JPH07186077A - Manipulator control method - Google Patents

Manipulator control method

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JPH07186077A
JPH07186077A JP32946193A JP32946193A JPH07186077A JP H07186077 A JPH07186077 A JP H07186077A JP 32946193 A JP32946193 A JP 32946193A JP 32946193 A JP32946193 A JP 32946193A JP H07186077 A JPH07186077 A JP H07186077A
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JP
Japan
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hand
force
brake
manipulator
control system
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP32946193A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Ichiro Watanabe
一郎 渡辺
Baakeruman Piitaa
バーケルマン ピーター
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Filing date
Publication date
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Publication of JPH07186077A publication Critical patent/JPH07186077A/en
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Abstract

PURPOSE:To reduce impact at the time of the fingers or a body grasped by the fingers having come into contact with an object, in the case of a maniplulator control method to control the movements of the fingers of various manipulators. CONSTITUTION:The finger position Xcur and generating force Fcur of a manipulator 4 are detected, and the movements of the fingers are controlled by means of a position/force controlling means 1. Also, the generating force Fcur of the finger and a threshold value are compared with each other by means of a contact detecting means 2, and at the time of the threshold value having been surpassed, it is decided that the fingers or a body grasped by the fingers has come into contact with an object. A brake command outputting means 3 seeks a brake acceleration command BA=-C.V/Tbk on the basis of the fingers speed V at a contact detection time, a brake operation time Tbk previously set and a brake acceleration coefficient C, and synthesizes it with an acceleration command from the position/force controlling means 1, and decelerates the speed of the fingers as an acceleration command Xcmd'' to be added to the manipulator 4.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、各種のマニピュレータ
の手先の運動を制御するマニピュレータ制御方式に関す
る。マニピュレータは、地上のみでなく宇宙空間等の各
種の分野に於いても使用されている。又マニピュレータ
は、その運動方向と制御形式に応じて、直角座標形,円
筒座標形,極座標形,多関節形等が知られており、多関
節形としては、6個の関節でアーム部分を接続した6自
由度の構成が複雑な作業用として採用されている。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a manipulator control system for controlling the movement of the hands of various manipulators. Manipulators are used not only on the ground but also in various fields such as outer space. In addition, the manipulator is known as a rectangular coordinate type, a cylindrical coordinate type, a polar coordinate type, an articulated type, etc., depending on its movement direction and control type. As the articulated type, six joints connect the arm parts. The 6 degrees of freedom configuration is adopted for complicated work.

【0002】又マニピュレータの手先により各種の作業
を行うものであり、その手先により物体を把持する時
や、その物体を把持して目的位置に移動させて位置決め
等を行う場合に、手先が物体に接触する時及び手先に把
持した物体が位置決め個所に当接する時に、手先に衝撃
力が加わることになる。この場合の衝撃力が大きいと、
手先,マニピュレータ或いは対象物体が破損することに
なる。従って、このような衝撃力を緩和する必要があ
る。
In addition, the manipulator is used to perform various operations by the hand of the manipulator, and when the hand is used to grip an object, or when the object is gripped and moved to a target position for positioning, etc. An impact force is applied to the fingertips when they come into contact with each other and when the object gripped by the fingertips comes into contact with the positioning portion. If the impact force in this case is large,
The hand, manipulator, or target object will be damaged. Therefore, it is necessary to reduce such impact force.

【0003】[0003]

【従来の技術】図7は従来例の力制御系説明図であり、
50はマニピュレータ、51は力制御則処理部、52は
速度フィードバック部、53,54は加算部である。マ
ニピュレータ50は、その自由度に応じた駆動部を備
え、且つその先端には物体を把持できる手先等を備えて
いる。又手先が接触することにより発生する力を検出す
る力覚センサや位置を検出する位置センサ等を備えてい
る。この力覚センサ等による手先の発生力Fcurと、
与えられた力目標値Frefとの誤差が加算部54で計
算される。
2. Description of the Related Art FIG. 7 is an explanatory view of a conventional force control system.
50 is a manipulator, 51 is a force control law processing unit, 52 is a velocity feedback unit, and 53 and 54 are addition units. The manipulator 50 is provided with a drive unit according to its degree of freedom, and a tip or the like of the manipulator 50 that can hold an object. Further, it is provided with a force sensor for detecting a force generated by the contact of the hands and a position sensor for detecting the position. Generated force Fcur of the hand by this force sensor,
An error from the given force target value Fref is calculated by the adder 54.

【0004】この加算部54は、力目標値Frefと手
先の発生力Fcurとの誤差を求めるもので、その誤差
は力制御則処理部51に与えられ、力制御則に従った処
理によって加速度指令Xf”(=d2 Xf/dt2 )が
出力される。又手先の現在の位置Xcurが位置センサ
等によって検出され、速度フィードバック部52を介し
て位置Xcurの変化分から手先の速度成分としてフィ
ードバックされ、制御系の応答の安定化が図られてい
る。そして、力制御則処理部51からの加速度指令X
f”に、手先の速度成分がフィードバックされ、加算部
53から加速度指令Xcmd”(=d2 Xcmd/dt
2 )としてマニピュレータ50に加えられる。従って、
マニピュレータ50の先端の手先の運動が力目標値Fr
efに従って制御される。
The adder 54 obtains an error between the target force value Fref and the generated force Fcur of the hand, and the error is given to the force control law processing section 51, and the acceleration command is given by the processing according to the force control law. Xf ″ (= d 2 Xf / dt 2 ) is output. Further, the current position Xcur of the hand is detected by a position sensor or the like, and is fed back as a speed component of the hand from the change amount of the position Xcur via the speed feedback unit 52. , The response of the control system is stabilized, and the acceleration command X from the force control law processing unit 51.
The speed component of the hand is fed back to f ″, and the acceleration command Xcmd ″ (= d 2 Xcmd / dt from the adding unit 53.
2 ) is added to the manipulator 50. Therefore,
The movement of the tip of the manipulator 50 is the force target value Fr.
controlled according to ef.

