JPH1142578A - ロボットの制御方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は力センサを用いずに、ロボットマニ
ピュレータ（以下、マニピュレータという）に外力が加
わったときに、追従性良く、微小な外力に対してコンプ
ライアンス動作（以下、該動作という）ができるように
制御することを目的とする。 【解決手段】 マニピュレータを駆動するサーボモータ
１〜１Ｎと、サーボモータ１〜１Ｎを駆動する電流を検
出するモータ電流検出器２〜２Ｎと、サーボモータ１〜
１Ｎの回転速度を検出するモータ回転速度検出器５〜５
Ｎと、モータ回転速度とモータ電流からマニピュレータ
にかかった外乱負荷トルクを検出する外乱負荷検出器６
〜６Ｎと、該動作指令値にフィードフォワードゲインを
掛けてフィードフォワード速度指令値を算出するフィー
ドフォワード補償器１０と、マニピュレータが停止して
いるときに微小初期トルクを検出された外乱負荷トルク
に付加し該動作指令値を演算する力演算器１３を備えた
構成とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ロボットマニピュ
レータをサーボモータで駆動し、ロボットのエンドエフ
ェクタにかかった外力に対し柔軟に逃げる動作、すなわ
ちコンプライアンス動作を行うためのロボットの制御方
法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、力センサを用いないで、ロボット
マニピュレータに外力が加わったときに、外力に追従し
てマニピュレータを動作させコンプライアンス動作を行
うロボットの制御装置（特開平６−３９７６０号）が知
られている。

【０００３】この従来例は、ロボットマニピュレータに
外力が加わったときに、停止時に比べて増加したモータ
電流指令値に応じて位置変化分として位置指令値に加算
し、ロボットマニピュレータを動作させることで、ロボ
ット先端に力センサ等を設置せず、外力に追従してコン
プライアンス動作ができるものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来例
は、停止時に比べて増加したモータ電流指令値に応じて
位置変化分として位置指令値に加算しているため、特に
位置追従性の悪い垂直多関節ロボットでは外力に対する
追従性が悪く、また、ロボットが停止しているときは減
速機等の静摩擦が大きく、マニピュレータにかかる外力
が微小なときはモータ電流が変化せず外力に対応したコ
ンプライアンス動作ができないという問題点があった。

【０００５】本発明は、上記従来の問題点を解決するも
ので、力センサを用いずロボットマニピュレータに外力
が加わったときに柔軟に逃げる動作、すなわちコンプラ
イアンス動作を行うロボットにおいて、外力に対する追
従性を良くし、マニピュレータにかかる外力が微小なと
きでも外力に対応してコンプライアンス動作ができるロ
ボットの制御方法および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】この目的を達成するため
に本発明の第１手段は、ロボットマニピュレータを駆動
するサーボモータのモータ電流値を検出し、前記サーボ
モータのモータ回転速度を検出し、前記モータ電流値と
前記モータ回転速度からロボットマニピュレータにかか
った外乱負荷トルクを検出し、検出した外乱負荷トルク
からコンプライアンス動作指令値を演算し位置制御器に
出力し、前記コンプライアンス動作指令値からコンプラ
イアンス速度指令値を算出し速度制御器に出力すること
でフィードフォワード補償演算を行い、コンプライアン
ス動作を行うことを特徴とするロボットの制御方法であ
る。

【０００７】また、本発明の第２手段は、第１手段のフ
ィードフォワード補償演算において、コンプライアンス
動作指令値にロボットプログラムで設定されたフィード
フォワードゲインを掛けてコンプライアンス速度指令値
を算出しフィードフォワード補償する方法としたもので
ある。

【０００８】つぎに、本発明の第３手段は、ロボットマ
ニピュレータのサーボモータを駆動するモータ電流値を
検出し、前記サーボモータのモータ回転速度を検出し、
前記モータ電流値と前記モータ回転速度からロボットマ
ニピュレータにかかった外乱負荷トルクを検出し、ロボ
ットマニピュレータが停止しているときに微小初期トル
クを検出された外乱負荷トルクに付加しコンプライアン
ス動作指令値を演算し、コンプライアンス動作を行うこ
とを特徴とするロボットの制御方法である。

【０００９】つぎに、本発明の第４手段は、第３手段の
微小初期トルクの値が、ロボットプログラムによって設
定され、コンプライアンス動作指令値を演算する方法と
したものである。

