JP3473834B2 - ロボットの制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ロボット等の制御
方式に関し、ロボットの手先先端に取り付けたツールの
姿勢を一定に保ちながら、並進の柔軟動作が可能なロボ
ットの制御装置、及び作業座標系での柔軟な特性を別途
付加することができるロボットの制御装置に関する。
方式に関し、ロボットの手先先端に取り付けたツールの
姿勢を一定に保ちながら、並進の柔軟動作が可能なロボ
ットの制御装置、及び作業座標系での柔軟な特性を別途
付加することができるロボットの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来のロボットは、図１３に示すような
位置速度制御系にて制御が行われていた。すなわち、位
置指令と位置検出器で検出された位置フィードバック信
号との偏差に位置ゲインＫpを乗じた速度指令と位置フ
ィードバック信号を微分して得た速度フィードバック信
号との偏差に速度ゲインＫvを乗じて比例積分し、アン
プで増幅して関節モータを駆動するという制御系が用い
られていた。このような制御系でワークとの接触を伴う
ような作業を行う際、ワークの位置ずれなどがあると、
剛性を高くするために大きく設定されたゲインＫp、Ｋv
や積分器の作用により、大きなトルクを発生することに
なり、作業の遂行が困難になる。
位置速度制御系にて制御が行われていた。すなわち、位
置指令と位置検出器で検出された位置フィードバック信
号との偏差に位置ゲインＫpを乗じた速度指令と位置フ
ィードバック信号を微分して得た速度フィードバック信
号との偏差に速度ゲインＫvを乗じて比例積分し、アン
プで増幅して関節モータを駆動するという制御系が用い
られていた。このような制御系でワークとの接触を伴う
ような作業を行う際、ワークの位置ずれなどがあると、
剛性を高くするために大きく設定されたゲインＫp、Ｋv
や積分器の作用により、大きなトルクを発生することに
なり、作業の遂行が困難になる。
【０００３】例として、ダイキャスト成型品であるワー
クを、ロボットのツールで把持してダイキャストマシン
から取り出す作業に基づいて説明する。従来のロボット
では、油圧シリンダでワークがダイキャストマシンから
強制的に押し出される際に、高ゲインの制御系のロボッ
トでは大きなトルクが発生するためにワークを把持した
まま取り出すことができない。このような作業を行うロ
ボットには、適切な柔軟性があるコンプライアンス動作
が必要となる。また、このようなダイキャストハンドリ
ング作業を行うロボットには、作業座標系で適切な並進
の柔軟動作が必要となる。これは主に、外部機器からの
外力が直線的に作用したり、接触する対象物の形状が直
線や平面で構成されているためである。
クを、ロボットのツールで把持してダイキャストマシン
から取り出す作業に基づいて説明する。従来のロボット
では、油圧シリンダでワークがダイキャストマシンから
強制的に押し出される際に、高ゲインの制御系のロボッ
トでは大きなトルクが発生するためにワークを把持した
まま取り出すことができない。このような作業を行うロ
ボットには、適切な柔軟性があるコンプライアンス動作
が必要となる。また、このようなダイキャストハンドリ
ング作業を行うロボットには、作業座標系で適切な並進
の柔軟動作が必要となる。これは主に、外部機器からの
外力が直線的に作用したり、接触する対象物の形状が直
線や平面で構成されているためである。
【０００４】このような問題に対して、例えば特開昭５
８−４５８９１号公報に開示されている先行技術では、
作用力を吸収するために専用のコンプライアンスツール
を利用する方法がある。他に特開昭６３−１３９６７８
号公報に開示されている先行技術では、力センサを用い
て作用力を検出して、その方向に力制御を行う方法があ
る。また、ロボットに特別な装置を付加することなく柔
軟な制御を行う方式として、特開平６−３３２５３８号
公報に開示されている先行技術では、関節座標系で柔ら
かさの設定が可能な制御方式が開示されている。また、
近年、作業座標系で柔軟な制御を行う方式として、特開
平８−２２７３２０号公報に開示されている先行技術で
は、作業座標系で柔らかさの設定が可能な制御方式が開
示されている。さらに、特開平８−１５５８６８号公報
に開示されている先行技術では、ツール座標系で指定し
たベクトル成分の現在位置を指令値に逐次変換する方式
が開示されている。
８−４５８９１号公報に開示されている先行技術では、
作用力を吸収するために専用のコンプライアンスツール
を利用する方法がある。他に特開昭６３−１３９６７８
号公報に開示されている先行技術では、力センサを用い
て作用力を検出して、その方向に力制御を行う方法があ
る。また、ロボットに特別な装置を付加することなく柔
軟な制御を行う方式として、特開平６−３３２５３８号
公報に開示されている先行技術では、関節座標系で柔ら
かさの設定が可能な制御方式が開示されている。また、
近年、作業座標系で柔軟な制御を行う方式として、特開
平８−２２７３２０号公報に開示されている先行技術で
は、作業座標系で柔らかさの設定が可能な制御方式が開
示されている。さらに、特開平８−１５５８６８号公報
に開示されている先行技術では、ツール座標系で指定し
たベクトル成分の現在位置を指令値に逐次変換する方式
が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところが、特開昭５８
−４５８９１号公報に記載された方式では、各種作業に
合わせて専用のツールを作る必要があり、専用ツールの
重量分だけロボットの可搬重量が減少してしまう。ま
た、特開昭６３−１３９６７８号公報に記載された方式
では、力センサが必要であり、力センサを負荷すること
でシステムが複雑になる。また、力センサの機械的強度
はロボットと比較して低く、力センサの許容トルクを越
えて外力が作用すると力センサの破損を招く危険性があ
る。また、特開平６−３３２５３８号公報に記載された
方式では、関節座標系における柔軟性を制御する方式を
開示しているが、ゲイン低減により各関節軸が独立に柔
軟に動作するため、総合された柔軟な方向や柔らかさが
ロボットの教示作業者に分かりづらい。また、ロボット
が外部機器により押されるなどして姿勢が変化した場合
に、作業座標系における並進の柔軟な方向も変化してい
くためツール姿勢を一定に保つような動作ができない。
そのため、ワークに捻りなどの予期せぬ力が作用して、
ダイキャスト成型品などの複雑な形状で低剛性なワーク
では破損するなどの問題がある。更に、関節軸毎に円弧
状に柔軟になるため、それらの柔軟動作を合成しても作
業座標系での並進の柔軟動作を完全に行うことができな
い。
−４５８９１号公報に記載された方式では、各種作業に
合わせて専用のツールを作る必要があり、専用ツールの
重量分だけロボットの可搬重量が減少してしまう。ま
た、特開昭６３−１３９６７８号公報に記載された方式
では、力センサが必要であり、力センサを負荷すること
でシステムが複雑になる。また、力センサの機械的強度
はロボットと比較して低く、力センサの許容トルクを越
えて外力が作用すると力センサの破損を招く危険性があ
る。また、特開平６−３３２５３８号公報に記載された
方式では、関節座標系における柔軟性を制御する方式を
開示しているが、ゲイン低減により各関節軸が独立に柔
軟に動作するため、総合された柔軟な方向や柔らかさが
ロボットの教示作業者に分かりづらい。また、ロボット
が外部機器により押されるなどして姿勢が変化した場合
に、作業座標系における並進の柔軟な方向も変化してい
くためツール姿勢を一定に保つような動作ができない。
そのため、ワークに捻りなどの予期せぬ力が作用して、
ダイキャスト成型品などの複雑な形状で低剛性なワーク
では破損するなどの問題がある。更に、関節軸毎に円弧
状に柔軟になるため、それらの柔軟動作を合成しても作
業座標系での並進の柔軟動作を完全に行うことができな
い。
【０００６】また、特開平８−２２７３２０号公報に記
載された方式では、作業座標系における柔軟性を制御す
る方式を開示しているが、関節座標系の変位と作業座標
系の変位を対応させることによりゲインを求める必要が
あるため、演算関係式が非常に煩雑となりＣＰＵに対す
る演算負荷が大きく、ロボットの姿勢の変化に対して連
続的にゲインを求めることができない。特に、特異点近
傍など、関節角と作業座標間で変位の対応関係の変化率
が大きなロボット姿勢ではＣＰＵの演算負荷が大きくな
る。また、ロボットの姿勢変化に対して実時間での演算
が行えず、連続的なゲインの演算が困難なためロボット
の柔らかさがロボットの姿勢により大幅に異なるなどの
問題点を有している。さらに、特開平８−１５５８６８
号公報に記載された方式では、外力により位置変化した
各軸の角度を実時間で取り込み、指定したツール座標系
での位置／姿勢の現在位置を演算し（順変換）、指定し
たベクトル成分の現在位置のみを指令値に変換している
（逆変換）。しかし、ロボット全軸についての順変換と
更新された指令値の逆変換が実時間で必要であるため、
演算量が多く、処理時間が大幅にかかる。そこで本発明
が解決しようとする課題は、簡単な処理で作業座標系に
おけるツール姿勢を一定に保って、並進の柔軟動作を行
うことである。
載された方式では、作業座標系における柔軟性を制御す
る方式を開示しているが、関節座標系の変位と作業座標
系の変位を対応させることによりゲインを求める必要が
あるため、演算関係式が非常に煩雑となりＣＰＵに対す
る演算負荷が大きく、ロボットの姿勢の変化に対して連
続的にゲインを求めることができない。特に、特異点近
傍など、関節角と作業座標間で変位の対応関係の変化率
が大きなロボット姿勢ではＣＰＵの演算負荷が大きくな
る。また、ロボットの姿勢変化に対して実時間での演算
が行えず、連続的なゲインの演算が困難なためロボット
の柔らかさがロボットの姿勢により大幅に異なるなどの
問題点を有している。さらに、特開平８−１５５８６８
号公報に記載された方式では、外力により位置変化した
各軸の角度を実時間で取り込み、指定したツール座標系
での位置／姿勢の現在位置を演算し（順変換）、指定し
たベクトル成分の現在位置のみを指令値に変換している
（逆変換）。しかし、ロボット全軸についての順変換と
更新された指令値の逆変換が実時間で必要であるため、
演算量が多く、処理時間が大幅にかかる。そこで本発明
が解決しようとする課題は、簡単な処理で作業座標系に
おけるツール姿勢を一定に保って、並進の柔軟動作を行
うことである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
の第１の手段は、関節を駆動するモータを、位置及び速
度の状態フィードバックループを持つ制御回路で制御す
るロボットの制御装置において、ロボットの関節角度を
計測する手段と、ロボットの手先先端に取り付けたツー
ルの初期姿勢を記憶する手段と、特定の関節軸の位置ゲ
イン又は速度ゲインを他の関節軸の位置ゲイン又は速度
ゲインより小さく設定する手段と、前記関節角度とツー
ルの初期姿勢から、逆変換式を用いることでロボットベ
ースに対するツール姿勢を一定に保つように位置又は速
