JP7042594B2 - Actuator operation switching device - Google Patents
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Description
この発明は、アクチュエータの可動部に加わる外力に基づいて、アクチュエータの動作を切替えるアクチュエータ動作切替え装置に関する。 The present invention relates to an actuator operation switching device that switches the operation of an actuator based on an external force applied to a movable portion of the actuator.
従来から、組立て、押付け又は研磨等の作業を行う作業装置では、産業用ロボット(以下、ロボットと称す)等が多く用いられている。このロボットには、アームの先端にハンド等のエンドエフェクタが取付けられており、物体(部品又はワーク)を把持することで作業を行う。 Conventionally, industrial robots (hereinafter referred to as robots) and the like are often used in work devices that perform operations such as assembly, pressing, and polishing. An end effector such as a hand is attached to the tip of the arm of this robot, and the work is performed by grasping an object (part or work).
一方、ロボットの動作は、一般的に、位置制御によりコントロールされる。そのため、物体の寸法誤差又は把持位置誤差等により、予めプログラムされた目標位置と実際の位置とが異なる場合、物体が他の物体と接触した際に大きな外力が発生し、物体に傷又は破損が発生する恐れがある。 On the other hand, the operation of the robot is generally controlled by position control. Therefore, if the target position programmed in advance and the actual position are different due to dimensional error or gripping position error of the object, a large external force is generated when the object comes into contact with another object, and the object is scratched or damaged. It may occur.
その対策として、物体の位置誤差により発生する力を吸収する冶具(いわゆる「バッファ」)を別途設置する場合がある。しかしながら、このバッファは、物体の形状及び材料毎に要求される特性が異なるため、物体の種類の数だけ異なるバッファを用意する必要があり、都度設計となる。そのため、コストが増大し、且つ装置が大型化するという課題がある。 As a countermeasure, a jig (so-called "buffer") that absorbs the force generated by the position error of the object may be installed separately. However, since this buffer has different characteristics required for each shape and material of the object, it is necessary to prepare buffers different by the number of types of the object, and the buffer is designed each time. Therefore, there is a problem that the cost increases and the size of the device increases.
それに対し、ロボットとエンドエフェクタとの間に力センサを設置し、物体の接触時に過大な外力が発生しそうになると力センサの検出結果をロボットにフィードバックし、過大な外力が発生しないようにする方法もある。この場合には、バッファが不要となる。しかしながら、力センサは高価である。 On the other hand, a method of installing a force sensor between the robot and the end effector and feeding back the detection result of the force sensor to the robot when an excessive external force is likely to be generated when the object touches, so that the excessive external force is not generated. There is also. In this case, no buffer is needed. However, force sensors are expensive.
また、力センサを用いた場合には、以下に述べる理由により、作業時間の短縮が難しいという課題がある。 Further, when the force sensor is used, there is a problem that it is difficult to shorten the working time for the reasons described below.
すなわち、物体が他の物体と接触する位置に誤差がある場合、接触時に過大な外力が発生したことを検出して停止指令を出すが、可動部が大きくて重く且つ減速機構を有するロボットは急には止まれない。
また、接触時に発生する外力は、慣性による衝撃力と接触時にロボットが発生している力との和となる。ここで、慣性による衝撃力は、物体及びロボット可動部の質量と移動速度との積に比例する。しかしながら、ロボットは大きくて重い機構を有しているため、慣性による衝撃力を小さくするためには、接触直前の移動速度を遅くする必要がある。
That is, if there is an error in the position where an object contacts another object, it detects that an excessive external force is generated at the time of contact and issues a stop command, but a robot with a large and heavy moving part and a deceleration mechanism is sudden. I can't stop.
Further, the external force generated at the time of contact is the sum of the impact force due to inertia and the force generated by the robot at the time of contact. Here, the impact force due to inertia is proportional to the product of the mass of the object and the moving part of the robot and the moving speed. However, since the robot has a large and heavy mechanism, it is necessary to slow down the moving speed immediately before contact in order to reduce the impact force due to inertia.
また、過大な外力が発生したことを検出して停止指令を出してもロボットは急には止まれないため、停止指令が出た時点から急激に減速しても接触位置からずれた位置で停止し、物体を押し潰してしまう。そして、位置の行き過ぎ量は移動速度に比例するため、物体を他の物体に近づける速度を遅くせざるを得ない。 Also, even if an excessive external force is detected and a stop command is issued, the robot will not stop suddenly, so even if the robot suddenly decelerates from the time when the stop command is issued, it will stop at a position deviated from the contact position. , Crush the object. And since the amount of overshoot of the position is proportional to the moving speed, the speed at which the object approaches another object must be slowed down.
上記の理由により、物体が他の物体と接触する可能性のある領域では、ロボットの移動速度を十分落とす必要がある。しかしながら、サイクルタイムを短くするため、物体を移送する速度は速くする必要がある。その結果、接触領域の近傍で速度を急激に落とすことになる。 For the above reasons, it is necessary to slow down the movement speed of the robot sufficiently in the area where the object may come into contact with other objects. However, in order to shorten the cycle time, it is necessary to increase the speed at which the object is transferred. As a result, the speed drops sharply in the vicinity of the contact area.
しかしながら、エンドエフェクタは力センサの先に取付けられている。そのため、ロボットが急激に減速した場合には、エンドエフェクタの質量による影響で、力センサには負方向の加速度に比例した力が発生する。
ところが、上記加速度に比例した力と物体の接触により発生する外力とを区別することは難しく、区別するためにはロボットの減速時間を大幅に長くせざるを得ない。
However, the end effector is attached to the tip of the force sensor. Therefore, when the robot suddenly decelerates, a force proportional to the acceleration in the negative direction is generated in the force sensor due to the influence of the mass of the end effector.
However, it is difficult to distinguish between the force proportional to the acceleration and the external force generated by the contact of the object, and in order to distinguish between them, the deceleration time of the robot must be significantly lengthened.
また、力センサを用いた場合には、以下に述べる理由により、重力による影響をリアルタイムに補償し難いという課題がある。 Further, when a force sensor is used, there is a problem that it is difficult to compensate for the influence of gravity in real time for the reasons described below.
すなわち、組立て、押付け又は研磨等の作業を行う場合にロボットが取りうる姿勢は常に一定ではなく、作業の状態に応じて変化させる場合が多い。例えば、曲面をトレースしながら研磨を行う作業では、姿勢を連続して変化させる必要がある。
しかしながら、上記の通り、エンドエフェクタは力センサの先に取付けられているため、ロボットの姿勢が水平ではない場合、力センサには重力加速度による影響でロボットの姿勢とエンドエフェクタの質量に応じた力が発生する。
That is, the posture that the robot can take when performing work such as assembly, pressing, or polishing is not always constant, and is often changed according to the work state. For example, in the work of polishing while tracing a curved surface, it is necessary to continuously change the posture.
However, as mentioned above, since the end effector is attached to the tip of the force sensor, if the robot's posture is not horizontal, the force sensor will be affected by the gravitational acceleration and the force will correspond to the robot's posture and the mass of the end effector. Occurs.
一方、重力加速度の影響を補償する重力補償手段として、例えば特許文献1に開示された方法が挙げられる。この特許文献1では、予めオフラインで姿勢に応じた重力の影響により力覚センサに発生する力を学習しておく。そして、実際の作業時に発生する力から学習した力を差し引くことで、作業力を算出している。しかしながら、この方法では、物体が変わる度に学習を行う必要がある。また、学習は物体との接触前に行う必要があり、ロボットが連続して姿勢を変えるような場合には重力補償はできない。
On the other hand, as a gravity compensating means for compensating for the influence of gravitational acceleration, for example, the method disclosed in
なお上記では、可動部に加わる外力として、物体と他の物体とが接触した際に発生する力を示したが、これに限らず、エンドエフェクタと物体とが接触した際に発生する力についても同様である。 In the above, the external force applied to the moving part is the force generated when an object and another object come into contact with each other, but the force is not limited to this, and the force generated when the end effector and the object come into contact with each other is also included. The same is true.
