JPH0288191A - 多関節ロボット - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は多関節ロボットに関する。

（従来の技術） 従来の多関節ロボットでは、その操作方法としてバック
ドライブ駆動や、あるいはアームの操作力を検知し、各
軸ごとに固定されたカゲインでアームにフィードバック
する駆動などがある。こういった多関節ロボットの操作
性は、前記のような駆動によるためロボット自体の機構
に依存する面が多く、従って全運動方向に均等な操作を
行うことは困難であった。つまり従来は、ロボットの各
軸に適当なトルクを与えても、希望する向きと異なる向
きにアーム先端部が力を発生することがあった。特に力
逆送形や力帰還形のパイラテラル型多関節マニピュレー
タでは、この操作性の違いが操縦者にフィードバックさ
れる訳であるが、果してそれがマスタマニピュレータ自
体の動かしづらさであるのか、またはスレーブマニピュ
レータに作用する反力の影響なのかを判断することがで
きず、良好な遠隔操作の防げとなっている。

近年、多関節ロボットの機構に依存する操作性を、動的
可操作度（計測自動制御学会論文集Ｖｏｌ。

２１、Ｎｏ、９　Ｐ９７０〜９７５）という尺度で捉え
、操作時の等慣性化を図る機構設計が行われている。し
かし駆動装置の出力・重量などの関係で、実現が難しい
。

（発明が解決しようとする課題） 以上のように従来は、多関節ロボットの操作性はロボッ
ト自体の機構に大きく依存しているが、機構設計で操作
性を改善する方法にも限界がある。

本発明ではこのような多関節ロボットの操作性を改善し
、動作方向によって操作性の違いの生じることがない多
関節ロボットの提供を目的とする。

［発明の構成コ （課題を解決するための手段） 上記の目的を達成するために本発明によれば、位置検出
手段と力検出手段とを備え、力検出手段からの力情報に
より駆動するアームを有する多関節ロボットに、位置検
出手段からの信号に基づいて力検出手段からの信号に乗
ずるゲインの大きさを変化させるゲイン生成手段を設け
た。

（作　　用） 後述するとおり、従来は力の発生する向きに関し、質点
の運動方程式 が成立し、 上 （（Ｊ−１（θ））ＬＭ（θ）Ｊ−’（θ）〕ｇ という複雑に干渉した姿勢に依存する行列の影響により
、ロボットアーム先端部は予想と異なる方向に動き出す
可能性が多がった。ここで、アームの固定ゲインである
Ｋｇをアームの位置関数となるように、例えば Ｋｇ−Ｋ（θ）−ｍ−１Ｍ　（θ） −■ Ｊ　　（θ）（Ｊ−１（θ））ｔ とすれば、式（ａ）は ＦＭ−ｍ臀（−（Ｊ−１（θ）’）Ｔ）となり、どの様
なロボットの姿勢であっても全方向等慣性化ができ、操
作性の優れた多関節ロボットが実現する。

（実施例） 以下、本発明を順次説明してゆく。まず、本発明に係る
ロボットアームの運動方程式を導く。

一般にロボットアームの運動方程式は、次式のようにな
る Ｍ　（θ）θ＋ｈ　（θ、　θ）十ｇ　（θ）−Ｔ・・
・・・・（１） 但し、 Ｍ（θ）；慣性行列 ｈ（θ、θ）；コリオリカ遠心力 ｇ（θ）；重力 θ；関節角度 Ｔ；ロボットアーム駆動トルク また、動力学の考えから 但し、 Ｘ：基準座標系で表したロボットアームの位置姿勢 Ｊ（θ）；ヤコビ行列 ａ（θ、θ）；ｘとθとが非線形対応することによる見
かけ上の加速度 今、モータ駆動トルクＴを操作力に比例する理想駆動ト
ルクＴに非線形補償した形で与えると、次式のように表
せる。

