JP4134369B2 - Robot control device - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、産業用ロボットの制御装置に係り、特に作業座標系での力，トルク設定値を基に関節を駆動するサーボモータの発生力を制御することで、作業座標系での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９に示すような位置，速度制御系にて制御が行われていた。つまり、位置指令９０が与えられると、減算器９１ａにおいて位置帰還値との位置偏差が算出され、位置ゲイン器９２のゲインＫp で速度変換され、減算器９１ｂで位置帰還を時間微分した帰還速度との速度偏差が求められ、さらに速度ゲイン器９３のゲインＫv を係数され、かつ積分器９５ａとそれに並列接続された比例増幅器９５ｂとの両者の出力を加算器９１ｃで加え、アンプ９６を経て駆動出力となり、ロボットの関節モータ９７を駆動し、このときロボットの駆動に基づく外部からの外力９９をも受入れて、ロボットの位置変位を検出し、先の位置及び速度の負帰還回路を閉じて、位置指令９０の導入からそれに従ったロボットの位置変位がなされる構成となっている。
【０００３】
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、ワークの位置ずれ等があると、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進行が困難になる。このような問題に対して作用力を吸収するフロート装置やＲＣＣ［Remote Center Compl-iance ］などの専用の機械的治具や、力センサを用いた力制御方式が行われていた。
また、近年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号公報の様にサーボゲインを低下する方式、さらにまた特開平7-20941 号公報に示すように作業座標系での柔らかさの設定が可能な方式が開示さている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、専用治具や力センサを付加する方式ではコストが増大すると言う問題点があった。また、特開平6-332538号公報の手段ではサーボゲインを低減する方式が用いられているが、これらの方式では複数のサーボゲインを、ある関係を保ちながら調整する必要がある。さらに、サーボ偏差が増大するとサーボモータの発生トルクが比例的に増大するため、外界から作用する機械等のストロークが大きな場合に対応できない。
さらにまた、特開平7-20941 号公報に示す装置では、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、演算関係式が煩雑となり演算負荷が大きく、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、関節角と作業座標系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等の問題点を有している。
そこで本発明は、１自由度で１つの姿勢の柔軟性設定と、ストロークの大きな変化が可能で、しかも作業座標系での位置，速度の状態フィードバックループと単純な座標変換で、作業座標系における柔軟制御を行うロボットの制御装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記問題を解決するため、本発明の請求項１の発明は、ロボットの関節を駆動するモータについて関節座標系における位置、速度の状態フィードバック制御を行う第１のフィードバック制御系を備えたロボットの制御装置において、前記ロボットの関節角度を計測する位置検出手段と、前記関節角度と前記ロボットの作業座標系における位置指令とに基づいて前記作業座標系における位置、速度の状態フィードバック制御を行う第２のフィードバック制御系と、前記関節角度を基に前記作業座標系と前記関節座標系との間の微小変位対応関係の転置行列を演算する手段と、前記第２のフィードバック制御系が出力する前記作業座標系における力およびトルク指令に前記微小変位対応関係の転置行列を乗じて前記関節座標系におけるトルクに変換する手段と、前記変換されたトルクを前記第１のフィードバック制御系のトルク指令に加算する手段を有することを特徴とするロボットの制御装置である。
【０００６】
本発明の請求項２の発明は、前記第２のフィードバック制御系は、前記作業座標系における力およびトルク指令の前記変換手段に対する出力を前記作業座標系の軸方向ごとに有効または無効にする選択手段を備えることを特徴とする請求項１に記載のロボットの制御装置である。
【０００７】
本発明の請求項３の発明は、前記作業座標系における力もしくはトルクの制限値を設定することによって前記ロボットが外力に対して柔軟に動作する方向を決定する柔軟性設定手段と、前記柔軟性設定手段で設定した前記作業座標系における力もしくはトルクの制限値に前記微小変位対応関係の転置行列を乗じることにより、前記関節座標系の関節角トルク制限値を算出するトルク制限値演算手段を備え、前記第１のフィードバック制御系のトルク指令を前記トルク制限値演算手段によって算出した前記関節角トルク制限値に制限するトルク制限器を備えることを特徴とする請求項１に記載のロボットの制御装置。
【０００８】
本発明の請求項４の発明は、前記作業座標系における力もしくはトルクの制限値を設定することによって前記ロボットが外力に対して柔軟に動作する方向を決定する柔軟性設定手段と、前記柔軟性設定手段で設定した前記作業座標系における力もしくはトルクの制限値に前記微小変位対応関係の転置行列を乗じることにより、前記関節座標系の関節角トルク制限値を算出するトルク制限値演算手段を備え、前記トルク制限値演算手段によって算出した前記関節角トルク制限値に適応するように前記第１のフィードバック制御系の位置ゲインおよび速度ゲインを変更するゲイン演算器を備えることを特徴とする請求項１に記載のロボットの制御装置である。
【０００９】
本発明の請求項５の発明は、前記微小変位対応関係の転置行列を演算する手段は、前記位置検出手段によって計測された前記ロボットの関節角度の代わりに、関節角度指令値を用いることにより、前記作業座標系と関節座標系との微小変位対応関係を求めることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のロボットの制御装置である。
【００１０】
本発明によれば、関節座標系の位置速度ループに作業座標系の位置速度ループを併用した回路構成にし、ロボットの作業座標系の方向によって処理を分け、柔軟に動作する方向には関節座標系の位置速度ループが働き、動作制御する方向には作業座標系の位置速度ループを働かせることにし、作業座標系の位置速度ループの出力の力トルク指令はヤコビ転置行列（両座標系間の微小変位対応関係）を用いて関節座標系のトルク指令に変換して、関節座標系の位置速度ループのトルク指令に加算し、ロボットの作業座標系で設定した１方向にのみロボット姿勢の柔軟動作を円滑に行わせるという、特段の効果を奏することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
