JP2019188520A - 再現装置 - Google Patents

Abstract

【課題】物体を壊さず且つ速度を落とさずに、事前に設定された外力及び位置に従った動作を実現可能とする。【解決手段】アクチュエータ１と、アクチュエータ１を移動する移動部３と、固定部１０１に対する可動部１０２の位置を検出する位置検出部４と、固定部１０１の加速度を検出する加速度検出部５と、検出された位置と基準位置Ｐｒとの差分に対してゲインを調整し、調整結果である電流指令値Ｉｒｐ及び加速度検出部５により検出された加速度に基づいて駆動電流Ｉａを出力するアクチュエータ制御部６１と、電流指令値Ｉｒｐ、又は、検出された加速度及び駆動電流Ｉａの電流値に基づいて、可動部１０２に加わる外力Ｆを検出する外力検出部６２と、外力及び位置の時系列を示す基準データに従い、検出された外力及び位置に基づいてアクチュエータ制御部６１及び移動部３を制御する作業制御部１１とを備えた。【選択図】図１

Description

この発明は、事前に設定された外力及び位置に従った動作を実現する再現装置に関する。

従来から、ロボットの作業教示方法に関し、ロボットの物体への接触圧を力データとして記録し、力センサの力の検出値がその力データと一致するように接触圧を制御する方法が提案されている（例えば特許文献１〜３参照）。これにより、熟練者の力加減を正確に伝え、再現することができる。

特開平７−２２２６１９号公報 特開２０１５−８５４９６号公報 特開２０１７−２１７７３８号公報

しかしながら、特許文献１〜３に開示された方法のように、力センサを用いた場合、物体を傷つけたり壊したりすることを防ぐためにはロボットの移動速度を十分落とす必要ある。そのため、再現できる作業の速度に限界が生じ、実際の作業とは異なる速度の作業しか再現できない。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、物体を壊さず且つ速度を落とさずに、事前に設定された外力及び位置に従った動作を実現可能とする再現装置を提供することを目的としている。

この発明に係る再現装置は、固定部、及び当該固定部に対して変位可能な可動部を有するアクチュエータと、アクチュエータを移動する移動部と、固定部に対する可動部の位置を検出する位置検出部と、固定部の加速度を検出する加速度検出部と、位置検出部により検出された位置と基準位置との差分に対してゲインを調整し、当該調整結果である電流指令値及び加速度検出部により検出された加速度に基づいてアクチュエータに対する駆動電流を出力するアクチュエータ制御部と、アクチュエータ制御部において得られた電流指令値、又は、加速度検出部により検出された加速度及びアクチュエータ制御部により出力された駆動電流の電流値に基づいて、可動部に加わる外力を検出する外力検出部と、可動部に加わる外力及びアクチュエータの位置の時系列を示す基準データに従い、外力検出部により検出された外力及び位置検出部により検出された位置に基づいてアクチュエータ制御部及び移動部を制御する作業制御部とを備えたことを特徴とする。

この発明によれば、上記のように構成したので、物体を壊さず且つ速度を落とさずに、事前に設定された外力及び位置に従った動作を実現可能となる。

この発明の実施の形態１に係る再現装置の構成例を示す図である。 この発明の実施の形態１における外力検出制御部の構成例を示す図である。 この発明の実施の形態１におけるゲイン調整部の構成例を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る再現装置による再現動作の一例を示すフローチャートである。 図５Ａ、図５Ｂは、この発明の実施の形態１に係る再現装置による再現動作の一例を示す図である。 この発明の実施の形態２に係る再現装置の構成例を示す図である。 図７Ａ、図７Ｂは、この発明の実施の形態２に係る再現装置による再現動作の一例を示す図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る再現装置の構成例を示す図である。
再現装置は、事前に設定された外力Ｆ及び位置に従った動作（再現動作）を行う装置である。ここでは、位置は、並進成分であるＸ，Ｙ，Ｚ及び回転成分であるθ_Ｘ，θ_Ｙ，θ_Ｚから成る６自由度のうちの１つ以上を含む。この再現装置は、図１に示すように、アクチュエータ１、エンドエフェクタ２、移動部３、位置検出部４、加速度検出部５、外力検出制御部６、モード設定部７、位置検出部（第２位置検出部）８、第１データ記録部９、第２データ記録部１０及び作業制御部１１を備えている。また、外力検出制御部６は、アクチュエータ制御部６１及び外力検出部６２から構成される。図１ではモード設定部７の図示を省略している。

アクチュエータ１は、固定部１０１、及び当該固定部１０１に対して変位可能な可動部１０２を有し、磁界に置かれたコイルに電流が供給されることで固定部１０１に対して可動部１０２を直動方向又は回転方向に変位可能とする。このアクチュエータ１は、移動部３に取付けられることで、全体が移送され、また、姿勢が変更される。なお、アクチュエータ１は移動部３に対して着脱可能である。

