JP3379540B2 - 冗長アームロボットのアーム制御方式 - Google Patents

冗長アームロボットのアーム制御方式

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JP3379540B2
JP3379540B2 JP28666591A JP28666591A JP3379540B2 JP 3379540 B2 JP3379540 B2 JP 3379540B2 JP 28666591 A JP28666591 A JP 28666591A JP 28666591 A JP28666591 A JP 28666591A JP 3379540 B2 JP3379540 B2 JP 3379540B2
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Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【産業上の利用分野】本発明は産業用ロボット、特に
自由度を有する冗長アームロボットのアーム制御方式に
関するものである。 【0002】 【従来の技術】産業用ロボットはほとんどのものが6軸
多関節形ロボットかあるいはスカラ形ロボットといわれ
るもので、機械構造からみて冗長アームロボット(いわ
ゆるRedundant Robot またはRedundant Manipulator)
とよばれるものの範疇外の形式のロボットである。最近
ロボットでより困難な仕事をなすように6軸以上の関節
をもつロボットが開発されてきている。とくに7軸の人
間腕形ロボットは人間がその動きに対しより親しみをも
つ故か研究開発が盛んになってきた。従来の6軸ロボッ
トというのは、ロボットツールの制御点の位置と姿勢が
6個の変数で定義されるということに対応して設計され
た汎用性の高いロボットであった。しかしこのロボット
の欠点は制御点における、位置姿勢の選択という立場か
らみて、到達可能な空間上であっても自分自身のアーム
が障害になったり、途中に障害物が存在するため、必ず
しも総ての点で任意の位置や姿勢を取り得るものではな
かった。このようなことを回避するためにまずとられた
方法はロボットの設置方法を壁掛けとか、天井吊りにす
ることであった。このような方法が有効な方法であるこ
とは否定されることではない。しかしこのような設置方
法が不可能である場合には、6軸以上の自由度を有する
ロボットの導入が必要であることは論をまたない。 【0003】 【発明が解決しようとする課題】上述した従来技術にお
いて、衝突を回避するというアーム動作において、ロボ
ットのツール部の位置や姿勢を多少変化させてもよい場
合がある。このような場合は、6軸ロボットでも可能な
方法が存在する。この方法はロボットアームの肩の位置
とロボットのツール部の制御点を結ぶ軸を計算し、この
軸を少しずらして、この軸回りにロボットのツール部の
制御点を回転させる方法である。この方法では残念なが
らロボットのツール部の位置および姿勢を変化させない
という条件を満足させることができない。 【0004】上記のような理由で冗長アームロボットの
研究開発がなされてきているのであるが、研究開発の主
題が冗長アームロボットの動きの滑らかさをいかにして
実現するかという面に傾いているため、障害物回避のた
めに、この冗長性を積極的に使うといった制御装置の実
現がなされていない。つまり現在研究課題になっている
ことは、オペレータが介在しないでこの衝突回避の機能
を組み込もうということが目的になっている。理想的に
はこのことが実現されることが望ましいのであるが、現
状のロボット技術からみて、オペレータ介在形の衝突回
避操作というものが過渡的に存在してもよいのではない
かという点から、本願のアーム制御方式を発明するに到
った。 【0005】 【課題を解決するための手段】本発明の冗長アームロボ
ットのアーム制御方式は、ロボットのツール部の制御点
の位置姿勢を固定したまま、中間アームを周囲の対象物
に衝突させないような動きを実現する制御入力を与える
軸を選択する軸選択スイッチと、軸選択スイッチにより
選択された軸に微小変化入力を与える移動指令スイッチ
と、選択された軸に移動指令スイッチにより微小変化入
力を与えると、前記制御点の作業空間での微小変化とロ
