JP2003245881A - Apparatus and method for controlling robot - Google Patents
Apparatus and method for controlling robotInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、ロボットの制御装置に
関し、さらに詳しく言えば、特にロボットの作業座標系
での力、トルク設定値をもとに関節を駆動するサーボモ
ータの発生力を制御するロボットの制御装置および制御
方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a controller for a robot, and more specifically, it controls the force generated in a servo motor for driving a joint based on a force in a work coordinate system of the robot and a torque set value. The present invention relates to a control device and control method for a robot.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来のロボットはロボットの関節軸毎に
位置速度制御系にて制御が行われていた。このような制
御系でワークとの接触を伴うようなスポット溶接やシー
ム溶接のプレイバック再生を行う際、ワーク自体の位置
ズレやロボットがワークを把持した位置のズレなどがあ
ると、位置決め精度を高くするために大きく設定された
ゲインや積分器の作用により、大きなトルクを発生する
ことになる。この大きなトルクが発生することで、ワー
クを変形させたり溶接不良の発生や溶着などで作業の遂
行が困難になって、時にはツールやロボットの破損の危
険性があった。また、教示者がロボットを作業位置へ移
動させる教示作業時には、教示者がスポットガンの制御
点をワークの打点に慎重に移動させて、位置を登録する
必要があり、誤ってガン電極をワークに押し付けて変形
させる危険性があったため肉体的および精神的疲労度が
非常に大きかった。このような問題に対して、ロボット
に特別な装置を付加することなく作業座標系で柔軟に力
制御を行う方式としては、図１０に示すように作業座標
系の各座標軸方向に関して柔らかさ（バネ定数）を設定
して空間内の軸別に外力に対する順応性の大小を指定で
きる方式がある（特許文献１、特許文献２）。2. Description of the Related Art A conventional robot is controlled by a position / speed control system for each joint axis of the robot. When performing playback playback of spot welding or seam welding that involves contact with the work in such a control system, if there is a position deviation of the work itself or a position where the robot grips the work, positioning accuracy will be improved. A large torque is generated due to the action of the gain and the integrator that are set to be high. The generation of this large torque makes it difficult to carry out the work due to deformation of the work, occurrence of welding defects, welding, etc., and sometimes there is a risk of damage to the tool or robot. Also, during the teaching work in which the instructor moves the robot to the work position, it is necessary for the instructor to carefully move the spot gun control point to the work point and register the position. There was a great deal of physical and mental fatigue due to the risk of pressing and deforming. As a method for flexibly controlling the force in the work coordinate system without adding a special device to the robot in order to solve such a problem, as shown in FIG. There is a method in which the degree of adaptability to external force can be specified for each axis in the space by setting (constant) (Patent Documents 1 and 2).
【０００３】また、外力の推定をして力制御を行う方式
としては、関節座標系の各軸のモータへの外乱を外乱オ
ブザーバにより推定し、ヤコビ行列を用いた座標変換に
より外乱推定値を作業座標系の外力推定値に変換できる
方式がある（特許文献３、特許文献４）。As a method for estimating the external force and controlling the force, the disturbance to the motor of each axis of the joint coordinate system is estimated by the disturbance observer, and the estimated disturbance value is calculated by the coordinate conversion using the Jacobian matrix. There is a method capable of converting into an external force estimated value in a coordinate system (Patent Documents 3 and 4).
【０００４】[0004]
【特許文献１】特開平８−２２７３２０号公報[Patent Document 1] JP-A-8-227320
【特許文献２】特開２０００−００５８８１号公報[Patent Document 2] Japanese Patent Laid-Open No. 2000-005881
【特許文献３】特開平１１−５８２８５号公報[Patent Document 3] Japanese Unexamined Patent Publication No. 11-58285
【特許文献４】特開平９−１０３９４５号公報[Patent Document 4] Japanese Patent Laid-Open No. 9-103945
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】ところが、特許文献１
や特許文献２に示すように、作業座標系で柔らかさ（バ
ネ定数）を設定して空間内の方向別に外力に対する順応
性の大小を指定する方式では、位置偏差が増大するとサ
ーボモータの発生トルクが比例的に増大するため外力に
よる位置偏差（移動距離）が大きな場合に対応できない
という問題点がある。また、周辺機器やワークを取り除
いて接触状態を解除しようとした場合にロボットは元の
位置指令の場所に戻る力を発生させるため、再度周辺機
器やワークと衝突を起して周辺機器やワークを破損させ
るなどの問題点を有している。また、特許文献３や特許
文献４に示すように、関節座標系の外乱を外乱オブザー
バにより推定し、ヤコビ行列を用いた座標変換により外
乱推定値を作業座標系の外力推定値に変換する方式が示
されている。これらの従来例では、フィルタなどを使用
することで検出時間にも遅れが発生し、また、摩擦や重
力の影響が大きく正確な外力推定値を得ることが出来な
いという問題点を有している。そこで本発明は、センサ
などを用いることなく、ストロークの大きな変位にも対
応できる作業座標系の力制御を行うことを目的とする。[Patent Document 1]
As described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-242242 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-242242, in the method in which the flexibility (spring constant) is set in the work coordinate system and the degree of adaptability to external force is designated for each direction in space, the torque generated by the servo motor increases as the position deviation increases. However, there is a problem in that it is not possible to deal with a case where a positional deviation (movement distance) due to an external force is large because of a proportional increase. In addition, when the peripheral device or work is removed and the contact state is released, the robot generates a force to return to the position of the original position command, so the robot collides with the peripheral device or work again and the peripheral device or work is removed. It has problems such as damage. Further, as shown in Patent Document 3 and Patent Document 4, a method of estimating a disturbance in a joint coordinate system by a disturbance observer and converting the disturbance estimation value into an external force estimation value in the working coordinate system by coordinate conversion using a Jacobian matrix is known. It is shown. In these conventional examples, there is a problem that a detection time is delayed by using a filter or the like, and the influence of friction or gravity is large and an accurate external force estimation value cannot be obtained. . Therefore, an object of the present invention is to perform force control of a work coordinate system that can cope with a large displacement of a stroke without using a sensor or the like.
【０００６】[0006]
【課題を解決するための手段】本発明では、上記問題点
を解決するため、請求項１記載のロボット制御装置は、
ロボットの各軸を駆動するサーボモータを制御するため
に前記各軸毎に位置速度制御系を含むロボットの制御装
置において、前記サーボモータの関節座標系に関する関
節角度を計測する角度計測器と、関節指令をもとに前記
サーボモータの運動に必要な運動トルク指令を演算する
運動トルク演算部と、前記位置速度制御系から演算され
た位置速度トルク指令と前記運動トルク指令とから外乱
トルクを演算する外乱トルク推定部と、前記関節角度を
もとに前記ロボットの作業座標系と前記サーボモータの
関節座標系との微小変位関係を演算する微小変位関係演
算部と、前記外乱トルクと前記微小変位関係を用いて作
業座標系での外力に変換する外力演算部と、前記外力を
もとに前記ロボットの作業座標系での位置修正量を演算
する力制御部と、前記位置修正量と前記微小変位関係を
用いて前記関節座標系での関節角度修正量に変換する関
節角度修正量演算部とを備えている。According to the present invention, in order to solve the above problems, the robot controller according to claim 1
In a robot controller including a position / speed control system for each axis to control a servo motor driving each axis of the robot, an angle measuring device for measuring a joint angle with respect to a joint coordinate system of the servo motor, and a joint A disturbance torque is calculated from a motion torque calculation unit that calculates a motion torque command necessary for the motion of the servo motor based on the command, and a position speed torque command calculated from the position speed control system and the motion torque command. A disturbance torque estimating unit, a minute displacement relation calculating unit that calculates a minute displacement relation between the work coordinate system of the robot and the joint coordinate system of the servo motor based on the joint angle, the disturbance torque and the minute displacement relation An external force calculation unit for converting into an external force in the work coordinate system using, and a force control unit for calculating the position correction amount in the work coordinate system of the robot based on the external force, Serial position correction amount and by using the small displacement relation and a joint angle correction amount calculation unit for converting the joint angle correction amount in the joint coordinate system.
