JPH06328379A

JPH06328379A - ロボット制御装置

Info

Publication number: JPH06328379A
Application number: JP11836193A
Authority: JP
Inventors: Yukihisa Katayama; 幸久片山; Yoshito Nanjo; 義人南條; Kenichiro Shimokura; 健一朗下倉
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1993-05-20
Filing date: 1993-05-20
Publication date: 1994-11-29

Abstract

(57)【要約】【目的】各作業状態に応じて実時間で動作モードを切
り替えることができ、しかも、動作モードの変更や追加
が容易なロボット制御装置を提供する。【構成】ロボットの動作指令に対する生成する動作生
成手段と、作業状況に関するデータにもとづいて動作生
成手段からの動作指令を修正して修正動作指令を生成す
る動作修正手段と、動作修正手段からの修正動作指令に
従ってロボットの運動を制御する運動制御手段とを備え
たものであって、動作修正手段は、作業状況に関する作
業情報から現在の作業状態を決定して作業状態情報を出
力する状態監視部と、作業情報と動作指令とを用いて、
それぞれが、各作業状態に応じた修正動作指令を生成す
る複数の動作修正モジュールと、状態監視部が出力した
作業状態情報に対応した動作修正モジュールを選択する
動作選択部とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、作業中に実時間でロボ
ット動作を修正できるロボット制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ロボットの応用分野は、あらかじ
め設定されている軌道への追従を繰り返す単純プレイバ
ック作業から、バリ取りやアーク溶接などのような、作
業対象物の特性や幾何学的な不確実性を考慮して動作す
る必要のある作業へと拡大している。作業対象物に対す
る作業を行う場合には、実時間での動作モードの切替え
を行う必要がある。動作モードとは、力制御・位置制御
等の制御アルゴリズムの変更、制御パラメータの修正、
力・位置・速度等の制御目標値の変更などを意味する。

【０００３】例えば、バリ取り作業を例にとると、バリ
の大きさに応じてグラインダの押しつけ力や送り速度を
変化させる必要がある。また、バリの生ずる場所は作業
対象物が異なると変わってくるので、効率よくバリ取り
を行うためには、バリの生じている場所と生じていない
場所とで制御方法を変更する必要がある。

【０００４】作業対象物の場所に応じて制御を変更する
方法として、例えば、特開平３−２２１３６５号公報に
示されているような、グラインダの負荷電流に応じてグ
ラインダの送り速度を変化させる方法がある。あるい
は、特開平３−８６４６２号公報に示されているよう
な、力センサを用いて環境剛性を計測しその計測結果に
もとづいて力制御ゲインを変化させる方法がある。

【０００５】そのような方法が適用される制御装置とし
て、図１０に示すセンサを用いたロボット制御装置があ
る。図に示すように、ロボット制御装置は、あらかじめ
与えられた情報をもとにロボットに対する動作指令ａを
作成し出力する動作生成手段１と、センサ４からのセン
サデータｃ等にもとづいて動作生成手段１からの動作指
令ａを修正し修正動作指令ｂを作成する動作修正手段２
０と、修正動作指令ｂに従ってロボット５の運動を制御
する運動制御手段３とを備えている。センサ４は、ロボ
ット５によって加工等がなされる作業対象物６の各種状
態情報を入力し、センサデータｃを動作修正手段２０に
与えている。

【０００６】次に動作について説明する。動作生成手段
１は、動作前に与えられた理想モデルやティーチングに
もとづいた情報、あるいは動作前にセンサ４から与えら
れた情報などあらかじめ与えられた情報を用いて動作指
令ａを作成する。作業対象物６に幾何学的な不確実性が
存在することを考慮して、また、作業対象物６の動力学
特性に対処するために、動作修正手段２０は、センサ４
からのセンサデータｃを用いて、動作生成手段１からの
動作指令ａを修正して修正動作指令ｂを作成する。セン
サ４は、作業対象物６の実際の形状や剛性等にもとづい
たセンサデータｃを出力しているので、修正動作指令ｂ
は、作業対象物６の実際の形状や剛性等が考慮された動
作指令となる。運動制御手段３は、修正動作指令ｂに従
ってロボット５に対する制御指令ｄを作成しその制御指
令ｄによってロボット５の運動を制御する。このよう
に、作業状態に応じたセンサデータｃを用いることによ
り、適切な修正動作指令ｂが作成され、作業対象物６に
幾何学的な不確実性や作業対象物６の動力学的特性等が
考慮された作業が遂行される。

