JP2560283B2 - Robot control method - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は最先の手首が、与えられた姿勢を保持したま
ま、与えられた軌道上を移動する多軸関節形ロボットの
制御方法に関する。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a control method for a multi-axis articulated robot in which the first wrist moves on a given trajectory while maintaining a given posture.
６軸関節形ロボットのひとつとして、第４図に示すよ
うに、次の６軸から構成されるものがある。As shown in FIG. 4, one of the 6-axis articulated robots includes the following 6 axes.
（１） 地面に固定された脚41の上部に設けられ、垂線
（Z0軸）回りに自由度を有する胴42。(1) A torso 42 which is provided on an upper portion of a leg 41 fixed to the ground and has a degree of freedom around a vertical line (Z 0 axis).
（２） 胴42の先端部に設けられ、Z0軸に垂直なZ1軸回
りに自由度を有する下腕43。(2) A lower arm 43 provided at the tip of the trunk 42 and having a degree of freedom around the Z 1 axis which is perpendicular to the Z 0 axis.
（３） 下腕43の先端部に設けられ、Z1軸と平行なZ2軸
回りに自由度を有する上腕44。(3) An upper arm 44 provided at the tip of the lower arm 43 and having a degree of freedom around the Z 2 axis parallel to the Z 1 axis.
（４） 上腕44の先端部に設けられ、Z2軸と垂直なZ3軸
回りに自由度を有する手首A45。(4) provided at the distal end portion of the upper arm 44, the wrist has degrees of freedom in the vertical Z 3 axis and Z 2 axes A45.
（５） 手首45の先端部に設けられ、Z3軸と垂直なZ4軸
回りに自由度を有する手首46。(5) A wrist 46 provided at the tip of the wrist 45 and having a degree of freedom around the Z 4 axis which is perpendicular to the Z 3 axis.
（６） 手首46の先端部に設けられ、Z4軸と垂直なZ5軸
回りに自由度を有する手首47。(6) A wrist 47 provided at the tip of the wrist 46 and having a degree of freedom around the Z 5 axis which is perpendicular to the Z 4 axis.
以上、各関節が１自由度づつ有するので、全体で６自
由度となる。As described above, since each joint has one degree of freedom, it has a total of six degrees of freedom.
このような６軸関節形ロボットにおいては、ロボット
の動作範囲内であれば、手首47、すなわち第６関節は、
任意の位置、かつ任意の姿勢をとることができる。In such a 6-axis joint type robot, the wrist 47, that is, the sixth joint, is
It can take any position and any posture.
なぜならば、３次元空間においては、位置を確定する
ために３自由度必要であり、姿勢を確定するためにさら
に３自由度必要であるからである。This is because in the three-dimensional space, three degrees of freedom are required to determine the position, and three more degrees of freedom are required to determine the posture.
したがって、６自由度あれば、その両方が確定できる
はずである。Therefore, if there are 6 degrees of freedom, both of them should be determinable.
ところが、実際は２つの「解」が存在することは、米
国パデュー大学教授R.P.Paul氏が著した『ROBOT MANIPU
LATORS:MATHEMATICS,PROGRAMING,AND CONTROL』（1981
年）にも詳しい。（日本では、吉川恒夫氏の翻訳によ
り、株式会社コロナ社から『ロボット・マニピュレー
タ』と題して発行されている。） すなわち、第５図（ａ），（ｂ）に示すように、手首
47（第６関節）と手首（第４関節）が、それぞれ180°
回転した２つの状態がありうるのである。第５図（ａ）
は手首47が手首45の中心線より上にある状態であり、第
５図（ｂ）は手首47が手首A45の中心線より下にある状
態である。However, the fact that there are actually two “solutions” is that “ROBOT MANIPU” written by Professor RP Paul of Purdue University, USA
LATORS: MATHEMATICS, PROGRAMING, AND CONTROL ”(1981
Year) (In Japan, translated by Mr. Tsuneo Yoshikawa, it is issued by Corona Co., Ltd. under the title of "Robot Manipulator.") That is, as shown in FIGS.
47 (6th joint) and wrist (4th joint) are each 180 °
There can be two rotated states. Fig. 5 (a)
Shows the state in which the wrist 47 is above the center line of the wrist 45, and FIG. 5 (b) shows the state in which the wrist 47 is below the center line of the wrist A45.
したがって、従来はどちらか一方の状態となるよう指
定していた。Therefore, conventionally, either one of the states was designated.
