JPH0736513A

JPH0736513A - 制御装置

Info

Publication number: JPH0736513A
Application number: JP17945593A
Authority: JP
Inventors: Yasuyuki Nakada; 康之中田; Mitsuru Shiraishi; 満白石
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1993-07-20
Filing date: 1993-07-20
Publication date: 1995-02-07

Abstract

(57)【要約】【目的】オペレータが与えた力パターン或いは当該制
御装置内で自動的に生成した力パターンに追従して、作
業に必要な接触力を発生して力制御動作を実行するロボ
ットの制御装置、並びに人手評価される部品としてのＣ
ＲＴのチルト動作を自動的に行うことの可能な制御装置
を提供することを目的とする。【構成】制御対象９を作動させる操作部７と、制御対
象９が受ける力を制御する力制御部５と、制御対象９が
目標とする力パターンが格納されている目標力パターン
記憶部２３と、パラメータの設定、サンプリング時毎の
目標力生成、並びに接触または非接触処理を行う制御指
令生成部３とを有して構成し、制御指令生成部３は、オ
ペレータ１が与えた力のパターン或いは当該制御装置内
で自動生成した力パターンに追従し、作業に必要な接触
力を発生して、力制御を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はロボット等の制御装置に
係り、特に、オペレータが与えた力パターン或いは制御
装置内で自動的に生成した力パターンに追従して、作業
に必要な接触力を発生して力制御動作を実行するロボッ
トの制御装置に関する。また、人手により評価される部
品試験としてのＣＲＴのチルト動作を自動的に行うこと
の可能な制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】オペレータがロボットのアーム部を直接
操作して、その動作軌跡を教示する方法として、直接教
示（ダイレクト・ティーチ）法が知られている（「ロボ
ット工学ハンドブック」コロナ社参照）。これは、オペ
レータがロボットを目標とする動作軌跡に沿って直接移
動させて、軌跡上の点を与え、再生動作時に得られた動
作軌跡上の点を目標点として移動することで、所要の動
作軌跡を得る方法である。

【０００３】また教示時にロボットを直接動かす方法に
は、ロボットアームのパワー電源を切断し、フリー状態
にして人手でアームを動かす方法と、ロボットに力覚セ
ンサを接続しサーボ系を働かせてアームを人手で動かす
方法がある。

【０００４】図１４に、従来例として、オペレータ１０
１が力覚センサを利用してロボットを移動し、動作軌跡
を教示する場合の制御装置のブロック図を示す。同図
（１）は、教示時のブロック図を示しており、制御対象
１０９であるロボットは、オペレータ１０１の直接教示
動作指令を受け取ると、力制御状態となる。力制御状態
下では、ロボット（１０９）に取り付けられた力覚セン
サに力を加えるとロボット（１０９）を直接操作するこ
とができる。位置検出部１１３では、オペレータ１０１
がロボット（１０９）を直接操作している時のロボット
（１０９）の先端位置を、適当な時間間隔で位置記憶部
に格納する。

【０００５】また再生動作時には、図１４（２）に示す
ように、記憶されている動作点を位置記憶部１１９から
取り出して目標点として位置制御部１１７に与える。位
置制御部１１７では、次々と与えられる目標点に追従す
るようにロボット（１０９）を制御するため、ロボット
（１０９）はオペレータ１０１が与えた軌跡を辿る。こ
うした制御を行うと、オペレータ１０１が動かした動作
をロボット（１０９）が再生するため、作業の教示が簡
単になるという利点がある。

【０００６】一方、ユーザが直接触れる製品（例えばキ
ーボード、ロック機構等）の耐久試験や、手先の微妙な
力加減を必要とする作業（例えば塗装作業、研磨作業
等）の自動化を行う場合、オペレータが作業を行う時に
部材に与えた接触力を再現して作業する必要がある。こ
うした作業では、作業中の接触力のパターンを獲得し、
そのパターンに基づいて接触力を再生する必要がある
が、上述した動作軌跡を直接教示するロボットでは実行
できない。そこで、オペレータが教示した力パターンに
追従する動作を行うロボットの開発が望まれていた。

【０００７】また、情報機器の分野では、製品の小型軽
量化を図るためにプラスティック部品が多く使われてい
るが、プラスチックの場合には金属に比較して強度が弱
く特性が複雑なために、信頼性評価を十分に行う必要が
ある。特に人手により操作される部品（以下では操作部
品と呼ぶ）の場合には、不確定な力が繰り返しかかるの
で、耐久試験を十分に行う必要がある。操作部品の耐久
性試験は、従来、主として人手で行われていたが、同一
動作を繰り返し行うことは作業者にとって負担が大き
く、自動化に対する要求は大きい。

【０００８】このように人手によって評価される部品に
ＣＲＴ（Cathode Ray Tube）のチルト動作があるが、Ｃ
ＲＴは大きいうえに、チルト動作を行うためには比較的
大きな力が必要であり、自動化に対する要求が大きい。
しかしながら、従来、ＣＲＴのチルト動作を自動的に行
う方法は無かった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来の
制御装置では、ユーザが直接触れる製品の耐久試験や、
手先の微妙な力加減を必要とする作業の自動化を行う場
合、オペレータが作業を行う時に部材に与えた接触力を
再現して作業する必要があり、そのため作業中の接触力
のパターンを獲得し、該パターンに基づいて接触力を再
生する必要があるが、従来の動作軌跡を直接教示するロ
ボットの制御装置では実行できないという問題があっ
た。

【００１０】また、人手によって評価される部品動作試
験としてＣＲＴのチルト動作試験があるが、ＣＲＴは大
きいうえ、チルト動作を行うためには比較的大きな力が
必要で、自動化に対する要求が大きいが、従来、ＣＲＴ
のチルト動作を自動的に行う制御装置は無かった。

