JP5473889B2 - Force control device - Google Patents

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Description

本発明は、例えば組立、ばりとり、研磨、基板実装、検査などを行うロボットや、自動組立装置、実装機、加工機、検査装置などに搭載されるロボットを制御する力制御装置に関する。   The present invention relates to a robot that performs, for example, assembly, deburring, polishing, substrate mounting, and inspection, and a force control device that controls a robot mounted on an automatic assembly apparatus, mounting machine, processing machine, inspection apparatus, and the like.

例えば特許文献1には、各軸を駆動するトルク指令と各軸の駆動トルクの推定値との差を外部トルクとして算出し、算出した各軸の外乱トルクとロボットの作業座標系と関節座標系とのヤコビ行列からロボット先端位置に作用する外力を算出し、算出した外力を用いて力制御を行うロボット制御装置に関する技術が開示されている。当該ロボット制御装置は、具体的には、先端位置におけるコンプライアンスモデルを記憶しておき、前記コンプライアンスモデルを用いて外力に応じてロボットを駆動する位置指令を修正する。   For example, in Patent Document 1, the difference between the torque command for driving each axis and the estimated value of the driving torque for each axis is calculated as an external torque, the calculated disturbance torque of each axis, the robot work coordinate system, and the joint coordinate system. A technique related to a robot control device that calculates an external force acting on a robot tip position from the Jacobian matrix and performs force control using the calculated external force is disclosed. Specifically, the robot control device stores a compliance model at the tip position, and corrects a position command for driving the robot according to an external force using the compliance model.

特開2010−105138号公報JP 2010-105138 A

上記従来の技術によれば、ロボット制御装置は、各軸の駆動トルクの推定値を算出する際、予め記憶してある摩擦係数を用いて摩擦トルクを算出し、慣性力トルク、重力トルク、摩擦力トルクを加算することで駆動トルク推定値を算出している。しかしながら、各軸の摩擦係数は温度などの条件で変動するため、季節あるいは朝晩でも変動するほか、ロボットを連続動作させて各軸の温度が上昇しても変動する。そのため、駆動トルクの推定値を算出する際の各軸の実際の摩擦力トルクと、摩擦係数を求めた際の各軸の摩擦力トルクは異なっており、駆動トルクの推定精度が劣化し、トルク指令と駆動トルクの差に基づいて算出するロボット先端部に作用する外力の推定値の精度も劣化する問題があった。   According to the above conventional technique, the robot controller calculates the friction torque using the friction coefficient stored in advance when calculating the estimated value of the driving torque of each axis, and the inertial force torque, gravity torque, friction The drive torque estimated value is calculated by adding the force torque. However, since the coefficient of friction of each axis varies depending on conditions such as temperature, it varies even in the season or in the morning and evening, and also varies even if the temperature of each axis rises by continuously operating the robot. Therefore, the actual friction force torque of each axis when calculating the estimated value of the drive torque is different from the friction force torque of each axis when the friction coefficient is calculated, and the estimation accuracy of the drive torque is deteriorated. There is a problem that the accuracy of the estimated value of the external force acting on the robot tip calculated based on the difference between the command and the driving torque is also deteriorated.

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、力覚センサの低コスト化を実現しながら、ロボットの先端部に作用する外力を高精度に算出することができる力制御装置を得ることを目的とする。   The present invention has been made in view of the above, and obtains a force control device capable of calculating an external force acting on a distal end portion of a robot with high accuracy while realizing cost reduction of a force sensor. With the goal.

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、モータにより駆動されるロボットと、前記ロボットの先端部が指令位置に追従するように前記モータを駆動する電流指令を生成するロボット制御手段と、前記ロボットの先端部のm個の動作方向のうち、n(m>n≧1)個の動作方向の夫々にかかる外力を検出する力覚センサと、前記力覚センサの検出値、前記モータの位置、および前記電流指令に基づいて、前記m−n個の動作方向にかかる外力の推定値を算出するために必要となるロボットの摩擦係数を夫々同定し、当該同定した摩擦係数に基づいて前記m−n個の動作方向にかかる外力の推定値を算出する力推定オブザーバと、を備えることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, the present invention relates to a robot driven by a motor and a robot that generates a current command for driving the motor so that the tip of the robot follows the command position. A control means, a force sensor for detecting an external force applied to each of n (m> n ≧ 1) movement directions among m movement directions of the tip of the robot, and a detection value of the force sensor And identifying the friction coefficient of the robot necessary for calculating the estimated value of the external force applied to the mn operation directions based on the position of the motor and the current command, and identifying the identified friction coefficient. And a force estimation observer that calculates an estimated value of the external force applied to the mn motion directions based on the mn motion directions.

本発明によれば、6軸力覚センサよりも廉価な例えば3軸力覚センサを用いても、当該3軸力覚センサでは測定できないモーメントを推定でき、力覚センサの低コスト化を実現しながら、ロボットの先端部に作用する外力を高精度に算出することができるという効果を奏する。   According to the present invention, even if a 3-axis force sensor, which is less expensive than a 6-axis force sensor, for example, a moment that cannot be measured by the 3-axis force sensor can be estimated, the cost of the force sensor can be reduced. However, the external force acting on the tip of the robot can be calculated with high accuracy.

図1は、実施の形態1にかかる力制御装置の構成を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of the force control device according to the first embodiment. 図2は、ロボット制御手段の構成を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the robot control means. 図3は、各軸位置制御手段の構成例を示すブロック図である。FIG. 3 is a block diagram showing a configuration example of each axis position control means. 図4は、力覚考慮補正手段の構成を示すブロック図である。FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the force sense consideration correction means. 図5は、力推定オブザーバの構成を示すブロック図である。FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of the force estimation observer. 図6は、実施の形態5の力制御装置の構成を示すブロック図である。FIG. 6 is a block diagram illustrating a configuration of the force control device according to the fifth embodiment. 図7は、実施の形態5のロボット制御手段の詳細な構成を説明するブロック図である。FIG. 7 is a block diagram illustrating a detailed configuration of the robot control unit according to the fifth embodiment.

