JP5727103B2 - ロボット装置およびその制御方法 - Google Patents
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Description
一方、摩擦を考慮して制御対象の駆動を制御する場合に、制御対象がクーロン摩擦の影響と粘性摩擦の影響を受けることから、両者を同定して補償することも行われている(特許文献2)。
なお、移動物体の速度に応じて、クーロン摩擦の影響を受ける領域と粘性摩擦の影響を受ける領域とに区分し、それぞれの領域における摩擦力を不連続摩擦モデルのモデル式に基づいて推定することも行われている(非特許文献1)。
なお、第2関節21〜第6関節25についても、それぞれ第1関節20と同様にアーム軸40を有し、減速機41、駆動モータ42、エンコーダ43が設けられ、同様に動作するので、説明を省略する。
制御装置3は、ロボット本体2の各関節20〜25のそれぞれの駆動モータ42に設けられたエンコーダ43の検出値に基づき、所定の制御周期にて位置指令部50が目標位置・姿勢に関する指令を発し、指令を受けた制御対象部56がそれぞれの駆動モータ42を作動させ、各関節20〜25を駆動する。
n個の関節に作用する推定関節トルクT(Θ)は、以下の式で表される。
T(Θ)=M(Θ)Θ”+B(Θ)[Θa’Θb’]+C(Θ)[Θ’2]+G(Θ)+F(Θ’)
上式の各項は以下の通りである。
T(Θ):推定関節トルク行列(n行1列の行列)
Θ、Θ’、Θ”:それぞれ関節角度行列、関節角速度行列、関節角加速度行列(n行1列の行列)
Θ’2:同じ関節の関節角速度積行列(n行1列の行列)
Θa’Θb’:異なる関節の関節角速度積行列({n・(n−1)/2}行1列の行列)
M(Θ):慣性(質量)行列(n行n列の行列)
B(Θ):コリオリ力行列(n行{n・(n−1)/2}列の行列)
C(Θ):遠心力行列(n行n列の行列)
G(Θ):重力行列(n行1列の行列)
F(Θ’):摩擦力行列(n行1列の行列)
なお、本実施形態では、ロボット本体2が6個の関節20〜25を有するので、n=6となる。
そして、クーロン摩擦モデルのモデル式と粘性摩擦モデルのモデル式が不連続である場合に、その接続が不連続となる関節角速度の前後で、推定される摩擦力トルクが急激に変化して各関節20〜25の駆動が乱れることを避けるために、摩擦力トルク推定部64は、さらに、クーロン摩擦力トルク推定部70から粘性摩擦力トルク推定部71への移行と、粘性摩擦力トルク推定部71からクーロン摩擦力トルク推定部70への移行を滑らかにする移行区間演算部72を備えている。
摩擦力トルク推定部64は、クーロン摩擦力トルク推定部70と粘性摩擦力トルク推定部71と移行区間演算部72との中から、関節角速度に応じて、いずれか1つを選択する切替えスイッチ73も有している。
各関節20〜25の回転方向が正回転の場合、関節角速度指令θ’は正の値となり、逆回転の場合、関節角速度指令θ’は負の値となる。
関節角速度指令θ’が、0≦|θ’|≦θ1’(0<θ1’)の範囲にあるとき、切替えスイッチ73はクーロン摩擦力トルク推定部70を選択して接続し、摩擦力トルク推定部64は、クーロン摩擦力トルク推定部70にて演算することにより、各関節20〜25に作用する摩擦力トルクを推定する。なお、θ1’は、クーロン摩擦切替え関節速度指令θ1’を表し、これについては後述する。
関節角速度指令θ’が、θ1’<|θ’|<θ2’(θ1’<θ2’)の範囲にあるとき、切替えスイッチ73は移行区間演算部72を選択して接続し、摩擦力トルク推定部64は、移行区間演算部72にて演算することにより、各関節20〜25に作用する摩擦力トルクを推定する。なお、θ2’は、粘性摩擦切替え関節速度指令θ2’を表し、これについては後述する。
関節角速度指令θ’が、θ2’≦|θ’|の範囲にあるとき、切替えスイッチ73は粘性摩擦力トルク推定部71を選択して接続し、摩擦力トルク推定部64は、粘性摩擦力トルク推定部71にて演算することにより、各関節20〜25に作用する摩擦力トルクを推定する。
なお、クーロン摩擦力トルク推定部70から粘性摩擦力トルク推定部71への直接の切替えと、粘性摩擦力トルク推定部71からクーロン摩擦力トルク推定部70への直接の切替えは行われない。
粘性摩擦切替え関節速度指令θ2’は、粘性摩擦力トルク推定部71が粘性摩擦モデルに準じて算出した粘性摩擦力トルクFv(θ)と、測定に基づく関節角度と摩擦力トルクとの関係Fm(θ)とを比較し、Fm(θ)がFv(θ)の最小値に到達するときの関節角速度が適用される。
