(57)【要約】【課題】物体を長距離運搬する場合にエネルギー消費を低減できる移動マニピュレータの制御方法を提供する。【解決手段】移動台車に搭載されたマニピュレータを制御する移動マニピュレータの制御方法において、外力を力検出部（１１）によって検出し、検出した外力を解析して（１２）、外力情報から移動マニピュレータの操作量を演算し（１３）、外力解析の結果を基に操作量を移動体および／またはマニピュレータの操作量として移動体およびマニピュレータへ分配（１４）するものである。【選択図】　　　図１
2004058191.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動台車に搭載されたマニピュレータを制御する移動マニピュレータの制御方法において、外力を力検出部によって検出し、前記検出した外力を解析して、前記外力情報から移動マニピュレータの操作量を演算し、前記外力解析の結果を基に前記操作量を移動体および／またはマニピュレータの操作量として移動体およびマニピュレータへ分配することを特徴とする移動マニピュレータの制御方法。
【請求項２】
前記移動体とマニピュレータへの操作量の分配は、外力が変動した場合にはマニピュレータを動作させ、前記外力が定常で一方向の場合は移動体を動作させるように分配することを特徴とする請求項１記載の移動マニピュレータの制御方法。
【請求項３】
移動台車に搭載されたマニピュレータを制御する移動マニピュレータの制御装置において、
外力を検出する力検出部と、前記検出した外力を解析する外力解析部と、前記外力情報から移動マニピュレータの操作量を演算により求める操作量演算部と、前記外力解析部の解析結果を基に前記操作量を移動体および／またはマニピュレータの操作量として分配する操作量分配部と、を有することを特徴とする移動マニピュレータの制御装置。
【請求項４】
前記外力解析部は、前記力検出部による力情報を基に、外力が変動成分であるか定常成分であるかを判定することを特徴とする請求項３記載の移動マニピュレータの制御装置。
【請求項５】
前記外力の変動成分とは、外力の時間微分の絶対値が設定値以上であることを特徴とする請求項４記載の移動マニピュレータの制御装置。
【請求項６】
前記外力の定常成分とは、外力の時間積分の絶対値が設定値以上であることを特徴とする請求項４記載の移動マニピュレータの制御装置。
【請求項７】
前記操作量分配部は、前記外力解析部が変動成分であると判断した場合にはマニピュレータへ操作量を分配し、前記外力解析部が定常成分であると判断した場合には移動体へ操作量を分配することを特徴とする請求項３又は４のいずれか１項記載の移動マニピュレータの制御装置。
【請求項８】
前記操作量分配部は、前記外力解析部が定常成分であると判断して移動体へ操作量を分配している場合においても、定常成分とは逆方向の外力を検出した場合に直ちに停止させる操作量を移動体へ分配することを特徴とする請求項７記載の移動マニピュレータの制御装置。
【請求項９】
前記操作量分配部は、マニピュレータのヤコビ行列を監視して、マニピュレータが特異状態にならないようにマニピュレータの操作量と移動体への操作量を分配することを特徴とする請求項３乃至８のいずれか１項記載の移動マニピュレータの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、移動体にマニピュレータを搭載した移動マニピュレータに関し、特に、マニピュレータ先端部が把持した物体を人間と共同で運搬する際の移動マニピュレータの制御方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の移動マニピュレータの制御装置については、例えば、特開平１３−１１３４８１号公報に開示された「パワーアシスト装置およびその制御方法」が知られている。このパワーアシスト型移動マニピュレータの制御装置は、マニピュレータ先端部が予め設定した領域内部にある場合は移動体を停止し、外部から加わわる力情報を基に生成した軌道をマニピュレータのみに与え、また、マニピュレータ先端部が設定領域周辺部にある時には、移動体を自走させて、マニピュレータ先端部と移動体との距離を減少する方法および装置が記載されている。
図６は従来のパワーアシスト装置のブロック図であり、図中、３１はロボットアーム（マニピュレータ）、３２は移動ベース（移動体）、３３、３４はそれぞれロボットアームおよび移動ベースの動作を制御するサーボ機構である。３５はインピーダンス制御部であり、操作者による操作力を検出するセンサ情報と、運搬対象物の負荷を検出するセンサ情報と、ロボットアームに内蔵された複数の角度センサ情報を基に、ロボットアーム及び移動ベースのそれぞれのサーボ機構へ目標速度指令を算出する。