以下に、本発明にかかる力制御装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。   Embodiments of a force control device according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.

実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1にかかる力制御装置の構成を示すブロック図である。図示するように、実施の形態1の力制御装置は、指令生成手段1と、ロボット制御手段2と、ロボット3と、力推定オブザーバ4とを備えている。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the force control device according to the first embodiment of the present invention. As shown in the figure, the force control apparatus according to the first embodiment includes a command generation unit 1, a robot control unit 2, a robot 3, and a force estimation observer 4.

指令生成手段1は、ロボット3に時々刻々の目標位置としての位置指令を与える。ロボット制御手段2は、与えられた位置指令にロボット3の先端部(エンド・エフェクタ)が追従するようにロボット3を制御する。ロボット3は、ロボット制御手段2の制御により動作するロボットであって、1軸もしくは複数軸を夫々駆動するモータを備えるものであり、例えば産業用ロボットと呼ばれる6軸垂直多関節ロボット、4軸水平多関節ロボットなどが該当する。   The command generation means 1 gives the robot 3 a position command as a target position every moment. The robot control means 2 controls the robot 3 so that the tip (end effector) of the robot 3 follows the given position command. The robot 3 is a robot that operates under the control of the robot control means 2, and includes a motor that drives one or more axes, for example, a 6-axis vertical articulated robot called an industrial robot, a 4-axis horizontal Applicable to articulated robots.

ロボット3の先端部の近辺(ここではロボット3の手首)には当該先端部に作用する力を計測するための3軸力覚センサ31が取り付けられており、3軸力覚センサ31で測定された力は力測定値として力推定オブザーバ4に入力される。ここで、実施の形態1では、3軸力覚センサ31は、センサ座標系でのXYZ各方向の力を測定し、各軸まわりのモーメントは測定しないタイプのものであるとする。ロボット3を駆動する各軸のモータには、エンコーダやレゾルバなどの各軸のモータ位置を測定する位置センサ32が取り付けられており、位置センサ32が測定した各軸にかかるモータ位置はロボット制御手段2に入力される。   A triaxial force sensor 31 for measuring the force acting on the tip is attached to the vicinity of the tip of the robot 3 (here, the wrist of the robot 3). The obtained force is input to the force estimation observer 4 as a force measurement value. Here, in the first embodiment, it is assumed that the triaxial force sensor 31 is of a type that measures forces in the XYZ directions in the sensor coordinate system and does not measure moments around the axes. A position sensor 32 for measuring the motor position of each axis, such as an encoder or resolver, is attached to the motor for each axis that drives the robot 3, and the position of the motor applied to each axis measured by the position sensor 32 is determined by robot control means. 2 is input.

力推定オブザーバ4には、3軸力覚センサ31が測定した力測定値に加えて、位置センサ32が検出した各軸のモータ位置およびロボット制御手段2が算出した各軸のモータ電流指令も入力される。力推定オブザーバ4は、力覚センサで測定できないXYZ各軸周りのモーメントを推定し、XYZ各方向の力測定値とともにロボット制御手段2に出力する。   In addition to the force measurement value measured by the triaxial force sensor 31, the force estimation observer 4 also receives the motor position of each axis detected by the position sensor 32 and the motor current command of each axis calculated by the robot control means 2. Is done. The force estimation observer 4 estimates moments around the XYZ axes that cannot be measured by the force sensor, and outputs them to the robot control means 2 together with force measurement values in the XYZ directions.

図2は、ロボット制御手段2の構成を示すブロック図である。図示するように、ロボット制御手段2は、加算器6、力覚考慮補正手段7、逆変換手段8、各軸位置制御手段9を備えている。力覚考慮補正手段7は、モータ位置および力推定値に基づいて位置指令を補正するための位置指令補正量を出力する。力覚考慮補正手段7の詳細な構成については後述する。加算器6は、指令生成手段1が生成した位置指令と力覚考慮補正手段7が出力した位置指令補正量とを加算する。逆変換手段8は、位置指令補正量の加算により補正された位置指令に対して、手先位置姿勢を実現する各軸のモータ位置を算出するための逆変換計算を行い、ロボット3の各軸の位置指令である関節位置指令に変換する。変換した関節位置指令は各軸位置制御手段9に入力される。各軸位置制御手段9は入力された関節位置指令に各軸のモータ位置が追従するように、ロボット3に対する電流指令を出力する。   FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the robot control means 2. As shown in the figure, the robot control means 2 includes an adder 6, force sense consideration correction means 7, inverse conversion means 8, and axis position control means 9. The haptic consideration correction means 7 outputs a position command correction amount for correcting the position command based on the motor position and the force estimation value. A detailed configuration of the force sense consideration correction unit 7 will be described later. The adder 6 adds the position command generated by the command generation unit 1 and the position command correction amount output by the force sense consideration correction unit 7. The inverse conversion means 8 performs an inverse conversion calculation for calculating the motor position of each axis that realizes the hand position / posture with respect to the position command corrected by the addition of the position command correction amount. It is converted into a joint position command which is a position command. The converted joint position command is input to each axis position control means 9. Each axis position control means 9 outputs a current command to the robot 3 so that the motor position of each axis follows the input joint position command.

