(57)【要約】  本発明は、ロボットが対象物に関して実行すべき作業の範囲内で、当該対象物に作用力（ＦＰ）を加えるロボットシステム、装置、および方法に関し、このロボットシステムは、作業の高感度な制御を可能にするために、ユーザが入力した入力（ＦＥＩＮ）を同時にフィードバック制御して増幅できるようにする。【選択図】図３Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の作業に関して対象物に作用力（ＦＰ）を加えることによって前記対象物と相互作用する多軸マニピュレータ（１）を備えたロボットシステムに関し、前記マニピュレータ（１）は前記対象物と接触すると、
・  ユーザの接触によって前記マニピュレータ（１）に直接に行使される入力（ＦＥＩＮ）を検出し、
・  前記入力（ＦＥＩＮ）を、所定の変換係数に応じて、前記作業に関連する所望の作用力（ＦＰ）の値に増幅し、
・  前記マニピュレータ（１）が前記対象物と接触したときに発生する反力（ＦＧＲ）を検出し、
・  前記反力（ＦＧＲ）を所定の変換係数に応じて前記ユーザに伝達する
ように設けられている
ことを特徴とするロボットシステム。
【請求項２】
前記マニピュレータ（１）は、前記作業の実行中に、増幅のために前記変換係数を前記作用力（ＦＰ）の値に変更するように、さらに設けられる
ことを特徴とする、請求項１に記載のロボットシステム。
【請求項３】
前記反力（ＦＧＢ）のための変換係数は、前記作用力（ＦＰ）のための変換係数の逆数に相当する
ことを特徴とする、請求項１または２に記載のロボットシステム。
【請求項４】
前記マニピュレータ（１）は、少なくとも一つの、前記ユーザによる前記入力（ＦＥＩＮ）を検出する手段（４）を備える
ことを特徴とする、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のロボットシステム。
【請求項５】
前記マニピュレータ（１）は、少なくとも一つの、前記反力（ＦＧＢ）を前記ユーザに伝達する手段（４）を備える
ことを特徴とする、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のロボットシステム。
【請求項６】
前記手段（４）は、前記マニピュレータ（１）のエンドエフェクタ（２）に配置される
ことを特徴とする、請求項４または５に記載のロボットシステム。
【請求項７】
前記ロボットシステムは、コンプライアンス制御、好ましくは、インピーダンス制御、アドミタンス制御、および／またはトルク制御される
ことを特徴とする、請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のロボットシステム。
【請求項８】
対象物に作用力（ＦＰ）を加える装置であって、
・  前記対象物に関する入力（ＦＥＩＮ）を特定するように設けられて、前記入力（ＦＥＩＮ）を検出する少なくとも一つの手段を備える、少なくとも一つの入力装置（４，５，６，８）と、
・  前記対象物に接触すると前記対象物に作用力（ＦＰ）を加え、加力中に、所定の変換係数に応じて、前記入力（ＦＥＩＮ）を前記作用力（ＦＰ）の値に増幅するように設けられたマニピュレータ（１）を有するロボットシステムと、を備え、
前記マニピュレータ（１）は、さらに、自らが前記対象物に接触したときに発生する反力（ＦＧＲ）を検出するように構成され、
前記入力装置（４，５，６，８）は、前記反力（ＦＧＲ）を所定の変換係数に応じて、再現するように構成される
ことを特徴とする装置。
【請求項９】
前記入力装置は、前記マニピュレータ（１）に接触したときに前記入力（ＦＥＩＮ）を特定するために、前記マニピュレータ（１）からは切り離して形成される
ことを特徴とする、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記入力装置（４，５，６，８）は、前記マニピュレータ（１）に配置されている
ことを特徴とする、請求項８に記載の装置。
【請求項１１】
前記入力装置（６）は、別のロボットシステムのマニピュレータ（１１）によって操作されるように設けられる
ことを特徴とする、請求項９または１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記入力装置は、ユーザが持ち運べるか、および／または、操作できる構造体（５，６，８）である
