JPH0852675A - Device and method for selectively disturbance compensating hybrid controlling of manipulator - Google Patents

Device and method for selectively disturbance compensating hybrid controlling of manipulator

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JPH0852675A
JPH0852675A JP6192489A JP19248994A JPH0852675A JP H0852675 A JPH0852675 A JP H0852675A JP 6192489 A JP6192489 A JP 6192489A JP 19248994 A JP19248994 A JP 19248994A JP H0852675 A JPH0852675 A JP H0852675A
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JP
Japan
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torque
joint
manipulator
force
input
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Application number
JP6192489A
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Japanese (ja)
Inventor
Koichi Yoshida
耕一 吉田
Tetsuo Yabuta
哲郎 薮田
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Abstract

PURPOSE:To provide a selectively disturbance compensating hybrid control device for a manipulator difficult to receive an influence of interfering force of a point end with an outside environment by eliminating necessity for an accurate dynamic characteristic model of the manipulator. CONSTITUTION:An estimating part 3 of angular speed and angular acceleration with an articulation angle of an articulated manipulator 2 serving as an input and an error torque calculating part 4 estimating modeled error torque as disturbance torque by utilizing articulation input torque to arm actuator, estimated angular acceleration of the manipulator and a force signal from a force sensor are provided. Further, a filter 5 of inputting an output of the error torque calculating part 4 to remove a noise and a position force hybrid control part 6 inputting the articulation angle of the manipulator, its estimated angular speed and the force signal to calculate command articulation torque for making a position related to a movable direction and force related to a lock direction, in a manipulator point end, follow a target track are provided.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、ロボットマニピュレー
タの運動制御装置に関し、特にマニピュレータ先端の位
置と力を制御するマニピュレータの選択的外乱補償型ハ
イブリッド制御方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a motion control device for a robot manipulator, and more particularly to a selective disturbance compensation hybrid control method for a manipulator for controlling the position and force of the tip of the manipulator.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来のハイブリッド制御装置では、バリ
取りなど外部環境とのダイナミックな接触を要する作業
を安定で高精度に実現するためには、マニピュレータの
動特性を求めて計算トルク法による線形化補償を基礎に
設計する必要がある。
2. Description of the Related Art In a conventional hybrid controller, in order to achieve stable and highly accurate work that requires dynamic contact with the external environment, such as deburring, the dynamic characteristics of the manipulator are calculated and linearized by the calculation torque method. It is necessary to design based on compensation.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかし、多関節マニピ
ュレータの複雑な動特性を精密に推定したり、これをリ
アルタイムに計算して線形化補償を行うことは非常に困
難であった。また、マニピュレータ先端と外部環境との
接触点における摩擦力などの干渉力が制御性能を劣化さ
せる要因となっていた。
However, it has been very difficult to accurately estimate the complicated dynamic characteristics of the multi-joint manipulator and to calculate it in real time to perform linearization compensation. Further, the interference force such as frictional force at the contact point between the tip of the manipulator and the external environment has been a factor that deteriorates the control performance.

【0004】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもの
で、マニピュレータの精密な動特性モデルが不必要で、
先端と外部環境との干渉力の影響を受けにくいマニピュ
レータの選択的外乱補償型ハイブリッド制御装置を提供
することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above circumstances and does not require a precise dynamic characteristic model of a manipulator.
It is an object of the present invention to provide a selective disturbance compensation type hybrid controller for a manipulator that is not easily affected by the interference force between the tip and the external environment.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明のマニピュレータの選択的外乱補償型ハイブリ
ッド制御装置は、先端の力センサと各関節軸の角度検出
装置とアクチュエータを具備する多関節マニピュレータ
の先端の位置と力に関するハイブリッド制御装置であっ
て、前記多関節マニピュレータの関節角度を入力として
角速度と角加速度を出力する角速度と角加速度の推定部
と、前記アクチュエータへの関節入力トルク、前記角速
度と角加速度の推定部で求められたマニピュレータの推
定角加速度および前記力センサからの力信号を利用して
モデル化誤差トルクを外乱トルクとして推定する誤差ト
ルク計算部と、前記誤差トルク計算部の出力を入力とし
ノイズを除去するフィルタと、前記多関節マニピュレー
タの関節角度と前記角速度と角加速度の推定部で求めら
れたマニピュレータの推定角速度と力信号を入力として
マニピュレータ先端の可動方向に関する位置と拘束方向
に関する力を目標軌道に追従させるための指令関節トル
クを計算する位置と力のハイブリッド制御部とを具備
し、前記誤差トルク計算部が、前記マニピュレータの力
信号を入力としてマニピュレータの先端が外部環境から
拘束を受けている方向の成分を検出する拘束方向成分検
出部と、この拘束方向成分検出部からの出力を入力とし
てこの入力と等価な関節トルクを計算する等価関節トル
ク計算部と、前記角速度と角加速度の推定部からの出力
に慣性行列モデルを掛け合わせる慣性行列モデル乗算部
とを有し、この慣性行列モデル乗算部の出力から前記ア
クチュエータへの関節入力トルクと前記等価関節トルク
計算部の出力を減じて外乱トルクとして出力することを
特徴とするものである。
In order to achieve the above object, a selective disturbance compensation type hybrid controller for a manipulator according to the present invention is a multi-joint equipped with a force sensor at the tip, an angle detecting device for each joint axis, and an actuator. A hybrid control device relating to the position and force of the tip of a manipulator, wherein an estimation unit of an angular velocity and an angular acceleration that outputs an angular velocity and an angular acceleration with a joint angle of the multi-joint manipulator as an input, a joint input torque to the actuator, An error torque calculation unit that estimates the modeling error torque as a disturbance torque using the estimated angular acceleration of the manipulator and the force signal from the force sensor obtained by the angular velocity and angular acceleration estimation unit, and the error torque calculation unit A filter that removes noise with the output as input, and the joint angle and front of the articulated manipulator The position and force that calculates the command joint torque to make the manipulator tip position related to the moving direction and the force related to the constraining direction follow the target trajectory by inputting the estimated angular velocity and force signal of the manipulator obtained by the angular velocity and angular acceleration estimation unit. A hybrid control unit, wherein the error torque calculation unit receives the force signal of the manipulator as an input, and detects the component in the direction in which the tip of the manipulator is constrained from the external environment; An inertial matrix model multiplication that multiplies the output from the equivalent joint torque calculation unit that calculates the joint torque equivalent to this input from the constraint direction component detection unit and the output from the estimation unit of the angular velocity and angular acceleration by the inertial matrix model And a joint input torque to the actuator from the output of the inertia matrix model multiplication unit and By subtracting the output of the equivalent joint torque calculation unit is characterized in that the output as a disturbance torque.

