JP2604929B2

JP2604929B2 - ロボットの制御装置

Info

Publication number: JP2604929B2
Application number: JP31881191A
Authority: JP
Inventors: 良知塩手; 浩之吉田
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 1991-12-03
Filing date: 1991-12-03
Publication date: 1997-04-30
Anticipated expiration: 2012-04-30
Also published as: JPH05158514A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ロボットの制御装置に
関し、特に、複数の自由度を有するロボットの制御装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】ロボットによりワークの加工作業や組立
作業を行う場合には、ロボットの作動位置をその作動方
向を含めてあらかじめ定めた指令位置に精度よく倣わせ
るように位置制御することが基本となることはもちろん
であるが、反面、このような位置制御だけでは、ロボッ
トに対するワークの位置精度等に起因して、ロボットの
作動が妨げられる場合が多々生じる。このため、ロボッ
トがその作動位置をワーク等の外部環境から受ける力に
応じて適宜修正し、外部環境による拘束に柔軟に適応し
得る機能として、所謂コンプライアンス機能をロボット
にもたせることが必要である。

【０００３】この場合、このようなコンプライアンス機
能をロボットにもたせる手法としては、従来、ロボット
のハンド等にバネやダンパーを介装し、機械的にコンプ
ライアンス機能をもたせるようにした手法が一般的に用
いられていたが、このような機械的手法では、種々の作
業に適切且つ迅速に対応することが困難であることか
ら、近年、ロボットの作動位置を検出するのに加えて、
ロボットへの外力をも検出し、これらの検出した作動位
置及び外力、並びにこれらの位置及び外力に対する指令
値を基に、ロボットのコンプライアンス機能を制御的に
実現する手法が種々提案されている。

【０００４】具体的には、このように制御的にコンプラ
イアンス機能を実現する手法としては、例えば、特開昭
６０−３０１０号公報に開示されているものが知られて
いる。

【０００５】この制御手法においては、ロボットに取着
した応力センサ等により検出されるロボットへの外力と
その外力に対する指令値との差、並びに、エンコーダ等
により検出されるロボットの作動位置とその位置に対す
る指令値との差を入力として、ロボットの各関節を駆動
するサーボ系への指令速度を出力とする制御系を、ロボ
ットの自由度と同次数の行列により表した仮想質量、仮
想バネ定数及び仮想粘性定数を用いてロボットの仮想的
な運動方程式を表現するように構成し、これにより、バ
ネやダンパーを用いて機械的にコンプライアンス機能を
もたせた場合に相当する機能を制御的に実現するように
している。

【０００６】このような手法（以下、コンプライアンス
制御という）によれば、上記の仮想質量、仮想バネ定数
及び仮想粘性定数を制御パラメータとして、ロボットの
作業内容に応じて適切に設定してやれば、種々の作業に
対応することが可能となり、従って、ロボットに汎用性
を与えてその適用範囲を広げることが可能となる。

【０００７】ところで、このようにロボットにコンプラ
イアンス機能をもたせるコンプライアンス制御は、組立
作業や加工作業等の作業に際して有用であるが、必ずし
もその作業のためのロボットの作動全般にわたって必要
なものではなく、その作動の部分部分においては、コン
プライアンス制御を行わずに、位置制御のみを精度よく
行うことが好ましい場合が多々ある。

【０００８】例えば、ロボットにより、加工作業や組立
作業を行うに際して、その作業の前段階に、その作業に
必要な部品を同一のロボットにより所定の箇所からワー
クの所定位置へと移送したり、あるいは、その作業後
に、所定の待機位置へと復帰させたりする際には、コン
プライアンス機能をもたせずに、位置制御のみを精度よ
く行うことが好ましい。

【０００９】そして、このような場合には、コンプライ
アンス制御と位置制御との間の移行を円滑に行わしめる
ことが好ましい。

【００１０】また、加工作業や組立作業等の実際の作業
を行っている際においても、所定の方向に対してはコン
プライアンス制御を行わずに、位置制御のみを精度よく
行うことが好ましく、他方、他の方向に対しては適度な
コンプライアンス機能をもたせるようにコンプライアン
ス制御を行うことが好ましい場合もある。

【００１１】例えば、ワークに穿設した穴にピンを圧入
する作業をロボットにより行う場合には、その圧入方向
への移動及びその圧入方向の軸回りの回転に対しては、
ワークとピンとの摩擦力等によりロボットに加わる外力
に抗して、位置制御のみを精度よく行う必要があり、他
方、他の方向に対しては、ピンの位置及び姿勢がワーク
の穴により拘束されるので、ロボットの作動位置をその
作動方向を含めて柔軟に外力に応じて適応させることが
好ましく、従ってコンプライアンス制御が必要となる。

【００１２】しかしながら、前述した特開昭６０−３０
１０号公報に開示されている制御手法においては、上記
のように、所定の作業を行うためのロボットの作動の部
分部分においてコンプライアンス制御と位置制御とを切
り換え得るようにしたり、あるいは、ロボットの作動方
向毎にコンプライアンス制御と位置制御とを選択し得る
ようにする際、次のような不都合があった。

