JP2637164B2 - Controller for flexible manipulator - Google Patents

Controller for flexible manipulator

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JP2637164B2 JP63118772A JP11877288A JP2637164B2 JP 2637164 B2 JP2637164 B2 JP 2637164B2 JP 63118772 A JP63118772 A JP 63118772A JP 11877288 A JP11877288 A JP 11877288A JP 2637164 B2 JP2637164 B2 JP 2637164B2
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【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明は、柔軟なアームを有するマニピュレータの制
御装置に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Object of the Invention] (Field of Industrial Application) The present invention relates to a control device for a manipulator having a flexible arm.

(従来の技術) 工場等で用いられているマニピュレータのアームは、
通常、たわみの生じない剛体で作られている。このよう
に、アームを剛体で形成すると、必然的にアームの自重
が増加するので、動作の高速化が困難となる。しかし、
近年、動作の高速化や自重対可搬重量比の改善が強く望
まれるようになり、この要望を満すためにアームの軽量
化が不可欠となっている。アームを軽量化すると、一般
的にはアームがたわみ易く、つまりアームに弾性振動が
発生し易くなり、この結果として位置決め精度が劣化す
る。
(Prior art) Manipulator arms used in factories, etc.
It is usually made of rigid body without deflection. When the arm is formed of a rigid body in this way, the weight of the arm naturally increases, making it difficult to increase the speed of the operation. But,
In recent years, there has been a strong demand for faster operation and an improvement in the weight-to-load ratio, and in order to satisfy this demand, it has become essential to reduce the weight of the arm. When the arm is reduced in weight, generally, the arm is easily bent, that is, the arm is easily elastically vibrated, and as a result, the positioning accuracy is deteriorated.

このようなことから、最近では柔軟マニピュレータの
弾性振動を抑制するための提案が幾つかなされている。
その代表的なものとして、第4回日本ロボット学会学術
講演会予稿集(昭和61年12月)に記載されている「ポテ
ンシャル改善に基づく柔軟アームの振動制御」をあげる
ことができる。この文献では、位置制御とトルク制御と
の併用を提案し、位置フィードバック量で求まる駆動ト
ルクを目標値とし、これにトルクをフィードバックして
駆動するようにしている。そして、トルクをフィードバ
ックする手段としては、アームを構成する各リンクの根
元部に歪ゲージを貼着し、この歪ゲージによってフィー
ドバックするトルク量を検出するようにしている。
For these reasons, several proposals have recently been made for suppressing the elastic vibration of the flexible manipulator.
A representative example is “Vibration control of a flexible arm based on potential improvement” described in the 4th Annual Conference of the Robotics Society of Japan (December 1986). This document proposes a combination of position control and torque control, and sets a drive torque obtained from a position feedback amount as a target value, and drives the motor by feeding back the torque to the target value. As means for feeding back torque, a strain gauge is attached to the root of each link constituting the arm, and the amount of torque fed back is detected by the strain gauge.

しかしながら、上記のように各リンクの根元部に、リ
ンクの振動状態を観測するための歪ゲージを貼着する構
成は、実用面から考えると必ずしも安価で、かつ有利な
構成であるとは限らない。たとえば、柔軟マニピュレー
タの重要な用途の1つである宇宙空間用のものを例にと
ると、歪ゲージが故障した場合には、宇宙空間での細か
い作業が難しいことからしてアーム全体を取りかえねば
ならず、問題点が多いと言える。
However, as described above, the configuration in which the strain gauge for observing the vibration state of the link is attached to the root portion of each link is not necessarily inexpensive and advantageous in terms of practical use. . For example, in the case of a space manipulator, one of the important applications of a flexible manipulator, if a strain gauge breaks down, it is difficult to perform detailed work in space, so the entire arm must be replaced. However, it can be said that there are many problems.

(発明が解決しようとする課題) 上述の如く、従来の柔軟マニピュレータの制御装置に
おいては、アームを構成する各リンクに貼った歪ゲージ
の信号からアームの振動状態を観測するようにしている
ので、歪ゲージが故障した場合、使用環境によってはア
ーム全体を交換しなければならない不便さがありこの結
果、使用条件が大幅に制限され、たとえば宇宙空間用の
ものへの適用が困難であった。
(Problems to be Solved by the Invention) As described above, in the control device of the conventional flexible manipulator, the vibration state of the arm is observed from the signal of the strain gauge attached to each link constituting the arm. If the strain gauge breaks down, the entire arm needs to be replaced depending on the use environment, and as a result, the use conditions are greatly restricted, and it has been difficult to apply the strain gauge to, for example, a space use.

