JP3529575B2 - 力制御ロボットおよびその制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ロボットの手先効
果器を作業対象物に対して所定の押し付け力となるよう
に制御するための制御方法、当該制御方法により制御さ
れる力制御ロボットおよび当該制御方法を実行するため
の制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】グラインダ作業や磨き作業、面取り作
業、バリ取り作業などの仕上げ作業をロボットで行う場
合、ワークの形状誤差や段取り誤差、ロボットの絶対位
置決め誤差などが存在するため、位置制御ロボットで
は、美しい仕上げを行うことはできない。このような仕
上げ作業を行う場合には、ロボットの工具（手先効果
器）をワーク（作業対象物）に対して所定の押付力で押
し付けるように制御する機能を備えた力制御ロボットが
有効である。

【０００３】力制御ロボットでは、通常、作業対象物に
対する所定の押付力を得ることができるように、目標値
として手先効果器の目標位置もしくは目標速度または目
標トルクなどが与えられるようになっている。このうち
目標位置が目標値として与えられる場合の一例を下記に
示す。

【０００４】従来の力制御ロボットでは、所定の押付力
のもとで作業を行うため、押し付け方向の目標位置ｒを
以下のような力制御式により与えている。

【０００５】

【数１】 ここで、上式（１）において、ベクトルｒp は，教示点
に基づき算出される位置制御時の目標軌道、Ｋf はフィ
ードバックゲイン（力制御ゲイン）、Ｆd は指定された
方向に対する目標押付力の大きさ、Ｆは指定された方向
に対する検出力の大きさ、ベクトルＦa は修正方向単位
ベクトル、右辺第２項は修正量ベクトル（修正量）を表
している（図１２参照）。

【０００６】すなわち、目標の位置軌道ｒp に対して、
目標押付力と検出した押付力の偏差Ｆd −Ｆにフィード
バックゲインＫf を乗じた修正量だけ目標位置が修正さ
れることになる。なお、上式（１）は、式の意味をわか
りやすくするため、連続系で表しているが、当然、通常
のロボットはデジタル制御であるため、実際の制御シス
テムの中では、サンプリングに応じた離散系の式となっ
ている。

【０００７】上式（１）に示すように、実際の押付力が
目標とする押付力に達していない場合には、作業対象物
へ押し付ける方向へ目標位置が修正され、一方、押付力
が目標とする押付力より大きい場合には、作業対象物か
ら離れる方向へ目標位置が修正されるようになってい
る。このように目標位置を修正することで、所定の押付
力が得られるように力制御が行われている。なお、上述
したように目標値として目標位置を与える方法の他に
は、目標速度や目標トルクを与える方法もある。

【０００８】従来、このような力制御ロボットにおいて
は、検出した押付力に基づいて目標の押付力となるよう
に修正する指令値を決める力制御ゲイン（例えば上式１
におけるフィードバックゲインＫf ）として、一定の値
（定数）が用いられている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、鋳物などのワ
ークに対して面取り作業やバリ取り作業を行う場合、個
々のワーク形状にばらつきがあるため、工具がワークに
常に接触した状態であるとは限らない。すなわち、例え
ば、鋳物の欠けなどによりワークに予期せぬくぼみがあ
る場合や鋳物の形状誤差が大きい場合には、工具がワー
クから離れてしまうことになる。このように工具がワー
クから離間し空走している状況が続くと、加工品質が著
しく低下することになる。例えば、面取り作業において
は面取りができていない領域が生じてしまったり、バリ
取り作業においてはバリ残りが生じてしまうことにな
る。従って、工具がワークから離間した場合には、工具
とワークとの接触をすみやかに回復させる必要がある。

【００１０】ところで、上式（１）に基づいて制御が行
われている場合、工具がワークから離間している状態に
おいては、工具のワークへの接近速度は、力制御ゲイン
Ｋfによって決まることになる。すなわち工具がワーク
から離れている間の押付力Ｆは０であるため、目標押付
力Ｆd と力制御ゲインＫf の積が接近速度になる。従っ
て接近速度を上げたい場合には力制御ゲインＫf を増せ
ばよいことになる。

【００１１】また、ワークに予期せぬ凸部があるような
場合には、過大な力が作用してワークや工具、ロボット
などが破損してしまうおそれがあるため、過大な力を速
やかに取り除くように制御する必要がある。この場合
も、力制御ゲインＫf を上げることが有効である。

【００１２】しかしながら、ロボットの機構部や作業対
象物の剛性が高い場合には、一般に力制御ゲインＫf を
十分に上げることは困難である。すなわち力制御ゲイン
Ｋfを上げすぎると、上述したような工具がワークから
離間している状態や工具に過大な力が働いた状態のよう
な非定常的な状態から定常状態に速やかに回復させるこ
とが容易になる反面、定常状態での制御が不安定となる
問題がある。