【００１３】すなわち、上記公報に開示されているコン
プライアンス制御系においては、検出されるロボットの
作動位置とその作動位置に対する指令値との差に前記仮
想バネ定数を乗算して得られる値と、検出されるロボッ
トへの外力とその外力に対する指令値との差をとること
により得られる値とを加算した後、その加算値を、前記
仮想質量及び仮想粘性定数を用いて構成されるフィード
バック制御系に入力することにより、前記サーボ系に対
する指令速度を得るようにしているので、前記仮想バネ
定数等の制御パラメータをどのように設定しても、ロボ
ットの各作動方向においてロボットへの外力が指令速度
に影響することとなる。このため、ロボットのどの作動
方向に対してもロボットの位置制御を精度よく行うこと
ができず、従って、コンプライアンス制御と位置制御と
を切り換えたり、あるいは、ロボットの作動方向毎にコ
ンプライアンス制御と位置制御とを選択し得るものでは
なかった。

【００１４】この場合、かかるコンプライアンス制御系
に加えて、位置制御系を専用に設ければ、モード切り換
え等により、コンプライアンス制御と位置制御との切り
換えを行うようにすることは可能であるが、このように
すると、一般には、その切り換えを円滑且つ迅速に行う
ことが困難であると共に、ロボットの制御系全体が大型
化し、またコスト的にも不利なものとなる。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】本発明はかかる不都合
を解消し、ロボットの作業内容に応じた適切なコンプラ
イアンス制御と精度のよい位置制御とをロボットの作動
方向毎に選択的に行うことができると共に、その各制御
の切り換えを単一的な制御系により円滑に行うことがで
きる制御装置を提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めに、本発明の第１の態様はロボットの作動位置を該ロ
ボットの自由度と同次数のベクトルとして検出する位置
検出手段と、該位置検出手段により検出された検出位置
と該ロボットの作動位置に対してあらじめ定められた指
令位置との差を算出し、その算出値に前記ロボットの自
由度と同次数の対角行列としてあらかじめ設定された位
置制御パラメータを乗算することによりロボットの作動
速度に対する位置制御指令速度を算出する位置制御演算
手段と、ロボットに加わる外力を該ロボットの自由度と
同次数のベクトルとして検出する外力検出手段と、該外
力検出手段により検出された検出外力と該ロボットへの
外力としてあらじめ定められた指令外力との差を算出
し、その算出値に前記ロボットの自由度と同次数の対角
行列としてあらじめ設定された力制御パラメータを乗算
することによりロボットの作動速度に対する力制御指令
速度を算出する力制御演算手段と、前記両指令速度の加
算値をトータル指令速度としてロボットの作動速度を制
御する速度制御手段と、前記位置制御演算手段及び前記
力制御演算手段に対してそれぞれあらかじめ前記各パラ
メータを設定するパラメータ設定手段とを備えたことを
特徴とする。

【００１７】また、本発明の第２の態様はロボットの作
動位置を該ロボットの自由度と同次数のベクトルとして
検出する位置検出手段と、該位置検出手段により検出さ
れた検出位置と該ロボットの作動位置に対してあらじめ
定められた指令位置との差を算出し、その算出値に前記
ロボットの自由度と同次数の対角行列としてあらかじめ
設定された位置制御パラメータを乗算する位置制御演算
手段と、ロボットに加わる外力を該ロボットの自由度と
同次数のベクトルとして検出する外力検出手段と、該外
力検出手段により検出された検出外力と該ロボットへの
外力としてあらじめ定められた指令外力との差を算出
し、その算出値に前記ロボットの自由度と同次数の対角
行列としてあらじめ設定された力制御パラメータを乗算
する力制御演算手段と、前記両演算手段により得られた
演算値を加算し、その加算値に前記ロボットの自由度と
同次数の対角行列としてあらかじめ設定されたゲインパ
ラメータを乗算することによりロボットの作動速度に対
する指令速度を算出する指令速度演算手段と、該指令速
度演算手段により算出された指令速度に応じてロボット
の作動速度を制御する速度制御手段と、前記各演算手段
に対してあらかじめ前記各パラメータを設定するパラメ
ータ設定手段とを備え、前記力制御パラメータの各対角
成分は１または０に設定されることを特徴とする。

【００１８】

【作用】本発明の第１の態様によれば、前記位置制御パ
ラメータを行列Ｒ、力制御パラメータを行列Ｆで表し、
前記位置制御演算手段により算出される前記ロボットの
作動位置と指令位置との差をベクトルΔｘ、前記力制御
演算手段により算出される前記ロボットへの外力と指令
外力との差をベクトルΔｆ、前記指令速度演算手段によ
り算出されるトータル指令速度をベクトルｖ_Cとする
と、ｖ_C＝Ｒ・Δｘ＋Ｆ・Δｆとなる。ゆえに、 Δｆ＝−（Ｆ^-1・Ｒ）・Δｘ＋Ｆ^-1・ｖ_C 従って、（Ｆ^-1・Ｒ）がバネ定数等の系の柔軟性、すな
わちコンプライアンスを決定し、Ｆ^-1が粘性抵抗等の系
の収束性、すなわちダンピングを決定することとなる。

