shown in FIG. 3, each axis position control means 23 is configured as a feedback control system that performs motor position control and speed control for each axis. However, the control system of the present invention is not limited to such a configuration. A control system including an observer for each axis may be used, or a control system including feedforward may be used. In addition, the configuration is not limited to independent of each axis, and may be a configuration in which interference torque between the axes is corrected by feedforward or feedback.
次に、力覚考慮補正手段21の内部構成について、詳細に説明する。図4は、本発明の実施の形態1における力覚考慮補正手段21の内部構成図である。図4に示すように、本実施の形態1における力覚考慮補正手段21は、ツール座標系座標変換部211、スティフネス行列部212、微分演算部213、ダンピング行列部214、比例ゲイン演算部215、直交座標系座標変換部216、積分演算部217、ツール座標系座標変換部218、および順変換部219を備えている。
Next, the internal configuration of the force sense
まず、順変換部219は、各軸モータ位置からそのときの手先位置姿勢を算出する順変換を行い、手先位置姿勢を算出する。ツール座標系座標変換部211は、指令生成手段10で生成された位置指令(手先位置姿勢の指令)と、順変換部219で算出された手先位置姿勢との差を入力として、ツール座標系への座標変換を行う。ここで、「ツール座標系」とは、ロボット先端に取り付けたツールやハンドに固定された座標系を意味する。
First, the forward conversion unit 219 performs forward conversion for calculating the hand position / posture at that time from each axis motor position, and calculates the hand position / posture. The tool coordinate system coordinate conversion unit 211 receives the difference between the position command (hand position / posture command) generated by the
次に、スティフネス行列部212は、ツール座標系座標変換部211の出力から構成されるベクトルを入力し、スティフネス行列とのベクトル積を求め、その積を出力する。 Next, the stiffness matrix unit 212 receives a vector configured from the output of the tool coordinate system coordinate conversion unit 211, obtains a vector product with the stiffness matrix, and outputs the product.
一方、微分演算部213は、ツール座標系座標変換部211の出力の各要素の微分を算出する。そして、ダンピング行列部214は、微分演算部213で算出された微分結果から構成されるベクトルと、ダンピング行列とのベクトル積を求め、その積を出力する。さらに、スティフネス行列部212の出力と、ダンピング行列部214の出力とが加算される。
On the other hand, the differential calculation unit 213 calculates the differential of each element of the output of the tool coordinate system coordinate conversion unit 211. Then, the damping
次に、ツール座標系座標変換部218は、力覚センサ2で検出された力検出値をツール座標系に変換する。そして、ツール座標系座標変換部218により変換された力検出値は、先ほどのスティフネス行列部212の出力とダンピング行列部214の出力との加算結果から減算され、比例ゲイン演算部215に入力される。
Next, the tool coordinate system coordinate conversion unit 218 converts the force detection value detected by the
比例ゲイン演算部215は、入力した減算結果の各要素に対して比例ゲインを乗じる。さらに、直交座標系座標変換部216は、比例ゲインの乗算結果を直交座標系に座標変換する。さらに、積分演算部217は、直交座標系座標変換部216による変換結果に対して積分処理を行い、位置指令修正量(位置指令補正量)を算出し、出力する。このような一連処理により、力覚考慮補正手段21は、指令生成手段10で生成された位置指令に基づいて、位置指令修正量を生成することができる。
The proportional gain calculation unit 215 multiplies each element of the input subtraction result by a proportional gain. Further, the orthogonal coordinate system coordinate conversion unit 216 converts the multiplication result of the proportional gain into the orthogonal coordinate system. Further, the integration calculation unit 217 performs an integration process on the conversion result obtained by the orthogonal coordinate system coordinate conversion unit 216 to calculate and output a position command correction amount (position command correction amount). Through such a series of processing, the force sense