【００１３】この問題は、例えば、鋳肌面にグラインダ
仕上げを行う場合や、鋳肌面と機械加工面の稜線の機械
加工バリを面取りにより除去するような場合に顕著にな
る。すなわち、例えば、鋳肌面にグラインダ仕上げを行
う場合に、力制御ゲインを大きくすると、鋳肌面の微妙
な凹凸にまで追従してしまい、逆に美麗な面取り面が得
られなくなってしまう。上述したような仕上げ加工やバ
リ面取り加工においては、仕上げ面の美麗性が第一に要
求されるため、鋳肌面の微妙な凹凸に対してはある程度
鈍く追従することが好ましい。この要求を満足するため
には、力制御ゲインを小さくしてワークの形状変化に対
する追従性を下げなければならない。

【００１４】上述したように、状況によって力制御ゲイ
ンを上げなければならないという要求と、力制御ゲイン
を下げなければならないという相反する要求が存在す
る。

【００１５】本発明は、このようなことを考慮してなさ
れたものであり、形状誤差の大きいワークに対しても、
十分な仕上げ精度が得られる力制御ロボットを提供する
ことを目的としている。具体的には、ワークのくぼみな
どによりワークから工具が離れてしまった場合には、速
やかに工具とワークとの接触を回復させ、ワークの突起
部などにより過大な押し付け力が作用した場合には、過
大な押し付け力を速やかに解除でき、なおかつ、鋳肌面
のような微妙な凹凸に対しては過度に敏感に迫従するこ
となくある程度鈍く追従して、美麗な仕上げ面を得るこ
とが可能な力制御ロボット、およびその制御方法を提供
することを目的とする。

【００１６】かかる目的を達成するため本発明は、作業
対象物に対して作業を行う手先効果器と、前記手先効果
器の位置、速度、力などを制御する少なくとも１の制御
軸とを備え、前記手先効果器の作用に関する所定の目標
値に基づいて前記制御軸を制御するロボットの制御方法
において、前記作業対象物に対する前記手先効果器の押
付力を検出する工程と、検出された押付力と予め定めら
れた目標押付力との偏差を算出する工程と、前記偏差に
基づいて前記偏差を修正するためのフィードバックゲイ
ンを算出する工程と、前記偏差および前記フィードバッ
クゲインにより修正量を算出する工程と、前記修正量を
前記目標値に加算し目標値を修正する工程とを備え、前
記フィードバックゲインは、前記偏差の絶対値が所定の
しきい値より小さい場合に適用される第１フィードバッ
クゲインと、前記偏差の絶対値が所定のしきい値より大
きい場合に適用される第２フィードバックゲインとから
なり、前記第２フィードバックゲインの大きさは前記第
１フィードバックゲインの大きさより大きく定められ、
前記第１フィードバックゲインの大きさは、前記偏差の
絶対値の増大に従って連続的に大きくなるように定めら
れ、前記第２フィードバックゲインの大きさは一定であ
り、前記偏差の絶対値が前記しきい値と等しい場合の前
記第１フィードバックゲインの大きさは前記第２フィー
ドバックゲインの大きさと等しいことを特徴とするもの
である。

【００１７】本発明によれば、作業対象物から手先効果
器が離れてしまった場合や、ワークの突起部などにより
過大な押し付け力が作用した場合には、偏差が大きくな
るため、フィードバックゲインは大きい値に定められ
る。このため速やかに手先効果器と作業対象物との接触
を回復させることができ、また過大な押し付け力を速や
かに解除することができる。一方、手先効果器が作業対
象物に対してある程度良好に追従している場合には、偏
差が小さくなるため、フィードバックゲインは小さい値
に定められる。このため、鋳肌面のような微妙な凹凸に
対しては過度に敏感に迫従することなくある程度鈍く追
従して、美麗な仕上げ面を得ることができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。

【００１９】第１の実施の形態 まず、第１の実施の形態について説明する。図１、図
２、図８および図１２は本発明の第１の実施の形態を示
す図である。

【００２０】まず、図８により本発明による力制御ロボ
ットの全体構成について説明する。図８に示すように、
力制御ロボット１は、ロボット本体１０と、ロボット本
体１０を制御するための制御装置２０とからなる。

【００２１】このうちロボット本体１０は、図８に示す
ように、アーム１１と、アーム１１の先端に設けられ作
業対象物２に対して仕上げ作業を行う手先効果器１２と
を備えている。以下、ロボット本体１０が６軸の円筒座
標形ロボットである場合について説明するが、ロボット
本体１０の形態は特に限定されるものはなく、直交座標
形、極座標形、多関節形など、どのような形態であって
もよい。

【００２２】なお、ここで仕上げ作業とは、グラインダ
作業や磨き作業、面取り作業、バリ取り作業等に代表さ
れ、加工面（仕上面）の平滑さおよび美麗性が要求され
る作業を意味する。従って、この場合の手先効果器１２
としてはグラインダ全般（例えば砥石研磨機）や、面取
り用カッタ、および羽布研磨機等が使用されている。

【００２３】アーム１１は複数のアーム要素１１ｉから
なり、各アーム要素１１ｉはそれぞれ対応するサーボモ
ータ１４ｉおよび駆動機構により駆動されるようになっ
ている。各サーボモータ１４ｉは後述する制御装置２０
のサーボドライバ２８により制御され作動するようにな
っている。

