JP2019020826A - 力制御装置、力制御方法及び力制御プログラム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】制御対象の位置検出器と、制御対象の力センサ11と、制御対象の移動機構と、トルク指令値を入力とするモータを有する駆動装置と、トルク指令値を決定する演算装置とを備え、演算装置が、所定の動特性を有する仮想物体12及び位置制御器13を保持しており、制御対象に加える目標力及び力センサ11の測定値を仮想物体12に与えた場合の運動をシミュレートして算出される次の時刻の位置を算出し、位置制御器13に次の時刻における目標位置として与えたときに算出されるトルクを求め、当該トルクが予め設定された所定の範囲外にある場合は、当該所定の範囲の境界値及び前記トルクに基づいて代数ループを用いて、仮想物体12の次の時刻における位置を定める。
【選択図】図2
Description
本実施形態に係る力制御装置について、図1ないし図5を用いて説明する。図1は、従来の力制御装置の処理概念の一例を示す機能ブロック図であり、図2は、本実施形態に係る力制御装置の処理概念の一例を示す機能ブロック図である。図1に示すように、従来技術におけるアドミッタンス制御は、力センサ11の測定値fと目標力(制御対象であるロボット14に対して加える力)fdとから所定の動特性を有する仮想物体12の位置Pdを目標位置として求める。目標位置Pdを満たすように位置制御器13がロボット14のモータのトルク指令値τを算出する。外部からロボット14に加えられる力h、力センサ11の測定値f及びトルク指令値τに基づいて、ロボット14が位置Pに移動する。
Fを実数上の閉区間とする。それに対する飽和関数と法錐(Normal Cone)は下記のように定義される。
(2.1)連続時間表現
制御対象(ロボット14)の実際の位置をqs、仮想物体12の位置をqx、駆動装置42における発生力をτ、力センサ11の測定値をf、アドミッタンス制御器に与える目標力をfdとする(fd=0で固定してもよい)。また、目標位置をqxとしたときのロボット14の位置制御則が適切な関数Φcによって
制御器(11)の離散時間表現を導く。
代数包含式(14b)を解く方法を考える。ここで、以下のような仮定をおく。
仮定1 関数Φ(qx,qs,S)は引数qxについて厳密に単調増加である。
多くの典型的な制御器はこの仮定を満たす。この仮定のもとで、以下の式が成り立つことは明らかである。
仮定2 Φ(qx,qs,S)=K^(qx−Φp(qs,S))がすべてのqx,qs,Sに対して満たされる正の定数K^と関数Φp(qs,S)が存在する。
(3.1)関数Φcの例:目標加速度フィードフォワード付きPID制御の場合
目標加速度フィードフォワード付きPID制御の場合は、連続時間領域における制御器関数Φcは下記のように与えられる。
仮想物体の動特性が単純な慣性・粘性系で与えられている場合、動特性は、
(1)〜時刻A:力センサ11を手で持った状態で動作
(2)時刻B〜時刻C:力センサ11外の場所に力を加えている状態
(3)時刻C〜:ロボット14が動かないようにリンク部を手で固定したまま、力センサ1に力を加えている状態
のそれぞれにおける測定結果が示されている。グラフの一番上は、仮想物体12の位置とロボット14の位置とを示しており、真ん中は、力センサ11の測定値を示しており、一番下は、モータの駆動トルクを示している。
11 力センサ
12 仮想物体
13 位置制御器
14 ロボット
21 CPU
22 RAM
23 ROM
24 入出力I/F
40 演算装置
41 移動機構
42 駆動装置
Claims (9)
- 制御対象の位置を検出する位置検出器と、
前記制御対象が物体と接触する力を検出する力センサと、
前記制御対象を移動可能に保持する移動機構と、
トルク指令値を入力として前記移動機構を動作させるモータを有する駆動装置と、
前記トルク指令値を決定する演算装置とを備え、
前記演算装置が、
所定の動特性を有する仮想物体、及び位置制御則を保持しており、前記制御対象に加える目標力、及び前記力センサの測定値を前記仮想物体に与えた場合の運動をシミュレートして算出される次の時刻の位置を算出し、当該位置を前記位置制御則に次の時刻における目標位置として与えたときに算出されるトルクを求め、
前記トルクが予め設定された所定の範囲内にある場合は、前記トルクをトルク指令値として前記位置を前記仮想物体の次の時刻における位置と定め、
前記トルクが予め設定された所定の範囲外にある場合は、当該所定の範囲の境界値及び前記トルクに基づいて、前記仮想物体の次の時刻における位置が定められることを特徴とする力制御装置。 - 請求項1に記載の力制御装置において、
