(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ジョイスティックやマスタアームを制御するマスタ制御部と、ロボットを制御するロボット制御部と、前記マスタ制御部とロボット制御部との通信を行う通信部を有する遠隔操縦ロボットの制御装置において、
前記ロボット制御部は関節角度を検出し、関節座標系での角度指令をもとに位置・速度の状態フィードバック制御を行うモータ制御手段を有し、
前記モータ制御手段の位置速度制御部の後段にトルク制限を行う柔軟制御手段と、前記トルク制限の前後のトルク指令値の偏差を監視する手段と、
前記偏差に応じた力覚フィードバック信号を生成する手段とを有し、
前記柔軟制御手段において、各軸のモータの動作指令からモータの加速トルク及び速度を維持するためのトルクを計算し加算した値をトルク制限値としたことを特徴とする、遠隔操縦ロボットの制御装置。
【請求項２】
ジョイスティックやマスタアームを制御するマスタ制御部と、ロボットを制御するロボット制御部と、前記マスタ制御部とロボット制御部との通信を行う通信部を有する遠隔操縦ロボットの制御装置において、
前記ロボット制御部は関節角度を検出し、作業座標系での位置指令をもとに位置・速度の状態フィードバック制御を行うモータ制御手段を有し、
前記モータ制御手段の位置速度制御部の後段に力制限を行う柔軟制御手段と、前記力制限の前後の力指令値の偏差を監視する手段と、
前記偏差に応じた力覚フィードバック信号を生成する手段と、
を有することを特徴とする遠隔操縦ロボットの制御装置。
【請求項３】
前記柔軟制御手段において、各作業座標軸毎に一定の力制限値を設けたことを特徴とする、請求項２記載の遠隔操縦ロボットの制御装置。
【請求項４】
前記柔軟制御手段において、各軸のモータの動作指令からモータの加速トルク及び速度を維持するためのトルクを計算して加算した値を各作業座標系の力に変換し、前記各作業座標系の力を力制限値としたことを特徴とする、請求項２記載の遠隔操縦ロボットの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ロボット等の制御装置に関し、特に遠隔操縦ロボットにおいて力センサレスで操作者に力覚をフィードバックすることができる制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
人間が作業場所に近づくのが危険であったり、あるいは作業が人間にとって肉体的、精神的に負担が大きい場合に、作業場所にロボットを配して、安全・快適な場所で操作者がロボットを遠隔操縦しながら作業を遂行する、いわゆる遠隔操縦ロボットを用いることがある。この場合、操作者はジョイスティックやマスタアームを用いてロボットヘ指令を与えることにより、ロボットを操縦することが多い。この時、組立作業や機器のメンテナンス作業など、ロボットアームが作業対象物と接触しながら作業遂行する場合には、ロボット側に力制御を施したり、また操作者にロボットアーム先端と作業対象物との接触力をフィードバック、すなわち力覚フィードバックを行う。このようにすることで作業対象物を壊すことなく作業遂行でき、また操作者の負担を軽減することが可能となる。力覚フィードバックには力センサを用いる方式と力センサレスの方式がある。力センサを用いる方式は精度のよい力覚フィードバックが可能であるが、信頼性やコストの面から力センサレスで行われることも多い。
【０００３】
ここで、図５に力センサレス方式の従来の遠隔操縦ロボットの全体構成図を示す。図５において、マスタ制御部２はジョイスティック４の情報からロボット５への指令を生成したり、ジョイスティック４のモータ４２を制御する。ロボット制御部１はロボット５の制御を行うものであり、通常各関節位置指令に対して、位置と速度の比例積分制御が行われる。マスタ制御部２とロボット制御部１の間の通信は通信部３で行われる。
【０００４】
ジョイスティック４にはポテンショメータ４１がつけれらており、ジョイスティック４の揺動角が検出可能である。この検出角に応じてロボット５への位置指令が指令生成部２１で生成される。生成された指令は通信部３を経てロボット制御部１へ伝送され、動作指令部１１でロボット５の各軸のモータ５１への指令が再構成され、モータ制御部１２へ払い出される。
【０００５】
