JP2022174858A - Direct teaching device and direct teaching method - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、ロボットの直接教示を行う直接教示装置及び直接教示方法に関する。 The present invention relates to a direct teaching device and a direct teaching method for directly teaching a robot.
産業用のロボットでは、ロボットに作業をさせるために、前もって教示(ティーチング)と呼ばれる作業が実施される。このロボットの教示を行う方法の1つとして、直接教示(ダイレクト教示)と呼ばれる方法がある。 In industrial robots, work called teaching is carried out in advance in order to cause the robot to perform work. One method of teaching the robot is a method called direct teaching.
例えば特許文献1では、力センサを用いたロボットの直接教示方法が開示されている。また、例えば特許文献2及び非特許文献1では、トルク検出手段を用いたロボットの直接教示方法が開示されている。非特許文献1で開示されている直接教示装置の概略構成を以下に示す。
For example,
図11に示す直接教示装置では、まず、メインコントローラ201が、トルクセンサ202により計測されたトルク(ロボットが有する関節単位でのトルク)を用いて、ロボットが有するアーム203に対して操作者により加えられた外力を検知する。
次いで、メインコントローラ201は、検知した外力に従うアーム203の動きを実現するために、トルク指令値及びトルク補償値を算出する。トルク指令値は、トルクセンサ202により計測されたトルクのうちの重力に起因する成分の推定値とトルクセンサ202のオフセット値といった静的な外乱との和である。トルク補償値は、ロボットの重力による移動を防止するために必要なトルクである。なお、メインコントローラ201は、従動制御演算において、エンコーダ204により検出された角度(アーム203の関節角)に基づいてトルク指令値(従動制御指令値)を算出する。
In the direct teaching device shown in FIG. 11, first, the
Next,
次いで、サーボドライバ205は、トルクセンサ202により計測されたトルクが、従動制御指令値と一致するようにトルク制御する。すなわち、サーボドライバ205は、トルク指令値からトルクセンサ202により計測されたトルクを差し引いてゲインを乗算した上で、トルク補償値を加算する。そして、サーボドライバ205は、トルク制御の結果に基づいて更新した駆動電流指令値を算出する。すなわち、サーボドライバ205は、トルク制御の結果に対してトルク電流変換係数を乗算する。そして、サーボドライバ205は、駆動電流指令値が駆動電流計測値(不図示)と一致するように、電流制御(不図示)を行い、駆動電流を出力する。
次いで、サーボモータ206は、サーボドライバ205により出力された駆動電流に従って駆動する。そして、サーボモータ206で発生した駆動力は減速機207を介してアーム203に伝達され、アーム203は駆動する。
Next, the
The
この一連の動作により、図11に示す直接教示装置は、操作者により加えられた外力に従ってアーム203が動くように制御できる。そして、直接教示装置は、制御によりアーム203の位置及び姿勢が操作者の意図する状態となった場合に、その際のパラメータを教示点として記録する。この直接教示装置により記録された教示点はロボットが作業する際に使用される。
Through this series of operations, the direct teaching device shown in FIG. 11 can control the
以上のように、関節単位の駆動制御部に近い場所に配設可能なトルクセンサの値を制御することで従動制御を実現し、駆動制御部で制御の主要な演算を実行するようにすれば、むだ時間が入り込む余地を削減して速応性を高められる。すなわち、安定性を維持できるコントローラのハイゲイン化に相当する調整(関節単位の1変数制御のゲイン調整)も可能になる。そのため、軽い操作感が得られる(例えば特許文献3参照)。 As described above, driven control is realized by controlling the value of a torque sensor that can be placed near the drive control unit for each joint, and the drive control unit executes the main control operations. , it is possible to reduce the room for dead time and improve quick response. In other words, it becomes possible to perform adjustment (gain adjustment of 1-variable control for each joint) corresponding to high gain of the controller capable of maintaining stability. Therefore, a light operational feeling can be obtained (see Patent Document 3, for example).
このように、ロボットの直接教示は、操作者がアームを直接操作して位置及び姿勢を教示するため、操作者にとって直観的でわかりやすいという利点を持つ。一方で、アームが操作者により加えられた外力に従ってそのまま動くという特徴は利点ばかりではない。 In this way, the direct teaching of the robot has the advantage of being intuitive and easy for the operator to understand because the operator directly operates the arm to teach the position and orientation. On the other hand, the feature that the arm moves as it is according to the external force applied by the operator is not the only advantage.
例えば、操作者が、ロボットに対して、ある点Pの位置を教示した後に、その真下の別の点Qの位置を教示するという場合を考える。この場合では、操作者は、真下方向(Z軸方向)にアームを動かすことになる。しかしながら、操作者がアームに対して正確に真下方向へ外力を加えることは難しく、アームのX軸座標及びY軸座標がずれることが多い。後からアームのX軸座標及びY軸座標だけをティーチングペンダント等を用いて修正することは可能であるが、それでは直接教示の利点が減ずる。 For example, consider a case in which the operator teaches the robot the position of a certain point P and then teaches the position of another point Q directly below it. In this case, the operator moves the arm directly downward (in the Z-axis direction). However, it is difficult for the operator to accurately apply an external force directly downward to the arm, and the X-axis and Y-axis coordinates of the arm often deviate. Although it is possible to correct only the X-axis and Y-axis coordinates of the arm later using a teaching pendant or the like, this reduces the advantage of direct teaching.
また、例えば、操作者が、アームの先端に設けられたエンドエフェクタを真下に向けたまま教示を行う場合を考える。この場合においても、操作者がアームに対して正確に真下に向けた状態を維持したままアームを直接操作することは難しく、アームの姿勢がずれることが多い。 Also, for example, consider a case where the operator instructs with the end effector provided at the tip of the arm directed directly downward. Even in this case, it is difficult for the operator to directly operate the arm while maintaining a state in which the arm is directed directly downward, and the posture of the arm often deviates.
