CN110709211B - 机器人系统和机器人系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人系统和机器人系统的控制方法，具备：操作力检测部，其检测由操作人员施加于操作端的操作力；反作用力检测部，其检测施加于作业端或者由其作业端保持的工件的反作用力；系统控制部，其基于操作力和反作用力生成主控臂的动作指令，并且生成从动臂的动作指令；主控侧控制部，其构成为控制主控臂；以及从动侧控制部，其构成为控制从动臂。系统控制部具有夸大表现部，该夸大表现部用于在作为反作用力急剧地随时间变化了的状态的反作用力骤变状态下，对操作操作端的操作人员夸大提示操作感觉。

Description

机器人系统和机器人系统的控制方法

技术领域

本发明涉及机器人系统和机器人系统的控制方法。

背景技术

目前，开发有在细微作业等中被使用的主从型的机器人系统。在该系统中，操作人员能够操作主控臂进行作业，而不用操作人员通过从动臂进行直接作业。例如在专利文献1中公开有双向控制方式的机器人系统。通常，双向控制是指同时进行从主控臂向从动臂的姿势控制和从从动臂向主控臂的力控制的控制方法。在这样的系统中，通过将从动臂从作业对象物、作业环境受到的反作用力信息经由主控臂传递到操作人员，从而提高作业效率。

专利文献1：日本特开平10-202558号公报

但是，在上述现有的基于双向控制方式的机器人系统中，在提高了对反作用力的响应性的情况下，感觉容易传到操作人员，但控制系统变得不稳定。因此，在实际的用途中不得不降低对反作用力的响应性。在该情况下，机器人的动作变得稳定，容易操作，但例如触碰的感觉、一边按压一边寻找的感觉难以传给操作人员。另外，若想再现触觉则需要额外设置感觉检测用的传感器。这样的课题在至少在从动臂的末端具备力觉传感器的主从型的机器人系统中是共同存在的。

发明内容

本发明是为了解决上述那样的课题而完成的，其目的在于在主从型的机器人系统中不用另外设置感觉检测用的传感器，而使操作感觉提高。

为了实现上述目的，本发明具有的形态所涉及的机器人系统具备：主控臂，上述主控臂具有操作端；从动臂，上述从动臂具有作业端；操作力检测部，上述操作力检测部检测由操作人员施加于上述操作端的操作力；反作用力检测部，上述反作用力检测部检测对上述作业端或者由该作业端保持的工件施加的反作用力；系统控制部，上述系统控制部基于上述操作力和上述反作用力，生成主控臂的动作指令，并且生成从动臂的动作指令；主控侧控制部，上述主控侧控制部构成为基于由上述系统控制部生成的主控臂的动作指令来控制主控臂；以及从动侧控制部，上述从动侧控制部构成为基于由上述系统控制部生成的从动臂的动作指令来控制从动臂，上述系统控制部具有夸大表现部，上述夸大表现部用于在上述反作用力急剧地随时间变化了的状态亦即反作用力骤变状态下，对操作上述操作端的操作人员夸大地提示操作感觉。

根据上述结构，在主从型的机器人系统中，在施加于作业端(或者由该作业端保持的工件)的反作用力急剧地随时间变化了的反作用力骤变状态下，对操作操作端的操作人员夸大地提示操作感觉。由此，例如操作人员能够识别从动臂的作业端与对象物接触的情况。

也可以构成为，在上述反作用力骤变状态下，上述夸大表现部基于上述反作用力生成用于修正由上述系统控制部生成的主控臂的动作指令的修正成分。

根据上述结构，在基于操作力和反作用力生成主控臂的动作指令和从动臂的动作指令的双向控制中，在上述反作用力骤变状态下，基于从动臂的反作用力，生成用于修正主控臂的动作指令的修正成分。由此，反作用力被反映在主控臂的动作指令中，因此操作人员能够识别从动臂的作业端与对象物接触的情况。由此，在双向控制中，能够提示高频的细小的感觉。

此外，也可以构成为，上述修正成分是三角波成分。对于操作主控臂的操作人员，能够夸大表现从动臂的作业端碰到坚硬的对象物的感觉。

另外，也可以构成为，上述修正成分是正弦波成分。对操作主控臂的操作人员，能够夸大表现从动臂的作业端碰到柔软的对象物的感觉。

另外，也可以构成为，上述修正成分是上述反作用力的时间的二阶微分值。对于操作主控臂的操作人员，能够夸大表现从动臂的作业端实际碰到对象物的感觉。

也可以构成为，上述机器人系统中的动作指令是位置指令。根据上述结构，在基于操作力和反作用力生成主控臂的动作指令和从动臂的动作指令的并列型双向控制中，能够对操作人员夸大地提示操作感觉。

