JP3206775B2 - 加工・組立装置の倣い制御方法および倣い制御装置 - Google Patents
加工・組立装置の倣い制御方法および倣い制御装置Info
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- JP3206775B2 JP3206775B2 JP29302692A JP29302692A JP3206775B2 JP 3206775 B2 JP3206775 B2 JP 3206775B2 JP 29302692 A JP29302692 A JP 29302692A JP 29302692 A JP29302692 A JP 29302692A JP 3206775 B2 JP3206775 B2 JP 3206775B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、未知形状の加工対象物
を加工する工具をその表面形状に沿って移動させる加工
装置の倣い制御方法、組立対象部品と被組立対象部品の
部品間の接触面を組立作業のガイドラインとして用いて
組立対象部品を移動させる組立装置の倣い制御方法、お
よび各倣い制御方法を用いた倣い制御装置に関する。
を加工する工具をその表面形状に沿って移動させる加工
装置の倣い制御方法、組立対象部品と被組立対象部品の
部品間の接触面を組立作業のガイドラインとして用いて
組立対象部品を移動させる組立装置の倣い制御方法、お
よび各倣い制御方法を用いた倣い制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】図９は、ロボットアームを用いた加工作
業および組立作業の一例を示す図である。
業および組立作業の一例を示す図である。
【０００３】(a) は加工作業の一例であり、ロボットア
ーム５１に取り付けられた工具（例えばグラインダ）５
２が、加工対象物５３に接触しながら移動して所定の加
工作業を行う。(b) は組立作業の一例であり、ロボット
アーム５１のエンドイフェクタ５４に把持された組立対
象部品５５が、被組立対象部品５６との接触面をガイド
ラインとして所定の位置に組み立てられる。
ーム５１に取り付けられた工具（例えばグラインダ）５
２が、加工対象物５３に接触しながら移動して所定の加
工作業を行う。(b) は組立作業の一例であり、ロボット
アーム５１のエンドイフェクタ５４に把持された組立対
象部品５５が、被組立対象部品５６との接触面をガイド
ラインとして所定の位置に組み立てられる。
【０００４】この加工作業あるいは組立作業において、
加工対象物５３あるいは被組立対象部品５６の形状が未
知であるときには、逐次得られる接触点の情報からその
形状を推定し、さらに工具５２あるいは組立対象部品５
５の移動経路を推定する倣い制御が行われる。この接触
点の情報は、ロボットアーム５１の先端に取り付けられ
た力検出器５７により、３方向の力成分とモーメント成
分が検出される。
加工対象物５３あるいは被組立対象部品５６の形状が未
知であるときには、逐次得られる接触点の情報からその
形状を推定し、さらに工具５２あるいは組立対象部品５
５の移動経路を推定する倣い制御が行われる。この接触
点の情報は、ロボットアーム５１の先端に取り付けられ
た力検出器５７により、３方向の力成分とモーメント成
分が検出される。
【０００５】このような倣い制御方法により、ロボット
アーム５１に取り付けられた工具５２あるいは組立対象
部品５５は、推定された移動経路に応じた目標値で制御
され、加工対象物５３あるいは被組立対象部品５６の表
面との接触を維持しながら所定の作業を行うことができ
る。
アーム５１に取り付けられた工具５２あるいは組立対象
部品５５は、推定された移動経路に応じた目標値で制御
され、加工対象物５３あるいは被組立対象部品５６の表
面との接触を維持しながら所定の作業を行うことができ
る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の加工
・組立装置の倣い制御技術としては、このようなロボッ
トアームを用いたものでは、例えば特開平３−２５６１
０３号公報に記載のものがある。ここでは、力検出器の
３方向の力成分から接触法線を求め、移動経路を逐次切
り替える倣い制御方法が用いられているが、ロボットア
ームにおける外部環境との接触点を不変と見なしている
ので、接触点における摩擦や作業中の接触点の変化に対
応できなかった。
・組立装置の倣い制御技術としては、このようなロボッ
トアームを用いたものでは、例えば特開平３−２５６１
０３号公報に記載のものがある。ここでは、力検出器の
３方向の力成分から接触法線を求め、移動経路を逐次切
り替える倣い制御方法が用いられているが、ロボットア
ームにおける外部環境との接触点を不変と見なしている
ので、接触点における摩擦や作業中の接触点の変化に対
応できなかった。
【０００７】また、「日本ロボット学会誌４巻２号（19
86年）」の27頁に記載されている装置では、力検出器の
出力信号と、工具と加工対象物との間の摩擦係数を用い
て検出した接触点の情報に基づいて倣い制御を行う構成
になっているが、力検出器の出力信号に加わったノイズ
や、摩擦係数の変動に応じた検出誤差に対する補償機能
は備えられていない。
86年）」の27頁に記載されている装置では、力検出器の
出力信号と、工具と加工対象物との間の摩擦係数を用い
て検出した接触点の情報に基づいて倣い制御を行う構成
になっているが、力検出器の出力信号に加わったノイズ
や、摩擦係数の変動に応じた検出誤差に対する補償機能
は備えられていない。
【０００８】このような動作中に検出される接触点の情
報に基づく倣い制御方法では、加工対象物あるいは被組
立対象部品の形状について先見的な情報が得られないの
で、過去のデータからこれらを高精度に推定する方法が
不可欠となる。このとき、従来からロボットの移動経路
