JP2594546B2 - ロボツトの仮想内部モデルに基づく制御方法 - Google Patents
ロボツトの仮想内部モデルに基づく制御方法Info
- Publication number
- JP2594546B2 JP2594546B2 JP61131298A JP13129886A JP2594546B2 JP 2594546 B2 JP2594546 B2 JP 2594546B2 JP 61131298 A JP61131298 A JP 61131298A JP 13129886 A JP13129886 A JP 13129886A JP 2594546 B2 JP2594546 B2 JP 2594546B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- robot
- internal model
- virtual
- trajectory
- virtual internal
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、一般に非線形な動特性を有するロボットの
制御方法に関し、特に作業環境との協調動作を可能にす
るロボットの仮想内部モデルに基づく制御方法に関す
る。
制御方法に関し、特に作業環境との協調動作を可能にす
るロボットの仮想内部モデルに基づく制御方法に関す
る。
［発明の背景］ 一般に、種々の工業分野で用いられるロボット（主と
してロボットアーム）は、第８図に示すように、ｎ個の
独立な関節Ｊ1,J2,----,Jnとｎ個の独立なリンクＬ1,
L2,----,Lnとから成る空間リンク機構であると等価的に
考えることができる。このようなロボットの制御は、通
常、ロボットの作業を記述するのに適した座標系即ち作
業座標系において、ロボットの先端或は先端に取り付け
られたハンド等のエンドイフェクタ（end effector）の
位置や姿勢（以下、これらを軌道という）を望ましい状
態にするような各関節Ｊ1,J2,----,Jnへの入力τ1，
τ2,----,τnをいかに定めるかという問題である。第８
図には、作業座標系の一例として直交座標系を考えた場
合を示す。
してロボットアーム）は、第８図に示すように、ｎ個の
独立な関節Ｊ1,J2,----,Jnとｎ個の独立なリンクＬ1,
L2,----,Lnとから成る空間リンク機構であると等価的に
考えることができる。このようなロボットの制御は、通
常、ロボットの作業を記述するのに適した座標系即ち作
業座標系において、ロボットの先端或は先端に取り付け
られたハンド等のエンドイフェクタ（end effector）の
位置や姿勢（以下、これらを軌道という）を望ましい状
態にするような各関節Ｊ1,J2,----,Jnへの入力τ1，
τ2,----,τnをいかに定めるかという問題である。第８
図には、作業座標系の一例として直交座標系を考えた場
合を示す。
上記の望ましいロボット先端の軌道は、作業座標ｘ1,
x2,----,xm（一般にはｍ≦ｎ）に対し、それぞれ目標軌
道ｘr1（ｔ）,xr2（ｔ）,----,xrn（ｔ）として与えら
れる。以下では、一例として独立な関節の数ｎが作業座
標の数ｍと等しい場合について説明する。
x2,----,xm（一般にはｍ≦ｎ）に対し、それぞれ目標軌
道ｘr1（ｔ）,xr2（ｔ）,----,xrn（ｔ）として与えら
れる。以下では、一例として独立な関節の数ｎが作業座
標の数ｍと等しい場合について説明する。
まず、ロボットの各関節への入力τ1，τ2,----,τn
を入力ベクトル で表わし、各関節での隣接するリンクの相対変位θ1，
θ2,----,θnを関節座標ベクトル で表わす。ここで、関節Ｊiが回転関節の場合には、τi
は関節Ｊiへの入力トルク、θiは回転角であり、関節Ｊ
iが直動関節の場合には、τiは関節Ｊiに加える力であ
る。
を入力ベクトル で表わし、各関節での隣接するリンクの相対変位θ1，
θ2,----,θnを関節座標ベクトル で表わす。ここで、関節Ｊiが回転関節の場合には、τi
は関節Ｊiへの入力トルク、θiは回転角であり、関節Ｊ
iが直動関節の場合には、τiは関節Ｊiに加える力であ
る。
上記のベクトル記号を用いると、ロボットの動特性
は、例えば τ＝Ｍ（θ）＋ｆ（θ，）＋τF （１） と表わすことができる。ここで、Ｍ（θ）はｎ×ｎ行列
でθの関数、ｆ（θ，）はｎ次のベクトルでθとの
関数、τFはロボットが作業環境等から受ける外力Ｆの
影響を表わすｎ次のベクトルである。
は、例えば τ＝Ｍ（θ）＋ｆ（θ，）＋τF （１） と表わすことができる。ここで、Ｍ（θ）はｎ×ｎ行列
でθの関数、ｆ（θ，）はｎ次のベクトルでθとの
関数、τFはロボットが作業環境等から受ける外力Ｆの
影響を表わすｎ次のベクトルである。
次に、作業座標ｘ1,x2,----,xnを作業座標ベクトル で表わすと、この作業座標ベクトルｘと関節座標ベクト
ルθとの関係は、一般に ｘ＝Ｔ（θ） （２） と表わされる。このＴ（θ）はθに関する非線形な関数
であるが、直交座標形ロボットのように作業座標が関節
座標と一致する場合、或は制御システムの構成を簡単に
するために直接関節座標系で目標軌道を与えたい場合に
は、 Ｔ（θ）＝θ である。
ルθとの関係は、一般に ｘ＝Ｔ（θ） （２） と表わされる。このＴ（θ）はθに関する非線形な関数
であるが、直交座標形ロボットのように作業座標が関節
座標と一致する場合、或は制御システムの構成を簡単に
するために直接関節座標系で目標軌道を与えたい場合に
は、 Ｔ（θ）＝θ である。
