JPS6249403A - マニピユレ−タ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、産業用ロボットのマニピュレータやマスク・
スレーブ・マニピュレータのスレーブ・マニピュレータ
等に対し、与えられた特定の作業を実行させるために用
いられるマニピュレータ制御装置における改良に関する
。

〈従来の技術〉 プログラムによる自律的作業実行能力を持つマニピュレ
ータ、例えば特に産業用ロボットのマニピュレータ等は
、従来、当該プログラムに応じて生成される軌道やトル
クに従い、制御装置によって一方的に動かされるのみで
あった。

また、マスク・マニピュレータを操作者が動かすことに
より、当該動きに対応、追従させるように、空間的に別
途な位置に設けたスレーブ・マニピュレータの動きを遠
隔制御する（こうした制御モードを追従型制御と呼ぶ）
マスク・スレーブ・マニピュレータにあっても、中には
プログラム制御モードを持つものがあったが、従来、そ
うしたマスク・スレーブ・マニピュレータでプログラム
制御モードを選択した場合、他の制御モードは一切、無
効化され、やはり当該プログラムによってのみ、スレー
ブ・マニピュレータが一方的に動かされるだけであった
。

〈発明が解決しようとする問題点〉 上記した従来例のように、与えられたプログラムに従っ
てマニピュレータを制御し、特定の作業を行なう制御装
置では、プログラムは固定的なため、突発的な環境の変
化や予期し得ない事故には即応できないという問題があ
った。

例えばマニピュレータの移動先が不意に変化してしまっ
たり、あるいはマニピュレータの動作範囲中に障害物が
侵入してきたような場合、到底、これに旨く対処するこ
とはできず、所定の作業ができなくなったり、あるいは
マニピュレータが障害物にぶつかって破損したり等の事
故を防ぎきれなかった。ましてやマニピュレータにとっ
ての障害物が人間であったような場合には、単に機械的
、経済的な損失だけでは済まされない、文字通り致命的
な結果をも引き起こしかねなかった。

このような危険に対し、従来からもこうしたマニピュレ
ータ装置に非常停止装置を組入れたものも提案されては
いたが、こうした従来装置ではプログラムを中断した後
、再実行するとか、プログラム自体を作り直さなければ
ならない手間を必須としていた。これはマニピュレータ
の作業効率を著しく低減させる因となる。

本発明はこうした従来の実情に鑑みて成されたもので、
プログラムによる自動的、自律的な動作実行中にも、例
えばマスク・マニピュレータやティーチング・ペンダン
トその他、適当なる手動制御装置を介して操作者が意図
的な操作を為した場合には、それによってもマニピュレ
ータの動きを対応的に制御可能とせんとしたものである
。

〈問題点を解決するための手段〉 上記目的を達成するため、本発明は次のような構成のマ
ニピュレータ制御装置を提供する。

マニピュレータを自律的に動かすプログラムを解釈し、
該プログラムに対応したプログラム制御データを生成す
るプログラム解釈装置と；操作者が動かす手動装置の該
動きに従って所定の関係で対応的にマニピュレータを動
かすデータを生成する手動制御データ生成装置と：上記
プログラム制御データと上記手動制御データとを重畳す
る制御方式重畳装置と； を有して成るマニピュレータ制御装置。

〈作　用〉 本発明の上記要旨構成中におけるプログラム解釈装置は
、あらかじめ用意されたプログラム命令を順次フェッチ
し、マニピュレータを制御すべきプログラム制御データ
を制御方式重畳装置に送る。

手動制御データ生成装置は、手動装置を操作者が操作し
たとき、これに対応させてマニピュレータを動かすのに
適当な対応関係にある手動制御データを生成してこれを
制御方式重畳装置に送る。

