JPH0367309A - 産業用ロボットの制御装置 - 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】 ［発明の利用分野］ 本発明は、センサ情報に応じて産業用ロボットをサンプ
リング制御するのに好適とされた産業用ロボットの制御
装置に関するものである。

［従来技術］ 従来のロボット制御方式に関するものとしては、特開昭
４９−５０３７６号公報が挙げられるが、これによる場
合、ハンドの位置情報をジヨイントの変位に変換し、ア
クチュエータを位置制御することによって、ロボットが
制御されるようになっている。

しかしながら、この制御方式では、センサにより決定さ
れるハンドの運動はサンプリング特待の瞬間運動であり
、これはハンドの速度に対応し、これを位置情報に変換
するには余分な演算が要されるものとなっている。特に
姿勢の計算には多くの演算時間が要され、これがために
サンプリング時間が長引かされ制御精度が悪化する原因
となっている。また、アクチュエータの位置サーボ系に
は定常偏差が存在することから、位置サーボ系によって
センサ制御することも制御精度を悪化させる原因となっ
ている。

一方、マニピュレータの速度制御に関するものとしては
、アイ・イー・イー・イー、トランザクションオンマン
・マシン・システムズ５ボリュ−ムエム・エム・ニス−
１０，ナンバー２．１９６９年６月。

頁４７−５２（ＩＥＥＥ、Ｔｒａｎｓ、Ｍａｎ−Ｍａｃ
ｈｉｎｅ　Ｓｙｓｔｅｍｓ、Ｖｏｌ、ＭＭＳ−１０，Ｎ
ｏ、２．Ｊｕｎｅ　１９６９．ｐｐ４７−５２）が挙げ
られるものとなっている。しかしながら、この論文では
ヤコビ行列の理論面が述べられているに過ぎず、マニピ
ュレータをその動作中の実時間でヤコビ行列によって制
御する手法については述べられて０ないものとなってい
る。

［発明の目的］ 本発明の目的は、ノ）ンドの瞬間運動を直接ジヨイント
の速度に変換し、アクチュエータを速度サーボ系で駆動
することによって、産業用ロボ・ントが精度良好にして
制御され得る産業用ロボ・ソトの制御装置を供するにあ
る。

［発明の概要］ 産業用ロボットを駆動制御するに際し、各サンプリング
時でのアクチュエータ変位結果からノ＼ンドの速度をア
クチュエータ速度に変換し、このアクチュエータ速度が
アクチュエータサーボ系へ指令値として出力されるべく
構成したものである。

速度サーボ系が用いられることによって、定常偏差を伴
うことなく高精度な制御が実現実現されるばかりか、サ
ンプリング時間中、速度指令として一定値が出力される
ことから、位置サーボ系に比し振動が少ない制御が実現
されるものである。また、瞬間運動の情報を位置情報に
変換することは不要とされるから、演算量が少なくて済
まされるばかりか、短縮されたサンプリング時間で以て
制御されることが可能となるものである。

以下余白 〔発明の実施例〕 以下添付の図面に示す実施例により、更に詳細に本発明
について説明する。

第１図は本発明の産業用ロベットの制御装置の全体の構
成を示す図である。第１図に示す様に、産業用ロボット
１の手先には力センサ２とハンド３とが設けられている
。又、制御装置４はマイクロプロセッサで構成され、各
種データの記憶・演算・転送を行う機能を有する。サー
がアンプ装置５は産業用ロ♂ット１の有する自由度数に
相当する数の独立したサーボアンプ群で構成され、本実
施例では産業用ロメット１が６自由度を有し、６個のサ
ーボアンプ群で構成されているものとして説明する。

力センサ２は、第２図に示す様にハンド３の定められた
基準点Ｐに作用する３次元空間のカベクトルｆとモーメ
ントベクトルｍを検出する機能を有するものであう、と
のカベクトルｆとモーメントベクトルｆは力センサ２に
固定された座標系Ｘｙｚによって表わされる。

サーがアンプ装置５は、前記した様に６個のサーボアン
プ群から構成され、各サーがアンプは産業用ロボットの
６個の対偶を駆動するアクチュエータをそれぞれ制御す
る。例えば、第３図に示す様にサーボアン７’５ａの１
個のサーボアンプ５ａは制御装置４から指令信号を受け
、この指令信号の大きさに応じた速度でアクチュエータ
６ａが運動する様に制御する。アクチュエータ６ａには
速度と変位の検出器７ａが取シ付けられて＞６、速度信
号３１はサーボアン７’５ａにフィードバックされ、変
位信号Ｓθｌは制御装置４にフィードバックされる。

力センサ２によって検出されるカベクトルｆとモーメン
トベクトルｍは、ハンド３によって把持されたワーク（
又は工具）６が外部環境に対して仕事をしたとき、ワー
ク６に外部環境から作用する力及びモーメントに基づく
ものである。しかし、この様に力センサ２で検出される
カベクトルｆとモーメントベクトルｍは、前記した様に
力センサ２に固定された座標系ｘｙｚで表わされる。従
つて、これらのカベクトルｆとモーメントベクトル冨を
第４図に示す様な静止座標系ＸＹＺに変換し、カベクト
ルｆｏとモーメントベクトルｍｏにする必要がある。座
標系ｘｙｚと座標系ＸＹＺの関係は産業用ロボットのア
クチュエータの変位により定するものであシ、カベクト
ルｆｏ　　とモーメントベクトルｍ。は次の式（１）　
、　（２）で求められる。

ｆｏ＝Ｔｆ　　　　　　・・・・・・・・・（１）ｍｏ
＝Ｔｍ　　　　　　・・・・・・・・・（２）ここで、
Ｔば３×３の行列であシ、この行列の要素は産業用ロボ
ット１の６個のアクチュエータの変位θ１〜θ６の関数
となる。従って、カベクトルｆｏ　とモーメントベクト
ルｍｏ　を決定するためには、先ず６個のアクチュエー
タから出力される変位信号（６個の変位信号のうち１個
の変位信号Ｓθｌだけが、第３図に示されている。）か
ら各アクチュエータの変位θ１〜θ６を計算し、この結
果から行列Ｔの値を計算し、式（１）　、　（２）かも
カベクトルｆｏ　とモーメントベクトルｍ６　を求める
。これらの演算は制御装置４で実行される。

産業用ロボット１のノ・ノド３の速度は、カベクトルｆ
ｏ　とモーメントベクトルｍ６　の線形変換により求め
られ、ハンド３の基準点Ｐの並進速度と回転速度を静止
座標系ＸＹＺでＶ　・ω　と表わすと、次の式（３）で
求められる。

ここで、Ａは６×６の行列であシ、この行列の要素は産
業用ロボット１の対象とする作業によって異なるもので
ある。

ところで、式（３）で定められる並進速度マ”と回転速
１−を・・ノド３の速度指令値とした場合、カベクトル
Ｔ０　　とモーメントベクトルｍ６　が不連続に変化し
たとき、並進速度Ｖ　と回転速度ωも不連続に変化し、
円滑な制御が行なえない。−般に力Ｆによシ剛体が運動
を行う場合、剛体の変位Ｘは、 ｍ　ｘ　＝　Ｆ　−ｃ　ｘ　　　−−−−（４）で与え
られる。ここで、ｍは剛体の質量、Ｃは粘性摩擦係数で
ある。式（４）から、 ｘ　＝　　ｆ　（Ｆ　−ｃ　ｘ　）　ｄｔ　　　　−−
−（５）と々す、速度Ｘは力Ｆから粘性摩擦分Ｃ；を除
いたものを積分すれば良いことがわかる。式（５）を離
散値系に書き直すと、 となシ、（ｎ−１）回目のサンプリング時の力Ｆｎ−ｏ
の検出結果から（ｎ−１）回目のサンプリング時の速度
に比例した値ｅＸ、ｆ　、を引き、その−を（ｎ−１）
回目の速度目標値：ｃｎ−、に加えれば良いことがわか
る。即ち、式（６）は、 ｘ　ｎ＝　−（Ｆｎ−、−ｃ　ｘ　、−０）＋ｘｎ−１
・・・・・・・・・（７）と書き直すことができる。こ
の方式を適用すると、カベクトルｆｏ　　とモーメント
ベクトルｍ６　にようハンド３がとるべきｎ回目の速度
指令値である並となる。ここで、ｍはスカシであシ、Ｃ
は６×６の対角行列、■は６×６の単位行列である。

さらに、一定の力及びモーメント（−ｃ）を出しＣ なから作業を行う場合は、力センサ２の検出結果窓する
必要があるため、式（８）は、 となる。ただし、（）ｎ−１は（ｎ−１）回目のサンプ
リング時の値である。

ところで、第１図に示す産業用ロボットの制御装置にふ
・いてカフィードバック制御を行う場合、産業用ロボッ
ト１の運動の全てが力センサ２の検出結果によって決定
されるわけではなく、例えば水平面のみがき作業を考え
た場合、水平方向は経路として与えられ、垂直方向だけ
が力センサ２の検出結果に基づくカフィードバックによ
り制御される。即ち、−収約には産業用ロゼツト１のハ
ンド３の運動として理想経路を教示し、この理想経路に
沿っての運動速度の内の幾つかをカフィードバックによ
シ修正する駆動方法が必要である。理Ａ ただし、Ａ′＝− 報として必要な成分を選び、さらに式（９）に行列Ｅを
かけたＥ（”）によシカフィードバックの成分ωｎ を選び、両者の和をハンド３の速度とする。即ち、ｎ回
目のサンプリング時のマｉｒ　”　ｔｌ−マ１（Ｂｉと
ｎ　　　　　ｎ すれば、ｎ回目のサンプリング時のハンド３の速度成分
マ　は、 即ち、作業に応じて行列Ａ’、Ｃ’、Ｄの数値を設定し
、式００の計算を制御装置４で行うことにより、力セン
サ２を用いたカフィードバックが可能になる。

この様にして産業用ロボット１の）・ノド３の速度が決
定されると、ＯｙＮットを駆動する６個のアクチュエー
タの速度み１〜δ６は、 で決定される。ここで、Ｊｌは逆ヤコビアン行列と呼ば
れるもので、その要素は６個のアクチュエータの変位θ
１〜θ６の関数である〇 第５図は、本発明の産業用ロボットの制御装置において
実行される処理の流れを示すフローチャートである。前
記した行列Ａ’　、　Ｃ’　、　Ｄの値は作業の内容に
よシあらかじめ設定され、第１図に示す制御装置４に記
憶されている。先ず制御装置４は、６個のアクチュエー
タの変位０１〜θ６を６個の速度・変位の検出器（第３
図参照）から読み取ジ、行列ＴとＪ−１の計算を行う。

次に力センサ２からカベクトルｆとモーメントベクトル
玉を読み取り、式（１）　、　（２）からカベクトルｆ
ｏ　　とモーメントベクトル玉０を決定する。

最初に産業用ロボットが停止しているとすると、？０と
ｃａｔ、、　（式α０に訃けるＶ’ｎ−１ｒ　Ｑ’。−
１のｎ　＝　ｌに釦ける値）は共に零であう、これらの
値から式αＯを用いてｘｉ　ｌ　＝２＋　ｘ３・・・・
・・・・・を順次計算し、九に対応する各アクチュエー
タの速度δ１〜δ６を式（１１）を用いて計算し、この
速度ｂ１〜δ６が各サーゼアンプに出力される。もちろ
ん、各アクチュエータの変位θ１〜θ６とカベクトルｆ
とモーメントベクトル玉の読み込みは各サンプリング毎
に行なわれる。

行列Ａ’、Ｄはカフィードバックによシどの様な運動を
産業用ロボットが行なうかを決定するための行列である
が、行列Ｃ′はカフィードバックによう産業用ロボット
が運動するときの応答性を決定する行列でちる。行列Ｃ
′が零行列のときは積分効果がなく、・・ンドへの速度
指令は力に比例するが、Ｃの値を正の値にとれば、速度
指令は力に対して−次遅れの応答になり、円滑な運動が
得られる・又、行列Ａ’、Ｃ’の値を零とし、Ｄ＝Ｉと
すると。

これは理想経路を目標とした経路制御となり・行列Ｄ＝
○とすると全軸カフィードバック制御のモードとなる。

〔発明の効果〕

以上、説明したように、本発明によれば、定常偏差を伴
うことなく高精度な制御が実現されるばかりか、サンプ
リング時間中、速度指令として一定値が出力されること
から、位置サーボ系に比し振動が少４ない制御が実現さ
れるものである。また、瞬間運動の情報を位置情報に変
換することは不要とされるから、演算量が少なくて済ま
されるばかりか、短縮されたサンプリング時間で以て制
御されることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の産業用ロボットの制御装置の一実施例
を示す全体構成図、第２図は第１図に示す力センサの座
標系を示す図、第３図は第１図に示す実施例のサーボ系
を示す図、第４図は第２図に示す力センサの座標系と静
止座標系の関係を示す図、第５図は本発明の産業用ロボ
ットの制御装置において実行される制御の流れを示す図
である。 １・・・産業用ロボット、２・・・力センサ、３・・・
ハンド、４・・・制御装置、５・・・サーボアンプ装置
、６ａ・・・アクチュエータ、７ａ・・・検出器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、サンプリング制御により制御される産業用ロボット
   の制御装置において、各サンプリング時でのアクチュエ
   ータの変位を検出する手段と、該変位検出結果からハン
   ドの速度をアクチュエータの速度に変換するための演算
   式の係数の数値を決定する手段を有し、ロボットを駆動
   するために定められたハンドの速度を各サンプリング毎
   の上記数値を用いて、ハンド速度に対応するアクチュエ
   ータ速度を求め、該アクチュエータ速度をアクチュエー
   タのサーボ系への指令値として出力し、ロボットを駆動
   することを特徴とした産業用ロボットの制御装置。