生成に用いられている離散的な位置情報の直線補間で
は、接触点の情報に力検出器のノイズなどによる誤差が
含まれていると、それが推定される移動経路にとって大
きな誤差となり、制御目標値の精度を著しく劣化させる
要因になる。
報に基づく倣い制御方法では、加工対象物あるいは被組
立対象部品の形状について先見的な情報が得られないの
で、過去のデータからこれらを高精度に推定する方法が
不可欠となる。このとき、従来からロボットの移動経路
生成に用いられている離散的な位置情報の直線補間で
は、接触点の情報に力検出器のノイズなどによる誤差が
含まれていると、それが推定される移動経路にとって大
きな誤差となり、制御目標値の精度を著しく劣化させる
要因になる。
【０００９】また、上記のような接触点の情報に基づく
倣い制御装置において、これまで実用に供されている単
一プロセッサによる信号処理構成では、センサの種類や
作業仕様が特化された専用作業用の装置となる。したが
って、センサや作業の変更に対して信号処理装置全体の
大幅な変更が必要となり、異なるセンサに対する拡張性
や他種類の作業に対する汎用性が損なわれていた。
倣い制御装置において、これまで実用に供されている単
一プロセッサによる信号処理構成では、センサの種類や
作業仕様が特化された専用作業用の装置となる。したが
って、センサや作業の変更に対して信号処理装置全体の
大幅な変更が必要となり、異なるセンサに対する拡張性
や他種類の作業に対する汎用性が損なわれていた。
【００１０】本発明は、工具と加工対象物あるいは組立
対象部品と被組立対象部品との接触点が変化する作業に
適用可能であり、また接触点の情報に誤差が含まれる場
合でも移動経路を高精度で推定することができ、さらに
異なるセンサに対する拡張性および各種作業に対する汎
用性を有する加工・組立装置の倣い制御方法および倣い
制御装置を提供することを目的とする。
対象部品と被組立対象部品との接触点が変化する作業に
適用可能であり、また接触点の情報に誤差が含まれる場
合でも移動経路を高精度で推定することができ、さらに
異なるセンサに対する拡張性および各種作業に対する汎
用性を有する加工・組立装置の倣い制御方法および倣い
制御装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】図１は、請求項１に記載
の発明に対応する倣い制御方法の各手順を示すフローチ
ャートである。
の発明に対応する倣い制御方法の各手順を示すフローチ
ャートである。
【００１２】図において、手順１は、速度・角速度また
は作用力と、工具・組立対象部品の幾何データとを用い
て、工具・組立対象部品と加工対象物・被組立対象部品
との接触点を計算する。手順２は、接触点における工具
・組立対象部品の並進速度ベクトルと法線ベクトルから
速度条件関数を計算し、接触点から作用力の作用線と工
具・組立対象部品表面の交点までの距離関数を計算す
る。手順３は、速度条件関数と距離関数の重み付け線形
和である評価関数を計算する。手順４は、既に計算され
ている過去の複数の接触点における評価関数から各重み
付け係数を計算し、これらの重み付け係数で重み付けさ
れた複数の接触点の情報から重み付け最小自乗法により
加工対象物・被組立対象部品の形状を推定し、その形状
に基づいて工具・組立対象部品の移動経路を推定する。
手順５は、推定された移動経路および作業仕様に基づ
き、工具・組立対象部品の制御目標値を生成する。
は作用力と、工具・組立対象部品の幾何データとを用い
て、工具・組立対象部品と加工対象物・被組立対象部品
との接触点を計算する。手順２は、接触点における工具
・組立対象部品の並進速度ベクトルと法線ベクトルから
速度条件関数を計算し、接触点から作用力の作用線と工
具・組立対象部品表面の交点までの距離関数を計算す
る。手順３は、速度条件関数と距離関数の重み付け線形
和である評価関数を計算する。手順４は、既に計算され
ている過去の複数の接触点における評価関数から各重み
付け係数を計算し、これらの重み付け係数で重み付けさ
れた複数の接触点の情報から重み付け最小自乗法により
加工対象物・被組立対象部品の形状を推定し、その形状
に基づいて工具・組立対象部品の移動経路を推定する。
手順５は、推定された移動経路および作業仕様に基づ
き、工具・組立対象部品の制御目標値を生成する。
【００１３】請求項２に記載の発明に対応する倣い制御
方法では、上記の手順４において、加工対象物・被組立
対象部品の形状を移動経路の経路長の多項式で表現され
た経路関数で記述し、加工対象物・被組立対象部品の概
略形状に基づいてこの経路関数の次数または構成を変更
し、得られた経路関数を用いて重み付け最小自乗法によ
り加工対象物・被組立対象部品の形状を推定することを
特徴とする。
方法では、上記の手順４において、加工対象物・被組立
対象部品の形状を移動経路の経路長の多項式で表現され
た経路関数で記述し、加工対象物・被組立対象部品の概
略形状に基づいてこの経路関数の次数または構成を変更
し、得られた経路関数を用いて重み付け最小自乗法によ
り加工対象物・被組立対象部品の形状を推定することを
特徴とする。
【００１４】請求項３に記載の発明に対応する倣い制御
装置は、プロセッサ間でデータを送受信するデータ通信
手段を有し、上記各手順をそれぞれ実行して制御目標値
を出力する複数のプロセッサと、その制御目標値から工
具・組立対象部品の移動制御に必要な制御信号を生成す
るプロセッサとを備えたことを特徴とする。
装置は、プロセッサ間でデータを送受信するデータ通信
手段を有し、上記各手順をそれぞれ実行して制御目標値
を出力する複数のプロセッサと、その制御目標値から工
具・組立対象部品の移動制御に必要な制御信号を生成す
るプロセッサとを備えたことを特徴とする。
【００１５】
【作用】請求項１に記載の発明に対応する倣い制御方法
では、手順１〜４により、実時間で検出された接触点の
