JPH0443744B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔発明の利用分野〕 本発明は、ロボツトを実際に作業に応用する際
に有用なロボツトのフレキシビリテイを増すよう
にしたロボツトの制御方式に関するものである。 〔発明の背景〕 ロボツトを現場の加工又は組立ラインで使用す
る場合、そのままの形で使用される例は少なく、
ロボツトの先端にあるハンド部に、あるいはアー
ム部とハンド部の間にツールを設置して初めて現
場での稼働が実現する事が多い。そのツールは、
機構的に見て、自由度が０（動かない）の場合よ
り、１，２あるいはそれ以上の場合が多い。この
傾向は、作業が複雑，高度化する程高まる傾向に
ある。また、同じ作業でも、サイズの異る対象物
を扱う時は、異なるツールと交換することも必要
である。さらに、異る作業を、ロボツトにさせる
場合は、ツール交換の必要性は、一層高まる。こ
のツール交換は、手間がかかり、生産時間、コス
トの面から見て無駄な要因である点は明白であ
り、その他に、これから派生する信頼性を保持す
るためのツールの保守、管理等、多くの問題を持
つ。 また、別の見方をすれば、ロボツトとは、従来
の自動機械が単一の部品、作業しか対象とできな
かつた点と異り、多品種の部品を扱い、異る作業
を同一の機械で可能である点に、その大きな意義
がある。このため、ロボツトが、品種、作業が変
わる度に、ツールの交換が必要であるとすると、
汎用性あるいはフレキシビリテイの面から、ロボ
ツトとしての特徴を誇示しにくい。しかし、この
ようなツール交換或いはこれと同等の事を、現在
のロボツト技術では行なわざるを得ないのが現実
であり、汎用性、フレキシビリテイが期待されて
いる程高くない所に問題がある。これに対処する
ために、ツールに汎用性を持たせることが考えら
れるが、汎用性を持つツールとは、往々にして、
機構が複雑であり、不必要な部分を含む場合が多
く、ツール交換を行なう場合より、むしろ無駄が
多くなることがある。このように、機構だけで解
決しようとすると、逆に、このフレキシビリテイ
という問題は、より難しくなるという性質を持
つ。 ここで従来より使用されているツールについて
説明する。第１図は、ロボツトの外形を示したも
のであるが、アーム部１のさらに先にツール（含
ハンド）２を設置する場合が多い。このツール２
を自由度別に分けて説明する。第２図ａ，ｂは、
１自由度のツールを示してある。第２図ａに示す
ハンド３ａはベース６に対して並進する。また第
２図ｂに示すハンド３ａはベース６に対して回転
をする。ここで各ハンド３ａ，３ｂにバネ４、及
びダンパ５を加える。バネ４は、一般に知られる
ように復元力を生じ、ダンパ５は粘性力を生じ運
動の安定化に寄与する。尚、ここで必ずしも両者
を共に加える必要は無い。第３図は２自由度のツ
ールを示してあるが、ハンド３ｃは部材８に対し
てガイドレール７上を並進する（ｘ軸方向）。ま
た部材８は、ベース６に対して並進する（ｙ軸方
向）。第４図は、３自由度のツールを示してあり、
同様に、ハンド３ｄは部材１０に対して並進し
（ｘ軸方向）、部材１０は部材１１に対して並進し
（ｘ軸方向）、また部材１１はベースに対して並進
する（ｙ軸方向）。 上記ベース６として示した所が、実際にロボツ
トに取付ける時には、第１図に示すロボツトのア
ーム部１となる。 更にRCC（遠隔中心コンプライアンス）機構に
ついて考察する。 RCC機構は、以上の所まで述べたロボツト用
ツールとして組立、はめあい作業に適する代表的
な例である。実際のRCC機構は空間機構である
が、その原理を説明するために平面機構（２自由
度）として第５図として表示した。RCC機構を
２自由度の平面機構とみなしても、原理の上か
ら、何らRCC機構の原理を損なうもので無いた
め、ここでは、RCC機構とは第５図に示す機構
として説明する。 ここでワーク９はハンド３ｅに把握されている
ために、ベース６に対して２自由度機構を持つ。
ベース６、部材１０ａ、部材１０ｃ及び部材１０
ｂより構成される平行四辺形リンク機構により、
ワーク９はベース６に対し変位が微小であれば、
並進運動を行ない。部材１０ｃ、部材１０ｄ、ハ
ンド３ｅ及び部材１０ｅにより構成される台形リ
ンク機構によりＱ点を瞬間回転中心（遠隔中心）
として、ワーク９は変位が微小であれば回転運動
を行なう。また、これらの並進及び回転運動がは
