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JP2013119133A - Robot and robot control method - Google Patents

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JP2013119133A
JP2013119133A JP2011267840A JP2011267840A JP2013119133A JP 2013119133 A JP2013119133 A JP 2013119133A JP 2011267840 A JP2011267840 A JP 2011267840A JP 2011267840 A JP2011267840 A JP 2011267840A JP 2013119133 A JP2013119133 A JP 2013119133A
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JP
Japan
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force
robot
arm
mechanical mechanism
sensor
Prior art date
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Pending
Application number
JP2011267840A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Mitsuhiro Inazumi
満広 稲積
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Seiko Epson Corp
Original Assignee
Seiko Epson Corp
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Publication date
Application filed by Seiko Epson Corp filed Critical Seiko Epson Corp
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Abstract

【課題】 ロボットに弾性部材を有する機械機構が設けられた場合にも、適切な制御を行うロボット及びロボット制御方法等を提供すること。
【解決手段】 ロボットは、アーム120と、アーム120に設けられた力覚センサー10と、力覚センサー10を介してアーム120に設けられ、弾性部材を有する機械機構(例えばハンド110)と、機械機構の位置及び姿勢の目標値の補正値を求める補正部40と、補正値に基づいて目標値を補正し、補正後の目標値に基づいてアーム120を制御する制御部80とを含み、力覚センサー10は検出した力に関するセンサー情報を出力し、補正部40は力覚センサー10が出力したセンサー情報を用いて、力に基づく弾性部材の変位に対応する補正値を求め、制御部80は補正後の目標値に基づいて、弾性部材の変位をキャンセルするアーム120の制御を行う。
【選択図】 図3
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a robot and a robot control method for performing appropriate control even when a robot is provided with a mechanical mechanism having an elastic member.
A robot includes an arm 120, a force sensor 10 provided on the arm 120, a mechanical mechanism (for example, a hand 110) provided on the arm 120 via the force sensor 10 and having an elastic member, A correction unit 40 that calculates a correction value of the target value of the position and orientation of the mechanism, and a control unit 80 that corrects the target value based on the correction value and controls the arm 120 based on the corrected target value. The sense sensor 10 outputs sensor information about the detected force, the correction unit 40 uses the sensor information output by the force sensor 10 to obtain a correction value corresponding to the displacement of the elastic member based on the force, and the control unit 80 Based on the corrected target value, the arm 120 that cancels the displacement of the elastic member is controlled.
[Selection] Figure 3

Description

本発明は、ロボット及びロボット制御方法等に関する。   The present invention relates to a robot, a robot control method, and the like.

従来、センシング部に対してはたらく力をセンサー情報として取得する力覚センサーと、当該力覚センサーを用いた種々のシステムが知られている。   Conventionally, a force sensor that acquires force acting on a sensing unit as sensor information and various systems using the force sensor are known.

ロボット制御の分野ではインピーダンス制御に代表される力制御を行うシステムが考えられる。インピーダンス制御とは、ロボットのマニピュレーターを、その実際の質量・粘性特性・弾性特性に係わらず、あたかも作業に適した値を持つかのように動作させる制御手法である。具体的には、マニピュレーターに設けられた力覚センサーから得られる力情報に基づいて運動方程式の解を求め、マニピュレーターをその解に従って動作させることになる。   In the field of robot control, a system that performs force control represented by impedance control can be considered. Impedance control is a control method for operating a robot manipulator as if it had a value suitable for work regardless of its actual mass, viscosity, and elasticity. Specifically, a solution of the equation of motion is obtained based on force information obtained from a force sensor provided in the manipulator, and the manipulator is operated according to the solution.

インピーダンス制御を行うことで、位置の制御に加えて力の制御を行うことができるため、物体の表面をなぞる、ある物体を他の物体に嵌め合わせる、柔物体を破壊しないように把持する等の場面に対応することが可能になる。   Impedance control allows you to control force in addition to position control, such as tracing the surface of an object, fitting one object to another object, grasping a soft object without breaking it, etc. It becomes possible to correspond to the scene.

特許文献1には、非常に複雑な系においても精度よくインピーダンス制御を行う手法が開示されている。   Patent Document 1 discloses a technique for performing impedance control with high accuracy even in a very complicated system.

特開平6−320451号公報JP-A-6-320451

通常のロボットでは、アームの先に設けられたエンドエフェクター部(例えばハンド等)は、剛性の高いものが用いられる。剛性の低いものではエンドエフェクター部の空間的位置(具体的にはロボットの手先位置等)の制御において精度を高くすることが困難となってしまうためである。しかし、エンドエフェクター部が高剛性であると、当該エンドエフェクター部と作業者等との衝突を特に考慮した制御が求められる。   In a normal robot, an end effector portion (for example, a hand or the like) provided at the tip of an arm has a high rigidity. This is because it is difficult to increase the accuracy in controlling the spatial position of the end effector section (specifically, the position of the hand of the robot, etc.) with low rigidity. However, if the end effector portion is highly rigid, control that particularly takes into account the collision between the end effector portion and an operator or the like is required.

また、特許文献1等のインピーダンス制御を行なうことで、見かけ上ロボットを柔らかくする(例えば見かけ上の弾性、粘性等を低くする)ことが可能である。しかし、この柔らかい特性はあくまでインピーダンス制御により実現しているに過ぎず、インピーダンス制御を行なっている制御部が何らかの理由で動作を停止してしまえば、ロボットが本来持つ機械的な特性が現れることになる。つまり、制御部の停止時にはロボットの剛性は高くなるため、この場合にもエンドエフェクター部と作業者等との衝突を特に考慮した制御が必要となる点に変わりはない。   Further, by performing impedance control in Patent Document 1, it is possible to make the robot appear to be soft (for example, to reduce the apparent elasticity, viscosity, etc.). However, this soft characteristic is only realized by impedance control, and if the control unit that performs impedance control stops operating for some reason, the mechanical characteristics inherent to the robot will appear. Become. That is, since the rigidity of the robot is increased when the control unit is stopped, there is no change in that in this case as well, control in consideration of the collision between the end effector unit and the operator is necessary.

これに対して、エンドエフェクター部に剛性の低いものを用いることで、衝突等を回避する必要性を下げることができるため、この点に関しては制御が容易となる。しかし、この場合にはロボットの手先位置精度が低くなる。さらに、剛性の低いエンドエフェクターにおいて外力が変調され、力覚センサーでの外力検知精度も劣化してしまうこともあり、ロボットの動作に支障をきたす可能性がある。   On the other hand, since the necessity for avoiding a collision etc. can be lowered | hung by using a thing with low rigidity for an end effector part, control becomes easy about this point. However, in this case, the hand position accuracy of the robot is lowered. Further, the external force is modulated by the end effector having low rigidity, and the external force detection accuracy of the force sensor may be deteriorated, which may hinder the operation of the robot.

本発明の幾つかの態様によれば、ロボットに弾性部材を有する機械機構が設けられた場合にも、適切な制御を行うロボット及びロボット制御方法等を提供することができる。   According to some aspects of the present invention, it is possible to provide a robot that performs appropriate control, a robot control method, and the like even when the robot is provided with a mechanical mechanism having an elastic member.

本発明の一態様は、アームと、前記アームに設けられた力覚センサーと、前記力覚センサーを介して前記アームに設けられ、弾性部材を有する機械機構と、前記機械機構の位置及び姿勢の目標値の補正値を求める補正部と、前記補正値に基づいて前記目標値を補正し、補正後の前記目標値に基づいて前記アームを制御する制御部と、を含み、前記力覚センサーは、前記力覚センサーが検出した力に関するセンサー情報を出力し、前記補正部は、前記力覚センサーが出力したセンサー情報を用いて、前記力に基づく前記弾性部材の変位に対応する前記補正値を求め、前記制御部は、補正後の前記目標値に基づいて、前記弾性部材の前記変位をキャンセルする前記アームの制御を行うロボットに関係する。   One embodiment of the present invention includes an arm, a force sensor provided in the arm, a mechanical mechanism provided in the arm via the force sensor, and having an elastic member, and the position and posture of the mechanical mechanism. A correction unit that calculates a correction value of a target value; and a control unit that corrects the target value based on the correction value and controls the arm based on the corrected target value. The sensor information on the force detected by the force sensor is output, and the correction unit uses the sensor information output by the force sensor to calculate the correction value corresponding to the displacement of the elastic member based on the force. In other words, the control unit relates to a robot that controls the arm to cancel the displacement of the elastic member based on the corrected target value.

本発明の一態様では、ロボットはアームと、アームに設けられた力覚センサーと、力覚センサーを介してアームに設けられ、弾性部材を有する機械機構を含む。この場合に、力覚センサーのセンサー情報に基づいて、弾性部材の変形をキャンセルするロボット制御を行なう。よって、機械機構が外力を受ける場合には目標値からのズレが発生することが想定されるが、当該ズレを抑えることが可能になり、機械機構をあたかも高剛性であるかのように制御すること等が可能になる。そのため、機械機構の位置制御での精度向上等を図ることができる。   In one embodiment of the present invention, a robot includes an arm, a force sensor provided in the arm, and a mechanical mechanism provided in the arm via the force sensor and having an elastic member. In this case, robot control for canceling the deformation of the elastic member is performed based on the sensor information of the force sensor. Therefore, when the mechanical mechanism receives an external force, it is assumed that a deviation from the target value occurs. However, the deviation can be suppressed, and the mechanical mechanism is controlled as if it is highly rigid. It becomes possible. For this reason, it is possible to improve accuracy in position control of the mechanical mechanism.

また、本発明の一態様では、前記機械機構は、前記ロボットのエンドエフェクター部であり、前記補正部は、前記力覚センサーが出力した前記センサー情報を用いて、前記力に基づく前記エンドエフェクター部の前記変位に対応する前記補正値を求め、前記制御部は、補正後の前記目標値に基づいて、前記エンドエフェクター部の前記変位をキャンセルする前記アームの制御を行ってもよい。   In the aspect of the invention, the mechanical mechanism may be an end effector unit of the robot, and the correction unit may use the sensor information output from the force sensor, and the end effector unit based on the force. The correction value corresponding to the displacement may be obtained, and the control unit may perform control of the arm that cancels the displacement of the end effector unit based on the corrected target value.

これにより、機械機構がロボットのエンドエフェクター部である場合にも対応することが可能になる。   Accordingly, it is possible to cope with the case where the mechanical mechanism is an end effector portion of the robot.

また、本発明の一態様では、前記力覚センサーが出力した前記センサー情報を用いて、前記機械機構の前記位置及び前記姿勢の前記目標値の第2の補正値を出力する力制御部を含み、前記制御部は、前記補正値及び前記第2の補正値に基づいて前記目標値を補正し、補正後の前記目標値に基づいて前記ロボットを制御してもよい。   In one aspect of the present invention, the apparatus includes a force control unit that outputs a second correction value of the target value of the position and the posture of the mechanical mechanism using the sensor information output from the force sensor. The control unit may correct the target value based on the correction value and the second correction value, and control the robot based on the corrected target value.

これにより、機械機構を高剛性であるかのように見せる等の制御に加えて、インピーダンス制御等の力制御を行なうことが可能になる。   This makes it possible to perform force control such as impedance control in addition to control such as making the mechanical mechanism appear to be highly rigid.

また、本発明の一態様では、前記力制御部は、前記機械機構が外力fを変換して力Fとして前記力覚センサーに伝達する場合に、前記センサー情報に対して前記機械機構での変換の逆変換を行なう外力検知部を含み、前記力制御部は、前記外力検知部からの出力信号に基づいて前記第2の補正値を求めてもよい。   In the aspect of the invention, the force control unit may convert the sensor information in the mechanical mechanism when the mechanical mechanism converts the external force f and transmits the force F to the force sensor. The force control unit may obtain the second correction value based on an output signal from the external force detection unit.

これにより、外力fを正確に求めることが可能になり、インピーダンス制御等の力制御を適切に行うこと等が可能になる。   As a result, the external force f can be accurately obtained, and force control such as impedance control can be appropriately performed.

また、本発明の一態様では、前記力制御部は、デジタルフィルター処理により、前記逆変換、及び前記第2の補正値を求める処理を行ってもよい。   In the aspect of the invention, the force control unit may perform processing for obtaining the inverse transformation and the second correction value by digital filter processing.

これにより、処理のデジタルフィルター化が可能になり、ハードウェアー化や安定性の判定を容易にすること等が可能になる。   As a result, the processing can be converted to a digital filter, and hardware and stability determination can be facilitated.

また、本発明の一態様では、前記外力検知部は、第n(nは3以上の整数)のタイミングにおける前記センサー情報の値をF、第n−1のタイミングにおける中間パラメーターをxn−1とし、前記デジタルフィルター処理の係数パラメーターをα及びβとした場合に、x=αF+βxn−1により、前記第nのタイミングにおける前記中間パラメーターxを求めるとともに、求められた前記中間パラメーターx、前記第n−1のタイミングで求められた前記中間パラメーターxn−1及び第n−2のタイミングで求められた前記中間パラメーターxn−2と、前記デジタルフィルター処理の前記係数パラメーターC,C,Cから、f={x−(Cn−1+Cn−2)}/Cにより、前記第nのタイミングにおける前記逆変換の後の前記センサー情報fを求めてもよい。 In the aspect of the invention, the external force detection unit may set the sensor information value at the nth (n is an integer of 3 or more) timing to Fn , and the intermediate parameter at the (n-1) th timing to xn−. 1 and when the coefficient parameter of the digital filter processing is α and β, the intermediate parameter x n at the n-th timing is obtained by x n = αF n + βx n−1 and the obtained intermediate parameters x n, and the intermediate parameter x n-2 obtained in the first n-1 of said intermediate parameter x n-1 and the n-2 timing determined by the timing, the coefficient parameters of the digital filter from C 0, C 1, C 2 , f n = - by {x n (C 1 x n -1 + C 2 x n-2)} / C 0, the at the timing of the n may be calculated the sensor information f n after the inverse transform.

これにより、具体的なデジタルフィルターを設定した上で、上記の処理を行うことが可能になる。   This makes it possible to perform the above processing after setting a specific digital filter.

また、本発明の一態様では、前記補正部は、第2のデジタルフィルター処理により、前記補正値を求める処理を行ってもよい。   In the aspect of the invention, the correction unit may perform a process for obtaining the correction value by a second digital filter process.

これにより、機械機構を高剛性であるかのように見せる等の制御についても、デジタルフィルター化が可能になる。   This makes it possible to make a digital filter for control such as making the mechanical mechanism appear to be highly rigid.

また、本発明の一態様では、第k(kは2以上の整数)のタイミングにおける、前記センサー情報の値をF、前記補正値を表す前記第2のデジタルフィルター処理の出力値をxとし、第k−1のタイミングにおける前記第2のデジタルフィルター処理の出力値をxk−1とし、前記第2のデジタルフィルター処理の係数パラメーターをα及びβとした場合に、前記補正部は、前記第kのタイミングにおける前記補正値xをx=αF+βxk−1により求めてもよい。 In one embodiment of the present invention, the value of the sensor information at the k-th (k is an integer of 2 or more) timing is F k , and the output value of the second digital filter processing that represents the correction value is x k. When the output value of the second digital filter processing at the (k−1) th timing is x k−1 and the coefficient parameters of the second digital filter processing are α and β, the correction unit is The correction value x k at the k -th timing may be obtained by x k = αF k + βx k−1 .

