JP2014014902A - 制御システム、プログラム及び機械装置の制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 制御システム100は、機械装置10の制御システムであって、機械装置10の機械機構12に対応して設けられる力覚センサー20から力覚値を取得して、力覚値の補正処理を行う力覚値補正部120と、補正処理後の力覚値に基づいて、機械装置10の制御を行う制御部110を含み、力覚値補正部120は、機械装置10の複数の姿勢において得られた複数の力覚値に基づいて、補正処理を行う。
【選択図】 図8
Description
まず本実施形態の手法について説明する。従来、多くの機械装置において力覚センサーを用いた制御等が行われている。機械装置としては例えばロボットが考えられ、当該ロボットに設けられた力覚センサーからの力覚値に基づいて、ロボット制御が行われる。具体的には、ロボットの機械機構(狭義にはハンド等の手先構造物)にはたらく外力を力覚値として検出することで、インピーダンス制御等の力制御を行うことが可能になる。
第1の実施形態では、力覚センサーから取得した力覚値に基づいてエンドエフェクターの物理モデルを推定し、推定した物理モデルを用いた補正処理を行う手法について説明する。以下、システム構成例、物理モデルの推定処理、及び処理の詳細について説明する。
図8に本実施形態のロボット10、エンドエフェクター12、力覚センサー20、及びロボットの制御システム100を含むシステム(ここではロボットシステム)の構成例を示す。
第1の補正処理部において行われる固定部についての力覚値補正処理について説明する。図10に示したように、ある座標系1において、並進力がF、モーメントがMで与えられている場合を考える(F,Mは例えば3次元ベクトル)。この際、座標系2として、座標系2から座標系1への原点の並進ベクトルがt、座標系2から座標系1への回転行列がRとなる座標系を考えると、上記の力を座標系2において観察したばあい、その並進力F’及びモーメントM’は下式(1)を満たす。なお2式目の右辺第2項はベクトルの外積を表す。
M’=RM+t×F ・・・・・(1)
ここで、図11に示したように、センサー座標系を基準とした場合に、位置(x,y,z)に質量mを有するものとモデル化できるエンドエフェクター12により、力覚センサー20にはたらく力を計算する。ここでは、図12に示したように、図10の座標系2としてセンサー座標系を考え、図10の座標系1として質量中心位置(x,y,z)を原点、Z軸方向が鉛直上向きとなる座標系を考える。
次に本実施形態における物理モデルの推定処理について説明する。以下の説明では、物理モデルとは質量中心位置(力の作用点に相当)を表す(x,y,z)と、質量mにより表されるモデルとする。
本実施形態の力覚センサー20は一般的に用いられる6軸力覚センサーであり、X軸Y軸Z軸のそれぞれの並進力であるFx,Fy,Fzと、各軸まわりのモーメントであるMx,My,Mzを力覚値として取得する。エンドエフェクター12により力を加えるような作業をしていなければ、力覚値はエンドエフェクター12に起因する力(狭義にはエンドエフェクター12にはたらく重力に対応する力)となり、本実施形態ではこの状態においてエンドエフェクター12の物理モデルを推定するものとする。
Fy=−Fcosθ
Mz=−r×F ・・・・・(2)
上式(2)を変形することで下式(3)が得られる。
上記処理(例えば上式(8)を解く処理)により、質量中心位置を求めることができる。しかし、外力の方向が座標系(具体的には力覚センサーに設定されたセンサー座標系)の原点方向を向いているときには、質量中心位置を求めることができない。
図19のフローチャートを用いて本実施形態の補正処理の流れを説明する。この処理が開始されると、まず力覚センサー20からの出力値(補正処理前の力覚値)を取得する(ステップS101)。そして取得した力覚値に対して固定部に対応する補正処理を行う(ステップS102)。
第2の実施形態では、図5(A)、図5(B)に示したように、物理モデル化が困難なエンドエフェクター12を用いるケースについて説明する。なお、本実施形態の手法は、複雑な解析処理により物理モデル化を試みるものではなく、物理モデル化が可能か否かをシステムにより自動的に検出し、不可と判定された場合に従来のリセット処理に切り替えるというものである。
