[1]
本発明は、ロボット制御技術に関し、より詳細には、物体との接触状態にあるロボットを制御する技術に関する。
[2]
従来、ロボットアームなどの関節を含むロボットの力制御システムは、ロボットの手先や足先といた先端部の位置と、力とを制御し、運動を緩衝するためにインピーダンス制御を導入するか、または位置および力を同時に制御するハイブリッド制御のいずれかを使用している。インピーダンス制御は、ロボット手先と、物体との間の接触剛性、粘性、またはロボットアーム自体の慣性を制御パラメータとして、ステップモータやサーボモータの運動をコントロールすることにより、摩擦力などロボットアームに加えられる外力と、速度との関係を制御する方式である。
[3]
一方、位置および力のハイブリッド制御は、拘束空間で力制御、自由空間において位置制御を行い、ロボット手先の座標軸方向に、力および位置をフィードバックすることによって、所望する接触力およびロボット手先の運動制御を実現する方式である。
[4]
上述した二つの制御方式を利用してロボットアームを充分に制御することは可能である。しかしながら、摩擦力や慣性力など、ロボットアームの運動に抗して作用する外力による慣性系への外乱の存在下で、ロボットアームの手先に加えられる力や位置を制御する際に、自由空間における制御変数と拘束空間における制御変数との分離性が充分ではなかった。
[5]
このため、ロボットアームの運動が高速化すると、滑り摩擦力が大きくなった一方,自由空間における制御入力・運動と拘束空間における制御入力・運動との干渉が非常に大きくなって、制御系の安定性が保ってなくなり、動作が不安定になるという問題があり、ロボットアームの高速動作制御に問題があった。以下、本明細書においては、工具とワークの間の滑り摩擦の除去、自由空間と拘束空間における制御入力と運動の非干渉化として参照する。
[6]
さらに、近年、作業の高速化および低コスト化などの観点から、産業ロボットによる加工が適用される工程も広範囲化し、研磨、研削、バリ取り、組み立てなど、点接触や線接触や面接触などロボットアームの手先環境が変化する状態で接触作業を行うことも必要とされている。このため、ロボットアームの手先に加わる外力が予測不能に変化する可能性がある場合にでも、高速にかつ充分な精度で手先の位置、姿勢、力およびモーメントを制御することが必要とされてきている。この状況下で、従来の制御方式を適用すると、手先の位置と力しか制御できない、点接触作業に対応できるが、線接触や面接触産業に対応できない。
[7]
従来、ロボットアームの制御を行う技術は知られており、例えば、特開2008-302496号公報(特許文献1)では、ロボットアームの制御装置であって、人接近検知手段が人の接近を検知した時に、人運動検出手段の検出した人の運動に基づいてロボットアームの各関節部ごとに個別にインピーダンスを設定することで、人とロボットアームの衝突に対応する衝突対応動作御手段で制御する、制御装置が記載されている。また、特開2005-238421号公報(特許文献2)では、腕の不自然な動きや滑り落ちを防止して動作を補助できるようなロボットおよびインピーダンス制御ロボットシステムが記載されている。
[8]
また、特開2001-038664号公報(特許文献3)では、外力計測用センサ情報から各関節に加わるトルクを分離する手段によりトルクを分離し、設定された関節部仮想インピーダンスからアーム関節部の逃げ量を算出する関節変位算出部と、外力計測用センサ情報から手先部に加わる力を分離し、設定された手先部仮想インピーダンスからアーム手先部の逃げ量を算出する手先変位算出部を有し、両部の変位算出量を加算装置で加算してアームの逃げ量を算出し、サーボコントローラによりモータを駆動制御するインピーダンス制御装置が記載されている。
[9]
さらに、本発明者は、特開2008-036742号公報(特許文献4)において、ロボットアームの姿勢計算において高い収束性を与え、ひいてはロボットアームの位置制御性を改善する新規な逆運動学計算方法を提案している。
[10]
さらに、M. H. Raibert and J. J. Craig: Hybrid Position/Force Control of Robot Manipulators, ASME Journal of Dynamic
Systems, Measurement and Control, Vol.103, No.2, pp.126-133, 1981.(非特許文献1)では、位置制御と力制御とを同一のアルゴリズムを使用し、位置制御を行う場合と、力制御を行う場合の変数を切り換えるためのスイッチング行列を導入するハイブリッド制御方式が提案されている。また、H. Hogan: Impedance Control; An Approach to Manipulator, Parts I-III, ASME Journal
of Dynamic Systems, Measurement, and Control, Vol.107, No.1, pp.1-24, 1985(非特許文献2)には、マニュピレータの制御にインピーダンス状態Zs(*)およびアドミッタンス状態Ys(*)を導入し、位置zおよび力fの関数としてインピーダンスを加味するマニュピュレータ制御が記載されている。
[11]
特開2008-302496号公報 特開2005-238421号公報 特開2001-038664号公報 特開2008-036742号公報
[12]
M. H. Raibert and J. J. Craig:Hybrid Position/Force Control of Robot Manipulators, ASME Journal of Dynamic Systems,Measurement and Control, Vol.103, No.2, pp.126-133, 1981 H. Hogan: Impedance Control;An Approach to Manipulator, Parts I-III, ASME Journal of Dynamic Systems,Measurement, and Control, Vol.107, No.1, pp.1-24, 1985
[13]
以上のように、自由空間における外力検出を拘束空間における制御に反映する際に、ハイブリッド制御またはインピーダンス制御を併用する方式は、これまで知られている。しかしながら、従来技術は、自由空間における力・位置認識を拘束空間における制御に反映させる際に、自由空間と拘束空間との間の干渉性、特に制御入力や運動の間の非干渉性を改善することを解決課題とするものではない。さらに従来技術は、位置、姿勢、力およびモーメントという4つの制御変数を同時に考慮してロボットアームの制御を高速化、ひいてはロボットアームの高速高精度動作を改善することを課題とするものではない。
[14]
すなわち、本発明は、上記従来技術の問題点に着目してなされたものであり、本発明は、産業ロボットなどのロボットアームに対し、点接触、線接触、または面接触といったすべての接触状態に対応して柔軟に対応した制御を行うことを可能とするロボットアームの制御技術を提供することを課題とする。さらに本発明は、滑り摩擦や慣性力などの外力の影響を除去し、自由空間と、拘束空間との間の非干渉化を行うことで、高速高精度なロボットアーム接触作業に適用する位置、姿勢、力及びモーメントの制御技術を提供することを目的とする。
[15]
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、本発明によれば、
複数の関節を含むロボットの運動を制御するロボット制御システムであって、
前記ロボットのワークの位置、姿勢、力制御値、およびモーメント制御値についての目標値を取得する手段と、
取得した目標位置および目標姿勢を読出し、前記目標位置に対して切換え行列を適用して力を反映させた仮想目標位置を取得すると共に、前記目標姿勢に対して切換え行列を適用し、姿勢の直交座標成分ごとに分離してモーメントを反映させた仮想目標姿勢を取得する手段と、
取得した前記力制御値および前記モーメント制御値を読出し、設定された制御ポリシーに基づいて力・モーメントと位置・姿勢との間における再帰的計算を排除してハイブリッド制御に基づき力・モーメントを制御する手段と、
前記仮想目標位置および前記仮想目標姿勢から逆運動学計算により計算された前記関節の角度変化および前記力・モーメントの変化量に基づいて前記ロボットに対する制御信号を生成する手段と、
前記ロボットの関節角、前記力および前記モーメントの変化量を前記仮想目標位置、前記仮想目標姿勢、力、およびモーメントの計算に対し線形的にフィードバックする手段と
を含むロボット制御システムが提供される。
[16]
本発明の前記力・モーメントを制御する手段は、前記ロボットの位置、姿勢、力、モーメント制御を前記ロボットのワークの加速度値を使用して前記ロボットのワークの運動を制御するための力およびモーメントを生成する手段を含むことができる。
[17]
本発明の前記力およびモーメントを生成する手段は、前記制御ポリシーに応じて、力・モーメントと位置・姿勢との間の非線形性に基づく再帰計算による干渉を排除するように、前記ハイブリッド制御の演算項目を切換えることができる。
[18]
本発明の前記力・モーメントを制御する手段は、外部センサからの摩擦力を前記ハイブリッド制御に反映することができる。
[19]
さらに本発明は、上記機能を提供するロボット制御方法、ロボット制御装置、およびプログラムを提供することができる。
[20]
本発明によれば、高速高精度な接触作業に適し、産業用ロボットの作業性を著しく改善する産業用ロボットが提供できる。また、本発明は、ロボットアームばかりではなく、脚式ロボットの脚と、地面との接触制御にも適用でき、福祉ロボット、レスキュー用ロボット、農作業ロボット、閉鎖空間内のメンテナンス用ロボットなどの多分野における適用が可能なロボット制御システム、ロボット制御方法およびプログラムを提供することができる。
[21]
本実施形態のロボットアーム100の構成を示した図。 ロボット運動学における逆運動学計算の定式化を説明した図。 拘束空間での各姿勢成分の分離のために使用する変数分離関係を示した図。 本実施形態で、上記式(9)から再帰演算を伴わずにロボットアーム100についての力制御を行うために除外する演算項目を決定する制御ポリシーを示した図。 本実施形態のロボット制御を行うための制御装置500の実施形態を示した図。 本実施形態のロボット制御システム600の実施形態を示した図。 本実施形態のロボット制御方法のフローチャートを示した図。 本実施形態のロボット制御方法により動作制御されたロボットアーム800の動作特性を示した図。 従来のハイブリッド制御を使用したロボット制御方法により動作制御されたロボットアーム900の動作特性を示した図。
[22]
図1には、一例とする本実施形態のRPY型ロボットアーム100の構成を示してあるが、本発明はRPY型以外のすべて構造のロボットアームにも適用できるという高い汎用性を持っている。図1(a)は、6自由度のロボットアーム100の機械的構成を示した図であり、図1(b)は、ロボットアーム100の関節構成を抽象化して示した関節モデル図である。図1(a)に示すように、ロボットアーム100は、RPY型の6自由度ロボットアームとして構成されており、固定部112の上に第1関節114を介して設置されている。第1関節114からは、アーム128が第2関節116へと延びている。第2関節116からは、アーム130が第3関節118まで延びている。
[23]
さらに第3関節118からアーム132を介して第4関節120まで延びている。そして、第2関節116および第3関節118は、アーム128、130の軸に直交する方向に回転軸を有する曲げ関節リンクとされており、第1関節114および第4関節120は、アーム132の軸を中心とする回転軸を有する、捻り関節リンクとして形成されている。第4関節120からは、さらにアーム134が第5関節122まで延びており、第5関節122からアーム136が第6関節124まで延びている。第6関節124の先端には、アーム138を介して手先126が配設されていて、ロボットアーム100による種々の処理を可能としている。
[24]
ロボットアーム100の先端部に配設された手先126は、本実施形態においては物体に接触する機能を有するという意味において、ワークとして参照される機能を有しており、以下、本実施形態では、物体に接触するように制御されるという観点から用語「手先」として参照する。手先126は、本実施形態にしたがい自由空間において、物体に対して所定の位置および姿勢を有するようにロボット制御システム(図示せず)により制御され、物体と接触して各種動作を行う。
[25]
本実施形態において、自由空間とは、ロボットアーム100が設置される実験室系の座標軸セットにより記述される。また拘束空間とは、ロボットアーム100上に定義される座標軸系によって定義される空間であり、本実施形態では、制御目的の観点から、ロボットアーム100の手先126の適切な位置を原点とする直交座標系で記述される。自由空間と、拘束空間の間の座標軸変換は、姿勢行列Rで定義され、Rは、以下の関係で、自由空間の座標軸に関する位置(X f ,Y f ,Z f )、回転θa f (a=x,y,z)、拘束空間の座標軸に関する位置(X p ,Y p ,Z p )、回転θa(a=x,y,z)とは、下記式(1)で与えられる関係で変換される。
[26]
[27]
図1(a)に示したロボットアーム100は、図1(b)に示すように各関節リンクの運動を、円柱座標で記述することができ、手先の位置および姿勢を、ロール(roll)角、ピッチ(pitch)角、ヨー(yaw)角の変数を使用して定義されている。なお、図1に示したロボットアーム100は、PUMA型のロボットアームに比較して面接触作業に対して効率的に運動する機構となっている。
[28]
なお、図1(b)では、各関節の回転軸周りの回転角を、θ i (i=1、...、6)として示している。また、上記式(1)で与えられた手先126について定義される拘束空間として参照する手先固定系について定義された座標軸系の基底ベクトルX p 、Y p 、Z p および基底ベクトル回りの回転角の定義を示す。
[29]
上記定義に基づき、手先126と、物体との間の位置および姿勢制御は、自由空間において定義される変数系を使用して実行され、手先126と物体との間の力およびモーメント制御は、拘束空間において定義された変数系を使用して実行される。なお、図1に示すRPY型のロボットアーム100と、PUMA型の6自由度ロボットアームとは、第4関節120、第5関節122および第6関節124が、円柱座標系で記述される点で相違するが、変数型を適切に定義することにより、本実施形態の制御を適用することができることはいうまでもない。
[30]
以下、図1に示したロボットアーム100の運動制御における数値解析上の定式化を行う。まず、RPY型ロボットアームの3次元空間内における位置および配置を下記式(2)および下記式(3)で定式化する。
[31]
[32]
[33]
上記式(2)および(3)中、P x ,P y ,P z は、自由空間で定義される手先位置であり、φ x ,φ y ,φ z は、手先の目標姿勢であり、ロボットアーム100の手先の位置および姿勢は、ベクトル(P x ,P y ,P z ,φ x ,φ y ,φ z )で与えられる。また、Λ θ は、手先の慣性行列、Λ θ -1 は、慣性行列の逆行列であり、θ i (i=1,...,6)は、関節角である。また、図2は、上記式(2)および(3)の行列計算をベクトル成分および行列成分として表現した図である。
[34]
ロボットアーム100の制御装置は、手先の目標姿勢が入力または設定されると、ロボットアーム100の制御装置は、関節を回動させる値を計算し、ロボットアーム100のステップモータまたはサーボモータを目標とする速度および変化量で駆動するための…
