JPH10151590A - 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

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JPH10151590A
JPH10151590A JP32614596A JP32614596A JPH10151590A JP H10151590 A JPH10151590 A JP H10151590A JP 32614596 A JP32614596 A JP 32614596A JP 32614596 A JP32614596 A JP 32614596A JP H10151590 A JPH10151590 A JP H10151590A
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JP
Japan
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compliance control
force
manipulator
control means
control system
Prior art date
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Pending
Application number
JP32614596A
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English (en)
Inventor
Shingo Ando
慎悟 安藤
Mitsunori Kawabe
満徳 川辺
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Yaskawa Electric Corp
Original Assignee
Yaskawa Electric Corp
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Publication date
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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を可能に
する。 【解決手段】位置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、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、前記第1のコンプライ
アンス制御手段の安定度を表す指標をマス、ダンパ、バ
ネからなるインピーダンスパラメータの関数とし、その
指標を求める手段と、前記指標の値に応じて、前記第1
のコンプライアンス制御手段と、前記第2のコンプライ
アンス制御手段とを滑らかに切替える手段とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】
【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いて、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
タの力制御方式として、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。
【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実現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、位
置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、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、前記第1のコンプライアンス制御手段
の安定度を表す指標をマス、ダンパ、バネからなるイン
ピーダンスパラメータの関数とし、その指標を求める手
段と、前記指標の値に応じて、前記第1のコンプライア
ンス制御手段と、前記第2のコンプライアンス制御手段
とを滑らかに切替える手段と、を備えたことを特徴とも
のである。
【0007】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図1〜図
3に示して説明する。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(姿勢も含む)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(バネKのみ)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Aを用いて、ASA-1,A
(1−S)A-1とする。
【0008】ここでは減速機付きマニピュレータを考
え、その減速機の効果により、接触位置近傍での図1の
位置制御系は線形かつその伝達関数行列は対角行列とみ
なせるものとする。図1の位置制御系の伝達関数行列を Gp =diag( GP1,GP2,…,GPi,…,GPn),1≦n≦6 (3) と表す。また、インピーダンスパラメータM,D,Kも
対角行列 M =diag( M1 ,M2 ,…,Mi ,…,Mn ) D =diag( D1 ,D2 ,…,Di ,…,Dn ) K =diag( K1 ,K2 ,…,Ki ,…,Kn ),1≦n≦6 (4) とする。図1のインピーダンスモデル4の伝達関数行列
を Gm =diag( Gm1,Gm2,…,Gmi,…,Gmn),1≦n≦6 (5) Gmi=1/(Mi s2+Di s +Ki ) (6) と表す。コンプライアンス制御の安定度余有(安定度を
表す指標)を求めるには、環境モデルを必要とする。し
かし、一般に環境モデルは未知であるし、環境モデルを
正確に求めるのは困難である。また、接触が不安定とな