第3の実施形態では、図6(A)〜図6(C)に示したようにエンドエフェクター12が可変部を含む場合について説明する。本実施形態では、エンドエフェクター12としてハンドにより把持されるツール(図7(A)の12−2等)を考慮しなくてもよい場合、或いはツールを把持するがその把持位置が固定の場合等を想定しており、物理モデルが未知であったり、そもそも推定が不可であることはないものとする。つまり本実施形態では、エンドエフェクター12の形状、質量等は既知であるものの、例えば図6(B)に示したような指関節角の変化等により、当該エンドエフェクター12の物理モデルが変化する点を問題とする。
本実施形態のシステム構成例を図23に示す。第1の実施形態に比べて、力覚値補正部120の第2の補正処理部123、実行時パラメーター算出部126及び実行時パラメーター記憶部127が除かれ、第3の補正処理部122及び可変部パラメーター記憶部125が追加された構成となっている。
固定部の補正処理として第1の実施形態において上述したように、可変部についても質量中心位置を原点とする座標系1を設定した場合に、センサー座標系(座標系2)から座標系1への並進ベクトルt及び回転行列Rを求めることができれば、力覚値の補正処理が可能になる。
本実施形態の補正処理を図28のフローチャートを用いて説明する。この処理が開始されると、力覚センサー20からの出力値(補正処理前の力覚値)を取得する(ステップS501)。そして取得した力覚値に対して固定部に対応する補正処理を行う(ステップS502)。
第1〜第3の実施形態で説明した手法は、それぞれ独立に用いられるものに限定されず、複数を組み合わせてもよい。ここでは図4(A)に示したように、可変の指構造を有するハンドによりツールが把持され、且つ当該ツールの把持位置に自由度がある場合、さらに把持対象ツールの候補として図5(A)等に示した物理モデル化が困難なものも含まれる場合について考える。この場合には、エンドエフェクター12が可変部を有するため、第3の実施形態で説明した手法を用い、さらに物理モデルが未知であるため第1の実施形態で説明した推定手法を用いる必要がある。さらに物理モデル化そのものが不可能な場合もあり得るため、推定の可否を判定する第2の実施形態の手法も用いるとよい。
本実施形態のシステム構成例を図29に示す。図29に示したように、制御システム100の力覚値補正部120は、図8及び図23に示した各部を含む。なお、図23には不図示であるが、力覚値補正部120は、実行時パラメーター算出部126での算出結果に基づいて、制御部110に対して姿勢の変更を指示する姿勢変更指示部を含んでもよい。姿勢変更指示部は、第1の実施形態において上述した図8の力覚値補正部120に含まれてもよいものである。
本実施形態の補正処理を図30のフローチャートを用いて説明する。この処理が開始されると、力覚センサー20からの出力値(補正処理前の力覚値)を取得する(ステップS601)。そして取得した力覚値に対して固定部及び可変部に対応する補正処理を行う(ステップS602)。ステップS602での固定部の補正処理については第1の実施形態で説明した図20と同様であるため、詳細な説明は省略する。また、可変部の補正処理については、第3の実施形態で説明した図28のステップS503〜ステップS506と同様である。
t 並進ベクトル、
10 ロボット、12 エンドエフェクター、20 力覚センサー、
100 制御システム、110 制御部、120 力覚値補正部、
121 第1の補正処理部、122 第3の補正処理部、123 第2の補正処理部、
124 固定部パラメーター記憶部、125 可変部パラメーター記憶部、
126 実行時パラメーター算出部、127 実行時パラメーター記憶部、
130 姿勢情報取得部
Claims (23)
- 機械装置の制御システムであって、
前記機械装置の機械機構に対応して設けられる力覚センサーから力覚値を取得して、前記力覚値の補正処理を行う力覚値補正部と、
前記補正処理後の前記力覚値に基づいて、前記機械装置の制御を行う制御部と、
を含み、
前記力覚値補正部は、
前記機械装置の複数の姿勢において得られた複数の前記力覚値に基づいて、前記補正処理を行うことを特徴とする制御システム。 - 請求項1において、
前記力覚値補正部は、
前記機械装置の第1〜第N(Nは2以上の整数)の姿勢において得られた第1〜第Nの力覚値に基づいて、前記機械機構の質量中心位置を推定し、推定した前記質量中心位置に基づいて、前記補正処理を行うことを特徴とする制御システム。 - 請求項2において、
