JPH09185416A - マニピュレータの力制御装置 - Google Patents
マニピュレータの力制御装置Info
- Publication number
- JPH09185416A JPH09185416A JP35314095A JP35314095A JPH09185416A JP H09185416 A JPH09185416 A JP H09185416A JP 35314095 A JP35314095 A JP 35314095A JP 35314095 A JP35314095 A JP 35314095A JP H09185416 A JPH09185416 A JP H09185416A
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- manipulator
- hand
- control system
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Abstract
(57)【要約】
【課題】剛性の高い環境に対しても安定な接触が可能な
マニピュレータの力制御装置を提供する。 【解決手段】マニピュレータの位置制御系あるいは速度
制御系の上位にインピーダンスモデルを付加した第１の
コンプライアンス制御手段４と、マニピュレータの手先
に加わる力を直接制御する力制御系の上位にインピーダ
ンスモデルを付加した第２のコンプライアンス制御手段
６と、マニピュレータの手先と接触した環境の剛性に応
じて第１のコンプライアンス制御手段と第２のコンプラ
イアンス制御手段とを切替える手段９，１０とを設け
る。
マニピュレータの力制御装置を提供する。 【解決手段】マニピュレータの位置制御系あるいは速度
制御系の上位にインピーダンスモデルを付加した第１の
コンプライアンス制御手段４と、マニピュレータの手先
に加わる力を直接制御する力制御系の上位にインピーダ
ンスモデルを付加した第２のコンプライアンス制御手段
６と、マニピュレータの手先と接触した環境の剛性に応
じて第１のコンプライアンス制御手段と第２のコンプラ
イアンス制御手段とを切替える手段９，１０とを設け
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、マニピュレータと
環境との接触を伴う作業におけるマニピュレータの力制
御装置に関する。
環境との接触を伴う作業におけるマニピュレータの力制
御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、環境との接触を伴うマニピュレー
タの力制御方法として、コンプライアンス制御方式が開
発されている。コンプライアンス制御方式は、マニピュ
レータの手先の動特性が望みの機械インピーダンス（マ
ス、ダンパ、バネ）を有するような制御をソフトウェア
により実現するものである。コンプライアンス制御方式
の内の１つとして、マニピュレータに位置制御系あるい
は速度制御系を構成し、その上位にインピーダンスモデ
ルを付加する方式がある（以降、位置ベースあるいは速
度ベースのコンプライアンス制御方式と呼ぶ）。例え
ば、古田、小菅らの方式（計測自動制御学会論文集,Vo
l.24,No.1,1988)は位置ベースのコンプライアンス制御
方式である。また、平林、大和田、杉本らの方式（特公
平５―４３１２２）は速度ベースのコンプライアンス制
御方式である。位置ベースのコンプライアンス制御方式
のインピーダンスモデルは、力（トルクも含む）検出手
段によって検出される力ベクトルＦに対して、
タの力制御方法として、コンプライアンス制御方式が開
発されている。コンプライアンス制御方式は、マニピュ
レータの手先の動特性が望みの機械インピーダンス（マ
ス、ダンパ、バネ）を有するような制御をソフトウェア
により実現するものである。コンプライアンス制御方式
の内の１つとして、マニピュレータに位置制御系あるい
は速度制御系を構成し、その上位にインピーダンスモデ
ルを付加する方式がある（以降、位置ベースあるいは速
度ベースのコンプライアンス制御方式と呼ぶ）。例え
ば、古田、小菅らの方式（計測自動制御学会論文集,Vo
l.24,No.1,1988)は位置ベースのコンプライアンス制御
方式である。また、平林、大和田、杉本らの方式（特公
平５―４３１２２）は速度ベースのコンプライアンス制
御方式である。位置ベースのコンプライアンス制御方式
のインピーダンスモデルは、力（トルクも含む）検出手
段によって検出される力ベクトルＦに対して、
【０００３】
【数１】
【０００４】により手先目標位置（姿勢も含む）ベクト