また、ロボット５が作業対象物との接触時に、接触状態に応じた信号をマスタ制御部２のモータ制御部２２へ送ることによって、ジョイスティックのモータ４２が駆動され、操作者が力覚を感じることが可能となる。
【０００６】
図６に従来のロボット制御部１のより詳細な構成図を示している。図５中のマスタ制御部２からきた直交座標系の位置指令が関節位置指令生成部１１１に入力され、逆運動学演算を行うことにより、ロボット５の各関節位置指令が生成される。モー夕制御部１２は通常位置と速度の比例積分制御が用いられ、位置速度制御部１２１からアンプ１２２を通してモータ５１ヘ電流指令を出力する。また、座標変換部１１３において、エンコーダ５２及び他軸エンコーダから得られる各関節軸のエンコーダ値から順運動学演算を行うことにより直交座標系の位置フィードバック値が生成される。そして、力覚フィードバック信号生成部（位置偏差監視部）１１２により直交位置指令値とフィードバック値の偏差が計算され、ロボット通信部３１へ送られる。この位置偏差に応じて図５中のマスタ通信部３２を介してジョイスティックのモータ４２を制御する。
【０００７】
特開平８−７１９６０号公報に示されている方法では、モータの負荷をモータの電流値で検出して、その電流値に応じてジョイスティックの操作力にフィードバックしている。
【０００８】
また、ここでは操作装置としてジョイスティックで説明したが、ジョイスティックの代わりにマスタアームを用いることも可能である。特にロボットアームと同じ自由度で同じ関節構成のいわゆる同構造マスタアームの場合はロボット側には順運動学演算をすることなく、対応する各関節の位置偏差を監視することで、マスタアームに力覚フィードバックが可能である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の遠隔操縦ロボットの制御装置においては、位置偏差を用いるため、通信遅れやロボットアームの制御追従遅れ等により位置偏差が増大するために、作業対象物と接触していなくてもロボットの運動によって、誤って力覚をフィードバックするという問題があった。
【００１０】
また、特開平８−７１９６０号公報において、モータの電流値を検出する方法は、電流値に重力やイナーシャ等のロボットの動特性が加わることになるので、実際には定格トルクをオーバーするなどの過負荷検出にしか利用することができず、ジョイスティックによりロボットアームを作業対象物に接触させてその感覚をフィードバックしながら作業を遂行するといったことが困難であった。
【００１１】
従って、この発明の目的は、ジョイスティックやマスタアームを用いて、確実に接触時にのみ力覚をフィードバックし、しかも効率的に接触作業を行うことができる遠隔操縦ロボットの制御装置を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、請求項１記載の遠隔操縦ロボットの制御装置は、ジョイスティックやマスタアームを制御するマスタ制御部と、ロボットを制御するロボット制御部と、前記マスタ制御部とロボット制御部との通信を行う通信部を有する遠隔操縦ロボットの制御装置において、前記ロボット制御部は関節角度を検出し、関節座標系での角度指令をもとに位置・速度の状態フィードバック制御を行うモータ制御手段を有し、前記モータ制御手段の位置速度制御部の後段にトルク制限を行う柔軟制御手段と、前記トルク制限の前後のトルク指令値の偏差を監視する手段と、前記偏差に応じた力覚フィードバック信号を生成する手段とを有し、前記柔軟制御手段において、各軸のモータの動作指令からモータの加速トルク及び速度を維持するためのトルクを計算し加算した値をトルク制限値としたことを特徴とする。
【００１５】
請求項２記載の遠隔操縦ロボットの制御装置は、ジョイスティックやマスタアームを制御するマスタ制御部と、ロボットを制御するロボット制御部と、前記マスタ制御部とロボット制御部との通信を行う通信部を有する遠隔操縦ロボットの制御装置において、前記ロボット制御部は関節角度を検出し、作業座標系での位置指令をもとに位置・速度の状態フィードバック制御を行うモータ制御手段を有し、前記モータ制御手段の位置速度制御部の後段に力制限を行う柔軟制御手段と、前記力制限の前後の力指令値の偏差を監視する手段と、前記偏差に応じた力覚フィードバック信号を生成する手段と、を有する。
【００１６】
