(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボットのリンク上の各触覚センサからの接触情報と作業指令部の接触制御指令、ロボットからの作業情報と作業指令部からの作業指令、及び作業指令部からの動作選択指令を入力する動作選択器を設け、該動作選択器において接触回避動作成分及び作業動作成分の重みづけを行い、動作変換器において、次の式を連立させて同時に解くことにより、作業に必要な動作と接触を回避する動作とを融合させた動作指令ｕを得ることを特徴とする触覚センサを持つロボット用制御装置。、
ｋｚ＝ｎ・（ｖＬ＋ωＬ×ｐ）＝Ｊａｖｏｉｄｕ
および
【数１】
0003951007.tif 000004
〔ただし、上記式中、ｚは触覚センサの出力、ｋは比例ゲイン、ｎは法線ベクトル、ｖＬ はリンク座標系の並進速度、ωＬ はリンク座標系の回転速度、ｐはリンク原点に対する接触点の位置（ベクトル量）、ｕは動作指令（ベクトル量）、ｖＥは手先座標系の並進速度（ベクトル量）、ωＥは手先座標系の回転速度（ベクトル量）を表す。〕
【請求項２】
作業に必要な動作と接触を回避する動作とが、互いに干渉し合わないロボットの持つアクチュエータの結合動作として分離できる場合は、各々の動作を分離して実行することを特徴とする請求項１記載の触覚センサを持つロボット用制御装置。
【請求項３】
作業に必要な動作と接触を回避する動作とが、互いに干渉し合わないロボットの持つアクチュエータの結合動作として分離できない部分が生じる場合は、その部分に関しては重みつき平均として動作するようにしたことを特徴とする請求項１記載の触覚センサを持つロボット用制御装置。
【請求項４】
接触回避動作や作業動作のロボットのアクチュエータへの配分を作業の要求に応じて動作選択器により重みづけを行うことによりフレキシブルに変更できるようにしたことを特徴とする請求項１記載の触覚センサを持つロボット用制御装置。
【請求項５】
ロボットが伸張する軸回りの接触情報に重みを大きくすることにより、接触が生じていなくても軸からずれる方向の動きを少なくし、そっとまっすぐにアームを伸ばして狭隘路を通過するときに適した動作を実現するようにしたことを特徴とする請求項１記載の触覚センサを持つロボット用制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロボットに関し、特に、ロボットが人や物と接する可能性のある作業を行う場合に、触覚センサによる接触情報を利用して適切な動作を行わせるための制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ロボットが工場内など整備され人と隔離された環境で作業を行う場合には、作業動作、作業環境は作業のために計画的に整えられており作業に直接関係のないロボット本体と人または他の物体との接触を考える必要はほとんどなかった。
最近では、防災支援ロボット、介護ロボットなど、未整備環境下や人と接する環境で作業をするロボットの開発が活発に行われている。
このようなロボットにおいては、作業中にロボット本体と人や他の物体とが接触する可能性が高くなってくる。
作業中に予想をしていなかった接触が起こりそれを検出した場合ロボット本体、人または他の物体を破壊しないために、停止する、接触と反対方向に動くなどの制御を行う必要がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
作業中にロボット本体と人や他の物体との接触を検出した場合、もっとも簡単な方法は停止させることであるが、その場合は作業の実行も一時的にせよ中断されることになる。しかし、ロボットのどこで接触が生じたかが分からない場合は、下手に避けようとして動くよりも停止している方が安全ともいえる。
接触が生じた場所が分かれば適切な制御を行うことでその接触を回避するような動作を行わせることができる。また接触と直接関係のない作業動作を安全に継続することもできる。
【０００４】
上記のような制御を行うためには、生じた接触に対する適切な回避動作を生成する必要がある。これは簡単には、接触が生じた面の方向と反対に動くことによって実現できる。しかし、モータなどロボットのアクチュエータを直接制御してこのような動作を行わせると、実行中の作業動作に大きな影響を与えることになる。また、同時に複数の接触が生じた場合、個々にロボットのアクチュエータを直接制御したのでは有効に重ね合わせることができない。これを避けるためには接触を回避する動作は必要最小限で、他の動作との重ね合わせが可能なようにしておく必要がある。