例えば、本実施の形態において、移行区間演算部72から粘性摩擦力トルク推定部71への切替えは、関節角速度指令θ’が粘性摩擦切替え関節速度指令θ2’以上になった(θ2’≦|θ’|)時点で切替わるとしているが、関節角速度指令θ’が粘性摩擦切替え関節速度指令θ2’よりも速くなり(θ2’<|θ’|)、かつ、移行区間摩擦力トルクFt(θ)が粘性摩擦力トルクFv(θ)の最小値よりも大きくなった(|Fv(θ)の最小値|<|Ft(θ)|)時点で切替わるとしてもよい。
横軸は関節角速度を、縦軸は摩擦力トルクを示し、白丸(○)印は摩擦力トルク推定部64により推定された摩擦力トルクを示す。
区間Bと区間B’は、関節角速度指令θ’がθ1’<|θ’|<θ2’の範囲であって、所定の制御周期にて、摩擦力トルク推定部64が、移行区間演算部72で演算して、摩擦力トルクを推定したものである。
区間Cと区間C’は、関節角速度指令θ’がθ2’≦|θ’|の範囲であって、所定の制御周期にて、摩擦力トルク推定部64が、粘性摩擦力トルク推定部71で演算して、摩擦力トルクを推定したものである。
移行区間演算部72で推定された区間B、B’の摩擦トルクは、クーロン摩擦モデルのモデル式に基づき推定された区間A、A’の摩擦力トルクと、粘性摩擦モデルのモデル式に基づき推定された区間C、C’の摩擦力トルクを滑らかに接続している。
本実施形態によれば、摩擦力トルク推定部64が移行区間演算部72を備えているので、クーロン摩擦力トルク推定部70から移行区間演算部72を介して粘性摩擦力トルク推定部71へ、および、粘性摩擦力トルク推定部71から移行区間演算部72を介してクーロン摩擦力トルク推定部70へ、滑らかに移行する。
ロボット装置1は、図6に示すフローチャートの如く制御される。
ステップS111において、制御装置3は、誤差トルクを基に、その外力演算部54にて、推定外力を算出し、ステップS112において、推定外力を基に、そのコンプライアンスモデル演算部55にて、目標位置・姿勢の修正量を演算する。
この目標位置・姿勢の修正量は、ステップS103において演算される目標位置・姿勢に加算され、算出された目標位置・姿勢はコンプライアンス制御を考慮した目標位置・姿勢となる。
そして、ステップS207において、関節トルク推定部53は、関節トルクの推定を終了する。
ステップS305において、摩擦力トルク推定部64は、クーロン摩擦力トルク推定部70にてクーロン摩擦力トルクFc(θ)を演算することにより、摩擦力トルクを推定する。
ステップS306において、摩擦力トルク推定部64は、移行区間演算部72にて移行区間摩擦力トルクFt(θ)を演算することにより、摩擦力トルクを推定する。
ステップS307において、摩擦力トルク推定部64は、粘性摩擦力トルク推定部71にて粘性摩擦力トルクFv(θ)を演算することにより、摩擦力トルクを推定する。
Claims (4)
- ロボット装置において、
駆動モータにより駆動される関節と、
前記駆動モータの回転角を検出する回転角検出手段と、
前記回転角検出手段の検出値より前記関節の駆動を制御する際に、前記関節に作用する関節トルクを推定する関節トルク推定部の推定値より補正を行う制御装置とを備え、
前記関節トルク推定部は、慣性トルク推定部と、コリオリ力トルク推定部と、遠心力トルク推定部と、重力トルク推定部と、摩擦力トルク推定部とを有し、
前記摩擦力トルク推定部は、クーロン摩擦力トルク推定部と、粘性摩擦力トルク推定部と、前記クーロン摩擦力トルク推定部から前記粘性摩擦力トルク推定部への移行と前記粘性摩擦力トルク推定部から前記クーロン摩擦力トルク推定部への移行を滑らかにする移行区間演算部とを有することを特徴とするロボット装置。 - 前記移行区間演算部は、予め測定された前記関節の関節トルクより抽出された摩擦力トルク係数を用いて、前記関節の摩擦力トルクを演算することを特徴とする請求項1に記載のロボット装置。
- 駆動モータの回転角の検出値より関節を駆動する際に、前記関節に作用する関節トルクの推定値より補正を行うロボット装置の制御方法において、
前記関節に作用する慣性トルクとコリオリ力トルクと遠心力トルクと重力トルクと摩擦力トルクとを推定して前記関節の関節トルクの推定値を得る工程を備え、
前記関節の関節トルクの推定値を得る工程は、クーロン摩擦力トルクから粘性摩擦力トルクへ移行する間の摩擦力トルクと、粘性摩擦力トルクからクーロン摩擦力トルクへ移行する間の摩擦力トルクとを、移行区間演算部で演算して推定する工程を含むことを特徴とするロボット装置の制御方法。 - 前記移行区間演算部は、予め測定された前記関節の関節トルクより抽出された摩擦力トルク係数を用いて、前記関節の摩擦力トルクを演算することを特徴とする請求項3に記載のロボット装置の制御方法。
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