CN101959654B - 动力辅助设备及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种用于动力辅助设备(50)的控制方法，其中该动力辅助设备具有操作手柄(6)、检测施加到操作手柄(6)的操作力和操作力的朝向(θh)的力传感器(7)、机器人臂(3)以及致动器(11)。当检测到操作力的朝向(θh)相对于预设的操作手柄的行进方向在预定角度范围内时，致动器(11)被控制为通过仅采用操作力的沿着行进方向的分量而沿着所述行进方向移动操作手柄(6)；并且，当检测到操作力的朝向(θh)相对于预设的操作手柄的行进方向在预定角度范围外时，致动器被控制为通过施加操作手柄(6)的操作力以及操作力的朝向来移动操作手柄(6)。

Description

动力辅助设备及其控制方法

技术领域

本发明涉及动力辅助设备，更具体地，本发明涉及在搬运工件时引导行进方向的动力辅助设备以及用于动力辅助设备的控制方法。

背景技术

在相关技术的框架中，被称作动力辅助设备的机器人已经被用在生产车间中来减轻操作者的劳动并且增加可操作性。作为涉及动力辅助设备的技术，存在这样一种传统技术，其中对支撑工件的臂的电动机进行驱动，以例如使得当工件在搬运过程中从预先设置的设置区域伸出时，将从被称作“无形墙”的虚拟墙接收到返回力提供给操作者(例如，见日本专利申请公报No.2005-28492(JP-A-2005-28492))。

作为生产车间中的动力辅助设备的应用示例，这样一种动力辅助设备被用于高精确的工件对准以及在装配过程中需要精确的行进方向的操作(例如，在将车窗玻璃装配到汽车车身中时)，在该动力辅助设备中，由操作者操作的操作构件安装到执行辅助的机器人臂的远端并且在机器人臂中产生对操作者的操作进行辅助的力。

然而，通过JP-A-2005-28492中描述的技术，在搬运过程中作为基准的工件轨迹不能容易地改变或调整。因此，例如，在将这种技术应用到将车窗玻璃安装到车辆车身中的上述操作中时，在车身与车窗玻璃从教导设置区域即使略微地偏离时，遇到以下缺点：(1)车窗玻璃的上止档件没有适当地插入车身的接合孔并且撞击车身，以及(2)当车窗玻璃被插入行李厢与车身之间的空隙中时，玻璃撞击行李厢或车身。另一个缺点是在改变教导设置区域时，需要时间来改变设置区域。

此外，在将JP-A-2005-28492中描述的技术应用到在车身上方的特定高度处将由聚氨酯粘合剂(图4中的附图标记12)覆盖的车窗玻璃定位在竖直方向之外的方向中以防止粘合剂粘合到车身并且之后在保持车窗玻璃位置的同时将车窗玻璃降低的操作中时，产生以下具体问题：(1)因为根据工件结构来确定行李厢与车身之间的间隙以及用于插入车身的孔中的止档件的方向，所以需要高精确度的搬运方向；(2)在施加力来移动操作手柄时，也会沿着不希望工件移动的方向施加力，工件沿着这个方向移动，其位置偏移并且插入朝向改变；(3)因为在装配循环之间车身位置的分布，所以需要改变设置教导位置，并且当教导设置区域改变时，需要转换搬运模式和改变设置区域的模式。

此外，当在不应用JP-A-2005-28492中描述的技术的状态下执行将车窗玻璃装配到车辆车身中的操作时，即，在由操作者执行将车窗玻璃2装配到车身100中的操作时，在如图10所示通过相关技术的动力辅助设备来移动车窗玻璃的同时，在操作员利用操作构件执行提供辅助的机器人臂的操作时，机器人臂可以沿着任何方向以相同的方式移动，并且即使在这种状态下在车辆车身100上方的空间中对准车窗玻璃2的前后位置，车窗玻璃在其沿着图10中的虚线箭头示出的方向下降的过程中仍然可能向前或向后偏移。因此，期望装置在保持对准上方位置的同时，以良好的稳定性将车窗玻璃向正下方下降。

发明内容

本发明的目的是提供一种动力辅助设备，这种动力辅助设备执行控制以使得在工件与目标对准时，可以对手的非故意的运动进行校正并且可以使得工件容易沿着目标轨迹移动，并且当轨迹改变或调整时可以平滑地移动工件。

本发明的第一方面涉及用于动力辅助设备的控制方法，所述动力辅助设备具有由操作者操作的操作部分、用于检测施加到所述操作部分的操作力和所述操作力的朝向的操作力检测装置、支撑所述操作部分的机器人臂以及用于驱动所述机器人臂的驱动装置。所述控制方法包括：在由所述操作力检测装置检测到的、施加到所述操作部分的操作力的朝向与预设的所述操作部分的行进方向形成的角度在预定的角度范围内时，控制所述驱动装置以使所述驱动装置沿着所述行进方向移动所述操作部分；并且，在由所述操作力检测装置检测到的、施加到所述操作部分的操作力的朝向与所述行进方向形成的角度在所述预定的角度范围之外时，控制所述驱动装置以使所述驱动装置沿着所施加的操作力的朝向移动所述操作部分。

