JPH10193290A - ロボット制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】この発明は、外力の緩和を確実に実現して、高
精密な作業を実現し得るようにすることにある。 【解決手段】第１及び第２の切替スイッチ１２，１６の
切替制御により、位置指令値とロボット１０の位置／速
度値に基づいてロボット１０を位置制御する位置制御モ
ード、ロボット１０に加わる力／トルク値より算出され
るコンプライアンス制御位置指令値と位置／速度値とに
基づいてロボットを位置制御するコンプライアンス制御
モード、あるいはコンプライアンス制御位置指令値の積
分補償値及び位置指令値から算出されるアクティブリン
プ制御位置指令値と位置／速度値とに基づてロボットを
位置制御するアクティブリンプ制御モードに選択的に切
替設定し得るようにしたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、例えば宇宙航行
体に搭載されて各種の作業に供される多関節ロボットの
操作制御に好適するロボット制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、宇宙開発の分野において
は、作業用宇宙航行体に多関節ロボットを搭載し、この
宇宙航行体で宇宙空間を航行して、宇宙ステーションの
構築作業等の各種の作業を実行する構想がある。このよ
うな多関節のロボットの関節角度を制御する手段として
は、関節角度に対する目標値を設定して、この目標値に
対応して関節角度を駆動して動作制御することにより、
所望の作業内容を行う方法が採られる。

【０００３】ところで、このようなロボットは、その作
業対象に対して把持・接触作業等の高精度な作業を実行
する場合、手先に加わる力を制御することにより、作業
対象を傷つけたり、破損することなく、所望の作業を安
全で、且つ、高精度に実行するように動作制御される。

【０００４】このようなロボットの力を制御する方法と
しては、間接的に仮想のインピーダンスを実現するよう
なロボットの動作制御を実行することにより、アーム先
端に加わる外力を緩和するコンプライアンス制御と称す
る方式が知られている。即ち、コンプライアンス制御
は、ロボットのアームに与える位置指令値に対して、仮
想的なバネマスダンパを持たせることにより、加わる外
力を吸収するような位置制御を実行する。

【０００５】しかしながら、上記コンプライアンス制御
では、ロボットの手先の接触力の緩和という点では、外
力とバネマスダンパが吊り合うところまでの緩和を効果
的に行うことが可能であるが、それ以上の外力が加わる
と、その軽減が困難となるという問題を有する。

【０００６】これによると、制御系を設計する際、加わ
る外力を考慮して行わなければならないことにより、使
用状況に制約を有し、設計以上の外力が加わると、ロボ
ットの手先が壊れたり、あるいは作業対象を損傷させた
りする虞れがあるために、その操作に熟練を必要とする
ことで、その取扱操作が非常に面倒であるとう問題を有
する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、従
来のロボット制御装置では、ロボットの手先に大きな外
力が加わると、外力の緩和が困難となるという問題を有
する。この発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、
簡易な構成で、外力の緩和を確実に実現して、高精密な
作業を実現し得るようにしたロボット制御装置を提供す
ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明は、位置指令値
とロボットの位置／速度値に基づいて前記ロボットの関
節駆動信号を生成して動作制御する位置制御手段と、ロ
ボットに加わる力／トルク値に基づいて仮想バネマス特
性を算出してコンプライアンス制御補正値を算出する第
１の演算手段と、この第１の演算手段で算出したコンプ
ライアンス制御補正値を積分補償して前記ロボットの接
触量を可変設定するアクティブリンプ制御補正値を算出
する第２の演算手段と、前記第１の演算手段で算出した
コンプライアンス制御補正値あるいは前記第２の演算手
段で算出したアクティブリンプ補正値の一方を選択する
第１の選択手段と、この第１の選択手段で選択した前記
第１あるいは第２の位置指令補正値を前記ロボットのア
ーム位置を定める座標系に変換して第１あるいは第２の
位置指令補正値を算出する座標変換手段と、この座標変
換手段で算出した第１あるいは第２の位置指令補正値と
前記位置指令値に基づいてコンプライアンス制御位置指
令値あるいはアクティブリンプ制御位置指令値を算出し
て前記位置制御手段に位置指令値として出力する第３の
演算手段と、この第３の演算手段に対して前記第１ある
いは第２の位置指令補正値を選択的に出力して、位置制
御モードとコンプライアンス制御モードあるいはアクテ
ィブリンプ制御モードを選択する第２の選択手段と、前
記第１及び第２の選択手段を動作制御して位置制御モー
ド、コンプライアンス制御モードあるいはアクティブリ
ンプ制御モードに切替制御するモード切替手段とを備え
てロボット制御装置を構成したものである。