【０００７】また、請求項２記載のロボット制御装置
は、前記運動トルク演算部は、前記ロボットの関節部の
重力トルクを演算する重力トルク演算部と、前記サーボ
モータの加速度トルクを演算する加速度トルク演算部
と、前記サーボモータの速度を維持するための速度トル
クとを演算する速度トルク演算部と、前記重力トルクと
前記加速度トルクと前記速度トルクとを加算して運動ト
ルクを演算する運動トルク加算部とからなる。また、請
求項３記載のロボット制御装置は、前記運動トルク演算
部は、前記位置速度制御系とは異なる第２の位置速度制
御系と、ロボット機構部を模擬した機械系模擬回路とか
らなる。また、請求項４記載のロボット制御装置は、前
記力制御部は、前記外力をもとに前記ロボットの作業座
標系での位置修正量を演算するインピーダンス制御部
と、前記位置修正量を有効または無効とする修正量選択
部とからなる。According to a second aspect of the present invention, in the robot controller, the motion torque calculation unit calculates a gravity torque calculation unit for calculating a gravity torque of a joint of the robot, and an acceleration torque calculation unit calculates an acceleration torque of the servo motor. A calculation unit, a speed torque calculation unit that calculates a speed torque for maintaining the speed of the servo motor, and a motion torque addition that calculates a motion torque by adding the gravity torque, the acceleration torque, and the speed torque. It consists of a department. In the robot controller according to the third aspect of the invention, the motion torque calculation unit includes a second position / speed control system different from the position / speed control system, and a mechanical system simulation circuit simulating the robot mechanism unit. Further, in the robot control device according to claim 4, the force control unit validates the position correction amount and an impedance control unit that calculates a position correction amount in the work coordinate system of the robot based on the external force. And a correction amount selection unit to be invalidated.
【０００８】また、請求項５記載のロボット制御装置
は、前記外力演算部は、前記外乱トルクと微小変位関係
を用いて作業座標系の外力に変換する第１の外力演算部
と、前記外乱トルクと外力の作用点と各軸まで距離を用
いて作業座標系の外力に変換する第２の外力演算部と、
前記第１の外力演算部と前記第２の外力演算部の各出力
の平均値を求めるロボット軸外力平均演算部とを備える
ものである。According to a fifth aspect of the present invention, in the robot control device, the external force calculation unit converts the external force into a work coordinate system external force using the disturbance torque and a minute displacement relationship, and the disturbance torque. And a second external force calculation unit that converts into an external force of the work coordinate system using the action point of the external force and the distance to each axis,
The robot external force average calculating unit is provided which calculates an average value of each output of the first external force calculating unit and the second external force calculating unit.
【０００９】また、請求項６記載のロボット制御装置
は、ロボット及びロボットと協同して作業する外部軸と
を制御するため位置速度系を含むロボットの制御装置に
おいて、 前記ロボット軸の関節指令をもとに前記ロボ
ット軸の運動に必要な運動トルク指令を演算するロボッ
ト軸運動トルク演算部と、前記位置速度制御系から演算
された位置速度トルク指令と前記ロボット軸運動トルク
指令とから外乱トルクを演算するロボット軸外乱トルク
推定部と、前記ロボット軸外乱トルクを作業座標系での
外力に変換するロボット軸外力演算部と、前記外部軸の
関節指令をもとに前記外部軸の運動に必要な運動トルク
指令を演算する外部軸運動トルク演算部と、前記位置速
度制御系から演算された位置速度トルク指令と前記外部
軸運動トルク指令とから外乱トルクを演算する外部軸外
乱トルク推定部と、前記外部軸外乱トルクを作業座標系
での外力に変換する外部軸外力演算部とを備えるもので
ある。According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a robot control device including a position / speed system for controlling a robot and an external axis which works in cooperation with the robot, wherein a joint command for the robot axis is also included. And a robot axis motion torque calculation unit that calculates a motion torque command necessary for the motion of the robot axis, and a disturbance torque is calculated from the position speed torque command calculated from the position speed control system and the robot axis motion torque command. A robot axis disturbance torque estimating section, a robot axis external force calculation section for converting the robot axis disturbance torque into an external force in a work coordinate system, and a motion required for the movement of the external axis based on a joint command of the external axis An external axis motion torque calculation unit that calculates a torque command, a position speed torque command calculated from the position speed control system, and an external axis motion torque command. And an external shaft external torque calculating unit for converting the external shaft external torque to an external force in the working coordinate system.
【００１０】また、請求項７記載のロボット制御装置
は、前記ロボット軸外力演算部の出力であるロボット軸
の外力と前記外部軸外力演算部の出力である外部軸の外
力とを差分して外力差演算値を求める外力差演算部とを
備えるものである。また、請求項８記載のロボット制御
装置は、前記外力演算部の出力である前記外力又は外力
差演算値が予め設定されたしきい値よりも大きい場合に
は、前記ロボット各軸又は外部軸の少なくとも一つを停
止させる停止処理部とを備えるものである。また、請求
項９記載のロボット制御装置は、前記ロボットを操作す
る操作ペンダントを備え、前記外力演算部の出力である
前記外力を前記操作ペンダント上に表示することを特徴
とするものである。According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a robot controller in which the external force of the robot axis, which is the output of the robot axis external force calculating section, and the external force of the external axis, which is the output of the external axis external force calculating section, are different from each other. And an external force difference calculation unit for obtaining a difference calculation value. Further, the robot control device according to claim 8 is characterized in that when the external force or the external force difference calculation value output from the external force calculation unit is larger than a preset threshold value, And a stop processing unit for stopping at least one of them. A robot control apparatus according to a ninth aspect of the present invention includes an operation pendant for operating the robot, and displays the external force output from the external force calculation unit on the operation pendant.
【００１１】また、請求項１０記載のロボット制御方法
は、ロボットの各軸を駆動するサーボモータを制御する
ために前記各軸毎に位置速度制御系を含むロボットの制
御装置の制御方法において、ロボット機構部と制御部を
モデル化して算出したトルク指令と前記位置速度制御系
から出力されたトルク指令との差から外乱トルクを推定
し、前記外乱トルクと作業座標系における変位から外力
を推定し、前記外力をもとにインピーダンス制御を行い
位置修正量を演算し、前記位置修正量を有効または無効
とすることを特徴とするものである。また、請求項１１
記載のロボット制御装置は、ロボット及びロボットと協
同して作業する外部軸とを制御するため位置速度系を含
むロボットの制御装置の制御方法において、ロボット及
び外部軸をモデル化して算出したトルク指令と前記位置
速度制御系から出力されたトルク指令との差から外乱ト
ルクを推定し、前記外乱トルクと作業座標系における変
位から外力を推定し、前記外力をもとにインピーダンス
制御を行い位置修正量を演算し、前記位置修正量を有効
または無効とすることを特徴とするものである。According to a tenth aspect of the present invention, there is provided a robot control method according to a tenth aspect of the present invention, wherein the robot control apparatus includes a position / speed control system for each axis to control a servo motor that drives each axis of the robot. The disturbance torque is estimated from the difference between the torque command calculated by modeling the mechanism unit and the control unit and the torque command output from the position / speed control system, and the external force is estimated from the disturbance torque and the displacement in the working coordinate system, Impedance control is performed based on the external force to calculate a position correction amount, and the position correction amount is validated or invalidated. In addition, claim 11
The robot controller described is a control method of a robot controller including a position / speed system for controlling a robot and an external axis that works in cooperation with the robot, and a torque command calculated by modeling the robot and the external axis. The disturbance torque is estimated from the difference between the torque command output from the position / speed control system, the external force is estimated from the disturbance torque and the displacement in the working coordinate system, and the impedance correction is performed based on the external force to adjust the position correction amount. The position correction amount is calculated and made valid or invalid.
【００１２】[0012]
【発明の実施の形態】本発明の第１の実施例を図１に示
して説明する。図１の11は位置速度制御ループであり、
関節指令を入力してトルク指令をアンプ12へ出力するこ
とで、関節モータを駆動する。ここではよく用いられる
位置比例−速度比例積分制御を用いる。この位置比例−
速度比例積分制御（以後、位置速度制御とする）では、
高ゲインの位置制御ループおよび速度制御ループの作用
により、外部より作用する力に対して各関節軸が柔軟に
変位しづらい。そこで、上位コントローラからの位置速
度制御ループ11への関節指令から、運動トルク演算部15
によりロボットの各リンクが動作するために必要な重力
を補償するためのトルク（以下、重力トルク）と加速す
るためのトルク（以下、加速度トルク）と速度分のトル
ク（速度トルク）からなる運動トルクを演算する。求め
られた運動トルクから実際の位置速度制御ループ11の出
力であるトルク指令を外乱トルク推定部16で減算する事
により、関節座標系での外乱トルク推定値を演算するこ
とができる。次に、角度計測器14で検出された関節角度
から、微小変位関係演算部17において関節座標系と作業
座標系間の微小変位関係、一般的にヤコビ行列と言われ
ている行列を演算する。そこで、外力演算部18におい
て、前記外乱トルク推定値に前記座標系間の微小変位関
係を乗算することで、作業座標系における外乱力推定値
に変換することができる。外力とは、外部からの加わる
力とモーメントである。更に、力制御部19において、イ
ンピーダンス制御など力制御アルゴリズムにより前記外
乱力推定値を作業座標系での位置修正量に変換し、関節
角度修正量演算部20により前記位置修正量を関節座標系
での関節角度修正量に変換する。よって、変換された関
節角度修正量を位置速度制御ループ11への入力である関
節指令に加算する事で、ロボットが外力に応じた位置の
修正を行うことが可能になる。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Reference numeral 11 in FIG. 1 is a position / speed control loop,
The joint motor is driven by inputting the joint command and outputting the torque command to the amplifier 12. Here, the position proportional-speed proportional integral control which is often used is used. This position proportional-
In speed proportional integral control (hereinafter referred to as position speed control),
Due to the action of the high gain position control loop and velocity control loop, it is difficult to flexibly displace each joint axis in response to a force applied from the outside. Therefore, based on the joint command from the host controller to the position / speed control loop 11, the motion torque calculation unit 15
A motion torque composed of a torque (hereinafter, gravity torque) for compensating the gravity required for each link of the robot to operate, a torque for accelerating (hereinafter, acceleration torque), and a torque for the speed (speed torque) Is calculated. The disturbance torque estimation value in the joint coordinate system can be calculated by subtracting the torque command, which is the actual output of the position / speed control loop 11, from the obtained motion torque in the disturbance torque estimation unit 16. Next, from the joint angle detected by the angle measuring device 14, a minute displacement relationship calculating unit 17 calculates a minute displacement relationship between the joint coordinate system and the working coordinate system, which is generally called a Jacobian matrix. Therefore, in the external force calculation unit 18, the disturbance torque estimated value can be converted to the disturbance force estimated value in the working coordinate system by multiplying the disturbance displacement estimated value between the coordinate systems. The external force is a force and moment applied from the outside. Further, in the force control unit 19, the disturbance force estimated value is converted into a position correction amount in the work coordinate system by a force control algorithm such as impedance control, and the joint angle correction amount calculation unit 20 converts the position correction amount in the joint coordinate system. Convert to the joint angle correction amount of. Therefore, by adding the converted joint angle correction amount to the joint command which is an input to the position / speed control loop 11, the robot can correct the position according to the external force.