通过这种构造，在将工件搬运到目标时，可以校正手的非故意的移动，并且在执行轨迹改变和调整时，可以平滑地移动工件。

在根据上述方面的控制方法中，预定的角度范围可以被分割为在所述行进方向一侧的第一角度范围和位于所述第一角度范围的两外侧的第二角度范围；在由所述操作力检测装置检测到的、施加到所述操作部分的操作力的朝向与所述行进方向形成的角度在所述第一角度范围内时，所述驱动装置可以被控制以沿着所述行进方向移动所述操作部分；并且在由所述操作力检测装置检测到的、施加到所述操作部分的操作力的朝向与所述行进方向形成的角度在所述第二角度范围内时，可以控制驱动装置以沿着由施加到所述操作部分的操作力的行进方向分量以及经校正的垂直方向分量确定的方向移动所述操作部分，其中所述经校正的垂直方向分量被校正为变得比施加到所述操作部分的操作力在与所述行进方向垂直的方向上的分量小。

通过上述构造，在将工件搬运到目标时，可以校正手的非故意的移动，并且在执行轨迹改变和调整时，可以平滑地移动工件，而不会有不舒服的感觉。

在根据上述方面的控制方法中，第二角度范围可以被分割为多个角度范围；并且随着由所述操作力检测装置检测到的、施加到所述操作部分的操作力的朝向与所述行进方向形成的角度被包含在所述多个角度范围中更外侧的角度范围内，所述经校正的垂直方向分量可以逐渐地增加。

通过上述构造，在将工件搬运到目标时，可以校正手的非故意的移动，并且在执行轨迹改变和调整时，可以平滑地移动工件，而不会有不舒服的感觉。

在根据上述方面的控制方法中，经校正的垂直方向分量可以与工件的移动速度相对应地改变。

在根据上述方面的控制方法中，经校正的垂直方向分量可以与施加到所述操作部分的操作力的大小相对应地改变

在根据上述方面的控制方法中，预设的所述操作部分的行进方向可以是竖直向下的方向。

在根据上述方面的控制方法中，可以以预定的间隔重复地执行所述控制方法。

本发明的第二方面涉及一种动力辅助设备，其具有由操作者操作的操作部分、用于检测施加到所述操作部分的操作力和所述操作力的朝向的操作力检测装置、支撑所述操作部分的机器人臂、用于驱动所述机器人臂的驱动装置以及用于控制所述驱动装置的控制单元。在由所述操作力检测装置检测到的、施加到所述操作部分的操作力的朝向与预设的所述操作部分的行进方向形成的角度在预定的角度范围内时，所述控制单元可以控制所述驱动装置以使所述驱动装置沿着所述行进方向移动所述操作部分；并且在由所述操作力检测装置检测到的、施加到所述操作部分的操作力的朝向与所述行进方向形成的角度在所述预定的角度范围之外时，所述控制单元可以控制所述驱动装置以使所述驱动装置沿着所施加的操作力的朝向移动所述操作部分。

通过上述构造，在将工件搬运到目标时，可以校正手的非故意的移动，并且在执行轨迹改变和调整时，可以平滑地移动工件。

在根据上述方面的动力辅助设备中，所述预定的角度范围可以被分割为内侧的第一角度范围和位于所述第一角度范围的两外侧的第二角度范围，并且在由所述操作力检测装置检测到的、施加到所述操作部分的操作力的朝向与所述行进方向形成的角度在所述第一角度范围内时，所述控制部分可以控制所述驱动装置，以使所述驱动装置沿着所述行进方向移动所述操作部分，并且在由所述操作力检测装置检测到的、施加到所述操作部分的操作力的朝向与所述行进方向形成的角度在所述第二角度范围内时，所述控制部分可以控制所述驱动装置，以使所述驱动装置沿着由施加到所述操作部分的操作力的行进方向分量以及经校正的垂直方向分量确定的方向移动所述操作部分，其中所述经校正的垂直方向分量被校正为变得比施加到所述操作部分的操作力在与所述行进方向垂直的方向上的分量小。

通过上述构造，在将工件搬运到目标时，可以校正手的非故意的移动，并且在执行轨迹改变和调整时，可以平滑地移动工件，而不会有不舒服的感觉。

在根据上述方面的动力辅助设备中，第二角度范围可以被分割为多个角度范围，并且随着由所述操作力检测装置检测到的、施加到所述操作部分的操作力的朝向与所述行进方向形成的角度被包含在所述多个角度范围中更外侧的角度范围内，所述经校正的垂直方向分量逐渐地增加。