【００１９】そこで、前記パラメータ設定部により、力
制御パラメータＦ及び位置制御パラメータＲを適切に設
定すれば、所望のコンプライアンス機能を前記ロボット
にもたせることが可能となる。

【００２０】また、前記ロボットの任意の作動方向に対
して、その作動方向に対応する力制御パラメータＦの成
分を前記パラメータ設定部により、“０”に設定すれ
ば、その作動方向に対しては、トータル指令速度ｖ
_Cは、ロボットへの外力によらずに、ロボットの作動位
置と指令位置との差Δｘ、並びに位置制御パラメータＲ
のみによって定まり、従って、位置制御のみが行われる
こととなる。

【００２１】尚、この時、当該位置制御に係わるゲイン
は位置制御パラメータＲにより定まり、該位置制御パラ
メータＲを適切に設定すれば、適切なゲインを得ること
が可能となる。

【００２２】次に、本発明の第２の態様によれば、第１
の態様の場合と同様に、前記位置制御パラメータを行列
Ｒ、力制御パラメータを行列Ｆ、前記ゲインパラメータ
を行列Ｇで表し、前記位置制御演算手段により算出され
る前記ロボットの作動位置と指令位置との差をベクトル
Δｘ、前記力制御演算手段により算出される前記ロボッ
トへの外力と指令外力との差をベクトルΔｆ、前記指令
速度演算手段により算出される指令速度をベクトルｖ_C
とすると、ｖ_C＝Ｇ・（Ｒ・Δｘ＋Ｆ・Δｆ）となる。ゆえに、 Δｆ＝−（Ｆ^-1・Ｒ）・Δｘ＋（Ｆ^-1・Ｇ^-1）・ｖ_C 従って、（Ｆ^-1・Ｒ）^-1がコンプライアンスを決定し、
（Ｆ^-1・Ｇ^-1）がダンピングを決定することとなる。

【００２３】そこで、前記パラメータ設定部により、力
制御パラメータＦ、位置制御パラメータＲ及びゲインパ
ラメータＧを適切に設定すれば、所望のコンプライアン
ス機能を前記ロボットにもたせることが可能となる。そ
して、この場合、力制御パラメータＦの各対角成分を１
または０に設定することにより、コンプライアンスを位
置制御パラメータＲにより決定することが可能となる。

【００２４】また、前記ロボットの任意の作動方向に対
して、その作動方向に対応する力制御パラメータＦの成
分を前記パラメータ設定部により、“０”に設定し、他
の対角成分を１に設定することにより、その作動方向に
対しては、指令速度ｖ_Cは、ロボットへの外力によらず
に、ロボットの作動位置と指令位置との差Δｘ、並びに
位置制御パラメータＲ及びゲインパラメータＧのみによ
って定まり、従って、位置制御のみが行われることとな
る。

【００２５】尚、この時、当該位置制御に係わるゲイン
は位置制御パラメータＲとゲインパラメータＧとの積に
より定まり、該位置制御パラメータＲ及びゲインパラメ
ータＧを適切に設定すれば、適切なゲインを得ることが
可能となる。

【００２６】

【実施例】本発明の第１の態様の一例を図１乃至図３に
従って説明する。

【００２７】図１及び図２において、１はロボット本
体、２はロボット本体１の作動制御を行う制御装置であ
る。

【００２８】ロボット本体１は、図１に示すように、例
えば６自由度を有する多関節タイプのものであり、所定
の作業ステーションに設置された基部３と、基部３に関
節４を介して第１作動軸ａ₁の回りに旋回自在に設けら
れた旋回部５と、旋回部５から関節６を介して第２作動
軸ａ₂の回りに回転自在に延設された上腕部７と、上腕
部７の先端部から関節８を介して第３作動軸ａ₃の回り
に回転自在に延設された前腕部９と、前腕部９の先端部
に関節１０を介して第４乃至第６作動軸ａ₄〜ａ₆の回
りに回転自在に設けられたハンド部１１とにより構成さ
れ、各作動軸ａ ₁〜ａ₆毎にロボット本体１に設けたサ
ーボモータ１２（図２参照）により各関節４，６，８，
１０を複合的に各作動軸ａ₁〜ａ₆の回りに回転駆動す
ることにより、ハンド部１１の空間的な並進運動と回転
運動とを得るようにしている。

【００２９】そして、図２に示すように、ロボット本体
１には、ハンド部１１の作動位置をその作動姿勢を含め
て検出する位置検出手段としてのエンコーダ１３と、ハ
ンド部１１の作動速度（並進速度と回転速度）を検出す
る速度検出手段としてのタコジェネレータ１４とが設け
られ、これらのエンコーダ１３及びタコジェネレータ１
４は、それぞれハンド部１１の作動位置及び作動速度
を、各関節４，６，８，１０の各作動軸ａ₁〜ａ₆回り
の回転位置θ_S及び回転速度ω_Sとして検出する。