【０００９】上記構成によれば、モード切替手段は、第
２の選択手段を動作制御して、位置指令値とロボットの
位置／速度値に基づいて該ロボットの位置制御を実行
し、第１及び第２の選択手段の双方を動作制御して、ロ
ボットに加わる力／トルク値に基づいて算出される第１
の位置指令補正値によるコンプライアンス制御位置指令
値と位置／速度値とに基づいてロボットを位置制御する
コンプライアンス制御を実行し、且つ第２の位置指令補
正値によるアクティブリンプ制御位置指令値と位置／速
度値とに基づいて位置制御するアクティブリンプ制御を
実行する。

【００１０】これにより、モード切替手段の切替操作に
より、外力から加わる力の緩和するように位置補正を実
行するコンプライアンス制御、あるいは外部から加わる
力を０にするような、いわゆる外部からの力に逆らわな
いアクティブリンプ制御が可能となり、ロボット操作上
の多様化が図れて、高精密な作業を容易にして、安全に
実行することが可能となる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態につ
いて、図面を参照して詳細に説明する。図１はこの発明
の一実施の形態に係るロボット制御装置を示すもので、
ここでは、ロボット１０として、肩関節（第１関節）、
肘関節（第２関節）、手首関節（第３関節）の３関節式
のものを宇宙航行体に搭載した場合を示す。

【００１２】すなわち、加算器１１には、その一方の入
力端に図示しない操作部が接続され、他方の入力端に切
替用第１の切替スイッチ１２の固定接点ａが接続され
る。そして、加算器１１の出力端には、位置制御部１３
が接続され、入力した位置指令値、後述するコンプライ
アンス制御位置指令値、あるいはアクティブリンプ制御
位置指令値を位置制御部１３に出力する。

【００１３】位置制御部１３には、ロボット１０の位置
／速度値が図示しない検出センサから入力され、この位
置／速度値と、上記操作部（図示せず）からの位置指令
値、後述するコンプライアンス制御位置指令値、あるい
はアクティブリンプ制御位置指令値とに基づいて各モー
ド毎に制御駆動信号を生成してロボット１０の各関節を
駆動制御し、目標値に対応して手先位置を位置制御す
る。

【００１４】上記第１の切替スイッチ１２の可動接点ｂ
には、座標変換部１４の出力端が接続され、この座標変
換部１４の入力端には、加算器１５の出力端が接続され
る。この加算器１５の一方の入力端には、切替用第２の
切替スイッチ１６の固定点ｃが接続される。この第２の
切替スイッチ１６の可動接点ｄには、補償演算部１７の
出力端が接続される。この補償演算部１７には、その入
力端に演算部１８の出力端が接続される。

【００１５】また、加算器１５の他方の入力端には、上
記演算部１８の出力端が接続される。演算部１８には、
上記ロボッ１０トに加わる力／トルク値が図示しない検
出センサから入力され、該力／トルク値に基づいて （ＭＳ² ＋ＣＳ＋Ｋ）^-1 の演算を実行して力制御座標系で表される仮想バネマス
ダンパ特性を算出し、この値をコンプライアンス補正値
として補償演算部１７に出力する。

【００１６】なお、Ｍは、仮想質量、Ｃは、仮想粘性、
Ｋは、仮想剛性、Ｓは、時間微分の演算子である。ま
た、上記補償演算部１７は、演算部１８からのコンプラ
イアンス補正値を積分補償して積分補償値を第２の切替
スイッチ１６の可動接点ｄに出力して、該第２の切替ス
イッチ１６を介して加算器１５に出力する。加算器１５
は、コンプライアンス制御位置指令値と積分補償値を加
算して上記座標変換部１４に出力する。