ボット関節空間での微小変化との間の次の関係式 [Δx,Δy,Δz,Δα,Δβ,Δγ]T =J*[Δq1,Δq2,Δq3, Δq4,Δq5,Δq6,Δq7]T ただし Δ : 微小変化分 x,y,z: 作業空間での位置 α,β,γ: 作業空間での座標軸廻りの回転角度 J : ヤコビアン(6×7のマトリクス) q1,q2,q3,q4,q5,q6,q7: ロボット関節空間での角度 [ ]T : 転置を意味する において、前記作業点の前記作業空間での微小変化Δ
x,Δy,Δz,Δα,Δβ,Δγ,をゼロとし、Δq
1,Δq2,Δq3,Δq4,Δq5,Δq6,Δq
7,のうちの選択された軸の微小変化入力を既知とし
て、6元1次の連立方程式である前記関係式を解くこと
により他の軸の前記ロボット関節空間での微小変化を求
めて他の軸を変化させる制御部とを有する。 【0006】 【作用】実用性の高いと想定される7軸関節形のロボッ
トを具体例として本発明の原理について説明する。課題
になっている衝突回避の問題が必ず解が存在するという
ものではないことに注意したい。解が存在しないという
理由の一つとして、冗長アームロボットであれその構造
が悪いと冗長アームロボットにならぬことがあること。
第二の理由として、制御点の現在の位置姿勢に対して衝
突を回避したいアーム方向には理論的に動けない場合
や、特異点問題が存在する場合があるということであ
る。説明を理解しやすくするために、このようなことは
奇なこととして話をすすめる。7軸多関節ロボットの位
置姿勢の決定に関わる重要な関係式は、ロボットのツー
ル部の現在の制御点での作業空間での微小変化分とロボ
ット関節空間での微小変化分との関係式(1)で与えら
れる。関係式(1)は回転軸からのみ成り立っているロ
ボットを想定して示してある。スライド軸を含むロボッ
トの場合も論理的に同じように展開可能であるので、回
転軸のみよりなるロボットでもって話を進めることにす
る。 [Δx,Δy,Δz,Δα,Δβ,Δγ]T =J*[Δq1,Δq2,Δq3, Δq4,Δq5,Δq6,Δq7]T・・・・・ (1) ただし Δ : 微小変化分 x,y,z: 作業空間での位置 α,β,γ: 作業空間での座標軸廻りの回転角度 J : ヤコビアン(6×7のマトリクス) q1,q2,q3,q4,q5,q6,q7: ロボット関節空間での角度 [ ]T : 転置を意味する 制御点でのロボットのツール部の状態を変えないという
ことは、作業空間での微小変化をゼロとすることであ
る。この場合の上記の式(1)を解くことをかんがえ
る。Δq1−Δq7の内いずれかが、値が与えられる変
数とする。そのように考えれば、Jが既知の値をもつマ
トリクスであるので、他の変数を計算でもとめることが
できる。つまり6元1次の連立方程式を解く問題に帰着
される。ロボットとしての動きからいうと、制御点での
状態をもとのままに維持して、値の与えられた関節を少
し動かした場合、他の関節がどのように動くかというこ
とが求められる。先述したように、このことは総ての場
合についていつでも求め得るものではない。どの関節を
動かすことが目的にかなった動きであるのか、あるいは
制御点での現在の位置姿勢、あるいはロボットの機械構
造上から解が存在しないということがありうる。このよ
うなことは、実際のロボットをモデル化したロボットシ
ミュレータの上で検討しておけば目的とする動きの指針
はあたえらえる。どの軸が有効な動きをする軸であるか
も決定することができる。有効な関節軸が決定されてい
ても現在の制御点での条件で方程式が解けない場合があ
るが、これも条件をゆるやかなものにして解くという、
特異点解決法という周知の技法を使えば回避出来ないわ
けではない。条件をゆるやかに出来ない場合には、不可
能ということで再度制御点状態を変更してこの方法を使
うということも実用上は特殊な場合を除き支障はない。
ロボットシミュレータで実験を重ね、衝突回避のアーム
動作を実現する有効関節軸をいくつかの場合に対応して
決定しておいて、この軸にオペレータが動作指令入力を
あたえられるように移動指令スイッチを操作台に準備し
ておいて、内部的に上述の論理を従来の制御装置に追加
しておけば、衝突回避の有効な手段となる。 【0007】このような原理のもとに行われた本発明は
次に述べるように作用する。衝突回避すなわち周囲の対
象物との衝突を回避させる動作に最も好適な軸を軸選択
スイッチにより選択し、移動指令スイッチにより所望な
微小変化を与える。操作台10で選択された軸に微小変
化入力が与えられると、制御部がロボットのツール部の
制御点の位置姿勢を変化させないように他の軸を変化さ
