JPH05150836A - ロボツトの制御装置 - Google Patents

ロボツトの制御装置

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JPH05150836A
JPH05150836A JP31100291A JP31100291A JPH05150836A JP H05150836 A JPH05150836 A JP H05150836A JP 31100291 A JP31100291 A JP 31100291A JP 31100291 A JP31100291 A JP 31100291A JP H05150836 A JPH05150836 A JP H05150836A
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Osamu Noro
治 野呂
Kiyoshi Ioi
清 五百井
Takashi Katsuragawa
敬史 桂川
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Kawasaki Heavy Industries Ltd
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Abstract

(57)【要約】 産業用ロボットなどのアーム制御のために、位置/力ハ
イブリッド制御方式とインピーダンス制御方式との各長
所を生かした制御系を達成するために、ロボットアーム
の各関節に関節速度サーボ系を有し、所望の直交座標系
において、ロボットアームの手先関心点の方向剛性と方
向粘性とを設定することができ、さらに所望の方向の力
・モーメントをも制御することを可能にする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ロボットのアームを制
御するための装置に関する。
【0002】
【従来の技術】近年の制御や計算機技術の発達に伴い、
ロボットに対してもその適用範囲の拡大が期待されてい
るが、その中でも特に重要視されているのが、ロボット
と対象物であるワークとの接触を伴う作業である。この
作業の中には、ピンの嵌め合い作業、バリ取り、研磨作
業などがあるが、これらの一連の接触作業を実現するた
めには、ロボットアームのマニピュレータである作業端
の制御に力覚情報を取込み、これを制御することが不可
欠である。
【0003】一方、力制御の応用として、マニピュレー
タ作業端で望ましいインピーダンスを設定して柔軟な動
作を実現するインピーダンス制御と、位置制御系と力制
御系を複合した位置/力ハイブリッド制御とがあるが、
これらは対象とする作業に応じてそれぞれ使い分けるこ
とが重要である。
【0004】たとえば産業用ロボットなどにおいて従来
から実施されている位置/力ハイブリッド制御の方式で
は、作業端の力/トルクの方向と値を指令して、目標の
力および目標のトルクを制御することができるけれど
も、このような先行技術では、目標の力/トルクの値お
よび方向が正確に判っている場合しか、実施することが
できない。
【0005】他の先行技術として、作業端の抵抗を制御
する方式として、いわゆるインピーダンス制御および仮
想コンプライアンス制御の各方式があり、これは、作業
端の目標剛性および目標粘性を指定することによって、
対象物であるワークとの抵抗を制御する構成となってい
る。このような先行技術では、力/トルクの精度を必要
とせずにアーム手先に取付けられた作業端とワークとの
接触を行う作業には有効であるけれども、精度を必要と
する作業には不向きである。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、位置
/力ハイブリッド制御方式とインピーダンス/仮想コン
プライアンス制御方式との各長所を生かして、作業に応
じて柔軟な対応が可能であるロボットの制御装置を提供
することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、目標位置xd
となるように現在位置xに基づいて、目標速度xd1と
なるように現在の速度x1に基づいて、および目標の力
/トルクfdとなるように現在の力/トルクfに基づい
て、目標応答をさせるように、目標位置、目標速度およ
び目標の力/トルクと、それらの各目標値になるまでの
経過状態とを達成するトルク指令形制御を行い、現在の
各軸の角速度θ1を検出して目標角速度θd1となるよ
うに負帰還し、さらに各軸を目標角度θdに保つための
重力補償項G(θ)を加算することを特徴とするロボッ
トの制御装置である。
【0008】
【作用】本発明に従えば、たとえば産業用ロボットなど
のアームの各関節に関節速度サーボ系を有し、所望の直
交座標系において、ロボットアームの手先関心点の方向
剛性と方向粘性を設定することができ、さらに、所望の
方向の力・モーメントをも制御することが可能になる。
このように本発明に従えば、ロボットのアーム手先の作
