JPH0780787A - ロボット制御方法およびロボット制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ロボット制御方法およびロボット制御装置に
おいて制御上の安定性および精度に問題を生じることな
く、ユーザが座標系を簡単に設定できるようにする。 【構成】 多自由度を有する作業用ロボット１を制御す
るもので、任意に設定した制御用座標系の各座標軸方向
に従って制御パラメータを設定して作業のための制御を
実行する位置と力のロボット制御方法であり、設定され
た１つの軸方向のベクトルと、作業に関する目標軌道を
生成するための位置パラメータとに基づいて座標系を演
算し、得られた座標系を制御用座標系として用いて位置
と力の制御を行う方法、およびこの制御方法を実現する
ロボット制御装置である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はロボット制御方法および
ロボット制御装置に関し、少なくとも２以上の自由度を
有するロボットや工作機械等の多自由度工作機械の位置
と力の制御を実行するものであって、バリ取り、曲面研
磨、曲面の倣い動作等の力を伴う作業動作を機構本体部
に行わせるロボット制御方法およびロボット制御装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、力制御を利用してグラインダがけ
作業を行う多自由度作業機械（一般的には産業用ロボッ
トまたは作業用ロボットであり、以下「ロボット」とい
う）では、例えば特開平１−２２２３１１号、特開平１
−２２２３１５号、特開平１−２２２３１６号、特開平
３−２６２００９号に記載されるように、力制御に基づ
いて力を伴う作業を行うにあたり、作業工具でワークに
対し力をかける方向と当該作業工具を移動させる方向と
を直交座標系で指定すると共に、ワークの形状に合わせ
て座標軸方向を回転して変更し、もって力作業を行うよ
うに構成されていた。これらのロボットでは、力制御に
基づきワークに力をかけながら作業工具を移動させると
き、力をかける方向をワーク各部の法線方向に向けるこ
とによって力制御の精度と性能の向上を図っている。力
制御を利用してワークに対し作業工具で力をかけながら
当該作業工具をワークに沿って移動させて力作業を行う
ロボットでは、力をかける方向を定める被加工部分にお
ける法線方向の設定の仕方が、作業を円滑に行う面で重
要となる。

【０００３】例えば特開平１−２２２３１５号の多自由
度作業機械では、予めワークの各被加工部分での法線方
向を求めておき、制御装置に設けられた記憶装置に、求
めた法線方向を記憶している。特開平１−２２２３１１
号や特開平１−２２２３１６号の多自由度作業機械で
は、ワークの接触点おける反力に基づいて各接触点に関
する法線方向を求めている。また特開平３−２６２００
９号の多自由度ロボットでは、作業工具の移動に関する
軌道データに基づいてフレネの式により法線方向を求め
るようにしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来技術による
法線方向の設定の仕方は、それぞれ、次のような問題点
を有する。

【０００５】特開平１−２２２３１５号の設定の仕方に
よれば、マイクロコンピュータによるシステムを想定す
ると、莫大な記憶容量の記憶装置を必要とし、システム
の効率に問題がある。また作業を行わせるためのデータ
を予め制御装置の記憶装置に事前に格納するための試し
作業を考えると、ワークの形状に合わせて座標系を設定
して記憶させることは非常に面倒な作業となる。特開平
１−２２２３１１号や特開平１−２２２３１６号の設定
の仕方によれば、ワークにおける作業工具の接触点での
反力を測定することは実際上誤差が大きく、このため、
位置が変化するたびに座標の方向が大きく変化してしま
い、安定性が悪くなり、制御上好ましくないという問題
がある。

【０００６】特開平３−２６２００９号によるフレネの
式に基づく方法は、軌道の設定の仕方によっては、座標
軸が逆転し、力がかかる方向が力を必要とする方向と逆
になり、作業が行えない場合が発生する。この状況を図
１１および図１２を参照して説明する。

【０００７】図１１において、ワーク１０１における作
業工具１０２の移動に関する目標軌道１０３がP001〜P0
11の点列が与えられていると仮定する。このとき計算で
求められる座標系の各軸方向を、例えばP002とP007に着
目して説明する。まずP002ではｘ軸方向は（数１）とな
る。