ことを特徴とする、請求項９または１０に記載の装置。
【請求項１３】
前記構造体（５，６）は、前記マニピュレータ（１）のエンドエフェクタ（２）と協業するように、高剛性に形成されて設けられている
ことを特徴とする、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記入力装置は、前記マニピュレータ（１）に接触すると、前記マニピュレータ（１）の動作を設定するように、さらに設けられている
ことを特徴とする、請求項８乃至請求項１３のいずれかに記載の装置。
【請求項１５】
前記ロボットシステムは、コンプライアンス制御、好ましくは、インピーダンス制御、アドミタンス制御、および／またはトルク制御される
ことを特徴とする、請求項８乃至請求項１４のいずれかに記載の装置。
【請求項１６】
加工物を処理する装置の使用であって、前記装置は、
請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のロボットシステムまたは請求項８乃至請求項１５のいずれかに記載の装置を備え、
前記対象物は加工物であり、前記マニピュレータ（１）はエンドエフェクタ（２）を用いて前記加工物を加工するように設けられている
ことを特徴とする装置の使用。
【請求項１７】
物体を持ち上げたりガイドしたり把握したりする装置の使用であって、前記装置は、
請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のロボットシステムまたは請求項８乃至請求項１５のいずれかに記載の装置を備え、
前記対象物は物体であり、前記マニピュレータ（１）はエンドエフェクタ（２）を用いて前記物体を持ち上げたりガイドしたり把握したりするように設けられている
ことを特徴とする装置の使用。
【請求項１８】
人を扱う装置の使用であって、前記装置は、
請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のロボットシステムまたは請求項８乃至請求項１５のいずれかに記載の装置を備え、
前記対象物は人であり、前記マニピュレータ（１）はエンドエフェクタ（２）を用いて前記人の各部位を処置するように設けられている
ことを特徴とする装置の使用。
【請求項１９】
ティーチインを行う装置の使用であって、前記装置は、
請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のロボットシステムまたは請求項８乃至請求項１５のいずれかに記載の装置を備え、
前記マニピュレータ（１）が行使する作業の動作順番および力の方向に関して、前記ロボットシステムのマニピュレータ（１）にティーチインを行うために使用される
ことを特徴とする装置の使用。
【請求項２０】
ユーザ用の車椅子であって、
請求項１乃至請求項７に記載のロボットシステムのうち少なくとも一つまたは請求項８乃至請求項１５に記載の装置のうち少なくとも一つを備える
ことを特徴とする車椅子。
【請求項２１】
ロボットのマニピュレータ（１）が対象物に関して実行すべき作業の範囲内で、前記マニピュレータ（１）が前記対象物に作用力（ＦＰ）を加える方法であって、前記方法は、
・  前記対象物に関するユーザからの入力（ＦＥＩＮ）を特定することと、
・  前記入力（ＦＥＩＮ）を所定の変換係数に従って前記マニピュレータ（１）による作用力（ＦＰ）の値に増幅することと、
・  前記作用力（ＦＰ）を前記マニピュレータ（１）によって前記対象物に加えることと、
・  前記マニピュレータ（１）が前記対象物に接触したときに発生する反力（ＦＧＲ）を検出することと、
前記反力（ＦＧＲ）を前記ユーザに伝達することと、を含む
ことを特徴とする方法。
【請求項２２】
前記反力（ＦＧＢ）の伝達は、前記作用力（ＦＰ）に関する前記所定の変換係数の逆数に相当する所定の変換係数に従って行われる
ことを特徴とする、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記ユーザからの入力（ＦＥＩＮ）は、接触を介して直接に前記マニピュレータ（１）に入力される