【0006】又、本発明のマニピュレータの選択的外乱
補償型ハイブリッド制御方法は、先端の力センサと各関
節軸の角度検出装置とアクチュエータを具備する多関節
マニピュレータの先端の位置と力に関するハイブリッド
制御方法において、前記各関節軸の角度検出装置により
検出される関節角度から角速度と角加速度を推定する第
1の手段と、この第1の手段で推定された関節角加速度
にマニピュレータの慣性行列モデルを乗算して慣性トル
クを計算する第2の手段と、前記力センサから検出され
た外部環境との接触力のうち接触面垂直方向成分を選択
してこれにより生じる等価関節トルクを計算する第3の
手段と、前記第2の手段で計算した慣性トルクから関節
入力トルクと等価関節トルクを引き算して誤差トルクを
推定する第4の手段と、この第4の手段で推定した誤差
トルクの補償効果の周波数帯域を制限すると共にノイズ
を除去するようにフィルタ処理する第5の手段と、前記
各関節の角度と推定された角速度と力センサ情報から対
象環境の幾何学的モデルとマニピュレータの慣性行列モ
デルを用いて先端の可動方向に対する位置制御と拘束方
向に対する力制御を行うための指令関節トルクを計算す
る第6の手段と、この第6の手段で計算した指令関節ト
ルクからフィルタ処理された誤差トルクを引き算して関
節入力トルクを計算する第7の手段とを、関節角度と力
センサ情報を検出して関節入力トルクを出力する過程に
具備することを特徴とする。
Further, a selective disturbance compensation type hybrid control method for a manipulator according to the present invention is a hybrid control method relating to the position and force of the tip of a multi-joint manipulator equipped with a force sensor at the tip, an angle detection device for each joint axis, and an actuator. In the above, first means for estimating the angular velocity and angular acceleration from the joint angle detected by the angle detecting device for each joint axis, and the joint angular acceleration estimated by the first means are multiplied by the inertia matrix model of the manipulator. Second means for calculating the inertia torque, and third means for calculating the equivalent joint torque generated by selecting the component in the contact surface vertical direction of the contact force with the external environment detected by the force sensor. And a fourth hand for estimating the error torque by subtracting the joint input torque and the equivalent joint torque from the inertia torque calculated by the second means. Fifth means for limiting the frequency band of the error torque compensation effect estimated by the fourth means and filtering for removing noise, and angular velocity and force sensor estimated for the angle of each joint. Sixth means for calculating a command joint torque for performing position control in the movable direction of the tip and force control in the constraining direction from the information by using the geometric model of the target environment and the inertia matrix model of the manipulator, and the sixth means. In the process of detecting the joint angle and force sensor information and outputting the joint input torque, the seventh means for calculating the joint input torque by subtracting the filtered error torque from the command joint torque calculated by It is characterized by having.

【0007】[0007]

【作用】上記手段により本発明は、マニピュレータの動
特性モデルと誤差ダイナミクスや可動方向に対する外部
環境からの干渉力を外乱トルクとして選択的に推定・補
償して、マニピュレータの動特性をモデルとマッチング
させることにより、先端位置と力のハイブリッド制御系
をモデルに基づいて容易に構成することが可能となる。
According to the present invention, the dynamic characteristic model of the manipulator and the dynamic characteristic of the manipulator are selectively estimated and compensated as the disturbance torque by the interference force from the external environment with respect to the dynamic characteristic model of the manipulator and the moving direction. This makes it possible to easily configure a hybrid control system of the tip position and force based on the model.