【００１１】本発明は、上記問題点を解決するもので、
オペレータが与えた力パターン或いは当該制御装置内で
自動的に生成した力パターンに追従して、作業に必要な
接触力を発生して力制御動作を実行するロボットの制御
装置を提供することを目的とする。

【００１２】また本発明の他の目的は、人手により評価
される部品動作としてのＣＲＴのチルト動作を自動的に
行うことの可能な制御装置を提供することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の第１の特徴の制御装置は、図１に示す如
く、制御対象９を作動させる操作部７と、前記制御対象
９が受ける力を制御する力制御部５と、前記制御対象９
が目標とする力パターンが格納されている目標力パター
ン記憶部２３と、パラメータの設定、サンプリング時毎
の目標力生成、並びに接触または非接触処理を行う制御
指令生成部３とを有して構成し、前記制御指令生成部３
は、オペレータ１が与えた力のパターン或いは当該制御
装置内で自動生成した力パターンに追従し、作業に必要
な接触力を発生して、力制御を行う。

【００１４】また、本発明の第２の特徴の制御装置は、
第１の特徴の制御装置において、図２（１）に示す如
く、前記制御装置は、オペレータ１が部材５１を操作す
る時の力を力覚センサ３１で検出する力検出部１１と、
前記力検出部１１が検出した力信号を基に目標とする力
パターンを算出し、前記目標力パターン記憶部２３に格
納する力パターン加工手段３４とを有して構成する。

【００１５】また、本発明の第３の特徴の制御装置は、
第２の特徴の制御装置において、前記力検出部１１は、
制御対象９の部材５１に対する接触力を検出し、前記制
御指令生成部３は、前記力検出部１１により検出した制
御対象９の接触力から、力パターンの時系列データの先
読みを防止し、接触力を目標とする力パターンに一致さ
せる。

【００１６】また、本発明の第４の特徴の制御装置は、
図８に示す如く、滑りを伴う回転動作を行う動作対象２
０４の回転動作を自動的に行う制御装置であって、前記
動作対象２０４の滑り位置Ｐと当該制御装置２０１が前
記動作対象２０４を把持する位置ＣまたはＤとを結んだ
直線の方向に、力を与える。

【００１７】また、本発明の第５の特徴の制御装置は、
第４の特徴の制御装置において、前記制御装置２０１
は、力の向きに応じて出力する力の大きさを決定する。
また、本発明の第６の特徴の制御装置は、第４または第
５の特徴の制御装置において、前記動作対象２０４の滑
り位置Ｐと当該制御装置２０１が前記動作対象２０４を
把持する位置ＣまたはＤとを結んだ直線が水平面となす
角度αが、所定の値以下である。

【００１８】また、本発明の第７の特徴の制御装置は、
第４，第５または第６の特徴の制御装置において、図９
に示す如く、前記動作対象２０４に対して、該動作対象
２０４と一体で動くジグ２１０が取り付けられ、前記制
御装置２０１は、前記ジグ２１０を操作することにより
前記動作対象２０４を回転させる。

【００１９】また、本発明の第８の特徴の制御装置は、
第６または第７の特徴の制御装置において、前記制御装
置２０１は、人手により前記動作対象２０４を回転させ
た時の軌跡データから前記滑り位置Ｐと角度αを求め、
該結果を基に出力する力の大きさを決定する。

【００２０】また、本発明の第９の特徴の制御装置は、
第４、第５、第６、第７、または第８の特徴の制御装置
において、前記制御装置２０１は、繰り返し同一動作を
行った時の位置及び力に関するデータを保持する。

【００２１】

【作用】本発明の第１、第２、及び第３の特徴の制御装
置では、図１及び図２に示す如き構成を備えている。図
１は再生動作時の構成図、図２は教示動作時の構成図で
ある。

【００２２】例えば制御対象９をロボットとした場合、
制御装置は、ロボット９の先端に接続されたハンドと作
業対象の部材５１との間に働く接触力を検出する力検出
部１１、制御指令生成部３から与えられた目標力と検出
した接触力を一致させるような制御を行う力制御部５、
及びロボット９のアクチュエータを駆動する操作部７か
ら成る力フィードバックループと、オペレータ１が指示
した作業指令を解釈して力制御部５へ動作指令を与える
制御指令生成部３と、オペレータ１が教示した接触力パ
ターンに基づいた適当な時間感覚毎の目標力が記憶され
ている目標力パターン記憶部２３とから構成されてい
る。

【００２３】力検出部１１では、ロボット９の手首部に
取り付けられた力覚センサ３１で検出された信号を較正
して、ハンド部が受ける接触力を検出する。力制御部５
では、制御指令生成部３から指令された目標力と力検出
部１１で検出された接触力との偏差をゼロにするような
信号を操作部７へ送る。

【００２４】操作部７では、力制御部５からの信号に応
じたロボット９の駆動信号を発生してロボット９を動作
させる。目標力パターン記憶部３には、オペレータ１が
教示した接触力パターンが格納されている。目標力の時
系列データは、ロボット９が力パターン追従動作を行う
時に制御指令生成部３へ渡される。

【００２５】制御指令生成部３では、オペレータ１から
受け取った動作コマンドを解釈し、コマンドが力パター
ン追従コマンドであれば、目標力パターン記憶部２３か
ら目標力の時系列データを受け取り、力制御部５へ適当
なパラメータを転送する。また、制御指令生成部３で
は、ロボット９の接触／非接触状態を検出してロボット
９の制御状態を切り替えている。

【００２６】つまり、教示動作時には、力検出部１１に
より、オペレータ１が部材５１を操作する時の力を力覚
センサ３１で検出し、力パターン加工手段３４により、
力検出部１１が検出した力信号を基に目標とする力パタ
ーンを算出し、目標力パターン記憶部２３に格納する。
またこの教示動作は、計算は適当な算術関数を使用して
力パターンを目標力パターン記憶部２３に格納すること
で実現してもよい。