也可以构成为，上述机器人系统的上述系统控制部还具备位置偏移补正部，上述位置偏移补正部基于上述从动臂的位置信息和加入了上述修正成分的主控臂的位置信息，生成用于补正主控臂的上述位置指令的补正成分。

根据上述结构，在并列型双向控制中，能够逐渐地补正由上述夸大表现部产生的主控臂与从动臂的位置关系的偏移。为了不给操作人员带来不协调感，在夸大表现了操作感觉后，主控臂缓慢地移动并被补正，因此不会对主控臂的操作造成影响。

也可以构成为，上述机器人系统还具备存储部，上述存储部预先收集机器人系统的特定的作业中的从动臂的位置信息、上述操作力、以及上述反作用力作为数据，根据收集到的数据对一个以上的作业状态进行分类，并存储分类后的作业状态，上述夸大表现部还具备作业状态判定部，上述作业状态判定部在机器人系统的动作中，基于从动臂的位置信息、上述操作力、以及上述反作用力中的至少一个值，判定是否分类为存储于上述存储部的上述作业状态的其中一个。

根据上述结构，操作人员不仅能够识别从动臂的作业端接触到对象物，还能够正确地识别接触后开始的作业状态。例如可以将上述反作用力骤变状态视为作业开始的状态。

也可以构成为，上述作业状态判定部将在机器人系统的动作中，上述反作用力在指定的方向产生、并且上述操作力在与上述指定的方向正交的方向产生的作业状态判定为正在寻找对象物的状态(searching)。

也可以构成为，上述作业状态判定部将在机器人系统的动作中，从动臂的位置信息位于比指定位置靠指定的方向的位置、并且上述反作用力变化了的作业状态判定为由上述作业端保持的工件插入至对象物的状态(inserted)。

也可以构成为，上述夸大表现部还具备作业状态提示部，上述作业状态提示部通过声音、主控臂的振动以及光中的至少一个将上述作业状态提示给操作人员。

本发明具有以上所说明的结构，在主从型的机器人系统中不用另外设置感觉检测用的传感器，就能够使操作感觉提高。

附图说明

图1是表示本发明的第1实施方式所涉及的机器人系统的整体结构的图。

图2是表示图1的机器人系统的控制系统的结构的框图。

图3是例示反作用力以及由夸大表现部生成的修正成分的时间变化的图表。

图4是表示本发明的第2实施方式所涉及的机器人系统的控制系统的结构的框图。

图5是表示本发明的第3实施方式所涉及的机器人系统的控制系统的结构的框图。

图6是表示机器人系统的动作的一个例子的示意图。

具体实施方式

以下，参照附图并且对优选的实施方式进行说明。此外，以下在全部的附图中对相同或相当的要素标注相同的参照附图标记，省略其重复的说明。另外，为了便于理解附图，示意性地示出了各个构成要素。

(第1实施方式)

图1是表示本发明的第1实施方式所涉及的机器人系统的结构例的示意图。如图1所示，本实施方式的机器人系统100构成为从动臂1由主控臂2远程操作。机器人系统100是主从式的远程操作系统。

机器人系统100具备由第1机器人构成的从动臂1、由第2机器人构成的主控臂2、控制装置3、力觉传感器4、照相机5以及监视器6。从动臂1能够由任意类型的机器人构成。在本实施方式中，例如，从动臂1由公知的多关节机器人构成，具备基台1a、设置于基台1a的多关节手臂1b以及设置于手臂1b的末端的手腕1c。将以基台1a的上表面为基准的坐标系称为从动臂1的基座坐标系。多关节的手臂1b的各关节具备驱动用的伺服马达、检测伺服马达的旋转角度位置的编码器、以及检测流向伺服马达的电流的电流传感器(均未图示)。在手腕1c安装有末端执行器7。末端执行器7相当于本发明的“作业端”。末端执行器7是能够把持工件的机械手。末端执行器7具备安装于手腕1c末端的手主体(未图示)和例如被由马达构成的致动器(未图示)驱动的两根指部。若致动器动作则两根指部相对于手主体移动。手的两根指部能够通过主控臂2的操作，以相互接近或隔离的方式移动，能够利用两根指部把持嵌合部件W1。

力觉传感器4安装于从动臂1的手腕1c。力觉传感器4检测施加于由末端执行器7保持的工件的反作用力。力觉传感器4相当于本发明的“反作用力检测部”。在本实施方式中，力觉传感器4构成为安装于末端执行器7的基端，探测施加于末端执行器7的末端的力。力觉传感器4是能够检测例如由手腕坐标系定义的XYZ轴方向的力和围绕各轴作用的力矩的六轴力觉传感器。这里手腕坐标系是指以手腕1c为基准的坐标系。在本实施方式中，力觉传感器4构成为，在作为由末端执行器7保持的工件的嵌合部件W1接触到作为对象物的被嵌合部件W2时，检测从动臂1的基座坐标系中的作用于嵌合部件W1的反作用力的方向和其大小，并将检测信号通过无线或有线向控制装置3发送。

