JP3124519B2 - 制御系のモード切替え機能を有するロボット制御装置 - Google Patents
制御系のモード切替え機能を有するロボット制御装置Info
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- G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
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- 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
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- G05B2219/42—Servomotor, servo controller kind till VSS
- G05B2219/42117—Speed mode then stepping mode
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は制御系のモード切替
え機能を有するロボット制御装置に係わり、特に自由空
間での位置制御と、接触面への力又は位置制御の自然な
モード切り替え機能を有し、接触面が未知の幾何学的誤
差を持つ場合でも、接触対象やワークを破損させたり、
ロボットを暴走させることなくモード切り替えができる
制御系のモード切替え機能を有するロボット制御装置に
関する。
え機能を有するロボット制御装置に係わり、特に自由空
間での位置制御と、接触面への力又は位置制御の自然な
モード切り替え機能を有し、接触面が未知の幾何学的誤
差を持つ場合でも、接触対象やワークを破損させたり、
ロボットを暴走させることなくモード切り替えができる
制御系のモード切替え機能を有するロボット制御装置に
関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の力制御研究事例としては位置と力
のハイブリッド制御（M.H.Raibert 、John J.Craig:Hyb
rid Position/ Force Control of Manipulators, Journ
al ofDynamic S ystems, Measurement, and Control 10
2, ASME, pp.126-133,1981以下、文献１という）やそれ
を作業座標系を基準として展開する方法（O. Khatib: A
Unified Approach for Motion and Force Control of
Robot Manipulators: The Operatio nal Space Formula
tion, IEEE Journal of Robotics and Automation, Vo
l.RA-3,No.1,1987 以下、文献２という）、あるいは
機械インピーダンス制御（N. Hogan: Impeedance Contr
ol: An Approach to Manipulation: Part １〜３, Jour
nal of Dynamic Syst ems, Measurement, and Control
107, ASME,1985 以下、文献３という）等が知られてい
る。
のハイブリッド制御（M.H.Raibert 、John J.Craig:Hyb
rid Position/ Force Control of Manipulators, Journ
al ofDynamic S ystems, Measurement, and Control 10
2, ASME, pp.126-133,1981以下、文献１という）やそれ
を作業座標系を基準として展開する方法（O. Khatib: A
Unified Approach for Motion and Force Control of
Robot Manipulators: The Operatio nal Space Formula
tion, IEEE Journal of Robotics and Automation, Vo
l.RA-3,No.1,1987 以下、文献２という）、あるいは
機械インピーダンス制御（N. Hogan: Impeedance Contr
ol: An Approach to Manipulation: Part １〜３, Jour
nal of Dynamic Syst ems, Measurement, and Control
107, ASME,1985 以下、文献３という）等が知られてい
る。
【０００３】いずれもロボット力制御系に関する先駆的
な研究であるが、拘束空間を形作る接触面の弾性や摩擦
係数の変動により設計仕様とはかけ離れた制御特性とな
る場合や、あるいは制御系が不安定になる場合があるこ
とが知られている。また、その多くは接触面の法線方向
の力制御に限られていた。更に、自由空間と拘束空間と
の間の衝突を伴う不確かな状態遷移に対する制御系の検
討は不十分であった。
な研究であるが、拘束空間を形作る接触面の弾性や摩擦
係数の変動により設計仕様とはかけ離れた制御特性とな
る場合や、あるいは制御系が不安定になる場合があるこ
とが知られている。また、その多くは接触面の法線方向
の力制御に限られていた。更に、自由空間と拘束空間と
の間の衝突を伴う不確かな状態遷移に対する制御系の検
討は不十分であった。
【０００４】更に、衝突過程の制御法（庄司，稲葉，福
田，細貝：衝突を含むロボットマニピュレータの安定制
御，日本機械学会論文集( Ｃ編) ， Vol.56-527,pp.184
7-1853，1990他 以下、文献４という）には、大きな衝
撃力が発生しないように予め接触前の最速接近速度を求
め、接触後の力検出値があるしきい値を越えた時点で位
置制御から力制御に切り換える方法（北垣，内山：外部
環境に対するマニピュレータの最適接近速度，日本ロボ
ット学会誌Vol.8-4 ，pp.413-42 0 ，1990、以下、文献
５という。志村，堀：ロボットマニピュレータにおける
力制御のロバスト化と衝突過程の制御，日本ロボット学
会誌 11-2 ，pp.235-245，1993、 以下、文献６とい
う。大石 潔：Ｈ∞速度コントローラに基づく衝突過程を含む
力制御，日本機械学会ロボメカ95，pp.358-361,1995
以下、文献７という。）や切り換え時に一旦大きなダン
ピング特性を有する制御モードを挿入させる方法（O. K
hatib, J.Burdic: Motion and Force Control of Robot
Manipulators, IEEE Conference on Roboti cs and Au
tomation,pp.1381-1386,1986 以下、文献８という。）
等が知られている。
田，細貝：衝突を含むロボットマニピュレータの安定制
御，日本機械学会論文集( Ｃ編) ， Vol.56-527,pp.184
7-1853，1990他 以下、文献４という）には、大きな衝
撃力が発生しないように予め接触前の最速接近速度を求
め、接触後の力検出値があるしきい値を越えた時点で位
置制御から力制御に切り換える方法（北垣，内山：外部
環境に対するマニピュレータの最適接近速度，日本ロボ
ット学会誌Vol.8-4 ，pp.413-42 0 ，1990、以下、文献
５という。志村，堀：ロボットマニピュレータにおける
力制御のロバスト化と衝突過程の制御，日本ロボット学
会誌 11-2 ，pp.235-245，1993、 以下、文献６とい
う。大石 潔：Ｈ∞速度コントローラに基づく衝突過程を含む
力制御，日本機械学会ロボメカ95，pp.358-361,1995
以下、文献７という。）や切り換え時に一旦大きなダン
ピング特性を有する制御モードを挿入させる方法（O. K
hatib, J.Burdic: Motion and Force Control of Robot
Manipulators, IEEE Conference on Roboti cs and Au
tomation,pp.1381-1386,1986 以下、文献８という。）
等が知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
制御では、力制御が法線方向の押し付け力のみを対象と
したものであったため、接線方向の摩擦力を扱うことが
できなかった。あるいは双方を適宜切り替えることはで
きなかった。
制御では、力制御が法線方向の押し付け力のみを対象と
したものであったため、接線方向の摩擦力を扱うことが
できなかった。あるいは双方を適宜切り替えることはで
きなかった。
【０００６】また、前述した従来の力制御研究事例（文
献１、２、３）は接触面の幾何学的位置が完全に既知で
あることを前提とし、接触面の未知の幾何学的誤差を考
慮していない。このため、接触面が幾何学的誤差を持つ