次に、速度最適化手段40の内部構成について、詳細に説明する。なお、本実施の形態1では、力制限値(力閾値)と力許容値とを各軸毎に設定する場合を例に挙げて説明するが、各軸方向の力およびモーメントの合成で考えても構わない。また、以下では、代表としてZ軸方向について説明するが、X軸方向、Y軸方向の力を考える場合も、同様である。
Next, the internal configuration of the
Z軸方向の力閾値(力制限値)をFs、Z軸方向の力許容値をFp、Z方向の対象物の剛性をK1、Z方向のコンプライアンス制御パラメータをK2とする。ここで、Fsは、力制限超過判別手段30から入力される力閾値であり、作用する力がFsを超えると、力制限超過判別手段30から指令生成手段10に対して、停止指令が入力され、ロボット1は、減速停止する。
The force threshold (force limit value) in the Z-axis direction is Fs, the allowable force value in the Z-axis direction is Fp, the rigidity of the object in the Z direction is K1, and the compliance control parameter in the Z direction is K2. Here, Fs is a force threshold value input from the force limit
また、対象物の剛性K1および力許容値Fpは、あらかじめ速度最適化手段40の内部に記憶されている。速度最適化手段40は、それぞれの軸の動作の直前に、力制限超過判別手段30から入力される力閾値Fs、ロボット制御手段20から入力されるコンプライアンス制御パラメータK2(スティフネス行列のZ軸に対応する対角要素)、あらかじめ記憶されている対象物の許容力Fp、対象物の剛性K1、および減速時間gtから、下式(1)により、最適速度Vsを算出する。
Vs=sqrt((Fp−Fs)×(K1+K2)×2×gt/K1/K2) (1)
Further, the rigidity K1 and the force allowable value Fp of the object are stored in advance in the speed optimization means 40. The
Vs = sqrt ((Fp−Fs) × (K1 + K2) × 2 × gt / K1 / K2) (1)
すなわち、速度最適化手段40は、上式(1)を用いて、対象物の特性および所定の力制限値に基づいて、前記減速停止中において作用力が所定の許容値以下になる制約を満たす範囲で、動作速度を最大にする最適速度Vsを算出する。 That is, the speed optimization means 40 satisfies the constraint that the acting force is not more than a predetermined allowable value during the deceleration stop based on the characteristics of the object and the predetermined force limit value using the above equation (1). In the range, the optimum speed Vs that maximizes the operating speed is calculated.
そして、速度最適化手段40は、算出した最適速度Vsを指令生成手段10に出力する。なお、上式(1)において、sqrtは、平方根を意味している。指令生成手段10は、最高速度がVsとなるように、指令生成周期ごとに位置指令を生成し、ロボット制御手段20に出力する。
Then, the
このような制御を行うことで、位置ずれなどにより正常な場合と比べて過大な力がロボットに作用した際に(エラー発生時に相当)、ロボットを減速停止させた場合においても、減速停止中にロボットに作用する力が所定の許容値を超えないことを保証できる範囲で、最大の動作速度でロボットを減速停止させることができる。この結果、位置ずれ時の適切な停止動作を確保する制約の元で、動作時間を最短にできる。さらに、エラー発生を検知して減速停止させる場合でも作用力が許容値以下となるような最高速度を試行錯誤により求める必要がなくなり、立上げ調整時間を短縮できる。 By performing such control, when an excessive force is applied to the robot compared to the normal case due to misalignment (corresponding to the occurrence of an error), even when the robot is decelerated and stopped, The robot can be decelerated and stopped at the maximum operating speed as long as it can be ensured that the force acting on the robot does not exceed a predetermined allowable value. As a result, it is possible to minimize the operation time under the constraint of ensuring an appropriate stop operation at the time of displacement. Furthermore, even when the occurrence of an error is detected and the vehicle is decelerated and stopped, there is no need to obtain the maximum speed at which the acting force is below the allowable value by trial and error, and the startup adjustment time can be shortened.
