JP4301154B2 - 多関節ロボット - Google Patents
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Description
多関節ロボットは、各関節の関節角を検出し、検出した関節角を指示された関節角と比較しながら関節角を調節している。ロボットが指示された姿勢をとって正確に動作するためには、関節角を正確に検出することが必要とされる。
関節角を検出するために、エンコーダが利用される。エンコーダのなかには2種類が存在し、角度の絶対値を検出するアブソリュートエンコーダと、回転角変化量を検出する通常のエンコーダが存在する。通常のエンコーダは、1°回転したとか2°回転したとかいった回転角変化量を検出することができるが、直接的には角度の絶対値を検出することができない。通常のエンコーダで角度の絶対値を計測するためには、回転角変化量を検出するのに先立って、角度の絶対値を測定しておく必要がある。しかも、計測には誤差が避けられないことから、適宜なタイミングで角度の絶対値を測定して校正する必要がある。アブソリュートエンコーダは、高価で大型なことから、多関節ロボットの関節角は通常のエンコーダで検出されることが多い。そこで、関節角を計測するエンコーダの校正技術が必要とされている。
しかしながら、当接対が当接しているトルクは、その関節を回転させるアクチュエータが出力しているトルクだけでは決まらず、他のリンクの姿勢が影響する。また、当接対には機械的なたわみが影響することから、当接対が当接しているというだけでは予め判明している関節角に調整されていることが保証されない。機械的なたわみを考慮すると、当接対が当接しているトルクを所定の値に調整しておいてから校正しなければならない。
例えば、腰リンクに股関節によって大腿リンクが接続されており、大腿リンクに膝関節によって下腿リンクが接続されており、股関節の関節角を検出するエンコーダを校正する場合を想定する。従来の技術では、股関節を回転させるアクチュエータによって大腿リンクを例えば前方に振り上げ、アクチュエータトルクが増大したときに、大腿リンクが最大に振り上げられたとして、股関節のエンコーダを校正する。しかしながら、従来の技術では、股関節のストッパが所定のトルクで当接しあっている状態で校正することにならない。大腿リンクを回転させるアクチュエータのトルクが同一であっても、膝関節が伸びている状態と膝関節が曲がっている状態では、股関節の回転限界を規制する当接対が当接するトルクは異なってくる。膝関節が伸びているときは下腿リンクを下げようとする重力モーメントが大きいのに対し、膝関節が曲がっているときは下腿リンクを下げようとする重力モーメントが小さい。当接対の当接力には重力モーメントが影響するので、大腿リンクを回転させるアクチュエータの出力トルクが一定であっても、当接対の当接力は膝関節の関節角によって変動する。関節の回転限界を規制する当接対の当接力が変動すれば、一定の関節角に調整されていることが保障されず、エンコーダの検出値を校正することができない。
本発明は、上記の課題を解決する。本発明では、多関節ロボットの関節角を計測するエンコーダの検出値を正しく校正する技術を提供する。
このロボットでは、第1アクチュエータが第1所定トルクを出力しており、同時に第2アクチュエータが第2所定トルクを出力している基準姿勢が実現される。この基準姿勢では、第1当接対が所定のトルクで当接しているとともに、第2当接対がまた別の所定のトルクで当接している状態が実現される。基準姿勢を実現しているロボットでは、第1関節の関節角が予め判明している第1基準角に調整されているとともに、第2関節の関節角が予め判明している第2基準角に調整されている。このときの各エンコーダの検出値を各基準角に校正することによって、各エンコーダの検出値を正しく校正することができる。
この多関節ロボットによると、各関節の関節角を正確に計測することができ、指示された姿勢をとりながら正しい動作を実施することができる。
基準姿勢を所定時間に亘って維持することによって、各当接対のあたりをなじませることができ、各関節の関節角が基準角により正しく調整されるようになる。その後に各校正手段が校正を実施することによって、各エンコーダによる検出値をより正しく校正することができる。
