JPH02247703A - 力制御機能を持つロボットの制御装置 - 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〕 ティーチング・プレイバック型で、力覚センサを持つロ
ボットの制御装置の改良に関し、この種の制御装置にお
いて、安定に位置制御１および力制御を行うことを目的
とし、 ティーチング・データを記憶するティーチング・メモリ
と、空間移動パラメータと力制御パラメータとを記憶す
る制御パラメータ・メモリと、口ポット制御手段とを有
し、ティーチング・メモリは、ロボット先端の移動経路
を特定する複数の点のそれぞれに対応した複数のデータ
領域を有し、当該データ領域は、ティーチング・データ
及び指定ビットなどを有し、ロボット制御手段は、ロボ
ット先端を点Ｐｎ−１から点Ｐｎへ移動する際には、点
Ｐｎに対応するデータ領域の指定ビットを調べ、当該指
定ビットが所定値の場合には、制御パラメータ・メモリ
の空間移動パラメータを使用して位置制御を行い、他の
所定値の場合には、制御パラメータ・メモリの力制御パ
ラメータを使用して力制御を行うよう構成されている。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、ティーチング・プレイバック型で、力覚セン
サを持つロボットの制御装置の改良に関するものである
。

〔従来の技術〕

力覚センサを手首部に備え、そのセンサによって環境と
の接触による力を検出し、その力を制御しながら作業を
行うロボットでは、空間を移動する時と、環境と接触し
ている時とでは特性が異なるため、制御が非常に困難で
ある。空間移動の時、十分安定となるよう制御パラメー
タを設定すると、接触状態では不安定になり易く、接触
状態で安定にしておくと、空間移動の時不安定になり易
い。

そこで、従来の技術では妥協点を見つけて、そこに制御
パラメータを設定するか、或いは接触状態の時だけ安定
しておき、空間移動の場合は不安定なままにして振動し
ても放置するケースが多かった。

〔発明が解決しようとする課題〕

前者の場合は、少しの外乱でも不安定になりやすく、良
好な作業は行えないということが起こる。

後者の場合は、接触状態での作業は行えるが、そこに移
動するまでは振動が起こり、ロボット・メカニズムの固
有振動数と一敗すると、メカニズムを壊す恐れさえあっ
た。

本発明は、以上の欠点を解消し、安定に位置制御および
力制御を行うための手段を提供するものである。

〔課題を解決するための手段〕

第１図は本発明の原理説明図である６本発明は、ティー
チング・プレイバック型で、力覚センサを備えて力作業
を行うロボット機構部を制御する制御装置を対象として
いる。本発明の制御装置は、ティーチング・データを記
憶するティーチング・メモリと、空間移動パラメータと
力制御パラメータとを記憶する制御パラメータ・メモリ
と、ロボット制御手段とを有している。

ティーチング・メモリは、ロボット先端の移動経路を特
定する複数の点のそれぞれに対応した複数のデータ領域
を有し、当該データ領域は、目標位置記入欄、移動速度
記入欄、力０値記入欄および措定ビット記入欄などを有
している。

ロボット制御手段は、ロボット先端を点Ｐ□１から点Ｐ
、へ移動する際には、点Ｐｎに対応するデータ領域の指
定ビットを調べ、当該指定ビットが所定値の場合には、
制御パラメータ・メモリの空間移動パラメータを使用し
て位置制御を行い、当該指定ビットが他の所定値の場合
には、制御パラメータ・メモリの力制御パラメータを使
用して力制御を行うよう構成されている。

（実施例〕 第２図は力覚センサを備えた？ポットの先端の動きの例
を示したものである。同図において、１はロボット本体
、２は力覚センサ、３はハンド、４は部品、５はマガジ
ン・ラック、６は部品、７は穴をそれぞれ示している。

いま、ロボットｌはハンド３で部品４をマガジン・ラッ
ク５から掴んで空中を移動し、部品６の穴７に挿入する
作業を行う。部品４と穴フの嵌合い作業はクリアランス
が小さく、良好に作業を行うためには力制御を行う必要
がある。