【００１３】以下に、本発明の第１の具体的実施例を図
２に示して、関節座標系での位置速度制御に本発明の制
御を適用した制御ブロック線図を説明する。
（１）運動トルク演算方法
上位コントローラから位置速度制御ループ11への入力で
ある関節指令を運動トルク演算部15に入力する。トルク
演算部21内で、１回微分を取って関節角速度指令を求
め、２回微分を取って関節角加速度指令を求め、前記関
節角速度指令と前記関節角加速度指令からロボットの各
リンクが動作するために必要な運動トルクを求める。こ
こで、運動トルクとは、各リンクの重量分に打ち勝って
姿勢を維持するための重力トルクと、リンクの慣性分に
打ち勝つために必要な加速度トルクと、減速器の摩擦分
に打ち勝つために必要な速度トルクである。重力トルク
は各リンクの重心位置と重量と関節指令から求め、加速
度トルクは関節角加速度にロボットの姿勢に応じてイナ
ーシャを乗算することで求め、速度トルクは関節角速度
に粘性摩擦係数を乗算し、クーロン摩擦値を加算する事
で求めることができる。よって、運動トルク加算部22に
おいて、重力トルクと加速度トルクと速度トルクを加算
することで、運動トルクを求めることが可能である。A first specific embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. 2, and a control block diagram in which the control of the present invention is applied to position / speed control in a joint coordinate system will be described. (1) Kinetic torque calculation method A joint command, which is an input to the position / speed control loop 11 from the host controller, is input to the motion torque calculation unit 15. In the torque calculation unit 21, the joint angular velocity command is obtained by taking the first differentiation, and the joint angular acceleration command is obtained by taking the second differentiation, and each link of the robot operates from the joint angular velocity command and the joint angular acceleration command. Find the kinetic torque required for this. Here, the kinetic torque is necessary to overcome the weight of each link to maintain the posture and gravity torque, the acceleration torque required to overcome the inertia of the link, and the friction of the decelerator. Speed torque. Gravity torque is obtained from the center of gravity of each link, weight and joint command, acceleration torque is obtained by multiplying joint angular acceleration by inertia according to the posture of the robot, and velocity torque is obtained by multiplying joint angular velocity by viscous friction coefficient, It can be calculated by adding the Coulomb friction value. Therefore, the motion torque can be obtained by adding the gravity torque, the acceleration torque, and the speed torque in the motion torque adding unit 22.
【００１４】（２）外乱トルク推定方法
位置速度制御ループ11からの出力であるトルク指令は外
乱がない場合は前記運動トルクとほぼ同一であるが、何
らかの要因で外乱が入力された場合にはその分だけ運動
トルクよりも増減することになる。よって、外乱トルク
推定部16により、前記運動トルクから位置速度制御ルー
プ11のトルク指令を減算する事で、関節座標系での外乱
トルク推定値τpresumptionを求めることができる。(2) Disturbance torque estimation method The torque command output from the position / speed control loop 11 is almost the same as the above-mentioned motion torque when there is no disturbance, but when the disturbance is input for some reason It will increase or decrease by more than the exercise torque. Therefore, the disturbance torque estimation unit 16 can obtain the disturbance torque estimated value τpresumption in the joint coordinate system by subtracting the torque command of the position / speed control loop 11 from the motion torque.
【００１５】（３）外乱力推定値演算方法
角度計測器14で検出された関節角度から、微小変位関係
演算部17において関節座標系と作業座標系間の微小変位
関係、一般的にヤコビ行列と言われている行列を演算
し、その転置逆行列を用いることで、関節座標系の外乱
トルク推定値から作業座標系における外力推定値を演算
することが可能である。例えば、６自由度のロボットの
場合は、ヤコビ行列は以下の式により演算することが可
能である。(3) Disturbance force estimated value calculation method Based on the joint angle detected by the angle measuring device 14, a minute displacement relation calculating unit 17 calculates a minute displacement relation between the joint coordinate system and the working coordinate system, generally a Jacobian matrix. By calculating the so-called matrix and using its transposed inverse matrix, it is possible to calculate the external force estimated value in the working coordinate system from the disturbance torque estimated value in the joint coordinate system. For example, in the case of a robot having 6 degrees of freedom, the Jacobian matrix can be calculated by the following formula.
【００１６】[0016]
【数１】 [Equation 1]
【００１７】ここで、
Ｊ：ヤコビ行列（関節座標系と作業座標系間の微小変位
関係式）0
ｓi：第ｉ関節座標の回転方向ベクトル（ロボットのベ
ース座標系を基準）0
Ｐi：第ｉ関節位置ベクトル（ロボットのベース座標系
を基準）
×：ベクトルの外積を示す
ｒ：ロボットの作業位置ベクトル
よって、外力演算部18において、作業座標系での外乱力
推定値Ｆpresumptionは以下の式で求めることができ
る。Here, J: Jacobian matrix (relational expression of minute displacement between joint coordinate system and working coordinate system) 0 s i : rotation direction vector of i-th joint coordinate (based on robot base coordinate system) 0 P i : I-th joint position vector (based on the robot's base coordinate system) x: Indicates the cross product of the vectors r: The work position vector of the robot. Therefore, in the external force calculation unit 18, the disturbance force estimated value Fpresumption in the work coordinate system is expressed by the following formula. Can be found at.
【００１８】[0018]
【数２】 [Equation 2]
【００１９】ここで、 Ｔ：転置行列を示す −１：逆行列を示すHere, T: indicates a transposed matrix -1 indicates the inverse matrix
【００２０】（４）角度修正量演算方法
力制御部19において、前記外力推定値Ｆpresumptionを
作業座標系のインピーダンス制御部26により、作業座標
系の位置修正量Ｘcompに変換することができる。(4) Angle correction amount calculation method In the force control unit 19, the external force estimated value Fpresumption can be converted into the position correction amount Xcomp of the work coordinate system by the impedance control unit 26 of the work coordinate system.
【００２１】[0021]
【数３】 [Equation 3]
【００２２】式において、速度と加速度に関して以下
の式を代入すると、Substituting the following equations for velocity and acceleration in the equation,
【００２３】[0023]
【数４】 [Equation 4]
【００２４】一般的には、式を式に代入して式を解
けば良いが、簡略化のため、この中からインピーダンス
制御の粘性成分のみを用いる式を採用しても良い。この
時、作業座標系の位置修正量Ｘcompは、以下の式で求め
ることができる。Generally, the equation may be substituted into the equation to solve the equation, but for simplification, an equation using only the viscous component for impedance control may be adopted from the equation. At this time, the position correction amount Xcomp of the working coordinate system can be obtained by the following formula.
【００２５】[0025]
【数５】 [Equation 5]
【００２６】この位置修正量Ｘcompは修正量選択部27に
より、作業内容に応じて修正量を有効または無効にする
作業座標系の軸を選択することができる。The position correction amount Xcomp can be selected by the correction amount selection unit 27 to select the axis of the work coordinate system that makes the correction amount valid or invalid according to the work content.
