JPH0683971B2 - バイラテラルサーボマニピユレータ制御方法 - Google Patents
バイラテラルサーボマニピユレータ制御方法Info
- Publication number
- JPH0683971B2 JPH0683971B2 JP17985682A JP17985682A JPH0683971B2 JP H0683971 B2 JPH0683971 B2 JP H0683971B2 JP 17985682 A JP17985682 A JP 17985682A JP 17985682 A JP17985682 A JP 17985682A JP H0683971 B2 JPH0683971 B2 JP H0683971B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- master
- slave
- torque
- control gain
- friction compensation
- Prior art date
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- Expired - Lifetime
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- Control Of Position Or Direction (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、人間の遠隔操作によつて作業する、マスタ・
スレーブ・バイラテラルサーボマニピユレータに関する
ものである。
スレーブ・バイラテラルサーボマニピユレータに関する
ものである。
従来のマスタ・スレーブ・バイラテラルサーボマニピユ
レータでは、第1図のようにマスタ10とスレーブ12の制
御方式が同一で、ともに位置制御を基本とするものであ
り、おのおのの入出力がつながれた対称形と呼ばれるも
のが多い。すなわち、マスタ10に人間の操作力100が加
わつたマスタの姿勢102が変わり、それがスレーブの位
置指令値となる。位置制御されたスレーブは、その指令
値102に追従して動作し、そのスレーブの姿勢104がさら
にマスタへの位置目標となるように構成されている。そ
して、スレーブが外力106によつて拘束されると、マス
タの位置目標104が固定される。そのため、人間の操作1
00に対してマスタからの反力108が発生し、等価的にス
レーブに加わつている外力106を人間にフイードバツク
するようになつている。
レータでは、第1図のようにマスタ10とスレーブ12の制
御方式が同一で、ともに位置制御を基本とするものであ
り、おのおのの入出力がつながれた対称形と呼ばれるも
のが多い。すなわち、マスタ10に人間の操作力100が加
わつたマスタの姿勢102が変わり、それがスレーブの位
置指令値となる。位置制御されたスレーブは、その指令
値102に追従して動作し、そのスレーブの姿勢104がさら
にマスタへの位置目標となるように構成されている。そ
して、スレーブが外力106によつて拘束されると、マス
タの位置目標104が固定される。そのため、人間の操作1
00に対してマスタからの反力108が発生し、等価的にス
レーブに加わつている外力106を人間にフイードバツク
するようになつている。
現実においては、上記のようにならず、人間がマスタに
操作力100を加えても、マスタの摩擦のためマスタの姿
勢102が変わらず、マスタの姿勢102がたとえ少し変化し
ても、スレーブの摩擦のためスレーブの姿勢104が変わ
らず、マスタの位置目標が固定されてしまう。そのた
め、スレーブに外力106が加わつていないにもかかわら
ず、大きな操作反力108が発生する。
操作力100を加えても、マスタの摩擦のためマスタの姿
勢102が変わらず、マスタの姿勢102がたとえ少し変化し
ても、スレーブの摩擦のためスレーブの姿勢104が変わ
らず、マスタの位置目標が固定されてしまう。そのた
め、スレーブに外力106が加わつていないにもかかわら
ず、大きな操作反力108が発生する。
この対策のために、マスタ・スレーブの各マニピユレー
タの関節軸にトルク検出器をもうけて、関節に働いてい
るトルクを直接計測し、制御することが考えられるが、
その効果的な制御方式については未だ知られていなかつ
た。