【０００８】

【数１】

【０００９】これにより、ｘ軸方向の単位ベクトルを
〈ｎ〉とすれば、次式となる。

【００１０】

【数２】

【００１１】ここで記号「〈 〉」はベクトルを表すも
のとする。またｙ軸方向は、次式で与えられる。

【００１２】

【数３】

【００１３】ｙ軸方向の単位ベクトルを〈ｏ〉とすれ
ば、次式で与えられる。

【００１４】

【数４】

【００１５】これを図示すると、軌道の曲率半径の方向
に向かうベクトルとなる。ｚ軸方向については単位ベク
トルを〈ａ〉とすると、次式で与えられる。

【００１６】

【数５】

【００１７】上記計算で求められたP002での座標系を示
すと図１２（Ａ）となる。

【００１８】次に、P007に関して同様に計算を行ったも
のを図１２（Ｂ）に示す。P007の場合にはｙ軸方向は曲
率半径に向うためP002の場合と反対方向になり、これに
よってｚ軸方向も反対になる。従って、力制御において
力目標値や動作に関するゲインを座標系の軸方向を基準
に設定している場合には大きな問題を提起する。具体的
に説明すると、図１２（Ａ）に示すように、例えばP002
においてｙ軸方向に−１．０Kgf の力（ｙ軸の負方向）
をかけながら、ロボット機構のリスト部に装着した作業
工具１０２をワーク１０１に押し付けてバリ取り作業を
行うように設定すると、図１２（Ｂ）に示すようにP007
ではｙ軸の向きが逆になり、そのために力をかける向き
も逆になり、作業工具１０２をワーク１０１に押し付け
ることができなくなる。

【００１９】加えて、上記の特開平３−２６２００９号
による方法では、位置の２階微分を計算しなければなら
ないので、演算を行うには最低３つの位置データが必要
となるという問題も有している。

【００２０】本発明の目的は、制御上の安定性および精
度に問題を生じることなく、ユーザが座標系を簡単に設
定できるロボット制御方法およびロボット制御装置を提
供することにある。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明に係るロボット制
御方法は、多自由度を有する作業用ロボットを制御する
もので、任意に設定した制御用座標系の各座標軸方向に
従って制御パラメータを設定して作業のための制御を実
行する位置と力のロボット制御方法であり、設定された
１つの軸方向のベクトルと、作業に関する目標軌道を生
成するための位置パラメータとに基づいて座標系を演算
し、得られた座標系を制御用座標系として用いて位置と
力の制御を行う方法である。

【００２２】前記の方法において、好ましくは、１つの
軸方向のベクトルは、作業用ロボットで設定された座標
系の内から１軸方向に関して指定される。

【００２３】前記の方法において、好ましくは、１つの
軸方向のベクトルは、制御手段で演算され生成される座
標系の内から１軸方向に関して指定される。

【００２４】前記の方法において、好ましくは、位置パ
ラメータは、作業用ロボットに対するユーザの教示によ
って記憶手段に格納された位置データである。

【００２５】前記の方法において、好ましくは、位置パ
ラメータは、作業用ロボットに対するユーザの教示によ
って記憶手段に格納された位置データに基づいて演算処
理で作成されたデータである。

【００２６】前記の方法において、好ましくは、前記演
算処理は補間演算である。

【００２７】本発明に係るロボット制御装置は、多自由
度を有する作業用ロボットを制御する位置と力のロボッ
ト制御装置であって、前段に位置パラメータ、ユーザプ
ログラム、各種の力制御パラメータのそれぞれを格納す
る複数の格納部を含む教示・設定部を備えかつ後段に力
制御演算部を含む制御実行部を備え、制御実行部のユー
ザプログラム解析部で教示・設定部に設定されたユーザ
プログラムを読出して解析し、その命令内容に従って位
置パラメータおよび力制御パラメータを各格納部から制
御実行部の各入力部に転送するロボット制御装置におい
て、教示・設定部は、座標系に関するパラメータを格納
する座標系パラメータ格納部と、ワーク座標系に関し指
定された１つの軸方向を格納するワーク座標系軸方向格
納部とを含み、制御実行部は、目標軌道を形成する各位
置について、位置パラメータ格納部と座標系パラメータ
格納部とワーク座標系軸方向格納部の各出力を入力し、
位置パラメータと座標系に関するパラメータとワーク座
標系に関し指定された１つの軸方向と用いてワーク座標
系を演算するワーク座標系演算部を含むことを特徴とす
る。

【００２８】前記の構成において、好ましくは、ワーク
座標系演算部は、ユーザプログラム解析部から出力され
る指令に従って演算を行うように構成される。

【００２９】前記の構成において、好ましくは、位置パ
ラメータ格納部からの位置パラメータを用いる代わり
に、位置パラメータに所定の演算を施して得られる位置
に関するデータを用いることを特徴とする。

【００３０】

【作用】本発明によれば、ワークが与えられ、当該ワー
クの被加工部に対して研磨等の力作業を行うことを指示
された場合において、その被加工部に対してグラインダ
および砥石からなる作業工具を押し付けて移動させるた
めの目標軌道が、被加工部に関して複数の位置データか
らなる点列で与えられるとき、目標軌道を形成する各位
置について、ワークの被加工部に関して作業工具を押し
付けるのに必要な大体の方向をユーザ自身が決定し、こ
れを１つの軸方向のベクトル（単位ベクトル）として教
示・設定部に設定し、次に所定の演算に従って直交する
他の２軸に関しての単位ベクトルを求め、こうして座標
系が生成される。