上記（２）式を時間ｔについて微分すると、 ＝Ｊ （３） ＝＋Ｊ （４） となる。ここで、Ｊは で定義されるｎ×ｎ行列でヤコビ行列と呼ばれ、θの関
数であって、θが与えられれば計算できるものである。
通常、ロボットの作業空間内ではヤコビ行列の逆行列Ｊ
-1が存在するから、（３），（４）式はそれぞれ ＝Ｊ-1 （５） ＝Ｊ-1（−） （６） と変形できる。従って、作業座標系でのロボットの軌道
の望ましい加速度が与えられれば、その時の関節座標
θとその速度を用いて関節座標での望ましい加速度
を計算することができる。そして、この望ましい加速度
が関節で発生するような入力ベクトルτは、例えばロ
ボットの動特性を表わす式（１）を用いて計算できる。
数であって、θが与えられれば計算できるものである。
通常、ロボットの作業空間内ではヤコビ行列の逆行列Ｊ
-1が存在するから、（３），（４）式はそれぞれ ＝Ｊ-1 （５） ＝Ｊ-1（−） （６） と変形できる。従って、作業座標系でのロボットの軌道
の望ましい加速度が与えられれば、その時の関節座標
θとその速度を用いて関節座標での望ましい加速度
を計算することができる。そして、この望ましい加速度
が関節で発生するような入力ベクトルτは、例えばロ
ボットの動特性を表わす式（１）を用いて計算できる。
かくして、ロボットを作業座標系で制御する問題は、
作業座標系での加速度をどのように求めるかという問
題になる。
作業座標系での加速度をどのように求めるかという問
題になる。
これに対し、ロボット制御技術では、目標軌道は時間
の関数ｘr（ｔ）として与えられる場合と、ステップ状
に与えられる場合とがあり、後者の方が容易である故に
多く用いられているが、より的確な制御を行なうために
は、目標軌道は時間の関数として与えられるのが望まし
い。
の関数ｘr（ｔ）として与えられる場合と、ステップ状
に与えられる場合とがあり、後者の方が容易である故に
多く用いられているが、より的確な制御を行なうために
は、目標軌道は時間の関数として与えられるのが望まし
い。
そこで、前者の場合を考えると、ロボットの目標軌道
ｘr（ｔ）は通常、時間に関して充分に滑らかで２階微
分可能であると考えることができる。これは、前掲の式
（１）で表わされるような動特性を有するロボットに対
して必要な条件である。このような条件下で、目標軌道
ｘr（ｔ）は、次のようなモデルの状態ｘm（ｔ）で表わ
される。
ｘr（ｔ）は通常、時間に関して充分に滑らかで２階微
分可能であると考えることができる。これは、前掲の式
（１）で表わされるような動特性を有するロボットに対
して必要な条件である。このような条件下で、目標軌道
ｘr（ｔ）は、次のようなモデルの状態ｘm（ｔ）で表わ
される。
ｕm＝r,xm（０）＝ｘr（０）およびm（０）＝
r（０） 但し、ｘm,umはｎ次元のベクトルであり、Ｉnはｎ×
ｎ単位行列を表わす。
r（０） 但し、ｘm,umはｎ次元のベクトルであり、Ｉnはｎ×
ｎ単位行列を表わす。
一方、上述のようにロボットの制御は加速度を求め
ることであり、これは なるシステムへの入力ｕを求める問題と考えることがで
きる。ｕはｎ次元のベクトルである。
ることであり、これは なるシステムへの入力ｕを求める問題と考えることがで
きる。ｕはｎ次元のベクトルである。
［従来の技術］ 上記のようなロボットの制御方法としては、例えば
（７）式で表わされるモデルにロボットを追従させる方
法が提案されており（K.Furuta,K.Kosuge and M.Yamaki
ta,“Trajectory Tracking Control of Robot Arms Usi
ng ORBIX",Journal of Robotic Systems,Vol.2,No.1,P
P.89-112,1985参照）、それを図示すると第９図のよう
になる。図において、１は（７）式で表わされるモデル
に基づいて演算するモデル演算部、２は後述のサーボコ
ントローラ、３は（８）式で表わされるロボット（非線
形補償器、アクチュエータ等を含む）である。モデル演
算部１には、入力として目標軌道ｘr（ｔ）が与えら
れ、ロボット３は、入力ｕ＝が与えられると軌道ｘを
実現する。
（７）式で表わされるモデルにロボットを追従させる方
法が提案されており（K.Furuta,K.Kosuge and M.Yamaki
ta,“Trajectory Tracking Control of Robot Arms Usi
ng ORBIX",Journal of Robotic Systems,Vol.2,No.1,P
P.89-112,1985参照）、それを図示すると第９図のよう
になる。図において、１は（７）式で表わされるモデル
に基づいて演算するモデル演算部、２は後述のサーボコ
ントローラ、３は（８）式で表わされるロボット（非線
形補償器、アクチュエータ等を含む）である。モデル演
算部１には、入力として目標軌道ｘr（ｔ）が与えら
れ、ロボット３は、入力ｕ＝が与えられると軌道ｘを
実現する。
この制御方法によれば、ロボットの実際の軌道（実軌
道）ｘ（ｔ）とモデルｘm（ｔ）との誤差 ｅ（ｔ）＝ｘ（ｔ）−ｘm（ｔ） （９） を考え、目標軌道ｘr（ｔ）と実軌道ｘ（ｔ）との誤差
を零にするために、（９）式のｅ（ｔ）を零にするよう
な制御則を設定する。
道）ｘ（ｔ）とモデルｘm（ｔ）との誤差 ｅ（ｔ）＝ｘ（ｔ）−ｘm（ｔ） （９） を考え、目標軌道ｘr（ｔ）と実軌道ｘ（ｔ）との誤差
を零にするために、（９）式のｅ（ｔ）を零にするよう
な制御則を設定する。
すなわち、（９）式のｅ（ｔ）については、（７）お
よび（８）式から と表わされるので、ｅ（ｔ）を零にするためには、（1