制御方式重畳装置は上記二つのデータを重畳し、これに
よってマニピュレータを制御する。

もちろん、上記データに応じて実際にマニピュレータを
駆動する部分等は、公知既存の回路系や機械系を採用し
て良い。

また、操作者が操作する手動装置は、マスク・マニピュ
レータ、ティーチング・ペンダント。

ジョイ・スティック、マウス、キー・ボード、ライト・
ペン、タブレット等々、既存の任意の形態のものを使う
ことができ、ユニ・ラテラルでもパイ・ラテラルでも良
い。

ユニ・ラテラルの場合、水制御装置を用いてのシーケン
スは一般に次のようになる。

■手動装置の動きに応じて対応的な手動制御データを生
成し、制御方式重畳装置へ送る。

■与えられたプログラムからプログラム解釈装置によっ
てプログラム制御データを生成する。

■プログラムの動作命令の目標状態に至る途中状態を計
算し、それを制御方式重畳装置に送る。

■上記両データからマニピュレータの移動状態を計算す
る。

（つ上記計算結果のマニピュレータへの出力と動作実行
。

（Φ上記■へ戻る。

これに対し、パイ・ラテラルの場合は次のようになる。

■手動装置の動きに応じて対応的な手動制御データを生
成し、制御方式重畳装置へ送る。

■与えられたプログラムからプログラム解釈装置によっ
てプログラム制御データを生成する。

（■上記両データからマニピュレータの移動状態を計算
する。

■上記計算結果をマニピュレータに送信し、作業を実行
させる。

（５）一方で上記計算結果を手動装置の移動先のデータ
に逆変換して手動装置へ送信し、操作者へ動きとしてフ
ィード°バックする争 （◇上記■へ戻る。

〈実　施　例〉 第１図には本発明の原理構成ないし基本的な一実施例と
してのマニピュレータ制御装置１０が示されている。

既述したように、マスク・マニピュｌ／−タ、ティーチ
ング・ペンダント、ジョイ・スティック、マウス、キー
・ボード、ライト・ペン、タブレット等々、既存の任意
の形態のもので良い、そしてユニ・ラテラルでもパイ・
ラテラルでも良い手動装置１１があり、これは操作者が
マニピュレータＩ６を意図するように動かすためである
。

手動装置１１が動かされると、これに対応した手動制御
データが手動制御データ生成装ご１２により生成される
。

このとき、当該手動装置とマニピュレータ１６との間に
所求の対応付けをなすには、当該手動制御データに一般
化座標という概念を導入すると便宜である。

例えば手動装置が既存のマスク・スレーブ・マニピュレ
ータ装置におけるマスク・マニピュレータであった場合
には、まず当該マスク・マニピュレータの関節角あるい
はｃＪＪｆｌ：Ｉ力に関し、必要な一般化座標を算出し
、これに基づいてスレーブ・マニピュレータとして構成
されているマニピュレータ１８の駆動のための必要なデ
ータ変換処理をなうことが最も合理的で簡単である。

ここにおいて一般化座標とは、通常の物理学系における
概念をここで問題にしたマスク・マニピュレータやスレ
ーブ・マニピュレータに援用した場合、当該マスク・マ
ニピュレータあるいはスレーブ・マニピュレータに対し
、既知の特定の関係にある空間内の点の運動を規定する
各物理量が張る空間を一般的に表現したものとなる。

具体的には位置、姿勢（回転）、速度、角速度、加速度
、角加速度、並行力、回転力（トルク）′：Ｊを有する
。ただし、常にこれらの物理量を全て含んでいる必要は
なく、要するもののみ、選択すれば良い。

例えば位置対称型のマスク・スレーブ・マニピュレータ
においては、それぞれマスク・マニピュレータ、スレー
ブ・マニピュレータが取付けられている台の一点を原点
とする直交座標系を想定し、マスク・マニピュレータ、
スレーブ・マニピュレータそれぞれの手先の位置や姿勢
、速度、角速度をもって一般化座標系とすれば良いし、
力逆送方式や力帰還方式のマスク・スレーブ・マニピュ
レータにおいては、位置、姿勢、速度、角速ビュレータ
における関節角の組そのものも、恒等変換により得られ
る一般化座標の一例である。

もちろん、用いる手動装置の形態ないし種類の如何によ
り、それぞれに適当なる対応関係の一般化座標群を得る
ことができる。換言すれば、マニピュレータ１６とは異
なる機構系であったり、位置、姿勢や可動範囲が異なる
手動装置ｌｌであっても、一般化座標を用いれば、それ
らの間の適当なる対応付けは所定の変換データに基き比
較的容易に行なうことができる。

一方、固定の、そしてあらかじめ定められているプログ
ラム１３は、プログラム解釈装置１４に入力され、ここ
でマニピュレータ１Ｂを制御するのに相応しいデータに
変換されて出力される。このプログラム制御データも、
上記同様、−膜化座標表現されることが望ましい。

こうした両データを制御方式重畳装置１５にて重畳すれ
ば、プログラムに従って動作しているマこピュレータ１
６の当該動作シーケンスに割込みを掛け１手動操作に対
応した強制動作をさせることができるようになり、ある
いは逆に、手動動作を主たる動作モードとする装置系に
おいて、プログラムにより支援をすることができるよう
になる。

本発明は、これまでプログラムによってのみ制御されて
いた産業用ロボットのマニピュレータ制御装置として手
動制御可能な制御装置とすることができるし、逆にこれ
まで追従型制御を基本としてきたマスク・スレーブ・マ
ニピュレータ装置にプログラム支援機能を付加する制御
装置とすることもできる。