ことを特徴とする、請求項２１または２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記ユーザからの入力（ＦＥＩＮ）は、前記マニピュレータ（１）と協業する入力装置（４，５，６，８）を介して入力される
ことを特徴とする、請求項２１または２２に記載の方法
【請求項２５】
前記反力（ＦＧＢ）は、前記入力装置（４，５，６，８）から前記ユーザに伝達される
ことを特徴とする、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記所定の変換係数は、前記作用力（ＦＰ）に関する変数であり、前記作用力（ＦＰ）を前記対象物に加えるときに動的に変更できる
ことを特徴とする、請求項２１乃至請求項２５のいずれかに記載の方法。
【請求項２７】
前記作用力（ＦＰ）、または前記作用力（ＦＰ）に関する前記所定の変換係数に、少なくとも一つの閾値が割り当てられる
ことを特徴とする、請求項２１乃至請求項２６のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物に関連してロボットによって行われる作業において当該対象物に作用力を加えるロボットシステム、装置、および方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ロボット、特に、軽量構造のロボットを用いて、異なる各作業を行うことができる。その範囲は、加工物の加工におけるピックアンドプレース作業、および物体を持ち上げたり運んだりすることから、例えば手術などで人体と相互作用することまで多岐にわたる。
【０００３】
このようにして、ロボットは、必要に応じて多軸マニピュレータまたはエンドエフェクタを用いて加工または処理をする対象物に対して通常は移動し、当該の加工および／または処理のときに、作業の種類によって値が異なる作用力および／または作用力連鎖を常に適用する。
【０００４】
軽量ロボットは、構成によって、限られた重さだけの荷物を運ぶか、および／または、限られた作用力だけを加えることができるように設けられる。したがって、これらのパラメータに関する適用可能性も限られる。しかし、状況によっては、このようなロボットを使用するときに、対象物に対してより大きな作用力を加えられることが必要になる、または望ましいかもしれない。
【０００５】
さらに、医学、理学療法、老年医学、または一般的に、年齢や身体障害のために、積み荷を持ち上げたり、一定の力を必要とする手作業を行ったりすることを部分的にしかできない人々に関連した作業がある。
【発明の概要】
【０００６】
以上に基づき、本発明の目的は、作用力を提供すべき作業を支援するロボットを使用して、対象物に関して作用力を行使する、つまり、加えることができる、ロボットシステム、および／または、装置および方法を提供することであって、当該作業は、ユーザによって常に制御可能である。
【０００７】
この目的は、請求項１に係るロボットシステム、請求項８に係る、対象物に作用力を加える装置、および請求項２１に係る相応の方法によって達成することができる。
【０００８】
第一の態様では、本発明は、所定の作業に関して対象物に作用力を加えることによって前記対象物と相互作用する多軸マニピュレータを備えたロボットシステムに関し、前記マニピュレータは前記対象物に接触すると、
・  ユーザの接触によって前記マニピュレータに直接に行使される入力を検出し、
・  前記入力を、所定の変換係数に応じて、前記作業に関する所望の作用力の値に増幅し、
・  前記マニピュレータが前記対象物と接触したときに発生する反力を検出し、
・  前記反力を所定の変換係数に応じて前記ユーザに伝達する
ように設けられている。
【０００９】
このようにして、前記ロボットシステムのマニピュレータと直接に相互作用するユーザは、前記マニピュレータをガイドして入力を加えるために前記マニピュレータに実際に接触し、前記マニピュレータから発生する反力を検出することによって、前記作業の実行時に前記マニピュレータの動作をガイドするとともに、何よりも前記入力に関する制御を行うことができる。このようにフィードバック制御を行うことによって、前記ユーザは、前記ロボットシステムのマニピュレータを高感度で、しかも最小の努力で作動させることができる。
【００１０】