【００２７】再生動作時には、制御指令生成部３は、力
検出部１１により検出した制御対象９の接触力から、力
パターンの時系列データの先読みを防止し、接触力を目
標とする力パターンに一致させながら、オペレータ１が
与えた力のパターン或いは当該制御装置内で自動生成し
た力パターンに追従するよう、作業に必要な接触力を発
生して力制御を行う。

【００２８】これにより、オペレータ１が部材５１に与
えた接触力を再現して作業を行うことができ、従来でき
なかったユーザが直接触れる製品（キーボード、ロック
機構等）の力パターンを基にした耐久試験や、手先の微
妙な力加減を必要とする作業（塗装作業、研磨作業等）
の自動化を実現することができる。

【００２９】また、本発明の第４、第５、第６、第７、
第８、及び第９の特徴の制御装置では、図８または図９
に示す如く構成され、その動作原理は以下のように説明
できる。尚、ここでは制御装置２０１はロボットであ
り、動作対象２０４はＣＲＴである。

【００３０】ＣＲＴ２０４のチルト動作は大きく分けて
２つある。１つは垂直軸回りに回転する動作であり、以
下では水平方向のチルト動作と呼ぶ。もう１つはＣＲＴ
２０４のディスプレイ部の向きを上下方向に回転する動
作であり、以下では縦方向のチルト動作と呼ぶ。

【００３１】作業者が操作した場合、水平方向のチルト
動作は比較的簡単に実現できるが、縦方向のチルト動作
に関しては、単純に押しただけでは回転しない場合があ
る。先ず、この点について考察する。（１）縦方向のチルト機構図１１（１）及び（２）にＣＲＴ２０４のモデル構造図
を示す。縦方向のチルト機構は回転部分が完全な円形で
はなく、扇型になっているのが特徴である。図１１
（２）は、チルト部分を横から見たモデル構造図である
が、ＣＲＴ２０４は外枠で支持されていて、通常、外枠
に沿って回転させるが、回転中にＣＲＴ２０４が上側に
移動しないようにするため、内枠も備えている。（２）転がりによる回転と滑りによる回転円柱物体の移動動作の内、簡単な場合として、円柱物体
が平面上を移動する場合について考える。円柱物体の移
動は２つの要因に分けることができる。１つは図１２
（１）に示すように円柱物体ＣＰが平面ＰＬ上を転がる
場合であり、もう１つは図１２（２）に示すように円柱
物体ＣＰが平面ＰＬ上を滑る場合である。

【００３２】図１２（１）のように円柱ＣＰが平面ＰＬ
上を滑ることなく転がる場合には、円柱ＣＰ上の接触点
の移動距離（円弧ＢＰ’の長さ）と平面ＰＬ上の接触点
の移動距離（線分ＡＢの長さ）が等しいので、次式の関
係が成り立つ。

【００３３】ｒ・θ＝Ｌ（１）また図１２（２）の場合には、円柱物体ＣＰは平面ＰＬ
上を滑るだけであるので、円柱は同一点Ｐで平面ＰＬと
接触することになる。一般に、転がり摩擦は滑り摩擦に
比較してかなり小さい値をとるので、転がすことにより
円柱物体ＣＰは比較的小さい力で移動させることができ
る。円柱物体ＣＰが円筒形の壁面内を回転する場合につ
いても同様に考えることができる。

【００３４】従って、水平方向のチルト動作は主として
転がりによる回転動作のため、比較的容易に操作を行う
ことができる。（３）縦方向のチルトの回転メカニズム次に、縦方向のチルトの移動動作について考察する。最
初に、転がり動作のみで移動する場合について考える。
この場合には、わずかの角度移動した段階で、ＣＲＴ２
０４が内枠に接触してそれ以上回転できなくなる。この
ため、チルト動作では単に力をかけただけではうまく回
転できない場合がある。

【００３５】以上のことから、チルトを移動させるため
には、転がり動作ではなく滑り動作で回転動作を行う必
要があることが分かる。そのための条件としては、以下
のようにまとめられる。［条件１］接触点回りの回転モーメント≦ＣＲＴ２０４
を転がすに必要な回転モーメント［条件２］力の水平方向成分≧滑り摩擦逆に言えば、上記条件１及び２を満たさないと、縦方向
のチルト動作を円滑に行うのは困難である。

【００３６】本発明の第４、第５、第６、第７、第８、
及び第９の特徴の制御装置は、以上の考察に基づいてな
されたものであり、ロボット２０１によって滑りを伴う
回転動作を実現するようにしたものであり、より具体的
には、上記［条件１］及び［条件２］を満たすようにロ
ボット２０１を制御することにより、ＣＲＴ２０４の縦
方向のチルト動作の自動化を実現するものである。

【００３７】

【実施例】次に、本発明に係る実施例を図面に基づいて
説明する。第１実施例図１及び図２（１）に本発明の第１実施例に係る制御装
置の構成図を示す。図１は、本実施例の制御装置におい
て、獲得した力パターンを基に実際に行う再生動作を説
明するための構成図、図２（１）は、目標とする力パタ
ーンを得る動作を説明するための構成図である。

【００３８】図１において、制御装置の再生動作時に必
要となる構成は、（オペレータ１、）制御指令生成部
３、力制御部５、操作部７、制御対象（ロボット）９、
力検出部１１、速度制御部２１、及び目標力パターン記
憶部２３から構成されている。

【００３９】また図２（１）において、制御装置の教示
動作時に必要となる構成は、作業対象（部材）５１、力
検出部１１（力覚センサ３１及び力信号交換部３３）、
力パターン加工手段３４（サンプラ３５、力パターン記
憶部３７、及びパターン加工部３９）、並びに目標力パ
ターン記憶部２３から構成されている。

