JP3383614B2 - Impedance control device for horizontal articulated robot arm - Google Patents

Impedance control device for horizontal articulated robot arm

Info

Publication number
JP3383614B2
JP3383614B2 JP22143299A JP22143299A JP3383614B2 JP 3383614 B2 JP3383614 B2 JP 3383614B2 JP 22143299 A JP22143299 A JP 22143299A JP 22143299 A JP22143299 A JP 22143299A JP 3383614 B2 JP3383614 B2 JP 3383614B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
joint
arm
hand
torque
horizontal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP22143299A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2001038673A (en
Inventor
武志 坂本
寿之 河野
Original Assignee
技術研究組合医療福祉機器研究所
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 技術研究組合医療福祉機器研究所 filed Critical 技術研究組合医療福祉機器研究所
Priority to JP22143299A priority Critical patent/JP3383614B2/en
Publication of JP2001038673A publication Critical patent/JP2001038673A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3383614B2 publication Critical patent/JP3383614B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、ハンドリング作業
等に好適な水平多関節型ロボットアームのインピーダン
ス制御装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a horizontal articulated robot arm impedance control device suitable for handling work and the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、ロボットアームにインピーダンス
制御を施す場合、図4に示す従来の水平多関節型ロボッ
トアームのインピーダンス制御装置のブロック図のよう
に、アーム101が環境と接触するような場合、アーム
101の手先部に取付けた力センサ102から手先部に
作用する、力、モーメント等の外力を計測し、設定した
仮想インピーダンス107から手先位置の逃げ量を算出
する方式や、図5に示すトルクセンサを用いた水平多関
節型ロボットアームのインピーダンス制御装置のブロッ
ク図のように、各関節軸根元に取付けた、例えば、磁歪
型等のトルクセンサ103から各関節部に加わるトルク
を計測し、その関節トルク情報を基に、設定した仮想イ
ンピーダンスから各関節の逃げ量を算出して、回避動作
を行う方式などがある。
2. Description of the Related Art Conventionally, when performing impedance control on a robot arm, as shown in the block diagram of the conventional impedance control device for a horizontal articulated robot arm shown in FIG. A force sensor 102 attached to the hand of arm 101 measures an external force such as a force or a moment acting on the hand, and calculates a relief amount at the hand position from a set virtual impedance 107, or a torque shown in FIG. As shown in the block diagram of the impedance control device for the horizontal articulated robot arm using the sensor, the torque applied to each joint is measured from the torque sensor 103 of, for example, a magnetostrictive type attached to the base of each joint axis, and the Based on the joint torque information, there is a method to calculate the escape amount of each joint from the set virtual impedance and perform avoidance operation. That.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例においては、図4のように、アーム手先部に取付け
た力センサにより計測した外力を用いてインピーダンス
制御を行う場合、手先部ではなくアーム部が環境と接触
した場合、外力が計測できないため回避動作を行えない
という問題があった。また、図5のように、アーム各関
節軸根元に取り付けたトルクセンサにより計測した外ト
ルクを用いてインピーダンス制御を行う場合、駆動部の
摩擦等のロスにより、特にアームの上下方向に加わる微
小な力を計測するのが難しく、また、アームが動作して
いる場合アーム自身の慣性力の影響が大きくて、適切な
回避動作を行うことが難しいという問題があった。そこ
で、本発明は、ロボットアームが環境とどの部分で接触
しても、適切な回避動作を行うことができる水平多関節
型ロボットアームのインピーダンス制御装置を提供する
ことを目的としている。
However, in the above-mentioned conventional example, as shown in FIG. 4, when impedance control is performed by using an external force measured by a force sensor attached to the arm tip, the arm is not the tip. When the robot contacts the environment, there is a problem that the avoidance operation cannot be performed because the external force cannot be measured. In addition, as shown in FIG. 5, when impedance control is performed using an external torque measured by a torque sensor attached to the base of each joint axis of the arm, a small amount of force is applied particularly to the vertical direction of the arm due to loss of friction of the drive unit. There is a problem that it is difficult to measure the force, and when the arm is operating, the influence of the inertial force of the arm itself is large, and it is difficult to perform an appropriate avoidance operation. Therefore, it is an object of the present invention to provide an impedance control device for a horizontal articulated robot arm that can perform an appropriate avoidance operation regardless of where the robot arm contacts the environment.

