(57)【要約】【課題】スレーブ側での高出力と、マスター側での力フィードバックの高感度とを両立する。【解決手段】ロボット制御システム１は、マスターアーム２０と、スレーブアーム３０と、マスターアーム２０及びスレーブアーム３０をバイラテラル制御により制御するマスター側コントローラ２８及びスレーブ側コントローラ３８とを備える。スレーブアーム３０は、少なくとも１つのアーム３２と、当該アーム３２を駆動するモータ３５と、アーム３２及びモータ３５を連結するとともに減速比を変更可能なＣＶＴ３７とを有する。スレーブ側コントローラ３８は、スレーブアーム３０が受ける負荷に応じてＣＶＴ３７の減速比を変化させる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マスター側のロボットアームと、スレーブ側のロボットアームと、前記マスター側のロボットアーム及び前記スレーブ側のロボットアームをバイラテラル制御により制御する制御手段と、を備えるマスタースレーブ方式のロボット制御システムであって、
前記スレーブ側のロボットアームは、少なくとも１つのアームと、当該アームを駆動するモータと、前記アーム及び前記モータを連結するとともに減速比を変更可能な変速手段とを有し、
前記制御手段は、前記スレーブ側のロボットアームが受ける負荷に応じて前記変速手段の減速比を変化させる、
ロボット制御システム。
【請求項２】
前記マスター側のロボットアームは、少なくとも１つのアームと、当該アームを駆動するモータと、当該モータの位置情報を検出するエンコーダとを有し、
前記制御手段は、前記エンコーダにより検出された前記マスター側のロボットアームにおける前記モータの位置情報に基づいて、前記スレーブ側のロボットアームが受ける負荷を推定する、
請求項１に記載のロボット制御システム。
【請求項３】
前記スレーブ側のロボットアームは、作業反力を検出する力センサを有し、
前記制御手段は、前記マスター側のロボットアームにおける前記モータの位置情報と、前記力センサにより検出された前記作業反力とに基づいて、前記スレーブ側のロボットアームが受ける負荷を推定する、
請求項２に記載のロボット制御システム。
【請求項４】
前記制御手段は、前記スレーブ側のロボットアームが受ける負荷が高いほど前記減速比が大きくなるように前記変速手段を制御する、
請求項１から請求項３の何れか一項に記載のロボット制御システム。
【請求項５】
前記変速手段は、前記減速比を無段階に変更可能なＣＶＴである、
請求項１から請求項４の何れか一項に記載のロボット制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボット制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、マスター側のロボットアーム（以下、「マスターアーム」という。）の動作に応じてスレーブ側のロボットアーム（以下、「スレーブアーム」という。）を動作させるマスタースレーブ方式のロボット制御システムが知られている。この種のロボット制御システムでは、高度な操作性を得る目的で、スレーブアームに掛かる力の情報を操作者にフィードバックさせるバイラテラル制御が行われる（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１８−８９７３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、スレーブアームの関節部に設けられる減速機（ギア）は、スレーブアームに大きな力を出力させるためには、高減速比に設定する必要がある。
しかしながら、ギアの減速比を単純に高く設定してしまうと、このギアでの大きな慣性力と摩擦力、さらにはバックラッシュ等の不感帯により、バックドライブトルクが過大となって、マスター側にフィードバックされる力を操作者が感じにくくなってしまう。
【０００５】
本発明は、スレーブ側での高出力と、マスター側での力フィードバックの高感度とを両立できるロボット制御システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、マスター側のロボットアームと、スレーブ側のロボットアームと、前記マスター側のロボットアーム及び前記スレーブ側のロボットアームをバイラテラル制御により制御する制御手段と、を備えるマスタースレーブ方式のロボット制御システムであって、
前記スレーブ側のロボットアームは、少なくとも１つのアームと、当該アームを駆動するモータと、前記アーム及び前記モータを連結するとともに減速比を変更可能な変速手段とを有し、
