(57)【要約】【課題】  手先と障害物との干渉を防止し、またならい動作においても、対象物への接近動作と、対象物に対しある一定の距離を保ち続けるならい動作とを、特別のモード変更を行うことなく滑らかに実現できる装置を提供する。【解決手段】  力センサからの情報Ｔinを対象物に接近する方向とそれに垂直な方向とに分解し、接近する方向の力Ｔinが正の時のみ、装置内部に記憶している対象物位置と各関節角から算出した手先位置との間の距離に応じて１から０まで単調連続に変化するリミット係数αe 算出し、これをＴinに積算し、他の分力とともに再合成することで出力Ｔout を得る力情報リミット部を備える。【選択図】  図１
2005034991.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
操作者がロボットに教示を行うための力センサから出力される情報に基づき力情報を加工する力情報加工部を有するとともに、前記力情報加工部は、前記力センサからの指令情報を対象物に接近する方向の指令情報とそれに垂直な方向の指令情報とに分解し、前記接近する方向の指令情報が正の時のみ、前記対象物位置と前記ロボットの手先位置との間の距離に応じて決められる０から１までの値をとるリミット係数αeを算出し、算出結果を前記対象物に接近する方向の指令情報に積算し、前記対象物に接近する方向に垂直な方向の指令情報とともに再合成することで最終的な力指令情報を得るロボットの動作範囲制限装置において、
前記対象物位置と前記ロボットの手先位置との間の距離は、近接センサによって測定され、前記対象物の方向は近接センサの取り付け位置によって決定されることを特徴とするロボットの動作範囲制限装置。
【請求項２】
操作者がロボットに教示を行うための力センサから出力される情報に基づき力情報を加工する力情報加工部を有するとともに、前記力情報加工部は、前記力センサからの指令情報を対象物に接近する方向の指令情報とそれに垂直な方向の指令情報とに分解し、前記接近する方向の指令情報が正の時のみ、前記対象物位置と前記ロボットの手先位置との間の距離に応じて決められる０から１までの値をとるリミット係数αeを算出し、算出結果を前記対象物に接近する方向の指令情報に積算し、前記対象物に接近する方向に垂直な方向の指令情報とともに再合成することで最終的な力指令情報を得るロボットの動作範囲制限装置において、
前記対象物位置は、可動対象物がとりうる動作範囲として設定されることを特徴とするロボットの動作範囲制限装置。
【請求項３】
前記可動対象物がとりうる動作範囲に代えて、前記ロボットアームの手先位置の到達禁止範囲とすることを特徴とする請求項２記載のロボットの動作範囲制限装置。
【請求項４】
動作範囲制限装置により障害物回避を行う移動ロボットにおいて、
前記動作範囲制限装置は、操作者がロボットに教示を行うためのジョイスティックから出力される情報に基づき力情報を加工する力情報加工部を有するとともに、
前記力情報加工部は、前記ジョイスティックからの指令情報を障害物に接近する方向の指令情報とそれに垂直な方向の指令情報とに分解し、前記接近する方向の指令情報が正の時のみ、前記障害物と前記移動ロボットの位置との間の距離に応じて決められる０から１までの値をとるリミット係数αeを算出し、算出結果を前記障害物に接近する方向の指令情報に積算し、前記障害物に接近する方向に垂直な方向の指令情報とともに再合成することで最終的な指令情報を得ることを特徴とする移動ロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、産業用あるいは医療福祉用あるいはトレーニング用に用いられるロボットアームを力制御によって制御する場合の直接教示ロボットの動作範囲制限装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的なロボットアーム力制御の概念ブロック図を図４に示す。図４において、４０１はロボットアーム、４０２は対象物、４０３はアーム４０１の手先、４０４はアーム４０１の先端に取り付けられ、教示者の力を検出する力センサ、４０５はアーム４０１を駆