【００１０】つぎに、本発明の第５手段は、第３手段の
微小初期トルクの符号が、ロボットプログラムによって
設定され、コンプライアンス動作指令値を演算する方法
としたものである。

【００１１】つぎに、本発明の第６手段は、ロボットマ
ニピュレータを駆動するサーボモータと、前記サーボモ
ータを駆動する電流を検出するモータ電流検出器と、前
記サーボモータの回転速度を検出するモータ回転速度検
出器と、前記モータ回転速度とモータ電流からロボット
マニピュレータにかかった外乱負荷トルクを検出する外
乱検出器と、前記サーボモータの位置を制御する位置制
御器と、前記サーボモータの速度を制御する速度制御器
と、検出された外乱負荷トルクからコンプライアンス動
作指令値を演算し位置制御器に出力する力演算器と、前
記コンプライアンス動作指令値からコンプライアンス速
度指令値を算出し速度制御器に出力するフィードフォワ
ード補償器を備えたものである。

【００１２】つぎに、本発明の第７手段は、第６手段の
フィードフォワード補償器が、コンプライアンス動作指
令値にロボットプログラムで設定されたフィードフォワ
ードゲインを掛けてコンプライアンス速度指令値を演算
する構成としたものである。

【００１３】つぎに、本発明の第８手段は、ロボットマ
ニピュレータを駆動するサーボモータと、前記サーボモ
ータを駆動する電流を検出するモータ電流検出器と、前
記サーボモータの回転速度を検出するモータ回転速度検
出器と、前記モータ回転速度とモータ電流からロボット
マニピュレータにかかった外乱負荷トルクを検出する外
乱検出器と、ロボットマニピュレータが停止していると
きに微小初期トルクを検出された外乱負荷トルクに付加
しコンプライアンス動作指令値を演算する力演算器を備
えたものである。

【００１４】つぎに、本発明の第９手段は、第８手段の
力演算器が、ロボットプログラムによって微小初期トル
クの値を設定しコンプライアンス動作指令値を演算する
構成としたものである。

【００１５】つぎに、本発明の第１０手段は、第８手段
の力演算器が、ロボットプログラムによって微小初期ト
ルクの符号を設定しコンプライアンス動作指令値を演算
する構成としたものである。

【００１６】

【発明の実施の形態】上記手段により、本発明の第１手
段による方法とその方法を用いるための第６手段の装置
によれば、力センサを用いずロボットマニピュレータに
外力が加わったときに、外力に対する追従性が良いコン
プライアンス動作を行う作用を有する。

【００１７】さらに、本発明の第２手段による方法とそ
の方法を用いるための第７手段の装置によれば、力セン
サを用いずロボットマニピュレータに外力が加わったと
きに、外力に対する追従性をロボットプログラムで変更
して、外力に対する追従性が良いコンプライアンス動作
を行う作用を有する。

【００１８】さらに、本発明の第３手段による方法とそ
の方法を用いるための第８手段の装置によれば、マニピ
ュレータにかかる外力が微小なときでも外力に対応して
コンプライアンス動作ができる作用を有する。

【００１９】さらに、本発明の第４手段による方法とそ
の方法を用いるための第９手段の装置によれば、微小初
期トルクの値をロボットプログラムで設定し、マニピュ
レータにかかる外力が微小なときでも外力に対応してコ
ンプライアンス動作ができる作用を有する。

【００２０】さらに、本発明の第５手段による方法とそ
の方法を用いるための第１０手段の装置によれば、微小
初期トルクの符号をロボットプログラムで設定し、マニ
ピュレータにかかる外力が微小なときでも外力に対応し
てコンプライアンス動作ができる作用を有する。

