(57)【要約】【課題】作業用マニピュレータにおいて、実装が簡素で耐環境性や信頼性や対人親和性を良好なものとしつつ、非定型作業や定量性のある作業を可能とすること。【解決手段】作業用マニピュレータは、移動部及び制御部を有するロボット等の移動体と、移動体に付属され、作業対象との接触状態を検出する接触センサ及び接触時の接触力を検出する力センサを有するマニピュレータ部とを備える。制御部は接触センサで検出された接触状態または力センサで検出された接触力に基づいて作業状態を把握する手段を備えていると共に、接触センサまたは力センサで検出された人工的な規則性を有するパターン情報を命令として解釈する手段を備えている。【選択図】図３
2008200764.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動部及び制御部を有するロボット等の移動体と、
前記移動体に付属され、作業対象との接触状態を検出する接触センサ及び接触時の接触力を検出する力センサを有すると共に、複数の関節を有するリンク機構からなるマニピュレータ部とを備え、
前記制御部は接触センサで検出された接触状態または前記力センサで検出された接触力に基づいて作業状態を把握する手段を備えている作業用マニピュレータにおいて、
前記制御部は、前記接触センサまたは前記力センサで検出された人工的な規則性を有するパターン情報を命令として解釈する手段を備えていること、
を特徴とした作業用マニピュレータ。
【請求項２】
請求項１において、前記制御部で解釈されるパターン情報は、前記接触センサで検出された長短で区別されるオン／オフ時間を素片とし、これを１つ以上組み合わせたものを命令時の情報単位とすること、を特徴とする作業用マニピュレータ。
【請求項３】
請求項１において、前記制御部で解釈されるパターン情報は、前記力センサで検出された強度、方向及び持続時間の少なくとも何れか一つで区別され、これを素片として１つ以上組み合わせたものを命令時の情報単位とすること、を特徴とする作業用マニピュレータ。
【請求項４】
請求項１において、前記制御部で解釈されるパターン情報は、前記接触センサで検出された長短で区別されるオン／オフ時間を素片とし、これを１つ以上組み合わせた情報単位と、前記力センサで検出された強度、方向及び持続時間の少なくとも何れか一つで区別され、これを素片として１つ以上組み合わせた情報単位と、の組み合わせを命令時の情報単位とすること、を特徴とする作業用マニピュレータ。
【請求項５】
請求項２において、前記制御部は前記作業状態を把握する手段と前記パターン情報を命令として解釈する手段との切換え手段を備え、前記切換え手段は前記情報単位を構成するオン／オフ時間の素片より長いオン／オフ時間の素片を用いて切換えるものであること、を特徴とする作業用マニピュレータ。
【請求項６】
請求項３において、前記制御部は前記作業状態を把握する手段と前記パターン情報を命令として解釈する手段との切換え手段を備え、前記切換え手段は前記情報単位を構成する強度の素片より大きい素片を用いて切換えるものであること、を特徴とする作業用マニピュレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、作業用マニピュレータに係り、特に移動ロボット等の移動体に付属し複数の関節を有するリンク機構からなり主に接触作業を目的としたマニピュレータ部を備える作業用マニピュレータに好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
接触作業を目的としたマニピュレータの制御装置の例として、例えば特開２００２−２０５２９０号公報（特許文献１）に示される脚式移動ロボットの制御装置及び制御方法がある。ここでは、画像、音声、接触、感圧といった複数の入力装置を備えているロボットであり、頭部、腕部、下肢、体幹など、機体の構成部位の一部又は全部の動作を用いて、視覚センサ、マイク、スイッチ、感圧センサなどから入力される情報に対して意図的に変化を生じさせることにより、行動決定に用いるための外部要因が適切に得られるようにするロボットの制御装置が示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２０５２９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の産業用ロボットは、駆動エネルギの供給や制御装置の大きさ・重さに関して基本的には制限がない。それに比べて、移動ロボット等の移動体はエネルギ供給源や制御装置等を内蔵する必要があるため、不要不急のデバイスはなるべく付加せず、実装をなるべく簡素にしてやり、重量や形状寸法の適正化を図る必要がある。実装の簡略化は、ハードウェアの信頼性向上という観点からも、移動し作業するという故障リスクの高い運用形態をとるロボットにおける、重要な設計課題である。