前記力覚値補正部は、
前記機械機構の質量、前記質量中心位置、及び前記機械装置の前記姿勢に基づいて、前記機械機構により前記力覚センサーに作用する前記力覚値を推定することで、前記補正処理を行うことを特徴とする制御システム。 - 請求項2又は3において、
前記力覚値補正部は、
前記機械装置の第1の姿勢において得られた第1の力覚値に基づいて、前記機械機構の前記質量中心位置を推定する処理を行い、
前記制御部は、
前記力覚値補正部により前記質量中心位置の推定が不可と判定された場合には、前記機械装置の姿勢を前記第1の姿勢とは異なる第2の姿勢に変更する制御を行い、
前記力覚値補正部は、
前記制御部により前記機械装置が第2の姿勢となる制御が行われた後に取得された第2の力覚値に基づいて、前記機械機構の前記質量中心位置を推定し、推定した前記質量中心位置に基づいて、前記補正処理を行うことを特徴とする制御システム。 - 請求項2乃至4のいずれかにおいて、
前記力覚値補正部は、
推定した前記質量中心位置が所定誤差以内ではないと判定された場合には、エラー処理を実行することを特徴とする制御システム。 - 請求項5において、
前記力覚値補正部により推定された前記質量中心位置が所定誤差以内ではないと判定された場合には、
前記制御部は、
前記機械装置の姿勢を所与の姿勢とする制御を行い、
前記力覚値補正部は、
前記制御部により前記機械装置が前記所与の姿勢となる制御が行われた後の前記力覚値を取得し、取得した前記力覚値に対応する値をオフセット値として設定し、設定した前記オフセット値によるオフセット除去処理を、前記エラー処理として実行することを特徴とする制御システム。 - 請求項2乃至6のいずれかにおいて、
前記力覚センサーが、X軸、Y軸及びZ軸の並進力Fx,Fy,Fzと、各軸まわりのモーメントMx,My,Mzを取得する6軸力覚センサーである場合に、
前記力覚値補正部は、
Fx,Fy及びMzにより決定される第1の平面と、Fy,Fz及びMxにより決定される第2の平面と、Fz,Fx及びMyにより決定される第3の平面を求め、
前記第1〜第3の平面の交点を前記質量中心位置として推定することを特徴とする制御システム。 - 請求項8において、
前記力覚値補正部は、
前記行列Mが正則でない場合に、前記質量中心位置の推定が不可であると判定することを特徴とする制御システム。 - 請求項2乃至9のいずれかにおいて、
前記力覚値補正部は、
前記質量中心位置及び、前記機械機構の質量を含む情報を実行時パラメーターとして算出する実行時パラメーター算出部と、
算出された前記実行時パラメーターを記憶する実行時パラメーター記憶部と、
を含むことを特徴とする制御システム。 - 請求項10において、
前記力覚値補正部は、
前記実行時パラメーター記憶部に記憶された前記実行時パラメーターを読み出し、前記実行時パラメーターと前記機械装置の姿勢とに基づいて、前記機械機構が前記力覚センサーに及ぼす力をオフセット値として算出し、算出した前記オフセット値により前記力覚値の前記補正処理を行うことを特徴とする制御システム。 - 請求項1乃至11のいずれかにおいて、
前記機械機構が有する可変部の姿勢情報を取得する姿勢情報取得部を含み、
前記力覚値補正部は、
前記可変部の前記姿勢情報に基づいて、前記可変部の前記質量中心位置を推定して前記補正処理を行うことを特徴とする制御システム。 - 機械装置の制御システムであって、
前記機械装置の機械機構に対応して設けられる力覚センサーから力覚値を取得して、前記力覚値の補正処理を行う力覚値補正部と、
前記補正処理後の前記力覚値に基づいて、前記機械装置の制御を行う制御部と、
前記機械機構が有する可変部の姿勢情報を取得する姿勢情報取得部と、
を含み、
前記力覚値補正部は、
前記可変部の前記姿勢情報に基づいて、前記可変部の質量中心位置を推定して前記補正処理を行うことを特徴とする制御システム。 - 請求項12又は13において、
前記姿勢情報取得部は、
前記機械装置の前記姿勢情報を取得し、
前記力覚値補正部は、
前記機械機構に含まれる固定部の前記質量中心位置と、前記機械装置の前記姿勢情報に基づく第1の補正処理と、
前記可変部の前記姿勢情報に基づいて推定された前記可変部の前記質量中心位置と、前記機械装置の前記姿勢情報に基づく第2の補正処理を、