上記の通り、ロボットと力センサを用いて組立て等の作業を行う場合、作業時間が長くなる。一方、作業時間を短くしようとすると物体を傷付け、押し潰し、接触を正しく検出できなくなる。また、重力補償をリアルタイムで行うことも難しい。このように、力センサを用いた場合には、ロボットが急激に加減速した場合又は姿勢が変更した場合に、外力を正しく検出できないという課題がある。この課題は、アクチュエータの可動部に加わる外力に基づいてアクチュエータの動作を切替えるアクチュエータ動作切替え装置においても同様であり、改善が求められている。 As described above, when performing work such as assembly using a robot and a force sensor, the work time becomes long. On the other hand, if an attempt is made to shorten the working time, the object will be damaged and crushed, and the contact cannot be detected correctly. It is also difficult to perform gravity compensation in real time. As described above, when the force sensor is used, there is a problem that the external force cannot be correctly detected when the robot suddenly accelerates or decelerates or the posture is changed. This problem is the same in the actuator operation switching device that switches the operation of the actuator based on the external force applied to the movable portion of the actuator, and improvement is required.
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、可動部が急激に加減速された場合又は姿勢が変更された場合でも可動部に加わる外力を正しく検出でき、当該外力に基づいてアクチュエータの動作を切替えることができるアクチュエータ動作切替え装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and can correctly detect an external force applied to a movable part even when the movable part is suddenly accelerated or decelerated or the posture is changed, and the external force can be applied to the external force. It is an object of the present invention to provide an actuator operation switching device capable of switching an actuator operation based on the above.
この発明に係るアクチュエータ動作切替え装置は、固定部、及び当該固定部に対して変位可能な可動部を有するアクチュエータと、固定部に対する可動部の位置を検出する位置検出部と、固定部の加速度を検出する加速度検出部と、位置検出部により検出された位置と基準位置との差分に対してゲインを調整し、当該調整結果である電流指令値及び加速度検出部により検出された加速度に基づいてアクチュエータに対する駆動電流を出力するアクチュエータ制御部と、アクチュエータ制御部において得られた電流指令値及びアクチュエータが発生する推力と駆動電流との比を表したトルク定数に基づいて、或いは、加速度検出部により検出された加速度、アクチュエータ制御部により出力された駆動電流の電流値、トルク定数、並びに、可動部の質量と当該可動部に取付けられたエンドエフェクタの質量とが加算された質量、又は、可動部の質量とエンドエフェクタの質量と当該エンドエフェクタに保持された物体の質量とが加算された質量に基づいて、前記可動部に加わる外力を検出する外力検出部と、指示された動作モードでアクチュエータ制御部を制御するモード制御部と、外力検出部により検出された外力に基づいてモード制御部の動作モードを切替えるモード切替え部とを備えたことを特徴とする。 The actuator operation switching device according to the present invention has a fixed portion, an actuator having a movable portion that can be displaced with respect to the fixed portion, a position detecting portion for detecting the position of the movable portion with respect to the fixed portion, and an acceleration of the fixed portion. The gain is adjusted for the difference between the detected acceleration detection unit and the position detected by the position detection unit and the reference position, and the actuator is based on the current command value that is the adjustment result and the acceleration detected by the acceleration detection unit. It is detected based on the current command value obtained by the actuator control unit and the torque constant representing the ratio of the thrust generated by the actuator to the drive current , or by the acceleration detection unit. Acceleration , current value of drive current output by the actuator control unit , torque constant, and mass obtained by adding the mass of the movable part and the mass of the end effector attached to the movable part, or the mass of the movable part. Based on the sum of the mass of the end effector and the mass of the object held by the end effector, the external force detector that detects the external force applied to the movable part and the actuator control unit in the instructed operation mode. It is characterized by including a mode control unit for controlling and a mode switching unit for switching the operation mode of the mode control unit based on the external force detected by the external force detection unit.
この発明によれば、上記のように構成したので、可動部が急激に加減速された場合又は姿勢が変更された場合でも可動部に加わる外力を正しく検出でき、当該外力に基づいてアクチュエータの動作を切替えることができる。 According to the present invention, since it is configured as described above, the external force applied to the movable portion can be correctly detected even when the movable portion is suddenly accelerated or decelerated or the posture is changed, and the actuator operates based on the external force. Can be switched.
以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1に係るアクチュエータ動作切替え装置の構成例を示す図である。
アクチュエータ動作切替え装置は、アクチュエータ1の可動部12に加わる外力(反力)Fに基づいて、アクチュエータ1の動作を切替える装置である。このアクチュエータ動作切替え装置は、図1に示すように、アクチュエータ1、エンドエフェクタ2、移動部3、位置検出部4、加速度検出部5、外力検出制御部6及び作業制御部7を備えている。また、外力検出制御部6は、アクチュエータ制御部61及び外力検出部62から構成される。また、作業制御部7は、モード切替え部71及びモード制御部72から構成される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of an actuator operation switching device according to the first embodiment of the present invention.
