JPH03270865A - 多自由度作業機械の位置と力の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は多自由度作業機械の位置と力の制御装置に関し
、特に例えばパリ取り、グラインダかけ、金型研磨等の
作業を行う作業機械において作業対象物に作業工具を押
し付けながら倣い作業を行うのに好適な位置と力の制御
装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、産業用ロボット等の多自由度作業機械では位置と
力を制御することによって作業機械に所定の作業を行わ
せる仮想コンプライアンス制御方式が提案されている（
特開昭６２−３５９１５号公報等）。一般に、この制御
方式を備える作業機械では、そのアームのリスト部に力
センサを配設し、この力センサを介して作業工具を取り
付ける。

そして、制御装置において作業工具の運動特性を決定す
る仮想の質量、ばね定数、粘性減衰係数等の制御パラメ
ータを設定し、この設定値と、外部から供給される基準
位置姿勢指令、作業工具に加わる角情報、アームの角度
情報等から検出された作業工具の位置や姿勢の情報など
に基づき、作業工具の速度指令値を演算し、この指令値
が制御装置から駆動回路を経由して作業工具の駆動装置
に供給される。この結果、作業工具はワークの形状に倣
って移動し、所定の作業を行うことができる。

仮想コンプライアンス制御では、制御装置で指定された
作業工具が移動すべき位置と検出された作業工具の現在
位置との偏差、及び制御パラメータとして設定されてい
る仮想ばね定数によって、その偏差に応じたばね力を生
ずるような指令値を出力する。このようにソフトウェア
によって実現される上記制御方式によって、作業を行う
工具に、あたかも本当の機械的ばね機構が付設されてい
るかのような運動特性を与えることができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

例えば多関節ロボットに前記の従来技術による制御方式
を適用して位置と力を制御することにより、アームの手
先に取り付けた作業工具をワークに押し付けながら所定
の作業を行うことができる。

しかし、多関節ロボットは比較的に剛性が低く、作業工
具をワークに強く押付けた時アームの関節等にたわみが
発生する。前述した仮想コンプライアンス制御方式によ
れば、ばね定数を任意に設定することにより作業工具に
適度なコンプライアンスを与えることができる。ところ
が、上記の如く多関節ロボットではロボットそれ自体が
たわみを有しているため、制御装置で設定したばね定数
とは異なる特性が生じ、所望のコンプライアンスを得る
ことができないという不具合が生じる。

本発明の目的は、例えば仮想コンプライアンス制御等の
制御により位置と力の制御を行える制御装置において、
この制御装置の制御対象である多自由度作業機械のアー
ム等に生じるたわみから剛性を測定して制御パラメータ
に対し補正を行い、作業工具に所望のコンプライアンス
を与えることを可能とした多自由度作業機械の位置と力
の制御装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係る多自由度作業機械の位置と力の制御装置は
、多自由度作業機械のアームの手先に設けられた作業工
具に加わる少なくとも１軸の力を検出する力検出手段と
、作業工具の位置を検出する位置検出手段と、仮想的に
ばね要素を発生させるばね定数乗算手段とを有し、力検
出手段と位置検出手段で検出された力と位置のデータを
用いることにより且つばね定数乗算手段で作業工具にば
ね特性を与えながら作業工具の位置と力を制御する位置
と力の制御装置において、力検出手段が検出するカデー
タと位置検出手段が検出する位置データを用いて多自由
度作業機械におけるたわみを生じる部分で決まる剛性を
測定する剛性測定手段と、所望のコンプライアンスを発
生するばね定数を設定するためのばね定数設定手段と、
剛性測定手段で得られた多自由度作業機械の剛性とはね
定数設定手段に設定されるばね定数とを用いて前記コン
プライアンスを達成するためのばね定数を算出し、この
ばね定数値をばね定数乗算手段に設定するばね定数演算
手段とを備えるように構成されることを特徴点とする。

本発明に係る他の多自由度作業機械の位置と力の制御装
置は、前記の基本的な装置構成において、剛性測定手段
で測定された複数の剛性値を記憶する記憶手段と、この
記憶手段に記憶された複数の剛性値のうちのばね定数演
算手段に与えられるいずれか１つの剛性値を切換える剛
性切換手段と、位置検出手段からの位置データに基づい
て剛性切換手段の切換動作を制御する剛性選択手段とを
備え、剛性測定手段は一連の作業範囲を分割した所定の
各部分作業範囲ごとの剛性値を測定し、記憶手段は複数
の部分作業範囲のそれぞれの剛性値を記憶すると共に、
一連の作業範囲についての作業実行時に、剛性選択手段
が、各部分作業範囲を判定し、剛性切換手段に対し、判
定された部分作業範囲に対応する剛性値に切換えてばね
定数演算手段に与えることを指令することを特徴点とす
る。

