JP5770067B2 - Robot arm - Google Patents

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Description

本発明は、冗長度を有するロボットアームに関する。   The present invention relates to a robot arm having redundancy.

ロボットアームの制御手法として、その位置及び姿勢を定める６要素に加え、さらに冗長度を定める要素を指定することにより、ヤコビ行列を用いて各関節角度の駆動量を定める手法が提案されている（特許文献１参照）。当該技術によれば、冗長度を定める要素として選定された慣性能率の変化量が「０」に指定されることにより、各関節機構の駆動源にかかる負荷変化量の低下が図られている。   As a control method of the robot arm, a method for determining the driving amount of each joint angle using a Jacobian matrix by specifying an element for determining redundancy in addition to six elements for determining the position and posture is proposed ( Patent Document 1). According to this technique, the amount of change in the load applied to the drive source of each joint mechanism is reduced by designating “0” as the amount of change in the inertia ratio selected as an element for determining the redundancy.

特公平０４−００６００３号公報Japanese Patent Publication No. 04-006003

しかし、位置又は姿勢が容易に変化する不安定な台座によりロボットアームが支持されている場合、前記制御手法にしたがってロボットアームの指定箇所の位置及び姿勢を目標軌道に追従させようとする際に、各関節機構駆動源にかかる負荷の変化が抑制されうる一方、ロボットアームの動作が不安定になる可能性がある。   However, when the robot arm is supported by an unstable pedestal whose position or posture easily changes, when trying to make the position and posture of the designated position of the robot arm follow the target trajectory according to the control method, While the change of the load applied to each joint mechanism drive source can be suppressed, the operation of the robot arm may become unstable.

そこで、本発明は、不安定な台座により支持されている状況においても、指定箇所の位置及び姿勢を目標軌道に追従させながらも動作の安定化を図ることができるロボットアームを提供することを解決課題とする。   Therefore, the present invention solves the problem of providing a robot arm that can stabilize the operation while keeping the position and posture of the designated location following the target trajectory even in a situation where the robot is supported by an unstable pedestal. Let it be an issue.

前記課題を解決するための本発明のロボットアームは、複数の関節機構と、各関節角度が指令値にしたがって変化するように当該各関節角度を制御する制御装置とを備え、位置及び姿勢が変化し得る台座により支持されている冗長度を有するロボットアームである。前記制御装置は、前記ロボットアームの指定箇所の位置及び姿勢の変化量を定める６要素を指定するために、前記複数の関節機構の角度の微小変化に対する前記指定箇所の位置及び姿勢の微小変化を表わす第１ヤコビ行列の擬似逆行列を、前記指定箇所の位置及び姿勢の微小変化に対して乗じることにより第１指令値を計算し、前記冗長度を定める要素としての前記ロボットアームの全体重心位置の変化量を、０又は指定範囲内の値に指定するために、前記複数の関節機構の角度の微小変化に対する前記ロボットアームの全体重心位置の微小変化を表わす第２ヤコビ行列の擬似逆行列を、前記ロボットアームの順キネマティクスモデルに従って前記第１指令値に基づいて計算された前記ロボットアームの重心位置の微小変化に対して乗じた結果を前記第１ヤコビ行列の零空間に投影することにより第２指令値を計算し、かつ、前記第１指令値と前記第２指令値に指定係数ｒを乗じた結果との和を前記指令値として計算するように構成され、前記指定係数ｒは、０＜ｒ＜１の範囲の値であることを特徴とする。 A robot arm according to the present invention for solving the above-described problem includes a plurality of joint mechanisms and a control device that controls each joint angle so that each joint angle changes according to a command value, and the position and posture change. It is a robot arm having redundancy supported by a pedestal that can be . The control device performs minute changes in the positions and postures of the designated portions with respect to minute changes in angles of the joint mechanisms in order to designate six elements that determine the amount of change in the positions and postures of the designated portions of the robot arm. Calculating the first command value by multiplying the pseudo inverse matrix of the first Jacobian matrix expressed by the minute change in the position and orientation of the designated location, and the position of the entire center of gravity of the robot arm as an element for determining the redundancy In order to specify a change amount of 0 as a value within a specified range, a pseudo inverse matrix of a second Jacobian matrix representing a minute change in the overall center of gravity position of the robot arm with respect to a minute change in the angle of the plurality of joint mechanisms And a result obtained by multiplying a small change in the center of gravity position of the robot arm calculated based on the first command value according to the forward kinematics model of the robot arm. Is calculated on the null space of the first Jacobian matrix, and the command value is the sum of the first command value and the result obtained by multiplying the second command value by the designated coefficient r. The designated coefficient r is a value in the range of 0 <r <1 .

