JP2013113661A - External force detection device, robot control system and external force detection method - Google Patents

External force detection device, robot control system and external force detection method Download PDF

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Mitsuhiro Inazumi
満広 稲積
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an external force detection device, a robot control system and an external force detection method, etc. for performing external force detection with high accuracy when external force is modulated by a machine mechanism provided at the tip of a force sensor.SOLUTION: An external force detection device 30 includes: an acquisition part 32 which acquires sensor information output from a force sensor 10; and a correction part 34 which performs correction processing to the acquired sensor information, in which the force sensor 10 is provided with a machine mechanism (such as a hand 110) which converts external force f to be transmitted to the force sensor 10 as force F, and the correction part 34 performs inverse transformation of conversion by the machine mechanism as correction processing.

Description

本発明は、外力検知装置、ロボット制御システム及び外力検知方法等に関する。   The present invention relates to an external force detection device, a robot control system, an external force detection method, and the like.

従来、センシング部に対してはたらく力をセンサー情報として取得する力覚センサーと、当該力覚センサーを用いた種々のシステムが知られている。   Conventionally, a force sensor that acquires force acting on a sensing unit as sensor information and various systems using the force sensor are known.

例えば、ロボット制御の分野ではインピーダンス制御に代表される力制御を行うシステムが考えられる。インピーダンス制御とは、ロボットのマニピュレーターを、その実際の質量・粘性特性・弾性特性に係わらず、あたかも作業に適した値を持つかのように動作させる制御手法である。具体的には、マニピュレーターに設けられた力覚センサーから得られる力情報に基づいて運動方程式の解を求め、マニピュレーターをその解に従って動作させることになる。   For example, in the field of robot control, a system that performs force control represented by impedance control is conceivable. Impedance control is a control method for operating a robot manipulator as if it had a value suitable for work regardless of its actual mass, viscosity, and elasticity. Specifically, a solution of the equation of motion is obtained based on force information obtained from a force sensor provided in the manipulator, and the manipulator is operated according to the solution.

インピーダンス制御を行うことで、位置の制御に加えて力の制御を行うことができるため、物体の表面をなぞる、ある物体を他の物体に嵌め合わせる、柔物体を破壊しないように把持する等の場面に対応することが可能になる。   Impedance control allows you to control force in addition to position control, such as tracing the surface of an object, fitting one object to another object, grasping a soft object without breaking it, etc. It becomes possible to correspond to the scene.

特許文献1には、非常に複雑な系においても精度よくインピーダンス制御を行う手法が開示されている。   Patent Document 1 discloses a technique for performing impedance control with high accuracy even in a very complicated system.

特開平6−320451号公報JP-A-6-320451

特許文献1等の力覚センサーを用いた力制御では、力覚センサーのセンサー情報が正確に外力の大きさを表していることが前提になっている。しかしながら、力覚センサーよりも先に何らかの構造物、例えばロボットのハンドが存在した場合、力制御においてはハンドが受ける外力を正確に取得する必要があるのに対して、当該外力はハンドの構造により変調を受けるため、力覚センサーが検知するのは変調後の外力となってしまう。   In the force control using the force sensor disclosed in Patent Document 1 or the like, it is assumed that the sensor information of the force sensor accurately represents the magnitude of the external force. However, when there is some structure, such as a robot hand, before the force sensor, it is necessary to accurately acquire the external force that the hand receives in force control, whereas the external force depends on the structure of the hand. Due to the modulation, the force sensor detects the external force after the modulation.

ハンドが機械的に高剛性であれば、この変調の程度は少ないが、剛性が低い場合には変調度合いは大きいものになり、変調された外力に基づくインピーダンス制御は所望の動作にならない。   If the hand is mechanically highly rigid, the degree of this modulation is small, but if the hand is low in rigidity, the degree of modulation becomes large, and the impedance control based on the modulated external force does not become a desired operation.

本発明の幾つかの態様によれば、力覚センサーの先に設けられた機械機構により外力が変調される場合に、精度の高い外力検知を行う外力検知装置、ロボット制御システム及び外力検知方法等を提供することができる。   According to some aspects of the present invention, when an external force is modulated by a mechanical mechanism provided at the tip of a force sensor, an external force detection device that performs highly accurate external force detection, a robot control system, an external force detection method, and the like Can be provided.

本発明の一態様は、力覚センサーから出力されたセンサー情報を取得する取得部と、取得した前記センサー情報に対して補正処理を行う補正部と、を含み、前記力覚センサーには、外力fを変換して力Fとして前記力覚センサーに伝達する機械機構が設けられ、前記補正部は、前記機械機構での変換の逆変換を、前記補正処理として行う外力検知装置に関係する。   One aspect of the present invention includes an acquisition unit that acquires sensor information output from a force sensor, and a correction unit that performs a correction process on the acquired sensor information. The force sensor includes an external force A mechanical mechanism that converts f and transmits the force F to the force sensor is provided, and the correction unit relates to an external force detection device that performs reverse conversion of the conversion by the mechanical mechanism as the correction processing.

本発明の一態様では、力覚センサーに機械機構が設けられ、当該機械機構は外力fを変換して力Fとして力覚センサーに伝達する。その場合に、取得したセンサー情報に対して、機械機構での変換の逆変換に当たる補正処理を施すことで、実際に機械機構にはたらいた外力fを正確に求めること等が可能になる。   In one embodiment of the present invention, the force sensor is provided with a mechanical mechanism, and the mechanical mechanism converts the external force f and transmits the force F to the force sensor. In that case, it is possible to accurately obtain the external force f actually applied to the mechanical mechanism by performing a correction process corresponding to the reverse conversion of the conversion by the mechanical mechanism on the acquired sensor information.

また、本発明の一態様では、前記補正部は、前記機械機構での前記変換が所定の変換式でモデル化される場合に、前記変換式の逆変換式を用いて前記補正処理を行ってもよい。   In the aspect of the invention, the correction unit may perform the correction process using an inverse conversion formula of the conversion formula when the conversion in the mechanical mechanism is modeled by a predetermined conversion formula. Also good.

これにより、変換を所定の変換式によりモデル化し、当該変換式の逆変換式を用いることで補正処理を容易に行うこと等が可能になる。   As a result, the conversion can be modeled by a predetermined conversion equation, and correction processing can be easily performed by using the inverse conversion equation of the conversion equation.

また、本発明の一態様では、前記補正部は、前記変換式として常微分方程式を用いて前記機械機構での前記変換がモデル化される場合に、前記常微分方程式の前記逆変換式を用いて前記補正処理を行ってもよい。   In one aspect of the present invention, the correction unit uses the inverse transformation equation of the ordinary differential equation when the transformation in the mechanical mechanism is modeled using an ordinary differential equation as the transformation equation. The correction process may be performed.

これにより、上記変換式として常微分方程式を用いることが可能になる。   This makes it possible to use an ordinary differential equation as the conversion equation.

また、本発明の一態様では、前記補正部は、前記変換式として、質量項、粘性項及び弾性項を係数パラメーターとする運動方程式を用いて前記機械機構での前記変換がモデル化される場合に、前記運動方程式の前記逆変換式を用いて前記補正処理を行ってもよい。   In the aspect of the invention, the correction unit may model the conversion in the mechanical mechanism using an equation of motion having a mass term, a viscosity term, and an elastic term as coefficient parameters as the conversion formula. In addition, the correction processing may be performed using the inverse transformation formula of the equation of motion.

これにより、上記変換式として運動方程式を用いることが可能になる。   This makes it possible to use an equation of motion as the conversion equation.

また、本発明の一態様では、前記補正部は、デジタルフィルター処理により前記補正処理を行ってもよい。   In the aspect of the invention, the correction unit may perform the correction process by digital filter processing.

これにより、補正処理をデジタルフィルター化することが可能になり、ハードウェアー化等を容易にすることができる。   As a result, the correction process can be converted into a digital filter, and hardware can be facilitated.

また、本発明の一態様では、前記補正部は、第n(nは3以上の整数)のタイミングにおける前記センサー情報の値をF、第n−1のタイミングにおける中間パラメーターをxn−1とし、前記デジタルフィルター処理の係数パラメーターをα及びβとした場合に、x=αF+βxn−1により、前記第nのタイミングにおける前記中間パラメーターxを求めるとともに、求められた前記中間パラメーターx、前記第n−1のタイミングで求められた前記中間パラメーターxn−1及び第n−2のタイミングで求められた前記中間パラメーターxn−2と、前記デジタルフィルター処理の前記係数パラメーターC,C,Cから、f={x−(Cn−1+Cn−2)}/Cにより、前記第nのタイミングにおける前記補正処理後の前記センサー情報fを求めてもよい。 In one aspect of the present invention, the correction unit sets the sensor information value at the nth (n is an integer of 3 or more) timing as F n , and the intermediate parameter at the ( n−1) th timing as x n−1. And when the coefficient parameters of the digital filter processing are α and β, the intermediate parameter x n at the n-th timing is obtained by x n = αF n + βx n−1 and the obtained intermediate parameter x n , the intermediate parameter x n−1 obtained at the n−1 th timing, the intermediate parameter x n−2 obtained at the n−2 th timing, and the coefficient parameter C of the digital filter processing 0, from C 1, C 2, f n = - by {x n (C 1 x n -1 + C 2 x n-2)} / C 0, the first n It may be obtained the sensor information f n after the correction processing in the timing.

これにより、上述した式により具体的に補正処理を実行することが可能になる。   This makes it possible to execute the correction process specifically using the above-described equation.

また、本発明の一態様では、前記取得部は、前記力Fに対応する情報を前記センサー情報として取得し、前記補正部は、前記センサー情報に対して前記補正処理を行うことで、前記外力fに対応する情報を取得してもよい。   In one aspect of the present invention, the acquisition unit acquires information corresponding to the force F as the sensor information, and the correction unit performs the correction process on the sensor information, whereby the external force is acquired. Information corresponding to f may be acquired.

これにより、力Fに対して補正処理を行うことで、外力fを取得することが可能になる。   Thereby, it is possible to acquire the external force f by performing the correction process on the force F.

また、本発明の一態様では、前記機械機構は、ロボットのエンドエフェクターであってもよい。   In the aspect of the invention, the mechanical mechanism may be a robot end effector.

これにより、機械機構としてロボットのエンドエフェクターが用いられた場合にも、上記の補正処理を行うこと等が可能になる。   As a result, even when a robot end effector is used as a mechanical mechanism, it is possible to perform the above correction processing.

また、本発明の他の態様は、上記のいずれか記載の外力検知装置と、前記外力検知装置において前記補正処理が行われた前記センサー情報に基づいてロボットの制御処理を行う制御部と、を含むロボット制御システムに関係する。   According to another aspect of the present invention, the external force detection device according to any one of the above, and a control unit that performs a robot control process based on the sensor information on which the correction process has been performed in the external force detection device, Related to the robot control system including.

