JP2013054629A - Control apparatus and method - Google Patents

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Yoshiki Mizutani
孝樹 水谷
Rikiya Yoshida
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a control apparatus in which admittance control can be mitigated from becoming unstable.SOLUTION: A robot control apparatus 1 comprises virtual object motion calculation means 7 and position control means 8 within power control means 3 which controls an arm 10 including an actuator 12 generating a thrust, an encoder 15 and a force sensor 11. The virtual object motion calculation means 7 calculates a target position pby solving an equation of motion including parameters of a virtual mass m, virtual viscosity cand target power fas virtual power to be applied to a virtual object, predetermined for the virtual object having a mass which is smaller than a mass of the arm and is not 0, using a contact force (f) detected by the force sensor 11 as input. The position control means 8 calculates a trust (g) to be applied to the arm using proxy based sliding mode control with the target position pand a position (p) of the arm detected by the encoder 15 as input and defines the trust as a command value to the actuator 12.

Description

本発明は、制御装置及び方法の技術に関し、より詳しくは、位置制御ベースの力制御を行う制御装置及び方法に関する。   The present invention relates to the technology of a control apparatus and method, and more particularly to a control apparatus and method for performing position control-based force control.

従来、マニピュレータの手先の位置を、マニピュレータを保持するアクチュエータによって力制限を付しながら目標位置に速やかに追従させる位置制御装置が知られている(特許文献1参照)。特許文献1に開示された位置制御装置に組み込まれている制御則は、プロクシベーストスライディングモード制御(PSMC:Proxy-based sliding mode control)と呼ばれている。PSMCの物理的解釈について図9を参照して説明する。PSMCの制御器は、設定された目標位置901をpdとしたときに、マニピュレータの手先等の制御対象902に対して直接的に力を加えるのではなく、仮想空間内に想定されたプロクシ(proxy)903と呼ばれる質量のない点状の仮想的な物体を介して力を加えるものである。 2. Description of the Related Art Conventionally, there is known a position control device that quickly moves a hand position of a manipulator to a target position while limiting a force by an actuator that holds the manipulator (see Patent Document 1). The control law incorporated in the position control device disclosed in Patent Document 1 is called proxy-based sliding mode control (PSMC). The physical interpretation of PSMC will be described with reference to FIG. The controller of the PSMC does not directly apply a force to the control target 902 such as the hand of the manipulator when the set target position 901 is p d , but the proxy ( proxy) A force is applied via a pointless virtual object called 903 having no mass.

プロクシ903は、制御対象902と仮想連結要素(virtual coupling)904によって結合されており、制御対象902とともに仮想空間内を移動する。図示した仮想連結要素904において、Kは比例ゲイン、Bは微分ゲインを表しており、制御器内(計算器内)では、制御対象902の代理点であるプロクシ903は、PD制御で制御対象902に接続される。プロクシ903は、スライディングモード制御則に基づくSMC(スライディングモード制御器)905にも接続される。プロクシ903にはPD制御による力とSMC(スライディングモード制御)905による力が働く。これらの力は同じ力であって、常に平衡状態にある。このことは、プロクシ903が質量を持っていないことから、物理的に矛盾が生じない。PSMCでは、検出された制御対象902の位置pによってプロクシ903の位置psが推定され、プロクシ903に力を加えることで、プロクシ903を目標位置pdに移動させるように位置制御が行われる。PSMCの詳細は、「R. Kikuuwe and H. Fujimoto, “Proxy-based sliding mode control for accurate and safe position control” , Proc. of the 2006 IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, 2006, p.26-31」に記載されている。 The proxy 903 is coupled to the controlled object 902 by a virtual coupling element 904 and moves in the virtual space together with the controlled object 902. In the illustrated virtual connection element 904, K represents a proportional gain, and B represents a differential gain. In the controller (in the calculator), the proxy 903, which is a proxy point of the control target 902, is controlled by the PD control 902. Connected to. The proxy 903 is also connected to an SMC (sliding mode controller) 905 based on a sliding mode control law. The proxy 903 receives a force by PD control and a force by SMC (sliding mode control) 905. These forces are the same force and are always in equilibrium. This is because there is no physical contradiction because the proxy 903 does not have mass. In PSMC, position p s proxy 903 is estimated by the position p of the detected control object 902, by applying force to the proxy 903, the position control to move the proxy 903 to the target position p d is performed. For details of PSMC, see “R. Kikuuwe and H. Fujimoto,“ Proxy-based sliding mode control for accurate and safe position control ”, Proc. Of the 2006 IEEE Int. Conf. On Robotics and Automation, 2006, p.26- 31 ”.

また、ロボットでは、マニピュレータの手先等を示す制御対象の位置を制御する位置制御装置のほかに、制御対象の力を制御する力制御装置も知られている。位置情報を入力として力の指令値を出力する制御(位置入力・力出力)はインピーダンス型の制御(インピーダンス制御)を行う制御装置と言われている。また、力情報を入力として位置の指令値を出力する制御(力入力・位置出力)はアドミッタンス型の制御(アドミッタンス制御)を行う制御装置と言われている。   In addition to a position control device that controls the position of a control target that indicates the hand of a manipulator or the like, a force control device that controls the force of the control target is also known. Control (position input / force output) for outputting force command values using position information as an input is said to be a control device that performs impedance-type control (impedance control). Control (force input / position output) for outputting position command values with force information as an input is said to be a control device for performing admittance type control (admittance control).

従来からアドミッタンス制御の制御装置において、力制御の内部の位置制御にP制御、PD制御又はPID制御等を用いた制御装置が一般に用いられている。つまり、位置制御ベースの力制御において、内部の位置制御にP制御やPD制御やPID制御が用いられている。位置制御ベースにすることで、実際のアクチュエータの摩擦等の影響を抑制することができるという利点がある。   Conventionally, in an admittance control control device, a control device using P control, PD control, PID control or the like for position control inside force control is generally used. That is, in position control-based force control, P control, PD control, and PID control are used for internal position control. By using the position control base, there is an advantage that the influence of the friction of the actual actuator can be suppressed.

一例として、このようなアドミッタンス制御の制御装置を、人と協働して作業するロボットアームに適用する場合には、例えば、ロボットアームが人に衝突したときに人への衝撃を緩和するために即座にロボットアームが人から離間する向きの推力を発生するような制御が要求されることとなる。このようにロボットアームが人に衝突したときの応答性を向上させるために、制御装置の内部コントロールとして仮想空間を想定して、仮想空間上において制御対象物であるロボットアームを制御する方法が考えられる。具体的には、ロボットアームの力制御において、ロボットアームに仮想的に付与する仮想質量や仮想粘性を、0ではない小さな値に設定することで、応答性を向上させることが考えられる。   As an example, when such a control device for admittance control is applied to a robot arm that works in cooperation with a person, for example, to reduce the impact on the person when the robot arm collides with a person. Control is required so that the robot arm immediately generates a thrust force in a direction away from the person. In order to improve the responsiveness when the robot arm collides with a person in this way, a method for controlling the robot arm, which is a control object in the virtual space, is assumed in the virtual space as an internal control of the control device. It is done. Specifically, in the force control of the robot arm, it is conceivable to improve the responsiveness by setting the virtual mass or virtual viscosity virtually given to the robot arm to a small value other than 0.

特開2007−102748号公報JP 2007-102748 A

しかしながら、内部の位置制御にP制御、PD制御又はPID制御等を用いた従来のアドミッタンス制御の制御装置において、ロボットアームに付与する仮想質量等を小さく設定する制御には、限界がある。その理由は、力制御は、運動方程式ベースなので、力制御の内部においては、ロボットアームに設定する仮想質量の低減に伴って、位置制御器への指令値を生成するもととなる加速度が増大し、実質的に高ゲインとなって不安定化するからである。言い換えると、質量を軽く設定すると、ロボットアームが実際には重いにも関わらずあたかも軽いように振舞おうとするので、不安定化する。つまり、ロボットアームに設定する仮想質量の低減には限界がある。仮想質量の低減が限界に達すると、ロボットアームが人に接触したときの接触力が時間経過に伴って一定値にはならずに振動してしまう。つまり、このような制御方法では、アドミッタンス制御が不安定になってしまうという問題がある。   However, in a conventional admittance control control apparatus using P control, PD control, PID control, or the like for internal position control, there is a limit to control for setting a virtual mass or the like to be given to the robot arm to be small. The reason for this is that force control is based on an equation of motion, so within force control, the acceleration that generates the command value for the position controller increases as the virtual mass set for the robot arm decreases. This is because the gain becomes substantially high and unstable. In other words, if the mass is set lightly, the robot arm will become unstable as it tries to behave as if it is light, even though it is actually heavy. That is, there is a limit to the reduction of the virtual mass set for the robot arm. When the reduction of the virtual mass reaches the limit, the contact force when the robot arm comes into contact with a person does not become a constant value with time, but vibrates. That is, such a control method has a problem that admittance control becomes unstable.

