JP2003245881A - ロボットの制御装置および制御方法 - Google Patents
ロボットの制御装置および制御方法Info
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- JP2003245881A JP2003245881A JP2002360053A JP2002360053A JP2003245881A JP 2003245881 A JP2003245881 A JP 2003245881A JP 2002360053 A JP2002360053 A JP 2002360053A JP 2002360053 A JP2002360053 A JP 2002360053A JP 2003245881 A JP2003245881 A JP 2003245881A
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】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装置
を提供する。 【解決手段】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１５と、外乱トルクを演
算する外乱トルク推定部１６と、ロボットの作業座標系
と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１７と、作業座標系での外力に変
換する外力演算部１８と、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９と、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２０とを備
えることを特徴とするロボットの制御装置。
きな変位にも対応できる作業座標系の力制御を行う装置
を提供する。 【解決手段】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１５と、外乱トルクを演
算する外乱トルク推定部１６と、ロボットの作業座標系
と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１７と、作業座標系での外力に変
換する外力演算部１８と、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９と、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２０とを備
えることを特徴とするロボットの制御装置。
Description
【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。
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。
【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）。
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）。
【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）。
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）。
【０００４】
【特許文献１】特開平８−２２７３２０号公報
【特許文献２】特開２０００−００５８８１号公報
【特許文献３】特開平１１−５８２８５号公報
【特許文献４】特開平９−１０３９４５号公報
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【００１６】
【数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。
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。
【００１８】
【数２】
【００１９】ここで、
Ｔ：転置行列を示す
−１：逆行列を示す
【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。
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。
【００２１】
【数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、
の式を代入すると、
【００２３】
【数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。
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。
【００２５】
【数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。
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。
【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。
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。
【００２８】
【数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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【００３４】
【数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。
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。
【００３６】
【数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。
力推定値Ｆ３（≒Ｆ）は以下の式で表すことができる。
【００３８】
【数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。
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。
【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。
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。
【００４１】
【数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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【００４５】
【数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。
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。
【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。
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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の基本構成図
【図２】本発明の第１の具体的実施例を表す図
【図３】本発明の第２の具体的実施例を表す図
【図４】本発明の作用を示す図
【図５】本発明の第３の具体的実施例を表す図
【図６】本発明の第４の具体的実施例を表す図
【図７】本発明の第５の具体的実施例を表す図
【図８】本発明のロボットを表す図
【図９】本発明の力の作用を示す図
【図１０】従来の制御方式を示す図
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
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
Ｆターム(参考） 3C007 AS11 KT15 LU08 LV19 LW05
MS23 MT00
Claims (11)
- 【請求項１】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
部とを備えたことを特徴とするロボットの制御装置。 - 【請求項２】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
らなることを特徴とする請求項１記載のロボットの制御
装置。 - 【請求項３】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こ
とを特徴とする請求項１記載のロボットの制御装置。 - 【請求項４】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。 - 【請求項５】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
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。 - 【請求項６】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ことを特徴とするロボット
の制御装置。 - 【請求項７】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
算部とを備えることを特徴とする請求項６記載のロボッ
トの制御装置。 - 【請求項８】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。 - 【請求項９】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請求項１乃至８記載
のロボットの制御装置。 - 【請求項１０】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
るロボット制御方法。 - 【請求項１１】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
るロボット制御方法。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002360053A JP4054984B2 (ja) | 2001-12-20 | 2002-12-12 | ロボットの制御装置および制御方法 |
| US10/735,241 US7212886B2 (en) | 2002-12-12 | 2003-12-12 | Robot control apparatus and method |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001-386915 | 2001-12-20 | ||
| JP2001386915 | 2001-12-20 | ||
| JP2002360053A JP4054984B2 (ja) | 2001-12-20 | 2002-12-12 | ロボットの制御装置および制御方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003245881A true JP2003245881A (ja) | 2003-09-02 |
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|---|---|---|---|
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| CN113260928A (zh) * | 2019-01-11 | 2021-08-13 | 欧姆龙株式会社 | 控制装置 |
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| WO2023128646A1 (ko) * | 2021-12-30 | 2023-07-06 | 울산과학기술원 | 재활 로봇 시스템 및 재활 로봇의 제어방법 |
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|---|---|---|---|---|
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2002
- 2002-12-12 JP JP2002360053A patent/JP4054984B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| CN115674188B (zh) * | 2022-09-20 | 2024-01-12 | 南方电网电力科技股份有限公司 | 基于双路滤波器的串联机械臂精确柔顺开环跟踪控制*** |
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