【００３０】尚、この場合、各関節４，６，８，１０の
回転速度ωは、エンコーダ１３の検出信号をＦ／Ｖ変換
することにより検出するようにしてもよい。

【００３１】また、図１に示すように、ロボット本体１
の関節１０には、ハンド部１１に加わる外力を歪ゲージ
等により検出する外力センサ（外力検出手段）１５が取
着されている。この外力センサ１５は、該外力センサ１
５に対して想定された直交座標系Ｓ_F（以下、センサ座
標系Ｓ_Fという）において、各座標軸方向の並進外力と
各座標軸回りのモーメントとを検出する。

【００３２】尚、図１において、Ｓ_Sはロボット本体１
の作動の基準座標系として基部３等に対して想定された
直交座標系（以下、基準座標系という）、Ｓ_Wはロボッ
トによる作業内容に併せてその作業位置等に想定された
直交座標系（以下、作業座標系という）であり、これら
の座標系Ｓ_S，Ｓ_Wは制御装置２における後述の各種演
算用として使用されるものである。

【００３３】図２において、制御装置２は、図示しない
ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、Ａ／Ｄ変換器、サーボアンプ
等を備える電子回路により構成される。その機能的構成
を大別すると、ロボット本体１のハンド部１１への外力
に対する指令値ｆ_C（以下、指令外力ｆ_Cという）やハ
ンド部１１の作動位置に対する指令値ｒ_C（以下、指令
位置ｒ_Cという）等の指令信号を生成・出力する指令部
１６、指令外力ｆ_Cと外力センサ１５により検出される
ハンド部１１への外力ｆ_S（以下、検出外力ｆ _Sとい
う）とあらかじめ設定された力制御パラメータＦとに基
づいて、ハンド部１１の作動速度に対する指令値ｖ
_F（以下、力制御指令速度ｖ_Fという）を算出する力制
御演算部１７、指令位置ｒ_Cとエンコーダ１３により検
出されるロボット本体１の各関節４，６，８，１０の各
作動軸ａ₁〜ａ₆回りの回転位置θ_Sとあらかじめ設定
された位置制御パラメータＲとに基づいて、ハンド部１
１の作動速度に対する指令値ｖ_R（以下、位置制御指令
速度ｖ_Rという）を算出する位置制御演算部１８、指令
速度ｖ_F，ｖ_Rとタコジェネレータ１４により検出され
る各関節４，６，８，１０の各作動軸ａ₁〜ａ₆回りの
回転速度ω_Sとに基づいて、各関節４，６，８，１０の
回転速度を制御する速度制御部１９、及び、指令部１６
による指令に基づいて、力制御演算部１７の力制御パラ
メータＦと位置制御演算部１８の位置制御パラメータＲ
とを設定するパラメータ設定部２０により構成される。

【００３４】さらに詳細には、指令部１６は、パソコン
等から入力されるコマンドやロボット言語プログラム等
を基に、力制御演算部１７、位置制御演算部１８及びパ
ラメータ設定部２０への指令信号を生成・出力するもの
であり、指令外力ｆ_Cを、前記作業座標系Ｓ_Wにおける
各座標軸方向の並進力及び各座標軸回りのモーメントを
成分とするベクトルとして時系列的に生成すると共に、
指令位置ｒ_Cを、前記基準座標系Ｓ_Sにおけるハンド部
１１の位置及び姿勢（向き）を表すベクトルとして時系
列的に生成し、また、パラメータ設定部２０に対して
は、そのパラメータ設定に必要な情報及び指令を出力す
る。

【００３５】尚、指令外力ｆ_Cは、例えばロボット本体
１のハンド部１１とワークとの接触力を能動的に制御し
たい場合等に必要となるものであり、作業内容によって
は、例えば“０”値として除去される。

【００３６】パラメータ設定部２０は、指令部１６から
受け取った情報及び指令に基づいて、適宜、各演算部１
７，１８の演算に必要なパラメータＦ，Ｒを設定するも
のであり、これらのパラメータＦ，Ｒを、ロボット本体
１の自由度（本実施例では６自由度）と同次数の対角行
列として設定する。

【００３７】また、力制御演算部１７は、外力センサ１
５により検出される検出外力ｆ_S（センサ座標系Ｓ_Fに
おける各座標軸方向の並進外力及び各座標軸回りのモー
メント）から高周波ノイズを除去するローパスフィルタ
２１と、高周波ノイズを除去した検出外力ｆ_Sをセンサ
座標系Ｓ_Fにおけるベクトルとして統合した後に、その
ベクトルをセンサ座標系Ｓ_Fから作業座標系Ｓ_Wに座標
変換することにより、作業座標系Ｓ_Wにおける検出外力
ｆ_Sを該座標系Ｓ_Wの各座標軸方向の並進外力及び各座
標軸回りのモーメントを成分とするベクトルとして求め
る座標変換部２２と、この座標変換により得られた検出
外力ｆ_Sと前記指令外力ｆ_Cとの差Δｆ（以下、力偏差
Δｆという）を算出する減算部２３と、この力偏差Δｆ
に前記力制御パラメータＦを乗算することにより、前記
力制御指令速度ｖ_Fを算出する乗算部２４とにより構成
される。

