JPH10180663A - ロボットアームの制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 予期せぬ外乱力がロボットに作用した場合に
は、ロボットが柔軟に動くことで、操作者の安全確保、
あるいはロボットや周辺機器の破損防止のためのロボッ
トアームの制御装置を提供する。 【解決手段】 ロボットの運動のための駆動トルクをモ
ータの運動指令から求め、前向きトルクとしてフィード
バック制御系の指令トルクに加算し、フィードバック制
御系のゲインを小さく設定することにより、または駆動
トルクの情報をもとにフィードバック制御系の指令トル
クを制限する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はロボットに用いられ
るモータの制御系において、ロボットアームが周辺物体
に衝突した場合のロボットアーム本体やツール、ワーク
の保護、あるいはロボットアームがオペレータに接触し
た場合の安全を確保することが可能なロボットアームの
制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のロボットアームを駆動するモータ
のサーボ系では、位置フィードバックと速度フィードバ
ックを施し、指令との差であるサーボ偏差を増幅し、そ
の増幅ゲインをできるだけ高くとることにより制御を行
っている。図１０にロボットの従来の運動制御のブロッ
ク図を示す。図で１００は軌道発生ブロックであり、１
０２のティーチペンダントのＪＯＧキー入力から、ある
いは１０３のメモリのデータからモータの運動の指令を
生成する。メモリにはあらかじめ教示された位置、速度
等のデータが保存されている。１０２あるいは１０３の
データをもとに、１０４の軌道生成部で生成された軌道
データは座標変換が施され、モータの回転指令として各
関節の運動制御ブロック１０１へ送られる。

【０００３】運動制御ブロック１０１はモータのサーボ
系であり、ロボットの駆動系を構成しているモータの数
だけ存在する。図１１では運動制御ブロックを更に詳し
く示している。ここでは、１軸のサーボ系のみを記載し
ているが他のモータ軸に関しても同様の構成である。図
１１では各関節で位置制御系を構成する場合の例を示し
ている。図でＫｐは位置制御ゲイン、Ｋｖは速度制御ゲ
イン、Ｔｉは積分器の時定数である。

【０００４】通常、位置制御ループと速度制御ループの
ゲインを高めに、積分時定数は短めに設定することによ
り位置の指令値に対してモータの追従性を良くする。ま
た、ゲインを高くとることで、同時にトルク外乱の影響
を受けにくい構成となっている。ここで、トルク外乱と
はロボットアームに作用する重力や減速器の摩擦、その
他、ロボットアームに作用する外力などである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の制御手法では指
令値と現在値の差、すなわち制御偏差によりモータのト
ルクが発生する。制御偏差は通常、ロボットアームの慣
性や制御装置の応答遅れなどサーボの追従遅れによるも
のと、トルク外乱により発生する。ロボットを希望する
位置や方向に動かす場合は、動作指令に対してはロボッ
トは高速に追従することが望ましい。ところが、ロボッ
トが運動中、周辺の物体に衝突したり、人間に接触した
場合には、ロボットは運動の指令に追従する事なく、対
象物体に出来るだけ柔らかく接触し、運動を停止する事
が望ましい。

【０００６】ところが，従来の制御系では指令値応答、
外乱応答ともに区別することなく、制御偏差が発生すれ
ば、制御偏差量、もしくは偏差の過去の積算値、に比例
したトルクをモータにより発生していた。そのため、教
示中に誤ってロボットを周辺の物体やワークに衝突させ
た場合には、教示ツールが変形する、さらにはロボット
自体が破損するなどの不都合を起こしていた。ロボット
が破損することは重大な問題であるが、教示ツ−ルが変
形することで、過去の教示データが使用不能になった
り、教示データを変形ツールに合わせて変更するなどめ
んどうな手続きが必要であるという問題があった。

【０００７】また、さらに重大な問題として教示者の安
全面での課題があった。教示中はロボットの先端の微妙
な位置決めを行う必要があるため教示者はロボットの近
傍で作業を行うことが多い。従って、教示中に誤って教
示者自身の体にロボットアームをぶつけてしまう。ある
いは、ロボットアームと周辺ワークの間に腕などを挟む
等の危険性がある。これは、複雑なワーク、たとえば自
動車の車体フレーム内に教示者が入り、微妙な位置決め
など行う場合、ロボット動作速度の選択、ロボット動作
方向のＪＯＧキーを押し間違う等の危険はつねに存在し
ており、教示時の制御上の安全性は従来のロボット制御
装置としては備えていなかった。

