JPH03104576A - 力制御型ロボット - 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】 〔概　　　要〕 手首部に力覚センサを備え、そのセンサによって検出さ
れた力によって作業時の動きを制御する力制御型ロボン
トに関し、 力制御型ロボットにおいて挿入方向への移動の高速化を
図ることを目的とし、 手首部に力覚センサを備え、該センサの検出力により移
動方向および移動速度を制御する力制御型ロボ−／　ト
について、該ロボットの最終停止位置以前の目標座標位
置に達するまでは、該目標座標位置と前記ロボットの現
在位置とを比較し、該ロボットの有する最高速度を利用
して、該ロボソトを作業方向に高速に移動させる位置制
御手段と、前記目標座標位置に達した以後は、該ロボソ
トの作業方向に対して指令された押付け力と前記力覚セ
ンサの検出力とを比較し、最終停止位置を制御する力制
御手段とを備えるよう４こ構戒する。

〔産業上の利用分野〕

本発明はロボソトの制御方式に係り、さらに詳しくは手
首部に力覚センサを備え、そのセンサによって検出され
た力によって作業時の動きを制御する力制御型ロボソト
に関する。

〔従来の技術及び発明が解決しようとする課題〕手首部
に付けられた力覚センサの検出力を利用して、自己の動
きを制御しながら作業を行う力制御型のロボットは多数
提案されている。特に、いわゆるコンブライアンス制御
によって部品同士の位置ずれを吸収し、はめ合いを行う
作業などでは、力制御型ロボットは大いに有効である。

通常の産業用ロボットではそのアームはアルミ合金など
でできており、その剛性はかなり高い。

しかし実際には、ジョイント部のサーボアクチュエー夕
としての弾性のある減速機や、サーボ系自体のゲインが
あまり上げられないことに起因する軟らかさ、すなわち
コンブライアンスが含まれる場合が多い。このように従
来のロボソトにも、横造上、ある程度のコンブライアン
スはあるが、もっと大きなコンブライアンスを必要とす
る作業（前述のはめ合いなど）では力制御型ロボソトが
用いられる。

このようなコンブライアンスはロボットの制御において
大きな意味を持つ。第５図は棒を穴に挿入するロボット
の作業の従来例である。同図において、ロボット１は棒
２を掴み、垂直方向に移動して、穴３にその棒２を挿入
する。

このような場合、単なる位置制御だけで棒の挿入を行お
うとすると、位置が例え数ミクロンでも狂っていると挿
入できなくなる。このため棒の支持を軟らかくし、穴に
従って棒を挿入するという動作が必要とされる。コンブ
ライアンスはこのようにロボットの滑らかな動作には不
可欠である。

第５図においては、捧２と穴３に位置ずれがあっても、
ロボット１に取付けられた力覚センサ４で棒２と穴３の
間の接触力が検出され、その接触力がＯとなる方向にロ
ボットＩが移動され、棒の挿入がスムーズに行われる。

また挿入中も接触力をＯにする制御が行われ，軟らかな
挿入作業が実行される。また垂直方向、すなわち棒の挿
入方向に対しては棒２の最終到達目標位置ではなく、ロ
ボソトの穴の底面に対する押付け力を指令値として与え
ることにより、棒２が穴３の底面に達して押付け力が指
令値に達した時に挿入作業が終了することになり、穴３
の底に棒２を軟らかく接触させることができる。

このように水平方向に対してはコンブライアンスを与え
ることで位置ずれが吸収され、また棒と穴との接触力は
常にＯに保たれる利点があり、縦方向に対しては挿入作
業の終了時点でやはり棒を軟らかく穴の底面に接触させ
ることができる。このため棒２と穴３との摩擦による摩
擦粉の発生などを防止することができる。

上述のような従来の制御方式においては、棒２の挿入方
向の移動速度は力の指令値により決定される。すなわち
力制御型ロボソトにおけるカフイードバソク制御では、
力の指令値Ｆ０と力覚センサの検出力Ｆ，との偏差Ｆｏ
　　Ｆｓにカフイードバンク係数Ｋ，が乗じられ、これ
がサーボモータへの支持速度として制御が行われるため
である。

このカフィードバック係数Ｋ，はサーボ制御系の安定性
を維持するためにあまり大きくすることはできない。そ
こで挿入時の力の指令値を、例えば２　ｋ．　ｆにして
も、４０問の挿入長さに対して時間が３〜４秒とかなり
かかり、挿入作業の高速化ができず、作業効率が上げら
れないという問題点があった。