【0004】[0004]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項1に記載の発明は、各種ハンドリング作業を
行う水平多関節型ロボットアームに、アームに作用する
外力、外トルクを計測する外力計測用センサを複数種類
取付け、該各センサ情報から各関節を力制御する水平多
関節型ロボットアームのインピーダンス制御装置におい
て、外力計測用センサから計測された情報を手先部に加
わる外力と各関節に加わる外トルクに分離し、各関節に
加わる外トルクと設定された関節部仮想インピーダンス
からアームの逃げ量を算出する関節変位算出部と、手先
部に加わる外力と設定された手先部仮想インピーダンス
からアームの逃げ量を算出する手先変位算出部とを有し
ている。この水平多関節型ロボットアームのインピーダ
ンス制御装置によれば、水平方向の関節トルクと上下方
向作用力を合成したアームの各関節トルクと、関節部仮
想インピーダンスからアームの逃げ量を算出し、それに
手先部に加わる外力と手先部仮想インピーダンスから算
出したアームの逃げ量を加算して、サーボコントローラ
に角度指令として与えてアームを駆動するので、アーム
が水平、上下動中に、どの部分で環境に接触しても適切
な回避動作を実現できる。また、請求項2に記載の発明
は、前記外力計測用センサから計測された情報を全て各
関節に加わるトルクに変換し、設定された関節部仮想イ
ンピーダンスからアームの逃げ量を算出する関節変位算
出部を有している。この水平多関節型ロボットアームの
インピーダンス制御装置によれば、手先部に加わる外力
をトルクに変換し、これに、水平方向の関節トルクにア
ームの上下方向作用力を合成した各関節トルクを加算し
て、関節部仮想インピーダンスからアーム関節部の逃げ
量を算出しサーボコントローラを駆動するので、アーム
が水平、上下動中、どの部分で環境に接触しても、関節
部の逃げ量(角度指令値)により適切な回避動作が実現
できる。また、請求項3に記載の発明は、前記外力計測
用センサから計測された情報を全て手先部に加わる力に
変換し、設定された手先部仮想インピーダンスからアー
ムの逃げ量を算出する手先変位算出部を有している。こ
の水平多関節型ロボットアームのインピーダンス制御装
置によれば、手先部に加わる力と、上下方向も含む各関
節トルクを手先作用力に変換した作用力とを加算して、
手先部仮想インピーダンスからアーム手先部の逃げ量を
算出し、各関節の角度指令としてサーボコントローラを
駆動するので、アームが水平、上下動中、どの部分で環
境に接触しても、手先部の逃げ量(位置指令値)により
適切な回避動作が実現できる。
In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 provides a horizontal articulated robot arm for performing various handling operations, and an external force for measuring an external force acting on the arm and an external torque. In an impedance control device for a horizontal articulated robot arm, in which a plurality of types of measurement sensors are attached and force control is performed on each joint based on the sensor information, the information measured by the external force measurement sensor is applied to each joint and the external force applied to the hand. A joint displacement calculation unit that separates the applied external torque and calculates the arm clearance from the external torque applied to each joint and the set virtual impedance of the joint, and the arm from the external force applied to the hand and the virtual impedance of the set hand And a hand end displacement calculation unit that calculates the escape amount. According to this impedance control device for the horizontal articulated robot arm, the escape amount of the arm is calculated from each joint torque of the arm that combines the joint torque in the horizontal direction and the acting force in the vertical direction, and the escape amount of the arm, and The external force applied to the arm and the escape distance of the arm calculated from the virtual impedance of the hand part are added and given to the servo controller as an angle command to drive the arm, so that the part touches the environment during horizontal or vertical movement. Even then, an appropriate avoidance operation can be realized. Further, the invention according to claim 2 is a joint displacement calculation for converting all the information measured from the external force measuring sensor into a torque applied to each joint, and calculating an escape amount of the arm from the set joint virtual impedance. Have a section. According to the impedance control device for the horizontal articulated robot arm, the external force applied to the hand is converted into torque, and each joint torque obtained by combining the horizontal joint torque with the vertical acting force of the arm is added to this. Since the arm joint clearance is calculated from the joint virtual impedance and the servo controller is driven, the clearance of the joint (angle command value regardless of where the arm contacts the environment during horizontal or vertical movement) ), An appropriate avoidance operation can be realized. Further, in the invention according to claim 3, the hand displacement calculation for converting all the information measured by the external force measuring sensor into a force applied to the hand portion and calculating the escape amount of the arm from the set hand portion virtual impedance. Have a section. According to the impedance control device for the horizontal articulated robot arm, the force applied to the hand portion and the acting force obtained by converting each joint torque including the vertical direction into the hand acting force are added,
The amount of escape of the arm tip is calculated from the virtual impedance of the arm, and the servo controller is driven as an angle command for each joint, so the edge of the arm escapes even when the arm is in horizontal or vertical motion and in any part of the environment. An appropriate avoidance operation can be realized by the amount (position command value).

【0005】[0005]