図3は、各軸位置制御手段9の構成例を示すブロック図である。図示するように、各軸位置制御手段9は、減算器91、比例手段92、微分手段93、減算器94、比例積分手段95を軸毎に備えている。ここでは、軸数はn個であるとしている。減算器91は、各軸の位置指令と当該軸のモータ位置との差分を算出し、算出結果は比例手段92に入力される。比例手段92は、入力された値を定数倍する。微分手段93は、モータ位置を微分してモータ速度を算出する。減算器94は、比例手段92の出力値と微分手段93が算出したモータ速度との差分を求める。比例積分手段95は、減算器94の出力値に対して比例積分演算を行って、電流指令を求める。この各軸位置制御手段9は、位置比例制御系の内部に速度比例積分制御系がある構成になっており、モータの位置制御系としてはよく使われる構成である。なお、本実施の形態1では、各軸位置制御手段9は、各軸ごとにモータ位置制御と速度制御とを行うフィードバック制御系の構成を有するものとしたが、各軸毎にオブザーバを含む制御系の構成を有するものであってもよいし、フィードフォワードを含む制御系の構成を有するものであっても構わない。また、全て各軸独立した構成ではなく、軸間の干渉トルクをフィードフォワードもしくはフィードバックで補正する構成であっても構わない。   FIG. 3 is a block diagram showing a configuration example of each axis position control means 9. As shown in the figure, each axis position control means 9 includes a subtractor 91, a proportional means 92, a differentiating means 93, a subtractor 94, and a proportional integration means 95 for each axis. Here, the number of axes is assumed to be n. The subtractor 91 calculates the difference between the position command for each axis and the motor position for that axis, and the calculation result is input to the proportional means 92. The proportional means 92 multiplies the input value by a constant. Differentiating means 93 differentiates the motor position to calculate the motor speed. The subtracter 94 obtains a difference between the output value of the proportional means 92 and the motor speed calculated by the differentiating means 93. The proportional integration means 95 performs a proportional integration operation on the output value of the subtractor 94 to obtain a current command. Each of the shaft position control means 9 has a configuration in which a speed proportional integration control system is provided in the position proportional control system, and is often used as a motor position control system. In the first embodiment, each axis position control means 9 has a configuration of a feedback control system that performs motor position control and speed control for each axis, but control including an observer for each axis. It may have a system configuration, or may have a control system configuration including feedforward. In addition, the configuration is not limited to independent of each axis, and may be a configuration in which interference torque between the axes is corrected by feedforward or feedback.

図4は、力覚考慮補正手段7の構成を示すブロック図である。図示するように、力覚考慮補正手段7は、減算器71、第1座標変換手段72、スティフネス行列部73、加算器74、減算器75、比例ゲインフィルタ76、第2座標変換手段77、積分手段78、微分手段79、ダンピング行列部80、第3座標変換手段81、順変換手段82を備えている。   FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the force sense consideration correction means 7. As shown in the figure, the force sense correction unit 7 includes a subtractor 71, a first coordinate conversion unit 72, a stiffness matrix unit 73, an adder 74, a subtractor 75, a proportional gain filter 76, a second coordinate conversion unit 77, an integration. Means 78, differentiation means 79, damping matrix unit 80, third coordinate conversion means 81, and forward conversion means 82 are provided.

順変換手段82は、各軸モータ位置に対して順変換を行ってその時点での手先位置姿勢を算出する。減算器71は、指令生成手段1が生成した位置指令と算出された手先位置姿勢との差分を算出する。第1座標変換手段72は、減算器71が出力した差分値をツール座標系における値に座標変換する。ツール座標系とは、ロボット先端に取り付けたツールやハンドに固定された座標系である。   The forward conversion means 82 performs forward conversion on each axis motor position, and calculates the hand position / posture at that time. The subtracter 71 calculates a difference between the position command generated by the command generation means 1 and the calculated hand position / posture. The first coordinate conversion means 72 converts the difference value output from the subtractor 71 into a value in the tool coordinate system. The tool coordinate system is a coordinate system fixed to a tool or hand attached to the tip of the robot.

スティフネス行列部73は、第1座標変換手段72の出力値とスティフネス行列とのベクトルの積を求め、求めた積を出力する。微分手段79は、第1座標変換手段72の出力の各要素の微分を算出する。ダンピング行列部80は、微分手段79の出力の各要素から構成されるベクトルとダンピング行列との積を求めて出力する。加算器74は、スティフネス行列部73の出力値とダンピング行列部80の出力値とを加算する。   The stiffness matrix unit 73 obtains the product of the vector of the output value of the first coordinate conversion means 72 and the stiffness matrix, and outputs the obtained product. Differentiating means 79 calculates the differentiation of each element of the output of the first coordinate conversion means 72. The damping matrix unit 80 calculates and outputs the product of the vector composed of each element of the output of the differentiating means 79 and the damping matrix. The adder 74 adds the output value of the stiffness matrix unit 73 and the output value of the damping matrix unit 80.

第3座標変換手段81は、力推定オブザーバ4が出力した力推定値をツール座標系における値に変換する。減算器75は、加算器74の出力値と第3座標変換手段81の出力値との差分を求めて出力する。比例ゲインフィルタ76は、減算器75の出力値に所定の比例ゲインを乗じる。第2座標変換手段77は、比例ゲインフィルタ76の出力値を直交座標系へ座標変換する。積分手段78は、第2座標変換手段77の出力値を積分し、得られた値を位置指令修正量(位置指令補正量)として出力する。   The third coordinate conversion means 81 converts the force estimation value output from the force estimation observer 4 into a value in the tool coordinate system. The subtracter 75 calculates and outputs the difference between the output value of the adder 74 and the output value of the third coordinate conversion means 81. The proportional gain filter 76 multiplies the output value of the subtractor 75 by a predetermined proportional gain. The second coordinate conversion unit 77 converts the output value of the proportional gain filter 76 into a rectangular coordinate system. The integrating means 78 integrates the output value of the second coordinate converting means 77 and outputs the obtained value as a position command correction amount (position command correction amount).

