(57)【要約】【課題】多関節マニピュレータを備えたロボットにおける制御処理負担を軽減し、ロボットの反応速度や位置決め精度の向上を図る。【解決手段】ロボット制御装置２０は、ロボット１に取り付けた６軸力覚センサ３の検出値に基づいてロボット１を制御する。ロボット制御装置２０には、力覚センサ３の検出値に対し変換ゲインｋ＝０.０１を乗じ「みなし移動速度」を算出する変換ゲイン乗算部２１と、みなし移動速度を積分し、位置次元の力モニタ値ＦＭＶに変換する位置次元変換部２２と、力モニタ値ＦＭＶに基づいてロボット１の動作制御を行うインピーダンス制御部２４と、が設けられている。力覚センサ３から得た値に変換ゲインｋを乗じて「みなし移動速度」とすることにより、加速度から速度に次元を変換するための積分処理が省かれ、従来のシステムに比して積分計算が１回分削減される。【選択図】図２
2020168668.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボットに取り付けた力覚センサの検出値に基づいて、前記ロボットの動作を制御するロボット制御装置であって、
前記力覚センサの検出値に対し所定の変換係数を乗じ、その演算値を前記ロボットのみなし移動速度として出力する変換係数乗算部と、
前記みなし移動速度を積分し、位置次元の力モニタ値に変換して出力する位置次元変換部と、
前記力モニタ値に基づいて、当該ロボットの動作制御を行うインピーダンス制御部と、を有することを特徴とするロボット制御装置。
【請求項２】
請求項１記載のロボット制御装置において、
前記ロボットは、電動モータにて駆動される多関節マニピュレータを備え、
前記力覚センサは、前記多関節マニピュレータに取り付けられ、
該ロボット制御装置はさらに、前記電動モータを駆動するためのモータコントローラを有し、
前記モータコントローラは、前記インピーダンス制御部から出力される位置指令に基づいて、前記モータを制御することを特徴とするロボット制御装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載のロボット制御装置において、
前記変換係数は、前記ロボットの大きさ及び移動量と、前記力覚センサの定格によって設定されることを特徴とするロボット制御装置。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載のロボット制御装置において、
前記変換係数が０.０１であることを特徴とするロボット制御装置。
【請求項５】
ロボットに取り付けた力覚センサの検出値に基づいて、前記ロボットの動作を制御するロボット制御方法であって、
前記力覚センサの検出値に対し所定の変換係数を乗じ、その演算値を前記ロボットのみなし移動速度とし、
該みなし移動速度に基づいて、当該ロボットの動作制御を行うことを特徴とするロボット制御方法。
【請求項６】
請求項５記載のロボット制御方法において、
前記変換係数は、前記ロボットの大きさ及び移動量と、前記力覚センサの定格によって設定されることを特徴とするロボット制御方法。
【請求項７】
請求項５又は６記載のロボット制御方法において、
前記変換係数が０.０１であることを特徴とするロボット制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットの制御技術に関し、特に、多関節マニピュレータを備えたロボットの制御装置・制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、生産現場における部材の組み付けや、実験室での危険物の取り扱いなど、産業・研究分野等において、マニピュレータを備えたロボットが広く使用されている。このようなロボットに用いられるマニピュレータとしては、３軸や６軸の多関節マニピュレータが知られており、そこでは、各軸に配した力覚センサの検出値に基づいて、各関節を駆動するモータがフィードバック制御される。
【０００３】
図３は、従来のロボット制御システムにおける制御処理を示すブロック図であり、そこでは、マニピュレータ先端部に加わる外力に基づいて、マニピュレータの先端位置や関節角度を所望の状態に作動させるインピーダンス制御が実施される。図３のシステムでは、マニピュレータに力が加わると、金属箔歪ゲージ等を用いた６軸力覚センサ５１（以下、力覚センサ５１と略記する）がそれを検知する。力覚センサ５１の検出値は、ロボット制御装置５２に入力される。ロボット制御装置５２では、力覚センサ５１の検出値について、次元を加速度から位置に変換するため、第１・第２積分器５３,５４によって２回積分処理が行われる。積分処理によって位置の次元に変換されたセンサ検出値は、インピーダンス制御部５５に入力される。
