JP2012223851A - Robot control device, and control method and control program for the same - Google Patents

Robot control device, and control method and control program for the same Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To optimally control even when failure arises in a sensor of a robot.SOLUTION: A robot control device includes: an inertia moment calculation means that calculates the inertia moment around the i joint from the i joint to the tip part based on a function that contains a joint angle from the first joint on the tip side to the i joint (i≥2); an inertia moment estimation means that calculates an inertia moment estimated value around the i joint when a rotary shaft of the i joint is a vertical direction, based on a function that contains the joint angle of the i joint; an estimation error calculation means that calculates the difference between the inertia moment around the i joint and the inertia moment estimated value around the i joint as an inertia moment error around the i joint; a failure determination means that determines the failure of a joint angle detection means by comparing the absolute value of the inertia moment error around the i joint with a determination threshold; and a joint angle instruction generation means that generates a joint angle instruction based on the determination result of failure and a work pattern of the robot.

Description

本発明は、ロボットのセンサに故障が生じた場合でも最適に制御を行うことができるロボット制御装置、その制御方法及び制御プログラムに関するものである。   The present invention relates to a robot control apparatus, a control method thereof, and a control program that can perform optimal control even when a failure occurs in a sensor of the robot.

近年、複数のセンサを用いて車両や航空機などの自動制御を行い、センサなどに故障が生じてもその制御を継続できるように構成された自動制御システムの研究開発が行われている。例えば、フィードバック線形化及び状態推定器を用いて、航空機の故障した構成部材を識別し、故障した構成部材を使用することなく、動作を継続させる自動制御システムが知られている(特許文献1参照)。   In recent years, research and development of an automatic control system configured to perform automatic control of a vehicle, an aircraft, or the like using a plurality of sensors and to continue the control even when a failure occurs in the sensor or the like has been performed. For example, an automatic control system is known that uses a feedback linearization and state estimator to identify a failed component of an aircraft and continues operation without using the failed component (see Patent Document 1). ).

特表平11−507454号公報Japanese National Patent Publication No. 11-507454

上記特許文献1に示す自動制御システムをロボットに適用した場合、例えば、ロボットに設けられたセンサに故障が生じ、正常なセンサが既知でない場合、フィードバック線形化及び状態推定の両方が実施不能となる虞がある。また、上記自動制御システムは、航空機を制御するため、多数のセンサを冗長的に備えている。したがって、ロボットにそのセンサ構成を適用すると、質量及びサイズが大きくなるという問題も生じる。   When the automatic control system shown in Patent Document 1 is applied to a robot, for example, when a sensor provided in the robot fails and a normal sensor is not known, both feedback linearization and state estimation cannot be performed. There is a fear. The automatic control system includes a large number of sensors in a redundant manner to control the aircraft. Therefore, when the sensor configuration is applied to the robot, there is a problem that the mass and the size increase.

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、ロボットのセンサに故障が生じた場合でも最適に制御を行うことができるロボット制御装置、その制御方法及び制御プログラムを提供することを主たる目的とする。   The present invention has been made to solve such problems, and provides a robot control device capable of optimal control even when a failure occurs in a robot sensor, a control method therefor, and a control program. The main purpose is to do.

上記目的を達成するための本発明の一態様は、複数のリンクと、該各リンクを回転可能に連結する複数の関節と、該各関節を駆動する複数の駆動手段と、前記各関節角度を検出する複数の関節角度検出手段と、を備えたロボット制御装置であって、前記各関節角度検出手段により検出された先端側の第1関節から第i関節(i≧2)までの関節角度を含む関数に基づいて、前記第i関節から先端部分までの第i関節周りの慣性モーメントを算出する慣性モーメント演算手段と、前記関節角度検出手段により検出された前記第i関節の関節角度を含む関数に基づいて、前記第i関節の回転軸が鉛直方向となるときの前記第i関節周りの慣性モーメント推定値を算出する慣性モーメント推定手段と、前記慣性モーメント演算手段により算出された前記第i関節周りの慣性モーメントと、前記慣性モーメント推定手段により算出された前記第i関節周りの慣性モーメント推定値と、の差を前記第i関節周りの慣性モーメント誤差として算出する推定誤差演算手段と、前記推定誤差演算手段により算出された前記第i関節周りの慣性モーメント誤差の絶対値と判定閾値とを比較して、前記関節角度検出手段の故障を判定する故障判定手段と、前記故障判定手段により判定された故障の判定結果と、ロボットが実施しようとしている作業パターンと、に基づいて、前記各関節に対する関節角度指令を生成する関節角度指令生成手段と、を備える、ことを特徴とするロボット制御装置である。この一態様によれば、ロボットのセンサに故障が生じた場合でも最適に制御を行うことができる。   In order to achieve the above object, one aspect of the present invention provides a plurality of links, a plurality of joints that rotatably connect the links, a plurality of drive units that drive the joints, and the joint angles. A plurality of joint angle detection means for detecting the joint angle from the first joint on the distal end side to the i-th joint (i ≧ 2) detected by each joint angle detection means; A function including an inertia moment calculating means for calculating an inertia moment around the i-th joint from the i-th joint to the tip portion based on a function including the joint angle of the i-th joint detected by the joint angle detecting means. The inertia moment estimation means for calculating the estimated moment of inertia around the i-th joint when the rotation axis of the i-th joint is in the vertical direction, and the inertia moment calculation means An estimation error calculation means for calculating a difference between an inertia moment around the i-th joint and an estimated inertia moment value around the i-th joint calculated by the inertia moment estimation means as an inertia moment error around the i-th joint. A failure determination unit that determines a failure of the joint angle detection unit by comparing an absolute value of an inertia moment error around the i-th joint calculated by the estimation error calculation unit and a determination threshold; And a joint angle command generating means for generating a joint angle command for each of the joints based on a failure determination result determined by the means and a work pattern to be performed by the robot. It is a robot control device. According to this aspect, even when a failure occurs in the sensor of the robot, optimal control can be performed.

この一態様において、前記故障判定手段は、前記推定誤差演算手段により算出された前記第i関節周りの慣性モーメント誤差の絶対値が判定閾値を超えるとき、前記複数の関節角度検出手段の関節角度のうちの一つ関節角度を0度に保持して、前記第i関節周りの慣性モーメント誤差の絶対値と判定閾値との比較を繰返し、前記関節角度検出手段の故障を判定してもよい。これにより、関節角度検出手段を冗長的に設けることなく、各関節の回転軸が鉛直方向を向いた瞬間に、各関節角度検出手段が故障しているか否かを瞬時に判定できる。   In this aspect, when the absolute value of the moment of inertia error around the i-th joint calculated by the estimation error calculation unit exceeds a determination threshold, the failure determination unit determines the joint angle of the plurality of joint angle detection units. One of the joint angles may be held at 0 degree, and the comparison between the absolute value of the moment of inertia error around the i-th joint and the determination threshold may be repeated to determine the failure of the joint angle detection means. As a result, it is possible to instantaneously determine whether or not each joint angle detection unit is out of order at the moment when the rotation axis of each joint faces the vertical direction without redundantly providing the joint angle detection unit.

この一態様において、前記故障判定手段は、前記複数の関節角度のうちの一つ関節角度を0度に保持して、前記第i関節周りの慣性モーメント誤差の絶対値が判定閾値以下となるとき、前記関節角度を0度に保持した前記関節角度検出手段を故障、それ以外の前記関節角度検出手段を正常、と判定し、前記第i関節周りの慣性モーメント誤差の絶対値が判定閾値を超えるとき、前記関節角度を0度に保持した前記関節角度検出手段を不明、それ以外の前記関節角度検出手段を故障、と判定し、該故障と判定した関節角度検出手段に対応する関節角度を0度に保持し、前記第i関節周りの慣性モーメント誤差の絶対値と判定閾値との比較を繰り返してもよい。これにより、各関節角度検出手段が故障しているか否か不明の場合でも、その故障を瞬時に判定できる。   In this aspect, the failure determination means holds one joint angle of the plurality of joint angles at 0 degree, and the absolute value of the inertia moment error around the i-th joint is equal to or less than a determination threshold. The joint angle detection means that holds the joint angle at 0 degree is determined to be faulty, and the other joint angle detection means are determined to be normal, and the absolute value of the inertia moment error around the i-th joint exceeds the determination threshold value. At this time, it is determined that the joint angle detection means that holds the joint angle at 0 degrees is unknown, and the other joint angle detection means are failed, and the joint angle corresponding to the joint angle detection means determined to be the failure is 0. And the comparison between the absolute value of the moment of inertia error around the i-th joint and the determination threshold value may be repeated. Thereby, even when it is unclear whether or not each joint angle detection means is out of order, the failure can be determined instantaneously.

この一態様において、前記関節角度指令生成手段は、前記故障判定手段により判定された故障の判定結果と、ロボットが実施しようとしている作業パターンと、に基づいて、前記作業パターンが実施可能か否かを判断し、実施不能と判断した場合、前記作業パターンの作業を中止するための関節角度指令を生成し、実施可能と判断した場合、故障した関節角度検出手段が設置された関節以外に対する関節角度指令を生成してもよい。これにより、故障した関節角度検出手段が存在する場合でも、実施可否を適切に判断し、作業を継続できる。   In this aspect, the joint angle command generation means determines whether or not the work pattern can be performed based on the failure determination result determined by the failure determination means and the work pattern that the robot is to perform. If it is determined that it is impossible to execute, a joint angle command for canceling the work of the work pattern is generated. A command may be generated. As a result, even if there is a broken joint angle detection means, it is possible to appropriately determine whether or not to perform the operation and continue the work.

この一態様において、前記故障判定手段からの判定結果に基づいて、故障した前記関節角度検出手段が無いと判断した場合、全関節における前記関節角度検出手段の関節角度が前記関節角度指令生成手段により生成された関節角度指令に追従するような前記駆動手段に対するトルク指令を生成し、前記故障判定手段からの故障判定結果に基づいて、故障した前記関節角度検出手段が存在すると判断した場合、故障していない前記関節角度検出手段の関節角度が前記関節角度指令生成手段により生成された関節角度指令に追従するように前記駆動手段に対するトルク指令を生成し、かつ、故障した前記関節角度検出手段が設けられた関節の駆動手段に対して前記作業内容毎に予め設定されたトルク指令を生成する、トルク指令生成手段を更に備えていてもよい。これにより、故障した関節角度検出手段が存在する場合でも、トルク指令を適切に生成できる。   In this aspect, when it is determined that there is no failed joint angle detection unit based on the determination result from the failure determination unit, the joint angle of the joint angle detection unit in all joints is determined by the joint angle command generation unit. A torque command for the drive unit that follows the generated joint angle command is generated, and when it is determined that the failed joint angle detection unit exists based on a failure determination result from the failure determination unit, a failure occurs. A torque command for the drive unit is generated so that the joint angle of the joint angle detection unit that is not following the joint angle command generated by the joint angle command generation unit, and the failed joint angle detection unit is provided. Torque command generating means for generating a preset torque command for each of the work contents for the given joint driving means is further provided. It may be. Thereby, even when there is a broken joint angle detection means, a torque command can be generated appropriately.

この一態様において、ユーザの入力情報又は予め設定されたプログラムに基づいて、ロボットが作業を実施する作業パターンを生成する作業パターン生成手段と、前記作業パターン生成手段により生成された前記作業パターンを分類し、予め設定された前記分類に対応する値を作業分類パラメータに設定するパラメータ生成手段と、前記関節角度指令生成手段からの各関節角度指令と、前記パラメータ生成手段からの前記作業分類パラメータと、前記故障判定手段からの故障の判定結果と、に基づいて、前記駆動手段に対するトルク指令を生成するトルク指令生成手段と、を更に備えていてもよい。   In this embodiment, based on user input information or a preset program, work pattern generation means for generating a work pattern for the robot to perform work, and the work patterns generated by the work pattern generation means are classified. A parameter generation means for setting a value corresponding to the preset classification as a work classification parameter, each joint angle command from the joint angle command generation means, the work classification parameter from the parameter generation means, Torque command generation means for generating a torque command for the drive means based on the failure determination result from the failure determination means may further be provided.

この一態様において、前記トルク指令生成手段は、(a)前記故障判定手段からの判定結果に基づいて、前記関節角度検出器が故障していると判断し、前記パラメータ生成手段からの作業分類パラメータに第1所定値が設定されていると判断したとき、所定トルクを生じさせるトルク指令を生成し、(b)前記故障判定手段からの判定結果に基づいて、前記関節角度検出器が故障していると判断し、前記パラメータ生成手段からの作業分類パラメータに第2所定値が設定されていると判断したとき、トルク指令に0を設定し、(c)前記故障判定手段からの判定結果に基づいて、前記関節角度検出器が故障していない、或いは不明と判断したとき、前記作業パターン毎に予め設定されたトルク指令を生成してもよい。これにより、故障した関節角度検出手段を使用せずに安全に作業を継続した場合に、その作業の種類に応じて作業方法の変更、中止などを実施できる。   In this aspect, the torque command generation means determines that the joint angle detector has failed based on the determination result from the failure determination means, and the work classification parameter from the parameter generation means When the first predetermined value is determined to be set, a torque command for generating a predetermined torque is generated. (B) Based on the determination result from the failure determination means, the joint angle detector has failed. And when it is determined that the second predetermined value is set in the work classification parameter from the parameter generation means, 0 is set in the torque command, and (c) based on the determination result from the failure determination means Then, when it is determined that the joint angle detector is not broken or unknown, a torque command set in advance for each work pattern may be generated. Thereby, when the work is continued safely without using the broken joint angle detecting means, the work method can be changed or stopped according to the type of the work.

この一態様において、前記パラメータ生成手段は、前記作業パターン生成手段により生成された作業パターンに基づいて、ロボットが実施しようとしている作業がロボットハンドの指を伸ばすように外側に向かって反力を発生させると判断したとき、第1所定値を前記作業分類パラメータに設定し、ロボットが実施しようとしている作業がロボットハンドの指を外側に向かって反力を発生させないと判断したとき、第2所定値を前記作業分類パラメータに設定してもよい。   In this aspect, the parameter generation means generates a reaction force toward the outside so that the work to be performed by the robot extends the finger of the robot hand based on the work pattern generated by the work pattern generation means. A first predetermined value is set as the work classification parameter, and a second predetermined value is determined when it is determined that the work to be performed by the robot does not generate a reaction force toward the outside of the finger of the robot hand. May be set as the work classification parameter.

