JPH03213286A - 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］ ロボットが空間移動後に対象物へ接触する時に発生する
力のオーバーシュートを軽減させるためのロボットの力
制御方式に関し、 ロボットが対象物に接触する直前に位置制御モードから
力制御モードに切り替え、その切り替え当初の力制御に
おける補償をダンピング環だけにすることによってオー
バーシュート量を軽減することを目的とし、 力覚センサを備え、力目標値と該センサの検出力との偏
差を補償要素を通して速度指令に変換し該指令値でモー
タを制御して力制御を行うロボットにおいて、該ロボッ
トの移動開始位置と該ロボットと作業対象物との接触点
との間の目標位置に達するまでは、該目標位置とロボッ
トの現在位置とを比較して該ロボットを作業対象物方向
に移動させる位置制御手段と、該ロボットが前記目標位
置に達した時点から前記補償要素を比例要素として、ま
た該ロボットが前記作業対象物と接触して前記力覚セン
サの検出力が定常状態に達した時点から前記補償要素を
比例・積分要素として力制御を行う力制御手段を備える
ように構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明はロボットの制御方式に係り、さらに詳しくはロ
ボットが空間移動後に対象物へ接触する時に発生する力
のオーバーシュートを軽減させるためのロボットの力制
御方式に関する。

［従来の技術及び発明が解決しようとする課題］ロボッ
トの手先がある対象物に接触している時にその対象物に
目標とする大きさの力を加える力制御は、例えばマニプ
レータによる組み立て、ぼり取り、研磨などのような多
くの分野において用いられている。

このように力制御を用いて作業を行うロボットの一つの
問題点は、ロボットが空間を移動した後に対象物へ接触
する時に発生する力のオーバーシュートである。このオ
ーバーシュート量が対象物やロボットの弾性限界を越え
た場合には、対象物の材質の劣化や最悪の場合は破壊に
まで至るという問題点があった。従ってこのオーバーシ
ュートを抑えることが力制御を行う上で非常に重要であ
る。

そのため空間移動、すなわち位置制御モードと力制御の
モードの間に移動モードを設け、滑らかな速度曲線で両
者を接続するこによって２つの制御モードの間の切り替
えを行う方法もあるが、移行モード中のロボットの速度
曲線の求め方が複雑になるという欠点があった。またロ
ボットの作業対象物への接触直前での移動スピードを計
算し、オーバーシュート量を低減する方法も考えられる
が、移動スピードを求めるのに複雑な計算を必要とする
などの欠点があった。

本発明は、ロボットが対象物に接触する直前に位置制御
モードから力制御モードに切り替え、その切り替え当初
の力制御における補償をダンピング環だけにすることに
よってオーバーシュート量を軽減す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（ａ）は
第１の発明の原理、すなわち力覚センサ１を備え、力の
目標値と力覚センサ１の検出力との偏差を補償要素２を
通して速度指令に変換し、その指令値を用いてモータを
制御して力制御を行うロボットにおける力制御方式の原
理ブロック図である。

第１図（ａ）において、位置制御手段４はロボット３の
移動開始位置とロボット３と作業対象物との接触点との
間の目標位置、例えば接触点の直前の位置に達するまで
は、その目標位置とロボットの現在位置とを比較してロ
ボット３を作業対象物の方向に移動させる。

力制御手段５はロボット３が前述の目標位置に達した時
点から補償要素２を比例要素として力制御を行い、また
ロボット３が作業対象物と接触して力覚センサ１の検出
力が定常状態に達した時点から補償要素２を比例・積分
要素として力制御を行う。

第２の発明の原理を示す第１図（ｂ）では、第１図（ａ
）の構成手段に力制御方法指示手段６が追加される。そ
して位置制御手段４は、第１の発明におけると同様に、
前記目標位置にロボット３が達するまではロボット３を
作業対象物方向に移動させる。

力制御方法指示手段６はロボット３に対する２つの力制
御方法、すなわち後述する第１．第２の方法のいずれか
を指示するもので、例えばティーチング時に設定される
フラグである。

力制御手段５は力制御方法指示手段６が第１の制御方法
を指示した時には、第１の発明におけると全く同様の作
用を行う。すなわちロボットが前述の目標位置に達した
時点から自手段内の補償要素２を比例要素として、また
ロボット３が作業対象物と接触して力覚センサ１の検出
力が定常状態に達した時点から補償要素２を比例・積分
要素として力制御を行う。これに対して力制御方法指示
手段６が第２の制御方法を指示した時には、力制御手段
５はロポ・ノド３が作業対象物に接触した後に力覚セン
サ１の検出力が力の目標値に一致するように力制御を行
う。