【０００４】
一方、当該ロボットには、マニピュレータの各関節を作動させるためのモータ５６が設けられており、ロボット制御装置５２は、モータ５６を制御するモータコントローラ５７を有している。モータコントローラ５７は、インピーダンス制御部５５の位置指令によりモータ５６を制御する。インピーダンス制御部５５は、第２積分器５４からの入力値に基づき、位置指令を補正してモータコントローラ５７に送り、ロボットを所望の状態に作動させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平４−２７３５０２号公報
【特許文献２】特開平５−１１１８８９号公報
【特許文献１】特許第４５８４３５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、図３のような従来の制御システムでは、インピーダンス制御部５５に力覚センサ５１の検出値をフィードバックするには、次元変換のため、前述のように２回の積分処理が必要となる。このため、次元変換に伴う計算量増加によりロボット制御装置５２の処理負担が増大したり、変換処理で生じる時間遅れにより反応速度や位置決め精度が低下したりする、といった課題があった。
【０００７】
本発明の目的は、多関節マニピュレータを備えたロボットにおける制御処理負担を軽減し、ロボットの反応速度や位置決め精度の向上を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のロボット制御装置は、ロボットに取り付けた力覚センサの検出値に基づいて、前記ロボットの動作を制御するロボット制御装置であって、前記力覚センサの検出値に対し所定の変換係数を乗じ、その演算値を前記ロボットのみなし移動速度として出力する変換係数乗算部と、前記みなし移動速度を積分し、位置次元の力モニタ値に変換して出力する位置次元変換部と、前記力モニタ値に基づいて、当該ロボットの動作制御を行うインピーダンス制御部と、を有することを特徴とする。
【０００９】
本発明にあっては、力覚センサの検出値に所定の変換変数を乗じて「みなし移動速度」を得る変換係数乗算部を設ける。みなし移動速度は、位置次元変換部にて積分されて、位置次元の力モニタ値に変換される。そして、インピーダンス制御部は、この力モニタ値に基づいてロボットの動作制御を行う。これにより、加速度から速度に次元を変換するための積分処理が省かれ、従来のシステムに比して積分計算が１回分削減される。
【００１０】
前記ロボット制御装置において、前記ロボットは電動モータにて駆動される多関節マニピュレータを備え、前記力覚センサは前記多関節マニピュレータに取り付けられ、該ロボット制御装置はさらに、前記電動モータを駆動するためのモータコントローラを有し、前記モータコントローラは、前記インピーダンス制御部から出力される位置指令に基づいて、前記モータを制御するようにしても良い。
【００１１】
また、前記変換係数を、前記ロボットの大きさ及び移動量と、前記力覚センサの定格によって設定するようにしても良く、前記変換係数を０.０１に設定しても良い。
【００１２】
一方、本発明のロボット制御方法は、ロボットに取り付けた力覚センサの検出値に基づいて、前記ロボットの動作を制御するロボット制御方法であって、前記力覚センサの検出値に対し所定の変換係数を乗じ、その演算値を前記ロボットのみなし移動速度とし、該みなし移動速度に基づいて、当該ロボットの動作制御を行うことを特徴とする。
【００１３】
本発明にあっては、力覚センサの検出値に所定の変換変数を乗じて「みなし移動速度」を算出し、このみなし移動速度に基づいてロボットの動作制御を行う。これにより、加速度から速度に次元を変換するための積分処理が省かれ、従来のシステムに比して積分計算が１回分削減される。
【００１４】
前記ロボット制御方法において、前記変換係数を、前記ロボットの大きさ及び移動量と、前記力覚センサの定格によって設定するようにしても良く、前記変換係数を０.０１に設定しても良い。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のロボット制御装置によれば、力覚センサの検出値に所定の変換変数を乗じて「みなし移動速度」を算出する変換係数乗算部と、みなし移動速度を積分して位置次元の力モニタ値に変換する位置次元変換部と、力モニタ値に基づいてロボットの動作制御を行うインピーダンス制御部と、を設けたので、加速度から速度に次元を変換するための積分処理を省くことができ、従来のシステムに比して積分計算を１回分削減することが可能となる。このため、制御装置の処理負担を軽減し、１ステップ分の遅れを改善することができ、反応速度や位置決め精度の向上を図ることが可能となる。また、制御装置内の積分器を１つ省くことができ、システムコストの低減を図ることも可能となる。
