JP2013094948A - ロボットアーム - Google Patents

Abstract

【課題】不安定な台座により支持されている状況においても、指定箇所の位置及び姿勢を目標軌道に追従させながらも動作の安定化を図ることができるロボットアームを提供する。
【解決手段】複数の関節機構の角度微小変化Δθに対する手先位置姿勢Q_Hの微小変化ΔQ_Hを表わす第１ヤコビ行列J_Hの擬似逆行列J_H ^#を用いて第１指令値Δθ₁が計算される。また、複数の関節機構の角度微小変化Δθに対するロボットアーム１の全体重心位置P_gcの微小変化ΔP_gcを表わす第２ヤコビ行列J_gcの擬似逆行列J_gc ^#及び第１ヤコビ行列J_Hの零空間（E-J_H ^#J_H）を用いて第２指令値Δθ₂が計算される。そして、第１指令値Δθ₁と第２指令値Δθ₂との和などが複数の関節機構がしたがうべき指令値Δθとして計算される。
【選択図】 図３

Description

本発明は、冗長度を有するロボットアームに関する。

ロボットアームの制御手法として、その位置及び姿勢を定める６要素に加え、さらに冗長度を定める要素を指定することにより、ヤコビ行列を用いて各関節角度の駆動量を定める手法が提案されている（特許文献１参照）。当該技術によれば、冗長度を定める要素として選定された慣性能率の変化量が「０」に指定されることにより、各関節機構の駆動源にかかる負荷変化量の低下が図られている。

特公平０４−００６００３号公報

しかし、位置又は姿勢が容易に変化する不安定な台座によりロボットアームが支持されている場合、前記制御手法にしたがってロボットアームの指定箇所の位置及び姿勢を目標軌道に追従させようとする際に、各関節機構駆動源にかかる負荷の変化が抑制されうる一方、ロボットアームの動作が不安定になる可能性がある。

そこで、本発明は、不安定な台座により支持されている状況においても、指定箇所の位置及び姿勢を目標軌道に追従させながらも動作の安定化を図ることができるロボットアームを提供することを解決課題とする。

前記課題を解決するための本発明のロボットアームは、複数の関節機構と、各関節角度が指令値にしたがって変化するように当該各関節角度を制御する制御装置とを備え、台座により支持されている冗長度を有するロボットアームであって、前記制御装置は、前記ロボットアームの指定箇所の位置及び姿勢を定める６要素を指定し、かつ、前記冗長度を定める要素としての前記ロボットアームの全体重心位置の変化量を、０又は指定範囲内の値に指定することにより、前記指令値を計算するように構成されていることを特徴とする。

本発明のロボットアームは、前記制御装置が、前記複数の関節機構の角度の微小変化に対する前記指定箇所の位置及び姿勢の微小変化を表わす第１ヤコビ行列の擬似逆行列を、前記指定箇所の位置及び姿勢の微小変化に対して乗じることにより第１指令値を計算し、前記複数の関節機構の角度の微小変化に対する前記ロボットアームの全体重心位置の微小変化を表わす第２ヤコビ行列の擬似逆行列を、前記ロボットアームの重心位置の微小変化に対して乗じた結果を前記第１ヤコビ行列の零空間に投影することにより第２指令値を計算し、かつ、前記第１指令値と前記第２指令値との和、又は前記第１指令値と前記第２指令値に指定係数を乗じた結果との和を前記指令値として計算するように構成されていることを特徴とする。

本発明の一実施形態としてのロボットアームの構成説明図。 図１のロボットアームの制御装置の構成説明図。 ロボットアームの動作形態に関する説明図。

（ロボットアームの構成）
図１に示されている本発明の一実施形態としてのロボットアーム１は、台座２により支持されている。台座２は、遠隔操作可能な台車等の移動装置、又は当該台車に取り付けられているリフタ等の一部により構成されている。台座２又はこれを構成要素とする移動装置等の機器がロボットアーム１の構成要素であってもよい。ロボットアーム１の先端部にはエンドエフェクタ３が取り付けられている。エンドエフェクタ３は、例えばバルブの開閉というタスクを実行するため、当該バルブのハンドルに係合させるための適当な構造とされている。エンドエフェクタ３はロボットアーム１の構成要素であってもよい。

ロボットアーム１は、９つの関節機構Ｊ_i（i＝Bz, By, Sz, Sy, Sx, Ey, Wx, Wy, Wz）と、当該９つの関節機構Ｊ_iを介して順に連結されている１０のリンク部材Ｌ_k（k＝1〜9）とを備えている。すなわち、本実施形態のロボットアーム１の自由度ｑは「９」であり、その冗長度ｐは「３（＝９−ｑ）」である。各関節機構Ｊ_iには、その関節角度θ_iに応じた信号を出力するロータリエンコーダ等の関節角度センサが設けられている。