以上のように、直接教示は、直観的で分かりやすい反面、操作が難しい場合も存在する。 As described above, direct teaching is intuitive and easy to understand, but there are cases where it is difficult to operate.
これに対し、例えば特許文献4,5では、上記のような課題を解決する技術が開示されている。また、特許文献5では、入力装置により、動作モードを、拘束モード又は全方向移動モードに切換え可能とする直接教示装置が開示されている。拘束モードでは、エンドエフェクタの先端を特定の拘束軸又は拘束面に沿って移動可能としている。また、全方向移動モードでは、通常の直接教示を実施可能としている。この直接教示装置は、直接教示の途中で拘束モードに切換えることにより、アームの先端を正確に上下方向に動かすことが可能となり、直接教示における操作の難しさが軽減される。更に特許文献6では、操作者がアームを操作している状態のまま通常の直接教示と拘束付き直接教示を切換え可能な直接教示装置が開示されている。 On the other hand, Patent Literatures 4 and 5, for example, disclose techniques for solving the above problems. Further, Patent Document 5 discloses a direct teaching device in which an operation mode can be switched between a restraint mode and an omnidirectional movement mode by an input device. Constraint mode allows the tip of the end effector to move along a specific constraint axis or constraint surface. Also, in the omnidirectional movement mode, normal direct teaching can be performed. By switching to the restraint mode during direct teaching, this direct teaching device makes it possible to accurately move the tip of the arm in the vertical direction, thereby reducing the difficulty of operation in direct teaching. Furthermore, Patent Document 6 discloses a direct teaching device capable of switching between normal direct teaching and constrained direct teaching while an operator is operating an arm.
非特許文献1で示した各関節単位でのトルク制御(各軸トルク制御)による直接教示動作は、特許文献3に示されているように操作感を軽くできる一方で、位置姿勢の拘束といった制約付き直接教示動作における制約性能を上げるのが難しいという課題がある。
The direct teaching operation by torque control for each joint (each axis torque control) shown in
これは、拘束制御では位置姿勢を扱う必要があるが、関節制御部がトルク制御だと位置姿勢を直接制御できないため、制御が複雑になるからである。例えばZ軸方向に拘束して直接教示動作を行う場合、上位のメイン制御部において拘束位置からの位置偏差を抑制するような制御指令値を算出するが、関節制御部がトルク制御なので、制御指令値はトルクで与えなければならない。このため、トルクの指令値を介して間接的に位置を制御するという複雑な制御になる。 This is because the position and orientation must be handled in constraint control, but the position and orientation cannot be directly controlled if the joint control unit is torque control, which complicates the control. For example, when direct teaching motion is performed by constraining in the Z-axis direction, a control command value that suppresses the positional deviation from the constraining position is calculated in the upper main control unit. The value must be given in torque. For this reason, it becomes a complicated control in which the position is indirectly controlled via the torque command value.
また、関節制御部が位置姿勢を制御できないためメイン制御部によるフィードバック制御を主体とした制御になるが、一般的にメイン制御部と関節制御部の間には通信遅延があるため、安定な動作を実現するためにはメイン制御部の制御ゲインを上げづらい。以上のような理由により、各軸トルク制御の方式では、拘束位置からの制御偏差を十分に小さくすることが難しいという課題がある。 Also, since the joint control unit cannot control the position and orientation, the control is mainly based on feedback control by the main control unit, but since there is generally a communication delay between the main control unit and the joint control unit, stable operation It is difficult to increase the control gain of the main control section in order to realize For the reasons described above, there is a problem that it is difficult to sufficiently reduce the control deviation from the restrained position in the method of controlling torque on each axis.
なお、同様な課題は拘束付きの直接教示以外でも、位置又は速度の制御を同時に行う機能を持つ直接教示で起こりうる。例えば操作者の安全のために、アームの手先の速度又は各関節の角速度を所定の値以下に制御したい場合、各軸トルク制御の方式ではトルクを介して速度を制御することが必要であり、同様の課題が生じる。 A similar problem can occur in direct teaching that has a function of simultaneously controlling position or speed in addition to direct teaching with constraints. For example, when it is desired to control the speed of the hand of the arm or the angular speed of each joint to a predetermined value or less for the safety of the operator, it is necessary to control the speed via torque in each axis torque control method, Similar challenges arise.
関節制御部が位置制御又は速度制御であれば、上述の課題は無い。この場合は関節制御部に位置(関節角)又は速度(角速度)の指令値を与えることができるので、トルクの指令値を計算しなくても位置又は速度が機能上の要求を満たすように直接制御できるからである。しかしながら、各軸トルク制御の利点である軽い操作感は失われることになる。 If the joint control unit is position control or speed control, the above problem does not exist. In this case, a position (joint angle) or velocity (angular velocity) command value can be given to the joint control unit, so that the position or velocity can be directly adjusted to satisfy the functional requirements without calculating the torque command value. Because it can be controlled. However, the light feeling of operation, which is an advantage of each axis torque control, is lost.
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、従来に対し、制約を課さない通常の直接教示を行う場合には軽い操作感で動かすことができ、制約を課した直接教示を行う場合には全体の性能向上が図られた直接教示動作を実現できる直接教示装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems. It is an object of the present invention to provide a direct teaching device capable of realizing a direct teaching operation with improved overall performance when performing teaching.
