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JP5556558B2 - Robot arm control device, control method, and control program - Google Patents

Robot arm control device, control method, and control program Download PDF

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JP5556558B2 JP2010225712A JP2010225712A JP5556558B2 JP 5556558 B2 JP5556558 B2 JP 5556558B2 JP 2010225712 A JP2010225712 A JP 2010225712A JP 2010225712 A JP2010225712 A JP 2010225712A JP 5556558 B2 JP5556558 B2 JP 5556558B2
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Description

本発明は、ロボットアームの制御に関し、特にロボットアームのリンク機構に人体等の物体が挟まれた場合の安全制御に関するものである。   The present invention relates to control of a robot arm, and more particularly to safety control when an object such as a human body is sandwiched between link mechanisms of a robot arm.

リンク機構を自律的に制御することにより各種作業を実行するロボットアームは、リンク間に人体等の物体が挟まれた場合の安全制御を必要とする。このような安全制御の重要性は、ロボットアームが人の生活空間で使用されるケースが増加していることに伴い増加している。   A robot arm that performs various operations by autonomously controlling the link mechanism requires safety control when an object such as a human body is sandwiched between the links. The importance of such safety control is increasing as the number of cases in which robot arms are used in human living spaces is increasing.

図5は、特許文献1に係る関節装置101の機能的な構成を示している。関節装置101は、比較部102、誤差増幅部103、モータ104、減速機105、位置検出部106、及びトルク制限値発生部107を備える。比較部102は、位置検出部106が検出する関節の位置(角度)の検出値を位置指令(目標値)から減算した位置追従偏差を出力する。誤差増幅部103は、トルク制限値発生部107からのトルク制限値の範囲内で位置追従偏差が最も小さくなるようなトルク指令を出力する。モータ104は、トルク指令に応じてモータトルクを発生する。減速機105は、モータトルクをロボットアームのリンク機構を駆動する助力に変換する。位置検出部106は、減速機105と同じ回転軸に設置され、関節角度を示す位置検出値を出力する。トルク制限値発生部107は、位置検出値と位置追従偏差に応じて、関節角度と関節角度の変化の方向に応じたトルク制限値を出力する。   FIG. 5 shows a functional configuration of the joint device 101 according to Patent Document 1. The joint device 101 includes a comparison unit 102, an error amplification unit 103, a motor 104, a speed reducer 105, a position detection unit 106, and a torque limit value generation unit 107. The comparison unit 102 outputs a position tracking deviation obtained by subtracting the detection value of the joint position (angle) detected by the position detection unit 106 from the position command (target value). The error amplifying unit 103 outputs a torque command that minimizes the position tracking deviation within the range of the torque limit value from the torque limit value generating unit 107. The motor 104 generates motor torque in response to the torque command. The reducer 105 converts the motor torque into an assist force that drives the link mechanism of the robot arm. The position detection unit 106 is installed on the same rotation axis as the speed reducer 105, and outputs a position detection value indicating a joint angle. The torque limit value generation unit 107 outputs a torque limit value corresponding to the joint angle and the direction of change of the joint angle according to the position detection value and the position tracking deviation.

図6は、特許文献2に係る圧力分布センサ201の構成を概略的に示している。圧力分布センサ201は、センサユニット202、センサメッシュ203、及び光ファイバ204を備える。センサメッシュ203は、複数のセンサユニット202がマトリクス状に配列されて構成される。各センサユニット202により検出された圧力検出信号は、各センサユニット202と接続する複数の光ファイバ204を介して外部に出力される。出力された各圧力検出信号により各センサメッシュ203の位置における圧力が分かる。そして、このような圧力分布センサ201をロボットアームのリンク表面に設置することにより、リンク間に物体が挟まれたこと及び挟まれた位置を検出することができる。   FIG. 6 schematically shows the configuration of the pressure distribution sensor 201 according to Patent Document 2. The pressure distribution sensor 201 includes a sensor unit 202, a sensor mesh 203, and an optical fiber 204. The sensor mesh 203 is configured by arranging a plurality of sensor units 202 in a matrix. The pressure detection signal detected by each sensor unit 202 is output to the outside through a plurality of optical fibers 204 connected to each sensor unit 202. The pressure at the position of each sensor mesh 203 is known from each output pressure detection signal. By installing such a pressure distribution sensor 201 on the link surface of the robot arm, it is possible to detect that an object is sandwiched between the links and the position where the object is sandwiched.

特開2000−6065JP2000-6065 特開平6−82320JP-A-6-82320

上記特許文献1に係る関節装置101は、物体がロボットアームのリンク間に挟まれた場合、挟まれた場所によらず、モータトルクを関節角度のみに依存して制限する。従って、挟まれた位置が2つのリンクを連結する関節に近い場合、挟まれた物体に大きな力が加わる可能性がある。また、挟まれた位置が関節から遠い場合、モータトルクが必要以上に抑制される場合がある。即ち、ロボットアームが人体等に危害を与えることなく作業を続行できる状況であっても、作業が中断される場合がある。   When the object is sandwiched between the links of the robot arm, the joint device 101 according to Patent Document 1 limits the motor torque depending on only the joint angle regardless of the place where the object is sandwiched. Therefore, when the sandwiched position is close to the joint connecting the two links, a large force may be applied to the sandwiched object. Further, when the sandwiched position is far from the joint, the motor torque may be suppressed more than necessary. That is, even if the robot arm can continue the work without causing harm to the human body, the work may be interrupted.

また、上記特許文献2に係る圧力分布センサ201を用いる場合、挟まれた位置を正確に検出するためには、リンク表面に多数のセンサユニット202を設置しなければならない。そのため、製造コスト・制御装置の演算負荷・重量・故障率等が増加し、電磁干渉が発生する等の問題がある。   In addition, when using the pressure distribution sensor 201 according to Patent Document 2, in order to accurately detect the pinched position, a large number of sensor units 202 must be installed on the link surface. For this reason, there are problems such as an increase in manufacturing cost, calculation load, weight, failure rate, etc. of the control device, and electromagnetic interference.

そこで、本発明は、リンク上の圧力分布を検出するセンサ等を用いることなく物体が挟まれた位置(挟み位置)を正確に検出し、挟み位置に応じて関節機構のトルクを最適に制御できるようにすることを目的とする。   Therefore, the present invention can accurately detect the position where the object is pinched (pinching position) without using a sensor or the like that detects the pressure distribution on the link, and can optimally control the torque of the joint mechanism according to the pinching position. The purpose is to do so.

