JP2645004B2 - 多自由度マニピユレータの制御装置 - Google Patents
多自由度マニピユレータの制御装置Info
- Publication number
- JP2645004B2 JP2645004B2 JP62043182A JP4318287A JP2645004B2 JP 2645004 B2 JP2645004 B2 JP 2645004B2 JP 62043182 A JP62043182 A JP 62043182A JP 4318287 A JP4318287 A JP 4318287A JP 2645004 B2 JP2645004 B2 JP 2645004B2
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- Japan
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- force
- sensor
- manipulator
- link
- joint
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- Expired - Lifetime
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Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J9/00—Programme-controlled manipulators
- B25J9/16—Programme controls
- B25J9/1628—Programme controls characterised by the control loop
- B25J9/1641—Programme controls characterised by the control loop compensation for backlash, friction, compliance, elasticity in the joints
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
- G05B2219/00—Program-control systems
- G05B2219/30—Nc systems
- G05B2219/37—Measurements
- G05B2219/37356—Torsion, twist
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
- G05B2219/00—Program-control systems
- G05B2219/30—Nc systems
- G05B2219/39—Robotics, robotics to robotics hand
- G05B2219/39186—Flexible joint
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
- G05B2219/00—Program-control systems
- G05B2219/30—Nc systems
- G05B2219/40—Robotics, robotics mapping to robotics vision
- G05B2219/40599—Force, torque sensor integrated in joint
Description
【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明は多自由度マニピュレータの制御装置に係わ
り、特に制御用演算回数の増大を招くことなく、マニピ
ュレータの動特性を考慮した高性能な制御装置に関す
る。
り、特に制御用演算回数の増大を招くことなく、マニピ
ュレータの動特性を考慮した高性能な制御装置に関す
る。
（従来の技術） 一般に多自由度マニピュレータの制御性能を向上させ
るためにはリンクの慣性力や重力等の動特性を考慮する
ことが肝要である。このような多自由度マニピュレータ
の制御装置として例えば第３図のようなものがある。す
なわちマニピュレータ１を剛体多リンク機構としてモデ
リングし、各関節３−1,…３−ｎの角度、角速度等を用
いて非線形補償要素５で非線形力（慣性力、重力等）、
及び干渉力（他リンクからの干渉や、他設備との接触
力、把持物体による外乱などのリンクに働く外力等）を
計算により算出し、この計算結果を用いて前記各関節毎
に非線形補償を行なう制御装置７を用いたものである。
るためにはリンクの慣性力や重力等の動特性を考慮する
ことが肝要である。このような多自由度マニピュレータ
の制御装置として例えば第３図のようなものがある。す
なわちマニピュレータ１を剛体多リンク機構としてモデ
リングし、各関節３−1,…３−ｎの角度、角速度等を用
いて非線形補償要素５で非線形力（慣性力、重力等）、
及び干渉力（他リンクからの干渉や、他設備との接触
力、把持物体による外乱などのリンクに働く外力等）を
計算により算出し、この計算結果を用いて前記各関節毎
に非線形補償を行なう制御装置７を用いたものである。
しかしこの制御装置７による場合にはマニピュレータ