情報に基づいて加工対象物・被組立対象部品の形状を推
定し、さらに工具・組立対象部品の移動経路を生成して
いるので、作業中に接触点が変化する未知形状の加工対
象物あるいは被組立対象部品に対する倣い作業にも適用
することができる。
では、手順１〜４により、実時間で検出された接触点の
情報に基づいて加工対象物・被組立対象部品の形状を推
定し、さらに工具・組立対象部品の移動経路を生成して
いるので、作業中に接触点が変化する未知形状の加工対
象物あるいは被組立対象部品に対する倣い作業にも適用
することができる。
【００１６】また、手順１〜４により、評価関数および
重み係数によって接触点の情報の総合的な誤差を評価し
た重み付けを行って加工対象物・被組立対象部品の形状
および工具・組立対象部品の移動経路を推定し、手順５
でその移動経路と作業仕様に基づいて工具・組立対象部
品の制御目標値を生成することにより、接触点の情報に
誤差が含まれている場合でも、制御目標値における誤差
を最小限に抑えることができる。
重み係数によって接触点の情報の総合的な誤差を評価し
た重み付けを行って加工対象物・被組立対象部品の形状
および工具・組立対象部品の移動経路を推定し、手順５
でその移動経路と作業仕様に基づいて工具・組立対象部
品の制御目標値を生成することにより、接触点の情報に
誤差が含まれている場合でも、制御目標値における誤差
を最小限に抑えることができる。
【００１７】請求項２に記載の発明に対応する倣い制御
方法では、加工対象物・被組立対象部品の概略形状に基
づいて、加工対象物・被組立対象部品の形状を記述した
経路関数を変更することにより、工具・組立対象部品の
移動経路の推定に必要な加工対象物・被組立対象部品の
形状を高精度で推定することができる。
方法では、加工対象物・被組立対象部品の概略形状に基
づいて、加工対象物・被組立対象部品の形状を記述した
経路関数を変更することにより、工具・組立対象部品の
移動経路の推定に必要な加工対象物・被組立対象部品の
形状を高精度で推定することができる。
【００１８】請求項３に記載の発明に対応する倣い制御
装置は、複数のプロセッサを用いて各手順をそれぞれ実
行する構成により、異なるセンサを用いても、あるいは
異なる作業仕様が与えられても、対応するプロセッサの
みを変更すれだけで容易に対応することができる。すな
わち、異なるセンサに対する拡張性および多種類の作業
に対する汎用性を高めることができる。
装置は、複数のプロセッサを用いて各手順をそれぞれ実
行する構成により、異なるセンサを用いても、あるいは
異なる作業仕様が与えられても、対応するプロセッサの
みを変更すれだけで容易に対応することができる。すな
わち、異なるセンサに対する拡張性および多種類の作業
に対する汎用性を高めることができる。
【００１９】
【実施例】まず、請求項１，３に記載の発明の倣い制御
方法および倣い制御装置の実施例について説明する。な
お、本実施例は、図２に示すようなロボットアーム１０
に適用したものであり、工具２１の表面が加工対象物２
２のエッジに１点接触で移動しながら加工を行う作業を
例に説明する。
方法および倣い制御装置の実施例について説明する。な
お、本実施例は、図２に示すようなロボットアーム１０
に適用したものであり、工具２１の表面が加工対象物２
２のエッジに１点接触で移動しながら加工を行う作業を
例に説明する。
【００２０】図３は、本実施例におけるロボットアーム
１０の各関節の自由度と各リンク長を示す模式図であ
る。図において、ロボットアーム１０は、基部から第１
関節１１，第２関節１２，第３関節１３，第４関節１
４，第５関節１５，第６関節１６を有し、軸旋回および
軸回転それぞれ３ずつ計６自由度を有する構成であり、
その先端に６軸対応の力検出器１７が取り付けられる。
なお、第１関節１１〜第３関節１３のリンク長Ｌ1 は 5
00ｍｍ、第３関節１３〜第５関節１５のリンク長Ｌ2 は
400ｍｍ、第５関節１５〜力検出器１７のリンク長Ｌ3
は47ｍｍである。
１０の各関節の自由度と各リンク長を示す模式図であ
る。図において、ロボットアーム１０は、基部から第１
関節１１，第２関節１２，第３関節１３，第４関節１
４，第５関節１５，第６関節１６を有し、軸旋回および
軸回転それぞれ３ずつ計６自由度を有する構成であり、
その先端に６軸対応の力検出器１７が取り付けられる。
なお、第１関節１１〜第３関節１３のリンク長Ｌ1 は 5
00ｍｍ、第３関節１３〜第５関節１５のリンク長Ｌ2 は
400ｍｍ、第５関節１５〜力検出器１７のリンク長Ｌ3
は47ｍｍである。
【００２１】図４は、ロボットアーム１０および倣い制
御装置の実施例構成を示すブロック図である。図におい
て、ロボットアーム１０はアクチュエータ１８，アクチ
ュエータ１８の動作量を計測するエンコーダ１９および
力検出器１７を備える。エンコーダ１９および力検出器
１７の各出力信号は、それぞれアップダウンカウンタ３
１およびアナログ／ディジタル変換器（Ａ／Ｄ）３２を
介して、ロボットアーム全体の動作制御に必要な演算を
行うコンピュータ３３に入力される。コンピュータ３３
は、データ通信手段を含む移動経路生成部３４，制御目
標値生成部３５および制御部３６により構成される。コ
ンピュータ３３で得られた制御信号は、ディジタル／ア
ナログ変換器（Ｄ／Ａ）３７およびサーボアンプ３８を
介して、ロボットアーム１０のアクチュエータ１８に送
出される。
御装置の実施例構成を示すブロック図である。図におい
て、ロボットアーム１０はアクチュエータ１８，アクチ
ュエータ１８の動作量を計測するエンコーダ１９および
力検出器１７を備える。エンコーダ１９および力検出器
１７の各出力信号は、それぞれアップダウンカウンタ３
１およびアナログ／ディジタル変換器（Ａ／Ｄ）３２を
介して、ロボットアーム全体の動作制御に必要な演算を
行うコンピュータ３３に入力される。コンピュータ３３
は、データ通信手段を含む移動経路生成部３４，制御目
