JPH03184789A - ロボットの力制御方式 - 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〕 ロボットの力制御方式に関し、 位置制御モードから力制御モードに移行するときの力の
オーバーシュートを低減することを目的とし、 ロボットの力制御方式において、力覚センサを含むロボ
ット機構の剛性値と、制御のサンプリング時間と、力の
指令値と、力のしきい値に基づきロボットの移動速度を
算出する演算手段を備え、ロボットが位置制御モードか
ら力制御モードに移行するときに、前記演算手段により
算出された移動速度をロボットに与え、ロボットの力制
御を行うように構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明はロボットが位置制御モードから力制御モードに
移行するときのオーバーシュートを低減するロボットの
力制御方式に関する。

〔従来の技術と発明が解決しようとする課題〕ロボット
の動作は一般に、アームを対象物まで空間移動させると
きは位置制御を行い、対象物に接近した後これと接触し
て作業するときは力制御を行う。位置制御はエンコーダ
等の位置センサにより得られた座標値により制御を行う
が、力制御はハンドの根元部分に設けられたストレンゲ
ージ等による力覚センサの検出出力を電気変換し、サー
ボモータを制御することにより行う。

ロボットが空間移動中から対象物に接触するとき、即ち
、位置制御から力制御に移行するとき力のオーバーシュ
ートを発生する。このオーバーシュートの主要因はアー
ムの対象物付近における移動速度によるものである。オ
ーバーシュート量が対象物の弾性限界を越えた場合は制
御性能の劣化や、最悪の場合には対象物の破壊にまで至
ることがある。従って、力制御への移行時にこのオーバ
ーシュートを極力抑えることが重要である。

従来、１つの解決方法として力制御にダンピング環を設
ける方法が提案されている。この方法では力変動の収束
を速めるには効果的であるが、瞬間的なオーバーシュー
ト量を小さくすることはできない。

また、他の解決方法として空間移動時の位置制御モード
と対象物に接触した時の力制御モードの間にさらに移行
モードを設け、この移行モードを用いて位置制御モード
から力制御モードへの移行を滑らかにする方法も提案さ
れている。しかし、この方法では新たなモードを設ける
ことになり、さらにこの移行モードにおけるロボットの
速度カーブの求め方が複雑であるという欠点がある。

本発明の目的は、位置制御モードから力制御モードに移
行するときのオーバーシュートを著シく低減することが
可能なロボットの力制御方式を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

第１図は本発明の原理構成図である。

本発明は、ロボットの力制御方式であって、力覚センサ
を含むロボット機構の剛性値（Ｋ）と、制御のサンプリ
ング時間（Ｔ）と、力の指令値（Ｆｏ　）と、力のしき
い値ｏ’ｔｈ）に基づきロボット（１）の移動速度（Ｖ
Ｏ）を算出する演算手段（２）を備え、ロボットが位置
制御モードから力制御モードに移行するときに、前記演
算手段（２）により算出された移動速度をロボット（１
）に与え、ロボットの力制御を行うようにしたことを特
徴とする。

〔作　用〕

本発明では、力の指令値Ｆ。と、位置制御モードから力
制御モードへの切り換えを行うときの力のしきい値Ｆｔ
ｈと、力覚センサを含むロボットの剛性値にと、サンプ
リング時間Ｔより、オーバーシュートを起こさない限界
のロボットの移動速度Ｖｏを求め、この移動速度Ｖ。を
ロボットに与えて力制御を行うものである。

〔実施例〕

第２図は本発明の制御系のブロック構成図である。図中
、１はロボット、４は力覚センサ、５はコントローラ、
６はホストコンピュータである。

ロボット１に取付けられた力覚センサ４により検出され
た検出値Ｆ、は、ホストコンピュータ６からのしきい値
Ｆｔｈと力制御演算部５１にて比較され、第３図で説明
するように力検出値Ｆ、がしきい値Ｆｔｈを越えている
ときは力制御モードに移行する。

