JP3428726B2 - ロボットの力制御装置 - Google Patents
ロボットの力制御装置Info
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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、ロボットの力制御装置
に関する。 【０００２】 【従来の技術】力センサの検出自由度数と制御可能な自
由度数が異なっている場合において、力制御を行おうと
する自由度よりもロボットの有する機構的自由度数が少
ない場合、力制御の自由度は制御可能な自由度で制限さ
れていた。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】ロボットの力制御では
一般に固定された方向の力またはコンプライアンスの制
御を行う。従って、制御自由度以外の方向の力を外界か
ら受けた場合、ロボットには力制御を行うことができな
い。例えば、図２に示すような２自由度ロボットにおい
て平面上で作用する力を考えた場合のロボットの先端に
加わる力の方向は、ｘ方向、ｙ方向、先端を中心とした
回転方向θの合計３自由度の方向が考えられる。しか
し、ロボットの動かし得る自由度は２自由度であるた
め、３自由度のうち２自由度しか力制御が可能とならな
い。一般的な力制御方法では、このような場合固定され
た２自由度方向の力制御が施される。従って、力制御が
ｘ方向、ｙ方向の２自由度であったとすると、θ方向に
作用する力に対しては制御不可能で、このような場合ロ
ボット自身や外界に対して非常に大きな力が作用する恐
れがあった。そこで本発明は、力センサの検出自由度数
と制御可能な自由度数が異なっている場合でも、力制御
の自由度は制御可能な自由度で制限されない装置を提供
することを目的とする。 【０００４】 【課題を解決するための手段】本発明は、ロボットの力
制御装置において、ロボットの手首部に設けられ、ロボ
ットが物体に作用している力を検出する多自由度の力セ
ンサと、前記力センサの座標系から前記ロボットの制御
方向への座標変換を行う力座標変換部と、前記力座標変
換部で座標変換された力及びモーメント成分の大きさ比
較に基づいて方向を選択する力制御判断部と、前記力制
御判断部により選択された前記方向の力制御演算を実行
する力制御部と、前記力制御判断部により選択された前
記方向に基づいて座標変換関係式を選択し前記力制御部
の演算結果を前記ロボットの関節座標系に座標変換する
座標変換部と、前記座標変換結果に基づきロボットの各
関節モータを駆動する関節駆動部と、を備えたことを特
徴とするものである。 【０００５】 【作用】図１に示すように、ロボット１０が外界の物体
に作用している力は力センサ１により検出される。検出
される力はセンサ座標系の力であるため、力座標変換部
２で制御を行う方向に力の変換が行われる。そこで座標
変換された力を力制御判断部３でその優先順位の高いも
のから選択する。力制御部４は力制御部判断３で選択さ
れた方向の力制御演算を行う。座標変換部５は数組の座
標変換式の中から必要なものを選択し座標変換を実行す
る。そして、関節駆動部６でロボットの関節のモータの
制御を行う。 【０００６】 【実施例】図３は力制御方式としてインピーダンス制御
を用い、２自由度を有するロボットアームに本制御方式
を用いた場合を示している。基本的には図１と同じであ
るが、インピーダンス制御部７が、図１の力制御部４と
座標変換部５の機能を有している。さて、２自由度平面
でロボット先端に作用するｘ、ｙ方向の並進力をＦx 、
Ｆy 、先端を中心として回転方向に作用するモーメント
をＭとする。そのとき、３方向のインピーダンス制御の
関係式は次式で表せる。ただし、ここでは関節の位置制
御を用いてインピーダンス制御を行うものとする。 Ｘk ＝（Ｃx1Ｘk-1 ＋Ｃx2Ｘk-2 ＋Ｃx3Ｆx ）／Ｄx （１） Ｙk ＝（Ｃy1Ｙk-1 ＋Ｃy2Ｙk-2 ＋Ｃy3Ｆy ）／Ｄy （２） θk ＝（Ｃθ1 θk-1 ＋Ｃθ2 θk-2 ＋Ｃθ3 Ｍ）／Ｄθ (３） ただし、Ｃi1＝( ２ｍi −ｄi ）* ｔo i=x,y,θ Ｃi2＝−ｍi i=x,y,θ Ｃi3＝ｔo 2 i=x,y,θ Ｄi ＝ｍi + ｄi ｔo + ｋi ｔo 2 i=x,y,θ （ｍi 、ｄi 、ｋi ）：設定インピーダンス i=x,y,θ ｔo ：制御サンプリングタイム 【０００７】ここで、ある時点での３方向の力の検出値
