CN107000205A - 机器人装置及机器人控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提升对机械臂机构的平移移动、姿势变更的操作性。机器人装置具备：机械臂机构(200)，其具有在前端可装备末端效应器(3)的多个关节部；操作部(300)，其用于操作末端效应器的移动、姿势变更；及控制部(100)，其依照操作部的操作而控制关节部的驱动。控制部将来自操作部的平移操作关联在机械臂机构的机器人坐标系的正交三轴而移动末端基准点。该移动中末端效应器的姿势是维持为平移操作的开始时的机器人坐标系上的姿势。将经由操作部输入的末端效应器的姿势变更操作关联在以末端效应器的基准点为原点的末端坐标系的正交三轴而变更末端效应器的姿势。此时将末端基准点的位置维持为姿势变更操作开始时的机器人坐标系上的位置。

Description

机器人装置及机器人控制装置

技术领域

本发明涉及一种机器人装置及机器人控制装置。

背景技术

近年来，机器人与使用者位于同一空间的环境不断变多。可以认为今后看护用机器人、产业用机器人与作业者在一起进行作业的状况会不断扩大。这种机器人大多具备垂直多关节部臂机构。垂直多关节部臂机构针对位置要求三自由度(x、y、z)、针对姿势要求三自由度(、θ、ψ)，通常是利用被称为根部三轴的旋转关节部J1、J2、J3及被称为腕部三轴的旋转关节部J4、J5、J6而实现。例如关节部J1、J4、J6应用扭转关节部，关节部J2、J3、J5应用弯曲关节部。臂前端装备有手等末端效应器(末端执行器)。此末端的位置姿势控制是通过使用参数(关节角、伸缩长、链路长等)的齐次变换矩阵而实现。

在教学或看护等中，要求使用者对垂直多关节臂机构操作被称为悬垂的操作部使前端的手在三维空间移动，或者进行变更手的姿势的操作。该手动操作是以用户视角(用户坐标系)或手视角(末端坐标系)进行，因操作目的不同而有并不直观的情形。使用者坐标系是以使用者为基准的正交三轴的坐标系，区别于作为以机器人的臂机构为基准的动作控制的基本的机器人坐标系。末端坐标系是在使用者坐标系或机器人坐标系之中任意移动、旋转的所谓的移动坐标系，例如以设定在手的前端附近的基准点为原点利用正交三轴进行规定。

在使手平移移动时采用用户视角的情形时，是按照用户的观察视角指定想要移动的方向(或位置)，因而容易理解。然而，在以用户视角变更手的姿势的情形时，需要自行计算出表现手姿势的绕使用者坐标系的各轴的角度，达到要求的姿势需要进行多次反复试验。在手视角的情形时，可利用其末端坐标系的各轴进行指定，因而姿势变更的操作变得直观。然而，在手视角时难以使手平移移动。

这样，期望提升使用者操作机器人时的操作性。

发明内容

本发明的目的在于提升对机械臂机构的平移移动、姿势变更的操作性。

本实施方式所涉及的机器人装置具备：机械臂机构，其具有在前端可装备末端效应器的多个关节部；操作部，其用于操作末端效应器的移动及姿势变更；及控制部，其依照操作部的操作而控制关节部的驱动。控制部将经由操作部输入的平移操作关联在机械臂机构的机器人坐标系的正交三轴而移动末端或腕部。将经由操作部输入的末端效应器的姿势变更操作关联在以末端效应器的基准点为原点的末端坐标系的正交三轴而变更末端效应器的姿势。在该姿势变更中，将基准点的位置维持为姿势变更操作开始时的机器人坐标系上的位置。

附图说明

图1是本实施方式所涉及的机器人装置的机械臂机构的外观立体图；

图2是表示图1的机械臂机构的内部构造的立体图；

图3是通过图中符号表现来表示图1的机械臂机构的图；

图4是本实施方式所涉及的机器人装置的框图；

图5是表示图4的操作部的操作面的图；

图6是具体地表示图3的末端坐标系的图；

图7是表示本实施方式中的末端姿势的定义的图；

图8是表示本实施方式的平移移动、姿势变更的控制处理的流程图；

图9是表示本实施方式的平移移动的图；

图10是表示本实施方式的利用末端坐标系的侧倾、俯仰、摆动的姿势变更的图；

图11是表示本实施方式的利用腕部三轴直接旋转指示的姿势变更的图。

具体实施方式

以下，参照附图对本实施方式所涉及的机器人装置进行说明。在以下的说明中，对具有大致相同的功能及构成的构成要素标注相同符号，且仅在必要的情形时进行重复说明。

图1是本实施方式所涉及的机械臂机构的外观立体图。图2是表示图1的机械臂机构的内部构造。图3中通过图中符号表现来表示机械臂机构。机械臂机构200具有大致圆筒形状的基部1及与基部1连接的臂部2。在机械臂部2的前端安装有被称为末端执行器的末端效应器3。图1图示把可把持住对象物的手部作为末端效应器3。末端效应器3并不限定于手部，也可为其他工具、或相机、显示器。也可在机械臂部2的前端设置可更换为任意种类的末端效应器3的转接器。