ルの補正量ベクトルδＰを計算する。手先目標位置ベク
トルにδＰを加えたベクトルを位置制御系の指令値とし
て与える。ここで、Ｆd は手先に加わる力ベクトルの目
標値である。また、Ｍ，Ｄ，Ｋはそれぞれマス、ダン
パ、バネを表す正定対称行列である。
ルの補正量ベクトルδＰを計算する。手先目標位置ベク
トルにδＰを加えたベクトルを位置制御系の指令値とし
て与える。ここで、Ｆd は手先に加わる力ベクトルの目
標値である。また、Ｍ，Ｄ，Ｋはそれぞれマス、ダン
パ、バネを表す正定対称行列である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】従来の位置ベースある
いは速度ベースのコンプライアンス制御方式では、手先
が剛性の高い環境に接触した場合、位置制御系あるいは
速度制御系の位相遅れのためにインピーダンスモデルの
安定度余有を小さく設定すると、接触が不安定になると
いう問題がある。そこで、本発明では位置ベースあるい
は速度ベースのコンプライアンス制御方式の上記問題を
解決し、剛性の高い環境に対しても安定な接触が可能な
マニピュレータの力制御装置を提供することを目的とす
る。
いは速度ベースのコンプライアンス制御方式では、手先
が剛性の高い環境に接触した場合、位置制御系あるいは
速度制御系の位相遅れのためにインピーダンスモデルの
安定度余有を小さく設定すると、接触が不安定になると
いう問題がある。そこで、本発明では位置ベースあるい
は速度ベースのコンプライアンス制御方式の上記問題を
解決し、剛性の高い環境に対しても安定な接触が可能な
マニピュレータの力制御装置を提供することを目的とす
る。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明はマニピュレータの力制御装置において、前
記マニピュレータの位置制御系あるいは速度制御系の上
位にインピーダンスモデルを付加した第１のコンプライ
アンス制御手段と、前記マニピュレータの手先に加わる
力を直接制御する力制御系の上位にインピーダンスモデ
ルを付加した第２のコンプライアンス制御手段と、前記
マニピュレータの手先と接触した環境の剛性に応じて第
１のコンプライアンス制御手段と第２のコンプライアン
ス制御手段とを切替える手段と、を設けたことを特徴と
するものである。上記手段により、マニピュレータの手
先が剛性の高い環境に接触した場合には、位置制御系あ
るいは速度制御系の上位にインピーダンスモデルを付加
したコンプライアンス制御方式から、マニピュレータの
手先に加わる力を直接制御する力制御系の上位にインピ
ーダンスモデルを付加したコンプライアンス制御方式へ
の滑らかな切替が行われるので、安定な接触が実現され
る。
め、本発明はマニピュレータの力制御装置において、前
記マニピュレータの位置制御系あるいは速度制御系の上
位にインピーダンスモデルを付加した第１のコンプライ
アンス制御手段と、前記マニピュレータの手先に加わる
力を直接制御する力制御系の上位にインピーダンスモデ
ルを付加した第２のコンプライアンス制御手段と、前記
マニピュレータの手先と接触した環境の剛性に応じて第
１のコンプライアンス制御手段と第２のコンプライアン
ス制御手段とを切替える手段と、を設けたことを特徴と
するものである。上記手段により、マニピュレータの手
先が剛性の高い環境に接触した場合には、位置制御系あ
るいは速度制御系の上位にインピーダンスモデルを付加
したコンプライアンス制御方式から、マニピュレータの
手先に加わる力を直接制御する力制御系の上位にインピ
ーダンスモデルを付加したコンプライアンス制御方式へ
の滑らかな切替が行われるので、安定な接触が実現され
る。
【０００７】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図示
して説明する。図１は本発明による力制御方式の制御ブ
ロック図を表している。図１において、１は制御対象で
あるマニピュレータのダイナミクスを表している。その
入力は関節駆動トルクベクトルτ、出力は手先の位置
（姿勢を含む）ベクトルＰである。２は力（トルクも含
む）検出手段を表しており、手先に加わる外力ベクトル
Ｆを検出する。３は順運動学変換を表しており、関節の
変位ベクトルθを用いて手先の位置ベクトルＰを計算す
る。４は位置ベースのコンプライアンス制御方式のイン
ピーダンスモデルを表しており、式（１）により手先目
標位置ベクトルＰdの補正量ベクトルδＰを計算する。
なお、式（１）における微分は後退差分により計算す
る。５は位置制御器を表しており、比例・微分・積分動
作をする。６は力ベースのコンプライアンス制御方式の