力検出値Ｆ、がしきい値Ｆｔｈ以下の場合は位置制御モ
ードとなるので力のフィードバック制御を行わない。

力制御モードの場合は、力制御演算部５１において、力
検出値Ｆ、とホストコンピュータ６から与えられる力指
令値Ｆ。と差に、力制御系のパラメータであるカフィー
ドバック係数αを乗じて速度指令値Ｖ、を得る。

ロボットｌのモータ１１に取り付けられたエンコーダ１
２から得られる回転パルス数Ｐはカウンタ５８でカウン
トされ回転角θを算出する。このθを用いて三角関数演
算部５６にて三角関数値Δ（例えば、ｓｉｎ　θ、ｃｏ
ｓ　θ）を求める。

位置制御演算部５２ではΔを用いてロボット先端部の直
交座標系における位置を求める。また、ホストコンピュ
ータ６からはロボット先端部の目標位置Ｘ。が位置制御
演算部５２に送られ、求めた実際のロボットの先端位置
と比較される。その差にホストコンピュータ６から送ら
れる位置制御系バラメータの位置フィードバック係数β
を乗じて速度指令値Ｖ、を得る。この位置制御の演算は
位置制御モード時は勿論、力制御モード時でも力をかけ
ていない方向で必要となるので両方のモードで実行され
る。

上述のようにして力及び位置の目標値からの偏差を零に
するようにフィードバック制御が行われる。

力制御演算部５１の速度指令値Ｖｒと位置制御演算部５
２の速度指令値Ｖｐは加算されて新たな速度指令値Ｖ、
を得る。この速度指令値Ｖ、はフィルタ５４にて振動成
分が除去され、新たな速度指令値Ｖ、となる。フィルタ
５４のカットオフ周波数は図示のようにフィルタパラメ
ータγとしてホストコンピュータ６から与えても良いし
、コントローラ５の図示しない内部メモリにおいても良
い。

ホストコンピュータ６から与えられるロボット先端の軌
跡の移動速度指令値Ｖ。は、加減速生成部５３にて加減
速曲線が付加されて新たな速度指令値Ｖ　ｏ　ａとなる
。フィルタ５４からの出力Ｖｒとこの速度指令値Ｖ　ｏ
　ａが加算されて実際のロボット先端の速度指令値Ｖが
得られる。

この速度指令値Ｖは直交座標系における速度ベクトルと
なるので、関節型ロボットでは各関節の角速度に変換す
る必要がある。この変換を行うのが逆ヤコビ行列演算部
５５である。各関節の角速度ベクトルをθとするとθと
Ｖの関係は以下の関係式で与えられる。

θ＝Ｊ−’Ｖ ここで、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。三角関数演算部５６で得られ
た三角関数値Δは逆行列Ｊ−１を求めるためにこの演算
部５５にも送られる。

得られた角速度ベクトルθはサーボ制御部５７に送られ
、この値を指令値としてモータ１１がサーボ制御される
。即ち、モータ１１をサーボ制御することにより、力及
び位置を指令値に追従させる。

図中のＤＳＰ＃１．＃２は高速演算処理を可能にするデ
ィジタル・シグナル・プロセッサであり、コントローラ
５は２つのディジタル・シグナル・プロセッサＤＳＰ＃
１．＃２を用いて演算処理の一層の高速化を図っている
。

なお、力制御部５１においても検出した力のノ）ンド座
標系から基準座標系への変換等の座標変換を行っている
ので、三角関数値Δが三角関数演算部５６から力制御演
算部５１に送られている。

第３図は力制御演算部５１におけるモード切換の説明図
である。ホストコンピュータ６からのしきい値Ｆ　ｔｈ
　　と力覚センサ４の検出値Ｆ５を比較器３により比較
し、スイッチＳＷを切り換え、Ｆ、≧Ｆ’ｔｈ　　のと
きは力制御演算を行い、Ｆ、＜Ｆ、、、　のときは位置
制御を行う。

第４図は目標移動速度を得る処理フローチャートである
。力覚センサ４の検出値Ｆ、が読み込まれると（１）、
Ｆ、≧Ｆｔｈ　　か否か判断され（２）、Ｆｓ＜Ｆｔｈ
　　のときは位置制御のみ実行する（３）。