【００３１】目標軌道を形成する各位置の座標系を、ユ
ーザがワークの被加工部を観察することにより作業工具
が被加工部を押し付ける大体の方向を設定するために、
被加工部の条件が大幅に変化しても作業工具による力の
作用方向は逆にならず、押付け方向も常に望ましい状態
に保持され、作業工具がワークから離れることがない。
また座標系を設定するための計算も簡単であり、計算に
必要なデータも少なく計算時間が少なくて済む。

【００３２】

【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。

【００３３】図１はソフトウェアで実現される本発明に
係るロボット制御装置の構成を概念的に表すブロック図
で、この図には機械的構成部分およびセンサ部等のハー
ド構成を併せて示している。図２は力制御演算部の具体
的構成の一例を示すブロック図、図３はロボット制御装
置を実現するコンピュータシステムの構成を示すブロッ
ク図である。

【００３４】図１において、ロボット機構１はロボット
本体であり、機械的機構部と、この機械的機構部の各可
動部（関節部）に配置される駆動装置と、当該機械的機
構部のアーム先部に取り付けられた作業工具（一般的に
手先効果器）とから構成される。ロボット機構１は、可
動部に配置された各駆動装置が力制御演算部２０から与
えられるロボット機構１の姿勢および動作を決定するた
めの各種制御信号をサーボ回路２を通して受取ることに
より、全体として制御信号に従って動作し作業工具で図
示しないワークに対し必要な作業を行う。ロボット機構
１と作業工具による作業動作の中には力制御による力作
業動作が含まれる。従って作業工具がワークに対して研
磨等の力作業を行うとき、作業工具は当該ワークから反
作用としての力を受ける。作業工具は、その取付け構造
上力センサ３に固定されるので、作業工具に加わる力
（モーメントを含む）は力センサ３によって検出され
る。力センサ３で検出された力に関するデータは力制御
演算部２０に送給され、その後の力制御において制御状
況に関する力データとして使用される。また同様にして
ロボット機構１の各可動部には動作量を検出するための
センサを備えており、対応する駆動装置により可動部が
動作したとき、各センサはその動作量を測定し、サーボ
回路２を介して力制御演算部２０に動作量データとして
送給する。これらの動作量データは、現実の位置データ
としてその後の力制御および位置制御に使用される。

【００３５】一点鎖線で示されたブロック５はロボット
制御装置の部分である。本発明に係るロボット制御装置
が適用されるロボットシステムではティーチングプレイ
バック（教示再生）方式が採用されている。従って図１
のロボット制御装置５は、複数の制御パラメータの教示
および設定に関係する部分（教示・設定部）と、設定さ
れた複数の制御パラメータを取り出して制御を実行する
部分（制御実行部）とから構成される。ロボット制御装
置５において、教示されたプログラムおよびデータ等の
転送ルートに関して、図中左側の前段部に教示・設定部
が位置し、右側の後段部に制御実行部が位置する。すな
わち、教示・設定部は、力制御パラメータ格納１４、ユ
ーザプログラム格納部１３、位置パラメータ格納部１
０、座標系パラメータ格納部１１、ワーク座標系軸方向
格納部１２からなる。他方、制御実行部は、ユーザプロ
グラム解析部１６、力制御パラメータ転送部１７、位置
パラメータ転送部１５、ワーク座標系演算部１８、力制
御演算前処理部１９、前述の力制御演算部２０からな
る。

【００３６】力制御パラメータ格納部１４、ユーザプロ
グラム格納部１３、位置パラメータ格納部１０、座標系
パラメータ１１、ワーク座標系軸方向格納部１２のそれ
ぞれには、ユーザにおけるオペレータが、ロボット制御
装置５を備えるロボット機構１に対して所要作業（作業
工具の動作に関し位置制御と力制御が必要な作業）を行
わせようとする場合に、事前に教示操作を行うことによ
り、当該作業の制御に必要な力制御および位置制御の各
制御パラメータに関するデータおよび必要なユーザプロ
グラムが格納される。オペレータによる教示操作では、
例えばハンディタイプの教示操作器４が使用される。こ
の教示操作器４は、プログラム言語を用いて制御指令と
複数のデータを入力するための入力機能部４ａと、所定
の表示面積を有しかつオペレータが入力された制御指令
等の内容を視覚で確認するための表示機能部４ｂを有し
ている。この教示操作器４を用いることにより実際の作
業の前に当該作業を倣うごとくロボット機構１に試し動
作を行わせ、複数の制御パラメータに関し作業中のそれ
ぞれの区間で必要とされるデータを、前記の力制御パラ
メータ格納部１４、ユーザプログラム格納部１３、位置
パラメータ格納部１０、座標系パラメータ格納部１１、
ワーク座標系軸方向格納部１２のそれぞれに与えること
ができる。

