JP2005238421A - ロボット、インピーダンス制御ロボットシステム - Google Patents

Abstract

【課題】人間の腕を拘束することなく、しかも、その腕の不自然な動きや滑り落ちを防止して動作を補助できるようなロボットおよびインピーダンス制御ロボットシステムを提供することを目的とする。
【解決手段】アーム先端１０ａの近傍に設けられ人間の腕を載置するための載置部材１１ｄと、アーム先端１０ａと載置部材１１ｄとの相対変位を検出する変位検出センサ１２と、載置部材１１ｄを介して人間の腕から作用する外力を検出する力覚センサ１３とを備え、変位検出センサ１２及び力覚センサ１３からの出力値を用いて各アーム１０を駆動するロボット１において、腕の載置される載置部材１１ｄの長手方向（ｙ方向）に対して垂直な左右方向（ｘ方向）への回動を規制して載置部材１１ｄの変位を許容する変位機構１１を設けるようにする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、インピーダンス制御によって駆動されるロボットの機構に関するもので、より詳しくは、例えば、非力な人間の腕を支持してその動きを補助できるようにしたロボットの機構に関するものである。

人間との協働作業に好適に使用されるロボットの制御としてインピーダンス制御なる制御方法が知られている。このインピーダンス制御方法については、例えば、下記の特許文献１に記載されるようなものが存在する。

この特許文献１に記載されているインピーダンス制御は、ロボットのアームの動きに硬さや柔らかさを持たせるようにしたもので、Ｆ_Hをロボットアームの先端に作用する外力、Ｍ_Rをインピーダンス特性における慣性係数、Ｄ_Rをインピーダンス特性における粘性係数、Ｋ_Rをインピーダンス特性における剛性係数（Ｍ_R、Ｄ_R、Ｋ_Rは３×３行列）、ｐ_R、ｐ_R'、ｐ_R"（ｐ_R、ｐ_R'、ｐ_R"は３×１行列）をそれぞれ算出すべきロボットアームの先端の位置、速度、加速度とした場合、

Ｍ_Rｐ_R"＋Ｄ_Rｐ_R'＋Ｋ_Rｐ_R ＝Ｆ_H （式１）
なる関係式によって制御させるものである。なお、ここで外力Ｆ_Hはロボットアームの先端に設けられた力覚センサによって検出されるものであり、また、慣性係数Ｍ_R、粘性係数Ｄ_R、剛性係数Ｋ_Rはパーソナルコンピュータなどのインピーダンス制御装置によってあらかじめ設定されているものである。そして、この関係式によってロボットアームの先端の位置ｐ_R、速度ｐ_R'、加速度ｐ_R"を算出し、この算出された位置ｐ_Rにロボットアームの先端が位置するように、サーボドライバを介してアクチュエータへ速度ｐ_R'に関する信号を出力するようにしたものである。

ところで、このようなインピーダンス制御では、力覚センサによって検出された外力Ｆ_Hのみを入力値としているため、例えば、非力な人間の腕の動きを補助するような介護用ロボットには不向きである。すなわち、非力な人間には通常ロボットの力覚センサで検出できるたけの大きな力を備えておらず、また、人間の小さな力に対応させて力覚センサで検出しうる力の閾値を小さくすれば、人間の腕に震えが生じたような場合や、外部からノイズが入ってしまったような場合、これに敏感に反応してロボットが不自然に動いてしまう。このため、従来のインピーダンス制御では、使用状態に対応して力覚センサの閾値を設定するのが非常に困難であった。

このため、本発明者は先の特許出願（特許文献２）において、人間の腕の変位および外力を入力値としてロボットを駆動できるようにしたシステムを提案している。この発明では、エンドエフェクタの先端に回動可能なスティックと、そのスティックの先端に取り付けたチャネル部材などを備え、チャネル部材の上に載置された腕の変位をそのスティックの変位センサで検出するとともに、チャネル部材に作用する外力を力覚センサで検知してロボットをインピーダンス制御するようにしたものである。
特開２００１―０３８６６４号公報 特願２００３―１５７０４７号