【0005】又図8は従来例の位置/力選択制御系説明
図であり、60はマニピュレータ、61は力制御則処理
部、62は速度フィードバック部、63,64,68,
69は加算部、65は位置制御則処理部、66,67は
切替変数hを0又は1とすることにより位置制御系と力
制御系とを切替える切替処理部である。
FIG. 8 is an explanatory view of a conventional position / force selection control system. 60 is a manipulator, 61 is a force control law processing section, 62 is a speed feedback section, 63, 64, 68,
69 is an addition unit, 65 is a position control law processing unit, and 66 and 67 are switching processing units that switch between the position control system and the force control system by setting the switching variable h to 0 or 1.

【0006】与えられた力目標値Frefとマニピュレ
ータ60の手先の発生力Fcurとの誤差が加算部64
に於いて求められ、その誤差が力制御則処理部61に於
いて力制御則に従って処理されて加速度指令が出力され
る。又手先の位置Xcurが検出され、速度フィードバ
ック部62に於いて位置Xcurの変化分から速度が求
められ、その速度が加算部63にフィードバックされ
る。この加算部63から力制御系の加速度指令が出力さ
れる。
The error between the applied force target value Fref and the force Fcur generated by the hand of the manipulator 60 is calculated by the addition unit 64.
And the error is processed in the force control law processing unit 61 according to the force control law, and the acceleration command is output. The position Xcur of the hand is detected, the speed feedback unit 62 calculates the speed from the change in the position Xcur, and the speed is fed back to the addition unit 63. An acceleration command for the force control system is output from the adder 63.

【0007】そして、切替変数hを1とすると、切替処
理部67は、加算部63の出力に1を乗算することと等
価な処理により、加算部63の出力を加算部68に加え
ることになり、又切替処理部66は、位置制御則処理部
65の出力に0(1−h=1−1=0)を乗算すること
と等価な処理を行うから、位置制御則処理部65からの
出力は0となる。従って、結果として加算部68から、
力制御系からの加速度指令がXcmd”としてマニピュ
レータ60に加えられる。
When the switching variable h is set to 1, the switching processing unit 67 adds the output of the adding unit 63 to the adding unit 68 by a process equivalent to multiplying the output of the adding unit 63 by 1. Further, the switching processing unit 66 performs a process equivalent to multiplying the output of the position control law processing unit 65 by 0 (1-h = 1-1 = 0), so that the output from the position control law processing unit 65 Is 0. Therefore, as a result, from the addition unit 68,
The acceleration command from the force control system is applied to the manipulator 60 as Xcmd ″.

【0008】又与えられた位置目標値Xrefと手先の
位置Xcurとの誤差が加算部69に於いて求められ、
その誤差が位置制御則処理部65に於いて位置制御則に
従って処理されて位置制御系の加速度指令が出力され
る。そして、切替変数hを0とすると、切替処理部66
は、位置制御系の加速度指令に1を乗算することと等価
な処理により、位置制御系の加速度指令を加算部68に
加えることになり、又切替処理部67はh=0を力制御
系の加速度指令に乗算することと等価な処理により、加
算部68に加えられる力制御系の加速度指令は0とな
る。従って、加算部68から位置制御系の加速度指令が
Xcmd”としてマニピュレータ60に加えられる。
Further, the error between the given position target value Xref and the position Xcur of the hand is calculated in the adder 69,
The error is processed by the position control law processing unit 65 according to the position control law, and the acceleration command of the position control system is output. Then, assuming that the switching variable h is 0, the switching processing unit 66
Means that the acceleration command of the position control system is added to the addition unit 68 by a process equivalent to multiplying the acceleration command of the position control system by 1, and the switching processing unit 67 sets h = 0 in the force control system. By the process equivalent to multiplying the acceleration command, the acceleration command of the force control system applied to the addition unit 68 becomes zero. Therefore, the acceleration command of the position control system is added to the manipulator 60 from the adder 68 as Xcmd ″.

【0009】即ち、マニピュレータ60の駆動部は、位
置制御系と力制御系との何れかに切替えられて制御され
るものである。例えば、手先が他の物体に接触していな
い状態や、接触していても自由に移動できるような状態
の手先の運動が拘束されない状態に於いては、切替変数
hが0となって位置制御系による制御に切替えられる。
又手先の運動が拘束された状態に於いては、切替変数h
が1となって力制御系による制御に切替えられる。一般
には、手先の6自由度等に対応して、それぞれの位置制
御/力制御の選択が行われるもので、この制御系は位置
と力とのハイブリッド制御系と称されている。
That is, the drive unit of the manipulator 60 is controlled by switching to either the position control system or the force control system. For example, in a state where the hand is not in contact with another object, or in a state in which the hand is free to move even if it is in contact, the movement of the hand is not constrained and the switching variable h becomes 0 and the position control is performed. Switched to control by the system.
When the motion of the hand is restricted, the switching variable h
Becomes 1 and the control is switched to the control by the force control system. Generally, each position control / force control is selected according to the 6 degrees of freedom of the hand, and this control system is called a hybrid control system of position and force.

【0010】又図9は従来例のインピーダンス制御系の
説明図であり、70はマニピュレータ、71はインピー
ダンス制御則処理部である。このインピーダンス制御則
処理部71は、与えられた位置目標値Xrefと、マニ
ピュレータ70の先端の手先の位置Xcurと、手先の
発生力Fcurとを基に、インピーダンス制御則に従っ
て加速度指令Xcmd”を求めてマニピュレータ70に
加えるものである。
FIG. 9 is an explanatory view of an impedance control system of a conventional example, 70 is a manipulator, and 71 is an impedance control law processing section. The impedance control law processing unit 71 obtains the acceleration command Xcmd "according to the impedance control law based on the given position target value Xref, the position Xcur of the tip of the manipulator 70, and the generated force Fcur of the hand. It is added to the manipulator 70.

