JPS6240508A - マニピユレ−タの力と位置の混成制御方法 - 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】 （イ）発明の目的 ［産業上の利用分野］ この発明はマニピュレータの力と位置の混成制御方法に
関するものである。

人間の手作業代行のため、多自由度のリンクからなるマ
ニピュレータが開発され、人間の行うたくみな動作を実
現するため、位置制御、力制御など、対象とする作業に
応じて適当な方式がとられている。ところで、人間の行
う作業の多くは、作業を行う空間に設定される作業座標
系の各軸ごとに異なるＬ（Ｉ　’ｔＥ方式をとることを
要求されることが　。

多い。また、その各軸の制御方式は、ある作業では力制
御、ある作業では位置制御というように、両制御方式を
切り換えて用いることが求められる。

例えば、文字を書く動作では、紙面に垂直な方向の動作
については筆圧に相当する力制御、紙面に平行な２自由
度の動作については筆の運びに相当する位置＃Ｊｆｌが
適している。また、マニピュレータがドアのノブを回す
動作を考えると、ノブを破壊しないようにするために、
ノブの回転軸に垂直な方向に対しては一定の大きさ以上
の力が加わらないような力制御が必要であり、かつ、軸
まわりの運動にはノブを規定ω回転させるための回転位
置制御が必要になる。

多自由度のマニピュレータでこれを実現するには、一般
にマニピュレータの各関節の自由度が各々独立に作業座
標系の自由度に対応していないため、マニピュレータの
各Ｉ［１節の動作の制御には、力と位置を同時に制御す
る混成制御が必要になっている。

［従来の技術］ 従来の位置と力を併用する制御では第８図に示すように
、位置・角度センサと力・トルクセンサを設け、場合に
応じてセンサを切換えて、力・トルクサーボ系、位置・
角度ターボ系を構成できるようにしている。こうした方
式は、例えば第９図に示すように制御したい力や位置の
方向が一方向であり、しかも、これを制御するモータが
一つの場合には有効である。しかし、ロボット・マニピ
ュレータの制御では、例えば、第１０図に示すように物
体表面に一定の力を加えつつその表面をトレースす芯と
いうような場合に見られるように、その時の作業内容に
応じて、ハンド５の手先に設定される座標系の各軸方向
に対し、力制御、位置制御に関する個別の制御が要求さ
れる。第１０図の場合では、物体１００表面に垂直な方
向に対し、力制御、物体表面に平行な方向に対しては、
位置１、（ｔｉｌｌが必要とされる。そのように力・位
置出力が発生するように、各ロボット・マニピュレータ
の関節に構成されているアクブーユエータ（モータ）を
駆動するわけであるが、この時に第８図に示すように、
各関節の制御系が構成されているだけでは目的を達成で
きない。

例えば、第１０図においてモータ１０１を位置制御、モ
ータ１０２を力制御モードとするなど種々の制御モード
の組合せを考えても、各関節の運動が創成する手先の運
動方向は、手先の力・位置制御が要求される座標系の方
向と異なっているから、第１０図に示すような手先の力
制御、位置制御は実現できない。

［発明が解決しようとする問題点］ このように、従来の位置制御、力制御を併用する考え方
は、基本的に異なる制御系を切換えて使用することによ
り行うものであるから困難が生じている。

この発明は、上記の如き事情に鑑みてなされたものであ
って、関節のコンプライアンスを外部信号によって可変
にする機構を導入することにより、関節に位置制御系を
構成するだけで、手先の任意の座標軸方向に対し、力制
御、位置制御を可能にするマニピュレータの制御方法を
提供することを目的とするものである。