度指令への修正量を演算し、前記修正量を上位からの位
置指令又は速度指令に加算する手段とを有するものであ
る。
の第１の手段は、関節を駆動するモータを、位置及び速
度の状態フィードバックループを持つ制御回路で制御す
るロボットの制御装置において、ロボットの関節角度を
計測する手段と、ロボットの手先先端に取り付けたツー
ルの初期姿勢を記憶する手段と、特定の関節軸の位置ゲ
イン又は速度ゲインを他の関節軸の位置ゲイン又は速度
ゲインより小さく設定する手段と、前記関節角度とツー
ルの初期姿勢から、逆変換式を用いることでロボットベ
ースに対するツール姿勢を一定に保つように位置又は速
度指令への修正量を演算し、前記修正量を上位からの位
置指令又は速度指令に加算する手段とを有するものであ
る。
【０００８】また、前記課題を解決するための第２の手
段は、関節を駆動するモータを、位置及び速度の状態フ
ィードバックループを持つ制御回路で制御するロボット
の制御装置において、ロボットの関節角度を計測する手
段と、ロボットの手先先端に取り付けたツールの初期姿
勢を記憶する手段と、前記関節角度に基づいて座標系間
の静力学対応関係を演算する手段と、前記関節角度とロ
ボットの作業座標系での位置指令に基づいて前記制御回
路とは別の第２の位置、速度状態フィードバック制御を
行う手段と、前記第２のフィードバック制御系における
特定の軸の位置ゲイン又は速度ゲインを他の関節軸の位
置ゲイン又は速度ゲインより小さく設定する手段と、前
記静力学対応関係を用いることにより前記第２のフィー
ドバック制御系の出力値を関節角トルク値に変換する手
段と、前記第２のフィードバック制御系の関節角トルク
値を、前記第１のフィードバック制御系の出力値に加算
する手段と、前記関節角度と前記ツールの初期姿勢か
ら、逆変換式を用いることでロボットベースに対するツ
ール姿勢を一定に保つように位置又は速度指令への修正
量を演算し、前記修正量を上位からの位置指令又は速度
指令に加算する手段とを有するものである。
段は、関節を駆動するモータを、位置及び速度の状態フ
ィードバックループを持つ制御回路で制御するロボット
の制御装置において、ロボットの関節角度を計測する手
段と、ロボットの手先先端に取り付けたツールの初期姿
勢を記憶する手段と、前記関節角度に基づいて座標系間
の静力学対応関係を演算する手段と、前記関節角度とロ
ボットの作業座標系での位置指令に基づいて前記制御回
路とは別の第２の位置、速度状態フィードバック制御を
行う手段と、前記第２のフィードバック制御系における
特定の軸の位置ゲイン又は速度ゲインを他の関節軸の位
置ゲイン又は速度ゲインより小さく設定する手段と、前
記静力学対応関係を用いることにより前記第２のフィー
ドバック制御系の出力値を関節角トルク値に変換する手
段と、前記第２のフィードバック制御系の関節角トルク
値を、前記第１のフィードバック制御系の出力値に加算
する手段と、前記関節角度と前記ツールの初期姿勢か
ら、逆変換式を用いることでロボットベースに対するツ
ール姿勢を一定に保つように位置又は速度指令への修正
量を演算し、前記修正量を上位からの位置指令又は速度
指令に加算する手段とを有するものである。
【０００９】さらに前記課題を解決するための第３の手
段は、ロボットの手首の位置と姿勢を制御するモータの
制御装置において、前記手首の位置の制御を作業座標の
制御系で行う手段と、前記手首の姿勢の制御を関節座標
の制御系で行う手段とを有するものである。この制御装
置を具体化する第４の手段としては、前記作業座標の制
御系は、ロボットの関節角度を計測する手段と、前記関
節角度に基づいて座標系間の静力学対応関係を演算する
手段と、前記関節角度とロボットの作業座標系での位置
指令に基づいて作業座標系において位置と速度の状態フ
ィードバック制御を行う手段と、前記静力学対応関係を
用いることにより前記フィードバック制御系の出力値を
関節座標系の関節角トルク指令に変換する手段を有する
ものである。
段は、ロボットの手首の位置と姿勢を制御するモータの
制御装置において、前記手首の位置の制御を作業座標の
制御系で行う手段と、前記手首の姿勢の制御を関節座標
の制御系で行う手段とを有するものである。この制御装
置を具体化する第４の手段としては、前記作業座標の制
御系は、ロボットの関節角度を計測する手段と、前記関
節角度に基づいて座標系間の静力学対応関係を演算する
手段と、前記関節角度とロボットの作業座標系での位置
指令に基づいて作業座標系において位置と速度の状態フ
ィードバック制御を行う手段と、前記静力学対応関係を
用いることにより前記フィードバック制御系の出力値を
関節座標系の関節角トルク指令に変換する手段を有する
ものである。
【００１０】また、第５の手段としては、前記作業座標
の制御系は、ロボットの関節角度を計測する手段と、前
記関節角度に基づいて座標系間の微小変位の対応関係を
演算する手段と、前記関節角度とロボットの作業座標系
での位置指令に基づいて作業座標系において位置の状態
フィードバック制御を行う手段と、前記微小変位の対応
関係を用いることにより前記位置のフィードバック制御
系の出力値を関節座標系の速度指令に変換する手段と、
前記速度指令と前記関節角度に基づいて関節座標系にお
いて速度の状態フィードバック制御を行う手段を有する
ものである。
の制御系は、ロボットの関節角度を計測する手段と、前
記関節角度に基づいて座標系間の微小変位の対応関係を
演算する手段と、前記関節角度とロボットの作業座標系
での位置指令に基づいて作業座標系において位置の状態
フィードバック制御を行う手段と、前記微小変位の対応
関係を用いることにより前記位置のフィードバック制御
系の出力値を関節座標系の速度指令に変換する手段と、
前記速度指令と前記関節角度に基づいて関節座標系にお
いて速度の状態フィードバック制御を行う手段を有する
ものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。本発明の第１の実施の形態は、図１に示す
ように、関節を駆動するモータを、位置及び速度の状態
フィードバックループを持つ制御回路４０で制御するロ
ボットの制御装置において、特定の関節軸Ｊmの位置ゲ
イン又は速度ゲインを、ゲイン低減手段１０により、他
の軸Ｊ1，Ｊ2，Ｊ3・・・Ｊnの位置ゲイン又は速度ゲイ
ンより小さく設定するかトルク制限を行う。ロボットが
外部機器に押されるなどして特定の関節軸が柔軟に動作
する場合に、予めツール初期姿勢記憶手段１１に記憶さ
れたツールの初期姿勢を保つように逆変換を行い、修正
量演算手段１２により修正量を演算して指令を修正す
る。
て説明する。本発明の第１の実施の形態は、図１に示す
ように、関節を駆動するモータを、位置及び速度の状態
フィードバックループを持つ制御回路４０で制御するロ
ボットの制御装置において、特定の関節軸Ｊmの位置ゲ
イン又は速度ゲインを、ゲイン低減手段１０により、他
の軸Ｊ1，Ｊ2，Ｊ3・・・Ｊnの位置ゲイン又は速度ゲイ
ンより小さく設定するかトルク制限を行う。ロボットが
外部機器に押されるなどして特定の関節軸が柔軟に動作
する場合に、予めツール初期姿勢記憶手段１１に記憶さ
れたツールの初期姿勢を保つように逆変換を行い、修正
量演算手段１２により修正量を演算して指令を修正す
る。
【００１２】また、図４に示すように、ロボットの関節
軸への角度指令と計測された関節角度から、関節座標系
の制御回路とは別に作業座標系における第２の位置，速
度の状態フィードバックループ１３を構成する。この第
２の位置，速度の制御系における特定の軸の位置ゲイン
又は速度ゲインを、ゲイン低減手段１０により、他の軸
の位置ゲイン又は速度ゲインより小さく設定するか力制
限及びトルク制限を行う。計測された関節角度に基づい
て、静力学対応関係式演算手段１４により座標系間の静
力学対応関係式を演算して、第２の制御系の出力を関節
角トルクに変換して第１の制御系に加算する。ロボット
が外部機器に押されるなどして作業座標系に沿って特定
の軸方向又は軸周りに柔軟に動作する場合に、予め記憶
されたツールの初期姿勢を保つように逆変換を行い、修
正量を演算して指令を修正する。
軸への角度指令と計測された関節角度から、関節座標系
の制御回路とは別に作業座標系における第２の位置，速
度の状態フィードバックループ１３を構成する。この第
２の位置，速度の制御系における特定の軸の位置ゲイン
又は速度ゲインを、ゲイン低減手段１０により、他の軸
の位置ゲイン又は速度ゲインより小さく設定するか力制
限及びトルク制限を行う。計測された関節角度に基づい
て、静力学対応関係式演算手段１４により座標系間の静
力学対応関係式を演算して、第２の制御系の出力を関節
角トルクに変換して第１の制御系に加算する。ロボット
が外部機器に押されるなどして作業座標系に沿って特定
の軸方向又は軸周りに柔軟に動作する場合に、予め記憶
されたツールの初期姿勢を保つように逆変換を行い、修
正量を演算して指令を修正する。
【００１３】さらに、前記第２の課題を解決する手段で
は、図８に示すように、ロボットの手首の位置と姿勢を
制御するモータの制御装置において、ロボットの各軸の
制御を、手首の位置を制御する作業座標の制御系と手首
の姿勢を制御する関節座標の制御系に分ける。作業座標
系の構成手段としては以下の２種類がある。第１の手段
は、ロボットの関節角度とロボットの作業座標系での位
置指令に基づいて作業座標系において位置と速度の状態
フィードバック制御を構成する。このフィードバック制
御系の出力値は、関節角度から演算された座標系間の静
力学対応関係を用いて、関節座標系の関節角トルク指令
に変換することができる。第２の手段は、ロボットの関
節角度とロボットの作業座標系での位置指令に基づいて
作業座標系において位置の状態フィードバック制御を構
成する。このフィードバック制御系の出力値は、関節角
度から演算された座標系間の微小変位の対応関係を用い
て、関節座標系の関節角速度指令に変換することができ
る。この関節角速度指令と関節角度に基づいて、関節座
標系において速度の状態フィードバック制御を構成す
る。それぞれの作業座標系での状態フィードバック制御
において、ゲインを低減するか、各制御系の出力を制限
することにより、作業座標系での並進の柔軟動作を実現
することができる。
は、図８に示すように、ロボットの手首の位置と姿勢を
制御するモータの制御装置において、ロボットの各軸の
制御を、手首の位置を制御する作業座標の制御系と手首
の姿勢を制御する関節座標の制御系に分ける。作業座標
系の構成手段としては以下の２種類がある。第１の手段
は、ロボットの関節角度とロボットの作業座標系での位
置指令に基づいて作業座標系において位置と速度の状態
フィードバック制御を構成する。このフィードバック制
御系の出力値は、関節角度から演算された座標系間の静
力学対応関係を用いて、関節座標系の関節角トルク指令
に変換することができる。第２の手段は、ロボットの関
節角度とロボットの作業座標系での位置指令に基づいて
作業座標系において位置の状態フィードバック制御を構
成する。このフィードバック制御系の出力値は、関節角
度から演算された座標系間の微小変位の対応関係を用い
て、関節座標系の関節角速度指令に変換することができ
る。この関節角速度指令と関節角度に基づいて、関節座