【0008】[0008]

【実施例】以下図面を参照して本発明の実施例を詳細に
説明する。図1は本発明であるマニピュレータの選択的
外乱補償型ハイブリッド制御装置の一実施例を示すブロ
ック図である。即ち、先端の力センサと各関節軸の角度
検出装置とアクチュエータを具備する多関節マニピュレ
ータ2の先端の位置と力に関する選択的外乱補償型ハイ
ブリッド制御装置1であって、前記多関節マニピュレー
タ2の関節角度を入力として角速度と角加速度を出力す
る角速度と角加速度の推定部3と、前記アクチュエータ
2への関節入力トルク、前記角速度と角加速度の推定部
3で求められたマニピュレータ2の推定角加速度および
前記力センサからの力信号を利用してモデル化誤差トル
クを外乱トルクとして推定する誤差トルク計算部4と、
前記誤差トルク計算部4の出力を入力としノイズを除去
するフィルタ5と、前記多関節マニピュレータ2の関節
角度と前記角速度と角加速度の推定部3で求められたマ
ニピュレータ2の推定角速度と力信号を入力としてマニ
ピュレータ2の先端の可動方向に関する位置と拘束方向
に関する力を目標軌道に追従させるための指令関節トル
クを計算する位置と力のハイブリッド制御部6とを具備
する。7は関節入力トルクと外乱の加算部であり、8は
指令関節トルクからフィルタ処理された誤差トルクを引
き算して関節入力トルクを計算する減算部である。
Embodiments of the present invention will now be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a selective disturbance compensation type hybrid controller for a manipulator according to the present invention. That is, there is provided a selective disturbance compensation hybrid control device 1 for the position and force of the tip of an articulated manipulator 2 including a force sensor at the tip, an angle detection device for each joint axis, and an actuator, and the joint of the articulated manipulator 2 is An angular velocity and angular acceleration estimation unit 3 that outputs an angular velocity and an angular acceleration with an angle as an input, a joint input torque to the actuator 2, an estimated angular acceleration of the manipulator 2 obtained by the angular velocity and angular acceleration estimation unit 3, and An error torque calculation unit 4 that estimates the modeling error torque as a disturbance torque using the force signal from the force sensor;
A filter 5 that receives the output of the error torque calculation unit 4 to remove noise, a joint angle of the multi-joint manipulator 2, an estimated angular velocity of the manipulator 2 and a force signal obtained by the angular velocity and angular acceleration estimation unit 3 are output. A position / force hybrid control unit 6 for calculating a command joint torque for causing the position of the tip of the manipulator 2 in the movable direction and the force in the restraining direction to follow the target trajectory as inputs is provided. Reference numeral 7 is a joint input torque and disturbance addition unit, and 8 is a subtraction unit that subtracts the filtered error torque from the command joint torque to calculate the joint input torque.

【0009】図2は図1の誤差トルク計算部4の一例を
示すブロック図である。即ち、前記誤差トルク計算部4
は、前記マニピュレータ2の力信号を入力としてマニピ
ュレータ2の先端が外部環境から拘束を受けている方向
の成分を検出する拘束方向成分検出部23と、この拘束
方向成分検出部23からの出力を入力としてこの入力と
等価な関節トルクを計算する等価関節トルク計算部24
と、前記角速度と角加速度の推定部3からの出力に慣性
行列モデルを掛け合わせる慣性行列モデル乗算部22と
を有し、この慣性行列モデル乗算部22の出力から前記
アクチュエータへの関節入力トルクと前記等価関節トル
ク計算部24の出力を減算部25,26により減じて外
乱トルクとして出力する。
FIG. 2 is a block diagram showing an example of the error torque calculation unit 4 of FIG. That is, the error torque calculation unit 4
Is a constraint direction component detection unit 23 that receives the force signal of the manipulator 2 as an input and detects a component in the direction in which the tip of the manipulator 2 is constrained from the external environment, and inputs the output from this constraint direction component detection unit 23. As an equivalent joint torque calculation unit 24 that calculates a joint torque equivalent to this input
And an inertia matrix model multiplication unit 22 that multiplies an output from the angular velocity and angular acceleration estimation unit 3 by an inertia matrix model. The output of the inertia matrix model multiplication unit 22 and the joint input torque to the actuator are The outputs of the equivalent joint torque calculation unit 24 are subtracted by the subtraction units 25 and 26 and output as disturbance torque.