このインピーダンス制御部３５は、移動ベースを基準としたロボットアーム先端位置の動作領域を、安全領域と、その外周の警告領域に分割し、それぞれの領域内でインピーダンスパラメータ（仮想的な慣性係数、粘性係数、バネ係数）を切り換えられるような構成となっている。
このような構成において、ロボットアームの先端部が安全領域内に存在する場合は、インピーダンスパラメータの少なくとも１つの係数を小さくし、移動ベースには目標速度指令を与えないようにすることで、移動ベースは停止し、ロボットアームのみで運搬物を操作することが可能となる。
【０００３】
図７は、図６のロボットアーム先端部が安全領域内に存在する場合は、移動ベースを停止し、ロボットアームのみで外力である操作力に対して動作することを説明した図である。図中の１は安全領域、２は警告領域を示している。これに対して、ロボットアームの先端部が安全領域を脱し警告領域に達した場合、インピーダンスパラメータの少なくとも１つを大きくし、目標速度指令を移動ベースにも与えることで移動ベースとロボットアーム先端部の相対位置を初期状態に復帰することができるようになっている。
図８（Ａ）は、ロボットアーム先端部が安全領域を逸脱して、警告領域に入った場合、外力である操作力に対してロボットアームが、図８（Ｂ）の初期状態になるまで移動ベースを移動させることを説明した図である。
このように、移動ベースを極力移動させずにロボットアームの初期状態に近い範囲での動作を行うため、作業中の安全性やロボットアームの応答速度を向上させると共に、限定した範囲であれば重量の大きな移動ベースを動かし続けなくてよいため、エネルギー消費が少ないといった効果が得られる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術においては、物体を人間と共同で長い距離運搬する場合には、「安全領域：移動ベース停止、ロボットアームのみ動作」→「警告領域：ロボットアームが初期状態になるまで移動ベースを移動」→「安全領域：移動ベース停止、ロボットアームのみ動作」→、…、というように、図７、図８を繰り返すような動作となる。このような動作では、移動ベースは加減速を繰り返す必要があるため、物体を長距離運搬する場合にはエネルギー消費を低減できるとは限らないという問題があった。
また、領域を分けて移動ベースの停止と移動およびインピーダンスパラメータを切り換えるため、領域が変わる境界上での作業性が安定し難いという問題があった。
そこで、本発明は、マニピュレータと移動体の動作を領域によって切り換えるのではなく、外力による力情報を解析することによってマニピュレータと移動体の動作を切り換えるようにして、物体を長距離運搬する場合にも移動体の加減速によるエネルギー消費を低減し、作業性を向上させることができる移動マニピュレータの制御方法および制御装置を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、移動台車に搭載されたマニピュレータを制御する移動マニピュレータの制御方法において、外力を力検出部によって検出し、前記検出した外力を解析して、前記外力情報から移動マニピュレータの操作量を演算し、前記外力解析の結果を基に前記操作量を移動体および／またはマニピュレータの操作量として移動体およびマニピュレータへ分配することを特徴としている。
また、請求項２に記載の発明は、前記移動体とマニピュレータへの操作量の分配は、外力が変動した場合にはマニピュレータを動作させ、前記外力が定常で一方向の場合は移動体を動作させるように分配することを特徴としている。
また、請求項３に記載の発明は、移動台車に搭載されたマニピュレータを制御する移動マニピュレータの制御装置において、外力を検出する力検出部と、前記検出した外力を解析する外力解析部と、前記外力情報から移動マニピュレータの操作量を演算によって求める操作量演算部と、前記外力解析部の解析結果を基に前記操作量を移動体および／またはマニピュレータの操作量として分配する操作量分配部と、を有することを特徴としている。
【０００６】
また、請求項４に記載の発明は、前記外力解析部は、前記力検出部による力情報を基に、外力が変動成分であるか定常成分であるかを判定することを特徴としている。
また、請求項５に記載の発明は、前記外力の変動成分とは、外力の時間微分の絶対値が設定値以上であることを特徴としている。
また、請求項６に記載の発明は、前記外力の定常成分とは、外力の時間積分の絶対値が設定値以上であることを特徴としている。
また、請求項７に記載の発明は、前記操作量分配部は、前記外力解析部が変動成分であると判断した場合にはマニピュレータへ操作量を分配し、前記外力解析部が定常成分であると判断した場合には移動体へ操作量を分配することを特徴としている。
また、請求項８に記載の発明は、前記操作量分配部は、前記外力解析部が定常成分であると判断して移動体へ操作量を分配している場合においても、定常成分とは逆方向の外力を検出した場合に直ちに停止させる操作量を移動体へ分配することを特徴としている。
