(57)【要約】【課題】人間と協調して作業を行うロボットの制御方法で人間の筋への過剰な負荷を回避することができるようにする。【解決手段】人間側に人間への負荷を計測するセンサを配置し、前記センサの情報により前記ロボットを制御することを特徴とするロボットの制御方法を提供する。  【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
人間と協調して作業を行うロボットの制御方法において、
人間側に人間への負荷を計測するセンサを配置し、前記センサの情報により前記ロボットを制御することを特徴とするロボットの制御方法。
【請求項２】
前記センサは人間肢体関節部に装着するウエアラブルユニットに組み込まれた加速度センサであり、
肢体の関節の遠位側加速度を検出するステップと、
近位側加速度を検出するステップと、
前記加速度情報から前記肢体関節角度情報を演算するステップと、
前記肢体関節角度情報をロボットへ伝送するステップを備えることを特徴とする請求項１記載のロボットの制御方法。
【請求項３】
前記肢体関節角度情報に応じてロボットの動作速度を制御することを特徴とする請求項２記載のロボットの制御方法。
【請求項４】
前記ロボットの動作速度（ｖ）を、式
ｖ＝（ｈ２−ｈ１）（ｖ２−ｖ１）／（ｈ−ｈ１）＋ｖ１
ここで  ｈ１は最小高さ、ｈ２は最大高さ、ｖ１はｈ１に対応した速度、ｖ２はｈ２に対応した速度、ｈは動作時の高さ
に応じて決定することを特徴とする請求項３記載のロボット制御方法。
【請求項５】
前記ロボットの動作速度は、前記肢体関節角度情報に対応してメモリに格納されていることを特徴とする請求項３記載のロボット制御方法。
【請求項６】
前記肢体関節角度情報は無線でロボットへ伝送されることを特徴とする請求項２または３記載のロボットの制御方法。
【請求項７】
人間と協調して作業を行うロボットであり、人間側に配置され人間の負荷を計測するセンサ手段と、前記センサ手段の情報により前記ロボットの動作速度を制御する制御手段とで構成されることを特徴とするロボット。
【請求項８】
前記肢体の関節角速度が所定値よりも小さい場合は、前記肢体の関節角速度に応じて、ロボットの動作速度を決定し、大きい場合は、前記肢体の関節角度情報に応じてロボットの動作速度を制御することを特徴とする請求項２または３のいずれかに記載のロボット制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はロボットの制御方法に関し、特に、人間の肢体関節角度情報などを利用して、人間と協調して作業を行うことができるロボットの制御方法に関する。  
【背景技術】
【０００２】
従来の人間と強調して作業を行うことのできるロボットの制御方法は、特許文献１がある。従来技術を図を用いて説明する。
図５は従来の人間と協調して作業を行うことのできるロボットの構成図である。図５において、１はロボットアーム、２はハンド、３は操作者、４は物体、５は力覚センサである。図６は物体協調運搬ロボットの制御において用いる力覚センサの検出出力成分を説明した図である。図６において、ロボットアーム１とその先端のハンド２との間に力覚センサ５を設け、この力覚センサ５により、物体４におけるロボット側の物体支持点Ｐにおいて操作者側Ｑから物体４を介してロボットアーム１側に加えられる力を検出し、得られたセンサ信号を、水平前後方向（ＰＱ方向）の並進力成分Ｆｘ、鉛直方向（ＰＲ方向）の並進力成分Ｆｚ、及び点Ｐ周りにおける水平軸周りの回転力成分τに分解する。また、ロボットアームの各関節には、それぞれの関節を駆動する関節アクチュエータを設けると共に、その関節角度を検出する角度センサを設け、それらのセンサ信号に基づいて物体の傾き角θを検出する。そして、水平前後方向の並進力成分Ｆｘと回転力成分τについては、ロボットがそれぞれの方向に抵抗なく運動するように、物体４の点Ｐでの水平方向の速度、手先の回転速度が決定される。また、物体４の傾き角θに比例して、物体を水平にするための点Ｐでの鉛直方向の速度が決定される。そのためには、力覚センサ５のセンサ信号における水平軸周りの回転力成分τ及び水平前後方向の並進力成分Ｆｘに基づき、水平軸周りの回転運動成分及び水平前後方向の並進運動成分を、ロボットの抵抗力が小さくなるようにゲインを設定して出力させることにより、ロボットアームを駆動し、一方、手先の角度センサのセンサ信号で検出した手先角度（物体４の傾き角θ）については、それに比例する鉛直方向の並進運動の運動指令を出力させ、物体が水平を維持するようにロボットアームの手先を昇降駆動する。このように、ロボットが物体を支持する点（図６上の点Ｐ）の周りでは、物体を自由に回転することができ、物体にトルクを加えることがないため、人間とロボットの鉛直方向の力は長尺物の質量配分に従ってほぼ半分ずつとなる。