JPH03270865A - Position and force control device for working machine with multiple degree of freedom - Google Patents

Position and force control device for working machine with multiple degree of freedom

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JPH03270865A
JPH03270865A JP2066311A JP6631190A JPH03270865A JP H03270865 A JPH03270865 A JP H03270865A JP 2066311 A JP2066311 A JP 2066311A JP 6631190 A JP6631190 A JP 6631190A JP H03270865 A JPH03270865 A JP H03270865A
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JP
Japan
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spring constant
stiffness
work
force
control device
Prior art date
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Application number
JP2066311A
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Japanese (ja)
Inventor
Kazunori Yamada
一徳 山田
Kunio Kashiwagi
柏木 邦雄
Tooru Kurenuma
透 榑沼
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Original Assignee
Hitachi Construction Machinery Co Ltd
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Publication date
Application filed by Hitachi Construction Machinery Co Ltd filed Critical Hitachi Construction Machinery Co Ltd
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Abstract

PURPOSE:To provide a tool with precise desired compliance by considering deflection characteristics of the arm, etc., of a working machine as factors for spring constant, measuring the deflection characteristics under certain specified conditions, and setting the assumed spring constant including the rigidity of working machine on a position/force control device concerned. CONSTITUTION:A working machine having multiple degrees of freedom is operated under certain specific conditions, and the rigidity of the machine is measured by a rigidity measuring means 61 using the force data sensed by a force sensing means 5 and the position data sensed by a position sensing means. With this rigidity value taken into consideration, the spring constant set on a spring constant setting means 70 is corrected by a correction processing part 60 for generation of the desired compliance. This spring constant obtained as the result from correcting shall be set on a spring constant multiplying means 31 of a position/force control device concerned.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は多自由度作業機械の位置と力の制御装置に関し
、特に例えばパリ取り、グラインダかけ、金型研磨等の
作業を行う作業機械において作業対象物に作業工具を押
し付けながら倣い作業を行うのに好適な位置と力の制御
装置に関するものである。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention relates to a position and force control device for a multi-degree-of-freedom work machine, particularly for a work machine that performs operations such as deburring, grinding, mold polishing, etc. The present invention relates to a position and force control device suitable for performing copying work while pressing a work tool against a workpiece.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来、産業用ロボット等の多自由度作業機械では位置と
力を制御することによって作業機械に所定の作業を行わ
せる仮想コンプライアンス制御方式が提案されている(
特開昭62−35915号公報等)。一般に、この制御
方式を備える作業機械では、そのアームのリスト部に力
センサを配設し、この力センサを介して作業工具を取り
付ける。
Conventionally, for multi-degree-of-freedom work machines such as industrial robots, a virtual compliance control method has been proposed that allows the work machine to perform a predetermined task by controlling position and force (
JP-A-62-35915, etc.). Generally, in a working machine equipped with this control system, a force sensor is disposed on the wrist of the arm, and a working tool is attached via this force sensor.

そして、制御装置において作業工具の運動特性を決定す
る仮想の質量、ばね定数、粘性減衰係数等の制御パラメ
ータを設定し、この設定値と、外部から供給される基準
位置姿勢指令、作業工具に加わる角情報、アームの角度
情報等から検出された作業工具の位置や姿勢の情報など
に基づき、作業工具の速度指令値を演算し、この指令値
が制御装置から駆動回路を経由して作業工具の駆動装置
に供給される。この結果、作業工具はワークの形状に倣
って移動し、所定の作業を行うことができる。
Then, control parameters such as virtual mass, spring constant, viscous damping coefficient, etc. that determine the motion characteristics of the work tool are set in the control device, and these set values, reference position and orientation commands supplied from the outside, and the reference position and orientation commands applied to the work tool are set. Based on information on the position and posture of the work tool detected from angle information, arm angle information, etc., a speed command value for the work tool is calculated, and this command value is transmitted from the control device to the drive circuit and sent to the work tool. Supplied to the drive unit. As a result, the working tool can move following the shape of the workpiece and perform a predetermined work.

仮想コンプライアンス制御では、制御装置で指定された
作業工具が移動すべき位置と検出された作業工具の現在
位置との偏差、及び制御パラメータとして設定されてい
る仮想ばね定数によって、その偏差に応じたばね力を生
ずるような指令値を出力する。このようにソフトウェア
によって実現される上記制御方式によって、作業を行う
工具に、あたかも本当の機械的ばね機構が付設されてい
るかのような運動特性を与えることができる。
In virtual compliance control, the spring force is calculated based on the deviation between the position where the work tool should move specified by the control device and the detected current position of the work tool, and the virtual spring constant set as a control parameter. Outputs a command value that causes By using the above-mentioned control system realized by software in this way, it is possible to give a working tool the motion characteristics as if it were attached to a real mechanical spring mechanism.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

例えば多関節ロボットに前記の従来技術による制御方式
を適用して位置と力を制御することにより、アームの手
先に取り付けた作業工具をワークに押し付けながら所定
の作業を行うことができる。
For example, by applying the control method according to the prior art to an articulated robot to control its position and force, it is possible to perform a predetermined task while pressing a work tool attached to the end of the arm against a workpiece.