これにより、外力検知装置での処理結果を用いてロボットの制御を行うこと等が可能になる。   Thereby, it becomes possible to control the robot using the processing result of the external force detection device.

また、本発明の一態様では、前記制御部は、前記外力検知装置において前記補正処理が行われた前記センサー情報に基づいて、前記ロボットの目標値の補正値を出力する力制御部と、前記補正値により補正された前記目標値に基づいて、前記ロボットのフィードバック制御を行うロボット制御部と、を含んでもよい。   In one aspect of the present invention, the control unit outputs a correction value of a target value of the robot based on the sensor information on which the correction process has been performed in the external force detection device; And a robot control unit that performs feedback control of the robot based on the target value corrected by the correction value.

これにより、ロボット制御として力制御を行うこと等が可能になる。   This makes it possible to perform force control as robot control.

また、本発明の他の態様は、外力fを変換して力Fとして伝達する機械機構が設けられた力覚センサーから出力されたセンサー情報に対して補正処理を行う外力検知方法であって、前記力覚センサーからの前記センサー情報を取得し、取得した前記センサー情報に対して、前記機械機構での変換の逆変換を前記補正処理として行う外力検知方法に関係する。   Another aspect of the present invention is an external force detection method for performing correction processing on sensor information output from a force sensor provided with a mechanical mechanism that converts an external force f and transmits it as a force F. The present invention relates to an external force detection method that acquires the sensor information from the force sensor and performs reverse conversion of conversion by the mechanical mechanism as the correction process on the acquired sensor information.

力覚センサーの構成例。A configuration example of a force sensor. 力覚センサーの先に機械機構が設けられる具体例。A specific example in which a mechanical mechanism is provided at the tip of a force sensor. 本実施形態の外力検知装置、ロボット制御システム及びそれらを含むロボットシステムの構成例。1 is a configuration example of an external force detection device, a robot control system, and a robot system including them according to the present embodiment. ロボットシステムの一例。An example of a robot system. 機械機構のモデル化の例。An example of mechanical mechanism modeling. 機械機構における変調を説明する図。The figure explaining the modulation | alteration in a mechanical mechanism. 補正処理に用いられるデジタルフィルターの例。An example of a digital filter used for correction processing. 補正処理に用いられるデジタルフィルターの他の例。Another example of a digital filter used for correction processing. 補正処理に用いられるデジタルフィルターの他の例。Another example of a digital filter used for correction processing. 図10(A)〜図10(C)は力制御についての説明図。FIG. 10A to FIG. 10C are explanatory diagrams of force control. 図11(A)、図11(B)はコンプライアンス制御についての説明図。FIG. 11A and FIG. 11B are explanatory diagrams regarding compliance control. 図12(A)、図12(B)はインピーダンス制御についての説明図。12A and 12B are explanatory diagrams of impedance control. 機械機構の特性と力制御により実現された特性との関係を説明する図。The figure explaining the relationship between the characteristic of a mechanical mechanism, and the characteristic implement | achieved by force control. 外力検知装置での処理を説明するためのフローチャート。The flowchart for demonstrating the process in an external force detection apparatus.

以下、本実施形態について説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また本実施形態で説明される構成の全てが、本発明の必須構成要件であるとは限らない。   Hereinafter, this embodiment will be described. In addition, this embodiment demonstrated below does not unduly limit the content of this invention described in the claim. In addition, all the configurations described in the present embodiment are not necessarily essential configuration requirements of the present invention.

1.本実施形態の手法
まず本実施形態の手法について説明する。本実施形態で用いられる力覚センサーの構成例を図1に示す。力覚センサーには種々の構成が考えられるが、基本的には外力によるセンシング部の微小な変形を、何らかの手法により測定することで外力を検知する。変形の測定手法には、歪みゲージを用いる手法、静電センサーを用いる手法、光学センサーを用いる手法、水晶素子等の圧電素子を用いる手法等が考えられる。
1. First, the method of this embodiment will be described. A configuration example of a force sensor used in this embodiment is shown in FIG. Although various configurations can be considered for the force sensor, basically, the external force is detected by measuring a minute deformation of the sensing unit due to the external force by some method. As a deformation measuring method, a method using a strain gauge, a method using an electrostatic sensor, a method using an optical sensor, a method using a piezoelectric element such as a crystal element, and the like can be considered.

図1に示したように、力覚センサーの機械的な構造を模式化することで、力覚センサーをモデル化することができる。力覚センサーの等価質量項をm、等価粘性項をμ、等価弾性項をkとすると、その特性は下式(1)のように表すことができる。 As shown in FIG. 1, the force sensor can be modeled by modeling the mechanical structure of the force sensor. When the equivalent mass term of the force sensor is m 0 , the equivalent viscosity term is μ 0 , and the equivalent elastic term is k 0 , the characteristic can be expressed as the following equation (1).

Figure 2013113661
Figure 2013113661

ここで、xは変形測定手法(具体例は上述したとおり)により測定されたセンシング部の変形(変位)を表し、Fは力覚センサーの受けた外力を表す。つまり、力覚センサーの等価質量項m、等価粘性項μ、等価弾性項kは設計により知ることができるため、変位xを測定することにより、上式(1)から外力Fを取得することができる。力覚センサーはセンサー情報としてFを出力する。 Here, x represents the deformation (displacement) of the sensing unit measured by the deformation measurement method (specific example is as described above), and F represents the external force received by the force sensor. That is, since the equivalent mass term m 0 , equivalent viscosity term μ 0 , and equivalent elastic term k 0 of the force sensor can be known by design, the external force F is obtained from the above equation (1) by measuring the displacement x. can do. The force sensor outputs F as sensor information.

しかし、実際には弾性項kが相対的に非常に大きく作られるため、時間微分項は相対的に小さくなり、一般的には運動方程式を明示的に考慮する必要はない。弾性項が相対的に大きくないと(つまり力覚センサーが非常に硬く作られないと)、センシング部の変形が大きくなってしまうため、それに伴い力覚センサーの先に設けられた構造物の空間的位置が変動してしまうためである。例えばロボットシステムであれば、力覚センサーの先にハンドが設けられることが想定されるが、力覚センサーが硬くないとハンドの空間的位置、つまりロボットの手先位置が変動することになり、手先位置制御の精度が劣化することになる。 However, in practice, since the elastic term k 0 is made relatively large, the time differential term becomes relatively small, and it is generally unnecessary to explicitly consider the equation of motion. If the elastic term is not relatively large (that is, if the force sensor is not made very hard), the deformation of the sensing unit will be large, and accordingly the space of the structure provided at the tip of the force sensor This is because the target position fluctuates. For example, in the case of a robot system, it is assumed that a hand is provided at the tip of the force sensor, but if the force sensor is not hard, the spatial position of the hand, that is, the hand position of the robot will fluctuate. The accuracy of position control will deteriorate.

以上のことから、力覚センサーをモデル化したものを図1に示したものの、本実施形態においてはこのようなモデルまで考慮する必要はなく、力覚センサーのセンシング部の変形はないものとして取り扱ってもよい。   From the above, although a model of the force sensor is shown in FIG. 1, it is not necessary to consider such a model in this embodiment, and it is handled that there is no deformation of the sensing unit of the force sensor. May be.

本実施形態で問題とするのは、図2のように力覚センサーの先に機械機構(図2の例ではロボットのハンド)が設けられ、かつ当該機械機構の剛性が力覚センサーに比べて低い場合である。このような場合には、機械機構に対して加えられた外力fは、機械機構による変換(変調)を受け、力Fとして力覚センサーに伝えられる。一例としては、機械機構が柔構造物であれば、fによるエネルギーの一部が当該柔構造物の変形に用いられることで、力覚センサーに伝わる力Fは外力fに比べて小さくなるケース等が考えられる。   The problem in this embodiment is that a mechanical mechanism (a robot hand in the example of FIG. 2) is provided at the tip of the force sensor as shown in FIG. 2, and the rigidity of the mechanical mechanism is larger than that of the force sensor. This is the case. In such a case, the external force f applied to the mechanical mechanism undergoes conversion (modulation) by the mechanical mechanism and is transmitted to the force sensor as a force F. As an example, if the mechanical mechanism is a flexible structure, a part of the energy generated by f is used for deformation of the flexible structure, so that the force F transmitted to the force sensor is smaller than the external force f. Can be considered.

力覚センサーの出力値であるFに関して、力覚センサー自身の変形等は考慮しなくてもよいことは上述したとおりである。つまり、機械機構から力覚センサーに伝えられた力は正確にセンサー情報に反映されると考えてよい。しかし、システムが実際に取得したいのは力Fではなく変換前の外力fである。図2に示したようにロボット制御システムであれば、力制御はハンドが処理対象となるワークに与える力に基づいて行われるべきであり、その力は反力としてワークからハンドに伝わる力に等しく、図2の外力fに他ならない。つまり、力覚センサーのセンサー情報をそのまま用いたのでは、所望の力制御は行えないことになり好ましくない。ロボット制御システム以外のシステムにおいても、外部との力のやり取りは力覚センサーよりも先に設けられた機械機構において行われるはずであり、当該機械機構による外力の変換を無視することはできない。   As described above, F, which is the output value of the force sensor, does not need to take into account deformation of the force sensor itself. That is, it may be considered that the force transmitted from the mechanical mechanism to the force sensor is accurately reflected in the sensor information. However, what the system actually wants to acquire is not the force F but the external force f before conversion. In the case of a robot control system as shown in FIG. 2, force control should be performed based on the force applied to the workpiece to be processed by the hand, and the force is equal to the force transmitted from the workpiece to the hand as a reaction force. This is nothing but the external force f in FIG. That is, if the sensor information of the force sensor is used as it is, desired force control cannot be performed, which is not preferable. Even in a system other than the robot control system, external force exchange should be performed in a mechanical mechanism provided before the force sensor, and conversion of external force by the mechanical mechanism cannot be ignored.

なお、機械機構の剛性が高ければ、機械機構による外力fに対する変換の影響は小さくなるが、剛性の低い機械機構を用いることで他の利点が生じるケースもあるため、必ずしも機械機構の剛性を高いものにすることはできない。以下、具体例を、ロボット制御システムを用いて説明する。   If the rigidity of the mechanical mechanism is high, the influence of the conversion on the external force f by the mechanical mechanism is reduced. However, there are cases where other advantages are produced by using a mechanical mechanism with low rigidity, so the rigidity of the mechanical mechanism is not necessarily high. I can't make it. Hereinafter, a specific example will be described using a robot control system.