【００２４】また、各サーボモータ１４ｉには、各サー
ボモータ１４ｉの基準位置に対する回転角θｉ（これら
回転角により各アーム要素１１ｉ先端の位置が検出され
ることになる）を検出する角度センサ１６ｉ、例えばロ
ータリーエンコーダが設けられている。

【００２５】また、アーム１１の先端側には、作業対象
物２に対する手先効果器１２の押付力Ｆを検出する押付
力検出装置（押付力検出手段）として６軸の力センサ１
７が設けられている。

【００２６】また、制御装置２０は図１に示すような制
御構成となっており、この制御装置２０は、手先効果器
１２の作用に関する所定の目標値の一例として手先効果
器１２の目標軌道を算出する軌道計算部２１を有してい
る。また、軌道計算部２１には前記目標軌道に基づいて
各サーボモータ１４ｉの目標角度（すなわち各アーム要
素１１ｉの先端の目標位置）を算出する逆座標変換部２
２が接続されている。

【００２７】また、制御装置２０には、前記角度センサ
１６ｉからの角度データの変化に基づいて各サーボモー
タ１４ｉの回転速度ｄθｉ／ｄｔ（すなわち各アーム要
素１１ｉの先端の移動速度）を検出する速度検出部２５
が設けられている。

【００２８】また、制御装置２０には、逆座標変換部２
２により算出された各アーム要素１１ｉ先端の目標位置
（すなわち各サーボモータ１４ｉの回転角度）に追従す
るようにサーボドライバ２８に指令値を与える位置制御
演算部２３および速度制御演算部２４が設けられてい
る。

【００２９】本実施例では、速度制御演算２４による速
度制御演算までがデジタル制御で行われ、サーボドライ
バ２８はアナログ制御の構成となっている。この構成は
１構成例であり、限定されるものではなく、速度制御演
算もアナログで構成してもなんら問題ない。

【００３０】以上説明した軌道計算部２１、逆座標変換
部２２、位置制御演算部２３、速度制御演算部２４、速
度検出部２５および角度センサ１６ｉにより位置・速度
制御系が構成されている（図１において一点鎖線の枠で
示す）。この位置・速度制御系は通常の位置・速度制御
系であり、作用についての詳細な説明は省略する。

【００３１】更に、制御装置２０には、力センサ１７か
らの信号に基づいて、所定の方向に対する押付力Ｆを抽
出する力データ処理部２６と、力データ処理部２６から
の押付力Ｆのデータに基づいて力制御演算を行う力制御
演算部２７とが設けられている。この力制御演算部２７
については本実施形態の作用の説明において詳述する。

【００３２】次に、このような構成からなる本実施形態
の作用について説明する。

【００３３】まず、軌道計算部２１は、目標位置および
姿勢、すなわち手先効果器１２の教示点（各動作の始点
および終点の目標位置、姿勢）に基づいて、図１２に示
すように、手先効果器１２の作用に関する所定の目標値
として目標軌道（下式（２−１）および（２−２）にお
けるベクトルｒp ）を算出する。なお図１２には２つの
教示点を結ぶ線分を目標軌道とした例を示したが、これ
に限定されるものではなく、例えば目標軌道を３つの教
示点を通る円弧としてもよいし、複数の教示点の位置に
基づいてスプライン補間等により目標軌道を定めてもよ
い。

【００３４】このようにして求められた目標軌道は、以
下に説明する手法により算出された修正量を加算するこ
とにより修正される。すなわちまず、力センサ１７によ
り得られた力データは力データ処理部２６を経て力制御
演算部２７に送られる。そして力制御演算部２７は、力
制御演算により前記目標軌道に対する修正量（方向を含
む）を算出する。以下、この力制御演算について詳述す
る。

【００３５】まず、力制御演算部２７は、まず目標押付
力Ｆd （または目標モーメント）と検出した押付力Ｆの
偏差Ｆd −Ｆおよびその絶対値｜Ｆd −Ｆ｜を算出す
る。

【００３６】次に、力制御演算部２７は前記偏差を予め
定められたしきい値Ｆt と比較し、前記偏差の絶対値｜
Ｆd −Ｆ｜としきい値Ｆt との大小関係に基づいて力制
御ゲイン、すなわちフィードバックゲイン（Ｋf1および
Ｋf2のうちいずれか）を選択する。この場合、力の偏差
の絶対値が大きい場合に選択される（第２）フィードバ
ックゲインＫf2の方が、力の偏差の絶対値が小さい場合
に選択される（第１）フィードバックゲインＫf1より大
きく設定されている。

【００３７】次いで、力制御演算部２７は選択したフィ
ードバックゲイン（Ｋf1またはＫf2）に前記偏差Ｆd −
Ｆを乗じ、時間ｔについて積分を行うことにより修正量
（下式（２−１）または（２−２）の右辺第２項）を算
出する。

【００３８】次いで、力制御演算部２７は、軌道計算部
２１が算出した目標軌道（下式（２−１）または（２−
２）の右辺第１項）に前記修正量を加算し（図１におけ
る節Ａ参照）、修正目標軌道（下式（２−１）または
（２−２）の左辺）を算出する。なお、しきい値Ｆt 、
フィードバックゲインＫf1，Ｋf2などのパラメータは、
シミュレーションや実験などによって適切な値を設定す
ればよい。

