JP6501900B2 - ロボット・マニピュレ−タを制御する装置及び方法 - Google Patents
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Description
以上において、
以上において、
以上において、
以上において、
A1 剛体ダイナミクス
関節をn個備えた(即ち、自由度(DOF)がnの)剛体ロボット・マニピュレ−タのダイナミクスは公知であり、下式(5)で与えられる。
軽量構造のロボット・マニピュレ−タや、関節にバネが組込まれたロボット・マニピュレ−タの場合には、上式(5)では、それら可撓性を有する構造が存在するために駆動時に必然的に生起するダイナミクスを十分な精度をもって記述することができない。そのため、そのような構造のロボット・マニピュレ−タには、関節を弾性的回転偏位可能にした(即ちそのように修正を加えた)ロボット・マニピュレ−タのモデルが用いられる。このモデルは下式(6)〜(8)で表される(非特許文献13(Spong(1987年)参照)。
B1 座標方式のインピ−ダンス制御装置
系の不動態化を巧みに施すことで、弾性的回転偏位可能な関節を備えたロボット・マニピュレ−タのインピ−ダンス制御を安定性を備えたものとすることができる。この不動態化は、例えば、ポジションをフィ−ドバックするのに、θ及びqの値をフィ−ドバックすることに換えて、θの関数の値をフィ−ドバックするようにするとよい。その場合にqをその静的等価値q-(θ) = ζ-1(θ) に置き換えるようにし、この静的等価値は、陰関数ζ(qθ) = qθ + K-1g(qθ) での縮約により算出され、ここでqθは、平衡点における出力側のポジションである。さほど厳密でない条件の下では、q-(θ)をqの推定値として用いることができる。この陰関数ζについての更に詳細な説明、並びにその基礎を成す理論については、非特許文献2(Albu−Schaffer, Ott, & Hirzinger, A Unified Passivity−based Control Framework for Position, Torque and Impedance Control of Flexible Joint Robots, (2007年) を参照されたい。弾性的回転偏位可能な関節を備えたロボット・マニピュレ−タのインピ−ダンス制御に不動態化を施す場合の制御式は、下式(9)及び(10)で示される。
制御装置の基本構成は、制御式が下式(11)で示される座標方式の印加力制御装置を基礎とするものである。
タスク実行所要エネルギ(タスクを実行するために要するエネルギ)の算出が、静的印加力相当重量fI|x=xw + fd = fwに基づいて行われ、ここで、fI = Kx,t (p − ps) はインピ−ダンスのうちの剛性に対する力を表し、fw = Kw,t (pw − pw,0) は周囲環境からの反力に対する力を表すものである。この反力は操作対象物の表面に発生し、ここではこの反力を、減衰を考慮せず剛性だけを考慮して一次関数の形にモデル化している。それをpwに関して解くことで当該表面のポジションが得られ、そうして得られるポジションに応じて印加力の制御が行われる。それゆえ、当該表面を移動させるために要する仕事量(即ち、タスク実行所要エネルギ)は、下式(16)により算出される。
ロボット・マニピュレ−タは、考えられるあらゆる状況下においてその制御の安定性が保証されているものの、その制御の安定性が保証されているということが、ロボット・マニピュレ−タは安全な運動しか発生しないということを直ちに意味するものではない。エンドエフェクタと操作対象物の表面との間の当接状態が予期せずして消失した場合に、当該ロボット・マニピュレ−タを備えたロボットが、当接状態の消失により消滅した印加力を回復しようとする動作を、エネルギ貯留器の貯留エネルギがゼロになるまで続けるという事態に陥ることがあり得る。エネルギ貯留器のエネルギ貯留量によっては、こうして発生するロボット・マニピュレ−タの運動が非常に大きく、その運動速度も大きく、何よりも甚だしく不都合な運動となるおそれがある。
前章で述べたように、ポジション・ベ−スの制御方法によって制御を行う場合には、柔軟で変形し易い材料に対しては特別な取扱いを要するということを考慮する必要がある。仮想目標ポジションの設計を行う際に、周囲環境のコンプライアンスや変形を考慮せずに設計したならば、状況によっては、印加力制御装置の不都合な動作停止やスケ−リングが発生するという問題が生じかねない。これらの不都合事象が発生するのは、コンプライアンスが存在することによって、実ポジションが、コンプライアンスが存在しない場合とは異なったポジションになっているからである。そこで、操作対象物の材料が可撓性を有しコンプライアンスが大である場合には、制御装置の仮想目標ポジションをそのような材料に適合させるために、補正仮想目標ポジションxd' = (pd'T, φd'T)Tを導入する。ここで、操作を加えようとする表面ないし対象物の剛性値の判定値(必ずしも既知値である必要はない)をKmatで表すならば、準静的補正のための補正式は下式(18)で示される。