また、請求項９に記載の発明は、前記操作量分配部は、マニピュレータのヤコビ行列を監視して、マニピュレータが特異状態にならないようにマニピュレータの操作量と移動体への操作量を分配することを特徴としている。
この移動マニピュレータの制御方法および装置では、マニピュレータと移動体の制御を切替える設定領域を有するのではなく、人間が加える操作力を解析することによってマニピュレータと移動体の制御を切替えるようにしている。
具体的には、図３に示す制御内容を示す概念図のように、人間による操作力が予め設定した時間内で変動する変動成分（交流成分）の場合は、移動体は停止すると共に、外力微分、外力積分を基に生成した軌道をマニピュレータに与えて制御する。
また、図４に示すように、予め、設定した時間以上一定の操作力が加わる定常成分（直流成分）の場合は、マニピュレータを停止して、移動体を制御してマニピュレータと移動体を近付け操作力に追従させる。
また、図５に示すように、図３の交流成分と、図４の直流成分とが重畳しているような場合は、交流成分はマニピュレータの制御で対処し、直流成分は移動体の制御で対処する。
以上のような制御方法によって、力情報や指令情報の特性を基に移動体制御とマニピュレータ制御とを切替えるので、マニピュレータ先端位置がどのような位置にあっても、直ちに指令通りに目的の動作を得ることが可能である。
また、直流成分に対しては移動体制御で追従するため、マニピュレータは絶えず作業性の最も大きい領域で作業することが可能になる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
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。
図１は本発明の実施の形態に係る移動マニピュレータの制御装置のブロック図である。
図２は図１に示す移動マニピュレータの制御装置の処理のフローチャートである。
図１において、１１は外力を検出する力検出部であり、例えば、６軸力センサを用いて並進力および回転モーメントを取得する。
１２は力検出部１１で取得した力情報が頻繁に変化する変動成分であるか、ほぼ決まった方向へ連続する定常成分であるかを解析する外力解析部、１３は外力が小さくなるように移動マニピュレータの操作量を演算する操作量演算部、１４は操作量演算部１３で演算した操作量を移動体とマニピュレータの少なくとも一方に分配する操作量分配部である。
移動体およびマニピュレータへの操作量は、移動体およびマニピュレータのモーション部１５１、１５２へ分配された後、運動学計算を行いマニピュレータの位置指令から逆運動学演算によりモータ角度を算出して、各アクチュエータの指令値を生成する。これらの指令値は移動体およびマニピュレータのサーボ部１６１、１６２へ渡され、各アクチュエータのフィードバック制御を行う。これらが滞りなく機能することでマニピュレータ機構部１７１および移動体機構部１７２の位置姿勢が変化し、所望の動作を実現することができる。
【０００８】
つぎに動作について図２を参照して説明する。
力検出部１１で外力ベクトルＦを取得し（Ｓ１１ａ）、次の外力解析部１２において、外力を時間ｔについて微分（Ｓ１２ａ）、および積分（Ｓ１２ｂ）し、微分値ｄＦ／ｄｔの絶対値を評価基準として予め設定した値Ｄよりも、この基準値が大きければ外力は変動成分であると判定する（Ｓ１２ｃ）。また、積分値・Ｆｄｔの絶対値を評価基準として、予め設定した値Ｉよりも大きければ定常成分であると判定する（Ｓ１２ｄ）。
それぞれの判定が変動成分、又は定常成分であると判定された場合は、操作量演算部１３にて、マニピュレータの操作量Ｍと移動体の操作量Ｖを求めるが、判定が変動成分あるいは定常成分ではないと判定された場合は、それぞれの操作量は（Ｓ１４ｃ）、（Ｓ１４ｆ）にて０に設定される。
この例では、評価基準の一つを力の一階時間微分としたが、力の２階時間微分や３階時間微分を評価基準の対象としてもよい。
ところで、マニビュレータ（ロボットアーム）には各軸の軸角度が特定の組み合わせになった場合に、例えば、アームが互いに一直線上に伸び切った状態の場合等のように、ある方向にアームを動かそうとしても制御不能になる状態が複数存在し、これを特異状態と呼んでいる。従って、マニピュレータの制御では、予め、こうした特異状態および特異状態近傍での制御を避けるように考慮する必要がある。
このマニピュレータの特異状態を検知するにはヤコビ行列を監視する方法が知られている。通常、マニピュレータが特異状態に近付いて行くと、ヤコビ行列Ｊｍの解ノルム‖Ｊｍ‖は連続して減少して行くものなので、予め、しきい値αを設けて、操作量分配部１４は、マニピュレータのヤコビ行列Ｊｍのノルム（解）‖Ｊｍ‖が、予め、設定された値α以上ならば特異状態ではないと判定して（Ｓ１４ａ）、更に、‖Ｊｍ‖がαよりも小さい場合でも操作量演算部１３で求めた次の動作のための操作量Ｍを適用した場合のヤコビ行列のノルム‖Ｊｍ´‖が、現在の‖Ｊｍ‖よりも大きい場合、即ち次の操作量でマニピュレータを動作させた場合に特異状態を脱する方向に作用する場合には（Ｓ１４ｂ）、マニピュレータの操作量は、通常の操作量演算部１３で求めた操作量Ｍ＝Ｋ１＊Ｆ（但し、Ｋ１：定数）、を用いる。