請求項３記載の遠隔操縦ロボットの制御装置は、前記柔軟制御手段において、各作業座標軸毎に一定の力制限値を設けたことを特徴とする。
【００１７】
請求項４記載の遠隔操縦ロボットの制御装置は、前記柔軟制御手段において、各軸のモータの動作指令からモータの加速トルク及び速度を維持するためのトルクを計算して加算した値を各作業座標系の力に変換し、前記各作業座標系の力を力制限値としたことを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施形態の遠隔操縦ロボットの制御装置について図１に基づいて説明する。なお、制御装置全体の構成は図５と同等であり、同一構成には同一符号を付し説明は省略、以降の図面においても同様である。図１は本発明によるロボット制御部１の構成を示しており、従来の位置速度制御系に制限値設定部１２４とトルク制限部１２３による柔軟制御手段１２０と、重力補償部１２８と、偏差監視部１２５、力覚フィードバック信号生成部１１３を加えたものである。
【００２０】
ここで各要素の働きを説明する。まずトルク制限部１２３と制限値設定部１２４からなる柔軟制御手段１２０について説明する。
【００２１】
柔軟制御手段１２０は上位の動作指令部１１からの指令により位置速度制御部１２１で生成されたトルク指令をトルク制限部１２３において、制限値設定部１２４で設定した一定のトルク制限値以上にならないように制限を施した上でアンプに出力する。また、図示していないが、位置速度制御部１２１の速度積分の出力をモータの追従動作に必要最小限の値で制限しておく。このようにすることにより、ロボットが対象物と接触して位置偏差や速度偏差が増大することで大きなトルク指令が発生した場合でも、このトルク制限によりトルク指令を小さく制限する事が可能であり、ロボットが作業対象物に倣うように動作させることができる。すなわち、過大なトルクを発生することなく、ロボットアームのどの部分でもロボットと作業対象物間で安定した接触状態を維持することが可能となる。
【００２２】
また、重力補償部１２８により、ロボットアームや先端に取り付けられた作業工具等の自重によつて加わる各軸の重力トルクをロボットの姿勢に応じて演算し、トルク制限部の後段に重力補償トルクを加えることにより、トルク制限値を小さく設定しても、トルク不足でロボットアームが自重で落下するようなことを避けることができる。また、常に重力バランスを保っているので、制限値設定部１２４で設定するトルク制限値は重力分のトルクを考慮する必要がない。従ってトルク制限値を小さく設定することが可能となり、小さな接触力に対して応答できる。
【００２３】
次に偏差監視部１２５と力覚フィードバック信号生成部１１３について説明する。ロボット５が作業対象物に接触し、位置や速度等の制御偏差が増大することにより、位置速度制御部１２１から設定されたトルク制限値を越える大きなトルク指令が発生した場合に、偏差監視部１２５においてトルク制限部１２３への入力トルクと制限値との偏差を計算する。位置速度制御系の発生トルクがトルク制限値を越えない場合は偏差はゼロとする。このトルク偏差をロボットの各関節について計算し、力覚フィードバック信号生成部１１３へ送る。力覚フィードバック信号生成部１１３ではトルク偏差を（式１）によって作業座標系での力偏差に変換する。
【００２４】
【数１】
0004524729.tif 000002
ここでＪ−Ｔはヤコビ行列の転置逆行列であり、τｄは各関節軸のトルク指令とトルク制限値の偏差である。またＦｄは作業座標系での力の偏差であり、このＦｄを作業対象物との接触力とし、不感帯処理やフィルタ処理等を施したあと、図５に示すジョイスティック４への力フィードバック信号としてマスタ制御部２へ通信手段３を用いて伝送する。このようにして接触力を計算することにより、力センサを用いる必要がなく、しかもアームのどの部分が接触していても、接触状態のオペレータへのフィードバックが可能である。
【００２５】
図２（ａ）はトルク制限部１２３の作用を表す図である。位置速度制御部１２１の発生トルク（トルク指令値）がトルク制限値で制限されるため、ロボットアームが作業対象物に対して接触しても柔軟に動作すると同時に、位置速度制御部１２１の発生トルクとトルク制限値との偏差が接触状態に応じて大小変化するので、ロボットを操縦する操作者は接触状態に応じた力覚を感じることが可能となり、スムーズな作業遂行ができる。また、トルク制限値はできるだけ低く設定した方が、より小さな接触力に対して応答することができる。さらにトルク制限値に応じて対象物にかかる最大接触力を変えることが可能であるため、様々な作業に対応できる。