標系において速度の状態フィードバック制御を構成す
る。それぞれの作業座標系での状態フィードバック制御
において、ゲインを低減するか、各制御系の出力を制限
することにより、作業座標系での並進の柔軟動作を実現
することができる。
【００１４】
【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。図２は第
１の具体的実施例を示すもので、通常の関節座標系での
位置速度制御系に本発明の制御を適用した制御ブロック
線図を表している。関節座標系での位置速度制御の内部
ループは通常比例積分制御が行われるが、定常的に作用
する力は静的補償要素により補償されるものとする。通
常の位置速度制御状態では、高ゲインの位置制御ループ
及び速度制御ループの作用により、外部より作用する力
に対して各関節軸が柔軟に変位しづらい。ここで、位置
ループゲイン及び速度ループゲインを低減することで、
外力に対して各関節軸が柔軟に変位可能である。しか
し、ロボットの各関節が個々に不規則に柔軟動作してし
まうと、柔軟な方向を任意に選択できない。そのため、
ロボットの手先先端に付いたツールの姿勢を一定に保つ
並進の柔軟動作は困難になる。
１の具体的実施例を示すもので、通常の関節座標系での
位置速度制御系に本発明の制御を適用した制御ブロック
線図を表している。関節座標系での位置速度制御の内部
ループは通常比例積分制御が行われるが、定常的に作用
する力は静的補償要素により補償されるものとする。通
常の位置速度制御状態では、高ゲインの位置制御ループ
及び速度制御ループの作用により、外部より作用する力
に対して各関節軸が柔軟に変位しづらい。ここで、位置
ループゲイン及び速度ループゲインを低減することで、
外力に対して各関節軸が柔軟に変位可能である。しか
し、ロボットの各関節が個々に不規則に柔軟動作してし
まうと、柔軟な方向を任意に選択できない。そのため、
ロボットの手先先端に付いたツールの姿勢を一定に保つ
並進の柔軟動作は困難になる。
【００１５】そこで、本発明の制御は、各関節の制御系
を従来の高剛性な位置速度ループと低剛性な位置速度ル
ープとに分け、低剛性な関節軸で計測された関節角度と
ツールの初期姿勢からロボットベースに対するツール姿
勢を一定に保つように、高剛性な関節軸の制御系への角
度修正量を実時間で演算するものである。つまり、柔軟
な軸の変位量に応じてその他の軸を変位させることで、
ツール初期姿勢を保ったままで、並進の柔軟動作が可能
となる。以下に各関節の位置速度制御ループの構成を述
べる。ロボットの関節の自由度はｎ個あり、ｍ番目の軸
Ｊm（１≦ｍ≦ｎ）の制御系を低剛性に設定する。ここ
で、低剛性にする軸を２軸以上に設定しても何ら問題な
い。低剛性にする手段として、ゲイン低減手段１０によ
って、Ｊm軸の制御系の位置ループゲイン及び速度ルー
プゲインを他の軸の位置ゲイン又は速度ゲインよりも低
減する。もしくは、制御系の後端にトルクリミットを設
けて、トルク指令自体を小さく絞っても良い。このよう
に制御系を低剛性にする場合、重力などの静的負荷は別
途補償しておく。
を従来の高剛性な位置速度ループと低剛性な位置速度ル
ープとに分け、低剛性な関節軸で計測された関節角度と
ツールの初期姿勢からロボットベースに対するツール姿
勢を一定に保つように、高剛性な関節軸の制御系への角
度修正量を実時間で演算するものである。つまり、柔軟
な軸の変位量に応じてその他の軸を変位させることで、
ツール初期姿勢を保ったままで、並進の柔軟動作が可能
となる。以下に各関節の位置速度制御ループの構成を述
べる。ロボットの関節の自由度はｎ個あり、ｍ番目の軸
Ｊm（１≦ｍ≦ｎ）の制御系を低剛性に設定する。ここ
で、低剛性にする軸を２軸以上に設定しても何ら問題な
い。低剛性にする手段として、ゲイン低減手段１０によ
って、Ｊm軸の制御系の位置ループゲイン及び速度ルー
プゲインを他の軸の位置ゲイン又は速度ゲインよりも低
減する。もしくは、制御系の後端にトルクリミットを設
けて、トルク指令自体を小さく絞っても良い。このよう
に制御系を低剛性にする場合、重力などの静的負荷は別
途補償しておく。
【００１６】次に、ロボットが実際の作業で使用する作
業座標系でのツール姿勢角度ＲX，ＲY，ＲZをツール初
期姿勢記憶手段１１に記憶又は設定する。これは、実際
に柔軟動作に行う直前のツール姿勢角度をツール初期姿
勢として記憶するか、作業内容が予め分かっている場合
にはその姿勢角度を数値入力しても良い。実際の作業に
おいて、ロボットの手先先端に取り付けられたツールに
外力が作用すると、柔軟な軸であるＪm軸のみが外力に
倣うように変位する。その他の軸は高いループゲインに
より制御系が高剛性であるため変位しない。ここで、関
節角度計測手段を用いて、Ｊm軸の角度ＦＢの値θfbmを
計測していく（ＦＢ：フィードバックとする）。計測さ
れたＪm軸の角度ＦＢ値θfbm、作業実行時に記憶又は設
定されたツール姿勢角度ＲX，ＲY，ＲZ）及びＪ1〜Ｊn
軸の角度指令θref1〜θrefn（θfbmを除く）を用い
て、Ｊm軸以外のＪ1−Ｊn軸への角度指令修正量Δθref
1〜Δθrefnを求める。このとき、Ｊ1〜Ｊn軸（Ｊmを除
く）は高剛性で角度指令に対する角度ＦＢはほぼ同じ値
を取るため、角度指令の代わりに角度ＦＢθfb1〜θfbn
を用いても良い。修正量演算手段１２により角度指令修
正量Δθref1〜Δθrefnを求める具体的方法としては、
一般に逆変換又は逆運動学と言われている変換式を用い
る。これは通常、ロボット手先先端のツール位置と姿勢
から、各関節の角度を求める変換式である。この変換式
については、多くの文献（例えば、「ロボット制御基礎
論」：吉川恒夫著）に記載されているため、ここでは割
愛する。
業座標系でのツール姿勢角度ＲX，ＲY，ＲZをツール初
期姿勢記憶手段１１に記憶又は設定する。これは、実際
に柔軟動作に行う直前のツール姿勢角度をツール初期姿
勢として記憶するか、作業内容が予め分かっている場合
にはその姿勢角度を数値入力しても良い。実際の作業に
おいて、ロボットの手先先端に取り付けられたツールに
外力が作用すると、柔軟な軸であるＪm軸のみが外力に
倣うように変位する。その他の軸は高いループゲインに
より制御系が高剛性であるため変位しない。ここで、関
節角度計測手段を用いて、Ｊm軸の角度ＦＢの値θfbmを
計測していく（ＦＢ：フィードバックとする）。計測さ
れたＪm軸の角度ＦＢ値θfbm、作業実行時に記憶又は設
定されたツール姿勢角度ＲX，ＲY，ＲZ）及びＪ1〜Ｊn
軸の角度指令θref1〜θrefn（θfbmを除く）を用い
て、Ｊm軸以外のＪ1−Ｊn軸への角度指令修正量Δθref
1〜Δθrefnを求める。このとき、Ｊ1〜Ｊn軸（Ｊmを除
く）は高剛性で角度指令に対する角度ＦＢはほぼ同じ値
を取るため、角度指令の代わりに角度ＦＢθfb1〜θfbn
を用いても良い。修正量演算手段１２により角度指令修
正量Δθref1〜Δθrefnを求める具体的方法としては、
一般に逆変換又は逆運動学と言われている変換式を用い
る。これは通常、ロボット手先先端のツール位置と姿勢
から、各関節の角度を求める変換式である。この変換式
については、多くの文献（例えば、「ロボット制御基礎
論」：吉川恒夫著）に記載されているため、ここでは割
愛する。
【００１７】角度指令修正量Δθref1〜Δθrefnを求め
る手段を以下に順を追って示す。 （１）角度指令θref1〜θrefnと角度ＦＢθfbmによ
り、一般的に順変換又は順運動学と呼ばれる変換式を用
いて、作業座標系における手首軸の中心点である点（以
降はＰ点と呼ぶ）の位置を求める。 （２）求められたＰ点の位置ＴX，ＴY，ＴZと作業実行
前に記憶されたツール姿勢角度ＲX，ＲY，ＲZから逆変
換式を用いて、Ｊ1〜Ｊn軸の新たな角度指令θref1〜θ
refnを求める。 （３）現在の角度指令θref1〜θrefnと差分することで
角度指令修正量Δθref1〜Δθrefnを求め、角度指令修
正量をＪ1〜Ｊn軸の角度指令に加算する。この演算を実
時間で求めることで、Ｊm軸が外力によって移動して
も、ロボットベースに対して初期のツール姿勢を保つよ
うにＪm軸以外の軸が動作する。
る手段を以下に順を追って示す。 （１）角度指令θref1〜θrefnと角度ＦＢθfbmによ
り、一般的に順変換又は順運動学と呼ばれる変換式を用
いて、作業座標系における手首軸の中心点である点（以
降はＰ点と呼ぶ）の位置を求める。 （２）求められたＰ点の位置ＴX，ＴY，ＴZと作業実行
前に記憶されたツール姿勢角度ＲX，ＲY，ＲZから逆変
換式を用いて、Ｊ1〜Ｊn軸の新たな角度指令θref1〜θ
refnを求める。 （３）現在の角度指令θref1〜θrefnと差分することで
角度指令修正量Δθref1〜Δθrefnを求め、角度指令修
正量をＪ1〜Ｊn軸の角度指令に加算する。この演算を実
時間で求めることで、Ｊm軸が外力によって移動して
も、ロボットベースに対して初期のツール姿勢を保つよ
うにＪm軸以外の軸が動作する。
【００１８】図３に６自由度のロボットに本制御方法を
適用した例を示して説明する。柔軟に設定する軸はＪ3
軸として、その他のＪ1，Ｊ2，Ｊ4，Ｊ5，Ｊ6軸は高い
ループゲインにして制御系を高剛性にする。外部からの
力がロボット手先先端に付けられたツールに鉛直下向き
に作用すると仮定する。ツールに鉛直下向きの力が加わ
ると、唯一柔軟なＪ3軸が下方向（紙面上で時計回り）
に変位する。それ以外の軸は制御系が高剛性であるため
変位しない。よって、ツールは点線で描かれた姿勢を取
り、結果としてツールの姿勢が下に向いて変化してしま
う。
適用した例を示して説明する。柔軟に設定する軸はＪ3
軸として、その他のＪ1，Ｊ2，Ｊ4，Ｊ5，Ｊ6軸は高い
ループゲインにして制御系を高剛性にする。外部からの
力がロボット手先先端に付けられたツールに鉛直下向き
に作用すると仮定する。ツールに鉛直下向きの力が加わ
ると、唯一柔軟なＪ3軸が下方向（紙面上で時計回り）
に変位する。それ以外の軸は制御系が高剛性であるため
変位しない。よって、ツールは点線で描かれた姿勢を取
り、結果としてツールの姿勢が下に向いて変化してしま
う。
【００１９】そこで、以下の演算を行うことでＪ5軸の
姿勢を修正して、ツール姿勢を一定に保ったまま、ほぼ
並進の柔軟動作を行うことができる。 （１）位置指令θref1〜θrefnと位置ＦＢθfb3によ
り、手首軸中心のＰ点についての順変換式を演算して、
作業座標系におけるＰ点の位置ＴX，ＴY，ＴZを求め
る。 （２）求められたＰ点の位置ＴX，ＴY，ＴZと作業実行
前に記憶されたツール姿勢角度ＲX，ＲY，ＲZから逆変
換式を用いて、Ｊ5軸の新たな角度指令θref5を求め
る。初めに、ツール角度姿勢ＲX，ＲY，ＲZから、
（３，３）の回転行列ＲＯＴを求める。ＸＹＺ固定角な
どの表現を用いると、以下のように表すことができる。
姿勢を修正して、ツール姿勢を一定に保ったまま、ほぼ
並進の柔軟動作を行うことができる。 （１）位置指令θref1〜θrefnと位置ＦＢθfb3によ
り、手首軸中心のＰ点についての順変換式を演算して、
作業座標系におけるＰ点の位置ＴX，ＴY，ＴZを求め
る。 （２）求められたＰ点の位置ＴX，ＴY，ＴZと作業実行
前に記憶されたツール姿勢角度ＲX，ＲY，ＲZから逆変
