JPH0469178A - ロボット力制御装置 - 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】 〔概要〕 ロボットを力制御するロボット力制御装置に関し、 力制御時における補償器の零点を消去する零点消去器を
設け、力制御時の零点を消去して過渡応答特性良好にし
てオーバシュートなどを無くすることを目的とし、 指令された刃口標値Ｆ０をもとに力制御する際に、力補
償器および速度補償器などの零点を消去するような伝達
関数を持った零点消去器を設け、指令された刃口標値Ｆ
ｅをこの零点消去器によって補償した後の補正目標値と
、ロボットのハンドに装着した力検出器で当該ハンドに
加わる検出した検出力Ｆεとの差をもとに力制御し、刃
口標値Ｆｅと接触力Ｆｅとを一致するように制御するよ
うに構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、ロボットを力制御するロボット力制御装置に
関するものである。

〔従来の技術と発明が解決しようとする課題〕従来、第
４図に示すように、ロボット、力検出器、ハンド、およ
び作業対象物の直列構造を制御対象とし、ハンドと作業
対象物との間の接触力Ｆｅを定常状態において表目標値
Ｆｅに一致させる制御を行う場合、第９図制御系のブロ
ック線図に示すように力制御していた。ここで、Ｓはラ
プラス演夏子を表し、Ｇｃ（ｓ）　、Ｇ、（ｓ）は力補
償器、速度補償器の伝達関数を表す。

ここで、ハンドに装着した歪ゲージなどで検出するバネ
力（検出力）Ｆａ（ｓ）と、力検出器がノ＼ンドに及ぼ
す力Ｆ４（３）との関係は下式ｉｌｌで与えられる。

Ｆａ　（ｓ）　＝　　（１↓（Ｃａ　／Ｋｄ　）Ｓ）　
Ｆ　　ε（ｓ）　　・・・ｉｌｌまた、第９図線図を辿
ることで、 Ｆａ（ｓ）　＝　　（Ｇｃ（ｓ）　　Ｇ、　（ｓ）（Ｐ
ｅ（ｓ）−Ｆａ（Ｓ））／５−Ｘｉ（ｓ））　　Ｉ［ａ
　　・・・・−・−・（２１より、 Ｆａ（ｓ）　＝　　（Ｋｄ　＋Ｃ４５）（Ｇｃ　（ｓ）
Ｇｒ　（Ｓ）Ｆａ（３）−Ｘｉ（ｓ）Ｓ））　／　　（
Ｓ＋　Ｇｃ　（Ｓ）Ｇ−（ｓ）Ｋ４）　　・（３）また
、第９図線図を辿ることで、 Ｘｌ（ｓ）＝　（Ｆａ　（ｓ）−にｓ　Ｘｚ（ｓ）−Ｃ
ｏ　Ｘｚ（ｓ）Ｓ）　／ｓ＋Ｓ”・　・　・　・　・　
・　・　・　・　・　・　・　・　・　・　・　（４）
式（４）に式（１１、式（３）を代入してＦａ　（ｓ）
を消去し、整理すると、 Ｆｏ（ｓ）　　　　　　　　Ｐ（ｓ） ここで、 Ｐ（ｓ）＝ｍｓ”＋　　（ｍＫｄ　　Ｇｃ　（ｓ）Ｇｒ
　（ｓ）↓Ｃｄ↓Ｃ，ｌ　Ｓ”＋　　（Ｋｍ　＋に＠　
＋Ｃｅ　　Ｋｄ　　Ｇｃ　（ｓ）Ｇｒ　（ｓ）　　）　
Ｓ＋に＊　　Ｋｄ　　Ｇｃ　（ｓ）Ｇ、　（ｓ）　　・
　・・・・　・・（６）である。また、 Ｆｅ（Ｓ）＝（Ｋ、十〇、５）ｘ２（Ｓ）・・・・・・
・・（７）であるから、式（５）に代入すると、 Ｆｏ（ｓ）　　　　　　　　　Ｐ（ｓ）を得る。