インピーダンスモデル（この例ではバネ定数Ｋのみとし
ている）を表している。７は力制御器を表しており、比
例または比例・積分動作をする。８はマニピュレータの
ヤコビ行列Ｊ（θ）を用いてマニピュレータに与える力
指令ベクトルｕF をトルク指令ベクトルτに変換する。
９，１０は位置ベースのコンプライアンス制御方式と力
ベースのコンプライアンス制御方式との切替の選択を行
う。９，１０において、Ｉは単位行列、Ｓは Ｓ＝ｄｉａｇ（ｓ1,ｓ2,…, ｓi,…, ｓn ）, １≦ｎ≦６ （２） と表される選択行列である。また、０≦ｓi ≦１，１≦
ｉ≦６とする。ｓi を１とした場合、その運動方向は位
置ベースのコンプライアンス制御が行われる。ｓi を０
とした場合、その運動方向は力ベースのコンプライアン
ス制御が行われる。０＜ｓi ＜１とした場合は、両者の
中間的な制御が行われる。ただし、Ｆ，Ｐとは異なる座
標系に対して位置ベースのコンプライアンス制御と力ベ
ースのコンプライアンス制御の選択を行う場合、図１の
９，１０は座標変換行列Λを用いて、ΛＳΛ-1，Λ（Ｉ
−Ｓ）Λ-1とする。ｓi の切替え方法について、以下に
説明する。図１の力検出手段２からの外力ベクトルＦ、
手先位置ベクトルＰを Ｆ＝（ｆ1,ｆ2,…, ｆi,…, ｆn ）’ （３） Ｐ＝（ｐ1,ｐ2,…, ｐi,…, ｐn ）’ （４） とおく。まず、 ｜ｆi ｜＞ｆh1 （５） が満足されないときは常にｓi ＝１とし、（５）式が満
足されるときはｓi の切替を以下のようにして行う。
（３）式、（４）式のｆi,ｐi,に対して、一定時間Δｔ
前からの増分値を Δｆi ＝ｆi （ｔ）−ｆi （ｔ−Δｔ）（６） Δｐi ＝ｐi （ｔ）−ｐi （ｔ−Δｔ）（７） とおく。｜Δｆi ｜，｜Δｐi ｜にしきい値を設け、 ｜Δｆi ｜＞ｆh3，｜Δｐi ｜＞ｐh1 （８） が満足されている場合を考える。手先が接触している環
境の剛性ｋoiをΔｆi とΔｐi を用いて、
して説明する。図１は本発明による力制御方式の制御ブ
ロック図を表している。図１において、１は制御対象で
あるマニピュレータのダイナミクスを表している。その
入力は関節駆動トルクベクトルτ、出力は手先の位置
（姿勢を含む）ベクトルＰである。２は力（トルクも含
む）検出手段を表しており、手先に加わる外力ベクトル
Ｆを検出する。３は順運動学変換を表しており、関節の
変位ベクトルθを用いて手先の位置ベクトルＰを計算す
る。４は位置ベースのコンプライアンス制御方式のイン
ピーダンスモデルを表しており、式（１）により手先目
標位置ベクトルＰdの補正量ベクトルδＰを計算する。
なお、式（１）における微分は後退差分により計算す
る。５は位置制御器を表しており、比例・微分・積分動
作をする。６は力ベースのコンプライアンス制御方式の
インピーダンスモデル（この例ではバネ定数Ｋのみとし
ている）を表している。７は力制御器を表しており、比
例または比例・積分動作をする。８はマニピュレータの
ヤコビ行列Ｊ（θ）を用いてマニピュレータに与える力
指令ベクトルｕF をトルク指令ベクトルτに変換する。
９，１０は位置ベースのコンプライアンス制御方式と力
ベースのコンプライアンス制御方式との切替の選択を行
う。９，１０において、Ｉは単位行列、Ｓは Ｓ＝ｄｉａｇ（ｓ1,ｓ2,…, ｓi,…, ｓn ）, １≦ｎ≦６ （２） と表される選択行列である。また、０≦ｓi ≦１，１≦
ｉ≦６とする。ｓi を１とした場合、その運動方向は位
置ベースのコンプライアンス制御が行われる。ｓi を０
とした場合、その運動方向は力ベースのコンプライアン
ス制御が行われる。０＜ｓi ＜１とした場合は、両者の
中間的な制御が行われる。ただし、Ｆ，Ｐとは異なる座
標系に対して位置ベースのコンプライアンス制御と力ベ
ースのコンプライアンス制御の選択を行う場合、図１の
９，１０は座標変換行列Λを用いて、ΛＳΛ-1，Λ（Ｉ
−Ｓ）Λ-1とする。ｓi の切替え方法について、以下に
説明する。図１の力検出手段２からの外力ベクトルＦ、
手先位置ベクトルＰを Ｆ＝（ｆ1,ｆ2,…, ｆi,…, ｆn ）’ （３） Ｐ＝（ｐ1,ｐ2,…, ｐi,…, ｐn ）’ （４） とおく。まず、 ｜ｆi ｜＞ｆh1 （５） が満足されないときは常にｓi ＝１とし、（５）式が満
足されるときはｓi の切替を以下のようにして行う。
（３）式、（４）式のｆi,ｐi,に対して、一定時間Δｔ
前からの増分値を Δｆi ＝ｆi （ｔ）−ｆi （ｔ−Δｔ）（６） Δｐi ＝ｐi （ｔ）−ｐi （ｔ−Δｔ）（７） とおく。｜Δｆi ｜，｜Δｐi ｜にしきい値を設け、 ｜Δｆi ｜＞ｆh3，｜Δｐi ｜＞ｐh1 （８） が満足されている場合を考える。手先が接触している環