換式を用いて、Ｊ5軸の新たな角度指令θref5を求め
る。初めに、ツール角度姿勢ＲX，ＲY，ＲZから、
（３，３）の回転行列ＲＯＴを求める。ＸＹＺ固定角な
どの表現を用いると、以下のように表すことができる。
【００２０】
【数１】
・・・・・・・（１）
と置く。ここで、ｃＲ＝ｃｏｓＲ，ｓＲ＝ｓｉｎＲであ
る。次に逆正接により、新たな角度指令θref5を求め
る。 θref5＝tan-1｛（（−ｃθref1ｓθαｃθref4＋ｓθref1ｓθref4）ＡX−（− ｓθref1ｓθαｃθref4＋ｃθref1ｓθref4）ＡY＋ｃθαｃθref4ＡZ） ／（ｃθα（ｃθref1ＡX＋ｓθref1ＡY）＋ｓθαＡZ）｝ ・・・（２） ここで、θαはＪ3〜Ｊ5までのリンクの水平面に対する
角度で、Ｊ2とＪ3から求めることができる。ｃθrefn＝
ｃｏｓθrefn，ｓθrefn＝ｓｉｎθrefnである。 （３）現在の角度指令θref5と差分することで、角度指
令修正量Δθref5を求めることができ、この角度指令修
正量をＪ5軸の角度指令に加算する。
る。次に逆正接により、新たな角度指令θref5を求め
る。 θref5＝tan-1｛（（−ｃθref1ｓθαｃθref4＋ｓθref1ｓθref4）ＡX−（− ｓθref1ｓθαｃθref4＋ｃθref1ｓθref4）ＡY＋ｃθαｃθref4ＡZ） ／（ｃθα（ｃθref1ＡX＋ｓθref1ＡY）＋ｓθαＡZ）｝ ・・・（２） ここで、θαはＪ3〜Ｊ5までのリンクの水平面に対する
角度で、Ｊ2とＪ3から求めることができる。ｃθrefn＝
ｃｏｓθrefn，ｓθrefn＝ｓｉｎθrefnである。 （３）現在の角度指令θref5と差分することで、角度指
令修正量Δθref5を求めることができ、この角度指令修
正量をＪ5軸の角度指令に加算する。
【００２１】ここで、Ｐ点の変位量がＪ8からツールの
外力作用点までの距離に対して十分に小さい場合は、並
進の柔軟制御と考えることができるが、より長いストロ
ークを望む場合には次に述べる方法を取る。本発明の第
２の具体的実施例を図４に示して説明する。制御方法と
しては第１の具体的実施例と同様であるが、ツールの並
進の柔軟動作を確実に行うことを目的にしている。ツー
ルの並進動作を行うためには手首中心のＰ点が並進動作
すれば良い。作業座標系でＰ点の並進動作を行うため、
通常の関節座標系位置速度ループの他に、作業座標系位
置速度ループ１３を併用する方法を取る。本実施例で
は、Ｊ1〜Ｊm軸については、作業座標系位置速度ループ
１３を構成して、この作業座標系位置速度ループ１３で
柔軟な動作を行うことで、確実な並進の柔軟動作が可能
になる。Ｊm+1〜Ｊn軸については、従来通りの関節座標
系位置速度ループで制御を行う。
外力作用点までの距離に対して十分に小さい場合は、並
進の柔軟制御と考えることができるが、より長いストロ
ークを望む場合には次に述べる方法を取る。本発明の第
２の具体的実施例を図４に示して説明する。制御方法と
しては第１の具体的実施例と同様であるが、ツールの並
進の柔軟動作を確実に行うことを目的にしている。ツー
ルの並進動作を行うためには手首中心のＰ点が並進動作
すれば良い。作業座標系でＰ点の並進動作を行うため、
通常の関節座標系位置速度ループの他に、作業座標系位
置速度ループ１３を併用する方法を取る。本実施例で
は、Ｊ1〜Ｊm軸については、作業座標系位置速度ループ
１３を構成して、この作業座標系位置速度ループ１３で
柔軟な動作を行うことで、確実な並進の柔軟動作が可能
になる。Ｊm+1〜Ｊn軸については、従来通りの関節座標
系位置速度ループで制御を行う。
【００２２】直交３軸と回転３軸についての作業座標系
位置速度ループ１３の構成方法について以下に述べる。
関節座標系における位置速度制御ループ上の角度指令と
角度ＦＢの情報を、一般的に順変換又は順運動学と呼ば
れる関節変位とロボットの作業位置の関係式を用い（ブ
ロック１５）、作業座標系での制御点についての位置指
令と位置ＦＢを求める。これらの位置指令と位置ＦＢに
基づいて、作業座標系のＸＹＺ軸方向とＸＹＺ軸周りに
位置速度制御ループ１３を構成させる。ここで、この作
業座標系の位置速度制御ループ１３の出力値は作業座標
系でのＸＹＺ軸方向への力指令とＸＹＺ軸周りのトルク
指令である。作業座標系の位置速度制御ループ１３はゲ
イン低減手段１０によって、ＸＹＺ軸の何れかの制御系
の位置ループゲイン及び速度ループゲインを他の軸の位
置ゲイン又は速度ゲインよりも低減する。もしくは、制
御系の後端にリミットを設けて、力指令又はトルク指令
自体を小さく絞っても良い。
位置速度ループ１３の構成方法について以下に述べる。
関節座標系における位置速度制御ループ上の角度指令と
角度ＦＢの情報を、一般的に順変換又は順運動学と呼ば
れる関節変位とロボットの作業位置の関係式を用い（ブ
ロック１５）、作業座標系での制御点についての位置指
令と位置ＦＢを求める。これらの位置指令と位置ＦＢに
基づいて、作業座標系のＸＹＺ軸方向とＸＹＺ軸周りに
位置速度制御ループ１３を構成させる。ここで、この作
業座標系の位置速度制御ループ１３の出力値は作業座標
系でのＸＹＺ軸方向への力指令とＸＹＺ軸周りのトルク
指令である。作業座標系の位置速度制御ループ１３はゲ
イン低減手段１０によって、ＸＹＺ軸の何れかの制御系
の位置ループゲイン及び速度ループゲインを他の軸の位
置ゲイン又は速度ゲインよりも低減する。もしくは、制
御系の後端にリミットを設けて、力指令又はトルク指令
自体を小さく絞っても良い。
【００２３】よって、外部より作用する力に対して、作
業座標系上である特定な軸方向にのみＰ点の並進の柔軟
動作をする場合は、その制御系のゲインを低減するかリ
ミットによって力を制限する。これにより、特定の軸方
向に対しては位置偏差を許容し、それ以外の軸方向及び
軸周りへは位置偏差を許容しないようにすることが可能
である。次に、ロボットの現在の状態から一般的にヤコ
ビアンと呼ばれる行列式の転置行列である関節座標系と
作業座標系の静力学対応関係式をブロック１４で求め、
作業座標系の力指令及びトルク指令から関節座標系にお
けるトルク指令を算出することが可能である。
業座標系上である特定な軸方向にのみＰ点の並進の柔軟
動作をする場合は、その制御系のゲインを低減するかリ
ミットによって力を制限する。これにより、特定の軸方
向に対しては位置偏差を許容し、それ以外の軸方向及び
軸周りへは位置偏差を許容しないようにすることが可能
である。次に、ロボットの現在の状態から一般的にヤコ
ビアンと呼ばれる行列式の転置行列である関節座標系と
作業座標系の静力学対応関係式をブロック１４で求め、
作業座標系の力指令及びトルク指令から関節座標系にお
けるトルク指令を算出することが可能である。
【００２４】例えば３自由度のロボットでヤコビアンの
転置行列の算出式は下記の式で表される。
転置行列の算出式は下記の式で表される。
【数２】
・・・・（３）
ここで、
Ｊ：ヤコビアン0
ｓi：第ｉ関節座標の回転方向ベクトル（ロボットのベ
ース座標系を基準）0 Ｐi：第ｉ関節位置ベクトル（ロボットのベース座標基
準） ×：ベクトルの外積を示す ｒ：ロボットの作業位置ベクトル Ｔ：行列の転置を表す
ース座標系を基準）0 Ｐi：第ｉ関節位置ベクトル（ロボットのベース座標基
準） ×：ベクトルの外積を示す ｒ：ロボットの作業位置ベクトル Ｔ：行列の転置を表す
【００２５】従って、作業座標系の出力値を
Ｆ＝［Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ］T ・・・（４）
ここで、
Ｆ：力ベクトル
Ｆx，Ｆy，Ｆz：作業座標系での力
関節座標系に変換した関節角トルク値を
τ＝［τ1，τ2，τ3］T ・・・（５）
ここで、
τ：関節座標系でのトルクベクトル
τi：第ｉ軸の関節座標系のトルク
とおくと、関節座標系でのトルクは以下の関係より求め
ることができる。 τ＝ＪTＦ ・・・（６） よって、ロボットの姿勢の変化に対して（３），（６）
式の演算を行い、関節制御系におけるトルク指令に、
（５）式に示されるトルク指令を加算することで、ロボ
ットの全動作領域で作業座標上における並進の柔軟動作
が可能なロボットの柔軟制御系を構成することができ
る。
ることができる。 τ＝ＪTＦ ・・・（６） よって、ロボットの姿勢の変化に対して（３），（６）
式の演算を行い、関節制御系におけるトルク指令に、
（５）式に示されるトルク指令を加算することで、ロボ
ットの全動作領域で作業座標上における並進の柔軟動作
が可能なロボットの柔軟制御系を構成することができ
る。
【００２６】次に、図５に実際のロボットに適用した制
御系の構成を示して、各要素の働きを説明する。ロボッ
トの関節の自由度を６として、Ｊ1〜Ｊ3軸とＪ4〜Ｊ6軸
で動作させる制御方法を分ける。作業座標系における手
首軸中心のＰ点の位置を制御するＪ1〜Ｊ3軸では、作業
座標系の位置速度ループ１３を構成する。作業座標系に
おける手首軸中心のＰ点に対するツールの姿勢を制御す
るＪ4〜Ｊ6軸では、関節座標系の位置速度ループを構成
する。このように、位置と姿勢の制御を分けることで、
並進の柔軟動作を位置の制御で実行し、ツールの姿勢変
化の修正を姿勢の制御で実行することができる。 （１）作業座標系の位置速度ループを構成するため、Ｊ
1〜Ｊ3軸の角度指令θref1〜θref3と角度ＦＢθfb1〜
θfb3をそれぞれ順変換式１５を用い、作業座標系での
Ｐ点についての位置指令及び位置ＦＢを求める。 （２）作業座標系での位置指令と位置ＦＢに基づいて、
作業座標系のＸＹＺ軸方向に位置速度制御ループを構成
する。ここで、作業座標系の位置速度制御ループの出力
値は作業座標系でのＸＹＺ軸方向への力指令となる。作
業座標系の位置速度制御ループはゲイン低減手段１０に
よって、ＸＹＺの何れかの軸に関して制御系の位置ルー
プゲイン及び速度ループゲインを他の軸の位置ゲイン又
は速度ゲインよりも低減する。もしくは、制御系の後端
にリミットを設けて、力指令自体を小さく絞っても良
い。ここで、作業座標系のＸ軸方向にＰ点の並進の柔軟
動作を行うと仮定する。作業座標系のＸ軸制御系の位置
ループゲイン及び速度ループゲインをゲイン低減手段１
０によって他の軸の位置ゲイン又は速度ゲインよりも低
減する。これにより、Ｐ点の位置は外力によってＸ軸方
向には柔軟に動作することができるが、ＹＺ軸方向へは
作業座標系の位置速度ループが高剛性であるため、偏差
が生じないように力を発生させて動作が制限されるよう
になる。 （３）次に、ブロック１４によりロボットの角度ＦＢθ
fb1〜θfb3から関節座標系と作業座標系の静力学対応関
係式を求め、その転置行列式を用いることで、作業座標
系の力指令から関節座標系におけるトルク指令を算出す
る。 （４）このトルク指令をＪ1〜Ｊ3軸の関節座標系のトル
ク指令に加算することで、作業座標系におけるＰ点のＸ
軸方向への並進の柔軟動作とＹＺ軸方向への高剛性な動
作が可能となる。このとき、Ｊ1〜Ｊ3軸の関節座標系の
位置速度ループ１３からのトルク指令を零にしておくこ
とで、トルク指令の干渉を防ぐことができる。重力など
の静的負荷は別途補償しておく。
御系の構成を示して、各要素の働きを説明する。ロボッ
トの関節の自由度を６として、Ｊ1〜Ｊ3軸とＪ4〜Ｊ6軸
で動作させる制御方法を分ける。作業座標系における手
首軸中心のＰ点の位置を制御するＪ1〜Ｊ3軸では、作業
座標系の位置速度ループ１３を構成する。作業座標系に
おける手首軸中心のＰ点に対するツールの姿勢を制御す
るＪ4〜Ｊ6軸では、関節座標系の位置速度ループを構成
する。このように、位置と姿勢の制御を分けることで、
並進の柔軟動作を位置の制御で実行し、ツールの姿勢変
化の修正を姿勢の制御で実行することができる。 （１）作業座標系の位置速度ループを構成するため、Ｊ
1〜Ｊ3軸の角度指令θref1〜θref3と角度ＦＢθfb1〜
θfb3をそれぞれ順変換式１５を用い、作業座標系での
Ｐ点についての位置指令及び位置ＦＢを求める。 （２）作業座標系での位置指令と位置ＦＢに基づいて、
作業座標系のＸＹＺ軸方向に位置速度制御ループを構成
する。ここで、作業座標系の位置速度制御ループの出力
値は作業座標系でのＸＹＺ軸方向への力指令となる。作
業座標系の位置速度制御ループはゲイン低減手段１０に
よって、ＸＹＺの何れかの軸に関して制御系の位置ルー
プゲイン及び速度ループゲインを他の軸の位置ゲイン又
は速度ゲインよりも低減する。もしくは、制御系の後端
にリミットを設けて、力指令自体を小さく絞っても良
い。ここで、作業座標系のＸ軸方向にＰ点の並進の柔軟
動作を行うと仮定する。作業座標系のＸ軸制御系の位置
ループゲイン及び速度ループゲインをゲイン低減手段１
０によって他の軸の位置ゲイン又は速度ゲインよりも低
減する。これにより、Ｐ点の位置は外力によってＸ軸方
向には柔軟に動作することができるが、ＹＺ軸方向へは
作業座標系の位置速度ループが高剛性であるため、偏差
が生じないように力を発生させて動作が制限されるよう
になる。 （３）次に、ブロック１４によりロボットの角度ＦＢθ
fb1〜θfb3から関節座標系と作業座標系の静力学対応関
係式を求め、その転置行列式を用いることで、作業座標
系の力指令から関節座標系におけるトルク指令を算出す
る。 （４）このトルク指令をＪ1〜Ｊ3軸の関節座標系のトル
ク指令に加算することで、作業座標系におけるＰ点のＸ
軸方向への並進の柔軟動作とＹＺ軸方向への高剛性な動
作が可能となる。このとき、Ｊ1〜Ｊ3軸の関節座標系の
位置速度ループ１３からのトルク指令を零にしておくこ
とで、トルク指令の干渉を防ぐことができる。重力など
の静的負荷は別途補償しておく。
【００２７】実際にロボットの手先先端のツールに外力
が作用した場合の演算方法を以下に示す。Ｐ点の位置が
Ｘ軸方向に柔軟動作することによって、Ｊ1〜Ｊ3軸の角
度がそれぞれ変化していく。これらの軸の角度ＦＢθfb
1〜θfb3と手首軸Ｊ4〜Ｊ6軸の角度ＦＢθfb4〜θfb6を
関節角度計測手段により計測する。外力が作用する前に
記憶されたツールの初期姿勢角度ＲX，ＲY，ＲZと角度
ＦＢθfb1〜θfb3から、逆変換式を用いることで、ツー
ル姿勢が初期姿勢を保つような手首軸の角度指令θref4
〜θref6を新規に求めることができる。この新しい角度
指令θref4〜θref6と現在の手首の角度ＦＢθfb4〜θf
b6（もしくは角度指令θref4〜θref6）から、差分を取
ることによって、角度指令修正量Δθref4〜Δθref6を
求めることができる。この角度指令修正量Δθref4〜Δ
θref6を角度指令θref4〜θref6に加算する。Ｊ5軸の
角度指令θref5に関しては式（１）で求めることができ
る。Ｊ4軸とＪ6軸の角度指令θref4とθref6に関しては
以下の式で求めることができる。 θref4＝ｔａｎ-1｛（ｓθref1Ａx−ｃθref1Ａy） ／（ｃθαＡz−ｓθα（ｃθref1Ａx＋ｓθref1Ａy））｝ ・・・（７） θref6＝ｔａｎ-1｛（（ｃθref1ｓθαｓθref4＋ｓθref1ｃθref4）Ｎx＋（ ｓθref1ｓθαｓθref4−ｃθref1ｃθref4）Ｎy−ｃθαｓθref4Ｎz） ／（（ｃθref1ｓθref4＋ｓθref1ｃθref4）Ｏx＋（ｓθref1ｓθαｓθref4 −ｃθref1ｃθref4）Ｏy−ｃθαｓθref4Ｏz）｝ ・・・（８） 以上の演算量は非常に少ないため実時間で解くことが可
能である。
が作用した場合の演算方法を以下に示す。Ｐ点の位置が
Ｘ軸方向に柔軟動作することによって、Ｊ1〜Ｊ3軸の角
度がそれぞれ変化していく。これらの軸の角度ＦＢθfb
1〜θfb3と手首軸Ｊ4〜Ｊ6軸の角度ＦＢθfb4〜θfb6を
関節角度計測手段により計測する。外力が作用する前に
記憶されたツールの初期姿勢角度ＲX，ＲY，ＲZと角度
ＦＢθfb1〜θfb3から、逆変換式を用いることで、ツー
ル姿勢が初期姿勢を保つような手首軸の角度指令θref4
〜θref6を新規に求めることができる。この新しい角度
指令θref4〜θref6と現在の手首の角度ＦＢθfb4〜θf
b6（もしくは角度指令θref4〜θref6）から、差分を取
ることによって、角度指令修正量Δθref4〜Δθref6を
求めることができる。この角度指令修正量Δθref4〜Δ
θref6を角度指令θref4〜θref6に加算する。Ｊ5軸の
角度指令θref5に関しては式（１）で求めることができ
る。Ｊ4軸とＪ6軸の角度指令θref4とθref6に関しては
以下の式で求めることができる。 θref4＝ｔａｎ-1｛（ｓθref1Ａx−ｃθref1Ａy） ／（ｃθαＡz−ｓθα（ｃθref1Ａx＋ｓθref1Ａy））｝ ・・・（７） θref6＝ｔａｎ-1｛（（ｃθref1ｓθαｓθref4＋ｓθref1ｃθref4）Ｎx＋（ ｓθref1ｓθαｓθref4−ｃθref1ｃθref4）Ｎy−ｃθαｓθref4Ｎz） ／（（ｃθref1ｓθref4＋ｓθref1ｃθref4）Ｏx＋（ｓθref1ｓθαｓθref4 −ｃθref1ｃθref4）Ｏy−ｃθαｓθref4Ｏz）｝ ・・・（８） 以上の演算量は非常に少ないため実時間で解くことが可
能である。
【００２８】図６に６自由度のロボットに本制御方法を
適用した動作例を示して説明する。柔軟に設定する軸は
作業座標系のＺ軸として、その他のＸＹ軸及び手首軸の
Ｊ4〜Ｊ6軸は高いループゲインにして制御系を高剛性に
する。外部からの力がロボット手先先端に付けられたツ
ールに鉛直下向きに作用すると仮定する。手首軸の中心
であるＰ点は作業座標系の位置速度ループの働きによっ
て、外力が作用することで鉛直方向（Ｚ軸方向）にしか
柔軟に動作しないため、図中の点線上を移動することに
なる。Ｐ点が下方に移動することで、手首軸の角度（こ
こではＪ5軸）は点線で示したようになる。しかし、Ｐ
点の移動に合わせてΔＪ5を演算して、Ｊ5軸が変化する
ことでロボットベースに対するツールの初期姿勢を保っ
たまま、Ｊ5軸は実線に示したようになり、ツールは鉛
直方向に平行移動する。つまり、ツールも図中の点線上
を移動することになる。このときに手首軸に関しては、
初期のツール姿勢を教示するのみで、Ｐ点の並進動作に
合わせてツール姿勢が一定になるようにロボットを動作
させることが可能になる。
適用した動作例を示して説明する。柔軟に設定する軸は
作業座標系のＺ軸として、その他のＸＹ軸及び手首軸の
Ｊ4〜Ｊ6軸は高いループゲインにして制御系を高剛性に
する。外部からの力がロボット手先先端に付けられたツ
ールに鉛直下向きに作用すると仮定する。手首軸の中心
であるＰ点は作業座標系の位置速度ループの働きによっ
て、外力が作用することで鉛直方向（Ｚ軸方向）にしか
柔軟に動作しないため、図中の点線上を移動することに
なる。Ｐ点が下方に移動することで、手首軸の角度（こ
こではＪ5軸）は点線で示したようになる。しかし、Ｐ
点の移動に合わせてΔＪ5を演算して、Ｊ5軸が変化する
ことでロボットベースに対するツールの初期姿勢を保っ
たまま、Ｊ5軸は実線に示したようになり、ツールは鉛
直方向に平行移動する。つまり、ツールも図中の点線上
を移動することになる。このときに手首軸に関しては、
初期のツール姿勢を教示するのみで、Ｐ点の並進動作に
合わせてツール姿勢が一定になるようにロボットを動作
させることが可能になる。
【００２９】例えば、本発明をダイキャストハンドリン
グに適応した場合を図７に示して説明する。ダイキャス
トハンドリングは、ダイキャスト成型品であるワーク２
３をロボット２１のツール２２で把持してダイキャスト
マシンから取り出す作業である。ロボット２１はハンド
２４でワーク２３を把持したまま、ピストン２５によっ
て鋳型２６から押される力Ｆを作業座標系のＹ軸に沿っ
た方向ａに設定し、ロボット２１は方向ａに沿って移動
しなければならない。このときに方向ｂに少しでも動い
てしまうと、捻りの力がワーク２３に作用して鋳型２６
の中で変形したり破損したりしてしまう。従来では、ハ
ンド２４部分にスライダなどのメカ的な機構を付けて力
を吸収していたためロボットの可搬重量の減少となり、
スライダの動作方向に外力の方向を正確に教示しなけれ
ばならないなどの手間がかかる。本実施例では、作業座
標系の位置速度ループを方向ａに沿って構成し、Ｙ軸方
向を柔軟に設定（ゲイン低減か力制限）することで、Ｐ
点が方向ａ上のみを柔軟に動作するようになる。ロボッ
ト２１のＰ点がピストン２５により押し出されるが、作
業座標系におけるハンド２４の姿勢を一定に保つように
手首部分への修正量が演算されるため、ワーク２３は鋳
型２６から真っ直ぐに押し出される。このとき、関節軸
単位でなく、作業座標系でロボットの柔軟な方向や柔ら
かさが設定できるため、教示作業が非常に簡単に行え
る。
グに適応した場合を図７に示して説明する。ダイキャス
トハンドリングは、ダイキャスト成型品であるワーク２
３をロボット２１のツール２２で把持してダイキャスト
マシンから取り出す作業である。ロボット２１はハンド
２４でワーク２３を把持したまま、ピストン２５によっ
て鋳型２６から押される力Ｆを作業座標系のＹ軸に沿っ
た方向ａに設定し、ロボット２１は方向ａに沿って移動
しなければならない。このときに方向ｂに少しでも動い
てしまうと、捻りの力がワーク２３に作用して鋳型２６
の中で変形したり破損したりしてしまう。従来では、ハ
ンド２４部分にスライダなどのメカ的な機構を付けて力
を吸収していたためロボットの可搬重量の減少となり、
スライダの動作方向に外力の方向を正確に教示しなけれ
ばならないなどの手間がかかる。本実施例では、作業座
標系の位置速度ループを方向ａに沿って構成し、Ｙ軸方
向を柔軟に設定（ゲイン低減か力制限）することで、Ｐ
点が方向ａ上のみを柔軟に動作するようになる。ロボッ
ト２１のＰ点がピストン２５により押し出されるが、作
業座標系におけるハンド２４の姿勢を一定に保つように
手首部分への修正量が演算されるため、ワーク２３は鋳
型２６から真っ直ぐに押し出される。このとき、関節軸
単位でなく、作業座標系でロボットの柔軟な方向や柔ら
かさが設定できるため、教示作業が非常に簡単に行え
る。
【００３０】次に、本発明の第３の具体的実施例を図９
に示して説明する。図９は通常の関節座標系での位置速
度制御系に本発明の制御を適用した制御ブロック線図を
表している。前述の実施例では、Ｐ点の位置の制御系を
作業座標系の位置速度ループと関節座標系の位置速度ル
ープを併用していた。そこで、本実施例の制御は、ロボ
ットの各関節の制御系を手首軸の中心点の位置（以下で
はＰ点）を制御する直交座標系の位置速度制御系３０と
ツールの姿勢を制御する関節座標系の位置速度制御系４
０に完全に分け、直交座標系の位置速度制御の特定の軸
を柔軟にすることで、作業座標系における並進の柔軟動
作を可能にする。回転を除いた並進のみに絞って直交座
標系だけで位置速度ループを構成することで、演算量を
半減することができる。
に示して説明する。図９は通常の関節座標系での位置速
度制御系に本発明の制御を適用した制御ブロック線図を
表している。前述の実施例では、Ｐ点の位置の制御系を
作業座標系の位置速度ループと関節座標系の位置速度ル
ープを併用していた。そこで、本実施例の制御は、ロボ
ットの各関節の制御系を手首軸の中心点の位置（以下で
はＰ点）を制御する直交座標系の位置速度制御系３０と
ツールの姿勢を制御する関節座標系の位置速度制御系４
０に完全に分け、直交座標系の位置速度制御の特定の軸
を柔軟にすることで、作業座標系における並進の柔軟動
作を可能にする。回転を除いた並進のみに絞って直交座
標系だけで位置速度ループを構成することで、演算量を
半減することができる。
【００３１】以下に本実施例における各関節の位置速度
制御ループの構成を述べる。ロボットの関節の自由度を
ｎ個とする。その内、ロボットのベースからｍ番目まで
の軸（以下では基本軸）の制御系を直交座標系の位置速
度ループで構成する。また、ｍ＋１〜ｎ番目の軸（以下
では手首軸）の制御系を関節座標系の位置速度ループ４
１で構成する。直交座標系の構成手段は、基本軸の各関
節の角度検出値より、一般的に順変換又は順運動学と呼
ばれる関節変位とロボットの作業位置の関係式を用い、
作業座標系での手首中心点（以下ではＰ点）についての
位置ＦＢを求める。この位置ＦＢと作業座標系でのＰ点
の位置指令とに基づいて、作業座標系のＸＹＺ軸方向に
位置速度制御ループを構成させる。ここで、作業座標系
の位置速度制御ループの出力値は作業座標系でのＸＹＺ
軸方向への力指令になる。作業座標系の位置速度制御ル
ープはゲイン低減手段３２によって、ＸＹＺ軸の何れか
の制御系の位置ループゲイン及び速度ループゲインを他
の軸の位置ゲイン又は速度ゲインよりも低減する。もし
くは、図示しないが、速度制御系の後端にリミットを設
けて、力指令を小さく絞っても良い。このように制御系
を低剛性にする場合、重力などの静的負荷は別途補償し
ておく。
制御ループの構成を述べる。ロボットの関節の自由度を
ｎ個とする。その内、ロボットのベースからｍ番目まで
の軸（以下では基本軸）の制御系を直交座標系の位置速
度ループで構成する。また、ｍ＋１〜ｎ番目の軸（以下
では手首軸）の制御系を関節座標系の位置速度ループ４
１で構成する。直交座標系の構成手段は、基本軸の各関
節の角度検出値より、一般的に順変換又は順運動学と呼
ばれる関節変位とロボットの作業位置の関係式を用い、
作業座標系での手首中心点（以下ではＰ点）についての
位置ＦＢを求める。この位置ＦＢと作業座標系でのＰ点
の位置指令とに基づいて、作業座標系のＸＹＺ軸方向に
位置速度制御ループを構成させる。ここで、作業座標系
の位置速度制御ループの出力値は作業座標系でのＸＹＺ
軸方向への力指令になる。作業座標系の位置速度制御ル
ープはゲイン低減手段３２によって、ＸＹＺ軸の何れか
の制御系の位置ループゲイン及び速度ループゲインを他
の軸の位置ゲイン又は速度ゲインよりも低減する。もし
くは、図示しないが、速度制御系の後端にリミットを設
けて、力指令を小さく絞っても良い。このように制御系
を低剛性にする場合、重力などの静的負荷は別途補償し
ておく。
【００３２】次に、ロボットの現在の状態から一般的に
ヤコビアンと呼ばれる行列の転置行列である関節座標系
と作業座標系の静力学対応関係式を求め、作業座標系の
力指令から関節座標系におけるトルク指令を算出するこ
とが可能である。これには、前述の（３）式〜（６）式
を用い、ロボットの姿勢の変化に対して（３），（６）
式の演算を行い、関節制御系におけるトルク指令に、
（５）式に示されるトルク指令を加算することで、ロボ
ットの全動作領域で作業座標上における並進の柔軟動作
が可能なロボットの柔軟制御系を構成することができ
る。手首軸の関節座標系の位置制御ループでは、通常の
位置ループゲイン，速度ループゲインで高剛性に位置制
御を行うか、位置ループゲイン，速度ループゲインを他
の軸の位置ゲイン又は速度ゲインよりも小さくすること
で低剛性に柔軟制御を行う。また、低剛性の手段として
は、図示しないがゲイン低減の代わりに速度制御器の後
段にリミットを設けても良い。
ヤコビアンと呼ばれる行列の転置行列である関節座標系
と作業座標系の静力学対応関係式を求め、作業座標系の
力指令から関節座標系におけるトルク指令を算出するこ
とが可能である。これには、前述の（３）式〜（６）式
を用い、ロボットの姿勢の変化に対して（３），（６）
式の演算を行い、関節制御系におけるトルク指令に、
（５）式に示されるトルク指令を加算することで、ロボ
ットの全動作領域で作業座標上における並進の柔軟動作
が可能なロボットの柔軟制御系を構成することができ
る。手首軸の関節座標系の位置制御ループでは、通常の
位置ループゲイン，速度ループゲインで高剛性に位置制
御を行うか、位置ループゲイン，速度ループゲインを他
の軸の位置ゲイン又は速度ゲインよりも小さくすること
で低剛性に柔軟制御を行う。また、低剛性の手段として
は、図示しないがゲイン低減の代わりに速度制御器の後
段にリミットを設けても良い。
【００３３】次に、図１０に実際のロボットに適用した
制御系の構成を示して、各要素の働きを説明する。ロボ
ットの関節の自由度を６として、Ｊ1〜Ｊ3軸とＪ4〜Ｊ6
軸で動作させる制御方法を分ける。作業座標系における
Ｐ点の位置を制御するＪ1〜Ｊ3軸では、作業座標系３０
の位置速度ループ３１を構成する。作業座標系における
ツールの姿勢を制御するＪ4〜Ｊ6軸では、関節座標系４
０の位置速度ループ４１を構成する。このように、位置
と姿勢の制御を分けることで、並進の柔軟動作を位置の
制御で実行し、ツールの姿勢変化の修正を姿勢の制御で
実行することができる。 （１）作業座標系の位置速度ループ４１を構成するた
め、Ｊ1〜Ｊ3軸の角度検出値θfb1〜θfb3から順変換式
を用い、作業座標系でのＰ点についての位置（角度）Ｆ
Ｂ（検出値）を求める。 （２）作業座標系での位置指令と位置ＦＢに基づいて、
作業座標系のＸＹＺ軸方向に位置速度制御ループ３１を
構成する。ここで、作業座標系の位置速度制御ループ３
１の出力値は作業座標系でのＸＹＺ軸方向への力指令
［Ｆx，Ｆy，Ｆz］となる。作業座標系の位置速度制御
ループ３１はゲイン低減手段３２によって、ＸＹＺの何
れかの軸に関して制御系の位置ループゲイン及び速度ル
ープゲインを他の軸の位置ゲイン又は速度ゲインよりも
低減する。もしくは、速度制御系の後端にリミットを設
けて、力指令自体を小さく絞る。 （３）次に、ロボットの角度ＦＢθfb1〜θfb3から関節
座標系と作業座標系の静力学対応関係式を求め、その転
置行列式を用いることで、ＸＹＺ軸の作業座標系の力指
令からＪ1〜Ｊ3軸の関節座標系におけるトルク指令を算
出する。 （４）このトルク指令を用いて各関節のモータを制御す
ることで、作業座標系におけるＰ点の並進の柔軟動作が
可能となる。このとき、重力などの静的負荷は別途補償
しておく。
制御系の構成を示して、各要素の働きを説明する。ロボ
ットの関節の自由度を６として、Ｊ1〜Ｊ3軸とＪ4〜Ｊ6
軸で動作させる制御方法を分ける。作業座標系における
Ｐ点の位置を制御するＪ1〜Ｊ3軸では、作業座標系３０
の位置速度ループ３１を構成する。作業座標系における
ツールの姿勢を制御するＪ4〜Ｊ6軸では、関節座標系４
０の位置速度ループ４１を構成する。このように、位置
と姿勢の制御を分けることで、並進の柔軟動作を位置の
制御で実行し、ツールの姿勢変化の修正を姿勢の制御で
実行することができる。 （１）作業座標系の位置速度ループ４１を構成するた
め、Ｊ1〜Ｊ3軸の角度検出値θfb1〜θfb3から順変換式
を用い、作業座標系でのＰ点についての位置（角度）Ｆ
Ｂ（検出値）を求める。 （２）作業座標系での位置指令と位置ＦＢに基づいて、
作業座標系のＸＹＺ軸方向に位置速度制御ループ３１を
構成する。ここで、作業座標系の位置速度制御ループ３
１の出力値は作業座標系でのＸＹＺ軸方向への力指令
［Ｆx，Ｆy，Ｆz］となる。作業座標系の位置速度制御
ループ３１はゲイン低減手段３２によって、ＸＹＺの何
れかの軸に関して制御系の位置ループゲイン及び速度ル
ープゲインを他の軸の位置ゲイン又は速度ゲインよりも
低減する。もしくは、速度制御系の後端にリミットを設
けて、力指令自体を小さく絞る。 （３）次に、ロボットの角度ＦＢθfb1〜θfb3から関節
座標系と作業座標系の静力学対応関係式を求め、その転
置行列式を用いることで、ＸＹＺ軸の作業座標系の力指
令からＪ1〜Ｊ3軸の関節座標系におけるトルク指令を算
出する。 （４）このトルク指令を用いて各関節のモータを制御す
ることで、作業座標系におけるＰ点の並進の柔軟動作が
可能となる。このとき、重力などの静的負荷は別途補償
しておく。
【００３４】次に、６自由度のロボットに本制御方法を
適用した動作例を前記の図６により説明する。作業座標
系のＺ軸方向にＰ点の並進の柔軟動作を行うと仮定す
る。作業座標系のＺ軸制御系の位置ループゲイン及び速
度ループゲインをゲイン低減手段によって他の軸の位置
ゲイン又は速度ゲインよりも低減する。これにより、Ｐ
点の位置は外力によってＺ軸方向には柔軟に動作するこ
とができるが、ＸＹ軸方向へは作業座標系の位置速度ル
ープが高剛性に働くため、偏差が生じないように力を発
生させて動作が制限されるようになる。手首軸の中心で
あるＰ点は作業座標系の位置速度ループの働きによっ
て、外力が作用することで鉛直方向（Ｚ軸方向）にしか
柔軟に動作しないため、図中の点線上を移動することに
なる。Ｐ点が下方に移動することで、手首軸の角度（こ
こではＪ5軸）は点線で示したようになる。しかし、Ｐ
点の移動速度に合わせてΔＪ5を教示しておくことでロ
ボットベースに対するツールの初期姿勢を保ったまま、
ツールは鉛直方向に平行移動する。つまり、ツールも図
中の点線上を移動することになる。
適用した動作例を前記の図６により説明する。作業座標
系のＺ軸方向にＰ点の並進の柔軟動作を行うと仮定す
る。作業座標系のＺ軸制御系の位置ループゲイン及び速
度ループゲインをゲイン低減手段によって他の軸の位置
ゲイン又は速度ゲインよりも低減する。これにより、Ｐ
点の位置は外力によってＺ軸方向には柔軟に動作するこ
とができるが、ＸＹ軸方向へは作業座標系の位置速度ル
ープが高剛性に働くため、偏差が生じないように力を発
生させて動作が制限されるようになる。手首軸の中心で
あるＰ点は作業座標系の位置速度ループの働きによっ
て、外力が作用することで鉛直方向（Ｚ軸方向）にしか
柔軟に動作しないため、図中の点線上を移動することに
なる。Ｐ点が下方に移動することで、手首軸の角度（こ
こではＪ5軸）は点線で示したようになる。しかし、Ｐ
点の移動速度に合わせてΔＪ5を教示しておくことでロ
ボットベースに対するツールの初期姿勢を保ったまま、
ツールは鉛直方向に平行移動する。つまり、ツールも図
中の点線上を移動することになる。
【００３５】次に、本発明の第４の具体的実施例を図１
１に示して説明する。初めに、本発明における各関節の
位置速度制御ループの構成を述べる。ロボットの関節の
自由度をｎ個とする。その内、ロボットのベースからｍ
番目までの軸Ｊ1〜Ｊm（以下では基本軸）の制御系５０
を直交座標系の位置ループ５１と関節座標系での速度ル
ープ５２で構成する。また、ｍ＋１〜ｎ番目の軸Ｊm+ 1
〜Ｊn（以下では手首軸）の制御系６０を関節座標系の
位置速度ループ６１で構成する。直交座標系の構成手段
は、第３の具体的実施例と同様に、基本軸の各関節の角
度検出値より作業座標系でのＰ点についての位置（角
度）ＦＢを求める。この位置ＦＢと作業座標系でのＰ点
の位置指令とに基づいて、作業座標系のＸＹＺ軸方向に
位置制御ループを５１構成させる。ここで、作業座標系
の位置制御ループ５１の出力値は作業座標系でのＸＹＺ
軸方向への速度指令になる。作業座標系の位置制御ルー
プ５１はゲイン低減手段５３によって、ＸＹＺ軸の何れ
かの制御系の位置ループゲインを他の軸の位置ゲインよ
りも低減する。もしくは、図示しないが、位置制御系の
後端にリミットを設けて、速度指令を小さく絞っても良
い。このように制御系を低剛性にする場合、重力などの
静的負荷は別途補償しておく。
１に示して説明する。初めに、本発明における各関節の
位置速度制御ループの構成を述べる。ロボットの関節の
自由度をｎ個とする。その内、ロボットのベースからｍ
番目までの軸Ｊ1〜Ｊm（以下では基本軸）の制御系５０
を直交座標系の位置ループ５１と関節座標系での速度ル
ープ５２で構成する。また、ｍ＋１〜ｎ番目の軸Ｊm+ 1
〜Ｊn（以下では手首軸）の制御系６０を関節座標系の
位置速度ループ６１で構成する。直交座標系の構成手段
は、第３の具体的実施例と同様に、基本軸の各関節の角
度検出値より作業座標系でのＰ点についての位置（角
度）ＦＢを求める。この位置ＦＢと作業座標系でのＰ点
の位置指令とに基づいて、作業座標系のＸＹＺ軸方向に
位置制御ループを５１構成させる。ここで、作業座標系
の位置制御ループ５１の出力値は作業座標系でのＸＹＺ
軸方向への速度指令になる。作業座標系の位置制御ルー
プ５１はゲイン低減手段５３によって、ＸＹＺ軸の何れ
かの制御系の位置ループゲインを他の軸の位置ゲインよ
りも低減する。もしくは、図示しないが、位置制御系の
後端にリミットを設けて、速度指令を小さく絞っても良
い。このように制御系を低剛性にする場合、重力などの
静的負荷は別途補償しておく。
【００３６】次に、ロボットの現在の状態から一般的に
ヤコビアンと呼ばれる行列式の逆行列である関節座標系
と作業座標系の微小変位の対応関係式を求め、作業座標
系の速度指令から関節座標系における速度指令を算出す
ることが可能である。例えば３自由度のロボットでヤコ
ビアンの逆行列の算出式は以下の式で表される。
ヤコビアンと呼ばれる行列式の逆行列である関節座標系
と作業座標系の微小変位の対応関係式を求め、作業座標
系の速度指令から関節座標系における速度指令を算出す
ることが可能である。例えば３自由度のロボットでヤコ
ビアンの逆行列の算出式は以下の式で表される。
【数３】
・・・・（５）
作業座標系の速度指令を
Ｖ＝［Ｖx，Ｖy，Ｖz］T ・・・（６）
ここで、
Ｖ：速度指令ベクトル
Ｖx，Ｖy，Ｖz：作業座標系での速度指令
関節座標系に変換した関節角速度指令を
ｖ＝［Ｖ1，Ｖ2，Ｖ3］T ・・・（７）
ここで、
Ｖ；関節座標系での速度指令ベクトル
Ｖi：第ｉ軸の関節座標系の速度指令
とおくと、関節座標系での速度指令は以下の関係より求
めることができる。 ｖ＝Ｊ-1Ｖ ・・・（８） よって、ロボットの姿勢の変化に対して（５），（８）
式の演算を行い、（７）式に示される関節制御系におけ
る速度指令と、各関節の角度検出から求められた速度Ｆ
Ｂに基づいて、関節座標系の速度フィードバック制御を
行い、関節座標系でのトルク指令を求める。手首軸の関
節座標系の位置制御ループは、第３の具体的実施例と同
様にする。
めることができる。 ｖ＝Ｊ-1Ｖ ・・・（８） よって、ロボットの姿勢の変化に対して（５），（８）
式の演算を行い、（７）式に示される関節制御系におけ
る速度指令と、各関節の角度検出から求められた速度Ｆ
Ｂに基づいて、関節座標系の速度フィードバック制御を
行い、関節座標系でのトルク指令を求める。手首軸の関
節座標系の位置制御ループは、第３の具体的実施例と同
様にする。
【００３７】次に、図１２に実際のロボットに適用した
制御系の構成を示して、各要素の働きを説明する。ロボ
ットの関節の自由度を６として、Ｊ1〜Ｊ3軸とＪ4〜Ｊ6
軸で動作させる制御方法を分ける。作業座標系における
Ｐ点の位置を制御するＪ1〜Ｊ3軸では、作業座標系の位
置ループ５１と関節座標系での速度ループ５２を構成す
る。作業座標系におけるツールの姿勢を制御するＪ4〜
Ｊ6軸では、関節座標系の位置速度ループ６１を構成す
る。このように、位置と姿勢の制御を分けることで、並
進の柔軟動作を位置の制御で実行し、ツールの姿勢変化
の修正を姿勢の制御で実行することができる。 （１）作業座標系の位置速度ループを構成するため、Ｊ
1〜Ｊ3軸の角度検出値θfb1〜θfb3から順変換式を用
い、作業座標系でのＰ点についての位置ＦＢ（検出値）
を求める。 （２）作業座標系での位置指令と位置ＦＢに基づいて、
作業座標系のＸＹＺ軸方向に位置制御ループを構成す
る。ここで、作業座標系の位置制御ループの出力値は作
業座標系でのＸＹＺ軸方向への速度指令［Ｖx，Ｖy，Ｖ
z］となる。作業座標系の位置制御ループはゲイン低減
手段５３によって、ＸＹＺの何れかの軸に関して制御系
の位置ループゲインを他の軸の位置ゲインよりも低減す
る。もしくは、位置制御系の後端にリミットを設けて、
速度指令自体を小さく絞る。 （３）次に、ロボットの角度ＦＢθfb1〜θfb3から関節
座標系と作業座標系の微小変位の対応関係式を求め、そ
の逆行列式を用いることで、ＸＹＺ軸の作業座標系の速
度指令からＪ1〜Ｊ3軸の関節座標系における速度指令を
算出する。 （４）この速度指令と角度検出値を用いて、関節座標系
５０での速度制御ループ５２を構成し、トルク指令を演
算する。このトルク指令で各関節のモータを制御するこ
とで、作業座標系におけるＰ点の並進の柔軟動作が可能
となる。このとき、重力などの静的負荷は別途補償して
おく。以上の演算は、ロボットを構成している軸に対し
て、手首の位置について作業座標系を構成して並進の柔
軟動作を行うようにしたため、演算量が少なく、実時間
で解くことが可能である。
制御系の構成を示して、各要素の働きを説明する。ロボ
ットの関節の自由度を６として、Ｊ1〜Ｊ3軸とＪ4〜Ｊ6
軸で動作させる制御方法を分ける。作業座標系における
Ｐ点の位置を制御するＪ1〜Ｊ3軸では、作業座標系の位
置ループ５１と関節座標系での速度ループ５２を構成す
る。作業座標系におけるツールの姿勢を制御するＪ4〜
Ｊ6軸では、関節座標系の位置速度ループ６１を構成す
る。このように、位置と姿勢の制御を分けることで、並
進の柔軟動作を位置の制御で実行し、ツールの姿勢変化
の修正を姿勢の制御で実行することができる。 （１）作業座標系の位置速度ループを構成するため、Ｊ
1〜Ｊ3軸の角度検出値θfb1〜θfb3から順変換式を用
い、作業座標系でのＰ点についての位置ＦＢ（検出値）
を求める。 （２）作業座標系での位置指令と位置ＦＢに基づいて、
作業座標系のＸＹＺ軸方向に位置制御ループを構成す
る。ここで、作業座標系の位置制御ループの出力値は作
業座標系でのＸＹＺ軸方向への速度指令［Ｖx，Ｖy，Ｖ
z］となる。作業座標系の位置制御ループはゲイン低減
手段５３によって、ＸＹＺの何れかの軸に関して制御系
の位置ループゲインを他の軸の位置ゲインよりも低減す
る。もしくは、位置制御系の後端にリミットを設けて、
速度指令自体を小さく絞る。 （３）次に、ロボットの角度ＦＢθfb1〜θfb3から関節
座標系と作業座標系の微小変位の対応関係式を求め、そ
の逆行列式を用いることで、ＸＹＺ軸の作業座標系の速
度指令からＪ1〜Ｊ3軸の関節座標系における速度指令を
算出する。 （４）この速度指令と角度検出値を用いて、関節座標系
５０での速度制御ループ５２を構成し、トルク指令を演
算する。このトルク指令で各関節のモータを制御するこ
とで、作業座標系におけるＰ点の並進の柔軟動作が可能
となる。このとき、重力などの静的負荷は別途補償して
おく。以上の演算は、ロボットを構成している軸に対し
て、手首の位置について作業座標系を構成して並進の柔
軟動作を行うようにしたため、演算量が少なく、実時間
で解くことが可能である。
【００３８】
【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、下記
の効果を奏する。 （１）各関節の制御系を従来の高剛性の位置速度ループ
と低剛性の位置速度ループとに分け、外力によって低剛
性の関節軸で変位した関節角度と予め記憶されたツール
の初期姿勢から、ロボットベースに対するツール姿勢を
一定に保つように高剛性な関節軸への角度修正量を実時
間で演算することで、専用ツールや力センサが不要で演
算量も格段に少なくて良く、作業座標系でのツール姿勢
を一定に保った並進の柔軟制御を行うことができる。 （２）従来は必要であった力センサやスライダなどのメ
カ的な機構が不要になり、ロボットの可搬重量も減少さ
せることもなく、教示作業も楽に、作業座標系での並進
の柔軟制御を非常に簡単に実現できる。 （３）更に、関節座標系と作業座標系でそれぞれ位置，
速度の状態フィードバックループを組み、関節角の位置
の情報を用いた関節座標系と作業座標系の静力学対応関
係式を用い、両制御系の出力を組み合わせることで、外
部より作用する力に対して作業座標系座標系上である特
定の方向にのみ先端の作業位置の動作を正確に制限で
き、ロボットベースに対するツールの初期姿勢を保った
ままで、並進の柔軟制御を非常に簡単な演算を解くこと
で容易に実現できる。 （４）また、ロボットの各関節の制御系を手首の位置を
制御する作業座標系でのフィードバックループと手首の
姿勢を制御する関節座標系でのフィードバックループに
分け、作業座標系における特定の軸のゲインを低減する
こと、又はリミットを設けることで、専用ツールや力セ
ンサが不要で演算量も格段に少なくて良く、作業座標系
での並進の柔軟制御を行うことができる。
の効果を奏する。 （１）各関節の制御系を従来の高剛性の位置速度ループ
と低剛性の位置速度ループとに分け、外力によって低剛
性の関節軸で変位した関節角度と予め記憶されたツール
の初期姿勢から、ロボットベースに対するツール姿勢を
一定に保つように高剛性な関節軸への角度修正量を実時
間で演算することで、専用ツールや力センサが不要で演
算量も格段に少なくて良く、作業座標系でのツール姿勢
を一定に保った並進の柔軟制御を行うことができる。 （２）従来は必要であった力センサやスライダなどのメ
カ的な機構が不要になり、ロボットの可搬重量も減少さ
せることもなく、教示作業も楽に、作業座標系での並進
の柔軟制御を非常に簡単に実現できる。 （３）更に、関節座標系と作業座標系でそれぞれ位置，
速度の状態フィードバックループを組み、関節角の位置
の情報を用いた関節座標系と作業座標系の静力学対応関
係式を用い、両制御系の出力を組み合わせることで、外
部より作用する力に対して作業座標系座標系上である特
定の方向にのみ先端の作業位置の動作を正確に制限で
き、ロボットベースに対するツールの初期姿勢を保った
ままで、並進の柔軟制御を非常に簡単な演算を解くこと
で容易に実現できる。 （４）また、ロボットの各関節の制御系を手首の位置を
制御する作業座標系でのフィードバックループと手首の
姿勢を制御する関節座標系でのフィードバックループに
分け、作業座標系における特定の軸のゲインを低減する
こと、又はリミットを設けることで、専用ツールや力セ
ンサが不要で演算量も格段に少なくて良く、作業座標系
での並進の柔軟制御を行うことができる。
【図１】 本発明の第１の基本構成を示すブロック図で
ある。
ある。
【図２】 本発明の第１の具体的実施例を示すブロック
図である。
図である。
【図３】 本発明の第１の作用を示すスケルトン図であ
る。
る。
【図４】 本発明の第２の手段の基本構成を示すブロッ
ク図である。
ク図である。
【図５】 本発明の第２の具体的実施例を示すブロック
図である。
図である。
【図６】 本発明の第２の作用を示すスケルトン図であ
る。
る。
【図７】 本発明のアプリケーション適用例を示す説明
図である。
図である。
【図８】 本発明の第３の手段の基本構成を示すブロッ
ク図である。
ク図である。
【図９】 本発明の第３の基本構成を示すブロック図で
ある。
ある。
【図１０】 本発明の第３の具体的実施例を示すブロッ
ク図である。
ク図である。
【図１１】 本発明の第４の手段の基本構成を示すブロ
ック図である。
ック図である。
【図１２】 本発明の第４の具体的実施例を示すブロッ
ク図である。
ク図である。
【図１３】 従来の制御方式を示すブロック図である。
１０ ゲイン低減手段、１１ ツール初期姿勢記憶手
段、１２ 修正量演算手段、１３ 作業座標系の位置速
度ループ、１４ 静力学対応関係式演算部、１５順変換
部、２１ ロボット、２２ 手首、２３ ワーク、２４
ハンド、２５ピストン、２６ 鋳型、３０ 直交座標
系の位置速度制御系、３１ 作業座標系の位置速度ルー
プ、３２ ゲイン低減手段、４０ 関節座標系の位置速
度制御系、４１ 関節座標系の位置速度ループ、４２
ゲイン低減手段、５０ 基本軸の制御系、５１ 直交座
標系の位置ループ、５２ 関節座標系での速度ループ、
５３ ゲイン低減手段、６０ 手首軸の制御系、６１
関節座標系の位置速度ループ、６２ ゲイン低減手段
段、１２ 修正量演算手段、１３ 作業座標系の位置速
度ループ、１４ 静力学対応関係式演算部、１５順変換
部、２１ ロボット、２２ 手首、２３ ワーク、２４
ハンド、２５ピストン、２６ 鋳型、３０ 直交座標
系の位置速度制御系、３１ 作業座標系の位置速度ルー
プ、３２ ゲイン低減手段、４０ 関節座標系の位置速
度制御系、４１ 関節座標系の位置速度ループ、４２
ゲイン低減手段、５０ 基本軸の制御系、５１ 直交座
標系の位置ループ、５２ 関節座標系での速度ループ、
５３ ゲイン低減手段、６０ 手首軸の制御系、６１
関節座標系の位置速度ループ、６２ ゲイン低減手段
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 榑林 敏之
福岡県北九州市八幡西区黒崎城石２番１
号 株式会社安川電機内
(56)参考文献 特開 平８−174470（ＪＰ，Ａ)
特開 平８−227320（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
B25J 13/00
Claims (10)
- 【請求項１】 関節を駆動するモータを、位置及び速度
の状態フィードバックループを持つ制御回路で制御する
ロボットの制御装置において、 ロボットの関節角度を計測する手段と、 ロボットの手先先端に取り付けたツールの初期姿勢を記
憶する手段と、 特定の関節軸の位置ゲイン又は速度ゲインを他の関節軸
の位置ゲイン又は速度ゲインより小さく設定する手段
と、 前記関節角度とツールの初期姿勢から、逆変換式を用い
ることでロボットベースに対するツール姿勢を一定に保
つように位置又は速度指令への修正量を演算し、 前記修正量を上位からの位置指令又は速度指令に加算す
る 手段とを有することを特徴とするロボットの制御装
置。 - 【請求項２】 関節を駆動するモータを、位置及び速度
の状態フィードバックループを持つ制御回路で制御する
ロボットの制御装置において、 ロボットの関節角度を計測する手段と、 ロボットの手先先端に取り付けたツールの初期姿勢を記
憶する手段と、 前記関節角度に基づいて座標系間の静力学対応関係を演
算する手段と、 前記関節角度とロボットの作業座標系での位置指令に基
づいて前記制御回路とは別の第２の位置、速度状態フィ
ードバック制御を行う手段と、 前記第２のフィードバック制御系における特定の軸の位
置ゲイン又は速度ゲインを他の関節軸の位置ゲイン又は
速度ゲインより小さく設定する手段と、 前記静力学対応関係を用いることにより前記第２のフィ
ードバック制御系の出力値を関節角トルク値に変換する
手段と、 前記第２のフィードバック制御系の関節角トルク値を、
前記第１のフィードバック制御系の出力値に加算する手
段と、 前記関節角度と前記ツールの初期姿勢から、逆変換式を
用いることでロボットベースに対するツール姿勢を一定
に保つように位置又は速度指令への修正量を演算し、前
記修正量を上位からの位置指令又は速度指令に加算する
手段とを有することを特徴とするロボットの制御装置。 - 【請求項３】 前記特定の関節軸の位置ゲイン又は速度
ゲインを小さく設定する代わりに速度制御器の後段にト
ルクリミットを設ける手段を有することを特徴とする請
求項１または２記載のロボットの制御装置。 - 【請求項４】 ロボットの手首の位置と姿勢を制御する
モータの制御装置において、前記手首の位置の制御を作
業座標の制御系で行う手段と、前記手首の姿勢の制御を
関節座標の制御系で行う手段とを有することを特徴とす
る請求項１または２記載のロボットの制御装置。 - 【請求項５】 前記作業座標の制御系は、 ロボットの関節角度を計測する手段と、 前記関節角度に基づいて座標系間の静力学対応関係を演
算する手段と、 前記関節角度とロボットの作業座標系での位置指令に基
づいて作業座標系において位置と速度の状態フィードバ
ック制御を行う手段と、 前記静力学対応関係を用いることにより前記フィードバ
ック制御系の出力値を関節座標系の関節角トルク指令に
変換する手段を有することを特徴とする請求項４記載の
ロボットの制御装置。 - 【請求項６】 前記作業座標系の位置，速度の状態フィ
ードバック制御における特定の軸の位置ゲイン又は速度
ゲインを他の軸の位置ゲイン又は速度ゲインより小さく
設定する手段を有することを特徴とする請求項５記載の
ロボットの制御装置。 - 【請求項７】 前記作業座標系の位置，速度の状態フィ
ードバック制御における特定の軸の位置ゲイン又は速度
ゲインを小さく設定する代わりに速度制御器の後段にリ
ミットを設ける手段を有することを特徴とする請求項５
記載のロボットの制御装置。 - 【請求項８】 前記作業座標の制御系は、 ロボットの関節角度を計測する手段と、 前記関節角度に基づいて座標系間の微小変位の対応関係
を演算する手段と、 前記関節角度とロボットの作業座標系での位置指令に基
づいて作業座標系において位置の状態フィードバック制
御を行う手段と、 前記微小変位の対応関係を用いることにより前記位置の
フィードバック制御系の出力値を関節座標系の速度指令
に変換する手段と、 前記速度指令と前記関節角度に基づいて関節座標系にお
いて速度の状態フィードバック制御を行う手段を有する
ことを特徴とする請求項４記載のロボットの制御装置。 - 【請求項９】 前記作業座標系の位置の状態フィードバ
ック制御における特定の関節軸の位置ゲインを他の軸の
位置ゲインより小さく設定する手段を有することを特徴
とする請求項８記載のロボットの制御装置。 - 【請求項１０】 前記作業座標系の位置の状態フィード
バック制御における特定の関節軸の位置ゲインを小さく
設定する代わりに位置制御器の後段にリミットを設ける
手段を有することを特徴とする請求項８記載のロボット
の制御装置。
Priority Applications (6)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP33878999A JP3473834B2 (ja) | 1999-11-29 | 1999-11-29 | ロボットの制御装置 |
| US10/130,283 US6919701B2 (en) | 1999-11-29 | 2000-11-29 | Robot controller |
| EP00978030A EP1234641A4 (en) | 1999-11-29 | 2000-11-29 | ROBOT CONTROL UNIT |
| CNB008186863A CN1283426C (zh) | 1999-11-29 | 2000-11-29 | 机器人的控制装置 |
| PCT/JP2000/008463 WO2001038048A1 (fr) | 1999-11-29 | 2000-11-29 | Unite de commande de robot |
| KR1020027006911A KR100629469B1 (ko) | 1999-11-29 | 2000-11-29 | 로봇 제어장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP33878999A JP3473834B2 (ja) | 1999-11-29 | 1999-11-29 | ロボットの制御装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001157975A JP2001157975A (ja) | 2001-06-12 |
| JP3473834B2 true JP3473834B2 (ja) | 2003-12-08 |
Family
ID=18321495
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP33878999A Expired - Fee Related JP3473834B2 (ja) | 1999-11-29 | 1999-11-29 | ロボットの制御装置 |
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| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6919701B2 (ja) |
| EP (1) | EP1234641A4 (ja) |
| JP (1) | JP3473834B2 (ja) |
| KR (1) | KR100629469B1 (ja) |
| CN (1) | CN1283426C (ja) |
| WO (1) | WO2001038048A1 (ja) |
Cited By (1)
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