図5は、力推定オブザーバ4の構成を示すブロック図である。力推定オブザーバ4は、外力算出手段41、推定トルク算出手段42、および摩擦係数推定手段43を備えている。   FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of the force estimation observer 4. The force estimation observer 4 includes external force calculation means 41, estimated torque calculation means 42, and friction coefficient estimation means 43.

摩擦係数推定手段43は、各軸の電流指令iを入力値とし、各軸のモータ位置qおよび力測定値を入力値とし、摩擦係数を求めるべきパラメータとしたシステム同定により摩擦係数を求める。以下に、摩擦係数推定手段43による演算処理について具体的に述べる。   The friction coefficient estimating means 43 obtains the friction coefficient by system identification using the current command i of each axis as an input value, the motor position q and the force measurement value of each axis as input values, and a parameter for obtaining the friction coefficient. Hereinafter, the arithmetic processing by the friction coefficient estimating means 43 will be specifically described.

摩擦係数推定手段43には、各軸の電流指令i、各軸のモータ位置q、3軸力覚センサ31で測定した力測定値としての手先外力fが入力される。ロボット3が6軸垂直多関節ロボットである場合、電流指令i、モータ位置qは6要素のベクトルとなり、外力fは、3軸力覚センサ31の測定値なので、3要素のベクトルとなる。摩擦係数推定手段43は、まず、各軸のトルクτ(i=1〜6)を算出する。各軸のトルクτ(i=1〜6)は、各軸のトルク定数kt(i=1〜6)、各軸の減速比gen、各軸の電流指令をiとすると(i(添え字)=1〜6)、
τ=kt*i/gen (1)
により算出される。
The friction coefficient estimator 43 receives a current command i for each axis, a motor position q for each axis, and a hand external force f as a force measurement value measured by the triaxial force sensor 31. When the robot 3 is a 6-axis vertical articulated robot, the current command i and the motor position q are 6-element vectors, and the external force f is a measurement value of the 3-axis force sensor 31, and thus is a 3-element vector. The friction coefficient estimating means 43 first calculates the torque τ i (i = 1 to 6) of each axis. Torque of each axis τ i (i = 1~6), a torque constant kt i for each axis (i = 1 to 6), the reduction ratio gen i of each axis, when the current command of each axis and i i (i (Subscript) = 1-6),
τ i = kt i * i i / gen i (1)
Is calculated by

次に、摩擦係数推定手段43は、各軸のモータ位置qから各軸のリンク位置qlを次の式により求める。
ql=q/gen (2)
Next, the friction coefficient estimating means 43 obtains the link position ql i of each axis from the motor position q i of each axis by the following equation.
ql i = q i / gen i (2)

さらに、摩擦係数推定手段43は、リンク速度v、リンク加速度aを前回周期の値との差をサンプリング時間で除算することで算出する。各軸のリンク位置、速度、加速度から構成されるベクトルをそれぞれql、v、aとし、慣性行列をM(ql)、遠心コリオリ力をh(ql,v)、重力をg(ql)とし、摩擦係数推定手段43は、摩擦力を除く駆動トルクの推定値τrを次の式により求める。
τr=M(ql)a+h(ql,v)+g(ql) (3)
Further, the friction coefficient estimating means 43 calculates the link speed v i and the link acceleration a i by dividing the difference from the previous period value by the sampling time. The vectors composed of the link position, velocity, and acceleration of each axis are ql, v, a, respectively, the inertia matrix is M (ql), the centrifugal Coriolis force is h (ql, v), and the gravity is g (ql), The friction coefficient estimating means 43 obtains an estimated value τr of the drive torque excluding the friction force by the following equation.
τr = M (ql) a + h (ql, v) + g (ql) (3)

このとき、摩擦力をfr(v)、力覚センサ座標系を手先座標系としたときの手先速度vxと関節速度vとの関係をヤコビ行列をJ(q)を用いて
vx=J(q)v (4)
で表すとすると、手先座標系での各方向の外力及びモーメントで構成されるベクトルFallは、
Fall=(J(q)−1τd (5)
と表される。ここでτdは各軸の外力を並べたベクトルであり、
τd=τ−τr−fr(v) (6)
である。式(5)および(6)から、
Fall=(J(q)−1(τ−τr−fr(v)) (7)
が導き出せる。
At this time, when the frictional force is fr (v) and the force sensor coordinate system is the hand coordinate system, the relationship between the hand speed vx and the joint speed v is expressed using the Jacobian matrix J (q), vx = J (q ) V (4)
If expressed by, a vector Fall composed of external force and moment in each direction in the hand coordinate system is
Fall = (J (q) T ) −1 τd (5)
It is expressed. Here, τd is a vector in which the external force of each axis is arranged,
τd = τ−τr−fr (v) (6)
It is. From equations (5) and (6)
Fall = (J (q) T ) −1 (τ−τr−fr (v)) (7)
Can be derived.

式(7)の左辺のFallの最初の3要素は3軸力覚センサ31により測定される力測定値である。また、式(7)の右辺の最初の3要素は、算出対象の摩擦係数を含む力推定値を示している。摩擦係数推定手段43は、式(7)における最初の3要素の右辺と左辺との対応関係を用いて摩擦係数を算出する。   The first three elements of Fall on the left side of Expression (7) are force measurement values measured by the triaxial force sensor 31. In addition, the first three elements on the right side of Expression (7) indicate force estimation values including a friction coefficient to be calculated. The friction coefficient estimating means 43 calculates the friction coefficient using the correspondence relationship between the right side and the left side of the first three elements in the equation (7).