前記補正処理として実行することを特徴とする制御システム。 - 請求項14において、
前記力覚値補正部は、
前記固定部の前記質量中心位置と、前記固定部の質量を含む情報を固定部パラメーターとして記憶する固定部パラメーター記憶部と、
前記可変部に対応して設定された座標系における前記可変部の前記質量中心位置と、前記可変部の前記質量を含む情報を可変部パラメーターとして記憶する可変部パラメーター記憶部と、
を含むことを特徴とする制御システム。 - 請求項15において、
前記力覚値補正部は、
前記固定部パラメーター記憶部に記憶された前記固定部パラメーターを読み出し、前記固定部パラメーターと前記機械装置の前記姿勢情報とに基づいて、前記固定部が前記力覚センサーに及ぼす力をオフセット値として算出し、算出した前記オフセット値により前記第1の補正処理を行うことを特徴とする制御システム。 - 請求項15において、
前記力覚値補正部は、
前記可変部パラメーター記憶部に記憶された前記可変部パラメーターを読み出し、前記可変部パラメーター、前記可変部の前記姿勢情報、及び前記機械装置の前記姿勢情報に基づいて、前記可変部が前記力覚センサーに及ぼす力をオフセット値として算出し、算出した前記オフセット値により前記第2の補正処理を行うことを特徴とする制御システム。 - 請求項1乃至12のいずれかにおいて、
前記機械装置は、ロボットであり、
前記機械機構は、前記ロボットのエンドエフェクターであり、
前記力覚値補正部は、
前記ロボットの前記エンドエフェクターに対応して設けられる前記力覚センサーから、前記ロボットの複数の姿勢において得られた複数の前記力覚値を取得し、取得した複数の前記力覚値に基づいて前記力覚値の補正処理を行い、
前記制御部は、
前記補正処理後の前記力覚値に基づいて、前記ロボットの制御を行うことを特徴とする制御システム。 - 請求項12乃至17のいずれかにおいて、
前記機械装置は、ロボットであり、
前記機械機構は、前記ロボットのエンドエフェクターであり、
前記可変部は、前記エンドエフェクターを構成するパーツであり、
前記姿勢情報取得部は、
前記エンドエフェクターの前記パーツである前記可変部の前記姿勢情報を取得し、
前記力覚値補正部は、
前記ロボットの前記エンドエフェクターに対応して設けられる前記力覚センサーから力覚値を取得し、前記可変部の前記姿勢情報に基づいて、前記可変部の前記質量中心位置を推定して前記力覚値の補正処理を行い、
前記制御部は、
前記補正処理後の前記力覚値に基づいて、前記ロボットの制御を行うことを特徴とする制御システム。 - 機械装置の機械機構に対応して設けられる力覚センサーから力覚値を取得して、前記力覚値の補正処理を行う力覚値補正部と、
前記補正処理後の前記力覚値に基づいて、前記機械装置の制御を行う制御部として、
コンピューターを機能させ、
前記力覚値補正部は、
前記機械機構の複数の姿勢において得られた複数の前記力覚値に基づいて、前記補正処理を行うことを特徴とするプログラム。 - 機械装置の機械機構に対応して設けられる力覚センサーから力覚値を取得して、前記力覚値の補正処理を行う力覚値補正部と、
前記補正処理後の前記力覚値に基づいて、前記機械装置の制御を行う制御部と、
前記機械機構が有する可変部の姿勢情報を取得する姿勢情報取得部として、
コンピューターを機能させ、
前記力覚値補正部は、
前記可変部の前記姿勢情報に基づいて、前記可変部の質量中心位置を推定して前記補正処理を行うことを特徴とするプログラム。 - 機械装置の機械機構に対応して設けられる力覚センサーから力覚値を取得して、前記力覚値の補正処理を行い、
前記補正処理後の前記力覚値に基づいて、前記機械装置の制御を行い、
前記補正処理として、前記機械機構の複数の姿勢において得られた複数の前記力覚値に基づいて、前記力覚値を補正する処理を行うことを特徴とする機械装置の制御方法。 - 機械装置の機械機構に対応して設けられる力覚センサーから力覚値を取得し、
前記機械機構が有する可変部の姿勢情報を取得し、
前記力覚値と前記可変部の前記姿勢情報に基づいて、前記力覚値の補正処理を行い、
前記補正処理後の前記力覚値に基づいて、前記機械装置の制御を行い、
前記補正処理として、前記可変部の前記姿勢情報に基づいて、前記可変部の質量中心位置を推定して、前記力覚値を補正する処理を行うことを特徴とする機械装置の制御方法。
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