Claims (14)
- エンドエフェクタを備え、複数個(M個)のアクチュエ−タAKTm(ここでm = 1, 2, ..., Mである)により駆動されるロボット・マニピュレ−タを制御する装置において、
−前記エンドエフェクタに作用している外力/外トルクを表すクラフトヴィンダ−F→ext(t) = [f→ext(t), m→ext(t)]を検出及び/または導出する第1ユニット(101)を備え、
ここで、
f→ext(t)は前記エンドエフェクタに作用する外力を表し、
m→ext(t)は前記エンドエフェクタに作用する外トルクを表しており、
−前記第1ユニット(101)及び前記複数個のアクチュエ−タAKTmに接続された制御装置(102)を備え、該制御装置(102)は印加力制御装置である第1制御装置R1と該第1制御装置R1に接続された第2制御装置R2とを含んでおり、該第2制御装置R2はインピ−ダンス制御装置、アドミッタンス制御装置、ポジション制御装置、または速度制御装置であり、前記制御装置(102)は複数の制御信号um(t)を生成し、前記複数個のアクチュエ−タAKTmがそれら複数の制御信号um(t)により制御されることで、前記エンドエフェクタが操作対象物の表面に当接しているときに、前記エンドエフェクタが当該表面に、目標クラフトヴィンダ−F→D(t) = [f→D(t), m→D(t)]で表される目標印加力/目標印加トルクを作用させるようにしてあり、
以上において、
ここで、
f→D(t)は目標印加力であり、
m→D(t)は目標印加トルクであり、
um,R1(t)は前記第1制御装置R1の制御信号成分であり、
um,R2(t)は前記第2制御装置R2の制御信号成分であり、
以上において、
前記第1制御装置R1は、前記制御信号成分um,R1(t)を、制御信号um,R1(t)*と関数S(v(t))との積として、または、Q次元汎関数S*(v*(t), um,R1(t)*)として生成するように構成されており、
以上において、
ここで、
u m,R1 (t) * は目標クラフトヴィンダ−F→D(t)で表される目標印加力/目標印加トルクを発生させるために前記第1制御装置R1が生成する制御信号であり、
R→(t)は前記制御装置(102)が受取る制御偏差であり、
S(v(t))はF→D(t)及びR→(t)に応じて値が定まるv(t)の単調減少関数であり、
S*(v*(t), um,R1(t)*)はum,R1(t)の影響度が単調減少する汎関数であり、
[va, ve]は変数v(t)の指定された定義域であり、
[v1a, v1b], ... はQ次元変数v*(t)の各成分の指定された定義域である、
ことを特徴とする装置。 - 操作対象物が弾性変形性を有しており、そのため当該操作対象物の表面が可撓性を有している場合に、前記制御信号um(t)を生成に際して当該操作対象物の所与の弾性特性が前記制御装置(102)により考慮されるようにしてあることを特徴とする請求項1記載の装置。
- 第2ユニットを備え、該第2ユニットは、前記制御装置(102)を不動態化するためのエネルギ貯留器として機能するユニットであって、所与のエネルギ貯留器ダイナミクスに従って、前記制御装置(102)から送出されることになるエネルギT1を貯留すると共に前記制御装置(102)にエネルギT2を供給するユニットであり、前記第2ユニットと前記制御装置(102)とで閉ル−プ制御回路が構成されており、前記ロボット・マニピュレ−タが実際のタスクを実行する際に消費するエネルギ量を表す導出されまたは与えられた値であるエネルギ消費量値EAufwandに応じた量のエネルギT0を貯留するように前記第2ユニットの初期エネルギ貯留量設定が行われるようにしてあることを特徴とする請求項1又は2記載の装置。
- 前記第2ユニットに貯留されるエネルギEは仮想的エネルギまたは物理的エネルギであることを特徴とする請求項3記載の装置。
- エネルギ上限値G1が定められており、前記第2ユニットに貯留されているエネルギEが常にE ≦ G1となるように、前記第2ユニットが構成されていることを特徴とする請求項3又は4記載の装置。
- エネルギ下限値G2が0 < G2 < G1となるように定められており、前記第2ユニットに貯留されているエネルギEに応じて、
G2 < E ≦ G1であるときに、前記第2ユニットが前記制御装置(102)に接続されており、
E ≦ G2であるときに、前記第2ユニットが前記制御装置(102)から接続遮断されているように、
前記第2ユニットが構成されていることを特徴とする請求項5記載の装置。 - 前記第1ユニット(101)は、前記エンドエフェクタに作用する外力/外トルクを表すクラフトヴィンダ−F→ext(t) = [f→ext(t), m→ext(t)]を検出するためのセンサ・システム、及び/または、前記エンドエフェクタに作用する外力/外トルクを表すクラフトヴィンダ−F→ext(t) = [f→ext(t), m→ext(t)]の評価値を導出するエスティメ−タを備えていることを特徴とする請求項1乃至6の何れか1項記載の装置。
