JPH01140307A - 力制御ロボット装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［概要］ ロボットのハンドが作業対象物と接触したときの力の大
きさを力センサで検出し、その検出信号に従ってハンド
の速度を制御して動作を実行するように構成された力制
御ロボット装置に関し、教示動作及び教示再生動作が常
に安定に実行できる力制御ロボット装置を提供すること
を目的とし、 力センサを用いて教示動作及び教示再生動作を行う力制
御ロボット装置において、力センサの出ノｊ信号を増幅
してディジタル信号に変換する前処理部と、該前処理部
から出力されるディジタル信号を荷重信号に変換するキ
ャリブレーション演算部と、該キャリブレーション演算
部から出力される荷重信号に不感帯処理を施す可変不感
帯処理部と、帯域可変２次フィルタを含み該可変不感帯
処理部の出力信号を速度信号に変換する２次可変応答特
性処理部を具備し、前記２次可変応答特性処理部の２次
フィルタの帯域を教示動作時には低くして速度変換応答
を遅くし、教示再生動作時には高くして速度変換応答を
速くするように構成する。

［産業上の利用分野］ 本発明は、ロボットのハンドが作業対象物と接触したと
きの力の大きさを力センサで検出し、その検出信号に従
ってハンドの速度を制御して動作を実行するように構成
された力制御ロボット装置に関するものであり、更に詳
しくは、ダイレクトティーチング機能を備えた装置の改
良に関するものである。

ロボットの一種に、ロボットのハンドが作業対染物と接
触したときの力の大きさを力センサで検出し、その検出
信号に従ってハンドの速度を制御して動作を実行するよ
うに構成された力制御ロボット装置がある。

このような力ｍ１１９１１０ボツト装置は、ロボットの
ハンドが作業対象物に接触して行う動作に意味があるこ
とから、作業対染物の特性によって力センサの出力信号
は変化することになる。

ところで、ダイレクトティーチング（教示）は柔らかい
人間の手でロボットのハンドを持って実際の作業経路に
沿って移動させることにより行われるが、教示された動
作のロボットのハンドによる再生は一般的には硬い金属
に対して行われる。

寸なわら、教示動作における作業対象物とロボットのハ
ンドの組み合わせは柔く人間）対剛（金属）であるが、
教示再生動作における作業対象物とロボットのハンドの
組み合わせは剛（金属）対剛（金属）になる。

［従来の技術］ 第４図は従来のこのような装置の一例を示す要部ブロッ
ク図である。図において、１はロボットのハンドの力の
大きさを検出する力センサであり、例えば歪みゲージが
用いられる。その出力信号は増幅器２、ローパスフィル
タ３及びＡ／Ｄ変換器４で構成される前処理部５に加え
られ、ディジタル信号に変換される。ローパスフィルタ
３は、サンプリング周１１Ｔに対して少なくともＴ／２
以上の高周波成分をカットするものである。

Ａ／Ｄ変換器４でディジタル信号に変換された力センサ
１の出力信号はキャリブレーション演算部６に加えられ
て荷重信号に変換される。キャリブレーション演算部６
で変換された荷重信号は可変不感帯処理部７に加えられ
て不感帯処理が施される。この可変不感帯処理部７には
、微少な力やノイズなどに対しては等測的に力センサ１
が反応しないように不感帯が設定されている。このよう
な不感帯は、例えば自動車のハンドルやブレーキの遊び
に相当するものであり、作業者が安定にロボットを操作
するために必要なものである。この可変不感帯処理部７
の出力信号は速度信号変換部８に加えられて速度信号に
変換される。そして、この速度信号変換部８から出力さ
れる速度信号はロボットを駆動するモータに加えられる
。

［発明が解決しようとする問題点１ 前）ホのように、教示動作は人間が行うものであること
から、力センサ１を押した時にロボットのハンドは振動
しないことが望ましい。すなわち、ロボットのハンドが
力センサ１の出力信号の急激な変化に高速追従応答しな
いようにする必要がある。そこで、従来のこのような力
制御ロボット装置における速度信号変換部８は、教示動
作と教示再生動作に拘らず、教示動作中に人間がロボッ
トのハンドを押しても振動しないような一定の応答特性
で速度信号変換を行うように構成されていた。

ところが、教示動作時に人間がロボットのハンドを押し
付ける力と教示再生動作時に作業対象物がロボットのハ
ンドを押し付ける力とは大きさが全く異なることから、
教示再生動作が安定に行われないことがある。