標値生成部３５および制御部３６により構成される。コ
ンピュータ３３で得られた制御信号は、ディジタル／ア
ナログ変換器（Ｄ／Ａ）３７およびサーボアンプ３８を
介して、ロボットアーム１０のアクチュエータ１８に送
出される。
【００２２】ここで、作業仕様の接触点ｐr ，接触角α
r および接触力ｆr の関係を図５に示す。なお、接触角
の基準となる方向ベクトルｅは、予め与えられるものと
する。また、他の作業仕様として倣い速度ｖr を設定す
る。
r および接触力ｆr の関係を図５に示す。なお、接触角
の基準となる方向ベクトルｅは、予め与えられるものと
する。また、他の作業仕様として倣い速度ｖr を設定す
る。
【００２３】座標系は、作業座標系として工具２１上に
ツール座標系ΣＴおよびワーク座標系ΣＷＫを設定し、
絶対座標系としてΣＷを設定する。この座標系の設定例
を図６に示す。
ツール座標系ΣＴおよびワーク座標系ΣＷＫを設定し、
絶対座標系としてΣＷを設定する。この座標系の設定例
を図６に示す。
【００２４】倣い制御は、ツール座標系ΣＴの目標軌道
としてΣＴr （ツール目標位置および目標姿勢）を与え
ることにより、ΣＴとΣＴr の偏差と力の関係を線形な
ばねとして関係付けるスティフネス制御で行われる。な
お、ΣＴおよびΣＴr は、工具２１の回転に影響を受け
ないものとする。
としてΣＴr （ツール目標位置および目標姿勢）を与え
ることにより、ΣＴとΣＴr の偏差と力の関係を線形な
ばねとして関係付けるスティフネス制御で行われる。な
お、ΣＴおよびΣＴr は、工具２１の回転に影響を受け
ないものとする。
【００２５】また、工具２１の基準姿勢を表す座標系Σ
Ｔ0 を図７に示すように設定する。ここでは、工具形状
は既知として扱うが、一般に工具２１は円柱，楕円錐な
どの２次曲面形状をもつことが多いので、形状は少ない
パラメータで簡潔に記述することができる。
Ｔ0 を図７に示すように設定する。ここでは、工具形状
は既知として扱うが、一般に工具２１は円柱，楕円錐な
どの２次曲面形状をもつことが多いので、形状は少ない
パラメータで簡潔に記述することができる。
【００２６】以下、上述した作業仕様に基づく倣い制御
方法について、図１〜図７を参照して詳細に説明する。
まず、手順１として、ロボットアーム１０のエンコーダ
１９の出力信号を基に工具２１の速度・角速度を計算
し、力検出器１７の出力信号を基に工具２１に加わる作
用力を計算する。さらに、これらの速度・角速度または
作用力の少なくとも一方と工具２１の幾何データとを用
いて、工具２１と加工対象物２２との間の接触点とし
て、ツール座標系ΣＴで記述される接触点ｐt と、絶対
座標系ΣＷで記述される接触点ｐW を計算する。
方法について、図１〜図７を参照して詳細に説明する。
まず、手順１として、ロボットアーム１０のエンコーダ
１９の出力信号を基に工具２１の速度・角速度を計算
し、力検出器１７の出力信号を基に工具２１に加わる作
用力を計算する。さらに、これらの速度・角速度または
作用力の少なくとも一方と工具２１の幾何データとを用
いて、工具２１と加工対象物２２との間の接触点とし
て、ツール座標系ΣＴで記述される接触点ｐt と、絶対
座標系ΣＷで記述される接触点ｐW を計算する。
【００２７】次に手順２として、エンコーダ１９の出力
信号を基に接触点ｐt における工具２１の並進速度ベク
トルＶm(ｐt)を計算し、工具２１の幾何データを基に法
線ベクトルｎ(ｐt) を計算する。続いて、この並進速度
ベクトルＶm(ｐt)と法線ベクトルｎ(ｐt) に基づいた速
度条件関数ｆを ｆ＝｜Ｖm(ｐt)・ｎ(ｐt) ｜ …(1) により計算する。なお、｜ ｜は絶対値を表す。
信号を基に接触点ｐt における工具２１の並進速度ベク
トルＶm(ｐt)を計算し、工具２１の幾何データを基に法
線ベクトルｎ(ｐt) を計算する。続いて、この並進速度
ベクトルＶm(ｐt)と法線ベクトルｎ(ｐt) に基づいた速
度条件関数ｆを ｆ＝｜Ｖm(ｐt)・ｎ(ｐt) ｜ …(1) により計算する。なお、｜ ｜は絶対値を表す。
【００２８】また、エンコーダ１９の出力信号と工具２
１の幾何データを基に、作用力の作用線と工具表面の交
点を示す位置ベクトルｐ0 を計算し、接触点ｐt から作
用力の作用線と工具表面の交点までの距離関数ｄを ｄ＝＜ｐt−ｐ0＞ …(2) により計算する。なお、＜ ＞はベクトルの長さを表
す。
１の幾何データを基に、作用力の作用線と工具表面の交
点を示す位置ベクトルｐ0 を計算し、接触点ｐt から作
用力の作用線と工具表面の交点までの距離関数ｄを ｄ＝＜ｐt−ｐ0＞ …(2) により計算する。なお、＜ ＞はベクトルの長さを表
す。
【００２９】次に手順３として、 (1)式および (2)式で
示される関数の重み付け線形和である評価関数Ｈを Ｈ＝αｆ＋βｄ …(3) により計算する。なお、α，βは重み係数である。
示される関数の重み付け線形和である評価関数Ｈを Ｈ＝αｆ＋βｄ …(3) により計算する。なお、α，βは重み係数である。
【００３０】この評価関数Ｈは、エンコーダ１９および
力検出器１７の出力信号、さらに工具２１の幾何データ
が誤差を含まない場合には零となる。また、これらの出
力信号または幾何データが誤差を含む場合には、評価関
数Ｈは正の値でその誤差に応じて大きな値をとる。した
がって、評価関数Ｈは、得られた接触点のデータの信頼
性の指標となる関数を表す。
力検出器１７の出力信号、さらに工具２１の幾何データ
が誤差を含まない場合には零となる。また、これらの出
力信号または幾何データが誤差を含む場合には、評価関
数Ｈは正の値でその誤差に応じて大きな値をとる。した
がって、評価関数Ｈは、得られた接触点のデータの信頼
性の指標となる関数を表す。
【００３１】次に手順４として、既に計算されている過
去のｎ個の絶対座標系からみた接触点ｐ1 〜ｐn と、そ
れに対する評価関数Ｈ1 〜Ｈn に基づいて、各接触点に