１の剛体モデル中のパラメータ（リンク慣性、重心位置
等）が既知でなければならないが、これらパラメータの
同定を正確に行なうのは難しく、もし真の値からずれて
いると制御性能の向上を図ることはできない。また、パ
ラメータか正確であったとしても、制御装置７の非線形
補償要素５はオンラインの計算量が非常に多く、制御周
期の短縮化が難しく、却って制御性能が低下するものと
なる。さらに、マニピュレータ１は実際には剛体ではな
く、特に各関節は減速機等のトルク伝達機構がばね特性
等により低剛性であることが多く、これを考慮しないと
リンクの振動やリンク角の誤差の招き、制御性能が低下
するという問題がある。
１の剛体モデル中のパラメータ（リンク慣性、重心位置
等）が既知でなければならないが、これらパラメータの
同定を正確に行なうのは難しく、もし真の値からずれて
いると制御性能の向上を図ることはできない。また、パ
ラメータか正確であったとしても、制御装置７の非線形
補償要素５はオンラインの計算量が非常に多く、制御周
期の短縮化が難しく、却って制御性能が低下するものと
なる。さらに、マニピュレータ１は実際には剛体ではな
く、特に各関節は減速機等のトルク伝達機構がばね特性
等により低剛性であることが多く、これを考慮しないと
リンクの振動やリンク角の誤差の招き、制御性能が低下
するという問題がある。
（発明が解決しようとする問題点） 上記のように従来の制御装置ではマニピュレータの非
線形力や干渉力を補償する際のパラメータの誤差や制御
周期の増大を招き、また関節の低剛性のためにリンク振
動やリンク角の誤差を招き、制御性能が低下するという
問題があった。
線形力や干渉力を補償する際のパラメータの誤差や制御
周期の増大を招き、また関節の低剛性のためにリンク振
動やリンク角の誤差を招き、制御性能が低下するという
問題があった。
そこでこの発明はマニピュレータの非線形力や干渉
力、あるいは関節の低剛性等による影響をリンクパラメ
ータの同定なしに排除し、制御性能の著しい向上を図る
ことのできる多自由度マニピュレータの制御装置の提供
を目的とする。
力、あるいは関節の低剛性等による影響をリンクパラメ
ータの同定なしに排除し、制御性能の著しい向上を図る
ことのできる多自由度マニピュレータの制御装置の提供
を目的とする。
［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 前述のごとき従来の問題に鑑みて、本発明は、アクチ
ュエータにより関節軸を介して出力する多自由度マニピ
ュレータにおいて、前記関節軸に作用する力を検出する
センサと、上記センサが出力する力信号を前記アクチュ
エータの減速比で除算してフィードバックすることによ
って前記関節軸の非線形力や干渉力を補償する第１のフ
ィードバック系と、前記センサが出力する力信号を前記
関節軸のばね定数で除算してフィードバックすることに
よって前記関節軸のねじれによるマニピュレータのリン
クの振動を補償する第２のフィードバック系と、を備え
てなるものである。
ュエータにより関節軸を介して出力する多自由度マニピ
ュレータにおいて、前記関節軸に作用する力を検出する
センサと、上記センサが出力する力信号を前記アクチュ
エータの減速比で除算してフィードバックすることによ
って前記関節軸の非線形力や干渉力を補償する第１のフ
ィードバック系と、前記センサが出力する力信号を前記
関節軸のばね定数で除算してフィードバックすることに
よって前記関節軸のねじれによるマニピュレータのリン
クの振動を補償する第２のフィードバック系と、を備え
てなるものである。
（作用） 上記構成により、マニピュレータの関節軸に作用する
力がセンサによって検出される。そして、このセンサが
出力する力信号を前記アクチュエータの減速比で除算し
てフィードバックすることによって前記関節軸の非線形
力や干渉力を補償するためのフィードバック制御が行わ
れると共に、センサが出力する力信号を前記関節軸のば
ね定数で除算してフィードバックすることによって前記
関節軸のねじれによるマニピュレータのリンクの振動を
補償するためのフィードバック制御が行われ、マニピュ
レータの動特性を考慮して位置決め誤差を防止する位置
制御が行われることになる。
力がセンサによって検出される。そして、このセンサが
出力する力信号を前記アクチュエータの減速比で除算し
てフィードバックすることによって前記関節軸の非線形
力や干渉力を補償するためのフィードバック制御が行わ
れると共に、センサが出力する力信号を前記関節軸のば
ね定数で除算してフィードバックすることによって前記
関節軸のねじれによるマニピュレータのリンクの振動を
補償するためのフィードバック制御が行われ、マニピュ
レータの動特性を考慮して位置決め誤差を防止する位置
制御が行われることになる。
（実施例） 以下、この発明の実施例を説明する。
第１図はこの発明の一実施例に係る多自由度マニピュ
レータの一関節分を表わし、アクチュエータとしてのモ
ータ11を備える他、減速機13、角度センサ15、トルクセ
ンサ17を備え、マニピュレータリンク19を介して自由度
数分連なっている。従ってモータ11（アクチュエータ）
により関節軸21を介して出力するように構成され、自由
度数分連なっている他の関節も同様に構成されているも