0）式を安定化するような制御則を求めることになる。
よび（８）式から と表わされるので、ｅ（ｔ）を零にするためには、（1
0）式を安定化するような制御則を求めることになる。
ところが、実際のロボットでは、望ましい加速度が
与えられた場合、それを実現するようなアクチュエータ
への入力τを（６）式および（１）式を用いて計算して
も、（１）式で表わされるロボットのパラメータには誤
差や外乱等が存在するため、入力τを正確に求めること
ができない。そこで、ロボットのアクチュエータへの入
力τの不正確さの影響を低減するように構成されたサー
ボコントローラ２が用いられる。
与えられた場合、それを実現するようなアクチュエータ
への入力τを（６）式および（１）式を用いて計算して
も、（１）式で表わされるロボットのパラメータには誤
差や外乱等が存在するため、入力τを正確に求めること
ができない。そこで、ロボットのアクチュエータへの入
力τの不正確さの影響を低減するように構成されたサー
ボコントローラ２が用いられる。
すなわち、モデル演算部１では、与えられた目標軌道
ｘr（ｔ）から（７）式の状態ｘm（ｔ）＝ｘr（ｔ）お
よびm（ｔ）＝r（ｔ）と、（７）式の入力ｕm＝r
（ｔ）とを計算し、サーボコントローラ２において、ロ
ボット３の実軌道ｘ（ｔ）およびその速度（ｔ）とモ
デルの状態ｘm（ｔ）およびm（ｔ）から両者の差ｅ
（ｔ）および（ｔ）を計算し、これらに基づいて（1
0）式を安定化するｕ*を求め、ｕ＝ｕm＋ｕ*をロボット
３に入力する。ｕは、例えば次式で求められる。
ｘr（ｔ）から（７）式の状態ｘm（ｔ）＝ｘr（ｔ）お
よびm（ｔ）＝r（ｔ）と、（７）式の入力ｕm＝r
（ｔ）とを計算し、サーボコントローラ２において、ロ
ボット３の実軌道ｘ（ｔ）およびその速度（ｔ）とモ
デルの状態ｘm（ｔ）およびm（ｔ）から両者の差ｅ
（ｔ）および（ｔ）を計算し、これらに基づいて（1
0）式を安定化するｕ*を求め、ｕ＝ｕm＋ｕ*をロボット
３に入力する。ｕは、例えば次式で求められる。
［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、上記のような従来のロボット制御方法
にあっては、いかなる状況においても、ロボットの軌道
ｘ（ｔ）は最初にプログラムされた目標軌道ｘr（ｔ）
に追従するように制御される。このため、例えばロボッ
トの動作中その目標軌道上に予期しない障害物が現われ
た場合、それをロボットに取り付けたセンサ等で検出で
きたとしても、障害物を回避するには目標軌道そのもの
をリアルタイムで変更しなければならず、回避動作を迅
速に行なうことが非常に困難である。また、より高度な
動作を行なわせたい場合は、センサ等で各種の情報を収
集し、それに基づいてロボットを制御することが必要と
なるが、従来の制御方法では、リアルタイムで利用でき
るセンサ情報は、ロボットの実軌道と目標軌道との誤差
の検出等の限られたものしかなく、作業内容や環境の変
化に的確に対応した動作をロボットに行なわせることは
殆ど不可能であった。
にあっては、いかなる状況においても、ロボットの軌道
ｘ（ｔ）は最初にプログラムされた目標軌道ｘr（ｔ）
に追従するように制御される。このため、例えばロボッ
トの動作中その目標軌道上に予期しない障害物が現われ
た場合、それをロボットに取り付けたセンサ等で検出で
きたとしても、障害物を回避するには目標軌道そのもの
をリアルタイムで変更しなければならず、回避動作を迅
速に行なうことが非常に困難である。また、より高度な
動作を行なわせたい場合は、センサ等で各種の情報を収
集し、それに基づいてロボットを制御することが必要と
なるが、従来の制御方法では、リアルタイムで利用でき
るセンサ情報は、ロボットの実軌道と目標軌道との誤差
の検出等の限られたものしかなく、作業内容や環境の変
化に的確に対応した動作をロボットに行なわせることは
殆ど不可能であった。
［問題点を解決するための手段］ 本発明は、このような問題点を解決するため、ロボッ
トの目標軌道だけでなく、予めわかっているロボットの
作業環境やセンサ等で検出した作業環境その他の外部情
報をも入力とし、与えられた外部情報に応じて前記目標
軌道を修正した適正な目標軌道を出力とするように定め
た仮想内部モデルに基づき、目標軌道ｘrを修正した仮
想目標軌道ｘmを、目標軌道ｘrの加速度rと、センサ
により与えられる外部情報ｕs，目標軌道からの軌道修
正量ｅd及びその時間微分dの関数ｈとの和ｕmを用い
て演算し、ロボットの実軌道がその仮想目標軌道に追従
するように当該ロボットの操作量を決定すことを特徴と
する。
トの目標軌道だけでなく、予めわかっているロボットの
作業環境やセンサ等で検出した作業環境その他の外部情
報をも入力とし、与えられた外部情報に応じて前記目標
軌道を修正した適正な目標軌道を出力とするように定め
た仮想内部モデルに基づき、目標軌道ｘrを修正した仮
想目標軌道ｘmを、目標軌道ｘrの加速度rと、センサ
により与えられる外部情報ｕs，目標軌道からの軌道修
正量ｅd及びその時間微分dの関数ｈとの和ｕmを用い
て演算し、ロボットの実軌道がその仮想目標軌道に追従
するように当該ロボットの操作量を決定すことを特徴と
する。
以下、図面を参照して説明する。
第１図は本発明のロボット制御方法の一例を示す図
で、図において、11は後述の仮想内部モデルに基づいて
演算する仮想内部モデル演算部、12はサーボコントロー
ラ、13は前記の（８）式で表わされるロボットであり、
仮想内部モデル演算部11には入力として、目標軌道ｘr
のほか、例えばロボット13に取り付けたセンサ等で検出