この一態様において、前記ロボットは、前記複数のリンクと、該各リンクを回転可能に連結する複数の関節と、を有する指機構と、前記各関節を駆動する複数のモータと、前記各関節角度を検出する複数の関節角度検出部と、を備えるロボットハンドであってもよい。   In this aspect, the robot includes a finger mechanism having the plurality of links and a plurality of joints that rotatably connect the links, a plurality of motors that drive the joints, and the joint angles. The robot hand may include a plurality of joint angle detection units that detect.

この一態様において、前記慣性モーメント演算手段は、前記関数として下記(21)式を用いて前記第i関節周りの慣性モーメントJを算出し、前記慣性モーメント推定手段は、前記関数として下記(27)式を用いて前記第i関節周りの慣性モーメント推定値J(ハット)を算出し、前記推定誤差演算手段は、下記(29)式を用いて前記第i関節周りの慣性モーメント誤差eJ,iを算出してもよい。 In this aspect, the inertia moment calculating means calculates the inertia moment J i around the i-th joint using the following equation (21) as the function, and the inertia moment estimating means is the following (27 ) Is used to calculate the estimated moment of inertia J i (hat) around the i-th joint, and the estimation error calculating means uses the following equation (29) to calculate the inertia moment error e J around the i-th joint. , I may be calculated.

他方、上記目的を達成するための本発明の一態様は、複数のリンクと、該各リンクを回転可能に連結する複数の関節と、該各関節を駆動する複数の駆動手段と、前記各関節角度を検出する複数の関節角度検出手段と、を備えたロボット制御装置の制御方法であって、前記検出された先端側の第1関節から第i関節(i≧2)までの関節角度を含む関数に基づいて、前記第i関節から先端部分までの第i関節周りの慣性モーメントを算出するステップと、前記検出された前記第i関節の関節角度を含む関数に基づいて、前記第i関節の回転軸が鉛直方向となるときの前記第i関節周りの慣性モーメント推定値を算出するステップと、前記算出された第i関節周りの慣性モーメントと、前記算出された第i関節周りの慣性モーメント推定値と、の差を前記第i関節周りの慣性モーメント誤差として算出するステップと、前記算出された第i関節周りの慣性モーメント誤差の絶対値と判定閾値とを比較して、前記関節角度検出手段の故障を判定するステップと、前記判定された故障の判定結果と、ロボットが実施しようとしている作業パターンと、に基づいて、前記各関節に対する関節角度指令を生成するステップと、を含む、ことを特徴とするロボット制御装置の制御方法であってもよい。   On the other hand, according to one aspect of the present invention for achieving the above object, a plurality of links, a plurality of joints rotatably connecting the links, a plurality of driving means for driving the joints, and the joints A control method of a robot control device comprising a plurality of joint angle detection means for detecting an angle, including a joint angle from the detected first joint on the distal end side to the i-th joint (i ≧ 2) A step of calculating a moment of inertia around the i-th joint from the i-th joint to the tip portion based on the function; and a function including the detected joint angle of the i-th joint. A step of calculating an estimated moment of inertia around the i-th joint when the rotation axis is in a vertical direction; the calculated moment of inertia around the i-th joint; and the calculated moment of inertia around the i-th joint. Value of Is calculated as an inertia moment error around the i-th joint, and the absolute value of the calculated inertia moment error around the i-th joint is compared with a determination threshold value to determine a failure of the joint angle detection means. And a step of generating a joint angle command for each of the joints based on a determination result of the determined failure and a work pattern to be performed by the robot. An apparatus control method may be used.

また、上記目的を達成するための本発明の一態様は、複数のリンクと、該各リンクを回転可能に連結する複数の関節と、該各関節を駆動する複数の駆動手段と、前記各関節角度を検出する複数の関節角度検出手段と、を備えたロボット制御装置の制御プログラムであって、前記検出された先端側の第1関節から第i関節(i≧2)までの関節角度を含む関数に基づいて、前記第i関節から先端部分までの第i関節周りの慣性モーメントを算出する処理と、前記検出された前記第i関節の関節角度を含む関数に基づいて、前記第i関節の回転軸が鉛直方向となるときの前記第i関節周りの慣性モーメント推定値を算出する処理と、前記算出された第i関節周りの慣性モーメントと、前記算出された第i関節周りの慣性モーメント推定値と、の差を前記第i関節周りの慣性モーメント誤差として算出する処理と、前記算出された第i関節周りの慣性モーメント誤差の絶対値と判定閾値とを比較して、前記関節角度検出手段の故障を判定する処理と、前記判定された故障の判定結果と、ロボットが実施しようとしている作業パターンと、に基づいて、前記各関節に対する関節角度指令を生成する処理と、をコンピュータに実行させる、ことを特徴とするロボット制御装置の制御プログラムであってもよい。   Another aspect of the present invention for achieving the above object is to provide a plurality of links, a plurality of joints for rotatably connecting the links, a plurality of driving means for driving the joints, and the joints. A control program of a robot control device comprising a plurality of joint angle detection means for detecting an angle, including a joint angle from the detected first joint on the distal end side to the i-th joint (i ≧ 2) Based on the function, a process of calculating the moment of inertia around the i-th joint from the i-th joint to the tip portion, and on the basis of the function including the detected joint angle of the i-th joint, A process of calculating an estimated moment of inertia around the i-th joint when the rotation axis is in the vertical direction, the calculated inertia moment around the i-th joint, and the estimated inertia moment around the i-th joint The difference between the value The process of calculating the moment of inertia around the i-th joint and the process of determining a failure of the joint angle detecting means by comparing the calculated absolute value of the moment of inertia error around the i-th joint with a determination threshold. And causing the computer to execute a process of generating a joint angle command for each of the joints based on the determined failure determination result and the work pattern that the robot is to perform. It may be a control program for the robot control device.

本発明によれば、ロボットのセンサに故障が生じた場合でも最適に制御を行うことができるロボット制御装置、その制御方法及び制御プログラムを提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a robot control device, a control method, and a control program that can optimally perform control even when a failure occurs in a sensor of the robot.

本発明の実施の形態に係るロボット制御装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。1 is a block diagram showing a schematic system configuration of a robot control apparatus according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態に係るロボット制御装置の故障判定部によるi=2における関節角度検出器の故障を判定するための処理フローを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the processing flow for determining the failure of the joint angle detector in i = 2 by the failure determination part of the robot controller which concerns on embodiment of this invention. 第1関節角度検出器及び第2関節角度検出器のうちいずれが故障しているか否かが分かっている場合の関節角度検出器の故障を判定するための処理フローを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the processing flow for determining the failure of a joint angle detector when it is known whether any of the 1st joint angle detector and the 2nd joint angle detector is out of order. (a)本発明の実施の形態に係るロボットハンドの指機構を示す摸式図である。(b)本発明の実施の形態に係るロボットハンドの指機構を示す摸式図である。(A) It is a schematic diagram which shows the finger mechanism of the robot hand which concerns on embodiment of this invention. (B) It is a schematic diagram which shows the finger mechanism of the robot hand which concerns on embodiment of this invention. (a)本発明の実施の形態に係るロボット制御装置のシミュレーションにおける第2関節の関節角度の時間変化を示す図である。(b)従来のロボット制御装置のシミュレーションにおける第2関節の関節角度の時間変化を示す図である。(A) It is a figure which shows the time change of the joint angle of the 2nd joint in the simulation of the robot control apparatus which concerns on embodiment of this invention. (B) It is a figure which shows the time change of the joint angle of the 2nd joint in the simulation of the conventional robot control apparatus. (a)本発明の実施の形態に係るロボット制御装置のシミュレーションにおける第1関節の関節角度の0.015[s]までの時間変化を示す図である。(b)本発明の実施の形態に係るロボット制御装置のシミュレーションにおける第1関節の関節角度の0.5[s]までの時間変化を示す図である。(A) It is a figure which shows the time change to 0.015 [s] of the joint angle of the 1st joint in the simulation of the robot control apparatus which concerns on embodiment of this invention. (B) It is a figure which shows the time change to 0.5 [s] of the joint angle of the 1st joint in the simulation of the robot controller which concerns on embodiment of this invention. (a)本発明の実施の形態に係るロボット制御装置のシミュレーションにおける第3関節の関節角度の0.015[s]までの時間変化を示す図である。(b)本発明の実施の形態に係るロボット制御装置のシミュレーションにおける第3関節の関節角度の0.5[s]までの時間変化を示す図である。(A) It is a figure which shows the time change to 0.015 [s] of the joint angle of the 3rd joint in the simulation of the robot control apparatus which concerns on embodiment of this invention. (B) It is a figure which shows the time change to 0.5 [s] of the joint angle of the 3rd joint in the simulation of the robot control apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係るロボット制御装置のシミュレーションにおける第2関節周り慣性モーメント推定誤差の時間変化を示す図である。It is a figure which shows the time change of the 2nd joint surrounding moment of inertia estimation error in the simulation of the robot control apparatus which concerns on embodiment of this invention. 故障した関節角度検出器が設けられている第2関節を制御するための第2関節のモータトルク指令Tの時間変化を示す図である。Is a diagram illustrating a second time changes of the joints of the motor torque command T 2 of the order to control the second joint failed joint angle detector is provided.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。本発明の一実施の形態に係るロボット制御装置1は、例えば、図4に示すようなロボットハンド130の指機構131を制御するものである。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. The robot control apparatus 1 according to an embodiment of the present invention controls a finger mechanism 131 of a robot hand 130 as shown in FIG. 4, for example.

ロボットハンド130の指機構131は、図4(a)及び(b)に示す如く、第1リンク401と、第1リンク401に連結された第1関節402と、・・・・、第i−2関節403と、第i−2関節403に連結された第i−1リンク404と、第i−1リンク404に連結された第i−1関節405と、第i−1関節405に連結された第iリンク406と、第iリンク406に連結された第i関節407と、第i−3リンク408と、第i−3リンク408に連結された第i−3関節409と、第i−3関節409に連結された第i−2リンク410と、を有している。以下、指機構131の先端に一番近い第1関節から数えてi番目の関節を第i関節とし、同様に、指機構131の先端に一番近い第1リンクから数えてi番目のリンクを第iリンクとする。   As shown in FIGS. 4A and 4B, the finger mechanism 131 of the robot hand 130 includes a first link 401, a first joint 402 connected to the first link 401,. 2 joints 403, i-1 link 404 connected to i-2 joint 403, i-1 joint 405 connected to i-1 link 404, and i-1 joint 405 The i-th link 406, the i-th joint 407 connected to the i-th link 406, the i-3 link 408, the i-3 joint 409 connected to the i-3 link 408, and the i-th link. An i-th link 410 connected to the three joints 409. Hereinafter, the i-th joint counted from the first joint closest to the tip of the finger mechanism 131 is referred to as the i-th joint, and similarly, the i-th link counted from the first link closest to the tip of the finger mechanism 131 is referred to as the i-th joint. This is the i-th link.

第1関節402、・・・・、第i−2関節403、第i−1関節405、第i関節407、及び第i−3関節409には、駆動手段の一具体例であり、夫々、各関節を駆動するモータ132が夫々設けられており、各関節はこの各モータ132の発生するモータトルクにより回転駆動される。また、各関節には、関節角度検出手段の一具体例であり、各モータ132により駆動された各関節の回転角度を検出し、関節角度検出値として出力する関節角度検出器133が夫々設けられている。   The first joint 402,..., The i-2 joint 403, the i-1 joint 405, the i joint 407, and the i-3 joint 409 are specific examples of driving means, A motor 132 for driving each joint is provided, and each joint is rotationally driven by a motor torque generated by each motor 132. Each joint is a specific example of a joint angle detection unit, and a joint angle detector 133 that detects the rotation angle of each joint driven by each motor 132 and outputs the detected joint angle value is provided. ing.

ここで、iは正の整数であり、例えば、人差し指の指先から第3関節までをモデル化する場合はi=3となる。なお、図4(a)及び(b)において各記号を以下のように定義する。   Here, i is a positive integer. For example, when modeling from the fingertip of the index finger to the third joint, i = 3. In addition, in FIG. 4 (a) and (b), each symbol is defined as follows.

m、n:第m関節と第n関節を結ぶ線分の長さ(以下、「第m第n関節間距離」と称す)
φm、n:第m関節において、第m+1リンクと第m関節と第n関節を結ぶ線分が成す角度(以下、「第m第n関節間線分第m+1リンク間角度」と称す)
θ:第m関節角度
まず、第m第n関節間距離am,nと、第m第n関節間線分第m+1リンク間角度φm、nを導出する。図4(a)において、下記(1)式及び(2)式が成立する。
a m, n : length of a line segment connecting the m-th joint and the n-th joint (hereinafter referred to as “m-th n-th joint distance”)
φ m, n : Angle formed by a line segment connecting the m + 1th link, the mth joint, and the nth joint in the mth joint (hereinafter referred to as “mth nth joint line segment m + 1 link angle”)
θ m : m-th joint angle First, the m-th and n-th joint distance a m, n and the m-th n-th joint line segment m + 1-link angle φ m, n are derived. In FIG. 4A, the following formulas (1) and (2) are established.