エンドエフェクタ２は、可動部１０２に取付けられる。図１では、エンドエフェクタ２として、接触した物体５０に対して研磨を行うエンドエフェクタが用いられている。

移動部３は、アクチュエータ１を移動（移送及び姿勢変更）する。図１では、移動部３として、先端にアクチュエータ１（固定部１０１）が取付けられ、アクチュエータ１を移動可能なロボットを示している。

位置検出部４は、アクチュエータ１に設けられ、固定部１０１に対する可動部１０２の位置（相対位置）を検出する。この位置検出部４により検出された位置を示す信号（位置信号）は、アクチュエータ制御部６１及び作業制御部１１に出力される。

加速度検出部５は、固定部１０１に設けられ、固定部１０１の加速度を検出する。この際、加速度検出部５は、固定部１０１の重力加速度αｇ及び移動加速度α１のうちの一方、又は両方が加算された加速度（αｇ＋α１）を検出する。図２では、加速度検出部５が加速度（αｇ＋α１）を検出する場合を示している。この加速度検出部５により検出された加速度を示す信号（加速度信号）は、アクチュエータ制御部６１に出力される。

アクチュエータ制御部６１は、位置検出部４により検出された位置と基準位置Ｐｒとの差分に対してゲイン（ループゲイン）を調整し、当該調整結果である電流指令値Ｉｒｐ及び加速度検出部５により検出された加速度に基づいてアクチュエータ１に対する駆動電流Ｉａを出力する。

外力検出部６２は、アクチュエータ制御部６１において得られた電流指令値Ｉｒｐ、又は、加速度検出部５により検出された加速度及びアクチュエータ制御部６１により出力された駆動電流Ｉａの電流値に基づいて、可動部１０２に加わる外力（反力）Ｆを検出する。この外力検出部６２により検出された外力Ｆを示す信号は、第１データ記録部９及び作業制御部１１に出力される。
アクチュエータ制御部６１及び外力検出部６２の構成例については後述する。

モード設定部７は、再現装置の動作モードを教示モード又は再現モードに設定する。教示モードは、ユーザが再現装置にアクチュエータ１の動作を教示するための動作モードである。再現モードは、再現装置がユーザにより教示されたアクチュエータ１の動作を再現する動作モードである。また、モード設定部７は、ユーザ指示に応じて動作モードの設定を行う。

位置検出部８は、アクチュエータ１に設けられ、アクチュエータ１の位置（絶対位置）を検出する。この位置検出部８により検出された位置を示す信号（位置信号）は、第２データ記録部１０に出力される。

第１データ記録部９は、モード設定部７により動作モードが教示モードに設定されている場合に、外力検出部６２により検出された外力Ｆの時系列データを記録する。

第２データ記録部１０は、モード設定部７により動作モードが教示モードに設定されている場合に、位置検出部８により検出された位置の時系列データを記録する。

作業制御部１１は、外力検出部６２により検出された外力Ｆに基づいて、アクチュエータ制御部６１及び移動部３を制御する。また、作業制御部１１は、モード設定部７により動作モードが再現モードに設定されている場合に、第１データ記録部９及び第２データ記録部１０により記録された時系列データを基準データとして取得し、当該基準データに従い、外力検出部６２により検出された外力Ｆ及び位置検出部４により検出された位置に基づいて、アクチュエータ制御部６１及び移動部３を制御することで、再現動作を実現する。なお、作業制御部１１は、基準位置Ｐｒ又はゲインの変更を行うことでアクチュエータ制御部６１を制御する。後述するゲイン調整部６５は位置偏差に基づいて電流指令値Ｉｒｐを出力しているが、上記ゲインの変更とは、上記位置偏差と電流指令値Ｉｒｐとの関係を示す関数の変更を意味している。また、上記関数の変更には、関数の傾きの変更も含まれる。また、作業制御部１１は、外力検出部６２により検出された外力Ｆ及び位置検出部４により検出された位置に加え、加速度検出部５により検出された加速度、及び作業制御部１１で管理している時間等も考慮して、上記再現動作を実現してもよい。

次に、外力検出制御部６の構成例について、図２を参照しながら説明する。なお図２では、アクチュエータ１、エンドエフェクタ２、位置検出部４及び加速度検出部５も図示している。
外力検出制御部６は、図２に示すように、位置速度変換部６３、減算器６４、ゲイン調整部６５、質量推定部６６、加速度補償部６７、加減算器６８、定電流制御部６９、及び外力検出部６２を有している。なお図２に示す外力検出制御部６において、外力検出部６２を除く機能部（位置速度変換部６３、減算器６４、ゲイン調整部６５、質量推定部６６、加速度補償部６７、加減算器６８及び定電流制御部６９）は、アクチュエータ制御部６１を構成する。