具体的には、各軸のクーロン摩擦係数をfci、粘性摩擦係数をfviとし、sgn(vi)を速度viが正のとき1、負のとき−1、0のとき0を取る関数とすると、各軸の摩擦力はfci*sgn(vi)+fvi*viで表される。(J(q)−1(τ−τr)−Fallの最初の3要素を取り出したベクトルをfa、(J(q)−1(fr(v))の最初の3要素を取り出したベクトルをfbとすると、fbの各要素はfci、fviに速度v、位置qの関数を乗じた構成になっているので、fci、fviを順番にたてからfc1、fv1、fc2、fv2、・・・と並べた12要素のベクトルをpとすれば、
fa=y(q,v)p (8)
とかける。ここでyは3行12列の行列である。第k番目の制御周期の演算結果を[k]で表記することとすると、摩擦係数推定手段43は、
R[k]=R[k−1]+st*(−k1*R[k−1]+y[k]y[k]) (9)
r[k]=r[k−1]+st*(−k1*r[k−1]+fa[k]y[k]) (10)
によりR[k]およびr[k]を算出し、
p[k]=p[k−1]−st*k2*(R[k]p[k−1]−r[k]) (11)
により各軸にかかる摩擦係数を構成要素とするpを算出する。なお、st、k1、k2は予め設定されるシステム同定のためのパラメータである。
Specifically, when the coulomb friction coefficient of each axis is fci, the viscous friction coefficient is fvi, and sgn (vi) is a function that takes 1 when the speed vi is positive, −1 when negative, and 0 when 0. The frictional force of each axis is represented by fci * sgn (vi) + fvi * vi. The vector obtained by taking out the first three elements of (J (q) T ) −1 (τ−τr) −Fall is taken as fa, and the first three elements of (J (q) T ) −1 (fr (v)) are taken out. If the vector is fb, each element of fb is constructed by multiplying fci and fvi by a function of velocity v and position q. Therefore, fci, fvi, fc1, fv2, fv2, If the vector of 12 elements aligned with ... is p,
fa = y (q, v) p (8)
Call it. Here, y is a 3 × 12 matrix. Assuming that the calculation result of the kth control cycle is represented by [k], the friction coefficient estimating means 43 is:
R [k] = R [k−1] + st * (− k1 * R [k−1] + y [k] T y [k]) (9)
r [k] = r [k−1] + st * (− k1 * r [k−1] + fa [k] y [k] T ) (10)
R [k] and r [k] are calculated by
p [k] = p [k-1] -st * k2 * (R [k] p [k-1] -r [k]) (11)
To calculate p having a coefficient of friction applied to each axis as a constituent element. Note that st, k1, and k2 are preset system identification parameters.

以上の演算により、摩擦係数推定手段43は、時々刻々変化する各軸の電流指令i、各軸のモータ位置qおよび力測定値に基づいて、その時点における摩擦係数を求めることができる。すなわち、摩擦係数推定手段43は、摩擦係数が温度などにより変化しても、その摩擦係数を求めることができる。   By the above calculation, the friction coefficient estimating means 43 can obtain the friction coefficient at that time point based on the current command i of each axis that changes every moment, the motor position q of each axis, and the force measurement value. That is, the friction coefficient estimation means 43 can obtain the friction coefficient even if the friction coefficient changes with temperature or the like.

推定トルク算出手段42は、摩擦係数推定手段43が推定した摩擦係数を用いて摩擦トルクfr(v)を算出し、
τd=τ−τr−fr(v) (12)
で各軸の外乱トルクの推定値τdを算出する。
The estimated torque calculation means 42 calculates the friction torque fr (v) using the friction coefficient estimated by the friction coefficient estimation means 43,
τd = τ−τr−fr (v) (12)
Thus, the estimated value τd of the disturbance torque of each axis is calculated.

外力算出手段41では推定トルク算出手段42で算出した外乱トルクτdとヤコビ行列J(q)をもちいて、
F=(J(q)−1τd (13)
を算出する。このうち、最初の3要素は直接測定できるので、3軸力覚センサ31の測定値に置き換えて出力し、残りの3要素は(13)式の計算結果をそのまま出力する。
The external force calculation means 41 uses the disturbance torque τd calculated by the estimated torque calculation means 42 and the Jacobian matrix J (q),
F = (J (q) T ) −1 τd (13)
Is calculated. Among these, since the first three elements can be measured directly, the measurement values of the three-axis force sensor 31 are replaced and output, and the remaining three elements output the calculation result of the expression (13) as it is.

なお、以上の説明においては、(8)式の関係から(9)式〜(11)式を用いて摩擦係数を算出したが(8)式の関係に対して最小二乗法などを適用することによって算出しても構わない。また本実施の形態1ではモータ電流としてモータ電流指令を用いたが、モータ電流のフィードバックを用いるようにしても構わない。またモータ位置としてモータ位置フィードバックを用いているが、最終的にモータに与えるモータ位置指令もしくはモータ位置指令から算出したモータモデル位置を用いるようにしても構わない。   In the above description, the friction coefficient is calculated from the relationship of equation (8) using equations (9) to (11), but the least square method or the like is applied to the relationship of equation (8). You may calculate by. In the first embodiment, the motor current command is used as the motor current. However, motor current feedback may be used. Further, although the motor position feedback is used as the motor position, a motor position command finally given to the motor or a motor model position calculated from the motor position command may be used.

