JPS63241614A

JPS63241614A - ロボツト装置

Info

Publication number: JPS63241614A
Application number: JP62074001A
Authority: JP
Inventors: Akira Dobashi; 土橋　亮; Shinichi Takarada; 真一宝田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-03-30
Filing date: 1987-03-30
Publication date: 1988-10-06
Anticipated expiration: 2013-02-16
Also published as: DE3810691C2; DE3810691A1; US4906907A; JP2713899B2; CA1330363C

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〕本発明は物体を把持して所定の位置へ移動する機能を肩
するロボット装置に係り、特に刀（トルク）センサを用
いて移動物体の位置決め制御を行なう方式のロボット装
置に関するものである。

〔従来の技術〕

ロボット装置を用いて組立作業を行なう場合は、移動対
象物体を把持して目標位置へ移動する際の位置決め精度
が１璧となる。特に、はめ合い公差のきびしい軸を穴へ
挿入する様な作業の場合には、位置決め精度がばらつい
ていると組立成功率が著しく低下する０従来、高精度の位置決め制御を行なう手段の１つとして
、ロボットの手首に力（トルク）検出器を設け、移動対
象物体が目標位置付近で受ける力やトルク（上記例では
、軸と穴が干渉したときに生ずる力やトルク）の大きさ
と方向を検出し、この力やトルクが少なくなる方向に物
体を移動する位置制御方法が行なわれている。この棟の
制御方法に関する文献としては、例えば、計測自動制御
学会論文集ｖｏｌ　、　２２　、　＋Ｖ＆Ｌ５　（昭和
６１年３月）　ｐｐ　５４５〜６４９の１多自由度ロボ
ットの仮想コンプライアンス制御“と題する論文が挙げ
られる。

上記文献のｐ、　５４４　　に（１）式で示されている
様に、ロボットノ・ンドの運動は、次式で表される。

ＣＭ）尺＝ｑ−（Ｋ）Δ玉−（ＣＪマ　　　　（１）ｔただし、ｉ：ノ・ンド番こ加わる外力 ■＝ハンドの速度 Δマ：目標位置からのノ・ンドの偏差〔Ｍ〕：仮想質量〔Ｋ〕：仮想バネ定数〔Ｃ〕：仮想粘定数上記の軸と穴とのはめ合いの例では、およびｄマー七はぼ零であるのでこれを無視すると、上記（１）ｔ式は、ｑ＝（Ｋ）Δ玉となる。

従って、〔Ｋ〕の値を適当に選び、この時の外力ｑ＋力
（トルク）検出器で検出してやれば位置の偏差Δマが計
算できるので、これｌこよりロボットの位置制御を行な
って、はめ合いを成功させることができるわけである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は、力（トルク）検出器で検出した値がそ
のままロボットに加えられた外力に等しいものとして位
置の偏差を計算している。

しかしながら、純粋ｔこハンドに加わる外力ｉのみを検
出することは大変難しく、力（トルク）検出器の検出値
算は、移動対象物体とハンド自身を合わせた質′ｉｔを
（ｍ）とした時、となってハンドに働く慣性力（加速度）をも含めた値と
なってしまう。

通常、質量（ｍ）が小さい場合は、ハンドに働く慣性力
は重力加速朕などに比べて無視できるものである。しか
しながら、（ｍ）の値が非常に大きい場合や宇宙空間で
の作業などの場合には、ノ・ンドに働く慣性力が無視で
きなくなり正確な位置決め制御ができなくなってしまう
。

本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決し、ハン
ドに加わる力（トルク）を検出して位置決め制御を行な
う場合に、ノ・ンドに働く慣性力の影響を除去すること
のできるロボット装置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、本発明では、物体を把持する
ロボットの把持部（）・ンド）に働く慣性力を検出する
手段を力（トルク）センサとは別個に設け、この検出手
段によって検出された慣性力の影響が打消される様に力
（トルク）センサの検出信号を補正してやることとした
０〔作用〕本発明によると、慣性力検出手段によって、把持部に設
けられた力（トルク）センサ自身の受ける慣性力を検出
することができる。従って、このイ直を刀（トルク）セ
ンサの検出１直ｑから減算することにより、純粋に把持
部が外界から受ける外力ｉのみを得ることができる。

外力ｉが求まれば、これにより把持部に働く慣性力の影
響を除去したロボットの正確な位置決め制御を行なうこ
とが可能となる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図〜第７図を用いて説明
する。

