(57)【要約】【課題】  人や障害物の存在する環境で移動して作業を行うロボットにおいて、環境との接触時にロボットおよび環境の被害を最小限として安全を確保し、かつ早期の作業復帰を図る。【解決手段】  移動機構１１とマニピュレータ１２とを持つロボット１３のための制御装置である。障害物が存在する環境とロボットとの接触部およびその接触力をそれぞれ検知するセンサ機構１５と、移動機構１１およびマニピュレータ１２の位置姿勢をそれぞれ計測する位置姿勢計測装置１４と、前記接触力と位置姿勢とからロボット１３の接触力回避動作を計算する計算機１７と、この計算機１７の計算結果によって移動機構１１とマニピュレータ１２とを駆動させるアクチュエータ１６とを有する。障害物が存在する環境とロボットとの接触時には、移動機構１１とマニピュレータ１２との両者の連携動作により回避動作を行う。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動機構とマニピュレータとを持つロボットのための制御装置であって、障害物が存在する環境とロボットとの接触部およびその接触力をそれぞれ検知するセンサ機構と、前記移動機構およびマニピュレータの位置姿勢をそれぞれ計測する位置姿勢計測手段と、前記接触力と位置姿勢とからロボットの接触力回避動作を計算する計算手段と、この計算手段の計算結果によって移動機構とマニピュレータとを駆動させるアクチュエータとを有し、前記障害物が存在する環境とロボットとの接触時には移動機構とマニピュレータとの両者の連携動作により回避動作を行うように構成されていることを特徴とするロボット制御装置。
【請求項２】
ロボットにおける、障害物が存在する環境との接触部を、接触力の方向に移動させることで、回避動作を行うように構成されていることを特徴とする請求項１記載のロボット制御装置。
【請求項３】
ロボットにおける、障害物が存在する環境との接触部の接触面を、接触力により発生するモーメントの方向に傾けるとともに、前記接触部を、任意の大きさの円を描くように移動させることで、回避動作を行うように構成されていることを特徴とする請求項１記載のロボット制御装置。
【請求項４】
センサ機構は、ロボットのフレームの表面に複数の感圧センサが配置され、この感圧センサの外側に接触力分配部材とスペーサとを有した外装が配置され、前記スペーサは、最外面に配置されて障害物が存在する環境に接するとともに、前記環境との親和性の発現と接触時の衝撃吸収とを行うように構成され、前記接触力分配部材は、前記環境との接触位置に応じて接触力や接触力により発生するモーメントを分配して、その分配された接触力やモーメントを各感圧センサによって検出させるように構成されていることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項記載のロボット制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットが環境に接触したときの安全を確保するためのロボット制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のロボットは工場内などの整備された環境で作業を行っており、基本的に人や環境との接触は非定常な状態であり、障害物の検知によりマニピュレータや移動機構を停止させることで安全を確保している（例えば、特許文献１）。
【０００３】
特許文献１に記載された従来技術の例を、図６を用いて説明する。図６は、ロボット制御措置の構成を示した平面図である。
この図６のロボット制御装置では、ロボット本体６１が、車輪等の移動機構６２と、マニピュレータ６３とを備えている。ロボット本体６１には、その周囲に向けて超音波や赤外線などを照射することで障害物を検出する障害物センサ６４が配置されている。障害物センサ６４は、ロボット本体６１やマニピュレータ６３の可動範囲を包むような検知領域６５を持ち、その領域６５に障害物を検知した場合には、ロボットを停止させることにより安全を確保する。
【０００４】
しかし、家庭や公共の場で作業を行うロボットでは、人や障害物が存在する環境で作業を行う必要があり、接触時には、接触による被害を最小限にすると同時に、早期に作業復帰を行うことが必要になる。そこで、他の従来の技術として、マニピュレータにおいて接触力を検出するとともに、ロボットにおいて作業の動作に加えて接触力を回避させる動作を行わせることで、特許文献１に記載の技術のように単に停止させるだけではなく接触力回避動作を行い、それによって、ロボットの安全を確保するとともに早期の作業復帰をも図ったものがある（例えば、特許文献２）。
【０００５】
特許文献２に記載の従来技術の例を、図７を用いて説明する。図７は、ロボット制御装置の構成を示した図である。
この図７のロボット制御装置では、マニピュレータ型ロボット本体７１の表面が接触センサ７２にて覆われている。また、このロボットは計算機７３を備えている。この計算機７３は、接触検知部７４によって接触センサ７２などからの接触情報を検出し、その検出結果と作業動作７５の計画とを合わせて動作計算部７６により回避動作の計算を行うもので、その計算結果によってロボットを制御する。障害物からの接触力７７を受けた場合に、計算機７３では、作業動作と、接触点の動作のうちのセンサ面の法線方向への動きとを連立させるためのマニピュレータの各関節の駆動力を算出し、図示のような接触に逆らわず逃げる方向へのマニピュレータの動作７８により安全を確保する。
【０００６】
さらに、接触力を回避することを目的としてその接触力を検出するためのセンサ機構としては、ロボットの表面に柔軟なスペーサを取り付け、その上にシート状のセンサと外皮とをのせたものもある（例えば、特許文献３）。
【０００７】
特許文献３に記載のセンサ機構の例を、図８を用いて説明する。図８は、ロボットの要部およびその断面構造を示した図である。
この図８のセンサ機構は、ロボットのマニピュレータ８１を構成するロボットフレーム８２をまずスペーサ８３で包んでおり、このスペーサ８３の外面に、接触を検出するシート状センサ８４を設け、そして最外面を外皮８５で覆った構造になっている。スペーサ８３は、衝撃力の吸収機能を果たすとともに、シート状センサ８４を取り付けやすい土台を提供しており、外皮８５は環境との親和性を提供している。また、シート状センサ８４によりロボットの表面全体の接触検知を実現している。
【特許文献１】特開平１１−５８２７１号公報
【特許文献２】特開２００３−８９０９１号公報
【特許文献３】特開２００３−７１７７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
安全に関する従来の技術において、特許文献１のものでは、停止している障害物や、接触を自発的に回避する障害物であれば、安全や早期復帰が可能となるが、接触後もロボットの移動を継続する場合は、特に接触方向に移動する障害物においては安全を確保することができない。また、接触回避動作を行う特許文献２の技術においても、マニピュレータにのみ有効な技術であって、その定式は移動機構の制御には適応することができないため、接触の態様がマニピュレータの稼動範囲を超える場合やマニピュレータの可動姿勢から外れた場合には安全を確保できないという課題がある。
【０００９】
一方、接触力を検出するセンサ機構に関する特許文献３の従来技術では、力の検出部がシート状であるために形状の自由度が小さくなるとともに、接触位置を特定するためには行列電極の入力が多数となってしまうために処理系も複雑になる。また、柔軟な素材で形成されたスペーサによって衝撃力を吸収することができるが、力の検出部であるシートはスペーサの外面にあるため衝撃により破壊されやすいという課題がある。
【００１０】
そこで本発明は、人や障害物の存在する環境で移動して作業を行うロボットにおいて、環境との接触時にロボットおよび環境の被害を最小限として安全を確保すると同時に、早期の作業復帰を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この目的を達成するために、請求項１に記載の本発明は、移動機構とマニピュレータとを持つロボットのための制御装置が、障害物が存在する環境とロボットとの接触部およびその接触力をそれぞれ検知するセンサ機構と、前記移動機構およびマニピュレータの位置姿勢をそれぞれ計測する位置姿勢計測手段と、前記接触力と位置姿勢とからロボットの接触力回避動作を計算する計算手段と、この計算手段の計算結果によって移動機構とマニピュレータとを駆動させるアクチュエータとを有し、前記障害物が存在する環境とロボットとの接触時には移動機構とマニピュレータとの両者の連携動作により回避動作を行うように構成したものである。
【００１２】
このような構成であると、環境との接触の際に、接触力から回避するようにロボットのマニピュレータと移動機構とを動作させることで、どのような方向の接触に対してもロボットおよび環境の被害を最小限として安全を確保すると同時に、早期の作業復帰を実現することができる。
【００１３】
請求項２に記載の本発明は、上記において、ロボットにおける、障害物が存在する環境との接触部を、接触力の方向に移動させることで、回避動作を行うように構成したものである。
このような構成であると、確実に接触力を小さくすることができる。
【００１４】
請求項３に記載の本発明は、上記において、ロボットにおける、障害物が存在する環境との接触部の接触面を、接触力により発生するモーメントの方向に傾けるとともに、前記接触部を、任意の大きさの円を描くように移動させることで、回避動作を行うように構成したものである。
このような構成であると、環境からの接触をかわし、早期に作業復帰をはかることができる。
【００１５】
請求項４に記載の本発明は、上記において、センサ機構を、ロボットのフレームの表面に複数の感圧センサが配置され、この感圧センサの外側に接触力分配部材とスペーサとを有した外装が配置され、前記スペーサは、最外面に配置されて障害物が存在する環境に接するとともに、前記環境との親和性の発現と接触時の衝撃吸収とを行うように構成され、前記接触力分配部材は、前記環境との接触位置に応じて接触力や接触力により発生するモーメントを分配して、その分配された接触力やモーメントを各感圧センサによって検出させるように構成したものである。
【００１６】
このような構成であると、ロボットを力の検出部の形状によらず自由な形状とすることができる。また、最外層のスペーサの柔らかさにより接触力を吸収し、環境との親和性の発現と接触時の衝撃吸収とを図ることができるとともに、感圧センサを破壊から守ることができる。さらに、接触力分配板により力が配分され、その下の複数個の感圧センサにより計測を行うだけで接触力やモーメントを計算できるため、少ない入力系で計測を行うことができる。
【発明の効果】
【００１７】
以上のように本発明によると、ロボットおよび環境の被害を最小限とし安全を確保すると同時に、早期の作業復帰を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、本発明の実施の形態のロボット制御装置を図１〜図５に基づいて説明する。
図１および図２は請求項１に基づく本発明の実施の形態のロボット制御装置を示しており、図１はロボット制御装置の概略構成図、図２（ａ）は接触回避の概要を示す図、図２（ｂ）は同図（ａ）に示すものの平面図である。
【００１９】
図３は請求項２に基づく本発明の実施の形態のロボット制御装置を示しており、図３（ａ）は回避方法の概要、図３（ｂ）は同図（ａ）に示すものの平面図をそれぞれ表したものである。
【００２０】
図４は請求項３に基づく本発明の実施の形態のロボット制御装置を示しており、図４（ａ）は回避方法の概要、図４（ｂ）は同図（ａ）に示すものの平面図をそれぞれ表したものである。
【００２１】
図５は請求項４に基づく本発明の実施の形態のロボット制御装置を示しており、図５（ａ）はセンサ機構の概要、図５（ｂ）は同センサ機構の詳細、同図（ｃ）は同センサ機構による接触力検知方法をそれぞれ示したものである。
【００２２】
本発明の実施の形態のロボット制御装置は、図１に示すように、移動機構１１を持つ移動部とマニピュレータ１２とを備えたロボット１３において制御を行うものである。マニピュレータ１２には、各軸の状態を検出するエンコーダ等の位置姿勢計測装置１４と、環境との接触を検出するセンサ機構１５と、各軸を駆動するアクチュエータ１６とを具備している。移動機構１１には、各軸の状態を検出するエンコーダ等の位置姿勢計測装置１４と、各軸を駆動するアクチュエータ１６とを具備している。なお、移動機構１１については、位置姿勢計測装置１４の図示は省略している。また、位置姿勢計測装置１４とセンサ機構１５とからのセンサ情報に基づいて回避動作を算出し、アクチュエータ１６へ動作指令を出す計算機１７を具備している。
【００２３】
計算機１７は、位置姿勢計測装置１４の計測値よりマニピュレータ１２の姿勢を計算するマニピュレータ姿勢計算部１８と、位置姿勢計測装置１４の計測値からオドメトリなどによりロボット１３の位置を算出するロボット位置計算部１９と、センサ機構１５からの計測値によって接触位置および接触力を算出する接触力検出部２０と、マニピュレータ姿勢計算部１８とロボット位置計算部１９と接触力検出部２０との算出結果を用いてロボット１３のマニピュレータ１２と移動機構１１とのそれぞれの最適な動作を計算する動作計算部２１と、動作計算部２１の計算結果によりマニピュレータ１２の各アクチュエータ１６のための制御指令を算出するマニピュレータ指令計算部２２と、動作計算部２１の計算結果により移動機構１１のの各アクチュエータ１６のための制御指令を算出する移動機構制御指令計算部２３とを具備している。
【００２４】
以上のようなロボット制御装置においては、位置姿勢計測装置１４とセンサ機構１５とによってロボットの現在の位置姿勢や環境との接触状態を検出し、通常は動作計算部２１において、与えられた作業を実施するための動作を計算している。環境との接触時には、動作計算部２１においてその接触を回避するための動作を計算し、その計算結果に従った動作を行う。接触時には、基本的として回避動作を優先するが、回避に問題がない部位に関しては作業動作を継続してもよい。
【００２５】
図１のロボット制御装置は、図２（ａ）（ｂ）に示されるように、環境との接触点２５が回避経路２６を実現するための回避動作２７により移動することで、接触力を逃して接触回避を行うものであり、最適な接触回避動作を行うためにマニピュレータ１２の回避動作２８と移動機構１１の回避動作２９とのベクトル和が回避動作となるように動作の振り分けを行う。
【００２６】
したがって、動作の自由度においてマニピュレータ１２だけでなく移動機構１１の自由度もが加わるため、様々な接触状況に対応することができ、また、移動機構１１によって、移動限界の無い動作が可能となる。なお、動作の振り分けについてはマニピュレータ１２および移動機構１１の動作可能領域に従って行うものとし、対応する動作可能領域が無い場合には、最終的に回避経路となるように可能な範囲での回避動作を行うものとする。
【００２７】
特に動作計算部２１で算出される接触回避動作については、請求項２、請求項３に記載のような接触回避方法に基づくものであってもよい。
例えば、請求項２に記載の接触回避方法では、図３（ａ）（ｂ）に示すように、検出された接触力３１の方向と同方向に、ロボットにおける接触部３２の接触回避経路２６を取り、それを実現するような回避動作２７を算出する。このように接触力３１の方向に移動することで、環境からの接触力３１を小さくし、最終的に接触がなくなることを目指す。
【００２８】
また、請求項３に記載の接触回避方法では、図４（ａ）（ｂ）に示すように接触力３１により接触面すなわち接触部３２に発生するモーメント３３が小さくなる方向３４に接触面すなわち接触部３２を傾け、かつ、接触力３１の方向と同方向になるように接触部３２の回避動作２７を行わせる。こうすると、接触力３１の方向は接触面すなわち接触部３２に対して常に垂直となるため、ロボットの接触部の表面を傾けながらこの表面と垂直な方向に回避動作２７を行うことで、回避経路２６は円を描く経路となる。つまり、回避経路２６が任意の大きさの円となるように、ロボットにおける接触面すなわち接触部３２の傾きと回避動作量とを設定する。そして、接触力３１の方向を円の接線として環境との接触をかわすことで、接触回避を目指す。
【００２９】
また、本発明の実施の形態のロボット制御装置では、センサ機構１５として、請求項４に記載のセンサ機構を用いてもよい。すなわち、図５（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、ロボットのフレーム３６の表面の各面ごとに少なくとも３個以上の感圧センサ３７を貼り付け、その上に、全てのセンサ３７を覆うように、例えば厚さ５ｍｍ程度の硬質スチロールなどでできた均一な厚さの接触力分配板３８を貼り付け、さらにその上にクッション材やゲル等のスペーサ３９を貼り付ける。すなわち、ロボットの外部形状に合わせて、接触力分配板３８とスペーサ３９との２層の外装を貼り付ける。ここで、接触力分配板３８は、通常の応力では局所的な変形はせず板全体の微小な曲がりを発生し、衝撃的な力に対しては局所的に変形し衝撃を吸収することが可能な、上述の硬質スチロールのような素材にて形成されていることが望ましい。スペーサ３９は、変形することで衝撃吸収ができ、また環境との接触による親和性を持つ、上述のクッションやゲルなどの柔軟な素材にて形成されていることが望ましい。また、必要に応じて、スペーサ３９の外に、環境との親和性向上のために外皮を貼り付けてもよい。
【００３０】
図５（ｂ）に示すように、このようなセンサ機構１５に環境（接触障害物）４０が接触した場合は、その接触によってスペーサ３９が変形し、衝撃を吸収すると同時に接触力３１を接触力分配板３８に伝える。接触力分配板３８は、スペーサ３９を伝わった接触力３１を受け、感圧センサ３７に力を分配する。このとき、各感圧センサ３７の検知圧力４１は、接触位置に応じて異なった値となる。
【００３１】
図５（ｃ）に示すように、センサ機構１５は、接触時に接触点２５すなわち接触部３２からの接触力３１を感圧センサ３７で支えるはりの構造となるため、各感圧センサ３７で検知される検知圧力４１は、その配置に従って分配されたものとなる。したがって、各感圧センサ３７の配置とその検知圧力４１とからはり問題を解くことによって、接触位置、接触力、接触面に対するモーメントを求めることができる。図５（ｃ）において、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は接触点２５から各感圧センサ３７までの距離、Ｆｓは接触力３１の大きさ、Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３は各検知圧力４１の大きさをそれぞれ表す。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明のロボット制御装置は、ロボットおよび環境の被害を最小限とし安全を確保すると同時に、早期の作業復帰を図ることができるものであり、ロボットが環境に接触したときの安全を確保するためのロボット制御装置などとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施の形態のロボット制御装置の概略構成図
【図２】図１のロボット制御装置における接触回避動作の概要を示す図
【図３】図１のロボット制御装置における接触回避動作の具体的な例を示す図
【図４】図１のロボット制御装置における接触回避動作の他の具体的な例を示す図
【図５】センサ機構の構成例を示す図
【図６】従来のロボット制御装置を示す図
【図７】従来の他のロボット制御装置を示す図
【図８】従来のさらに他のロボット制御装置を示す図
【符号の説明】
【００３４】
１１    移動機構
１２    マニピュレータ
１３    ロボット
１４    位置姿勢計測装置
１５    センサ機構
１６    アクチュエータ
１７    計算機
【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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