Figure 2012223851
Figure 2012223851

Figure 2012223851
Figure 2012223851

ただし、上記(1)式及び(2)式において、lは第iリンク406の長さを表す。
上記(1)式を第i−2第i関節間距離ai−2、iについて解くと、下記(3)式を得ることができる。

Figure 2012223851
However, in the above formulas (1) and (2), l i represents the length of the i-th link 406.
When the above equation (1) is solved for the i- 2th i-th inter-joint distance a i-2, i , the following equation (3) can be obtained.
Figure 2012223851

上記(2)式を第i−2第i関節間線分第i−1リンク間角度φi−2、iについて解くと、下記(4)式を得ることができる。

Figure 2012223851
When the above equation (2) is solved with respect to the (i-2) -i-th joint line segment i-1 link angle φ i-2, i , the following equation (4) can be obtained.
Figure 2012223851

図4(b)において、下記(5)式及び(6)式が成立する。

Figure 2012223851

Figure 2012223851
In FIG.4 (b), the following (5) Formula and (6) Formula are materialized.
Figure 2012223851

Figure 2012223851

上記(5)式を第i−3第i関節間距離ai−3、iについて解くと、下記(7)式を得ることができる。

Figure 2012223851
When the above equation (5) is solved with respect to the i-3th i-th inter-joint distance ai-3, i , the following equation (7) can be obtained.
Figure 2012223851

上記(6)式を第i−3第i関節間線分第i−2リンク間角度φi−3、iについて解くと、下記(8)式を得ることができる。

Figure 2012223851
When the above equation (6) is solved for the i-3th i-th joint line segment and the i-2 link angle φ i-3, i , the following equation (8) can be obtained.
Figure 2012223851

同様に、j=3、…、i−1に対して、下記(9)式及び(10)式が成立する。

Figure 2012223851

Figure 2012223851
Similarly, the following formulas (9) and (10) are established for j = 3,..., I−1.
Figure 2012223851

Figure 2012223851

上記(9)式を第i−j第i関節間距離ai−j、iについて解くと、下記(11)式を得ることができる。

Figure 2012223851
When the above equation (9) is solved with respect to the ij-th i-th inter-joint distance a i-j, i , the following equation (11) can be obtained.
Figure 2012223851

上記(10)式を第i−j第i関節間線分第i−j+1リンク間角度φi−j、iについて解くと、下記(12)式を得ることができる。

Figure 2012223851
When the above equation (10) is solved with respect to the i-j-th inter-joint line segment i-j + 1 link angle φ ij, i , the following equation (12) can be obtained.
Figure 2012223851

第2リンクと第3リンクに対して下記(13)式及び(14)式が成立する。

Figure 2012223851

Figure 2012223851
The following formulas (13) and (14) are established for the second link and the third link.
Figure 2012223851

Figure 2012223851

上記(13)式を第1第i関節間距離a1、iについて解くと、下記(15)式を得ることができる。

Figure 2012223851
When the above equation (13) is solved for the first i-th inter-joint distances a 1 and i , the following equation (15) can be obtained.
Figure 2012223851

上記(14)式を第1第i関節間線分第2リンク間角度φ1、iについて解くと、下記(16)式を得ることができる。

Figure 2012223851
When the above equation (14) is solved for the first i-th joint line segment second link angle φ1 , i , the following equation (16) can be obtained.
Figure 2012223851

上記(3)式、(4)式、(7)式、(8)式、(11)式、(12)式、(15)式、及び(16)式において算出された第m第n関節間距離am,nと、第m第n関節間線分第m+1リンク間角度φm、nと、を用いて、第mリンクの重心と第n関節の間の距離(以下、「第mリンク重心第n関節間距離」と称す)bm、nを導出する。
図4(a)において第iリンク重心第i関節間距離bi、iの2乗は、下記(17)式として導出できる。

Figure 2012223851
The m-th nth joint calculated in the above equations (3), (4), (7), (8), (11), (12), (15), and (16) The distance between the center of gravity of the m-th link and the n-th joint (hereinafter referred to as “the m-th”) using the distance a m, n and the m-th n-th line segment m + 1 link angle φ m, n . Bm , n, which is referred to as “link center-of-gravity nth joint distance”.
In FIG. 4A, the square of the i-th link centroid i-th joint distance b i, i can be derived as the following equation (17).
Figure 2012223851

図4(a)において、第i−1リンク重心第i関節間距離bi−1、iの2乗は、下記(18)式として導出できる。

Figure 2012223851
In FIG. 4A, the square of the (i-1) -th link centroid i-th joint distance b i-1, i can be derived as the following equation (18).
Figure 2012223851

j=2、…、i−1に対して第i−jリンク重心第i関節間距離bi−j、iの2乗は、下記(19)式として導出できる。

Figure 2012223851
The square of the i-th link center-of-gravity i-th joint distance b i-j, i with respect to j = 2,..., i−1 can be derived as the following equation (19).
Figure 2012223851

上記(17)式乃至(19)式に基づいて導出された第mリンク重心第n関節間距離の2乗を用いて、j=1、…、iに対する第jリンクの第i関節に関する慣性モーメントJj、iは、平行軸の定理より下記(20)式として導出できる。

Figure 2012223851
The moment of inertia related to the i-th joint of the j-th link with respect to j = 1,..., I using the square of the distance between the n-th joints of the m-th center of gravity of the m-th link derived based on the equations (17) to (19) J j and i can be derived from the parallel axis theorem as the following equation (20).
Figure 2012223851

ただし、上記(20)式において、Jj0は、第jリンクの重心周り慣性モーメントを表している。第i関節から先端部分までの慣性モーメント(以下、「第i関節周り慣性モーメント」と称す)Jは、上記(20)式を用いて下記(21)式として表される。

Figure 2012223851
However, in the above equation (20), J j0 represents the moment of inertia around the center of gravity of the j-th link. The moment of inertia J i from the i-th joint to the tip (hereinafter referred to as “i-th joint moment of inertia”) J i is expressed as the following equation (21) using the above equation (20).
Figure 2012223851

上記(21)式を用いて算出される第i関節周り慣性モーメントJは、第1関節402から第i関節407までのi個全ての関節角度検出値に基づいている。後述の故障判定部140の慣性モーメント演算器141は、第1関節402から第i関節407までの関節角度検出値を含む上記(21)式(関数)を用いて、第i関節周りの慣性モーメントJ(i=1、2、…)を演算する。 The i-th joint moment of inertia J i calculated using the equation (21) is based on all i joint angle detection values from the first joint 402 to the i-th joint 407. The moment of inertia calculator 141 of the failure determination unit 140 described later uses the equation (21) (function) including the joint angle detection values from the first joint 402 to the i-th joint 407 to obtain the moment of inertia around the i-th joint. J i (i = 1, 2,...) Is calculated.

次に、第i関節角度検出値θのみに基づいて第i関節周り慣性モーメントJを推定する方法について説明する。第i関節407周りの運動方程式は、下記(22)式として求められる。

Figure 2012223851

ただし、上記(22)式において各記号は以下のように定義されている。
:第i関節モータトルク
:第i関節トルク外乱
:第i関節粘性摩擦 Next, a method for estimating the i-th joint moment of inertia J i based only on the i-th joint angle detection value θ i will be described. The equation of motion around the i-th joint 407 is obtained as the following equation (22).
Figure 2012223851

However, each symbol in the above equation (22) is defined as follows.
T i : i-th joint motor torque d i : i-th joint torque disturbance D i : i-th joint viscous friction

上記(22)式における第i関節角度θの1階時間微分値である第i関節角速度と、2階時間微分である第i関節角加速度とは、夫々、下記(23)式及び(24)式のように差分近似できる。

Figure 2012223851

Figure 2012223851
The i-th joint angular velocity, which is the first-order time differential value of the i-th joint angle θ i in the above equation (22), and the i-th joint angular acceleration, which is the second-order time derivative, are expressed by the following equations (23) and (24), respectively. ) Difference approximation can be performed as in the equation.
Figure 2012223851

Figure 2012223851

ただし、上記(23)式及び(24)式における各記号は、以下のように定義されている。
T:制御周期
k:各制御周期の値を示すインデックス(k番目の制御周期における値を表す)
However, each symbol in the above equations (23) and (24) is defined as follows.
T: Control cycle k: Index indicating the value of each control cycle (represents the value in the kth control cycle)

上記(23)式及び(24)式を上記(22)式に代入すると、下記(25)式を得ることができる。

Figure 2012223851
By substituting the above equations (23) and (24) into the above equation (22), the following equation (25) can be obtained.
Figure 2012223851

上記(25)式を第i関節周り慣性モーメントJについて解くと、第i関節周り慣性モーメント推定値J(ハット)は下記(26)式として表される。

Figure 2012223851
When the above equation (25) is solved for the i-th joint moment of inertia J i , the i-th joint moment of inertia estimated value J i (hat) is expressed as the following equation (26).
Figure 2012223851

ただし、第i関節粘性摩擦Dは設計により既知であるとする。また、第i関節トルクの外乱dは、各関節軸が鉛直方向を向く瞬間にはd=0となるため、各関節軸が鉛直方向を向く瞬間において、上記(26)式は下記(27)式と書き換えることができる。

Figure 2012223851
However, it is assumed that the i-th joint viscous friction Di is known by design. Further, since the disturbance d i of the i-th joint torque is d i = 0 at the moment when each joint axis is directed in the vertical direction, at the moment when each joint axis is directed in the vertical direction, the above equation (26) is expressed as 27) can be rewritten.
Figure 2012223851

後述の故障判定部140の慣性モーメント推定器142は、第i関節角度検出器133からの第i関節角度検出値θを含む上記(27)式(関数)を用いて、第i関節周りの慣性モーメント推定値J(ハット)(i=1、2、…)を演算する。
また、上記(27)式と上記(21)式との差を、第i関節周り慣性モーメント推定誤差eJ、iとし、下記(28)式を用いて算出することができる。

Figure 2012223851
An inertia moment estimator 142 of the failure determination unit 140 described later uses the above equation (27) (function) including the i-th joint angle detection value θ i from the i-th joint angle detector 133 to An inertia moment estimated value J i (hat) (i = 1, 2,...) Is calculated.
Further, the difference between the above equation (27) and the above equation (21) can be calculated as the i-th joint inertia moment estimation error e J, i using the following equation (28).
Figure 2012223851

上記(28)式に、上記(17)式乃至(20)式を代入すると、下記(29)式を得ることができる。

Figure 2012223851
By substituting the above equations (17) to (20) into the above equation (28), the following equation (29) can be obtained.
Figure 2012223851

ここで、上述より明らかなように、上記(29)式の第1項は関節角度検出値θのみの関数であり、第2項以降は関節角度検出値θからθi−1にも依存する関数となっている。後述の故障判定部140の推定誤差演算器143は、上記(29)式を用いて、第i関節周りの慣性モーメント推定誤差eJ、i(i=1、2、…)を演算する。 Here, as is clear from the above, the first term of the equation (29) is a function of only the joint angle detection value θ i , and the second and subsequent terms are also expressed as the joint angle detection values θ 1 to θ i−1 . It is a dependent function. An estimation error calculator 143 of the failure determination unit 140 described later calculates an inertia moment estimation error e J, i (i = 1, 2,...) Around the i-th joint using the above equation (29).

本実施の形態に係るロボット制御装置1の故障判定部140は、例えば、上述したロボットハンド130の指機構131の各関節に設けられた各関節角度検出器133の故障を、この慣性モーメント推定誤差eJ、iを用いて判定することができる。 The failure determination unit 140 of the robot control apparatus 1 according to the present embodiment, for example, detects a failure of each joint angle detector 133 provided at each joint of the finger mechanism 131 of the robot hand 130 described above as an inertia moment estimation error. e J, i can be used for determination.

図2は、本発明の実施の形態に係るロボット制御装置の故障判定部によるi=2における関節角度検出器の故障を判定するための処理フローを示すフローチャートである。まず、ロボット制御装置1の故障判定部140は、i=2(第2関節までモデル化)において下記(30)式を満足するか否かを判定する(ステップS201)。

Figure 2012223851
FIG. 2 is a flowchart showing a processing flow for determining a failure of the joint angle detector at i = 2 by the failure determination unit of the robot control apparatus according to the embodiment of the present invention. First, the failure determination unit 140 of the robot control apparatus 1 determines whether or not the following expression (30) is satisfied when i = 2 (modeling up to the second joint) (step S201).
Figure 2012223851

ただし、上記(30)式において、δは関節角度検出器133の故障を判定するための故障判定閾値(判定閾値)であり、例えば、予め故障判定部140に設定されている。   However, in the above equation (30), δ is a failure determination threshold (determination threshold) for determining failure of the joint angle detector 133, and is set in advance in the failure determination unit 140, for example.

故障判定部140は、上記(30)式を満足すると判断した場合(ステップS201のYES)、関節角度検出値θ及びθは正常(第1関節角度検出器133と第2関節角度検出器133が故障していない)と判断し(ステップS202)、図3の(ステップS301)の処理に移行する。 Malfunction determining unit 140, the (30) if it is determined to satisfy the equation (YES in step S201), the joint angle detection value theta 1 and theta 2 are normal (a first joint angle detector 133 second joint angle detector 133 is determined not to have failed (step S202), and the process proceeds to (step S301) in FIG.

一方、故障判定部140は、上記(30)式を満足しないと判断した場合(ステップS201のNO)、関節角度検出値θ及びθのうち少なくとも一方が異常と判断し(ステップS203)、例えば、第1関節のモータ132に負のトルクを発生させ、関節角度検出値θ=0に保持し、関節角度検出値θ=0の状態で上記(30)式を満足するか否かを判定する(ステップS204)。 On the other hand, the malfunction determining unit 140, the (30) when it is determined not to satisfy the expression (NO in step S201), at least one of the joint angle detection value theta 1 and theta 2 is judged to be abnormal (step S203), For example, negative torque is generated in the motor 132 of the first joint, the joint angle detection value θ 1 = 0 is held, and the above equation (30) is satisfied in a state where the joint angle detection value θ 1 = 0. Is determined (step S204).

故障判定部140は、上記(30)式を満足すると判断した場合(ステップS204のYES)、関節角度検出値θが異常(第1関節角度検出器133は故障している)、関節角度検出値θが正常(第2関節角度検出器133は故障していない)と判断し(ステップS205)、図3の(ステップS301)処理に移行する。 Malfunction determining unit 140, when determining that satisfies the above equation (30) (YES in step S204), the joint angle detection value theta 1 is abnormal (first joint angle detector 133 has failed), the joint angle detection determines that the value theta 2 normal (second joint angle detector 133 has not failed) (step S205), and proceeds to (step S301) the processing of FIG.

故障判定部140は、上記(30)式を満足しないと判断した場合(ステップS204のNO)、関節角度検出値θが正常か否か(第1関節角度検出器133が故障しているか否か)が不明であり、関節角度検出値θが異常(第2関節角度検出器133が故障している)と判断し(ステップS206)、第2関節のモータ132に負のトルクを発生させ、関節角度検出値θ=0に保持し、関節角度検出値θ=0の状態で上記(30)式を満足するか否かを判定する(ステップS207)。 Whether the malfunction determining unit 140, the (30) when it is determined not to satisfy the expression (NO in step S204), the joint angle detection value theta 1 is whether normal (first joint angle detector 133 has failed ) Is unknown, and it is determined that the detected joint angle value θ 2 is abnormal (the second joint angle detector 133 has failed) (step S206), and a negative torque is generated in the motor 132 of the second joint. The joint angle detection value θ 2 = 0 is held, and it is determined whether or not the above equation (30) is satisfied in a state where the joint angle detection value θ 2 = 0 (step S207).

故障判定部140は、上記(30)式を満足すると判断した場合(ステップS207のYES)、関節角度検出値θが正常(第1関節角度検出器133は故障していない)、関節角度検出値θが異常(第2関節角度検出器133は故障している)と判断し(ステップS208)、図3の(ステップS301)の処理に移行する。 Malfunction determining unit 140, the (30) if it is determined to satisfy the equation (YES in step S207), the joint angle detection value theta 1 is normal (first joint angle detector 133 has not failed), the joint angle detection It determines that the value theta 2 is abnormal (have second joint angle detector 133 fails) (step S208), and the process proceeds to (step S301) in FIG.