ロボット制御システムの制御対象となるロボットは、ハンドの空間的位置(ロボットの手先位置)の精度を向上させるため、高剛性とすることが一般的である。その上で、柔らかい特性が必要な場合(柔軟物を破壊しないように把持する場合等)では、インピーダンス制御等の力制御を行うことで、見かけ上ロボットを柔らかく制御する。例えば、見かけ上の弾性項等を小さくする制御を行えばよい。   The robot to be controlled by the robot control system is generally highly rigid in order to improve the accuracy of the spatial position of the hand (the position of the hand of the robot). In addition, when soft characteristics are required (for example, when gripping a flexible object without destroying it), force control such as impedance control is performed to control the robot softly. For example, control for reducing the apparent elasticity term or the like may be performed.

しかし、このような制御では柔らかい特性はあくまで力制御により実現されているに過ぎず、力制御を行う制御部が何らかに理由により動作を停止してしまった場合には、ロボットが本来持つ機械的な特性が現れることになり、剛性が高いものとなる。つまり、制御部の停止中に作業者がロボットに接触した場合、高剛性であるロボットを押し返すこと等が非常に難しい。また、他のロボットや装置との衝突の問題もある。   However, in such control, soft characteristics are only realized by force control, and if the control unit that performs force control stops operation for some reason, the robot's original machine Characteristic will appear and the rigidity will be high. That is, when an operator contacts the robot while the control unit is stopped, it is very difficult to push back the highly rigid robot. There is also a problem of collision with other robots and devices.

そこで、ロボットのハンドを柔構造物で構成する等、ロボット本来の機械的特性を柔らかくすることが考えられる。このようにすれば、制御部が何らかの理由により停止してしまったとしても、その際に現れるロボット本来の機械的な特性が柔らかいものになるため、作業者等との接触の際にも対処が容易である。なお、手先位置の精度が必要であれば、インピーダンス制御等の力制御により見た目上硬い特性を実現すればよい。   Therefore, it is conceivable to soften the original mechanical characteristics of the robot, such as configuring the robot hand with a flexible structure. In this way, even if the control unit stops for some reason, the original mechanical characteristics of the robot appearing at that time will be soft, so it is possible to cope with contact with workers etc. Easy. If the accuracy of the hand position is required, it is sufficient to realize a visually stiff characteristic by force control such as impedance control.

以上のことから、力覚センサーの先に剛性の低い機械機構が設けられることがあり得、そしてその場合には機械機構による外力に対する変換が問題となる。そこで本出願人は、力覚センサーからのセンサー情報に対して、機械機構での変換の逆変換に相当する補正処理を行う手法を提案する。この手法を用いることで、力覚センサーのセンサー情報から外力を正確に検知することが可能になり、外力に基づいた処理を行う種々のシステムにおいて、当該システムでの処理を適切に行うことができる。   From the above, a mechanical mechanism with low rigidity may be provided at the tip of the force sensor, and in that case, conversion to an external force by the mechanical mechanism becomes a problem. Therefore, the present applicant proposes a method of performing correction processing corresponding to the inverse conversion of the conversion by the mechanical mechanism on the sensor information from the force sensor. By using this method, it becomes possible to accurately detect external force from the sensor information of the force sensor, and in various systems that perform processing based on the external force, processing in the system can be performed appropriately. .

以下、外力検知装置等のシステム構成例を説明した後、機械機構のモデル化及び機械機構による変換の逆変換について述べる。さらに逆変換処理をデジタルフィルター化する手法について説明した後、ロボット制御システムでのインピーダンス制御の具体例について触れ、最後にフローチャートを用いて処理の詳細について述べる。   Hereinafter, after describing an example of the system configuration of the external force detection device, etc., modeling of the mechanical mechanism and inverse conversion of the conversion by the mechanical mechanism will be described. Further, after describing a method for converting the inverse transformation process into a digital filter, a specific example of impedance control in the robot control system will be described, and finally, details of the process will be described using a flowchart.

なお、以下の説明では、具体例としてロボット制御システムを用いて説明するが、本実施形態の外力検知装置はロボット制御システム以外のシステムに用いられることを妨げない。   In the following description, a robot control system is used as a specific example, but the external force detection device of the present embodiment is not prevented from being used in a system other than the robot control system.

2.システム構成例
本実施形態の外力検知装置30を含むロボットシステムの構成例を図3に示す。また、本実施形態は外力検知装置30の他、力制御部20と、目標値出力部60と、ロボット制御部80とを含むロボット制御システムにも適用できる。なお本実施形態の外力検知装置、ロボット制御システムは図3の構成には限定されず、その一部の構成要素を省略したり、他の構成要素を追加するなどの種々の変形実施が可能である。
2. System Configuration Example FIG. 3 shows a configuration example of a robot system including the external force detection device 30 of the present embodiment. The present embodiment can also be applied to a robot control system including a force control unit 20, a target value output unit 60, and a robot control unit 80 in addition to the external force detection device 30. Note that the external force detection device and the robot control system of the present embodiment are not limited to the configuration shown in FIG. 3, and various modifications such as omitting some of the components or adding other components are possible. is there.

本実施形態の外力検知装置30は、力覚センサー10からのセンサー情報に対して補正処理を行なって正確な外力を検知する。外力検知装置30は、取得部32と、補正部34を含む。   The external force detection device 30 of the present embodiment performs a correction process on the sensor information from the force sensor 10 to detect an accurate external force. The external force detection device 30 includes an acquisition unit 32 and a correction unit 34.

取得部32は、力覚センサー10からのセンサー情報を取得する。取得部32は、例えば力覚センサー10とのインターフェースとして実現され、センサー情報をダイレクトに取得してもよい。また、図2のような構成の場合、機械機構(ハンド110)やアーム120等の自重、姿勢等により力覚センサー10において外力以外の力を検知してしまうことが考えられる。よって取得部32は、センサー情報に対して自重姿勢補正等の前処理を行った情報を取得してもよい。或いは、図3には不図示であるが、外力検知装置30が前処理部を含み、取得部32で取得した情報に対して、前処理部で自重姿勢補正等を行い、前処理後の情報に対して補正部34で補正処理を行なってもよい。   The acquisition unit 32 acquires sensor information from the force sensor 10. The acquisition unit 32 may be realized as an interface with the force sensor 10, for example, and may directly acquire sensor information. In the case of the configuration shown in FIG. 2, it is conceivable that the force sensor 10 detects a force other than an external force due to its own weight, posture, etc., such as the mechanical mechanism (hand 110) or the arm 120. Therefore, the acquisition unit 32 may acquire information obtained by performing preprocessing such as self-weight posture correction on the sensor information. Alternatively, although not shown in FIG. 3, the external force detection device 30 includes a preprocessing unit, and the preprocessing unit performs its own weight posture correction on the information acquired by the acquisition unit 32, and information after the preprocessing is performed. However, the correction process may be performed by the correction unit 34.

補正部34は、取得部が取得したセンサー情報(取得後に前処理を行った情報も含む)に対して補正処理を行う。補正部34では、機械機構が受けた外力fが、当該機械機構により力Fに変換され力覚センサー10に伝えられたことを想定し、機械機構での変換の逆変換に相当する補正処理を行い、外力fを求める。機械機構自身及び機械機構での変換についてはモデル化を行い、それに基づいて逆変換を求めることになる。詳細については後述する。   The correction unit 34 performs correction processing on the sensor information acquired by the acquisition unit (including information that has been preprocessed after acquisition). In the correction unit 34, assuming that the external force f received by the mechanical mechanism is converted into the force F by the mechanical mechanism and transmitted to the force sensor 10, a correction process corresponding to the inverse conversion of the conversion by the mechanical mechanism is performed. To obtain the external force f. The mechanical mechanism itself and the conversion in the mechanical mechanism are modeled, and the inverse conversion is obtained based on the modeling. Details will be described later.

また本実施形態のロボット制御システムは、力制御部20、外力検知装置30、目標値出力部60、ロボット制御部80を含む。   The robot control system of the present embodiment includes a force control unit 20, an external force detection device 30, a target value output unit 60, and a robot control unit 80.

力制御部20は、力覚センサー10からのセンサー情報に基づいて力制御(力覚制御)を行って、目標値の補正値を出力する。更に具体的には、力制御部20は、力覚センサー10からのセンサー情報(力情報、モーメント情報)に基づいてインピーダンス制御(或いはコンプライアンス制御)を行う。   The force control unit 20 performs force control (force control) based on the sensor information from the force sensor 10 and outputs a correction value for the target value. More specifically, the force control unit 20 performs impedance control (or compliance control) based on sensor information (force information, moment information) from the force sensor 10.

力制御部20は、インピーダンス処理部22と、制御パラメーター記憶部24を含むことができる。インピーダンス処理部22は、力制御としてインピーダンス制御を行う。インピーダンス制御の具体的な手法については後述する。制御パラメーター記憶部24は、力制御(インピーダンス制御)において用いられる制御パラメーターを記憶する。   The force control unit 20 can include an impedance processing unit 22 and a control parameter storage unit 24. The impedance processing unit 22 performs impedance control as force control. A specific method of impedance control will be described later. The control parameter storage unit 24 stores control parameters used in force control (impedance control).

目標値出力部60は、ロボット(狭義にはマニピュレーター)のフィードバック制御の目標値を出力する。この目標値に基づいてロボット100のフィードバック制御が実現される。多関節ロボット等を例に取れば、この目標値は、ロボットの関節角情報などである。ロボットの関節角情報は、例えばロボットのアームのリンク機構における各関節の角度(ジョイント軸とジョイント軸のなす角度)を表す情報である。   The target value output unit 60 outputs a target value for feedback control of the robot (manipulator in a narrow sense). Based on this target value, feedback control of the robot 100 is realized. Taking an articulated robot or the like as an example, this target value is information on the joint angle of the robot. The joint angle information of the robot is information representing the angle of each joint (angle formed by the joint axis) in the link mechanism of the robot arm, for example.

目標値出力部60は、軌道生成部62とインバースキネマティクス処理部64を含むことができる。軌道生成部62は、ロボットの軌道情報を出力する。軌道情報は、ロボットのエンドエフェクター部(エンドポイント)の位置情報(x,y,z)と、各座標軸回りでの回転角度情報(u,v,w)を含むことができる。インバースキネマティクス処理部64は、軌道生成部62からの軌道情報に基づいてインバースキネマティクス処理を行い、例えばロボットの関節角情報を目標値として出力する。インバースキネマティクス処理は、関節を有するロボットの動きを計算する処理であり、ロボットのエンドエフェクター
部の位置姿勢などから関節角情報等を逆運動学により計算する処理である。
The target value output unit 60 can include a trajectory generation unit 62 and an inverse kinematics processing unit 64. The trajectory generator 62 outputs the trajectory information of the robot. The trajectory information can include position information (x, y, z) of the end effector section (end point) of the robot and rotation angle information (u, v, w) about each coordinate axis. The inverse kinematics processing unit 64 performs inverse kinematics processing based on the trajectory information from the trajectory generation unit 62, and outputs, for example, robot joint angle information as a target value. The inverse kinematics process is a process for calculating the motion of a robot having a joint, and is a process for calculating joint angle information and the like by inverse kinematics from the position and orientation of the end effector unit of the robot.