仮姿勢基準手段が動作することによって、第1当接対が当接しているとともに第2当接対が当接している仮姿勢が実現される。先に仮姿勢を実現しておくことによって、基準姿勢実現手段が動作したときに、第1アクチュエータの出力トルクが第1所定トルクに到達するタイミングと第2アクチュエータの出力トルクが第2所定トルクに到達するタイミングを比較的に一致させることができる。先に所定トルクに到達したアクチュエータが、長時間に亘って所定トルクを出力し続けるようなことを避けることができる。アクチュエータに過剰な負担をかけてしまうことがない。
この場合でも、仮姿勢基準手段が動作することによって、第1当接対が当接しているとともに第2当接対が当接している仮姿勢が実現される。このとき、アクチュエータを微小角反転させておくと、仮姿勢を維持するために必要なトルクを低減することができる。仮姿勢を維持する際に、アクチュエータに過剰な負担をかけてしまうことがない。このときの微小角には、例えば所定の角度を定めてもよいし、アクチュエータが出力しているトルクを所定値だけ低下させる角度を定めてもよい。
仮姿勢を実現する際にはアクチュエータの動作速度を高め、基準姿勢を実現する際にはアクチュエータの動作速度を低めることによって、短い所要時間で正しい基準姿勢を実現することができる。
仮姿勢を実現する際には、回転角に対してトルクの変化が少ないことから、回転角を基準にすることで、各アクチュエータを正しく制御することができる。基準姿勢を実現する際には、回転角に対してトルクの変化が大きいことから、トルクを基準にすることで、アクチュエータを正しく制御することができる。
(形態1) ロボットは、ヒューマノイドロボットである。
(形態2) モータには、回転角変化量を検出するエンコーダが取り付けられている。
(形態3) 制御回路は、エンコーダの出力信号から関節の関節角の変化量を計算し、計算した関節角の変化量を積算している。
(形態4) 制御回路は、駆動回路を介してモータを制御する。
(形態5) 制御回路は、位置を基準にしてモータを制御することもできるし、トルクを基準にしてモータを制御することもできる。
(形態6) モータの駆動回路は、モータの出力トルクを所定の制限トルク以下に制限するトルク制限機能を備えている。
本発明を実施した実施例について図面を参照しながら説明する。図1は、本実施例のロボット2の外観を示す模式図である。ロボット2は、主に、頭部4と胴部6aと腰部6bと右腕部8と左腕部10と左脚部12と右脚部14を備えている。胴部6aと腰部6bは回転可能に接続されている。頭部4と右腕部8と左腕部10は、胴部6aに揺動可能に接続されている。左脚部12と右脚部14は、腰部6bに揺動可能に接続されている。図1に示すように、ロボット2は人を模して作られているヒューマノイドロボットである。
図1、図2では、股関節31が1自由度の関節として図示されているが、実際には3自由度(ピッチ軸、ロール軸、ヨー軸)の関節である。また、足首関節33が1自由度の関節として図示されているが、実際には2自由度(ロール軸、ピッチ軸)の関節である。ここでは説明の明瞭化を目的として、股関節31や足首関節33が1自由度の関節として取り扱うこととする。
第1モータ61には、第1モータ61の回転角変化量を検出する第1エンコーダ71が設けられている。第2モータ62には、第2モータ62の回転角変化量を検出する第2エンコーダ72が設けられている。第3モータ63には、第3モータ63の回転角変化量を検出する第3エンコーダ73が設けられている。エンコーダ71〜73は、いわゆるインクリメンタルエンコーダである。エンコーダ71〜73は、後述する処理部40の制御回路42に接続されている。
図3には、股関節31の関節角を変化させる第1モータ61と、第1モータ61に設けられているエンコーダ71が図示されている。
膝関節32や足首関節33も、図3に示す構成と略同様の構成が採用されている。図示省略するが、膝関節32や足首関節33にも、同様に爪部26と当接部28a、28bからなる機械的ストッパ(当接対)が設けられている。膝関節32では、機械的ストッパによって、関節角が角度θ3〜角度θ4に規制されている。足首関節33では、機械的ストッパによって、関節角が角度θ5〜角度θ6に規制される。
制御回路42は、各エンコーダ71〜73の出力信号に基づいて、各関節31〜33の関節角を検出する。その詳細については後述する。制御回路42は、検出した各関節31〜33の関節角と各関節31〜33の目標関節角とを比較しながら、各駆動回路51〜53に制御指令を与える。各駆動回路51〜53は、制御指令に基づいて各モータ61〜63の動作を調節する。