【0011】このインピーダンス制御則処理部71に於
ける加速度指令Xcmd”を求めるインピーダンス制御
則は、次式で示すものとなる。 Xcmd"=Xref"+〔F+D(Xref'−Xcur')+K(Xref −Xcur)/M〕 …(1) 但し、Xref”(=dXref2 /dt2 )は目標加
速度、Fは加えられた力、Dはダンピング係数、Kはば
ね係数、Xref’は目標速度(=dXref/d
t)、Xcur’は手先の速度(=dXcur/d
t)、Mは質量を示す。
The impedance control law for obtaining the acceleration command Xcmd "in the impedance control law processing section 71 is expressed by the following equation: Xcmd" = Xref "+ [F + D (Xref'-Xcur ') + K (Xref -Xcur) / M] (1) where, Xref "(= dXref 2 / dt 2) is the target acceleration, F is the applied force, D is the damping coefficient, K is the spring coefficient, Xref 'is the target speed (= dXref / d
t), Xcur 'is the speed of the hand (= dXcur / d
t) and M indicate mass.

【0012】この制御系は、図8に示すような位置制御
系と力制御系とを切替えるものではなく、手先の位置X
curと手先の発生力Fcurとのフィードバックは常
に作用しているもので、手先の外力に対する応答特性を
指定した制御系となる。
This control system does not switch the position control system and the force control system as shown in FIG.
The feedback between cur and the generated force Fcur of the hand is always acting, and the control system specifies the response characteristic of the hand to the external force.

【0013】[0013]

【発明が解決しようとする課題】前述の従来例の力制御
系,位置/力選択制御系,インピーダンス制御系の何れ
の制御系に於いても、手先又は手先で把持した物体が対
象物に衝突する瞬間がある。即ち、(a)力制御系に於
いて、接触していない状態で力目標値を与えて制御を行
い、対象物に接触する瞬間、(b)位置/力選択制御系
に於いて、位置制御により接近し、接触を検出して力制
御に切替える瞬間、(c)インピーダンス制御系に於い
て、目標位置軌道が対象物と干渉する場合に於いて、そ
れぞれ接触する直前の相対速度で手先と対象物とが接触
する瞬間がある。
In any of the force control system, the position / force selection control system, and the impedance control system of the above-mentioned conventional examples, the hand or the object grasped by the hand collides with the object. There is a moment to do it. That is, (a) in the force control system, control is performed by giving a force target value in a non-contact state, and at the moment of contact with an object, (b) position control in the position / force selection control system. When the target position orbit interferes with the object in the impedance control system at the moment when the contact is detected, the contact is detected and the force is switched to the force control. There is a moment when something comes into contact.

【0014】この衝突の瞬間に手先及び対象物に大きな
力が発生し、手先或いは対象物が破損する場合がある。
例えば、図10の(a)に示すように、手先が拘束され
ない状態(発生力=0)から時刻t0 に於いて対象物
に、その直前の相対速度で衝突すると、その瞬間には、
力目標値Frefを超えた大きな力Fcurが発生し、
その後に力制御により力目標値Frefに落ちつくこと
になる。この時の発生力Fcurが大きいと、前述のよ
うに手先或いは対象物を破損することになる。
At the moment of this collision, a large force is generated on the hand and the object, which may damage the hand or the object.
For example, as shown in (a) of FIG. 10, when a hand collides with an object at a relative velocity immediately before that at a time t 0 from a state where the hand is not restrained (generated force = 0), at that moment,
A large force Fcur exceeding the force target value Fref is generated,
After that, the force control settles down to the force target value Fref. If the generated force Fcur at this time is large, the hand or the object will be damaged as described above.

【0015】又衝突時の発生力Fcurが大き過ぎて、
力目標値Frefとの偏差が大きい場合に、フィードバ
ック系によって、図10の(b)に示すように、バウン
ス状態が発生し、最後に力目標値Frefに落ちつく場
合が生じる。即ち、不安定な制御状態となる問題があっ
た。
Further, the force Fcur generated at the time of collision is too large,
When the deviation from the force target value Fref is large, the feedback system may cause a bounce state as shown in FIG. 10B, and finally the force target value Fref may settle down. That is, there is a problem that the control state becomes unstable.

【0016】一方、マニピュレータの最下位サーボ系と
して、関節の角加速度目標値を与える構成が知られてい
る。この場合は、手先の加速度目標値を関節の角加速度
目標値に変換して制御することになる。又インピーダン
ス制御系等の場合に、最下位の制御は、関節のトルク制
御系となるが、所望のインピーダンス特性を実現する手
先の加速度指令値を逐次計算し、それをマニピュレータ
の動特性等を考慮して関節のトルク目標値に変換する場
合が多い。又最下位制御系は、関節の角速度制御系に相
当し、積分計算等の変換則を導入することによって、角
加速度目標値を受付けることができる構成も知られてい
る。
On the other hand, as the lowest servo system of the manipulator, there is known a structure for giving a target angular acceleration value of a joint. In this case, the target acceleration value of the hand is converted into the target angular acceleration value of the joint for control. In the case of an impedance control system, the lowest control is the joint torque control system, but the acceleration command value of the hand that realizes the desired impedance characteristics is sequentially calculated and the dynamic characteristics of the manipulator are taken into consideration. In many cases, it is converted to a joint torque target value. Further, the lowest control system corresponds to the angular velocity control system of the joint, and it is also known that the target value of angular acceleration can be accepted by introducing a conversion rule such as integral calculation.