本発明のロボットアームは、前記指定係数ｒは、サンプリング周期が大きくなるほど小さくなる値であり、前記サンプリング周期が小さくなるほど大きくなる値であることが好ましい。  In the robot arm of the present invention, it is preferable that the designation coefficient r is a value that decreases as the sampling period increases, and increases as the sampling period decreases.

本発明の一実施形態としてのロボットアームの構成説明図。The structure explanatory view of the robot arm as one embodiment of the present invention. 図１のロボットアームの制御装置の構成説明図。FIG. 2 is a configuration explanatory diagram of a control device for the robot arm of FIG. ロボットアームの動作形態に関する説明図。Explanatory drawing regarding the operation | movement form of a robot arm.

（ロボットアームの構成）
図１に示されている本発明の一実施形態としてのロボットアーム１は、台座２により支持されている。台座２は、遠隔操作可能な台車等の移動装置、又は当該台車に取り付けられているリフタ等の一部により構成されている。台座２又はこれを構成要素とする移動装置等の機器がロボットアーム１の構成要素であってもよい。ロボットアーム１の先端部にはエンドエフェクタ３が取り付けられている。エンドエフェクタ３は、例えばバルブの開閉というタスクを実行するため、当該バルブのハンドルに係合させるための適当な構造とされている。エンドエフェクタ３はロボットアーム１の構成要素であってもよい。 (Robot arm configuration)
A robot arm 1 as an embodiment of the present invention shown in FIG. 1 is supported by a base 2. The pedestal 2 is constituted by a part of a moving device such as a cart that can be remotely operated, or a lifter attached to the cart. The pedestal 2 or a device such as a moving device including the pedestal 2 may be a component of the robot arm 1. An end effector 3 is attached to the tip of the robot arm 1. The end effector 3 has an appropriate structure for engaging with a handle of the valve, for example, in order to execute a task of opening / closing the valve. The end effector 3 may be a component of the robot arm 1.

ロボットアーム１は、９つの関節機構Ｊi（i＝Bz, By, Sz, Sy, Sx, Ey, Wx, Wy, Wz）と、当該９つの関節機構Ｊiを介して順に連結されている１０のリンク部材Ｌk（k＝1〜9）とを備えている。すなわち、本実施形態のロボットアーム１の自由度ｑは「９」であり、その冗長度ｐは「３（＝９−ｑ）」である。各関節機構Ｊiには、その関節角度θiに応じた信号を出力するロータリエンコーダ等の関節角度センサが設けられている。 The robot arm 1 is connected to nine joint mechanisms J i (i = Bz, By, Sz, Sy, Sx, Ey, Wx, Wy, Wz) and the nine joint mechanisms J i in turn. Link member L k (k = 1 to 9). That is, the degree of freedom q of the robot arm 1 of the present embodiment is “9”, and the redundancy p thereof is “3 (= 9−q)”. Each joint mechanism J i is provided with a joint angle sensor such as a rotary encoder that outputs a signal corresponding to the joint angle θ i .

ロボットアーム１、台座２及びエンドエフェクタ３のうち少なくとも１つに、撮像装置が取り付けられ、当該撮像装置により撮像された画像がロボットアーム１から離れた場所に設置されている画像装置に表示される。操作者はこの画像を見ながら遠隔操作装置を操作することにより、台座２を構成する移動装置の動作に加えて、ロボットアーム１及びエンドエフェクタ３の動作を遠隔制御することができる。   An imaging device is attached to at least one of the robot arm 1, the pedestal 2, and the end effector 3, and an image captured by the imaging device is displayed on an image device installed at a location away from the robot arm 1. . The operator can remotely control the operation of the robot arm 1 and the end effector 3 in addition to the operation of the moving device constituting the pedestal 2 by operating the remote operation device while viewing this image.