The actuator operation switching device is a device that switches the operation of the
アクチュエータ1は、固定部11、及び当該固定部11に対して変位可能な可動部12を有し、磁界に置かれたコイルに電流が供給されることで固定部11に対して可動部12を直動方向又は回転方向に変位可能とする。このアクチュエータ1は、移動部3に取付けられており、全体が移送され、また、姿勢が変更される。なお、可動部12又はエンドエフェクタ2が複数方向の自由度を持ち、アクチュエータ1全体の移送及び姿勢の変更が不要である場合、移動部3はなくてもよい。以下では、移動部3を使用する場合を記述する。
The
エンドエフェクタ2は、可動部12に取付けられ、物体50に対して直接働きかけをする機能を持つものである。図1では、エンドエフェクタ2として、物体50を把持可能なグリッパ(ハンド)が用いられている。なお、エンドエフェクタ2としては、グリッパ以外にも、例えば、物体50を吸着可能な吸着具を用いてもよい。
The
移動部3は、アクチュエータ1を移動(移送及び姿勢変更)する。図1では、移動部3として、先端にアクチュエータ1(固定部11)が取付けられ、アクチュエータ1を移動可能なロボットを示している。
The moving
位置検出部4は、アクチュエータ1に設けられ、固定部11に対する可動部12の位置(相対位置)を検出する。この位置検出部4により検出された位置を示す信号(位置信号)は、アクチュエータ制御部61に出力される。
The
加速度検出部5は、固定部11に設けられ、固定部11の加速度を検出する。この際、加速度検出部5は、固定部11の重力加速度αg及び移動加速度α1のうちの一方、又は両方が加算された加速度(αg+α1)を検出する。図2では、加速度検出部5が加速度(αg+α1)を検出する場合を示している。この加速度検出部5により検出された加速度を示す信号(加速度信号)は、アクチュエータ制御部61に出力される。
The
アクチュエータ制御部61は、位置検出部4により検出された位置と基準位置Prとの差分に対してゲイン(ループゲイン)を調整し、当該調整結果である電流指令値Irp及び加速度検出部5により検出された加速度に基づいてアクチュエータ1に対する駆動電流Iaを出力する。
The
外力検出部62は、アクチュエータ制御部61において得られた電流指令値Irp、又は、加速度検出部5により検出された加速度及びアクチュエータ制御部61により出力された駆動電流Iaの電流値に基づいて、可動部12に加わる外力Fを検出する。
アクチュエータ制御部61及び外力検出部62の構成例については後述する。
The external
A configuration example of the
作業制御部7は、アクチュエータ動作切替え装置によるアクチュエータ1を用いた作業を実現する。なお、作業制御部7は、アクチュエータ動作切替え装置によるアクチュエータ1を用いた作業を実現するための専用のコントローラである。
The
モード切替え部71は、外力検出部62により検出された外力Fに基づいて、モード制御部72に対して動作モード(動作させる制御部及びその制御内容)の切替えを指示する信号(モード切替え指示信号)を出力する。なお、モード切替え部71は、外力Fに対し、予め設定された閾値又は時系列パターンとの比較、又は移動平均等に基づいて、上記動作モードの切替えを指示する。また、モード切替え部71は、外力検出部62により検出された外力Fに加え、位置検出部4により検出された位置、加速度検出部5により検出された加速度、及びモード切替え部71で管理している時間等も考慮して、上記動作モードの切替えを指示してもよい。
The
モード制御部72は、モード切替え部71により出力されたモード切替え指示信号に基づいて、動作モードを切替えてアクチュエータ制御部61及び移動部3を制御する。なお、モード制御部72は、基準位置Prの又はゲイン(ループゲイン)の変更を行うことでアクチュエータ制御部61を制御する。また図1に示すモード制御部72では、エンドエフェクタ2を制御する機能も有している。このモード制御部72の構成例については後述する。
The
次に、外力検出制御部6の構成例について、図2を参照しながら説明する。なお図2では、アクチュエータ1、エンドエフェクタ2、位置検出部4及び加速度検出部5も図示している。また図2では、エンドエフェクタ2が物体50を保持している状態を示している。
外力検出制御部6は、図2に示すように、位置速度変換部63、減算器64、ゲイン調整部65、質量推定部66、加速度補償部67、加減算器68、定電流制御部69、及び外力検出部62を有している。なお図2に示す外力検出制御部6において、外力検出部62を除く機能部(位置速度変換部63、減算器64、ゲイン調整部65、質量推定部66、加速度補償部67、加減算器68及び定電流制御部69)は、アクチュエータ制御部61を構成する。
Next, a configuration example of the external force detection control unit 6 will be described with reference to FIG. Note that FIG. 2 also shows an
As shown in FIG. 2, the external force detection control unit 6 includes a position /
位置速度変換部63は、位置検出部4により検出された位置を微分して速度に変換する。この速度は、固定部11に対する可動部12の速度(相対速度)を示す。この位置速度変換部63により変換された速度を示す信号(速度信号)は、加減算器68に出力される。
The position /
減算器64は、基準位置Prから位置検出部4により検出された位置を減算する。この減算器64による減算結果を示す信号は、ゲイン調整部65に出力される。
The
ゲイン調整部65は、減算器64による減算結果(位置偏差)に対してゲインを調整し、電流指令値Irpを出力する。ゲインは、アクチュエータ1におけるコンプライアンスの値であり、コンプライアンスは、バネ定数の逆数であり、固さ柔らかさを示す指標である。また、ゲイン調整部65において、上記位置偏差と電流指令値Irpとの関係を示す関数は線形でもよいし非線形でもよい。このゲイン調整部65は、図2,3に示すように、ループゲイン測定部651、ゲイン交点制御部652及び可変ゲイン調整部653を有している。
The
ループゲイン測定部651は、減算器64から出力された信号のゲインを測定する。この際、ループゲイン測定部651は、図3に示すように、減算器64から出力された信号に、発振器654によりゲインが1倍(0dB)となるべき基準となる周波数、すなわちゲイン交点に設定された基準となる周波数の正弦波を、加算器655を介して加算する。このループゲイン測定部651による正弦波の加算前後の信号は、ゲイン交点制御部652に出力される。
The loop
ゲイン交点制御部652は、図3に示すように、比較器656によりループゲイン測定部651による正弦波の加算前後の信号での振幅比を比較する。このゲイン交点制御部652による比較結果を示す信号は、可変ゲイン調整部653に出力される。
As shown in FIG. 3, the gain
可変ゲイン調整部653は、ゲイン交点制御部652により比較された振幅比の倍率が1となるように、当該振幅比の倍率の逆数を調整値とし、減算器64から出力された信号のゲインを調整する。すなわち、可変ゲイン調整部653は、ループゲイン測定部651による正弦波の加算前の信号の振幅レベルEaに対して当該正弦波の加算後の信号の振幅レベルEbが高い場合(Ea<Eb)には調整値を大きくし、当該正弦波の加算前の信号の振幅レベルEaに対して当該正弦波の加算後の信号の振幅レベルEbが低い場合(Ea>Eb)には調整値を小さくすることで、ゲインが1倍となるように調整する。この可変ゲイン調整部653によりゲインが調整された信号は、加減算器68に電流指令値Irpとして出力される。また、可変ゲイン調整部653によるゲインの調整値を示す信号は、質量推定部66に出力される。
The variable
なお、発振器654でゲインが1倍となるべき基準となる周波数の正弦波を加算するのは、ゲインが1倍となる周波数においてEa/Eb=1となるため、Ea/Eb=1となるようにゲインを調整することで、ゲイン交点を常に1に維持できるためである。
It should be noted that the addition of the sine wave of the reference frequency at which the gain should be 1 times in the
また、減算器64及びゲイン調整部65は、位置検出部4により検出された位置と基準位置Prとの差分に基づく電流指令値Irpを出力する位置制御手段(位相制御ループ)を構成する。
Further, the
質量推定部66は、可変ゲイン調整部653によるゲインの調整値から、可動部12側の質量を推定する。すなわち、質量推定部66は、ゲインの調整値の変化と質量の変化とが比例する原理を利用する。ここで、可動部12側の質量とは、エンドエフェクタ2が物体50を保持していない場合には、可動部12の質量M1とエンドエフェクタ2の質量M2とが加算された質量(M1+M2)であり、エンドエフェクタ2が物体50を保持している場合には、可動部12の質量M1とエンドエフェクタ2の質量M2と物体50の質量M3とが加算された質量(M1+M2+M3)である。なお図2では、質量推定部66が、可動部12の質量M1とエンドエフェクタ2の質量M2と物体50の質量M3とが加算された質量(M1+M2+M3)を推定する場合を示している。