【0010】図3は本発明に係るマニピュレータの選択
的外乱補償型ハイブリッド制御方法の関節角度と力セン
サ情報を検出して関節入力トルクを出力するまでの過程
に含まれるフローチャートである。即ち、イにおいて、
先端の力センサと各関節軸の角度検出装置とアクチュエ
ータを具備する多関節マニピュレータの関節角度、外界
との接触力、及び関節入力トクルを検出する。次に、ロ
において、前記各関節軸の角度検出装置により検出され
る関節角度から各関節の角速度と角加速度を推定する。
次に、ハにおいて、前記関節角加速度にマニピュレータ
の慣性行列モデルを乗算して慣性トルクを計算する。次
に、ニにおいて、外部環境との接触力のうち接触面垂直
方向成分(拘束方向成分)を検出してこれにより生じる
等価関節トルクを計算する。次に、ホにおいて、前記慣
性トルクから関節入力トルクと等価関節トルクを引き算
して誤差トルクを計算する。次に、ヘにおいて、前記誤
差トルクの補償効果の周波数帯域を制限すると共にノイ
ズを除去するようにフィルタ処理する。次に、トにおい
て、前記各関節の角度と推定された角速度と力センサ情
報から対象環境の幾何学的モデルとマニピュレータの慣
性行列モデルを用いて先端の可動方向に対する位置制御
と拘束方向に対する力制御のハイブリッド制御を行うた
めの指令関節トルクを計算する。次に、チにおいて、前
記指令関節トルクからフィルタ処理された誤差トルクを
引き算して関節入力トルクを計算する。次に、次式で与
えられるn自由度の多関節マニピュレータ
FIG. 3 is a flowchart included in the process of detecting the joint angle and force sensor information and outputting the joint input torque in the selective disturbance compensation hybrid control method for the manipulator according to the present invention. That is, in a,
A joint angle of a multi-joint manipulator including a force sensor at the tip, an angle detection device for each joint axis, and an actuator, a contact force with the outside world, and a joint input tokule are detected. Next, in (b), the angular velocity and angular acceleration of each joint are estimated from the joint angle detected by the angle detecting device for each joint axis.
Next, in C, the joint angular acceleration is multiplied by the inertia matrix model of the manipulator to calculate the inertia torque. Next, in D, the component perpendicular to the contact surface (constraint direction component) of the contact force with the external environment is detected, and the equivalent joint torque generated thereby is calculated. Next, in E, the error torque is calculated by subtracting the joint input torque and the equivalent joint torque from the inertia torque. Next, in (f), the frequency band of the effect of compensating for the error torque is limited and filtering is performed so as to remove noise. Next, in g, using the geometric model of the target environment and the inertia matrix model of the manipulator from the angular velocities estimated from the joints and the force sensor information, the position control of the tip in the moving direction and the force control in the restraining direction are performed. The command joint torque for performing the hybrid control of is calculated. Next, in H, the joint input torque is calculated by subtracting the filtered error torque from the command joint torque. Next, an n-degree-of-freedom articulated manipulator given by

【0011】[0011]

【数1】 の動的ハイブリッド制御について考える。ただし、qは
多関節マニピュレータの関節角ベクトル、τは関節駆動
力ベクトル、Mは慣性行列、hはコリオリ力、求心力、
摩擦力及び重力項を表す。Fはマニピュレータ先端が対
象環境に与える力を示す。また、作業座標中のマニピュ
レータ先端の位置ベクトルをr、マニピュレータ先端に
関するヤコビ行列をJとし、冗長性はないものとする。
一方、対象環境の機械的インピーダンス行列をZe (s)
とおくときs領域で次の関係式が成り立つものとする。
[Equation 1] Consider the dynamic hybrid control of. Where q is the joint angle vector of the multi-joint manipulator, τ is the joint driving force vector, M is the inertia matrix, h is Coriolis force, centripetal force,
Represents frictional force and gravity term. F represents the force exerted by the tip of the manipulator on the target environment. Further, let r be the position vector of the manipulator tip in the work coordinates and J be the Jacobian matrix relating to the manipulator tip, and assume that there is no redundancy.
On the other hand, the mechanical impedance matrix of the target environment is Z e (s)
Then, the following relational expression holds in the s region.

【0012】[0012]

【数2】 また、マニピュレータ先端が接触している対象環境面か
ら受ける拘束の式(拘束曲面)は既知で次のように与え
られているものとする。
[Equation 2] Further, it is assumed that the constraint equation (constrained curved surface) received from the target environment surface with which the manipulator tip is in contact is known and given as follows.

【0013】[0013]

【数3】 (Equation 3)

【0014】ただし、rF (r) はnF 次元ベクトルであ
る。ここで、{rF (r) ,rP (r)}の各要素が独立と
なるような(n−nF )次元ベクトルrP (r) を選んで
一般化座標rc =[rP T ,rF TT を定義する。ま
た、これに対応する一般化力
However, r F (r) is an n F dimensional vector. Here, the (n−n F ) dimensional vector r P (r) is selected such that each element of {r F (r), r P (r)} is independent, and generalized coordinates r c = [r P T , r F T ] T is defined. Also, the generalization force corresponding to this

【0015】[0015]

【数4】 を定義する。このとき、マニピュレータ先端の可動方向
に対する位置制御と拘束方向に対する力制御を同時に実
現するハイブリッド制御のための次のような制御アルゴ
リズムが計測と制御vol.30,no.5,1991
の吉川の文献“マニピュレータの力制御”に示されてい
る。
[Equation 4] Is defined. At this time, the following control algorithm for the hybrid control that simultaneously realizes the position control in the movable direction of the manipulator and the force control in the restraining direction is the measurement and control vol. 30, no. 5,1991
Yoshikawa's reference "Manipulator Force Control".