本発明に係る前記ロボットシステムは、前記ユーザが入力した力を所定の変換係数に従って増幅する。したがって、前記マニピュレータが前記対象物に関して所望の動作を行っている最中に、前記ユーザはいつでも前記入力を設定することができる。
【００１１】
また、特定の実施形態では、前記マニピュレータが、前記作業の実行中に、増幅のために前記変換係数を前記作用力の値に変更するように設けてもよい。このようにすれば、ユーザが、前記マニピュレータが前記作業の実行中に、必要に応じて、結果的に生じる前記作用力を能動的に増減でき、これは、理学療法作業に特に有用であり、製造作業において、例えばドリルで穴をあけたりネジをねじ込んだりする場合のように、反力が増す、つまり、より大きな作用力を必要とする抵抗が思いがけなく発生するときにも同様である。
【００１２】
前記反力のための変換係数は、前記作用力のための変換係数の逆数に相当することが好ましく、そうすれば前記ユーザには、主観的により理解可能なフィードバック制御が提供される。
【００１３】
前記マニピュレータは、例えば、前記マニピュレータの適切な場所に設けられた適切な構造に埋め込まれる、既知の圧電圧力センサまたはひずみゲージの形を成した、少なくとも一つの、前記ユーザによる前記入力の検出手段を有してもよい。
【００１４】
また、前記マニピュレータは、前記反力を前記ユーザに伝達する少なくとも一つの手段を備えてもよい。前記マニピュレータは、前記対象物に接触し前記変換係数に応じて適切に前記作用力を適用することによって、その時点で力の平衡を浸透させる意図で、本質的に反力を受けるので、この反力は、所定の前記変換係数を介して前記ユーザに伝達する必要がある。前記手段は、この反力をできれば触覚的な方法で、その時点では減衰された相応の反対圧力を用いて前記ユーザに伝えるように設けられる。
【００１５】
前記マニピュレータ、つまり前記ロボットシステムの有関節アームは、コンプライアンス制御、特に、インピーダンス制御、アドミタンス制御、および／またはトルク制御されるように設けられることが好ましく、その先端には、フィードバック制御手段と、必要であれば前記入力の入力手段と、を設けることができるエンドエフェクタを備える。
【００１６】
第二の態様では、本発明は、対象物に作用力を加える装置に関するものであって、
・  前記対象物に関する入力を特定するように設けられて、前記入力を検出する少なくとも一つの手段を備える、少なくとも一つの入力装置と、
・  前記対象物に接触すると前記対象物に作用力を加え、加力中に、所定の変換係数に応じて、前記入力を前記作用力の値に増幅するように設けられたマニピュレータを有するロボットシステムと、を備え、
前記マニピュレータは、さらに、自らが前記対象物に接触したときに発生する反力を検出するように構成され、
前記入力装置は、前記反力を再現するように構成される。
【００１７】
前記ロボットシステムのマニピュレータは、軽量ロボットの多軸アームであることが好ましく、当該多軸アームは一つ以上の動作軸を力制御または力調整することができ、これは適切なセンサ技術によって可能となる。こうすれば、前記マニピュレータは高感度な動作を示すことができる。例えば、高感度なマニピュレータは、作用すべき表面に接触したときに自らに作用する反力を検出することによって、当該表面を感覚的に知ることができる。また、このような高感度なマニピュレータは、未知の表面に沿って、前記マニピュレータつまりそのエンドエフェクタが当該表面に接触したままで、力に基づくガイドに従って動くことができる。前記マニピュレータを前記対象物に沿って慎重にガイドするために、前記マニピュレータのエンドエフェクタと前記対象物との間に作用する接触力は、前記マニピュレータのセンサによって検出され、前記マニピュレータの制御システムによって分析される。
【００１８】
本発明によれば、実際の構造上の構成にかかわらず、使用される前記入力装置は、一方では、例えば、適切に設けられた力センサを用いて力を検出し、他方では、例えば、適切に力を減衰する変換係数を必要に応じ用いて積極的にこれらの力を発生させるか、前記マニピュレータから前記入力装置に直接に伝達される反対の動作を行うかのいずれかによって、前記マニピュレータが検出した前記反力をフィードバック制御を介して返すことができるように構成される。
【００１９】