以上のように、実施の形態1によれば、動作直前に力制限を超過したことを判別して、停止した際の作用力が許容値以下となる制約を満たす範囲での最高速度を算出し、算出した最高速度に基づいて位置指令を生成し、ロボットを動作させる。この結果、力制限を超過したエラー発生時にロボットを減速停止させる必要が生じた際に、作用力を許容値以下に抑えながら動作時間の短縮化を図ることができる。 As described above, according to the first embodiment, it is determined that the force limit has been exceeded immediately before the operation, and the maximum speed in a range satisfying the constraint that the acting force when stopped is less than the allowable value is calculated. The position command is generated based on the calculated maximum speed, and the robot is operated. As a result, when it becomes necessary to decelerate and stop the robot when an error exceeding the force limit occurs, it is possible to shorten the operation time while keeping the acting force below an allowable value.
さらに、上式(1)に基づいて動作速度を自動設定できるため、試行錯誤により動作速度を最適化する必要がなく、立上げ時間の短縮化を実現できる。 Furthermore, since the operation speed can be automatically set based on the above equation (1), it is not necessary to optimize the operation speed by trial and error, and the startup time can be shortened.
実施の形態2.
図5は、本発明の実施の形態2における力制御装置の構成を示すブロック図である。先の実施の形態1における図1の構成と比較すると、本実施の形態2における図5の構成は、対象物特性同定手段50をさらに備えるとともに、速度最適化手段40の内部構成が異なっている。そこで、速度最適化手段40の内部と対象物特性同定手段50を中心に、以下に説明する。
FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of the force control device according to
先の実施の形態1では、対象物特性(対象物剛性)を速度最適化手段40の内部にあらかじめ記憶しておく必要があった。これに対して、本実施の形態2では、対象物特性同定手段50を新たに設けることで、立上げ調整時の動作データから対象物剛性を同定しておき、同定した値を記憶しておく。一方、速度最適化手段40は、対象物特性同定手段50に記憶された対象物剛性を読み出し、最適速度を算出する際の演算に用いる。
In the first embodiment, it is necessary to previously store the object characteristics (object rigidity) in the
対象物特性同定手段50による具体的な同定方法としては、次のようなものが考えられる。例えば、対象物の特性を線形ばねと仮定する。この場合、対象物特性同定手段50は、同定動作として押し込み動作を行ったときの動作データから、接触開始位置からの移動距離と押し込み力の時系列データ、もしくは2箇所以上の移動距離と押し込み力のデータの組合せから、線形同定理論を用いて、ばね定数を同定することができる。 As a specific identification method by the object characteristic identification means 50, the following can be considered. For example, the characteristic of the object is assumed to be a linear spring. In this case, the object characteristic identification means 50 uses time series data of the moving distance and the pushing force from the contact start position, or two or more moving distances and the pushing force from the action data when the pushing action is performed as the identifying action. From the combination of the data, the spring constant can be identified using linear identification theory.
そこで、本実施の形態2における対象物特性同定手段50は、同定用に実施した同定動作での接触開始位置からの移動距離と押し込み力の時系列データから、対象物の剛性K1をあらかじめ同定して記憶しておく。そして、速度最適化手段40は、対象物特性同定手段50による同定結果に基づいて最適速度を算出することができる。この結果、速度最適化手段40は、対象物特性をあらかじめ記憶しておく必要がない構成とすることができる。
Therefore, the object characteristic identification unit 50 according to the second embodiment identifies in advance the rigidity K1 of the object from the time series data of the moving distance from the contact start position and the pushing force in the identification operation performed for identification. And remember. Then, the
以上のように、実施の形態2によれば、動作直前に力制限を超過したことを判別して、停止した際の作用力が許容値以下となる制約を満たす範囲での最高速度を算出し、算出した最高速度に基づいて位置指令を生成し、ロボットを動作させる。この結果、力制限を超過したエラー発生時にロボットを減速停止させる必要が生じた際に、作用力を許容値以下に抑えながら動作時間の短縮化を図ることができる As described above, according to the second embodiment, it is determined that the force limit has been exceeded immediately before the operation, and the maximum speed in the range satisfying the constraint that the acting force when stopped is less than the allowable value is calculated. The position command is generated based on the calculated maximum speed, and the robot is operated. As a result, when it becomes necessary to decelerate and stop the robot when an error that exceeds the force limit occurs, the operating time can be shortened while keeping the acting force below an allowable value.