例えば、可動部12側の質量が規定値の2倍になったとすると、ゲインはその逆数倍の1/2となっており、Ea/Eb=1/2となる。これに対して、ゲインを1倍とするため、可変ゲイン調整部653は2倍の調整値でゲインを調整する。そして、質量推定部66は、この可変ゲイン調整部653の調整値から、可動部12側の質量が規定値の2倍に変化したと推定できる。
この質量推定部66により推定された質量を示す信号は、加速度補償部67に出力される。
The
For example, if the mass on the
The signal indicating the mass estimated by the
なお上記では、質量推定部66により可動部12側の質量を推定する場合を示したが、これに限らず、他の方法を用いて可動部12側の質量を取得してもよい。
In the above, the case where the mass on the
加速度補償部67は、外乱トルクを補正するための加速度補償値Ircを出力する。この加速度補償部67は、乗算器671及び係数乗算部672を有している。
The
乗算器671は、加速度検出部5により検出された加速度と、質量推定部66により推定された質量とを乗算する。この乗算器671による乗算結果を示す信号は、係数乗算部672及び外力検出部62に出力される。
The
係数乗算部672は、乗算器671による乗算結果に係数(1/Kt)を乗算する。なお、Ktは、アクチュエータ1が発生する推力と駆動電流Iaとの比を表したトルク定数である。この係数乗算部672による乗算結果を示す信号は、加減算器68に加速度補償値Ircとして出力される。
The
加減算器68は、ゲイン調整部65から出力された電流指令値Irpに対し、加速度補償部67から出力された加速度補償値Ircを加算し、位置速度変換部63から出力された速度信号を減算する。この加減算器68による加減算結果を示す信号は、定電流制御部69に電流指令値Irとして出力される。
The adder /
定電流制御部69は、アクチュエータ1を駆動する駆動電流Iaを電流指令値Irに一致させるように制御する。この定電流制御部69は、減算器691、駆動ドライバ692及び電流検出部693を有している。
The constant
減算器691は、加減算器68から出力された電流指令値Irから、電流検出部693により検出された駆動電流Iaの電流値を減算する。この減算器691による減算結果を示す信号は、駆動ドライバ692に出力される。
The
駆動ドライバ692は、減算器691による減算結果に応じた駆動電流Iaを発生する。この駆動ドライバ692により発生された駆動電流Iaは、電流検出部693を介してアクチュエータ1に出力される。
The
電流検出部693は、駆動ドライバ692により発生された駆動電流Iaの電流値を検出する。この電流検出部693により検出された電流値を示す信号は、減算器691に出力される。
The
外力検出部62は、アクチュエータ制御部61において得られた電流指令値Irp、又は、加速度検出部5により検出された加速度及びアクチュエータ制御部61により出力された駆動電流Iaの電流値に基づいて、可動部12に加わる外力Fを検出する。具体的には、外力検出部62は、電流指令値Irp、又は、駆動電流Iaの電流値から加速度補償値Ircを減算した結果に基づいて、可動部12に加わる外力Fを検出する。なお、可動部12に加わる外力Fとしては、エンドエフェクタ2が物体50と接触した際に発生する力、及び、エンドエフェクタ2により保持された物体50が他の物体と接触した際に発生する力が挙げられる。また図2では、外力検出部62が、加速度検出部5により検出された加速度及びアクチュエータ制御部61により出力された駆動電流Iaの電流値に基づいて可動部12に加わる外力Fを検出する場合を示している。図2に示す外力検出部62は、係数乗算部621、減算器622及び係数乗算部623を有している。
The external
係数乗算部621は、加速度補償部67の乗算器671による乗算結果に係数(1/Kt)を乗算する。この係数乗算部621による乗算結果を示す信号は、減算器622に出力される。
The
減算器622は、定電流制御部69により発生された駆動電流Iaの電流値から、係数乗算部621による乗算結果を減算する。この減算器622による減算結果を示す信号は、係数乗算部623に出力される。
The
係数乗算部623は、減算器622による減算結果に係数(Kt)を乗算することで、外力Fを得る。この係数乗算部623により得られた外力Fを示す信号は、作業制御部7に出力される。
The
なお、外力検出部62が、アクチュエータ制御部61において得られた電流指令値Irpに基づいて可動部12に加わる外力Fを検出する場合には、係数乗算部を有する。この係数乗算部は、ゲイン調整部65から出力された電流指令値Irpに係数(Kt)を乗算することで、外力Fを得る。そして、この係数乗算部により得られた外力Fを示す信号は、作業制御部7に出力される。
When the external
次に、モード制御部72の構成例について、図4を参照しながら説明する。
モード制御部72は、例えば図4に示すように、イニシャライズ部721、原点復帰部722、ドライブオフ部723、位置速度制御部724、位置制御部725、押引き制御部726、力制御部727、力リセット部(力変化制御部)728、及びオフセットキャンセル部729を有している。また図5は、モード制御部72におけるモード遷移例を示す図である。図5において、太丸で示される機能部が従来構成に対して特に特徴的な機能部である。
Next, a configuration example of the
As shown in FIG. 4, for example, the
イニシャライズ部721は、アクチュエータ1を駆動し、初期化を行う。イニシャライズ部721は、初期化では、アクチュエータ1を物理的原点まで移動させて位置検出部4により検出される位置をリセットした後、アクチュエータ1を予め設定されたホームポジション(例えば物理的原点から3mmの位置)に移動させる。なお、イニシャライズ部721は、アクチュエータ動作切替え装置の電源が投入された後(主電源がオンされた後)、上記動作を最低1回は実施する。また、イニシャライズ部721は、ドライブオフ部723によりアクチュエータ1の駆動が切断された後、再びアクチュエータ動作切替え装置を動作させる場合にも、上記動作を実施する。
The
原点復帰部722は、アクチュエータ1を強制的にホームポジションに移動させる。
The
ドライブオフ部723は、アクチュエータ1の駆動を切断する。この際、ドライブオフ部723は、加速度検出部5により検出された加速度に基づいてアクチュエータ1の姿勢を判断し、アクチュエータ1の駆動切断によりショックが発生しない位置までアクチュエータ1を移動させた上で、アクチュエータ1の駆動を切断する。
The drive-off
位置速度制御部724は、急激な加速度が発生しないように速度を制御しながらアクチュエータ1を指定位置に移動させる。
The position /
位置制御部725は、力センサと同様に、固定部11に対する可動部12の位置を変化させない状態とする。また、位置制御部725は、位置速度制御部724と同様に、急激な加速度が発生しないように速度を制御しながらアクチュエータ1を指定位置に移動させることも可能である。
Like the force sensor, the
押引き制御部726は、アクチュエータ1の位置を固定させた状態で、アクチュエータ1に正方向又は負方向の推力を発生させる(押引きモード)。この押引き制御部726では、アクチュエータ1が正方向の推力を発生させることで可動部12の押付け動作を実現でき、アクチュエータ1が負方向の推力を発生させることで可動部12の引抜き動作を実現できる。また、押引き制御部726は、動作開始位置から予め設定された変化率で推力を発生させる。また、押引き制御部726は、アクチュエータ1が発生する推力が予め設定された閾値を超えた場合又は可動部12の位置が予め設定された位置を超えた場合には、当該推力を維持させるように動作する(力一定モード)。
The push-
力制御部727は、可動部12に加わる外力Fに応じ、固定部11に対する可動部12の位置を変化可能とした状態とする(ばねモード)。また、力制御部727は、アクチュエータ1が発生する推力が予め設定された閾値を超えた場合又は可動部12の位置が予め設定された位置を超えた場合には、当該推力を維持させるように動作する(力一定モード)。
このように、力制御部727では、可動部12を柔らかい状態とするため、エンドエフェクタ2が物体50に衝突しても有効ストローク範囲内であれば物体50を押し潰すことを防止できる。
The
As described above, in the
また、力制御部727のばねモードにおける機械特性(ゲイン)は任意に設定可能である。この機械特性の値は、事前に固定値が設定されてもよいし、アクチュエータ1の状態(外力検出部62により検出された外力F、位置検出部4により検出された位置又は加速度検出部5により検出された加速度等)等に基づいて変えてもよい。また、例えば、エンドエフェクタ2が接触する部分に圧力センサを取付け、その圧力センサにより検出された圧力に基づいて、上記機械特性の値を変えてもよい。
Further, the mechanical characteristics (gain) in the spring mode of the
力リセット部728は、アクチュエータ1が発生している推力を零近くにリセットする。これにより、エンドエフェクタ2が物体50と接触している状態においてほとんど推力が発生しない状態とすることができる。また、力リセット部728による動作は、力制御部727において連続して力の制御を繰り返す場合等に有効である。
なお、モード制御部72は、力制御部727が動作している状態において、アクチュエータ1が発生する推力が予め設定された閾値を超えた場合又は可動部12の位置が予め設定された位置を超えた場合に、力制御部727に代えて力リセット部728を動作させるよう自動で切替えてもよい。
The force reset
In the
