JPH05241661A - マニピュレータの協調制御装置 - Google Patents
マニピュレータの協調制御装置Info
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- JPH05241661A JPH05241661A JP4575692A JP4575692A JPH05241661A JP H05241661 A JPH05241661 A JP H05241661A JP 4575692 A JP4575692 A JP 4575692A JP 4575692 A JP4575692 A JP 4575692A JP H05241661 A JPH05241661 A JP H05241661A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 対象物体を安定把持するために複数個のマニ
ピュレータの先端の第一種のインピーダンスと作業座標
点（支持ベース）の第二種のインピーダンスとを関連づ
け、より協調制御の安定化を効率的に図る。 【構成】 マニピュレータ先端の第一種のインピーダン
ス６０６a,６０６b と作業座標点（支持ベースをなすベ
ース）の第二種のインピーダンス６０８を設定するとき
に、第二種のインピーダンス特性値を第一種の複数個の
インピーダンス特性の並列結合した値に設定する。第一
種のインピーダンスと第二種のインピーダンスの固有振
動数は速度サーボ系のカットオフ周波数の１／４以下と
なるようにインピーダンスモデルのパラメータを設定す
る。
ピュレータの先端の第一種のインピーダンスと作業座標
点（支持ベース）の第二種のインピーダンスとを関連づ
け、より協調制御の安定化を効率的に図る。 【構成】 マニピュレータ先端の第一種のインピーダン
ス６０６a,６０６b と作業座標点（支持ベースをなすベ
ース）の第二種のインピーダンス６０８を設定するとき
に、第二種のインピーダンス特性値を第一種の複数個の
インピーダンス特性の並列結合した値に設定する。第一
種のインピーダンスと第二種のインピーダンスの固有振
動数は速度サーボ系のカットオフ周波数の１／４以下と
なるようにインピーダンスモデルのパラメータを設定す
る。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、例えばインピーダンス
モデルを使って複数個のマニピュレータによって物体を
把持するマニピュレータの協調制御装置に関する。
モデルを使って複数個のマニピュレータによって物体を
把持するマニピュレータの協調制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の一般例としてのマニピュレータの
インピーダンス制御は、マニピュレータと物体との間に
働く力（トルクを含む）を入力とし、マニピュレータの
位置（または角度）を出力とするインピーダンスモデル
（仮想力学モデルともいう）を設定し、その出力に基づ
いて制御するものである。従って、複数個のマニピュレ
ータを有するシステムでは、そのマニピュレータの数だ
け、インピーダンスモデルが必要となる。この制御方式
によれば、定常状態では、対象物体の形状が正確に把持
できない場合でも、複数個のマニピュレータで把持状態
を保つことができる。しかし、物体を把持している状態
で予想しなかった力（外乱）が外界から加えられる場合
は、物体や外界に過度の力がかからないようにするた
め、柔らかいインピーダンスを設定しておかなければな
らない。そうなると、各マニピュレータがそれぞれ独自
に柔らかいインピーダンスで反応することになり、物体
を把持できなくなり、落としてしまう恐れが生じる。そ
の理由は、一つのマニピュレータに外力が加わった場合
でも、他のマニピュレータの動きに影響を与えないから
である。そしてこの一般例の不具合を解決する手段であ
る、先行例として平成３年１２月２７日出願で、マニピ
ュレータの協調制御装置に係る特願平３−３５９９３５
号がある。この先行例は、対象物と各マニピュレータ間
に作用する力検出値と、各マニピュレータの位置との関
係を表す前記各マニピュレータ毎のインピーダンスモデ
ルを用いて、複数個のマニピュレータで一つの対象物を
把持するマニピュレータの協調インピーダンス制御装置
において、前記各マニピュレータの力検出値の総和を入
力する前記対象物自体のインピーダンスモデル部と、前
記対象物自体のインピーダンスモデル部から得られる軌
道修正量を前記各マニピュレータの各目標指令に分配す
る軌道修正量分配部とを設けたりするマニピュレータの
協調制御装置である。以下に図７ないし図９により説明
を加える。この先行例の概念を表すブロック図は、図７
に示すように、２台のマニピュレータを制御する例であ
る。マニピュレータ６０１a 、６０１b は、それぞれ運