本発明の第1の態様は、リンク機構の関節部を駆動するモータトルクを制御するロボットアームの制御装置であって、リンク機構の関節部を駆動するモータトルクを制御するロボットアームの制御装置であって、前記関節部の関節角度の検出値が目標値に追従するように演算される基本トルクに、安全性を考慮して設定される安全モータトルクプロフィールによる制限を適用することにより、安全モータトルクを演算するモータトルク演算手段と、前記関節角度の検出値に対する前記安全モータトルクの変化が、前記関節部より先端側に連結される前記リンクの重量を支えるためのトルクに基づいて規定される基準値から乖離したと判断される場合に、隣合う前記リンクの間に物体が挟まれたと判定する挟み検出手段と、前記挟み検出手段により前記物体の挟み込みが検出された場合に、前記基準値からの乖離が検出された時の関節角度、前記関節角度の検出値、前記物体について予め設定される物性特性値、及び前記モータトルクの検出値から少なくとも前記関節部より先端側に連結される前記リンクの重量を支えるためのトルクを排除した挟みトルクに基づいて、前記関節部から前記物体が挟まれた位置までの距離を示す挟み位置を推定する前記挟み位置推定手段と、前記挟み位置が小さくなるに伴い前記安全モータトルクの上限値が小さくなるように、且つ前記挟み位置が大きくなるに伴い前記安全モータトルクの上限値が大きくなるように前記安全モータトルクプロフィールを生成する安全モータトルク演算手段とを備えるものである。   A first aspect of the present invention is a robot arm control device that controls a motor torque that drives a joint portion of a link mechanism, and a robot arm control device that controls a motor torque that drives a joint portion of the link mechanism. By applying a restriction based on a safety motor torque profile set in consideration of safety to a basic torque calculated so that a detected value of a joint angle of the joint portion follows a target value, a safety motor Motor torque calculation means for calculating torque, and changes in the safety motor torque with respect to the detected value of the joint angle are defined based on torque for supporting the weight of the link connected to the distal end side from the joint portion. When it is determined that the object has deviated from the reference value, the pinch detection unit that determines that an object is pinched between the adjacent links and the pinch detection unit When the object is caught, the joint angle when the deviation from the reference value is detected, the detected joint angle, the physical property value preset for the object, and the motor torque A pinch position indicating a distance from the joint part to a position where the object is pinched based on a pinch torque excluding a torque for supporting the weight of the link coupled to the tip side from at least the joint part from a detection value And the upper limit value of the safety motor torque increases as the clamping position increases, so that the upper limit value of the safety motor torque decreases as the clamping position decreases. Thus, a safe motor torque calculating means for generating the safe motor torque profile is provided.

上記態様によれば、高価なセンサ等を用いることなく物体の挟み位置を正確に推定することができると共に、挟み位置に応じて適切なトルク指令を生成することができる。また、挟まれた人体等への危害を確実に防止することができると共に、当該人体等に危害を与えない範囲でロボットアーム本来の動作を続行させることができる。   According to the above aspect, the object pinching position can be accurately estimated without using an expensive sensor or the like, and an appropriate torque command can be generated according to the pinching position. In addition, it is possible to reliably prevent harm to a human body or the like being sandwiched, and to continue the original operation of the robot arm within a range that does not cause harm to the human body or the like.

また、前記安全モータトルクプロフィールは、前記基本トルクを変数とし、前記安全モータトルクの上限値を最大値とする飽和関数又はシグモイド関数であることが好ましい。   Moreover, it is preferable that the said safe motor torque profile is a saturation function or a sigmoid function which makes the said basic torque a variable and makes the upper limit of the said safe motor torque the maximum value.

また、前記基準値は、前記リンクの重量、及び当該リンクが所定の対象物を保持している場合には当該対象物の重量を加算した重量に基づいて規定される、前記関節角度の検出値の正弦関数で表わされることが好ましい。   Further, the reference value is defined based on the weight of the link and, when the link holds a predetermined object, a weight obtained by adding the weight of the object. The sine function is preferably represented by

また、前記正弦関数は、例えば下記式(1)により表わすことができる。   The sine function can be expressed by the following equation (1), for example.

Figure 0005556558

ただし、記号の意味は以下の通りである。
Tm:2つの隣合う前記リンクが前記物体を挟んでいない場合の前記モータトルク
m:前記2つの隣合うリンクのうち前記ロボットアームを備えたサービスロボットの本体から遠い方のリンクの質量(前記対象物を把持している場合はその質量も含む)
g:重力加速度
l:前記関節から前記2つの隣合うリンクのうち前記サービスロボットの本体から遠い方のリンクの重心までの距離
θ:前記関節角度の検出値
θ0:前記2つの隣合うリンクのうち前記サービスロボットの本体に近い方のリンクの水平となす角度
Figure 0005556558

However, the meaning of the symbols is as follows.
Tm: Motor torque when two adjacent links do not sandwich the object m: Mass of the link farther from the body of the service robot having the robot arm among the two adjacent links (the target (If the object is gripped, its mass is included)
g: Gravity acceleration l: Distance from the joint to the center of gravity of the link farther from the main body of the service robot among the two adjacent links θ: Detected value of the joint angle θ0: Of the two adjacent links Angle formed by the horizontal of the link closer to the main body of the service robot

また、前記物性特性値は、人体の一部のヤング率及びポアソン比に基づいて規定されることが好ましい。   The physical property value is preferably defined based on a Young's modulus and Poisson's ratio of a part of the human body.

また、前記挟み位置は、例えば下記式(2)により算出することができる。   Moreover, the said pinching position is computable by following formula (2), for example.

Figure 0005556558

ただし、記号の意味は以下の通りである。
θ:前記関節角度の検出値
θc:前記正弦関数からの乖離が検出された時の関節角度
Tc:前記挟みトルク
E:人体のヤング率
ν:人体のポアソン比
Figure 0005556558

However, the meaning of the symbols is as follows.
θ: detected value of the joint angle θc: joint angle when a deviation from the sine function is detected Tc: pinching torque E: Young's modulus of human body ν: Poisson's ratio of human body

また、本発明の第2の態様は、上記制御装置と同様の技術的思想に基づく制御方法である。   A second aspect of the present invention is a control method based on the same technical idea as that of the control device.

更に、本発明の第3の態様は、上記制御装置及び制御方法と同様の技術的思想に基づく制御用プログラムである。   Furthermore, a third aspect of the present invention is a control program based on the same technical idea as the control device and the control method.

本発明によれば、高価なセンサ等を用いることなく物体の挟み位置を正確に推定することができると共に、挟み位置に応じて適切なトルク指令を生成することができる。また、挟まれた人体等への危害を確実に防止することができると共に、当該人体等に危害を与えない範囲でロボットアーム本来の動作を続行させることができる。   According to the present invention, an object pinching position can be accurately estimated without using an expensive sensor or the like, and an appropriate torque command can be generated according to the pinching position. In addition, it is possible to reliably prevent harm to a human body or the like being sandwiched, and to continue the original operation of the robot arm within a range that does not cause harm to the human body or the like.

本発明の実施の形態1に係るロボットアームの機能的な構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the functional structure of the robot arm which concerns on Embodiment 1 of this invention. 隣合う第1及び第2のリンクがそれぞれ人体と点接触している状態を概略的に示す図である。It is a figure which shows schematically the state which the 1st and 2nd link which adjoins each has a point contact with the human body. 隣合う第1及び第2のリンクがそれぞれ人体と面接触している状態を概略的に示している。The state which the 1st and 2nd link which adjoins each has surface contact with the human body is shown schematically. 実施の形態1に係るロボットアームにおける制御の流れを示すフローチャートである。3 is a flowchart showing a flow of control in the robot arm according to the first embodiment. 実施の形態1に係る安全モータトルク指令と時間との関係を示すグラフである。5 is a graph showing a relationship between a safety motor torque command and time according to the first embodiment. 実施の形態1に係る挟み力と時間との関係を示すグラフである。4 is a graph showing a relationship between pinching force and time according to Embodiment 1. 実施の形態1に係る関節角度検出値と時間との関係を示すグラフである。4 is a graph showing a relationship between a detected joint angle value and time according to the first embodiment. 特許文献1に係る関節装置の機能的な構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the functional structure of the joint apparatus based on patent document 1. FIG. 特許文献2に係る圧力分布センサの構成を概略的に示す図である。It is a figure which shows schematically the structure of the pressure distribution sensor which concerns on patent document 2. FIG.