した作業環境等の外部情報ｕsが与えられる。
で、図において、11は後述の仮想内部モデルに基づいて
演算する仮想内部モデル演算部、12はサーボコントロー
ラ、13は前記の（８）式で表わされるロボットであり、
仮想内部モデル演算部11には入力として、目標軌道ｘr
のほか、例えばロボット13に取り付けたセンサ等で検出
した作業環境等の外部情報ｕsが与えられる。
この制御方法によれば、外部情報ｕsが与えられたと
き、最初に与えた目標軌道ｘrを変更することなく、ロ
ボットの実軌道ｘが目標軌道ｘrから必要に応じて自動
的に修正されるようにするため、ロボットの実軌道ｘ
（ｔ）と目標軌道ｘr（ｔ）との誤差ｅ（ｔ）が、例え
ば次式で表わされる軌道誤差モデルに従って生ずるよう
にする。d ＝ｈ（ｅd，d,us,x） （12） ここで、 ｅd（ｔ）＝ｘm（ｔ）−ｘr（ｔ） （13） であり、これは目標軌道からの修正量を示す。ｘmは修
正された軌道である。
き、最初に与えた目標軌道ｘrを変更することなく、ロ
ボットの実軌道ｘが目標軌道ｘrから必要に応じて自動
的に修正されるようにするため、ロボットの実軌道ｘ
（ｔ）と目標軌道ｘr（ｔ）との誤差ｅ（ｔ）が、例え
ば次式で表わされる軌道誤差モデルに従って生ずるよう
にする。d ＝ｈ（ｅd，d,us,x） （12） ここで、 ｅd（ｔ）＝ｘm（ｔ）−ｘr（ｔ） （13） であり、これは目標軌道からの修正量を示す。ｘmは修
正された軌道である。
また、ｕsは外部情報を表わす任意の次元のベクト
ル、ｈは外部情報に対するロボットの望ましい動作を記
述する関数である。
ル、ｈは外部情報に対するロボットの望ましい動作を記
述する関数である。
上記の誤差ｅ（ｔ）が、式（13）で表わされるｅ
d（ｔ）に追従するように制御するには、等価的には従
来のモデルを示す前記（７）式において、 ｕm（ｔ）＝r（ｔ）＋d（ｔ） （14） とすればよい。
d（ｔ）に追従するように制御するには、等価的には従
来のモデルを示す前記（７）式において、 ｕm（ｔ）＝r（ｔ）＋d（ｔ） （14） とすればよい。
すなわち、外部情報ｕsに対し、 ｕm＝r＋ｈ（ｅd，d,us,x） （15） なる仮想内部モデルを考え、ロボットの実軌道ｘがこれ
ら（７）および（15）式で表わされる仮想内部モデルの
状態ｘmに追従するように制御系を構成すればよい。第
１図は、このような制御系を示している。
ら（７）および（15）式で表わされる仮想内部モデルの
状態ｘmに追従するように制御系を構成すればよい。第
１図は、このような制御系を示している。
第１図の制御系において、サーボコントローラ12は、
ロボット13の実軌道ｘを仮想内部モデル演算部11の出力
ｘmに追従させるための手段であり、例えば（11）式で
表わされる演算を行なうように構成される。
ロボット13の実軌道ｘを仮想内部モデル演算部11の出力
ｘmに追従させるための手段であり、例えば（11）式で
表わされる演算を行なうように構成される。
また、仮想内部モデル演算部11からサーボコントロー
ラ12への指令14は、仮想内部モデルの出力ｘmだけでな
く、場合によっては仮想内部モデルのすべての状態や入
力（m、ｕm等）をも含み、ロボットの実軌道ｘが仮想
内部モデルの出力ｘmに遅れることなく追従するように
サーボコントローラ12を構成する。
ラ12への指令14は、仮想内部モデルの出力ｘmだけでな
く、場合によっては仮想内部モデルのすべての状態や入
力（m、ｕm等）をも含み、ロボットの実軌道ｘが仮想
内部モデルの出力ｘmに遅れることなく追従するように
サーボコントローラ12を構成する。
なお、仮想内部モデルの演算にはロボットの実軌道ｘ
は必ずしも必要でなく、第２図はロボットの実軌道ｘが
必要でない場合の制御系を示す。
は必ずしも必要でなく、第２図はロボットの実軌道ｘが
必要でない場合の制御系を示す。
次に第３図は、第１図の制御系において外部情報ｕs
が、例えばロボット13に取り付けたセンサ21から得られ
る場合を示す。センサ21としては、下記の実施例のよう
に、ロボットに加えられた外力を検出する力センサ、或
はロボットと障害物等の外部物体との距離又はその距離
に関する情報を検出する距離センサ等が使用される。
が、例えばロボット13に取り付けたセンサ21から得られ
る場合を示す。センサ21としては、下記の実施例のよう
に、ロボットに加えられた外力を検出する力センサ、或
はロボットと障害物等の外部物体との距離又はその距離
に関する情報を検出する距離センサ等が使用される。
第４図は、上記の（７）式および（15）式で表わされ
る仮想内部モデル演算部11と（11）式で表わされるサー
ボコントローラ12とで構成されるロボット制御系をブロ
ック線図で示したものである。
る仮想内部モデル演算部11と（11）式で表わされるサー
ボコントローラ12とで構成されるロボット制御系をブロ
ック線図で示したものである。
［実施例］ 第５図に示すロボットを用いて、本発明の仮想内部モ
デルに基づく制御方法を実施した。
デルに基づく制御方法を実施した。
図示のロボットは、アーム31の先端に力センサ32を取
り付けたものであり、ロボット本体は山武ハネウエル株
式会社製AR1−Ｐ、力センサは日立建機株式会社製LSA60
10である。制御には、図中33および34で示す直交座標系
（ｘ1,x2,x3）を作業座標系として用いた。また、実験
はロボットの６自由度のうち３自由度のみを用いて行な
い、作業座標系内でロボットの先端の位置だけを制御し
た。
り付けたものであり、ロボット本体は山武ハネウエル株
式会社製AR1−Ｐ、力センサは日立建機株式会社製LSA60