- ロボット・マニピュレ−タを備えたロボットにおいて、該ロボット・マニピュレ−タはエンドエフェクタを備え、複数個(M個)のアクチュエ−タAKTm(ここでm = 1, 2, ..., Mである)により駆動され、請求項1乃至7の何れか1項記載の装置を備えている、
ことを特徴とするロボット。 - エンドエフェクタを備え、複数個(M個)のアクチュエ−タAKTm(ここでm = 1, 2, ..., Mである)により駆動されるロボット・マニピュレ−タを制御する方法において、
−前記エンドエフェクタに作用している外力/外トルクを表すクラフトヴィンダ−F→ext(t) = [f→ext(t), m→ext(t)]を検出及び/または導出するステップ(201)を含み、
ここで、
f→ext(t)は前記エンドエフェクタに作用する外力を表し、
m→ext(t)は前記エンドエフェクタに作用する外トルクを表しており、
−制御装置(102)により複数の制御信号um(t)を生成するステップ(202)を含み、該制御装置(102)は印加力制御装置である第1制御装置R1と該第1制御装置R1に接続された第2制御装置R2とを含んでおり、該第2制御装置R2はインピ−ダンス制御装置、アドミッタンス制御装置、ポジション制御装置、または速度制御装置であり、前記複数個のアクチュエ−タAKTmが前記複数の制御信号um(t)により制御されることで、前記エンドエフェクタが操作対象物の表面に当接しているときに、前記エンドエフェクタが当該表面に、目標クラフトヴィンダ−F→D(t) = [f→D(t), m→D(t)]で表される目標印加力/目標印加トルクを作用させるようにしてあり、
以上において、
ここで、
f→D(t)は目標印加力であり、
m→D(t)は目標印加トルクであり、
um,R1(t)は前記第1制御装置R1の制御信号成分であり、
um,R2(t)は前記第2制御装置R2の制御信号成分であり、
以上において、
前記第1制御装置R1は、前記制御信号成分um,R1(t)を、制御信号um,R1(t)*と関数S(v(t))との積として、または、汎関数S*(v*(t), um,R1(t)*)として生成し、
以上において、
ここで、
u m,R1 (t) * は目標クラフトヴィンダ−F→D(t)で表される目標印加力/目標印加トルクを発生させるために前記第1制御装置R1が生成する制御信号であり、
R→(t)は前記制御装置(102)が受取る制御偏差であり、
S(v(t))はF→D(t)及びR→(t)に応じて値が定まるv(t)の単調減少関数であり、
S*(v*(t), um,R1(t)*)はum,R1(t)の影響度が単調減少する汎関数であり、
[va, ve]は変数v(t)の指定された定義域であり、
[v1a, v1b], ... はQ次元変数v*(t)の各成分の指定された定義域である、
ことを特徴とする方法。 - 操作対象物が弾性変形性を有しており、そのため当該操作対象物の表面が可撓性を有している場合に、前記制御信号um(t)の生成に際して当該操作対象物の所与の弾性特性が前記制御装置(102)により考慮されることを特徴とする請求項9記載の方法。
- 第2ユニットを備え、該第2ユニットは、前記制御装置(102)を不動態化するためのエネルギ貯留器として機能するユニットであって、所与のエネルギ貯留器ダイナミクスに従って、前記制御装置(102)から送出されることになるエネルギT1を貯留すると共に前記制御装置(102)にエネルギT2を供給するユニットであり、前記第2ユニットと前記制御装置(102)とで閉ル−プ制御回路が構成されており、前記ロボット・マニピュレ−タが実際のタスクを実行する際に消費するエネルギ量を表す導出されまたは与えられた値であるエネルギ消費量値EAufwandに応じた量のエネルギT0を貯留するように前記第2ユニットの初期エネルギ貯留量設定が行われることを特徴とする請求項9又は10記載の方法。
- ロボット・マニピュレータに実行させるためのデ−タ処理装置を備えたコンピュ−タ・システムにおいて、前記デ−タ処理装置上で請求項9乃至11の何れか1項記載の方法が実行されるように前記デ−タ処理装置が構成されていることを特徴とするコンピュ−タ・システム。
- 電子的に読み出し可能な制御信号を記録したデジタル記録媒体において、前記制御信号がプログラム可能なコンピュ−タ・システムと協働することで請求項9乃至11の何れか1項記載の方法が実行されることを特徴とするデジタル記録媒体。
- マシンによる読み出しが可能な媒体上に記録されたプログラムコ−ドを備えたコンピュ−タ・プログラム製品であって、前記プログラムコ−ドがデ−タ処理装置上で実行されることで請求項9乃至11の何れか1項記載の方法が実行されることを特徴とするコンピュ−タ・プログラム製品。
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