JP3029286B2 - ロボット及びロボットの制御方法 - Google Patents

ロボット及びロボットの制御方法

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JP3029286B2 JP02293373A JP29337390A JP3029286B2 JP 3029286 B2 JP3029286 B2 JP 3029286B2 JP 02293373 A JP02293373 A JP 02293373A JP 29337390 A JP29337390 A JP 29337390A JP 3029286 B2 JP3029286 B2 JP 3029286B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明は、作業対象物から束縛を受ける作業を実行す
るのに必要な作業パラメータをロボット自身で同行させ
るようにしたロボット及びロボットの制御方法に関す
る。
(従来の方法) ロボットに作業を行わせる際には、一般に、作業手続
きやロボットと作業対象物との相対的な位置関係等の作
業パラメータを前もってロボットに教え込む必要があ
る。また、行わせる作業がロボットに束縛を与える場合
には、ロボットと作業対象物との相対的な位置関係だけ
ではなく、束縛方向も前もって教え込む必要がある。こ
のように教え込んでも、たとえばロボットが束縛を受け
る作業等の場合には、ロボットと作業対象物との相対的
な位置に誤差が生じる場合が多い。このような誤差は、
一般に、機構的あるいは制御によってロボットの手先に
柔軟性を持たせ、これによって吸収するようにしてい
る。
しかしながら、このような従来の制御方法では、ロボ
ットと作業対象物との相対距離やロボットが受ける束縛
方向等の作業パラメータが前もって判らない場合には、
たとえロボットの手先に柔軟性を持たせても作業を行わ
せることができない。このため、ロボットの使用範囲が
生産現場等の狭い範囲に限定されてしまう問題があっ
た。
(発明が解決しようとする課題) 上述の如く、従来のロボットの制御方法では、作業対
象物とロボットとの相対位置やロボットが受ける束縛方
向等の作業パラメータが前もって判っていない限り、ロ
ボットに作業を行わせることができないため、ロボット
を使用できる作業範囲が制限されると言う問題があっ
た。
そこで本発明は、作業対象物とロボットとの相対位置
や作業対象物からロボットが受ける束縛方向等の作業パ
ラメータが前もって判らない作業の場合であっても、自
動的に作業を行わせることができ、もってロボットの使
用範囲の拡大に寄与できるロボット及びロボットの制御
方法を提供することを目的としている。
[発明の構成] (課題を解決するための手段) 上記目的を達成するために、本発明に係るロボット及
びロボットの制御方法では、ロボットの手先が外部環境
に加える力を制御することによってロボットの手先に仮
想的な剛性を与えて手先に柔軟性を持たせ、この状態で
手先のハンド部で作業対象物を把持させ、次に手先が作
業対象物から束縛を受けた状態で手探りを行い、その際
にロボットの手先の位置と手先に加わる力を計測して得
られた情報を、予め内部情報として与えられている作業
手続きに関する知識に基いて解析することにより、作業
対象物とロボットの相対距離および作業対象物がロボッ
トに与える束縛方向等の作業パラメータを同定するよう
にしている。そして、同定後に残る微少な誤差は、ロボ
ットの手先の柔軟性によって吸収させるようにしてい
る。
(作 用) 上記制御方法では、作業対象物とロボットとの相対距
離や作業対象物からロボットが受ける束縛方向等の作業
パラメータを前もって与える必要がないため、上記作業
パラメータが前もって判らない作業の場合であっても、
ロボットに自動的に作業を行わせることが可能となる。
(実施例) 以下、図面を参照しながら本発明制御方法の実施形態
を説明する。
第1図には本発明制御方法を適用し、クランク1を図
中実線矢印2で示す方向に回転させる作業を実行しよう
としているロボット11が示されている。
このロボット11は、大きく分けると、複数の関節を備
えたアーム12と、このアーム12の先端部に取り付けられ
た手先13と、この手先13に取付けられた力覚センサ14
と、この力覚センサ14の出力および各関節に設けられた
位置センサの出力を導入してアーム12、手先13および手
先13のハンド部を制御する制御装置15とで構成されてい
る。
制御装置15内には、後述する作業手続きに関する知識
情報と、この知識情報と力覚センサ14の出力および各関
節に設けられた位置センサの出力とから手先13やアーム
12をどのように動かすかを算出するアルゴリズムと、算
出された結果に基いて手先13やアーム12を制御する制御
系とが設けられている。
そして、具体的には、第2図に示す流れにしたがって
作業を行わせるようにしている。この例はクランク1を
ロボット11で回させる例である。
まず、制御装置15内には、クランク回しの作業手続き
に関する知識として、「ロボットの手先のハンド部はク
ランクのハンドルを把持した状態で、ある平面上に拘束
されたある半径を有する円軌道にしたがって半径方向に