【０００７】しかし、上記の方法は、いずれも、バリ取
り作業のみのような特定作業専用の方法となっている。
すなわち、図１０における動作修正手段２０は、特定作
業に特化したものとなっている。従って、例えはバリ取
り作業に特化した制御装置によるロボットを他の作業状
態にも適用しようとすると、他の作業条件を追加するた
めに動作修正手段２０を大幅に変更しなければならず現
実的でない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来のロボット制御装
置は以上のような構成となっているので、種々の作業状
態に対応するためには、各作業状態に適した複数の制御
装置を用意しなければならず、開発コストが高くなって
しまうとともに各種作業に要する設備費も上昇してしま
うという問題があった。

【０００９】本発明はそのような問題を解決するために
なされたもので、各作業状態に応じて実時間で動作モー
ドを切り替えることができ、しかも、動作モードの変更
や追加が容易なロボット制御装置を提供することを目的
とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明に係
るロボット制御装置は、あらかじめ与えられた情報をも
とにロボットの動作指令を生成する動作生成手段と、作
業状況に関するデータにもとづいて動作生成手段からの
動作指令を修正して修正動作指令を生成する動作修正手
段と、動作修正手段からの修正動作指令に従ってロボッ
トの運動を制御する運動制御手段とを備えたものであっ
て、動作修正手段は、作業状況に関する作業情報から現
在の作業状態を決定して作業状態情報を出力する状態監
視部と、作業情報と動作指令とを用いて、それぞれが、
各作業状態に応じた修正動作指令を生成する複数の動作
修正モジュールと、状態監視部が出力した作業状態情報
に対応した動作修正モジュールを選択する動作選択部と
を有する構成になっているものである。

【００１１】また、請求項２記載の発明に係るロボット
制御装置は、請求項１記載の発明に係るロボット制御装
置において、状態監視部が、作業状態の遷移状況を表現
した状態遷移ネットワークにおける状態遷移要因である
イベントを作業情報にもとづいて決定するイベント発生
部と、状態遷移ネットワークに対応したデータを有し、
イベント発生部が決定したイベントに従って状態遷移
し、遷移後の状態に応じた作業状態情報を出力する状態
遷移管理部とを有する構成になっているものである。

【００１２】

【作用】請求項１記載の発明における動作修正手段は、
目的とする作業において生ずる各作業状態に対応した複
数の動作修正モジュールを有し、作業状況に関する作業
情報に応じて適切な動作修正モジュールを選択して、そ
の作業状態に応じた適切な修正動作指令を逐次生成す
る。

【００１３】また、請求項２記載の発明における動作修
正手段中の状態監視部は、あらかじめ作成されているも
のであって予想される作業状態変化に対応した状態遷移
ネットワークを有し、作業情報に応じたイベントに従っ
て状態遷移して、作業状態情報を決定する。

【００１４】

【実施例】図１は本発明の一実施例によるロボット制御
装置を示すブロック図である。このロボット制御装置
は、従来の構成に対して、新たな動作修正手段２が設け
られたものである。図２は動作修正手段２の詳細構成を
示すブロック図である。図に示すように、動作修正手段
２は、センサ４からのセンサデータｃ、動作生成手段１
から与えられる制御装置の内部データｐ、および運動制
御手段３から与えられる制御装置の内部データｑを用い
て作業情報２ａ，２ｂを作成するセンサ情報処理部２１
と、センサ情報処理部２１からの作業情報２ａにもとづ
いて現在の作業状態を決定し作業状態情報２ｃを出力す
る状態監視部２２と、状態監視部２２からの作業状態情
報２ｃにもとづいて修正動作生成部２４内の各動作修正
モジュール２４１〜２４３のうちのいずれかを選択する
動作選択部２３とを備えている。

