JP2005211993A

JP2005211993A - 揺動装置を有する多関節ロボット

Info

Publication number: JP2005211993A
Application number: JP2004018046A
Authority: JP
Inventors: Yuji Adachi; 勇治足達; Masaki Yamamoto; 正樹山本; Yasunao Okazaki; 安直岡▲崎▼
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-01-27
Filing date: 2004-01-27
Publication date: 2005-08-11
Anticipated expiration: 2024-01-27
Also published as: JP4250538B2

Abstract

【課題】関節がコンプライアンスを持つ多関節ロボットが、低剛性な故に発生する振動の影響を除去し制御性能を上げることが可能なロボット装置を提供する。
【解決手段】関節がコンプライアンスを持つ多関節アーム１と、上記多関節アーム１の先端部に取り付けられたエンドエフェクタ２と、上記多関節アーム１の略先端部又はエンドエフェクタに取り付けられた揺動装置３とを有するロボットシステムに於いて、多関節アーム１の動特性を事前に予測し、揺動装置３を能動的に制御することによって、低剛性な多関節アームの制御性を高めることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、家庭内に家事支援用として導入することが可能な、安全で軽量・柔軟な多関節ロボットに於いて、揺動装置を能動的に制御することによりロボット作業の効率化を図ることができる、揺動装置を有する多関節ロボットに関するものである。

従来の揺動装置を持った多関節ロボットとしては、産業用ロボットの分野でいくつか従来例が見られる。（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４参照）
図１３Ａ、図１３Ｂは、従来例１として上記特許文献１に記載された振動ハンドを示す。

図１３Ａ、図１３Ｂを用いて上記特許文献１に記載された従来例を説明する。図１３Ｂ中、１２１は挿入孔、１２０はロボット先端の取付板１１７に取り付けられた把持部１１８に把持して取り付けられる挿入ピンであり、ロボットはピン１２０を挿入孔１２１に挿入するタスクを持っている。また、Ｃ１、Ｃ２は挿入孔１２１の周囲の縁の面取り寸法及びピン１２０の先端の周囲の面取り寸法をそれぞれ示す。ここで、ロボットの位置決め誤差δのために、位置決め誤差δが（面取り寸法Ｃ１＋面取り寸法Ｃ２）以下でないと、ピン１２０はホール１２１と干渉してしまい、挿入不可能である。そこで、図１３Ａに示す２軸の振動ユニットをエンドエフェタと把持部の間に挿入することにより、振動振幅をＲ、円振動数ωとしてＲｓｉｎ（ωｔ）なる振動を与えることにより、位置決め誤差δが（面取り寸法Ｃ１＋面取り寸法Ｃ２＋振動振幅Ｒ）以下にまで挿入可能となって位置決め誤差許容範囲を拡大でき、挿入タスクを容易にすることができる。図１３Ａにおいて、アーム取付板１１１と中間振動板１１２とに、２枚の平行バネ１１３により連結された第１ユニットと２枚の平行バネ１１３により連結された第２ユニットを９０度ずらして構成されている。アーム取付板１１１及び中間振動板１１２の下には、それぞれ、取付けブロック１１５を介して、圧電素子１１６を取り付ける。以上の構成によって、水平方向の任意の方向に変位が可能となっている。また、各ユニットには歪ゲージ１１４が取り付けられ、圧電素子１１６により実際の変位を測定する。２方向の圧電素子１１６に位相の異なる正弦波電圧を入力しながら、歪ゲージ１１４の電気信号を演算処理部１１８に入力して、挿入ピン１２０の先端方向を挿入孔１２１の最も嵌合しやすい方向へ偏芯させて挿入させている。

図１４は、従来例２として上記特許文献２に記載された産業用ロボットの部品供給装置を示す。

図１４を用いて、従来例２を説明する。水平多関節ロボット２０３に於いて、ネジ締結作業ツール２１０は第３関節の先端部に取り付けられている。ネジ締結作業ツール２１０にネジ部品を供給するために、部品供給装置２３０、加振部２３１、ネジ貯蓄ケース２３２、ガイドレール２４１、ネジ押さえ２４３からなるパーツフィーダユニットが第２関節の直下に取り付けられている。加振部２３１を振動させることによって部品を供給することができる。第２関節の直下に配置することで慣性モーメントを最小化するとともに、ガイドレール２４１の長さを最小化し、部品供給距離短縮を可能としている。

図１５は、従来例３として上記特許文献３に記載された重合工程における添加剤投入装置を示す。

図１５を用いて従来例３を説明する。ステージ３１６は、モータ３２４によって前後方向にラックピニオン機構３２６によって搬送され、また、送りねじ３１７により上下方向へ移動される直交型の走行装置上に固定されている。ステージ３１６の上面には、チャック３０６、及び回転機構３１２が配置されている。添加剤収容缶３０４は予め計量された添加剤が充填された収容缶である。チャック３０６は添加剤収容缶３０４を把持し、上記直交型の走行装置によって、重合を行う添加剤調整槽の上部まで搬送され、回転機構３１２によって上下を反転させ投入される。その際、バイブレータ３１４により添加剤収容缶３０４に振動を加えて添加剤収容缶３０４の内部の添加剤をすべて投入する。バイブレータ３１４による振動は計量された添加剤収容缶３０４の内部の添加剤をすべて排出することを目的としている。

図１６は、従来例４として上記特許文献４に記載された穴あけ方法及び装置を示す。
図１６を用いて、従来例４を説明する。衛生陶器に穴あけする加工治具４０１がロボットアーム４０２の先端に超音波発生器４１２を介して取り付けられている。超音発生器４１２は加工治具４０１の先端を高速で振動させ、この先端部が接触する陶器表面を加工する。加工により発生する図示しない加工くずは、負圧発生器４０８により加工時具４０１の外部に取り出され、スムースな加工を可能としている。

特開昭６０−９４２３５号公報（図３、図４など）特開昭６１−７９５２４号公報（図２など）特開昭６２−１８４００３号公報（図２など）特開平１１−２９１２２８号公報（図１など）

しかしながら、安全で軽量・柔軟な多関節ロボットに、上記従来の構成を適用した場合、その振動の影響が多関節ロボット部に表れ、後述する望ましい効果が発揮できない。これは、従来例の構成ではアームに相当する部分の剛性が高いのに対して、安全で軽量・柔軟な多関節ロボットでは剛性が低いためである。個別に以下に述べる。

従来例１では、ロボットの位置決め精度・機械剛性が高い場合のみ有効である。なぜなら、低剛性な多関節アーム先端に本従来例１に示される振動要素を設置しても、予期できない外乱の影響により、アーム先端の位置決め位置の比較的大きいずれが発生する。本手法では、微小変位によるによるピンと穴の位置ずれ量検出及び位置ずれ量の吸収を前提としているため、機能が不可能になるためである。

従来例２では、部品供給（ネジ）を目的とし、部品供給に最適化された一定振動数で振動させており、低剛性な多関節アーム先端に設置した場合、アームの姿勢により刻々と変化するアームの動特性と連携した動きをすることは不可能である。

従来例３では、使用しているバイブレータは添加剤を排出のための周波数に固定されており、搬送系全体の揺動に関与しない。低剛性の多関節アームに同様の機構を用いても、アームの姿勢により刻々と変化するアーム先の動特性に合わせて振動不可能である。

従来例４では、超音波発生器を低剛性な多関節アームの先端に設置しても、多関節アームの動特性から決定される振動の周波数領域は（数十〜数百ヘルツ）であり、これに比べて、超音波振動は２桁〜３桁高周波で、多関節アームの動特性に合わせて振動することは不可能である。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、関節がコンプライアンスを持つ多関節ロボットが、低剛性な故に発生する振動の影響を除去し制御性能を上げることが可能なロボット装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、コンプライアンスを持つ関節を複数個有する多関節アームと、
上記多関節アームの先端部に取り付けられたエンドエフェクタと、
上記多関節アームの上記先端部に取り付けられて上記先端部の振動状態を推定する振動状態推定装置と、
上記多関節アームの上記先端部の近傍又は上記エンドエフェクタに取り付けられて、上記振動状態推定装置により推定された上記先端部の振動状態に基づく振動を上記多関節アームの上記先端部の近傍又は上記エンドエフェクタに付与する揺動装置とを有するロボット装置を提供する。

本発明のロボット装置によれば、上記多関節アームの上記先端部に取り付けられて上記先端部の振動状態を推定する振動状態推定装置と、上記多関節アームの上記先端部の近傍又は上記エンドエフェクタに取り付けられて、上記振動状態推定装置により推定された上記先端部の振動状態に基づく振動を上記多関節アームの上記先端部の近傍又は上記エンドエフェクタに付与する揺動装置とを備えることにより、多関節アームの動特性をオンライン又はオフラインで予測し、揺動装置を能動的に動作制御して上記多関節アームの上記先端部の近傍又は上記エンドエフェクタに所望の振動を付与することができて、低剛性な多関節アームの動作制御性を高めることができる。すなわち、エンドエフェクタの動特性に基づいて揺動装置を動作制御することにより、例えばエンドエフェクタの位置と発生しうる慣性力を能動的に制御することができ、多関節アームの先端部近傍又はエンドエフェクタに取り付けた揺動装置を振動させて、例えば、発生する振動力の方向と振動の周期や振幅などを多関節アームの動作と連携させることができる。よって、例えばエンドエフェクタに把持させた容器が最下点に到達するときに最大の慣性力が発生するように振動を制御して、例えば塩ふり動作を確実に行わせることができる。

以下、本発明の実施形態について説明する前に、まず、本発明の種々の態様について説明する。

本発明の第１態様によれば、コンプライアンスを持つ関節を複数個有する多関節アームと、
上記多関節アームの先端部に取り付けられたエンドエフェクタと、
上記多関節アームの上記先端部に取り付けられて上記先端部の振動状態を推定する振動状態推定装置と、
上記多関節アームの上記先端部の近傍又は上記エンドエフェクタに取り付けられて、上記振動状態推定装置により推定された上記先端部の振動状態に基づく振動を上記多関節アームの上記先端部の近傍又は上記エンドエフェクタに付与する揺動装置とを有するロボット装置を提供する。

本発明の第２態様によれば、上記振動状態推定装置は、上記先端部の振動状態を推定するために上記多関節アームの上記エンドエフェクタの動特性を推定する動特性推定器であり、
上記動特性推定器で推定された上記多関節アームの動特性に応じて、上記揺動装置によって発生する力を制御して上記エンドエフェクタに揺動効果を発生させることを特徴とする第１の態様に記載のロボット装置を提供する。

本発明の第３態様によれば、上記振動状態推定装置は、上記先端部の振動状態を推定するために上記多関節アームの動特性を推定する動特性推定器であり、
上記動特性推定器で推定された上記多関節アームの動特性に応じて、上記揺動装置によって生じる振動力を制御して上記エンドエフェクタに振動を発生させ、上記エンドエフェクタに接触している物体との摩擦状態を制御可能とすることを特徴とする第１の態様に記載のロボット装置を提供する。

上記構成によれば、上記動特性推定器で推定された上記多関節アームの動特性に応じて、上記揺動装置によって生じる振動力を制御して上記エンドエフェクタに振動を発生させ、上記エンドエフェクタに接触している物体との摩擦状態を制御可能としたので、例えば、多関節アームによる拭き掃除作業時に、接触面間に常に相対速度を持たせて静止状態を作らないように揺動装置で常に振動を多関節アームの先端部に付与して、摩擦が原因となるスティックスリップ（ひっかかりや、すべり）現象を低減させることができる。

本発明の第４態様によれば、上記振動状態推定装置は、上記先端部の振動状態を推定するために上記多関節アームの上記先端部の残留振動を検出する残留振動検出部（７０）であり、
上記残留振動検出部で検出された残留振動に応じて上記揺動装置による振動力を制御して上記多関節アームの位置決め制御時の残留振動を低減することを可能とすることを特徴とする第１の態様に記載のロボット装置を提供する。

上記構成によれば、上記振動状態推定装置として機能する上記残留振動検出部で検出された残留振動に応じて上記揺動装置による振動力を制御して上記多関節アームの位置決め制御時の残留振動を低減することを可能とするようにしたので、低剛性の多関節アームに発生する位置決め時の残留振動を抑制するような振動を付与して、上記多関節アームの上記先端部の近傍又は上記エンドエフェクタの残留振動を抑制することができる。

本発明の第５態様によれば、上記振動状態推定装置は、上記先端部の振動状態を推定するために上記多関節アームの動特性を推定する動特性推定器であり、
上記動特性推定器で推定された上記多関節アームの動特性に応じて上記揺動装置によって生じる振動力を制御して上記多関節アームの関節部に振動を発生させ、上記多関節アームの関節部における摩擦状態を制御可能なことを特徴とする第１の態様に記載のロボット装置を提供する。

上記構成によれば、動特性推定器で推定された上記多関節アームの動特性に応じて上記揺動装置によって生じる振動力を制御して上記多関節アームの関節部に振動を発生させて、上記多関節アームの関節部における摩擦状態を制御可能としたので、多関節アームの任意の関節を共振周波数以上で振動させることが可能となる。

本発明の第６態様によれば、上記揺動装置により付与する振動は、１キロヘルツ以下の振動である第１〜５のいずれか１つの態様に記載のロボット装置を提供する。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図中において同じ構成要素については同じ符号を用い、一度説明した構成要素については説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態におけるロボット装置の概念図である。図１に於いて、多関節アーム１の先端部にエンドエフェクタ２が設置されている。多関節アーム１は、関節にコンプライアンスを持つものとする。揺動装置３は、周波数可変であり、多関節アーム１の略先端部又はエンドエフェクタ２に取り付けられるものとし、その個数は１個又は複数としてもよい。また、振動方向は同一又は異なっていても良い。

多関節アーム１として家庭用の安全で軽量・柔軟な多関節アームを考えた場合、従来の減速機を用いたモータによる関節駆動では、ギア部の重量や剛性が高く適当でない。そのため、多関節アーム１として、ラバーアクチュエータやメカノケミカルアクチュエータ（人工筋肉）を用いた関節駆動のアクチュエータが開発されてきている。

図２に、多関節アーム１の一例としてマッキベン型の空気圧アクチュエータを示す。図２に示すように、ゴム材料で構成された管状弾性体６の外表面に繊維コードで構成された拘束部材７が配設され、管状弾性体６の両端部を封止部材５で気密封止する構造となっている。流体注入出部材４を通じ空気等の圧縮性流体により内圧を管状弾性体６の内部空間に与えると、管状弾性体６が主に半径方向に膨張しようとするが、拘束部材７の作用により、管状弾性体６の中心軸方向の運動に変換され、全長が収縮する。このマッキベン型のアクチュエータは主に弾性体で構成されるため、柔軟性があり、安全で軽量なアクチュエータであるという特徴を有する。

図３に上記マッキベン型空気圧アクチュエータを用いた機構を示す。図３に示すように、固定端８に対して２本のマッキベン型空気圧アクチュエータ９、１０が取り付けられ、拮抗型に構成されている。２本のマッキベン型空気圧アクチュエータ９、１０はそれぞれ上記図２のマッキベン型の空気圧アクチュエータと同じ構成である。関節部１２は、２本のアクチュエータ９，１０が伸縮することによってワイヤ１１を介して回転する構成である。具体的には、２本のマッキベン型空気圧アクチュエータ９、１０のそれぞれの流体注入出部材４が取り付けられた側の封止部材５を固定端８に固定し、２本のマッキベン型空気圧アクチュエータ９、１０のそれぞれの残りの封止部材５にはワイヤ１１のそれぞれの端部を固定し、かつ、関節部１２の一例としての回転自在に図示しないフレームなどに支持されたプーリーにワイヤ１１をかけて構成している。流体注入出部材４にはそれぞれポンプなどの流体注入出駆動装置６５が接続され、各流体注入出駆動装置６５はアームコントローラ６１に接続されており、アームコントローラ６１により流体注入出駆動装置６５がそれぞれ駆動制御されて、２本のマッキベン型空気圧アクチュエータ９、１０のそれぞれの管状弾性体６内に空気が注入出されてそれぞれ独立して伸縮することにより、関節部１２を正逆回転させることができる。

このような構成によれば、アクチュエータ９、１０が全体として軽量で柔軟性があるため、関節１２にコンプライアンスを持たせることが出来る。

揺動装置３は、携帯電話のバイブレータに見られるような偏芯おもりをモータで駆動する機構、カムクランク機構や、油圧空圧機構、おもりを前後にスライドさせる機構、ボイスコイルを用いた振動機構としてもよく、そのときの振動の振幅又は振動数いずれか又は両方を振動コントローラ６４により制御可能とする。

図４に示すようにエンドエフェクタ２に把持又は取付けされた被作業物体１３を示す。

例えば、被作業物体１３が一例として塩やこしょうの入った容器の場合でありかつ台所で調理時に上記容器１３をエンドエフェクタ２に把持させて塩やこしょうをふりかけるような作業をロボットに行わせるとする。このとき制御すべきパラメータは、上下動させる塩やこしょうの入った容器１３の位置制御と容器を振るための慣性力である。同じ台所作業でも、被作業物体１３が一例としてしょう油のような液体の入った容器の場合でありかつ上記容器１３をエンドエフェクタ２に把持させてしょう油のような液体を供給する場合には、しょう油のような液体の入った容器１３の傾斜角を変化させればよく、従来の制御手法によって各関節の位置制御のみを行えば作業は実現できた。しかし、塩ふりなどのふりかけ動作の場合には、所定の位置で所定の慣性力を発生することが必要であり、従来の多関節アームでは、関節トルクだけで慣性力を能動的に制御することは不可能であった。しかしながら、本実施形態１では、多関節アーム１の略先端部又はエンドエフェクタ２に取り付けた揺動装置３を振動させて、発生する振動力の方向と振動の周期や振幅をを多関節アーム１の動作と連携させることによって、例えば容器１３が最下点に到達するときに最大の慣性力が発生するように振動を制御する。

以上のように、揺動的な動作をロボットで行う場合に、揺動装置３を用いて、所望の作業を実現することができる。

図５に本第１実施形態の制御ブロック図の一例を示す。作業スケジューラ６０によって、先端軌道（エンドエフェクタ２の軌道）Ｐｄとフィードバックされた多関節アーム１の関節状態の情報（ここでは、例えば、関節の回転角度や位置などの情報を意味する。）Ｐを用いて、アームコントローラ６１が多関節アーム１を動作制御する。このときの関節状態の情報Ｐは、振動状態推定装置の一例としての動特性推定器６２へ入力されて、動特性推定器６２は、上記多関節アーム１の上記先端部の振動状態を推定するために、関節状態の情報Ｐに基づき上記多関節アーム１の上記エンドエフェクタ２の動特性を推定する。具体的には、動特性推定器６２に入力される関節状態の情報（先端の位置、速度、加速度、及び、関節の位置、速度、加速度）Ｐと、目標の関節状態先端の位置、速度、加速度、及び、関節の位置、速度、加速度）と比較し、時間遅れ等の伝達関数の比較分析やＦＦＴ解析による振動成分の分析を行って、多関節アーム１のエンドエフェクタ２の動特性を推定する。次いで、動特性推定器６２は、上記エンドエフェクタ２の動特性を作業スケジューラ６０に入力する。動特性推定器６２から入力された多関節アーム１のエンドエフェクタ２の動特性を基に、作業スケジューラ６０は、アームコントローラ６１の目標値やゲインを必要に応じて変更する。具体的には、予め多関節アーム１の追従可能な動特性範囲（速度や動作の周波数の範囲）を測定して基本的な制御可能範囲を求め、そのデータを元に、実際に計測された動特性から追従可能であれば、アームコントローラ６１の内部のゲインを適応的に修正していく。追従不能の場合には、目標軌道の経路や速度を追従可能な動特性範囲に入るように変更する。また、作業スケジューラ６０は、動特性推定器６２から入力された多関節アーム１のエンドエフェクタ２の動特性を考慮して振動スケジューラ６３に振動指令を与える。例えばエンドエフェクタ２の動特性としてエンドエフェクタ２に把持された容器１３が最下点に到達するときに、最大の慣性力が発生するように振動の位相と振幅を制御するような振動指令を振動スケジューラ６３に与える。振動スケジューラ６３は、入力された振動指令より、振動指令を実現する各揺動装置３の位相と振幅の指令値を生成し、振動コントローラ６４へ出力する。振動コントローラ６４は、入力された位相と振幅の指令値を基に各揺動装置３を動作制御する。

かかる制御によれば、エンドエフェクタ２の動特性をフィードバックして揺動装置３を制御することにより、手先の位置と発生しうる慣性力を能動的に制御することが出来る。

上記本発明の第１実施形態にかかるロボット装置によれば、多関節アーム１を機械的な構造ではなくラバーアクチュエータなどの弾性体で構成することにより、低剛性で軽量で柔軟性があるため、関節にコンプライアンスを持たせることが出来る上に、動特性推定器６２により推定された上記先端部の振動状態に基づく振動を揺動装置３により上記多関節アーム１の略先端部（又は先端部近傍）又はエンドエフェクタ２に付与することができるので、エンドエフェクタ２の動特性をフィードバックして揺動装置３を制御することにより、エンドエフェクタ２の位置と発生しうる慣性力を能動的に制御することが出来る。この結果、多関節アーム１の略先端部又はエンドエフェクタ２に取り付けた揺動装置３を振動させて、発生する振動力の方向と振動の周期や振幅を多関節アーム１の動作と連携させることによって、例えば容器１３が最下点に到達するときに最大の慣性力が発生するように振動を制御して、例えば塩ふり動作を確実に行わせることができる。

（第２実施形態）
図６は、本発明の第２実施形態のロボット装置においての面作業の図である。第２実施形態では、作業対象が床面や壁面などとし、例えば窓ふき作業、床ふき作業など面に対して相対速度を有して作業を行う場合とする。

図６において、多関節アーム１の先端部にエンドエフェクタ２が取り付けられている。この場合、エンドエフェクタ２は布など拭掃除具とする。この場合、床面１４に対して、エンドエフェクタ２を押し当てて作業を行う。

このような作業においては、従来は、ハイブリッド制御法という手法が用いられてきた。そのシステム構成を図７に示す。すなわち、図７に示されるように、多間接アーム９１の位置を、フィードバックされた多間接アーム９１の位置情報を基にアーム位置コントローラ９２で行い、多間接アーム９１の押し当て力を、フィードバックされた多間接アーム９１の押し当て力情報を基にアーム力コントローラ９３で行うようにしている。言い換えれば、ロボットである多間接アーム９１の位置Ｐをフィードバックして目標位置Ｐｄとの誤差から位置の操作量１をアーム位置コントローラ９２で決定し、押し当て力を検出する力センサからの力信号Ｆをフィードバックして目標の力Ｆｄとの誤差から力に関する操作量２をアーム力コントローラ９３で決定し、操作量１と操作量２との和として制御する方法である。

拭き掃除作業では、スティックスリップ（ひっかかりや、すべり）現象が問題となる。スティックスリップ現象とは、摩擦係数がすべり速度の増加とともに減少するときや静摩擦から動摩擦に移る際の不連続的な摩擦低下を含むときに発生する自励振動の一種である。このスティックスリップ現象を低減するために、接触面間に常に相対速度を持たせて静止状態を作らない（静止状態の時間を短く）する。しかし、上記した従来のハイブリッド制御を多関節アーム１に適用した場合、多関節アーム１の応答周波数が数十ヘルツなため静止状態を無くすことは不可能であった。そのため、第２実施形態では、揺動装置３で常に振動を多関節アームに付与させて、スティックスリップ現象を低減できるようにする。また、第２実施形態にかかる方法の２次的効果として、常に接触面が振動しているため、面を擦る回数が多くなり、汚物に対して活性エネルギーを与えるので、汚れを落とす効果が向上できるようにする。第２実施形態の関節にコンプライアンスを持つ多関節アームにおいては、振動の影響を考慮した制御が必要となる。

そのため、上記第１実施形態の図５の制御系のアームコントローラ６１をアーム位置コントローラ６１Ｐとアーム力コントローラ６１Ｆとで構成する、図８のような制御系で構成している。ロボットのエンドエフェクタ２の位置（面に対して拭き方向である左右方向の動作位置情報）Ｐをフィードバックして目標位置Ｐｄとの誤差から位置の操作量１をアーム位置コントローラ６１Ｐで決定し、エンドエフェクタ２に取り付けられた力センサからの力信号（面に対して垂直方向の押し当て力の情報の信号）Ｆをフィードバックして目標の力Ｆｄとの誤差から押し当て力に関する操作量２をアーム力コントローラ６１Ｆで決定し、操作量１と操作量２との和（面に対して垂直方向の押し当て力の情報と、拭き方向である左右方向の動作位置情報との合計）として多関節アーム１を動作制御する。ロボット位置信号Ｐとロボット力信号Ｆを同時に動特性推定器６２に入力する。動特性推定器６２は、上記多関節アーム１の上記先端部の振動状態を推定するために、上記入力されたロボット位置信号Ｐとロボット力信号Ｆに基づき、多関節アーム１の先端部であるエンドエフェクタ２の動特性を分析し推定する。具体的には、動特性推定器６２に入力される関節状態の情報（先端の位置、速度、加速度、及び、関節の位置、速度、加速度）Ｐと、目標の関節状態先端の位置、速度、加速度、及び、関節の位置、速度、加速度）と比較し、時間遅れ等の伝達関数の比較分析やＦＦＴ解析による振動成分の分析を行って、多関節アーム１の先端部であるエンドエフェクタ２の動特性を推定する。ロボット力信号Ｆについても同様に目標値と比較して推定する。そして、動特性推定器６２によって分析されて推定された多関節アーム１の先端部であるエンドエフェクタ２の動特性を、作業スケジューラ６０に入力する。入力された多関節アーム１の先端のエンドエフェクタ２の動特性を基に、作業スケジューラ６０は、目標値やゲインを必要に応じて変更する。具体的には、ロボット位置信号Ｐ及びロボット力信号Ｆについて、予め多関節アーム１の追従可能な動特性範囲（速度や動作の周波数の範囲）を測定して基本的な制御可能範囲を求め、そのデータを元に、実際に計測された動特性から追従可能であれば、アームコントローラ６１の内部のゲインを適応的に修正していく。追従不能の場合には、目標軌道の経路や速度を追従可能な動特性範囲に入るように変更する。同時に振動スケジューラ６３に対して振動指令を出力する。作業スケジューラ６０は、多関節アーム１の先端のエンドエフェクタ２の作業面との相対速度が短くなるような振動を計画して、多関節アーム１と振動スケジューラ６３へ指令を行う。振動スケジューラ６３は入力された振動指令より、振動コントローラ６４へ信号を出力する。振動コントローラ６４は、振動スケジューラ６３からの入力信号を基に揺動装置３を振動させる。

かかる制御によれば、振動スケジューラ６３と振動コントローラ６４により制御された揺動装置３から多関節アーム１の先端のエンドエフェクタ２に付与される振動によって、スティックスリップ現象を低減させることができ、スティックスリップ現象を低減させた面作業を効率良く行うことが出来る。

（第３実施形態）
図９は、本発明の第３実施形態のロボット装置においての構成図である。第３実施形態では、上記振動状態推定装置の他の例として、上記多関節アーム１の上記先端部の振動状態を推定するために、上記多関節アーム１の上記先端部のエンドエフェクタ２の残留振動を検出する残留振動検出部７０を有する場合について説明する。

関節にコンプライアンスを有する多関節アーム１においては、多関節アーム１の先端の静止位置決めをする場合に、多関節アーム１の先端のエンドエフェクタ２の重さや多関節アーム１の姿勢によって、図９の矢印Ｇのようにエンドエフェクタ先端部に残留振動が発生する場合がある。この残留振動は、関節がコンプライアンス性を有するために発生するものである。多関節アーム１の関節のみで制御しうる周波数は、多関節アーム１のアクチュエータの応答性に依存し、せいぜい数十ヘルツである。そのため、多関節アーム１の制御だけでは、残留振動の高い周波数領域の部分を制振することは不可能である。そのため、多関節アーム１の先端部の揺動装置３の振動を利用して制振を行う。

図１０に本第３実施形態の制御システムの構成を示す。作業スケジューラ６０によって先端軌道（エンドエフェクタ２の軌道）Ｐｄとフィードバックされた多関節アーム１の関節状態の情報（ここでは、例えば、関節の回転角度や位置などの情報を意味する。）Ｐを用いて、アームコントローラ６１が多関節アーム１を動作制御する。このときの、目標値は静止（一定値）である。このときの関節状態の情報Ｐは、残留振動検出部７０へ入力され、その関節状態の情報Ｐは、残留振動検出部７０から作業スケジューラ６０に入力される。残留振動検出部７０の一例としては、歪ゲージやＣＣＤカメラであり、上記多関節アーム１の上記先端部の振動状態を推定するために、多関節アーム１の先端部のエンドエフェクタ２での歪を歪ゲージにより検出したり、又は、ＣＣＤカメラによりエンドエフェクタ２などの画像を検出したりすることなどにより、多関節アーム１の先端部のエンドエフェクタ２の残留振動が検出される。残留振動検出部７０から入力された多関節アーム１の残留振動状態の情報を基に、作業スケジューラ６０は、アームコントローラ６１の目標値やゲインを必要に応じて変更する。具体的には、まず、残留振動を検出して、その周波数と振幅を残留振動検出部７０で分析する。残留振動を打ち消すためには、振動と逆位相の成分の振動を与えなければならない。多関節アーム１で発生しうる低周波の成分の振動に対しては、多関節アーム１に低周波の残留振動を打ち消す目標軌道と最適なゲインに変更する。また、高周波成分に対しては、揺動装置３の振動によって打ち消す。多関節アーム１と揺動装置３にどのような振幅や軌道を与えるかは、作業スケジューラ６０で計画して指令する。また、作業スケジューラ６０は、残留振動検出部７０から入力された残留振動状態の情報を考慮して、位相や振幅を決定し、振動スケジューラ６３に振動指令を与える。例えば、エンドエフェクタ２での残留振動状態の情報により、残留振動の位相と振幅を低減させることができるような振動の位相と振幅を含む振動指令を振動スケジューラ６３に与える。振動スケジューラ６３は、作業スケジューラ６０から入力された振動指令により、振動指令を実現する各揺動装置３の位相と振幅の指令値を生成し、振動コントローラ６４へ出力する。振動コントローラ６４は、振動スケジューラ６３から入力された指令値を基に各揺動装置３を動作制御する。例としては、残留振動と振幅が同じで逆位相が発生するように各揺動装置３を振動させることで、その合成された動作により振動が低減されたものとなる。

かかる制御によれば、多関節アーム１の上記先端部のエンドエフェクタ２の静止制御時に於ける、残留振動検出部７０で検出された残留振動状態の情報を考慮して各揺動装置３を振動させることで、エンドエフェクタ２での残留振動を低減させる制御をより効果的に行うことが出来る。

（第４実施形態）
図１１は、本発明の第４実施形態の多関節ロボット装置の構成図である。ラバーアクチュエータやメカノケミカルアクチュエータ（人工筋肉）を用いた関節駆動においては、関節にかかる力を制御することによって、ある程度関節のコンプライアンスを変化しうる。また、図３に示す拮抗型のアクチュエータの場合には、ワイヤ１１の張力レベルを増減させることによって関節のコンプライアンスを変化でき、張力０の場合には、フリー関節とする事ができる。

本第４実施形態では、関節にコンプライアンスを持つ多関節アクチュエータに於いて、コンプライアンスを能動的に下げた関節に対して、その関節部分の共振周波数以上の周波数の振動を揺動装置３より与えることによって、関節のみでは実現できない振幅を得ることを可能とする。

図１１では、一例として、根元からの第２関節１２Ｂのコンプライアンスを下げ、第２関節１２Ｂの共振周波数以上で先端部の揺動装置３を振動させることによって、過大な振幅を発生させている。多関節アーム１の先端軌道を考慮して制御を行えば、多関節アーム１のみでは実現できない速さの振動を実現できる。

図１２にその制御システム構成を示す。この構成では、具体的には図示していないが、多関節アーム１の各関節の回転軸にはそれぞれの動特性推定器６２が接続されて配置されている。作業スケジューラ６０によって先端軌道（エンドエフェクタ２の軌道）Ｐｄとフィードバックされた多関節アーム１の関節状態の情報（ここでは、例えば、関節の回転角度や位置などの情報を意味する。）Ｐとを用いて、アームコントローラ６１が多関節アーム１を動作制御する。このときの関節状態の情報Ｐは、各関節の軸の動特性推定器６２へ入力されて、各関節の軸の動特性推定器６２は、それぞれ、上記多関節アーム１の上記先端部の振動状態を推定するために、それぞれの関節の関節状態の情報Ｐに基づき上記多関節アーム１の上記エンドエフェクタ２の残留振動状態を推定する。次いで、各関節の軸の動特性推定器６２は、上記エンドエフェクタ２の残留振動状態を作業スケジューラ６０に入力する。各軸の動特性推定器６２から入力された多関節アーム１のエンドエフェクタ２の残留振動状態を基に、作業スケジューラ６０は、関節のコンプライアンスを能動的に低減したい軸に応じて、アームコントローラ６１の目標値やゲインを変更する。具体的には、例えば、関節のコンプライアンスを低減したいときには、例えば、関節がモータ駆動であればモータに流す電流の絶対値を制限したり、関節のゲインを低くして関節の動きを多関節アーム１の他の部分からの慣性力等の力によって動く受動関節のごとくする。また、完全に受動関節にする場合には、ゲインを０としたり、図３の例のような関節の場合には、圧力を加えないなどの変更をする。また、作業スケジューラ６０は、各軸の動特性推定器６２から入力された信号を基に振動スケジューラ６３に振動指令を与える。例えば、関節のコンプライアンスを能動的に低減したい軸に対して、当該関節部分の共振周波数以上の振動を当該関節に付与できるような位相と振幅を含む振動指令を振動スケジューラ６３に与える。振動スケジューラ６３は入力された振動指令より、振動指令を実現する各揺動装置３の位相と振幅の指令値を生成し、振動コントローラ６４へ出力する。振動コントローラ６４は、振動スケジューラ６３から入力された指令値を基に各揺動装置３を動作制御する。

かかる制御によれば、各軸の動特性推定器６２で推定された上記多関節アーム１の動特性に応じて上記揺動装置３によって生じる振動力を制御して上記多関節アーム１の関節部に振動を発生させ、多関節アーム１の任意の関節を共振を用いて制御を行うことが出来る。

上記各実施形態においては、上記揺動装置３により多関節アーム１に付与する振動は、１ｋＨｚ以下の周波数の振動であることが望ましい。超音波の定義は、２０ｋＨｚ以上の音波である。それに対して、本発明で使用する多関節アーム１の固有振動数は数ヘルツから数百ヘルツの範囲であるので、多く見積もっても１ｋＨｚ以下の振動数で制御を行うことで、本発明の内容は実現可能である。

なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

本発明の揺動装置を持った多関節ロボットは、家庭内で家事支援作業に従事できる、安全で軽量・柔軟なロボットシステムを構成することができる。また、産業分野においても、人と共存しながら作業する必要がある安全性の高いロボットシステムとしても適用が可能である。

本発明の第１実施形態におけるロボット装置の概念を示す斜視図である。上記ロボット装置に使用可能なマッキベン型の空気圧アクチュエータの一部断面図である。上記マッキベン型の空気圧アクチュエータを用いた関節アーム用の拮抗型駆動機構の一部断面図である。本発明の第１実施形態における被作業物体を把持した状態の斜視図である。本発明の第１実施形態における制御システムの構成を示すブロック図である。本発明の第２実施形態における面作業時のロボット装置の斜視図である。従来のハイブリッド制御の制御システムの構成を示すブロック図である。本発明の第２実施形態における制御システムの構成を示すブロック図である。本発明の第３実施形態における被作業物体を把持した状態の説明図である。本発明の第３実施形態における制御システムの構成を示すブロック図である。本発明の第４実施形態における被作業物体を把持した状態の斜視図である。本発明の第４実施形態における制御システムの構成を示すブロック図である。従来例１の振動ハンドの斜視図である。従来例１の振動ハンドの一部断面図である。従来例２の振動ハンドの説明図である。従来例３の振動ハンドの説明図である。従来例４の振動ハンドの説明図である。

符号の説明

１多関節アーム
２エンドエフェクタ
３揺動装置
４流体注入出部材
５封止部材
６管状弾性体
７拘束部材
８固定端
９マッキベン型空気圧アクチュエータ
１０マッキベン型空気圧アクチュエータ
１１ワイヤ
１２関節部
１３被作業物体
１４床面
６０作業スケジューラ
６１アームコントローラ
６１Ｐアーム位置コントローラ
６１Ｆアーム力コントローラ
６２動特性推定器
６３振動スケジューラ
６４振動コントローラ
６５流体注入出駆動装置
１１１アーム取付板
１１２中間振動板
１１３平行ばね
１１４歪ゲージ
１１５取付けブロック
１１６圧電素子
１１７取付板
１１８演算処理部
１１９制御ユニット
１２０挿入ピン
１２１挿入孔
Ｃ１面取り
Ｃ２面取り
δ 位置決め誤差
２０３水平多関節ロボット
２１０ネジ締結作業ツール
２３０部品供給装置
２３１加振部
２３２ネジ貯蓄ケース
２４１ガイドレール
２４３ネジ押さえ
３０４添加剤収容缶
３０６チャック
３１４バイブレータ
３１６ステージ
３２４モータ
３２６ラックピニオン機構
４０１加工治具
４０２ロボットアーム
４０８負圧発生器
４１２超音波発生器

Claims

コンプライアンスを持つ関節を複数個有する多関節アーム（１）と、
上記多関節アームの先端部に取り付けられたエンドエフェクタ（２）と、
上記多関節アームの上記先端部に取り付けられて上記先端部の振動状態を推定する振動状態推定装置（６２，７０）と、
上記多関節アームの上記先端部の近傍又は上記エンドエフェクタに取り付けられて、上記振動状態推定装置により推定された上記先端部の振動状態に基づく振動を上記多関節アームの上記先端部の近傍又は上記エンドエフェクタに付与する揺動装置（３）とを有するロボット装置。
上記振動状態推定装置は、上記先端部の振動状態を推定するために上記多関節アームの上記エンドエフェクタの動特性を推定する動特性推定器であり、
上記動特性推定器で推定された上記多関節アームの動特性に応じて、上記揺動装置によって発生する力を制御して上記エンドエフェクタに揺動効果を発生させることを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。
上記振動状態推定装置は、上記先端部の振動状態を推定するために上記多関節アームの動特性を推定する動特性推定器であり、
上記動特性推定器で推定された上記多関節アームの動特性に応じて、上記揺動装置によって生じる振動力を制御して上記エンドエフェクタに振動を発生させ、上記エンドエフェクタに接触している物体との摩擦状態を制御可能とすることを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。
上記振動状態推定装置は、上記先端部の振動状態を推定するために上記多関節アームの上記先端部の残留振動を検出する残留振動検出部（７０）であり、
上記残留振動検出部で検出された残留振動に応じて上記揺動装置による振動力を制御して上記多関節アームの位置決め制御時の残留振動を低減することを可能とすることを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。
上記振動状態推定装置は、上記先端部の振動状態を推定するために上記多関節アームの動特性を推定する動特性推定器であり、
上記動特性推定器で推定された上記多関節アームの動特性に応じて上記揺動装置によって生じる振動力を制御して上記多関節アームの関節部に振動を発生させ、上記多関節アームの関節部における摩擦状態を制御可能なことを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。
上記揺動装置により付与する振動は、１キロヘルツ以下の振動である請求項１〜５のいずれか１つに記載のロボット装置。