JP2019188520A - 再現装置 - Google Patents
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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。
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。
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θX,θY,θZ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。
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θX,θY,θZ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。
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。
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。
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、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)
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。
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。
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)
(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)
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、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。
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。
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)
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)
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)
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)
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。
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。
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。
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。
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。
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)。
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。
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。
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
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)
- 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。 - 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。 - 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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018083019A JP2019188520A (ja) | 2018-04-24 | 2018-04-24 | 再現装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018083019A JP2019188520A (ja) | 2018-04-24 | 2018-04-24 | 再現装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2019188520A true JP2019188520A (ja) | 2019-10-31 |
Family
ID=68391537
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2018083019A Pending JP2019188520A (ja) | 2018-04-24 | 2018-04-24 | 再現装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2019188520A (ja) |
-
2018
- 2018-04-24 JP JP2018083019A patent/JP2019188520A/ja active Pending
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