ロボット制御部80は、目標値出力部60からの目標値に基づいて、ロボットのフィードバック制御を行う。具体的には、力制御部20からの補正値に基づく補正処理の結果出力された目標値に基づいて、ロボットのフィードバック制御を行う。例えば目標値と、ロボット100からのフィードバック信号に基づいて、ロボット100のフィードバック制御を行う。   The robot control unit 80 performs feedback control of the robot based on the target value from the target value output unit 60. Specifically, the feedback control of the robot is performed based on the target value output as a result of the correction process based on the correction value from the force control unit 20. For example, feedback control of the robot 100 is performed based on the target value and a feedback signal from the robot 100.

また本実施形態のロボットシステムは、上述したロボット制御システムと、ロボット100(力覚センサー10)により構成される。力覚センサー10については上述したとおりである。   The robot system according to this embodiment includes the robot control system described above and the robot 100 (force sensor 10). The force sensor 10 is as described above.

ロボット100は、ハンド110(機械機構)と、アーム120を含む。具体的には、図2に示したようにアーム120に力覚センサー10が設けられ、力覚センサー10の先にハンド110が設けられることが想定される。なお、ロボット100は図3に不図示のモーター制御部を有してもよく、モーター制御部は例えばアーム120等の関節角を設定する。ロボット制御部80は、ロボット100のハンド110やアーム120等を制御することになるが、実際には関節角情報の値を目標値として取得し、当該目標値に基づいてモーター制御部を制御することになる。   The robot 100 includes a hand 110 (mechanical mechanism) and an arm 120. Specifically, as shown in FIG. 2, it is assumed that the force sensor 10 is provided on the arm 120 and the hand 110 is provided at the tip of the force sensor 10. The robot 100 may have a motor control unit (not shown in FIG. 3), and the motor control unit sets a joint angle of the arm 120, for example. The robot control unit 80 controls the hand 110, the arm 120, and the like of the robot 100, but actually acquires the value of the joint angle information as a target value and controls the motor control unit based on the target value. It will be.

図4に本実施形態のロボット制御システムを含むロボットシステムの例を示す。このロボットシステムは、制御装置300(情報処理装置)とロボット310(図3のロボット100)とを含む。制御装置300はロボット310の制御処理を行う。具体的には、動作シーケンス情報(シナリオ情報)に基づいてロボット310を動作させる制御を行う。ロボット310は、アーム320及びハンド(把持部)330を有する。そして制御装置300からの動作指示にしたがって動作する。例えば、図示しないパレットに載せられたワークを把持したり、移動するなどの動作を行う。また、図示しない撮像装置で取得された撮像画像情報に基づいて、ロボットの姿勢やワークの位置などの情報が検出され、検出された情報が制御装置300に送られる。   FIG. 4 shows an example of a robot system including the robot control system of this embodiment. This robot system includes a control device 300 (information processing device) and a robot 310 (robot 100 in FIG. 3). The control device 300 performs control processing for the robot 310. Specifically, control for operating the robot 310 is performed based on the operation sequence information (scenario information). The robot 310 includes an arm 320 and a hand (gripping unit) 330. Then, it operates according to an operation instruction from the control device 300. For example, operations such as gripping or moving a workpiece placed on a pallet (not shown) are performed. Further, information such as the posture of the robot and the position of the workpiece is detected based on captured image information acquired by an imaging device (not shown), and the detected information is sent to the control device 300.

本実施形態のロボット制御システムは例えば図4の制御装置300に設けられ、例えば制御装置300のハードウェアーやプログラムによりロボット制御システムが実現される。そして本実施形態のロボット制御システムによれば、制御装置300などの制御ハードウェアーに対する性能要求を低減できると共に、ロボット310を高い応答性で動作させることが可能になる。なお図4は単腕型の例であるが、双腕型等の多腕型のロボットであってもよい。   The robot control system according to the present embodiment is provided in, for example, the control device 300 in FIG. 4. For example, the robot control system is realized by hardware or a program of the control device 300. According to the robot control system of this embodiment, it is possible to reduce performance requirements for control hardware such as the control device 300 and to operate the robot 310 with high responsiveness. Although FIG. 4 shows an example of a single arm type, a multi-arm type robot such as a double arm type may be used.

3.モデル化と逆変換
機械機構の特性をモデル化することで、機械機構での変調(変換)を記述し、それに基づいて補正部34で行う補正処理である逆変換を求める手法について説明する。
3. Modeling and Inverse Transformation A technique for describing the modulation (transformation) in the mechanical mechanism by modeling the characteristics of the mechanical mechanism, and obtaining the inverse transformation, which is correction processing performed by the correction unit 34 based on the modulation (conversion) will be described.

機械機構のモデル化の手法は種々考えられるが、本実施形態では図5に示したように、質量mの物体が粘性係数μのダンパーと、弾性係数kのバネによって力覚センサー10に接続されている構造で近似する。このようにモデル化することで、図6に示したように、機械機構での変換は下式(2)で表されることになる。   Although various mechanical mechanism modeling methods are conceivable, in this embodiment, as shown in FIG. 5, an object having a mass m is connected to the force sensor 10 by a damper having a viscosity coefficient μ and a spring having an elastic coefficient k. Approximate with the structure. By modeling in this way, as shown in FIG. 6, the conversion in the mechanical mechanism is expressed by the following expression (2).

Figure 2013113661
Figure 2013113661

ここで、xは機械機構の変位を表すものであり、上式(2)は運動方程式に他ならない。これについては、図5に示したように機械機構を、質量を持つ物体、ダンパー及びバネからなる構造物と捉えた結果と考えることができる。或いは、機械機構の特性は、下式(3)のようにx及びxの1〜N階微分項の線形結合により表現することができるが、下式(3)の2階微分項までを用いた近似式と捉えることもできる。   Here, x represents the displacement of the mechanical mechanism, and the above equation (2) is nothing but an equation of motion. About this, as shown in FIG. 5, it can be considered that the mechanical mechanism is regarded as a structure including a mass object, a damper, and a spring. Alternatively, the characteristics of the mechanical mechanism can be expressed by a linear combination of the 1st to Nth derivative terms of x and x as in the following equation (3), but the second derivative term in the following equation (3) is used. It can also be regarded as an approximate expression.

Figure 2013113661
Figure 2013113661

次に、力覚センサー10に伝わる変換後の力Fとの関係を考える。ここで力覚センサー10が固定されているものと仮定すれば、力Fは外力fから慣性項を引いたものに等しく、下式(4)により表される。   Next, the relationship with the converted force F transmitted to the force sensor 10 will be considered. Assuming that the force sensor 10 is fixed, the force F is equal to the external force f minus the inertia term, and is expressed by the following equation (4).

Figure 2013113661
Figure 2013113661

上式(2)及び(4)から下式(5)が導かれる。   The following expression (5) is derived from the above expressions (2) and (4).

Figure 2013113661
Figure 2013113661

上式(5)は、言い換えれば図5のC1で示した面における力の釣り合いを表したものである。外力fが図5のC2で示した物体にはたらいたとき、機械機構の挙動を考慮するのであれば、C2の物体による慣性の影響は無視できないため上式(2)のように慣性項を含めた関係式が取得される。しかし、C1で示した面での力の釣り合いを考える場合(つまり力覚センサー10に伝わる力を考える場合)、C2の物体はC1の面と物理的に直接接続されていない以上、当該C2の物体による慣性は考慮しなくてもよく、それを表したものが上式(4)である。或いは、C1の面が受ける力は、物理的に接続されているダンパー及びバネから受けるものに限定されると捉えてもよく、そのように考えれば直接上式(5)を導くこともできる。   In other words, the above equation (5) represents the balance of forces on the surface indicated by C1 in FIG. When the external force f acts on the object indicated by C2 in FIG. 5, if the behavior of the mechanical mechanism is taken into consideration, the influence of the inertia due to the object of C2 cannot be ignored, so the inertia term is included as in the above equation (2). The obtained relational expression is acquired. However, when considering the balance of forces on the surface indicated by C1 (that is, when considering the force transmitted to the force sensor 10), the object of C2 is not physically connected directly to the surface of C1. The inertia due to the object does not need to be taken into consideration, and the above expression (4) represents it. Alternatively, the force received by the surface of C1 may be considered to be limited to that received from a physically connected damper and spring, and the above equation (5) can be directly derived from such a view.

いずれにせよ、上式(2)及び(5)から、fとFの関係が決定される。機械機構での変換とは、fを入力とし、上式(2)、(5)に基づいてFを出力する系と捉えることができる。よって、逆変換とは、Fを入力とし、上式(5)、(2)に基づいてfを求める系と捉えればよい。具体的には、センサー情報としてFを取得し、上式(5)の微分方程式を解いてxを求める。そして、求めたxを上式(2)に代入しfを求めればよい。   In any case, the relationship between f and F is determined from the above equations (2) and (5). The conversion by the mechanical mechanism can be regarded as a system that takes f as an input and outputs F based on the above equations (2) and (5). Therefore, the inverse transformation may be regarded as a system that takes F as an input and obtains f based on the above equations (5) and (2). Specifically, F is acquired as sensor information, and x is obtained by solving the differential equation of the above equation (5). Then, the obtained x may be substituted into the above equation (2) to obtain f.

4.デジタルフィルター化
上述したように、Fから外力fを求めるためには、上式(2)及び(5)の線形常微分方程式を解くことになる。従来、線形常微分方程式の解を求めるにはNewton法やRunge−Kutta法等が用いられていた。しかし、これらの手法はハードウェアー化に適さず、安定性の判定も難しい。そこで本出願人は、線形常微分方程式を解く手法としてデジタルフィルターを用いる。
4). Digital Filtering As described above, in order to obtain the external force f from F, the linear ordinary differential equations of the above equations (2) and (5) are solved. Conventionally, a Newton method, a Runge-Kutta method, or the like has been used to obtain a solution of a linear ordinary differential equation. However, these methods are not suitable for hardware and it is difficult to determine stability. Therefore, the present applicant uses a digital filter as a method for solving a linear ordinary differential equation.