机械臂部2具有多个、此处为六个关节部J1、J2、J3、J4、J5、J6。多个关节部J1、J2、J3、J4、J5、J6从基部1依序配设。一般而言，第一、第二、第三轴RA1、RA2、RA3被称为根部三轴，第四、第五、第六轴RA4、RA5、RA6被称为腕部三轴。第一关节部J1是以例如被基座面垂直支撑的第一旋转轴RA1为中心的扭转关节。第二关节部J2是以与第一旋转轴RA1垂直配置的第二旋转轴RA2为中心的弯曲关节。第三关节部J3是以与第二旋转轴RA2垂直配置的第三轴(移动轴)RA3为中心而直线伸缩的关节。第四关节部J4是以与第三移动轴RA3一致的第四旋转轴RA4为中心的扭转关节，第五关节部J5是以与第四旋转轴RA4正交的第五旋转轴RA5为中心的弯曲关节。第六关节部J6是以与第四旋转轴RA4正交、且与第五旋转轴RA5垂直配置的第六旋转轴RA6为中心的弯曲关节。

通过第一关节部J1的扭动旋转，臂部2与手部3一起旋转。通过第二关节部J2的弯曲旋转，臂部2与手部3一起以第二关节部J2的第二旋转轴RA2为中心进行起伏移动。形成基部1的臂支撑体(第一支撑体)11a具有以第一关节部J1的旋转轴RA1为中心形成的圆筒形状的中空构造。第一关节部J1安装在未图示的固定台。当第一关节部J1旋转时，第一支撑体11a与臂部2的旋旋一起进行轴旋转。另外，第一支撑体11a也可固定在接地层。在此情形时，设为与第一支撑体11a分开而臂部2独立旋转的构造。在第一支撑体11a的上部连接有第二支撑部11b。

第二支撑部11b具有与第一支撑部11a连续的中空构造。第二支撑部11b的一端安装在第一关节部J1的旋转部。第二支撑部11b的另一端开放，第三支撑部11c转动自如地嵌入第二关节部J2的旋转轴RA2。第三支撑部11c具有与第一支撑部11a及第二支撑部连通的鳞状的中空构造。第三支撑部11c伴随第二关节部J2的弯曲旋转而其后部被收纳在第二支撑部11b并被送出。构成臂部2的直动关节部的第三关节部J3的后部通过其收缩而被收纳在第一支撑部11a与第二支撑部11b连续的中空构造的内部。

第一关节部J1由圆环形状的固定部及旋转部构成，且在固定部被固定在未图示的基座。在旋转部安装有第一支撑部11a及第二支撑部11b。当第一关节部J1旋转时，第一、第二、第三支撑体11a、11b、11c以第一旋转轴RA1为中心而与臂部2及手部3一起旋转。

第三支撑部11c是其后端下部以旋转轴RA2为中心转动自如地嵌入至第二支撑部11b的开放端下部。由此，构成作为以旋转轴RA2为中心的弯曲关节部的第二关节部J2。当第二关节部J2转动时，臂部2与手部3一起以第二关节部J2的旋转轴RA2为中心朝垂直方向转动、即进行起伏动作。

如上所述，作为直动伸缩关节部的第三关节部J3是构成臂部2的主要构成部分。在臂部2的前端设有所述手部3。通过第一至第六关节部J1-J6的旋转、弯曲、伸缩，可将手部3的2指手16配置为任意的位置、姿势。特别是，第三关节部J3的直动伸缩距离的长度可实现手部3对基部1的附近位置至远距离位置的大范围的对象的作用。

第三关节部J3的特征为通过构成的直动伸缩臂机构而实现直动伸缩距离的长度。直动伸缩距离的长度是通过图2所示的构造达成。直动伸缩机构具有第一连结链节排21及第二连结链节排20。在臂部2水平配置的基准姿势下，第一连结链节排21位于第二连结链节排20的下部，第二连结链节排20位于第一连结链节排21的上部。第一连结链节排21具有相同的剖面コ字形状，包含通过销而在背面部位排状连结的多个第一连结链节23。具备如下性质：因利用第一连结链节23的剖面形状及销实现的链接位置，而第一连结链节排21可向其背面方向弯曲但无法反过来朝表面方向弯曲。第二连结链节排20具有宽度与第一连结链节23大致相等的大致平板形状，包含以在背面方向及表面方向均可弯曲的状态利用销排状连结的多个第二连结链节22。第一连结链节排21是通过结合链节26而与第二连结链节排20在前端部结合。结合链节26具有第一连结链节23与第二连结链节22成为一体的形状。结合链节26为始端，第二连结链节排20与第一连结链节排21同时从第三支撑部11c被送出时，第一连结链节排21与第二连结链节排20相互接合。第一连结链节排21与第二连结链节排20是通过结合链节26而在前端部结合，各自的后部被保持在第三支撑持体11c的内部防止脱出，由此保持接合状态。当第一连结链节排21与第二连结链节排20保持接合状态时，第一连结链节排21与第二连结链节排20的弯曲被限制，由此由第一连结链节排21与第二连结链节排20构成具备一定刚性的柱状体。当第一连结链节排21与第二连结链节排20相互分离时，弯曲限制被解除，分别恢复成可弯曲的状态。第一连结链节排21与第二连结链节排20是在第三支撑体11c的开口附近接合并被送出。第一连结链节排21与第二连结链节排20是在第三支撑体11c的内部分离，分别变成可弯曲的状态。第一连结链节排21与第二连结链节排20单独地弯曲，且在第一支撑体11a的内部单独地被收纳。