【0017】従来例のマニピュレータの制御系に於いて
は、発生力をフィードバックし、力目標値との誤差値
を、比例的或いは積分的な補償を施すことによって、加
速度指令をマニピュレータに与えていた。しかし、接触
の瞬間のように、急激な発生力変化に対しては、このよ
うなフィードバック制御系だけでは不充分であり、衝突
時に大きな発生力を生じさせてしまっていた。本発明
は、マニピュレータの手先又は手先に把持した物体と、
対象物との衝突時の発生力を低減することを目的とす
る。
In the conventional manipulator control system, the acceleration command is given to the manipulator by feeding back the generated force and compensating the error value with the force target value in a proportional or integral manner. . However, such a feedback control system is not sufficient for a sudden change in the generated force at the moment of contact, and a large generated force is generated at the time of collision. The present invention, the hand of the manipulator or an object grasped at the hand,
The purpose is to reduce the force generated at the time of collision with an object.

【0018】[0018]

【課題を解決するための手段】本発明のマニピュレータ
制御方式は、図1を参照して説明すると、マニピュレー
タの手先の位置及びその手先の発生力を検知して、位置
/力制御手段1によって手先の運動を制御するマニピュ
レータ制御方式に於いて、手先の発生力が閾値を超えた
時に、その手先又はその手先に把持した物体が対象物に
接触したと判定して接触検出信号を出力する接触検出手
段2と、この接触検出手段2による接触検出信号と手先
の位置とによりブレーキ指令を出力するブレーキ指令出
力手段3とを設け、位置/力制御手段1による加速度指
令に対してブレーキ指令出力手段3によるブレーキ加速
度指令とを合成した加速度指令によって、マニピュレー
タ4の手先の運動を制御するものである。
The manipulator control method of the present invention will be described with reference to FIG. 1. The position / force control means 1 detects the position of the hand of the manipulator and the force generated by the hand, and the position / force control means 1 detects the hand. In the manipulator control method that controls the movement of the human body, when the generated force of the hand exceeds a threshold value, it is determined that the hand or the object gripped by the hand touches the target object and the contact detection signal is output. Means 2 and brake command output means 3 for outputting a brake command based on the contact detection signal from the contact detection means 2 and the position of the hand are provided, and the brake command output means 3 is provided for the acceleration command by the position / force control means 1. The motion of the hand of the manipulator 4 is controlled by an acceleration command that is a combination of the brake acceleration command by the.

【0019】又ブレーキ指令出力手段3は、接触検出手
段2によりマニピュレータの手先又はその手先に把持し
た物体が対象物に接触したことを検出した瞬間に於ける
手先の速度Vと、ブレーキ作用時間Tbkと、0を含ま
ない1以下の定数Cとによる、−C・V/Tbkの値を
ブレーキ加速度指令として、ブレーキ作用時間Tbkだ
け出力するように構成することができる。
Further, the brake command output means 3 detects the contact detecting means 2 detecting that the hand of the manipulator or the object held by the hand touches the object, and the speed V of the hand and the braking action time Tbk. And a constant C of 1 or less that does not include 0, the value of −C · V / Tbk can be used as the brake acceleration command and output only for the brake action time Tbk.

【0020】[0020]

【作用】位置/力制御手段1は、マニピュレータ4の先
端の手先の位置Xcurと手先の発生力Fcurとがフ
ィードバックされ、力制御系,位置/力選択制御系,イ
ンピーダンス制御系等の制御系の制御則に従って加速度
指令を出力するものである。又接触検出手段2は、マニ
ピュレータ4の手先の発生力Fcurが閾値を超えた時
に手先或いは手先に把持した物体が対象物に接触したと
判定して接触検出信号をブレーキ指令出力手段3に与え
る。ブレーキ指令出力手段3は、手先の位置Xcurが
フィードバックされているから、衝突時の手先の速度が
判ることになり、その速度を減速させる為のブレーキ加
速度指令を所定の時間だけ出力する。このブレーキ加速
度指令を位置/力制御手段1による加速度指令に合成し
て得られた加速度指令Xcmd”をマニピュレータ4に
加えることになる。従って、マニピュレータ4の手先の
運動は、接触検出によりブレーキ加速度指令によって減
速されるから、手先及び対象物に発生する衝撃力を緩和
することができる。
The position / force control means 1 feeds back the position Xcur of the tip of the manipulator 4 and the generated force Fcur of the hand, and controls the force control system, the position / force selection control system, the impedance control system, and the like. The acceleration command is output according to the control law. Further, the contact detection means 2 determines that the hand or an object held by the hand contacts the object when the generated force Fcur of the hand of the manipulator 4 exceeds a threshold value, and gives a contact detection signal to the brake command output means 3. Since the position Xcur of the hand is fed back, the brake command output means 3 knows the speed of the hand at the time of collision, and outputs the brake acceleration command for decelerating the speed for a predetermined time. The acceleration command Xcmd "obtained by combining this brake acceleration command with the acceleration command from the position / force control means 1 is added to the manipulator 4. Therefore, the motion of the hand of the manipulator 4 is detected by contact to detect the brake acceleration command. Since it is decelerated by, the impact force generated on the hand and the object can be mitigated.

【0021】又ブレーキ指令出力手段3は、手先の位置
Xcurから求めた接触検出時点の手先の速度Vと、所
定のブレーキ作用時間Tbkと、1≧C>0の関係の定
数Cとを基に、−C・V/Tbkにより求めたブレーキ
加速度指令を、所定のブレーキ作用時間Tbkの間だけ
出力して、位置/力制御手段1からの加速度指令と合成
して、アーム4に加える加速度指令Xcmd”とし、手
先の接触検出によって手先の運動を減速することができ
る。
Further, the brake command output means 3 is based on the speed V of the hand at the time of contact detection obtained from the position Xcur of the hand, a predetermined braking time Tbk, and a constant C having a relation of 1 ≧ C> 0. , -C · V / Tbk, the brake acceleration command is output only for a predetermined braking time Tbk, and is combined with the acceleration command from the position / force control means 1 to be applied to the arm 4 as an acceleration command Xcmd. The movement of the hand can be decelerated by detecting the contact of the hand.