そこで、本発明では、前記した問題を解決し、従来のアドミッタンス制御の不安定化を緩和できる制御装置及び方法を提供することを課題とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a control device and method that can solve the above-described problems and can mitigate instability of conventional admittance control.

前記課題を解決するために、本願発明者らは、アドミッタンス制御において種々検討を行った。その結果、力制御のベースとなる位置制御にP制御、PD制御又はPID制御等を用いた従来の制御にて設定する仮想質量の低減が限界となる場合であっても、位置制御にPSMC(プロクシベーストスライディングモード制御)を用いることで、アドミッタンス制御の不安定化を緩和できることを見出した。   In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have made various studies on admittance control. As a result, even if the reduction of the virtual mass set by the conventional control using P control, PD control, PID control, or the like is used as the position control that is the base of force control, PSMC ( We found that the instability of admittance control can be alleviated by using proxy-based sliding mode control.

そこで、本発明に係る制御装置は、位置制御手段を内部に有した力制御手段を備え、前記力制御手段が外部から入力された力情報に基づいてアドミッタンス制御を行うことで、外部の物体と他の物体との間で発生する接触力を制御する制御装置であって、前記位置制御手段が、プロクシベーストスライディングモード制御を用いることを特徴とする。   Therefore, the control device according to the present invention includes force control means having a position control means inside, and the force control means performs admittance control based on force information input from the outside, whereby an external object and A control apparatus for controlling a contact force generated with another object, wherein the position control means uses proxy-based sliding mode control.

また、本発明に係る制御装置は、前記位置制御手段が、比例動作を少なくとも含むフィードバック制御を行う比例制御を含むフィードバック制御器と、スライディングモード制御則に基づくスライディングモード制御器とを備え、前記比例制御を含むフィードバック制御器と前記スライディングモード制御器とを協働させて前記プロクシベーストスライディングモード制御を行うものであって、前記比例制御を含むフィードバック制御器が、仮想空間における質量のない点状の仮想的な物体であるプロクシと前記外部の物体との間を仮想的に連結する仮想連結要素から前記プロクシに対して加えられる仮想的な粘弾性力を算出し、前記スライディングモード制御器が、前記粘弾性力と釣り合う力であって前記プロクシの位置を当該スライディングモード制御器に設定された目標位置に収束させる制御を行う際に前記プロクシに加えられる仮想的な力を前記物体に加える推力として算出することが好ましい。   In the control device according to the present invention, the position control unit includes a feedback controller including a proportional control for performing feedback control including at least a proportional operation, and a sliding mode controller based on a sliding mode control law, A feedback controller including a control and the sliding mode controller cooperate to perform the proxy-based sliding mode control, and the feedback controller including the proportional control includes a point-like object having no mass in a virtual space. A virtual viscoelastic force applied to the proxy is calculated from a virtual connection element that virtually connects the proxy, which is a virtual object, and the external object, and the sliding mode controller includes the sliding mode controller, It is a force that balances the viscoelastic force, and the position of the proxy is It is preferable to calculate the virtual force applied to the proxy when performing control to converge to the target position set in the Gumodo controller as thrust applied to the object.

また、前記物体が、当該物体に加える推力を発生させる駆動機構と位置検出センサとを備えている態様において、本発明に係る制御装置は、前記力制御手段が、前記物体に対応して前記物体の実質量よりも小さな0でない所定の質量を有した仮想物体について予め定められた、仮想的な質量、仮想的な粘弾性および前記仮想物体に加えられる仮想的な力としての目標力の各パラメータを含む前記仮想物体についての運動方程式を前記接触力を入力として用いて解くことで前記仮想物体の目標位置を算出する仮想物体運動算出手段を備え、前記位置制御手段が、前記算出された目標位置と前記位置検出センサで検出された前記物体の位置とを入力として前記プロクシベーストスライディングモード制御を用いて前記物体を駆動する駆動機構にトルク(推力)指令値を出力することが好ましい。   Further, in an aspect in which the object includes a drive mechanism that generates a thrust applied to the object and a position detection sensor, the control device according to the present invention is configured so that the force control unit corresponds to the object. Parameters of a virtual mass, a virtual viscoelasticity, and a target force as a virtual force applied to the virtual object, which are predetermined for a virtual object having a predetermined non-zero mass smaller than a substantial amount of Virtual object motion calculation means for calculating a target position of the virtual object by solving a motion equation for the virtual object using the contact force as an input, and the position control means includes the calculated target position. And a position of the object detected by the position detection sensor as an input to a drive mechanism that drives the object using the proxy-based sliding mode control. It is preferable to output a click (thrust) command value.

かかる構成によれば、制御装置は、物体に対応して実質量よりも小さな0でない質量を有した仮想物体の運動方程式に基づいて力制御における目標位置を算出すると共に、仮想的な力を物体に加える推力として算出し、指令値として出力することができる。   According to this configuration, the control device calculates the target position in the force control based on the equation of motion of the virtual object having a non-zero mass smaller than the substantial amount corresponding to the object, and applies the virtual force to the object. It can be calculated as a thrust applied to and output as a command value.

また、前記課題を解決するために、本発明に係る制御方法は、位置制御手段を内部に有した力制御手段を備え、前記力制御手段が外部から入力された力情報に基づいてアドミッタンス制御を行うことで、外部の物体と他の物体との間で発生する接触力を制御する制御装置による制御方法であって、前記位置制御手段が、プロクシベーストスライディングモード制御を用いることを特徴とする。   In order to solve the above problems, a control method according to the present invention includes force control means having position control means therein, and the force control means performs admittance control based on force information input from the outside. A control method by a control device that controls a contact force generated between an external object and another object by performing the position control means using proxy-based sliding mode control.

本発明によれば、従来のアドミッタンス制御の不安定化を緩和することができる。   According to the present invention, destabilization of conventional admittance control can be mitigated.

本発明の実施形態に係るロボット制御装置を含む人ロボット協働システムを模式的に示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows typically the human robot cooperation system containing the robot control apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るロボット制御装置の構成を模式的に示すブロック図である。It is a block diagram which shows typically the structure of the robot control apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るロボット制御装置による力制御の流れの概略を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the outline of the flow of force control by the robot control apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るロボット制御装置の性能を検証する検証装置の構成を模式的に示すブロック図である。It is a block diagram which shows typically the structure of the verification apparatus which verifies the performance of the robot control apparatus which concerns on embodiment of this invention. 検証装置の仮想物体運動算出器における制御モデルを模式的に示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows typically the control model in the virtual object motion calculator of a verification apparatus. 検証装置の位置制御器に比較例として用いた出力制限型PD制御器の制御ブロック図である。It is a control block diagram of an output restriction type PD controller used as a comparative example for the position controller of the verification device. 検証装置の位置制御器に実施例として用いたPSMCの制御ブロック図である。It is a control block diagram of PSMC used as an embodiment for the position controller of the verification device. 検証装置による検証結果の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the verification result by a verification apparatus. 従来のPSMC制御器の物理的解釈を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the physical interpretation of the conventional PSMC controller.

以下、本発明を実施するための形態(実施形態という)について図面を参照して詳細に説明する。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, modes for carrying out the present invention (referred to as embodiments) will be described in detail with reference to the drawings.

[1.人ロボット協働システムの構成]
図1に示す人ロボット協働システム100は、ロボットRと、ロボット制御装置1とを備えている。ロボット制御装置1は、ケーブル20を介してロボットRに接続されており、ロボットRのアーム10が人Pと協働して作業できるようにアーム10を制御するものである。本実施形態では、ロボット制御装置1の外部の物体をアーム10として説明するが、本発明はこれに限られるものではない。また、図1に示す例では、ロボットRは2本のアーム10を備えているが、アームの台数はこれに限定されるものではない。アーム10としては、作業用途に合わせた形態のものを用いることができる。アーム10は、例えば多関節で旋回軸が多軸の産業用ロボットアームで構成される。
[1. Configuration of human-robot collaboration system]
A human-robot collaboration system 100 shown in FIG. 1 includes a robot R and a robot control device 1. The robot control apparatus 1 is connected to the robot R via a cable 20 and controls the arm 10 so that the arm 10 of the robot R can work in cooperation with the person P. In the present embodiment, an object outside the robot control apparatus 1 will be described as the arm 10, but the present invention is not limited to this. In the example illustrated in FIG. 1, the robot R includes two arms 10, but the number of arms is not limited to this. As the arm 10, the arm 10 can be used in accordance with the work application. The arm 10 is constituted by, for example, an industrial robot arm having a multi-joint and multi-spindle axes.