前記反力が前記マニピュレータに吸収されるという事実によって、前記入力装置のユーザはこれらの反力を疑似的に「感じる」ことができるので、前記装置の高感度なユーザ定義の制御を行うことができる。
【００２０】
同時に、本発明に係る前記装置は、所望の動作を行うために必要な作用力まで所定の力増幅を行うことができる。この目的のために提供される前記変換係数は、前記動作に関連して決定されるが、前記動作中に、前記ユーザによって能動的に変えることもできる。
【００２１】
この目的のために、前記装置つまり前記ロボットシステムには、一方では、前記マニピュレータの適切な力制御／コンプライアンス制御を可能にし、他方では、適切な変換係数を考慮する制御システムが備わっている。前記制御システムは、別の入力装置、例えば、作業の実行中に前記ユーザが能動的にリアルタイムに適切な指令を入力することによって、加えるべき前記作用力に関する力方向を変えることができる音声入力に、接続されていてもよい。
【００２２】
前記入力装置は、前記マニピュレータに実際に物理的に接触したときに前記入力をまず特定するために、前記マニピュレータからは切り離して形成・設置されてもよい。
【００２３】
前記装置の特定の実装においては、前記入力装置は、例えば、前記ユーザが着用する外骨格手袋や指ぬきのような剛構造体から成る。
【００２４】
この剛構造体の内部には、例えば、圧電力センサや歪ゲージのような、前記入力の検出手段が少なくとも一つは存在する。
【００２５】
この構造を前提にして前記ユーザが前記マニピュレータに触れた場合、前記マニピュレータが例えば重力補償モードであれば、前記ユーザは、前記入力装置との接触を介して意のままに空中で前記マニピュレータをガイドできる、つまり、前記マニピュレータは前記ユーザが示した動きに従う。
【００２６】
前記ユーザは、前記マニピュレータを、例えば、前記マニピュレータまたはそれに取り付けられたエンドエフェクタが作用したり操作したりする前記対象物までガイドする。前記対象物に触れると、前記ユーザによるガイド力と前記対象物から生じる反力が互いに打ち消し合うので、前記ユーザは前記入力装置を介して入力を定め、つまり設定し、この入力はやがて前記センサで適切に検出される。
【００２７】
次に、この入力は、前記制御システムによって、増幅パラメータを考慮しながら、前記マニピュレータつまりエンドエフェクタによって前記対象物に行使される作用力の所望の値に増幅される。
【００２８】
前記ユーザは、例えば、重い物体を持ち上げたいと思っても、自分だけではできないかもしれない。前記ユーザが、前記マニピュレータを前記物体までガイドした後に、ものを持ち上げる意図の入力を加えることによって、前記マニピュレータは、いまや前記入力装置を介して前記ユーザのガイドを受けながらであっても、前記物体を持ち上げて所望の位置まで運ぶために、前記物体の重量を考慮して、増幅した作用力を行使する。
【００２９】
したがって、ユーザは、本発明によれば、前記マニピュレータのエンドエフェクタと相互作用するとともに、接触すると前記マニピュレータの動作を設定するように形成・設置された前記入力装置を介して、任意の動作に対しロボットシステムを使用できる。前記対象物は、製造工程・組立工程・製作工程のいかなる物体や部品であってもよい。また、本発明に係る装置の使用は、医療の分野でも、例えば、人工器官を挿入するときに、または理学療法においても考えられ、後者の場合、療法士が前記入力装置を介して、前記マニピュレータによって適切に増幅される軽い手動力を加えることによって、前記療法士は、高感度な前記マニピュレータのフィードバック制御を介してであっても、例えば筋肉硬直を感知して脈診することができる。
【００３０】
したがって、本発明に係る、ユーザによってガイドされる前記マニピュレータを有するロボットシステムは、検出した力が、前記ユーザによって行使されたものか外的に接触して生じたものか認識できる。また、前記ロボットシステムは、前記ユーザによって示された、前記マニピュレータのどの動作に従うのか、そして、前記入力があったという条件で前記対象物と接触した場合に、どの増幅された作用力をどの方向に行使するのか、を知ることができる。
【００３１】
前記マニピュレータから切り離して形成された前記入力装置は、任意の場所で前記マニピュレータに作用することができる。
【００３２】
