JPH0523982A - Robot control method and device - Google Patents
Robot control method and deviceInfo
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- JPH0523982A JPH0523982A JP17411591A JP17411591A JPH0523982A JP H0523982 A JPH0523982 A JP H0523982A JP 17411591 A JP17411591 A JP 17411591A JP 17411591 A JP17411591 A JP 17411591A JP H0523982 A JPH0523982 A JP H0523982A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、ロボットアームやロボ
ットハンドなど、ロボットシステムの制御方法及び装置
に係り、特にロボットを用いて作業を行う場合において
その作業に必要となる制御能力を総合的にみて最も発揮
しうるように該ロボットの各自由度変位を制御する方法
及び装置に係る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a control method and apparatus for a robot system such as a robot arm and a robot hand, and in particular, when the work is performed using a robot, the control ability required for the work is comprehensively obtained. The present invention relates to a method and apparatus for controlling the displacement of each degree of freedom of the robot so that it can be most effectively exhibited.
【0002】[0002]
【従来の技術】ロボットは種々の作業に利用されている
が、作業対象物をロボットに対してどのような位置に配
置すべきかは、ロボットの行う作業の内容によって異な
る。ロボットの運動学的な特性に着目して、ロボットの
持つ能力を最大限に引き出し得るように作業対象物を配
置することは、極めて重要な課題である。このようなこ
とを評価する目的で、いくつかの指標が提案されてい
る。2. Description of the Related Art Robots are used for various kinds of work, and the position of a work object to be placed on the robot depends on the contents of the work performed by the robot. It is a very important task to arrange the work object so as to maximize the ability of the robot, paying attention to the kinematic characteristics of the robot. Several indicators have been proposed for the purpose of evaluating such things.
【0003】その一つは、次の2つの文献、i)T.Y
oshikawa:Analysis andcontrol of robot manipu
lators with redundancy,Robotics Research,th
e First International Symposium,MIT Pr
ess (1984) pp735〜747および ii)吉
川:ロボットアームの可操作度、日本ロボット学会誌第
2巻1号pp63〜67(1984)、に提案されている
可操作度の概念である。これは、ロボットの各自由度の
出しうる速度の上限値が与えられた時に、ロボットの手
先の出しうる空間速度のすべてから成る集合を考え、こ
の集合即ちロボットの制御対象とする上記速度の次元を
持つユークリッド空間内の楕円体の体積をもって可操作
度と呼ぶものである。言いかえれば、ロボットの各自由
度の出しうる速度を定めて、これに対応してロボットの
手先位置・姿勢をどの程度自由に操作できるかをあらゆ
る方向に対して考えた手先の出しうる速度の総和をもっ
て表したもの、と言うことができる。One of them is the following two documents, i) T. Y
oshikawa: Analysis and control of robot manipu
lators with redundancy, Robotics Research, th
e First International Symposium, MIT Pr
ess (1984) pp735-747 and ii) Yoshikawa: The operability of the robot arm, which is a concept of operability proposed in the Journal of the Robotics Society of Japan, Volume 2, No. 1, pp63-67 (1984). This considers a set consisting of all the spatial velocities that the hand of the robot can give when the upper limit of the velocity that each degree of freedom of the robot can give is given, and this set, that is, the dimension of the velocity to be controlled by the robot. The manipulability is defined as the volume of an ellipsoid in the Euclidean space with. In other words, the speed that each of the robot's degrees of freedom can set is set, and the speed of the hand can be calculated by considering how freely the robot's hand position / orientation can be manipulated in all directions. It can be said that it is expressed as the sum total.
【0004】一方、別の指標として次の文献、iii)J.
K.Salisbury and J.J.Craig Articulated
Hands,Force Control andKinematic Issues,
Internatonal Journal on Robotics Researc
h,第1巻第1号 pp4〜17(1982)において
は、力制御を行う場合におけるロボットの各自由度発生
トルク誤差に基づくロボットの手先での発生力に対する
誤差が出来るだけ均一になることを目標として、この均
一性を示す指標が提案されている。即ち、上記楕円体の
最大半径と最小半径との比を用い、楕円体の方向的な一
様性を示すものがこの指標である。On the other hand, as another index, the following documents, iii) J.
K. Salisbury and JJ. Craig Articulated
Hands, Force Control and Kinematic Issues,
Internatonal Journal on Robotics Researc
h, Vol. 1, No. 1, pp. 4 to 17 (1982), it is stated that the error with respect to the force generated by the hand of the robot based on the torque error generated in each degree of freedom of the robot when performing force control is as uniform as possible. As a goal, an index showing this uniformity is proposed. That is, the index indicates the directional uniformity of the ellipsoid by using the ratio of the maximum radius and the minimum radius of the ellipsoid.
【0005】これら2つの指標を比較してみると、前者
の可操作度はロボットの動作方向にかかわらず、あらゆ
る方向に対する動作を想定して手先の動き易さの総和が
大きいほど、即ち任意の方向に対する動作速度の期待値
が大であるほど指標は大きな値をとり、望ましい状態で
あるとする評価指標である。一方、後者の楕円体半径比
を用いる指標はロボットの手先において発生する力の誤
差が、どの方向に対してもなるべく等しくなるほど、即
ち力の等方性、一様性が高いほど大きな値をとり、望ま
しい状態であるとする評価指標である。Comparing these two indices, the manipulability of the former is irrespective of the direction of movement of the robot, and the larger the total sum of easiness of movement of the hand, assuming any movement in any direction, that is, the arbitrary degree. The index has a larger value as the expected value of the operation speed with respect to the direction is larger, and is an evaluation index in which it is in a desirable state. On the other hand, the latter index using the ellipsoidal radius ratio takes a larger value as the error in the force generated at the robot's hand is as equal as possible in any direction, that is, the force isotropic and uniform. It is an evaluation index that indicates a desirable state.
【0006】従って、ロボットの制御という点から見る
と、これらいずれかの評価指標を最大または極大とする
ような姿勢をとるように制御を行う、あるいは作業対象
物とロボットとの相対関係を制御する、ということが行
われていた。Therefore, from the viewpoint of controlling the robot, control is performed so as to take a posture in which any one of these evaluation indexes is maximized or maximized, or the relative relationship between the work object and the robot is controlled. That was being done.
【0007】[0007]
【発明が解決しようとする課題】以上に示したような指
標に基づいてロボットを制御することは、ロボットが実
行する作業の内容とは無関係に、一般的な意味において
最適な姿勢をロボットにとらせようとする考え方による
ものであって、任意の方向に動作が指定されてもその方
向への動作のしやすさに対する期待値、あるいは方向非
依存性のいずれかに優れたロボットの状態、姿勢をロボ
ットにとらせるよう制御が行われることになる。しか
し、ロボットの行う個々の作業を具体的に考えてみる
と、あらゆる方向に対する動作についての性能を問題と
する必要は必ずしもないことが明らかである。Controlling the robot on the basis of the above-mentioned indexes means that the robot takes an optimum posture in a general sense regardless of the contents of the work performed by the robot. The robot's state and posture are excellent in either the expected value for the ease of movement in that direction or the independence of direction, even if the movement is specified in any direction. The control will be performed so that the robot takes. However, when the individual work performed by the robot is considered concretely, it is clear that it is not always necessary to consider the performance of motions in all directions as a problem.
【0008】例えば、図2に示すロボット1が、作業対
象物2の表面に沿って、作業工具19を上下方向3(Z
軸方向)の力を一定に保ちつつ、左右方向4(X軸方
向)に移動させるとき、X軸方向にはロボットの位置を
制御することが必要であるのに対して、Z軸方向にはロ
ボットの力を制御することが必要である。このように、
方向によって作業を実行するための制御に必要となる仕
様が異なる場合などにおいては、従来提案されている上
記の方法では最適な姿勢状態の導出が不可能である。即
ち、全方向に対する位置制御性の期待値あるいは力制御
の均一性は評価指標としては不適当である。例えば、図
1の例においては、左右方向、即ちX軸方向に対しては
ロボットの各自由度の出しうる速度に対する直線動作速
度が大きいほど、また上下方向、即ちZ軸方向に対して
は各自由度の出力トルク誤差に対する直線方向発生力の
誤差が小さいほど、適当であり、そのようなロボットの
姿勢を実現するように制御を行うことが望ましい。For example, the robot 1 shown in FIG. 2 moves the work tool 19 along the surface of the work object 2 in the vertical direction 3 (Z
When moving in the left-right direction 4 (X-axis direction) while keeping the force (axial direction) constant, it is necessary to control the position of the robot in the X-axis direction, while in the Z-axis direction. It is necessary to control the force of the robot. in this way,
In the case where the specifications required for the control for executing the work differ depending on the direction, it is impossible to derive the optimum posture state by the above-mentioned method that has been conventionally proposed. That is, the expected value of the position controllability in all directions or the uniformity of force control is unsuitable as an evaluation index. For example, in the example of FIG. 1, the greater the linear movement speed with respect to the speed that each degree of freedom of the robot can produce in the left-right direction, that is, the X-axis direction, and the higher the linear movement speed in the up-down direction, that is, the Z-axis direction. The smaller the error in the linear direction generated force with respect to the output torque error in the degree of freedom, the more appropriate it is, and it is desirable to perform control so as to realize such a posture of the robot.