従来、力制御が安定であるように、式（６）・０の根、
即ち式（８）の極がＳ平面において左半面にあるように
力補償器Ｇｃ　（ｓ）を設計していたが、零点（−Ｋ−
／Ｃ−、−Ｋｄ　／Ｃａ、Ｇｃ（ｓ）　、Ｇ、　（ｓ）
の４つの零点）が存在するために、刃口標値Ｆｏ（ｓ）
の過渡応答波形まで考慮して設計することが困難であり
、設計を行っていない。このため、第３図（イ）曲線に
見るように、力計標値Ｆ０としてステップ状に値を与え
た場合、作業対象物への接触力Ｆｅが図示のようにオー
バシュートしてしまい、力計標値Ｆ０よりも大きな力を
作業対象物に与えてしまうなどの望ましくない現象が発
生するという問題があった。

本発明は、力制御時における補償器の零点を消去する零
点消去器を設け、力制御時の零点を消去して過渡応答特
性良好にしてオーバシュートなどを無くすることを目的
としている。

〔課題を解決するための手段〕

第１図を参照して課題を解決するための手段を説明する
。

第１回において、零点消去器１は、指令された力計標値
Ｆｅをもとに力制御する際に、力補償器および速度補償
器などの零点を消去するような伝達関数を持ったもので
ある。

力制御系２は、指令された力計標値Ｆｅを作業対象物に
与えるように力制御するものである。

第５図において、零点消去器１−１は、指令された刃口
標ＷＦｏをもとに力制御する際に、力補償器ａよびＰＩ
Ｄ位置補償器などの零点を消去する１次および２次の伝
達関数を持ったものである。

力制御系２−１は、指令された力計標値Ｆｅを作業対象
に与えるように制御するものである。

〔作用〕

本発明は、第１図に示すように、指令された力計標値Ｆ
ａについて零点消去器ｌによって補償した後の補正目標
値Ｆｌｌ＋を力制御系２に入力し、この補正目標値Ｆ０
１と、ロボットのハンドに装着した力検出器で当該ハン
ドに加わる検出した検出力Ｆεとの差をもとに力制御し
、力計標値Ｆｅと接触力Ｆｅとを一致するように制御し
ている。

また、本発明は、第５図に示すように、指令された力計
標値Ｆ０について零点消去器１−１によって補償した後
の補正目標値Ｆｏｚを力制御系２−１に入力し、この補
正目標値Ｆｏｚと、ロボットのハンドに装着した力検出
器で当該ハンドに加わる検出した検出力Ｆεとの差をも
とに力制御し、力計標値Ｆ０と接触力Ｆｅとを一致する
ように制御している。

従って、力制御時における補償器などの零点を消去する
零点消去器Ｌｌ−１を設けることにより、力制御時の零
点を消去して過渡応答特性を良好にしてオーバシュート
などを無くすることが可能となる。

〔実施例〕 まず、第１図から第４図を用いて本発明の１実施例の構
成および動作を順次詳細に説明する。

第１図において、零点消去器１は、指令された力計標値
Ｆｅをもとに力［１する際に、力補償器および速度補償
器などの零点を消去するような伝達関数を持ったもので
あって、図示のように４つの伝達関数を持ったものであ
る。ここで、４つの伝達関数は、力制御系２について求
めた既述した式（８）を整理した式（８）゛から矢印を
用いて示すように、当該式（８）゛　の零点を消去する
ようにしたものである。このように力制御系２が持つ零
点について、零点消去器１が持つ伝達関数によって消去
することにより、力制御系２の過渡応答波形の振動など
を無くし、後述する第３図（ロ）の接触力Ｆｅに示すよ
うにオーバーシュートのない良好な過渡応答特性に改良
することが可能となる。以下順次詳細に説明する。尚、
各記号の意味は、第４図力制御系の説明図に記載しであ
る。