この発明に係る直接教示装置は、ロボットが有するアームに加えられたトルクを検知するトルク検知部と、アームの位置又は姿勢のうちの少なくとも一方である位置姿勢を算出する位置姿勢演算部と、トルク検知部により検知されたトルクに基づいてアームに加えられた外力を検知する外力検知部と、トルク検知部により検知されたトルクに従うアームの動きを算出して当該アームを駆動する第1従動制御演算部と、外力検知部により検知された外力に従うアームの動きを算出する第2従動制御演算部と、位置姿勢演算部による算出結果に基づいてアームの位置姿勢又は速度のうちの少なくとも一つに対する制約を満たす当該アームの動きを算出する制御部と、第2従動制御演算部による算出結果と制御部による算出結果とを合成する合成部と、合成部による合成結果に基づいてアームを駆動する第2駆動制御部と、第1従動制御演算部、或いは、第2従動制御演算部、制御部、合成部及び第2駆動制御部のうちの一方を有効に切換える切換え部とを備えたことを特徴とする。 A direct teaching device according to the present invention includes a torque detection unit that detects torque applied to an arm of a robot, a position/orientation calculation unit that calculates at least one of the position and orientation of the arm, a torque An external force detection unit that detects an external force applied to the arm based on the torque detected by the detection unit, and a first driven control calculation that calculates the movement of the arm according to the torque detected by the torque detection unit and drives the arm. a second driven control calculation unit that calculates the movement of the arm according to the external force detected by the external force detection unit; a control unit that calculates the movement of the arm that satisfies the conditions, a synthesizing unit that synthesizes the calculation result of the second driven control arithmetic unit and the calculation result of the control unit, and the second that drives the arm based on the synthesis result of the synthesizing unit A drive control section, and a switching section for effectively switching one of a first driven control calculation section or a second driven control calculation section, a control section, a synthesizing section, and a second drive control section. do.
この発明によれば、上記のように構成したので、従来に対し、制約を課さない通常の直接教示を行う場合には軽い操作感で動かすことができ、制約を課した直接教示を行う場合には全体の性能向上が図られた直接教示動作を実現できる。 According to the present invention, since it is configured as described above, in contrast to the conventional art, when performing normal direct teaching without imposing restrictions, it is possible to move with a light operational feeling, and when performing direct teaching with imposing restrictions, it is possible to move it with a light operational feeling. can realize direct teaching operation with improved overall performance.
以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1に係る直接教示装置(ロボット制御装置)1の構成例を示す図である。
直接教示装置1は、ロボットの直接教示を行う。ロボットは、関節毎に、アーム2を駆動するモータ(不図示)、及び、エンコーダ3を有している。モータ(図1ではアーム2)及びエンコーダ3は、それぞれ、直接教示装置1に対して電力線等により接続されている。エンコーダ3は、対応する関節の角度を検出する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a direct teaching device (robot control device) 1 according to
A
また、ロボットには、関節毎に、トルク検知部4が設けられている。トルク検知部4は、操作者によりアーム2に加えられたトルクを検知する。
例えば、トルク検知部4は、アーム2のモータ駆動軸に取付けられたトルクセンサを用い、このトルクセンサにより計測されたトルク(τ)を上記トルクとして検知してもよい。また、トルク検知部4は、トルクセンサを用いてトルクを直接計測するのではなく、アーム2が有するモータの電力又はアーム2の関節角(θ)の計測値から間接的にトルクを算出するトルクオブザーバを用いて上記トルクを検知してもよい。
Further, the robot is provided with a torque detection unit 4 for each joint. The torque detection unit 4 detects torque applied to the
For example, the torque detector 4 may use a torque sensor attached to the motor drive shaft of the
直接教示装置1は、直接教示方法として、アーム2の手先の位置姿勢及びアーム2の手先の速度に対して制約を課さない通常の直接教示と、アーム2の手先の位置姿勢又はアーム2の手先の速度を制約する制約付き直接教示とを切換え可能である。
The
なお、アーム2の手先の位置姿勢とは、アーム2の手先の位置及びアーム2の手先の姿勢のうちの少なくとも一方を意味する。また、アーム2の手先の位置とは、アーム2の先端に設けられたエンドエフェクタの先端又は先端を基準とした任意の点の位置を意味する。また、アーム2の手先の姿勢とは、エンドエフェクタの向きを意味する。なお、アーム2の手先の位置姿勢を、アーム2の位置姿勢と記述する場合があるが、特に断りのない場合、同じ意味である。