【００３９】上記事項を数式で示すと以下のようにな
る。

【００４０】

【数２】 ここで、上式（２−１）〜（２−３）において、Ｆd は
指定された方向に対する目標押付力の大きさ、Ｆは指定
された方向に対する検出力の大きさ、Ｆt は、予め設定
された力の偏差のしきい値（この場合は正の値）、Ｋf
1、Ｋf2は、力制御のためのフィードバックゲイン（こ
の場合は正の値）、ベクトルＦa は修正方向単位ベクト
ル、ベクトルｒp は、教示点に基づき算出される位置制
御時の目標軌道、である。

【００４１】なお、上記式においては式（２−２）の不
等号の下に等号を付したが、これに限定されるものでは
なく、式（２−１）の不等号の下に等号を付してもよ
い。また、上記式（２−１、２−２）においては積分則
を用いているが、必要に応じて比例項や二重積分項を加
えてもよい。なお、上式（２−１）および（２−２）
は、式の意味を分かりやすくするため、連続系で表して
いるが、当然、通常のロボットはデジタル制御であるた
め、実際の制御システムの中では、サンプリングに応じ
た離散系の式となっている。

【００４２】次に、このようにして修正された目標軌道
のデータに基づいて、逆座標変換部２２は各アーム要素
１１ｉ先端の目標位置（すなわち各サーボモータ１４ｉ
の目標回転角度）を算出する。そして各アーム要素１１
ｉ先端の目標位置に追従するように、位置制御演算部２
３、速度制御演算部２４により指令値が生成され、この
指令値に基づいてロボット本体１０が駆動される。

【００４３】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、力の偏差の絶対値｜Ｆd −Ｆ｜が小さい場合、すな
わち手先効果器１２が作業対象物２に追従して動作して
ると判断できる場合には、フィードバックゲインを小さ
い値（この場合Ｋf1）に設定することにより、手先効果
器１２を鋳肌面のような微妙な凹凸に対して過度に敏感
に追従せず、鈍く追従させることができる。一方、力の
偏差の絶対値｜Ｆd −Ｆ｜が大きい場合、すなわち手先
効果器１２が作業対象物２から離れてしまったり、大き
な突起に衝突したような場合には、フィードバックゲイ
ンを大きい値（この場合Ｋf2に）に設定することによ
り、手先効果器１２を、速やかに作業対象物２に接近さ
せたり、過大な力を速やかに解除するように動作させる
ことが可能となる。

【００４４】なお、上記実施形態においては、手先効果
器の作用に関する所定の目標値として目標軌道（位置）
を与える方法について示したが、これに限定されるもの
ではない。すなわち所定の目標値として目標速度を与え
るようにしてもよく、この場合、制御式は次式（３−
１）〜（３−３）のように表すことができる。

【００４５】

【数３】

【００４６】第２の実施の形態 次に、第２の実施の形態について説明する。第２の実施
の形態は、フィードバックゲインを所定偏差の範囲内で
偏差に比例するように設定する点が第１の実施の形態に
対して異なり、他は第１の実施の形態と略同一である。
以下の第２の実施の形態の説明においては、第１の実施
の形態との相違点であるフィードバックゲインの設定方
法についてのみ説明し、その他の部分についての詳細な
説明は省略する。

【００４７】第２の実施の形態においては、フィードバ
ックゲインは以下のように設定される。すなわち、ま
ず、第１の実施の形態と同様にして、力制御演算部２７
は、力の偏差の絶対値｜Ｆd −Ｆ｜としきい値Ｆt とを
比較し、前記偏差の絶対値｜Ｆd −Ｆ｜としきい値Ｆt
との大小関係に基づいてフィードバックゲインを設定す
る。

【００４８】本実施形態においては、フィードバックゲ
インの設定は次式（４）に基づいて行われる。

【００４９】

【数４】 ここで、Ｆd は指定された方向に対する目標押付力の大
きさ、Ｆは指定された方向に対する検出力の大きさ、Ｆ
t は、予め設定された力の偏差のしきい値（この場合は
正の値）、Ｋf1、Ｋf2は、力制御のためのフィードバッ
クゲインを定める定数、ベクトルＦa は修正方向単位ベ
クトル、ベクトルｒp は，教示点に基づき算出される位
置制御時の目標軌道、であり、しきい値Ｆt 、定数Ｋf
1，Ｋf2は、シミュレーションや実験などによって適切
な値に定めればよい。

【００５０】上式（４−１，４−２）より分かるよう
に、偏差の絶対値｜Ｆd −Ｆ｜がしきい値Ｆt より小さ
い場合、（第１）フィードバックゲインは｛Ｋf1＋Ｋf2
｜Ｆd −Ｆ｜／Ｆt ｝と定められる。すなわちこの場
合、フィードバックゲインは偏差の絶対値｜Ｆd −Ｆ｜
の増加に比例して増大する関係にある。