【００３７】また位置パラメータ転送部１５、力制御パ
ラメータ転送部１７、ワーク座標系を計算するワーク座
標系演算部１８、力制御演算前処理部１９、力制御演算
部２０は、制御を実行する時に、ユーザプログラム格納
部１３からユーザプログラムを取り出してこれを解析す
るユーザプログラム解析部１６で得られたユーザプログ
ラムに基づいて起動される。

【００３８】次に教示・設定部の各部の構成および作用
について詳述する。

【００３９】力制御パラメータ格納部１４に格納される
パラメータには、例えば図４に示すように複数の各種制
御パラメータの設定値が含まれる。これらの制御パラメ
ータは、力制御座標系指定、送り速度、力目標値、仮想
ばね定数、仮想粘性係数、力の不感帯である。送り速
度、力目標値、仮想ばね定数、仮想粘性係数、力の不感
帯には、それぞれ設定値ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅが与えられ
ている。これらの制御パラメータは、力制御方式として
例えば特開昭６１−７９０５号に記載された仮想コンプ
ライアンス制御を使用した場合の例を示している。送り
速度、力目標値、仮想ばね定数、仮想粘性係数の各制御
パラメータと制御状態のイメージとの関係を図に示す
と、図５のようになる。図５において２１は作業工具、
２２はロボット機構１のアーム先端部であるロボット手
首、２３はワークである。

【００４０】次に各力制御パラメータについて説明す
る。「力制御座標系指定」とは、力制御を行う基準座標
系を指定するものである。送り速度、力目標値、仮想ば
ね定数、仮想粘性係数、力の不感帯の各制御パラメータ
は、基準座標系の各軸方向ごとに設定される。力制御座
標系としては、ロボット機構１の本体部を設置するベー
スに設定されるベース座標系、作業工具（作業ツールと
もいう）に設定されるツール座標系、予め任意の箇所に
対応して設定することができる任意座標系、および本発
明によるワーク座標系のうちいずれかが適宜に選択され
る。「送り速度」は作業工具２１を予め教示した方向に
移動させるための速度である。この場合「教示した方
向」は位置パラメータ格納部１０に格納された位置デー
タによって決定される移動方向である。「力目標値」は
作業工具２１をワーク２３に押し付けるための目標値で
ある。また、「仮想ばね定数」と「仮想粘性係数」は、
仮想コンプライアンス制御における特徴的なパラメータ
であり、図５に示されるごとくそれぞれソフトウェアで
実現されるばねおよびダンパである。「力の不感帯」
は、動作の安定性を確保するために力センサ３からの力
データに対して不感帯を設定するためのものである。

【００４１】座標系パラメータ格納部１１では、ロボッ
ト機構１の動作に必要な数種類の座標系のデータが格納
されている。座標系のデータには、前述の通り、ロボッ
ト機構１のベースに固定されたベース座標系、ロボット
機構１のアーム先部（リスト部）に装着された作業工具
に固定されロボット機構１の動作に伴って位置と向きが
変化するツール座標系、ユーザが任意に設定できる任意
座標系など、が含まれる。

【００４２】またワーク座標系軸方向格納部１２は、図
６に示すようにワーク座標系の各座標軸ｘ，ｙ，ｚの中
の１つの軸方向の向きをベクトル〈ｋ〉として格納す
る。この〈ｋ〉はユーザによって任意に設定される。図
６の例では、ワーク座標系のｚ軸方向を〈ｋ〉としてい
る。ワーク座標系軸方向格納部１２は、ワーク座標系を
演算する上での便宜を考慮して〈ｋ〉を出力する。この
ように、ワーク座標系軸方向格納部１２では、ワーク座
標系のｘ，ｙ，ｚの各軸のうち１軸の指定情報と〈ｋ〉
とを指定するために、座標系パラメータ格納部１１に格
納された座標系の内のどの座標系のどの軸を〈ｋ〉とし
て指定するかを設定する。以後の説明ではこれらの設定
値を説明する便宜上、ワーク座標系のｚ軸の方向を計算
するための〈ｋ〉ベクトルを、ベース座標系のｚ軸方向
ベクトルで与えると仮定する。