〔作用〕

本発明による位置と力の制御装置では、所定の条件の下
で多自由度作業機械を動作させ、これにより力検出手段
で検出されるカデータと位置検出手段で検出される位置
データを用いて剛性測定手段で多自由度作業機械が有す
る剛性を測定し、この剛性を考慮に入れ、所望のコンプ
ライアンスを発生させるべくばね定数設定手段に設定さ
れたばね定数を、前記所望のコンプライアンスが生じる
ように更に補正する。補正の結果得られたばね定数は、
位置と力の制御装置のばね定数乗算手段に設定される。

多自由度作業機械においては、その姿勢が大きく変わる
と、その剛性も変化するので、一連の作業範囲が大きい
場合にはその作業範囲を予め所定の複数の部分作業範囲
に分けて、各部分作業範囲ごとに剛性を求めておき、作
業実行時に剛性選択手段で部分作業範囲を判定し、剛性
切換手段に対して対応する剛性値を取出すように指令を
出すよう構成されている。

〔実施例〕

以下に、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する
。

第１図は多自由度作業機械であって特定な作業を行うロ
ボットに適用された本発明に係る位置と力の制御装置の
全体構成を示す。第１図において、１は所定の作業を行
うように教示されたロボット本体で、複数の関節部を有
するアーム２が支持基台３に取付けられ、アーム２の各
関節部の可動作用により、アーム先部は作業上必要とさ
れる位置に移動し、アーム全体の姿勢は作業上必要な姿
勢に変化する。アーム２の先部に位置するリスト部４に
６軸の力センサ５が取付けられ、更に力センサ５の先に
は、ワーク６に対して所定作業を行う手先効果器である
作業工具７が取付けられている。

８はコントローラであり、このコントローラ８内にはコ
ンピュータ等で構成される制御手段が内蔵され、予め定
められた位置と力の制御のための演算式を用いて且つ所
定の手順でロボット本体１に対し位置・力制御を実行す
る機能を有している。

コントローラ８は、信号ライン９でロボット本体１に対
し所定作業の動作を指令するための指令信号を与え且つ
ロボット本体１からモータ等の動作情報を得ると共に、
力センサ５から作業工具７に加わる力及びモーメントに
関する検出信号、すなわち力信号１０を取り込むように
相互に電気的に接続されている。１１は作業者が所持し
、必要に応じ適時に操作する操作器であり、テンキー及
び各種の指令をコントローラ８に与えることのできる複
数の操作スイッチが設けられている。操作器１１の各種
の操作スイッチを作業者が操作することにより、例えば
作業動作の教示、作業条件の設定、作業工具７の押付は
力の設定、所望のばね定数の設定等を行うことができる
。

次に、第２図及び第３図のブロック図に基づいてコント
ローラ８によって実現される本発明による制御装置の構
成について説明する。ロボット本体１に適用される本発
明の制御方式は、コントローラ８内に含まれるコンピュ
ータ等を利用してソフト的に又はその他のハード回路で
実現されるものであり、第２図及び第３図は制御回路要
素及びそれらの関係が明確になるようにブロック図で示
されている。

第２図において、ロボット本体１の内部にはアーム２の
各関節部を動かすための駆動モータ（図示せず）が複数
内蔵されている。これらの駆動モータにはその駆動量を
計測する角度計２１が取り付けられており、この角度計
２１によって各関節の軸角度データを得ることができる
。

先ず位置・力制御演算系の構成から説明する。

アーム先端に配置された力センサ５から出力される力及
びモーメントの信号は力演鼻部２２に送給され、この力
演鼻部２２で、センサ座標系から基準座標系（絶対座標
系）に変換すると共に作業工具７の重力針を差し引く重
力補償を行うことによりワークと作業工具７の接触点で
の力ｔを算出する。そして、この力ｆは角目標値設定部
２６で設定された角目標値ｆｒと力偏差演算部２７で比
較され、その力偏差Δｔが算出される。また前述の角度
計２１によって検出される各軸の角度データは位置演算
部２３に送給され、位置演算部２３でこれらの角度デー
タによって絶対座標系における作業工具７の位置と姿勢
Ｘが算出される。そして、この位置と姿勢Ｘは、位置目
標値設定部２４で設定された位置の目標値７（ｒと、位
置偏差演算部２５で比較され、その位置偏差ΔＸが求め
られる。