【００３８】一方、位置制御演算部１８は、エンコーダ
１３により検出されるロボット本体１の各関節４，６，
８，１０の各作動軸ａ₁〜ａ₆回りの回転位置θ_Sをベ
クトルとして統合した後に所定の変換関数Ｔにより変換
することにより、基準座標系Ｓ_Sにおけるハンド部１１
の作動位置ｒ_S（以下、検出位置ｒ_Sという）を作動姿
勢を含めたベクトルとして求める位置変換部２５と、こ
の変換により得られた検出位置ｒ_Sと前記指令位置ｒ_C
との差Δｒ（以下、位置偏差Δｒという）を算出する減
算部２６と、この位置偏差Δｒを基準座標系Ｓ_Sから作
業座標系Ｓ_Wに座標変換することにより作業座標系Ｓ_W
における位置偏差Δｒを求める座標変換部２７と、この
座標変換により得られた位置偏差Δｒに前記位置制御パ
ラメータＲを乗算することにより、前記位置制御指令速
度ｖ_Rを算出する乗算部２８とにより構成される。

【００３９】また、速度制御部１９は、両演算部１７，
１８により求められた両指令速度ｖ _F，ｖ_Rを加算する
ことにより、ハンド部１１の作動速度に対するトータル
指令速度ｖ_Cを作業座標系Ｓ_Wにおけるハンド部１１の
並進速度及び回転速度の両者を含めたベクトルとして求
める加算部２９と、このトータル指令速度ｖ_Cを所定の
ヤコビ行列Ｊの逆行列により変換することにより、ロボ
ット本体１の各関節４，６，８，１０の各作動軸ａ₁〜
ａ₆回りの回転速度に対する指令値ω_C（以下、指令関
節速度ω_Cという）を求める速度変換部３０と、この指
令関節速度ω_Cと前記タコジェネレータ１４により検出
される各関節４，６，８，１０の各作動軸ａ₁〜ａ₆回
りの回転速度ω_Sとが一致するようにサーボモータ１２
を駆動制御するモータ制御部３１とにより構成される。

【００４０】尚、この場合、モータ制御部３１は、図示
しないサーボアンプを含む公知のフィードバックサーボ
系等により構成されるものである。

【００４１】次に、かかるロボットの作動を説明する。

【００４２】図２において、このロボットは、前述した
ように、制御装置２の速度制御部１９により、トータル
指令速度ｖ_Cから得られる指令関節速度ω_Cとタコジェ
ネレータ１４により検出されるロボット本体１の各関節
４，６，８，１０の回転速度ω_Sとが一致するように作
動制御される。この時、トータル指令速度ｖ_Cは、力制
御演算部１７により求められる力制御指令速度ｖ_Fと、
位置制御演算部１８により求められる位置制御指令速度
ｖ_Rとの加算値として得られる。力制御指令速度ｖ
_Fは、指令部１６により指令される指令外力ｆ_Cと外力
センサ１５を介して検出されるハンド部１１への検出外
力ｆ_Sとの力偏差Δｆにパラメータ設定部２０により設
定される力制御パラメータＦを乗算することにより求め
られ、位置制御指令速度ｖ_Rは、指令部１６により指令
される指令位置ｒ_Cとエンコーダ１３を介して検出され
るハンド部１１の検出位置ｒ_Sとの位置偏差Δｒにパラ
メータ設定部２０により設定される位置制御パラメータ
Ｒを乗算することにより求められる。

【００４３】従って、例えば、パラメータ設定部２０に
より、力制御パラメータＦを零行列として設定すれば、
力制御指令速度ｖ_Fの値は、常に“０”となるので、図
２に示す制御装置２は、図３に示すフィードバック制御
系２’と同一の構成となる。この制御系２’において
は、容易に判るように、ロボット本体１の全作動方向に
対して位置制御のみが行われることとなる。

【００４４】すなわち、図３に示されるように、このフ
ィードバック制御系２’においては、ロボット本体１の
作動を決定するトータル指令速度ｖ_Cは、位置制御演算
部１８のみにより求められる。この時、位置制御演算部
１８は、指令位置ｒ_Cと検出位置ｒ_Sとを一致させるよ
うにトータル指令速度ｖ_Cを求めることとなり、従っ
て、ロボット本体１の全作動方向に対して位置制御が行
われる。この場合、制御系２’のフィードバックゲイン
は位置制御パラメータＲの値により定まるので、このパ
ラメータＲを適切に設定することにより、精度のよい位
置制御を行うことができる。

【００４５】また、力制御パラメータＦを零行列以外の
対角行列として設定した場合においても、ロボット本体
１の一つ、あるいはいくつかの作動方向に対応する力制
御パラメータＦの成分を“０”として設定しておけば、
その作動方向に対しては、制御装置２は図３に示すフィ
ードバック制御系２’と同一構成となるので、前述の場
合と同様に、ロボット本体１の位置制御のみが行われる
こととなる。

【００４６】尚、前述の場合と逆に、位置制御パラメー
タＲを例えば零行列として設定した場合には、ロボット
本体１の作動は、明らかに、指令位置ｒ_Cにかかわら
ず、指令外力ｆ_Cと検出外力ｆ_Sとが一致するように制
御され、従って、力制御が行われることとなる。

