【手続補正書】
【提出日】平成23年8月1日(2011.8.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボットのエンドエフェクタに設けた力センサ情報を基に構成されたインピーダンス制御系の慣性パラメータと粘性パラメータの調整を行うロボット制御システムであって、
パラメータ調整時に設定する前記慣性パラメータと前記粘性パラメータの初期値を算出するパラメータの初期値算出部と、
前記インピーダンス制御系へステップ状の力指令を繰り返し与えることで、前記エンドエフェクタが把持したワークを対象ワークに繰り返し押し当てる力指令印加部と、
押し当ての度に前記力センサからの力フィードバックの時間応答を記録するとともに、前記力フィードバックの時間応答のオーバシュート量と整定時間と振動回数を自動計測する評価基準計測部と、
許容できる前記オーバシュート量の最大値であるオーバシュート量許容値と、許容できる前記整定時間の最大値である整定時間許容値を設定する許容値設定部と、
前記慣性パラメータを固定し、繰り返し押し当てを実行して前記整定時間が最小になるような粘性パラメータを探索する粘性パラメータ探索部と、
前記粘性パラメータ探索部による粘性パラメータ探索の結果、前記評価基準計測部から得られる前記オーバシュート量と前記整定時間を、それぞれの前記許容値と比較することによって探索処理を終了するか、継続するかを判断する終了判断部と、
前記終了判断部がパラメータ調整処理を継続すると判断した場合に、前記慣性パラメータを増減するか、前記オーバシュート量許容値と前記整定時間許容値の少なくとも一方を緩和した後、前記粘性パラメータ探索を再実行する慣性パラメータ調整部と、
を備えたロボット制御システム。
【請求項２】
前記慣性パラメータ調整部は、前記オーバシュート量が前記オーバシュート量許容値以下でかつ前記整定時間が前記整定時間許容値より大きい場合、前記慣性パラメータを減少させて粘性パラメータ探索を再実行し、
前記オーバシュート量が前記オーバシュート量許容値より大きく、かつ前記整定時間が前記整定時間許容値以下の場合、前記慣性パラメータを増加させて粘性パラメータ探索を再実行し、
前記オーバシュート量が前記オーバシュート量許容値より大きく、かつ前記整定時間が前記整定時間許容値より大きい場合、前記オーバシュート量許容値あるいは整定時間許容値の少なくとも一方を緩和して粘性パラメータ探索を再実行する、
ことを特徴とする請求項１に記載のロボット制御システム。
【請求項３】
前記粘性パラメータ探索部は、前記振動回数が予め設定した第１の閾値を上回る場合に前記粘性パラメータを増加させ、予め設定した第２の閾値を下回る場合に前記粘性パラメータを減少させることを特徴とする請求項１または２に記載のロボット制御システム。
【請求項４】
前記粘性パラメータ探索部は、前記振動回数が前記第２の閾値以上で前記第１の閾値以下であるとき、前記整定時間が前回に比べて増加した場合に、前記粘性パラメータの探索方向を反転させるとともに、探索幅を予め設定した比率で減少させ、前記整定時間の前回からの減少量が予め設定した閾値以下になったときに探索処理を終了することを特徴とする請求項３に記載のロボット制御システム。
【請求項５】
前記パラメータ初期値算出部は、前記エンドエフェクタと把持ワークの重さ、前記ロボットの位置制御系の帯域を設定することで、パラメータ調整時に設定する前記慣性パラメータと前記粘性パラメータの初期値を算出することを特徴とする請求項１に記載のロボット制御システム。
【請求項６】
前記評価基準計測部は、前記ステップ状の力指令値を中心に上限および下限を指定した整定範囲に前記力フィードバック応答が収束した時間でもって前記整定時間とすることを特徴とする請求項１に記載のロボット制御システム。
【請求項７】
前記評価基準計測部は、前記力フィードバック応答が前記整定範囲を上回った回数と下回った回数を交互に計測し、その回数の和でもって前記振動回数とすることを特徴とする請求項６に記載のロボット制御システム。
【請求項８】
前記終了判断部は、前記オーバシュート量が前記オーバシュート量許容値以下でかつ前記整定時間が前記整定時間許容値以下の場合のみ探索処理を終了すると判断し、それ以外の場合は探索処理を継続すると判断することを特徴とする請求項１に記載のロボット制御システム。
【請求項９】
ロボットのエンドエフェクタに設けた力センサ情報を基に構成されたインピーダンス制御系の慣性パラメータと粘性パラメータを、前記力センサからの力フィードバックの時間応答を繰り返し測定することによって調整するロボット制御方法であって、
（ｅ）パラメータ調整時に設定する前記慣性パラメータと前記粘性パラメータの初期値算出ステップと、