故障判定部140は、上記(30)式を満足しないと判断した場合(ステップS207のNO)、関節角度検出値θ及びθが異常(第1関節角度検出器133及び第2関節角度検出器133が故障している)と判断し(ステップS209)、図3の(ステップS301)の処理に移行する。 Malfunction determining unit 140, the (30) when it is determined not to satisfy the expression (NO in step S207), the joint angle detection value theta 1 and theta 2 is abnormal (first joint angle detector 133 and a second joint angle detection (Step S209), and the process proceeds to (Step S301) in FIG.

図3は、第1関節角度検出器及び第2関節角度検出器のうちいずれが故障しているか否かが分かっている場合の関節角度検出器の故障を判定するための処理フローを示すフローチャートである。   FIG. 3 is a flowchart showing a processing flow for determining a failure of the joint angle detector when it is known which of the first joint angle detector and the second joint angle detector is broken. is there.

故障判定部140は、i=j、j≧3において、異常と判断した関節角度検出値を上記(ステップS204)と同様に、その関節角度検出値を0に保持し、上記(30)式を満足するか否かを判定する(ステップS301)。   The failure determination unit 140 holds the joint angle detection value determined to be abnormal when i = j and j ≧ 3 as 0 (step S204), and holds the joint angle detection value at 0. It is determined whether or not it is satisfied (step S301).

故障判定部140は、上記(30)式を満足すると判断した場合(ステップS301のYES)、関節角度検出値θは正常(第j関節角度検出器133は故障していない)と判断し(ステップS302)、上記(ステップS301)の処理に戻る。 If the failure determination unit 140 determines that the above equation (30) is satisfied (YES in step S301), the failure determination unit 140 determines that the detected joint angle value θ j is normal (the jth joint angle detector 133 has not failed) ( Step S302), the process returns to the above (Step S301).

一方、故障判定部140は、上記(30)式を満足しないと判断した場合(ステップS301のNO)、関節角度検出値θは異常(第j関節角度検出器133が故障している)と判断し(ステップS303)、上記(ステップS301)の処理に戻る。 On the other hand, if the failure determination unit 140 determines that the above equation (30) is not satisfied (NO in step S301), the joint angle detection value θ j is abnormal (the j-th joint angle detector 133 has failed). Determination is made (step S303), and the processing returns to the above (step S301).

このようにして、動作に必要最小限のセンサのみを搭載した人と共生できる質量及びサイズのロボットにおいても、故障した関節角度検出器133を容易に特定することができる。
故障判定部140が、上述した図2及び図3に示す処理フローを用いて、全ての関節角度検出器133の故障判定を行い完了すると、安全制御部120は、その判定結果とロボットハンド130が実施しようとしている作業の種類に応じて、下記(31)式に示す第j関節のモータトルクTを生成する。
In this way, even in a robot having a mass and size that can coexist with a person equipped with only the minimum sensors necessary for operation, the failed joint angle detector 133 can be easily identified.
When the failure determination unit 140 completes the failure determination of all the joint angle detectors 133 using the processing flow shown in FIGS. 2 and 3 described above, the safety control unit 120 determines that the determination result and the robot hand 130 The j-th joint motor torque T j shown in the following equation (31) is generated according to the type of work to be performed.

Figure 2012223851
Figure 2012223851

Figure 2012223851
Figure 2012223851

ただし、上記(31)式において、Tjrは、第j関節角度検出器133が故障していない場合に、第j関節のモータ132が生成するモータトルクの目標値(以下、「第j関節モータトルク指令」と称す)である。また、sは、ロボットハンド130が実施しようとしている作業の種類を分類するためのパラメータ(以下、「作業分類パラメータ」と称す)であり、例えば、上記(32)式のように設定されている。 However, in the above equation (31), T jr is a target value of the motor torque generated by the motor 132 of the j-th joint when the j-th joint angle detector 133 has not failed (hereinafter referred to as “j-th joint motor”). This is referred to as “torque command”. Further, s j is a parameter for classifying the type of work to be performed by the robot hand 130 (hereinafter referred to as “work classification parameter”), and is set, for example, as in the above equation (32). Yes.

作業分類パラメータsが1(第1所定値)に設定されている場合、指機構131は外側に向かって反力を発生させ、一方、作業分類パラメータsが0(第2所定値)に設定されている場合、指機構131は外側に向かって反力を発生させない。 When the work classification parameter s j is set to 1 (first predetermined value), the finger mechanism 131 generates a reaction force toward the outside, while the work classification parameter s j is set to 0 (second predetermined value). When set, the finger mechanism 131 does not generate a reaction force toward the outside.

上記(31)式における3つのモータトルク指令Tは、例えば、以下のように定義できる。
(a)T<0:第j関節角度検出器133が故障しており、かつロボットハンド130が実施しようとしている作業において、指機構131が外側(指が伸びる方向)に向かって反力を発生する必要がある場合(s=1)。
The three motor torque commands T j in the above equation (31) can be defined as follows, for example.
(A) T j <0: In an operation in which the j-th joint angle detector 133 is out of order and the robot hand 130 is to perform, the finger mechanism 131 applies a reaction force toward the outside (the direction in which the finger extends). If it needs to occur (s j = 1).

この場合、第j関節モータトルク指令Tを負トルク(所定トルク)に設定することにより、第j関節が伸びた状態になり、指機構131が物体に接触した時に物体に対して反力を与えることができるようになる。
(b)T=0:第j関節角度検出器133が故障しており、かつロボットハンド130が実施しようとしている作業において、指機構131が外側に向かって反力を発生する必要がない場合(s=0)。
In this case, by setting the j-th joint motor torque command T j to a negative torque (predetermined torque), the j-th joint is extended, and a reaction force is applied to the object when the finger mechanism 131 contacts the object. Will be able to give.
(B) T j = 0: When the j-th joint angle detector 133 is out of order and the robot hand 130 is about to perform, it is not necessary for the finger mechanism 131 to generate a reaction force toward the outside. (S j = 0).

この場合、第j関節モータトルク指令Tを0に設定することにより、第j関節は指機構131が物体により内側に押された場合は正の方向に(曲がる方向に)回転し、指機構131が物体から外側に押された場合は指機構131が伸びた状態になるまで負の方向に(伸びる方向に)回転する。いずれの場合も、第j関節の可動範囲の端に到達したら物体からの力が同じ方向に加わる限りその角度のまま保持される。
(c)T=Tjr:第j関節角度検出器133が故障していない、又は故障しているか否か分からない場合。
In this case, by setting the j-th joint motor torque command T j to 0, the j-th joint rotates in the positive direction (in the bending direction) when the finger mechanism 131 is pushed inward by the object, and the finger mechanism When 131 is pushed outward from the object, the finger mechanism 131 rotates in the negative direction (in the extending direction) until it reaches the extended state. In any case, when reaching the end of the movable range of the j-th joint, the angle is maintained as long as the force from the object is applied in the same direction.
(C) T j = T jr : When the j-th joint angle detector 133 is not broken or it is not known whether or not it is broken.

この場合、ロボットハンド130の実施しようとしている作業に必要な第j関節モータトルク指令T(作業パターン毎に予め設定された安全なモータトルク指令)を生成し、この第j関節モータトルク指令Tに従って第j関節を駆動する。 In this case, a j-th joint motor torque command T j (a safe motor torque command preset for each work pattern) necessary for the work to be performed by the robot hand 130 is generated, and this j-th joint motor torque command T the j joint drive according j.

本実施の形態において、上記(31)式により第j関節モータトルクTを生成することにより、第j関節角度検出器133が故障している場合でも、第j関節のモータ132の暴走を回避し、かつロボットハンド130が実施しようとしている作業を安全に継続できる。以下上記(31)式に示すTを「安全関節モータトルク指令」と称す。 In the present embodiment, by generating the j-th joint motor torque T j by the above equation (31), the runaway of the j-th joint motor 132 is avoided even when the j-th joint angle detector 133 is out of order. In addition, the work that the robot hand 130 is trying to perform can be safely continued. Hereinafter, T j shown in the above equation (31) is referred to as “safety joint motor torque command”.

図1は、本発明の実施の形態に係るロボット制御装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。本実施の形態に係るロボット制御装置1は、関節角度指令生成部110と、安全制御部120と、ロボットハンド130と、故障判定部140と、を備えている。   FIG. 1 is a block diagram showing a schematic system configuration of a robot control apparatus according to an embodiment of the present invention. The robot control apparatus 1 according to the present embodiment includes a joint angle command generation unit 110, a safety control unit 120, a robot hand 130, and a failure determination unit 140.

関節角度指令生成部110は、故障判定部140より出力された各関節角度検出器133の故障判定結果に基づいて、各関節を駆動するための関節角度指令を生成し、生成した各関節角度指令を安全制御部120に対して出力する。   The joint angle command generation unit 110 generates a joint angle command for driving each joint based on the failure determination result of each joint angle detector 133 output from the failure determination unit 140, and generates each generated joint angle command. Is output to the safety control unit 120.

関節角度指令生成部110は、作業パターン生成器111と、関節角度指令生成器112と、を有している。   The joint angle command generation unit 110 includes a work pattern generator 111 and a joint angle command generator 112.

作業パターン生成器111は、作業パターン生成手段の一具体例であり、例えば、ロボットハンド130のユーザによる入力情報、又は、当該ロボット制御装置1などに予め設定されたプログラムに従って、ロボットハンド130が次に実施する作業に必要な作業パターン(動作データ)を生成し、関節角度指令生成器112及び安全制御部120に対して出力する。   The work pattern generator 111 is a specific example of a work pattern generation unit. For example, the robot hand 130 performs the next operation according to information input by the user of the robot hand 130 or a program preset in the robot control device 1 or the like. A work pattern (motion data) necessary for the work to be performed is generated and output to the joint angle command generator 112 and the safety control unit 120.

関節角度指令生成器112は、関節角度指令生成手段の一具体例であり、故障判定部140からの各関節角度検出器133の故障判定結果に基づいて、故障した関節角度検出器133が無いと判断した場合、作業パターン生成器111からの作業パターンに基づいて、その作業パターンが表す動作を実施するのに必要な関節角度指令を生成し、安全制御部120に対して出力する。   The joint angle command generator 112 is a specific example of a joint angle command generation unit, and based on the failure determination result of each joint angle detector 133 from the failure determination unit 140, there is no failure joint angle detector 133. When the determination is made, based on the work pattern from the work pattern generator 111, a joint angle command necessary for performing the operation represented by the work pattern is generated and output to the safety control unit 120.

関節角度指令生成器112は、故障判定部140からの各関節角度検出器133の故障判定結果に基づいて、故障した関節角度検出器133が存在すると判断した場合、故障している関節角度検出器133の位置と、ロボットハンド130が実施しようとしている作業パターンと、に基づいて、その作業パターンが実施可能か否かを判定する。   When the joint angle command generator 112 determines that there is a failed joint angle detector 133 based on the failure determination result of each joint angle detector 133 from the failure determination unit 140, the joint angle detector 133 that has failed Based on the position of 133 and the work pattern to be executed by the robot hand 130, it is determined whether or not the work pattern can be executed.

関節角度指令生成器112は、その作業内容が実施不能と判定した場合、作業パターンの作業を中止するために必要な関節角度指令を生成し、安全制御部120に対して出力する。ここで、上記作業内容を中止するために必要な関節角度指令とは、例えば、故障していない関節角度検出器133のみを使ってロボットハンド130が安全な姿勢をとることができる関節角度指令である。   When it is determined that the work content cannot be performed, the joint angle command generator 112 generates a joint angle command necessary to stop the work pattern work and outputs the joint angle command to the safety control unit 120. Here, the joint angle command necessary for canceling the work content is, for example, a joint angle command that allows the robot hand 130 to take a safe posture using only the joint angle detector 133 that has not failed. is there.

一方、関節角度指令生成部110は、その作業パターンが実施可能と判定した場合、故障した関節角度検出器133が配置された関節以外の関節に対する各関節角度指令を生成し、安全制御部120に対して出力する。   On the other hand, when it is determined that the work pattern is feasible, the joint angle command generation unit 110 generates each joint angle command for a joint other than the joint where the failed joint angle detector 133 is arranged, and sends it to the safety control unit 120. Output.

安全制御部120は、関節角度指令生成部110から関節角度指令と、故障判定部140からの各関節角度検出器133の故障判定結果と、ロボットハンド130の各関節角度検出器133からの関節角度検出値と、に基づいて、ロボットハンド130の各関節のモータ132を安全に駆動させるための安全関節モータトルク指令を生成し、ロボットハンド130のモータ132に対して出力する。ここで、安全関節モータトルク指令とは、例えば、ロボットハンド130の指機構131の全関節における各関節角度検出値が各関節角度指令に追従するような各関節のモータトルク指令である。   The safety control unit 120 includes a joint angle command from the joint angle command generation unit 110, a failure determination result of each joint angle detector 133 from the failure determination unit 140, and a joint angle from each joint angle detector 133 of the robot hand 130. Based on the detected value, a safe joint motor torque command for safely driving the motor 132 of each joint of the robot hand 130 is generated and output to the motor 132 of the robot hand 130. Here, the safe joint motor torque command is, for example, a motor torque command for each joint such that the detected joint angle values at all joints of the finger mechanism 131 of the robot hand 130 follow the respective joint angle commands.

安全制御部120は、パラメータ生成器121と、モータトルク指令生成器122と、を有している。   The safety control unit 120 includes a parameter generator 121 and a motor torque command generator 122.

パラメータ生成器121は、パラメータ生成手段の一具体例であり、関節角度指令生成部110の作業パターン生成器111からの作業パターンに基づいて、ロボットハンド130が実施しようとしている作業を各関節に求められる動作に分類して、作業分類パラメータs(j=1、2、…)を設定し、設定した作業パラメータsをモータトルク指令生成器122に対して出力する。 The parameter generator 121 is a specific example of parameter generation means, and obtains the work to be performed by the robot hand 130 for each joint based on the work pattern from the work pattern generator 111 of the joint angle command generation unit 110. The operation classification parameters s j (j = 1, 2,...) Are set, and the set operation parameters s j are output to the motor torque command generator 122.

モータトルク指令生成器122は、トルク指令生成手段の一具体例であり、関節角度指令生成部110からの各関節角度指令と、パラメータ生成器121からの作業分類パラメータsと、故障判定部140からの各関節角度検出器133の故障判定結果と、に基づいて、上記(31)式で表される安全関節モータトルク指令T(j=1、2、…)を生成し、ロボットハンド130の各モータ132に対して出力する。 The motor torque command generator 122 is a specific example of torque command generation means. Each joint angle command from the joint angle command generation unit 110, the work classification parameter s j from the parameter generator 121, and the failure determination unit 140. , The safety joint motor torque command T j (j = 1, 2,...) Expressed by the above equation (31) is generated based on the failure determination result of each joint angle detector 133 from the robot hand 130. Output to each of the motors 132.