第２図には、後者の場合で代表させて、より実際的に組
まれた本発明実施例が示されている。

この実施例では、本発明の思想に加えて、通常の追従型
制御モードに他の制御モードとしての比率型制御と増分
型制御の双方を重畳（ちょうじよう）し得る機走や、後
述する拘束動作機能をも含んでいる。

この実施例においては、本発明要旨構成中で言う手動装
置１１は、既存のマスク・スレーブ・マニピュレータ装
置１７におけるマスク・マニピュレ−タ１１となってい
る。

このマスク・マニピュレータ１１がリンク型のものであ
る場合、当該マスク・マニピュレータの状態を検出する
マスク・マニピュレータ状態検出装置１８は、各関節に
取り付けた公知既存の適当なる角度検出器等で構成する
ことができる。

このマスク・マニピュレータ状態検出装置１８からの出
力による各関節の角度情報からマスク・マニピュレータ
の手先の直交座標系における六つの自由度の値、すなわ
ちＸ　、Ｙ　、Ｚの各座標、及び各軸まわりの各回転角
Ａ、Ｂ、Ｃを算出するマスク・マニピュレーター膜化座
標生成装置１２−１は、第１図中の本発明で言う手動制
御データ生成装置１２の一部をなしており、これは通常
の計算器等で構成することができる。

一方、制御方式重畳装Ｎ１５を含むデータ加工部１９を
介して与えられる当該各時点での一般化座標ＪＴ　Ｘ、
Ｙ、Ｚ；Ａ、Ｂ、Ｃｉ、：関し、スレ、−ブ・マニピュ
レータ側では、スレーブ・マニピュレータ状ｊＥ逆変換
装置２０により、スレーブ・マニピュレータの手先が対
応する位置、姿勢になるようなスレーブ・マニピュレー
タの各関節角の値を算出する。

そうして得られた各関節角の値を目標値とし、公知既存
の技術により構成されたスレーブ・マニピュレータ駆動
装置２１は、スレーブ・マニピュレータ１６の各関節に
取り付けられた図示していない適当なアクチュエータ、
例えば電気モータを駆動、制御して、当該目標値を実現
せんとする。

制御用記号列入力装置２２は、木マスク・スレーブ・マ
ニピュレータ１７の起動や停止等の全体制御を始め、各
部分装置への指令を記号で入力する。

このような構成の下で、図示されたマスク・スレーブ・
マニピュレータ１７には、プログラム１３ヲ解釈し、制
御方式重畳装置１５を介して上記追従制御に重畳させる
に適当な形態のデータを生成するプログラム解釈装置１
４が付属している。

したがって、既に述べたように、このプログラム１３に
従ってスレーブ・マニピュレータ１６を動作させながら
、必要時には操作者の手動命令を強制付加できるし、逆
に追従制御を基本モードとしてスレーブ・マニピュレー
タ動作させているときにプログラムの支援を受けること
ができる。

装置１５は、当該比δ制御指令入力装置２３の各スイッ
チからの入力信号が続く間、対応する自由度の値を対応
する一定の速度で増加または減少さ小続ける。増減の速
度は当該比δ制御指令入力装置２３に備えたスイッチや
制御用記号列入力装置２２により、設定、変更すること
ができる。

同様にして、図示されたマスク・スレーブ・マの増減を
指示できるスイッチ群が備えられている。

この増分型制御指令入力装置２４に備えられている特定
のスイッチを一回、操作するたびに、制御方式重畳装置
１５ではこのスイ−７チに対応する自由度の値を対応す
る一定量だけ、増加または減少する。これにより、−膜
化座標の任意の自由度の値が当該スイッチ群の選択操作
によりそれぞれ対応する一定量だけ、増減し、スレーブ
・マニビュ様、当該増分型制御指令入力装置２４に備え
たスイッチや制御用記号列入力袋５１２２にて設定、変
更できる。

本実施例においては、スレーブ・マニピュレータ１６の
側からマスク・マニピュレータ１１を追従制御できるよ
うにもなっている。すなわち、スレーブ・マニピュレー
タの状態を検出するスレーブ・マニピュレータ状態検出
装置２５は、先のマスク・マニピュレータ用と同様、当
該スレーブ・マニピュレータ１６の各関節に取り付けた
公知既存の適当なる角度検出器等で構成することができ
、このスレーブ・マニピュレータ状態検出装置２５の出
力による各関節の角度情報からは、スレーブ・マニピュ
レータ１６の手先の直交座標系における六つの自由度の
値、すなわちＸ、Ｙ、Ｚの各座標、及び各軸まわりの各
回転角Ａ、Ｂ、Ｃがスレーブ・マニピュレーター・膜化
座標生成装置２６により算出される。

