JPH02205489A - マニピュレータのインピーダンス制御方式 - Google Patents

マニピュレータのインピーダンス制御方式

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JPH02205489A
JPH02205489A JP2286089A JP2286089A JPH02205489A JP H02205489 A JPH02205489 A JP H02205489A JP 2286089 A JP2286089 A JP 2286089A JP 2286089 A JP2286089 A JP 2286089A JP H02205489 A JPH02205489 A JP H02205489A
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舘 ▲あきら▼
Hirohiko Arai
裕彦 荒井
Shoichiro Nishizawa
西澤 昭一郎
Taisuke Sakaki
泰輔 榊
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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】 [産業上の利用分野] この発明はマニピュレータの制御方式に関するものであ
る。
[従来の技術] 拘束条件下の運動や物体との接触を伴うマニピュレータ
の運動に於いて、位置のみではなく力の情報を考慮する
ことの重要性は古くから論じられている。
力制御を行う一つの代表的な方式は、位置と力のハイブ
リッド制御であるが、実際の組立作業における位置と力
を加える位置や方向の選択の問題や、境界の検出とモー
ドの切り替えの方法等未解決の課題が残されている。
もう一つの代表的な方法がインピーダンス制御である。
インピーダンス制御は、ロボットと環境の動力学的相互
作用を中心概念とする制御であり、特に接触作業を行う
ときに安定的な力制御が実現できる。この制御では、ロ
ボットが接触作業を行う場合、ロボットと環境との関係
をインピーダンスで規定し、ロボットと環境との動力学
的相互作用の変化をインピーダンスの変化としてとらえ
る。
これは、具体的には、ロボットの見かけのダイナミクス
(tfi性・粘性・弾性)の変化として現れる。
このインピーダンスItilJIUは動的インピーダン
スの変化を制御し、エンドイフエクタの剛性や粘性だけ
でなく見かけ状の慣性も変化させることを主な特徴とし
ている。
[発明が解決しようとする課題] しかし、従来のインピーダンス制御方式は、いずれも力
センサまたはトルクセンサを用いているため、マニピュ
レータの部品点数が増えたり構造が複雑になるため製造
コストが上がるとともに、力を測定する磯構のためにマ
ニピュレータの剛性が低下したり構造が脆弱になる可能
性があった。
また、力センサを取り付けた場合にはマニピュレータの
先端部以外の場所では外力を計測できないという問題が
あった。
この発明は上記の如き事情に鑑みてなされたものであっ
て、力センサを用いず、従ってマニピュレータのIf4
造が簡単になり、力制御を導入することによるマニピュ
レータの機械的強度の低下がなく、またマニピュレータ
のどの部分に外力を受けてもそれに応じてインピーダン
スを$1wJ1.うるマニピュレータのインピーダンス
制御方式を提供することを目的とするものである。
[課題を解決するための手段] この目的に対応して、この発明のマニピュレータのイン
ピーダンス制御方式は、複数のリンクを関節を介して連
結して備えるマニピュレータの制御方式であって、前記
関節を駆動するモータの出力トルクT8を、 ■ =慣性行列 JT:ヤコビアンの転置行列 M :仮想イナーシャ行列 J :ヤコビアン θ :各軸の回転角度ベクトル t :時間 DV=粘性I!!擦行列 B :仮想粘性F!!擦行列 K :仮想剛性行列 ×o:仮想平衡点 L :関節座標からカーテシアン座標への変換行列 C(θ、dθ/dt):重力項 クーロン摩擦等の非線
形項 とするとき、 +(D  −J’M(dJ/dt) −J1BJ)(dθ/dt) +J1K (X  −L (θ)) θ 十G(θ、dθ/d t ) と定めることを特徴としている。
[作用] マニピュレータの内部センサから回転角度、角速度及び
