JP2713899B2 - ロボツト装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は物体を把持して所定の位置へ移動する機能を
有するロボット装置に係り、特に力（トルク）センサを
用いて対象物体の位置決め制御を行なう方式のロボット
装置に関するものである。 〔従来の技術〕 ロボット装置を用いて組立作業を行なう場合は、対象
物体の目標位置に対する位置決め精度が重要となる。特
に、はめ合い公差のきびしい軸を穴へ挿入する様な作業
の場合には、位置決め精度がばらついていると組立成功
率が著しく低下する。 従来、高精度の位置決め制御を行なう手段の１つとし
て、ロボットの手首に力（トルク）検出器を設け、対象
物体が目標位置付近で受ける力やトルク（上記例では、
軸と穴が干渉したときに生ずる力やトルク）の大きさと
方向を検出し、この力やトルクが少なくなる方向に物体
を移動する位置制御方法が行なわれている。この種の制
御方法に関する文献としては、例えば、計測自動制御学
会論文集vol.22,No.3（昭和61年３月）pp343〜349の
“多自由度ロボットの仮想コンプライアンス制御”と題
する論文が挙げられる。 上記文献のp.344に（１）式で示されている様に、ロ
ボットハンドの運動は、次式で表わされる。 ただし、：ハンドに加わる外力 ：ハンドの速度 Δ：目標位置からのハンドの偏差 〔Ｍ〕：仮想質量 〔Ｋ〕：仮想バネ定数 〔Ｃ〕：仮想粘定数 上記の軸と穴とのはめ合いの例では、およびｄ/d
tはほぼ零であるのでこれを無視すると、上記（１）式
は、 ＝〔Ｋ〕Δ となる。 従って、〔Ｋ〕の値を適当に選び、この時の外力を
力（トルク）検出器で検出してやれば位置の偏差Δが
計算できるので、これによりロボットの、はめ合いを成
功させることができるわけである。 〔発明が解決しようとする問題点〕 上記従来技術では、力（トルク）検出器で検出した値
がそのままロボットに加えられた外力に等しいものとし
て位置の偏差を計算している。 しかしながら、一般的には純粋にハンドに加わる外力
のみを検出することは大変難しい。すなわち力（トル
ク）検出器の検出値は、対象物体の質量を〔ｍ〕とし
た時、 となってハンドに働く慣性力をも含めた値となるからで
ある。 通常、質量〔ｍ〕が小さい場合は、ハンドに働く慣性
力は無視できるものである。しかしながら、〔ｍ〕の値
が非常に大きい場合や宇宙空間での作業などの場合に
は、ハンドに働く慣性力が無視できなくなり正確な位置
決め制御ができなくなってしまう。 本発明の目的は、重い物体を、移動する場合や宇宙空
間の様な無重力状態で作業を行なう場合に、正確な位置
決め制御を行なうことのできるロボット装置を提供する
ことにある。 本発明の他の目的は、ハンドで把持した物体を定めら
れた位置に安全にかつ短時間に運搬することのできるロ
ボット装置を提供することにある。 〔問題点を解決するための手段〕 これらの目的を達成するために、本発明のロボット装
置は、ロボットハンドの先端に設けられたエンドエフェ
クタに作用する力（トルク）を検出する手段と、該エン
ドエフェクタに作用する慣性力を検出する手段と、これ
ら両検出手段の検出結果に応じてロボットハンドを制御
する手段とを有する。 〔作用〕 上記慣性力検出手段により、物体を把持しているエン
ドエフェクタに作用する慣性力〔ｍ〕ｄ/dtを検出
し、その値を上記力（トルク）検出手段の検出値から
減算すれば、上記（２）式から、純粋にエンドエフェク
タが外界から受ける外力を求めることができる。制御
手段はこの情報に基づいてロボットハンドを制御し、環
境に適するように安全にかつスピーディに位置決め制御
を行なうことができる。 〔実施例〕 以下、本発明の一実施例を第１図〜第７図を用いて説
明する。 第１図は本発明の一実施例によるロボット装置のシス
テム構成図である。図中、101はロボット全体を制御す
る中央演算装置、102はD/A変換器、103はパワーアンプ
である。本装置のマニュピレータ部は６ヶ所の関節を有
するものとし、104〜109はそれぞれ第１関節〜第６関節
の駆動装置、又111〜116はそれぞれ第１関節〜第６関節
に設けられた関節角検出器である。110は物体を把持す
るエンドエフェクタの駆動装置、117は各関節角検出器
の検出結果を中央演算装置101へ入力するディジタル入
力器である。 また、118はエンドエフェクタとロボットの最終端と
の間に設けられた力（トルク）センサ、119はエンドエ