【００２１】以下、本発明の一実施の形態について図１
ないし図３を参照しながら説明する。

【００２２】図１に示すように本実施の形態は、ロボッ
トマニピュレータを駆動するサーボモータ１ないし１Ｎ
と、サーボモータ１ないし１Ｎを駆動する電流を検出す
るモータ電流検出器２ないし２Ｎとを備えており、サー
ボ装置３ないし３Ｎ内に、ロータリエンコーダ４ないし
４Ｎの信号からサーボモータ１ないし１Ｎの回転速度を
検出するモータ回転速度検出器５ないし５Ｎと、モータ
回転速度とモータ電流からロボットマニピュレータにか
かった外乱負荷トルクを検出する外乱検出器６ないし６
Ｎと、コンプライアンス指令値にフィードフォワードゲ
インを掛けてフィードフォワード速度指令値を算出する
フィードフォワード補償器１０と、サーボモータ１の位
置を制御する位置制御器９と、サーボモータ１の速度を
制御する速度制御器８と、サーボモータ１の電流を制御
し駆動するサーボアンプ７とを備えており、演算装置１
４内に、通常のプレイバック動作等の動作量である通常
動作指令値Ｒ１ないしＲＮを演算する通常動作演算器１
２と、ロボットプログラムから指示され微小トルクの値
と符号を発生する初期トルク指令器１１と、外乱検出器
６ないし６Ｎが検出した外乱負荷トルクと微小初期トル
クからコンプライアンス動作指令値を算出する力制御演
算器１３とを備えており、ロボットマニピュレータに外
乱負荷トルクＴ１ないしＴＮがかかったときに、演算装
置７は検出された外乱負荷トルクＴ１ないしＴＮからコ
ンプライアンス動作指令値Ｓ１ないしＳＮを算出し、ロ
ボットマニピュレータを外乱負荷トルクＴ１ないしＴＮ
から逃げる方向に動作させるように構成されている。

【００２３】位置制御器９は通常動作指令値Ｒ１ないし
ＲＮとコンプライアンス動作指令値Ｓ１ないしＳＮの和
からロータリーエンコーダ４から出力された動作量を引
き、位置ループゲインを掛けて速度指令値を演算し、速
度制御器８へ送る。速度制御器８はフィードフォワード
補償器１０が算出したフィードフォワード速度指令値と
位置制御器８が算出した速度指令値の和から実速度（ロ
ータリーエンコーダ４から出力された動作量の時間差分
値から算出）を引き速度ループゲインを掛けて電流指令
値を算出し、サーボアンプ７へ送る。サーボアンプ７は
速度制御器７が算出した電流指令値とモータ電流検出器
２から送られたモータ電流値からモータ電流を制御し、
サーボモータ１を制御する。

【００２４】ロボットは通常複数のＮ軸のマニピュレー
タから構成されているので、サーボモータ１ないし１Ｎ
とロータリエンコーダ４ないし４Ｎとサーボ装置３ない
し３ＮはＮ軸分必要となる。

【００２５】外乱検出器６はモータ電流からモータ回転
速度の時間微分値に負荷イナーシャを掛けたものをひい
て外乱負荷トルクＴ１ないしはＴＮを算出している。

【００２６】そして、フィードフォワード補償器１０の
動作を説明する図を図２に示す。図２は位置指令値がス
テップ状に与えられたときの速度指令値の特性である。
通常垂直関節型ロボットの場合関節構造の剛性があまり
高くないので、位置ループゲインが１５〜２０［１／
Ｓ］に設定して有り、そのためフィードフォワード補償
が無い場合は図２のように速度指令値は１００ｍｓｅｃ
以上遅れてしまい、位置追従性が悪くなる。これに対し
フィードフォワード補償を入れた時（フィードフォワー
ドゲイン約４０％）はかなり遅れが解消されて位置指令
値に近づき、位置追従性が良くなる。ただしフィードフ
ォワードゲインを高く設定しすぎるとハンチング気味に
なる。垂直関節型ロボットで関節構造の剛性があまり高
くない場合に、通常動作の位置指令値にフィードフォワ
ード補償を入れると高速動作時にハンチング気味になり
やすいので、速度が高くならないコンプライアンス動作
にのみフィードフォワード補償をいれてコンプライアン
ス動作の位置追従性を改善できる。またこのときのフィ
ードフォワードゲインの設定をロボットプログラムで変
更できるようにすると、外力に対する追従性を容易に変
更できる。