さらに、上式(1)に基づいて動作速度を自動設定できるため、試行錯誤により動作速度を最適化する必要がなく、立上げ時間の短縮化を実現できる。さらに、対象物特性同定手段を備えることで、対象物の特性が未知の場合にも、1回の同定動作を実行することで対象物特性を同定でき、同定時間も含めた立上げ調整時間の短縮が可能となる。 Furthermore, since the operation speed can be automatically set based on the above equation (1), it is not necessary to optimize the operation speed by trial and error, and the startup time can be shortened. Further, by providing the object characteristic identification means, even if the characteristic of the object is unknown, the object characteristic can be identified by executing one identification operation, and the startup adjustment time including the identification time can be adjusted. Shortening is possible.
実施の形態3.
図6は、本発明の実施の形態3における力制御装置の構成を示すブロック図である。先の実施の形態1、2における速度最適化手段40は、コンプライアンス制御パラメータK2を用いて、上式(1)により最適速度Vsを算出していた。これに対して、本実施の形態3における速度最適化手段40は、コンプライアンス制御パラメータK2を使用せず、下式(2)により最適速度Vsを算出する。
Vs=sqrt((Fp−Fs)×2×gt/K1) (2)
FIG. 6 is a block diagram showing the configuration of the force control device according to
Vs = sqrt ((Fp−Fs) × 2 × gt / K1) (2)
すなわち、速度最適化手段40は、上式(2)を用いて、対象物の特性および所定の力制限値に基づいて、前記減速停止中において作用力が所定の許容値以下になる制約を満たす範囲で、動作速度を最大にする最適速度Vsを算出する。 That is, the speed optimization means 40 satisfies the constraint that the acting force is not more than a predetermined allowable value during the deceleration stop based on the characteristics of the object and the predetermined force limit value using the above equation (2). In the range, the optimum speed Vs that maximizes the operating speed is calculated.
さらに、速度最適化手段40は、算出した最適速度Vsを指令生成手段10に出力する。その他の処理は、先の実施の形態1と同様である。なお、先の実施の形態2で説明した対象物特性同定手段50を備えた図5の構成においても、速度最適化手段40は、上式(2)を用いて最適速度Vsを算出することができる。
Further, the
以上のように、実施の形態3によれば、動作直前に力制限を超過したことを判別して、停止した際の作用力が許容値以下となる制約を満たす範囲での最高速度を算出し、算出した最高速度に基づいて位置指令を生成し、ロボットを動作させる。この結果、力制限を超過したエラー発生時にロボットを減速停止させる必要が生じた際に、作用力を許容値以下に抑えながら動作時間の短縮化を図ることができる。 As described above, according to the third embodiment, it is determined that the force limit has been exceeded immediately before the operation, and the maximum speed in the range satisfying the constraint that the acting force when stopped is less than the allowable value is calculated. The position command is generated based on the calculated maximum speed, and the robot is operated. As a result, when it becomes necessary to decelerate and stop the robot when an error exceeding the force limit occurs, it is possible to shorten the operation time while keeping the acting force below an allowable value.
さらに、コンプライアンス制御パラメータK2を使用せずに、上式(2)に基づいて動作速度を自動設定できるため、試行錯誤により動作速度を最適化する必要がなく、立上げ時間の短縮化を実現できる。 Furthermore, since the operation speed can be automatically set based on the above equation (2) without using the compliance control parameter K2, it is not necessary to optimize the operation speed by trial and error, and the start-up time can be shortened. .
実施の形態4.