おける重み係数ｒ1 〜ｒn を ｒi ＝exp(−ｋＨi) …(4) により計算する。なお、ｉは１，２，…，ｎであり、ｋ
は正の定数である。
去のｎ個の絶対座標系からみた接触点ｐ1 〜ｐn と、そ
れに対する評価関数Ｈ1 〜Ｈn に基づいて、各接触点に
おける重み係数ｒ1 〜ｒn を ｒi ＝exp(−ｋＨi) …(4) により計算する。なお、ｉは１，２，…，ｎであり、ｋ
は正の定数である。
【００３２】この重み係数ｒi は、エンコーダ１９およ
び力検出器１７の出力信号、さらに工具２１の幾何デー
タが誤差を含まない場合には１となる。また、これらの
出力信号または幾何データが誤差を含む場合には、重み
係数ｒi は１以下の値でその誤差に応じて零に近づく値
をとる。この重み係数ｒi を用いた重み付け最小自乗法
により、加工対象物２２の形状を推定する。
び力検出器１７の出力信号、さらに工具２１の幾何デー
タが誤差を含まない場合には１となる。また、これらの
出力信号または幾何データが誤差を含む場合には、重み
係数ｒi は１以下の値でその誤差に応じて零に近づく値
をとる。この重み係数ｒi を用いた重み付け最小自乗法
により、加工対象物２２の形状を推定する。
【００３３】さらに、推定された加工対象物２２の形状
から、時刻Ｔにロボットアーム１０が接触すべき移動経
路上の点を示すワーク座標系ΣＷＫ(T) (Ｏwk(T),ｅwkn
(T),ｅwkf(T),ｅwkv(T) ) を計算する。
から、時刻Ｔにロボットアーム１０が接触すべき移動経
路上の点を示すワーク座標系ΣＷＫ(T) (Ｏwk(T),ｅwkn
(T),ｅwkf(T),ｅwkv(T) ) を計算する。
【００３４】次に手順５として、このΣＷＫ(T) に基づ
き、ＯＴ0 から工具２１上の目標接触点までの位置ベク
トルprc(T)を prc(T)＝ｒＲ[ｅ,π/2]ｅwkv(T)−ｒtanγｅ …(5) により計算する。ここで、ｒは作業仕様で設定される接
触点ｐr における工具２１の半径であり、γは接触点ｐ
r における工具２１の法線とｘＴ0 −ｙＴ0 平面のなす
角であり、Ｒ[ｋ,θ] は、軸ｋ（kx ky kz）に対する角
度θの回転座標変換である。
き、ＯＴ0 から工具２１上の目標接触点までの位置ベク
トルprc(T)を prc(T)＝ｒＲ[ｅ,π/2]ｅwkv(T)−ｒtanγｅ …(5) により計算する。ここで、ｒは作業仕様で設定される接
触点ｐr における工具２１の半径であり、γは接触点ｐ
r における工具２１の法線とｘＴ0 −ｙＴ0 平面のなす
角であり、Ｒ[ｋ,θ] は、軸ｋ（kx ky kz）に対する角
度θの回転座標変換である。
【００３５】目標姿勢ｘＴr(T), ｙＴr(T), ｚＴr(T)
は、工具２１の基準姿勢を表すΣＴ0（ｘＴ0 ，ｙ
Ｔ0 ，ｚＴ0 ）を軸ｅwkv(T)に関して、角度−（αｒ−
γ）だけ回転したものとして、 (xＴr(T) yＴr(T) zＴr(T))＝Ｒ[ｅwkv(T),-(αr-γ)]（xＴ0 yＴ0 zＴ0) …(6) により計算する。このとき、姿勢(xＴr(T) yＴr(T) zＴ
r(T)) におけるΣＷからみた位置ベクトルprc'(T) は、 prc'(T) ＝Ｒ[ｅwkv(T),-(αr-γ)] prc(T) …(7) により計算する。
は、工具２１の基準姿勢を表すΣＴ0（ｘＴ0 ，ｙ
Ｔ0 ，ｚＴ0 ）を軸ｅwkv(T)に関して、角度−（αｒ−
γ）だけ回転したものとして、 (xＴr(T) yＴr(T) zＴr(T))＝Ｒ[ｅwkv(T),-(αr-γ)]（xＴ0 yＴ0 zＴ0) …(6) により計算する。このとき、姿勢(xＴr(T) yＴr(T) zＴ
r(T)) におけるΣＷからみた位置ベクトルprc'(T) は、 prc'(T) ＝Ｒ[ｅwkv(T),-(αr-γ)] prc(T) …(7) により計算する。
【００３６】以上得られた値をもとに、 prc'(T)方向の
スティフネスをＫとしたスティフネス制御における目標
値ＯＴr(T) は、 ＯＴr(T) ＝Ｏwk(T)−prc'(T)＋(ｆr／Ｋ) prc'(T)／＜prc'(T)＞ …(8) により生成される。
スティフネスをＫとしたスティフネス制御における目標
値ＯＴr(T) は、 ＯＴr(T) ＝Ｏwk(T)−prc'(T)＋(ｆr／Ｋ) prc'(T)／＜prc'(T)＞ …(8) により生成される。
【００３７】以上示した手順による倣い制御方法では、
実時間で検出された接触点の情報に基づいて移動経路を
生成しているので、作業中に接触点が変化する未知形状
の加工対象物に対する倣い作業にも適用することができ
る。
実時間で検出された接触点の情報に基づいて移動経路を
生成しているので、作業中に接触点が変化する未知形状
の加工対象物に対する倣い作業にも適用することができ
る。
【００３８】さらに、一般に誤差を含むエンコーダ１
９，力検出器１７の出力信号および工具２１の幾何デー
タを用いても、評価関数Ｈおよび重み係数ｒによって接
触点の情報の総合的な誤差を評価した重み付けを行うこ
とにより、移動経路を高精度で推定し、制御目標値に含
まれる誤差を最小限に抑えることができる。
９，力検出器１７の出力信号および工具２１の幾何デー
タを用いても、評価関数Ｈおよび重み係数ｒによって接
触点の情報の総合的な誤差を評価した重み付けを行うこ
とにより、移動経路を高精度で推定し、制御目標値に含
まれる誤差を最小限に抑えることができる。
【００３９】ところで、上述の各手順を実行するコンピ
ュータ３３は、図４に示すように複数のプロセッサ（移
動経路生成部３４，制御目標値生成部３５，制御部３
６）で構成され、各プロセッサはそれぞれに備えられる
データ通信手段によって相互にデータがやりとりされ
る。すなわち、ここでは移動経路生成部３４が手順１か
ら手順４を実行し、得られた結果をデータ通信手段によ
って制御目標値生成部３５に転送する。制御目標値生成