【0022】[0022]

【実施例】図2は本発明の第1の実施例の説明図であ
り、力目標値を与えて制御する力制御系に適用した場合
を示し、10はマニピュレータ、11は力制御則処理
部、12は接触検出手段、13はブレーキ指令出力手
段、14は微分回路(s)、15は係数回路(Kv)、
16,17は加算部である。マニピュレータ10の手先
の位置を検出する位置センサや、手先の発生力を検出す
る力覚センサ等が設けられている。又マニピュレータ1
0等の機構部分や駆動部分等を除いて、制御処理部等の
機能は、それぞれ論理回路によって実現するか、又はコ
ンピュータの演算処理機能によって実現することができ
る。
FIG. 2 is an explanatory view of the first embodiment of the present invention, showing a case where the present invention is applied to a force control system for giving and controlling a force target value, and 10 is a manipulator and 11 is a force control law processing section. , 12 is a contact detection means, 13 is a brake command output means, 14 is a differentiation circuit (s), 15 is a coefficient circuit (Kv),
Reference numerals 16 and 17 are addition units. A position sensor that detects the position of the hand of the manipulator 10, a force sensor that detects the generated force of the hand, and the like are provided. Manipulator 1 again
The functions of the control processing unit and the like, excluding the mechanical part such as 0 and the driving part, can be realized by the respective logic circuits or the arithmetic processing functions of the computer.

【0023】マニピュレータ10の手先の位置Xcur
が位置センサ等により検出されて微分回路14に加えら
れ、又力覚センサ等により検出された手先の発生力Fc
urが加算部17を介して力制御則処理部11にフィー
ドバックされると共に、接触検出手段12に加えられ
る。力制御則処理部11は、加算部17を介して力目標
値Frefと手先の発生力Fcurの誤差が入力され、
力制御則に従って加速度指令Xf”を出力する。
Position Xcur of the hand of the manipulator 10
Is detected by a position sensor or the like and applied to the differentiating circuit 14, and the generated force Fc of the hand detected by the force sensor or the like
ur is fed back to the force control law processing unit 11 via the addition unit 17 and is added to the contact detection means 12. The force control law processing unit 11 receives the error between the force target value Fref and the hand generated force Fcur via the addition unit 17,
The acceleration command Xf ″ is output according to the force control law.

【0024】又微分回路14により手先の位置Xcur
を微分することにより、手先の速度Vcurが求められ
てブレーキ指令出力手段13に与えられる。又微分回路
14と係数回路15とにより速度フィードバック部が形
成され、加算部16を介して手先の速度成分がフィード
バックされる。
The position of the hand Xcur is also determined by the differentiating circuit 14.
By differentiating, the speed Vcur of the hand is obtained and given to the brake command output means 13. A velocity feedback section is formed by the differentiating circuit 14 and the coefficient circuit 15, and the velocity component of the hand is fed back through the adding section 16.

【0025】接触検出手段12とブレーキ指令出力手段
13とは、例えば、図3に示すような処理機能を有する
ものである。即ち、接触検出手段12は、手先の力覚セ
ンサ等による手先の発生力Fcurの絶対値と、予め設
定した閾値Fshとを比較し、手先の発生力Fcurの
絶対値が閾値Fshを超えると、“1”の接触検出信号
hを出力する。それ以外はh=“0”とする。
The contact detection means 12 and the brake command output means 13 have processing functions as shown in FIG. 3, for example. That is, the contact detection means 12 compares the absolute value of the generated force Fcur of the hand by the force sensor of the hand with a preset threshold Fsh, and when the absolute value of the generated force Fcur of the hand exceeds the threshold Fsh, The contact detection signal h of "1" is output. Otherwise, h = “0”.

【0026】ブレーキ指令出力手段13は、接触検出手
段12からの接触検出信号hと、微分回路14による手
先の位置Xcurを微分して得られた速度Vcurとが
入力される。このブレーキ指令出力手段13は、先ず初
期化される。例えば、hprevを0とし、ブレーキ作
用時間(brakeTime)を0.001秒、サンプ
リング周期(dt)を0.001秒、time=bra
keTimeとし、ブレーキ加速度係数Cを0.6に設
定する。なお、このブレーキ加速度係数Cは、1≧C>
0の関係となるように設定するものである。
The brake command output means 13 receives the contact detection signal h from the contact detection means 12 and the speed Vcur obtained by differentiating the position Xcur of the hand by the differentiating circuit 14. The brake command output means 13 is first initialized. For example, hprev is set to 0, the brake action time (brakeTime) is 0.001 seconds, the sampling period (dt) is 0.001 seconds, and time = bra.
KeTime and the brake acceleration coefficient C is set to 0.6. The brake acceleration coefficient C is 1 ≧ C>
The relationship is set to 0.

【0027】そして、サンプリング周期管理を行い、そ
して、hprevが0で、且つh(hnowに代入)が
1となった時(C言語表記に於いて、例えば、=は代入
演算子、==は関係演算子で等値を示し、&&は論理演
算子で論理積を示す)、即ち、前のサンプリングで接触
状態でなく、今回のサンプリングで接触状態となった
時、time=0(接触時間リセット)、initVe
l=Vcur(接触時初期速度)とする。それ以外の時
は、time=time+dtとし、timeをサンプ
リング周期dt毎に増加させる。即ち、timeは、最
新の接触が起こった時からの経過時間を示す。
Then, the sampling period is managed, and when hprev is 0 and h (substitution to hnow) is 1 (in the C language notation, for example, = is an assignment operator and == is Relational operators indicate equality, && indicates logical product by logical operator), that is, time = 0 (contact time reset) when the contact state is not in the previous sampling but in the current sampling. ), InitVe
Let l = Vcur (initial velocity upon contact). At other times, time = time + dt is set, and time is increased every sampling period dt. That is, time indicates the elapsed time from the time when the latest contact occurred.