【００４３】位置パラメータ格納部１０は、作業中にお
いてロボット機構１の動作に必要とされる当該機構部分
の各部および作業工具の位置または姿勢等のデータを格
納する部分である。位置パラメータ格納部１０は、従来
の位置制御ロボットで備えられた教示位置データの格納
部分と同じ構成を有するものであり、既知のものであ
る。本発明に係るロボット制御装置は、力制御に基づき
作業を行うロボットシステムに適用されるものである
が、力制御と併せて位置制御も必要であるため、この位
置パラメータ格納部１０を当然のことながら備えてい
る。

【００４４】次いで、制御実行部の各部の構成および作
用について説明する。この制御実行部は、教示・設定部
を利用して教示されかつ格納された作業に関するプログ
ラムおよび力等の設定値を用いて再生動作を行い、作業
を実際に実施する機能を有するものである。

【００４５】ユーザプログラム解析部１６は、ユーザプ
ログラム格納部１３に格納されたユーザプログラムを読
取り、これを解読して必要な処理を起動する。例えば、
解読したユーザプログラムに位置に関する記述が含まれ
ているときには、位置パラメータ転送部１５を起動し、
必要な位置データを位置パラメータ格納部１０から取り
出し、力制御演算前処理部１９に転送する。また解読し
たユーザプログラムに力制御パラメータに関する記述が
含まれているときには、力制御パラメータ転送部１７を
起動し、必要な力制御パラメータを力制御演算前処理部
１９に送給する。この場合に力制御パラメータの力制御
座標系指定においてワーク座標系が指定されているとき
には、ワーク座標系演算部１８を起動する。

【００４６】次にワーク座標系演算部１８における処理
の流れを、図８のフローチャートを参照して説明する。

【００４７】処理が開始されると、まずワーク座標系軸
方向格納部１２を参照する（ステップＳ１）。ここで設
定値が、ワーク座標系のｚ軸方向をベース座標系のｚ軸
方向とするように指示されていたと仮定する。この内容
に基づいて、座標系パラメータ格納部１１からベース座
標系のｚ軸方向ベクトルを取得し、これを〈ｋ〉とする
（ステップＳ２）。次に位置パラメータ格納部１０から
ロボット機構１の動作に関する位置目標値を位置パラメ
ータ転送部１５を通して取得し、これをＰn とする（ス
テップＳ３）。位置パラメータとしては、位置と姿勢の
目標値が存在するが、この場合には位置目標値のみを取
得すればよい。さらに、ここで前回取得した位置パラメ
ータをＰn-1 と仮定する（ステップＳ３）。このとき、
ワーク座標系演算部１８を起動した直後の段階では、Ｐ
n-1 を定義できないので、Ｐn-1を現在位置としてもよ
い。次にＰn ，Ｐn-1 を用いてワーク座標系のｘ軸方向
の単位ベクトル〈ｎ〉を次式により計算する（ステップ
Ｓ４）。

【００４８】

【数６】

【００４９】次に、ｙ軸方向の単位ベクトル〈ｏ〉を計
算する。このとき、〈ｎ〉ベクトルが〈ｋ〉ベクトルと
平行であるとすると、計算ができないので、まず平行で
あるか否かを次式によって判定する（ステップＳ５）。

【００５０】

【数７】〈ｎ〉・〈ｋ〉＜α ただし、ここで記号「・」は内積を意味し、かつ|α|＜
１である。

【００５１】上記の条件が満足されたときには、〈ｏ〉
とｚ軸方向の単位ベクトル〈ａ〉を次式によって演算す
る（ステップＳ６，Ｓ７）。

【００５２】

【数８】〈ｏ〉＝〈ｋ〉×〈ｎ〉 〈ａ〉＝〈ｎ〉×〈ｏ〉 ただし、記号「×」は外積を意味する。

【００５３】上記（数７）の条件を満足しないときに
は、例外処理が行われる（ステップＳ８）。例外処理の
内容としては、ロボット全体の動作を停止させ、ユーザ
に設定が不適切であることを知らせたり、前回算出した
〈ｎ〉，〈ｏ〉，〈ａ〉の各単位ベクトルを使う方法
や、ワーク座標系軸方向格納部１２で指定された座標系
（この例ではワーク座標系）のｘ，ｙ，ｚの各方向の単
位ベクトルを使用する方法等が考えられ、適宜に使い分
けることができる。演算が終了し、その結果求められた
〈ｎ〉，〈ｏ〉，〈ａ〉の各ベクトルは、ワーク座標系
の座標データとして力制御演算前処理部１９に転送され
る（ステップＳ９）。

【００５４】上記の例では位置パラメータとして、位置
パラメータ格納部１０に格納された教示データをそのま
ま使用したが、位置パラメータ格納部１０に格納された
位置データに基づいて演算処理で作成されたデータ、あ
るいは補間処理を行ったデータ、ロボット制御装置５の
外からワークステーション等により通信で送られてくる
データを使用することが可能である。上記の処理は、起
動後、一定サンプリング周期ごとに実行され、終了命令
が来るまで繰り返される。

