(57)【要約】      （修正有）【課題】作業中、操作者の操作姿勢を操作者に都合の良い姿勢に保つことが可能で、かつ作業反力を触覚として操作者に情報提示し、操作性を向上するとともに、安全性を確保することができるようにする。【解決手段】ロボットアーム１上に設置された２軸以上の自由度を有する操作アーム８と、操作アーム８に設置された第２力検出手段９と、ロボットアーム１の形態に合わせて作業好適なように操作アーム８の各軸を制御する操作アーム制御部４とを備える。【選択図】図１
2005334999.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボットアームと、
前記ロボットアームの先端に第１の力検出手段を介して取り付けられたハンドと、
前記ロボットアームを搭載する移動ベースと、
前記ロボットアームおよび前記移動ベースを力制御するロボット制御部とを備え、操作者の力を増幅して前記ハンドで作業対象物の把持や運搬を行なうアシスト装置であって、
前記ロボットアーム上に第２の力検出手段を介して設置された２軸以上の自由度を有する操作アームと、
前記ロボットアームの形態に合わせて前記操作アームの各軸を制御する操作アーム制御部とを備えることを特徴とするアシスト装置。
【請求項２】
前記操作アーム制御部は、操作開始時における前記操作アームおよび前記ロボットアームの各関節の角度を記憶する記憶手段と、
前記記憶手段の記憶した角度と前記ロボットアームの各関節の角度とから前記操作アームへの指令を算出する第１の操作アーム演算手段とを備えることを特徴とする請求項１記載のアシスト装置。
【請求項３】
前記操作アーム制御部は、前記操作アームの先端位置の変化量と前記ロボットアームの先端位置の変化量とが一定の比率となるような指令を算出する第２の操作アーム演算手段を備えることを特徴とする請求項１または２記載のアシスト装置。
【請求項４】
前記操作アームは、前記比率を選択する選択手段を備えることを特徴とする請求項３記載のアシスト装置。
【請求項５】
前記操作アーム制御部は、前記第１の力検出手段あるいは第２の力検出手段の出力が予め設定された閾値以上となった場合に、前記操作アームおよび前記ロボットアームを停止させる停止手段を備えることを特徴とする請求項１乃至４記載のアシスト装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、先端部で作業対象物を保持するロボットアームと、このロボットアームを搭載する移動ベースと、前記ロボットアームと前記移動ベースを制御する力制御手段を有するロボット制御手段とを具備し、前記ロボットアームに加えられた操作力を増幅することにより作業対象物の運搬や組み立てを補助するようにしたアシスト装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のアシスト装置は、ロボットアームと移動ベースと前記ロボットアーム先端の２つの力覚センサで構成されており、２つの力覚センサはそれぞれ作業対象物の負荷と操作者から加えられる操作力とを個別に検出する。
操作者からロボットアームに加えられた操作力を増幅して作業対象物に与えることにより、操作者の負担を低減している（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図９は従来のパワーアシスト装置の概略を示したものである。ここで例示するパワーアシスト装置１０１は、運搬対象物Ｗの搬送を補助するためのもので、ロボットアーム１１０と、このロボットアーム１１０を搭載する移動ベース１２０とを備えている。
ロボットアーム１１０は、複数の旋回関節１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃを持つ多関節形で、各関節を旋回させることにより伸縮動作することが可能である。このロボットアーム１１０の先端部には、ハンド１１２および操作レバー１１３が設けられている。ハンド１１２は、運搬対象物Ｗを保持するためのもので、ロボットアーム１１０の先端部からその軸線に沿う方向に連設してある。操作レバー１１３は、操作者からの操作力をロボットアーム１１０に伝達するためのもので、ロボットアーム１１０の先端部から側方に向けて突設してある。ロボットアーム１１０の先端部とハンド１１２との間には、負荷力検出センサ１１４を介在させ、また操作レバー１１３との間には、操作力検出センサ１１５を介在させてある。さらに各旋回関節部分にはそれぞれ角度センサ１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃを設けてある。