例えば、モータトルク指令生成器122は、故障判定部140からの各関節角度検出器133の故障判定結果に基づいて、故障した関節角度検出器133が無いと判断した場合、ロボットハンド130の指機構131の全関節における関節角度検出器133の関節角度検出値が関節角度指令生成器112により生成された各関節角度指令に追従するような安全関節モータトルク指令Tを生成し、ロボットハンド130の各モータ132に対して出力する。 For example, when the motor torque command generator 122 determines that there is no failed joint angle detector 133 based on the failure determination result of each joint angle detector 133 from the failure determination unit 140, the finger mechanism of the robot hand 130 A safety joint motor torque command T j is generated such that the joint angle detection value of the joint angle detector 133 in all the joints 131 follows each joint angle command generated by the joint angle command generator 112, and the robot hand 130 Output to each motor 132.

一方、モータトルク指令生成器122は、故障判定部140からの各関節角度検出器133の故障判定結果に基づいて、故障した関節角度検出器133が存在すると判断した場合、故障していない関節角度検出器133の関節角度検出値が関節角度指令生成器112により生成された関節角度指令に追従し、かつ故障した関節角度検出器133を備える関節のモータ132に対するモータトルクが作業パターン毎に設定された安全なモータトルクとなるような安全関節モータトルク指令Tを生成し、ロボットハンド130の各モータ132に対して出力する。ここで、モータトルク指令生成器122は、安全関節モータトルク指令Tをモータ電流に変換してロボットハンド130の各関節のモータ132に対して出力する。 On the other hand, when the motor torque command generator 122 determines that there is a failed joint angle detector 133 based on the failure determination result of each joint angle detector 133 from the failure determination unit 140, the joint angle that has not failed is determined. The detected joint angle value of the detector 133 follows the joint angle command generated by the joint angle command generator 112, and the motor torque for the motor 132 of the joint having the failed joint angle detector 133 is set for each work pattern. A safe joint motor torque command T j is generated so as to obtain a safe motor torque, and is output to each motor 132 of the robot hand 130. Here, the motor torque command generator 122 converts the safe joint motor torque command T j into a motor current and outputs it to the motor 132 of each joint of the robot hand 130.

ロボットハンド130は、指機構131と、安全制御部120のモータトルク指令生成器122からの安全関節モータトルク指令Tに基づいて各関節を駆動する複数のモータ132と、各モータ132により駆動された各関節の回転角度を検出し、関節角度検出値として出力する複数の関節角度検出器133と、を有している。指機構131は、複数のリンクと、隣合うリンクを回転可能に連結する複数の関節と、から構成される機構である。 The robot hand 130 is driven by a finger mechanism 131, a plurality of motors 132 that drive each joint based on a safety joint motor torque command T j from the motor torque command generator 122 of the safety control unit 120, and each motor 132. And a plurality of joint angle detectors 133 that detect the rotation angle of each joint and output as a joint angle detection value. The finger mechanism 131 is a mechanism that includes a plurality of links and a plurality of joints that rotatably connect adjacent links.

故障判定部140は、ロボットハンド130の各関節角度検出器133からの関節角度検出値に基づいて、ロボットハンド130が物体に接触していない状態で、各関節の回転軸が鉛直方向を向いた瞬間に、故障した関節角度検出器133の有無およびその位置を判定し、その各関節角度検出器133の故障判定結果を、関節角度指令生成部110及び安全制御部120に対して出力する。   Based on the joint angle detection values from the joint angle detectors 133 of the robot hand 130, the failure determination unit 140 turns the rotation axes of the joints in the vertical direction when the robot hand 130 is not in contact with the object. At the moment, the presence / absence and position of the broken joint angle detector 133 is determined, and the failure determination result of each joint angle detector 133 is output to the joint angle command generation unit 110 and the safety control unit 120.

故障判定部140は、慣性モーメント演算器141と、慣性モーメント推定器142と、慣性モーメント推定誤差演算器143と、故障判定器144と、を有している。   The failure determination unit 140 includes an inertia moment calculator 141, an inertia moment estimator 142, an inertia moment estimation error calculator 143, and a failure determiner 144.

慣性モーメント演算器141は、慣性モーメント演算手段の一具体例であり、各関節角度検出器133からの第1乃至第i関節角度検出値と、上記(21)式と、に基づいて、第i関節周りの慣性モーメントJ(i=1、2、…)を演算し、推定誤差演算器143に対して出力する。 The inertia moment calculator 141 is a specific example of the inertia moment calculator, and is based on the first to i-th joint angle detection values from the joint angle detectors 133 and the above equation (21). The inertia moment J i (i = 1, 2,...) Around the joint is calculated and output to the estimation error calculator 143.

慣性モーメント推定器142は、慣性モーメント推定手段の一具体例であり、各関節角度検出器133からの第i関節角度検出値と、上記(27)式と、に基づいて、第i関節の回転軸が鉛直方向となるときの第i関節周りの慣性モーメント推定値J(ハット)(i=1、2、…)を演算し、慣性モーメント推定誤差演算器143に対して出力する。 The inertia moment estimator 142 is a specific example of the inertia moment estimation means, and the rotation of the i-th joint is based on the i-th joint angle detection value from each joint angle detector 133 and the above equation (27). An inertia moment estimated value J i (hat) (i = 1, 2,...) Around the i-th joint when the axis is in the vertical direction is calculated and output to the inertia moment estimation error calculator 143.

慣性モーメント推定誤差演算器143は、推定誤差演算手段の一具体例であり、慣性モーメント演算器141からの慣性モーメントJと、慣性モーメント推定器142からの慣性モーメント推定値J(ハット)と、の差を、上記(29)式を用いて、第i関節周りの慣性モーメント推定誤差eJ、i(i=1、2、…)として演算し、故障判定器144に対して出力する。 The inertia moment estimation error calculator 143 is a specific example of the estimation error calculator, and the inertia moment J i from the inertia moment calculator 141 and the inertia moment estimate J i (hat) from the inertia moment estimator 142 Are calculated as an inertia moment estimation error e J, i (i = 1, 2,...) Around the i-th joint using the above equation (29) and output to the failure determination unit 144.

故障判定器144は、故障判定手段の一具体例であり、慣性モーメント推定誤差演算器143からの慣性モーメント推定誤差eJ、iと、上記(30)式と、に基づいて、図2及び図3に示す処理フローに従って各関節角度検出器133が故障しているか否かを判定し、その各関節角度検出器133の故障判定結果を関節角度指令生成部110及び安全制御部120に対して出力する。 The failure determiner 144 is a specific example of the failure determination means. Based on the inertia moment estimation error e J, i from the inertia moment estimation error calculator 143 and the above equation (30), FIG. 2 and FIG. 3 determines whether each joint angle detector 133 has failed according to the processing flow shown in FIG. 3, and outputs the failure determination result of each joint angle detector 133 to the joint angle command generation unit 110 and the safety control unit 120. To do.

故障判定部140は、上述の各関節角度検出器133の判定演算を、ロボットハンド130の作業と作業の間、物体に接触する前に各関節の回転軸が鉛直方向を向いた瞬間に実施する。   The failure determination unit 140 performs the determination calculation of each joint angle detector 133 described above at the moment when the rotation axis of each joint is directed in the vertical direction before contacting the object during the operation of the robot hand 130. .

このように、本実施の形態によれば、関節角度検出器133を冗長的に設けることなく、ロボットハンド130の作業と作業の間、物体に接触していない状態で各関節の回転軸が鉛直方向を向いた瞬間に、各関節角度検出器133が故障しているか否かを瞬時に判定できる。また、その判定結果に基づいて、故障した関節角度検出器133を使用することなく、ロボットハンド130に安全に次の作業を実施させるか、或いは中止させることができる。   As described above, according to the present embodiment, the joint axis detector 133 is not redundantly provided, and the rotation axis of each joint is vertical while the robot hand 130 is not in contact with an object during the work. It is possible to instantaneously determine whether or not each joint angle detector 133 is out of order at the moment of turning. Further, based on the determination result, the robot hand 130 can safely perform the next operation or can be stopped without using the failed joint angle detector 133.

次に、本実施の形態に係るロボット制御装置1を用いて、シミュレーションを行った結果について説明する。なお、本シミュレーションは、3つの関節と3つのリンクから構成されるロボットハンド130の人差し指において、第2関節角度検出器133のみが故障している場合に、人差し指と親指を使って複数のはがきを輪ゴムで止める作業を模擬している。また、シミュレーションに用いた数値は以下のように設定されている。   Next, the results of simulation using the robot control apparatus 1 according to the present embodiment will be described. In this simulation, when only the second joint angle detector 133 is broken in the index finger of the robot hand 130 composed of three joints and three links, a plurality of postcards using the index finger and thumb are used. Simulates stopping with rubber bands. The numerical values used for the simulation are set as follows.

=20×10−3[m]、l=20×10−3[m]、l=20×10−3[m]、l10=10×10−3[m]、l20=10×10−3[m]、l30=10×10−3[m]、m=30×10−3[kg]、m=30×10−3[kg]、m=30×10−3[kg]、J10=1.42×10−6[kg・m]、J20=1.42×10−6[kg・m]、J30=1.42×10−6[kg・m]、D=1×10−4[N・m・s/rad]、D=1×10−4[N・m・s/rad]、D=1×10−4[N・m・s/rad]、θ1min=0[rad]、θ1max=π[rad]、θ2min=0[rad]、θ2max=π[rad]、θ3min=0[rad]、θ3max=π[rad]、cv2=−1×10−1[rad/s]、T=1×10−3[s]、Kp1=40[s−1]、Kv1=40×2×π[s−1]、Kvj1=Kv1×(J10+m×l10 )[N・m・s−1]、Kp2=40[s−1]、Kv2=40×2×π[s−1]Kvj2=Kv2×(J20+m×l20 )[N・m・s]、Kp3=40[s−1]、Kv3=40×2×π[s−1]、Kvj3=Kv3×(J30+m×l30 )[N・m・s−1]、T1c=−1×10−1[N・m]、T2c=−1×10−1[N・m]、T3c=−1×10−1[N・m]、θ1f=1×10−1[rad]、θ2f=1×10−1[rad]、θ3f=1×10−1[rad]、v1c=5×10−1[rad/s]、v2c=5×10−1[rad/s]、v3c=5×10−1[rad/s]、δ=5×10−3[kg・m]、
g=9.8[m/s−2
ただし、上記各記号は、以下のように定義されている。
i0:第iリンク重心と第i関節の間の距離(以下、「第iリンク重心第i関節間距離」と称す)
θimin:第i関節角度下限値、
θimax:第i関節角度上限値、
v2:第2関節速度検出値ドリフト量、
pi:第i関節角度比例制御ゲイン、
vi:正規化第i関節速度比例制御ゲイン、
vji:第i関節速度比例制御ゲイン、
ic:第i関節角度を第i関節角度下限値に保持するための第i関節のモータトルク(以下、「第i関節角度下限値保持モータトルク」と称す)
θif:第i関節角度検出器133が故障していない場合の第i関節角度最終目標値(以下、「第i関節角度最終目標値」と称す)
ic:第i関節角度検出器133が故障していない場合の各制御周期における第i関節速度指令変化量(以下、「第i関節速度指令変化量」と称す)
g:重力加速度
l 1 = 20 × 10 −3 [m], l 2 = 20 × 10 −3 [m], l 3 = 20 × 10 −3 [m], l 10 = 10 × 10 −3 [m], l 20 = 10 × 10 −3 [m], l 30 = 10 × 10 −3 [m], m 1 = 30 × 10 −3 [kg], m 2 = 30 × 10 −3 [kg], m 3 = 30 × 10 −3 [kg], J 10 = 1.42 × 10 −6 [kg · m 2 ], J 20 = 1.42 × 10 −6 [kg · m 2 ], J 30 = 1.42 × 10 −6 [kg · m 2 ], D 1 = 1 × 10 −4 [N · m · s / rad], D 2 = 1 × 10 −4 [N · m · s / rad], D 3 = 1 × 10 -4 [N · m · s / rad], θ 1min = 0 [rad], θ 1max = π [rad], θ 2min = 0 [rad], θ 2max = π [rad], θ 3min = 0 [ rad], θ 3max = π [ rad] c v2 = -1 × 10 -1 [ rad / s], T = 1 × 10 -3 [s], K p1 = 40 [s -1], K v1 = 40 × 2 × π [s -1], K vj1 = K v1 × (J 10 + m 1 × l 10 2 ) [N · m 2 · s −1 ], K p2 = 40 [s −1 ], K v2 = 40 × 2 × π [s −1 ] K vj2 = K v2 × (J 20 + m 2 × l 20 2 ) [N · m 2 · s 1 ], K p3 = 40 [s −1 ], K v3 = 40 × 2 × π [s −1 ], K vj3 = K v3 × (J 30 + m 3 × l 30 2 ) [N · m 2 · s −1 ], T 1c = −1 × 10 −1 [N · m], T 2c = −1 × 10 − 1 [N · m], T 3c = −1 × 10 −1 [N · m], θ 1f = 1 × 10 −1 [rad], θ 2f = 1 × 10 −1 [rad], θ 3f = 1 × 10 -1 [rad], v 1c = 5 × 10 -1 [rad s], v 2c = 5 × 10 -1 [rad / s], v 3c = 5 × 10 -1 [rad / s], δ = 5 × 10 -3 [kg · m 2],
g = 9.8 [m / s −2 ]
However, the above symbols are defined as follows.
l i0 : Distance between the centroid of the i-th link and the i-th joint (hereinafter referred to as “distance between the ith link centroid and the i-th joint”)
θimin : i-th joint angle lower limit,
θ imax : i-th joint angle upper limit value,
c v2 : second joint speed detection value drift amount,
K pi : i-th joint angle proportional control gain,
K vi : normalized i-th joint velocity proportional control gain,
K vji : i-th joint velocity proportional control gain,
T ic : i-th joint motor torque for holding the i-th joint angle at the i-th joint angle lower limit (hereinafter referred to as “i-th joint angle lower limit holding motor torque”)
θ if : i-th joint angle final target value when the i-th joint angle detector 133 has not failed (hereinafter referred to as “final i-th joint angle target value”)
v ic : i-th joint speed command change amount in each control cycle when the i-th joint angle detector 133 is not out of order (hereinafter referred to as “i-th joint speed command change amount”)
g: Gravity acceleration

ロボットハンド130の指機構131の人差し指の運動方程式は、下記(33)式乃至(35)式として導出できる。

Figure 2012223851

Figure 2012223851

Figure 2012223851
The motion equation of the index finger of the finger mechanism 131 of the robot hand 130 can be derived as the following equations (33) to (35).
Figure 2012223851

Figure 2012223851

Figure 2012223851

ここで、上記(33)乃至(35)で表される指機構131の人差し指を、輪ゴムに通すために、各関節の回転軸は鉛直方向を向いている状態で各関節を少し曲げる動作を想定する。輪ゴムを広げる際に、人差し指の各リンクは外向きの反力を輪ゴムに発生させる必要があるため、作業分類パラメータは、s=1、s=1、s=1となる。 Here, in order to pass the index finger of the finger mechanism 131 represented by the above (33) to (35) through the rubber band, it is assumed that each joint is slightly bent with the rotation axis of the joint facing the vertical direction. To do. When expanding the rubber band, each link of the index finger needs to generate an outward reaction force on the rubber band, so the work classification parameters are s 1 = 1, s 2 = 1, and s 3 = 1.