Ｆ、≧ＦＬｈ　　のときは、下記の演算、ｖｏ　＝　（
ＦＯ−Ｆ、ｈ）　／に／Ｔ　　・・・（１）の計算を行
い（４）、目標移動速度Ｖ。をコントローラに出力しく
５）、力指令値Ｆ。に到達したか否か判断しく６）、到
達していれば位置と力のハイブリッド制御を実行する〔
７）。

このような処理を以下に詳細に説明する。力覚センサ４
を含むロボットの剛性値（バネ定数）Ｋとサンプリング
時間Ｔは既定であるからメモリに格納されている。この
剛性は力をかける方向のものである。ここで、力指令値
Ｆ。が、オペレータ又は作業プログラムからのコマンド
で指示されると、しきい値Ｆ’ｔｈを予め決めた手順で
求める。このしきい値Ｆ’ｔｈはロボットの剛性値や指
示可能な最高速度などから決められるが、例えば力指令
値Ｆｏの２分の１とか８０％とかに設定する。

このように設定すると、力覚センサ４の検出値Ｆ、がし
きい値Ｆ’ｔｈを越えて力制御モードに入ってから指令
値に達するまで（Ｆｏ　　Ｆｔｈ）の大きさの余裕があ
る。そうするとロボットはその間に（Ｆｉｌ　−Ｆｔｈ
）　／にだけ撓むことができる。作業速度の点からロボ
ットのスピードは出来るだけ速いことが望ましい。従っ
て上記の撓みを１サンプリング時間内で制御できれば力
のオーバーシュートが無く、かつ最高速度でロボットを
動作させることができる。そこでホストコンピュータ６
からの速度指令値Ｖ。は式（１）のようにサンプリング
Ｔで除する関係となる。

速度指令値Ｖ。は前述のようにコントローラ５の加減速
生成部５３に人力される。

なお、力覚センサの剛性及びロボットの剛性は荷重をか
け、そのときの撓みをダイヤルゲージ等の測定器で測定
すれが簡単に得られる。

実験の例として、 ＦＯ＝　２００　ｇｆ　。

Ｆｔｈ　　＝　１００　ｇｆ　。

Ｋ　　＝　９．５　ｋｇｆ７ｍｍ　。

Ｔ＝１ｍｓ。

の場合に、速度指令値ｖｏは、 Ｖｏ＝（２００−１００）／９５００／Ｉ　Ｘｌ０−”
＝１０．５　ｍｍ／ｓとなる。

〔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剛性、
サンプリング時間、力指令値に基づき算出した移動速度
によりロボットを動作させるので、位置制御モードから
力制御モードに移行するときのオーバーシュートを著し
く低減することができ、スムーズにロボットを力制御モ
ードに移行させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理構成図、 第２図は本発明の一実施例ブロック構成図、第３図は力
制御と位置制御の切換の説明図、及び 第４図は本発明の処理フローチャートである。 （符号の説明〉 １・・・ロボット、 ２・・・移動速度演算手段、 ３・・・比較器、 ４・・・力覚センサ、 ５・・・コントローラ、 ６・・・ホストコンピュータ、 １１・・・モータ、 １２・・・エンコーダ、 １３・・・マニプレータ、 ５１・・・力制御演算部、 ５２・・・位置制御演算部、 ５３・・・加減速生成部、 ５４・・・フィルタ、 ５５・・・逆ヤコビ行列演算部、 ５６・・・三角関数演算部、 ５７・・・サーボ制御部、 ５８・・・カウンタ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ロボットの力制御方式において、 力覚センサを含むロボット機構の剛性値（Ｋ）と、制御
   のサンプリング時間（Ｔ）と、力の指令値（Ｆ＿０）と
   、力のしきい値（Ｆ＿ｔ＿ｈ）に基づきロボット（１）
   の移動速度（Ｖ＿０）を算出する演算手段（２）を備え
   、 ロボットが位置制御モードから力制御モードに移行する
   ときに、前記演算手段（２）により算出された移動速度
   をロボット（１）に与え、ロボットの力制御を行うよう
   にしたことを特徴とするロボットの力制御方式。