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JPH02310609A - マニピユレータの位置と力の協調制御装置 - Google Patents

マニピユレータの位置と力の協調制御装置

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Publication number
JPH02310609A
JPH02310609A JP1132145A JP13214589A JPH02310609A JP H02310609 A JPH02310609 A JP H02310609A JP 1132145 A JP1132145 A JP 1132145A JP 13214589 A JP13214589 A JP 13214589A JP H02310609 A JPH02310609 A JP H02310609A
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JP
Japan
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force
manipulator
command
moment
torque conversion
Prior art date
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Application number
JP1132145A
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Inventor
Toshitaka Kuno
久野　敏孝
Mitsuo Koide
光男 小出
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Toyota Central R&D Labs Inc
Original Assignee
Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Toyota Central R&D Labs Inc filed Critical Toyota Central R&D Labs Inc
Priority to JP1132145A priority Critical patent/JP2770982B2/ja
Priority to US07/527,367 priority patent/US5056038A/en
Priority to GB9011698A priority patent/GB2235067B/en
Publication of JPH02310609A publication Critical patent/JPH02310609A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP2770982B2 publication Critical patent/JP2770982B2/ja
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    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1628—Programme controls characterised by the control loop
    • B25J9/1633—Programme controls characterised by the control loop compliant, force, torque control, e.g. combined with position control
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/19—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by positioning or contouring control systems, e.g. to control position from one programmed point to another or to control movement along a programmed continuous path
    • G05B19/21—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by positioning or contouring control systems, e.g. to control position from one programmed point to another or to control movement along a programmed continuous path using an incremental digital measuring device
    • G05B19/23—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by positioning or contouring control systems, e.g. to control position from one programmed point to another or to control movement along a programmed continuous path using an incremental digital measuring device for point-to-point control