動制御部６０２a 、６０２b によって制御され、運動制
御部６０２a 、６０２b は入力される目標軌道６０３a
、６０３b に実軌道６１１a 、６１１b が追従するよ
うに制御する。各マニピュレータ６０１a 、６０１b が
物体に及ぼす力は、各力検出装置６０４a 、６０４b に
よって検出され、各マニピュレータ６０１a 、６０１b
のインピーダンスモデル６０６a 、６０６b と、物体の
インピーダンスモデル６０８に入力され、それぞれ軌道
修正量６０９を得る。物体軌道修正量６０９は、軌道分
配部６１０によって、各マニピュレータの目標軌道に分
配される。力検出装置６０４a 、６０４b は、マニピュ
レータの先端に備え、直接マニピュレータの先端部と物
体の間に働く力を検出する。図８は図７の詳細例で、イ
ンピーダンスモデル６０６a 、６０６b 、６０８の伝達
関数（ブロックの中の式）は図８に示す力学モデルに対
応するものである。図８の力学モデルは図示するように
質量、ダンパ、バネからなる一般的な２次系の組合せか
らなっている。さらに別の従来例として、複数個のマニ
ピュレータの先端の第一種のインピーダンスと、作業座
標点（支持物体であるベース）の第二種のインピーダン
スが独立に設定が可能として、試行錯誤しながらその最
適設定を試みている。
インピーダンス制御は、マニピュレータと物体との間に
働く力（トルクを含む）を入力とし、マニピュレータの
位置（または角度）を出力とするインピーダンスモデル
（仮想力学モデルともいう）を設定し、その出力に基づ
いて制御するものである。従って、複数個のマニピュレ
ータを有するシステムでは、そのマニピュレータの数だ
け、インピーダンスモデルが必要となる。この制御方式
によれば、定常状態では、対象物体の形状が正確に把持
できない場合でも、複数個のマニピュレータで把持状態
を保つことができる。しかし、物体を把持している状態
で予想しなかった力（外乱）が外界から加えられる場合
は、物体や外界に過度の力がかからないようにするた
め、柔らかいインピーダンスを設定しておかなければな
らない。そうなると、各マニピュレータがそれぞれ独自
に柔らかいインピーダンスで反応することになり、物体
を把持できなくなり、落としてしまう恐れが生じる。そ
の理由は、一つのマニピュレータに外力が加わった場合
でも、他のマニピュレータの動きに影響を与えないから
である。そしてこの一般例の不具合を解決する手段であ
る、先行例として平成３年１２月２７日出願で、マニピ
ュレータの協調制御装置に係る特願平３−３５９９３５
号がある。この先行例は、対象物と各マニピュレータ間
に作用する力検出値と、各マニピュレータの位置との関
係を表す前記各マニピュレータ毎のインピーダンスモデ
ルを用いて、複数個のマニピュレータで一つの対象物を
把持するマニピュレータの協調インピーダンス制御装置
において、前記各マニピュレータの力検出値の総和を入
力する前記対象物自体のインピーダンスモデル部と、前
記対象物自体のインピーダンスモデル部から得られる軌
道修正量を前記各マニピュレータの各目標指令に分配す
る軌道修正量分配部とを設けたりするマニピュレータの
協調制御装置である。以下に図７ないし図９により説明
を加える。この先行例の概念を表すブロック図は、図７
に示すように、２台のマニピュレータを制御する例であ
る。マニピュレータ６０１a 、６０１b は、それぞれ運
動制御部６０２a 、６０２b によって制御され、運動制
御部６０２a 、６０２b は入力される目標軌道６０３a
、６０３b に実軌道６１１a 、６１１b が追従するよ
うに制御する。各マニピュレータ６０１a 、６０１b が
物体に及ぼす力は、各力検出装置６０４a 、６０４b に
よって検出され、各マニピュレータ６０１a 、６０１b
のインピーダンスモデル６０６a 、６０６b と、物体の
インピーダンスモデル６０８に入力され、それぞれ軌道
修正量６０９を得る。物体軌道修正量６０９は、軌道分
配部６１０によって、各マニピュレータの目標軌道に分
配される。力検出装置６０４a 、６０４b は、マニピュ
レータの先端に備え、直接マニピュレータの先端部と物
体の間に働く力を検出する。図８は図７の詳細例で、イ
ンピーダンスモデル６０６a 、６０６b 、６０８の伝達
関数（ブロックの中の式）は図８に示す力学モデルに対
応するものである。図８の力学モデルは図示するように
質量、ダンパ、バネからなる一般的な２次系の組合せか
らなっている。さらに別の従来例として、複数個のマニ
ピュレータの先端の第一種のインピーダンスと、作業座
標点（支持物体であるベース）の第二種のインピーダン
スが独立に設定が可能として、試行錯誤しながらその最
適設定を試みている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の一般