そこで本発明は、アームを構成する各リンクに歪ゲー
ジを貼着することなしに位置制御とトルク制御との併用
方式を採用してアームの振動を抑制することができ、し
かもトルク制御用のセンサの交換も容易化でき、たとえ
ば宇宙空間などの特殊環境用のものに好適する柔軟マニ
ピュレータの制御装置を提供することを目的としてい
る。
Therefore, the present invention can suppress the vibration of the arm by using a combination of the position control and the torque control without attaching a strain gauge to each link constituting the arm, and furthermore, a sensor for torque control. It is an object of the present invention to provide a control device for a flexible manipulator suitable for a special environment such as space, for example.

[発明の構成] (課題を解決するための手段) 上記目的を達成するために本発明に係る制御装置で
は、アームのリスト部に装着されて力およびモーメント
を検出する力覚センサと、各関節軸の角度を検出する関
節角度センサと、力覚センサの出力信号からアームの2
次以上の振動モード信号成分を除去するローパスフィル
タと、このローパスフイルタを経た信号によって検出さ
れた力、モーメントをつり合いの条件を用いて各関節軸
の軸トルクに変換する変換器と、各関節軸を駆動する駆
動源を上記変換器によって得られた軸トルクおよび関節
角度センサから得られた関節角度をフィードバック量と
して制御する制御器とを備えている。
[Means for Solving the Problems] In order to achieve the above object, a control device according to the present invention includes a force sensor mounted on a wrist portion of an arm to detect a force and a moment, and each joint A joint angle sensor that detects the angle of the shaft and an arm
A low-pass filter that removes vibration mode signal components of the following order, a converter that converts a force and a moment detected by a signal passed through the low-pass filter into an axial torque of each joint axis using balancing conditions, and each joint axis. And a controller that controls a drive source for driving the shaft torque obtained by the converter and a joint angle obtained from a joint angle sensor as a feedback amount.

(作 用) アームが動くと、この柔軟なアームは弾性振動しよう
とする。この弾性振動はリスト部に装着されている力覚
センサの出力信号の変化として現われる。力覚センサの
出力信号はローパスフィルタを通り、ここで基本振動信
号成分のみが取り出される。変換器は、この基本振動信
号成分を用い、アームがつり合いの状態にあると仮定し
て各軸トルクを算出する。この算出値および関節角度セ
ンサからの値がフィードバック量として制御器に与えら
れる。したがって、アームの基本振動は良好に抑制され
る。なお、2次以上の振動は、振幅が小さく、しかもア
ーム自身の振動減衰特性で速やかに減衰するためほとん
ど問題とはならない。また、万一、力覚センサが故障し
た場合であっても、この力覚センサがアームのリスト部
に装着されているので、その交換が困難化するような虞
れもない。
(Operation) When the arm moves, the flexible arm attempts to elastically vibrate. This elastic vibration appears as a change in the output signal of the force sensor mounted on the wrist unit. The output signal of the force sensor passes through a low-pass filter, where only the fundamental vibration signal component is extracted. The converter uses the basic vibration signal component to calculate each shaft torque on the assumption that the arms are in a balanced state. The calculated value and the value from the joint angle sensor are provided to the controller as a feedback amount. Therefore, the fundamental vibration of the arm is favorably suppressed. The second-order or higher vibration has little problem because it has a small amplitude and is quickly attenuated by the vibration damping characteristics of the arm itself. Further, even if the force sensor fails, the replacement of the force sensor is not likely to be difficult because the force sensor is mounted on the wrist of the arm.

(実施例) 以下、図面を参照しながら実施例を説明する。(Example) Hereinafter, an example is described, referring to drawings.