【００４７】一方、力制御パラメータＦ及び位置制御パ
ラメータＲを零行列以外の対角行列として設定した場合
には、前述したことから、ロボット本体１の作動を決定
するトータル指令速度ｖ_Cは、次式により求められる。

【００４８】ｖ_C＝ｖ_F＋ｖ_R＝Ｆ・Δｆ＋Ｒ・Δｒ ……（１）（１）式を変形すると、次式を得る。

【００４９】 Δｆ＝−（Ｆ^-1・Ｒ）・Δｒ＋Ｆ^-1・ｖ_C……（２）ここで、（２）式を参照して判るように、（Ｆ^-1・Ｒ）
はバネ定数等の系の弾力性、すなわち柔軟性（コンプラ
イアンス）を定めるものとなり、Ｆ^-1は粘性抵抗等の系
の収束性、すなわちダンピングを定めるものとなる。

【００５０】従って、力制御パラメータＦ及び位置制御
パラメータＲを適切に設定すれば、ロボット本体１の作
動に、適当なコンプライアンスとダンピングとを与える
ことができ、これにより、ロボット本体１のコンプライ
アンス制御が行われることとなる。

【００５１】実際、図２を参照して判るように、力制御
パラメータＦ及び位置制御パラメータＲを零行列以外の
対角行列として設定した場合には、位置制御に係わる位
置制御指令速度ｖ_Rに力制御に係わる力制御指令速度ｖ
_Fが加算され、その加算値がロボット本体１の作動を決
定するトータル指令速度ｖ_Cとして用いられるので、ロ
ボット本体１のハンド部１１の作動位置は、指令位置ｒ
_Cに対して力偏差Δｆを低減するように修正され、これ
により、ロボット本体１の作動にコンプライアンスが与
えられることとなる。そして、このコンプライアンスの
度合いが力制御パラメータＦ及び位置制御パラメータＲ
の値により決定される。

【００５２】また、この場合、前述したように、ロボッ
ト本体１の各作動方向のうち、位置制御のみを行いたい
方向に対応する力制御パラメータＦの対角成分を“０”
とすれば、その作動方向に対しては位置制御のみが行わ
れる一方、他の作動方向に対してはコンプライアンス制
御が行われることとなる。

【００５３】このように、制御装置２によれば、力制御
パラメータＦ及び位置制御パラメータＲをパラメータ設
定部２０によりあらかじめ適切に設定しておけば、ロボ
ット本体１の各作動方向毎に、選択的且つ並列的にコン
プライアンス制御と位置制御とを行うことができ、この
時、位置制御のみを行う作動方向に対しては、位置制御
パラメータＲの値を適切に設定することにより精度のよ
い位置制御を行うことができ、また、コンプライアンス
制御を行う作動方向に対しては、位置制御パラメータＲ
を含めて力制御パラメータＦの値を適切に設定すること
により作業内容に応じた適切なコンプライアンスを得る
ことができる。

【００５４】また、この制御装置２によれば、ある作業
を遂行するためのロボット本体１の作動の部分部分にお
いて、コンプライアンス制御と位置制御とを必要に応じ
て切り換えることも容易にできる。

【００５５】実際、この場合には、位置制御を要する作
動部分においては、力制御パラメータＦを零行列に設定
し、コンプライアンス制御を要する作動部分において
は、力制御パラメータＦ及び位置制御パラメータＲを零
行列以外の適当な対角行列として設定する、というよう
に、力制御パラメータＦや位置制御パラメータＲをロボ
ット本体１の作動の部分部分で変更すればよい。そし
て、このようなコンプライアンス制御と位置制御との切
り換えは、各パラメータＦ，Ｒの変更だけで円滑に行わ
れる。また、いずれの制御も、制御装置２を構成する単
一の制御系により行われることとなる。

【００５６】次に、本発明の第２の態様の一例を図４に
従って説明する。尚、説明に際して、前述のロボットと
同一構成のものについては同一の参照符号を付して説明
する。

【００５７】図４の制御装置３２は、前述のロボット本
体１を制御するものである。その機能的構成は、指令部
１６により生成される作業座標系Ｓ_Wにおける指令外力
ｆ_Cと外力センサ１５を介して検出される作業座標系Ｓ
_Wにおける検出外力ｆ_Sとの差（力偏差）Δｆを減算部
２３により算出し、その力偏差Δｆに乗算部２４により
力制御パラメータＦを乗算する力制御演算部３３と、指
令部１６により生成される基準座標系Ｓ_Sにおける指令
位置ｒ_Cとエンコーダ１３を介して検出される基準座標
系Ｓ_Sにおける検出位置ｒ_Sとの差（位置偏差）Δｒを
減算部２６により算出し、その位置偏差Δｒに乗算部２
８により位置制御パラメータＲを乗算する位置制御演算
部３４と、これらの演算部３３，３４によりそれぞれ求
められた演算値を加算部３５により加算し、さらにその
加算値ｔに乗算部３６によりゲインパラメータＧを乗算
することにより指令速度ｖ_Cを求める指令速度演算部３
７と、指令速度ｖ_Cを速度変換部３０により指令関節速
度ω_Cに変換した後に、モータ制御部３１により、その
指令関節速度ω_Cとタコジェネレータ１４により検出さ
れる各関節４，６，８，１０の回転速度ω_Sとが一致す
るようにサーボモータ１２を駆動制御する速度制御部３
８と、指令部１６からの指令等に基づいて前述の各パラ
メータＦ，Ｒ，Ｇを設定するパラメータ設定部３９とに
より構成される。