実施の形態1
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図1は、本発明の実施の形態1に係るロボットアーム1の機能的な構成を示している。ロボットアーム1は、アーム部11、関節角度指令発生部12、及び駆動力抑制制御部13を備える。
Embodiment 1
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a functional configuration of a robot arm 1 according to Embodiment 1 of the present invention. The robot arm 1 includes an arm unit 11, a joint angle command generation unit 12, and a driving force suppression control unit 13.

アーム部11は、リンク機構21、関節モータ22、及び関節角度検出部23を備える。リンク機構21は、基本的に変形しない構造物である複数のリンク、リンク間を接続する関節機構等から構成される。リンク機構21は、ロボットアーム1の使用目的に応じて設計され、例えば物体の把持、運搬等が可能となるように構成される。関節モータ22は、電気信号に応じてその駆動軸が制御され、隣合うリンクの相対的な位置関係を変化させる。関節角度検出部23は、各関節モータ22の駆動軸の回転量及び回転方向を検出し、その検出結果を電気信号に変換して出力する。   The arm unit 11 includes a link mechanism 21, a joint motor 22, and a joint angle detection unit 23. The link mechanism 21 includes a plurality of links that are basically non-deformable structures, a joint mechanism that connects the links, and the like. The link mechanism 21 is designed according to the purpose of use of the robot arm 1 and is configured so as to be able to grip and carry an object, for example. The drive shaft of the joint motor 22 is controlled in accordance with the electric signal, and changes the relative positional relationship between adjacent links. The joint angle detection unit 23 detects the rotation amount and the rotation direction of the drive shaft of each joint motor 22, converts the detection result into an electrical signal, and outputs the electrical signal.

関節角度指令発生部12は、アーム部11が所定の動作を行うのに必要な関節角度(関節機構の駆動軸の回転角度)の目標値を示す関節角度指令θrを出力する。この関節角度指令θrは、通常、アーム部11の本来果たすべき動作を制御するメインの制御プログラムに従って生成される。   The joint angle command generating unit 12 outputs a joint angle command θr indicating a target value of a joint angle (rotation angle of the drive shaft of the joint mechanism) necessary for the arm unit 11 to perform a predetermined operation. The joint angle command θr is normally generated according to a main control program that controls the operation that the arm unit 11 should originally perform.

駆動力抑制制御部13は、モータトルク演算部31、電流制御部32、挟み検出部33、挟み位置推定部34、及び安全モータトルク演算部35を備える。   The driving force suppression control unit 13 includes a motor torque calculation unit 31, a current control unit 32, a pinch detection unit 33, a pinch position estimation unit 34, and a safety motor torque calculation unit 35.

モータトルク演算部31は、関節角度指令θr、関節角度検出値θ、及び安全モータトルク演算部35が出力する安全モータトルクプロフィールPsを入力し、安全モータトルク指令Tsを出力する。安全モータトルク指令Tsは、関節角度検出値θが関節角度指令θrに追従するように生成される基本モータトルク指令T0に、安全モータトルクプロフィールPsを適用して生成されたものである。ここでいう適用とは、例えば、PsをT0を変数とする関数で表わし、Ts=Ps(T0)を演算すること等が相当する。例えば、当該関数Psは、所定値を上限値とし、当該所定値の符号を反転させた値を下限値とする飽和関数、シグモイド関数等であることが好ましい。   The motor torque calculation unit 31 inputs the joint angle command θr, the detected joint angle value θ, and the safety motor torque profile Ps output by the safety motor torque calculation unit 35, and outputs the safety motor torque command Ts. The safety motor torque command Ts is generated by applying the safety motor torque profile Ps to the basic motor torque command T0 generated so that the detected joint angle value θ follows the joint angle command θr. The application here corresponds to, for example, expressing Ps by a function having T0 as a variable and calculating Ts = Ps (T0). For example, the function Ps is preferably a saturation function, a sigmoid function, or the like having a predetermined value as an upper limit value and a value obtained by inverting the sign of the predetermined value as a lower limit value.

電流制御部32は、モータトルク演算部31からの安全モータトルク指令Tsを入力し、関節モータ22が発生するモータトルクTmが安全モータトルク指令Tsに一致するようなモータ電流を関節モータ22に出力する。モータトルクTmは、周知の機構により検出され、フィードバック制御等に利用される。   The current control unit 32 inputs the safety motor torque command Ts from the motor torque calculation unit 31 and outputs a motor current to the joint motor 22 such that the motor torque Tm generated by the joint motor 22 matches the safety motor torque command Ts. To do. The motor torque Tm is detected by a known mechanism and used for feedback control and the like.

挟み検出部33は、関節角度検出値θ及び安全モータトルク指令Tsを入力し、安全モータトルク指令Tsの関節角度検出値θに対する変化の特徴から、リンク機構21に物体が挟まれたことを検出し、挟み検出信号Sを出力する。   The pinch detection unit 33 receives the joint angle detection value θ and the safety motor torque command Ts, and detects that an object is pinched by the link mechanism 21 from the feature of the change of the safety motor torque command Ts with respect to the joint angle detection value θ. The pinch detection signal S is output.

挟み位置推定部34は、関節角度検出値θ、安全モータトルク指令Ts、及び挟み検出信号Sを入力し、物体が挟まれた位置(関節から当該位置までの距離)を示す挟み位置xを推定し、この推定結果を出力する。   The pinch position estimation unit 34 receives the joint angle detection value θ, the safety motor torque command Ts, and the pinch detection signal S, and estimates the pinch position x indicating the position where the object is pinched (distance from the joint to the position). Then, this estimation result is output.

安全モータトルク演算部35は、挟み位置xを入力し、この挟み位置xに応じた安全モータトルクプロフィールPsを生成し出力する。   The safety motor torque calculator 35 receives the pinching position x, and generates and outputs a safe motor torque profile Ps corresponding to the pinching position x.

上記関節角度指令生成部12及び駆動力抑制制御部13は、マイクロプロセッサ等を用いたプログラマブル電子制御系、各種電気回路(論理回路)の組み合わせ等により構成される。   The joint angle command generation unit 12 and the driving force suppression control unit 13 are configured by a combination of a programmable electronic control system using a microprocessor or the like, various electric circuits (logic circuits), and the like.