通过上述构造，在将工件搬运到目标时，可以校正手的非故意的移动，并且在执行轨迹改变和调整时，可以平滑地移动工件，而不会有不舒服的感觉。

在根据上述方面的动力辅助设备中，所述经校正的垂直方向分量可以与工件的移动速度相对应地改变。

在根据上述方面的动力辅助设备中，所述经校正的垂直方向分量可以与施加到所述操作部分的操作力的大小相对应地改变。

在根据上述方面的动力辅助设备中，所述预设的所述操作部分的行进方向可以是竖直向下的方向。

在根据上述方面的动力辅助设备中，可以以预定的间隔重复地执行所述控制部分对所述驱动装置的控制。

附图说明

通过参照附图，从以下对示例实施例的描述，本发明的上述和其他的目的、特征和优点将会变得清楚，其中相似的附图标记被用于表示相似的元件，其中：

图1是示出了本发明的实施例的动力辅助设备的整体构造的示意图；

图2是示出了本发明的实施例的动力辅助设备的控制系统的构造的框图；

图3是示出了动力辅助设备中的机器人臂的另一个示例的立体图；

图4是示出了处于在将本发明的实施例的车窗玻璃装配到车身中之后的状态中的车窗玻璃的放大的上端部分的示意图；

图5示出了本发明的实施例中的预定角范围与操作力的朝向之间的关系；

图6示出了本发明的实施例中的预定角范围与操作力的朝向之间的关系；

图7示出了本发明的实施例中的预定角范围与操作力的朝向之间的关系；

图8A到图8D是示出了引导方向和角度的实施例的说明图；

图9是本发明的实施例中的操作力校正的矢量图；并且

图10是示出了利用相关技术的动力辅助设备执行的车窗玻璃装配操作的示意图。

具体实施方式

将要在下文中描述本发明的实施例。图1是示出了本发明的实施例的动力辅助设备的整体构造的示意图。图2是示出了动力辅助设备的控制系统的构造的框图。图3是示出了动力辅助设备中的机器人臂的另一个示例的立体图。图4是示出了处于在将本发明的实施例的车窗玻璃装配到车身中之后的状态中的车窗玻璃的放大的上端部分的示意图。图5示出了预定角范围与操作力的朝向之间的关系。图6示出了本发明的实施例中的预定角范围与操作力的朝向之间的关系。图7示出了本发明的实施例中的预定角范围与操作力的朝向之间的关系。图8是示出了引导方向和角度的实施例的说明图。图9是操作力校正的矢量图。图10是示出了利用相关技术的动力辅助设备执行的车窗玻璃装配操作的示意图。在本实施例中，为了帮助理解，将要通过其中工件(其为搬运物)在图1中示出的XYZ坐标系统的XY平面中移动的示例的方式对操作进行解释。XY平面是竖直平面。此外，在以下解释中，为了解释方便，将要把图1中示出的箭头X的方向作为向前方向。此外，在本实施例中，由操作者执行的主要操作是装配车窗玻璃2(下文中称作车窗2，其为工件)的操作，该操作是将车窗玻璃2从图1中示出的汽车车身100的车窗框架100a上方移动到车窗框架100a中的车窗2的装配位置并且进行装配。

首先，将要描述本发明的实施例的动力辅助设备的整体构造。如图1所示，动力辅助设备50主要包括机器人臂3(其为机器人的示例)、连接部4、附着夹具5(其为由机器人臂3经由连接部4进行支撑的、车窗2的保持装置)、操作手柄6(其为设置在附着夹具5处的操作部分并且由操作者1操作)、力传感器7(其为用于检测施加到操作手柄6的操作力的操作力以及操作力的朝向的检测装置)、驱动机器人臂3的致动器11以及对致动器11进行驱动控制的控制单元8(图2中示出)。

如图1的侧视图所示，机器人臂3由受电弓状的闭环连杆机构构成，并且具有经由多个关节3a(在本实施例中是4个)连接的多个连杆3b、3b、3b和3b。工具3c(其为机器人臂3的远端)经由连接部4结合到附着车窗2的附着夹具5。连接部4使得附着到附着夹具5的车窗2的姿态能够三维摆动。此外，关节3a、连接部4和连杆3b、3b、3b和3b构成连杆机构。致动器11(在图2中示出)附着到连杆机构，可以通过驱动致动器11来驱动连杆机构并且可以三维地摆动机器人臂3的工具3c。因此，经由连接部4连接到机器人臂3的附着夹具5可以相对于机器人臂3三维地摆动。对于机器人臂3，在通常搬运的情况下，当操作者1通过操作手柄6围绕侧倾轴和横摆轴旋转车窗2时，操作者可以移动机器人臂3的工具3c并且分别沿着横向(图1中的左右方向)和竖直方向(图1中的上下方向)移动车窗2。换言之，操作者1可以抓住操作手柄6并且沿着倾斜附着夹具5的方向移动车窗2。在本实施例中，如图1所示，将动力辅助设备50解释为装备有在侧视图中受电弓形状的机器人臂3，但是该构造不是限制性的，并且机器人臂也可以是诸如图3中示出的机械手型多关节机器人的机器人臂30。在图3中示出的机器人臂30中，具有与上述机器人臂3相同的构件和功能的位置由相同的附图标记指出。

此外，编码器10(见图2)是用于将连杆3b、3b、3b和3b的位置检测为角度的角度检测装置，并设置在机器人臂3的连接部4和关节3a、3a、3a和3a中。将利用编码器10获得的检测值设置到控制单元8。控制单元8可以从发送自编码器10的检测值来判断车窗2的位置以及车窗2的姿态。

附着夹具5具有框架5a(其为附着夹具5的框架组件)以及操作手柄6、6，该操作手柄6、6延伸到框架5a的左侧和右侧(相对于表示线行进方向的箭头X的两侧)并可以由操作者1抓住并且用于操作附着夹具5。此外，附着夹具5经由连接部4悬挂在机器人臂3的工具3c处并且可以附着并保持车窗2。更具体地，通过吸到车窗2的表面上(换言之，在车窗2附着到车身100上时在车身100的外侧上的表面)而进行附着的多个吸盘9(在本实施例中为四个)设置在框架5a的下端。在由附着夹具5保持车窗2时，使得吸盘9与车窗2的表面紧密接触，并且由泵(在图中未示出)将吸盘9内部的空气吸出。因此，车窗2通过吸到吸盘9而附着并且由附着夹具5保持。在将车窗2从附着夹具5释放时，停止通过泵抽吸空气并且将空气注入吸盘9与车窗2之间，由此终止通过吸到吸盘9而附着车窗2。因此，从附着夹具5释放车窗2。

