JP2005034965A - 操作力発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ロボットが外部に加える操作力として、広帯域に渡り所望の操作力を精度良く発生させることにある。
【解決手段】ロボットが外部に加える操作力の反力によって互いの間隔が変化する方向に変位する一対の相対する基板の間に、前記操作力の反力によって線形に変位作動する低剛性機構を少なくとも一つ介設し、前記低剛性機構の変位作動を制御することにより所望の操作力を発生させることを特徴とする操作力発生装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロボットが外部に加える操作力を適切に発生させる装置に関するものであり、特には、脚式ロボットの姿勢の安定制御を行なうために、この脚式ロボットの足部が床面に対して加える力（この力も操作力に含まれる）を適切に発生させる場合等に用いて好適な操作力発生装置に関するものである。

ロボットが外部に加える操作力、例えばロボットマニピュレータが外部に加える力や脚式ロボットが床に加える力を発生させるため、従来から、力やトルクを直接発生させ得るアクチュエータ、例えばＤＣモータをロボットの各関節に配置し、各関節の力やトルクを制御することにより、ロボットの操作力を発生させる方法が用いられてきた。この方法は、アクチュエータに加える指令により簡便に力やトルクを発生させ得ることから、簡易な方法として行われてきた。

しかしながら、上述した従来の技術は、関節駆動部に存在する摩擦や、各関節リンク間の干渉力により、精度良く操作力を発生できないという問題があった。特に、関節駆動部に存在する摩擦には、駆動の瞬間と駆動後とで変化するクーロン摩擦や、駆動速度や環境温度で変化する粘性摩擦があるため、予め測定した値を用いて補償したとしても、開ループ制御により所望の操作力を発生させることは難しかった。

所望の操作力を発生させることの難しさを解決するため、ロボットマニピュレータの手首部や脚式ロボットの足首部に力またはトルクを検出するセンサを取付け、この力やトルクのセンサの出力のフィードバックにより閉ループ制御を構成して、操作力を制御する方法も行われている。例えば、特許文献１に記載されたものでは、把持力検出手段を用いて、多指ハンドの把持力の制御を行なっている。

しかしながら、力やトルクのセンサの出力をフィードバックすることによる閉ループ制御の手法においては、高精度に力やトルクを制御するためにフィードバックゲインを高めると、力やトルクのセンサの測定帯域に限りがあるため測定不能な高周波帯域で制御系が振動的になるとともに、力やトルクのセンサ出力に含まれるノイズによっても制御系は振動的になり、またロボットが外部に接触した際に発生する衝撃力によっても制御系が振動的になり、安定して操作力を制御することが難しくなるという問題があった。そして逆に、操作力を安定して制御するために、フィードバックゲインを下げると、高精度に操作力を制御できないという問題があった。

一方で、関節や手先の位置制御の場合には、測定帯域が広帯域である位置や関節角度のセンサを用いて閉ループ制御を行なうことにより、高精度な力やトルクの制御を阻害する摩擦や干渉力を効果的に補償することが可能であり、高精度な位置制御が構成されてきた。そのため、現在の産業用ロボットの大半は、この高精度な位置制御をベースにした作業、例えば所定の位置に置かれた組立部品を掴んで所定の組立位置に挿入するようなピックアンドプレース作業や、スプレーノズルの軌道を位置制御してムラ無く塗装する作業等を行っている。

この高精度な位置制御をベースに、ロボットマニピュレータの操作対象物に過大な力やトルクが作用しないように制御するコンプライアンス制御（例えば特許文献２参照）や、脚式ロボットが足部を床面に対して倣わせつつ着地させるように制御するコンプライアンス制御（例えば特許文献３参照）も従来から行われている。しかしながら、コンプライアンス制御は、力やトルクを陽に制御する力制御やトルク制御と異なり、加わった力やトルクに見合った量の仮想的なバネ変位を位置制御するものであり、力やトルクを陽に制御していない。また、これらコンプライアンス制御においても、力やトルクのセンサの測定不能な高周波帯域において制御系が振動的になるとともに、力やトルクのセンサの出力に含まれるノイズによっても制御系が振動的になり、さらにロボットが外部に接触した際に発生する衝撃力によっても制御系が振動的になるという問題があった。

ところで、ロボットが外部に接触した際に発生する衝撃力を緩和する方法、特に脚式ロボットの着地時の衝撃力を緩和するものとして、特許文献４に記載された衝撃緩衝機構があり、有望な衝撃緩衝機構となりつつある。加えて、その特許文献４に記載された衝撃緩衝機構を発展させ、着地衝撃力の影響を低減させて検出精度を向上させた脚式ロボットの床反力検出器も、特許文献５で提案されている。しかしながら、これら衝撃緩衝機構と床反力検出器を組み合わせて、操作力を高精度に制御するために力またはトルクのセンサフィードバック系を構成したとしても、力またはトルクのセンサの測定不能な高周波帯域において制御系が振動的になるとともに、力またはトルクのセンサの出力に含まれるノイズによっても制御系は振動的になるという問題がある。
特開平１０−１０００８９号公報 特開平６−２４６６７３号公報 特許第２８１９３２３号公報 特許第３１１８７７７号公報 特開２００３−７１７７６号公報