境の剛性ｋoiをΔｆi とΔｐi を用いて、
【０００８】
【数２】
【０００９】のように推定する。環境の剛性の推定値ｋ
oiを用いて図２のようにｓi の値を変更する。図２を数
式で表すと、
oiを用いて図２のようにｓi の値を変更する。図２を数
式で表すと、
【００１０】
【数３】
【００１１】となる。（９）式、（１０）式を用いてｓ
i の値をΔｔ時間毎に更新する。ただし、（８）式が満
足されないときはｓi の値は更新せず、Δｔ時間前の値
のままとする。
i の値をΔｔ時間毎に更新する。ただし、（８）式が満
足されないときはｓi の値は更新せず、Δｔ時間前の値
のままとする。
【００１２】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、マ
ニピュレータの手先と接触した環境の剛性を推定し、そ
の推定値に応じて、位置制御系あるいは速度制御系の上
位にインピーダンスモデルを付加したコンプライアンス
制御方式と、マニピュレータの手先に加わる力を直接制
御する力制御系の上位にインピーダンスモデルを付加し
たコンプライアンス制御方式を、滑らかに切替えるの
で、常に安定な接触作業が実現できるという効果があ
る。
ニピュレータの手先と接触した環境の剛性を推定し、そ
の推定値に応じて、位置制御系あるいは速度制御系の上
位にインピーダンスモデルを付加したコンプライアンス
制御方式と、マニピュレータの手先に加わる力を直接制
御する力制御系の上位にインピーダンスモデルを付加し
たコンプライアンス制御方式を、滑らかに切替えるの
で、常に安定な接触作業が実現できるという効果があ
る。
【図１】本発明の実施例における制御ブロック図
【図２】本発明の実施例におけるｓi の切替え関数
１ マニピュレータのダイナミクス ２ 力検出手段 ３ 順運動学変換 ４ 位置ベースのコンプライアンス制御のインピーダン
スモデル ５ 位置制御器 ６ 力ベースのコンプライアンス制御のインピーダンス
モデル（バネのみ） ７ 力制御器 ８ マニピュレータのヤコビ行列の転置行列 ９ 位置ベースと力ベースのコンプライアンス制御の選
択行列 １０ 位置ベースと力ベースのコンプライアンス制御の
選択行列
スモデル ５ 位置制御器 ６ 力ベースのコンプライアンス制御のインピーダンス
モデル（バネのみ） ７ 力制御器 ８ マニピュレータのヤコビ行列の転置行列 ９ 位置ベースと力ベースのコンプライアンス制御の選
択行列 １０ 位置ベースと力ベースのコンプライアンス制御の
選択行列
Claims (3)
- 【請求項１】マニピュレータの力制御装置において、 前記マニピュレータの位置制御系あるいは速度制御系の
上位にインピーダンスモデルを付加した第１のコンプラ
イアンス制御手段と、 前記マニピュレータの手先に加わる力を直接制御する力
制御系の上位にインピーダンスモデルを付加した第２の
コンプライアンス制御手段と、 前記マニピュレータの手先と接触した環境の剛性に応じ
て第１のコンプライアンス制御手段と第２のコンプライ
アンス制御手段とを切替える手段と、を設けたことを特
徴とするマニピュレータの力制御装置。 - 【請求項２】前記マニピュレータの手先に設けた力・ト
ルク検出手段あるいは手先に加わる力・トルクの推定手
段と、 前記力・トルク検出あるいは前記推定手段からの力・ト
ルク信号と手先の位置・姿勢、速度、加速度から、手先
と接触した環境の剛性を推定する剛性推定手段とを設け
たことを特徴とする請求項１記載のマニピュレータの力
制御装置。 - 【請求項３】前記剛性推定手段は、前記力・トルク検出
あるいは前記推定手段からの力・トルク信号と手先の位
置・姿勢の一定時間前からの増分値を用いて、手先と接
触した環境の剛性を推定するものである請求項２記載の
マニピュレータの力制御装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP35314095A JPH09185416A (ja) | 1995-12-28 | 1995-12-28 | マニピュレータの力制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP35314095A JPH09185416A (ja) | 1995-12-28 | 1995-12-28 | マニピュレータの力制御装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09185416A true JPH09185416A (ja) | 1997-07-15 |
Family
ID=18428833
