JPS63212483A - 多自由度マニピユレ−タの制御装置 - Google Patents

多自由度マニピユレ−タの制御装置

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JPS63212483A
JPS63212483A JP62043182A JP4318287A JPS63212483A JP S63212483 A JPS63212483 A JP S63212483A JP 62043182 A JP62043182 A JP 62043182A JP 4318287 A JP4318287 A JP 4318287A JP S63212483 A JPS63212483 A JP S63212483A
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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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】 ［発明の目的］ （農業上の利用分野） この発明は多自由度マニピュレータの制御装置に係わり
、特に制御用演算回数の増大を招くことなく、マニピュ
レータの動特性を考慮した島性能な制御装置に関する。
（従来の技術） 一般に多自由度マニピュレータのｌｌｌ１ｌｌ性能を向
上させるためにはリンクの慣性力や重力等の動特性を考
慮することが肝要である。このような多自由度マニピュ
レータの制御装置として例えば第３図のようなものがあ
る。すなわちマニピュレータ１を剛体多リンク機構とし
てモデリングし、各関節３−１．・・・３−ｎの角度、
角速度等を用いて非線形補償要素５で非線形力（慣性力
、重力等）、及び干渉力（他リンクからの干渉や、他設
備との接触力、把持物体による外乱などのリンクに働く
外力等）を計算により算出し、この計算結果を用いて前
記各関節毎に非線形補償を行なう制御装置７を用いたも
のである。
しかしこの制御！Ｉ！装置７による場合にはマニピュレ
ータ１の剛体モデル中のパラメータ（リンク慣性、重心
位置等）が既知でなければならないが、これらパラメー
タの同定を正確に行なうのは難しく、もし真の値からず
れていると制御性能の向上を図ることはできない。また
、パラメータが正確であったとしても、制御装置７の非
線形補償要素５はオンラインの計算量が非常に多く、制
御周期の短縮化が難しく、却って制御性能が低下するも
のとなる。さらに、マニピュレータ１は実際には剛体で
はなく、特に各関節は減速機等のトルク伝達機構がばね
特性等により低剛性であることが多く、これを考慮しな
いとリンクの振動やリンク角の誤差を招き、制御性能が
低下するという問題がある。
（発明が解決しようとする問題点） 上記のように従来の制御装置ではマニピュレータの非線
形力や干渉力を補償する際のパラメータ誤差や制御周期
の増大を招き、また関節の低剛性のためにリンク振動や
リンク角の誤差を招き、ｆ１１１御性能が低下するとい
う問題があった。
そこでこの発明はマニピュレータの非線形力や干渉力、
あるいはｇＱ節の低剛性等による影響をリンクパラメー
タの同定なしに排除し、制御性能の著しい向上を図るこ
とのできる多自由度マニピュレータの制ａ装置の提供を
目的とする。
［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 上記問題を解決するためにこの発明は、アクチュエータ
により関節軸を介して出力する多自由度マニピュレータ
において、前記関節軸に作用する力を検出するセンサを
設け、このセンサが出力する力信号に基づく補正値を前
記アクチュエータへの入力信号に対して加減する演算手
段を設けてなる構成とした。
（作用） 上記構成によれば、センサが出力する力信号に基づく補
正値をアクチュエータへの入力信号に加減して、例えば
各関節に加わる非線形力や干渉力を補償し、あるいは各
関節のねじれ角をフィードバックすることによってリン
クの振動や撓みによるリンク角の誤差を防止し、所望の
動作を高精度で制御することができる。
（実施例）− 以下、この発明の詳細な説明する。
第１図はこの発明の一実施例に係る多自由度マニピュレ
ータの一関節分を表わし、アクチュエータとしてのモー
タ１１を備える他、減速機１３、角度センサ１５、トル
クセンサ１７を備え、マニピュレータリンク１９を介し
て自由度数分速なっている。従ってモータ１１（アクチ
ュエータ）により関節軸２１を介して出力するように構
成され、自由度数分速なっている他のｇＱＷｉも同様に
構成されているものである。
前記角度センサ１５はモータ１１の回転角θ−を計測し
、減速機１３はモータ１１の回転を減速すると同時にリ
ンク１９を駆動するのに十分なトルクを発生するもので
ある。前記トルクセンサ１７は、関節軸２１に作用する
力、例えば減速機１３の出力軸に係るトルクτを計測す
るセンサであり、リンク１９による非線形力（慣性力、
重力等）ｆｅや干渉力（他リンクからの干渉、他設備と
の接触、把持物体による外乱等のリンクに働く外力等）
ｆｄの総和 τ曹、ｆｅ　＋ｆｄ　　　　　　　　　　　　　・・・
（１）を求めることができる。
ここで減速１１１３は歯車のばね特性等の存在により完
全な剛体ではないので、入力軸回転角θｍと出力軸回転
角θｅでは減速比をＮとすると、ｅ−（θｌ／Ｎ）−θ
ｅ　　　　　　　　・・・（２）のねじれが生じ、減速
！１１３のばね定数をＫＧとすれば、 τ−Ｋｏ　−ｅ　　　　　　　　　　　　　　・・・〈
３）の関係がある。
また、トルクセンサ１７も低剛性であれば、ばね定数Ｋ
Ｏは両者を総合したものとなる。
次にこのような一関節分の制御装置を第２図のブロック
図で示す。この制御装置はモータ・リンク系３０、モー
タ回転角位：ば制御系４０、非線形力・干渉力補償制御