本発明の技術的課題は、ロボットの構造の一部に低剛性機構を介設し、その低剛性機構の変位を広帯域に渡り精度良く位置制御することにより、ロボットが外部に加える操作力を精度良く発生させるための技術・装置を提供することにある。

上記課題を解決するための本発明の第一の発明によれば、ロボットが外部に加える操作力の反力によって互いの間隔が変化する方向に変位する一対の相対する基板の間に、前記操作力の反力によって線形に変位作動する低剛性機構を少なくとも一つ介設し、前記低剛性機構の変位作動を制御することにより所望の操作力を発生させることを特徴とする操作力発生装置が提供される。

このような第一の発明によれば、低剛性機構の変位作動量と操作力の反力とが線形の関係にある低剛性機構を介設しており、また広帯域に渡り高精度な制御が可能な位置制御をベースにロボットの構造の一部に介設した低剛性機構の変位作動を制御しているので、広帯域に渡り所望の（設計上所定の）操作力を精度良く発生させることができる。

本発明の第一の発明に関する一実施形態では、前記操作力によって線形に変位作動する低剛性機構が機械バネを有し、この機械バネの変形量を変位作動量として制御することにより、所望の操作力を発生させる。

本発明の第一の発明に関する他の一実施形態では、前記操作力によって線形に変位する低剛性機構が柱状のゴム状弾性部材を有し、このゴム状弾性部材の変形量を変位作動量として制御することにより、所望の操作力を発生させる。

また、上記課題を解決するための本発明の第二の発明によれば、ロボットが外部に加える操作力の反力によって互いの間隔が変化する方向に変位する一対の相対する基板と、これらの基板間に介設された少なくとも一つの低剛性機構とを具え、この低剛性機構の変位作動量とその変位作動によって発生する力との間の関係を予め測定した変位−操作力特性から、所望の操作力を発生させるために必要な低剛性機構の変位作動量を求め、その変位作動量となるように低剛性機構の変位作動を制御することにより所望の操作力を発生させることを特徴とする操作力発生装置が提供される。

このような本発明の第二の発明によれば、低剛性機構の変位作動とその変位作動によって発生する力との間の関係を予め測定した変位−操作力特性から所望の操作力に必要な低剛性機構の変位作動量を求め、広帯域に渡り高精度な制御が可能な位置制御をベースにロボットの構造の一部に介設した低剛性機構の変位を制御しているので、広帯域に渡り精度良く操作力を発生させることができる。

本発明の第二の発明に関する一実施形態では、前記低剛性機構が機械バネを有し、予め測定した変位−操作力特性から、所望の操作力を発生させるに必要な変位作動量としての、前記機械バネの変形量を求め、その変形量となるように前記機械バネの変形を制御することにより、所望の操作力を発生させる。

本発明の第二の発明に関する他の一実施形態では、前記低剛性機構が柱状のゴム状弾性部材を有し、予め測定した変位−操作力特性から、所望とする操作力を発生させるに必要な変位作動量としての、前記ゴム状弾性部材の変形量を求め、その変形量となるように前記ゴム状弾性部材の変形を制御することにより、所望の操作力を発生させる。

そして、上記課題を解決するための本発明の第三の発明によれば、前記ロボットが外部に加える操作力の反力およびそのロボットに外部から加わる衝撃力の少なくとも一方によって互いの間隔が変化する方向に変位する一対の相対する基板の間に、それら両基板間の振動を減衰させる高減衰機構を少なくとも一つ介設したことを特徴とする操作力発生装置が提供される。

このような本発明の第三の発明によれば、両基板間に介設した高減衰機構により、ロボットが外部に接触した際に発生する衝撃力を効果的に緩衝するだけでなく、同時に、両基板間に介設した高減衰機構により更に広帯域に渡り高精度な位置制御を安定して構築できるので、操作力発生の安定性と衝撃力の緩衝性とを向上させることができる。

本発明の第三の発明に関する一実施形態では、前記高減衰機構が作動流体を用いた緩衝器であって、この作動流体を用いた緩衝器の減衰作用により操作力発生の安定性と衝撃力の緩衝性とを向上させる。

本発明の第三の発明に関する他の一実施形態では、前記高減衰機構が変形するとともにばね定数が変化する特性を有する非線形ゴム状弾性部材であって、この非線形ゴム状弾性部材の減衰作用により操作力発生の安定性と衝撃力の緩衝性とを向上させる。

