JPH04343690A - 多関節マニピュレータの関節摩擦補償方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自由空間及び拘束空間
において、溶接、組立等の多用な作業に使用される多関
節マニピュレータの関節動作制御に於ける関節摩擦補償
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】多関節マニピュレータによる実際の作業
に於いては、作業対象の位置等がデカルト空間（直交座
標空間）で認識されていることから、このデカルト（直
交座標空間）に基づいた制御方法を用いている。この制
御方法では、作業に適した直交座標系をマニピュレータ
先端に取付けたエンドイフェクタあるいはエンドイフェ
クタが把持するワーク近傍の任意の位置に設定し、この
設定した座標空間内での偏差に基づいて関節のアクチュ
エータへの駆動トルク指令を発生する。ここに於いて、
多関節マニピュレータにより溶接、組立等の高技術を要
する作業を実行させる場合には、作業に適したコンプラ
イアンスやインピーダンス等を所定の作業座標空間で実
現する必要があるのと同時に、マニピュレータに作用す
る重力の影響、運動に伴い発生する遠心力やコリオリ力
等の動的影響、及び関節で生じる摩擦の影響を可能な限
り修正補償しなければならない。

【０００３】現在ではＣＡＤデータからのダウンロード
あるいは実測等の手段によりマニピュレータを構成する
部材の質量，重心，慣性モーメント等を比較的容易に求
めることが出来るので、この諸元に従ってマニピュレー
タの動力学モデルを制御コンピュータ上に構築すれば、
これを用いて重力や動的効果に起因する影響を除去する
ための修正補償量を予め算出出来る。これに対してパラ
メータに不確定要因が多い摩擦関連の影響を除去するこ
とは困難で、これまでにも摩擦の低減を狙って様々な方
法が検討されてきた。

【０００４】代表的な従来技術としては以下のようなも
のが在る。 １．機構の構造や形状に工夫を施すことで関節そのもの
の摩擦を低減させる方法 ２．関節の角速度を測定し、その動方向に動摩擦を補償
する方法 ３．駆動トルクへ及ぼす摩擦の影響を外乱トルクとして
オブザーバにより推定し、推定したトルクをフィードバ
ックして摩擦の影響をキャンセルする方法この内で１は
そもそもマニピュレータの機構，構造に大きく依存する
ことから汎用性に欠け、一般的な方法ではない。次に、
２には原理的に静止摩擦の補償が出来ないという致命的
な欠点がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかして、３について
は、特公平１−２９６３０１号に記載の産業用ロボット
のサーボループ制御方法がある。しかしこの方法では摩
擦による外乱トルクの補償は可能であるが、同時にマニ
ピュレータにとっての本来の課題であるところの作業座
標空間における設定コンプライアンスやインピーダンス
の実現が達成出来ないという大きな欠点がある。これを
解決するには、例えダイレクトドライブ形マニピュレー
タのような本来トルク指令形のマニピュレータを用いる
場合であっても、マニピュレータの手先に力センサを余
計に取付けることが必要で、機構や制御系の構成が複雑
化するという欠点がある。こゝにおいて、本発明は前記
従来の課題に鑑み、より信頼性かつ汎用性のある多関節
マニピュレータの関節摩擦補償方法を提供せんとするも
のである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記課題の解決は、本発
明が次に列挙する新規な特徴的構成手段を採用すること
により達成される。即ち、本発明の第１の特徴は、マニ
ピュレータ先端に取付けたエンドイフェクタあるいはエ
ンドイフェクタが把持するワーク位置を設定した直交座
標系において求められた制御量に基づいて関節駆動トル
ク指令を算出し、該関節駆動トルク指令を前記マニピュ
レータの各関節のアクチュエータに入力して関節駆動ト
ルクを発生することにより運動が制御される多関節マニ
ピュレータにおいて、各関節に配置されたエンコーダに
より検出される関節角速度があらかじめ定めた基準角速
度以下の場合には前記関節駆動トルク指令と同符号の摩
擦補償トルク指令を発生し、また前記関節角速度が基準
角速度以上の場合には該関節角速度と同符号の摩擦補償
トルク指令を発生し、該摩擦補償トルク指令を前記関節
駆動トルク指令に加算して前記各関節に配置されたアク
チュエータに出力してなる多関節マニピュレータの関節
摩擦補償方法である。