【００５８】この場合、パラメータ設定部３９は、各パ
ラメータＦ，Ｒ，Ｇをロボット本体１の自由度と同次数
の対角行列として設定し、特に、力制御パラメータＦに
あっては、その対角成分を“１”または“０”に設定す
る。

【００５９】尚、力制御演算部３３は、前述の制御装置
２と同様に、ローパスフィルタ２１と座標変換部２２と
を備え、また、位置制御演算部３３も、前述の制御装置
２と同様に、位置変換部２５と座標変換部２７とを備え
ている。

【００６０】次に、かかるロボットの作動を説明する。

【００６１】このロボットの制御装置３２においては、
例えば、力制御パラメータＦを零行列として設定すれ
ば、力制御演算部３３により得られる演算値は常に
“０”となるので、位置制御演算部３４、指令速度演算
部３７及び速度制御部３８によりフィードバック制御系
が構成されることとなり、従って、前述の制御装置２の
場合と同様に、ロボット本体１の全作動方向に対して位
置制御のみが行われる。この場合、この位置制御に係わ
るフィードバックゲインは、図４を参照して判るよう
に、位置制御パラメータＲとゲインパラメータＧとの積
の値により定まるので、これらのパラメータＲ，Ｇを適
切に設定することにより、精度のよい位置制御を行うこ
とができる。

【００６２】また、力制御パラメータＦの対角成分のい
くつかを“０”に設定した場合においても、その対角成
分に対応するロボット本体１の作動方向に対しては、前
述の場合と同様に、位置制御のみが行われることとな
る。

【００６３】一方、例えば力制御パラメータＦの対角成
分を全て“１”に設定した場合、すなわちパラメータＦ
を単位行列に設定した場合には、ロボット本体１の作動
を決定する指令速度ｖ_Cは、次式により求められる。

【００６４】ｖ_C＝Ｇ・（Ｆ・Δｆ＋Ｒ・Δｒ） ……（３）そして、（３）式を変形すると次式を得る。

【００６５】 Δｆ＝Ｆ^-1・（−Ｒ・Δｒ＋Ｇ^-1・ｖ_C）……（４）ここで、力制御パラメータＦが単位行列であることを考
慮すると、（４）式を参照して判るように、位置制御パ
ラメータＲはコンプライアンスを定めるものとなり、Ｇ
^-1はダンピングを定めるものとなる。

【００６６】従って、位置制御パラメータＲ及びゲイン
パラメータＧを適切に設定すれば、ロボット本体１の作
動に、適当なコンプライアンスとダンピングとを与える
ことができ、これにより、ロボット本体１のコンプライ
アンス制御が行われることとなる。この時、コンプライ
アンスの度合いはゲインパラメータＲの値により決定さ
れる。

【００６７】また、この場合、前述したように、ロボッ
ト本体１の各作動方向のうち、位置制御のみを行いたい
方向に対応する力制御パラメータＦの対角成分を“０”
とし、他の対角成分を“１”とすれば、パラメータＦの
対角成分を“０”とした作動方向に対しては位置制御の
みが行われる一方、他の作動方向に対してはコンプライ
アンス制御が行われることとなる。

【００６８】このように、制御装置３２によれば、力制
御パラメータＦは、ロボット本体１の各作動方向に対し
て、位置制御を行うか、あるいはコンプライアンス制御
を行うかの選択パラメータとして用いられ、この時、位
置制御のみを行う作動方向に対しては、位置制御パラメ
ータＲとゲインパラメータＧとの値を適切に設定するこ
とにより精度のよい位置制御を行うことができ、また、
コンプライアンス制御を行う作動方向に対しては、位置
制御パラメータＲの値を適切に設定することにより作業
内容に応じた適切なコンプライアンスを得ることができ
る。

【００６９】尚、この制御装置３２においても、前述し
た制御装置２と同様に、ある作業を遂行するためのロボ
ット本体１の作動の部分部分において、コンプライアン
ス制御と位置制御とを必要に応じて容易に切り換えるこ
ともできることはもちろんである。

【００７０】

【発明の効果】上記のように、本発明の第１の態様によ
れば、外力検出手段により検出されるロボットへの検出
外力と指令外力との差に力制御パラメータを乗算するこ
とにより得られる力制御指令速度と、位置検出手段によ
り検出されるロボットの作動位置と指令位置との差に位
置制御パラメータを乗算することにより得られる位置制
御指令速度とを加算し、さらにその加算値をトータル指
令速度としてロボットの作動速度を制御するようにした
ことによって、パラメータ設定部により前記両パラメー
タを適切に設定することにより、ロボットの各作動方向
毎に、選択的且つ並列的に位置制御とコンプライアンス
制御とを行うことができる。この時、位置制御を行う作
動方向に対しては、位置制御パラメータを適切に設定す
ることにより、精度のよい位置制御を行うことができ、
コンプライアンス制御を行う作動方向に対しては、両パ
ラメータを適切に設定することにより、作業内容に応じ
た適切なコンプライアンスを得ることができる。

