(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボットアームの各関節に取り付けたトルクセンサの情報をもとに各関節モータを力制御するロボットアームのインピーダンス制御装置において、
前記ロボットアームの、人間あるいは物体と接触する表面に、接触圧覚情報を検知できるシート状の圧覚センサを設け、この圧覚センサの出力をもとに、前記ロボットアームと前記人間あるいは物体との接触力の大きさを検知し、前記接触力が所定の値未満の場合は、前記接触力が大きくなるに従って仮想の機械的インピーダンスのうち、弾性パラメータを小さくすることを特徴とするロボットアームのインピーダンス制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ハンドリング作業等に好適なロボットアームのインピーダンス制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の一般的な位置制御ベースのトルクインピーダンス制御方式は図６のようになっている。アーム601 が人間（あるいは物体）602 に接触したとき、その反力トルクがトルクセンサ603 によって電圧に変換される。このトルク情報はA/D 変換器604 によってデジタル値に変換された後、変位角算出部605 に入力される。変位角算出部605 ではインピーダンス設定部606 で設定された仮想の慣性・粘性・弾性パラメータ（固定値）から、機械的インピーダンスモデルに基づき、アーム角度が平衡点から移動すべき変位角が算出される。変位角は平衡角設定部607 の出力に加算され、アーム601 の角度指令となる。この角度指令は、回転角検出計608 により検出された電気信号を回転角変換回路609 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610 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611 によってアナログ化され、ドライバ612 によってモータ613 に出力されることによってアーム601 を駆動する。この状態で平衡角設定部607 の出力を目標軌道にあわせ変化させることで、目標軌道に追従しつつ人間（あるいは物体）からの反力に対しては滑らかにならうような応答が実現できる。
【０００３】
このようなアームを用いて、人間（あるいは物体）と接触する可能性のある環境下で高精度の作業を行わせようとした場合、２つの問題点が存在する。
ひとつは仮想の機械的インピーダンスモデルとして用いているバネ−ダンパ系の特性から、人間（あるいは物体）から大きな力を受けてアームの変位角が大きくなるほど、アームが人間（あるいは物体）に返す復元力も大きくなることである。これでは人間（あるいは物体）がアームと接触し続けるような環境下では、アームから大きな力を受ける可能性があり危険である。しかし一方で仮想の機械的インピーダンスを小さく設定し、復元力を小さく抑えようとすると、今度は人間（あるいは物体）からわずかの接触力しか受けていない場合でも目標軌道から大きくずれてしまうことになる。これでは、目的の動作を精度良く行うことが困難になる。
もう一つは、関節軸に配置したトルクセンサの測定値には、外力トルクの他にアームの慣性や遠心力に基づく発生トルクあるいは摩擦トルクも含まれるため、実際にアームと人間（あるいは物体）との間で発生している力が判別できないことである。これを判別する方法としては、外乱オブザーバを用いる方法が提案されているが、モデルを用いることから、その同定誤差等のため正確な値を知るのは困難である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来のトルクインピーダンス制御方式では、下記の問題点があった。
（１）アームに大きな力を加えると復元力も大きくなり危険である。
（２）微少な外力の範囲では精度が保たれない。
（３）関節軸のトルクセンサでは正確な接触力を知ることができない。
そこで、本発明は、ロボットアームに加わった人間（あるいは物体）との接触力を直接検知するとともに、この情報を用いることで、アームに大きな力が加わった時には復元力を小さくし安全性を高め、アームに微少な力が加わっている時には復元力を大きくし動作精度を確保することが可能な装置を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、本発明は、ロボットアームの各関節に取り付けたトルクセンサの情報をもとに各関節モータを力制御するロボットアームのインピーダンス制御装置において、アームの人間あるいは物体と接触する表面に接触圧覚情報を検知できるシート状の圧覚センサを貼り付け、この圧覚情報をもとに、前記ロボットアームと前記人間あるいは物体との接触力の大きさを検知し、前記接触力が所定の値未満の場合は、前記接触力が大きくなるに従って仮想の機械的インピーダンスのうち、弾性パラメータを小さくすることを特徴とするものである。
上記手段により、アーム表面の接触力を直接測定することができるため、より安全確実な動作が実現できる。またこの接触力に応じてアームの逃げ量を調整することができるため、さまざまな接触力に対し常に最適な対応をとることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
図１において、アーム101 が人間（あるいは物体）102 に接触したとき、その反力トルクがトルクセンサ103 によって電圧に変換される。このトルク情報はA/D 変換器104 によってデジタル値に変換された後、変位角算出部105 に入力される。またアーム101 の表面にはシート状の圧覚センサ106 が貼られており、人間（あるいは物体）102 からの接触力を電圧に変換する。この圧覚情報はA/D 変換器104 によりデジタル値に変換され、インピーダンスパラメータ算出部107 に入力される。変位角算出部105 ではインピーダンスパラメータ算出部107 で圧覚情報をもとに算出された仮想の慣性・粘性・弾性パラメータから、機械的インピーダンスモデルに基づき、アーム角度が平衡点から移動すべき変位角が算出される。変位角は平衡角設定部108 の出力に加算され、アーム101 の角度指令となる。この角度指令は、回転角検出計109 により検出された電気信号を回転角変換回路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111 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112 によってアナログ化され、ドライバ113 によってモータ114 に出力されることによってアーム101 を駆動する。
【０００９】
インピーダンスパラメータ算出部における変換の一例を図２に示す。図で横軸はA/D 変換器104 から入力した圧覚情報Fp、縦軸は変位角算出部105 に出力する仮想の機械的インピーダンスパラメータのうち弾性パラメータk を示している。例えばアームが人間（あるいは物体）と接触していない時（アーム動作時を含む）、圧覚情報Fpはゼロとなるため弾性パラメータｋは最大値kmaxをとる。このためアーム加減速動作時の慣性や遠心力に基づく発生トルクあるいは摩擦トルクの影響を小さく抑え、高精度な位置決めを行うことができる。
【００１０】
次にアームが人間（あるいは物体）と接触し、小さな接触力が発生している状態では、弾性パラメータk はある程度大きな値を保ち続ける。このため人間（あるいは物体）に危害を及ぼさないような小さな接触力の範囲内では、できるだけ高精度を保ちつつ作業を続行することが可能となる。
さらに作業を続け、アームと人間（あるいは物体）との間の接触力が大きくなってくると、圧覚情報Fpにつれて弾性パラメータk は減少していくため、アームは接触力を逃がす方向へ動きやすくなる。またアームの復元力も小さくなるので、人間（あるいは物体）がロボットから大きな力を受ける危険性がなくなる。
【００１１】
上記手段により、ロボットアームに加わった人間（あるいは物体）との接触力を直接検知するとともに、この情報を用いることで、アームに大きな力が加わった時には復元力を小さくし安全性を高め、アームに微少な力が加わっている時には復元力を大きくし動作精度を確保することが可能となる。
インピーダンスパラメータ算出部における変換の他の例を図３に示す。ここでは圧覚情報Fpがあるしきい値Fmax以上になった時点で弾性パラメータk を再び上昇させている。これは人間（あるいは物体）からの接触力に応じてアームをあまり急激に逃がした場合、アームの逃げる空間内に存在する別の人間（あるいは物体）に接触するおそれがあるからである。
【００１２】
別の例を図４に示す。ここでは連続的な圧覚情報の変化に対して弾性パラメータが急激に変化することによる接触時の違和感を避けるため、変換式が滑らかな曲線になっている。
この装置では、ロボットアームと人間（あるいは物体）との接触をテープ状のスイッチによって検出する。この場合圧覚情報は２値となるので、インピーダンスパラメータ算出部における変換例は図５のようになる。図において、Fsw はスイッチがＯＮになる圧覚しきい値を示す。
【００１３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、アームに大きな力を加えた場合にはアームが逃げやすくなり、復元力も小さいため、安全である。また微少な外力の範囲でも精度を保つことが可能となる。また、関節軸のトルクセンサと併用する圧覚センサにより、正確な接触力を知ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す制御の概念ブロック図
【図２】本発明におけるインピーダンスパラメータ算出部の例（１）を示す図
【図３】本発明におけるインピーダンスパラメータ算出部の例（２）を示す図
【図４】本発明におけるインピーダンスパラメータ算出部の例（３）を示す図
【図５】本発明におけるインピーダンスパラメータ算出部の例（４）を示す図
【図６】従来技術における制御の概念ブロック図
【符号の説明】
101 ロボットアーム
102 人間（あるいは物体）
103 トルクセンサ
104  A/D変換器
105 変位角算出部
106 圧覚センサ
107 インピーダンスパラメータ算出部
108 平衡角設定部
109 回転角検出計
110 回転角変換回路
111 ゲイン積算器
112  D/A変換器
113 ドライバ114 モータ
【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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