なお上記では、力変化制御部として、アクチュエータ1が発生している推力を零近くにリセットする力リセット部728を用いた場合を示した。しかしながら、これに限らず、力変化制御部は、アクチュエータ1が発生している推力を任意の値に変更する制御部であればよい。
In the above, the case where the force reset
オフセットキャンセル部729は、外力検出制御部6により検出された外力Fに含まれるオフセットをキャンセルする。外力検出制御部6では、アクチュエータ動作切替え装置の設置環境(温度等)により、検出される外力Fがオフセットされる場合がある。そこで、このオフセットキャンセル部729を動作させることで、上記オフセットをキャンセルすることができる。
The offset canceling
次に、外力検出制御部6の動作原理について説明する。なお以下では、アクチュエータ1として、発生した推力がエンドエフェクタ2に直接伝わるダイレクトドライブ形式のリニアアクチュエータを用い、固定部11に対して可動部12を直動させるものとする。このアクチュエータ1は、定電流制御部69が電流指令値Irに応じて発生した駆動電流Iaにより駆動する。
Next, the operating principle of the external force detection control unit 6 will be described. In the following, as the
一方、位置検出部4は、固定部11に対する可動部12の直動方向における位置を検出する。
また、位置速度変換部63は、位置検出部4により検出された位置を微分して速度に変換する。この速度は、固定部11に対する可動部12の速度を示す。
On the other hand, the
Further, the position /
また、加速度検出部5は、固定部11の直動方向における加速度を検出する。以下では、加速度検出部5は、固定部11の直動方向成分における移動加速度α1と、固定部11の直動方向成分における重力加速度αgとが加算された加速度(α1+αg)を検出するものとする。
Further, the
また、位置検出部4により検出された位置は、減算器64で基準位置Prと比較され、その差分がゲイン調整部65を介して電流指令値Irを構成する要素の一つである電流指令値Irpとして加減算器68に与えられる。
Further, the position detected by the
電流指令値Irは、電流指令値Irpの他、外乱トルクを補正するための加速度補償値Ircで構成され、次式(1)で表される。
Ir=Irp+Irc (1)
The current command value Ir is composed of the current command value Irp and the acceleration compensation value Irc for correcting the disturbance torque, and is represented by the following equation (1).
Ir = Irp + Irc (1)
なお、位置を単純にフィードバックすると制御系が不安定となる。そのため、実際には、位置速度変換部63からの速度信号をマイナーループとして加減算器68のマイナス出力に加えて安定化を行っているが、以下では省略する。
If the position is simply fed back, the control system becomes unstable. Therefore, in reality, the speed signal from the position /
また、ゲイン調整部65では、位置制御ループのゲインを変えることで、アクチュエータ1におけるコンプライアンスの値を変化させることができる。
Further, in the
ここで、駆動電流Iaに着目すると、外乱トルクがない場合には電流値は零になるが、外乱トルクがある場合にはそれに比例して電流値も変化する。
一般的な外乱トルクとしては、作業時にエンドエフェクタ2から受ける反力F、重力加速度αg及び移動加速度α1により発生する力、減速器のロストルク等が考えられる。ここで、アクチュエータ1はダイレクトドライブ形式のリニアアクチュエータであるため、減速器は持たず、ロストルクは考慮する必要は少ない。したがって、駆動電流Iaは、作業時にエンドエフェクタ2から受ける反力F、重力加速度αg及び移動加速度α1により発生する力に比例した値となる。なお以下では、反力Fは、物体50が他の物体に接触した際に発生する力であるとする。
Here, focusing on the drive current Ia, the current value becomes zero when there is no disturbance torque, but the current value also changes in proportion to the disturbance torque.
As a general disturbance torque, a reaction force F received from the
ここで、アクチュエータ1の駆動電流Ia、作業時にエンドエフェクタ2から受ける反力F、固定部11の直動方向成分における移動加速度α1、固定部11の直動方向成分における重力加速度αg、可動部12の質量M1、エンドエフェクタ2の質量M2、及び、物体50の質量M3から、次式(2)の関係が成り立つ。
F+(α1+αg)・(M1+M2+M3)=Kt・Ir=Kt・(Irp+Irc)
(2)
なお、Ktはアクチュエータ1が発生する推力と駆動電流Iaとの比を表したトルク定数である。
Here, the drive current Ia of the
F + (α1 + αg) ・ (M1 + M2 + M3) = Kt ・ Ir = Kt ・ (Irp + Irc)
(2)
Kt is a torque constant representing the ratio of the thrust generated by the
また、式(2)において外乱トルクを補正するための加速度補償値Ircを次式(3)のように設定する。
(α1+αg)・(M1+M2+M3)=Kt・Irc (3)
Further, in the equation (2), the acceleration compensation value Irc for correcting the disturbance torque is set as in the following equation (3).
(Α1 + αg) · (M1 + M2 + M3) = Kt · Irc (3)
式(3)のように加速度補償値Ircを設定した場合、式(2)からα1,αg,M1,M2,M3の項が消え、次式(4)のように整理される。
F=Kt・Irp (4)
When the acceleration compensation value Irc is set as in the equation (3), the terms α1, αg, M1, M2, and M3 disappear from the equation (2), and the terms are arranged as in the following equation (4).
F = Kt · Irp (4)
このように、外乱トルクを補正するための加速度補償値Ircを式(3)のように設定すると、作業時にエンドエフェクタ2から受ける反力Fと電流指令値Irpは、比例関係になることがわかる。
In this way, if the acceleration compensation value Irc for correcting the disturbance torque is set as in the equation (3), it can be seen that the reaction force F received from the
これは、作業時にエンドエフェクタ2から受ける反力Fが零、つまり物体50が他の物体と接触していない場合、基準位置Prと実際の位置の差分に基づく電流指令値Irpも零、つまり位置が変位しないことを意味している。
そして、物体50が他の物体と接触した際に生じる反力Fは、電流指令値Irpを監視することで知ることができる。
This is because the reaction force F received from the
The reaction force F generated when the
そして、式(4)には、固定部11の直動方向成分における移動加速度α1、固定部11の直動方向成分における重力加速度αg、可動部12の質量M1、エンドエフェクタ2の質量M2、物体50の質量M3の項目が含まれていない。
つまり、ロボットが急激に移動又は停止を行い移動加速度α1が発生した場合、及び、ロボットが連続して姿勢を変更し重力加速度αgが変化した場合でも、アクチュエータ1の可動部12はゆれることなく反力Fを正しく検出できる。
そして、コンプライアンスの値も自由に設定できる。
Then, in the equation (4), the moving acceleration α1 in the linear motion direction component of the fixed
That is, even when the robot suddenly moves or stops and the moving acceleration α1 is generated, or when the robot continuously changes its posture and the gravitational acceleration αg changes, the
And the value of compliance can be set freely.