ところが、前記従来例では、第６図に示すように、手
首47に手首45の中心線を通過する動作を実行させること
は不可能である。However, in the above-mentioned conventional example, as shown in FIG. 6, it is impossible for the wrist 47 to execute the operation of passing through the center line of the wrist 45.
すなわち、手首45,手首46,手首47が一直線上に並んだ
状態（第６図（ｂ））では、手首45と手首４の回転θ4
とθ6は、その和が０°または360°になる任意の角度を
選んでよいので、角度を確保できないのである。That is, in the state where the wrist 45, the wrist 46, and the wrist 47 are aligned (FIG. 6 (b)), the rotation θ 4 of the wrist 45 and the wrist 4
Since and θ 6 may be selected to be any angle at which the sum is 0 ° or 360 °, the angle cannot be secured.
この状態を前述の著書では『退化状態』と呼んでいる
が、この『退化状態』に陥る地点（領域）を本発明では
『特異点』と呼ぶことにする。This state is called the "degenerate state" in the above-mentioned book, but the point (region) that falls into this "degenerate state" is called the "singular point" in the present invention.
この特異点をむりやり通過させようとすると、前述し
たように、例えば手首47が手首45の中心線より上にある
状態（第６図（ａ））を指定していれば、特異点をはさ
んで、手首47（第６関節）と手首45（第４関節）がそれ
ぞれ180°回転しなければならない。When attempting to pass through this singular point, if the wrist 47 is above the center line of the wrist 45 (Fig. 6 (a)), as described above, the singular point is crossed. Then, the wrist 47 (6th joint) and the wrist 45 (4th joint) must each rotate 180 °.
ところが現在のロボットでは、瞬間的に180°回転で
きるような動作速度は持ちあわせていない。However, current robots do not have an operating speed that allows them to instantaneously rotate 180 °.
したがって、そのような特異点をさけるように動作さ
せるか、第７図に示すように手首47をある角度をもって
取り付けることにより、特異点を実行動作範囲からはず
すなどの方策で対処せざるを得なかった。Therefore, there is no choice but to take measures such as removing the singular point from the execution operation range by operating so as to avoid such a singular point or by attaching the wrist 47 at an angle as shown in FIG. It was
上記技術を検討すると、ロボット全体の座標系で移動
させるため、特異点を通過できないことがわかる。Examination of the above technique shows that the robot cannot move through a singular point because it is moved in the coordinate system of the entire robot.
そこで、各関節にそれぞれ独立な動きを与えて特異点
を通過させようとする方式もあるが、軌跡から大きく逸
脱してしまう問題がある。Therefore, there is a method in which each joint is given an independent motion to pass a singular point, but there is a problem in that it largely deviates from the locus.
これに対し、特開昭60-57408は「特異点検出直前の速
度と同一方向に微小な所定速度によって各関節を制御す
る」ものであるが、前記方式に比べ、軌跡から大きく逸
脱することはないにしても、各関節に同一方向に微小な
速度を与えるしかないので、軌跡からはずれる恐れは解
消されていないし、またそのときだけ微小速度となるた
め、所定の指令速度に追従できず、また動きも不自然と
なる。On the other hand, Japanese Patent Laid-Open No. 60-57408 "controls each joint by a minute predetermined speed in the same direction as the speed immediately before the detection of a singular point", but it does not deviate significantly from the trajectory compared to the above method. Even if it does not exist, since there is no choice but to give a minute velocity to each joint in the same direction, the fear of deviating from the trajectory has not been eliminated, and since it is a minute velocity only at that time, it is not possible to follow the prescribed command velocity, and The movement also becomes unnatural.
さらに、特開昭60-189012は、第２〜第４軸をひとつ
の変数として扱うことにより、特異点を通過させようと
するものであるが、本発明とはロボットの構造が異な
り、本発明が適用しようとする第４図に示すロボットに
は適用できない。Furthermore, Japanese Patent Laid-Open No. 60-189012 attempts to pass a singular point by treating the second to fourth axes as one variable, but the robot structure is different from that of the present invention. Cannot be applied to the robot shown in FIG.
本発明の目的は、与えられた軌跡からはずれることな
く、特異点を滑らかに通過できるロボットの軌跡制御方
法を提供することである。An object of the present invention is to provide a trajectory control method for a robot that can smoothly pass a singular point without deviating from a given trajectory.