如图2所示，在第二连结链节22的内侧分别形成有线性齿轮22a。线性齿轮22a在第二连结链节22成直线状时连结，而构成连续的线性齿轮。第二连结链节22在第三支撑体11c内是被夹持在未图示的辊与驱动齿轮之间。线性齿轮22a啮合在驱动齿轮。驱动齿轮通过马达M1而正向旋转，由此第二连结链节排20与第一连结链节排21一起从第三支撑体11c被送出。此时，第一连结链节排21与第二连结链节排20是被设在第三支撑体11c的开口附近的一对上下辊夹持，相互挤压而接合，在该状态下沿着第三移动轴RA3直线地被送出。驱动齿轮通过马达M1而逆向旋转，由此第二连结链节排20与第一连结链节排21在第三支撑体11c的内部在上下辊的后方解除接合状态而相互分离。分离后的第二连结链节排20与第一连结链节排21分别变成可弯曲的状态，被设在第二、第三支撑体11b、11c的内部的导轨引导，朝沿着第一旋转轴RA1的方向弯曲，并被收纳至第一支撑体11a的内部。

如图1所示，手部3配备在臂部2的前端。手部3是通过第一、第二、第三关节部J1、J2、J3而移动至任意位置，通过第四、第五、第六关节部J4、J5、J6而配置成任意姿势。手部3具有开闭的两个指部16a、16b。第四关节部J4是具有与沿着臂部2的伸缩方向的臂部2的中心轴、即第三关节部J3的移动轴RA3典型一致的旋转轴RA4的扭转关节。如果第四关节部J4旋转，则手部3从第四关节部J4朝前端以旋转轴RA4为中心旋转。

第五关节部J5是具有与第四关节部J4的移动轴RA4正交的旋转轴RA5的弯曲关节部。如果第五关节部旋转，则手部16从第五关节部J5朝前端上下转动。第六关节部J6是具有与第四关节部J4的旋转轴RA4正交、与第五关节部J5的旋转轴RA5垂直的旋转轴RA6的弯曲关节。如果第六关节部J6旋转则手部16左右旋转。

图3利用图中符号表现来表示图1的机械臂机构。机械臂机构通过构成根部三轴的第一关节部J1、第二关节部J2及第三关节部J3、以及构成腕部三轴的第四关节部J4、第五关节部J5及第六关节部J6，实现三个位置自由度及三个姿势自由度。第一关节部J1配设在第一支撑部11a与第二支撑部11b之间，构成为以旋转轴RA1为中心的扭转关节。旋转轴RA1与设置有第一关节部J1的固定部的基座的基准面BP垂直地配置。规定Z轴与旋转轴RA1平行。规定以Z轴为中心的正交三轴的机器人坐标系(Xb、Yb、Zb)。

第二关节部J2构成为以旋转轴RA2为中心的弯曲关节。第二关节部J2的旋转轴RA2设为与空间坐标系上的Yb轴平行。第二关节部J2的旋转轴RA2设为与第一关节部J1的旋转轴RA1垂直的朝向。再者，第二关节部J2相对于第一关节部J1而朝第一旋转轴RA1的方向(Zb轴方向)及与第一旋转轴RA1垂直的Yb轴方向的2方向偏移。

以第二关节部J2相对于第一关节部J1朝所述2方向偏移的方式，将第二支撑体11b安装在第一支撑体11a。在第一关节部J1连接第二关节部J2的虚设的臂杆部分(链路部分)具有前端弯成直角的两个钩形状体组合而成的曲柄形状。该虚设的臂杆部分是由具有中空构造的第一、第二支撑体11a、11b构成。

第三关节部J3是构成为以移动轴RA3为中心的直动关节。第三关节部J3的移动轴RA3是设为与第二关节部J2的旋转轴RA2垂直的朝向。在第二关节部J2的旋转角为零度、且臂部2的起伏角为零度且臂部2水平的基准姿势下，第三关节部J3的移动轴RA3是设在与第二关节部J2的旋转轴RA2垂直且与第一关节部J1的旋转轴RA1也垂直的方向。在空间坐标系上，第三关节部J3的移动轴RA3是设为与和Yb轴及Zb轴垂直的Xb轴平行。再者，第三关节部J3相对于第二关节部J2而朝向其旋转轴RA2的方向(Yb轴方向)、及与移动轴RA3正交的Zb轴的方向的2方向偏移。以第三关节部J3相对第二关节部J2朝所述2方向偏移的方式，将第三支撑体11c安装在第二支撑体11b。在第二关节部J2连接第三关节部J3的虚设的臂杆部分(链路部分)具有前端垂直弯曲的钩形状体。该虚设的臂杆部分是由第二、第三支撑体11b、11c构成。

第四关节部J4是构成为以旋转轴RA4为中心的扭转关节。第四关节部J4的旋转轴RA4是以与第三关节部J3的移动轴RA3大致一致的方式配置。第五关节部J5是构成为以旋转轴RA5为中心的弯曲关节。第五关节部J5的旋转轴RA5是以与第三关节部J3的移动轴RA3及第四关节部J4的旋转轴RA4大致正交的方式配置。第六关节部J6是构成为以旋转轴RA6为中心的扭转关节。第六关节部J6的旋转轴RA6是以与第四关节部J4的旋转轴RA4及第五关节部J5的旋转轴RA5大致正交的方式配置。第六关节部J6是用于使作为末端效应器的手部3旋转而设置，可作为其旋转轴RA6与第四关节部J4的旋转轴RA4及第五关节部J5的旋转轴RA5大致正交的弯曲关节而安装。

