JPH0538689A - 多関節ロボツトの分散制御システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】多関節ロボットをロボット関節毎に分散制御し
て繊細な作業や複雑な作業を行わせることで、高速でフ
レキシビィリティに富んだ制御を行えるようにする。 【構成】複数のロボット関節ａ〜ｅを有する多関節ロボ
ット１を各ロボット関節毎に分散して制御する多関節ロ
ボットの分散制御システムにおいて、外部バスコントロ
ーラ８，１４をそれぞれ有する主コントローラ２及び各
ロボット関節ａ〜ｅに取付けられた複数のローカルコン
トローラ３と、上記各外部バスコントローラ８，１４を
相互に接続する外部バス１５と、これらの各ローカルコ
ントローラ３にそれぞれ接続されてアクチュエータなど
を駆動する複数のドライバユニット１２-1，１２-2と、
上記各ローカルコントローラ３にそれぞれ接続されて上
記ロボット関節の周囲に取付けられた外界センサ２３〜
２５からの信号を処理するセンサユニット１３-1，１３
-2と、上記外部バス１５に接続された共有メモリ４とを
備えた多関節ロボットの分散制御システムである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、各種プラントで使用さ
れる点検・作業ロボットを制御するのに最適な制御シス
テムに係わり、特に多関節ロボットを各ロボット関節毎
に分散して制御することにより搭載機器の信頼性、冗長
性、メンテナンス性および小型・軽量化を図った多関節
ロボットの分散制御システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】原子力プラントその他人員が立ち入るこ
とが危険な各種プラントにおいては、遠隔操作でロボッ
トに点検・作業を代行させることが一般に行われてい
る。特に、比較的簡単な作業や夜間の監視などは、人員
の補助を受けることなく、ロボットの点検・作業を自律
的に行わせる傾向にある。

【０００３】このような点検・作業ロボットでは、作業
場所や作業内容が複雑で一定していないため、産業用の
組立ロボットに対して通常行われているティーチング・
プレイバック方式の制御技術を採用することができな
い。点検・作業ロボットで、繊細な作業や複雑な作業を
行わせるには、複数の関節を有する多関節ロボットが必
要となる。このため、現在、多くの研究機関で、多関節
ロボットの研究開発が行われている。

【０００４】ここに、アクチュエータにより駆動される
複数の関節を有する多関節ロボットを、地上側に備えら
れた大型のコンピュータ１台用いてマルチタスクで一括
制御する方法が考えられているが、この一括制御方法の
場合、ロボットの姿勢計算を高速に行うことができるも
のの、通信制御やドライバユニット制御等がかなり複雑
になり、また膨大なソフトウェアとなってしまう。

【０００５】特に、作業環境が複雑なプラントでの作業
では、周囲構造物との衝突がないよう常に周囲の状態を
近接センサ、接触センサ、力センサなどの外界センサを
用いて監視しながらロボットの駆動制御を行う必要があ
るため、この傾向が強くなる。

【０００６】このため、１台のコンピュータで多関節ロ
ボットの駆動制御を行うには、制御速度、信頼性、メン
テナンス等が問題となる。またロボットの関節仕様の変
更、制御モードの変更などの対応も困難となってしま
う。

【０００７】複数台のコンピュータを地上側に備えたシ
ステムにしても、上記と同様な問題が生じる。

【０００８】一方、多関節ロボットの各関節毎に計算機
とドライバユニット、センサユニット等を設けて多関節
ロボットを分散制御するようにしたものが考えられてい
る。この場合、制御機能の分散が図れるためシステムが
非常に簡素になり、制御速度、信頼性及びメンテナンス
対策を図る上で好ましい。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うに多関節ロボットをロボット関節毎に分散制御しよう
とすると、計算機間の通信をどうするか、機能をどう分
割するか、各ロボット関節に計算機やドライバユニット
等をどう取付けるかが課題となっているのが現状であっ
た。