動するモータ、４０６はモータ４０５の回転角を検出する回転角検出計、４０７は力センサ４０４の力情報をデジタル値に変換するＡ／Ｄ回路、４０８は力制御の慣性・粘性・弾性の各パラメータを設定するインピーダンス設定部、４０９は力情報を手先４０３の変位に変換する変位算出部、４１０は手先４０３の釣合い位置を設定する釣合い位置設定部、４１１は手先４０３の位置からモータ４０５の目標角度を算出する逆運動学計算部、４１２は回転角検出計４０６の出力をデジタル値に変換する回転角変換回路、４１３はゲイン積算器、４１４はゲイン積算器４１３の出力をアナログ値に変換するＤ／Ａ回路、４１５はＤ／Ａ回路４１４の出力に従ってモータ４０５を駆動するドライバである。
【０００３】
教示者が力センサ４０４に与える力情報は、Ａ／Ｄ変換回路４０７によってデジタル値に変換されたのち、変位算出部４０９に入力される。変位算出部４０９ではインピーダンス設定部４０８で設定された慣性・粘性・弾性パラメータをもとに手先４０３の釣合い位置からの変位が算出される。この変位は釣合い位置設定部４１０の出力に加算され、手先４０３の位置指令となり、さらに逆運動学計算部４１１により各関節の角度指令に変換される。この角度指令は、回転角検出計４０６により検出された回転角を回転角変換回路４１２により変換したデジタル値と比較され、この差分にゲイン積算器４１３によりゲインをかけた出力値が求められる。この出力値はＤ／Ａ回路４１４によってアナログ化され、ドライバ４１５によってモータ４０１に出力されることによってアーム４０１を駆動する。このようにして力センサ４０４に教示力を加えることでロボットアーム４０１が駆動され、複雑な制御を気にすることなく容易に手先４０２を所要の位置まで移動させることができる。
【０００４】
このロボットアーム４０１の動作環境内に障害物があり先端部を干渉させたくない場合の動作範囲制限は従来専ら教示者の教示力のノウハウに頼ることが多かった。すなわち、障害物に接近した時教示者自らが教示力を弱めることで干渉を防ぐことが必要であった。従って教示者次第では当然障害物との干渉も起こり得、アームおよび障害物を破損する危険性がある。また先端部を対象物のまわりをならってスムーズに動かしたい場合にも、教示者の教示力の精度に頼っていることから、一定の距離を保ち続けるのは困難である。このならい動作の精度をあげる装置については、アーム先端の運動をある特定の線上や面上に拘束する拘束モードを有する制御装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかしこの方法では拘束モードと通常の力制御モードとの切替え信号の入力装置が必要であり、またその両モードの滑らかな接続も困難である。
【特許文献１】特開平５−３０３４２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように、従来の直接教示ロボットにおいては、
（１）手先が動作環境内の障害物に干渉する恐れがある。
（２）ならい動作の精度が保たれない。
（３）ある特定の線上や面上に拘束する拘束モードを有する制御装置の場合、通常の力制御モードとの切替えを滑らかに行うことができない。
という欠点があった。
【０００６】
そこで、本発明は、手先と障害物との干渉を防止し、またならい動作においても、対象物への接近動作と、対象物に対しある一定の距離を保ち続けるならい動作とを、特別のモード変更を行うことなく滑らかに実現できる動作範囲制限装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、操作者がロボットに教示を行うための力センサから出力される情報に基づき力情報を加工する力情報加工部を有するとともに、前記力情報加工部は、前記力センサからの指令情報を対象物に接近する方向の指令情報とそれに垂直な方向の指令情報とに分解し、前記接近する方向の指令情報が正の時のみ、前記対象物位置と前記ロボットの手先位置との間の距離に応じて決められる０から１までの値をとるリミット係数αeを算出し、算出結果を前記対象物に接近する方向の指令情報に積算し、前記対象物に接近する方向に垂直な方向の