（ロ）発明の構成 ［問題を解決するための手段］ この目的に対応して、この発明のマニピュレータの力と
位置の混成制御方法は、マニピュレータの関節を駆動す
るアクチュエータをコンプライアンスを調整可能なアク
チュエータで構成し、前記マニピュレータの関節の角目
標値をＰｆ１位置目標値をｒとするとき、前記ＩＩ！節
を駆動するアクチュエータのコンプライアンスをｋとし
て、Ｐｆ・ｋ＝Δｒなる位置偏差を前記位置目標値ｒに
加えた（ｒ＋Δｒ）を位置目標値として前記アクチュエ
ータを位置制御することによって力制御を位２！υＪ御
に置換することにより、位置制御モードだけで、位置・
力の混成制御と等価な制御を実現することを特徴として
いる。

以下、この発明の訂細を実施例を示す図面について説明
する。

第１図に１軸のアクチュエータ系による基本原理を示す
。この第１図ではアクチュエータとしては、サーボ弁を
用いる油圧系を用いているが、電動モータを含む系でも
以下の議論は同様に成り立つ。

第１図において、シリンダ７、位置検出器８、アンプ１
０、サーボ弁３により、位置サーボ系が構成されている
。すなわち、ａより位置目標値が加えられると、それが
位置検出器８によって検出されたピストン６の動きと引
算鼎２で比較され、その差がサーボ弁３に加えられる。

サーボ弁３は加えられる差信号に応じて、その内部のス
プールを動かして、それによって差信号が零になる方向
にピストンを動かす。結果的に、ピストン６はａから加
えられる位置指令に応じた母だけ動く、これは通常位置
サーボＲ構とよばれているが、本発明では、この機構の
ピストンの一端に図に示すように、可変コンプライアン
ス要素４を接続する。そしてこの可変コンプライアンス
要素４を介して例えばハンド５を駆動するようにする。

可変コンプライアンスとは、そのスチフネス（ばね定数
）ｋを外部からの電気信号によって変化させることので
きる要素である。

このように構成したシステムでは、コンプライアンスｋ
を適切な値に設定することによ°って、第８図のように
位置検出器、力検出器の切換えを行わなくても、任意サ
ーボ系だけで力制御モード、位置制御モードを実現でき
る。

すなわち、位置制御とする場合は、可変コンプライアン
ス要素４のコンプライアンスを小、すなわちばねを固く
する。それによってａから位置目標値が加えられると、
それに応じてピストン６が動き、アクチュエータ変位Ｐ
ａはｒに等しくなる。

可変コンプライアンス要素４のコンプライアンスには、
小であるから、ハンド５に変位中に何か外乱が加わった
としでも、それはほとんど変形することなく、常にＰａ
とハンド変位Ｐｈは等しく動く、すなわち、常にＰ８＝
Ｐｆとなるため、結果的にハンドは位置目標値ｒに従っ
て正確に動くことになる。

一方、力制御をする場合には、ハンド５が壁９或は対象
物体のようなものに接触していて、それにある力Ｆを作
用させるよう要求されている場合を想定する。この時、
可変コンプライアンス要素４のコンプライアンスｋをあ
る程度大なる値に設定し、ばねを柔かくする。すると、
もし、アクチュエータ変位をＰａとし、可変コンプライ
アンス要素４が自然長にあって、ハンド５が壁９に接触
しているとすると、この状態から、アクチュエータ（ピ
ストン）６がΔｒ変位し、ＰａがＰ　＋Δｒになると、
壁９にはハンドを介してＦ＝　（１／ｋ）Δｒなる力が
加わる。これは見方を変えて、壁９にＦなる力を作用さ
せたいとした時に、アクチュエータ（ピストン）を、Δ
ｒ＝に−Ｆ変化させればよいことに相当する。