主控臂2能够由任意类型的机器人构成。在本实施方式中，主控臂2具有与从动臂1相似的构造。即，主控臂2也与从动臂1同样由多关节机器人构成，以主控臂2的基台的上表面作为基准定义主控臂2的基座坐标系。多关节的手臂的各关节具备驱动用的伺服马达、检测伺服马达的旋转角度位置的编码器、以及检测流向伺服马达的电流的电流传感器(均未图示)。在主控臂2的末端安装有模仿了从动臂1末端的末端执行器7的形状的操作手柄21。操作手柄21相当于本发明的“操作端”。此外，“操作端”只要是能够通过由操作人员进行操作来操作从动臂1的结构即可，例如可以是开关、调整旋钮或平板等移动终端，也可以是像操纵杆那样的简易的结构。在操作手柄21安装有力觉传感器20。力觉传感器20检测由操作人员施加于操作手柄21的操作力。力觉传感器20相当于本发明的“操作力检测部”。在本实施方式中，力觉传感器20构成为安装于操作手柄21的基端，探测施加于操作手柄21的末端的力。例如，力觉传感器20是能够检测由主控臂2的手腕坐标系定义的XYZ轴方向的力和围绕各轴作用的力矩的六轴力觉传感器。这里，手腕坐标系是指以主控臂2的手腕为基准的坐标系。在本实施方式中，若操作人员为了操作从动臂1而操作操作手柄21，则力觉传感器20在主控臂2的基座坐标系中，检测操作人员施加于操作手柄21的操作力的方向和大小，将检测信号作为操作信息，通过无线或有线向控制装置3发送。

照相机5被设置成能够拍摄从动臂1的可动范围的全部或一部分中的该从动臂1的动作。照相机5拍摄的图像信息被发送至控制装置3，控制装置3控制监视器6以便显示与该图像信息对应的图像。

在机器人系统100中，位于远离从动臂1的作业领域的位置(作业区域外)的操作人员一边观察在监视器6放映的照相机5的影像一边对主控臂2的操作手柄21施加所希望的操作力作为操作信息的输入。根据操作力，从动臂1跟随主控臂2进行动作，从而能够进行特定的作业。特定作业例如是将作为由末端执行器7保持的工件的嵌合部件W1插入至作为对象物的被嵌合部件W2的孔的作业。该作业在组装作业中也需要操作人员的熟练。

另外，在机器人系统100中，从动臂1也能够不需要操作人员对于主控臂2的操作，而自动地进行指定的作业。在本说明书中，将根据经由主控臂2输入的操作信息而使从动臂1动作的运转模式称为“手动模式”。此外，在上述的“手动模式”中，也包括基于通过操作人员操作主控臂2而输入的操作信息，自动地对动作中的从动臂1的动作的一部分进行动作补正的情况。另外，将根据预先设定的指定程序而使从动臂1动作的运转模式称为“自动模式”。并且，在本实施方式的机器人系统100中，构成为能够在从动臂1自动动作的中途，将主控臂2的操作反映到从动臂1的自动的动作中，从而修正自动进行的动作。在本说明书中，在能够反映经由主控臂2而输入的操作信息的状态下，将根据预先设定的指定程序而使从动臂1动作的运转模式称为“修正自动模式”。此外，上述的“自动模式”与“修正自动模式”的区别在于，在使从动臂1动作的运转模式为自动模式时，主控臂2的操作不反映于从动臂1的动作。以下，只要没有特殊说明，本实施方式的机器人系统100作为“手动模式”进行动作。

图2是表示机器人系统100的控制系统的结构的框图。如图2所示，控制装置3包括动作指令生成部8、夸大表现部9以及接口部(未图示)。在本实施方式中，控制装置3与输入装置(未图示)连接。输入装置由触摸面板、键盘等人机界面构成，主要在从动臂1的“自动模式”、“修正自动模式”以及“手动模式”的模式切换、输入各种数据等中使用。控制装置3由计算机、微型控制器、微型处理器等具有运算处理功能和存储器的装置构成。通过由控制装置3的运算处理部(未图示)执行储存于控制装置3的存储器的指定程序来实现动作指令生成部8和夸大表现部9的各功能。另外，本实施方式的控制装置3也具有显示与由照相机5拍摄的图像信息对应的图像的监视控制部的功能。控制装置3的硬件上的结构不受限定，控制装置3可以与从动臂1等其他的装置独立设置，也可以与其他的装置一体地设置。本实施方式的机器人系统100是基于并列型双向控制方式的主从型的机器人系统。由主控臂2的力觉传感器20检测到的操作力f_m和由从动臂1的力觉传感器4检测到的反作用力f_s被输入至控制装置3。