一方、データ加工部１９を介して与えられる当該各時点
での一般化座標群Ｘ、Ｙ、Ｚ；Ａ、Ｂ、Ｇに関し、マス
ク・マニピュレータ側では、マスク・マニピュレータ状
態逆変換装置２７により、マスク・マニピュレータ１１
の手先が対応する位置、姿勢になるようなマスク・マニ
ピュレータ１１の各関節角の値を算出する。

そうして得られた各関節角の値を目標値とし、公知既存
の技術により構成されたマスタ・マニピュレータ駆動装
置２８は、マスタ・マニピュレータ１１の各関節に取り
付けられた図示していない適当なアクチュエータ、例え
ば電気モータを駆動、制御して、当該目標値を実現せん
とする。

上記の一般化座標生成装置１’＃２Ｂにあっては、上記
穴つの自由度の値の算出に限らない外、場合によっても
っと少ない数の自由度に関しての演算を行なうようにな
っていても良いし、逆にトルク情報等も加えることがで
きる。

例えばスレーブ・マニピュレータがマスク・マニピュレ
ータの動きに追従せんとして発生したトルクを一般化座
標生成装置２Ｂによってトルク情報として算出し、これ
からマスク・マニピュレータ状態逆変換装置２７により
、マスク・マニピュレータの関節力を算出してこの力を
目標値とし、マスク・マニピュレータ駆動装置２８によ
って図示していない適当なアクチュエータを制御する等
が考えられる。また、特殊な場合には、関節力の伝達機
構にのみ、既述してきた構成部分を適用することも可能
ではある。

図示の場合にはさらに、操作者がマスク・マニピュレー
タ１１を操作しているか否かを検出するマスク・マニピ
ュレータ操作検出装置２８も設けられていて、その検出
信号はデータ加工部１８に入力されている。

これは、操作者がマスク・マニピュレータ１１から手を
離したとき以降、マスク・マニピュレータが外力によっ
て動かされないように、当該データ加工部１８から制動
信号を送ってマスク・マニピュレータに制動を掛けるた
めである。

しかるに、データ加工部ｌｓ内に設けられた変換データ
生成装置１２−２は、データ生成を指令されると（指令
部は図示していない）、その時点でのマスク・マニピュ
レータの一般化座標とスレーブ・マニピュレータの一般
化座標との間の所求の対応材はデータ（座標変換データ
）を生成する。

これを受けた座標系対応付は装置１２−３では、マスク
・マニピュレータの一般化座標をスレーブ・マニピュレ
ータのそれに変換すること、また望ましくはその逆も行
なう。

したがって、これら変換データ生成装置１２−２や座標
系対応付は装置　１２−３は、マスク・マニピュレータ
を一般化して各種任意の手動装置１１と見れば顕かなよ
うに、第１図中の手動制御データ生成装置ｌ１２の一部
をなす。

こうした場合、既述した各種制御方式の重畳はこの変換
データに関して行なわれる。ただし、制御方式の重畳は
マスク・マニピュレータ１１の一般化座標、スレーブ・
マニピュレータ１６の一般化座標のいづれにおいてなす
ものとしても良いし、比率制御指令入力装置２３、増分
型制御指令入力装置２４ヲマスク・マニピュレータ側用
、スレーブ・マニピュレータ側用に個々に用意しても良
い。

しかし一般には、これら指令装置２３　、２４は、マス
ク・マニピュレータ側用、スレーブ・マニピュレータ側
用のいづれか一方の側で用意されていれば十分である。

この実施例ではまた、拘束動作条件をも設定可能として
いる。

拘束動作とは、既述のように一般化座標表現されたスレ
ーブ・マニピュレータ１Ｂの動作に関し、指定された自
由度の値を所定の値に固定したり、他の自由度の値との
間に特定の関係を維持させたりすることを言う。

例えばスレーブ・マニピュレータの手先が三次元直交座
標系において一般化座標表現されているとき、Ｘ軸まわ
りの回転角だけを一定の値に固定したり、Ｘ座標とＹ座
標の値が一致するような関係の運動にのみ、限定したり
することである。

この第２図に示された実施例のマスク・スレーブ・マニ
ピュレータ装置１７では、必要とするそれぞれの拘束動
作を、拘束動作指令入力装置３２により、適当なる記号
列のデータで与えることができる。また、拘束動作選択
入力装置３３は、どの拘束動作を選ぶかを指令するもの
である。