【００１７】ここで、座標変換部１４は、加算器１５を
介して入力されるコンプライアンス補正値、あるいは積
分補償値を力制御座標系からロボット１０のアーム基準
座標系に座標変換して第１の切替スイッチ１２に出力す
る。

【００１８】上記第１及び第２の切替スイッチ１２，１
６には、その信号入力端にそれぞれモード切替制御部１
９が接続される。このモード切替制御部１９は、図示し
ないモード切替指令部に接続され、該モード切替指令部
（図示せず）から位置制御モード指令信号が入力される
と、これに応動して、図２に示すように第１及び第２の
切替スイッチ１２，１６をオフに切替設定する。ここ
で、位置制御部１３には、加算器１１を介して位置指令
値が入力され、上述したようにロボット１０の位置／速
度値に基づいて、位置制御を実行する。

【００１９】そして、上記モード切替制御部１９は、上
記モード切替指令部（図示せず）からコンプライアンス
制御モード指令信号が入力されると、これに応動して第
１の切替スイッチ１２をオンに切替制御すると共に、第
２の切替スイッチ１６をオフに切替接続する（図２参
照）。

【００２０】ここで、制御系の動作モードがコンプライ
アンス制御モードに切替設定され、加算器１５には、演
算部１８で算出されるコンプライアンス制御補正値が入
力され、このコンプライアンス制御補正値を座標変換部
１４を介して第１の切替スイッチ１２に出力する。第１
の切替スイッチ１２は、入力したコンプライアンス制御
補正値を加算器１１に出力する。加算器１１は、コンプ
ライアンス制御補正値と位置指令値を加算してコンプラ
イアンス制御位置指令値を算出して位置制御部１３に出
力する。すると、位置制御部１３は、加算器１１の出力
に基づいてコンプライアンス制御駆動信号を生成してロ
ボット１０のコンプライアンス制御を実行する。

【００２１】また、モード切替制御部１９は、上記モー
ド切替指令部（図示せず）からアクティブリンプ制御モ
ード指令信号が入力されると、これに応動して第１の切
替スイッチ１２をオンに切替制御すると共に、第２の切
替スイッチ１６をオンに切替制御する（図２参照）。

【００２２】ここで、制御系の動作モードがアクティブ
リンプ制御モードに切替設定され、加算器１５には、補
償演算部１７で算出される積分補償値が第２の切替スイ
ッチ１６、加算器１５、座標変換部１４及び第１の切替
スイッチ１２を介して入力され、この積分補償値と位置
指令値を加算してアクティブリンプ制御位置指令値を位
置制御部１３に出力する。すると、位置制御部１３は、
加算器１１の出力に基づいてアクティブリンプ制御駆動
信号を生成してロボット１０のアクティブリンプ制御を
実行する。

【００２３】上記構成において、モード切替制御部１９
は、上記モード切替指令部（図示せず）からの指令信号
に応動して第１及び第２の切替スイッチ１２，１６を選
択的にオン・オフ切替制御し、制御系の動作モードを位
置制御モード、コンプライアンス制御モード、あるいは
アクティブリンプ制御モードのいずれかに選択的に切替
設定する。

【００２４】即ち、上記モード切替制御部１９は、上記
モード切替指令部（図示せず）から位置制御モード指令
信号が入力されると、これに応動して、図２に示すよう
に第１の切替スイッチ１２をオフに切替設定して制御系
を位置制御モードに設定する。

【００２５】ここで、位置制御部１３には、位置指令値
が加算器１１を介して直接的に入力され、この位置指令
値と上記検出センサ（図示せず）で検出されるロボット
１０の位置／速度値に基づいて位置制御モード駆動信号
を生成してロボット１０の関節を駆動制御し、その位置
指令値に基づいて手先位置を位置制御する。これによ
り、ロボット１０は、位置指令値に基づいて位置制御さ
れて作業対象２０に対する所望の作業を実行する。

【００２６】そして、モード切替制御部１９は、上記モ
ード切替指令部（図示せず）からコンプライアンス制御
モード指令信号が入力されると、これに応動して、図２
に示すように第１の切替スイッチ１２をオンに切替設定
すると共に、第２の切替スイッチ１６をオフに切替制御
して制御系をコンプライアンス制御モードに設定する。