ロボットRのアーム10は、図2に示すように、力覚センサ11と、アクチュエータ12とを主に備えている。なお、図2では1つのアーム10を例示した。
力覚センサ11は、アーム10の例えば先端等に1つ又は複数設けられている。力覚センサ11には、作業に必要な押圧力を検出するセンサ、人Pや障害物に接触したことを検出するセンサを含む。なお、図2では1つの力覚センサ11を例示した。
As shown in FIG. 2, the arm 10 of the robot R mainly includes a force sensor 11 and an actuator 12. In FIG. 2, one arm 10 is illustrated.
One or more force sensors 11 are provided at the tip of the arm 10, for example. The force sensor 11 includes a sensor for detecting a pressing force necessary for work and a sensor for detecting contact with a person P or an obstacle. In FIG. 2, one force sensor 11 is illustrated.

アクチュエータ12は、アーム10の推力を発生させる駆動機構であって、アーム10の関節等を形成している。アクチュエータ12は、例えば、関節の屈曲や伸縮の駆動力を発生するサーボモータ14や位置検出センサとしてのエンコーダ15を備えている。なお、図2では1つのアクチュエータ12を例示した。   The actuator 12 is a drive mechanism that generates a thrust of the arm 10 and forms a joint or the like of the arm 10. The actuator 12 includes, for example, a servo motor 14 that generates a driving force for bending and expanding / contracting the joint and an encoder 15 as a position detection sensor. In FIG. 2, one actuator 12 is illustrated.

[2.制御装置の構成]
ロボット制御装置1は、例えば、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、HDD(Hard Disk Drive)、入出力インタフェース等を備え、図2に示すように、目標力設定手段2と、力制御手段3と、サーボアンプ4とを主に備えている。
[2. Configuration of control device]
The robot control apparatus 1 includes, for example, a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), an HDD (Hard Disk Drive), an input / output interface, and the like, as shown in FIG. The target force setting means 2, the force control means 3, and the servo amplifier 4 are mainly provided.

目標力設定手段2は、アーム10の推力の目標となる目標力を力制御手段3に設定するものである。目標力の設定値は、例えば、ロボット制御装置1の外部から入力するようにしてもよいし、ロボット制御装置1の内部に記憶しておいてもよい。例えば内部に記憶する場合、例えばアーム10の行う作業に応じた固定値の目標力を記憶したり、時間経過に応じて変化する目標力等を予めプログラミングして記憶したりすることができる。
例えばアーム10が人に衝突した場合の目標力fdとしては、アーム10が他の物体に接触した際にダメージを与えず、かつ、応答性を確保できる大きさ、例えば、
(仮想物体の加速度)=(目標力fd−仮想粘性×仮想物体の速度)/(仮想物体の質量)≧4.9m/s2の条件を満たすように設定されている。
The target force setting means 2 sets a target force that is a target of thrust of the arm 10 in the force control means 3. The set value of the target force may be input from the outside of the robot control device 1, for example, or may be stored inside the robot control device 1. For example, when it is stored internally, for example, a fixed target force corresponding to the work performed by the arm 10 can be stored, or a target force that changes with time can be programmed and stored.
For example, the target force f d when the arm 10 collides with a person has a size that does not cause damage when the arm 10 comes into contact with another object and can ensure responsiveness, for example,
(Acceleration of virtual object) = (target force f d −virtual viscosity × virtual object speed) / (mass of virtual object) ≧ 4.9 m / s 2 .

力制御手段3は、位置制御手段8を内部に有し、外部から入力された力情報に基づいてアドミッタンス制御を行うことで、外部の物体(アーム)と他の物体との間で発生する接触力を制御するものであり、算出したトルク(推力)指令値をサーボアンプ4に出力する。
サーボアンプ4は、トルク(推力)指令値を電流指令値に変換し、電流をサーボモータ14に出力することで、サーボモータ14を制御する。
The force control means 3 has a position control means 8 inside, and performs contact between the external object (arm) and another object by performing admittance control based on force information input from the outside. The force is controlled, and the calculated torque (thrust) command value is output to the servo amplifier 4.
The servo amplifier 4 controls the servo motor 14 by converting a torque (thrust) command value into a current command value and outputting the current to the servo motor 14.

本実施形態では、力制御手段3は、図示するように、目標力取得手段5と、接触力取得手段6と、仮想物体運動算出手段7と、位置制御手段8とを備えることとした。
目標力取得手段5は、目標力設定手段2から目標力を取得するものであり、所定のインタフェースから構成されている。
接触力取得手段6は、アーム10の力覚センサ11で検出された接触力を取得するものであり、所定のインタフェースから構成されている。
In the present embodiment, the force control unit 3 includes a target force acquisition unit 5, a contact force acquisition unit 6, a virtual object motion calculation unit 7, and a position control unit 8, as illustrated.
The target force acquisition unit 5 acquires the target force from the target force setting unit 2 and is configured by a predetermined interface.
The contact force acquisition means 6 acquires the contact force detected by the force sensor 11 of the arm 10 and is composed of a predetermined interface.

仮想物体運動算出手段7は、力覚センサ11で検出された接触力を入力として用いて、予め定められたパラメータを含む仮想物体についての運動方程式を解くことで仮想物体の目標位置を算出するものである。算出される目標位置は、目標位置指令値として位置制御手段8に出力される。ここで、仮想物体とは、アーム10に対応してアームの実質量よりも小さな0でない所定の質量を有して所定の加速度運動を行うと仮定したときのアームに対応した仮想空間上(計算機内)の物体である。以下では仮想物体とはプロクシを意味するものではないこととする。なお、仮想物体は、仮想物体運動算出手段7による力制御にのみ導入されており、位置制御手段8の処理においては導入されていないが、見かけ上はアーム10と同じ位置にあると想定してもよい。また、接触力については、力覚センサ11の検出値を用いずに、推定(シミュレーション)により得ることもできる。   The virtual object motion calculation means 7 uses the contact force detected by the force sensor 11 as an input, and calculates the target position of the virtual object by solving the motion equation for the virtual object including a predetermined parameter. It is. The calculated target position is output to the position control means 8 as a target position command value. Here, the virtual object corresponds to the arm 10 in the virtual space corresponding to the arm (calculator) when it is assumed that the arm 10 has a predetermined mass that is smaller than the substantial amount of the arm and is not 0 and performs a predetermined acceleration motion. (Inside). Hereinafter, it is assumed that the virtual object does not mean a proxy. Note that the virtual object is introduced only in the force control by the virtual object motion calculation means 7 and is not introduced in the processing of the position control means 8, but it is assumed that it is apparently at the same position as the arm 10. Also good. The contact force can also be obtained by estimation (simulation) without using the detection value of the force sensor 11.

仮想物体運動算出手段7は、仮想物体の動特性を示す以下の式(1)に接触力fを入力することで、式(1)左辺の目標加速度指令値(位置指令値pdの時間2階微分値)を所定の動作周期で算出する。この仮想物体運動算出器410は、式(1)左辺の時間2階微分値に対して積分を2回実行して位置指令値pdを目標位置として求め、位置制御手段8に出力する。位置指令値pdを目標位置pdとも表記する。 Virtual object motion calculator 7 is, by inputting the contact force f in equation (1) below that shows the dynamic characteristics of the virtual object, the equation (1) the left side of the target acceleration command value (position command value p d Time 2 Second order differential value) is calculated at a predetermined operation cycle. This virtual object motion calculator 410 performs integration twice with respect to the time second-order differential value on the left side of Equation (1) to obtain the position command value p d as the target position, and outputs it to the position control means 8. The position command value p d is also expressed as a target position p d .

Figure 2013054629
Figure 2013054629

ここで、パラメータfdは仮想物体に加えられる仮想の力(目標力)、fは仮想物体が人等の被接触体に加える力(接触力)、vは仮想物体の速度、mdは仮想物体の質量、cdは仮想物体の粘性を示す。
例えば、fd、md、cdとしては予め定められた所定値を付与しておく。
fとしては力覚センサ11の検出値を用いることができる。
vとしては、例えば式(1)を積分する計算を行うことにより求めることができる。また、アーム10の速度の実測値を用いることもできる。
Here, the parameter f d is a virtual force (target force) applied to the virtual object, f is a force (contact force) applied to the contacted object such as a human, v is the speed of the virtual object, and m d is the virtual object mass, c d denotes the viscosity of the virtual object.
For example, f d, m d, keep impart a predetermined value as c d.
The detection value of the force sensor 11 can be used as f.
v can be obtained, for example, by performing a calculation integrating the equation (1). Also, an actual measurement value of the speed of the arm 10 can be used.

本実施形態では、仮想物体運動算出手段7には、目標力取得手段5から目標力fdが入力し、接触力取得手段6から接触力fが入力する。また、算出された位置指令値pdは位置制御手段8に出力される。 In this embodiment, the target force f d is input from the target force acquisition unit 5 and the contact force f is input from the contact force acquisition unit 6 to the virtual object motion calculation unit 7. The calculated position command value p d is output to the position control means 8.