（作　　　用〕 第１の発明の原理を示す第１図（ａ）においては、ロボ
ット３は例えば作業対象物の直前の位置まで位置制御手
段４によって、例えば出し得る最大速度で移動する。目
標位置に達してから力覚センサ１の検出力が定常状態に
達するまでは、力制御手段５内の補償要素２として比例
要素が用いられ、その結果力制御の補償はダンピング項
のみとなり、ロボット３が対象物と接触した際に力のオ
ーバーシュートはほとんど生じない。

ロボット３が作業対象物に接触してから、力覚センサ１
の検出力は増加して力の指令値に近づくが、比例制御の
みであるために定常偏差を生じる可能性がある。そこで
力覚センサ１の検出力が定常状態に達した時点で力制御
手段５内の補償要素２が比例・積分要素とされ、力の定
常偏差の解消と滑らかな変化が実現される。

第２の発明の原理を示す第１図（′ｂ）においては、力
制御方法指示手段６の指示によって第１の制御方法、ま
たは第２の制御方法が用いられる。第１の制御方法では
第１の発明におけると全く同様の動作が行われ、接触時
のオーバーシュートの防止、定常偏差の解消、および力
の滑らかな変化が実現される。第２の制御方法は力のオ
ーバーシュートを許してもよい場合に対応し、ロボット
３の作業対象物への接触後、力覚センサ１による検出力
が、例えばシステムのホストから与えられる力の闇値を
越えた時点から力制御手段５による制御が行われ、力覚
センサｌの検出力が力の指令値に一致するまで制御が行
われる。

以上のように、本発明ではロボット３が作業対象物に接
触する直前の力制御モードにおいて比例制御のみを用い
ることにより、力のオーバーシュートが低減される。

〔実　　施　　例〕

第２図は本発明の力制御方式における位置制御モードか
ら力制御モードの切り替えを行う目標位置の実施例であ
る。同図において、ロボット３はその移動開始位置から
点Ａに達するまでは位置制御によって移動する。点Ａは
、例えばロボット３が作業対象に接触する直前の空間移
動における最後の経由点であり、ティーチングなどの適
当な手段によりあらかじめロボット３に教えられている
ものとする。

点Ａまではロボット３はその有する最大速度を利用して
移動する。点Ａでロボット３は力制御モードに移行する
が、前述のように当初は補償要素２として比例要素が用
いられるために、ロボット３が作業対象に接触する際に
力のオーバーシュートはほとんど生じない。なおり制御
モードにおいても力をかけない方向の位置制御は必要で
あり、位置制御自体は力制御モードでも実行される。

第３図は本発明におけるロボットの力の時間応答の実施
例である。同図において、ロボットが作業対象物に接触
した時点の直後では補償要素として比例要素が用いられ
、比例（Ｐ）制御となるために力のオーバーシュートが
ほとんど生じないが、定常偏差を生じる可能性がなる。

そこで前述のように、力が定常状態に達した時点で補償
要素が比例・積分要素に切り替えられ、比例・積分（Ｐ
Ｉ）制御が行われ、定常偏差は解消されて力は指令値と
一致することになる。

第４図はロボット制御系の実施例の構成ブロック図であ
る。同図において、ロボッ１−１０はモータ１１、エン
コーダ１２、およびマニプレータ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が取り
付けられている。ロボット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ッサ（ＤＳＰ）１５
ａと１５ｂからなり、ディジタルシグナルプロセッサＤ
ＳＰ１５ｂはホストコンピュータ１５ｃ１例えばパーソ
ナルコンピュータによって制御される。

第４図において、ロボット１０の手首部に取り付けられ
た力覚センサ１４によって検出された検出力Ｆ、は、Ｄ
ＳＰ１５ｂ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Ｆｏと比較されＦ
ｏとＦ３との差Ｆ０−Ｆ、にホストコンピュータ１５ｃ
から送られる補償要素選択指令に従って比例要素または
比例・積分要素のいずれかが掛けられて、速度指令値Ｖ
。