这样，将多个关节部J1-J6的根部三轴中的一个弯曲关节部换成直动关节部，使第二关节部J2相对于第一关节部J1朝2方向偏移，并使第三关节部J3相对于第二关节部J2朝2方向偏移，由此实现从构造上消除奇点姿势。

图4表示本实施方式所涉及的机器人装置的框图。臂机构100的关节部J1、J2、J3、J4、J5、J6分别设有例如步进马达作为致动器。同样地，在手部3也设有步进马达作为致动器。这些步进马达分别连接有马达驱动器201、203、205、207、209、211、213。关节部J1、J2、J3、J4、J5、J6的关节角、伸缩距离、手开闭角是根据例如设在各个步进马达的旋转的编码器202、204、206、208、210、212、214的输出脉冲的计数而测定。

机器人控制装置100是以系统控制部100为中心经由控制/数据总线109将各部连接而成。机器人控制装置100连接有供操作者经由操作部接口102手动操作手部3的移动、姿势的变更的操作部300。当前位置、当前姿势计算处理部105基于与编码器202、204、206、208、210、212的输出脉冲累积値相应的关节部J1、J2、J3、J4、J5、J6的关节角、伸缩长(θ1、θ2、d3、θ4、θ5、θ6)，计算基准坐标系(机器人坐标系/使用者坐标系)上的末端基准点/腕部基准点的当前位置与手部3的当前姿势。另外，在本实施方式中，使用者可任意地选择机器人坐标系与使用者坐标系的一方作为基准坐标系，且使用者可任意地选择末端与腕部的一方作为平移移动的着眼点。

如图3所示，机器人坐标系Σb是以第一关节部J1的旋转轴RA1上的任意位置为原点，将旋转轴RA1设为Zb轴，以与Zb轴正交的方式规定Xb轴、Yb轴。用户坐标系Σu是以操作机器人装置的用户为基准的正交三轴坐标系(Xu、Yu、Zu)，定义使用者坐标系Σu与机器人坐标系Σb的关系的齐次变换矩阵Tbu，可通过现有的传感器技术测量使用者坐标系Σu的相对于机器人坐标系Σb的位置关系及旋转关系的基础上进行计算，也可固定地使用当用户的位置相对于机器人装置的位置及姿势固定时预先计算的齐次变换矩阵Tbu。如图6所示，作为末端坐标系Σh，以手部3的前端的2指尖间中心位置(称为末端基准点)为原点，将手部3的前后方向设为Xh轴，规定Zh轴与旋转轴RA6平行，且规定与这些2轴正交的Yh轴。

所谓末端姿势，如图7所示，是作为相对于末端坐标系Σh的基准坐标系Σ0(机器人坐标系Σb或使用者坐标系Σu)的正交三轴绕各者的旋转角(绕X0轴的旋转角绕Y0轴的旋转角θ、绕Z0轴的旋转角ψ)而被提供。作为腕部坐标系Σw，是以第四关节部J4的旋转轴RA4上即第四关节部J4的后方位置(称为腕部基准点)为原点，将旋转轴RA4设定为Xw轴，将第五关节部J5的旋转轴RA5平行地设定为Yw轴，且规定与这些2轴正交的Zw轴。

从机器人坐标系Σb观察的末端坐标系Σh的位置、姿势是通过齐次变换矩阵Tbh(参数(θ1、θ2、d3、θ4、θ5、θ6))而获得，从机器人坐标系Σb观察的腕部坐标系Σw的位置、姿势是通过齐次变换矩阵Tbw(参数(θ1、θ2、d3))而获得。机器人坐标系Σb上的末端基准点的位置(末端坐标系Σh的原点)及末端姿势是通过齐次变换矩阵Tbh，利用此时的参数(θ1、θ2、d3、θ4、θ5、θ6)而由当前位置/当前姿势计算处理部105计算。机器人坐标系Σb上的腕部基准点的位置(末端坐标系Σw的原点)是通过齐次变换矩阵Tbw，利用此时的参数(θ1、θ2、d3)而由当前位置/当前姿势计算处理部105计算。同样地，使用者坐标系Σu上的末端基准点的位置及末端姿势是通过齐次变换矩阵Tuh，利用此时的参数(θ1、θ2、d3、θ4、θ5、θ6)而由当前位置/当前姿势计算处理部105计算。使用者坐标系Σu上的腕部基准点的位置是通过齐次变换矩阵Tuw，利用此时的参数(θ1、θ2、d3)而由当前位置/当前姿势计算处理部105计算。

所谓平移移动，着眼于末端时是指如下活动：在使用者维持作为基准坐标系被选择的机器人坐标系Σb或使用者坐标系Σu上的平移移动操作开始时的末端姿势的状态下，末端沿着该基准坐标系的正交三轴的各轴移动。着眼于腕部时，平移移动是指腕部沿着机器人坐标系Σb或使用者坐标系Σu上的正交三轴的各轴而移动的活动，在该情形时并不进行末端姿势的维持控制，末端姿势是伴随腕部的移动而变化。另外，也可以如下方式控制：在腕部平移移动时，也与末端平移移动的情形同样地维持末端姿势。