（ａ）前記力フィードバックの時間応答に関するオーバシュート量許容値（上限）と整定時間許容値（上限）を設定する許容値設定ステップと、
（ｂ）前記慣性パラメータを固定して、前記エンドエフェクタが把持したワークを対象ワークに繰り返し押し当て、前記整定時間が最小になるような前記粘性パラメータを探索する粘性パラメータ探索ステップと
（ｃ）前記粘性パラメータ探索ステップの実行結果によって得られるオーバシュート量と整定時間をそれぞれの前記許容値と比較することによって、探索処理を終了するか、継続するかを判断する終了判断ステップと、
（ｄ）前記終了判断ステップが探索処理を継続すると判断した場合に、慣性パラメータを増減するか、オーバシュート量許容値と整定時間許容値のいずれか一方を緩和した後、前記粘性パラメータ探索ステップを再実行する慣性パラメータ調整ステップと、
を実行するロボットシステムの制御方法。
【請求項１０】
前記慣性パラメータ調整ステップ（ｄ）は、
（ｄ１）慣性パラメータＭの初期値と探索幅ΔＭ、探索方向係数βおよび探索幅ΔＭの減少率εを初期設定するステップと、
（ｄ２）前記粘性パラメータ探索ステップを実行するステップと、
（ｄ３−１）前記オーバシュート量が前記オーバシュート量許容値以下でかつ前記整定時間調整値が整定時間許容値より大きい場合、前記探索方向係数βを−１にし、
（ｄ３−２）前記オーバシュート量が前記オーバシュート量許容値より大きく、かつ前記整定時間が整定時間許容値以下の場合、前記探索方向係数βを１にし、
（ｄ３−３）前記探索係数βの符号が反転した場合は前記探索幅ΔＭに減少率εをかけて値を更新した後、前記慣性パラメータをＭ＝Ｍ＋β×ΔＭにより更新して（ｄ２）に戻るステップと、
（ｄ３−４）前記オーバシュート量が前記オーバシュート量許容値より大きく、かつ前記整定時間が前記整定時間許容値より大きい場合、前記オーバシュート量許容値あるいは前記整定時間許容値の少なくとも一方を再設定して（ｄ２）に戻るステップと、
を実行することを特徴とする請求項９に記載のロボットシステムの制御方法。
【請求項１１】
前記粘性パラメータ探索ステップ（ｂ）は、
（ｂ１）粘性パラメータＤの初期値、粘性パラメータＤの探索幅ΔＤと探索方向係数α、探索幅の減少率γ、整定時間の変化量に関する閾値δＴを初期設定するステップと、
（ｂ２）前記インピーダンス制御系へステップ状の力指令を入り切りすることで、前記エンドエフェクタが把持した前記ワークを前記対象ワークに押し当てて戻すステップと、
（ｂ３）前記押し当て時に前記力フィードバックの時間応答を計測して保存するステップと、
（ｂ４）前記力フィードバックの時間応答の評価値として、時間応答の前記整定時間と前記オーバシュート量および振動回数を計測・保存するステップと、
（ｂ５）前記振動回数が第１の閾値より大きい場合に前記探索方向係数αを１とし、前記振動回数が第２の閾値より小さい場合に前記探索方向係数αを−１とするステップと、
（ｂ６）前記振動回数が第２の閾値以上でかつ第１の閾値以下であり、整定時間が前回に比べて増加した場合、前記探索方向係数αの符号を反転させるとともに、前記探索幅ΔＤに減少率γをかけて探索幅ΔＤを更新するステップと、
（ｂ７）整定時間の前回からの変化量ΔＴが前記閾値δＴより大きい場合、粘性パラメータＤを、Ｄ＝Ｄ＋α×ΔＤにより更新して（ｂ２）に戻るステップと、
（ｂ８）前記ΔＴが前記δＴ以下の場合は、処理を終了するステップと、
を実行することを特徴とする請求項９または１０に記載のロボットシステムの制御方法。
【請求項１２】
前記初期値算出ステップ（ｅ）は、
（ｅ１）エンドエフェクタと把持ワークの重さを設定することで調整時の慣性パラメータＭの初期値とするステップと、
（ｅ２）前記ロボットの位置制御系の帯域ωｃを設定するステップと、
（ｅ３）剛性パラメータＫを前記慣性パラメータＭと前記帯域ωｃから算出するステップと、
（ｅ４）前記インピーダンス制御系の減衰係数ζを設定するステップと、
（ｅ５）粘性パラメータＤを前記慣性パラメータＭと前記剛性パラメータＫと前記減衰係数ζから算出し、調整時の粘性パラメータＤの初期値とするステップと、
を実行することを特徴とする請求項９に記載のロボットシステムの制御方法。
【請求項１３】
前記ステップ（ｂ４）において、前記ステップ状の力指令値を中心に上限および下限を指定した整定範囲に前記力フィードバック応答が収束した時間でもって前記整定時間とすることを特徴とする請求項１０に記載のロボットシステムの制御方法。
【請求項１４】
前記ステップ（ｂ４）において、前記力フィードバック応答が前記整定範囲を上回った回数と下回った回数を交互に計測し、その回数の和でもって前記振動回数とすることを特徴とする請求項１３に記載のロボットシステムの制御方法。
