【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ロボット・アームとコンプライアンス機構部で接続されたロボット・ハンドとをコンプライアンス制御する際の制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図３は、コンプライアンス機構部の概略を示したものである。 ロボット・アーム１とロボット・
ハンド２との間のコンプライアンス機構部３は、ロボット・ハンド２を力制御あるいはコンプライアンス制御する際、剛体と接触したときでも制御系が不安定にならないようにするために設けられたもので、これにより安定した力制御とコンプライアンス制御とが行えるようになっている。

【０００３】コンプライアンス機構部３は、ばね要素４
とダンパ要素５と変位センサ６とから構成されている。
変位センサ６は、ロボット・アーム１とロボット・ハンド２との相対変位、すなわちばね要素４の伸縮量を検出するためのもので、その信号は、位置制御の際にはロボット・アーム１とロボット・ハンド２との位置ずれ信号として、力制御あるいはコンプライアンス制御の際にはロボット・ハンド２に加わる力信号として用いられている。

【０００４】はめあい作業やばり取り作業などをコンプライアンス制御を用いて行う場合、コンプライアンスを大きくすることが望まれ、そのため従来は図４に示すようなコンプライアンス制御装置を用いていた。 以下、図４を用いて従来のコンプライアンス制御装置を説明する。

【０００５】図４は、従来の位置ベース形コンプライアンス制御装置のブロック線図である。 位置ベース形コンプライアンス制御装置では、検出した力と設定したコンプライアンスとから位置指令値の変更量を算出し、これを位置指令値にフィードバックすることにより、コンプライアンス動作を実現している。

【０００６】位置指令値１１から、ロボット・アームの位置２０と、ロボット・アームとロボット・ハンドとの相対変位（出力２４）を補償するための位置指令値変更量（出力２６）とが加減算され、位置偏差１２となり、
さらにコンプライアンス動作のための位置指令値変更量（出力３２）が減算され、位置偏差１３を得る。 位置偏差１３は、比例補償器１４に入力され、速度指令値１５
となり、速度制御系１７に入力され、ロボット・アームの速度１８を得る。 ロボット・アームの速度１８は、積分器１９を通り、ロボット・アームの位置２０を得る。

【０００７】ロボット・アームとロボット・ハンドとの相対変位、すなわち変位センサ２３の出力２４は、ロー・パス・フィルタ２５と力算出部２７とに入力される。
ロー・パス・フィルタ２５の出力２６は、位置指令値１
１にポジティブ・フィードバックされる。 また、力算出部２７により算出された力２８は、ロー・パス・フィルタ２９に入力され、その出力３０は、比例補償器３１に入力される。 そして、比例補償器３１の出力３２は、位置偏差１２にネガティブ・フィードバックされる。 なお、比例補償器３１は、コンプライアンスの大きさを決める要素（コンプライアンス定数）で、このゲインを大きくするほどコンプライアンスが大きくなる。

【０００８】ロー・パス・フィルタ２５は、コンプライアンス機構部の共振周波数成分を取り除く効果のあるフィルタで、共振周波数成分をフィードバックすることによる制御系の発振を防ぐために設けられている。 フィルタのカットオフ周波数以下の周波数帯域においてロー・
パス・フィルタ２５は“１”と見なせるため、この周波数帯域においては、ロボット・アームとロボット・ハンドとの相対変位（出力２４）が直接位置指令値１１にフィードバックされる。 このようにロー・パス・フィルタ２５の働きにより、共振による制御系の発振の防止とロボット・ハンドの位置補償との両方が実現されている。

【０００９】ロー・パス・フィルタ２９は、対象物に接触しているときのゲイン余有を大きくする効果のあるフィルタで、比例補償器３１のゲインを大きくできるようにするために、すなわち大きなコンプライアンスを実現可能とするために設けられている。

【００１０】一方、上述したような位置ベース形コンプライアンス制御装置とは別に、ロボット・ハンドやロボット・ハンドが把持しているワークが対象物に接触したときのオーバーシュートを考慮して、図５に示すような力ベース形コンプライアンス制御装置も提唱されている。 図５は、従来の力ベース形コンプライアンス制御装置のブロック線図であり、位置偏差と設定したコンプライアンスとから力指令値を算出し、これを指令値とする力制御を行うことにより、コンプライアンス動作を実現している。

【００１１】位置指令値１１から、ロボット・アームの位置２０と、ロボット・アームとロボット・ハンドとの相対変位（出力２４）を補償するための位置指令値変更量（出力２６）とが加減算され、位置偏差１２を得る。
位置偏差１２は、比例補償器３３に入力され、力指令値３４となり、力指令値３４から、力算出部２７により算出された力２８が減算され、力偏差３５を得る。 力偏差３５は、比例補償器３６に入力され、速度指令値３７となり、速度制御系１７に入力され、ロボット・アームの速度１８を得る。 ロボット・アームの速度１８は、積分器１９を通り、ロボット・アームの位置２０を得る。 なお、比例補償器３３は、コンプライアンスの大きさを決める要素（コンプライアンス定数の逆数）で、このゲインを小さくするほどコンプライアンスが大きくなる。