をＦｘ、Ｆｙ、Ｍとする。モーメント力と並進力はディ
メンジョンが異なるため単純に比較することはできない
が、ある係数をａと置き、Ｆｘ、Ｍ* ａ、Ｆｙの３種の
大きさの力を比較することが可能である。力の大きさの
比較をおこない、上位２自由度方向の制御を行う。その
場合、（１）、（２）、（３）式の中から２自由度が選
択されＸ、Ｙ、Θのうちの２つの状態量が決定される。
ロボットの機構は２自由度で構成されているため、２つ
の状態量が定まれば、機構的逆変換により関節の変位を
求めることができる。ここで、逆変換の関係式を導くた
め、さきに順変換の関係式を示す。 Ｘ＝Ｌ1 * cos θ1 ＋Ｌ2 * cos （θ1 ＋θ2 ） （４） Ｙ＝Ｌ1 * sin θ1 ＋Ｌ2 * sin （θ1 ＋θ2 ） （５） θ＝θ1 ＋θ2 （６） 【０００８】力の計測の結果（１）、（２）式が選択さ
れた場合、逆変換は（４）、（５）式から以下の各式に
て関節角θ1 、θ2 を導出できる。 Ｋ＝Ｘ2 ＋Ｙ2 ＋Ｌ1 2 −Ｌ2 2 φ＝±atan２（Ｋ、（２−ｋ2 ）1/2 ） θ1 ＝atan２（Ｙ、Ｘ）±φ θ2 ＝atan２（（Ｘ−Ｌ1 * cos （θ1 ））／Ｌ2 、
（Ｙ−Ｌ1 * cos （θ1 ））／Ｌ2 ） （４）、（６）式が選択された場合には、以下の関係式
により関節角θ1 、θ2を導出できる。 θ1 ＝arccos（Ｘ−Ｌ2 * cos （θ））／Ｌ1 θ2 ＝θ−θ1 また、（５）、（６）式が選択された場合には以下の関
係式により関節角θ1 、θ2 を導出できる。 θ2 ＝arcsin（Ｙ−Ｌ2 * cos （θ））／Ｌ1 θ1 ＝θ−θ2 【０００９】選択される式の組み合わせが前回と異なる
時には、状態量（Ｘ、Ｙ、θ）の連続性を保つため、ｋ
−１、ｋ−２回目の状態量は常に機構的順変換により求
めておき、新たなインピーダンス制御の計算式に用い
る。たとえば、（１）、（２）によりθ1 、θ2 を決定
した場合には同時に状態量θを（６）式により求めてお
き、式の組み合わせが変更になった場合に備えておくこ
とができる。各状態を次々に推移して安定性が問題にな
る場合には、状態遷移にヒステリシスを設けることで安
定に制御することが可能である（図４参照）。ただし、
Ａ、Ｂ、Ｃはそれぞれ力Ｆｘ、Ｆｙ、モーメントＭ* ａ
とその選択状態に対応する。 【００１０】 【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、限
られた自由度数のロボットマニピュレータを用いて自由
度数以上の力制御を行うことが可能で、従来はロボット
マニピュレータ自身やロボットが接触する外界に対して
非常に大きな力が働いていた場合でも本方法を用いるこ
とにより、柔軟な作業を可能とする、危険回避が可能と
なる等の効果がある。
に関する。 【０００２】 【従来の技術】力センサの検出自由度数と制御可能な自
由度数が異なっている場合において、力制御を行おうと
する自由度よりもロボットの有する機構的自由度数が少
ない場合、力制御の自由度は制御可能な自由度で制限さ
れていた。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】ロボットの力制御では
一般に固定された方向の力またはコンプライアンスの制
御を行う。従って、制御自由度以外の方向の力を外界か
ら受けた場合、ロボットには力制御を行うことができな
い。例えば、図２に示すような２自由度ロボットにおい
て平面上で作用する力を考えた場合のロボットの先端に
加わる力の方向は、ｘ方向、ｙ方向、先端を中心とした
回転方向θの合計３自由度の方向が考えられる。しか
し、ロボットの動かし得る自由度は２自由度であるた
め、３自由度のうち２自由度しか力制御が可能とならな
い。一般的な力制御方法では、このような場合固定され
た２自由度方向の力制御が施される。従って、力制御が
ｘ方向、ｙ方向の２自由度であったとすると、θ方向に
作用する力に対しては制御不可能で、このような場合ロ
ボット自身や外界に対して非常に大きな力が作用する恐
れがあった。そこで本発明は、力センサの検出自由度数
と制御可能な自由度数が異なっている場合でも、力制御
の自由度は制御可能な自由度で制限されない装置を提供