ここで、常微分方程式の解を求めるというステップを、入力値(力覚センサーのセンサー情報)の入力に対して解(上式(5)で言えば変位x)を出力するフィルターであると捉えるならば、上式(5)の形から、1極のアナログフィルターとして考えることができる。   Here, the step of obtaining the solution of the ordinary differential equation is regarded as a filter that outputs a solution (displacement x in the above equation (5)) with respect to the input of the input value (sensor information of the force sensor). Then, from the form of the above equation (5), it can be considered as a one-pole analog filter.

つまり、常微分方程式の解はアナログフィルターの出力として求めることができるのであるから、当該アナログフィルターをデジタルフィルター化することで、常微分方程式をデジタルフィルターにより解くことが可能になる。   That is, since the solution of the ordinary differential equation can be obtained as the output of the analog filter, the ordinary differential equation can be solved by the digital filter by converting the analog filter into a digital filter.

アナログフィルターのデジタルフィルター化の手法は種々知られているが、例えばImpulse Invariance法を用いればよい。これは、アナログフィルターのインパルスレスポンスを離散時間Tでサンプルした値と同じインパルスレスポンスを与えるデジタルフィルターを考える手法である。Impulse Invariance法については公知の手法であるため詳細な説明は省略する。   Various methods for converting an analog filter into a digital filter are known. For example, an impulse invariance method may be used. This is a technique for considering a digital filter that gives the same impulse response as the value obtained by sampling the impulse response of an analog filter at a discrete time T. Since the Impulse Invariance method is a known method, detailed description thereof is omitted.

以上の結果、常微分方程式の解はデジタルフィルターの出力として求めることが可能になる。上式(5)であれば、図7に示したように1極のデジタルフィルターとなる。図7において、dは1サンプル分の遅延であり、αとβはフィルターの係数である。図7のフィルターは下式(6)で表される。   As a result, the solution of the ordinary differential equation can be obtained as the output of the digital filter. If it is the above formula (5), it becomes a 1-pole digital filter as shown in FIG. In FIG. 7, d is a delay for one sample, and α and β are filter coefficients. The filter of FIG. 7 is represented by the following formula (6).

=αF+βxn−1 ・・・・・(6)
また、上式(2)の運動方程式についても同様にデジタルフィルター化が可能であり、運動方程式は図8に示したように2極のデジタルフィルターとなる。図8において、C0,C1,C2はフィルターの係数であり、これを式に表したものが下式(7)である。
x n = αF n + βx n−1 (6)
Similarly, the equation of motion of the above equation (2) can be digitally filtered, and the equation of motion is a two-pole digital filter as shown in FIG. In FIG. 8, C0, C1, and C2 are filter coefficients, which are expressed in the following equation (7).

=C+Cn−1+Cn−2 ・・・・・(7)
デジタルフィルターによる処理であれば、ハードウェアー化は容易であるし、安定性の判定も容易である。デジタルフィルターの安定性は、デジタルフィルターの極が単位円の内側にあるか否かにより容易に判定可能だからである。
x n = C 0 f n + C 1 x n-1 + C 2 x n-2 ····· (7)
If it is a process using a digital filter, it is easy to implement hardware and it is easy to determine stability. This is because the stability of the digital filter can be easily determined by whether or not the pole of the digital filter is inside the unit circle.

なお、α、β、C0、C1、C2の各フィルター係数は、機械機構の特性により決定され、この場合には質量項m、粘性項μ及び弾性項k(場合によっては、以上のものに加えてデジタルフィルターの駆動周波数Tを用いてもよい)により決定される。機械機構(ハンド110)の特性は設計により既知であるため、フィルター係数は事前に求めておくことができる。また、複数のハンド110を付け替えることを考えた場合にも、それぞれのハンド特性に対応するフィルター係数を求めておけば、当該フィルター係数を切り替えることで容易に対応が可能であるため、Runge−Kutta法等の従来手法に比べて優位である。   The filter coefficients α, β, C0, C1, and C2 are determined by the characteristics of the mechanical mechanism. In this case, the mass term m, the viscosity term μ, and the elastic term k (in some cases, in addition to the above) The driving frequency T of the digital filter may be used. Since the characteristics of the mechanical mechanism (hand 110) are known by design, the filter coefficient can be obtained in advance. Further, even when considering replacing a plurality of hands 110, if filter coefficients corresponding to the respective hand characteristics are obtained, it is possible to easily cope with them by switching the filter coefficients. Therefore, the Runge-Kutta It is superior to conventional methods such as law.

なお、上式(6)、(7)を変形することにより下式(8)にまとめることができる。   The above equations (6) and (7) can be transformed into the following equation (8).

=αF+βxn−1−(Cn−1+Cn−2) ・・・・・(8)
上式(8)を図示したものが図9である。図9のデジタルフィルターを用いることで、力覚センサー10で検知した力Fを入力とし、機械機構の受けた外力fを出力とする補正処理(逆変換)を実現することができる。
C 0 f n = αF n + βx n-1 - (C 1 x n-1 + C 2 x n-2) ····· (8)
FIG. 9 illustrates the above equation (8). By using the digital filter of FIG. 9, it is possible to realize a correction process (inverse conversion) in which the force F detected by the force sensor 10 is input and the external force f received by the mechanical mechanism is output.

5.インピーダンス制御の具体例
以上で説明した手法により、力覚センサー10の先に剛性の低い機械機構が設けられ、外力fと力覚センサー10が受ける力Fとが当該機械機構による変調で異なってしまう場合であっても、Fに対して逆変換を施すことで正確に外力fを検知することが可能になる。
5. Specific Example of Impedance Control According to the method described above, a mechanical mechanism with low rigidity is provided at the tip of the force sensor 10, and the external force f and the force F received by the force sensor 10 differ depending on the modulation by the mechanical mechanism. Even in such a case, it is possible to accurately detect the external force f by performing inverse transformation on F.

ここでは、補正処理により得られた外力fを用いた制御を行うシステムの例として、力制御(インピーダンス制御)を行うロボット制御システムに付いて説明する。ここでは、目標値に基づくフィードバック制御(目標値出力部60及びロボット制御部80での処理に対応)については説明を省略し、力制御部20(狭義にはインピーダンス処理部22)で行われるインピーダンス制御について説明する。   Here, a robot control system that performs force control (impedance control) will be described as an example of a system that performs control using the external force f obtained by the correction processing. Here, description of feedback control based on the target value (corresponding to processing in the target value output unit 60 and the robot control unit 80) is omitted, and the impedance performed by the force control unit 20 (impedance processing unit 22 in a narrow sense). Control will be described.

図10(A)は、ロボットの左のアームAL、右のアームARで物体OBを挟んで移動している様子を示している。例えば、位置制御だけでは、物体を落としたり、破壊してしまうおそれがある、力制御によれば、柔軟な物体や脆い物体を、図10(A)のように両側から適切な力で挟んで移動させることが可能になる。   FIG. 10A shows a state in which the object OB is moved between the left arm AL and the right arm AR of the robot. For example, with position control alone, there is a risk of dropping or destroying an object. With force control, a flexible object or a fragile object is sandwiched with appropriate force from both sides as shown in FIG. It can be moved.

また、力制御によれば、図10(B)に示すように、不確実性のある物体の表面SFをアームAM等でなぞることが可能になる。このような制御は位置制御だけでは実現不能もしくは非常に困難である。また、力制御によれば、図10(C)に示すように、粗い位置決めの後に、探って位置合わせをして、物体OBを穴部HLにはめ込むことも可能になる。   Further, according to the force control, as shown in FIG. 10B, it is possible to trace the surface SF of an uncertain object with the arm AM or the like. Such control is impossible or very difficult by position control alone. Further, according to the force control, as shown in FIG. 10C, after rough positioning, it is possible to probe and align the object OB into the hole HL.

しかしながら、バネなどの実際の機械部品による力制御では、用途が限られるという問題がある。また、このような機械部品による力制御では、特性の動的な切り替えが困難である。   However, there is a problem that the application is limited in force control using actual mechanical parts such as a spring. In addition, in such force control using mechanical parts, it is difficult to dynamically switch characteristics.

一方、モーターのトルクを制御するトルク制御は簡単であるが、位置精度が悪くなるという問題がある。また、異常時に衝突などの問題が生じる。例えば図10(A)において、異常事態が起きて、物体OBを落としてしまった場合に、トルク制御では、釣合うべき反力が無くなるため、左右のアームAL、ARが衝突してしまうなどの問題が生じる。   On the other hand, torque control for controlling the torque of the motor is simple, but there is a problem that the positional accuracy is deteriorated. In addition, a problem such as a collision occurs when an abnormality occurs. For example, in FIG. 10A, when an abnormal situation occurs and the object OB is dropped, there is no reaction force to be balanced in the torque control, so the left and right arms AL and AR collide. Problems arise.

これに対して、インピーダンス制御(コンプライアンス制御)は、汎用性や安全性が高いという利点がある。   On the other hand, impedance control (compliance control) has the advantage of high versatility and safety.

図11(A)、図11(B)は、インピーダンス制御の1つであるコンプライアンス制御を説明する図である。コンプライアンスはバネ定数の逆数を意味し、バネ定数が硬さを表すのに対して、コンプライアンスは柔らかさを意味する。ロボットと環境との間に相互作用が働くときに、機械的柔軟性であるコンプライアンスを与える制御をコンプライアンス制御と呼ぶ。   FIG. 11A and FIG. 11B are diagrams for explaining compliance control, which is one type of impedance control. Compliance means the reciprocal of the spring constant, and the spring constant represents hardness, whereas compliance means softness. Control that provides compliance, which is mechanical flexibility, when interaction between the robot and the environment works is called compliance control.

例えば図11(A)では、ロボットのアームAMには力覚センサーSEが取り付けられており、アームAMは関節部分J1及びJ2を有する。このロボットのアームAMは、力覚センサーSEで得られたセンサー情報(力・トルク情報)に応じて姿勢が変わるようにプログラムされている。具体的には、図11(A)のA1に示す仮想的なバネが、あたかもアームAMの先端に取り付けられているかのようにロボットを制御する。   For example, in FIG. 11A, a force sensor SE is attached to an arm AM of the robot, and the arm AM has joint portions J1 and J2. The robot arm AM is programmed so that its posture changes according to sensor information (force / torque information) obtained by the force sensor SE. Specifically, the virtual spring indicated by A1 in FIG. 11A controls the robot as if it is attached to the tip of the arm AM.

例えばA1に示すバネのバネ定数が100Kg/mであったとする。これを図11(B)のA2に示すように5Kgの力で押せば、A3に示すようにバネは5cmだけ縮む。逆に言えば、5cmだけ縮んでいれば、5Kgの力で押されているといえる。つまり、力情報と位置情報とが対応づけられている。   For example, it is assumed that the spring constant of the spring indicated by A1 is 100 kg / m. If this is pressed with a force of 5 kg as shown at A2 in FIG. 11B, the spring contracts by 5 cm as shown at A3. In other words, if it shrinks by 5 cm, it can be said that it is pushed with a force of 5 kg. That is, force information and position information are associated with each other.