【００４０】先ず、図２（１）の構成図を参照して、目
標とする力パターンを得る場合の各構成要素の機能を説
明する。力検出部１１は、力覚センサ３１と力信号変換
部３３から成る。力覚センサ３１は、部材５１を人手で
操作した時に、部材５１に加わる力を検出するデバイス
であり、部材５１或いは第１の台５３が受ける力、即ち
トルクに相当する信号を出力する。また、力信号変換部
３３は、力覚センサ３１で検出された信号を、ロボット
９が動作する時に使用する適当な座標系で表現された接
触力に変換する。

【００４１】サンプラ３５は、一定時間間隔毎に力検出
部１１で検出した力の値を取り込む。サンプリング時間
は必要に応じて値を切り換える。力パターン記憶部３７
では、サンプラ３５を介して取り込んだ一定時間間隔毎
の力データを一時的に記憶する。尚、力データの記憶開
始及び停止は、それぞれオペレータ１が指令する記憶開
始信号及び記憶終了信号の検出によって実行される。

【００４２】パターン加工部３９は、力パターン記憶部
３７に格納されている力パターンを適当な波形に加工す
る。具体的には、フィルタリング処理、スプライン処
理、並びにデータの付加及び間引きが行われる。

【００４３】パターン加工部３９で加工された力の時系
列データは目標力パターン記憶部２３に記憶される。次
に、図１の構成図を参照して、獲得した力パターンを基
に再生動作を行う場合の各構成要素の機能を説明する。

【００４４】制御指令生成部３は、(1) オペレータ１か
ら指令された動作コマンドの解釈、(2) 目標力、力制御
パラメータ、及び選択行列の転送を行い、作業を実行す
るための動作指令を生成する。尚、動作手順はオペレー
タ１が予め設定しておく。例えば、力パターン追従動作
を行う時には、動作開始位置への移動、目標力パターン
の獲得、再生力制御動作の指令、の順に動作指令を発生
する。

【００４５】また制御指令生成部３では、力検出部１１
で検出した接触力の値からロボット９が部材５１と接触
を保っているか否かを判定し、その結果によって、ロボ
ット９の制御状態を切り換えて、接触した時には目標力
パターンを初期値に再設定し力パターン追従動作を行
う。

【００４６】力制御部５では、制御指令生成部３から指
令された目標力と、力検出部５で検出されたロボット９
と部材５１の間に働く接触力との差をゼロにするような
信号を操作部７へ送出する。

【００４７】操作部７は、サーボ・モータ、パワー・ア
ンプ、Ｄ／Ａコンバータ、及び補償器で構成され、力制
御部５で生成された速度指令に追従するようにロボット
９の関節部を駆動する。

【００４８】力検出部１１は、前述のように、ロボット
アームの先端に接続された力覚センサ３１と、力覚セン
サ３１で検出された電気信号をロボット９の基準座標系
における接触力に変換する力信号変換部３３とから成
り、ロボット９の基準座標系での接触力を検出する。

【００４９】目標力パターン記憶部２３では、格納され
ている力パターンの時系列データをサンプリング時間毎
に制御指令生成部３へ転送する。また、制御指令生成部
３から指令があれば、力パターンを初期値に戻して、再
び制御指令生成部３へ転送する。

【００５０】次に、以上の構成を備える本実施例の制御
装置において、教示動作及び再生動作を行う時の各部の
動作の詳細について述べる。（１）力検出部１１６軸力覚センサ３１の各軸の電気信号Ｅ_fは、アンプ及
びＡ／Ｄコンバータ（ゲインＧ_A）によってディジタル
信号に変換される。力のディジタル信号を、力覚センサ
３１の形状に応じて適当に設定される力覚センサ３１の
座標軸上で表現するために、較正する較正行列Ｋ_sを作
用させる。更に、力を基準座標系で表現するために、較
正後の力を基準座標系で表した力覚センサ３１の座標系
の各座標軸の単位ベクトルを用いて変換する。Ｘ軸、Ｙ
軸、及びＺ軸の単位ベクトルをそれぞれｎ、ｏ、及びａ
と置くと、基準座標系への変換行列⁰Ｒ_sは、次式で表
される。

【００５１】

【数１】以上から、基準座標系の力Ｆ_arは、次式で与えられる。Ｆ_ar＝⁰Ｒ_s・Ｋ_s・Ｇ_A・Ｅ_f （３）（２）パターン加工部３９パターン加工部３９では、フィルタリング処理、スプラ
イン処理、並びにデータの付加及び間引きによって、所
望の力パターンを得る。例として、ローパス・フィルタ
リング処理を行う時の構成を以下に示す。

【００５２】フィルタとして、１次のパワーワース・ロ
ーパス・フィルタ（低域通過型フィルタ）を用いる場
合、離散型の伝達関数Ｈ（ｚ）は次式で与えられる。

【００５３】

【数２】但し、Ｆ_ar（ｚ）はフィルタ通過前の力信号のｚ変換、
Ｆ_qr（ｚ）はフィルタ通過後の力信号のｚ変換、τはサ
ンプリング時間、ｆｃはカットオフ周波数、ｚ^-1はｚ変
換の演算子である。（３）目標力パターン記憶部２３目標力パターン記憶部２３は、メモリ、磁気ディスク装
置等の記憶装置から成り、力の時系列データを適当な記
憶位置に格納する。例えば、メモリに格納する場合は、
図３に示すように、サンプリング時間毎（図３（１）参
照）、或いは各座標軸毎（図３（２）参照）にまとめて
記憶するとよい。（４）制御指令生成部３制御指令生成部３では、オペレータ１から力パターン追
従動作コマンドが与えられると、力パターン追従動作モ
ードの初期設定を行い、各サンプリング時のパターンデ
ータから目標値を決定する。また、ロボット９の先端が
部材に接触しているか否かによって制御モードを切り換
える。

