JPS61151714A - 位置・力制御方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ロボット等のハンド駆動用アクチュエータを
位置と力の情報によって制御する位置・力制御方式に関
し、特に制御形態を容易に且つ安定に変更して、作業に
対して柔軟性のあるロボット等のアクチュエータを位置
・力制御する方式に関する。

近年、人間の行っている作業を自動化するためロボット
が開発され、更にロボットを人間の手や腕と同等な働き
に制御する技術の開発努力がなされている。

ロボットに人間の手や腕と同様な働きを行なわせること
ができれば、それだけ高度な作業が出来、極めて便利で
ある。

一般にロボットの制御はアクチュエータ（アーム）の位
置制御が基本であり、アームの先端の作業用ハンドを指
令位置に位置決めして作業を行なわせている。

このような位置の制御のみでは、柔軟性に欠けるため、
人間の腕、手と同等の働きを行なわせることは不十分で
あり、他の物体から影響を受ける作業には適応性がない
。このためアクチュエータの出す力（又は外からの反力
）を検出して、アクチュエータを制御する必要がある。

〔従来の技術〕

力を制御するものとして、従来は位置制御用のアクチュ
エータに一定の剛性を持たせ、仮想的に目標値を先にお
き、仮想目標値と現在値との間に一定の偏差を持たせる
事により、力を出力する方法が知られている。

又、ロボット自体に力検知機能がついているものでは、
検知した力を偏差に換算して、仮想目標値から引く等の
方法がとられる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

一方、人間の腕、手は、位置決め機能の他に、必要な力
制御機能及び触覚機能を有しているから、これら機能を
ロボットに持たせ、作業に応じて適時これら機能を働か
せる必要がある０例えば、２つの部材をはめ合せるには
、固定位置にある一方の部材に対し他方の部材をロボッ
トにより位置決めし、更に触覚機能によって正確に位置
合せした後、所定の押し付は力ではめ合せを行なう。

このような作業を行なうには、位置決め時と、位置合せ
時と、はめ合せ時とではアクチュエータの制御態様を変
更する必要がある。

しかしながら、従来の方法では、力が剛性にと位置偏差
との積で与えられるので、剛性が大きいとわずかの偏差
でも大きな力が発生してしまい、剛性はあまり太き（で
きない。一方、剛性が小さいと振動し易く、高速で駆動
できない。また、重力等の外乱に弱く、位置決め精度が
悪くなる。したがって、従来の方法では位置−力併用制
御の取り扱いが複雑であり、きめ細かな位置・力制御が
できない。

このため、従来の位置・力制御方式では、位置制御、力
制御の両方を行なうことができるものの、制御態様を変
更することが大変で且つ複雑であるという問題があった
。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、位置及び力の情報に基いて容易に且つ安定制
御態様を変更して制御しうるロボットの制御方式を提供
するにある。

このため、本発明は、アクチュエータと、該アクチュエ
ータの力と位置を検出するための検出手段と、指令力と
該検出手段の検出力との差に第１の重みを付したものと
指令位置と該検出手段の検出位置との差に第２の重みを
付したものとの和によって該アクチュエータを駆動制御
する制御手段とを有し、該和を零にするように制御する
とともに、該制御手段は該第１又は第２の重みのいずれ
かを変更するに際し該指令力を該検出手段の検出力に、
該指令位置を該検出手段の検出位置に置き代えるように
したことを特徴としている。

〔作用〕

本発明では、アクチュエータに付与されている力を検出
手段によって検出し、指令力との差を得て力制御を行な
いうるように量るとともに検出手段からの現在位置と指
令位置との差を得て位置制御を可能とするとともに、こ
れらに所定の重みを付した和を基本制御量としている。

従ってこの重みを変更するだけで位置・力制御の制御態
様を変更しうるようにするとともに重みの変更に際し、
指令力を現在の検出力、指令位置を現在位置に置き代え
るようにして、モード（重み）変更時のアクチュエータ
の振動を防止するようにしてスムーズなモード変換を可
能とするものである。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例により詳細に説明する。