めあいに有効となる様に、第５図のように各部材
が配置されており、そこには、各バネ４（複数）、
各ダンパ５（複数）が第５図のように配置されて
いる。 RCC機構を以上のような機構であると言い換
えることができる理由は、機能の上から両者はほ
ぼ同一であると言うことができるからである。 〔発明の目的〕 本発明の目的は上記従来技術の問題点に鑑み、
ソフトウエアの面からロボツトのフレキシビリテ
イを増加させ、ツール交換をしなくても様々な作
業を施行できる汎用性のあるロボツトの制御方式
を提供するにある。 〔発明の概要〕 即ち本発明は、ロボツトに加えられた力または
モーメントまたはその両者（Ｆ→_o-1）を検出する
第１の検出手段と、該第１の検出手段によつて検
出された力またはモーメントまたはその両者であ
る力信号（Ｆ→_o-1）と予め定められた力またはモ
ーメントまたはその両者の基準となる基準力信号
（Ｆ→_c.o-1）との差（Ｆ→_o-1−Ｆ→_c,o-1の）を計算
する
第１の計算手段と、ロボツトの現在の位置または
姿勢またはその両者（ｘ→_o-1）を検出する第２の
検出手段と、該第２の検出手段によつて検出され
た現在の位置または姿勢またはその両者である第
１の位置信号（ｘ→_o-1）と予め定められた位置ま
たは姿勢またはその両者の基準となる位置信号
（ｘ→〓_,o-1）との差（ｘ→_o-1−ｘ→〓_,o-1）を計算
する第
２の計算手段と、該第２の計算手段で計算された
位置信号を線形変換して力信号（L₁（ｘ→_o-1−ｘ→〓_,
o
−１）を計算する第３の計算手段と、上記第１の計
算手段で計算された力信号（Ｆ→_o-1Ｆ→_c,o-1）と第
３の計算手段で計算された力信号｛L₁（ｘ→_o-1−ｘ→
〓_，ｏ−１）｝との差〔（Ｆ→_o-1−Ｆ→_c,o-1）−L₁（
ｘ→_o-1−ｘ→〓_,o
−１）〕を計算する第４の計算手段と、該第４の計
算手段で計算された力信号を線形変換して第１の
速度信号｛L₂〔（Ｆ→_o-1−Ｆ→_cvo-1）−L₁（ｘ→_o-1
−ｘ→〓_,o-
１）〕｝を計算する第５の計算手段と、前回の積分
効果信号（υ→_o-1）を線形変換して第２の速度信
号（L₃υ→_o-1）を計算する第６の計算手段と、第
５の計算手段で計算される第１の速度信号と第６
の計算手段で計算される第２の速度信号との差
｛L₂〔（Ｆ→_o-1−Ｆ→_c,o-1）−L₁（ｘ→_o-1−ｘ→〓_,
o-1）〕−L₃υ→
_ｏ−１｝を次回の積分効果信号（υ→_o）として計算す
る第７の計算手段とを備え付け、第７の計算手段
で計算される次回の積分効果信号を速度指令とす
ることを特徴とするロボツトの制御方式である。 また本発明は第３の計算手段における線形変換
L₁が第１の対角行列〔ｋ〕であることを特徴と
するものである。また本発明は第５の計算手段に
おける線形変換L₂が第１のスカラ（△ｔ）と第
２のスカラ(m)との比（△ｔ／ｍ）であることを特徴 とするものである。また本発明は第６の計算手段
における線形変換L₃が、第１スカラ（△ｔ）と
第２のスカラ(m)との比（△ｔ／ｍ）に第３の対角行 列を掛けた値（△ｔ／ｍ〔ｃ〕）から単位行列（） を減じた値となる第２の対角行列（△ｔ／ｍ）〔ｃ〕 −）であることを特徴とするものである。 即ち、本発明は第１の検出手段でロボツトのハ
ンドに加わる力またはモーメント（Ｆ→_o-1）を検
出し、この検出された力またはモーメント等の第
１の力信号（Ｆ→_o-1）に基いて、ツールがあるか
のようにハンドを動かすようにしたことにある。
従つて本発明では、ソフト上のパラメータを変更
するだけで、そのパラメータが意味するツールを
取付けて動いているかのような運動をハンド部に
させることができる。即ち第１の対角行列
（〔ｋ〕）と、第３の対角行列（〔ｃ〕）と、第２の
スカラ(m)を作業に応じて定義させればよく、また
第１のスカラ（△ｔ）はサンプリングタイムに応
じて定義させればよい。更にロボツトの応答性は
第２のスカラ(m)と第３の対角行列（〔ｃ〕）とによ
つて調整でき、またロボツトの制御の安定性は第
２のスカラ(m)と第１の対角行列（〔ｋ〕）と、第３
の対角行列（〔ｃ〕）とによつて調整できるもので
ある。 なお、上記第１の検出手段はロボツトになくて
もよいことは明らかである。 〔発明の実施例〕 以下本発明を図に示す実施例に基いて具体的に
説明する。即ち全体構成は、第６図に示すように