10である。制御には、図中33および34で示す直交座標系
（ｘ1,x2,x3）を作業座標系として用いた。また、実験
はロボットの６自由度のうち３自由度のみを用いて行な
い、作業座標系内でロボットの先端の位置だけを制御し
た。
前述の式（12）で表わされる軌道誤差モデルは、d （ｔ）＝−Ｍm -1Ｄm d−Ｍm -1Ｋmｅd＋Ｍm -1ｆe（1
6） とした。ここで、ｆeは力センサ32によって検出される
外力であり、Ｍm,Dm,Kmはそれぞれ３×３のパラメータ
行列で、次のように表わされるものである。
6） とした。ここで、ｆeは力センサ32によって検出される
外力であり、Ｍm,Dm,Kmはそれぞれ３×３のパラメータ
行列で、次のように表わされるものである。
但し、ｍi＞0,di≧0,ki≧０ （ｉ＝1,2,3） 上記（16）式を書き換えると、 Ｍm d＋Ｄm d＋Ｋmｅd＝ｆe （17） となり、これは、誤差ベクトルｅdの要素（軌道誤差）
ｅdiがそれぞれ外力に対する質量ｍi、ダンパｄiおよび
バネ定数ｋiから成る機械系の出力として生成されるこ
とを意味する。
ｅdiがそれぞれ外力に対する質量ｍi、ダンパｄiおよび
バネ定数ｋiから成る機械系の出力として生成されるこ
とを意味する。
実施した制御方法は、第３図において、センサ21を外
力ｆeを検出する力センサとし、サーボコントローラ12
では（11）式を用いた。そして、（17）式で表わされる
機械系の質量ｍ1＝10kg,m2 -1＝ｍ3 -1＝0,ダンパｄ1＝60
kg/sec,バネ定数ｋ1＝40N/mとし、第６図（Ｂ）に示す
ような外力ｆeを加えたところ、第６図（Ａ）に示すよ
うな変位ｘ1の応答が得られた。
力ｆeを検出する力センサとし、サーボコントローラ12
では（11）式を用いた。そして、（17）式で表わされる
機械系の質量ｍ1＝10kg,m2 -1＝ｍ3 -1＝0,ダンパｄ1＝60
kg/sec,バネ定数ｋ1＝40N/mとし、第６図（Ｂ）に示す
ような外力ｆeを加えたところ、第６図（Ａ）に示すよ
うな変位ｘ1の応答が得られた。
なお、ｍ2 -1＝ｍ3 -1＝０は、質量ｍ2およびｍ3が無限
大であることを意味し、ｘ2およびｘ3方向には外力ｆe
が入っても動かないように制御したものである。
大であることを意味し、ｘ2およびｘ3方向には外力ｆe
が入っても動かないように制御したものである。
上記の実験結果（第６図）から、ロボットに加えられ
た外力ｆeに応じてロボットの目標軌道ｘrを自動的に修
正し、これにより、ロボットが作業環境又は操作してい
る物体に加える力を調節して作業環境や操作物体の破壊
等を防止し、ロボットと作業環境等との協調作業を可能
にする制御系が得られることが実証された。
た外力ｆeに応じてロボットの目標軌道ｘrを自動的に修
正し、これにより、ロボットが作業環境又は操作してい
る物体に加える力を調節して作業環境や操作物体の破壊
等を防止し、ロボットと作業環境等との協調作業を可能
にする制御系が得られることが実証された。
ところで、この実施例では、式（16）または（17）で
表わされる軌道誤差モデルのパラメータは一定である
が、本発明による仮想内部モデルは、外部情報ｕs、ロ
ボットの実軌道ｘ、或は外部からの指令等に応じて変更
することも可能である。例えば、上記モデルのパラメー
タｋiを とすれば、ロボットのｘi方向に加わる外力eiの大き
さがｆimaxを越えないように、ロボットの軌道を自動的
に修正することができる。
表わされる軌道誤差モデルのパラメータは一定である
が、本発明による仮想内部モデルは、外部情報ｕs、ロ
ボットの実軌道ｘ、或は外部からの指令等に応じて変更
することも可能である。例えば、上記モデルのパラメー
タｋiを とすれば、ロボットのｘi方向に加わる外力eiの大き
さがｆimaxを越えないように、ロボットの軌道を自動的
に修正することができる。
更にもう１つの実施例として、第３図のセンサ21に距
離センサ等を使用し、各作業座標ｘi方向における障害
物とロボットとの間の距離情報を検出し、仮想内部モデ
ルへの入力とすることで障害物を回避する方法を示す。
離センサ等を使用し、各作業座標ｘi方向における障害
物とロボットとの間の距離情報を検出し、仮想内部モデ
ルへの入力とすることで障害物を回避する方法を示す。
この場合、式（12）で表わされる軌道誤差モデルは、d （ｔ）＝−Ａ1 d−Ａ2ｅd＋Bus （19） とすることができる。このとき、ｕsは距離センサ等か
らの障害物に関する情報で、一般にはｎ次のベクトルで
表わされ、その各要素ｕsiは、例えば、作業座標の各要
素ｘi方向におけるロボットと障害物との距離の逆数等
である。これらの要素ｕsiは、通常ロボットが障害物か
ら十分離れている時には零とし、ある程度近づいて回避
動作が必要な時に値を持つものとする。また、Ａ1およ
びＡ2は、例えば対角行列とし、Ｂは とすれば、どの方向の障害物に対しても、その方向とｘ
i方向に回避動作を行なわせることができる。
らの障害物に関する情報で、一般にはｎ次のベクトルで
表わされ、その各要素ｕsiは、例えば、作業座標の各要
素ｘi方向におけるロボットと障害物との距離の逆数等
である。これらの要素ｕsiは、通常ロボットが障害物か
ら十分離れている時には零とし、ある程度近づいて回避
動作が必要な時に値を持つものとする。また、Ａ1およ
びＡ2は、例えば対角行列とし、Ｂは とすれば、どの方向の障害物に対しても、その方向とｘ
i方向に回避動作を行なわせることができる。
以上、第１図から第３図に示された本発明の制御方法
によれば、外部情報ｕsに応じてロボット13の実軌道ｘ