そこで、このような不都合を解決するために、作業対染
物の特性を考慮して力制御を行う方式が提案されている
が、難解な数式に頼っており実用化は困難である。

本発明は、このような点に罵みてなされたちのであって
、教示動作及び教示再生動作が常に安定に実行できる力
制御ロボット装置を提供することを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 第１図は本発明の力制御ロボット装置の原理ブロック図
であり、第４図と同一の部分には同一の符号を付けて示
している。図において、９は可変不感帯処理部７の出力
信号が加えられる２次可変応答特性処理部である。この
２次可変応答特性処理部９は、帯域を変えることができ
る２次のフィルタを含むものである。

［作用コ ２次可変応答特性処理部９は、可変不感帯処理部７の出
力信号を処理して速度信号変換部８と同様に速度信号に
変換するが、２次フィルタの帯域を、教示動作時は低く
（例えば２Ｈｚ）して速度変換応答性を遅くし、教示再
生時は高く（例えばロボットの制御がサンプリング周波
数１ｋＺで行われている場合にはサンプリング定理に従
って５００Ｈｚ　）Ｌ、て速度変換特性を速くする。

これにより、教示動作時には振動を生じることなくスム
ーズにロボットのハンドを移動させることができ、教示
再生動作時には力センサ１の出力信号の急激な立ち上が
りに追従して高速にロボットのハンドを移動させること
ができる。

［実施例］ 以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明す
る。

第２図は本発明の一実施例を示す構成ブロック図であり
、第１図と同一のものには同一の符号を付して示してい
る。図において、１０はロボットであり、各関節部１１
にはモータ回転角０を検出してサーボ１２に出力するエ
ンコーダ１３が設（ブられている。図中の力センサユニ
ットは第１図の力センサ１．増幅器２．ローパスフィル
タ３及び△／Ｄ変換器４を含む概念である。１４は各種
の制御演算及び信号処理演算を行う高速演算プロセッサ
、１５は各種のパラメータ設定やデータを生成するホス
トプロセッサである。エンコーダ１３から出力されるモ
ータ回転角θは、サーボ１２を介してホストプロセッサ
１５の現在位置演算部１６に加えられ、基準座標系での
座標（ｉｉＨに変換される。この時点で教示動作時に記
憶命令が加えられることにより座標値Ｈはメモリ１７に
記憶される。教示再生動作時には、該メモリ１７から読
み出される座標値１に基いて教示点間の速度ＶＲが教示
点間速度生成部１８で生成され、高速演算プロセッサ１
４の加算部１９の一方の入力端子に加えられる。

一方、ロボッＩ〜１０の力センサユニット１〜４のディ
ジタル信号は高速演算プロセッサ１４のキャリブレーシ
ョン演算部６に加えられ、ハンド座標系での力信号ｆＨ
に変換されて座標変換部２０に加えられる。ここで、力
センサ１は、直交３軸方向ＦＸ、ＦＹ、ＦＺとそれぞれ
の軸回りのモーメントＭＸ　、Ｍｙ　、ＭＺの６．成分
の力を検出する。

ところで、力センサ１は、その加重 ｆ＝　［Ｆｘ　Ｆｖ　Ｆｚ　ＭＸ　ＭＹＭＺ　］と出力
電圧Ｅ−［ｅＸ　ｅｖ　ｅＺ　ｅｔ　ｅａ　ｅｒ　］の
関係が線形になるように作られており、 Ｅ＝Ｃｆ で表わされる。Ｃは６×６行列である。この式より、 ｆ−Ｃ−ｔ・Ｅ どなり、予め力センサ１のキヤリブレーシヨンを行って
（Ｃ−１を求めておく。キャリブレーション演算部６で
は、得られた出力電圧ＥにＣ−１を掛ＬＪて力ｆを求め
る。

座標変換部２０はハンド座標系での力信号ｆＨを基準座
標系での力信号ｆＲに変換し、可変不感帯処理部７に加
える。なお、座標変換部２０にはエンコーダ１３から出
力されるモータ回転角０がサーボ１２を介して加えられ
ている。可変不感帯処理部７の不感帯ｆｕｓは、ホスト
プロセッサ１５から設定される。不感帯をｆ　ｕｓ　（
≧Ｏ）に設定した１４合、ハンドの負荷となる力ｆが１
１≦ｆｕｓのとき、出力ｐは、 ｐ−。

になり、ｌｆｌ＞ｆｕｓのとき、出力ｐは、ｐ＝ｆ−ｆ
ｕｓ になるものとする。

可変不感帯処理部７の出力ｐは２次可変応答特性処理部
９に加えられて力信号に対応した速度信号Ｖ、に変換さ
れ、加算部１９の他方の入力端子に加えられる。今、直
交座標示である１方向だけをとりあげてみると出力ｐか
らハンドの変位Ｘへの′！！ｌ換は、次の伝達関数で示
される２次振動系で与えられる。