業端で純粋に力を制御する方向と、抵抗を制御する方向
とに分離して作業を行わせることが可能になる。これに
よってロボットアームの取扱うことができる接触作業範
囲が大きく拡がる。
【0009】
【実施例】図1は、本発明の一実施例の全体のブロック
図である。演算回路1は、図2に示される産業用ロボッ
ト2の各軸を制御し、そのロボットアーム手先の作業端
3によって、たとえば図3に示されるようにワークであ
るボルト4を把んで、物体5のねじ孔6に嵌め込む作業
を行う。このボルト4をねじ孔6に螺合する際には、ね
じ孔6の方向7には、低剛性の並進剛性を設定し、ボル
ト4を矢符8のように回転させる方向には、必要な目標
締付トルクを指令し、これによってボルト4をねじ孔7
に嵌め込む作業を達成する。ねじ孔6の方向7は、z軸
に平行であり、力制御が行われ、回転方向8およびz軸
方向は、コンプライアンス制御が行われ、後述の目標剛
性Kdxを低く設定し、これによって反力を小さくし、
ねじ孔6へのボルト4の挿入を容易にする。このように
力制御とコンプライアンス制御とを複合し、これによっ
て作業に応じた柔軟な対応を可能とする。
【0010】ロボット2は、図2に示されるように床に
固定されたベース9と、このベース9に第1軸JT1ま
わりに角変位されるアーム10、さらに第2および第3
の各軸JT2,JT3まわりに角変位されるアーム1
1,12が設けられ、このアーム12は第4軸JT4の
まわりに角変位可能であり、さらにアーム13は第5軸
JT5まわりに角変位し、またこのアーム13に固定さ
れている作業端3は第6軸JT6まわりに角変位可能で
ある。
【0011】このようなロボットの応答制御は、数1を
実現することによって達成される。
【0012】
【数1】 Mx・x2+Dd(x1−xd1)+S・Kd(x−xd) =S・f+(E−S)Kf(f−fd) ここでxはロボットアーム手先作業端3である関心点の
位置、x1は手先関心点の速度、x2は手先関心点の加
速度である。
【0013】Mx は作業座標系での実慣性行列、xd
目標の位置、xd1は目標の速度、fd は目標の力/ト
ルクである。
【0014】さらにDd は目標粘性行列、Kd は目標剛
性行列、Kf は力フィードバックゲインである。
【0015】fは外力である。
【0016】Sは対角スイッチ行列、Eは単位行列であ
る。
【0017】S=Eのときには全方向にコンプライアン
ス制御が行われる。S=1が設定される成分方向にコン
プライアンス制御が行われ、S=0が設定される成分方
向には力制御が行われる。
【0018】マニピュレータ、すなわち作業端3の作業
座標系でのダイナミクスは数2で示される。
【0019】
【数2】Mx・x2+Hx(θ1,θ)= t-1τ+f ここでθは現在の関節角、θ1は現在の関節角速度、H
x(θ1,θ)は遠心力、コリオリ力、重力および摩擦
力などの外乱を含む非線形項、Jはヤコビ行列であり、
t-1はその転置逆行列であり、τは関節トルク入力で
ある。
【0020】数1および数2から、Mx・x2を消去し
て整理すると、数3が成立する。
【0021】
【数3】 τ= tJ[Dd(xd1−x1)+ SKd(xd −x) +(E−S){Kf(f−fd)−f}+Hx(θ1,θ)] この数3は、ハイブリッド・コンプライアンス/力制御
の基礎式である。
【0022】前述の外乱を含む非線形項の中で、本発明
の一実施例では、重力項G(θ)だけを補償する。また
応答改善のために各軸の速度サーボ系を追加し、Kv
各軸速度ゲインとすると、数4が成立する。
【0023】
【数4】 τ= tJ[Dd(xd1−x1)+Kd (xd −x) +(E−S){Kf(f−fd)−f}]+G(θ)+Kv(θd1−θ1) 数4は、前述の図1に示される実施例によって実現され
る。各軸のロボットアーム固有のベース座標系での関節
角速度は検出手段15によって検出され、その出力はラ
イン16を介して演算器17に与えられる。この演算器
17は、作業座標系におけるアーム手先の関心点のヤコ
ビ行列Jの演算を行い、これによってライン17aに
は、現在の速度x1が導出されて減算器18に与えられ
る。目標値設定回路19からライン20には、目標速度
d1が導出されて減算器18に与えられる。減算器1
8の出力(xd1−x1)はライン21から演算器22
に与えられ、目標粘性行列Dd の演算が行われ、その出
力Dd(xd1−x1)はライン23から加算回路24に
与えられる。
【0024】検出手段25はライン26にアーム手先の
現在位置xを表す信号を導出して減算器27に与える。
目標値設定回路19からライン28には、目標の位置x
dを表す信号が導出され、これによって減算器27の出
力(xd −x)はライン52から演算器29に与えられ
る。演算器29は、減算器27の出力と目標剛性行列K
dの積を求め、ライン30から加算器24に、Kd(xd
−x)を導出する。
【0025】検出手段31は、ライン32にアーム手先
である作業端3の検出された力/トルクを表す信号を導