ところで、このように腕の変位を検出できるようにする場合、腕を載置する部分が身体の外向き方向へ回転してしまうと、腕が不自然に捻れてしまう。そして、この捻れを防止しようと不要な力を入れてしまい、その結果、その力が検出されてロボットが不用意に動いてしまうという問題があった。また、同様に、腕を載置する部分が、身体の外向きだけでなく内向きにも自由に回転してしまうと、腕がその部材から滑り落ちてしまい、変位が振り切れた状態でロボットが動作してしまうという問題があった。このような滑り落ちを防止するためには、ベルトで腕を固定するようにすることも考えられるが、このようにすると、被介護者に拘束による不安感を生じさせてしまうばかりでなく、ベルトの取り外しに第三者の協力が必要になって使い勝手の悪いものになってしまう。

そこで、本発明は、上記課題に着目してなされたもので、人間の腕を拘束することなく、しかも、その腕の不自然な動きや滑り落ちを防止して動作を補助できるようなロボットおよびインピーダンス制御ロボットシステムを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、アーム先端の近傍に設けられ人間の腕を載置するための載置部材と、アーム先端と載置部材との相対変位を検出する変位検出センサと、載置部材を介して人間の腕から作用する外力を検出する力覚センサとを備え、前記変位検出センサ及び力覚センサからの出力値を用いて各アームを駆動するロボットであって、前記腕の載置される載置部材の長手方向に対して垂直な左右方向への回動を規制して載置部材の変位を許容する変位機構を設けるようにする。

このように構成すれば、腕の身体の外向きへの回転を規制することによって腕の不自然な捻りを防止することができ、また、腕の滑り落ちを防止することによって、より安全に人間の動きの補助を行うことができるようになる。

また、このような変位機構として、腕の載置される載置部材の長手方向に対して垂直な左右方向への載置部材の水平移動を許容するパラレルリンク機構を用いる。

このように構成すれば、載置部材が常に水平状態に保たれるため、載置部材から腕が滑り落ちてしまうというようなことがなくなる。また、滑り落ちの心配がないことから、使用者の不安感を取り除き、無駄な力を入れさせないことにより不用意なロボットの動きを防止することができる。

更に、このような変位機構として腕の載置される載置部材の長手方向に対する傾動を許容する機構を用いる。

このように構成すれば、例えば、食卓上の食事を掴む場合などのような腕の先端を下向きに傾ける動作を許容することができ、また、その掴んだ食事を口元に運ぶ場合などのような腕の先端を上向きに傾ける動作などを許容することができる。

加えて、このような変位機構として、腕の載置される載置部材の長手方向に対して垂直な上下方向を軸とした載置部材の回転を許容する機構を用いる。

このように構成すれば、例えば、椅子に座った状態で机上の横方向に置かれている物を取るような肘を中心とした腕の回転運動を許容することができ、より自然な腕の動きを許容することができるようになる。

また、このような変位機構の動きを許容するに際しては、腕の載置される載置部材の変位量を規制する変位量規制部を設けるようにする。

このように構成すれば、載置部材の変位量を小さく抑えることができ、急激に大きな変位量が入力されることによってロボットの急激に動いてしまうようなことを防止することができるようになる。

また、このような変位機構の内側に変位検出センサを設けるとともに、この変位機構とアーム先端との間に力覚センサを設ける。

このように構成すれば、腕の動きを変位検出センサで検出することができるとともに、変位機構の下側に設けられた力覚センサによって集中した外力を検出することができるようになる。

また、このような載置部材として、人間の腕を上から載置した状態でその上方から腕を拘束しない形状で構成する。

このように構成すれば、載置部材の上側が開放されているため、自由に腕を取り外すことができ、使用者の不安感を払拭させることができるようになるとともに、腕をベルトで拘束する場合などのような第三者の協力を不要なものにすることができるようになる。