例を表す特開昭６２−２９７０８０号公報にある図１０
［一つの従来例］と図１１［他の従来例］に示される技
術は、一つのマニピュレータに外力が加わった場合で
も、他のマニピュレータの動きに影響を与えるものであ
る。前者［図１０］は複数個のマニピュレータと物体を
含む一つのインピーダンスモデル間をつなぐものであ
る。しかし、何れもそのインピーダンスモデルが複雑化
して実用性に欠け、特に後者［図１１］はマスターとス
レーブが固定されている場合しか適用できないという問
題点がある。そして、先行例では対象物体を把持するた
めのインピーダンスと、外界の力に柔軟に反応するため
のインピーダンスが別個に設定でき、対象物体を落とさ
ず対象物体と外界に過度の力がかからないという、この
種の力制御における協調制御装置の基本的手段であり、
物体安定把持制御への応用改良についての安定化に、い
ま一歩足の進展が望まれるところがあるようにみられ
る。さらに、別の従来例では第一種と第二種のインピー
ダンス両者の間の関係が確率していないので、経験が必
要で、困難性を伴い、誰でもが容易に設定できるもので
はない。つまり、マニピュレータ先端の第一種のインピ
ーダンスと、支持ベースの第二種のインピーダンスが独
立に設定が可能であるので、試行錯誤を試み最適設定を
行っている場合には、試行錯誤のためには単なる模索を
回避するには、多くの経験を必要するから、容易に安定
把持される協調制御を実現でず、非効率的であり、最適
値である信頼性に乏しいという隘路がある。ここにおい
て、本発明は、インピーダンスの設定が簡単で、しか
も、複数個のマニピュレータのどれでもマスターになり
える制御装置（マスターとスレーブという区別がない協
調制御装置といってもよい）を得るとともに、マニピュ
レータ先端の第一種のインピーダンスと、作業座標点
（支持ベース）の第二種のインピーダンスが独立に設定
することが可能となり、最適設定を行っている場合に試
行錯誤の経験を何ら必要とせずに、容易に安定把持でき
る協調制御できる装置を実現することを目的とする。
例を表す特開昭６２−２９７０８０号公報にある図１０
［一つの従来例］と図１１［他の従来例］に示される技
術は、一つのマニピュレータに外力が加わった場合で
も、他のマニピュレータの動きに影響を与えるものであ
る。前者［図１０］は複数個のマニピュレータと物体を
含む一つのインピーダンスモデル間をつなぐものであ
る。しかし、何れもそのインピーダンスモデルが複雑化
して実用性に欠け、特に後者［図１１］はマスターとス
レーブが固定されている場合しか適用できないという問
題点がある。そして、先行例では対象物体を把持するた
めのインピーダンスと、外界の力に柔軟に反応するため
のインピーダンスが別個に設定でき、対象物体を落とさ
ず対象物体と外界に過度の力がかからないという、この
種の力制御における協調制御装置の基本的手段であり、
物体安定把持制御への応用改良についての安定化に、い
ま一歩足の進展が望まれるところがあるようにみられ
る。さらに、別の従来例では第一種と第二種のインピー
ダンス両者の間の関係が確率していないので、経験が必
要で、困難性を伴い、誰でもが容易に設定できるもので
はない。つまり、マニピュレータ先端の第一種のインピ
ーダンスと、支持ベースの第二種のインピーダンスが独
立に設定が可能であるので、試行錯誤を試み最適設定を
行っている場合には、試行錯誤のためには単なる模索を
回避するには、多くの経験を必要するから、容易に安定
把持される協調制御を実現でず、非効率的であり、最適
値である信頼性に乏しいという隘路がある。ここにおい
て、本発明は、インピーダンスの設定が簡単で、しか
も、複数個のマニピュレータのどれでもマスターになり
える制御装置（マスターとスレーブという区別がない協
調制御装置といってもよい）を得るとともに、マニピュ
レータ先端の第一種のインピーダンスと、作業座標点
（支持ベース）の第二種のインピーダンスが独立に設定
することが可能となり、最適設定を行っている場合に試
行錯誤の経験を何ら必要とせずに、容易に安定把持でき
る協調制御できる装置を実現することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記の問題点を解決する
ため、本発明は、対象物と各マニピュレータ間に作用す
る力検出値と、各マニピュレータの位置との関係を表す
前記各マニピュレータ毎の第一種インピーダンスモデル
部と、前記各マニピュレータの力検出値の総和を入力す
る前記対象物自体の第二種インピーダンスモデル部と、
前記対象物自体の第二種インピーダンスモデル部から得
られる軌道修正量を前記各マニピュレータの各目標指令
に分配する軌道修正量分配部とを用いて、複数のマニピ
ュレータで一つの対象物を把持するマニピュレータの協