角加速度を計測して上式に代入し、アクチュエータの出
力トルクT8を求める。このアクチュエータの出力トル
クT8はアクチュエータの目標インピーダンスを実現し
てマニピュレータアームの作業のインピーダンス制御が
可能になる。
[実施例] 第1図及び第2図にマニピュレータアーム10を示す。
すなわち、マニピュレータアーム10は第1すンクL1
、第2リンクL2及び第3リンクL3を有する。各リン
クはすべてジュラルミン類である。
第1のリンクL1は関節1によってマニピュレータ本体
4に連結されていて垂直の回転軸11に関して回転可能
である。
第1リンクL と第2リンクL2はfIlffi2によ
って連結されていて水平の回転軸12に関して相対回転
可能である。
第2リンクL と第3リンクL3は関節3によって連結
されていて水平の回転軸13に関して相対回転可能であ
る。
関節1.関節2及び関節3はそれぞれアクチュエータ1
4,15.16によって駆動されるが、これらのアクチ
ュエータとしては、正確な内部モデルを推定するためと
精密な力制御のためにDD(ダイレクトドライブ)モー
タを採用したダイレクトドライブ方式のDCトルクモー
タを使用する。
このようなりCモータとしてはInland社製のもの
を使用することができる。その諸元を第3図に示す。ま
たリンクL4.L2 、L3の諸元を第4図に示す。
制御系は第6図に示すようにコンピュータ17、D/A
コンバータ18、U/Dカウンタ21、サーボアンプ2
2を有し、かつマニピュレータアーム10の各関節にア
クチュエータ14.15゜16及び0−タリエンフーダ
23を有している。
以上のハードウェアを用いて、この発明の制御方式を次
のように行う。
この発明のインピーダンスfiliIIlシステムの構
成を第7図に示す。
各軸の回転センサからの信号はコンピュータ17に取り
込まれ、回転角度・角速度・角加速度を計口した後、適
当なゲインをかけてモータトルクとし、サーボ7ンブヘ
出力する。サーボアンプで−は電流制御を行う。
マニピュレータの運動方程式を次のように表す。
1(d  θ/dt2)+D  (dθ/dt)■ +C(θ、dθ/dt) =T−J’F 、    e          ・・・(1)但し ■ :慣性行列 り、二粘性摩擦行列 C(θ、dθ/dt):重力項等の非線形項以上の係数
は既知となる。また、 ■、:アクチュエータの出力行列 Fe:環境から受番プる外力の行列 θ :各軸の回転角度行列 J :ヤコビアン J■:ヤコビアンの転置行列 次に、環境と接触した際の仮想インピーダンスZ (S
)を Z(S)=S/(MS2+BS+K) と設定すると外力F8は、 F  =M (d2X/dt2) +B (dX/dt)十K (X−Xo)・・・(2) 但し、 M :仮想イナーシャ行列 B ;仮想粘性摩擦行列 K :仮想剛性行列 X :カーテシアン空間上の座標行列 xo:仮想平衡点 時間tの関数の軌道を表す。
ここで、θとXは、座標変換により次の関係を持つ。
dX/dt=J (dθ/d t )       −
(3)d  X/dt  =J (62fj/dt2)
+(dJ/dt)(dθ/dt) ・−(4) X=L (θ)                ・・
・(5)これらを(2)式に代入すると、 +JTM(dJ/dt)(dθ/dt)+J’ BJ 
(dθ/dt) +K (L (θ)−Xo) ・・・(6) 従って、アクチュエータの実際の出力トルクは、T  
=(I−J’MJ)(d”θ/dt2)+(D  −J
”M(dJ/dt) ■ −J’BJ)<(jθ/dt) 丁 +J  K(Xo−L(θ)) +C(θ、 dθ/dt)          ・・・
(7)この(7)式かられかるように、マニピュレータ
の各係数を同定し、マニピュレータの内部センサからモ
ータの回転角度・角速度・角加速度を計測すれば、力セ
ンサを用いることなくアクチュエータのトルクが計算で
き、(2)式の目標とするインピーダンスを持った制御
ができる。
[実験例] 以上のインピーダンス制御方式を2軸の垂直多関節型0
0マニピユレータを用いて、平面内での接触作業の制御
実験を行った。
マニピュレータの構 このマニピュレータは、垂直多関節型であり3自由度を
持つ。今回は第1軸を固定し、垂直平面内で稼働する2
自由度マニピュレータとして使用している。各軸のアク