【００１２】ロボット・アームとロボット・ハンドとの相対変位、すなわち変位センサ２３の出力２４は、ロー・パス・フィルタ２５と力算出部２７とに入力される。
ロー・パス・フィルタ２５の出力２６は、位置指令値１
１にポジティブ・フィードバックされる。 また、力算出部２７により算出された力２８は、力指令値３４にネガティブ・フィードバックされる。

【００１３】ロー・パス・フィルタ２５は、コンプライアンス機構部の共振周波数成分を取り除く効果のあるフィルタで、共振周波数成分をフィードバックすることによる制御系の発振を防ぐために設けられている。 フィルタのカットオフ周波数以下の周波数帯域においてロー・
パス・フィルタ２５は“１”と見なせるため、この周波数帯域においては、ロボット・アームとロボット・ハンドとの相対変位（出力２４）が直接位置指令値１１にフィードバックされる。 このようにロー・パス・フィルタ２５の働きにより、共振による制御系の発振の防止とロボット・ハンドの位置補償との両方が実現されている。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】従来の位置ベース形コンプライアンス制御装置では、力フィードバック・ループにロー・パス・フィルタを設ける必要があるため、力信号のフィードバックに遅れが生じる。 したがって、対象物に接触し、力を検出しても、コンプライアンス動作のための位置指令値の変更はすぐには行われない。 このため、ロボットが停止すべき位置を行き過ぎ、ワークや対象物に過大な力を与えてしまうという課題がある。

【００１５】また、従来の力ベース形コンプライアンス制御装置では、位置ベース形のように力信号のフィードバックに遅れが生じないため、ロボット・ハンドやロボット・ハンドが把持しているワークが対象物に接触したときにワークや対象物に過大な力を与えてしまうということはないが、空間移動時の速度がコンプライアンスの大きさに反比例しているため、コンプライアンスが大きいときの空間移動時の速度が遅く、実用に耐えないという課題がある。

【００１６】本発明は、以上の課題に鑑みなされたもので、その目的は、衝突時にワークや対象物に過大な力を与えることなく、かつコンプライアンスを大きくしたときにも高速で動作できるコンプライアンス制御装置を提案することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するために、本発明では次のような手段を用いる。 ロボット・アームとロボット・ハンドとの間を少なくともばね要素を有するコンプライアンス機構部で結合し、ロボット・アームとロボット・ハンドとの相対変位を検出する変位センサと、変位センサの出力からロボット・ハンドに負荷されている力を算出する力算出手段とを備え、力算出手段が算出する力に基づいてロボット・ハンドのコンプライアンス制御を行うコンプライアンス制御装置において、力算出手段が算出する力から位置指令値変更量を算出する位置指令値変更量算出手段と、位置指令値からロボット・ハンドの位置と位置指令値変更量とを差し引いた値を用いて第１の速度指令値を算出する第１の速度指令値算出手段と、位置指令値からロボット・ハンドの位置を差し引いた値を用いて力指令値を算出する力指令値算出手段と、力指令値算出手段が算出する力指令値から力算出手段が算出する力を差し引いた値を用いて第２の速度指令値を算出する第２の速度指令値算出手段と、第１の速度指令値と第２の速度指令値との和である合成速度指令値を算出する合成速度指令値算出手段とを備えており、合成速度指令値算出手段が算出する合成速度指令値に基づいてロボット・アームを動作させる。

【００１８】

【実施例】以下本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。 図１は、本発明のコンプライアンス制御装置のブロック線図である。 本発明のコンプライアンス制御装置は、位置ベース形コンプライアンス制御装置と力ベース形コンプライアンス制御装置とを組み合わせた構成となっており、検出した力と設定したコンプライアンスとから位置指令値の変更量を算出し、この位置指令値の変更量を位置指令値にフィードバックすることで得られる第１の速度指令値と、位置偏差と設定したコンプライアンスとから力指令値を算出し、この力指令値を指令値とする力制御を行うことで得られる第２の速度指令値との和である合成速度指令値を最終的な速度指令値とすることにより、コンプライアンス動作を実現している。

【００１９】位置指令値１１からロボット・アームの位置２０が減算されると同時にロボット・アームとロボット・ハンドとの相対変位（出力２４）を補償するための位置指令値変更量（出力２６）が位置指令値に加算され位置偏差１２となり、さらに位置偏差１２からコンプライアンス動作のための位置指令値変更量（出力３２）が減算され、位置偏差１３を得る。 位置偏差１３は、比例補償器１０１に入力され、第１の速度指令値１０２となる。 比例補償器１０１は、従来の技術で説明した図４の比例補償器１４と同様の機能を有するものであるが、比例補償器１０１のゲインは、図４に示した比例補償器１
４のゲインより小さくしている。 そのため、図４に示したロー・パス・フィルタ２９が本発明では不要となっている。