【００５５】図６に示された形状を有するワーク２３に
おいて、符号２４で示す軌道に沿って業工具２１が移動
しながら例えば研磨作業を行う場合に、位置P001〜P010
のそれぞれで、各位置の位置パラメータを利用して前述
の計算（図８のフローチャート）を実行し、〈ｎ〉，
〈ｏ〉，〈ａ〉を求める。図７の（Ａ），（Ｂ）で明ら
かなように、前記実施例のロボット制御方法によれば、
例えば位置P002の座標系とP007の座標系のそれぞれで同
じ向きを向いており、常に力がワーク２３に向って作用
する。

【００５６】力制御演算前処理部１９は、与えられた位
置パラメータ、力制御を実行するための力制御パラメー
タ、座標系に関する制御パラメータを、力制御演算部２
０にて使用できるフォーマットに変換するための処理を
実行する。

【００５７】上記の力制御演算部２０の構成は、仮想コ
ンプライアンス制御を実行できる制御装置であり、具体
的には、例えば図２に示すような構成を有している。力
制御演算前処理部１９で所定のフォーマットに変換され
た各制御パラメータは、力制御演算部２０に設けられた
それぞれのパラメータ入力部にセットされる。パラメー
タ入力部としては、図２に示されるように、力制御パラ
メータに対応した力目標値入力部４０、力の不感帯入力
部４１、仮想粘性係数入力部４２、仮想ばね定数入力部
４３、座標系入力部４４、さらに位置パラメータに対応
する位置目標値入力部４５が設けられている。座標系入
力部４４にセットされた力制御座標系指定のパラメータ
は、座標変換処理部４６，４７，４８のそれぞれに処理
パラメータとして与えられる。

【００５８】力制御演算部２０の構成と動作を概略的に
説明する。力目標値入力部４０の力目標値は減算器４９
に与えられ、ここで力センサ３から与えられる実際の力
データとの間で差が求められる。ただし、減算器４９に
至る前の段階で、力センサ３で検出された力データは、
力演算部５０で重力補償され、座標変換処理部４８で力
制御座標系に変換される。減算器４９で求められた差信
号は、不感帯入力部４１にセットされた不感帯幅に基づ
いて動作条件が設定された不感帯処理部５１で処理さ
れ、減算器５２に入力される。

【００５９】位置目標値入力部４５にセットされた位置
パラメータは減算器５３に与えられ、ここで位置演算部
５４で算出された作業工具の現在位置との差が求められ
る。位置演算部５４には、ロボット機構１の各可動部す
なわち各関節部に装着されたエンコーダ５５からの信号
をカウンタ６２で積算した角度データが位置信号として
与えられ、ここでキネマティックス演算により現在位置
を算出する。減算器５３で求められた差のデータは、座
標変換処理部４６によって力制御座標系に変換される。
この位置の差のデータに基づき、仮想ばね定数入力部４
３にセットされた仮想ばね定数を用いる仮想ばね力演算
部５６で、ばね力が算出される。得られたばね力は、減
算器５２に入力される。減算器５２で得られた差の出力
は、仮想粘性係数入力部４２にセットされた仮想粘性係
数に基づき仮想粘性演算部５７で処理される。仮想粘性
演算部５７の出力は、座標変換処理部４７で基準となる
座標系に変換され、さらにモータ速度演算部５８で、各
関節部に配置される駆動装置であるモータ５９の回転速
度が演算される。演算されたモータ回転速度の制御指令
値は、サーボアンプ６０を介してロボット機構１の各モ
ータ５９に与えられ、その回転動作が制御される。以上
のロボット制御装置５の制御実行部の構成は、予め定め
られた仮想コンプライアンス制御を規定する方程式を満
足する解を求めるように構成されている。この構成で得
られた解を、各制御パラメータ入力部にセットされた複
数の制御パラメータで決められた制御条件を満たすため
の制御指令として、ロボット機構１の駆動装置に与え、
ロボット機構１に動作を与える。こうして、ユーザの教
示・設定操作によって指定された複数の制御パラメータ
に基づき、ロボット機構１を動作させることができる。

【００６０】またワーク座標系軸方向としてのツール座
標系のｘ，ｙ，ｚの各軸のどれかが指定されたときに
は、ツール座標系の現在値が必要になるために、図２に
示したツール座標系データ出力部６１より、図１に示さ
れるように力制御演算前処理部１９を通して座標系パラ
メータ格納部１１に対し随時格納データが更新されるよ
うにしている。