’！’−Ｔ＋ｈ　（θ、　　ｊ）　＋ｇ　（θ）　・・
・・・・（３）また、新たに貰を次式のように導入する
。

ｘ−ｘ−ａ（θ、θ）　　　　　　　・・・・・・（４
）式（１）　、　（３）より Ｍ（θ）θ−Ｔ　　　　　　　　　・・・・（５）式（
２）　、　（４）より ｘ−Ｊ　　（θ）θ　　　　　　　　　　・・・・・・
（６）よって式（５）　、　（６）より 曾−Ｊ　（θ）Ｍ−’　（θ）′ｉＦ Ｔ−Ｍｌ　（θ）Ｊ　　　（θ）マーＭ（θ）ｄ・・・
・・・（７） 理想駆動トルクＴを、操作力ＦＭにょる各軸検出トルク
ＴＭ（７）定数倍として考えると、７Ｍ−Ｊ　　　（θ
）ＦＭ　　　　　　　・・・・・・（８）より、 Ｔ　＝　Ｋｇ　Ｔ　Ｍ＝　Ｋｇ　Ｊ　　（θ）　Ｆ　Ｍ
　　　・・・・・・（９）但し Ｋｇ；アームの固定ゲイン ここで、マスク操作力を反映する理想駆動トルクＴとし
て次式を仮定する。

Ｔ＝ｍ−ＩＭｌ（θ）ＩＩ−’（θ） （Ｊ　　　（θ））１Ｔ　・・・（１１）但し、 ｍ；仮想質量 ＴＭ；マスタ側各軸検出トルク 式（１１）のような仮定に基づけば式（９）、（１０）
、（１１）より 但し、 Ｆ　；ロボットアーム操作力 樋 すなわち、式（１２）を用いれば、トルクを発生させる
向きに対して力の発生する向きが一対一に対応すること
になり、ロボットアームがどのような姿勢であっても全
方向等慣性化ができる。

特にロボットアームが静止している場合、または静的状
態に近い場合、式（４）は マーｉ　　　　　　　　　・・・・・・（１７）となる
ので、式（１０）より次のことがわかる。

上　　−１ｔ すなわち　　（］　　）　　Ｍｌ−１という、複雑にＫ
ｇ 干渉した姿勢に依存する行列の影響により、ロボットア
ーム先端はオペレータの加えた力の方向には動き出さず
に歪んだ方向に動き出すことがわかる。同様のことが、
パイラテラルマスタスレーブにおけるスレーブ反力の帰
還に関しても言える。

上述した本発明の実施例によれば、産業用ロボットや力
帰還型パイラテラルマニピュレータにおいて、アームの
どのような姿勢であっても全方向等慣性化が図れるため
、動作方向による操作性の違いがほとんどなくなる。

以下、図面を引用して本発明を説明する。

第１図は本発明の第１の実施例を示す産業用ロボットの
模式図であり、第２図は制御系を示すブロック線図であ
る。尚、この産業用ロボ・ｉトは各軸１．２．３にトル
クセンサを具備してなるものである。この産業用ロボッ
トにおいて、第３軸３は先端部４の姿勢に依存するだけ
なので、第３軸３に関して位置の２自由度のみを考えれ
ばよい。

この際、 ｘ　−［Ｘ　、　　ｙ　］　　ｔ θ　−［θ　　　　、　　θ　２　　コ　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　・・・　・・・　（１
３）■ ととれば、特異姿勢（θ２−０）にならない限り、つま
り逆行列が存在する限りＪ−１（θ）が存在し、式（１
１）が成り立つ。モしてカゲイン生成部８（後述する）
は に’（０）−ｍ−１Ｍ（θ） Ｊ　（θ）（Ｊ　（θ））　　・・・（１４）となるよ
うに位置情報を読み込み、力制御ゲインを出力するよう
にする。

続いて第２図を説明する。前述したように、本実施例の
産業用ロボットは各軸にトルクセンサを具備してなるも
のである。モータなどからなる各軸駆動部５には、位置
情報つまり関節の向きを検出する各軸位置センサ６と、
力情報つまり関節に作用するトルク量を検出するひずみ
センサなどからなる各軸トルクセンサ７とが設けられて
いる。

各軸位置センサ６からの信号はカゲイン生成部８に入力
され、その位置でのカゲインＫ（θ）が計算される。そ
してこのＫ（θ）の値、及び各軸トルクセンサ７からの
信号′ＦＭが力制御装置９に人力された後、ロボットの
姿勢に依存するモータ理想駆動トルクＴが算出され、各
軸駆動部５にフィードバックされる。

つまりカゲイン生成部８では式（１４）が、そして力制
御装置９では式（１１）が計算されることにより、結果
的には式（３）に従ってモータ駆動トルクＴが出力され
る。このため、ロボットアームがどのような姿勢であっ
ても全方向等慣性化ができる。