【発明の実施の形態】以下、本発明の第1の実施の形態
について図を参照して説明する。図1は本発明の第1の
実施の形態に係る水平多関節型ロボットアームのインピ
ーダンス制御装置のブロック図である。図1において、
101はアーム、102はアーム手先部に作用する外力
を計測する力センサ、103は各関節軸に作用するトル
クを計測するトルクセンサである。104はアーム上下
方向に作用する外力を計測する複数の表面感圧センサ、
105はアーム101を駆動するモータ(図のように各
関節毎に設置)、106は各モータ105の回転角を検
出する回転角検出計、107は手先作用力他の情報をア
ーム101の手先位置変位に変換する手先変位算出部、
108は加算装置、109は水平方向と上下(垂直)方
向の力の合成装置、110は水平方向関節トルク情報と
上下方向作用力情報をアーム101の関節角度変位に変
換する関節変位算出部、111はトルクセンサ103が
測定した水平方向関節トルク情報を補正する水平トルク
補正部、112は加算装置、113は無負荷時のアーム
101の手先位置を設定する手先釣り合い位置設定部、
114はアーム101の手先位置から関節角度を算出す
る逆運動学計算部、115は加算装置、116は角度指
令に基づきモータ105を制御するサーボコントローラ
である。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION A first embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram of an impedance control device for a horizontal articulated robot arm according to a first embodiment of the present invention. In FIG.
Reference numeral 101 is an arm, 102 is a force sensor that measures an external force that acts on the arm tip, and 103 is a torque sensor that measures the torque that acts on each joint axis. Reference numeral 104 denotes a plurality of surface pressure-sensitive sensors that measure an external force acting in the vertical direction of the arm,
105 is a motor for driving the arm 101 (installed for each joint as shown in the figure), 106 is a rotation angle detector for detecting the rotation angle of each motor 105, 107 is a hand position of the arm 101 for other information such as hand acting force. Hand displacement calculator that converts to displacement,
Reference numeral 108 denotes an adding device, 109 denotes a horizontal and vertical (vertical) direction force combining device, 110 denotes a joint displacement calculation unit that converts horizontal joint torque information and vertical acting force information into a joint angular displacement of the arm 101, 111 Is a horizontal torque correction unit that corrects horizontal joint torque information measured by the torque sensor 103, 112 is an adder, 113 is a hand balance position setting unit that sets the hand position of the arm 101 when there is no load,
Reference numeral 114 is an inverse kinematics calculation unit that calculates a joint angle from the hand position of the arm 101, 115 is an adder, and 116 is a servo controller that controls the motor 105 based on an angle command.

【0006】つぎに動作について説明する。ここで用い
られる水平多関節型ロボットアームは、病院や医療福祉
施設等の介護・医療サービス機関において、介護者を食
事時間帯の食事の搬送・配膳・下膳作業から開放して、
肝心な対面介護に集中させる目的で導入されている食事
搬送ロボットに使用されている例である。従って、以下
の動作説明では、食事搬送ロボットが食事用トレイの配
膳・下膳等の作業を行う場合を例に、水平多関節ロボッ
トアームが環境と接触する危険がある場合に、適切な回
避動作を如何にして実現できるかを説明する。また、水
平多関節型アーム自体は、従来から一般的にスカラ型と
呼ばれて組立自動化ラインの組立作業、ハンドリング作
業等に多用されているロボット形式であり、沿直な支柱
部から横に水平方向へ伸びた人間の肩、肘の2つの関節
に相当する2つの関節部を有し、先端には手首部分とし
て回転軸、ハンド等が配置されて、各関節部は各サーボ
モータによる回転駆動によって、それぞれアームを水平
方向へ自由に動かし、上下にはZ軸モータ(図示してい
ない)により支柱部に沿ってアーム全体が平行移動可能
に構成されている。本実施の形態では、このアーム先端
のハンドで食事トレイ等を把持して、アームを水平方向
と上下(垂直)方向へ移動させて棚から配膳・下膳等の
作業を行うもので、以下、この作業中におけるアームの
環境との接触の回避動作について詳しく説明する。先
ず、水平トルク補正部111はアーム101の角関節の
角度・角速度・角加速度からアーム自身の水平動作によ
って生ずる関節トルクの値と、水平方向の手先作用力情
報から手先作用力によって生じる関節トルクを算出す
る。このトルクは加算装置108により、各関節に取付
けられたトルクセンサ103によって計測された水平方
向関節トルクと加算され、補正される。この関節トルク
と、z軸モータによりアーム101を上下方向へ移動さ
せる場合に作用する外力を計測する感圧センサ104に
より計測された上下方向作用力とを、合成装置109に
よって合成して、関節変位算出部110に入力し、設定
された関節部仮想インピーダンスの値(Jj、dj、k
j)から各関節の変位量を算出する。又、手元に取付け
られた外力計測用センサ(力センサ)102によって計
測された手先作用力は、手先変位算出部107に入力さ
れ、設定された手先部仮想インピーダンスの値(Je、
de、ke)を用いて、手先の変位量に変換される。こ
の手先変位量は、加算装置112によって手先釣り合い
位置設定部113の手先釣り合い位置(接触前の無負荷
時のアーム101の手先釣り合い位置)と加算され、手
先位置の指令値が算出される。そして算出された手先位
置指令は、逆運動学計算部114で各関節の角度指令に
変換される。この各関節指令値は加算装置115で、各
関節の変位量と加算され、サーボコントローラ116に
入力する。サーボコントローラ116では、入力した角
度指令と回転角検出計105により検出した角度情報と
の差を比較してモータ105を制御する。このように、
本実施の形態によれば、各センサからの情報を、各関節
に加わるトルクと手先に加わる力に分離し、各々に設定
された仮想インピーダンスからアームの逃げ量を算出す
ることにより、アームが水平、上下動中、どの部分で環
境に接触しても、低衝撃で適切な回避動作を実現でき
る。
Next, the operation will be described. The horizontal articulated robot arm used here allows caregivers in hospitals, medical welfare facilities, and other nursing care / medical service institutions to release the caregivers from the transportation of meals during meal times, serving, and lower-ranking work.
This is an example of being used in a meal transport robot introduced for the purpose of concentrating on important face-to-face care. Therefore, in the following explanation of the operation, an example of the case where the meal transport robot performs the work of setting and lowering the meal tray, etc., is carried out when the horizontal articulated robot arm is in danger of contacting the environment. I will explain how to realize. In addition, the horizontal articulated arm itself is a robot type that has been conventionally called a scalar type and is often used for assembly work and handling work in an automated assembly line. It has two joints corresponding to the two joints of the human shoulder and elbow extending in the direction, and the rotary shaft, the hand, etc. are arranged at the tip as the wrist part, and each joint is rotationally driven by each servomotor. Each of the arms is freely movable in the horizontal direction, and the entire arm can be moved up and down along the column by a Z-axis motor (not shown). In the present embodiment, the food tray and the like are gripped by the hand at the end of the arm, and the arm is moved in the horizontal direction and the vertical (vertical) direction to perform work such as serving and lower serving from the shelf. The operation of avoiding contact of the arm with the environment during this work will be described in detail. First, the horizontal torque correction unit 111 calculates the value of the joint torque generated by the horizontal motion of the arm itself from the angle / angular velocity / angular acceleration of the angular joint of the arm 101, and the joint torque generated by the hand acting force from the hand acting force information in the horizontal direction. calculate. This torque is added and corrected by the adder 108 with the horizontal joint torque measured by the torque sensor 103 attached to each joint. This joint torque and the vertical acting force measured by the pressure-sensitive sensor 104 that measures the external force that acts when the arm 101 is moved in the vertical direction by the z-axis motor are combined by the combining device 109 to make joint displacement. The value (Jj, dj, k) of the joint virtual impedance that is input to the calculation unit 110 and set is set.
The amount of displacement of each joint is calculated from j). Further, the hand acting force measured by the external force measuring sensor (force sensor) 102 attached to the hand is input to the hand displacement calculator 107, and the set hand end virtual impedance value (Je,
de, ke) is used to convert to the displacement amount of the hand. The hand tip displacement amount is added to the hand tip balance position of the hand tip balance position setting unit 113 (the hand tip balance position of the arm 101 when there is no load before contact) by the addition device 112, and the hand tip position command value is calculated. Then, the calculated hand position command is converted into an angle command for each joint in the inverse kinematics calculation unit 114. The joint command value is added to the displacement amount of each joint by the adder 115 and input to the servo controller 116. The servo controller 116 controls the motor 105 by comparing the difference between the input angle command and the angle information detected by the rotation angle detector 105. in this way,
According to the present embodiment, the information from each sensor is separated into the torque applied to each joint and the force applied to the hand, and the arm escape amount is calculated from the virtual impedances set for each, so that the arm can move horizontally. In addition, it is possible to realize an appropriate avoidance action with a low impact, no matter which part comes into contact with the environment during vertical movement.