ここで、位置指令値pdにおける位置とは、仮想物体の目標位置であり、アクチュエータ12のエンコーダ15にて検出することのできる位置(これを単にアクチュエータ12の位置ともいう)の目標値を示している。エンコーダ15にて検出することのできる位置とは、エンコーダの出力値、エンコーダ出力から換算されるサーボモータ14の回転位置、アーム10の移動した位置の位置座標であってもよい。以下では、エンコーダ15にて検出された位置を、一例としてアーム10の位置(これを位置pと呼ぶ)とする。よって、アクチュエータ12の位置とは、一例としてアーム10の位置と同じ意味で用いる。この意味で、アーム10の位置は仮想物体の位置と解釈することができる。 Here, the position in the position command value p d is a target position of the virtual object, and indicates a target value of a position that can be detected by the encoder 15 of the actuator 12 (this is also simply referred to as the position of the actuator 12). ing. The position that can be detected by the encoder 15 may be the output value of the encoder, the rotational position of the servo motor 14 converted from the encoder output, and the position coordinates of the position where the arm 10 has moved. Hereinafter, the position detected by the encoder 15 is taken as the position of the arm 10 (referred to as a position p) as an example. Therefore, the position of the actuator 12 is used in the same meaning as the position of the arm 10 as an example. In this sense, the position of the arm 10 can be interpreted as the position of the virtual object.

位置制御手段8は、公知のプロクシベーストスライディングモード制御(以下、PSMCとも表記する)を用いてアーム10に備わるアクチュエータ12を駆動するトルク(推力)指令値を出力するものである。   The position control means 8 outputs a torque (thrust) command value for driving the actuator 12 provided in the arm 10 using known proxy-based sliding mode control (hereinafter also referred to as PSMC).

位置制御手段8は、例えば、図9に示す仮想連結要素904としてのPD制御器と、図9に示すSMC(スライディングモード制御器)905とを備え、PD制御器とSMCとを協働させてプロクシベーストスライディングモード制御を行う。この場合、PD制御器は、仮想空間における質量のない点状の仮想的な物体であるプロクシとアーム10との間を仮想的に連結する仮想連結要素からプロクシに対して加えられる仮想的な粘弾性力を比例動作および微分動作により算出する。また、SMCは、仮想的な粘弾性力と釣り合う力であってプロクシの位置をSMCに設定された目標位置に収束させる制御を行う際にプロクシに加えられる仮想的な力をアーム10に加える推力として算出する。   The position control means 8 includes, for example, a PD controller as the virtual connection element 904 shown in FIG. 9 and an SMC (sliding mode controller) 905 shown in FIG. 9, and the PD controller and SMC cooperate with each other. Perform proxy-based sliding mode control. In this case, the PD controller includes a virtual viscosity applied to the proxy from a virtual connection element that virtually connects the proxy, which is a point-like virtual object having no mass in the virtual space, and the arm 10. Elastic force is calculated by proportional action and differential action. The SMC is a force that balances the virtual viscoelastic force, and is a thrust that applies to the arm 10 a virtual force that is applied to the proxy when performing control to converge the position of the proxy to the target position set in the SMC. Calculate as

本実施形態では、位置制御手段8には、仮想物体運動算出手段7から位置指令値pdが目標位置として入力すると共に、アクチュエータ12のエンコーダ15で検出されたアームの位置pが入力する。位置制御手段8は、これら入力に基づいてPSMCを用いて、アクチュエータ12を駆動するためのトルク(推力)指令を算出する。 In the present embodiment, the position control means 8, together with the position command value p d from the virtual object motion calculator 7 is inputted as a target position, the position p of the arm is detected by the encoder 15 of the actuator 12 is inputted. The position control means 8 calculates a torque (thrust) command for driving the actuator 12 using PSMC based on these inputs.

[3.ロボット制御装置による力制御の流れ]
ロボット制御装置1による力制御の流れについて図3を参照(適宜、図2参照)して説明する。図3は、本発明の実施形態に係るロボット制御装置による力制御の流れの概略を示すフローチャートである。ここでは、一例として目標力fdが固定値に設定されているものとする。
[3. Flow of force control by robot controller]
The flow of force control by the robot controller 1 will be described with reference to FIG. 3 (see FIG. 2 as appropriate). FIG. 3 is a flowchart showing an outline of a flow of force control by the robot control apparatus according to the embodiment of the present invention. Here, as an example, it is assumed that the target force f d is set to a fixed value.

ロボット制御装置1は、接触力取得手段6によって、力覚センサ11の出力を取得することで接触力fを検出する(ステップS1)。接触力fが目標力fd−cdvよりも小さい場合(ステップS2:Yes)、ロボット制御装置1は、仮想物体運動算出手段7によって、目標位置pdを現在よりも深くする向きの加速度を設定し(ステップS3)、目標位置pdを設定(更新)する(ステップS7)。目標位置pdを現在よりも深い位置に設定することでアーム10の接触力を高めることができる。 The robot control device 1 detects the contact force f by acquiring the output of the force sensor 11 by the contact force acquisition means 6 (step S1). When the contact force f is smaller than the target force f d −c d v (step S2: Yes), the robot control apparatus 1 uses the virtual object motion calculation unit 7 to accelerate the target position p d to be deeper than the current position. Is set (step S3), and the target position pd is set (updated) (step S7). The contact force of the arm 10 can be increased by setting the target position pd to a position deeper than the current position.

また、接触力fの判定において、接触力fが目標力fd−cdvよりも大きい場合(ステップS4:Yes)、ロボット制御装置1は、仮想物体運動算出手段7によって、目標位置pdを現在よりも浅くする向きの加速度を設定し(ステップS5)、目標位置pdを更新する(ステップS7)。目標位置pdを現在よりも浅い位置に設定することでアーム10の接触力を低くすることができる。 In the determination of the contact force f, when the contact force f is larger than the target force f d −c d v (step S4: Yes), the robot control device 1 uses the virtual object motion calculation unit 7 to execute the target position p d. Is set so as to be shallower than the present (step S5), and the target position pd is updated (step S7). It is possible to reduce the contact force of the arm 10 by setting the target position p d at a position shallower than the current.

また、接触力fの判定において、接触力fと目標力fd−cdvとが等しい場合(ステップS4:No)、ロボット制御装置1は、加速度をゼロに設定し(ステップS6)、目標位置pdを更新する(ステップS7)。 In the determination of the contact force f, when the contact force f is equal to the target force f d −c d v (step S4: No), the robot controller 1 sets the acceleration to zero (step S6), and the target force The position pd is updated (step S7).

そして、目標位置pdの更新(ステップS7)に続いて、ロボット制御装置1は、位置制御手段8によって、トルク(推力)指令値を算出する(ステップS8)。そして、ロボット制御装置1は、サーボアンプ4によって、トルク(推力)の指令値を電流指令値に変換し、電流をロボットRのアーム10のアクチュエータ12に供給し(ステップS9)、ステップS1に戻る。よって、衝突の瞬間に大きな衝突力が発生したとしても、ロボット制御装置1は、これらの処理を繰り返すことで、やがて接触力fと目標力fd−cdvとが等しくなるような制御、すなわち、アーム10が停まって人Pから離間する向きの推力を出力するように制御をかけることができる。 Then, following the update of the target position p d (step S7), and the robot controller 1, the position control means 8, calculates the torque (thrust) command value (step S8). Then, the robot controller 1 converts the torque (thrust) command value into a current command value by the servo amplifier 4, supplies the current to the actuator 12 of the arm 10 of the robot R (step S9), and returns to step S1. . Therefore, even if a large collision force is generated at the moment of the collision, the robot controller 1 repeats these processes, so that the contact force f and the target force f d −c d v eventually become equal. That is, it is possible to control so as to output a thrust in a direction away from the person P when the arm 10 is stopped.

[4.ロボット制御装置の性能]
ここでは、アーム10が人に衝突する場合におけるロボット制御装置1の性能について説明する。アーム10が人に衝突する場合を想定した衝突試験を行って性能を検証した。以下に、4−1.検証装置の構成、4−2.制御モデル、4−3.位置制御器の比較例の構成、4−4.位置制御器の実施例の構成、4−5.衝突試験条件、4−6.試験結果に分けて詳細に説明する。
[4. Robot controller performance]
Here, the performance of the robot control apparatus 1 when the arm 10 collides with a person will be described. The performance was verified by performing a collision test assuming that the arm 10 collides with a person. In the following, 4-1. Configuration of verification apparatus, 4-2. Control model, 4-3. Configuration of comparative example of position controller, 4-4. Configuration of embodiment of position controller, 4-5. Crash test conditions, 4-6. The test results will be described in detail.

