JP2003039348A

JP2003039348A - 遠隔操縦ロボットの制御装置

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Publication number: JP2003039348A
Application number: JP2001225004A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Yasuda; 賢一安田; Yasuyuki Inoue; 康之井上; Hideo Nagata; 英夫永田
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2001-07-25
Filing date: 2001-07-25
Publication date: 2003-02-13
Anticipated expiration: 2021-07-25
Also published as: JP4524729B2

Abstract

(57)【要約】【課題】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
制御装置の提供。【解決手段】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、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、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１２を有し、モータ制御手段１２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１
２０と、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１２５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１１３とを有する遠隔操縦ロボッ
トの制御装置。

Description

【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１２を有し、前記モータ制御手段１２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１２０
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１２５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１１３と、を有する。

【００１３】請求項２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１２０において、各関節毎に一
定のトルク制限値を設けたことを特徴とする。

【００１４】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１２０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４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１２を有し、前記モータ制御手段１２
の位置速度制御部の後段に力制限を行う柔軟制御手段１
２０と、前記力制限の前後の力指令値の偏差を監視する
手段１２５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１１３と、を有する。

【００１６】請求項５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１２０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６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１２０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。

【００１８】請求項７記載の遠隔操縦ロボットの制御装
置は、前記モータ制御手段１２において、各関節軸に加
わる重力トルクをトルク指令に加算する重力補償手段１
２８を設け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１
１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】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２
２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】ここで、τｌｉｍはトルク制限値、Ｊ_Ｌ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１
２６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１
２０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１２
１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】ここで、Ｆｌｉｍはトルク制限値、Ｊ_Ｌ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７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３および６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４から６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。

【００４０】また、請求項７によれば、ロボットの各関
節軸にかがる重力トルクを補償することで常に重力バラ
ンスを保っているので、小さな接触力に対しても応答が
可能となる。

【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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者永田英夫福岡県北九州市八幡西区黒崎城石２番１号株式会社安川電機内Ｆターム(参考） 3C007 HS27 JT05 KV01 LU07 LV18 LV23

Claims

【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１２を有し、前記モータ制
御手段１２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１２０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１２５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１１３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２】前記柔軟制御手段１２０において、各関
節軸毎に一定のトルク制限値を設けたことを特徴とす
る、請求項１記載の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１２０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、請求項１記載の遠隔操縦ロ
ボットの制御装置。
【請求項４】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１２を有し、前記モータ制
御手段１２の位置速度制御部の後段に力制限を行う柔軟
制御手段１２０と、前記力制限の前後の力指令値の偏差
を監視する手段１２５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１１３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５】前記柔軟制御手段１２０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４記載の遠隔操縦ロボットの制御装置。
【請求項６】前記柔軟制御手段１２０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４記載の遠隔操縦ロボッ
トの制御装置。
【請求項７】前記モータ制御手段１２において、各関
節軸に加わる重力トルクをトルク指令に加算する重力補
償手段１２８を設けたことを特徴とする、請求項１また
は４記載の遠隔操縦ロボットの制御装置。