と目標軌道ｘrとの誤差ｅ（ｔ）が（12）式に従って生
ずるような仮想内部モデルを含む制御系を構成すること
により、（１）式で表わされるロボットのパラメータが
多少変動したりロボットに外乱が加えられたりしても、
その影響を最小にするようにサーボコントローラ12を設
計することができる。
によれば、外部情報ｕsに応じてロボット13の実軌道ｘ
と目標軌道ｘrとの誤差ｅ（ｔ）が（12）式に従って生
ずるような仮想内部モデルを含む制御系を構成すること
により、（１）式で表わされるロボットのパラメータが
多少変動したりロボットに外乱が加えられたりしても、
その影響を最小にするようにサーボコントローラ12を設
計することができる。
しかしながら、ロボットの制御において、精度があま
り要求されない場合、或はロボットのパラメータが正確
にわかっている場合には、第７図に示すように、上記の
仮想内部モデルを陽に含まない制御系を構成することも
可能である。この場合は、ロボットの実軌道ｘと目標軌
道ｘrとの誤差ｅ（ｔ）を用いて、ロボット（８）式へ
の入力ｕを ｕ＝r＋ｈ（e,,us,x） （20） とすれば、（８）式と（20）式により、制御系は（７）
式と（15）式で表わされる仮想内部モデルそのものにな
り、外部情報ｕsに対して望ましい応答を実現できる。
還元すれば、第１図〜第３図の場合のように特別な仮想
内部モデル演算部11を設ける代わりに、（８）式と（2
0）式で表わされるように、サーボコントローラ22とロ
ボット23で（７）式および（15）式の仮想内部モデルに
基づく演算を行なうような制御系を構成することができ
る。
り要求されない場合、或はロボットのパラメータが正確
にわかっている場合には、第７図に示すように、上記の
仮想内部モデルを陽に含まない制御系を構成することも
可能である。この場合は、ロボットの実軌道ｘと目標軌
道ｘrとの誤差ｅ（ｔ）を用いて、ロボット（８）式へ
の入力ｕを ｕ＝r＋ｈ（e,,us,x） （20） とすれば、（８）式と（20）式により、制御系は（７）
式と（15）式で表わされる仮想内部モデルそのものにな
り、外部情報ｕsに対して望ましい応答を実現できる。
還元すれば、第１図〜第３図の場合のように特別な仮想
内部モデル演算部11を設ける代わりに、（８）式と（2
0）式で表わされるように、サーボコントローラ22とロ
ボット23で（７）式および（15）式の仮想内部モデルに
基づく演算を行なうような制御系を構成することができ
る。
このような制御系の構成は、第１図〜第３図に示すよ
うに仮想内部モデルを陽に含む場合より簡単になるの
で、精度があまり要求されない場合には有効である。
うに仮想内部モデルを陽に含む場合より簡単になるの
で、精度があまり要求されない場合には有効である。
［発明の効果］ 以上のように、本発明によれば、ロボットの目標軌道
だけでなく作業環境などの外部情報をも入力とし、与え
られた外部情報に応じて目標軌道を出力とするように定
めた仮想内部モデルに基づいて仮想目標軌道を演算し、
ロボットの実軌道がその仮想目標軌道に追従するように
当該ロボットの操作量を決定するので、ロボットに加え
られた外力などの外部情報に応じて決定される操作量に
よりロボットの軌道を自動的にリアルタイムで修正し、
障害物等を迅速かつ円滑に回避できると共に、作業内容
や環境の変化にリアルタイムで対応するロボットの動作
を実現することができる。
だけでなく作業環境などの外部情報をも入力とし、与え
られた外部情報に応じて目標軌道を出力とするように定
めた仮想内部モデルに基づいて仮想目標軌道を演算し、
ロボットの実軌道がその仮想目標軌道に追従するように
当該ロボットの操作量を決定するので、ロボットに加え
られた外力などの外部情報に応じて決定される操作量に
よりロボットの軌道を自動的にリアルタイムで修正し、
障害物等を迅速かつ円滑に回避できると共に、作業内容
や環境の変化にリアルタイムで対応するロボットの動作
を実現することができる。
第１図、第２図および第３図はそれぞれ本発明のロボッ
ト制御方法の例を示す図、 第４図は本発明の制御方法を実施する制御系の構成例を
示すブロック線図、 第５図は本発明によって制御されるロボットの具体例を
示す図、 第６図は第５図のロボットを用いて行なった本発明の実
験結果を示す図、 第７図は本発明の仮想内部モデルを陽に含まない制御系
を示す図、 第８図は一般的なロボットアームの関節座標と作業座標
を示す模式図、 第９図は従来のモデル追従ロボット制御系を示す図であ
る。 11……仮想内部モデル演算部、12……サーボコントロー
ラ、13……ロボット、14……指令、21……センサ、31…
…ロボット本体、32……力センサ、33,34……直交座標
系。
ト制御方法の例を示す図、 第４図は本発明の制御方法を実施する制御系の構成例を
示すブロック線図、 第５図は本発明によって制御されるロボットの具体例を
示す図、 第６図は第５図のロボットを用いて行なった本発明の実
験結果を示す図、 第７図は本発明の仮想内部モデルを陽に含まない制御系
を示す図、 第８図は一般的なロボットアームの関節座標と作業座標
を示す模式図、 第９図は従来のモデル追従ロボット制御系を示す図であ
る。 11……仮想内部モデル演算部、12……サーボコントロー
ラ、13……ロボット、14……指令、21……センサ、31…
…ロボット本体、32……力センサ、33,34……直交座標