このようにして与えられた拘束動作は、当該拘束動作指
令データとスレーブ・マニピュレータ１６から回路２５
　、２８を介して与えられる一般化座標との値に基づい
て拘束すべき座標値を生成し、これを制御方式重畳装置
１５に送ることにより実現される゛。

またこうした拘束動作は、スレーブ・マニピュレータＩ
８に代えて、あるいは加えて、マスク・マニピュレータ
状態逆変換装置２７とマスク・マニピュレータ駆動装置
２８を介することにより、マスク・マニピュレータ１１
に対しても与えることができる。なお、拘束動作指令入
力装置３２は、先に述べた制御用記号列入力装置２２で
兼用することも可能である。

上記各種制御方式゛の重畳は、例えばマスク・マニピュ
レータ１１の握り部分の適当な位置に設けた制御指令ス
イッチ群により、操作者の手元から指令するようにする
こともできる。このようにすればもちろん、作業性は極
めて高いものとなる。

以上、詳記したが、本発明の技術思想は、要旨構成中に
見られるように、そしてまた第１図及び第２図の実施例
中の構成に見られるように、プログラム制御モードと手
動制御モードとを重畳させ得るようにすることにあるか
ら、原則的には当該プログラム制御モードや手動モード
以外の制御方式の重畳や拘束動作には無関係で、それら
は決して限定的なものではない、ただし、第２図に示さ
れるようなマスク・スレーブ・マニピュレータ装置構成
は極めて望ましく、現在考え得る最も進んだタイプと言
って差支えないし、またもちろん、既述したように、本
発明はマスク・スレーブ・マニピュレータ装置に限らず
、プログラム制御により自律的動作をするのを原則とし
てきた各種産業ロボットに広く応用できることは顕かで
ある。

〈発明の効果） 本発明によれば、マニピュレータがプログラム制御によ
って自律的な動作実行中にある時においても、障害物に
衝突するのを回避する動作を手動装置を介して当該マニ
ピュレータに重畳させることができる。

例えばベルト・コンベアで運ばれてきた部品をパレット
に並べる作業をプログラムにより実行しているロボット
があった場合、当該ロボットのマニピュレータの軌道中
に人間が入り込んできてしまったようなときにも、本発
明を適用してあれば手動装置によりその人間を避ける動
作が可能となり、重大な事故は防ぐことができる。

あるいは災害現場にマスク・スレーブ・マニピュレータ
装置を持ち込み、投げ出された箱詰めのビンを一木一本
回収する作業をプログラム制御で実行している最中に、
そのスレーブ・マニピュレータの動作範囲に突発的に岩
等がころがってきたような場合には、マスク・マニピュ
レータを手動操作して一時的にスレーブ・マニピュレー
タの軌道を変えてその岩との衝突を避けてやること等も
できる。

そしてこれらの場合、障害物がマニピュレータの動作範
囲外に出た後には、通常のプログラム制御で作業を続行
することが可能となる。プログラムを作り直したり、作
業を始めからやり直す必要も特にはない。

さらに、プログラムによる自律的な動作実行中に手動装
置を止めることでその動作を中断させること等も可能と
なる０例えば、組立作業中にマニピュレータが把持した
部品を設置すべき目標位置がプログラムにより設定され
た位置と異なってしまったような場合、マスク・マニピ
ュレータの動きを止めることで当該自律的動作を一時的
に中断させることができる。

またプログラムされた作業を実行中にそのプログラムを
作成したときには考慮されていなかった新たな動作を手
動装置を介して教示し、その結果を修正されたプログラ
ムとして利用すること等もできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるマニピュレータ制御装置の基本的
な実施例の概略構成図、第２図は本発明をより具体的に
応用した実施例の概略構成図、である。 図中、１１はマスク・マニピュレータ等の手動装置、１
２は手動制御データ生成装置、１２−１は一般化座標生
成装置、１２−２は変換データ生成装置、１２−３は座
標系対応材は装置、１３はプログラム、１４はプログラ
ム制御データ生成装置、１５は制御方式重畳装置、ＩＢ
は本発明により制御されるマニピュレータ、１７はマス
ク・スレーブ・マニピュレータ装指令入力装置、３２は
拘束動作指令入力装置、３３ば拘束動作選択入力装置、
である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 マニピュレータを自律的に動かすプログラムを解釈し、
   該プログラムに対応したプログラム制御データを生成す
   るプログラム解釈装置と； 操作者が動かす手動装置の該動きに従って所定の関係で
   対応的にマニピュレータを動かすデータを生成する手動
   制御データ生成装置と； 上記プログラム制御データと上記手動制御データとを重
   畳する制御方式重畳装置と； を有して成るマニピュレータ制御装置。