例えばベース上を垂直軸まわりに旋回する旋回台
１２ａと、該旋回台１２ａ上を水平軸を中心に回
転する上腕１２ｂと、該上腕１２ｂの先に回転自
在に連結された前腕１２ｃと、該前腕１２ｃの先
端に図示の如く３自由度でもつて回転出来るよう
に構成された手首１２ｄとを有する関節形ロボツ
ト１２であつて、この関節形ロボツト１２の手首
１２ｄの先に力センサ１３を取付け、この力セン
サ１３によりロボツトに加えられる力を検出し、
またロボツト１２の各腕部材１２ａ，１２ｂ，１
２ｃ，１２ｄの各々を駆動するモータＭ等に連結
されたエンコーダPE等からロボツトの現在位置
を検出するようになつている。なおモータＭには
各腕部材の回転速度を検出できるようにタコジエ
ネTG等が連結されている。またロボツトの手首
１２ｄに対象物との距離を検出する近接センサ等
を取付けてもよい。 このようにしてロボツトの位置θ→，力Ｆ→_V等を
マイコンで構成された制御装置１５に取込み、更
に位置ｘ→〓_,力Ｆ→_c等の指令値を操作卓４３等から制
御装置１５に入力して与えられる。即ち制御装置
１５は第６図に示す如く、マイクロプロセツサ３
７と、RAM３８と、ROM３９と、演算部４０
と、操作卓４３に接続するインターフエース回路
（Ｉ／Ｆ）４１と、Ｄ／Ａ変換回路３５と、エン
コーダPEからの出力を計数するカウンタ３４と、
アンプ１８から出力されるアナログ力信号をデイ
ジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路と、それら
を接続するバスライン４２とから構成されてい
る。 ここで位置ｘ→〓，力Ｆ→_c等の指令値は０でもよい
が、このときは、ロボツトはハンド部１４に与え
られる力Ｆ→_Vによつてのみ動作する。即ち受動的
な機構となる。一方ハンド部１４に力に力が加わ
らず（或いはセンサ類１３を取付けずに）位置ｘ→
〓，力Ｆ→_c等の指令値のみが与えられたときはその
指令値によつて動きを定められる。 いずれにしても制御装置１５は、サーボアンプ
１６に対し、ロボツトの関節角速度θ・の指令値を
出力し、ロボツト１２を動作させる。 ここで、第６図の制御装置１５をやや詳しく、
第８図に示す。 制御装置１５の座標変換２１は、ロボツトの各
関節のエンコーダPEからの信号をカウンタ３４
で計数して現在位置θ→を受け、関節角度θ→／ハン
ド系の直交座標ｘ→なる座標変換を行なう。実際に
はマイクロプロセツサ３７からの指令で演算部４
０が行う。またロボツトに加わる外力Ｆ→_aを、力
センサ１３が検出し、力センサ１３を構成してい
る歪ゲージの電圧Ｆ→_Vとして、制御装置１５は、
Ａ／Ｄ変換回路３６を介して取込む。力算出部２
０は、Ｆ→_V，ｘ→を取込み、まず歪ゲージの電圧Ｆ→_V
を歪／力の変換マトリツクス等により力に変換す
る。実際には、マイクロプロセツサ３７からの指
令で演算部４０が行う。次にハンド１４及びハン
ドが把持する物の重量が大きい場合には、ハンド
の姿勢によつて力センサ１３に与える値が異る。
このため、ハンド１４の姿勢をｘ→より算出し、こ
れによる影響を取り除き、実際にロボツトに加つ
た力Ｆ→_a推定する。こうして推定された値がＦ→で
あり、制御主要部２２に与えられる。制御主要部
２２によつて、ハンド１４が動作すべき速度υ→は
ハンドに固定された座標系での値であるので、こ
れを座標変換２３によつて、ベースの座標系での
速度υ→₀に変換する。 この後、直交座標系での速度υ→₀から、関節角
度算出部２４によつてロボツト各軸が取るべき、
角速度θ・が出力される。ただしθ・＝J^-1υ₀（ここに
J^-1は逆ヤコビアン行列と呼ばれ、その要素はロ
ボツトの各関節角度θ→の関数である。）これに基
づき、サーボアンプ２５が作動し、ロボツトの各
関節用のモータが動作する。 制御主要部２２には、上記のロボツトからの力
Ｆ→、ロボツトの位置ｘ→以外に、力，位置の指令値
Ｆ→_c，ｘ→〓が入力され、ハンド部の速度υ→が出力
さ
れる。 この制御主要部２２の信号処理が、本発明の原
理をなすもので、第９図と下記の式を用いて、概
要の項で述べた内容（即ちツール代替機能）が、
制御主要部２２によつて如何に実現されるか説明
する。 ところで第２図ａで示した１自由度のツールの
モデルを数式で示すと次の(1)式の如くとなる。 ｍdυ／dt＋Cυ＋ｋ（ｘ−x〓）＝Ｆ−F_c ……(1) ここでハンド３の質量をｍ、バネ４のバネ係数