【００５４】先ず、力パターン制御モードの初期設定を
行う時の処理の流れを図４に示す。図４では、ファイル
に格納されているデータをメモリ上に展開している。こ
れは、一般にメモリのアクセス時間が磁気ディスク装置
のアクセス時間よりも短いため、メモリにデータを記憶
した方がサンプリング時間を短くできるからである。

【００５５】また図４では、力の制御方向はある一方向
のみとし、他の方向の力制御は行わない場合についてパ
ラメータの設定方法を示している。力の制御方向は作業
座標系で定義され、力の制御方向は座標系のＸ軸に一致
し、Ｙ軸及びＺ軸はＸ軸と直交するように定められる。

【００５６】力制御方向の単位ベクトルは、次のように
して算出する。オペレータ１が与えた基準座標系表現の
力制御方向のベクトルを、Ｆ_OP＝［Ｆ_OPx Ｆ_OPy Ｆ_OPz］^T （５）とすると、力制御方向の単位ベクトルｎ_Wは、ｎ_W＝［ｎ_Wx ｎ_Wy ｎ_Wz］^T＝Ｆ_OP／｜Ｆ_OP｜（６）で与えられる。この時、他の座標軸の単位ベクトルｏ_W
及びａ_Wはｏ_W＝［−ｎ_Wy ｎ_Wx ０］^T （７）ａ_W＝ｎ_W×ｏ_W （８）となる。力制御方向を作業座標系のＸ軸方向のみとする
と、後述の力制御部５で用いられる選択行列は、Ｓ_f＝ｄｉａｇ（１０００００）（９）で与えられる。

【００５７】力パターン制御モードの初期設定は、図４
のフローチャートにおいて次のようにして行われる。先
ずステップＳ１で、オペレータ１による処理として、不
感帯幅の設定、オペレータによる力パターン動作指令、
ファイル名の設定、並びに、力制御方向のベクトルの設
定が行われる。

【００５８】次に、制御指令生成部３における処理とし
て以下のステップＳ１１からＳ１６が行われる。つま
り、ステップＳ１１でファイル名を獲得し、ステップＳ
１２でデータ総数を計数して設定する。またステップＳ
１３ではメモリ領域を確保し、パターンデタの先頭アド
レスの設定を行う。ステップＳ１４では、（６）式によ
り力制御方向の単位ベクトルｎ_Wを算出し、（７）及び
（８）式により力制御方向以外の方向の単位ベクトルｏ
_W及びａ_Wを算出する。更にステップＳ１５で最終目標
力Ｆ_owの設定を行い、ステップＳ１６で（９）式に基づ
き選択行列Ｓ_fを設定する。

【００５９】次に、各サンプリング時間毎に目標力を生
成するための処理方法を図５に示す。サンプリング時間
毎の目標力は、図３で示したパターンデータメモリの先
頭アドレスのデータから順に読み込まれ（ステップＳ２
１〜Ｓ２３）、力制御部５へ転送される。パターンデー
タメモリのアドレスが最終データのアドレスを越える
（ステップＳ２３の判断の結果がＹＥＳ）と、制御モー
ドを力パターン動作状態から一定力制御状態へ変更し、
力パターンの最終値を目標力Ｆ_owとして力制御部５へ与
える（ステップＳ２５）。

【００６０】また、力制御動作では、接触／非接触時の
動作状態の切り替えを行う必要があり、この制御は図６
に示す如く行われる。先ず、ステップＳ３１で目標力Ｆ
_owが設定されている不感帯幅以上であることを確認し
て、更に、力検出部で検出した接触力が予め設定してあ
る不感帯幅よりも小さ（ステップＳ３３の判断結果がＹ
ＥＳ）ければ、ステップＳ３４に進んで速度制御モード
とし、Ｓ_fを“０”にセットして、力制御状態の初期化
を行い、更に力制御方向への定速移動命令を発して、力
制御方向へ一定速度で移動するような制御を行う。

【００６１】また接触力が不感帯幅よりも大き（ステッ
プＳ３３の判断結果がＮＯ）ければ、ステップＳ３５に
進んでＳ_fが“１”でないことを確認すると、ステップ
Ｓ３６に進んで力制御（力パターン動作）モードとし、
Ｓ_fに“１”をセットして、速度制御状態の初期化を行
い、パターンデータメモリのアドレスを先頭アドレスに
セットして、目標力に力パターンを設定する。

【００６２】尚、接触／非接触処理を行うのは、ロボッ
ト９の先端が接触する前に力パターンが読み込まれ、目
標力と実際の接触力との偏差が大きくなるのを防ぐため
である。この処理は、従来例で示した軌跡パターンを表
示する直接教示装置では行われず、力パターン追従を行
う本実施例の制御装置特有のものである。（５）力制御部５力制御部５では、制御指令生成部３から指令された目標
力とロボット９及び部材５１間の接触力との偏差をゼロ
とする速度指令を生成する。 (a) 目標力と検出力との偏差の算出目標力ベクトルＦ_oと検出力ベクトルＦ_qrとの偏差ベク
トルｄＦは、ｄＦ＝Ｆ_o−Ｆ_qr＝−Ｆ_qr （１１）である。 (b) 力補償器による速度指令の生成力制御速度指令ベクトルｖ_f’は、ゲインＧ_f（ｓ）を
用いて、ｖ_f’＝Ｇ_f（ｓ）・ｄＦ（１２）となる。

【００６３】力制御方向の速度指令成分は、制御指令生
成部から与えられた選択行列Ｓ_fによって抽出される。
最終的な速度指令ベクトルｖ_fは、ｖ_f＝Ｓ_f・ｖ_f’ （１３）である。