チュエータは精密な力制御のためにDDモータを採用し
ている。
運動方程式の導出 運動方程式の導出には、ラグランジェの運動方程式を用
いた。運動方程式のパラメータを同定するために、各軸
を振子の支点として減衰振動させ、その周期と振幅から
慣性■と粘性It擦係数り7、クーロン摩擦係数を求め
た。第5図に固定したパラメータを示す。
級皿凰路及ff7’ofうL 各軸の回転センサとして2000D/rのロータリエン
コーダを4逓倍して用いた。(7)式の制御を行う場合
、角速度・角加速度の正確な値が必要となるが、それを
パスル数の差分によって求めると、低速回転域では有効
桁数が小さくなって、制度が非常に悪くなる。そこで本
装置ではパルス間隔を基準り1コックIMH7t”測定
し、その逆数をもって角速度とした。
なお、プログラミング言語にはCを用い、制御周期は5
.Qmsである。
k皿叉鳳 次にこのシステムを用いて行ったυJilt実験の概要
を説明する。水平軸、垂直軸方向に各々仮想インピーダ
ンスを設定し、ある平面に接触させながらその面にそっ
て動作させる。その面の少し下を面から一定の距離を保
ちながら仮想平衡点を等速で動かしていくと、マニピュ
レータは平面に接触して面に垂直に一定の力を加えなが
ら仮想平衡点を追従する。この時、途中に半円状の障害
物を置くと仮想平衡点からの位置偏差に比例した力を障
害物に加えながらこれに沿って動作する。この時各軸方
向に加える力の価値を第8図に示す。
この図を見ると、時間軸に沿った垂直方向の力の値は半
円状ではないが、これは、マニピュレータが曲面上を動
作する時、その曲面の接線方向に一定の力を必要とする
からである。従って、障害物の前半部分では、接線方向
に充分な力を得られる程仮想平衡点との位置偏差が大き
くなるまで待機し、後半では逆に小さい位置偏差で動作
している。
このようにマニピュレータは、仮想したインピーダンス
を保ちながら安定した接触作業を行うことができた。
[発明の効果] この発明では力センサ等を用いずに内部状態を推定する
インピーダンス制御法を得ることができ、従って、力セ
ンサを用いないためマニピュレータの構造が簡単になり
、力制御を導入することによるマニピュレータの機械的
強度の低下はない。またマニピュレータのどの部分に外
力を受けでも、それに応じてインピーダンス制御をする
ことができる。
【図面の簡単な説明】
第1図はマニピュレータアームの正面図、第2図はマニ
ピュレータアームの側面図、第3図は各関節を駆動する
DD七−タの諸元を示す表、第4図はマニピュレータハ
ンドの諸元を示ず表、第5図は同定された各軸のパラメ
ータを示す表、第は制御装誼の構成図、第7図はインピ
ーダン御方式を示すブロック線図、及び第8図はマユレ
ータアームに作用する時間軸に沿った型内と水平方向の
力を示すグラフである。 Ll・・・第1リンク、 L2・・・第2リンク、 L3第3リンク、 1.2.3・・・関節、 10・・・マニピュレータアーム、 11.12.13・・・回転軸、 14.15.16・・・アクチュエータ、17・・・コ
ンピュータ、 18・・・D/Aコンバータ、 21・・・tJ/Dカウンタ、 22・・・サーボアンプ 指定代理人 工業技術院機械技術研究 曽田長− 第3図 第4図 第 図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 複数のリンクを関節を介して連結して備えるマニピュレ
    ータの制御方式であつて、前記関節を駆動するモータの
    出力トルクT_aを、 I:慣性行列 J^T:ヤコビアンの転置行列 M:仮想イナーシャ行列 J:ヤコビアン θ:各軸の回転角度ベクトル t:時間 D_V:粘性摩擦行列 B:仮想粘性摩擦行列 K:仮想剛性行列 X_O:仮想平衡点 L:関節座標からカーテシアン座標への変換行列 C(θ,dθ/dt):重力項クーロン摩擦等の非線形
    項 とするとき、 Ta=(I−J^TMJ)(d^2θ/dt^2)+{
    D_V−J^TM(dJ/dt)−J^TBJ}(dθ
    /dt)+J^TK{X_O−L(θ)}+C(θ,d
    θ/dt) と定めることを特徴とするマニピュレータのインピーダ
    ンス制御方式
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