    • G05B19/231—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by positioning or contouring control systems, e.g. to control position from one programmed point to another or to control movement along a programmed continuous path using an incremental digital measuring device for point-to-point control the positional error is used to control continuously the servomotor according to its magnitude
    • G05B19/237—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by positioning or contouring control systems, e.g. to control position from one programmed point to another or to control movement along a programmed continuous path using an incremental digital measuring device for point-to-point control the positional error is used to control continuously the servomotor according to its magnitude with a combination of feedback covered by G05B19/232 - G05B19/235
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    • G05B2219/30—Nc systems
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    • G—PHYSICS
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    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Manipulator (AREA)
  • Control Of Position Or Direction (AREA)
  • Numerical Control (AREA)

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〕 本発明はマニピュレータの位置と力の協調制御装置に係
り、特に力制御を行う場合に好適なマニピュレータの位
置と力の協調制御装置に関するものである。
〔従来の技術及び発明が解決しようとする課題〕従来の
ロボットはほとんどが位置制御しかできなかった。この
ため、ロボットが対象物に倣って動作したり、はめ合い
などを行うには、ロボットに挟持させたツールに何らか
のコンプライアンス機構を持たせるなどの工夫をして作
業を行わせている。この方法では、多種のツールを用意
する必要があり、作業に応じてツールを変換する必要が
ある。そのため、コストもかかり、ツール交換のために
作業時間もかかる。また、作業によっては位置制御型の
ロボットでは実現不可能な場合もある。
ロボットにも人間の腕と同じように力制御の機能を持た
せれば、ロボットの適用作業範囲を飛躍的に拡大するこ
とができる。このために、すでに従来から種々の力制御
方式が提案されている。その一つを第２図に示す（特開
昭６ｌ−７９０５）。
この制御系では、実現したいロボットハンドの動きを仮
想的なばね定数、粘性係数、質量などのパラメータで設
定し、ハンド座標系での速度指令値を求め、この指令値
を逆ヤコビ行列を用いて各関節での速度指令値に変換し
、最終的にこの速度指令値になるように各関節を動作さ
せている。また、第３図に示すような制御方式も提案さ
れている（　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ　ｏｆ　１９ｔｈ　
ＩＢＩｌｉＢ　ｃｏｎｆ、ｏｎ　０ｅｃｉｓｉｏ、ｎａ
ｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　１９８０　ｐｐ、９５−１ｏｏ
　）　。この場合は、実現したいハンドの動きをハンド
座標系上でのばね定数で設定し、この動きのために必要
な各関節のトルク指令値を求め、各関節がこの指令値に
基づいて駆動される。
第２図、第３図のいずれの方式も位置制御ループと力制
御ループは完全に分離されておらず、位置制御を行うと
きにも、カルーブの影響を受け、位置制御精度が悪化す
るという問題点があった。
また、力制御を行うときにも、位置ループの影響を受は
力制御の精度が悪化するという問題点があった。