るのは、マニピュレータの手先が剛性の高い環境に接触
した場合に顕著となる。そこで、環境モデルを剛性 Ko =diag(K01,K02,…,K0i,…,K0n),1≦n≦6 (7) によって表す。このとき、図1の位置ベースのコンプラ
イアンス制御の接触系は図3のように表せる。図3にお
いてΔP,ΔFはそれぞれマニピュレータの手先位置、
手先に加わる力の微小変分である。また、図3において
11,12,13はそれぞれインピーダンスモデル4の
伝達関数行列、位置制御系の伝達関数行列、環境の剛性
行列である。
【0009】
【実施例1】位置ベースのコンプライアンス制御の安定
度を表す指標として、ゲイン余有を考える。図3の接触
系のi方向のゲイン余有gMiはつぎのように表せる。 gMi=−20 log10|Gpi(ωo ) Gmi(ωo ) K0i| [dB] (8) for ωo s,t arg {Gpi(ωo ) Gmi(ωo ) K0i}=
−π gMiが0 [dB] 以下になるとi方向の接触が不安定とな
る。そこで、gMiにしきい値h2 >h1 >0を設け、 s
i をgMiの値によって図2のように切替える。ここで、
位置制御系Gpi(s) を Gpi=ωpi/(s +ωpi) (9) のように一次遅れ系で近似する。ωpiはGpiのカットオ
フ周波数(rad/s) である。式(6)、(8)、(9)よ
り式(8)のゲイン余有gMiのはつぎのように表せる。
【0010】
【数2】
【0011】位置制御系のカットオフ周波数は、何らか
の同定試験を行って求めればよい。あるいは、アームの
イナーシャ,位置制御器のゲイン等から理論値(理想
値)を求めてもよい。環境の剛性K0iを図3のΔPとΔ
Fから推定することは可能であるが、一般的にそれは困
難である。ここでは、K0iの正確な値は用いず、大きめ
の値でK0iを見積もることにする。そして、接触実験等
を行い、gMiのしきい値h1 ,h2 を調整する。式(1
0)よりインピーダンスモデルのダンパDi ,バネKi
を小さく設定するにしたがって、ゲイン余有gMiの値が
小さくなり、位置ベースから力ベースのコンプライアン
ス制御への切替が行われることがわかる。
【0012】
【実施例2】位置ベースのコンプライアンス制御の安定
度を表す指標として、位相余有を考える。図3の接触系
のi方向の位相余有φMiはつぎのように表せる。 φMi=〔π+ arg{Gpi(ωo ) Gmi(ωo ) K0i}〕×180 /π [deg] (1 1) for ωo s,t |Gpi(ωo ) Gmi(ωo ) K0i|=1 φMiが0[deg] 以下になるとi方向の接触が不安定とな
る。そこで、実施例1と同様に、φMiにしきい値h2
1 >0を設け、 si をφMiの値によって図2のように
切替える。
【0013】
【実施例3】gMi、φMi>0すなわち図3の接触系が安
定であるとき
【0014】
【数3】
【0015】は図3の接触系の安定度余有となる。γi
が大きいほど安定度余有が大きく、γi =0が図3の接
触系の安定限界となる。そこで、実施例1,2と同様
に、γi にしきい値h2 >h1 >0を設け、 s i をγi
の値によって図2のように切替える。
【0016】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、位
置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の安定度を表す指標
をマス、ダンパ、バネからなるインピーダンスパラメー
タの関数として表し、その指標の値に応じて、前記のコ
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。また、前記の安定度を表す指標がインピ
ーダンスパラメータを含む式で陽に表せなくても、イン
ピーダンスパラメータから安定度を表す指標へのマッピ
ングを用いればよいことは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【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
【図3】本発明の実施例における位置ベースのコンプラ
イアンス制御の接触系
【符号の説明】
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 11:位置ベースのコンプライアンス制御のインピーダ
ンスモデルの伝達関数行列 12:位置制御系の伝達関数行列 13:環境の剛性行列

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 マニピュレータの力制御装置において、 位置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、 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、 前記第1のコンプライアンス制御手段の安定度を表す指
    標をマス、ダンパ、バネからなるインピーダンスパラメ
    ータの関数とし、その指標を求める手段と、 前記指標の値に応じて、前記第1のコンプライアンス制
    御手段と、前記第2のコンプライアンス制御手段とを滑
    らかに切替える手段と、を備えたことを特徴とするマニ
    ピュレータの力制御装置。
  2. 【請求項2】 前記指標はゲイン余有である請求項1記
    載のマニピュレータの力制御装置。
  3. 【請求項3】 前記指標は位相余有である請求項1記載
    のマニピュレータの力制御装置。
  4. 【請求項4】 前記指標は安定度余有である請求項1記
    載のマニピュレータの力制御装置。
JP32614596A 1996-11-20 1996-11-20 マニピュレータの力制御装置 Pending JPH10151590A (ja)

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