が得られる。また力制御演算部１６には第２の発明にお
いて力制御を開始するときの力の閾値Ｆ’ｔｈも入力さ
れる。

一方、ロボット１０のモータ１１に取り付けられたエン
コーダ１２から得られる回転パルス数はカウンタ１７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ｓｉｎθ、　　ｃ。

Ｓθ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によってロボット手先の現在位置Ｘつが求められる
。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と位置制御モードの開始時の手
先位置から時々刻々のロボット手先があるべき位置Ｘを
求め、Ｘの値と実際の位置Ｘ１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に２を
乗じ、これを速度指令値■２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。

位置制御モードの終了時点ではロボット手先のあるべき
位置Ｘは目標位置Ｘ。（第２図の点Ａに相当）に一致し
、ロボット手先は目標位置Ｘ。に。

停止するように制御される。なおこの位置制御の演算は
力制御モードに移行後にも力をかけない方向について必
要であり、力制御モードでも実行される。また位置制御
モードでは力制御は用いられない。

このように力と位置と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
零にするようにフィードバック制御が行われる。２つの
速度指令値■、と■２は加算部２０によって加算され、
Ｖｋ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成分が除去されてＶ
、、となる。この時フィルタ２１の遮断周波数は、第４
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ｖ０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■。′が
得られる。ここで加減速曲線は停止していたロボットの
手先が移動を開始し、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、例えば台形のような曲線であ寮。そしてフィルタ２
１の出力■、と加減速生成部２２の出力■。′とが加算
部２３によって加算され、実際のロボット手先の速度指
令値■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で
あり、実際に関節型ロボッ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。

−ＪＩＮに関節型ロボットの各関節の回転速度ベクトル
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の検出力をロボッ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θはサーボ制御部２５に送られ、モー
タ１１のサーボ制御が行われる。

これによって、ロボット１０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。

第５図は力制御演算部１６の実施例の構成ブロック図で
ある。同図においてＫｐ２６は比例制御のゲイン、Ｋ＋
２７は積分制御のゲイン、２８は積分器である。積分制
御を用いるかどうかはスイッチ２９によって決定され、
スイッチ２９は前述のようにホスト１５ｃからの指令で
切り替えられる。

前述のように、ロボット３が作業対象物の直前の点Ａに
達するとロボット３は力制御モードに移行するが、当初
は比例制御が用いられる。すなわち第５図において力偏
差Ｆ。−Ｆｓに対応して発止される速度指令値■、は Ｖ、　−に、（Ｆ、−Ｆｓ） で求められる。この式を物理的に考察してみるため、位
置Ｐの２階微分の形に直すと、Ｖ、＝Ｐを用いて、 Ｐ＝に、（Ｆ、−Ｆ、） となり、運動学的にはダンピング項のみで構成される制
御となっている。従って、速度■、で対象と接触しても
オーバーシュートはほとんど発生しない。この状態のま
まロボットは対象物を押し続け、力は指令値Ｆ０に近づ
き、定常状態となる。

しかし比例制御のみなので、力指令値と定常値との間に
オフセット、いわゆる定常偏差を生じる可能性がある。

そこで定常状態に入った後、力制御演算部１６の制御が
ＰＩ制御に切り替えられ、速度■ｆは次式で与えられる
。

Ｖｒ　＝Ｋｐ（Ｆ、　　Ｆ、）＋ＫｔＳ　（Ｆｏ　Ｆ、
）積分制御を付加することで定常偏差が解消される。

ところで再び上式を運動学的に考察すると、Ｐ＝Ｋｐ　
　（Ｆ、−Ｆ、）＋に１　　（Ｆｏ−Ｆｓ）となり、ダ
ンピング項に比例項が加わった形なので、これ以降の力
制御モードでの動きが滑らかなものとなる。定常状態に
入ったかどうかの判定は、力の検出値を一定時間間隔毎
にみて変化が落ち着いたことによって行ってもよいし、
接触後の一定時間経過を判断基準としてもよい。時間の
経過判定は例えば制御装置内蔵のタイマーを用いて行わ
れる。

第６図は力制御モードにおける処理実施例のフローチャ
ートである。同図において、Ｓ３０でロボットが作業対
象物の直前の位置、前述の点Ａに位置決めされたか否か
が判定され、位置決めされると３３１で力制御モードに
移行して位置（Ｐ）制御が行われ、３３２でロボットが
作業対象物に接触した時点で押し付けが開始される。そ
してＳ３３でロボットの力が定常状態に入ったか否かが
判定され、定常状態に達すると３３４で力制御のモード
がＰＩ制御に切り替えられる。