系５０、関節軸たわみ振動補償制御系６０からなってい
る。
モータ・リンク系３０では、前記（１）〜（３）式が成
立っており、リンク３１（第１図のリンク１９に対応す
る）をトルクτで駆動すると作用・反作用によりモータ
３２（第１図のモータ１１に対応する）に−τ／Ｎの力
が帰ってくる。そこで非線形力、干渉力補償制御系５０
ではトルクセンサ５１（第１図のトルクセンサ１７に対
応する）でトルクτを計測し、このトルクτに演算器５
３で１／Ｎを掛け、演算手段としての加算器７１に供給
する。従ってセンサ（トルクセンサ４１）が出力する力
信号（トルクτ）に基づく補正値τ／Ｎをアクチュエー
タ（モータ３２）への入力信号に加算する構成となって
おり、この場合の補正値は、トルクτをモータ３２の減
速比Ｎで除算したものとなっている。従ってトルクτす
なわち非線形力ｆｅおよび干渉力ｆｄの総和（（１）式
）の反作用を相殺することが可能となり、マニピュレー
タの各軸は略完全に線形化、非干渉化される。
次に関節軸たわみ振動補償制御系６０では、トルクセン
サ５１で計測したトルクτに予め求めておいた関節のば
ね定数ＫＧの逆数（１／ＫＯ）を演算器６１で掛けねじ
れ角ｅを求める。ここで、ばね定数ＫＯの測定方法を述
べると、測定しようとする軸のモータ３２をブレーキな
どで固定し、減速機の入力軸が回転しないようにする。
次に関節軸２１から距離斐のところにある該当するリン
ク先端に所定の力ｆを加え、リンク先端の変位ｄを測定
し、その時の軸トルクτをトルクセンサ５１の値から読
取る。すると、ばね定数ＫＧは次のように求められる。
ＫＯ＝τ／（ｄ／１）：（τ−ｆ−斐）　・・・（４）
なおこの時、力ｆと距離更が分っているのでトルクτを
計測することにより、トルクセンサ５１の較正も同時に
行なえる。そして、これを各関節軸について行なえばよ
い。この場合一般にばね定数ＫＧは一定値ではなく非線
形特性を持つことが多い。そこで各軸についてτ−ＫＧ
のテーブルを作っておき、τの現在値に対応するＫＧを
用いて演算器６１の計算を行なう。そしてこのねじれ角
ｅをＰＩＤなどの演算器Ｆ２に入力し、その出力を加算
器７１に負帰還し、モータ３２（１１）への入力に加え
れば関節軸２１のねじれによるリンク３１　（１９）の
振動が抑えられる。従って、この場合の補正値は力信号
（トルクτ）を関節軸２１のばね定数ＫＧで除算したｒ
ｌＪｌｉ軸２１のねじれ角ｅに基づくものとなっている
。
関節軸２１のたわみによるリンク角θｅの誤差について
は、リンク角の目標値θｅｒにねじれ角ｅを加算器６３
で加え、演算器６５で減速比Ｎ倍しものをモータ角目標
値θＩｒとすればよい。すなわち、 θｍｒ＝　（θｅｒ＋ｅ）Ｎ ＝（θｅｒ＋　ｒ／Ｋｏ　）　Ｎ　　　　　　　・（５
）となる。そこでモータ回転角位置制御系４０では、減
算器４１においてモータ角目標値θｍｒから角度センサ
４３（第１図の角度センサ１５に対応する）によって計
測されるモータ３２（１１）の回転角θ識を減算し、Ｐ
ＩＤなどの演算器Ｆ１に入力し、その出力を加算器７１
に供給して、その出力を加ｐ器７１に供給すれば、リン
ク角θｅがリンク角の目標値θｅｒに偏差なく追従する
。従って、前記補正値は力信号（トルクで）を関節軸２
１のばね定数ＫＧで除算した関節軸２１のねじれ角ｅに
基づいたものとなっている。
なお、この発明は上記実施例に限定されるものではない
。例えば、関節軸に作用する力を検出するセンサとして
各関節軸に設けるトルクセン＃ｊ１７に変えてマニピュ
レータハンドの取付は部分に特願昭６１−１７２２°４
９号に記載と同様な６軸カセンサを設け、各関節軸に設
けられた角度センサの信号を用いて非線形演算を行ない
、手先に加わる力を各関節軸トルクに振分けて、関節軸
に作用する力とすることもできる。
［発明の効果］ 以上より明らかなように、この発明の構成によれば、マ
ニピュレータに働く非線形力、干渉力やｇＱｍの低剛性
によって発生するたわみや振動による位置決め誤差を防
止することができ、面倒なリンクパラメータの同定が不
必要で、かつ制御演算も１２！Ｉ単で、制御周期も短く
することができる。従って多自由度マニピュレータの制
御性能を著しく向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図はこの発明の一実施例に係る多自由度マニビル−
タの一関節分を示すブロック図、第２図は制御装置を示
すブロック図、第３図は従来例に係る非線形補償に基く
多自由度マニピュレータのｌｂＩ制御装置を示すブロッ
ク図である。 １１．３２・・・モータ（アクチュエータ）１７．５１
・・・トルクセンサ（センサ）５３．６１・・・演算器 ７１・・・加算器（演算手段） 代理人弁ｌｆ’ｊ、、Ｌ三好保男 第３図

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）アクチュエータにより関節軸を介して出力する多
    自由度マニピュレータにおいて、前記関節軸に作用する
    力を検出するセンサを設け、このセンサが出力する力信
    号に基づく補正値を前記アクチュエータへの入力信号に
    対して加減する演算手段を設けてなる多自由度マニピレ
    ータの制御装置。
  2. （２）前記補正値は、前記力信号を前記アクチュエータ
    側の減速比で除算したものであることを特徴とする特許
    請求の範囲第１項記載の多自由度マニピュレータの制御
    装置。
  3. （３）前記補正値は、前記力信号を前記関節軸のばね定
    数で除算した関節軸のねじれ角に基づくものであること
    を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の多自由度マニ
    ピュレータの制御装置。
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