【０００５】
ロボットに多数の可動自由度がある場合、そのとき直接作業に関係のない自由度は他の目的のために利用することができる。従来にもそのような余分な自由度をあらかじめ求めておいて接触回避を行わせた例もある。しかし、そのような余分な自由度というのは時々刻々の作業情况に応じて変化するものであるから、容易に変更可能となっていなくてはならない。
【０００６】
本発明は、表面に多数の触覚センサが配置してありそれにより接触を生じた位置が分かるようなロボットにおいて、接触が生じた場所が分かれば適切な制御を行うことでその接触を回避するとともに、接触と直接関係のない作業動作を安全に継続することができるロボットを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は以下のような基本的技術思想に基づいた。
１．本発明では、まず接触情報から接触回避動作を直接に定めるのではなく接触部分から遠ざかるような運動成分を持つということを接触回避動作の制約条件として生成し利用する。
２．作業動作と接触回避動作とを作業情况に応じて重みづけにより選択する機能を持たせる。
３．重みづけされた作業動作と接触回避動作とを、ロボットのアクチュエータ指令値との局所的な線形関係を利用して同時に解くことにより適切にアクチュエータ指令値に振り分けて、作業を実行しつつ接触を回避する動作を可能とする。
４．上記の振り分けのための解法として特異値分解などを利用して擬似逆行列を用いることにより作業や接触の状態により過剰拘束であったり、冗長であったりしても適切な制御が行われることになるようにする。具体的には作業動作に冗長自由度が存在する場合はそれを利用できる部分に関しては、それを有効に利用する動作が生成され、作業動作に冗長自由度が存在しなかったり、回避動作による拘束が過剰な場合は、その自由度に関して加重平均の形での制御を行う。
１．上記振り分けに必要な局所的な線形関係を生成する機能を分離して実現することにより、単純計算による生成だけでなく、オンライン自動推定機能をもたせるようにする。
【０００８】
上記した基本的技術思想に基づいた本発明の触覚センサを持つロボット用制御装置は、ロボットの表面に複数の触覚センサを持つロボットがそのとき実行中の作業に必要な動作と接触情報を利用した接触を回避する動作とを、ロボットのアクチュエータ指令値との局所的な線形関係を利用した方程式に基づいて自動的にロボットの持つ複数のアクチュエータに振り分けることにより作業を実行しつつ接触を回避する動作を行わせるようにしたことを特徴とする。
また、本発明の触覚センサを持つロボット用制御装置は、作業に必要な動作と接触を回避する動作とを融合させた動作指令を
ｋｚ＝n・（vＬ  ＋ωＬ  ×p）＝Ｊａｖｏｉｄu     および
【数１】
0003951007.tif 000002
を連立させて同時に解くことにより得るようにしたことを特徴とする。
また、本発明の触覚センサを持つロボット用制御装置は、作業に必要な動作と接触を回避する動作とが、互いに干渉し合わないロボットの持つアクチュエータの結合動作として分離できる場合は、各々の動作を分離して実行することを特徴とする。
また、本発明の触覚センサを持つロボット用制御装置は、作業に必要な動作と接触を回避する動作とが、互いに干渉し合わないロボットの持つアクチュエータの結合動作として分離できない部分が生じる場合はその部分に関しては重みつき平均として動作するようにしたことを特徴とする。
また、本発明の触覚センサを持つロボット用制御装置は、接触回避動作や作業動作のロボットのアクチュエータへの配分を作業の要求に応じてフレキシブルに変更できるようにしたことを特徴とする。
また、本発明の触覚センサを持つロボット用制御装置は、ロボットが伸長する軸回りの接触情報に重みを大きくすることにより、接触が生じていなくても軸からずれる方向の動きを少なくし、そっとまっすぐにアームを伸ばして狭隘路を通過するときに適した動作を実現するようにしたことを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による実施の形態を図面に基づき説明する。