コンプライアンス制御では、このA1に示す仮想的なバネがアームAMの先端に取り付けられているかのような制御が行われる。具体的には、ロボットは、力覚センサーSEの入力に応答して動作し、A2に示す5Kgの加重に対して、A3に示すように5cmだけ後退するように制御され、力情報に対応して位置情報が変化するように制御される。   In the compliance control, control is performed as if the virtual spring indicated by A1 is attached to the tip of the arm AM. Specifically, the robot operates in response to the input of the force sensor SE, and is controlled to move back by 5 cm as shown in A3 with respect to the 5 kg weight shown in A2, corresponding to the force information. The position information is controlled to change.

このような単純なコンプライアンス制御では時間項を含まないが、時間項を含み、その2次の項までを考慮した制御が、インピーダンス制御である。具体的には、2次の項は質量項であり、1次の項は粘性項であり、インピーダンス制御のモデルは下式(9)に示すような運動方程式で表すことができる。   Such simple compliance control does not include a time term, but the control including the time term and considering the second order term is impedance control. Specifically, the second-order term is a mass term, the first-order term is a viscosity term, and the impedance control model can be expressed by an equation of motion as shown in the following equation (9).

Figure 2013113661
Figure 2013113661

上式(9)において、mは質量、μは粘性係数、kは弾性係数、fは力(補正部34での補正処理により取得された外力)、uは目標位置からの変位である。またuの1次微分、2次微分は、各々、速度、加速度に対応する。インピーダンス制御では、上式(9)の特性をアームの先端であるエンドエフェクター部に持たせるための制御系を構成する。即ち上式(9)で表される仮想質量、仮想粘性係数、仮想弾性係数を、あたかもアームの先端が持っているかのように制御を行う。 In the above equation (9), m I is mass, μ I is a viscosity coefficient, k I is an elastic coefficient, f is a force (an external force acquired by the correction process in the correction unit 34), u is a displacement from the target position. is there. The first and second derivatives of u correspond to speed and acceleration, respectively. In the impedance control, a control system for providing the characteristic of the above equation (9) to the end effector section that is the tip of the arm is configured. That is, control is performed as if the tip of the arm has the virtual mass, virtual viscosity coefficient, and virtual elastic coefficient represented by the above equation (9).

このように、インピーダンス制御は、アームの先端の質量に粘性要素と弾性要素が各方向に接続されるモデルにおいて、目的として設定された粘性係数と弾性係数で物体に接触するようにする制御である。   As described above, impedance control is control that makes a contact with an object with a viscosity coefficient and an elastic coefficient set as an object in a model in which a viscous element and an elastic element are connected to the mass of the tip of the arm in each direction. .

例えば図12(A)に示すように、ロボットのアームAL、ARで物体OBをつかんで、軌道TRに沿って移動させる制御を考える。この場合に、軌道TRLは、物体OBの左側の内側に設定された点PLが通る軌道であり、インピーダンス制御を想定して決定された仮想的な左手の軌道である。また軌道TRRは、物体OBの右側の内側に設定された点PRが通る軌道であり、インピーダンス制御を想定して決定された仮想的な右手の軌道である。この場合に、アームALは、アームALの先端と点PLの距離差に応じた力が発生するように制御される。またアームARは、アームARの先端と点PRの距離差に応じた力が発生するように制御される。このようにすれば、物体OBを柔らかくつかみながら移動させるインピーダンス制御を実現できる。そして、インピーダンス制御では、図12(A)のB1に示すように物体OBが落下する事態が生じたとしても、アームAL、ARは、B2、B3に示すように、その先端が点PL、PRの位置で止まるように制御される。即ち、仮想的な軌道が衝突軌道でなければ、アームAL、ARが衝突するのを防止できる。   For example, as shown in FIG. 12A, let us consider a control in which an object OB is grasped by robot arms AL and AR and moved along a trajectory TR. In this case, the trajectory TRL is a trajectory through which the point PL set inside the left side of the object OB passes, and is a virtual left-hand trajectory determined on the assumption of impedance control. The trajectory TRR is a trajectory through which the point PR set inside the right side of the object OB passes, and is a virtual right-hand trajectory determined on the assumption of impedance control. In this case, the arm AL is controlled so that a force corresponding to the distance difference between the tip of the arm AL and the point PL is generated. The arm AR is controlled so that a force corresponding to the distance difference between the tip of the arm AR and the point PR is generated. In this way, it is possible to realize impedance control that moves the object OB while grasping it softly. In the impedance control, even if the situation where the object OB falls as shown by B1 in FIG. 12A occurs, the arms AL and AR have their tips at points PL and PR as shown by B2 and B3. It is controlled to stop at the position. That is, if the virtual trajectory is not a collision trajectory, it is possible to prevent the arms AL and AR from colliding.

また図12(B)のように、物体の表面SFをなぞるように制御する場合にも、インピーダンス制御では、アームAMの先端に対して、仮想的な軌道TRVAと先端との距離差DFに応じた力が働くように制御される。従って、アームAMを、力を加えながら表面SFをなぞるような制御が可能になる。   In addition, as shown in FIG. 12B, when the control is performed so that the surface SF of the object is traced, the impedance control is performed according to the distance difference DF between the virtual trajectory TRVA and the tip with respect to the tip of the arm AM. It is controlled so that the applied force works. Therefore, the arm AM can be controlled to trace the surface SF while applying a force.

以上のインピーダンス制御を行うことで、図13に示したように、あたかも質量m、粘性μ、弾性kを持つかのように制御することができる。そのため、ロボット100全体としては、制御により見かけ上取得した特性(m、μ、k)と、機械機構の現実の特性(m、μ、k)とを合成した特性が現れることになる。 By performing the impedance control as described above, as shown in FIG. 13, it can be controlled as if it had mass m I , viscosity μ I , and elasticity k I. For this reason, the robot 100 as a whole exhibits characteristics that are obtained by synthesizing the characteristics (m I , μ I , k I ) that are apparently obtained by the control and the actual characteristics (m, μ, k) of the mechanical mechanism. .

なお、通常のインピーダンス制御においては、機械機構(ハンド110)は高剛性であり、機械機構の特性(m、μ、k)については考慮する必要がないため制御における目標特性(m、μ、k)を所望の特性とすれば足りる。それに対して、本実施形態のように機械機構の特性の影響を無視できない場合には、制御における目標特性と、実際に現れるロボット100全体としての特性が異なるため、そのことを考慮して目標特性を決定しなくてはならない点に留意すべきである。 In normal impedance control, the mechanical mechanism (hand 110) is highly rigid, and it is not necessary to consider the characteristics (m, μ, k) of the mechanical mechanism, and therefore target characteristics (m I , μ I in the control). , K I ) is a desired characteristic. On the other hand, when the influence of the characteristics of the mechanical mechanism cannot be ignored as in the present embodiment, the target characteristics in the control and the characteristics of the entire robot 100 that actually appear are different. It should be noted that must be determined.

また、上式(9)についても補正部34での補正処理と同様にデジタルフィルター化することができる。   Also, the above equation (9) can be converted to a digital filter in the same manner as the correction process in the correction unit 34.

6.処理の詳細
図14のフローチャートを用いて、外力検知装置30で行われる処理について説明する。この処理が開始されると、まず力覚センサー10からのセンサー情報の取得待ちを行う(S101)。待ち時間は力覚センサー10のセンサー情報出力レートに応じて決まるものである。なお、ここでは力覚センサー10のセンサー情報の出力1回ごとに、外力検知装置30での取得処理及び補正処理が行われるものとする。ただし、消費電力の軽減等を図る場合等には、複数回の出力ごとに処理を行なってもよい。
6). Details of Processing Processing performed by the external force detection device 30 will be described with reference to the flowchart of FIG. When this process is started, first, acquisition of sensor information from the force sensor 10 is waited (S101). The waiting time is determined according to the sensor information output rate of the force sensor 10. Here, it is assumed that the acquisition process and the correction process in the external force detection device 30 are performed for each output of the sensor information of the force sensor 10. However, when reducing power consumption or the like, the processing may be performed for each of a plurality of outputs.

入力待ちの後に、センサー情報を取得する(S102)。センサー情報は上述したように力F(機械機構による変調後の外力)に相当する。そして、取得した力Fに基づいて補正処理を行う(S103)。ここで、xは中間パラメーターであり、物理的には機械機構の変形(変位)に相当するものである。具体的には、xの過去の値(xn−1とxn−2)を更新し、更新後のxn−1とFとから現在のxの値(x)を求める。そして、求めたxと、更新したxn−1、xn−2とからfを求めることになる。 After waiting for input, sensor information is acquired (S102). As described above, the sensor information corresponds to the force F (external force modulated by the mechanical mechanism). Then, correction processing is performed based on the acquired force F (S103). Here, x is an intermediate parameter and physically corresponds to the deformation (displacement) of the mechanical mechanism. Specifically, the past values of x (x n−1 and x n−2 ) are updated, and the current value of x (x n ) is obtained from the updated x n−1 and F n . Then, the x n obtained, thereby obtaining the f n from the updated x n-1, x n-2 Prefecture.

その後、求めたfを補正済みの外力として出力し(S104)、処理を終了するかの判定を行う(S105)。S105でNoの場合はS101に戻り処理を継続する。S105でYesの場合は処理を終了する。 Then, outputs f n obtained as corrected external force (S104), and determines whether the process ends (S105). If No in S105, the process returns to S101 and continues. If Yes in S105, the process ends.

出力した外力fは任意のシステムにおける制御に用いられる。例えば上述してきたロボット制御システムであれば、fに基づいて力制御(インピーダンス制御)を行うことになる。ただし、インピーダンス制御は公知の技術であるためフローチャートを用いた説明は省略する。   The output external force f is used for control in an arbitrary system. For example, in the robot control system described above, force control (impedance control) is performed based on f. However, since impedance control is a known technique, description using a flowchart is omitted.

以上の本実施形態では、外力検知装置30は図3に示したように、力覚センサー10からのセンサー情報を取得する取得部32と、取得したセンサー情報に対して補正処理を行う補正部34とを含む。図2に示したように、力覚センサー10には、外力fを変換して力Fとして力覚センサー10に伝達する機械機構が設けられている。そして、補正部34は機械機構での変換の逆変換を、補正処理として行う。   In the above embodiment, as shown in FIG. 3, the external force detection device 30 has an acquisition unit 32 that acquires sensor information from the force sensor 10 and a correction unit 34 that performs a correction process on the acquired sensor information. Including. As shown in FIG. 2, the force sensor 10 is provided with a mechanical mechanism that converts the external force f and transmits the force F to the force sensor 10. And the correction | amendment part 34 performs reverse conversion of conversion by a mechanical mechanism as a correction process.