なお、上述したように、物体50が他の物体と急激に衝突する等して発生する反力Fは、電流指令値Irpを監視することで知ることができる。また、アクチュエータ1には、反力Fと拮抗するように誘導電流が発生するため、駆動電流Iaから反力Fを検出することもできる。
しかしながら、位置制御ループにおいて、反力Fに対する電流指令値Irpの応答は一般的に速くない。一方、反力Fに対する駆動電流Iaの応答は、可動部12が移動することにより発生する誘導電流によるものであるため、比較的速い。そこで、電流指令値Irpを直接監視するのではなく、駆動電流Iaを監視することで反力Fの検出を行う。
As described above, the reaction force F generated when the
However, in the position control loop, the response of the current command value Irp to the reaction force F is generally not fast. On the other hand, the response of the drive current Ia to the reaction force F is relatively fast because it is due to the induced current generated by the movement of the
ここで、式(2)は以下の通りである。
F+(α1+αg)・(M1+M2+M3)=Kt・Ir=Kt・(Irp+Irc)
(2)
Here, the equation (2) is as follows.
F + (α1 + αg) ・ (M1 + M2 + M3) = Kt ・ Ir = Kt ・ (Irp + Irc)
(2)
一方、駆動電流Iaは次式(5)で表せる。
Ia=Ir=Irp+Irc (5)
On the other hand, the drive current Ia can be expressed by the following equation (5).
Ia = Ir = Irp + Irc (5)
よって、式(2),(5)から下式(6)が得られる。
F+(α1+αg)・(M1+M2+M3)=Kt・Ia (6)
Therefore, the following equation (6) can be obtained from the equations (2) and (5).
F + (α1 + αg) ・ (M1 + M2 + M3) = Kt ・ Ia (6)
そして、式(6)の両辺から、式(3)の左辺である((α1+αg)・(M1+M2+M3))を減算して整理すると、下式(7)が得られる。
F=Kt・(Ia-(α1+αg)・(M1+M2+M3)/Kt) (7)
Then, the following equation (7) is obtained by subtracting ((α1 + αg) · (M1 + M2 + M3)), which is the left side of the equation (3), from both sides of the equation (6).
F = Kt ・ (Ia- (α1 + αg) ・ (M1 + M2 + M3) / Kt) (7)
この式(7)に示されるように、駆動電流Iaから加速度補償値(α1+αg)・(M1+M2+M3)/Ktを差し引いてトルク定数Ktをかけることで、反力Fを求めることができる。 As shown in this equation (7), the reaction force F can be obtained by subtracting the acceleration compensation value (α1 + αg) · (M1 + M2 + M3) / Kt from the drive current Ia and multiplying by the torque constant Kt.
次に、外力検出制御部6による効果について説明する。
ロボットの動作は、一般的に、位置制御によりコントロールされる。そのため、物体50の寸法誤差又は把持位置誤差等により、予めプログラムされた目標位置と実際の位置が異なる場合、物体50が他の物体と接触した際に大きな外力Fが発生し、物体50又は他の物体に傷又は破損が発生する恐れがある。
Next, the effect of the external force detection control unit 6 will be described.
The movement of the robot is generally controlled by position control. Therefore, when the target position programmed in advance and the actual position are different due to a dimensional error or a gripping position error of the
その対策として、ロボットとエンドエフェクタ2との間に力センサを設置し、物体50と他の物体との接触時に過大な外力Fが発生しそうになると力センサの検出結果をロボットにフィードバックし、過大な外力Fが発生しないようにする方法が考えられる。
As a countermeasure, a force sensor is installed between the robot and the
しかしながら、過大な外力Fが発生したことを検出して停止指令を出してもロボットは急には止まれないため、停止指令が出た時点から急激に減速しても接触位置からずれた位置で停止してしまい、物体50又は他の物体を押し潰してしまう。そして、位置の行き過ぎ量は移動速度に比例するため、物体50を他の物体に近付ける速度を遅くせざるを得ない。
However, even if an excessive external force F is detected and a stop command is issued, the robot does not stop suddenly. Therefore, even if the robot suddenly decelerates from the time when the stop command is issued, it stops at a position deviated from the contact position. And crushes the
上記の理由により、物体50が他の物体と接触する可能性のある領域では、ロボットの移動速度を十分落とす必要がある。しかしながら、サイクルタイムを短くするため、物体50を移動する速度は速くする必要がある。その結果、接触領域の近傍で速度を急激に落とすことになる。
For the above reasons, it is necessary to sufficiently slow down the moving speed of the robot in the region where the
一方、実施の形態1では、ロボット(移動部3)の先端にアクチュエータ1を取付け、また、外力検出制御部6は、アクチュエータ1が急激に移動又は停止されて移動加速度α1が発生した場合、及び、アクチュエータ1の姿勢が変更されて重力加速度αgが変化した場合でも、可動部12に加わる反力Fを正しく検出でき、また、コンプライアンス値を任意に変えられる。そのため、ロボットが急に止まれない点は同じだが、位置の行き過ぎにより物体50又は他の物体を押し潰してしまうことはない。よって、物体50を他の物体に近づける速度を極端に遅くする必要がなく、また、安全に作業できる。
On the other hand, in the first embodiment, the
また、ロボットとエンドエフェクタ2との間に力センサを設置した場合、ロボットが急激に減速すると、エンドエフェクタ2の質量M2による影響で、力センサには負方向の加速度に比例した力が発生する。
ところが、上記加速度に比例した力と物体50の他の物体との接触により発生する外力Fとを区別することは難しく、区別するためにはロボットの減速時間を大幅に長くせざるを得ない。
Further, when a force sensor is installed between the robot and the
However, it is difficult to distinguish between the force proportional to the acceleration and the external force F generated by the contact of the
一方、外力検出制御部6では、アクチュエータ1が急激に加減速された場合でも正しく外力Fを検出でき、接触時にのみ外力Fを検出するため、アクチュエータ1の減速時間を長くする必要はない。
On the other hand, the external force detection control unit 6 can correctly detect the external force F even when the
また、力センサを用いた場合には、重力による影響をリアルタイムに補償し難いという課題もある。
すなわち、接着作業を行う場合にロボットが取りうる姿勢は常に一定ではなく、作業の状態に応じて変化させる場合が多い。
しかしながら、ロボットとエンドエフェクタ2との間に力センサを設置した場合には、ロボットの姿勢が水平ではないと、力センサには重力加速度αgによる影響でロボットの姿勢とエンドエフェクタ2の質量M2に応じた力が発生する。
Further, when a force sensor is used, there is a problem that it is difficult to compensate for the influence of gravity in real time.
That is, the posture that the robot can take when performing the bonding work is not always constant, and is often changed according to the state of the work.
However, when the force sensor is installed between the robot and the
一方、外力検出制御部6では、アクチュエータ1の姿勢が変更されて重力加速度αgが変化した場合でも外力Fを正しく検出できるため、重力による影響をリアルタイムに補償できる。
On the other hand, the external force detection control unit 6 can correctly detect the external force F even when the posture of the
次に、作業制御部7の動作例について、図6~9を参照しながら説明する。以下では、アクチュエータ動作切替え装置が、コネクタ51をコネクタ52に嵌合する組立作業を行う場合を示す。なお、図6に示すように、コネクタ51は爪511を有し、コネクタ52は、コネクタ51が挿入される挿入穴521及びコネクタ51が挿入された際に爪511が係合する係合穴522を有している。また、コネクタ51はエンドエフェクタ2により保持され、コネクタ52は作業台等に固定されているものとする。
Next, an operation example of the
そして、作業制御部7は、外力検出部62により検出された外力F等に基づいて、アクチュエータ制御部61、エンドエフェクタ2及び移動部3を制御することで、アクチュエータ動作切替え装置による組立作業を実現する。なお、作業制御部7は、基準位置Pr又はゲインの変更を行うことでアクチュエータ制御部61を制御する。ここで、ゲイン調整部65は位置偏差に基づいて電流指令値Irpを出力しているが、上記ゲインの変更とは、上記位置偏差と電流指令値Irpとの関係を示す関数の変更を意味している。また、上記関数の変更には、関数の傾きの変更も含まれる。また、作業制御部7は、アクチュエータ動作切替え装置によるアクチュエータ1を用いた作業を実現するための専用のコントローラであり、上記外力F等に基づいて、1kHz以上(1ms以下)の高速制御周期内でアクチュエータ1の動作を切替えることができる。
Then, the
また図9において、横軸は時間[s]を示し、縦軸は外力検出制御部6により検出された外力F(力信号[mV])を示している。また、図9における符号a~eは、図8A~図8Eでの状態をそれぞれ示している。 Further, in FIG. 9, the horizontal axis represents the time [s], and the vertical axis represents the external force F (force signal [mV]) detected by the external force detection control unit 6. Further, the reference numerals a to e in FIG. 9 indicate the states in FIGS. 8A to 8E, respectively.