【０００８】そこで本発明の目的は、予期せぬ外乱力が
ロボットに作用した場合には、ロボットが柔軟に動くこ
とで、操作者の安全確保、あるいはロボットや周辺機器
の破損防止のためのロボットアームの制御装置を提供す
ることにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明のロボットアーム
の制御装置は、位置、速度の状態フィードバックループ
を施し関節を駆動するモータの制御回路を有するロボッ
トアームの制御装置において、状態フィードバックルー
プの位置制御、速度制御、積分時間の各ゲインを通常よ
り小さく設定する手段と、モータの動作指令値から加速
度と慣性とを算出する手段と、算出された加速度と慣性
との積を用いてモータの加速トルクを算出する手段と、
モータの動作指令値から、あらかじめ求めた速度と動摩
擦との関係を用いて、モータの速度を維持するための速
度維持トルクを算出する手段と、加速トルクと速度維持
トルクとを加算してモータの運動に必要な前向きトルク
を算出する手段と、前向きトルクをロボットアームの制
御装置のトルク指令に加算する手段とを、有する。

【００１０】また、状態フィードバックループの位置制
御、速度制御、積分時間の各ゲインを通常より小さく設
定する手段と、モータの動作指令値から加速度と慣性と
を算出する手段と、算出された加速度と慣性との積を用
いてモータの加速トルクを算出する手段と、モータの動
作指令値から、あらかじめ求めた速度と動摩擦との関係
を用いて、モータの速度を維持するための速度維持トル
クを算出する手段と、加速トルクと速度維持トルクとを
加算してモータの運動に必要なトルク加算値を算出する
手段と、トルク加算値に所定の幅を与えてトルク制限値
を算出する手段と、トルク制限値を用いて、ロボットア
ームのトルク指令を制限する手段とを、有してもよい。

【００１１】即ち、ロボットの運動のための駆動トルク
をモータの運動指令から求め、前向きトルクとしてフィ
ードバック制御系の指令トルクに加算し、フィードバッ
ク制御系のゲインを小さく設定することにより、または
駆動トルクの情報をもとにフィードバック制御系の指令
トルクを制限することにより、予期せぬ外乱力がロボッ
トに作用した場合には、ロボットが柔軟に動くことで、
操作者の安全確保、あるいはロボットや周辺機器の破損
防止ができる。

【００１２】また、加速トルクを算出する手段の後段ま
たは速度維持トルクを算出する手段の後段に、モータの
動作指令値から算出された前向きトルクを用いて、ロボ
ットアームの発生トルクのトルク指令に加算する瞬間の
トルクと、状態フィードバックループで発生するトルク
との時間遅れを補償する手段を有してもよい。また、加
速トルクを算出する手段の後段または速度維持トルクを
算出する手段の後段に、モータの動作指令値から算出さ
れたトルク制限値を用いて、ロボットアームのトルク指
令を制限する瞬間のトルクと、状態フィードバックルー
プで発生するトルクとの時間遅れを補償する手段を有し
てもよい。

【００１３】また、ロボットの教示モードにのみ、状態
フィードバックループの位置制御、速度制御、積分時間
の各ゲインを通常より小さく設定する手段と、前向きト
ルクをロボットアームの制御装置のトルク指令に加算す
る手段とを、有効にする手段を有してもよい。また、ロ
ボットアームの教示モードにのみ、トルク制限値を用い
て、ロボットアームのトルク指令を制限する手段を有効
にする手段を有してもよい。

【００１４】即ち、プレイバック時には指令値に対して
厳密な位置決めを要求されることが多いため、プレイバ
ック時には通常の制御を使用し、ロボットの教示モード
にのみ発生トルクの制限機能等を有効にすることができ
る。また、ロボットアームの各関節に作用する重力トル
クを算出する手段と、状態フィードバックループの位置
速度フィードバック制御系で重力トルクを補償する手段
とを、有してもよい。

【００１５】また、モータに付属する位置検出器のデー
タを教示データとして記憶する手段を有してもよい。即
ち、トルク制限値によりモータの発生トルクが制限され
た場合等、指令値とモータの現在値が異なることがおこ
りうる。ティーチ状態では、教示者が意図する現在値、
すなわち、モータに付属する位置検出器のデータを記億
することができる。

【００１６】また、ロボットアームに付属する力センサ
と力センサに付属する操作用ハンドルを有し、力センサ
の信号からロボットアームの運動指令を生成する直接教
示形ロボットで用いられてもよい。即ち、ロボットの直
接教示では教示者がロボットの近傍で教示を行うことに
なる。そのような直接教示の状態で上述の手段を用いる
ことにより、操作者の安全を格段に向上させることがで
きる。