以上述べたように、本発明の実施の形態1によれば、モータにより駆動されるロボット3と、前記ロボット3の先端部が指令位置に追従するように前記モータを駆動する電流指令を生成するロボット制御手段2と、前記ロボット3の先端部の6個の動作方向のうち、x軸方向、y軸方向、z軸方向の3個の動作方向の夫々にかかる外力を検出する力覚センサ31と、前記力覚センサ31の検出値、前記モータの位置、および前記電流指令に基づいて、前記ロボットの先端部の個の動作方向のうちの少なくとも前記力覚センサ31が外力を非検出とする3つの軸の回転方向にかかる摩擦係数を夫々同定し、当該同定した摩擦係数に基づいて当該3つの軸の回転方向にかかるモーメントの推定値を算出する力推定オブザーバ4と、を備えるように構成したので、6軸力覚センサよりも廉価な3軸力覚センサ31を用いても、当該3軸力覚センサ31では測定できないモーメントを推定でき、さらに、時々刻々変化する各軸の電流指令i、各軸のモータ位置qおよび力測定値に基づいて求めた摩擦係数を用いて測定できないモーメントを推定することができるので、予め設定された摩擦係数によりモーメントを推定する場合に比して高精度にモーメントを推定できる。すなわち、力覚センサの低コスト化を実現しながら、ロボットの先端部に作用する外力を高精度に算出することができる。 As described above, according to the first embodiment of the present invention, the robot 3 driven by the motor and the current command for driving the motor are generated so that the tip of the robot 3 follows the command position. A force sensor 31 that detects an external force applied to each of three movement directions of the robot control means 2 and the six movement directions of the tip of the robot 3 in the x-axis direction, the y-axis direction, and the z-axis direction. Based on the detection value of the force sensor 31, the position of the motor, and the current command, at least the force sensor 31 of the six movement directions of the tip of the robot is not detecting an external force. And a force estimation observer 4 that identifies the friction coefficients in the rotation directions of the three axes and calculates an estimated value of the moments in the rotation directions of the three axes based on the identified friction coefficients. Since it is configured, even if the triaxial force sensor 31 which is less expensive than the six axis force sensor 31 is used, a moment that cannot be measured by the triaxial force sensor 31 can be estimated. i, since it is possible to estimate a moment that cannot be measured using the friction coefficient obtained based on the motor position q and the force measurement value of each axis, it is higher than when the moment is estimated using a preset friction coefficient. The moment can be estimated with accuracy. That is, the external force acting on the tip of the robot can be calculated with high accuracy while realizing cost reduction of the force sensor.

また、前記ロボット制御手段2は、前記モーメントの推定値とモータ位置とに基づいて前記位置指令を補正し、前記ロボットの先端部が前記補正した位置指令に追従するように前記電流指令を生成する、ように構成したので、精度よく力制御をすることができる。   The robot control unit 2 corrects the position command based on the estimated value of the moment and the motor position, and generates the current command so that the tip of the robot follows the corrected position command. Thus, the force control can be performed with high accuracy.

実施の形態2.
実施の形態2の力制御装置の構成は、ロボット3の手首に取り付けられた力覚センサと、摩擦係数推定手段による摩擦係数の演算方法が異なるだけで、実施の形態1と等しい。実施の形態2の構成について実施の形態1と異なる構成についてのみ説明する。
Embodiment 2. FIG.
The configuration of the force control device of the second embodiment is the same as that of the first embodiment, except that the force sensor attached to the wrist of the robot 3 is different from the friction coefficient calculation method by the friction coefficient estimating means. Only the configuration of the second embodiment which is different from that of the first embodiment will be described.

実施の形態2の力制御装置のロボット手首に取り付けられた力覚センサは、XYZ3方向の力を測定できるセンサ(3軸力覚センサ31)ではなく、Z軸方向のみの1軸方向の力のみを測定できる。実施の形態2の力制御装置によれば、(5)式のFallの第3要素のみ測定できるので、実施の形態1では、摩擦係数推定手段43は、(J(q))−1(τ−τr)−Fallの最初の3要素を取り出したベクトルをfa、(J(q))−1(fr(v))の最初の3要素をとりだしたベクトルをfbとして摩擦係数を算出したところ、実施の形態2では、(J(q)−1(τ−τr)−Fallの第3要素をfa、(J(q)−1(fr(v))をfbとし、第3要素のみを用いて摩擦係数を算出する。 The force sensor attached to the robot wrist of the force control device according to the second embodiment is not a sensor capable of measuring forces in the XYZ3 directions (3-axis force sensor 31), but only forces in one axis direction in the Z-axis direction. Can be measured. According to the force control device of the second embodiment, only the third element of the fall of the equation (5) can be measured. Therefore, in the first embodiment, the friction coefficient estimating means 43 is (J (q) T ) −1 ( The coefficient of friction was calculated with fa as the vector from which the first three elements of τ-τr) -Fall were extracted, and fb as the vector from which the first three elements of (J (q) T ) -1 (fr (v)) were extracted. However, in the second embodiment, the third element of (J (q) T ) −1 (τ−τr) −Fall is fa, and (J (q) T ) −1 (fr (v)) is fb. The coefficient of friction is calculated using only the third element.

なお、本実施の形態2の説明では、Z軸方向のみの力を測定できるタイプの力覚センサが採用されたが、測定できる方向はX軸方向やY軸方向であっても構わない。また、当該力覚センサが測定可能な外力は、X、Y、Z軸の周りのモーメントのうちの何れか1つであっても構わない。   In the description of the second embodiment, a force sensor of a type capable of measuring a force only in the Z-axis direction is employed, but the measurable direction may be the X-axis direction or the Y-axis direction. The external force that can be measured by the force sensor may be any one of moments about the X, Y, and Z axes.

以上述べたように、本発明の実施の形態2によれば、測定可能な方向は1方向しかない廉価な力覚センサを用いることができる。   As described above, according to the second embodiment of the present invention, an inexpensive force sensor having only one measurable direction can be used.

実施の形態3.
実施の形態3の力制御装置の構成は、摩擦係数推定手段による摩擦係数を算出する演算方法が異なるだけで実施の形態1と同等である。実施の形態3の構成について実施の形態1と異なる構成についてのみ説明する。
Embodiment 3 FIG.
The configuration of the force control device of the third embodiment is the same as that of the first embodiment except that the calculation method for calculating the friction coefficient by the friction coefficient estimating means is different. Only the configuration of the third embodiment different from that of the first embodiment will be described.