しかし、多関節ロボットは比較的に剛性が低く、作業工
具をワークに強く押付けた時アームの関節等にたわみが
発生する。前述した仮想コンプライアンス制御方式によ
れば、ばね定数を任意に設定することにより作業工具に
適度なコンプライアンスを与えることができる。ところ
が、上記の如く多関節ロボットではロボットそれ自体が
たわみを有しているため、制御装置で設定したばね定数
とは異なる特性が生じ、所望のコンプライアンスを得る
ことができないという不具合が生じる。
However, articulated robots have relatively low rigidity, and when a work tool is strongly pressed against a workpiece, the joints of the arms, etc., may flex. According to the above-described virtual compliance control method, by arbitrarily setting the spring constant, it is possible to provide the power tool with appropriate compliance. However, as described above, since the robot itself has flexure in the articulated robot, the spring constant differs from the spring constant set by the control device, resulting in a problem that the desired compliance cannot be obtained.

本発明の目的は、例えば仮想コンプライアンス制御等の
制御により位置と力の制御を行える制御装置において、
この制御装置の制御対象である多自由度作業機械のアー
ム等に生じるたわみから剛性を測定して制御パラメータ
に対し補正を行い、作業工具に所望のコンプライアンス
を与えることを可能とした多自由度作業機械の位置と力
の制御装置を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a control device that can control position and force by controlling, for example, virtual compliance control.
Multi-degree-of-freedom work that makes it possible to provide the desired compliance to the work tool by measuring the stiffness from the deflection that occurs in the arm, etc. of the multi-degree-of-freedom working machine that is controlled by this control device and making corrections to the control parameters. The purpose is to provide a machine position and force control device.

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

本発明に係る多自由度作業機械の位置と力の制御装置は
、多自由度作業機械のアームの手先に設けられた作業工
具に加わる少なくとも1軸の力を検出する力検出手段と
、作業工具の位置を検出する位置検出手段と、仮想的に
ばね要素を発生させるばね定数乗算手段とを有し、力検
出手段と位置検出手段で検出された力と位置のデータを
用いることにより且つばね定数乗算手段で作業工具にば
ね特性を与えながら作業工具の位置と力を制御する位置
と力の制御装置において、力検出手段が検出するカデー
タと位置検出手段が検出する位置データを用いて多自由
度作業機械におけるたわみを生じる部分で決まる剛性を
測定する剛性測定手段と、所望のコンプライアンスを発
生するばね定数を設定するためのばね定数設定手段と、
剛性測定手段で得られた多自由度作業機械の剛性とはね
定数設定手段に設定されるばね定数とを用いて前記コン
プライアンスを達成するためのばね定数を算出し、この
ばね定数値をばね定数乗算手段に設定するばね定数演算
手段とを備えるように構成されることを特徴点とする。
A position and force control device for a multi-degree-of-freedom work machine according to the present invention includes a force detection means for detecting a force of at least one axis applied to a work tool provided at the end of an arm of a multi-degree-of-freedom work machine; and a spring constant multiplier that virtually generates a spring element. In a position and force control device that controls the position and force of a power tool while imparting spring characteristics to the power tool using a multiplier, multi-degree-of-freedom control is performed using force data detected by the force detection device and position data detected by the position detection device. a stiffness measuring means for measuring the stiffness determined by a portion of a working machine that causes deflection; a spring constant setting means for setting a spring constant that produces a desired compliance;
A spring constant for achieving the compliance is calculated using the stiffness of the multi-degree-of-freedom working machine obtained by the stiffness measuring means and the spring constant set in the spring constant setting means, and this spring constant value is used as the spring constant. The feature is that the spring constant calculation means is configured to be set in the multiplication means.

本発明に係る他の多自由度作業機械の位置と力の制御装
置は、前記の基本的な装置構成において、剛性測定手段
で測定された複数の剛性値を記憶する記憶手段と、この
記憶手段に記憶された複数の剛性値のうちのばね定数演
算手段に与えられるいずれか1つの剛性値を切換える剛
性切換手段と、位置検出手段からの位置データに基づい
て剛性切換手段の切換動作を制御する剛性選択手段とを
備え、剛性測定手段は一連の作業範囲を分割した所定の
各部分作業範囲ごとの剛性値を測定し、記憶手段は複数
の部分作業範囲のそれぞれの剛性値を記憶すると共に、
一連の作業範囲についての作業実行時に、剛性選択手段
が、各部分作業範囲を判定し、剛性切換手段に対し、判
定された部分作業範囲に対応する剛性値に切換えてばね
定数演算手段に与えることを指令することを特徴点とす
る。
Another apparatus for controlling the position and force of a multi-degree-of-freedom work machine according to the present invention has the basic device configuration described above, and includes a storage means for storing a plurality of stiffness values measured by a stiffness measurement means, and a storage means for storing a plurality of stiffness values measured by a stiffness measuring means. stiffness switching means for switching any one stiffness value given to the spring constant calculation means from among the plurality of stiffness values stored in the spring constant calculation means; and controlling the switching operation of the stiffness switching means based on position data from the position detection means. stiffness selection means, the stiffness measuring means measures the stiffness value for each predetermined partial work range obtained by dividing the series of work ranges, and the storage means stores the stiffness values of each of the plurality of partial work ranges,
When performing work on a series of work ranges, the stiffness selection means determines each partial work range, switches the stiffness switching means to a stiffness value corresponding to the determined partial work range, and provides the stiffness value to the spring constant calculation means. The characteristic point is that it commands.