【0016】[0016]

【数5】 (Equation 5)

【0017】ただし、rPrは可動方向に対する位置の目
標軌道、fFrは拘束方向に対する力の目標軌道、K
Pp- ,KPd,KF1はフィードバックゲインである。一
方、マニピュレータが対象環境面と接触状態にあると
き、その先端に取り付けられた力センサからは拘束方向
の押しつけ力の他に可動方向の運動に伴う摩擦力が検出
される。あるいは、力センサの先に適当なワークを装備
している場合にはその可動方向の動特性に対応した反力
も加わることになる。さらに、マニピュレータ自体の動
特性モデルの誤差が無視できないときには(5),
(6)式のサーボ補償だけでは十分な安定性や制御性能
が得られない場合もある。
Where r Pr is the target trajectory of the position in the movable direction, f Fr is the target trajectory of the force in the restraining direction, K
Pp- , K Pd and K F1 are feedback gains. On the other hand, when the manipulator is in contact with the target environment surface, the force sensor attached to the tip of the manipulator detects not only the pressing force in the restraining direction but also the frictional force accompanying the movement in the movable direction. Alternatively, when an appropriate work piece is equipped at the tip of the force sensor, a reaction force corresponding to the dynamic characteristics in the movable direction is also added. Furthermore, when the error of the dynamic characteristic model of the manipulator itself cannot be ignored (5),
There may be a case where sufficient stability and control performance cannot be obtained only by the servo compensation of the equation (6).

【0018】そこで、このような従来技術の問題点を解
決するために、モデル化誤差や外界からの干渉の影響を
受けにくい外乱補償型のハイブリッド制御系を構築す
る。具体的には、マニピュレータの適当な動特性モデル
を考え、実際の動特性との誤差ダイナミクスを推定して
補償する。特に、マニピュレータ先端に外界から作用す
る力を可動方向と拘束方向とに分けて考え、可動方向に
加わる摩擦力等の干渉力によって発生するトルクJT
T [fP T ,0]T をマニピュレータ本体の誤差ダイナ
ミクスと合わせて外乱トルクとして推定・ 補償する選択
的な外乱補償制御を考える。ここでは、次のような動特
性モデルを定義する。
Therefore, in order to solve the problems of the prior art, a disturbance compensation type hybrid control system which is not easily affected by modeling error and interference from the external environment is constructed. Specifically, we consider an appropriate dynamic characteristic model of the manipulator, and estimate and compensate the error dynamics with the actual dynamic characteristic. In particular, consider separately the force acting from the outside on the manipulator tip in the movable direction and restraining direction, torque J T E generated by the interference force of the friction force and the like applied to the movable direction
Consider a selective disturbance compensation control that estimates and compensates for T [f P T , 0] T as the disturbance torque in combination with the error dynamics of the manipulator body. Here, the following dynamic characteristic model is defined.

【0019】[0019]

【数6】 はこれに対する関節角度ベクトルと力ベクトルの理想応
答、Sは次のような選択行列を表す。
(Equation 6) Represents the ideal response of the joint angle vector and the force vector, and S represents the following selection matrix.

【0020】[0020]

【数7】 (Equation 7)

【0021】このとき、マニピュレータが対象環境面垂
直方向(拘束方向)から受ける力は−ET SE-TF、こ
れと等価な関節トルクは−JTT SE-TFで表される
ことになる。従って、(7)式の動特性モデルに対する
マニピュレータ誤差ダイナミクスは次式で与えられる。
[0021] It this case, the force manipulator receives from the target environment a direction perpendicular to the surface (constraint direction) -E T SE -T F, is this equivalent joint torque represented by -J T E T SE -T F become. Therefore, the manipulator error dynamics for the dynamic characteristic model of equation (7) is given by the following equation.

【0022】[0022]

【数8】 [Equation 8]

【0023】この外乱トルクを(9)式中の2番目の表
現式を用いて推定する。例えば関節角度ベクトルのサン
プリング値を用いて関節角速度と角加速度を次のように
推定する。
This disturbance torque is estimated using the second expression in the equation (9). For example, the joint angular velocity and the angular acceleration are estimated as follows using the sampling value of the joint angle vector.

【0024】[0024]

【数9】 はそれぞれ推定された関節角速度と角加速度を示し、各
変数の添字kは時刻t=kTs におけるサンプル値であ
ることを表す。無論、これらは適当な状態オブザーバを
構成して推定してもよい。これに慣性行列モデルを掛け
合わせ、1サンプル前の入力トルクと対象環境面から拘
束方向に作用する反力と等価な関節トルクを引き算すれ
ば、外乱トルクを次のように算出できる。
[Equation 9] Indicates the estimated joint angular velocity and angular acceleration, respectively, and the subscript k of each variable indicates that it is a sample value at time t = kT s . Of course, these may be estimated by constructing an appropriate state observer. By multiplying this by the inertia matrix model and subtracting the input torque one sample before and the joint torque equivalent to the reaction force acting in the restraining direction from the target environment surface, the disturbance torque can be calculated as follows.

【0025】[0025]

【数10】 τd * を推定された外乱トルク、φ(s) を外乱オブザー
バによって決まる外乱推定の伝達関数であるとすれば、
次式が成り立つ。
[Equation 10] If τ d * is the estimated disturbance torque and φ (s) is the transfer function of the disturbance estimation determined by the disturbance observer,
The following equation holds.

【0026】[0026]

【数11】 τd * を適当なフィルタk(s) を介して、[Equation 11] τ d * via an appropriate filter k (s)

【0027】[0027]

【数12】 のように関節トルク入力にフィードバックすれば次の結
果を得る。
[Equation 12] If the joint torque input is fed back, the following result is obtained.

【0028】[0028]

【数13】 [Equation 13]

【0029】また、hをマニピュレータの運動によって
動的に変化するものと、マニピュレータの運動に直接相
関のないものとに分けられるものとして、便宜上次のよ
うに表している。
Further, for the sake of convenience, h is represented as follows, which is divided into those that dynamically change due to the movement of the manipulator and those that do not directly correlate with the movement of the manipulator.