図2Aは、隣合う第1及び第2のリンク41,42がそれぞれ人体43と点接触している状態を概略的に示している。図2Bは、隣合う第1及び第2のリンク41,42がそれぞれ人体43と面接触している状態を概略的に示している。第1及び第2のリンク41,42は、関節44により回動可能に連結されている。例えば、当該ロボットアームが人間を模倣したものの場合、第1のリンク41は上腕、関節44は肘、第2のリンク42は前腕に対応する。   FIG. 2A schematically shows a state in which the adjacent first and second links 41 and 42 are in point contact with the human body 43, respectively. FIG. 2B schematically shows a state in which the adjacent first and second links 41 and 42 are in surface contact with the human body 43, respectively. The first and second links 41 and 42 are rotatably connected by a joint 44. For example, when the robot arm imitates a human, the first link 41 corresponds to the upper arm, the joint 44 corresponds to the elbow, and the second link 42 corresponds to the forearm.

図2Aにおいて、人体43の断面の中心と第1又は第2のリンク41,42の接点との間の距離R、関節44と当該接点との距離(挟み位置)x、第1及び第2のリンク41,42が人体43と点接触している状態の関節角度θc(θc/2)が示されている。図2Aは、第1のリンク41に対して第2のリンク42が時計回りに回転して人体43を挟み始めた状態を示している。   In FIG. 2A, the distance R between the center of the cross section of the human body 43 and the contact point of the first or second link 41, 42, the distance x between the joint 44 and the contact point (pinching position) x, the first and second The joint angle θc (θc / 2) in a state where the links 41 and 42 are in point contact with the human body 43 is shown. FIG. 2A shows a state in which the second link 42 rotates clockwise with respect to the first link 41 and begins to pinch the human body 43.

図2Aの状態から更に第2のリンク42を時計回りに回転させると、人体43が潰されて図2Bのような状態となる。図2Bの状態において、人体43は第1及び第2のリンク41,42と面接触している。図2Bにおいて、接触面の断面の長さの半分a、関節角度θ(θ/2)が示されている。本実施の形態においては、関節角度θは第2のリンク42が第1のリンク41と重なった状態を0[rad]とし、反時計回りに最大π[rad]まで変化できるものとする。   When the second link 42 is further rotated clockwise from the state of FIG. 2A, the human body 43 is crushed and becomes a state as shown in FIG. 2B. In the state of FIG. 2B, the human body 43 is in surface contact with the first and second links 41 and 42. In FIG. 2B, half of the cross section of the contact surface a and the joint angle θ (θ / 2) are shown. In the present embodiment, the joint angle θ is assumed to be 0 [rad] when the second link 42 is overlapped with the first link 41, and can be varied up to π [rad] counterclockwise.

図2Aに示されるように、挟み角度θc、距離R、及び挟み位置xの関係式は、下記式(3)となる。

Figure 0005556558
As shown in FIG. 2A, the relational expression of the sandwiching angle θc, the distance R, and the sandwiching position x is the following expression (3).
Figure 0005556558

人体43が第1及び第2のリンク41,42に挟まれて潰された状態における接触面の断面の長さの半分aは、Contact Mechanics, Johnson, K,L, Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom, 1985より、下記式(4)で与えられる。   Half of the length of the cross section of the contact surface when the human body 43 is crushed by being sandwiched between the first and second links 41 and 42 is the contact mechanics, Johnson, K, L, Cambridge University Press, Cambridge, United From Kingdom, 1985, it is given by the following formula (4).

Figure 0005556558

ただし、Eは人体のヤング率、νは人体のポアソン比、Tcは挟みトルクである。ここで、挟みトルクTcとは、モータトルクTmから第2のリンク42の重量(第2のリンク42が物体を把持等している場合は当該物体の重量を含む)、慣性力等に対抗するための成分を除いたものである。
Figure 0005556558

Where E is the Young's modulus of the human body, ν is the Poisson's ratio of the human body, and Tc is the pinching torque. Here, the pinching torque Tc opposes the weight of the second link 42 from the motor torque Tm (including the weight of the object when the second link 42 grips the object), inertia force, and the like. The component for this is excluded.

図2B及び式(4)より下記式(5)が得られる。

Figure 0005556558
The following formula (5) is obtained from FIG. 2B and formula (4).
Figure 0005556558

式(3)及び式(5)より挟み位置xは、下記式(6)で表わされる。

Figure 0005556558
The sandwiching position x is expressed by the following formula (6) from the formulas (3) and (5).
Figure 0005556558

このように、挟み位置xは、挟み角度θc、検出された関節角度θ、E,ν等から定まる所定の物性特性値、及び挟みトルクTcにより定まる。図2Bにおいて、第2のリンク42の質量(上記把持物体等を含む)をm、関節44から第2のリンク42の重心までの距離をl、第1のリンク41の水平と成す角度をθ0、重力加速度をgとすると、図2Bにおける理論上のモータトルクTmは、式(5)を用いて下記式(7)となることが導出される。   As described above, the pinching position x is determined by the pinching angle θc, the predetermined physical property value determined from the detected joint angle θ, E, ν, and the like, and the pinching torque Tc. In FIG. 2B, the mass of the second link 42 (including the gripped object and the like) is m, the distance from the joint 44 to the center of gravity of the second link 42 is l, and the angle formed with the horizontal of the first link 41 is θ0. When the gravitational acceleration is g, the theoretical motor torque Tm in FIG. 2B is derived from the following equation (7) using the equation (5).

Figure 0005556558
Figure 0005556558

式(7)において、上式(0<θ≦θc)は、人体43が挟まれている場合に適用され、下式(θc<θ≦π)は、人体43が挟まれていない場合に適用されるものである。上式において、右辺第1項は、第2のリンク42の重量を支えるためのモータトルク成分であり、第2項は、挟みトルクTcである。利用者の生活補助等に用いられるロボットアームは、一般的にゆっくりした動作しか実行しないため、当該上式においては第2のリンク42の慣性力が考慮されていない。慣性力を無視できない場合には、当該慣性成分を右辺に加算すればよい。   In Expression (7), the above expression (0 <θ ≦ θc) is applied when the human body 43 is sandwiched, and the lower expression (θc <θ ≦ π) is applied when the human body 43 is not sandwiched. It is what is done. In the above equation, the first term on the right side is a motor torque component for supporting the weight of the second link 42, and the second term is the pinching torque Tc. Since the robot arm used for the user's life assistance generally performs only a slow motion, the inertia force of the second link 42 is not considered in the above formula. If the inertia force cannot be ignored, the inertia component may be added to the right side.

式(7)において、第1のリンク41の水平と成す角度θ0は既知であり、関節44から第2のリンク42の重心までの距離lは設計値より既知である。従って、第1のリンク41と第2のリンク42とが人体43に接触していない時(θc<θ≦π)のモータトルクTmから、第2のリンク42の質量mを算出することができる。そして、実際のモータトルクTmから式(7)下式におけるモータトルクTmを減算し、その結果の絶対値が閾値(微小値)を超えたら人体43の挟み込みが発生したと判定される。即ち、人体43が挟まれていないθc<θ≦πの範囲においては、理論上のTmの変化は関節角度検出値θの正弦関数となるため、実際のモータトルクTm、即ち安全モータトルク指令Tsの変化が正弦関数を外れた時点で人体43の物体の挟み込みが発生したと判定することができる。そして、この時の関節角度検出値θが挟み角度θcとなる。   In equation (7), the angle θ 0 formed with the horizontal of the first link 41 is known, and the distance l from the joint 44 to the center of gravity of the second link 42 is known from the design value. Therefore, the mass m of the second link 42 can be calculated from the motor torque Tm when the first link 41 and the second link 42 are not in contact with the human body 43 (θc <θ ≦ π). . Then, when the motor torque Tm in the following equation (7) is subtracted from the actual motor torque Tm, and the absolute value of the result exceeds a threshold value (minute value), it is determined that the human body 43 has been caught. That is, in the range of θc <θ ≦ π where the human body 43 is not sandwiched, the theoretical change in Tm is a sine function of the detected joint angle value θ, so the actual motor torque Tm, that is, the safe motor torque command Ts. It can be determined that the object 43 is caught in the human body 43 at the time when the change in the value deviates from the sine function. The joint angle detection value θ at this time becomes the sandwiching angle θc.