【００１５】修正動作生成部２４内の各動作修正モジュ
ール２４１〜２４３は、作業情報２ｂを用いて、作業中
に生ずる様々の状態に適した応答を出力するものであ
り、各作業状態に応じて設けられている。図２には、３
つの動作修正モジュール２４１〜２４３が示されている
が、実際には、作業内容に応じて必要な個数の動作修正
モジュールが設けられる。

【００１６】次に動作について説明する。センサ情報処
理部２１は、センサ４からのセンサデータｃ、動作生成
手段１からの現在の動作指令ａ等の内部データｐ、およ
び運動制御手段３からの現在の制御指令ｄ等の内部デー
タｑを入力する。そして、状態監視部２２が使用する作
業情報２ａおよび各動作修正モジュール２４１〜２４３
が使用する作業情報２ｂを、入力した各データを用いて
作成し出力する。

【００１７】状態監視部２２は、作業情報２ａを入力
し、その情報にもとづいて現在の作業状態を示す作業状
態情報２ｃを作成する。作業状態情報２ｃは、動作選択
部２３に与えられる。動作選択部２３は、作業状態情報
２ｃが示す作業状態に最も適した動作修正モジュールを
選択し、その動作修正モジュールを動作状態とする。選
択された動作修正モジュールは、作業情報２ｂを入力
し、例えば図１０に示す動作修正手段２０のように動作
して、動作生成手段１からの動作指令ａを修正して修正
動作指令ｂを作成する。作成された修正動作指令ｂは、
運動制御手段３に与えられる。以上のように、作業状態
に応じて修正動作指令を作成する動作修正モジュール２
４１〜２４３を切り替えることにより、状況に応じた適
切な動作指令を逐次生成することができる。

【００１８】図３は状態監視部２２の一構成例を示すブ
ロック図である。目的とする作業についてその作業にお
いて生ずる状況を想定し、各状況に対して状態を考え
る。すると、作業を状態の遷移として捉えることができ
る。図３に示す構成はそのような考え方にもとづくもの
であり、状態監視部２２は、イベント値を決定するイベ
ント発生部２２１と状態を決定する状態遷移管理部２２
２とで構成される。

【００１９】次に動作について説明する。状態遷移を生
じさせるイベントの値を種々の作業情報２ａに応じて定
義しておく。また、各イベント値に対する状態の遷移先
を定義しておく。イベント発生部２２１は、入力された
作業情報２ａからイベント値を決定する。そして、決定
したイベント値を状態遷移管理部２２２に送る。状態遷
移管理部２２２は、送られてきたイベント値に従って状
態遷移を実行し、遷移後の状態に対応した作業状態情報
２ｃを作成する。作成された作業状態情報２ｃは、動作
選択部２３に送られる。

【００２０】例えば、３つの状態Ａ，Ｂ，Ｃがある場合
の状態遷移動作について説明する。状態遷移ネットワー
ク（状態遷移図）は、図４（ａ）に示すように表現され
るとする。すなわち、状態Ａにおいて、イベントａ１が
発生すると状態遷移せず、イベントａ２が発生すると状
態Ｂに遷移し、イベントａ３が発生すると状態Ｃに遷移
する。また、状態Ｂにおいて、イベントｂ１が発生する
と状態遷移せず、イベントｂ２が発生すると状態Ｃに遷
移する。そして、状態Ｃにおいて、イベントｃ１が発生
すると状態遷移せず、イベントｃ２が発生すると状態Ａ
に遷移し、イベントｃ３が発生すると状態Ｂに遷移す
る。

【００２１】また、実際に生じうるイベントのイベント
値は、Ｅｖ１，Ｅｖ２，Ｅｖ３，Ｅｖ４の４種類である
とする。そして、各イベント値が示すイベントの最適の
遷移方法は図４（ｂ）に示されるようであるとする。す
なわち、各イベント値Ｅｖ１，Ｅｖ２，Ｅｖ３，Ｅｖ４
は、図４（ａ）における各イベントと図４（ｂ）に示さ
れるように対応しているとする。すると、各イベント値
Ｅｖ１，Ｅｖ２，Ｅｖ３，Ｅｖ４を用いた状態遷移図は
図４（ｃ）のようになり、状態遷移表は図４（ｄ）のよ
うになる。