前記ロボットシステムのマニピュレータから、例えば剛構造体の手袋として、空間的に切り離して形成されているが、既知の信号伝達技術で前記マニピュレータの制御システムとは接続されている入力装置には、ユーザが、単体の入力装置で、異なる構成を有し得る複数のロボットシステムを操作できるという利点がある。例えば、高齢者介護の分野では、居住空間としての機能を果たす所定空間内に複数の固定されたロボット支援の補助システムを設置して、本発明の意図する一つの同一入力装置によって操作できるようにすることが考えられる。
【００３３】
ただし、別の実施形態によれば、前記入力装置は前記マニピュレータに直接に、できれば前期エンドエフェクタの領域に固定することもできるし、解剖学的に前記ユーザに適合した組織として提供することもできる。
【００３４】
例えば、前記ユーザは、自分が触るだけで済む、把握機構の指部に、各々に対応するセンサ付きの入力装置を直接に装着し、把握すべき対象物に関して増幅された作用力のもとで指間に挟んだり強く握ったりする動作をすることも考えられる。
【００３５】
本発明に係る装置の別の実施形態では、前記入力装置が別のロボットシステムのマニピュレータによって操作されるように設けられる、つまり、前述のマニピュレータは、すでに作動しているロボットシステムのマニピュレータと相互作用する入力装置に案内する。このようにして、二台のロボットが作用力に関して連鎖的に互いに補完し合うことで当該作用力のより大きな増幅を行うことができる。
【００３６】
上述のように、本発明の観点で動作するロボットシステムは、コンプライアンス制御された、つまりインピーダンス制御、アドミタンス制御、および／またはトルク制御された、軽量構造のロボットシステムであるのが好ましい。
【００３７】
このようなロボットシステムは、前記マニピュレータに作用する力を検出する手段を有する。例えば、前記マニピュレータが有関節アームロボットとして設けられる場合、この有関節アームロボットの各関節には、モーメントセンサを提供してもよい。また、前記マニピュレータには、歪ゲージを用いて自らに作用する力および／またはトルクを検出できる力モーメントセンサを提供してもよい。さらに、前記マニピュレータを駆動するのに発生するモータ電流も評価してもよい。このように、力を検出する手段は、前記マニピュレータに作用して、本発明に提供されるフィードバック制御を実現するために使用される外力を検出することができる。
【００３８】
さらに別の態様において、本発明は、ロボットのマニピュレータが対象物に関して実行すべき作業の範囲内で、前記マニピュレータが前記対象物に作用力を加える方法にも関し、前記方法は、
・  前記対象物に関するユーザからの入力を特定することと、
・  前記入力を所定の変換係数に従って前記マニピュレータによる作用力の値に増幅することと、
・  前記作用力を前記マニピュレータによって前記対象物に加えることと、
・  前記マニピュレータが前記対象物に接触したときに発生する反力を検出することと、
・  前記反力を前記ユーザに伝達することと、を含む。
【００３９】
これによれば、前記反力は、所定の変換係数に依存して伝達される。したがって、例えば、疑似的に触覚的なフィードバックを行う意図で、減衰されて前記入力装置を介し前記ユーザに伝達することができ、必要に応じて、特に人との相互作用には必要と思われる警告として、別の音声・映像信号で支援することもできる。
【００４０】
その一方で、前記入力は、前記入力装置が前記マニピュレータに接触したとき、あるいは前記入力装置が前記対象物に直接に接触したときのいずれかに定まる。
【００４１】
増幅係数は変更可能であってもよいので、前記作用力を前記対象物に加えるときに動的に変更することもできる。この動的な変更は、制御を介してユーザ定義の方式で、例えば、とりわけ理学療法の適用例にとっては有用である音声入力を介してリアルタイムに、行われる。
【００４２】
また、前記制御においては、前記増幅係数つまり変換係数に、または直接に前記作用力に、少なくとも一つの閾値を割り当ててもよい。理学療法や外科の適用例では、こうすれば、傷つけるのを防止するために、ユーザが前記マニピュレータを介し間違って強すぎる入力を行使しそれに対応して強すぎる増幅が行われることを防げる。閾値を考慮することは、繊細で壊れやすい部品を製作したり組み立てたりする場合にも有用である。