如图1所示，操作手柄6在平面图中具有几乎U状的形状并且设置在附着夹具5的两端处。此外，上述力传感器7设置在操作手柄6的一端(操作者1抓住手柄的那一侧)的沿着横向的中心部分的附近。在将车窗2装配到车身100的车窗框架100a中时，操作手柄6由操作者1抓住。当操作者1抓住手柄6时，使得附着夹具5稳定并且操作者1可以将车窗2向车窗框架100a对准。

力传感器7设置在手柄6与附着夹具5的框架5a之间，并且检测施加到手柄6的操作力以及操作力的朝向。换言之，该传感器用作检测由与动力辅助设备50协作进行操作的操作者1施加到车窗2的操作力和扭矩。此外，将由力传感器7检测到的操作者1的操作力以及操作力的朝向发送到下文描述的控制单元8。在本实施例中，力传感器7仅安装到一个手柄6上，但是这种构造不是限制性的并且力传感器可以安装到两个手柄6附近。

如图2所示，上述力传感器7、编码器10和对机器人臂3进行驱动的致动器11连接到控制单元8。由控制单元8控制动力辅助设备50的每个单元的操作。根据由力传感器7检测到的操作力以及操作力的朝向以及基于编码器10的附着夹具5(车窗2)的位置信息等，实时地估计操作者1的意图(在本实施例中，将车窗2向下移动以进行装配的意图)。此外，控制单元8驱动致动器11以对机器人臂3进行控制，并且产生与下文描述的由操作者1施加的操作力的朝向相应地确定的辅助力。

控制单元8由中央处理单元(CPU)、存储器装置(硬盘装置、RAM或ROM)以及接口等(在图中未示出)构成并且在存储器装置中存储用于基于下文描述的操作力、其朝向θh和目标轨迹A之间的关系来判断对致动器11进行驱动控制的条件的各种类型的信息。此外，控制单元8具有在图中未示出的指令值计算单元和指令值输出单元。

将要在下文中参照图4到图7描述本发明的实施例的用于控制动力辅助设备的方法。首先，在控制单元8中预先设置操作手柄6或机器人臂3的工具3c的行进方向(在本实施例中是操作手柄6的行进方向)。已经预先设置的操作手柄6的行进方向是操作手柄6的目标轨迹A。在本实施例中，竖直向下方向(图4中的箭头A的方向)在控制单元8中预先设定作为操作手柄6的行进方向A，使得在图4中示出的位于车窗2的上端部分处的钩状上止档件2a与设置在车身100的预定位置中的上止档件2a的接合孔相接合。之后，如图5所示，参照行进方向A(目标轨迹A)来执行预定角度范围的条件设置。这里，相对于由图5中示出的虚线箭头示出的行进方向A，角度范围边界之间的角度由θ1和θ2表示(在本实施例中，θ1＝20°并且θ2＝30°)。由θ1表示的角度范围是其中执行控制以使得在施加到操作手柄6的操作力的朝向θh满足在该角度范围内的条件(θ1≥θh)的状态下，操作手柄6根本不相对于行进方向A倾斜移动的角度范围。作为从定位在比其中绝对不进行倾斜移动的角度范围更外侧的两侧处的θ2角度范围减去θ1角度范围而获得的区域的角度范围是这样一种角度范围，其中执行控制以使得在施加到操作手柄6的操作力的朝向θh满足在该角度范围内的条件(θ1＜θh≤θ2)时，操作手柄6难以相对于行进方向A倾斜地移动。

此外，在其中难以进行倾斜移动的角度范围外侧的角度范围是这样一种角度范围，其中执行控制以使得在施加到操作手柄6的操作力的朝向θh满足在该角度范围内的条件(θ2＜θh＝的状态下，操作手柄6由施加到操作手柄6的操作力而根据操作力的朝向θh向前移动。因此，将与其中操作力朝向与角度范围相对应的情况相关的各个角度范围和各个控制流程存储在控制单元8中，通过力传感器7检测由操作者1施加的操作力及其朝向θh，并且控制单元8基于所检测到的操作力及其朝向θh与上述角度范围之间的关系来执行致动器11的驱动控制。如上文中所述的，将操作手柄6的行进方向A存储在控制单元8中，但是该构造不是限制性的并且可以存储机器人臂3的工具3c的行进方向(工具3c的目标轨迹)或者车窗2(其为工件)的行进方向(工件的目标轨迹)，并且采用这些行进方向作为基准方向，来测量操作力的朝向θh。

如图5所示，在通过力传感器7检测到操作力的朝向θh在其中操作手柄6难以相对于行进方向A倾斜地移动的角度范围之外(θ2外侧的角度范围；θ2＜θh)时，操作力的朝向θh成为操作手柄6的行进方向D。更具体地，控制单元8直接地采用施加到操作手柄6的操作力以及操作力的朝向θh，并且驱动致动器11以使得操作手柄6向前移动。换言之，进入θ2外侧的角度范围的操作力的朝向θh是操作手柄6自由地移动的方向。