【0028】そして、time<brakeTimeの
場合、即ち、接触時間リセットによりtime=0とな
ってから、brakeTime時間の間、time<b
rakeTimeの条件が成立し、ブレーキ加速度指令
brakeAccel=−C*initV/brake
Timeとする。即ち、ブレーキ作用時間をTbk(=
brakeTime)、接触瞬間の速度をV(=ini
tV)とすると、ブレーキ加速度指令BA(=brak
eAccel)は、 BA=−C・V/Tbk …(2) により求めるものである。
In the case of time <breakTime, that is, after the contact time is reset, time = 0, and during breakTime, time <b
The condition of “rakeTime” is satisfied, and the brake acceleration command “brakeAccel = −C * initV / brake”.
Time. That is, the brake action time is set to Tbk (=
brakeTime), the speed at the moment of contact is V (= ini)
tV), the brake acceleration command BA (= brak)
eAccel) is calculated by BA = −C · V / Tbk (2)

【0029】この場合、ブレーキ加速度係数Cを1とす
ると、ブレーキ作用時間Tbk後に手先の速度は零とな
るが、実際には、フィードバック系によるブレーキ作用
も生じるから、手先の質量等を考慮してブレーキ加速度
係数Cの値を1以下に設定することになる。又ブレーキ
作用時間Tbkは、できるだけ小さくすることが望まし
いが、余り小さくすると、ブレーキ加速度が大きくなり
過ぎることがある。従って、最大許容加速度の範囲等を
考慮して設定することになる。
In this case, assuming that the brake acceleration coefficient C is 1, the speed of the hand becomes zero after the brake application time Tbk, but in reality, the brake effect by the feedback system also occurs. Therefore, the mass of the hand is taken into consideration. The value of the brake acceleration coefficient C is set to 1 or less. Further, it is desirable to make the braking time Tbk as small as possible, but if it is made too small, the braking acceleration may become too large. Therefore, the range is set in consideration of the maximum allowable acceleration range and the like.

【0030】例えば、最大許容加速度をAMaxとする
と、 Tbk=−C・V/AMax …(3) により、最小ブレーキ時間を求めることもできる。但
し、図3では、Tbkは固定されていて、(3)式の評
価は行っていない。又アームの加速度制御系がディジタ
ル制御構成の場合、ブレーキ作用時間Tbkの最小単位
は、アーム制御系のサンプリング周期になるから、
(3)式で得られたブレーキ作用時間Tbkを、アーム
制御系のサンプリング周期で量子化した値を用いること
になる(但し、量子化後の値はTbkより大きい値を選
ぶ)。
For example, assuming that the maximum allowable acceleration is AMax, the minimum braking time can be calculated by Tbk = -C.V / AMax (3). However, in FIG. 3, Tbk is fixed and the expression (3) is not evaluated. If the arm acceleration control system has a digital control configuration, the minimum unit of the brake action time Tbk is the sampling period of the arm control system.
A value obtained by quantizing the brake action time Tbk obtained by the equation (3) at the sampling period of the arm control system is used (however, a value after quantization is selected to be larger than Tbk).

【0031】又前述のブレーキ加速度指令BAは、例え
ば、接触瞬間の速度Vを0.01m/sとすると、BA
=−0.6×0.01/0.001=−6〔m/s2
となり、このブレーキ加速度指令BAを0.001秒間
出力する。又time<brakeTimeでない場合
は、ブレーキ加速度指令BAを0とする(brakeA
ccel=0.0)。最後に、次のサンプリングでの接
触判断(if((hprev==0)&&・・・)の為
に、hnowをhprevに代入しておく。
Further, the above-mentioned brake acceleration command BA is BA, for example, if the speed V at the moment of contact is 0.01 m / s.
= -0.6 × 0.01 / 0.001 = -6 [m / s 2]
Then, the brake acceleration command BA is output for 0.001 seconds. If time <brakeTime is not satisfied, the brake acceleration command BA is set to 0 (breakA).
ccel = 0.0). Finally, hnow is substituted for hprev for the contact determination (if ((hprev == 0) && ...) In the next sampling.

【0032】図4は本発明の実施例のブレーキ加速度指
令の説明図であり、前述のように、マニピュレータの手
先又は手先で把持した物体が対象物に接触する前は、接
触検出信号hは“0”、ブレーキ加速度指令BAは0で
ある。そして、時刻t0 に於いて手先の発生力Fcur
が閾値Fshを超えることにより、接触検出信号hを
“1”とすると、ブレーキ指令出力手段13から、BA
=−C・V/Tbkのブレーキ加速度指令が、ブレーキ
作用時間Tbkの間出力される。従って、手先の接触瞬
間に於ける速度Vに対応したブレーキ加速度指令BAに
よって、手先の速度が減速されるから、手先の接触時の
衝撃力を緩和することができる。
FIG. 4 is an explanatory diagram of the brake acceleration command according to the embodiment of the present invention. As described above, the contact detection signal h is "before the hand of the manipulator or the object held by the hand touches the object. 0 ", and the brake acceleration command BA is 0. Then, at time t 0 , the generated force Fcur of the hand is
When the contact detection signal h is set to "1" because the value exceeds the threshold Fsh, the brake command output unit 13 outputs the BA
A braking acceleration command of = -CV / Tbk is output during the braking operation time Tbk. Therefore, the speed of the hand is reduced by the brake acceleration command BA corresponding to the speed V at the moment of contact of the hand, so that the impact force at the time of contact of the hand can be mitigated.