【００６１】図２の構成では、前述のごとく、ロボット
機構１の各可動部（関節部）に配置された駆動装置とし
てモータ５９、および動作量を検出するエンコーダ５５
およびカウンタ６２を明示している。

【００６２】図９および図１０を参照して、本発明に係
るロボット制御方法によるワーク座標系の生成例を示
す。両図共にワーク座標系の軸方向としてユーザがベー
ス座標系のｚ軸を指定したと仮定している。図９の場合
には、ワーク２３の被加工部においてP001〜P005で与え
た位置パラメータに基づいてｙ軸方向がワーク２３の内
側を向いたままｚ軸がワーク２３の法線方向に変化して
いるのが分かる。図１０の場合には、ワーク２３におい
てP001〜P007で与えられた位置パラメータによりｙ軸方
向はワーク２３の側面２３ａに対して法線方向を向き、
ｚ軸方向はワーク２３の斜面１２ｂに対して法線方向を
向いていることが分かる。

【００６３】上記のごとくワーク座標系を設定すること
によって力制御を行えば、図９の例の場合にはｙ軸の正
方向に一定の力目標値を設定し、図１０の例の場合には
ｙ軸の負方向に一定の力目標値を設定するだけで、それ
ぞれワークの各被加工部に作業工具を常に押し付けるこ
とができ、簡単な設定で精度の高い力制御を行うことが
できる。

【００６４】またワーク座標系の生成精度を高めるに
は、教示によってワークの形状を細かく教えたり、円弧
やスプラインや直線等の補間を教示データ間に施し、こ
の補間後のデータでワーク座標系を生成するようにすれ
ばよい。

【００６５】次に、図３を参照して、ロボット制御装置
５を実現するコンピュータ構成およびその動作を説明す
る。

【００６６】力センサ３が出力した検出値は力入力装置
７０に入力される。力入力装置７０は、力センサ３の出
力がアナログ信号であるときにはＡ／Ｄ変換器で構成さ
れ、前記出力がシリアル通信（ＲＳ４２２，ＲＳ２３２
−Ｃ等）であるときには通信に適したレシーバで構成さ
れる。力入力装置７０に取り込まれたデータは、バス７
１を通してＲＡＭ７２に蓄えられる。各関節部に対応し
て配置されたエンコーダ５５の発生する各軸の角度デー
タは、カウンタ６２で積算され、バス７１を介してＲＡ
Ｍ７２に蓄えられる。パラメータ入力装置７３は、力制
御に関する制御パラメータを入力する装置であり、入力
された制御パラメータはバス７１を通してＲＡＭ７２に
蓄えられる。また位置パラメータについては、パラメー
タ入力装置７３で、指示した時の位置をＲＡＭ７２に蓄
えるように構成される。こうして、ＲＡＭ７２には、位
置パラメータ格納部１０、ユーザプログラム格納部１
３、力制御パラメータ格納部１４、座標系パラメータ格
納部１１、ワーク座標系軸方向格納部１２等が形成さ
れ、さらにＣＰＵ７４における演算処理に必要とされる
中間パラメータが蓄えられる。ＣＰＵ７４で実行される
各種の処理プログラムは、ＲＯＭ７５に格納される。

【００６７】教示・設定された複数の制御パラメータを
用いて、力制御による作業をロボット機構１に行わせる
とき、ＣＰＵ７４は、ユーザプログラム、各作業区間に
対応して決められた制御パラメータ、位置制御パラメー
タを読み出して制御実行部にセットし、力センサ４およ
びエンコーダ５５の検出信号を取り込み、取り込んだ力
データを補償し、設定された制御目標値と比較しながら
動作指令値を算出する。動作指令値は、動作指令値出力
装置７６から出力され、サーボアンプ６０を介して、ロ
ボット機構１の関節部に配置された所要のモータ５９に
供給される。こうして、ＣＰＵ７４はロボット制御装置
５としての機能を実現する。

【００６８】

【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、ユーザによる簡単な設定に基づいて加工しようと
するワークの形状を表現する座標系を計算で自動的に設
定することができると共に、この計算では必要なデータ
の数や演算量が少ないためにリアルタイムな処理に適し
ており、力制御を必要とする作業において、力をかける
方向等の制御内容に関しワークの形状に即した実際的な
制御および精度の高い制御を可能にするものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るロボット制御装置の構成を示すブ
ロック図である。