第1図には、一実施例に係る制御装置によって制御さ
れるマニピュレータ1が示されている。このマニピュレ
ータ1は、それぞれ1自由度の肩関節部2、肘関節部
3、手首関節部4からなる3軸を有した水平スカラ型の
柔軟アーム5を備えている。そして、各関節部2、3、
4には各関節軸を選択的に駆動するモータを内蔵した駆
動源6、7、8が搭載されている。
FIG. 1 shows a manipulator 1 controlled by a control device according to one embodiment. The manipulator 1 includes a horizontal scalar flexible arm 5 having three axes including a shoulder joint 2, an elbow joint 3, and a wrist joint 4 each having one degree of freedom. And each joint 2, 3,
The drive sources 4, 7, and 8 each having a built-in motor for selectively driving each joint axis are mounted on 4.

各関節部2、3、4にはそれぞれ関節角度センサ9、
10、11が取り付けてあり、また手首軸の先のリスト部に
は3軸の力覚センサ12が装着されている。そして、各駆
動源6、7、8の入力端、各関節角度センサ9、10、11
の出力端、力覚センサ12の出力端は、それぞれ制御装置
本体21に接続されている。
Each joint 2, 3, 4 has a joint angle sensor 9,
10 and 11 are attached, and a three-axis force sensor 12 is attached to the wrist shaft at the tip of the wrist. The input ends of the drive sources 6, 7, 8 and the joint angle sensors 9, 10, 11
And the output terminal of the force sensor 12 are connected to the control device main body 21, respectively.

制御装置本体21は、具体的には第2図に示すように構
成されている。すなわち、力覚センサ12から、このセン
サの座標系に対応させて出力されるx軸方向の力Fsxを
示す信号、y軸方向の力Fsyを示す信号およびz軸回り
のモーメントMszを示す信号をそれぞれローパスフイル
タ22に通し、このローパスフイルタ22で上記力およびモ
ーメントの基本振動成分Fx、Fy、Mzに対応した信号だけ
を取り出している。そして、この取り出された基本振動
成分Fx、Fy、Mzに対応した信号をそれぞれ変換器23に導
入している。この変換器23は、上記各信号と関節角度セ
ンサ9、10、11で検出された各関節角度θ、θ、θ
を示す信号とを導入し、次のようにして肩関節部2の
軸トルクT1、肘関節部3の軸トルクT2、手首関節部4の
軸トルクT3を算出している。すなわち、アーム5がつり
合いの状態にあるときの肩関節部2の関節軸から肘関節
部3の関節軸までの長さをl1、肘関節部3の関節軸から
手首関節部4の関節軸までの長さをl2、手首関節部4の
関節軸から力覚センサ12の検出部までの長さをLとし、
さらにアーム5が真直ぐに延びた状態を基準にして関節
角度については時計回り方向を正とし、トルクについて
は反時計回り方向を正として次式に基づいて軸トルク
T1、T2、T3を算出している。
The control device main body 21 is specifically configured as shown in FIG. That is, a signal indicating the force Fsx in the x-axis direction, a signal indicating the force Fsy in the y-axis direction, and a signal indicating the moment Msz about the z-axis are output from the force sensor 12 in accordance with the coordinate system of the sensor. Each of the signals passes through the low-pass filter 22, and only the signals corresponding to the fundamental vibration components Fx, Fy, and Mz of the force and moment are extracted by the low-pass filter 22. Then, signals corresponding to the extracted basic vibration components Fx, Fy, and Mz are introduced into the converter 23, respectively. The converter 23 converts the above signals and the joint angles θ 1 , θ 2 , θ detected by the joint angle sensors 9, 10, 11.
3 is introduced and a signal indicating the axial torque T 1 of the shoulder joint portion 2 in the following manner, the axial torque T 2 of the elbow joint portion 3, and calculates the axial torque T 3 of the wrist joint 4. That is, the length from the joint axis of the shoulder joint 2 to the joint axis of the elbow joint 3 when the arm 5 is in a balanced state is l 1 , and the joint axis of the elbow joint 3 to the joint axis of the wrist joint 4. L 2 , the length from the joint axis of the wrist joint 4 to the detection unit of the force sensor 12 is L,
Furthermore, based on the state in which the arm 5 extends straight, the joint angle is positive in the clockwise direction and the torque is positive in the counterclockwise direction based on the following equation.
T 1 , T 2 , and T 3 are calculated.