【００２７】微小初期トルク付加法を説明する図を図３
に示す。図３は一般的な垂直多関節型ロボットマニピュ
レータで、第１軸は旋回軸で図の矢印の方向に動作す
る。たとえば図３の外力の方向に外部からマニピュレー
タに外力がかかると、第１軸には図３の負荷がかかる方
向に外力負荷トルクがかかるが、外力が微小なときは、
第１軸の減速機などに静摩擦があるため、外部負荷トル
クがこの静摩擦に打ち勝つまでは、コンプライアンス動
作しない。ロボットマニピュレータの大きさや構造でか
わってくるが、動作させるためには最大トルクの約２％
以上の外乱負荷トルクが必要である。前もって外乱がか
かる方向がわかっている場合で、ロボットが停止してい
るとき、図３では負荷がかる方向に、微小初期トルクを
かけておく。これは静摩擦に打ち勝たない程度の大きさ
とする。（静摩擦以上かけてしまうと、外力がかかって
いないのにロボットが動作してしまう。）たとえば静摩
擦に打ち勝つには最大トルクの２％が必要な場合には、
微小初期トルク１．５％を負荷がかかる方向にかけてお
く。するとロボットマニピュレータに外力がかかり、第
１軸に０．５％以上の外乱負荷トルクが発生するとコン
プライアンス動作が可能となり、微小初期トルクをかけ
ない時に対して４分の１の微小な外力に対応してコンプ
ライアンス動作が可能となる。ただし、静摩擦はロボッ
トの姿勢や減速機の状態で変化しやすいので、微小初期
トルクの値設定には注意が必要である。また、外力の方
向が微小初期トルクのかけた方向と逆にかかった場合
は、微小初期トルクをかけない時より大きな外力が必要
となる。また、微小初期トルクをかける方向と値をロボ
ットプログラムで設定可能とすれば、静摩擦が異なる場
合や、外力のかかる方向が異なる場合などには、容易に
変更でき、コンプライアンス動作できる。

【００２８】

【発明の効果】以上のように本発明の第１手段による方
法とその方法を用いるための第６手段の装置によれば、
ロボットマニピュレータを駆動するサーボモータと、サ
ーボモータを駆動する電流を検出するモータ電流検出器
と、サーボモータの回転速度を検出するモータ回転速度
検出器と、モータ回転速度とモータ電流からロボットマ
ニピュレータにかかった外乱負荷トルクを検出する外乱
検出器と、サーボモータの位置を制御する位置制御器
と、サーボモータの速度を制御する速度制御器と、検出
された外乱負荷トルクからコンプライアンス動作指令値
を演算し位置制御器に出力する力演算器と、コンプライ
アンス動作指令値からコンプライアンス速度指令値を算
出し速度制御器に出力するフィードフォワード補償器を
備えたことにより、力センサを用いずロボットマニピュ
レータに外力が加わったときに、追従性が良くスムーズ
にコンプライアンス動作することができるという優れた
効果を奏するものである。

【００２９】また、本発明の第２手段による方法とその
方法を用いるための第７手段の装置によれば、前記第１
手段のフィードフォワード補償器が、コンプライアンス
動作指令値にロボットプログラムで設定されたフィード
フォワードゲインを掛けてコンプライアンス速度指令値
を演算する構成としたことにより、外力に対する追従性
をロボットプログラムで容易に変更して追従性が良くス
ムーズにコンプライアンス動作することができるという
優れた効果を奏するものである。

【００３０】また、本発明の第３手段による方法とその
方法を用いるための第８手段の装置によれば、ロボット
マニピュレータを駆動するサーボモータと、サーボモー
タを駆動する電流を検出するモータ電流検出器と、サー
ボモータの回転速度を検出するモータ回転速度検出器
と、モータ回転速度とモータ電流からロボットマニピュ
レータにかかった外乱負荷トルクを検出する外乱検出器
と、ロボットマニピュレータが停止しているときに微小
初期トルクを検出された外乱負荷トルクに付加しコンプ
ライアンス動作指令値を演算する力演算器を備えたこと
により、力センサを用いずロボットマニピュレータに微
小な外力が加わったときにでも、外力に対応してコンプ
ライアンス動作ができるという優れた効果を奏するもの
である。

【００３１】また、本発明の第４手段による方法とその
方法を用いるための第９手段の装置によれば、前記第３
手段の微小初期トルクの値が、ロボットプログラムによ
って設定され、コンプライアンス動作指令値を演算する
方法とする構成としたことにより、微小初期トルクの値
をロボットプログラムで容易に変更して、微小な外力に
対してコンプライアンス動作することができるという優
れた効果を奏するものである。

【００３２】また、本発明の第５手段による方法とその
方法を用いるための第１０手段の装置によれば、前記第
３手段の微小初期トルクの符号が、ロボットプログラム
によって設定され、コンプライアンス動作指令値を演算
する方法とする構成としたことにより、微小初期トルク
の符号をロボットプログラムで容易に変更して、指定し
た符号の方向の微小な外力に対してコンプライアンス動
作することができるという優れた効果を奏するものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態におけるロボットの制御
装置のブロック図