【0030】[0030]

【数14】 [Equation 14]

【0031】従って、(15)式を考慮すれば少なくと
もkφ=1となるような周波数領域では(7)式の動特
性モデルが実現されることがわかる。このとき、位置と
力のハイブリッド制御のために指令関節駆動ベクトルτ
c は次のように与えればよい。
Therefore, considering the equation (15), it is understood that the dynamic characteristic model of the equation (7) is realized in the frequency region where at least kφ = 1. At this time, the command joint drive vector τ for hybrid control of position and force
c can be given as follows.

【0032】[0032]

【数15】 (Equation 15)

【0033】ただし、rPrは可動方向に対する位置の目
標軌道、fFrは拘束方向に対する力の目標軌道、KPp
Pd,KFiはフィードバックゲインである。表1に示す
物理常数を持つ2自由度マニピュレータを用いてハイブ
リッド制御シミュレーションを行い、選択的外乱補償制
御によるハイブリッド制御系の制御性能を検証する。図
4に示すようにマニピュレータ先端はノミナル値5Kg
の負荷を介してバネ、質量、ダンパモデルで表される対
象環境面に接触しているものとする。表2に対象環境の
各物理定数を示す。
Where r Pr is the target trajectory of the position in the movable direction, f Fr is the target trajectory of the force in the restraining direction, K Pp ,
K Pd and K Fi are feedback gains. A hybrid control simulation is performed using the two-degree-of-freedom manipulator having the physical constants shown in Table 1 to verify the control performance of the hybrid control system by the selective disturbance compensation control. As shown in Fig. 4, the manipulator tip has a nominal value of 5 kg.
It is assumed that the target environment surface represented by the spring, the mass, and the damper model is in contact via the load. Table 2 shows each physical constant of the target environment.

【0034】[0034]

【表1】 [Table 1]

【0035】[0035]

【表2】 [Table 2]

【0036】目標とする押し付け力に対して対象環境の
x方向のインピーダンスが十分に大きい場合、拘束面の
方程式はxがほぼコンスタント(constant)と
なるのでE=diag(1,1)となる。y方向の位置
制御の目標軌道は
When the impedance of the target environment in the x direction is sufficiently large with respect to the target pressing force, the equation of the constraining surface is E = diag (1,1) because x is almost constant. The target trajectory for position control in the y direction is

【0037】[0037]

【数16】 でf=1Hzとしたものを、x方向の力制御の目標軌道
には次式を用いる。
[Equation 16] Where f = 1 Hz, the following equation is used for the target trajectory of the force control in the x direction.

【0038】[0038]

【数17】 [Equation 17]

【0039】選択的外乱補償制御のための角速度と角加
速度は(10),(11)式を使って推定する。誤差ト
ルク(外乱トルク)はノミナル状態の負荷の影響も慣性
行列モデルに含めて次のように計算する。
The angular velocity and the angular acceleration for the selective disturbance compensation control are estimated using the equations (10) and (11). The error torque (disturbance torque) is calculated as follows by including the influence of the load in the nominal state in the inertia matrix model.

【0040】[0040]

【数18】 (Equation 18)

【0041】Ts はサンプリング時間でTs =5mse
cとする。このときフィルタkは、例えば計測自動制御
学会論文集、vol.30,no.7,1994の吉田
らの文献“外乱補償制御型マニピュレータシステムのμ
シンセシス”に記載されている方法で設計された。
T s is a sampling time and T s = 5 mse
Let be c. At this time, the filter k is, for example, a collection of the Institute of Instrument and Control Engineers, vol. 30, no. 7, 1994, Yoshida et al. “Disturbance compensation control type manipulator system μ
Designed by the method described in "Synthesis".

【0042】[0042]

【数19】 をTs =5msecで双一次変換したものを用いる。シ
ミュレーションは(4),(5),(6)式の計算トル
ク法に基づく制御法と選択的外乱補償制御を用いた場合
を比較する。位置制御系のフィードバックゲインはkPp
=100sec-2,kPd=20sec-1、力制御系のフ
ィードバックゲインはkFi=100sec-1と選ぶ。
[Formula 19] Is used with T s = 5 msec for bilinear transformation. The simulation compares the control method based on the calculation torque method of equations (4), (5), and (6) with the case of using the selective disturbance compensation control. The feedback gain of the position control system is k Pp
= 100 sec -2 , k Pd = 20 sec -1 , and the feedback gain of the force control system is selected as k Fi = 100 sec -1 .

【0043】図5は負荷がノミナル値のときの各制御系
のよるシミュレーション結果を示す。目標軌道を細線で
表しているが計算トルク法を用いた場合の位置と力の応
答はほとんど目標軌道と一致している。外乱補償制御系
を用いた場合、位置の応答は軌道追従制御とほぼ同等の
特性を示しているが力の応答は目標値に安定に収束する
がやや振動的になっている。
FIG. 5 shows a simulation result by each control system when the load has a nominal value. The target trajectory is represented by a thin line, but the response of the position and force when the calculated torque method is used almost agrees with the target trajectory. When the disturbance compensation control system is used, the position response shows almost the same characteristics as the trajectory tracking control, but the force response converges to the target value in a stable manner, but is slightly oscillating.