如图6所示，在通过力传感器7检测到操作力的朝向θh在其中操作手柄6绝对不能相对于行进方向A倾斜移动的角度范围(θ1≥θh)之内时(其中在图6中示出的操作手柄6的操作力的朝向θh满足条件θ1≥θh的情况)，操作力的、与预设行进方向A(图6中的箭头Bx)垂直的分量被忽略(消除)并且变为零，只有上下方向(平行于行进方向A)的分量(图6中的箭头By)被认为是有效的并且操作手柄6沿着行进方向A移动。因此，控制单元8仅采用施加到操作手柄6的操作力和操作力的朝向θh沿着行进方向的分量，并且驱动致动器11以使其移动操作手柄6。因此，通过应用用于本发明的该实施例的动力辅助设备50的控制方法，可以执行沿着行进方向A对操作手柄6进行引导辅助并且将车窗2(其为工件)平滑地运送到预定位置的控制。

在将车窗2的上止档件2a装配到车身100的操作(其在相关技术的框架中引起问题)中，如图7所示，在其中预设了行进方向A(其在上止档件2a已经与接合孔对准之后变为上止档件2a的竖直向下方向)的情况下，行进方向A变为控制操作手柄6来防止其偏移的朝向。因此，在以相对于行进方向A(目标轨迹A)在预定角度范围(这里是在其中绝对不进行倾斜移动的角度范围θ1)内的朝向θh施加操作力的情况下，将朝向强制地校正到经调整的朝向(在本实施例中，经调整的朝向是为竖直向下方向的行进方向A)，并且操作手柄6由控制单元8控制，使得操作手柄可以仅沿着经调整的方向移动。此外，在操作手柄6被如上所述地调整并且沿着行进方向A移动时，如果操作者1有意地将具有操作力的朝向θh的操作力施加到操作手柄6，使其在其中使得难以进行倾斜移动的角度范围外侧(θ2的两外侧的角度范围)，那么行进方向A的朝向不受调整并且操作手柄离开目标轨迹A并且自由地移动。因此，可以通过沿着行进方向进行引导而使得车窗2下降，而不需要使得在将车窗2装配到车身100之前就已经对准的车窗2的上端部分偏移并且可以沿着期望的方向引导车窗2并且将其装配到接合孔中。因此，可以改善对准精确度和行进方向精确度并且缩短操作时间。

在本实施例中，为了有助于理解本发明而将竖直向下方向作为当前行进方向A，但是在生产车间中，有必要适应各种方向，必须进行控制的方向没有特殊地限制，并且可以在控制单元8中设置对应于适当状态的行进方向(目标轨迹)。此外，可以将预设行进方向A(目标轨迹A)自由地设置为三维空间中而不仅是在二维平面上的直线、折线或者曲线，并且甚至可以在控制单元8中容易地设置非常复杂的行进方向。

上述角度范围的设置没有具体地限制。例如，当操作力的朝向θh相对于行进方向A在预定角度范围之内时，可以通过仅采用操作力的、沿着行进方向的分量来进行控制，并且当操作力的朝向θh相对于行进方向A在预定角度范围之外时，可以通过采用所施加的操作力及其朝向来进行控制。换言之，在用于本发明的实施例的动力辅助设备50的控制方法中，提供了如果操作力的朝向θh相对于行进方向A(目标轨迹A)在预定角度内，就将轨迹调整为使得车窗2(其为工件)沿着目标轨迹A移动的装置，并且当目标轨迹超出预定角度时，不利用该调整装置进行调整。

此外，将预定角度范围分割为内侧第一角度范围和定位在第一角度范围的两个外侧的第二角度范围，并且当操作力的朝向θh在第一角度范围内时，仅采用操作力的沿着行进方向的分量。如上所述，当操作力的朝向θh在第二角度范围内时，将角度范围如上所述地表现为其中执行控制以使得操作手柄6难以倾斜地移动。更具体地，为了使得难以进行倾斜移动，通过采用施加到操作手柄6的操作力的行进方向分量以及被校正为比施加到操作手柄6的操作力的垂直于行进方向的分量更小的垂直分量，来驱动控制致动器11。换言之，控制单元8驱动致动器11，使得操作手柄6沿着由施加到操作手柄6的操作力的行进方向分量和操作力的经校正的垂直分量确定的方向移动。

此外，可以采用以下构造，其中将上述第二角度范围内(其中难以进行倾斜移动的角度范围内)进一步分割为多个角度范围并且由图6中的箭头Bx示出的操作力的消除量随着向外侧角度范围转移而逐渐地缓和(减小)。因此，在该构造中，在对垂直分量进行校正之后，操作力随着在多个角度范围中向外侧角度范围转移而逐渐地增加。通过这种构造，即使在操作者1穿过第一角度范围(其中不能进行倾斜移动的角度范围)与第二角度范围(其中难以倾斜移动的角度范围)之间的边界时，操作者不会感觉到边界。换言之，可以以平滑的方式从目标轨迹A移开并返回到目标轨迹A。

将要在下文中通过使用数学公式来更详细地描述涉及用于本发明的上述实施例的动力附属设备的控制方法的计算方法。在控制单元8的计算单元(在图中未示出)中，基于在力传感器7检测到由操作者1施加到操作手柄6的操作力7时获得的检测值以及操作力的朝向θh来计算通过对目标轨迹A进行校正而获得的轨迹。