【００５１】また、偏差の絶対値｜Ｆd −Ｆ｜がしきい
値Ｆt より大きい場合、（第２）フィードバックゲイン
は一定の値｛Ｋf1＋Ｋf2｝と定められる。

【００５２】また、偏差の絶対値｜Ｆd −Ｆ｜がしきい
値Ｆt と等しい場合、フィードバックゲインは式（４−
１）および式（４−２）のいずれを適用した場合でも
｛Ｋf1＋Ｋf2｝となる。すなわち、フィードバックゲイ
ンは偏差の絶対値｜Ｆd −Ｆ｜がしきい値Ｆt をはさん
で不連続とならないようになっている。

【００５３】なお、偏差の絶対値｜Ｆd −Ｆ｜がしきい
値Ｆt より小さい場合のフィードバックゲインが偏差の
絶対値｜Ｆd −Ｆ｜がしきい値Ｆt 以上の場合のフィー
ドバックゲインより小さいという点については第１の実
施の形態と同様である。

【００５４】一方、第１の実施の形態と異なり、Ｋf1と
Ｋf2の大小関係は限定されるものではなく、Ｋf1をＫf2
と等しい値に設定したりＫf1をＫf2より大きい値に設定
してもよい。

【００５５】また、上式（４−１，４−２）においては
式（４−２）の不等号の下に等号を付したが、これに限
定されるものではなく、式（４−１）の不等号の下に等
号を付してもよい。

【００５６】以上のようにして定めたフィードバックゲ
インに基づいて目標軌道が修正され、この修正された目
標軌道に基づいて、第１の実施の形態と同様にしてロボ
ット本体１０の制御が行われる。

【００５７】本実施形態によれば、第１の実施の形態に
加えて更に以下のような有利な効果が得られる。すなわ
ち、本実施形態においては、検出された押付力Ｆが目標
押付力Ｆd 付近の値の場合、すなわち手先効果器１２が
作業対象物２に非常に良好に追従している場合のフィー
ドバックゲインをより小さく設定することができる。こ
のため、鋳肌面のような微妙な凹凸に対する追従をより
鈍感にすることができ、より美しい仕上げ面を得ること
ができる。

【００５８】また、検出された押付力Ｆの変化に対する
フィードバックゲインの変化がしきい値Ｆt をはさんで
連続的に変化しているため、検出された押付力Ｆがしき
い値Ｆt をはさんで変動した場合、フィードバックゲイ
ンが急激に変化することはない。このため、しきい値Ｆ
t 付近における制御をより安定して行うことができる。

【００５９】フィードバックゲインを決定するために式
（４−１）、式（４−２）および式（４−３）を適用し
た場合の、偏差Ｆd −Ｆの変化に対するフィードバック
ゲインの変化を示すグラフを図３に示す。

【００６０】また、偏差の絶対値｜Ｆd −Ｆ｜のしきい
値Ｆt を目標押付力Ｆd と等しく設定した場合の、偏差
Ｆd −Ｆの変化に対するフィードバックゲインの変化を
示すグラフを図４に示す。

【００６１】なお、図４に示す実施形態においては、偏
差の絶対値｜Ｆd −Ｆ｜のしきい値Ｆt を目標押付力Ｆ
d と等しく設定し、かつ、検出された押付力Ｆと目標押
付力Ｆd が等しい場合のフィードバックゲインが正の値
Ｋf1となるように設定した場合を示したが、これに限定
されるものではない。

【００６２】すなわち、Ｋf1＝０としてもよい。この場
合の偏差Ｆd −Ｆとフィードバックゲインの関係は、図
５のように示される。このようにすれば、検出された押
付力Ｆと目標押付力Ｆd が極めて近い場合、すなわち手
先効果器１２が作業対象物２に良好に追従している場合
のフィードバックゲインがほぼ０に近付くため、より安
定した制御を行うことができる。

【００６３】また、上記実施形態においては、偏差の絶
対値｜Ｆd −Ｆ｜がしきい値Ｆt より小さい場合のフィ
ードバックゲインを｛Ｋf1＋Ｋf2｜Ｆd −Ｆ｜／Ｆt ｝
と定めたが、このフィードバックゲインのうち比例式部
分Ｋf2｜Ｆd −Ｆ｜／Ｆt をＫf2｜Ｆd −Ｆ｜として、
フィードバックゲインを｛Ｋf1＋Ｋf2｜Ｆd −Ｆ｜｝と
してもよい。この場合、偏差の絶対値｜Ｆd −Ｆ｜がし
きい値Ｆt より大きい場合のフィードバックゲインは
｛Ｋf1＋Ｋf2｜Ｆt ｜｝となる。

【００６４】また、上記実施形態においては、偏差の絶
対値｜Ｆd −Ｆ｜がしきい値Ｆt より小さい場合のフィ
ードバックゲインは、直線的に増加（図３乃至図５参
照）するように設定したが、これに限定されるものでは
ない。すなわち図６に示すように２次曲線的に変化する
ように設定してもよい。