【００２７】次に、関節角度修正量演算部20による前記
作業座標系の位置修正量Ｘcompを関節座標系の関節角度
修正量θcompに変換は、以下の式で行うことができる。Next, the conversion of the position correction amount Xcomp of the working coordinate system by the joint angle correction amount calculation unit 20 into the joint angle correction amount θcomp of the joint coordinate system can be performed by the following formula.
【００２８】[0028]
【数６】 [Equation 6]
【００２９】となる。で求められた前記関節角度修正
量θcompを上位コントローラからの関節指令に加算する
事で、外乱の大きさや方向に対してロボットの位置を逐
次修正して外乱を吸収することが可能になる。例えば、
スポット溶接作業でガンのチップがワークに接触した場
合を例に説明する。予め教示された位置よりも早い段階
で固定側のチップがワークと接触した場合には、通常の
位置速度制御であれば位置速度ループの高ゲインにより
ロボットに過大な力を発生させ、ガンやワークを破損さ
せる危険性があった。本制御を用いるとチップに作用す
る力を外乱演算部により作業座標系での外乱力として検
出して、その方向に力制御を行い、関節角度修正量を求
めることで、ロボットが過大な力を発生させないように
できる。It becomes By adding the joint angle correction amount θcomp obtained in step 1 to the joint command from the host controller, the position of the robot can be sequentially corrected with respect to the magnitude and direction of the disturbance to absorb the disturbance. For example,
The case where the tip of the gun comes into contact with the work during spot welding will be described as an example. If the fixed-side tip comes into contact with the work at an earlier stage than the position taught in advance, normal position / speed control will cause excessive force to be generated in the robot by the high gain of the position / speed loop, and the gun or work There was a risk of damaging the. With this control, the force acting on the tip is detected as a disturbance force in the work coordinate system by the disturbance calculation unit, force control is performed in that direction, and the joint angle correction amount is calculated to allow the robot to generate an excessive force. It can be prevented from occurring.
【００３０】以下に、本発明の第２の具体的実施例を図
３に示して、関節座標系での位置速度制御に本発明の制
御を適用した制御ブロック線図を説明する。ここでは、
前記第１の具体的実施例において、（１）の運動トルク
演算方法の処理に差異がある。
（１’）運動トルク演算方法
上位コントローラから位置速度制御ループ11への入力で
ある関節指令を運動トルク演算部15に入力する。運動ト
ルク演算部15内では、前記位置速度制御系11とは別の第
２の位置速度制御系115に前記関節指令が入力され、実
際のロボット機構部を模擬した機械系模擬回路118の位
置速度制御を行う。第2の位置速度制御系115の位置ルー
プゲインＫｐ116は、位置速度制御ループ11の位置ルー
プゲインＫｐ111と同一のパラメータ値である。また同
様に、第2の位置速度制御系115の速度ループゲインＫｖ
117は、位置速度制御ループ11の速度ループゲインＫｐ1
12と同一のパラメータ値である。ここで、機械系模擬回
路118は、関節モータ13と同一のイナーシャと粘性係数
と剛性を持った仮想的な制御系で構成されており、例え
ばモータイナーシャと２次側イナーシャと減速器から構
成される２慣性系モデルである。この２慣性系モデルが
実際のロボットと同一であれば、外乱がない場合には実
際のロボットと仮想ロボットの挙動は同じになり、前記
第１の位置速度制御系11の出力であるトルク指令と前記
第２の位置速度制御系115の出力であるトルク指令は同
一と考えられる。よって、前記第２の位置速度制御系11
5の出力であるトルク指令を運動トルクとして使用す
る。その後の処理は、前記第１の具体的実施例における
（２）〜（４）と同一の処理を行えば良い。A second specific embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. 3 to describe a control block diagram in which the control of the present invention is applied to the position / speed control in the joint coordinate system. here,
In the first specific example, there is a difference in the processing of the motion torque calculation method of (1). (1 ′) Motion torque calculation method The joint command, which is an input to the position / speed control loop 11 from the host controller, is input to the motion torque calculation unit 15. In the motion torque calculation unit 15, the joint command is input to a second position / speed control system 115, which is different from the position / speed control system 11, and the position / speed of a mechanical system simulating circuit 118 simulating an actual robot mechanism unit is input. Take control. The position loop gain Kp116 of the second position / speed control system 115 has the same parameter value as the position loop gain Kp111 of the position / speed control loop 11. Similarly, the velocity loop gain Kv of the second position / velocity control system 115
117 is the speed loop gain Kp1 of the position / speed control loop 11.
It has the same parameter value as 12. Here, the mechanical system simulation circuit 118 is composed of a virtual control system having the same inertia as the joint motor 13 and a viscosity coefficient and rigidity, and is composed of, for example, a motor inertia, a secondary inertia and a speed reducer. Is a two-inertia model. If this two-inertia system model is the same as that of the actual robot, the behavior of the actual robot and that of the virtual robot are the same when there is no disturbance, and the torque command output from the first position / speed control system 11 The torque command output from the second position / speed control system 115 is considered to be the same. Therefore, the second position / speed control system 11
The torque command, which is the output of 5, is used as the motion torque. As the subsequent processing, the same processing as (2) to (4) in the first specific example may be performed.
【００３１】次に、本発明の第１の実施例で説明した制
御の作用をスポット溶接の位置教示作業を例にして、図
４を用いて説明する。スポット溶接の位置教示作業は、
作業者が操作ペンダントなどを使用して手先にスポット
溶接ガン41を配置したロボットを誘導することで、ワー
ク43上の決められた打点位置に対して、スポット溶接ガ
ン41の固定側電極44と、スポット溶接ガン41の他端に配
置した可動側電極駆動用モータ42によって駆動される可
動側電極45を位置決めして位置を登録するものである。
通常の位置速度制御を用いた場合では、作業者は以下の
手順で教示作業を行っていた。
（ａ）待機位置へ移動
スポット溶接ガン41上の固定側電極44と可動側電極45の
間が十分に広い待機状態で、固定側電極44と可動側電極
45を結んだ線上にワーク43の打点位置が入るようにロボ
ットを誘導する。
（ｂ）固定側電極の移動
作業者は、固定側電極44がワーク43の打点位置に下方か
ら接触する寸前までロボットを非常に低速で動作させな
ければならない。
（ｃ）可動側電極の移動
固定側電極44の移動完了後に、可動側電極駆動用モータ
42を駆動して可動側電極45がワーク43の打点位置に上方
から接触する寸前までロボットを非常に低速で動作させ
なければならない。ここで、（ｂ）や（ｃ）の作業時に
電極とワークが接触した場合には、位置速度制御により
ロボットが過大な力を発生することでワーク43や固定側
電極44、ロボットの破損の危険性もあるため、作業者の
肉体的精神的疲労度が非常に大きく、教示時間も大幅に
必要としていた。Next, the operation of the control described in the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 4 by taking the position teaching work of spot welding as an example. The position teaching work of spot welding is
An operator uses an operation pendant or the like to guide the robot with the spot welding gun 41 placed at his or her hand, so that the fixed side electrode 44 of the spot welding gun 41, with respect to the determined spot position on the work 43, The movable side electrode 45 driven by the movable side electrode driving motor 42 arranged at the other end of the spot welding gun 41 is positioned and the position is registered.
When the normal position / speed control is used, the worker performs the teaching work in the following procedure. (A) Move to standby position In the standby state where the gap between the fixed electrode 44 and the movable electrode 45 on the spot welding gun 41 is sufficiently wide, the fixed electrode 44 and the movable electrode 45
Guide the robot so that the hitting point of the work 43 is on the line connecting the 45. (B) Moving the fixed-side electrode The operator must operate the robot at a very low speed until the fixed-side electrode 44 comes into contact with the impact point of the work 43 from below. (C) Movement of movable side electrode After completion of movement of fixed side electrode 44, movable side electrode driving motor
It is necessary to drive the robot 42 and operate the robot at a very low speed until the movable side electrode 45 comes into contact with the hitting position of the workpiece 43 from above. Here, when the electrode and the work come into contact with each other during the work of (b) and (c), the robot generates an excessive force due to the position / speed control, which may damage the work 43, the fixed electrode 44, or the robot. Therefore, the degree of physical and mental fatigue of the worker is very large, and the teaching time is also significantly required.