位置速度変換部６３は、位置検出部４により検出された位置を微分して速度に変換する。この速度は、固定部１０１に対する可動部１０２の速度（相対速度）を示す。この位置速度変換部６３により変換された速度を示す信号（速度信号）は、加減算器６８に出力される。

減算器６４は、基準位置Ｐｒから位置検出部４により検出された位置を減算する。この減算器６４による減算結果を示す信号は、ゲイン調整部６５に出力される。

ゲイン調整部６５は、減算器６４による減算結果（位置偏差）に対してゲインを調整し、電流指令値Ｉｒｐを出力する。ゲインは、アクチュエータ１におけるコンプライアンスの値であり、コンプライアンスは、ばね定数の逆数であり、固さ柔らかさを示す指標である。また、ゲイン調整部６５において、上記位置偏差と電流指令値Ｉｒｐとの関係を示す関数は線形でもよいし非線形でもよい。このゲイン調整部６５は、図２，３に示すように、ループゲイン測定部６５１、ゲイン交点制御部６５２及び可変ゲイン調整部６５３を有している。

ループゲイン測定部６５１は、減算器６４から出力された信号のゲインを測定する。この際、ループゲイン測定部６５１は、図３に示すように、減算器６４から出力された信号に、発振器６５４によりゲインが１倍（０ｄＢ）となるべき基準となる周波数、すなわちゲイン交点に設定された基準となる周波数の正弦波を、加算器６５５を介して加算する。このループゲイン測定部６５１による正弦波の加算前後の信号は、ゲイン交点制御部６５２に出力される。

ゲイン交点制御部６５２は、図３に示すように、比較器６５６によりループゲイン測定部６５１による正弦波の加算前後の信号での振幅比を比較する。このゲイン交点制御部６５２による比較結果を示す信号は、可変ゲイン調整部６５３に出力される。

可変ゲイン調整部６５３は、ゲイン交点制御部６５２により比較された振幅比の倍率が１となるように、当該振幅比の倍率の逆数を調整値とし、減算器６４から出力された信号のゲインを調整する。すなわち、可変ゲイン調整部６５３は、ループゲイン測定部６５１による正弦波の加算前の信号の振幅レベルＥａに対して当該正弦波の加算後の信号の振幅レベルＥｂが高い場合（Ｅａ＜Ｅｂ）には調整値を大きくし、当該正弦波の加算前の信号の振幅レベルＥａに対して当該正弦波の加算後の信号の振幅レベルＥｂが低い場合（Ｅａ＞Ｅｂ）には調整値を小さくすることで、ゲインが１倍となるように調整する。この可変ゲイン調整部６５３によりゲインが調整された信号は、加減算器６８に電流指令値Ｉｒｐとして出力される。また、可変ゲイン調整部６５３によるゲインの調整値を示す信号は、質量推定部６６に出力される。

なお、発振器６５４でゲインが１倍となるべき基準となる周波数の正弦波を加算するのは、ゲインが１倍となる周波数においてＥａ／Ｅｂ＝１となるため、Ｅａ／Ｅｂ＝１となるようにゲインを調整することで、ゲイン交点を常に１に維持できるためである。

また、減算器６４及びゲイン調整部６５は、位置検出部４により検出された位置と基準位置Ｐｒとの差分に基づく電流指令値Ｉｒｐを出力する位置制御手段（位相制御ループ）を構成する。

質量推定部６６は、可変ゲイン調整部６５３によるゲインの調整値から、可動部１０２側の質量を推定する。すなわち、質量推定部６６は、ゲインの調整値の変化と質量の変化とが比例する原理を利用する。可動部１０２側の質量とは、可動部１０２を含む可動部１０２より先の構成の総質量である。ここでは、可動部１０２側の質量とは、可動部１０２の質量Ｍ１とエンドエフェクタ２の質量Ｍ２とが加算された質量（Ｍ１＋Ｍ２）である。
例えば、可動部１０２側の質量が規定値の２倍になったとすると、ゲインはその逆数倍の１／２となっており、Ｅａ／Ｅｂ＝１／２となる。これに対して、ゲインを１倍とするため、可変ゲイン調整部６５３は２倍の調整値でゲインを調整する。そして、質量推定部６６は、この可変ゲイン調整部６５３の調整値から、可動部１０２側の質量が規定値の２倍に変化したと推定できる。
この質量推定部６６により推定された質量を示す信号は、加速度補償部６７に出力される。

なお上記では、質量推定部６６により可動部１０２側の質量を推定する場合を示したが、これに限らず、他の方法を用いて可動部１０２側の質量を示す情報を取得してもよい。

加速度補償部６７は、外乱トルクを補正するための加速度補償値Ｉｒｃを出力する。この加速度補償部６７は、乗算器６７１及び係数乗算部６７２を有している。

乗算器６７１は、加速度検出部５により検出された加速度と、質量推定部６６により推定された質量とを乗算する。この乗算器６７１による乗算結果を示す信号は、係数乗算部６７２及び外力検出部６２に出力される。