図7は、本発明の実施の形態4における力制御装置の構成を示すブロック図である。先の実施の形態1における図1の構成と比較すると、本実施の形態4における図7の構成は、力推定オブザーバ60をさらに備えており、力覚センサ2を不用としている点が異なっている。
FIG. 7 is a block diagram showing the configuration of the force control device according to
すなわち、本実施の形態4においては、力覚センサ2から力およびモーメントの検出値を得るのではなく、力推定オブザーバ60を用いて、ロボット先端部に作用する力およびモーメントを推定し、推定した力推定値を力検出値の代わりに使用している。
That is, in the fourth embodiment, the force and moment detected values are not obtained from the
力推定オブザーバ60は、各軸のモータ位置と各軸を駆動するモータの電流を入力し、力推定値を推定している。より具体的には、力推定オブザーバ60は、各軸のモータ位置からモータ速度、モータ加速度を算出し、算出したモータ位置、速度、加速度からその動作で必要となる駆動トルクを算出し、モータ電流から算出される駆動トルクとの差を各軸の外乱トルクとして算出する。 The force estimation observer 60 inputs the motor position of each axis and the current of the motor that drives each axis, and estimates the estimated force value. More specifically, the force estimation observer 60 calculates motor speed and motor acceleration from the motor position of each axis, calculates drive torque required for the operation from the calculated motor position, speed, and acceleration, and calculates motor current. Is calculated as the disturbance torque of each axis.
さらに、力推定オブザーバ60は、各軸のモータ位置に基づいて算出されるヤコビ行列を用いて、外乱トルクを、ロボット先端部に作用する力およびモーメントに変換し、変換した力およびモーメントを力推定値として出力する。 Further, the force estimation observer 60 converts the disturbance torque into the force and moment acting on the robot tip using the Jacobian matrix calculated based on the motor position of each axis, and the converted force and moment are estimated. Output as a value.
以上のように、実施の形態4によれば、力覚センサを用いることなく、先の実施の形態1、2と同様の効果を得ることができるととともに、力覚センサを不要とすることによるシステムコストの低減を実現できる。 As described above, according to the fourth embodiment, the same effect as in the first and second embodiments can be obtained without using a force sensor, and the force sensor is not required. System cost can be reduced.
実施の形態5.
図8は、本発明の実施の形態5における力制御装置の構成を示すブロック図である。先の実施の形態4における速度最適化手段40は、先の実施の形態1、2と同様に、コンプライアンス制御パラメータK2を用いて、上式(1)により最適速度Vsを算出していた。これに対して、本実施の形態5における速度最適化手段40は、先の実施の形態3と同様に、コンプライアンス制御パラメータK2を使用せず、上式(2)により最適速度Vsを算出する。その他の処理は、先の実施の形態4と同様である。
FIG. 8 is a block diagram showing a configuration of the force control device according to
以上のように、実施の形態5によれば、力覚センサを用いることなく、先の実施の形態4と同様の効果を得ることができるととともに、力覚センサを不要とすることによるシステムコストの低減を実現できる。さらに、先の実施の形態3と同様に、コンプライアンス制御パラメータK2を使用せずに、上式(2)に基づいて動作速度を自動設定できるため、試行錯誤により動作速度を最適化する必要がなく、立上げ時間の短縮化を実現できる。 As described above, according to the fifth embodiment, the same effect as in the fourth embodiment can be obtained without using a force sensor, and the system cost by eliminating the need for a force sensor. Can be reduced. Further, as in the third embodiment, since the operation speed can be automatically set based on the above equation (2) without using the compliance control parameter K2, it is not necessary to optimize the operation speed by trial and error. Shortening the startup time can be realized.
なお、先の実施の形態4、5における力推定オブザーバ60で推定された力推定値をロボット制御手段内部では使用せずに、位置制御を実施することも可能である。 It should be noted that the position control can be performed without using the force estimation value estimated by the force estimation observer 60 in the previous fourth and fifth embodiments inside the robot control means.