【0009】本発明は、このような意味において、ロボ
ットのとるべき適正な姿勢状態を、従来の方法のように
一般的な形でなく、ロボットの実行する個々の作業の仕
様との関係において適正化し、ロボットの性能能力を最
大限に発揮させようとするものである。また、このよう
な適正化の手法を用いて、ロボットのアームとハンドか
ら成るシステム、あるいはいわゆる冗長自由度を有する
ロボットの制御等における最適なロボット姿勢状態の決
定及び制御方法を提供しようとするものである。このよ
うな制御を行うことによって、ロボットの性能能力を最
大限に発揮させながら作業を実行させることが可能にな
るため、同一作業の実施におけるロボットの消費エネル
ギの減少、あるいは作業動作の高速化、動作軌跡や力制
御の高精度化などを図ることができる。In this sense, the present invention determines the proper posture state of the robot, which is not in a general form as in the conventional method, but in relation to the specification of each work performed by the robot. In order to maximize the performance capability of the robot. Further, it is intended to provide a method of determining and controlling an optimum robot posture state in a system including a robot arm and a hand or a robot having so-called redundant degrees of freedom by using such an optimization method. Is. By performing such control, it is possible to perform the work while maximizing the performance capability of the robot, so that the energy consumption of the robot in performing the same work is reduced, or the work operation is accelerated. It is possible to improve the accuracy of motion locus and force control.
【0010】[0010]
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明ではまずロボットの行う作業に着目し、作業
自体の仕様、目的を明確にして、これに応じてロボット
の性能を十分に発揮させることができるようにロボット
の姿勢を決定し、制御することを特徴としている。即
ち、作業の仕様を作業空間に対して固定された座標系を
用いて記述し、各座標軸方向、座標軸まわり方向の動作
制御目標を明確化し、各々の当該方向へのロボットの動
作制御能力をロボットの姿勢状態の関数として求め、ロ
ボットの姿勢状態のそれぞれに対応する該各方向への作
業仕様に関する制御性能評価指標を計算し、それらの加
重総合評価指標値が最も大きな値となるロボットの姿勢
状態を最適姿勢状態として定めるのである。従来のよう
に、ロボットの行う作業とは独立に、ロボット単独とし
て「最適」な姿勢状態を定めるのではなく、ロボットが
行う作業の内容や、ロボットと作業対象物の相対的位置
関係に依存して、その作業仕様に最も合致したロボット
の姿勢状態を、「最適なもの」として決定し、その結果
に基づいてロボットの制御を行うのである。In order to achieve the above object, the present invention first focuses on the work to be performed by the robot, clarifies the specifications and purpose of the work itself, and sufficiently improves the performance of the robot accordingly. The feature is that the posture of the robot is determined and controlled so that it can be demonstrated. That is, the work specifications are described using a coordinate system fixed to the work space, the motion control target in each coordinate axis direction and the coordinate axis direction is clarified, and the motion control ability of the robot in each relevant direction is defined by the robot. Of the robot, the control performance evaluation index for the work specification in each direction corresponding to each of the robot attitude states is calculated, and the weighted overall evaluation index value of the robot attitude state becomes the largest value. Is determined as the optimum posture state. Rather than determining the "optimum" posture state for the robot independently of the work performed by the robot as in the past, it depends on the content of the work performed by the robot and the relative positional relationship between the robot and the work target. Then, the posture state of the robot that best matches the work specification is determined as "optimum", and the robot is controlled based on the result.
【0011】ここで言う作業仕様に対する合致度につい
て、次に説明する。先にも述べた図1に示す例では左右
方向、即ちX軸方向に対しては位置制御が行われること
により軌道の制御が行われている。従ってロボット1の
各自由度の速度に対してX軸方向に出しうる速度が大き
いほど、ロボットは動き易い。また上下方向、即ちZ軸
方向に対しては力制御が行われ、作業対象物2に対して
一定の力で作業工具を押し付けることが制御目的とな
る。従ってロボット1の各自由度のトルク誤差に対して
Z軸方向の力誤差が小さいほど、ロボットは正確に力の
制御ができる。以上のことを組み合せて考えると、X軸
方向には出来るだけ速度を出しやすく、かつZ軸方向に
は発生する力の精度を高くしやすいロボットの姿勢状態
が、上記図1に示されるような作業を行わせる場合には
望ましい。ここで述べるX軸方向、Z軸方向に対する2
つの制御目標の各々に関する最適ロボット状態は必ずし
も一致しないことは明らかである。このため、さらに作
業の仕様として、各軸方向(図2の例では、X軸、Z軸
方向)に対する作業仕様の重要度を考え、これを用いる
ことにより総合的に当該作業に対する「最適」なロボッ
ト姿勢状態を決定すると共に、その結果に基づいてロボ
ットの制御を行う。The degree of conformity with the work specifications mentioned here will be described below. In the example shown in FIG. 1 described above, the trajectory is controlled by performing position control in the left-right direction, that is, the X-axis direction. Therefore, the greater the speed that can be taken out in the X-axis direction with respect to the speed of each degree of freedom of the robot 1, the easier the robot will move. Further, force control is performed in the vertical direction, that is, the Z-axis direction, and the control purpose is to press the work tool against the work target 2 with a constant force. Therefore, the smaller the force error in the Z-axis direction with respect to the torque error of each degree of freedom of the robot 1, the more accurately the robot can control the force. Considering the above things in combination, the posture state of the robot is as shown in FIG. 1 in which it is easy to increase the speed in the X-axis direction and to increase the accuracy of the force generated in the Z-axis direction. It is desirable when making work. 2 for the X-axis direction and Z-axis direction described here
It is clear that the optimal robot states for each of the two control goals do not necessarily match. Therefore, as the work specifications, the importance of the work specifications in each axial direction (in the example of FIG. 2, X-axis and Z-axis directions) is considered, and by using this, the “optimal” for the work is comprehensively achieved. The robot posture is determined and the robot is controlled based on the result.
【0012】以上のような、作業に応じたロボット姿勢
状態の決定、制御方法は、ロボットと作業対象物との配
置の適正化等にも有用であるが、ロボット・システムと
して考えた場合には、作業の仕様を満足するロボットの
状態を、作業工具の作業対象物との相対関係とは独立し
て、少くとも複数の状態の中から選びうるような、いわ
ゆる冗長性を有するシステムの場合に特に有効である。
例えばロボットアームとその先端に取付けられたロボッ
トハンドとの組合せによって作業を行う場合、あるいは
自由度を例えば7個以上備えたようなロボットアーム等
の場合がこれに相当する。例えばロボットアームとロボ
ットハンドとを組合せたシステムにおいては、ロボット
ハンドに対して本発明に係る方法を用いて姿勢を決定
し、ロボットハンドの位置を所望の位置となるようにロ
ボットアーム側で補正、位置合わせをするなどの形で分
離して取扱っても良いし、あるいは、多自由度を有する
ロボットあるいはロボットシステムの全体に対して、手
先の位置、姿勢を一定に保ちつつ本発明に係る方法によ
ってロボットの姿勢状態を全体として一括的に決定する
ことも可能である。The above-described method for determining and controlling the posture of the robot according to the work is useful for optimizing the placement of the robot and the work object, but when considered as a robot system, , In the case of a system having so-called redundancy, in which the state of the robot satisfying the work specifications can be selected from at least a plurality of states independently of the relative relationship between the work tool and the work object. Especially effective.
For example, this corresponds to a case where work is performed by a combination of a robot arm and a robot hand attached to the tip thereof, or a case where a robot arm having seven or more degrees of freedom is used. For example, in a system in which a robot arm and a robot hand are combined, the posture of the robot hand is determined using the method according to the present invention, and the position of the robot hand is corrected on the robot arm side so as to be a desired position. It may be handled separately in the form of alignment, or by the method according to the present invention while keeping the hand position and posture constant with respect to the robot or robot system having multiple degrees of freedom. It is also possible to collectively determine the posture state of the robot as a whole.
【0013】[0013]
【作用】実施しようとする個々の作業の仕様が作業空間
に対して固定された座標系を用いて記述され、各座標軸
方向、座標軸まわり方向の動作制御目標が明確化され
る。さらに、前記明確化された作業仕様に対応する、前
記各座標軸方向、座標軸まわり方向へのロボットの動作
制御能力、例えば位置制御能力,回転角制御能力,力制
御能力,速度制御能力などがロボットの姿勢状態の関数
として求められる。次いで、ロボットの姿勢状態のそれ
ぞれに対応する前記各方向への作業仕様に関する制御性
能評価指標が前記求められたロボットの動作制御能力に
基づいて計算され、さらに計算されたそれらの制御性能
評価指標に重み付けをして加重総合評価指標値が計算さ
れる。この加重総合評価指標値は、実施しようとする作
業に対してロボットのどのような姿勢が最も適している
かを表すものであり、該加重総合評価指標値が最も大き
な値となるロボットの姿勢状態が、前記実施しようとす
る作業に対して選定された重み付けに基づく最適姿勢状
態である。The specifications of each work to be carried out are described using a coordinate system fixed to the work space, and the motion control target in each coordinate axis direction and around the coordinate axis is clarified. Furthermore, the motion control ability of the robot in each coordinate axis direction and the coordinate axis direction corresponding to the clarified work specification, such as position control ability, rotation angle control ability, force control ability, speed control ability, etc. It is calculated as a function of posture. Then, a control performance evaluation index relating to work specifications in each of the directions corresponding to each of the posture states of the robot is calculated based on the obtained motion control capability of the robot, and the calculated control performance evaluation index is further calculated. Weighting is performed to calculate a weighted comprehensive evaluation index value. This weighted comprehensive evaluation index value represents what kind of posture of the robot is most suitable for the work to be performed, and the posture state of the robot having the largest weighted comprehensive evaluation index value is , The optimum posture state based on the weighting selected for the work to be performed.