系。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (73)特許権者 999999999 株式会社不二越 富山県富山市石金20番地 (72)発明者 古田 勝久 東京都練馬区南大泉４−44−15 (72)発明者 小菅 一弘 横浜市港南区日野南３−７−６−303 (56)参考文献 特開 昭60−218111（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−218112（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−66705（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−160403（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−4967（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−158712（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−81092（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−208612（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−183408（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−3010（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−103106（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−7905（ＪＰ，Ａ)
Claims (4)
- 【請求項１】ロボットを制御するための目標軌道ｘrと
ロボットの作業環境等に関する外部情報ｕsとを入力し
たとき、次式で定義される仮想内部モデルに基づき、前
記目標軌道ｘrを修正した仮想目標軌道ｘmを、前記目標
軌道ｘrの加速度rと、センサにより与えられる外部情
報ｕs，前記目標軌道からの軌道修正量ｅd及びその時間
微分dの関数ｈとの和ｕmを用いて演算し、前記ロボッ
トの実軌道ｘが前記仮想目標軌道ｘmに追従するように
当該ロボットの操作量ｕを決定することを特徴とする、
ロボットの仮想内部モデルに基づく制御方法。 但し、ｕm＝r＋ｈ（ｅd，d,us） ｈは外部情報に対するロボットの望ましい動作を記述す
る関数、 Ｉnはｎ×ｎ単位行列。 - 【請求項２】前記関数ｈを定めるパラメータを、前記外
部情報ｕs又はロボットの実軌道ｘの値に応じて可変と
することにより、前記仮想内部モデルを変更可能にした
ことを特徴とする、特許請求の範囲第１項記載のロボッ
トの仮想内部モデルに基づく制御方法。 - 【請求項３】前記外部情報ｕsは力センサによって検出
される外力であり、前記仮想内部モデルは、ロボットに
加えられる外力に応じて修正した仮想目標軌道ｘmを演
算するように定められている、特許請求の範囲第１項又
は第２項記載のロボットの仮想内部モデルに基づく制御
方法。 - 【請求項４】前記外部情報ｕsは距離センサによって検
出されるロボットと障害物との距離又はその距離に関す
る情報であり、前記仮想内部モデルは、前記距離又は情
報に応じてロボットと障害物との衝突を回避する修正し
た仮想目標軌道ｘmを演算するように定められている、
特許請求の範囲第１項又は第２項記載のロボットの仮想
内部モデルに基づく制御方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61131298A JP2594546B2 (ja) | 1986-06-06 | 1986-06-06 | ロボツトの仮想内部モデルに基づく制御方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61131298A JP2594546B2 (ja) | 1986-06-06 | 1986-06-06 | ロボツトの仮想内部モデルに基づく制御方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62287301A JPS62287301A (ja) | 1987-12-14 |
| JP2594546B2 true JP2594546B2 (ja) | 1997-03-26 |
Family
ID=15054696
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61131298A Expired - Lifetime JP2594546B2 (ja) | 1986-06-06 | 1986-06-06 | ロボツトの仮想内部モデルに基づく制御方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2594546B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005316937A (ja) * | 2004-04-02 | 2005-11-10 | Yaskawa Electric Corp | 制御装置およびその制御方法 |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111240333A (zh) * | 2020-01-18 | 2020-06-05 | 湖南科技大学 | 一种复杂非凸环境下群机器人协同作业的多目标围捕方法 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4502109A (en) * | 1982-09-14 | 1985-02-26 | Vickers, Incorporated | Apparatus for estimating plural system variables based upon a single measured system variable and a mathematical system model |