【図２】同実施の形態において、位置指令値がステップ
状に与えられたときの速度指令値の特性図

【図３】同実施の形態において、微小初期トルク付加法
を説明する図

【符号の説明】

１ないし１Ｎ サーボモータ ２ないし２Ｎ モータ電流検出器 ５ないし５Ｎ モータ回転速度検出器 ６ないし６Ｎ 外乱検出器 ８ 速度制御器 ９ 位置制御器 １０ フィードフォワード補償器 １３ 力制御演算器 Ｓ１ないしＳＮ コンプライアンス動作指令値 Ｔ１ないしＴＮ 外乱負荷トルク

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ロボットマニピュレータを駆動するサー
   ボモータのモータ電流値を検出し、前記サーボモータの
   回転速度を検出し、前記モータ電流値と前記モータ回転
   速度からロボットマニピュレータにかかった外乱負荷ト
   ルクを検出し、検出した外乱負荷トルクからコンプライ
   アンス動作指令値を演算し位置制御器に出力し、前記コ
   ンプライアンス動作指令値からコンプライアンス速度指
   令値を算出し速度制御器に出力することでフィードフォ
   ワード補償を行い、コンプライアンス動作を行うことを
   特徴とするロボットの制御方法。
2. 【請求項２】 コンプライアンス動作指令値にロボット
   プログラムで設定されたフィードフォワードゲインを掛
   けてコンプライアンス速度指令値を算出しフィードフォ
   ワード補償することを特徴とする請求項１記載のロボッ
   トの制御方法。
3. 【請求項３】 ロボットマニピュレータを駆動するサー
   ボモータのモータ電流値を検出し、前記サーボモータの
   回転速度を検出し、前記モータ電流値と前記モータ回転
   速度からロボットマニピュレータにかかった外乱負荷ト
   ルクを検出し、ロボットマニピュレータが停止している
   ときに微小初期トルクを検出された外乱負荷トルクに付
   加しコンプライアンス動作指令値を演算し、コンプライ
   アンス動作を行うことを特徴とするロボットの制御方
   法。
4. 【請求項４】 ロボットプログラムによって微小初期ト
   ルクの値を設定しコンプライアンス動作指令値を演算す
   ることを特徴とする請求項３記載のロボットの制御方
   法。
5. 【請求項５】 ロボットプログラムによって微小初期ト
   ルクの符号を設定しコンプライアンス動作指令値を演算
   することを特徴とする請求項３記載のロボットの制御方
   法。
6. 【請求項６】 ロボットマニピュレータを駆動するサー
   ボモータと、前記サーボモータを駆動する電流を検出す
   るモータ電流検出器と、前記サーボモータの回転速度を
   検出するモータ回転速度検出器と、前記モータ回転速度
   とモータ電流からロボットマニピュレータにかかった外
   乱負荷トルクを検出する外乱検出器と、前記サーボモー
   タの位置を制御する位置制御器と、前記サーボモータの
   速度を制御する速度制御器と、検出された外乱負荷トル
   クからコンプライアンス動作指令値を演算し位置制御器
   に出力する力演算器と、前記コンプライアンス動作指令
   値からコンプライアンス速度指令値を算出し速度制御器
   に出力するフィードフォワード補償器を備え、コンプラ
   イアンス動作を行うロボットの制御装置。
7. 【請求項７】 フィードフォワード補償器は、コンプラ
   イアンス動作指令値にロボットプログラムで設定された
   フィードフォワードゲインを掛けてコンプライアンス速
   度指令値を演算する構成とした請求項６記載のロボット
   の制御装置。
8. 【請求項８】 ロボットマニピュレータを駆動するサー
   ボモータと、前記サーボモータを駆動する電流を検出す
   るモータ電流検出器と、前記サーボモータの回転速度を
   検出するモータ回転速度検出器と、前記モータ回転速度
   とモータ電流からロボットマニピュレータにかかった外
   乱負荷トルクを検出する外乱検出器と、ロボットマニピ
   ュレータが停止しているときに微小初期トルクを検出さ
   れた外乱負荷トルクに付加しコンプライアンス動作指令
   値を演算する力演算器を備え、コンプライアンス動作を
   行うロボットの制御装置。
9. 【請求項９】 力演算器は、ロボットプログラムによっ
   て微小初期トルクの値を設定しコンプライアンス動作指
   令値を演算する構成とした請求項８記載のロボットの制
   御装置。
10. 【請求項１０】 力演算器は、ロボットプログラムによ
    って微小初期トルクの符号を設定しコンプライアンス動
    作指令値を演算する構成とした請求項８記載のロボット
    の制御装置。