【００２６】
図４にマスタ制御部の構成を示すブロック図を示す。指令生成部２１ではジョイスティック４のポテンショメータ４１の出力を速度に変換し、積分して直交座標系の位置指令を生成する。また、モータ制御部２２ではロボット５からの力覚フィードバック信号とジョイスティック４の操作量からモータ４２へのトルク指令が生成され、電流アンプヘ出力しモータを動作させる。このような制御を行うことにより、ロボット制御部１の力覚フィードバック信号生成部１１３で計算された力の方向と大きさにより、ジョイスティック４の中立点からのバネ定数をモータによって変化させることができるので、ロボット５の先端の接触状態に応じた操作者への力覚呈示が可能となる。また、ジョイスティックから手を離しても、ロボットは一定の接触力を保ったまま静止させることが可能である。
【００２７】
本発明の第２の実施の形態の遠隔操縦ロボットの制御装置について説明する。
第２の実施の形態は、図１に示す柔軟制御手段の制限値設定部１２４で設定するトルク制限値が第１の実施の形態と異なる。第１の実施の形態では、制限値設定部１２４で設定されるトルク制限値は一定値としていた。第２の実施の形態はトルク制限値として（式２）を用いる。
【００２８】
【数２】
0004524729.tif 000003
ここで、τｌｉｍはトルク制限値、ＪＬはロボットアームのイナーシャ値、Ｖは関節の粘性摩擦係数、Ｃはクーロン摩擦係数、Ｗは制限幅値である。イナーシャ値を求める方法としては、（１）代表的な値を用いる、（２）ロボットの姿勢に応じて動力学演算により求める、（３）オブザーバ等パラメータ同定手段を用いる等の方法がある。また、粘性摩擦係数とクーロン摩擦係数は速度と摩擦の関係からあらかじめ求めることができる。このクーロン摩擦と粘性摩擦による速度分のトルクとイナーシャによる加速度分のトルクを加えたものは、位置速度制御部でのトルク指令にほぼ等しい値になる。また、制限幅値Ｗは上記計算の誤差を吸収するために最大トルクの数％程度の適度な値を設定しておく。
【００２９】
上記計算結果により、図２（ｂ）に示しているように、ロボットへの運動指令に応じた最小のトルク制限値が計算できる。通常の動作でロボットが運動する際、位置速度制御部での状態フィードバックループにより上記速度分と加速度分のトルクが発生するが，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押されたり、軌道を外れたりするため、大きな位置や速度の制御偏差が発生することになる。従って、その時のトルク指令は上記制限値設定部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。このとき、トルク制限値はロボットへの運動指令に対して逐次最小に設定されているため、より小さな接触力で力覚フィードバックが可能となる。また接触力を大きくしたい場合は制限幅値Ｗを大きくすればよい。
【００３０】
本発明の第３の実施の形態の遠隔操縦ロボットの制御装置について、図３に基づいて説明する。第１、第２の実施の形態が関節座標系の位置速度制御系を基本としているのに対して、図３は作業座標系での位置速度制御系を基本としている。そして第１の実施形態と同じように力制限値設定部１２４と力制限部１２３による柔軟制御手段１２０と、偏差監視部１２５、力覚フィードバック信号生成部１１３を加えたものである。
【００３１】
作業座標系の位置速度制御系は次のように構成される。すなわち順運動学演算部１２７において、モータ５１のエンコーダ５２で計測された関節角度フィードバックからロボット５のエンドエフェクタの位置を求める順運動学演算の解を求め、その解である位置フィードバックと作業座標系の位置指令をもとに、作業座標系での位置速度制御系が構成される。作業座標系での位置速度制御部１２１の力指令値は、力制限部１２３において制限値設定部１２４で設定した力制限値以上にならないように制限を施した上で、力−トルク変換演算部１２６によって各軸のトルクヘ変換され、各軸のアンプヘ出力される。このように作業座標系で位置速度制御系を組むことにより、作業座標系に基づいた柔軟制御手段１２０が実現できる。これにより、例えばＸ方向には柔らかく、Ｙ、Ｚ方向には硬くと言ったように作業座標系での柔軟性の設定が可能となる。