さらに、人間が物体に水平方向の力を加えると、ロボットはそれにならって抵抗なく水平に移動する。また、人間が物体を持ち上げて物体が傾くと、傾き角を零とするようにロボット手先に鉛直方向上向きの速度が発生するため、物体は水平を保ったまま上昇することになる。人間が把持している物体を降ろす場合も同様である。図７は従来の物体協調運搬ロボットの制御系の構成図である。図７において、座標変換部（ａ）で、水平前後方向の並進力成分Ｆｘ及び鉛直方向の並進力成分Ｆｚ、並びに水平軸周りの回転力成分τが分離される。一方、ロボットアームの各関節の角度センサにおいては、物体４の傾き角θが計測される。そして、力−運動変換部において、上記水平前後方向の並進力成分Ｆｘに基づき、図６の点ＰにおけるＰＱ方向の並進運動成分（速度・加速度）が決定され、また、水平軸周りの回転力成分τに基づき、点Ｐまわりの回転運動成分（角速度・角加速度）が決定される。これらは、回転及び並進方向のロボットの抵抗力が小さくなるゲインの設定により決定される。
このように、従来技術は、力覚センサ信号に基づいて、水平軸周りの回転力成分τ及び水平前後方向の並進力成分Ｆｘによる運動成分は、ロボットの抵抗力が小さくなるようにゲインを設定して出力させ、角度センサで検出した手先の角度θに基づいて、物体４が水平を維持するように手先の鉛直方向の並進運動の運動指令を出力させるものであった。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−３４３４７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら人間は、姿勢によって、筋が伸張した状態から動作を開始する場合（立ち上がる場合など）がある。このとき筋出力が発揮しにくい状況にあるにも関わらず、従来の構成では人間自身が無理な動作を行っても、過剰な負荷を回避することができなかった。  
そこで本発明では、人間の筋への過剰な負荷を回避することができ、安全性が向上したロボットの制御方法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】
【０００５】
請求項１記載の本発明は、人間と協調して作業を行うロボットの制御方法において、人間側に人間への負荷を計測するセンサを配置し、センサの情報によりロボットを制御するようにしたものである。
請求項２記載の本発明は、請求項１記載のロボットの制御方法において、センサは人間肢体関節部に装着するウエアラブルユニットに組み込まれた加速度センサであり、肢体の関節の遠位側加速度を検出するステップと、近位側加速度を検出するステップと、加速度情報から肢体の関節角度情報を演算するステップと、肢体関節角度情報をロボットへ伝送するステップを備えるようにしたものである。
請求項３記載の本発明は、請求項２記載のロボットの制御方法において、肢体関節角度情報に応じてロボットの動作速度を制御するようにしたものである。
請求項４記載の本発明は、請求項３記載のロボットの制御方法において、ロボットの動作速度（ｖ）を、式
ｖ＝（ｈ２−ｈ１）（ｖ２−ｖ１）／（ｈ−ｈ１）＋ｖ１
に応じて決定するようにしたものである。ここでｈ１は最小高さ、ｈ２は最大高さ、ｖ１はｈ１に対応した速度、ｖ２はｈ２に対応した速度、ｈは動作時の高さである。  
請求項５記載の本発明は、請求項３記載のロボットの制御方法において、ロボットの動作速度は、肢体関節角度情報に対応してメモリに格納されるようにしたものである。
請求項６記載の本発明は、請求項２または３記載のロボットの制御方法において、肢体関節角度情報は無線でロボットへ伝送されるようにしたものである。
請求項７記載の本発明は、人間と協調して作業を行うロボットであり、人間側に配置され人間の負荷を計測するセンサ手段と、前記センサ手段の情報により前記ロボットの動作速度を制御する制御手段とで構成されるようにしたものである。
請求項８記載の本発明は、請求項２または３のいずれかに記載のロボット制御方法において、前記肢体の関節角速度が所定値よりも小さい場合は、前記肢体の関節角速度に応じて、ロボットの動作速度を決定し、大きい場合は、前記肢体の関節角度情報に応じてロボットの動作速度を制御するようにしたものである。
【発明の効果】
【０００６】
請求項１記載の本発明によると、人間への負荷の状態を直接監視できるため、人間に過剰な負荷を与えることなく物体を把持して運搬することができる。
請求項２記載の本発明によると、人間の肢体の関節角度を直接監視できるため、人間の筋に過剰な負荷を与えることなく、物体を把持して運搬することができる。