本発明のロボットの軌跡制御方法は、所定の２つの関
節軸の値が無限に存在する特異点を検出するステップ
と、特異点が検出された場合、前記２つの関節軸の根元
の方の関節軸の移動指令をその直前の速度に固定し、該
速度および予め設定された、手首先端の位置および姿勢
データにもとづき他の関節軸を速度を算出し、各関節軸
を制御するステップを含む。A robot trajectory control method according to the present invention comprises a step of detecting a singular point at which values of two predetermined joint axes exist infinitely, and, when a singular point is detected, a joint at the base of the two joint axes. The step of fixing the axis movement command to the speed immediately before that, calculating the speed of the other joint axes based on the speed and preset position and posture data of the wrist tip, and controlling each joint axis is included.
従来は、特異点において回転角が特定できない２つの
関節それぞれ180°回転させて特異点を通過させている
ために、特異点を滑らかに通過することができなかっ
た。Conventionally, two joints whose rotation angles cannot be specified at the singular point are rotated by 180 ° and passed through the singular point, so that the singular point cannot be smoothly passed.
これに対し、本発明では、特異点において回転角が特
定できない２つの関節のうち根元の関節の動作角度を人
為的に固定した上で、与えられた手首先端位置・姿勢を
満足するように、他の軸（θ1，θ2，θ3，θ5，θ6）
の動作角度（速度）を求めるものである。On the other hand, in the present invention, the movement angle of the root joint of the two joints whose rotation angle cannot be specified at the singular point is artificially fixed, and the given wrist tip position / posture is satisfied. Other axes (θ 1 , θ 2 , θ 3 , θ 5 , θ 6 )
The operating angle (speed) of is calculated.
なお、任意の位置においてある姿勢をとるためには、
機構学上６つの自由度（軸）が必要である。本願では、
このうちθ4軸を人為的に固定するため、与えられた位
置・姿勢を満足できない可能性がある。In addition, in order to take a certain posture at an arbitrary position,
Six degrees of freedom (axis) are required in terms of mechanics. In this application,
Of these, since the θ 4 axis is artificially fixed, there is a possibility that the given position and orientation cannot be satisfied.
しかし、姿勢を必ず満足し、姿勢はなるべく満足する
ような解を求めることで、実用上問題がない。姿勢のず
れは、肉眼で確認できない程度しか生じないからであ
る。したがって、両関節が180°回転するという不自然
な動きはなくなり、特異点を滑らかに通過できる。However, there is no problem in practice by seeking a solution that satisfies the posture without fail and satisfies the posture as much as possible. This is because the deviation in posture occurs only to the extent that it cannot be visually confirmed. Therefore, the unnatural movement of both joints rotating 180 ° is eliminated, and the singular point can be smoothly passed.
次に、本発明の実施例について図面を参照して説明す
る。Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
第１図は本発明のロボットの軌跡の制御方法の一実施
例を示すフローチャート、第２図は第１図の軌跡制御方
法が適用される第４図の６軸関節型ロボットの概念図、
第３図は制御ブロック図である。FIG. 1 is a flow chart showing an embodiment of a robot trajectory control method of the present invention, and FIG. 2 is a conceptual diagram of the 6-axis joint type robot of FIG. 4 to which the trajectory control method of FIG. 1 is applied.
FIG. 3 is a control block diagram.
６軸関節型ロボットのアーム先端に取り付けられてい
るハンド11の位置および姿勢は、位置を表わす直交座標
X,Y,Zおよび各直交座標軸X,Y,Z軸の回りの回転角を表わ
すそれぞれのロール、ピッチ、ヨー角TX,TY,TZによって
一義的に特定される。また、第２図中のθ1ないしθ6は
それぞれ６軸関節型ロボットの関節であり、これらの角
度はエンコーダなどによって検出される。第３図の速度
発生部12は、ロボットのハンド11を所定の位置に移動さ
せる指令にもとづき現在の各関節の角度θk（ｋ＝1,2,
3,4,5,6）を基準にして計算された微小時間後の各関節
の角度θ′kとの差をもとめ、この差に対応した回転速
度kによりそれぞれの関節を制御する。The position and orientation of the hand 11 attached to the end of the arm of the 6-axis articulated robot are orthogonal coordinates that represent the position.