发明人已经研究了在操作者1沿着目标轨迹A移动机器人臂3的工具3c时产生的操作力的非故意的移动的角度。所获得的结果证明了非故意的移动的角度一般在±10度内。在本实施例中，考虑到个人的差别，假设当非故意的移动的角度在±20度内时操作者1沿着目标轨迹A进行操作并且将该值设置在控制单元8中。还假设当操作者1沿着该范围外侧的方向进行操作时(等于或大于20度)必须改变并校正轨迹，并且将这作为条件设置在控制单元8中。非故意的移动的角度没有具体地限制并且可以根据情况适当地设置。

更具体地，对应于目标方向和校正角度范围，采用了如图8A到8D中所示的实施例。在图8A中，将x轴的正-负方向作为目标方向。图8B示出了相对于图8A倾斜θd的状态。图8C示出了其中在x轴的正方向上执行校正但是在负方向上不执行校正的自由状态。图8D示出了相对于图8C倾斜角度θd的状态。

(操作力的校正方法)如图8A所示，将其中通过校正手的非故意的移动而促进行进的方向作为x轴。在操作力的朝向θh在相对于x轴±θ1的范围内时，操作力的y轴分量被消除，以抑制手的非故意的移动。在相对于x轴超过±θ2的范围中，使用未改变的操作力。在操作力的朝向θh在θ1与θ2之间时，添加了y轴分量的消除度。通过对于原始操作力(Fh＝(Fhx，Fhy))的y轴分量进行下述校正，获得了新的操作力(公式1)。

[公式1]

在这种情况下，θh由以下公式表示(公式2)

[公式2]

${\mathrm{\θ}}_h={\tan }^{-1}\frac{F_{\mathrm{hy}}}{F_{\mathrm{hx}}}$

获得了由以下公式(公式3)表示的经校正的操作力。

[公式3]

${{\stackrel{\‾}{F}}^{\′}}_h=(F_{\mathrm{hx}},{\stackrel{\‾}{F}}_{\mathrm{hy}})$

在如图8B所示倾斜的情况下，通过利用旋转矩阵的坐标转换，可以以如上所述的相同方式来执行计算。通过乘以如以下公式(公式4)中所示的旋转矩阵而得出操作力Fh的目标方向分量和与目标方向分量垂直的分量。

[公式4]

F′_h＝[F′_hx，F′_hy]^T＝R(-θd)F_h

这里，R(θ)是引起旋转角度θ的矩阵。例如，在二维形式中，该矩阵由以下公式(公式5)表示。

[公式5]

$R\left(\mathrm{\θ}\right)=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]$

根据以下公式(公式6)执行校正计算。

[公式6]

在这种情况下，θ′h由以下公式表示(公式7)。

[公式7]

${{\mathrm{\θ}}^{\′}}_h={\tan }^{-1}\frac{{F^{\′}}_{\mathrm{hy}}}{{F^{\′}}_{\mathrm{hx}}}$

如以下公式(公式9)所示，将通过校正计算获得并且由以下公式(公式8)表示的新的操作力通过旋转矩阵R(θd)再次返回原坐标系统。

[公式8]

${{\stackrel{\‾}{F}}^{\′}}_h=({F^{\′}}_{\mathrm{hx}},{{\stackrel{\‾}{F}}^{\′}}_{\mathrm{hy}})$

[公式9]

${\stackrel{\‾}{F}}_h=R\left(\mathrm{\θd}\right){F^{\′}}_h$

在已经校正操作力之后，可以执行通常阻抗控制计算并且可以对动力辅助设备50进行阻抗控制。

举例来说，图9示出了涉及其中操作力Fh作用到以速度v移动的物体上的情况的矢量图(T是采样时间，M是质量)。在这种情况下，期望物体沿着x轴方向移动。如图9所示，让我们考虑其中机器人臂3沿着矢量v的方向移动的情况。在操作力由矢量Fh表示时，在一次取样之后的加速度变为如图9中所示的矢量FhT/M。在这种情况下，因为x轴方向被作为目标轨迹A(行进方向A)，所以在校正之后的操作力中，y方向分量被消除成为横杠FhT/M的矢量，并且下一次取样中的速度矢量最终变为横杠v。在该示例中，考虑了初始移动方向v已经从目标轨迹A偏移的情况，但是上述计算是在非常短的时间内的采样中的计算，并且在重复执行这种计算时，移动速度矢量变为沿着目标轨迹A(行进方向A)，并且机器人臂3沿着目标轨迹A(行进方向A)移动。此外，在初始移动方向不从目标轨迹A偏移时，随后的移动也不从目标轨迹A偏移，并且移动沿着目标轨迹A(行进方向A)进行。在本实施例中，不执行取决于移动速度的校正，但是校正量可以根据移动速度而变化。此外，也可能不仅改变校正量并且也改变上述第一角度范围和第二角度范围或者根据操作力的值来改变校正量。

将要在下文中描述通过机器人和操作者的协作来将车窗2装配到车身100的车窗框架100a中的操作以及在上述控制方法应用到上述构造的动力辅助设备50的情况下的动力辅助设备50的操作。