とｋ、ダン５の粘性係数をＣとし、x〓はバネのバ
ランス時の位置を示し、F_cは力の基準値である。 あるツールの運動が上記(1)式で表現されるとす
ると、(1)式は（Ｆ−F_c）なる力がツールに加えら
れたときのツールの位置、及び速度がｘ、及びυ
となることを示す。 ここで、υ，ｘ，Ｆは時間ｔの関数であるが、
F_c，x〓，ｍ，Ｃ，ｋも時間ｔの関数とすることが
できる。しかし以後は主にｍ，Ｃ，ｋは定数とし
て考える。 もしロボツトのハンドに（Ｆ−F_c）なる力を加え
たとき、ロボツトのハンドがｘ、及びυなる位
置、及び速度を持ち、これらの関係が上記(1)式で
表現されるならば、ロボツトのハンド１４は実際
にはツールを装着していないにも拘らず、ツール
を装着したときと同様の運動をさせることができ
る。 以上が本発明の原理の説明である。 即ち前記の如くロボツトに装着させたいツール
を想定してロボツトを制御させることによつて、
そのツールをロボツトに組込んだときにするであ
ろうハンド部の動きをロボツトにさせることがで
きる。 更に上記(1)式は次の(2)式のように変形される。 υ＝１／ｍ〔（Ｆ−F_c）−ｋ（ｘ−x〓）−C〓〕dt ……(2) この(2)式の変形させると以下の特徴を有する。
第１の特徴は、第８図にも示してある如く、実際
にロボツトの各関節を駆動させるモータＭを動作
させるときには、速度あるいは速度に相当する指
令値をサーボアンプを与えるため、速度υを計算
手段で算出することが有用だからである。第２の
特徴は、計算に微分処理が含まれず、ノイズに対
して強く、誤動作がなくなり、ロボツトのハンド
部に安定した動きをさせることができる。 ところで上記(2)式を離散値系で示すと、次の(3)
式となる。 υ_o＝△ｔ／ｍ_o-1 〓ⁱ⁼⁰ 〔（Fi−F_ci）−ｋ（x_i−x〓_i）−Cυ_i〕
……(3) ここで△ｔはサンプリング時間、サフイツクス
ｉまたはｎはｉまたはｎ番目の値である。 上記(3)式は更に次の(4)式となる。 υ_o＝△ｔ／ｍ〔（F_o-1−F_c,o-1）−ｋ（x_o-1−x〓_,o
-1）〕−〔△ｔ／ｍＣ−１〕υ_o-1……(4) 第３の特徴は、離散値系に変形した上記(4)式を
用いて説明できる。即ち(4)式の右辺にυ_o-1（ｎの
１つ前のυ）があり、左辺にυ_oがある。つまり、
ｎ番目のロボツトのハンド部のυ（速度）を計算
手段で算出するために、１つ前のυ（速度）さえ
あればよく、毎回タコジエネTG等から実際のυ
（速度）を検出し、フイードバツクする必要が無
い。これは実際にロボツトの駆動系に取付けてあ
るタクジエネTG等の速度検出器を用いてロボツ
トのハンド部の速度を検出したい場合、同じよう
にロボツトの駆動系に取付けてあるエンコーダ
PE等の位置検出器で検出されるロボツトのハン
ド部の位置に比較して、信号の信頼度がやや低い
ことを考慮すると有用な特徴である。 勿論、(4)式においてｘに関するものとしてx_o-1
が唯１つしか無い事からも解かるように、ｘ（位
置）は毎回検出する必要がある。このｘがロボツ
トの関節角度から算出される過程は、第６図の
θ→、第８図のθ→、ｘ→、第９図のｘ→によつて示さ
れ
る。以上のように(2)式あるいは(3)式の特徴が３点
ある。 ところで実際組立作業または加工作業を行うロ
ボツトは多自由度で構成されている。従つてロボ
ツトを制御する速度制御信号υ→_oはベクトルを用
いることによつて次の(5)式の関係で表わされる。 υ→_o＝△ｔ／ｍ〔（Ｆ→_o-1Ｆ→_c,o-1）−〔ｋ〕（
ｘ→_o-1−ｘ→〓_,o-1）〕−（△ｔ／ｍ〔Ｃ〕−Ｉ）υ
→_o-1……(5) ここで〔ｋ〕，〔Ｃ〕は一般には対角行列であ
り、Ｉは単位行列を示す。更にベクトルは６次
元、行列は６行、６列である。(2)式をブロツク図
で示したものが第９図の制御主要部２６であり、
実際に計算機で多自由度のロボツトを制御するこ
とになるので(5)式の離散値系の式が用いられるこ
とになる。 この中でｍ，〔ｋ〕，〔ｃ〕はツールを想定する
際に、決める値である。ツールを想定したなら
ば、そのツールの機構を解析し、ロボツトに動作
させる前にこれらの値をオフラインで決定してお
き、この値をそのツールに固有のデータ（定数で
あつても変数であつても良い。）として操作卓４
３等から入力して制御装置１５のメモリ３８にス
トツクしておく。つまり、想定したツールが複数