更に、力制御ロボットにおいては安定性の確保というこ
とも大きな課題であるが、不安定化する原因の一つに力
センサ端に取り付けられた加工工具や把持ツールとワー
クなどの慣性負荷が運動することにより発生する力も力
センサに人力され、これが外乱力となり制御系が不安定
化するということがあった。これにより位置制御を行っ
ている成分でさえも不安定化するという問題点があった
。
このため、位置ループと力ループとを完全に分離する技
術として第４図のような力制御方式も提案されている（
　Ｊｏｕｎｒａｌ　ｏｆ　Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｓｙｓｔｅ
ｍｓ。
Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　＆　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔ０２
　Ｊｕｎｅ、　　１９８１　ｐｐ。
１２６−１３３）。すなわち、ハンド座標系での各成分
ごとの位置と力との各制御モードを選択マ）ＩＪラック
ス指定し位置制御か力制御かを完全に指定してしまうも
のである。しかしながら、この制御方式では位置制御と
力制御の切り替えが非連続的であるため、切り替え時に
ショックが発生するという問題点があった。力制御はツ
ール端が何らかの作業対象物に接して初めて行うことが
できる。このため作業開始点までは位置制御でツールを
移動し、接触開始とともに徐々に力制御に切り替えてい
くことが望ましく、また、力作業終了時は逆に作業対象
物から離れるに従って徐々に位置制御に切り替えること
が望ましいが、第４図のような制御方式ではこのような
動作を行うことは不可能であった。
従来の力制御ロボットにおいては安定性の確保が困難で
あるということも大きな問題であった。
不安定化の原因として、力制御を行っているマニピュレ
ータの伝達系に存在するばね一質量系の遅れや、これら
の間に発生する振動等がある。この点に関しては従来の
力制御ロボットにおいては考慮されていなかった。
また、力制御を行うロボットはハンド部を何らかの外部
環境と接して作業を行うことがほとんどであるが、接し
ている対象物のばね定数、すなわち硬さが変わると力ル
ープのループゲインが変わり不安定化するという問題点
があった。この点においても従来の力制御ロボットにお
いては考慮されていなかった。
本発明は従来のマニピュレータの位置および力制御系に
おける以上のような問題点を解決し、より安定化、高精
度化する制御装置を与えるものである。すなわち、位置
制御を行っている成分にとっては不必要なこれと同じ成
分のカフィードバック成分は働かないようにし制御系の
高精度化と同時に安定化をはかるものである。
また、位置と力の分離をより厳密にしたにも拘わらず、
位置と力の協調のさせ方を連続的に変えることができ、
また、切り替え時にショックを生ずることなく滑らかに
切り替えられる制御装置を提供するものである。
また、力制御を行っている成分に対しては制御に必要な
帯域以上の周波数成分についてはゲインを急激に落とし
、伝達系のばね一質量系などで発生する振動により制御
系が不安定化することを防止するものである。更に、同
時に対象物の硬さの変化に対しても必要な帯域以上の周
波数成分が力制御ループに入るのを阻止し、高周波成分
での力ループのループゲインが変化しないようにして力
制御系の安定化をはかるものである。
また、作業やティーチングがより容易となるように、ツ
ール部にツール座標系を設定し、このツール座標系でツ
ールに実現したいぼね定数を設定できるようにし、速度
フィードバックもツール座標系で行えるようにし、ツー
ル座標系での動きの特性を設定できるような制御装置を
与えるものである。
〔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は、マニピュレータ各
関節を駆動するためのマニピュレータ駆動手段と、マニ
ピュレータが外部環境から受ける力およびモーメントの
少なくとも一方をツール座標系で検出する力検出手段と
、位置と力との協調の程度に応じてゲインを変化させる
演算処理を力検出手段の出力に施す手先力可変ゲイン演
算手段と、手先力可変ゲイン演算手段の出力をマニピュ
レータ各関節座標系での力およびモーメントの少なくと
も一方に変換する出力トルク変換手段と、力およびモー
メントの少なくとも一方をツール座標系で表わした力指
令信号を送出する力指令手段と、位置と力との協調の程
度に応じてゲインを変化させる演算処理を力指令手段か
ら送出される力指令信号に施す指令力可変ゲイン演算手
段と、指令力可変ゲイン演算手段の出力をマニピュレー
タ各関節座標系での力およびモーメントの少なくとも一
方に変換する指令トルク変換手段と、マニピュレータの
各関節の位置を検出する位置検出手段と、マニピュレー
タの各関節の指令位置を送出する位置指令手段と、位置
検出手段で検出された位置と位置指令手段から送出され
た指令位置との差である位置偏差を検出する位置偏差検
出手段と、位置と力との協調の程度に応じてツール座標
系で設定された仮想的なばね定数をマニピュレータの各
関節座標系での仮想的なばね定数に変換し、変換された
仮想的なばね定数と位置偏差検出手段で検出された位置
偏差とに基づいて位置偏差に応じた力およびモーメント
の少なくとも一方に変換する位置偏差トルク変換手段と
、指令トルク変換手段で変換された力およびモーメント
の少なくとも一方、位置偏差トルク変換手段で変換され