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP35314095A Pending JPH09185416A (ja) | 1995-12-28 | 1995-12-28 | マニピュレータの力制御装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09185416A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012096349A (ja) * | 2010-11-01 | 2012-05-24 | GM Global Technology Operations LLC | 力および位置ベースの制御法則を用いたテンドン駆動ロボットフィンガのロバスト操作 |
| US20130184868A1 (en) * | 2012-01-17 | 2013-07-18 | Seiko Epson Corporation | Robot controller, robot system, robot control method |
| US9050721B2 (en) | 2012-01-17 | 2015-06-09 | Seiko Epson Corporation | Robot controller, robot system, robot control method |
| CN110497423A (zh) * | 2019-08-22 | 2019-11-26 | 泉州装备制造研究所 | 一种机械手自适应加工方法 |
| CN112068434A (zh) * | 2020-09-09 | 2020-12-11 | 北京航空航天大学 | 基于扩展状态观测器的康复机械装置迭代学习控制方法 |
-
1995
- 1995-12-28 JP JP35314095A patent/JPH09185416A/ja active Pending
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012096349A (ja) * | 2010-11-01 | 2012-05-24 | GM Global Technology Operations LLC | 力および位置ベースの制御法則を用いたテンドン駆動ロボットフィンガのロバスト操作 |
| US8489239B2 (en) | 2010-11-01 | 2013-07-16 | GM Global Technology Operations LLC | Robust operation of tendon-driven robot fingers using force and position-based control laws |
| US20130184868A1 (en) * | 2012-01-17 | 2013-07-18 | Seiko Epson Corporation | Robot controller, robot system, robot control method |
| US9020642B2 (en) * | 2012-01-17 | 2015-04-28 | Seiko Epson Corporation | Robot controller, robot system, robot control method |
| US9050721B2 (en) | 2012-01-17 | 2015-06-09 | Seiko Epson Corporation | Robot controller, robot system, robot control method |
| US9517562B2 (en) | 2012-01-17 | 2016-12-13 | Seiko Epson Corporation | Robot controller, robot system, robot control method |
| CN110497423A (zh) * | 2019-08-22 | 2019-11-26 | 泉州装备制造研究所 | 一种机械手自适应加工方法 |
| CN110497423B (zh) * | 2019-08-22 | 2022-08-16 | 泉州装备制造研究所 | 一种机械手自适应加工方法 |
| CN112068434A (zh) * | 2020-09-09 | 2020-12-11 | 北京航空航天大学 | 基于扩展状态观测器的康复机械装置迭代学习控制方法 |
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