如图1所示，附着夹具5在作为机器人臂3的远端的工具3c处经由连接部4悬挂，并且车窗2附着到附着夹具5来将车窗2装配到车身100的车窗框架100a。在调整车窗2的位置和姿态的同时，操作者1引导机器人臂3，由此将车窗2搬运到车窗框架100a上方的位置(该位置为装配位置)。如图7所示，车窗2实际上定位在车窗框架100a的上方。操作者1之后将设置在车窗2的上端部分处的上止档件2a定位在用于接合上止档件2a的接合孔的竖直上方。在这种情况下，如果操作者1将操作手柄6保持在这个位置并且沿着使得车窗2靠近车窗框架100a(其为目标位置)的方向施加操作力，即，将操作力施加到其上附着有车窗2的附着夹具5的操作手柄6，之后如图7所示将响应于该操作力而沿着行进方向A移动操作手柄6。

在这种情况下，在由力传感器7检测到的操作力的朝向θh相对于预定行进方向A(目标轨迹；在本实施例中的向下方向)在预定角度范围内(θ1≥θh)时，操作手柄6通过所检测到的操作力的、沿着行进方向的分量而沿着目标轨迹A移动。因此，上止档件2a与接合孔接合。此外，当操作者希望在沿着行进方向A移动操作手柄6的过程中取消上止档件2a与接合孔的接合时，操作者1可以有意地将操作力的朝向θh沿着预定角度范围之外(θ2＜θh)的方向提供给操作手柄6，从行进方向A移开操作手柄并且自由地移动操作手柄。

换言之，当操作者1倾斜操作手柄以沿着预设目标轨迹A移动车窗2时，可以对操作者1的手的非故意的移动进行校正并且可以沿着目标轨迹A移动操作手柄6，并且在提供从预定角度范围移开的操作力的朝向θh时，操作手柄6可以沿着与操作力的朝向相同的方向移动。

因为操作者1不能够完全地注意施加到操作手柄6的操作力的方向，所以在一些情况下，操作力的方向不与XY平面平行。然而，因为力传感器7仅检测操作力的沿着围绕横摆轴(平行于XY平面)的方向的分量，所以由操作者1施加的操作力可以不与XY平面平行。

因此，通过应用用于包括操作手柄6(其为由操作者1操作的操作部分)、力传感器7(其为用于检测施加到操作手柄6的操作力的操作力以及操作力的朝向θh的操作力检测装置)、支撑操作手柄6的机器人臂以及致动器11(其为用于驱动机器人臂3的驱动装置)的动力辅助设备50的控制方法，该方法用于对动力辅助设备50进行以下控制，可以在根据目标来搬运车窗2(其为工件)时校正手的非故意的移动并且在改变或调整轨迹时平滑地移动车窗2，所述控制包括在由力探测器7检测到的、施加到操作手柄的操作力的朝向θh相对于已经预先设置的操作手柄6的行进方向A在预定角度范围内时，控制致动器11以使其沿着行进方向A移动操作手柄6，以及在由力探测器7检测到的、施加到操作手柄的操作力的朝向θh在预定角度范围之外时，控制致动器11以使其沿着所施加的操作力的朝向θh移动操作手柄6。

此外，通过应用其中将预定角度范围分割为在内侧的第一角度范围和位于第一角度范围的两外侧的第二角度范围的、用于动力辅助设备50的控制方法，在由力探测器7检测到的、施加到操作手柄的操作力的朝向θh在第一角度范围之内时，致动器11被控制为使其沿着行进方向A移动操作手柄6，并且在由力探测器7检测到的、施加到操作手柄的操作力的朝向θh在第二角度范围之内时，致动器11被控制为沿着由施加到操作手柄6的操作力的行进方向分量和经校正的垂直方向分量确定的方向移动，其中经校正的垂直方向分量被校正为比施加到操作手柄6的操作力的、沿着与行进方向A垂直的方向的分量小，可以在根据目标来搬运车窗2(其为工件)时校正手的非故意的移动并且在改变或调整轨迹时更平滑地移动车窗2而没有不舒服的感觉。

此外，通过应用其中将第二角度范围分割为多个角度范围并且经校正的垂直方向分量随着朝向多个角度范围中的外侧角度范围转移而逐渐地增加的、用于动力辅助设备50的控制方法，可以在根据目标来搬运车窗2(其为工件)时校正手的非故意的移动并且在改变或调整轨迹时更平滑地移动车窗2而没有不舒服的感觉。此外，可以通过将角度范围分割为更小的尺寸可以获得的更平滑的操作感受。

通过应用用于根据本发明的动力辅助设备50的控制方法，即使当已经沿着操作力的方向发生操作者1的手的非故意的移动时，也可以相对于已经预先设置的期望路线的朝向来进行引导。因此，操作手柄6(其为操作部分)在没有偏移的状态下沿着固定方向移动。因此，增加了行进方向精确度，并且因此在保持通过在将车窗2装配到车身100之前进行对准而到达的位置的同时，车窗2可以沿着期望的方向移动并且被装配到车身100中。因此，防止了偏移并且增加了定位精确度。因此，在希望沿着除了已经预先设置的行进方向之外的方向移动操作手柄时，例如，在位置调整过程中，这种引导不起作用。因此，不妨碍操作者的自由操作。因此，缩短了操作时间。

在本实施例中，通过示例的方式解释了装配车窗2的操作，但是该操作不受特别的限制并且本发明可以应用到将物体(工件)组装到预定位置的广范围的操作，并且可以使用机器人执行这些操作。

虽然已经在上文中描述了本发明的一些实施例，应该可以理解本发明不限于所示出的实施例的细节，而是可以实施为具有本领域技术人员可以想到的各种改变、修改或改善，而不背离本发明的精神和范围。

Claims (14)