ロボットアーム１、台座２及びエンドエフェクタ３のうち少なくとも１つに、撮像装置が取り付けられ、当該撮像装置により撮像された画像がロボットアーム１から離れた場所に設置されている画像装置に表示される。操作者はこの画像を見ながら遠隔操作装置を操作することにより、台座２を構成する移動装置の動作に加えて、ロボットアーム１及びエンドエフェクタ３の動作を遠隔制御することができる。

（制御装置の構成）
ロボットアーム１は、図２に示されている制御装置４を備えている。制御装置４は、プログラマブルコンピュータにより構成されている。制御装置４には、遠隔操作装置からアーム１の目標運動軌道が入力される。変数の「軌道」とは、当該変数の時間変化態様を表わす時系列的な変数値を意味する。制御装置４は、第１指令値計算要素４１と、第２指令値計算要素４２とを備えている。

制御装置４には、関節角度センサから出力された信号が入力される。制御装置４は、当該入力信号に基づき、アーム１の各関節機構Ｊ_iの動作制御指令にしたがって、各関節機構Ｊ_iの駆動源の動作を制御するという制御処理を実行するように構成されている。

ここで、制御装置４が演算処理を実行するように構成されているとは、制御装置４を構成するＣＰＵ（中央演算処理）が、必要なソフトウェア及びデータをメモリ（記憶装置）から読み取り、当該ソフトウェアにしたがって当該演算処理を実行するようにプログラムされていることを意味する。

（制御処理）
前記構成の制御装置４により実行されるロボットアーム１の制御処理に付いて説明する。

第１指令値計算要素４１により、ロボットアーム１の指定箇所である先端部の位置及び姿勢（以下「手先位置姿勢」という。）の今回目標値Q_H_desと前回指令値Q_H_cmd_preとの偏差に基づき、関係式（０１）にしたがって第１指令値Δθ1_cmdが計算される。第１指令値Δθ1_cmdは、手先位置姿勢Q_H＝（P_H, θ_H）＝（x_H, y_H, z_H, θ_Hx, θ_Hy, θ_Hz）をその今回目標値Q_H_desに一致させるための各関節機構Ｊ_iの関節角度の変化量Δθ＝（Δθ_Bz, Δθ_By, Δθ_Sz, Δθ_Sy, Δθ_Sx, Δθ_Ey, Δθ_Wx, Δθ_Wy, Δθ_Wz）を定めるものである。すなわち、第１指令値Δθ1_cmdは、手先位置姿勢Q_Hの変化量を定める６要素であるx_H, y_H, z_H, θ_Hx, θ_Hy及びθ_Hzを指定するためのものである。

手先位置姿勢の前回指令値Q_H_cmd_preは、各関節角度の前回までの変化指令値Δθ_cmdが累計された結果としての前回指令値θ_cmd_preに基づき、ロボットアーム１の順キネマティクスモデルにしたがって計算される。

Δθ1_cmd=J_H ^#(Q_H_des-Q_H_cmd_pre) ..(01)。

「^#」は擬似逆行列を表わす。「J_H」は、各関節機構Ｊ_iの関節角度の微小変化Δθ＝（Δθ_Bz, Δθ_By, Δθ_Sz, Δθ_Sy, Δθ_Sx, Δθ_Ey, Δθ_Wx, Δθ_Wy, Δθ_Wz）に対する、手先位置姿勢Q_Hの微小変化ΔQ_Hを表わすヤコビ行列（第１ヤコビ行列）である。ヤコビ行列J_H及びその擬似逆行列J_H ^#は、各関節角度の前回指令値θ_cmd_preと、手先位置姿勢の前回指令値Q_H_cmd_preとに基づいて計算される。

第２指令値計算要素４２により、第１指令値Δθ1_cmdに基づき、順キネマティクスモデルにしたがって全体重心位置の推定変化量ΔP_gc_estが計算される。そして、全体重心位置の推定変化量ΔP_gc_estに基づき、関係式（０２）にしたがって第２指令値Δθ2_cmdが計算される。第２指令値Δθ2_cmdは、手先位置姿勢の今回目標値Q_H_desを変化させないようにロボットアーム１の全体重心位置P_gc＝（x_gc, y_gc, z_gc）を維持するための、各関節機構Ｊ_iの関節角度の変化量を定めるものである。すなわち、。第２指令値Δθ2_cmdは、冗長度ｐ（＝３）を定める要素としてのロボットアーム１の全体重心位置P_gcの変化量を、０又は指定範囲内の値に指定するためのものである。