【００３２】次に、本作業における本発明の力制御の働
きを、詳細に説明する。
（ａ）待機位置へ移動
スポット溶接ガン41上の固定側電極44と可動側電極45の
間が十分に広い待機状態で、固定側電極44と可動側電極
45を結んだ線上にワーク43の打点位置が入るようにロボ
ットを誘導する。この誘導時には通常の位置速度制御の
ままである。
（ｂ）固定側電極の移動
作業者は、ロボットの動作モードを本力制御に切り替
え、例えばスポット溶接ガン41の固定側電極44と可動側
電極45を結んだ線を作業座標系のＺ軸に取った場合に
は、前記力制御部19の修正量選択部27により、Ｚ軸方向
の位置修正量の有効を選択し、その他のＸＹ軸に関して
は位置修正量の無効を選択する。次に、固定側電極44が
ワーク43の打点位置に下方から接触するまでロボットを
動作させる。固定側電極44がワーク43に接触した場合に
は、運動トルク演算部15の運動トルクと位置速度制御ル
ープ11の出力であるトルク指令に外乱トルク推定値とし
て差が発生し、この外乱トルク推定値を外力演算部18と
力制御部19と関節角度修正量演算部20により角度修正量
として演算し、関節指令に加算することで、固定側電極
44は過大な力をワーク43に加えることがなく接触した状
態を維持できる。
（ｃ）可動側電極の移動
固定側電極44の移動完了後に、可動側電極駆動用モータ
42を駆動して可動側電極45がワーク43の打点位置に上方
から接触するまでロボットを動作させる。ここで、可動
側電極駆動用モータ42の駆動の制御にも本力制御を行う
ことで、可動側電極45が過大な力をワーク43に加えるこ
とがなく接触した状態を維持できる。Next, the function of the force control of the present invention in this work will be described in detail. (A) Move to standby position In the standby state where the gap between the fixed electrode 44 and the movable electrode 45 on the spot welding gun 41 is sufficiently wide, the fixed electrode 44 and the movable electrode 45
Guide the robot so that the hitting point of the work 43 is on the line connecting the 45. During this guidance, the normal position / speed control remains. (B) The fixed-side electrode moving operator switches the operation mode of the robot to the main force control, and, for example, sets the line connecting the fixed-side electrode 44 and the movable-side electrode 45 of the spot welding gun 41 to the Z axis of the work coordinate system. If so, the correction amount selection unit 27 of the force control unit 19 selects the valid position correction amount in the Z-axis direction and selects the invalid position correction amount for the other XY axes. Next, the robot is operated until the fixed side electrode 44 comes into contact with the hitting position of the work 43 from below. When the fixed electrode 44 contacts the work 43, a difference occurs between the motion torque of the motion torque calculation unit 15 and the torque command output from the position / speed control loop 11 as a disturbance torque estimated value. Is calculated as an angle correction amount by the external force calculation unit 18, the force control unit 19, and the joint angle correction amount calculation unit 20, and is added to the joint command, so that the fixed electrode
44 can maintain the contact state without applying an excessive force to the work 43. (C) Movement of movable side electrode After completion of movement of fixed side electrode 44, movable side electrode driving motor
By driving 42, the robot is operated until the movable side electrode 45 comes into contact with the hitting position of the work 43 from above. Here, the main force control is also performed to control the driving of the movable-side electrode driving motor 42, so that the movable-side electrode 45 can be kept in contact with the work 43 without applying an excessive force.
【００３３】以下に、本発明の第３の具体的実施例を図
５に示して、関節座標系での位置速度制御に本発明の制
御を適用した制御ブロック線図を説明する。ここでは、
前記第１の具体的実施例において、外力演算方法の処理
に差異がある。また、ロボットは図８に示すスポット溶
接用ロボットを例に説明を行う。前記第１の具体的実施
例においては、外力の推定は手先に作用する力（Ｆｘ，
Ｆｙ，Ｆｚ）とモーメント（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）の６軸
であった。しかし、スポット溶接においてワークの位置
ズレなどに対してスポット溶接ガンの電極が自動的に位
置修正をして位置ズレに倣う場合には、電極の開閉方向
の接触力（Ｆｚ）のみを推定すれば良いため、電極開閉
方向の力のみを推定して処理を簡略化する。電極開閉方
向の外力の推定方法としては、ロボットのＪ１〜Ｊ３軸
で１つの外力の推定値Ｆ１を求め、Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６で
それぞれ外力の推定値Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４を求める。そし
て、前記４個の外力推定値の平均を取ることで、誤検出
低減や検出精度の向上を図ることが特徴である。（１）
運動トルク演算方法〜（２）外乱トルク推定方法までの
処理は、前記第１の具体的実施例における（１）〜
（２）と同一の処理を行えば良い。
（３”）外乱力推定値演算方法
外力推定値Ｆ１の演算方法は、前記第１の具体的実施例
における外力演算方法と同様に第１の外力演算部181
で、微小変位関係演算部17において求めた座標系間の微
小変位関係の転置逆行列24を用いることで、外乱トルク
推定部16の出力である外乱トルク推定値τpresumption
１〜３を作業座標系における外力推定値Ｆ１を求める。
ここで、電極の開閉方向の接触力推定であるため、ロボ
ットのＪ１〜Ｊ３軸からロボットの手首部分へのヤコビ
行列を求めるだけで良く、以下の式により演算すること
が可能である。A third specific embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. 5, and a control block diagram in which the control of the present invention is applied to position / speed control in a joint coordinate system will be described. here,
In the first specific example, there is a difference in the processing of the external force calculation method. Further, the robot will be described by taking the spot welding robot shown in FIG. 8 as an example. In the first specific example, the external force is estimated by the force (Fx,
There are 6 axes of Fy, Fz) and moment (Mx, My, Mz). However, in the spot welding, when the electrode of the spot welding gun automatically corrects the position of the work due to the position shift and the position shift is followed, it is necessary to estimate only the contact force (Fz) in the opening / closing direction of the electrode. Since it is good, the process is simplified by estimating only the force in the electrode opening / closing direction. As a method of estimating the external force in the electrode opening / closing direction, one estimated value F1 of the external force is obtained on the J1 to J3 axes of the robot, and the estimated values F2, F3, F4 of the external force are obtained at J4, J5 and J6, respectively. Then, by averaging the four external force estimation values, it is possible to reduce erroneous detection and improve detection accuracy. (1)
Motion torque calculation method- (2) Processing up to disturbance torque estimation method (1)-in the first specific example-
The same process as (2) may be performed. (3 ") Disturbance Force Estimated Value Calculation Method The calculation method of the external force estimated value F1 is the same as the external force calculation method in the first specific example described above.
Then, by using the transposed inverse matrix 24 of the minute displacement relationship between the coordinate systems obtained by the minute displacement relationship calculating section 17, the disturbance torque estimated value τpresumption which is the output of the disturbance torque estimating section 16 is used.
The external force estimated value F1 in the work coordinate system is calculated from 1 to 3.
Here, since the contact force in the opening / closing direction of the electrode is estimated, it is only necessary to obtain the Jacobian matrix from the J1 to J3 axes of the robot to the wrist portion of the robot, and the calculation can be performed by the following formula.
【００３４】[0034]
【数７】 [Equation 7]
【００３５】次に、外力推定値Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４の演算
方法の説明を行う。スポット溶接ではガンの両電極を閉
じることでワークを挟み込んで溶接を行うが、ロボット
側の固定電極がワークに接触し、外力Ｆがガンの電極開
閉方向に作用した場合の外力推定値Ｆ３を例に、図９を
用いて説明する。Ｊ５軸に作用するトルクτpresumptio
n５は、図９（ｂ）に示すように外力ＦとＪ６軸の角度
に依存しているため、以下の式で表すことができる。Next, a method of calculating the external force estimated values F2, F3 and F4 will be described. In spot welding, welding is performed by sandwiching the workpiece by closing both electrodes of the gun, but an external force estimated value F3 when the fixed electrode on the robot side contacts the workpiece and the external force F acts in the direction of opening and closing the electrode of the gun The description will be made with reference to FIG. Torque τpresumptio acting on J5 axis
Since n5 depends on the external force F and the angle of the J6 axis as shown in FIG. 9B, it can be expressed by the following equation.
【００３６】[0036]
【数８】 [Equation 8]
【００３７】よって、ガンの電極開閉方向に作用する外
力推定値Ｆ３（≒Ｆ）は以下の式で表すことができる。Therefore, the external force estimated value F3 (≈F) acting in the opening / closing direction of the gun electrode can be expressed by the following equation.
【００３８】[0038]
【数９】 [Equation 9]
【００３９】よって、第２の外力演算部182において、
外力推定値Ｆ３を求めることができた。同様に、Ｆ２、
Ｆ４についても演算を行う。次に、外力平均演算部28に
おいて、前記外力推定値Ｆ１〜Ｆ４の平均を取ること
で、外力平均値を求めることができる。
（４）角度修正量演算方法の処理も、前記第１の具体的
実施例における（４）と同一の処理を、前記外力平均値
を用いて行えば良い。Therefore, in the second external force calculation unit 182,
The external force estimated value F3 could be obtained. Similarly, F2,
The calculation is also performed for F4. Next, in the external force average calculator 28, the external force average value can be obtained by averaging the estimated external force values F1 to F4. (4) For the processing of the angle correction amount calculation method, the same processing as (4) in the first specific example may be performed using the external force average value.