1.一种用于动力辅助设备(50)的控制方法，所述动力辅助设备具有由操作者操作的操作部分(6)、用于检测施加到所述操作部分的操作力和所述操作力的朝向(θh)的操作力检测装置(7)、支撑所述操作部分的机器人臂(3)以及用于驱动所述机器人臂的驱动装置(11)，所述控制方法的特征在于包括以下步骤：

在由所述操作力检测装置检测到的、施加到所述操作部分的操作力的朝向与预设的所述操作部分的行进方向形成的角度在预定的角度范围内时，控制所述驱动装置以使所述驱动装置沿着所述行进方向移动所述操作部分；并且

在由所述操作力检测装置检测到的、施加到所述操作部分的操作力的朝向与所述行进方向形成的角度在所述预定的角度范围之外时，控制所述驱动装置以使所述驱动装置沿着所施加的操作力的朝向移动所述操作部分。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其中

所述预定的角度范围被分割为在所述行进方向一侧的第一角度范围和位于所述第一角度范围的两外侧的第二角度范围；

在由所述操作力检测装置检测到的、施加到所述操作部分的操作力的朝向与所述行进方向形成的角度在所述第一角度范围内时，控制所述驱动装置以使所述驱动装置沿着所述行进方向移动所述操作部分；并且

在由所述操作力检测装置检测到的、施加到所述操作部分的操作力的朝向与所述行进方向形成的角度在所述第二角度范围内但在所述第一角度范围外时，控制所述驱动装置以使所述驱动装置沿着由施加到所述操作部分的操作力的行进方向分量以及经校正的垂直方向分量确定的方向移动所述操作部分，其中所述经校正的垂直方向分量被校正为变得比施加到所述操作部分的操作力在与所述行进方向垂直的方向上的分量小。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其中，

所述第二角度范围被分割为多个角度范围；并且

随着由所述操作力检测装置检测到的、施加到所述操作部分的操作力的朝向与所述行进方向形成的角度被包含在所述多个角度范围中更外侧的角度范围内，所述经校正的垂直方向分量逐渐地增加。

4.根据权利要求2所述的控制方法，其中，所述经校正的垂直方向分量与工件的移动速度相对应地改变。

5.根据权利要求2到4中任意一项所述的控制方法，其中，所述经校正的垂直方向分量与施加到所述操作部分的操作力的大小相对应地改变。

6.根据权利要求1到4中任意一项所述的控制方法，其中，所述预设的所述操作部分的行进方向是竖直向下的方向。

7.根据权利要求1到4中任意一项所述的控制方法，其中，以预定的间隔重复地执行所述控制方法。

8.一种动力辅助设备(50)，其包括由操作者操作的操作部分(6)、用于检测施加到所述操作部分的操作力和所述操作力的朝向(θh)的操作力检测装置(7)、支撑所述操作部分的机器人臂(3)、用于驱动所述机器人臂的驱动装置(11)以及用于控制所述驱动装置的控制部分(8)，所述动力辅助设备的特征在于：

在由所述操作力检测装置检测到的、施加到所述操作部分的操作力的朝向与预设的所述操作部分的行进方向形成的角度在预定的角度范围内时，所述控制部分控制所述驱动装置以使所述驱动装置沿着所述行进方向移动所述操作部分；并且在由所述操作力检测装置检测到的、施加到所述操作部分的操作力的朝向与所述行进方向形成的角度在所述预定的角度范围之外时，所述控制部分控制所述驱动装置以使所述驱动装置沿着所施加的操作力的朝向移动所述操作部分。

9.根据权利要求8所述的动力辅助设备，其中

所述预定的角度范围被分割为内侧的第一角度范围和位于所述第一角度范围的两外侧的第二角度范围；

在由所述操作力检测装置检测到的、施加到所述操作部分的操作力的朝向与所述行进方向形成的角度在所述第一角度范围内时，所述控制部分控制所述驱动装置，以使所述驱动装置沿着所述行进方向移动所述操作部分；并且在由所述操作力检测装置检测到的、施加到所述操作部分的操作力的朝向与所述行进方向形成的角度在所述第二角度范围内但在所述第一角度范围外时，所述控制部分控制所述驱动装置，以使所述驱动装置沿着由施加到所述操作部分的操作力的行进方向分量以及经校正的垂直方向分量确定的方向移动所述操作部分，其中所述经校正的垂直方向分量被校正为变得比施加到所述操作部分的操作力在与所述行进方向垂直的方向上的分量小。

10.根据权利要求9所述的动力辅助设备，其中，

所述第二角度范围被分割为多个角度范围；并且

随着由所述操作力检测装置检测到的、施加到所述操作部分的操作力的朝向与所述行进方向形成的角度被包含在所述多个角度范围中更外侧的角度范围内，所述经校正的垂直方向分量逐渐地增加。

11.根据权利要求9所述的动力辅助设备，其中，所述经校正的垂直方向分量与工件的移动速度相对应地改变。

12.根据权利要求9到11中任意一项所述的动力辅助设备，其中，所述经校正的垂直方向分量与施加到所述操作部分的操作力的大小相对应地改变。

13.根据权利要求8到11中任意一项所述的动力辅助设备，其中，所述预设的所述操作部分的行进方向是竖直向下的方向。

14.根据权利要求8到11中任意一项所述的动力辅助设备，其中，以预定的间隔重复地执行所述控制部分对所述驱动装置的控制。

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