【0007】次に、本発明の第2の実施の形態について
図を参照して説明する。図2は本発明の第2の実施の形
態に係る水平多関節型ロボットアームのインピーダンス
制御装置のブロック図である。図2において、201は
手先部に取付けた力センサ102により計測した手先作
用力Feを、各関節トルクτeに変換する力→トルク変
換部、202はその加算装置、203は関節釣り合い角
度設定部、204は加算装置である。なお、その他の図
1と同一構成には同一符号を付して、重複する説明は省
略する。つぎに動作について説明する。先ず、水平トル
ク補正部111は、アーム101の各関節の角度・角速
度・角加速度からアーム自身の水平動作によって生じる
関節トルクの値と、水平方向の手先作用力情報から手先
作用力によって生じる関節トルクを算出し、各関節に取
り付けられたトルクセンサ103によって計測された水
平方向関節トルクと加算され、補正される。そして、ア
ーム上下方向に作用する外力を計測する表面感圧センサ
104によって計測された上下方向作用力と合成装置1
09によって合成され、関節トルクτjとなる。一方、
手先に取付けられた外力計測用力センサ102によって
計測された手先作用力は、力→トルク変換部201に入
力され、以下の式(1)による演算を行って各関節に加
わるトルクτeに変換される。 τe=JT Fe (1) ここで、Feは手先作用力を、JT はアームの転置ヤコ
ビアンを、τeは各関節に加わるトルクを、それぞれ表
す。この関節トルクτeは、先の関節トルクτjと、加
算装置202において加算され、関節変位算出部110
に入力される。関節変位算出部110は設定された関節
部仮想インピーダンスの値(Jj、dj、kj)から各
関節の変位量を算出する。この各関節変位量は加算装置
204によって関節釣り合い角度設定部203の釣り合
い角度と加算され、各関節の角度指令値が算出される。
このようにして算出された関節角度指令は、サーボコン
トローラ116へ入力し、サーボコントローラ116は
角度指令と回転角検出計106で検出した角度情報との
差を比較して、モータ105を制御する。このように、
第2の実施の形態によれば、センサ情報を全て関節トル
クに変換し、トルク対応の関節部仮想インピーダンスの
値(Jj、dj、kj)だけを用いる変位量算出方式に
より、手先作用力Feも一旦関節トルクτeに変換した
後に、上下方向作用力も合成された関節トルクτjに加
算して、トルク対応の関節変位量(角度指令)を算出し
ているので、アームの水平、上下動中、どの部分で環境
と接触しても低衝撃で適切な回避動作が可能になると同
時に、簡略化、コストの削減等も図れる。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 2 is a block diagram of an impedance control device for a horizontal articulated robot arm according to a second embodiment of the present invention. In FIG. 2, 201 is a force-to-torque conversion unit that converts the hand acting force Fe measured by the force sensor 102 attached to the hand unit into each joint torque τe, 202 is an addition device thereof, 203 is a joint balance angle setting unit, Reference numeral 204 is an adder. In addition, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and overlapping description will be omitted. Next, the operation will be described. First, the horizontal torque correction unit 111 determines the joint torque value generated by the horizontal motion of the arm itself from the angle, angular velocity, and angular acceleration of each joint of the arm 101, and the joint torque generated by the hand acting force from the hand acting force information in the horizontal direction. Is calculated and added to the horizontal joint torque measured by the torque sensor 103 attached to each joint to be corrected. Then, the vertical acting force measured by the surface pressure-sensitive sensor 104 that measures the external force acting in the vertical direction of the arm and the synthesizing device 1
09, the joint torque τj is obtained. on the other hand,
The hand acting force measured by the external force measuring force sensor 102 attached to the hand is input to the force → torque converting unit 201, and converted into the torque τe applied to each joint by performing the calculation by the following formula (1). . τe = J T Fe (1) Here, Fe represents the hand acting force, J T represents the transposed Jacobian of the arm, and τe represents the torque applied to each joint. This joint torque τe is added to the previous joint torque τj in the addition device 202, and the joint displacement calculation unit 110
Entered in. The joint displacement calculator 110 calculates the amount of displacement of each joint from the values (Jj, dj, kj) of the set virtual impedance of the joint. The amount of displacement of each joint is added to the balance angle of the joint balance angle setting unit 203 by the adder 204 to calculate the angle command value of each joint.
The joint angle command calculated in this way is input to the servo controller 116, and the servo controller 116 controls the motor 105 by comparing the difference between the angle command and the angle information detected by the rotation angle detector 106. in this way,
According to the second embodiment, all of the sensor information is converted into the joint torque, and the hand acting force Fe is also calculated by the displacement amount calculation method using only the torque-corresponding joint virtual impedance values (Jj, dj, kj). After the joint torque τe is once converted, the joint action amount (angle command) corresponding to the torque is calculated by adding the joint torque τj in which the vertical acting force is also combined. Even if the part comes into contact with the environment, it is possible to perform an appropriate avoidance operation with a low impact, and at the same time, it is possible to achieve simplification and cost reduction.