初期状態において、人差し指は伸びている状態(θ=0、θ=0、θ=0)であるとする。まず、第1関節角度検出器133乃至第3関節角度検出器133が故障しているか否か不明である。このため、上記(36)式乃至(38)式で表される第1関節のモータトルク指令T1r、第2関節のモータトルク指令T2r、及び第3関節のモータトルク指令T3rにより各関節角度を制御する。

Figure 2012223851

Figure 2012223851

Figure 2012223851
In the initial state, it is assumed that the index finger is in the extended state (θ 1 = 0, θ 2 = 0, θ 3 = 0). First, it is unknown whether or not the first joint angle detector 133 to the third joint angle detector 133 are out of order. Therefore, the first joint motor torque command T 1r , the second joint motor torque command T 2r , and the third joint motor torque command T 3r represented by the equations (36) to (38) are used for each joint. Control the angle.
Figure 2012223851

Figure 2012223851

Figure 2012223851

上記(36)式乃至(38)式において、関節角度指令生成器112は、第1関節角度指令θ1r、第2関節角度指令θ2r、及び第3関節角度指令θ3rを、下記(39)式乃至(41)式の1階時間積分として演算する。

Figure 2012223851

Figure 2012223851

Figure 2012223851
In the above formulas (36) to (38), the joint angle command generator 112 outputs the first joint angle command θ 1r , the second joint angle command θ 2r , and the third joint angle command θ 3r according to the following (39). Calculation is performed as a first-order time integration of Expressions (41) to (41).
Figure 2012223851

Figure 2012223851

Figure 2012223851

ただし、上記(39)式乃至(41)式において、cθiは、故障した第i関節角度検出器133の故障判定結果(1:故障しているか否か不明、0:故障していない、−1:故障している)とする。 However, in the above equations (39) to (41), c θi is the failure determination result of the failed i-th joint angle detector 133 (1: unknown whether or not it is broken, 0: not broken, − 1: Defective)

上記(39)式乃至(41)式により、第i関節角度検出値θが第i関節角度最終目標値θifに到達するまで、第i関節角度指令θirは、制御周期ごとに第i関節速度指令変化量vicずつその1階時間微分値を増加させ、第i関節角度最終目標値θifに到達した時点でその値を保持する。 From the above equations (39) to (41), until the i-th joint angle detection value θ i reaches the i-th joint angle final target value θ if , the i-th joint angle command θ ir is The first-order time differential value is increased by the joint speed command change amount vic , and the value is held when reaching the i-th joint angle final target value θ if .

以下、上述のように制御した人差し指の各関節角度検出器133の故障判定を、図5乃至図8を用いて説明する。   Hereinafter, the failure determination of each joint angle detector 133 of the index finger controlled as described above will be described with reference to FIGS.

図5(a)は、本実施の形態に係るロボット制御装置のシミュレーションにおける第2関節の関節角度の時間変化を示しており、図5(b)は、従来のロボット制御装置のシミュレーションにおける第2関節の関節角度の時間変化を示している。図5(a)及び(b)において、実線は実際の第2関節角度θ、一点鎖線は第2関節角度検出値θ2m、破線は第2関節角度指令θ2rを示している。 FIG. 5A shows a temporal change in the joint angle of the second joint in the simulation of the robot control apparatus according to the present embodiment, and FIG. 5B shows the second change in the simulation of the conventional robot control apparatus. The time change of the joint angle of the joint is shown. 5A and 5B, the solid line indicates the actual second joint angle θ 2 , the alternate long and short dash line indicates the second joint angle detection value θ 2m , and the broken line indicates the second joint angle command θ 2r .

図5(a)において、時間0.003[s]まで図2の(ステップS201)から(ステップS203)の演算が実施され、実際の第2関節角度θ及びθのうち少なくとも一方が異常であることのみが分かっている。この間、故障している関節角度検出器133が特定できていないため、上記(40)式の1番目の式に従って破線の第2関節角度指令θ2rは増加している。ここで、第2関節角度指令θ2rが階段状に変化するのは、第2関節角度指令θ2rが制御周期T=1×10−3[s]の離散時間に従って生成されるためである。本実施の形態において第2関節角度検出器133は故障しており、下記(42)式で表される誤った第2関節速度検出値θ2mの1回時間積分値を出力するものとする。

Figure 2012223851
Figure in 5 (a), is implemented operations of FIG. 2 to time 0.003 [s] from (step S201) (step S203), the actual second among joint angles theta 1 and theta 2 at least one of abnormal I know only that. During this time, the broken joint angle detector 133 has not been identified, and therefore, the broken second joint angle command θ 2r is increased according to the first expression of the above expression (40). Here, the second joint angle command theta 2r varies stepwise is because the second joint angle command theta 2r is generated according to a discrete-time control cycle T = 1 × 10 -3 [s ]. In the present embodiment, it is assumed that the second joint angle detector 133 is out of order and outputs a one-time integral value of the erroneous second joint speed detection value θ 2m represented by the following equation (42).
Figure 2012223851

上記(42)式で表される誤った第2関節角度検出値θ2mは破線が示すように変化する。すなわち、0.003[s]までは第2関節角度検出値θ2mを第2関節角度指令θ2rに収束させようとして実際の第2関節角度θを制御し、その結果、実際の第2関節角度θは実線のように増加する。 The erroneous second joint angle detection value θ 2m represented by the above equation (42) changes as indicated by the broken line. That is, until the second joint angle detection value θ 2m is converged to the second joint angle command θ 2r until 0.003 [s], the actual second joint angle θ 2 is controlled, and as a result, the actual second joint angle θ 2m is controlled. joint angle theta 2 is increased as shown by the solid line.

図5(a)の0.003[s]において、図2の(ステップS204)から(ステップS206)の演算が実施され、第2関節角度検出器133の故障が検出され、(ステップS207)において上記(31)式の1番目の式に基づいて安全関節モータトルクが出力され、実際の第2関節角度θ=0[rad]に保持される。実際、0.003[s]以降において、実際の第2関節角度θは0[rad]に保持されており、第2関節が伸びた状態で保持されていることが分かる。この間、第2関節角度検出器133は故障したままであるため、誤った第2関節角度検出値θ2mを出力し続けている。 In 0.003 [s] in FIG. 5A, the calculation from (step S204) to (step S206) in FIG. 2 is performed, and a failure of the second joint angle detector 133 is detected. In (step S207) Based on the first expression of the above expression (31), the safe joint motor torque is output and held at the actual second joint angle θ 2 = 0 [rad]. Actually, after 0.003 [s], the actual second joint angle θ 2 is held at 0 [rad], and it can be seen that the second joint is held in an extended state. During this time, since the second joint angle detector 133 remains broken, the erroneous second joint angle detection value θ 2m continues to be output.

一方で、従来のロボット制御装置においては、図5(b)に示す如く、実線で示す実際の第2関節角度θは発散しており、人差し指の第2関節が完全に折れるまで曲がり続けることが分かる。 On the other hand, in the conventional robot control apparatus, as shown in FIG. 5B, the actual second joint angle θ 2 shown by the solid line is divergent and continues to bend until the second joint of the index finger is completely broken. I understand.

図6(a)は、本実施の形態に係るロボット制御装置のシミュレーションにおける第1関節の関節角度の0.015[s]までの時間変化を示しており、図6(b)は、本実施の形態に係るロボット制御装置のシミュレーションにおける第1関節の関節角度の0.5[s]までの時間変化を示している。図6(a)及び(b)において、実線は実際の第1関節角度θ、破線は第1関節角度指令θ1rを示している。 FIG. 6A shows a time change of the joint angle of the first joint to 0.015 [s] in the simulation of the robot control apparatus according to the present embodiment, and FIG. The time change to 0.5 [s] of the joint angle of the 1st joint in the simulation of the robot control apparatus which concerns on this form is shown. 6A and 6B, the solid line indicates the actual first joint angle θ 1 , and the broken line indicates the first joint angle command θ 1r .

図6(a)の0.006[s]において、図2の(ステップS207)の演算が完了し、その後、(ステップS208)の演算が行われ、第1関節角度検出器133が故障していないと判定される。よって、0.006[s]以降も関節角度指令生成器112は、上記(39)式の2番目の式に従って、図6(a)の破線で示す第1関節角度指令θ1rを出力しており、実際の第1関節角度θも第1関節角度指令θ1rに追従するように増加している。 The calculation of (Step S207) of FIG. 2 is completed at 0.006 [s] of FIG. 6A, and then the calculation of (Step S208) is performed, and the first joint angle detector 133 has failed. It is determined that there is no. Therefore, even after 0.006 [s], the joint angle command generator 112 outputs the first joint angle command θ 1r indicated by the broken line in FIG. 6A according to the second formula of the above formula (39). Therefore, the actual first joint angle θ 1 also increases so as to follow the first joint angle command θ 1r .

図6(b)に示すように、破線で示す第1関節角度指令θ1rは0.2[s]において第1関節角度最終目標値θ1f=0.1[rad]に到達し、それ以降はθ1r=θ1fに保持されている。また、実線で示す実際の第1関節角度θは、上記(31)式の3番目の式および上記(36)式に基づいてモータトルク指令生成器122が出力する安全関節モータトルク指令により制御され、第1関節角度最終目標値θ1fに漸近的に収束している。なお、図6(a)及び(b)において、第1関節角度検出値は実際の第1関節角度に一致している。 As shown in FIG. 6B, the first joint angle command θ 1r indicated by the broken line reaches the first joint angle final target value θ 1f = 0.1 [rad] at 0.2 [s], and thereafter. Is held at θ 1r = θ 1f . The actual first joint angle θ 1 indicated by the solid line is controlled by the safe joint motor torque command output from the motor torque command generator 122 based on the third equation (31) and the equation (36). Asymptotically converges to the first joint angle final target value θ 1f . In FIGS. 6A and 6B, the first joint angle detection value matches the actual first joint angle.

図7(a)は、本実施の形態に係るロボット制御装置のシミュレーションにおける第3関節の関節角度の0.015[s]までの時間変化を示しており、図7(b)は、本実施の形態に係るロボット制御装置のシミュレーションにおける第3関節の関節角度の0.5[s]までの時間変化を示している。図7(a)及び(b)において、実線は実際の第3関節角度θ、破線は第3関節角度指令θ3rを示している。 FIG. 7A shows the time change of the joint angle of the third joint to 0.015 [s] in the simulation of the robot control apparatus according to the present embodiment, and FIG. The time change to 0.5 [s] of the joint angle of the 3rd joint in the simulation of the robot control apparatus concerning this form is shown. 7A and 7B, the solid line indicates the actual third joint angle θ 3 , and the broken line indicates the third joint angle command θ 3r .

図7(a)において、0.009[s]までは図2の(ステップS201)乃至(ステップS208)、及び図3の(ステップS301)(j=3とした場合)が実施される。その結果、0.009[s]で(ステップS302)において、故障判定器144は、第3関節角度検出器133が故障していないと判定する。したがって、0.009[s]以降も、関節角度指令生成器112は、上記(41)式の2番目の式に基づいて、図7(a)の破線で示す第3関節角度指令θ3rを、モータトルク指令生成器122に対して出力する。これにより、実線で示す実際の第3関節角度θも第3関節角度指令θ3rに追従するように増加している。 7A, (step S201) to (step S208) in FIG. 2 and (step S301) in FIG. 3 (when j = 3) are performed until 0.009 [s]. As a result, at 0.009 [s] (step S302), the failure determination unit 144 determines that the third joint angle detector 133 has not failed. Accordingly, even after 0.009 [s], the joint angle command generator 112 generates the third joint angle command θ 3r indicated by the broken line in FIG. 7A based on the second expression of the above expression (41). And output to the motor torque command generator 122. As a result, the actual third joint angle θ 3 indicated by the solid line also increases so as to follow the third joint angle command θ 3r .

図7(b)に示すように、破線で示す第3関節角度指令θ3rは、0.2[s]において第3関節角度最終目標値θ3f=0.1[rad]に到達し、それ以降は第3関節角度指令θ3r=第3関節角度最終目標値θ3fに保持されている。また、実線で示す実際の第3関節角度θは、上記(31)式の3番目の式、及び上記(38)式に基づいてモータトルク指令生成器122が出力する安全関節モータトルク指令により制御され、第3関節角度最終目標値θ3fに漸近的に収束している。 As shown in FIG. 7B, the third joint angle command θ 3r indicated by the broken line reaches the third joint angle final target value θ 3f = 0.1 [rad] at 0.2 [s], and Thereafter, the third joint angle command θ 3r = the third joint angle final target value θ 3f is held. Further, the actual third joint angle θ 3 indicated by the solid line is determined by the safe joint motor torque command output from the motor torque command generator 122 based on the third equation of the equation (31) and the equation (38). Controlled and asymptotically converges to the third joint angle final target value θ 3f .

図8は、本実施の形態に係るロボット制御装置のシミュレーションにおける第2関節周り慣性モーメント推定誤差の時間変化を示している。実線は、推定誤差演算器143により上記(29)式に基づいて算出された第2関節周りの慣性モーメント推定誤差eJ、2を示している。慣性モーメント推定誤差eJ、2の絶対値は、0[s]において実際の第2関節角度θ=0であるため、0[kg・m]から増加し、0.003[s]において関節角度検出器133の故障判定閾値δ=5×10−3[kg・m]を超える。このため、上述のように故障判定器144、図2の(ステップS206)の処理において、第2関節角度検出器133が故障していると判定する。 FIG. 8 shows the time change of the second joint moment of inertia moment estimation error in the simulation of the robot control apparatus according to the present embodiment. The solid line indicates the moment of inertia estimation error e J, 2 around the second joint calculated by the estimation error calculator 143 based on the above equation (29). The absolute value of the inertia moment estimation error e J, 2 increases from 0 [kg · m 2 ] and is 0.003 [s] because the actual second joint angle θ 2 = 0 at 0 [s]. The failure determination threshold value δ = 5 × 10 −3 [kg · m 2 ] of the joint angle detector 133 is exceeded. For this reason, as described above, the failure determination unit 144 and the second joint angle detector 133 are determined to have failed in the processing of (step S206) in FIG.