【０００５】
移動作業ロボットの中でも、特に昨今開発が進んでいる人間型ロボットなどにおいては、人間との共生もしくは時空共在が前提であり、それゆえ外観からもたらされる親近感が従来のロボットより重要視される傾向が高い。同じ理由で、インターフェースの手段としても、産業用ロボットにおけるコントロールボックスのようなものを介するのでなく、人間同士が行う方法すなわち自然言語やボディランゲージを用いることが望まれる。
【０００６】
結果として、往々にして人を模した移動作業ロボットには、特許文献１のように上記コントロールボックスのようなコマンドインターフェイス用ハードウェアを省略される傾向がある。このことは、ロボットの自律性が極めて高く、作業現場で何の指示命令も不要であるか、音声言語等での抽象的な指示によって具体的・数量的な単位レベル動作計画が生成できるほどに高度な知能を有していれば問題にはならない。しかし、実際のところ、人間の存在する環境での作業は、非定型すなわち事前に計画できないことが多いため、ある程度以上の細かさで定量性のある指示が必要なことが多い。また、環境によっては騒音などで音声等のコミュニケーション手段が使えない場合もありうる。そのため、従来はわざわざ命令入力のための外部装置を用意しないと、そういったロボットに対して明確な作業指示をすることはできなかった。また、逆に自律性を高めると、行動原理と環境情報から導かれる行動が複雑になり、ある特定の目的を持った作業を命令することが難しくなる傾向がある。
【０００７】
本発明の目的は、実装が簡素で耐環境性や信頼性や対人親和性を良好なものとしつつ、非定型作業や定量性のある作業が可能な作業用マニピュレータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前述の目的を達成するために、本発明は、移動部及び制御部を有するロボット等の移動体と、前記移動体に付属され、作業対象との接触状態を検出する接触センサ及び接触時の接触力を検出する力センサを有するマニピュレータ部とを備え、前記制御部は接触センサで検出された接触状態または前記力センサで検出された接触力に基づいて作業状態を把握する手段を備えている作業用マニピュレータにおいて、前記制御部は、前記接触センサまたは前記力センサで検出された人工的な規則性を有するパターン情報を命令として解釈する手段を備えていることにある。
【０００９】
係る本発明の好ましい具体的な構成例は次の通りである。
（１）前記制御部で解釈されるパターン情報は、前記接触センサで検出された長短で区別されるオン／オフ時間を素片とし、これを１つ以上組み合わせたものを命令時の情報単位とすること。
（２）前記制御部で解釈されるパターン情報は、前記力センサで検出された強度、方向及び持続時間の少なくとも何れか一つで区別され、これを素片として１つ以上組み合わせたものを命令時の情報単位とすること。
（３）前記制御部で解釈されるパターン情報は、前記接触センサで検出された長短で区別されるオン／オフ時間を素片とし、これを１つ以上組み合わせた情報単位と、前記力センサで検出された強度、方向及び持続時間の少なくとも何れか一つで区別され、これを素片として１つ以上組み合わせた情報単位と、の組み合わせを命令時の情報単位とすること。
（４）前記（１）において、前記制御部は前記作業状態を把握する手段と前記パターン情報を命令として解釈する手段との切換え手段を備え、前記切換え手段は前記情報単位を構成するオン／オフ時間の素片より長いオン／オフ時間の素片を用いて切換えるものであること。
（５）前記（２）において、前記制御部は前記作業状態を把握する手段と前記パターン情報を命令として解釈する手段との切換え手段を備え、前記切換え手段は前記情報単位を構成する強度の素片より大きい素片を用いて切換えるものであること。
【発明の効果】
【００１０】
かかる本発明の作業用マニピュレータによれば、実装が簡素で耐環境性や信頼性や対人親和性を良好なものとしつつ、非定型作業や定量性のある作業が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施例を、図面を用いて説明する。
【００１２】