〔作用〕[Effect]

本発明による位置と力の制御装置では、所定の条件の下
で多自由度作業機械を動作させ、これにより力検出手段
で検出されるカデータと位置検出手段で検出される位置
データを用いて剛性測定手段で多自由度作業機械が有す
る剛性を測定し、この剛性を考慮に入れ、所望のコンプ
ライアンスを発生させるべくばね定数設定手段に設定さ
れたばね定数を、前記所望のコンプライアンスが生じる
ように更に補正する。補正の結果得られたばね定数は、
位置と力の制御装置のばね定数乗算手段に設定される。
In the position and force control device according to the present invention, a multi-degree-of-freedom working machine is operated under predetermined conditions, and the rigidity is thereby determined using force data detected by the force detection means and position data detected by the position detection means. The stiffness of the multi-degree-of-freedom work machine is measured by the measuring means, and the spring constant set in the spring constant setting means is further corrected so as to generate the desired compliance, taking this stiffness into account. do. The spring constant obtained as a result of correction is
It is set in the spring constant multiplier of the position and force control device.

多自由度作業機械においては、その姿勢が大きく変わる
と、その剛性も変化するので、一連の作業範囲が大きい
場合にはその作業範囲を予め所定の複数の部分作業範囲
に分けて、各部分作業範囲ごとに剛性を求めておき、作
業実行時に剛性選択手段で部分作業範囲を判定し、剛性
切換手段に対して対応する剛性値を取出すように指令を
出すよう構成されている。
In a multi-degree-of-freedom work machine, if its posture changes significantly, its rigidity also changes, so if the work range is large, divide the work range into a plurality of predetermined partial work ranges in advance, and perform each partial work. The stiffness is determined for each range, and when the work is executed, the stiffness selection means determines the partial work range, and a command is issued to the stiffness switching means to take out the corresponding stiffness value.

〔実施例〕〔Example〕

以下に、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

第1図は多自由度作業機械であって特定な作業を行うロ
ボットに適用された本発明に係る位置と力の制御装置の
全体構成を示す。第1図において、1は所定の作業を行
うように教示されたロボット本体で、複数の関節部を有
するアーム2が支持基台3に取付けられ、アーム2の各
関節部の可動作用により、アーム先部は作業上必要とさ
れる位置に移動し、アーム全体の姿勢は作業上必要な姿
勢に変化する。アーム2の先部に位置するリスト部4に
6軸の力センサ5が取付けられ、更に力センサ5の先に
は、ワーク6に対して所定作業を行う手先効果器である
作業工具7が取付けられている。
FIG. 1 shows the overall configuration of a position and force control device according to the present invention, which is a multi-degree-of-freedom working machine and is applied to a robot that performs a specific task. In FIG. 1, reference numeral 1 is a robot body taught to perform a predetermined work, and an arm 2 having a plurality of joints is attached to a support base 3, and the movement of each joint of the arm 2 allows the arm to The tip moves to the position required for the work, and the posture of the entire arm changes to the position required for the work. A six-axis force sensor 5 is attached to the wrist part 4 located at the tip of the arm 2, and a work tool 7, which is a hand effector for performing a predetermined operation on the workpiece 6, is attached to the tip of the force sensor 5. It is being

8はコントローラであり、このコントローラ8内にはコ
ンピュータ等で構成される制御手段が内蔵され、予め定
められた位置と力の制御のための演算式を用いて且つ所
定の手順でロボット本体1に対し位置・力制御を実行す
る機能を有している。
8 is a controller, and this controller 8 has a built-in control means composed of a computer, etc., and controls the robot body 1 using predetermined calculation formulas for controlling position and force and according to a predetermined procedure. It has the function of controlling position and force.

コントローラ8は、信号ライン9でロボット本体1に対
し所定作業の動作を指令するための指令信号を与え且つ
ロボット本体1からモータ等の動作情報を得ると共に、
力センサ5から作業工具7に加わる力及びモーメントに
関する検出信号、すなわち力信号10を取り込むように
相互に電気的に接続されている。11は作業者が所持し
、必要に応じ適時に操作する操作器であり、テンキー及
び各種の指令をコントローラ8に与えることのできる複
数の操作スイッチが設けられている。操作器11の各種
の操作スイッチを作業者が操作することにより、例えば
作業動作の教示、作業条件の設定、作業工具7の押付は
力の設定、所望のばね定数の設定等を行うことができる
The controller 8 gives a command signal to the robot body 1 through a signal line 9 to instruct the robot body 1 to perform a predetermined operation, and also obtains operation information of the motor etc. from the robot body 1.
They are electrically connected to each other so as to receive a detection signal regarding the force and moment applied to the working tool 7 from the force sensor 5, that is, a force signal 10. Reference numeral 11 denotes an operating device that is carried by the operator and operated as needed, and is provided with a numeric keypad and a plurality of operating switches that can give various commands to the controller 8. By operating the various operation switches of the operating device 11, the operator can, for example, teach working motions, set working conditions, set the force for pressing the working tool 7, set a desired spring constant, etc. .

次に、第2図及び第3図のブロック図に基づいてコント
ローラ8によって実現される本発明による制御装置の構
成について説明する。ロボット本体1に適用される本発
明の制御方式は、コントローラ8内に含まれるコンピュ
ータ等を利用してソフト的に又はその他のハード回路で
実現されるものであり、第2図及び第3図は制御回路要
素及びそれらの関係が明確になるようにブロック図で示
されている。
Next, the configuration of the control device according to the present invention realized by the controller 8 will be explained based on the block diagrams of FIGS. 2 and 3. The control method of the present invention applied to the robot body 1 is realized by software or other hardware circuits using a computer included in the controller 8, and FIGS. The control circuit elements and their relationships are shown in block diagram form for clarity.