【0033】図5は本発明の第2の実施例の説明図であ
り、位置/力選択制御系に適用した場合を示し、20は
マニピュレータ、21は力制御則処理部、22は接触検
出手段、23はブレーキ指令出力手段、24は微分回路
(s)、25は係数回路(Kv)、26,27,29,
32は加算部、28は位置制御則処理部、30,31は
切替処理部である。
FIG. 5 is an explanatory view of the second embodiment of the present invention, showing a case where it is applied to a position / force selection control system, in which 20 is a manipulator, 21 is a force control law processing section, and 22 is contact detection means. , 23 is a brake command output means, 24 is a differentiation circuit (s), 25 is a coefficient circuit (Kv), 26, 27, 29,
Reference numeral 32 is an addition unit, 28 is a position control law processing unit, and 30 and 31 are switching processing units.

【0034】加算部27に力目標値Frefが与えら
れ、又加算部29に位置目標値Xrefが与えられる。
そして、マニピュレータ20の手先の位置Xcurと、
その手先の発生力Fcurとが検出され、手先の位置X
curは加算部29に与えられ、又手先の発生力Fcu
rは加算部27と接触検出手段22とに与えられる。
A force target value Fref is given to the adder 27, and a position target value Xref is given to the adder 29.
Then, with the position Xcur of the hand of the manipulator 20,
The generated force Fcur of the hand is detected, and the position X of the hand is detected.
cur is given to the addition unit 29, and the hand generation force Fcu
r is given to the addition unit 27 and the contact detection means 22.

【0035】手先又は手先に把持した物体が対象物に接
触してない時は、接触検出信号hは“0”であるから、
切替処理部30,31は、h=0とすることにより、位
置制御系による加速度指令Xcmd”がマニピュレータ
20に加えられる。又手先の発生力Fcurが閾値Fs
hを超えたことを接触検出手段22に於いて判定する
と、接触検出信号hを“1”とする。それによって、切
替処理部30,31は、h=1とすることにより、力制
御系による加速度指令Xcmd”がマニピュレータ20
に加えられる。
When the hand or the object gripped by the hand is not in contact with the object, the contact detection signal h is "0".
By setting h = 0 in the switching processing units 30 and 31, the acceleration command Xcmd ″ by the position control system is added to the manipulator 20. Further, the generated force Fcur of the hand is the threshold Fs.
When the contact detection means 22 determines that the value exceeds h, the contact detection signal h is set to "1". Thereby, the switching processing units 30 and 31 set the acceleration command Xcmd ″ by the force control system by setting h = 1.
Added to.

【0036】又力制御系は、力制御則処理部21に、力
目標値Frefと手先の発生力Fcurとの誤差が入力
され、その誤差に対応して加速度指令が出力され、又微
分回路24と係数回路25とにより手先の速度成分がフ
ィードバックされ、その結果が切替処理部31を介して
加算部32に加えられる。
In the force control system, an error between the force target value Fref and the generated force Fcur of the hand is input to the force control law processing unit 21, an acceleration command is output corresponding to the error, and the differentiating circuit 24. And the coefficient circuit 25 feeds back the speed component of the hand, and the result is added to the addition unit 32 via the switching processing unit 31.

【0037】その時、ブレーキ指令出力手段23は、手
先の速度Vcurが入力されているから、手先の接触瞬
間の速度Vと、ブレーキ加速度係数Cと、ブレーキ作用
時間Tbkとを基に、前述の−C・V/Tbkによるブ
レーキ加速度指令BAを、ブレーキ作用時間Tbkの間
出力して加算部32に加える。従って、力制御系による
加速度指令に対してブレーキ加速度指令BAが合成さ
れ、加速度指令Xcmd”となってマニピュレータ20
に加えられる。それにより、マニピュレータ20の手先
の速度が、接触瞬間の速度Vに対応して減速されるか
ら、対象物に接触したことによる衝撃力を緩和すること
ができる。
At that time, since the speed Vcur of the hand is input to the brake command output means 23, based on the speed V at the moment of contact of the hand, the brake acceleration coefficient C, and the brake action time Tbk, the above-mentioned − The brake acceleration command BA based on C · V / Tbk is output for the braking duration Tbk and added to the adder 32. Therefore, the brake acceleration command BA is combined with the acceleration command from the force control system to become the acceleration command Xcmd ″, which is the manipulator 20.
Added to. Thereby, the speed of the hand of the manipulator 20 is reduced corresponding to the speed V at the moment of contact, so that the impact force due to the contact with the object can be mitigated.

【0038】図6は本発明の第3の実施例の説明図であ
り、インピーダンス制御系に適用した場合を示し、40
はマニピュレータ、41はインピーダンス制御則処理
部、42は接触検出手段、43はブレーキ指令出力手
段、44は微分回路、45は加算部である。
FIG. 6 is an explanatory view of the third embodiment of the present invention, showing a case where it is applied to an impedance control system.
Is a manipulator, 41 is an impedance control law processing unit, 42 is a contact detection unit, 43 is a brake command output unit, 44 is a differentiation circuit, and 45 is an addition unit.

【0039】インピーダンス制御則処理部41は、前述
の(1)式に従った加速度指令を出力するものであり、
手先又は手先に把持した物体が対象物に接触し、それに
よる手先の発生力Fcurが閾値Fshを超えたことを
接触検出手段42により検出すると、接触検出信号hが
ブレーキ指令出力手段43に与えられ、又手先の位置X
curを微分回路44により微分して得られた手先の速
度Vcurがブレーキ指令出力手段43に加えられるか
ら、ブレーキ指令出力手段43は、(2)式に従ったブ
レーキ加速度指令BAを加算部45に加えることにな
る。従って、手先の速度が減速されて、対象物に接触し
たことによる衝撃力を緩和することができる。
The impedance control law processing section 41 outputs an acceleration command according to the above-mentioned equation (1),
When the contact detection unit 42 detects that the hand or an object gripped by the hand comes into contact with the object and the force Fcur generated by the hand exceeds the threshold value Fsh, the contact detection signal h is given to the brake command output unit 43. , The position of the hand X
Since the hand speed Vcur obtained by differentiating cur from the differentiating circuit 44 is added to the brake command output means 43, the brake command output means 43 supplies the brake acceleration command BA according to the equation (2) to the addition section 45. Will be added. Therefore, the speed of the hand is reduced, and the impact force caused by contact with the target object can be alleviated.