【００２０】また、位置偏差１２は、比例補償器３３に入力され、力指令値３４となり、この力指令値３４から、力算出部２７により算出された力２８が減算され、
力偏差３５を得る。 力偏差３５は、比例補償器１０３に入力され、第２の速度指令値１０４となる。 なお、比例補償器３３は、コンプライアンスの大きさを決める要素（コンプライアンス定数の逆数）で、このゲインを小さくするほどコンプライアンスが大きくなる。 比例補償器１０３は、従来の技術で説明した図５の比例補償器３６
と同様の機能を有するものであるが、比例補償器１０３
のゲインは、図５に示した比例補償器３６のゲインより小さくしている。

【００２１】第１の速度指令値１０２と第２の速度指令値１０４との和である合成速度指令値１０５は、速度制御系１７に入力され、ロボット・アームの速度１８は、
積分器１９を通り、ロボット・アームの位置２０を得る。

【００２２】ロボット・アームとロボット・ハンドとの相対変位、すなわち変位センサ２３の出力２４は、ロー・パス・フィルタ２５と力算出部２７とに入力される。
ロー・パス・フィルタ２５の出力２６は、位置指令値１
１にポジティブ・フィードバックされる。 また、力算出部２７により算出された力２８は、力指令値３４にネガティブ・フィードバックされるとともに、比例補償器３
１に入力される。 そして、比例補償器３１の出力３２
は、位置偏差１２にネガティブ・フィードバックされる。 なお、比例補償器３１は、コンプライアンスの大きさを決める要素（コンプライアンス定数）で、このゲインを大きくするほどコンプライアンスが大きくなる。

【００２３】ロー・パス・フィルタ２５は、コンプライアンス機構部の共振周波数成分を取り除く効果のあるフィルタで、共振周波数成分をフィードバックすることによる制御系の発振を防ぐために設けられている。 フィルタのカットオフ周波数以下の周波数帯域においてロー・
パス・フィルタ２５は“１”と見なせるため、この周波数帯域においては、ロボット・アームとロボット・ハンドとの相対変位（出力２４）が直接位置指令値１１にフィードバックされる。 このようにロー・パス・フィルタ２５の働きにより、共振による制御系の発振の防止とロボット・ハンドの位置補償との両方が実現されている。

【００２４】本発明のコンプライアンス制御装置では、
比例補償器１０１のゲインを図４における比例補償器１
４のゲインよりも小さくすることで、従来の位置ベース形コンプライアンス制御装置で必要とされた力フィードバック・ループ２０１のロー・パス・フィルタを不要にし、力信号のフィードバックに遅れが生じないようにしている。

【００２５】また、位置偏差１２から速度指令値を算出する経路として、この間のゲインが定数値となる経路２
０２と設定したコンプライアンスに反比例した値となる経路２０３との２つの経路を設け、２つの経路からの速度指令値を合成し、合成して得られた合成速度指令値１
０５を速度指令値として用いることで、コンプライアンスが小さいときだけでなく、コンプライアンスが大きいときもある程度の速度指令値が得られるようになっている。 つまり図２に示すように、コンプライアンスが大きく、すなわち経路２０３のゲインが小さくなり、経路２
０３で算出される速度指令値１０４（曲線３０２）が実用に耐えないほど小さくなっても、経路２０２で算出される速度指令値１０２（直線３０１）の存在により、ある程度の合成速度指令値１０５（曲線３０３）を得ることができる。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように本発明のコンプライアンス制御装置によれば、従来の位置ベース形コンプライアンス制御装置で必要とされた力フィードバック・ループのロー・パス・フィルタを不要にし、力信号のフィードバックに遅れが生じないようにしているので、ロボット・ハンドやロボット・ハンドが把持しているワークが対象物に接触し、変位センサが力を検出したときには、コンプライアンス動作のための位置指令値の変更がすぐに行われ、衝突時にワークや対象物に過大な力を与えないという効果がある。 また、位置偏差から速度指令値を算出する経路として、この間のゲインが定数値となる経路と設定したコンプライアンスに反比例した値となる経路との２つの経路を並行して可動し、２つの経路の和である合成速度指令値を最終的な速度指令値とすることにより、コンプライアンスが小さいときだけでなく、
コンプライアンスが大きいときもある程度の速度指令値が得られ、作業時間が短縮されるという効果もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のコンプライアンス制御装置のブロック線図である。

【図２】本発明のコンプライアンス制御装置を用いたときのコンプライアンスの大きさと算出される速度指令値との関係を示したグラフである。

【図３】コンプライアンス機構部の概略図である。

【図４】従来の位置ベース形コンプライアンス制御装置のブロック線図である。

【図５】従来の力ベース形コンプライアンス制御装置のブロック線図である。

【符号の説明】

１ ロボット・アーム ２ ロボット・ハンド ３ コンプライアンス機構部 ４ ばね要素 ５ ダンパ要素 ６ 変位センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl. ⁶識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｂ２５Ｊ 17/02 Ｇ Ｇ０５Ｄ 15/01