末端或腕部的移动在所必需的计算处理上是对末端基准点或腕部基准点进行处理。将机器人坐标系Σb或使用者坐标系Σu上的末端基准点的当前位置表述为(Xh(1)、Yh(1)、Zh(1))，将移动目标位置表述为(Xh(2)、Yh(2)、Zh(2))。另外，将机器人坐标系Σb或使用者坐标系Σu上的当前的末端姿势表述为(、θh(1)、ψh(1)。将机器人坐标系Σb或使用者坐标系Σu上的末端的目标姿势表述为(、θh(2)、ψh(2))。另外，在平移移动中，是在移动期间将末端姿势维持为移动操作开始时的姿势(、θh(1)、ψh(1))。在着眼于腕部而平移移动时，即选择腕部基准点作为计算处理上的基准时，将腕部基准点的当前位置表述为(Xw(1)、Yw(1)、Zw(1))，将移动目标位置表述为(Xw(2)、Yw(2)、Zw(2))。在平移移动中，着眼于末端而平移移动时，即选择末端基准点作为计算处理上的基准时，在移动期间将末端姿势维持为移动操作开始时的姿势(、θh(1)、ψh(1))。然而，在选择腕部基准点作为移动基准时，在移动期间不进行末端姿势的控制，即不实施腕部三轴的关节部J4、J5、J6的旋转控制，由此随着腕部的移动而末端姿势在机器人坐标系Σb或使用者坐标系Σu上变化。

在本实施方式中，姿势变更准备有两种。准备第一样式及第二样式，所述第一样式是在末端位置即末端坐标系Σh的原点被固定在基准坐标系上的状态下，在基准坐标系上末端坐标系Σh绕Xh轴旋转(侧倾α)、绕Yh轴旋转(俯仰β)、绕Zh轴旋转(摆动γ)，由此末端姿势变化，所述第二样式是通过使腕部三轴的关节部J4、J5、J6直接旋转而最终末端姿势变化。在前者的第一样式下，对末端坐标系Σh的Xh轴、Yh轴、Zh轴相关的旋转矩阵应用与使用者指定的旋转轴(Xh轴、Yh轴或Zh轴)相关的单位角度(侧倾Δα、俯仰Δβ或摆动Δγ)，由此将机器人坐标系Σb或使用者坐标系Σu上的当前的末端姿势(、θh(1)、ψh(1))变换为微小单位时间后的末端的目标姿势(、θh(2)、ψh(2))。当使用者持续进行姿势变更操作时，整个持续期间反复进行该单位旋转处理。姿势变更计算处理部107在持续期间反复执行用于实现如上所述的姿势变更的目标姿势计算处理。在该样式下，维持姿势变更操作开始时的末端基准点/腕部基准点的位置(Xh(1)、Yh(1)、Zh(1))。

在后者的第二样式下，操作量/关节角度变换处理部108在使用者对腕部三轴的关节部J4、J5、J6的任一者指示旋转的期间，每隔单位时间反复输出对关节部J4、J5、J6的各者预先赋予的单位旋转角。在该样式下末端基准点的位置(Xh(1)、Yh(1)、Zh(1))是随着旋转而变化。

位置、姿势/关节角度、伸缩长变换处理部104通过例如逆运动学的代数的解法，将平移移动计算处理部106或姿势变更计算处理部107所计算的末端基准点或腕部基准点的目标位置、末端的目标姿势，变换为实现其关节部J1、J2、J3、J4、J5、J6的关节角、伸缩长(θ1、θ2、d3、θ4、θ5、θ6)。驱动器控制部103将从位置、姿势/关节角度、伸缩长变换处理部104赋予的关节部J1、J2、J3、J4、J5、J6的关节角、伸缩长(θ1、θ2、d3、θ4、θ5、θ6)的各个当前值的变化量，变换为指令值(脉冲数等)并供给至各个马达驱动器201、203、205、207、209、211。依照指令值从马达驱动器201、203、205、207、209、211向各个步进马达供给脉冲，使其以预定的角度旋转，且以预定的长度伸缩。由此，末端或腕部移动至其目标位置，手部3变化为目标姿势。另一方面，由于从操作量/关节角度变换处理部108向驱动器控制部103直接赋予旋转角度，因而驱动器控制部103将此旋转角度变换为指令值并供给至各个马达驱动器207、209、211。依照该指令值，从马达驱动器207、209、211向各个步进马达供给脉冲，构成腕部三轴的关节部J4、J5、J6分别以单位角度旋转。在使用者操作期间，反复进行该旋转。

另外，关于使用者的姿势指定，将末端坐标系Σh有意识地以绕各轴的3部分(α、β、γ)进行输入直观且有利，但在姿势计算处理上与用3部分(Δα、Δβ、Δγ)表现相比，更有效地是利用被称为欧拉的四维表现进行计算。众所周知，该情形时,定义作为一轴的合成旋转轴，该合成旋转轴并非通过基准坐标系内的末端坐标系Σh的各轴的旋转角(、θ、ψ)而是通过三轴的旋转角(、θ、ψ)来决定姿势，并利用此合成旋转轴及所述绕轴的旋转角来表现欧拉。也可利用欧拉表现末端姿势而处理姿势计算。

另外，末端、姿势的移动控制并不限定于求出目标位置、姿势并通过逆运动学计算导出实现此目标位置、姿势的各关节角、伸缩长的手法，也可使用根据表示末端的位置、姿势的向量的关节角度利用偏微分赋予的雅可比的逆矩阵，根据末端位置、姿势的微小变化求出关节角、伸缩长的微小变化，而执行末端、姿势的移动控制。

图5是表示操作部300的构成例。操作部300装备有供使用者任意选择机器人坐标系与使用者坐标系的一方作为所述基准坐标系的按钮(341、342)、供使用者任意选择末端基准点与腕部基准点的一方作为平移移动的着眼点的按钮(343、344)、及对应平移移动的各朝向而设置的操作按钮(301-306)、对应第一样式的姿势变更的旋转轴及旋转方向而设置的操作按钮(311-316)、对应第二样式的姿势变更的关节部(J4-J6)及旋转方向而设置的操作按钮(321-326)、以及手部3的开闭按钮(331、332)。这些操作按钮(301-306)、(311-316)、(321-326)、(331、332)、(341-344)可通过物理按钮安装而构成，也可通过装备有触控面板的显示器而构成。

图8是表示本实施方式的平移移动、末端姿势变更的控制处理的流程图。首先，选择操作部300的按钮341、342的一者按下。由此，选择机器人坐标系与使用者坐标系的一方作为基准坐标系。另外，选择按钮343、344的一者按下。由此选择末端基准点与腕部基准点的一者作为平移移动的着眼点。对选择机器人坐标系作为基准坐标系、选择末端基准点作为平移移动的着眼点的情形进行说明。系统控制部101等待用户对用于操作部300的平移移动的操作按钮(301-306)、用于第一样式的姿势变更的操作按钮(311-316)、用于第二样式的姿势变更的操作按钮(321-326)的操作(步骤S12、S17、S22、S24)。

如图9所示，当用于平移移动的操作按钮(301-306)的任一者被按下时(S12)，基于系统控制部101的控制，通过当前位置、当前姿势计算处理部105，基于编码器202、204、206、208、210、212的输出脉冲累积值而计算关节部J1、J2、J3、J4、J5、J6的关节角、伸缩长(θ1、θ2、d3、θ4、θ5、θ6)，并基于这些计算基准坐标系(这里为机器人坐标系)上的末端基准点/腕部基准点(此处为末端基准点)的当前位置(Xh(1)、Yh(1)、Zh(1))与手部3的当前姿势(、θh(1)、ψh(1))(S13)。

通过平移移动计算处理部106，计算在机器人坐标系Σb上的末端基准点的当前位置(Xh(1)、Yh(1)、Zh(1))，针对与用户操作的操作按钮(301-306)的任一者相应的机器人坐标系Σb的正交三轴的一轴的极性(+Xb、-Xb、+Yb、-Yb、+Zb、-Zb)而加上既定的单位距离(ΔX、ΔY、ΔZ)所得的移动目标位置(Xh(2)、Yh(2)、Zh(2))(S14)。将所计算的移动目标位置(Xh(2)、Yh(2)、Zh(2))的数据与平移操作开始时的当前姿势(、θh(1)、ψh(1))的数据一起发送到位置、姿势/关节角度、伸缩长变换处理部104。在位置、姿势/关节角度、伸缩长变换处理部104中，计算实现移动目标位置(Xh(2)、Yh(2)、Zh(2))及平移操作开始时的当前姿势(、θh(1)、ψh(1))的关节部J1、J2、J3、J4、J5、J6的关节角、伸缩长(θ1、θ2、d3、θ4、θ5、θ6)(S15)。在驱动器控制部103中，根据从位置、姿势/关节角度、伸缩长变换处理部104赋予的关节部J1、J2、J3、J4、J5、J6的关节角、伸缩长(θ1、θ2、d3、θ4、θ5、θ6)的各个当前值的变化量，生成指令值(脉冲数等)，并供给至各个马达驱动器201、203、205、207、209、211(S16)。通过马达驱动器201、203、205、207、209、211的脉冲驱动关节部J1、J2、J3、J4、J5、J6的步进马达，使关节部J1、J2、J3、J4、J5、J6旋转、伸缩。由此，在维持机器人坐标系Σb上的平移移动操作开始时的末端姿势(、θh(1)、ψh(1))的状态下，末端或腕部与机器人坐标系Σb上的正交三轴的任一者平行地移动。步骤S13-S16在用户按下操作按钮(301-306)的任一者的整个期间反复进行。当末端移动时，维持末端姿势。当腕部移动时不进行末端姿势的维持控制。另外，腕部移动时也可与末端姿势的移动同样地控制为维持末端姿势。当选择使用者坐标系Σu作为基准坐标系时除了移动轴不同以外也进行相同的处理，该情形时在维持使用者坐标系Σu上的末端姿势的状态下，末端与使用者坐标系Σu的各轴平行地移动。

其次，当用于第一样式的姿势变更的操作按钮(311-316)的任一者被按下时(S17)，基于系统控制部101的控制，通过当前位置、当前姿势计算处理部105计算机器人坐标系上的末端基准点的当前位置(Xh(1)、Yh(1)、Zh(1))及手部3的当前姿势(、θh(1)、ψh(1))(S18)。操作按钮311、312是对应于绕Yh轴的(+)/(-)的旋转(俯仰β)，操作按钮313、314是对应于绕Zh轴的(+)/(-)的旋转(摆动γ)，操作按钮315、316是对应于绕末端坐标系Σh的Xh轴的(+)/(-)的旋转(侧倾α)。通过姿势变更计算处理部107对末端坐标系Σh的Xh轴、Yh轴、Zh轴相关的旋转矩阵应用与使用者指定的旋转轴(Xh轴、Yh轴或Zh轴)相关的单位角度(侧倾；Δα、俯仰；Δβ、摆动；Δγ)，由此根据机器人坐标系Σb上的当前的末端姿势(、θh(1)、ψh(1))。产生末端的目标姿势(、θh(2)、ψh(2))(S19)。将所产生的目标姿势(、θh(2)、ψh(2))的数据与姿势变更操作开始时的当前位置(Xh(1)、Yh(1)、Zh(1))的数据一起发送到位置、姿势/关节角度、伸缩长变换处理部104。在位置、姿势/关节角度、伸缩长变换处理部104中，计算实现目标姿势(、θh(2)、ψh(2))及位置(Xh(1)、Yh(1)、Zh(1))的关节部J1、J2、J3、J4、J5、J6的关节角、伸缩长(θ1、θ2、d3、θ4、θ5、θ6)(S20)。

在驱动器控制部103中，根据从位置、姿势/关节角度、伸缩长变换处理部104赋予的关节部J1、J2、J3、J4、J5、J6的关节角、伸缩长(θ1、θ2、d3、θ4、θ5、θ6)的各个当前值的变化量，生成指令值(脉冲数等)，并供给至各个马达驱动器201、203、205、207、209、211(S21)。通过马达驱动器201、203、205、207、209、211的脉冲，驱动关节部J1、J2、J3、J4、J5、J6的步进马达，使关节部J1、J2、J3、J4、J5、J6旋转、伸缩。由此，在维持机器人坐标系Σb上的姿势变更操作开始时的末端位置(Xh(1)、Yh(1)、Zh(1))的状态下，手部3绕末端坐标系Σh的正交三轴的任一者旋转而变更姿势。步骤S18-S21在用户按下操作按钮(311-316)的任一者的整个期间反复进行，在保持末端位置的状态下手部3绕末端坐标系Σh的正交三轴的各轴连续旋转而变更姿势。另外，当选择使用者坐标系Σu作为基准坐标系时，在维持使用者坐标系Σu上的姿势变更操作开始时的末端位置(Xh(1)、Yh(1)、Zh(1))的状态下，手部3绕末端坐标系Σh的正交三轴的任一者旋转而变更姿势，该姿势变更的视觉上的活动与选择机器人坐标系Σb作为基准坐标系时相同。

在该姿势变更中，由于末端的手部3是以其末端位置固定的状态在其侧倾、俯仰、摆动的周围旋转，因而对于对象可直观地变更操作手部3的姿势。

其次，当用于第二样式的姿势变更的操作按钮(321-326)的任一者被按下时(S22)，基于系统控制部101的控制，操作量/关节角度变换处理部108在使用者指示腕部三轴的关节部J4、J5、J6的任一者旋转的期间，每隔单位时间产生对关节部J4、J5、J6的各者预先赋予的单位旋转角度(S23)。在驱动器控制部103中，产生与来自操作量/关节角度变换处理部108的单位旋转角度相应的指令值(脉冲数等)，并供给至马达驱动器207、209、211的任一者(S24)。通过马达驱动器207、209、211任一者的脉冲，驱动构成腕部三轴的关节部J4、J5、J6的任一者的步进马达，使关节部J4、J5、J6的任一者旋转。另外，末端基准点的位置(Xh(1)、Yh(1)、Zh(1))是与关节部J4、J5、J6的任一者的旋转一起变化。步骤S23-S24在用户按下操作按钮(321-326)的任一者的整个期间反复进行，通过关节部J4、J5、J6的任一者的旋转而变更末端姿势。

另外，可同时指示2方向的平移移动，且可同时指示2轴的姿势变更。再者，也可同时指示平移移动与姿势变更。在这些情形时合成位置、姿势，依照这些合成位置、合成姿势生成指令值而驱动步进马达。

如上所述，根据本实施方式，平移移动可任意选择机器人坐标系Σb或使用者坐标系Σu而指示沿着正交三轴的各者的移动，另一方面，在末端姿势变更中，可指示手部3的绕末端坐标系Σh的正交三轴的各者的旋转而变更末端姿势，此时末端位置为固定状态，再者，也可单独且直接地指示腕部三轴的旋转，从而可显著地提升机器人的平移移动、姿势变更的操作性。

虽然对本发明的几个实施方式进行了说明，但是这些实施方式只是作为例子提出的，并非用于限定本发明的范围。对于这些新的实施方式，能够以其他各种方式进行实施，在不脱离本发明的要旨的范围内，能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式和其变形，包含于本发明的范围和要旨的同时，也包含于权利要求书中记载的发明及其均等范围内。

附图标记说明

100：机器人控制装置

101：系统控制部

102：操作部接口

103：驱动器控制部

104：位置、姿势/关节角度、伸缩长变换处理部

105：当前位置、当前姿势计算处理部

106：平移移动计算处理部

107：姿势变更计算处理部

108：操作量/关节角度变换处理部

109：控制/数据总线

Claims (9)

1.一种机器人装置，其具备：机械臂机构，其具有在前端可装备末端效应器的多个关节部；

操作部，其用于操作所述末端效应器的移动及姿势变更；及

控制部，其依照所述操作部的操作而控制所述关节部的驱动；其特征在于：

所述控制部是以

将经由所述操作部输入的平移操作关联在所述机械臂机构的机器人坐标系的正交三轴而移动末端或腕部的方式，控制所述关节部的驱动，

且以将经由所述操作部输入的所述末端效应器的姿势变更操作关联在以所述末端基准点为原点的末端坐标系的正交三轴，变更所述末端效应器的在所述机器人坐标系上的姿势，并且以将所述末端基准点的位置维持为所述姿势变更操作的开始时的所述机器人坐标系上的位置的方式，控制所述关节部的驱动。

2.一种机器人装置，其具备：机械臂机构，其具有在前端可装备末端效应器的多个关节部；

操作部，其用于操作所述末端效应器的移动及姿势变更；及

控制部，其依照所述操作部的操作而控制所述关节部的驱动；其特征在于：

所述控制部是以

将经由所述操作部输入的平移操作关联在操作所述操作部的使用者的使用者坐标系的正交三轴而移动末端或腕部的方式，控制所述关节部的驱动，

且以将经由所述操作部输入的所述末端效应器的姿势变更操作关联在以所述末端基准点为原点的末端坐标系的正交三轴而变更所述末端效应器的姿势，并且以将所述末端基准点的位置维持为所述姿势变更操作的开始时的所述用户坐标系上的位置的方式，控制所述关节部的驱动。

3.一种机器人装置，其具备：机械臂机构，其具有在前端可装备末端效应器的多个关节部；

操作部，其用于操作所述末端效应器的移动及姿势变更；及

控制部，其依照所述操作部的操作而控制所述关节部的驱动；其特征在于：

所述控制部是以

将经由所述操作部输入的平移操作关联在所述机械臂机构的机器人坐标系的正交三轴而移动末端或腕部的方式，控制所述关节部的驱动，

且将经由所述操作部输入的针对所述末端效应器的操作直接关联在所述关节部中的腕部三轴的三个关节部各者的旋转，而控制所述关节部的驱动。

4.一种机器人装置，其具备：机械臂机构，其具有在前端可装备末端效应器的多个关节部；

操作部，其用于操作所述末端效应器的移动及姿势变更；及

控制部，其依照所述操作部的操作而控制所述关节部的驱动；其特征在于：

所述控制部是以

将经由所述操作部输入的平移操作关联在操作所述操作部的使用者的使用者坐标系的正交三轴而移动末端或腕部的方式，控制所述关节部的驱动，

且将经由所述操作部输入的针对所述末端效应器的操作直接关联在所述关节部中的腕部三轴的三个关节部各者的旋转，而控制所述关节部的驱动。

5.一种机器人装置，其具备：机械臂机构，其具有在前端可装备末端效应器的多个关节部；

操作部，其用于操作所述末端效应器的移动及姿势变更；及

控制部，其依照所述操作部的操作而控制所述关节部的驱动；其特征在于：

所述控制部是以

将经由所述操作部输入的平移操作关联在所述机械臂机构的机器人坐标系的正交三轴而移动末端或腕部的方式，控制所述关节部的驱动，

且以将经由所述操作部输入的所述末端效应器的姿势变更操作关联在以所述末端基准点为原点的末端坐标系的正交三轴，变更所述末端效应器的在所述机器人坐标系上的姿势，并且以将所述末端基准点的位置维持为所述姿势变更操作的开始时的所述机器人坐标系上的位置的方式，控制所述关节部的驱动，

且将经由所述操作部输入的针对所述末端效应器的操作直接关联在所述关节部中的腕部三轴的三个关节部各者的旋转，而控制所述关节部的驱动。

6.一种机器人装置，其具备：机械臂机构，其具有在前端可装备末端效应器的多个关节部；

操作部，其用于操作所述末端效应器的移动及姿势变更；及

控制部，其依照所述操作部的操作而控制所述关节部的驱动；其特征在于：

所述控制部是以

将经由所述操作部输入的平移操作关联在操作所述操作部的使用者的使用者坐标系的正交三轴而移动末端或腕部的方式，控制所述关节部的驱动，

且以将经由所述操作部输入的所述末端效应器的姿势变更操作关联在以所述末端基准点为原点的末端坐标系的正交三轴，变更所述末端效应器的在所述使用者坐标系上的姿势，并且以将所述末端基准点的位置维持为所述姿势变更操作的开始时的所述用户坐标系上的位置的方式，控制所述关节部的驱动，

且将经由所述操作部输入的针对所述末端效应器的操作直接关联在所述关节部中的腕部三轴的三个关节部各者的旋转，而控制所述关节部的驱动。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的机器人装置，其特征在于：所述多个关节部中的根部三轴的三个关节部包含直动伸缩关节。

8.一种机器人控制装置，其具备：操作部，其用于操作装备在具有多个关节部的机械臂机构的前端的末端效应器的移动及姿势变更；及

控制信号产生部，其依照所述操作部的操作而产生用于控制所述关节部的驱动的控制信号；其特征在于：

所述控制信号产生部

产生用于将经由所述操作部输入的平移操作关联在所述机械臂机构的机器人坐标系的正交三轴而移动末端或腕部的所述控制信号，

且产生用于将经由所述操作部输入的所述末端效应器的姿势变更操作关联在以所述末端基准点为原点的末端坐标系的正交三轴变更所述末端效应器的在所述机器人坐标系上的姿势，并且将所述末端基准点的位置维持为所述姿势变更操作的开始时的所述机器人坐标系上的位置的所述控制信号。

9.一种机器人控制装置，其具备：操作部，其用于操作装备在具有多个关节部的机械臂机构的前端的末端效应器的移动及姿势变更；及

控制信号产生部，其依照所述操作部的操作而产生用于控制所述关节部的驱动的控制信号；其特征在于：

所述控制信号产生部

产生用于将经由所述操作部输入的平移操作关联在所述机械臂机构的机器人坐标系的正交三轴而移动末端或腕部的所述控制信号，

且产生用于将经由所述操作部输入的针对所述末端效应器的操作直接关联在所述关节部中的腕部三轴的三个关节部各者的旋转的所述控制信号。