なお駆動回路51〜53は、モータ61〜63の出力トルクを制限トルク以下に制限するトルク制限機能を備えている。駆動回路51〜53は、制御回路42から制限トルクを超えるような指令を受けた場合でも、モータ61〜63の出力トルクを制限トルク以下に制限する。制限トルクは、各関節31〜33に適当な値を設定することができる。
ステップS2では、制御回路42が各駆動回路51〜53に指令して、各関節31〜33の関節角を所定方向に変化させる。例えば股関節31では、図3に示すR2方向に変化させる。即ち、股関節31の関節角が角度θ2に近づく方向に変化させる。このとき爪部26は、当接部28bに接近していく。同様に、膝関節32では、例えば関節角が角度θ4に近づく方向に変化させる。この場合、膝関節31の爪部26は、膝関節31の当接部28bに接近していくとする。足首関節33では、例えば関節角が角度θ6に近づく方向に変化させる。この場合、足首関節33の爪部26は、足首関節33の当接部28bに接近していくとする。各関節31〜33の関節角を変化させる速度は、各関節31〜33において爪部26が当接部28bに当接したときに、それらを損傷しない程度にまで速めることができる。爪部26が当接部28bに当接するまでの間、関節角の変化に対して各モータ61〜63の出力トルクの変化は少ないことから、各モータの回転速度を一定にするなど、各モータ61〜63の制御は回転角を基準にして行うとよい。
図5を参照して、第1モータ61の出力トルクTの経時変化について説明する。図5に示すように、爪部26が当接部28bに当接するまで(時刻t1以前)は、出力トルクTは比較的に低い。爪部26が当接部28bに当接し始める(時刻t1)と、出力トルクTが増大し始める。出力トルクTが徐々に増大するのは、爪部26や当接部28b等が機械的にたわむことに起因している。出力トルクTが所定の閾値Txとなった時点(時刻t2)で、爪部26が当接部28bに当接していると判断することができる。このステップでは、股関節31の爪部26が当接部28bに当接したことが確認される。なお、第1モータ61aが出力しているトルクを閾値と比較することにかえて、第1モータ61aが出力しているトルクが所定幅だけ増大したことを検出するようにしてもよい。あるいは、第1モータ61aが出力しているトルクが、所定の増大率以上で増大したことを検出するようにしてもよい。いずれにしても、股関節31の爪部26が当接部28bに当接したことを確認することができる。
このステップの処理には、第1駆動回路51のトルク制限機能を利用することができる。トルク制限機能の制限トルクに閾値Txを設定しておくと、第1モータ61の出力トルクTが過剰に増大することを防止することができる。また、トルク制限機能が作動したことを検出することによって、第1モータ61の出力トルクTが閾値Txを超えたことを知ることができる。
爪部26が当接部28bに当接している場合、股関節31の関節角は爪部26と当接部28bが当接しているトルク(押付力)によって変化する。そして爪部26と当接部28bが当接しているトルクは、第1モータ61の出力トルクTのみによって決まらず、膝関節32や足首関節33の関節角にも依存して変化する。例えば膝関節32が伸びている状態と曲がっている状態では、下腿リンク22や足平リンク23等に作用する重力が、大腿リンク21を股関節31の回りに回転させようとするモーメントが変化するからである。従って、第1モータ61の出力トルクTが閾値Txとなっていても、爪部26と当接部28bが当接しているトルクは一定とはならず、股関節31の関節角は角度θ2に対して誤差を持つ。ロボット2では、この段階においてその誤差を許容することができる。
ステップS8aでは、股関節31の関節角を、ステップS6aで微小角Δθだけ戻した角度に保持する。即ち、股関節31の関節角は、ほぼ角度θ2−Δθに保持される。ステップS6aの処理によって第1モータ61の出力トルクTが低減されているので、股関節31の関節角を保持する際に第1モータ61にかかる負担は少ない。以上の処理によって、股関節31の関節角がほぼ仮の基準角度θ2−Δθに調整される。
図5に示すように、第1モータ61の出力トルクTは、股関節31の関節角を保持している間(時刻t3〜t4)にも変化する。これは、この間に他の関節32、33の関節角が変化していることに起因している。
ステップS10では、すべての関節31〜33で関節角が保持状態であるのか否かが確認される。即ち、すべての関節31〜33の関節角が仮の基準角度に調整されており、ロボット2が仮姿勢を実現しているのか否かが判定される。このステップでイエスとなると、次のステップS12に進む。