<4−1.検証装置の構成>
衝突試験に用いた検証装置の構成について図4を参照して説明する。図4は、本発明の実施形態に係るロボット制御装置の性能を検証する検証装置の構成を模式的に示すブロック図である。検証装置400は、図4に示すように、アドミッタンス制御器401と、サーボアンプ402と、直動アクチュエータ403と、衝突体404と、力覚センサ405と、緩衝材407を含む被衝突体406と、を備える。
<4-1. Configuration of verification device>
The configuration of the verification device used in the collision test will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a block diagram schematically showing the configuration of a verification apparatus that verifies the performance of the robot control apparatus according to the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, the verification device 400 includes an admittance controller 401, a servo amplifier 402, a linear motion actuator 403, a collision body 404, a force sensor 405, and a collision target 406 including a buffer material 407. .

アドミッタンス制御器401は、直動アクチュエータ403を制御対象として衝突体404の位置を移動させることで衝突体404による衝突力を制御するためのトルク(推力)指令を出力するものであり、仮想物体運動算出器410と、位置制御器420とを備える。   The admittance controller 401 outputs a torque (thrust) command for controlling the collision force by the collision body 404 by moving the position of the collision body 404 with the linear motion actuator 403 as a control target, and the virtual object motion A calculator 410 and a position controller 420 are provided.

仮想物体運動算出器410は、図2に示した目標力取得手段5、接触力取得手段6および仮想物体運動算出手段7の機能を備えている。
仮想物体運動算出器410には、力制御において仮想物体に設定される目標力fdが入力すると共に、力覚センサ405で検出される衝突体404と被衝突体406との間の接触力fが入力する。ここで、仮想物体とは、衝突体404が実際の質量よりも小さな0でない所定の質量を有すると仮定したときの衝突体に対応した仮想空間上(計算機内)の物体である。仮想物体運動算出器410は、後記する制御モデルにしたがって直動アクチュエータ403の目標位置である位置指令値pdを算出し、位置制御器420に出力する。
The virtual object motion calculator 410 has the functions of the target force acquisition means 5, the contact force acquisition means 6 and the virtual object motion calculation means 7 shown in FIG.
The virtual object motion calculator 410 receives the target force f d set for the virtual object in force control, and the contact force f between the collision object 404 and the collision object 406 detected by the force sensor 405. Enter. Here, the virtual object is an object on the virtual space (in the computer) corresponding to the collision object when it is assumed that the collision object 404 has a predetermined mass that is not 0 smaller than the actual mass. The virtual object motion calculator 410 calculates a position command value pd that is a target position of the linear actuator 403 according to a control model described later, and outputs the position command value p d to the position controller 420.

位置制御器420は、仮想物体運動算出器410から入力する位置指令値pdに基づいて、移動機構である直動アクチュエータ403を駆動するためのトルク(推力)指令を算出するものである。位置制御器420には、直動アクチュエータ403の目標位置として設定された位置指令値pdが入力すると共に、直動アクチュエータ403の図示しないエンコーダにて検出された位置pが入力する。 The position controller 420 calculates a torque (thrust) command for driving the linear actuator 403 as a moving mechanism based on the position command value p d input from the virtual object motion calculator 410. The position controller 420 receives the position command value p d set as the target position of the linear actuator 403 and the position p detected by an encoder (not shown) of the linear actuator 403.

性能を比較するため、位置制御器420として、図6に示す出力制限型PD制御器601を採用した場合の検証装置を比較例とする。出力制限型PD制御器601の詳細については後記する。
また、位置制御器420として、図7に示すPSMC701を採用した場合の検証装置を実施例とする。PSMC701は、図2に示す位置制御手段8の機能を有している。詳細については後記する。
In order to compare the performance, a verification device in the case where the output limiting PD controller 601 shown in FIG. Details of the output limiting PD controller 601 will be described later.
In addition, a verification apparatus when the PSMC 701 shown in FIG. 7 is adopted as the position controller 420 is taken as an example. The PSMC 701 has the function of the position control means 8 shown in FIG. Details will be described later.

サーボアンプ402は、図2に示すサーボアンプ4と同様なので説明を省略する。
直動アクチュエータ403は、図2に示すアクチュエータ12と同様の機能を有し、アドミッタンス制御器401の制御対象である。直動アクチュエータ403は、衝突体404を移動させる移動機構であって、サーボモータ、ボールねじ、直動ガイド、エンコーダを備えている。
The servo amplifier 402 is the same as the servo amplifier 4 shown in FIG.
The linear actuator 403 has the same function as the actuator 12 shown in FIG. 2 and is a control target of the admittance controller 401. The linear motion actuator 403 is a moving mechanism that moves the collision body 404 and includes a servo motor, a ball screw, a linear motion guide, and an encoder.

衝突体404は、図2に示すアーム10の手先に相当し、力覚センサ405を備え、直動アクチュエータ403の駆動によって直線上にスライド運動をして被衝突体406に衝突する。なお、図4では、衝突前の状態を図示した。
力覚センサ405は、図2に示す力覚センサ11と同様の機能を有し、被衝突体406に接触したときの接触力を検知し、アドミッタンス制御器401にフィードバックする。
被衝突体406の衝突体404と接触する面には、スポンジからなる緩衝材407が設けられている。緩衝材は衝突体に設けられていてもよいし、両方に設けられていてもよい。
The collision body 404 corresponds to the hand of the arm 10 shown in FIG. 2, includes a force sensor 405, and slides on a straight line when the linear actuator 403 is driven to collide with the collision target 406. FIG. 4 shows the state before the collision.
The force sensor 405 has the same function as that of the force sensor 11 shown in FIG. 2, detects the contact force when it comes into contact with the collision object 406, and feeds it back to the admittance controller 401.
A shock-absorbing material 407 made of a sponge is provided on the surface of the collision target 406 that contacts the collision body 404. The buffer material may be provided on the collision body, or may be provided on both.

<4−2.制御モデル>
仮想物体運動算出器410において目標位置を算出するための制御モデルについて図5を参照して説明する。図5は、検証装置の仮想物体運動算出器における制御モデルを模式的に示す概念図である。図5に示す構成はアドミッタンス制御の一例である。
仮想物体501は、力制御において図4に示す衝突体404が実際の質量よりも小さな0でない質量mdを有したものと仮定したときの衝突体に対応した計算機内の物体である。なお、図5では、衝突したときの状態を図示した。
<4-2. Control model>
A control model for calculating the target position in the virtual object motion calculator 410 will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a conceptual diagram schematically showing a control model in the virtual object motion calculator of the verification device. The configuration shown in FIG. 5 is an example of admittance control.
The virtual object 501 is an object in the computer corresponding to the collision object when it is assumed that the collision object 404 shown in FIG. 4 has a non-zero mass m d smaller than the actual mass in force control. FIG. 5 shows the state when the vehicle collides.

被接触体502は、図4に示す緩衝材407を含む被衝突体406に対応した仮想空間上(計算機内)の物体である。仮想物体501が被接触体502に加える力(接触力)をfとする。ここで、力fは、図4に示す衝突体404がシミュレーション通りの運動を実際にした場合、衝突体404の接触力と同じものとなる。そこで、接触力fを、図4に示す力覚センサ405を使って測定した。なお、力覚センサによる直接的な測定をすることなく推定(シミュレーション)により接触力fを求めてもよい。   The contacted object 502 is an object on the virtual space (in the computer) corresponding to the impacted object 406 including the cushioning material 407 shown in FIG. A force (contact force) applied to the contacted object 502 by the virtual object 501 is defined as f. Here, the force f is the same as the contact force of the collision body 404 when the collision body 404 shown in FIG. Therefore, the contact force f was measured using a force sensor 405 shown in FIG. Note that the contact force f may be obtained by estimation (simulation) without performing direct measurement by the force sensor.

力発生要素503は、図4に示す目標力fdに対応し、仮想物体501に加えられる仮想の力(仮想物体501に対して設定された力)を表している。
仮想ダンパ504は、仮想物体501の粘性cdを発生させる仮想空間上(計算機内)のダンパを表している。粘性抵抗(cdv)を算出するにあたり、仮想物体501の速度vとしては、前記式(1)を積分した値を用いた。
仮想物体501の目標位置pdは、衝突体404の目標位置である位置指令値pdを示している。
The force generation element 503 corresponds to the target force f d shown in FIG. 4 and represents a virtual force applied to the virtual object 501 (a force set for the virtual object 501).
Virtual damper 504 represents a damper in the virtual space (calculated flight) for generating a viscous c d of the virtual object 501. In calculating the viscous resistance (c d v), a value obtained by integrating the equation (1) was used as the velocity v of the virtual object 501.
A target position p d of the virtual object 501 indicates a position command value p d that is a target position of the collision body 404.

なお、仮想物体501の速度vとしては、衝突体404の実際の速度を用いてもよい。また、ある速度からの衝突(接触)に限定する必要はない。また、最初から接触状態にあってもよい。   Note that the actual speed of the collision object 404 may be used as the speed v of the virtual object 501. Moreover, it is not necessary to limit to the collision (contact) from a certain speed. Moreover, you may be in a contact state from the beginning.