Note that the position and orientation of the hand of the
また、アーム2の手先の速度とは、エンドエフェクタの移動速度を意味する。なお、アーム2の手先の速度を、アーム2の速度と記述する場合があるが、特に断りのない場合、同じ意味である。
Also, the speed of the end of the
制約付き直接教示の応用例には、次のような制約を課しながら直接教示する場合が挙げられる。制約の例としては、アーム2の手先が取りうる位置に制約を課す位置拘束、アーム2の手先が取りうる姿勢に制約を課す姿勢拘束、又は、アーム2の手先の速度が予め定めた所定の値を超過しないよう制限を課す速度制限といったものが挙げられる。
Examples of applications of constrained direct teaching include the case of direct teaching while imposing the following constraints. Examples of constraints include a positional constraint that limits the position that the hand of the
この直接教示装置1は、図1に示すように、メイン制御部11、及び複数の関節制御部12を備えている。関節制御部12は、ロボットが有する関節毎に設けられている。なお、メイン制御部11と各関節制御部12との間は通信線により接続されている。図1では、1つの関節制御部12のみを示している。
The
メイン制御部11は、各関節制御部12に指令値を出力することで、ロボット全体を制御する。メイン制御部11は、図1に示すように、外力検知部111、位置姿勢演算部112、速度演算部113、第2従動制御演算部114、位置姿勢制御部115、速度制御部116、合成部117、トルク指令値演算部118及び切換え部119を備えている。
関節制御部12は、第1駆動制御部121及び第2駆動制御部(駆動制御部)122を備えている。
The
The
なお、直接教示装置1は、システムLSI(Large-Scale Integration)等の処理回路、又はメモリ等に記憶されたプログラムを実行するCPU(Central Processing Unit)等により実現される。
The
外力検知部111は、トルク検知部4により検知されたトルクを用い、操作者によりアーム2に加えられた外力を検知する。
なお、トルク検知部4により検知されるトルクは、センサの構造等によっては、操作者によりアーム2に加えられた外力だけではなく、重力に起因する成分が重畳されている場合がある。そこで、このような場合には、外力検知部111は、重力に起因する成分を算出し、検知した外力から当該重力に起因する成分を差し引くことで、外力成分のみを算出する。これは重力補償と呼ばれる公知技術であり、例えば特許文献7等に開示されている。
Note that the torque detected by the torque detection unit 4 may include not only the external force applied to the
位置姿勢演算部112は、エンコーダ3により検出されたロボットが有する関節毎の角度に基づいて、アーム2の位置姿勢を算出する。ロボットが有する関節毎の角度は関節座標系で表されており、位置姿勢演算部112は、関節毎の角度を直交座標系で表された位置姿勢に変換する。
The position/
速度演算部113は、位置姿勢演算部112により算出されたアーム2の位置姿勢に基づいて、アーム2の速度を算出する。
The
なお、外力検知部111、位置姿勢演算部112及び速度演算部113は、制約が無い通常の直接教示で用いられる構成と同様であり、公知技術である。
The external force detection unit 111, the position/
第2従動制御演算部114は、外力検知部111により検知された外力に従うアーム2の動き(従動制御指令値)を算出する。
The second driven
位置姿勢制御部115は、位置姿勢演算部112により算出されたアーム2の位置姿勢に対する制約を満たすアーム2の動きを算出する。
The position/
速度制御部116は、速度演算部113により算出されたアーム2の速度に対する制約を満たすアーム2の動きを算出する。
The
なお、位置姿勢制御部115及び速度制御部116は、「位置姿勢演算部112による算出結果に基づいてアーム2の位置姿勢又は速度のうちの少なくとも一つに対する制約を満たすアーム2の動きを算出する制御部」を構成する。
Note that the position/
合成部117は、第2従動制御演算部114による算出結果と制御部による算出結果とを合成することで、合成制御指令値を得る。
The
なお、合成制御指令値の物理量が関節座標系で表された指令値である一方、合成部117へ入力される各制御指令値は、アーム2の位置姿勢又はアーム2の速度といった直交座標系で表された指令値である。そのため、合成部117では、直交座標系で表された指令値を関節座標系で表された指令値に変換する。例えば、合成部117は、直交座標系で表された速度の指令値に対してヤコビ行列の逆行列を乗算することにより、角速度指令値を算出する。合成部117は、関節角度又は関節角加速度の指令値を算出する場合も、直交座標系から回転座標系への変数変換を行う。
Note that while the physical quantity of the synthesized control command value is a command value expressed in a joint coordinate system, each control command value input to the
トルク指令値演算部118は、外力検知部111により検知された外力に基づいて、トルク指令値を算出する。トルク指令値は、トルクセンサにより検知されたトルクのうちの重力に起因する成分の推定値とトルクセンサのオフセット値といった静的な外乱との和である。
Torque
切換え部119は、直接教示装置1による直接教示として、制約を課さない通常の直接教示又は制約付きの直接教示の何れかに切換え可能である。ここで、切換え部119は、制約を課さない通常の直接教示へ切換える場合、トルク指令値演算部118及び第1駆動制御部121による処理を有効とし、第2従動制御演算部114、制御部、合成部117及び第2駆動制御部122による処理を無効とする。また、切換え部119は、制約付きの直接教示へ切換える場合、トルク指令値演算部118及び第1駆動制御部121による処理を無効とし、第2従動制御演算部114、制御部、合成部117及び第2駆動制御部122による処理を有効とする。
The
なお上記では、制約を課さない通常の直接教示へ切換える場合に、第2従動制御演算部114、制御部、合成部117及び第2駆動制御部122による処理を無効とする方法を示したが、これらの一連の演算部による処理を実質的に無効とすることができればよく、これに限らない。
ここで、第2駆動制御部122では、合成部117により得られた合成制御指令値から現在の計測値を差し引くことで制御偏差を得て、当該制御偏差にゲインを乗算することで出力値を得る。そこで、例えば、上記一連の演算部による処理を実質的に無効とする方法として第2駆動制御部122のゲインを0に設定してもよい。これにより、第2駆動制御部122の出力値は0となり、上記と同じ効果を得られる。また例えば、上記一連の演算部による処理を実質的に無効とする方法として、合成部117により得られた合成制御指令値を現在の計測値と同じ値にしてもよい。これにより、第2駆動制御部122における制御偏差及び第2駆動制御部122の出力値が非常に小さくなり、上記と同様の効果が得られる。なお、制御偏差は、合成部117から第2駆動制御部122の間の通信遅延等の影響により、完全に0にならない場合がある。