前記演算手段が、
前記トルクが予め設定された所定の範囲外にある場合に、当該所定の範囲の境界上にあって前記トルクに最も近いトルクをトルク指令値として定め、前記位置制御器が算出するトルク指令値が、定められた前記トルク指令値となる次の時刻における目標位置を算出し、当該目標位置を前記仮想物体の次の時刻の位置として定める力制御装置。 - 請求項2に記載の力制御装置において、
前記演算手段が、連続時間において、前記トルクをτ、前記所定のトルクの範囲をFとし、前記仮想物体の位置をqxとし、前記制御対象の実際の位置をqs、前記目標力をfd、前記力センサの測定値をfとし、前記仮想物体の前記所定動特性がある関数Γcによって
と表されるとした場合に、
を満たすようにqxが更新されてτが決定される力制御装置。(ただし、関数Φcはqsが目標値qxに追従するように定義された位置制御器とする。) - 請求項2に記載の力制御装置において、
前記演算手段が、離散時間中の時刻kにおいて、前記トルクをτ、前記所定のトルクの範囲をFとし、前記仮想物体の位置をqxとし、前記制御対象の実際の位置をqs、前記目標力をfd、前記力センサの測定値をfとし、前記仮想物体の前記所定動特性がある関数Γcによって
と表されるとした場合に、
を満たすようにqx(k)及びτ(k)が決定される力制御装置。(ただし、関数Φはqsが目標値qxに追従するように定義された位置制御器とし、S(k−1)は積分項、前ステップの測定位置ps(k−1)、前ステップの目標位置pd(k−1)などの制御器内に蓄えられた状態変数からなる集合であり、この関数の出力τ(k)を前記トルク指令値とする。) - 請求項4に記載の力制御装置において、
前記関数Γが、
の入出力関係を持つ関数で与えられる力制御装置(ここで、T、Mv及びBvは正の定数である)。 - 請求項4に記載の力制御装置において、
前記関数Φが、
のアルゴリズムと同一の入出力関係を持つ関数である力制御装置(ここで、A^、B、L、M及びTは正の定数である)。 - 請求項4に記載の力制御装置において、
qx(k)及びτ(k)を決定する計算が、
のアルゴリズムと同一の入出力関係を持つ力制御装置。 - コンピュータが、
制御対象の位置を検出する位置検出ステップと、
前記制御対象が物体と接触する力を検出する力検出ステップと、
トルク指令値を入力として前記移動機構を動作させるモータを有する駆動装置の前記トルク指令値を演算する演算ステップと、
前記演算ステップの演算結果に基づいて前記制御対象を移動する移動ステップとを実行し、
前記演算ステップが、
前記コンピュータの内部に保持された所定の動特性を有する仮想物体、及び位置制御則を用い、前記制御対象に加える目標力、及び前記力検出ステップの測定値を前記仮想物体に与えた場合の運動をシミュレートして算出される次の時刻の位置を算出し、当該位置を前記位置制御則に次の時刻における目標位置として与えたときに算出されるトルクを求め、
前記トルクが予め設定された所定の範囲内にある場合は、前記トルクをトルク指令値として前記位置を前記仮想物体の次の時刻における位置と定め、
前記トルクが予め設定された所定の範囲外にある場合は、当該所定の範囲の境界値及び前記トルクに基づいて、前記仮想物体の次の時刻における位置を定めることを特徴とする力制御方法。 - 制御対象の位置を検出する位置検出手段、
前記制御対象が物体と接触する力を検出する力検出手段、
トルク指令値を入力として前記移動機構を動作させるモータを有する駆動装置の前記トルク指令値を演算する演算手段、
前記演算手段の演算結果に基づいて前記制御対象の移動を制御する移動制御手段としてコンピュータを機能させ、
前記演算手段が、
前記コンピュータの内部に保持された所定の動特性を有する仮想物体、及び位置制御則を用い、前記制御対象に加える目標力、及び前記力検出ステップの測定値を前記仮想物体に与えた場合の運動をシミュレートして算出される次の時刻の位置を算出し、当該位置を前記位置制御則に次の時刻における目標位置として与えたときに算出されるトルクを求め、
前記トルクが予め設定された所定の範囲内にある場合は、前記トルクをトルク指令値として前記位置を前記仮想物体の次の時刻における位置と定め、
前記トルクが予め設定された所定の範囲外にある場合は、当該所定の範囲の境界値及び前記トルクに基づいて、前記仮想物体の次の時刻における位置を定めることを特徴とする力制御プログラム。
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