実施の形態3の力制御装置によれば、摩擦係数推定手段は、各軸の摩擦係数を未知パラメータとして同定するのではなく、各軸の摩擦力を摩擦係数の初期値を用いて算出した摩擦力fv0(vi)=fc0i*sgn(vi)+fv0i*viに共通に乗じる係数p1の積で算出する、すなわち
fv=p1*fv0 (14)
で算出できるとみなし、p1を未知パラメータとして同定する。具体的にはfa=fbからp1を算出し、摩擦係数をp1*fc0i,p1*fv0iとして出力する。
According to the force control device of the third embodiment, the friction coefficient estimation means does not identify the friction coefficient of each axis as an unknown parameter, but calculates the friction force of each axis using the initial value of the friction coefficient. Force fv0 (vi) = fc0i * sgn (vi) + fv0i * vi is calculated as a product of coefficient p1 that is commonly multiplied, that is, fv = p1 * fv0 (14)
P1 is identified as an unknown parameter. Specifically, p1 is calculated from fa = fb, and the friction coefficients are output as p1 * fc0i and p1 * fv0i.

このように、本発明の実施の形態3によれば、実施の形態1のように摩擦係数そのものを未知のパラメータとしなくても、最終的に摩擦係数を用いることが可能となる。   Thus, according to the third embodiment of the present invention, it is possible to finally use the friction coefficient without using the friction coefficient itself as an unknown parameter as in the first embodiment.

実施の形態4.
実施の形態4の力制御装置の構成は、力覚センサと、摩擦係数推定手段による摩擦係数を算出する演算方法とが異なるだけで実施の形態1と同等である。実施の形態4の構成について実施の形態1と異なる構成についてのみ説明する。
Embodiment 4 FIG.
The configuration of the force control device of the fourth embodiment is the same as that of the first embodiment, except that the force sensor and the calculation method for calculating the friction coefficient by the friction coefficient estimating means are different. Only the configuration of the fourth embodiment that is different from that of the first embodiment will be described.

実施の形態4にかかる力制御装置のロボット手首に取り付けた力覚センサは、XYZ3方向の力を測定できるセンサではなく、X方向およびY方向の力とZ軸方向周りのモーメントの3成分のみを測定できる。(5)式のFallの第1、2、6要素のみ測定できるので、摩擦係数推定手段は、実施の形態1では(J(q)−1(τ−τr)−Fallの最初の3要素を取り出したベクトルをfa、(J(q)−1(fr(v))の最初の3要素をとりだしたベクトルをfbとして摩擦係数を算出したが、実施の形態4では(J(q)−1(τ−τr)−Fallの第1、2、6要素をfa、(J(q)−1(fr(v))をfbとし、第1、2、6要素のみを用いて摩擦係数を算出する。 The force sensor attached to the robot wrist of the force control device according to the fourth embodiment is not a sensor that can measure forces in the XYZ3 directions, but only three components of forces in the X and Y directions and moments around the Z axis. It can be measured. Since only the first, second, and sixth elements of Fall in equation (5) can be measured, the friction coefficient estimating means is the first 3 of (J (q) T ) −1 (τ−τr) −Fall in the first embodiment. The coefficient of friction was calculated using the vector from which the element was extracted as fa and the vector from which the first three elements of (J (q) T ) −1 (fr (v)) were extracted as fb. q) The first, second and sixth elements of T ) -1 (τ-τr) -Fal are fa, and (J (q) T ) -1 (fr (v)) is fb, and the first, second and sixth elements The coefficient of friction is calculated using only

なお、以上の説明においては、力覚センサは、X方向およびY方向の力とZ軸方向周りのモーメントの3成分のみを測定できるとしたが、本発明の実施の形態3は、X軸方向、Y軸方向、Z軸方向、X軸を回転軸とした回転方向、Y軸を回転軸とした回転方向、およびZ軸を回転軸とした回転方向のうちの任意の3成分のみを測定できる力覚センサを採用した力制御装置に適用できる。   In the above description, the force sensor can measure only the three components of the force in the X direction and the Y direction and the moment around the Z axis direction. However, the third embodiment of the present invention is not limited to the X axis direction. , Y axis direction, Z axis direction, rotation direction with X axis as rotation axis, rotation direction with Y axis as rotation axis, and any three components among rotation directions with Z axis as rotation axis can be measured It can be applied to a force control device employing a force sensor.

このように、本発明の実施の形態4によれば、X軸方向、Y軸方向、Z軸方向、X軸を回転軸とした回転方向、Y軸を回転軸とした回転方向、およびZ軸を回転軸とした回転方向のうちの任意の3成分のみを測定できる力覚センサを採用した力制御装置であっても精度よく外力を算出することができる。   Thus, according to the fourth embodiment of the present invention, the X-axis direction, the Y-axis direction, the Z-axis direction, the rotation direction with the X-axis as the rotation axis, the rotation direction with the Y-axis as the rotation axis, and the Z-axis Even a force control device that employs a force sensor that can measure only three arbitrary components in the rotation direction with the rotation axis as the rotation axis can accurately calculate the external force.

実施の形態5.
図6は、実施の形態5の力制御装置の構成を示すブロック図である。図示するように、実施の形態5の力制御装置は、指令生成手段1、ロボット制御手段10、ロボット3、力推定オブザーバ4、および力情報モニター11を備えている。なお、本図において、実施の形態1と同じ構成要素には同一の符号を付している。すなわち、実施の形態5によれば、力推定オブザーバ4の出力をモニター用途にのみ用い、制御には用いない点が実施の形態1と異なっている。
Embodiment 5 FIG.
FIG. 6 is a block diagram illustrating a configuration of the force control device according to the fifth embodiment. As shown in the figure, the force control apparatus according to the fifth embodiment includes command generation means 1, robot control means 10, robot 3, force estimation observer 4, and force information monitor 11. In the figure, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals. That is, the fifth embodiment is different from the first embodiment in that the output of the force estimation observer 4 is used only for monitoring purposes and is not used for control.