In the above description, a method of disabling the processing by the second driven
Here, in the second
切換え部119によるモードの切換えは、例えば、操作者がHMI(Human Machine Interface)又はモード切換えスイッチといった入力装置、或いは、特許文献6のように操作者がアーム2を操作している状態のまま通常の直接教示と拘束付き直接教示の切換えを判定できる制御装置によって、制約のない通常の直接教示か制約付き直接教示かを指定することにより行う。
Mode switching by the
第1駆動制御部121は、トルク検知部4により検知されたトルク及びトルク指令値演算部118により算出されたトルク指令値に基づいて、トルク制御を行うことでアーム2を駆動する。すなわち、第1駆動制御部121は、トルク指令値からトルク検知部4により検知されたトルクを差し引いてゲインを乗算し、その結果に基づいてアーム2を駆動する。
The first
なお、トルク指令値演算部118及び第1駆動制御部121は、「トルク検知部4により検知されたトルクに従うアーム2の動きを算出して当該アーム2を駆動する第1従動制御演算部13」を構成する。
Note that the torque command
第2駆動制御部122は、合成部117により得られた合成制御指令値に従ってアーム2を駆動する。
The second
次に、図1に示す実施の形態1に係る直接教示装置1の動作例について説明する。
まず、切換え部119が、直接教示装置1による直接教示として制約を課さない通常の直接教示を選択し、第1従動制御演算部13による処理を有効とした場合での直接教示装置1の動作例について、図2を参照しながら説明する。
Next, an operation example of the
First, an example of the operation of the
図1に示す実施の形態1に係る直接教示装置1では、制約を課さない通常の直接教示を行う場合、図2に示すように、まず、外力検知部111は、トルク検知部4により検知されたトルクを用い、操作者によりアーム2に加えられた外力を検知する(ステップST201)。
In the
次いで、第1従動制御演算部13は、トルク検知部4により検知されたトルクに従うアーム2の動きを算出して当該アーム2を駆動する(ステップST202)。この際、まず、トルク指令値演算部118は、外力検知部111により検知された外力に基づいて、トルクセンサにより検知されたトルク指令値を算出する。そして、第1駆動制御部121は、トルク検知部4により検知されたトルク及びトルク指令値演算部118により算出されたトルク指令値に基づいて、トルク制御を行うことでアーム2を駆動する。
Next, the first driven
このように、実施の形態1に係る直接教示装置1では、制約を課さない通常の直接教示の場合、第1従動制御演算部13において各関節単位での制御を実現できるように制御演算を実行する。
As described above, in the
なお、第1従動制御演算部13は、トルク指令値演算部118と第1駆動制御部121の組み合わせによって構成される。トルク検知部4により検知されたトルクには、操作者により加えられた外力以外にも、前述の重力に起因する成分の推定値とセンサのオフセット値といった静的な外乱が含まれている。そのため、トルク指令値演算部118は、トルク検知部4により検知されたトルクのうち重力に起因する成分の推定値とセンサのオフセット値といった静的な外乱との和をトルク指令値として算出する。これにより、第1駆動制御部121がゼロトルク制御(アーム2が出力するトルクが、ゼロないし極めて小さな値となるような制御)を行うことができる。ゼロトルク制御により、操作者が外力を加えるとそれを打ち消すようにアーム2が動くので、結果として操作者により加えられた外力方向にアーム2は動く。この一連の動作により、直接教示装置1は、操作者により加えられた外力に従ってアーム2が動くような従動制御を実現できる。
The first driven
次に、切換え部119が、直接教示装置1による直接教示として制約付きの直接教示を選択し、第2従動制御演算部114、制御部、合成部117及び第2駆動制御部122による処理を有効とした場合での直接教示装置1の動作例について、図3を参照しながら説明する。
Next, the
図1に示す実施の形態1に係る直接教示装置1では、制約を課した直接教示を行う場合、図3に示すように、まず、外力検知部111は、トルク検知部4により検知されたトルクを用い、操作者によりアーム2に加えられた外力を検知する(ステップST301)。
In the
また、位置姿勢演算部112は、エンコーダ3により検出されたロボットが有する関節毎の角度に基づいて、アーム2の位置姿勢を算出する(ステップST302)。エンコーダ3により検出されたロボットが有する関節毎の角度は関節座標系で表されており、位置姿勢演算部112は、関節毎の角度を直交座標系で表された位置姿勢に変換する。
The position/
次いで、速度演算部113は、位置姿勢演算部112により算出されたアーム2の位置姿勢に基づいて、アーム2の速度を算出する(ステップST303)。
Next,
次いで、第2従動制御演算部114は、外力検知部111により検知された外力に従うアーム2の動き(従動制御指令値)を算出する(ステップST304)。
Next, second driven
また、位置姿勢制御部115は、位置姿勢演算部112により算出されたアーム2の位置姿勢に対する制約を満たすアーム2の動きを算出する(ステップST305)。
The position/
また、速度制御部116は、速度演算部113により算出されたアーム2の速度に対する制約を満たすアーム2の動きを算出する(ステップST306)。
In addition,
次いで、合成部117は、第2従動制御演算部114による算出結果と、位置姿勢制御部115による算出結果と、速度制御部116による算出結果とを合成することで、合成制御指令値を得る(ステップST307)。
Next, the
次いで、第2駆動制御部122は、合成部117により得られた合成制御指令値に従ってアーム2を駆動する(ステップST308)。
Next, second
このように、実施の形態1に係る直接教示装置1では、制約付き直接教示を行う場合、第2従動制御演算部114により算出された外力に従うアーム2の動き(従動制御指令値)と、位置姿勢制御部115により算出されたアーム2の位置姿勢に対する制約を満たすアーム2の動きと、速度制御部116により算出されたアーム2の速度に対する制約を満たすアーム2の動きとを合成する。
As described above, in the
なお、合成制御指令値は、ロボットが有する関節毎の指令値であり、例えばアーム2の関節毎の関節角度、関節角速度又は関節角加速度の指令値である。そのため、位置又は速度の制御を同時に行う機能を持つ直接教示の内容に応じて、第2駆動制御部122においてアーム2の関節毎の位置制御、速度制御又は加速度制御といった制御手法のうち、適した制御手法を選択する。
Note that the combined control command value is a command value for each joint of the robot, such as a command value for a joint angle, joint angular velocity, or joint angular acceleration for each joint of the