【００６４】図７に力制御部５の詳細構成図を示す。同
図に示すように、力制御部５は、座標変換行列
（^WＲ₀）演算部６１と、力制御ゲインＧ_f（ｓ）の力
補償器６３と、選択行列（Ｓ_f）演算部６５と、座標変
換行列（⁰Ｒ_w）演算部６７とから構成されている。（６）速度制御部２１速度制御部２１では、ロボット（９）の先端が一定速度
で移動するような速度指令を生成する。目標一定速度を
ｖ_c、加速度をａ_ctと置くと、速度指令ｖ_owは次式で表
される。

【００６５】

【数３】第２実施例図２（２）に本発明の第２実施例に係る制御装置の教示
動作時の構成図を示す。尚、本実施例の制御装置におい
て再生動作時の構成は、図１に示す第１実施例と同じ構
成である。

【００６６】図２（２）において、制御装置の教示動作
時に必要となる構成は、力パターン生成部４１及び目標
力パターン記憶部２３から構成されている。本実施例の
制御装置では、教示動作時に、力パターン生成部４１に
より計算によって力の時系列データを算出する。尚、計
算は適当な算術関数を使用して行う。力パターン生成部
４１によって算出された力パターンは目標力パターン記
憶部２３に記憶される。

【００６７】その他の構成、並びに、教示動作時及び再
生動作時の動作説明は、第１実施例と同様であるので省
略する。以上のように第１及び第２実施例では、オペレ
ータ１が部材５１に与えた接触力を再現して作業が行え
るようになるため、従来できなかったユーザが直接触れ
る製品（キーボード、ロック機構等）の力パターンを基
にした耐久試験や、手先の微妙な力加減を必要とする作
業（塗装作業、研磨作業等）の自動化を実現することが
できる。第３実施例図８に本発明の第３実施例に係る制御装置の構成図を示
す。

【００６８】同図において、２０１はＸ，Ｙ，及びＺの
３方向の空間移動並びにＺ軸（上下方向）の回りの回転
動作が可能ないわゆる直交座標型ロボットである。ロボ
ット２０１の先端には、Ｘ，Ｙ，及びＺ軸方向、並びに
Ｘ，Ｙ，及びＺ軸回りのモーメントを測定可能な６軸力
センサ２０２を介してハンド２０３が装着されている。
２０４は動作対象のＣＲＴである。尚、ハンド２０３の
ＣＲＴ２０４を把持している先端部位（図示せず）は、
点Ｑの回りに回転可能である。

【００６９】図１３は、ロボット２０１におけるチルト
動作に適した力の与え方を説明する説明図であり、図１
３（１）はＣＲＴ２０４を押して回転させる場合、図１
３（２）はＣＲＴ２０４を引っ張って回転させる場合の
説明図である。

【００７０】ロボット２０１がＣＲＴ２０４に与える力
Ｆの向きは、接触点Ｐを通るようにする。このようにす
ることにより、力Ｆにより発生する接触点Ｐ回りの回転
モーメントを理論上ゼロにすることができ、前述の［条
件１］を常に満たすことができる。この時、力Ｆの向き
が水平面となす角度をαとすると、前述の［条件２］を
満たすためには角度αに制限が加わる。このことを図１
３（１）の場合と図１３（２）の場合とに分けて説明す
る。（ａ）下方向に力Ｆをかける場合（図１３（１）参照）ＣＲＴ２０４の回転部位における滑り摩擦係数をμ、Ｃ
ＲＴ２０４の重量をＷとすると、［条件２］を満たすた
めには、次式が成立する必要がある。

【００７１】Ｆｃｏｓα＞μ（Ｗ＋Ｆｓｉｎα） ∴ Ｆ（ｃｏｓα−μｓｉｎα）＞μＷここで、力Ｆ、滑り摩擦係数μ、重量Ｗ共に負の値をと
らないから、ｃｏｓα−μｓｉｎα≧０でなければならない。

【００７２】 ∴ ｃｏｔα≧μ α≧ｃｏｔ^-1μ＝α₀（限界角度）（１５）従って、ロボット２０１がＣＲＴ２０４を把持する位置
は（１５）式を満たす必要がある。この時、ロボット２
０１が出力すべき力Ｆは、次式を満たさなければならな
い。

【００７３】

【数４】（ｂ）上方向に力Ｆをかける場合（図１３（２）参照）（ａ）の場合と同様に、Ｆｃｏｓα＞μ（Ｗ−Ｆｓｉｎα） ∴ Ｆ（ｃｏｓα＋μｓｉｎα）＞μＷここで、力Ｆ、滑り摩擦係数μ、重量Ｗ共に負の値をと
らないから、ｃｏｓα＋μｓｉｎα≧０ ∴ μ≧−ｃｏｔα （１７）０≦α≦９０［deg ］だから、上式は常に成立する。従
って、この場合にはロボット２０１はＣＲＴ２０４のど
の位置を把持してもよいことになる。この時、ロボット
２０１が出力すべき力Ｆは、次式を満たさなければなら
ない。

【００７４】

【数５】次に、ロボット２０１の把持位置と力Ｆの向きについて
具体的に説明する。最初に、上方向の力ＦのみをＣＲＴ
２０４にかけて回転させる場合について説明する。図８
において、矢印ａの方向に回転させたい時は、Ｃの位置
でＣＲＴ２０４を把持し、矢印Ｇの方向に力Ｆをかけ、
また、矢印ｂの方向に回転させたい時は、把持位置をＤ
の位置に変更し、矢印Ｈの方向に力Ｆをかける。この場
合には、力Ｆの向きを常に接触点Ｐに保ち、且つ［式
（１８）の条件］を満たすようにロボット２０１を動作
させればよい。

