JPH04365102A - ロボットの制御方法 - 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、多軸型関節ロボットの
制御方法に関し、更に詳しくは、エンドエフェクタの位
置と姿勢の指令値から関節変位の指令値を求めることに
よって多軸関節を駆動制御するロボットの制御方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の制御方法、即ち図３に示
すアルゴリズムのフローチャートに従った制御方法を適
用したロボットを図４を参照しながら説明すると、従来
のこの種のロボットは、図４に示すように、床面に固定
されたロボットのベース４０と、ベース４０に対して第
１関節５１を介して連結され且つ鉛直軸周りに回転する
第１リンク４１と、第１リンク４１に対して第２関節５
２を介して連結され且つ第２関節５２を中心に上下に揺
動する第２リンク４２と、第２リンク４２に対して第３
関節５３を介して連結され且つ第３関節５３を中心に揺
動する第３リンク４３と、第３リンク４３の先端に対し
て第４関節５４を介して連結され且つ第４関節５４の軸
芯を中心に回転する第４リンク４４と、第４リンク４４
に対して第５関節５５を介して連結され且つ第５関節５
５を中心に揺動する第５リンク４５と、第５リンク４５
の先端に対して第６関節５６を介して連結され且つ第６
関節５６の軸芯を中心に回転するエンドエフェクタ４６
とを備えて構成されている。そして、第２関節５２は第
１関節５１に対して直交する方向に、第３関節５３は第
２関節４２に対して平行する方向に、第４関節５４は第
３関節５３に対して直交する方向に、第５関節５５は第
４関節５４に対して直交する方向に、第６関節５６は第
５関節５５に対して直交する方向に、それぞれ配設され
ている。また、第４関節５４、第５関節５５及び第６関
節５６はそれぞれの関節軸が一点で交叉するように構成
されている。

【０００３】また、図４において、６１は手先座標で、
その原点はエンドエフェクタ４６の先端に一致し、その
ｘ軸は第６関節の関節軸方向に一致し、そのｙ軸は第６
関節５６の変位が０度のとき第５関節５５の関節軸方向
に一致するようになっている。また、同図において、６
２は手首座標で、その原点は第５関節５５と第６関節５
６の関節軸との交点に一致し、そのｘ軸は第６関節５６
の関節軸の方向に一致し、そのｙ軸は第６関節５６の変
位が０度のとき第５関節５５の関節軸方向に一致するよ
うになっている。

【０００４】図４に示す６軸関節型ロボットの従来の制
御方法は、図３に示すアルゴリズムのフローチャートに
従ってエンドエフェクタ４６の位置と姿勢の指令値が与
えられた時の関節変位の指令値を計算することによって
制御するようにしている。このアルゴリズムは、例えば
、米国Ｐｕｒｄｕｅ大学のＦｕ教授らが著わした「ＲＯ
ＢＯＴＩＣＳ：Ｃｏｎｔｒｏｌ，Ｓｅｎｓｉｎｇ，Ｖｉ
ｓｉｏｎ，ａｎｄ　　Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｓｅ」（１
９８７年）（または、本多庸悟教授監訳：「ロボティク
ス」日刊工業新聞社発行）に記載されている。

【０００５】エンドエフェクタ４６の位置の指令値が手
先座標６１の原点の位置座標で与えられ、エンドエフェ
クタ４６の姿勢の指令値が手先座標６１のｘ軸、ｙ軸、
ｚ軸の方向ベクトルで与えられると、まず、図３に示す
ステップ１５で手首座標６２の原点の位置座標、及び手
首座標６２のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の方向ベクトルを計算す
る。

【０００６】図４に示すロボットでは、手首座標６２の
原点の位置座標は、第１関節５１、第２関節５２及び第
３関節５３の各関節変位θ１　、θ２　、θ３　のみに
よって決定され、第４関節５４、第５関節５５及び第６
関節５６の各関節変位θ４　、θ５　、θ６　には依存
しない構造になっている。従って、手首座標６２の原点
の位置座標を（Ｐｗｘ，Ｐｗｙ，Ｐｗｚ）とすると、Ｐ
ｗｘ、Ｐｗｙ、Ｐｗｚは、それぞれθ１　、θ２　、θ
３　のみの関数として、以下の式に示すようになる。 Ｐｗｘ＝Ｆ１　（θ１　，θ２　，θ３　）Ｐｗｙ＝Ｆ
２　（θ１　，θ２　，θ３　）Ｐｗｚ＝Ｆ３　（θ１
　，θ２　，θ３　）これらの式は、θ１　、θ２　、
θ３　に関する３元連立方程式になっている。ステップ
３２ではこの方程式を解くことにより、手首座標６２の
原点の位置座標から、第１関節５１、第２関節５２及び
第３関節５３の各関節変位θ１　、θ２　、θ３　を計
算する。