これにより、実施の形態1に係る直接教示装置1では、外力検知部111により検知された外力に従いながら、制約が満たされたアーム2の動きの実現が可能となる。なお図3では位置姿勢制御部115及び速度制御部116が両方とも処理を行った場合を示したが、これに限らず、位置姿勢制御部115及び速度制御部116は一方のみが処理を行ってもよい。
As a result, in the
ここで、拘束付き直接教示時は、関節制御部12で各軸トルク制御を行うと、位置姿勢を拘束に追従させる性能を向上することが難しい。よって関節制御部12では、拘束位置からの位置偏差を抑制するような位置制御を各関節単位で行う方が、直接教示に位置姿勢の追従性能を付加した、全体の性能向上を図りやすい。
一方、通常の直接教示動作時は、軽い操作感が重要であり、これを達成するには各関節単位での位置又は速度制御を実施するよりも、外力に従うアーム2の動作を実現するようにトルクを直接に制御したほうが性能上好ましい。
Here, when direct teaching with constraints is performed, if the
On the other hand, during the normal direct teaching operation, light operation feeling is important, and in order to achieve this, rather than performing position or speed control for each joint, the
すなわち、一般的に、関節制御部12はメイン制御部11よりも低遅延で制御できるため、ゲインを上げやすい。そのため、第1駆動制御部121でゼロトルク制御を行う場合は、トルク制御を行うことが性能上有利である。
一方、制約付き直接教示の場合、制約が位置姿勢又は手先速度であるため、第2駆動制御部122では、それぞれ位置制御、速度制御、加速度制御を行うことが性能上有利である。
That is, in general, the
On the other hand, in the case of direct teaching with restrictions, since the restrictions are the position and orientation or the speed of the hand, it is advantageous in terms of performance that the second
このように制約付き直接教示時と通常の直接教示時とで、関節制御部12の制御方式に求められる要件が異なる。そこで、実施の形態1に係る直接教示装置1では、制約付き直接教示時と通常の直接教示時の各々の場合に適した制御方式に切換える。すなわち、実施の形態1に係る直接教示装置1では、関節制御部12における制御方式が、制約を課さない通常の直接教示時では各軸トルク制御とし、制約付き直接教示時では、制約を課すアーム2の手先の位置又は速度といったパラメータに適した制御方式となるように、関節制御部12の制御方式を切換える。
As described above, the requirements required for the control method of the
以上のように、この実施の形態1によれば、直接教示装置1は、ロボットが有するアーム2に加えられたトルクを検知するトルク検知部4と、アーム2の位置又は姿勢のうちの少なくとも一方である位置姿勢を算出する位置姿勢演算部112と、トルク検知部4により検知されたトルクに基づいてアーム2に加えられた外力を検知する外力検知部111と、トルク検知部4により検知されたトルクに従うアーム2の動きを算出して当該アーム2を駆動する第1従動制御演算部13と、外力検知部111により検知された外力に従うアーム2の動きを算出する第2従動制御演算部114と、位置姿勢演算部112による算出結果に基づいてアーム2の位置姿勢又は速度のうちの少なくとも一つに対する制約を満たす当該アーム2の動きを算出する制御部と、第2従動制御演算部114による算出結果と制御部による算出結果とを合成する合成部117と、合成部117による合成結果に基づいてアーム2を駆動する第2駆動制御部122と、第1従動制御演算部13、或いは、第2従動制御演算部114、制御部、合成部117及び第2駆動制御部122のうちの一方を有効に切換える切換え部119とを備えた。これにより、実施の形態1に係る直接教示装置1は、従来に対し、制約を課さない通常の直接教示を行う場合には軽い操作感で動かすことができ、制約を課した直接教示を行う場合には全体の性能向上が図られた直接教示動作を実現できる。
As described above, according to the first embodiment, the
実施の形態2.
実施の形態2では、制約付き直接教示の例を説明する。実施の形態2では、アーム2の位置姿勢を拘束目標に拘束しながら直接教示する場合について述べる。
図4は実施の形態2に係る直接教示装置1の構成例を示す図である。この図4に示す実施の形態2に係る直接教示装置1では、図1に示す実施の形態1に係る直接教示装置1に対し、速度演算部113及び速度制御部116の処理を不要とし、その図示を省略している。また、位置姿勢制御部115は、位置姿勢目標取得部1151及び位置姿勢制御演算部1152を有している。
FIG. 4 is a diagram showing a configuration example of the
位置姿勢目標取得部1151は、アーム2の位置姿勢に対する制約目標(拘束目標)を取得する。
The position/posture
位置姿勢制御演算部1152は、位置姿勢演算部112により算出された位置姿勢が位置姿勢目標取得部1151により取得された制約目標に従うアーム2の動きを算出する。
The position/posture
なお、実施の形態2における合成部117は、位置姿勢制御演算部1152による算出結果と、第2従動制御演算部114による従動制御指令値とを合成し、合成制御指令値を得る。この際の合成制御指令値は、アーム2の位置姿勢を制約としているので、関節毎の角度の指令値とするのが好ましい。
また、第2駆動制御部122では、アーム2の各関節角度の現在値が、合成制御指令値である各関節角度の指令値となるよう位置制御を行う。
Note that the synthesizing
Further, the second
ここで、拘束目標とは、アーム2の位置姿勢の拘束先である。
アーム2の位置に対する拘束目標としては、拘束点、拘束軸及び拘束面がある。
Here, the restraint target is the restraint destination of the position and orientation of the
Constraint targets for the position of the
拘束点は、アーム2の位置を固定する任意のある一点である。この拘束点でアーム2の位置を拘束すると、手先の位置を変えることができなくなる。なお、この際、姿勢の拘束をしなければ、手先の向き(姿勢)を変えることはできる。
拘束軸は、ある直線又は曲線にアーム2の位置を拘束する際に指定する軸(線)である(図5参照)。図5では、アーム2に対し、ロボット座標系におけるX座標及びY座標を維持したままZ座標だけ変更可能とした場合を示している(アーム2を上下に移動可能としている)。
拘束面は、ある平面又は曲面にアーム2の位置を拘束する際に指定する面である(図6参照)。図6では、アーム2を、ロボット座標系においてz=f(x、y)で表される拘束曲面601に拘束した場合を示している。
A constraint point is an arbitrary point that fixes the position of the
A constraint axis is an axis (line) that is specified when constraining the position of the