そして、本実施の形態においては、挟みトルクTcが、人体43に危害を与えない限界安全モータトルクTlimを超えないように制御される。限界安全モータトルクTlimは、人体43に危害を与えない外力の最大値である限界安全外力Flim及び挟み位置xに基づいて求められる。限界安全外力Flimは、産業安全の分野で広く知られるものである(齋藤剛、池田博康「人間協調型ロボットの機械的刺激に対する人体痛覚耐性限界の測定」、産業安全研究所特別研究報告、NIIS-SRR-NO.33、2005年9月;「消費生活製品向けリスクアセスメントのハンドブック、第1版」、経済産業省等参照)。本実施の形態に係る限界安全モータトルクTlimは、下記式(8)で与えられる。尚、当該数式は一例であり、当該事項の趣旨は、挟み位置xが小さい程限界安全モータトルクTlimが小さくなるように、挟み位置xが大きい程限界安全モータトルクTlimが大きくなるようにすることである。挟み位置xが小さい(関節44に近い)場合には、人体43への危害を確実に防止するために、ロボットアーム1に求められる本来の動作ができなくなったとしても、Tlimを小さく設定する必要がある。一方、挟み位置xが大きい(関節44から遠い)場合には、Tlimをある程度大きく設定しても人体43への危害を防止できる可能性が高い。従って、挟み位置xが比較的大きい場合には、Tlimを比較的大きく設定し、本来の動作を続行できる可能性を高くすることが有効である。   In the present embodiment, the pinching torque Tc is controlled so as not to exceed the limit safe motor torque Tlim that does not harm the human body 43. The limit safety motor torque Tlim is obtained based on the limit safety external force Flim that is the maximum value of the external force that does not cause harm to the human body 43 and the clamping position x. The marginal safety external force Flim is widely known in the field of industrial safety (Takeshi Saitoh, Hiroyasu Ikeda “Measurement of human body pain sensation tolerance against mechanical stimuli of human cooperative robots”, National Institute of Industrial Safety, Special Research Report, NIIS -SRR-NO.33, September 2005; see "Risk assessment handbook for consumer products, first edition", Ministry of Economy, Trade and Industry, etc.). The limit safe motor torque Tlim according to the present embodiment is given by the following formula (8). In addition, the said numerical formula is an example, and the meaning of the said matter is that the limit safe motor torque Tlim increases as the pinch position x increases so that the limit safe motor torque Tlim decreases as the pinch position x decreases. It is. When the pinching position x is small (close to the joint 44), it is necessary to set Tlim to be small even if the original motion required for the robot arm 1 is no longer possible in order to reliably prevent harm to the human body 43. There is. On the other hand, when the pinching position x is large (distant from the joint 44), there is a high possibility that harm to the human body 43 can be prevented even if Tlim is set to be large to some extent. Therefore, when the pinching position x is relatively large, it is effective to set Tlim relatively large to increase the possibility that the original operation can be continued.

Figure 0005556558
Figure 0005556558

安全モータトルクプロフィールPsは、式(8)の限界安全モータトルクTlimを最大値、その符号を反転させたものを最小値とする飽和関数又はシグモイド関数として与えられることが好ましい。これにより、安全モータトルク指令Ts(=Ps(T0))は、−Tlim<Ts<Tlimの範囲内で連続的に変化する値として与えられる。   The safe motor torque profile Ps is preferably given as a saturation function or a sigmoid function having the maximum value of the limit safe motor torque Tlim in Equation (8) and the minimum value obtained by inverting the sign. Thereby, the safe motor torque command Ts (= Ps (T0)) is given as a value that continuously changes within the range of -Tlim <Ts <Tlim.

図3は、本実施の形態に係るロボットアーム1における制御の流れを示している。先ず、モータトルク演算部31(図1参照)は、関節角度検出値θが関節角度指令θrに追従するように基本モータトルク指令T0を算出し(S1)、安全モータトルク演算部35より安全モータトルクプロフィールPsを読み込み(S2)、安全モータトルク指令Tsを算出する(S3)。次いで、挟み検出部33は、Tsのθに対する変化を表わす曲線が正弦波から乖離しているか否かを判定し(S4)、乖離していないと判定された場合(N)には、当該Tsに基づいてアーム部11の関節モータ22を制御する(S10)。   FIG. 3 shows a control flow in the robot arm 1 according to the present embodiment. First, the motor torque calculation unit 31 (see FIG. 1) calculates a basic motor torque command T0 so that the detected joint angle value θ follows the joint angle command θr (S1), and the safety motor torque calculation unit 35 calculates the safety motor. The torque profile Ps is read (S2), and a safe motor torque command Ts is calculated (S3). Next, the pinch detection unit 33 determines whether or not the curve representing the change of Ts with respect to θ deviates from the sine wave (S4). Based on the above, the joint motor 22 of the arm unit 11 is controlled (S10).

一方、ステップS4において、乖離していると判定された場合(Y)には、挟み検出部33は挟み検出信号Sを出力する(S5)。挟み位置推定部34は、挟み検出信号Sを受信すると、関節角度検出値θ及び安全モータトルク指令Tsを入力し、上述のように式(6)、(7)等に基づいて、挟み位置xを推定する(S6)。次いで、安全モータトルク演算部35は、挟み位置xに基づいて、上述のように式(8)等に基づいて限界安全モータトルクTlimを決定し(S7)、安全モータトルクプロフィールPsを生成する(S8)。そして、モータトルク演算部31は、ステップS8で生成された安全モータトルクプロフィールPsを適用して安全モータトルク指令Tsを演算し(S9)、当該演算結果に基づいてモータ制御を行う(S10)。   On the other hand, when it is determined in step S4 that there is a divergence (Y), the pinch detection unit 33 outputs a pinch detection signal S (S5). When the pinch position estimation unit 34 receives the pinch detection signal S, the pinch position estimation unit 34 inputs the joint angle detection value θ and the safety motor torque command Ts, and based on the equations (6), (7) and the like as described above, the pinch position x Is estimated (S6). Next, the safe motor torque calculation unit 35 determines the limit safe motor torque Tlim based on the pinching position x based on the equation (8) as described above (S7), and generates the safe motor torque profile Ps ( S8). Then, the motor torque calculation unit 31 calculates the safety motor torque command Ts by applying the safety motor torque profile Ps generated in step S8 (S9), and performs motor control based on the calculation result (S10).