【0044】図6及び図7はそれぞれ負荷重量が減少し
た場合と増加した場合のシミュレーション結果を示す。
計算トルク法による制御においては負荷の増減に応じて
位置と力の応答が目標軌道に対し大きな誤差を生じサー
ボ補償だけでは不十分であることを示している。外乱補
償制御による場合、位置制御においては負荷増加時に若
干の追従誤差を生じているもののほぼ良好な応答が得ら
れているが、力制御においては制御性能が劣化するかあ
るいは不安定になっている。
6 and 7 show the simulation results when the load weight is decreased and when it is increased, respectively.
In the control by the calculated torque method, the response of the position and force causes a large error with respect to the target trajectory according to the increase and decrease of the load, and it is shown that servo compensation is not enough. In the case of disturbance compensation control, although a slight tracking error is generated when the load is increased in position control, a nearly good response is obtained, but in force control, the control performance deteriorates or becomes unstable. .

【0045】[0045]

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、マニ
ピュレータの動特性モデルとの誤差ダイナミスクや先端
の可動方向に作用する外部環境からの干渉力を外乱トル
クとして推定・補償することにより、マニピュレータと
その外部環境との相互作用に関する正確な動特性モデル
が得られない場合でも高精度な位置と力のハイブリッド
制御が実現できるという効果がある。
As described above, according to the present invention, by estimating and compensating the error dynamics with the dynamic characteristic model of the manipulator and the interference force from the external environment acting in the moving direction of the tip as the disturbance torque, Even if an accurate dynamic characteristic model regarding the interaction between the manipulator and its external environment cannot be obtained, it is possible to realize highly accurate hybrid control of position and force.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明であるマニピュレータの選択的外乱補償
型ハイブリッド制御装置の一実施例を示すブロック図で
ある。
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a selective disturbance compensation type hybrid controller for a manipulator according to the present invention.

【図2】図1の誤差トルク計算部の一例を示すブロック
図である。
FIG. 2 is a block diagram showing an example of an error torque calculation unit in FIG.

【図3】本発明に係るハイブリッド制御方法の関節角度
と力センサ情報を検出して関節入力トルクを出力するま
での過程に含まれるフローチャートの一例である。
FIG. 3 is an example of a flowchart included in a process of detecting a joint angle and force sensor information and outputting a joint input torque in the hybrid control method according to the present invention.

【図4】本発明に係るハイブリッド制御シミュレーショ
ンに用いた2自由度マニピュレータと外部環境のモデル
の一例を示す説明図である。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing an example of a model of a two-degree-of-freedom manipulator and an external environment used for the hybrid control simulation according to the present invention.

【図5】負荷がノミナル状態であるときの従来の計算ト
ルク法に基づく制御と本発明を適用した場合の目標軌道
への追従性を比較した特性図である。
FIG. 5 is a characteristic diagram comparing the control based on the conventional calculation torque method when the load is in the nominal state and the followability to the target trajectory when the present invention is applied.

【図6】負荷が軽いときの従来の計算トルク法に基づく
制御と本発明を適用した場合の目標軌道への追従性を比
較した特性図である。
FIG. 6 is a characteristic diagram comparing the control based on the conventional calculation torque method when the load is light and the followability to the target trajectory when the present invention is applied.