仮想物体運動算出器410は、仮想物体501の動特性を示す前記した式(1)に接触力fを入力することで、式(1)左辺の目標加速度(位置指令値pdの時間2階微分値)を所定の動作周期で算出し、さらに積分を2回実行して求めた、仮想物体の目標位置pdを算出し、位置制御器420に出力する。 The virtual object motion calculator 410 inputs the contact force f into the above-described equation (1) indicating the dynamic characteristics of the virtual object 501, thereby obtaining the target acceleration (the second order time of the position command value p d on the left side of the equation (1)). a differential value) calculated at predetermined operating cycle, further integrating the calculated two runs, calculates a target position p d of the virtual object, and outputs to the position controller 420.

<4−3.位置制御器の比較例の構成>
力の指令値を算出する位置制御器の比較例について図6を参照(適宜図4参照)して説明する。図6は、検証装置の位置制御器に比較例として用いた出力制限型PD制御器の制御ブロック図である。
出力制限型PD制御器601は、位置指令値pdと制御対象602の位置pに基づいて制御対象602(図4の衝突体404)に加える力gを算出し、これをアクチュエータへの力指令値とするものである。ここで、制御対象602の位置pは衝突体404の位置すなわちエンコーダの検出値である。図6においてhは、このシステムに加わる外力であり、SAT603は以下の式(2)に示す単位飽和関数sat(x)を表している。
<4-3. Configuration of Comparative Example of Position Controller>
A comparative example of a position controller that calculates a force command value will be described with reference to FIG. 6 (see FIG. 4 as appropriate). FIG. 6 is a control block diagram of an output limiting PD controller used as a comparative example for the position controller of the verification apparatus.
Output restriction type PD controller 601 calculates the force g applied to the controlled object 602 (impact body 404 in FIG. 4) on the basis of the position p of the controlled object 602 and the position command value p d, a force command of it to the actuator Value. Here, the position p of the control object 602 is the position of the collision body 404, that is, the detected value of the encoder. In FIG. 6, h is an external force applied to this system, and SAT 603 represents a unit saturation function sat (x) shown in the following equation (2).

Figure 2013054629
Figure 2013054629

出力制限型PD制御器601は、図6にて破線で示す枠内の制御ブロックで表される制御として式(3)の右辺を演算することで制御対象602(図4の衝突体404)に加える力gを算出する。   The output-restricted PD controller 601 calculates the right side of Expression (3) as the control represented by the control block in the frame indicated by the broken line in FIG. 6, thereby controlling the control target 602 (the collision object 404 in FIG. 4). The applied force g is calculated.

Figure 2013054629
Figure 2013054629

ここで、Fは、移動機構である直動アクチュエータ403が発生する力の上限値を表す。また、Kは比例ゲイン、Bは微分ゲイン、pdは位置指令値、pは衝突体404の位置すなわち直動アクチュエータ403のエンコーダ検出値、sat(x)は式(2)の単位飽和関数を示す。 Here, F represents the upper limit value of the force generated by the linear actuator 403 that is a moving mechanism. K is a proportional gain, B is a differential gain, p d is a position command value, p is a position of the collision body 404, that is, an encoder detection value of the linear actuator 403, and sat (x) is a unit saturation function of the equation (2). Show.

<4−4.位置制御器の実施例の構成>
位置制御器の実施例について図7を参照(適宜図4および図9参照)して説明する。図7は、検証装置の位置制御器に実施例として用いたPSMCの制御ブロック図である。このPSMCの制御ブロックは、一例として、PD制御器(図9の仮想連結要素904)と、スライディングモード制御器(図9のSMC905)との組み合わせにより実現されるものである。なお、PSMCの制御ブロックは、P制御器あるいはPID制御器と、スライディングモード制御器との組み合わせによっても実現可能である。
<4-4. Configuration of Embodiment of Position Controller>
An embodiment of the position controller will be described with reference to FIG. 7 (refer to FIGS. 4 and 9 as appropriate). FIG. 7 is a control block diagram of the PSMC used as an embodiment for the position controller of the verification apparatus. As an example, the PSMC control block is realized by a combination of a PD controller (virtual connection element 904 in FIG. 9) and a sliding mode controller (SMC 905 in FIG. 9). The PSMC control block can also be realized by a combination of a P controller or PID controller and a sliding mode controller.

図7に示すPSMC701は、位置指令値pd(図9においてはSMC905に設定された目標位置901)と制御対象702(図9の制御対象902)の位置pに基づいてアクチュエータへの力指令値gを算出するものである。ここで、制御対象702の位置pはエンコーダの検出値である。また、制御対象702(図9の制御対象902)には、プロクシ(図9のプロクシ903)が接続されているものとする。プロクシは質量のない点状の仮想物体である。プロクシの位置をpsとする(図9参照)。 The PSMC 701 shown in FIG. 7 has a force command value to the actuator based on the position command value p d (the target position 901 set in the SMC 905 in FIG. 9) and the position p of the control object 702 (the control object 902 in FIG. 9). g is calculated. Here, the position p of the control object 702 is a detection value of the encoder. Further, it is assumed that a proxy (proxy 903 in FIG. 9) is connected to the control object 702 (control object 902 in FIG. 9). A proxy is a point-like virtual object with no mass. The position of the proxy is p s (see FIG. 9).

図7においてhは、このシステムに加わる外力であり、SGN703は以下の式(4)に示す符号関数sgn(x)を表している。   In FIG. 7, h is an external force applied to this system, and SGN 703 represents a sign function sgn (x) shown in the following equation (4).

Figure 2013054629
Figure 2013054629

式(4)の定義により、x>0の場合にはsgn(x)=+1となり、x<0の場合にはsgn(x)=−1となる。また、式(4)はx=0の場合にはsgn(x)が閉区間[−1,1]の任意の値を取りうることを定義している。つまり、図7に示すSGN703は、位置情報を入力とし、−1〜1のいずれかの無次元の値を出力する。なお、式(4)と前記した式(2)との間には、所定の条件を満たすときにy=sgn(x-y)とy=sat(x)とが等価であるという関係があることが知られている(例えば特開2008−97152号公報参照)。   According to the definition of Expression (4), sgn (x) = + 1 when x> 0, and sgn (x) = − 1 when x <0. Equation (4) defines that sgn (x) can take any value in the closed interval [-1, 1] when x = 0. That is, the SGN 703 illustrated in FIG. 7 receives the position information and outputs a dimensionless value from −1 to 1. Note that there is a relationship between the equation (4) and the equation (2) that y = sgn (xy) and y = sat (x) are equivalent when a predetermined condition is satisfied. It is known (see, for example, JP-A-2008-97152).

図7に示すPSMC701は、図7にて破線で示す枠内の主として下側の制御ブロックで表される制御として式(5)の上側の式と、同枠内の主として上側で表される制御ブロックの制御として式(5)の下側の式と、を解いて制御対象に加える力gを算出し、これをアクチュエータへの指令値とする。   The PSMC 701 shown in FIG. 7 is a control expressed mainly by the lower control block in the frame indicated by a broken line in FIG. As a control of the block, the lower equation of equation (5) is solved to calculate the force g to be applied to the controlled object, and this is used as the command value to the actuator.

Figure 2013054629
Figure 2013054629

ここで、Hはプロクシが目標位置に収束するときの時定数を表す。また、Fは移動機構である直動アクチュエータ403が発生する力の上限値、Kは比例ゲイン、Bは微分ゲイン、psはプロクシの位置、pdは位置指令値、pは衝突体404の位置すなわちエンコーダ検出値、sgn(x)は式(4)の符号関数を示す。 Here, H represents a time constant when the proxy converges to the target position. F is an upper limit value of the force generated by the linear actuator 403 as a moving mechanism, K is a proportional gain, B is a differential gain, p s is a proxy position, p d is a position command value, and p is a collision object 404. The position, that is, the encoder detection value, sgn (x) represents the sign function of the equation (4).

PSMC701が発生する発生力gは、プロクシに対してスライディングモード制御器(SMC905)から加えられる力であって、式(5)の上側のgで表される。また、プロクシに対して仮想連結要素904(図9参照)から加えられる力(仮想的な粘弾性力)は、式(5)の下側のgで表され、式(5)の上側のgと同じ力である。なお、式(5)の導出過程の詳細については例えば特許文献1に記載されている。   The generated force g generated by the PSMC 701 is a force applied to the proxy from the sliding mode controller (SMC905), and is represented by g on the upper side of the equation (5). Further, a force (virtual viscoelastic force) applied to the proxy from the virtual connecting element 904 (see FIG. 9) is represented by a lower g in the equation (5), and an upper g in the equation (5). Is the same power. Note that details of the derivation process of Equation (5) are described in Patent Document 1, for example.