係数乗算部６７２は、乗算器６７１による乗算結果に係数（１／Ｋｔ）を乗算する。なお、Ｋｔは、アクチュエータ１が発生する推力と駆動電流Ｉａとの比を表したトルク定数である。この係数乗算部６７２による乗算結果を示す信号は、加減算器６８に加速度補償値Ｉｒｃとして出力される。

加減算器６８は、ゲイン調整部６５から出力された電流指令値Ｉｒｐに対し、加速度補償部６７から出力された加速度補償値Ｉｒｃを加算し、位置速度変換部６３から出力された速度信号を減算する。この加減算器６８による加減算結果を示す信号は、定電流制御部６９に電流指令値Ｉｒとして出力される。

定電流制御部６９は、アクチュエータ１を駆動する駆動電流Ｉａを電流指令値Ｉｒに一致させるように制御する。この定電流制御部６９は、減算器６９１、駆動ドライバ６９２及び電流検出部６９３を有している。

減算器６９１は、加減算器６８から出力された電流指令値Ｉｒから、電流検出部６９３により検出された駆動電流Ｉａの電流値を減算する。この減算器６９１による減算結果を示す信号は、駆動ドライバ６９２に出力される。

駆動ドライバ６９２は、減算器６９１による減算結果に応じた駆動電流Ｉａを発生する。この駆動ドライバ６９２により発生された駆動電流Ｉａは、電流検出部６９３を介してアクチュエータ１に出力される。

電流検出部６９３は、駆動ドライバ６９２により発生された駆動電流Ｉａの電流値を検出する。この電流検出部６９３により検出された電流値を示す信号は、減算器６９１に出力される。

外力検出部６２は、アクチュエータ制御部６１において得られた電流指令値Ｉｒｐ、又は、加速度検出部５により検出された加速度及びアクチュエータ制御部６１により出力された駆動電流Ｉａの電流値に基づいて、可動部１０２に加わる外力Ｆを検出する。具体的には、外力検出部６２は、電流指令値Ｉｒｐ、又は、駆動電流Ｉａの電流値から加速度補償値Ｉｒｃを減算した結果に基づいて、可動部１０２に加わる外力Ｆを検出する。なお、可動部１０２に加わる外力Ｆとしては、エンドエフェクタ２が物体５０と接触した際に発生する力が挙げられる。また図２では、外力検出部６２が、加速度検出部５により検出された加速度及びアクチュエータ制御部６１により出力された駆動電流Ｉａの電流値に基づいて可動部１０２に加わる外力Ｆを検出する場合を示している。図２に示す外力検出部６２は、係数乗算部６２１、減算器６２２及び係数乗算部６２３を有している。

係数乗算部６２１は、加速度補償部６７の乗算器６７１による乗算結果に係数（１／Ｋｔ）を乗算する。この係数乗算部６２１による乗算結果を示す信号は、減算器６２２に出力される。

減算器６２２は、定電流制御部６９により発生された駆動電流Ｉａの電流値から、係数乗算部６２１による乗算結果を減算する。この減算器６２２による減算結果を示す信号は、係数乗算部６２３に出力される。

係数乗算部６２３は、減算器６２２による減算結果に係数（Ｋｔ）を乗算することで、外力Ｆを得る。この係数乗算部６２３により得られた外力Ｆを示す信号は、第１データ記録部９及び作業制御部１１に出力される。

なお、外力検出部６２が、アクチュエータ制御部６１において得られた電流指令値Ｉｒｐに基づいて可動部１０２に加わる外力Ｆを検出する場合には、係数乗算部を有する。この係数乗算部は、ゲイン調整部６５から出力された電流指令値Ｉｒｐに係数（Ｋｔ）を乗算することで、外力Ｆを得る。そして、この係数乗算部により得られた外力Ｆを示す信号は、第１データ記録部９及び作業制御部１１に出力される。

次に、外力検出制御部６の動作原理について説明する。なお以下では、アクチュエータ１として、発生した推力がエンドエフェクタ２に直接伝わるダイレクトドライブ形式のリニアアクチュエータを用い、固定部１０１に対して可動部１０２を直動させるものとする。このアクチュエータ１は、定電流制御部６９が電流指令値Ｉｒに応じて発生した駆動電流Ｉａにより駆動する。

一方、位置検出部４は、固定部１０１に対する可動部１０２の直動方向における位置を検出する。
また、位置速度変換部６３は、位置検出部４により検出された位置を微分して速度に変換する。この速度は、固定部１０１に対する可動部１０２の速度を示す。