ここで、零点消去器ｌのＴ、　、Ｔｔ　、Ｔ、　、Ｔ４
について下記値を持たせれば、力制御時の力制御系の零
点を消去することができる。

Ｔ、　＝　Ｃ，／Ｋ。

Ｔ、　＝　Ｃ，／Ｋｄ ’ｒｓ　＝　Ｋ□／に□ Ｔ４は、式（８）°　の（）内の３つのうちのいずれか
の１つづつに対応している（後述する式αＤ、＠、（至
）参照）。

次に、第２図を用いて本発明の１実施例の構成および動
作を詳細に説明する。

第２図において、ロボットアーム１１に力検出器１２を
介してハンド１３が取りつけてあり、作業対象物１４に
目標力Ｆ０で接触させる作業を行う場合について説明す
る。ロボットアーム１１は、ボールネジ１５によって動
き、タコジェネレータ１７の連結されたモータ１６によ
って駆動する。

力検出器１２のハネの表面には歪ゲージ１８が貼付けら
れており、力によって生じた歪に比例した電圧が得られ
、アンプ１９によって（バネ力／電圧）の関係となる較
正率で増幅することにより、バネ力（検出力）Ｆξを計
測する。上位装置から大目標値Ｆ０をコントローラ２０
に指令すると、変換器２１で電圧変換し、４個の１次遅
れ要素２２．２３．２４．２５として、既述した１／（
Ｔ、５本１）　、１／（Ｔ！Ｓ＋１）　、１／（Ｔ３Ｓ
＋１）　、１／（Ｔ、、Ｓ＋１）に通して生成した補正
目標値Ｆｌｌ＋と、上記バネ力Ｆｔに相当する電圧とを
加算器２６に入力してその偏差を生成する。この生成し
た偏差を力補償器ＧＣ（ｓ）２７に入力して速度指令４
ｆＬＸ０を生成する。

ロボットアーム１１の移動速度Ｘｌは、タコジェネレー
タ１７の出力電圧が（ボールネジ１５の送り速度／モー
タ１６の回転速度）の関係となる較正率でアンプ３１に
よって増幅して検出する。

この検出した移動速度Ｘ、と、速度指定価Ｘ。とを加算
器２８に入力してその偏差を求め、この偏差を積分・比
例要素で構成した速度補償器２９に入力して操作量であ
るモータ駆動指令電圧をパワーアンプ３０を介してモー
タ１６に供給し、駆動する。ここで、速度補償Ｇ、　（
ｓ）は、Ｇ　ｒ（ｓ）−Ｌ　（ｓ）／Ｘ０（ｓ）＝（ｋ
ｖｒ　５４　　Ｋｖ＋　）／　　（！Ｉｓよ（Ｋｖｐ　
＋　Ｃｒ　）Ｓ−Ｋｖ＋１・　・　・　・（９） で与えられる。

ここで、既述した４個の１次遅れ要素２２．２３．２４
．２５のうちの３個は、 Ｔ＋＝Ｃ−／に−、Ｔｚ＝Ｃａ　／Ｋｄ、Ｔ３＝　Ｋｖ
、／　Ｋｗ＋・ａ〔で与えられ、Ｔ４はＧｃ（ｓ）を位
相遅れ／進み要素ＫＷ　（Ｔ、　Ｓ↓１）／（Ｔ、　Ｓ
↓１）で構成した場合、Ｔ、＝Ｔ、・・・・・・・・・
・・・・・・・・ａυとなる。また、積分・比例要素に
、　（１＝１／Ｔ＋Ｓ）で構成した場合、 Ｔａ＝（１／Ｔ＋　）・・・・・・・・・・・・・・・
叩となる。また、比例・微分要素に２（１↓Ｔ、　Ｓ）
で構成した場合、 Ｔ４”ＴＤ　　・・・・・・・・・・・・・・・・・ａ
湯となる。

以上のように、上位装置からの大目標値Ｆ０を零点消去
器ｌを通して生成した補正目標値Ｆ。Ｉと、バネ力Ｆε
との偏差を力補償器２７に入力して生成した速度指令値
Ｘ、と、タコジェネレータ１７によって検出した移動速
度ＸＩとの偏差を速度補償器２９に入力して生成した操
作量でモータ１６を駆動することにより、力制御系の零
点を消去して過渡応答特性を第３図（ロ）接触力Ｆｅに
示すように良好にすることが可能となる。