と、接触状態で位置制御を行った場合に無理な力が作用
して接触対象やワークを破損したり、逆に非接触状態で
力制御を行うと力目標値と押し付け力を一致させようと
してロボットが暴走する危険があった。
献１、２、３）は接触面の幾何学的位置が完全に既知で
あることを前提とし、接触面の未知の幾何学的誤差を考
慮していない。このため、接触面が幾何学的誤差を持つ
と、接触状態で位置制御を行った場合に無理な力が作用
して接触対象やワークを破損したり、逆に非接触状態で
力制御を行うと力目標値と押し付け力を一致させようと
してロボットが暴走する危険があった。
【０００７】更に、研究事例（文献４、５、６、７、
８）は単純でロバスト性に欠ける制御系を前提としてい
たり、ロバストであっても全体として安定性が保証され
ない制御方法によるものであった。
８）は単純でロバスト性に欠ける制御系を前提としてい
たり、ロバストであっても全体として安定性が保証され
ない制御方法によるものであった。
【０００８】本発明はこのような従来の課題に鑑みてな
されたもので、自由空間での位置制御と、接触面への力
又は位置制御の自然なモード切り替え機能を有し、接触
面が未知の幾何学的誤差を持つ場合でも、接触対象やワ
ークを破損させたり、ロボットを暴走させることなくモ
ード切り替えができる制御系のモード切替え機能を有す
るロボット制御装置を提供することを目的とする。
されたもので、自由空間での位置制御と、接触面への力
又は位置制御の自然なモード切り替え機能を有し、接触
面が未知の幾何学的誤差を持つ場合でも、接触対象やワ
ークを破損させたり、ロボットを暴走させることなくモ
ード切り替えができる制御系のモード切替え機能を有す
るロボット制御装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】このため本発明は、加工
作業、組立作業に用いられ、接触対象の弾性や摩擦係数
の変化に対応させて設計したスライディングモード非干
渉制御機能を有するロボット制御装置であって、拘束空
間を形作る幾何学的な誤差を有する接触面に対して、最
も近く見積もった予想接触面を予め設定し、該予想接触
面までワーク若しくは加工・組立装置の所定部を一般化
座標系における少なくとも２自由度方向の位置制御を行
いつつ接近させる接近動作手段と、該接近動作手段によ
り到達した前記予想接触面から真の接触面まで一般化座
標系における少なくとも１自由度方向は位置制御を行
い、前記接触面に対しては他自由度方向に属する抗力制
御を行う探索動作手段と、該探索動作手段の抗力制御に
より検出された抗力又は摩擦力が予め設定したしきい値
以上になったとき、該探索動作手段により到達した前記
接触面に対し一般化座標系における少なくとも１自由度
方向に対する位置制御と同自由度方向に対する摩擦制御
を同時に行う接触動作手段と、該接触動作手段により加
工等の行われたワーク若しくは加工・組立装置の所定部
を所定位置まで一般化座標系における少なくとも２自由
度方向の位置制御を行いつつ離脱させる離脱動作手段と
を備え、前記２自由度方向の位置制御、前記１自由度方
向に対する位置制御と同自由度方向に対する摩擦制御、
前記１自由度方向に対する位置制御と前記接触面に対す
る他自由度方向に属する抗力制御の各制御モードは、該
制御モード毎に予め設計した制御要素又は補償器を用意
し、前記接近動作手段、前記探索動作手段、前記接触動
作手段、前記離脱動作手段の切替えに伴い、該制御要素
又は補償器を選択可能としたことを特徴とする。
作業、組立作業に用いられ、接触対象の弾性や摩擦係数
の変化に対応させて設計したスライディングモード非干
渉制御機能を有するロボット制御装置であって、拘束空
間を形作る幾何学的な誤差を有する接触面に対して、最
も近く見積もった予想接触面を予め設定し、該予想接触
面までワーク若しくは加工・組立装置の所定部を一般化
座標系における少なくとも２自由度方向の位置制御を行
いつつ接近させる接近動作手段と、該接近動作手段によ
り到達した前記予想接触面から真の接触面まで一般化座
標系における少なくとも１自由度方向は位置制御を行
い、前記接触面に対しては他自由度方向に属する抗力制
御を行う探索動作手段と、該探索動作手段の抗力制御に
より検出された抗力又は摩擦力が予め設定したしきい値
以上になったとき、該探索動作手段により到達した前記
接触面に対し一般化座標系における少なくとも１自由度
方向に対する位置制御と同自由度方向に対する摩擦制御
を同時に行う接触動作手段と、該接触動作手段により加
工等の行われたワーク若しくは加工・組立装置の所定部
を所定位置まで一般化座標系における少なくとも２自由
度方向の位置制御を行いつつ離脱させる離脱動作手段と
を備え、前記２自由度方向の位置制御、前記１自由度方
向に対する位置制御と同自由度方向に対する摩擦制御、
前記１自由度方向に対する位置制御と前記接触面に対す
る他自由度方向に属する抗力制御の各制御モードは、該
制御モード毎に予め設計した制御要素又は補償器を用意
し、前記接近動作手段、前記探索動作手段、前記接触動
作手段、前記離脱動作手段の切替えに伴い、該制御要素
又は補償器を選択可能としたことを特徴とする。
【００１０】スライディングモード非干渉制御は、パラ
メータ変動に対しロバストな力制御を可能とする。この
スライディングモード非干渉制御をロボット制御に適用
する。ロボット制御装置は、ロボットがワークを把持し
てワークを加工装置等に押し付け等することで作業を行
っても良いし、また、ロボットが加工装置等を把持して
加工装置の所定部（研磨面、切削面等）をワークに対し
押し付け等することで作業を行っても良い。ワークと加
工装置の所定部間の接触面は未知の幾何学的な誤差を有
し、一般的にはロボットは正確な位置を認識できない。
メータ変動に対しロバストな力制御を可能とする。この
スライディングモード非干渉制御をロボット制御に適用
する。ロボット制御装置は、ロボットがワークを把持し
てワークを加工装置等に押し付け等することで作業を行
っても良いし、また、ロボットが加工装置等を把持して
加工装置の所定部（研磨面、切削面等）をワークに対し
押し付け等することで作業を行っても良い。ワークと加
工装置の所定部間の接触面は未知の幾何学的な誤差を有
し、一般的にはロボットは正確な位置を認識できない。
【００１１】このため、接触面が存在すると予想される
最も手前の面を仮定し、予想接触面と定義する。すると
予想接触面の手前側は自由空間なので、通常の位置制御
系を構成してロボットを動作させることができる。即
ち、接近動作手段により、予想接触面まで少なくとも２
自由度方向の位置制御を行いつつ接近させる。少なくと
も２自由度方向としたのは、平面上で制御を行う場合に
は２自由度方向に対し位置制御を行えば足りるが、３次
元上で制御を行う場合には必要な自由度方向が増大する
ためである。
最も手前の面を仮定し、予想接触面と定義する。すると
予想接触面の手前側は自由空間なので、通常の位置制御
系を構成してロボットを動作させることができる。即
ち、接近動作手段により、予想接触面まで少なくとも２
自由度方向の位置制御を行いつつ接近させる。少なくと
も２自由度方向としたのは、平面上で制御を行う場合に
は２自由度方向に対し位置制御を行えば足りるが、３次
元上で制御を行う場合には必要な自由度方向が増大する
ためである。
【００１２】次に、探索動作手段により、接近動作手段
により到達した予想接触面から真の接触面まで一般化座
標系における少なくとも１自由度方向は位置制御を行
い、接触面に対しては他自由度方向に属する抗力制御を
行う。
により到達した予想接触面から真の接触面まで一般化座
標系における少なくとも１自由度方向は位置制御を行
い、接触面に対しては他自由度方向に属する抗力制御を
行う。
【００１３】次に、接触動作手段では、探索動作手段の
抗力制御により検出された抗力又は摩擦力が予め設定し
たしきい値以上になったとき、探索動作手段により到達
した接触面に対し一般化座標系における少なくとも１自
由度方向に対する位置制御と同自由度方向に対する摩擦
制御を同時に行う。摩擦制御を行うのは、高品位な研磨
面等を実現するためには、ワークを研磨等するのに必要
な研磨エネルギーが予め定めた指定値になるように摩擦
力を制御するのが望ましいからである（平成９年特許願
第１２４９３２号）。接触面に対しては抗力制御を行
い、抗力又は摩擦力等の力検出値が予め設定したしきい
値以上になったとき、探索動作手段から接触動作手段に
切り換える。 このことにより、一層の円滑なモード切り
替えが可能となる。 なお、所定のサイクル時間をロボッ
トが定期的に確保するため、モード切り替えにより省略
された時間は次の離脱動作手段で補足するように考慮し
てもよい。
抗力制御により検出された抗力又は摩擦力が予め設定し
たしきい値以上になったとき、探索動作手段により到達
した接触面に対し一般化座標系における少なくとも１自