従って位置サーボ系に位置目標値ｒを加えた時に、アク
チュエータ（ピストン）６がＰａで静止しているならば
、この状態において位置サーボ系に、ｒ＋Δｒを加えて
、アクチュエータ６をＰ８＋Δｒ変化させれば、ハンド
５にＦなる力を発生させることができる。すなわち、以
上より、位置サーボ系だけで、そのアクチュエータに接
続された可変コンプライアンス要素４のコンプライアン
スにと位置サーボ系の位置目標値を適切に設定するだけ
で、力制御、位置制御の両モードを実現することができ
る。ここでコンプライアンスにの値を力制御モードにお
いて大にとることは重要である。すなわち、ｋを小にと
ると希望する発生力Ｆに対し、Δｒ−に−１”の関係か
らΔｒの値が小になり、位置サーボ系に高分解能な制御
が要求されることになる。また、位置制御モードではｋ
をできるだけ小としないと、多少の外乱がハンド５に加
わる時でも、コンプライアンス要素がたわみ、アクチュ
エータ変位とハンドの変位が一対一に対応しなくなり、
正確なハンドの位置制御が期待できない。このコンプラ
イアンス要素の実現は、ソフトウェアサーボの手法など
を適用すれば従来技術で実現できる。

また、第１図に示すような直動運動アクチュエータだけ
でなく、回転型アクチュエータに対しても第２図に示す
ように、可変コンプライアンス要素としてねじつばね要
素を用いかつ変位を回転変位におきかえれば上述と同様
の議論が成立する。

次に、こうした位置と力の制御方式を１軸ではなく、一
般的なロボット・マニピュレータに適用することを考え
る。第３図にロボット・マニピュレータの関節に第１図
に示したような可変コンプライアンス要素を含む位置サ
ーボ系を装備したシステムを示す。一般的マニピュレー
タには最小限６自由度が必要であるから、ここで説明す
るマニピュレータの関節も６個有すると仮定する。こう
した６個の関節に可変コンプライアンスと位置サーボ光
を備えたマニピュレータでは、例えばハンドの部分Ｐに
種々の方向にある力を加えてマニピュレータを変位させ
ようとした場合、各関部のコンプライアンスの値に応じ
て、ある柔かさを示す。

ずなわら、各関節ののコンプライアンスを小とすれば、
ハンド部分Ｐをどの方向から押しても固くてあまり動か
ない。一方、コンプライアンスを大とすれば柔かくなり
、すぐ外力に応じて動くようになる。各関節の角度をθ
１〜θ６、そのコンプライアンスをに１〜に６、マニピ
ュレータの固定台に固定された直交座標系を０、作業空
間に作業内容に応じて任意にとられた座標系を作業座標
系と名付けＯ′とする。また手先に固定された座標系を
Ｐとすると、作業座標系０′の各直交軸方向及び各軸ま
わりのスチフネス（コンプライアンスの逆数）と、各軸
間のスチフネスは次のように求められる。

＝Ｑ　　−に−Ｊ”・Ｒ（＊） ここでＱは手先座標系Ｐの各軸方向に作用する力及び各
軸まわりのモーメントをマニピュレータの関節トルクに
変換する６×６行列、Ｊはマニピュレータの関節の微小
変化を、手先の手先座標系Ｐにおける各軸方向及び各軸
まわりの変化に交換する６×６行列、Ｒは作業座標系０
′と手先座標系Ｐの関係を記述する６×６変換行列であ
る。Ｑ。

Ｊはマニピュレータの関節角度（θ１〜θ６）を、また
Ｒは作業座標系０′と手先座標系Ｐの対応する座標軸間
の角度を変数として含む。

一方、Ｋはマニピュレータの関節のスチフネス１／ｋ　
　、１／に２．〜１／に６を対角成分に含む６×６の対
角行列 である。さらに式（＊）左辺は、第４図に示すように座
標系を定めた時に、例えば、 Ｋ　　・・・Ｋ　　　、Ｋ　　　・・・Ｋ　　は、ｘ−
ｙ軸方ｘｘ　　　ｚｚ　　　αα　　γγ 向、α、β、１回転方向の剛性を、また、Ｋ、ｊ。

（ｉ−ｘ〜Ｚ、　α〜γ、ｊ＝ｘ　〜ｚ、　α〜γ：ｉ
’＝ｊ）はｉと３間の剛性を示し、ｊ方向にΔεの変位
（角変位）を加えた時に、ｉ方向にに９．・Δεの力（
モーメント）を発生することＪ を意味する。明らかな如く、（＊）式の左辺は関節の剛
性に１〜に６、すなわち、コンプライアンスに１〜に６
の関数である。従って関節の可変コンプライアンス機構
によって、その関節のコンプライアンスを調節すれば作
業座標各軸方向の剛性Ｋｘｘ、Ｋｙｙ・Ｋｚｚ・Ｋα。