第３図は、力制御の過渡応答波形図を示す。

第３図（イ）は、従来例の説明図を示す、これは、既述
した式（８）による従来の力制御系で、大目標値Ｆ０を
入力として与え、そのときの作業対象物に対する接触力
Ｆｅの過渡応答特性を示す。この従来例は、図示のよう
にオーバーシュートし、作業対象物に大目標値Ｆ０より
も大きい接触力を与えてしまうと共に振動するという欠
点がある。

第３閲（ロ）は、本発明例の説明図を示す。これは、既
述した従来の式（８）を変形した弐（８）゛　の零点を
、本発明で設けた零点消去器ｌによって消去して力制御
を行った場合のものである。この本発明の場合には、接
触力Ｆ０がスムーズに大目標値Ｆ０に到達し、従来のよ
うにオーバーシュートすることがないと共に大きく振動
することもなく、過渡応答特性を良好にすることができ
る。

第４図は、力制御系の説明図を示す。ここで、ロボット
、力検出器、ハンド、対象物表面について、図示のよう
に記号およびその意味を定める。

次に、第５図から第８図を用いて本発明の他の実施例の
構成および動作を噸次詳細に説明する。

第５図において、零点消去器１−１は、指令された大目
標値Ｆ０をもとに力制御する際に、力補償器およびＰＩ
Ｄ位置補償器などの零点を消去するような３つの１次お
よび１つの２次の伝達関数を持ったものである。ここで
、４つの伝達関数は、力制御系２−１について求めた既
述した式（８）を整理した式（８）”°から矢印を用い
て示すように、当該式（８１”の零点を消去するように
したものである。

このように力制御系２−１が持つ零点について、零点消
去器１−１が持つ伝達関数によって消去することにより
、力制御系２−１の過渡応答波形の振動などを無くし、
後述する第８図（ロ）の接触力Ｆｅに示すようにオーバ
ーシュートのない良好な過渡応答特性に改良することが
可能となる。以下順次詳細に説明する。尚、各記号の意
味は、第４図力制御系の説明図に記載しである。

ここで、零点消去器１−１のＴｔ　、Ｔｚ　、Ｔ３につ
いて下記値を持たせ、かつ２次の伝達関数として図中の
■に示すような値を持たせれば、力制御時の力１１ｗ系
２−１の零点を消去することができる。

Ｔ、　＝　Ｃ，／Ｋ。

Ｔｔ　＝　Ｃａ　／Ｋｄ Ｔ、は、式（８）“の（）内の３つのうちのいずれかの
１つづつに対応している（後述する式（２１）、％式％
）） 次に、第６図を用いて本発明の他の実施例の構成および
動作を詳細に説明する。

第６図において、ロボットアーム１１に力検出器１２を
介してハンド１３が取りつけてあり、作業対象物１４に
目標力Ｆ０で接触させる作業を行う場合について説明す
る。ロボットアーム１１は、ポールネジ１５によって動
き、タコジェネレータ１７の連結されたモータ１６によ
って駆動する。

力検出器１２のバネの表面には歪ゲージ１８が貼付けら
れており、力によって生じた歪に比例した電圧が得られ
、アンプ１９によって（バネ力／電圧）の関係となる較
正率で増幅することにより、バネ力（検出力）Ｆεを計
測する。上位装置から刃口標値Ｆｏをコントローラ２０
に指令すると、変換器２１で電圧変換し、３個の１次遅
れ要素２２−１．２３−１．２４−１として、既述した
１／（ＴＩＳ↓１）　、１／（ＴｚＳ＋１）　、１／（
Ｔ３Ｓ＋１）に通し、更に１個の２次振動要素２５−１
を通して生成した補正目標値Ｆ。２と、上記バネ力Ｆｔ
に相当する電圧とを加算器２６に入力したその偏差を生
成する。