1 ロボット、2 力覚センサ、3 位置センサ、10 指令生成手段、20 ロボット制御手段、21 力覚考慮補正手段、22 逆変換手段、23 各軸位置制御手段、23a 比例演算部、23b 微分演算部、23c 比例積分演算部、30 力制限超過判別手段、40 速度最適化手段、50 対象物特性同定手段、60 力推定オブザーバ、211 ツール座標系座標変換部、212 スティフネス行列部、213 微分演算部、214 ダンピング行列部、215 比例ゲイン演算部、216 直交座標系座標変換部、217 積分演算部、218 ツール座標系座標変換部、219 順変換部。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記目標位置指令に応じて前記ロボットの追従制御を行うロボット制御手段と、
追従動作に伴って前記対象物から前記ロボットへ働く作用力が、前記対象物もしくは前記ロボットにより決まる作用力の上限値に相当する所定の許容値よりも小さい値として規定される所定の力制限値を超過した場合に、前記指令生成手段で生成される前記目標位置指令により前記ロボットを減速停止させるための停止指令を生成する力制限超過判別手段と、
前記力制限超過判別手段により前記停止指令が生成されることで前記ロボットを減速停止させる場合を考慮して、前記対象物の特性および前記所定の力制限値に基づいて、前記減速停止中において前記作用力が前記所定の許容値以下になる制約を満たす範囲で、動作速度を最大にする最適速度を算出する速度最適化手段と
を備え、
前記指令生成手段は、前記速度最適化手段で算出された前記最適速度に応じた目標位置指令を生成するとともに、前記力制限超過判別手段で生成された前記停止指令を受信した場合には、前記ロボットを減速停止させる指令を生成する
ことを特徴とする力制御装置。 Command generating means for generating a target position command of the robot with respect to the object;
Robot control means for performing follow-up control of the robot in response to the target position command;
A predetermined force limit value that is defined as a value that is smaller than a predetermined allowable value corresponding to an upper limit value of the applied force determined by the target object or the robot, from the target object or the robot acting force following the tracking operation Force limit excess determining means for generating a stop command for decelerating and stopping the robot according to the target position command generated by the command generating means,
In consideration of a case where the robot is decelerated and stopped by generating the stop command by the force limit excess determining means, based on the characteristics of the object and the predetermined force limit value, A speed optimizing unit that calculates an optimum speed that maximizes the operating speed within a range that satisfies a constraint that an acting force is equal to or less than the predetermined allowable value; and
The command generation means generates a target position command corresponding to the optimum speed calculated by the speed optimization means, and when receiving the stop instruction generated by the force limit excess determination means, A force control device that generates a command to decelerate and stop a robot.
前記ロボットが同定動作を行うことにより得られる時系列データに基づいて、前記対象物の特性を同定する対象物特性同定手段をさらに備え、
前記ロボット制御手段は、前記対象物の特性を同定するためにあらかじめ実施した同定動作に伴って、前記作用力、および前記ロボットの各軸モータの位置情報を取得し、前記ロボットが前記対象物に接触を開始してからの移動距離と、前記移動距離に対応する前記作用力の時系列データに基づいて、前記対象物の特性を同定し、
前記速度最適化手段は、前記対象物特性同定手段により同定された前記対象物の特性を用いて、前記最適速度を算出する
ことを特徴とする力制御装置。 The force control device according to claim 1,
Based on time-series data obtained by the robot performing an identification operation, further comprising an object characteristic identification means for identifying the characteristic of the object,
The robot control means acquires the action force and position information of each axis motor of the robot in accordance with the identification operation performed in advance to identify the characteristics of the object, and the robot applies the object to the object. Based on the movement distance from the start of contact and time-series data of the acting force corresponding to the movement distance, the characteristics of the object are identified,
The force control device characterized in that the speed optimization means calculates the optimum speed by using the characteristic of the object identified by the object characteristic identification means.
前記ロボットを駆動するための各軸モータの電流値および位置情報に基づいて前記作用力を推定する力推定オブザーバをさらに備え、
前記力制限超過判別手段は、前記力推定オブザーバで推定された前記作用力が前記所定の力制限値を超過している場合に、前記停止指令を生成する
ことを特徴とする力制御装置。 The force control device according to claim 1 or 2,
A force estimation observer for estimating the acting force based on the current value and position information of each axis motor for driving the robot;
The force limit excess determining means generates the stop command when the acting force estimated by the force estimation observer exceeds the predetermined force limit value.
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