A constraint plane is a plane that is specified when the position of the
アーム2の姿勢に対する拘束目標としては、拘束方向、拘束回転軸(1つ)及び拘束回転軸(2つ)がある。
Constraint targets for the posture of the
拘束方向は、アーム2の手先の向き(姿勢)が、ある一つの方向へと完全に固定する拘束をする際に指定する姿勢(方向)である(図7参照)。図7では、拘束方向が符号701に示す矢印の方向である場合を示している。
The restraint direction is a posture (direction) designated when the direction (posture) of the hand of the
拘束回転軸(1つ)は、アーム2の手先の向きを、ある1つの回転軸に沿ってのみ変更することが許容される拘束を行う際の回転軸である。
The restricted rotation axis (one) is a rotation axis when performing restriction that allows the direction of the end of the
拘束回転軸(2つ)は、アーム2の手先の向きを、ある2つの回転軸に沿って変更することが許容される拘束を行う際の回転軸である。例えば、図8Aと図8Bで示された回転が、両方とも許容される場合である。図8の場合、X軸及びZ軸を回転軸とした姿勢変更は許容され、Y軸を回転軸とした姿勢変更は不可となる。なお、2つの回転軸は、X軸、Y軸及びZ軸に限定せず、任意方向の軸を選択することができる。
The (two) restricted rotation axes are the rotation axes used when performing a restriction that allows changing the direction of the end of the
また拘束目標は1つに限らず複数でもよい。図9は、曲面拘束と方向拘束を組み合わせた拘束の例である。図9の符号901は、ロボット座標系においてz=f(x、y)で表される拘束曲面を示している。
Also, the number of restraint targets is not limited to one, and may be plural. FIG. 9 shows an example of a constraint that combines a curved surface constraint and a directional constraint.
このように、実施の形態2に係る直接教示装置1では、アーム2の位置姿勢の拘束目標を満たす直接教示動作を実現することができる。このように、制約がアーム2の位置姿勢のみの場合、速度制御部116を必ずしも使用しなくてもよい。
As described above, the
なお、このようにアーム2の位置姿勢に制約を課す場合、合成制御指令値を各関節角度の指令値を時間微分した値とし、第2駆動制御部122ではアーム2の関節毎の角速度の現在値が合成制御指令値となるように速度制御を行ってもよい。同様に、合成制御指令値を各関節角度の指令値の時間二階微分値として、第2駆動制御部122ではアーム2の関節毎の角加速度の現在値が合成制御指令値となるように加速度制御を行ってもよい。
When the position and orientation of the
実施の形態3.
実施の形態3では、制約付き直接教示の別の例を説明する。実施の形態3では、アーム2の速度をあるしきい値以下となるよう制限を掛けながら直接教示する場合について述べる。
図10は実施の形態3に係る直接教示装置1の構成例を示す図である。この図10に示す実施の形態3に係る直接教示装置1では、図1に示す実施の形態1に係る直接教示装置1に対し、位置姿勢制御部115の処理を不要とし、その図示を省略している。また、速度制御部116は、速度目標取得部1161及び速度制御演算部1162を有している。
Embodiment 3.
Embodiment 3 describes another example of constrained direct teaching. In the third embodiment, a case will be described in which the speed of the
FIG. 10 is a diagram showing a configuration example of the
速度目標取得部1161は、アーム2の速度に対する制約目標(拘束目標)を取得する。
A speed
速度制御演算部1162は、速度演算部113により算出された速度が速度目標取得部1161により取得された制約目標に従うアーム2の動きを算出する。
The speed
なお、実施の形態3における合成部117は、速度制御演算部1162による算出結果と、第2従動制御演算部114による従動制御指令値とを合成し、合成制御指令値を得る。この際の合成制御指令値は、アーム2の速度を制約としているので、関節毎の角速度の指令値とするのが好ましい。
また、第2駆動制御部122では、アーム2の各関節角速度の現在値が、合成制御指令値である各関節角速度の指令値となるよう、速度制御を行う。
Synthesizing
Further, the second
ここで、操作者が、入力装置によって速度の制約付き直接教示を行うモードを指示すると、切換え部119は第2駆動制御部122を使用するように関節制御部12を切換える。これにより、制約のない通常の直接教示から、アーム2の速度に制約を課した直接教示に切換えることができる。また、別途、速度監視部(不図示)を設け、速度が上限を超えそうになったら切換え部119に切換え指示を出すのでもよい。この他、画像センサを用い、アーム2が障害物に接近したら切換え部119に切換え指示を出すのでもよい。
Here, when the operator instructs a mode for performing direct teaching with a speed constraint using the input device, the
このように、実施の形態3に係る直接教示装置1では、アーム2の速度に対する制約を満たす直接教示動作を実現することができる。このように、制約がアーム2の速度のみの場合、位置姿勢制御演算部1152を必ずしも使用しなくてもよい。
As described above, the
なお、このようにアーム2の速度に制約を課す場合、合成制御指令値を各関節の角速度の指令値を時間微分した値とし、第2駆動制御部122ではアーム2の各関節の角加速度の現在値が合成制御指令値となるよう、加速度制御を行ってもよい。
When the speed of the
制約付き直接教示を実現するための関節制御部12における制御は、通常の直接教示における制御とは異なる。
The control in the
なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組合わせ、或いは各実施の形態の任意の構成要素の変形、若しくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。 In addition, within the scope of the present invention, it is possible to freely combine each embodiment, modify any component of each embodiment, or omit any component in each embodiment. be.