【００２２】図４（ｃ）のような状態遷移図にもとづく
状態遷移を行う場合に、センサ情報処理部２１は、各イ
ベント値Ｅｖ１，Ｅｖ２，Ｅｖ３，Ｅｖ４のいずれかに
対応した作業情報２ａを出力してくる。イベント発生部
２２１は、センサ情報処理部２１から入力した作業情報
２ａに対応するイベント値を決定する。状態遷移管理部
２２２は、決定されたイベント値に従って、図４（ｃ）
に示す状態遷移図（または状態遷移表）にもとづく状態
遷移を行い、新たな状態を決定する。そして、決定され
た状態に対応した作業状態情報２ｃを出力する。

【００２３】次に、具体的な作業を例にとって動作修正
の動作について説明する。ここでは、単純化したバリ取
り作業を例にする。すなわち、図５に示すように、ワー
ク（作業対象物）６に生じているバリ部位１２をロボッ
ト５の手先につけたグラインダ１３で削り取る作業を考
える。一般に、ワーク６の理想形状および設置位置は既
知であり、バリ部位１２の正確な位置は不明である。

【００２４】よって、動作生成手段１は、ワーク６の理
想形状にもとづいて生成した理想追従軌道１４を動作指
令ａとして出力する。作業は、概略すると、点Ａから点
Ｂまでワーク６に倣ってグラインダ１３を動かすものと
する。そして、力センサでバリ部位１２を検出し、バリ
のない所では、小さな力でグラインダ１３を押さえつけ
ながらワーク６に倣う動作モードで動き、バリのある所
では、バリを取るのに十分な大きな力を加えてバリを取
ることにする。

【００２５】作業の状態として、倣い状態とバリ取り状
態との２つの状態を設定する。すると、状態遷移図は図
６（ａ）のようになる。修正動作生成部２４には、倣い
制御モジュールとバリ取り制御モジュールとの２つの動
作修正モジュール２４１，２４２が用意される。倣い制
御モジュールとして、軌道に垂直な方向の力ｆ_vを作業
情報２ｂとして用い、軌道に垂直な方向の適当な小さな
力Ｆ_v ^Oをワーク６に加えるモジュールを用意する。

【００２６】なお、このようなモジュールを設計するに
は、例えば、「力制御法の分類と制御システムの設計法
（日本ロボット学会誌第９巻第６号，pp751-75）」に記
載されているようなダンピング制御を適用すればよい。
また、バリ取り制御モジュールとして、やはり軌道に垂
直な方向の力ｆ_vを作業情報２ｂとして用い、バリが大
きい程大きな力を加えるモジュールを用意する。このよ
うなモジュールを設計するには、例えば、上記論文に記
載されているようなコンプライアンス制御を適用し、軌
道に垂直な方向に適当なばね定数Ｋ_vと押しつけ力Ｆ_v
^burrを設定するようにすればよい。

【００２７】また、イベント発生部２２１は、軌道進行
方向の抗力ｆ_fを作業情報２ａとして用いて、ｆ_fとし
きい値Ｆ_f ^shとの比較結果に応じて、図６（ｂ）に示す
ようなイベント値Ｅｖ１，Ｅｖ２をとるように設定され
る。また、イベント値Ｅｖ１，Ｅｖ２と図６（ａ）にお
けるイベントａ１，ａ２，ｂ１，ｂ２との関係は図６
（ｃ）に示すように設定される。よって、イベント値Ｅ
ｖ１，Ｅｖ２による状態遷移を示す状態遷移図は、図６
（ｄ）に示すようになる。状態遷移表は図６（ｅ）に示
すようになる。状態遷移管理部２２２は、その状態遷移
図（または状態遷移表）に従って状態遷移処理を行う。

【００２８】すなわち、倣い状態において、軌道進行方
向の抗力ｆ_fがしきい値Ｆ_f ^shよりも大きくなった場合
にはグラインダ１３がバリ部位１２に遭遇したと考えら
れるので、バリ取り状態に遷移する。また、バリ取り状
態において、軌道進行方向の抗力ｆ_fがしきい値Ｆ_f ^sh
以下になった場合にはグラインダ１３がバリを取ったと
考えられるので、倣い状態に遷移する。