［実施の形態１］以下、本発明の実施の形態１を図１及び図５に示して説明する。全ての図面において、同一符合は同一若しくは相当部材を表す。図１は本発明の一つの基本的回路構成を示すブロック図である。関節座標系を示す第１軸制御系ないし第ｍ軸制御系において位置指令１０が入力されると、関節座標系［例えば第１軸制御系］の位置速度ループ１において第１のトルク指令１９が導出され、加算器２で第２のトルク指令２５が加算されて、サーボアンプ３を経て関節を駆動するサーボモータ４を駆動する。その駆動による位置変位・関節角度情報は計測手段・位置検出器５で検出され、その検出関節角度情報は、一方で関節座標系の位置速度ループ１に負帰還され、他方で一般的にヤコビアンＪと呼ばれる座標系間［関節座標系〜作業座標系間］の微小変位関係の転置行列Ｊ T を演算するＪT の演算手段６と、順変換器７を経て作業座標系へ与えられる。
【００１２】
それから、先の関節角度（位置検出器５の検出値を順変換器７を介してもたらされる）と作業座標系［例えばＸ軸制御系］での位置指令１０を基に、作業座標系において位置速度ループ１とは別の第２のフィードバック制御手段［作業座標系の位置速度ループ８］を備える。
さらに、作業座標系の位置速度ループ８の出力値をＪT の演算手段６を用いることにより、関節角トルク値［第２のトルク指令値２５］に変換する手段を有する。そして、第２のトルク指令値２５を第１のトルク指令値１９に加算する手段を経て修正トルク指令値２０が得られ、ロボットの姿勢制御を柔軟に行うようにしている。
【００１３】
図５は、通常の関節座標系での位置速度制御系に本発明の柔軟制御を適用した実施の形態１の具体的な制御ブロック線図を示している。
関節座標系［第１軸制御系以下第ｍ軸制御系］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。
通常の関節座標系での位置速度制御状態では位置制御ループおよ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作業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制限しにくい。これは各関節軸毎の減速比やゲインの大きさ、ロボットの姿勢によっている。
【００１４】
そこで、本発明の柔軟制御は関節座標系の他に作業座標系［Ｘ軸制御系以下ｎ軸制御系］における位置速度制御系を併用して組むことで、作業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制限するものである。
以下に、作業座標系の位置制御ループの構成を述べる。
関節座標系における位置制御ループ１上の位置フィードバックθ1 〜θn ［位置検出器５の検出値］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、作業座標系での位置フィードバック［ｘ，ｙ，ｚ］及び回転フィードバック［φ，θ，ψ］に変換する手段が順変換器７にて行われる。
【００１５】
これらの位置（位置指令１０）及び回転情報（θ1 〜θn ) と作業座標系のＸＹＺ軸回りに位置回転指令を元に、作業座標系のＸＹＺ軸方向及びＸＹＺ軸回りに位置速度制御ループ８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８の出力値は作業座標系でのＸＹＺ軸方向への力指令及びＸＹＺ軸回りのトルク指令２４である。作業座標系の位置速度制御ループ８の出力部分には各軸に制御出力の有効／無効の選択手段２３があり、ＸＹＺ軸方向及びＸＹＺ軸回りのある特定な方向の出力を制限することが可能である。
【００１６】
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方向へのみ先端の作業位置の動作を制限する場合は、特定方向の出力を無効にし、それ以外への方向の出力は有効にする。これにより、特定の方向に対しては位置偏差を許容し、それ以外の方向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関節座標系と作業座標系の微小変位関係式を求め、その転置行列を用いることで、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算出することが可能である。例えば６自由度のロボットでヤコビアンの算出式は下記の式で表される。
【００１７】
【数１】
【００１８】
ここで、
Ｊはヤコビアン（作業座標系と関節座標系の微小変位関係式）
0ｓi は第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）
0Ｐi は第ｉ関節位置ベクトル（ロボットのベース座標基準）
Ｘはベクトルの外積を示す
ｒはロボットの作業位置ベクトル
従って、作業座標系の出力値を
Ｆ＝［Ｆx,Ｆy,Ｆz,τx,τy,τz ］T ………………………………式（２）
ここで、
Ｆは力，トルクベクトル
Ｆx,Ｆy,Ｆz は作業座標系での力
τx,τy,τz は作業座標軸回りのトルク
Ｔは行列の転置を表す
関節座標系に変換した関節角トルク値を
τ＝［τ1,τ2,τ3,τ4,τ5,τ6 ］T ………………………………式（３）
ここで、
τは関節座標系でのトルクベクトル
τi は第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＝ＪT Ｆ ………………………………式（４）
【００１９】
よって、ロボットの姿勢の変化に対して式（１），式（４）の演算を行い、関節制御系におけるトルク指令に、式（３）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動作制限を有したロボットの柔軟制御系を構成することができる。この演算がＪT の演算手段６において行われる。
例えば、作業座標系のＸ軸方向の制御系の出力を制御出力の選択手段２３により無効にし、ＹＺ軸方向帯ＸＹＺ軸回りの制御系の出力は有効にした場合、ロボット先端の作業位置の動作はＸ軸方向には自由に動作することができるが、Ｘ軸方向以外へは作業座標系の位置速度ループの働きにより偏差が生じないように力を発生させるために動作が規制される。または、Ｘ軸方向の制御系の位置入力を固定値にすることで、Ｘ軸に垂直な平面内にロボット先端の作業位置の動作が制限できる。
【００２０】
図８は、本発明の柔軟制御系を２自由度スカラ型のロボットに適用した場合の動作状態を表す説明図である。
ここでは、Ｘ軸方向に柔らかく、Ｙ軸方向には堅く設定されている。Ｙ軸方向に外力が働く場合には、作業座標系の位置速度制御ループにより位置偏差が生じないよう力が発生するため、ロボットの先端がＹ軸方向には動作し難くなる。
また、Ｘ軸方向に外力が働く場合には、Ｘ軸方向への力の設定をヤコビアンにより関節制御系のトルク制限に変換し、制限を行うことでＸ方向の柔軟性を持たせており、結果としてロボット先端はＸ方向のみ動作する。
【００２１】
なお、図５において、２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄは減算器、９は係数器、３１，３３は時間微分器、１１は関節座標系での位置制御ゲイン（Ｋp1）器、１２は関節座標系での速度制御ゲイン（Ｋv1）器、２１は作業座標系での位置制御ゲイン（Ｋp2）器、２２は作業座標系での速度制御ゲイン（Ｋv2）器、１４は外力補償器、１５はトルク変換定数器、１６と３２はサーボモータ４等でのイナーシャＪs と動摩擦係数Ｄで示す１次遅れ回路と積分回路である。
【００２２】