第１図は本発明の一実施例によるロボットのシステム構
成図である。図中、１０１はロボット全体を制御する中
央演算装置、１０２はＤ／Ａ変換器。

１０６はパワーアンプである。本装置は６ケ所の関節を
有するものとし、１０４〜１０９はそれぞれ第１関節〜
第６関節の駆動装置、又１１１〜１１６はそれぞれ第１
関節〜第６関節に設けられた関節角検出器である。１１
０は物体を把持する把持装置の駆動装置、１１７は各関
節角検出器の検出結果を中央演算装置１０１へ入力する
テイジタル入力器である。

また、１１８は把持装置に設けられた力（トルク）セン
サ、　　１１９　、１２０は加速度センサ、１２１〜１
２３はブリッジ回路、１２４〜１２６はＡ／Ｄ変換器。

１２７は力（トルク）演算装置、　１２８．１２９は加
速度演算装置である。

第２図に、このロボットのマニピュレータ部ノ外観図を
示す。本装置は２０４〜２０９の６つの関節を有してお
り、例えばベース２０１内には関節２０４ｔこおいてア
ームを軸回りに回転させる駆動装置１０４を内臓してい
る。以下、各アームは各関節をそれぞれの方向に回転さ
せる駆動装置及び各種侶号線を内臓しており、各関節に
は関節角検出器を数層けてあって、これを用いて関節角
度を検出する。１１８は力（トルク）センサで、最終リ
ンク２０２にかかる力（トルク）を検出する。加速度セ
ンサ１１９．１２０はそれぞれ、最終リンク２０２及び
ベース２０１における加速度を検出する。

次に、以上のシヌテムｌこおける１６号の流れを説明す
る。

第１図において、中央演算装置１０１で決定した移動装
置への出力値は、Ｄ／Ａ変換器１０２によりアナログ信
号となり、パワーアンプ１０３を経て第１〜第６関節駆
動装置１０４〜１０９を駆動する。関節の角度は関節角
検出器１１１〜１１６によって検出され、デジタル入力
器１１７から中央演算装置１０１に入力される。一方、
力（トルク）センサ１１８の信号はブリッジ回路１２１
を経た後に、父方（トルク）センサに付属した加速度セ
ンサ１１９の信号はブリッジ回路１２２を経た後に、Ａ
／Ｄ変換器１２４゜１２５を経てそれぞれ力（トルク）
演算装置１２７゜加速度演算装置１２８に入力する。加
速度センサ１２０の信号も同様にブリッジ回路１２３を
経た後、Ａ／Ｄ変換器１２６を経て加速度演算装置１２
９に入力される。

この力（トルク）演算装置１２７．加速度演算装置１２
８及び１２９の出力は中央演算装置１０１へ入力されて
、中央演算装置１０１内で位置決め制御のための目標値
が制御されるわけである。

第３図は、この制御論理のシステムブロック線図である
。

まず、中央演算装置１０１は目標値発生の操作により、
位置・姿勢目標値６０１及び力（トルク）目標値３０２
ヲ発生する。これらからそれぞれ現在の位置・姿勢実測
値３ｏ３．カ（トルク）の実測値６０４を減算し、位置
・姿勢の差分値３１１．カ（トルク）の差分値６１２を
得る。これらを用いて逆変換演算を行うことにより、各
関節の駆動系に与える電圧値を算出し、これらを駆動す
るためＤ／Ａ変換器１０２．パワーアンプ１０３を介し
て関節駆動装置１０４〜１０９へ制御電圧を出方する。

またその結果としての各関節角の現在値は、関節角検出
器１１１〜１１６により検出し、ディジタル入力器１１
７を介したこれらの値を正変換して現在の位置・姿勢実
測値３０３を得ることができ、これを位置・姿勢目標値
６ｏ１にフィードバックする。

次に説明する第３図ブロック線図下部が、本発明の特徴
となる力（トルク）のフィードバックである。力（トル
ク）演算装置１２７は、カ（トルク）センサ１１８の力
（トルク）信号をブリッジ回路１２１　、　Ａ／Ｄｉ換
器１２４を介して入力した後、正変換を施すことにより
、ベースに固定した座標系での力（トルク）信号３０５
を得る。従来技術では、これそそのまま力（トルク）信
号とし、位置情報を一次修正してフィードバック或いは
目標値発生の情報に用いていた。しかし、この信号には
、ベースから受ける慣性力、エンドエフェクタの質量に
よる慣性力、エンドエフェクタが把んでいる物体の質量
による慣性力が含まれており、これを用いて制御を行っ
たのでは精度のよい制御は行えない０したがって、そのための二次修正の一例として、ここで
は以下の手法を用いている。

１６１は加速度センサ１１９１こおける加速度信号をブ
リッジ回路１２２を介して得た信号で、加速度演算装置
１２８はこれをＡ／Ｄ変換器１２５を介して入力した後
正変換することにより、エンドエフェクタの加速度、角
加速度をベースに固定した座標系で表現した信号６０６
を得る。また同様に、ベース上の加速度センサ１２０の
加速度信号をブリッジ回路１２６を介して得た信号１６
２がＡ／Ｄ変換器１２６を介して加速度演算装置１２９
へ入力され、加速度演算装置１２９はこれを正変換し、
ベースの加速度。