なお、位置目標値設定部２４における位置目標値と角目
標値設定部２６の角目標値は、教示等によって与えられ
た位置情報に基づいて設定される。

上記のように、力偏差演算部２７で得られた力偏差Δｆ
と位置偏差演算部２５で得られた位置と姿勢に関する位
置偏差ΔＸはそれぞれ位置・力制御演算部３０に入力さ
れる。

位置・力制御演算部３０は、ばね定数乗算部３１と減算
器３２と特性補償演算部３３とから構成される。前記の
力偏差演算部２７の出力Δｆは減算器３２に与えられ、
位置偏差演算部２５で得られた位置偏差ΔＸはばね定数
乗算部３１に人力される。ばね定数乗算部３１では仮想
ばね定数行列Ｋが設定されている。ばね定数乗算部３１
は、入力された位置偏差ΔＸに設定された仮想ばね定数
行列Ｋを乗算することによりにΔλを算出する。

本実施例においてばね定数行列にの各軸の値は固定値で
はなく、必要に応じて適切な値に変化せしめられる。ワ
ーク６に対し作業工具７を押し付ける方向の仮想ばね定
数は、後述するように作業処理部５０において演算され
る。ばね定数乗算部３１の出力にΔλは減算器３２に与
えられる。減算器３２では、Δｆ−にΔＸが計算され、
この減算器３２の計算結果は特性補償演算部３３に与え
られる。特性補償演算部３３ではコントローラゲインＫ
ｃが設定されており、このＫｃによって人力されたΔｆ
−にΔＸが制御上の特性補償を受け、特性補償演算部３
３で速度指令値マが算出される。

このようにして位置・力制御演算部３０で求められた速
度指令値マは駆動指令部４１に供給され、この駆動指令
部４１で速度指令値マは研削装置本体１の各駆動モータ
の駆動指令値心に変換される。

変換された駆動指令値心はロボット本体１の各駆動モー
タに供給され、この指令値によってモータは動作する。

作業処理部５０は、前述した構成を有する制御装置に対
して、当該制御装置がロボット本体工に実作業を行わせ
るための指令を出すプログラムを内部に有しており、教
示された命令やデータ等に従って制御装置を作動させる
。制御装置との関係において、作業処理部５０は力演鼻
部２２の出力ｔと位置演算部２３の出力Ｘを入力信号と
して取り込んでいる。また作業処理部５０は、角目標値
設定部２６と位置目標値設定部２４とばね定数乗算部３
１に対し各制御パラメータを変更・設定できるように接
続されている。特にこの作業処理部５０には、第３図に
示されるような構成を有する本発明の要部である剛性測
定補正処理部６０が含まれている。

第３図に示される剛性測定補正処理部６０は、ロボット
本体１が有している剛性を測定し、位置と力の制御を行
う制御装置で所望のコンプライアンスを得るため制御パ
ラメータとして与えられる仮想ばね定数を演算し、ばね
定数乗算部３１に設定される仮想ばね定数Ｋを最適な値
に変更する機能を有する。剛性測定補正処理部６０は、
前記力演算部２２と位置演算部２３の各出力信号が入力
される剛性測定部６１と、剛性測定部６１で測定され且
つ出力される測定剛性値を記憶する記憶部６２と、ばね
定数演算部６３とから構成される。

ばね定数演算部６３には、予め目標とするばね定数が設
定されたばね定数設定部７０から与えられるばね定数値
と、記憶部６２に記憶された測定剛性値が与えれる。こ
れらの値によってロボット本体１の剛性を考慮したばね
定数が決定され、この値はばね定数乗算部３１に設定さ
れる。

次に上記構成を有する剛性測定補正処理部６０による補
正動作について説明する。先ず、制御装置は、ロボット
本体１の作業工具７がワーク６に対して押付は力を変え
て２回押し付けられるように制御を行う。この時の押付
は方向をｉ方向とし、最初の押付は動作時において力演
鼻部２２で検出した作業工具７に加わる力をｆ、ＩＩ、
位置演算部２３で検出した作業工具７の位置をＸｔｉと
し、２回目の押付は動作時において力演鼻部２２で検出
した作業工具７に加わる力を１１２、位置演算部２３で
検出した作業工具７の位置をＸＩ２とする。これらのカ
データ及び位置データは剛性測定部６１に入力される。

剛性測定部６１は、これらの力と位置のデータを用いて
、ロボット本体１の剛性にヮを、例えば次式により求め
る。

このようにして剛性測定部６１で求められた剛性に、は
、記憶部６２に記憶される。またばね定数設定部７０に
は、作業工具７に所望のコンプライアンスを発生させる
ためのばね定数に、が設定される。なお第３図中では記
憶部６２が設けられているが、求められた剛性値が即座
にばね定数演算に使用される場合には、記憶部６２は必
要ない。