そして、好ましくは、このようにロボットのアームを駆動する場合、変位検出センサ及び力覚センサの出力値を用いて各アームをインピーダンス制御する。

このように構成すれば、人間との協働作業に適した滑らかな動きを実現することができる。すなわち、人間の柔らかい動きに対応してアームの動きに滑らかさを持たせることができ、また、人間の硬い動きに対応してアームの動きに硬さを持たせるようにすることができるようになる。

本発明によれば、アーム先端の近傍に設けられ人間の腕を載置するための載置部材と、アーム先端と載置部材との相対変位を検出する変位検出センサと、載置部材を介して人間の腕から作用する外力を検出する力覚センサとを備え、前記変位検出センサ及び力覚センサからの出力値を用いて各アームを駆動するロボットであって、前記腕の載置される載置部材の長手方向に対して垂直な左右方向への回動を規制して載置部材の変位を許容する変位機構を設けるようにしたので、腕の外向きへの回転を規制することによって腕の不自然な捻りを防止することができ、また、腕の滑り落ちを防止することによって安全に人間の動きの補助を行うことができるようになる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態におけるロボット１およびインピーダンス制御装置２から成るロボットシステム１００を示したものである。また、図２はそのロボット１のアーム先端１０ａに設けられる変位機構１１などを示したものであり、図３はその変位機構１１の正面図、図４は側面図、図５は上面図とそれぞれにおける変位状態（破線）を示したものである。また、図６および図７はインピーダンス制御のブロック図および制御線図を示したものである。

このロボット１は、図１に示すように、複数の関節によって接続された複数のアーム１０と、図示しないアクチュエータとを備えてなるもので、更に、このアーム１０の先端１０ａに外部環境からの外力を検出する力覚センサ１３及び外部環境とアーム先端１０ａとの相対変位を検出する変位検出センサ１２を具備してなる変位機構１１を設ける。

この変位機構１１は、図２などに詳しく示すように、人間の肘から手首までの上腕部分を載置するための載置部材１１ｄを有する載置台１１ａと、支軸１１２ｃを介してアーム先端１０ａに取り付けられるベース部材１１ｃと、これら載置台１１ａおよびベース部材１１ｃを連結する連結部材１１ｂとを具備してなる。そして、図３に示すように、この載置台１１ａ、連結部材１１ｂ、ベース部材１１ｃによってパラレルリンク機構を構成し、載置台１１ａおよび載置部材１１ｄを長手方向に対して左右に平行移動できるようにしている。

この載置台１１ａと載置部材１１ｄとは溶着などによって回動不能に取り付けられ、人間の腕と載置部材１１ｄとの摩擦によって一体として変位できるように構成されている。この載置部材１１ｄはチャネル状に構成され、人間の上腕部分をベルトなどで拘束することなく上方を開放して自由に腕を載置できるようにしている。

ベース部材１１ｃは、この載置台１１ａに対向した位置に凹状に構成して設けられる。一方、連結部材１１ｂは線状に構成され、載置台１１aとベース部材１１ｃとに跨って設けられる。この連結部材１１ｂの両端には受け部１１０ｂが設けられ、ベース部材１１ｃの左右側面に設けられた球状のボール部１１１ｃおよび載置台１１aの左右両側面に設けられた球状のボール部１１１ａと嵌合することによって回動可能に載置台１１aとベース部材１１ｃとを連結する。そして、このように連結部分をボール部１１１ｃ、１１１ａと受け部１１ｂによって構成することにより、図３の破線で示すように長手方向に垂直な左右方向への載置台１１ａの平行移動を許容するとともに、図４の破線で示すように載置台１１ａの長手方向に対する傾動を許容する。また、図５の破線で示すように置台１１ａの長手方向に垂直な上下方向を軸（鉛直軸）とした回転を許容するようにしている。