のである。
レータの一関節分を表わし、アクチュエータとしてのモ
ータ11を備える他、減速機13、角度センサ15、トルクセ
ンサ17を備え、マニピュレータリンク19を介して自由度
数分連なっている。従ってモータ11（アクチュエータ）
により関節軸21を介して出力するように構成され、自由
度数分連なっている他の関節も同様に構成されているも
のである。
前記角度センサ15はモータ11の回転角θｍを計測し、
減速機13はモータ11の回転を減速すると同時にリンク19
を駆動するのに十分なトルクを発生するものである。前
記トルクセンサ17は、関節軸21に作用する力、例えば減
速機13の出力軸に係るトルクτを計測するセンサであ
り、リンク19による非線形力（慣性力、重力等）feや干
渉力（他リンクからの干渉、他設備との接触、把持物体
による外乱等のリンクに働く外力等）fdの総和 τ＝fe＋fd …（１） を求めることができる。
減速機13はモータ11の回転を減速すると同時にリンク19
を駆動するのに十分なトルクを発生するものである。前
記トルクセンサ17は、関節軸21に作用する力、例えば減
速機13の出力軸に係るトルクτを計測するセンサであ
り、リンク19による非線形力（慣性力、重力等）feや干
渉力（他リンクからの干渉、他設備との接触、把持物体
による外乱等のリンクに働く外力等）fdの総和 τ＝fe＋fd …（１） を求めることができる。
ここで減速機13は歯車のばね特性等の存在により完全
な剛体ではないので、入力軸回転角θｍと出力軸回転角
θｅでは減速比をＮとすると、 ｅ＝（θm/N）−θｅ …（２） のねじれが生じ、減速機13のばね定数をKGとすれば、 τ＝KG・ｅ …（３） の関係がある。
な剛体ではないので、入力軸回転角θｍと出力軸回転角
θｅでは減速比をＮとすると、 ｅ＝（θm/N）−θｅ …（２） のねじれが生じ、減速機13のばね定数をKGとすれば、 τ＝KG・ｅ …（３） の関係がある。
また、トルクセンサ17も低剛性であれば、ばね定数KG
は両者を総合したものとなる。
は両者を総合したものとなる。
次にこのような一関節分の制御装置を第２図のブロッ
ク図で示す。この制御装置はモータ・リンク系30、モー
タ回転角位置制御系40、非線形力・干渉力補償制御系5
0、関節軸たわみ振動補償制御系60からなっている。
ク図で示す。この制御装置はモータ・リンク系30、モー
タ回転角位置制御系40、非線形力・干渉力補償制御系5
0、関節軸たわみ振動補償制御系60からなっている。
モータ・リンク系30では、前記（１）〜（３）式が成
立っており、リンク31（第１図のリンク19に対応する）
をトルクτで駆動すると作用・反作用によりモータ32
（第１図のモータ11に対応する）に−τ/Nの力が帰って
くる。そこで非線形力、干渉力補償制御系50ではトルク
センサ51（第１図のトルクセンサ17に対応する）でトル
クτを計測し、このトルクτに演算器53で1/Nを掛け、
演算手段としての加算器71に供給する。従ってセンサ
（トルクセンサ51）が出力する力信号（トルクτ）に基
づく補正値τ/Nをアクチュエータ（モータ32）への入力
信号に加算する構成となっており、この場合の補正値
は、トルクτをモータ32の減速比Ｎで除算したものとな
っている。従ってトルクτすなわち非線形力feおよび干
渉力fdの総和（（１）式）の反作用を相殺することが可
能となり、マニピュレータの各軸は略完全に線形化、非
干渉化される。
立っており、リンク31（第１図のリンク19に対応する）
をトルクτで駆動すると作用・反作用によりモータ32
（第１図のモータ11に対応する）に−τ/Nの力が帰って
くる。そこで非線形力、干渉力補償制御系50ではトルク
センサ51（第１図のトルクセンサ17に対応する）でトル
クτを計測し、このトルクτに演算器53で1/Nを掛け、
演算手段としての加算器71に供給する。従ってセンサ
（トルクセンサ51）が出力する力信号（トルクτ）に基
づく補正値τ/Nをアクチュエータ（モータ32）への入力
信号に加算する構成となっており、この場合の補正値
は、トルクτをモータ32の減速比Ｎで除算したものとな
っている。従ってトルクτすなわち非線形力feおよび干
渉力fdの総和（（１）式）の反作用を相殺することが可
能となり、マニピュレータの各軸は略完全に線形化、非
干渉化される。
次に関節軸たわみ振動補償制御系60では、トルクセン
サ51で計測したトルクτに予め求めておいた関節のばね
定数KGの逆数（1/KG）を演算器61で掛けねじれ角ｅを求
める。ここで、ばね定数KGの測定方法を述べると、測定
しようとする軸のモータ32をブレーキなどで固定し、減
速機の入力軸が回転しないようにする。次に関節軸21か
ら距離ｌのところにある該当するリンク先端に所定の力
ｆを加え、リンク先端の変位ｄを測定し、その時の軸ト
ルクτをトルクセンサ51の値から読取る。すると、ばね
定数KGは次のように求められる。
サ51で計測したトルクτに予め求めておいた関節のばね
定数KGの逆数（1/KG）を演算器61で掛けねじれ角ｅを求
める。ここで、ばね定数KGの測定方法を述べると、測定
しようとする軸のモータ32をブレーキなどで固定し、減
速機の入力軸が回転しないようにする。次に関節軸21か
