(57)【要約】      （修正有）【課題】  ２台の並列に置かれたマニピュレータでワークを把持し、人間がワークに加えた操作力で、３次元空間上の任意の方向に搬送動作することができる搬送装置を提供する。【解決手段】  ワーク１９を把持するワーク把持手段１４，１５と、ワーク１９を搬送するためのマニピュレータ１１，１２を制御する動作制御部とを備えた搬送装置において、並列に配置された２組の力検出手段１６，１７と、２組の力検出手段１６，１７の出力から操作力を検出する操作力検出部と、操作力検出部によって検出されたに操作力に応じてマニピュレータ１１，１２を移動させる力制御部とを備える。また、２組の力検出手段１６，１７を２台並列に置かれたマニピュレータ１１,１２それぞれに搭載する。【選択図】図１
2005034960.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークを把持するワーク把持手段と、前記ワークを搬送するためのマニピュレータを制御する動作制御部とを備えた搬送装置において、
並列に配置された２組の力検出手段と、前記２組の力検出手段の出力から操作力を検出する操作力検出部と、前記操作力に応じてマニピュレータを移動させる力制御部とを備えたことを特徴とする搬送装置。
【請求項２】
前記２組の力検出手段は、２台並列に置かれたマニピュレータそれぞれに搭載されたものであることを特徴とする請求項１記載の搬送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、重量物や長尺物をロボットマニピュレータと人間が協調して搬送する搬送装置に関する。  
【背景技術】
【０００２】
搬送対象物の一方の端をマニピュレータが、他方の端を人間が把持して、人間の腕力による操作をマニピュレータがアシストするように、マニピュレータと人間が協調して対象物を搬送する装置が知られている。この搬送装置はマニピュレータ手先に並進力およびモーメントを検出するセンサを備えて、前記センサで人間が対象物に加えた操作力を検出して、人間の操作をアシストする方向にマニピュレータが動作するような動作指令を作成している（例えば、特許文献１）。
図３は従来の搬送装置の構成図である。図において、３１はマニピュレータであり、ハンド３２と操作者３３がワーク３４を把持し、操作者３３がワーク３４に加えた操作力を力センサ３５で検出してワーク３４を搬送する。特許文献１に記載の発明では、Ｘ軸並進方向は力センサのＦｘの値に基づいて移動量を計算する。また、Ｙ軸方向はＺ軸周りのトルク検出値Ｍｚで、Ｚ軸方向はＹ軸周りのトルク検出値Ｍｙで移動量を計算する。またＸ軸周りの回転方向はＸ軸周りのトルク検出値Ｍｘで、Ｙ軸周りはＭｙで、Ｚ軸周りはＭｚに基づいて移動量を計算している。
また、特許文献２および３には、Ｙ軸方向には並進運動が生じないように移動量の計算値を制限することで、操作者が操作しやすいようにした搬送装置の発明が開示されている。
このように、従来の多くの搬送装置は、１台のマニピュレータに搭載した力検出部で人間がワークに加えた力・トルクを検出し、操作力を演算してワークを協調搬送するものである。
一方、２台のマニピュレータに搭載した力検出部で人間がワークに加えた力・トルクを検出して１つの物体を搬送する装置の例は非特許文献１に開示されている。これは各マニピュレータの力検出部で検出された外力に応じて、それぞれに設定された仮想インピーダンスモデルに基づいてマニピュレータを制御する。
【特許文献１】特開２０００−１７６８７２号公報（第３−５頁、図１）
【特許文献２】特開２０００−３４３４６９号公報（第３−４頁、図３）
【特許文献３】特開２０００−３４３４７０号公報（第３−４頁、図２）
【非特許文献１】小菅他「Mobile Robot Helper」Proc. IEEE Intl. Conf. on Robotics & Automation、2000年 p583-588
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
実際にマニピュレータの力を利用して人間をアシストして搬送するワークは重量物や長尺物が多く、マニピュレータ１台のみでワークの片端を把持して安定して搬送することが難しいことがある。ところが従来の搬送装置は、１台のマニピュレータが前提となっており、上記従来例をそのまま２台のマニピュレータに適用することができない。特に、人間と協調してワークを搬送するためにロボットを人間型の双腕マニピュレータ型に構成し、ワークの両端を人間とロボット双腕が向かい合って把持し作業を行う場合がある。このとき、長手方向（ロボットに向き合っている方向）には操作が容易であるが、その他の並進・回転方向に直接操作力を加えることが困難である。特にロボットと操作者との距離が遠くなればなるほどこれが困難になってくる。このため、上記１台のマニピュレータを用いた従来例をそのまま２台のマニピュレータに適用しただけでは搬送動作をすることができないという問題があった。また２台のマニピュレータそれぞれの力検出部で検出した外力に応じて制御する方法も、人間が意図する方向にそれぞれの力検出部に外力を加えることが可能であることが前提であるが、実際は例えば長手方向と直交した横方向などに操作力を加えても、それぞれの力検出部では長手方向の偶力が検出されるのみであり、この手法はすべての方向に適用できるものではなかった。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、２台の並列に置かれたマニピュレータでワークを把持し、人間がワークに加えた操作力で、３次元空間上の任意の方向に搬送動作することができる搬送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】
【０００４】
上記問題を解決するため、本発明は、ワークを把持するワーク把持手段と、前記ワークを搬送するためのマニピュレータを制御する搬送制御手段とを備えた搬送装置において、並列に配置された２組の力検出手段と、前記２組の力検出手段の出力から操作力を検出する操作力検出手段と、前記操作力に応じてマニピュレータを移動させる力制御手段とを備えるものである。また、前記２組の力検出手段を２台並列に置かれたマニピュレータそれぞれに搭載するものである。
【発明の効果】
【０００５】
請求項１および２に記載の発明によると、並列に配置された２台のマニピュレータで重
量物や長尺物を人間と協調して任意の方向に搬送することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
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】
【０００７】
図１は、本発明の実施例を示す搬送装置の構成図である。図において、１１は右マニピュレータ、１２は左マニピュレータで１３のマニピュレータ固定台に並列にそれぞれのマニピュレータが固定されている。１４は右マニピュレータの手先に装着されたハンド、１５は左マニピュレータの手先に装着されたハンドである。また１６、１７はそれぞれのマニピュレータのハンドの根元に装着された力センサであり、ハンドに加わる力・トルクを検出することができるようになっている。１９はロボットと操作を行う操作者１８が協調して搬送するワークであり、ハンド１４、１５によって把持固定されている。ロボットが２組の力検出部を備えており、ワーク１９を２つのハンド１４、１５で把持するように構成し、操作者１８がワーク１９に加えた操作力を２組の力センサの出力をもとに演算するようにした部分が本発明の特徴部分である。
【０００８】
次に、２組の力センサ１６，１７の出力から並進・回転方向の操作力を検出する具体的方法を説明する。右マニピュレータ１１のハンド１４の座標系ΣＲと左マニピュレータ１２のハンド１５の座標系ΣＬを図１に示すように設定する。また右ハンド１４と左ハンド１５の中心に制御中心座標系ΣＣを設定する。そして、右のマニピュレータに装着された力センサ１６によって検出される右ハンド１４に加わる力・トルクを｛FxR,FyR,FzR,MxR,MyR,MzR｝、左のマニピュレータに装着された力センサ１７によって検出される左ハンド１５に加わる力・トルクを｛FxL,FyL,FzL,MxL,MyL,MzL｝とする。また、左右ハンド１４，１５から制御中心座標系原点までの距離をＬ１、ワーク１９の長さをＬ２とする。
【０００９】
このとき、ワーク１９が長尺物、つまりＬ１＜＜Ｌ２の時には、操作者１８が左右マニピュレータ１１，１２に対して長手方向（Ｘ並進方向やＹ軸周り回転方向）は操作力を加えることが容易であるが、Ｙ、Ｚ方向の並進力を与えることは困難である。また、同時に、図１のように２ヶ所でワーク１９を把持した場合は、Ｘ、Ｚ軸周りの回転トルクを与えることは困難である。そこで、並進・回転の操作力を２組の力センサの出力情報を用いて、制御中心座標系ΣＣ周りのモーメントの釣り合い条件に当てはめることによって、計算する。
【００１０】
Ｘ軸方向の並進力Fxcは、力センサ１６で求めた右ハンド１４に生じるＸ軸方向の並進力FxRと力センサ１７で求めた左ハンド１５に生じるＸ軸方向の並進力FxLの和と釣り合うから、下式で得られる。
Fxc=(FxR+FxL)            （式１）
Ｙ軸方向の並進力Fycは、制御中心Ｃ回りのモーメントの釣り合いから、下式で得られる。
Fyc=(FxR-FxL)*(L1/L2)    （式２）
Ｚ軸方向の並進力Fzcは、力センサ１６で求めた右ハンド１４に生じるＹ軸回りのモーメントMyRと、力センサ１７で求めた左ハンド１５に生じるＹ軸周りのモーメントMyLを、制御中心Ｃ回りのモーメントの釣り合い式に当てはめて、下式で得られる。
Fzc=-(MyR+MyL)/L2        （式３）
Ｘ軸回りのモーメントMxcは、力センサ１６で求めた右ハンド１４に生じるＺ軸方向の並進力FzRと、力センサ１７で求めた左ハンド１５に生じるＺ軸方向の並進力FzLによって制御中心Ｃ回りに生じるモーメントと釣り合うから、下式で得られる。
Mxc=(FzL-FzR)*L1         （式４）
Ｙ軸回りのモーメントMycは、力センサ１６で求めた右ハンド１４に生じるＹ軸回りのモーメントMyRと、力センサ１７で求めた左ハンド１５に生じるＹ軸周りのモーメントMyLの和と釣り合うから、下式で得られる。
Myc=(MyR+MyL)            （式５）
Ｚ軸回りのモーメントMzcは、力センサ１６で求めた右ハンド１４に生じるＸ軸方向の並進力FxRと、力センサ１７で求めた左ハンド１５に生じるＸ軸方向の並進力FxLによって制御中心Ｃ回りに生じるモーメントと釣り合うから、下式で得られる。
Mzc=(FxR-FxL)*L1         （式６）
【００１１】
以上によって、操作者１８がワーク１９に対して加えた並進力・回転トルクが求まる。これらの並進力・回転トルクが、操作者１８がワーク１９を移動させようとする方向を示す操作力となる。次に、これらの並進力・回転トルクに基づいて左右それぞれのマニピュレータ１１，１２の移動量を算出する方法を、図２で引用して説明する。
【００１２】
図２は本発明の実施例を示す制御装置のブロック図である。図において、２１は２組の力検出部であり、図１の力センサ１６，１７に相当する。２２は操作力演算部であり、力検出部２１の出力を前述の式１ないし式６に従って、操作力に変換する。前記操作力は力制御部２３へ入力され、前記操作力に応じた直交移動量を算出する。また、これとは別に搬送装置に対して動作コマンドが入力されると、軌道生成部２４において、制御中心点ΣＣの軌道を生成し直交位置指令を出力する。ここで、軌道生成部２４の直交位置指令に力制御部２３の直交移動量を加えて得られた、制御中心点ΣＣの直交位置指令をXCrefとする。このとき、右マニピュレータ１１先端の位置指令を計算するためにΣＣの直交位置指令XCrefを右マニピュレータ位置姿勢変換部２５で右マニピュレータ１１のハンド１４の直交位置指令XRrefに変換する。そして右マニピュレータ逆運動学変換部２６で右マニピュレータ１１の各関節角度指令θRrefを出力する。また同時に、ΣＣの直交位置指令XCrefを左マニピュレータ位置姿勢変換部２７で左マニピュレータ１２のハンド１５の直交位置指令XLrefに変換する。そして、左マニピュレータ逆運動学変換部２８で左マニピュレータ１２の各関節角度指令θLrefを出力する。左マニピュレータ位置姿勢変換部２７では左マニピュレータ１２のハンド１５の位置姿勢が右マニピュレータのハンド１４と相対位置姿勢が常に変化しないように左マニピュレータ１２の位置姿勢を求める。このようにすることで、２組のマニピュレータで把持しているワーク１９を安定して把持し続けることが可能となる。ここでは右マニピュレータ１１を基準に位置姿勢を計算しているが、左マニピュレータ１２を基準に計算してもよい。出力された角度指令θRrefとθLrefを動作制御部２９に入力することによって、マニピュレータを制御する。
【００１３】
以上の構成によって、本発明の搬送装置は２組の並列に配置したマニピュレータで重量物や長尺物などワークを人間と協調して搬送させることが可能となる。上記実施例では、２組マニピュレータはマニピュレータ固定台１３に固定されているが、マニピュレータ固定台１３を移動台車としてもよい。移動台車に２組のマニピュレータを備える構成では、式１ないし式６で計算された操作力に応じて力制御部２３で計算される制御中心点ΣＣの移動量をマニピュレータと移動体の移動量に適度に分配することで、マニピュレータのみの動作範囲にとどまらず、広い範囲の搬送動作が可能となる。
また、本実施例では双腕マニピュレータで例示したが、双腕マニピュレータに限定するものではなく、２組の並列に配置された力検出部を有するものであればよい。
なおまた、本実施例では６軸（３並進力、３モーメント）の力センサを用いたが、３軸（Ｘ軸方向およびＺ軸方向の並進力、Ｙ軸回りのモーメント）の力センサが得られれば、それを用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００１４】
２組のマニピュレータと人間が協調してワークを搬送するロボットとして利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施例を示す搬送装置の構成図である。
【図２】本発明の実施例を示す制御装置のブロック図である。
【図３】従来の搬送装置の構成図である。
【符号の説明】
【００１６】
１１  右マニピュレータ、１２  左マニピュレータ、１３  マニピュレータ固定台、
１４  右ハンド、１５  左ハンド、１６  力センサ、１７  力センサ、１８  操作者、
１９  ワーク、２１  力検出部、２２  操作力検出部、２３  力制御部、
２４  軌道生成部、２５  右マニピュレータ位置姿勢変換部、２６  右マニピュレータ逆運動学変換部、２７  左マニピュレータ位置姿勢変換部、２８  左マニピュレータ逆運動学変換部、２９  動作制御部、３１  マニピュレータ、３２  ハンド、３３  操作者、
３４  ワーク、３５  力センサ    
【図１】
2005034960.tif 000003
【図２】
2005034960.tif 000004
【図３】
2005034960.tif 000005