することを目的とする。 【０００４】 【課題を解決するための手段】本発明は、ロボットの力
制御装置において、ロボットの手首部に設けられ、ロボ
ットが物体に作用している力を検出する多自由度の力セ
ンサと、前記力センサの座標系から前記ロボットの制御
方向への座標変換を行う力座標変換部と、前記力座標変
換部で座標変換された力及びモーメント成分の大きさ比
較に基づいて方向を選択する力制御判断部と、前記力制
御判断部により選択された前記方向の力制御演算を実行
する力制御部と、前記力制御判断部により選択された前
記方向に基づいて座標変換関係式を選択し前記力制御部
の演算結果を前記ロボットの関節座標系に座標変換する
座標変換部と、前記座標変換結果に基づきロボットの各
関節モータを駆動する関節駆動部と、を備えたことを特
徴とするものである。 【０００５】 【作用】図１に示すように、ロボット１０が外界の物体
に作用している力は力センサ１により検出される。検出
される力はセンサ座標系の力であるため、力座標変換部
２で制御を行う方向に力の変換が行われる。そこで座標
変換された力を力制御判断部３でその優先順位の高いも
のから選択する。力制御部４は力制御部判断３で選択さ
れた方向の力制御演算を行う。座標変換部５は数組の座
標変換式の中から必要なものを選択し座標変換を実行す
る。そして、関節駆動部６でロボットの関節のモータの
制御を行う。 【０００６】 【実施例】図３は力制御方式としてインピーダンス制御
を用い、２自由度を有するロボットアームに本制御方式
を用いた場合を示している。基本的には図１と同じであ
るが、インピーダンス制御部７が、図１の力制御部４と
座標変換部５の機能を有している。さて、２自由度平面
でロボット先端に作用するｘ、ｙ方向の並進力をＦx 、
Ｆy 、先端を中心として回転方向に作用するモーメント
をＭとする。そのとき、３方向のインピーダンス制御の
関係式は次式で表せる。ただし、ここでは関節の位置制
御を用いてインピーダンス制御を行うものとする。 Ｘk ＝（Ｃx1Ｘk-1 ＋Ｃx2Ｘk-2 ＋Ｃx3Ｆx ）／Ｄx （１） Ｙk ＝（Ｃy1Ｙk-1 ＋Ｃy2Ｙk-2 ＋Ｃy3Ｆy ）／Ｄy （２） θk ＝（Ｃθ1 θk-1 ＋Ｃθ2 θk-2 ＋Ｃθ3 Ｍ）／Ｄθ (３） ただし、Ｃi1＝( ２ｍi −ｄi ）* ｔo i=x,y,θ Ｃi2＝−ｍi i=x,y,θ Ｃi3＝ｔo 2 i=x,y,θ Ｄi ＝ｍi + ｄi ｔo + ｋi ｔo 2 i=x,y,θ （ｍi 、ｄi 、ｋi ）：設定インピーダンス i=x,y,θ ｔo ：制御サンプリングタイム 【０００７】ここで、ある時点での３方向の力の検出値
をＦｘ、Ｆｙ、Ｍとする。モーメント力と並進力はディ
メンジョンが異なるため単純に比較することはできない
が、ある係数をａと置き、Ｆｘ、Ｍ* ａ、Ｆｙの３種の
大きさの力を比較することが可能である。力の大きさの
比較をおこない、上位２自由度方向の制御を行う。その
場合、（１）、（２）、（３）式の中から２自由度が選
択されＸ、Ｙ、Θのうちの２つの状態量が決定される。
ロボットの機構は２自由度で構成されているため、２つ
の状態量が定まれば、機構的逆変換により関節の変位を
求めることができる。ここで、逆変換の関係式を導くた
め、さきに順変換の関係式を示す。 Ｘ＝Ｌ1 * cos θ1 ＋Ｌ2 * cos （θ1 ＋θ2 ） （４） Ｙ＝Ｌ1 * sin θ1 ＋Ｌ2 * sin （θ1 ＋θ2 ） （５） θ＝θ1 ＋θ2 （６） 【０００８】力の計測の結果（１）、（２）式が選択さ
れた場合、逆変換は（４）、（５）式から以下の各式に
て関節角θ1 、θ2 を導出できる。 Ｋ＝Ｘ2 ＋Ｙ2 ＋Ｌ1 2 −Ｌ2 2 φ＝±atan２（Ｋ、（２−ｋ2 ）1/2 ） θ1 ＝atan２（Ｙ、Ｘ）±φ θ2 ＝atan２（（Ｘ−Ｌ1 * cos （θ1 ））／Ｌ2 、
（Ｙ−Ｌ1 * cos （θ1 ））／Ｌ2 ） （４）、（６）式が選択された場合には、以下の関係式
により関節角θ1 、θ2を導出できる。 θ1 ＝arccos（Ｘ−Ｌ2 * cos （θ））／Ｌ1 θ2 ＝θ−θ1 また、（５）、（６）式が選択された場合には以下の関
係式により関節角θ1 、θ2 を導出できる。 θ2 ＝arcsin（Ｙ−Ｌ2 * cos （θ））／Ｌ1 θ1 ＝θ−θ2 【０００９】選択される式の組み合わせが前回と異なる