本発明は、力制御型ロボットにおいて挿入方向への移動
の高速化を図ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

第１図は本発明の原理ブロック図である。同図は手首部
に力覚センサ６を備え、力覚センサ６の検出力を利用し
て移動方向、および移動速度を制御する力制御型ロボッ
ト７に対する原理ブロック図である。位置制御手段８は
、ロボソト７の作業時における最終停止位置以前のある
目標位置に達するまでは、ロボット７の現在位置と目標
位置とを比較しつつ、ロボット７の有する最高速度を利
用してロボット７を作業方向に高速に移動させる．力制
御千段９は、ロボソト７が前述の目標位置に達した以後
において、ロボット７の作業方向に対する押付け力を力
指令値として、その力指令値と力覚センサ６の検出力と
を比較しつつ、ロボソト７の最終停止位置を制御する。

〔作　　　用〕

本発明の力制御型ロボットは、例えはロボットによる棒
の穴への挿入作業などに用いられる。この場合ロボット
は棒が穴の底に着いた時点で作業を終了することになる
が、本発明では位置制御手段８に対する目標位置が例え
ば穴の底の直前の位置に指定される。そしてこの位置に
達するまでは、ロボットの有する最高速度を利用して棒
の穴への挿入が高速に行われる。この時棒の挿入方向と
垂直な方向、すなわち水平方向には棒と穴の側面との摩
擦を防止するために、例えば力制御手段９によって水平
方向の接触力を０とするコンブライアンス＃御が行われ
る。

棒の先端が目標位置に達した以後は、棒を穴の底に軟ら
かく接触させるために、挿入方向の押付け力が力制御千
段９に対する力指令値として設定され、棒の先端が穴の
底に到達して力覚センサ６の検出力が力指令値と一致し
た時点で、棒の挿入作業が終了する。

以上のように、本発明においては、例えば棒の挿入時に
おいて挿入方向の移動時にロボソトの最高速度を利用す
ることができる。

〔実　　施　　例〕

第２図は本発明におけるロボソトによる棒の穴への挿入
作業の実施例である。同図において、力制御方式が２つ
のモードに分けられる。第１のモード■は第１図におい
て位置制御手段８に与えられる目標位置までの制御のモ
ードであって、挿入作業のほとんどはこのモードで行わ
れる。第２のモード■はこの目標位置から棒２が穴３の
底面に停止するまでの制御のモードであり、挿入終了直
前のわずかの部分でこのモードが用いられる。

第Ｉのモードのでは、棒２の挿入方向と垂直な方向、す
なわち平面方向にはコンブライアンスが与えられ、挿入
方向には目標（座標）位置と目標速度が指定され、位置
と力のハイプリフド制御が行われる。目標位置としては
穴３の底の直前の位置が指定される。目標速度としては
ロボット１自体の最高速度を指定することもできるため
に、このモードでは棒２が穴３に高速に挿入される。

挿入の終了直前においては棒２を穴３の底に軟らかく接
触させる必要があり、第２のモード■が用いられる。こ
のモードは、第５図の従来例におけると同様に移動方向
に押付け力を指定する方法であり、指定された力の大き
さに応じたスピードで棒が移動する。このモードでの棒
の移動速度は従来例と同様に遅いが、このモードで移動
すべき距離は目標位置から穴の底面までのわずかな距離
であるので、その距離の移動に要する時間はあまり大き
な問題とはならない。

第３図は制御系の実施例の構或プロソク図である。同図
において、スカラ型ロボット１０はモータ１１エンコー
ダｌ２、およびマニブレータ１３によって構成され、マ
ニプレータ１３の手首部には力覚センサ１４が取付けら
れている。スカラ型ロボソト１０を制御するコントロー
ラは２つのディジタルシグナルプロセンサ１５ａと１５
ｂとからなり、ディジタルシグナルプロセッサＤＳＰ１
５ｂはホストコンピュータ１５ｃ、例えばパーソナルコ
ンピュータによって制御される。

第３図において、ロボット１０の手首部に取付けられた
力覚センサ１４によって検出された検出力Ｆ，は、ＤＳ
Ｐ１５ｂ内の力制御演算部１６によってホストコンピュ
ータ１５ｃから与えられる力指令値Ｆ。と比較され、Ｆ
０とＦ，との差Ｆ。