【００６５】また、フィードバックゲインを図７に示す
ように三角関数的に変化させても良い。このように三角
関数的に変化させる場合には、図７に示すように、偏差
の絶対値｜Ｆd −Ｆ｜がしきい値Ｆt より小さい場合の
フィードバックゲインを示すカーブと、偏差の絶対値｜
Ｆd −Ｆ｜がしきい値Ｆt より大きい場合のフィードバ
ックゲインを示すカーブ（図７の場合、直線）とを平滑
につなぐことが好ましい。すなわち偏差の絶対値｜Ｆd
−Ｆ｜がしきい値Ｆt より小さい場合に偏差の絶対値｜
Ｆd −Ｆ｜の関数として表現されるフィードバックゲイ
ンを偏差Ｆd −Ｆで微分した場合の｜Ｆd −Ｆ｜＝Ｆt
における微分係数が、偏差の絶対値｜Ｆd −Ｆ｜がしき
い値Ｆt より大きい場合のフィードバックゲインのＦd
−Ｆ＝Ｆt における微分係数（図７の場合＝０）と等し
くなるようにフィードバックゲインを設定するようにす
ることが好ましい。このようにすれば、しきい値Ｆt 付
近における制御をより安定して行うことができる。

【００６６】また、偏差の絶対値｜Ｆd −Ｆ｜がしきい
値Ｆt より小さい場合のフィードバックゲインを定める
関数をその他の関数としてもよい。すなわちフィードバ
ックゲイン定める関数は、偏差の絶対値の増大に伴い増
加する傾向を有する条件を満足すれば、必要に応じて任
意に変更することができる。さらに、図２乃至図７に示
されるグラフにおいて、押付力とフィードバックゲイン
との関係を示すラインは直線Ｆ＝Ｆｄに対して左右対称
となっているが、これに限定されるものではなく、必要
に応じて左右非対称とすることも可能である。

【００６７】なお、本実施形態においても、第１の実施
の形態と同様に、手先効果器の作用に関する目標値とし
て目標速度、目標トルク等を与えるようにしてもよい。
この場合、図１に示す制御系の構成は適宜変更される。
また上記第１および第２の実施の形態に示したロボット
および制御系の構成は、本発明を実施するための一例に
すぎず、同様の機能をもつ力制御ロボットに対して適宜
応用することが可能である。

【００６８】

【実施例】以下、本発明による制御方法を実際の力制御
ロボットに適用した結果を具体的に示す。以下の実施例
は、手先効果器と作業対象物が離間した状態を初期状態
とし、その後手先効果器と作業対象物とを接触させ、力
制御により面取り作業を行う場合を例にあげ、本発明の
有効性を実ロボットにより検証した結果を示すものであ
る。

【００６９】まず、試験条件について説明する。図８に
示すように、６軸円筒座標型ロボット（ロボット本体）
１０のアーム１１先端に手先効果器としてエアー駆動の
カッターｌ２を装着し、作業対象物として鋳物ワーク２
の面取り作業を実施した。そして従来の力制御方法によ
る作業結果と、本発明による力制御方法による作業結果
との比較を行った。

【００７０】本比較試験において、共通条件として、工
具の送り速度は２０［ｍｍ／ｓｅｃ］、面取りを行う距
離は８０［ｍｍ］、目標押付力Ｆd は４．９［Ｎ］
（０．５ｋｇｆ）とした。なお、工具の送り方向は、図
８の紙面に対して直交する方向である。

【００７１】図９に、従来の力制御方法、すなわち式
（１）に基づいて力制御を行った場合の作業結果を示
す。なおフィードバックゲインＫf は０．００１［ｍ／
ｓ］とした。図９（ａ）は、押し付け方向に対する面取
り工具先端部の位置の経時変化を示している。また図９
（ｂ）は、力センサ１７により測定された実際の押付力
の経時変化を示す図である。図９（ａ）の横軸と図９
（ｂ）の横軸とはそれぞれ対応している。

【００７２】図９（ａ）に示すように、まず、カッター
ｌ２が鋳物ワーク２から１．５［ｍｍ］程度離れた位置
から、力制御を開始した（ｔ＝約０．２［ｓｅｃ］の時
点）。この場合、鋳物ワーク２とカッターｌ２先端とは
互いに離間しているため、カッターｌ２先端が鋳物ワー
ク２から受ける反力、すなわち指定された方向の検出力
の大きさＦは概ね０である。従って、Ｆd −Ｆは正とな
るため、カッターｌ２先端は鋳物ワーク２に接近するよ
うに制御される。

【００７３】次いで、カッターｌ２先端は、鋳物ワーク
２に接触した後（ｔ＝約０．９［ｓｅｃ］の時点）、力
制御により所定の押付力４．９［Ｎ］（０．５ｋｇｆ）
になるように鋳物ワーク２に倣って進行している。

【００７４】なお、図９（ａ）に示すように、カッター
ｌ２先端の位置の座標は基準点から徐々に増加してお
り、８０［ｍｍ］の面取り距離に対して０．８［ｍｍ］
程度鋳物ワーク２の被加工面は基準面に対して傾いてる
状態となっていることがわかる。

【００７５】図１０も、式（１）に基づく従来の力制御
方法による作業結果であるが、力制御ゲインを、図９の
場合の２倍（Ｋf ＝０．００２［ｍ／ｓ］）とした場合
を示している図９（ａ）と図１０（ａ）との初期の傾
き、すなわちカッターｌ２先端が鋳物ワーク２に接触す
るまでの傾きを比較すると、図１０（ａ）の方が傾きが
大きいことがわかる。これは、カッター１２先端の鋳物
ワーク２への接近速度が速いということを意味してい
る。図１０（ａ）の場合と図９（ａ）の場合とを比較す
ると、図１０（ａ）の場合の方が約２倍の速度で鋳物ワ
ーク２に接近している。