前記制御手段は、前記スレーブ側のロボットアームが受ける負荷に応じて前記変速手段の減速比を変化させる構成とした。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、スレーブ側での高出力と、マスター側での力フィードバックの高感度とを両立できるロボット制御システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態に係るロボット制御システムの外観図である。
【図２】図１のロボット制御システムの概略の制御ブロック図である。
【図３】図１のロボット制御システムにおける（ａ）マスターアームの関節部の構成を示す図であり、（ｂ）スレーブアームの関節部の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１０】
［ロボット制御システムの構成］
図１は、本実施形態に係るロボット制御システム１の外観図であり、図２は、ロボット制御システム１の概略の制御ブロック図である。
図１及び図２に示すように、ロボット制御システム１は、マスター側のロボットアーム（以下、単に「マスターアーム」という。）２０を有するマスターシステム２と、スレーブ側のロボットアーム（以下、単に「スレーブアーム」という。）３０を有するスレーブシステム３とを備えたマスタースレーブ方式の遠隔操作システムである。このロボット制御システム１では、操作者（人間）Ｈが手元のマスターアーム２０を操作することで、遠隔のスレーブアーム３０がその動きに追従して動作して、所定の作業が行われる。また、ロボット制御システム１では、スレーブアーム３０が動作したときの力の情報をマスターアーム２０（操作者）にフィードバックさせるバイラテラル制御が行われる。
【００１１】
マスターシステム２は、マスターアーム２０と、マスター側コントローラ２８とを備えている。
マスターアーム２０は、本実施形態では垂直多関節ロボットであり、スレーブアーム３０（の作業スペース）から離れた位置に配置されている。具体的に、マスターアーム２０は、ベース部２１と、複数のアーム２２（本実施形態では、ベース部２１側から順に第１アーム２２ａ〜第３アーム２２ｃ）と、操作部２３と、複数の関節部２４（本実施形態では、ベース部２１側から順に第１関節部２３ａ〜第４関節部２３ｄ）とを有している。
【００１２】
複数のアーム２２は、ベース部２１を基端部として、互いに直列に連結されている。
操作部２３は、操作者Ｈの操作を受ける部分であり、複数のアーム２２（第３アーム２２ｃ）の先端に連結されている。本実施形態では、操作部２３が、操作者Ｈの操作を受けて、マスター作業台２００上の組立部品２０１を組み立てる。
【００１３】
複数の関節部２４は、ベース部２１と、複数のアーム２２と、操作部２３とを、回動可能に連結している。各関節部２４には、当該関節部２４の先端側に連結されたアーム２２（又は操作部２３）を駆動するモータ２５と、このモータ２５の位置（速度）を検出してマスター側コントローラ２８に出力するエンコーダ２６とが設けられている（図３（ａ）参照）。
【００１４】
マスター側コントローラ２８は、マスターシステム２の各部を中央制御する。具体的に、マスター側コントローラ２８は、操作部２３に対する操作者Ｈの操作に基づいて各モータ２５を駆動したり、各エンコーダ２６が検出したモータ２５の位置情報をスレーブシステム３に出力したりする。
【００１５】
スレーブシステム３は、スレーブアーム３０と、スレーブ側コントローラ３８とを備えている。
スレーブアーム３０は、マスターアーム２０に対応した構造であってマスターアーム２０よりも大きなサイズに構成された垂直多関節ロボットである。具体的に、スレーブアーム３０は、ベース部３１と、複数のアーム３２（本実施形態では、ベース部３１側から第１アーム３２ａ〜第３アーム３２ｃ）と、エンドエフェクタ３３と、複数の関節部３４（本実施形態では、ベース部３１側から第１関節部３３ａ〜第４関節部３３ｄ）とを有している。なお、本発明に係るスレーブ側のロボットアームが有するアームは、複数のアーム３２と、エンドエフェクタ３３とを含む。
【００１６】
複数のアーム３２は、ベース部３１を基端部として、互いに直列に連結されている。
エンドエフェクタ３３は、マスターアーム２０における操作部２３に対応する部分であり、複数のアーム３２（第３アーム３２ｃ）の先端に連結されている。本実施形態では、エンドエフェクタ３３は、作業台３００上の組立部品３０１を組み立てる。
また、エンドエフェクタ３３には力センサ３３１が設けられている。力センサ３３１は、エンドエフェクタ３３が受けた力（又はトルク）を検出し、スレーブ側コントローラ３８に出力する。
【００１７】