これにより、具体的なデジタルフィルターを設定した上で、上記の処理を行うことが可能になる。   This makes it possible to perform the above processing after setting a specific digital filter.

また、本発明の一態様では、前記機械機構の前記位置及び前記姿勢の前記目標値を出力する目標値出力部を含んでもよい。   Moreover, in one aspect of the present invention, a target value output unit that outputs the target values of the position and the posture of the mechanical mechanism may be included.

これにより、ロボット制御に用いられる目標値を設定すること等が可能になる。   This makes it possible to set a target value used for robot control.

また、本発明の他の態様は、アーム、前記アームに設けられた力覚センサー、及び前記力覚センサーを介して前記アームに設けられ、弾性部材を有する機械機構を含むロボットを制御するロボット制御方法であって、前記力覚センサーが検出した力に関するセンサー情報を用いて、前記力に基づく前記弾性部材の変位に対応する補正値を求め、前記補正値に基づいて前記ロボットの目標値を補正し、補正後の前記目標値に基づいて前記弾性部材の前記変位をキャンセルする前記アームの制御を行うロボット制御方法に関係する。   According to another aspect of the present invention, there is provided a robot control for controlling a robot including an arm, a force sensor provided in the arm, and a mechanical mechanism provided in the arm via the force sensor and having an elastic member. A method for obtaining a correction value corresponding to a displacement of the elastic member based on the force using sensor information about the force detected by the force sensor, and correcting a target value of the robot based on the correction value. Then, the present invention relates to a robot control method for controlling the arm that cancels the displacement of the elastic member based on the corrected target value.

また、本発明の他の態様は、アーム、前記アームに設けられた力覚センサー、及び前記力覚センサーを介して前記アームに設けられ、弾性部材を有する機械機構を含むロボットを制御するロボット制御方法であって、前記力覚センサーが検出した力に関するセンサー情報を用いて、前記力に基づく前記弾性部材の変位をキャンセルする前記アームの制御を行うロボット制御方法に関係する。   According to another aspect of the present invention, there is provided a robot control for controlling a robot including an arm, a force sensor provided in the arm, and a mechanical mechanism provided in the arm via the force sensor and having an elastic member. It is a method, Comprising: It is related with the robot control method which controls the said arm which cancels the displacement of the said elastic member based on the said force using the sensor information regarding the force which the said force sensor detected.

力覚センサーの構成例。A configuration example of a force sensor. 力覚センサーの先に機械機構が設けられる具体例。A specific example in which a mechanical mechanism is provided at the tip of a force sensor. 第1の実施形態のロボットの構成例。1 is a configuration example of a robot according to a first embodiment. 図4(A)、図4(B)はロボットの一例。4A and 4B are examples of a robot. 機械機構のモデル化の例。An example of mechanical mechanism modeling. 機械機構における変調を説明する図。The figure explaining the modulation | alteration in a mechanical mechanism. 機械機構をダンパー及びバネ等を用いて構成する例。The example which comprises a mechanical mechanism using a damper, a spring, etc. 図8(A)〜図8(C)は第1の実施形態の力制御を説明する図。FIG. 8A to FIG. 8C are diagrams illustrating force control according to the first embodiment. 補正処理に用いられるデジタルフィルターの例。An example of a digital filter used for correction processing. 第1の実施形態における処理を説明するフローチャート。The flowchart explaining the process in 1st Embodiment. 第2の実施形態のロボットの構成例。The structural example of the robot of 2nd Embodiment. 補正処理に用いられるデジタルフィルターの他の例。Another example of a digital filter used for correction processing. 補正処理に用いられるデジタルフィルターの他の例。Another example of a digital filter used for correction processing. 図14(A)〜図14(C)は力制御についての説明図。FIG. 14A to FIG. 14C are explanatory diagrams of force control. 図15(A)、図15(B)はコンプライアンス制御についての説明図。FIG. 15A and FIG. 15B are explanatory diagrams regarding compliance control. 図16(A)、図16(B)はインピーダンス制御についての説明図。16A and 16B are explanatory diagrams of impedance control. 機械機構の特性と力制御により実現された特性との関係を説明する図。The figure explaining the relationship between the characteristic of a mechanical mechanism, and the characteristic implement | achieved by force control. 外力検知部での処理を説明するためのフローチャート。The flowchart for demonstrating the process in an external force detection part. インピーダンス制御を説明するフローチャート。The flowchart explaining impedance control.

以下、本実施形態について説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また本実施形態で説明される構成の全てが、本発明の必須構成要件であるとは限らない。   Hereinafter, this embodiment will be described. In addition, this embodiment demonstrated below does not unduly limit the content of this invention described in the claim. In addition, all the configurations described in the present embodiment are not necessarily essential configuration requirements of the present invention.

1.本実施形態の手法
まず本実施形態の手法について説明する。まず、低剛性の機械機構を用いる理由、及びそれに伴い考慮すべき事項について、第1の実施形態での手法として説明する。その後、第1の実施形態の手法と一般的なインピーダンス制御等とを組み合わせる手法、及びその際に考慮すべき事項について、第2の実施形態出の手法として説明する。
1. First, the method of this embodiment will be described. First, the reason why a low-rigidity mechanical mechanism is used, and the matters that should be taken into account, will be described as a technique in the first embodiment. After that, a method of combining the method of the first embodiment with general impedance control and the items to be considered at that time will be described as a method of the second embodiment.

1.1 第1の実施形態の手法
本実施形態で用いられる力覚センサーの構成例を図1に示す。力覚センサーには種々の構成が考えられるが、基本的には外力によるセンシング部の微小な変形を、何らかの手法により測定することで外力を検知する。変形の測定手法には、歪みゲージを用いる手法、静電センサーを用いる手法、光学センサーを用いる手法、水晶素子等の圧電素子を用いる手法等が考えられる。
1.1 Method of First Embodiment FIG. 1 shows a configuration example of a force sensor used in this embodiment. Although various configurations can be considered for the force sensor, basically, the external force is detected by measuring a minute deformation of the sensing unit due to the external force by some method. As a deformation measuring method, a method using a strain gauge, a method using an electrostatic sensor, a method using an optical sensor, a method using a piezoelectric element such as a crystal element, and the like can be considered.

図1に示したように、力覚センサーの機械的な構造を模式化することで、力覚センサーをモデル化することができる。力覚センサーの等価質量項をm、等価粘性項をμ、等価弾性項をkとすると、その特性は下式(1)のように表すことができる。 As shown in FIG. 1, the force sensor can be modeled by modeling the mechanical structure of the force sensor. When the equivalent mass term of the force sensor is m 0 , the equivalent viscosity term is μ 0 , and the equivalent elastic term is k 0 , the characteristic can be expressed as the following equation (1).

Figure 2013119133
Figure 2013119133

ここで、xは変形測定手法(具体例は上述したとおり)により測定されたセンシング部の変形(変位)を表し、Fは力覚センサーの受けた外力を表す。つまり、力覚センサーの等価質量項m、等価粘性項μ、等価弾性項kは設計により知ることができるため、変位xを測定することにより、上式(1)から外力Fを取得することができる。力覚センサーはセンサー情報としてFを出力する。 Here, x represents the deformation (displacement) of the sensing unit measured by the deformation measurement method (specific example is as described above), and F represents the external force received by the force sensor. That is, since the equivalent mass term m 0 , equivalent viscosity term μ 0 , and equivalent elastic term k 0 of the force sensor can be known by design, the external force F is obtained from the above equation (1) by measuring the displacement x. can do. The force sensor outputs F as sensor information.

しかし、実際には弾性項kが相対的に非常に大きく作られるため、時間微分項は相対的に小さくなり、一般的には運動方程式を明示的に考慮する必要はない。弾性項が相対的に大きくないと(つまり力覚センサーが非常に硬く作られないと)、センシング部の変形が大きくなってしまうため、それに伴い力覚センサーの先に設けられた構造物の空間的位置が変動してしまうためである。例えばロボットであれば、力覚センサーの先にハンドが設けられることが想定されるが、力覚センサーが硬くないとハンドの空間的位置、つまりロボットの手先位置が変動することになり、手先位置制御の精度が劣化することになる。 However, in practice, since the elastic term k 0 is made relatively large, the time differential term becomes relatively small, and it is generally unnecessary to explicitly consider the equation of motion. If the elastic term is not relatively large (that is, if the force sensor is not made very hard), the deformation of the sensing unit will be large, and accordingly the space of the structure provided at the tip of the force sensor This is because the target position fluctuates. For example, in the case of a robot, it is assumed that a hand is provided at the tip of the force sensor, but if the force sensor is not hard, the spatial position of the hand, that is, the position of the hand of the robot will fluctuate. The accuracy of control will deteriorate.

以上のことから、力覚センサーをモデル化したものを図1に示したものの、本実施形態においてはこのようなモデルまで考慮する必要はなく、力覚センサーのセンシング部の変形はないものとして取り扱ってもよい。本実施形態において問題となるのは機械機構の剛性に伴うものである。   From the above, although a model of the force sensor is shown in FIG. 1, it is not necessary to consider such a model in this embodiment, and it is handled that there is no deformation of the sensing unit of the force sensor. May be. The problem in this embodiment is due to the rigidity of the mechanical mechanism.

本実施形態のロボットは図2に示したように、アームを有し、当該アームに力覚センサーが設けられるとともに、その力覚センサーに機械機構が設けられる。そして、本実施形態の機械機構は剛性が低いものである(例えば機械機構が弾性部材を有する等、柔構造物により構成される場合が考えられる)。剛性の低い機械機構を用いることで、当該機械機構が持つ機械的な特性が現れた場合であっても、作業者等との衝突による影響を抑止することが可能になる。ここで機械機構が有する「弾性部材」とは、機械機構の一部に含まれる剛体ではない柔構造物、機械機構を構成する部材すべてが柔構造物であれば機械機構全体、または機械機構の可動部などである。   As shown in FIG. 2, the robot of this embodiment has an arm, and the arm is provided with a force sensor, and the force sensor is provided with a mechanical mechanism. The mechanical mechanism of the present embodiment has low rigidity (for example, a case where the mechanical mechanism is configured by a flexible structure such as an elastic member is considered). By using a mechanical mechanism with low rigidity, it is possible to suppress the influence of a collision with an operator or the like even when mechanical characteristics of the mechanical mechanism appear. Here, the “elastic member” of the mechanical mechanism means a flexible structure that is not a rigid body included in a part of the mechanical mechanism, and if all the members constituting the mechanical mechanism are flexible structures, the entire mechanical mechanism or the mechanical mechanism Moving parts.

しかし、機械機構(例えばエンドエフェクター部であり狭義にはハンド等)の剛性が低い場合には、当該機械機構の位置制御の精度が低くなってしまう。そのため、ロボットによる作業(例えば所定位置間でのワークの移動等)に支障をきたす可能性がある。   However, when the rigidity of a mechanical mechanism (for example, an end effector section and a hand or the like in a narrow sense) is low, the accuracy of position control of the mechanical mechanism is lowered. For this reason, there is a possibility that the operation by the robot (for example, movement of a workpiece between predetermined positions) may be hindered.

そこで本出願人は、剛性の低い機械機構を用いた場合であっても、適切な制御を行う手法を提案する。具体的には、力覚センサーで検出したセンサー情報に基づいて機械機構の変位(変形)を求め、求めた変位をキャンセルするような制御を行う。詳細については図8(A)〜図8(C)を用いて後述するが、変位をキャンセルすることになるため、例えばロボットが静止状態にある場合には、機械機構の空間的位置(ロボットの手先位置)を一定に保つことが可能になる。つまり、外力を受けたとしても手先位置が変化しないことになるため、見かけ上高剛性を実現することができ、手先位置精度を向上させることができる。なお、ロボットが移動中であれば、機械機構の変位とは目標軌道からのずれ量に対応するため、変位をキャンセルする制御を行なうことで、外力を受けても目標軌道から外れないような制御となる。この場合にも見かけ上高剛性を実現できることに変わりはない。   Therefore, the present applicant proposes a method for performing appropriate control even when a mechanical mechanism having low rigidity is used. Specifically, control is performed such that the displacement (deformation) of the mechanical mechanism is obtained based on the sensor information detected by the force sensor, and the obtained displacement is canceled. Although details will be described later with reference to FIGS. 8A to 8C, since the displacement is canceled, for example, when the robot is in a stationary state, the spatial position of the mechanical mechanism (the robot's position) The hand position) can be kept constant. That is, even if an external force is applied, the hand position does not change, so that it is possible to realize a high rigidity and improve the hand position accuracy. If the robot is moving, the displacement of the mechanical mechanism corresponds to the amount of deviation from the target trajectory, so control that cancels the displacement does not cause the target trajectory to deviate from the target trajectory. It becomes. Even in this case, the high rigidity can be realized apparently.

また、力覚センサーのセンサー情報から機械機構の変位を求めるために、本実施形態においては機械機構の特性をモデル化する。詳細については後述する。   Further, in order to obtain the displacement of the mechanical mechanism from the sensor information of the force sensor, in the present embodiment, the characteristics of the mechanical mechanism are modeled. Details will be described later.

以上の手法について、第1の実施形態において詳述する。具体的には、まずシステム構成例について述べ、次に機械機構のモデル化について説明する。その後、力制御の手法について述べて、当該力制御をデジタルフィルターにより実現する手法について説明する。最後に、第1の実施形態での処理の詳細を、フローチャートを用いて説明する。   The above method will be described in detail in the first embodiment. Specifically, a system configuration example will be described first, and then modeling of a mechanical mechanism will be described. Then, a method for force control will be described, and a method for realizing the force control using a digital filter will be described. Finally, details of the processing in the first embodiment will be described using a flowchart.

1.2 第2の実施形態の手法
上述した手法により、機械機構の位置制御の精度を向上させつつ、機械機構の本来持つ機械的特性が現れる場合であっても衝突等の影響を抑止することが可能になる。しかし、この制御では柔構造物を見かけ上高剛性にするものであり、物体の表面をなぞる等の動作を行なうことは困難である。よって、そのような動作を行う場合には、さらにインピーダンス制御を組み合わせるとよい。
1.2 Method of Second Embodiment By the above-described method, the influence of collision or the like is suppressed even when the mechanical characteristics inherent to the mechanical mechanism appear while improving the accuracy of the position control of the mechanical mechanism. Is possible. However, in this control, the flexible structure is apparently made highly rigid, and it is difficult to perform operations such as tracing the surface of the object. Therefore, when such an operation is performed, it is preferable to further combine impedance control.

この場合、機械機構の剛性が力覚センサーに比べて低いことが問題となる。なぜなら、機械機構に対して加えられた外力fは、機械機構による変換(変調)を受け、力Fとして力覚センサーに伝えられる。一例としては、機械機構が柔構造物であれば、fによるエネルギーの一部が当該柔構造物の変形に用いられることで、力覚センサーに伝わる力Fは外力fに比べて小さくなるケース等が考えられる。   In this case, there is a problem that the rigidity of the mechanical mechanism is lower than that of the force sensor. This is because the external force f applied to the mechanical mechanism is converted (modulated) by the mechanical mechanism and is transmitted to the force sensor as a force F. As an example, if the mechanical mechanism is a flexible structure, a part of the energy generated by f is used for deformation of the flexible structure, so that the force F transmitted to the force sensor is smaller than the external force f. Can be considered.