調制御装置において、前記第二種インピーダンスモデル
部の関数は、前記複数の第一種のインピーダンス部の関
数を並列結合したものとすることを特徴とするマニピュ
レータの協調制御装置であり、さらには、前記第一種及
び第二種インピーダンスモデル部の関数によって定まる
固有振動数が、前記各マニピュレータを駆動するサーボ
系のカットオフ周波数の１／４以下になるように、前記
関数のパラメータを設定したことを特徴とする前項記載
のマニピュレータの協調制御装置である。
ため、本発明は、対象物と各マニピュレータ間に作用す
る力検出値と、各マニピュレータの位置との関係を表す
前記各マニピュレータ毎の第一種インピーダンスモデル
部と、前記各マニピュレータの力検出値の総和を入力す
る前記対象物自体の第二種インピーダンスモデル部と、
前記対象物自体の第二種インピーダンスモデル部から得
られる軌道修正量を前記各マニピュレータの各目標指令
に分配する軌道修正量分配部とを用いて、複数のマニピ
ュレータで一つの対象物を把持するマニピュレータの協
調制御装置において、前記第二種インピーダンスモデル
部の関数は、前記複数の第一種のインピーダンス部の関
数を並列結合したものとすることを特徴とするマニピュ
レータの協調制御装置であり、さらには、前記第一種及
び第二種インピーダンスモデル部の関数によって定まる
固有振動数が、前記各マニピュレータを駆動するサーボ
系のカットオフ周波数の１／４以下になるように、前記
関数のパラメータを設定したことを特徴とする前項記載
のマニピュレータの協調制御装置である。
【０００５】
【作用】本発明は上記手段により、複数個のマニピュレ
ータによる物体把持状態の剛体運動の知識のもと、マニ
ピュレータ先端の第一種インピーダンスと作業座標点
（支持物体をなすベース）の第二種のインピーダンスの
関係を定め、どちらか一方を指定すると他方が自動的に
決定されるようにしたマニピュレータの協調制御がなさ
れ、安定把持のためのインピーダンス特性値をマニピュ
レータを含めたコントローラの制御特性を考慮しないで
よい範囲に制限したので、安定把持が極めて容易にかつ
確実に可能となる。
ータによる物体把持状態の剛体運動の知識のもと、マニ
ピュレータ先端の第一種インピーダンスと作業座標点
（支持物体をなすベース）の第二種のインピーダンスの
関係を定め、どちらか一方を指定すると他方が自動的に
決定されるようにしたマニピュレータの協調制御がなさ
れ、安定把持のためのインピーダンス特性値をマニピュ
レータを含めたコントローラの制御特性を考慮しないで
よい範囲に制限したので、安定把持が極めて容易にかつ
確実に可能となる。
【０００６】
【実施例】以下、本発明の具体的実施例を図に示して詳
しく説明する。図１は、複数個［ここでは２個］のマニ
ピュレータ先端の第一種のインピーダンスで物体を把持
した状態の説明図である。二本のマニピュレータ１およ
び２で把持対象物体３を把持しており、それらマニピュ
レータ１および２の定数としての質量，粘性，バネ弾性
定数を順にＭ1,Ｃ1,Ｋ1 およびＭ2,Ｃ2,Ｋ2 としてい
る。ただし、粘性Ｃ1,Ｃ2,は説明の都合上省略するが、
本質的には同じである。把持対象物体３を把持した状態
での二本のマニピュレータ１および２の運動の方向も一
方向（Ｘ方向）とする。この複数個のマニピュレータ先
端の第一種のインピーダンスを利用した静的状態での、
把持の力の釣り合いを特性図で表したのを図２に示す。
ｆ1 とｆ2 はバネ弾性定数Ｋ1 とＫ2 のバネ反力であ
る。縦軸に外乱となる外力Ｆとバネ反力ｆをとり、横軸
に変位（距離）Ｘをとっている。バネ反力ｆ1 のみによ
る力・変位特性曲線は直線２１をなし、同様にバネ反力
ｆ2 のみによる力・変位特性曲線は直線２２をなす。両
者が同時に反対方向に作用するときの力・変位特性曲線
は折線２３をなす。いま、例えば外界からの力（外乱）
Ｆ0 が働くと、把持対象物体３の作用点３０は力の釣り
合った原点４０の位置からＸ0 だけ変位する。このとき
のマニピュレータ１のバネ反力ｆ10は縦線ｄと特性曲線
２１の交点が表す値と大きくなり、逆にマニピュレータ
２のバネ反力ｆ20は縦線ｄと特性曲線２２の交点が示す
値と小さくなる。そうして、力（外乱）Ｆ0 がさらに増
大すれば、特性曲線２２が横軸Ｘに交わる縦線ａの変位
のところで、バネ反力ｆ20＝０になり、把持対象物体３
の把持は不可能となって、落下するに至る。つまり、図
３のように把持対象物体３に左から右へＦ0 の外力が作
用すると、把持対象物体３は距離Ｘ0 の変位を生じ、マ
ニピュレータ１と２のバネ反力はｆ1 とｆ2 からそれぞ
れバネ反力はｆ10とｆ20に変わる。この状態から、さら
に大きな力が作用しその変位が把持限界変位のＬ0 を越
えると、マニピュレータ２のバネ弾性定数Ｋ2 のバネ反
力ｆ2 が ｆ20→零 となり、対象物体３は二本のマニ
ピュレータ１および２による把持が不可能となり、マニ
ピュレータ１および２の両先端から離脱し落下すること
になる。そこで、図４は図１に同じようにして支持物体
をなすベース４の第二種のインピーダンスで把持対象物
体３を把持した状態の説明図で、支持ベース４を固定部
５に対して距離Ｘ0 だけ右から左へ移動させてやると、
もとの状態にもどり安定把持状態となる。なお、Ｋb は
支持ベース４のバネ反力定数、Ｍb ／２は両方のマニピ
ュレータ１および２の同じ質量を表しており、これらＫ
b およびＭb ／２の詳細については後述する。
しく説明する。図１は、複数個［ここでは２個］のマニ
ピュレータ先端の第一種のインピーダンスで物体を把持
した状態の説明図である。二本のマニピュレータ１およ
び２で把持対象物体３を把持しており、それらマニピュ
レータ１および２の定数としての質量，粘性，バネ弾性
定数を順にＭ1,Ｃ1,Ｋ1 およびＭ2,Ｃ2,Ｋ2 としてい
る。ただし、粘性Ｃ1,Ｃ2,は説明の都合上省略するが、
本質的には同じである。把持対象物体３を把持した状態
での二本のマニピュレータ１および２の運動の方向も一
方向（Ｘ方向）とする。この複数個のマニピュレータ先
端の第一種のインピーダンスを利用した静的状態での、
把持の力の釣り合いを特性図で表したのを図２に示す。
ｆ1 とｆ2 はバネ弾性定数Ｋ1 とＫ2 のバネ反力であ
る。縦軸に外乱となる外力Ｆとバネ反力ｆをとり、横軸
に変位（距離）Ｘをとっている。バネ反力ｆ1 のみによ
る力・変位特性曲線は直線２１をなし、同様にバネ反力
ｆ2 のみによる力・変位特性曲線は直線２２をなす。両
者が同時に反対方向に作用するときの力・変位特性曲線
は折線２３をなす。いま、例えば外界からの力（外乱）
Ｆ0 が働くと、把持対象物体３の作用点３０は力の釣り
合った原点４０の位置からＸ0 だけ変位する。このとき
のマニピュレータ１のバネ反力ｆ10は縦線ｄと特性曲線
２１の交点が表す値と大きくなり、逆にマニピュレータ
２のバネ反力ｆ20は縦線ｄと特性曲線２２の交点が示す
値と小さくなる。そうして、力（外乱）Ｆ0 がさらに増
大すれば、特性曲線２２が横軸Ｘに交わる縦線ａの変位
のところで、バネ反力ｆ20＝０になり、把持対象物体３
の把持は不可能となって、落下するに至る。つまり、図
３のように把持対象物体３に左から右へＦ0 の外力が作
用すると、把持対象物体３は距離Ｘ0 の変位を生じ、マ
ニピュレータ１と２のバネ反力はｆ1 とｆ2 からそれぞ
れバネ反力はｆ10とｆ20に変わる。この状態から、さら
に大きな力が作用しその変位が把持限界変位のＬ0 を越
えると、マニピュレータ２のバネ弾性定数Ｋ2 のバネ反
力ｆ2 が ｆ20→零 となり、対象物体３は二本のマニ
ピュレータ１および２による把持が不可能となり、マニ
ピュレータ１および２の両先端から離脱し落下すること
になる。そこで、図４は図１に同じようにして支持物体
をなすベース４の第二種のインピーダンスで把持対象物
体３を把持した状態の説明図で、支持ベース４を固定部
５に対して距離Ｘ0 だけ右から左へ移動させてやると、
もとの状態にもどり安定把持状態となる。なお、Ｋb は
支持ベース４のバネ反力定数、Ｍb ／２は両方のマニピ
ュレータ１および２の同じ質量を表しており、これらＫ
b およびＭb ／２の詳細については後述する。
【０００７】以上は静的な状態での説明であったが、実
際は動的な挙動中で常にバネ反力ｆ1 とｆ2 が零になら
ないようにベースを移動させなければならない。対象物
体３にＦ0 のステップ力が作用したときの対象物体３と
作業座標点（支持ベース）４の時間応答を図５に示す。
図５において、曲線５a はマニピュレータ１および２の
第一種のインピーダンスによる把持対象物体３の時間・
変位の応答特性曲線であり、曲線５b は第二種のインピ
ーダンスによる作業座標点（支持ベース４）の時間・変
位の応答特性曲線である。ｘは変位（距離）、ｔは時間
を表すとすれば、外界からの力Ｆに基づくバネ反力によ
る対象物体３の振動方程式はそれぞれ下記のとおりとな
る。曲線５a の第一種のインピーダンスは （Ｍ1 ＋Ｍ2)d 2 x ／dt2 ＋( Ｃ1 ＋Ｃ2)dx／dt＋( Ｋ1 ＋Ｋ2)ｘ＝Ｆ ……（１式） 曲線５b の第二種のインピーダンスは Ｍb 2 x ／dt2 ＋Ｃb dx／dt＋Ｋb ＝Ｆ ……（２式） 対象物体３と支持ベース４の相対変位が±Ｌ0 以内にあ
れば、必ずｆ1,ｆ2 のバネ反力が作用する。第一種のイ
ンピーダンスによる対象物体３の応答と、第二種のイン
ピーダンスによる作業座標点である支持ベース４（物体
３の作用点３０でみる）の応答は、それぞれ （Ｍ1 ＋Ｍ2)Ｘ＋（Ｃ1 ＋Ｃ2)Ｘ＋（Ｋ1 ＋Ｋ2)Ｘ＝Ｆ ……（３式） Ｍb Ｘ＋ Ｃb Ｘ＋ Ｋb Ｘ＝Ｆ ……（４式） 従って、 Ｍb ＝Ｍ1 ＋Ｍ2 ……（５式） Ｃb ＝Ｃ1 ＋Ｃ2 ……（６式） Ｋb ＝Ｋ1 ＋Ｋ2 ……（７式） と設定することによって、把持対象物体３と支持ベース
４（物体３の作用点３０）の応答が一致し、すなわち特
性曲線５１と５２が重なり、両曲線の変位の偏差５３，
５４…が生起しないから、常に図１の初期状態となり把
持ができる。図５に示す曲線５a と曲線５b との相対変
位の応答を表し、その変位量（距離偏差）Ｌ1 （＝５
３），Ｌ2 （＝５４）…がマニュピュレータ１，２で対
象物体３を把持可能な限界値Ｌ0 以上になると、マニピ
ュレータ１あるいは２のバネ反力ｆ1 あるいはｆ2 が零
となり、対象物体３はマニピュレータ１および２から落
下することになる。このような技術的観点から、本発明
の一実施例の概念を表すブロック図を図６に示す。この
一実施例は、マニピュレータ１あるいは２の第一種のイ
ンピーダンスである質量Ｍ1 ，Ｍ2 と粘性定数Ｃ1 ，Ｃ
2 さらにバネ定数Ｋ1 ，Ｋ2 をそれぞれ個別に設定すれ
ば第二種のインピーダンスの質量Ｍb と粘性定数Ｃb さ
らにバネ定数Ｋb は自動的に演算設定される。実際は、
対象物体３の重量、対象物体３とマニピュレータ１，２
との接触状態（特に形状）、摩擦係数等の状態で最小必
要なバネ反力ｆmin が決定される。ここでの説明は、最
小必要なバネ反力ｆmin を差し引いた力に関して行なっ
ている。本発明における固有振動数の設定制限手段は次
のとおりである。インピーダンスの固有振動数を速度サ
ーボ系のカットオフ周波数の１／４以下とすることの所
以は、インピーダンス特性設定時にマシンとサーボアン
プで決まるシステムの応答特性（速度サーボの周波数特
性）を考えないでよい範囲である。つまり、第一種のイ
ンピーダンスと第二種のインピーダンスの固有振動数を
速度サーボ系のカットオフ周波数の１／４以下とするマ
ニピュレータの協調制御装置とすることであり、これは
一般的なサーボ理論で、『内部ループの応答特性が４倍
程度速ければ、ほぼ比例ゲインと考えてよい』という理
由から求められる。このようにして、本発明でこれまで
の説明から明らかなように、本発明の手段で導出したマ
ニピュレータ１，２の先端の第一種のインピーダンスと
作業座標点（支持ベース４）の第二種のインピーダンス
を、先行例の図７および図８に示すインピーダンスモデ
ル６０６a ，６０６b およびインピーダンスモデル６０
８にそれぞれ設定するだけで、カット・アンド・トライ
を繰り返す必要もなく、容易に確実に把持対象物体３の
把持ができる。
際は動的な挙動中で常にバネ反力ｆ1 とｆ2 が零になら
ないようにベースを移動させなければならない。対象物
体３にＦ0 のステップ力が作用したときの対象物体３と
作業座標点（支持ベース）４の時間応答を図５に示す。
図５において、曲線５a はマニピュレータ１および２の
第一種のインピーダンスによる把持対象物体３の時間・
変位の応答特性曲線であり、曲線５b は第二種のインピ
ーダンスによる作業座標点（支持ベース４）の時間・変
位の応答特性曲線である。ｘは変位（距離）、ｔは時間
を表すとすれば、外界からの力Ｆに基づくバネ反力によ
る対象物体３の振動方程式はそれぞれ下記のとおりとな
る。曲線５a の第一種のインピーダンスは （Ｍ1 ＋Ｍ2)d 2 x ／dt2 ＋( Ｃ1 ＋Ｃ2)dx／dt＋( Ｋ1 ＋Ｋ2)ｘ＝Ｆ ……（１式） 曲線５b の第二種のインピーダンスは Ｍb 2 x ／dt2 ＋Ｃb dx／dt＋Ｋb ＝Ｆ ……（２式） 対象物体３と支持ベース４の相対変位が±Ｌ0 以内にあ
れば、必ずｆ1,ｆ2 のバネ反力が作用する。第一種のイ
ンピーダンスによる対象物体３の応答と、第二種のイン
ピーダンスによる作業座標点である支持ベース４（物体
３の作用点３０でみる）の応答は、それぞれ （Ｍ1 ＋Ｍ2)Ｘ＋（Ｃ1 ＋Ｃ2)Ｘ＋（Ｋ1 ＋Ｋ2)Ｘ＝Ｆ ……（３式） Ｍb Ｘ＋ Ｃb Ｘ＋ Ｋb Ｘ＝Ｆ ……（４式） 従って、 Ｍb ＝Ｍ1 ＋Ｍ2 ……（５式） Ｃb ＝Ｃ1 ＋Ｃ2 ……（６式） Ｋb ＝Ｋ1 ＋Ｋ2 ……（７式） と設定することによって、把持対象物体３と支持ベース
４（物体３の作用点３０）の応答が一致し、すなわち特
性曲線５１と５２が重なり、両曲線の変位の偏差５３，
５４…が生起しないから、常に図１の初期状態となり把
持ができる。図５に示す曲線５a と曲線５b との相対変
位の応答を表し、その変位量（距離偏差）Ｌ1 （＝５
３），Ｌ2 （＝５４）…がマニュピュレータ１，２で対
象物体３を把持可能な限界値Ｌ0 以上になると、マニピ
ュレータ１あるいは２のバネ反力ｆ1 あるいはｆ2 が零
となり、対象物体３はマニピュレータ１および２から落
下することになる。このような技術的観点から、本発明
の一実施例の概念を表すブロック図を図６に示す。この
一実施例は、マニピュレータ１あるいは２の第一種のイ
ンピーダンスである質量Ｍ1 ，Ｍ2 と粘性定数Ｃ1 ，Ｃ
2 さらにバネ定数Ｋ1 ，Ｋ2 をそれぞれ個別に設定すれ
ば第二種のインピーダンスの質量Ｍb と粘性定数Ｃb さ
らにバネ定数Ｋb は自動的に演算設定される。実際は、
対象物体３の重量、対象物体３とマニピュレータ１，２
との接触状態（特に形状）、摩擦係数等の状態で最小必
要なバネ反力ｆmin が決定される。ここでの説明は、最
小必要なバネ反力ｆmin を差し引いた力に関して行なっ
ている。本発明における固有振動数の設定制限手段は次
のとおりである。インピーダンスの固有振動数を速度サ
ーボ系のカットオフ周波数の１／４以下とすることの所
以は、インピーダンス特性設定時にマシンとサーボアン
プで決まるシステムの応答特性（速度サーボの周波数特
性）を考えないでよい範囲である。つまり、第一種のイ
ンピーダンスと第二種のインピーダンスの固有振動数を
速度サーボ系のカットオフ周波数の１／４以下とするマ
ニピュレータの協調制御装置とすることであり、これは
一般的なサーボ理論で、『内部ループの応答特性が４倍
程度速ければ、ほぼ比例ゲインと考えてよい』という理
由から求められる。このようにして、本発明でこれまで
の説明から明らかなように、本発明の手段で導出したマ
ニピュレータ１，２の先端の第一種のインピーダンスと
作業座標点（支持ベース４）の第二種のインピーダンス
を、先行例の図７および図８に示すインピーダンスモデ
ル６０６a ，６０６b およびインピーダンスモデル６０
８にそれぞれ設定するだけで、カット・アンド・トライ
を繰り返す必要もなく、容易に確実に把持対象物体３の
把持ができる。
【０００８】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、把
持される対象物の特性を考えて第一種のインピーダンス
を設定するだけで、対象物の安定把持が実現し、誰でも
が容易に確実にかつ効率的に行えるという顕著な効果を
奏することができる。
持される対象物の特性を考えて第一種のインピーダンス
を設定するだけで、対象物の安定把持が実現し、誰でも
が容易に確実にかつ効率的に行えるという顕著な効果を
奏することができる。
【図１】本発明の一実施例における第一種のマニュピュ
レータ先端のインピーダンスで対象物体把持した状態の
力・変位（零）の構成を示す説明的ブロック線図。
レータ先端のインピーダンスで対象物体把持した状態の
力・変位（零）の構成を示す説明的ブロック線図。
【図２】図１の静的な力の釣り合いおよび外力を加えた
ときの力・変位特性を表す特性図。
ときの力・変位特性を表す特性図。
【図３】図１の力の釣り合い状態から把持対象物体に外
力が加わった状態の力・変位の構成を示す説明的ブロッ
ク線図。
力が加わった状態の力・変位の構成を示す説明的ブロッ
ク線図。
【図４】図３の状態から対象物体を把持するマニュピュ
レータに外力が加わった状態の力・変位の構成を示す説
明的ブロック線図。
レータに外力が加わった状態の力・変位の構成を示す説
明的ブロック線図。
【図５】本発明の一実施例における第二種の作業座標点
（支持ベース）のインピーダンスを設定し、対象物体を
把持した状態の力・変位（零）の構成を示す説明的ブロ
ック線図。
（支持ベース）のインピーダンスを設定し、対象物体を
把持した状態の力・変位（零）の構成を示す説明的ブロ
ック線図。
【図６】本発明の一実施例における回路構成の概念を表
すブロック図。
すブロック図。
【図７】先行例の概念ブロック図。
【図８】先行例の実施例の詳細ブロック図。
【図９】先行例の実施例の力学モデルを示す図。
【図１０】一従来例の回路構成を表すブロック図。
【図１１】他の従来例の回路構成を表すブロック図。
１ マニピュレータ ２ マニピュレータ ３ 把持対象物体 ４ 作業座標点（支持ベース） ５ 固定部 Ｆ 外界から加わる力 Ｆ0 外力 ｆ マニピュレータのバネ反力 ｆ1 マニピュレータ１のバネ反力（釣り合い状態） ｆ10 マニピュレータ１のバネ反力（外力Ｆ0 が加わっ
た状態） ｆ2 マニピュレータ２のバネ反力（釣り合い状態） ｆ20 マニュピュレータ２のバネ反力（外力Ｆ0 が加わ
った状態） Ｍ1 マニュピュレータ１の質量 Ｍ2 マニュピュレータ２の質量 Ｋ1 マニュピュレータ１のバネ定数 Ｋ2 マニュピュレータ２のバネ定数 Ｋb 支持ベース４のバネ定数 Ｘ 対象物体３の変位（距離） Ｘb 作業座標点である支持ベース４の変位（距離） Ｌ0 把持可能な限界変位（距離） Ｌ1 一つの変位（距離） Ｌ2 他の変位（距離）
た状態） ｆ2 マニピュレータ２のバネ反力（釣り合い状態） ｆ20 マニュピュレータ２のバネ反力（外力Ｆ0 が加わ
った状態） Ｍ1 マニュピュレータ１の質量 Ｍ2 マニュピュレータ２の質量 Ｋ1 マニュピュレータ１のバネ定数 Ｋ2 マニュピュレータ２のバネ定数 Ｋb 支持ベース４のバネ定数 Ｘ 対象物体３の変位（距離） Ｘb 作業座標点である支持ベース４の変位（距離） Ｌ0 把持可能な限界変位（距離） Ｌ1 一つの変位（距離） Ｌ2 他の変位（距離）
Claims (2)
- 【請求項１】対象物と各マニピュレータ間に作用する力
検出値と、各マニピュレータの位置との関係を表す前記
各マニピュレータ毎の第一種インピーダンスモデル部
と、前記各マニピュレータの力検出値の総和を入力する
前記対象物自体の第二種インピーダンスモデル部と、前
記対象物自体の第二種インピーダンスモデル部から得ら
れる軌道修正量を前記各マニピュレータの各目標指令に
分配する軌道修正量分配部とを用いて、複数のマニピュ
レータで一つの対象物を把持するマニピュレータの協調
制御装置において、 前記第二種インピーダンスモデル部の関数は、 前記複数の第一種のインピーダンス部の関数を並列結合
したものとすることを特徴とするマニピュレータの協調
制御装置。 - 【請求項２】前記第一種及び第二種インピーダンスモデ
ル部の関数によって定まる固有振動数が、前記各マニピ
ュレータを駆動するサーボ系のカットオフ周波数の１／
４以下になるように、前記関数のパラメータを設定した
ことを特徴とする請求項１記載のマニピュレータの協調
制御装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4575692A JPH05241661A (ja) | 1992-03-03 | 1992-03-03 | マニピュレータの協調制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4575692A JPH05241661A (ja) | 1992-03-03 | 1992-03-03 | マニピュレータの協調制御装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05241661A true JPH05241661A (ja) | 1993-09-21 |
Family
ID=12728145
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4575692A Pending JPH05241661A (ja) | 1992-03-03 | 1992-03-03 | マニピュレータの協調制御装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05241661A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08141951A (ja) * | 1994-11-17 | 1996-06-04 | Kawasaki Heavy Ind Ltd | ロボットの協調制御方法および協調制御装置 |
| JP2012223829A (ja) * | 2011-04-15 | 2012-11-15 | Seiko Epson Corp | ロボット制御装置、ロボット、およびロボット制御方法 |
| JP2012228714A (ja) * | 2011-04-26 | 2012-11-22 | Sumitomo Metal Ind Ltd | 金属加工装置及び金属部材の製造方法 |
| JP2015196208A (ja) * | 2014-03-31 | 2015-11-09 | 本田技研工業株式会社 | ワーク保持方法 |
-
1992
- 1992-03-03 JP JP4575692A patent/JPH05241661A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08141951A (ja) * | 1994-11-17 | 1996-06-04 | Kawasaki Heavy Ind Ltd | ロボットの協調制御方法および協調制御装置 |
| JP2012223829A (ja) * | 2011-04-15 | 2012-11-15 | Seiko Epson Corp | ロボット制御装置、ロボット、およびロボット制御方法 |
| JP2012228714A (ja) * | 2011-04-26 | 2012-11-22 | Sumitomo Metal Ind Ltd | 金属加工装置及び金属部材の製造方法 |
| JP2015196208A (ja) * | 2014-03-31 | 2015-11-09 | 本田技研工業株式会社 | ワーク保持方法 |
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