ここで、外力fとは機械機構が受ける力を表し、力Fとは外力fが機械機構により変調された結果、力覚センサー10が受ける力を表す。ただし、力覚センサー10はセンサー自身や機械機構等の自重や姿勢により重力等の力も受けることになる。よって力覚センサー10から出力されるセンサー情報は、外力fが変調された結果の力Fだけでなく、他の力も含んでいる場合が考えられる。そのような場合には、センサー情報に対して自重姿勢補正処理等を行うことで、他の力を除去して力Fを求める必要がある。   Here, the external force f represents the force received by the mechanical mechanism, and the force F represents the force received by the force sensor 10 as a result of the modulation of the external force f by the mechanical mechanism. However, the force sensor 10 receives a force such as gravity due to its own weight or posture such as a mechanical mechanism. Therefore, the sensor information output from the force sensor 10 may include not only the force F resulting from the modulation of the external force f but also other forces. In such a case, it is necessary to obtain the force F by removing other forces by performing a self-weight posture correction process or the like on the sensor information.

これにより、外力fが機械機構により力Fに変調(変換)される場合にも、外力fを正確に求めることが可能になる。システムでの制御に必要なのは、外部と実際にやり取りされる力であることが想定されるため、本実施形態の処理を行うことで制御において有用な情報を取得することができる。   Thereby, even when the external force f is modulated (converted) into the force F by the mechanical mechanism, the external force f can be accurately obtained. Since it is assumed that what is necessary for the control in the system is a force that is actually exchanged with the outside, information useful in the control can be acquired by performing the processing of this embodiment.

また、補正部34は、機械機構での変換が所定の変換式でモデル化される場合には、変換式の逆変換式を用いて補正処理を行ってもよい。ここで、所定の変換式とは常微分方程式であってもよい。また、具体的には図6に示したように、質量項、粘性項及び弾性項を係数パラメーターとする運動方程式であってもよい。   Moreover, the correction | amendment part 34 may perform a correction | amendment process using the inverse conversion type | formula of a conversion type, when conversion in a mechanical mechanism is modeled by a predetermined conversion type | formula. Here, the predetermined conversion equation may be an ordinary differential equation. Specifically, as shown in FIG. 6, an equation of motion having a mass term, a viscosity term, and an elastic term as coefficient parameters may be used.

ここで、機械機構での変換を変換式でモデル化する処理とは、例えば機械機構の物理的な特性をモデル化し、求められた特性のモデルに基づいて変換を数式化する処理であってもよい。なお、モデル化は変換(或いは機械機構の特性)を完全に再現するモデルを求める必要はなく、近似的なモデルを求めれば足りる。機械機構の特性をm、μ、kでモデル化した場合には、機械機構自体が実際に質量を持つ物体、ダンパー及びバネで形成されている場合等を除けば、そのモデルは実際の機械機構の機械的な特性とはズレが生じるが、その後の制御において精度が確保できる程度であれば問題はない。具体的には、機械機構を高次微分項まで用いた数式(或いは無限級数のような数式)でモデル化しなくてもよく、2次の微分項までで近似してもよい。その場合、変換式は運動方程式に相当する。   Here, the process of modeling the conversion in the mechanical mechanism with a conversion formula is, for example, the process of modeling the physical characteristics of the mechanical mechanism and formulating the conversion based on the model of the obtained characteristics. Good. In the modeling, it is not necessary to obtain a model that completely reproduces the transformation (or the characteristics of the mechanical mechanism), and it is sufficient to obtain an approximate model. When the characteristics of the mechanical mechanism are modeled with m, μ, and k, the model is the actual mechanical mechanism except when the mechanical mechanism itself is formed of an object having mass, a damper, and a spring. However, there is no problem as long as accuracy can be secured in the subsequent control. Specifically, the mechanical mechanism may not be modeled by a mathematical expression (or mathematical expression such as an infinite series) using up to a high-order differential term, and may be approximated up to a secondary differential term. In that case, the conversion formula corresponds to the equation of motion.

これにより、モデル化を行なって処理を容易にすることが可能になる。何らかの形で変換を表すことが出来れば、本実施形態での補正処理に当たる逆変換もそこから導くことができる。特に変形式等が常微分方程式(狭義には線形常微分方程式)である場合には、システム上で解を求める手法は広く知られているため、容易に処理できる。また、線形常微分方程式の1つである運動方程式であれば、その係数は機械機構の質量・粘性・弾性等に対応付けて求めることができる。   As a result, modeling can be performed to facilitate processing. If the transformation can be expressed in some form, the inverse transformation corresponding to the correction processing in the present embodiment can be derived therefrom. In particular, when the deformation equation is an ordinary differential equation (linear ordinary differential equation in a narrow sense), a method for obtaining a solution on the system is widely known and can be easily processed. If the equation of motion is one of linear ordinary differential equations, the coefficient can be obtained in association with the mass, viscosity, elasticity, etc. of the mechanical mechanism.

また、補正部34は、図9に示したように、デジタルフィルター処理により補正処理を行ってもよい。   Further, as shown in FIG. 9, the correction unit 34 may perform correction processing by digital filter processing.

これにより、補正処理をデジタルフィルター化することが可能になる。デジタルフィルター化することでハードウェアー化や安定性の判定等が容易になる。   This makes it possible to convert the correction process into a digital filter. By using a digital filter, hardware and stability can be easily determined.

また、補正部34は、上式(6)に示したように、第n(nは3以上の整数)のタイミングにおけるセンサー情報の値をF、第n−1のタイミングにおける中間パラメーターをxn−1とし、デジタルフィルター処理の係数パラメーターをα及びβとした場合に、x=αF+βxn−1により、第nのタイミングにおける中間パラメーターxを求めてもよい。そして、上式(7)に示したように、求められたx、第n−1のタイミングで求められた中間パラメーターxn−1及び第n−2のタイミングで求められた中間パラメーターxn−2と、デジタルフィルター処理の係数パラメーターC,C,Cから、f={x−(Cn−1+Cn−2)}/Cにより、第nのタイミングにおける補正処理後のセンサー情報(外力)fを求める。 Further, as shown in the above equation (6), the correction unit 34 sets the sensor information value at the nth (n is an integer of 3 or more) timing to F n , and the intermediate parameter at the n−1th timing to x When n−1 and the coefficient parameters of the digital filter processing are α and β, the intermediate parameter x n at the nth timing may be obtained by x n = αF n + βx n−1 . Then, as shown in the above equation (7), the obtained x n , the intermediate parameter x n−1 obtained at the ( n−1) th timing, and the intermediate parameter x n obtained at the (n−2) th timing. -2, the coefficient of the digital filter parameters C 0, C 1, C 2 , f n = - by {x n (C 1 x n -1 + C 2 x n-2)} / C 0, of the n Sensor information (external force) f n after correction processing at timing is obtained.

これにより、上式(6)、(7)に基づいてFから外力fを求めることが可能になる。この処理をデジタルフィルター化したものが図9である。   Thereby, the external force f can be obtained from F based on the above equations (6) and (7). FIG. 9 is a digital filter of this process.

また、取得部32は、力Fに対応する情報をセンサー情報として取得してもよい。そして、補正部34は、センサー情報に対して補正処理を行うことで、外力fに対応する情報を取得する。   The acquisition unit 32 may acquire information corresponding to the force F as sensor information. And the correction | amendment part 34 acquires the information corresponding to the external force f by performing a correction process with respect to sensor information.

これにより、センサー情報であるF(ただし自重姿勢補正等を考慮する場合はそれらを補正した後の情報に相当する)から、機械機構が受けた外力fを求めることが可能になる。上述したとおり、システムで用いたいのはFではなく外力fであることが想定されるため、外力fを正確に求めることは重要となる。   As a result, it is possible to obtain the external force f received by the mechanical mechanism from F which is sensor information (however, if the weight correction is taken into account, it corresponds to information after correction). As described above, since it is assumed that it is the external force f that is desired to be used in the system, it is important to accurately obtain the external force f.

また、機械機構は、ロボット100のエンドエフェクターであってもよい。   The mechanical mechanism may be an end effector of the robot 100.

ここでエンドエフェクターとは、例えば機械機構のうちアーム120の先端に設けられ、対象物(ワーク等)に対して作業を行うものを指す。ただし、本実施形態は力覚センサー10よりも先に設けられた機械機構での外力への変換に対して、補正処理を行う手法を提案するものであることに鑑みれば、本実施形態の機械機構はエンドエフェクターに限定されるものではない。例えば、ロボットとして人のように肩関節、肘関節、手首関節を有するものを想定した場合、肘関節部分に力覚センサー10が設けられたのであれば、エンドエフェクターに加えて、肘より先の部分(つまりアーム120の一部)を含めて本実施形態の機械機構であると捉える考え方もできる。   Here, the end effector refers to, for example, a mechanical mechanism that is provided at the tip of the arm 120 and performs an operation on an object (workpiece or the like). However, in view of the fact that this embodiment proposes a technique for performing correction processing for conversion to external force by a mechanical mechanism provided before the force sensor 10, the machine of this embodiment The mechanism is not limited to the end effector. For example, assuming that the robot has a shoulder joint, an elbow joint, and a wrist joint, such as a person, if the force sensor 10 is provided at the elbow joint part, in addition to the end effector, the front of the elbow It is possible to think of the mechanical mechanism of the present embodiment including a portion (that is, a part of the arm 120).

また、エンドエフェクターとしては、例えば人の指のような構造を持ち、つかむ、握る、挟む等の動作を行うハンド110が考えられるが、これに限定されるものではない。指のような構造を持たない吸着ハンドであってもよいし、より細かい動作に適した吸着ピンセットであってもよい。またエンドエフェクターの作業内容は把持や移動に限定されるものではない。よってエンドエフェクターは、溶接作業等を行う溶接ガンであってもよいし、塗装作業等を行うスプレーガンであってもよく、その他種々の形態が考えられる。   Further, as the end effector, for example, a hand 110 having a structure like a human finger and performing operations such as grasping, grasping, and pinching is conceivable, but is not limited thereto. It may be a suction hand that does not have a finger-like structure, or may be a suction tweezer suitable for a finer movement. The work content of the end effector is not limited to gripping or moving. Therefore, the end effector may be a welding gun that performs a welding operation or the like, or may be a spray gun that performs a painting operation or the like, and various other forms are conceivable.

これにより、機械機構がロボット100のエンドエフェクター(例えばロボット100のハンド110)である場合にも、本実施形態の外力検知装置30における補正処理を適用することが可能になる。   As a result, even when the mechanical mechanism is an end effector of the robot 100 (for example, the hand 110 of the robot 100), the correction processing in the external force detection device 30 of the present embodiment can be applied.