【0008】次に、本発明の第3の実施の形態について
図を参照して説明する。図3は本発明の第3の実施の形
態に係る水平多関節型ロボットアームのインピーダンス
制御装置のブロック図である。図3において、301は
水平方向トルクと上下方向作用力から合成された関節ト
ルクτjを、手先部に作用する手先作用力Fjに変換す
るトルク→力変換部、302は加算装置である。なお、
その他の図1と同一構成には同一符号を付して重複する
説明は省略する。つぎに動作について説明する。水平ト
ルク補正部111は、アーム101の各関節の角度・角
速度・角加速度からアーム自身の水平動作によって生じ
る関節トルクの値と、水平方向の手先作用力情報から手
先作用力によって生じる関節トルクを算出する。このト
ルクは加算装置108により各関節に取付けられたトル
クセンサ103によって計測された水平方向関節トルク
と加算され、補正される。それに、アーム上下方向に作
用する外力を計測する表面感圧センサ104によって計
測された上下方向作用力と合成装置109によって合成
され、関節トルクτjとなる。関節トルクτjはトルク
→力変換部301に入力されて、以下の式(2)による
演算を行って手先作用力Fjに変換される。 Fj=J-Tτj (2) ここで、τjは各関節に加わるトルクを、J-Tはアーム
の転置逆ヤコビアンを、Fjは手先作用力を、それぞれ
表す。この変換された手先作用力Fjは、手先に取付け
た力センサ102によって計測された手先作用力Feと
加算装置302で加算され、手先変位算出部107に入
力して設定された手先部仮想インピーダンスの値(J
e、de、ke)から、手先位置の変位量を算出する。
この手先位置変位量は加算装置112によって手先釣り
合い位置設定部113の釣り合い位置と加算され、手先
位置の指令値が算出される。この手先位置指令は逆運動
学計算部114により、各関節の角度指令に変換され、
サーボコントローラ116に入力し、サーボコントロー
ラ116は角度指令と回転角検出計106で検出した角
度情報との差を比較してモータ105を制御する。この
ように、第3の実施の形態によれば、センサ情報を全て
手先作用力に変換し、手先作用力対応の手先部仮想イン
ピーダンスの値(Je、de、ke)だけを用いる変位
量算出方式により、関節トルクτjも一旦、作用力Fj
に変換した後に、手先作用力Feに加算して、手先部作
用力対応の位置指令値を算出して各関節の角度指令に変
換しているので、アームが水平、上下動中、どの部分で
環境と接触しても、低衝撃で適切な回避動作が可能にな
ると同時に、簡略化、コスト削減等も図れる。
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 3 is a block diagram of an impedance control device for a horizontal articulated robot arm according to a third embodiment of the present invention. In FIG. 3, reference numeral 301 is a torque-to-force conversion unit that converts the joint torque τj, which is a combination of horizontal torque and vertical acting force, into a hand acting force Fj that acts on the hand portion, and 302 is an adding device. In addition,
The other configurations that are the same as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted. Next, the operation will be described. The horizontal torque correction unit 111 calculates the value of the joint torque generated by the horizontal motion of the arm itself from the angle / angular velocity / angular acceleration of each joint of the arm 101, and the joint torque generated by the hand acting force from the horizontal hand acting force information. To do. This torque is added by the adding device 108 to the horizontal joint torque measured by the torque sensor 103 attached to each joint and corrected. In addition, the vertical acting force measured by the surface pressure-sensitive sensor 104 that measures the external force acting in the vertical direction of the arm is combined with the combining device 109 to form the joint torque τj. The joint torque τj is input to the torque → force conversion unit 301, and is converted into the hand acting force Fj by performing the calculation according to the following equation (2). Fj = J −T τj (2) where τj is the torque applied to each joint, J −T is the transposed inverse Jacobian of the arm, and Fj is the hand acting force. The converted hand acting force Fj is added to the hand acting force Fe measured by the force sensor 102 attached to the hand by the adding device 302 and input to the hand displacement calculating unit 107 to set the hand end virtual impedance. Value (J
From e, de, ke), the displacement amount of the hand position is calculated.
This hand end position displacement amount is added to the balance position of the hand end balance position setting unit 113 by the addition device 112 to calculate the hand end position command value. This hand position command is converted into an angle command for each joint by the inverse kinematics calculation unit 114,
Inputting to the servo controller 116, the servo controller 116 controls the motor 105 by comparing the difference between the angle command and the angle information detected by the rotation angle detector 106. As described above, according to the third embodiment, all the sensor information is converted into the hand action force, and the displacement amount calculation method using only the value (Je, de, ke) of the hand part virtual impedance corresponding to the hand action force is used. As a result, the joint torque τj is also temporarily affected by the acting force Fj.
After being converted to, the force command Fe is added to calculate the position command value corresponding to the hand part force, and the angle command of each joint is converted. Even when it comes into contact with the environment, it is possible to perform an appropriate avoidance operation with low impact, and at the same time, it is possible to achieve simplification and cost reduction.