・Ｋββ・Ｋ７Ｔを設定できる。

次にこの作業座標系の各方向に対し、第５図に示すよう
に手先（ハンド）の力制御、位置制御を個別に行うこと
を考えると、ある座標軸方向に対し、位置制御を行う時
は１軸の場合に対して説明した原理に基づき、その方向
のコンプライアンスを小、すなわち剛性を大にする。そ
して、その座標軸方向に指定の位置指令だけハンドが変
位するように関節の位置ザーボ系に指令値を送る。一方
、力制御したい作業座標軸の方向に対しては、そのコン
プライアンスをある程度大、すなわち剛性を小にしてお
く。そして、Ｆという力を発生したいならば、その座標
軸の方向にＦを発生するに必要な関節トルクを座標変換
によって求め、そうして求められた関節トルクτ１．τ
２．・・・τ６に対し、そのＩＩｍのコンプライアンス
に、、に２・・・ｋ６から、Δθ１＝に１τ１．Δθ２
＝に２τ２．・・・Δθ６＝に６τ６によって、その関
節トルクを発生するに必要なアクチュエータ（モータ）
の角度増分Δθ　、Δθ２．・・・Δθ６を求める。

例えば第６図において、壁に垂直にとられた作業座標系
ｚ軸の方向に一定の力Ｆ２を作用させ、かつ、壁に平行
にとられたｙ軸方向にｒｙだけハンドを移動させたいと
すると、ハンドの位置移動量は、作業座標系の位置・角
度増分ベクトルをである。

作業座標系の各軸方向の移動量増分を関節角度の増分へ
変換する行列を パとすると によってｙ軸方向にハンドをｒｙ移動させるに必要な関
節角増分を求めることができる。この増分を実行すると
ハンドは第６図の点線の位置に移動し、関節角はもとの
関節角をθ１．θ２．・・・θ６と１と、θ１＋Δε１
．θ２＋Δε２．・・・θ６＋Δε６になる。また上式
のＡはθ１〜θ６の関数である。ここで、さらにハンド
は壁にＦ２を作用さじなければならない。

作業座標系における力トルクベクトルを作業座標系に作
用する力・トルクを関節トルクτ１〜τ６に変換する行
列を Ｂとすると によりτ１〜τ６が求まる。ここで関節に設定されてい
るコンプライアンスをに１〜に６とすればによって、関
節にτ１〜τ６を発生するに要する、従って作業座標系
に を発生するに要する各関節の角度増分量Δθ１゜Δθ　
　・・・Δθ６が得られる。結果的に上述の位Ｉ 置制御の場合と総合して、各関節に θ　＋Δε１＋Δθ１．θ２＋Δε１＋Δθ２゜・・・
θ　＋Δε６＋Δθ６なる角度指令を与えれば、第６図
においてハンドはｙ軸方向にｒｙ動き、かつ２方向に壁
に対し、Ｆ２の力を発生することになる。

以上の過程を実行するシステムを第７図に示す。

第７図において２は位置制御、力制御選択装置である。

なる対角行列で構成されている。ここで、Ｓｉは０か１
の値をとる。

一方、Ｓ、は Ｓ、＝１ならばＳ、−Ｏ Ｓ　、　＝ＯならばＳ、−１ なる値をとる。但し、ｉ−ｘ〜２．α〜γであり、作業
座標系のＸ・・・α・・・γ軸に対応している。

このＳ・　Ｓ、は位置、力選択信号により例えば＋’　
　　　＋ 位置制御したい軸に対してはＳ、＝１（従ってＳ　、　
＝Ｏ＞　、力制御したい軸には対してはＳ・＝０（従っ
てＳ、＝１＞とする。