【００４０】ただし、ここでは図示しないが、ガンの電
極開閉方向に作用する外力は前記第１の具体的実施例と
同様に、Ｊ４〜Ｊ６軸に作用するトルクとガンに設定し
た座標系からＪ４〜Ｊ６軸までのヤコビ行列とで演算す
ることも可能である。つまり、Ｊ１〜Ｊ３軸とＪ４〜Ｊ
６軸とでガンの開閉方向に作用する外力（Ｆｘ，Ｆｙ，
Ｆｚ）をそれぞれ推定することもできる。前記第３の具
体的実施例の場合には、この演算式を展開した一部を使
用している。このようにＪ４〜Ｊ６軸までのヤコビ行列
を使用することで、手先に作用する力（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆ
ｚ）が求められ、外力の作用する方向が１軸以上の場合
にも適用することが可能となる。Ｊ４〜Ｊ６軸までのヤ
コビ行列は、以下の演算を行う。Although not shown here, the external force acting in the opening / closing direction of the electrode of the gun is J4 based on the torque acting on the J4 to J6 axes and the coordinate system set to the gun, as in the first specific embodiment. It is also possible to calculate with the Jacobian matrix up to the J6 axis. That is, J1-J3 axes and J4-J
External force (Fx, Fy,
It is also possible to estimate each Fz). In the case of the third specific example, a part of this expanded arithmetic expression is used. By using the Jacobian matrix of the J4 to J6 axes in this way, the forces (Fx, Fy, F
z) is required, and it can be applied when the direction in which the external force acts is one axis or more. The Jacobian matrix on the J4 to J6 axes performs the following calculation.
【００４１】[0041]
【数１０】 [Equation 10]
【００４２】後は、前記第１の具体的実施例と同様に、
式を演算することで、外力推定値Ｆpresumption４〜
６を求めることができる。After that, as in the case of the first specific example,
External force estimated value Fpresumption4 ～
You can ask for 6.
【００４３】以下に、本発明の第４の具体的実施例を図
６に示して、関節座標系での位置速度制御に本発明の制
御を適用した制御ブロック線図を説明する。ここでは、
前記第３の具体的実施例において、力制御部と関節角度
修正量演算部の部分に差異がある。前記第１〜３の具体
的実施例では、外力に応じて角度修正量を演算すること
で、ロボットが外力に対して追従する制御方法について
述べたが、ここでは外力を検出することで、ロボットの
動作を停止させることを目的とする。また、ロボットは
図８に示すスポット溶接用ロボットの教示作業を例に説
明を行う。作業者は、ロボットを誘導することで、ロボ
ットの先端に配置されたスポット溶接用ガンの電極間に
ワークを挟み込む姿勢を作る。このときには、両電極と
ワークには十分な距離がある。次に、作業者はガンの電
極の固定側（つまりロボット）を上昇させる（ワークに
近づく方向に移動させる）。ここから、前記第３の具体
的実施例における（１）〜（３”）と同一の処理を行
い、外力平均部28において外力平均値を求める。
（４’）停止処理方法
停止処理部29において、求められた前記外力平均値と予
め設定された検出しきい値を比較することで、ガンの固
定電極がワークに接触した際に、ロボットの動作を停止
させる。ロボットが自動的に停止することでスポット溶
接の教示作業が自動的に行え、作業者の肉体的精神的負
担を軽減することができる。また、図示しないが、外部
の周辺機器からロボットが力を加えられる場合には、ロ
ボットを停止させる代わりに外部の周辺機器に停止信号
を出力しても良い。A fourth specific embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. 6, and a control block diagram in which the control of the present invention is applied to position / speed control in a joint coordinate system will be described. here,
In the third specific example, there is a difference between the force control section and the joint angle correction amount calculation section. In the first to third specific examples, the control method in which the robot follows the external force by calculating the angle correction amount according to the external force has been described, but here, the robot is detected by detecting the external force. The purpose is to stop the operation of. Further, the robot will be described by taking the teaching work of the spot welding robot shown in FIG. 8 as an example. The operator guides the robot to create a posture in which the workpiece is sandwiched between the electrodes of the spot welding gun arranged at the tip of the robot. At this time, there is a sufficient distance between both electrodes and the work. Next, the operator raises the fixed side of the gun electrode (that is, the robot) (moves it toward the work). From this, the same processing as (1) to (3 ″) in the third specific embodiment is performed, and the external force average value is obtained in the external force average unit 28. (4 ′) Stop processing method In the stop processing unit 29. By comparing the obtained external force average value with a preset detection threshold value, the operation of the robot is stopped when the fixed electrode of the gun contacts the workpiece. The spot welding instruction work can be performed automatically by using, and the physical and mental burden on the operator can be reduced.Although not shown, the robot can be operated when force is applied from an external peripheral device. Instead of stopping, a stop signal may be output to an external peripheral device.
【００４４】以下に、本発明の第５の具体的実施例を図
７に示して、関節座標系での位置速度制御に本発明の制
御を適用した制御ブロック線図を説明する。ここでは、
前記第４の具体的実施例において、ロボット軸以外に外
部軸を用いた部分に差異がある。前記第４の具体的実施
例では、ロボットの各軸によりエンドエフェクタの制御
点に作用する外力を推定したが、ここでは外部軸に作用
する外力推定値と前記ロボットの外力推定値との差を求
め、実際にワークに作用している力が釣り合っているか
どうかを作業者に提示したり、前記第１の具体的実施例
と同様に位置の修正量を求めたりする。また、ロボット
は、前記第４の具体的実施例と同様に、図８に示すスポ
ット溶接用ロボットの教示作業を例に説明を行う。作業
者は、ロボットを誘導することで、ロボットの先端に配
置されたスポット溶接用ガンの電極間にワークを挟み込
む姿勢を作る。このときには、両電極とワークには十分
な距離がある。次に、作業者はガンの電極の固定側（つ
まりロボット）を上昇させる（ワークに近づく方向に移
動させる）。ここから、前記第３又は４の具体的実施例
における（１）〜（３”）と同一の処理を行い、外力平
均部28において外力平均値を求める。
（４”）外部軸の外乱力推定値演算方法
外部軸を駆動するモータの制御系に対しても、（１）〜
（３）のロボットの各軸と同様に外乱トルク推定値τpr
esumption-ex１を求める。ここで、ガン駆動部分の重力
と摩擦成分はロボット同様に運動トルク演算部15におい
て、別途補償しておく。次に、第３の外力演算部183に
おいて、前記外乱トルク推定値τpresumption-ex１か
ら、外乱力推定値F5を演算する。ここで例えば、ガンの
可動電極の駆動がリードｎのボールネジの場合、以下の
式で外乱力推定値Ｆ５を求めることができる。A fifth specific embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. 7, which is a control block diagram in which the control of the present invention is applied to the position / speed control in the joint coordinate system. here,
In the fourth specific example, there is a difference in a portion using an external axis in addition to the robot axis. In the fourth specific example, the external force acting on the control point of the end effector was estimated by each axis of the robot. Here, the difference between the estimated external force acting on the external axis and the estimated external force of the robot is calculated. Then, the operator is informed of whether or not the forces actually acting on the work are in balance, or the position correction amount is calculated as in the first specific example. Further, the robot will be described by taking the teaching work of the spot welding robot shown in FIG. 8 as an example, as in the case of the fourth specific example. The operator guides the robot to create a posture in which the workpiece is sandwiched between the electrodes of the spot welding gun arranged at the tip of the robot. At this time, there is a sufficient distance between both electrodes and the work. Next, the operator raises the fixed side of the gun electrode (that is, the robot) (moves it toward the work). From here, the same processing as (1) to (3 ") in the third or fourth specific embodiment is performed, and the external force average value is obtained in the external force averaging unit 28. (4") Disturbance force estimation of the external shaft Value calculation method Even for the control system of the motor that drives the external axis, (1) ~
Disturbance torque estimated value τpr as with each axis of the robot in (3)
Request esumption-ex1. Here, the gravitational force and the frictional component of the gun driving portion are separately compensated in the motion torque calculation unit 15 like the robot. Next, the third external force calculation unit 183 calculates the estimated disturbance force value F5 from the estimated disturbance torque value τpresumption-ex1. Here, for example, when the movable electrode of the gun is driven by the ball screw of the lead n, the disturbance force estimated value F5 can be obtained by the following formula.