【0040】[0040]

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、マニピ
ュレータ4の手先の運動を制御する力制御系,位置/力
選択制御系,インピーダンス制御系等の制御系による位
置/力制御手段1と、接触検出手段2と、ブレーキ指令
出力手段3とを備え、接触検出手段2により手先の発生
力Fcurと閾値Fshとを比較し、手先又は手先に把
持した物体が対象物に接触した時の手先の発生力Fcu
rが閾値Fshを超えることによって接触検出信号をブ
レーキ指令出力手段3に加え、このブレーキ指令出力手
段3により、接触瞬間の手先の速度Vと、ブレーキ作用
時間Tbkと、ブレーキ加速度係数Cとを基に、ブレー
キ加速度指令をブレーキ作用時間だけ出力して、手先又
は手先に把持した物体の接触時の衝撃力を緩和すること
ができる利点がある。又ブレーキ加速度係数Cの設定に
よってバウンス状態が発生しないように制御することも
容易である利点がある。
As described above, according to the present invention, the position / force control means 1 by the control system such as the force control system, the position / force selection control system, and the impedance control system for controlling the hand movement of the manipulator 4 is provided. The contact detection means 2 and the brake command output means 3 are provided, and the contact detection means 2 compares the generated force Fcur of the hand with the threshold value Fsh, and the hand when the hand or the object gripped by the hand contacts the object. Force of Fcu
When r exceeds the threshold value Fsh, a contact detection signal is applied to the brake command output means 3, and the brake command output means 3 is used to determine the speed V of the hand at the moment of contact, the brake action time Tbk, and the brake acceleration coefficient C. In addition, there is an advantage that it is possible to output the brake acceleration command only for the brake application time, and to alleviate the impact force at the time of contact with the hand or the object gripped by the hand. Further, there is an advantage that it is easy to control by setting the brake acceleration coefficient C so that the bounce state does not occur.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の原理説明図である。FIG. 1 is a diagram illustrating the principle of the present invention.

【図2】本発明の第1の実施例の説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of the first embodiment of the present invention.

【図3】本発明の実施例の接触検出手段及びブレーキ指
令出力手段の説明図である。
FIG. 3 is an explanatory diagram of contact detection means and brake command output means according to the embodiment of the present invention.

【図4】本発明の実施例のブレーキ加速度指令の説明図
である。
FIG. 4 is an explanatory diagram of a brake acceleration command according to the embodiment of this invention.

【図5】本発明の第2の実施例の説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram of a second embodiment of the present invention.

【図6】本発明の第3の実施例の説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram of a third embodiment of the present invention.

【図7】従来例の力制御系説明図である。FIG. 7 is an explanatory diagram of a conventional force control system.

【図8】従来例の位置/力選択制御系説明図である。FIG. 8 is an explanatory diagram of a position / force selection control system of a conventional example.

【図9】従来例のインピーダンス制御系の説明図であ
る。
FIG. 9 is an explanatory diagram of a conventional impedance control system.

【図10】従来例に於ける衝突時の発生力説明図であ
る。
FIG. 10 is an explanatory diagram of a generated force at the time of a collision in the conventional example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 位置/力制御手段 2 接触検出手段 3 ブレーキ指令出力手段 4 マニピュレータ 1 Position / Force Control Means 2 Contact Detection Means 3 Brake Command Output Means 4 Manipulators

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 マニピュレータの手先の位置及び該手先
の発生力を検知して、位置/力制御手段(1)により前
記手先の運動を制御するマニピュレータ制御方式に於い
て、 前記手先の発生力が閾値を超えた時に、該手先又は該手
先が把持した物体が対象物に接触したと判定して接触検
出信号を出力する接触検出手段(2)と、該接触検出手
段(2)による接触検出信号と前記手先の位置とにより
ブレーキ指令を出力するブレーキ指令出力手段(3)と
を設け、 前記位置/力制御手段(1)による加速度指令に対して
前記ブレーキ指令出力手段(3)によるブレーキ加速度
指令とを合成した加速度指令によって前記マニピュレー
タの手先の運動を制御することを特徴とするマニピュレ
ータ制御方式。
1. A manipulator control system in which the position / force control means (1) controls the motion of the hand by detecting the position of the hand of the manipulator and the force generated by the hand. A contact detection unit (2) that outputs a contact detection signal by determining that the hand or an object grasped by the hand has contacted an object when the threshold value is exceeded, and a contact detection signal by the contact detection unit (2). And a brake command output means (3) for outputting a brake command depending on the position of the hand, and a brake acceleration command by the brake command output means (3) with respect to an acceleration command by the position / force control means (1). A manipulator control system characterized in that the motion of the hand of the manipulator is controlled by an acceleration command obtained by combining
【請求項2】 前記ブレーキ指令出力手段(3)は、前
記接触検出手段(2)により前記マニピュレータの手先
又は該手先に把持した物体が対象物に接触したことを検
出した瞬間に於ける前記手先の速度Vと、ブレーキ作用
時間Tbkと、0を含まない1以下の正の定数Cとによ
る、−C・V/Tbkの値を前記ブレーキ加速度指令と
して、前記ブレーキ作用時間だけ出力することを特徴と
する請求項1記載のマニピュレータ制御方式。
2. The brake command output means (3) at the moment when the contact detection means (2) detects that the hand of the manipulator or an object gripped by the hand touches an object. The value of −C · V / Tbk based on the speed V, the braking action time Tbk, and a positive constant C not greater than 1 and not greater than 1 is output as the braking action time as the brake acceleration command. The manipulator control method according to claim 1.
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