ステップS14aでは、第1モータ61の出力トルクTが、所定の閾値Txに到達したのか否かを判定する。図5に示すように、爪部26が当接部28b側に移動することによって、第1モータ61の出力トルクTは再び増大する。出力トルクTが所定の閾値Txとなった時点(時刻t5)で、爪部26が当接部28bに当接していると判断することができる。
ステップS14aとほぼ同時に、ステップS14bが実施される。ステップS14bでは、第2モータ62の出力トルクが、所定の閾値に到達したのか否かを判定する。出力トルクが所定の閾値となった時点で、爪部26が当接部28bに当接していると判断することができる。
ステップS14a、14bとほぼ同時に、ステップS14cが実施される。ステップS14cでは、第3モータ63の出力トルクが、所定の閾値に到達したのか否かを判定する。出力トルクが所定の閾値となった時点で、爪部26が当接部28bに当接していると判断することができる。
股関節31の関節角は、股関節の爪部26と当接部28b(ストッパ)が当接しているトルクによって決まる。その股関節31のストッパ26、28bが当接しているトルクは、第1モータ61が出力しているトルクと、膝関節32の関節角と、足首関節33の関節角によって決まる。同様に、膝関節32の関節角は、膝関節32のストッパ26、28bが当接しているトルクによって決まる。その膝関節32のストッパ26、28bが当接しているトルクは、第2モータ62が出力しているトルクと、股関節31の関節角と、足首関節33の関節角によって決まる。また同様に、足首関節33の関節角は、足首関節33のストッパ26、28bが当接しているトルクによって決まる。その足首関節33のストッパ26、28bが当接しているトルクは、第3モータ63が出力しているトルクと、股関節31の関節角と、膝関節33の関節角によって決まる。以上の関係から、各モータ61〜63が出力しているトルクの組み合わせによって、各関節31〜33のストッパ26、28bが当接しているトルクの組み合わせが一意に定まる。従って、各モータ61〜63がそれぞれの閾値に等しいトルクを出力していると、各関節31〜33のストッパ26、28bがそれぞれ所定のトルクで当接している状態となる。この状態では、各関節31〜33の関節角がそれぞれ所定角(基準角)に正確に調節される。ロボット2では、股関節31の基準角が角度θ2であり、膝関節32の基準角が角度θ4であり、足首関節33の基準角が角度θ6となるように、モータ31〜33の出力トルクの閾値(ステップS14a、14b、14c)が設定されている。
ステップS16aとほぼ同時に、ステップS16bとステップS16cが実施される。ステップS16bでは、所定時間Δtの間、第2モータ62の出力トルクを閾値に維持して、膝関節32でのストッパ26、28bのあたりをなじませる。ステップS16cでは、所定時間Δtの間、第3モータ63の出力トルクを閾値に維持して、足首関節33のストッパ26、28bのあたりをなじませる。これらのステップS16a、S16b、S16cがほぼ同時に行われることによって、各モータ61〜63の出力トルクが同時にそれぞれの閾値となる状態が確実に実現される。
ステップS18aでは、制御回路42が、エンコーダ71による股関節31の関節角の検出値を角度θ2に校正する。このステップによって、エンコーダ71による股関節31の関節角の検出値と股関節31の実際の関節角とが正しく整合する。
ステップS18aと並行して、ステップS18bとステップS18cが実施される。ステップS18bでは、制御回路42が、エンコーダ72による膝関節32の関節角の検出値を角度θ4に校正する。このステップによって、エンコーダ72による膝関節32の関節角の検出値と膝関節32の実際の関節角とが正しく整合する。ステップS18cでは、制御回路42が、エンコーダ73による足首関節33の関節角の検出値を角度θ6に校正する。このステップによって、エンコーダ73による足首関節33の関節角の検出値と足首関節33の実際の関節角とが正しく整合する。
ステップS20aと並行して、ステップS20bとステップS20cが実施される。ステップS20bでは、制御回路42が膝関節32の関節角を所定の初期姿勢角に調節する。膝関節32の関節角は、初期姿勢角に正しく調節される。ステップS20cでは、制御回路42が足平関節33の関節角を所定の初期姿勢角に調節する。足首関節33の関節角は、初期姿勢角に正しく調節される。