時には、状態量（Ｘ、Ｙ、θ）の連続性を保つため、ｋ
−１、ｋ−２回目の状態量は常に機構的順変換により求
めておき、新たなインピーダンス制御の計算式に用い
る。たとえば、（１）、（２）によりθ1 、θ2 を決定
した場合には同時に状態量θを（６）式により求めてお
き、式の組み合わせが変更になった場合に備えておくこ
とができる。各状態を次々に推移して安定性が問題にな
る場合には、状態遷移にヒステリシスを設けることで安
定に制御することが可能である（図４参照）。ただし、
Ａ、Ｂ、Ｃはそれぞれ力Ｆｘ、Ｆｙ、モーメントＭ* ａ
とその選択状態に対応する。 【００１０】 【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、限
られた自由度数のロボットマニピュレータを用いて自由
度数以上の力制御を行うことが可能で、従来はロボット
マニピュレータ自身やロボットが接触する外界に対して
非常に大きな力が働いていた場合でも本方法を用いるこ
とにより、柔軟な作業を可能とする、危険回避が可能と
なる等の効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の構成を示す図
【図２】従来の方法の課題の説明を行うための図
【図３】本発明の具体的実施例を示す図
【図４】ヒステリシス効果器の作用を示す図
【符号の説明】
１ 力センサ
２ 力座標変換部
３ 力制御判断部
４ 力制御部
５ 座標変換部
６ 関節駆動部
７ インピーダンス制御部
１０ ロボット
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】ロボットの力制御装置において、 ロボットの手首部に設けられ、ロボットが物体に作用し
ている力を検出する多自由度の力センサと、 前記力センサの座標系から前記ロボットの制御方向への
座標変換を行う力座標変換部と、 前記力座標変換部で座標変換された力及びモーメント成
分の大きさ比較に基づいて方向を選択する力制御判断部
と、前記力制御判断部により選択された前記 方向の力制御演
算を実行する力制御部と、前記力制御判断部により選択された前記方向に基づいて
座標変換関係式を選択し前記力制御部の演算結果を前記
ロボットの関節座標系に座標変換する座標変換部と、 前記座標変換結果に基づきロボットの各関節モータを駆
動する関節駆動部と、を備えたことを特徴とするロボッ
トの力制御装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11447094A JP3428726B2 (ja) | 1994-04-28 | 1994-04-28 | ロボットの力制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11447094A JP3428726B2 (ja) | 1994-04-28 | 1994-04-28 | ロボットの力制御装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07299780A JPH07299780A (ja) | 1995-11-14 |
| JP3428726B2 true JP3428726B2 (ja) | 2003-07-22 |
Family
ID=14638546
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11447094A Expired - Fee Related JP3428726B2 (ja) | 1994-04-28 | 1994-04-28 | ロボットの力制御装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3428726B2 (ja) |
-
1994
- 1994-04-28 JP JP11447094A patent/JP3428726B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07299780A (ja) | 1995-11-14 |
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Legal Events
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