上記構成のアームロボット1によれば、高価なセンサ等を用いることなく物体の挟み位置を正確に推定することができると共に、挟み位置に応じて適切なトルク指令を生成することができる。また、挟まれた人体等への危害を確実に防止することができると共に、当該人体等に危害を与えない範囲でロボットアーム1本来の動作を続行させることができる。   According to the arm robot 1 having the above configuration, it is possible to accurately estimate the pinching position of an object without using an expensive sensor or the like, and it is possible to generate an appropriate torque command according to the pinching position. In addition, it is possible to reliably prevent harm to the human body or the like that is sandwiched, and to continue the original operation of the robot arm 1 within a range that does not cause harm to the human body or the like.

以下に、実施の形態1に係るロボットアーム1のシミュレーション結果を示す。シミュレーションに用いた数値は以下の通りである。
m=2.0[kg]
l=0.13[m]
g=9.8[s^−2]
E=25×10^3[MPa]
ν=0.25
θ0=200・π/180[rad]
R=20×10^−3[m]
x=50×10^−3[m]
Flim=50[N]
上記数値は、人間の前腕の物性値に基づいている。
The simulation result of the robot arm 1 according to the first embodiment is shown below. The numerical values used for the simulation are as follows.
m = 2.0 [kg]
l = 0.13 [m]
g = 9.8 [s ^ -2]
E = 25 × 10 ^ 3 [MPa]
ν = 0.25
θ0 = 200 · π / 180 [rad]
R = 20 × 10 ^ -3 [m]
x = 50 × 10 ^ -3 [m]
Flim = 50 [N]
The above numerical values are based on the physical property values of the human forearm.

本シミュレーションは、図2A,Bに示すロボットアームの関節角度を制御する際に、挟まれた人体43に加わる力が限界安全外力Flim以内となるように制御するものである。   In this simulation, when the joint angle of the robot arm shown in FIGS. 2A and 2B is controlled, the force applied to the sandwiched human body 43 is controlled to be within the limit safe external force Flim.

図4Aは、実施の形態1に係るモータトルクTm(Ts)と時間との関係を示している。同図中、実線は本発明に係るモータトルクを示し、一点鎖線は従来技術に係るモータトルクを示している。   FIG. 4A shows the relationship between the motor torque Tm (Ts) and time according to the first embodiment. In the figure, the solid line indicates the motor torque according to the present invention, and the alternate long and short dash line indicates the motor torque according to the prior art.

図4A中0[s]から2.73[s]の区間において、モータトルクTmの関節角度検出値θに対する変化の波形が正弦波となっており、第1及び第2のリンク41,42の間に人体43は挟まれていないと判定された。2.73[s]において、モータトルクTmは急激に変化して正弦波から乖離しており、人体43が挟まれたことが検出された。その後、挟み位置xが推定され、限界安全モータトルクTlimが決定され、安全モータトルクプロフィールPsが生成され、当該Psが適用されて安全モータトルク指令Tsが出力された。即ち、2.73[s]以降、式(7)の上式右辺第2項で示される挟みトルクTcが計算され、その絶対値が式(8)の限界安全モータトルクTlimを超えないように制限された。そして、3.14[s]において、挟みトルクTcの絶対値が限界安全モータトルクTlimに達し、その後モータトルクTmは一定の値を超えないように制限されている。   In the section from 0 [s] to 2.73 [s] in FIG. 4A, the waveform of the change of the motor torque Tm with respect to the joint angle detection value θ is a sine wave, and the first and second links 41 and 42 It was determined that the human body 43 was not sandwiched between them. At 2.73 [s], the motor torque Tm rapidly changed and deviated from the sine wave, and it was detected that the human body 43 was sandwiched. Thereafter, the pinching position x is estimated, the limit safe motor torque Tlim is determined, the safe motor torque profile Ps is generated, and the safe motor torque command Ts is output by applying the Ps. That is, after 2.73 [s], the pinching torque Tc indicated by the second term on the right side of the upper expression of the equation (7) is calculated so that the absolute value thereof does not exceed the limit safe motor torque Tlim of the equation (8). Limited. In 3.14 [s], the absolute value of the pinching torque Tc reaches the limit safe motor torque Tlim, and then the motor torque Tm is limited so as not to exceed a certain value.

一方、従来技術においては、限界安全モータトルクTlimによる挟みトルクTcの制限がないので、予め設定したトルク制限値に達するまでモータトルクの絶対値は増加し続ける。   On the other hand, in the prior art, there is no limit of the pinching torque Tc by the limit safe motor torque Tlim, so the absolute value of the motor torque continues to increase until a preset torque limit value is reached.

ここで、式(6)を用いて2.73[s]における挟み位置xが推定されたが、この推定結果は50×10^−3[m]となり、実測値と一致した。また、限界安全モータトルクTlimは、式(8)を用いて算出され、モータトルクの成分のうち挟みトルクTcの絶対値のみが限界安全モータトルクTlimに制限されるような安全モータトルクプロフィールPsが出力されている。そして、関節角度検出値θが関節角度指令θrに追従するようなモータトルク指令T0に安全モータトルクプロフィールPsを適用することにより、安全モータトルク指令Tsが出力されている。   Here, the sandwiching position x in 2.73 [s] was estimated using Equation (6), and this estimation result was 50 × 10 ^ -3 [m], which was consistent with the actual measurement value. Further, the limit safe motor torque Tlim is calculated using the equation (8), and a safety motor torque profile Ps such that only the absolute value of the pinching torque Tc among the motor torque components is limited to the limit safety motor torque Tlim is obtained. It is output. The safety motor torque command Ts is output by applying the safety motor torque profile Ps to the motor torque command T0 in which the detected joint angle value θ follows the joint angle command θr.

図4Bは、実施の形態1に係る挟み力Fcと時間との関係を示している。この挟み力Fcは、第1のリンク41と第2のリンク42とが人体43を挟む力のことである。挟み力Fcは、上記挟みトルクTcを挟み位置xにより除算することにより算出される。図4Bにおいて、実線は本発明に係る挟み力Fcを示し、一点鎖線は従来技術に係る挟み力を示し、破線は限界安全外力Flimを示している。本発明によると挟み力Fcが限界安全外力Flimを超えないのに対し、従来技術によると予め設定したトルク制限値に達するまで挟み力Fcが増加し続けることが分かる。   FIG. 4B shows the relationship between the pinching force Fc and time according to the first embodiment. This pinching force Fc is a force by which the first link 41 and the second link 42 pinch the human body 43. The pinching force Fc is calculated by dividing the pinching torque Tc by the pinching position x. In FIG. 4B, the solid line indicates the pinching force Fc according to the present invention, the alternate long and short dash line indicates the pinching force according to the prior art, and the broken line indicates the limit safe external force Flim. According to the present invention, the pinching force Fc does not exceed the limit safe external force Flim, whereas according to the prior art, it is understood that the pinching force Fc continues to increase until reaching a preset torque limit value.