であれば、それに応じてストツクすべきデータも
複数となる。また(1)で示される系が安定する条件
は、常微分方程式に関する基礎理論で既知であ
る。それに基いてｍ，ｃ，ｋを定めれば、安定さ
せたり、発散させたりすることも可能である。こ
れと同様に(2)式を離散値系に変換した(4)式で安定
させるためには、上記の条件の他に△ｔの値も十
分小さくする必要がある。 ｜△ｔ／ｍ｜＜１ ……(6) ただし、△ｔはサンプリングタイムであるか
ら、正値を取り、ｍは質量に相当する値であるか
ら、正値を取る。また安定させる目的で用いるな
らば、Ｃは正値とする。 以上まで所で、本発明により、ツールの動作を
ロボツトにさせる方式について述べたが、これは
主に前記(1)式中のｍ，Ｃ，ｋの決定に関するもの
である。 次に前記(1)式中の別の変数であるロボツトに加
えられる力Ｆ、この力の指令値F_c，ツール位置の
指令値x〓と、それに基づく動作について述べる。
即ちこのＦ，F_c，x〓の３値を指令値として用いた
場合、多くの組合せが考えられ、必要に応じてそ
れらの値を決定すればよい。ここでは具体例とし
て、以下の条件の場合について考える。 条件(a) 4mk−C₂＞０，Ｃ＞０，ｍ＞０，x〓＝０，F_c＝
０でＦが第１０図(a)に示す如くステツプ入力F_S27
を取つたとき、次の(7)式の関係となる。 ただしx_t=0＝０，υ_t=0＝０とする。 ｘ＝F_S／ｋ｛１−e^pt（cos qt−ｐ／ｑsinqt）｝……
(7) ただしｐ＝−Ｃ／2m，ｑ＝4mk−C₂である。 この場合のロボツトの動作は第１０図ｂに示す
如く出力２８となる。F_Sステツプ入力27の大きさ
に比例した値に位置収束し、その時の立上り時間
や振動については、ｍ，Ｃ，ｋで決まる。 条件(b) 4mk−C²＞０，Ｃ＞０，ｍ＞０，Ｆ＝０，F_c
＝０でx〓に第１１図図ａに示すようにステツプ入
力x〓_s29を与えたとき、次に(8)式の関係となる。 ただしx_t=0＝０，υ_t=0＝０とする。 ｘ＝x〓_s｛１−e^pt（cosqt−ｐ／ｑsinqt）｝……(8) この場合のロボツトの動作は第１１図ｂに示す
出力３０となる。 これら第１０図ｂに示す出力２８、第１１図ｂ
に示す出力３０からわかるように、またこれらの
出力と、前記(1)式から推定できるように、ある条
件の下ではステツプ入力をＦに与えても、x〓に与
えても、F_cに与えても、同等な出力が得られる。 これらの特徴を順次調べると、同じ出力を得る
のに、変化させる値をＦにしたり、x〓にしたり、
選択することができ、必要に応じて多種多様の制
御が可能となる。 条件(c) ｋ＝０，ｍ＞０，Ｃ＞０，x〓＝０，F_c＝０で第
１２図ａに示す如くＦにステツプ入力F_S31を与え
たとき、次の(9)式の関係となる。 ただしx_t=0＝０，x_t=0＝０とする。 υ＝F_S／Ｃ（１−e^{-c/m t}） ……(9) この場合、ロボツトのハンドの速度は第１２図
ｂに示す32のようになり、条件ａ，ｂと異り、速
度が収束する。つまり力によつて、ロボツトのハ
ンドの速度を制御することができる。 上記の如く簡単な実施例を３つ示したが、本発
明はこの他にも有用な多数の制御を実行できる可
能性を有する。 以上のように上記実施例として主に第２図ａの
１自由度のツールを想定し、ロボツトにさせた場
合について、その原理や、動作例について述べ
た。 しかし、実際には、１自由度以外に多自由度の
ツールを想定することもでき、その場合は(5)式を
用いる。 ただし、この場合は、ロボツトの自由度と同じ
か、または、それより少ない自由度を持つ、ツー
ルを想定することが必要である。 ところで力センサ１３は第１３図、第１４図、
第１５図に示すように、ロボツト１２の先端（手
首）１２ａとハンド１４との間に設けられ、ハン
ド１４に加えられた力ｆ（F_z，F_x，F_y，M_z，M_x，
M_y）を検出できるようになつている。即ち薄板
ばね１３ｅ，１３ｆ，１３ｇ，１３ｈに歪ゲージ
が取付けられ、この歪ゲージから得られる信号に
よつてｆ（F_z，F_x，F_y，M_z，M_x，M_y）が検出で
きるようになつている。平行薄板ばね１３ｅはブ
ロツク１３ａの下端とブロツク１３ｂの上端との
間に接続され、Ｚ方向の力F_zによつて歪むようう
に構成されている。平行薄板ばね１３ｆはブロツ
ク１３ｂの上端とブロツク１３ｃの下端との間に
接続され、ｘ方向の力F_xによつて歪むように構