【００１７】

【発明の実施の形態】

（本発明の第１の実施の形態）はじめに、本発明の作用
をティーチペンダントで教示を行う場合を例にとり説明
を行う。図１を用い、ティーチペンダントによる教示に
本発明を適用した例に関して説明を行う。ティーチペン
ダント上にはＪＯＧキー１２と呼ばれる、ロボット誘導
の動作ボタンが配置されている。ＪＯＧキー１２を押す
と、その時に選択されている座標系と速度に応じて、押
下するＪＯＧキー１２で示される方向にロボットが動作
することになる。

【００１８】その時の信号の流れは、ＪＯＧキー１２が
押されるとその方向と大きさの情報が軌道生成部に入力
される。軌道生成部１４では現在のロボットの指令に対
して、指定座標系から基準座標系に変換された増分値が
加算され新たなロボットの位置指令が生成される。基準
座標系は通常ロボットのベースを中心とした直交座標系
で表現されるため、動作指令値は実際のロボットの動作
を行うためにロボットの関節座標系に変換され、モータ
のサーボ系の指令値となる。

【００１９】各モータの制御を行うサーボ系では、例え
ば図２のブロック図で示されるような処理が行われる。
図で、位置指令信号は２つのブロックの処理系に信号が
分かれる。１つのブロックは通常のモータの位置、速度
制御系２０１であり、もう１つは本発明で付加される制
御系の処理系２０２のブロックである。２０１の処理系
では位置制御および速度制御が施される。位置制御では
比例制御、速度制御系では比例積分制御などが用いられ
ることが一般的である。

【００２０】図２で示す２０２の制御系は、運動に必要
となるトルクを算出する部分である。通常のロボットの
運動で必要となるトルクは、ロボットアームと口ボット
の先端負荷の両者を加速するトルク、運動状態で速度を
維持するためのトルクの２種類である。２０３は加速ト
ルクの演算を行うブロック、２０４は速度を維持するた
めのトルクの演算を行うブロックを示している。

【００２１】２０３のブロックでは慣性と加速度の積か
ら必要となるトルクが算出される。慣性の情報は、以下
のいずれかの方法により求められる。 １）ロボットの関節の動きに応じて変動する値を演算に
より求める。 ２）適応オブザーバなどのパラメータ同定手法を用いて
推定する。 ３）代表的な慣性の値を用いる。例えば常に一定の値を
用いる、あるいは変位に応じてテーブルから値を引く。

【００２２】図２では１）の場合の例を示している。２
０４のブロックでは速度を維持するためのトルクが算出
される。速度トルクはほぼ動摩擦の値に等しい。従っ
て、あらかじめ求めた速度と摩擦の関係を用いて、現在
の速度から必要なトルクを求めることができる。２０３
と２０４のブロックで算出されたトルクの加算値はロボ
ットが運動を行うトルクとほぼ等しい値である。計算結
果はトルクのフィードフォワード値としてメインループ
（ブロック２０１）のトルク指令部分に加算される。ま
た、位置速度制御の制御ゲインは物体に衝突した場合を
考慮して、通常の制御に設定される値よりもかなり小さ
い値が設定される。また、速度制御系の積分時定数は非
常に大きく、あるいは機能そのものをなくすことで、時
間とともに発生トルクが大きくなりロボットが大きな力
で押しつけるなどのこともなくなる。ここで、位置速度
フィードバックのゲインは小さいながら機能を残すこと
で、通常の運動状態（ロボットアームが外部環境に接触
や衝突を起こしていない状態）でロボットアームのスム
ーズな運動が行われる。

【００２３】また、ロボットアームが外部環境に接触な
どを起こした場合には、位置速度制御系のループゲイン
が低く設定されているため、制御偏差が発生しても大き
なトルクを発生する事はない。たとえば教示者の体の一
部が挟まれる様なことがおこっても、人間の力でロボッ
トを動かすことができる。これらの関係を図３、図４、
図５を用いてさらに詳しく説明する。図３はロボットの
１つの関節の運動に着目した場合である。関節３０１は
図３（ａ）で示されるような加速、定速、減速の運動指
令が与えられるものとする。図４は図２のブロック図上
の部分の信号を表している。図４（ｂ）は図２の信号２
１０、（ｃ）は図２での信号２１１を表している。ま
た、（ｄ）は２０２のブロックで発生するトルクと、フ
ィードバックループの偏差を要因として発生するトルク
の合計値（信号２１２）を表す。