【図２】力制御演算部の内部構成を示すブロック回路図
である。

【図３】本発明に係るロボット制御装置をコンピュータ
システムで実現するブロック図である。

【図４】複数の力制御パラメータの内容を表で示した図
である。

【図５】作業のイメージと各制御パラメータとの対応関
係を示す図である。

【図６】ワークにおける目標軌道と各位置で生成された
座標系を示す図である。

【図７】目標軌道における２つの位置で生成される座標
系を示す図である。

【図８】本発明に係るロボット制御方法を説明するため
のフローチャートである。

【図９】本発明に係る座標系設定方法で生成された座標
系の一例を示す図である。

【図１０】本発明に係る座標系設定方法で生成された座
標系の他の例を示す図である。

【図１１】目標軌道において従来の方法で生成された座
標系の例を示す図である。

【図１２】従来の方法に基づき目標軌道における２つの
位置で生成される座標系を示す図である。

【符号の説明】

１ ロボット機構 ３ 力センサ ４ 教示操作器 ５ ロボット制御装置 １０ 位置パラメータ格納部 １１ 座標系パラメータ格納部 １２ ワーク座標系軸方向格納部 １３ ユーザプログラム格納部 １４ 力制御パラメータ格納部 １６ ユーザプログラム解析部 １８ ワーク座標系演算部 １９ 力制御演算前処理部 ２０ 力制御演算部 ２１ 作業工具 ２３ ワーク

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 柏木 邦雄 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機株 式会社土浦工場内 (72)発明者 山田 一徳 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機株 式会社土浦工場内 (72)発明者 猿楽 信一 千葉県習志野市東習志野７丁目１番１号 日立京葉エンジニアリング株式会社内

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多自由度を有する作業用ロボットを制御
   する位置と力のロボット制御方法であり、任意に設定し
   た制御用座標系の各座標軸方向に従って制御パラメータ
   を設定して作業のための制御を実行するロボット制御方
   法において、 設定された１つの軸方向のベクトルと、前記作業に関す
   る目標軌道を生成するための位置パラメータとに基づい
   て座標系を演算し、得られた前記座標系を前記制御用座
   標系として用いて前記位置と力の制御を行うことを特徴
   とするロボット制御方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載のロボット制御方法におい
   て、前記１つの軸方向のベクトルは、前記作業用ロボッ
   トで設定された座標系の内から１軸方向に関して指定さ
   れることを特徴とするロボット制御方法。
3. 【請求項３】 請求項１記載のロボット制御方法におい
   て、前記１つの軸方向のベクトルは、制御手段で演算さ
   れ生成される座標系の内から１軸方向に関して指定され
   ることを特徴とするロボット制御方法。
4. 【請求項４】 請求項１記載のロボット制御方法におい
   て、前記位置パラメータは、前記作業用ロボットに対す
   るユーザの教示によって記憶手段に格納された位置デー
   タであることを特徴とするロボット制御方法。
5. 【請求項５】 請求項１記載のロボット制御方法におい
   て、前記位置パラメータは、前記作業用ロボットに対す
   るユーザの教示によって記憶手段に格納された位置デー
   タに基づいて演算処理で作成されたデータであることを
   特徴とするロボット制御方法。
6. 【請求項６】 請求項５記載のロボット制御方法におい
   て、前記演算処理は補間演算であることを特徴とするロ
   ボット制御方法。
7. 【請求項７】 多自由度を有する作業用ロボットを制御
   する位置と力のロボット制御装置であって、前段に位置
   パラメータ、ユーザプログラム、各種の力制御パラメー
   タのそれぞれを格納する複数の格納部を含む教示・設定
   部を備えかつ後段に力制御演算部を含む制御実行部を備
   え、前記制御実行部のユーザプログラム解析部で前記教
   示・設定部に設定された前記ユーザプログラムを読出し
   て解析し、その命令内容に従って位置パラメータおよび
   力制御パラメータを各格納部から前記制御実行部の各入
   力部に転送するロボット制御装置において、 前記教示・設定部は、座標系に関するパラメータを格納
   する座標系パラメータ格納部と、ワーク座標系に関し指
   定された１つの軸方向を格納するワーク座標系軸方向格
   納部とを含み、 前記制御実行部は、目標軌道を形成する各位置につい
   て、前記位置パラメータ格納部と前記座標系パラメータ
   格納部と前記ワーク座標系軸方向格納部の各出力を入力
   し、前記位置パラメータと前記座標系に関するパラメー
   タと前記ワーク座標系に関し指定された前記１つの軸方
   向と用いてワーク座標系を演算するワーク座標系演算部
   を含むことを特徴とするロボット制御装置。
8. 【請求項８】 請求項７記載のロボット制御装置におい
   て、前記ワーク座標系演算部は、前記ユーザプログラム
   解析部から出力される指令に従って演算を行うことを特
   徴とするロボット制御装置。
9. 【請求項９】 請求項７記載のロボット制御装置におい
   て、前記位置パラメータ格納部からの位置パラメータを
   用いる代わりに、前記位置パラメータに所定の演算を施
   して得られる位置に関するデータを用いることを特徴と
   するロボット制御装置。