成されている。十字状の薄板ばね１３ｇはブロツ
ク１３ｃの中央の軸とブロツク１３ｄの内端との
間で接続され、ｙ軸回りのモーメントM_yによつ
て歪むように構成されている〓状の薄板ばね１３
ｈはブロツク１３ｄの内端とハンド１４の上端の
軸部材との間に接続され、ｙ方向の力F_y，ｘ軸
回りのモーメントM_x、Ｚ軸回りのモーメントM_z
によつて歪むように構成されている。即ち第１５
図ａに示すようにＺ軸方向に力F_z、またはｘ軸方
向に力F_xを加えたとき、薄板ばね１３ｅ、また
は１３ｆが歪み、この薄板ばね１３ｅまたは１３
ｆに貼付けた歪ゲージから力F_zまたはF_xの信号
が検出されるようになつている。第１５図ｂに示
すようにｙ軸方向に力F_yを加えたとき、薄板ば
ね１３ｈが歪み、この薄板ばね１３ｈに貼付けた
歪ゲージから力F_yの信号が検出されるようにな
つている。第１５図ｃに示すようにｘ軸またはｚ
軸回りにモーメントM_xまたはM_zを加えたとき、
薄板ばね１３ｈが歪み、この薄板ばね１３ｈに貼
付けた歪ゲージからモーメントM_x、またはM_zの
信号が検出されるようになつている。第１４図ｄ
に示すようにｙ軸回りにモーメントM_yを加えた
とき、薄板ばね１３ｇが歪み、この薄板ばね１３
ｇに貼付けた歪ゲージからモーメントM_yが検出
できるようになつている。 以上説明した如く、主に式(1)〜(5)及び第９図を
用いて一つの実施例を示した。しかし(1)式を以下
の式(10)のように一般化することによつてより多く
の変形例を考えることができる。 〔Ｍ〕ｄυ／→／dt＋〔Ｃ〕υ→＋〔Ｋ〕（ｘ→−〓
ｘ→） ＝ｆ→−〓ｆ→ ……(10) ただしｘ→：位置ベクトル（直交座標系でのロボツ
トの並進位置及び回転角度） υ→：速度ベクトル（直交座標系でのロボツ
トの並進速度及び回転角速度） ｆ→：力センサ等から検出される力信号のベ
クトル 〓ｘ→：ソフトによる力指令値のベクトル 〓ｆ→：ソフトによる位置指令値のベクトル 〔Ｍ〕：ツールの仮想質量を示すマトリツ
クス 〔Ｃ〕：ツールの仮想粘性係数を示すマト
リクツクス 〔Ｋ〕：ツールのバネ定係数を示すマトリ
ツクス である。 式(10)を変形すると式(11)となる。 υ→〔Ｍ〕^-1∫〔（ｆ→−〓ｆ→）−（〔Ｃ〕υ→ ＋〔Ｋ〕（ｘ→−〓ｘ→））〕dt …(11) 〔１〕 位置帰還をエンコーダPEからのハード
PEからのハードで行い、速度帰還を演算結果
υ→を用いる場合式(10)を第１５図に示す。 ここでυ→，ｘ→の代りに_sυ→，_Hｘ→と表示したの
は、次の意味を持たせるためである。_H ｘ→：エンコーダ（ハード）からの位置帰還信号_S υ→：演算結果（ソフト）による速度帰還信号つ
まり、式(11)の右辺に於いてｘ→は_Hｘ→即ちエン
コーダによつて検出された値を用いる。また
式(11)の右辺において、υ→は_Sυ→即ちハードウ
エアによつて検出された値ではなく、演算手
段によつて算出された値υ→をそのまま用い
る。これによつて、第１６図に示したように
ロボツトに取付けてあるエンコーダPE（ある
いはそれに相当する位置信号を検出する機
器）からの信号を必要とし、検出信号を必要
とし、検出信号精度の悪いタコジエネTGか
らの信号をフイードバツクするのではなく算
出手段によつて算出されたυ→を用いる。 ここで第１６図に於けるυ→からθ・への変換は
〔Ｊ〕^-1なる行列（〔Ｊ〕はヤコビアン行列と呼ば
れる。）を用いて行なわれ、θ→から_Hｘ→への変換は
ロボツトの関節座標系から、直交座標系への座標
変換によつて行なわれる。 ここで式(11)による計算は、実際には計算機では
次の(12)式及び(13)式の如く離散値系によつて行なわ
れる。 υ→_o＝△ｔ〔Ｍ〕^-1 _o-1 〓 〓⁰ 〔（ｆ→_i−〓ｆ→_i）−（〔Ｋ〕（ｘ→_i−〓ｘ→_i）
＋〔Ｃ〕υ→_i）〕……(12) ただしｎ＝１，２，…… υ→_o＝△ｔ〔Ｍ〕^-1〔（ｆ→_o-1−〓ｆ→_o-1）−〔
Ｋ〕（ｘ→_o-1−〓ｘ→_o-1）〕−〔△ｔ〔Ｍ〕^-1〔Ｃ〕
−〔Ｉ〕〕υ→_o-1……(13) ただしｎ＝１，２，…… 式(12)，(13)に於いて △ｔ：サンプリング時間を示すスカラ 〔Ｉ〕：単位マトリツクス ｘ→_o：ｎ番目の（サンプリング時間後の）ｘ→ υ→_o：ｎ番目の（サンプリング時間後の）υ→ ｆ→_o：ｎ番目の（サンプリング時間後の）ｆ→ 〓ｘ→_o：ｎ番目の（サンプリング時間後の）ｘ→〓 〓υ→_o：ｎ番目の（サンプリング時間後の）υ→〓 〓ｆ→_o：ｎ番目の（サンプリング時間後の）〓ｆ→ また式(13)において初期値υ→₀は別途定める必要