ら距離ｌのところにある該当するリンク先端に所定の力
ｆを加え、リンク先端の変位ｄを測定し、その時の軸ト
ルクτをトルクセンサ51の値から読取る。すると、ばね
定数KGは次のように求められる。
KG＝τ／（d/l）：（τ＝ｆ・ｌ） …（４） なおこの時、力ｆと距離ｌが分っているのでトルクτ
を計測することにより、トルクセンサ51の較正も同時に
行なえる。そして、これを各関節軸について行なえばよ
い。この場合一般にばね定数KGは一定値ではなく非線形
特性を持つことが多い。そこで各軸についてτ−KGのテ
ーブルを作っておき、τの現在値に対応するKGを用いて
演算器61の計算を行なう。そしてこのねじれ角ｅをPID
などの演算器F2に入力し、その出力を加算器71に負帰還
し、モータ32（11）への入力に加えれば関節軸21のねじ
れによるリンク31（19）の振動が抑えられる。従って、
この場合の補正値は力信号（トルクτ）を関節軸21のば
ね定数KGで除算した関節軸21のねじれ角ｅに基づくもの
となっている。
を計測することにより、トルクセンサ51の較正も同時に
行なえる。そして、これを各関節軸について行なえばよ
い。この場合一般にばね定数KGは一定値ではなく非線形
特性を持つことが多い。そこで各軸についてτ−KGのテ
ーブルを作っておき、τの現在値に対応するKGを用いて
演算器61の計算を行なう。そしてこのねじれ角ｅをPID
などの演算器F2に入力し、その出力を加算器71に負帰還
し、モータ32（11）への入力に加えれば関節軸21のねじ
れによるリンク31（19）の振動が抑えられる。従って、
この場合の補正値は力信号（トルクτ）を関節軸21のば
ね定数KGで除算した関節軸21のねじれ角ｅに基づくもの
となっている。
関節軸21のたわみによるリンク角θｅの誤差について
は、リンク角の目標値θerにねじれ角ｅを加算器63で加
え、演算器65で減速比Ｎ倍しものをモータ角目標値θmr
とすればよい。すなわち、 θmr＝（θer＋ｅ）Ｎ＝（θer＋τ/KG）Ｎ …（５） となる。そこでモータ回転角位置制御系40では、減算器
41においてモータ角目標値θmrから角度センサ43（第１
図の角度センサ15に対応する）によって計測されるモー
タ32（11）の回転角θｍを減算し、PIDなどの演算器F1
に入力し、その出力を加算器71に供給して、その出力を
加算器71に供給すれば、リンク角θｅがリンク角の目標
値θerに偏差なく追従する。従って、前記補正値は力信
号（トルクτ）を関節軸21のばね定数KGで除算した関節
軸21のねじれ角ｅに基づいたものとなっている。
は、リンク角の目標値θerにねじれ角ｅを加算器63で加
え、演算器65で減速比Ｎ倍しものをモータ角目標値θmr
とすればよい。すなわち、 θmr＝（θer＋ｅ）Ｎ＝（θer＋τ/KG）Ｎ …（５） となる。そこでモータ回転角位置制御系40では、減算器
41においてモータ角目標値θmrから角度センサ43（第１
図の角度センサ15に対応する）によって計測されるモー
タ32（11）の回転角θｍを減算し、PIDなどの演算器F1
に入力し、その出力を加算器71に供給して、その出力を
加算器71に供給すれば、リンク角θｅがリンク角の目標
値θerに偏差なく追従する。従って、前記補正値は力信
号（トルクτ）を関節軸21のばね定数KGで除算した関節
軸21のねじれ角ｅに基づいたものとなっている。
なお、この発明は上記実施例に限定されるものではな
い。例えば、関節軸に作用する力を検出するセンサとし
て各関節軸に設けるトルクセンサ17に変えてマニピュレ
ータハンドの取付け部分に特願昭61−172249号に記載と
同様な６軸力センサを設け、各関節軸に設けられた角度
センサの信号を用いて非線形演算を行ない、手先に加わ
る力を各関節軸トルクに振分けて、関節軸に作用する力
とすることもできる。
い。例えば、関節軸に作用する力を検出するセンサとし
て各関節軸に設けるトルクセンサ17に変えてマニピュレ
ータハンドの取付け部分に特願昭61−172249号に記載と
同様な６軸力センサを設け、各関節軸に設けられた角度
センサの信号を用いて非線形演算を行ない、手先に加わ
る力を各関節軸トルクに振分けて、関節軸に作用する力
とすることもできる。
［発明の効果］ 以上のごとき実施例の説明より理解されるように、本
発明によれば、関節軸に作用する力を検出するセンサが
設けてあり、このセンサが出力する力信号を前記アクチ
ュエータの減速比で除算してフィードバックすることに
よって前記関節軸の非線形力や干渉力を補償する第１の
フィードバック系と、上記センサの力信号を前記関節軸
のばね定数で除算してフィードバックすることによって
前記関節軸のねじれによるマニピュレータのリンクの振
動を補償する第２のフィードバック系とが設けてあるか
ら、マニピュレータに働く非線形力，干渉力の補償を行
うことができると共に関節軸のねじれによるリンクの振
動が抑制されるものである。
発明によれば、関節軸に作用する力を検出するセンサが
設けてあり、このセンサが出力する力信号を前記アクチ
ュエータの減速比で除算してフィードバックすることに
よって前記関節軸の非線形力や干渉力を補償する第１の
フィードバック系と、上記センサの力信号を前記関節軸
のばね定数で除算してフィードバックすることによって