【０００７】このようにして各関節変位θ１　、θ２　
、θ３　を求めると、これらの値を用いて手首座標６２
の各座標軸の方向ベクトルから第４関節５４、第５関節
５５及び第６関節５６の各関節変位の指令値θ４　、θ
５　、θ６　を順次計算することができる（ステップ３
３）。また、図４に示す６軸型ロボットでは、上述のよ
うに手首座標６２の原点の位置座標が、第１関節５１、
第２関節５２及び第３関節５３の各関節変位のみによっ
て決定される構造になっているため、図３に示す従来の
アルゴリズムによってエンドエフェクタ５６の位置と姿
勢の指令値から関節変位の指令値を求めることができた
。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ロボットの制御方法におけるアルゴリズムは、全ての構
造のロボットに対して適用することができるというもの
ではなく、例えば、第４関節５４、第５関節５５及び第
６関節５６の各関節軸が図１に示すようなオフセット手
首を有する６軸型ロボットのように一点で交わらない構
造のロボットでは、手首座標６２の原点の位置座標が、
第１関節５１、第２関節５２及び第３関節５３の各関節
変位だけでなく、第４関節５４の関節変位にも依存する
ため、上記のようなθ４　、θ５　、θ６　に関する３
元連立方程式を得ることができないため、図５に示すス
テップ３２において、手首座標６２の原点位置から第１
関節５１、第２関節５２及び第３関節５３の各関節変位
の指令値を求めることができなかった。

【０００９】そのため、従来のロボットの制御方法では
、オフセット手首を有するロボットのように各リンクの
連結構造を自由に選択することができず、それだけ機構
設計が複雑になり、その結果、ロボットの機構部分の剛
性が低下したり、コストが高くなるなどの課題があった
。また、逆に、機構部分のコストを下げるために機構設
計が簡単な構造のロボットにすると、関節変位の指令値
を求めるために繰り返し計算するなどの複雑な計算を行
なわなくてはならず、高速で高価格のコントローラーを
用いる必要があるなどの課題があった。

【００１０】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたもので、リンクが任意の連結構造、例えばオフセッ
ト手首を有するようなロボットであっても、繰り返し計
算するなどの複雑な計算を行なうことなく、エンドエフ
ェクタの位置と姿勢の指令値から簡単な計算をするだけ
で関節変位の指令値を求めることができるロボットの制
御方法を提供することを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明のロボットの制御
方法は、エンドエフェクタが連続軌跡上を移動するとき
関節変位の動きもまた連続性を保っていることに着目し
てなされたもので、過去の関節変位の指令値、あるいは
過去の関節変位の指令値とエンドエフェクタの移動速度
から現在の関節変位の指令値の推定値を計算し、この推
定値とエンドエフェクタの位置と姿勢の指令値とから関
節変位の指令値を計算することにより、エンドエフェク
タの位置と姿勢の指令値から関節変位の指令値を決定す
るようにしたものである。

【００１２】また、本発明のロボットの制御方法は、ロ
ボットの関節を、主としてエンドエフェクタの位置を制
御する第一の関節群と、主としてエンドエフェクタの姿
勢を制御する第二の関節群とに分類し、過去の関節変位
の指令値、あるいは過去の関節変位の指令値とエンドエ
フェクタの移動速度から上記第一の関節群の関節変位の
指令値の推定値を計算し、上記第一の関節群の関節変位
の指令値の推定値とエンドエフェクタの姿勢の指令値と
から上記第二の関節群の関節変位の指令値を計算し、上
記第二の関節群の関節変位の指令値とエンドエフェクタ
の位置の指令値とから上記第一の関節群の関節変位の指
令値を計算することにより、エンドエフェクタの位置と
姿勢の指令値から関節変位の指令値を決定するようにし
たものである。