また、以上の本実施形態は図3に示したように、上述してきた外力検知装置30と、外力検知装置30において補正処理が行われたセンサー情報(外力f)に基づいてロボットの制御処理を行う制御部とを含むロボット制御システムに適用できる。具体的には、制御部は外力検知装置30において補正処理が行われたセンサー情報に基づいて、ロボット100の目標値の補正値を出力する力制御部20と、補正値により補正された目標値に基づいて、ロボット100のフィードバック制御を行うロボット制御部80を含む。   Further, as shown in FIG. 3, the present embodiment described above performs the robot control processing based on the external force detection device 30 described above and the sensor information (external force f) corrected in the external force detection device 30. The present invention can be applied to a robot control system including a control unit for performing. Specifically, the control unit outputs the correction value of the target value of the robot 100 based on the sensor information corrected by the external force detection device 30, and the target value corrected by the correction value. The robot control unit 80 that performs feedback control of the robot 100 is included.

これにより、外力検知装置30の出力である外力fを用いてロボット100の制御を行うロボット制御システムを実現することが可能になる。ロボットシステムでは、ロボット100の手先位置(ハンド110の位置)の精度を上げるために、ハンド110は高剛性である必要があるが、そうなると作業者等と衝突した場合に問題がある。力制御により見た目上柔らかい(剛性の低い)特性を実現したとしても、何らかの理由で力制御を行う力制御部20が動作を停止してしまえば同様の問題が残る。つまり、ロボットシステムにおいてハンド110を柔構造物等の剛性の低いものにすることには一定の利点があるため、本実施形態のように力覚センサー10の先に力覚センサー10よりも剛性の低い機械機構が設けられる状況が考えうることになる。その場合には、上述したように機械機構による変調が無視できない以上、その後の制御(ここでは例えばインピーダンス制御)への影響を抑止するためにも、センサー情報に対して逆変換に相当する補正処理を行う必要がある。   This makes it possible to realize a robot control system that controls the robot 100 using the external force f that is the output of the external force detection device 30. In the robot system, the hand 110 needs to be highly rigid in order to increase the accuracy of the hand position of the robot 100 (the position of the hand 110), but if that happens, there is a problem when it collides with an operator or the like. Even if an apparently soft (low rigidity) characteristic is realized by force control, the same problem remains if the force control unit 20 that performs force control stops operating for some reason. That is, in the robot system, there is a certain advantage in making the hand 110 low in rigidity such as a flexible structure. Therefore, the force sensor 10 is more rigid than the force sensor 10 as in the present embodiment. A situation in which a low mechanical mechanism is provided can be considered. In this case, as described above, since the modulation by the mechanical mechanism cannot be ignored, the correction process corresponding to the inverse transformation is applied to the sensor information in order to suppress the influence on the subsequent control (for example, impedance control in this case). Need to do.

なお、以上のように本実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義または同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また外力検知装置、ロボット制御システムの構成、動作も本実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形実施が可能である。   Although the present embodiment has been described in detail as described above, it will be easily understood by those skilled in the art that many modifications can be made without departing from the novel matters and effects of the present invention. Accordingly, all such modifications are intended to be included in the scope of the present invention. For example, a term described at least once together with a different term having a broader meaning or the same meaning in the specification or the drawings can be replaced with the different term in any part of the specification or the drawings. Further, the configurations and operations of the external force detection device and the robot control system are not limited to those described in this embodiment, and various modifications can be made.

10 力覚センサー、20 力制御部、22 インピーダンス処理部、
24 制御パラメーター記憶部、30 外力検知装置、32 取得部、34 補正部、
60 目標値出力部、62 軌道生成部、64 インバースキネマティクス処理部、
80 ロボット制御部、100 ロボット、110 ハンド、120 アーム、
300 制御装置、310 ロボット、320 アーム
10 force sensor, 20 force control unit, 22 impedance processing unit,
24 control parameter storage unit, 30 external force detection device, 32 acquisition unit, 34 correction unit,
60 target value output unit, 62 trajectory generation unit, 64 inverse kinematics processing unit,
80 robot controller, 100 robot, 110 hand, 120 arm,
300 control device, 310 robot, 320 arm

Claims (11)

力覚センサーから出力されたセンサー情報を取得する取得部と、
取得した前記センサー情報に対して補正処理を行う補正部と、
を含み、
前記力覚センサーには、外力fを変換して力Fとして前記力覚センサーに伝達する機械機構が設けられ、
前記補正部は、
前記機械機構での変換の逆変換を、前記補正処理として行うことを特徴とする外力検知装置。
An acquisition unit for acquiring sensor information output from the force sensor;
A correction unit that performs correction processing on the acquired sensor information;
Including
The force sensor is provided with a mechanical mechanism that converts an external force f and transmits the force F to the force sensor as a force F.
The correction unit is
An external force detection device that performs reverse conversion of conversion by the mechanical mechanism as the correction processing.
請求項1において、
前記補正部は、
前記機械機構での前記変換が所定の変換式でモデル化される場合に、前記変換式の逆変換式を用いて前記補正処理を行うことを特徴とする外力検知装置。
In claim 1,
The correction unit is
An external force detection device that performs the correction process using an inverse conversion formula of the conversion formula when the conversion in the mechanical mechanism is modeled by a predetermined conversion formula.
請求項2において、
前記補正部は、
前記変換式として常微分方程式を用いて前記機械機構での前記変換がモデル化される場合に、前記常微分方程式の前記逆変換式を用いて前記補正処理を行うことを特徴とする外力検知装置。
In claim 2,
The correction unit is
An external force detection device that performs the correction process using the inverse transformation equation of the ordinary differential equation when the transformation in the mechanical mechanism is modeled using an ordinary differential equation as the transformation equation. .
請求項2又は3において、
前記補正部は、
前記変換式として、質量項、粘性項及び弾性項を係数パラメーターとする運動方程式を用いて前記機械機構での前記変換がモデル化される場合に、前記運動方程式の前記逆変換式を用いて前記補正処理を行うことを特徴とする外力検知装置。
In claim 2 or 3,
The correction unit is
When the transformation in the mechanical mechanism is modeled using the equation of motion having the mass term, the viscosity term, and the elastic term as coefficient parameters as the transformation equation, the inverse transformation equation of the equation of motion is used as the transformation equation. An external force detection device that performs correction processing.
請求項1乃至4のいずれかにおいて、
前記補正部は、
デジタルフィルター処理により前記補正処理を行うことを特徴とする外力検知装置。
In any one of Claims 1 thru | or 4,
The correction unit is
An external force detection device that performs the correction processing by digital filter processing.
請求項5において、
前記補正部は、
第n(nは3以上の整数)のタイミングにおける前記センサー情報の値をF、第n−1のタイミングにおける中間パラメーターをxn−1とし、前記デジタルフィルター処理の係数パラメーターをα及びβとした場合に、
=αF+βxn−1により、前記第nのタイミングにおける前記中間パラメーターxを求めるとともに、
求められた前記中間パラメーターx、前記第n−1のタイミングで求められた前記中間パラメーターxn−1及び第n−2のタイミングで求められた前記中間パラメーターxn−2と、前記デジタルフィルター処理の前記係数パラメーターC,C,Cから、
={x−(Cn−1+Cn−2)}/Cにより、前記第nのタイミングにおける前記補正処理後の前記センサー情報fを求めることを特徴とする外力検知装置。
In claim 5,
The correction unit is
The value of the sensor information at the nth (n is an integer of 3 or more) timing is Fn , the intermediate parameter at the ( n-1) th timing is xn-1, and the coefficient parameters of the digital filter processing are α and β. If
x n = αF n + βx n−1 to obtain the intermediate parameter x n at the n-th timing,
The obtained intermediate parameter x n, and the intermediate parameter x n-2 obtained in the first n-1 of said intermediate parameter x n-1 and the n-2 timing determined by the timing, the digital filter From the coefficient parameters C 0 , C 1 , C 2 of the process,
f n = - by {x n (C 1 x n -1 + C 2 x n-2)} / C 0, and obtains the sensor information f n after the correction in the timing of the first n External force detection device.
請求項1乃至6のいずれかにおいて、
前記取得部は、
前記力Fに対応する情報を前記センサー情報として取得し、
前記補正部は、
前記センサー情報に対して前記補正処理を行うことで、前記外力fに対応する情報を取得することを特徴とする外力検知装置。
In any one of Claims 1 thru | or 6.
The acquisition unit
Obtaining information corresponding to the force F as the sensor information;
The correction unit is
An external force detection device that acquires information corresponding to the external force f by performing the correction process on the sensor information.
請求項1乃至7のいずれかにおいて、
前記機械機構は、ロボットのエンドエフェクターであることを特徴とする外力検知装置。
In any one of Claims 1 thru | or 7,
The external force detection device, wherein the mechanical mechanism is an end effector of a robot.
請求項1乃至8のいずれか記載の外力検知装置と、
前記外力検知装置において前記補正処理が行われた前記センサー情報に基づいてロボットの制御処理を行う制御部と、
を含むことを特徴とするロボット制御システム。
The external force detection device according to any one of claims 1 to 8,
A control unit that performs control processing of the robot based on the sensor information on which the correction processing has been performed in the external force detection device;
A robot control system comprising:
請求項9において、
前記制御部は、
前記外力検知装置において前記補正処理が行われた前記センサー情報に基づいて、前記ロボットの目標値の補正値を出力する力制御部と、
前記補正値により補正された前記目標値に基づいて、前記ロボットのフィードバック制御を行うロボット制御部と、
を含むことを特徴とするロボット制御システム。
In claim 9,
The controller is
A force control unit that outputs a correction value of the target value of the robot based on the sensor information on which the correction processing has been performed in the external force detection device;
A robot control unit that performs feedback control of the robot based on the target value corrected by the correction value;
A robot control system comprising:
外力fを変換して力Fとして伝達する機械機構が設けられた力覚センサーから出力されたセンサー情報に対して補正処理を行う外力検知方法であって、
前記力覚センサーからの前記センサー情報を取得し、
取得した前記センサー情報に対して、前記機械機構での変換の逆変換を前記補正処理として行うことを特徴とする外力検知方法。
An external force detection method for performing correction processing on sensor information output from a force sensor provided with a mechanical mechanism that converts an external force f and transmits the force F as a force F,
Obtaining the sensor information from the force sensor;
An external force detection method comprising performing reverse conversion of conversion by the mechanical mechanism as the correction process on the acquired sensor information.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US10773390B2 (en) 2016-09-30 2020-09-15 Seiko Epson Corporation Force detecting device, driving unit, and robot

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