ロボット本体１の剛性を含めた制御システム全体のばね
要素を図に示すと、第４図の如くなる。

第４図において、ばね定数設定部７０に設定されたばね
定数に、は、ロボット本体１において剛性として存在す
るばね定数に、と、制御パラメータとして与えられるば
ね定数Ｋｉとが直列結合されたモデルとして与えられる
。このモデルにおいて、ばね定数に＋ｔは固有な一定値
であるため、所望のばね定数に、を得るためにはＫｉを
調整する必要がある。そこで、ばね定数演算部６３にお
いて、記憶部６２に記憶されているに、と、ばね定数設
定部７０に設定されたに５の値を基に作業工具７に所望
のコンプライアンスを得られるように次式によって制御
パラメータである仮想ばね定数Ｋｉを求める。

こうして得られた仮想ばね定数Ｋｉを、ばね定数乗算部
３１の仮想ばね定数行列Ｋに代入することにより、作業
工具７を所望のコンプライアンスで制御することができ
る。

第５図及び第６図は本発明の他の実施例を示す。

この実施例ではロボット本体１のとる姿勢に応じてロボ
ット本体１の有する剛性が異なる点を考慮して剛性を測
定し、仮想ばね定数を補正するように構成したものであ
る。第５図はロボット本体１の姿勢に応じた剛性の定め
方について考察した図であり、特に姿勢による剛性の違
いを作業範囲が小さい場合（ａ）と作業範囲が大きい場
合（ｂ）に別けて示している。

第５図（ａ）に示すように、１１点と２２点の間の作業
範囲でこの作業範囲が小さい場合には、測定された任意
の一定の剛性値を用いて位置データの補正を行えば良い
。すなわち、ロボット本体１が１１点でとる姿勢での剛
性と２２点でとる姿勢での剛性との差異が無視できるよ
うな場合には、例えば１１点での剛性Ｋｌ、、２２点で
の剛性に１．。

１１点と２２点の間の任意の位置での剛性Ｋｌｌ□、又
は１１点と２２点の各剛性の平均値ＫＲ１２′などのい
ずれかを剛性の代表値として剛性測定部６１で測定し、
仮想ばね定数の演算に使用することができる。

一方、第５図（ｂ）に示すように、１１点から４３点ま
でが一連の作業範囲で、作業範囲が太きく、ロボット本
体１の姿勢が大きく変化する場合には、当該作業範囲に
おけるロボット本体の１つの姿勢による剛性を作業範囲
全体での剛性として代表させることができない。このよ
うな作業を行う場合には、予め一連の作業範囲を剛性の
違いを無視することのできる複数の部分的作業範囲、例
えばＰ、〜Ｐ２．Ｐ２〜Ｐ３．Ｐ３〜Ｐ４．Ｐ４〜Ｐ、
に分割し、各作業範囲ごとで代表となる剛性に□（ｊ＝
１．２，３・・・）をそれぞれ測定し、記憶するように
する。そして、ロボット本体１が作業範囲Ｐ、〜Ｐ、で
作業を開始する動作を行ったとき、分割した作業範囲ご
とに測定した剛性を切換えながら仮想ばね定数の演算を
行う。

第６図は第５図（ｂ）の場合を考慮した剛性測定補正処
理部の構成例を示す。第６図に示される剛性測定補正処
理部６０′では、第３図で示した構成において、記憶部
６２′とばね定数演算部６３との間に記憶部６２′の出
力Ｋｌ、を入力する剛性切換部６６と、位置演算部２３
から構成される装置データを入力し且つ剛性切換部６６
に選択指令を出力する剛性選択部６５が接続されており
、その他の構成については基本的に第３図に示された構
成と同じである。ただし、剛性測定部は、前述したよう
に力演鼻部２２と位置演算部２３から入力した各出力信
号を用いて分割した部分作業範囲ごとにロボット本体１
の剛性を測定する機能を有しているので符号６１′　を
付し、また記憶部は剛性測定部６１’　において測定さ
れ且つ出力される剛性値に□（ｊ＝１．２．３・・・　
ｊは分割された部分作業範囲を表す）を記憶するので、
符号６２′を付している。