【０００４】
移動ベース１２０は、上述したロボットアーム１１０の基端部を保持するものである。この移動ベース１２０は、その底面に複数の車輪１２１を備えており、これらの車輪１２１を介して床面上を自走することが可能である。
【０００５】
一方、上記パワーアシスト装置１０１は、図１０に示すように、インピーダンス制御部１３０を備えている。このインピーダンス制御部１３０は、操作力検出センサ１１５にて検出される操作力Ｆｈと、負荷力検出センサ１１４にて検出される運搬対象物Ｗの負荷Ｆｌ と、複数の角度センサ１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃの検出結果に基づいて算出される移動ベース１２０を基準としたロボットアーム１１０の先端部位置Ｘｍとに基づいて、ロボットアーム１１０および移動ベース１２０の動作を制御するべく、それぞれのサーボ機構１４０、１５０に対して目標速度信号を与えるもので、制御手段および抵抗力付与手段に相当する部分である。インピーダンス制御部１３０には、移動ベース１２０を基準としてロボットアーム１１０の先端部が動作し得る動作領域を予め２つに分割し、これら２つの領域をそれぞれ安全領域および警告領域として設定してある。
【０００６】
安全領域は、パワーアシスト装置１０１の重心変動が小さく、ロボットアーム１１０を比較的安定した状態で動作し得る領域であり、移動ベース１２０の基準となる位置Ｘｂから距離Ｌｍまでの範囲である。
一方、警告領域は、安全領域の外周に位置する領域であり、その外縁が移動ベース１２０の基準となる位置Ｘｂから距離Ｌｓとなるように設定してある。この警告領域の外縁までの距離Ｌｓは、上述したロボットアーム１１０の先端部が動作し得る動作領域の外縁までの距離と一致していてもよいし、該動作領域の外縁よりも内方側となる位置であっても構わない。
【０００７】
また、インピーダンス制御部１３０には、予め３つの動作制御モードが設定してある。
第１の動作制御モード（以下、モードＡという）は、移動ベース１２０を停止させた状態で、通常のパワーアシスト制御を行うモードである。すなわち、モードＡにおいては、アシスト比率をＹ（０＜Ｙ＜１）とした場合、操作力Ｆｈが−Ｙ・Ｆｌと釣り合うようにロボットアーム１１０の制御を行うようにする。
第２の動作制御モード（以下、モードＢという）は、移動ベース１２０を停止させた状態で、操作力Ｆｈ に対して非線形のバネ係数に従って高次関数的に抵抗力を加算する制御を行うモードである。すなわち、モードＢにおいては、非線形のバネ係数をＫｄ（Ｘｍ）、ロボットアーム１１０の先端部が初期状態にある場合における移動ベース１２０との離隔距離をＸｍ０とした場合、操作力Ｆｈが−Ｙ・Ｆｌ＋Ｋｄ（Ｘｍ ）・（Ｘｍ −Ｘｍ０）と釣り合うようにロボットアーム１１０の制御を行うようにする。
第３の動作制御モード（以下、モードＣという）は、移動ベース１２０を自走させてロボットアーム１１０の先端部が上述した初期状態となるように、つまりロボットアーム１１０の先端部との離隔距離がＸｍ０となるように移動ベース１２０の制御を行うモードである。この場合、操作力Ｆｈに対しては、ロボットアーム１１０の先端部と移動ベース１２０との偏差（Ｘｍ −Ｘｍ０）に比例する線形バネ係数に従った抵抗力を加算するように制御を変更する。
【０００８】
このように、従来のアシスト装置は、安全領域と警告領域に応じて、３つの動作モードを切り替えて、ロボットアームの先端部が動作領域の外周縁部に達した場合にのみ移動ベースを自走させるようにしているため、常に移動ベースを自走させるようにしたものに比べて安全上有利であり、さらにエネルギー消費やロボットアームの応答性の点でも有利となっている。
【０００９】
【特許文献１】特許第３１８８９５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、従来のアシスト装置は操作部がロボットアームに固定的に設置されているため、作業中にロボットアームの姿勢が変化すると操作部の姿勢も同様に変化する。よって操作部の姿勢に応じて操作者も姿勢を変化させなければならず、その変化が大きい場合、操作性が悪くなるという問題があった。
また、操作者の姿勢が変化することでロボットアームへの注意が散漫となるという安全上の問題もあった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、作業中、操作者の姿勢を操作に適した姿勢に保つことが可能で、かつ作業反力を触覚として操作者に提示して操作性を向上するとともに、安全性を確保することができるアシスト装置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】
【００１１】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、ロボットアームと、前記ロボットアームの先端に第１の力検出手段を介して取り付けられたハンドと、前記ロボットアームを搭載する移動ベースと、前記ロボットアームおよび前記移動ベースを力制御するロボット制御部とを備え、操作者の力を増幅して前記ハンドで作業対象物の把持や運搬を行なうアシスト装置であって、前記ロボットアーム上に第２の力検出手段を介して設置された２軸以上の自由度を有する操作アームと、前記ロボットアームの形態に合わせて前記操作アームの各軸を制御する操作アーム制御部とを備えることを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、前記操作アーム制御部は、操作開始時における前記操作アームおよび前記ロボットアームの各関節の角度を記憶する記憶手段と、前記記憶手段の記憶した角度と前記ロボットアームの各関節の角度とから前記操作アームへの指令を算出する第１の操作アーム演算手段とを備えることを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、前記操作アーム制御部は、前記操作アームの先端位置の変化量と前記ロボットアームの先端位置の変化量とが一定の比率となるような指令を算出する第２の操作アーム演算手段を備えることを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、前記操作アームは、前記比率を選択する選択手段を備えることを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、前記操作アーム制御部は、前記第１の力検出手段あるいは第２の力検出手段の出力が予め設定された閾値以上となった場合に、前記操作アームおよび前記ロボットアームを停止させる停止手段を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１に記載の発明によると、ロボットアームの姿勢が大きく変化しても、操作者の作業姿勢を、操作者に好適なように保つことができ、操作者の作業負担を軽減することができる。
また、請求項２に記載の発明によると、作業中、操作者が姿勢変化することなく、ロボットアームを操作することができ、作業負担を最小にすることができる。
また、請求項３に記載の発明によると、ロボットアームの姿勢変化を操作者が、作業反力として体感する必要がある場合に、操作者と操作環境に合わせて操作アームの位置変化を調整することができ、操作性を向上することができる。
また、請求項４に記載の発明によると、操作者が操作環境と作業内容に応じて適応的に変化比率を切り替えることができ、操作性を向上することができる。
また、請求項５に記載の発明によると、操作者の誤操作により異常な操作力が作用した場合にロボットアームを速やかに停止することができ、操作者の安全を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
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】
【００１４】
図１は、本発明のアシスト装置の概略を示した図である。このアシスト装置を使って、作業対象物５の搬送を補助する。
図において、１はロボットアーム、２はロボットアーム１を搭載する移動ベース、８はロボットアーム１を操作する操作アームであり、操作者１１が操作ハンドル１３を把持して操作アーム８を動かすことによりロボットアーム１が動作する。４は制御装置で、ロボットアーム１、操作アーム８およびベース移動手段７を制御する。
【００１５】
ロボットアーム１は多関節形のもので、本実施例では６つの関節を備えている。ロボットアーム１の先端には、作業対象物５を把持するためのハンド１２が第１力検出手段６を介して設置されている。さらに、ロボットアーム１の各関節部分には、角度センサｓ１、ｓ２、ｓ３、・・・ｓ６が設けてある。
操作アーム８も多関節形のもので、本実施例では６つの関節を備えている。操作アーム８の先端には、操作者１１が把持する操作ハンドル１３が第２力検出手段９を介して設置されている。さらに、操作アーム８の各関節部分には、角度センサｓｈ１、ｓｈ２、ｓｈ３、・・・ｓｈ６が設けてある。
ベース移動手段７は、予め設置されたスライド軸上を移動する方式でも、車輪による自走式でも良い。図では車輪による自走式の例を示している。
【００１６】
制御装置４の構成を図２に示す。制御装置４は移動ベース２に内蔵されており、力制御手段（例えばインピーダンス制御）３を備えている。
力制御手段３は、第１の力検出手段６により検出される作業対象物５の負荷ＦＦｌと、第２の力検出手段９により検出される操作者１１の操作力ＦＦｈと、角度センサｓ１、ｓ２、ｓ３、・・・ｓ６の検出結果から算出される移動ベース２を基準としたロボットアーム１の先端部位置とから、ロボットアーム制御部２１、移動手段制御部２２に対して目標速度信号を与えてロボットアーム１およびベース移動手段７の動作を制御する。
【００１７】
さらに制御装置４は操作アーム８を制御する操作アーム制御部１０を備える。
操作アーム制御部１０は、角度センサｓ１、ｓ２、ｓ３、・・・ｓ６の検出結果から算出される移動ベース２を基準としたロボットアーム１の先端部位置と角度センサｓｈ１、ｓｈ２、ｓｈ３、・・・ｓｈ６の検出結果から算出される移動ベース２を基準とした操作アーム８の先端部位置とに基づいて操作アーム８のサーボ制御手段２３に対して目標位置信号を与える。
【００１８】
図３は操作アーム制御部１０の内部ブロック図である。
図３に示すように、操作アーム制御部１０は第１操作アーム演算手段１０ａと第２操作アーム演算手段１０ｂとからなる。
第１操作アーム演算手段１０ａは、操作開始時の操作アーム８の移動ベース２を基準とした姿勢を記憶する記憶部を備える。
また、操作者１１は図４に示す選択手段１４により操作アーム制御部１０の２つの動作モード（以下モード１、モード２という）を選択できる。
【００１９】
以下、具体的な動作モードの実施例を説明する。
図５に移動ベース２の座標系ΣＷと、ロボットアーム１上の操作アーム８が設置されている点の座標系ΣＢと、操作アーム８先端の操作ハンドル１３の座標系ΣＡと、ハンド１２の座標系ΣＣの関係を示す。
それぞれの座標系は、次の（式１）と（式２）の変換マトリックスにて関係付けられている。
【００２０】
2005334999.tif 000003
・・・式（１）
【００２１】
2005334999.tif 000004
・・・式（２）
【００２２】
図６に基づき、モード１での動作について説明する。
図６（ａ）はt０（操作開始時）でのロボットアーム１と操作アーム８の姿勢を示し、図６（ｂ）は操作者１１の操作により変化したロボットアーム１と操作アーム８のｔ’（ ｔ’＝ｔ０＋ｎΔｔ、但しｎ＝１、２、３、・・・、Δｔは制御周期）での姿勢を示している。なお、図において操作者１１は省略している。また、ロボットアーム１と移動ベース２の移動手段７の動作制御は、従来例（特許文献１）と同一であるため割愛する。
モード１では第１操作アーム演算手段１０ａにて、記憶部に記憶されたｔ０における操作アーム８の姿勢
【００２３】
2005334999.tif 000005
【００２４】
を用いて、それ以後、図６に示すように操作者１１の操作によってロボットアーム１の姿勢が変化しても操作アーム８の姿勢が変化しないように、以下の（式３）から、
【００２５】
2005334999.tif 000006
・・・式（３）
【００２６】
ｔ’における変換マトリックス
【００２７】
2005334999.tif 000007
【００２８】
を算出し、逆運動学の計算に基づき操作アーム８の各関節の目標関節角度を計算し、操作アーム８のサーボ制御手段２３に対して目標位置信号を与える。
このようにして図６に示すように、ロボットアーム１の姿勢が変化しても操作アーム８はその変化を打ち消すように動作し、その姿勢を一定に保つことができる。
【００２９】
続いて、モード２での動作について説明する。
モード２では第２操作アーム演算手段１０ｂにて、操作アーム８の先端位置の変化量とロボットアーム１の先端位置の変化量とが一定の比率となるように操作アーム８の制御を行う。
図７にはモード２で操作したときのロボットアーム１と操作アーム８の操作前後の位置関係を示す。図７において、ロボットアーム１の先端の位置変化ΔＸｍと操作アーム８の先端の位置変化ΔＸｈｍは
【００３０】
ΔＸｈｍ＝η（ΔＸｍ）
【００３１】
の関係にある。ηが比率を表し、０＜η＜１である。
以下、モード２について詳細に説明する。
まず操作者１１が、例えば図４に示すジョグダイヤルのような選択手段１４を用いることにより、モード２の選択および比率ηの調整を行なう。選択手段１４により、ηが以下の（式４）に示す値に設定されたとする。
【００３２】
【数１】
2005334999.tif 000008
【００３３】
第２操作アーム演算手段１０ｂは、設定された比率と、力制御手段３で算出された時刻ｔ１におけるロボットアーム１の目標速度信号[Ｖxm、Ｖym、Ｖzm、ωxm、ωym、ωym]とから図８のフロー図に従って時間ｔ１＋Δｔ（Δｔは制御周期）における変換マトリックス
【００３４】
2005334999.tif 000009
【００３５】
を算出し、逆運動学の計算に基づき操作アーム８の各関節の目標関節角度を計算し、操作アーム８のサーボ制御手段２３へ目標位置信号を与える。
以上のように、操作者１１が作業状況により選択手段１４を操作して変化比率を調整することで図７に示すように、ロボットアーム１の先端の位置変化に対して一定の比率で操作アーム８の先端位置を変化させることが可能となる。
【００３６】
次に、停止手段１６について説明する。停止手段１６は、第１の力検出手段６の出力ＦＦｌと第２の力検出手段９の出力ＦＦｈを監視し、それぞれ予め設定された閾値以上であった場合は各制御部に対して信号を送り、その出力を停止させ、異常動作を未然に防ぐ。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
以上述べたように、作業中、操作者の操作姿勢を良好な姿勢に保つことが可能で、かつ作業反力も一定の比率で触覚として操作者に提示可能なので、操作性を向上するとともに安全性を確保することができるアシスト装置を提供でき、物品の把持や搬送のみならず組み立てなどの用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の全体構成を示す図
【図２】本発明の制御装置のブロック図
【図３】本発明の操作アーム制御部の構成を示す図
【図４】本発明の操作ハンドル部を示す図
【図５】本発明の座標系の関係を示す図
【図６】本発明のモード１での動作を説明する図
【図７】本発明のモード２での動作を説明する図
【図８】本発明のモード２での第２操作アーム演算手段での処理を説明するフロー図
【図９】従来のパワーアシスト装置の構成を示す図
【図１０】従来例の制御装置のブロック図
【符号の説明】
【００３９】
１  ロボットアーム
２  移動ベース
３  力制御手段
４  制御装置
５  作業対象物
６  第１力検出手段
７  ベース移動手段
８  操作アーム
９  第２力検出手段
１０  操作アーム制御部
１０ａ  第１操作アーム演算手段
１０ｂ  第２操作アーム演算手段
１１  操作者
１２  ハンド
１３  操作ハンドル
１４  選択手段
１５  操作者の手
１６  停止手段
２１  ロボットアーム制御部
２２  移動手段制御部
２３、２４、２５  サーボ制御手段
１０１  パワーアシスト装置
１１０  ロボットアーム
１１１ａ  旋回関節
１１１ｂ  旋回関節
１１１ｃ  旋回関節
１１２  ハンド
１１３  操作レバー
１１４  負荷力検出センサ
１１５  操作力検出センサ
１１６ａ  角度センサ
１１６ｂ  角度センサ
１１６ｃ  角度センサ
１２０  移動ベース
１３０  インピーダンス制御部
１４０  ロボットアームのサーボ機構
１５０  移動ベースのサーボ機構
【図１】
2005334999.tif 000010
【図２】
2005334999.tif 000011
【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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【図９】
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【図１０】
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