【００４３】
本発明は、想定する用途にかかわらず作用力または作用力連鎖を加える目的で、ロボット、できれば軽量構造の有関節アームロボットは、ユーザからまたはたとえ別のロボットからでも指定される、作業に関する動作および入力が指定されると、力の増幅を実行し、前記ユーザ（または別のロボット）には、前記対象物との相互作用から生じる反力に関する直接フィードバックを継続的に提供することによって、常に高感度の動作を実行できる、という特徴を有する。
【００４４】
また、この観点で、本発明は、人が行使した動作と関連する力を増幅する既知の外骨格構造体や一般的な概念とは大幅に異なっており、後者はすべて主として位置調整つまり位置制御されたものであって、ユーザは、エフェクタを所定の位置まで動かせるだけであり、フィードバック制御なしでこのエフェクタに所定の力を加えられるだけである。
【００４５】
本発明に係る前記装置の有用な適用分野は、所定の動作に要する力を自分だけでは加えることができない高齢者や身体障害者の介護分野にもある。
【００４６】
したがって、本発明によれば、マニピュレータ付きの装置を車椅子に設置し、ユーザが前記入力装置の剛構造体を持ち運ぶことが想定される。このように配置すれば、特に前記ロボットシステムはそれほど大きな努力も必要とせずに長い時間遅延もなく作動できるので、一般的に知られたゴワゴワした外骨格よりもはるかに実用的である。
【００４７】
本発明に係る前記装置は、ロボットシステムを教育する目的で使用することもできる。原則として、ティーチイン手順を用い、ユーザが例えば重力補償モードで前記マニピュレータをガイドして動作をシミュレートし保存することによって、前記ロボットアームつまりエフェクタの後の軌跡を指定する。ただし、従来は、ティーチイン手順は、マニピュレータの動作という観点では対象物と接触したときに必要に応じて加えるべき作用力を考慮していなかった。従来は、こうした力は、まだ個別に、手持ち式携帯機器の制御を介したり、コンピュータのプログラミングインタフェースを介したりして入力されていた。本発明に係る、マニピュレータと相互作用する入力装置付きの装置を使用すれば、ユーザは、マニピュレータをガイドすることに加えて、所定の作業に加えるべき作用力を実演してこの作用力を軌跡と関連付けて一緒に保存することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
本発明のさらなる利点および特徴は、添付の図面を参照して説明される実施形態の記載内容から明らかになる。
【図１】本発明に係る第一実施形態を示す図である。
【図２】本発明に係る第二実施形態を示す図である。
【図３Ａ】第二実施形態に関する入力装置の様々な設置例の概要図である。
【図３Ｂ】第二実施形態に関する入力装置の様々な設置例の概要図である。
【図３Ｃ】第二実施形態に関する入力装置の様々な設置例の概要図である。
【図３Ｄ】第二実施形態に関する入力装置の様々な設置例の概要図である。
【図４】本発明に係る第三実施形態を示す図である。
【図５】本発明に係る第四実施形態を示す図である。
【図６】本発明に係る第五実施形態を示す図である。
【図７】本発明に係るマニピュレータを車椅子に設置した例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
図１は、本発明に係る第一実施形態を示す図である。
【００５０】
軽量構造のロボットシステムの多軸マニピュレータ１は、その先端にエンドエフェクタ２を有し、これを用いて、ここでは図示しない対象物と、それを例えば押し込むなどの相互作用を行う。
【００５１】
したがって、マニピュレータ１は、それが例えば重力補償モードである場合、ユーザの手３を用いたガイド接触を介して、有関節アーム数の数で決まる自由度に従い空中で任意にガイド可能である。
【００５２】
エンドエフェクタ２の先端が、例えば押し下げる目的で、対象物に接触すると同時に、ユーザは手３を介して入力ＦＥＩＮを加え、この力はエンドエフェクタ２の基端に設けられた入力装置４に受け取られる。
【００５３】
ロボットシステムのコントローラには対応する各変換係数が格納されており、これらによって、どの増幅度で入力ＦＥＩＮがマニピュレータ１によって出力に変換され、すなわち作用力ＦＰとして対象物に行使されるかが決まる。