第２図は本発明の一実施例構成図であり、図中、１はロ
ボットであり、先端にハンド１ａと、ハンド１ａを動作
させるアーム１ｂ、ｌｃ、ｌｄ、１ｅと、ベース１ｆを
有しており、アームｌｂ、１ｃｓｌｄｓｌｅがアクチュ
エータによって回動して、ハンド１ａを移動するもの、
２１．２２は各アクチュエータの位置検出器であり、力
と位置の検出器の一部を構成し、後述するもの、３は信
号処理回路であり、位置検出器２２の検出位置ｐ及び両
検出器２１．２２の検出出力の差である検出力ｆを出力
するもの、４は計算機（第１の制御手段）であり、検出
位置ｐ及び検出力ｆとからロボットの動作状態を監視す
るとともに、目標指令位置ｐｏ、目標指令力ｆＯ及び第
１、第２の重みａ、ｂを出力するもの、５は制御装置（
第２の制御手段）であり、各アクチュエータの駆動源（
モータ）の駆動電流ｉを、指令位置ｐｏ、指令力ｆＯ１
第１、第２の重みａ、ｂ及び現在位置ｐ、検出力ｆによ
って次式のｙが零となる様に制御するものであり、第１
図にて後述するものである。

ｙ−ａ・Δｐ＋ｂ・Δｆ　　　　　　（１）但し、 Δｐ＝ｐＯ−１（２） Δｆ　−ｆ　Ｏ−ｆ　　　　　　　　　　１３）第１図
は第２図実施例構成の要部詳細図であり、図中、第２図
で示したものと同一のものは同一の記号で示してあり、
２はアクチュエータであり、モータ２０と位置検出器２
２．２１とが一体で構成されており、第３図により詳述
するものである。

３０は信号処理回路３の第１のカウンタであり、位置検
出器２１の出力である位置パルスを計数するもの、３１
は信号処理回路３の第２のカウンタであり、位置検出器
２２の出力である位置パルスを計数するもの、３２は差
回路であり、第１のカウンタ３０の計数位置と第２のカ
ウンタ３１の計数位置との差を取り、アクチュエータ２
に付与されている力ｆを検出するものであり、これらで
信号処理回路３を構成する。４０．４１．４２．４３は
各々計算機４の出カバソファであり、各々指令力ｆｏ、
指令位置ｐｏ、重みす、ａの出力のためのもの、４４は
計算機４のプロセッサであり、モード変換時に各出力バ
ッファ４０〜４３に指令力ｆｏ、指令位置ｐｏ、重みす
、ａをセントするものであり、所定のプログラムによっ
て動作するものである。５０は差回路であり、信号処理
回路３の差回路３２からの検出力ｆと計算機４の出力バ
ッファ４０からの指令力ｒｏとの差Δｆを求めるもの（
第（３）式を実行するもの）、５１は乗算回路であり、
差回路５０の差（エラー）Δｆと計算Ｉａ４の出カバソ
ファ４２からの重みｂを乗算して出力ｂ・Δｆを発する
もの、５２は差回路であり、信号処理回路３の第２のカ
ウンタ３１の計数位置（現在位置）ｐと計算ｔａ４の出
力バンファ４１からの指令位置ｐｏとの差Δｐを求める
もの（第（２）式を実行するもの）、５３は乗算回路で
あり、差回路５２の差（エラー）Δｐと計算機４の出力
バッファ４３からの重みａとを乗算して出力ａ・Δｐを
発するもの、５４は和回路であり、２つの乗算回路５１
．５３の出力ｂ・Δｆ、ａ・Δｐを第（１）式に従って
加算し、制御量ｙを出力するもの、５５は制御回路であ
り、制御量ｙを零となるように駆動電流ｉを制御するも
のである。

第３図は第１図構成におけるアクチュエータの一実施例
詳細構成図であり、第３図（Ａ）はその断面図、第３図
（Ｂ）は動作原理を説明するための要部詳細図である。

図中、２３は減速機であり、周知の歯車式減速機で構成
され、モータ２０の回転速度を減速してトルク（力）を
増加させるとともに位置決め分解能を向上させるために
設けられるもの、２０ａはモータのシャフトであり、内
部が中空で構成され、モータ２０の回転軸をなすもの、
２１ａはスリット円板であり、周囲に光学スリットが形
成され、モータ２０のシャフト２０ａに設けられ、シャ
ツ）２０ａの回転により回転するもの、２１ｂ、２１Ｃ
は光学センサーであり、スリット円板２１ａのスリット
円周に対応して設けられ、発光素子２１ｂの光をスリッ
ト円板２１ａのスリットを介し受光素子２１ｃが受光し
て位置検知をするものであり、従って位置検出器２１は
光学式の非接触ロータリエンコーダによって構成されて
いる。２２ａはスリット円板であり、スリット円板２１
ａと同一の構成を有し、減速機２３の軸２３ａに設けら
れるもの、２２ｂ、２２Ｃは光学センサーであり、光学
センサー２１ｂ、２１Ｃと同一の構成を有するものであ
り、従って位置検出器２２も光学式の非接触ロータリエ
ンコーダによって構成されている。２４はトーションバ
ーであり、柔性部材を構成し、減速機２３の軸２３ａと
モータ２０のシャフト２０ａを接続し、シャフト２０ａ
の中空部に設けられるものであり、モータ２０の回転力
を減速機２３の軸２３ａに伝達するものである。