アクチュエータ動作切替え装置によるコネクタ51,52の組立作業では、まず、図7に示すように、モード切替え部71はモード制御部72の動作モードを位置速度制御部724に切替え、位置速度制御部724は、急激な加速度が発生しないように速度を制御しながらコネクタ51をコネクタ52に近づける(ステップST1)。
In the assembly work of the
次いで、図7、図8Aに示すように、モード切替え部71はモード制御部72の動作モードを力制御部727に切替え、移動部3は、コネクタ51がコネクタ52に力F1で接触するまで、エンドエフェクタ2をコネクタ52の方向へ移動させる(ステップST2)。図9に示すように、力F1は、コネクタ51がコネクタ52に当接したことを認識可能な力であり、コネクタ51とコネクタ52及び周辺機器を破損しない程度に十分に弱い力である。
Next, as shown in FIGS. 7 and 8A, the
このステップST2では、最初、可動部12は、変位に対して推力が線形に変化するばねのような動作となる(ばねモード)。その後、コネクタ51がコネクタ52に接触することで、可動部12に加わる外力Fが変化し、その情報が外力検出部62からモード切替え部71に伝えられる。そして、モード切替え部71は、外力F(アクチュエータ1が発生する推力)が閾値を超えた場合には力一定モードとなるようにモード制御部72に指示を出す。これにより、コネクタ51,52に過大な力をかけることなく接触をさせることができる。
In this step ST2, the
なお上記では、ステップST2において、移動部3によりコネクタ51をコネクタ52に力F1で接触させる場合を示した。しかしながら、これに限らず、ステップST2において、モード切替え部71はモード制御部72の動作モードを押引き制御部726に切替え、押引き制御部726が、コネクタ51がコネクタ52に力F1で接触するまで、エンドエフェクタ2をコネクタ52の方向へ押付けてもよい。
In the above, in step ST2, the case where the
また、モード切替え部71は、ステップST2における処理が終了した段階で、モード制御部72の動作モードを力リセット部728に切替え、力リセット部728は、アクチュエータ1が発生している推力を零近くにリセットしてもよい。これにより、コネクタ51,52が接触している状態においてほとんど推力が発生しない状態とすることができる。
なお、ステップST2における処理が終了した段階で、可動部12のストロークに余裕があり、アクチュエータ1が発生している推力が低い場合には、力リセット部728による処理は不要である。図9では、力リセット部728による処理を行わない場合を示している。
Further, the
When the processing in step ST2 is completed and the stroke of the
次いで、図7、図8Bに示すように、移動部3は、コネクタ51のコネクタ52への接触を維持しつつ、エンドエフェクタ2をコネクタ51とコネクタ52とが嵌合する方向に移動させる(ステップST3)。この際、コネクタ51,52の接触時に過大な力がかかっていないため、コネクタ51,52の接触を維持したままコネクタ51,52同士の相対位置をずらす(滑らせる)ことが可能である。図8Bでは、図8Aにおいてコネクタ51がコネクタ52に対して高さ方向にずれており、コネクタ51を下方に移動させている場合を示している。実際には、高さ方向の他、横方向及び回転方向等、嵌合方向に対して垂直な方向における全ての自由度に対する位置合わせが必要となる。なお、図9に示すように、モード切替え部71は、力F1が無くなった場合に、コネクタ51がコネクタ52の挿入穴521に対向したと判定する。又は、モード切替え部71は、コネクタ51の位置から、コネクタ51がコネクタ52の挿入穴521に対向したかを判定する。そして、モード切替え部71は、コネクタ51がコネクタ52の挿入穴521に対向したと判定した場合には、エンドエフェクタ2の移動を停止させるようにモード制御部72に指示を出す。
Next, as shown in FIGS. 7 and 8B, the moving
なお、作業制御部7は、ステップST3における処理が終了した段階で、外力検出制御部6における基準位置Prの更新を行ってもよい。この際、作業制御部7は、基準位置Prとして、コネクタ51の挿入先の位置を設定する。これにより、コネクタ51の嵌合工程においてもコンプライアンス制御が可能となる。
The
次いで、図7、図8C、図8Dに示すように、モード切替え部71はモード制御部72の動作モードを押引き制御部726に切替え、押引き制御部726は、外力Fが力F2となるまで、コネクタ51をコネクタ52の挿入穴521に挿入するように、エンドエフェクタ2を嵌合方向に押付ける(ステップST4)。これにより、適切な力でコネクタ51をコネクタ52に挿入できる。また、コネクタ51がコネクタ52の挿入穴521に挿入されることで、コネクタ51が有する爪511がコネクタ52が有する係合穴522に係合され、コネクタ51がコネクタ52に嵌合される。
Next, as shown in FIGS. 7, 8C, and 8D, the
次いで、図7、図8Eに示すように、押引き制御部726は、コネクタ51をコネクタ52から引抜くように、エンドエフェクタ2を嵌合方向とは逆方向に移動させ、モード切替え部71が外力Fが力Frefに達するかを判定する(ステップST5)。図9に示すように、力Frefは、コネクタ51がコネクタ52に正常に嵌合されたことを確認可能な力である。
Next, as shown in FIGS. 7 and 8E, the push-
ここで、外力Fが力Frefとなる前にコネクタ51がコネクタ52から引抜かれた場合には、コネクタ51,52の組立が失敗したと判定できる。なお図8E、図9では、力Frefよりも弱い力F3で、コネクタ51がコネクタ52から抜けた場合を示している。
一方、外力Fが力Frefに達した場合には、コネクタ51,52の組立が成功したと判定できる。その後、エンドエフェクタ2はコネクタ51の保持を解除し、コネクタ51,52の組立作業を終了する。
Here, if the
On the other hand, when the external force F reaches the force Fref, it can be determined that the
このステップST4,5では、押引き制御部726は、アクチュエータ1が発生する推力を所定の推力まで徐々に変化させる(押引きモード)。そして、その間に可動部12に加わる外力Fが変化し、その情報が外力検出部62からモード切替え部71に伝えられる。そして、モード切替え部71は、外力F(アクチュエータ1が発生する推力)が閾値を超えた場合には、推力変化を停止させ、力一定モードとなるようにモード制御部72に指示を出す。
In steps ST4 and ST5, the push-
なお上記では、ステップST4において、押引き制御部726によりコネクタ51をコネクタ52に嵌合させる場合を示した。しかしながら、これに限らず、ステップST4において、モード切替え部71はモード制御部72の動作モードを力制御部727に切替え、移動部3が、外力Fが力F2となるまで、コネクタ51をコネクタ52の挿入穴521に挿入するように、エンドエフェクタ2を嵌合方向に移動させてもよい。
In the above, in step ST4, the case where the
また上記では、ステップST5において、押引き制御部726によりコネクタ51をコネクタ52から脱着するように引抜く場合を示した。しかしながら、これに限らず、ステップST5において、モード切替え部71はモード制御部72の動作モードを力制御部727に切替え、移動部3が、コネクタ51をコネクタ52から脱着するように、エンドエフェクタ2を嵌合方向とは逆方向に移動させてもよい。
Further, in the above, in step ST5, the case where the
以上の動作により、コネクタ51,52又はアクチュエータ1を壊さず、且つ作業速度を落とさずに、コネクタ51,52に対する組立作業が実施できる。
By the above operation, the assembly work for the
なお上記では、可動部12を直動方向に変位可能とするアクチュエータ1を用いた場合を示した。しかしながら、これに限らず、加速度検出部5が角加速度を検出可能であれば、可動部12を回転方向に変位可能とするアクチュエータ1を用いることもできる。
In the above, the case where the
また上記では、移動部3がロボットである場合を示した。しかしながら、これに限らず、移動部3として、直動機構又は回転機構を用いてもよい。
Further, in the above, the case where the moving
以上のように、この実施の形態1によれば、固定部11及び可動部12を有するアクチュエータ1と、固定部11に対する可動部12の位置を検出する位置検出部4と、固定部11の加速度を検出する加速度検出部5と、位置検出部4により検出された位置と基準位置Prとの差分に対してゲインを調整し、当該調整結果である電流指令値Irp及び加速度検出部5により検出された加速度に基づいてアクチュエータ1に対する駆動電流Iaを出力するアクチュエータ制御部61と、アクチュエータ制御部61において得られた電流指令値Irp、又は、加速度検出部5により検出された加速度及びアクチュエータ制御部61により出力された駆動電流Iaの電流値に基づいて、可動部12に加わる外力Fを検出する外力検出部62と、指示された動作モードでアクチュエータ制御部61を制御するモード制御部72と、外力検出部62により検出された外力Fに基づいてモード制御部72の動作モードを切替えるモード切替え部71とを備えたので、可動部12が急激に加減速された場合又は姿勢が変更された場合でも可動部12に加わる外力Fを正しく検出でき、当該外力Fに基づいてアクチュエータ1の動作を迅速に切替えることができる。
As described above, according to the first embodiment, the
なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。 In the present invention, within the scope of the invention, it is possible to modify any component of the embodiment or omit any component of the embodiment.