【００２４】図３（ａ）で示される様に関節３０１が特
に障害なく運動する場合は図４（ｄ）の太線で表される
ようなトルクが発生し、図４（ａ）の指令速度とほぼ一
致した運動を行う。ところが、図４（ｂ）の様に、途中
で障害物に衝突したような場合は、接触した後、特別大
きなトルクを発生することなく障害物により運動を停止
する。図５に本発明による発生トルクと従来の方式によ
る発生トルクを示す。従来の方式では、可能な限りのト
ルクを発生し、その後、ロボットコントローラの過負荷
検出機能で異常停止を行う。

【００２５】以下では教示作業を例にとり、さらに具体
的に説明する。教示中は教示者はロボットの運動を見な
がら教示作業を行うため、教示者がロボットが周辺の物
体に接触をしたと判断した場合には，教示者はＪＯＧキ
ーから指を離すことになる。ＪＯＧキーを離した時には
指令の発生が停止する。するとトルク指令は加速トル
ク、速度維持トルクがなくなるため２０２の制御ブロッ
クからの出力は大きく制限され、モータの発生トルク、
すなわち外部からの作用力に抗する力は非常に弱いもの
になる。

【００２６】また、仮に物体との衝突の瞬間に教示者が
気づかなかった場合でも、教示者はＪＯＧキーを押し続
けることになるが、速度を維持するためのトルクと十分
小さなゲインで抑えられたフィードバックトルクの加算
値が発生トルクであるため衝撃は十分小さいものにな
る。ＪＯＧキーを離した状態ではロボットの発生トルク
は非常に小さく抑えられているため人間の力で容易にロ
ボットを動かすことができる。例えば、操作ミスにより
教示時に操作者の腕がロボットとワークの間に挟まれる
事態が発生するようなことがあった場合、操作者は反射
的にＪＯＧキーを離すことになる。ＪＯＧキーが離され
るとロボットは直ちに運動を停止する。停止後は操作者
の腕の力でロボットを動かすことができるため、被害を
最小限に抑えることができる（図５（ａ））。

【００２７】このような緊急事態の場合、従来では操作
者自身、または共同作業者が非常停止ボタンを押すか、
図５（ｂ）でホすように、モータが過負荷状態になって
非常停止が作用するまでロボットは力を発生し続けるこ
とになる。非常停止が働くと、モータの供給電源は遮断
されると共に、ブレーキが作動しロボットは運動を停止
することになる。ところが、ブレーキが作動するとロボ
ットは機械的にロックされた状態になり、挟みこまれた
教示者はもはや自力では脱出できないことになる。本発
明では以上のような問題を発生しない。

【００２８】重力方向に動くロボットでは重力トルクは
２０７で示される補償演算をもとにメインループで補償
されるため、位置速度フィードバック制御のゲインを小
さく抑えることにより、メインループの発生トルクが小
さくなっても、ロボットアームが重力で落下するなどの
ことはない。動作指令とサーボ系のトルク発生時間のず
れは、口ボットの加速トルクの算出手段の後段あるいは
速度維持トルクの算出手段の後段に時間遅れを補償する
フィルタを挿入することで吸収することができる。フイ
ルタは一般的な１次遅れフィルタや２次遅れフィルタに
より調整する事が可能である。

【００２９】以上の説明はティーチペンダントで教示を
行う場合を例にとって説明をおこなったが、プレイバッ
クの状態でも当然用いることができる。プレイバック時
には教示ペンダントのかわりにメモリ１３から軌道生成
ブロックにデータの情報が払い出される。メモリ１３に
はあらかじめ教示されたロボットの位置、姿勢の情報が
保存されている。

【００３０】さて、ブロック２０２の前向きトルク（信
号２１１）が望ましい運動を行うトルクからずれが生ず
る場合がある。ある程度の運動のずれはフィードバック
ループにより補償されるが、先端の負荷の質量などの情
報が正確に得られない場合などに運動指令に対する誤差
が生ずる可能性がある。したがって、指令通りの正確な
運動が必要とされるプレイバック動作では制御ブロック
２０２を用いず、教示モードでのみ２０２のブロックが
機能するよう切り替えることができる。図１では１５の
切替スイッチがこの部分の働きを行う。

【００３１】教示モードにおいても負荷の変動等、必ず
しも指令通りにロボットの動きが行われない場合が起こ
り得る。このような場合、エンコーダなど、現在のロボ
ットの関節の変位量を教示データとしてメモリ２０８に
保存することで、教示者の意図したポイントの位置及び
姿勢が登録される。また、本発明はロボットに力センサ
を取け付け、操作者が加える力を計測しロボットを誘導
するタイプの、いわゆるダイレクトティーチングのロボ
ットにも適用が可能であり、教示者の安全を確保する上
で有効に作用する。ダイレクトティーチではロボット近
傍での作業となるため、本発明は特に有効に作用する。