【００１３】

【作用】本発明によれば、過去の関節変位の指令値、あ
るいは過去の関節変位の指令値とエンドエフェクタの移
動速度から現在の関節変位の指令値の推定値を計算し、
計算された推定値とエンドエフェクタの位置と姿勢の指
令値とから関節変位の指令値を更に計算することによっ
て、エンドエフェクタの位置と姿勢の指令値から関節変
位の指令値を決定することによってエンドエフェクタの
位置を制御することができる。

【００１４】また、本発明によれば、主としてエンドエ
フェクタの姿勢を制御する関節の指令値を最初に求め、
次いで、主としてエンドエフェクタの位置を制御する関
節の指令値を求めるもとによってエンドエフェクタの位
置を誤差なく制御することができる。

【００１５】

【実施例】以下、図１及び図２に示す実施例に基づいて
図５をも参照しながら従来と同一または相当部分には同
一符号を付して本発明を説明する。尚、各図中、図１は
本発明のロボットの制御方法の一実施例を示すフローチ
ャート、図２は本発明のロボットの制御方法の他の実施
例を示すフローチャートである。

【００１６】実施例１ 本実施例のロボットに制御方法は、例えば、従来の制御
方法を適用することができなかった、第４関節５４、第
５関節５５及び第６関節５６の各関節軸が一点で交わら
ない構造のオフセット手首を有する６軸型ロボット（図
５参照）についても好ましく適用することができる。本
実施例のロボットの制御方法においては、図２のフロー
チャートに示すように、制御周期毎の処理内容は、各制
御周期におけるエンドエフェクタ４６の位置と姿勢との
指令値を計算するステップ１１と、過去の関節変位の指
令値から現在に制御周期における関節変位の指令値の推
定値を計算するステップ１２と、ステップ１１において
計算されたエンドエフェクタ４６の位置と姿勢との指令
値と、ステップ１２において計算された関節変位の指令
値の推定値とから現在の制御周期における関節変位の指
令値を計算するステップ１３と、ステップ１３で計算さ
れた関節変位の指令値に基づいてロボットの関節変位を
制御するステップ１４とからなっている。

【００１７】これを図５に示すロボットを例に挙げて更
に詳述する。まず、現在の制御周期におけるエンドエフ
ェクタ４６の位置と姿勢の指令値、即ち、手先座標６１
の原点の位置座標とｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の方向ベクトルを
計算する（ステップ１１）。図５に示すロボットでは、
手首座標６２の原点の位置座標が第１関節５１、第２関
節５２、第３関節５３及び第４関節５４の各関節変位に
依存するため、手首座標６１の原点の位置座標Ｐｗｘ、
Ｐｗｙ、Ｐｗｚは、それぞれθ１　、θ２　、θ３　、
θ４の関数となっており、このことは以下の式によって
表わすことができる。 Ｐｗｘ＝Ｆ１　（θ１　，θ２　，θ３　，θ４　）Ｐ
ｗｙ＝Ｆ２　（θ１　，θ２　，θ３　，θ４　）Ｐｗ
ｚ＝Ｆ３　（θ１　，θ２　，θ３　，θ４　）この方
程式は、式の数より変数の数の方が多いため、このまま
では解くことができない。しかし、変数θ４　が既知で
あればこれらの式はθ１　、θ２　、θ３　に関する３
元連立方程式となり、θ１　、θ２　、θ３　を求める
ことができる。従って、第４関節５４の指令値θ４　の
値を何らかの方法によって推定し、この推定値を上記各
式に代入することによってθ１　θ２　、θ３　に関す
る３元連立方程式として得ることができる。更に、この
ようにして得られた３元連立方程式を解くことにより、
第１関節５１、第２関節５２及び第３関節５３の指令値
θ１　、θ２　、θ３　を求めることができる。

【００１８】而して、ステップ１２は第４関節５４の指
令値θ４　の推定値θｅ４を計算するステップである。 制御周期が十分短い場合には、１制御周期の間に関節が
移動する量は微小であり、現在の制御周期における関節
変位の指令値は１回前の制御周期における関節変位の指
令値と略等しいと考えられる。そこで、ステップ１２で
は第４関節５４の関節変位の指令値θ４　の推定値θｅ
４を以下の式によって計算する。尚、下記式において、
θｐ４は１回前の制御周期における第４関節５４の関節
変位の指令値である。 θｅ４＝θｐ４