こういった制御方法を、例えば産業用ロボットのティー
チング動作時に行うことによってＴ（θ）を記憶させて
おけば、後の同一作業において計算量も少なくなり、作
業能率が向上する。

次に本発明の第２の実施例を説明する。第３図は本発明
の第２の実施例を示すマニピュレータの模式図であり、
第４図は制御系を示すブロック線図である。本マニピュ
レータはマスク側とスレーブ側が異構造をなす力帰還型
パイラテラルマニピュレータであり、マスク側には回転
、直線、及び手首３自由度機構が、そしてスレーブ側に
は回転及び手首３自由度機構が設けられ、共に計６軸を
有する。この６軸の各々の力方向は、手首部１１．１２
に設けられた６軸トルクセンサにより検出される。この
ように１つのトルクセンサにより検出が行われるため、
カゲイン生成部２５（後述する）は Ｋ（θ）−ｍ″″ＩＭ（θ）Ｊ−１（θ）　−・・−・
−（１Ｂ）となるように位置情報を読み込み、力制御ゲ
インを出力するようにする。

続いて第４図を説明する。前述したように、本実施例の
マニピュレータは力帰還型パイラテラルマニピュレータ
であるので、スレーブ側には位置情報、マスク側には力
情報がフィードバックされるしくみになっている。マス
ク側駆動部１３には位置情報を検出する位置センサ１４
が、そしてこの駆動に伴う情報を検出するために手首部
には６軸トルクセンサ１５が具備される。同様にスレー
ブ側駆動部１６には位置センサ１７が、そして手首部に
は６軸トルクセンサ１８が具備される。マスタ側とスレ
ーブ側の位置情報は、座標変換部１９．２０によって純
変換されて基準座標系に統一され、この状態で位置制御
装置２１にて比較される。位置制御装置２１からの出力
は微小な値のため、速度の近似値として扱われ、逆ヤコ
ビ生成部２２で算出された値Ｊ−１（θ）とが逆座標変
換部２３にて乗算されることにより角速度信号に変換さ
れ、スレーブ側駆動部１６にフィードバックされる。

マスク側の力情報は、比較された後に座標変換部２４に
入力され、マスク側の各軸に対応した信号Ｔ　にに変換
される。一方、マスク側位置センす１４からの信号はカ
ゲイン生成部２５に入力され、その位置でのカゲインＫ
（θ）が計算される。

これらの信号は力制御装置２６に入力され、力制御装置
２６の出力と自重トルク演算部２７とが比較されること
により、マニピュレータの姿勢に依存するモータ理想駆
動トルクＴが算出され、マスク側駆動部１３にフィード
バックされる。

つまりカゲイン生成部２５では式（１６）が、そして力
制御装置２６では式（１１）が計算される。（但しＴ８
−ＴＭとおく。）そし結果的には式（３）に従ってモー
タ駆動トルクＴが出力される。このため、マニピュレー
タがどのような姿勢であっても全方向等慣性化ができる
。尚、本実施例ではトルクセンサが１個のみであるため
、カゲインＫ（θ）を生成する式（１６）は式（１４）
に比べ、各軸にトルクを配分するための補償項がない分
だけ簡略化され、計算時間も重縮される。

尚、一般にロボットアームはかなりの高速運動をしない
限り、遠心力つまりｈ（θ、θ）は無視できるので、式
（３）を簡略化して ？−７＋ｇ（θ）　　　　　　　　・・・・・・（１５
）よりモータ駆動トルクを導出してもよい。

［発明の効果］ 以上のように本発明によれば、どの様なロボットの姿勢
であっても全方向等慣性化ができ、操作性の優れた多関
節ロボットが提供される。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第２図は本発明に係る多節ロボットの第１の
実施例を示す模式図及び制御系のブロック線図、第３図
乃至第４図は本発明に係る多関節ロボットの第２図の実
施例を示す模式図及び制御系のブロック線図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 位置検出手段と力検出手段とを備え、前記力検出手段か
   らの力情報により駆動するアームを有する多関節ロボッ
   トにおいて、 前記位置検出手段からの信号に基づき前記力検出手段か
   らの信号に乗ずるゲインの大きさを変化させるゲイン生
   成手段を設けたことを特徴とする多関節ロボット。