【００３２】（本発明の第２の実施の形態）はじめに、
本発明の作用をティーチペンダントで教示を行う場合を
例にとり説明を行う。図６を用い、ティーチペンダント
による教示に本発明を適用した例に関して説明を行う。
ティーチペンダント上にはＪＯＧキー６１と呼ばれる、
ロボット誘導の動作ボタンが配置されている。ＪＯＧキ
ー６２を押すと、その時に選択されている座標系と速度
に応じて、押下するＪＯＧキー６２で示される方向にロ
ボットが動作することになる。

【００３３】その時の信号の流れは、ＪＯＧキー６２が
押されるとその方向と大きさの情報が軌道生成部に入力
される。軌道生成部６４では現在のロボットの指令に対
して、指定座標系から基準座標系に変換された増分値が
加算され新たなロボットの位置指令が生成される。基準
座標系は通常ロボットのベースを中心とした直交座標系
で表現されるため、動作指令値は実際のロボットの動作
を行うためにロボットの関節座標系に変換され、モータ
のサーボ系の指令値となる。

【００３４】各モータの制御を行うサーボ系では、例え
ば図７のブロック図で示されるような処理が行われる。
図で、位置指令信号は２つのブロックの処理系に信号が
分かれる。１つのブロックは通常のモータの位置、速度
制御系７０１であり、もう１つは本発明で付加される制
御系の処理系７０２のブロックである。７０１の処理系
では位置制御および速度制御が施される。位置制御では
比例制御、速度制御系では比例積分制御などが用いられ
ることが一般的である。

【００３５】図７で示す７０２の制御系は、運動に必要
となるトルクをもとにトルク制限値を算出する部分であ
る。通常のロボットの運動で必要となるトルクは、ロボ
ットアームと口ボットの先端負荷の両者を加速するトル
ク、運動状態で速度を維持するためのトルクの２種類で
ある。７０３は加速トルクの演算を行うブロック、７０
４は速度を維持するためのトルクの演算を行うブロック
を示している。

【００３６】７０３のブロックでは慣性と加速度の積か
ら必要となるトルクが算出される。慣性の情報は、以下
のいずれかの方法により求められる。 １）ロボットの関節の動きに応じて変動する値を演算に
より求める。 ２）適応オブザーバなどのパラメータ同定手法を用いて
推定する。 ３）代表的な慣性の値を用いる。例えば常に一定の値を
用いる、あるいは変位に応じてテーブルから値を引く。

【００３７】図７では１）の場合の例を示している。７
０４のブロックでは速度を維持するためのトルクが算出
される。速度トルクはほぼ動摩擦の値に等しい。従っ
て、あらかじめ求めた速度と摩擦の関係を用いて、現在
の速度から必要なトルクを求めることができる。７０３
と７０４のブロックで算出されたトルクの加算値はロボ
ットが運動を行うトルクとほぼ等しい値である。計算結
果は７０６のトルク制限値演算ブロックへ入力される。
ここでは、前段の演算をもとにメインブロック７０１で
発生するトルクの制限値を演算する。ここでは、制限値
は前段で演算された値に適度な幅を設けることにより求
めている。幅を設ける理由は、一つは、指令トルクと発
生トルクが必ずしも一致していないことがあるため、そ
の誤差を吸収することであり、また、他の理由としては
時間的な発生トルクのずれを吸収することである。時間
的なずれの補償とは，指令値により発生トルクを演算し
た瞬間のトルクとメインループ７０１で発生するトルク
が時間的なずれを生ずる可能性があり、その誤差をトル
クの制限の幅で吸収することである。

【００３８】このようなトルク制限を設けることによる
物理的な作用の説明を次に行う。７０１の制御系のメイ
ンループではロボットに外部からの力が作用した場合、
位置偏差と速度偏差が発生する。位置偏差は定数倍され
速度指令となり速度偏差は比例積分制御され、その出力
はモータのトルク指令となる。ロボットに特別の外力が
作用しない場合、モータで発生すべきトルクは加速トル
ク、速度トルクである。 通常の動作でロボットが運動
するためには上述の加速、速度のトルクを発生すれば良
い。ところが、ロボットに外部から力が作用する（また
はロボット自身が外部に接触する）場合には、外力によ
りロボットが動作し、前述の制御偏差が発生することに
なる。従って、その時の指令トルクはブロック７０２で
演算を行ったトルクの制限域から逸脱したものになる。
制限がなければ、その運動に必要な可能な限りのトルク
が発生することになる。