Δθ2_cmd=(E-J_H ^#J_H)J_gc ^#ΔP_gc_est ..(02)。

「J_gc」は、各関節機構Ｊ_iの関節角度の微小変化Δθに対する、全体重心位置P_gcの微小変化ΔP_Hを表わすヤコビ行列（第２ヤコビ行列）である。ヤコビ行列J_gc及びその擬似逆行列J_gc ^#は、各関節角度の前回指令値θ_cmd_preと、全体重心位置の前回指令値P_gc_cmd_preとに基づいて計算される。「E-J_H ^#J_H」は、ヤコブ行列J_Hの零空間を意味する。

第１指令値Δθ1_cmd及び第２指令値Δθ2_cmdの和が、指令値Δθ_cmdとして計算される。この指令値Δθ_cmdに応じて、各関節機構Ｊ_iの関節角度θ_iがΔθ_cmd_iだけ変化するようにその駆動源の動作が制御される。これにより、
なお、第１指令値Δθ1_cmdと、第２指令値Δθ2_cmdに所定の比率ｒ（０＜ｒ＜１）を乗じた結果との和が、指令値Δθ_cmdとして計算されてもよい。時定数Ｔと、サンプリング周期τとに基づき、当該比率は関係式（０３）により表わされる。

r=1/(1+(τ/T)) ..(03)。

本発明によれば、ロボットアーム１が不安定な台座２により支持されている状況においても、手先位置姿勢Q_Hをその目標値Q_H_desに追従させながらも、ロボットアーム１の全体重心位置P_gcの変化が防止又は制限されるので、ロボットアーム１の動作の安定化が図られる。

例えば、台座２の運動が弾性要素又はバネ要素を介して床面に接触しているモデルにより表現されるような、台座２が不安定な状況について考える。この状況で、図３（ｂ）に示されているように手先位置姿勢Q_Hをその目標値Q_H_desに追従させた結果、ロボットアーム１の全体重心位置P_gcが変化した場合、弾性要素の変形によって台座２の位置及び姿勢が変化してしまう。台座２の位置姿勢変化を補償するために各関節角度θが制御された場合、少なくとも一部の関節角度θの制御が発振してしまい、ロボットアーム１の動作が不安定になる可能性がある。

しかるに、本発明によれば、この状況で、図３（ａ）に示されているように手先位置姿勢Q_Hをその目標値Q_H_desに追従させながらも、ロボットアーム１の全体重心位置P_gcの変化が防止又は制限抑制される。このため、弾性要素の変形による台座２の位置及び姿勢の変化が防止又は制限され、ロボットアーム１の動作が安定に制御される。

ロボットアーム１の冗長度ｐが「３」であるため、ロボットアーム１の全体重心位置P_gcが直交する３軸方向について調節されうる。なお、ロボットアーム１の後端部（基端部）を台座２に対して変位させる駆動機構（ＸＹステージなど）が設けられ、ロボットアーム１の台座座標系における全体重心位置P_gcの３軸方向成分のうち一部が当該駆動機構によって制御されうる場合、ロボットアーム１の冗長度ｐが「１」又は「２」になるように、関節機構Ｊ_iの総数が「７」又は「８」に変更されてもよい。

１‥ロボットアーム、２‥台座、３‥エンドエフェクタ、４‥制御装置、Ｊ₁〜Ｊ₉‥関節機構。

Claims (2)

1. 複数の関節機構と、各関節角度が指令値にしたがって変化するように当該各関節角度を制御する制御装置とを備え、台座により支持されている冗長度を有するロボットアームであって、
   前記制御装置は、前記ロボットアームの指定箇所の位置及び姿勢の変化量を定める６要素を指定し、かつ、前記冗長度を定める要素としての前記ロボットアームの全体重心位置の変化量を、０又は指定範囲内の値に指定することにより、前記指令値を計算するように構成されていることを特徴とするロボットアーム。
2. 請求項１記載のロボットアームにおいて、
   前記制御装置が、前記複数の関節機構の角度の微小変化に対する前記指定箇所の位置及び姿勢の微小変化を表わす第１ヤコビ行列の擬似逆行列を、前記指定箇所の位置及び姿勢の微小変化に対して乗じることにより第１指令値を計算し、
   前記複数の関節機構の角度の微小変化に対する前記ロボットアームの全体重心位置の微小変化を表わす第２ヤコビ行列の擬似逆行列を、前記ロボットアームの重心位置の微小変化に対して乗じた結果を前記第１ヤコビ行列の零空間に投影することにより第２指令値を計算し、かつ、
   前記第１指令値と前記第２指令値との和、又は前記第１指令値と前記第２指令値に指定係数を乗じた結果との和を前記指令値として計算するように構成されていることを特徴とするロボットアーム。

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