［実施の形態２］以下、本発明の具体的な実施の形態２を図２及び図６に示して説明する。図２は本発明の他の基本的回路構成を示すブロック図である。この実施の形態２は、先に説明した図１及び図５の手段において、関節座標系を駆動するサーボモータ３のトルクを制御する手段を設けるとともに、新たに作業座標系で設定した力もしくはトルクの制限値をヤコビアンの転置行列を用いることにより関節角トルク制限値に変換する手段［作業座標系での柔軟性の設定２６にＪT の演算手段６の出力を係数器９ｂで関与させて、トルク制限値２７を演算し、かつトルク制限器１３を介在させる手段］を有する。
【００２３】
次に、この実施の形態２の具体的な回路構成を図６に示して説明する。
通常の位置制御状態では位置制御ループおよび速度制御ループの作用によって、外部より作用する力により変位が生じにくい。これは外部より印加される力により指令値との偏差が大きく設定されたゲイン倍されてモータトルクが発生されることによる。
ここで、発生トルクをトルク指令の段階で制限を行うことで外部から作用する力に対して、ロボットが柔軟な動作を行うことができる。すなわち制限しているトルクより大きなトルクが外部から作用した場合、ロボットの関節は作用力に対して柔軟な運動始めることになる。ここで設定しているトルクの制限値は関節座標系でのトルクの制限値である。従って、先端の作業位置での力とトルクの制限はロボットの姿勢に依存してしまう。
【００２４】
そこで、先の第１の具体的実施の形態１で述べたのと同様に、上記ヤコビアンの転置行列を算出することにより、作業座標系における力とトルクの制限値から関節座標系におけるトルクの制限値を算出することが可能である。例えば作業座標系での力とトルク制限値を
Ｆlim ＝［Ｆx lim , Ｆy lim , Ｆz lim , τx lim , τy lim , τz lim ］
……………………………式（５）
ここで
Ｆlim は力，トルク制限値ベクトル
Ｆn lim は作業座標系第ｎ軸での力制限値
τn lim は第ｎ作業座標軸回りのトルク制限値
また、関節座標系のトルクの制限値を
τlim ＝［τlim1, τlim2 ,τlim3 ,τlim4 ,τlim5 ,τlim6］
……………………………式（６）
ここで、
τlim は関節制御系でのトルク制限ベクトル
τlimiは第ｉ軸の関節制御系のトルク
とおくと、関節制御系のトルク制限値は以下の関係より求めることができる。
τlim ＝ＪT Ｆlim ………………………………式（７）
ロボットの姿勢の変化に対して式（１），式（７）の演算を行い、常に関節トルクの制限値を求めていく。
【００２５】
関節制御系において式（６）のトルク制限値によって制限を受けた出力トルクに、上記第１の方法と同様に作業座標系から求められた関節角トルク値を加算することで、ロボットの全動作領域で式（５）に示される力，トルクの制限値を有したロボットの柔軟性のある制御系を構成することができる。すなわち、作業座標系と関節座標系の両方で位置速度制御ループ８と１を組むことで、作業座標系で柔らかく設定した方向には関節座標系の位置速度制御ループ１でトルク制限された柔軟性を有するように作用し、それ以外の方向には作業座標系の位置速度制御ループ８が位置偏差を生じないように作用する。なお、９ｂは係数器２８はゲイン演算器、１３は関節座標系でのトルク制限器、２６は作業座標系での柔軟性の設定（Ｆx , Ｆy , Ｆz , τx , τy , τz )手段を示す。
【００２６】
［実施の形態３］
また次に、本発明の具体的な実施の形態３を図３及び図７に示して説明する。図３は本発明の別の基本的回路構成を示すブロック図である。
これは、作業座標系での柔軟性を設定する手段２６により、関節制御系の位置速度ループ１によるフィードバック制御の位置ゲインＫp1，速度ゲインＫv1を変更する手段を有するようにしている。
【００２７】
これは、トルクの制限値２７を基にし、第１のフィードバック制御の位置ゲインＫp1，速度ゲインＫv1を、ゲイン演算器２８を介して位置ゲイン２９と速度ゲイン３０とし、それぞれ位置制御ゲイン１７と速度制御ゲイン１８へ関与させてそれぞれを変更することで、任意の柔軟性を作業座標系で実行することが可能である。
なお、位置制御ゲイン器１７，速度制御ゲイン器１８は可変である。
このようにして、先の具体的実施の形態２で述べたのと同様に、ロボットの姿勢の変位に対して式（１），式（４），式（７）の演算を行い、常に作業座標系での位置速度ループ８からのトルク指令と関節座標系でのトルク制限値を求めるようにしている。
【００２８】
［実施の形態４］
さらにまた、本発明の具体的な実施の形態４を図４示して説明する。
図４は本発明のさらに別の基本的回路構成を示すブロック図である。
先に説明した具体的実施の形態１，実施の形態２及び実施の形態３において、関節座標系と作業座標系の微小変化の静力学関係式であるヤコビアンを求める際に第１のフィードバックループの位置指令を用いている。
式（１）はロボットの姿勢により変化する値であり、特異点の近傍では急激な変化を示すが、一般的に各要素の値はサーボの演算を行うＣＰＵのサンプリング速度に比較すると変化は遅い。従って式（１）の演算負荷は小さく抑えることが可能であり、ロボットの姿勢変化に伴う実時間演算を行うことが可能である。
【００２９】
作業座標系での柔軟性は式（５）の制限値のみにより決定される。すなわち１自由度に対して１個に変数を決めることで柔軟性を制御することができる。
また、ロボットが発生する力，トルクは変位に比例することがないため、外部から作用する機械類のストロークが大きな場合にロボットが変化することが可能である。
このようにして、本発明は全ての実施の形態に示すようにロボットの姿勢制御において、従来手段にない円滑な柔軟性を備え、自由自在に必要に応じた柔軟性を帯びた姿勢挙動が可能になるという顕著な効果を持つ。
【００３０】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、関節座標系と作業座標系でそれぞれ位置，速度の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微小変位関係式であるヤコビアンによる座標変換を用い、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上である特定の方向にのみ先端の作業位置を正確に制限でき、その方向への柔軟制御を容易に実現できるという効果がある。
その場合，１自由度で１つの変数の設定することが可能であるため教示者の負担が減り、また変換式自体が簡単なためリアルタイムに作業座標系の演算を実行できるという副次的な卓越した効果を持つ。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一つの基本回路構成を示すブロック図
【図２】本発明の他の基本回路構成を示すブロック図
【図３】本発明の別の基本回路構成を示すブロック図
【図４】本発明のさらに別の基本回路構成を示すブロック図
【図５】本発明の実施の形態１［図１］における具体的の回路構成を示すブロック図
【図６】本発明の実施の形態２［図２］における具体的の回路構成を示すブロック図
【図７】本発明の実施の形態３［図３］における具体的の回路構成を示すブロック図
【図８】本発明の柔軟制御系を２自由度スカラ型のロボットに適用した場合の動作状態を表す説明図
【図９】従来の制御方式の回路構成を示すブロック図
【符号の説明】
１ 関節座標系の位置速度ループ
２，９１ｃ 加算器
２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，９１ａ，９１ｂ 減算器
３ サーボアンプ
４ サーボモータ
５，９８ 位置検出器
６ ＪT の演算手段
７ 順変換器
８ 作業座標系の位置速度ループ
９，９ａ，９ｂ 係数器