【００３９】適度に制限された場合には制限内のトルク
が発生し、外部からの力により偏差をゆるす、すなわち
ロボットが外力により動くことになる。これらの関係を
図３、図８、図９を用いてさらに詳しく説明する。図３
はロボットの１つの関節の運動に着目した場合である。
関節３０１は図３（ａ）で示されるような加速、定速、
減速の運動指令が与えられるものとする。図８は図７の
ブロック図上の部分の信号を表している。図８で（ｂ）
は図７の信号７１０、（ｃ）は図７での信号７１１を表
している。また、（ｄ）の細線はトルク制限ブロックで
のトルク制限の上限値と下限値を表わしている。

【００４０】図３（ａ）で示される様に関節３０１が特
に障害なく運動する場合は図８（ｄ）の太線で表される
ようなトルクが発生し、図３（ａ）の指令速度とほぼ一
致した運動を行う。ところが、図３（ｂ）の様に、途中
で障害物に衝突したような場合は、接触した後、７０７
のトルク制限部により発生トルクが抑えられるため、上
限トルク以上のトルクを発生することなく障害物により
運動を停止する。停止したあとのトルクも制限器により
小さく抑えられているため、障害物に作用する力も小さ
いものになる。図９に本発明による発生トルクと従来の
方式による発生トルクを示す。従来の方式では、可能な
限りのトルクを発生し、その後、ロボットコントローラ
の過負荷検出機能で異常停止を行う。

【００４１】以下では教示作業を例にとり、さらに具体
的に説明する。教示中は教示者はロボットの運動を見な
がら教示作業を行うため、教示者がロボットが周辺の物
体に接触をしたと判断した場合には，教示者はＪＯＧキ
ーから指を離すことになる。ＪＯＧキーを離した時には
指令の発生が停止する。するとトルク指令は加速トル
ク、速度維持トルクがなくなるためトルク制限ブロック
からの出力は大きく制限され、モータの発生トルク、す
なわち外部からの作用力に抗する力は非常に弱いものに
なる。

【００４２】また、仮に物体との衝突の瞬間に教示者が
気づかなかった場合でも、教示者はＪＯＧキーを押し続
けることになるが、トルク制限ブロックにより速度を維
持するためのトルクのみが発生トルクであるため衝撃は
十分小さいものになる。ＪＯＧキーを離した状態ではロ
ボットの発生トルクは非常に小さく抑えられているため
人間の力で容易にロボットを動かすことができる。例え
ば、操作ミスにより教示時に操作者の腕がロボットとワ
ークの間に挟まれる事態が発生するようなことがあった
場合、操作者は反射的にＪＯＧキーを離すことになる。
ＪＯＧキーが離されるとロボットは直ちに運動を停止す
る。停止後は操作者の腕の力でロボットを動かすことが
できるため、被害を最小限に抑えることができる（図９
（ａ））。

【００４３】このような緊急事態の場合、従来では操作
者自身、または共同作業者が非常停止ボタンを押すか、
図９（ｂ）でホすように、モータが過負荷状態になって
非常停止が作用するまでロボットは力を発生し続けるこ
とになる。非常停止が働くと、モータの供給電源は遮断
されると共に、ブレーキが作動しロボットは運動を停止
することになる。ところが、ブレーキが作動するとロボ
ットは機械的にロックされた状態になり、挟みこまれた
教示者はもはや自力では脱出できないことになる。本発
明では以上のような問題を発生しない。

【００４４】重力方向に動くロボットでは重力トルクは
７０８で示される補償演算をもとにメインループで補償
されるため、７０７のトルク制限ブロックによりメイン
ループのトルクが小さく抑えられた場合でも、ロボット
アームが重力で落下するなどのことはない。メインルー
プでの指令トルクとトルク制限の時間的ずれは、前述の
トルク制限演算に幅を持たせることで吸収することもで
きるが、演算ブロックの出力に時間遅れを補償するフィ
ルタ７０５を挿入することで吸収することができる。フ
イルタは一般的な１次遅れフィルタや２次遅れフィルタ
により調整することが可能である。

【００４５】以上の説明はティーチペンダントで教示を
行う場合を例にとって説明をおこなったが、プレイバッ
クの状態でも当然用いることができる。プレイバック時
には教示ペンダントのかわりにメモリ６３から軌道生成
ブロックにデータの情報が払い出される。メモリ６３に
はあらかじめ教示されたロボットの位置、姿勢の情報が
保存されている。

【００４６】さて、ブロック７０６で演算された制限値
がロボットの運動で必要となるトルクからずれが生ずる
ことがありうる。このような状態は先端の負荷の質量な
どの情報が得られない場合などに起こり得る。したがっ
て、指令通りの正確な運動が必要とされるプレイバック
動作では制御ブロック７０２を用いず、教示モードでの
み７０２のブロックが機能するよう切り替えることがで
きる。図６では６５の切替スイッチがこの部分の働きを
行う。