次に、故障判定器144は、(ステップS207)の処理に移行し、このとき、図8に示す如く、慣性モーメント推定誤差eJ、2は減少している。そして、0.006[s]において、故障判定器144は、上記(30)式を満足したと判断するため(ステップS207のYES)、(ステップS208)の処理に移行し、第1関節角度検出器133が故障していないと判定する。 Next, the failure determiner 144 proceeds to the processing of (Step S207). At this time, as shown in FIG. 8, the inertia moment estimation error e J, 2 is decreased. Then, at 0.006 [s], the failure determiner 144 determines that the above expression (30) is satisfied (YES in step S207), the process proceeds to (step S208), and the first joint angle detection is performed. It is determined that the device 133 has not failed.

図9は、故障した関節角度検出器が設けられている第2関節を制御するための第2関節のモータトルク指令Tの時間変化を示す図である。 Figure 9 is a diagram illustrating a second time changes of the joints of the motor torque command T 2 of the order to control the second joint failed joint angle detector is provided.

図9に示す如く、0.003[s]までの間、故障判定器144は、図2の(ステップS204)の処理まで実施し、第1関節角度検出器133または第2関節角度検出器133の少なくとも1つが故障していることだけが判明している。このため、モータトルク指令生成器122は、上記(31)式の3番目の式に基づいて、第2関節モータトルク指令T=T2rを第2関節のモータ132に対して出力している。 As shown in FIG. 9, until 0.003 [s], the failure determination unit 144 performs the processing up to the processing of (Step S <b> 204) in FIG. 2, and the first joint angle detector 133 or the second joint angle detector 133. It has only been found that at least one of the For this reason, the motor torque command generator 122 outputs the second joint motor torque command T 2 = T 2r to the second joint motor 132 based on the third expression of the above expression (31). .

また、0.003[s]以降において、故障判定器144は図2の(ステップS207)の処理を実行し、モータトルク指令生成器122は実際の第2関節角度θ=0に保持するように、上記(31)式の1番目の式で表される安全関節モータトルク指令T=T2cを第2関節のモータ132に対して出力している。 In addition, after 0.003 [s], the failure determiner 144 executes the process of (Step S207) in FIG. 2, and the motor torque command generator 122 holds the actual second joint angle θ 2 = 0. In addition, the safe joint motor torque command T 2 = T 2c represented by the first expression of the above expression (31) is output to the motor 132 of the second joint.

以上、本実施の形態に係るロボット制御装置1によれば、関節角度検出器133の冗長設計に頼ることなく、例えば、ロボットハンド130の作業間、物体に接触していない状態で各関節の回転軸が鉛直方向を向いた時に、各関節角度検出器133が故障しているか否かを瞬時に判定でき、その判定結果に基づいて故障した関節角度検出器133を使用することなく、ロボットハンド130に安全に次の作業を実施させ、或いは、作業を中止させることができる。すなわち、ロボットハンド130のセンサに故障が生じた場合でも最適に制御を行うことができる。   As described above, according to the robot control apparatus 1 according to the present embodiment, for example, the rotation of each joint without touching the object during the operation of the robot hand 130 without depending on the redundant design of the joint angle detector 133. When the axis is oriented in the vertical direction, it can be instantaneously determined whether or not each joint angle detector 133 has failed, and the robot hand 130 can be used without using the failed joint angle detector 133 based on the determination result. Can safely perform the next operation or stop the operation. That is, optimal control can be performed even when a failure occurs in the sensor of the robot hand 130.

また、特許文献1に示す従来技術においては、どの関節角度検出器が故障していないか不明な場合、一般的に、オブザーバーが使用する正しい関節角度検出値を出力し、可観測となるのに十分な関節角度検出器が特定できない。そのため故障した関節角度検出器を特定することができない。一方で、本実施の形態に係るロボット制御装置1によれば、故障している関節角度検出器133の位置や数によらず短時間かつ確実に故障した関節角度検出器133を特定できるメリットを有している。   Further, in the conventional technique shown in Patent Document 1, when it is unclear which joint angle detector has failed, generally, the correct joint angle detection value used by the observer is output and becomes observable. A sufficient joint angle detector cannot be identified. Therefore, it is not possible to specify a broken joint angle detector. On the other hand, according to the robot control apparatus 1 according to the present embodiment, there is a merit that it is possible to identify the joint angle detector 133 that has failed reliably in a short time regardless of the position and number of the joint angle detector 133 that has failed. Have.

さらに、上述の理由から、特許文献1に示す従来技術によると、例えば図5(a)に示すように、故障したロボットハンドの指機構の関節が制御不能となり、次の作業を実施できなくなり、また、実施する作業の種類によっては周囲の物体や人に対して十分に安全でない可能性もある。これに対し、本実施の形態に係るロボット制御装置1によれば、図5(b)に示すように、故障した関節角度検出器133の影響を受けないように制御を行うため、作業を継続することが可能となり、また実施する作業の種類によっては安全に作業を中止することもできる。   Furthermore, for the reasons described above, according to the prior art shown in Patent Document 1, for example, as shown in FIG. 5A, the joint of the finger mechanism of the failed robot hand becomes uncontrollable, and the next work cannot be performed. Also, depending on the type of work to be performed, there is a possibility that it is not sufficiently safe for surrounding objects and people. On the other hand, according to the robot control apparatus 1 according to the present embodiment, as shown in FIG. 5B, the control is performed so as not to be affected by the failed joint angle detector 133, and thus the operation is continued. Depending on the type of work to be performed, the work can be safely stopped.

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。   Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention.

例えば、上記実施の形態において、上記(39)式乃至(41)式における第i関節速度指令変化量vicを一定値としているが、これに限らず、第i関節角度が第i関節角度指令に収束するような任意の可変量を適用することも可能である。 For example, in the above-described embodiment, the i-th joint speed command change amount vic in the above-described formulas (39) to (41) is set to a constant value. It is also possible to apply an arbitrary variable amount that converges to.

上記実施の形態において、上記(36)式乃至(38)式における第i関節モータトルク指令をフィードバック線形化制御によって算出しているが、これに限らず、その他の任意の制御則にしたがって算出してもよい。   In the above embodiment, the i-th joint motor torque command in the equations (36) to (38) is calculated by feedback linearization control. However, the present invention is not limited to this, and is calculated according to any other control law. May be.

さらに、上記実施の形態において、ロボットハンド130の指機構131は3つのリンクと3つの関節を有する構成であるが、これに限らず、任意の構成が適用可能である。   Further, in the above-described embodiment, the finger mechanism 131 of the robot hand 130 has a configuration including three links and three joints. However, the configuration is not limited thereto, and any configuration can be applied.

上記実施の形態において、輪ゴムを複数のはがきに掛ける作業の例を示したが、これに限らず、ロボットハンド130を使った任意の作業に適用可能である。   In the above-described embodiment, an example of the work of hanging a rubber band on a plurality of postcards has been described. However, the present invention is not limited to this, and can be applied to any work using the robot hand 130.

上記実施の形態において、関節角度指令生成部110、安全制御部120、及び、故障判定部140は、マイコンに実装したソフトウエアとして実現することができるが、ASICなどハードウェアとして実現してもよい。本発明は、例えば、CPUにコンピュータプログラムを実行させることにより実現できる。   In the above embodiment, the joint angle command generation unit 110, the safety control unit 120, and the failure determination unit 140 can be realized as software installed in a microcomputer, but may be realized as hardware such as an ASIC. . The present invention can be realized, for example, by causing a CPU to execute a computer program.

プログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体(non-transitory computer readable medium)を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体(tangible storage medium)を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体(例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ)、光磁気記録媒体(例えば光磁気ディスク)、CD−ROM、CD−R、CD−R/W、半導体メモリ(例えば、マスクROM、PROM(Programmable ROM)、EPROM(Erasable PROM)、フラッシュROM、RAM)を含む。   The program may be stored using various types of non-transitory computer readable media and supplied to a computer. Non-transitory computer readable media include various types of tangible storage media. Examples of non-transitory computer readable media are magnetic recording media (eg flexible disks, magnetic tapes, hard disk drives), magneto-optical recording media (eg magneto-optical disks), CD-ROM, CD-R, CD-R / W. Semiconductor memory (for example, mask ROM, PROM (Programmable ROM), EPROM (Erasable PROM), flash ROM, RAM).

また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体(transitory computer readable medium)によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。   The program may also be supplied to the computer by various types of transitory computer readable media. Examples of transitory computer readable media include electrical signals, optical signals, and electromagnetic waves. The temporary computer-readable medium can supply the program to the computer via a wired communication path such as an electric wire and an optical fiber, or a wireless communication path.

本発明は、各関節に設けられた関節角度検出器133の故障を考慮して、ロボットを安全かつ最適に制御できるため、例えば、小型軽量低価格でありかつ周囲の人や物に対して安全であることが要求される、家事手伝いロボット、介護ロボット、楽器演奏ロボット、事務手伝いロボットなど、ロボットハンドを備え、人と共生するサービスロボット全般に適用できる。   In the present invention, the robot can be controlled safely and optimally in consideration of the failure of the joint angle detector 133 provided at each joint. For example, the robot is small, light, low in price, and safe for surrounding people and objects. It can be applied to all service robots that are equipped with robot hands, such as robots that help with housework, nursing robots, musical instrument playing robots, and robots that help with office work.

110 関節角度指令生成部
111 作業パターン生成器
112 関節角度指令生成器
120 安全制御部
121 パラメータ生成器
122 モータトルク指令生成器
130 ロボットハンド
131 指機構
132 モータ
133 関節角度検出器
140 故障判定部
141 慣性モーメント演算器
142 慣性モーメント推定器
143 慣性モーメント推定誤差演算器
144 故障判定器
401 第1リンク
402 第1関節
403 第i−2関節
404 第i−1リンク
405 第i−1関節
406 第iリンク
407 第i関節
408 第i−3リンク
409 第i−3関節
410 第i−2リンク
DESCRIPTION OF SYMBOLS 110 Joint angle command generation part 111 Work pattern generator 112 Joint angle command generator 120 Safety control part 121 Parameter generator 122 Motor torque command generator 130 Robot hand 131 Finger mechanism 132 Motor 133 Joint angle detector 140 Failure determination part 141 Inertia Moment calculator 142 Inertia moment estimator 143 Inertia moment estimation error calculator 144 Failure determiner 401 First link 402 First joint 403 i-2 joint 404 i-1 link 405 i-1 joint 406 ilink 407 I-th joint 408 i-3 link 409 i-3 joint 410 i-2 link

Claims (12)