【0014】このような姿勢状態でロボットに作業させ
ることにより、ロボットは作業の内容に応じた性能を最
大限に発揮できる。即ち、作業の内容に応じて必要な動
作速度、精度等の出しやすい姿勢状態、言いかえればロ
ボット各自由度の変位状態にロボットを制御できる。By making the robot work in such a posture, the robot can maximize its performance according to the contents of the work. That is, it is possible to control the robot in a posture state in which required motion speed, accuracy, etc. are easily obtained according to the content of the work, in other words, a displacement state of each degree of freedom of the robot.
【0015】[0015]
【実施例】まず、一般化した形で本発明の実施例の一つ
を説明する。図3に6自由度のロボット1及びその作業
対象物2を示す。このロボット1の手先点10の位置及
び、手先点10に固定された座標系30の、ロボット1
の基台に固定された座標系3に対する回転角変位成分P
1〜P6をベクトルの形でベクトルPと表す。即ち、First, one embodiment of the present invention will be described in a generalized form. FIG. 3 shows a robot 1 having 6 degrees of freedom and its work target 2. The position of the tip point 10 of this robot 1 and the robot 1 of the coordinate system 30 fixed to the tip point 10
Rotation angle displacement component P with respect to the coordinate system 3 fixed to the base of
1 to P 6 are represented as a vector P in the form of a vector. That is,
【0016】[0016]
【数1】 [Equation 1]
【0017】また、ロボット1の各自由度11〜16の
変位θ1〜θ6をベクトルの形でベクトルθと表す。即
ち、Further, the displacements θ 1 to θ 6 of the respective degrees of freedom 11 to 16 of the robot 1 are represented as a vector θ in the form of a vector. That is,
【0018】[0018]
【数2】 [Equation 2]
【0019】このとき、両者の幾何学的関係が下記
(3)式でで与えられるものとし、At this time, the geometrical relationship between the two is given by the following equation (3),
【0020】[0020]
【数3】 [Equation 3]
【0021】ベクトルPに対応する速度ベクトルKとロ
ボット1の各自由度11〜16の速度ベクトルMとの関
係が下記(4)式で与えられるとする。It is assumed that the relationship between the velocity vector K corresponding to the vector P and the velocity vector M of each of the degrees of freedom 11 to 16 of the robot 1 is given by the following equation (4).
【0022】[0022]
【数4】 [Equation 4]
【0023】ここで、(4)式右辺第1項は(3)式右
辺のヤコビ行列であって、下記(5)式により定義され
る。Here, the first term on the right side of the equation (4) is the Jacobian matrix on the right side of the equation (3) and is defined by the following equation (5).
【0024】[0024]
【数5】 [Equation 5]
【0025】一方、図3に示すロボット1の各自由度1
1〜16のトルクτ1〜τ6をベクトルの形でベクトルτ
と表す。即ち、On the other hand, each degree of freedom 1 of the robot 1 shown in FIG.
1 to 16 torques τ 1 to τ 6 in the form of a vector τ
Express. That is,
【0026】[0026]
【数6】 [Equation 6]
【0027】また、ロボット1の手先点10における
力、トルクをベクトルの形で同様にベクトルFと表す。
即ち、Further, the force and torque at the hand point 10 of the robot 1 are similarly expressed as a vector F in the form of a vector.
That is,
【0028】[0028]
【数7】 [Equation 7]
【0029】このとき、両者の関係は、仮想仕事の考え
方を用いることによって、下記(8)式により与えられ
る。At this time, the relationship between the two is given by the following equation (8) by using the concept of virtual work.
【0030】[0030]
【数8】 [Equation 8]
【0031】即ち、力・トルクの関係は位置・姿勢の関
係から導かれる(4)式右辺第1項のヤコビ行列を用い
て、その転置行列、及び下記(9)式に示されるその逆
行列によって与えられる。That is, the force / torque relationship is derived from the position / orientation relationship by using the Jacobian matrix of the first term on the right side of expression (4), and its transposed matrix and its inverse matrix shown in expression (9) below. Given by.
【0032】[0032]
【数9】 [Equation 9]
【0033】上記の例ではロボットの自由度数と制御対
象とすべき直交空間パラメータの数とが一致している
が、ロボットの自由度数の方が制御パラメータ数より多
い冗長自由度を有する場合については、上記逆行列の代
りに一般化逆行列,疑似逆行列を用いることにより同様
の関係が導かれる。In the above example, the number of degrees of freedom of the robot and the number of orthogonal spatial parameters to be controlled are the same, but in the case where the number of degrees of freedom of the robot has more redundant degrees of freedom than the number of control parameters, , A generalized inverse matrix or a pseudo inverse matrix is used instead of the above inverse matrix to derive the same relation.
【0034】いま、ロボット1が行う作業を想定し、そ
の仕様として例えばX,Y軸方向(P1,P2軸方向)及
びX,Y軸まわり(P4,P5方向)には位置または角度
を、またZ軸方向(P3軸方向)及びZ軸まわり(P6方
向)には力またはトルクを、各々制御することが要求さ
れているとする。かつ、P1,P2,P4,P5軸方向に
は、出来る限り働き易くすること、またP3,P6軸方向
には、出来る限り精度良く制御することが望まれている
とする。更に、その要求に対する重要度は、位置に関す
るものと力に関するものとが等しく考慮されるべきであ
るものとする。この場合、位置または角度に関する関係
式として、下記(10)式が成り立つ。Now, assuming the work to be performed by the robot 1, its specifications are, for example, a position or a position in the X and Y axis directions (P 1 and P 2 axis directions) and around the X and Y axes (P 4 and P 5 directions). It is assumed that it is required to control the angle and the force or torque in the Z axis direction (P 3 axis direction) and around the Z axis (P 6 direction), respectively. In addition, it is desired to make the work as easy as possible in the P 1 , P 2 , P 4 , P 5 axis directions and to control the P 3 , P 6 axis directions as accurately as possible. . Furthermore, the importance of the requirement should be considered equally for position and for force. In this case, the following expression (10) is established as a relational expression regarding the position or the angle.
【0035】[0035]
【数10】 [Equation 10]
【0036】また、力・トルクに関する関係式として
は、ヤコビ行列の逆行列を、下記(13)式とすると、
その転置行列が下記(14)式であることより、下記
(15)式が成り立つ。As the relational expression regarding the force / torque, if the inverse matrix of the Jacobian matrix is the following expression (13),
Since the transposed matrix is the following equation (14), the following equation (15) is established.
【0037】[0037]
【数11】 [Equation 11]
【0038】従って、位置、姿勢を制御すべき軸(この
例ではP1,P2,P4,P5)に関する要素のみから成る
部分ベクトルTherefore, a partial vector consisting only of elements relating to the axes (P 1 , P 2 , P 4 , P 5 in this example) whose position and orientation should be controlled
【0039】[0039]
【数12】 [Equation 12]
【0040】及び、力、トルクを制御すべき軸(この例
ではP3,P6軸、即ちF3,F6)に関する要素のみから
成る部分ベクトルAnd a partial vector consisting only of elements relating to the axes (P 3 and P 6 axes in this example, that is, F 3 and F 6 ) whose force and torque should be controlled.
【0041】[0041]
【数13】 [Equation 13]
【0042】を考え、これら部分ベクトル各々について
ロボット1の各自由度変位、即ちロボットの姿勢状態ベ
クトルθの関数としての性質を調べる。Considering each of these partial vectors, the displacement of each degree of freedom of the robot 1, that is, the property as a function of the posture state vector θ of the robot is examined.
【0043】このとき、ロボット1の各自由度11〜1
6の動作速度の上限値が与えられるものとすれば、Kの
とりうる値の範囲が定まる。Kのノルムについて考えれ
ば,At this time, the respective degrees of freedom 11 to 1 of the robot 1
If the upper limit of the operation speed of 6 is given, the range of values that K can take is determined. Considering the norm of K,
【0044】[0044]
【数14】 [Equation 14]
【0045】であり、‖M‖の動きうる値の範囲が定ま
れば、4次元エークリッド空間内の楕円体としてKの集
合が定義できる。ここにαiは直線速度と回転速度の変
換のための適当な定数であるとする。Thus, if the range of values in which ‖M‖ can move is determined, the set of K can be defined as an ellipsoid in the four-dimensional acreed space. Here, αi is assumed to be an appropriate constant for conversion of linear velocity and rotational velocity.