また、加速度検出部５は、固定部１０１の直動方向における加速度を検出する。以下では、加速度検出部５は、固定部１０１の直動方向成分における移動加速度α１と、固定部１０１の直動方向成分における重力加速度αｇとが加算された加速度（α１＋αｇ）を検出するものとする。

また、位置検出部４により検出された位置は、減算器６４で基準位置Ｐｒと比較され、その差分がゲイン調整部６５を介して電流指令値Ｉｒを構成する要素の一つである電流指令値Ｉｒｐとして加減算器６８に与えられる。

電流指令値Ｉｒは、電流指令値Ｉｒｐの他、外乱トルクを補正するための加速度補償値Ｉｒｃで構成され、次式（１）で表される。
Ｉｒ＝Ｉｒｐ＋Ｉｒｃ （１）

なお、位置を単純にフィードバックすると制御系が不安定となる。そのため、実際には、位置速度変換部６３からの速度信号をマイナーループとして加減算器６８のマイナス出力に加えて安定化を行っているが、以下では省略する。

また、ゲイン調整部６５では、位置制御ループのゲインを変えることで、アクチュエータ１におけるコンプライアンスの値を変化させることができる。

ここで、駆動電流Ｉａに着目すると、外乱トルクがない場合には電流値は零になるが、外乱トルクがある場合にはそれに比例して電流値も変化する。
一般的な外乱トルクとしては、作業時にエンドエフェクタ２から受ける反力Ｆ、重力加速度αｇ及び移動加速度α１により発生する力、減速器のロストルク等が考えられる。ここで、アクチュエータ１はダイレクトドライブ形式のリニアアクチュエータであるため、減速器は持たず、ロストルクは考慮する必要は少ない。したがって、駆動電流Ｉａは、作業時にエンドエフェクタ２から受ける反力Ｆ、重力加速度αｇ及び移動加速度α１により発生する力に比例した値となる。なお以下では、反力Ｆは、エンドエフェクタ２が物体５０に接触した際に発生する力であるとする。

ここで、アクチュエータ１の駆動電流Ｉａ、作業時にエンドエフェクタ２から受ける反力Ｆ、固定部１０１の直動方向成分における移動加速度α１、固定部１０１の直動方向成分における重力加速度αｇ、可動部１０２の質量Ｍ１、及び、エンドエフェクタ２の質量Ｍ２から、次式（２）の関係が成り立つ。
Ｆ＋（α１＋αｇ）・（Ｍ１＋Ｍ２）＝Ｋｔ・Ｉｒ＝Ｋｔ・（Ｉｒｐ＋Ｉｒｃ）
（２）
なお、Ｋｔはアクチュエータ１が発生する推力と駆動電流Ｉａとの比を表したトルク定数である。

また、式（２）において外乱トルクを補正するための加速度補償値Ｉｒｃを次式（３）のように設定する。
（α１＋αｇ）・（Ｍ１＋Ｍ２）＝Ｋｔ・Ｉｒｃ （３）

式（３）のように加速度補償値Ｉｒｃを設定した場合、式（２）からα１，αｇ，Ｍ１，Ｍ２の項が消え、次式（４）のように整理される。
Ｆ＝Ｋｔ・Ｉｒｐ （４）

このように、外乱トルクを補正するための加速度補償値Ｉｒｃを式（３）のように設定すると、作業時にエンドエフェクタ２から受ける反力Ｆと電流指令値Ｉｒｐは、比例関係になることがわかる。

これは、作業時にエンドエフェクタ２から受ける反力Ｆが零、つまりエンドエフェクタ２が物体５０と接触していない場合、基準位置Ｐｒと実際の位置の差分に基づく電流指令値Ｉｒｐも零、つまり位置が変位しないことを意味している。
そして、エンドエフェクタ２が物体５０と接触した際に生じる反力Ｆは、電流指令値Ｉｒｐを監視することで知ることができる。

そして、式（４）には、固定部１０１の直動方向成分における移動加速度α１、固定部１０１の直動方向成分における重力加速度αｇ、可動部１０２の質量Ｍ１、エンドエフェクタ２の質量Ｍ２の項目が含まれていない。
つまり、ロボットが急激に移動又は停止を行い移動加速度α１が発生した場合、及び、ロボットが連続して姿勢を変更し重力加速度αｇが変化した場合でも、アクチュエータ１の可動部１０２はゆれることなく反力Ｆを正しく検出できる。
そして、コンプライアンスの値も自由に設定できる。