−Ｆ．にホストコンピュータ１５ｃから送られる力制御
系パラメータとしてのカフィードバック係数Ｋ，が掛け
られて、速度指令値Ｖ，が得られる。

一方、ロボ７｝１０のモータ１１に取付けられたエンコ
ーダ１２から得られる回転パルス数はカウンタｌ７でカ
ウントされ、回転角度θが算出される。このθに対して
、例えばｓｉｎ　θ、ＣＯＳ　θなどの三角関数値Δが
三角関数演算部１８によって求められ、このΔと回転角
θとを用いて位置制御演算部１９によって、ロボットの
手先の現在位置Ｘ．が求められる。位置制御演算部１９
は、ホストコンピュータ１５ｃから与えられる目標位置
Ｘ０とモード■の開始時の手先位置から時々刻々のロボ
ットの手先があるべき位置Ｘを求め、Ｘの値と実際の位
置Ｘあとの差Ｘ−Ｘ．に位置制御系パラメータとしての
位置フィードバック係数Ｋ，を乗じ、これを速度指令値
Ｖｐとして加算部２０に出力する。この速度指令は、例
えば摩擦によるロボットの手先の移動遅れ等を修正する
ためのものである。

モード■の終了時点ではロボットの手先のあるベき位置
Ｘは目標位置Ｘ０に一致し、ロボソトの手先は目標位置
Ｘ０に停止するように制御される。

このように力と位置の両方の目標値がホストコンピュー
タ１５Ｃから与えられ、それらの目標値からの偏差をＯ
にするようにフィードバソク制御が行われる。２つの速
度指令値Ｖ，とＶ，は加算部２０によって加算され、ｖ
Ｋが得られる。このＶＫはフィルタ２１によって、例え
ばロボット自体の振動による振動或分が除去されて■、
となる。

この時フィルタ２１の遮断周波数は、第３図のようにホ
ストコンピュータ１５ｃからフィルタパラメータとして
与えることもでき、またＤＳＰ１５ｂ内の図示しないメ
モリに格納しておいてもよい。

ロボットの手先の移動速度の指令値Ｖ。はホストコンピ
ュータ１５ｃから与えられるが、その指令値に対して加
減速生成部２２により加減速曲線が付加されてＶ（１　
　’が得られる。ここで加減速曲線は停止していたロボ
ソトの手先が移動を開姑し、その速度が増加して一定値
となり、さらに手先が目標位置に停止する直前で減速す
るための曲線である。そしてフィルタ２１の出力Ｖ，．
と加減速生成部２２の出力ｖ０　′とが加算部２３によ
って加算され、実際のロボソトの手先の速度指令値Ｖが
得られる。

この速度指令値■は直交座標系における速度ベクトルで
あり、実際に関節型ロボソトを制御するためには、この
速度を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２４である。

一般に関節型ロボソトの角関節の回転角速度ベクトルを
θとすると、θと直交座標系における速度ベクトル■は
ロボットの関節の構造で決まるヤコビ行列Ｊを用いて次
式で与えられる。

Ｖ＝Ｊθ　　　　　　　　・・・＋１）従って各関節の
角速度ベクトルはヤコビ行列の逆行列Ｊ−１を用いて、 θ＝Ｊ−’Ｖ　　　　　　　　・・・（２）となる。（
２）式の演算を行うために、三角関数演算部１８によっ
て求められた三角関数値Δが逆ヤコビ行列演算部２４に
送られる。またこの三角関数値Δは、力覚センサ１４の
検出力をロボソトの手先の座標系から基準座標系に座標
変換するために、力制御演算部１６にも送られている。

逆ヤコビ行列演算部２４によって求められた各関節の回
転角速度ベクトルδはサーボ制御部２５に送られ、モー
タ１ｌのサーボ制御が行われる．これによって、スカラ
型ロボット１ｏの力と位置がそれぞれの指令値に追従さ
せられることになる。

力制御演算部１６によって速度指令値Ｖｆを求めるため
に用いられるカフィードバック係数Ｋ，と、同様に位置
制御演算部ｌ９によってＶ，を求めるために用いられる
位置フィードバック係数Ｋ，は、フィードバック制御の
制御性能を決定する上で重要な量である。カフィードバ
ック係数Ｋ，はロボット１０や力覚センサｌ４の剛性、
サーボ系のゲインなどによって決定され、また位置フィ
ードバック係数ＫＦはエンコーダの分解能や応答時間、
制御系のサンプリング時間などによって決定されるもの
であるが、一ａ的にはフィードバンク制御系の安定限界
における値として、試行錯誤的に決定される。