こうした空間移動と対象との接触による力制御において
、マガジン・ラック５からハンドの先端を点線で示す位
置１１までは空間移動のパラメータを設定し、位置１１
からの挿入作業については力制御でのパラメータを設定
する。これによって、何れの場合でも安定な状態で作業
を行うことができる。

第３図は本発明におけるロボットのティーチング内容を
記憶しているメモリの内容を説明するものである。

通常、ティーチングでは、移動中の経路点の座標や移動
速度、ハンドのＯＮ１０　Ｆ　Ｆなどの指令がティーチ
ング・ボックスやコンソールなどを通じて行われ、その
値がメモリに記憶される。

本発明は、それに加えて力制御のパラメータを用いるか
或いは空間移動用のパラメータを用いるかのビットを設
けたものである。

第４図に示すような経路を通じてロボットが作業を行っ
た場合のティーチングされた内容が第３図である。Ａが
部品をつかむ点、ＢとＣは空間移動の経由点、Ｄからは
挿入作業に入るものとする。

ロボットはＡ点で部品を掴んだ後、Ｂに移動しようとす
るが、先ずどの制御パラメータを選ぶかを指定する指定
ビットを読む。いま、指定ビットの値が１なら力制御パ
ラメータを選び、０なら空間移動パラメータを選ぶもの
とする。Ｂのティーチング・データでは指定ビットが０
なので空間移動パラメータを選び、指定された位置へ指
定された速度で移動する。ＢからＣへの移動、ＣからＤ
への移動についても同様である。

Ｄから次の移動を初めようとして、次のティーチング・
データＥの指定ビットを読むと、そこには１と書かれて
いるので、力制御パラメータを選ぶ、この場合、力制御
パラメータはどこか適当なメモリに置いておいても良い
し、時間がかかっても構わないならば、ホスト・コンピ
ュータからパラメータ・ファイルを書き換えてもよい。

このようにして、次の動作は力制御のパラメータを用い
て、例えば倣いの動作ならＥで示された座標に向かいな
がら接触面では指定された力での制御を行う。この力の
値もティーチング・データとして書き込んである。

また、力制御を用いた作業が嵌合いならば目標位置はな
く、指定した力で挿入作業を行い、押しつけた力と反力
とが一敗した時点で挿入作業が終了したと判断し、次の
動作を行う。

空間移動パラメータと力制御のパラメータとは、具体的
にはフィルタ・パラメータ（第７図参照）である。フィ
ルタは、ノツチ・フィルタで変動成分を除去している。

この変動の周波数は空間移動と力制御では異なるため、
それぞれの周波数をあらかじめ測定しておき、ホスト又
は下位計′ＪＸ機のメモリに入れておき、指定ビットに
より入れ換える。

第５図は本発明のハードウェア構成例を示す図である。

同図において、２０はホスト計算機、３０は下位計算機
、６０はスカラ型のロボットである。

ホスト計算機２０と下位計算機３０は、ロボット制御装
置を構成している。ホスト計算機２０から下位計算機３
０に対して動作コマンドやパラメータが与えられる。下
位計算機３０は、ホスト計算機２０からの指示に従って
ロボット６０を制御するものであって、ロボット６０の
モータの位置（エンコーダの出力）を読み取り、各種の
演算を行って操作量を求め、求めた操作量をロボット６
０のモータに対して与える。

第６図は本発明におけるホスト計算機の処理フローを示
す図である。ホスト計算機は、自分のメモリにあるティ
ーチング・データを読んで指定ビットに従って空間移動
パラメータ又は力制御パラメータをそれぞれ自分のメモ
リから読み出し、下位計算機（Ｄ　Ｓ　Ｐ　：　Ｄｉｇ
ｉｔａｌ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）のフィ
ルタ演算部が参照するメモリ（パラメータ・ファイル）
に書き込む。その後、空間移動ならば、ティーチング・
データ内の目標位置や目標速度を持つコマンドを下位計
算機に送り、それを受けて下位計算機はロボットを動か
す。