【００２９】よって、センサ４として、作業情報２ｂを
作成するための軌道に垂直な方向の力ｆ_vと、イベント
値のもとになる作業情報２ａを作成するための軌道進行
方向の抗力ｆ_fを検出するものが用意される。そして、
センサ情報処理部２１は、状態監視部２２のイベント発
生部２２１には、軌道進行方向の抗力ｆ_fに関する情報
を含む作業情報２ａを出力し、修正動作生成部２４に
は、軌道に垂直な方向の力ｆ_vに関する情報を含む作業
情報２ｂを出力している。

【００３０】そして、状態監視部２２の状態遷移管理部
２２２は、状態遷移後の状態に対応した作業状態情報２
ｃを出力する。そして、動作選択部２３は、作業状態情
報２ｃが倣い状態を示していれば倣い制御モジュールを
選択し、バリ取り状態を示していればバリ取り制御モジ
ュールを選択する。以上のようにして、軌道進行方向の
抗力ｆ_fを用いて、バリのある部分とない部分とで動作
モードを切替えながら作業を行うことができる。また、
軌道に垂直な方向の力ｆ_vを用いて、各動作モードにお
ける制御が実現される。

【００３１】ノイズや摩擦の影響によって状態遷移管理
部２２２において不必要な状態遷移が発生したり、適切
な状態遷移が発生しないなどの不都合を生ずる場合に
は、状態やイベントの種類をさらに増やせばよい。

【００３２】例えば、図７に示すように、倣い状態およ
びバリ取り状態に加えて、倣い状態からバリ取り状態へ
の過渡状態Ａと、バリ取り状態から倣い状態への過渡状
態Ｂとを追加する。そして、例えば、倣い状態におい
て、ｆ_f＞Ｆ_f ^shのイベントが発生しても直ちにバリ取
り状態に遷移せず、過渡状態Ａに遷移する。そのイベン
トがノイズ等によるものであればすぐにｆ_f≦Ｆ_f ^shの
イベントが生ずるので、倣い状態に戻ることができる。
動作選択部２３は、過渡状態Ａでは倣い制御モジュール
を選択し、過渡状態Ｂではバリ取り制御モジュールを選
択する。

【００３３】さらに、作業情報２ａとして、軌道進行方
向の抗力ｆ_fに加えてｆ_fの時間微分値ｇ_fを用い、ｆ
_fとしきい値Ｆ_f ^shとの比較に加えてｇ_fと２つのしき
い値Ｇ_f ^sh+，Ｇ_f ^sh-との比較を行い、図８（ａ）に
示すようにイベント値を６つに増やすようにしてもよ
い。そして、イベント値Ｅｖ１〜Ｅｖ６と図７における
各イベントとの関係を図８（ｂ）に示すように設定す
る。よって、イベント値Ｅｖ１〜Ｅｖ２による状態遷移
を示す状態遷移図は、図９（ａ）に示すようになる。ま
た、状態遷移表は、図９（ｂ）に示すようになる。状態
遷移管理部２２２は、その状態遷移図（または状態遷移
表）に従って状態遷移処理を行う。

【００３４】例えば、状態遷移管理部２２２は、倣い状
態において、ｆ_f≦Ｆ_f ^shなら原則として状態遷移しな
いが、ｆ_f≦Ｆ_f ^shであってもｇ_f＞Ｇ_f ^sh+となって
ｆ_fが急峻に立ち上がった場合には、グラインダ１３が
バリ部位１２に遭遇している可能性があるので過渡状態
Ａへの状態遷移処理をおこなう。過渡状態Ａに移行した
場合に、倣い状態からの状態遷移要因であったｆ_f＞Ｆ
_f ^shのイベントががノイズ等によるものであればすぐに
ｆ_f≦Ｆ_f ^shのイベントが生ずるので、倣い状態に戻る
ことができる。

【００３５】過渡状態Ａにおいて、グラインダ１３が実
際にバリ部位１２に遭遇している場合にはｆ_f＞Ｆ_f ^sh
となるので、ｆ_f＞Ｆ_f ^shとなった場合にはバリ取り状
態に遷移する。ただし、ｆ_f＞Ｆ_f ^shであってもｇ_f＜
Ｇ_f ^sh-となってｆ_fの増加の程度が小さいときには、
ｆ_f≦Ｆ_f ^shになる可能性があるので過渡状態Ａにとど
まる。