ただし、 A=−L−l2cos θ−l1cos(θ+θ) B=−l2sin θ−l1sin(θ+θ) であり、またアーム5のたわみ角は小さいものとして無
視している。
However, a A = -L-l 2 cos θ 3 -l 1 cos (θ 2 + θ 3) B = -l 2 sin θ 3 -l 1 sin (θ 2 + θ 3), also the deflection angle of the arm 5 Ignored as small.

変換器23で算出された各軸トルクT1、T2、T3の信号は
制御器24に導入される。制御器24は、図示しない指令系
統から与えられた各関節部2、3、4の目標関節角度θ
d1、θd2、θd3の信号と、変換器23で算出された軸トル
クT1、T2、T3の信号と、関節角度センサ9、10、11で検
出された関節角度θ、θ、θの信号とを導入して
各関節部に搭載された駆動源6、7、8の駆動信号を生
成するように構成されている。第3図はその一系統分だ
けを示すもので、演算装置25において目標関節角θdと
実際の関節角度θとの偏差から関節軸を駆動するのに必
要なトルクTdを算出し、演算装置26においてトルクTdと
変換器23によって算出された軸トルクTとの偏差に応じ
た駆動信号uを出力するように構成されている。
The signals of the shaft torques T 1 , T 2 , and T 3 calculated by the converter 23 are introduced to the controller 24. The controller 24 controls the target joint angles θ of the joints 2, 3, and 4 given from a command system (not shown).
The signals of d 1 , θd 2 , θd 3 , the signals of the shaft torques T 1 , T 2 , T 3 calculated by the converter 23, the joint angles θ 1 , detected by the joint angle sensors 9, 10, 11, The configuration is such that the signals of θ 2 and θ 3 are introduced to generate drive signals of the drive sources 6, 7 and 8 mounted on each joint. FIG. 3 shows only one system. In the arithmetic unit 25, the torque Td required to drive the joint axis is calculated from the deviation between the target joint angle θd and the actual joint angle θ. And a driving signal u corresponding to the deviation between the torque Td and the shaft torque T calculated by the converter 23 is output.

このように、アーム5のリスト部に力覚センサ12を装
着し、この力覚センサ12の出力信号を用いて各軸トルク
T1、T2、T3を演算し、この軸トルクT1、T2、T3および各
関節角度センサ9、10、11から得られた関節角度θ
θ、θをフィードバック量として各駆動源6、7、
8を駆動するようにしている。一般にアーム5が加速度
運動を行なっているときには、軸トルクを正しく求める
ことが困難であるが、ここでは力覚センサ12から出力さ
れる力Fsx、FsyおよびモーメントMszに対応する信号か
ら上記力およびモーメントの基本振動成分Fx、Fy、Mzに
対応した信号だけを取り出して変換器23の入力としてい
るため、各軸トルクの基本振動成分をほぼ正確に求める
ことができる。したがって、アーム5の基本振動を良好
に抑制することができる。なお、2次以上の振動はアー
ムの振動減衰効果によって速やかに減衰するのでほとん
ど問題とはならない。また、万一、力覚センサ12が故障
した場合でも、この力覚センサ12がリスト部に装着され
ているので、交換作業も容易で、アーム全体を交換しな
ければならない事態の発生はほとんど起こらない。
As described above, the force sensor 12 is attached to the wrist of the arm 5 and the torque of each axis is determined by using the output signal of the force sensor 12.
T 1 , T 2 , T 3 are calculated, and the joint torques θ 1 , T 1 , T 2 , T 3 and the joint angles θ 1 ,
theta 2, theta 3 each driving source 6 as a feedback quantity,
8 is driven. In general, when the arm 5 is performing an acceleration motion, it is difficult to correctly obtain the axial torque. However, here, the force and moment obtained from the signals corresponding to the forces Fsx and Fsy and the moment Msz output from the force sensor 12 are used. Since only the signals corresponding to the basic vibration components Fx, Fy, and Mz are extracted and used as the input to the converter 23, the basic vibration components of each shaft torque can be obtained almost accurately. Therefore, the fundamental vibration of the arm 5 can be favorably suppressed. In addition, since the vibration of the second or higher order is quickly attenuated by the vibration damping effect of the arm, it hardly causes a problem. Also, even if the force sensor 12 fails, since the force sensor 12 is mounted on the wrist part, the replacement operation is easy, and almost all situations in which the entire arm needs to be replaced rarely occur. Absent.