タの関節軸にトルク検出器をもうけて、関節に働いてい
るトルクを直接計測し、制御することが考えられるが、
その効果的な制御方式については未だ知られていなかつ
た。
トルク検出器を用いたマスタ・スレーブバイラテラルサ
ーボの制御方式としては、第2図に示すような基本構成
が考えられる。実際のマニピユレータでは、複数動作軸
であるが、ここでは簡単のため、一軸について説明す
る。
ーボの制御方式としては、第2図に示すような基本構成
が考えられる。実際のマニピユレータでは、複数動作軸
であるが、ここでは簡単のため、一軸について説明す
る。
マスタの関節軸につけられたマスタトルク検出器20によ
つて、マスタ関節軸に働いているトルク202を計測し、
スレーブ関節軸にとりつけられたスレーブトルク検出器
22によつて、スレーブ関節軸に働いているトルク204を
計測する。
つて、マスタ関節軸に働いているトルク202を計測し、
スレーブ関節軸にとりつけられたスレーブトルク検出器
22によつて、スレーブ関節軸に働いているトルク204を
計測する。
マスタ関節軸に働いているトルク202と、スレーブ関節
軸に働いているトルク204との差206によつてマスタ24を
駆動し、マスタの姿勢102によつてスレーブ26を位置制
御する。スレーブの姿勢104はマスタにフイードバツク
しない。この方式によれば、スレーブに摩擦があつて
も、スレーブに外力が加わつていない場合には、スレー
ブトルク検出器22で検出されるトルク204は零であり、
スレーブの摩擦の影響は、マスタの操作にあらわれな
い。また、マスタの摩擦の影響は、マスタ摩擦補償208
をほどこせばよい。トルク検出器を設けたマスタ・スレ
ーブ形サーボ・マニピュレータは、例えば、特開昭55−
101387号、特開昭55−101388号、特開昭55−120992号、
特開昭55−120993号あるいは特願昭56−147197号(特開
昭58−51086号)に提案されている。
軸に働いているトルク204との差206によつてマスタ24を
駆動し、マスタの姿勢102によつてスレーブ26を位置制
御する。スレーブの姿勢104はマスタにフイードバツク
しない。この方式によれば、スレーブに摩擦があつて
も、スレーブに外力が加わつていない場合には、スレー
ブトルク検出器22で検出されるトルク204は零であり、
スレーブの摩擦の影響は、マスタの操作にあらわれな
い。また、マスタの摩擦の影響は、マスタ摩擦補償208
をほどこせばよい。トルク検出器を設けたマスタ・スレ
ーブ形サーボ・マニピュレータは、例えば、特開昭55−
101387号、特開昭55−101388号、特開昭55−120992号、
特開昭55−120993号あるいは特願昭56−147197号(特開
昭58−51086号)に提案されている。
この方式では、スレーブは単なる位置制御なので制御の
中心はマスタの制御方式となるが、これには以下に述べ
るような問題がある。
中心はマスタの制御方式となるが、これには以下に述べ
るような問題がある。
第3図に示すように、トルク検出器30は、制御的にみる
と、検出器入力角度302と出力角度304とのずれ306によ
つて発生するひずみを利用したもので、そのずれ306に
応じて電気的なトルク検出信号308と機械的な伝達トル
ク310が出力される。この図において、Keはずれ306か
ら電気的なトルク検出信号308への変換利得であり、K
mはずれ306から機械的伝達トルク310への変換利得であ
る。
と、検出器入力角度302と出力角度304とのずれ306によ
つて発生するひずみを利用したもので、そのずれ306に
応じて電気的なトルク検出信号308と機械的な伝達トル
ク310が出力される。この図において、Keはずれ306か
ら電気的なトルク検出信号308への変換利得であり、K
mはずれ306から機械的伝達トルク310への変換利得であ
る。
このような意味をもつトルク検出器を用いたマスタの等
価的制御ブロツクは、第4図のように、人間の操作角度
302を指令値とする位置決め制御系となることがわか
る。同図において破線左側がトルク検出器である。この
ブロツク図について説明すると、トルク検出器からの電
気的なトルク検出信号308は、トルク制御利得Ktだけ
増幅されて電気的トルク402となり、トルク検出器の機
械的伝達トルク310と加算されて実効トルク404となり、
マスタ機構部イナーシヤJを駆動する。これによつてマ