先づ、第３図構成のアクチュエータの動作について説明
すると、モータ２０の回転力はシャフト２０ａよりトー
ションバー２４を介し減速機２３の軸２３ａに伝達され
、出力軸２ａより出力される。モータ２０の回転位置は
位置検出器２１により検出され、出力軸２ａの回転位置
は位置検出器２２によって検出される。従って、出力軸
２ａの位置を検出する位置検出器２２の出力でモータ２
０を位置制御すれば、正確な位置決めができる。

一方、力（トルク）は両位置検出器２１．２２の出力差
とトーションバー２４の剛性によって定まる。従って、
出力軸２ａに何等かの力が付与されるとトーションバー
２４の柔性によってトーションバーがたわみ、両検出器
２１．２２の出力に位相差が生じるから、これによって
外力及びその大きさを検知することができる。即ち、両
検出器２１．２２の位置パルスを計数する第１図のカウ
ンタ３０．３１の計数値の差によって力検出が可能とな
る。

このようなアクチュエータ２を用いることによって、モ
ータと一体化した小型な力、位置検出器の実現が可能と
なり、またロータリエンコーダは高精度な位置検出が可
能であり、ノイズに強く信頼性も高い。柔性部材として
は、トーションバーの他に渦巻ばねを用いてもよい。

第１図及び第２図に戻り、その動作を説明する。

尚、図では１軸分を示しているが、他の軸も同様である
。

先づ、計算機４のプロセッサ４４は出力バッファ４０．
４１．４２．４３に指令力ｆｏ、指令位置２０１重みｂ
Ｓａをセントする。これによって制御装置５は信号処理
回路３からの現在位置ｐ及び検出力ｆを得て、第１図の
構成によって第（１）式を実行し、駆動電流ｉを発しモ
ータ２０を制御する。制御装置５の制御回路５５は制御
量ｙが零となるように駆動電流ｌを制御するから、重み
ａ≠０、ｂ≠０であれば指定された力で指定された位置
にモータ２０を介しロボット１のアーム１ｂ〜１ｅを制
御する。

このように、制御量が第（１）式の如く位置エラーΔｐ
とカエラーΔｆに各々重み付けａＳｂを付した和の形式
を採っているので、位置制御のみを行なう場合には、重
みａ≠０、ｂ−ｏとすることによって第（１）式は、 ｙ＝ａ−Δｐ（４） となるから、位置制御のみを行ないうる。

同様に、力制御のみを行なうには、重みＢ　ｍ　Ｑ、ｂ
≠０とすることによって第（１）式は、ｙ＝ｂ・Δｆ（
５） となるから、力制御のみを行ないうる。

また、ａ≠０、ｂ＃Ｏとすれば、第（１）式のままであ
るから、位置−力併用制御が可能となり、重みａ、ｂを
変更することによって容易に制御態様を変更することが
できる。

同様にして、重みａ、ｂの値自体を変えることによって
、更に決め細かな制御態様を与えることができ、例えば
、位置−力併用制御においても、位置精度に重きをおく
場合には、重みａを大、重みｂを小とし、力制御に重き
をおく場合には、重みａを小、重みｂを大とすることに
より、容易にきめ細かな制御を実現できる。これは、計
算機４が現在位置ｐや検出力ｆによってロボットの動作
状態を把握しながら、適時重みａ、ｂを変更して実行す
る。

一方、和であるｙ＝ｏの時の位置ｐ対力ｆの関係は第（
１）式のｙ＝ｏとおいて、 Δｆ＝−）Δｐ（６） 、°、　ｆ　Ｏ−ｆ−一丁（ｐｏ　−ｐ）　　　　　（
７）となる。

従って、第４図（Ａ）に示す様にａｍａｔ、ｂ−ｂｌと
した時のｙ−０の状態における位置ｐと力ｆの関係は傾
き−をの直線で示され、例えば目標位置ｐｏ、目標指令
力ｆｏを与えても、外力により適応制御され、直線α上
の座標（ｐｓ、ｆ＊）でｙ−ｏとなるように均衡を保つ
ことがあり、必ずしも座標（ｐｏ、ｆｏ）で均衡を保た
ない。

このように指令した目標位置ｐｏ、目標力ｆＯで均衡を
保っていない状態で重みａ、ｂを変化させると、（７）
式よりｙ−０の時の条件は（ｐｏ、ｆＯ）を中心に傾き
の異なる直線β上に存在する。