1 アクチュエータ
2 エンドエフェクタ
3 移動部
4 位置検出部
5 加速度検出部
6 外力検出制御部
7 作業制御部
11 固定部
12 可動部
50 物体
51,52 コネクタ
61 アクチュエータ制御部
62 外力検出部
63 位置速度変換部
64 減算器
65 ゲイン調整部
66 質量推定部
67 加速度補償部
68 加減算器
69 定電流制御部
71 モード切替え部
72 モード制御部
511 爪
521 挿入穴
522 係合穴
621 係数乗算部
622 減算器
623 係数乗算部
651 ループゲイン測定部
652 ゲイン交点制御部
653 可変ゲイン調整部
654 発振器
655 加算器
656 比較器
671 乗算器
672 係数乗算部
691 減算器
692 駆動ドライバ
693 電流検出部
721 イニシャライズ部
722 原点復帰部
723 ドライブオフ部
724 位置速度制御部
725 位置制御部
726 押引き制御部
727 力制御部
728 力リセット部(力変化制御部)
729 オフセットキャンセル部
1
729 Offset cancel section
Claims (7)
前記固定部に対する前記可動部の位置を検出する位置検出部と、
前記固定部の加速度を検出する加速度検出部と、
前記位置検出部により検出された位置と基準位置との差分に対してゲインを調整し、当該調整結果である電流指令値及び前記加速度検出部により検出された加速度に基づいて前記アクチュエータに対する駆動電流を出力するアクチュエータ制御部と、
前記アクチュエータ制御部において得られた電流指令値及び前記アクチュエータが発生する推力と駆動電流との比を表したトルク定数に基づいて、或いは、前記加速度検出部により検出された加速度、前記アクチュエータ制御部により出力された駆動電流の電流値、前記トルク定数、並びに、前記可動部の質量と当該可動部に取付けられたエンドエフェクタの質量とが加算された質量、又は、前記可動部の質量と前記エンドエフェクタの質量と当該エンドエフェクタに保持された物体の質量とが加算された質量に基づいて、前記可動部に加わる外力を検出する外力検出部と、
指示された動作モードで前記アクチュエータ制御部を制御するモード制御部と、
前記外力検出部により検出された外力に基づいて前記モード制御部の動作モードを切替えるモード切替え部と
を備えたアクチュエータ動作切替え装置。 An actuator having a fixed portion and a movable portion that can be displaced with respect to the fixed portion,
A position detection unit that detects the position of the movable portion with respect to the fixed portion,
An acceleration detection unit that detects the acceleration of the fixed unit, and
The gain is adjusted with respect to the difference between the position detected by the position detection unit and the reference position, and the drive current for the actuator is calculated based on the current command value which is the adjustment result and the acceleration detected by the acceleration detection unit. Actuator control unit to output and
Based on the current command value obtained in the actuator control unit and the torque constant representing the ratio of the thrust generated by the actuator to the drive current , or the acceleration detected by the acceleration detection unit , the actuator control unit The current value of the output drive current , the torque constant, and the mass obtained by adding the mass of the movable part and the mass of the end effector attached to the movable part, or the mass of the movable part and the end effector. Based on the mass obtained by adding the mass of the object and the mass of the object held by the end effector, the external force detection unit that detects the external force applied to the movable unit, and the external force detection unit.
A mode control unit that controls the actuator control unit in the instructed operation mode,
An actuator operation switching device including a mode switching unit that switches the operation mode of the mode control unit based on the external force detected by the external force detection unit.
前記アクチュエータの位置を固定させた状態で、当該アクチュエータに正方向又は負方向の推力を発生させる押引き制御部を有する
ことを特徴とする請求項1記載のアクチュエータ動作切替え装置。 The mode control unit
The actuator operation switching device according to claim 1, further comprising a push-pull control unit that generates thrust in a positive direction or a negative direction in the actuator in a state where the position of the actuator is fixed.
ことを特徴とする請求項2記載のアクチュエータ動作切替え装置。 The actuator operation switching device according to claim 2, wherein the push-pull control unit maintains the thrust when the thrust generated by the actuator exceeds a preset threshold value.
前記可動部に加わる外力に応じ、前記固定部に対する当該可動部の位置を変化可能とする力制御部を有する
ことを特徴とする請求項1から請求項3のうちの何れか1項記載のアクチュエータ動作切替え装置。 The mode control unit
The actuator according to any one of claims 1 to 3, wherein the actuator has a force control unit that can change the position of the movable portion with respect to the fixed portion according to an external force applied to the movable portion. Operation switching device.
ことを特徴とする請求項4記載のアクチュエータ動作切替え装置。 The actuator operation switching device according to claim 4, wherein the force control unit maintains the thrust when the thrust generated by the actuator exceeds a preset threshold value.
前記アクチュエータが発生している推力を任意の値に変更する力変化制御部を有する
ことを特徴とする請求項4又は請求項5記載のアクチュエータ動作切替え装置。 The mode control unit
The actuator operation switching device according to claim 4 or 5, further comprising a force change control unit that changes the thrust generated by the actuator to an arbitrary value.
ことを特徴とする請求項6記載のアクチュエータ動作切替え装置。 The mode control unit operates the force change control unit in place of the force control unit when the thrust generated by the actuator exceeds a preset threshold value while the force control unit is operating. The actuator operation switching device according to claim 6, wherein the actuator operation is switched.
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