角加速度信号６０７を得ることができる。

ここで、加速腿、角加速度を以下の様に表現する０ａｘｉ　：　ｘ方向加速匿ａｘｉ　：　ｚ軸回り角加速度また、Ｍ８次の様に足義する。

ここでｍは質量＋　　（ＩＩＩ　Ｉ２１　ＩりＴ　　は
次式で得られる慣性モーメントである。

ここで、工Ｘ・・・最終リンク座標系においてＸ軸回り
の慣性モーメントＩｙ・・・同ｙ軸回りの慣性モーメントＩｚ・・・同２
軸回りの慣性モーメントまた、Ｔは、最終リンク座標系
から、ベースに固定した座標系への変換行列である。

以上を考慮して、第３図のＭｌをエンドエフェクタが把
んでいる物体＋エンドエフェクタの質量及び慣性モーメ
ンＦ　＋　Ｍ２をエンドエフェクタのみの’１ｔｉｔ及
び慣性モーメントとすると、信号６０Ｂ　＝Ｍｔ　Ａｌ信号３０９　＝Ｍ２　Ａｔ信号３１０＝ＭスＡ２となる。したがって、これらを信号６０５から減算する
ことにより、以下の情報が得られる。

Ｇ１５０８：純粋にエンドエフェクタ及びそれが把んで
いる物体が外界から受ける力（トルク）。

信号３０９：エンドエフェクタが、把んでいる物体から
伝えられる力（トルク）。

信号３１０：ベースが全く加速度を持っていないと仮定
した場合の力（トルク）。すなわち、地上のロボットの力（トルク）センサに表われている信号と等価である。

これらの操作により、信号６０４を力（トルク）信号と
してフィードバックすることにより、非常に精度のよい
力（トルク）制御を行うことができる。また、信号３０
４　、３１３　、３１４は中央演算装置１０１の内部に
おいて種々な目的に利用でき、目標値発生の為の情報及
び各種測定に用いることが可能となる。

また、前に述べた質量及び慣性モーメン）ｌＶｈは、概
知の場合はキー人力を行うこともできるが、未知の場合
でも以下の方法によって得ることができる。

Ｍｚｔこついては概知であるため、Ｍｌについてのみ示
す。まず、エンドエフェクタがある物体を把んだ直後に
外力のない状態で、マニピュレータを少し動かす。この
とき生じた力（トルク）信号を（Ｆ’ｘ、　Ｆ’ｙ、　
Ｆ’ｚ　、　Ｍ’ｘ、　Ｍ’ｙｌ　Ｍ’ｚ）”とし、加
速度信号）ｉ；；　（ａ’ｘ　、　ａ’ｙ　、　ａ’ｚ
　、α／ｘ、α′ｙ、α／　ｚ　）Ｔとする。ここでＦ
′ｉは最終リンク座標系においてｉ軸方向の力、　Ｍ’
ｉはｉ軸回りのトルク、　ａ’ｉはｉ軸方向の加速度、
α′ｉはｉ軸回りの角加速度である。ここで、ＩＶｌｌ
におけるｍｌすなわち、エンド５エクタが把んでいる物
体＋エンドエフェクタの質量は、ｍ＝ＪＦ’ｘ２＋Ｆｓｒ２＋Ｆ’ｚ２／　　ａ’ｘ”＋
ａ憂＋ａ’ｚ”また、””＋　”Ｉ、Ｉ’ｚはそれぞれ
Ｉ’　ｘ　＝　Ｍ’ｘ　／α’ｘ　、　Ｉ’ｙ　＝Ｍ’
７メα’　３’　＋　Ｉ’　ｚ　＝　Ｍ’ｚ　／α′ｙ
で求めることができる。また、これらは一点の測定点で
は不正確なので、動作開始直後数点においてサンプリン
グを行い平均をとる。

以上の手段により、未知であってもＭｌの値を得ること
が可能となる。

以上、第１図においては力（トルク）センサ１１８と加
速就センサ１１９とは別の装置として考えたが、第４図
に示すように一体化することもできるＯ第４図はその装置の具体例で、４０１が力（トルク）セ
ンサ、４０２は加速度センサである。力（トルク）セン
サ４０１は外殻と内殻をつなぐ細いビームにひずみゲー
ジを貼りつけた構造により構成されており、第６関節に
取付けた外殻１ＵＩＩとエンドエフェクタに取付けた内
殻側との間にかかる力（トルク）が、ビームに取りつけ
たひずみゲージの抵抗変化を生じさせ、これをブリッジ
回路を用いて力（トルク）信号として検出する。また、
加速度センナ４０２は、一端を力（トルク）センサ４０
１９１１に、もう一端をある質ｆを持った物体４０５に
固定した弾性のある細いビーム４０４上にひずみゲージ
４０５を貼ることにより構成されており、加速度信号を
力（トルク）信号の場合と同じくひずみゲージの抵抗変
化を利用して検出する。