【００１９】次に、ステップ１５において、手先座標６
１の原点の位置座標と各座標軸の方向ベクトルから手首
座標６２の原点の位置座標と手首座標６２のｘ軸、ｙ軸
、ｚ軸の方向ベクトルを計算する。

【００２０】また、ステップ１６は第１関節５１、第２
関節５２及び第３関節５３の指令値θ１　、θ２　、θ
３　を計算するステップで、このステップでは、先に説
明したように、ステップ１２で求めた第４関節５４の関
節変位の指令値θ４　の推定値θｅ４を用いて上記方程
式の解を計算することにより、第１関節５１、第２関節
５２及び第３関節５３の関節変位の指令値θ１　、θ２
　、θ３　を計算する。

【００２１】更に、ステップ１７では、ステップ１６に
おいて求められた、第１関節５１、第２関節５２及び第
３関節５３の関節変位の指令値θ１　、θ２　、θ３　
と、手首座標６２の各座標軸の方向ベクトルから第４関
節５４、第５関節５５及び第６関節５６の各関節変位の
指令値θ４　、θ５　、θ６　を計算するステップであ
る。ここでは図５に示す従来の制御方法のステップ３３
と全く同じ計算を行なうことにより、指令値θ４　、θ
５、θ６　を計算する。最後に、以上のようにして求め
た各関節の指令値に基づいて関節変位を制御して（ステ
ップ１４）、１制御周期の処理を終了する。

【００２２】実施例２ 上記実施例では、第４関節５４の関節変位の指令値θ４
　の推定値θｅ４を用いて第１関節５１、第２関節５２
及び第３関節５３の関節変位の指令値θ１　、θ２　、
θ３　を計算した。ところが推定値θｅ４には通常、推
定誤差が含まれているため、これを用いて計算した指令
値θ１　、θ２　、θ３　も誤差を含み、エンドエフェ
クタ４６の位置が指令値と厳密には一致しなくなる。そ
こで、便宜上、第１関節５１、第２関節５２及び第３関
節５３を主としてエンドエフェクタ４６の位置を制御す
る関節、第４関節５４、第５関節５５及び第６関節５６
を主としてエンドエフェクタ４６の姿勢を制御する関節
として分類し、図２に示すフローチャートに示すアルゴ
リズムに従って関節変位の指令値を求めることによって
エンドエフェクタ４６の位置を指令値に厳密に一致させ
ることができる。 即ち、ステップ２１で第１関節５１、第２関節５２及び
第３関節５３の指令値θ１　、θ２　、θ３　の各推定
値θｅ１、θｅ２、θｅ３を図１に示すステップ１２と
同様の計算式に基づいて計算する。

【００２３】次に、ステップ２２で、上記各推定値θｅ
１、θｅ２、θｅ３とエンドエフェクタ４６の姿勢の指
令値（手先座標６１の各座標の方向ベクトル）とから、
図３に示す従来の方法のステップ３３と同様の計算によ
り、第４関節５４、第５関節５５及び第６関節５６の各
関節変位の指令値θ４　、θ５　、θ６　を計算する。 これによって各指令値θ４　、θ５　、θ６　が決まる
と、エンドエフェクタ４６の位置の指令値（手先座標６
１の原点座標）から指令値θ１　、θ２　、θ３　に関
する３元連立方程式を導くことができる。ステップ２３
でこれを解くことにより、第１関節５１、第２関節５２
及び第３関節５３の指令値θ１　、θ２　、θ３　を計
算する。

【００２４】図２に示すアルゴリズムでは、ステップ２
２で求めた上記各指令値θ４　、θ５、θ６　を用いて
、ステップ２３でエンドエフェクタ４６の位置の指令値
を厳密に満足するような上記各指令値θ１　、θ２　、
θ３　を計算することができ、エンドエフェクタ４６の
位置をその指令値に誤差なく一致させることができる。

【００２５】実施例３ 上記実施例１及び２では、関節変位の指令値の推定値を
１回前の制御周期における指令値としたが、１回前の指
令値だけでなくそれ以前の指令値をも併用して推定値を
計算することにより、推定の精度を向上させることがで
き、精度のよい制御を実現することができる。