請求項３記載の本発明によると、人間の筋の動特性に準じたアシストが可能であるため、人間の筋に過剰な負荷を与えることなく、物体を把持して運搬することができる。
請求項４、５記載の本発明によると、人間の筋に最もあった動作を可能とし、過剰な負荷を与えることなく、物体を把持して運搬することができる。
請求項６記載の本発明によると、センサ情報をセンサとロボット間のケーブルをなくすことができるため、操作性の向上が図れる。
請求項７記載の本発明によると、人間の筋に最もあった動作を可能とするロボットを提供することができる。
請求項８の本発明によると、人間の随意的な筋収縮の開始及び停止に応じてロボットが動作するため安全性の向上が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【０００８】
図１は、本発明の生体情報監視型ロボットおよびその概要図である。人間１１９はウェアラブルユニット１０１を装着し、自身の肢体の姿勢情報を、時々刻々生体情報監視ロボット１０２に送信する。図１に示した本発明の構成は、人間１１９がしゃがんだ状態から生体情報監視型ロボット１０２と協調して一つの長尺物１２０を持ち上げる動作の場合を示している。この場合、人間１１９がしゃがんだ状態では膝の伸展筋である大腿四頭筋（大腿の前面筋）が伸張している。ウェアラブルユニット１０１は、本発明にとって特徴的なものではなく、公知の生体情報監視システムで用いられているものと同等である。図２は本発明のシステムにおけるブロック図であり、図１と同じものは同じ符号を付してある。ウエアラブルユニット１０１は、肢体の近位側の姿勢を検知する近位側加速度センサ１０４、肢体の遠位側の姿勢を検知する遠位側加速度センサ１０６、各センサ情報のＡ／Ｄ変換を行うＣＰＵ１１３、ＣＰＵ１１３からの出力を生体情報監視ロボット１０２に送信する送信機１１４、および各要素部品に電力を供給するバッテリ１１５から構成される。また、生体情報監視ロボット１０２は、従来のロボット１１１と同様に、人間１１９と協調作業を行うロボットアーム１０８、ロボットアーム１０８を駆動するための制御部であるドライバ１０９を備える。ドライバ１０９はＩ／Ｏ１１０を備え、外部装置に対し入出力を行う。本発明の場合、Ｉ／Ｏ１１０と、ウェアラブルユニット１０１からのセンサ情報を取得するための受信機１１２を備えている。
【０００９】
本発明では、人間が肢体の関節の近位側と遠位側に肢体の姿勢を検知するセンサを装着し、（無線にて）センサ情報をロボットに伝送する。ロボットは人間の肢体の関節角度に応じて手先の動作速度を設定する。図４に示すように、一般に筋は負荷がかかり伸張した状態であるほど、短縮速度が小さくなる。この筋の動特性は、筋のＨｉｌｌタイプモデル１０３として知られている。速度の上限・下限は一定値ではなく、作業や適用部位に応じて適宜調整されるものである。また、肢体の角度と動作速度の関係はグラフ１０３のような直線関係に限定されず、反比例や指数関数的な曲線状のものとしてもよい。本発明は、この筋の動特性に準じロボットを動作させる。すなわち、近位側加速度センサ１０４および遠位側加速度センサ１０６により人の膝角度θｋ（膝角度θｋの定義：最大伸展時を０°とし、屈曲に伴い増加）を監視し、立ち上がりに伴い、膝が伸展する度合いに応じて持ち上げる速度を上昇させる（式（１））。
Ｚｒｅｆ＝Ｚｃｕｒ＋（（ｖ１−ｖ２）（θｋ−θｍ）／θｍ＋ｖ１）Δｔ・・（１）
ここで、Ｚｒｅｆは絶対座標系で鉛直方向における、次の制御周期での目標位置、Ｚｃｕｒは現在の制御周期での位置、ｖ１は最小速度、ｖ２は最大速度、θｍは最大膝角度、Δｔは制御周期を表す。
なお、膝角度の計測装置は、上記の例では加速度センサを用いたが、これは振り子が内蔵されており、傾斜センサとして作用するものである。振り子を用いているため、鉛直方向に対する絶対角度が計測できる。したがって、図４に示すように、大腿の傾斜角θ１および下腿の傾斜角θ２がセンサ出力として得られ、膝角度θｋはθ１＋θ２となる。傾斜センサとして、別にジャイロセンサなどを用いて、近位側の肢体姿勢と遠位側の肢体姿勢の相対角度θｋを求めてもよい。その場合、近位側センサの出力（速度）をｖα近位側センサの出力（速度）をｖβ、制御周期をΔｔとすると、相対角度θｋは（ｖα−ｖβ）Δｔとなる。ただし肢体関節の屈曲・伸展を計測するには、個々のセンサが２軸以上の姿勢センサであることが望ましいが、いわゆるゴニオメータでも構わない。また、膝関節近傍に測距センサを一つ装着し、地面から膝関節までの距離ｈを測定し、上昇速度ｖと対応させてもよい。（式（２））
ｖ＝（ｈ２−ｈ１）（ｖ２−ｖ１）／（ｈ−ｈ１）＋ｖ１          ・・・（２）                  