従って重みを変化させると（ｐｓ、ｆｒ）から最適値が
直線β上の（１）２、ｆ２）に移動するので、出力に変
動が生じ、重みの変更によるモード変化だけでアクチュ
エータが振動し、チャタリングを生じることになり、安
定な動作が保障されない。

そこで、本発明では、重みを変えてモード変換する前に
、計算機４のプロセッサ４４が第２のカウンタ３１の値
、即ち現在位置ｐ１と、差回路３２の現在の力ｆ１とを
読取り、出力バッファ４１．４０にセットする。

これによって、前述の第（２）式、第（３）式は、６ｍ
）＝ｐ１−ｐ　　　　　　　　　（８）Δｆ　＝　ｒ　
ｔ　−ｆ　　　　　　　　　　（９）となり、従って第
（１）式は、 Ｙ＝ａ・　（ｐｔ　　ｐ）＋ｂ　（ｆｌ−ｆ）（１０）
となる。

このため、第４図（Ｂ）に示す如く、重みａ、ｂを変え
ても第（１０）式よりｙ−０の時の条件は現在の状態で
ある（ｐｌ、ｆ＋）を中心に異なる直線β上となり、最
適値の移動がなく、チャタリングを防止できる。

このようにして重みを変化させるだけで位置・力制御の
制御態様を変更でき、しかも゛重みを変化させて制御態
様を変更してもチャタリングが生じないように制御する
ことが可能となる。

次に、本発明の他の実施例について説明する。

第５図は本発明の他の実施例構成図であり、図中、第２
図で示したものと同一のものには同一の記号を付してあ
り、３′は検出信号処理回路であり、モータ２０の位置
検出器２２の出力パルスを計数するカウンタ（第１図の
３１に相等）と検出電流ｉをデジタル値ｉに変換するＡ
−Ｄ　（アナログ・デジタル）コンバータとを有するも
の、５′は制御装置であり、各アクチュエータの駆動源
（モータ）の駆動電圧Ｖを、指令位置ｐｏ　　（θ０）
、指令力ｆｏ　　（ｉｏ）、第１、第２の重みａ、ｂ及
び現在位置ｐ（θ）、検出力「（ｉ）によって°次式の
ｙが零となる様に制御するものであり、第６図にて後述
するものである。

ｙ＝ａ・Δθ＋ｂΔｔ　　　　　　　　（１１）但し Δθ＝００−〇　　　　　　　　　　　　　　（１２）
Δｉ　＝　　（ｆ　ｏ　　　ｒ）／ＫＴ　　　　　　　
（１３）尚、ＫＴはモータ２０のトルク定数である。

６は電流検出器であり、モータ２０の電流値ｌを検出す
るためのものであり、第７図にて後述するものである。

第６図は第５図構成における制御装置５′の詳細構成図
であり、図中、第１図で示したものと同一のものは同一
の記号で示してあり、５６は差回路であり、計算機４か
らの指令力（電流値）　　ｉ。

と検出力（電流）　ｉとの差Δｉをとるもの、５７は差
回路であり、計算機４からの指令位置θ０と現在位置θ
との差Δθをとるものである。尚、乗算回路５１．５３
は計算機４からの重みす、ａと差回路５６．５７の出力
Δｉ、Δθとを第（１２）式、第（１３）式に従って乗
算するものであり、和回路５４は第（１１）式に従って
制御量ｙを出力するものである。又、アクチュエータ２
′は、位置検出器２２、モータ２０、減速機２３とによ
って構成される。

第７図は第５図構成における電流検出ａ６の説明図であ
る。

モータ２０に電圧Ｖをかけた時の電気モデルは第７図（
Ａ）の如（なり、ＲＯはモータの外部抵抗であり、モー
タ２０は、逆起電圧Ｖ、インダクタンスし、抵抗で表わ
せる。従ってモータ２０に流れる電流ｉを検出するには
、第７図（Ｂ）に示す如く外部抵抗ＲＯに印加される電
圧を検知すればよい。即ち、入力抵抗Ｒｓ　ｓオペアン
プ６０、フィードバック抵抗Ｒｆによって構成する。

ここで、Ｒ３＞＞ＲＯとすると、入力抵抗Ｒｓに流れる
電流は外部抵抗ＲＯに流れる電流に比べ無視できる程小
さいから、外部抵抗Ｒｏの両端電圧をオペアンプ６０で
適当に増幅すれば、オペアンプ６０の出力ｖ１から外部
抵抗Ｒｏに流れる電流、ひいてはモータ２０に流れる電
流を検知することができる。