１０ａ，１０ｂ 位置指令
１１ 関節座標系での位置制御ゲイン器
１２ 関節座標系での速度制御ゲイン器
１３ 関節座標系でのトルク制限器
１４ 外力補償器
１５ トルク変換定数器
１６ １次遅れ回路でＪはイナーシャ、Ｄは摩擦係数
１７ 関節座標系での可変位置制御ゲイン器
１８ 関節座標系での可変速度制御ゲイン器
１９ 第１のトルク指令
２０ 修正トルク指令
２１ 作業座標系での位置制御ゲイン器
２２ 作業座標系での速度制御ゲイン器
２３ 作業座標系での制御出力の有効／無効の選択手段
２４ 力及びトルク指令
２５ 第２のトルク指令
２６ 作業座標系での柔軟性の設定手段
２７ トルク制限値
２８ ゲイン演算器
２９ 位置ゲイン
３０ 速度ゲイン
３１，３２，３３，３４，９４ 時間微分器
９２ 位置ゲイン器
９３ 速度ゲイン器
９５ａ 積分器
９５ｂ 比例増幅器
９６ アンプ
９７ 関節モータ
９９ 外力
１０１ 第１のフィードバックループ
１０２ 第２のフィードバックループ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a control device for an industrial robot, and in particular, by controlling the generated force of a servo motor that drives a joint based on the force and torque setting values in the work coordinate system, the characteristics in the work coordinate system are separately provided. The present invention relates to a robot control device that can be added.
[0002]
[Prior art]
Conventional robots are controlled by a position and speed control system as shown in FIG. That is, given a position command 90, the position deviation between the position feedback value in the subtracter 91a is calculated, the speed conversion by the gain K p of the position gain 92, a feedback speed obtained by differentiating the position feedback subtractor 91b Time speed deviation is determined with further been coefficients gain K v of the velocity gain 93, and both the output of the integrator 95a and a proportional amplifier 95b connected in parallel thereto is added at the adder 91c, via an amplifier 96 It becomes a driving output, drives the joint motor 97 of the robot, accepts the external force 99 from the outside based on the driving of the robot at this time, detects the position displacement of the robot, closes the negative feedback circuit of the previous position and speed Since the position command 90 is introduced, the robot is displaced according to the position command 90.
[0003]
When performing work that involves contact with the workpiece in such a control system, if there is a displacement of the workpiece, large torque is generated by the action of the gain and integrator that are set to increase rigidity. Therefore, the progress of work becomes difficult. For such a problem, a dedicated mechanical jig such as a float device or RCC [Remote Center Compl-iance] that absorbs the acting force, or a force control method using a force sensor has been performed.
In recent years, as a method for performing flexible control without adding a special device to a robot, a method for reducing servo gain as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 6-332538, and further as shown in Japanese Patent Laid-Open No. 7-20941. Discloses a method capable of setting the softness in the working coordinate system.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the method of adding a dedicated jig or force sensor has a problem that the cost increases. Further, in the means of Japanese Patent Laid-Open No. 6-332538, a method for reducing the servo gain is used. However, in these methods, it is necessary to adjust a plurality of servo gains while maintaining a certain relationship. Furthermore, when the servo deviation increases, the torque generated by the servomotor increases proportionally, and therefore it cannot cope with a large stroke of a machine or the like acting from the outside.