【００４５】[0045]
【数１１】 [Equation 11]
【００４６】（５）外力提示方法
外力差演算部30において、前記外力推定値Ｆ５と前記外
力平均値との差を求め、ロボットコントローラに接続さ
れた操作ペンダント31上に表示する。または、図示しな
いが、操作ペンダントに表示する代わりに、停止処理部
29において、求められた前記外力平均値と予め設定され
た検出しきい値を比較することで、ガンの固定電極がワ
ークに接触した際に、ロボットの動作を停止でき、ガン
の可動電極がワークに接触した際にもガンの動作を停止
させることができる。また、両電極がワークに対して作
用している力を同じになるように力制御を行うことでワ
ークに無理な変形を生じさせず、品質を向上させること
ができる。よって、ロボットやガンが自動的に停止する
ことでスポット溶接の教示作業が自動的に行え、作業者
の肉体的精神的負担を軽減することができる。(5) External Force Presentation Method The external force difference calculation unit 30 obtains the difference between the estimated external force F5 and the average external force and displays it on the operation pendant 31 connected to the robot controller. Alternatively, although not shown, instead of displaying on the operation pendant, the stop processing unit
In 29, by comparing the obtained external force average value with a preset detection threshold, the robot's operation can be stopped when the fixed electrode of the gun contacts the work, and the movable electrode of the gun can work. It is possible to stop the operation of the gun when it comes into contact with. Further, by performing force control so that the forces acting on the work by both electrodes are the same, it is possible to improve the quality without causing an unreasonable deformation of the work. Therefore, the teaching work of spot welding can be automatically performed by automatically stopping the robot and the gun, and the physical and mental burden on the operator can be reduced.
【００４７】[0047]
【発明の効果】以上述べたように、請求項１のロボット
の制御装置によれば、ロボットにより接触作業を行わせ
る際に、センサなどを用いることなく、ストロークの大
きな変位にも対応できる作業座標系の柔軟な倣い動作が
可能となる。請求項２記載のロボットの制御装置によれ
ば、ロボットの動作に必要な運動トルクを演算すること
により、より正確な外乱トルクを求めることが可能であ
る。請求項３記載のロボットの制御装置によれば、実際
のロボットと同一のパラメータを持つモデルを用いた位
置速度制御系からのトルク指令を運動トルクとして使用
することにより、より正確な外乱トルクを求めることが
可能である。請求項４記載のロボットの制御装置によれ
ば、修正量の有効または無効を選択できるため、作業に
応じてロボットに柔軟な軸方向と剛性の高い軸方向を選
択することが可能になる。請求項５記載のロボット制御
装置によれば、外力の推定を複数個の平均から求めるこ
とで、検出精度を上げ、誤検出を減らすことができる。
請求項６記載のロボット制御装置によれば、ロボットと
外部軸が作業対象に対して加えている外力を検出するこ
とができるため、製品の品質を上げることができる。請
求項７記載のロボット制御装置によれば、ロボットと外
部軸が作業対象に対して加えている合成した外力を検出
することができるため、製品の品質を上げることができ
る。請求項８記載のロボット制御装置によれば、推定し
た外力と予め設定されたしきい値を比較することで、ロ
ボットが作業対象と接触した場合に自動的にロボットを
停止させることができ、作業者の負担を減らすことがで
きる。請求項９記載のロボット制御装置によれば、前記
外力、前記外力平均値又は前記外力差演算値を操作ペン
ダント上に表示することで、作業者が接触状態を判断す
ることができ、ワークやロボットの破損を回避すること
ができる。請求項１０記載のロボットの制御方法によれ
ば、修正量の有効または無効を選択できるため、作業に
応じてロボットに柔軟な軸方向と剛性の高い軸方向を選
択することが可能になる。請求項１１記載のロボットの
制御方法によれば、ロボット軸と外部軸の修正量を有効
または無効を選択できるため、作業に応じてロボットに
柔軟な軸方向と剛性の高い軸方向を選択することが可能
になる。As described above, according to the robot controller of the first aspect of the present invention, when the robot performs the contact work, it is possible to cope with a large stroke displacement without using a sensor or the like. A flexible copying operation of the system becomes possible. According to the robot control device of the second aspect, it is possible to obtain a more accurate disturbance torque by calculating the motion torque required for the operation of the robot. According to the robot control device of the third aspect, a more accurate disturbance torque is obtained by using the torque command from the position / speed control system using the model having the same parameters as the actual robot as the motion torque. It is possible. According to the robot control device of the fourth aspect, it is possible to select whether the correction amount is valid or invalid. Therefore, it is possible to select a flexible axial direction and a highly rigid axial direction for the robot according to the work. According to the robot control device of the fifth aspect, the estimation of the external force is obtained from a plurality of averages, so that the detection accuracy can be increased and erroneous detection can be reduced.
According to the robot control device of the sixth aspect, it is possible to detect the external force applied to the work target by the robot and the external shaft, so that the quality of the product can be improved. According to the robot control device of the seventh aspect, it is possible to detect the combined external force applied to the work target by the robot and the external shaft, so that the quality of the product can be improved. According to the robot control device of claim 8, by comparing the estimated external force with a preset threshold value, the robot can be automatically stopped when the robot comes into contact with the work target. The burden on the person can be reduced. According to the robot control device of claim 9, by displaying the external force, the external force average value, or the external force difference calculation value on the operation pendant, the worker can judge the contact state, and the work or the robot. The damage of can be avoided. According to the robot control method of the tenth aspect, since it is possible to select valid or invalid of the correction amount, it is possible to select a flexible axial direction and a highly rigid axial direction for the robot according to the work. According to the robot control method of claim 11, since it is possible to select valid or invalid correction amounts of the robot axis and the external axis, it is possible to select a flexible axial direction and a highly rigid axial direction for the robot according to the work. Will be possible.
【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]
【図１】本発明の第１の基本構成図FIG. 1 is a first basic configuration diagram of the present invention.
【図２】本発明の第１の具体的実施例を表す図FIG. 2 is a diagram showing a first specific example of the present invention.
【図３】本発明の第２の具体的実施例を表す図FIG. 3 is a diagram showing a second specific embodiment of the present invention.
【図４】本発明の作用を示す図FIG. 4 is a diagram showing the operation of the present invention.
【図５】本発明の第３の具体的実施例を表す図FIG. 5 is a diagram showing a third specific example of the present invention.
【図６】本発明の第４の具体的実施例を表す図FIG. 6 is a diagram showing a fourth specific example of the present invention.
【図７】本発明の第５の具体的実施例を表す図FIG. 7 is a diagram showing a fifth specific example of the present invention.
【図８】本発明のロボットを表す図FIG. 8 is a diagram showing a robot of the present invention.
【図９】本発明の力の作用を示す図FIG. 9 is a diagram showing the action of force of the present invention.
【図１０】従来の制御方式を示す図FIG. 10 is a diagram showing a conventional control method.
１１：位置速度制御ループ １２：アンプ １３：関節モータ １４：角度計測器 １５：運動トルク演算部 １６：外乱トルク推定部 １７：微小変位関係演算部 １８：外力演算部 １８１：第１の外力演算部 １８２：第２の外力演算部 １８３：第３の外力演算部 １９：力制御部 ２０：関節角度修正量演算部 ２１：トルク演算部 ２２：運動トルク加算部 ２３：ヤコビ行列 ２４：ヤコビ転置行列の逆行列 ２５：ヤコビ行列の逆行列 ２６：インピーダンス制御部 ２７：修正量選択部 ２８：外力平均演算部 ２９：停止処理部 ３０：外力差演算部 ３１：操作ペンダント ４１：スポット溶接ガン ４２：可動側電極駆動用モ ４３：ワーク ４４：固定側電極 ４５：可動側電極 １１１：位置ループゲイン １１２：速度ループゲイン １１３：比例器 １１４：積分器 １１５：第２の位置速度制御系 １１６：位置ループゲイン １１７：速度ループゲイン １１８：機械系模擬回路 11: Position / speed control loop 12: Amplifier 13: Joint motor 14: Angle measuring device 15: Motion torque calculation unit 16: Disturbance torque estimation unit 17: Small displacement relation calculation unit 18: External force calculation unit 181: First external force calculation unit 182: Second external force calculation unit 183: Third external force calculation unit 19: Force control unit 20: Joint angle correction amount calculation unit 21: Torque calculation unit 22: Exercise torque addition unit 23: Jacobian matrix 24: Inverse of Jacobi transposed matrix 25: Inverse of Jacobian matrix 26: Impedance control unit 27: Correction amount selection section 28: External force average calculation unit 29: Stop processing unit 30: External force difference calculation unit 31: Operation pendant 41: Spot welding gun 42: Movable side electrode driving mode 43: Work 44: Fixed side electrode 45: movable electrode 111: Position loop gain 112: Velocity loop gain 113: Proportionator 114: integrator 115: Second position / speed control system 116: Position loop gain 117: Velocity loop gain 118: Mechanical system simulation circuit
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3C007 AS11 KT15 LU08 LV19 LW05 MS23 MT00 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page F-term (reference) 3C007 AS11 KT15 LU08 LV19 LW05 MS23 MT00
Claims (11)
制御するために前記各軸毎に位置速度制御系を含むロボ
ットの制御装置において、 前記サーボモータの関節座標系に関する関節角度を計測
する角度計測器と、 関節指令をもとに前記サーボモータの運動に必要な運動
トルク指令を演算する運動トルク演算部と、 前記位置速度制御系から演算された位置速度トルク指令
と前記運動トルク指令とから外乱トルクを演算する外乱
トルク推定部と、 前記関節角度をもとに前記ロボットの作業座標系と前記
サーボモータの関節座標系との微小変位関係を演算する
微小変位関係演算部と、 前記外乱トルクと前記微小変位関係を用いて作業座標系
での外力に変換する外力演算部と、 前記外力をもとに前記ロボットの作業座標系での位置修
正量を演算する力制御部と、 前記位置修正量と前記微小変位関係を用いて前記関節座
標系での関節角度修正量に変換する関節角度修正量演算
部とを備えたことを特徴とするロボットの制御装置。1. A robot controller including a position / speed control system for each axis for controlling a servo motor for driving each axis of the robot, the angle measuring a joint angle with respect to a joint coordinate system of the servo motor. From a measuring instrument, a motion torque calculation unit that calculates a motion torque command necessary for the motion of the servomotor based on a joint command, a position speed torque command calculated from the position speed control system, and the motion torque command. A disturbance torque estimation unit that calculates a disturbance torque; a minute displacement relation calculation unit that calculates a minute displacement relation between the work coordinate system of the robot and the joint coordinate system of the servo motor based on the joint angle; And an external force calculation unit that converts the external force into an external force in the work coordinate system by using the minute displacement relationship, and a position correction amount of the robot in the work coordinate system based on the external force. And a joint angle correction amount calculation unit for converting into a joint angle correction amount in the joint coordinate system using the position correction amount and the minute displacement relationship. .
