JPH04165508A - ロボット及びロボットの制御方法 - 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】 ［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定させる
ようにした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たけては
なく、束縛方向も前もつ−Ｃ教え込む必要がある。この
ように教え込んでも、たとえばロボットか束縛を受ける
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か多い。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かあった。

（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。

［発明の構成コ （課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明に係る制御方法では
、ロボットの手先か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弾性を与えて手先に
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か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１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１
５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図に示すような流れにしたが
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
に関する知謀として、Ｆ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ｆＩ）。

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］３に柔軟性を
持たせる（ステップｆ２）。

Ｆ−Ｋ（ｘａ　　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】のハンドルを手探りで把持させる（ステッ
プｆ＞）。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、ハンドルの一部か手先１３のハンド部
て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］３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Ｘ６（１）
を順次作り、クランク１のハンドルを把持したままで上
記目標軌道にしたかって手先１３を動かず。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Ｘ、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
はクランクユに力を加え、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Ｘ６と手先１３の軌道Ｘ。との間に誤差か発生した
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Ｘ４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ｆ
５）。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］３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Ｘ。

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Ｘ、の情報を適当な間隔でサンプリン
グ（ステップｆ、、）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、（１）点Ｘはある拘束平面上にある （１ｊ）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Ｘ　ｈ＋ｚ　（１−１，２
，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
　（１１”ｌｌＸ　ｈｚ）Ｘ　ｂ（１）（ｉ≠　ｊ）　
・・・（２）を求めると、条件（ｉ）より、Ｖ　（１＋
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　＋ｌ＋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０’−ｘｙｚを導入する。ここで回転行列Ｒとして、 Ｒ−［ｎ、ｔ、ｂｌ　　　　　　　　　　−（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Ｘ　
ｈｚ＋　（１−１，２，３，−ｎ　）は次式によって新
だな座標系０’　−ＸＹＺの点ｘ　’　ｈｚ＋　（ｊ−
１，２＋３＋−ｎ　）に変換される。

Ｘ　’　ｂ　（１）　−Ｒ”　・Ｘｂ口）　　　　　　
・・（４）このとき、点Ｘ’ｈ（＋１はその導出方法か
ら明らかなように、座標系Ｏ′−χｙｚ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、、
、’）は次式を満たす。

（ｘｉ　　　−ＸＯ）　　　”　　　＋　　（ｙ　　Ｉ
　　−３’ｏ　　）　　　２−ｒ　　２Ｚ　　ｌ　　　
１　Ｚ　　Ｏ ・・・（５） ただし、Ｘ’　ｈ（Ｂ−（Ｘ＋　＋　　　ｌ＋　　Ｚｌ
）　ＴｓＸｏ　”’　（ｘｏ　ｌ　　’１０　＋　　ｚ
ｏ　）　Ｔであり、ｘｏは座標系ｏ′−ｘｙｚにおける
クランクの中心の座標、「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Ｘ　Ｏｒ　　Ｙ　
ｏを求め、次にｒを求め、最後に２１の平均値から２゜
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（ｌ、−（ｘｃ＋＋　　ｃｌ＋　　ｚｃ＋）　
”を、Ｘｏおよびｒを用いて求める。

Ｘ　ｃ＋−ｒ　’　ｅＯ３（ω＋＋））十〇。）ｙ　ｃ
＋−ｒ　−５ｉｎ　　（（ＩＪ　（１１＋θＯ’）　　
　−（６）Ｚｃ＋　１２０ このＸ′ｅ（Ｉ、を次の座標変換 ｘ　ｃｔＩ）−Ｒ１１ｘ　’　ｅ、ｌ、−（７）によっ
て、基準座標系０−ｘｙｚにおけるクランク回しの軌道
Ｘ、１）として求めれば、手先の柔軟性により、Ｘｔ（
１）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、Ｘ□、）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（１１はクランク１の回転速度を決定する関数
であり、θ０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／％ンド部がクランク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Ｘ、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Ｘ、を座標系０’−ＸＹＺ
で表した点Ｘ　’　ａ ｚ’　ａ　＝ＲＴ−Ｘｓ　　　　　　　　　　・・・（
８）を求める。次に次式によって点ＮＥＷｘ’、を求め
る。

ＮＥｗｘ’　ｓ　−ｘｏ　十ｒ／　ｌ　ｘ’　、　−Ｘ
Ｏｌ・・・（９） ＮＥＷ　ｘ’　＊は（６）式で与えられる円周上の点で
あるから、ＮＥＷｘ’、を開始点とすれば、ω（１１−
〇として、（６）式より、 ＮＥＷｘ’　　ａ−（１＋　　ｙ＋、ｚ＋）”とすると
、ｘ、−ｒ−ｃｏｓ（θ０　） ｙ、−ｒ　　−５ｉｎ（θｏ　　）　　　　　　　　　
　　”’　（ｔｏ）Ｚ　　、　　　Ｓ＋＋　　Ｚ　　。

よって、θ０は次式で求められる。

θｏ　＝　　ｔａｎ−’　（ｙ　＊　／　ｘ　ｍ　）　
　　　　・・・（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ｆｓ）。

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、本発明制御方法によれば、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。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　ロボットの手先が外部環境に加える力を制御すること
   によって上記手先に仮想的な剛性を与え、この状態で上
   記手先のハンド部で作業対象物を把持させるとともに上
   記作業対象物が上記手先に与える束縛にしたがわせて上
   記手先をならわせ、その際に上記手先の位置と上記手先
   に加わる力の情報と作業手続きに関する知識とに基いて
   上記手先と上記作業対象物の相対距離および束縛方向等
   の作業パラメータを同定させることを特徴とするロボッ
   トの制御方法。