そして、このように構成された変位機構１１の内部には、変位検出センサ１２が設けられ、また、その変位機構１１の下方には力覚センサ１３が取り付けられる。

この変位検出センサ１２は、棒状のスティック１２ａと、このスティック１２ａの傾動角度を検出しうる図示しないエンコーダをケーシング１２ｃの内部に具備してなるもので、このベース部材１１ｃ上に固着して取り付けられる。この変位センサ１２のスティック１２ａは、常に垂直姿勢を維持するようにケーシング内の機械式のバネ（バネ係数Ｋ_ｓ）によって支えられ、球状に構成された先端部１２ｂを載置台１１ａの裏側の受け部１１０ａに回動可能に取り付けて設けられる。そして、載置台１１ａの変位に伴ってそのスティック１２ａを傾動させ、載置台１１ａの変位を図２に示すｘ方向、ｙ方向、ｚ方向に検出する。このスティック１２ａの変位は、ケーシング１２ｃに設けられた窓部１２ｄおよび内部の機械式のバネによってその回動範囲が規制され、これにより載置台１１ａおよび載置部材１１ｄの変位量が規制される。

一方、力覚センサ１３は、ベース部材１１ｃの支軸１１２ｃに取り付けうる円柱状のものが用いられ、アーム先端１０ａとベース部材１１ｃとの間に挟み込まれるようにして取り付けられる。この力覚センサ１３は、外部環境のｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の外力、および、ｘ軸回り、ｙ軸回り、ｚ軸回りの外力（トルク）を検出する。

一方、インピーダンス制御装置２は、パーソナルコンピュータやサーボドライバなどを具備してなるもので、内蔵するＣＰＵやメモリ、およびキーボードなどの入力手段などを用いて、図６に示す変位検出手段２０、外力検出手段２１、パラメータ設定手段２２、演算手段２３、制御手段２４を機能させる。

このうち変位検出手段２０は、変位機構１１の内側に設けられた変位検出センサ１２からの信号に基づいて載置部材１１ｄの下方に連結されたスティック１２ａの先端部１２ｂの座標位置を検出する。この検出は、あらかじめサンプリング時間を設定し、このサンプル時間毎に変位検出センサ１２のエンコーダの変位角度を読み出すことによって行う。そして、これによりスティック先端部１２ｂの座標ｐ_R0
ｐ_R0＝ＲＬ_ｓ＋ｐ₀ （式２）
を算出する。なお、ここでＬ_ｓは初期姿勢におけるスティック先端のベクトルであり、Ｒは回転変換行列（３×３行列）である。また、ｐ₀はアーム先端１０ａにおけるベクトルである。

外力検出手段２１は、アーム先端１０ａに設けられた力覚センサ１３からの入力信号に基づいて外部環境の外力を検出する。この外力の検出についても同様に、あらかじめサンプリング時間を設定し、このサンプリング時間毎に力覚センサ１３の信号を読み出して、ｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向の外力Ｆ_Hi（ｉ＝ｘ、ｙ、ｚ）を検出する。この力覚センサ１３で検出できる外力の閾値は、ノイズの影響によるロボット１の誤動作を防止できる程度の大きさに設定される。

パラメータ設定手段２２は、インピーダンス制御に用いられる慣性係数Ｍ_R、粘性係数Ｄ_R、剛性係数Ｋ_R（Ｍ_R、Ｄ_R、Ｋ_Rは３×３行列）のパラメータを設定するもので、ロボットの手先の運動としてより適した値になるように設計者によって設定される。

演算手段２３は、変位検出手段２０によって検出されたスティック先端部１２ｂの座標位置ｐ_R0および外力検出手段２１によって検出された外力Ｆ_H を入力値とし、また、パラメータ設定手段２２によって設定された慣性係数Ｍ_R、粘性係数Ｄ_R、剛性係数Ｋ_Rを用いてアーム先端１０ａの位置ｐ_R、速度ｐ_R'、加速度ｐ_R"を演算する。この演算は、インピーダンス特性の微分方程式、
M_Rｐ_R"＋D_Rｐ_R'＋K_R (ｐ_R−ｐ_R0）＝Ｆ_H （式３）
を用いて行われる。