【００７６】しかしながら、カッターｌ２と鋳物ワーク
２が接触した後のカッターｌ２先端の位置の経時変化お
よび実際の押付力の経時変化をみると、９図（ｂ）に対
して図１０（ｂ）は非常に振動的になっており、力制御
が不安定になっていることがわかる。従って、力制御ゲ
インを単純に大きくすると、ワークへの接近速度は速く
なるが、力制御を不安定にしてしまうことになる。

【００７７】それに対し、本発明の第２の実施の形態の
力制御方法による作業結果を図ｌｌに示す。式（３）に
おけるパラメータは、Ｋf1＝０．００１［ｍ／ｓ］、Ｋ
f2＝０．００１［ｍ／ｓ］、目標押付力Ｆd ＝４．９
［Ｎ］とした。なお、この場合、偏差Ｆd −Ｆに対する
フィードバックゲインの変化は、図４に示すような関係
にある。

【００７８】図１１（ａ）（ｂ）より、図９の場合と同
様の力制御の安定性が得られており、かつ、ワークへの
接近速度も、図１０と同様に速やかであることが確認で
きる。

【００７９】すなわち本実施例によると、力の偏差が小
さい場合には、力制御ゲインが小さい値に設定されるた
め、カッターｌ２を鋳肌面のような微妙な凹凸には過度
に敏感に追従せず、鈍く追従するさせることができる。
一方、カッターｌ２が鋳物ワーク２から離間している場
合には、力の偏差が大きくなり、力制御ゲインは大きい
値に定められるため、カッターｌ２を速やかにワークに
接近させるように動作させることができることがわか
る。

【００８０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
形状誤差の大きい作業対象物に対して美麗な仕上げ面を
得ることをができ、かつ手先効果器およびロボット本体
の損傷を効果的に防止することができる力制御ロボット
を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を示す図であって、
力制御ロボットの制御系の構成を示す図。

【図２】第１の実施の形態におけるフィードバックゲイ
ンの設定方法を示す図。

【図３】本発明の第２の実施におけるフィードバックゲ
インの設定方法を示す図。

【図４】第２の実施の形態におけるフィードバックゲイ
ンの設定方法の変形例を示す図。

【図５】第２の実施の形態におけるフィードバックゲイ
ンの設定方法の変形例を示す図。

【図６】第２の実施の形態におけるフィードバックゲイ
ンの設定方法の変形例を示す図。

【図７】第２の実施の形態におけるフィードバックゲイ
ンの設定方法の変形例を示す図。

【図８】本発明による力制御ロボットの構成の一例を示
す図。

【図９】従来の制御方法を適用して面取り作業を実施し
た場合の押付け方向変位と押し付け力の経時変化を示す
図。

【図１０】従来の制御方法を適用して面取り作業を実施
した場合の押し付け方向変位と押し付け力の経時変化を
示す図。

【図１１】本発明の制御方法を適用して面取り作業を実
施した場合の押し付け方向変位と押し付け力の経時変化
を示す図。

【図１２】力制御が行われる座標系を示す図。

【符号の説明】 １ 力制御ロボット ２ 作業対象物（鋳物ワーク） １０ ロボット本体 １１ アーム １２ 手先効果器（面取り用カッター） １７ 押付力検出手段（力センサ） ２０ 制御装置 ２７ 力制御演算部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭64−73402（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−281884（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−13588（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23Q 15/00 B25J 9/10