【００１６】
本発明のロボット制御方法によれば、力覚センサの検出値に所定の変換変数を乗じて「みなし移動速度」を算出し、このみなし移動速度に基づいてロボットの動作制御を行うので、加速度から速度に次元を変換するための積分処理を省くことができ、従来のシステムに比して積分計算を１回分削減することが可能となる。このため、制御装置の処理負担を軽減し、１ステップ分の遅れを改善することができ、反応速度や位置決め精度の向上を図ることが可能となる。また、制御装置内の積分器を１つ省くことができ、システムコストの低減を図ることも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態であるロボット制御装置・制御方法によって駆動される多関節ロボットの一例を示す説明図である。
【図２】本発明の一実施形態であるロボット制御装置を用いたロボット制御システムの構成を示すブロック図である。
【図３】従来のロボット制御システムにおける制御処理を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態であるロボット制御装置・制御方法によって駆動される多関節ロボットの一例を示す説明図である。図１に示すように、多関節ロボット１（以下、ロボット１と略記する）は、電動モータによって駆動される３軸の多関節マニピュレータ１０を備えたロボットであり、例えば、作業者と協働して重い荷物の搬送等を行い、作業者の負担を軽減する。
【００１９】
図１に示すように、ロボット１は、ロボットベース２上にマニピュレータ１０を載置した構成となっている。マニピュレータ１０の先端部には、６軸力覚センサ３（以下、力覚センサ３と略記する）を介してハンドル４が取り付けられている。力覚センサ３は、ハンドル４を持つ作業者の操作力、操作方向（３軸方向の力と３軸回りのトルク）を検出し、ロボット制御装置２０に送信する。ロボット制御装置２０は、力覚センサ３の検出値に基づき、ハンドル４を操作する作業者の動きに追従してロボット１を作動させる。
【００２０】
マニピュレータ１０は、旋回部１１と、下腕部１２、上腕部１３とから構成されている。旋回部１１は、ロボットベース２上に回動自在に配置され、第１モータ１４により、鉛直軸Ｚを中心に矢示Ｐ方向に作動する。下腕部１２は、旋回部１１の上端に、水平軸Ｘ１を中心に回動自在に取り付けられており、第２モータ１５により、矢示Ｑ方向に作動する。上腕部１３は、下腕部１２の上端に、水平軸Ｘ２を中心に回動自在に取り付けられており、第３モータ１６により、矢示Ｒ方向に作動する。
【００２１】
図２は、ロボット制御装置２０を用いたロボット制御システムの構成を示すブロック図である。ロボット制御装置２０は、力覚センサ３の検出値に基づき、作業者の動きを補助するようにマニピュレータ１０を作動させる。図２に示すように、ロボット制御装置２０には、力覚センサ３の検出値に、所定の変換ゲイン（変換係数）ｋを乗じ、この演算値を「みなし移動速度」として出力する変換ゲイン乗算部（変換係数乗算部）２１が設けられている。変換ゲイン乗算部２１の後段には、力覚センサ３の検出値にｋを乗じて得られた変換値（みなし移動速度）を積分し、位置次元の「力モニタ値」とする位置次元変換部２２が設けられている。
【００２２】
変換ゲイン乗算部２１の後段には、逆運動学器２３を備えたインピーダンス制御部２４が設けられている。逆運動学器２３は、マニピュレータ１０の先端位置の目標指令を入力として、第１〜第３モータ１４〜１６の動作に関する目標位置指令を算出し出力する。また、ロボット制御装置２０には、第１〜第３モータ１４〜１６を制御するモータコントローラ２５が設けられている。モータコントローラ２５は、インピーダンス制御部２４からの位置指令に基づき、第１〜第３モータ１４〜１６の角速度や電流値を参照しつつ、各モータ１４〜１６をフィードバック制御する。
【００２３】
このような制御システムでは、次のようにしてロボット１の動作制御が行われる。ここでは、作業者がハンドル４を操作すると、その力Ｆ（大きさと向き）を力覚センサ３が捉え、ロボット制御装置２０に送信する。これを受けたロボット制御装置２０は、まず、変換ゲイン乗算部２１にて、力覚センサ３からの検出値（加速度次元）に、変換ゲインｋ＝０.０１を乗じ、これを「みなし移動速度Ｖ０」とする。ここで、変換ゲインｋは、ｋ＝１とした場合、力覚センサに１［Ｎ］の力が加わると１［ｍ／ｓ］の移動量が発生するゲインとなっている。ただし、ｋ＝１とすると、移動量が多すぎるため、１［Ｎ］の力が加わると１０［ｍｍ／ｓ］の移動量となるように、ロボットの動作条件やサイズ等を考慮してｋ値を導出・調整し、ｋ＝０.０１としている。したがって、変換ゲインｋは、作業動作形態やロボットの移動量によって適宜設定される。