拘束を受けながら動かなければならない。」と言う情報
が格納されているものとする。このときに求めなければ
ならない作業パラメータは、束縛平面座標、円軌道の中
心座標および円軌道の半径である。
まず、スタートさせると、上述した作業手続きに関す
る知識、この場合にはクランク回しの作業手続きに関す
る知識を読み取る(ステップf1)。
次に、ロボット11の手先13が次式で示される仮想の剛
性を持つかの如く振る舞うように、手先13が外部環境に
加える力を制御するこにより、手先13に柔軟性を持たせ
る(ステップf2)。
F=K(xd−xh) …(1) 次に、このような仮想の剛性を持つ手先13のハンド部
でクランク1のハンドルを手探りで把持させる(ステッ
プf3)。このとき、クランク1のハンドルの位置が不確
かであっても、ハンドルの一部が手先13のハンド部で把
持可能な空間内にあれば、(1)式で示された手先13の
仮想剛性によりロボット11はハンドルを把持することが
できる。
次に、手先13の現在の位置を起点として、基準座標系
の3軸方向に平行にそれぞれ直線の目標軌道xd(i)を順
次作り,クランク1のハンドルを把持したままで上記目
標軌道にしたがって手先13を動かす。このとき、ハンド
ルの把持に成功している場合には、手先13はその柔軟性
のためにクランク1の束縛にならって動く。しかし、目
標軌道xdと手先13の軌道xhとの間に誤差が生じている場
合には、(1)式にしたがって手先13はクランク1に力
を加え、その反力がロボット11の手首部に設けられた力
覚センサ14によって計測される。
この力覚センサ14によって力が検出され、しかも目標
軌道xdと手先13の軌道xhとの間に誤差が発生したときに
は、手先13のハンド部がクランク1のハンドルの把持に
成功したとみなす。逆に、手先13がクランク1による束
縛を受けず、3方向の何れにも目標軌道xdの通りに動く
ときには、ハンド部がハンドルの把持に失敗したとみな
す(ステップf5)。ハンドルの把持に失敗した場合は、
ステップf3に戻って再度ハンドルの把持動作を行う。
手先13のハンド部がクランク1のハンドルの把持に成
功している場合は、手先13の軌道xhはクランク1の束縛
にならった軌道となる。そこで、この手先13の軌道xh
情報を適当な間隔でサンプリング(ステップf6)し、こ
れらの情報を用いてクランク1の回転半径および回転中
心を同定し、クランク回しの軌道を生成する(ステップ
f7)。
この軌道の生成は次のようにして行われる。すなわ
ち、前述した作業手続きに関する知識と求めるべき作業
パラメータとを考慮して、クランク1の束縛にならった
軌道を満たす幾何学的条件を考えると、xがその軌道上
の点であるとき、 (i)点xはある拘束平面上にある (ii)点xはある円軌道上にある という条件を満たすことになる。
そこで、サンプリングデータxh(i)(i=1,2,3,…
n)が、クランク1の拘束にしたがった軌道上の点であ
ると仮定し、次式で示されるベクトル群 v(i)=xh(i)−xh(i)(i≠j) …(2) を求めると、条件(i)より、v(i)は、この拘束平面に
平行なベクトル群となる。
次に、最小二乗法を用いてv(i)に垂直な共通単位法線
ベクトルbを求める。さらに、ベクトルnに互いに垂直
な単位ベクトルn,tを求める。このn,t,bを基本ベクトル
とし、原点の位置が基準座標系O−xyzの原点の位置と
同一である新たな座標系O′−xyzを導入する。ここで
回転行列Rとして、 R=[n,t,b] …(3) を用いると、基準座標系で表されたサンプリングデータ
xh(i)(i=1,2,3,…n)は次式によって新たな座標系
O′−xyzの点x′h(i)(i=1,2,3,…n)に変換され
る。
x′h(i)=RT・xh(i) …(4) このとき、点x′h(i)はその導出方法から明らかなよ
うに、座標系O′−xyzにおけるz平面に平行な平面上
の円周上の点となる。すなわち、x′h(i)は次式を満た
す。
(xi−x0+(yi−y0=r2 zi=z0 …(5) ただし、x′h(i)=(xi,yi,zi、x0=(x0,y0,
z0であり、x0は座標系O′−xyzにおけるクランク
の中心の座標、rはクランクの回転半径である。ここで
は最小二乗法を用いて、まずx0,y0を求め、次にrを求
め、最後にziの平均値からz0を求める。
たとえば、手先13に(1)式で示される剛性を持たせ
たロボット11においては、次式で示されるクランクを回
すための軌道x′c(i)=(xci,yci,zciを、x0およ
びrを用いて求める。
xci=r・cos(ω(i))+θ) yci=r・sin(ω(i)+θ) …(6) zci=z0 このx′c(i)を次の座標変換 xc(i)=R・x′c(i) …(7) によって、基準座標系O−xyzにおけるクランク回しの
軌道xc(i)として求めれば、手先の柔軟性により、xc(i)
にしたがってクランク1を回すことができる。なお、こ
の場合、クランク1の半径方向、束縛平面の垂線方向、
ハンドルをこじる方向の束縛に関しては手先13の柔軟さ
が吸収しており、xc(i)への手先13の追従は、生じる誤
差に対して(1)式にしたがった力が発生して誤差を修
正するように手先13が動くことによってなされる。