【００４７】教示モードにおいても負荷の変動等、必ず
しも指令通りにロボットの動きが行われない場合が起こ
り得る。このような場合、エンコーダなど、現在のロボ
ットの関節の変位量を教示データとしてメモリ７０９に
保存することで、教示者の意図したポイントの位置及び
姿勢が登録される。また、本発明はロボットに力センサ
を取け付け、操作者が加える力を計測しロボットを誘導
するタイプの、いわゆるダイレクトティーチングのロボ
ットにも適用が可能であり、教示者の安全を確保する上
で有効に作用する。ダイレクトティーチではロボット近
傍での作業となるため、本発明は特に有効に作用する。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように、従来のロボットの
モータの制御系に動作指令から生成される新たなブロッ
クをつけ加え、ロボットの運動のためのトルクをトルク
指令に加算し、フィードバックループの制御ゲインを通
常の制御より小さな値に設定することによって、ロボッ
トの運動中にロボットが外部環境に衝突する、あるいは
ロボットアームに外部の機械が衝突するなどした場合、
ロボットが柔軟に変形することで、ロボットやワークあ
るいは外部の機械の損傷がなくなる。また、教示中の操
作者の安全が守られるなど、従来のロボットでは実現が
不可能であった安全な制御機能が可能となる。

【００４９】さらに、運動トルク演算ブロックの後段に
時間遅れ補償フィルターを挿入することにより、動作指
令とサーボ系のトルク発生時間のずれの調整が可能とな
る。さらに、重力が作用する多関節ロボットでもメイン
となる位置、速度制御ループのトルク指令部分に重力補
償を付加することにより、フィートバック制御系のゲイ
ンが小さな制御が行われていても重力によりロボットの
アームが落下することなど起こらない。

【００５０】さらに、教示モードでのみ前向きトルクの
加算を行い、フィードバック制御のゲインを小さくする
機能を有効にすることで、プレイバック時には正確な位
置ぎめ機能を有効にし、教示モードでは安全な教示作業
を実行することができる。さらに、教示時にはロボット
アームの変位の計測値を教示の値としてメモリに記憶す
ることで、前向きトルクに多少のずれが生じてロボット
に指令通りの応答ができなかった場合でも、目的とする
位置や姿勢の登録、すなわち教示ができる。

【００５１】さらに、力センサフィードバックを用いた
ダイレクト教示に関しても適用が可能であり、操作者の
安全を格段に向上させることができる。また、従来のロ
ボットのモータの制御系に動作指令から生成される新た
なブロックをつけ加え、ロボットの関節を駆動するモー
タの発生トルクを制限することで、ロボットの運転中に
ロボットが外部環境に衝突する、あるいはロボットアー
ムに外部の機械が衝突するなどした場合、ロボットが柔
軟に変形することで、ロボットやワークあるいは外部の
機械の損傷がなくなる。また、教示中の操作者の安全が
守られるなど、従来のロボットでは実現が不可能であっ
た安全な制御機能が可能となる。

【００５２】さらに、運動トルク演算の後段に時間遅れ
補償フィルターを挿入することにより、指令値から生成
されるトルク制限値の時間遅れの調整が可能となる。さ
らに、重力が作用する多関節ロボットでも、位置、速度
制御ループのトルク指令部分に重力補償を付加すること
により、トルク制限が行われていても重力によりロボッ
トのアームが落下することなど起こらない。

【００５３】さらに、教示モードでのみトルク制限ブロ
ックの機能を有効にすることで、プレイバック時には正
確な位置ぎめ機能を有効にし、教示モードでは安全な教
示作業を実行することができる。さらに、教示時にはロ
ボットアームの変位の計測値を教示の値としてメモリに
記憶することで、制限値に多少のずれが生じてロボット
に指令通りの応答ができなかった場合でも、目的とする
位置や姿勢の登録、すなわち教示ができる。

【００５４】さらに、力センサフィードバックを用いた
ダイレクト教示に関しても適用が可能であり、操作者の
安全を格段に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の装置の概略の信号
の流れを示すブロック図である。