関節部の重力トルクを演算する重力トルク演算部と、 前記サーボモータの加速度トルクを演算する加速度トル
ク演算部と、 前記サーボモータの速度を維持するための速度トルクと
を演算する速度トルク演算部と、 前記重力トルクと前記加速度トルクと前記速度トルクと
を加算して運動トルクを演算する運動トルク加算部とか
らなることを特徴とする請求項１記載のロボットの制御
装置。2. The motion torque calculation unit calculates the gravity torque of a joint of the robot, a gravity torque calculation unit calculates an acceleration torque of the servo motor, and a speed of the servo motor. A velocity torque calculation unit that calculates a velocity torque for maintaining, and a motion torque addition unit that calculates a motion torque by adding the gravity torque, the acceleration torque, and the speed torque. Item 2. A robot controller according to Item 1.
御系とは異なる第２の位置速度制御系と、 ロボット機構部を模擬した機械系模擬回路とからなるこ
とを特徴とする請求項１記載のロボットの制御装置。3. The motion torque calculation unit comprises a second position / speed control system different from the position / speed control system, and a mechanical system simulation circuit simulating a robot mechanism unit. A control device for the described robot.
ボットの作業座標系での位置修正量を演算するインピー
ダンス制御部と、 前記位置修正量を有効または無効とする修正量選択部と
からなることを特徴とする請求項１乃至３記載のロボッ
ト制御装置。4. An impedance control unit for calculating a position correction amount of the robot in a work coordinate system based on the external force, and a correction amount selection unit for validating or invalidating the position correction amount. 4. The robot controller according to claim 1, comprising:
変位関係を用いて作業座標系の外力に変換する第１の外
力演算部と、 前記外乱トルクと外力の作用点と各軸まで距離を用いて
作業座標系の外力に変換する第２の外力演算部と、 前記第１の外力演算部と前記第２の外力演算部の各出力
の平均値を求めるロボット軸外力平均演算部とを備える
こと特徴とする請求項１乃至４記載のロボットの制御装
置。5. The first external force calculation unit, wherein the external force calculation unit converts the external force into an external force of a work coordinate system using the disturbance torque and a minute displacement relationship, a point of application of the external disturbance torque and the external force, and a distance to each axis. A second external force calculation unit for converting into an external force of the work coordinate system by using, and a robot axis external force average calculation unit for obtaining an average value of each output of the first external force calculation unit and the second external force calculation unit. The control device for a robot according to claim 1, further comprising:
外部軸とを制御するため位置速度系を含むロボットの制
御装置において、 前記ロボット軸の関節指令をもとに前記ロボット軸の運
動に必要な運動トルク指令を演算するロボット軸運動ト
ルク演算部と、 前記位置速度制御系から演算された位置速度トルク指令
と前記ロボット軸運動トルク指令とから外乱トルクを演
算するロボット軸外乱トルク推定部と、 前記ロボット軸外乱トルクを作業座標系での外力に変換
するロボット軸外力演算部と、 前記外部軸の関節指令をもとに前記外部軸の運動に必要
な運動トルク指令を演算する外部軸運動トルク演算部
と、 前記位置速度制御系から演算された位置速度トルク指令
と前記外部軸運動トルク指令とから外乱トルクを演算す
る外部軸外乱トルク推定部と、 前記外部軸外乱トルクを作業座標系での外力に変換する
外部軸外力演算部とを備えることを特徴とするロボット
の制御装置。6. A controller of a robot including a position / speed system for controlling a robot and an external axis which works in cooperation with the robot, wherein the robot axis movement is required for movement of the robot axis based on a joint command of the robot axis. A robot axis motion torque calculation unit that calculates a motion torque command; a robot axis disturbance torque estimation unit that calculates a disturbance torque from the position / speed torque command calculated from the position / speed control system and the robot shaft motion torque command; A robot axis external force calculation unit that converts the robot axis disturbance torque into an external force in the work coordinate system, and an external axis motion torque calculation that calculates a motion torque command necessary for the motion of the external axis based on the joint command of the external axis And an external axis disturbance torque calculating a disturbance torque from the position / speed torque command calculated from the position / speed control system and the external axis motion torque command. An estimation unit, a control apparatus for a robot, characterized in that it comprises an external shaft external-force calculating unit that converts the external axis disturbance torque to an external force in the work coordinate system.
ボット軸の外力と前記外部軸外力演算部の出力である外
部軸の外力とを差分して外力差演算値を求める外力差演
算部とを備えることを特徴とする請求項６記載のロボッ
トの制御装置。7. An external force difference calculation unit for obtaining an external force difference calculation value by making a difference between the robot shaft external force output from the robot shaft external force calculation unit and the external axis external force output from the external shaft external force calculation unit. 7. The robot control apparatus according to claim 6, further comprising:
外力差演算値が予め設定されたしきい値よりも大きい場
合には、前記ロボット各軸又は外部軸の少なくとも一つ
を停止させる停止処理部とを備えることを特徴とする請
求項１乃至７記載のロボットの制御装置。8. A stop for stopping at least one of each axis of the robot or an external axis when the external force or the external force difference calculated value output from the external force calculator is larger than a preset threshold value. The control device for a robot according to claim 1, further comprising a processing unit.
備え、 前記外力演算部の出力である前記外力を前記操作ペンダ
ント上に表示することを特徴とする請求項１乃至８記載
のロボットの制御装置。9. The robot controller according to claim 1, further comprising an operation pendant for operating the robot, wherein the external force output from the external force calculation unit is displayed on the operation pendant.
を制御するために前記各軸毎に位置速度制御系を含むロ
ボットの制御装置の制御方法において、 ロボット機構部と制御部をモデル化して算出したトルク
指令と前記位置速度制御系から出力されたトルク指令と
の差から外乱トルクを推定し、 前記外乱トルクと作業座標系における変位から外力を推
定し、 前記外力をもとにインピーダンス制御を行い位置修正量
を演算し、 前記位置修正量を有効または無効とすることを特徴とす
るロボット制御方法。10. A control method for a robot controller including a position / speed control system for each axis for controlling a servomotor for driving each axis of the robot, wherein the robot mechanism section and the control section are modeled and calculated. The disturbance torque is estimated from the difference between the torque command and the torque command output from the position / speed control system, the external force is estimated from the disturbance torque and the displacement in the work coordinate system, and impedance control is performed based on the external force. A robot control method comprising calculating a position correction amount and validating or invalidating the position correction amount.
る外部軸とを制御するため位置速度系を含むロボットの
制御装置の制御方法において、 ロボット及び外部軸をモデル化して算出したトルク指令
と前記位置速度制御系から出力されたトルク指令との差
から外乱トルクを推定し、 前記外乱トルクと作業座標系における変位から外力を推
定し、 前記外力をもとにインピーダンス制御を行い位置修正量
を演算し、 前記位置修正量を有効または無効とすることを特徴とす
るロボット制御方法。11. A method for controlling a robot control apparatus including a position / speed system for controlling a robot and an external axis working in cooperation with the robot, comprising: a torque command calculated by modeling the robot and the external axis; and the position. The disturbance torque is estimated from the difference between the torque command output from the speed control system, the external force is estimated from the disturbance torque and the displacement in the working coordinate system, and impedance control is performed based on the external force to calculate the position correction amount. A robot control method, wherein the position correction amount is enabled or disabled.
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