図１に、本発明に係る作業用マニピュレータの構成を示す。図１において、１０１はマニピュレータ部、１０２は作業用ハンド、１０３は接触センサ、１０４は力センサ、１０５は関節リミットセンサ、１０６は操作者、１０７は移動ロボット、１０８は移動ロボット頭部、１０９は移動ロボット胴体、１１０は移動ロボット走行部、１１１は制御部、１１２は駆動エネルギ供給部、１１３はマニピュレータ制御情報および制御入力伝達経路、１１４は移動ロボット頭部制御情報および制御入力伝達経路、１１５は移動ロボット走行部制御情報および制御入力伝達経路、１１６は駆動エネルギ供給経路を示す。図１に示したマニピュレータは人間型ロボットにおいて、典型的な構成のものをリンクとジョイントで模式的に表現しているが、以下の内容はここに示した自由度構成で限定されることはない。
【００１３】
図１中には、マニピュレータ部１０１及び作業用ハンド１０２を１機のみ図示しているが、これらを２機以上装備していてもよい。実際、人を模した移動作業ロボットは、作業性能向上と対人親和性を考慮して、２機の腕様マニピュレータ部を装備しているのが常套的である。関節リミットセンサ１０５は全ての関節の上限・下限位置に装備されているが、ここでは１箇所のみ図示した。図示を省略したが、各関節にはこのほかに関節角度を検出するエンコーダ等のセンサおよび関節を駆動するアクチュエータが装備されているものとする。
【００１４】
移動ロボット１０７は頭部１０８を有し、該頭部はパン−チルト２自由度もしくはロール−ピッチ−ヨー３自由度関節に支持されており、マニピュレータ部１０１の各関節は、同様な機能を有するリミットセンサ、角度センサ及びアクチュエータを装備しているものとする。図中の移動ロボット走行部１１０は二輪の回転による移動機構として描かれているが、これは何輪でもよく、またタイヤ以外の移動手段、例えば脚機構等でもよい。駆動エネルギ供給部１１２は一次電池、二次電池、燃料電池、内燃機関、外燃機関等、発電または放電によって制御部１１１に給電可能なものであれば何でもよい。マニピュレータ制御情報および制御入力伝達経路１１３にはマニピュレータ各関節からの角度情報、リミットセンサ情報、ハンド１０２の開度情報に加え接触センサ情報、力センサ情報が制御部１１１に向かって流れ、制御部１１１からはアクチュエータ制御入力が各関節モータに向かって伝達される。移動ロボット頭部制御情報および制御入力伝達経路１１４にも同様に角度センサ情報、リミットセンサ情報、アクチュエータ制御入力が伝達される。移動ロボット走行部制御情報および制御入力伝達経路１１５には車輪移動機構の場合は角度センサ情報とアクチュエータ制御入力が伝達される。脚機構の場合は前記マニピュレータ部と同様の情報および制御入力が伝達される。
【００１５】
マニピュレータ部１０１の接触センサ１０３、力センサ１０４は、通常の場合には、例えば図２に示されるように、（ａ）ドアノブ７０１を回す、（ｂ）ボタン７０２を押す、（ｃ）対象物７０３を把持する等における作業情報（外界情報）の検出に用いられる。すなわち、制御部１１１は、接触センサ１０３で検出された接触状態、力センサ１０４で検出された接触力に基づいて、作業状態を把握する手段（機能）を備えている。
【００１６】
そして、このマニピュレータ部１０１の接触センサ１０３、力センサ１０４を、図３に示す手順で状態の切替を行うことによって、通常の作業情報の検出の他に、コマンド情報を検出することが可能となる。すなわち、制御部１１１は、接触センサ１０３及び力センサ１０４で検出された人工的な規則性を有するパターン情報を命令として解釈する手段（機能）と、作業状態を把握する手段とパターン情報を命令として解釈する手段との切換え手段（機能）と、を備えている。
【００１７】
その動作手順について次に説明する。まず、操作者１０６が今からコマンドを入力することを示すため、自然には生じ得ないような人工的な時系列のパターン（入力開始パターン）を接触センサ１０２や力センサ１０３、および他の各種センサに入力する（ステップ３０１）。制御部１１１がこれを認識し、その後のセンサ入力を待つ状態になる（ステップ３０２）。
【００１８】
入力待ち状態ではタイムアウトを設ける。すなわち入力開始が認識された後で入力待ちを行い、一定時間入力がない場合（ステップ３０３、ステップ３０４）、コマンド入力は中断され（ステップ３０５）、制御部１１１は通常状態に戻る。
【００１９】
入力があった場合は操作者１０６は引き続き規則性のあるパターンを入力する。制御部１１１はこれらのパターンをコマンドとして解釈する（ステップ３０６）。ここでコマンドに該当しない、意味のないパターンが入力された場合（ステップ３０７）、制御部１１１は入力を中断し（ステップ３０８）、通常状態に戻る。入力終了パターンが入力されたら終了する（ステップ３０９）。コマンドとして意味のある情報が入力された場合は、その命令を実行する（ステップ３１０）。命令実行後、一定時間が経過した場合（ステップ３１１）、制御部１１１は入力終了と判断し、通常の状態に戻る（ステップ３１２）。そうでない場合はステップ３０１に戻る。