【００７１】さらに、ロボットの作動の部分部分におい
て、両パラメータを変更するだけで、コンプライアンス
制御と位置制御との切り換えを容易に行うことができ、
また、その切り換えを単一的な制御系により円滑に行う
ことができる。また、本発明の第２の態様によれば、外
力検出手段により検出されるロボットへの検出外力と指
令外力との差に力制御パラメータを乗算することにより
得られる演算値と、位置検出手段により検出されるロボ
ットの作動位置と指令位置との差に位置制御パラメータ
を乗算することにより得られる演算値とを加算し、さら
にその加算値にゲインパラメータを乗算して得られる値
を指令速度としてロボットの作動速度を制御するように
したことによって、パラメータ設定部により力制御パラ
メータの対角成分を１または０に選択的に設定すること
により、ロボットの各作動方向毎に、選択的且つ並列的
に位置制御とコンプライアンス制御とを行うことができ
る。この時、位置制御を行う作動方向に対しては、位置
制御パラメータ及びゲインパラメータを適切に設定する
ことにより、精度のよい位置制御を行うことができ、コ
ンプライアンス制御を行う作動方向に対しては、位置制
御パラメータを適切に設定することにより、作業内容に
応じた適切なコンプライアンスを得ることができる。

【００７２】さらに、この第２の態様においても第１の
態様と同様に、ロボットの作動の部分部分において、コ
ンプライアンス制御と位置制御との切り換えを容易に行
うことができ、また、その切り換えを単一的な制御系に
より円滑に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一例を適用したロボット本体の構成を
示す斜視図。

【図２】本発明の制御装置の第１の態様の一例の機能的
構成を説明するためのブロック図。

【図３】該制御装置の作動を説明するためのブロック
図。

【図４】本発明の制御装置の第２の態様の一例の機能的
構成を説明するためのブロック図。

【符号の説明】

２，３２…制御装置、１３…エンコーダ（位置検出手
段）、１５…外力センサ（外力検出手段）、１７，３３
…力制御演算部、１８，３４…位置制御演算部、１９，
３８…速度制御部、２０，３９…パラメータ設定部、３
７…指令速度演算部。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ロボットの作動位置を該ロボットの自由度
と同次数のベクトルとして検出する位置検出手段と、該位置検出手段により検出された検出位置と該ロボット
の作動位置に対してあらじめ定められた指令位置との差
を算出し、その算出値に前記ロボットの自由度と同次数
の対角行列としてあらかじめ設定された位置制御パラメ
ータを乗算することによりロボットの作動速度に対する
位置制御指令速度を算出する位置制御演算手段と、ロボットに加わる外力を該ロボットの自由度と同次数の
ベクトルとして検出する外力検出手段と、該外力検出手段により検出された検出外力と該ロボット
への外力としてあらじめ定められた指令外力との差を算
出し、その算出値に前記ロボットの自由度と同次数の対
角行列としてあらじめ設定された力制御パラメータを乗
算することによりロボットの作動速度に対する力制御指
令速度を算出する力制御演算手段と、前記両指令速度の加算値をトータル指令速度としてロボ
ットの作動速度を制御する速度制御手段と、前記位置制御演算手段及び前記力制御演算手段に対して
それぞれあらかじめ前記各パラメータを設定するパラメ
ータ設定手段とを備えたことを特徴とするロボットの制
御装置。
【請求項２】ロボットの作動位置を該ロボットの自由度
と同次数のベクトルとして検出する位置検出手段と、該位置検出手段により検出された検出位置と該ロボット
の作動位置に対してあらじめ定められた指令位置との差
を算出し、その算出値に前記ロボットの自由度と同次数
の対角行列としてあらかじめ設定された位置制御パラメ
ータを乗算する位置制御演算手段と、ロボットに加わる外力を該ロボットの自由度と同次数の
ベクトルとして検出する外力検出手段と、該外力検出手段により検出された検出外力と該ロボット
への外力としてあらじめ定められた指令外力との差を算
出し、その算出値に前記ロボットの自由度と同次数の対
角行列としてあらじめ設定された力制御パラメータを乗
算する力制御演算手段と、前記両演算手段により得られた演算値を加算し、その加
算値に前記ロボットの自由度と同次数の対角行列として
あらかじめ設定されたゲインパラメータを乗算すること
によりロボットの作動速度に対する指令速度を算出する
指令速度演算手段と、該指令速度演算手段により算出された指令速度に応じて
ロボットの作動速度を制御する速度制御手段と、前記各演算手段に対してあらかじめ前記各パラメータを
設定するパラメータ設定手段とを備え、前記力制御パラ
メータの各対角成分は１または０に設定されることを特
徴とするロボットの制御装置。