| JPS60218111A (ja) * | 1984-04-13 | 1985-10-31 | Mitsubishi Electric Corp | ロボツト制御方式 |
| JPS60218112A (ja) * | 1984-04-13 | 1985-10-31 | Mitsubishi Electric Corp | ロボツト制御方式 |
-
1986
- 1986-06-06 JP JP61131298A patent/JP2594546B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005316937A (ja) * | 2004-04-02 | 2005-11-10 | Yaskawa Electric Corp | 制御装置およびその制御方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS62287301A (ja) | 1987-12-14 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3207728B2 (ja) | 冗長マニピュレータの制御方法 | |
| US4680519A (en) | Recursive methods for world-to-joint transformation for a robot manipulator | |
| Seraji et al. | Real-time collision avoidance for position-controlled manipulators | |
| US5499320A (en) | Extended task space control for robotic manipulators | |
| EP0519081B1 (en) | Method of correcting deflection of robot | |
| EP0364057B1 (en) | Profiling control system for given curved surface | |
| JPH0740204B2 (ja) | 多自由度非線形機械システムの制御装置 | |
| US20060253223A1 (en) | Robotic trajectories using behavior superposition | |
| JP2566665B2 (ja) | 慣性系におけるロボットの制御装置 | |
| JPH0720941A (ja) | 作業座標上で柔らかさを指定可能な柔軟なサーボ制御方法 | |
| Tachi et al. | Impedance control of a direct-drive manipulator without using force sensors | |
| JPH05143161A (ja) | 位置および力を制御するハイブリツドシステム | |
| JP2594546B2 (ja) | ロボツトの仮想内部モデルに基づく制御方法 | |
| JPH05111889A (ja) | 制御方式可変型ロボツト制御方式 | |
| JPH02205489A (ja) | マニピュレータのインピーダンス制御方式 | |
| JPH06332535A (ja) | ロボットの制御装置 | |
| JP2656180B2 (ja) | ツール先端位置調整方法 | |
| CN113474130A (zh) | 利用机器人执行预先设定的任务的方法和系统 | |
| JPS61163406A (ja) | ロボツト制御装置 | |
| US20240116178A1 (en) | Predictive control method for torque-rate control and vibration suppression | |
| JPS6148003A (ja) | 多関節形ロボツトの制御装置 | |
| JP2628846B2 (ja) | 産業用ロボットの制御方法およびその装置 | |
| JPS61217802A (ja) | ロボツト制御装置 | |
| Lizarralde et al. | Adaptive visual servoing of robot manipulators without measuring the image velocity | |
| JPH0343171A (ja) | 多関節ロボット制御装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| EXPY | Cancellation because of completion of term | ||
| S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531 |
|
| R370 | Written measure of declining of transfer procedure |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R370 |