第３図のように横戒された制御系において、前述の棒の
挿入作業のモード■では、力制御演算部１６に与えられ
る力指令値Ｆ。はＯとされる。すなわちｘ，ｙ，ｚ方向
の全ての方向に対する力指令値はＯとなる。なお、カフ
ィードバンク係数は０にするとフィードバンクされない
ことになるので、ｘ，ｙ，ｚ方向ともＯではなく、安定
限界内の最大の値を与える。

一方、位置制御演算部ｌ９に対しては、Ｚ方向の目標位
置Ｘ。として穴の底の直前の位置が指定され、位置制御
系パラメータとして目標位置Ｘ。

に偏差なく止まるようにＺ方向の位置フィードバック係
数Ｋ，が与えられ、また加減速生威部２２に速度指令値
Ｖ。としてロボット手先の移動速度が与えられる。平面
方向であるｘｙ方向に対しては、目標位置も位置フィー
ドバック係数も指定されない。なお係数Ｋ，，Ｋ，の値
はロボットによる作業の前例えばオペレータによりホス
トコンピュータ１５ｃのキーボードから入力され、ホス
ト１５ＣのメモリあるいはＤＳＰ　１　５　ｂのメモリ
内に格納される。

ロボットが目標位置Ｘ。に到達してから穴３の底に達す
るまでのモード■においては、平面方向（ｘ．ｙ方向〉
にはモード■におけると同様にパラメータ指定が行われ
、Ｚ方向に対しては力指令値Ｆ。が与えられる。力指令
値Ｆ。が与えられることにより、モードのでＺ方向に指
定された移動速度、位置フィードバック係数は自動的に
無効になる。これによりＺ方向に指定した力で捧２が穴
３の底面に押付けられた時に、棒の挿入作業が終了する
。

第４図は棒の挿入作業の実施例のフローチャートである
。まずステップ２６において平面方向であるｘ，ｙ、挿
入方向であるＺ方向に対してそれぞれ力フィードバック
係数Ｋ，が指定され、ステソブ２７でＺ方向の目標座標
として穴の底面の直前の位置、移動速度としてロボット
手先の移動速度Ｖ０が指定され、また位置フィードバソ
ク係数が指定される。ステソブ２８でロボット手先の移
動が開始され、ステップ２９で目標位置に着いたか否か
が判定される。ステップ２９で目標位置に着いたと判定
されるとモードのは終了し、モード■に移行する。なお
ここで目標位置と穴の底面の間には、モード■での移動
距離が残されているので、目標位置への到着の判定の精
度はそれ程厳密である必要はない。

モード■ではステソブ３０でＺ方向、すなわち挿入方向
の押付け力として力指令値Ｆ。が指定され、ステップ３
ｌでＺ方向の移動が開始される。

ステップ３２で力覚センサｌ４の検出力が指定した力に
なったか否かが判定され、指定した力になった時点でス
テップ３３で作業が終了する。

以上においては、棒の挿入作業を例にとって本発明の実
施例を説明したが、力を用いる作業、例えばつきあてや
倣いなどのように、ロボットの移動方向とは異なる方向
に一定の力をかける作業にも本発明を応用できることは
当然である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、ロボットの移動
距離の大部分を目標位置を指定してロボットの最高速度
を利用して移動させることにより、力指令値のみを用い
て移動させる場合に比べて作業速度の大幅な向上が実現
できる。

【図面の簡単な説明】 第ｌ図は本発明の原理ブロソク図、 第２図はロボットによる棒の穴への挿入作業の実施例を
示す図、 第３図はロボット制御系の実施例の構成を示すブロソク
図、 第４図は棒の挿入作業の実施例のフローチャートを示す
図、 第５図はロボットによる棒の穴への挿入作業の従来例を
示す図である。 １，７．１０・　・　・ロボソト、 ２・・・棒、 ３・・・穴、 ４，６．１４・・・力覚センサ、 １６・・・力制御演算部、 １９・・・位置制御演算部．

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　手首部に力覚センサ（６）を備え、該センサ（６）の
   検出力により移動方向および移動速度を制御する力制御
   型ロボット（７）について、該ロボット（７）の最終停
   止位置以前の目標座標位置に達するまでは、該目標座標
   位置と前記ロボット（７）の現在位置とを比較し、該ロ
   ボット（７）の有する最高速度を利用して、該ロボット
   （７）を作業方向に高速に移動させる位置制御手段（８
   ）と、 前記目標座標位置に達した以後は、該ロボット（７）の
   作業方向に対して指令された押付け力と前記力覚センサ
   （６）の検出力とを比較し、最終停止位置を制御する力
   制御手段（９）とを備えたことを特徴とする力制御型ロ
   ボット。