スタは、角速度406で移動し、マスタの角度は304とな
る。この角度304が人間の操作角度302と一致するように
制御されるわけである。
価的制御ブロツクは、第4図のように、人間の操作角度
302を指令値とする位置決め制御系となることがわか
る。同図において破線左側がトルク検出器である。この
ブロツク図について説明すると、トルク検出器からの電
気的なトルク検出信号308は、トルク制御利得Ktだけ
増幅されて電気的トルク402となり、トルク検出器の機
械的伝達トルク310と加算されて実効トルク404となり、
マスタ機構部イナーシヤJを駆動する。これによつてマ
スタは、角速度406で移動し、マスタの角度は304とな
る。この角度304が人間の操作角度302と一致するように
制御されるわけである。
ただし特徴的なことは、このような位置制御ループが構
成されるのは、人間によつてトルク検出器入力側が保持
された場合だけであり、人間がマスタをはなすと、ずれ
306がつねに零となり、ループは構成されなくなる。
成されるのは、人間によつてトルク検出器入力側が保持
された場合だけであり、人間がマスタをはなすと、ずれ
306がつねに零となり、ループは構成されなくなる。
さてこの制御ループの、人間の操作角度から、マスタの
角度への伝達関数G(s)は、 となり、ダンピングのまつたくきかない制御系となつて
いることがわかる。すなわち理論的には、人間が操作す
ると、マスタの角度は振動を続けることになる。ただ、
実際の実験によれば、人間がマスタをかるくつかんで操
作した場合には、振動が発生せず、しつかりつかんで操
作した場合には定常的な振動が発生した。振動が発生し
た場合でも、人間がマスタをはなすと位置制御ループが
なくなるため、振動は停止する。
角度への伝達関数G(s)は、 となり、ダンピングのまつたくきかない制御系となつて
いることがわかる。すなわち理論的には、人間が操作す
ると、マスタの角度は振動を続けることになる。ただ、
実際の実験によれば、人間がマスタをかるくつかんで操
作した場合には、振動が発生せず、しつかりつかんで操
作した場合には定常的な振動が発生した。振動が発生し
た場合でも、人間がマスタをはなすと位置制御ループが
なくなるため、振動は停止する。
また、マスタをしつかりつかんで操作した場合でも、ト
ルク制御利得Ktが小さい場合には振動が発生しなかつ
た。これは、人間の腕自体の動作損失によるダンピング
がきくものと考えられる。しかしながら、トルク制御利
得Ktが小さい場合には、マスタの摩擦の影響で動きが
重いという問題があつた。
ルク制御利得Ktが小さい場合には振動が発生しなかつ
た。これは、人間の腕自体の動作損失によるダンピング
がきくものと考えられる。しかしながら、トルク制御利
得Ktが小さい場合には、マスタの摩擦の影響で動きが
重いという問題があつた。
したがつて、本発明の目的は、関節軸にトルク検出器を
もうけたマスタ・スレーブバイラテラルサーボマニピユ
レータにおける振動を防止するための制御方式を提供す
ることにある。
もうけたマスタ・スレーブバイラテラルサーボマニピユ
レータにおける振動を防止するための制御方式を提供す
ることにある。
本発明の特徴は、マスタの動作速度に応じて、トルク制
御利得と動摩擦補償量を変化させる点にある。
御利得と動摩擦補償量を変化させる点にある。
以下に、本発明を実施例に従つて説明する。
第5図が、本発明の実施例を説明する図である。実際の
マニピユレータでは7つの自由度をもつているが、ここ
では簡単のために、1自由度について説明する。この実
施例では、サーボ演算に、マイクロコンピユータを用い
ており、その演算部は同図で破線で囲まれた部分であ
る。
マニピユレータでは7つの自由度をもつているが、ここ
では簡単のために、1自由度について説明する。この実
施例では、サーボ演算に、マイクロコンピユータを用い
ており、その演算部は同図で破線で囲まれた部分であ
る。
人間が操作するマスタ10の関節につけられたトルク検出
器20によつて、この関節部に働くトルクが、トルク検出
信号202として検出される。
器20によつて、この関節部に働くトルクが、トルク検出
信号202として検出される。
また、スレーブ12の対応する関節にとりつけられたトル
ク検出器22によつて、この関節部に働くトルクが、トル
ク検出信号204として検出される。これらはおのおのN
Dコンバータ50,51によつて計算機にとり込まれ、(MAS
-TORQ)502,(SLV-TORQ)504となる。そして、トルク偏
差(TORQ-ERR)506が計算される。(TORQ-ERR)=(MAS
-TORQ)−(SLV-TORQ) D/Aコンバータへの出力値(MAS-TREF)508は、以下のよ
うに計算される。
ク検出器22によつて、この関節部に働くトルクが、トル
ク検出信号204として検出される。これらはおのおのN
Dコンバータ50,51によつて計算機にとり込まれ、(MAS
-TORQ)502,(SLV-TORQ)504となる。そして、トルク偏
差(TORQ-ERR)506が計算される。(TORQ-ERR)=(MAS
-TORQ)−(SLV-TORQ) D/Aコンバータへの出力値(MAS-TREF)508は、以下のよ
うに計算される。
(MAS-TREF)=(TORQ-ERR)×Kt +Fm ここでKtはトルク制御利得であり、Fmは動摩擦補償
値である。このトルク制御利得Ktと動摩擦補償値Fm
は、マスタ速度mの関数として構成されている。これ
については、後に詳述する。
値である。このトルク制御利得Ktと動摩擦補償値Fm
は、マスタ速度mの関数として構成されている。これ
については、後に詳述する。
D/Aコンバータの出力510は、定電流ドライバー53に加え
られ、マスタ駆動用DCモータ54を駆動する。このモータ
軸に直結されたインクリメンタルエンコーダ55の出力パ
ルスは、UP/DOWnカウンタ56によつて計数され、マスタ
の位置xmとなる。このマスタの位置xmと、1サンプ
ル遅れの位置情報から、マスタの速度mが算出され
る。すなわち、m =(1−e−sT)/T・xm 前述の、トルク制御利得Ktについては、 −vm≦m≦vmでは、 Kt=KH m<−vm,vm<mでは Kt=KL ただし、KL<KH 動摩擦補償値Fmについては、 −vm≦m≦vmでは、 Fm=0 vm<mでは、 Fm=f1>0 m<−vmでは、 Fm=f2<0 となつている。この場合、vm,KH,KL,f1,f2の実際の
値については、実験により適当な値に定められる。具体
的には、f1,f2はマスタを一定速度で動かした時に、動
摩擦による操作抵抗が感じられないような値とする。v
mは静止摩擦と動摩擦の切換速度であり、本実施例では とした。KHは起動時の抵抗が感じられなくなるように
選びKHは振動が発生しないように決める。さらに、速
度vmにおいて操作力が不連続とならないように調整す
るKtについては上記以外にも、第6図のように、m
=0で、Kt=KHとなり、その両側でKLに漸近する
関数であつてもよい。
られ、マスタ駆動用DCモータ54を駆動する。このモータ
軸に直結されたインクリメンタルエンコーダ55の出力パ
ルスは、UP/DOWnカウンタ56によつて計数され、マスタ
の位置xmとなる。このマスタの位置xmと、1サンプ
ル遅れの位置情報から、マスタの速度mが算出され
る。すなわち、m =(1−e−sT)/T・xm 前述の、トルク制御利得Ktについては、 −vm≦m≦vmでは、 Kt=KH m<−vm,vm<mでは Kt=KL ただし、KL<KH 動摩擦補償値Fmについては、 −vm≦m≦vmでは、 Fm=0 vm<mでは、 Fm=f1>0 m<−vmでは、 Fm=f2<0 となつている。この場合、vm,KH,KL,f1,f2の実際の
値については、実験により適当な値に定められる。具体
的には、f1,f2はマスタを一定速度で動かした時に、動
摩擦による操作抵抗が感じられないような値とする。v
mは静止摩擦と動摩擦の切換速度であり、本実施例では とした。KHは起動時の抵抗が感じられなくなるように
選びKHは振動が発生しないように決める。さらに、速
度vmにおいて操作力が不連続とならないように調整す
るKtについては上記以外にも、第6図のように、m
=0で、Kt=KHとなり、その両側でKLに漸近する
関数であつてもよい。
動摩擦補償値Fmについては、第7図のように、m=
0でFm=0となり、mが増加するとFm=f1に漸定
し、mが減少するとFm=f2に漸近する関数ならばな
んでもよい。
0でFm=0となり、mが増加するとFm=f1に漸定
し、mが減少するとFm=f2に漸近する関数ならばな
んでもよい。
スレーブは動摩擦補償付の位置制御サーボで、マスタの
位置xmを位置指令入力としている。スレーブ位置偏差
(SLV-ERR)550は、スレーブ現在位置xsと、位置指令
xmより、 (SLV-ERR)=xm−xs スレーブ速度指令(SLV-VREF)552は、 −vl≦Kp×(SLV-ERR)vlならば、 (SLV-VREF)=Kp×(SLV-ERR) Kp×(SLV-ERR)<−vlなら、 (SLV-VREF)=−vl vl<Kp×(SLV-ERR)なら、 (SLV-VREF)=vl ここで、Kpは位置制御利得であり、vlはスレーブの
最高移動速度を規定するパラメータである。
位置xmを位置指令入力としている。スレーブ位置偏差
(SLV-ERR)550は、スレーブ現在位置xsと、位置指令
xmより、 (SLV-ERR)=xm−xs スレーブ速度指令(SLV-VREF)552は、 −vl≦Kp×(SLV-ERR)vlならば、 (SLV-VREF)=Kp×(SLV-ERR) Kp×(SLV-ERR)<−vlなら、 (SLV-VREF)=−vl vl<Kp×(SLV-ERR)なら、 (SLV-VREF)=vl ここで、Kpは位置制御利得であり、vlはスレーブの
最高移動速度を規定するパラメータである。
スレーブの速度偏差(SLV-VERR)554は、スレーブ速度
sとすれば、 (SLV-VERR)=(SLV-VREF)−s スレーブトルク指令(SLV-TRER)556は、 (SLV-TREF)=Kv×(SLV-VERR)+Fs ここで、Kvはスレーブ速度制御利得である。Fsはス
レーブ動摩擦補償値であり、マスタで述べたものと同様
に、スレーブ速度sの関数である。すなわち、 −vs≦s≦vsでは、 Fs=0 vs<sでは Fs=f3>0 s<−vsでは Fs=f4<0 となつている。
sとすれば、 (SLV-VERR)=(SLV-VREF)−s スレーブトルク指令(SLV-TRER)556は、 (SLV-TREF)=Kv×(SLV-VERR)+Fs ここで、Kvはスレーブ速度制御利得である。Fsはス
レーブ動摩擦補償値であり、マスタで述べたものと同様
に、スレーブ速度sの関数である。すなわち、 −vs≦s≦vsでは、 Fs=0 vs<sでは Fs=f3>0 s<−vsでは Fs=f4<0 となつている。
スレーブトルク指令値(SLV-TREF)556は、D/Aコンバー
タ57によつてアナログ信号558に変換され、定電流ドラ
イバー58に入力される。この定電流ドライバー58の出力
560によつて、スレーブ駆動用DCモータ59が駆動され
る。このDCモータ軸に直結されたインクリメンタルエン
コーダ60の出力パルス562は、Up/Downカウンタ61によつ
て計数され、スレーブ位置指令xsとなる。スレーブ速
度は、マスタと同様に、s =(1−e−sT)/T・xs によつて算出される。
タ57によつてアナログ信号558に変換され、定電流ドラ
イバー58に入力される。この定電流ドライバー58の出力
560によつて、スレーブ駆動用DCモータ59が駆動され
る。このDCモータ軸に直結されたインクリメンタルエン
コーダ60の出力パルス562は、Up/Downカウンタ61によつ
て計数され、スレーブ位置指令xsとなる。スレーブ速
度は、マスタと同様に、s =(1−e−sT)/T・xs によつて算出される。
本発明によつて、力検出器を各関節軸にとりつけた、マ
スタスレーブバイラテラルサーボマニピユレータにおい
て、マスタの静止摩擦、動摩擦、慣性などがすべて補償
され、スレーブの摩擦の影響を受けず、制御的にも安定
で、したがつて振動もなく、きわめて小さい力でらくに
操作できるバイラテラルサーボマニピユレータが実現で
きる。
スタスレーブバイラテラルサーボマニピユレータにおい
て、マスタの静止摩擦、動摩擦、慣性などがすべて補償
され、スレーブの摩擦の影響を受けず、制御的にも安定
で、したがつて振動もなく、きわめて小さい力でらくに
操作できるバイラテラルサーボマニピユレータが実現で
きる。
第1図は、従来の対称形バイラテラルサーボマニピユレ
ータの説明図である。第2図は、トルク検出器を用いた
バイラテラルマニピユレータの説明図である。第3図
は、トルク検出器の制御的な説明図である。第4図は、
トルク検出器を用いたマスタの制御ブロツク図である。
第5図は、本発明の実施例を説明するための図である。
第6図は、マスタ速度とトルク制御利得の関係図であ
る。第7図は、マスタ速度と、動摩擦補償値の関係図で
ある。
ータの説明図である。第2図は、トルク検出器を用いた
バイラテラルマニピユレータの説明図である。第3図
は、トルク検出器の制御的な説明図である。第4図は、
トルク検出器を用いたマスタの制御ブロツク図である。
第5図は、本発明の実施例を説明するための図である。
第6図は、マスタ速度とトルク制御利得の関係図であ
る。第7図は、マスタ速度と、動摩擦補償値の関係図で
ある。
Claims (4)
- 【請求項1】人間操縦型のマスタ・スレーブマニピュレ
ータの制御方法で、マニピュレータ各関節軸にトルク検
出器をもうけ、マスタとスレーブの各対応軸に働くトル
ク差をトルク制御利得及びマスタ摩擦補償量に基づいて
演算処理し反力としてマスタの駆動系にフィードバック
してこれを駆動し、このマスタの位置に応じて、スレー
ブを位置制御するとともに、上記トルク制御利得とマス
タ摩擦補償量を、マスタの移動速度に応じて変化させる
ことを特徴とするバイラテラルサーボマニピュレータ制
御方法。 - 【請求項2】該トルク制御利得を該移動速度の増大に応
じて減少させ、該マスタ摩擦補償量を該移動速度の増大
に応じて増大させることを特徴とする特許請求の範囲第
1項記載のバイラテラルサーボマニピュレータ制御方
法。 - 【請求項3】該トルク制御利得を該移動速度の増大に応
じて段階的に減少させ、該マスタ摩擦補償量を該移動速
度の増大に応じて段階的に増大させることを特徴とする
特許請求の範囲第2項記載のバイラテラルサーボマニピ
ュレータ制御方法。 - 【請求項4】該移動速度が所定値以上か否かに応じて、
該トルク制御利得及びマスタ摩擦補償量の値を変化させ
ることを特徴とする特許請求の範囲第3項記載のバイラ
テラルサーボマニピュレータ制御方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17985682A JPH0683971B2 (ja) | 1982-10-15 | 1982-10-15 | バイラテラルサーボマニピユレータ制御方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17985682A JPH0683971B2 (ja) | 1982-10-15 | 1982-10-15 | バイラテラルサーボマニピユレータ制御方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5969279A JPS5969279A (ja) | 1984-04-19 |
| JPH0683971B2 true JPH0683971B2 (ja) | 1994-10-26 |
Family
ID=16073106
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP17985682A Expired - Lifetime JPH0683971B2 (ja) | 1982-10-15 | 1982-10-15 | バイラテラルサーボマニピユレータ制御方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0683971B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61244471A (ja) * | 1985-04-23 | 1986-10-30 | 株式会社 アマダ | マスタ・スレ−ブ方式ロボツト |
| US4893981A (en) * | 1987-03-26 | 1990-01-16 | Kabushiki Kaisha Komatsu Seisakusho | Master/slave type manipulator |
| EP3342551B1 (en) * | 2015-08-25 | 2024-12-25 | Kawasaki Jukogyo Kabushiki Kaisha | Robot system |
-
1982
- 1982-10-15 JP JP17985682A patent/JPH0683971B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS5969279A (ja) | 1984-04-19 |
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