【００２６】また、過去の関節変位の指令値だけでなく
、エンドエフェクタ４６の移動速度も用いて推定値を計
算することにより、更に制御の精度を向上させることが
できる。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、過
去の関節変位の指令値から現在の関節変位の指令値を推
定し、この推定値とエンドエフェクタの位置と姿勢とか
ら関節変位の指令値を求めるようにしたことから、リン
クが任意の連結構造、例えばオフセット手首を有するよ
うなロボットであっても、簡単な計算をするだけで関節
変位の指令値を求めることができ、延いてはロボットの
自由度の構成を任意に選択することができるようになり
、ロボットの性能の向上とコストダウンを図ることがで
きる。

【００２８】また、ロボットの関節を、主としてエンド
エフェクタの位置を制御する関節と、主としてエンドエ
フェクタの姿勢を制御する関節とに分類し、まず、最初
に関節の指令値とエンドエフェクタの姿勢の指令値とか
ら主としてエンドエフェクタの姿勢を制御する関節指令
値を求め、次に主としてエンドエフェクタの姿勢を制御
する関節の指令値とエンドエフェクタの位置の指令値と
から主としてエンドエフェクタの位置を制御する関節の
指令値を求めることにより、エンドエフェクタの位置を
指令値に誤差なく一致させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明のロボットの制御方法の一実施例
を示すフローチャートである。

【図２】図２は本発明のロボットの制御方法の他の実施
例を示すフローチャートである。

【図３】図３は従来のロボットの制御方法を示すフロー
チャートである。

【図４】図４は従来のロボットの制御方法を適用するこ
とができるロボットの一例を示す斜視図である。

【図５】図５は従来のロボットの制御方法を適用するこ
とができないが、本発明のロボットの制御方法を適用す
ることができるロボットの一例を示す斜視図である。

【符号の説明】

１１　　エンドエフェクタの位置と姿勢の指令値を計算
するステップ １２　　関節変位の指令値の推定値を計算するステップ
１３　　関節変位の指令値の推定値とエンドエフェクタ
の位置と姿勢の指令値から関節変位の指令値を計算する
ステップ １４　　関節変位を制御するステップ １５　　手首座標の原点座標と各座標軸方向ベクトルを
計算するステップ ２１　　関節変位の指令値の推定値を計算するステップ
２２　　主としてエンドエフェクタの姿勢を制御する関
節の関節変位の指令値を計算するステップ２３　　主と
してエンドエフェクタの姿勢を制御する関節の関節変位
の指令値を計算するステップ３２　　関節変位の指令値
を計算するステップ３３　　関節変位の指令値を計算す
るステップ４０　　ロボットのベース ４６　　エンドエフェクタ ６１　　手先座標 ６２　　手首座標

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　（１）エンドエフェクタの位置と姿勢
   が指定された軌跡上を連続的に移動するようにロボット
   の関節変位を制御する多軸関節型ロボットの制御方法に
   おいて、（２）過去の関節変位の指令値、あるいは過去
   の関節変位の指令値とエンドエフェクタの移動速度から
   現在の関節変位の指令値の推定値を計算し、（３）上記
   関節変位の指令値の推定値とエンドエフェクタの位置と
   姿勢の指令値とから関節変位の指令値を計算することに
   より、（４）エンドエフェクタの位置と姿勢の指令値か
   ら関節変位の指令値を決定することを特徴とするロボッ
   トの制御方法。
2. 【請求項２】　　（１）エンドエフェクタの位置と姿勢
   が指定された軌跡上を連続的に移動するようにロボット
   の関節変位を制御する多軸関節型ロボットの制御方法に
   おいて、（２）ロボットの関節を、主としてエンドエフ
   ェクタの位置を制御する第一の関節群と、主としてエン
   ドエフェクタの姿勢を制御する第二の関節群とに分類し
   、（３）過去の関節変位の指令値、あるいは過去の関節
   変位の指令値とエンドエフェクタの移動速度から上記第
   一の関節群の関節変位の指令値の推定値を計算し、（４
   ）上記第一の関節群の関節変位の指令値の推定値とエン
   ドエフェクタの姿勢の指令値とから上記第二の関節群の
   関節変位の指令値を計算し、（５）上記第二の関節群の
   関節変位の指令値とエンドエフェクタの位置の指令値と
   から上記第一の関節群の関節変位の指令値を計算するこ
   とにより、（６）エンドエフェクタの位置と姿勢の指令
   値から関節変位の指令値を決定することを特徴とするロ
   ボットの制御方法。