力制御ならば、ティーチング・データ内の力の値や目標
位置などをもつコマンドをホストから下位計算機に送り
、それを受けて下位計算機はロボットを動かす。

ところで、空間移動パラメータや力制御パラメータ（ノ
ツチ・フィルタの遮断周波数）が下位計算機のメモリに
ある場合は、コマンドを下位計算機が受けた時点でそれ
ぞれ対応するメモリのパラメータを作業に用いる。なお
、パラメータがホストのメモリにあるか、下位計算機の
メモリにあるかは予めシステムを作るときに分かってい
ることなので、実際は第６図の点線内の判断を行うこと
はない。

ホスト計算機と下位計算機との通信の方法は何通りかあ
る。例えば、Ｒ３２３２Ｃのようなシリアル・ライン又
はパラレル・ラインを用いてホスト計算機から下位計算
機にデータ（パラメータやコマンド）を書き込む。その
場合、ホスト計算機から下位計算機に対してデータを送
って良いかを尋ね、ＯＫならばデータを送る。このとき
、ホスト計算機から下位計算機のメモリに直接的にデー
タを書いても良いし、下位針ｎｔａの中にホスト計算機
との共有メモリ領域を確保し、ホスト計算機は先ずこの
共有メモリにデータを書き込んで、その後に下位計算機
がその共有メモリの内容を読みに行くという方法でもよ
い。このようにホスト計算機からみて下位計算機は一種
の周辺装置、入出力装置であり、成るアドレスをあたえ
てデータの書込み／読み出しが出来るようになっている
。

ホスト計算機は、ティーチング・データ内の目標位置や
速度、力の指定値などをみて、ロボットを動°作させる
ためのコマンドを下位計算機に送る。

コマンドの例を次に示す。

例１：ｘ方向に１ｏｏｎｕｓはど２０ｎｍ／ｓで移動す
る。

ｍｌｒ　　１００，０．０，０．２０ 例２：ｚ方向に２ｋｇｆで押しつける。

ｐｒｓ　　Ｏ，０，２，０ 何れもスカラ型ロボットが対象なので、自由度はＸＩ　
　）’ｌ　　ｚｒ手首部の回転の４つである。勿論、本
発明はスカラ型のみに限定されるわけではない。

第７図は位置と力の制御系の例を示す図である。

同図において、２は力覚センサ：、２０はホスト計算機
、４０は第１の下位計算機、４１は位置制御演算部、４
２は加減速生成部、４３は力制御演算部、４４は加算器
、４５はノツチ・フィルタ、４６も加算器、４７は三角
関数演算部、４８は逆ヤコビ行列演算部、５０は第２の
下位計算機、５１はカウンタ、５２はサーボ制御、６０
はスカラ型ロボット、６１はモータ、６２はエンコーダ
、６３はマニプレータをそれぞれ示している。

力覚センサ２から検出された力Ｆ、は、ホスト計算機２
０から与えられる力指令値Ｆ、と力制御演算部４３にて
比較され、差がとられる。その差に、やはりホスト計算
機２０から与えられる力制御パラメータの１つのカフィ
ードバック係数をかけて、速度■、を得る。

ロボット６０のモータ６１に取りつけられたエンコーダ
６２からの回転パルス数はカウンタ５１で読まれ、回転
位置θを算出する。そのθを用いて三角関数演算部４７
で三角関数（図ではΔで示す）を求める（例：ｓｉｎθ
、ｃｏｓθ）、この三角関数値Δを用いて位置制御演算
部４１では、ロボットの手先の位置が算出される。また
、ホスト計算６２０からはロボット手先の軌跡の目標座
標値Ｘ０が位置制御演算部４１に送られ、先に述べた実
際のロボット手先位置と比較される。その差にホスト計
算機２０から送られる位置制御パラメータの１つである
位置フィードバック係数をかけて速度指令値■、を得る
。■、と■、は加算されてＶ、を得る。このｖｋは、ノ
ツチ・フィルタ４５にて振動成分が除去されて■、とな
る。この遮断周波数は、図示のようにフィルタ・パラメ
ータとしてホスト計算機２０から与えてもよいし、ＤＳ
Ｐ内部のメモリに持っておいてもよい。