なお、上述したように、エンドエフェクタ２が物体５０と急激に衝突する等して発生する反力Ｆは、電流指令値Ｉｒｐを監視することで知ることができる。また、アクチュエータ１には、反力Ｆと拮抗するように誘導電流が発生するため、駆動電流Ｉａから反力Ｆを検出することもできる。
しかしながら、位置制御ループにおいて、反力Ｆに対する電流指令値Ｉｒｐの応答は一般的に速くない。一方、反力Ｆに対する駆動電流Ｉａの応答は、可動部１０２が移動することにより発生する誘導電流によるものであるため、比較的速い。そこで、電流指令値Ｉｒｐを直接監視するのではなく、駆動電流Ｉａを監視することで反力Ｆの検出を行う。

ここで、式（２）は以下の通りである。
Ｆ＋（α１＋αｇ）・（Ｍ１＋Ｍ２）＝Ｋｔ・Ｉｒ＝Ｋｔ・（Ｉｒｐ＋Ｉｒｃ）
（２）

一方、駆動電流Ｉａは次式（５）で表せる。
Ｉａ＝Ｉｒ＝Ｉｒｐ＋Ｉｒｃ （５）

よって、式（２），（５）から次式（６）が得られる。
Ｆ＋（α１＋αｇ）・（Ｍ１＋Ｍ２）＝Ｋｔ・Ｉａ （６）

そして、式（６）の両辺から、式（３）の左辺である（（α１＋αｇ）・（Ｍ１＋Ｍ２））を減算して整理すると、次式（７）が得られる。
Ｆ＝Ｋｔ・（Ｉａ−（α１＋αｇ）・（Ｍ１＋Ｍ２）／Ｋｔ） （７）

この式（７）に示されるように、駆動電流Ｉａから加速度補償値（α１＋αｇ）・（Ｍ１＋Ｍ２）／Ｋｔを差し引いてトルク定数Ｋｔをかけることで、反力Ｆを求めることができる。

次に、外力検出制御部６による効果について説明する。
ロボットの動作は、一般的に、位置制御によりコントロールされる。そのため、物体５０の寸法誤差等により、予めプログラムされた目標位置と実際の位置が異なる場合、エンドエフェクタ２が物体５０と接触した際に大きな外力Ｆが発生し、エンドエフェクタ２又は物体５０に傷又は破損が発生する恐れがある。

その対策として、ロボットとエンドエフェクタ２との間に力センサを設置し、エンドエフェクタ２と物体５０との接触時に過大な外力Ｆが発生しそうになると力センサの検出結果をロボットにフィードバックし、過大な外力Ｆが発生しないようにする方法が考えられる。

しかしながら、過大な外力Ｆが発生したことを検出して停止指令を出してもロボットは急には止まれないため、停止指令が出た時点から急激に減速しても接触位置からずれた位置で停止してしまい、物体５０を押し潰してしまう。そして、位置の行き過ぎ量は移動速度に比例するため、エンドエフェクタ２を物体５０に近付ける速度を遅くせざるを得ない。

上記の理由により、エンドエフェクタ２が物体５０と接触する可能性のある領域では、ロボットの移動速度を十分落とす必要がある。しかしながら、サイクルタイムを短くするため、エンドエフェクタ２を移動する速度は速くする必要がある。その結果、接触領域の近傍で速度を急激に落とすことになる。

一方、実施の形態１では、ロボット（移動部３）の先端にアクチュエータ１を取付け、また、外力検出制御部６は、アクチュエータ１が急激に移動又は停止されて移動加速度α１が発生した場合、及び、アクチュエータ１の姿勢が変更されて重力加速度αｇが変化した場合でも、可動部１０２に加わる反力Ｆを正しく検出でき、また、コンプライアンス値を任意に変えられる。そのため、ロボットが急に止まれない点は同じだが、位置の行き過ぎにより物体５０を押し潰してしまうことはない。よって、エンドエフェクタ２を物体５０に近づける速度を極端に遅くする必要がなく、また、安全に作業できる。

また、ロボットとエンドエフェクタ２との間に力センサを設置した場合、ロボットが急激に減速すると、エンドエフェクタ２の質量Ｍ２による影響で、力センサには負方向の加速度に比例した力が発生する。
ところが、上記加速度に比例した力とエンドエフェクタ２の物体５０との接触により発生する外力Ｆとを区別することは難しく、区別するためにはロボットの減速時間を大幅に長くせざるを得ない。

一方、外力検出制御部６では、アクチュエータ１が急激に加減速された場合でも正しく外力Ｆを検出でき、接触時にのみ外力Ｆを検出するため、アクチュエータ１の減速時間を長くする必要はない。

また、力センサを用いた場合には、重力による影響をリアルタイムに補償し難いという課題もある。
すなわち、再現動作を行う場合にロボットが取りうる姿勢は常に一定ではなく、作業の状態に応じて変化させる場合が多い。
しかしながら、ロボットとエンドエフェクタ２との間に力センサを設置した場合には、ロボットの姿勢が水平ではないと、力センサには重力加速度αｇによる影響でロボットの姿勢とエンドエフェクタ２の質量Ｍ２に応じた力が発生する。

