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JP4247382B2 - Control device for rotating mechanism - Google Patents
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JP4247382B2 - Control device for rotating mechanism - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ロボットアーム関節等の回転機構に生じるトルクを考慮して、回転機構の回転部における回転角度の制御を行う回転機構用制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
地球周回軌道などの軌道上においては、ランデブー対象や衛星残滓などの運動する対象物体を他の衛星に設けられているロボットアームで捕獲する必要が生じる。衛星上のロボットアームと、その衛星に対して相対運動する対象物体とを互いに接近させるために、例えばスラスタによって衛星に力を作用させると当該衛星の軌道を変更することになるとともに、捕獲のためにアームを作動させるとその反作用で衛星自体の位置や姿勢が変化する。したがって、両者の間の距離や速度の制御は、両者地上の場合と比較して格段に複雑になる。また、捕獲に際してロボットアームが対象物体と接触又は衝突するとき、両者の間に作用する力及びトルク等の制御量が過大にならないように、対象物体の捕獲前からも両者間の相対距離や相対速度を精密に制御する必要がある。互いの負荷慣性が大きい場合に相対速度が大きい状態で対象物体を捕獲するときには回転機械の摩擦により対象物体に減速・停止動作をさせることになるが、対象物体には急激な減速が生じ、過大な荷重が衛星や対象物体の各部、或いはロボットアームに加わり、不測の事態を生じることもあり得る。
【0003】
そこで、衛星に備わるアームやマニピュレータ等のロボットによって運動対象物体を捕獲するに際しては、捕獲前に両者間の相対的な位置や速度を可能な限り少なくしてターゲットの運動に追従した上で捕捉することにより捕獲時の衝撃を少なくすること(特許文献2参照)、或いは捕獲時における多少の衝撃にも耐えられるように捕獲機構を強化すること(特許文献3参照)等が提案されている。
【0004】
一方、スペースシャトルや人工衛星等の宇宙航行体に搭載され、宇宙ステーションの建設や他の人工衛星の捕獲のように、自他の宇宙航行体を作業対象にしてピン挿入、ボルト締め/弛め、ハンドル作業等を各種の作業を実行する宇宙作業用多関節ロボットが提案されている。そうした多関節ロボットにおいては、各関節について設定された角度目標値を達成するように各関節角度を制御するが、対象物を損傷させないためにエンドエフェクタに加わる力を制御する必要がある。力制御を行うロボットの制御装置として、間接的に仮想のインピーダンスを実現してロボットアームの先端に加わる力を緩和するコンプライアンス制御が知られている。コンプライアンス制御は、ロボットのアームに柔軟性を与えるハードウェアを装着してコンプライアンス動作を直接的に実現して安定で高速な動作を可能とする方法もあるが、ハードウェアの特性については、一度設定するとその変更をすることができず、制御に柔軟性がないという問題がある。そこで、例えば、ロボットアームの先端に設けられるエンドエフェクタを、ソフトウェアによって仮想質量、仮想粘性係数及び仮想ばね剛性を持つ仮想コンプライアンス機構に想定することが行われている。仮想コンプライアンス機構の特性は、実際をよく反映し且つ簡単化して表現するため、位置の二次微分を含む慣性力項と、位置の一次微分を含む粘性力項及び位置の一次項としてのばね力項を含む二階の線形微分方程式で表されるものとされる。仮想コンプライアンス制御においては、仮想コンプライアンス機構の運動を所定のアルゴリズムによって実時間で計算し、仮想コンプライアンス機構の動作にロボットの動作を追従させる。仮想コンプライアンス機構の特性は、作業の内容に応じてソフトウェアによって変更可能であるので、状況に応じて最適な柔軟性を与えることができる(特許文献4参照)。
【0005】
宇宙空間に浮遊しているターゲットの捕捉を容易にするため、捕捉時の衝撃力をセンサで検出して捕獲機構を修正して衝撃を少なくする宇宙ロボットの制御装置が提案されている(特許文献1参照)。この宇宙ロボットの制御装置によれば、動的モデルを用いることで、人工衛星に搭載されたセンサで人工衛星の位置・速度を検出し、この検出情報に基づいて、マニピュレータの動作に伴う人工衛星の位置・姿勢の変化を考慮したマニピュレータの先端速度を生成してマニピュレータのターゲットへの追従動作を実行し、近接センサで得られたターゲットの被把持部分とグリッパとの相対的な位置・姿勢情報を用いてターゲットへのアプローチ軌道を生成し、更に、マニピュレータの手首部に設けられた力覚センサによって、グリッパがターゲットを把持する時にマニピュレータに作用する力を検出して、外力に応じてマピュレータの各軸のモータを駆動しながら把持動作を実行している。
【0006】
この宇宙ロボットの制御装置について詳述すると、マニピュレータ先端速度生成器において、マニピュレータの先端位置に不感帯を備えたダンパ(粘性減衰係数C)を想定し、グリッパがターゲットの被把持部分を把持するときには、力覚センサで検出された力が作用した場合の運動と同一になるようにマニピュレータの先端速度を生成し、ターゲットが把持されたときのターゲットの揺動を低減させている。即ち、力覚センサで検出された力が予め定められた力の設定値を超える場合にはマニピュレータの先端速度を生成し、当該設定値以下の場合にはマニピュレータの先端速度をゼロに設定している。また、ターゲットを把持する際に、マニピュレータ先端位置補正器において、マニピュレータの逐次目標位置回りにバネ定数Kのバネ、粘性減衰係数Cのダンパで接続された質量Mの慣性体を想定し、これに力覚センサで検出された力が作用した場合の運動と同一になるように、マニピュレータの修正された逐次目標位置を生成している。更に、マニピュレータ先端速度生成器において、補正された逐次目標位置と現在位置とからPID制御によりマニピュレータの先端速度を生成して、マニピュレータ関節速度生成器においてマニピュレータの各関節の速度指令値を求めて、マニピュレータの各軸モータを駆動している。
【0007】
しかしながら、運動対象物体の負荷慣性が大きい場合、ロボットアームや回転機構が運動対象物体を捕捉後に減速・停止などの制御動作をするときに、回転機構の摩擦により急激な減速を生じ、モータ軸が急速に停止することによって、過大な荷重が各機構部に加わる。こうした過大な荷重は、ロボットアーム(関節部、把持部)、衛星上のアーム取付け部、対象物体の被把持部等の各機構部への大きな負担・制約になっている。
【0008】
【特許文献1】
特開平5−104469号公報(段落[0009]〜[0022]、
図2)
【特許文献2】
特開平6−127495号公報(段落[0008]〜[0022]、
図1〜図3)
【特許文献3】
特開2001−260997号公報(段落[0016]、図1)
【特許文献4】
特開平10−128685号公報(段落[0001]〜[0009]
、図3〜図5)
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、基端側に回転部を備えるロボットアームやマニピュレータ等に設けられる係合部が運動対象物体と衝突又は運動対象物体を捕獲又は把持するときのように、係合部が運動対象物体と係合することに起因して回転部にトルクが作用する場合、そうした回転部を所定の回転角度で制御する必要があるときには、回転部に過大な力が作用するのを防止しつつ、回転機構の回転部の回転角度を制御する点で解決すべき課題がある。
【0010】
この発明の目的は、回転部に備わるロボットアームやマニピュレータ等の係合部が運動対象物体と衝突、捕獲又は把持を行うときに、運動対象物体との係合後に回転機構に作用するトルクを考慮して、過大な力が回転部に作用するのを防止しつつ、回転機構の回転部の回転角度を制御することで、トルクが作用する回転部を所定の回転角度で制御することが可能な回転機構用制御装置を提供することである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、この発明による回転機構用制御装置は、回転機構の回転部を回転させるモータに制御信号として目標回転角度θref を出力することで前記回転部の回転角度を制御する回転機構用制御装置において、制動トルクプロファイル生成部からの目標制動トルクτcom に基づいて目標コンプライアンス角度変位θccを出力するトルク追従制御部、制動動作プロファイル生成部からの目標指令角度θcom を回転角度検出部が検出した前記回転部の検出回転角度θesに基づいて修正した修正目標指令角度θ'com を出力するトルクリミット制御部、及びトルク検出部が検出した前記回転部に作用する検出トルクτs の入力を受けて仮想コンプライアンス角度変位θd を出力するコンプライアンス制御フィルタを備え、前記仮想コンプライアンス角度変位θd を前記目標コンプライアンス角度変位θccと前記修正目標指令角度θ'com とで修正して前記目標回転角度θref を出力するコンプライアンス制御部を備えることから成っている。
【0012】
この回転機構用制御装置によれば、コンプライアンス制御部は、トルク検出部が検出した回転部に作用する検出トルクτs の入力を受けてコンプライアンス制御フィルタが仮想コンプライアンス角度変位θd を出力する。トルク追従制御部は、制動トルクプロファイル生成部からの目標制動トルクτcom に基づいて目標コンプライアンス角度変位θccを出力する。また、トルクリミット制御部は、制動動作プロファイル生成部からの目標指令角度θcom を回転角度検出部が検出した回転部の検出回転角度θesに基づいて修正した修正目標指令角度θ'com を出力する。コンプライアンス制御部は、修正目標指令角度を仮想コンプライアンス角度変位θd と、目標コンプライアンス角度変位θccとで修正して、回転機構の回転部を回転させるモータに制御信号としての目標回転角度θref を出力する。上記のように、回転機構についての仮想上の動的モデルを設定しておき、検出トルクτs を受けて当該動的モデルに基づいて、仮想コンプライアンス角度変位θd を求め、当該仮想コンプライアンス角度変位θd を、制動力と制動トルクとについて各プロファイル生成部からの目標指令角度θcom と目標制動トルクτcom とに基づいて修正し、その修正で得られた目標回転角度θref を出力することで前記回転部の回転角度を制御しているので、回転機構の回転部の回転角度が制動トルクや制動力を考慮して制御されることになり、過大な力が各機構部に作用することがない。
【0013】
この回転機構用制御装置において、前記コンプライアンス制御フィルタは、仮想慣性、仮想粘性、仮想剛性に基づいて記述される伝達関数で記述される。角度とトルクとの間に成立する運動方程式は、一般的には角度の二次微分項として表される慣性項、角度の一次微分項として表される速度(粘性)項及び角度の比例項として表される力(トルク)項から成る2次微分方程式で表される。伝達関数を仮想慣性、仮想粘性及び仮想剛性に基づいて記述した回転機構のモデルが、仮想の動的なモデルである。
【0014】
この回転機構用制御装置において、前記トルクリミット制御部は、前記目標指令角度θcom に対して、前記目標指令角度θcom と前記検出回転角度θesとの差の入力に対して不感帯処理を施した出力で補正することにより、前記修正目標指令角度θ'com を出力することができる。不感帯処理を施すことにより、検出回転角度θesが目標指令角度θcom に十分近ければ、目標指令角度θcom は、修正されることなく、そのままトルクリミット制御部からの出力とされる。
【0015】
この回転機構用制御装置において、前記不感帯処理は、前記目標指令角度θcom と前記検出回転角度θesとの差が所定偏差以内のときには前記出力を出さないので、前記目標指令角度θcom が補正されることなくそのまま前記修正目標指令角度θ'com としてトルクリミット制御部の出力とされる。前記差が前記所定偏差を超えるときには、目標指令角度θcom が、例えば、前記目標指令角度θcom の値に応じて、当該差に基づいて修正されて出力とされ、前記目標指令角度θcom が修正された前記出力で減算され、その結果がトルクリミット制御部の出力とされる。
【0016】
この回転機構用制御装置において、前記トルク追従制御部は、前記目標制動トルクτcom を前記仮想剛性で除した値を前記目標コンプライアンス角度変位θccとして出力することから成っている。コンプライアンス制御では、アームの先端を対象物である壁に力を以て押し付ける場合を例に取ってみると、目標値が壁の中に食い込む状態(即ち、目標値の仮想食込み)でないとアームの先端を実際に壁に対して押付け力を発生させることができない。目標が仮想食込み状態にあるのに対して現実にはアームの先端が壁に規制されているとき、駆動系は目標と現実との差を解消しようとしてアームの先端を壁に対して押し付ける。このとき、上記の差は仮想コンプライアンス機構の変位によって吸収されるとし、押付け力をその変位に応じたばね項と粘性項とによって計算上制御することができる。そこで、ロボットによって運動物体に制動をかけるには、コンプライアンス制御部において、目標となるコンプライアンス角度変位θccを与える必要がある。目標コンプライアンス角度変位θccとしては、目標制動トルクτcom の大きさを反映する必要があるが、制御が複雑化するのを回避するため簡素なものを採用するのが好ましい。そこで、与えられた目標制動トルクτcom (それ自体は変化する)に対して動的な変動分を考慮することなく、仮想コンプライアンス機構のうち仮想捩じり剛性のみに応じて生じると想定される角度変位(単に目標制動トルクτcom に比例する)を目標コンプライアンス角度変位θccとして採用する。
【0017】
この回転機構用制御装置において、前記制動トルクプロファイル生成部は、前記目標制動トルクτcom を、所定時刻までは一定値とし、前記所定時刻から前記回転部の停止時刻までは次第に減少する関数として設定していることから成っている。目標制動トルクτcom を所定時刻までは一定値とすることで、各機構部へのダメージの大きい過大な制動トルクが生じないように制御することができる。回転部の制動が一定の程度進めば、その後の目標制動トルクを小さく設定しても、回転部を確実に停止させることができる。
【0018】
この回転機構用制御装置において、制動動作プロファイル生成部は、前記回転部に設けられたアームの先端部の速度に対する制動力の関数として設定しており、前記関数は、前記アームの先端部の速度が所定速度までは前記先端部の速度に従って増加し、前記所定速度以上の速度に対して一定の制動力に飽和させていることから成っている。アームの先端部の速度が所定速度以上の場合に、制動力を飽和させて大きくしないことにより、回転部に設けられた例えばアームが運動対象物体と係合して後、アームを大きな速度で移動させても、制動力を制限することで、過大な制動トルクが生じるのを回避するとともに、アームの先端部の速度が所定速度以下の場合には制動力を小さくして、アームが運動対象物体と係合した初期の段階及び制動終期の段階での大きな制動力の発生を防止している。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面に基づいて、この発明による回転機構用制御装置の実施例を説明する。図1はこの発明による回転機構用制御装置の実施例としての関節動作制御装置の一例を示すブロック図、図2はこの回転機構用制御装置が適用される関節システムの模式図、図3は図1に示す関節動作制御装置におけるトルクリミット制御部の不感帯特性の一例を示す線図、図4は図1に示す関節動作制御装置における減速動作プロファイルの一例を示す線図、図5は図1に示す関節動作制御装置における制動トルクプロファイルの一例を示す線図である。
【0020】
図2に示す関節システムによれば、本発明における回転機構としての人工衛星等の機体1に取り付けられる関節機構2は、内側の減速機構3と、減速機構3を介してその周りで相対回転可能に装着された回転部4と、回転部4に取り付けられているアーム5とを有している。アーム5には、その先端部において、運動対象物体Aに係合可能なハンド6が備わっている。減速機構3は機体1に固定されたモータ7の出力軸に接続されており、モータ7の回転出力が減速機構3によって減速されて回転部4に与えられる。回転部4の回転角度を検出するため、関節機構2には関節角度検出器(本発明における「回転角度検出部」に相当する)8が設けられている。更に、関節機構2の関節出力軸部(アーム5とも一体化されている)に、関節トルク検出器(本発明における「トルク検出部」に相当する)9が設けられている。関節角度検出器8が検出した検出関節角度θesと関節トルク検出器9が検出した検出関節トルクτs とが関節動作制御装置(以下、簡単のため「制御装置」と略す)10に入力される。
【0021】
今、動きのある運動対象物体Aをアーム5で捕捉しようとする場合には、運動対象物体Aをアーム5のハンド6に衝突させ、その後に回転しようとする回転部4の回転を減速・停止を制御することで、衝突を緩和させることが考えられる。運動対象物体Aの質量が大きい場合、停止までの負荷慣性が大きいので、短時間で停止させるには回転機構の摩擦によって急激な減速・停止となる制動動作となるが、そうした制動動作を行うにはモータ軸等の各機構部に過大な荷重が作用し、関節システムの運用に対して大きな負担・制約になる。制御装置10は、このような場合でも、過大なトルクが関節に生じることなく運動対象物体Aを停止させるように関節機構2の動きを制御しようとするものであって、回転部4の出力軸部に配置された関節トルク検出器9からのセンサ出力情報である検出関節トルクτs に基づき、目標とする制動トルクプロファイルに従って運動対象物体Aに制動トルクを作用させようとするモータ7駆動用の制御装置である。
【0022】
図1に示すように、制御装置10は、コンプライアンス制御部11、トルクリミット制御部12、トルク追従制御部13、制動動作プロファイル生成部14、制動トルクプロファイル生成部15等から構成されている。即ち、制御装置10は、関節角度検出部8から時々刻々検出され入力される検出関節角度θesの検出情報と、関節トルク検出器9から時々刻々入力される検出関節トルクτs の検出情報とに基づいて、演算処理部での演算を行って、関節角度制御部であるモータ7への指令として目標関節角度θref を時々刻々出力する機能を有する。
【0023】
コンプライアンス制御部11は、関節トルク検出器9が検出した検出関節トルクτs の信号の入力を受けて、検出関節トルクτs の低周波数成分のみを通過させる低域濾波フィルタ11aと、低域濾波フィルタ11aによってフィルタ処理されたトルク信号τf にコンプライアンスフィルタ処理をするコンプライアンス制御フィルタ11bとを備え、関節角度制御器であるモータ7に目標関節角度θref を出力する。低域濾波フィルタ11aは、入力信号である検出関節トルクτs の高周波成分をカットすることで信号ノイズを除去すると共に、高周波数域でゲインを下げてゲイン余裕を確保する。コンプライアンス制御フィルタ11bは、トルク信号τf に対して、S(ラプラス変換における複素パラメータ)領域において仮想の関節インピーダンスパラメータを用いた次の式で表される関節コンプライアンスフィルタ処理を行い、コンプライアンス角度変位θd を算出する。なお、コンプライアンス制御フィルタ11bによるフィルタ処理は、デジタルフィルタ演算処理によって実現される。
θd =(1/(mc ・S2 +cc ・S+kc ))・τf (1)
ここで、mc :関節仮想負荷慣性
c :関節仮想粘性係数
c :関節仮想捩れ剛性
τf :検出関節トルクτS に低域濾波フィルタ処理を行った関節トルク
【0024】
トルクリミット制御部12は、関節角度検出器8が検出した検出関節角度θesの入力を受けて、後述する制動動作プロファイル生成部14からの指令関節角度θcom を修正し、且つ飽和特性を以てコンプライアンス制御部11に出力する制御部である。トルクリミット制御部12の制御特性は、図3(a)に示すように、入力のゼロを含む領域(−ε0 ≦εcom (=θcom −θes)≦ε0 )に対して出力がゼロの不感帯を持つ要素を備えることにより、図3(b)に示すように目標関節角度を修正する関節角度修正量(θ'com −θes)に飽和特性を持たせることができる。指令関節角度θcom から検出関節角度θesを差し引いた偏差εcom が所定値ε0 よりも小さければ、トルクリミット制御部12は指令関節角度θcom を修正することなくそのまま出力する。指令関節角度θcom と検出関節角度θesとの偏差εcom が所定値ε0 を超える場合は、トルクリミット制御部12は、指令関節角度θcom を偏差εcom に応じて修正して修正指令関節角度θ'com を出力する。図3(b)において、検出関節角度θesを基準とした指令関節角度θcom と修正指令関節角度θ'com との関係を示す。偏差εcom の大きさが所定値ε0 を超える範囲では、修正指令関節角度θ'com と検出関節角度θesとの差が飽和していることが解る。トルクリミット制御部12は、この飽和特性によって、コンプライアンス制御において生じがちな目標値(指令値)の対象物への過剰な食込みを防止する働きをする。
【0025】
制動動作プロファイル生成部14が生成する制動力プロファイルの一例が、図4に示されている。制動力プロファイルは、アーム先端速度の関数や読出し数値テーブルの形態で予め設定されている。図4に示す制動力プロファイルは、アーム先端速度Vaに対する制動力Fbのパターンとして構成されており、具体的には、アーム先端速度Vaが一定の大きさVa0まではアーム先端速度Vaに比例して制動力FをF0まで大きくするが、当該一定のアーム先端速度Va0以上の速度に対しては、制動力Fを大きくすることなくF0の大きさに保つパターンとされる。制動動作プロファイル生成部14では、図4に示す制動力プロファイルに則って、下記の式(2)及び式(3)によって、アーム5の時々刻々の目標先端位置Xcom が算出される。
com =∫(−F/M)dt+v0 (2)
com =∫Vcom dt+x0 (3)
ここで、v0 は本制御開始時のアーム先端速度、x0 は本制御開始時のアーム先端位置である。
式(2)は、本制御開始時のアーム先端速度v0 に、アームの想定負荷慣性Mと制動力プロファイルから読み出される制動力Fとから求まる加速度(−F/M)を時間tで積分して得られる速度を加算する式であり、制御開始からの時間t経過後にアーム5の先端部が有すべき目標先端速度(指令値)Vcom を表している。また、式(3)は、制御開始時のアーム先端位置x0 に、式(2)に示す目標先端速度(指令値)Vcom を積分して得られる位置を加算する式であり、制御開始からの時間t経過後にアーム5の先端部が有すべき目標先端位置(指令値)Xcom を表している。
【0026】
目標先端位置Xcom から、アームの逆キネマティクス変換演算(運動学方程式の解の算出)によって時々刻々の各関節の指令関節角度θcom が算出される。トルクリミット制御部12では、指令関節角度θcom について、その時点の検出関節角度θesに対する偏差εcom =(θcom −θes)が一定以上にならないように抑える処理を行っている。即ち、不感帯処理は、図3に示す特性を有しており、検出関節角度θesが指令関節角度θcom と大きく相違しない場合には、指令関節角度θcom を修正するための出力を出さず、指令関節角度θcom をそのままトルクリミット制御部12の出力とする。検出関節角度θesが指令関節角度θcom と大きく異なる場合には、不感帯処理は指令関節角度θcom を減算修正するための出力をし、トルクリミット制御部12は修正指令関節角度θ'com が検出関節角度θesから大きく離間しない値として出力する。
【0027】
トルク追従制御部13は、後述する制動トルクプロファイル生成部15から出力される目標関節出力トルクτcom の入力を受けて、目標関節出力トルクτcom を関節仮想捩れ剛性kc で除することにより、目標コンプライアンス角度変位θccを算出し、目標コンプライアンス角度変位θccをコンプライアンス制御部11に出力する。目標関節出力トルクτcom としては、例えば、図5に示すような、プロファイルが生成される。即ち、図5に例示する目標の制動トルクプロファイルは、運動対象物体Aを捕獲してからの時間T(本制御動作を開始した後の時間)を横軸に取り、縦軸を制動トルクの大きさとしたグラフで示されており、時間T1までは目標関節出力トルクτcom を一定とし、時間T1から一定の目標関節出力トルクから次第に(この例では直線的に)減少して時間T2においてゼロとなるパターンとして設定される。設定の態様は、例えば、時間Tの関数又は読出し数値テーブルとすることができる。制動トルクプロファイル生成部15は、図4に示す設定パターンを持つ目標制動力プロファイルF(v)によって時々刻々のアーム5が与えるべき制動力Fcom を算出し、これよりアーム15の関節回転速度から先端速度Vaへの変換行列であるヤコビアンJを用いて、次式(4)に示すように目標関節出力トルクτcom を時々刻々算出する。
τcom =Jtcom (4)
【0028】
コンプライアンス制御部11においては、トルク追従制御部13が算出した目標コンプライアンス角度変位θccと、コンプライアンス制御フィルタ11bが出力したコンプライアンス角度変位θd との差(θcc−θd )としてコンプライアンス偏差εc を算出する。コンプライアンス偏差εc と、トルクリミット制御部12の出力である修正指令関節角度θ'com との和が目標関節角度θref として関節角度制御部(モータ7)へ出力される。即ち、関節トルク検出器9が検出した関節トルクτs 、トルク目標値、及び目標制動力と検出関節角度が、それぞれ、仮想コンプライアンス機構から求めたコンプライアンス角度変位θd 、トルク追従制御部13からの目標コンプライアンス角度変位θcc、又は修正指令関節角度θ'com として目標関節角度θref に反映している。検出関節角度については、関節角度制御器7において常に制御に反映されている。なお、各値に付加的に設けられている素子RLは増分リミッタであり、運動物体の捕獲に際してアームの動きの変化が速すぎるために制御系の動作が追従できない場合に回転機構に過大な力が働くのを防止している。
【0029】
以下、関節動作制御装置10の作動について説明する。例えば、図6に示すように、ロボットアーム5により運動対象物体Aを追従・捕獲して、これを制動して停止させる作業を考える。図1に示す関節動作制御装置10によれば、基本的には、仮想質量、仮想捩れ剛性及び仮想粘性係数を持つ仮想コンプライアンス機構に基づいて仮想コンプライアンス制御が行われ、この制御によれば、関節トルク検出器9が検出しコンプライアンス制御部11 に入力される検出関節トルクτs のうち、信号ノイズとなる高周波成分が取り除かれた低周波成分のみが、仮想の各パラメータから構成されるコンプライアンス制御フィルタ11bに入力される。コンプライアンス制御フィルタ11bによって、検出関節トルクτs に応じた仮想コンプライアンス角度変位θd がデジタル処理によって算出される。即ち、仮想コンプライアンス機構を用いたデジタル演算にて、検出関節トルクτs に対応した関節角度を推定し、仮想コンプライアンス角度変位θd が得られる。
【0030】
一方、関節動作制御装置10はトルク追従制御も行う。トルク追従制御においては、制御開始からの時間に依存し制動トルクプロファイル生成部15から得られる目標関節出力トルクτcom を仮想捩れ剛性kc で除する(ここでは、先端部6の仮想質量m1 及び仮想粘性係数については考慮されない)ことによって、目標関節出力トルクτcom を反映した角度変位としての目標コンプライアンス角度変位θccが得られ、目標コンプライアンス角度変位θccから推定値としての仮想コンプライアンス角度変位θd を差し引いたコンプライアンス角度偏差εc (θcc−θd )が、関節角度制御器(モータ7)に出力される。コンプライアンス角度偏差εc (θcc−θd )を出力することより、制御装置10はコンプライアンス角度偏差εc (θcc−θd )をゼロとするように動作し、その結果、関節機構2は、制動時に摩擦等によって過大なトルクを発生することなく、目標の制動トルクのプロファイルに沿って制動トルクを作用させて制動動作を行うことができる。制動トルクプロファイル生成部15においては、実際の制動動作の状況を検出関節角度θesにより常時モニタすることにより、想定よりも減速の早遅を生じた場合には、自動的に制動トルクプロファイルの時間T1を調整する。詳細には、時間T1経過後に予め想定している所定の速度よりも大きかった(十分に制動されていない)場合には、時間T1,T2を延長する処理が行われる。
【0031】
制動動作プロファイル生成部14で生成された指令関節角度θcom は、トルクリミット制御部12において、検出関節角度θesとの偏差に不感帯処理を施し、当該偏差が小さければ不感帯処理の出力をゼロとし、当該偏差が一定以上の場合にその偏差に基づく信号が出力される。トルクリミット制御部12の出力として、指令関節角度θcom は、検出関節角度θesとの偏差が小さい場合にはそのままの指令関節角度θcom が、当該偏差が一定以上の場合には指令関節角度θcom との差を取ることにより飽和された信号が、コンプライアンス制御部11に出力される。制御装置10は、関節角度が指令関節角度θcom に一致するように関節角度制御部(モータ7)を制御する。トルクリミット制御部12の出力とコンプライアンス角度偏差(θcc−θd )との和の信号が目標関節角度θref としてコンプライアンス制御部11から関節角度制御器(モータ7)に出力される。この制御によって、関節角度制御部は、関節角度を指令関節角度θcom に、同時に関節トルクを目標関節トルクτcom に一致させるように関節角度制御を行う。その結果、運動対象物体Aの追従によりロボットアーム5の先端部6は対象物体Aの運動速度にほぼ同期した状態で対象の捕獲を行うことができる。なお、ロボットアーム5によって運動対象物体Aを捕獲した後は、対象物体Aとアーム5の先端部6の共通重心に仮想質量m2 を置く場合もある。
【0032】
【発明の効果】
この発明は、上記のように、回転機構について仮想コンプライアンス機構を想定し、検出トルクを受けて当該仮想コンプライアンス機構に基づいて、仮想コンプライアンス角度変位を求め、当該仮想コンプライアンス角度変位を、制動力と制動トルクとについて各プロファイル生成部からの目標指令角度と目標制動トルクとに基づいて修正し、その修正で得られた目標回転角度を出力することで前記回転部の回転角度を制御しているので、回転機構の回転部の回転角度が制動トルクや制動力を考慮して制御されることになり、回転機構の各機構部に過大な荷重を負荷物や機構に加えることなく、負荷物の運動の減速・停止などの制動を行うことができる。即ち、この発明によれば、回転部に備わるロボットアームやマニピュレータ等の係合部が運動対象物体と衝突、捕獲又は把持を行うときに、運動対象物体との係合後に回転機構に作用する制動力と制動トルクを考慮して、過大な力が回転部に作用するのを防止しつつ、回転機構の回転部の回転角度を制御することで、トルクが作用する回転部を所定の回転角度で制御することが可能な回転機構用制御装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明による回転機構用制御装置の実施例としての関節動作制御装置の一例を示すブロック図である。
【図2】この発明による回転機構用制御装置が適用される関節システムの模式図である。
【図3】図1に示す関節動作制御装置におけるトルクリミット制御部の不感帯特性の一例を示す線図である。
【図4】図1に示す関節動作制御装置における減速動作プロファイルの一例を示す線図である。
【図5】図1に示す関節動作制御装置における制動トルクプロファイルの一例を示す線図である。
【図6】本発明によるコンプライアンス制御の概要を示す図である。
【符号の説明】
1 機体 2 関節機構
3 減速機構 4 回転部
5 アーム 6 ハンド
7 モータ 8 関節角度検出器
9 トルク検出器 10 制御装置
11 コンプライアンス制御部
11a 低域濾波フィルタ 11b コンプライアンス制御フィルタ12 トルクリミット制御部 13 トルク追従制御部
14 制動動作プロファイル生成部 15 制動トルクプロファイル生成部
θes 検出関節角度 τs 検出関節トルク
θref 目標関節角度 τcom 目標制動トルク
θcc 目標コンプライアンス角度変位指令
εcom 関節角度θcom と検出関節角度θesとの偏差
θcom 指令関節角度 θ'com 修正指令関節角度
θd 仮想コンプライアンス角度変位
εc コンプライアンス角度偏差εc (θcc−θd
εcom 偏差(θcom −θes
c 関節仮想負荷慣性 cc 関節仮想粘性係数
c 関節仮想捩れ剛性
τf 検出関節トルクτS に低域濾波フィルタ処理を行った関節トルク
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a rotation mechanism control device that controls a rotation angle in a rotation portion of a rotation mechanism in consideration of torque generated in a rotation mechanism such as a robot arm joint.
[0002]
[Prior art]
On orbits such as the Earth orbit, it is necessary to capture moving objects such as rendezvous objects and satellite remnants with robot arms provided on other satellites. In order to bring the robot arm on the satellite and the target object that moves relative to the satellite closer to each other, for example, if a force is applied to the satellite by a thruster, the orbit of the satellite is changed and also for capture. When the arm is operated, the position and attitude of the satellite itself change due to the reaction. Therefore, the control of the distance and speed between the two is much more complicated than the case of both the ground. In addition, when the robot arm comes into contact with or collides with the target object during capture, the relative distance and relative distance between the two even before the target object is captured so that the control amount such as force and torque acting between the two does not become excessive. It is necessary to control the speed precisely. When the target object is captured with a large relative inertia when the mutual load inertia is large, the target object is decelerated and stopped by friction of the rotating machine. Unexpected load may be applied to each part of the satellite, the target object, or the robot arm, and an unexpected situation may occur.
[0003]
Therefore, when capturing an object to be moved by a robot such as an arm or manipulator provided on the satellite, the object is captured after following the movement of the target by reducing the relative position and speed between them as much as possible. Thus, it has been proposed to reduce the impact at the time of capture (see Patent Document 2) or to strengthen the capture mechanism so that it can withstand some impact at the time of capture (see Patent Document 3).
[0004]
On the other hand, it is mounted on a spacecraft such as a space shuttle or an artificial satellite, and pins are inserted and bolted / loosened to work on its own or other spacecraft, such as construction of a space station or capture of other satellites. In addition, a multi-joint robot for space work that performs various kinds of work such as handle work has been proposed. In such an articulated robot, each joint angle is controlled so as to achieve an angle target value set for each joint, but it is necessary to control a force applied to the end effector so as not to damage the object. As a robot control device that performs force control, compliance control is known in which a virtual impedance is indirectly realized to relieve a force applied to the tip of a robot arm. In compliance control, there is a method that enables stable and high-speed operation by directly implementing the compliance operation by installing hardware that gives flexibility to the robot arm, but the characteristics of the hardware are set once Then, there is a problem that the change cannot be made and the control is not flexible. Thus, for example, an end effector provided at the tip of a robot arm is assumed to be a virtual compliance mechanism having a virtual mass, a virtual viscosity coefficient, and a virtual spring stiffness by software. The characteristics of the virtual compliance mechanism reflect the actuality well and are expressed in a simplified manner, so that the inertial force term including the second derivative of the position, the viscous force term including the first derivative of the position, and the spring force as the first term of the position It is assumed that it is expressed by a second-order linear differential equation including a term. In the virtual compliance control, the motion of the virtual compliance mechanism is calculated in real time by a predetermined algorithm, and the operation of the robot follows the operation of the virtual compliance mechanism. Since the characteristics of the virtual compliance mechanism can be changed by software according to the contents of work, optimum flexibility can be given according to the situation (see Patent Document 4).
[0005]
In order to make it easy to capture a target floating in outer space, a space robot control device has been proposed that detects the impact force at the time of capture with a sensor and modifies the capture mechanism to reduce the impact (Patent Literature). 1). According to this space robot control device, by using a dynamic model, the position / velocity of the artificial satellite is detected by a sensor mounted on the artificial satellite, and the artificial satellite accompanying the operation of the manipulator is based on this detection information. Generates the tip speed of the manipulator that takes into account changes in the position and orientation of the manipulator, and performs the tracking operation of the manipulator to the target. Is used to generate an approach trajectory to the target, and a force sensor provided on the wrist part of the manipulator detects the force acting on the manipulator when the gripper grips the target. D The gripping operation is executed while driving the motor of each axis of the purulator.
[0006]
The space robot control device will be described in detail. In the manipulator tip speed generator, assuming a damper (viscosity damping coefficient C) having a dead zone at the tip position of the manipulator, when the gripper grips the gripped portion of the target, The tip speed of the manipulator is generated so as to be the same as the motion when the force detected by the force sensor is applied, and the swing of the target when the target is gripped is reduced. That is, when the force detected by the force sensor exceeds a predetermined force setting value, the tip speed of the manipulator is generated, and when the force is less than the set value, the tip speed of the manipulator is set to zero. Yes. Further, when grasping the target, the manipulator tip position corrector assumes an inertial body of mass M connected by a spring having a spring constant K and a damper having a viscous damping coefficient C around the target position of the manipulator. The corrected sequential target position of the manipulator is generated so as to be the same as the motion when the force detected by the force sensor is applied. Further, in the manipulator tip speed generator, the tip speed of the manipulator is generated by PID control from the corrected sequential target position and the current position, and the manipulator joint speed generator obtains the speed command value of each joint of the manipulator, Each axis motor of the manipulator is driven.
[0007]
However, when the load inertia of the object to be moved is large, when the robot arm or the rotation mechanism performs a control operation such as decelerating / stopping after capturing the object to be moved, a sudden deceleration occurs due to the friction of the rotation mechanism, and the motor shaft By stopping rapidly, an excessive load is applied to each mechanism part. Such an excessive load constitutes a heavy burden / restriction on each mechanism part such as a robot arm (joint part, gripping part), an arm mounting part on a satellite, a target part to be gripped.
[0008]
[Patent Document 1]
JP-A-5-104469 (paragraphs [0009] to [0022],
(Fig. 2)
[Patent Document 2]
JP-A-6-127495 (paragraphs [0008] to [0022],
1 to 3)
[Patent Document 3]
JP 2001-260997 A (paragraph [0016], FIG. 1)
[Patent Document 4]
JP-A-10-12885 (paragraphs [0001] to [0009]
3 to 5)
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, the engaging portion is engaged with the object to be moved, such as when the engaging portion provided on the robot arm or manipulator having a rotating portion on the base end side collides with the object to be moved or captures or grips the object to be moved. When torque acts on the rotating part due to the combination, when it is necessary to control the rotating part at a predetermined rotation angle, an excessive force is prevented from acting on the rotating part, There is a problem to be solved in terms of controlling the rotation angle of the rotating part.
[0010]
The object of the present invention is to consider the torque that acts on the rotating mechanism after engaging with the object to be moved when the engaging part such as a robot arm or manipulator provided in the rotating part collides, captures or grips with the object to be moved. By controlling the rotation angle of the rotation part of the rotation mechanism while preventing an excessive force from acting on the rotation part, the rotation part on which the torque acts can be controlled at a predetermined rotation angle. A control device for a rotating mechanism is provided.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, a control device for a rotating mechanism according to the present invention provides a target rotation angle θ as a control signal to a motor that rotates a rotating portion of the rotating mechanism. ref In the rotation mechanism control device that controls the rotation angle of the rotation unit by outputting the target braking torque τ from the braking torque profile generation unit com Based on the target compliance angular displacement θ cc Target command angle θ from the torque follow-up control unit and the braking operation profile generation unit com Is detected by the rotation angle detection unit. es Corrected target command angle θ ′ corrected based on com The torque limit control unit that outputs the detected torque τ acting on the rotating unit detected by the torque detection unit s Virtual compliance angular displacement θ d A virtual compliance angular displacement θ. d The target compliance angular displacement θ cc And the corrected target command angle θ ′ com And the target rotation angle θ ref Is provided with a compliance control unit that outputs.
[0012]
According to this rotation mechanism control device, the compliance control unit detects the detected torque τ acting on the rotation unit detected by the torque detection unit. s The compliance control filter receives the input of the virtual compliance angular displacement θ d Is output. The torque follow-up control unit receives the target braking torque τ from the braking torque profile generation unit. com Based on the target compliance angular displacement θ cc Is output. In addition, the torque limit control unit receives the target command angle θ from the braking operation profile generation unit. com The rotation angle θ detected by the rotation angle detection unit es Corrected target command angle θ ′ corrected based on com Is output. The compliance control unit converts the corrected target command angle to the virtual compliance angular displacement θ d And target compliance angular displacement θ cc And the target rotation angle θ as a control signal to the motor that rotates the rotating part of the rotating mechanism. ref Is output. As described above, a virtual dynamic model for the rotation mechanism is set, and the detected torque τ s Virtual compliance angular displacement θ based on the dynamic model d The virtual compliance angular displacement θ d The target command angle θ from each profile generator for braking force and braking torque com And target braking torque τ com And the target rotation angle θ obtained by the correction ref Since the rotation angle of the rotating portion is controlled by outputting the rotation angle, the rotation angle of the rotating portion of the rotating mechanism is controlled in consideration of the braking torque and the braking force, and an excessive force is applied to each mechanism portion. Does not act on.
[0013]
In this rotation mechanism control device, the compliance control filter is described by a transfer function described based on virtual inertia, virtual viscosity, and virtual rigidity. The equation of motion established between the angle and the torque is generally expressed as an inertia term expressed as a second derivative term of the angle, a velocity (viscosity) term expressed as a first derivative term of the angle, and a proportional term of the angle. It is expressed by a second order differential equation consisting of expressed force (torque) terms. A model of a rotating mechanism in which a transfer function is described based on virtual inertia, virtual viscosity, and virtual stiffness is a virtual dynamic model.
[0014]
In this rotation mechanism control device, the torque limit control unit is configured to output the target command angle θ. com With respect to the target command angle θ com And the detected rotation angle θ es The corrected target command angle θ ′ is corrected by correcting the difference input with the output obtained by performing the dead band process. com Can be output. By performing the dead band process, the detected rotation angle θ es Is the target command angle θ com Target command angle θ com Is directly output from the torque limit control unit without being corrected.
[0015]
In this rotation mechanism control device, the dead zone processing is performed by the target command angle θ. com And the detected rotation angle θ es Because the output is not output when the difference between the target command angle θ and the target command angle θ com Without being corrected, the corrected target command angle θ ′ com As the output of the torque limit control unit. When the difference exceeds the predetermined deviation, the target command angle θ com For example, the target command angle θ com The output is corrected based on the difference according to the value of the target command angle θ. com Is subtracted by the corrected output, and the result is used as the output of the torque limit control unit.
[0016]
In the rotation mechanism control device, the torque follow-up control unit may include the target braking torque τ. com Is the target compliance angular displacement θ cc It consists of output as. In compliance control, taking the case where the tip of the arm is pressed against the wall, which is the object, as an example, if the target value does not bite into the wall (that is, the target value is not virtual bite), the tip of the arm is moved. Actually, it is impossible to generate a pressing force against the wall. When the target is in a virtual bite state but the tip of the arm is actually restricted by the wall, the drive system presses the tip of the arm against the wall in an attempt to eliminate the difference between the target and the reality. At this time, it is assumed that the above difference is absorbed by the displacement of the virtual compliance mechanism, and the pressing force can be computationally controlled by the spring term and the viscosity term corresponding to the displacement. Therefore, in order to brake the moving object by the robot, the compliance angle displacement θ as a target is set in the compliance control unit. cc Need to give. Target compliance angular displacement θ cc As the target braking torque τ com However, it is preferable to adopt a simple one in order to avoid complicated control. Therefore, given target braking torque τ com An angular displacement (simply a target braking torque τ) that is assumed to occur only in accordance with the virtual torsional rigidity of the virtual compliance mechanism without taking into account dynamic fluctuations (which itself changes) com Proportional to the target compliance angular displacement θ cc Adopt as.
[0017]
In this rotation mechanism control device, the braking torque profile generator generates the target braking torque τ. com Is set as a constant value until a predetermined time, and is set as a function that gradually decreases from the predetermined time to the stop time of the rotating unit. Target braking torque τ com By setting the value to a constant value until a predetermined time, it is possible to control so as not to generate an excessive braking torque with a large damage to each mechanism unit. If the braking of the rotating part proceeds to a certain extent, the rotating part can be reliably stopped even if the subsequent target braking torque is set small.
[0018]
In this rotation mechanism control device, the braking operation profile generation unit is set as a function of the braking force with respect to the speed of the tip of the arm provided in the rotation unit, and the function is the speed of the tip of the arm. Is increased according to the speed of the tip portion up to a predetermined speed, and is saturated to a constant braking force with respect to a speed equal to or higher than the predetermined speed. When the speed of the tip of the arm is equal to or higher than the predetermined speed, the braking force is not saturated and increased, so that the arm moves at a high speed after the arm, for example, is engaged with the object to be moved. Even if it is, the braking force is limited to avoid an excessive braking torque, and when the speed of the tip of the arm is lower than the predetermined speed, the braking force is reduced so that the arm is an object to be moved. The generation of a large braking force is prevented at the initial stage and the final stage of braking.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of a rotation mechanism control device according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a block diagram showing an example of a joint motion control device as an embodiment of a rotation mechanism control device according to the present invention, FIG. 2 is a schematic diagram of a joint system to which this rotation mechanism control device is applied, and FIG. 4 is a diagram showing an example of a dead zone characteristic of a torque limit control unit in the joint motion control device shown in FIG. 1, FIG. 4 is a diagram showing an example of a deceleration operation profile in the joint motion control device shown in FIG. 1, and FIG. It is a diagram which shows an example of the braking torque profile in the joint operation control apparatus shown.
[0020]
According to the joint system shown in FIG. 2, the joint mechanism 2 attached to the airframe 1 such as an artificial satellite as the rotation mechanism in the present invention can be relatively rotated around the inner speed reduction mechanism 3 and the speed reduction mechanism 3. And the arm 5 attached to the rotating unit 4. The arm 5 is provided with a hand 6 that can be engaged with the movement target object A at the tip. The speed reduction mechanism 3 is connected to the output shaft of the motor 7 fixed to the machine body 1, and the rotation output of the motor 7 is decelerated by the speed reduction mechanism 3 and given to the rotating unit 4. In order to detect the rotation angle of the rotation unit 4, the joint mechanism 2 is provided with a joint angle detector (corresponding to a “rotation angle detection unit” in the present invention) 8. Further, a joint torque detector (corresponding to a “torque detector” in the present invention) 9 is provided on the joint output shaft portion (also integrated with the arm 5) of the joint mechanism 2. Detected joint angle θ detected by the joint angle detector 8 es Detected joint torque τ detected by the joint torque detector 9 s Are input to a joint motion control device (hereinafter abbreviated as “control device”) 10.
[0021]
Now, when trying to capture the moving target object A with the arm 5, the target object A collides with the hand 6 of the arm 5, and then the rotation of the rotating unit 4 to be rotated is decelerated and stopped. It is conceivable to mitigate the collision by controlling. When the mass of the object A to be moved is large, the load inertia until the stop is large. Therefore, in order to stop in a short time, the braking operation is a sudden deceleration / stop by the friction of the rotating mechanism. In other words, an excessive load acts on each mechanism such as a motor shaft, which becomes a heavy burden and restriction on the operation of the joint system. Even in such a case, the control device 10 tries to control the movement of the joint mechanism 2 so as to stop the movement target object A without causing excessive torque to be generated in the joint. Detected joint torque τ which is sensor output information from the joint torque detector 9 arranged in the section s The control device for driving the motor 7 that attempts to apply the braking torque to the movement target object A according to the target braking torque profile.
[0022]
As shown in FIG. 1, the control device 10 includes a compliance control unit 11, a torque limit control unit 12, a torque follow-up control unit 13, a braking operation profile generation unit 14, a braking torque profile generation unit 15, and the like. That is, the control device 10 detects the detected joint angle θ that is detected and input from the joint angle detector 8 every moment. es Detection information and detected joint torque τ input from the joint torque detector 9 every moment s On the basis of the detected information of the target joint angle θ as a command to the motor 7 which is a joint angle control unit. ref Has the function to output the momentarily.
[0023]
The compliance control unit 11 detects the detected joint torque τ detected by the joint torque detector 9. s Detected joint torque τ s The low-pass filter 11a that passes only the low-frequency component of the filter, and the torque signal τ filtered by the low-pass filter 11a f And a compliance control filter 11b that performs a compliance filter process on the motor 7 serving as a joint angle controller. ref Is output. The low-pass filter 11a detects the detected joint torque τ that is an input signal. s The signal noise is removed by cutting the high-frequency component of the signal, and the gain is lowered in the high frequency range to ensure a gain margin. The compliance control filter 11b generates a torque signal τ f In the S (complex parameter in Laplace transform) region, the joint compliance filter processing represented by the following equation using the virtual joint impedance parameter is performed, and the compliance angular displacement θ d Is calculated. The filtering process by the compliance control filter 11b is realized by a digital filter calculation process.
θ d = (1 / (m c ・ S 2 + C c ・ S + k c )) ・ Τ f (1)
Where m c : Joint virtual load inertia
c c : Virtual joint viscosity coefficient
k c : Joint virtual torsional rigidity
τ f : Detected joint torque τ S Joint torque after low-pass filtering
[0024]
The torque limit control unit 12 detects the detected joint angle θ detected by the joint angle detector 8. es Commanded joint angle θ from a braking action profile generation unit 14 to be described later com And a controller that outputs to the compliance controller 11 with saturation characteristics. As shown in FIG. 3A, the control characteristic of the torque limit control unit 12 is a region including the input zero (−ε 0 ≤ε com (= Θ com −θ es ) ≦ ε 0 )), A joint angle correction amount (θ ′) for correcting the target joint angle as shown in FIG. com −θ es ) Can have saturation characteristics. Command joint angle θ com Detected joint angle θ es Deviation ε minus com Is the predetermined value ε 0 Is smaller than the torque limit control unit 12, the command joint angle θ com Is output without modification. Command joint angle θ com And detected joint angle θ es Deviation from com Is the predetermined value ε 0 Is exceeded, the torque limit controller 12 determines the commanded joint angle θ com The deviation ε com Correct according to the correction command joint angle θ ' com Is output. In FIG. 3B, the detected joint angle θ es Commanded joint angle θ relative to com And correction command joint angle θ ' com Shows the relationship. Deviation ε com Is the predetermined value ε 0 In the range exceeding the correction command joint angle θ ' com And detected joint angle θ es It can be seen that the difference between and is saturated. The torque limit control unit 12 functions to prevent excessive entrainment of the target value (command value) that tends to occur in the compliance control due to the saturation characteristic.
[0025]
An example of the braking force profile generated by the braking operation profile generation unit 14 is shown in FIG. The braking force profile is set in advance in the form of a function of the arm tip speed and a readout numerical value table. The braking force profile shown in FIG. 4 is configured as a pattern of the braking force Fb with respect to the arm tip speed Va. Specifically, the arm tip speed Va is proportional to the arm tip speed Va until the arm tip speed Va reaches a certain magnitude Va0. Although the braking force F is increased to F0, for a speed equal to or higher than the constant arm tip speed Va0, the pattern is maintained at the magnitude of F0 without increasing the braking force F. In the braking operation profile generation unit 14, the target tip position X of the arm 5 every moment is calculated according to the following formula (2) and formula (3) according to the braking force profile shown in FIG. 4. com Is calculated.
V com = ∫ (−F / M) dt + v 0 (2)
X com = ∫V com dt + x 0 (3)
Where v 0 Is the arm tip speed at the start of this control, x 0 Is the arm tip position at the start of this control.
Equation (2) is the arm tip speed v at the start of this control. 0 Is an equation for adding the speed obtained by integrating the acceleration (-F / M) obtained from the assumed load inertia M of the arm and the braking force F read from the braking force profile with time t, and the time from the start of control. Target tip speed (command value) V that the tip of the arm 5 should have after t elapses com Represents. Equation (3) is the arm tip position x at the start of control. 0 In addition, the target tip speed (command value) V shown in Expression (2) com Are added to each other, and a target tip position (command value) X that the tip of the arm 5 should have after a lapse of time t from the start of control. com Represents.
[0026]
Target tip position X com From the commanded joint angle θ of each joint every moment by the inverse kinematic transformation of the arm (calculation of the kinematics equation) com Is calculated. In the torque limit control unit 12, the command joint angle θ com The detected joint angle θ at that time es Deviation for ε com = (Θ com −θ es ) Is kept from exceeding a certain level. That is, the dead zone processing has the characteristics shown in FIG. es Is the commanded joint angle θ com Command joint angle θ com Command joint angle θ com Is directly used as the output of the torque limit control unit 12. Detection joint angle θ es Is the commanded joint angle θ com The dead zone processing is the commanded joint angle θ com The torque limit control unit 12 outputs a correction command joint angle θ ′. com Is detected joint angle θ es Is output as a value that is not significantly separated from.
[0027]
The torque follow-up control unit 13 generates a target joint output torque τ output from a braking torque profile generation unit 15 described later. com Target joint output torque τ com The joint virtual torsional rigidity k c By dividing by the target compliance angular displacement θ cc And calculate the target compliance angular displacement θ cc Is output to the compliance control unit 11. Target joint output torque τ com For example, a profile as shown in FIG. 5 is generated. That is, the target braking torque profile illustrated in FIG. 5 takes time T (time after the start of this control operation) since the movement target object A is captured on the horizontal axis, and the vertical axis indicates the magnitude of the braking torque. This graph is shown in the graph, and until the time T1, the target joint output torque τ com Is set as a pattern that gradually decreases (in this example, linearly) from the constant target joint output torque from time T1 and becomes zero at time T2. The setting mode may be, for example, a function of time T or a readout numerical value table. The braking torque profile generation unit 15 applies the braking force F to be applied by the arm 5 every moment according to the target braking force profile F (v) having the setting pattern shown in FIG. com And the target joint output torque τ as shown in the following equation (4) using the Jacobian J that is a conversion matrix from the joint rotational speed of the arm 15 to the tip speed Va: com Is calculated from moment to moment.
τ com = J t F com (4)
[0028]
In the compliance control unit 11, the target compliance angular displacement θ calculated by the torque follow-up control unit 13. cc And the compliance angular displacement θ output from the compliance control filter 11b. d Difference with (θ cc −θ d ) Compliance deviation ε c Is calculated. Compliance deviation ε c And the corrected command joint angle θ ′ that is the output of the torque limit control unit 12 com Is the target joint angle θ ref Is output to the joint angle control unit (motor 7). That is, the joint torque τ detected by the joint torque detector 9 s , Torque target value, and target braking force and detected joint angle are the compliance angle displacement θ obtained from the virtual compliance mechanism, respectively. d , Target compliance angular displacement θ from torque follow-up control unit 13 cc Or correction command joint angle θ ′ com As the target joint angle θ ref It is reflected in. The detected joint angle is always reflected in the control in the joint angle controller 7. Note that the element RL additionally provided for each value is an incremental limiter, and an excessive force is applied to the rotating mechanism when the movement of the arm cannot be followed because the change of the movement of the arm is too fast when the moving object is captured. Is prevented from working.
[0029]
Hereinafter, the operation of the joint motion control device 10 will be described. For example, as shown in FIG. 6, let us consider an operation in which the robot arm 5 follows and captures the movement target object A and brakes and stops it. According to the joint motion control apparatus 10 shown in FIG. 1, basically, virtual compliance control is performed based on a virtual compliance mechanism having virtual mass, virtual torsional rigidity, and virtual viscosity coefficient. Detected joint torque τ detected by the torque detector 9 and input to the compliance control unit 11 s Of these, only the low-frequency component from which the high-frequency component serving as signal noise has been removed is input to the compliance control filter 11b including virtual parameters. By the compliance control filter 11b, the detected joint torque τ s Virtual compliance angular displacement θ according to d Is calculated by digital processing. That is, the detected joint torque τ is digitally calculated using a virtual compliance mechanism. s The joint angle corresponding to is estimated, and the virtual compliance angular displacement θ d Is obtained.
[0030]
On the other hand, the joint motion control device 10 also performs torque tracking control. In the torque follow-up control, the target joint output torque τ obtained from the braking torque profile generation unit 15 depending on the time from the start of control. com Virtual torsional rigidity k c (Here, the virtual mass m of the tip 6 is 1 And the virtual viscosity coefficient are not considered) com Target compliance angular displacement θ as an angular displacement reflecting cc The target compliance angular displacement θ cc Virtual compliance angular displacement θ as an estimate from d Minus the compliance angle deviation ε ccc −θ d ) Is output to the joint angle controller (motor 7). Compliance angle deviation ε ccc −θ d ) Is output, the control device 10 causes the compliance angle deviation ε ccc −θ d ) To zero, and as a result, the joint mechanism 2 does not generate excessive torque due to friction or the like during braking, and applies braking torque along the target braking torque profile to perform braking operation. It can be carried out. In the braking torque profile generation unit 15, the actual state of the braking operation is detected based on the detected joint angle θ. es By constantly monitoring the braking torque profile, the braking torque profile time T1 is automatically adjusted when the deceleration is earlier or slower than expected. Specifically, when the speed is greater than the predetermined speed assumed in advance after the time T1 has elapsed (not sufficiently braked), processing for extending the times T1 and T2 is performed.
[0031]
Command joint angle θ generated by braking operation profile generation unit 14 com In the torque limit control unit 12, the detected joint angle θ es If the deviation is small, the dead zone processing output is set to zero. If the deviation is equal to or greater than a certain value, a signal based on the deviation is output. As the output of the torque limit control unit 12, the command joint angle θ com Is the detected joint angle θ es Command joint angle θ com However, if the deviation is above a certain level, the commanded joint angle θ com A signal saturated by taking the difference is output to the compliance control unit 11. The control device 10 determines that the joint angle is the commanded joint angle θ com The joint angle control unit (motor 7) is controlled so as to coincide with. Output of torque limit control unit 12 and compliance angle deviation (θ cc −θ d ) Is the target joint angle θ ref Is output from the compliance control unit 11 to the joint angle controller (motor 7). By this control, the joint angle control unit changes the joint angle to the commanded joint angle θ. com Simultaneously, the joint torque is set to the target joint torque τ com The joint angle is controlled so as to match. As a result, the tip 6 of the robot arm 5 can capture the target in a state substantially synchronized with the movement speed of the target object A by following the movement target object A. In addition, after the movement target object A is captured by the robot arm 5, the virtual mass m is added to the common center of gravity of the target object A and the tip 6 of the arm 5. 2 May be put.
[0032]
【The invention's effect】
As described above, the present invention assumes a virtual compliance mechanism as the rotation mechanism, receives a detected torque, obtains a virtual compliance angular displacement based on the virtual compliance mechanism, and determines the virtual compliance angular displacement as a braking force and a braking force. Since the torque is corrected based on the target command angle and the target braking torque from each profile generation unit, and the rotation angle of the rotation unit is controlled by outputting the target rotation angle obtained by the correction, The rotation angle of the rotating part of the rotating mechanism is controlled in consideration of the braking torque and braking force, so that an excessive load is not applied to each mechanism part of the rotating mechanism, and the movement of the load object can be controlled. Brakes such as deceleration and stop can be performed. That is, according to the present invention, when an engaging portion such as a robot arm or a manipulator provided in the rotating portion collides with, captures, or grasps the object to be moved, the control that acts on the rotating mechanism after engaging with the object to be moved. By controlling the rotation angle of the rotating part of the rotating mechanism while preventing excessive force from acting on the rotating part in consideration of power and braking torque, the rotating part on which the torque acts can be controlled at a predetermined rotation angle. A control device for a rotating mechanism that can be controlled can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing an example of a joint motion control device as an embodiment of a rotation mechanism control device according to the present invention;
FIG. 2 is a schematic diagram of a joint system to which a control device for a rotation mechanism according to the present invention is applied.
FIG. 3 is a diagram showing an example of a dead zone characteristic of a torque limit control unit in the joint motion control apparatus shown in FIG.
4 is a diagram showing an example of a deceleration operation profile in the joint operation control apparatus shown in FIG.
FIG. 5 is a diagram showing an example of a braking torque profile in the joint motion control device shown in FIG. 1;
FIG. 6 is a diagram showing an outline of compliance control according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Airframe 2 Joint mechanism
3 Deceleration mechanism 4 Rotating part
5 arms 6 hands
7 Motor 8 Joint angle detector
9 Torque detector 10 Control device
11 Compliance Control Department
11a Low-pass filter 11b Compliance control filter 12 Torque limit control unit 13 Torque tracking control unit
14 Braking operation profile generator 15 Braking torque profile generator
θ es Detection joint angle τ s Detected joint torque
θ ref Target joint angle τ com Target braking torque
θ cc Target compliance angular displacement command
ε com Joint angle θ com And detected joint angle θ es Deviation from
θ com Command joint angle θ ' com Correction command joint angle
θ d Virtual compliance angular displacement
ε c Compliance angle deviation ε ccc −θ d )
ε com Deviation (θ com −θ es )
m c Joint virtual load inertia c c Joint virtual viscosity coefficient
k c Joint virtual torsional rigidity
τ f Detected joint torque τ S Joint torque after low-pass filtering

Claims (7)

回転機構の回転部を回転させるモータに制御信号として目標回転角度θrefを出力することで前記回転部の回転角度を制御する回転機構用制御装置において、
制動トルクプロファイル生成部からの目標制動トルクτcomに基づいて目標コンプライアンス角度変位θccを出力するトルク追従制御部、
制動動作プロファイル生成部からの目標指令角度θcom回転角度検出部が検出した前記回転部の検出回転角度θesとの偏差εcomに、該偏差εcomに応じて決定されるゲイン又はゼロを乗じて得られる値を、前記目標指令角度θcomに反転入力(結合差)することにより得られる修正目標指令角度θ’comを出力するトルクリミット制御部、及び
トルク検出部が検出した前記回転部に作用する検出トルクτsの入力を受けて仮想コンプライアンス角度変位θdを出力するコンプライアンス制御フィルタを備え、前記仮想コンプライアンス角度変位θdを前記目標コンプライアンス角度変位θccと前記修正目標指令角度θ'comとで修正して前記目標回転角度θrefを出力するコンプライアンス制御部を備えることから成る回転機構用制御装置。
In the rotation mechanism control device that controls the rotation angle of the rotation unit by outputting the target rotation angle θref as a control signal to a motor that rotates the rotation unit of the rotation mechanism,
A torque follow-up control unit that outputs a target compliance angular displacement θcc based on the target braking torque τcom from the braking torque profile generation unit;
Obtained by multiplying the deviation εcom between the target command angle θcom from the braking operation profile generation unit and the detected rotation angle θes detected by the rotation angle detection unit by a gain or zero determined according to the deviation εcom. A torque limit control unit that outputs a corrected target command angle θ′com obtained by inverting and inputting a value to the target command angle θcom (a coupling difference) , and a detected torque acting on the rotating unit detected by the torque detection unit a compliance control filter that receives an input of τs and outputs a virtual compliance angular displacement θd, and corrects the virtual compliance angular displacement θd with the target compliance angular displacement θcc and the corrected target command angle θ′com to achieve the target rotation A rotation mechanism control device comprising a compliance control unit that outputs an angle θref.
前記コンプライアンス制御フィルタは、仮想慣性、仮想粘性、仮想剛性に基づいて記述される伝達関数で記述されることから成る請求項1に記載の回転機構用制御装置。  The rotation mechanism control device according to claim 1, wherein the compliance control filter is described by a transfer function described based on virtual inertia, virtual viscosity, and virtual rigidity. 前記トルクリミット制御部は、前記目標指令角度θcomに対して、前記目標指令角度θcomと前記検出回転角度θesとの差の入力に対して不感帯処理を施した出力で補正することにより、前記修正目標指令角度θ'comを出力することから成る請求項1に記載の回転機構用制御装置。  The torque limit control unit corrects the target target angle θcom with an output obtained by performing a dead zone process on an input of a difference between the target command angle θcom and the detected rotation angle θes. The rotation mechanism control device according to claim 1, further comprising outputting a command angle θ′com. 前記不感帯処理は、前記目標指令角度θcomと前記検出回転角度θesとの差が所定偏差以内のときには前記出力をせずに、前記目標指令角度θcomがそのまま前記修正目標指令角度θ'comとなり、前記差が前記所定偏差を超えるときには前記目標指令角度θcomの値に応じた値を前記出力とし、前記目標指令角度θcomが前記出力で減算されることから成る請求項3に記載の回転機構用制御装置。  In the dead zone processing, when the difference between the target command angle θcom and the detected rotation angle θes is within a predetermined deviation, the target command angle θcom is directly used as the corrected target command angle θ′com without the output. 4. The rotating mechanism control device according to claim 3, wherein when the difference exceeds the predetermined deviation, a value corresponding to a value of the target command angle θcom is used as the output, and the target command angle θcom is subtracted by the output. . 前記トルク追従制御部は、前記目標制動トルクτcomを前記仮想剛性で除した値を前記目標コンプライアンス角度変位θccとして出力することから成る請求項2に記載の回転機構用制御装置。  The rotation mechanism control device according to claim 2, wherein the torque follow-up control unit outputs a value obtained by dividing the target braking torque τcom by the virtual rigidity as the target compliance angular displacement θcc. 前記制動トルクプロファイル生成部は、前記目標制動トルクτcomを、所定時刻までは一定値とし、前記所定時刻から前記回転部の停止時刻までは次第に減少する関数として設定していることから成る請求項1に記載の回転機構用制御装置。  2. The braking torque profile generation unit is configured to set the target braking torque τcom as a function that is a constant value until a predetermined time and gradually decreases from the predetermined time to a stop time of the rotating unit. The control apparatus for rotation mechanisms as described in 2. 制動動作プロファイル生成部は、前記回転部に設けられたアームの先端部の速度に対する制動力の関数として設定しており、前記関数は、前記アームの先端部の速度が所定速度までは前記先端部の速度に従って増加し、前記所定速度以上の速度に対して一定の制動力に飽和させていることから成る請求項1に記載の回転機構用制御装置。  The braking operation profile generation unit is set as a function of the braking force with respect to the speed of the tip of the arm provided in the rotating unit, and the function is a function of the tip of the tip until the speed of the tip of the arm reaches a predetermined speed. 2. The rotation mechanism control device according to claim 1, wherein the rotation mechanism is saturated to a constant braking force with respect to a speed equal to or higher than the predetermined speed.
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