<4−5.衝突試験条件>
衝突試験における各種の条件を以下に説明する。
≪4−5−1.アドミッタンス制御パラメータ≫
アドミッタンス制御パラメータとは、アドミッタンス制御器401の仮想物体運動算出器410にて前記した式(1)を演算するための以下のパラメータのことである。すなわち、アドミッタンス制御パラメータは、仮想物体に加えられる仮想の力(目標力)fd、仮想物体の質量md、仮想物体の粘性cdである。これらfd、md、cdとして次の値を予め設定した。
d:5[N]
d:0.7[kg]
d:0.008[Ns/mm]
<4-5. Impact test conditions>
Various conditions in the collision test will be described below.
<< 4-5-1. Admittance control parameters >>
The admittance control parameters are the following parameters for calculating the above-described equation (1) by the virtual object motion calculator 410 of the admittance controller 401. That is, the admittance control parameters are a virtual force (target force) f d applied to the virtual object, a mass m d of the virtual object, and a viscosity c d of the virtual object. These f d, m d, and the following values in advance as c d.
f d : 5 [N]
m d : 0.7 [kg]
c d : 0.008 [Ns / mm]

≪4−5−2.位置制御器パラメータ≫
位置制御器パラメータとは、アドミッタンス制御器401の位置制御器420にて前記した式(2)〜(5)を演算するための以下のパラメータのことである。すなわち、位置制御器パラメータは、比較例および実施例に関して比例ゲインK、微分ゲインB、アクチュエータが発生する力の上限値Fと、実施例に関しての時定数Hである。これらK、B、F、Hとして次の値を予め設定した。
K:1000[N/mm]
B:3[Ns/mm]
F:45[N]
H:0.1[s](PSMC701に対してのみ用いた)
<< 4-5-2. Position controller parameters >>
The position controller parameters are the following parameters for calculating the above-described equations (2) to (5) in the position controller 420 of the admittance controller 401. That is, the position controller parameters are the proportional gain K, the differential gain B, the upper limit value F of the force generated by the actuator, and the time constant H for the embodiment for the comparative example and the embodiment. The following values were preset as K, B, F, and H.
K: 1000 [N / mm]
B: 3 [Ns / mm]
F: 45 [N]
H: 0.1 [s] (used only for PSMC701)

≪4−5−3.その他の検証条件≫
その他の検証条件として、次の値を実測した。
衝突体の実質量m:4.5[kg]
緩衝材:EPDMスポンジ厚t:10[mm]
衝突直前の速度:v=150[mm/s]
なお、EPDMは、エチレン−プロピレン−ジエンゴムである。
<< 4-5-3. Other verification conditions >>
As other verification conditions, the following values were measured.
Real quantity m of impact body: 4.5 [kg]
Buffer material: EPDM sponge thickness t: 10 [mm]
Speed immediately before the collision: v = 150 [mm / s]
EPDM is ethylene-propylene-diene rubber.

<4−6.試験結果>
図6に示す出力制限型PD制御器601を位置制御器420として採用した場合の検証装置(比較例)と、図7に示すPSMC701を位置制御器420として採用した場合の検証装置(実施例)とを用いて、上記衝突試験条件のもとで、衝突試験をそれぞれ行った。衝突試験は、一例として実質量4.5kgの衝突体を直線上で移動させて、衝突直前に時速0.54kmで被衝突体に衝突させるものである。この衝突試験は、例えば、上から下へと直線上に移動するロボットアームの下に、人が誤って手を出して衝突した(はさまれた)場合を想定している。衝突試験の結果によって、比較例や実施例の検証装置が、人への衝撃を緩和するために即座にロボットアームが人から離間する向きの推力を発生させるような制御が安定にできるか検証することが可能となる。
<4-6. Test results>
A verification device (comparative example) when the output limiting PD controller 601 shown in FIG. 6 is adopted as the position controller 420, and a verification device (example) when the PSMC 701 shown in FIG. 7 is adopted as the position controller 420. Were used to perform a crash test under the above crash test conditions. In the collision test, for example, a collision body having a substantial amount of 4.5 kg is moved on a straight line, and is collided with the collision object at a speed of 0.54 km / hour immediately before the collision. This collision test assumes, for example, a case where a person accidentally collides with and puts a hand under a robot arm that moves linearly from top to bottom. Based on the result of the collision test, the verification device of the comparative example and the embodiment verifies whether the control that immediately generates the thrust in the direction in which the robot arm is separated from the person can be stabilized in order to reduce the impact on the person. It becomes possible.

各検証装置による検証結果として、衝突体404が被衝突体406に衝突したときに測定された接触力fの時間変動を図8に示す。図8に示すグラフの横軸は時刻t[秒]を示し、縦軸は接触力f[N]を示す。接触力が5[N]のライン(細い実線)は、予め設定されたアドミッタンス制御パラメータの目標力fdを示す。破線はベースの位置制御を出力制限型PD制御とした場合の力制御(比較例)による衝突体の接触力fを示す。太い実線はベースの位置制御をPSMCとした場合の力制御(実施例)による衝突体の接触力fを示す。 As a verification result by each verification device, FIG. 8 shows a temporal variation of the contact force f measured when the collision body 404 collides with the collision object 406. The horizontal axis of the graph shown in FIG. 8 indicates time t [seconds], and the vertical axis indicates contact force f [N]. A line (thin solid line) with a contact force of 5 [N] indicates a target force f d of a preset admittance control parameter. The broken line indicates the contact force f of the colliding body by force control (comparative example) when the base position control is output limited PD control. The thick solid line indicates the contact force f of the collision object by force control (example) when the position control of the base is PSMC.

比較例は、力制御の内部の位置制御にPD制御を用いた従来の制御装置の場合の効果を検証したことに相当する。具体的には、衝突試験では、ロボットアームに対応した衝突体(実質量m=4.5kg)に対して実質量の約15%にあたる質量(仮想物体の質量md=0.7kg)を仮想質量として設定した。 The comparative example corresponds to the verification of the effect of a conventional control device using PD control for position control inside force control. Specifically, in the collision test, a mass (virtual object mass m d = 0.7 kg) corresponding to about 15% of the actual mass with respect to the collision object (actual mass m = 4.5 kg) corresponding to the robot arm is virtually assumed. Set as mass.

この例では、図示するようにt=0.25秒のときに衝突した。比較例の場合、図8に破線で示すように、t=0.3秒(衝突後0.05秒)のときには、目標力fdを僅かに超える程度(約10N)の接触力fを示す。その後、接触力fは0Nまたはマイナスの接触力となるが、t=0.4秒(衝突後0.15秒)のときには、かろうじてアクチュエータが発生する力の上限値F(=45N)以内の約40Nの接触力を示した。その後、接触力fは0Nまたはマイナスの接触力となるが、t=0.6秒(衝突後0.35秒)のときには、設定された力の上限値F(=45N)をはるかに超え、目標力fdの22倍となる約110Nの接触力を示した。以下同様に、図8に破線で示すように、大きな接触力と0あるいはマイナスの接触力とが時間的に交互に表れる波形が衝突から1秒間に6回も表れ、衝突後1秒以上経過しても接触力が振動する現象が観測された。
なお、図示を省略するが、安定化のため(振動をなくすため)仮想質量をより大きく設定した場合は接触力(衝突力)が大きくなった。また、接触力を下げるため仮想質量をより小さく設定すると振動が観測された。
In this example, as shown in the figure, the collision occurred when t = 0.25 seconds. In the case of the comparative example, as indicated by a broken line in FIG. 8, when t = 0.3 seconds (0.05 seconds after the collision), the contact force f slightly exceeds the target force f d (about 10 N). . Thereafter, the contact force f becomes 0 N or a negative contact force. When t = 0.4 seconds (0.15 seconds after the collision), the contact force f barely falls within the upper limit F (= 45 N) of the force generated by the actuator. A contact force of 40 N was shown. Thereafter, the contact force f becomes 0 N or a negative contact force, but when t = 0.6 seconds (0.35 seconds after the collision), the upper limit value F (= 45 N) of the set force is far exceeded, A contact force of about 110 N, which is 22 times the target force f d , was shown. Similarly, as shown by a broken line in FIG. 8, a waveform in which a large contact force and zero or negative contact force appear alternately in time appears six times per second after the collision, and one second or more has elapsed after the collision. However, the phenomenon that the contact force vibrates was observed.
In addition, although illustration is abbreviate | omitted, when the virtual mass was set more largely for stabilization (in order to eliminate a vibration), the contact force (collision force) became large. In addition, vibration was observed when the virtual mass was set smaller to reduce the contact force.