【００１０】本発明は上記に鑑み、多関節ロボットをロ
ボット関節毎に分散制御して繊細な作業や複雑な作業を
行わせることができるようにして、高速でフレキシビィ
リティに富んだ多関節ロボットの分散制御システムを提
供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明に係る多関節ロボットの分散制御システム
は、アクチュエータにより駆動される複数の関節を有す
るロボットを各ロボット関節毎に分散して制御するロボ
ットの分散制御システムにおいて、外部バスコントロー
ラをそれぞれ有する主コントローラおよび各ロボット関
節に取付けられた複数のローカルコントローラと、各外
部バスコントローラを相互に接続する外部バスと、これ
らの各ローカルコントローラにそれぞれ接続されて前記
アクチュエータなどを駆動する複数のドライバユニット
と、前記各ローカルコントローラにそれぞれ接続されて
前記ロボット関節の周囲に取付けられた外界センサから
の信号を処理するセンサユニットと、前記外部バスに接
続された共有メモリとを備えたものである。

【００１２】

【作用】上記のように構成した本発明によれば、例えば
主コントローラで姿勢制御演算を行って、算出した各ロ
ボット関節角を共有メモリに書き込み、各ローカルコン
トローラでこの共有メモリに書き込まれた結果から自分
の目標姿勢角度を求めてドライバユニットを制御するこ
とにより、ロボットの姿勢制御を行う。また、各ロボッ
ト関節に備え付けられた外界センサの信号を各ローカル
コントローラで検出して、その検出結果を上記共有メモ
リへ書き込み、主コントローラでこの共有メモリに書き
込まれた結果を読み込むことで、ロボット全体の姿勢や
外界の状態を把握する。更に、使用状態によっては、主
コントローラで外界センサの処理のみを実施し、ローカ
ルコントローラの１つで姿勢制御演算を行ったり、ロー
カルコントローラの１つで他のローカルコントローラに
接続されているドライバユニットやセンサユニットのコ
ントロールを行ったりして、制御方式を容易に変更する
こともできる。

【００１３】

【実施例】次に、図面を参照しながら本発明の一実施例
を説明する。

【００１４】図１は、本発明に係わるロボットの分散制
御システムの一実施例の要部を示すブロック図で、図２
は、図１における１つのローカルコントローラの詳細な
構成を示すブロック図である。

【００１５】図１において、符号１は、制御対象となる
多関節ロボットのロボット本体で、このロボット本体１
には、アクチュエータにより駆動される例えば合計５つ
のロボット関節、すなわち把持部ａ、第１関節ｂ、第２
関節ｃ、第３関節ｄ及び第４関節ｅが備えられている。

【００１６】一方、多関節ロボットのロボット本体１を
制御する制御システムは、主コントローラ２と、上記各
ロボット関節ａ〜ｅにそれぞれ備え付けられた合計５つ
のローカルコントローラ３（なお、図１では、把持部ａ
に備え付けられたローカルコントローラ３と第４関節ｅ
に備え付けられたローカルコントローラ３のみを図示し
て他のロボット関節ｂ〜ｄに備え付けられたローカルコ
ントローラ３を省略している）と、共有メモリ４とから
主に構成されている。

【００１７】主コントローラ２は、ＭＰＵ（マルチ・プ
ロセス・ユニット）５、主メモリ６、マンマシーン・イ
ンターフェイス７及び外部バスコントローラ８とから主
に構成され、これらは内部バス９を介して相互に接続さ
れて相互間の通信制御が行われるようなされている。

【００１８】また、各ローカルコントローラ３は、ＭＰ
Ｕ１０、主メモリ１１、マニピュレータなどを駆動する
２つのドライバユニット１２-1，１２-2、２つのセンサ
ユニット１３-1，１３-2及び外部バスコントローラ１４
とから主に構成されている。ドライバユニット１２-1，
１２-2及びセンサユニット１３-1，１３-2を２つずつ備
えたのは、ロボット関節ａ〜ｅに２自由度を有するもの
を使用しているためであり、このユニット数はロボット
関節の自由度の数に従って増減される。

【００１９】そして、主コントローラ２と各ローカルコ
ントローラ３，３…とは、その各外部バスコントローラ
８及び１４，１４…によって外部バス１５を介して相互
に接続されている。また各ローカルコントローラ３と、
ドライバユニット１２-1，１２-2及びセンサユニット１
３-1，１３-2との間は、内部バス１６で結合されてい
る。

【００２０】ドライバユニット１２-1，１２-2には，図
２に示すように、それぞれモータ１７、エンコーダ１
８、ブレーキ１９（使用条件によっては取付けない場合
もある）及びリミットスイッチ２０が接続されている。
また、ドライバユニット１２-1，１２-2は、それぞれモ
ータコントロール回路２１とＥＦＴブリッジ回路２２と
から構成されている。