前記関節軸のねじれによるマニピュレータのリンクの振
動を補償する第２のフィードバック系とが設けてあるか
ら、マニピュレータに働く非線形力，干渉力の補償を行
うことができると共に関節軸のねじれによるリンクの振
動が抑制されるものである。
すなわち、力センサからの力信号を用いて関節の位置
決め誤差を防止する位置制御を行うことができ、マニピ
ュレータの制御性能を向上することができるものであ
る。
決め誤差を防止する位置制御を行うことができ、マニピ
ュレータの制御性能を向上することができるものであ
る。
また、第1,第２のフィードバック系は共通の力センサ
の共通の力信号に基いてフィードバック制御する構成で
あるから、構成がより簡単となるものである。
の共通の力信号に基いてフィードバック制御する構成で
あるから、構成がより簡単となるものである。
第１図はこの発明の一実施例に係る多自由度マニピュレ
ータの一関節分を示すブロック図、第２図は制御装置を
示すブロック図、第３図は従来例に係る非線形補償に基
く多自由度マニピュレータの制御装置を示すブロック図
である。 11,32……モータ（アクチュエータ） 17,51……トルクセンサ（センサ） 53,61……演算器 71……加算器（演算手段）
ータの一関節分を示すブロック図、第２図は制御装置を
示すブロック図、第３図は従来例に係る非線形補償に基
く多自由度マニピュレータの制御装置を示すブロック図
である。 11,32……モータ（アクチュエータ） 17,51……トルクセンサ（センサ） 53,61……演算器 71……加算器（演算手段）
Claims (1)
- 【請求項１】アクチュエータにより関節軸を介して出力
する多自由度マニピュレータにおいて、前記関節軸に作
用する力を検出するセンサと、上記センサが出力する力
信号を前記アクチュエータの減速比で除算してフィード
バックすることによって前記関節軸の非線形力や干渉力
を補償する第１のフィードバック系と、前記センサが出
力する力信号を前記関節軸のばね定数で除算してフィー
ドバックすることによって前記関節軸のねじれによるマ
ニピュレータのリンクの振動を補償する第２のフィード
バック系と、を備えてなることを特徴とする多自由度マ
ニピュレータの制御装置。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62043182A JP2645004B2 (ja) | 1987-02-27 | 1987-02-27 | 多自由度マニピユレータの制御装置 |
| DE88102901T DE3881903T2 (de) | 1987-02-27 | 1988-02-26 | Nichtlineare Steureungseinheit für einen Manipulator mit mehreren Freiheitsgraden. |
| EP88102901A EP0280324B1 (en) | 1987-02-27 | 1988-02-26 | Nonlinear control unit for a multi-degree-of freedom manipulator |
| US07/161,760 US4989161A (en) | 1987-02-27 | 1988-02-29 | Control unit for a multi-degree-of freedom manipulator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62043182A JP2645004B2 (ja) | 1987-02-27 | 1987-02-27 | 多自由度マニピユレータの制御装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63212483A JPS63212483A (ja) | 1988-09-05 |
| JP2645004B2 true JP2645004B2 (ja) | 1997-08-25 |
Family
ID=12656754
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62043182A Expired - Lifetime JP2645004B2 (ja) | 1987-02-27 | 1987-02-27 | 多自由度マニピユレータの制御装置 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4989161A (ja) |
| EP (1) | EP0280324B1 (ja) |
| JP (1) | JP2645004B2 (ja) |
| DE (1) | DE3881903T2 (ja) |
Families Citing this family (62)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04310384A (ja) * | 1991-04-09 | 1992-11-02 | Toyota Motor Corp | 複腕ロボット |
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