力覚センサーの出力値であるFに関して、力覚センサー自身の変形等は考慮しなくてもよいことは上述したとおりである。つまり、機械機構から力覚センサーに伝えられた力は正確にセンサー情報に反映されると考えてよい。しかし、システムが実際に取得したいのは力Fではなく変換前の外力fである。なぜなら、インピーダンス制御はハンドが処理対象となるワークに与える力に基づいて行われるべきであり、その力は反力としてワークからハンドに伝わる力に等しく、図2の外力fに他ならない。つまり、力覚センサーのセンサー情報をそのまま用いたのでは、所望の力制御は行えないことになり好ましくない。   As described above, F, which is the output value of the force sensor, does not need to take into account deformation of the force sensor itself. That is, it may be considered that the force transmitted from the mechanical mechanism to the force sensor is accurately reflected in the sensor information. However, what the system actually wants to acquire is not the force F but the external force f before conversion. This is because the impedance control should be performed based on the force applied to the workpiece to be processed by the hand, and the force is equal to the force transmitted from the workpiece to the hand as a reaction force, which is nothing but the external force f in FIG. That is, if the sensor information of the force sensor is used as it is, desired force control cannot be performed, which is not preferable.

そこで本出願人は、力覚センサーからのセンサー情報に対して、機械機構での変換の逆変換に相当する補正処理を行う手法を提案する。この手法を用いることで、力覚センサーのセンサー情報から外力を正確に検知することが可能になり、外力に基づいたインピーダンス制御を適切に行うことができる。   Therefore, the present applicant proposes a method of performing correction processing corresponding to the inverse conversion of the conversion by the mechanical mechanism on the sensor information from the force sensor. By using this method, it becomes possible to accurately detect an external force from the sensor information of the force sensor, and impedance control based on the external force can be appropriately performed.

以上の手法について、第2の実施形態において詳述する。具体的には、まずシステム構成例について述べ、次にセンサー情報を補正して外力を検知する手法について説明する。その後、インピーダンス制御の手法について述べて、最後に第2の実施形態での処理の詳細を、フローチャートを用いて説明する。   The above method will be described in detail in the second embodiment. Specifically, a system configuration example will be described first, and then a method for detecting external force by correcting sensor information will be described. Then, the method of impedance control will be described, and finally the details of the processing in the second embodiment will be described using a flowchart.

2.第1の実施形態
2.1 システム構成例
本実施形態のロボットの構成例を図3に示す。ロボットは、力覚センサー10と、補正部40と、目標値出力部60と、制御部80と、ロボット本体100とを含む。なお本実施形態のロボットは図3の構成には限定されず、その一部の構成要素を省略したり、他の構成要素を追加するなどの種々の変形実施が可能である。
2. First Embodiment 2.1 System Configuration Example FIG. 3 shows a configuration example of a robot according to the present embodiment. The robot includes a force sensor 10, a correction unit 40, a target value output unit 60, a control unit 80, and a robot body 100. Note that the robot according to the present embodiment is not limited to the configuration shown in FIG. 3, and various modifications such as omitting some of the components or adding other components are possible.

力覚センサー10については上述したとおりである。   The force sensor 10 is as described above.

補正部40は、力覚センサー10からのセンサー情報に基づいて機械機構(狭義にはハンド110)の変位(変形)に対応する補正値を求め、目標値出力部60に出力する。補正値を求める手法については後述する。なお、図2のような構成の場合、機械機構(ハンド110)やアーム120等の自重、姿勢等により力覚センサー10において外力以外の力を検知してしまうことが考えられる。よって補正部40は、センサー情報に対して自重姿勢補正等の前処理を行った情報を取得し、それに基づいて補正値を求めてもよい。   The correction unit 40 obtains a correction value corresponding to the displacement (deformation) of the mechanical mechanism (in the narrow sense, the hand 110) based on the sensor information from the force sensor 10, and outputs the correction value to the target value output unit 60. A method for obtaining the correction value will be described later. In the case of the configuration as shown in FIG. 2, it is conceivable that the force sensor 10 detects a force other than an external force due to its own weight, posture, etc., such as the mechanical mechanism (hand 110) or the arm 120. Therefore, the correction unit 40 may acquire information obtained by performing preprocessing such as self-weight posture correction on the sensor information, and obtain a correction value based on the acquired information.

目標値出力部60は、アーム120(狭義にはアーム120を駆動するマニピュレーター)のフィードバック制御の目標値を出力する。この目標値に基づいてアーム120のフィードバック制御が実現される。多関節のロボット本体100を有するロボット等を例に取れば、この目標値は、ロボット本体100の関節角情報などである。ロボット本体100の関節角情報は、例えばアーム120のリンク機構における各関節の角度(ジョイント軸とジョイント軸のなす角度)を表す情報である。   The target value output unit 60 outputs a target value for feedback control of the arm 120 (manipulator that drives the arm 120 in a narrow sense). Based on this target value, feedback control of the arm 120 is realized. Taking a robot having an articulated robot body 100 as an example, this target value is joint angle information of the robot body 100 and the like. The joint angle information of the robot main body 100 is information representing, for example, the angle of each joint in the link mechanism of the arm 120 (an angle formed by the joint axis and the joint axis).

目標値出力部60は、軌道生成部62とインバースキネマティクス処理部64を含むことができる。軌道生成部62は、機械機構の軌道情報を出力する。軌道情報は、ロボットのエンドエフェクター部(エンドポイント)の位置情報(x,y,z)と、各座標軸回りでの回転角度情報(u,v,w)を含むことができる。インバースキネマティクス処理部64は、軌道生成部62からの軌道情報に基づいてインバースキネマティクス処理を行い、例えばロボット本体100の関節角情報を目標値として出力する。インバースキネマティクス処理は、関節を有するロボット本体100の動きを計算する処理であり、ロボットのエンドエフェクター部の位置姿勢などから関節角情報等を逆運動学により計算する処理である。   The target value output unit 60 can include a trajectory generation unit 62 and an inverse kinematics processing unit 64. The track generation unit 62 outputs track information of the mechanical mechanism. The trajectory information can include position information (x, y, z) of the end effector section (end point) of the robot and rotation angle information (u, v, w) about each coordinate axis. The inverse kinematics processing unit 64 performs inverse kinematics processing based on the trajectory information from the trajectory generation unit 62, and outputs, for example, joint angle information of the robot body 100 as a target value. The inverse kinematics process is a process for calculating the motion of the robot main body 100 having a joint, and is a process for calculating joint angle information and the like by inverse kinematics from the position and orientation of the end effector unit of the robot.

制御部80は、目標値出力部60からの目標値に基づいて、アーム120のフィードバック制御を行う。具体的には、補正部40からの補正値に基づく補正処理の結果出力された目標値に基づいて、アーム120のフィードバック制御を行う。例えば目標値と、ロボット本体100からのフィードバック信号に基づいて、アーム120のフィードバック制御を行う。   The control unit 80 performs feedback control of the arm 120 based on the target value from the target value output unit 60. Specifically, feedback control of the arm 120 is performed based on the target value output as a result of the correction process based on the correction value from the correction unit 40. For example, feedback control of the arm 120 is performed based on the target value and a feedback signal from the robot body 100.

ロボット本体100は、ハンド110(機械機構)と、アーム120を含む。具体的には、図2に示したようにアーム120に力覚センサー10が設けられ、力覚センサー10の先にハンド110が設けられることが想定される。なお、ロボットは図3に不図示のモーター制御部を有してもよく、モーター制御部は例えばアーム120等の関節角を設定する。制御部80は、ロボット本体100のハンド110やアーム120等を制御することになるが、実際には関節角情報の値を目標値として取得し、当該目標値に基づいてモーター制御部を制御することになる。   The robot body 100 includes a hand 110 (mechanical mechanism) and an arm 120. Specifically, as shown in FIG. 2, it is assumed that the force sensor 10 is provided on the arm 120 and the hand 110 is provided at the tip of the force sensor 10. The robot may have a motor control unit (not shown in FIG. 3), and the motor control unit sets a joint angle such as the arm 120, for example. The control unit 80 controls the hand 110, the arm 120, and the like of the robot body 100, but actually acquires the value of the joint angle information as a target value and controls the motor control unit based on the target value. It will be.

図4(A)に本実施形態のロボットの例を示す。このロボットは、制御装置300(情報処理装置)とロボット本体310(図1のロボット本体100)とを含む。制御装置300はロボット本体310の制御処理を行う。具体的には、動作シーケンス情報(シナリオ情報)に基づいてロボット本体310を動作させる制御を行う。ロボット本体310は、アーム320及びハンド(把持部)330を有する。そして制御装置300からの動作指示にしたがって動作する。例えば、図示しないパレットに載せられたワークを把持したり、移動するなどの動作を行う。また、図示しない撮像装置で取得された撮像画像情報に基づいて、ロボットの姿勢やワークの位置などの情報が検出され、検出された情報が制御装置300に送られる。   FIG. 4A shows an example of the robot of this embodiment. This robot includes a control device 300 (information processing device) and a robot main body 310 (robot main body 100 in FIG. 1). The control device 300 performs control processing for the robot body 310. Specifically, control for operating the robot main body 310 is performed based on the operation sequence information (scenario information). The robot body 310 includes an arm 320 and a hand (gripping unit) 330. Then, it operates according to an operation instruction from the control device 300. For example, operations such as gripping or moving a workpiece placed on a pallet (not shown) are performed. Further, information such as the posture of the robot and the position of the workpiece is detected based on captured image information acquired by an imaging device (not shown), and the detected information is sent to the control device 300.

本実施形態において制御を行なうシステム(補正部40、目標値出力部60、制御部80等)は例えば図4(A)の制御装置300に設けられ、例えば制御装置300のハードウェアーやプログラムによりロボット制御システムが実現される。そして本実施形態のロボットに含まれる制御システムによれば、制御装置300などの制御ハードウェアーに対する性能要求を低減できると共に、ロボット本体310を高い応答性で動作させることが可能になる。なお図4(A)は単腕型の例であるが、双腕型等の多腕型のロボットであってもよい。   A system (correction unit 40, target value output unit 60, control unit 80, etc.) that performs control in the present embodiment is provided in, for example, the control device 300 in FIG. A control system is realized. According to the control system included in the robot of the present embodiment, it is possible to reduce performance requirements for control hardware such as the control device 300 and to operate the robot body 310 with high responsiveness. 4A shows an example of a single arm type, a multi-arm type robot such as a double arm type may be used.

また、本実施形態のロボットは図4(A)に限定されず、図4(B)のような構成であってもよい。図4(B)に示したように、ロボットはロボット本体310(アーム320及びハンド330を有する)、及びロボット本体310を支えるベースユニット部を含み、当該ベースユニット部に制御装置300が格納される。図4(B)のロボットでは、ベースユニット部に車輪等が設けられ、ロボット全体が移動可能な構成となっている。なお、移動は人手で行われてもよいし、車輪を駆動するモーターを設け当該モーターを制御装置300により制御することで行なってもよい。   Further, the robot of the present embodiment is not limited to FIG. 4A, and may be configured as shown in FIG. As shown in FIG. 4B, the robot includes a robot main body 310 (having an arm 320 and a hand 330) and a base unit portion that supports the robot main body 310, and the control device 300 is stored in the base unit portion. . In the robot shown in FIG. 4B, wheels or the like are provided in the base unit portion so that the entire robot can move. The movement may be performed manually or may be performed by providing a motor for driving the wheel and controlling the motor by the control device 300.

つまり、本実施形態のロボットは、大きく分けるとロボット本体310(及び力覚センサー10)と、制御装置300(図3で示した補正部40、目標値出力部60、制御部80等)の2つを含むことになるが、これらの空間的、機能的な関係性については自由な設定が可能である。例えば、図4(B)のようにロボット本体310と制御装置300が一体として形成され、移動時にも一体として移動するものであってもよい。図4(B)の場合には、ロボット本体310と制御装置300は近い位置に設けられるため制御信号等のやり取りが容易である。また、制御装置300は、一体として形成されたロボット本体310以外の制御を行うことは考えにくいため、そのロボット本体310に特化した構成をとることができ、コスト削減や性能向上等が期待できる。   That is, the robot according to the present embodiment is roughly divided into the robot main body 310 (and the force sensor 10) and the control device 300 (the correction unit 40, the target value output unit 60, the control unit 80, etc. shown in FIG. 3). However, these spatial and functional relationships can be freely set. For example, as shown in FIG. 4B, the robot main body 310 and the control device 300 may be integrally formed, and may move as a unit when moving. In the case of FIG. 4B, since the robot main body 310 and the control device 300 are provided at close positions, it is easy to exchange control signals and the like. The control device 300 is unlikely to perform control other than the integrally formed robot body 310, and therefore can be configured specifically for the robot body 310, and cost reduction and performance improvement can be expected. .

或いは、図4(A)に示したように、ロボット本体310と制御装置300が別体として設けられてもよい。この場合には、ロボット本体310と制御装置300を離れた位置に設けることができる。溶接等、ロボットを用いた作業現場に人が近づくことが危険な状況も多く、遠隔制御を容易に実現できる構成には利点がある。また、一体形成されないため空間的な制約を受けにくく、後からロボット本体310(或いはそれに含まれる何らかのパーツ)を追加する等の拡張にも対応しやすい。   Alternatively, as shown in FIG. 4A, the robot body 310 and the control device 300 may be provided separately. In this case, the robot main body 310 and the control device 300 can be provided at positions separated from each other. There are many situations where it is dangerous for a person to approach a work site using a robot, such as welding, and there is an advantage in a configuration that can easily realize remote control. Moreover, since it is not integrally formed, it is difficult to receive spatial restrictions, and it is easy to cope with expansion such as adding the robot main body 310 (or any part included therein) later.

なお、ロボットという用語は広く解釈することが可能である。上述してきたようにロボット本体310と制御装置300の両方を含むものとしてもよいし、ロボット本体310及びそれと一体形成された部分に限定してもよい。このような限定をした場合、ロボットという用語により表される部分は、図4(B)の例では上述したものと同様にロボット本体310及び制御装置300を含むが、図4(A)の例であればロボット本体310を指し制御装置300を含まない。或いは、ロボットという用語により表される部分はロボット本体310を指すものであり、制御装置300を含まないものとしてもよい。つまり、ロボット本体310をロボットと表現し、当該ロボットの他に補正部40、制御部80等に対応する構成要件を含むシステムとして形成された発明等についても、本発明の範囲に含まれるものと考えられる。   Note that the term robot can be widely interpreted. As described above, both the robot main body 310 and the control device 300 may be included, or the robot main body 310 and a portion integrally formed therewith may be limited. In such a limitation, the part represented by the term robot includes the robot main body 310 and the control device 300 in the example of FIG. 4B as described above, but the example of FIG. Then, the robot body 310 is pointed and the control device 300 is not included. Alternatively, the portion represented by the term robot refers to the robot main body 310 and may not include the control device 300. That is, the invention formed as a system including the robot main body 310 as a robot and including the configuration requirements corresponding to the correction unit 40, the control unit 80, etc. in addition to the robot is also included in the scope of the present invention. Conceivable.

2.2 機械機構のモデル化
機械機構の特性をモデル化することで、力覚センサー10でのセンサー情報に基づいて機械機構の変位を求める手法について説明する。
2.2 Modeling of the mechanical mechanism A technique for determining the displacement of the mechanical mechanism based on the sensor information of the force sensor 10 by modeling the characteristics of the mechanical mechanism will be described.