ここで、Ｃはゲインでロボットの動きの柔らかさを指定
するものであり、ξは粘性減衰係数でロボットの動きの
粘さを指定するものであり、ωｎは固有振動数で２次フ
ィルタの帯域を指定するものである。これら各パラメー
タはホストプロセッサ１５から任意に設定できるように
構成されている。

状態変数をＸｕ　＝ｓｘ、　Ｘ２　＝Ｍ−Ｖ　（ハンド
の速度）とすると、（１）式から、状態方程式は、ｌ　
　−Ｘ 交２＝−２ξωｎＸ２−ωＴ１２Ｘｌ ＋Ｃ・ωｎ２・ｐ で表わされる。すなわち、 Ｘ＝＾Ｘ＋ｂ−ｐ　　　　　　　　　　・・・（２）に
なる。ただし、 である。

（２）式をサンプリング周期Ｔで離散化すると、Ｘ　け
＋−ＦＸ＋　　　＋（Ｊ　　・　　ｐ　１　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　・・・　　（３）Ｆ
　−ｅＡＴ ＝ｌ＋＾Ｔ＋＾２　Ｔ２　／２１＋・・−′−Ｕ−ｉ♂
１ｄτ・ｂ −■（１＋ＡＴ／２！＋＾２　Ｔ２　／３　！＋・・・
）×ｂ で与えられる。ここでＩは単位行列である。

速度信号Ｖは（３）式から求められ、Ｖ−Ｘ２である。

このＶを直交座標示の各方向で求めてベクトルで表わし
たのがＶＲである。

加算部１つでＶＲとＶＲが加算されて座標変換部２１に
加えられ、ハンド座標系での値ＶＨに変換される。なお
、座標変換部２１にもエンコーダ１３から出力されるモ
ータ回転角θがサーボ１２を介して加えられている。座
標変換部２１の出力信号ＶＨは逆ヤコビ行列変換部２２
に加えられて関節速度６に変換され、関数発生器２３に
加えられる。ここで、ヤコビ行列ＪはＶＨと関節速度め
を結び付ける行列ｖＨ＝、Ｊ−ｉであり、Ｊ−１はその
逆行列である。関数発生器２３は関節速度６に基づいて
適切な速度曲線を作成する。そして、メモリ１６から読
み出されて加えられる目標座標値ト１を用い、サーボ１
２を介してロボット１０の関節部１１のサーボ制御を行
う。

このような構成において、２次可変応答特性処理部９の
２次フィルタの帯域は、前述のようにパラメータωｎを
ホストプロセッサ１５から指示することにより設定され
る。第３図はこのような帯域設定の動作の流れを示すフ
ローチャートであり、このように２次可変応答特性処理
部９の２次フィルタの帯域を教示動作と教示再生動作に
応じて変えることにより、安定した動作が得られる。第
３図のフローを説明する。先ず、教示動作かどうかをチ
エツクしく■）、そうである場合には帯域を２）−１２
にセットした後（■）、教示動作を行わせる（■）。次
に教示動作でなかった場合には、帯域を５００１−Ｉ　
Ｚにセットした後（■）、教示再生動作を行わせる（■
〉。

［発明の効果］ 以上詳細に説明したように、本発明によれば、・教示動
作及び教示再生動作が常に安定に実行できる力制御ロボ
ット装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理ブロック図、 第２図は本発明の一実施例を示す構成ブロック図、 第３図は本発明の２次可変応答特性処理部の２次フィル
タの帯域設定動作の流れを示すフローチャート、 第４図は従来構成例を示す要部ブロック図である。 第１図、第２図において、 １は力センサ、 ２は増幅器、 ３はローパスフィルタ、 ４はＡ／Ｄ変換器、 ５は前処理部、 ６はキャリブレーション演算部、 ７は可変不感帯処理部、 ９は２次可変応答特性処理部である。 ＼；＝〉／

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 力センサ（１）を用いて教示動作及び教示再生動作を行
   う力制御ロボット装置において、 力センサ（１）の出力信号を増幅してディジタル信号に
   変換する前処理部（５）と、 該前処理部（５）から出力されるディジタル信号を荷重
   信号に変換するキャリブレーション演算部（６）と、 該キャリブレーション演算部（６）から出力される荷重
   信号に不感帯処理を施す可変不感帯処理部（７）と、 帯域可変２次フィルタを含み、該可変不感帯処理部（７
   ）の出力信号を速度信号に変換する２次可変応答特性処
   理部（９）を具備し、 前記２次可変応答特性処理部（９）の２次フィルタの帯
   域を教示動作時には低くして速度変換応答を遅くし、教
   示再生動作時には高くして速度変換応答を速くすること
   を特徴とする力制御ロボット装置。