【請求項１５】
前記終了判断ステップ（ｃ）は、前記オーバシュート量が前記オーバシュート量許容値以下でかつ前記整定時間が前記整定時間許容値以下の場合のみ探索処理を終了すると判断し、それ以外の場合は探索処理を継続すると判断することを特徴とする請求項９に記載のロボットシステムの制御方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】発明の名称
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の名称】ロボットシステムおよびロボットシステムの制御方法
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
本発明は、産業用ロボットのエンドエフェクタに設けた力センサ情報に基づくインピーダンス制御のパラメータ調整を行うロボットシステム、およびロボットシステムの制御方法に関する。
インピーダンス制御とは、ロボットの手先に外から力を加えた場合に生じる機械的なインピーダンス（慣性、減衰係数、剛性）を、目的とする作業に都合の良い値に設定するための位置と力の制御手法のことである。
ロボットの手先にバネやダンパなどの機械要素を取り付けて手先のインピーダンスを変更する受動インピーダンス法と、手先の位置、速度、力などの測定値を用いたフィードバック制御でインピーダンスを変更する能動インピーダンス法がある。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、インピーダンス制御の複数のパラメータを個人のスキルに依存することなく、特別な知識を有していなくても、常に最適なパラメータを調整するロボットシステムおよびロボットシステムの制御方法を提供することを目的とする。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
本発明はロボットのエンドエフェクタに設けた力センサ情報を基に構成されたインピーダンス制御系の慣性パラメータと粘性パラメータの調整を行うロボット制御システムであって、
パラメータ調整時に設定する前記慣性パラメータと前記粘性パラメータの初期値を算出するパラメータの初期値算出部と、
前記インピーダンス制御系へステップ状の力指令を繰り返し与えることで、前記エンドエフェクタが把持したワークを対象ワークに繰り返し押し当てる力指令印加部と、
押し当ての度に前記力センサからの力フィードバックの時間応答を記録するとともに、前記力フィードバックの時間応答のオーバシュート量と整定時間と振動回数を自動計測する評価基準計測部と、
許容できる前記オーバシュート量の最大値であるオーバシュート量許容値と、許容できる前記整定時間の最大値である整定時間許容値を設定する許容値設定部と、
前記慣性パラメータを固定し、繰り返し押し当てを実行して前記整定時間が最小になるような粘性パラメータを探索する粘性パラメータ探索部と、
前記粘性パラメータ探索部による粘性パラメータ探索の結果、前記評価基準計測部から得られる前記オーバシュート量と前記整定時間を、それぞれの前記許容値と比較することによって探索処理を終了するか、継続するかを判断する終了判断部と、
前記終了判断部がパラメータ調整処理を継続すると判断した場合に、前記慣性パラメータを増減するか、前記オーバシュート量許容値と前記整定時間許容値の少なくとも一方を緩和した後、前記粘性パラメータ探索を再実行する慣性パラメータ調整部と、
を備えたロボット制御システムとするものである。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
また本発明は、前記慣性パラメータ調整部は、前記オーバシュート量が前記オーバシュート量許容値以下でかつ前記整定時間が前記整定時間許容値より大きい場合、前記慣性パラメータを減少させて粘性パラメータ探索を再実行し、
前記オーバシュート量が前記オーバシュート量許容値より大きく、かつ前記整定時間が前記整定時間許容値以下の場合、前記慣性パラメータを増加させて粘性パラメータ探索を再実行し、前記オーバシュート量が前記オーバシュート量許容値より大きく、かつ前記整定時間が前記整定時間許容値より大きい場合、前記オーバシュート量許容値あるいは整定時間許容値の少なくとも一方を緩和して粘性パラメータ探索を再実行する、ことを特徴とする請求項１に記載のロボット制御システムとするものである。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