指令情報とともに再合成することで最終的な力指令情報を得るロボットの動作範囲制限装置において、前記対象物位置と前記ロボットの手先位置との間の距離は、近接センサによって測定され、前記対象物の方向は近接センサの取り付け位置によって決定されることを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、操作者がロボットに教示を行うための力センサから出力される情報に基づき力情報を加工する力情報加工部を有するとともに、前記力情報加工部は、前記力センサからの指令情報を対象物に接近する方向の指令情報とそれに垂直な方向の指令情報とに分解し、前記接近する方向の指令情報が正の時のみ、前記対象物位置と前記ロボットの手先位置との間の距離に応じて決められる０から１までの値をとるリミット係数αeを算出し、算出結果を前記対象物に接近する方向の指令情報に積算し、前記対象物に接近する方向に垂直な方向の指令情報とともに再合成することで最終的な力指令情報を得るロボットの動作範囲制限装置において、前記対象物位置は、可動対象物がとりうる動作範囲として設定されることを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、前記可動対象物がとりうる動作範囲に代えて、前記ロボットアームの手先位置の到達禁止範囲とすることを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は、動作範囲制限装置により障害物回避を行う移動ロボットにおいて、前記動作範囲制限装置は、操作者がロボットに教示を行うためのジョイスティックから出力される情報に基づき力情報を加工する力情報加工部を有するとともに、前記力情報加工部は、前記ジョイスティックからの指令情報を障害物に接近する方向の指令情報とそれに垂直な方向の指令情報とに分解し、前記接近する方向の指令情報が正の時のみ、前記障害物と前記移動ロボットの位置との間の距離に応じて決められる０から１までの値をとるリミット係数αeを算出し、算出結果を前記障害物に接近する方向の指令情報に積算し、前記障害物に接近する方向に垂直な方向の指令情報とともに再合成することで最終的な指令情報を得ることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００８】
以上述べたように、本発明によれば、下記の効果がある。
（１）手先が動作環境内の障害物に干渉するのを防止できる。
（２）対象物に押しつける力を加えるだけで簡単にならい動作ができる。
（３）通常の力制御から特別の切替を要することなく、滑らかにならい動作に移行できる。また復帰も容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
【実施例１】
【００１０】
本発明における力制御の概念ブロック図を図１に示す。図１において、１０１はロボットアーム、１０２は対象物、１０３はアーム１０１の手先、１０４はアーム１０１の先端に取り付けられ、教示者の力を検出する力センサ、１０５はアーム１０１を駆動するモータ、１０６はモータ１０５の回転角を検出する回転角検出計、１０７は力センサ１０４の力情報をデジタル値に変換するＡ／Ｄ回路、１０８は対象物の位置を設定する対象物位置設定部、１０９は対象物との距離をもとに力情報を加工する動作範囲制限装置、１１０は回転角検出計１０６の出力をデジタル値に変換する回転角変換回路、１１１は回転角変換回路１１０の出力から手先１０３の位置を算出する順運動学計算部、１１２は力制御の慣性・粘性・弾性の各パラメータを設定するインピーダンス設定部、１１３は力情報を手先１０３の変位に変換する変位算出部、１１４は手先１０３の釣合い位置を設定する釣合い位置設定部、１１５は手先１０３の位置からモータ１０５の目標角度を算出する逆運動学計算部、１１６はゲイン積算器、１１７はゲイン積算器１１６の出力をアナログ値に変換するＤ／Ａ回路、１１８はＤ／Ａ回路１１７の出力にしたがってモータ１０５を駆動するドライバである。
【００１１】
教示者が力センサ１０４に与える力情報は、Ａ／Ｄ変換回路１０７によってデジタル値に変換されたのち、動作範囲制限装置１０９に入力される。また回転角検出計１０６により検出された回転角は、回転角変換回路１１２によりデジタル化されたのち、順運動学計算部１１１によって先端部の位置情報に変換され、動作範囲制限装置１０９に入力される。また対象物位置設定部１０８で設定された対象物位置も動作範囲制限装置１０９に入力される。動作範囲制限装置１０９は、これらの値をもとに力情報を加工し、変位算出部１１３に出力する。変位算出部１１３ではインピーダンス設定部１１２で設定された慣性・粘性・弾性パラメータをもとに手先１０３の釣合い位置からの変位が算出される。この
変位は釣合い位置設定部１１４の出力に加算され、手先１０３の位置指令となり、さらに逆運動学計算部１１５により各関節の角度指令に変換される。この角度指令は、回転角検出計１０６により検出された回転角を回転角変換回路１１０により変換したデジタル値と比較され、この差分にゲイン積算器１１６によりゲインをかけた出力値が求められる。この出力値はＤ／Ａ回路１１７によってアナログ化され、ドライバ１１８によってモータ１０５に出力されることによってアーム１０１を駆動する。
【００１２】
上記手段により、手先が対象物から離れている場合には通常の力制御が行なわれるが、手先が対象物に接近した状態でさらに対象物に向けた方向に力を加えていくと力センサに加えられた力が対象物との距離が縮まるにつれて徐々に無視されていき、やがて手先はある定められた距離において緩やかに停止する。このとき対象物に対し横向きの力は無視されないので、対象物に押しつけるようにしてかつ横向きに力を加えれば、一定距離でならうような運動も実現できる。また対象物から離れる方向の力も無視されないので、ならい動作から離れるのも特別な切替を要することなく容易に行うことができる。
【００１３】
動作範囲制限装置１０９の動作を図２、３を用いて説明する。図２は力情報の変換に関する説明図である。力センサ２０４に加えられた力を、まず手先２０３での力Ｆinに変換する。このＦinは手先に固定された座標系Ｏに基づき記述される。これに対し、対象物位置設定部にて設定された対象物２０２に向けて手先から引いたベクトルをＸ’軸正方向とする座標系Ｏ’を新たに設ける。座標系Ｏ上の力Ｆinを座標系Ｏ’上に変換し、力Ｆ'inを得る。Ｆ'inをＸ'軸方向とそれに垂直なＹ'方向に分解し、それぞれＦ'inx、Ｆ'inyを得る。このＦ'inxに力リミット係数αeを積算することによって動作範囲を制限する。
【００１４】
図３は力リミット係数αeの算出に関する説明図である。対象物２０２と手先２０３との距離Ｌを計算し、その距離に応じて１から０までの範囲で単調連続的に変化する力リミット係数αeを求める。
Ｆ'inx  ＞  ０の場合
αe ＝  １                          （Ｌs ＜Ｌ      のとき）
αe ＝（Ｌ−Ｌe ）／（Ｌs −Ｌe ）  （Ｌe ≦Ｌ≦Ｌs のとき）
αe ＝  ０                          （Ｌ＜Ｌe       のとき）
Ｆ'inx  ＜  ０の場合
αe ＝  １
ここでＬsは力リミットを開始する距離、Ｌeは力リミットが終了する、すなわち停止すべき距離である。こうして求めたリミット係数αe をＦ'inxに積算し、新たにＦ'outxとする。
Ｆ'outx ＝Ｆ'inx  ×  αe
一方Ｙ'成分であるＦ'outyには、Ｆ'inyをそのまま用いる。Ｆ'outxとＦ'outyとからリミット後の力Ｆ'outを再合成し、これを手先に固定された座標系Ｏに基づく力Ｆoutに変換する。このＦoutを変位算出部１１３に出力し、あとは通常の力制御と同様に制御を行う。
【００１５】
本発明に従えば、例えば手先が対象物から離れている（Ｌs ＜Ｌ）場合には、αe ＝１なので、力センサから取り込んだ力はそのまま変位算出部へ通される。従って通常の力制御が行なわれる。手先が対象物に近付いた場合（Ｌe ≦Ｌ≦Ｌs）、対象物から離れる方向や横に動く方向には通常の力制御が行なわれるが、対象物に近付く方向の力は、対象物との距離が短くなるにつれ徐々に無視されていき、Ｌ≦Ｌeでαe＝０となる。つまりこの状態ではＦ'outx＝０であり、力センサに力を加えてもそれ以上は対象物に近付かない。この時も対象物から離れる方向や横に動く方向にはリミットを行わないため、対象物から離れるのは容易であるし、また対象物に押しつけながら横方向にも力を加えれば、対象物のまわりを一定距離Ｌeをおいてならうような動きが実現できる。対象物に接近した時どのくらい緩やかに停止させるかはＬsの値によって決定される。ＬsとＬeの間が長ければ緩やかな停止動作が行なわれるが、その反面自由に動ける領域は狭くなる。また本実施例ではαe は単純な直線関数によって求めているが、これを例えばシグモイド関数のようなものにすれば、さらに滑らかな停止動作が期待できる。
【００１６】
以上の説明では簡単のため運動をＸＹ平面内に限定したが、この制限装置は３次元空間内の力制御アームにもそのまま適用できる。対象物が点の場合、アームは半径Ｌeの球の周辺をならうような運動に制限される。また対象物が線の場合にはＬは手先から線への距離として求められ、アームは半径Ｌeの円筒の周辺をならうような運動に制限される。対象物が平面など空間図形の場合にはＬは手先から図形表面への距離として求められ、アームは表面に対しある一定の距離Ｌeを保ちつつ運動するように制限される。
【実施例２】
【００１７】
第２の実施例としては、対象物のとり得る範囲すべてを新たな対象物として対象物位置設定部に入力する。これにより、対象物も動く可能性があり、またその動作が予測できない場合においても対象物に干渉するおそれなく手先を動かすことができる。
【実施例３】
【００１８】
第３の実施例としては、アーム手先の到達不可な範囲すべてを新たな対象物として対象物位置設定部に入力する。これにより、対象物の有無によらずアームの動作範囲を制限することができ、直接教示時の安全装置として有効である。
【実施例４】
【００１９】
第４の実施例としては、対象物位置設定部のかわりに、対象物との距離Ｌを直接近接センサによって測定する。また反応した近接センサの位置によって対象物の方向を認識する。これにより、対象物の位置があらかじめわかっていない場合にも、対象物から一定の距離Ｌeの地点で緩やかに停止する動作制限装置が実現できる。
【実施例５】
【００２０】
第５の実施例としては、アーム先端の力センサによってアームの運動を教示するのではなく、手先の運動量をジョイスティックなどの運動量指令デバイスによって与えることでアームを運動させる。この場合も、運動量指令をそのままＴinとして動作範囲制限装置に入力すれば、対象物付近において干渉する方向の運動量指令を無視していくような動作制限を行うことができる。
【実施例６】
【００２１】
第６の実施例としては、ロボットアームの動作制限ではなく移動ロボットの障害物回避に適用される。すなわちジョイスティックなどの運動量指令デバイスによって移動ロボットを操縦する場合、障害物に接近する方向に操作したとしてもある一定距離Ｌe以内には接近せず、障害物の周囲をならうような動きでこれを回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施例を示す力制御の概念ブロック図
【図２】本発明における力情報の変換を示す図
【図３】本発明の動作を示す図
【図４】従来技術における力制御の概念ブロック図
【符号の説明】
【００２３】
１０１  ロボットアーム
１０２  対象物
１０３  手先
１０４  力センサ
１０５  モータ
１０６  回転角検出計
１０７  Ａ／Ｄ回路
１０８  対象物位置設定部
１０９  動作範囲制限装置
１１０  回転角変換回路
１１１  順運動学計算部
１１２  インピーダンス設定部
１１３  変位算出部
１１４  釣合い位置設定部
１１５  逆運動学計算部
１１６  ゲイン積算器
１１７  Ｄ／Ａ回路
１１８  ドライバ
【図１】
2005034991.tif 000003
【図２】
2005034991.tif 000004
【図３】
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【図４】
2005034991.tif 000006