次に、加速度センサのかわりに視覚装置ｔｓ用いた例に
ついて、第５図を用いて説明する。第５図において、５
０１は画像入力装置で、５０２は画像処理装置である。

このシステムにおいて、画像入力装置５０１により取込
んだ映像を画像処理装置５０２で処理し、画像が静止し
ている時には慣性力が零であるとして力（トルク）セン
サ１１８からのイ言号を有効とする。さらに画像処理５
０２によって、画像の速展、加速度を算出し、これを用
いて力（トルク）センサ１１８の信号から慣性力成分を
除去することも可能である。

第６図も同様に、第１図の加速度センサの代りに位置検
出器６０１〜６０６を用いた例で、各関節に設けた位置
検出器６０１〜６０６の出力信号を位置情報とし、補助
演算装ｆ６０７に入力する。ここで、エンドエフェクタ
が静止していると判断できる時は慣性力が零とし、力（
トルク）センサ１１８からの信号を有効とする。また、
補助演算装置６０７で位置１′１Ｖ報を正変換した後、
２回の時間微分を処して加速度を求め、これを用いて力
（トルク）センサ１１８の信号から慣性力を除去する。

さらに第７図は、力（トルク）フィードバックを中央演
算装ｆＩｔ１０１を介さず、サーボアンプ１０６に戻し
た例である。補助演′ｘ、装置７０１は、力（トルク）
センサからの情報と、位置検出器６０１〜６０６からの
位１を情報をもとに演算を行い、その結果によってサー
ボアンプ１０３のゲインを操作する。その操作内容は下
記の通りである。

１）位置検出信号に変化があって力（トルク）センサ１
１８よりの信号があるときには、力（トルク）センサ１
１８の検出に応じてパワーアンプのゲインをすべての軸
について下げる。この操作ｌこよって、運動方向が変化
せず、加速度のみを押さえることができる。

２）位置検出信号に変化がなく力（トルク）センサ１１
８よりの信号があるときは、力（トルク）センサ１１８
の検出している値が減少する方向に（刀（トルク）セン
サが検出されている軸についてのみ）その検出信号に応
じてゲインを下げる。

この状態は、エンドエフェクタに物体がぶつかっている
状態であり、エンドエフェクタに余計な負担がかからな
いようにするためである。

〔発明の効果〕

以上説明した通り、本発明によれば、力（トルク）セン
サの検出結果から慣性力を除去することができるので、
非常に精度の良いロボットの位置決め制御を行なうこと
ができる。

【図面の簡単な説明】

、ｉｇＩ図は本発明の一実施例によるロボット装置のシ
ステム構成図、第２図は第１図の装置のマニピュレータ
部の外観図、第中図は第１図の装置における制御論理を
示すブロック線図、第４図は力（トルク）センサと加速
度センサを一体化した場合の外観図、第５図〜第７図は
それぞれ本発明の他の実施例によるロボット装置のシス
テム構成図である。１０１・・・中央演算装ｂｉｔ　　１０４〜１０９・・
・関節角駆動装置　１１１〜１１６・・・関節角検出器
　１１８・・・力（トルク）センサ　−１９，１２０・
・・加速度センサー２７・・・力（トルク）演算装置　
１２８，１２９・・・加速反演算装置

Claims

【特許請求の範囲】１、物体を把持する把持部と該把持部を移動させる移動
部とを備え、上記把持部に設けられた力（トルク）セン
サの検出信号に基づいて上記移動部で位置制御を行ない
うるロボット装置において、上記把持部に加わる慣性力
を検出する手段と、該検出手段の検出結果に応じて上記
力（トルク）センサの検出信号を補正する手段とを設け
たことを特徴とするロボット装置。２、上記検出手段は、加速度センサであることを特徴と
する特許請求の範囲第１項記載のロボット装置。３、上記検出手段は、上記把持部の動きを検出する画像
入力装置と、該画像入力装置の出力画像を分析する画像
処理装置から成ることを特徴とする特許請求の範囲第１
項記載のロボット装置。４、上記検出手段は、上記把持部の位置を検出する位置
検出器と、該位置検出器の検出信号を演算処理する演算
装置とから成ることを特徴とする特許請求の範囲第１項
記載のロボット装置。