ステップ22では、すべての関節31〜33で初期姿勢角が実現されているのか否かが確認される。即ち、ロボット2が初期姿勢(直立姿勢)をとっているのか否かが判定される。このステップでイエスとなると、原点校正処理は終了する。
ロボット2では、作業差が介在することなく原点校正を行うことができる。それにより、作業者に危険な作業を強いることがない。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
4・・頭部
6a・・胴部
6b・・腰部(腰部リンク)
8・・右腕部
10・・左腕部
12・・左脚部
14・・右脚部
21・・大腿リンク
22・・下腿リンク
23・・足平リンク
26・・爪部
28a、28b・・当接部
31・・股関節
32・・膝関節
33・・足首関節
40・・制御部
42・・制御回路
51、52、53・・駆動回路
61、62、63・・モータ
71、72、73・・エンコーダ
Claims (6)
- 第1リンクと、
第1リンクに対して第1関節によって回転可能に接続されている第2リンクと、
第1関節を回転させる第1アクチュエータと、
第1アクチュエータの回転角変化量を検出する第1エンコーダと、
当接することによって第1関節の回転限界を規制する第1当接対と、
第2リンクに対して第2関節によって回転可能に接続されている第3リンクと、
第2関節を回転させる第2アクチュエータと、
第2アクチュエータの回転角変化量を検出する第2エンコーダと、
当接することによって第2関節の回転限界を規制する第2当接対と、
第1アクチュエータと第2アクチュエータの両者を制御し、第1アクチュエータが第1当接対の当接時に出力し得る第1所定トルクを出力しており、同時に、第2アクチュエータが第2当接対の当接時に出力し得る第2所定トルクを出力している状態の基準姿勢を実現する基準姿勢実現手段と、
基準姿勢における第1エンコーダの検出値を第1基準角に校正する第1校正手段と、
基準姿勢における第2エンコーダの検出値を第2基準角に校正する第2校正手段と、
を備えていることを特徴とする多関節ロボット。 - 基準姿勢実現手段は、第1当接対のあたり及び第2当接対のあたりがなじむために必要な所定時間に亘って基準姿勢を維持し、
第1校正手段は、前記所定時間後に校正し、
第2校正手段は、前記所定時間後に校正することを特徴とする請求項1の多関節ロボット。 - 基準姿勢実現手段が動作する前に動作する仮姿勢実現手段が付加されており、
仮姿勢実現手段は、第1アクチュエータが出力しているトルクを監視しながら第1アクチュエータを作動させ、第1当接対が当接することによって第1アクチュエータが出力しているトルクが増大した時に第1アクチュエータを停止させるとともに、第2アクチュエータが出力しているトルクを監視しながら第2アクチュエータを作動させ、第2当接対が当接することによって第2アクチュエータが出力しているトルクが増大した時に第2アクチュエータを停止させた仮姿勢を実現することを特徴とする請求項1又は2の多関節ロボット。 - 基準姿勢実現手段が動作する前に動作する仮姿勢実現手段が付加されており、
仮姿勢実現手段は、第1アクチュエータが出力しているトルクを監視しながら第1アクチュエータを作動させ、第1当接対が当接することによって第1アクチュエータが出力しているトルクが増大した時に第1アクチュエータを微小角反転させてから停止させるとともに、第2アクチュエータが出力しているトルクを監視しながら第2アクチュエータを作動させ、第2当接対が当接することによって第2アクチュエータが出力しているトルクが増大した時に第2アクチュエータを微小角反転させてから停止させた仮姿勢を実現することを特徴とする請求項1又は2の多関節ロボット。 - 仮姿勢実現手段は、第1アクチュエータと第2アクチュエータの少なくとも一方を高速で回転させ、
基準姿勢実現手段は、第1アクチュエータと第2アクチュエータの少なくとも一方を低速で回転させることを特徴とする請求項3又は4の多関節ロボット。 - 仮姿勢実現手段は、回転角を基準にして第1アクチュエータと第2アクチュエータを制御し、
基準姿勢実現手段は、トルクを基準にして第1アクチュエータと第2アクチュエータを制御することを特徴とする請求項3から5のいずれかの多関節ロボット。
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