【００２７】ここで、演算部１８は、上記検出センサ
（図示せず）で検出されるロボット１０に加わる力／ト
ルク値に基づいて上述したようにロボット１０の各関節
の力制御座標系のコンプライアンス制御補正値を算出し
て加算器１５を介して座標変換部１４に出力する。

【００２８】座標変換部１４は、入力したコンプライア
ンス制御補正値をロボット１０のアーム基準座標系に座
標変換して第１の切替スイッチ１２を介して加算器１１
に出力する。加算器１１は、コンプライアンス制御補正
値を位置指令値に加算してコンプライアンス制御位置指
令値を生成して位置制御部１３に出力する。

【００２９】ここで、位置制御部１３は、入力したコン
プライアンス制御位置指令値とロボット１０の位置／速
度値に基づいてコンプライアンス制御モード駆動信号を
生成してロボット１０の関節を駆動制御して、外部（作
業対象）から加わる力を緩和するように位置制御を行う
コンプライアンス制御を実行する。これにより、ロボッ
ト１０は、位置指令値に基づいてコンプライアンス制御
されて作業対象２０に加わる力を緩和しつつ所望の作業
を実行する。

【００３０】また、モード切替制御部１９は、上記モー
ド切替指令部（図示せず）からアクティブリンプ制御モ
ード指令信号が入力されると、これに応動して、図２に
示すように第１の切替スイッチ１２をオンに設定すると
共に、第２の切替スイッチ１６をオンに切替制御して、
制御系をアクティブリンプ制御モードに設定する。

【００３１】ここで、演算部１８は、上記検出センサ
（図示せず）からのロボット１０に加わる力／トルク値
に基づいて上述したように力制御座標系のコンプライア
ンス制御補正値を算出して補償演算部１７に出力する。
補償演算部１７は、入力したコンプライアンス制御補正
値を積分補償して積分補償値を算出し、その積分補償値
を第２の切替スイッチ１６を介して加算器１５に出力す
る。同時に、加算器１５には、コンプライアンス制御補
正値が入力され、このコンプライアンス制御補正値と積
分補償値を加算してアクティブリンプ制御補正値を算出
して座標変換部１４に出力する。

【００３２】座標変換部１４は、入力したアクティブリ
ンプ制御補正値をロボット１０のアーム基準座標系に座
標変換して第１の切替スイッチ１２を介して加算器１１
に出力する。加算器１１は、入力したアクティブリンプ
制御補正値と位置指令値とを加算してアクティブリンプ
制御位置指令値を算出して位置制御部１３に出力する。

【００３３】位置制御部１３は、入力したコンプライア
ンス位置指令値と、上記検出センサ（図示せず）からの
ロボット１０の位置／速度値に基づいてコンプライアン
ス制御モード駆動信号を生成してロボット１０の関節を
駆動制御して、作業対象２０から加わる力を「０」とす
る如く、外部からの力に対して逆らわないように位置制
御を行うアクティブリンプ制御を実行する。これによ
り、ロボットは、位置指令値に基づいてアクティブリン
プ制御されて作業対象２０に加わる力を「０」として所
望の作業を実行する。

【００３４】このように、上記ロボット制御装置は、第
１及び第２の切替スイッチ１２，１６の切替制御によ
り、位置指令値とロボット１０の位置／速度値に基づい
てロボット１０を位置制御する位置制御モード、ロボッ
ト１０に加わる力／トルク値より算出されるコンプライ
アンス制御位置指令値と位置／速度値とに基づいてロボ
ットを位置制御するコンプライアンス制御モード、ある
いはコンプライアンス制御位置指令値の積分補償値及び
位置指令値から算出されるアクティブリンプ制御位置指
令値と位置／速度値とに基づてロボットを位置制御する
アクティブリンプ制御モードに選択的に切替設定し得る
ように構成した。