フェクタとロボットとの間に設けられた加速度センサ、
120はロボットの第１のリンクとロボットが取付けられ
るベースとの間に設けられた加速度センサ、121〜123は
ブリッジ回路、124〜126はA/D変換器、127は力（トル
ク）演算装置、128,129は加速度演算装置である。 第２図に、このロボット装置のマニピュレータ部の外
観図を示す。本装置は204〜209の６つの関節を有してお
り、例えばベース201内には関節204においてアームを軸
回りに回転させる駆動装置104を内蔵している。以下、
各アームは各関節をそれぞれの方向に回転させる駆動装
置及び各種信号線を内蔵しており、各関節には関節角検
出器を取付けてあって、これを用いて関節角度を検出す
る。118は力（トルク）センサで、終端202にかかる力
（トルク）を検出する。加速度センサ119,120はそれぞ
れ、終端202及びベース201における加速度を検出する。 次に、以上のシステムにおける信号の流れを説明す
る。 第１図において、中央演算装置101で決定した各関節
駆動装置への出力値は、D/A変換器102によりアナログ信
号となり、パワーアンプ103を経て第１〜第６関節駆動
装置104〜109を駆動する。関節の角度は関節角検出器11
1〜116によって検出され、ディジタル入力器117から中
央演算装置101に入力される。一方、力（トルク）セン
サ118の信号はブリッジ回路121を経た後に、又力（トル
ク）センサと同じ場所に設けた加速度センサ119の信号
はブリッジ回路122を経た後に、それぞれA/D変換器124,
125を経てそれぞれ力（トルク）演算装置127、加速度演
算装置128に入力する。加速度センサ120の信号も同様に
ブリッジ回路123を経た後、A/D変換器126を経て加速度
演算装置129に入力される。 この力（トルク）演算装置127、加速度演算装置128及
び129の出力は中央演算装置101へ入力されて、中央演算
装置101内で位置決め制御のための目標値が制御される
わけである。 第３図は、この制御論理を示すブロック線図である。 まず、中央演算装置101は予め入力された作業プログ
ラムから目標値発生の操作により、位置・姿勢目標値30
1及び力（トルク）目標値302を発生する。これらからそ
れぞれ現在の位置・姿勢実測値303、力（トルク）の実
測値304を減算し、位置・姿勢の差分値311、力（トル
ク）の差分値312を得る。これらを用いて逆変換演算を
行うことにより、各関節の駆動系に与える電圧値を演算
し、これらを駆動するためD/A変換器102、パワーアンプ
103を介して関節駆動装置104〜109へ制御電圧を出力す
る。 またその結果としての各関節角の現在値は、関節角検
出器111〜116により検出し、ディジタル入力器117を介
したこれらの値を正変換して現在の位置・姿勢実測値30
3を得ることができ、これを位置・姿勢目標値301にフィ
ードバックする。 次に説明する第３図ブロック線図下部が、本発明の特
徴となる力（トルク）のフィードバックである。力（ト
ルク）演算装置127は、力（トルク）センサ118の力（ト
ルク）信号をブリッジ回路121,A/D変換器124を介して入
力した後、正変換を施すことにより、ベースに固定した
座標系での力（トルク）信号305を得る。従来技術で
は、これをそのまま力（トルク）信号とし、位置情報を
一次修正してフィードバック或いは目標値発生の情報に
用いていた。しかし、この信号には、ベースから受ける
慣性力、エンドエフェクタの質量による慣性力、エンド
エフェクタが把んでいる物体の質量による慣性力が含ま
れており、これを用いて制御を行ったのでは精度のよい
制御は行えない。 したがって、そのための二次修正の一例として、ここ
では以下の手法を用いている。 131は加速度センサ119における加速度信号をブリッジ
回路122を介して得た信号で、加速度演算装置128はこれ
をA/D変換器125を介して入力した後正変換することによ
り、エンドエフェクタの加速度、角加速度をベースに固
定した座標系で表現した信号306を得る。また同様に、
ベース上の加速度センサ120の加速度信号をブリッジ回
路123を介して得た信号132がA/D変換器126を介して加速
度演算装置129へ入力され、加速度演算装置129はこれを
正変換し、ベースの加速度、角加速度信号307を得るこ
とができる。 ここで、加速度、角加速度を以下の様に表現する。 また、Ｍを次の様に定義する。 ここでｍは質量，（I₁,I₂,I₃）^Ｔは次式で得られる慣