がある。 〔２〕 位置帰還も、速度帰還もハードによる場
合、さて式(11)を第１７図のようなブロツク図と
して記載することもできる。これが第１６図と
異なる点はｘ→，υ→の代りに_Hｘ→，_Hυ→を用いたこ
とにある。 _Hｘ→は第１６図で用いたものと同じであるた
め説明を省く。 これによつて_Sｘ→の離散値系での値ｘ→_oは例え
ば(14)式で求まる。 ｘ→＝△ｔυ→_o-1＋ｘ→_o-1〓…(14) ただしｎ＝１，２，…… 以上のように〔１〕，〔２〕，〔３〕の場合につい
て述べたが、各々次のような長所，短所を持つ。
即ち、帰還の目的からすると上記〔２〕の方式
（第１７図の方式）の如く、位置も、速度も実際
に値を検出して帰還させるのがよい。しかし現在
の技術レベルから判断するとロボツトに取付けら
れた位置の検出器PEはかなり良い精度を持つが、
速度の検出器TGはそれに比べて劣る。このため
両者を折衷した〔１〕の方式（第１６図の方式）
が実現的に最も優れている。 また〔３〕の方式（第１８図の方式）は全く検
出器を必要としない点に特徴を有する。しかし現
状のロボツトには第６図に示す如く位置の検出器
PEも速度検出器TGも付いているのでこれを用い
ればよく、ここでの特徴は_Hυ→である。_H υ→：タコジエネTGからの速度帰還信号 つまり、この場合、位置、及び速度の両帰還を
ハードとして実際に検出される信号を用いること
にある。即ち前記式(11)の右辺においてｘ→として_H
ｘ→を用い、υ→として_Hυ→を用いることにある。 〔３〕 位置帰還も、速度帰環もソフトによる場
合、式(12)を第１８図のようなブロツク図で記載
することもできる。ただし_Sυ→については、第
１６図のところで示したものと同じものであ
る。 ここの特徴は_Sｘ→である。_S ｘ→：ソフトによる位置帰還信号 つまり、ここでは位置、速度の両帰還をソフ
トによる。 またここでは式(13)に於いて初期値υ→₀，ｘ→₀は
別途定める必要がある。 あえて本方式（計算結果を帰還させる方式）を
用いると多少計算量が増加し、ソフトに負担がか
かると共に開ループの制御になり収れんしにくく
なる。 ところでツールは最大に６自由度を有すること
からして前記マトリツクスは６×６のマトリツク
スとなる。しかし作業に応じて例えば第２図〜第
５図に示すようにツールの自由度、寸法等が変わ
るのでそのツールに合わせて〔ｋ〕，〔Ｃ〕，〔Ｍ〕
^-1のマトリツクスの値を実験等によつて求めて次
表のように制御装置１５のROM３９にツールや
作業内容に対応させて各データに記憶させておく
のがよい。またツールの寸法はベクトル量に関係
するのでツールや作業内容に合せて上記ROM３
９の各テーブルに記憶させておく必要がある。

〔発明の効果〕

以上に説明したように本発明によれば、ロボツ
トの制御によつてフレキシビリテイを持たせるこ
とが可能となり、次のような作用効果を有する。 〔１〕 ツール代替機能 この具体的目的として、必要とする動作を行な
うツールを想定し、そのツールと同等の動作をロ
ボツトにさせることができ、かつ想定するツール
を変換できることを実現することである。 従来は、逐次ツールの交換をしていたが、本発
明によれば、この交換を単なるソフト上のパラメ
ータの交換でできるようになつた。 また、同一のツールを用いてはいるが、若干特
性を変えた動作をロボツトにさせる時にも、従来
ならば、逐次ツールの一部を調整しないとできな
かつたが、本発明によればオンラインで、ツール
の特性を必要に応じてソフトの面だけで変換でき
るという便利な機能を持たせることができる。 特に本発明によればロボツトの制御によつて
RCCの機能を達成することが出来る。 〔２〕 シミユレーシヨン機能 以上の如く一貫して、本発明をツール代替機能
の面から述べてきたが、本発明によればこの他に
シミユレーシヨン機能を持たせることができる。 これは、例えば、第４図のような機構（ツール
としてではない）を設計するに際し、実際に物を
作る前にその機構の挙動を見たい時に本発明の手
法を適用して、ロボツトにその挙動を実際にさせ
ることができる効果を奏する。 〔３〕 補償機能 上記の〔１〕ルーツ代替、〔２〕シミユレーシ