【００２０】
次に、図４を用いて、前記手順を接触センサ１０３で最も簡単に実装した例を説明する。図４（ａ）の矩形波のグラフは接触センサのオン／オフを示す。図４（ｂ）のグラフの縦軸は作業用ハンド１０２の開度を表す。横軸はいずれも時間であり、破線で対応付けられた位置は同時刻である。
【００２１】
まず、図４（ａ）に示すように、コマンド入力開始を示すパターンとして接触センサ１０３をｔｂ秒押す。ｔｂｍ≦ｔｂ≦ｔｂＭのとき、開始パターンと認識する。通常、ｔｂｍ＝５［ｓ］、ｔｂＭ＝１０［ｓ］程度に取れば、この間の長さだけ接触センサ１０３を押すというのは計時手段を有していない人間にとっても難しいことではない。
【００２２】
ここで、タイムアウトまでの長さをｔｏとすると、図中ｔｇ１〜ｔｇ３はいずれもｔｏより短いとする。まず、ｔｇ１［ｓ］経過後、ｔｌ［ｓ］だけ接触センサ１０３を押す。このｔｌは、ｔｌｍ≦ｔｌ≦ｔｌＭのとき、ハンド開度をΔθｈｌだけ変化させるコマンドであるとする。次に、ｔｇ２［ｓ］の間隔を置いた後、再びｔｌ［ｓ］だけ接触センサ１０３を押すと、更にΔθｈｌだけハンド開度が変化する。その後、ｔｇ３［ｓ］だけ間隔を置き、今度はｔｓ［ｓ］だけ接触センサ１０３を押す。ｔｓはｔｓｍ≦ｔｓ≦ｔｓＭのときハンド開度をΔθｈｓだけ変化させるコマンドであるとする。この時、ハンド開度は下のグラフのように変化する。ここでｔｌｍ＝１［ｓ］、ｔｌＭ＝２［ｓ］、ｔｓｍ＝０．１［ｓ］、ｔｓＭ＝０．３［ｓ］程度に設定すれば、ｔｌ、ｔｓをこの間に収めることは比較的たやすい。よしんば入力を失敗してハンド開度に変化がない場合でもすぐにリトライできる。
【００２３】
通常モードに戻したいときはｔｅ［ｓ］だけ接触センサ１０３を長押しする。ｔｅはｔｂと同程度に設定すればよい。なお、入力が成功したかどうかは各ステップで頭部１０８の各関節に決まった動き方をさせるなどの反応を見せる方法が考えられる。例えばコマンド入力が成功し意味のある解釈が成り立った場合は首を縦に振り、入力失敗等で中断した場合は首を横に振るなどすれば区別はつく。接触センサ１０３が複数装備されていればセンサ毎のオン／オフを組み合わせることで入力パターンを増やすことも考えられる。
【００２４】
入力デバイスが接触センサ１０３のみの場合はオン／オフの時系列を解釈することになるが、力センサから得られる力・トルクの大きさや方向などを組み合わせて解釈の材料にすると、多段階・多次元の入力が可能になるため、同じ時間でより大量・複雑な情報を入力することができる。
【００２５】
図５を用いてその最も簡単な例を説明する。図５は力センサ１０４の検出した力の大きさの時系列を示したものである。大きさとしては全方向の合力でもよいし、ある方向の力の大きさを用いてもよい。なお、力センサ出力にノイズやチャタリングなどが混入する場合は予めフィルタを通す。フィルタ処理による時間遅れは全てのデータが総体的に遅れる限りは問題にならない。また、波形のなまりも後述のタイムアウト時間やパターン間隙時間、素片間時間をフィルタ特性に応じて適切に設定すれば問題にならない。
【００２６】
まず、入力開始パターンとして、ある一定値Ｆｄより大きな値の力を加える。この時、持続時間は問題にしないので、前述の接触センサ１０３による実装のときのように操作者がこれを気にする必要がない。入力開始後のタイムアウト時間ｔｏは設定するが、それ以外の時間制限はない。開始パターン入力後、力の大きさで段階をつけて入力を行い、これを解釈することを行う。図５では、力の大きさを、（１）Ｆｄより大、（２）ＦｓとＦｄの間、（３）Ｆｓより小、の３段階に分けている。前記（１）の場合は入力開始／終了パターンに用いる。前記（２）、（３）では力の大小を持続時間の長短に置き換えて解釈する。
【００２７】
これにより前述の接触センサ１０３による入力と同様に扱えるが、一塊の情報パターン（いくつかの長短の素片から形成される、意味を持つ情報の最小単位）入力時にそれを形成する素片（図５では１つの矩形）の間の時間（例えば図５ではｔｅｇ１、ｔｅｇ２）の管理を意識せずにすむことで操作者による入力をより容易にしている。すなわち、ｔｅｇ１、ｔｅｇ２はパターン間隙を示す時間経過ｔｇ１と比べて区別がつく程度により小さければよい。この場合に意識する必要があるのはパターンとパターンの間隙を示す時間経過ｔｇ１、ｔｇ２のみである。しかし、これも厳密なものではなく、素片間時間ｔｅｇ１、ｔｅｇ２よりは長いがタイムアウト時間ｔｏとの区別がつく程度に小さい値であればよい。逆に言えばｔｏをある程度長く取っておけばｔｇｎ、ｔｅｇｎ（ｎ＝１…）は人間のタイム感覚で十分対応可能な長さにできる。また、力の大きさに関しても、段階数に反して入力が容易になる。図５の場合は３段階であり、これを大・中・小に割り当てれば厳密な力の管理は必要なく、閾値Ｆｄ、Ｆｓを適当に設定すれば人間の力覚で十分対応可能である。本入力方法は既存の通信符号例えばモールス符号に似ているが、モールス符号が素片幅を時間で規定しているのに対して、本入力方法は素片の長短を入力された力の大小で区別して、かつ素片の時間幅を問題にしていない点が異なり、モールス符号より単位時間あたりの入力パターン数を増やすことが可能である。