図4Cは、実施の形態1に係る関節角度検出値θと時間との関係を示している。同図において、実線は本発明に係る関節角度検出値を示し、一点鎖線は従来技術に係る関節角度検出値を示している。本実施の形態においては、関節角度指令生成部12は、1.04[rad]から0.52[rad]まで直線的に変化する関節角度指令θrを出力する。従来技術によると関節角度検出値は人体43が受ける挟み力Fcの大きさに関わらず、関節角度指令θrに追従する。一方、本発明によると3.14[s]以降において挟み力Fcが限界安全外力Flimを超えないようにするため、関節角度検出値θが0.71[rad]より小さくならないように抑制される。   FIG. 4C shows the relationship between the detected joint angle value θ and time according to the first embodiment. In the figure, the solid line indicates the joint angle detection value according to the present invention, and the alternate long and short dash line indicates the joint angle detection value according to the prior art. In the present embodiment, the joint angle command generation unit 12 outputs a joint angle command θr that linearly changes from 1.04 [rad] to 0.52 [rad]. According to the prior art, the joint angle detection value follows the joint angle command θr regardless of the magnitude of the pinching force Fc received by the human body 43. On the other hand, according to the present invention, in order to prevent the pinching force Fc from exceeding the limit safe external force Flim after 3.14 [s], the joint angle detection value θ is suppressed from being smaller than 0.71 [rad]. .

以上のように、本発明によれば、高価なセンサ等を用いることなく物体の挟み位置を正確に推定することができると共に、挟み位置に応じて適切なトルク指令を生成することができる。また、挟まれた人体等への危害を確実に防止することができると共に、当該人体等に危害を与えない範囲でロボットアーム1本来の動作を続行させることができる。   As described above, according to the present invention, an object pinching position can be accurately estimated without using an expensive sensor or the like, and an appropriate torque command can be generated according to the pinching position. In addition, it is possible to reliably prevent harm to the human body or the like that is sandwiched, and to continue the original operation of the robot arm 1 within a range that does not cause harm to the human body or the like.

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。   Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention.

本発明は、例えば家事手伝いロボット、接客ロボット、介護ロボット、リハビリロボット等のリンク機構を備えたロボット全般に適用することができる。   The present invention can be applied to all robots equipped with a link mechanism such as a housework assisting robot, a customer service robot, a care robot, and a rehabilitation robot.

1 ロボットアーム
11 アーム部
12 関節角度指令発生部
13 駆動力抑制制御部
21 リンク機構
22 関節モータ
23 関節角度検出部
31 モータトルク演算部
32 電流制御部
33 挟み検出部
34 挟み位置推定部
35 安全モータトルク演算部
41 第1のリンク
42 第2のリンク
43 人体(物体)
44 関節
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Robot arm 11 Arm part 12 Joint angle command generation part 13 Driving force suppression control part 21 Link mechanism 22 Joint motor 23 Joint angle detection part 31 Motor torque calculation part 32 Current control part 33 Clamping detection part 34 Pinch position estimation part 35 Safety motor Torque calculator 41 First link 42 Second link 43 Human body (object)
44 joints

Claims (13)

リンク機構の関節部を駆動するモータトルクを制御するロボットアームの制御装置であって、
前記関節部の関節角度の検出値が目標値に追従するように演算される基本トルクに、安全性を考慮して設定される安全モータトルクプロフィールによる制限を適用することにより、安全モータトルクを演算するモータトルク演算手段と、
前記関節角度の検出値に対する前記安全モータトルクの変化が、前記関節部より先端側に連結される前記リンクの重量を支えるためのトルクに基づいて規定される基準値から乖離したと判断される場合に、隣合う前記リンクの間に物体が挟まれたと判定する挟み検出手段と、
前記挟み検出手段により前記物体の挟み込みが検出された場合に、前記基準値からの乖離が検出された時の関節角度、前記関節角度の検出値、前記物体について予め設定される物性特性値、及び前記モータトルクの検出値から少なくとも前記関節部より先端側に連結される前記リンクの重量を支えるためのトルクを排除した挟みトルクに基づいて、前記関節部から前記物体が挟まれた位置までの距離を示す挟み位置を推定する前記挟み位置推定手段と、
前記挟み位置が小さくなるに伴い前記安全モータトルクの上限値が小さくなるように、且つ前記挟み位置が大きくなるに伴い前記安全モータトルクの上限値が大きくなるように前記安全モータトルクプロフィールを生成する安全モータトルク演算手段と、
を備えるロボットアームの制御装置。
A control device for a robot arm that controls a motor torque for driving a joint portion of a link mechanism,
The safety motor torque is calculated by applying a restriction based on the safety motor torque profile set in consideration of safety to the basic torque calculated so that the detected value of the joint angle of the joint follows the target value. Motor torque calculating means for
When it is determined that the change in the safety motor torque with respect to the detected value of the joint angle deviates from a reference value defined based on the torque for supporting the weight of the link connected to the distal end side from the joint portion. And pinch detection means for determining that an object is pinched between the adjacent links,
A joint angle when a deviation from the reference value is detected when the pinching detection unit detects pinching of the object, a detection value of the joint angle, a physical property value set in advance for the object, and The distance from the joint portion to the position where the object is pinched based on the pinching torque excluding the torque for supporting the weight of the link connected to the tip side from at least the joint portion from the detected value of the motor torque The pinch position estimating means for estimating the pinch position indicating
The safety motor torque profile is generated so that the upper limit value of the safety motor torque decreases as the pinch position decreases and the upper limit value of the safety motor torque increases as the pinch position increases. Safe motor torque calculation means;
A robot arm control device comprising:
前記安全モータトルクプロフィールは、前記基本トルクを変数とし、前記安全モータトルクの上限値を最大値とする飽和関数又はシグモイド関数である、
請求項1に記載のロボットアームの制御装置。
The safety motor torque profile is a saturation function or sigmoid function with the basic torque as a variable and an upper limit value of the safety motor torque as a maximum value.
The robot arm control device according to claim 1.
前記基準値は、前記リンクの重量、及び当該リンクが所定の対象物を保持している場合には当該対象物の重量を加算した重量に基づいて規定される前記関節角度の検出値の正弦関数で表わされる、
請求項1又は2に記載のロボットアームの制御装置。
The reference value is a sine function of the detected value of the joint angle defined based on the weight of the link and, if the link holds a predetermined object, the weight obtained by adding the weight of the object Represented by
The robot arm control device according to claim 1 or 2.
前記正弦関数は、下記式(1)により表わされる、
請求項3に記載のロボットアームの制御装置。
Figure 0005556558

ただし、記号の意味は以下の通りである。
Tm:2つの隣合う前記リンクが前記物体を挟んでいない場合の前記モータトルク
m:前記2つの隣合うリンクのうち前記ロボットアームを備えたサービスロボットの本体から遠い方のリンクの質量(前記対象物を把持している場合はその質量も含む)
g:重力加速度
l:前記関節から前記2つの隣合うリンクのうち前記サービスロボットの本体から遠い方のリンクの重心までの距離
θ:前記関節角度の検出値
θ0:前記2つの隣合うリンクのうち前記サービスロボットの本体に近い方のリンクの水平となす角度
The sine function is represented by the following formula (1):
The robot arm control device according to claim 3.
Figure 0005556558

