(57)【要約】【課題】サーボゲインを犠牲にすることなく、探り動作の際に、ワークの位置制御を行う。【解決手段】制御部１８は、第１ワーク１６をハンド８に把持させて嵌合作業を行う際に、第１ワーク１６を嵌合方向に付勢して第１ワーク１６の突起部４１を第２ワーク１７に接触させる。制御部１８は、この状態で、第１ワーク１６を嵌合方向と直交する探り方向に移動させて第１ワーク１６の突起部４１が第２ワーク１７の嵌合穴４２に嵌合する位置を探る探り動作を実行するようリンク駆動部３０を制御する。制御部１８は、探り動作の実行時に、リンク駆動部３０を制御して、ロボットアーム２０の先端２０ｂにおける嵌合方向の剛性を、第１ワーク１６が第２ワーク１７から受ける反力に追従して嵌合方向と反対方向に移動する第１剛性に調整する。【選択図】図１
2013107175.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１ワークの突起部を第２ワークの嵌合穴に嵌合させる嵌合作業を行う組立ロボットにおいて、
関節で旋回可能に連結された複数のリンクを有するロボットアームと、
前記ロボットアームの先端に設けられたハンドと、
前記ロボットアームの各リンクを旋回駆動するリンク駆動部と、
前記第１ワーク及び前記第２ワークのうちいずれか一方のワークを前記ハンドに把持させて前記嵌合作業を行う際に、前記一方のワークを嵌合方向に付勢して前記第１ワークの突起部を前記第２ワークに接触させた状態で、前記一方のワークを前記嵌合方向と直交する探り方向に移動させて前記第１ワークの突起部が前記第２ワークの嵌合穴に嵌合する位置を探る探り動作を実行するよう前記リンク駆動部を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記探り動作の実行時に、前記リンク駆動部を制御して、前記ロボットアームの先端における前記嵌合方向の剛性を、前記一方のワークが他方のワークから受ける反力に追従して前記嵌合方向と反対方向に移動する第１剛性に調整すると共に、前記ロボットアームの先端における前記探り方向の剛性を、前記一方のワークが前記他方のワークから受ける反力に抗して前記探り方向の位置を保持する第２剛性に調整する、
ことを特徴とする組立ロボット。
【請求項２】
前記ロボットアームは、基台に固定された固定部と、
前記複数のリンクとして、第１関節で前記固定部に連結された第１リンク、及び第２関節で前記第１リンクに連結された第２リンクと、を有し、
前記リンク駆動部は、前記第１関節を挟んで前記固定部と前記第１リンクとに接続され、駆動力の差により前記第１リンクを旋回駆動する一対の第１拮抗アクチュエータと、
前記第２関節を挟んで前記第１リンクと前記第２リンクとに接続され、駆動力の差により前記第２リンクを旋回駆動する一対の第２拮抗アクチュエータと、
前記第１関節及び前記第２関節を挟んで前記固定部と前記第２リンクとに接続され、駆動力の差により前記第１リンク及び前記第２リンクを旋回駆動する一対の第３拮抗アクチュエータと、を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の組立ロボット。
【請求項３】
前記ハンドを旋回駆動して前記ハンドの姿勢を調整するハンド駆動部を備え、
前記制御部は、前記探り動作の実行時に、前記突起部と前記嵌合穴とが平行な状態を維持するように前記ハンド駆動部を制御する、
ことを特徴とする請求項２に記載の組立ロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多関節のロボットアームを備え、ロボットアームの剛性制御を行いながら二つのワークを嵌合させる組立ロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、組立ロボットとして、多関節のロボットアームと、ロボットアームの先端に設けられたハンドとを備えたものが知られている。この組立ロボットを用いて二つのワークの嵌合作業を行う場合、一般に、組立ロボットに把持されるワークと固定側のワークとの間には位置誤差及び姿勢誤差があり、これが作業に支障を与える。この問題を解決するために、ロボットアームとハンドとの間に、あたかもバネやダンパがあるかのように剛性制御を行いながら、嵌合作業をする方法が良く用いられる。
【０００３】
一般には、力センサで、力、トルク等を検出し、そのフィードバックにより剛性制御を行う。この場合、高価で高精度な力センサが必要となる、或いは、外力を検出してのフィードバックなので迅速性に欠ける、等の問題がある。そこで、力センサ無しでの剛性制御を行う方法が考案されている。
【０００４】
例えば、予め、組立ロボットのハンドの動作が嵌合方向となるように、計算・設定しておき、各軸のサーボゲインを小さくして、その状態で位置制御するコンプライアンス動作を実行する（特許文献１参照）。これにより、位置剛性が緩和されているので、組立ロボットのハンドが把持しているワークが固定側のワークに接触し、把持しているワークに外力が働いた場合、所定方向への逃げ追従動作が可能となる。そして、逃げ追従動作によりワーク間の位置誤差が漸次減少して、嵌合作業が終了する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第２６８２９７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した従来例のような、コンプライアンス動作を行う組立ロボットでは、サーボゲインを低下させるので、サーボ応答が遅くなるという問題があった。また、ワークが小さく、ワーク同士が嵌合する嵌合位置を探る探り動作（嵌合方向に直交する探り方向への動作）が必要な場合もある。このような場合、サーボゲインを低下させて探り動作を行うと、探り方向と剛性緩和方向が同じとなり、ワークの位置制御が迅速に行えないという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明は、サーボゲインを犠牲にすることなく、探り動作の際に、ワークの位置制御を行う組立ロボット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】
【０００８】
本発明は、第１ワークの突起部を第２ワークの嵌合穴に嵌合させる嵌合作業を行う組立ロボットにおいて、関節で旋回可能に連結された複数のリンクを有するロボットアームと、前記ロボットアームの先端に設けられたハンドと、前記ロボットアームの各リンクを旋回駆動するリンク駆動部と、前記第１ワーク及び前記第２ワークのうちいずれか一方のワークを前記ハンドに把持させて前記嵌合作業を行う際に、前記一方のワークを嵌合方向に付勢して前記第１ワークの突起部を前記第２ワークに接触させた状態で、前記一方のワークを前記嵌合方向と直交する探り方向に移動させて前記第１ワークの突起部が前記第２ワークの嵌合穴に嵌合する位置を探る探り動作を実行するよう前記リンク駆動部を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記探り動作の実行時に、前記リンク駆動部を制御して、前記ロボットアームの先端における前記嵌合方向の剛性を、前記一方のワークが他方のワークから受ける反力に追従して前記嵌合方向と反対方向に移動する第１剛性に調整すると共に、前記ロボットアームの先端における前記探り方向の剛性を、前記一方のワークが前記他方のワークから受ける反力に抗して前記探り方向の位置を保持する第２剛性に調整する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、探り動作時に、ロボットアームの先端における嵌合方向の剛性は緩和され、探り方向の剛性は強化されることになるので、探り動作を迅速に行うことが可能となり、嵌合作業をスピードアップすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る組立ロボットの概略構成を示す説明図である。
【図２】組立ロボットの嵌合作業の動作を説明するためのフローチャートである
【図３】探り動作及び嵌合動作を説明するための図である。
【図４】図１のロボットアームをモデル化した図である。
【図５】アクチュエータの粘弾性モデルを示す図である。
【図６】楕円比α／βに対する相対的発生力を示すグラフである。
【図７】アクチュエータの別モデルを示す図である
【図８】図４のモデルでの各アクチュエータの駆動源の発生力指令値を決定するブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る組立ロボットの概略構成を示す説明図である。図１に示す組立ロボット１００は、基台１と、ロボットアーム２０と、ハンド８と、リンク駆動部３０と、ハンド駆動部１５と、制御部１８と、を備えている。
【００１２】
ロボットアーム２０は、基台１に固定される固定部としての固定リンク２と、複数（本実施形態では、２つ）のリンク３，４とを有し、これらリンク３，４が関節５，６で旋回可能に連結されてなる。
【００１３】
具体的に説明すると、固定リンク２の基端２ａが基台１に固定される。ロボットアーム２０は、複数のリンクとして、基端３ａが第１関節５で固定リンク２の先端２ｂに連結された第１リンク３と、基端４ａが第２関節６で第１リンク３の先端３ｂに連結された第２リンク４とを有する。
【００１４】
ハンド８は、ロボットアーム２０の先端２０ｂ、具体的には、第２リンク４の先端４ｂに旋回可能に設けられている。つまり、ハンド８は、第３関節７で第２リンク４に旋回可能に連結されている。
【００１５】
リンク駆動部３０は、各リンク３，４を旋回駆動するものである。リンク駆動部３０は、第１関節５を挟んで配置された一対の第１拮抗アクチュエータ９，１０と、第２関節６を挟んで配置された一対の第２拮抗アクチュエータ１１，１２と、を有する。更に、リンク駆動部３０は、第１関節５及び第２関節６を挟んで配置された一対の第３拮抗アクチュエータ１３，１４を有する。
【００１６】
各第１拮抗アクチュエータ９，１０の一端は、固定リンク２に接続され、他端は、第１リンク３に接続されている。また、各第２拮抗アクチュエータ１１，１２の一端は、第１リンク３に接続され、他端は、第２リンク４に接続されている。また、各第３拮抗アクチュエータ１３，１４の一端は、固定リンク２に接続され、他端は、第２リンク４に接続されている。
【００１７】
つまり、第１拮抗アクチュエータ９，１０は、固定リンク２に対して第１リンク３を旋回駆動する第１の一関節駆動アクチュエータである。第２拮抗アクチュエータ１１，１２は、第１リンク３に対して第２リンク４を旋回駆動する第２の一関節駆動アクチュエータである。また、第３拮抗アクチュエータ１３，１４は、固定リンク２に対して第１リンク３を、第１リンク３に対して第２リンク４を同時に旋回駆動する二関節同時駆動アクチュエータである。本実施形態では、各アクチュエータ９〜１４は、ＭｃＫｉｂｂｅｎ型空気圧アクチュエータ（所謂、人工筋肉アクチュエータ）であり、収縮することで引っ張り力（収縮力）が発生し、弛緩することで、引っ張り力が緩和される。
【００１８】
つまり、第１拮抗アクチュエータ９，１０の駆動力の差、即ち引っ張り力の差により第１リンク３が固定リンク２に対して相対的に旋回駆動される。また、第２拮抗アクチュエータ１１，１２の駆動力の差、即ち引っ張り力の差により第２リンク４が第１リンク３に対して相対的に旋回駆動される。また、第３拮抗アクチュエータ１３，１４の駆動力の差、即ち引っ張り力の差により、第１リンク３及び第２リンク４が同時に旋回駆動される。即ち第１リンク３が固定リンク２に対して相対的に旋回駆動されると共に、第２リンク４が第１リンク３に対して相対的に旋回駆動される。
【００１９】
また、第１拮抗アクチュエータ９，１０の駆動力の和、即ち引っ張り力の和により固定リンク２に対する第１リンク３の剛性が設定される。また、第２拮抗アクチュエータ１１，１２の駆動力の和、即ち引っ張り力の和により第１リンク３に対する第２リンク４の剛性が設定される。更に、第３拮抗アクチュエータ１３，１４の駆動力の和、即ち引っ張り力の和により、固定リンク２に対する第１リンク３の剛性及び第１リンク３に対する第２リンク４の剛性が設定される。
【００２０】
したがって、これら一対の第１拮抗アクチュエータ９，１０、一対の第２拮抗アクチュエータ１１，１２、一対の第３拮抗アクチュエータ１３，１４の駆動力を調整することにより、ロボットアーム２０の先端２０ｂにおける剛性を設定することができる。
【００２１】
ハンド駆動部１５は、ハンド８をロボットアーム２０の先端２０ｂ、即ち第２リンク４の先端４ｂに対して旋回駆動するものである。このハンド駆動部１５は、第２リンク４とハンド８との間の第３関節７に設けられた電動回転モータであり、ハンド８の姿勢を調整することができる。
【００２２】
制御部１８は、リンク駆動部３０及びハンド駆動部１５を駆動制御して、各リンク３，４及びハンド８に所定の動作を行わせると共に、ロボットアーム２０の先端２０ｂの剛性、即ち第２リンク４の先端４ｂの剛性を制御するものである。
【００２３】
なお、各関節５，６，７には、旋回角度を検出する角度検出部としてのロータリーエンコーダ２１，２２，２３が組み込まれている。具体的に説明すると、第１の角度検出部としてのロータリーエンコーダ２１は、固定リンク２に対する第１リンク３の旋回角度を検出する。第２の角度検出部としてのロータリーエンコーダ２２は、第１リンク３に対する第２リンク４の旋回角度を検出する。第３の角度検出部としてのロータリーエンコーダ２３は、第２リンク４に対するハンド８の旋回角度を検出する。
【００２４】
第１ワーク（嵌合ワーク）１６は、円柱形状の突起部４１を有しており、第２ワーク（被嵌合ワーク）１７には、第１ワーク１６の突起部４１が嵌合する嵌合穴４２が形成されている。この嵌合穴４２は、穴底面４２ａと、穴底面４２ａから垂直に延びる垂直面４２ｂと、垂直面４２ｂの上端に接続され、上方（開放側）に向かって広がるガイド面となる傾斜面４２ｃとで形成されている。
【００２５】
ハンド８は、第１ワーク１６及び第２ワーク１７のいずれか一方のワーク、本実施形態では、第１ワーク１６を把持する。他方のワーク、本実施形態では、第２ワーク１７は、基台１に載置固定される。
【００２６】
制御部１８は、各関節５，６，７に組み込まれたロータリーエンコーダ２１，２２，２３の検出結果（検出角度）に基づき、リンク駆動部３０及びハンド駆動部１５の駆動を制御することで、ロボットアーム２０及びハンド８を動作させる。また、制御部１８は、リンク駆動部３０、即ち各アクチュエータ９〜１４の駆動を制御することで、ロボットアーム２０の先端２０ｂ（第２リンク４の先端４ｂ）における剛性を制御する。
【００２７】
具体的には、制御部１８は、第１関節５及び第２関節６における回転角度（旋回角度）と、ロボットアーム２０の先端２０ｂにおける目標の剛性特性のパラメータとにより、各アクチュエータ９〜１４での発生力を計算する。そして、制御部１８は、各アクチュエータ９〜１４に発生力指令を出力し、各アクチュエータ９〜１４に発生力指令に対応する発生力を発生させ、ロボットアーム２０の先端２０ｂにおける剛性を目標の剛性に調整する。
【００２８】
図２は、組立ロボット１００の嵌合作業の動作を説明するためのフローチャートであり、図３は、探り動作及び嵌合動作を説明するための図である。以下、図２及び図３を参照して、図１に示されている組立ロボット１００の動作について述べる。以下の説明において、第２ワーク１７の嵌合穴４２の延びる方向、及び固定リンク２の延びる方向と平行な軸をｖ軸とする。また、ｖ軸に垂直な方向の軸をｈ軸とする。
【００２９】
まず、嵌合作業の前工程について説明する。基台１の所定の位置には、第２ワーク１７が、作業者又は他のロボットなどによって、嵌合穴４２が上方を向く所定姿勢で固定される。
【００３０】
制御部１８は、予め定められた動作指令によって、第１ワーク１６をハンド８に把持させ、第１ワーク１６の突起部４１の延びる方向と第２ワーク１７の嵌合穴４２の延びる方向とが平行となるように、各関節５，６，７における関節角度（旋回角度）を調整する。
【００３１】
この時、嵌合作業前の段階なので、ハンド８の位置制御、即ち、各関節５，６，７の角度制御のみが行われ、ロボットアーム２０全体として高剛性が要件となっている。これは、拮抗配置されている一対の第１拮抗アクチュエータ９，１０、一対の第２拮抗アクチュエータ１１，１２、一対の第３拮抗アクチュエータ１３，１４の駆動源のそれぞれの発生力の和が大きくなるように設定することで実現される。
【００３２】
また、以降の作業時は、ハンド８の姿勢を嵌合時の基準姿勢に保持する。この基準姿勢は、予め、冶工具等を用いて、作業開始以前に第１ワーク１６と第２ワーク１７の嵌合方向に設定される。具体的には、固定リンク２に対する第１リンク３の旋回角度と、第１リンク３に対する第２リンク４の旋回角度と、第２リンク４に対するハンド８の旋回角度との和が一定なるように制御することで達成される。本実施形態では、制御部１８は、その和を１８０°に制御する。オフセット誤差は、冶工具等を用いた初期調整で吸収する。
【００３３】
このように、ハンド８に第１ワーク１６を把持させて、第２ワーク１７が基台１にセットされた後、組立ロボット１００は、第１ワーク１６の突起部４１を第２ワーク１７の嵌合穴４２に嵌合させる嵌合作業を行う。
【００３４】
具体的に説明すると、まず、制御部１８は、リンク駆動部３０を制御して、ロボットアーム２０の先端２０ｂにおける嵌合方向（ｖ軸方向の負方向）の剛性を、低剛性である第１剛性に調整する（Ｓ１００）。このとき、制御部１８は、リンク駆動部３０を制御して、ロボットアーム２０の先端２０ｂにおける嵌合方向と直交する探り方向（ｈ軸方向）の剛性を、第１剛性よりも高い高剛性である第２剛性に調整する。ここで、第１剛性は、第１ワーク１６が第２ワーク１７から受ける反力に追従して嵌合方向と反対方向に移動する剛性に設定される。これにより、第１ワーク１６を嵌合方向に移動させる際に、ハンド８の位置での嵌合方向の剛性が緩和される。また、第２剛性は、第１ワーク１６が第２ワーク１７から受ける反力に抗して探り方向（ｖ軸方向に直交するｈ軸方向）の位置を保持する剛性に設定される。つまり、第２剛性は、第１ワーク１６が第２ワーク１７から受ける反力によっても移動しない程度の剛性である。
【００３５】
そして、制御部１８は、リンク駆動部３０及びハンド駆動部１５を制御して、第１ワーク１６を嵌合方向（ｖ軸方向の負方向）に移動させ、第１ワーク１６の突起部４１を第２ワーク１７に接触させる（Ｓ１０１）。このとき、制御部１８は、第１ワーク１６を嵌合方向に付勢して第１ワーク１６の突起部４１を第２ワーク１７に接触させた状態を保持させる。つまり、第１ワーク１６の突起部４１は、第２ワーク１７に押し付けられた状態で保持されている。制御部１８は、リンク駆動部３０を制御して第１ワーク１６を第２ワーク１７に接触させる際に、ハンド駆動部１５を制御して突起部４１と嵌合穴４２との平行状態を維持している。
【００３６】
この際、第１ワーク１６の突起部４１のｖ軸方向の目標位置は、設計上、微小量だけ嵌合した状態の位置に設定する。或いは、ｖ軸方向の目標位置を少しずつ更新しながら、各関節５，６，７に組み込まれたロータリーエンコーダ２１，２２，２３の出力をモニタして、その変化より接触を知る方法でも良い。つまり、第１剛性に設定されたことにより、第２ワーク１７の反力が作用した第１ワーク１６に押されてロボットアーム２０の各リンク３，４が旋回し、これに伴って制御部１８は、ハンド８が所定の姿勢を保つためにハンド８を旋回される。そして、制御部１８は、各ロータリーエンコーダ２１，２２，２３の検出結果に基づき、第１ワーク１６が第２ワーク１７に接触したか否かを判断する。
【００３７】
通常は、図３（ａ）の状態で突起部４１が第２ワーク１７に接触する。この場合、両ワーク１６，１７間に力が働くが、予め、ロボットアーム２０の先端２０ｂにおける嵌合方向の剛性が緩和されているので、ワーク１６，１７間に働く力は緩和される。
【００３８】
次に、制御部１８は、探り動作を行いながら位置（ｖｎ、ｈｎ）測定値を更新していく（Ｓ１０２）。探り動作は、以下のように制御部１８により実行される。つまり、制御部１８は、リンク駆動部３０及びハンド駆動部１５を制御し、突起部４１を第２ワーク１７に接触させた状態で、第１ワーク１６を探り方向（ｈ軸方向）に移動させて第１ワーク１６の突起部４１が第２ワーク１７の嵌合穴４２に嵌合する位置を探る。
【００３９】
具体的に説明すると、制御部１８は、予め調整設定された微小目標変位γ（＞０）、δ（＞０）を用いて、ｖ軸方向の突起部４１の目標位置をｖｎ−γとし、第１ワーク１６の突起部４１を第２ワーク１７に接触させる。また、制御部１８は、ｈ軸方向の探り動作の１回目は、目標位置をｈ１＋δ、２回目は、目標位置をｈ２−２・δ、３回目は、目標位置をｈ３＋３・δのように更新する。
【００４０】
このとき、制御部１８は、探り動作の実行時に、突起部４１の延びる方向と嵌合穴４２の延びる方向とが平行な状態を維持するように、各ロータリーエンコーダ２１，２２，２３の検出結果に基づいて、ハンド駆動部１５を制御する。このように制御することで、制御部１８は、突起部４１を探り動作させたときのｖ軸方向の位置の変化を正確に把握することができる。なお、探り動作は、本実施形態では初期位置を中心に探る方法であるが、方向毎に所定距離を探る方法等でも良い。この探り動作の実行時に、ロボットアーム２０の先端２０ｂにおける探り方向の剛性は、第２剛性と高いままなので、迅速な探り位置制御が可能となっている。
【００４１】
次に、制御部１８は、探り動作毎に、更新された測定値より｜ｖｎ＋１−ｖｎ｜を評価、つまり、ｖｎ＋１−ｖｎの値の絶対値が所定の値Δ以上か否かを判断する（Ｓ１０３）。
【００４２】
そして、制御部１８は、
【００４３】
【数１】
2013107175.tif 000003
の場合（Ｓ１０３：ＹＥＳ）は、有意な変化ありとして、次のステップの処理に移る。
【００４４】
また、制御部１８は、
【００４５】
【数２】
2013107175.tif 000004
の場合（Ｓ１０３：ＮＯ）は、有意な変化無しとして、探り動作を継続する。ここで、通常は、図３（ａ）の初期の状態から、探り動作により図３（ｂ）の状態となるので、有意な変化は負値となる。ステップＳ１０１のワーク間接触時に図３（ｂ）の接触状態のとき、ロボットアーム２０の先端２０ｂにおける嵌合方向の剛性は緩和されている。従って、探り動作により図３（ｂ）中右方向に突起部４１を移動させようとする場合、第２ワーク１７の傾斜面４２ｃにより第１ワーク１６の突起部４１に働く外力Ｆｅｘは、図３（ｂ）中白抜き矢印で示すように、ｖ軸正方向となり、有意な変化Δは正値となる。なお、所定の値Δは、予備実験等によりｖ軸方向位置測定誤差を求め、例えば、その２倍程度に設定しておく。
【００４６】
次に、制御部１８は、有意な変化Δがあった場合（Ｓ１０３：ＹＥＳ）、つまり、図３（ｃ）に示す状態となった場合、これまで高剛性であった嵌合方向に垂直な探り方向（ｈ軸方向）の剛性を低剛性に緩和する（Ｓ１０４）。つまり、制御部１８は、コンプライアンス動作を実行する。この際、ロボットアーム２０の先端２０ｂにおける嵌合方向の剛性はそのままでも良いし、剛性を上げても良いが、望ましくは、剛性を上げる。
【００４７】
このコンプライアンス動作実行時、突起部４１のｖ軸方向の位置は、ｖｎ−ζを目標位置として設定される。そこで、本実施形態においては、ハンド８（つまり、ロボットアーム２０の先端２０ｂ）における剛性特性は、その分布がｖ−ｈ軸に長短軸が平行な楕円形状となるように制御されている。その結果、変位方向（探り方向）と平行な力が発生するので、ｈ軸に平行な負方向の微小な力が突起部４１に加わっている。
【００４８】
従って、第２ワーク１７の嵌合穴４２の傾斜面４２ｃより第１ワーク１６の突起部４１に働く外力Ｆｅｘは、図３（ｃ）中白抜き矢印で示すように、第２ワーク１７の嵌合穴４２中心軸方向となる（逃げ追従動作）。
【００４９】
結果、最終的は、（ｖ、ｈ）値の更新は無くなり、第１ワーク１６の突起部４１と第２ワーク１７の嵌合穴４２との嵌合が達成される。
【００５０】
以上のように、本実施形態では、探り動作中にサーボゲインを落とすことなく、ワーク間の接触状況の変化が見られたら、剛性の特性を変えるので、迅速な嵌合作業が可能となる。つまり、探り動作時に、ロボットアーム２０の先端２０ｂにおける嵌合方向の剛性は緩和され、探り方向の剛性は強化されることになるので、探り動作を迅速に行うことが可能となり、嵌合作業をスピードアップすることができる。
【００５１】
次に、ハンド８（ロボットアーム２０の先端２０ｂ）の剛性特性をコントロール方法について詳細に説明する。図４は、図１のロボットアーム２０をモデル化した図である。以下の説明では、重力及び摩擦等の影響は無視する。
【００５２】
ｖ−ｈ軸をｘ−ｙ軸とし、第１リンク３をＬ１、そのリンク長をｌ１、第２リンク４をＬ２、そのリンク長をｌ２とする。また、アクチュエータ９をｅ１、アクチュエータ１０をｆ１、アクチュエータ１１をｅ２、アクチュエータ１２をｆ２、２リンク同時アクチュエータ１３をｅ３、２リンク同時アクチュエータ１４をｆ３とする。また、第１関節５周りのトルクをＴ１、第２関節６周りのトルクをＴ２として表し、第１リンクＬ１とｘ軸のなす角をθ１、第１リンクＬ１と第２リンクＬ２とのなす角をθ２とする。さらに、第１関節５と第２関節６のモーメントアームをｒとする。
【００５３】
また、アクチュエータｅ１、ｆ１、ｅ２、ｆ２、ｅ３、ｆ３も筋の粘弾性モデルで表す。ＭｃＫｉｂｂｅｎ型空気圧アクチュエータは、筋の粘弾性モデルを具現化するものの代表である。
【００５４】
図５は、アクチュエータの粘弾性モデルを示す図である。このモデルでは、バネ成分及びダンパ成分を持ったアクチュエータとして表わされ、出力Ｆは、以下の式（１）のように数式化されることが知られている。
【００５５】
【数３】
2013107175.tif 000005
【００５６】
バネ成分、ダンパ成分の係数は筋肉の収縮力ｕに比例する関数として表され、収縮力ｕの設定がモデルのアクチュエータの剛性設定となる。ｋ、ｂはそれぞれ比例定数、ｘは自然長からの変位である。
【００５７】
周知のように、手先Ｗでの剛性は、一般に、微小外力ΔＦｘ、ΔＦｙによるリンク先端の微小変位をΔｘｔ、Δｙｔとすると、以下の式（２）となる。
【００５８】
【数４】
2013107175.tif 000006
【００５９】
したがって、手先Ｗでの剛性は、以下の式（３）に相似の楕円形状で表され、スティフネス楕円と称される。
【００６０】
【数５】
2013107175.tif 000007
【００６１】
上述した組立ロボット１００では、先ず、ステップＳ１００で、コンプライアンス方向をｘ軸方向（ｖ軸方向）に設定、即ち、ｙ軸方向（ｈ軸方向）の剛性がｘ軸方向（ｖ軸方向）の剛性よりも高い状態に設定する。次に、ステップＳ１０４で、コンプライアンス方向をｙ軸方向（ｈ軸方向）に設定、即ち、ｘ軸方向（ｖ軸方向）の剛性がｙ軸方向（ｈ軸方向）の剛性よりも高い状態に設定する。
【００６２】
その際、スティフネス楕円は、長短軸がｘ−ｙ軸に平行な楕円であることが望まれ、式（４）が条件となる。
【００６３】
【数６】
2013107175.tif 000008
【００６４】
スティフネス楕円の軸長を２α、２βとすると、以下の式（５）のように表せる。
【００６５】
【数７】
2013107175.tif 000009
【００６６】
従って、スティフネス楕円は、図４のようになる。各アクチュエータの駆動源の収縮力をｕｅ１、ｕｆ１、ｕｅ２、ｕｆ２、ｕｅ３、ｕｆ３として、各拮抗対に対応する和をＵ１、Ｕ２、Ｕ３とする。図４のように、粘弾性を有するアクチュエータが拮抗に配置されていると、その収縮力の各和Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３を制御することにより、手先Ｗでの剛性が制御できる。
【００６７】
即ち、微小な外力ΔＦｘ、ΔＦｙによる、関節の微小な回転角度をΔθ１、Δθ２とすると、筋の粘弾性を有するアクチュエータは、筋の弾性力によりリンクに微小なトルクΔＴｐ１、ΔＴｐ２を発生させ、式（６），（７）の関係で表されることが知られている。
【００６８】
【数８】
2013107175.tif 000010
【００６９】
式（６），（７）から判るように、Ｕ１＋Ｕ３、Ｕ２＋Ｕ３、Ｕ３を大きく設定すると、各関節での剛性は高まる。そして、式（５）より、Ｕ１＋Ｕ３、Ｕ２＋Ｕ３、Ｕ３を大きく設定すると、α、βも大きくなることが判る。
【００７０】
そこで、式（８）はヤコビ行列である。
【００７１】
【数９】
2013107175.tif 000011
【００７２】
この式（８）のヤコビ行列を導入すると、以下の式（９），（１０）の関係がある。
【００７３】
【数１０】
2013107175.tif 000012
【００７４】
よって、これらの式（９），（１０）から、以下の式（１１），（１２）が導かれる。
【００７５】
【数１１】
2013107175.tif 000013
【００７６】
ｘ−ｙ軸に平行なスティフネス楕円を得るためには、以下の式（１３）となる。
【００７７】
【数１２】
2013107175.tif 000014
【００７８】
所望のα、βと、第１リンクＬ１のリンク長ｌ１、第２リンクＬ２のリンク長ｌ２、第１リンクＬ１とｘ軸のなす角θ１、第１リンクＬ１と第２リンクＬ２のなす角θ２、アクチュエータのバネ定数ｋ、第１関節５と第２関節６のモーメントアームｒを代入する。これらを代入した式（１３）の連立方程式を解くことで、Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３の値が得られる。
【００７９】
ここで、例を示す。ｌ１＝０．６［ｍ］、ｌ２＝０．８［ｍ］、ｋ＝３、ｒ＝０．１［ｍ］とする。
【００８０】
ｃａｓｅ１：  θ１＝５０［°］、θ２＝８０［°］
ｃａｓｅ２：  θ１＝６０［°］、θ２＝９０［°］
ｃａｓｅ３：  θ１＝７０［°］、θ２＝１００［°］
に関して、α＝βの時のＵ１を１として、αβ一定のもと、α／β、即ち、楕円比をパラメータとしてグラフ化したものを図６に示す。図６は、楕円比α／βに対する相対的発生力を示すグラフであり、図６（ａ）はｃａｓｅ１を、図６（ｂ）はｃａｓｅ２を、図６（ｃ）はｃａｓｅ３を示している。図６（ａ）〜図６（ｃ）より、Ｕ１を大きく、Ｕ２を小さくするに連れて、α／βを大きくすることでき、Ｕ１を小さく、Ｕ２を大きくするに連れて、α／βを小さくすることができることが判る。
【００８１】
ここで、α／βの比を変えなければ、Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３の大小関係、比率は変わらず、α／β一定の下でのα、βに比例する。このように、所定の条件下で、所望のα、βが決まれば、Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３は、一意的に決められることが判る。
【００８２】
従って、図２に示すフローチャートに従うと、ステップＳ１００では、α／βを１よりも大きめの値に設定し、嵌合方向の剛性を緩和する。ステップＳ１０４では、α／βが１よりも小さく変化するように設定し、嵌合方向に垂直な方向の剛性を緩和する。
【００８３】
ここで、Ｕｎは収縮力の和を示しているので、ＭｃＫｉｂｂｅｎ型空気圧アクチュエータのように伸長力が無い場合、Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３は負の値を採らない。
【００８４】
よって、本実施形態のようにＭｃＫｉｂｂｅｎ型空気圧アクチュエータを使う場合、ステップＳ１００ではＵ１→＋０（非負のゼロに近い値）となる（Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３）のセットを指令値とする。ステップＳ１０４ではＵ２→＋０（非負のゼロに近い値）となる（Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３）のセットを指令値とする。
【００８５】
尚、式（１）で近似され、伸長力も発生するアクチュエータが使用できる場合、Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３は負の値も採れるので、α／βの大小がより明瞭となり、所定方向以外の剛性を上げられるで、より外乱等に強い安定した装置が実現できる。
【００８６】
そのようなアクチュエータのモデルとしては、図７に示すようなものが考えられる。
【００８７】
駆動源５１は、モータ、減速機等からなる。駆動源の駆動量をＬ、直列のバネ要素のバネ定数ｋとすると、以下の式（１４）となる。
【００８８】
【数１３】
2013107175.tif 000015
【００８９】
バネ定数が、ｕに依存すると、Ｆは出力端からの出力、ｘを出力端の変位として、以下の式（１５）となる。
【００９０】
【数１４】
2013107175.tif 000016
【００９１】
式（１５）は、式（１）と同等となる（粘性項は除く）。そして、駆動源５１の駆動量Ｌは極性を問わないので、収縮、伸長の力を発生することができる。
【００９２】
以上のようにして、Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３を決めることが、各拮抗対としてのアクチュエータ（ｅ１とｆ１、ｅ２とｆ２、ｅ３とｆ３）の剛性を決めることになり、この（Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３）のセットにより手先Ｗでの剛性の特性を決定する。
【００９３】
次に、手先Ｗの出力と変位について簡単に説明する。上述したようなｖ軸方向は、ｖｎ−γとする場合のように、現在位置を基準とした目標変位をΔｘ、Δｙとする。対応する第１関節５と第２関節６の各々の回転変位をδθ１、δθ２として、その関係は、式（９）と同等に考えられて、以下のように変換される。
【００９４】
【数１５】
2013107175.tif 000017
【００９５】
従って、（θ１、θ２）→（θ１＋δθ１、θ２＋δθ２）として、新たな目標回転変位として、第１関節５と第２関節６の各エンコーダ値をモニタしながら、第１関節５と第２関節６へのトルク印加により、位置制御する。すると、現在位置を基準とした目標変位Δｘ、Δｙへと到達する。
【００９６】
そして、その結果のトルクを（Ｔ１、Ｔ２）に関して、図４のようなモデルの場合、以下の式（１７）のように表せることが知られている（粘性項は省略）。
【００９７】
【数１６】
2013107175.tif 000018
【００９８】
ここで、１以下の実数ε１、ε２、ε３を用いると、各収縮力は以下の式（１８）となる。
【００９９】
【数１７】
2013107175.tif 000019
【０１００】
すると、式（１７）は、以下の式（１９）となる。
【０１０１】
【数１８】
2013107175.tif 000020
【０１０２】
従って、２つの関節を同時駆動する拮抗アクチュエータの存在により、所定のトルクに対して、解析的、かつ一意的には、各拮抗対をなすアクチュエータの駆動源の出力差、即ちε１、ε２、ε３を決定できない。
【０１０３】
しかし、上述したように、所望のα、βと、目標のθ１、θ２よりＵ１、Ｕ２、Ｕ３の値が得られるので、ε３＝０．５やε１＝ε２、或いは、ε１／ε２＝一定、等々の条件下で位置制御（回転変位）により、制御結果として、ε１、ε２、ε３が決定される。
【０１０４】
ここで、式（５）が成り立つ場合、手先での発生力をΔＦｘ、ΔＦｙとすると、以下の式（２０）が成り立つことが確認されている。
【０１０５】
【数１９】
2013107175.tif 000021
【０１０６】
従って、微小目標変位を与えることにより微小力を発生でき、しかも、力の方向と変位の方向を揃えることができる。即ち、例えば、Δｘを与え続けることにより、ΔＦｘを加え続けることができる。
【０１０７】
図８に、図４のモデルでの各アクチュエータの駆動源の発生力指令値を決定するブロック図である。θ１、θ２は更新した値としている。
【０１０８】
所望のα、βと、目標のθ１、θ２よりＵ１、Ｕ２、Ｕ３の値が得られる。そして、位置制御（回転位置）の過程で、ε１、ε２、ε３が決定され、その結果として、各アクチュエータｅ１、ｆ１、ｅ２、ｆ２、ｅ３、ｆ３への収縮力指令値ｕｅ１、ｕｆ１、ｕｅ２、ｕｆ２、ｕｅ３、ｕｆ３が決まる。
【０１０９】
図１に示す構成で説明すると、以下のようになる。制御部１８は、各関節５，６，７に組み込まれたロータリーエンコーダ２１，２２，２３の出力に基づいて、ハンド駆動部１５を駆動制御し、ハンド８の姿勢を一定にする。即ち制御部１８は、固定リンク２に対する第１リンク３の旋回角度と第１リンク３に対する第２リンク４の旋回角度と、第２リンク４に対するハンド８の旋回角度の和が一定（本実施形態では１８０°、つまり突起部４１と嵌合穴４２とが平行）となるように制御する。
【０１１０】
制御部１８は、各関節に組み込まれたロータリーエンコーダの出力から、固定リンク２基準の第１リンク３の旋回角度と第１リンク３基準の第２リンク４の旋回角度を求める。
【０１１１】
そして、制御部１８は、予め設定された第１リンク３及び第２リンク４のリンク長、第１関節６、第２関節７のモーメントアーム値を用いて、所望のα、βから各拮抗対のアクチュエータの駆動源の発生力指令値の和を決定する。その和を条件として、微小目標変位への位置制御により、結果として、各アクチュエータの駆動源の発生力指令値が決められ、モデルの手先Ｗに相当するハンド８での剛性の特性と励起される力の方向と大きさが決定される。そして、この概念に従って、図２に示されるフローチャートの各処理が実行される。
【０１１２】
なお、本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、多くの変形が本発明の技術的思想内で当分野において通常の知識を有する者により可能である。
【０１１３】
上記実施形態では、一方のワークとして、ハンド８に第１ワーク１６を把持させて嵌合作業を行う場合について説明したが、ハンド８に第２ワーク１７を把持させて嵌合作業を行うようにしてもよい。
【０１１４】
また、上記実施形態では、他方のワークを基台１に載置固定する場合について説明したが、不図示の別のロボットハンドに他方のワークを把持させている場合であってもよい。
【符号の説明】
【０１１５】
１…基台、２…固定リンク（固定部）、３…第１リンク、４…第２リンク、５…第１関節、６…第２関節、７…第３関節、８…ハンド、９，１０…一対の第１拮抗アクチュエータ、１１，１２…一対の第２拮抗アクチュエータ、１３，１４…一対の第３拮抗アクチュエータ、１５…ハンド駆動部、１６…第１ワーク、１７…第２ワーク、１８…制御部、２０…ロボットアーム、２０ｂ…先端、３０…リンク駆動部、４１…突起部、４２…嵌合穴、１００…組立ロボット
【図１】
2013107175.tif 000022
【図２】
2013107175.tif 000023
【図３】
2013107175.tif 000024
【図４】
2013107175.tif 000025
【図５】
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【図６】
2013107175.tif 000027
【図７】
2013107175.tif 000028
【図８】
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