た力およびモーメントの少なくとも一方および出力トル
ク変換手段で変換された力およびモーメントの少なくと
も一方に基づいてマニピュレータ駆動手段への力および
モーメントの少なくとも一方についての指令値を演算す
るフィードバック補償演算手段と、を備えることを特徴
とする。
〔作用〕
第１図を参照して本発明の詳細な説明する。なお、第１
図は説明をし易くするために、以下で説明する第２、第
３発明等に属する手段を破線によって本発明の手段と合
せて記載したものである。
マニピユレータ部１は、マニピュレータ各関節を駆動す
るためのマニピュレータ駆動手段２と、アーム部３とよ
り構成されている。アーム部３の先端部には、マニピュ
レータが外部環境から受ける力およびモーメントの少な
くとも一方、すなわち力またはモーメントあるいはその
両者をツール座標系で検出する力検出手段４が設けられ
ている。
また、位置と力の協調の程度に応じてゲインを変化させ
る演算処理を力検出手段４の出力に施す手先力可変ゲイ
ン演算手段５が設けられている。この手先力可変ゲイン
演算手段５では、例えば位置制御モードの成分に対して
はゲインを下げるような演算を行い位置制御と力制御の
分離度を高め、より正確な位置制御及び力制御ができる
ようにする。また、位置制御成分が力出力フィードバッ
ク信号で不安定化するのを防止するようにする。
位置と力の協調の程度はツール座標系での各方向成分毎
の仮想的なばね定数を増減することで行うことが可能で
ある。このばね定数の増減に応じて手先力可変ゲイン演
算手段５のゲインが増減される。位置制御モードの場合
には、仮想ばね定数が大の成分、すなわちより位置制御
を行いたい成分のカフィードバックゲインは小となるよ
うに減少される。逆に、力制御モードの場合には、力制
御を行いたい成分の仮想ばね定数を小とし、対応する力
制御成分のカフィードバックゲインは大となるように増
加される。カフィードバックゲインの増減のさせ方は各
種のパターンが考えられ、例えば仮想ばね定数とは逆比
例の関係になるように設定すればよい。
出力トルク変換手段６は、手先力可変ゲイン演算手段５
からの出力に対し、例えば転置ヤコビ行列を乗すること
により、ツール座標系での力およびモーメントあるいは
その両者をマニピュレータ各関節座標系での力またはモ
ーメントあるいはその両者に変換する。
力指令手段７では、力またはモーメントあるいはその両
者をツール座標系で表わした力指令信号を送出する。
位置と力の協調の程度に応じてゲインを変換させる演算
処理を力指令手段７から送出された力指令信号に施す指
令力可変ゲイン演算手段８では、手先力可変ゲイン演算
手段５と同様の演算を行う。
これは、指令値とフィードバック信号のレベルを同じに
するためである。
指令トルク変換手段９は、指令力可変ゲイン演算手段８
からの出力を例えば転置ヤコビ行列を乗することでマニ
ピュレータ各関節座標系での力またはモーメントあるい
はその両者に変換する。
マニピュレータの各関節の位置は位置検出手段ｌＯで検
出される。
マニピュレータ各関節の指令位置は位置指令手段１１よ
り送出される。
位置検出手段１０から構成される装置信号と位置指令手
段１１から出力される指令位置との差として求まる位置
偏差を位置偏差検出手段１２で検出する。
位置偏差トルク変換手段１３は、位置と力の協調の程度
に応じてツール座標系で設定された仮想的なばね定数を
マニピュレータの各関節座標系での仮想的なばね定数に
変換し、変換された仮想的なばね定数と位置偏差検出手
段１２から構成される装置偏差とに基づいて位置偏差に
応じた力またはモーメントあるいはその両者に変換する
。
フィードバック補償演算手段１６では、指令トルク変換
手段９と位置偏差トルク変換手段１３との和が、出力ト
ルク変換手段６の出力と一致するようにフィードバック
補償演算する。
すなわち、指令トルク変換手段９と位置偏差トルク変換
手段１３との和と出力トルク変換手段６の出力との間に
偏差が生じているときは、その偏差を減するようにマニ
ピュレータ各関節のマニピュレータ駆動手段２を動作さ
せる力およびモーメントの少なくとも一方の指令値を演
算生成してマニピュレータ各関節のマニピュレータ駆動
手段２へ出力する。
最終的にマニピュレータ各関節のアーム部３は、各関節
の駆動手段により前記偏差を減少させる方向へ動き、仮
想ばね定数が小さい力制御モードの成分にふいては、力
およびモーメント指令値の少なくとも一方に一致するよ
うに力およびモーメントの少なくとも一方をツール端で
発生しようとし、仮想ばね定数が大きい位置制御モード
の成分においては、位置指令値に一致するように動作す
る。
また、仮想ばね定数が中間的な値のときは、位置偏差に
応じた力およびモーメントの少なくとも一方がつり合う
点まで動作しようとし、すなわちあたかもマニピュレー
タがばねで支えられているかのような動きを行うことが
可能となる。
第１図に示したような制御系を用いることによりマニピ
ュレータのハンド端に装着されたツール類に設定された
ツール座標系上でツールに実現させたいぼね定数を設定
でき、あたかもツールがばねを持っているかのような安
定な動作が可能となる。すなわち、第５図に示すように
ツール２２が仮想的なばね２１に支えられた構成となり
この仮想的なばねの定数（コンプライアンスの逆数）を
任意に設定できる。
〔その他の発明〕
以下にその他の発明を、前記第１発明との相違点を中心
に説明する。
請求項（２）に記載の第２発明は、力検出手段と手先力