性モーメントである。 ここで、Ix…最終リンク座標系においてｘ軸回りの慣
性モーメント Iy…同ｙ軸回りの慣性モーメント Iz…同ｚ軸回りの慣性モーメント また、Ｔは、最終リンク座標系から、ベースに固定し
た座標系への変換行列である。 以上を考慮して、第３図のM₁をエンドエフェクタ203
が把んでいる物体＋エンドエフェクタの質量及び慣性モ
ーメント,M₂をエンドエフェクタ203のみの質量及び慣性
モーメントとすると、 信号308＝M₁A₁ 信号309＝M₂A₁ 信号310＝M₁A₂ となる。したがって、これらを信号305から減算するこ
とにより、以下の情報が得られる。 信号304:純粋にエンドエフェクタ203及びそれが把ん
でいる物体が外界から受ける力（トルク）。 信号313:エンドエフェクタ203が、把んでいる物体か
ら伝えられる力（トルク）。 信号314:ベース201が全く加速度を持っていないと仮
定した場合の力（トルク）。すなわち、地上のロボット
の力（トルク）センサに表われている信号と等価であ
る。 これらの操作により、信号304を力（トルク）信号と
してフィードバックすることにより、非常に精度のよい
力（トルク）制御を行うことができる。また、信号304,
313,314は中央演算装置101の内部において種々な目的に
利用でき、目標値発生の為の情報及び各種測定に用いる
ことが可能となる。 また、前に述べた質量及び慣性モーメントM₁は、概知
の場合はキー入力を行うこともできるが、未知の場合で
も以下の方法によって得ることができる。 M₂については概知であるため、M₁についてのみ示す。
まず、エンドエフェクタがある物体を把んだ直後に外力
のない状態で、マニピュレータを少し動かす。このとき
生じた力（トルク）信号を（Ｆ′x,F′y,F′z,M′x,M′
y,M′ｚ）^Ｔとし、加速度信号を（ａ′x,a′y,a′z,
α′x,α′y,α′ｚ）^Ｔとする。ここでＦ′ｉは最終リ
ンク座標系においてｉ軸方向の力、Ｍ′ｉはｉ軸回りの
トルク,a′ｉはｉ軸方向の加速度、α′ｉはｉ軸回りの
角加速度である。ここで、M₁におけるｍ、すなわち、エ
ンドエフェクタが把んでいる物体＋エンドエフェクタの
質量は、 また、Ｉ′x,I′y,I′ｚはそれぞれ Ｉ′ｘ＝Ｍ′x/α′x,I′ｙ＝Ｍ′y/α′y,I′ｚ＝Ｍ′
z/α′ｙ で求めることができる。また、これらは一点の測定点で
は不正確なので、動作開始直後数点においてサンプリン
グを行い平均をとる。 以上の手段により、未知であってもM₁の値を得ること
が可能となる。また把持した物体の質量があらかじめわ
かっているときは数値入力することもできる。 以上、第１図においては力（トルク）センサ118と加
速度センサ119とは別の装置として考えたが、第４図に
示すように一体化することもできる。 第４図は力（トルク）センサと加速度センサを一体化
した装置の具体例で、401が力（トルク）センサ、402は
加速度センサである。力（トルク）センサ401は外殻と
内殻をつなぐ細いビームにひずみゲージを貼りつけた構
造により構成されており、第６関節に取付けた外殻側と
エンドエフェクタに取付けた内殻側との間にかかる力
（トルク）が、ビームに取りつけたひずみゲージの抵抗
変化を生じさせ、これをブリッジ回路を用いて力（トル
ク）信号として検出する。また、加速度センサ402は、
一端を力（トルク）センサ401側に、もう一端をある質
量を持った物体405に固定した弾性のある細いビーム404
上にひずみゲージ403を貼ることにより構成されてお
り、加速度信号を力（トルク）信号の場合と同じくひず
みゲージの抵抗変化を利用して検出する。これらの力
（トルク）センサ、加速度センサそれぞれの構造につい
ては一般に知られるところであるから、ここでは詳細な
説明は省略する。 次に、加速度センサのかわりに視覚装置を用いた例に
ついて、第５図を用いて説明する。第５図において、50
1は画像入力装置で、502は画像処理装置である。このシ
ステムにおいて、画像入力装置501により取込んだ映像
を画像処理装置502で処理し、画像が静止している時に
は慣性力が零であるとして力（トルク）センサ118から
の信号を有効とする。画像が動いている時には画像処理
装置502によって、画像の速度、加速度を算出し、これ
を用いて力（トルク）センサ118の信号から慣性力成分
を除去することも可能である。 第６図は、第１図の加速度センサの代りに位置検出器