【００７５】次に、把持位置を固定して、回転動作を行
う場合について説明する。図８において、位置ＣでＣＲ
Ｔ２０４を把持した状態で、ＣＲＴ２０４を矢印ａ及び
ｂの方向に回転させる。具体的には、矢印ａの向きに回
転させる場合には、接触点Ｐを通るように力Ｆを矢印Ｇ
の方向にかける。この時の力Ｆは［式（１８）の条件］
を満たすものとする。

【００７６】次に、矢印ｂの向きに回転させる場合に
は、逆方向に力Ｆをかける。この場合には、角度αが式
（１５）を満足するように、把持位置を設定する必要が
ある。そして、力Ｆは［式（１６）の条件］を満たすも
のとする。この場合の動作方法は、把持位置が常に固定
であるため、前記動作方法に対して作業を高速化するこ
とができる。第４実施例図９に本発明の第４実施例に係る制御装置の構成図を示
す。第３実施例（図８）と同じ構成要素については、同
一の番号を付与している。

【００７７】同図において、２０１は直交座標型ロボッ
ト、２０２は６軸力センサ、２０３はハンド、２０４は
ＣＲＴ、２１０はＣＲＴ２０４を把持するためのジグで
ある。ジグ２１０の上方から見た図を図１０に示す。

【００７８】図１０において、２１１〜２１４はネジ式
のチャック機構であり、部材２１５に固定されている。
２１６は部材２１５と一体の部材である。２１７は部材
２１６に対して回転可能となるように支持するシャフト
部である。

【００７９】図９において、ハンド２０３でジグ２１０
のシャフト部２１７を把持することにより、ＣＲＴ２０
４の回転動作を行う。この場合には、ハンド２０３の把
持位置に回転機構を持たせる必要はない。また、把持部
位がシャフト部２１７なので、ハンド２０３の開閉量を
小さくすることができ、ひいてはハンド２０３を小型す
ることができる。またこの場合には、把持位置を低くし
易いので、把持位置と接触点とのなす角度αを小さくで
きるため、より小さい力で回転動作を行うことができ
る。

【００８０】次に、本実施例の接触点Ｐと力Ｆの向きα
の求め方について説明する。最初に、ハンド２０３でＣ
ＲＴ２０４を把持させ、更に力センサ２０２の信号を基
に外力に応じて動作できるようにロボット２０１を設定
する。この状態で、実際に人手によりＣＲＴ２０４を回
転させる。この時の軌跡をロボット２０１内のメモリ上
に記憶させ、この軌跡から回転中心と回転半径を求め
る。ロボット２０１が収集した位置データが少なくとも
３点以上あれば、回転中心と回転半径を求めることがで
き、回転中心と回転半径が求まれば、接触点の位置Ｐを
求めることができる。

【００８１】最初に行った動作を再生させる時には、力
センサ２０２の信号を基に、接触点Ｐの向きαに力Ｆを
発生させる。また回転と共に、向きαは変化するが、予
め軌跡が分かっているので、ロボット２０１内部で計算
により、向きαを求めることができ、動作に伴って力Ｆ
の向きαと大きさを変化させることができる。

【００８２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の第１、第
２、及び第３の特徴の制御装置によれば、教示動作時に
は、力検出部により、オペレータが部材を操作する時の
力を力覚センサで検出し、力パターン加工手段により、
力検出部が検出した力信号を基に目標とする力パターン
を算出して、或いは適当な算術関数を使用して力パター
ンを算出して目標力パターン記憶部に格納し、再生動作
時には、制御指令生成部は、力検出部により検出した制
御対象の接触力から、力パターンの時系列データの先読
みを防止し、接触力を目標とする力パターンに一致させ
ながら、オペレータが与えた力のパターン或いは当該制
御装置内で自動生成した力パターンに追従するよう、作
業に必要な接触力を発生して力制御を行うこととしたの
で、オペレータが部材に与えた接触力を再現して作業を
行うことができ、従来できなかったユーザが直接触れる
製品の力パターンを基にした耐久試験や、手先の微妙な
力加減を必要とする作業の自動化を実現しうる制御装置
を提供することができる。

【００８３】また、本発明の第４、第５、第６、第７、
第８、及び第９の特徴の制御装置によれば、滑りを伴う
回転動作を行う動作対象の回転動作を自動的に行う制御
装置であって、動作対象の滑り位置と当該制御装置が動
作対象を把持する位置とを結んだ直線が水平面となす角
度が所定の値以下となるように、動作対象の滑り位置と
制御装置が動作対象を把持する位置とを結んだ直線の方
向に力を与えることとし、また、動作対象に対して取り
付けられたジグを操作することにより動作対象を回転さ
せることとしたので、ＣＲＴのチルト動作を繰り返し自
動的に行うことができ、ＣＲＴ及びＣＲＴを搭載した製
品の耐久性試験の自動化を図り得る制御装置を提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る制御装置の再生動作
時の構成図である。

【図２】図２（１）は第１実施例に係る制御装置の教示
動作時の構成図、図２（２）は第２実施例に係る制御装
置の教示動作時の構成図である。

【図３】第１実施例の目標力パターン記憶部の力パター
ンデータの格納方法の説明図であり、図３（１）はサン
プリング時間毎に格納する場合、図３（２）は座標軸毎
に格納する場合である。

【図４】力パターン制御モードの初期設定を行う時の処
理を説明するフローチャートである。

【図５】各サンプリング時間毎に目標力を生成する処理
を説明するフローチャートである。

【図６】接触／非接触時の動作状態の切替処理を説明す
るフローチャートである。

【図７】力制御部の詳細構成図である。

【図８】本発明の第３実施例に係る制御装置の構成図で
ある。

【図９】本発明の第４実施例に係る制御装置の構成図で
ある。

【図１０】ジグ及びＣＲＴを上方から見た構成図であ
る。

【図１１】ＣＲＴのモデル構造図であり、図１１（１）
は正面図、図１１（２）はチルト部分を横から見たモデ
ル構造図である。

【図１２】平面上での円柱物体の移動を説明する図であ
り、図１２（１）は円柱物体が平面上を転がる場合、図
１２（２）は円柱物体が平面上を滑る場合である。

【図１３】ロボットにおけるチルト動作に適した力の与
え方を説明する説明図であり、図１３（１）はＣＲＴを
押して回転させる場合、図１３（２）はＣＲＴを引っ張
って回転させる場合の説明図である。