【０００７】本発明の第２の特徴は、前記第１の特徴に
おける摩擦補償トルク指令にローパスフィルタ処理を施
した後に、関節駆動トルク指令に加算して各関節に配置
されたアクチュエータに出力してなる多関節マニピュレ
ータの関節摩擦補償方法である。

【０００８】

【作用】本発明は前記のような手段を講じたので、マニ
ピュレータ関節に配置されたエンコーダにより検出され
る関節角速度があらかじめ定めた基準角速度以下の場合
には関節駆動トルク指令と同符号の摩擦補償トルク指令
を、また基準角速度以上の場合には関節角速度と同符号
の摩擦補償トルク指令を発生し、その摩擦補償トルク指
令を前記駆動トルク指令に加算して各関節に配置された
前記アクチュエータに出力する多関節マニピュレータの
関節摩擦補償方法であるから、従来の技術では対処出来
なかった静止摩擦の影響に対処出来、しかも力センサを
導入しなくとも作業座標でのコンプライアンスやインピ
ーダンス設定の機能を保存したまゝ関節の摩擦を修正補
償出来、従ってマニピュレータ機構そのものを抜本的に
改良せずともよく、機構や制御系の構成が比較的簡素で
、従来の方法と比してより精密でありかつ汎用性も具有
する。

【０００９】

【実施例】

（第１実施例）本発明の第１実施例を図面につき詳説す
る。図１は本実施例を適用する多関節マニピュレータの
各関節の自由度と各リンク長を示す模式図、図２は本実
施例を適用する制御系構成図である。図中、Ａは軸旋回
，軸回転それぞれ３づつ計６自由度を有する多関節マニ
ピュレータ、１，２，３，４，５，６はそれぞれ多関節
マニピュレータＡの順次基部からの関節、７は多関節マ
ニピュレータＡの各関節に取付けるレーザロータリエン
コーダ、８はアップダウンカウンタ、９はＤ／Ａコンバ
ータ、１０はサーボアンプ、１１は全軸とも精密な力制
御のためトルク指令が可能なダイレクトドライブ方式の
アクチュエータ、１２はマニピュレータＡ全体の動作を
制御するコンピュータである。

【００１０】本実施例を適用する多関節マニピュレータ
Ａの仕様は、このような具体的実施態様を呈するので、
その動作を説明する。マニピュレータＡの各関節１〜６
に配置されたレーザロータリエンコーダ７によって検出
され途中アップダウンカウンタ８を経てコンピュータ１
２で演算された関節角速度、及びマニピュレータＡ先端
に取付けられた図示しないエンドイフェクタあるいはエ
ンドイフェクタが把持するワーク位置を設定した直交座
標系においてコンピュータ１２により求めた偏差に基づ
いて各関節１〜６のアクチュエータ１１の駆動トルクを
コンピュータ１２で算出し、次にこの駆動トルクをコン
ピュータ１２が参照することにより関節摩擦補償トルク
を定め、まず前記算出された駆動トルクに重力及び動的
効果等の補償トルク指令を加え、さらにそこへ前記定め
られた関節摩擦補償トルクを加算する一連のコンピュー
タ１２の演算処理で得た駆動トルク指令を改めてコンピ
ュータ１２からＤ／Ａコンバータ９およびサーボアンプ
１０を介してアクチュエータ１１へ出力する。

【００１１】こゝで、更に詳細な動作手順を段階を追っ
て説明する。まず、多関節マニピュレータＡの先端に取
付けた図示しないエンドフィクタ位置を設定した直交座
標系において、次式によりスティフネス及びダンピング
を設定する。