一方、外力検出制御部６では、アクチュエータ１の姿勢が変更されて重力加速度αｇが変化した場合でも外力Ｆを正しく検出できるため、重力による影響をリアルタイムに補償できる。

次に、実施の形態１に係る再現装置による再現動作の一例について、図４，５を参照しながら説明する。なお、図５Ａに示すように、実施の形態１に係る再現装置では、熟練者等のユーザが再現装置に対してアクチュエータ１の動作を教示する際には、アクチュエータ１が移動部３から切離された状態とされる。
再現装置による再現動作例では、まず、モード設定部７は、ユーザ指示に従い、再現装置の動作モードを教示モードに設定する（ステップＳＴ１）。その後、熟練者等のユーザは、アクチュエータ１を持って所望の力及び位置で動かす。これにより、外力検出部６２は外力Ｆを検出し、また、位置検出部８はアクチュエータ１の位置を検出する。

次いで、第１データ記録部９は、外力検出部６２により検出された外力Ｆの時系列データを記録する（ステップＳＴ２）。
また、第２データ記録部１０は、位置検出部８により検出された位置の時系列データを記録する（ステップＳＴ３）。
以上の動作により、再現装置は外力Ｆの時系列データ及び位置の時系列データを基準データとして記録できる。その後、図５Ｂに示すように、再現装置は、アクチュエータ１が移動部３に取付けられた状態とされる。

その後、モード設定部７は、ユーザ指示に従い、再現装置の動作モードを再現モードに設定する（ステップＳＴ４）。
次いで、作業制御部１１は、第１データ記録部９及び第２データ記録部１０により記録された時系列データを基準データとして取得し、当該基準データに従い、外力検出部６２により検出された外力Ｆ及び位置検出部４により検出された位置に基づいて、アクチュエータ制御部６１及び移動部３を制御することで、再現動作を実施する（ステップＳＴ５）。

このように、実施の形態１に係る再現装置では、まず、ユーザがアクチュエータ１を持って作業を行い、その際に可動部１０２に加わる外力Ｆ及びアクチュエータ１の位置を検出して記録する。次に、再現装置では、記録した外力Ｆ及び位置に従ってアクチュエータ１が動作するようにアクチュエータ１の推力及び位置を制御する。また、実施の形態１に係る再現装置では、可動部１０２に加わる外力Ｆを正しく検出でき、また、コンプライアンス値を任意に変えられるため、エンドエフェクタ２が接触する物体５０が硬い場合でも移動部３の移動速度を落とすことなく教示及び再現を行うことができる。

なお上記では、可動部１０２を直動方向に変位可能とするアクチュエータ１を用いた場合を示した。しかしながら、これに限らず、加速度検出部５が角加速度を検出可能であれば、可動部１０２を回転方向に変位可能とするアクチュエータ１を用いることもできる。

また上記では、移動部３がロボットである場合を示した。しかしながら、これに限らず、移動部３として、直動機構又は回転機構を用いてもよい。

以上のように、この実施の形態１によれば、再現装置は、固定部１０１及び可動部１０２を有するアクチュエータ１と、アクチュエータ１を移動する移動部３と、固定部１０１に対する可動部１０２の位置を検出する位置検出部４と、固定部１０１の加速度を検出する加速度検出部５と、位置検出部４により検出された位置と基準位置Ｐｒとの差分に対してゲインを調整し、当該調整結果である電流指令値Ｉｒｐ及び加速度検出部５により検出された加速度に基づいてアクチュエータ１に対する駆動電流Ｉａを出力するアクチュエータ制御部６１と、アクチュエータ制御部６１において得られた電流指令値Ｉｒｐ、又は、加速度検出部５により検出された加速度及びアクチュエータ制御部６１により出力された駆動電流Ｉａの電流値に基づいて、可動部１０２に加わる外力Ｆを検出する外力検出部６２と、可動部１０２に加わる外力Ｆ及びアクチュエータ１の位置の時系列を示す基準データに従い、外力検出部６２により検出された外力Ｆ及び位置検出部４により検出された位置に基づいてアクチュエータ制御部６１及び移動部３を制御する作業制御部１１とを備えた。これにより、実施の形態１に係る再現装置は、物体５０を壊さず且つ速度を落とさずに、事前に設定された外力Ｆ及び位置に従った動作を実現可能となる。

実施の形態２．
実施の形態１では、ユーザがアクチュエータ１の動作を教示する際にアクチュエータ１が移動部３から切離された状態とされる場合を示した。これに対し、実施の形態２では、ユーザがアクチュエータ１の動作を教示する際にアクチュエータ１が移動部３に取付けられた状態とされる場合を示す。
図６はこの発明の実施の形態２に係る再現装置の構成例を示す図である。この図６に示す実施の形態２に係る再現装置では、図１に示す実施の形態１に係る再現装置に対し、位置検出部８を位置検出部（第２位置検出部）８ｂに変更している。その他の構成は同様であり、同一の符号を付して異なる部分についてのみ説明を行う。