図１は、本発明の制御装置の実施の形態に係るブロック図を、図２は、本発明の制御装置の実施の形態に係るロボットのリンク上の各接触点での接触回避運動の状態を示した図である。
接触情報としては、複数の触覚センサ２、２・・・からの複数の点での接触(接触力)が入ってくる。
接触制御器３では、接触情報と作業指令部４の接触制御指令に基づいて接触回避のための動作生成を行う。本制御装置による、接触回避動作生成で特徴的な点は、モータなどのロボット１のアクチュエータの指令値を直接生成しないという点にある。回避動作はロボット１のアクチュエータにより間接的に動作させられるものならばなんでも良い。本制御装置では、触覚センサ２の各点で個別的に局所的な回避動作を決めることにしている。具体的には、図2のように、アームのリンク上の場所p（pはベクトル量。以下、同じ。）で接触により接触力f（fはベクトル量。以下、同じ。）が発生したとする。多くの触覚センサ２の出力zは主に接触力の法線方向成分n・f（nは法線ベクトル。以下、同じ。）に支配される。すなわち、
ｚ＝n・f                                                       （１）
である。
【００１０】
触覚センサ２が力ではなく接触の有無のみを検出する場合は、接触の有無によって0/1の値をとると考えれば良い。このとき接触点での局所的な接触回避運動を接触点における速度v（vはベクトル量。以下、同じ。）で表現することにする。このとき従来の方法としてはvを法線方向の速度に限定しようとする方法がある。ここでkは比例ゲインである。しかし、この方法は複数点接触の統合を考えるとうまく行かない。単純なベクトル加算ではリンクの回転運動への反映が行われないし、また接触から離脱する方向以外運動成分に対してよけいな影響を与えることになる。そこで、ここでは、
n・v＝ｋ（n・f）                                              （２）
とし、vの法線方向成分だけを定めることにする。接触力の方向まで検出できる場合には
f・v＝ｋ（f・f）                                               （３）
とすれば良い。
式（２）のように接触回避運動を選択するとそれだけではvを一意に定めることができない。しかし本制御装置の手法を用いると、複数点での接触や作業動作との関係から自動的に適切な回避動作が生成されることになる。このような回避動作を生成する基となる式やゲインが接触制御指令でり、接触制御装置では得られた接触情報ｚをこの式に当てはめ、接触回避動作としてｋｚ＝n・vを出力することになる。
【００１１】
作業情報とは、ロボット１に与えられた作業を実行するための情報である。本制御装置では、ロボット１の作業は、ロボット１の関節角度と視覚情報で記述される。手首部の力センサなど、その他のセンサ情報を作業情報として用いることも可能である。ロボットアーム本体による押し付け作業の場合には、触覚センサ２による接触情報を作業情報として用いることも考えられる。
作業制御器５では、ロボット１からの作業情報と作業指令部４からの作業制御指令に基づいて作業実行のための動作生成を行う。本制御装置による、作業動作生成でも特徴的な点は、モータなどのロボット１のアクチュエータの指令値を直接生成しないという点にある。作業動作はロボット１のアクチュエータにより間接的に動作させられるものならばなんでも良い。具体的には、手先の直交座標系での位置・姿勢や、視覚システム１０から視覚情報として得られる特徴点の画像中での位置などである。作業制御指令はその時点での望ましい動作状態(望ましい手先の直交座標系での位置・姿勢や、視覚情報として得られる特徴点の画像中での位置)として与えられる。生成される作業動作は、その望ましい動作状態と実際の動作状態とを比較し、その差をなくすようなそれらの動作状態の目標変化量である。
【００１２】
動作撰択器６では、動作変換器７の前段の処理を行う。すなわち、そのとき行っている作業においてどの動作の実現を重視するかといった撰択を作業指令部４からの動作撰択指令に基づいて値の重みづけを行う。