複数の関節部３４は、ベース部３１と、複数のアーム３２と、エンドエフェクタ３３とを、回動可能に連結している。各関節部３４には、当該関節部３４の先端側に連結されたアーム３２（又はエンドエフェクタ３３）を駆動するモータ３５と、このモータ３５の位置（速度）を検出してスレーブ側コントローラ３８に出力するエンコーダ３６とが設けられている。
【００１８】
また、各関節部３４には、減速比を無段階（連続的）に変化させるＣＶＴ（Continuously Variable Transmission）３７が、モータ３５とアーム３２（又はエンドエフェクタ３３）との間に設けられている。
ＣＶＴ３７は、図３（ｂ）に示すように、モータ３５側とアーム３２側とに設けられた一対の可変径プーリー３７１と、この一対の可変径プーリー３７１に張架された２本のベルト３７２とを備えて構成されている。一対の可変径プーリー３７１のうち少なくともいずれか一方は、例えばモータ駆動により軸方向に移動可能となっており、この移動によってベルト３７２の掛かる可変径プーリー３７１の径が連続的に変化する。これにより、モータ３５とアーム３２（又はエンドエフェクタ３３）との間で伝達される回転の減速比が無段階に変化する。
なお、ＣＶＴ３７は、減速比を無段階に変更可能なものであればベルト式のものに限定されず、他の機械式の無段変速機構であってもよいし、流体式や電気式などの無段変速機構であってもよい。さらに言えば、モータ３５とアーム３２（又はエンドエフェクタ３３）とが、減速比を変更可能な変速手段を介して連結されていればよく、この変速手段として、ＣＶＴのような無段変速機でなく有段変速機を適用してもよい。
【００１９】
スレーブ側コントローラ３８は、図２に示すように、スレーブシステム３の各部を中央制御する。具体的に、スレーブ側コントローラ３８は、マスター側コントローラ２８からの指令に基づいて各モータ３５や各ＣＶＴ３７を駆動したり、各エンコーダ３６や力センサ３３１が検出した情報をマスター側コントローラ２８に出力したりする。
【００２０】
［ロボット制御システムの動作］
ロボット制御システム１では、操作者Ｈが先端の操作部２３を操作することでマスターアーム２０が動作すると、マスターアーム２０の各モータ２５の位置（速度）情報が各エンコーダ２６により検出されてマスター側コントローラ２８に出力される。
マスター側コントローラ２８は、取得した各モータ２５の位置情報に基づいて各モータ２５の出力（力）を算出するとともに、取得した各モータ２５の位置と力の情報をスレーブ側コントローラ３８に出力する。
【００２１】
スレーブ側コントローラ３８は、マスター側コントローラ２８から出力されたマスターアーム２０の各モータ２５の位置と力の情報に基づいて、対応するスレーブアーム３０の各モータ３５の駆動を制御する。すると、スレーブアーム３０先端のエンドエフェクタ３３が、組立部品３０１に対し、マスターアーム２０の操作部２３がしたものと対応した作業を行う。
また、スレーブ側コントローラ３８は、スレーブアーム３０の各モータ３５の位置情報を各エンコーダ３６から取得し、これに基づいて各モータ３５の出力（力）を算出する。そして、スレーブ側コントローラ３８は、算出した各モータ３５の力の情報や、エンドエフェクタ３３の力センサ３３１から取得した作業反力の情報をマスター側コントローラ２８にフィードバックする。マスター側コントローラ２８は、スレーブ側コントローラ３８から出力された各モータ３５の力の情報や作業反力の情報に基づいてマスターアーム２０の各モータ２５の駆動を制御する。これにより、操作部２３を操作する操作者Ｈは、スレーブアーム３０のエンドエフェクタ３３に作用した力を知覚することができる。
【００２２】
ここで、スレーブ側コントローラ３８がスレーブアーム３０の動作を制御する際には、スレーブ側コントローラ３８は、スレーブアーム３０が受ける負荷に応じて、各関節部３４のＣＶＴ３７の減速比を動的に変化させる。具体的に、スレーブ側コントローラ３８は、マスターアーム２０の各モータ２５の位置（速度）情報に基づいて、スレーブアーム３０の負荷を推定する。そして、スレーブ側コントローラ３８は、スレーブアーム３０の負荷が高いほど減速比が大きくなるように、各ＣＶＴ３７の減速比を変化させる。
【００２３】
このように、スレーブアーム３０の高負荷時には、各ＣＶＴ３７の減速比を上げることにより、高出力を得られやすくしてスレーブアーム３０を早く強い力で動作させることができる。このときには、各ＣＶＴ３７での高減速比による大きな慣性力と摩擦力等のために、操作者Ｈがスレーブアーム３０での作業反力を感じにくくなるものの、スレーブアーム３０を強い力で動かす際には、そもそもスレーブアーム３０での力加減を高感度に伝える必要性が低い。