It is uniquely specified by each roll, pitch, and yaw angle TX, TY, TZ that represents the rotation angle around the X, Y, Z and each orthogonal coordinate axis X, Y, Z axis. Further, θ 1 to θ 6 in FIG. 2 are joints of a 6-axis joint type robot, and these angles are detected by an encoder or the like. The velocity generation unit 12 in FIG. 3 uses the command to move the robot hand 11 to a predetermined position, and the current angle θ k (k = 1, 2,
Determine the difference between the angle theta 'k of each joint after the calculated micro time 3, 4, 5, 6) on the basis, for controlling the respective joint by the rotational speed k which corresponds to the difference.
第５図（ａ）（ｂ）のように手首47（第６関節）と手
首45（第４関節）は常に２つの状態が存在し、通常は手
首46（第５関節）の角度（中心線からの）の符号（＋ま
たは−）で手首47と手首45の１つの状態（解）を算出し
ている。As shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b), the wrist 47 (6th joint) and the wrist 45 (4th joint) always have two states. Normally, the angle (center line) of the wrist 46 (5th joint) is present. One state (solution) of the wrist 47 and the wrist 45 is calculated with the sign (from +) (+ or −).
この時手首45（θ4）をある値に定義すれば手首46
（θ6）は必然的に決定される。At this time, if the wrist 45 (θ 4 ) is defined as a certain value, the wrist 46
(Θ 6 ) is inevitably determined.
何故ならばθ4とθ6の関係は Ａθ4＋Ｂθ6＝Ｃ（A,B,Cは定数） となるからである。This is because the relationship between θ 4 and θ 6 is Aθ 4 + Bθ 6 = C (A, B, C are constants).
本実施例は、特異点が検出された場合、第４関節θ4
を特異点検出直前の速度として固定し、他の関節により
位置および姿勢を制御することによって特異点を滑らか
に通過させるものである。In the present embodiment, when a singular point is detected, the fourth joint θ 4
Is fixed as the velocity immediately before the detection of the singular point, and the position and the posture are controlled by other joints to allow the singular point to pass smoothly.
以下、第１図にもとづいて本実施例を詳細に説明す
る。Hereinafter, this embodiment will be described in detail with reference to FIG.
まず、微小時間後の位置および姿勢データX,Y,Z,TX,T
Y,TZの設定を行なう（ステップ１）。次に、第５関節の
COSθ5の値を算出する（ステップ２）。このCOSθ5の値
により特異点の検出を行なう（ステップ３）。すなわ
ち、θ5がCOSθ5＞Ｍ（Ｍは特異点の範囲を限定する定
数）を満足する場合、特異点を検出したものとする。特
異点が検出されなかった場合、ステップ１で設定した位
置および姿勢データX,Y,Z,TX,TY,TZによりk（ｋ＝１
〜６）を算出し、各関節θkを制御する（ステップ
４）。目標位置に到達したか否かを判断し（ステップ
５）、到達したならば制御を終了し、到達していなけれ
ばステップ１に戻る。特異点が検出された場合、特異点
検出直前の第４関節θ4の速度4を記憶し（ステップ
６）、この第４関節θ4の速度kおよびステップ１で設
定した位置および姿勢データX,Y,Z,TX,TY,TZにもとづき
他のkを算出し、各関節θ1〜θ6を制御する（ステッ
プ７）。次に、姿勢のTX,TY,TZの微小変化を算出し、次
回姿勢データ設定の基準とする（ステップ８）。First, the position and orientation data X, Y, Z, TX, T after a minute time
Set Y and TZ (step 1). Next, for the fifth joint
The value of COS θ 5 is calculated (step 2). A singular point is detected by the value of COS θ 5 (step 3). That, theta 5 is COSθ 5> M (M is a constant to limit the scope of the singular point) is satisfied, it is assumed that detected the singularity. When no singular point is detected, k (k = 1) is determined by the position and orientation data X, Y, Z, TX, TY, TZ set in step 1.
~ 6) are calculated and each joint θ k is controlled (step 4). It is determined whether or not the target position has been reached (step 5). If the target position has been reached, the control is terminated, and if not, the process returns to step 1. When a singular point is detected, the speed 4 of the fourth joint θ 4 immediately before the detection of the singular point is stored (step 6), and the speed k of the fourth joint θ 4 and the position and posture data X set in step 1, Other k is calculated based on Y, Z, TX, TY, TZ to control each joint θ 1 to θ 6 (step 7). Next, minute changes in the postures TX, TY, and TZ are calculated and used as the reference for the next posture data setting (step 8).