【図7】負荷が重いときの従来の計算トルク法に基づく
制御と本発明を適用した場合の目標軌道への追従性を比
較した特性図である。
FIG. 7 is a characteristic diagram comparing the control based on the conventional calculation torque method when the load is heavy with the followability to the target trajectory when the present invention is applied.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…選択的外乱補償型ハイブリッド制御装置、2…マニ
ピュレータ、3…角速度と角加速度の推定部、4…誤差
トルク計算部、5…フィルタ、6…ハイブリッド制御
部、7…加算部、8…減算部、22…慣性行列モデル乗
算部、23…拘束方向成分検出部、24…等価関節トル
ク計算部、25,26…減算部。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Selective disturbance compensation type hybrid controller, 2 ... Manipulator, 3 ... Angular velocity and angular acceleration estimation unit, 4 ... Error torque calculation unit, 5 ... Filter, 6 ... Hybrid control unit, 7 ... Addition unit, 8 ... Subtraction 22 ... Inertia matrix model multiplication unit, 23 ... Restraining direction component detection unit, 24 ... Equivalent joint torque calculation unit, 25, 26 ... Subtraction unit.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 先端の力センサと各関節軸の角度検出装
置とアクチュエータを具備する多関節マニピュレータの
先端の位置と力に関するハイブリッド制御装置であっ
て、前記多関節マニピュレータの関節角度を入力として
角速度と角加速度を出力する角速度と角加速度の推定部
と、前記アクチュエータへの関節入力トルク、前記角速
度と角加速度の推定部で求められたマニピュレータの推
定角加速度および前記力センサからの力信号を利用して
モデル化誤差トルクを外乱トルクとして推定する誤差ト
ルク計算部と、前記誤差トルク計算部の出力を入力とし
ノイズを除去するフィルタと、前記多関節マニピュレー
タの関節角度と前記角速度と角加速度の推定部で求めら
れたマニピュレータの推定角速度と力信号を入力として
マニピュレータ先端の可動方向に関する位置と拘束方向
に関する力を目標軌道に追従させるための指令関節トル
クを計算する位置と力のハイブリッド制御部とを具備
し、 前記誤差トルク計算部が、前記マニピュレータの力信号
を入力としてマニピュレータの先端が外部環境から拘束
を受けている方向の成分を検出する拘束方向成分検出部
と、この拘束方向成分検出部からの出力を入力としてこ
の入力と等価な関節トルクを計算する等価関節トルク計
算部と、前記角速度と角加速度の推定部からの出力に慣
性行列モデルを掛け合わせる慣性行列モデル乗算部とを
有し、この慣性行列モデル乗算部の出力から前記アクチ
ュエータへの関節入力トルクと前記等価関節トルク計算
部の出力を減じて外乱トルクとして出力することを特徴
とするマニピュレータの選択的外乱補償型ハイブリッド
制御装置。
1. A hybrid controller for the position and force of the tip of an articulated manipulator comprising a force sensor at the tip, an angle detection device for each joint axis, and an actuator, the angular velocity using the joint angle of the articulated manipulator as an input. And an angular velocity and angular acceleration estimation unit that outputs angular acceleration, joint input torque to the actuator, estimated angular acceleration of the manipulator obtained by the angular velocity and angular acceleration estimation unit, and a force signal from the force sensor are used. An error torque calculation unit that estimates the modeling error torque as a disturbance torque, a filter that removes noise by using the output of the error torque calculation unit as an input, and the joint angle of the multi-joint manipulator and the estimation of the angular velocity and the angular acceleration. Of the manipulator tip with the estimated angular velocity and force signal of the manipulator found in A position and force hybrid control unit that calculates a command joint torque for causing a force relating to a movable direction and a force relating to a restraining direction to follow a target trajectory is provided, and the error torque calculation unit receives the force signal of the manipulator as an input. A constraint direction component detection unit that detects the component in the direction in which the tip of the manipulator is constrained from the external environment, and an equivalent joint torque that calculates the joint torque equivalent to this input by using the output from this constraint direction component detection unit as an input A calculation unit and an inertia matrix model multiplication unit that multiplies an output from the estimation unit of the angular velocity and the angular acceleration by an inertia matrix model, and a joint input torque to the actuator from the output of the inertia matrix model multiplication unit and the Selective disturbance compensation for a manipulator characterized by reducing the output of the equivalent joint torque calculation unit and outputting it as disturbance torque Compensatory hybrid controller.
【請求項2】 先端の力センサと各関節軸の角度検出装
置とアクチュエータを具備する多関節マニピュレータの
先端の位置と力に関するハイブリッド制御方法におい
て、前記各関節軸の角度検出装置により検出される関節
角度から角速度と角加速度を推定する第1の手段と、こ
の第1の手段で推定された関節角加速度にマニピュレー
タの慣性行列モデルを乗算して慣性トルクを計算する第
2の手段と、前記力センサから検出された外部環境との
接触力のうち接触面垂直方向成分を選択してこれにより
生じる等価関節トルクを計算する第3の手段と、前記第
2の手段で計算した慣性トルクから関節入力トルクと等
価関節トルクを引き算して誤差トルクを推定する第4の
手段と、この第4の手段で推定した誤差トルクの補償効
果の周波数帯域を制限すると共にノイズを除去するよう
にフィルタ処理する第5の手段と、前記各関節の角度と
推定された角速度と力センサ情報から対象環境の幾何学
的モデルとマニピュレータの慣性行列モデルを用いて先
端の可動方向に対する位置制御と拘束方向に対する力制
御を行うための指令関節トルクを計算する第6の手段
と、この第6の手段で計算した指令関節トルクからフィ
ルタ処理された誤差トルクを引き算して関節入力トルク
を計算する第7の手段とを、関節角度と力センサ情報を
検出して関節入力トルクを出力する過程に具備すること
を特徴とするマニピュレータの選択的外乱補償型ハイブ
リッド制御方法。
2. A hybrid control method relating to the position and force of the tip of a multi-joint manipulator comprising a force sensor at the tip, an angle detector for each joint axis, and an actuator, and a joint detected by the angle detector for each joint axis. A first means for estimating an angular velocity and an angular acceleration from an angle; a second means for multiplying the joint angular acceleration estimated by the first means by an inertia matrix model of a manipulator to calculate an inertia torque; A third means for selecting a component in the direction perpendicular to the contact surface of the contact force with the external environment detected by the sensor to calculate the equivalent joint torque generated thereby, and a joint input from the inertia torque calculated by the second means. Fourth means for estimating the error torque by subtracting the torque and the equivalent joint torque, and a frequency band for compensating the error torque estimated by the fourth means are limited. And a fifth means for filtering so as to remove noise, and a tip model using a geometric model of the target environment and an inertia matrix model of the manipulator from the angular velocity and the force sensor information estimated from the angle of each joint. Sixth means for calculating a command joint torque for performing position control for the movable direction and force control for the restraining direction, and a joint by subtracting the filtered error torque from the command joint torque calculated by the sixth means 7. A selective disturbance compensation hybrid control method for a manipulator, comprising a seventh means for calculating an input torque in a process of detecting a joint angle and force sensor information and outputting a joint input torque.
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