上記の構成において、剛性選択部６５は、位置演算部２
３からの位置データに基づき作業工具７が存在する分割
された作業範囲を判定し、各作業範囲において必要とさ
れる測定剛性値ＫＲ，を指定する信号を出力する。また
剛性切換部６６は、剛性選択部６５からの指定信号を入
力し、且つこの指定信号に基づき記憶部６２′に記憶さ
れている剛性値に□より該当する値を入力し、ロボット
本体１の剛性値として出力する。その他の構成要素の動
作については前記第３図の実施例で説明したものと同じ
である。

以上の構成及び動作によれば、第５図（ｂ）で説明した
ロボット本体１の姿勢が大きく変化し、剛性が大きく変
化する場合にも剛性の変化に対応させた適切な制御を行
うことができる。

〔発明の効果〕

以上の説明で明らかなように本発明によれば、作業機械
のアーム等が有するたわみ特性をばね定数要素として考
慮し、これを所定の条件の下で測定し、位置と力の制御
装置において作業機械の有する剛性を含めて仮想ばね定
数を設定するように構成したため、作業工具に所望のコ
ンプライアンスを正確に与えることができ、ワークに対
する適切な押付は力を確保することができる。また作業
機械の姿勢が異なるときには剛性が異なることもあるの
で、この場合に一連の作業範囲を部分的に分けて、部分
作業範囲ごとに剛性を求めるようにしたため、動作制御
をより精密に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る位置と力の制御装置が適用された
多自由度作業機械のシステム構成図、第２図は本発明に
係る位置と力の制御装置の全体構成を示すブロック図、
第３図の制御装置の要部構成を示すブロック図、第４図
は剛性を示すばね定数と設定されたばね定数との関係を
示す模式図、第５図は作業範囲の大きさに伴う姿勢の変
化に応じて剛性が異なることを説明するための図、第６
図は剛性測定補正処理部の他の実施例を示すブロック図
である。 〔符号の説明〕 １・・・・・・ロボット本体 ２・・・・・・アーム ５・・・・・・力センサ ６・・・・・・ワーク ７・・・・・・作業工具 ２２・・・・・力演鼻部 ２３・・・・・位置演算部 ２４・・・・・位置目標値設定部 ２５　・　・　・　・ ３０　・　・　・　・ ３１　・　・　・　・ ５０　・　・　・　・ ６０、６０’ ６１．６１’ ６３　・　・　・　・ ６５　・　・　・　・ ６６　・　・　・　・ ７０　・　・　・　・

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）多自由度作業機械のアームの手先に設けられた作
   業工具に加わる少なくとも１軸の力を検出する力検出手
   段と、前記作業工具の位置を検出する位置検出手段と、
   仮想的にばね要素を発生させるばね定数乗算手段とを有
   し、前記力検出手段と前記位置検出手段で検出された力
   と位置のデータを用いることにより且つ前記ばね定数乗
   算手段で前記作業工具にばね特性を与えながら前記作業
   工具の位置と力を制御する位置と力の制御装置において
   、前記力検出手段が検出する力データと前記位置検出手
   段が検出する位置データを用いて前記多自由度作業機械
   におけるたわみを生じる部分で決まる剛性を測定する剛
   性測定手段と、所望のコンプライアンスを発生するばね
   定数を設定するためのばね定数設定手段と、前記剛性測
   定手段で得られた前記多自由度作業機械の剛性と前記ば
   ね定数設定手段に設定されるばね定数とを用いて前記コ
   ンプライアンスを達成するためのばね定数を算出し、こ
   のばね定数値を前記ばね定数乗算手段に設定するばね定
   数演算手段とを備えることを特徴とする多自由度作業機
   械の位置と力の制御装置。
2. （２）請求項１記載の多自由度作業機械の位置と力の制
   御装置において、前記剛性測定手段で測定された複数の
   剛性値を記憶する記憶手段と、この記憶手段に記憶され
   た複数の剛性値のうちの前記ばね定数演算手段に与えら
   れるいずれか１つの剛性値を切換える剛性切換手段と、
   前記位置検出手段からの位置データに基づいて前記剛性
   切換手段の切換動作を制御する剛性選択手段とを備え、
   前記剛性測定手段は一連の作業範囲を分割した所定の各
   部分作業範囲ごとの剛性値を測定し、前記記憶手段は複
   数の前記部分作業範囲のそれぞれの剛性値を記憶すると
   共に、前記一連の作業範囲についての作業実行時に、前
   記剛性選択手段が、前記各部分作業範囲を判定し、前記
   剛性切換手段に対し、判定された部分作業範囲に対応す
   る剛性値に切換えて前記ばね定数演算手段に与えること
   を指令することを特徴とする多自由度作業機械の位置と
   力の制御装置。