また本発明は、前記粘性パラメータ探索部は、前記振動回数が予め設定した第１の閾値を上回る場合に前記粘性パラメータを増加させ、予め設定した第２の閾値を下回る場合に前記粘性パラメータを減少させることを特徴とする請求項１または２に記載のロボット制御システムとするものである。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
また本発明は、前記粘性パラメータ探索部は、前記振動回数が前記第２の閾値以上で前記第１の閾値以下であるとき、前記整定時間が前回に比べて増加した場合に、前記粘性パラメータの探索方向を反転させるとともに、探索幅を予め設定した比率で減少させ、前記整定時間の前回からの減少量が予め設定した閾値以下になったときに探索処理を終了することを特徴とする請求項３に記載のロボット制御システムとするものである。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
また本発明は、前記パラメータ初期値算出部は、前記エンドエフェクタと把持ワークの重さ、前記ロボットの位置制御系の帯域を設定することで、パラメータ調整時に設定する前記慣性パラメータと前記粘性パラメータの初期値を算出することを特徴とする請求項１に記載のロボット制御システムとするものである。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
また本発明は、前記評価基準計測部は、前記ステップ状の力指令値を中心に上限および下限を指定した整定範囲に前記力フィードバック応答が収束した時間でもって前記整定時間とすることを特徴とする請求項１に記載のロボット制御システムとするものである。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
また本発明は、前記評価基準計測部は、前記力フィードバック応答が前記整定範囲を上回った回数と下回った回数を交互に計測し、その回数の和でもって前記振動回数とすることを特徴とする請求項６に記載のロボット制御システムとするものである。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
また本発明は、前記終了判断部は、前記オーバシュート量が前記オーバシュート量許容値以下でかつ前記整定時間が前記整定時間許容値以下の場合のみ探索処理を終了すると判断し、それ以外の場合は探索処理を継続すると判断することを特徴とする請求項１に記載のロボット制御システムとするものである。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
また本発明は、ロボットのエンドエフェクタに設けた力センサ情報を基に構成されたインピーダンス制御系の慣性パラメータと粘性パラメータを、前記力センサからの力フィードバックの時間応答を繰り返し測定することによって調整するロボット制御方法であって、
（ｅ）パラメータ調整時に設定する前記慣性パラメータと前記粘性パラメータの初期値算出ステップと、
（ａ）前記力フィードバックの時間応答に関するオーバシュート量許容値（上限）と整定時間許容値（上限）を設定する許容値設定ステップと、
（ｂ）前記慣性パラメータを固定して、前記エンドエフェクタが把持したワークを対象ワークに繰り返し押し当て、前記整定時間が最小になるような前記粘性パラメータを探索する粘性パラメータ探索ステップと
（ｃ）前記粘性パラメータ探索ステップの実行結果によって得られるオーバシュート量と整定時間をそれぞれの前記許容値と比較することによって、探索処理を終了するか、継続するかを判断する終了判断ステップと、
（ｄ）前記終了判断ステップが探索処理を継続すると判断した場合に、慣性パラメータを増減するか、オーバシュート量許容値と整定時間許容値のいずれか一方を緩和した後、前記粘性パラメータ探索ステップを再実行する慣性パラメータ調整ステップと、
を実行するロボットシステムの制御方法とするものである。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
また本発明は、前記慣性パラメータ調整ステップ（ｄ）は、
（ｄ１）慣性パラメータＭの初期値と探索幅ΔＭ、探索方向係数βおよび探索幅ΔＭの減少率εを初期設定するステップと、
（ｄ２）前記粘性パラメータ探索ステップを実行するステップと、
（ｄ３−１）前記オーバシュート量が前記オーバシュート量許容値以下でかつ前記整定時間調整値が整定時間許容値より大きい場合、前記探索方向係数βを−１にし、
（ｄ３−２）前記オーバシュート量が前記オーバシュート量許容値より大きく、かつ前記整定時間が整定時間許容値以下の場合、前記探索方向係数βを１にし、