位置検出部８ｂは、移動部３に設けられ、移動部３の位置（絶対位置）を検出する。この位置検出部８ｂにより検出された位置を示す信号（位置信号）は、第２データ記録部１０に出力される。
また、第２データ記録部１０は、モード設定部７により動作モードが教示モードに設定されている場合に、位置検出部８ｂにより検出された位置の時系列データを記録する。

実施の形態２に係る再現装置による再現動作例は、基本的には図４に示す実施の形態１に係る再現装置による再現動作例と同様であるが、図７Ａに示すように、ユーザがアクチュエータ１の動作を教示する際にもアクチュエータ１が移動部３に取付けられた状態とされている点が異なる。そして、実施の形態２に係る再現装置によっても、実施の形態１に係る再現装置と同様に、物体５０を壊さず且つ速度を落とさずに、事前に設定された外力Ｆ及び位置に従った動作を実現可能となる。また、実施の形態２に係る再現装置では、教示及び再現の際に共にアクチュエータ１が移動部３に取付けられた状態であるため、実施の形態１に係る再現装置に対して再現性がより高いと考えられる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ アクチュエータ
２ エンドエフェクタ
３ 移動部
４ 位置検出部
５ 加速度検出部
６ 外力検出制御部
７ モード設定部
８，８ｂ 位置検出部（第２位置検出部）
９ 第１データ記録部
１０ 第２データ記録部
１１ 作業制御部
１０１ 固定部
１０２ 可動部
５０ 物体
６１ アクチュエータ制御部
６２ 外力検出部
６３ 位置速度変換部
６４ 減算器
６５ ゲイン調整部
６６ 質量推定部
６７ 加速度補償部
６８ 加減算器
６９ 定電流制御部
６２１ 係数乗算部
６２２ 減算器
６２３ 係数乗算部
６５１ ループゲイン測定部
６５２ ゲイン交点制御部
６５３ 可変ゲイン調整部
６５４ 発振器
６５５ 加算器
６５６ 比較器
６７１ 乗算器
６７２ 係数乗算部
６９１ 減算器
６９２ 駆動ドライバ
６９３ 電流検出部

Claims (3)

1. 固定部、及び当該固定部に対して変位可能な可動部を有するアクチュエータと、
   前記アクチュエータを移動する移動部と、
   前記固定部に対する前記可動部の位置を検出する位置検出部と、
   前記固定部の加速度を検出する加速度検出部と、
   前記位置検出部により検出された位置と基準位置との差分に対してゲインを調整し、当該調整結果である電流指令値及び前記加速度検出部により検出された加速度に基づいて前記アクチュエータに対する駆動電流を出力するアクチュエータ制御部と、
   前記アクチュエータ制御部において得られた電流指令値、又は、前記加速度検出部により検出された加速度及び前記アクチュエータ制御部により出力された駆動電流の電流値に基づいて、前記可動部に加わる外力を検出する外力検出部と、
   前記可動部に加わる外力及び前記アクチュエータの位置の時系列を示す基準データに従い、前記外力検出部により検出された外力及び前記位置検出部により検出された位置に基づいて前記アクチュエータ制御部及び前記移動部を制御する作業制御部と
   を備えた再現装置。
2. 動作モードを教示モード又は再現モードに設定するモード設定部と、
   前記アクチュエータの位置を検出する第２位置検出部と、
   前記モード設定部により動作モードが教示モードに設定されている場合に、前記外力検出部により検出された外力の時系列データを記録する第１データ記録部と、
   前記モード設定部により動作モードが教示モードに設定されている場合に、前記第２位置検出部により検出された位置の時系列データを記録する第２データ記録部とを備え、
   前記作業制御部は、前記モード設定部により動作モードが再現モードに設定されている場合に、前記基準データとして前記第１データ記録部及び前記第２データ記録部により記録された時系列データを用いて前記制御を行う
   ことを特徴とする請求項１記載の再現装置。
3. 動作モードを教示モード又は再現モードに設定するモード設定部と、
   前記移動部の位置を検出する第２位置検出部と、
   前記モード設定部により動作モードが教示モードに設定されている場合に、前記外力検出部により検出された外力の時系列データを記録する第１データ記録部と、
   前記モード設定部により動作モードが教示モードに設定されている場合に、前記第２位置検出部により検出された位置の時系列データを記録する第２データ記録部とを備え、
   前記作業制御部は、前記モード設定部により動作モードが再現モードに設定されている場合に、前記基準データとして前記第１データ記録部及び前記第２データ記録部により記録された時系列データを用いて前記制御を行う
   ことを特徴とする請求項１記載の再現装置。

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