可変ゲイン演算手段との間に力検出手段の出力の低周波
数成分のみを通過させる力出力フィルタリング演算手段
を設けると共に、力指令手段と指令力可変ゲイン演算手
段との間に力指令手段の出力の低周波数成分のみを通過
させる力指令フィルタリング演算手段を設けたことを特
徴とする。
すなわち、力検出手段４と手先力可変ゲイン演算手段５
の間には更に力出力フィルタリング演算手段４１を接続
することができる。マニピュレータの伝達系には一般に
ばね一質量系が存在しこのためにばね一質量系での遅れ
や、ばね−質量系での振動が発生し制御系が不安定化す
る。この伝達系での固有振動数は一般のマニピュレータ
においては数十上であり、力制御に必要な周波数帯域は
一般に数々であるので数々を越える周波数成分をカット
するローパスフィルタを設けることにより制御系を安定
化することができる。
また、ハンド部と接している対象物の硬さが急激に変わ
っても、必要な帯域を越える周波数成分が力制御ループ
に入るのを阻止しているので、高周波成分でのカループ
のループゲインが変化せず力制御系の安定化をはかるこ
とができる。低周波成分の帯域に対しては力制御系が十
分に応答できる範囲にあるので不安定化することはない
。
ローパスフィルタを入れることは制御系の応答性を落と
すことになるのでフィルタリングを行わなくても安定の
場合は入れる必要はない。また、フィルタリングのカッ
トオフ周波数も安定な範囲でなるべく高い方がよい応答
性が得られる。
力指令手段７と指令力可変ゲイン演算手段８０間にも力
出力フィルタリング演算手段４１と同様の演算を行う力
指令フィルタリング演算手段７１を入れることができる
。これは、指令値の方もフィードバック信号と同じだけ
遅らせるためである。
これにより、カループ中においてローパスフィルタリン
グ処理を行う場合は、力制御系を大幅に安定化でき、伝
達系のばね一質量系の遅れの影響や対象物の硬さの変化
を受は難くすることができる。
請求項（３）に記載の第３発明は、マニピュレータ各関
節の速度を検出する速度検出手段と、ツール座標系で設
定された速度フィードバックゲインをマニピュレータ各
関節での速度フィードバックゲインに変換し、変換され
た速度フィードバックゲインと速度検出手段で検出され
た速度とに基づいて速度に応じた力およびモーメントの
少なくとも一方に変換する速度トルク変換手段と、を更
に設け、前記フィードバック補償演算手段が、指令トル
ク変換手段で変換された力およびモーメントの少な（と
も一方、位置偏差トルク変換手段で変換された力および
モーメントの少なくとも一方、出力トルク変換手段で変
換された力およびモーメントの少なくとも一方および速
度トルク変換手段で変換された力およびモーメントの少
なくとも一方に基づいてマニピュレータ駆動手段への力
およびモーメントの少なくとも一方についての指令値を
演算するようにしたことを特徴とする。
一般のマニピュレータの力制御を行う場合、マニピュレ
ータの駆動系に備わっている粘性分だけでは減衰不足と
なることが多く、振動や発振が発生するので、速度フィ
ードバックを設けることによりソフト的に減衰項を設け
、振動や発振を抑えることができる。
すなわち、マニピュレータ各関節の速度は速度検出手段
１４で検出される。
速度トルク変換手段１５は、ツール座標系で設定された
速度フィードバックゲインをマニピュレータ各関節での
速度フィードバックゲインに変換し、変換された速度フ
ィードバックゲインと速度検出手段１４より出力された
速度とに基づいて速度に応じた力またはモーメントある
いはその両者に変換する。
速度トルク変換手段１５からの出力は、フィードバック
補償演算手段１６により指令トルク変換手段９および位
置偏差トルク変換手段１３の２つの出力の和から減算さ
れ、速度に応じた速度フィードバックがかかるようにす
る。例えば、フィードバック補償演算手段１６を加減算
演算手段１７と比例積分演算手段１８とで構成し、加減
算演算手段１７で指令トルク変換手段９より出力される
力またはモーメントまたはその両者の指令と位置偏差ト
ルク変換手段１３より出力される位置偏差に対応した力
またはモーメントあるいはその両者の指令とを加算し、
出力トルク変換手段６より出力される力またはモーメン
トあるいはその両者の信号と速度トルク変換手段１５よ
り出力される速度に応じた力またはモーメントあるいは
その両者の信号とを減算し、比例積分演算手段１８で加
減算演算手段１７より出力される偏差に比例、積分演算
処理や比例、積分、微分演算処理を施しマニピュレータ
各関節の駆動手段への力またはモーメントあるいはその
両者の指令値とすればフィードバック補償演算が行える
。
なお、速度検出手段１４と速度トルク変換手段１５は速
度フィードバックを行う場合に必要となるものであるが
、このフィードバックがなくても振動や発振が発生しな
い場合は特に設ける必要はない。この場合には、速度ト
ルク変換手段１５より出力される速度に応じた力または
モーメントあるいはその両者の信号を減じられることは
ない。
上述のように速度フィードバックを行えば、ツール座標
系上で速度フィードバック係数を設定できるのでツール
座標系上でのツールの動特性を設定することができ、作
業やティーチングが容易となる。
〔実施例〕
本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
第６図において６軸マニピユレーターＡの手首部にはツ
ール部の反力を測定するための６軸カセンサ４Ａが装着