（制御装置の構成）
ロボットアーム１は、図２に示されている制御装置４を備えている。制御装置４は、プログラマブルコンピュータにより構成されている。制御装置４には、遠隔操作装置からアーム１の目標運動軌道が入力される。変数の「軌道」とは、当該変数の時間変化態様を表わす時系列的な変数値を意味する。制御装置４は、第１指令値計算要素４１と、第２指令値計算要素４２とを備えている。 (Configuration of control device)
The robot arm 1 includes a control device 4 shown in FIG. The control device 4 is configured by a programmable computer. The target motion trajectory of the arm 1 is input to the control device 4 from the remote control device. The “trajectory” of a variable means a time-series variable value representing a time change mode of the variable. The control device 4 includes a first command value calculation element 41 and a second command value calculation element 42.

制御装置４には、関節角度センサから出力された信号が入力される。制御装置４は、当該入力信号に基づき、アーム１の各関節機構Ｊiの動作制御指令にしたがって、各関節機構Ｊiの駆動源の動作を制御するという制御処理を実行するように構成されている。 A signal output from the joint angle sensor is input to the control device 4. The control device 4 is configured to execute a control process of controlling the operation of the drive source of each joint mechanism J i according to the operation control command of each joint mechanism J i of the arm 1 based on the input signal. Yes.

ここで、制御装置４が演算処理を実行するように構成されているとは、制御装置４を構成するＣＰＵ（中央演算処理）が、必要なソフトウェア及びデータをメモリ（記憶装置）から読み取り、当該ソフトウェアにしたがって当該演算処理を実行するようにプログラムされていることを意味する。   Here, the control device 4 is configured to execute arithmetic processing when the CPU (central processing processing) constituting the control device 4 reads necessary software and data from a memory (storage device), and It means that it is programmed to execute the arithmetic processing according to software.

（制御処理）
前記構成の制御装置４により実行されるロボットアーム１の制御処理に付いて説明する。 (Control processing)
The control process of the robot arm 1 executed by the control device 4 having the above configuration will be described.

第１指令値計算要素４１により、ロボットアーム１の指定箇所である先端部の位置及び姿勢（以下「手先位置姿勢」という。）の今回目標値QH_desと前回指令値QH_cmd_preとの偏差に基づき、関係式（０１）にしたがって第１指令値Δθ1_cmdが計算される。第１指令値Δθ1_cmdは、手先位置姿勢QH＝（PH, θH）＝（xH, yH, zH, θHx, θHy, θHz）をその今回目標値QH_desに一致させるための各関節機構Ｊiの関節角度の変化量Δθ＝（ΔθBz, ΔθBy, ΔθSz, ΔθSy, ΔθSx, ΔθEy, ΔθWx, ΔθWy, ΔθWz）を定めるものである。すなわち、第１指令値Δθ1_cmdは、手先位置姿勢QHの変化量を定める６要素であるxH, yH, zH, θHx, θHy及びθHzを指定するためのものである。 Deviation between the current target value Q H _des and the previous command value Q H _cmd_pre of the position and posture (hereinafter referred to as “hand position / posture”) of the tip, which is the designated portion of the robot arm 1, by the first command value calculation element 41 Based on the above, the first command value Δθ1_cmd is calculated according to the relational expression (01). The first command value Δθ1_cmd matches the hand position / posture Q H = (P H , θ H ) = (x H , y H , z H , θ Hx , θ Hy , θ Hz ) with the current target value Q H _des The amount of change Δθ = (Δθ Bz , Δθ By , Δθ Sz , Δθ Sy , Δθ Sx , Δθ Ey , Δθ Wx , Δθ Wy , Δθ Wz ) for each joint mechanism J i is determined. That is, the first command value Δθ1_cmd is for designating x H , y H , z H , θ Hx , θ Hy and θ Hz that are the six elements that determine the amount of change in the hand position / posture Q H.