出して減算器33,34にそれぞれ与える。目標値設定
回路19は、ライン35から目標の力/トルクfdを表
す信号を導出して減算器33に与える。減算器33はラ
イン36に、(f−fd)を表す信号を導出し、力制御
補償器37は、力フィードバックゲインKfを掛け算し
て減算器34に与える。減算器34は、Kf(f−fd
−fを演算し、行列演算器77に与える。行列演算器7
7は、(E−S)を減算器34の出力に掛け算し、その
出力を加算器24に与える。加算器24の出力はライン
53を介して行列演算器38に与えられる。この行列演
算器38は、加算器24の出力を、作業座標系における
アーム手先の関心点の転置ヤコビ行列tJを求め、その
出力を演算器39に与える。演算器39は、行列演算器
38の出力を、各関節のモータの電流すなわちトルクに
換算する係数Kqを掛け算し、その出力を加算器40に
与える。
【0026】目標値設定回路19からライン41には、
関節角速度の目標値θd1を表す信号を導出して減算器
42に与える。減算器42は、(θd1−θ1)を演算
し、演算器43に与える。演算器43は、関節速度フィ
ードバックゲインKvを掛け算し、その出力Kv(θd
−θ1)を導出して加算器40に与える。この加算器4
0には、重力補償項G(θ)の信号を導出する信号発生
器44からの信号がライン45を介して与えられる。こ
うして加算器40からライン46には、前述の数4で示
される関節トルク入力τを表す信号が与えられる。
【0027】演算回路1において、ライン46の関節ト
ルク入力τを表す信号は減算器47に与えられ、増幅回
路48から各軸を駆動するモータ49に与えられる。モ
ータ49によって駆動される各軸の位置/速度はエンコ
ーダ50によって検出され、検出手段15と検出手段2
5とに与えられる。このようにしてモータ49によって
各軸のトルクが前記値τに設定される。
【0028】このような実施例によれば、たとえば組立
て作業としてガイドピンを有する物体を、そのピンを台
盤の孔にならわせることによって着脱する作業を行い、
この場合の設定は、xy平面へは力制御、z方向および
回転方向はコンプライアンス制御を行い、この挿入直前
にミスアライメントがあるとき、そのたとえばx方向に
約15mmのミスアライメント偏差があっても、本件発
明者の実験結果によれば、エンドエフェクタ、すなわち
作業端3に柔軟なコンプライアンスを設定することによ
って、安定な装着および取外し作業を容易に実現するこ
とができることが確認された。したがって組立て作業に
先立って適当な位置決めさえできていれば、多少の誤差
があっても、その作業が可能であることが判る。これに
よって作業用ロボットのティーチング作業を簡素化する
ことができ、また作業端位置絶対精度を得にくい長尺ア
ームや浮遊ロボットアームの制御などに本発明が有効に
実施される。
【0029】本発明は産業用ロボットだけでなく、予め
定める特定の用途にのみ実施されるロボットなどに関連
して実施することもまた可能である。
【0030】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、産業用ロ
ボットなどのアーム手先作業端で、純粋に力を制御する
方向と、抵抗を制御する方向とに分離して作業を行わせ
ることが可能になり、これによってロボットアームの取
扱うことができる接触作業範囲が大きく拡がることにな
る。特に本発明では、現在の各軸の角速度θ1を検出し
て目標角速度θd1となるように負帰還し、これによっ
て各軸の速度サーボ系の追加による応答改善を行うこと
ができ、また各軸を目標速度θdに保つための重力補償
項G(θ)を加算するようにし、重力による誤差をなく
す。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の全体のブロック図である。
【図2】産業用ロボット2の簡略化した断面図である。
【図3】図1および図2に示される実施例によって物体
5のねじ孔6にボルト4を嵌め込む作業を示す断面図で
ある。
【符号の説明】
1 演算回路 2 産業用ロボット 3 アーム手先作業端 4 ボルト 5 物体 19 目標値設定回路

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 目標位置xdとなるように現在位置xに
    基づいて、目標速度xd1となるように現在の速度x1
    に基づいて、および目標の力/トルクfdとなるように
    現在の力/トルクfに基づいて、目標応答をさせるよう
    に、目標位置、目標速度および目標の力/トルクと、そ
    れらの各目標値になるまでの経過状態とを達成するトル
    ク指令形制御を行い、 現在の各軸の角速度θ1を検出して目標角速度θd1と
    なるように負帰還し、 さらに各軸を目標角度θdに保つための重力補償項G
    (θ)を加算することを特徴とするロボットの制御装
    置。
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