ここで、ｈ２は最大高さ、ｈ１は最小高さである。測距センサの例としては、磁気センサや超音波センサなどが挙げられる。各センサ１０４、１０６はアンプ内蔵型とすれば小型・軽量化を図ることができ、肢体への装着性を向上できる。各センサ１０４、１０６は、立ち上がりなど１Ｈｚ程度の動作を検知する必要があるため、ＣＰＵ１１３は１０ビット程度のＡ／Ｄ分解能を有することが望ましい。各センサ１０４、１０６のセンサ情報は、有線または無線にて生体情報監視ロボット１０２に伝送されるが、伝送方式は、時間分解能１０ｍｓ程度、伝送距離は３ｍ程度とすることが望ましい。有線にて構成した場合、応答性や信頼性の面で無線よりも優れている。また、無線にて構成した場合、人間１１９とロボット１０２とが離れて作業しても邪魔にならず操作性を高めることができる。無線の場合、送信モジュールの小型・軽量化を図るため、送信機１１４はアンテナ基板もしくはチップアンテナで構成された方が望ましい。各センサ１０４、１０６およびＣＰＵ１１３、送信機１１４の消費電圧は３Ｖ程度、消費電流５ｍＡ程度とすることが可能であり、バッテリ１１５は、携帯電話用のリチウムイオン式２次電池（約７５０ｍＡｈ）を用いてもよいが、カメラ用の二酸化マンガンリチウム電池（１４００ｍＡｈ）を用いてもよい。このような構成にすれば、ウェアラブルユニット１０１の構成部品を全て一体化しても肢体に装着することが可能であるが、センサ部とセンサ部以外（テレメータ）を分離してもよい。通常陸上競技などの運動計測などで用いられるテレメータは、数１００ｍ以上の伝送距離を有し、重量も２００ｇ程度となるため、センサと一体化して肢体に装着することは困難であるが、テレメータ部を腰や背中に装着する例は公知のとおりである。ウェアラブルユニット１０１の肢体への装着は、図３ではサポータ式とし、センサなどをケーシングしたものをマジックテープ（登録商標）で固定しているため、多数回使用して固定性が低下した場合に交換できる。個々のケースをマジックテープ（登録商標）（登録商標）付きのベルトで肢体に固定してもよい。
上記の例ではしゃがんだ姿勢を挙げたが、対象とする動作はこれに限定されず、人間とロボットが同時に何かを押したり引いたりする場合などにも適用できる。また、対象とする部位も腕・脚・首・腰など限定されず、複数の部位の姿勢や位置を同時に計測し動作に反映させてもよい。すなわち、本発明により、人間の任意の筋への過剰な負荷を回避することができる。
なお、上記のロボットの制御方法の場合、人間の肢体の角度のみに対応しているため、たとえば、人間が一定の姿勢を保っている場合でも、ロボットは所定の速度で動作することとなり、危険である。そこで、人間の随意的な筋収縮の開始および停止に応じてロボットを動作させるために、図８に示すように、肢体の角速度ｄθk／ｄｔが所定の値ｄθm／ｄｔよりも小さい場合には、肢体の角度ではなく、角速度に基づいてロボットを制御する。すなわち、上昇速度がｖ１になるまでは、肢体の角速度ｄθk／ｄｔの増大に応じて上昇速度を増大させる。上昇速度を増大させる方法は、図８に示したような直線状でもよいし、階段状あるいは曲線的でもよく限定されない。このように、人間の随意的な筋収縮の開始および停止に応じてロボットが動作するため、安全性の向上が図れる。
【産業上の利用可能性】
【００１０】
本発明のロボットの制御方法は、人間と協調して作業を行うロボットの制御方法に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施例における生体情報監視ロボットとその概要図
【図２】本発明のブロック図
【図３】本発明の装着状態を示す図
【図４】本発明の制御則を示す図
【図５】従来技術の構成図
【図６】従来技術の検出出力成分を説明する図
【図７】従来技術の制御構成図
【図８】本発明の制御則を示す図
【符号の説明】
【００１２】
１０１ ウェアラブルユニット（送信部）
１０２ 生体情報監視ロボット（受信部）
１０３ 筋のＨｉｌｌタイプモデル
１０４ 近位側加速度センサ
１０５ 無線ユニット（送信側）
１０６ 遠位側加速度センサ
１０７ 無線ユニット（受信側）
１０８ ロボットアーム
１０９ ドライバ
１１０ Ｉ／Ｏ
１１１ 従来のロボット
１１２ 受信機
１１３ Ａ／Ｄ変換機能付きＣＰＵ
１１４ 送信機
１１５ バッテリ
１１６ サポータ
１１７ マジックテープ（登録商標）
１１８ センサへのパワー線と信号線
１１９ 人間
１２０ 長尺物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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