【0009】なお、本発明では、ここまで、病院や医療
福祉施設における食事搬送ロボットの水平多関節型ロボ
ットアームを例に説明してきたが、それ以外にも、食事
搬送ロボットとしては児童、工場の給食、学生食堂、レ
ストラン、結婚披露宴、ホテル等の会食場など、大勢の
人数を対象として配膳・下膳作業を行うような場所には
全て適用可能である。また、食事搬送ロボットに限ら
ず、各種の組立自動化ラインにおいて水平多関節型ロボ
ットアームを用いた産業用の組立ロボット(スカラ型ロ
ボット)。倉庫や、工場等の作業場において、ストッカ
からの製品の出入れ、ハンドリング作業などを行うスカ
ラ型ロボット等にも使用範囲を拡大できる。
In the present invention, the horizontal articulated robot arm of the food conveying robot in a hospital or medical welfare facility has been described as an example up to this point. It can be applied to all places such as lunch, student cafeteria, restaurants, wedding receptions, and dinner places such as hotels, where large numbers of people are serving and preparing dishes. Also, not only the food conveyance robot, but also an industrial assembly robot (scalar robot) that uses a horizontal articulated robot arm in various automated assembly lines. The usage range can be expanded to SCARA robots that perform product loading / unloading and handling operations in / from the stocker in warehouses, workshops, and other workplaces.

【0010】[0010]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
各種ハンドリング作業を行う水平多関節型ロボットアー
ムに、アームに作用する外力、外トルクを計測する外力
計測用センサを複数種類取付け、その各外力計測用セン
サの情報から各関節を力制御する水平多関節型ロボット
アームのインピーダンス制御装置において、各センサか
らの情報を、各関節に加わるトルクと手先に加わる力に
分離し、各々に設定された仮想インピーダンスからアー
ムの逃げ量を算出することで、アームがどの部分で環境
に接触しても適切な回避動作を実現できるという効果が
ある。また、外力計測用のセンサ情報を全て各関節部に
加わるトルク、若しくは手先に加わる手先部作用力に変
換し、各設定された仮想インピーダンスから逃げ量を算
出することによって、アームがどの部分で環境に接触し
ても適切な回避行動が可能になると共に、回路構成、制
御等の簡略化とコストの削減が図れるという効果があ
る。
As described above, according to the present invention,
A horizontal articulated robot arm that performs various handling operations is equipped with multiple types of external force measurement sensors that measure the external force and external torque acting on the arm, and the horizontal multi-joint robot that controls the force of each joint based on the information from each external force measurement sensor. In an impedance control device for an articulated robot arm, the information from each sensor is separated into the torque applied to each joint and the force applied to the hand, and the arm escape amount is calculated from the virtual impedance set for each joint. There is an effect that an appropriate avoidance action can be realized regardless of which part comes into contact with the environment. In addition, by converting all sensor information for external force measurement into torque applied to each joint, or hand force applied to the fingertip, and calculating the escape amount from each set virtual impedance, the arm can be used in any part of the environment. There is an effect that an appropriate avoidance action can be performed even when the user touches, and the circuit configuration and control can be simplified and the cost can be reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の第1の実施の形態に係る水平多関節型
ロボットアームのインピーダンス制御装置のブロック図
である。
FIG. 1 is a block diagram of an impedance control device for a horizontal articulated robot arm according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第2の実施の形態に係る水平多関節型
ロボットアームのインピーダンス制御装置のブロック図
である。
FIG. 2 is a block diagram of an impedance control device for a horizontal articulated robot arm according to a second embodiment of the present invention.