せる。この操作を衝突回避が実現するまで繰り返して所
望の結果を得る。 【0008】 【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図1は本発明の実施例において制御される
冗長アームロボットのリンク構造を示す図、図2は図1
で示される冗長アームロボットを操作する操作台を示す
図である。図1のリンク構造をDH記法( Denavit-Har
tenberg の記法)で示すと表1のようになる。 【0009】 【表1】ただし qi : 関節変数 ai : 共通垂線の長さ di : リンク間距離 αi : 関節軸i,i+1の直交射影間の角度 この状態で衝突回避に有効な関節軸は第2関節の軸であ
ることが解っているので(シミュレータ上で確認済みと
なっていることによる)、図2の操作台10の軸選択ス
イッチ11で第2関節の軸を選択する。次に、移動指令
スイッチ12を操作して+方向また−方向に微小変化さ
せる。移動指令スイッチ12からの指令は、サーボユニ
ットを含むロボット制御装置20に与えられる。ロボッ
ト制御装置20は、指令に基づいて、ロボット30の第
2関節の軸を駆動するとともに、先端の制御点の固定し
た位置姿勢を変化させぬように、その他の関節の軸を制
御する。例えば第2関節の軸以外の関節の変位量は、ロ
ボット制御装置20内において、前述の式(1)により
逆運動学問題として解かれる。 【0010】 【発明の効果】以上説明したように本発明は、選択され
た軸に移動指令スイッチにより微小変化入力を与える
と、ロボットのツール部の制御点の作業空間での微小変
化とロボット関節空間での微小変化との関係式を用いて
前記制御点の作業空間での微小変化をゼロとし、選択さ
れた軸の微小変化を既知とし、他の軸のロボット関節空
間での微小変化を求めて他の軸を変化させることによ
り、簡単な方法で衝突回避を実行でき、アームの冗長性
を有効に利用できる。
【図面の簡単な説明】 【図1】本発明の実施例において制御される冗長アーム
ロボットのリンク構造を示す図である。 【図2】図1で示される冗長アームロボットを操作する
操作台を示す図である。 【符号の説明】 10 操作台 11 軸選択スイッチ 12 移動指令スイッチ 20 ロボット制御装置 30 ロボット q1 ,q2 ,〜,q7 関節変数 z1 ,z2 ,〜,z7 z軸
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G05B 19/18 - 19/46 B25J 3/00 - 3/04 B25J 9/10 - 9/22 B25J 13/00 - 13/08 B25J 19/02 - 19/06

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 7自由度を有する冗長アームロボットの
    アーム制御方式において、 ロボットのツール部の制御点の位置姿勢を固定したま
    ま、中間アームを周囲の対象物に衝突させないような動
    きを実現する制御入力を与える軸を選択する軸選択スイ
    ッチと、 前記軸選択スイッチにより選択された軸に微小変化入力
    を与える移動指令スイッチと、 選択された軸に前記移動指令スイッチにより微小変化入
    力を与えると、前記制御点の作業空間での微小変化とロ
    ボット関節空間での微小変化との間の次の関係式 [Δx,Δy,Δz,Δα,Δβ,Δγ]T =J*[Δq1,Δq2,Δq3, Δq4,Δq5,Δq6,Δq7]T ただし Δ : 微小変化分 x,y,z: 作業空間での位置 α,β,γ: 作業空間での座標軸廻りの回転角度 J : ヤコビアン(6×7のマトリクス) q1,q2,q3,q4,q5,q6,q7: ロボット関節空間での角度 [ ]T : 転置を意味する において、前記作業点の前記作業空間での微小変化Δ
    x,Δy,Δz,Δα,Δβ,Δγをゼロとし、Δq
    1,Δq2,Δq3,Δq4,Δq5,Δq6,Δq7
    のうちの選択された軸の微小変化入力を既知として、6
    元1次の連立方程式である前記関係式を解くことにより
    他の軸の前記ロボット関節空間での微小変化を求めて他
    の軸を変化させる制御部とを有することを特徴とする冗
    長アームロボットのアーム制御方式。
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