ヨンの各機能は、ロボツトの精度が高い程、その
効果も高い。しかし、現実には、ロボツトはアー
ム部の弾性や減速歯車の剛性不足等による振動他
の機械的な原因または電気回路その他の原因で、
不要な振動、遅れ、等が生じている場合がある。 このような時に、ロボツトのこの振動、遅れ等
を解析して、予想できたならば、それを少くする
ための補償動作を本発明によれば逆に加えること
も可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は関節形ロボツトの外観を示す図、第２
図ａ，ｂは各々１自由度機構を示す図、第３図は
２自由度機構を示す図、第４図は３自由度機構を
示す図、第５図はRCCの機構を示す図、第６図
は本発明のロボツトの制御方式の一実施例を示す
概略構成図、第７図は第６図に示す制御装置を具
体的に示した図、第８図は第６図に示す制御装置
を機能的に示した図、第９図は制御主要部の一実
施例を演算のフローで示した図、第１０図ａ，ｂ
は条件ａにおけるステツプ入力とロボツトの手首
の動きとを示した図、第１１図ａ，ｂは条件ｂに
おけるステツプ入力とロボツトの手首の動きとを
示した図、第１２図ａ，ｂは条件ｃにおけるステ
ツプ入力とロボツトの手首の動きを示した図、第
１３図はロボツトの手首とツールとの間に設置さ
れた力センサを示した図、第１４図ａは力センサ
の正面断面図、第１４図ｂは第１４図ａの底面
部、第１５図ａ〜ｄは各々力センサの動きを示し
た図、第１６図は第９図と同様に制御主要部の一
実施例を演算のフローで示した図、第１７図は第
１６図と異なる他の実施例を演算のフローで示し
た図、第１８図は更に第１６図と異なる他の実施
例を演算のフローで示した図である。 １２…（関節形）ロボツト、１３…力センサ、
１４…ハンド部、１５…制御装置、１６…サーボ
アンプ、１７…ロボツトの駆動部、２０…力算出
部、２１…座標変換、２２…制御主要部、２３…
座標変換、２４…関節角度速度算出手段。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 先端部に運動を伝達するロボツト機構と、該
   ロボツト機構を駆動するロボツトの駆動部とから
   なるロボツトの制御方法において、作業に応じた
   ツールの運動モデルをコンプライアンス機構の運
   動モデルとして設定し、該ロボツト機構の先端部
   に作用する複数成分方向の力を表わす信号と該ロ
   ボツト機構の先端部の位置、速度あるいは加速度
   を表わす信号をもとに該ツールの運動を該設定さ
   れたツールの運動モデルに基づいて計算し、該ロ
   ボツト機構の先端部が該計算されたツールの運動
   モデルと同じ運動を行なうように該ロボツト機構
   の運動モデルに基いて該ロボツトの駆動部への制
   御指令値を計算し、該駆動部が該計算結果に基づ
   いて動くように該ロボツトの駆動部を制御するこ
   とを特徴とするロボツトの制御方法。 ２ 該ロボツト機構の先端部の位置、速度あるい
   は加速度を表わす信号が、ロボツトの運動部の変
   位検出器から得られることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項に記載のロボツトの制御方法。 ３ 先端部に運動を伝達するロボツト機構と、該
   ロボツト機構を駆動するロボツトの駆動部と、該
   駆動部に制御指令値を送り該駆動部の制御をする
   手段とからなるロボツトにおいて、該制御手段
   は、作業に応じたツールの運動モデルをコンプラ
   イアンス機構の運動モデルとして設定してあり、
   該ロボツト機構の先端部に作用する複数成分方向
   の力を検出する第１の検出手段からと該ロボツト
   機構の先端部の位置、速度、あるいは加速度を検
   出する第２の検出手段からの信号をもとに、該ロ
   ボツト機構の先端部が該設定されたツールの運動
   モデルと同じ運動を行うように該ロボツト機構の
   運動モデルに基づいて該ロボツトの駆動部への制
   御指令値を計算することを特徴とするロボツト。 ４ 該ロボツト機構の先端部の位置、速度あるい
   は加速度を検出する該第２の検出手段が、ロボツ
   トの駆動部の変位検出器により構成されているこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第３項に記載され
   たロボツト。