以下に、本発明の実施の形態を実施例によって、図面に基づき詳細に説明する。ここに、図１は、本発明の操作力発生装置の第１実施例の構成を模式的に示すもので、この実施例の操作力発生装置１Ａは、相対する一対の基板２ａ，２ｂと、これらの基板２ａ，２ｂ間に介設された低剛性機構３と、基板２ａを駆動するアクチュエータ４と、アクチュエータ４を制御する制御装置１３とを具えている。

上記両基板２ａ，２ｂは、実質的に互いに平行を保ったまま相互の間隔が変化する方向に変位自在になるように配設されている。換言すれば、これら基板２ａ，２ｂはそれらと直行するＺ軸方向への互いの相対的な変位は自在であるが、その他の方向即ち、基板２ａ，２ｂと平行で互いに直行するＸ軸方向及びＹ軸方向への相対的な並進方向変位と、Ｘ軸，Ｙ軸及びＺ軸の各軸周りの回転方向変位とに対しては、図示しないストッパー等の手段で規制されることによって剛性が高められている。しかしながら、Ｚ軸方向への並進方向変位以外の変位については、若干の自由度を持っていても良い。

図２Ａおよび図２Ｂは、本発明の操作力発生装置の第１実施例である操作力発生装置１Ａが対象物に操作力を加える作動原理を概念的に示すものである。この実施例の操作力発生装置１Ａでは、図２Ａに示すように上記基板２ａが上記アクチュエータ４により駆動され、図２Ｂに示すように基板２ｂが対象物ＯＢに接触すると、その対象物ＯＢからの反力より低剛性機構３のみが弾性的に変位作動し、その変位作動によって発生する力が、対象物ＯＢに加わる操作力ＡＦとして対象物ＯＢに働く。

上記低剛性機構３は、長さ方向の弾性変形とその弾性変形により発生する力とが線形性を持つ例えば図示の機械バネのような低剛性部材１０によって構成されていて、この低剛性部材１０が上記両基板２ａ，２ｂ間に取付けられている。また、その低剛性部材１０の直進方向の変位作動量としての変形量を計測できる変位センサ１１が低剛性部材１０の内部に収容され、その変位センサ１１の両端がボールジョイント１２，１２を介して上記両基板２ａ，２ｂに連結されて、この変位センサ１１で上記低剛性部材１０の長さ方向の弾性変形量を検出できるように構成されている。なお、この低剛性機構３は複数設けることができる。

また、アクチュエータ４を制御する制御装置１３は、例えば図３にブロック線図で示す第１制御回路例により構成されている。すなわち、低剛性部材１０の実際の弾性変位（弾性変形量）を上記変位センサ１１により検出して、目標とする操作力に見合った目標弾性変位（弾性変形量）に、上記変位センサ１１で検出された実際の弾性変位が追従するように、上記アクチュエータ４により広帯域に渡り基板２ａの動きひいては低剛性部材１０の弾性変位（弾性変形量）を高精度に制御している。なお低剛性部材１０の長さ方向の弾性変形とその弾性変形により発生する力との間の関係には線形性があるため、目標弾性変位（弾性変形量）は線形な剛性モデルを用いて目標操作力から換算することが可能である。

このような構成を有する操作力発生装置１Ａによれば、測定帯域が広帯域である変位センサを用いて低剛性部位の変位作動量が制御されるため、言い換えれば、目標とする操作力に見合った目標弾性変位が高精度な位置制御により広帯域に渡り実現されるため、高精度に操作力を発生させることができる。

なお、上記低剛性部材１０は、その長さ方向の弾性変形とその弾性変形により発生する力との間の関係に線形性があるものであれば、その素材や形状あるいは中空か非中空かといったようなことは任意である。一方、変位センサ１１も、リニアポテンショメーターやリニアエンコーダあるいはレーザ変位センサなど、直線的な変位（変形量）を検出できるものであればどのようなものでも良く、また、この変位センサ１１は必ずしも低剛性部材１０の内部に設ける必要はなく、その外部に配置することもできる。

また、予め操作力を加える対象物の位置が分かっている場合、特に脚式ロボットの支持脚のように操作力を加える対象物としての床に常に接触している場合には、上記の変位センサ１１の代わりに、上記アクチュエータ４の作動位置を検出する図１では図示しない位置センサを使用し、例えば図４にブロック線図で示す第２制御回路例から構成される制御装置１３Ｂのように、対象物の想定位置とアクチュエータ４の実際の作動位置とから上記低剛性部材１０の弾性変位（弾性変形量）を推定して、上記低剛性部材１０の目標弾性変位を制御することが可能であり、このようにしても、所望の操作力を発生させることができる。

図５は、本発明の第２実施例を模式的に示すもので、この第２実施例の操作力発生装置１Ｂが上記第１実施例の操作力発生装置１Ａと相違するのは、低剛性機構３の低剛性部材１０が、ゴム状弾性を有する柱状（図では中空円柱状）のゴム状弾性部材によって形成される点である。長さ方向の弾性変形とその弾性変形による発生する力との間の関係が線形性を持つゴム状弾性部材を採用することにより、この操作力発生装置１Ｂは実質的に第１実施例と同様の原理で操作力を発生させる。

図６は、本発明の第３実施例の構成を模式的に示すもので、この第３実施例の操作力発生装置１Ｃは、回転方向の操作力を対象物に加えるように構成されている点で、上記第１実施例及び第２実施例と相違している。即ち、二つの基板２ａ，２ｂは、Ｘ軸を中心として相互間の角度が変わることで間隔が変わる方向に相対的に変位自在になるように配設され、これら基板２ａ，２ｂの間に、低剛性機構３が少なくとも一つ介設されている。また、アクチュエータ４は、Ｘ軸を中心軸として上記基板２ａをそのＸ軸周りに回転方向に駆動するように構成されている。なお、上記基板２ａ，２ｂが互いに連結されている位置及び、上記アクチュエータ４が上記基板２ａを回転駆動する中心軸は、Ｘ軸には限られない。

上記低剛性機構３は、この実施例では低剛性部材２０によって構成され、この低剛性部材２０は、ゴム状弾性を有する中空円柱状のゴム状弾性部材からなっていて、その両端が両基板２ａ，２ｂの傾斜に合わせて斜めに形成されている。また、上記低剛性部材２０の内部には変位センサ２１が収容され、その変位センサ２１の両端がボールジョイント２２，２２を介して上記両基板２ａ，２ｂに連結され、この変位センサ２１で上記基板２ａの回転方向の上記低剛性部材２０の弾性変位（弾性変形量）を検出できるように構成されている。これらの点以外は実質的に第２実施例と同様である。

なお、この第３実施例においても、上記低剛性部材２０は、上記回転方向の弾性変形とその弾性変形により発生する回転力（トルク）との間の関係に線形性があるものであれば、その素材や形状あるいは中空か非中空かといったようなことは任意である。また、変位センサ２１も、ロータリーポテンショメーターやロータリーエンコーダ等、回転方向変位を検出できるものであればどのようなものでも良く、また、この変位センサ２１は必ずしも低剛性部材２０の内部に設ける必要はなく、その外部に配置することもできる。

また、予め操作力を加える対象物の位置が分かっている場合、特に脚式ロボットの支持脚のように操作力を加える床に常に接触している場合には、上記の変位センサ２１の代わりに上記アクチュエータ４の作動位置を検出する図６では図示しない回転角センサを使用し、上記回転方向の上記低剛性部材２０の弾性変位（弾性変形量）を推定して、上記回転方向のその低剛性部材２０の目標弾性変位（弾性変形量）を制御することが可能であり、これにより所望の操作力を発生させることができる。

図７は、本発明の第４実施例の構成を模式的に示すもので、この操作力発生装置１Ｄは、第１及び第２の二つの基板２ａ，２ｂの間に介設する低剛性機構３を複数の低剛性部材１０により構成したものである。この低剛性機構３は、第１実施例のように機械バネによる低剛性部材１０でも、第２実施例のようにゴム状弾性部材による低剛性部材１０でも、第３実施例のように基板の回転方向に変形するゴム状弾性部材による低剛性部材２０でもよく、これらを併用しても良い。図７に示す例では、低剛性機構３を、Ｚ軸に沿う並進方向並びにＸ軸及びＹ軸周りの回転方向には線形性をもって大きな弾性変形を生じ、Ｘ軸及びＹ軸に沿う並進方向並びにＺ軸周りの回転方向には線形性をもって小さな弾性変形を生じるような異方性を持つ低剛性部材１０を３組使用して構成している。そしてその３組の低剛性部材１０の配置は、両基板２ａ，２ｂの間で３組の低剛性部材１０が正３角形の３隅に位置するような位置関係としている。さらに、上記基板２ａは、ロボットの胴体１４の下に設けられた脚１５の動作を全体でもたらす、各々回動駆動型の６個のアクチュエータ４により駆動される構成となっている。

上記構成を有する操作力発生装置１Ｄは、例えばロボットマニピュレータの手首の機構や、脚式ロボットの足部の機構に使用するのに適している。線形特性を有する低剛性部材１０を上記のように構成することにより、低剛性機構３の弾性変位作動（並進３自由度と回転３自由度の６自由度）とその弾性変位作動により発生する力（３軸並進力と３軸回転トルクの６自由度）との間の関係に線形性を持たすことができると同時に、本発明の第１実施例の操作力発生装置の作動原理と実質的に同様に、両基板２ａ，２ｂの相対変位（並進３自由度と回転３自由度の計６自由度）、すなわち低剛性機構３の弾性変位作動を、６個のアクチュエータ４によって高精度に制御することにより、適切な操作力（３軸並進力と３軸回転トルクの６自由度）を発生させることができる。

図８Ａは、上記第４実施例の操作力発生装置１Dを脚式ロボットの足部の機構に使用した場合に、その操作力発生装置１Dによって床面に対し所望の操作力（回転モーメント）を加える際の作動原理を概念的に示すものであり、図８Ｂおよび図８Ｃは、図８ＡのＡ部を拡大して互いに異なる作動状態で示すものである。この実施例では図示のように、脚式ロボットの片方の脚１５を構成する６個のアクチュエータ４により上記基板２ａが駆動され、低剛性機構３のみが弾性変位作動を生じ、その弾性変位作動によって発生する力が、床に加わる操作力として床に働くように構成されている。

図９は、本発明の操作力発生装置の第５実施例の構成を模式的に示すもので、この第５実施例の操作力発生装置１Ｅが上記第１実施例の操作力発生装置１Ａと相違するのは、低剛性機構３を構成する低剛性部材１０の弾性変位（弾性変形）とその弾性変位により発生する力との間の関係に線形性がある必要が無い点と、制御装置２３内で、低剛性部材１０の変位量（変形量）とその変位によって発生する力との間の関係を予め測定した変位−操作力特性６から、低剛性部材１０の所望の目標弾性変位（弾性変形）を求めている点である。

上記制御装置２３には、例えば図１０にブロック線図で示す第３制御回路例から構成される制御装置２３Ａを用いることができる。この制御装置２３Ａが制御装置１３と相違しているのは、目標操作力から低剛性部材１０の目標弾性変位を求める際に、予め測定した変位−操作力特性６を用いている点である。従って、この第３制御回路例による操作力発生装置の作動原理は実質的に第１制御回路例と同様で、低剛性部材１０の弾性変位を高精度に制御することにより、目標とする操作力を適切に発生させることができる。

また、予め操作力を加える対象物の位置が分かっている場合、特に脚式ロボットの支持脚のように操作力を加える床に常に接触している場合には、例えば図１１にブロック線図で示す第４制御回路例から構成される制御装置２３Ｂを用いることにより、所望の操作力を発生させることができる。この第４制御回路例と図４に示す第２制御回路例との相違点は、目標操作力から低剛性部材１０の目標弾性変位を求める際に、予め測定した変位−操作力特性６を用いている点であり、その操作力発生原理は、図４の第２制御回路例と同様である。

図１２は、本発明の第６実施例の構成を模式的に示すもので、この第６実施例の操作力発生装置１Ｆが上記第５実施例の操作力発生装置１Ｅと相違する点は、低剛性機構３の低剛性部材１０が、ゴム状弾性を有する柱状のゴム状弾性部材により形成される点である。この第６実施例の操作力発生装置１Ｆによれば、上記第５実施例と同様に、ゴム状弾性部材の長さ方向の弾性変位（弾性変形）とその弾性変位により発生する力との間の関係に線形性がなくても、制御装置２３内で、低剛性部材１０の変位量とその変位によって発生する力との間の関係を予め測定した変位−操作力特性６から、低剛性部材１０の所望の目標弾性変位（弾性変形）を求め、アクチュエータ４によってその目標弾性変位を高精度に制御することにより、所望の操作力を適切に発生させることができる。

図１３は、本発明の第７実施例の構成を模式的に示すもので、この第７実施例の操作力発生装置１Ｇは、回転方向の操作力を対象物に加えるように構成されている点で、上記第５実施例及び第６実施例と相違している。即ち、二つの基板２ａ，２ｂは、Ｘ軸を中心として相互間の角度が変わることで間隔が変わる方向に相対的に変位自在なるように配設され、これら基板２ａ，２ｂの間に、低剛性機構３が少なくとも一つ介設されている。また、アクチュエータ４は、Ｘ軸を中心軸として上記基板２ａをそのＸ軸周りに回転方向に駆動するように構成されている。なお、上記基板２ａ，２ｂが互いに連結されている位置及び、上記アクチュエータ４が上記基板２ａを回転駆動する中心軸は、Ｘ軸には限られない。

この実施例の装置によれば、上記第５実施例及び第６実施例と同様に、低剛性部材２０を構成し且つ両基板２ａ，２ｂの傾斜に合わせて両端を斜めに形成されているゴム状弾性部材の上記回転方向の弾性変位（弾性変形）とその回転弾性変位によって発生する回転力（トルク）との間の関係に線形性がなくても、制御装置２３内で、低剛性部材２０の上記回転方向の弾性変位量（弾性変形量）とその回転弾性変位によって発生する回転力（トルク）との間の関係を予め測定した変位−操作力特性６から低剛性部材２０の所望の回転方向目標弾性変位（弾性変形）を求め、アクチュエータ４によってその回転方向目標弾性変位を高精度に制御することにより、所望の操作力（トルク）を適切に発生させることができる。

図１４は、本発明の第８実施例の構成を模式的に示すもので、この第８実施例の操作力発生装置１Ｈが先の第４実施例の操作力発生装置１Ｄと相違するのは、低剛性機構３の弾性変位作動とその弾性変位作動により発生する力との間の関係に線形性がある必要が無い点と、制御装置２３内で低剛性機構３の変位作動量とその変位作動によって発生する力との間の関係を予め測定した変位−操作力特性６から低剛性機構３の所望の目標弾性変位を求めている点である。これにより、上記第７実施例と同様の作動原理によって、所望の操作力を適切に発生させることができる。

図１５は、本発明の第９実施例の構成を模式的に示すもので、この第９実施例の操作力発生装置１Ｉは、相対する一対の基板２ａ，２ｂと、これらの基板２ａ，２ｂ間に介設された低剛性機構３と、上記両基板２ａ，２ｂ間の振動を減衰させる高減衰機構７と、上記基板２ａを駆動するアクチュエータ４と、アクチュエータ４を制御する制御装置３３とを有している。

上記低剛性機構３と制御装置３３との組み合わせは、第１実施例及び第２実施例におけるような線形特性を有する低剛性部材１０と制御装置１３との組み合わせでも、第５実施例及び第６実施例におけるような線形特性である必要がない低剛性部材２０と変位−操作力特性６を有する制御装置２３との組み合わせでも良い。

上記両基板２ａ，２ｂは、第１実施例、第２実施例、第５実施例、第６実施例と同様に、実質的に互いに平行を保ったまま相互の間隔が変化する方向に変位自在になるように配設されている。換言すれば、これら基板２ａ，２ｂは、それらと直行するＺ軸方向への相対的な変位は自在であるが、その他の方向即ち、基板２ａ，２ｂと平行で互いに直行するＸ軸方向及びＹ軸方向への相対的な並進方向変位と、Ｘ軸，Ｙ軸及びＺ軸の各軸周りの回転方向変位とに対しては、図示しないストッパー等の手段で規制されることによって剛性が高められている。しかしながら、Ｚ軸方向への並進方向変位以外の変位については、若干の自由度を持っていても良い。この第９実施例の操作力発生装置１Ｉでも、上記基板２ａが上記アクチュエータ４により駆動され、これにより上記基板２ｂが図示しない対象物に接触すると、その対象物からの反力により低剛性機構３が弾性的に変位作動し（低剛性部材１０が弾性変位即ち弾性変形し）、その弾性変位作動によって発生する力が、対象物に加わる操作力として対象物に働くように構成されている。

一方、上記高減衰機構７は、低剛性機構３の長さ方向の変位作動の速度に対抗する力を発生させる作用を持つ作動流体を用いた緩衝器のような高減衰部材４０により形成されていて、この高減衰部材４０が上記両基板２ａ，２ｂ間に取付けられている。図１６は、この作動流体を用いた緩衝器４４の構成例を模式的に示し、この緩衝器４４は、ピストンロッド７ａと、本体内に固設されたインナーチューブ７ｂと、インナーチューブ７ｂ内のピストンロッド７ａの端部に設けられたピストン７ｃと、インナーチューブ７ｂに開けられた多数の孔状のオリフィス７ｄと、本体内に封入された作動流体７ｅとを有しており、かかる緩衝器４４は、市販の油圧式緩衝器でも、空気圧式緩衝器でも、調整型緩衝器でも良く、またそれらを併用しても良い。

上記高減衰機構７は、低剛性機構３の長さ方向の弾性変位作動の速度に対抗する力を発生させる作用を持つため、その作動は、上記アクチュエータ４により低剛性機構３の低剛性部材１０の弾性変位（弾性変形）を高精度に制御する際に減衰作用として働く。そのため、所望の操作力を発生させる制御装置３３で抑えきれないような、上記両基板２ａ，２ｂ間に発生する振動を抑制することができるとともに、基板２ｂが対象物に接触した際に発生する衝撃力も抑制することができる。従って、上記第９実施例の操作力発生装置１Ｉは、衝撃力を緩衝しつつ安定した操作力を発生させることができる。

なお、上記第９実施例の操作力発生装置１Ｉでは、並進方向の低剛性部材１０と並進方向の高減衰部材４０を用いていたが、回転方向の低剛性部材２０と回転方向の高減衰機構５０を用いるようにすれば、第３実施例及び第７実施例の操作力発生装置の操作力を安定して発生させることができる。

図１７は、本発明の第１０実施例の構成を模式的に示すもので、この第１０実施例の操作力発生装置１Ｊが上記第９実施例の操作力発生装置１Ｉと相違するのは、高減衰機構７の高減衰部材４０が、変位（変形）とともにばね定数が変化する特性を有する非線形ゴム状弾性部材４５を用いて形成されている点である。

上記非線形ゴム状弾性部材４５は、図１８にその特性を示すように、変位（変形）とともにばね定数が変化（図では増加）する特性を有する部材であれば、その素材や形状は任意である。

上記非線形ゴム状弾性部材４５は、変位とともにばね定数が変化（増加）する特性を持つため、その弾性力は、上記アクチュエータ４により低剛性部材１０の弾性変位（弾性変形）を高精度に制御する際に減衰作用として働く。そのため、所望の操作力を発生させる制御装置３３で抑えきれないような、上記両基板２ａ，２ｂ間に発生する振動を抑制することができるとともに、基板２ｂが対象物に接触した際に発生する衝撃力も抑制することができる。従って、上記第１０実施例の操作力発生装置１Ｊは、衝撃力を緩衝しつつ安定した操作力を発生させることができる。

図１９は、本発明の第１１実施例の構成を模式的に示すもので、この第１１実施例の操作力発生装置１Ｋは、第１及び第２の二つの基板２ａ，２ｂの間に介設する低剛性機構３を複数の低剛性部材１０により構成するとともに、同じく第１及び第２の二つの基板２ａ，２ｂの間に介設する高減衰機構７を複数の高減衰部材４０により構成したものである。ここにおける低剛性機構３は、第１実施例におけるような機械バネによる低剛性部材１０でも、第２実施例におけるようなゴム状弾性部材による低剛性部材１０でも、第３実施例におけるような回転方向に変位（変形）するゴム状弾性部材による低剛性部材２０でも良く、これらを併用しても良い。また、ここにおける高減衰機構７は、第９実施例におけるような作動流体を用いた緩衝器４４による高減衰部材４０でも、第１０実施例におけるような変位とともにばね定数が変化する特性を有する非線形ゴム状弾性部材４５による高減衰部材４０でも良く、これらを併用しても良い。

上記第１１実施例の操作力発生装置１Ｋでは、低剛性機構３を、第４実施例及び第８実施例と同様に、Ｚ軸に沿う並進方向並びにＸ軸及びＹ軸周りの回転方向には線形性をもって大きな弾性変形を生じ、Ｘ軸及びＹ軸に沿う並進方向並びにＺ軸周りの回転方向には線形性をもって小さな弾性変形を生じるような異方性を持つ低剛性部材１０を３組使用して構成している。そしてその３組の低剛性部材１０の配置は、両基板２ａ，２ｂの間で３組の低剛性部材１０が正３角形の３隅に位置するような位置関係としている。一方、高減衰機構７は、６組の高減衰部材４０、図１９の例では作動流体を用いた緩衝器４４を使用し、互いに隣接する２つの低剛性部材１０の間にそれぞれＶ字型をなす２組の高減衰部材４０が位置するような位置関係に配置して構成している。ここにおける上記低剛性機構３と制御装置３３との組み合わせは、第４実施例におけるような線形特性を有する低剛性部材１０と制御装置１３の組み合わせでも、第８実施例におけるような線形特性である必要がない低剛性部材２０と変位−操作力特性６を有する制御装置２３との組み合わせでも良く、それらを併用しても良い。それ以外の構成は、第４実施例及び第８実施例と同様であり、上記基板２ａは、ロボットの胴体１４の下に設けられた脚１５の動作を全体でもたらす、各々回動駆動型の６個のアクチュエータ４により駆動される構成となっている。

上記高減衰機構７は、図１９に示すように構成することにより、６次元（並進３自由度と回転３自由度の計６自由度）の弾性変位の速度に対抗する力を発生させる作用を持つので、その作動は、６個の上記アクチュエータ４により低剛性部材１０の弾性変位（弾性変形）を６次元に高精度に制御する際に、減衰作用として働く。そのため、所望の操作力（３軸並進力と３軸回転トルク）を発生させる制御装置３３で抑えきれない、上記両基板２ａ，２ｂ間に発生する６次元の振動を抑制することができるとともに、基板２ｂが対象物に接触した際に発生する６次元の衝撃力も抑制することができる。従って、上記第１１実施例の操作力発生装置１Ｋは、６次元の衝撃力を緩衝しつつ安定した６次元の操作力を発生させることができる。

以上詳述したように、本発明によれば、ロボットの構造の一部に低剛性機構を介設し、その低剛性機構の変位を、測定帯域が広帯域である変位センサを用いて、広帯域に渡り精度良く位置制御することにより、ロボットが外部に加える操作力を精度良く発生させることができる。

本発明の操作力発生装置の第１実施例の構成を模式的に示す構成図である。 図２Ａは、本発明の操作力発生装置の第１実施例が対象物に操作力を加える作動原理を概念的に示す説明図である。図２Ｂは、上記第１実施例の操作力発生装置が対象物に操作力を加える作動原理を概念的に示す説明図である。 上記第１実施例の操作力発生装置の制御装置を構成し得る第１制御回路例を示すブロック線図である。 上記第１実施例の操作力発生装置の制御装置を構成し得る第２制御回路例を示すブロック線図である。 本発明の操作力発生装置の第２実施例の構成を模式的に示す構成図である。 本発明の操作力発生装置の第３実施例の構成を模式的に示す構成図である。 本発明の操作力発生装置の第４実施例の構成を模式的に示す構成図である。 図８Ａは、上記第４実施例の操作力発生装置を脚式ロボットの足部の機構に使用した場合の作動原理を概念的に示す説明図である。図８Ｂは、図８ＡのＡ部を拡大して示す説明図である。図８Ｃは、図８ＡのＡ部を拡大して図８Ｂと異なる状態で示す説明図である。 本発明の操作力発生装置の第５実施例の構成を模式的に示す構成図である。 上記第５実施例の操作力発生装置の制御装置を構成し得る第３制御回路例を示すブロック線図である。 上記第５実施例の操作力発生装置の制御装置を構成し得る第４制御回路例を示すブロック線図である。 本発明の操作力発生装置の第６実施例の構成を模式的に示す構成図である。 本発明の操作力発生装置の第7実施例の構成を模式的に示す構成図である。 本発明の操作力発生装置の第8実施例の構成を模式的に示す構成図である。 本発明の操作力発生装置の第9実施例の構成を模式的に示す構成図である。 上記第９実施例の操作力発生装置の緩衝器の構成例を模式的に示す構成図である。 本発明の操作力発生装置の第１０実施例の構成を模式的に示す構成図である。 上記第１０実施例の操作力発生装置の非線形ゴム状弾性部材の特性例を示す特性図である。 本発明の操作力発生装置の第１１実施例の構成を模式的に示す構成図である。

符号の説明

１Ａ〜１Ｋ 操作力発生装置
２ａ，２ｂ 基板
３ 低剛性機構
４ アクチュエータ
６ 変位−操作力特性
７ 高減衰機構
１０，２０ 低剛性部材
１１，２１ 変位センサ
１２，２２ ボールジョイント
１３，２３，３３ 制御装置
１４ ロボットの胴体
１５ 脚
４０，５０ 高減衰部材
４４ 緩衝器
４５ 非線形ゴム状弾性部材

Claims (9)

1. ロボットが外部に加える操作力の反力によって互いの間隔が変化する方向に変位する一対の相対する基板の間に、前記操作力の反力によって線形に変位作動する低剛性機構を少なくとも一つ介設し、前記低剛性機構の変位作動を制御することにより所望の操作力を発生させることを特徴とする、操作力発生装置。
2. 前記操作力によって線形に変位作動する低剛性機構が機械バネを有し、この機械バネの変形量を変位作動量として制御することを特徴とする、請求項１記載の操作力発生装置。
3. 前記操作力によって線形に変位する低剛性機構が柱状のゴム状弾性部材を有し、このゴム状弾性部材の変形量を変位作動量として制御することを特徴とする、請求項１記載の操作力発生装置。
4. ロボットが外部に加える操作力の反力によって互いの間隔が変化する方向に変位する一対の相対する基板と、
   これらの基板間に介設された少なくとも一つの低剛性機構とを具え、
   この低剛性機構の変位作動量とその変位作動によって発生する力との間の関係を予め測定した変位−操作力特性から、所望の操作力を発生させるために必要な低剛性機構の変位作動量を求め、その変位作動量となるように低剛性機構の変位作動を制御することにより所望の操作力を発生させることを特徴とする、操作力発生装置。
5. 前記低剛性機構が機械バネを有し、
   予め測定した変位−操作力特性から、所望の操作力を発生させるに必要な変位作動量としての、前記機械バネの変形量を求め、その変形量となるように前記機械バネの変形を制御することを特徴とする、請求項４記載の操作力発生装置。
6. 前記低剛性機構が柱状のゴム状弾性部材を有し、
   予め測定した変位−操作力特性から、所望とする操作力を発生させるに必要な変位作動量としての、前記ゴム状弾性部材の変形量を求め、その変形量となるように前記ゴム状弾性部材の変形を制御することを特徴とする、請求項４記載の操作力発生装置。
7. 前記ロボットが外部に加える操作力の反力およびそのロボットに外部から加わる衝撃力の少なくとも一方によって互いの間隔が変化する方向に変位する一対の相対する基板の間に、それら両基板間の振動を減衰させる高減衰機構を少なくとも一つ介設したことを特徴とする、請求項１または請求項４記載の操作力発生装置。
8. 前記高減衰機構が作動流体を用いた緩衝器であることを特徴とする、請求項７記載の操作力発生装置。
9. 前記高減衰機構が変形するとともにばね定数が変化する特性を有する非線形ゴム状弾性部材であることを特徴とする、請求項７記載の操作力発生装置。

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