なお、ω(i)はクランク1の回転速度を決定する関数
であり、θは軌道の開始点を決定するパラメータであ
る。これらは作業戦略上の見地から決定される。たとえ
ば、現在、手先13のハンドル部がクランク1のハンドル
を把持しており、このときのハンド部の位置xsをクラン
ク回しの開始点とする場合には、次のようにθを決定
すればよい。
まず、(4)式によって、点xsを座標系O′−xyzで
表した点x′ x′=RT・xs …(8) を求める。次に次式によって点NEW x′を求める。
NEW x′=x0+r/|x′−x0| …(9) NEW x′は(6)式で与えらえる円周上の点である
から、NEW x′を開始点とすれば、ω(i)=0として、
(6)式より、NEW x′=(xs,ys,zsとすると、 xs=r・cos(θ) ys=r・sin(θ) …(10) zs=z0 よって、θは次式で求められる。
θ=tan-1(ys/xs) …(11) このようにして、拘束平面と、拘束円軌道の半径と、
中心点の座標とからなる作業パラメータが求められたこ
とになり、この作業パラメータに基いてロボット11はク
ランク回しを実行する(ステップf8)。
なお、本発明は制御の対象がクランク回しに限定され
るものではなく、これに類した各種の作業を実行できる
ことは勿論である。
[発明の効果] 以上説明したように、本発明によれば、作業手続きに
関する知識は既知であっても、作業パラメータが不確定
で、かつ束縛を受ける作業の場合であっても、ロボット
自身で作業パラメータを同定させることができ、これに
よってロボットに自動的に作業を行わせることができ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明制御方法を適用したロボットの概略構成
図、第2図は本発明制御方法を説明するための流れ線図
である。 1……クランク、11……ロボット、12……アーム、13…
…手先、15……制御装置。
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G05B 19/4155 B25J 9/10

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】関節を有したアームと、このアームの先端
    部に取付けられた手先と、この手先に取付けられた力覚
    センサと、前記関節に設けられた位置センサと、これら
    位置センサの出力を導入して指定された作業手続きに従
    って前記アーム及び前記手先を制御する制御装置とを備
    え、前記制御装置は、予め格納されている作業手続きに
    関する知識の中から前記指定された作業手続きに関する
    知識を読み出す第1の手段と、前記手先が外部環境に加
    える力を制御することによって前記手先に柔軟性を持た
    せた状態で前記アームを制御して前記手先を作業対象物
    に対して臨ませる第2の手段と、前記手先を目標軌道に
    沿って動かす制御を行い、このときに前記手先が移動す
    る現実の軌道に関する情報をサンプリング計測し、これ
    らの情報を用いて前記指定された作業手続きに関する知
    識に記述された作業を実行するのに必要な作業パラメー
    タを算出する第3の手段と、算出された作業パラメータ
    を用いて前記指定された作業手続きに従った作業を実行
    させるべく前記アーム及び前記手先を制御する第4の手
    段とを具備してなることを特徴とするロボット。
  2. 【請求項2】関節を有したアームと、このアームの先端
    部に取付けられた手先と、この手先に取付けられた力覚
    センサと、前記関節に設けられた位置センサとを備えた
    ロボットの前記手先に指定された作業手続きに従った作
    業を行わせるに当って、予め格納されている作業手続き
    に関する知識の中から前記指定された作業手続きに関す
    る知識を読み出す第1のステップと、前記手先が外部環
    境に加える力を制御することによって前記手先に柔軟性
    を持たせた状態で前記アームを制御して前記手先を作業
    対象物に対して臨ませる第2のステップと、前記手先を
    目標軌道に沿って動かす制御を行い、このときに前記手
    先が移動する現実の軌道に関する情報をサンプリング計
    測し、これらの情報を用いて前記指定された作業手続き
    に関する知識に記述された作業を実行するのに必要な作
    業パラメータを算出する第3のステップと、算出された
    作業パラメータを用いて前記指定された作業手続きに従
    った作業を実行させるべく前記アーム及び前記手先を制
    御する第4のステップとを具備してなることを特徴とす
    るロボットの制御方法。
  3. 【請求項3】前記第2ステップでは、前記手先が目標軌
    道の通りに動いたときに、前記手先が前記作業対象物に
    よって束縛を受けない状態であると判定して再度、前記
    手先を前記作業対象物に対して臨ませる動作を実行する
    ことを特徴とする請求項2に記載のロボットの制御方
    法。
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