Furthermore, in the apparatus disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-20941, a method for controlling the flexibility in the work coordinate system is disclosed, but the gain is obtained by matching the displacement of the joint coordinate system with the displacement of the work coordinate system. Therefore, the calculation relational expression becomes complicated and the calculation load is large, and the gain cannot be continuously obtained with respect to the change in the posture of the robot. In particular, in a robot posture in which the change rate of the correspondence relationship between the joint angle and the work coordinate system is large, such as in the vicinity of a singular point, the calculation load of the CPU increases. In addition, since real-time calculation cannot be performed with respect to changes in the posture of the robot and continuous gain calculation is difficult, there is a problem that the softness of the robot varies greatly depending on the posture of the robot.
Therefore, the present invention allows a flexible setting of one posture and a large change in stroke in one degree of freedom, and further, a position and speed state feedback loop in the working coordinate system and simple coordinate transformation, and in the working coordinate system. An object of the present invention is to provide a robot control apparatus that performs flexible control.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, in order to solve the above problem, the invention of claim 1 of the present invention is provided with a first feedback control system that performs a state and speed state feedback control in a joint coordinate system for a motor that drives a joint of a robot. In the robot control device, position / velocity state feedback control in the work coordinate system is performed based on position detection means for measuring the joint angle of the robot, and a position command in the work coordinate system of the robot. A second feedback control system; means for calculating a transposition matrix of a minute displacement correspondence between the work coordinate system and the joint coordinate system based on the joint angle; and the second feedback control system outputs in the joint coordinate system by multiplying the transposed matrix of said small displacement correspondence relation to the force and torque command at the work coordinate system Means for converting the torque, which is a control apparatus for a robot, characterized in that it comprises a means for adding the converted torque to the torque command of the first feedback control system.
[0006]
Selection of invention of claim 2 of the present invention, the second feedback control system, to enable or disable the output to the conversion means of the force and the torque command at the work coordinate system for each axial direction of the work coordinate system The robot control apparatus according to claim 1, further comprising: means.
[0007]
According to a third aspect of the present invention, there is provided a flexibility setting means for determining a direction in which the robot operates flexibly with respect to an external force by setting a limit value of force or torque in the work coordinate system, and the flexibility. Torque limit value calculating means for calculating a joint angle torque limit value of the joint coordinate system by multiplying the limit value of the force or torque in the work coordinate system set by the setting means by the transpose matrix of the minute displacement correspondence relationship. 2. The robot control apparatus according to claim 1, further comprising a torque limiter that limits a torque command of the first feedback control system to the joint angle torque limit value calculated by the torque limit value calculation means. .
[0008]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a flexibility setting means for determining a direction in which the robot operates flexibly with respect to an external force by setting a limit value of force or torque in the work coordinate system, and the flexibility. Torque limit value calculating means for calculating a joint angle torque limit value of the joint coordinate system by multiplying the limit value of the force or torque in the work coordinate system set by the setting means by the transpose matrix of the minute displacement correspondence relationship. 2. A gain calculator for changing a position gain and a speed gain of the first feedback control system so as to adapt to the joint angle torque limit value calculated by the torque limit value calculation means. It is the control apparatus of the robot described in 1.
[0009]
According to a fifth aspect of the present invention, the means for calculating the transposition matrix of the minute displacement correspondence relationship uses a joint angle command value instead of the joint angle of the robot measured by the position detection means . a control apparatus for a robot according to any one of claims 1 to 4, characterized in that obtaining the minute displacement relationship between the work coordinate system and the joint coordinate system.
[0010]
According to the present invention, the position and speed loop of the joint coordinate system is combined with the position and speed loop of the work coordinate system, the processing is divided according to the direction of the work coordinate system of the robot, The position / velocity loop of the work coordinate system works in the direction of motion control, and the force / torque command of the position / velocity loop output of the work coordinate system is the Jacobian transpose matrix (the minute displacement between the two coordinate systems). To the joint coordinate system torque command and add it to the joint coordinate system position / speed loop torque command to smoothly move the robot posture flexibly only in one direction set in the robot's work coordinate system. It is possible to achieve a special effect of performing the operation.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[First Embodiment] A first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. In all the drawings, the same reference sign represents the same or corresponding member. FIG. 1 is a block diagram showing one basic circuit configuration of the present invention. When the position command 10 is input in the first axis control system or the m-th axis control system indicating the joint coordinate system, the first torque command 19 is output in the position velocity loop 1 of the joint coordinate system [for example, the first axis control system]. The second torque command 25 is derived by the adder 2 and the servo motor 4 that drives the joint is driven via the servo amplifier 3. Position displacement / joint angle information due to the driving is detected by the measuring means / position detector 5, and the detected joint angle information is negatively fed back to the position / velocity loop 1 of the joint coordinate system on the one hand, and on the other hand, generally the Jacobian J Is given to the work coordinate system via the J T computing means 6 for computing the transposed matrix J T of the minute displacement relationship between the coordinate systems [between the joint coordinate system and the work coordinate system] and the forward converter 7.
[0012]
Then, based on the previous joint angle (the detection value of the position detector 5 is provided via the forward converter 7) and the position command 10 in the work coordinate system [for example, the X-axis control system], the position in the work coordinate system is determined. Second feedback control means [positional velocity loop 8 of the working coordinate system] different from the velocity loop 1 is provided.