【式１】

【００１２】こゝで多関節マニピュレータＡに作用する
、コリオリ力・遠心力等の非線形項に対する補償を加え
て、その上で多関節マニピュレータＡの軌道制御を行う
場合には関節駆動トルクが次式で与えられる。

【式２】

【００１３】式（２）　に於いて、第１項目が作業座標
系において求められた偏差に基づいて算出された各関節
アクチュエータ１１の駆動トルクであり、第２項が動的
効果に対する補償トルクであり、第３項は重力に対する
補償トルクである。しかしながら、この第（２）　式に
於いてはマニピュレータＡの関節１〜６の摩擦により発
生するトルクが何等考慮されていない。ここにおいて、
第（２）　式で補償されていないマニピュレータＡの関
節摩擦を積極的に補償するため、本発明では以下のよう
に式を設定する。

【式３】

【００１４】従って第（２）　式より算出される関節駆
動トルクτａ　に、第（３）　〜（５）　式で求められ
る関節摩擦補償トルクτｆｒｃ　を加えたものを最終的
に駆動トルク指令として関節アクチュエータ１１に出力
すれば、第（３）　式により関節動摩擦が、第（４）　
式により関節静止摩擦が補償出来る。第（５）　式の条
件は、マニピュレータＡの静止時において作業座標系に
て計算される偏差が小さな場合であって、関節摩擦に関
して補償する必要のない場合に用いる。

【００１５】（第２実施例）本発明の第２実施例を説明
する。第１実施例に於いて、第（３）　式〜第（５）　
式を用いたトルク切替え指令は何れも瞬間的なものであ
るから、アクチュエータ１１への駆動トルク指令には結
果的に高周波成分が多く含まれることとなる。この現象
により実際のマニピュレータの使用に於いて、マニピュ
レータ機構系の固有振動を励起し、制御特性を悪化させ
る事態が生じる。これに対処すべく、第１実施例で求め
た関節摩擦補償トルクτｆｒｃ　を以下の第（６）　式
で示される伝達関数特性を持つローパスフィルタを通し
て高周波成分を除去した後に、前記第（２）　式の駆動
トルク指令に加算する。

【式４】 この結果、マニピュレータの機構振動を励起することな
く、関節摩擦を補償することが出来る。

【００１６】（実験例）次に、本発明による自由空間内
でのマニピュレータの手先軌道追従実験の説明を行う。 本実験では、マニピュレータＡの手先部を直線移動して
、本発明の成果度合を調べた。なお手先の軌道目標値は
目標加速度波形が正弦波状になるように計算した。この
ときの最大加速度は１２００ｍｍ／ｓ２　、最大速度は
４８０ｍｍ　／ｓ　、移動経路は図１右下に示した座標
軸に於いて（Ｘ，Ｙ，Ｚ）　＝（５００，４００，０）
　〜（２００，４００，０）　、移動距離は３００ｍｍ
　、移動時間は１．３ｓであった。図３は本実験例で用
いたフィードバックゲインのマトリックスである。マニ
ピュレータＡ手先の並進自由度に対するフィードバック
ゲインは各軸ともに５０００Ｎ　／ｍ　であり、市販の
ＲＣＣデバイスの並進合成と同程度の比較的柔軟な機構
を実現出来る値である。第１関節１の軸の静止摩擦、動
摩擦はともに４Ｎｍ　とした。また本実験例で用いたマ
ニピュレータＡの第１関節１は約８０Ｈｚに共振点を有
しているため、ローパスフィルタのカットオフ周波数は
５０Ｈｚに設定した。

【００１７】前記したフィードバックゲインに基づく駆
動トルク指令に重力及び動的効果の補償トルクを加え、
さらに第１関節１に関しては関節摩擦補償トルクにロー
パスフィルタ処理を施した値を加えて軌道追従実験を行
った。なおコンピュータ１２のプログラム言語にはＣ言
語を使用し、制御周期は駆動トルク計算に関しては０．
００２ｓｅｃ、重力及び動的効果に対する補償トルク計
算に関しては０．００４ｓｅｃである。図４は本発明の
関節摩擦補償方法を適用しない場合のマニピュレータＡ
の手先の軌道追従誤差結果であり、図５は本発明の関節
摩擦補償方法を適用した場合の同・誤差結果である。図
４，５を比較すると、本発明を適用した場合にはマニピ
ュレータＡの機構振動が励起することなく、関節１〜６
の摩擦によるマニピュレータＡ手先への影響が著しく低
減されていて、本発明によりマニピュレータＡの軌道追
従性能が改善され定常偏差も抑圧されていることが証明
されている。

【００１８】前記した実施例では、マニピュレータＡ先
端に取付けたエンドイフェクタにより設定した作業座標
系での制御則に付いて説明したが、本発明の関節摩擦補
償方法はこれに限定されるものではなく、各作業に応じ
て、エンドイフェクタが把持するワークにより設定した
作業座標系に於いても使用可能である。また制御則に付
いても、慣性効果を考慮したインピーダンス形の制御則
や力に関する制御則等、作業の本質に関わる殆ど全ての
制御則に適用可能である。更に前記した実施例ではダイ
レクトドライブ方式のマニピュレータの例を説明したが
、本発明は減速器を有するマニピュレータの場合にも勿
論適用可能である。

【００１９】

【発明の効果】かくして本発明方法によれば、従来のマ
ニピュレータ関節の摩擦の影響を補償するための技術で
は対処出来なかった静止摩擦の影響に対処出来、またマ
ニピュレータ機構そのものを抜本的に改良せずともよく
、機構や制御系の構成が大幅に複雑にならず、多関節マ
ニピュレータの関節摩擦補償方法を、従来の方法と比し
てより汎用性のあるものとし、かつマニピュレータの手
先に新たに力センサを設けることも不必要で、コンプラ
イアンスやインピーダンス設定の機能も保持したまま関
節の摩擦を補償出来、従来の方法と比してより精密な動
作を実現する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用する多関節マニピュレータの各関
節の自由度と各リンク長を示す模式図である。

【図２】同上の制御系構成図である。

【図３】実験例で用いたフィードバックゲインのマトリ
ックスである。

【図４】実験例に於いて、本発明の関節摩擦補償方法を
適用しない場合の、マニピュレータの手先の軌道追従結
果の手先位置誤差履暦線図である。

【図５】同上、本発明の関節摩擦補償方法を適用した場
合の、マニピュレータの手先の軌道追従結果の手先位置
誤差履暦線図である。

【符号の説明】

Ａ…多関節マニピュレータ １…マニピュレータの基部側からの第１関節２…同、第
２関節 ３…同、第３関節 ４…同、第４関節 ５…同、第５関節 ６…同、第６関節 ７…エンコーダ ８…カウンター ９…Ｄ／Ａコンバータ １０…サーボアンプ １１…アクチュエータ １２…コンピュータ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】マニピュレータ先端に取付けたエンドイフ
   ェクタあるいはエンドイフェクタが把持するワーク位置
   を設定した直交座標系において求められた制御量に基づ
   いて関節駆動トルク指令を算出し、該関節駆動トルク指
   令を前記マニピュレータの各関節のアクチュエータに入
   力して関節駆動トルクを発生することにより運動が制御
   される多関節マニピュレータにおいて、各関節に配置さ
   れたエンコーダにより検出される関節角速度があらかじ
   め定めた基準角速度以下の場合には前記関節駆動トルク
   指令と同符号の摩擦補償トルク指令を発生し、また前記
   関節角速度が基準角速度以上の場合には該関節角速度と
   同符号の摩擦補償トルク指令を発生し、該摩擦補償トル
   ク指令を前記関節駆動トルク指令に加算して前記各関節
   に配置されたアクチュエータに出力することを特徴とす
   る多関節マニピュレータの関節摩擦補償方法【請求項２
   】発生された摩擦補償トルク指令にローパスフィルタ処
   理を施した後に、関節駆動トルク指令に加算して各関節
   に配置されたアクチュエータに出力することを特徴とす
   る請求項１記載の多関節マニピュレータの関節摩擦補償
   方法