一方、スレーブアーム３０の低負荷時には、各ＣＶＴ３７の減速比を下げることにより、各ＣＶＴ３７での慣性力や摩擦力等を小さくして、マスター側に伝達されるスレーブアーム３０での力の感度を上げることができる。これにより、例えばスレーブアーム３０をゆっくり動かして繊細な作業をさせる場合などには、スレーブアーム３０での微妙な力加減を操作者Ｈに感度良く伝えることができる。
【００２４】
なお、スレーブアーム３０の負荷を推定する際には、マスターアーム２０の各モータ２５の位置（速度）情報に加え、力センサ３３１により計測したエンドエフェクタ３３での作業反力を補助的に用いてもよい。
エンドエフェクタ３３の力センサ３３１を用いると作業反力を直接計測できるが、構造上の制約を受けて制御の応答を低くせざるを得ない場合がある。一方、各エンコーダ２６を用いて各軸で推定した反力をフィードバックした場合には、各軸の制御が不安定になりにくく、高応答な制御が望める。ただし、手先の作業反力を算出しようとした場合に、ロボットの姿勢変化などによる慣性の変化によって、推定した力に誤差が生じることがある。
これらのことから、エンドエフェクタ３３の力センサ３３１による計測値を補助的に限定して使うことで、制御の応答を低くせずに作業反力を高精度に得ることができる。
また、エンドエフェクタ３３での作業反力は、スレーブアーム３０の各エンコーダ３６から検出した各モータ３５の位置情報を用いて推定してもよい。
【００２５】
［本実施形態の技術的効果］
以上のように、本実施形態のロボット制御システム１によれば、スレーブアーム３０が、アーム３２とモータ３５とを連結するとともに減速比を変更可能なＣＶＴ３７を有しており、スレーブアーム３０が受ける負荷に応じてＣＶＴ３７の減速比が調整される。
これにより、スレーブアーム３０の高負荷時には、ＣＶＴ３７の減速比を上げることで、スレーブアーム３０において高出力を得られやすくすることができる。一方、スレーブアーム３０の低負荷時には、ＣＶＴ３７の減速比を下げることで、当該ＣＶＴ３７での慣性力や摩擦力等を小さくして、マスター側に伝達されるスレーブアーム３０での力の感度を上げることができる。
したがって、スレーブ側での高出力と、マスター側での力フィードバックの高感度とを両立することができる。
【００２６】
また、エンコーダ２６により検出されたマスターアーム２０でのモータ２５の位置情報を用いることにより、スレーブアーム３０が受ける負荷を好適に推定することができる。
さらに、マスターアーム２０でのモータ２５の位置情報に加えて、スレーブアーム３０の力センサ３３１により検出された作業反力を用いることにより、スレーブアーム３０が受ける負荷をより好適に推定することができる。
【００２７】
また、スレーブアーム３０においてアーム３２とモータ３５とを連結する変速手段として、減速比を無段階に変更可能なＣＶＴ３７が用いられているので、スレーブ側での出力とマスター側での力フィードバックの感度とを無段階に調整することができる。
【００２８】
［その他］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限られない。
例えば、上記実施形態では、マスター側コントローラ２８がマスターシステム２（マスターアーム２０）を制御し、スレーブ側コントローラ３８がスレーブシステム３（スレーブアーム３０）を制御することとした。しかし、マスター側コントローラ２８とスレーブ側コントローラ３８との制御内容の分担の仕方は、特に限定されない。
また、ロボット制御システム１全体が単一の制御手段により制御されることとしてもよい。
【００２９】
また、マスターアーム２０及びスレーブアーム３０は、互いに対応した構造を備えていれば、例えばアームの数量などの具体構造は特に限定されない。さらに言えば、マスターアーム２０及びスレーブアーム３０は、垂直多関節ロボットに限定されず、水平多関節ロボットであってもよいし、他の産業用ロボットであってもよい。
【符号の説明】
【００３０】
１      ロボット制御システム
２０    マスターアーム
２２    アーム
２３    操作部
２４    関節部
２５    モータ
２６    エンコーダ
２８    マスター側コントローラ
３０    スレーブアーム
３２    アーム
３３    エンドエフェクタ
３４    関節部
３５    モータ
３６    エンコーダ
３７    ＣＶＴ
３８    スレーブ側コントローラ
３３１  力センサ
３７１  可変径プーリー
３７２  ベルト
Ｈ      操作者
【図１】
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【図２】
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【図３】
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