【００２８】
本入力方法は、モールス符号通信と同様、慣れれば１分間に数十の情報パターンを入力可能であるが、操作者が必ずしもそういった入力方法に習熟しているとは限らない。その場合は入力補助の道具を用いるのがよい。
【００２９】
補助具の簡単な例を図６に示す。図６において、６０１は補助具、６０２は開始パターンを入力するための突起、６０３〜６０５は情報パターンを入力するための突起群、６０６は終了パターンを入力するための突起である。図６（ａ）は上から見た図、図６（ｂ）は横から見た図である。
【００３０】
操作者は、命令としての情報パターンを入力する際には、図７に示すように一定位置にサーボ静止しているマニピュレータ部１０１の先端にこの補助具６０１を当てスライドする。その結果、力センサ１０４には前記のパターンでの入力ができる。このとき、スライドに要する時間や途中での速度変動は、前記の原理で検出する限り問題にはならない。あるいは、図８のように、この補助具６０１をドアや壁、机、椅子８０１などの環境に配置しておくことも考えられる。この補助具６０１は交換可能にしておく。前提として、環境内のある対象物の決まった位置にこの補助具６０１を取り付け、移動ロボットが地図なり別途装備されたセンサなりでこれを認識した際には、その決まった位置をなぞることで、その対象物に対する操作を記述しておくことができる。すなわち、環境内の多種多様な対象物に対して、その物理的・幾何学的特徴を記録し、ロボットが動作する際にはこれを検出し記録された特徴との照合を行い対象物の種類を特定し対応する操作手順を実行する、などといった処理を省略できる。
【００３１】
以上に示した例から明らかなように、通常はマニピュレータ部の動作制御のために用いる、接触状態や外力を検出するためのセンサを、操作者の命令情報の入力に用いることができる。
【００３２】
本実施例によれば、本来は動作制御において環境（物体や構造物などの作業対象）との力学的相互作用の状態を定量的に検出するために標準的に装備されている、力センサ・接触センサなどを介して定量的命令またはリテラルな命令を入力可能となる。また、人を模した自律型移動作業ロボットなどにおいては、機体にコマンドインターフェイスを装備することが省略できるため、耐環境性・信頼性・対人親和性の向上が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施例に係る作業用マニピュレータの構成図である。
【図２】図１のマニピュレータ部の力センサ、接触センサを用いて行う作業の例を示す図である。
【図３】図１のマニピュレータ部におけるコマンド入力の処理の流れを示す図である。
【図４】図１のマニピュレータ部における接触センサを用いた例の動作説明図である。
【図５】図１のマニピュレータ部における力センサを用いた例の動作説明図である。
【図６】図１のマニピュレータ部に用いる入力補助具の例を示す図である。
【図７】図６の入力補助具を用いた入力方法の一例を説明する図である。
【図８】図６の入力補助具を用いた入力方法の他の例を説明する図である。
【符号の説明】
【００３４】
１０１…マニピュレータ部、１０２…作業用ハンド、１０３…接触センサ、１０４…力センサ、１０５…関節リミットセンサ、１０６…操作者、１０７…移動ロボット、１０８…移動ロボット頭部、１０９…移動ロボット胴体、１１０…移動ロボット走行部、１１１…制御部、１１２…駆動エネルギ供給部、１１３…マニピュレータ制御情報および制御入力伝達経路、１１４…移動ロボット頭部制御情報および制御入力伝達経路、１１５…移動ロボット走行部制御情報および制御入力伝達経路、１１６…駆動エネルギ供給経路、６０１…補助具、６０２…開始パターンを入力するための突起、６０３〜６０５…情報パターンを入力するための突起群、６０６…終了パターンを入力するための突起。
【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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