【００２４】
この場合、ｋの値を定めるパラメータとしては、「ロボットの大きさ（動作サイズ）」、「作業量（移動量）」、「力覚センサの定格（分解能）」を使用する。ロボット１では、発明者らの検証により、「ロボットの大きさ：上腕部＋下腕部の長さ７０ｃｍ」、「作業量：２５ｍｍ上がり、３００ｍｍ移動し、２５ｍｍ下がる、または、合計移動距離が８００ｍｍの四角動作（一辺２００ｍｍの正方形形状など）」、「力覚センサの定格（分解能）：Ｆｘ，Ｆｙ定格２００Ｎ、Ｆｚ定格４００Ｎ」の各条件の下で、ｋ＝０.０１を採用している。このようにして、変換ゲイン乗算部２１では、力覚センサ３からの検出値（加速度次元）を、変換ゲインｋ＝０.０１を用いて速度次元に変換し、みなし移動速度Ｖ０を算出する。これにより、従来のシステムにおける積分処理を１つ省いた形で、次元が加速度から速度に変換される。
【００２５】
みなし移動速度Ｖ０は、次元をさらに変換するため、積分器を備えた位置次元変換部２２によって積分処理が行われ、位置次元を有する力モニタ値ＦＭＶに変換される。位置次元変換部２２にて算出された力モニタ値ＦＭＶは、インピーダンス制御部２４に入力される。インピーダンス制御部２４では、第１〜第３モータ１４〜１６の作動量（作動角度）を、各モータ軸に取り付けたエンコーダによりモニタしつつ、逆運動学器２３により、力モニタ値ＦＭＶを用いて、モータコントローラ２５に対する目標位置指令を補正する。すなわち、インピーダンス制御部２４は、ハンドル４に加えられる力に基づいて、ロボット１が作業者の意図する状態となるように目標位置指令を設定する。
【００２６】
補正された目標位置指令は、インピーダンス制御部２４からモータコントローラ２５に送られる。モータコントローラ２５は、受け取った目標位置指令に基づき、第１〜第３モータ１４〜１６をＰＷＭ制御し、ロボット１を所望の状態に作動させる。その際、第１〜第３モータ１４〜１６の動作（角速度、電流）は、図示しないセンサによってモニタされており、モータコントローラ２５は、各センサの検出値に基づいて、各モータ１４〜１６をＰＩＤ制御する。
【００２７】
このように、本発明のロボット制御装置・制御方法では、力覚センサ３からの検出値に所定の変換ゲインｋ（前述の例ではｋ＝０.０１）を乗じて「みなし移動速度」を形成することにより、加速度から速度に次元を変換するための積分処理を省くことができる。このため、従来のシステムに比して積分計算を１回分削減でき、制御装置の処理負担を軽減し、１ステップ分の遅れを改善することが可能となる。したがって、反応速度や位置決め精度の向上を図ることが可能となる。また、制御装置内の積分器を１つ省くことができるため、システムコストの低減も図られる。
【００２８】
本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば、前述の実施形態では、本発明の制御装置・制御方法を、３軸マニピュレータを備えた多関節ロボットに適用した例を示したが、関節軸数は一例であり、本発明は、６軸等のマニピュレータを備えた多関節ロボットにも適用可能である。また、変換ゲインとしてｋ＝０.０１を採用した例を示したが、その値は前述のパラメータに応じて適宜設定可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明によるロボット制御装置・制御方法は、自動車等の組み立てなどに用いられる産業用のロボットや、放射性物質や細菌等を取り扱う実験室用のロボットなどに広く適用可能である。
【符号の説明】
【００３０】
１    多関節ロボット
２    ロボットベース
３    ６軸力覚センサ
４    ハンドル
１０    マニピュレータ
１１    旋回部
１２    下腕部
１３    上腕部
１４    第１モータ
１５    第２モータ
１６    第３モータ
２０    ロボット制御装置
２１    変換ゲイン乗算部（変換係数乗算部）
２２    位置次元変換部
２３    逆運動学器
２４    インピーダンス制御部
２５    モータコントローラ
５１    ６軸力覚センサ
５２    ロボット制御装置
５３    第１積分器
５４    第２積分器
５５    インピーダンス制御部
５６    モータ
５７    モータコントローラ
ｋ      変換ゲイン（変換係数）
Ｖ０     みなし移動速度
ＦＭＶ  力モニタ値
【図１】
2020168668.tif 000003
【図２】
2020168668.tif 000004
【図３】
2020168668.tif 000005