【図２】本発明の第１の実施の形態のモータのサーボ制
御部を示すブロック図である。

【図３】本発明の作用を示すための一軸アームの運動例
を示す図である。

【図４】本発明の第１の実施の形態のモータのサーボ制
御部の作用を示す図である。

【図５】本発明の第１の実施の形態のモータのサーボ制
御部の作用の効果を示す図である。

【図６】本発明の第２の実施の形態の装置の概略の信号
の流れを示すブロック図である。

【図７】本発明の第２の実施の形態のモータのサーボ制
御部を示すブロック図である。

【図８】本発明の第２の実施の形態のモータのサーボ制
御部の作用を示す図である。

【図９】本発明の第２の実施の形態のモータのサーボ制
御部の作用の効果を示す図である。

【図１０】従来の装置の概略の信号の流れを示すブロッ
ク図である。

【図１１】従来のモータのサーボ制御部を示すブロック
図である。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 位置、速度の状態フィードバックループ
   を施し関節を駆動するモータの制御回路を有するロボッ
   トアームの制御装置において、 前記状態フィードバックループの位置制御、速度制御、
   積分時間の各ゲインを通常より小さく設定する手段と、 前記モータの動作指令値から加速度と慣性とを算出する
   手段と、 前記算出された加速度と慣性との積を用いて前記モータ
   の加速トルクを算出する手段と、 前記モータの動作指令値から、あらかじめ求めた速度と
   動摩擦との関係を用いて、前記モータの速度を維持する
   ための速度維持トルクを算出する手段と、 前記加速トルクと前記速度維持トルクとを加算して前記
   モータの運動に必要な前向きトルクを算出する手段と、 前記前向きトルクを前記ロボットアームの制御装置のト
   ルク指令に加算する手段とを、有することを特徴とする
   ロボットアームの制御装置。
2. 【請求項２】 位置、速度の状態フィードバックループ
   を施し関節を駆動するモータの制御回路を有するロボッ
   トアームの制御装置において、 前記モータの動作指令値から加速度と慣性とを算出する
   手段と、 前記算出された加速度と慣性との積を用いて前記モータ
   の加速トルクを算出する手段と、 前記モータの動作指令値から、あらかじめ求めた速度と
   動摩擦との関係を用いて、前記モータの速度を維持する
   ための速度維持トルクを算出する手段と、 前記加速トルクと前記速度維持トルクとを加算して前記
   モータの運動に必要なトルク加算値を算出する手段と、 前記トルク加算値に所定の幅を与えてトルク制限値を算
   出する手段と、 前記トルク制限値を用いて、前記ロボットアームのトル
   ク指令を制限する手段とを、有することを特徴とするロ
   ボットアームの制御装置。
3. 【請求項３】 前記加速トルクを算出する手段の後段ま
   たは前記速度維持トルクを算出する手段の後段に、前記
   モータの動作指令値から算出された前記前向きトルクを
   用いて、前記ロボットアームの発生トルクのトルク指令
   に加算する瞬間のトルクと、前記状態フィードバックル
   ープで発生するトルクとの時間遅れを補償する手段を有
   することを特徴とする請求項１記載のロボットアームの
   制御装置。
4. 【請求項４】 前記加速トルクを算出する手段の後段ま
   たは前記速度維持トルクを算出する手段の後段に、前記
   モータの動作指令値から算出された前記トルク制限値を
   用いて、前記ロボットアームのトルク指令を制限する瞬
   間のトルクと、前記状態フィードバックループで発生す
   るトルクとの時間遅れを補償する手段を有することを特
   徴とする請求項２記載のロボットアームの制御装置。
5. 【請求項５】 ロボットの教示モードにのみ、前記状態
   フィードバックループの位置制御、速度制御、積分時間
   の各ゲインを通常より小さく設定する手段と、 前記前向きトルクを前記ロボットアームの制御装置のト
   ルク指令に加算する手段とを、有効にする手段を有する
   ことを特徴とする請求項１または請求項３記載のロボッ
   トアームの制御装置。
6. 【請求項６】 前記ロボットアームの教示モードにの
   み、前記トルク制限値を用いて、前記ロボットアームの
   トルク指令を制限する手段を有効にする手段を有するこ
   とを特徴とする請求項２または請求項４記載のロボット
   アームの制御装置。
7. 【請求項７】 前記ロボットアームの各関節に作用する
   重力トルクを算出する手段と、 前記状態フィードバックループの位置速度フィードバッ
   ク制御系で前記重力トルクを補償する手段とを、有する
   ことを特徴とする請求項１から請求項６の何れか１項に
   記載のロボットアームの制御装置。
8. 【請求項８】 前記モータに付属する位置検出器のデー
   タを教示データとして記憶する手段を有することを特徴
   とする請求項１から請求項７の何れか１項に記載のロボ
   ットアームの制御装置。
9. 【請求項９】 前記ロボットアームに付属する力センサ
   と該力センサに付属する操作用ハンドルを有し、前記力
   センサの信号から前記ロボットアームの運動指令を生成
   する直接教示形ロボットで用いられる請求項１から請求
   項８の何れか１項に記載のロボットアームの制御装置。