【図3】本発明の第3の実施の形態に係る水平多関節型
ロボットアームのインピーダンス制御装置のブロック図
である。
FIG. 3 is a block diagram of an impedance control device for a horizontal articulated robot arm according to a third embodiment of the present invention.

【図4】従来の水平多関節型ロボットアームのインピー
ダンス制御装置のブロック図である。
FIG. 4 is a block diagram of a conventional impedance control device for a horizontal articulated robot arm.

【図5】従来のトルクセンサを用いた水平多関節型ロボ
ットアームのインピーダンス制御装置のブロック図であ
る。
FIG. 5 is a block diagram of an impedance control device for a horizontal articulated robot arm using a conventional torque sensor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101 アーム 102 力センサ 103 トルクセンサ 104 表面感圧センサ 105 モータ 106 回転角検出計 107 手先変位算出部 108、112、115、202、204、302 加
算装置 109 合成装置 110 関節変位算出部 111 水平トルク補正部 113 手先釣り合い位置設定部 114 逆運動学計算部 116 サーボコントローラ 201 力→トルク変換部 203 関節釣り合い角度設定部 301 トルク→力変換部
101 Arm 102 Force Sensor 103 Torque Sensor 104 Surface Pressure Sensor 105 Motor 106 Rotation Angle Detector 107 Hand Displacement Calculator 108, 112, 115, 202, 204, 302 Adder 109 Synthesizer 110 Joint Displacement Calculator 111 Horizontal Torque Correction Unit 113 Hand balance position setting unit 114 Inverse kinematics calculating unit 116 Servo controller 201 Force → torque converting unit 203 Joint balance angle setting unit 301 Torque → Force converting unit

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平10−329071(JP,A) 特開 平8−243958(JP,A) 特開 平4−306710(JP,A) 特開 昭64−44510(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B25J 19/06 B25J 13/08 B25J 9/10 G05D 3/00 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) Reference JP-A-10-329071 (JP, A) JP-A-8-243958 (JP, A) JP-A-4-306710 (JP, A) JP-A-64- 44510 (JP, A) (58) Fields surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) B25J 19/06 B25J 13/08 B25J 9/10 G05D 3/00

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 各種ハンドリング作業を行う水平多関節
型ロボットアームに、アームに作用する外力、外トルク
を計測する外力計測用センサを複数種類取付け、該各セ
ンサ情報から各関節を力制御する水平多関節型ロボット
アームのインピーダンス制御装置において、 外力計測用センサから計測された情報を手先部に加わる
外力と各関節に加わる外トルクに分離し、各関節に加わ
る外トルクと設定された関節部仮想インピーダンスから
アームの逃げ量を算出する関節変位算出部と、手先部に
加わる外力と設定された手先部仮想インピーダンスから
アームの逃げ量を算出する手先変位算出部とを有するこ
とを特徴とする水平多関節型ロボットアームのインピー
ダンス制御装置。
1. A horizontal multi-joint type robot arm for performing various handling operations is provided with a plurality of types of external force measuring sensors for measuring an external force and an external torque acting on the arm, and a horizontal force for controlling each joint based on the sensor information. In an impedance control device for an articulated robot arm, the information measured from the external force measurement sensor is separated into external force applied to the hand and external torque applied to each joint, and the external torque applied to each joint and the set virtual joint A horizontal displacement calculation unit for calculating the amount of escape of the arm from the impedance; and a hand displacement calculation unit for calculating the amount of escape of the arm from the external impedance applied to the hand portion and the virtual impedance of the hand portion set. Impedance control device for articulated robot arm.
【請求項2】 前記外力計測用センサから計測された情
報を全て各関節に加わるトルクに変換し、設定された関
節部仮想インピーダンスからアームの逃げ量を算出する
関節変位算出部を有することを特徴とする請求項1記載
の水平多関節型ロボットアームのインピーダンス制御装
置。
2. A joint displacement calculating section for converting all information measured by the external force measuring sensor into torque applied to each joint and calculating the escape amount of the arm from the set joint virtual impedance. The impedance control device for a horizontal articulated robot arm according to claim 1.
【請求項3】 前記外力計測用センサから計測された情
報を全て手先部に加わる力に変換し、設定された手先部
仮想インピーダンスからアームの逃げ量を算出する手先
変位算出部を有することを特徴とする請求項1記載の水
平多関節型ロボットアームのインピーダンス制御装置。
3. A hand tip displacement calculating section for converting all the information measured by the external force measuring sensor into a force applied to the hand tip section and calculating an escape amount of the arm from the set hand tip virtual impedance. The impedance control device for a horizontal articulated robot arm according to claim 1.
JP22143299A 1999-08-04 1999-08-04 Impedance control device for horizontal articulated robot arm Expired - Fee Related JP3383614B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP22143299A JP3383614B2 (en) 1999-08-04 1999-08-04 Impedance control device for horizontal articulated robot arm