由度方向に対する位置制御と同自由度方向に対する摩擦
制御を同時に行う。摩擦制御を行うのは、高品位な研磨
面等を実現するためには、ワークを研磨等するのに必要
な研磨エネルギーが予め定めた指定値になるように摩擦
力を制御するのが望ましいからである（平成９年特許願
第１２４９３２号）。接触面に対しては抗力制御を行
い、抗力又は摩擦力等の力検出値が予め設定したしきい
値以上になったとき、探索動作手段から接触動作手段に
切り換える。 このことにより、一層の円滑なモード切り
替えが可能となる。 なお、所定のサイクル時間をロボッ
トが定期的に確保するため、モード切り替えにより省略
された時間は次の離脱動作手段で補足するように考慮し
てもよい。
【００１４】次に、離脱動作手段では、接触動作手段に
より加工等の行われたワーク若しくは加工・組立装置の
所定部を所定位置まで一般化座標系における少なくとも
２自由度方向の位置制御を行いつつ離脱させる。接触面
からの離脱は、法線方向の抗力が０または０近傍の設定
値に到達した時点で、少なくとも２自由度方向の位置制
御に切り換えることで行う。
より加工等の行われたワーク若しくは加工・組立装置の
所定部を所定位置まで一般化座標系における少なくとも
２自由度方向の位置制御を行いつつ離脱させる。接触面
からの離脱は、法線方向の抗力が０または０近傍の設定
値に到達した時点で、少なくとも２自由度方向の位置制
御に切り換えることで行う。
【００１５】なお、前述の２自由度方向の位置制御、１
自由度方向に対する位置制御と同自由度方向に対する摩
擦制御、１自由度方向に対する位置制御と接触面に対す
る他自由度方向に属する抗力制御の各制御モード毎に予
め設計した制御要素又は補償器を用意する。そして、接
近動作手段、探索動作手段、接触動作手段、離脱動作手
段の切替えに伴い、制御要素又は補償器を選択可能とす
る。以上により、ロボットによる自由空間での位置制御
と、接触面への力又は位置制御の自然なモード切り替え
が可能となる。また、接触面が未知の幾何学的誤差を持
つ場合でも、接触対象やワークを破損させたり、ロボッ
トを暴走させることなくモード切り替えができる。各動
作手段に最適なスライディングモード非干渉制御が行
え、高品質な加工又は組立を行うことが出来る。
自由度方向に対する位置制御と同自由度方向に対する摩
擦制御、１自由度方向に対する位置制御と接触面に対す
る他自由度方向に属する抗力制御の各制御モード毎に予
め設計した制御要素又は補償器を用意する。そして、接
近動作手段、探索動作手段、接触動作手段、離脱動作手
段の切替えに伴い、制御要素又は補償器を選択可能とす
る。以上により、ロボットによる自由空間での位置制御
と、接触面への力又は位置制御の自然なモード切り替え
が可能となる。また、接触面が未知の幾何学的誤差を持
つ場合でも、接触対象やワークを破損させたり、ロボッ
トを暴走させることなくモード切り替えができる。各動
作手段に最適なスライディングモード非干渉制御が行
え、高品質な加工又は組立を行うことが出来る。
【００１６】
【００１７】
【００１８】また、本発明は、前記接触動作手段は、前
記探索動作手段により到達した前記接触面に対し一般化
座標系における少なくとも１自由度方向に対する位置制
御と前記接触面に対する他自由度方向に属する抗力制御
を同時に行うこととし、前記２自由度方向の位置制御、
前記１自由度方向に対する位置制御と前記接触面に対す
る他自由度方向に属する抗力制御の各制御モードは、該
制御モード毎に予め設計した制御要素又は補償器を用意
し、前記接近動作手段、前記探索動作手段、前記接触動
作手段、前記離脱動作手段の切替えに伴い、該制御要素
又は補償器を選択可能としたことを特徴とする。
記探索動作手段により到達した前記接触面に対し一般化
座標系における少なくとも１自由度方向に対する位置制
御と前記接触面に対する他自由度方向に属する抗力制御
を同時に行うこととし、前記２自由度方向の位置制御、
前記１自由度方向に対する位置制御と前記接触面に対す
る他自由度方向に属する抗力制御の各制御モードは、該
制御モード毎に予め設計した制御要素又は補償器を用意
し、前記接近動作手段、前記探索動作手段、前記接触動
作手段、前記離脱動作手段の切替えに伴い、該制御要素
又は補償器を選択可能としたことを特徴とする。
【００１９】位置制御と抗力制御とは異なる自由度方向
の制御である。以上により、請求項１の効果と同様、各
動作手段に最適なスライディングモード非干渉制御が行
え、高品質な加工又は組立を行うことが出来る。
の制御である。以上により、請求項１の効果と同様、各
動作手段に最適なスライディングモード非干渉制御が行
え、高品質な加工又は組立を行うことが出来る。
【００２０】
【００２１】
【００２２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施形態を
図面に基づいて説明する。図１にロボットマニピュレー
タ１に把持されるワーク３が自由空間から拘束空間に接
近し、接触面５(Contact Surface) に接触する様子を示
す。接触面５が研磨加工に用いる回転砥石や研磨ベルト
あるいはバフである場合には、例えば接触面５は速度Ｖ
ｔ で図の上方から下方へ常に移動し続ける。そのた
め、接触時のワーク３には接触に伴う摩擦が作用するも
のとする。
図面に基づいて説明する。図１にロボットマニピュレー
タ１に把持されるワーク３が自由空間から拘束空間に接
近し、接触面５(Contact Surface) に接触する様子を示
す。接触面５が研磨加工に用いる回転砥石や研磨ベルト
あるいはバフである場合には、例えば接触面５は速度Ｖ
ｔ で図の上方から下方へ常に移動し続ける。そのた
め、接触時のワーク３には接触に伴う摩擦が作用するも
のとする。
【００２３】さて、接触面５は未知の幾何学的な誤差を
有し、ロボットマニピュレータ１は正確な位置を認識で
きないものとする。このとき、点線で示すように、接触
面が存在すると予想される最も手前の面を仮定し、予想
接触面７(Estimated Surface) と名付ける。すると、予
想接触面７の左側は自由空間なので、通常の位置制御系
を構成してロボットマニピュレータ１を動作させること
ができる。但しこの場合、複数の自由度に対して各々の
自由度を共に位置制御することから位置／位置制御と表
記することにする。
有し、ロボットマニピュレータ１は正確な位置を認識で
きないものとする。このとき、点線で示すように、接触
面が存在すると予想される最も手前の面を仮定し、予想
接触面７(Estimated Surface) と名付ける。すると、予
想接触面７の左側は自由空間なので、通常の位置制御系
を構成してロボットマニピュレータ１を動作させること
ができる。但しこの場合、複数の自由度に対して各々の
自由度を共に位置制御することから位置／位置制御と表
記することにする。
【００２４】ここで、自由空間内の予想接触面７までの
位置／位置制御による動作を接近動作(Approach Motio
n) と呼ぶことにする（図１（ａ））。次に、予想接触
面７から真の接触面５までは位置／抗力制御による探索
動作 (Groping Motion) を行い（図１（ｂ））、力検出
値があるしきい値を越えた時点で位置／摩擦制御による
接触動作(Contact Motion)に切り換える（図１
（ｃ））。
位置／位置制御による動作を接近動作(Approach Motio
n) と呼ぶことにする（図１（ａ））。次に、予想接触
面７から真の接触面５までは位置／抗力制御による探索
動作 (Groping Motion) を行い（図１（ｂ））、力検出
値があるしきい値を越えた時点で位置／摩擦制御による
接触動作(Contact Motion)に切り換える（図１
（ｃ））。
【００２５】具体的には、接近動作における接触面５の
法線方向速度ｖｎａは予想接触面７上で、予め設定する
接近速度ｖｎｇ( 例えば０) に一致させるようにし、衝
突後の法線方向の抗力ｆｎ が小さく設定したしきい値
ｆｎｔｈ を越えるか、あるいは接線方向の摩擦力ｆｔ
がやはり小さく設定したしきい値ｆｔｔｈ を越える時
点まで速度ｖｎｇを一定に保つ。そして、いずれかのし
きい値を越えた時点で位置／摩擦制御に切り換えること
にする。接触面５からの離脱時は、法線方向力が０また
は０近傍の設定値に到達した時点で、位置／位置制御に
切り換えて離脱動作(Leaving Motion)をする。
法線方向速度ｖｎａは予想接触面７上で、予め設定する
接近速度ｖｎｇ( 例えば０) に一致させるようにし、衝
突後の法線方向の抗力ｆｎ が小さく設定したしきい値
ｆｎｔｈ を越えるか、あるいは接線方向の摩擦力ｆｔ
がやはり小さく設定したしきい値ｆｔｔｈ を越える時
点まで速度ｖｎｇを一定に保つ。そして、いずれかのし
きい値を越えた時点で位置／摩擦制御に切り換えること
にする。接触面５からの離脱時は、法線方向力が０また
は０近傍の設定値に到達した時点で、位置／位置制御に
切り換えて離脱動作(Leaving Motion)をする。
【００２６】２回目以降に接触を行う場合の予想接触面
７に関しては、前回の離脱動作開始時の位置に設定すれ
ば、摩耗等による接触面５の位置の変化にも対応でき、
しかも予想接触面７と真の接触面５とが一致するので探
索動作は不要になる。図２に、本発明の第１実施形態の
作業を構成する各動作のフローを図示する。
７に関しては、前回の離脱動作開始時の位置に設定すれ
ば、摩耗等による接触面５の位置の変化にも対応でき、
しかも予想接触面７と真の接触面５とが一致するので探
索動作は不要になる。図２に、本発明の第１実施形態の
作業を構成する各動作のフローを図示する。
【００２７】次に、本発明の第２の実施形態について説
明する。本発明の第２実施形態は、探索動作に関し、予
想接触面７から真の接触面５までは位置／位置制御を行
う。そして、所定位置あるいは所定時間経過により位置
／抗力制御の接触動作に切り換えるものである（図示
略）。なお、各制御モードの遷移に対応する制御の型
は、上述した本発明の第１実施形態、第２実施形態に限
らない。その制御の型を図３に示す。これらの制御型は
目的や作業に応じて利用者が選択すれば良い。
明する。本発明の第２実施形態は、探索動作に関し、予
想接触面７から真の接触面５までは位置／位置制御を行
う。そして、所定位置あるいは所定時間経過により位置
／抗力制御の接触動作に切り換えるものである（図示
略）。なお、各制御モードの遷移に対応する制御の型
は、上述した本発明の第１実施形態、第２実施形態に限
らない。その制御の型を図３に示す。これらの制御型は
目的や作業に応じて利用者が選択すれば良い。
【００２８】ここで、制御モードの意味を説明すると、
位置／位置制御は接触面５に対する法線方向、接線方向
共に位置制御を行なうことを示し、位置／抗力制御は接
線方向に位置制御、法線方向に抗力の制御、位置／摩擦
制御は接線方向の位置制御と接線方向の摩擦制御を同時
に行なうことを示す。
位置／位置制御は接触面５に対する法線方向、接線方向
共に位置制御を行なうことを示し、位置／抗力制御は接
線方向に位置制御、法線方向に抗力の制御、位置／摩擦
制御は接線方向の位置制御と接線方向の摩擦制御を同時
に行なうことを示す。
【００２９】次に、探索動作の設定方法について制御モ
ード毎に説明する。まず、探索動作を位置／位置制御で
行なう場合について説明する。一般にロバストな位置制
御または速度制御が実施されている場合、ワーク３が接
触面５に衝突したとしてもロボット１は目標軌道或いは
その時間変化率である速度ｖｎｇへの追従を保持しよう
とするはずである。
ード毎に説明する。まず、探索動作を位置／位置制御で
行なう場合について説明する。一般にロバストな位置制
御または速度制御が実施されている場合、ワーク３が接
触面５に衝突したとしてもロボット１は目標軌道或いは
その時間変化率である速度ｖｎｇへの追従を保持しよう
とするはずである。
【００３０】このとき、抗力ｆｎ のしきい値ｆｎｔｈ
を危険抗力ｆｎｍａｘより小さく設定し、または摩擦力
ｆｔ のしきい値ｆｔｔｈ の絶対値を危険摩擦ｆ
ｔｍａｘの絶対値より小さく設定し、両者の値に基づい
て最大衝突速度ｖｎｇ，ｍａｘを求めることにする。接
触後の計測可能な時間ΔＴ、そのときの法線方向の押し
つけにより生じる変位ｌ、接触面の弾性係数ｋ、摩擦係
数をαとし、数１、数２が成り立つものとする。
を危険抗力ｆｎｍａｘより小さく設定し、または摩擦力
ｆｔ のしきい値ｆｔｔｈ の絶対値を危険摩擦ｆ
ｔｍａｘの絶対値より小さく設定し、両者の値に基づい
て最大衝突速度ｖｎｇ，ｍａｘを求めることにする。接
触後の計測可能な時間ΔＴ、そのときの法線方向の押し
つけにより生じる変位ｌ、接触面の弾性係数ｋ、摩擦係
数をαとし、数１、数２が成り立つものとする。
【００３１】
【数１】
【００３２】
【数２】 時間ΔＴの計測可能な最短時間ΔＴｍｉｎ とすると、
最大衝突速度ｖｎｇ，ｍ ａｘは数３のように定められ
る。
最大衝突速度ｖｎｇ，ｍ ａｘは数３のように定められ
る。
【００３３】
【数３】 従って、接近速度ｖｎｇはｖｎｇ≦ｖｎｇ，ｍａｘを満
足するように選ぶ。
足するように選ぶ。
【００３４】次に、探索動作を位置／抗力制御で行なう
場合について説明する。位置／位置制御で述べたような
位置制御または速度制御により強制的に動作させるので
はなく、法線方向への抗力制御を行う。そして、真の接
触面５に到達するまでは、目標抗力と検出力の誤差によ
り制御系が自動的に駆動力を発生する方法も考えられ
る。この場合もしきい値ｆｎｔｈ を観測し、観測した
抗力ｆｎ がｆｎｔｈ に至ったら、接触動作に切り替え
る。
場合について説明する。位置／位置制御で述べたような
位置制御または速度制御により強制的に動作させるので
はなく、法線方向への抗力制御を行う。そして、真の接
触面５に到達するまでは、目標抗力と検出力の誤差によ
り制御系が自動的に駆動力を発生する方法も考えられ
る。この場合もしきい値ｆｎｔｈ を観測し、観測した
抗力ｆｎ がｆｎｔｈ に至ったら、接触動作に切り替え
る。
【００３５】次に、状態遷移を考慮した参照値の作成方
法について説明する。図４に、本発明の第１実施形態の
ように、探索動作を位置／抗力制御、接触動作を位置／
摩擦制御とする場合の参照値の作成例を示す。本実施形
態では、制御したい物理量が接近動作では法線方向の位
置Ｐｎ と接線方向の位置Ｐｔ である。そのため、参照
値の各々の対応する参照値Ｐｒｎ，Ｐｒｔを作成する。
このとき、抗力ｆｎ と摩擦力ｆｔ は０以外ではあり得
ないことと、制御系に対して入力しないので参照値ｆ
ｒｎ，ｆｒｔは何でも良い。そこで取りあえず０として
おく。
法について説明する。図４に、本発明の第１実施形態の
ように、探索動作を位置／抗力制御、接触動作を位置／
摩擦制御とする場合の参照値の作成例を示す。本実施形
態では、制御したい物理量が接近動作では法線方向の位
置Ｐｎ と接線方向の位置Ｐｔ である。そのため、参照
値の各々の対応する参照値Ｐｒｎ，Ｐｒｔを作成する。
このとき、抗力ｆｎ と摩擦力ｆｔ は０以外ではあり得
ないことと、制御系に対して入力しないので参照値ｆ
ｒｎ，ｆｒｔは何でも良い。そこで取りあえず０として
おく。
【００３６】探索動作では接線方向の位置参照値Ｐｒｔ
と抗力参照値ｆｒｎのみを設計し、他のＰｒｎ，ｆｒｔ
はDon't Careとする。同様に接触動作では接線方向の位
置参照値Ｐｒｔと接線方向の摩擦力参照値ｆｒｔを定
め、離脱動作では接近動作と同様にＰｒｎ，Ｐｒｔを定
め、他をDon't Careとする。但し、探索動作から接触動
作の切替えは前記したしきい値により発生する割り込み
によりモードの切替えを起こす必要がある。このとき、
具体的に切替えを要する要素は参照値全て（Ｐｒ ｎ，Ｐ
ｒｔ，ｆｒｎ，ｆｒｔ）とそのいずれを使うかを決める
スイッチ、及び後述する制御系の制御変数、数４、そし
て出力変数（Ｐｎ ，Ｐｔ ，ｆｎ ，ｆｔ）のどれを出
力ｙとして用いるかの切替えである。
と抗力参照値ｆｒｎのみを設計し、他のＰｒｎ，ｆｒｔ
はDon't Careとする。同様に接触動作では接線方向の位
置参照値Ｐｒｔと接線方向の摩擦力参照値ｆｒｔを定
め、離脱動作では接近動作と同様にＰｒｎ，Ｐｒｔを定
め、他をDon't Careとする。但し、探索動作から接触動
作の切替えは前記したしきい値により発生する割り込み
によりモードの切替えを起こす必要がある。このとき、
具体的に切替えを要する要素は参照値全て（Ｐｒ ｎ，Ｐ
ｒｔ，ｆｒｎ，ｆｒｔ）とそのいずれを使うかを決める
スイッチ、及び後述する制御系の制御変数、数４、そし
て出力変数（Ｐｎ ，Ｐｔ ，ｆｎ ，ｆｔ）のどれを出
力ｙとして用いるかの切替えである。
【００３７】
【数４】
【００３８】図４の下方に並ぶ太い矢印は参照値データ
を発生するためのメモリ上のポインタに対応し、矢印間
の時間をモーションレートΔＴと呼ぶ。探索動作から接
触動作への切替えでは、割込に対応してポインタのジャ
ンプを発生させる必要があり、図はそれを示している。
図５はジャンプ直後の修正参照値を示す。ジャンプした
Ｔｘ 時間分だけ後にデータを付加している。
を発生するためのメモリ上のポインタに対応し、矢印間
の時間をモーションレートΔＴと呼ぶ。探索動作から接
触動作への切替えでは、割込に対応してポインタのジャ
ンプを発生させる必要があり、図はそれを示している。
図５はジャンプ直後の修正参照値を示す。ジャンプした
Ｔｘ 時間分だけ後にデータを付加している。
【００３９】次に、マニピュレータと外力のモデリング
について説明する。ｎ軸マニピュレータ１の関節座標系
における運動方程式は数５で表される。
について説明する。ｎ軸マニピュレータ１の関節座標系
における運動方程式は数５で表される。
【００４０】
【数５】 但し、Ｍ（ｑ）（ｎ×ｎ）は慣性行列、ｑ（ｎ×１）は
関節角度、数６は粘性摩擦、遠心力、コリオリ力、重力
によって生じる非線形トルク、Ｊｒ （ｎ×ｎ）は作業
座標系と関節座標系を結びつけるヤコビアン、Ｆ（ｎ×
１）は摩擦面から受ける力、τ（ｎ×１）は関節の駆動
トルクを表す。
関節角度、数６は粘性摩擦、遠心力、コリオリ力、重力
によって生じる非線形トルク、Ｊｒ （ｎ×ｎ）は作業
座標系と関節座標系を結びつけるヤコビアン、Ｆ（ｎ×
１）は摩擦面から受ける力、τ（ｎ×１）は関節の駆動
トルクを表す。
【００４１】
【数６】 作業座標系におけるワーク３の位置は関節ｑの関数とし
て数７のように表される。
て数７のように表される。
【００４２】
【数７】 両辺の時間微分により数８、数９が得られる。
【００４３】
【数８】
【００４４】
【数９】 ｄｅｔ［Ｊｒ （ｑ）］≠０の条件下で数９を利用し、
数５を作業座標系における運動方程式数１０に変換す
る。
数５を作業座標系における運動方程式数１０に変換す
る。
【００４５】
【数１０】
【００４６】さて、力制御時にマニピュレータ制御系は
接触対象から反力ベクトルＦ（ｔ）を受ける。反力ベク
トルＦ（ｔ）は接触面５においては抗力成分ｆｎ
（ｔ）と摩擦成分ｆｔ （ｔ）からなるが、いずれか一
方の成分を制御するものとする。また、抗力ｆｎ
（ｔ）は接触面５の弾性によって生じ、接線方向の摩擦
ｆｔ （ｔ）は抗力に摩擦係数αを乗じたものと仮定す
る。係数行列Ｋ（ｎ×ｎ）と空間行列ＳＭ （ｎ×ｎ）
を用いてベクトルＦ（ｔ）を数１１のように定義する。
Ｋ ０ ，ΔＫは各々ノミナル成分と変動成分である。
接触対象から反力ベクトルＦ（ｔ）を受ける。反力ベク
トルＦ（ｔ）は接触面５においては抗力成分ｆｎ
（ｔ）と摩擦成分ｆｔ （ｔ）からなるが、いずれか一
方の成分を制御するものとする。また、抗力ｆｎ
（ｔ）は接触面５の弾性によって生じ、接線方向の摩擦
ｆｔ （ｔ）は抗力に摩擦係数αを乗じたものと仮定す
る。係数行列Ｋ（ｎ×ｎ）と空間行列ＳＭ （ｎ×ｎ）
を用いてベクトルＦ（ｔ）を数１１のように定義する。
Ｋ ０ ，ΔＫは各々ノミナル成分と変動成分である。
【００４７】
【数１１】 このとき、Ｋ（ｎ×ｎ）の各要素は物理的拘束に対応し
た構造を有し、それが後述するように可制御性に関係す
る。ここで慣性行列Ｍｘ 、非線形力ｈｘ についても数
１２のようにノミナル値と変動とを考慮する。
た構造を有し、それが後述するように可制御性に関係す
る。ここで慣性行列Ｍｘ 、非線形力ｈｘ についても数
１２のようにノミナル値と変動とを考慮する。
【００４８】
【数１２】 すると運動方程式数１０は数１３のように表せる。
【００４９】
【数１３】 ここで入力を数１４のように人為的に定めると運動方程
式は数１５のように見かけ上さらに単純になり、対応し
た状態方程式数１６を得る。
式は数１５のように見かけ上さらに単純になり、対応し
た状態方程式数１６を得る。
【００５０】
【数１４】
【００５１】
【数１５】
【００５２】
【数１６】 出力方程式は、位置制御の場合と力制御の場合、さらに
同じ力制御でも抗力を制御する場合と摩擦を制御する場
合とで出力ｙが異なる。但し、数１７である。
同じ力制御でも抗力を制御する場合と摩擦を制御する場
合とで出力ｙが異なる。但し、数１７である。
【数１７】 出力ｙは、位置/ 位置制御の場合には数１８のように求
められる。
められる。
【００５３】
【数１８】 また、位置/ 力制御の場合には数１９のように求められ
る。
る。
【００５４】
【数１９】 ここで、ｙｆ は力観測成分ベクトル、ｙｐ は位置観測
成分ベクトルであり、Ｓ ｆとＳｐ はｙの各要素が互い
に非従属となるように用途に合わせて選択する行列であ
る。例として抗力制御と摩擦制御に対応して適切なＳｆ
を選択する。
成分ベクトルであり、Ｓ ｆとＳｐ はｙの各要素が互い
に非従属となるように用途に合わせて選択する行列であ
る。例として抗力制御と摩擦制御に対応して適切なＳｆ
を選択する。
【００５５】次に、多関節ロボットの制御系設計手法を
例として説明する。この多関節ロボットは、スライディ
ングモード非干渉制御を適用している。そこで、まず、
スライディングモード非干渉制御系（スライディングモ
ード非干渉制御系に関する参考文献として、Ｔ．Ｍｉｔ
ａ，Ｔ．Ｓｕｚｕｋｉ，Ａ．Ｓｈｉｍａｄａ；Ｒｏｂｕ
ｓｔ Ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｖｉａ
Ｓｌｉｄｉｎｇ Ｍｏｄｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ， １９
９６ ＩＥＥＥ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｖａｒｉａ
ｂｌｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｐ．２
０−２５及び美多，鈴木，島田：ＶＳＳ非干渉制御と零
点の役割，電気学会産業計測制御研究会ＩＩＣ−９７−
２６，１９９７．３．１７がある）について説明する。
制御対象を数２０のように記述する。
例として説明する。この多関節ロボットは、スライディ
ングモード非干渉制御を適用している。そこで、まず、
スライディングモード非干渉制御系（スライディングモ
ード非干渉制御系に関する参考文献として、Ｔ．Ｍｉｔ
ａ，Ｔ．Ｓｕｚｕｋｉ，Ａ．Ｓｈｉｍａｄａ；Ｒｏｂｕ
ｓｔ Ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｖｉａ
Ｓｌｉｄｉｎｇ Ｍｏｄｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ， １９
９６ ＩＥＥＥ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｖａｒｉａ
ｂｌｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｐ．２
０−２５及び美多，鈴木，島田：ＶＳＳ非干渉制御と零
点の役割，電気学会産業計測制御研究会ＩＩＣ−９７−
２６，１９９７．３．１７がある）について説明する。
制御対象を数２０のように記述する。
【００５６】
【数２０】 但し、Ａ（ｎ×ｎ），Ｂ（ｎ×ｍ），Ｃ（ｍ×ｎ），ｄ
（ｘ，ｔ）は大きさが既知な非線形外乱で数２１が成り
立ち、ｄｅｔ（ＣＢ）≠０が成り立たずに数２２が成り
立つものとする。
（ｘ，ｔ）は大きさが既知な非線形外乱で数２１が成り
立ち、ｄｅｔ（ＣＢ）≠０が成り立たずに数２２が成り
立つものとする。
【００５７】
【数２１】
【００５８】
【数２２】 但し、ｃｉ はＣ行列のｉ行目を意味する。よく知られ
るように数２３が正則ならば非干渉化が可能である。
るように数２３が正則ならば非干渉化が可能である。
【００５９】
【数２３】
【００６０】次にＣ行列と微分可能な目標値ｒ（ｔ）を
用い係数行列の数２４を定義し、超平面σ（ｔ）を設計
する。このとき、数２５が成り立つ。
用い係数行列の数２４を定義し、超平面σ（ｔ）を設計
する。このとき、数２５が成り立つ。
【００６１】
【数２４】
【００６２】
【数２５】 また、数２６〜数２８を定義する。
【００６３】
【数２６】
【００６４】
【数２７】
【００６５】
【数２８】 但し、出力とその１階〜（Ｐｉ −１）階微分値が観測
可能であるとすると、数２９が定義でき、超平面σ
（ｔ）は数２８の代わりに数３０、数３１のように求ま
る。
可能であるとすると、数２９が定義でき、超平面σ
（ｔ）は数２８の代わりに数３０、数３１のように求ま
る。
【００６６】
【数２９】
【００６７】
【数３０】
【００６８】
【数３１】 このとき、制御入力として数３２、数３３を用いる。
【００６９】
【数３２】
【００７０】
【数３３】 各行に対するリアプノフ関数の候補を数３４として数３
５を求める。
５を求める。
【００７１】
【数３４】
【００７２】
【数３５】 数３６により、ｋｉ （ｘ，ｔ）を数３７のように選べ
ば、Ｖｉ （ｔ）はリアプノフ関数となり、数３８を得
る。右上の（ｋ）はｋ階の微分を表す。
ば、Ｖｉ （ｔ）はリアプノフ関数となり、数３８を得
る。右上の（ｋ）はｋ階の微分を表す。
【００７３】
【数３６】
【００７４】
【数３７】
【００７５】
【数３８】 また、数３９成立時の等価線形系が安定となる必要十分
条件は数４０の不変零点が安定であることであり、同条
件は数４１〜数４３においてｈｉ （ｓ）＝０（ｉ＝１
〜ｍ）が全て安定多項式で，（Ｃ，Ａ，Ｂ）の不変零点
が安定であることと等価である。
条件は数４０の不変零点が安定であることであり、同条
件は数４１〜数４３においてｈｉ （ｓ）＝０（ｉ＝１
〜ｍ）が全て安定多項式で，（Ｃ，Ａ，Ｂ）の不変零点
が安定であることと等価である。
【００７６】
【数３９】
【００７７】
【数４０】
【００７８】
【数４１】
【００７９】
【数４２】
【００８０】
【数４３】 但し、数４４の場合は零点がないため、ｈｉ （ｓ）＝
０（ｉ＝１〜ｍ）を安定多項式に選べば良い。
０（ｉ＝１〜ｍ）を安定多項式に選べば良い。
【００８１】
【数４４】
【００８２】次に、Ｃ行列が不確かさを有するときの対
応について説明する。Ｃ行列がｃｉ ＝ｃ０ｉ＋δｉ ｃ
０ｉ，δｉ，ｍｉｎ ≦δｉ ≦δｉ，ｍａｘ，｜δｉ
｜＜１で表される不確かさを持つが、出力ｙは直接に観
測できる場合を考える。超平面数２８のσ値は正確に求
まるが、制御入力数３２の数４５はｃ ０ｉに対応する数
４６または数４７を用いざるを得ない。すると、Ｖがリ
アプノフ関数となるために数３７のｋｉ （ｘ，ｔ）は
数４８の様に修正する必要がある。
応について説明する。Ｃ行列がｃｉ ＝ｃ０ｉ＋δｉ ｃ
０ｉ，δｉ，ｍｉｎ ≦δｉ ≦δｉ，ｍａｘ，｜δｉ
｜＜１で表される不確かさを持つが、出力ｙは直接に観
測できる場合を考える。超平面数２８のσ値は正確に求
まるが、制御入力数３２の数４５はｃ ０ｉに対応する数
４６または数４７を用いざるを得ない。すると、Ｖがリ
アプノフ関数となるために数３７のｋｉ （ｘ，ｔ）は
数４８の様に修正する必要がある。
【００８３】
【数４５】
【００８４】
【数４６】
【００８５】
【数４７】
【００８６】
【数４８】
【００８７】次に、以上説明した制御手法を実際に適用
した２関節ロボットの力制御について説明する。図６に
この２関節ロボットの全体構成図を示す。図６におい
て、垂直２関節マニピュレータ１が同一方向に動作する
研磨ベルト（あるいは砥石、バフ）にワーク３を近づけ
ていく（接近動作）。その後、研磨面５と完全に接触す
るまで位置／位置制御または位置／抗力制御で探索動作
を行い、研磨作業は位置／抗力制御または位置／摩擦制
御で実施することを想定したものである。なお、マニピ
ュレータ１は、ここでは簡単のため２関節で説明する
が、本発明の適用は２関節に限定するものではない。
した２関節ロボットの力制御について説明する。図６に
この２関節ロボットの全体構成図を示す。図６におい
て、垂直２関節マニピュレータ１が同一方向に動作する
研磨ベルト（あるいは砥石、バフ）にワーク３を近づけ
ていく（接近動作）。その後、研磨面５と完全に接触す
るまで位置／位置制御または位置／抗力制御で探索動作
を行い、研磨作業は位置／抗力制御または位置／摩擦制
御で実施することを想定したものである。なお、マニピ
ュレータ１は、ここでは簡単のため２関節で説明する
が、本発明の適用は２関節に限定するものではない。
【００８８】垂直２関節マニピュレータ１の第１リンク
１５の質量ｍ１ ，第２リンク１７の質量ｍ２ ，第１軸
１１から第２軸１３までの長さｌ１ ，第２軸１３から
研磨面５までの長さｌ２ ，第１軸１１から第１リンク
１５の重心までの長さｒ１ 、第２軸１３から第２リン
ク１７の重心までの長さｒ２ とする。また、垂直２関
節マニピュレータ１のベース座標系をΣＢ ，作業座標
系をΣＯＰとし、ΣＯＰにおけるΣＢ の原点の座標値
を（ＸＡ ，ＹＡ ），ΣＯＰのＺ軸回りのΣＢ の回転
角をθＡ とする。またワーク３の摩擦力をＦｔ とす
る。力Ｆは、研磨面５における抗力Ｆｎ と摩擦Ｆｔ か
らなり、力センサにより観測可能なものとする。
１５の質量ｍ１ ，第２リンク１７の質量ｍ２ ，第１軸
１１から第２軸１３までの長さｌ１ ，第２軸１３から
研磨面５までの長さｌ２ ，第１軸１１から第１リンク
１５の重心までの長さｒ１ 、第２軸１３から第２リン
ク１７の重心までの長さｒ２ とする。また、垂直２関
節マニピュレータ１のベース座標系をΣＢ ，作業座標
系をΣＯＰとし、ΣＯＰにおけるΣＢ の原点の座標値
を（ＸＡ ，ＹＡ ），ΣＯＰのＺ軸回りのΣＢ の回転
角をθＡ とする。またワーク３の摩擦力をＦｔ とす
る。力Ｆは、研磨面５における抗力Ｆｎ と摩擦Ｆｔ か
らなり、力センサにより観測可能なものとする。
【００８９】
【数４９】 作業座標系ΣＯＰにおけるワーク座標値Ｐとする。
【００９０】
【数５０】 研磨面の弾性係数をｋ（＝ｋ０ ＋Δｋ）、摩擦係数を
α（＝α０ ＋Δα）とすると、係数行列Ｋは数５１の
ようになる。
α（＝α０ ＋Δα）とすると、係数行列Ｋは数５１の
ようになる。
【００９１】
【数５１】 Ｍｘ とｈｘ０はｑの関数であるが、以下ではワークの
位置がΣＯＰの原点近傍にある場合の作業を想定して
Ａ，Ｂ行列を求めることにする。このときのＭｘ０を数
５２とする。
位置がΣＯＰの原点近傍にある場合の作業を想定して
Ａ，Ｂ行列を求めることにする。このときのＭｘ０を数
５２とする。
【００９２】
【数５２】 但し、数５３である。
【００９３】
【数５３】 Ａ，Ｂ行列は数１６、数５２より数５４、数５５とな
る。
る。
【００９４】
【数５４】
【００９５】
【数５５】 制御量は制御モードにより異なり、位置/ 位置制御の場
合には数５６のようになる。
合には数５６のようになる。
【００９６】
【数５６】 また、位置/ 抗力制御の場合には次のようになる。法線
方向には押し付けを接線方向には位置決めを行なうこと
を制御目的とすると、数１９を用いて、数５７とし、数
５８を得る。
方向には押し付けを接線方向には位置決めを行なうこと
を制御目的とすると、数１９を用いて、数５７とし、数
５８を得る。
【００９７】
【数５７】
【００９８】
【数５８】 次に、位置/ 摩擦制御の場合には次のようになる。接線
方向の摩擦制御を行いつつ、同方向には位置決めを行な
う制御目的とすると、数１９を用いて、数５９とし、数
６０を得る。
方向の摩擦制御を行いつつ、同方向には位置決めを行な
う制御目的とすると、数１９を用いて、数５９とし、数
６０を得る。
【００９９】
【数５９】
【０１００】
【数６０】 数５６、数５８、数６０に対する制御系設計は右辺の係
数行列の第１行第１列成分を一時的にｃ１１として設計
しておき、最後に各々のモードに合わせて元々の変数に
戻せば数６１のように統一的に扱える。
数行列の第１行第１列成分を一時的にｃ１１として設計
しておき、最後に各々のモードに合わせて元々の変数に
戻せば数６１のように統一的に扱える。
【０１０１】
【数６１】 但し、変数のノミナル値α０ ，ｋ０ を使用する場合は
係数行列と要素変数を各々Ｃ０ ，ｃ０１１ と記す。以
上のＡ、Ｂ、Ｃ行列から各々の制御も目的に対応する制
御系を設計する。まず、数５５、数６１から数６２、数
６３を得る。
係数行列と要素変数を各々Ｃ０ ，ｃ０１１ と記す。以
上のＡ、Ｂ、Ｃ行列から各々の制御も目的に対応する制
御系を設計する。まず、数５５、数６１から数６２、数
６３を得る。
【０１０２】
【数６２】
【０１０３】
【数６３】 次にＣ行列のノミナルパラメータを用いて、数６４が成
り立つ。
り立つ。
【０１０４】
【数６４】 但し、数６５である。
【０１０５】
【数６５】 非干渉行列は数６６、数６７になる。
【０１０６】
【数６６】
【０１０７】
【数６７】 但し、数６８は正則とする。
【０１０８】
【数６８】 また、数２６より数６９は数７０になる。
【０１０９】
【数６９】
【０１１０】
【数７０】 一方、参照値ｒ（ｔ）は出力に対応して制御モードに即
した変数として提供する必要がある。
した変数として提供する必要がある。
【０１１１】
【数７１】 以下の数７２の各要素は数７１に対応して定める。
【０１１２】
【数７２】 但し、観測出力及び参照値の時間の一階微分値は直接利
用できるものとすると、Ｃ行列に不確かな要素がある場
合にも超平面を表すスイッチング関数σ（ｔ）は数７１
の各制御モードに対応して数７３のように求まる。
用できるものとすると、Ｃ行列に不確かな要素がある場
合にも超平面を表すスイッチング関数σ（ｔ）は数７１
の各制御モードに対応して数７３のように求まる。
【０１１３】
【数７３】 非線形入力ゲインｋｉ （ｘ，ｔ）は、数４８より数７
４で定められ、最終的なマニピュレータ１の関節駆動ト
ルクτは数７５で与えられる。
４で定められ、最終的なマニピュレータ１の関節駆動ト
ルクτは数７５で与えられる。
【０１１４】
【数７４】
【０１１５】
【数７５】
【０１１６】図７に上記に対応した制御系ブロック図を
示し、図８に図７中のスライディングモード制御を行な
うための補償器部分の詳細図を示す。図８の中で、数７
６は制御モードの遷移に伴って適宜に切替える必要があ
る。
示し、図８に図７中のスライディングモード制御を行な
うための補償器部分の詳細図を示す。図８の中で、数７
６は制御モードの遷移に伴って適宜に切替える必要があ
る。
【０１１７】
【数７６】 各モードに対する各変数を図９の表にまとめる。すなわ
ち、実際の制御時にはこの表中の使用変数の値を切り替
えて用いることになる。
ち、実際の制御時にはこの表中の使用変数の値を切り替
えて用いることになる。
【０１１８】以上述べたように、スライディングモード
非干渉制御法及び同制御系を接触面５の弾性係数や摩擦
係数が変化することを前提としてロボットの力制御に利
用し、これを更にモードの切替えとその状態遷移に対応
できるように拡張した。このため、ロボットの自由空間
での位置制御と、接触面５への力及び位置制御の自然な
モード切り替えが可能となり、接触面５が未知の幾何学
的誤差を持つ場合でも、接触対象やワーク３を破損した
りロボットが暴走することなくモード切り替えができる
ようになった。
非干渉制御法及び同制御系を接触面５の弾性係数や摩擦
係数が変化することを前提としてロボットの力制御に利
用し、これを更にモードの切替えとその状態遷移に対応
できるように拡張した。このため、ロボットの自由空間
での位置制御と、接触面５への力及び位置制御の自然な
モード切り替えが可能となり、接触面５が未知の幾何学
的誤差を持つ場合でも、接触対象やワーク３を破損した
りロボットが暴走することなくモード切り替えができる
ようになった。
【０１１９】従って、本制御法を研磨加工や研削加工に
応用した場合、あるいはPeg-in-Hole のような穴へのシ
ャフト挿入等の作業へ応用した場合に、高品質な加工ま
たは組み立ての実現が可能になる。なお、本制御法は作
業変換系を基準に構築しているため、シリアル連結され
た従来型のロボットの他、パラレル連結されたロボット
マニピュレータ等にも利用可能である。
応用した場合、あるいはPeg-in-Hole のような穴へのシ
ャフト挿入等の作業へ応用した場合に、高品質な加工ま
たは組み立ての実現が可能になる。なお、本制御法は作
業変換系を基準に構築しているため、シリアル連結され
た従来型のロボットの他、パラレル連結されたロボット
マニピュレータ等にも利用可能である。
【０１２０】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、接
近動作手段、探索動作手段、接触動作手段、離脱動作手
段により、ロボットによる自由空間での位置制御と、接
触面への力又は位置制御の自然なモード切り替えが可能
となる。また、予想接触面を予め設定したことで、接触
面が未知の幾何学的誤差を持つ場合でも、接触対象やワ
ークを破損させたり、ロボットを暴走させることなくモ
ード切り替えができる。更に、各制御モード毎に予め設
計した制御要素又は補償器を用意し、制御要素又は補償
器を選択可能としたので、各動作手段に最適なスライデ
ィングモード非干渉制御が行え、高品質な加工又は組立
を行うことが出来る。
近動作手段、探索動作手段、接触動作手段、離脱動作手
段により、ロボットによる自由空間での位置制御と、接
触面への力又は位置制御の自然なモード切り替えが可能
となる。また、予想接触面を予め設定したことで、接触
面が未知の幾何学的誤差を持つ場合でも、接触対象やワ
ークを破損させたり、ロボットを暴走させることなくモ
ード切り替えができる。更に、各制御モード毎に予め設
計した制御要素又は補償器を用意し、制御要素又は補償
器を選択可能としたので、各動作手段に最適なスライデ
ィングモード非干渉制御が行え、高品質な加工又は組立
を行うことが出来る。
【図１】 ロボットマニピュレータに把持されるワーク
が自由空間から拘束空間に接近し、接触面に接触する様
子を示す図
が自由空間から拘束空間に接近し、接触面に接触する様
子を示す図
【図２】 本発明の第１実施形態の作業を構成する各動
作フロー
作フロー
【図３】 各制御モードの遷移に対応する制御の型を示
す図
す図
【図４】 モード切替えに対する参照値とポインタを示
す図
す図
【図５】 モード切替えに対する参照値の修正を示す図
【図６】 ２関節ロボットの全体構成図
【図７】 制御系ブロック図を示す図
【図８】 図７中のスライディングモード非干渉制御を
行なうための補償器部分の詳細ブロック図
行なうための補償器部分の詳細ブロック図
【図９】 各モードに対応した制御変数
１ ロボット（マニピュレータ） ３ ワーク ５ 研磨面 ７ 予想接触面 １１ 軸 １３ 軸 １５ リンク １７ リンク Ｆｎ 抗力 Ｆｔ 摩擦 Ｋ 係数行列 Ｍｘ 慣性行列 Ｐｒｎ，Ｐｒｔ 位置参照値 ＳＭ 空間行列 Ｖｔ 速度 ｆｒｎ 抗力参照値 ｆｒｔ 摩擦力参照値 ｈｘ 非線形力 ｋ 弾性係数 ｋｉ 非線形入力ゲイン ｑ 関節 ｖｎａ 法線方向速度 ｖｎｇ 接近速度 ｙ 出力 ΔＴ モーションレート Σｏｐ 作業座標系 ΣＢ ベース座標系 α 摩擦係数 σ 超平面 τ 関節駆動トルク
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−186076（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−182651（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−75001（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−118618（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−69294（ＪＰ，Ａ) 美多勉 鈴木孝 種子田昭彦 島田 明，ＶＳＳ非干渉制御と零点の役割，電 気学会産業計測制御研究会２Ｃ−97− 26，平成９年３月17日，ｐ１−ｐ６ (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B25J 13/08 B24B 49/16 B25J 9/10 G05B 13/00 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (2)
- 【請求項１】 加工作業、組立作業に用いられ、接触対
象の弾性や摩擦係数の変化に対応させて設計したスライ
ディングモード非干渉制御機能を有するロボット制御装
置であって、 拘束空間を形作る幾何学的な誤差を有する接触面に対し
て、最も近く見積もった予想接触面を予め設定し、該予
想接触面までワーク若しくは加工・組立装置の所定部を
一般化座標系における少なくとも２自由度方向の位置制
御を行いつつ接近させる接近動作手段と、 該接近動作手段により到達した前記予想接触面から真の
接触面まで一般化座標系における少なくとも１自由度方
向は位置制御を行い、前記接触面に対しては他自由度方
向に属する抗力制御を行う探索動作手段と、該探索動作手段の抗力制御により検出された抗力又は摩
擦力が予め設定したしきい値以上になったとき、 該探索
動作手段により到達した前記接触面に対し一般化座標系
における少なくとも１自由度方向に対する位置制御と同
自由度方向に対する摩擦制御を同時に行う接触動作手段
と、 該接触動作手段により加工等の行われたワーク若しくは
加工・組立装置の所定部を所定位置まで一般化座標系に
おける少なくとも２自由度方向の位置制御を行いつつ離
脱させる離脱動作手段とを備え、 前記２自由度方向の位置制御、前記１自由度方向に対す
る位置制御と同自由度方向に対する摩擦制御、前記１自
由度方向に対する位置制御と前記接触面に対する他自由
度方向に属する抗力制御の各制御モードは、該制御モー
ド毎に予め設計した制御要素又は補償器を用意し、前記
接近動作手段、前記探索動作手段、前記接触動作手段、
前記離脱動作手段の切替えに伴い、該制御要素又は補償
器を選択可能としたことを特徴とする制御系のモード切
替え機能を有するロボット制御装置。 - 【請求項２】 前記接触動作手段は、前記探索動作手段
により到達した前記接触面に対し一般化座標系における
少なくとも１自由度方向に対する位置制御と前記接触面
に対する他自由度方向に属する抗力制御を同時に行うこ
ととし、前記２自由度方向の位置制御、前記１自由度方
向に対する位置制御と前記接触面に対する他自由度方向
に属する抗力制御の各制御モードは、該制御モード毎に
予め設計した制御要素又は補償器を用意し、前記接近動
作手段、前記探索動作手段、前記接触動作手段、前記離
脱動作手段の切替えに伴い、該制御要素又は補償器を選
択可能としたことを特徴とする請求項１記載の制御系の
モード切替え機能を有するロボット制御装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10207820A JP3124519B2 (ja) | 1998-07-23 | 1998-07-23 | 制御系のモード切替え機能を有するロボット制御装置 |
| US09/354,474 US6294890B1 (en) | 1998-07-23 | 1999-07-15 | Robot controller |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10207820A JP3124519B2 (ja) | 1998-07-23 | 1998-07-23 | 制御系のモード切替え機能を有するロボット制御装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000042962A JP2000042962A (ja) | 2000-02-15 |
| JP3124519B2 true JP3124519B2 (ja) | 2001-01-15 |
Family
ID=16546058
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10207820A Expired - Fee Related JP3124519B2 (ja) | 1998-07-23 | 1998-07-23 | 制御系のモード切替え機能を有するロボット制御装置 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6294890B1 (ja) |
| JP (1) | JP3124519B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0428105A (ja) * | 1990-05-23 | 1992-01-30 | Kobishi Denki Kk | 表示灯 |
| JP2014108466A (ja) * | 2012-11-30 | 2014-06-12 | Fanuc Ltd | 力センサ付き電動ハンド |
| JP7408459B2 (ja) | 2020-03-30 | 2024-01-05 | 株式会社フジシール | 蓋付き三角パックの製造方法及び蓋付き三角パック |
Families Citing this family (21)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3187799B2 (ja) * | 1999-12-27 | 2001-07-11 | 川崎重工業株式会社 | 自動探り組立作業方法および装置 |
| JP3569764B2 (ja) * | 2001-11-19 | 2004-09-29 | 独立行政法人 科学技術振興機構 | 二脚歩行式移動装置およびその歩行制御装置並びに歩行制御方法 |
| EP1547732A4 (en) * | 2002-10-01 | 2012-01-04 | Sony Corp | ROBOT DEVICE AND CONTROL PROCEDURE THEREFOR |
| EP1878542A1 (en) * | 2006-07-07 | 2008-01-16 | Abb Research Ltd. | A control system and a method for controlling one or several industrial robots |
| JP2009066685A (ja) | 2007-09-11 | 2009-04-02 | Sony Corp | ロボット装置及びロボット装置の制御方法 |
| JP2009099082A (ja) * | 2007-10-19 | 2009-05-07 | Sony Corp | 力学シミュレーション装置及び力学シミュレーション方法、並びにコンピュータ・プログラム |
| DE102007060682B4 (de) * | 2007-12-17 | 2015-08-20 | Kuka Roboter Gmbh | Verfahren und Vorrichtung zur modellbasierten Regelung eines Manipulators |
| CN101952087B (zh) * | 2008-02-06 | 2013-01-16 | 松下电器产业株式会社 | 机器人、机器人的控制装置及控制方法 |
| DE102009058607A1 (de) * | 2009-12-17 | 2011-06-22 | KUKA Laboratories GmbH, 86165 | Verfahren und Vorrichtung zum Steuern eines Manipulators |
| DE102010004474A1 (de) * | 2010-01-13 | 2011-07-14 | KUKA Laboratories GmbH, 86165 | Steuerung für einen Manipulator |
| DE102010010718A1 (de) | 2010-03-09 | 2011-09-15 | Kuka Laboratories Gmbh | Verfahren zur Montage von Bauteilen mittels eines Industrieroboters |
| JP5845311B2 (ja) | 2014-04-30 | 2016-01-20 | ファナック株式会社 | ロボットの柔軟制御を行う制御装置 |
| DE102014225252A1 (de) * | 2014-12-09 | 2016-06-09 | Kuka Systems Gmbh | Verfahren zum Überwachen wenigstens eines Industrieroboters, Industrieroboter und System mit mehreren Industrierobotern |
| JP6844158B2 (ja) * | 2016-09-09 | 2021-03-17 | オムロン株式会社 | 制御装置および制御プログラム |
| JP6851837B2 (ja) * | 2017-01-20 | 2021-03-31 | キヤノン株式会社 | 制御装置、ロボットシステム、制御方法、プログラム、記録媒体及び物品の製造方法 |
| CN107263467B (zh) * | 2017-05-11 | 2019-09-20 | 广州视源电子科技股份有限公司 | 控制机器人转动关节运动的方法和装置及机器人 |
| EP3441201B1 (en) | 2017-08-08 | 2023-01-18 | Siemens Healthcare GmbH | Method for operating a robot and robotic system |
| CN110281151A (zh) * | 2019-08-16 | 2019-09-27 | 龙泉越来自动化技术有限公司 | 一种磨砂盘自动变速的打磨装置 |
| CN111722625B (zh) * | 2019-12-18 | 2021-09-21 | 北京交通大学 | 时变数量群体机器人接力目标跟踪系统的稳定性分析方法 |
| JP7463777B2 (ja) | 2020-03-13 | 2024-04-09 | オムロン株式会社 | 制御装置、学習装置、ロボットシステム、および方法 |
| CN112658808B (zh) * | 2020-11-11 | 2022-07-29 | 哈尔滨工业大学（深圳） | 力位耦合柔顺打磨控制方法和柔顺打磨控制系统 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH1034334A (ja) * | 1996-07-19 | 1998-02-10 | Fanuc Ltd | 溶接ロボット制御システム |
| US6064168A (en) * | 1998-03-13 | 2000-05-16 | Fanuc Robotics North America, Inc. | Method of controlling robot movement |
-
1998
- 1998-07-23 JP JP10207820A patent/JP3124519B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1999
- 1999-07-15 US US09/354,474 patent/US6294890B1/en not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 美多勉 鈴木孝 種子田昭彦 島田明，ＶＳＳ非干渉制御と零点の役割，電気学会産業計測制御研究会２Ｃ−９７−２６，平成９年３月１７日，ｐ１−ｐ６ |
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| JPH0428105A (ja) * | 1990-05-23 | 1992-01-30 | Kobishi Denki Kk | 表示灯 |
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| JP7408459B2 (ja) | 2020-03-30 | 2024-01-05 | 株式会社フジシール | 蓋付き三角パックの製造方法及び蓋付き三角パック |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2000042962A (ja) | 2000-02-15 |
| US6294890B1 (en) | 2001-09-25 |
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