【００５４】
対象物に接触すると、マニピュレータ１つまりエンドエフェクタ２には反力ＦＧＲがもたらされ、自器内で測定されることは言うまでもない。
【００５５】
ユーザに対して全工程のフィードバック制御を可能にするために、本発明によれば、この本来の反力ＦＧＲは、それに対応した、減衰する対応の変換係数を介して反力ＦＧＢに再現され、入力装置４内の対応するアクチュエータなどを用いてユーザに手３を介して触覚的に伝達される。
【００５６】
図２には、本発明に係る別の実施形態が示されている。
【００５７】
この場合には、入力装置５は、エンドエフェクタ２の先端にしっかりと、つまり力伝達が可能なように接続される高剛性の手袋として設けられている。ただし、図３Ａ〜図３Ｄが示すように、手袋５のエンドエフェクタ２への配置は、ユーザ側でガイドおよび加力をどのように実行するかによってどのようにでも考えられる。
【００５８】
手袋５の内部には、手袋５がここでは図示しない対象物と接触するとすぐにユーザが行使する入力を検出する少なくとも一つのセンサ（図示せず）がある。
【００５９】
まず、ユーザは、エンドエフェクタ２が付いて重力補償モード状態にあるマニピュレータ１を手袋５を介して対象物までガイドし、手袋５が対象物に触れると増幅された力が加えられ、この力がマニピュレータ１から手袋５の剛構造体を介して対象物に伝達される。このような配置は、例えば、マッサージのような理学療法的適用例にとって有用である。
【００６０】
減衰された反力を伝えるフィードバック制御は、例えば適切なアクチュエータを介して手袋５の内部でも実行される。上述の例では、筋肉硬直から、変動する反力が発生し得る。
【００６１】
図４には、本発明に係る別の実施形態が示されている。
【００６２】
高剛性の手袋５の代わりに、それ自身で力センサとして機能するか、またはそれ自身が一体化された力センサを有する剛構造体として形成され得る指抜き６だけが、エンドエフェクタ２の先端に取り付けられる。この配置は、エンドエフェクタ２が、センサ６のそばに、対象物と相互作用する機構（例えば、ネジ頭）を有する場合に有用である。  
【００６３】
図５は別の実施形態を示している。マニピュレータ１の先端に取り付けられる把握機構７は、互いに相対的に動かすことができる二つの把握指８を有する。各把握指８の外側には、それぞれに対応する各センサ９が各入力装置として設けられているので、ユーザは各センサ８を軽く押すことによって容易に入力を加えることができ、把握機構７は対象物を把握するときに増幅係数を考慮しながらこの力を増幅する。
【００６４】
図６には、あるロボットシステムの、力が増幅されるマニピュレータ１０の入力装置６が、別のロボットシステムのマニピュレータ１１のエンドエフェクタ７と相互作用する、本発明に係る実施形態が示されている。したがって、マニピュレータ１１は、対象物に関して適切な作用力、例えば把握力を加える必要があって、マニピュレータ１０によって、ガイドされ力を増幅するように支援されるが、マニピュレータ１１の動作から発生する反力は入力装置６を介してマニピュレータ１０に伝達され、マニピュレータ１０のフィードバック制御を可能にする。この場合、マニピュレータ１０，１１は両方ともコンプライアンス制御されることが好ましい。
【００６５】
本発明に係る装置の特有の適用分野は、介護分野である。したがって、本発明に係るマニピュレータ１は、車椅子１２に取り付けられて、例えば、車椅子のすぐ近くにある物体を持ち上げたり置いたりするために、マニピュレータ１の端部にあって適切な入力装置を介してユーザが作動させることができることを意図している。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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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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【国際調査報告】
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