これに対して、Ｓ１４ａの判断でマニピュレータの状態が特異状態に近い（即ち、‖Ｊｍ‖がαより小さい）、且つ、Ｓ１４ｂの判断で‖Ｊｍ´‖が‖Ｊｍ‖以下、即ち、マニピュレータの次の動作で特異状態により近付く場合には、マニピュレータの操作量を０と設定する（Ｓ１４ｃ）。
このように、マニピュレータのヤコビ行列を監視し、ノルム間の差分検知も行って方向性を検知し、特異状態にならないようにするので、マニピュレータを用いた際の作業性が向上する。
また、操作量分配部１４では、外力Ｆと外力の時間積分∫Ｆｄｔの正負の符号を比較して（Ｓ１４ｅ）、同一符号ならば移動体への操作量Ｖは、
Ｖ＝Ｋ２＊∫Ｆｄｔ（Ｋ２：定数）とし、
異符号であれば操作量Ｖを０とすることで移動体を停止させる（Ｓ１４ｆ）。
【０００９】
以上の分配法を、図３、図４、図５に示す分配制御の概念図で説明すると、図３は人間による操作力が予め設定した時間内で変動する場合（交流成分）には、移動体を停止すると共に、生成した軌道をマニピュレータに与えて、マニピュレータだけを駆動する状態を、図４は、予め、設定した時間以上一定（直流成分）の操作力が加えられた場合は、マニピュレータを停止し移動体を制御して操作力に追従する状態を、図５は、両方が重畳したような場合は、交流成分はマニピュレータ制御で対処し、直流成分は移動体制御で対処する、というそれぞれの制御形態を示している。
このように本実施の形態によれば、従来の領域と領域の境目において、インピーダンスパラメータを切替えるために、領域の境界上では作業が安定しにくいといった不都合が解消され、ヤコビ行列監視による特異状態検知についても、ノルム間の比較による方向性検知まで実施して正確な回避を行ないながら、変動成分と定常成分によるマニピユレータと移動体への分配制御を実施するので、追従性の高い且つ安全な制御が可能になる。
【００１０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、外力の変動成分はマニピュレータで対応し、定常成分は移動体を動作させることで対応することによって、細かな作業を行う場合のように、絶えず力の変動が生じる場合はマニピュレータが動作するため作業時の操作性が向上すると共に、物体を人間と共同で長距離運搬する場合のように一方向の力（定常的な力）が加わる状態が続く場合には移動体を動作させるため、従来のように境界を設定してマニピュレータと移動体の操作量を分配するような加減速の繰り返しが少なくなり、エネルギー消費を低減することができるという効果がある。
また、外力の時間積分値と外力の正負の符号を比較して、異符号の場合に停止するため、例えば、物体を人間と共同で運搬していて、人間が壁と物体との間に挟まれたような場合に、移動体が動作する方向（即ち、外力の積分の符号）とは逆の力（反力）を力検出部１１が検出するため、外力の積分値と外力の符号が異符号となり移動体が停止するので安全性が向上するという効果がある。
また、マニピュレータのヤコビ行列を監視して、特異状態にならないように制御するので、マニピュレータによる作業性が向上する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る移動マニピュレータの制御装置のブロック図である。
【図２】図１に示す移動マニピュレータの制御装置の処理のフローチャートである。
【図３】図１に示す移動マニピュレータの制御装置で操作力が変動する時の制御を説明する概念図である。
【図４】図３に示す移動マニピュレータの制御装置で操作力が一定の場合の制御を説明する概念図である。
【図５】図３に示す移動マニピュレータの制御装置で操作力が変動成分と一定の成分と重畳する場合の制御を説明する概念図である。
【図６】従来のパワーアシスト装置のブロック図である。
【図７】図６に示すパワーアシスト装置のロボットアーム先端部が安全領域内にある場合の説明図である。
【図８】図７に示すロボットアーム先端部が警告領域内にある場合の説明図である。
【符号の説明】
１１　力検出部
１２　外力解析部
１３　操作量演算部
１４　操作量分配部
１５１　移動体モーション部
１５２　マニピュレータモーション部
１６１　移動体サーボ部
１６２　マニピュレータサーボ部
１７１　移動体機構部
１７２　マニピュレータ機構部
【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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