However, the meaning of the symbols is as follows.
Tm: Motor torque when two adjacent links do not sandwich the object m: Mass of the link farther from the body of the service robot having the robot arm among the two adjacent links (the target (If the object is gripped, its mass is included)
g: Gravity acceleration l: Distance from the joint to the center of gravity of the link farther from the main body of the service robot among the two adjacent links θ: Detected value of the joint angle θ0: Of the two adjacent links Angle formed by the horizontal of the link closer to the main body of the service robot
前記物性特性値は、人体の一部のヤング率及びポアソン比に基づいて規定される、
請求項1〜4のいずれか1つに記載のロボットアームの制御装置。
The physical property value is defined based on the Young's modulus and Poisson's ratio of a part of the human body.
The control apparatus of the robot arm as described in any one of Claims 1-4.
前記挟み位置は、下記式(2)により算出される、
請求項1〜5のいずれか1つに記載のロボットアーム制御装置。
Figure 0005556558

ただし、記号の意味は以下の通りである。
θ:前記関節角度の検出値
θc:前記正弦関数からの乖離が検出された時の関節角度
Tc:前記挟みトルク
E:人体のヤング率
ν:人体のポアソン比
The sandwiching position is calculated by the following formula (2).
The robot arm control device according to any one of claims 1 to 5.
Figure 0005556558

However, the meaning of the symbols is as follows.
θ: detected value of the joint angle θc: joint angle when a deviation from the sine function is detected Tc: pinching torque E: Young's modulus of human body ν: Poisson's ratio of human body
リンク機構の関節部を駆動するモータトルクを制御するロボットアームの制御方法であって、
前記関節部の関節角度の検出値が目標値に追従するように基本トルクを演算するステップと、
前記基本トルクに、安全性を考慮して設定される安全モータトルクプロフィールによる制限を適用することにより、安全モータトルクを演算するステップと、
前記関節角度の検出値に対する前記安全モータトルクの変化が、前記関節部より先端側に連結される前記リンクの重量を支えるためのトルクに基づいて規定される基準値から乖離したと判断される場合に、隣合う前記リンクの間に物体が挟まれたと判定するステップと、
前記物体の挟み込みが検出された場合に、前記基準値からの乖離が検出された時の関節角度、前記関節角度の検出値、前記物体について予め設定される物性特性値、及び前記モータトルクの検出値から少なくとも前記関節部より先端側に連結される前記リンクの重量を支えるためのトルクを排除した挟みトルクに基づいて、前記関節部から前記物体が挟まれた位置までの距離を示す挟み位置を推定するステップと、
前記挟み位置が小さくなるに伴い前記安全モータトルクの上限値が小さくなるように、且つ前記挟み位置が大きくなるに伴い前記安全モータトルクの上限値が大きくなるように前記安全モータトルクプロフィールを生成するステップと、
を備えるロボットアームの制御方法。
A robot arm control method for controlling a motor torque for driving a joint portion of a link mechanism,
Calculating a basic torque so that a detection value of a joint angle of the joint portion follows a target value;
Calculating a safe motor torque by applying a restriction by a safe motor torque profile set in consideration of safety to the basic torque; and
When it is determined that the change in the safety motor torque with respect to the detected value of the joint angle deviates from a reference value defined based on the torque for supporting the weight of the link connected to the distal end side from the joint portion. Determining that an object is sandwiched between the adjacent links;
Detection of a joint angle when a deviation from the reference value is detected, a detected value of the joint angle, a physical property value set in advance for the object, and the motor torque when the object is caught A pinching position indicating a distance from the joint portion to a position where the object is pinched based on a pinching torque excluding a torque for supporting a weight of the link connected to the tip side from at least the joint portion from a value Estimating, and
The safety motor torque profile is generated so that the upper limit value of the safety motor torque decreases as the pinch position decreases and the upper limit value of the safety motor torque increases as the pinch position increases. Steps,
A method for controlling a robot arm comprising:
前記安全モータトルクプロフィールは、前記基本トルクを変数とし、前記安全モータトルクの上限値を最大値とする飽和関数又はシグモイド関数である、
請求項7に記載のロボットアームの制御方法。
The safety motor torque profile is a saturation function or sigmoid function with the basic torque as a variable and an upper limit value of the safety motor torque as a maximum value.
The method for controlling a robot arm according to claim 7.
前記基準値は、前記リンクの重量、及び当該リンクが所定の対象物を保持している場合には当該対象物の重量を加算した重量に基づいて規定される正弦関数で表わされる、
請求項7又は8に記載のロボットアームの制御方法。
The reference value is represented by a sine function defined based on the weight of the link and, when the link holds a predetermined object, a weight obtained by adding the weight of the object.
The method for controlling a robot arm according to claim 7 or 8.
前記正弦関数は、下記式(3)により表わされる、
請求項9に記載のロボットアームの制御方法。
Figure 0005556558

ただし、記号の意味は以下の通りである。
Tm:2つの隣合う前記リンクが前記物体を挟んでいない場合の前記モータトルク
m:前記2つの隣合うリンクのうち前記ロボットアームを備えたサービスロボットの本体から遠い方のリンクの質量(前記対象物を把持している場合はその質量も含む)
g:重力加速度
l:前記関節から前記2つの隣合うリンクのうち前記サービスロボットの本体から遠い方のリンクの重心までの距離
θ:前記関節角度の検出値
θ0:前記2つの隣合うリンクのうち前記サービスロボットの本体に近い方のリンクの水平となす角度
The sine function is represented by the following formula (3):
The robot arm control method according to claim 9.
Figure 0005556558

However, the meaning of the symbols is as follows.
Tm: Motor torque when two adjacent links do not sandwich the object m: Mass of the link farther from the body of the service robot having the robot arm among the two adjacent links (the target (If the object is gripped, its mass is included)
g: Gravity acceleration l: Distance from the joint to the center of gravity of the link farther from the main body of the service robot among the two adjacent links θ: Detected value of the joint angle θ0: Of the two adjacent links Angle formed by the horizontal of the link closer to the main body of the service robot
前記物性特性値は、人体の一部のヤング率及びポアソン比に基づいて規定される、
請求項7〜10のいずれか1つに記載のロボットアームの制御方法。
The physical property value is defined based on the Young's modulus and Poisson's ratio of a part of the human body.
The method for controlling a robot arm according to any one of claims 7 to 10.
前記挟み位置は、下記式(4)により算出される、
請求項7〜11のいずれか1つに記載のロボットアーム制御方法。
Figure 0005556558

ただし、記号の意味は以下の通りである。
θ:前記関節角度の検出値
θc:前記正弦関数からの乖離が検出された時の関節角度
Tc:前記挟みトルク
E:人体のヤング率
ν:人体のポアソン比
The sandwiching position is calculated by the following formula (4).
The robot arm control method according to any one of claims 7 to 11.
Figure 0005556558

However, the meaning of the symbols is as follows.
θ: detected value of the joint angle θc: joint angle when a deviation from the sine function is detected Tc: pinching torque E: Young's modulus of human body ν: Poisson's ratio of human body
リンク機構の関節部を駆動するモータトルクを制御するロボットアームの制御用プログラムであって、
前記ロボットアームを制御するコンピュータに、
請求項7〜12のいずれか1つに記載の方法を実行させる、
ロボットアームの制御用プログラム。
A program for controlling a robot arm that controls a motor torque for driving a joint portion of a link mechanism,
In a computer that controls the robot arm,
A method according to any one of claims 7 to 12 is performed.
Robot arm control program.
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