第７図は力のオーバーシュートを許す場合における空間
移動後の制御のフローチャートである。

オーバーシュートを許してもよいかどうかは、ロボット
３へのティーチンクーデータ内のフラグ領域にティーチ
ング時にあらかじめフラグを立てておくことで、ロボッ
トコントローラに指令を与えることができる。第７図に
おいて、３３５でロボットが前述の点Ａに位置決めされ
たか否かが判定され、位置決めされると３３６で対象物
への進行方向の速度指令だけで対象物への接近、接触が
行われ、対象物に接触した後Ｓ３７で力覚センサ１４に
よって検出される力Ｆ、がホス）１５ｃから与えられる
力の閾値Ｆ’ｔｈを越えたか否かが判定され越えたと判
定された時点で３３８で力制御モードに移行し、力覚セ
ンサ１４の検出力Ｆｓがホスト１５ｃから与えられる力
指令値Ｆ。に一致するように制御が行われる。

Ｃ発明の効果〕 以上詳細に説明したように、本発明によればロボットが
作業対象物と接触する直前の力制御モードで比例制御の
みを用いることによって力のオーバーシュートが低減さ
れる。また対象物と接触して力が定常状態に入った後に
比例・積分制御を用いることにより、力の定常偏差の解
消と滑らかな変化を実現でき、力制御ロボットの作業性
の向上に寄与するところが大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理ブロック図、 第２図は位置制御モードと力制御モードとの切り替えを
行う目標位置の実施例を示す図、第３図は力の時間応答
の実施例を示す図、第４図はロボット制御系の実施例の
構成を示すブロック図、 第５図は力制御演算部の実施例の構成を示すブロック図
、 第６図は力制御モードにおける処理実施例のフローチャ
ートを示す図、 第７図は力のオーバーシュートを許す場合における空間
移動後の制御フローチャートを示す図である。 １．１４・・・力覚センサ、 ２・・・補償要素、 ３．１０・　・　・ロボット、 ■ ａ ・ディジタルシグナルプロ セッサ、 ・ホストコンピュータ、 ■ ・力制御演算部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）力覚センサ（１）を備え、力目標値と該センサ（１
   ）の検出力との偏差を補償要素（２）を通して速度指令
   に変換し、該指令値でモータを制御して力制御を行うロ
   ボット（３）において、該ロボット（３）の移動開始位
   置と該ロボット（３）と作業対象物との接触点との間の
   目標位置に達するまでは、該目標位置とロボット（３）
   の現在位置とを比較して該ロボット（３）を作業対象物
   方向に移動させる位置制御手段（４）と、該ロボット（
   ３）が前記目標位置に達した時点から前記補償要素（２
   ）を比例要素として、また該ロボット（３）が前記作業
   対象物と接触して前記力覚センサ（１）の検出力が定常
   状態に達した時点から前記補償要素（２）を比例・積分
   要素として力制御を行う力制御手段（５）を備えたこと
   を特徴とするロボットの力制御方式。 ２）力覚センサ（１）を備え、力目標値と該センサ（１
   ）の検出力との偏差を補償要素（２）を通して速度指令
   に変換し、該指令値でモータを制御して力制御を行うロ
   ボット（３）において、該ロボット（３）の移動開始位
   置と該ロボット（３）と作業対象物との接触点との間の
   目標位置に達するまでは、該目標位置とロボット（３）
   の現在位置とを比較して該ロボット（３）を作業対象物
   方向に移動させる位置制御手段（４）と、該ロボット（
   ３）に対する第１、第２の力制御方法のいずれかを指示
   する力制御方法指示手段（６）と、 該力制御方法指示手段（６）が該第１の力制御方法を指
   示したときには、該ロボット（３）が前記目標位置に達
   した時点から前記補償要素（２）を比例要素として、ま
   た該ロボット（３）が前記作業対象物と接触して前記力
   覚センサ（１）の検出力が定常状態に達した時点から前
   記補償要素（２）を比例・積分要素として力制御を行い
   、前記力制御方法指示手段（６）が前記第２の力制御方
   法を指示したときには、該ロボット（３）が作業対象物
   に接触した後に力制御を行う力制御手段（５）を備えた
   ことを特徴とするロボットの力制御方式。