なお、特異点が検出された場合、第４関節θ4の速度
θ4を一定値に固定することにより、ロボットの姿勢は
若干であるが当初与えられた姿勢より変化するが、ステ
ップ６〜８を繰り返すことにより、特異点を滑らかに通
過することができる。Incidentally, if the singularity is detected, by fixing the speed theta 4 of the fourth joint theta 4 to a constant value, but although the posture of the robot is slightly changed from the posture given initially, step 6-8 By repeating the above, the singular point can be smoothly passed.
この方法によりロボットのハンドル11を与えられた軌
跡に追従して滑らかに移動させることができる。By this method, the handle 11 of the robot can be moved smoothly following a given trajectory.
以上説明したように本発明は、特異点を検出した場
合、所定の２つの関節軸の根元の方の関節軸を特異点検
出直前の速度として固定し、他の関節により位置および
姿勢を制御することにより、簡単な構成で、制御点の速
度変化を生じることなく、また与えられた軌跡をずれる
ことなく、姿勢の微小変化のみで特異点を滑らかに通過
させ、全空間を連続的に移動させることができる効果が
ある。As described above, according to the present invention, when a singular point is detected, the joint axis at the base of the predetermined two joint axes is fixed as the speed immediately before the detection of the singular point, and the position and posture are controlled by other joints. The simple structure allows the singular point to smoothly pass through only a slight change in posture without changing the velocity of the control point or shifting the given trajectory, and continuously moves in the entire space. There is an effect that can be.
第１図は本発明のロボットの軌跡制御方法の一実施例を
示すフローチャート、第２図は第１図に示した軌跡制御
方法が適用される第４図の６軸関節形ロボットの概念
図、第３図は制御ブロック図、第４図は６軸関節形ロボ
ットの斜視図、第５図は第４図の６軸関節形ロボットに
おいて手首47と45の状態を示す図、第６図は特異点を説
明する説明図、第７図は、手首47をある角度をもって取
り付けることにより特異点を実行動作範囲からはずす方
策を示す図である。 １〜８……ステップ、θ1〜θ6……関節、11……ハン
ド、12……速度発生部。FIG. 1 is a flow chart showing an embodiment of a robot trajectory control method of the present invention, and FIG. 2 is a conceptual diagram of the 6-axis articulated robot of FIG. 4 to which the trajectory control method shown in FIG. 1 is applied. FIG. 3 is a control block diagram, FIG. 4 is a perspective view of a 6-axis articulated robot, FIG. 5 is a view showing the states of wrists 47 and 45 in the 6-axis articulated robot of FIG. 4, and FIG. FIG. 7 is an explanatory view for explaining the points, and FIG. 7 is a view showing a measure for removing the singular point from the execution operation range by attaching the wrist 47 at a certain angle. 1 to 8 ... Step, θ 1 to θ 6 ...... Joint, 11 ...... Hand, 12 …… Velocity generator.
Claims (1)
まま、与えられた軸跡上を移動する多軸関節形ロボット
の制御方法において、 所定の２つの関節軸の動作角度が無限に存在する特異点
を検出するステップと、 特異点が検出された場合、前記２つの関節軸の根元の方
の関節軸の移動指令を特異点検出直前の速度に固定し、
該速度および予め設定された、手首先端の位置および姿
勢データにもとづき他の関節軸の速度を算出し、各関節
軸を制御するステップを有することを特徴とする、ロボ
ットの制御方法。1. A control method of a multi-axis articulated robot in which a wrist at the frontmost position moves on a given axis trace while maintaining a given posture, and an operating angle of two predetermined joint axes is infinite. Detecting a singular point present in the, and when a singular point is detected, the movement command of the joint axis toward the root of the two joint axes is fixed to the speed immediately before the detection of the singular point,
A method for controlling a robot, comprising the step of calculating the speed of other joint axes based on the speed and preset position and posture data of the wrist tip and controlling each joint axis.
Priority Applications (1)
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| JP61030940A JP2560283B2 (en) | 1986-02-17 | 1986-02-17 | Robot control method |
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| JP61030940A JP2560283B2 (en) | 1986-02-17 | 1986-02-17 | Robot control method |
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| JPS62189504A JPS62189504A (en) | 1987-08-19 |
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| JP61030940A Expired - Fee Related JP2560283B2 (en) | 1986-02-17 | 1986-02-17 | Robot control method |
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Families Citing this family (4)
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1986
- 1986-02-17 JP JP61030940A patent/JP2560283B2/en not_active Expired - Fee Related
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