手先位置姿勢の前回指令値QH_cmd_preは、各関節角度の前回までの変化指令値Δθ_cmdが累計された結果としての前回指令値θ_cmd_preに基づき、ロボットアーム１の順キネマティクスモデルにしたがって計算される。 The previous command value Q H _cmd_pre of the hand position / posture is calculated according to the forward kinematics model of the robot arm 1 based on the previous command value θ_cmd_pre as a result of accumulating the change command values Δθ_cmd up to the previous time of each joint angle. .

Δθ1_cmd=JH #(QH_des-QH_cmd_pre) ..(01)。 Δθ1_cmd = J H # (Q H _des-Q H _cmd_pre) .. (01).

「#」は擬似逆行列を表わす。「JH」は、各関節機構Ｊiの関節角度の微小変化Δθ＝（ΔθBz, ΔθBy, ΔθSz, ΔθSy, ΔθSx, ΔθEy, ΔθWx, ΔθWy, ΔθWz）に対する、手先位置姿勢QHの微小変化ΔQHを表わすヤコビ行列（第１ヤコビ行列）である。ヤコビ行列JH及びその擬似逆行列JH #は、各関節角度の前回指令値θ_cmd_preと、手先位置姿勢の前回指令値QH_cmd_preとに基づいて計算される。 “ # ” Represents a pseudo inverse matrix. “J H ” is a hand for a minute change Δθ = (Δθ Bz , Δθ By , Δθ Sz , Δθ Sy , Δθ Sx , Δθ Ey , Δθ Wx , Δθ Wy , Δθ Wz ) of each joint mechanism J i. it is a Jacobian matrix representing the minute change Delta] Q H of the position and orientation Q H (first Jacobian). The Jacobian matrix J H and its pseudo inverse matrix J H # are calculated based on the previous command value θ_cmd_pre for each joint angle and the previous command value Q H _cmd_pre for the hand position / posture.

第２指令値計算要素４２により、第１指令値Δθ1_cmdに基づき、順キネマティクスモデルにしたがって全体重心位置の推定変化量ΔPgc_estが計算される。そして、全体重心位置の推定変化量ΔPgc_estに基づき、関係式（０２）にしたがって第２指令値Δθ2_cmdが計算される。第２指令値Δθ2_cmdは、手先位置姿勢の今回目標値QH_desを変化させないようにロボットアーム１の全体重心位置Pgc＝（xgc, ygc, zgc）を維持するための、各関節機構Ｊiの関節角度の変化量を定めるものである。すなわち、。第２指令値Δθ2_cmdは、冗長度ｐ（＝３）を定める要素としてのロボットアーム１の全体重心位置Pgcの変化量を、０又は指定範囲内の値に指定するためのものである。 Based on the first command value Δθ1_cmd, the second command value calculation element 42 calculates the estimated change amount ΔP gc _est of the total center-of-gravity position according to the forward kinematic model. Then, the second command value Δθ2_cmd is calculated according to the relational expression (02) based on the estimated change amount ΔP gc _est of the overall center of gravity position. The second command value Δθ2_cmd is used to maintain the overall center of gravity position P gc = (x gc , y gc , z gc ) of the robot arm 1 so as not to change the current target value Q H _des of the hand position / posture. The amount of change in the joint angle of the mechanism J i is determined. That is. The second command value Δθ2_cmd is for designating the change amount of the overall center of gravity position P gc of the robot arm 1 as an element for determining the redundancy p (= 3) to 0 or a value within the designated range.

Δθ2_cmd=(E-JH #JH)Jgc #ΔPgc_est ..(02)。 Δθ2_cmd = (EJ H # J H ) J gc # ΔP gc _est .. (02).

「Jgc」は、各関節機構Ｊiの関節角度の微小変化Δθに対する、全体重心位置Pgcの微小変化ΔPHを表わすヤコビ行列（第２ヤコビ行列）である。ヤコビ行列Jgc及びその擬似逆行列Jgc #は、各関節角度の前回指令値θ_cmd_preと、全体重心位置の前回指令値Pgc_cmd_preとに基づいて計算される。「E-JH #JH」は、ヤコブ行列JHの零空間を意味する。 "J gc" is a relative small change Δθ in the joint angle of each joint mechanism J i, Jacobian matrix representing the minute change [Delta] P H of the overall center-of-gravity position P gc (second Jacobian). The Jacobian matrix J gc and its pseudo inverse matrix J gc # are calculated based on the previous command value θ_cmd_pre for each joint angle and the previous command value P gc _cmd_pre for the entire center of gravity position. “EJ H # J H ” means a null space of the Jacob matrix J H.