【0046】一方、ロボット1の各自由度11〜16の
発生トルク誤差の上限値が与えられるものとすれば、ベ
クトルfのとりうる値の範囲が定まる。ベクトルfのノ
ルムは、On the other hand, if the upper limit value of the torque error generated in each of the degrees of freedom 11 to 16 of the robot 1 is given, the range of values that the vector f can take is determined. The norm of vector f is
【0047】[0047]
【数15】 [Equation 15]
【0048】であり、‖τ‖の動きうる値の範囲が定ま
れば、同様なエークリッド空間内の楕円体としてベクト
ルfの集合が定義できる。なお、ここでβiはαiと同
様の適当な定数であるとする。ただし、ここの例ではベ
クトルfは2次元のベクトルであり、平面内の楕円の面
積としてベクトルfの集合を考えることができる。Thus, if the range of values in which ‖τ‖ can move is determined, a set of vectors f can be defined as an ellipsoid in a similar acreed space. Here, βi is an appropriate constant similar to αi. However, in this example, the vector f is a two-dimensional vector, and a set of the vectors f can be considered as the area of the ellipse in the plane.
【0049】本実施例における作業の仕様に照らし合わ
せれば、上記の(18)式左辺と(19)式左辺とを共
に最も大きな値とするようなロボット1の各自由度変位
ベクトルθ、即ちロボット1の姿勢状態を見出し、この
状態をなるべく満たすようにロボット1の各自由度11
〜16を制御することが、与えられた作業の実施におい
て良好な結果を期待でき、望ましいと言える。しかし上
記(18)式左辺すなわち‖K‖を最大とするベクトル
θと、上記(19)式左辺すなわち‖ベクトルf‖を最
大とするベクトルθとは、必ずしも一致するとは限ら
ず、むしろ一般的には一致しないことが通常である。こ
のため、上記‖K‖と‖ベクトルf‖との間のバランス
を考慮に入れて最適と考えられるベクトルθを選択、決
定することが必要となる。 いま、‖K‖と‖ベクトル
f‖との物理的な意味が異ることに注意して、両者を同
じレベルで比較可能とするために正規化を行う。ロボッ
ト1の各自由度11〜16の変位ベクトルθの定義域の
全域に対する‖K‖および‖ベクトルf‖の最大値を、
それぞれ‖K‖max,‖ベクトルf‖maxとする。ただ
し、ベクトルθの定義域内に前記(5)式に示すヤコビ
行列の行列式を0とする点、即ちIn view of the work specifications in this embodiment, each displacement vector θ of the degree of freedom of the robot 1, that is, the left side of the equation (18) and the left side of the equation (19) are the largest, that is, the robot. The posture of the robot 1 is found, and each degree of freedom 11 of the robot 1 is set so as to satisfy this state as much as possible.
It can be said that controlling ˜16 can be expected to give good results in performing a given task. However, the left side of the equation (18), that is, the vector θ that maximizes ‖K‖ and the vector θ that maximizes the left side of the equation (19), that is, the ‖ vector f‖, do not always match, but in general Are usually inconsistent. Therefore, it is necessary to select and determine the vector θ which is considered to be optimum in consideration of the balance between the above-mentioned ‖K‖ and the ‖ vector f‖. Now, note that ‖K‖ and ‖ vector f‖ have different physical meanings, and normalization is performed so that they can be compared at the same level. The maximum values of ‖K‖ and ‖ vector f‖ for the entire domain of the displacement vector θ of each degree of freedom 11 to 16 of the robot 1 are
Let ‖K‖max and ‖ vector f‖max respectively. However, in the domain of the vector θ, the point where the determinant of the Jacobian matrix shown in the equation (5) is 0, that is,
【0050】[0050]
【数16】 [Equation 16]
【0051】とする点、言いかえれば本ロボットの特異
点が存在する場合には、ヤコビ行列は正則でなくなり、
(13)式に示す逆行列が定められないため、このよう
な特異点の近傍は上記ベクトルθの定義域から除外して
‖K‖max,‖ベクトルf‖maxを決定する。このこと
は、上記特異点近傍においては、ロボット1は直線動作
をすることが原理的に不可能であることを意味してお
り、この領域を考慮の対象から除外することが妥当であ
る。このとき、正規化された速度ベクトル、力・トルク
・ベクトルをそれぞれ下記(21)式、(22)式で表
わす。In other words, if there is a singular point of this robot, the Jacobian matrix is no longer regular,
Since the inverse matrix shown in the equation (13) is not defined, the neighborhood of such a singular point is excluded from the domain of the vector θ to determine ‖K‖max and ‖vector f‖max. This means that, in the vicinity of the singular point, it is theoretically impossible for the robot 1 to make a linear movement, and it is appropriate to exclude this region from consideration. At this time, the normalized velocity vector and force / torque vector are expressed by the following equations (21) and (22), respectively.
【0052】[0052]
【数17】 [Equation 17]
【0053】ここで、与えられた作業の仕様に照らし合
わせて考えると、位置制御方向の性能については、(2
1)式の正規化速度ベクトルが大であるほど、また力制
御方向の性能については、(22)式の正規化力・トル
クベクトルが小であるほど、それぞれ望ましいと言うこ
とができる。従って、位置制御性能の評価指標として、
スカラー量Vpを下記(23)式で定義し、力制御性能
の評価指標として、スカラー量Vfを、下記(24)式
で定義する。Here, considering the specifications of the given work, the performance in the position control direction is (2
It can be said that the larger the normalized velocity vector in the equation (1) is, and the smaller the normalized force / torque vector in the equation (22) is, the more preferable the performance in the force control direction is. Therefore, as an evaluation index of position control performance,
The scalar amount Vp is defined by the following formula (23), and the scalar amount Vf is defined by the following formula (24) as an evaluation index of the force control performance.
【0054】[0054]
【数18】 [Equation 18]
【0055】ここで、(21)式左辺、(22)式左辺
はそれぞれ正規化されたベクトルであり、そのノルムの
最大値は1である。従ってVp,Vfの値のとりうる範
囲は0≦Vp,Vf≦1であり、本実施例の作業目標に
対してはVp,Vfは共にその値が大であるほど望まし
いと言うことができる。The left side of the equation (21) and the left side of the equation (22) are normalized vectors, and the maximum norm is 1. Therefore, the range of the values of Vp and Vf is 0 ≦ Vp, Vf ≦ 1, and it can be said that the larger the values of Vp and Vf are, the more desirable it is for the work target of the present embodiment.
【0056】ここで、更に位置制御と力制御とのバラン
スを考えるため、重みづけのための重要度mをパラメー
タとして導入する。即ち、本実施例のごとく、位置・姿
勢と、力・トルクの制御を同時に行う場合に、両者のい
ずれか一方が他方に比較してより重要である、というこ
とが考えられる。この重要度とは、作業の目標仕様その
ものに対する重要度ではなく、あくまでもその目標を達
成しやすいロボット1の姿勢状態の決定、あるいはロボ
ット1と作業対象物2との相対位置関係の決定のため
に、位置・姿勢の制御と、力・トルクの制御のどちらを
優先するか、というパラメータと解釈するべき性質のも
のである。いま、例えば重要度mを、力制御に対する位
置制御の優先度比と定めれば、総合的に見た制御性能の
評価指標Sとして、
S=(m・Vp+Vf)/(m+1) ……(25)
が定義できる。従って、本評価指標Sを最大とするロボ
ット1の姿勢状態ベクトルθを選択して、その状態に出
来るだけ一致するようにロボット1を制御することによ
り、目標とする作業の仕様に対して、位置制御の性能と
力制御の性能とのバランスを考慮した形の最も適当な姿
勢状態、即ち各自由度11〜16の変位ベクトルθを定
めることが出来ることになる。図1は上記制御の流れの
1例を示す手順図である。Here, in order to further consider the balance between the position control and the force control, the importance m for weighting is introduced as a parameter. That is, when the position / orientation and the force / torque are controlled at the same time as in the present embodiment, it is considered that one of them is more important than the other. This importance is not the importance with respect to the target specification itself of the work, but is merely for determining the posture state of the robot 1 that easily achieves the target, or for determining the relative positional relationship between the robot 1 and the work target 2. , The position / orientation control or the force / torque control should be prioritized. Now, for example, if the importance level m is defined as the priority ratio of the position control with respect to the force control, then S = (m · Vp + Vf) / (m + 1) (25) as the evaluation index S of the overall control performance. ) Can be defined. Therefore, by selecting the posture state vector θ of the robot 1 which maximizes the evaluation index S and controlling the robot 1 so as to match the posture state vector θ as much as possible, the position of the target work specification It is possible to determine the most suitable posture state, that is, the displacement vector θ of each of the degrees of freedom 11 to 16, in consideration of the balance between the control performance and the force control performance. FIG. 1 is a procedure diagram showing an example of the control flow.
【0057】図3において、例えばロボット1に対して
作業対象物2がベルトコンベア等(図示せず)により一
定速度vで移動、搬送されてくるものとすれば、作業対
象物2の移動位置を監視しつつ、その位置が上記ロボッ
ト1の最適姿勢状態ベクトルθに近い位置に来た時点で
作業を実行すれば良い。図4に、その場合の制御装置3
の構成例を示す。In FIG. 3, for example, assuming that the work object 2 is moved and conveyed to the robot 1 at a constant speed v by a belt conveyor or the like (not shown), the moving position of the work object 2 is While monitoring, the work may be executed when the position comes close to the optimum posture state vector θ of the robot 1. FIG. 4 shows the control device 3 in that case.
A configuration example of is shown.
【0058】図示の制御装置は、予め指定された作業仕
様が入力される作業仕様設定部31と、該作業仕様設定
部31に接続され入力された作業仕様とロボット1の機
構モデルに基づいて計算を行う制御性能評価指標計算部
32と、該制御性能評価指標計算部32の計算結果を解
析し作業の仕様に対して最も適したロボット姿勢ベクト
ルθ及び対応するロボット手先位置ベクトルPとを出力
する最適姿勢状態決定部33と、移動する作業対象物2
(図示せず)の位置を検出する作業対象物位置検出部3
5と、該作業対象物位置検出部35の出力と最適姿勢状
態決定部33の出力(例えば上記ロボット1の手先位置
ベクトルP)とを比較し、その差の絶対値が別に指定さ
れる許容値以下であれば、ロボット1への起動信号を発
生する比較部34と、発生された起動信号を受けてロボ
ット1を駆動制御するロボット運動制御部36とを含ん
で構成されている。The control device shown in the figure calculates based on a work specification setting section 31 to which a prespecified work specification is input, a work specification connected to the work specification setting section 31 and a mechanical model of the robot 1. The control performance evaluation index calculation unit 32 that performs the above is analyzed, and the calculation result of the control performance evaluation index calculation unit 32 is analyzed to output the robot posture vector θ and the corresponding robot hand position vector P that are most suitable for the work specifications. Optimal posture state determination unit 33 and moving work object 2
Work object position detection unit 3 for detecting the position of (not shown)
5 is compared with the output of the work target position detection unit 35 and the output of the optimum posture state determination unit 33 (for example, the hand position vector P of the robot 1), and the absolute value of the difference is separately specified as an allowable value. In the following, the comparison unit 34 that generates a start signal to the robot 1 and the robot motion control unit 36 that receives the generated start signal and drives and controls the robot 1 are configured.
【0059】上記構成の制御装置は、作業対象物位置検
出部35により、移動する作業対象物2の位置を検出
し、検出された作業対象物2の位置に基づいてその状態
で作業するときのロボット姿勢ベクトルθ及び対応する
ロボット手先位置ベクトルPとを出力する。比較部34
は、最適姿勢状態決定部33が出力する最適のロボット
姿勢ベクトルθ及び対応するロボット手先位置ベクトル
Pと作業対象物位置検出部35が出力するロボット姿勢
ベクトルθ及び対応するロボット手先位置ベクトルPと
を比較し、その差の絶対値が別に指定される許容値以下
であれば、検出された作業対象物の位置で作業を実施し
てもよいと判断してロボット1への起動信号を発生す
る。これにより、ロボット1は作業対象物2に対して、
その作業の仕様に適した姿勢状態に近い姿勢状態での作
業の実行が可能となる。発生された起動信号を受けてロ
ボット1を駆動制御するロボット運動制御部36につい
ては、従来のロボット制御装置と何ら変わるものではな
いので、ここでは説明は省略する。In the control device having the above structure, the work object position detecting section 35 detects the position of the moving work object 2, and when the work is performed in that state based on the detected position of the work object 2. The robot posture vector θ and the corresponding robot hand position vector P are output. Comparison unit 34
Is the optimum robot posture vector θ output by the optimum posture state determination unit 33 and the corresponding robot hand position vector P, and the robot posture vector θ output by the work target position detection unit 35 and the corresponding robot hand position vector P. If the absolute values of the differences are compared and are equal to or less than the separately specified allowable value, it is determined that the work may be performed at the detected position of the work target object, and a start signal to the robot 1 is generated. As a result, the robot 1 is
It is possible to perform the work in a posture state close to the posture state suitable for the specifications of the work. The robot motion control unit 36 that drives and controls the robot 1 in response to the generated start signal is not different from the conventional robot control device, and therefore the description thereof is omitted here.
【0060】なお、以上の説明では、作業の仕様の有す
るパラメータ数とロボットの自由度数とがいずれも6つ
の場合について述べたが、これらは必ずしも6に限定さ
れる必要はなく、かつ作業仕様パラメータ数とロボット
の自由度数とが一致したものである必要もない。また、
位置制御が必要とされる軸数を4、力・トルク制御が必
要とされる軸数を2とした場合について例示したが、こ
れに限定されるものではないことも言うまでもない。更
に、正規化ベクトルの求め方に関しては、場合により‖
K‖あるいは‖ベクトルf‖の平均値、もしくは最小値
等を用いることも可能であるし、ノルムについても、空
間内の距離の定義の仕方に応じて適当に選定することが
可能である。また、制御性能評価指標については、場合
に応じてVp,Vfあるいは1/(1−Vf)等を用い
ることも可能である。更には、総合評価指標Sとして相
乗平均、あるいは適当なパラメータ同士の積などを用い
ることも可能である。ここに述べたように、本実施例に
対して変更を加えた形で評価指標を定めることが可能で
あり、本実施例の内容に限定されるものではない。In the above description, the case where the number of parameters of the work specification and the number of degrees of freedom of the robot are both 6 has been described, but these are not necessarily limited to 6 and the work specification parameter The number and the degree of freedom of the robot do not have to match. Also,
The case where the number of axes for which the position control is required is 4 and the number of axes for which the force / torque control is required is 2 has been illustrated, but it goes without saying that the number is not limited to this. In addition, as for the method of obtaining the normalized vector,
It is also possible to use the average value or the minimum value of the K || / f vector f |, and the norm can be appropriately selected according to the method of defining the distance in space. As the control performance evaluation index, Vp, Vf, 1 / (1-Vf), or the like can be used depending on the case. Furthermore, it is also possible to use a geometric mean or a product of appropriate parameters as the comprehensive evaluation index S. As described here, the evaluation index can be set in a modified form of the present embodiment, and is not limited to the contents of the present embodiment.
【0061】次に、本発明の応用例として、ロボット・
アームとロボットハンドとの協調システムについて述べ
る。図5はそのシステムの構成図を示したもので、6自
由度、即ち関節11〜16を有するロボット・アーム1
の手先部にロボット・ハンド5が取付けられており、ロ
ボット・ハンド5には2本のフィンガ51,52が備え
られている。各フィンガはそれぞれ2自由度を有し、フ
ィンガ51にはジョイント51a,51bが、フィンガ
52にはジョイント52a,52bが備えられている。
作業対象物6はハンド5の2つのフィンガ51,52に
よって把持されるものとすれば、作業対象物6の位置、
姿勢を空間内で制御するためには6自由度が必要である
のに対して、全体で10自由度を有するシステムとなっ
ている。いま、フィンガ51と52とが、ロボットハン
ド5の主軸50、あるいは作業対象物6の主軸60(5
0に一致)に関して対称に動作するものとの制限を加え
れば、全体での自由度数は8となる。即ち、冗長自由度
を持つシステムとなっている。Next, as an application example of the present invention, a robot
The cooperation system between the arm and the robot hand is described. FIG. 5 is a block diagram of the system, showing a robot arm 1 having 6 degrees of freedom, that is, joints 11 to 16.
The robot hand 5 is attached to the tip of the robot hand, and the robot hand 5 is provided with two fingers 51 and 52. Each finger has two degrees of freedom, and the finger 51 is provided with joints 51a and 51b, and the finger 52 is provided with joints 52a and 52b.
If the work object 6 is grasped by the two fingers 51 and 52 of the hand 5, the position of the work object 6 is
In order to control the posture in space, 6 degrees of freedom are required, whereas the system has 10 degrees of freedom as a whole. Now, the fingers 51 and 52 are the main shaft 50 of the robot hand 5 or the main shaft 60 (5 of the work object 6).
The total number of degrees of freedom is 8 if the restriction is made that the object operates symmetrically with respect to (matching 0). That is, the system has a redundancy degree of freedom.
【0062】今、このロボットシステムによって作業対
象物6を、別の作業対象物7に設けられた穴71に挿入
する作業を考える。このとき、作業の仕様としては、穴
71、または作業対象物6の主軸60に沿う方向に対し
ては位置を、またそれと直交する方向に対しては力を制
御することとなる。従って、いま、2自由度を有するフ
ィンガ51のみに着目すれば、図6に示す形のリンク機
構について考えればよい。図6に示すように角度θ1,
θ2を定めるとともに、X,Y軸を定め、かつジョイン
ト51a,51b間長さをl1、ジョイント51bとフ
ィンガ先端51c間の長さをl2とすれば、
X=l1cosθ1+l2cos(θ1+θ2) ……(26)
Y=l1sinθ1+l2sin(θ1+θ2) ……(27)
が成り立ち、ヤコビ行列は、Now, consider the operation of inserting the work object 6 into the hole 71 provided in another work object 7 by this robot system. At this time, as the specifications of the work, the position is controlled in the direction along the main axis 60 of the hole 71 or the work target 6, and the force is controlled in the direction orthogonal thereto. Therefore, if one pays attention only to the finger 51 having two degrees of freedom, the link mechanism shown in FIG. 6 may be considered. As shown in FIG. 6, the angle θ 1 ,
If θ 2 is determined, the X and Y axes are determined, and the length between the joints 51a and 51b is l 1 and the length between the joint 51b and the finger tip 51c is l 2 , then X = l 1 cos θ 1 + l 2 cos (θ 1 + θ 2 ) (26) Y = l 1 sin θ 1 + l 2 sin (θ 1 + θ 2 ) (27) holds, and the Jacobian matrix is
【0063】[0063]
【数19】 [Formula 19]
【0064】となる。従って、上記(28)式をIt becomes Therefore, the above equation (28) is
【0065】[0065]
【数20】 [Equation 20]
【0066】と表わせば、When expressed as follows,
【0067】[0067]
【数21】 [Equation 21]
【0068】であるから、下記(31)〜(34)式が
得られる。Therefore, the following equations (31) to (34) are obtained.
【0069】[0069]
【数22】 [Equation 22]
【0070】なお、上記の場合においては、det(J)
=l1l2sinθ2が成り立つ。ここで、与えられた作業仕
様は、X方向に位置を、Y方向に力を制御するものであ
り、この場合X方向の位置を実現するためのX方向の動
きやすさと、Y方向の力制御精度の良さを制御性能評価
のための指標と考えることができる。従って、(31)
式および(34)式の値に着目して、これらの間の優先
度、重要度を仮りに等しいとすれば、前記実施例におい
て詳細に述べたと同様にして総合評価指標を計算するこ
とができる。ここで、θ1,θ2の微分値の最大値を等し
いものとし、かつτ1,τ2の誤差最大値も共に等しいも
のとすれば、最適なロボット・ハンド5のフィンガー角
51a,51bの角度として、θ1≒65°、θ2≒−1
40°を得る。ただし、l1=l2として簡略化した。ま
た、θ1,θ2の角度については5°ピッチで計算を行っ
ており、上記は5°単位での最適姿勢である。同様に特
異姿勢に関しても、ここから5°の範囲を近傍とみなし
て計算から除外した。In the above case, det (J)
= L 1 l 2 sin θ 2 holds. Here, the given work specification controls the position in the X direction and the force in the Y direction. In this case, the ease of movement in the X direction for realizing the position in the X direction and the force control in the Y direction are controlled. Precision can be considered as an index for control performance evaluation. Therefore, (31)
Focusing on the values of the formula and the formula (34), if the priority and importance between them are assumed to be equal, the comprehensive evaluation index can be calculated in the same manner as described in detail in the above embodiment. . Here, if the maximum values of the differential values of θ 1 and θ 2 are equal, and the maximum error values of τ 1 and τ 2 are also equal, the optimum finger angles 51a and 51b of the robot hand 5 are As angles, θ 1 ≈ 65 °, θ 2 ≈ -1
Get 40 °. However, it is simplified by setting l 1 = l 2 . Further, the angles of θ 1 and θ 2 are calculated at a pitch of 5 °, and the above is the optimum posture in units of 5 °. Similarly, regarding the peculiar posture, the range of 5 ° from here is regarded as a neighborhood and excluded.
【0071】以上のようにして、作業に対応するハンド
5の各フィンガージョイントの最適姿勢が求められるの
で、これが定まった段階において、システム全体として
の残された自由度は、ロボット・アーム1の持つ自由度
6つとなる。従って、システムとしての冗長度はなくな
り、ハンド5に把持された作業対応物6の位置、姿勢が
三次元空間内で所望の状態となるような解を求めること
が可能となるので、これに基づいてロボット・システム
全体の制御を行うことにより、微細な動作制御のための
ロボット・ハンド5に、作業に応じた最適な姿勢状態を
とらせながら作業を実行させることが可能となる。As described above, since the optimum postures of the finger joints of the hand 5 corresponding to the work are obtained, at the stage when this is determined, the robot arm 1 has the remaining degree of freedom of the entire system. There are 6 degrees of freedom. Therefore, there is no redundancy as a system, and it is possible to obtain a solution in which the position and orientation of the work object 6 grasped by the hand 5 are in a desired state in the three-dimensional space. By controlling the entire robot system by using the robot hand 5, it is possible to cause the robot hand 5 for fine motion control to perform the work while keeping an optimal posture state according to the work.
【0072】この場合のシステムの制御装置3の構成例
を図7に示す。図示の制御装置は、予め指定された作業
仕様が入力される作業仕様設定部31と、該作業仕様設
定部31に接続され入力された作業仕様とロボット・ハ
ンド5の機構モデルに基づいて計算を行う制御性能評価
指標計算部32と、該制御性能評価指標計算部32の計
算結果を解析し作業の仕様に対して最も適したロボット
・ハンド姿勢ベクトルθhを出力する最適姿勢状態決定
部33と、該最適姿勢状態決定部33の出力及びロボッ
ト1の機構パラメータを用いて座標変換演算を行い、ロ
ボット1の各自由度変位ベクトルθを求めてその結果を
ロボット1に出力する座標変換演算部37とを含んで構
成されている。FIG. 7 shows a configuration example of the control device 3 of the system in this case. The control device shown in the figure calculates based on a work specification setting unit 31 to which a prespecified work specification is input, and a work specification connected to the work specification setting unit 31 and the mechanical model of the robot hand 5. A control performance evaluation index calculation unit 32 to perform, an optimum posture state determination unit 33 that analyzes a calculation result of the control performance evaluation index calculation unit 32, and outputs a robot / hand posture vector θh most suitable for work specifications, A coordinate conversion calculation unit 37 that performs coordinate conversion calculation using the output of the optimum posture state determination unit 33 and the mechanism parameter of the robot 1 to obtain each degree-of-freedom displacement vector θ of the robot 1 and outputs the result to the robot 1. It is configured to include.
【0073】上記構成の制御装置において、予め指定さ
れた作業仕様設定部31への少くとも1種の仕様入力デ
ータは、ロボット・ハンド5(図示せず)の機構モデル
に基づいて計算を行う制御性能評価指標計算部32に送
られる。前記作業仕様設定部31は、ハンド5に取付け
られたセンサ等(図示せず)によって作業の状態を判断
し、これに応じて上記作業仕様の選択を行う機能が付加
されている。制御性能評価指標計算部32から得られる
結果は、最適姿勢状態決定部33にて解析され、作業の
仕様に対して最も適したロボット・ハンド姿勢ベクトル
θh(ジョイント51a,51b,52a,52bの各
変位)が出力される。この出力は、ハンド5(図示せ
ず)に送られ、位置制御がなされると共に、ロボット1
の座標変換演算部37に与えられる。演算部37は、ハ
ンド5のジョイント51a,51b,52a,52bの
変位データ及びロボット1の機構パラメータを用いて座
標変換演算を行い、ロボット1の各自由度の変位を表す
ベクトルθを求めて、その結果をロボット1に出力し、
位置制御を行う。In the control device having the above configuration, at least one kind of specification input data to the work specification setting unit 31 designated in advance is calculated based on the mechanism model of the robot hand 5 (not shown). It is sent to the performance evaluation index calculation unit 32. The work specification setting section 31 is provided with a function of judging a work state by a sensor (not shown) attached to the hand 5 and selecting the work specification according to the judgment. The result obtained from the control performance evaluation index calculation unit 32 is analyzed by the optimum posture state determination unit 33, and the robot / hand posture vector θh (each of the joints 51a, 51b, 52a, 52b) most suitable for the work specification is analyzed. Displacement) is output. This output is sent to the hand 5 (not shown) for position control and the robot 1
Is given to the coordinate conversion calculation unit 37 of. The calculation unit 37 performs coordinate conversion calculation using the displacement data of the joints 51a, 51b, 52a, 52b of the hand 5 and the mechanism parameter of the robot 1 to obtain a vector θ representing the displacement of each degree of freedom of the robot 1, The result is output to the robot 1,
Position control is performed.
【0074】次に、本発明の別の応用例を説明する。こ
の応用例は、図5に示したロボット・アーム1とロボッ
ト・ハンド5とから成る独立8自由度(フィンガ51,
52の動作は同一とする条件のもので)のシステムに対
して、上記実施例において説明したと同じ作業仕様のも
とに作業対象物6の主軸60の方向に対する力制御及び
これに直交する方向に対する位置制御の性能指標を設定
し、それらの加重平均である総合評価指標を最大とする
ロボットの状態を、作業対象物6の位置、姿勢を定めた
上で求め、これに基づいてロボットを制御するものであ
る。即ち、冗長自由度を有する一つのトータル・システ
ムとして、目標である作業対象物6の位置、姿勢を固定
した上で、その条件下において上記総合評価指標を最大
とするロボット1の自由度11〜16及びハンド5の自
由度51a,51b(及び52a,52b)の組合せを
求め、その解に基づいてロボット・システムの制御を行
うものである。この考え方は、図8に示すような、7自
由度以上を有する、即ち冗長自由度を有するロボットの
姿勢状態の決定においても全く同様に適用できる。即
ち、図8に示すロボット1の手先18の位置及び姿勢の
6つの独立変数の値を与えた上で、その条件の下で、7
つの自由度、即ち関節11〜17の変位を、総合評価指
標Sが最も大きな値をとるように定め、この結果に基づ
いてロボット1の制御を行うことがこれに相当する。Next, another application example of the present invention will be described. In this application example, the robot arm 1 and the robot hand 5 shown in FIG.
52 is operated under the same conditions), the force control for the direction of the spindle 60 of the work object 6 and the direction orthogonal thereto are performed under the same work specifications as described in the above embodiment. The position control performance index is set for the robot, and the state of the robot that maximizes the overall evaluation index, which is a weighted average thereof, is determined after determining the position and orientation of the work object 6, and the robot is controlled based on this. To do. In other words, as one total system having redundant degrees of freedom, the position and orientation of the target work object 6 are fixed, and the degrees of freedom 11 to 11 of the robot 1 that maximize the above comprehensive evaluation index under the conditions. 16 and the degrees of freedom 51a, 51b (and 52a, 52b) of the hand 5 are obtained, and the robot system is controlled based on the solution. This concept can be applied to the determination of the posture state of a robot having seven degrees of freedom or more, that is, having redundant degrees of freedom, as shown in FIG. That is, after giving values of six independent variables of the position and orientation of the hand 18 of the robot 1 shown in FIG.
This corresponds to determining the degrees of freedom, that is, the displacements of the joints 11 to 17 so that the comprehensive evaluation index S has the largest value, and controlling the robot 1 based on this result.
【0075】この場合の制御装置3の構成例を図9に示
す。図示の制御装置は、予め指定された作業仕様が入力
される作業仕様設定部31と、図示しない教示データ記
憶部より所定のシーケンスによってロボット1の手先の
位置、姿勢の教示データを取り出して目標位置、姿勢デ
ータを算出する補間演算部38と、前記作業仕様設定部
31に接続され入力された作業仕様とロボット1の機構
モデル及び補間演算部38の出力に基づいて計算を行う
座標変換演算部39と、該座標変換演算部39の出力に
基づいて制御性能評価指標の値を計算する制御性能評価
指標計算部32と、該制御性能評価指標計算部32の計
算結果を解析し作業の仕様に対して最も適したロボット
の自由度の変位を決定し、その結果をロボット1に出力
する最適姿勢状態決定部33とを含んで構成されてい
る。FIG. 9 shows a structural example of the control device 3 in this case. The control device shown in the drawing retrieves teaching data of the position and orientation of the hand of the robot 1 in a predetermined sequence from a work specification setting unit 31 into which a predesignated work specification is input, and a teaching data storage unit (not shown), and obtains the target position. , An interpolation calculation unit 38 for calculating posture data, and a coordinate conversion calculation unit 39 for performing calculation based on the work specifications connected to the work specification setting unit 31 and the mechanical model of the robot 1 and the output of the interpolation calculation unit 38. A control performance evaluation index calculation unit 32 that calculates the value of the control performance evaluation index based on the output of the coordinate conversion calculation unit 39; The optimum posture state determination unit 33 that determines the most suitable displacement of the robot and outputs the result to the robot 1.
【0076】上記構成の制御装置において、予め指定さ
れた作業仕様設定部31への仕様入力データは、ロボッ
ト1(図示せず)の機構モデルに基づいて計算を行う座
標変換演算部39へ送られる。演算部39には、ロボッ
ト1の手先の目標位置、姿勢データもあわせて入力され
る。この目標データは、図示しない教示データ記憶部よ
り所定のシーケンスによって取り出され、補間演算部3
8によって求められる。座標変換演算部39は、ロボッ
ト1の自由度11〜17のうちの特定の1つの変位の値
をその変域全体にわたって走査しながら各変位値に対す
る残りの自由度の変位値を計算する。このようにして得
られたロボット1の自由度11〜17の変位は、制御性
能評価指標計算部32に送られ、ロボット1の自由度1
1〜17の変位状態の各組合せベクトルθごとに対応す
る制御性能評価指標の値が計算され、更に最適姿勢状態
決定部33において制御性能評価指標計算部32で計算
された指標値の中の最大値をとるものに対応するロボッ
ト1の姿勢状態、即ち自由度11〜17の変位が決定さ
れ、これがロボット1に送られて制御が実行される。In the control device having the above-mentioned configuration, the specification input data to the work specification setting section 31 designated in advance is sent to the coordinate conversion calculating section 39 which calculates based on the mechanism model of the robot 1 (not shown). . The target position and orientation data of the hand of the robot 1 are also input to the calculation unit 39. This target data is extracted from a teaching data storage unit (not shown) in a predetermined sequence, and the interpolation calculation unit 3
8 required. The coordinate conversion calculation unit 39 calculates the displacement value of the remaining degrees of freedom for each displacement value while scanning the displacement value of one specific one of the degrees of freedom 11 to 17 of the robot 1 over the entire range thereof. The displacements of the degrees of freedom 11 to 17 of the robot 1 thus obtained are sent to the control performance evaluation index calculation unit 32, and the degrees of freedom 1 of the robot 1 are calculated.
The value of the control performance evaluation index corresponding to each combination vector θ of the displacement states 1 to 17 is calculated, and the maximum value among the index values calculated by the control performance evaluation index calculation unit 32 in the optimum posture state determination unit 33 is calculated. The posture state of the robot 1 corresponding to the one that takes a value, that is, the displacement of the degrees of freedom 11 to 17 is determined, and this is sent to the robot 1 and the control is executed.
【0077】このような制御を行うことにより、冗長自
由度を有するロボットを、その行う作業の仕様に適した
形で制御することが可能となる。By performing such control, it becomes possible to control the robot having redundant degrees of freedom in a form suitable for the specifications of the work to be performed.
【0078】上記各実施例によれば、ロボットの行う作
業の内容に応じ、その作業の仕様として定められる目標
に対して、それを最も達成しやすい状態にロボット各自
由度の変位、即ち姿勢状態を制御することができるの
で、作業実行時の作業目標の達成が容易となる。このた
めロボットによる作業時間の短縮、作業品質の向上に資
することができると同時に、作業時におけるロボットに
対する負担を小さくできるという意味において、省資源
化やロボットの信頼性向上にも効果を有する。また、ロ
ボットアームとロボットハンドの組合せから成るロボッ
トシステムや、冗長自由度を有するロボット等の制御に
おいても、以上の効果は変わることなくあるため、これ
らシステム全体として冗長度を有する場合についての適
正解の一意決定に際しても有効である。According to each of the above-described embodiments, according to the contents of the work to be performed by the robot, the displacement of each degree of freedom of the robot, that is, the posture state, is set to the state which is the easiest to achieve the target set as the specification of the work. Can be controlled, so that it becomes easy to achieve the work goal when the work is executed. For this reason, it is possible to contribute to the shortening of the working time of the robot and the improvement of the working quality, and at the same time, it is effective in saving resources and improving the reliability of the robot in the sense that the load on the robot during working can be reduced. Further, even in the control of a robot system including a combination of a robot arm and a robot hand, or a robot having a redundant degree of freedom, the above effect does not change. Therefore, an appropriate solution for the case where the system as a whole has a redundant degree. Is also effective in determining the uniqueness of.
【0079】[0079]
【発明の効果】本発明によれば、ロボットの行う作業の
内容に応じ、その作業の仕様として定められる目標に対
して、それを最も達成しやすい状態にロボット各自由度
の変位、即ち姿勢状態を制御することができるので、ロ
ボットによる作業時間が短縮されるとともに、作業品質
が向上する。According to the present invention, according to the contents of the work to be performed by the robot, the displacement of each degree of freedom of the robot, that is, the posture state, is set so that the target can be most easily achieved with respect to the target defined as the specification of the work. Therefore, the work time by the robot is shortened and the work quality is improved.
【図1】本発明の実施例を示す手順図である。FIG. 1 is a procedure diagram showing an embodiment of the present invention.
【図2】本発明の対象となるロボット及び作業対象物か
ら成るシステムを示す斜視図である。FIG. 2 is a perspective view showing a system including a robot and a work target object of the present invention.
【図3】ロボットの各自由度を明示したロボットシステ
ム構成を示す斜視図である。FIG. 3 is a perspective view showing a robot system configuration in which each degree of freedom of the robot is clearly shown.
【図4】本発明の実施例の要部構成を示すブロック図で
ある。FIG. 4 is a block diagram showing a main configuration of an embodiment of the present invention.
【図5】本発明の対象となるロボット・アームとロボッ
ト・ハンド及び作業対象物から成るシステムの構成を示
す斜視図である。FIG. 5 is a perspective view showing a configuration of a system including a robot arm, a robot hand, and a work target object of the present invention.
【図6】2自由度ロボットハンドの構成と変位パラメー
タ等の定義説明図である。FIG. 6 is a diagram illustrating the configuration of a two-degree-of-freedom robot hand and the definition of displacement parameters and the like.
【図7】本発明の実施例の要部構成を示すブロック図で
ある。FIG. 7 is a block diagram showing a main configuration of an embodiment of the present invention.
【図8】本発明の対象となる冗長自由度を有するロボッ
トの構成を示す斜視図である。FIG. 8 is a perspective view showing a configuration of a robot having a redundant degree of freedom which is a target of the present invention.
【図9】本発明の実施例の要部構成を示すブロック図で
ある。FIG. 9 is a block diagram showing a main configuration of an embodiment of the present invention.
1 ロボット 2 作業対象物 3 制御装置 5 ロボットハンド 18 ロボットの手先 31 作業仕様設定部 32 制御性能評価指標計算部 33 最適姿勢状態決定部 34 比較部 35 作業対象物位置検出部 36 ロボット運動制御部 37 座標変換演算部 38 補間演算部 39 座標変換演算部 1 robot 2 Work object 3 control device 5 robot hand 18 Robot Minions 31 Work specification setting section 32 Control performance evaluation index calculator 33 Optimal posture state determination unit 34 Comparison Department 35 Work Object Position Detection Unit 36 Robot Motion Control Unit 37 Coordinate conversion calculation unit 38 Interpolation calculator 39 Coordinate conversion calculation unit
Claims (8)
アームあるいはロボットハンドの位置・姿勢及びまたは
力・トルクを制御して該ロボットアームあるいはロボッ
トハンドに作業を行わせるロボットの制御方法におい
て、該作業の内容に対応して予め定められる位置・姿勢
制御方向に対して該ロボットの姿勢状態ごとに位置・姿
勢制御性能評価指標を設定するとともに、該作業の内容
に対応して予め定められる力・トルク制御方向に対して
該ロボットの姿勢状態ごとに力・トルク制御性能評価指
標を設定し、上記2つの制御性能評価指標の加重総合指
標ができるだけ極値に近づくように該ロボットアームあ
るいはロボットハンドの各自由度を制御することを特徴
とするロボットの制御方法。1. A robot control method for controlling the position / orientation and / or force / torque of a robot arm or robot hand having at least two degrees of freedom to cause the robot arm or robot hand to perform work. The position / posture control performance evaluation index is set for each posture state of the robot with respect to the predetermined position / posture control direction corresponding to the contents of A force / torque control performance evaluation index is set for each posture state of the robot with respect to the control direction, and each of the robot arm or the robot hand is adjusted so that the weighted total index of the two control performance evaluation indexes approaches the extreme value as much as possible. A robot control method characterized by controlling the degree of freedom.
トの各自由度速度に対するロボット先端作業点の空間速
度比あるいはその逆数、あるいは、それらの無次元化値
であることを特徴とする請求項1に記載のロボットの制
御方法。2. The position / orientation control performance evaluation index is a spatial velocity ratio of a robot tip working point to each degree of freedom velocity of the robot or its reciprocal, or a dimensionless value thereof. 1. The method for controlling the robot according to 1.
トの各自由度の力・トルクに対するロボット先端作業点
の空間的力・トルクの比あるいはその逆数、あるいは、
それらの無次元化値であることを特徴とする請求項1に
記載のロボットの制御方法。3. The force / torque control performance evaluation index is the ratio of the spatial force / torque of the robot tip working point to the force / torque of each degree of freedom of the robot, or its reciprocal, or
The robot control method according to claim 1, wherein the control values are dimensionless values.
の加重相加平均であることを特徴とする請求項1に記載
のロボットの制御方法。4. The robot control method according to claim 1, wherein the weighted comprehensive index is a weighted arithmetic mean of the two control performance evaluations.
アームの一端に、少くとも2つの自由度を有するロボッ
トハンドを備えてなるロボットシステムを用いて位置・
姿勢あるいは力・トルクの少くとも一方を制御して作業
を行わせるロボットの制御方法において、上記ロボット
ハンドとロボットアームのうちのいずれか一方を請求項
1に記載の方法により制御するとともに、ロボットアー
ムに対して固定された座標系から見たロボットハンド作
業点の位置・姿勢が所望の軌道に沿って移動するように
上記ロボットハンドとロボットアームの他の一方の位置
・姿勢を制御することを特徴とするロボットの制御方
法。5. A robot system having a robot hand having at least two degrees of freedom at one end of a robot arm having at least two degrees of freedom is used for position / positioning.
In a method of controlling a robot for controlling work by controlling at least one of posture and force / torque, one of the robot hand and the robot arm is controlled by the method according to claim 1, and the robot arm is used. It is characterized in that the position / orientation of the robot hand or the other one of the robot arms is controlled so that the position / orientation of the work point of the robot hand viewed from a fixed coordinate system moves along a desired trajectory. Control method of the robot.
ドを含んで成るロボットシステムの前記ロボットアーム
及びまたはロボットハンドの位置・姿勢及びまたは力・
トルクを制御して作業を行わせる際に、作業に対応して
制御すべき位置・姿勢、力・トルクのうちの独立なもの
の個数に比較して上記ロボットの有する独立な自由度の
個数が多い場合において、請求項1に記載の制御性能評
価指標の加重総合指標が極値あるいは最大値をとるよう
に該ロボットの各自由度を制御し、以って冗長自由度を
有する機構の各自由度を一意に決定することを特徴とす
るロボットの制御方法。6. A position / orientation and / or force of the robot arm and / or robot hand of a robot system including a robot arm and / or a robot hand.
When performing work by controlling torque, the number of independent degrees of freedom that the robot has is greater than the number of independent positions / postures, forces, and torques that should be controlled according to the work. In this case, each degree of freedom of the robot is controlled so that the weighted total index of the control performance evaluation index according to claim 1 takes an extreme value or a maximum value, and thus each degree of freedom of the mechanism having redundant degrees of freedom. A method for controlling a robot characterized by uniquely determining.
アームあるいはロボットハンドの位置・姿勢及びまたは
力・トルクを制御して該ロボットアームあるいはロボッ
トハンドに作業を行わせるロボットの制御方法におい
て、作業の仕様を作業空間に対して固定された座標系を
用いて記述し、該座標系での各座標軸方向及びまたは座
標軸まわり方向の動作制御目標を明確化し、前記各座標
軸方向及びまたは座標軸まわり方向へのロボットの動作
制御能力をロボットの姿勢状態の関数として求め、ロボ
ットの姿勢状態のそれぞれに対応する該各方向への作業
仕様に関する制御性能評価指標を計算し、それらの加重
総合評価指標値が最も大きな値となるロボットの姿勢状
態を最適姿勢状態として定め、ロボットを該最適姿勢状
態にして作業を行わせることを特徴とするロボットの制
御方法。7. A robot control method for controlling the position / orientation and / or force / torque of a robot arm or robot hand having at least two degrees of freedom to cause the robot arm or robot hand to perform work. The specifications are described using a coordinate system fixed to the work space, the operation control target in each coordinate axis direction and / or the coordinate axis direction in the coordinate system is clarified, and each coordinate axis direction and / or the coordinate axis direction is specified. The motion control capability of the robot is obtained as a function of the posture state of the robot, and the control performance evaluation index for the work specification in each direction corresponding to each of the posture states of the robot is calculated, and the weighted total evaluation index value is the largest. The robot's posture state, which is a value, is set as the optimum posture state, and the robot is made to perform work in the optimum posture state. A method for controlling a robot characterized by the following.
アームあるいはロボットハンドの位置・姿勢及びまたは
力・トルクを制御して該ロボットアームあるいはロボッ
トハンドに作業を行わせるロボットの制御装置におい
て、作業空間に対して固定された座標系を用いて記述さ
れた作業仕様に基づいて前記座標系での各座標軸方向及
びまたは座標軸まわり方向の動作制御目標を明確化する
作業仕様設定手段と、前記各座標軸方向及びまたは座標
軸まわり方向へのロボットの動作制御能力をロボットの
姿勢状態の関数として求め、ロボットの姿勢状態のそれ
ぞれに対応する該各方向への作業仕様に関する制御性能
評価指標を算出する制御性能評価指標計算手段と、同一
のロボットの姿勢状態について前記制御性能評価指標計
算手段が出力する複数の制御性能評価指標に重み付けを
してそれらの加重総合評価指標値を算出し、該加重総合
評価指標値が最も大きな値となるロボットの姿勢状態に
なるように前記ロボットの自由度を制御する信号を出力
する最適姿勢状態決定手段とを含んでなることを特徴と
するロボットの制御装置。8. A work space in a robot controller for controlling the position / orientation and / or force / torque of a robot arm or robot hand having at least two degrees of freedom to cause the robot arm or robot hand to perform work. Work specification setting means for clarifying the operation control target in each coordinate axis direction and / or around the coordinate axis in the coordinate system based on the work specification described using the fixed coordinate system, and each coordinate axis direction And / or a control performance evaluation index for obtaining the motion control capability of the robot in the directions around the coordinate axes as a function of the posture state of the robot, and calculating a control performance evaluation index relating to work specifications in each direction corresponding to each of the posture states of the robot. A plurality of calculation means and a plurality of outputs of the control performance evaluation index calculation means for the same posture state of the robot A signal for controlling the degree of freedom of the robot such that the control performance evaluation index is weighted to calculate a weighted total evaluation index value thereof, and the weighted total evaluation index value is in the posture state of the robot having the largest value. A controller for a robot, comprising: an optimum posture state determining means for outputting
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP17411591A JPH0523982A (en) | 1991-07-15 | 1991-07-15 | Robot control method and device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP17411591A JPH0523982A (en) | 1991-07-15 | 1991-07-15 | Robot control method and device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0523982A true JPH0523982A (en) | 1993-02-02 |
Family
ID=15972905
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP17411591A Pending JPH0523982A (en) | 1991-07-15 | 1991-07-15 | Robot control method and device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0523982A (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008173724A (en) * | 2007-01-19 | 2008-07-31 | Hitachi Ltd | Master/slave type manipulator system |
JP2011056601A (en) * | 2009-09-08 | 2011-03-24 | Tokyo Institute Of Technology | Articulated robot system, articulated robot, force measurement module, force measurement method, and program |
CN106826776A (en) * | 2017-04-07 | 2017-06-13 | 河南科技大学 | A kind of isotropic space two degrees of freedom one-rotation parallel mechanism |
CN111832921A (en) * | 2020-06-30 | 2020-10-27 | 佛山科学技术学院 | Industrial robot performance index evaluation equipment and method based on machine learning |
-
1991
- 1991-07-15 JP JP17411591A patent/JPH0523982A/en active Pending
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN111832921B (en) * | 2020-06-30 | 2023-09-26 | 佛山科学技术学院 | Industrial robot performance index evaluation equipment and method based on machine learning |
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