複数のリンクと、該各リンクを回転可能に連結する複数の関節と、該各関節を駆動する複数の駆動手段と、前記各関節角度を検出する複数の関節角度検出手段と、を備えたロボット制御装置であって、
前記各関節角度検出手段により検出された先端側の第1関節から第i関節(i≧2)までの関節角度を含む関数に基づいて、前記第i関節から先端部分までの第i関節周りの慣性モーメントを算出する慣性モーメント演算手段と、
前記関節角度検出手段により検出された前記第i関節の関節角度を含む関数に基づいて、前記第i関節の回転軸が鉛直方向となるときの前記第i関節周りの慣性モーメント推定値を算出する慣性モーメント推定手段と、
前記慣性モーメント演算手段により算出された前記第i関節周りの慣性モーメントと、前記慣性モーメント推定手段により算出された前記第i関節周りの慣性モーメント推定値と、の差を前記第i関節周りの慣性モーメント誤差として算出する推定誤差演算手段と、
前記推定誤差演算手段により算出された前記第i関節周りの慣性モーメント誤差の絶対値と判定閾値とを比較して、前記関節角度検出手段の故障を判定する故障判定手段と、
前記故障判定手段により判定された故障の判定結果と、ロボットが実施しようとしている作業パターンと、に基づいて、前記各関節に対する関節角度指令を生成する関節角度指令生成手段と、
を備える、ことを特徴とするロボット制御装置。
A robot provided with a plurality of links, a plurality of joints that rotatably connect the links, a plurality of drive units that drive the joints, and a plurality of joint angle detection units that detect the joint angles. A control device,
Based on the function including the joint angle from the first joint on the tip side to the i-th joint (i ≧ 2) detected by each joint angle detection means, the area around the i-th joint from the i-th joint to the tip portion A moment of inertia calculating means for calculating a moment of inertia;
Based on a function including the joint angle of the i-th joint detected by the joint angle detection means, an estimated moment of inertia around the i-th joint when the rotation axis of the i-th joint is in a vertical direction is calculated. A moment of inertia estimating means;
The difference between the inertia moment around the i-th joint calculated by the inertia moment calculation means and the estimated inertia moment around the i-th joint calculated by the inertia moment estimation means is the inertia around the i-th joint. Estimated error calculation means for calculating as a moment error;
A failure determination means for comparing the absolute value of the moment of inertia error around the i-th joint calculated by the estimation error calculation means and a determination threshold to determine a failure of the joint angle detection means;
A joint angle command generating means for generating a joint angle command for each of the joints based on the determination result of the failure determined by the failure determining means and the work pattern that the robot is to perform;
A robot control device comprising:
請求項1記載のロボット制御装置であって、
前記故障判定手段は、前記推定誤差演算手段により算出された前記第i関節周りの慣性モーメント誤差の絶対値が判定閾値を超えるとき、前記複数の関節角度検出手段の関節角度のうちの一つ関節角度を0度に保持して、前記第i関節周りの慣性モーメント誤差の絶対値と判定閾値との比較を繰返し、前記関節角度検出手段の故障を判定する、ことを特徴とするロボット制御装置。
The robot control device according to claim 1,
When the absolute value of the moment of inertia error around the i-th joint calculated by the estimation error calculation unit exceeds a determination threshold, the failure determination unit is one joint among the joint angles of the plurality of joint angle detection units A robot control apparatus characterized by holding the angle at 0 degree and repeatedly comparing the absolute value of the moment of inertia error around the i-th joint with a determination threshold value to determine a failure of the joint angle detection means.
請求項2記載のロボット制御装置であって、
前記故障判定手段は、前記複数の関節角度のうちの一つ関節角度を0度に保持して、
前記第i関節周りの慣性モーメント誤差の絶対値が判定閾値以下となるとき、前記関節角度を0度に保持した前記関節角度検出手段を故障、それ以外の前記関節角度検出手段を正常、と判定し、
前記第i関節周りの慣性モーメント誤差の絶対値が判定閾値を超えるとき、前記関節角度を0度に保持した前記関節角度検出手段を不明、それ以外の前記関節角度検出手段を故障、と判定し、該故障と判定した関節角度検出手段に対応する関節角度を0度に保持し、前記第i関節周りの慣性モーメント誤差の絶対値と判定閾値との比較を繰り返す、ことを特徴とするロボット制御装置。
The robot control device according to claim 2,
The failure determination means holds one joint angle of the plurality of joint angles at 0 degree,
When the absolute value of the moment of inertia error around the i-th joint is equal to or less than the determination threshold, the joint angle detection unit holding the joint angle at 0 degree is broken, and the other joint angle detection units are determined to be normal And
When the absolute value of the moment of inertia error around the i-th joint exceeds a determination threshold, it is determined that the joint angle detection unit that holds the joint angle at 0 degrees is unknown, and the other joint angle detection units are failed. The robot control is characterized in that the joint angle corresponding to the joint angle detection means determined to be faulty is held at 0 degrees, and the comparison between the absolute value of the inertia moment error around the i-th joint and the determination threshold is repeated. apparatus.
請求項1乃至3のうちいずれか1項記載のロボット制御装置であって、
前記関節角度指令生成手段は、前記故障判定手段により判定された故障の判定結果と、ロボットが実施しようとしている作業パターンと、に基づいて、前記作業パターンが実施可能か否かを判断し、
実施不能と判断した場合、前記作業パターンの作業を中止するための関節角度指令を生成し、
実施可能と判断した場合、故障した関節角度検出手段が設置された関節以外に対する関節角度指令を生成する、ことを特徴とするロボット制御装置。
The robot control device according to any one of claims 1 to 3,
The joint angle command generation means determines whether or not the work pattern can be performed based on the determination result of the failure determined by the failure determination means and the work pattern that the robot is to perform,
When it is determined that the work pattern cannot be performed, a joint angle command for stopping the work pattern is generated,
A robot control device that generates a joint angle command for a joint other than the joint in which the faulty joint angle detection means is installed when it is determined that it can be implemented.
請求項1乃至4のうちいずれか1項記載のロボット制御装置であって、
前記故障判定手段からの判定結果に基づいて、故障した前記関節角度検出手段が無いと判断した場合、全関節における前記関節角度検出手段の関節角度が前記関節角度指令生成手段により生成された関節角度指令に追従するような前記駆動手段に対するトルク指令を生成し、
前記故障判定手段からの故障判定結果に基づいて、故障した前記関節角度検出手段が存在すると判断した場合、故障していない前記関節角度検出手段の関節角度が前記関節角度指令生成手段により生成された関節角度指令に追従するように前記駆動手段に対するトルク指令を生成し、かつ、故障した前記関節角度検出手段が設けられた関節の駆動手段に対して前記作業内容毎に予め設定されたトルク指令を生成する、
トルク指令生成手段を更に備える、ことを特徴とするロボット制御装置。
The robot control device according to any one of claims 1 to 4,
When it is determined that there is no failed joint angle detection means based on the determination result from the failure determination means, the joint angles of the joint angle detection means in all joints are generated by the joint angle command generation means. Generating a torque command for the drive means to follow the command,
Based on the failure determination result from the failure determination means, when it is determined that the joint angle detection means that has failed is present, the joint angle of the joint angle detection means that has not failed is generated by the joint angle command generation means. A torque command for the drive means is generated so as to follow the joint angle command, and a torque command preset for each work content is given to the joint drive means provided with the failed joint angle detection means. Generate,
A robot control apparatus further comprising torque command generation means.
請求項1乃至4のうちいずれか1項記載のロボット制御装置であって、
ユーザの入力情報又は予め設定されたプログラムに基づいて、ロボットが作業を実施する作業パターンを生成する作業パターン生成手段と、
前記作業パターン生成手段により生成された前記作業パターンを分類し、予め設定された前記分類に対応する値を作業分類パラメータに設定するパラメータ生成手段と、
前記関節角度指令生成手段からの各関節角度指令と、前記パラメータ生成手段からの前記作業分類パラメータと、前記故障判定手段からの故障の判定結果と、に基づいて、前記駆動手段に対するトルク指令を生成するトルク指令生成手段と、
を更に備える、ことを特徴とするロボット制御装置。
The robot control device according to any one of claims 1 to 4,
A work pattern generating means for generating a work pattern for the robot to perform work based on user input information or a preset program;
Classifying the work pattern generated by the work pattern generation means, parameter generation means for setting a value corresponding to the preset classification as a work classification parameter;
Generate a torque command for the drive unit based on each joint angle command from the joint angle command generation unit, the work classification parameter from the parameter generation unit, and a failure determination result from the failure determination unit. Torque command generating means for performing,
The robot control device further comprising:
請求項6記載のロボット制御装置であって、
前記トルク指令生成手段は、
(a)前記故障判定手段からの判定結果に基づいて、前記関節角度検出器が故障していると判断し、前記パラメータ生成手段からの作業分類パラメータに第1所定値が設定されていると判断したとき、所定トルクを生じさせるトルク指令を生成し、
(b)前記故障判定手段からの判定結果に基づいて、前記関節角度検出器が故障していると判断し、前記パラメータ生成手段からの作業分類パラメータに第2所定値が設定されていると判断したとき、トルク指令に0を設定し、
(c)前記故障判定手段からの判定結果に基づいて、前記関節角度検出器が故障していない、或いは不明と判断したとき、前記作業パターン毎に予め設定されたトルク指令を生成する、ことを特徴とするロボット制御装置。
The robot control device according to claim 6,
The torque command generating means
(A) Based on the determination result from the failure determination means, it is determined that the joint angle detector has failed, and it is determined that a first predetermined value is set for the work classification parameter from the parameter generation means. When generating a torque command to generate a predetermined torque,
(B) Based on the determination result from the failure determination means, it is determined that the joint angle detector has failed, and it is determined that a second predetermined value is set for the work classification parameter from the parameter generation means. Set the torque command to 0,
(C) Based on the determination result from the failure determination means, when it is determined that the joint angle detector is not broken or unknown, a torque command set in advance for each work pattern is generated. A robot control device.
請求項6又は7記載のロボット制御装置であって、
前記パラメータ生成手段は、前記作業パターン生成手段により生成された作業パターンに基づいて、
ロボットが実施しようとしている作業がロボットハンドの指を伸ばすように外側に向かって反力を発生させると判断したとき、第1所定値を前記作業分類パラメータに設定し、
ロボットが実施しようとしている作業がロボットハンドの指を外側に向かって反力を発生させないと判断したとき、第2所定値を前記作業分類パラメータに設定する、
ことを特徴とするロボット制御装置。
The robot control device according to claim 6 or 7,
The parameter generation means is based on the work pattern generated by the work pattern generation means.
When it is determined that the work to be performed by the robot generates a reaction force toward the outside so as to extend the finger of the robot hand, a first predetermined value is set as the work classification parameter;
When it is determined that the work to be performed by the robot does not generate a reaction force toward the outside of the finger of the robot hand, a second predetermined value is set as the work classification parameter.
A robot controller characterized by that.
請求項1乃至8のうちいずれか1項記載のロボット制御装置であって、
前記ロボットは、
前記複数のリンクと、該各リンクを回転可能に連結する複数の関節と、を有する指機構と、
前記各関節を駆動する複数のモータと、
前記各関節角度を検出する複数の関節角度検出部と、
を備えるロボットハンドである、ことを特徴とするロボット制御装置。
The robot control device according to any one of claims 1 to 8,
The robot is
A finger mechanism having the plurality of links and a plurality of joints rotatably connecting the links;
A plurality of motors for driving the joints;
A plurality of joint angle detectors for detecting each joint angle;
A robot control device comprising a robot hand.
請求項1乃至9のうちいずれか1項記載のロボット制御装置であって、
前記慣性モーメント演算手段は、前記関数として(21)式を用いて前記第i関節周りの慣性モーメントJを算出し、
前記慣性モーメント推定手段は、前記関数として(27)式を用いて前記第i関節周りの慣性モーメント推定値J(ハット)を算出し、
前記推定誤差演算手段は、(29)式を用いて前記第i関節周りの慣性モーメント誤差eJ,iを算出する、ことを特徴とするロボット装置。
Figure 2012223851

但し、上記(21)式、(27)式、及び(29)式において、下記式が成立し、lは第mリンク長さ、mは第iリンク質量、am、nは第m関節と第n関節を結ぶ線分の長さ、bm、nは第mリンク重心第n関節間距離、φm、nは第m関節において第m+1リンクと第m関節と第n関節を結ぶ線分が成す角度、θは第m関節角度、Jj、iは第jリンクの第i関節に関する慣性モーメント、Jj0は第jリンクの重心周り慣性モーメント、Tは第i関節モータトルク、Dは第i関節粘性摩擦、Tは制御周期、kは各制御周期の値を示すインデックス、とする。
Figure 2012223851
The robot control device according to any one of claims 1 to 9,
The inertia moment calculation means calculates an inertia moment J i around the i-th joint using the equation (21) as the function,
The inertia moment estimating means calculates an inertia moment estimated value J i (hat) around the i-th joint using the equation (27) as the function,
The robot apparatus characterized in that the estimation error calculation means calculates an inertia moment error e J, i around the i-th joint using equation (29).
Figure 2012223851

However, the expression (21), in (27), and (29), the following equation is satisfied, l m is the m-th link length, m i is the i link mass, a m, n is the m The length of the line segment connecting the joint and the n-th joint, b m, n is the distance between the n-th joint of the m-th center of gravity of the m-th link, and φ m, n is the m-th joint connecting the m + 1-th link, the m-th joint, and the n-th joint. The angle formed by the line segment, θ m is the m-th joint angle, J j, i is the moment of inertia related to the i-th joint of the j-th link, J j0 is the moment of inertia around the center of gravity of the j-th link, and T i is the i-th joint motor torque. , Di is the i-th joint viscous friction, T is the control cycle, and k is an index indicating the value of each control cycle.
Figure 2012223851
複数のリンクと、該各リンクを回転可能に連結する複数の関節と、該各関節を駆動する複数の駆動手段と、前記各関節角度を検出する複数の関節角度検出手段と、を備えたロボット制御装置の制御方法であって、
前記検出された先端側の第1関節から第i関節(i≧2)までの関節角度を含む関数に基づいて、前記第i関節から先端部分までの第i関節周りの慣性モーメントを算出するステップと、
前記検出された前記第i関節の関節角度を含む関数に基づいて、前記第i関節の回転軸が鉛直方向となるときの前記第i関節周りの慣性モーメント推定値を算出するステップと、
前記算出された第i関節周りの慣性モーメントと、前記算出された第i関節周りの慣性モーメント推定値と、の差を前記第i関節周りの慣性モーメント誤差として算出するステップと、
前記算出された第i関節周りの慣性モーメント誤差の絶対値と判定閾値とを比較して、前記関節角度検出手段の故障を判定するステップと、
前記判定された故障の判定結果と、ロボットが実施しようとしている作業パターンと、に基づいて、前記各関節に対する関節角度指令を生成するステップと、
を含む、ことを特徴とするロボット制御装置の制御方法。
A robot provided with a plurality of links, a plurality of joints that rotatably connect the links, a plurality of drive units that drive the joints, and a plurality of joint angle detection units that detect the joint angles. A control method for a control device, comprising:
Calculating an inertia moment around the i-th joint from the i-th joint to the tip portion based on the detected function including the joint angle from the first joint to the i-th joint (i ≧ 2). When,
Calculating an estimated moment of inertia around the i-th joint when the rotation axis of the i-th joint is in a vertical direction based on the detected function including the joint angle of the i-th joint;
Calculating a difference between the calculated inertia moment around the i-th joint and the calculated estimated inertia moment around the i-th joint as an inertia moment error around the i-th joint;
Comparing the calculated absolute value of the moment of inertia error around the i-th joint with a determination threshold value to determine a failure of the joint angle detection means;
Generating a joint angle command for each joint based on the determination result of the determined failure and a work pattern that the robot is to perform;
A control method for a robot control apparatus, comprising:
複数のリンクと、該各リンクを回転可能に連結する複数の関節と、該各関節を駆動する複数の駆動手段と、前記各関節角度を検出する複数の関節角度検出手段と、を備えたロボット制御装置の制御プログラムであって、
前記検出された先端側の第1関節から第i関節(i≧2)までの関節角度を含む関数に基づいて、前記第i関節から先端部分までの第i関節周りの慣性モーメントを算出する処理と、
前記検出された前記第i関節の関節角度を含む関数に基づいて、前記第i関節の回転軸が鉛直方向となるときの前記第i関節周りの慣性モーメント推定値を算出する処理と、
前記算出された第i関節周りの慣性モーメントと、前記算出された第i関節周りの慣性モーメント推定値と、の差を前記第i関節周りの慣性モーメント誤差として算出する処理と、
前記算出された第i関節周りの慣性モーメント誤差の絶対値と判定閾値とを比較して、前記関節角度検出手段の故障を判定する処理と、
前記判定された故障の判定結果と、ロボットが実施しようとしている作業パターンと、に基づいて、前記各関節に対する関節角度指令を生成する処理と、
をコンピュータに実行させる、ことを特徴とするロボット制御装置の制御プログラム。
A robot provided with a plurality of links, a plurality of joints that rotatably connect the links, a plurality of drive units that drive the joints, and a plurality of joint angle detection units that detect the joint angles. A control program for a control device,
A process of calculating a moment of inertia around the i-th joint from the i-th joint to the tip based on a function including a joint angle from the detected first joint to the i-th joint (i ≧ 2) on the tip side. When,
A process of calculating an estimated moment of inertia around the i-th joint when the rotation axis of the i-th joint is in a vertical direction based on the detected function including the joint angle of the i-th joint;
A process of calculating a difference between the calculated inertia moment around the i-th joint and an estimated inertia moment value around the i-th joint as an inertia moment error around the i-th joint;
A process of comparing the calculated absolute value of the moment of inertia error around the i-th joint with a determination threshold to determine a failure of the joint angle detection means;
A process of generating a joint angle command for each joint based on the determination result of the determined failure and a work pattern that the robot is to perform;
A control program for a robot control apparatus, characterized in that a computer is executed.
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