機械機構のモデル化の手法は種々考えられるが、本実施形態では図5に示したように、質量mの物体が粘性係数μのダンパーと、弾性係数kのバネによって力覚センサー10に接続されている構造で近似する。このようにモデル化することで、図6に示したように、機械機構での変換は下式(2)で表されることになる。   Although various mechanical mechanism modeling methods are conceivable, in this embodiment, as shown in FIG. 5, an object having a mass m is connected to the force sensor 10 by a damper having a viscosity coefficient μ and a spring having an elastic coefficient k. Approximate with the structure. By modeling in this way, as shown in FIG. 6, the conversion in the mechanical mechanism is expressed by the following expression (2).

Figure 2013119133
Figure 2013119133

ここで、xが機械機構の変位を表すものである。よって、上式(2)は運動方程式に他ならない。これについては、図5に示したように機械機構を、質量を持つ物体・ダンパー・バネからなる構造物と捉えた結果と考えることができる。或いは、機械機構の特性は、下式(3)のようにx及びxの1〜N階微分項の線形結合により表現することができるが、下式(3)の2階微分項までを用いた近似式と捉えることもできる。   Here, x represents the displacement of the mechanical mechanism. Therefore, the above equation (2) is nothing but an equation of motion. About this, as shown in FIG. 5, it can be considered that the mechanical mechanism is regarded as a structure including a mass object, a damper, and a spring. Alternatively, the characteristics of the mechanical mechanism can be expressed by a linear combination of the 1st to Nth derivative terms of x and x as in the following equation (3), but the second derivative term in the following equation (3) is used. It can also be regarded as an approximate expression.

Figure 2013119133
Figure 2013119133

なお、図5は機械機構をモデル化するにあたっての近似のための概念図であり、実際にはこのようにダンパーやバネ等からなる構造とは限らない。つまり、上述したとおり上式(2)はあくまで機械機構の特性を近似した式であり、実際の特性とは異なる。これは上式(3)を用いた説明からもわかることである。   FIG. 5 is a conceptual diagram for approximation in modeling the mechanical mechanism, and is not necessarily a structure composed of a damper, a spring, or the like in this way. That is, as described above, the above expression (2) is an expression that approximates the characteristics of the mechanical mechanism, and is different from the actual characteristics. This can be understood from the explanation using the above equation (3).

通常、このような近似をしたからといって、その後の制御において精度等の問題が生じることは考えにくい。しかし、近似での誤差が問題となるのであれば、図7に示したように実際の機械機構をダンパーとバネから構成してしまえばよい。機械機構の形状等を考えれば、この場合にも上式(2)は機械機構の特性を完全に反映しているとは言えないが、ダンパー及びバネから構成されない機械機構を用いた場合に比べれば近似による誤差を小さくすることが可能になる。   In general, it is unlikely that a problem such as accuracy will occur in the subsequent control even after such approximation. However, if an error in approximation becomes a problem, the actual mechanical mechanism may be constituted by a damper and a spring as shown in FIG. Considering the shape of the mechanical mechanism, the above equation (2) does not completely reflect the characteristics of the mechanical mechanism in this case as well, but compared with the case where a mechanical mechanism that is not composed of a damper and a spring is used. Thus, the error due to approximation can be reduced.

次に、力覚センサー10に伝わる変換後の力Fとの関係を考える。ここで力覚センサー10が固定されているものと仮定すれば、力Fは外力fから慣性項を引いたものに等しく、下式(4)により表される。   Next, the relationship with the converted force F transmitted to the force sensor 10 will be considered. Assuming that the force sensor 10 is fixed, the force F is equal to the external force f minus the inertia term, and is expressed by the following equation (4).

Figure 2013119133
Figure 2013119133

上式(2)及び(4)から下式(5)が導かれる。   The following expression (5) is derived from the above expressions (2) and (4).

Figure 2013119133
Figure 2013119133

上式(5)は、言い換えれば図5のC1で示した面における力の釣り合いを表したものである。外力fが図5のC2で示した物体にはたらいたとき、機械機構の挙動を考慮するのであれば、C2の物体による慣性の影響は無視できないため上式(2)のように慣性項を含めた関係式が取得される。しかし、C1で示した面での力の釣り合いを考える場合(つまり力覚センサー10に伝わる力を考える場合)、C2の物体はC1の面と物理的に直接接続されていない以上、当該C2の物体による慣性は考慮しなくてもよく、それを表したものが上式(4)である。或いは、C1の面が受ける力は、物理的に接続されているダンパー及びバネから受けるものに限定されると捉えてもよく、そのように考えれば直接上式(5)を導くこともできる。   In other words, the above equation (5) represents the balance of forces on the surface indicated by C1 in FIG. When the external force f acts on the object indicated by C2 in FIG. 5, if the behavior of the mechanical mechanism is taken into consideration, the influence of the inertia due to the object of C2 cannot be ignored, so the inertia term is included as in the above equation (2). The obtained relational expression is acquired. However, when considering the balance of forces on the surface indicated by C1 (that is, when considering the force transmitted to the force sensor 10), the object of C2 is not physically connected directly to the surface of C1. The inertia due to the object does not need to be taken into consideration, and the above expression (4) represents it. Alternatively, the force received by the surface of C1 may be considered to be limited to that received from a physically connected damper and spring, and the above equation (5) can be directly derived from such a view.

いずれにせよ、上式(5)から、Fとxの関係が決定される。つまり、センサー情報Fを入力として、上式(5)の微分方程式を解くことで、変位に対応する情報xを求めることができる。   In any case, the relationship between F and x is determined from the above equation (5). That is, the information x corresponding to the displacement can be obtained by solving the differential equation of the above equation (5) with the sensor information F as an input.

2.3 本実施形態における力制御
上式(5)から求められた変位xに基づいてロボット(アーム120)を制御する手法について、図8(A)〜図8(C)を用いて説明する。図8(A)のような本実施形態の機械機構(図8(A)はモデル化した機械機構を表すものであってもよいし、実際の構造を表すものであってもよい)では、機械機構の剛性が低いため外力を受けることで図8(B)のように変形を起こす。
2.3 Force Control in this Embodiment A method for controlling the robot (arm 120) based on the displacement x obtained from the above equation (5) will be described with reference to FIGS. 8 (A) to 8 (C). . In the mechanical mechanism of the present embodiment as shown in FIG. 8A (FIG. 8A may represent a modeled mechanical mechanism or an actual structure), Since the mechanical mechanism has low rigidity, it is deformed as shown in FIG.

本実施形態では、図8(B)のようにxだけ押し込まれたのであれば、その変位をキャンセルするようにロボット本体100自体(或いはアーム120自体)をxだけ前進させる制御を行う。このようにすることで、加えられた外力に対応する力でロボット本体100が応答することになる。ロボット本体100の制御が十分高速であれば、図8(B)のように変位が生じている時間は短くできるため、あたかもロボットの手先(機械機構、ハンド110)は一定の位置にとどまり続ける制御ができる。つまり「変位をキャンセルする」とは、外力が加えられた位置(たとえばロボットの手先)が、あたかも一定の位置にとどまり続けているかのごとく見えるように制御することである。たとえば、ハンド110に弾性部材がある場合、そのハンド110に外力が加えられたり加えられていた外力が変化したりすれば、そのハンド110の外力が加えられた位置は移動する(変位する)はずであるが、このハンド110の外力が加えられた位置をあたかも移動しないかのごとく見えるように制御することである。   In this embodiment, if only x is pushed in as shown in FIG. 8B, control is performed to advance the robot body 100 itself (or the arm 120 itself) by x so as to cancel the displacement. By doing so, the robot body 100 responds with a force corresponding to the applied external force. If the control of the robot main body 100 is sufficiently fast, the time during which the displacement is generated can be shortened as shown in FIG. 8B, so that the robot hand (mechanical mechanism, hand 110) keeps staying at a fixed position. Can do. In other words, “cancel the displacement” means that the position where the external force is applied (for example, the hand of the robot) is controlled so that it looks as if it stays at a certain position. For example, when the hand 110 has an elastic member, if an external force is applied to the hand 110 or the applied external force changes, the position of the hand 110 to which the external force is applied should move (displace). However, control is performed so that the position where the external force of the hand 110 is applied is seen as if it does not move.

外力が加えられたとしても、手先位置が変動しないのであるから、これは見かけ上ロボット(或いはそのハンド110)を高剛性としていることに他ならない。   Even if an external force is applied, the position of the hand does not fluctuate, and this is nothing but an apparently high rigidity of the robot (or its hand 110).

ロボットが図3に示したように、補正部40と、目標値出力部60と、制御部80を含むのであれば、補正部40において変位xに相当する補正値を求め、目標値出力部60で補正値に基づいて目標値を補正した上で、制御部80で補正後の目標値に基づく制御を行う構成を取ることになる。   As shown in FIG. 3, if the robot includes the correction unit 40, the target value output unit 60, and the control unit 80, the correction unit 40 obtains a correction value corresponding to the displacement x, and the target value output unit 60. Then, after correcting the target value based on the correction value, the control unit 80 performs control based on the corrected target value.

以上では説明を簡略化するために、補正値としてxという1つの値を用いて説明したが、3次元的な挙動が可能なロボットを用いるのであれば、xは3次元ベクトル等で表現されることになり、ロボット本体100をxの逆ベクトルに相当する距離及び方向に移動させる制御を行うことになる。   In the above, in order to simplify the description, the description has been made using one value x as a correction value. However, if a robot capable of three-dimensional behavior is used, x is represented by a three-dimensional vector or the like. In other words, the robot body 100 is controlled to move in the distance and direction corresponding to the inverse vector of x.

また、上式(5)から求められるxは機械機構をモデル化した場合の仮想的な変位を表すものであって、実際の手先位置そのものであるとは限らない。しかし、xと実際の手先位置とは、多くの場合単純な関係にあり、xから実際の手先位置への変換は容易であると考えられる。この場合、補正部40では上式(5)からxを求めた上で、さらに実際の手先位置への変換処理を行い、その結果を補正値として出力することになる。なお、xから実際の手先位置への変換については、機械機構の構造に依存するものであり、一般化等は困難であるため詳細な説明については省略する。   Further, x obtained from the above equation (5) represents a virtual displacement when the mechanical mechanism is modeled, and is not necessarily the actual hand position itself. However, in many cases, x and the actual hand position have a simple relationship, and it is considered that conversion from x to the actual hand position is easy. In this case, the correction unit 40 obtains x from the above equation (5), further performs conversion processing to the actual hand position, and outputs the result as a correction value. The conversion from x to the actual hand position depends on the structure of the mechanical mechanism and is difficult to generalize.

2.4 デジタルフィルター化
上述したように、Fから変位xを求めるためには、上式(5)の線形常微分方程式を解くことになる。従来、線形常微分方程式の解を求めるにはNewton法やRunge−Kutta法等が用いられていた。しかし、これらの手法はハードウェアー化に適さず、安定性の判定も難しい。そこで本出願人は、線形常微分方程式を解く手法としてデジタルフィルターを用いる。
2.4 Digital Filtering As described above, to obtain the displacement x from F, the linear ordinary differential equation (5) is solved. Conventionally, a Newton method, a Runge-Kutta method, or the like has been used to obtain a solution of a linear ordinary differential equation. However, these methods are not suitable for hardware and it is difficult to determine stability. Therefore, the present applicant uses a digital filter as a method for solving a linear ordinary differential equation.

ここで、常微分方程式の解を求めるというステップを、入力値(力覚センサーのセンサー情報)の入力に対して解(上式(5)で言えば変位x)を出力するフィルターであると捉えるならば、上式(5)の形から、1極のアナログフィルターとして考えることができる。   Here, the step of obtaining the solution of the ordinary differential equation is regarded as a filter that outputs a solution (displacement x in the above equation (5)) with respect to the input of the input value (sensor information of the force sensor). Then, from the form of the above equation (5), it can be considered as a one-pole analog filter.

つまり、常微分方程式の解はアナログフィルターの出力として求めることができるのであるから、当該アナログフィルターをデジタルフィルター化することで、常微分方程式をデジタルフィルターにより解くことが可能になる。   That is, since the solution of the ordinary differential equation can be obtained as the output of the analog filter, the ordinary differential equation can be solved by the digital filter by converting the analog filter into a digital filter.

アナログフィルターのデジタルフィルター化の手法は種々知られているが、例えばImpulse Invariance法を用いればよい。これは、アナログフィルターのインパルスレスポンスを離散時間Tでサンプルした値と同じインパルスレスポンスを与えるデジタルフィルターを考える手法である。Impulse Invariance法については公知の手法であるため詳細な説明は省略する。   Various methods for converting an analog filter into a digital filter are known. For example, an impulse invariance method may be used. This is a technique for considering a digital filter that gives the same impulse response as the value obtained by sampling the impulse response of an analog filter at a discrete time T. Since the Impulse Invariance method is a known method, detailed description thereof is omitted.

以上の結果、常微分方程式の解はデジタルフィルターの出力として求めることが可能になる。上式(5)であれば、図9に示したように1極のデジタルフィルターとなる。図9において、dは1サンプル分の遅延であり、αとβはフィルターの係数である。図9のフィルターは下式(6)で表される。   As a result, the solution of the ordinary differential equation can be obtained as the output of the digital filter. In the case of the above formula (5), a one-pole digital filter is obtained as shown in FIG. In FIG. 9, d is a delay for one sample, and α and β are filter coefficients. The filter of FIG. 9 is represented by the following formula (6).

=αF+βxn−1 ・・・・・(6)
デジタルフィルターによる処理であれば、ハードウェアー化は容易であるし、安定性の判定も容易である。デジタルフィルターの安定性は、デジタルフィルターの極が単位円の内側にあるか否かにより容易に判定可能だからである。
x n = αF n + βx n−1 (6)
If it is a process using a digital filter, it is easy to implement hardware and it is easy to determine stability. This is because the stability of the digital filter can be easily determined by whether or not the pole of the digital filter is inside the unit circle.

なお、α、βの各フィルター係数は、機械機構の特性により決定され、この場合には質量項m、粘性項μ及び弾性項k(場合によっては、以上のものに加えてデジタルフィルターの駆動周波数Tを用いてもよい)により決定される。機械機構(ハンド110)の特性は設計により既知であるため、フィルター係数は事前に求めておくことができる。また、複数のハンド110を付け替えることを考えた場合にも、それぞれのハンド特性に対応するフィルター係数を求めておけば、当該フィルター係数を切り替えることで容易に対応が可能であるため、Runge−Kutta法等の従来手法に比べて優位である。   The filter coefficients α and β are determined by the characteristics of the mechanical mechanism. In this case, the mass term m, the viscosity term μ, and the elastic term k (in some cases, in addition to the above, the driving frequency of the digital filter) T may be used). Since the characteristics of the mechanical mechanism (hand 110) are known by design, the filter coefficient can be obtained in advance. Further, even when considering replacing a plurality of hands 110, if filter coefficients corresponding to the respective hand characteristics are obtained, it is possible to easily cope with them by switching the filter coefficients. Therefore, the Runge-Kutta It is superior to conventional methods such as law.

2.5 処理の詳細
図10のフローチャートを用いて、補正部40での処理について説明する。この処理が開始されると、まず力覚センサー10からのセンサー情報の取得待ちを行う(S101)。待ち時間は力覚センサー10のセンサー情報出力レートに応じて決まるものである。なお、ここでは力覚センサー10のセンサー情報の出力1回ごとに、補正部40での補正処理が行われるものとする。ただし、消費電力の軽減等を図る場合等には、複数回の出力ごとに処理を行なってもよい。
2.5 Details of Processing The processing in the correction unit 40 will be described using the flowchart of FIG. When this process is started, first, acquisition of sensor information from the force sensor 10 is waited (S101). The waiting time is determined according to the sensor information output rate of the force sensor 10. Here, it is assumed that correction processing by the correction unit 40 is performed every time sensor information of the force sensor 10 is output. However, when reducing power consumption or the like, the processing may be performed for each of a plurality of outputs.

入力待ちの後に、センサー情報を取得する(S102)。センサー情報は上述したように力F(機械機構による変調後の外力)に相当する。そして、取得した力Fに基づいて補正処理を行う(S103)。具体的には、変位に相当する情報xの過去の値(xn−1)を更新し、更新後のxn−1とFとから現在のxの値(x)を求める。その際用いられるα、βはデジタルフィルターのフィルター係数であり、機械機構をモデル化した際の特性であるm,μ,k等から決定される。その後、求めたxを補正値として出力し(S104)、処理を終了するかの判定を行う(S105)。S105でNoの場合はS101に戻り処理を継続する。S105でYesの場合は処理を終了する。 After waiting for input, sensor information is acquired (S102). As described above, the sensor information corresponds to the force F (external force modulated by the mechanical mechanism). Then, correction processing is performed based on the acquired force F (S103). Specifically, the past value (x n−1 ) of the information x corresponding to the displacement is updated, and the current value of x (x n ) is obtained from the updated x n−1 and F n . Α and β used at this time are filter coefficients of the digital filter, and are determined from m, μ, k, etc., which are characteristics when the mechanical mechanism is modeled. Thereafter, the obtained xn is output as a correction value (S104), and it is determined whether or not to end the process (S105). If No in S105, the process returns to S101 and continues. If Yes in S105, the process ends.

出力された補正値xは目標値の補正処理に用いられる。なお、目標値の設定処理や、補正後の目標値に基づくロボット制御等については、公知の技術であるためフローチャートを用いた説明は省略する。 The output correction value xn is used for target value correction processing. Note that the target value setting process and the robot control based on the corrected target value are well-known techniques, and therefore description using a flowchart is omitted.

以上の本実施形態では、ロボットは図3に示したように、アーム120と、アーム120に設けられた力覚センサー10と、力覚センサー10を介してアーム120に設けられ弾性部材を有する機械機構(狭義にはハンド110)と、機械機構の位置及び姿勢の目標値の補正値を求める補正部40と、補正値に基づいて目標値を補正し、補正後の目標値に基づいてアーム120を制御する制御部80を含む。この場合に、力覚センサー10は検出した力に対応するセンサー情報を出力し、補正部40は力覚センサー10が出力したセンサー情報を用いて、力に基づく弾性部材の変位に対応する補正値を求め、制御部80は補正後の目標値に基づいて、弾性部材の変位をキャンセルするアーム120の制御を行う。   In the above embodiment, as shown in FIG. 3, the robot is a machine having an arm 120, a force sensor 10 provided on the arm 120, and an elastic member provided on the arm 120 via the force sensor 10. A mechanism (hand 110 in a narrow sense), a correction unit 40 that calculates a correction value of the target value of the position and orientation of the mechanical mechanism, a target value is corrected based on the correction value, and the arm 120 is corrected based on the corrected target value. The control part 80 which controls is included. In this case, the force sensor 10 outputs sensor information corresponding to the detected force, and the correction unit 40 uses the sensor information output from the force sensor 10 to correct a correction value corresponding to the displacement of the elastic member based on the force. The control unit 80 controls the arm 120 that cancels the displacement of the elastic member based on the corrected target value.

ここで、機械機構の位置及び姿勢の目標値とは、ロボット本体100の制御における目標値であり、外乱や駆動時の誤差が全くない等の理想的な状況においては、機械機構は目標値どおりの位置及び姿勢を取ることになる。なお、機械機構の位置及び姿勢の目標値は、例えば空間座標での3軸の座標値(xyz)と、各軸周りの回転(uvw)であるが、これに限定されず、機械機構に対してxyzuvwに対応する位置及び姿勢を取らせる関節角情報であってもよい。本実施形態の手法では、目標値に対して補正値により補正処理を行なって補正後の目標値を求め、当該補正後の目標値に基づいてロボット本体100(狭義にはアーム120)のフィードバック制御に用いられる値が決定される。フィードバック制御に用いられる値は、補正後の目標値をそのまま用いてもよいし、何らかの処理を行った結果を用いてもよい。フィードバック制御に用いられる値は、ロボット本体100の関節角情報が用いられることが一般的ではあるが、ハンドの位置(xyz)や各軸周りでの角度(uvw)等であることを妨げない。なお、図3に示したように、目標値出力部60が、軌道生成部62と、インバースキネマティクス処理部64を含むのであれば、軌道生成部62で位置情報(xyzuvw)として目標軌道を設定し、当該目標軌道に対してインバースキネマティクス処理部64でインバースキネマティクス処理を行うことで関節角情報に変換することが考えられる。   Here, the target values of the position and orientation of the mechanical mechanism are target values in the control of the robot main body 100. In an ideal situation where there is no disturbance and no error in driving, the mechanical mechanism is in accordance with the target value. Will take the position and posture. The target values of the position and orientation of the mechanical mechanism are, for example, three-axis coordinate values (xyz) in spatial coordinates and rotations (uvw) around each axis, but are not limited thereto, and are not limited to the mechanical mechanism. It may be joint angle information for taking a position and posture corresponding to xyzvw. In the method of the present embodiment, the target value is corrected using a correction value to obtain a corrected target value, and feedback control of the robot body 100 (arm 120 in a narrow sense) is performed based on the corrected target value. The value used for is determined. As a value used for feedback control, a corrected target value may be used as it is, or a result obtained by performing some processing may be used. The value used for the feedback control is generally the joint angle information of the robot main body 100, but does not prevent the hand position (xyz), the angle around each axis (uvw), and the like. As shown in FIG. 3, if the target value output unit 60 includes a trajectory generation unit 62 and an inverse kinematics processing unit 64, the trajectory generation unit 62 sets a target trajectory as position information (xyzvw). Then, it is conceivable that the inverse kinematics processing unit 64 performs inverse kinematics processing on the target trajectory to convert it into joint angle information.

補正値は弾性部材の変位に相当するため、位置に相当する情報であることが想定されるが、所定の処理(具体的にはインバースキネマティクス処理)を施した結果である関節角情報であってもよい。一般的には、目標軌道(位置及び姿勢の目標値)と、位置情報である補正値とを用いて補正処理を行い、その結果に対してインバースキネマティクス処理を施すことが想定される。このようにすれば、インバースキネマティクス処理が1回で済むためである。しかし、例えば目標値の設定処理と、補正値を求める処理とで、処理タイミングや処理レートが異なる場合等では、補正部40の側にもインバースキネマティクス処理部を設け、目標軌道、及び弾性部材の変位に対してそれぞれインバースキネマティクス処理を行い、得られた関節角情報同士で補正処理を行なってもよい。   Since the correction value corresponds to the displacement of the elastic member, it is assumed that the correction value is information corresponding to the position. However, the correction value is joint angle information that is a result of performing a predetermined process (specifically, inverse kinematics process). May be. In general, it is assumed that correction processing is performed using a target trajectory (target values of position and orientation) and correction values that are position information, and inverse kinematics processing is performed on the result. This is because the inverse kinematics process is only required once. However, for example, when the processing timing and processing rate are different between the target value setting process and the process for obtaining the correction value, an inverse kinematics processing unit is provided on the correction unit 40 side, and the target trajectory and the elastic member are provided. Inverse kinematics processing may be performed for each displacement, and correction processing may be performed on the obtained joint angle information.

つまり、「目標値」、「補正値」、「補正後の目標値」、及び「フィードバック制御に用いられる値」は、それぞれ位置に関する情報であってもよいし、関節角に関する情報であってもよい。一例は上述したように、位置情報として設定した目標値に対して、変位(位置情報)である補正値による補正処理を行い、位置情報として補正後の目標値を求める。そして、補正後の目標値に対してインバースキネマティクス処理を行なって関節角情報を求め、当該関節角情報をフィードバック制御に用いる値とすることが考えられる。   In other words, the “target value”, “correction value”, “target value after correction”, and “value used for feedback control” may be information relating to the position or information relating to the joint angle. Good. As described above, for example, as described above, the target value set as position information is subjected to correction processing using a correction value that is displacement (position information), and a corrected target value is obtained as position information. Then, inverse kinematics processing may be performed on the corrected target value to obtain joint angle information, and the joint angle information may be used as a value used for feedback control.

また、機械機構の弾性部材とは、図7に示したように実際にバネ等の機械的な構造を有するものであってもよいし、そのような機械的構造を持たないが全体として剛性が低いものであってもよい。   In addition, the elastic member of the mechanical mechanism may actually have a mechanical structure such as a spring as shown in FIG. 7, or it does not have such a mechanical structure but has rigidity as a whole. It may be low.

これにより、弾性部材を有する(具体的には剛性の低い)機械機構が設けられたロボットにおいても、当該機械機構をあたかも高剛性であるかのように制御することが可能になり、手先位置制御の精度向上等が可能になる。さらに、機械機構が本来持つ特性が低剛性である(弾性部材を有し、例えば柔構造物である)ため、力制御が停止して、本来の特性が現れてしまった場合にも、衝突等による影響を抑止することが可能になる。具体的には図8(A)〜図8(C)を用いて説明したように、外力によりxだけ機械機構が変形した場合には、当該xに対応する分だけロボット100を移動させることで、ロボット100の手先位置を一定に保つ(厳密には目標値に対応する位置に沿うように制御する)ことになる。   As a result, even in a robot provided with a mechanical mechanism having an elastic member (specifically, low rigidity), it becomes possible to control the mechanical mechanism as if it had high rigidity. The accuracy can be improved. Furthermore, since the inherent characteristics of the mechanical mechanism are low rigidity (having an elastic member, for example, a flexible structure), even when force control stops and the original characteristics appear, a collision, etc. It becomes possible to suppress the influence by. Specifically, as described with reference to FIGS. 8A to 8C, when the mechanical mechanism is deformed by x by an external force, the robot 100 is moved by an amount corresponding to x. The hand position of the robot 100 is kept constant (strictly, control is performed so as to follow the position corresponding to the target value).

また、機械機構はロボットのエンドエフェクター部(狭義にはハンド110)であってもよい。この場合、補正部40は力覚センサー10が出力したセンサー情報を用いて、外力に基づくエンドエフェクター部の変位に対応する補正値を求める。そして、制御部80は補正後の目標値に基づいて、エンドエフェクター部の変位をキャンセルする制御を行う。   Further, the mechanical mechanism may be an end effector portion (hand 110 in a narrow sense) of a robot. In this case, the correction unit 40 obtains a correction value corresponding to the displacement of the end effector unit based on the external force using the sensor information output from the force sensor 10. And the control part 80 performs control which cancels the displacement of an end effector part based on the corrected target value.

これにより、機械機構がロボットのエンドエフェクター部である場合にも、本実施形態の手法を適用することが可能になる。図4のような一般的な産業用ロボット等を考えた場合、作業対象(例えばワーク)との接触を伴う部位は、専らハンド330等のエンドエフェクター部であることが想定される。よってエンドエフェクター部を、弾性部材を有する構造とすること、及びそれに伴う手先位置精度の劣化を補うことは非常に重要であるといえる。   This makes it possible to apply the method of the present embodiment even when the mechanical mechanism is an end effector unit of a robot. When a general industrial robot or the like as shown in FIG. 4 is considered, it is assumed that a part accompanied with contact with a work target (for example, a workpiece) is exclusively an end effector unit such as the hand 330. Therefore, it can be said that it is very important to make the end effector part a structure having an elastic member and to compensate for the accompanying deterioration in hand position accuracy.

また、補正部40は第2のデジタルフィルター処理により、補正値を求める処理を行ってもよい。   Further, the correction unit 40 may perform a process of obtaining a correction value by the second digital filter process.

ここで、第2のデジタルフィルター処理とは、後述する第2の実施形態での力制御部のデジタルフィルター処理との区別のために「第2の」としているに過ぎず、本実施形態において述べたデジタルフィルター処理のことを指す。   Here, the second digital filter processing is merely referred to as “second” for distinction from the digital filter processing of the force control unit in the second embodiment described later, and will be described in the present embodiment. Refers to digital filter processing.

これにより、本実施形態において補正値を求める処理をデジタルフィルターにより実現することが可能になる。補正値は上式(5)の微分方程式の解として求められるが、Runge−Kutta法等を用いたのではハードウェアー化や安定性の判定等が困難であったのに対し、デジタルフィルターを用いることでこのような問題に対処が可能となる。具体的には、機械機構の特性(例えばm,μ,k等)からフィルター係数を求め、求めたフィルター係数を用いてデジタルフィルターを用いた処理を行えばよい。機械機構の特性は設計段階で決まるものであるから、フィルター係数の事前計算が可能である。また、機械機構が付け替え可能な場合であっても、複数のフィルター係数の組を記憶しておき、適切なものを用いることで容易に対処可能となる。   As a result, the processing for obtaining the correction value in the present embodiment can be realized by the digital filter. The correction value is obtained as a solution of the differential equation (5) above, but using the Runge-Kutta method or the like makes it difficult to implement hardware or determine stability, but uses a digital filter. This makes it possible to deal with such problems. Specifically, a filter coefficient may be obtained from the characteristics of the mechanical mechanism (for example, m, μ, k, etc.), and processing using a digital filter may be performed using the obtained filter coefficient. Since the characteristics of the mechanical mechanism are determined at the design stage, the filter coefficient can be calculated in advance. Even when the mechanical mechanism can be replaced, it is possible to easily cope with the problem by storing a plurality of sets of filter coefficients and using an appropriate one.

また、第k(kは2以上の整数)のタイミングにおける、センサー情報の値をFとし、補正値を表す第2のデジタルフィルター処理の出力値をxとする。さらに、第k−1のタイミングにおける前記第2のデジタルフィルター処理の出力値をxk−1とし、第2のデジタルフィルター処理の係数パラメーターをα及びβとする。この場合に、補正部40は第kのタイミングにおける補正値xをx=αF+βxk−1により求めてもよい。 In addition, the value of sensor information at the timing of the k-th (k is an integer equal to or greater than 2) is F k, and the output value of the second digital filter processing representing the correction value is x k . Further, the output value of the second digital filter process at the (k−1) th timing is x k−1, and the coefficient parameters of the second digital filter process are α and β. In this case, the correction unit 40 may obtain the correction value x k at the k -th timing by x k = αF k + βx k−1 .

これにより、図9に示したデジタルフィルターにより補正値を求めることが可能になる。上述したように機械機構をモデル化することで、センサー情報に対応するFと、変位xとの関係は上式(5)により表される。ここからデジタルフィルターを導くには、例えば上式(5)をアナログフィルターとして捉えた上で、Impulse Invariance法等によりデジタルフィルター化すればよい。デジタルフィルター化した際の具体的な式は上式(6)のようになる。   As a result, the correction value can be obtained by the digital filter shown in FIG. By modeling the mechanical mechanism as described above, the relationship between F corresponding to the sensor information and the displacement x is expressed by the above equation (5). In order to derive the digital filter from here, for example, the above equation (5) may be regarded as an analog filter and then converted into a digital filter by the Impulse Invariance method or the like. The specific formula when the digital filter is used is as shown in the above formula (6).

また、ロボットは図3に示したように、機械機構の位置及び姿勢の目標値を出力する目標値出力部60を含んでもよい。   Further, as shown in FIG. 3, the robot may include a target value output unit 60 that outputs target values of the position and orientation of the mechanical mechanism.

これにより、目標値を設定することが可能となる。目標値の詳細及び目標値出力部60の構成例については上述したとおりである。なお、目標値出力部60が軌道生成部62を含む場合に、目標軌道の設定に関しては種々の手法が適用可能である。例えば、アーム120等の移動回数・移動距離を少なくするアルゴリズムや、衝突を回避するアルゴリズム、把持物体が落下した場合の影響を抑止するアルゴリズム等に基づいて目標軌道が設定されてもよい。なお、本実施形態の機械機構は弾性部材を有するため、高剛性の機械機構を用いる場合に比べて衝突回避のためのマージン等を少なく設定すること等ができる。よって、本実施形態の構成・手法により衝突回避アルゴリズムにおける処理を簡略化すること等も可能になる場合がありえる。   This makes it possible to set a target value. The details of the target value and the configuration example of the target value output unit 60 are as described above. In addition, when the target value output unit 60 includes the trajectory generation unit 62, various methods can be applied for setting the target trajectory. For example, the target trajectory may be set based on an algorithm for reducing the number of movements / movement distance of the arm 120 or the like, an algorithm for avoiding a collision, an algorithm for suppressing an influence when a grasped object falls, or the like. In addition, since the mechanical mechanism of this embodiment has an elastic member, the margin for collision avoidance etc. can be set small compared with the case where a highly rigid mechanical mechanism is used. Therefore, it may be possible to simplify the processing in the collision avoidance algorithm by the configuration and method of the present embodiment.

3.第2の実施形態
3.1 システム構成例
本実施形態のロボットの構成例を図11に示す。本実施形態のロボットは、力覚センサー10と、力制御部20と、補正部40と、補正値合成部50と、目標値出力部60と、制御部80と、ロボット本体100を含む。なお本実施形態のロボットは図11の構成には限定されず、その一部の構成要素を省略したり、他の構成要素を追加するなどの種々の変形実施が可能である。
3. Second Embodiment 3.1 System Configuration Example FIG. 11 shows a configuration example of a robot according to this embodiment. The robot of the present embodiment includes a force sensor 10, a force control unit 20, a correction unit 40, a correction value synthesis unit 50, a target value output unit 60, a control unit 80, and a robot body 100. The robot according to the present embodiment is not limited to the configuration shown in FIG. 11, and various modifications such as omitting some of the components or adding other components are possible.

力覚センサー10、補正部40、制御部80及びロボット本体100については、第1の実施形態と同様であるため詳細な説明は省略する。また、目標値出力部60についても、目標値の補正処理のために取得する補正値が異なるのみであり、他の構成等については同様であるため詳細な説明は省略する。   The force sensor 10, the correction unit 40, the control unit 80, and the robot body 100 are the same as those in the first embodiment, and thus detailed description thereof is omitted. The target value output unit 60 also differs only in the correction value acquired for the target value correction process, and the other configurations are the same, and thus detailed description thereof is omitted.

力制御部20は、力覚センサー10からのセンサー情報に基づいて力制御(力覚制御)を行って、目標値の第2の補正値(補正部40での補正値とは異なる)を出力する。更に具体的には、力制御部20は、力覚センサー10からのセンサー情報(力情報、モーメント情報)に基づいてインピーダンス制御(或いはコンプライアンス制御)を行う。   The force control unit 20 performs force control (force control) based on the sensor information from the force sensor 10, and outputs a second correction value of the target value (different from the correction value in the correction unit 40). To do. More specifically, the force control unit 20 performs impedance control (or compliance control) based on sensor information (force information, moment information) from the force sensor 10.

力制御部20は、インピーダンス処理部22と、制御パラメーター記憶部24と、外力検知部26を含むことができる。インピーダンス処理部22は、力制御としてインピーダンス制御を行う。インピーダンス制御の具体的な手法については後述する。制御パラメーター記憶部24は、力制御(インピーダンス制御)において用いられる制御パラメーターを記憶する。   The force control unit 20 can include an impedance processing unit 22, a control parameter storage unit 24, and an external force detection unit 26. The impedance processing unit 22 performs impedance control as force control. A specific method of impedance control will be described later. The control parameter storage unit 24 stores control parameters used in force control (impedance control).

外力検知部26は、センサー情報(取得後に自重姿勢補正等の前処理を行った情報も含む)に対して補正処理を行う。外力検知部26では、機械機構が受けた外力fが、当該機械機構により力Fに変換され力覚センサー10に伝えられたことを想定し、機械機構での変換の逆変換に相当する補正処理を行い、外力fを求める。機械機構自身及び機械機構での変換についてはモデル化を行い、それに基づいて逆変換を求めることになる。詳細については後述する。   The external force detection unit 26 performs a correction process on the sensor information (including information obtained by performing preprocessing such as self-weight posture correction after acquisition). In the external force detection unit 26, assuming that the external force f received by the mechanical mechanism is converted into the force F by the mechanical mechanism and transmitted to the force sensor 10, a correction process corresponding to the inverse conversion of the conversion by the mechanical mechanism is performed. To obtain the external force f. The mechanical mechanism itself and the conversion in the mechanical mechanism are modeled, and the inverse conversion is obtained based on the modeling. Details will be described later.

補正値合成部50は、補正部40で求められた補正値(第1の補正値)と、力制御部で求められた第2の補正値とを合成し、合成後の補正値を目標値出力部60に出力する。   The correction value synthesizing unit 50 synthesizes the correction value (first correction value) obtained by the correction unit 40 and the second correction value obtained by the force control unit, and uses the corrected correction value as a target value. Output to the output unit 60.

3.2 外力検知手法
外力検知部26での外力検知手法について説明する。ここでは第1の実施形態で上述したとおり、機械機構による変調を図6のようにモデル化し、モデル化により導かれた上式(2)及び(5)を用いる。
3.2 External force detection method An external force detection method in the external force detection unit 26 will be described. Here, as described in the first embodiment, the modulation by the mechanical mechanism is modeled as shown in FIG. 6, and the above equations (2) and (5) derived by the modeling are used.

ここで求めたいのは、センサー情報に対応するFから外力fを求める手法であるが、fとFの関係は上式(2)及び(5)により記述することができる。具体的には、機械機構での変換とは、fを入力とし、上式(2)、(5)に基づいてFを出力する系と捉えることができる。よって、逆変換とは、Fを入力とし、上式(5)、(2)に基づいてfを求める系と捉えればよい。具体的には、センサー情報としてFを取得し、上式(5)の微分方程式を解いてxを求める。そして、求めたxを上式(2)に代入しfを求めればよい。   What is desired here is a method for obtaining the external force f from F corresponding to the sensor information, but the relationship between f and F can be described by the above equations (2) and (5). Specifically, the conversion by the mechanical mechanism can be regarded as a system that takes f as an input and outputs F based on the above equations (2) and (5). Therefore, the inverse transformation may be regarded as a system that takes F as an input and obtains f based on the above equations (5) and (2). Specifically, F is acquired as sensor information, and x is obtained by solving the differential equation of the above equation (5). Then, the obtained x may be substituted into the above equation (2) to obtain f.

なお、第1の実施形態において上式(5)の線形常微分方程式をデジタルフィルター化したように、Fからfを求める処理についてもデジタルフィルター化が可能である。まず、上式(2)の線形常微分方程式(運動方程式)は図12に示したように2極のデジタルフィルターとなる。図12において、C0,C1,C2はフィルターの係数であり、これを式に表したものが下式(7)である。   Note that, as in the first embodiment, the linear ordinary differential equation of the above equation (5) is converted into a digital filter, and the process for obtaining f from F can also be converted into a digital filter. First, the linear ordinary differential equation (equation of motion) of the above equation (2) becomes a two-pole digital filter as shown in FIG. In FIG. 12, C0, C1, and C2 are filter coefficients, which are expressed in the following equation (7).

=C+Cn−1+Cn−2 ・・・・・(7)
なお、C0、C1、C2の各フィルター係数は、機械機構の特性により決定され、この場合には質量項m、粘性項μ及び弾性項k(場合によっては、以上のものに加えてデジタルフィルターの駆動周波数Tを用いてもよい)により決定される。フィルター係数を事前に求めておくことができる点、複数のハンド110を付け替えることを考えた場合にもフィルター係数を切り替えることで容易に対応が可能である点についても第1の実施形態と同様である。
x n = C 0 f n + C 1 x n-1 + C 2 x n-2 ····· (7)
The filter coefficients C0, C1, and C2 are determined by the characteristics of the mechanical mechanism. In this case, the mass term m, the viscosity term μ, and the elastic term k (in some cases, in addition to the above, the digital filter Drive frequency T may be used). Similar to the first embodiment, the filter coefficient can be obtained in advance, and even when changing the plurality of hands 110 is considered, it can be easily handled by switching the filter coefficient. is there.

なお、上式(6)、(7)を変形することにより下式(8)にまとめることができる。   The above equations (6) and (7) can be transformed into the following equation (8).

=αF+βxn−1−(Cn−1+Cn−2) ・・・・・(8)
上式(8)を図示したものが図12である。図12のデジタルフィルターを用いることで、力覚センサー10で検知した力Fを入力とし、機械機構の受けた外力fを出力とする補正処理(逆変換)を実現することができる。
C 0 f n = αF n + βx n-1 - (C 1 x n-1 + C 2 x n-2) ····· (8)
FIG. 12 illustrates the above equation (8). By using the digital filter of FIG. 12, it is possible to realize a correction process (inverse conversion) in which the force F detected by the force sensor 10 is input and the external force f received by the mechanical mechanism is output.

3.3 インピーダンス制御の具体例
次に、インピーダンス制御の具体例について説明する。ここでのインピーダンス制御は、外力検知部26で求められた外力fに基づいて、インピーダンス処理部22において行われる。
3.3 Specific Example of Impedance Control Next, a specific example of impedance control will be described. The impedance control here is performed in the impedance processing unit 22 based on the external force f obtained by the external force detection unit 26.

図14(A)は、ロボットの左のアームAL、右のアームARで物体OBを挟んで移動している様子を示している。例えば、位置制御だけでは、物体を落としたり、破壊してしまうおそれがある、力制御によれば、柔軟な物体や脆い物体を、図14(A)のように両側から適切な力で挟んで移動させることが可能になる。   FIG. 14A shows a situation where the object OB is sandwiched between the left arm AL and the right arm AR of the robot. For example, with position control alone, there is a risk of dropping or destroying an object. With force control, a flexible object or a fragile object is sandwiched with appropriate force from both sides as shown in FIG. It can be moved.

また、力制御によれば、図14(B)に示すように、不確実性のある物体の表面SFをアームAM等でなぞることが可能になる。このような制御は位置制御だけでは実現不能である。また、力制御によれば、図14(C)に示すように、粗い位置決めの後に、探って位置合わせをして、物体OBを穴部HLにはめ込むことも可能になる。   Further, according to the force control, as shown in FIG. 14B, it is possible to trace the surface SF of an uncertain object with the arm AM or the like. Such control cannot be realized only by position control. In addition, according to force control, as shown in FIG. 14C, after rough positioning, it is possible to search and align the object OB into the hole HL.

しかしながら、バネなどの実際の機械部品による力制御では、用途が限られるという問題がある。また、このような機械部品による力制御では、特性の動的な切り替えが困難である。   However, there is a problem that the application is limited in force control using actual mechanical parts such as a spring. In addition, in such force control using mechanical parts, it is difficult to dynamically switch characteristics.

一方、モーターのトルクを制御するトルク制御は簡単であるが、位置精度が悪くなるという問題がある。また、異常時に衝突などの問題が生じる。例えば図14(A)において、異常事態が起きて、物体OBを落としてしまった場合に、トルク制御では、釣合うべき反力が無くなるため、左右のアームAL、ARが衝突してしまうなどの問題が生じる。   On the other hand, torque control for controlling the torque of the motor is simple, but there is a problem that the positional accuracy is deteriorated. In addition, a problem such as a collision occurs when an abnormality occurs. For example, in FIG. 14A, when an abnormal situation occurs and the object OB is dropped, there is no reaction force to be balanced in the torque control, so the left and right arms AL and AR collide. Problems arise.

これに対して、インピーダンス制御(コンプライアンス制御)は、制御が複雑にはなるが、汎用性や安全性が高いという利点がある。   On the other hand, impedance control (compliance control) has the advantage of high versatility and safety, although the control is complicated.

図15(A)、図15(B)は、インピーダンス制御の1つであるコンプライアンス制御を説明する図である。コンプライアンスはバネ定数の逆数を意味し、バネ定数が硬さを表すのに対して、コンプライアンスは柔らかさを意味する。ロボットと環境との間に相互作用が働くときに、機械的柔軟性であるコンプライアンスを与える制御をコンプライアンス制御と呼ぶ。   FIGS. 15A and 15B are diagrams for explaining the compliance control which is one of the impedance controls. Compliance means the reciprocal of the spring constant, and the spring constant represents hardness, whereas compliance means softness. Control that provides compliance, which is mechanical flexibility, when interaction between the robot and the environment works is called compliance control.

例えば図15(A)では、ロボットのアームAMには力覚センサーSEが取り付けられている。このロボットのアームAMは、力覚センサーSEで得られたセンサー情報(力・トルク情報)に応じて姿勢が変わるようにプログラムされている。具体的には、図15(A)のA1に示す仮想的なバネが、あたかもアームAMの先端に取り付けられているかのようにロボットを制御する。   For example, in FIG. 15A, a force sensor SE is attached to the arm AM of the robot. The robot arm AM is programmed so that its posture changes according to sensor information (force / torque information) obtained by the force sensor SE. Specifically, the robot is controlled as if a virtual spring indicated by A1 in FIG. 15A is attached to the tip of the arm AM.

例えばA1に示すバネのバネ定数が100kg/mであったとする。これを図15(B)のA2に示すように5kgの力で押せば、A3に示すようにバネは5cmだけ縮む。逆に言えば、5cmだけ縮んでいれば、5kgの力で押されているといえる。つまり、力情報と位置情報とが対応づけられている。   For example, it is assumed that the spring constant of the spring shown in A1 is 100 kg / m. If this is pushed with a force of 5 kg as shown at A2 in FIG. 15B, the spring contracts by 5 cm as shown at A3. Conversely, if it is shrunk by 5 cm, it can be said that it is pushed with a force of 5 kg. That is, force information and position information are associated with each other.

コンプライアンス制御では、このA1に示す仮想的なバネがアームAMの先端に取り付けられているかのような制御が行われる。具体的には、ロボットは、力覚センサーSEの入力に応答して動作し、A2に示す5kgの加重に対して、A3に示すように5cmだけ後退するように制御され、力情報に対応して位置情報が変化するように制御される。   In the compliance control, control is performed as if the virtual spring indicated by A1 is attached to the tip of the arm AM. Specifically, the robot operates in response to the input of the force sensor SE and is controlled to move back by 5 cm as shown in A3 with respect to the weight of 5 kg shown in A2, corresponding to the force information. The position information is controlled to change.

このような単純なコンプライアンス制御では時間項を含まないが、時間項を含み、その2次の項までを考慮した制御が、インピーダンス制御である。具体的には、2次の項は質量項であり、1次の項は粘性項であり、インピーダンス制御のモデルは下式(9)に示すような運動方程式で表すことができる。   Such simple compliance control does not include a time term, but the control including the time term and considering the second order term is impedance control. Specifically, the second-order term is a mass term, the first-order term is a viscosity term, and the impedance control model can be expressed by an equation of motion as shown in the following equation (9).

Figure 2013119133
Figure 2013119133

上式(9)において、mは質量、μは粘性係数、kは弾性係数、fは力(外力検知部26での逆変換処理により取得された外力)、uは目標位置からの変位である。またuの1次微分、2次微分は、各々、速度、加速度に対応する。インピーダンス制御では、上式(9)の特性をアームの先端であるエンドエフェクター部に持たせるための制御系を構成する。即ち上式(9)で表される仮想質量、仮想粘性係数、仮想弾性係数を、あたかもアームの先端が持っているかのように制御を行う。 In the above equation (9), m I is mass, μ I is a viscosity coefficient, k I is an elastic coefficient, f is a force (external force acquired by the inverse transformation process in the external force detection unit 26), and u is from the target position. Displacement. The first and second derivatives of u correspond to speed and acceleration, respectively. In the impedance control, a control system for providing the characteristic of the above equation (9) to the end effector section that is the tip of the arm is configured. That is, control is performed as if the tip of the arm has the virtual mass, virtual viscosity coefficient, and virtual elastic coefficient represented by the above equation (9).

このように、インピーダンス制御は、アームの先端の質量に粘性要素と弾性要素が各方向に接続されるモデルにおいて、目的として設定された粘性係数と弾性係数で物体に接触するようにする制御である。   As described above, impedance control is control that makes a contact with an object with a viscosity coefficient and an elastic coefficient set as an object in a model in which a viscous element and an elastic element are connected to the mass of the tip of the arm in each direction. .

例えば図16(A)に示すように、ロボットのアームAL、ARで物体OBをつかんで、軌道TRに沿って移動させる制御を考える。この場合に、軌道TRLは、物体OBの左側の内側に設定された点PLが通る軌道であり、インピーダンス制御を想定して決定された仮想的な左手の軌道である。また軌道TRRは、物体OBの右側の内側に設定された点PRが通る軌道であり、インピーダンス制御を想定して決定された仮想的な右手の軌道である。この場合に、アームALは、アームALの先端と点PLの距離差に応じた力が発生するように制御される。またアームARは、アームARの先端と点PRの距離差に応じた力が発生するように制御される。このようにすれば、物体OBを柔らかくつかみながら移動させるインピーダンス制御を実現できる。そして、インピーダンス制御では、図16(A)のB1に示すように物体OBが落下する事態が生じたとしても、アームAL、ARは、B2、B3に示すように、その先端が点PL、PRの位置で止まるように制御される。即ち、仮想的な軌道が衝突軌道でなければ、アームAL、ARが衝突するのを防止できる。   For example, as shown in FIG. 16A, let us consider a control in which an object OB is held by robot arms AL and AR and moved along a trajectory TR. In this case, the trajectory TRL is a trajectory through which the point PL set inside the left side of the object OB passes, and is a virtual left-hand trajectory determined on the assumption of impedance control. The trajectory TRR is a trajectory through which the point PR set inside the right side of the object OB passes, and is a virtual right-hand trajectory determined on the assumption of impedance control. In this case, the arm AL is controlled so that a force corresponding to the distance difference between the tip of the arm AL and the point PL is generated. The arm AR is controlled so that a force corresponding to the distance difference between the tip of the arm AR and the point PR is generated. In this way, it is possible to realize impedance control that moves the object OB while grasping it softly. In the impedance control, even if the situation where the object OB falls as indicated by B1 in FIG. 16A occurs, the ends of the arms AL and AR are points PL and PR as indicated by B2 and B3. It is controlled to stop at the position. That is, if the virtual trajectory is not a collision trajectory, it is possible to prevent the arms AL and AR from colliding.

また図16(B)のように、物体の表面SFをなぞるように制御する場合にも、インピーダンス制御では、アームAMの先端に対して、仮想的な軌道TRVAと先端との距離差DFに応じた力が働くように制御される。従って、アームAMを、力を加えながら表面SFをなぞるような制御が可能になる。   Further, as shown in FIG. 16B, even when the control is performed so that the surface SF of the object is traced, in the impedance control, according to the distance difference DF between the virtual trajectory TRVA and the tip with respect to the tip of the arm AM. It is controlled so that the applied force works. Therefore, the arm AM can be controlled to trace the surface SF while applying a force.

以上のインピーダンス制御を行うことで、図17に示したように、あたかも質量m、粘性μ、弾性kを持つかのようにロボット100を制御することができる。本来、ハンド110(機械機構)は剛性が低いため、ハンド110の現実の特性(m、μ、k)を無視できず、ロボット100全体としては、制御により見かけ上取得した特性(m、μ、k)と、機械機構の現実の特性(m、μ、k)とを合成した特性が現れるように思える。 By performing the impedance control described above, the robot 100 can be controlled as if it had mass m I , viscosity μ I , and elasticity k I as shown in FIG. Originally, since the hand 110 (mechanical mechanism) has low rigidity, the actual characteristics (m, μ, k) of the hand 110 cannot be ignored, and the robot 100 as a whole has characteristics (m I , μ apparently acquired by control). I , k I ) and the actual characteristics (m, μ, k) of the mechanical mechanism seem to appear.

しかし第1の実施形態で述べたとおり、補正部40での処理によりハンド110はあたかも高剛性であるように振る舞うため、機械機構の特性(m、μ、k)については考慮する必要がない。よって、制御における目標特性(m、μ、k)を所望の特性とすればよい。 However, as described in the first embodiment, since the hand 110 behaves as if it is highly rigid by the processing in the correction unit 40, it is not necessary to consider the characteristics (m, μ, k) of the mechanical mechanism. Therefore, the target characteristics (m I , μ I , k I ) in the control may be set as desired characteristics.

なお、上式(9)についても補正部40での補正処理や、外力検知部26での逆変換と同様にデジタルフィルター化することができる。   The above equation (9) can also be converted to a digital filter in the same manner as the correction process in the correction unit 40 and the inverse conversion in the external force detection unit 26.

3.4 処理の詳細
本実施形態の処理について図18、図19のフローチャートを用いて説明する。図18が外力検知処理を説明するフローチャートである。この処理が開始されると、まず力覚センサー10からのセンサー情報の取得待ちを行う(S201)。待ち時間は力覚センサー10のセンサー情報出力レートに応じて決まるものである。なお、ここでは力覚センサー10のセンサー情報の出力1回ごとに、外力検知部26での取得処理及び補正処理が行われるものとする。ただし、消費電力の軽減等を図る場合等には、複数回の出力ごとに処理を行なってもよい。
3.4 Details of Processing The processing according to this embodiment will be described with reference to the flowcharts of FIGS. FIG. 18 is a flowchart for explaining the external force detection process. When this process is started, first, acquisition of sensor information from the force sensor 10 is waited (S201). The waiting time is determined according to the sensor information output rate of the force sensor 10. Here, it is assumed that the acquisition process and the correction process in the external force detection unit 26 are performed for each output of the sensor information of the force sensor 10. However, when reducing power consumption or the like, the processing may be performed for each of a plurality of outputs.

入力待ちの後に、センサー情報を取得する(S202)。センサー情報は上述したように力F(機械機構による変調後の外力)に相当する。そして、取得した力Fに基づいて補正処理を行う(S203)。ここで、xは中間パラメーターであり、物理的には機械機構の変形(変位)に相当するものである。具体的には、xの過去の値(xn−1とxn−2)を更新し、更新後のxn−1とFとから現在のxの値(x)を求める。そして、求めたxと、更新したxn−1、xn−2とからfを求めることになる。 After waiting for input, sensor information is acquired (S202). As described above, the sensor information corresponds to the force F (external force modulated by the mechanical mechanism). Then, correction processing is performed based on the acquired force F (S203). Here, x is an intermediate parameter and physically corresponds to the deformation (displacement) of the mechanical mechanism. Specifically, the past values of x (x n−1 and x n−2 ) are updated, and the current value of x (x n ) is obtained from the updated x n−1 and F n . Then, the x n obtained, thereby obtaining the f n from the updated x n-1, x n-2 Prefecture.

その後、求めたfを補正済みの外力として出力し(S204)、処理を終了するかの判定を行う(S205)。S205でNoの場合はS201に戻り処理を継続する。S205でYesの場合は処理を終了する。 Then, outputs f n obtained as corrected external force (S204), and determines whether the process ends (S205). If No in S205, the process returns to S201 and continues. If Yes in S205, the process ends.

図19はインピーダンス処理部22でのインピーダンス制御を説明するフローチャートである。この処理が開始されると、まず外力検知部26からの外力値fの出力のタイミング待ちを行った上で、外力fを取得する(S301,302)。そして、取得したfnに基づいて線形常微分方程式(運動方程式)の解を求める。運動方程式は、2階の線形常微分方程式であるため、図12に示したものと同様に2極のデジタルフィルターで処理することができる。具体的には、第2の補正値に対応する出力値をyとしたときに、yの過去の値(yn−1とyn−2)を更新し、更新後のyn−1及びyn−2とfとから現在のyの値(y)を求める(S303)。この際、インピーダンス制御の目標特性(m、μ、k)等から決まるデジタルフィルター係数C’,C’,C’を用いる。 FIG. 19 is a flowchart for explaining impedance control in the impedance processing unit 22. When this process is started, first, after waiting for the output timing of the external force value f n from the external force detector 26, the external force f n is acquired (S301, 302). And the solution of a linear ordinary differential equation (kinetic equation) is calculated | required based on acquired fn. Since the equation of motion is a second-order linear ordinary differential equation, it can be processed by a two-pole digital filter in the same manner as shown in FIG. Specifically, when the output value corresponding to the second correction value is y, the past values of y (y n−1 and y n−2 ) are updated, and y n−1 after the update and The current value of y (y n ) is obtained from y n−2 and f n (S303). At this time, digital filter coefficients C 0 ′, C 1 ′, C 2 ′ determined based on target characteristics (m I , μ I , k I ) of impedance control are used.

その後、求めたyを第2の補正値として出力し(S304)、処理を終了するかの判定を行う(S305)。S305でNoの場合はS301に戻り処理を継続する。S305でYesの場合は処理を終了する。 Then, outputs y n obtained as the second correction value (S304), and determines whether the process ends (S305). If No in S305, the process returns to S301 and continues. If Yes in S305, the process ends.

図18及び図19の処理が行われた後に、補正値合成部50において補正値x(yに対応するタイミングにおいて、図10の処理により求められたもの)と、第2の補正値yを合成し、合成後の補正値を目標値出力部60に出力する。なお、目標値の設定処理や、補正後の目標値に基づくロボット制御等については、公知の技術であるためフローチャートを用いた説明は省略する。 After the process of FIGS. 18 and 19 has been performed, the correction value x n in the correction value synthesizer 50 (at the timing corresponding to y n, and those obtained by the process of FIG. 10) and a second correction value y n is combined and the combined correction value is output to the target value output unit 60. Note that the target value setting process and the robot control based on the corrected target value are well-known techniques, and therefore description using a flowchart is omitted.

以上の本実施形態では、ロボットは図11に示したように、力覚センサー10が出力したセンサー情報に基づいて、機械機構の位置及び姿勢の目標値の第2の補正値を出力する力制御部20を含む。そして制御部80は、補正値(補正部40で求めたもの)、及び力制御部20で求められた第2の補正値に基づいて目標値を補正し、補正後の目標値に基づいてアーム120を制御する。   In the above embodiment, as shown in FIG. 11, the robot outputs force control for outputting the second correction value of the target value of the position and orientation of the mechanical mechanism based on the sensor information output from the force sensor 10. Part 20 is included. Then, the control unit 80 corrects the target value based on the correction value (obtained by the correction unit 40) and the second correction value obtained by the force control unit 20, and arm based on the corrected target value. 120 is controlled.

ここで、第2の補正値とは、ロボットの力制御に用いられるものであり、目標値の補正処理に用いられること等は補正部40で求められる補正値と同様である。また、第2の補正値が位置情報であってもよいし、関節角情報であってもよい点も同様である。ただし、補正部40の補正値は、機械機構の特性(μ,k)に基づいて上式(5)から求められるのに対し、第2の補正値はロボット100に見かけ上持たせたい目標特性(例えばm、μ、k)に基づいて上式(9)から求められる点は異なる。 Here, the second correction value is used for the force control of the robot, and the second correction value is the same as the correction value obtained by the correction unit 40 in that it is used for the target value correction process. Similarly, the second correction value may be position information or joint angle information. However, the correction value of the correction unit 40 is obtained from the above equation (5) based on the characteristics (μ, k) of the mechanical mechanism, whereas the second correction value is a target characteristic that the robot 100 apparently wants to have. The points obtained from the above equation (9) based on (for example, m I , μ I , k I ) are different.

これにより、第1の実施形態の手法に加えて他の力制御部(例えばインピーダンス制御)を行なうことが可能になる。第1の実施形態の手法も力覚センサー10からのセンサー情報に基づく制御ではあるが、あくまで柔構造物を固く見せるためのものであり、力制御が求められる典型的な状況(物体の表面をなぞる等)への対応は考慮されていない。よって、インピーダンス制御等を組み合わせることでより柔軟な制御が可能となる。第1の実施形態の手法も、本実施形態のインピーダンス制御も、目標値に対する補正値を出力するという点で共通であるため、これらの組み合わせは容易に実現できる。例えば、図11に示したように補正値合成部50を設け、それぞれから求められた補正値を合成し、合成後の値を目標値出力部60に出力すればよい。   Thereby, in addition to the method of the first embodiment, another force control unit (for example, impedance control) can be performed. Although the method of the first embodiment is also control based on sensor information from the force sensor 10, it is only for making the flexible structure look solid, and a typical situation where force control is required (the surface of the object is The response to tracing, etc.) is not considered. Therefore, more flexible control is possible by combining impedance control and the like. Since the method of the first embodiment and the impedance control of this embodiment are common in that a correction value for the target value is output, these combinations can be easily realized. For example, as shown in FIG. 11, the correction value combining unit 50 may be provided, the correction values obtained from each may be combined, and the combined value may be output to the target value output unit 60.

また、力制御部20は図11に示したように、機械機構が外力fを変換して力Fとして力覚センサー10に伝達する場合に、センサー情報に対して機械機構での変換の逆変換を行なう外力検知部26を含んでもよい。そして力制御部20は、外力検知部26からの出力信号に基づいて第2の補正値を求める。   Further, as shown in FIG. 11, when the mechanical mechanism converts the external force f and transmits the force F to the force sensor 10 as shown in FIG. 11, the force control unit 20 reversely converts the conversion by the mechanical mechanism with respect to the sensor information. An external force detection unit 26 for performing the above may be included. Then, the force control unit 20 obtains a second correction value based on the output signal from the external force detection unit 26.

これにより、力覚センサー10で検知した信号から外力fを正確に求めることが可能になる。本実施形態の機械機構は弾性部材を有し剛性が低いため、当該機械機構による外力fへの変換(変調)が無視できない。図2に示したような構成であれば、機械機構が外力fを受けたとしても、力覚センサー10が受ける力は変調によりFになってしまうはずである。しかし、インピーダンス制御に必要なのは機械機構(手先等のエンドエフェクター部)にはたらく力であるから、Fではなくfである。よって、力制御部20ではセンサー情報Fから外力fを求める処理を行うことが望ましく、具体的には外力検知部26において機械機構での変換の逆変換を行なうことになる。なお、この場合でも機械機構をモデル化すると処理が容易となり、モデル化手法は第1の実施形態と同様のものを用いることができる。よって上式(2)、(4)、(5)等は外力検知部26での処理でも共通であり、具体的には上式(5)と上式(2)により、Fからfを求めることができる。   As a result, the external force f can be accurately obtained from the signal detected by the force sensor 10. Since the mechanical mechanism of the present embodiment has an elastic member and has low rigidity, conversion (modulation) to the external force f by the mechanical mechanism cannot be ignored. With the configuration shown in FIG. 2, even if the mechanical mechanism receives an external force f, the force received by the force sensor 10 should be F due to modulation. However, what is necessary for impedance control is a force acting on a mechanical mechanism (an end effector section such as a hand), so f is not F. Therefore, it is desirable for the force control unit 20 to perform processing for obtaining the external force f from the sensor information F. Specifically, the external force detection unit 26 performs reverse conversion of conversion by a mechanical mechanism. Even in this case, if the mechanical mechanism is modeled, the processing becomes easy, and the same modeling method as in the first embodiment can be used. Therefore, the above equations (2), (4), (5), etc. are common to the processing in the external force detection unit 26. Specifically, f is obtained from F by the above equations (5) and (2). be able to.

また、力制御部20はデジタルフィルター処理により、逆変換、及び第2の補正値を求める処理を行ってもよい。   Further, the force control unit 20 may perform a process of obtaining an inverse transformation and a second correction value by a digital filter process.

これにより、逆変換処理(外力検知部26での処理)と、第2の補正値を求める処理(インピーダンス処理部22での処理)をデジタルフィルター化することが可能になる。逆変換については上述したとおり上式(2)及び(5)を解く処理であり、共に線形常微分方程式であるため、補正部40での処理と同様にデジタルフィルター化できる。また、第2の補正値は上式(9)の線形常微分方程式の解uとして求められるのであるから、同様にデジタルフィルター化が可能である。デジタルフィルター化する利点は、上述したようにハードウェアー化や安定性の判定等を容易にする点にある。   As a result, it is possible to digitalize the inverse transformation process (the process in the external force detection unit 26) and the process for obtaining the second correction value (the process in the impedance processing unit 22). As described above, the inverse transformation is a process for solving the above equations (2) and (5), and since both are linear ordinary differential equations, digital filtering can be performed in the same manner as the process in the correction unit 40. Since the second correction value is obtained as the solution u of the linear ordinary differential equation of the above equation (9), it can be digitally converted in the same manner. The advantage of using a digital filter is that, as described above, it is easy to make hardware and determine stability.

また、外力検知部26は、上式(6)に示したように、第n(nは3以上の整数)のタイミングにおけるセンサー情報の値をF、第n−1のタイミングにおける中間パラメーターをxn−1とし、デジタルフィルター処理の係数パラメーターをα及びβとした場合に、x=αF+βxn−1により、第nのタイミングにおける中間パラメーターxを求めてもよい。そして、上式(7)に示したように、求められたx、第n−1のタイミングで求められた中間パラメーターxn−1及び第n−2のタイミングで求められた中間パラメーターxn−2と、デジタルフィルター処理の係数パラメーターC,C,Cから、f={x−(Cn−1+Cn−2)}/Cにより、第nのタイミングにおける補正処理後のセンサー情報(外力)fを求める。 Further, as shown in the above equation (6), the external force detection unit 26 sets the sensor information value at the nth timing (n is an integer of 3 or more) as the Fn and the intermediate parameter at the (n-1) th timing. When x n-1 is assumed and the coefficient parameters of the digital filter processing are α and β, the intermediate parameter x n at the n-th timing may be obtained by x n = αF n + βx n−1 . Then, as shown in the above equation (7), the obtained x n , the intermediate parameter x n−1 obtained at the ( n−1) th timing, and the intermediate parameter x n obtained at the (n−2) th timing. -2, the coefficient of the digital filter parameters C 0, C 1, C 2 , f n = - by {x n (C 1 x n -1 + C 2 x n-2)} / C 0, of the n Sensor information (external force) f n after correction processing at timing is obtained.

ここで、中間パラメーターxは機械機構の弾性部材の変位に相当するものである。よって、外力検知部26に対応するデジタルフィルター処理の途中までは、補正部40に対応するデジタルフィルター処理と同様のものになる。そのため、場合によっては補正部40に対応するデジタルフィルターと、外力検知部26に対応するデジタルフィルターを共通化する構成としてもよい。   Here, the intermediate parameter x corresponds to the displacement of the elastic member of the mechanical mechanism. Therefore, until the middle of the digital filter processing corresponding to the external force detection unit 26, the digital filter processing corresponding to the correction unit 40 is the same. Therefore, in some cases, the digital filter corresponding to the correction unit 40 and the digital filter corresponding to the external force detection unit 26 may be shared.

これにより、上式(6)、(7)に基づいてFから外力fを求めることが可能になる。この処理をデジタルフィルター化したものが図13である。外力fを正確に求めることで、その後のインピーダンス処理等を適切に行うことができる。   Thereby, the external force f can be obtained from F based on the above equations (6) and (7). FIG. 13 is a digital filter of this process. Subsequent impedance processing and the like can be appropriately performed by accurately obtaining the external force f.

以上、本発明を適用した2つの実施の形態1〜2およびその変形例について説明したが、本発明は、各実施の形態1〜2やその変形例そのままに限定されるものではなく、実施段階では、発明の要旨を逸脱しない範囲内で構成要素を変形して具体化することができる。また、上記した各実施の形態1〜2や変形例に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることによって、種々の発明を形成することができる。例えば、各実施の形態1〜2や変形例に記載した全構成要素からいくつかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施の形態や変形例で説明した構成要素を適宜組み合わせてもよい。また、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義または同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。このように、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々の変形や応用が可能である。   The two embodiments 1 and 2 to which the present invention is applied and the modifications thereof have been described above, but the present invention is not limited to the embodiments 1 and 2 and the modifications as they are, The constituent elements can be modified and embodied without departing from the spirit of the invention. Various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the above-described first and second embodiments and modifications. For example, you may delete a some component from all the components described in each Embodiment 1-2 or the modification. Furthermore, you may combine suitably the component demonstrated in different embodiment and modification. In addition, a term described together with a different term having a broader meaning or the same meaning at least once in the specification or the drawings can be replaced with the different term anywhere in the specification or the drawings. Thus, various modifications and applications are possible without departing from the spirit of the invention.

10 力覚センサー、20 力制御部、22 インピーダンス処理部、
24 制御パラメーター記憶部、26 外力検知部、40 補正部、
50 補正値合成部、60 目標値出力部、62 軌道生成部、
64 インバースキネマティクス処理部、80 制御部、100 ロボット本体、
110 ハンド、120 アーム、300 制御装置、310 ロボット本体、
320 アーム、330 ハンド
10 force sensor, 20 force control unit, 22 impedance processing unit,
24 control parameter storage unit, 26 external force detection unit, 40 correction unit,
50 correction value synthesis unit, 60 target value output unit, 62 trajectory generation unit,
64 inverse kinematics processing unit, 80 control unit, 100 robot body,
110 hand, 120 arm, 300 controller, 310 robot body,
320 arms, 330 hands

Claims (11)

アームと、
前記アームに設けられた力覚センサーと、
前記力覚センサーを介して前記アームに設けられ、弾性部材を有する機械機構と、
前記機械機構の位置及び姿勢の目標値の補正値を求める補正部と、
前記補正値に基づいて前記目標値を補正し、補正後の前記目標値に基づいて前記アームを制御する制御部と、
を含み、
前記力覚センサーは、
前記力覚センサーが検出した力に関するセンサー情報を出力し、
前記補正部は、
前記力覚センサーが出力したセンサー情報を用いて、前記力に基づく前記弾性部材の変位に対応する前記補正値を求め、
前記制御部は、
補正後の前記目標値に基づいて、前記弾性部材の前記変位をキャンセルする前記アームの制御を行うことを特徴とするロボット。
Arm,
A force sensor provided on the arm;
A mechanical mechanism provided on the arm via the force sensor and having an elastic member;
A correction unit for obtaining a correction value of a target value of the position and orientation of the mechanical mechanism;
A control unit that corrects the target value based on the correction value and controls the arm based on the corrected target value;
Including
The force sensor is
Output sensor information about the force detected by the force sensor,
The correction unit is
Using the sensor information output by the force sensor, find the correction value corresponding to the displacement of the elastic member based on the force,
The controller is
A robot that controls the arm to cancel the displacement of the elastic member based on the corrected target value.
請求項1において、
前記機械機構は、
前記ロボットのエンドエフェクター部であり、
前記補正部は、
前記力覚センサーが出力した前記センサー情報を用いて、前記力に基づく前記エンドエフェクター部の前記変位に対応する前記補正値を求め、
前記制御部は、
補正後の前記目標値に基づいて、前記エンドエフェクター部の前記変位をキャンセルする前記アームの制御を行うことを特徴とするロボット。
In claim 1,
The mechanical mechanism is
An end effector section of the robot,
The correction unit is
Using the sensor information output by the force sensor, the correction value corresponding to the displacement of the end effector unit based on the force is obtained,
The controller is
A robot that controls the arm that cancels the displacement of the end effector unit based on the corrected target value.
請求項1又は2において、
前記力覚センサーが出力した前記センサー情報を用いて、前記機械機構の前記位置及び前記姿勢の前記目標値の第2の補正値を出力する力制御部を含み、
前記制御部は、
前記補正値及び前記第2の補正値に基づいて前記目標値を補正し、補正後の前記目標値に基づいて前記ロボットを制御することを特徴とするロボット。
In claim 1 or 2,
A force control unit that outputs a second correction value of the target value of the position and the posture of the mechanical mechanism using the sensor information output by the force sensor;
The controller is
A robot that corrects the target value based on the correction value and the second correction value, and controls the robot based on the corrected target value.
請求項3において、
前記力制御部は、
前記機械機構が外力fを変換して力Fとして前記力覚センサーに伝達する場合に、前記センサー情報に対して前記機械機構での変換の逆変換を行なう外力検知部を含み、
前記力制御部は、
前記外力検知部からの出力信号に基づいて前記第2の補正値を求めることを特徴とするロボット。
In claim 3,
The force control unit
When the mechanical mechanism converts an external force f and transmits the force F as the force F to the force sensor, an external force detection unit that performs reverse conversion of the conversion in the mechanical mechanism with respect to the sensor information;
The force control unit
A robot characterized in that the second correction value is obtained based on an output signal from the external force detector.
請求項4において、
前記力制御部は、
デジタルフィルター処理により、前記逆変換、及び前記第2の補正値を求める処理を行うことを特徴とするロボット。
In claim 4,
The force control unit
A robot characterized by performing a process of obtaining the inverse transformation and the second correction value by a digital filter process.
請求項5において、
前記外力検知部は、
第n(nは3以上の整数)のタイミングにおける前記センサー情報の値をF、第n−1のタイミングにおける中間パラメーターをxn−1とし、前記デジタルフィルター処理の係数パラメーターをα及びβとした場合に、
=αF+βxn−1により、前記第nのタイミングにおける前記中間パラメーターxを求めるとともに、
求められた前記中間パラメーターx、前記第n−1のタイミングで求められた前記中間パラメーターxn−1及び第n−2のタイミングで求められた前記中間パラメーターxn−2と、前記デジタルフィルター処理の前記係数パラメーターC,C,Cから、
={x−(Cn−1+Cn−2)}/Cにより、前記第nのタイミングにおける前記逆変換の後の前記センサー情報fを求めることを特徴とするロボット。
In claim 5,
The external force detector is
The value of the sensor information at the nth (n is an integer of 3 or more) timing is Fn , the intermediate parameter at the ( n-1) th timing is xn-1, and the coefficient parameters of the digital filter processing are α and β. If
x n = αF n + βx n−1 to obtain the intermediate parameter x n at the n-th timing,
The obtained intermediate parameter x n, and the intermediate parameter x n-2 obtained in the first n-1 of said intermediate parameter x n-1 and the n-2 timing determined by the timing, the digital filter From the coefficient parameters C 0 , C 1 , C 2 of the process,
The sensor information f n after the inverse transformation at the n-th timing is obtained by f n = {x n − (C 1 x n−1 + C 2 x n−2 )} / C 0 Robot to do.
請求項1乃至6のいずれかにおいて、
前記補正部は、
第2のデジタルフィルター処理により、前記補正値を求める処理を行うことを特徴とするロボット。
In any one of Claims 1 thru | or 6.
The correction unit is
A robot that performs a process of obtaining the correction value by a second digital filter process.
請求項7において、
第k(kは2以上の整数)のタイミングにおける、前記センサー情報の値をF、前記補正値を表す前記第2のデジタルフィルター処理の出力値をxとし、第k−1のタイミングにおける前記第2のデジタルフィルター処理の出力値をxk−1とし、前記第2のデジタルフィルター処理の係数パラメーターをα及びβとした場合に、
前記補正部は、
前記第kのタイミングにおける前記補正値xをx=αF+βxk−1により求めることを特徴とするロボット。
In claim 7,
At the k-th timing (k is an integer of 2 or more), the value of the sensor information is F k , the output value of the second digital filter processing representing the correction value is x k, and the timing at the (k−1) -th timing. When the output value of the second digital filter processing is x k−1 and the coefficient parameters of the second digital filter processing are α and β,
The correction unit is
Robot and obtaining the correction value x k at a timing of the first k by x k = αF k + βx k -1.
請求項1乃至8のいずれかにおいて、
前記機械機構の前記位置及び前記姿勢の前記目標値を出力する目標値出力部を含むことを特徴とするロボット。
In any one of Claims 1 thru | or 8.
A robot including a target value output unit that outputs the target value of the position and the posture of the mechanical mechanism.
アーム、前記アームに設けられた力覚センサー、及び前記力覚センサーを介して前記アームに設けられ、弾性部材を有する機械機構を含むロボットを制御するロボット制御方法であって、
前記力覚センサーが検出した力に関するセンサー情報を用いて、前記力に基づく前記弾性部材の変位に対応する補正値を求め、
前記補正値に基づいて前記ロボットの目標値を補正し、補正後の前記目標値に基づいて前記弾性部材の前記変位をキャンセルする前記アームの制御を行うことを特徴とするロボット制御方法。
A robot control method for controlling a robot including an arm, a force sensor provided in the arm, and a mechanical mechanism provided in the arm via the force sensor and having an elastic member,
Using sensor information about the force detected by the force sensor, a correction value corresponding to the displacement of the elastic member based on the force is obtained,
A robot control method comprising: correcting the target value of the robot based on the correction value, and controlling the arm to cancel the displacement of the elastic member based on the corrected target value.
アーム、前記アームに設けられた力覚センサー、及び前記力覚センサーを介して前記アームに設けられ、弾性部材を有する機械機構を含むロボットを制御するロボット制御方法であって、
前記力覚センサーが検出した力に関するセンサー情報を用いて、前記力に基づく前記弾性部材の変位をキャンセルする前記アームの制御を行うことを特徴とするロボット制御方法。
A robot control method for controlling a robot including an arm, a force sensor provided in the arm, and a mechanical mechanism provided in the arm via the force sensor and having an elastic member,
A robot control method comprising: controlling the arm that cancels the displacement of the elastic member based on the force using sensor information relating to the force detected by the force sensor.
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