第１指令値Δθ1_cmd及び第２指令値Δθ2_cmdの和が、指令値Δθ_cmdとして計算される。この指令値Δθ_cmdに応じて、各関節機構Ｊiの関節角度θiがΔθ_cmd_iだけ変化するようにその駆動源の動作が制御される。
なお、第１指令値Δθ1_cmdと、第２指令値Δθ2_cmdに所定の比率ｒ（０＜ｒ＜１）を乗じた結果との和が、指令値Δθ_cmdとして計算されてもよい。時定数Ｔと、サンプリング周期τとに基づき、当該比率は関係式（０３）により表わされる。 The sum of the first command value Δθ1_cmd and the second command value Δθ2_cmd is calculated as the command value Δθ_cmd. In accordance with this command value Δθ_cmd, the operation of the drive source is controlled so that the joint angle θ i of each joint mechanism J i changes by Δθ_cmd_i .
The sum of the first command value Δθ1_cmd and the result obtained by multiplying the second command value Δθ2_cmd by a predetermined ratio r (0 <r <1) may be calculated as the command value Δθ_cmd. Based on the time constant T and the sampling period τ, the ratio is expressed by the relational expression (03).

r=1/(1+(τ/T)) ..(03)。   r = 1 / (1+ (τ / T)) .. (03).

本発明によれば、ロボットアーム１が不安定な台座２により支持されている状況においても、手先位置姿勢QHをその目標値QH_desに追従させながらも、ロボットアーム１の全体重心位置Pgcの変化が防止又は制限されるので、ロボットアーム１の動作の安定化が図られる。 According to the present invention, even when the robot arm 1 is supported by the unstable pedestal 2, the overall center of gravity position P of the robot arm 1 is maintained while the hand position / posture Q H follows the target value Q H _des. Since the change of gc is prevented or restricted, the operation of the robot arm 1 is stabilized.

例えば、台座２の運動が弾性要素又はバネ要素を介して床面に接触しているモデルにより表現されるような、台座２が不安定な状況について考える。この状況で、図３（ｂ）に示されているように手先位置姿勢QHをその目標値QH_desに追従させた結果、ロボットアーム１の全体重心位置Pgcが変化した場合、弾性要素の変形によって台座２の位置及び姿勢が変化してしまう。台座２の位置姿勢変化を補償するために各関節角度θが制御された場合、少なくとも一部の関節角度θの制御が発振してしまい、ロボットアーム１の動作が不安定になる可能性がある。 For example, consider a situation where the pedestal 2 is unstable such that the movement of the pedestal 2 is represented by a model in contact with the floor via an elastic or spring element. In this situation, and FIG. 3 (b) the hand position and orientation Q H as shown in the result of the follow the target value Q H _des, if the overall center-of-gravity positions P gc of the robot arm 1 is changed, the elastic element The position and posture of the pedestal 2 change due to the deformation. When each joint angle θ is controlled to compensate for the position and orientation change of the pedestal 2, at least a part of the joint angle θ may be oscillated, and the operation of the robot arm 1 may become unstable. .

しかるに、本発明によれば、この状況で、図３（ａ）に示されているように手先位置姿勢QHをその目標値QH_desに追従させながらも、ロボットアーム１の全体重心位置Pgcの変化が防止又は制限抑制される。このため、弾性要素の変形による台座２の位置及び姿勢の変化が防止又は制限され、ロボットアーム１の動作が安定に制御される。 However, according to the present invention, in this situation, even while tracking the tip position and orientation Q H as shown in the target value Q H _des in FIG. 3 (a), the overall center-of-gravity position P of the robot arm 1 Changes in gc are prevented or restricted. For this reason, the change of the position and attitude of the base 2 due to the deformation of the elastic element is prevented or restricted, and the operation of the robot arm 1 is stably controlled.