実施例の場合、図8に太い実線で示すように、t=0.3秒(衝突後0.05秒)のときには、比較例と同様に、目標力fdを僅かに超える程度(約10N)の接触力fを示す。その後、接触力はこれ以上大きくなることはなく、目標力fdに向かって減衰振動し、衝突後0.2〜0.3秒で収束しており安定であった。実施例は、比較例と同じ衝突試験条件において、力制御の内部の位置制御にPSMCを用いた制御装置とすることで、接触力が小さくなり、かつ、振動も短時間に収束したので、従来のアドミッタンス制御の不安定化を緩和できる効果を奏することを検証することができた。なお、衝撃低減効果は一例であり、衝撃力検証のために実施した実験は一例である。 In the case of the example, as shown by a thick solid line in FIG. 8, when t = 0.3 seconds (0.05 seconds after the collision), the target force f d is slightly exceeded (about 10 N) as in the comparative example. ) Shows the contact force f. Thereafter, the contact force did not increase any more, damped and oscillated toward the target force f d , converged 0.2 to 0.3 seconds after the collision, and was stable. Since the embodiment uses a control device that uses PSMC for position control inside the force control under the same collision test conditions as the comparative example, the contact force is reduced and the vibration converges in a short time. It has been verified that the effect of reducing the instability of the admittance control can be reduced. Note that the impact reduction effect is an example, and the experiment conducted for the impact force verification is an example.

力制御の内部の位置制御において従来のPD制御をPSMCに置き換えることでどのような現象が生じるかを事前に想定することは困難であった。ゆえに、前記した試験結果のように、力制御の内部の位置制御にPSMCを用いることで接触力の振動が緩和されることは、容易に想到できない顕著な効果である。   It was difficult to assume in advance what kind of phenomenon would occur by replacing conventional PD control with PSMC in position control within force control. Therefore, as shown in the above-described test results, it is a remarkable effect that cannot easily be conceived that the vibration of the contact force is mitigated by using PSMC for position control inside the force control.

以上説明したように、本発明の実施形態に係るロボット制御装置1は、力制御のベースとなる位置制御にPD制御等を用いた従来の制御にて設定する仮想質量の低減が限界となる場合であっても、アドミッタンス制御の不安定化を緩和することができる。   As described above, the robot control apparatus 1 according to the embodiment of the present invention has a limit in the reduction of virtual mass set by conventional control using PD control or the like for position control that is a base of force control. Even so, destabilization of admittance control can be mitigated.

以上、本発明の制御装置の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、前記した実施形態に限定されるものではない。例えば、PSMCはPD型に限らず、P型,PID型でもよい。   As mentioned above, although preferable embodiment of the control apparatus of this invention was described, this invention is not limited to above-described embodiment. For example, the PSMC is not limited to the PD type, but may be a P type or a PID type.

また、本実施形態では、制御装置がロボットアームの力制御を行うものとして説明したが、本発明は、ロボットアームの力制御に限らず、アドミッタンス制御全般に幅広く応用することが可能である。この場合、アドミッタンス制御全般の安定化に寄与する効果を奏することができる。   In the present embodiment, the control device has been described as performing the force control of the robot arm. However, the present invention is not limited to the force control of the robot arm, and can be widely applied to admittance control in general. In this case, an effect that contributes to stabilization of admittance control in general can be achieved.

100 人ロボット協働システム
1 ロボット制御装置
2 目標力設定手段
3 力制御手段
4 サーボアンプ
5 目標力取得手段
6 接触力取得手段
7 仮想物体運動算出手段
8 位置制御手段
10 アーム
11 力覚センサ
12 アクチュエータ
14 サーボモータ
15 エンコーダ
20 ケーブル
401 アドミッタンス制御器
402 サーボアンプ
403 直動アクチュエータ
404 衝突体
405 力覚センサ
406 被衝突体
407 緩衝材
410 仮想物体運動算出器
420 位置制御器
501 仮想物体
502 被接触体
503 力発生要素
504 仮想ダンパ
601 出力制限型PD制御器
602 制御対象
603 単位飽和関数
701 PSMC
702 制御対象
703 符号関数
901 目標位置
902 制御対象
903 プロクシ
904 仮想的な保持要素
905 スライディングモード制御
P 人
R ロボット
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Human-robot collaboration system 1 Robot control apparatus 2 Target force setting means 3 Force control means 4 Servo amplifier 5 Target force acquisition means 6 Contact force acquisition means 7 Virtual object motion calculation means 8 Position control means 10 Arm 11 Force sensor 12 Actuator DESCRIPTION OF SYMBOLS 14 Servo motor 15 Encoder 20 Cable 401 Admittance controller 402 Servo amplifier 403 Linear motion actuator 404 Colliding body 405 Force sensor 406 Impacted body 407 Buffer material 410 Virtual object motion calculator 420 Position controller 501 Virtual object 502 Contacted object 503 Force generation element 504 Virtual damper 601 Output limited PD controller 602 Control target 603 Unit saturation function 701 PSMC
702 Control object 703 Sign function 901 Target position 902 Control object 903 Proxy 904 Virtual holding element 905 Sliding mode control P Person R Robot

Claims (4)

位置制御手段を内部に有した力制御手段を備え、前記力制御手段が外部から入力された力情報に基づいてアドミッタンス制御を行うことで、外部の物体と他の物体との間で発生する接触力を制御する制御装置であって、
前記位置制御手段は、プロクシベーストスライディングモード制御を用いることを特徴とする制御装置。
Contact is generated between an external object and another object by including force control means having a position control means inside, and the force control means performing admittance control based on force information input from the outside. A control device for controlling force,
The position control means uses proxy-based sliding mode control.
前記位置制御手段は、
比例動作を少なくとも含むフィードバック制御を行う比例制御を含むフィードバック制御器と、
スライディングモード制御則に基づくスライディングモード制御器とを備え、
前記比例制御を含むフィードバック制御器と前記スライディングモード制御器とを協働させて前記プロクシベーストスライディングモード制御を行うものであって、
前記比例制御を含むフィードバック制御器は、仮想空間における質量のない点状の仮想的な物体であるプロクシと前記外部の物体との間を仮想的に連結する仮想連結要素から前記プロクシに対して加えられる仮想的な粘弾性力を算出し、
前記スライディングモード制御器は、前記粘弾性力と釣り合う力であって前記プロクシの位置を当該スライディングモード制御器に設定された目標位置に収束させる制御を行う際に前記プロクシに加えられる仮想的な力を前記物体に加える推力として算出する、
ことを特徴とする請求項1に記載の制御装置。
The position control means includes
A feedback controller including a proportional control for performing feedback control including at least a proportional action;
A sliding mode controller based on the sliding mode control law,
The proxy-based sliding mode control is performed by cooperating a feedback controller including the proportional control and the sliding mode controller,
The feedback controller including the proportional control is added to the proxy from a virtual connection element that virtually connects a proxy that is a point-like virtual object having no mass in a virtual space and the external object. Calculated virtual viscoelastic force
The sliding mode controller is a force that is balanced with the viscoelastic force and is a virtual force applied to the proxy when performing control to converge the position of the proxy to a target position set in the sliding mode controller. As a thrust applied to the object,
The control device according to claim 1.
前記物体は、当該物体に加える推力を発生させる駆動機構と位置検出センサとを備えており、
前記力制御手段は、
前記物体に対応して前記物体の実質量よりも小さな0でない所定の質量を有した仮想物体について予め定められた、仮想的な質量、仮想的な粘弾性および前記仮想物体に加えられる仮想的な力としての目標力の各パラメータを含む前記仮想物体についての運動方程式を前記接触力を入力として用いて解くことで前記仮想物体の目標位置を算出する仮想物体運動算出手段を備え、
前記位置制御手段は、前記算出された目標位置と前記位置検出センサで検出された前記物体の位置とを入力として前記プロクシベーストスライディングモード制御を用いて前記物体を駆動する駆動機構にトルク(推力)指令値を出力することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の制御装置。
The object includes a drive mechanism that generates thrust applied to the object and a position detection sensor,
The force control means includes
A virtual mass, a virtual viscoelasticity, and a virtual added to the virtual object are predetermined for a virtual object having a predetermined non-zero mass that is less than a substantial amount of the object corresponding to the object. Virtual object motion calculation means for calculating a target position of the virtual object by solving a motion equation for the virtual object including each parameter of the target force as force using the contact force as an input,
The position control means receives the calculated target position and the position of the object detected by the position detection sensor as input, and provides torque (thrust) to a drive mechanism that drives the object using the proxy-based sliding mode control. The control device according to claim 1 or 2, wherein a command value is output.
位置制御手段を内部に有した力制御手段を備え、前記力制御手段が外部から入力された力情報に基づいてアドミッタンス制御を行うことで、外部の物体と他の物体との間で発生する接触力を制御する制御装置による制御方法であって、
前記位置制御手段は、プロクシベーストスライディングモード制御を用いることを特徴とする制御方法。
Contact is generated between an external object and another object by including force control means having a position control means inside, and the force control means performing admittance control based on force information input from the outside. A control method by a control device for controlling force,
The position control means uses proxy-based sliding mode control.
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