【００２１】センサユニット１３-1，１３-2には、図２
に示すように、それぞれ接触センサ２３、近接センサ２
４及び力センサ２５の外界センサが接続されている。各
外界センサ２３〜２５は、各ロボット関節ａ〜ｅの周囲
にぞれぞれ取り付けられており、上記センサユニット１
３-1，１３-2は、これらの外界センサ２３〜２５からの
信号を処理するものである。

【００２２】図３及び図４には２自由度のロボット関節
部に取付けるのに最適なローカルコントローラ３の一例
を示すものである。

【００２３】このローカルコントローラ３は、外部バス
コントロール用ボード２６（１枚）と、ＭＰＵ１０と主
メモリ１１とを組合せたコントロールボード２７（１
枚）と、モータコントロール回路２１とＦＥＴブリッジ
回路２２からなるドライバボード２８，２９（２枚）
と、ロボットの外皮部に複数個取付けられた外界センサ
からの信号をデータ処理するセンサボード３０，３１
（２枚）との６枚のボードより構成されている。そし
て、外部バスコントロール用ボード２６とコントロール
ボード２７との間はコネクタ３２で、他のボード間はコ
ネクタ３３を介して内部バスケーブル３４でそれぞれ接
続され、２つのローカルコントローラ３，３の外部バス
コントロール用ボード２６，２６間は、コネクタ３５を
介して外部バスケーブル３５で接続されている。

【００２４】このように、ローカルコントローラ３を機
能別にユニット化して構成することにより、ドライバボ
ード２８，２９やセンサボード３０，３１の追加変更を
非常に容易となすことができる。また、半導体技術を用
いて、ドライバボード３０，３１をモータ内へ組み入れ
る構成とすることにより、ローカルコントローラ３のロ
ボット関節部への取付けをますます容易にしている。

【００２５】次に、上記実施例の作用を説明する。

【００２６】マンマシーン・インターフェイス７を介し
て主コントローラ２に要求が入力されると、この主コン
トローラ２は、作業計画、姿勢計算及び各ローカルコン
トローラ３，３…に対する総括制御を行う。

【００２７】ここに、各ローカルコントローラ３，３…
への指令は、外部バスコントローラ８及び１４，１４…
を介して外部バス１５に備えられた共有メモリ４へ指令
データを書き込むことによって行われる。この共有メモ
リ４のアドレスは、どのコントローラ２及び３，３…か
らでも一義的に決まるアドレスに設定されている。

【００２８】これらの各外部バスコントローラ８及び１
４，１４…は、バス・アビータとバスドライバから構成
されている。このバス・アビータは、どのＭＰＵ５及び
１０，１０…からのバス使用要求を優先するかを決定し
て、外部バス１５を正常に管理するためのものである。

【００２９】共有メモリ４には、各ロボット関節ａ〜ｅ
にそれぞれ対応する各ローカルコントローラ３，３…別
にメモリアドレスが指定されており、その指定箇所に指
令データ、状態データが書き込まれる。

【００３０】各ローカルコントローラ３は、共有メモリ
４に書き込まれた自分のアドレスに相当する箇所の指令
データを読み込み、ドライバユニット１２-1，１２-2及
びセンサユニット１３-1，１３-2の制御を行う。また、
各ローカルコントローラ３は、ドライバユニット１２-
1，１２-2の制御状態、センサユニット１３-1，１３-2
からの検出データを外部バスコントローラ１４を介して
共有メモリ４の自分のアドレスに書き込む。

【００３１】各ロボット関節ａ，ｂ…のそれぞれのドラ
イバユニット１２-1，１２-2及びセンサユニット１３-
1，１３-2には、共有メモリ４と同様にどのコントロー
ラ２及び３，３…からでも、一義的に決まるアドレスが
設定されている。このアドレスによりドライバユニット
１２-1，１２-2は、そのロボット関節のローカルコント
ローラ３のＭＰＵ８により制御と、主コントローラ２や
他ローカルコントローラ３，３…のＭＰＵ８．８…から
の制御が可能となる。