Further, the output value of the position and velocity loop 8 of the work coordinate system by using the operation means 6 of the J T, having a means for converting the joint angle torque value [second torque command value 25. Then, the corrected torque command value 20 is obtained through a means for adding the second torque command value 25 to the first torque command value 19, so that the posture control of the robot is flexibly performed.
[0013]
FIG. 5 shows a specific control block diagram of the first embodiment in which the flexible control of the present invention is applied to a position / velocity control system in a normal joint coordinate system.
The internal loop of the position / velocity control in the joint coordinate system [the first axis control system and below the m-th axis control system] is usually controlled by proportional integral control, but the force acting constantly is compensated by a static compensation element. And
In the position / speed control state in the normal joint coordinate system, the position control loop and the speed control loop act to limit the movement of the tip work position only in a specific direction on the work coordinate system against the force acting from the outside. Hard to do. This depends on the reduction ratio, gain size, and robot posture for each joint axis.
[0014]
Therefore, the flexible control according to the present invention is combined with a position / velocity control system in the work coordinate system [X-axis control system or less, n-axis control system] in addition to the joint coordinate system, so that a specific direction on the work coordinate system is obtained. The movement of the working position at the tip is limited only to the above.
Hereinafter, the configuration of the position control loop of the work coordinate system will be described.
The relationship between position feedback θ 1 to θ n on the position control loop 1 in the joint coordinate system [detection value of the position detector 5], generally referred to as forward conversion or forward kinematics, and the work position of the robot. The forward converter 7 converts the position feedback [x, y, z] and the rotation feedback [φ, θ, ψ] in the work coordinate system using the equation.
[0015]
Based on these positions (position command 10) and rotation information (θ 1 to θ n ) and position rotation commands around the XYZ axes of the work coordinate system, a position speed control loop around the XYZ axes and XYZ axes of the work coordinate system 8 is configured. Here, the output values of the position / speed control loop 8 in the work coordinate system are a force command in the XYZ axis direction and a torque command 24 about the XYZ axis in the work coordinate system. The output portion of the position / velocity control loop 8 of the work coordinate system has a control output valid / invalid selection means 23 for each axis, and can limit the output in a specific direction around the XYZ axis and the XYZ axis. It is.
[0016]
Therefore, when restricting the movement of the work position at the tip only in a specific direction on the work coordinate system with respect to the force acting from the outside, the output in the specific direction is invalidated and the output in the other direction is valid. To do. As a result, it is possible to allow a position deviation in a specific direction and not allow a position deviation in other directions. Next, from the current state of the robot, a small displacement relational expression between the joint coordinate system generally called Jacobian and the work coordinate system is obtained, and by using the transpose matrix, the joint coordinates are obtained from the force command and torque command of the work coordinate system. It is possible to calculate a torque command in the system. For example, in a 6- DOF robot, the Jacobian calculation formula is expressed by the following formula.
[0017]
[Expression 1]
[0018]
here,
J is Jacobian (a small displacement relational expression between work coordinate system and joint coordinate system)
0 s i is the rotation direction vector of the i-th joint coordinate (based on the base coordinate system of the robot)
0 Pi is the i-th joint position vector (robot base coordinate reference)
X represents the outer product of the vectors. R represents the work position vector of the robot. Accordingly, the output value of the work coordinate system is represented by F = [F x, F y, F z, τ x, τ y, τ z ] T. ………………… Formula (2)
here,
F is a force, torque vectors F x, F y, F z are forces τ x, τ y, τ z in the working coordinate system, torque T around the working coordinate axis is a joint angle converted to a joint coordinate system representing transposition of the matrix The torque value is expressed as τ = [τ 1, τ 2, τ 3, τ 4, τ 5, τ 6 ] T ……………………………… (3)
here,
If τ is the torque vector τ i in the joint coordinate system and the torque is in the joint coordinate system of the i-th axis, the torque in the joint coordinate system can be obtained from the following relationship.
τ = J T F ……………………………… Formula (4)
[0019]
Therefore, the calculation of equations (1) and (4) is performed for the change in the posture of the robot, and the torque command shown in equation (3) is added to the torque command in the joint control system. It is possible to configure a flexible control system for a robot having motion restrictions on work coordinates in the motion region. This calculation is performed by the J T calculation means 6.
For example, when the output of the control system in the X-axis direction of the work coordinate system is invalidated by the control output selection means 23 and the output of the control system around the YZ-axis direction belt XYZ-axis is validated, the operation of the work position at the tip of the robot Can move freely in the X-axis direction, but in other directions, the operation is restricted in order to generate a force so that no deviation occurs due to the action of the position velocity loop of the work coordinate system. Alternatively, by setting the position input of the control system in the X-axis direction to a fixed value, the operation of the work position at the tip of the robot can be limited within a plane perpendicular to the X-axis.
[0020]
FIG. 8 is an explanatory diagram showing an operation state when the flexible control system of the present invention is applied to a two-degree-of-freedom SCARA robot.
Here, the softness is set in the X-axis direction and the setting is firm in the Y-axis direction. When an external force acts in the Y-axis direction, a force is generated so as not to cause a position deviation by the position / velocity control loop of the work coordinate system, so that the tip of the robot becomes difficult to move in the Y-axis direction.
Moreover, when an external force works in the X-axis direction, the setting of the force in the X-axis direction is converted to a torque limit of the joint control system by Jacobian, and the X-direction is made flexible by performing the limit. As a result, the robot tip moves only in the X direction.
[0021]
In FIG. 5, 2a, 2b, 2c and 2d are subtractors, 9 is a coefficient unit, 31 and 33 are time differentiators, 11 is a position control gain (K p1 ) unit in the joint coordinate system, and 12 is joint coordinates. Speed control gain (K v1 ) device in the system, 21 is a position control gain (K p2 ) device in the work coordinate system, 22 is a speed control gain (K v2 ) device in the work coordinate system, 14 is an external force compensator, Reference numeral 15 is a torque conversion constant unit, and 16 and 32 are a first-order lag circuit and an integration circuit indicated by inertia J s and dynamic friction coefficient D in the servo motor 4 or the like.