されている。６軸カセンサ４Ａの力またはモーメントあ
るいはその両者の出力は安定性を増すために、必要な周
波数帯域を越える信号をカットする力出力フィルタリ・
ング演算手段４１によりフィルタリングされる。例えば
、力出力フィルタリング演算手段４１をローパスフィル
タとして最も簡単な一次遅れフィルタとした場合、人力
ｈ　（ｓ）と出力ｆ　、（ｓ）が の関係を持つ演算を行えばよい。ここでＳはラプラス変
換を示し、Ｔｃは時定数を示す。時定数ＴＣはカットし
たい周波数に応じて各成分ごとに任意に設定することが
できる。
力出力フィルタリング演算手段４１でフィルタリングさ
れたツール座標系での力およびモーメントあるいはその
両者の出力には、次に、カループと位置ループの分離度
を良くするために、手先力可変ゲイン演算手段５により
フィードバックゲインＫｆｆｂが乗ぜられる。フィード
バックゲインＫｆｆｂは例えば、仮想ばね定数ＫＨと分
離パラメータＦＢＦＣＴを用いて として設定することができる。すなわち、ＫＨ＝０の力
制御モードのときには、Ｋｆｆｂ＝ｌとなり、１００％
カフィードバックがかかるが、ＫＨが大きくなる、すな
わち、位置制御モードとなるに従ってＫｆｆｂは小さく
なり（＜１）、カフィードバックがかからなくなる。分
離パラメータＦＢＦＣＴの大きさは仮想ばね定数ＫＨと
のかねあいで必要に応じユーザが各成分ごとに任意に設
定できる。
ここでばね定数というものは、力と変位の関係を示すも
のであり、力センサ端で実現される実効的なばね定数を
ＫＨ’とし、センサの受ける力をＦ′、変位をΔＰ′と
すると、 となる。仮想ばね定数ＫＨはＦ′にＫｆｆｂを乗じた力
Ｆに対して働くので、 となり、実効的なばね定数ＫＨ’は、 となる。
また、仮想ばね定数ＫＨの大きさを連続的に変えれば、
切り替え時にショックを生ずることなく滑らかに切り替
えることができ、切り替えた後もフィードバックゲイン
Ｋｆｆｂを乗することにより、位置制御モード時には力
制御モードの影響をより受けないようにできる。
手先力可変ゲイン演算手段５からの出力は次に、マニピ
ュレータの現在の位置、姿勢より決まるヤコビ行列Ｊの
転置行列Ｊ７を乗する出力トルク変換手段６によりマニ
ピュレータ各関節座標系での力またはモーメントあるい
はその両者に変換される。
力指令手段７では、力またはモーメントあるいはその両
者をツール座標系で表わした力指令信号を送出する。
力指令手段７からの力またはモーメント指令あるいはそ
の両者の力指令信号には力指令フィルタリング演算手段
７１により力出力フィルタリング演算手段４１と同じ演
算を施し低周波数成分のみを通過させる。これは、カフ
ィードバックの遅れと同様に指令値も遅らすためである
。
指令力可変ゲイン演算手段８では、力指令フィルタリン
グ演算手段７１から送出される力指令信号に手先力可変
ゲイン演算手段５と同様の演算を施し仮想ばね定数の大
きさに応じてカフィードバックゲインを乗じゲインを変
える。これは、カフィードバックの大きさと指令値の大
きさを同じにするためである。
指令トルク変換手段９では、転置ヤコビ行列ＪＴを用い
て出力トルク変換手段６と同じ演算を行い、指令力可変
ゲイン演算手段８か゛らの出力をマニピュレータ各関節
座標系での力またはモーメントあるいはその両者の指令
値に変換する。
マニピュレータの各軸の位置の検出はモータ軸に取り付
けられたエンコーダなどの位置検出手段ｌＯにより行わ
れる。
マニピュレータ各軸の指令位置は位置指令手段１１によ
り送出される。
位置検出手段１０から構成される装置信号と位置指令手
段１１から出力される指令位置との差として求まる位置
偏差は位置偏差検出手段１２により算出される。
本実施例では、仮想ばね定数を調節することで、力制御
と位置制御の調整を行う。すなわち、仮想ばね定数ＫＨ
が大きいとき（コンプライアンスは小さくなる）は、位
置制御となり、仮想ばね定数ＫＨが小さいとき（コンプ
ライアンスは大きくなる）は、力制御となる。仮想的な
ばね定数ＫＨはツール座標系で設定できる。位置偏差ト
ルク変換手段１３は、ツ−ル座標系で設定された仮想ば
ね定数ＫＨをマニピュレータの各軸座標系での仮想的な
ばね定数にθに変換し、ばね定数にθと位置偏差検出手
段１２から構成される装置偏差信号とを乗じ位置偏差に
応じた力またはモーメントあるいはその両者に変換する
。
速度検出手段１４はマニピュレータ各軸の速度を検出す
るが、この速度は位置検出手段１０から得られる位置信
号を微分演算して求めてもよい。
速度トルク変換手段１５は、ツール座標系で設定された
速度フィードバックゲインをマニピュレータ各関節での
速度フィードバックゲインに変換し、これと速度検出手
段１４より出力される速度信号とを乗じ速度に応じた力
またはモーメントあるいはその両者に変換する。
フィードバック補償演算手段１６は、指令トルク変換手
段９より出力される力指令またはモーメント指令あるい
はその両者と位置偏差トルク変換手段１３より出力され
る位置偏差に対応した力指令またはモーメント指令ある
いはその両者を加算し、出力トルク変換手段６より出力
される力信号またはモーメント信号あるいはその両者と
速度トルク変換手段１５より出力される速度に応じた力
信号またはモーメント信号あるいはその両者を減じ、こ
の偏差に比例、積分などの演算処理を施しマニピュレー
タ各軸の駆動手段への力またはモーメントあるいはその
両者を指令値とする。
この偏差に施す演算処理は、比例、積分、微分演算処理
を行うことも可能であり、さらに必要に応じて位相補償