部３５は、移動経路生成部３４からのデータに基づいて
手順５を実行し、得られた制御目標値をデータ通信手段
によって制御部３６に転送する。制御部３６は、この制
御目標値に基づいたスティフネス制御に必要な演算を行
い、ロボットアーム１０のアクチュエータ１８を動作さ
せる制御信号を生成する。なお、移動経路生成部３４
は、さらに各手順を実行する複数のプロセッサで構成さ
れてもよい。
ュータ３３は、図４に示すように複数のプロセッサ（移
動経路生成部３４，制御目標値生成部３５，制御部３
６）で構成され、各プロセッサはそれぞれに備えられる
データ通信手段によって相互にデータがやりとりされ
る。すなわち、ここでは移動経路生成部３４が手順１か
ら手順４を実行し、得られた結果をデータ通信手段によ
って制御目標値生成部３５に転送する。制御目標値生成
部３５は、移動経路生成部３４からのデータに基づいて
手順５を実行し、得られた制御目標値をデータ通信手段
によって制御部３６に転送する。制御部３６は、この制
御目標値に基づいたスティフネス制御に必要な演算を行
い、ロボットアーム１０のアクチュエータ１８を動作さ
せる制御信号を生成する。なお、移動経路生成部３４
は、さらに各手順を実行する複数のプロセッサで構成さ
れてもよい。
【００４０】このような構成をとることにより、ロボッ
トアーム１０においてセンサの仕様や種類を変更した場
合でも、コンピュータ３３全体に及ぶ大規模な変更を必
要とせずに対応することができる。すなわち、例えば移
動経路生成に用いるセンサとしてレンジセンサなどの非
接触センサを用いた場合には、移動経路生成部３４のみ
を変更すれば他の部分の変更は不要である。また、作業
仕様を変更した場合には、制御目標値生成部３５の処理
の変更により、速やかに新たな作業にロボットアーム１
０を適用させることができる。
トアーム１０においてセンサの仕様や種類を変更した場
合でも、コンピュータ３３全体に及ぶ大規模な変更を必
要とせずに対応することができる。すなわち、例えば移
動経路生成に用いるセンサとしてレンジセンサなどの非
接触センサを用いた場合には、移動経路生成部３４のみ
を変更すれば他の部分の変更は不要である。また、作業
仕様を変更した場合には、制御目標値生成部３５の処理
の変更により、速やかに新たな作業にロボットアーム１
０を適用させることができる。
【００４１】次に、請求項２に記載の発明の倣い制御方
法の実施例について説明する。上述した実施例で加工対
象物２２の形状を推定する手順４において、コンピュー
タ３３は移動経路の経路長ｓの多項式で表現された経路
関数を絶対座標系のｘ，ｙ，ｚ軸の各方向別に設定す
る。ここでは、３つの経路長ｓ1 ，ｓ2 ，ｓ3 に対応す
る経路関数ｆs1(s) ，ｆs2(s) ，ｆs3(s) を ｆs1(s) ＝Ｍ1ｓ＋Ｍ0 …(9) ｆs2(s) ＝Ｍ2ｓ2 ＋Ｍ1ｓ＋Ｍ0 …(10) ｆs3(s) ＝Ｍ3ｓ3 ＋Ｍ2ｓ2 ＋Ｍ1ｓ＋Ｍ0 …(11) とする。なお、Ｍ3 ，Ｍ2 ，Ｍ1 ，Ｍ0 は係数である。
法の実施例について説明する。上述した実施例で加工対
象物２２の形状を推定する手順４において、コンピュー
タ３３は移動経路の経路長ｓの多項式で表現された経路
関数を絶対座標系のｘ，ｙ，ｚ軸の各方向別に設定す
る。ここでは、３つの経路長ｓ1 ，ｓ2 ，ｓ3 に対応す
る経路関数ｆs1(s) ，ｆs2(s) ，ｆs3(s) を ｆs1(s) ＝Ｍ1ｓ＋Ｍ0 …(9) ｆs2(s) ＝Ｍ2ｓ2 ＋Ｍ1ｓ＋Ｍ0 …(10) ｆs3(s) ＝Ｍ3ｓ3 ＋Ｍ2ｓ2 ＋Ｍ1ｓ＋Ｍ0 …(11) とする。なお、Ｍ3 ，Ｍ2 ，Ｍ1 ，Ｍ0 は係数である。
【００４２】この経路関数の設定には、加工対象物２２
の概略形状からオペレータが判断してコンピュータ３３
に入力する方法、以前に検出した接触点に対して最小誤
差で近似する関数を選択する方法を用いることができ
る。この経路関数を用いて、上述した実施例の手順４に
おいて重み付け最小自乗法により加工対象物２２の形状
を推定する。
の概略形状からオペレータが判断してコンピュータ３３
に入力する方法、以前に検出した接触点に対して最小誤
差で近似する関数を選択する方法を用いることができ
る。この経路関数を用いて、上述した実施例の手順４に
おいて重み付け最小自乗法により加工対象物２２の形状
を推定する。
【００４３】これにより、加工対象物２２の形状につい
て先見的な情報が得られない場合でも、過去の接触点の
情報から高精度で形状および移動経路を推定することが
できる。
て先見的な情報が得られない場合でも、過去の接触点の
情報から高精度で形状および移動経路を推定することが
できる。
【００４４】以下、実験結果に基づいて本実施例の効果
について説明する。実験は、ロボットアーム１０の手先
に取り付けた力検出器１７の先端に、工具２１とし半径
15ｍｍ、長さ 120ｍｍのアルミ製円柱を取り付け、加工
対象物２２として半径 200ｍｍの塩化ビニル製の板を環
境側に水平に固定した状態で行った。計測データは、オ
ペレータがロボットアーム１０の力検出器１７の取り付
け位置より基部側を動作させることにより、工具２１を
加工対象物２２の縁に一点で接触させ、倣い作業を行っ
たときの力検出器１７およびエンコーダ１９の出力信号
をサンプリング間隔0.05秒で計測したものを用いた。
について説明する。実験は、ロボットアーム１０の手先
に取り付けた力検出器１７の先端に、工具２１とし半径
15ｍｍ、長さ 120ｍｍのアルミ製円柱を取り付け、加工
対象物２２として半径 200ｍｍの塩化ビニル製の板を環
境側に水平に固定した状態で行った。計測データは、オ
ペレータがロボットアーム１０の力検出器１７の取り付
け位置より基部側を動作させることにより、工具２１を
加工対象物２２の縁に一点で接触させ、倣い作業を行っ
たときの力検出器１７およびエンコーダ１９の出力信号
をサンプリング間隔0.05秒で計測したものを用いた。
【００４５】図８(a) は、本実施例を適用せずに、絶対
座標系ｘ，ｙ，ｚ軸のすべての方向の移動経路を３次関
数で推定した結果である。図８(b) は、本実施例を適用
したものであり、実験に用いた加工対象物２２の概略形
状を基に、ｘおよびｙ方向については経路長の２次関
数、ｘ方向については経路長の１次関数を用いた結果で
ある。図はともに、同一の計測データを用いたものであ
り、推定した移動経路を水平面（ｘｙ平面）および垂直
な平面（ＺＸ平面）に射影したものである。
座標系ｘ，ｙ，ｚ軸のすべての方向の移動経路を３次関
数で推定した結果である。図８(b) は、本実施例を適用
したものであり、実験に用いた加工対象物２２の概略形
状を基に、ｘおよびｙ方向については経路長の２次関
数、ｘ方向については経路長の１次関数を用いた結果で
ある。図はともに、同一の計測データを用いたものであ
り、推定した移動経路を水平面（ｘｙ平面）および垂直
な平面（ＺＸ平面）に射影したものである。
【００４６】図８において、移動経路Ｌp1，Ｌp2は、そ
れぞれの場合について過去の検出データ（図中●）を外
挿して求めたワーク移動経路および法線の推定結果であ
り、経路Ｌa1，Ｌa2は、すべての検出データの内挿によ
り求めた移動経路である。倣い作業中は、過去の接触点
情報のみしか得られないので、推定した移動経路Ｌp1ま
たはＬp2に基づく制御を行うことになる。
れぞれの場合について過去の検出データ（図中●）を外
挿して求めたワーク移動経路および法線の推定結果であ
り、経路Ｌa1，Ｌa2は、すべての検出データの内挿によ
り求めた移動経路である。倣い作業中は、過去の接触点
情報のみしか得られないので、推定した移動経路Ｌp1ま
たはＬp2に基づく制御を行うことになる。
【００４７】ここで、Ｌp1，Ｌp2と、先見的なデータを
含めて決定したＬa1，Ｌa2とを比較してみると、最終検
出データより10ｍｍ離れた点の経路において、実施例非
適用の図８(a) の結果ではＬp1とＬa1との間には２ｍｍ
以上の差がある。一方、実施例適用の図８(b) の結果で
は、Ｌp2とＬa2との間の差は約 0.5ｍｍとなっている。
このような実験結果からも明らかなように、本実施例が
経路推定精度を向上させる効果があることがわかる。
含めて決定したＬa1，Ｌa2とを比較してみると、最終検
出データより10ｍｍ離れた点の経路において、実施例非
適用の図８(a) の結果ではＬp1とＬa1との間には２ｍｍ
以上の差がある。一方、実施例適用の図８(b) の結果で
は、Ｌp2とＬa2との間の差は約 0.5ｍｍとなっている。
このような実験結果からも明らかなように、本実施例が
経路推定精度を向上させる効果があることがわかる。
【００４８】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、工具と加
工対象物あるいは組立対象部品と被組立対象部品との接
触点が変化する作業にも適用することができるので、未
知形状の加工対象物あるいは被組立対象部品に対して
も、確実な倣い制御を実現することができる。
工対象物あるいは組立対象部品と被組立対象部品との接
触点が変化する作業にも適用することができるので、未
知形状の加工対象物あるいは被組立対象部品に対して
も、確実な倣い制御を実現することができる。
【００４９】また、力検出器のノイズなどによって接触
点の情報に誤差が含まれる場合でも、評価関数および重
み係数によって接触点の情報の総合的な誤差を評価した
重み付けを行っているので、工具あるいは組立対象部品
の移動経路を高精度で推定することができる。
点の情報に誤差が含まれる場合でも、評価関数および重
み係数によって接触点の情報の総合的な誤差を評価した
重み付けを行っているので、工具あるいは組立対象部品
の移動経路を高精度で推定することができる。
【００５０】さらに、本発明の倣い制御装置は、倣い制
御方法の各手順を複数のプロセッサで行うことにより、
各プロセッサで各種変更に対応することができ、異なる
センサに対する拡張性および各種作業に対する汎用性を
高めることができる。
御方法の各手順を複数のプロセッサで行うことにより、
各プロセッサで各種変更に対応することができ、異なる
センサに対する拡張性および各種作業に対する汎用性を
高めることができる。
【図１】請求項１に記載の発明に対応する倣い制御方法
の各手順を示すフローチャート。
の各手順を示すフローチャート。
【図２】本実施例の対象作業を示す図。
【図３】本実施例におけるロボットアーム１０の各関節
の自由度と各リンク長を示す模式図。
の自由度と各リンク長を示す模式図。
【図４】ロボットアーム１０および倣い制御装置の実施
例構成を示すブロック図。
例構成を示すブロック図。
【図５】作業仕様の接触点ｐr ，接触角αr および接触
力ｆr の関係を示す図。
力ｆr の関係を示す図。
【図６】座標系の設定例を示す図。
【図７】工具２１の基準姿勢を表す座標系ΣＴ0 を示す
図。
図。
【図８】本実施例の効果を表す実験結果を示す図。
【図９】ロボットアームを用いた加工作業および組立作
業の一例を示す図。
業の一例を示す図。
１０ ロボットアーム １１〜１６ 第１関節〜第６関節 １７ 力検出器 １８ アクチュエータ １９ エンコーダ ２１ 工具 ２２ 加工対象物 ３１ アップダウンカウンタ ３２ アナログ／ディジタル変換器（Ａ／Ｄ） ３３ コンピュータ ３４ 移動経路生成部 ３５ 制御目標値生成部 ３６ 制御部 ３７ ディジタル／アナログ変換器（Ｄ／Ａ） ３８ サーボアンプ
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−256103（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−240105（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−184786（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−104577（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G05B 19/408 B25J 13/00
Claims (3)
- 【請求項１】 工具によって加工対象物を加工する加工
装置あるいは組立対象部品を被組立対象部品に組み立て
る組立装置で、作業空間内の工具・組立対象部品の３次
元位置，姿勢および速度・角速度を検出し、かつ工具・
組立対象部品に加わる作用力を検出し、これらの検出デ
ータから推定された加工対象物・被組立対象部品の表面
形状に基づいて生成された移動経路に沿い、工具・組立
対象部品を加工対象物・被組立対象部品の表面に接触さ
せながら移動させる加工・組立装置の倣い制御方法にお
いて、 前記速度・角速度または前記作用力と、前記工具・組立
対象部品の幾何データとを用いて、前記工具・組立対象
部品と前記加工対象物・被組立対象部品との接触点を計
算する手順１と、 前記接触点における工具・組立対象部品の並進速度ベク
トルと法線ベクトルから速度条件関数を計算し、前記接
触点から前記作用力の作用線と前記工具・組立対象部品
表面の交点までの距離関数を計算する手順２と、 前記速度条件関数と前記距離関数の重み付け線形和であ
る評価関数を計算する手順３と、 既に計算されている過去の複数の接触点における評価関
数から各重み付け係数を計算し、これらの重み付け係数
で重み付けされた複数の接触点の情報から重み付け最小
自乗法により前記加工対象物・被組立対象部品の形状を
推定し、その形状に基づいて前記工具・組立対象部品の
移動経路を推定する手順４と、 推定された移動経路および作業仕様に基づき、前記工具
・組立対象部品の制御目標値を生成する手順５とを有す
ることを特徴とする加工・組立装置の倣い制御方法。 - 【請求項２】 請求項１に記載の加工・組立装置の倣い
制御方法において、 手順４では、加工対象物・被組立対象部品の形状を移動
経路の経路長の多項式で表現された経路関数で記述し、
加工対象物・被組立対象部品の概略形状に基づいてこの
経路関数の次数または構成を変更し、得られた経路関数
を用いた重み付け最小自乗法により加工対象物・被組立
対象部品の形状を推定することを特徴とする加工・組立
装置の倣い制御方法。 - 【請求項３】 プロセッサ間でデータを送受信するデー
タ通信手段を有し、請求項１または請求項２に記載の各
手順をそれぞれ実行して制御目標値を出力する複数のプ
ロセッサと、 前記データ通信手段を介して得られた前記制御目標値か
ら、工具・組立対象部品の移動制御に必要な制御信号を
生成するプロセッサとを備えたことを特徴とする加工・
組立装置の倣い制御装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29302692A JP3206775B2 (ja) | 1992-10-30 | 1992-10-30 | 加工・組立装置の倣い制御方法および倣い制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29302692A JP3206775B2 (ja) | 1992-10-30 | 1992-10-30 | 加工・組立装置の倣い制御方法および倣い制御装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06138930A JPH06138930A (ja) | 1994-05-20 |
| JP3206775B2 true JP3206775B2 (ja) | 2001-09-10 |
Family
ID=17789530
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP29302692A Expired - Fee Related JP3206775B2 (ja) | 1992-10-30 | 1992-10-30 | 加工・組立装置の倣い制御方法および倣い制御装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3206775B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5666920B2 (ja) * | 2011-01-04 | 2015-02-12 | ファナック株式会社 | 粗倣い制御を行うロボットの制御装置 |
| WO2023084714A1 (ja) * | 2021-11-11 | 2023-05-19 | ファナック株式会社 | 寸法推定装置、およびコンピュータ読み取り可能な記憶媒体 |
| US20230302636A1 (en) * | 2022-03-23 | 2023-09-28 | Mitsubishi Electric Research Laboratories, Inc. | Systems and Methods for Flexible Robotic Manipulation by Fast Online Load Estimation |
| JP2024061046A (ja) * | 2022-10-20 | 2024-05-07 | オムロン株式会社 | 制御装置、制御方法、及び制御プログラム |
-
1992
- 1992-10-30 JP JP29302692A patent/JP3206775B2/ja not_active Expired - Fee Related
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|---|---|
| JPH06138930A (ja) | 1994-05-20 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |