JPH0685137B2 - Position / force control method - Google Patents
Position / force control methodInfo
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- JPH0685137B2 JPH0685137B2 JP28166584A JP28166584A JPH0685137B2 JP H0685137 B2 JPH0685137 B2 JP H0685137B2 JP 28166584 A JP28166584 A JP 28166584A JP 28166584 A JP28166584 A JP 28166584A JP H0685137 B2 JPH0685137 B2 JP H0685137B2
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- B25J13/08—Controls for manipulators by means of sensing devices, e.g. viewing or touching devices
- B25J13/085—Force or torque sensors
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- G—PHYSICS
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上利用分野〕 本発明は、ロボット等のハンド駆動用アクチュエータを
位置と力の情報によって制御する位置・力制御方式に関
し、特に制御形態を容易に且つ安定に変更して、作業に
対して柔軟性のあるロボット等のアクチュエータを位置
・力制御する方式に関する。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a position / force control method for controlling a hand driving actuator of a robot or the like based on position and force information, and particularly, a control mode is easily and stably changed. Then, the present invention relates to a method for controlling the position / force of an actuator such as a robot having flexibility for work.
近年、人間の行っている作業を自動化するためロボット
が開発され、更にロボットを人間の手や腕と同等な働き
に制御する技術の開発努力がなされている。In recent years, robots have been developed in order to automate the work performed by humans, and further efforts have been made to develop a technique for controlling the robots to have a function equivalent to that of human hands and arms.
ロボットに人間の手や腕と同様な働きを行なわせること
ができれば、それだけ高度な作業が出来、極めて便利で
ある。If the robot can be made to perform the same function as a human hand or arm, it will be possible to perform such advanced work and it will be extremely convenient.
一般にロボットの制御はアクチュエータ(アーム)の位
置制御が基本であり、アームの先端の作業用ハンドを指
令位置に位置決めして作業を行なわせている。Generally, the robot is basically controlled by controlling the position of an actuator (arm), and the work hand at the tip of the arm is positioned at a command position to perform work.
このような位置の制御のみでは、柔軟性に欠けるため、
人間の腕、手と同等の働きを行なわせることは不十分で
あり、他の物体から影響を受ける作業には適応性がな
い。このためアクチュエータの出す力(又は外からの反
力)を検出して、アクチュエータを制御する必要があ
る。Since such position control alone lacks flexibility,
It is inadequate to perform the same function as a human arm or hand, and it is not adaptable to work affected by other objects. Therefore, it is necessary to control the actuator by detecting the force exerted by the actuator (or the reaction force from the outside).
力を制御するものとして、従来は位置制御用のアクチュ
エータに一定の剛性を持たせ、仮想的に目標値を先にお
き、仮想目標値と現在値との間に一定の偏差を持たせる
事により、力を出力する方法が知られている。Conventionally, as a force control device, a position control actuator has a certain rigidity, a virtual target value is set in advance, and a certain deviation is provided between the virtual target value and the current value. , A method of outputting force is known.
又、ロボット自体に力検知機能がついているものでは、
検知した力を偏差に換算して、仮想目標値から引き等の
方法がとられる。Also, if the robot itself has a force detection function,
The detected force is converted into a deviation and subtracted from the virtual target value.
一方、人間の腕、手は、位置決め機能の他に、必要な力
制御機能及び触覚機能を有しているから、これら機能を
ロボットに持たせ、作業に応じて適時これら機能を働か
せる必要がある。例えば、2つの部材をはめ合せるに
は、固定位置にある一方の部材に対し他方の部材をロボ
ットにより位置決めし、更に触覚機能によって正確に位
置合せした後、所定の押し付け力ではめ合せを行なう。On the other hand, since human arms and hands have necessary force control functions and tactile functions in addition to the positioning function, it is necessary for the robot to have these functions so that these functions can be activated in a timely manner according to the work. . For example, in order to fit two members, one member in a fixed position is positioned with the other member by a robot, and the members are accurately aligned by a tactile function, and then they are fitted with a predetermined pressing force.
このような作業を行なうには、位置決め時と、位置合せ
時と、はめ合せ時とではアクチュエータの制御態様を変
更する必要がある。To perform such work, it is necessary to change the control mode of the actuator during positioning, during positioning, and during fitting.
しかしながら、従来の方法では、力が剛性Kと位置偏差
との積で与えられるので、剛性が大きいとわずかの偏差
でも大きな力が発生してしまい、剛性はあまり大きくで
きない。一方、剛性が小さいと振動し易く、高速で駆動
できない。また、重力等の外乱に弱く、位置決め精度が
悪くなる。したがって、従来の方法では位置−力併用制
御の取り扱いが複雑であり、きめ細かな位置・力制御が
できない。However, in the conventional method, since the force is given by the product of the rigidity K and the positional deviation, if the rigidity is large, even a slight deviation causes a large force, and the rigidity cannot be increased so much. On the other hand, if the rigidity is low, vibration is likely to occur and driving at high speed is impossible. In addition, it is weak against external disturbances such as gravity, and the positioning accuracy deteriorates. Therefore, with the conventional method, the handling of the combined position-force control is complicated, and fine position / force control cannot be performed.
このため、従来の位置・力制御方式では、位置制御、力
制御の両方を行なうことができるものの、制御態様を変
更することが大変で且つ複雑であるという問題があっ
た。Therefore, in the conventional position / force control method, although both position control and force control can be performed, there is a problem that changing the control mode is difficult and complicated.
本発明は、位置及び力の情報に基いて容易に且つ安定制
御態様を変更して制御しうるロボットの制御方式を提供
するにある。The present invention provides a control method for a robot that can easily and stably control a stable control mode based on position and force information.
このため、本発明は、アクチュエータと、該アクチュエ
ータの力と位置を検出するための検出手段と、指令力と
該検出手段の検出力との差に第1の重みを付したものと
指令位置と該検出手段の検出位置との差に第2の重みを
付したものとの和によって該アクチュエータを駆動制御
する制御手段とを有し、該和を零にするように制御する
とともに、該制御手段は該第1又は第2の重みのいずれ
かを変更するに際し該指令力を該検出手段の検出力に、
該指令位置を該検出手段の検出位置に置き代えるように
したことを特徴としている。Therefore, in the present invention, the actuator, the detection means for detecting the force and the position of the actuator, the difference between the command force and the detection force of the detection means with the first weight, and the command position. A control means for driving and controlling the actuator by a sum of a difference between the detection position of the detection means and a second weight, and a control means for controlling the sum to zero. Is the command force to be the detection force of the detection means when changing either the first or the second weight,
It is characterized in that the command position is replaced with the detection position of the detection means.
本発明では、アクチュエータに付与されている力を検出
手段によって検出し、指令力との差を得て力制御を行な
いうるようにするとともに検出手段からの現在位置と指
令位置との差を得て位置制御を可能とするとともに、こ
れらの所定の重みを付した和を基本制御量としている。
従ってこの重みを変更するだけで位置・力制御の制御態
様を変更しうるようにするとともに重みの変更に際し、
指令力を現在の検出力、指令位置を現在位置に置き代え
るようにして、モード(重み)変更時のアクチュエータ
の振動を防止するようにしてスムーズなモード変換を可
能とするものである。In the present invention, the force applied to the actuator is detected by the detection means, and the force control can be performed by obtaining the difference between the command force and the difference between the current position and the command position from the detection means. The position control is possible, and the sum of these given weights is used as the basic control amount.
Therefore, it is possible to change the control mode of position / force control only by changing the weight, and when changing the weight,
The command force is replaced with the current detected force, and the command position is replaced with the current position to prevent vibration of the actuator when changing the mode (weight), thereby enabling smooth mode conversion.
以下、本発明を実施例により詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples.
第2図は本発明の一実施例構成図であり、図中、1はロ
ボットであり、先端にハンド1aと、ハンド1aを動作させ
るアーム1b、1c、1d、1eとベース1fを有しており、アー
ム1b、1c、1d、1eがアクチュエータによって回動して、
ハンド1aを移動するもの、21、22は各アクチュエータの
位置検出器であり、力と位置の検出器の一部を構成し、
後述するもの、3は信号処理回路であり、位置検出器22
の検出位置p及び両検出器21、22の検出出力の差である
検出力fを出力するもの、4は計算機(第1の制御手
段)であり、検出位置p及び検出力fとからロボットの
動作状態を監視するとともに、目標指令位置p0、目標指
令力f0及び第1、第2の重みa、bを出力するもの、5
は制御装置(第2の制御手段)であり、各アクチュエー
タの駆動源(モータ)の駆動電流iを、指令位置p0、指
令力f0、第1、第2の重みa、b及び現在位置p、検出
力fによって次式のyが零となる様に制御するものであ
り、第1図にて後述するものである。FIG. 2 is a block diagram of an embodiment of the present invention, in which 1 is a robot, which has a hand 1a at the tip, arms 1b, 1c, 1d, 1e for operating the hand 1a, and a base 1f. And the arms 1b, 1c, 1d, 1e are rotated by the actuator,
What moves the hand 1a, 21 and 22 are position detectors of each actuator, which constitute a part of the force and position detectors,
What will be described later, 3 is a signal processing circuit, and the position detector 22
Which outputs a detection force f which is the difference between the detection position p of the robot and the detection output of the two detectors 21 and 22, and 4 is a computer (first control means), which detects the robot position from the detection position p and the detection force f. A device for monitoring the operating state and outputting the target command position p 0 , the target command force f 0 and the first and second weights a and b.
Is a control device (second control means), which controls the drive current i of the drive source (motor) of each actuator to the command position p 0 , command force f 0 , first and second weights a and b, and the current position. It is controlled by p and the detection force f so that y in the following equation becomes zero, which will be described later with reference to FIG.
y=a・Δp+b・Δf (1) 但し、 Δp=p0−p (2) Δf=f0−f (3) 第1図は第2図実施例構成の要部詳細図であり、図中、
第2図で示したものと同一のものは同一の記号で示して
あり、2はアクチュエータであり、モータ20と位置検出
器22、21とが一体で構成されており、第3図により詳述
するものである。30は信号処理回路3の第1のカウンタ
であり、位置検出器21の出力である位置パルスを計数す
るもの、31は信号処理回路3の第2のカウンタであり、
位置検出器22の出力である位置パルスを計数するもの、
32は差回路であり、第1のカウンタ30の計数位置と第2
のカウンタ31の計数位置との差を取り、アクチュエータ
2に付与されている力fを検出するものであり、これら
で信号処理回路3を構成する。40、41、42、43は各々計
算機4の出力バッファであり、各々指令力f0、指令位置
p0、重みb、aの出力のためのもの、44は計算機4のプ
ロセッサであり、モード変換時に各出力バッファ40〜43
に指令力f0、指令位置p0、重みb、aをセットするもの
であり、所定のプログラムによって動作するものであ
る。50は差回路であり、信号処理回路3の差回路32から
検出力fと計算機4の出力バッファ40からの指令力f0と
の差Δfを求めるもの(第(3)式を実行するもの)、
51は乗算回路であり、差回路50の差(エラー)Δfと計
算機4の出力バッファ42からの重みbを乗算して出力b
・Δfを発するもの、52は差回路であり、信号処理回路
3の第2のカウンタ31の係数位置(現在位置)pと計算
機4の出力バッファ41からの指令位置p0との差Δpを求
めるもの(第(2)式を実行するもの)、53は乗算回路
であり、差回路52の差(エラー)Δpと計算機4の出力
バッファ43からの重みaとを乗算して出力a・Δpを発
するもの、54は和回路であり、2つの乗算回路51、53の
出力b・Δf、a・Δpを第(1)式に従って加算し、
制御量yを出力するもの、55は制御回路であり、制御量
yを零となるように駆動電流iを制御するものである。y = a · Δp + b · Δf (1) However, Δp = p 0 −p (2) Δf = f 0 −f (3) FIG. 1 is a detailed view of the main part of the configuration of the embodiment shown in FIG. ,
The same parts as those shown in FIG. 2 are shown by the same symbols, 2 is an actuator, and the motor 20 and the position detectors 22 and 21 are integrally formed. To do. Reference numeral 30 is a first counter of the signal processing circuit 3, which counts the position pulse output from the position detector 21, 31 is a second counter of the signal processing circuit 3,
For counting the position pulse output from the position detector 22,
Reference numeral 32 is a difference circuit, which is used for counting the counting position of the first counter 30 and the second position.
The force f applied to the actuator 2 is detected by taking the difference from the counting position of the counter 31 of the above, and these constitute the signal processing circuit 3. Reference numerals 40, 41, 42 and 43 denote output buffers of the computer 4, respectively, command force f 0 and command position.
For output of p 0 , weights b and a, 44 is a processor of the computer 4, and each output buffer 40 to 43 at the time of mode conversion.
The command force f 0 , the command position p 0 , and the weights b and a are set to the command force, which is operated by a predetermined program. Reference numeral 50 denotes a difference circuit, which obtains a difference Δf between the detected force f from the difference circuit 32 of the signal processing circuit 3 and the command force f 0 from the output buffer 40 of the computer 4 (which executes the formula (3)). ,
Reference numeral 51 denotes a multiplication circuit, which multiplies the difference (error) Δf of the difference circuit 50 by the weight b from the output buffer 42 of the computer 4 to output b.
A device for emitting Δf, 52 is a difference circuit, and calculates the difference Δp between the coefficient position (current position) p of the second counter 31 of the signal processing circuit 3 and the command position p 0 from the output buffer 41 of the computer 4. Numeral 53 (which executes the equation (2)), 53 is a multiplication circuit, which multiplies the difference (error) Δp of the difference circuit 52 and the weight a from the output buffer 43 of the computer 4 to obtain the output a · Δp. What is emitted, 54 is a sum circuit, which adds the outputs b · Δf and a · Δp of the two multiplication circuits 51 and 53 according to the equation (1),
A control circuit 55 outputs a control amount y, and controls a drive current i so that the control amount y becomes zero.
第3図は第1図構成におけるアクチュエータの一実施例
詳細構成図であり、第3図(A)はその断面図、第3図
(B)は動作原理を説明するための要部詳細図である。
図中、23は減速機であり、周知の歯車式減速機で構成さ
れ、モータ20の回転速度を減速してトルク(力)を増加
させるとともに位置決め分解能を向上させるために設け
られるもの、20aはモータのシャフトであり、内部が中
空で構成され、モータ20の回転軸をなすもの、21aはス
リット円板であり、周囲に光学スリットが形成され、モ
ータ20のシャフト20aに設けられ、シャフト20aの回転に
より回転するもの、21b、21cは光学センサーであり、ス
リット円板21aのスリット円周に対応して設けられ、発
光素子21bの光をスリット円板21aのスリットを介し受光
素子21cが受光して位置検知をするものであり、従って
位置検出器21は光学式の非接触ロータリエンコーダによ
って構成されている。22aはスリット円板であり、スリ
ット円板21aと同一の構成を有し、減速機23の軸23aに設
けられるもの、22b、22Cは光学センサーであり、光学セ
ンサー21b、21cと同一の構成を有するものであり、従っ
て位置検出器22も光学式の非接触ロータリエンコーダに
よって構成されている。24はトーションバーであり、柔
性部材を構成し、減速機23の軸23aとモータ20のシャフ
ト20aを接続し、シャフト20aを接続し、シャフト20aの
中空部に設けられるものであり、モータ20の回転力を減
速機23の軸23aに伝達するものである。FIG. 3 is a detailed configuration diagram of an embodiment of the actuator in the configuration shown in FIG. 1. FIG. 3 (A) is a cross-sectional view thereof, and FIG. 3 (B) is a detailed view of essential parts for explaining the principle of operation. is there.
In the figure, 23 is a speed reducer, which is configured by a well-known gear type speed reducer, is provided to reduce the rotational speed of the motor 20 to increase torque (force) and improve positioning resolution, and 20a is A shaft of a motor, which is hollow inside and serves as a rotation axis of the motor 20, 21a is a slit disc, an optical slit is formed around the shaft, and the shaft 20a of the motor 20 is provided with the shaft 20a. Those which rotate by rotation, 21b and 21c are optical sensors, which are provided corresponding to the slit circumference of the slit disk 21a, and the light receiving element 21c receives the light of the light emitting element 21b through the slit of the slit disk 21a. The position detector 21 is configured by an optical non-contact rotary encoder. 22a is a slit disc, has the same configuration as the slit disc 21a, provided on the shaft 23a of the speed reducer 23, 22b, 22C is an optical sensor, the same configuration as the optical sensor 21b, 21c. Therefore, the position detector 22 is also composed of an optical non-contact rotary encoder. 24 is a torsion bar, which constitutes a flexible member, connects the shaft 23a of the speed reducer 23 and the shaft 20a of the motor 20, connects the shaft 20a, and is provided in the hollow portion of the shaft 20a. The rotational force is transmitted to the shaft 23a of the speed reducer 23.
先づ、第3図構成のアクチュエータの動作について説明
すると、モータ20の回転力はシャフト20aよりトーショ
ンバー24を介し減速機23の軸23aに伝達され、出力軸2a
より出力される。モータ20の回転位置は位置検出器21に
より検出され、出力軸2aの回転位置は位置検出器22によ
って検出される。従って、出力軸2aの位置を検出する位
置検出器22の出力でモータ20を位置制御すれば、正確な
位置決めができる。一方、力(トルク)は両位置検出器
21、22の出力差とトーションバー24の剛性によって定ま
る。従って、出力軸2aに何等かの力が付与されるとトー
ションバー24の柔性によってトーションバーがたわみ、
両検出器21、22の出力に位相差が生じるから、これによ
って外力及びその大きさを検知することができる。即
ち、両検出器21、22の位置パルスを計数する第1図のカ
ウンタ30、31の計数値の差によって検出が可能となる。First, the operation of the actuator having the configuration shown in FIG. 3 will be described. The rotational force of the motor 20 is transmitted from the shaft 20a to the shaft 23a of the speed reducer 23 via the torsion bar 24 and the output shaft 2a.
Will be output. The rotational position of the motor 20 is detected by the position detector 21, and the rotational position of the output shaft 2a is detected by the position detector 22. Therefore, if the position of the motor 20 is controlled by the output of the position detector 22 that detects the position of the output shaft 2a, accurate positioning can be performed. On the other hand, the force (torque) is detected by both position detectors.
Determined by the output difference between 21 and 22 and the rigidity of the torsion bar 24. Therefore, when some force is applied to the output shaft 2a, the torsion bar bends due to the flexibility of the torsion bar 24,
Since a phase difference occurs between the outputs of both detectors 21 and 22, the external force and its magnitude can be detected by this. That is, the detection can be performed by the difference between the count values of the counters 30 and 31 of FIG. 1 that count the position pulses of both detectors 21 and 22.
このようなアクチュエータ2を用いることによって、モ
ータと一体化した小型な力、位置検出器の実現が可能と
なり、またロータリエンコーダは高精度な位置検出が可
能であり、ノイズに強く信頼性も強い。柔性部材として
は、トーションバーの他に渦巻ばねを用いてもよい。By using such an actuator 2, it is possible to realize a small force and position detector integrated with a motor, and a rotary encoder can detect a position with high accuracy and is strong against noise and highly reliable. As the flexible member, a spiral spring may be used instead of the torsion bar.
第1図及び第2図に戻り、その動作を説明する。Referring back to FIGS. 1 and 2, the operation will be described.
尚、図では1軸分を示しているが、他の軸も同様であ
る。Although the figure shows one axis, the same applies to the other axes.
先づ、計算機4のプロセッサ44は出力バッファ40、41、
42、43に指令力f0指令位置p0、重みb、aをセットす
る。これによって制御信号5は信号処理回路3からの現
在位置p及び検出力fを得て、第1図の構成によって第
(1)式を実行し、駆動電流iを発しモータ20を制御す
る。制御装置5の制御回路55は制御量yが零となるよう
に駆動電流iを制御するから、重みa≠0、b≠0であ
れば、指定された力と指定された位置をもとに、モータ
20を介しロボット1のアーム1b〜1eを制御する。First, the processor 44 of the computer 4 outputs the output buffers 40, 41,
The command force f 0 command position p 0 and the weights b and a are set in 42 and 43. As a result, the control signal 5 obtains the current position p and the detection force f from the signal processing circuit 3, executes the equation (1) according to the configuration of FIG. 1, and outputs the drive current i to control the motor 20. Since the control circuit 55 of the control device 5 controls the drive current i so that the controlled variable y becomes zero, if the weights a ≠ 0 and b ≠ 0, based on the designated force and the designated position. ,motor
The arms 1b to 1e of the robot 1 are controlled via 20.
このように、制御量が第(1)式の如く位置エラーΔp
と力エラーΔfに各々重み付けa、bを付した和の形式
を採っているので、位置制御のみを行なう場合には、重
みa≠0、b=0とすることによって第(1)式は、 y=a・Δp (4) となるから、位置制御のみを行ないうる。In this way, the control amount is the position error Δp as shown in the equation (1).
And the force error Δf are weighted with a and b, respectively. Therefore, when only position control is performed, by setting weights a ≠ 0 and b = 0, the equation (1) becomes Since y = a · Δp (4), only position control can be performed.
同様に、力制御のみを行なうには、重みa=0、b≠0
とすることによって第(1)式は、 y=b・Δf (5) となるから、力制御のみを行ないうる。Similarly, to perform only force control, weights a = 0, b ≠ 0
By this, the equation (1) becomes y = b · Δf (5), so that only the force control can be performed.
また、a≠0、b≠0とすれば、第(1)式のままであ
るから、位置−力併用制御が可能となり、重みa、bを
変更することによって容易に制御態様を変更することが
できる。Further, if a ≠ 0 and b ≠ 0, the expression (1) remains unchanged, so that the position-force combined control becomes possible, and the control mode can be easily changed by changing the weights a and b. You can
同様にして、重みa、bの値自体を変えることによっ
て、更に決め細かな制御態様を与えることができ、例え
ば、位置−併用制御においても、位置精度に重きをおく
場合には、重みaを大、重みbを小とし、力制御に重き
をおく場合には、重みaを小、重みbを大とすることよ
り、容易にきめ細かな制御を実現できる。これは、計算
機4が現在位置pや検出力fによってロボットの動作状
態を把握しながら、適時重みa、bを変更して実行す
る。Similarly, by changing the values of the weights a and b themselves, a more detailed control mode can be given. For example, in the position-combined control, if the position accuracy is to be emphasized, When the weight is set to be large and the weight is set to be small and the force control is to be emphasized, fine control can be easily realized by setting the weight a to be small and the weight b to be large. This is executed by the computer 4 changing the weights a and b at appropriate times while grasping the operation state of the robot by the current position p and the detection force f.
一方、和であるy=0の時の位置p対力fの関係は第
(1)式のy=0とおいて、 となる。On the other hand, the relationship between the position p and the force f when y = 0, which is the sum, is set as y = 0 in the equation (1), and Becomes
従って、第4図(A)に示す様にa=a1、b=b1とした
時のy=0の状態における位置pと力fの関係は の直線で示され、例えば目標位置p0、目標指令力f0を与
えても、外力により適応制御され、直線α上の座標
(p1、f1)でy=0となるように均衡を保つことがあ
り、 必ずしも座標(p0、f0)で均衡を保たない。Therefore, as shown in FIG. 4 (A), the relationship between the position p and the force f in the state of y = 0 when a = a 1 and b = b 1 is Even if the target position p 0 and the target command force f 0 are given, the balance is adjusted so that y = 0 at the coordinates (p 1 , f 1 ) on the straight line α even if the target position p 0 and the target command force f 0 are given. May be kept and is not always balanced at coordinates (p 0 , f 0 ).
このように指令した目標位置p0、目標力f0で均衡を保っ
ていない状態で重みa、bを変化させると、(7)式よ
りy=0の時の条件は(p0、f0)を中心に傾きの異なる
直線β上に存在する。When the weights a and b are changed in a state where the commanded target position p 0 and the target force f 0 are not balanced, the condition when y = 0 is (p 0 , f 0 ) Exists on a straight line β having different inclinations.
従って重みを変化させると(p1、f1)から最適値が直線
β上の(p2、f2)に移動するので、出力に変動が生じ、
重みの変更によるモード変化だけでアクチュエータが振
動し、チャタリングを生じることになり、安定な動作が
保障されない。Therefore, when the weight is changed, the optimum value moves from (p 1 , f 1 ) to (p 2 , f 2 ) on the straight line β, and the output fluctuates,
The actuator vibrates due to only the mode change due to the change in weight, causing chattering, and stable operation is not guaranteed.
そこで、本発明では、重みを変えてモード変換する前
に、計算機4のプロセッサ44が第2のカウンタ31の値、
即ち現在位置p1と、差回路32の現在の力f1とを読取り、
出力バッファ41、40にセットする。Therefore, in the present invention, before changing the mode by changing the weight, the processor 44 of the computer 4 sets the value of the second counter 31,
That is, the current position p 1 and the current force f 1 of the difference circuit 32 are read,
The output buffers 41 and 40 are set.
これによって、前述の第(2)式、第(3)式は、 Δp=p1−p (8) Δf=f1−f (9) となり、従って第(1)式は、 y=a・(p1−p)+b(f1−f) (10) となる。As a result, the above equations (2) and (3) become Δp = p 1 −p (8) Δf = f 1 −f (9), and therefore the equation (1) is y = a · (P 1 −p) + b (f 1 −f) (10).
このため、第4図(B)に示す如く、重みa、bを変え
ても第(10)式よりy=0の時の条件は現在の状態であ
る(p1、f1)を中心に異なる直線β上となり、最適値の
移動がなく、チャタリングを防止できる。Therefore, as shown in FIG. 4 (B), even if the weights a and b are changed, the condition at the time of y = 0 from the equation (10) is centered on the current state (p 1 , f 1 ). It is on a different straight line β, there is no shift of the optimum value, and chattering can be prevented.
このようにして重みを変化させるだけで位置・力制御の
制御態様を変更でき、しかも重みを変化させて制御態様
を変更してもチャタリングが生じないように制御するこ
とが可能となる。In this way, it is possible to change the control mode of position / force control simply by changing the weight, and it is possible to control so that chattering does not occur even if the weight is changed and the control mode is changed.
次に、本発明の他の実施例について説明する。Next, another embodiment of the present invention will be described.
第5図は本発明の他の実施例構成図であり、図中、第2
図で示したものと同一のものには同一の記号を付してあ
り、3′は検出信号処理回路であり、モータ20の位置検
出器22の出力パルスを計算するカウンタ(第1図の31に
相等)と検出電流iをデジタル値iに変換するA・D
(アナログ・デジタル)コンバータとを有するもの、
5′は制御装置であり、各アクチュエータの駆動源(モ
ータ)の駆動電圧vを、指令位置p0(θ0)、指令力f0
(i0)、第1、第2の重みa、b及び現在位置p
(θ)、検出力f(i)によって次式のyが零となる様
に制御するものであり、第6図にて後述するものであ
る。FIG. 5 is a block diagram of another embodiment of the present invention. In FIG.
The same parts as those shown in the figure are designated by the same reference numerals, and 3'is a detection signal processing circuit, which is a counter for calculating the output pulse of the position detector 22 of the motor 20 (31 in FIG. 1). , Etc.) and the detected current i are converted into digital values i
Having an (analog / digital) converter,
Reference numeral 5'denotes a control device, which controls the drive voltage v of the drive source (motor) of each actuator to the command position p 0 (θ 0 ) and the command force f 0.
(I 0 ), the first and second weights a and b, and the current position p
(Y) and the detection force f (i) are used to control y so that y in the following equation becomes zero, which will be described later with reference to FIG.
y=a・Δθ+bΔi (11) 但し Δθ=θ0−θ (12) Δi=(f0−f)/KT (13) 尚、KTはモータ20のトルク定数である。y = aΔθ + bΔi (11) where Δθ = θ 0 −θ (12) Δi = (f 0 −f) / KT (13) where KT is the torque constant of the motor 20.
6は電流検出器であり、モータ20の電流値iを検出する
ためのものであり、第7図にて後述するものである。Reference numeral 6 denotes a current detector for detecting the current value i of the motor 20, which will be described later with reference to FIG.
第6図は第5図構成における制御装置5′の詳細構成図
であり、図中、第1図で示したものと同一のものは同一
の記号で示してあり、56は差回路であり、計算機4から
の指令力(電流値)i0と検出力(電流)iとの差Δiを
とるもの、57は差回路であり、計算機4からの指令位置
θ0と現在位置θとの差Δθをとるものである。尚、乗
算回路51、53は計算機4からの重みb、aと差回路56、
57の出力Δi、Δθとを第(12)式、第(13)式に従っ
て乗算するものであり、和回路54は第(11)式に従って
制御量yを出力するものである。又、アクチュエータ
2′は、位置検出器22、モータ20、減速機23によって構
成される。FIG. 6 is a detailed configuration diagram of the control device 5'in the configuration of FIG. 5, in which the same components as those shown in FIG. 1 are designated by the same symbols, and 56 is a difference circuit, The difference Δi between the command force (current value) i 0 from the computer 4 and the detected force (current) i is taken. Reference numeral 57 is a difference circuit, which is the difference Δθ between the command position θ 0 from the computer 4 and the current position θ. Is taken. The multiplication circuits 51 and 53 are the weights b and a from the computer 4 and the difference circuit 56,
The outputs Δi and Δθ of 57 are multiplied according to the equations (12) and (13), and the sum circuit 54 outputs the controlled variable y according to the equation (11). The actuator 2 ′ is composed of a position detector 22, a motor 20, and a speed reducer 23.
第7図は第5図構成における電流検出器6の説明図であ
る。FIG. 7 is an explanatory diagram of the current detector 6 in the configuration of FIG.
モータ20に電圧vをかけた時の電気モデルは第7図
(A)の如くなり、Roはモータの外部抵抗であり、モー
タ20は、逆起電圧v、インダクタンスL、抵抗で表わせ
る。従ってモータ20に流れる電流iを検出するには、第
7図(B)に示す如く外部抵抗Roに印加される電圧を検
知すればよい。即ち、入力抵抗Rs、オペアンプ60、フィ
ードバック抵抗Rfによって構成する。The electric model when the voltage v is applied to the motor 20 is as shown in FIG. 7A, Ro is the external resistance of the motor, and the motor 20 can be represented by the counter electromotive voltage v, the inductance L, and the resistance. Therefore, in order to detect the current i flowing through the motor 20, the voltage applied to the external resistor Ro may be detected as shown in FIG. 7 (B). That is, the input resistance Rs, the operational amplifier 60, and the feedback resistance Rf are used.
ここで、Rs>>Roとすると、入力抵抗Rsに流れる電流は
外部抵抗Roに流れる電流に比べ無視できる程小さいか
ら、外部抵抗Roの両端電圧をオペアンプ60で適当に増幅
すれば、オペアンプ60の出力v1から外部抵抗Roに流れる
電流、ひいてはモータ20に流れる電流を検知することが
できる。Here, if Rs >> Ro, the current flowing through the input resistor Rs is negligibly smaller than the current flowing through the external resistor Ro, so if the voltage across the external resistor Ro is appropriately amplified by the operational amplifier 60, It is possible to detect the current flowing from the output v 1 to the external resistance Ro, and thus the current flowing to the motor 20.
第5図及び第6図に戻り、その動作について説明する。Referring back to FIGS. 5 and 6, the operation will be described.
尚、第1図、第2図と同様、図では1軸分のみ示してい
るが、他の軸も同様である。As in FIGS. 1 and 2, only one axis is shown in the figure, but the other axes are also the same.
先づ、計算機4は出力バッファに指令電流(力)i0、指
令位置θ0、重みb、aをセットする。制御装置5′は
検出信号処理回路3′からの現在位置θ及び検出電流値
iを得て、第6図の構成によって第(11)式を実行し、
駆動電圧vを発し、モータ20を制御する、制御装置5′
の制御回路55は制御量yが零となる様に駆動電圧vを制
御する。First, the computer 4 sets the command current (force) i 0 , the command position θ 0 , and the weights b and a in the output buffer. The controller 5'obtains the current position .theta. And the detected current value i from the detection signal processing circuit 3 ', and executes the equation (11) according to the configuration of FIG.
A control device 5 ', which generates a drive voltage v and controls the motor 20.
The control circuit 55 controls the drive voltage v so that the controlled variable y becomes zero.
ここで、(直流)モータ20に流れる電流iと出力トルク
Tとの間には比例関係が成立し、比例定数(トルク定
数)をkTとすると、 T=kTi (14) となる。Here, a proportional relationship is established between the current i flowing through the (DC) motor 20 and the output torque T, and when the proportional constant (torque constant) is kT, T = kTi (14).
従ってモータ20に流れる電流iを検知すれば、モータの
出力トルクT、即ち力を検出することができ、第1図及
び第2図の実施例と同様の制御が可能であり、この場合
も、重みa、bを変えることによって制御態様を同様に
変更しうる。Therefore, if the current i flowing through the motor 20 is detected, the output torque T of the motor, that is, the force can be detected, and the same control as that of the embodiment shown in FIGS. 1 and 2 can be performed. The control mode can be similarly changed by changing the weights a and b.
即ち、 a≠0、b=0の時 位置制御 a=0、b≠0の時 力制御 a≠0、b≠0の時 両者の合成モード (剛性モード) が実現できる。That is, when a ≠ 0, b = 0, position control a = 0, b ≠ 0, force control a ≠ 0, b ≠ 0, a combined mode (stiffness mode) of both can be realized.
この他の実施例においても、前述の実施例と同様に重み
の変更の前に、位置指令、力指令が現在位置、現在力に
おきかえられ、チャタリングのないモード変換を可能と
する。Also in this other embodiment, the position command and the force command are replaced with the current position and the current force before changing the weight, as in the above-described embodiments, and mode conversion without chattering is possible.
又、この他の実施例では、従来位置制御系で用いられた
アクチュエータの構成そのままでこれらの位置−力制御
ができ、構成が安価、コンパクトとなり、又従来から存
在するロボットを容易に高機能化できる。Further, in the other embodiment, these position-force control can be performed with the structure of the actuator used in the conventional position control system as it is, the structure is inexpensive and compact, and the existing robot can be easily and highly functionalized. it can.
実作業においては、重みを変えるだけで、部材を運ぶ時
(位置決め時)には位置制御を、係合、はめ合せ等の作
業時には位置−力併用制御を行なわしめ、且つ位置−力
制御の両者の比率も作業内容に合わせて変更でき且つ変
更時のチャタリングを防止できる。In actual work, by changing the weight, position control is performed when carrying a member (positioning), position-force combined control is performed at the time of work such as engagement and fitting, and both position-force control is performed. The ratio of can be changed according to the work content, and chattering at the time of change can be prevented.
上述の一実施例においては、検出器としてエンコーダ形
式のものを用いたが、歪ゲージ等の他の力センサによっ
てもよい。In the above-described embodiment, the encoder type is used as the detector, but other force sensors such as a strain gauge may be used.
以上本発明を実施例により説明したが、本発明は本発明
の主旨に従い種々の変形が可能であり、本発明からこれ
らを排除するものではない。Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention can be variously modified according to the gist of the present invention, and these modifications are not excluded from the present invention.
以上説明した様に、本発明によれば、アクチュエータ
と、該アクチュエータの力と位置を検出すための検出手
段と、指令力と該検出手段の検出力との差に第1の重み
を付したものと指令位置と該検出手段の検出位置との差
に第2の重みを付したものとの和によって該アクチュエ
ータを駆動制御する制御手段とを有し、該和を零にする
ように制御するとともに、該制御手段は該第1又は第2
の重みのいずれかを変更するに際し該指令力を該検出手
段の検出力に、該指令位置を該検出手段の検出位置に置
き代えるようにしたことを特徴としているので、重みの
変更だけで位置・力制御系の制御態様を変更でき、制御
態様の変更が容易であるという効果を奏し、ロボット等
の作業内容を高度化するとともに、重みの変更による制
御態様の変更に際して生じ易いチャタリングを防止で
き、制御態様を変更しても円滑な移行が可能となり、安
定に動作するという効果も奏する。更にその実現も容易
であるという実用上優れた効果を奏する。As described above, according to the present invention, the actuator, the detecting means for detecting the force and the position of the actuator, and the difference between the command force and the detecting force of the detecting means are given the first weight. Control means for driving and controlling the actuator by the sum of the difference between the command position and the detection position of the detection means with a second weight, and controls so that the sum becomes zero. With the first or second control means.
When any one of the weights is changed, the command force is replaced with the detection force of the detection means, and the command position is replaced with the detection position of the detection means. The control mode of the force control system can be changed, the control mode can be easily changed, the work contents of the robot and the like can be enhanced, and chattering that is likely to occur when the control mode is changed by changing the weight can be prevented. Even if the control mode is changed, a smooth transition is possible, and the effect of stable operation is also obtained. Further, it has a practically excellent effect that it is easy to realize.
第1図は本発明の一実施例要部構成図、第2図は本発明
の一実施例全体構成図、第3図は第1図構成のアクチュ
エータの一実施例構成図、第4図は本発明の動作特性
図、第5図は本発明の他の実施例構成図、第6図は第5
図構成の要部構成図、第7図は第5図構成の電流検出器
の説明図である。 図中、1……ロボット、1a……ハンド、1b〜1e……アー
ム、2……アクチュエータ、20……モータ、21、22……
位置検出器、4……計算機、5、5′……制御装置、6
……電流検出器。FIG. 1 is a schematic view of an essential part of an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a general schematic drawing of an embodiment of the present invention, FIG. 3 is a schematic drawing of an embodiment of an actuator having the structure shown in FIG. 1, and FIG. FIG. 5 is an operational characteristic diagram of the present invention, FIG. 5 is a configuration diagram of another embodiment of the present invention, and FIG.
FIG. 7 is an explanatory diagram of a main part of the configuration shown in FIG. 7, and FIG. 7 is an explanatory diagram of the current detector having the configuration shown in FIG. In the figure, 1 ... Robot, 1a ... Hand, 1b-1e ... Arm, 2 ... Actuator, 20 ... Motor, 21, 22 ...
Position detector, 4 ... Calculator, 5, 5 '... Control device, 6
...... Current detector.
Claims (1)
と位置を検出するための検出手段と、指令力と該検出手
段の検出力との差に第1の重みを付したものと指令位置
と該検出手段の検出位置との差に第2の重みを付したも
のとの和によって該アクチュエータを駆動制御する制御
手段とを有し、該和を零にするように制御するととも
に、該制御手段は該第1又は第2の重みのいずれかを変
更するに際し該指令力を該検出手段の検出力に、該指令
位置を該検出手段の検出位置に置き代えるようにしたこ
とを特徴とする位置・力制御方式。1. An actuator, a detection means for detecting the force and position of the actuator, a difference between the command force and the detection force of the detection means with a first weight, the command position and the detection. A control means for driving and controlling the actuator according to a sum of a difference between the detected position of the means and a second weight, and the control means for controlling the sum to zero. A position / force characterized in that the command force is replaced with the detection force of the detection means and the command position is replaced with the detection position of the detection means when changing either the first or the second weight. control method.
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|---|---|---|---|
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| JPS61151714A JPS61151714A (en) | 1986-07-10 |
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Also Published As
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