【図１４】従来の制御装置の構成図であり、図１４
（１）は教示動作時、図１４（２）は再生動作時の構成
図である。

【符号の説明】

１…オペレータ３…制御指令生成部５…力制御部７…操作部９…制御対象（ロボット）１１…力検出部２１…速度制御部２３…目標力パターン記憶部３１…力覚センサ（６軸力覚センサ）３３…力信号交換部３４…力パターン加工手段３４３５…サンプラ３７…力パターン記憶部３９…パターン加工部４１…力パターン生成部５１…作業対象（部材）５３，５４…台Ｅ_f…６軸力覚センサ３１の各軸の電気信号Ｋ_s…較正行列⁰ Ｒ_s…基準座標系への変換行列Ｆ_ar…基準座標系の力Ｆ_OP…基準座標系表現の力制御方向のベクトルｎ_w…力制御方向の単位ベクトルｏ_w，ａ_w…他の座標軸の単位ベクトルＳ_f…選択行列Ｆ_ow…最終目標力Ｆ_o…目標力ベクトルＦ_qr…検出力ベクトルｄＦ…偏差ベクトルｖ_f’…力制御速度指令ベクトルＧ_f（ｓ）…ゲインｖ_f…最終的な速度指令ベクトル６１…座標変換行列（^WＲ₀）演算部６３…力制御ゲインＧ_f（ｓ）の力補償器６５…選択行列（Ｓ_f）演算部６７…座標変換行列（⁰Ｒ_w）演算部ｖ_c…目標一定速度ａ_ct…加速度ｖ_ow…速度指令１０１…オペレータ１０３…制御指令生成部１０５…力制御部１０７…操作部１０９…制御対象１１１…力検出部１１３…位置検出部１１５…位置記憶部１１７…位置制御部１１９…位置記憶部２０１…直交座標型ロボット（制御装置）２０２…６軸力センサ２０３…ハンド２０４…ＣＲＴ（動作対象）２１０…ＣＲＴを把持するジグ２１１〜２１４…ネジ式のチャック機構２１５…部材２１６…部材２１５と一体の部材２１７…シャフト部Ｆ…力 α…把持位置と接触点とのなす角度（動作対象の滑り位
置と把持位置とを結ぶ直線が水平面となす角度）ＣＰ…円柱物体ＰＬ…平面Ｐ…接触点（動作対象の滑り位置）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】制御対象（９）を作動させる操作部
（７）と、前記制御対象（９）が受ける力を制御する力制御部
（５）と、前記制御対象（９）が目標とする力パターンが格納され
ている目標力パターン記憶部（２３）と、パラメータの設定、サンプリング時毎の目標力生成、並
びに接触または非接触処理を行う制御指令生成部（３）
とを有し、前記制御指令生成部（３）は、オペレータ（１）が与え
た力のパターン或いは当該制御装置内で自動生成した力
パターンに追従し、作業に必要な接触力を発生して、力
制御を行うことを特徴とする制御装置。
【請求項２】前記制御装置は、オペレータ（１）が部材（５１）を操作する時の力を力
覚センサ（３１）で検出する力検出部（１１）と、前記力検出部（１１）が検出した力信号を基に目標とす
る力パターンを算出し、前記目標力パターン記憶部（２
３）に格納する力パターン加工手段（３４）とを有する
ことを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
【請求項３】前記力検出部（１１）は、制御対象
（９）の部材（５１）に対する接触力を検出し、前記制御指令生成部（３）は、前記力検出部（１１）に
より検出した制御対象（９）の接触力から、力パターン
の時系列データの先読みを防止し、接触力を目標とする
力パターンに一致させることを特徴とする請求項２に記
載の制御装置。
【請求項４】滑りを伴う回転動作を行う動作対象（２
０４）の回転動作を自動的に行う制御装置であって、前記動作対象（２０４）の滑り位置（Ｐ）と当該制御装
置（２０１）が前記動作対象（２０４）を把持する位置
（ＣまたはＤ）とを結んだ直線の方向に、力を与えるこ
とを特徴とする制御装置。
【請求項５】前記制御装置（２０１）は、力の向きに
応じて出力する力の大きさを決定することを特徴とする
請求項４に記載の制御装置。
【請求項６】前記動作対象（２０４）の滑り位置
（Ｐ）と当該制御装置（２０１）が前記動作対象（２０
４）を把持する位置（ＣまたはＤ）とを結んだ直線が水
平面となす角度（α）が、所定の値以下であることを特
徴とする請求項４または５に記載の制御装置。
【請求項７】前記動作対象（２０４）に対して、該動
作対象（２０４）と一体で動くジグ（２１０）が取り付
けられ、前記制御装置（２０１）は、前記ジグ（２１０）を操作
することにより前記動作対象（２０４）を回転させるこ
とを特徴とする請求項４、５または６のいずれかに記載
の制御装置。
【請求項８】前記制御装置（２０１）は、人手により
前記動作対象（２０４）を回転させた時の軌跡データか
ら前記滑り位置（Ｐ）と角度（α）を求め、該結果を基
に出力する力の大きさを決定することを特徴とする請求
項６または７に記載の制御装置。
【請求項９】前記制御装置（２０１）は、繰り返し同
一動作を行った時の位置及び力に関するデータを保持す
ることを特徴とする請求項４、５、６、７、または８の
いずれかに記載の制御装置。