[0022]
[Second Embodiment] A second embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. FIG. 2 is a block diagram showing another basic circuit configuration of the present invention. In the second embodiment, in the means of FIGS. 1 and 5 described above, a means for controlling the torque of the servo motor 3 for driving the joint coordinate system is provided, and the force or torque newly set in the work coordinate system is provided. of involve limits the flexibility of setting 26 on the means task coordinate system for converting the joint angle torque limit value by using the transposed matrix of the Jacobian of the output of the JT arithmetic means 6 in coefficient multiplier 9b, torque Means for calculating the limit value 27 and interposing the torque limiter 13].
[0023]
Next, a specific circuit configuration of the second embodiment will be described with reference to FIG.
In a normal position control state, displacement is less likely to occur due to externally acting force due to the action of the position control loop and the speed control loop. This is because the motor torque is generated by multiplying the gain that is set to have a large deviation from the command value by the force applied from the outside.
Here, by limiting the generated torque at the stage of the torque command, the robot can perform a flexible operation with respect to the force acting from the outside. That is, when a torque larger than the limiting torque is applied from the outside, the joint of the robot starts to move flexibly with respect to the applied force. The torque limit value set here is the torque limit value in the joint coordinate system. Therefore, the force and torque limitations at the tip working position depend on the posture of the robot.
[0024]
Therefore, in the same manner as described in Embodiment 1 of the first specific embodiment above, by calculating a transposed matrix of the Jacobian, the limit value of the force and torque in the working coordinate system of the torque in the joint coordinate system limit A value can be calculated. For example, the force and torque limit values in the working coordinate system are Flim = [Fx lim, Fy lim, Fz lim, τx lim, τy lim, τz lim]
…………………………… Formula (5)
Here, Flim is a force, torque limit value vector Fn lim is a force limit value τn lim on the nth axis of the work coordinate system, is a torque limit value around the nth work coordinate axis, and a torque limit value of the joint coordinate system is τlim = [ τlim1, τlim2, τlim3, τlim4, τlim5, τlim6]
…………………………… Formula (6)
here,
If τlim is the torque limit vector τlimi in the joint control system and is the torque of the joint control system of the i-th axis, the torque limit value of the joint control system can be obtained from the following relationship.
τlim = JT Flim ……………………………… Formula (7)
Calculations of equations (1) and (7) are performed on the change in the posture of the robot, and the joint torque limit value is always obtained.
[0025]
By adding the joint angle torque value obtained from the work coordinate system to the output torque that is limited by the torque limit value of Equation (6) in the joint control system, the entire operation of the robot is performed. A flexible control system of the robot having the limit values of the force and torque shown in Formula (5) in the region can be configured. That is, by combining the position / velocity control loops 8 and 1 in both the work coordinate system and the joint coordinate system, the flexibility limited in torque by the position / velocity control loop 1 in the joint coordinate system in the direction set softly in the work coordinate system. In other directions, the position / velocity control loop 8 of the work coordinate system acts so as not to cause a position deviation. Reference numeral 9b denotes a coefficient unit 28, a gain calculator, 13 a torque limiter in the joint coordinate system, and 26 a means for setting flexibility (Fx, Fy, Fz, τx, τy, τz) in the work coordinate system. .
[0026]
[Embodiment 3]
Next, a specific third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a block diagram showing another basic circuit configuration of the present invention.
This means has means for changing the position gain K p1 and speed gain K v1 of the feedback control by the position speed loop 1 of the joint control system by means 26 for setting the flexibility in the work coordinate system.
[0027]
This is based on the torque limit value 27, and the position gain K p1 and the speed gain K v1 of the first feedback control are set to the position gain 29 and the speed gain 30 via the gain calculator 28, respectively. It is possible to execute arbitrary flexibility in the working coordinate system by changing each of them by being involved in the speed control gain 18.
The position control gain unit 17 and the speed control gain unit 18 are variable.
In this way, as described in the second specific embodiment, the operations of the equations (1), (4), and (7) are performed on the displacement of the robot posture, so that the operation is always performed. The torque command from the position / velocity loop 8 in the coordinate system and the torque limit value in the joint coordinate system are obtained.
[0028]
[Embodiment 4]
Furthermore, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 4 is a block diagram showing still another basic circuit configuration of the present invention.
In the specific embodiment 1, embodiment 2 and embodiment 3 described above, the first feedback loop of the first feedback loop is obtained when obtaining the Jacobian which is the static relational expression of the minute change between the joint coordinate system and the work coordinate system. Position command is used.
Equation (1) is a value that changes depending on the posture of the robot, and shows a rapid change in the vicinity of the singular point. However, the value of each element is generally slower than the sampling speed of the CPU that performs the servo operation. . Therefore, the calculation load of the expression (1) can be kept small, and the real-time calculation accompanying the posture change of the robot can be performed.
[0029]
Flexibility in the working coordinate system is determined only by the limit value of Equation (5). That is, flexibility can be controlled by determining one variable for one degree of freedom.
In addition, since the force and torque generated by the robot are not proportional to the displacement, the robot can change when the stroke of machinery acting from the outside is large.
In this way, as shown in all the embodiments of the present invention, in the posture control of the robot, it has a smooth flexibility not found in the conventional means and can freely perform a posture behavior with flexibility as required. Has the remarkable effect of becoming.
[0030]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a position and speed feedback loop is assembled in the joint coordinate system and the work coordinate system, respectively, and a minute displacement relational expression between the joint coordinate system and the work coordinate system using the information on the position of the joint angle. By using the coordinate transformation by Jacobian and combining the outputs of both control systems, the working position of the tip can be accurately limited only in a specific direction on the work coordinate system against the force acting from the outside, and the direction There is an effect that flexible control can be easily realized.