ホスト計算機２０から与えられる軌跡の移動速度指令値
■。は加減速生成部４２にて加減速曲線が付加されて■
。、となる、フィルタ４５からの出力値■、とこの■。

、が加えられて、実際のロボット手先の速度指令値■４
が求まる。

このｖ４は直交座標系における速度ベクトルなので、関
節型ロボットにおいては各関節の角速度に変換する必要
がある。これを行うのが逆ヤコビ行列演算部４８である
。各関節の角速度ベクトルをθとすれば、θと■４の関
係は θ＝Ｊ−直・ｖ４ で与えられる。Ｊは関節の構造で決まるヤコビ行列であ
り、Ｊ−１はその逆行列である。

ここで求められたθはサーボ制御部５０に送られ、この
値に基づいてモータ６１がサーボ制御される。すなわち
、モータをサーボ制御することで力を指令便通りに一定
にし、さらに与えられた軌跡からのズレを零にしようと
する。

下位計算機４０．５０として、ディジタル・シグナル・
プロセッサ（ＤＳＰ）が使用される。ＤＳＰは高速に演
算処理を行うことのできるプロセッサである。このＤＳ
Ｐを２個（第１と第２）使ってロボット・コントローラ
を構成している。なお、力制御演算部４３でも検知した
力のハンド座標系から基準座標系への変換を行っている
ので、三角関数の値Δは三角関数演算部４７から送られ
てくる。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、ティ
ーチング・データの中の指定されたビットの情報に従っ
て力制御のパラメータまたは空間移動のパラメータをそ
れぞれ選択することで、どちらの場合でも安定した状態
で動作できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理説明図、第２図は力覚センサを備
えたロボット先端の動きの例を示す図、第３図はロボッ
トのティーチング内容を記憶したメモリの内容を説明す
る図、第４図はロボットの移動経路の例を示す図、第５
図は本発明のハードウェア構成例を示す図、第６図は本
発明におけるホスト計算機の処理フローを示す図、第７
図は位置と力の制御系の例を示す図である。 １・・・ロボット本体、２・・・力覚センサ、３・・・
ハンド、４・・・部品、５・・・マガジン・ラック、６
・・・部品、７・・・穴。 特許出願人　　　富士通株式会社 代理人弁理士　　京　谷　四　部 制御慶１ 〆 本発明の原理説明図 第１図 力ｖ、でンプを４〜えたロボット充＊の１力さの分」第
２図 銘３図 京ストｔｉ遺１九り匁ｐ里フロー 第６図 本発明のハードウェア１μ反荷１１ 第５図 資ｊ軸永の１４１」 第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ティーチング・プレイバック型で、力覚センサを備えて
   力作業を行うロボット機構部を制御する制御装置であっ
   て、 ティーチング・データを記憶するティーチング・メモリ
   と、 空間移動パラメータと力制御パラメータとを記憶する制
   御パラメータ・メモリと、 ロボット制御手段と を有し、 ティーチング・メモリは、ロボット先端の移動経路を特
   定する複数の点のそれぞれに対応した複数のデータ領域
   を有し、当該データ領域は、目標位置記入欄、移動速度
   記入欄、力の値記入欄および指定ビット記入欄などを有
   し、 ロボット制御手段は、ロボット先端を点Ｐ＿ｎ＿−＿１
   から点Ｐ＿ｎへ移動する際には、点Ｐ＿ｎに対応するデ
   ータ領域の指定ビットを調べ、当該指定ビットが所定値
   の場合には、制御パラメータ・メモリの空間移動パラメ
   ータを使用して位置制御を行い、当該指定ビットが他の
   所定値の場合には、制御パラメータ・メモリの力制御パ
   ラメータを使用して力制御を行うよう構成されている ことを特徴とする力制御機能を持つロボットの制御装置
   。