を加えることもできる。
この制御系の演算式を示すと以下のようになる。
なお、以下では力とモーメントの両者を使用する場合に
ついて説明する。
今、マニピュレータを指令値に従って駆動するのに必要
な力とモーメントをＦｃ（ツール座標系、ベクトル）と
すると、Ｆｃは、力指令可変ゲイン演算手段８より出力
される力とモーメント指令Ｆｉ　（ツール座標系、ベク
トル）と、目標位置Ｐｉ（ワールド座標系）と現在位置
Ｐｏ（ワールド座標系）との偏差Ｐｉ−Ｐｏ（ツール座
標系）に仮想ばね定数ＫＨ（ツール座標系）をかけたも
のと、速度Ｐｏ（ツール座標系）に速度ヅイードバック
ゲインＫｖＨ（ツール座標系）をかけたものとの和とな
り、 Ｆｃ＝Ｆｉ＋ＫＨ（Ｐｉ−Ｐｏ）＋ＫｖＨ−Ｐ。
・・・（３） となる。ここでは慣性項は無視した。Ｆｃをマニピュレ
ータ各軸のトルクτＣに変換する。ここでマニピュレー
タのヤコビ行列をＪとおくと、τｃ＝Ｊ”　Ｆｃ＝Ｊ”
　Ｆ　ｉ＋Ｊ”　ＫＨ（Ｐ　１−Ｐｏ）＋Ｊ７ＫｖＨ−
Ｐ。
・・・（４） ここで、７は転置行列を示す。また、マニピュレータ各
軸目標値θ１１マニピュレータ各軸現在値θ０を用いて Ｐｉ−Ｐｏ＝ΔＰ＝ＪΔθ＝：Ｊ　（θｉ−θ０）・・
・（５） Ｐｏ＝Ｊ・θ０　　　　　　　　　　　　　　・・・（
６）と近似できる。（５）、（６）を（４）へ代入する
とｒｃ＝Ｊ”　Ｆｃ＝Ｊ”　Ｆｉ＋Ｊ”　ＫＨＪ　・（
θｉ−θｏ）＋Ｊ”　ＫｖＨＪ　・θ０・・・（７） となる。ここで、 τ１＝ＪＴＦｉ　　　　　・・・（８）Ｋθ　＝Ｊ”　
ＫＨＪ　　　　・・・（９）ＫＶθ＝Ｊ’ＫｖＨＪ　　
　・・・αＱとおくと、 ｒｃ＝ｒｉ＋にθ　（θｉ−θｏ）＋Ｋｖθ・θ０・・
・ａυ となり、マニピュレータ各軸レベルの角度、角速度を用
いることができる。
ただし、 ｒｉ　：トルク指令値（マニピュレータ各軸レベル）Ｋ
θ　：仮想ばね定数（マニピュレータ各軸レベル）Ｋｖ
θ：速度フィードバックゲイン （マニピュレータ各軸レベル） である。
位置偏差トルク変換手段１３では００式のにθ（θｉ−
θＯ）の部分の演算を行い、速度トルク変換手段１５で
は００式のＫｖθ・θ０の部分の演算を行っている。
出力トルク変換手段６では手先力可変ゲイン演算手段５
の出力をＦＯとして ｒｏ＝Ｊ”　Ｆ。
の演算を行っている。
指令トルク変換手段９では指令力可変ゲイン演算手段８
の出力をＦｉとして ｒｉ：、Ｊ”Ｆ’ｉ の演算を行っている。
マニピュレータ各軸のサーボ系はトルクループとなって
ふり、フィードバック補償演算手段１６は、指令トルク
変換、位置偏差トルク変換、速度トルク変換の各手段の
出力を用い、マニピュレータ各軸のトルク指令値τＣを
（１１）式に従って、加減算演算を行って求め、更に出
力トルク変換手段６より得られるマニピュレータ各関節
の出力トルクτ０がτＣに一致するようにフィードバッ
ク制御演算を行っている。フィードバック制御演算では
、比例・積分制御を行うことができる。更に必要に応じ
て位相補償などを加えることも可能である。
また、マニピュレータの位置、姿勢に応じた重力トルク
補償Ｃｇも加えることもできる。
この制御系においては、慣性項を無視しているので、こ
の誤差が制御系に悪影響を与えるかもしれない。しかし
ながらマニピュレータの応答性としては、人間と同レベ
ル程度が要求されておりこの程度の速度で動かすならば
慣性項の影響は小さいと予想されるので無視することが
できる。また、慣性項を計算しないことにより演算時間
を短縮化することも可能である。しかしながら、慣性項
を無視することは本発明の必要条件ではなく、高速に動
作する場合や演算能力に余裕がある場合には付は加える
ことも可能である。
フィードバック補償演算によって得られた演算結果は、
マニピュレータの駆動手段への力およびモーメントの少
なくとも一方の指令値となる。この指令値は、駆動手段
としてモータドライバとモータとを用いる場合はモータ
の電流指令値としてモータ電流値に換算して与えられる
。モータは減速機を通してマニピュレータ各関節のアー
ム部を駆動し、最終的にマニピュレータが所望の動きを
行うことが可能となる。マニピュレータが動いた結果の
信号は位置検出手段および力検出手段によって検出され
、フィードバック信号として必要な次の演算手段に入力
され、繰り返し演算が行われる。
第７図にハードウェアの構成例を示す。ＩＡが６軸マニ
ピユレータ、４Ａが６軸カセンサ、１０２が各関節のモ
ータ、１０３゛が各関節の位置を検出するためのエンコ
ーダ、１７１が各関節のモータを駆動するためのモータ
用ドライバである。制御の演算はマイクロコンピュータ
２００で行い、マイクロコンピュータにはキーボード２
０５が備えられユーザはこれを操作することにより、ロ
ボットの作業に必要な仮想ばね定数の設定や各係数の設
定、目標力や目標位置の設定を行うことができる。
マイクロコンピュータ２００とモータ用ドライバ１７１
のインタフェースおよびエンコータ１０３とのインタフ
ェースはドライバインタフェースポード２０２で行われ
る。６軸カセンサ４Ａとの不ンタフェースはフォースセ
ンサインタフェースポード２０１で行われる。マイクロ
コンピュータ２０（ｌとドライバインタフェースポード
２０２およびフォースセンサインタフェースポード２０
１との交信はコンピュータバス２０３を介して行われる
。
〔発明の効果〕
本発明によれば、位置と力の協調のさせ方をツール座標
系上で連続的に変えることができ、切り替え時にショッ
クを生ずることもなく滑らかに切り替えられ、切り替え