【００３２】ロボット関節内のローカルコントローラ３
がそのドライバユニット１２-1，１２-2を制御する場合
は、外部バス１５を使用することなく、内部バス１６を
介して指令データ、状態データの送受を行う。

【００３３】そして、ロボット関節内のローカルコント
ローラ３と主コントローラ２のＭＰＵ１１や他ローカル
コントローラ３，３…のＭＰＵ８，８…との制御の切り
替えは、外部バスコントローラ１４で行う。ここに、外
部バスコントローラ１４は、優先順位の高い他コントロ
ーラ２及び３，３…がドライバユニット１２-1，１２-2
に指令を出力した場合、ロボット関節内のローカルコン
トローラ３の制御をその期間一時停止させる制御を行
う。センサユニット１３-1，１３-2の制御も同様であ
る。

【００３４】また、共有メモリ４に制御モードの変更指
令を書き込むことによって、制御モードの切り替えを行
うことができる。また、この制御システムは、どのコン
トローラ２及び３，３…からでも、任意のドライバユニ
ット１２-1，１２-2、センサユニット１３-1，１３-2の
アクセスが可能な構成であるため、柔軟な使い方ができ
る。

【００３５】したがって、用途や作業状態による機能の
分散を行うことにより、制御負荷のバランスを有機的に
とることができる。例えば、主コントローラ２でロボッ
ト本体１の姿勢制御を行い、同時に各ローカルコントロ
ーラ３，３…で力制御を行うようにすることもできる。
ロボット関節部に外力が加わらない状態では、主コント
ローラ２の指令を優先し、外力が加わるとローカルコン
トローラ３，３…を優先するロジックに設定すれば、容
易に実現することができる。

【００３６】また、あるロボット関節部のＭＰＵ１０が
異常状態になった場合においても、他のローカルコント
ローラ３で、そのドライバユニット１２-1，１２-2及び
センサユニット１３-1，１３-2を制御するようにするこ
ともできる。

【００３７】

【発明の効果】本発明は上記のような構成であるので、
主コントローラと各ローカルコントローラとの間のデー
タ転送を外部バスと共有メモリを用いて行っているた
め、一般に用いられているシリアル転送と比較して大幅
な高速化を図り、かつ高い信頼性を得ることができる。

【００３８】また、用途によって任意の制御方式に切り
替えることが可能となる。特に、繊細な作業、複雑な作
業において、制御姿勢と力制御とを組み合わすことがで
きるため、周囲障害物との衝突の回避、作業対象物の破
壊回避を容易に実現させることができるできる。また、
主コントローラと各ローカルコントローラで機能を分散
することが可能なため、ソフトウェアの作成、メンテナ
ンスが非常に簡単となる。

【００３９】さらに、ローカルコントローラを機能別に
ユニット化して構成するようにすることができ、このよ
うに構成することにより、取付けの容易化を図るととも
に、拡張性を持たせることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る多関節ロボットの分散制御システ
ムの一実施例の要部を示すブロック図。

【図２】図１におけるローカルコントロールの詳細を示
すブロック図。

【図３】２自由度のロボット関節部に取付けるローカル
コントローラの一例を示す正面図。

【図４】図３に示すローカルコントローラの斜視図。

【符号の説明】

１ ロボット本体 ２ 主コントローラ ３ ローカルコントローラ ４ 共有メモリ ８，１４ 外部バスコントローラ ９，１６ 外部バス １２-1，１２-2 ドライバユニット １３-1，１３-2 センサユニット １５ 外部バス

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アクチュエータにより駆動される複数の
   ロボット関節を有する多関節ロボットを各ロボット関節
   毎に分散して制御する多関節ロボットの分散制御システ
   ムにおいて、外部バスコントローラをそれぞれ有する主
   コントローラ及び上記各ロボット関節に取付けられた複
   数のローカルコントローラと、上記各外部バスコントロ
   ーラを相互に接続する外部バスと、前記各ローカルコン
   トローラにそれぞれ接続されて上記アクチュエータなど
   を駆動する複数のドライバユニットと、上記各ローカル
   コントローラにそれぞれ接続されて前記ロボット関節の
   周囲に取付けられた外界センサからの信号を処理するセ
   ンサユニットと、上記外部バスに接続された共有メモリ
   とを備えたことを特徴とする多関節ロボットの分散制御
   システム。