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】作業対象物に対して作業を行う手先効果器
   と、前記手先効果器の位置、速度、力などを制御する少
   なくとも１の制御軸とを備え、前記手先効果器の作用に
   関する所定の目標値に基づいて前記制御軸を制御するロ
   ボットの制御方法において、 前記作業対象物に対する前記手先効果器の押付力を検出
   する工程と、 検出された押付力と予め定められた目標押付力との偏差
   を算出する工程と、 前記偏差に基づいて前記偏差を修正するためのフィード
   バックゲインを算出する工程と、 前記偏差および前記フィードバックゲインに基づいて修
   正量を算出する工程と、 前記修正量を前記所定の目標値に加算し前記所定の目標
   値を修正する工程と、を備え、 前記フィードバックゲインは、前記偏差の絶対値が所定
   のしきい値より小さい場合に適用される第１フィードバ
   ックゲインと、前記偏差の絶対値が所定のしきい値より
   大きい場合に適用される第２フィードバックゲインとか
   らなり、前記第２フィードバックゲインの大きさは前記
   第１フィードバックゲインの大きさより大きく定めら
   れ、前記第１フィードバックゲインの大きさは、前記偏
   差の絶対値の増大に従って連続的に大きくなるように定
   められ、前記第２フィードバックゲインの大きさは一定
   であり、前記偏差の絶対値が前記しきい値と等しい場合
   の前記第１フィードバックゲインの大きさは前記第２フ
   ィードバックゲインの大きさと等しい、ことを特徴とす
   るロボットの制御方法。
2. 【請求項２】前記第１フィードバックゲインの大きさ
   は、前記偏差の絶対値に比例していることを特徴とする
   請求項１に記載のロボットの制御方法。
3. 【請求項３】前記手先効果器が前記作業対象物に対して
   行う作業は、グラインダ作業、磨き作業、面取り作業、
   バリ取り作業などの仕上げ作業であることを特徴とする
   請求項１または２に記載のロボットの制御方法。
4. 【請求項４】作業対象物に対して作業を行う手先効果器
   と、前記手先効果器の位置、速度、力などを制御すると
   ともに所定の指令値に基づいて作用する少なくとも１の
   制御軸と、前記作業対象物に対する前記手先効果器の押
   付力を検出する押付力検出手段と、検出された押付力と
   予め定められた目標押付力との偏差に基づいて前記偏差
   を修正するためのフィードバックゲインを算出し、前記
   偏差および前記フィードバックゲインに基づいて修正量
   を算出し、前記修正量を前記手先効果器の作用に関する
   所定の目標値に加算して修正目標値を算出し、この修正
   目標値に基づいて前記指令値を生成する制御装置と、を
   備え、前記制御装置が定める前記フィードバックゲインは、前
   記偏差の絶対値が所定のしきい値より小さい場合に適用
   される第１フィードバックゲインと、前記偏差の絶対値
   が所定のしきい値より大きい場合に適用される第２フィ
   ードバックゲインとからなり、前記第２フィードバック
   ゲインの大きさは前記第１フィードバックゲインの大き
   さより大きく定められ、前記第１フィードバックゲイン
   の大きさは、前記偏差の絶対値の増大に従って連続的に
   大きくなるように定められ、前記第２フィードバックゲ
   インの大きさは一定であり、前記偏差の絶対値が前記し
   きい値と等しい場合の前記第１フィードバックゲインの
   大きさは前記第２フィードバックゲインの大きさと等し
   い、 ことを特徴とする力制御ロボット。
5. 【請求項５】グラインダ作業、磨き作業、面取り作業、
   バリ取り作業などの仕上げ作業を行うための力制御ロボ
   ットにおいて、作業対象物に対して作業を行う手先効果
   器と、前記手先効果器の位置、速度、力などを制御する
   とともに所定の指令値に基づいて作用する少なくとも１
   の制御軸と、前記作業対象物に対する前記手先効果器の
   押付力を検出する押付力検出手段と、検出された押付力
   と予め定められた目標押付力との偏差に基づいて前記偏
   差を修正するためのフィードバックゲインを算出し、前
   記偏差および前記フィードバックゲインに基づいて修正
   量を算出し、前記修正量を前記手先効果器の作用に関す
   る所定の目標値に加算して修正目標値を算出し、この修
   正目標値に基づいて前記指令値を生成する制御装置と、
   を備え、前記制御装置が定める前記フィードバックゲインは、前
   記偏差の絶対値が所定 のしきい値より小さい場合に適用
   される第１フィードバックゲインと、前記偏差の絶対値
   が所定のしきい値より大きい場合に適用される第２フィ
   ードバックゲインとからなり、前記第２フィードバック
   ゲインの大きさは前記第１フィードバックゲインの大き
   さより大きく定められ、前記第１フィードバックゲイン
   の大きさは、前記偏差の絶対値の増大に従って連続的に
   大きくなるように定められ、前記第２フィードバックゲ
   インの大きさは一定であり、前記偏差の絶対値が前記し
   きい値と等しい場合の前記第１フィードバックゲインの
   大きさは前記第２フィードバックゲインの大きさと等し
   い、 ことを特徴とする力制御ロボット。
6. 【請求項６】作業対象物に対して作業を行う手先効果器
   と、前記手先効果器の位置、速度、力などを制御する少
   なくとも１の制御軸とを備えたロボット本体を制御する
   ための制御装置において、前記手先効果器の作用に関す
   る所定の目標値を演算する目標値演算部と、検出された
   押付力と予め定められた目標押付力との偏差に基づいて
   前記偏差を修正するためのフィードバックゲインを算出
   し、前記フィードバックゲインおよび前記偏差に基づい
   て修正量を算出し、前記修正量を前記所定の目標値に加
   算して修正目標値を算出する力制御演算部と、を備え、前記力制御演算部が定める前記フィードバックゲイン
   は、前記偏差の絶対値が所定のしきい値より小さい場合
   に適用される第１フィードバックゲインと、前記偏差の
   絶対値が所定のしきい値より大きい場合に適用される第
   ２フィードバックゲインとからなり、前記第２フィード
   バックゲインの大きさは前記第１フィードバックゲイン
   の大きさより大きく定められ、前記第１フィードバック
   ゲインの大きさは、前記偏差の絶対値の増大に従って連
   続的に大きくなるように定められ、前記第２フィードバ
   ックゲインの大きさは一定であり、前記偏差の絶対値が
   前記しきい値と等しい場合の前記第１フィードバックゲ
   インの大きさは前記第２フィードバックゲインの大きさ
   と等しい、 ことを特徴とする制御装置。