ロボットアーム１の冗長度ｐが「３」であるため、ロボットアーム１の全体重心位置Pgcが直交する３軸方向について調節されうる。なお、ロボットアーム１の後端部（基端部）を台座２に対して変位させる駆動機構（ＸＹステージなど）が設けられ、ロボットアーム１の台座座標系における全体重心位置Pgcの３軸方向成分のうち一部が当該駆動機構によって制御されうる場合、ロボットアーム１の冗長度ｐが「１」又は「２」になるように、関節機構Ｊiの総数が「７」又は「８」に変更されてもよい。 Since the redundancy p of the robot arm 1 is “3”, the overall center-of-gravity position P gc of the robot arm 1 can be adjusted in three orthogonal directions. A drive mechanism (XY stage or the like) that displaces the rear end (base end) of the robot arm 1 with respect to the base 2 is provided, and the three-axis directions of the total center of gravity position P gc in the base coordinate system of the robot arm 1 are provided. When some of the components can be controlled by the drive mechanism, the total number of joint mechanisms J i is set to “7” or “8” so that the redundancy p of the robot arm 1 is “1” or “2”. It may be changed.

１‥ロボットアーム、２‥台座、３‥エンドエフェクタ、４‥制御装置、Ｊ1〜Ｊ9‥関節機構。 1 ‥ robot arm, 2 ‥ pedestal, 3 ‥ end effector, 4 ‥ controller, J 1 ~J 9 ‥ joint mechanism.

Claims (2)

複数の関節機構と、各関節角度が指令値にしたがって変化するように当該各関節角度を制御する制御装置とを備え、位置及び姿勢が変化し得る台座により支持されている冗長度を有するロボットアームであって、
前記制御装置は、
前記ロボットアームの指定箇所の位置及び姿勢の変化量を定める６要素を指定するために、前記複数の関節機構の角度の微小変化に対する前記指定箇所の位置及び姿勢の微小変化を表わす第１ヤコビ行列の擬似逆行列を、前記指定箇所の位置及び姿勢の微小変化に対して乗じることにより第１指令値を計算し、
前記冗長度を定める要素としての前記ロボットアームの全体重心位置の変化量を、０又は指定範囲内の値に指定するために、前記複数の関節機構の角度の微小変化に対する前記ロボットアームの全体重心位置の微小変化を表わす第２ヤコビ行列の擬似逆行列を、前記ロボットアームの順キネマティクスモデルに従って前記第１指令値に基づいて計算された前記ロボットアームの重心位置の微小変化に対して乗じた結果を前記第１ヤコビ行列の零空間に投影することにより第２指令値を計算し、かつ、
前記第１指令値と前記第２指令値に指定係数ｒを乗じた結果との和を前記指令値として計算するように構成され、
前記指定係数ｒは、０＜ｒ＜１の範囲の値であることを特徴とするロボットアーム。 A robot arm having a plurality of joint mechanisms and a control unit that controls each joint angle so that each joint angle changes according to a command value, and is supported by a base that can change its position and posture. Because
The controller is
A first Jacobian matrix representing a minute change in the position and orientation of the designated portion with respect to a minute change in angle of the plurality of joint mechanisms in order to designate six elements that define the amount of change in the position and posture of the designated position of the robot arm The first command value is calculated by multiplying the pseudo inverse matrix of
In order to designate the amount of change in the overall center of gravity position of the robot arm as an element for determining the redundancy as 0 or a value within a designated range, the overall center of gravity of the robot arm with respect to minute changes in the angles of the plurality of joint mechanisms A pseudo inverse matrix of the second Jacobian matrix representing a minute change in position is multiplied by a minute change in the center of gravity position of the robot arm calculated based on the first command value according to the forward kinematics model of the robot arm. Calculating a second command value by projecting the result onto the null space of the first Jacobian matrix; and
A sum of a result of multiplying the first command value and the second command value by a designated coefficient r is calculated as the command value ;
The robot arm according to claim 1, wherein the designation coefficient r is a value in a range of 0 <r <1 . 請求項１記載のロボットアームであって、  The robot arm according to claim 1,
前記指定係数ｒは、サンプリング周期が大きくなるほど小さくなる値であり、前記サンプリング周期が小さくなるほど大きくなる値であることを特徴とするロボットアーム。  The robot arm according to claim 1, wherein the specified coefficient r is a value that decreases as the sampling period increases and increases as the sampling period decreases.
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