力情報モニター11は、例えば各方向の力とモーメントとが許容範囲であるかを監視し、許容範囲を超過した場合にエラー信号を発生する。また、力情報モニター11は、単に力推定値のログを取る、あるいは力推定値を表示出力する表示装置として機能するようにしてもよい。   For example, the force information monitor 11 monitors whether the force and moment in each direction are within an allowable range, and generates an error signal when the allowable range is exceeded. Further, the force information monitor 11 may function as a display device that simply logs a force estimate value or displays and outputs a force estimate value.

図7は、実施の形態5のロボット制御手段10の詳細な構成を説明するブロック図である。図示するように、実施の形態5では、力制御装置はコンプライアンス制御などは行わず、力情報(力推定値)をモニターするのみとする。したがって、ロボット制御手段10の内部構成は、力覚考慮補正手段7を備えない一般に知られた位置制御のための構成と同一である。   FIG. 7 is a block diagram illustrating a detailed configuration of the robot control unit 10 according to the fifth embodiment. As shown in the figure, in the fifth embodiment, the force control device does not perform compliance control or the like, but only monitors force information (force estimation value). Therefore, the internal configuration of the robot control unit 10 is the same as a generally known configuration for position control that does not include the force sense consideration correction unit 7.

このように、力推定値を制御ではなく状態の監視の用途に用いるようにしてもよい。   In this way, the force estimation value may be used not for control but for state monitoring.

以上のように、本発明にかかる力制御装置は、ロボットを制御する力制御装置に適用して好適である。   As described above, the force control device according to the present invention is suitable for application to a force control device that controls a robot.

1 指令生成手段
2 ロボット制御手段
3 ロボット
4 力推定オブザーバ
6 加算器
7 力覚考慮補正手段
8 逆変換手段
9 各軸位置制御手段
10 ロボット制御手段
11 力情報モニター
31 3軸力覚センサ
32 位置センサ
41 外力算出手段
42 推定トルク算出手段
43 摩擦係数推定手段
71 減算器
72 座標変換手段
73 スティフネス行列部
74 加算器
75 減算器
76 比例ゲインフィルタ
77 座標変換手段
78 積分手段
79 微分手段
80 ダンピング行列部
81 座標変換手段
82 順変換手段
91 減算器
92 比例手段
93 微分手段
94 減算器
95 比例積分手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Command production | generation means 2 Robot control means 3 Robot 4 Force estimation observer 6 Adder 7 Force sense consideration correction means 8 Inverse conversion means 9 Each axis position control means 10 Robot control means 11 Force information monitor 31 3-axis force sensor 32 Position sensor 41 External force calculation means 42 Estimated torque calculation means 43 Friction coefficient estimation means 71 Subtractor 72 Coordinate conversion means 73 Stiffness matrix part 74 Adder 75 Subtractor 76 Proportional gain filter 77 Coordinate conversion means 78 Integration means 79 Differentiation means 80 Damping matrix part 81 Coordinate conversion means 82 Forward conversion means 91 Subtractor 92 Proportional means 93 Differentiation means 94 Subtractor 95 Proportional integration means

Claims (4)

モータにより駆動されるロボットと、
前記ロボットの先端部が指令位置に追従するように前記モータを駆動する電流指令を生成するロボット制御手段と、
前記ロボットの先端部のm個の動作方向のうち、n(m>n≧1)個の動作方向の夫々にかかる外力を検出する力覚センサと、
前記力覚センサの検出値、前記モータの位置、および前記電流指令に基づいて、前記ロボットの先端部の個の動作方向のうちの少なくとも前記力覚センサが外力を非検出とするm−n個の動作方向の外力算出に必要となる摩擦係数を夫々同定し、当該同定した摩擦係数に基づいて前記m−n個の動作方向にかかる外力の推定値を算出する力推定オブザーバと、
を備えることを特徴とする力制御装置。
A robot driven by a motor;
Robot control means for generating a current command for driving the motor so that the tip of the robot follows the command position;
A force sensor for detecting an external force applied to each of n (m> n ≧ 1) motion directions among m motion directions of the tip of the robot;
Based on the detection value of the force sensor, the position of the motor, and the current command, at least the force sensor out of m motion directions of the tip of the robot mn detects no external force. A force estimation observer for identifying each of the friction coefficients necessary for calculating the external force in each of the motion directions, and calculating an estimated value of the external force applied to the mn motion directions based on the identified friction coefficients;
A force control device comprising:
前記ロボット制御手段は、前記外力の推定値とモータ位置とに基づいて前記位置指令を補正し、前記ロボットの先端部が前記補正した位置指令に追従するように前記電流指令を生成する、
ことを特徴とする請求項1に記載の力制御装置。
The robot control means corrects the position command based on the estimated value of the external force and the motor position, and generates the current command so that the tip of the robot follows the corrected position command.
The force control apparatus according to claim 1.
前記外力の推定値をモニタリングする力情報モニターをさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の力制御装置。   The force control apparatus according to claim 1, further comprising a force information monitor that monitors the estimated value of the external force. 前記mは6であって、前記m個の動作方向は、X軸方向、Y軸方向、Z軸方向、X軸を回転軸とした回転方向、Y軸を回転軸とした回転方向、およびZ軸を回転軸とした回転方向である、
ことを特徴とした請求項1〜3のうちの何れか一項に記載の力制御装置。
The m is 6, and the m operation directions are an X-axis direction, a Y-axis direction, a Z-axis direction, a rotation direction with the X axis as a rotation axis, a rotation direction with the Y axis as a rotation axis, and Z The direction of rotation with the axis as the rotation axis.
The force control device according to any one of claims 1 to 3, wherein
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