动作指令生成部8基于由主控臂2的力觉传感器20检测到的操作力f_m和由从动臂1的力觉传感器4检测到的反作用力f_s，生成从动臂1的动作指令(以下，也称为从动动作指令)，并且生成主控臂2的动作指令(以下，也称为主控动作指令)。在本实施方式中，从动动作指令是由从动臂1的基座坐标系规定的、驱动从动臂1的各关节轴的伺服马达的位置指令。主控动作指令是由主控臂2的基座坐标系规定的、驱动主控臂2的各关节轴的伺服马达的位置指令。主控动作指令生成以使操作手柄21向与基于从动动作指令的末端执行器7的移动方向相同的方向移动。即，从动臂1和主控臂2进行相同的动作。

具体而言，动作指令生成部8具备加减部81、力/速度变换部82、速度/位置变换部83(从动侧)、速度/位置变换部84(主控侧)、以及加减部85。通过由控制装置3的运算处理部(未图示)执行储存于控制装置3的存储器(未图示)的指定程序从而实现各部81～85。

加减部81构成为从由主控臂2的力觉传感器20探测的操作力f_m减去由从动臂1的力觉传感器4探测的反作用力f_s，并将所得值向力/速度变换部82输出。

力/速度变换部82基于从加减部81输入的操作力f_m与反作用力f_s的差量，生成速度指令值v_d，并将其向速度/位置变换部83(从动侧)、以及加减部85分别输出。

速度/位置变换部83(从动侧)基于v_d速度指令值v_d生成从动臂1的位置指令值x_ds，并将其向从动侧控制部30输出。从动侧控制部30例如是构成为对从动臂1进行位置控制的机器人控制器。从动侧控制部30基于从动臂1的各关节轴的位置指令值与编码器(未图示)的检测值(实际值)的偏差生成速度指令值。而且，基于生成的速度指令值与速度当前值的偏差生成扭矩指令值(电流指令值)，基于生成的电流指令值与电流传感器的检测值(实际值)的偏差控制伺服马达。

速度/位置变换部84(主控侧)基于速度指令值v_d生成主控臂2的位置指令值x_dm，并将其向主控侧控制部12输出。主控侧控制部12例如是构成为对主控臂2进行位置控制的机器人控制器。主控侧控制部12基于主控臂2的各关节轴的位置指令值与编码器(未图示)的检测值(实际值)的偏差生成速度指令值。而且，基于生成的速度指令值与速度当前值的偏差生成扭矩指令值(电流指令值)，基于生成的电流指令值与电流传感器的检测值(实际值)的偏差控制伺服马达。

夸大表现部9构成为，在由从动臂1的力觉传感器4检测的反作用力f_s急剧地随时间变化了的反作用力骤变状态下，对操作操作手柄21的操作人员夸大地提示操作感觉。具体而言，在反作用力骤变状态下，夸大表现部9基于反作用力f_s生成用于修正主控臂2的位置指令值x_dm的修正成分，并将其向加减部85输出。

加减部85将由力/速度变换部82生成的速度指令值v_d与由夸大表现部9生成的修正成分相加，并将其向速度/位置变换部84输出。速度/位置变换部84(主控侧)基于被修正的速度指令值v_d更新主控臂2的位置指令值x_dm，并将其向主控侧控制部12输出。这样，从动臂1的反作用力f_s反映于主控臂2的位置指令值x_dm。

接下来，参照附图并且对机器人系统的动作进行说明。如图1所示，在机器人系统100中，操作人员一边观察在监视器6放映的照相机5的影像一边对主控臂2的操作手柄21施加所希望的操作力作为操作信息的输入。根据操作力，从动臂1跟随主控臂2进行动作。即，操作人员通过一边观察监视器6一边操作操作手柄21，从而按照操作人员想要的方式操作主控臂2和从动臂1。而且，设想作为由从动臂1的末端执行器7保持的工件的嵌合部件W1与作为被嵌合部件W2的对象物接触的情况。图3(a)是示意性地表示由从动臂1的力觉传感器4检测的反作用力f_s的时间变化的图表。在时刻t0处，由从动臂1的力觉传感器4检测的反作用力f_s急剧地上升。夸大表现部9在由从动臂1的力觉传感器4检测的反作用力f_s急剧地随时间变化了的反作用力骤变状态下，对操作操作手柄21的操作人员夸大地提示操作感觉(参照图2)。对于夸大表现部9来说，例如可以在反作用力f_s为预先存储于存储器的指定值以上的情况下判定为反作用力骤变初始状态，也可以以反作用力f_s的微小时间Δt内的变化量是否为正判定反作用力骤变状态。在反作用力骤变状态中，夸大表现部9基于反作用力f_s生成用于修正主控臂2的位置指令值x_dm的修正成分，并将其向加减部85输出。加减部85将由力/速度变换部82生成的速度指令值v_d与由夸大表现部9生成的修正成分相加，并将其向速度/位置变换部84输出。速度/位置变换部84(主控侧)基于被修正的速度指令值v_d更新主控臂2的位置指令值x_dm，并将其向主控侧控制部12输出。这样，从动臂1的反作用力f_s反映于主控臂2的位置指令值x_dm，因此操作人员能够识别从动臂1的末端执行器7与对象物接触的情况。由此，在并列型双向控制中，能够提示高频的细小感觉。

在本实施方式中，夸大表现部9能够根据作业对象物的性质生成各种修正成分。图3(b)～图3(d)是例示修正成分的时间变化的图表。图3(b)表示修正成分是三角波成分的情况。如图3(b)所示，在反作用力骤变状态下，夸大表现部9生成1个周期的三角波成分作为修正成分。此外，相当于三角波成分的1个周期的期间例如为40msec，但只要是操作人员能够察觉的程度的长度即可。加减部85将由力/速度变换部82生成的速度指令值v_d与由夸大表现部9生成的修正成分相加，并将其向速度/位置变换部84输出。速度/位置变换部84(主控侧)基于被修正的速度指令值v_d更新主控臂2的位置指令值x_dm，并将其向主控侧控制部12输出。通过使用三角波成分作为修正成分，从而能够对操作主控臂2的操作人员夸大表现从动臂1碰到坚硬的对象物的感觉。

图3(c)表示修正成分是正弦波成分的情况。如图3(c)所示，在反作用力骤变状态下，夸大表现部9生成1个周期的正弦波成分作为修正成分。加减部85将由力/速度变换部82生成的速度指令值v_d与由夸大表现部9生成的修正成分相加，并将其向速度/位置变换部84输出。速度/位置变换部84(主控侧)基于被修正的速度指令值v_d更新主控臂2的位置指令值x_dm，并将其向主控侧控制部12输出。通过使用正弦波成分作为修正成分，从而能够对操作主控臂2的操作人员夸大表现从动臂1碰到柔软的对象物的感觉。

图3(d)表示修正成分是反作用力f_s的时间t的二阶微分值的情况。如图3(d)所示，在反作用力骤变状态下，夸大表现部9生成相当于三角波成分、正弦波成分的1个周期的成分作为修正成分。加减部85将由力/速度变换部82生成的速度指令值v_d与由夸大表现部9生成的修正成分相加，并将其向速度/位置变换部84输出。速度/位置变换部84(主控侧)基于被修正的速度指令值v_d更新主控臂2的位置指令值x_dm，并将其向主控侧控制部12输出。通过使用反作用力f_s的时间t的二阶微分值作为修正成分，从而能够对操作主控臂2的操作人员夸大表现从动臂1实际碰到对象物的感觉。

(第2实施方式)

接下来，对第2实施方式进行说明。本实施方式的机器人系统的基本结构与第1实施方式相同。以下，省略与第1实施方式共同的结构的说明，仅对不同的结构进行说明。

图4是表示本发明的第2实施方式所涉及的机器人系统的控制系统的结构的框图。如图4所示，在本实施方式的机器人系统100A中，若与第1实施方式进行比较，则不同的点在于控制装置3A还具备位置偏移补正部92和加减部91。

位置偏移补正部92基于从动臂1的位置信息和加入了修正成分的主控臂2的位置信息，生成用于补正从动臂1与主控臂2的位置关系的偏移的补正成分。具体而言，位置偏移补正部92计算从动臂的位置指令值x_ds与加入了修正成分的主控臂的位置指令值x_dm的偏差的累计值，生成用于补正主控臂2的位置指令值x_dm的补正成分。

加减部91将由位置偏移补正部92生成的补正成分与由夸大表现部9生成的修正成分相加，并将其向加减部85输出。加减部85将由力/速度变换部82生成的速度指令值v_d与向由夸大表现部9生成的修正成分加入了位置偏移的补正成分的成分相加，并将其向速度/位置变换部84输出。速度/位置变换部84(主控侧)基于被修正和补正的速度指令值v_d更新主控臂2的位置指令值x_dm，并将其向主控侧控制部12输出。由此，在并列型双向控制中，能够逐渐地补正由夸大表现部9产生的主控臂2与从动臂1的位置关系的偏移。为了不给操作人员带来不协调感，在夸大表现了操作感觉后，主控臂2缓慢地移动并被补正，因此不会对主控臂2的操作造成影响。

此外，在本实施方式中，位置偏移补正部92构成为，基于从动臂1的位置指令值x_ds和加入了修正成分的主控臂2的位置指令值x_dm，计算这些偏差的累计值，但只要是从动臂1和主控臂2的位置信息，也可以使用对设置于各关节的伺服马达的旋转角度位置进行检测的编码器的检测值(实际值)。

(第3实施方式)

接下来，对第3实施方式进行说明。本实施方式的机器人系统的基本结构与上述实施方式相同。以下，省略与上述实施方式共同的结构的说明，仅对不同的结构进行说明。

图5是表示本发明的第3实施方式所涉及的机器人系统的控制系统的结构的框图。如图5所示，若将本实施方式的机器人系统100B与第2实施方式(图4)进行比较，则不同的点在于控制装置3B的夸大表现部9还具备作业状态判定部93和作业状态提示部13。

在本实施方式中，在存储器94中，预先收集特定作业中的从动臂1的位置指令值x_ds、主控臂2的操作力f_m、以及从动臂1的反作用力f_s作为数据，根据收集到的数据对至少一个以上的作业状态进行分类，并存储分类后的作业状态。特定作业是将作为由末端执行器7保持的工件的嵌合部件W1插入至作为对象物的被嵌合部件W2的孔的作业。例示有开始作业的状态、正在寻找对象物的状态、以及工件插入至对象物的状态作为作业状态。

在机器人系统100B的动作中，作业状态判定部93基于从动臂1的位置指令值x_ds、主控臂2的操作力f_m、以及从动臂1的反作用力f_s中至少一个值，判定是否分类为存储于存储器94的作业状态的其中一个。在本实施方式中，作业状态判定部93判定是否为开始作业的状态、正在寻找对象物的状态、以及工件插入至对象物的状态中的任一个作业状态。作业状态提示部13构成为通过声音、主控臂的振动以及光中的至少一个将作业状态提示给操作人员。

接下来，使用附图对本实施方式的机器人系统100B的动作进行说明。如图6所示，对于从动臂1的手腕坐标系来说，与手腕1c的安装面平行地定义X轴和Y轴，在与安装面垂直的方向定义Z轴。对于主控臂2的手腕坐标系来说，与手腕2c的安装面平行地定义X轴和Y轴，在与安装面垂直的方向定义Z轴。如图6(a)所示，在机器人系统100B中，操作人员一边观察在监视器6中放映的照相机5的影像一边对主控臂2的操作手柄21施加所希望的操作力作为操作信息的输入。根据操作力，从动臂1跟随主控臂2进行动作。操作人员一边观察监视器6一边操作操作手柄21，以便将作为由末端执行器7保持的工件的嵌合部件W1插入至作为对象物的被嵌合部件W2的孔H。

首先，设想作为由从动臂1的末端执行器7保持的工件的嵌合部件W1与作为被嵌合部件W2的对象物接触的情况。对于夸大表现部9来说，例如，可以在反作用力f_s为预先存储于存储器的指定值以上的情况下判定为反作用力骤变初始状态，也可以以反作用力f_s的微小时间Δt内的变化量是否为正判定反作用力骤变状态(参照图5)。在由从动臂1的力觉传感器4检测的反作用力f_s急剧地随时间变化了的状态亦即反作用力骤变状态下，夸大表现部9对操作操作手柄21的操作人员夸大提示操作感觉。在反作用力骤变状态下，通过夸大表现部9基于反作用力f_s生成用于修正主控臂2的位置指令值x_dm的修正成分，从而从动臂1的反作用力f_s反映于主控臂2的位置指令值x_dm，因此操作人员能够识别从动臂1的末端执行器7与对象物接触的情况。

另外，在本实施方式中，作业状态判定部93将反作用力骤变状态视为开始作业的状态(参照图5)。而且，作业状态提示部13将该状态通过振动马达的振动提示给操作主控臂的操作人员。或者，也可以通过光使操作人员在视觉上识别。由此，能够提示在主控的响应性中无法应对的、高频的细小感觉。

操作人员推进作业。如图6(b)所示，操作人员通过横向操作操作手柄21，从而在主控臂2的手腕坐标系中，与XY平面平行的横向的操作力f_m被施加于操作手柄21。由此，由末端执行器7保持的嵌合部件W1维持与被嵌合部件W2接触的状态，并且向被嵌合部件W2的嵌合孔H的方向移动。此时，把持了嵌合部件W1的从动臂1的反作用力f_s向上方向(在图中Z轴的正方向)产生，并且主控臂2的操作力f_m向横方向(在图中Y轴的正方向)产生。作业状态判定部93基于从动臂1的反作用力f_s和主控臂2的操作力f_m，将这样的作业状态判定为嵌合部件W1正在寻找对象物的状态(searching)。而且，作业状态提示部13将该状态通过咯吱咯吱的声音提示给操作人员。由此，能够提示在主控的响应性中无法应对的、高频的细小感觉。

如图6(c)所示，操作人员继续进行操作手柄21的指定方向横向的操作。其后，由末端执行器7保持的嵌合部件W1插入至被嵌合部件W2的嵌合孔H。此时，把持了工件的从动臂1的位置位于比指定位置(在图中被嵌合部件W2的表面)靠下方向(在图中Z轴的负方向)的位置，并且从动臂1的反作用力f_s发生变化。从动臂1的反作用力f_s的大小与正在寻找的状态相比减少。作业状态判定部93基于从动臂1的位置指令值x_ds和从动臂的反作用力f_s，将这样的作业状态判定为工件插入至对象物的状态(inserted)。而且，作业状态提示部13将工件插入至对象物的状态通过声音提示给操作人员。作业状态提示部13将该状态通过例如来自扬声器的嗡嗡的声音提示给操作人员。由此，能够提示在主控的响应性中无法应对的、高频的细小感觉。

根据本实施方式，操作人员不仅识别由从动臂1的末端执行器7保持的工件与对象物接触的情况，还能够正确地识别在接触后开始的作业的状态。此外，控制装置3B即使不具备位置偏移补正部92和加减部91也能够获得本实施方式的夸大表现部9的效果。

(其他的实施方式)

此外，基于上述各实施方式的机器人系统的特定作业是将作为由末端执行器7保持的工件的嵌合部件W1插入至作为对象物的被嵌合部件W2的孔的作业，但并不限于此。例如，机器人系统可以是外科手术系统，末端执行器可以是手术器具。在这样的系统中，施行手术人员一边观察内窥镜图像一边操作主控臂2。设想安装于从动臂1末端的手术器具一边受到若干反作用力一边在凝胶状的人体的内部行进，并在与作为对象物的骨接触的状态下施行手术那样的特定作业。

另外，由作业状态判定部93判定的作业状态例示了开始作业的状态、正在寻找对象物的状态、以及工件插入至对象物的状态，但并不限于此，也可以根据特定作业来判定其他的作业状态。

此外，在上述各实施方式中，主控动作指令和从动动作指令是驱动各手臂的各关节轴的伺服马达的位置指令，但并不限于此，也可以是驱动各关节轴的伺服马达的扭矩指令。

从上述说明来看，对本领域技术人员来说，本发明的很多改进、其他的实施方式是显而易见的。因此，上述说明应当仅作为例示被解释，是以向本领域技术人员示范执行本发明的最佳形态为目的而被提供的。不脱离本发明的精神，能够实质性地变更其构造以及/或功能的详细情况。

工业上的利用可能性

本发明可适用于主从型的机器人系统。

附图标记的说明

1…从动臂；2…主控臂；3、3A、3B…控制装置；4…力觉传感器(从动侧)；5…照相机；6…监视器；7…末端执行器；8…动作指令生成部；9…夸大表现部；12…主控侧控制部(主控侧)；20…力觉传感器(主控侧)；30…从动侧控制部(从动侧)；100、100A、100B…机器人系统。

Claims (14)

1.一种机器人系统，具备：

主控臂，所述主控臂具有操作端；

从动臂，所述从动臂具有作业端；

操作力检测部，所述操作力检测部检测由操作人员施加于所述操作端的操作力；

反作用力检测部，所述反作用力检测部检测施加于所述作业端或者由该作业端保持的工件的反作用力；

系统控制部，所述系统控制部基于所述操作力和所述反作用力，生成主控臂的动作指令，并且生成从动臂的动作指令；

主控侧控制部，所述主控侧控制部构成为基于由所述系统控制部生成的主控臂的动作指令控制主控臂；以及

从动侧控制部，所述从动侧控制部构成为基于由所述系统控制部生成的从动臂的动作指令控制从动臂，

其中，

所述系统控制部具有夸大表现部，所述夸大表现部用于在所述反作用力急剧地随时间变化了的状态亦即反作用力骤变状态下，对操作所述操作端的操作人员夸大提示操作感觉，

在不处于所述反作用力骤变状态的情况下，所述系统控制部基于所述操作力与所述反作用力的运算结果来生成主控臂的第1动作指令，并将所述第1动作指令输出至所述主控侧控制部，

在处于所述反作用力骤变状态的情况下，所述系统控制部基于所述操作力与所述反作用力的运算结果进一步与修正成分相加的运算结果来生成主控臂的第2动作指令，并将所述第2动作指令输出至所述主控侧控制部，

在所述反作用力骤变状态下，所述夸大表现部基于所述反作用力生成所述修正成分。

2.根据权利要求1所述的机器人系统，其中，

所述修正成分是三角波成分。

3.根据权利要求1所述的机器人系统，其中，

所述修正成分是正弦波成分。

4.根据权利要求1所述的机器人系统，其中，

所述修正成分是所述反作用力的时间的二阶微分值。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的机器人系统，其中，

所述动作指令是位置指令。

6.根据权利要求5所述的机器人系统，其中，

所述系统控制部还具备位置偏移补正部，所述位置偏移补正部基于所述从动臂的位置信息和加入了所述修正成分的主控臂的位置信息，生成用于补正所述从动臂与所述主控臂的位置关系的偏移的补正成分。

7.根据权利要求1～4中任一项所述的机器人系统，其中，

还具备存储部，所述存储部预先收集机器人系统的特定的作业中的从动臂的位置信息、所述操作力、以及所述反作用力作为数据，根据收集到的数据分类出一个以上的作业状态，并存储分类后的作业状态，

所述夸大表现部还具备作业状态判定部，所述作业状态判定部在机器人系统的动作中，基于从动臂的位置信息、所述操作力、以及所述反作用力中的至少一个值，判定是否分类为存储于所述存储部的所述作业状态的其中一个。

8.根据权利要求7所述的机器人系统，其中，

所述作业状态判定部将在机器人系统的动作中，所述反作用力在指定的方向产生、并且所述操作力在与所述指定的方向正交的方向产生的作业状态判定为正在寻找对象物的状态。

9.根据权利要求7所述的机器人系统，其中，

所述作业状态判定部将在机器人系统的动作中，从动臂的位置信息位于比指定位置靠指定的方向的位置、并且所述反作用力变化了的作业状态判定为由所述作业端保持的工件已插入至对象物的状态。

10.根据权利要求7所述的机器人系统，其中，

所述夸大表现部还具备作业状态提示部，所述作业状态提示部通过声音、主控臂的振动以及光中的至少一个将所述作业状态提示给操作人员。

11.根据权利要求5所述的机器人系统，其中，

还具备存储部，所述存储部预先收集机器人系统的特定的作业中的从动臂的位置信息、所述操作力、以及所述反作用力作为数据，根据收集到的数据分类出一个以上的作业状态，并存储分类后的作业状态，

所述夸大表现部还具备作业状态判定部，所述作业状态判定部在机器人系统的动作中，基于从动臂的位置信息、所述操作力、以及所述反作用力中的至少一个值，判定是否分类为存储于所述存储部的所述作业状态的其中一个。

12.根据权利要求6所述的机器人系统，其中，

还具备存储部，所述存储部预先收集机器人系统的特定的作业中的从动臂的位置信息、所述操作力、以及所述反作用力作为数据，根据收集到的数据分类出一个以上的作业状态，并存储分类后的作业状态，

所述夸大表现部还具备作业状态判定部，所述作业状态判定部在机器人系统的动作中，基于从动臂的位置信息、所述操作力、以及所述反作用力中的至少一个值，判定是否分类为存储于所述存储部的所述作业状态的其中一个。

13.根据权利要求8所述的机器人系统，其中，

所述夸大表现部还具备作业状态提示部，所述作业状态提示部通过声音、主控臂的振动以及光中的至少一个将所述作业状态提示给操作人员。

14.一种机器人系统的控制方法，

所述机器人系统具备：主控臂，所述主控臂具有操作端；从动臂，所述从动臂具有作业端；操作力检测部，所述操作力检测部检测由操作人员施加于所述操作端的操作力；反作用力检测部，所述反作用力检测部检测施加于所述作业端或者由该作业端保持的工件的反作用力；系统控制部，所述系统控制部基于所述操作力和所述反作用力生成主控臂的动作指令，并且生成从动臂的动作指令；主控侧控制部，所述主控侧控制部构成为基于由所述系统控制部生成的主控臂的动作指令控制主控臂；以及从动侧控制部，所述从动侧控制部构成为基于由所述系统控制部生成的从动臂的动作指令控制从动臂，

其中，

在不处于所述反作用力急剧地随时间变化了的状态亦即反作用力骤变状态的情况下，由所述系统控制部基于所述操作力与所述反作用力的运算结果来生成主控臂的第1动作指令，并将所述第1动作指令输出至所述主控侧控制部，

在处于所述反作用力骤变状态的情况下，由所述系统控制部基于所述反作用力生成修正成分，基于所述操作力与所述反作用力的运算结果进一步与所述修正成分相加的运算结果来生成主控臂的第2动作指令，并将所述第2动作指令输出至所述主控侧控制部，对操作所述操作端的操作人员夸大提示操作感觉。

Images