た後においては位置制御成分は力制御成分の影響をより
受けないようにし、制御系の高精度化と同時に安定化を
はかることができる。
力制御を行っている成分に対しては制御に必要゛な帯域
を越える周波数成分のゲインを急激に落とすことにより
、伝達系のばね一質量系などによって発生する振動で制
御系が不安定化することを防止することができる。
また、同時にツール類が接触している対象物の硬さが急
に変化しても、安定性を保つことができる。
また、実際に作業を行うツール座標系で仮想ばね定数や
速度フィードバック係数などを設定できるのでこれらの
パラメータ設定が容易である。また、マニピュレータの
形に依存することなく設定できる。
各軸サーボにトルクループを用いているので、位置ルー
プや速度ループを用いているものより早い応答性が期待
できる。
また、本制御系においては、逆ヤコビ行列を必要としな
いので、計算が簡単になる、などの効果を有する。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明のクレーム対応図、第２図〜第４図は従
来のマニピュレータ制御装置のブロック図、第５図は仮
想ばねを説明する斜視図、第６図は本発明の実施例のブ
ロック図、第７図はハードウェアの構成例を示すブロッ
ク図である。 ４・・・力検出手段、 ５・・・手先力可変ゲイン演算手段、 ６・・・出力トルク変換手段、 １０・・・位置検出手段。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）、マニピュレータ各関節を駆動するためのマニピ
    ュレータ駆動手段と、 マニピュレータが外部環境から受ける力およびモーメン
    トの少なくとも一方をツール座標系で検出する力検出手
    段と、 位置と力との協調の程度に応じてゲインを変化させる演
    算処理を力検出手段の出力に施す手先力可変ゲイン演算
    手段と、 手先力可変ゲイン演算手段の出力をマニピュレータ各関
    節座標系での力およびモーメントの少なくとも一方に変
    換する出力トルク変換手段と、力およびモーメントの少
    なくとも一方をツール座標系で表わした力指令信号を送
    出する力指令手段と、 位置と力との協調の程度に応じてゲインを変化させる演
    算処理を力指令手段から送出される力指令信号に施す指
    令力可変ゲイン演算手段と、指令力可変ゲイン演算手段
    の出力をマニピュレータ各関節座標系での力およびモー
    メントの少なくとも一方に変換する指令トルク変換手段
    と、マニピュレータの各関節の位置を検出する位置検出
    手段と、 マニピュレータの各関節の指令位置を送出する位置指令
    手段と、 位置検出手段で検出された位置と位置指令手段から送出
    された指令位置との差である位置偏差を検出する位置偏
    差検出手段と、 位置と力との協調の程度に応じてツール座標系で設定さ
    れた仮想的なばね定数をマニピュレータ各関節座標系で
    の仮想的なばね定数に変換し、変換された仮想的なばね
    定数と位置偏差検出手段で検出された位置偏差とに基づ
    いて位置偏差に応じた力およびモーメントの少なくとも
    一方に変換する位置偏差トルク変換手段と、 指令トルク変換手段で変換された力およびモーメントの
    少なくとも一方、位置偏差トルク変換手段で変換された
    力およびモーメントの少なくとも一方および出力トルク
    変換手段で変換された力およびモーメントの少なくとも
    一方に基づいてマニピュレータ駆動手段への力およびモ
    ーメントの少なくとも一方についての指令値を演算する
    フィードバック補償演算手段と、 を備えることを特徴とするマニピュレータの位置と力の
    協調制御装置。
  2. （２）力検出手段と手先力可変ゲイン演算手段との間に
    力検出手段の出力の低周波数成分のみを通過させる力出
    力フィルタリング演算手段を設けると共に、 力指令手段と指令力可変ゲイン演算手段との間に力指令
    手段の出力の低周波数成分のみを通過させる力指令フィ
    ルタリング演算手段を設けたことを特徴とする請求項（
    １）記載のマニピュレータの位置と力の協調制御装置。
  3. （３）マニピュレータ各関節の速度を検出する速度検出
    手段と、 ツール座標系で設定された速度フィードバックゲインを
    マニピュレータ各関節での速度フィードバックゲインに
    変換し、変換された速度フィードバックゲインと速度検
    出手段で検出された速度とに基づいて速度に応じた力お
    よびモーメントの少なくとも一方に変換する速度トルク
    変換手段と、を更に設け、 前記フィードバック補償演算手段が、指令トルク変換手
    段で変換された力およびモーメントの少なくとも一方、
    位置偏差トルク変換手段で変換された力およびモーメン
    トの少なくとも一方、出力トルク変換手段で変換された
    力およびモーメントの少なくとも一方および速度トルク
    変換手段で変換された力およびモーメントの少なくとも
    一方に基づいてマニピュレータ駆動手段への力およびモ
    ーメントの少なくとも一方についての指令値を演算する
    ようにした請求項（１）または（２）に記載のマニピュ
    レータの位置と力の協調制御装置。
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