第2図において、ロボット本体1の内部にはアーム2の
各関節部を動かすための駆動モータ(図示せず)が複数
内蔵されている。これらの駆動モータにはその駆動量を
計測する角度計21が取り付けられており、この角度計
21によって各関節の軸角度データを得ることができる
In FIG. 2, a plurality of drive motors (not shown) for moving each joint of the arm 2 are built into the robot main body 1. An angle meter 21 for measuring the amount of drive is attached to these drive motors, and the axis angle data of each joint can be obtained by this angle meter 21.

先ず位置・力制御演算系の構成から説明する。First, the configuration of the position/force control calculation system will be explained.

アーム先端に配置された力センサ5から出力される力及
びモーメントの信号は力演鼻部22に送給され、この力
演鼻部22で、センサ座標系から基準座標系(絶対座標
系)に変換すると共に作業工具7の重力針を差し引く重
力補償を行うことによりワークと作業工具7の接触点で
の力tを算出する。そして、この力fは角目標値設定部
26で設定された角目標値frと力偏差演算部27で比
較され、その力偏差Δtが算出される。また前述の角度
計21によって検出される各軸の角度データは位置演算
部23に送給され、位置演算部23でこれらの角度デー
タによって絶対座標系における作業工具7の位置と姿勢
Xが算出される。そして、この位置と姿勢Xは、位置目
標値設定部24で設定された位置の目標値7(rと、位
置偏差演算部25で比較され、その位置偏差ΔXが求め
られる。
The force and moment signals output from the force sensor 5 placed at the tip of the arm are sent to the force acting nose 22, and the force acting nose 22 transforms the sensor coordinate system into the reference coordinate system (absolute coordinate system). The force t at the contact point between the workpiece and the work tool 7 is calculated by performing gravity compensation by subtracting the gravity needle of the work tool 7 along with the conversion. Then, this force f is compared with the angle target value fr set by the angle target value setting unit 26 in a force deviation calculation unit 27, and the force deviation Δt is calculated. Further, the angle data of each axis detected by the angle meter 21 mentioned above is sent to the position calculation section 23, and the position and orientation X of the power tool 7 in the absolute coordinate system are calculated by the position calculation section 23 from these angle data. Ru. Then, this position and orientation X are compared with the position target value 7 (r set by the position target value setting unit 24) in the position deviation calculation unit 25, and the position deviation ΔX is determined.

なお、位置目標値設定部24における位置目標値と角目
標値設定部26の角目標値は、教示等によって与えられ
た位置情報に基づいて設定される。
Note that the position target value in the position target value setting section 24 and the angle target value in the angle target value setting section 26 are set based on position information given by teaching or the like.

上記のように、力偏差演算部27で得られた力偏差Δf
と位置偏差演算部25で得られた位置と姿勢に関する位
置偏差ΔXはそれぞれ位置・力制御演算部30に入力さ
れる。
As mentioned above, the force deviation Δf obtained by the force deviation calculation unit 27
and the positional deviation ΔX regarding the position and orientation obtained by the positional deviation calculation unit 25 are inputted to the position/force control calculation unit 30, respectively.

位置・力制御演算部30は、ばね定数乗算部31と減算
器32と特性補償演算部33とから構成される。前記の
力偏差演算部27の出力Δfは減算器32に与えられ、
位置偏差演算部25で得られた位置偏差ΔXはばね定数
乗算部31に人力される。ばね定数乗算部31では仮想
ばね定数行列Kが設定されている。ばね定数乗算部31
は、入力された位置偏差ΔXに設定された仮想ばね定数
行列Kを乗算することによりにΔλを算出する。
The position/force control calculation unit 30 includes a spring constant multiplier 31, a subtracter 32, and a characteristic compensation calculation unit 33. The output Δf of the force deviation calculation section 27 is given to a subtracter 32,
The positional deviation ΔX obtained by the positional deviation calculation section 25 is manually input to the spring constant multiplication section 31. In the spring constant multiplier 31, a virtual spring constant matrix K is set. Spring constant multiplier 31
calculates Δλ by multiplying the input positional deviation ΔX by the set virtual spring constant matrix K.

本実施例においてばね定数行列にの各軸の値は固定値で
はなく、必要に応じて適切な値に変化せしめられる。ワ
ーク6に対し作業工具7を押し付ける方向の仮想ばね定
数は、後述するように作業処理部50において演算され
る。ばね定数乗算部31の出力にΔλは減算器32に与
えられる。減算器32では、Δf−にΔXが計算され、
この減算器32の計算結果は特性補償演算部33に与え
られる。特性補償演算部33ではコントローラゲインK
cが設定されており、このKcによって人力されたΔf
−にΔXが制御上の特性補償を受け、特性補償演算部3
3で速度指令値マが算出される。
In this embodiment, the values of each axis in the spring constant matrix are not fixed values, but are changed to appropriate values as necessary. A virtual spring constant in the direction in which the work tool 7 is pressed against the workpiece 6 is calculated in the work processing section 50 as described later. Δλ is applied to the output of the spring constant multiplier 31 to a subtracter 32 . The subtracter 32 calculates ΔX to Δf-,
The calculation result of this subtracter 32 is given to a characteristic compensation calculation section 33. The characteristic compensation calculation unit 33 calculates the controller gain K.
c is set, and Δf manually calculated by this Kc
−, ΔX receives control characteristic compensation, and characteristic compensation calculation unit 3
3, the speed command value M is calculated.

このようにして位置・力制御演算部30で求められた速
度指令値マは駆動指令部41に供給され、この駆動指令
部41で速度指令値マは研削装置本体1の各駆動モータ
の駆動指令値心に変換される。
The speed command value Ma obtained in this way by the position/force control calculation section 30 is supplied to the drive command section 41, and the speed command value Ma is supplied to the drive command section 41 by the drive command section 41. converted into value.

変換された駆動指令値心はロボット本体1の各駆動モー
タに供給され、この指令値によってモータは動作する。
The converted drive command values are supplied to each drive motor of the robot body 1, and the motors are operated according to these command values.

作業処理部50は、前述した構成を有する制御装置に対
して、当該制御装置がロボット本体工に実作業を行わせ
るための指令を出すプログラムを内部に有しており、教
示された命令やデータ等に従って制御装置を作動させる
。制御装置との関係において、作業処理部50は力演鼻
部22の出力tと位置演算部23の出力Xを入力信号と
して取り込んでいる。また作業処理部50は、角目標値
設定部26と位置目標値設定部24とばね定数乗算部3
1に対し各制御パラメータを変更・設定できるように接
続されている。特にこの作業処理部50には、第3図に
示されるような構成を有する本発明の要部である剛性測
定補正処理部60が含まれている。
The work processing unit 50 has a program therein that issues commands to the control device having the above-described configuration to cause the control device to perform actual work on the robot main body worker, and uses the taught commands and data. etc., to operate the control device. In relation to the control device, the work processing section 50 takes in the output t of the force performance nose section 22 and the output X of the position calculation section 23 as input signals. Further, the work processing section 50 includes the angle target value setting section 26, the position target value setting section 24, and the spring constant multiplication section 3.
1 so that each control parameter can be changed and set. In particular, the work processing section 50 includes a stiffness measurement correction processing section 60, which is a main part of the present invention and has a configuration as shown in FIG.

第3図に示される剛性測定補正処理部60は、ロボット
本体1が有している剛性を測定し、位置と力の制御を行
う制御装置で所望のコンプライアンスを得るため制御パ
ラメータとして与えられる仮想ばね定数を演算し、ばね
定数乗算部31に設定される仮想ばね定数Kを最適な値
に変更する機能を有する。剛性測定補正処理部60は、
前記力演算部22と位置演算部23の各出力信号が入力
される剛性測定部61と、剛性測定部61で測定され且
つ出力される測定剛性値を記憶する記憶部62と、ばね
定数演算部63とから構成される。
The stiffness measurement correction processing unit 60 shown in FIG. 3 measures the stiffness of the robot body 1 and uses a virtual spring given as a control parameter to obtain desired compliance with a control device that controls position and force. It has a function of calculating a constant and changing the virtual spring constant K set in the spring constant multiplier 31 to an optimal value. The stiffness measurement correction processing section 60
A stiffness measuring section 61 into which each output signal of the force calculating section 22 and the position calculating section 23 is input, a storage section 62 storing the measured stiffness value measured and output by the stiffness measuring section 61, and a spring constant calculating section. 63.

ばね定数演算部63には、予め目標とするばね定数が設
定されたばね定数設定部70から与えられるばね定数値
と、記憶部62に記憶された測定剛性値が与えれる。こ
れらの値によってロボット本体1の剛性を考慮したばね
定数が決定され、この値はばね定数乗算部31に設定さ
れる。
The spring constant calculation section 63 is given a spring constant value given from a spring constant setting section 70 in which a target spring constant is set in advance, and the measured stiffness value stored in the storage section 62. A spring constant that takes into account the rigidity of the robot body 1 is determined by these values, and this value is set in the spring constant multiplier 31.

次に上記構成を有する剛性測定補正処理部60による補
正動作について説明する。先ず、制御装置は、ロボット
本体1の作業工具7がワーク6に対して押付は力を変え
て2回押し付けられるように制御を行う。この時の押付
は方向をi方向とし、最初の押付は動作時において力演
鼻部22で検出した作業工具7に加わる力をf、II、
位置演算部23で検出した作業工具7の位置をXtiと
し、2回目の押付は動作時において力演鼻部22で検出
した作業工具7に加わる力を112、位置演算部23で
検出した作業工具7の位置をXI2とする。これらのカ
データ及び位置データは剛性測定部61に入力される。
Next, a correction operation by the stiffness measurement correction processing section 60 having the above configuration will be explained. First, the control device performs control so that the work tool 7 of the robot body 1 is pressed against the workpiece 6 twice with different forces. The pressing direction at this time is the i direction, and the first pressing is performed by applying the force applied to the working tool 7 detected by the force acting nose part 22 during operation to f, II,
The position of the work tool 7 detected by the position calculation unit 23 is set as Xti, and the force applied to the work tool 7 detected by the force acting nose part 22 during the second pressing is 112, and the work tool detected by the position calculation unit 23 is Let the position of 7 be XI2. These displacement data and position data are input to the stiffness measuring section 61.

剛性測定部61は、これらの力と位置のデータを用いて
、ロボット本体1の剛性にヮを、例えば次式により求め
る。
The rigidity measurement unit 61 uses these force and position data to determine the rigidity of the robot body 1, for example, using the following equation.

このようにして剛性測定部61で求められた剛性に、は
、記憶部62に記憶される。またばね定数設定部70に
は、作業工具7に所望のコンプライアンスを発生させる
ためのばね定数に、が設定される。なお第3図中では記
憶部62が設けられているが、求められた剛性値が即座
にばね定数演算に使用される場合には、記憶部62は必
要ない。
The stiffness thus determined by the stiffness measurement section 61 is stored in the storage section 62. Further, the spring constant setting section 70 is set to a spring constant for generating a desired compliance in the power tool 7. Although a storage section 62 is provided in FIG. 3, the storage section 62 is not necessary if the obtained stiffness value is immediately used for spring constant calculation.

ロボット本体1の剛性を含めた制御システム全体のばね
要素を図に示すと、第4図の如くなる。
The spring elements of the entire control system including the rigidity of the robot body 1 are shown in FIG. 4.

第4図において、ばね定数設定部70に設定されたばね
定数に、は、ロボット本体1において剛性として存在す
るばね定数に、と、制御パラメータとして与えられるば
ね定数Kiとが直列結合されたモデルとして与えられる
。このモデルにおいて、ばね定数に+tは固有な一定値
であるため、所望のばね定数に、を得るためにはKiを
調整する必要がある。そこで、ばね定数演算部63にお
いて、記憶部62に記憶されているに、と、ばね定数設
定部70に設定されたに5の値を基に作業工具7に所望
のコンプライアンスを得られるように次式によって制御
パラメータである仮想ばね定数Kiを求める。
In FIG. 4, the spring constant set in the spring constant setting unit 70 is given as a model in which the spring constant existing as rigidity in the robot body 1 and the spring constant Ki given as a control parameter are coupled in series. It will be done. In this model, since the spring constant +t is a unique constant value, it is necessary to adjust Ki in order to obtain the desired spring constant. Therefore, in the spring constant calculating section 63, based on the values of 5 stored in the storage section 62 and 5 set in the spring constant setting section 70, the following calculation is performed so that the desired compliance can be obtained for the power tool 7. A virtual spring constant Ki, which is a control parameter, is determined by the formula.

こうして得られた仮想ばね定数Kiを、ばね定数乗算部
31の仮想ばね定数行列Kに代入することにより、作業
工具7を所望のコンプライアンスで制御することができ
る。
By substituting the thus obtained virtual spring constant Ki into the virtual spring constant matrix K of the spring constant multiplier 31, the power tool 7 can be controlled with desired compliance.

第5図及び第6図は本発明の他の実施例を示す。5 and 6 show other embodiments of the invention.

この実施例ではロボット本体1のとる姿勢に応じてロボ
ット本体1の有する剛性が異なる点を考慮して剛性を測
定し、仮想ばね定数を補正するように構成したものであ
る。第5図はロボット本体1の姿勢に応じた剛性の定め
方について考察した図であり、特に姿勢による剛性の違
いを作業範囲が小さい場合(a)と作業範囲が大きい場
合(b)に別けて示している。
In this embodiment, the stiffness is measured in consideration of the fact that the stiffness of the robot main body 1 differs depending on the posture taken by the robot main body 1, and the virtual spring constant is corrected. Figure 5 is a diagram that considers how to determine the rigidity according to the posture of the robot body 1, and in particular, the difference in rigidity depending on the posture is divided into cases where the working range is small (a) and cases where the working range is large (b). It shows.

第5図(a)に示すように、11点と22点の間の作業
範囲でこの作業範囲が小さい場合には、測定された任意
の一定の剛性値を用いて位置データの補正を行えば良い
。すなわち、ロボット本体1が11点でとる姿勢での剛
性と22点でとる姿勢での剛性との差異が無視できるよ
うな場合には、例えば11点での剛性Kl、、22点で
の剛性に1.。
As shown in Fig. 5(a), if the working range is between 11 points and 22 points and this working range is small, the position data can be corrected using any fixed stiffness value measured. good. In other words, if the difference between the stiffness of the robot body 1 at the 11th point and the stiffness at the 22nd point can be ignored, for example, the stiffness at the 11th point Kl, the stiffness at the 22nd point, etc. 1. .

11点と22点の間の任意の位置での剛性Kll□、又
は11点と22点の各剛性の平均値KR12′などのい
ずれかを剛性の代表値として剛性測定部61で測定し、
仮想ばね定数の演算に使用することができる。
Either the stiffness Kll□ at an arbitrary position between the 11th point and the 22nd point, or the average value KR12' of each stiffness at the 11th point and the 22nd point is measured by the stiffness measurement unit 61 as a representative value of stiffness,
It can be used to calculate virtual spring constants.

一方、第5図(b)に示すように、11点から43点ま
でが一連の作業範囲で、作業範囲が太きく、ロボット本
体1の姿勢が大きく変化する場合には、当該作業範囲に
おけるロボット本体の1つの姿勢による剛性を作業範囲
全体での剛性として代表させることができない。このよ
うな作業を行う場合には、予め一連の作業範囲を剛性の
違いを無視することのできる複数の部分的作業範囲、例
えばP、〜P2.P2〜P3.P3〜P4.P4〜P、
に分割し、各作業範囲ごとで代表となる剛性に□(j=
1.2,3・・・)をそれぞれ測定し、記憶するように
する。そして、ロボット本体1が作業範囲P、〜P、で
作業を開始する動作を行ったとき、分割した作業範囲ご
とに測定した剛性を切換えながら仮想ばね定数の演算を
行う。
On the other hand, as shown in FIG. 5(b), if the work range is a series from 11 points to 43 points and the work range is wide and the posture of the robot body 1 changes greatly, the robot in the work range The rigidity of the main body in one posture cannot be representative of the rigidity of the entire working range. When performing such work, a series of work ranges is prepared in advance into a plurality of partial work ranges, for example P, ~P2. P2-P3. P3-P4. P4~P,
□ (j=
1, 2, 3...) and store them. Then, when the robot main body 1 performs an operation to start work in the work ranges P, -P, a virtual spring constant is calculated while switching the stiffness measured for each divided work range.

第6図は第5図(b)の場合を考慮した剛性測定補正処
理部の構成例を示す。第6図に示される剛性測定補正処
理部60′では、第3図で示した構成において、記憶部
62′とばね定数演算部63との間に記憶部62′の出
力Kl、を入力する剛性切換部66と、位置演算部23
から構成される装置データを入力し且つ剛性切換部66
に選択指令を出力する剛性選択部65が接続されており
、その他の構成については基本的に第3図に示された構
成と同じである。ただし、剛性測定部は、前述したよう
に力演鼻部22と位置演算部23から入力した各出力信
号を用いて分割した部分作業範囲ごとにロボット本体1
の剛性を測定する機能を有しているので符号61′ を
付し、また記憶部は剛性測定部61’ において測定さ
れ且つ出力される剛性値に□(j=1.2.3・・・ 
jは分割された部分作業範囲を表す)を記憶するので、
符号62′を付している。
FIG. 6 shows an example of the configuration of the stiffness measurement correction processing section considering the case of FIG. 5(b). In the stiffness measurement correction processing section 60' shown in FIG. 6, in the configuration shown in FIG. Switching section 66 and position calculation section 23
The rigidity switching section 66
A stiffness selection unit 65 is connected to output a selection command, and the other configurations are basically the same as the configuration shown in FIG. 3. However, as described above, the stiffness measurement section measures the robot body 1 for each divided work range using each output signal input from the force acting nose section 22 and the position calculation section 23.
Since it has the function of measuring the stiffness of
j represents the divided partial work range), so
The reference numeral 62' is attached thereto.

上記の構成において、剛性選択部65は、位置演算部2
3からの位置データに基づき作業工具7が存在する分割
された作業範囲を判定し、各作業範囲において必要とさ
れる測定剛性値KR,を指定する信号を出力する。また
剛性切換部66は、剛性選択部65からの指定信号を入
力し、且つこの指定信号に基づき記憶部62′に記憶さ
れている剛性値に□より該当する値を入力し、ロボット
本体1の剛性値として出力する。その他の構成要素の動
作については前記第3図の実施例で説明したものと同じ
である。
In the above configuration, the rigidity selection section 65
The divided working range in which the working tool 7 exists is determined based on the position data from 3, and a signal specifying the measured stiffness value KR, required in each working range is output. Further, the stiffness switching section 66 inputs the designation signal from the stiffness selection section 65, and inputs the corresponding value from □ into the stiffness value stored in the storage section 62' based on this designation signal, and changes the rigidity of the robot body 1. Output as stiffness value. The operations of the other components are the same as those described in the embodiment of FIG. 3 above.

以上の構成及び動作によれば、第5図(b)で説明した
ロボット本体1の姿勢が大きく変化し、剛性が大きく変
化する場合にも剛性の変化に対応させた適切な制御を行
うことができる。
According to the above configuration and operation, even when the posture of the robot body 1 described in FIG. 5(b) changes significantly and the rigidity changes greatly, appropriate control can be performed in response to the change in rigidity. can.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上の説明で明らかなように本発明によれば、作業機械
のアーム等が有するたわみ特性をばね定数要素として考
慮し、これを所定の条件の下で測定し、位置と力の制御
装置において作業機械の有する剛性を含めて仮想ばね定
数を設定するように構成したため、作業工具に所望のコ
ンプライアンスを正確に与えることができ、ワークに対
する適切な押付は力を確保することができる。また作業
機械の姿勢が異なるときには剛性が異なることもあるの
で、この場合に一連の作業範囲を部分的に分けて、部分
作業範囲ごとに剛性を求めるようにしたため、動作制御
をより精密に行うことができる。
As is clear from the above description, according to the present invention, the deflection characteristics of the arm of a working machine, etc. are taken into consideration as a spring constant element, this is measured under predetermined conditions, and the position and force control device is used to perform work. Since the virtual spring constant is configured to include the rigidity of the machine, the desired compliance can be accurately given to the work tool, and appropriate pressing force against the work can be ensured. In addition, the rigidity may differ when the posture of the working machine differs, so in this case, a series of work ranges is divided into parts and the stiffness is determined for each partial work range, allowing more precise operation control. I can do it.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明に係る位置と力の制御装置が適用された
多自由度作業機械のシステム構成図、第2図は本発明に
係る位置と力の制御装置の全体構成を示すブロック図、
第3図の制御装置の要部構成を示すブロック図、第4図
は剛性を示すばね定数と設定されたばね定数との関係を
示す模式図、第5図は作業範囲の大きさに伴う姿勢の変
化に応じて剛性が異なることを説明するための図、第6
図は剛性測定補正処理部の他の実施例を示すブロック図
である。 〔符号の説明〕 1・・・・・・ロボット本体 2・・・・・・アーム 5・・・・・・力センサ 6・・・・・・ワーク 7・・・・・・作業工具 22・・・・・力演鼻部 23・・・・・位置演算部 24・・・・・位置目標値設定部 25 ・ ・ ・ ・ 30 ・ ・ ・ ・ 31 ・ ・ ・ ・ 50 ・ ・ ・ ・ 60、60’ 61.61’ 63 ・ ・ ・ ・ 65 ・ ・ ・ ・ 66 ・ ・ ・ ・ 70 ・ ・ ・ ・
FIG. 1 is a system configuration diagram of a multi-degree-of-freedom working machine to which the position and force control device according to the present invention is applied, and FIG. 2 is a block diagram showing the overall configuration of the position and force control device according to the present invention.
Figure 3 is a block diagram showing the configuration of the main parts of the control device, Figure 4 is a schematic diagram showing the relationship between the spring constant indicating rigidity and the set spring constant, and Figure 5 is a block diagram showing the relationship between the spring constant indicating rigidity and the set spring constant. Diagram 6 to explain that stiffness varies depending on changes.
The figure is a block diagram showing another embodiment of the stiffness measurement correction processing section. [Explanation of symbols] 1...Robot body 2...Arm 5...Force sensor 6...Work 7...Work tool 22. ... Force acting nose section 23 ... Position calculation section 24 ... Position target value setting section 25 ... 30 ... 31 ... 50 ... 60, 60'61.61' 63 ・ ・ ・ ・ 65 ・ ・ ・ ・ 66 ・ ・ ・ ・ 70 ・ ・ ・ ・

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)多自由度作業機械のアームの手先に設けられた作
業工具に加わる少なくとも1軸の力を検出する力検出手
段と、前記作業工具の位置を検出する位置検出手段と、
仮想的にばね要素を発生させるばね定数乗算手段とを有
し、前記力検出手段と前記位置検出手段で検出された力
と位置のデータを用いることにより且つ前記ばね定数乗
算手段で前記作業工具にばね特性を与えながら前記作業
工具の位置と力を制御する位置と力の制御装置において
、前記力検出手段が検出する力データと前記位置検出手
段が検出する位置データを用いて前記多自由度作業機械
におけるたわみを生じる部分で決まる剛性を測定する剛
性測定手段と、所望のコンプライアンスを発生するばね
定数を設定するためのばね定数設定手段と、前記剛性測
定手段で得られた前記多自由度作業機械の剛性と前記ば
ね定数設定手段に設定されるばね定数とを用いて前記コ
ンプライアンスを達成するためのばね定数を算出し、こ
のばね定数値を前記ばね定数乗算手段に設定するばね定
数演算手段とを備えることを特徴とする多自由度作業機
械の位置と力の制御装置。
(1) force detection means for detecting a force of at least one axis applied to a work tool provided at the end of an arm of a multi-degree-of-freedom work machine; and a position detection means for detecting the position of the work tool;
a spring constant multiplier that virtually generates a spring element; In the position and force control device that controls the position and force of the work tool while giving spring characteristics, the multi-degree-of-freedom work is performed using force data detected by the force detection means and position data detected by the position detection means. a stiffness measuring means for measuring stiffness determined by a portion of the machine that causes deflection; a spring constant setting means for setting a spring constant that produces a desired compliance; and the multi-degree-of-freedom working machine obtained by the stiffness measuring means. and a spring constant calculation means for calculating a spring constant for achieving the compliance using the stiffness of the spring constant and the spring constant set in the spring constant setting means, and setting this spring constant value in the spring constant multiplication means. A position and force control device for a multi-degree-of-freedom working machine, characterized by comprising:
(2)請求項1記載の多自由度作業機械の位置と力の制
御装置において、前記剛性測定手段で測定された複数の
剛性値を記憶する記憶手段と、この記憶手段に記憶され
た複数の剛性値のうちの前記ばね定数演算手段に与えら
れるいずれか1つの剛性値を切換える剛性切換手段と、
前記位置検出手段からの位置データに基づいて前記剛性
切換手段の切換動作を制御する剛性選択手段とを備え、
前記剛性測定手段は一連の作業範囲を分割した所定の各
部分作業範囲ごとの剛性値を測定し、前記記憶手段は複
数の前記部分作業範囲のそれぞれの剛性値を記憶すると
共に、前記一連の作業範囲についての作業実行時に、前
記剛性選択手段が、前記各部分作業範囲を判定し、前記
剛性切換手段に対し、判定された部分作業範囲に対応す
る剛性値に切換えて前記ばね定数演算手段に与えること
を指令することを特徴とする多自由度作業機械の位置と
力の制御装置。
(2) The position and force control device for a multi-degree-of-freedom working machine according to claim 1, further comprising a storage means for storing a plurality of stiffness values measured by the stiffness measuring means, and a plurality of stiffness values stored in the storage means. Rigidity switching means for switching any one of the stiffness values given to the spring constant calculation means;
stiffness selection means for controlling switching operation of the stiffness switching means based on position data from the position detection means;
The stiffness measuring means measures the stiffness value of each predetermined partial work range obtained by dividing the series of work ranges, and the storage means stores the stiffness values of each of the plurality of partial work ranges, and When performing work on the range, the stiffness selection means determines each of the partial work ranges, and causes the stiffness switching means to switch to a stiffness value corresponding to the determined partial work range and provide the stiffness value to the spring constant calculation means. A position and force control device for a multi-degree-of-freedom working machine, which is characterized by commanding the following:
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