は作業座標系のＸ、Ｚ、γ方向に対し位置制御、ｙ、α
、β方向に対し力制御することを愚昧する。

これに位置増分指令、力・トルク指令 加える。この時に位置制御をしない座標軸の位置指令値
、力制御をしない座標軸の力指令値（例えば今の例では
ｒ、ｒ、、ｒ、３．ＦＸ、Ｆ２゜Ｆア）は結果的に無視
されるので、どんな値をセットしてもよい。

なる出力を得る。

コンプライアンス指令値を２３を用いて、座標変換装置
１２を経て可変コンプライアンス機構１６に伝達して関
節のコンプライアンスを１整するとともに、その調整１
ｉｆｉｋ１〜に６を１１へ送り、２４によって関節トル
クに変換された力指令を関節角増分指令に変換する。

一方、位置増分指令は６で関節角増分指令に変換された
後、１１で求められた力指令に対応する関節増分指令と
、加算器で加算される。

この３の出力が指令された位置・ツノ制御を達成するに
必要なｒ＠節方角増分なる。これにＩｌ１節角現在値を
加えて各関節アクチュエータの位置サーボ系に出力すれ
ば目的が達成される。

ＳとＳを今の例とは別にセットすればそれに応じて作業
座標軸方向の力制御・位置制御が実現できる。

（ハ）発明の効果 このように、この発明によれば、マニピュレータの各関
節を可変コンプライアンスをもつアクチュエータで構成
し、力制御、位置制御の両者を好適に組合せ、作業座標
系における安定な力と位置のハイブリットｌ制御を精度
良く実現することができるマニピュレータの混成ｉ制御
方法を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明を１軸直線運動アクチユエータを使用
した１、１１１０系に適用した例を示す構成説明図、第
２図は１軸回転運動アクチュエータを使用した１ｉｌＪ
ｌ系に適用した例を示す構成説明図、第３図は多関節ロ
ボット・マニピュレータを示す構成説明図、第４図は作
業座標系における剛性を示す説明図、第５図は作業座標
系の各方向へのハンドのＩＩＪＩＩＩを示す説明図、第
６図はハンドの位置変位を示す説明図、第７図はこの発
明を多関節マニピュレータの関部系に適用した例を示す
構成説明図、第８図は分離された力・トルク制御モード
と位置・角度制御モードを示す説明図、第９図は従来の
１１Ｊｔｌｌ系の一例を示す構成説明図、及び第１０図
は従来の制御系の他の例をを示す構成説明図である。 ２・・・引算器　　３・・・サーボ弁　　４・・・可変
コンプライアンス要素　　５・・・ハンド　　６・・・
アクチュエータ　　７・・・シリンダ　　８・・・位置
検出器９・・・壁　　１０・・・アンプ　　１１・・・
位置偏差演算装置　　１２・・・座標変換装置　　１３
・・・位置制御系　　１４・・・力制御系　　１５・・
・駆初要素１６・・・コンプライアンス要素　　１７・
・・関節１８・・・手先　　２１・・・作業対象物　　
２２・・・出力軸（アクチュエータ１５の）　　１００
・・・物体１０１・・・モータ　　１０２・・・モータ
第２図 第３図　　　第４図 第５図 第６図 第８図 力・トルフ隼゛目押ｔ−ド 位２−角＆＄・＋ａｆモード 第９図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. マニピュレータの関節を駆動するアクチュエータをコン
   プライアンスを調整可能なアクチュエータで構成し、前
   記マニピュレータの関節の力目標値をＰ＿ｆ、位置目標
   値をｒとするとき、前記関節を駆動するアクチュエータ
   のコンプライアンスをｋとして、Ｐ＿ｆ・ｋ＝Δｒなる
   位置偏差を前記位置目標値ｒに加えた（ｒ＋Δｒ）を位
   置目標値として前記アクチュエータを位置制御すること
   によって力制御を位置制御に置換することにより、位置
   制御と力制御の混成を位置制御だけで達成することを特
   徴とするマニピュレータの力と位置の混成制御方法