601〜606を用いた例で、各関節に設けた位置検出器601
〜606の出力信号を位置情報とし、補助演算装置607に入
力する。ここで、エンドエフェクタが静止していると判
断できる時は慣性力が零とし、力（トルク）センサ118
からの信号を有効とする。エンドエフェクタが動いてい
る時は補助演算装置607で位置情報を正変換した後、２
回の時間微分を処して加速度を求め、これを用いて力
（トルク）センサ118の信号から慣性力を除去する。 さらに第７図は、力（トルク）フィードバックを中央
演算装置101を介さず、サーボアンプ103に戻した例であ
る。補助演算装置701は、力（トルク）センサからの情
報と、位置検出器601〜606からの位置情報をもとに演算
を行い、その結果によってサーボアンプ103のゲインを
操作する。その操作内容は下記の通りである。 １）位置検出信号に変化があって力（トルク）センサ11
8よりの信号があるときには、力（トルク）センサ118の
検出に応じてパワーアンプのゲインをすべての軸につい
て下げる。この操作によって、運動方向が変化せず、加
速度のみを押さえることができる。 ２）位置検出信号に変化がなく力（トルク）センサ118
よりの信号があるときは、力（トルク）センサ118の検
出している値が減少する方向に（力（トルク）センサが
検出されている軸についてのみ）その検出信号に応じて
ゲインを下げる。この状態は、エンドエフェクタに物体
がぶつかっている状態であり、エンドエフェクタに余計
な負担がかからないようにするためである。 〔発明の効果〕 以上説明した通り、本発明によれば、力（トルク）セ
ンサの検出結果から慣性力を除去することができるの
で、非常に精度の良いロボットの位置決め制御を行なう
ことができる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の一実施例によるロボット装置のシステ
ム構成図、第２図は第１図の装置のマニピュレータ部の
外観図、第３図は第１図の装置における制御論理を示す
ブロック線図、第４図は力（トルク）センサと加速度セ
ンサを一体化した場合の外観図、第５図〜第７図はそれ
ぞれ本発明の他の実施例によるロボット装置のシステム
構成図である。 101……中央演算装置、104〜109……関節角駆動装置、 111〜116……関節角検出器、118……力（トルク）セン
サ、 119,120……加速度センサ、127……力（トルク）演算装
置、 128,129……加速度演算装置。

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．ベースに可動可能に取り付けられたロボットが、 複数の関節をもって連結された複数のリンクからなるマ
   ニピュレータ部と、 その最終リンクの先端に取り付けられ、物体を把持する
   エンドエフェクタと、 前記複数の関節を駆動する複数の関節駆動装置と、 前記エンドエフェクタを駆動する駆動装置と、 前記複数の関節駆動装置の関節角出力を受けて、位置・
   姿勢目標値及び力（トルク）目標値を発生し、前記関節
   駆動装置及び前記エンドエフェクタ駆動装置を制御する
   演算制御装置とを備えたロボット装置において、 前記最終関節部と前記エンドエフェクタとの間の最終リ
   ンクに設けられ、該最終リンクにかかる力（トルク）を
   検出する力（トルク）センサと、 前記最終関節部と前記エンドエフェクタとの間の最終リ
   ンクに設けられ、該最終リンクの加速度を検出する加速
   度センサと、 前記力（トルク）センサからのトルク信号を正変換し、
   ベースに固定した座標系での力信号を得る力（トルク）
   演算装置と、 前記加速度センサからの加速度信号を正変換し、エンド
   エフェクタの加速度、角加速度をベースに固定した座標
   系で表現した信号を得ると共に、該信号を前記力信号か
   ら減算して前記演算制御装置を制御する信号を生成し、
   該信号を前記位置・姿勢目標値及び力（トルク）目標値
   にフィードバックする加速度演算装置とからなる ロボット装置。 ２．前記ベースに設けられ、該ベースの加速度を検出す
   る加速度センサと、 前記ベース加速度センサの加速度信号を正変換し、ベー
   スの加速度、角加速度信号を得、該信号を前記力信号か
   ら減算して前記目標値発生の為の情報等に用いてなる信
   号を生成し、前記演算処理装置に供給するベース加速度
   演算装置とを設けた特許請求の範囲第１項記載のロボッ
   ト装置。