【００３５】これによれば、作業対象２０から加わる力
を緩和するように位置制御を実行するコンプライアンス
制御、あるいは作業対象２０から加わる力を「０」にす
るような、いわゆる作業対象２０からの力に逆らわない
ようにするアクティブリンプ制御を選択することが可能
となることにより、操作上の多様化が図れるため、作業
内容に最適な動作モードを選択することにより、高精度
な動作制御が容易に実現される。

【００３６】したがって、ロボット１０の操作に熟練を
有することなく、高精度なロボット操作が容易に実現さ
れて、位置決め作業を含む高精密な作業内容を安全にし
て、容易に行うことが可能となる。

【００３７】なお、上記実施の形態では、３関節式の多
関節ロボットシステムに適用した場合で説明したが、こ
れに限ることなく、その他、各種のロボットシステムに
おいて適用可能である。

【００３８】また、上記実施の形態では、ロボットシス
テムを宇宙航行体に構築した場合で説明したが、この使
用形態に限るこなく、構成可能であり、いずれの使用形
態においても、略同様の効果が期待される。

【００３９】さらに、上記実施の形態では、第１及び第
２の切替スイッチ１２，１６の二つスイッチをを用いて
動作モードを位置制御モード、コンプライアンス制御モ
ード、あるいはアクティブリンプ制御モードに切替設定
するように構成した場合で説明したが、このモード選択
手段に限ることなく、その他、各種のモード選択手段を
構成することが可能である。よって、この発明は、上記
実施の形態に限ることなく、その他、この発明の要旨を
逸脱しない範囲で種々の変形を実施し得ることは勿論で
ある。

【００４０】

【発明の効果】以上詳述したように、この発明によれ
ば、簡易な構成で、外力の緩和を確実に実現して、高精
密な作業を実現し得るようにしたロボット制御装置を提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施の形態に係るロボット制御装
置を示した図。

【図２】図１のモード切替動作を説明するために示した
図。

【符号の説明】

１０…ロボット。 １１，１５…加算器。 １２，１６…第１及び第２の切替スイッチ。 １３…位置制御部。 １４…座標変換部。 １７…補償演算部。 １８…演算部。 １９…モード切替制御部。 ２０…作業対象。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 位置指令値とロボットの位置／速度値に
   基づいて前記ロボットの関節駆動信号を生成して動作制
   御する位置制御手段と、 ロボットに加わる力／トルク値に基づいて仮想バネマス
   特性を算出してコンプライアンス制御補正値を算出する
   第１の演算手段と、 この第１の演算手段で算出したコンプライアンス制御補
   正値を積分補償して前記ロボットの接触量を可変設定す
   るアクティブリンプ制御補正値を算出する第２の演算手
   段と、 前記第１の演算手段で算出したコンプライアンス制御補
   正値あるいは前記第２の演算手段で算出したアクティブ
   リンプ補正値の一方を選択する第１の選択手段と、 この第１の選択手段で選択した前記第１あるいは第２の
   位置指令補正値を前記ロボットのアーム位置を定める座
   標系に変換して第１あるいは第２の位置指令補正値を算
   出する座標変換手段と、 この座標変換手段で算出した第１あるいは第２の位置指
   令補正値と前記位置指令値に基づいてコンプライアンス
   制御位置指令値あるいはアクティブリンプ制御位置指令
   値を算出して前記位置制御手段に位置指令値として出力
   する第３の演算手段と、 この第３の演算手段に対して前記第１あるいは第２の位
   置指令補正値を選択的に出力して、位置制御モードとコ
   ンプライアンス制御モードあるいはアクティブリンプ制
   御モードを選択する第２の選択手段と、 前記第１及び第２の選択手段を動作制御して位置制御モ
   ード、コンプライアンス制御モードあるいはアクティブ
   リンプ制御モードに切替制御するモード切替手段とを具
   備するロボット制御装置。
2. 【請求項２】 前記座標変換手段は、力制御座標系で算
   出された値をアーム基準座標系に座標変換することを特
   徴とする請求項１記載のロボット制御装置。
3. 【請求項３】 前記ロボットは、宇宙航行体に搭載され
   ることを特徴とする請求項１又は２に記載のロボット制
   御装置。
4. 【請求項４】 前記ロボットは、多関節式であることを
   特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のロボット
   制御装置。