この生成した偏差を力補償器Ｇｃ　（ｓ）　　２７　１
に入力して速度指令ｆ［Ｘ　Ｏを生成する。

ロボットアーム１１の移動速度ＸＩは、タコジェネレー
タ１７の出力電圧が（ポールネジ１５の送り速度／モー
タ１６の回転速度）の関係となる較正率でアンプ３１に
よって増幅して検出する。

この検出した移動速度Ｘ１と、速度指定値ｘ０とを加算
器２８に入力してその偏差を求め、この偏差をＰＩＤ位
置補償器２９−１に速度目標値として入力し、生成した
操作量をモータ駆動指令電圧としてパワーアンプ３０を
介してモータ１６に供給し、駆動する。ここで、速度補
償Ｇ、　（ｓ）は、第７図から判明するように、 Ｇ、　（ｓ）＝χＩ（ｓ）／Ｘｏ　（ｓ）＝（ｋｐｍ−
５”＋にｐｐ　５４ＫＰ＋　）／　　（ＭＳ”＋（Ｋｐ
ｏ＋Ｃｒ　）Ｓ”↓Ｋｐｐ　Ｓ＋１（ＰＩ）　　・・・
・・・・・・・・・・α優で与えられる。但し、駆動系
に高減速比の伝達軸を用いることで、反力（−Ｆｅ）を
外乱とみなす。

また、既述した３個の１次遅れ要素２２−１．２３−１
．２４−１のうちの２個は、 Ｔ１・Ｃ，／Ｋ１１．、Ｔ２・Ｃ６／Ｋｄ　　・・・・
・・・・・（２Ｉｌｌで与えられ、Ｔ３はＧｃ（ｓ）を
位相遅れ／進み要素ＫＦ　（Ｔ−Ｓ＋１）／（Ｔｂ　Ｓ
＋１）で構成した場合、Ｔ、・Ｔ、・・・・・・・・・
・・・・・・・（２１）となる。また、積分・比例要素
Ｋｐ　（１＋１／（ＴｔＳ））で構成した場合、 Ｔ３・（１／ＴＩ　）・・・・・・・・・・・・・・（
２２）となる。また、比例・微分要素に、（１・ＴゎＳ
）で構成した場合、 Ｔ、＝Ｔ、　　・・・・・・・・・・・・・・・・・α
美となる。

以上のように、上位装置からの刃口標値Ｆ０を零点消去
器１−１を通して生成した補正目標値Ｆ。２と、バネ力
Ｆεとの偏差を力補償器２７−１に入力して生成した速
度指令価Ｘ０と、タコジェネレータ１７によって検出し
た移動速度ＸＩとの偏差をＰＩＤ位置補償器２９−１に
入力して生成した操作量でモータ１６を駆動することに
より、力制御系の１次および２次の零点を消去して過渡
応答特性を第８図（ロ）接触力Ｆｅに示すように良好に
することが可能となる。

第７図は、本発明に係る速度補償説明図を示す。

これは、第６図ＰＪＤ位置補償器２９−１の詳細を示し
たものである。

第８図は、力制御の過渡応答波形図を示す。

第８図（イ）は、従来例の説明図を示す。これは、既述
した式（８）による従来の力制御系で、刃口標値Ｆ０を
入力として与え、そのときの作業対象物に対する接触力
Ｆｅの過渡応答特性を示す。この従来例は、図示のよう
にオーバーシュートし、作業対象物に刃口標値Ｆ０より
も大きい接触力を与えてしまうと共に振動するという欠
点がある。

第８図（ロ）は、本発明の詳細な説明図を示す、これは
、既述した従来の式（８）を変形した式（８］　”の１
次および２次の零点を、本発明で設けた零点消去器１−
１によって消去して力制御を行った場合のものである。

この本発明の他の例の場合には、接触力Ｆｌｌがスムー
ズに刃口標値Ｆ０に到達し、従来のようにオーバーシュ
ートすることがないと共に大きく振動することもなく、
過渡応答特性を良好にすることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、力制御時におけ
る補償器などの零点を消去する零点消去器１．１−１を
設け、刃口標値Ｆ０をこの零点消去器１、ｌ−１を通し
た後の補正目標（ａ’　Ｆ　ｏ　ｒ、Ｆ。２によって力
制御系を制御する構成を採用しているため、力制御時の
零点を消去して過渡応答特性良好にしてオーバシュート
などを無くすることが