【００３２】
偏差監視部１２５では位置速度制御部１２１の力指令値と制限値設定部１２４で設定した力制限値との偏差を計算する。力制限値を越えない場合は偏差をゼロとする。力覚フィードバック信号生成部１１３ではその偏差を不感帯処理やフィルタ処理等を施したあと、ジョイスティック４への力覚フィードバック信号とし、マスタ制御部２側へ送る。このように作業座標系で位置速度制御系を構成し力制限することにより、力偏差も作業座標系のまま出力されるため、関節座標系でのトルク制限による力覚フィードバックよりも、より作業座標系に忠実な力覚フィードバックが可能となる。
【００３３】
さらに、本発明の第４の実施の形態としては、図３の柔軟制御手段の制限値設定部の力制限値を（式３）の値を用いる。
【００３４】
【数３】
0004524729.tif 000004
ここで、Ｆｌｉｍはトルク制限値、ＪＬはロボットアームのイナーシャ値、Ｖは関節の粘性摩擦係数、Ｃはクーロン摩擦係数、Ｗは力制限幅値である。またＪ−Ｔはヤコビ行列の転置逆行列である。これにより、力制限値はロボットへの運動指令に対して逐次最小に設定できるため、より小さな接触力でも力覚フィードバックが可能となる。接触力を大きくしたい場合は力制限値幅Ｗを大きく設定すればよい。
【００３５】
以上は操作器としてジョイスティックを前提に説明したが、アクチュエータ付きのマスタアームでも同様に力覚フィードバックが可能である。このときマスタ制御部に送られてきた力覚フィードバック信号をマスタアームの構造に基づいて計算されたヤコビ行列によってマスタアームの各関節アクチュエータへのトルクとして分配することにより、ロボットと同構造でない異構造のマスタアームでも力センサレスで力覚フィードバックが可能となる。
【００３６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の請求項１から４によれば、遠隔操縦ロボットの制御装置において、位置速度制御系の位置偏差には直接関係なくトルク指令とトルク制限値、または力指令と力制限値との偏差の大きさに応じて力覚フィードバック信号が生成されるため、通信遅れや制御追従遅れ等による誤った力覚フィードバックがなく、確実に力覚フィードバックが成されるため、作業がスムーズに行える。
【００３７】
またこれらと同時に、トルク制限部や力制限部を設けることによって、ロボットアームが作業対象物に接触した場合でも柔軟に倣ったり、ジョイスティックから手を離しても一定の接触力で静止させることもできるため、ロボットの安全性が向上するとともに操作者の作業負担を軽減できるという効果がある。
【００３８】
また、請求項１および４によれば、ロボットの運動指令に対して最小のトルク制限値または力制限値が設定可能なので、より小さな接触力に対して応答が可能となる。
【００３９】
また、請求項２から４によれば、接触時に作業座標系での力指令の偏差が計算されるので、より作業座標系に忠実な力覚フィードバックが行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施の形態の構成を示すブロック図。
【図２】  本発明の第１の実施の形態の作用を示す図。
【図３】  本発明の第２の実施の形態の構成を示すブロック図。
【図４】  本発明のマスタ制御部の構成を示すブロック図。
【図５】  従来の遠隔操縦ロボットの全体構成を示すブロック図。
【図６】  従来のロボット制御部の構成を示すブロック図。
【符号の説明】
１：ロボット制御部
２：マスタ制御部
３：通信部
４：ジョイスチック
５：ロボット
１１：動作司令部
１２：モータ制御部
２１：指令生成部
２２：モータ制御部
１１３：力覚フィードバック信号生成部
１２０：柔軟制御手段
１２３：トルク制限部
１２４：制限値設定部
１２５：偏差監視部
１２８：重力補償部
【図１】
0004524729.tif 000005
【図２】
0004524729.tif 000006
【図３】
0004524729.tif 000007
【図４】
0004524729.tif 000008
【図５】
0004524729.tif 000009
【図６】
0004524729.tif 000010