1 直接教示装置(ロボット制御装置)
2 アーム
3 エンコーダ
4 トルク検知部
11 メイン制御部
12 関節制御部
13 第1従動制御演算部
111 外力検知部
112 位置姿勢演算部
113 速度演算部
114 第2従動制御演算部
115 位置姿勢制御部
116 速度制御部
117 合成部
118 トルク指令値演算部
119 切換え部
121 第1駆動制御部
122 第2駆動制御部(駆動制御部)
1151 位置姿勢目標取得部
1152 位置姿勢制御演算部
1161 速度目標取得部
1162 速度制御演算部
1 Direct teaching device (robot control device)
2 Arm 3 Encoder 4
1151 Position/attitude
Claims (4)
前記アームの位置又は姿勢のうちの少なくとも一方である位置姿勢を算出する位置姿勢演算部と、
前記トルク検知部により検知されたトルクに基づいて前記アームに加えられた外力を検知する外力検知部と、
前記トルク検知部により検知されたトルクに従う前記アームの動きを算出して当該アームを駆動する第1従動制御演算部と、
前記外力検知部により検知された外力に従う前記アームの動きを算出する第2従動制御演算部と、
前記位置姿勢演算部による算出結果に基づいて前記アームの位置姿勢又は速度のうちの少なくとも一つに対する制約を満たす当該アームの動きを算出する制御部と、
前記第2従動制御演算部による算出結果と前記制御部による算出結果とを合成する合成部と、
前記合成部による合成結果に基づいて前記アームを駆動する駆動制御部と、
前記第1従動制御演算部、或いは、前記第2従動制御演算部、前記制御部、前記合成部及び前記駆動制御部のうちの一方を有効に切換える切換え部と
を備えた直接教示装置。 a torque detection unit that detects torque applied to an arm of the robot;
a position and orientation calculator that calculates a position and orientation that is at least one of a position and orientation of the arm;
an external force detection unit that detects an external force applied to the arm based on the torque detected by the torque detection unit;
a first driven control calculation unit that calculates the movement of the arm according to the torque detected by the torque detection unit and drives the arm;
a second driven control calculation unit that calculates the movement of the arm according to the external force detected by the external force detection unit;
a control unit that calculates a motion of the arm that satisfies at least one constraint on the position/posture or speed of the arm based on the result of calculation by the position/posture calculation unit;
a synthesizing unit that synthesizes the calculation result by the second driven control calculation unit and the calculation result by the control unit;
a drive control unit that drives the arm based on the result of synthesis by the synthesis unit;
A direct teaching device comprising: a switching section for effectively switching one of the first driven control calculation section, the second driven control calculation section, the control section, the synthesizing section, and the drive control section.
前記アームの位置姿勢に対する制約目標を取得する位置姿勢目標取得部と、
前記位置姿勢演算部により算出された位置姿勢が前記位置姿勢目標取得部により取得された制約目標に従う前記アームの動きを算出する位置姿勢制御演算部とを有する
ことを特徴とする請求項1記載の直接教示装置。 The control unit
a position/orientation target acquiring unit that acquires a constraint target for the position/orientation of the arm;
2. The position/posture control calculation unit according to claim 1, further comprising a position/posture control calculation unit that calculates the movement of the arm according to the constraint target obtained by the position/posture target obtaining unit. Direct teaching device.
前記制御部は、
前記アームの速度に対する制約目標を取得する速度目標取得部と、
前記速度演算部により算出された速度が前記速度目標取得部により取得された制約目標に従う前記アームの動きを算出する速度制御演算部とを有する
ことを特徴とする請求項1記載の直接教示装置。 a speed calculation unit that calculates a speed of the arm based on the position and orientation calculated by the position and orientation calculation unit;
The control unit
a speed target acquisition unit that acquires a constraint target for the speed of the arm;
2. The direct teaching device according to claim 1, further comprising a speed control calculation unit that calculates the movement of the arm according to the constraint target obtained by the speed target obtaining unit, the speed calculated by the speed calculation unit.
位置姿勢演算部が、前記アームの位置又は姿勢のうちの少なくとも一方である位置姿勢を算出するステップと、
外力検知部が、前記トルク検知部により検知されたトルクに基づいて前記アームに加えられた外力を検知するステップと、
第1従動制御演算部が、前記トルク検知部により検知されたトルクに従う前記アームの動きを算出して当該アームを駆動するステップと、
第2従動制御演算部が、前記外力検知部により検知された外力に従う前記アームの動きを算出するステップと、
制御部が、前記位置姿勢演算部による算出結果に基づいて前記アームの位置姿勢又は速度のうちの少なくとも一つに対する制約を満たす当該アームの動きを算出するステップと、
合成部が、前記第2従動制御演算部による算出結果と前記制御部による算出結果とを合成するステップと、
駆動制御部が、前記合成部による合成結果に基づいて前記アームを駆動するステップと、
切換え部が、前記第1従動制御演算部、或いは、前記第2従動制御演算部、前記制御部、前記合成部及び前記駆動制御部のうちの一方を有効に切換えるステップと
を有する直接教示方法。 a torque detection unit detecting a torque applied to an arm of the robot;
a position and orientation calculation unit calculating a position and orientation that is at least one of a position and an orientation of the arm;
an external force detection unit detecting an external force applied to the arm based on the torque detected by the torque detection unit;
a step in which the first driven control calculation unit calculates the movement of the arm according to the torque detected by the torque detection unit and drives the arm;
a second driven control calculation unit calculating the movement of the arm according to the external force detected by the external force detection unit;
a step of calculating a motion of the arm that satisfies at least one of position/orientation or speed of the arm based on the calculation result by the position/orientation calculation unit;
a combining unit combining a calculation result by the second driven control calculation unit and a calculation result by the control unit;
a drive control unit driving the arm based on the result of synthesis by the synthesis unit;
and a step in which a switching unit effectively switches one of the first driven control calculation unit, the second driven control calculation unit, the control unit, the synthesizing unit, and the drive control unit.
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