（ｄ３−３）前記探索係数βの符号が反転した場合は前記探索幅ΔＭに減少率εをかけて値を更新した後、前記慣性パラメータをＭ＝Ｍ＋β×ΔＭにより更新して（ｄ２）に戻るステップと、
（ｄ３−４）前記オーバシュート量が前記オーバシュート量許容値より大きく、かつ前記整定時間が前記整定時間許容値より大きい場合、前記オーバシュート量許容値あるいは前記整定時間許容値の少なくとも一方を再設定して（ｄ２）に戻るステップと、
を実行することを特徴とする請求項９に記載のロボットシステムの制御方法とするものである。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
また本発明は、前記粘性パラメータ探索ステップ（ｂ）は、
（ｂ１）粘性パラメータＤの初期値、粘性パラメータＤの探索幅ΔＤと探索方向係数α、探索幅の減少率γ、整定時間の変化量に関する閾値δＴを初期設定するステップと、
（ｂ２）前記インピーダンス制御系へステップ状の力指令を入り切りすることで、前記エンドエフェクタが把持した前記ワークを前記対象ワークに押し当てて戻すステップと、
（ｂ３）前記押し当て時に前記力フィードバックの時間応答を計測して保存するステップと、
（ｂ４）前記力フィードバックの時間応答の評価値として、時間応答の前記整定時間と前記オーバシュート量および振動回数を計測・保存するステップと、
（ｂ５）前記振動回数が第１の閾値より大きい場合に前記探索方向係数αを１とし、前記振動回数が第２の閾値より小さい場合に前記探索方向係数αを−１とするステップと、
（ｂ６）前記振動回数が第２の閾値以上でかつ第１の閾値以下であり、整定時間が前回に比べて増加した場合、前記探索方向係数αの符号を反転させるとともに、前記探索幅ΔＤに減少率γをかけて探索幅ΔＤを更新するステップと、
（ｂ７）整定時間の前回からの変化量ΔＴが前記閾値δＴより大きい場合、粘性パラメータＤを、Ｄ＝Ｄ＋α×ΔＤにより更新して（ｂ２）に戻るステップと、
（ｂ８）前記ΔＴが前記δＴ以下の場合は、処理を終了するステップと、
を実行することを特徴とする請求項９または１０に記載のロボットシステムの制御方法とするものである。
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
また本発明は、前記初期値算出ステップ（ｅ）は、
（ｅ１）エンドエフェクタと把持ワークの重さを設定することで調整時の慣性パラメータＭの初期値とするステップと、
（ｅ２）前記ロボットの位置制御系の帯域ωｃを設定するステップと、
（ｅ３）剛性パラメータＫを前記慣性パラメータＭと前記帯域ωｃから算出するステップと、
（ｅ４）前記インピーダンス制御系の減衰係数ζを設定するステップと、
（ｅ５）粘性パラメータＤを前記慣性パラメータＭと前記剛性パラメータＫと前記減衰係数ζから算出し、調整時の粘性パラメータＤの初期値とするステップと、
を実行することを特徴とする請求項９に記載のロボットシステムの制御方法とするものである。
【手続補正１７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
また本発明は、前記ステップ（ｂ４）において、前記ステップ状の力指令値を中心に上限および下限を指定した整定範囲に前記力フィードバック応答が収束した時間でもって前記整定時間とすることを特徴とする請求項１０に記載のロボットシステムの制御方法とするものである。
【手続補正１８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
また本発明は、前記ステップ（ｂ４）において、前記力フィードバック応答が前記整定範囲を上回った回数と下回った回数を交互に計測し、その回数の和でもって前記振動回数とすることを特徴とする請求項１３に記載のロボットシステムの制御方法とするものである。
【手続補正１９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
また本発明は、前記終了判断ステップ（ｃ）は、前記オーバシュート量が前記オーバシュート量許容値以下でかつ前記整定時間が前記整定時間許容値以下の場合のみ探索処理を終了すると判断し、それ以外の場合は探索処理を継続すると判断することを特徴とする請求項９に記載のロボットシステムの制御方法とするものである。
【手続補正２０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４６】
本発明のロボットシステムおよびロボットシステムの制御方法によって、対象作業（組立作業やバリ取り作業など）や対象ワーク（材質）およびロボット（エンドエフェクタ含む）に応じた最適なインピーダンス制御パラメータを調整できる。