【００３６】また、バリ取り状態にあるときにも、同様
に、倣い状態への状態遷移は一旦過渡状態Ｂを通過する
とともに、軌道進行方向の抗力ｆ_fの変化の程度ｇ_fを
加味した状態遷移を行う。

【００３７】以上のように、状態遷移図（または状態遷
移表）にもとづく状態遷移に従って動作修正モジュール
を選択するようにしておけば、状態の変更や追加を行う
だけで、作業状態の変更や追加を行うことができる。し
かも、状態遷移関係を状態遷移図（または状態遷移表）
に対応したデータ構造で表現しておけば、図や表の変更
だけで容易に変更や追加に対応できる。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１記載の発
明によれば、ロボット制御装置が、目的とする作業にお
いて生ずる各作業状態に対応した複数の動作修正モジュ
ールを有し、作業状況に関する作業情報に応じて適切な
動作修正モジュールを選択して、その作業状態に応じた
適切な修正動作指令を逐次生成する構成となっているの
で、ある作業において生ずる種々の作業状態に柔軟に対
応できるものを提供できる効果がある。すなわち、従来
の制御装置によるロボットに比べると、作業環境に適応
した動作が可能になった高度の作業が行えるロボットを
実現することができる。また、修正動作指令を生成する
部分がモジュール化されているので、機能拡張等が容易
なものとなっている。

【００３９】また、請求項２記載の発明によれば、ロボ
ット制御装置が、あらかじめ作成されているものであっ
て予想される作業状態変化に対応した状態遷移ネットワ
ークを有し、作業情報に応じたイベントに従って状態遷
移して、作業状態情報を決定する状態監視部を備えた構
成となっているので、状態遷移ネットワークに状態の変
更や追加を行うだけで、作業状態の変更や追加を行うこ
とができる。しかも、状態遷移関係を状態遷移ネットワ
ークに対応したデータ構造で表現しておけば、その変更
だけで容易に変更や追加に対応できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例によるロボット制御装置を示
すブロック図である。

【図２】動作修正手段の構成を示すブロック図である。

【図３】状態監視部の構成を示すブロック図である。

【図４】３つの状態がある場合の状態遷移動作を説明す
るための説明図である。

【図５】バリ取り作業を示す説明図である。

【図６】バリ取り作業の状態遷移動作を説明するための
説明図である。

【図７】過渡状態が追加された場合の状態遷移を示す状
態遷移図である。

【図８】６つのイベントある場合の状態遷移動作を説明
するための説明図である。

【図９】６つのイベントある場合の状態遷移図と状態遷
移表を示す説明図である。

【図１０】従来のロボット制御装置を示すブロック図で
ある。

【符号の説明】

１動作生成手段２動作修正手段３運動制御手段２１センサ情報処理部２２状態監視部２３動作選択部２４１〜２４３動作修正モジュール

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】あらかじめ与えられた情報をもとにロボ
ットに対する動作指令を生成する動作生成手段と、作業状況に関するデータにもとづいて前記動作生成手段
からの動作指令を修正して修正動作指令を生成する動作
修正手段と、前記動作修正手段からの修正動作指令に従ってロボット
の運動を制御する運動制御手段とを備えたロボット制御
装置において、前記動作修正手段は、作業状況に関する作業情報から現
在の作業状態を決定して作業状態情報を出力する状態監
視部と、前記作業情報と前記動作指令とを用いて、それぞれが、
各作業状態に応じた修正動作指令を生成する複数の動作
修正モジュールと、前記状態監視部が出力した作業状態情報に対応した動作
修正モジュールを選択する動作選択部とを有することを
特徴とするロボット制御装置。
【請求項２】状態監視部は、作業状態の遷移状況を表
現した状態遷移ネットワークにおける状態遷移要因であ
るイベントを作業情報にもとづいて決定するイベント発
生部と、前記状態遷移ネットワークに対応したデータを有し、前
記イベント発生部が決定したイベントに従って状態遷移
し、遷移後の状態に応じた作業状態情報を出力する状態
遷移管理部とを備えた請求項１記載のロボット制御装
置。