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP22143299A JP3383614B2 (en) 1999-08-04 1999-08-04 Impedance control device for horizontal articulated robot arm

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2001038673A JP2001038673A (en) 2001-02-13
JP3383614B2 true JP3383614B2 (en) 2003-03-04

Family

ID=16766659

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP22143299A Expired - Fee Related JP3383614B2 (en) 1999-08-04 1999-08-04 Impedance control device for horizontal articulated robot arm

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3383614B2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2272636A2 (en) 2009-07-08 2011-01-12 Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki Seisakusho Robot
JP2013198955A (en) * 2012-03-23 2013-10-03 Toyota Motor East Japan Inc Robot contact sensing device

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007136564A (en) * 2005-11-15 2007-06-07 Yaskawa Electric Corp Manipulator control method and device
TWI327228B (en) 2007-04-13 2010-07-11 Ind Tech Res Inst Method for detecting and controlling output characteristics of a dc motor and a self-propelled apparatus using the same
KR101786105B1 (en) * 2011-08-18 2017-10-18 현대자동차주식회사 Method for controlling wearable robot
KR101786104B1 (en) * 2011-08-18 2017-10-18 현대자동차주식회사 Method and system for controlling walk of robot
EP2746000A4 (en) * 2011-08-19 2015-08-19 Yaskawa Denki Seisakusho Kk Robot system, robot, and robot control device
JPWO2013027250A1 (en) * 2011-08-19 2015-03-05 株式会社安川電機 Robot system, robot and robot controller
CN102393751A (en) * 2011-10-27 2012-03-28 中联重科股份有限公司 Control method, device and system of revolution position of arm support and engineering machinery
JP6305673B2 (en) * 2011-11-07 2018-04-04 セイコーエプソン株式会社 Robot control system, robot system and robot
JP5741617B2 (en) * 2013-03-19 2015-07-01 株式会社安川電機 Robot equipment
EP4000820A4 (en) 2019-07-18 2023-03-22 Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki Robot system, robot control method, and servo system
EP4002053A4 (en) 2019-07-18 2023-12-13 Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki Control system, control device, and control method
CN115855477A (en) * 2023-02-27 2023-03-28 珞石(北京)科技有限公司 Device and method for testing robot joint performance

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2272636A2 (en) 2009-07-08 2011-01-12 Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki Seisakusho Robot
JP2013198955A (en) * 2012-03-23 2013-10-03 Toyota Motor East Japan Inc Robot contact sensing device

Also Published As

Publication number Publication date
JP2001038673A (en) 2001-02-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3383614B2 (en) Impedance control device for horizontal articulated robot arm
US10300597B2 (en) Robot and method of operating robot
US9533411B2 (en) System and method for controlling a teleoperated robotic agile lift system
US20120130541A1 (en) Method and apparatus for robot teaching
US20130013108A1 (en) Robotic Agile Lift System With Extremity Control
Kawasaki et al. Dexterous anthropomorphic robot hand with distributed tactile sensor: Gifu hand II
US8024071B2 (en) Robot, controlling device and controlling method for robot, and controlling program for robot-controlling device
US11850014B2 (en) Control system, control method, and surgical arm system
US10434646B2 (en) Robot control apparatus, robot, and robot system
US6216056B1 (en) Method of controlling force assisting device and control apparatus using the same
US20100087955A1 (en) Apparatus and method for controlling robot arm, and robot and program
Zhu et al. Motion/force/image control of a diagnostic ultrasound robot
JP2015529163A (en) Constraints on robot manipulators with redundant degrees of freedom
JP2009066685A (en) Robot device, and control method for robot device
JP2015157352A (en) Robot, control device and control method of robot, and control program for robot
JP2006021287A (en) Device for detecting contact force of robot
JPWO2013175777A1 (en) ROBOT, ROBOT CONTROL DEVICE, CONTROL METHOD, AND CONTROL PROGRAM
JP2009269102A (en) Apparatus and method of controlling actuator, actuator, robot device, and computer program
JP2009034813A (en) Manipulator system
JP2019188514A (en) Device, method, and program for estimating weight and centroid position of load using robot
WO2012149402A2 (en) Robotic agile lift system with extremity control
JP2014155985A (en) Robot, robot control device, control method, and control program
JP4842561B2 (en) Force controller device
Tsetserukou et al. Development of a whole-sensitive teleoperated robot arm using torque sensing technique
Tobergte et al. A disturbance observer for the sigma. 7 haptic device

Legal Events

Date Code Title Description
R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20081220

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20081220

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20091220

Year of fee payment: 7

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20091220

Year of fee payment: 7

S111 Request for change of ownership or part of ownership

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313113

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20091220

Year of fee payment: 7

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20091220

Year of fee payment: 7

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101220

Year of fee payment: 8

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101220

Year of fee payment: 8

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111220

Year of fee payment: 9

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121220

Year of fee payment: 10

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131220

Year of fee payment: 11

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20141220

Year of fee payment: 12

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees