JPH058191A - ロボツト・ハンドの制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ロボット・アームとコンプライアンス機構部で
接続されたロボット・ハンドの振動を抑制し、整定時間
を短縮する。 【構成】ロボット・アームとロボット・ハンドとの相対
変位を補償するためのフィードバック・ループ（コンプ
ライアンス機構部の共振周波数成分をカットするフィル
タを含む）とは逆符号のフィードバック・ループを新た
に設け、さらに二つのフィードバック・ループにそれぞ
れ比例補償器を付加することにより構成される。

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・アームとコ
ンプライアンス機構部で接続されたロボット・ハンドを
位置制御およびコンプライアンス制御する際の制御方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】図３は、コンプライアンス機構部の概略
を示したものである。ロボット・アーム１とロボット・
ハンド２との間のコンプライアンス機構部３は、ロボッ
ト・ハンド２を力制御あるいはコンプライアンス制御す
る際、剛体と接触したときでも制御系が不安定にならな
いようにするために設けられたもので、これにより安定
した力制御とコンプライアンス制御とが行えるようにな
っている。

【０００３】コンプライアンス機構部３は、ばね要素４
とダンパ要素５と変位センサ６とから構成されている。
変位センサ６は、ロボット・アーム１とロボット・ハン
ド２との相対変位、すなわちばね要素４の伸縮量を検出
するためのもので、その信号は、位置制御の際にはロボ
ット・アーム１とロボット・ハンド２との位置ずれ信号
として、力制御あるいはコンプライアンス制御の際には
ロボット・ハンド２に加わる力信号として用いられてい
る。

【０００４】図４は、従来のロボット・ハンドの位置制
御系のブロック線図である。従来のロボット・ハンドの
位置制御系は、ロボット・アームの位置１８を制御する
ためのブロック１００と、コンプライアンス機構部の特
性を示すブロック１９と、ロボット・アームとロボット
・ハンドとの相対変位２１を補償するためのフィードバ
ック・ループ１０１とから構成されている。なお、ブロ
ック１９において、ｓはラプラス演算子、ｍはロボット
・ハンドとワークとの合計質量、ｃはコンプライアンス
機構部のダンパ要素の粘性係数、ｋはコンプライアンス
機構部のばね要素の弾性係数である。

【０００５】位置指令値１１から、ロボット・アームの
位置１８と、ロボット・アームとロボット・ハンドとの
相対変位２１を補償するための位置指令値変更量２３と
が加減算され、位置偏差１２を得る。位置偏差１２は比
例補償器１３に入力され、速度指令値１４となって、速
度制御系１５に入力される。ロボット・アームの速度１
６は、積分器１７を通り、ロボット・アームの位置１８
を得る。ロボット・アームの位置１８とロボット・ハン
ドの位置２０との差、すなわち変位センサの出力２１
は、ロー・パス・フィルタ２２に入力され、その出力２
３は位置指令にポジティブ・フィードバックされる。

【０００６】ロー・パス・フィルタ２２は、コンプライ
アンス機構部の共振周波数成分を取り除く効果のあるフ
ィルタで、共振周波数成分をフィードバックすることに
よる制御系の発振を防ぐために設けられている。ロー・
パス・フィルタ２２は、フィルタのカットオフ周波数以
下の周波数帯域においては“１”と見なせるため、この
周波数帯域においては、ロボット・アームとロボット・
ハンドとの相対変位２１が直接位置指令にフィードバッ
クされることになる。このようにロー・パス・フィルタ
２２の働きにより、共振による制御系の発振の防止とロ
ボット・ハンドの位置制御との両方が実現されている。

【０００７】図５は、従来のロボット・ハンドのコンプ
ライアンス制御系のブロック線図である。従来のロボッ
ト・ハンドのコンプライアンス制御系は、ロボット・ア
ームの位置１８を制御するためのブロック１００と、コ
ンプライアンス機構部の特性を示すブロック１９と、コ
ンプライアンス動作のためのフィードバック・ループ１
０２と、ロボット・アームとロボット・ハンドとの相対
変位２１を補償するためのフィードバック・ループ１０
３とから構成されている。なお、ブロック１９は図４に
おいて示したものと同様であり、説明は省略する。

【０００８】位置指令値１１から、ロボット・アームの
位置１８と、コンプライアンス動作のための位置指令値
変更量２７と、ロボット・アームとロボット・ハンドと
の相対変位２１を補償するための位置指令値変更量２９
とが加減算され、位置偏差１２を得る。位置偏差１２は
比例補償器１３に入力され、速度指令値１４となって、
速度制御系１５に入力される。ロボット・アームの速度
１６は、積分器１７を通り、ロボット・アームの位置１
８を得る。ロボット・アームの位置１８とロボット・ハ
ンドの位置２０との差、すなわち変位センサの出力２１
は、力算出部（＝ｋ）２４とコンプライアンス・フィル
タ２８とに入力される。力算出部２４により算出された
力２５は、コンプライアンス・モデル２６に入力され、
その出力２７は、位置指令にネガティブ・フィードバッ
クされる。また、コンプライアンス・フィルタ２８の出
力２９は、位置指令にポジティブ・フィードバックされ
る。

【０００９】コンプライアンス・モデル２６は、図６に
示すばね・ダンパ系をモデル化したフィルタで、入力を
外力ｆ、出力を変位ｘとすると、その伝達関数（ｓ領
域）は、次のように表される。

【数１】 ここで

【数２】 の部分は、ばね・ダンパ系をモデル化した部分、

【数３】 の部分は、コンプライアンス制御系の安定性を高めるた
めの補償要素の部分である。パラメータＫc 、ζd 、ω
d は、ばね・ダンパ系のパラメータｍｍ、ｃｍ、ｋｍと
次のような関係がある。

【数４】 このようにコンプライアンスの大きさ（１／ｋｍ）は、
コンプライアンス・モデル２６のゲインＫc によって決
定される。

【００１０】コンプライアンス・フィルタ２８は、コン
プライアンス・モデル２６の定常ゲインを１（Ｋc ＝
１）にしたフィルタで、その伝達関数（ｓ領域）は、次
のように表される。

【数５】 コンプライアンス・フィルタ２８は、図４の位置制御系
におけるロー・パス・フィルタ２２と同様、コンプライ
アンス機構部の共振周波数成分を取り除く効果のあるフ
ィルタで、共振周波数成分をフィードバックすることに
よる制御系の発振を防ぐために設けられている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】従来のロボット・ハン
ドの位置制御系は、ロボット・アームとロボット・ハン
ドとの相対変位を補償するためのフィードバック・ルー
プにロー・パス・フィルタを設け、コンプライアンス機
構部の共振周波数成分をカットする（フィードバックし
ない）ことで、共振による制御系の発振を防止してい
る。しかしながら、制御系に振動を減衰させる働きがな
いため、振動が生じた場合、コンプライアンス機構部の
機械的な摩擦によってでしか振動を減衰させることがで
きない。このため、コンプライアンス機構部の摩擦が小
さい場合は、振動の収束に時間がかかり、その結果ロボ
ット・ハンドの整定時間が長くなるという課題がある。

【００１２】また、従来のロボット・ハンドのコンプラ
イアンス制御系も、位置制御系と同様、ロボット・アー
ムとロボット・ハンドとの相対変位を補償するためのフ
ィードバック・ループに１種のロー・パス・フィルタで
あるコンプライアンス・フィルタを設け、コンプライア
ンス機構部の共振周波数成分をカットしている。コンプ
ライアンス制御系は、コンプライアンス動作のためのフ
ィードバック・ループに振動を減衰させる働きがあり、
位置制御系のときに比べれば振動的な挙動を抑えること
ができるが、この働きの程度は、フィードバック・ルー
プ・ゲイン、すなわちコンプライアンス・モデルのゲイ
ンに依存するため、このゲインが小さいときには、位置
制御系と同様、ロボット・ハンドの整定時間が長くなる
という問題がある。

【００１３】本発明は以上の課題に鑑みなされたもの
で、その目的は、ロボット・アームとコンプライアンス
機構部で接続されたロボット・ハンドの振動を抑制し、
ロボット・ハンドの整定時間を短縮する制御方法を提案
することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明では次のような手段を講じる。まず位置制御
系については、ロボット・アームとロボット・ハンドと
の相対変位を補償するためのフィードバック・ループ
（フィードバック・ループ１ａ）に加えて、これとは逆
符号で相対変位を位置指令にフィードバックするループ
（フィードバック・ループ１ｂ）を新たに設け、フィー
ドバック・ループ１ｂにはゲイン“α（０＜α≦１）”
の比例補償器を、フィードバック・ループ１ａにはゲイ
ン“１＋α”の比例補償器をそれぞれ付加する。

【００１５】また、コンプライアンス制御系について
も、位置制御系と同様、ロボット・アームとロボット・
ハンドとの相対変位を補償するためのフィードバック・
ループ（フィードバック・ループ２ｂ）に加えて、これ
とは逆符号で相対変位を位置指令にフィードバックする
ループ（フィードバック・ループ２ｃ）を新たに設け、
フィードバック・ループ２ｃにはゲイン“β（０＜β≦
１）”の比例補償器を、フィードバック・ループ２ｂに
はゲイン“１＋β”の比例補償器をそれぞれ付加する。
なお、βの値は、コンプライアンス動作のためのフィー
ドバック・ループ（フィードバック・ループ２ａ）中の
コンプライアンス・モデルのゲインに応じて変更する。

【００１６】

【作用】位置制御系については、新たにロボット・アー
ムとロボット・ハンドとの相対変位を補償するためのフ
ィードバック・ループとは逆符号のフィードバック・ル
ープを設けることにより、ロボット・ハンドの振動を速
やかに減衰させている。また、双方のフィードバック・
ループにそれぞれ比例補償器を付加することにより、新
たに設けたフィードバック・ループがロボット・ハンド
の位置制御機能を損なわないようにしている。

【００１７】コンプライアンス制御系についても、位置
制御系と同様、新たにロボット・アームとロボット・ハ
ンドとの相対変位を補償するためのフィードバック・ル
ープとは逆符号のフィードバック・ループを設けること
により、ロボット・ハンドの振動を速やかに減衰させて
いる。また、双方のフィードバック・ループにそれぞれ
比例補償器を付加し、かつそれらのゲインをコンプライ
アンス・モデルのゲインに応じて変更することにより、
新たに設けたフィードバック・ループがロボット・ハン
ドのコンプライアンス制御機能を損なわないようにして
いる。

【００１８】

【実施例】以下本発明の実施例について図面を参照しな
がら説明する。図１は本発明のロボット・ハンドの位置
制御系のブロック線図を示したものである。ここで、実
線で示されている経路およびブロックは、図４において
示したものと同様であるから、その説明は省略する。

【００１９】本発明のロボット・ハンドの位置制御系
は、従来の位置制御系に、新たにフィードバック・ルー
プ１０１とは逆符号のフィードバック・ループ１０４を
設け、さらに二つのフィードバック・ループ１０１、１
０４に、それぞれ比例補償器３０、３２を付加した制御
系である。ロー・パス・フィルタ２２の出力２３は、ゲ
イン“１＋α”の比例補償器３０に入力され、その出力
３１は位置指令にポジティブ・フィードバックされる。
また、変位センサの出力２１は、ゲイン“α”の比例補
償器３２に入力され、その出力３３は位置指令にネガテ
ィブ・フィードバックされる。

【００２０】フィードバック・ループ１０４は、ロボッ
ト・ハンドの振動を減衰させるために設けられたもの
で、ロボット・アームをコンプライアンス機構部のばね
要素の伸縮量が小さくなる方向、すなわちロボット・ハ
ンドの振動を減衰させる方向に動作させる働きがある。
また、二つの比例補償器３０、３２は、ロボット・ハン
ドの位置補償機能を維持するために付加されたもので、
ロー・パス・フィルタ２２のカット周波数以下の周波数
帯域において、フィードバック・ループ１０４を打ち消
す働きがある。

【００２１】コンプライアンス機構部の共振周波数のよ
うにロー・パス・フィルタ２２のカットオフ周波数より
高い周波数帯域においては、ロー・パス・フィルタ２２
の働きによってフィードバック・ループ１０１が消え、
フィードバック・ループ１０４だけが残るため、ロボッ
ト・ハンドの振動は速やかに減衰される。また、ロー・
パス・フィルタ２２のカットオフ周波数以下の周波数帯
域においては、両方のフィードバック・ループが有効で
あるが、フィードバック・ループ１０４は、フィードバ
ック・ループ１０１中の比例補償器３０のゲイン“１＋
α”の“＋α”の部分によって打ち消されてしまうた
め、結局従来のロボット・ハンドの位置制御系（図４）
と同じ形になる。

【００２２】比例補償器３０、３２におけるαの値は、
ロボット・ハンドの振動抑制の効果という面から考える
と、大きいほうが望ましい。しかしながら、αの値が大
き過ぎると、制御系の遅れなどの影響によって制御系が
不安定になることがあるため、この値の決定に当たって
は実験を行う必要がある。以下にαの値の設定手順を示
す。

【００２３】 αの値を０から１まで変化させ、制御
系の安定性が維持できるαの値の範囲を求める。（例：
０＜α≦０．７５） で求められたαの値の範囲の
最大値をαの設定値とする。（例：α＝０．７５）

【００２４】図２は本発明のロボット・ハンドのコンプ
ライアンス制御系のブロック線図を示したものである。
ここで、実線で示されている経路およびブロックは、図
５において示したものと同様であるから、その説明は省
略する。

【００２５】本発明のロボット・ハンドのコンプライア
ンス制御系は、従来のコンプライアンス制御系に、新た
にフィードバック・ループ１０３とは逆符号のフィード
バック・ループ１０５を設け、さらに二つのフィードバ
ック・ループ１０３、１０５に、それぞれ比例補償器３
４、３６を付加した制御系である。コンプライアンス・
フィルタ２８の出力２９は、ゲイン“１＋β”の比例補
償器３４に入力され、その出力３５は位置指令にポジテ
ィブ・フィードバックされる。また、変位センサの出力
２１は、ゲイン“β”の比例補償器３６に入力され、そ
の出力３７は位置指令にネガティブ・フィードバックさ
れる。

【００２６】フィードバック・ループ１０５は、ロボッ
ト・ハンドの振動を減衰させるために設けられたもの
で、ロボット・アームをコンプライアンス機構部のばね
要素の伸縮量が小さくなる方向、すなわちロボット・ハ
ンドの振動を減衰させる方向に動作させる働きがある。
また、二つの比例補償器３４、３６は、ロボット・ハン
ドの位置補償機能を維持するために付加されたもので、
コンプライアンス・フィルタ２８のカット周波数以下の
周波数帯域において、フィードバック・ループ１０５を
打ち消す働きがある。

【００２７】コンプライアンス機構部の共振周波数のよ
うにコンプライアンス・フィルタ２８のカットオフ周波
数より高い周波数帯域においては、コンプライアンス・
フィルタ２８の働きによってフィードバック・ループ１
０３が消え、フィードバック・ループ１０５だけが残る
ため、ロボット・ハンドの振動は速やかに減衰される。
また、コンプライアンス・フィルタ２８のカットオフ周
波数以下の周波数帯域においては、両方のフィードバッ
ク・ループが有効であるが、フィードバック・ループ１
０５は、フィードバック・ループ１０３中の比例補償器
３４のゲイン“１＋β”の“＋β”の部分によって打ち
消されてしまうため、結局従来のロボット・ハンドのコ
ンプライアンス制御系（図５）と同じ形になる。

【００２８】コンプライアンス制御系においては、コン
プライアンス動作のためのフィードバック・ループ１０
２に振動を減衰させる働きがあるが、この働きの程度
は、フィードバック・ループ・ゲイン、すなわちコンプ
ライアンス・モデル２６のゲインに依存する。したがっ
て、このゲインに応じて、フィードバック・ループ１０
５の働きを調整する必要がある。そこで、本発明では、
フィードバック・ループ１０５の働きの程度を決定する
比例補償器３６のゲイン、すなわちβの値を、位置制御
系のような一定値ではなく、コンプライアンス・モデル
２６のゲインに応じて変更できるようにしている。以下
にβの値の設定手順を示す。

【００２９】 コンプライアンス・フィルタ２８の周
波数応答特性を調べる。 で調べた周波数応答特性
から共振周波数におけるゲインＧr を求める。（例：Ｇ
r ＝０．０１） コンプライアンス・モデル２６のゲインを０にした
状態で、βの値を０から１まで変化させ、制御系の安定
性が維持できるβの値の範囲を求める。（例：０＜β≦
０．７５） で求められたゲインＧr と、で求められたβの
値の範囲の最大値βmax と、コンプライアンス・モデル
２６のゲインＫc と、力算出部２４のゲインｋとからβ
の値を決定する。ただし、計算値がマイナスになるとき
はβ＝０とする。 β＝βmax −Ｇr ×Ｋc ×ｋ （例：βmax ＝０．７５、Ｇr ＝０．０１、Ｋc ＝０．
２５、ｋ＝１００のときβ＝０．５）

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように本発明のロボット・
ハンドの制御方法によれば、位置制御系の場合、新たに
ロボット・アームとロボット・ハンドとの相対変位を補
償するためのフィードバック・ループとは逆符号のフィ
ードバック・ループを設けているので、ロボット・ハン
ドの振動を速やかに減衰させることができ、ロボット・
ハンドの整定時間が短くなるという効果がある。また、
双方のフィードバック・ループにそれぞれ比例補償器を
付加しているので、ロボット・ハンドの位置制御特性を
損なうことがなく、従来の方法と同等の位置制御ができ
るという効果もある。

【００３１】コンプライアンス制御系の場合も、位置制
御系と同様、新たにロボット・アームとロボット・ハン
ドとの相対変位を補償するためのフィードバック・ルー
プとは逆符号のフィードバック・ループを設けているの
で、ロボット・ハンドの振動を速やかに減衰させること
ができ、ロボット・ハンドの整定時間が短くなるという
効果がある。また、双方のフィードバック・ループにそ
れぞれ比例補償器を付加し、かつそれらのゲインをコン
プライアンス・モデルのゲインに応じて変更するように
しているので、ロボット・ハンドのコンプライアンス制
御特性を損なうことがなく、従来の方法と同等のコンプ
ライアンス制御ができるという効果もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のロボット・ハンドの位置制御方法のブ
ロック線図である。

【図２】本発明のロボット・ハンドのコンプライアンス
制御方法のブロック線図である。

【図３】コンプライアンス機構部の概略図である。

【図４】従来のロボット・ハンドの位置制御方法のブロ
ック線図である。

【図５】従来のロボット・ハンドのコンプライアンス制
御方法のブロック線図である。

【図６】ばね・ダンパ系の概略図である。

【符号の説明】

１ ロボット・アーム ２ ロボット・ハンド ３ コンプライアンス機構部 ４ ばね要素 ５ ダンパ要素 ６ 変位センサ ３０ 比例補償器 ３２ 比例補償器 ３４ 比例補償器 ３６ 比例補償器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ロボット・アームとロボット・ハンドと
   の間を少なくともばね要素を有するコンプライアンス機
   構部で結合し、ロボット・アームとロボット・ハンドと
   の相対変位を検出する変位センサと、前記コンプライア
   ンス機構部の共振周波数成分を取り除く効果のあるロー
   ・パス・フィルタと、前記変位センサの出力をこのロー
   ・パス・フィルタに入力する手段と、前記ロー・パス・
   フィルタの出力を位置指令にフィードバックする手段
   （フィードバック・ループ１ａ）とを備え、このフィー
   ドバック信号に基づいて位置制御を行うロボット・ハン
   ドの制御方法において、前記変位センサの出力を前記フ
   ィードバック・ループ１ａとは逆符号で位置指令にフィ
   ードバックするループ（フィードバック・ループ１ｂ）
   を設け、フィードバック・ループ１ｂにはゲイン“α
   （０＜α≦１）”の比例補償器を、前記フィードバック
   ・ループ１ａにはゲイン“１＋α”の比例補償器をそれ
   ぞれ付加して行うことを特徴とするロボット・ハンドの
   制御方法。
2. 【請求項２】 ロボット・アームとロボット・ハンドと
   の間を少なくともばね要素を有するコンプライアンス機
   構部で結合し、ロボット・アームとロボット・ハンドと
   の相対変位を検出する変位センサと、この変位センサの
   出力から前記ロボット・ハンドに負荷されている力を算
   出する手段と、ばね・ダンパ系をモデル化したフィルタ
   （コンプライアンス・モデル）と、このフィルタの定常
   ゲインを１にしたフィルタ（コンプライアンス・フィル
   タ）と、前記力の信号を前記コンプライアンス・モデル
   に入力する手段と、前記変位センサの出力を前記コンプ
   ライアンス・フィルタに入力する手段と、前記コンプラ
   イアンス・モデルの出力を位置指令にフィードバックす
   る手段（フィードバック・ループ２ａ）と、前記コンプ
   ライアンス・フィルタの出力を位置指令にフィードバッ
   クする手段（フィードバック・ループ２ｂ）とを備え、
   この二つのフィードバック信号に基づいてコンプライア
   ンス制御を行うロボット・ハンドの制御方法において、
   前記変位センサの出力を前記フィードバック・ループ２
   ｂとは逆符号で位置指令にフィードバックするループ
   （フィードバック・ループ２ｃ）を設け、フィードバッ
   ク・ループ２ｃにはゲイン“β（０＜β≦１）”の比例
   補償器を、前記フィードバック・ループ２ｂにはゲイン
   “１＋β”の比例補償器をそれぞれ付加し、βの値を前
   記コンプライアンス・モデルのゲインに応じて変更する
   ようにして行うことを特徴とするロボット・ハンドの制
   御方法。