In that case, it is possible to set one variable with one degree of freedom, so the burden on the teacher is reduced, and the transformation formula itself is simple, so that it is possible to execute the operation of the work coordinate system in real time. With the effect.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing one basic circuit configuration of the present invention. FIG. 2 is a block diagram showing another basic circuit configuration of the present invention. FIG. 3 is a block diagram showing another basic circuit configuration of the present invention. 4 is a block diagram showing still another basic circuit configuration of the present invention. FIG. 5 is a block diagram showing a specific circuit configuration in the first embodiment of the present invention [FIG. 1]. FIG. 6 is an embodiment of the present invention. FIG. 7 is a block diagram showing a specific circuit configuration in FIG. 2 [FIG. 2]. FIG. 8 is a block diagram showing a specific circuit configuration in Embodiment 3 [FIG. 3] of the present invention. FIG. 9 is a block diagram showing a circuit configuration of a conventional control system [Explanation of symbols]
1 Position speed loop 2,91c adder 2a of the joint coordinate system, 2b, 2c, 2d, 91a , 91b subtractor 3 servo amplifier 4 calculation means of the servo motor 5,98 position detector 6 J T 7 forward converter 8 working Position velocity loop 9, 9a, 9b Coefficient system 10a, 10b Position command 11 Position control gain device 12 in joint coordinate system Speed control gain device 13 in joint coordinate system Torque limiter 14 in joint coordinate system External force compensation 15 Torque conversion constant device 16 Primary delay circuit J is inertia, D is friction coefficient 17 Variable position control gain unit 18 in joint coordinate system Variable speed control gain unit 19 in joint coordinate system First torque command 20 Modification Torque command 21 Position control gain unit 22 in work coordinate system Speed control gain unit 23 in work coordinate system Control output valid / invalid selection means 24 in work coordinate system Command 25 second torque command 26 flexibility setting means 27 in work coordinate system torque limit value 28 gain calculator 29 position gain 30 speed gain 31, 32, 33, 34, 94 time differentiator 92 position gain unit 93 Speed gain unit 95a Integrator 95b Proportional amplifier 96 Amplifier 97 Joint motor 99 External force 101 First feedback loop 102 Second feedback loop
Claims (5)
前記ロボットの関節角度を計測する位置検出手段と、
前記関節角度と前記ロボットの作業座標系における位置指令とに基づいて前記作業座標系における位置、速度の状態フィードバック制御を行う第２のフィードバック制御系と、
前記関節角度を基に前記作業座標系と前記関節座標系との間の微小変位対応関係の転置行列を演算する手段と、
前記第２のフィードバック制御系が出力する前記作業座標系における力およびトルク指令に前記微小変位対応関係の転置行列を乗じて前記関節座標系におけるトルクに変換する手段と、
前記変換されたトルクを前記第１のフィードバック制御系のトルク指令に加算する手段を有することを特徴とするロボットの制御装置。 In a robot control apparatus having a first feedback control system that performs feedback control of position and speed in a joint coordinate system for a motor that drives a robot joint,
Position detecting means for measuring a joint angle of the robot ;
A second feedback control system that performs state feedback control of position and speed in the work coordinate system based on the joint angle and a position command in the work coordinate system of the robot;
Means for calculating a transpose matrix of a minute displacement correspondence between the work coordinate system and the joint coordinate system based on the joint angle;
Means for multiplying the force and torque commands in the work coordinate system output by the second feedback control system by the transpose matrix of the minute displacement correspondence and converting them into torque in the joint coordinate system ;
A robot control apparatus comprising means for adding the converted torque to a torque command of the first feedback control system .
前記柔軟性設定手段で設定した前記作業座標系における力もしくはトルクの制限値に前記微小変位対応関係の転置行列を乗じることにより、前記関節座標系の関節角トルク制限値を算出するトルク制限値演算手段を備え、
前記第１のフィードバック制御系のトルク指令を前記トルク制限値演算手段によって算出した前記関節角トルク制限値に制限するトルク制限器を備えることを特徴とする請求項１に記載のロボットの制御装置。 Flexibility setting means for determining a direction in which the robot operates flexibly with respect to an external force by setting a limit value of force or torque in the work coordinate system ;
Torque limit value calculation for calculating the joint angle torque limit value of the joint coordinate system by multiplying the limit value of the force or torque in the work coordinate system set by the flexibility setting means by the transpose matrix of the minute displacement correspondence relationship With means,
The robot control apparatus according to claim 1, further comprising a torque limiter that limits a torque command of the first feedback control system to the joint angle torque limit value calculated by the torque limit value calculation unit .
前記柔軟性設定手段で設定した前記作業座標系における力もしくはトルクの制限値に前記微小変位対応関係の転置行列を乗じることにより、前記関節座標系の関節角トルク制限値を算出するトルク制限値演算手段を備え、
前記トルク制限値演算手段によって算出した前記関節角トルク制限値に適応するように前記第１のフィードバック制御系の位置ゲインおよび速度ゲインを変更するゲイン演算器を備えることを特徴とする請求項１に記載のロボットの制御装置。 Flexibility setting means for determining a direction in which the robot operates flexibly with respect to an external force by setting a limit value of force or torque in the work coordinate system ;
Torque limit value calculation for calculating the joint angle torque limit value of the joint coordinate system by multiplying the limit value of the force or torque in the work coordinate system set by the flexibility setting means by the transpose matrix of the minute displacement correspondence relationship With means,
2. A gain calculator for changing a position gain and a speed gain of the first feedback control system so as to adapt to the joint angle torque limit value calculated by the torque limit value calculation means. The robot control device described.
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