動作変換器７では、接触回避動作と作業動作とを統合して、モータなどのロボット１のアクチュエータの指令値への変換を行う。本制御装置で重要なことは、接触回避動作、作業動作、アクチュエータへの指令値は、静的な状態ではなくその変化量または変化速度(単位時間当たりの変化量)を用いるという点にある。このようにすると接触回避動作、作業動作からアクチュエータ指令値への変換は、その時点においては静的な線形関係となる。
【００１３】
たとえば本制御装置のようにアクチュエータ指令値を多関節型ロボットアームのモータの回転速度u（uはベクトル量。以下、同じ。）とすると、接触回避動作との関係は以下のように求められる。
接触点での運動のセンサ法線方向成分を図2の多関節マニピュレータのリンク座標系の並進・回転速度vＬ、ωＬで表すと、
n・v＝n・（vＬ  ＋ωＬ  ×p）                                     （４）
となる。ここでpはリンク原点から接触点までのベクトルである。簡単のため式の各ベクトルはすべて同じ座標系(絶対座標、ベース座標など)で表現されている。この式は関節角速度uに関する線形方程式になる。センサ出力値zとの関係で表せば、
ｋｚ＝n・（vＬ  ＋ωＬ  ×p）＝Ｊａｖｏｉｄu
（５）
となる。ここでＪａｖｏｉｄは接触点の接線方向の運動と関節角との線形関係を表すヤコビ行列である。
【００１４】
作業動作に関しては、それが手先座標系の位置・姿勢の並進、回転速度vE（vEはベクトル量。以下、同じ。）、ωＥの場合は、いわゆるヤコビ行列Ｊｔａｓｋを使って以下のように表すことができる。
【数１】
0003951007.tif 000003
視覚を利用した場合にも、良く知られたビジュアルヤコビア用いて同様に表現できる。
【００１５】
最終的に動作変換器７では、式（５）と式（６）などを連立させて同時に動作指令uについて解くことにより作業動作と接触回避運動とを融合させた動作指令が生成される。これを解くときに特異値分解などを利用して擬似逆行列を用いることにより作業や接触の状態により過剰拘束であったり、冗長であったりしても適切な制御が行われることになる。作業動作に冗長自由度が存在する場合はそれを利用できる部分に関しては、それを有効に利用する動作が生成される。作業動作に冗長自由度が存在しなかったり、回避動作による拘束が過剰な場合は、その自由度に関して加重平均の形での制御が行われることになる。加重平均の重みづけは先の動作撰択器６によって行われる。
【００１６】
線形関係生成器８では、動作変換器７で用いるＪａｖｏｉｄ  、Ｊｔａｓｋを生成する。  本制御装置では、触覚センサ２の位置、マップやカメラの据付位置・姿勢などが予め分かっていれば関節角から計算することができる。また、この関係は、線形関係であるためロボット１の状態が制御装置の計算時間と比べて急激な変化をしない場合には、静的線形システムの推定手法を用いて、接触情報、作業情報、接触回避動作、作業動作、動作指令値などを計測することにより実時間で推定することが可能である。このような推定機能を付加することにより、事前のキャリブレーションを不要としたり、ロボット１のアクチュエータが故障した場合にも適切な制御が行えるようにしたりすることができる。
【００１７】
上記の制御装置で、全体としてロボット１の伸長する軸周りの接触情報に重みを大きくして制御すると、接触が生じていなくてもロボット１は軸からずれる方向の動きを少なくするように動く。これはロボット１がそっとまっすぐにアームを伸ばすような動作となり、とりわけ蛇管形のロボットが狭隘路を通過するときに適した動作となる。
【００１８】
【発明の効果】
本発明により、ロボットの表面に複数の触覚センサを持つロボットが接触情報を利用して作業を実行しつつ接触を回避する動作を可能となる。
これにより、ロボットが人や物と接する可能性のある作業を安全に行うことができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る制御装置を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る制御装置のロボットのリンク上の各接触点での接触回避運動を示した図である。
【符号の説明】
１  ロボット
２  触覚センサ
３  接触制御器
４  作業指令部
５  作業制御器
６  動作選択器
７  動作変換器
８  線形関係生成器
１０  視覚システム
【図１】
0003951007.tif 000005
【図２】
0003951007.tif 000006