なお、上述した実施例は水平スカラ型のマニピュレー
タを制御するものに本発明を適用した例であるが、多自
由度型のマニピュレータを制御するものにも適用できる
ことは勿論である。
Although the above-described embodiment is an example in which the present invention is applied to a device that controls a horizontal scalar type manipulator, it is needless to say that the present invention can also be applied to a device that controls a multi-degree-of-freedom type manipulator.

[発明の効果] 以上述べたように、本発明によれば、アームのリスト
部に容易に装着できる力覚センサの信号を用いて各軸ト
ルクを算出するようにしているので、位置制御とトルク
制御との併用方式を採用してアームの振動を良好に抑制
できるとともに、万一、力覚センサが故障した場合でも
これを簡単に交換することが可能で、たとえば宇宙空間
用のものへの適用を可能化できる。
[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, each axis torque is calculated using a signal of a force sensor that can be easily attached to the wrist of the arm. The system can be used together with control to suppress the vibration of the arm satisfactorily, and even if the force sensor fails, it can be replaced easily, for example, for space applications. Can be enabled.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は一実施例に係る制御装置によって制御されるマ
ニピュレータの概略構成を示す図、第2図は一実施例に
係る制御装置のブロック的構成図、第3図は同装置にお
ける制御器の構成図である。 1……マニピュレータ、2……肩関節部、3……肘関節
部、4……手首関節部、5……柔軟なアーム、6、7、
8……駆動源、9、10、11……関節角度センサ、12……
力覚センサ、21……制御装置本体、22……ローパスフイ
ルタ、23……各軸トルクへの変換器、24……制御器。
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a manipulator controlled by a control device according to one embodiment, FIG. 2 is a block diagram of a control device according to one embodiment, and FIG. It is a block diagram. 1 ... manipulator, 2 ... shoulder joint, 3 ... elbow joint, 4 ... wrist joint, 5 ... flexible arm, 6, 7,
8 ... drive source, 9, 10, 11 ... joint angle sensor, 12 ...
Force sensor, 21: Control device body, 22: Low-pass filter, 23: Converter for each axis torque, 24: Controller.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 植之原 道宏 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株式会社東芝総合研究所内 (56)参考文献 特開 平1−173117(JP,A) ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (72) Inventor Michihiro Uenohara 1st address, Komukai Toshiba-cho, Saiwai-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Prefecture Toshiba Research Institute, Inc. (56) References JP-A-1-173117 (JP, A)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】途中に関節軸を複数介在させた柔軟なアー
ムを備えるとともに各関節軸を駆動する駆動源を備えて
なるマニピュレータを制御するためのものであって、前
記アームのリスト部に装着されて力およびモーメントを
検出する力覚センサと、前記各関節軸の角度を検出する
関節角度センサと、前記力覚センサの出力信号から前記
アームの2次以上の振動モード信号成分を除去するロー
パスフィルタと、このローパスフイルタを経た信号によ
って検出された力、モーメントをつり合いの条件を用い
て前記各関節軸の軸トルクに変換する変換器と、前記各
駆動源を前記変換器によって得られた軸トルクおよび前
記関節角度センサから得られた関節角度をフィードバッ
ク量として制御する制御器とを具備してなることを特徴
とする柔軟マニピュレータの制御装置。
1. A manipulator having a flexible arm having a plurality of joint axes interposed therebetween and a drive source for driving each joint axis, wherein the manipulator is mounted on a wrist portion of the arm. A force sensor for detecting a force and a moment, a joint angle sensor for detecting an angle of each joint axis, and a low-pass for removing a second or higher order vibration mode signal component of the arm from an output signal of the force sensor. A filter, a converter that converts a force and a moment detected by a signal passed through the low-pass filter into an axial torque of each of the joint shafts using a balancing condition, and an axis obtained by the converter that converts each of the driving sources into an axis torque. And a controller for controlling a torque and a joint angle obtained from the joint angle sensor as a feedback amount. Regulator of the control device.
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