第５図及び第６図に戻り、その動作について説明する。

尚、第１図、第２図と同様、図では１軸分のみ示してい
るが、他の軸も同様である。

先づ、計算機４は出カバソファに指令電流（力）ｉｏ、
指令位置００１重みす、ａをセットする。

制御装置５′は検出信号処理回路３′からの現在位置θ
及び検出電流値ｉを得て、第６図の構成によって第（１
１）式を実行し、駆動電圧Ｖを発し、モータ２０を制御
する。制御装置５′の制御回路５５は制御量ｙが零とな
る様に駆動電圧Ｖを制御する。

ここで、（直流）モータ２０に流れる電流ｉと出力トル
クＴとの間には比例関係が成立し、比例定数（トルク定
数）をｋＴとすると、 Ｔ−ｋＴｉ　　　　　　　　　　　　（１４）となる。

従ってモータ２０に流れる電流ｉを検知すれば、モータ
の出力トルクＴ、ｌ！ＩＩち力を検出することができ、
第１図及び第２図の実施例と同様の制御が可能であり、
この場合も、重みａ、ｂを変えることによって制御態様
を同様に変更しうる。

即ち、 ａ≠０、ｂ＝ｏの時　位置制御 ａ＝Ｑ、ｂ≠Ｏの時　力制御 ａ≠０１ｂ≠０の時　両者の合成モード（剛性モード） が実現できる。

この他の実施例においても、前述の実施例と同様に重み
の変更の前に、位置指令、力指令が現在位置、現在力に
おきかえられ、チャタリングのないモード変換を可能と
する。

又、この他の実施例では、従来位置制御系で用いられた
アクチュエータの構成そのままでこれらの位置−力制御
ができ、構成が安価、コンパクトとなり、又従来から存
在するロボットを容易に高機能化できる。

実作業においては、重みを変えるだけで、部材を運ぶ時
（位置決め時）には位置制御を、係合、はめ合せ等の作
業時には位置−力併用制御を行なわしめ、且つ位置−力
制御の両者の比率も作業内容に合わせて変更でき且つ変
更時のチャタリングを防止できる。

上述の一実施例においては、検出器としてエンコーダ形
式のものを用いたが、歪ゲージ等の他の力センサによっ
てもよい。

以上本発明を実施例により説明したが、本発明は本発明
の主旨に従い種々の変形が可能であり、本発明からこれ
らを排除するものではない。

〔発明の効果〕

以上説明した様に、本発明によれば、アクチュエータと
、該アクチュエータの力と位置を検出するための検出手
段と、指令力と該検出手段の検出力との差に第１の重み
を付したものと指令位置と該検出手段の検出位置との差
に第２の重みを付したものとの和によって該アクチュエ
ータを駆動制御する制御手段とを有し、該和を零にする
ように制御するとともに、該制御手段は該第１又は第２
の重みのいずれかを変更するに際し該指令力を該検出手
段の検出力に、該指令位置を該検出手段の検出位置に置
き代えるようにしたことを特徴としているので、重みの
変更だけで位置・力制御系の制御態様を変更でき、制御
態様の変更が容易であるという効果を奏し、ロボット等
の作業内容を高度化するとともに、重みの変更による制
御態様の変更に際して生じ易いチャタリングを防止でき
、制御態様を変更しても円滑な移行が可能となり、安定
に動作するという効果も奏する。更にその実現も容易で
あるという実用上優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例要部構成図、第２図は本発明
の一実施例全体構成図、第３図は第１図構成のアクチュ
エータの一実施例構成図、第４図は本発明の動作特性図
、第５図は本発明の他の実施例構成図、第６図は第５図
構成の要部構成図、第７図は第５図構成の電流検出器の
説明図である。 図中、１−ロボット、ｌ　Ｂ−−−−ハンド、１ｂ〜１
ｅ−・−・アーム、２−アクチュエータ、２０−モータ
、２１．２２−位置検出器、４−計算機、５．５′〜・
制御装置、６−・−電流検出器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. アクチュエータと、該アクチュエータの力と位置を検出
   するための検出手段と、指令力と該検出手段の検出力と
   の差に第１の重みを付したものと指令位置と該検出手段
   の検出位置との差に第２の重みを付したものとの和によ
   って該アクチュエータを駆動制御する制御手段とを有し
   、該和を零にするように制御するとともに、該制御手段
   は該第１又は第２の重みのいずれかを変更するに際し該
   指令力を該検出手段の検出力に、該指令位置を該検出手
   段の検出位置に置き代えるようにしたことを特徴とする
   位置・力制御方式。