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理構成図、第２図は本発明の１実施
例構成図、第３図、第８図は力制御の過渡応答波形図、
第４図は力制御系の説明図、第５図は本発明の他の原理
構成図、第６図は本発明の他の実ＭＥｆＨ構成図、第７
図は本発明に係る速度補償説明図、第９図は従来の力制
御系の説明図を示す。 図中、！、１〜１は零点消去器、２．２−１は力制御系
、１１はロボットアーム、１２は力検出器、１３はハン
ド、１４は作業対象物、１７はタコジェネレータ、Ｉ８
は歪ゲージ、２０はコントローラ、２２．２２−１．２
３．２３−１．２４．２４−１．２５．２５−１は伝達
関数、２７．２７−１は力補償器、２９は速度補償器、
２９−１はＰＩＤ位置補償器を表す。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）ロボットを力制御するロボット力制御装置におい
   て、 指令された力目標値Ｆ＿０をもとに力制御する際に、力
   補償器および速度補償器などの零点を消去するような伝
   達関数を持った零点消去器（１）を設け、指令された力
   目標値Ｆ＿０をこの零点消去器（１）によって補償した
   後の補正目標値Ｆ＿０＿１と、ロボットのハンドに装着
   した力検出器で当該ハンドに加わる検出した検出力Ｆ＿
   εとの差をもとに力制御し、力目標値Ｆ＿０と接触力Ｆ
   ＿ｅとを一致するように制御することを特徴とするロボ
   ット力制御装置。
2. （２）上記零点消去器（１）として、力補償器の零点補
   償を位相遅れ要素、位相進み要素、積分・比例要素、比
   例・微分要素のいずれかで行い、速度補償器の零点補償
   を積分・比例要素で行うように構成したことを特徴とす
   る請求項第（１）項記載のロボット力制御装置。
3. （３）上記零点消去器（１）の４つの零点について、力
   補償器、速度補償器、力検出器の剛性Ｋ＿ｄ／粘性Ｃ＿
   ｄ、対象物の剛性Ｋ＿ｅ／粘性係数Ｃ＿ｅにそれぞれ一
   致させ、零点を消去するように構成したことを特徴とす
   る請求項第（１）項記載のロボット力制御装置。
4. （４）ロボットを力制御するロボット力制御装置におい
   て、 指令された力目標値Ｆ＿０をもとに力制御する際に、力
   補償器および速度補償器などの零点を消去する１次およ
   び２次の伝達関数を持った零点消去器（１−１）を設け
   、 指令された力目標値Ｆ＿０をこの零点消去器（１−１）
   によって補償した後の補正目標値Ｆ＿０＿２と、ロボッ
   トのハンドに装着した力検出器で当該ハンドに加わる検
   出した検出力Ｆ＿εとの差をもとに力制御し、力目標値
   Ｆ＿０と接触力Ｆ＿ｅとを一致するように制御すること
   を特徴とするロボット力制御装置。
5. （５）上記零点消去器（１−１）として、力補償器の零
   点補償を位相遅れ要素、位相進み要素、積分・比例要素
   、比例・微分要素のいずれかで行い、生成した速度指令
   値および位置目標値をＰＩＤ位置補償器（１９）に入力
   するように構成したことを特徴とする請求項第（４）項
   記載のロボット力制御装置。
6. （６）上記零点消去器（１−１）の零点の３つの１次に
   ついて力補償器、力検出器の剛性Ｋ＿ｄ／粘性Ｃ＿ｄ、
   対象物の剛性Ｋ＿ｅ／粘性係数Ｃ＿ｅにそれぞれ一致さ
   せ、および２次についてＰＩＤ位置補償器（１９）に一
   致させて零点を消去するように構成したことを特徴とす
   る請求項第（４）項記載のロボット力制御装置。