そして、この（式３）を解くに際しては、まずロボット１の関節角度などからアーム先端１０ａの位置ｐ_Rを演算し、この（式３）を
ｐ_R"＝｛Ｆ_H−D_Rｐ_R'−K_R (ｐ_R−ｐ_R0）｝／M_R （式４）
の形に書き換え、さらにルンゲクッタ法などの数値積分によりｐ_R'を求める。この際、ロボット１の動作の初期状態では速度ｐ_R'、加速度ｐ_R"はゼロとなっているので、微少時間ごとに数値積分によって指令速度を求めることができる。

制御手段２４は、このように算出された速度ｐ_R'に関する信号をサーボドライバを介してアクチュエータに出力し、フェードバック制御によってこの算出された位置ｐ_Rにアーム先端１０ａを移動させるように制御する。

次に、ロボット１の制御方法について図７の制御線図を用いて説明する。

まず、ロボット１を制御するに際して、あらかじめ、パーソナルコンピュータの入力手段などを用いてインピーダンス制御の際の慣性係数Ｍ_R、粘性係数Ｄ_R、弾性係数Ｋ_Rを設定しておく。そして、この状態で載置部材１１に人間の腕を載置し、パーソナルコンピュータからの指令によって、サンプリング時間毎に変位検出センサ１２の変位値および力覚センサ１３の外力を検出する。そして、これらの変位値および外力を入力値とし、（式４）用いて、アーム先端１０ａの位置ｐ_R、速度ｐ_R'、加速度ｐ_R"を算出する。そして、この算出された速度ｐ_R'をサーボドライバを介してアクチュエータに出力し、アーム先端１０ａの位置をその算出された位置ｐ_Rに移動させるようフィードバック制御する。この制御においては、インピーダンス特性の微分方程式を用いているため、(ｐ_R−ｐ_R0)の項がゼロに近づくようにアーム先端１０ａの位置が移動する。すなわち、スティック１２ａが常に起立した状態となるように人間の腕に追従してアーム１０が動く。

このように本実施形態によれば、アーム先端１０ａの近傍に設けられ人間の腕を載置するための載置部材１１ｄと、アーム先端１０ａと載置部材１１ｄとの相対変位を検出する変位検出センサ１２と、載置部材１１ｄを介して人間の腕から作用する外力を検出する力覚センサ１３とを備え、変位検出センサ１２及び力覚センサ１３からの出力値を用いて各アーム１０を駆動するロボット１において、腕の載置される載置部材１１ｄの長手方向（ｙ方向）に対して垂直な左右方向（ｘ方向）への回動を規制して載置部材１１ｄの変位を許容する変位機構１１を設けるようにしたので、腕の身体外向きの回転を規制することができ、腕の不自然な捻りなどを防止することができるようになる。また、腕の滑り落ちを防止することができるため、より安全に人間の腕の動きを補助することができるようになる。

また、このような変位機構１１として、図３に示すように腕の載置される載置部材１１ｄの長手方向（ｙ方向）に対して垂直な左右方向（ｘ方向）への水平移動を許容するパラレルリンク機構を用いるようにしたので、載置部材１１ｄを常に水平な状態に保つことができ、載置部材１１ｄに載置された腕の滑り落ちなどを防止することができる。また、このように水平状態を保つようにできることから、使用者に滑り落ちを防止するための無駄な力を入れさせることがなくなり、無駄な力によるアーム１０の不自然な動きを防止することができるようになる。

さらに、このような変位機構１１として、図４に示すように腕の載置される載置部材１１ｄの長手方向（ｙ方向）に対する傾動を許容するようにしたので、例えば、卓上の食事を掴む動作の補助を行うなどのような場合に、腕の先端を下方に傾けるなどの動作を行わせることができ、また、その掴んだ食事を口元に運ぶ動作を補助する場合は、その腕の先端を上方へ傾けるなどの動作を行わせるようにすることができる。

加えて、変位機構１１として、図５などに示すように腕の載置される載置部材１１ｄの長手方向（ｙ方向）に対して垂直な上下方向（ｚ方向）を軸とした載置部材１１ｄの回転を許容するようにしたので、例えば、椅子に座った状態で机上の横に置かれている物を取るような動作を行う場合、肘を中心とした腕の回動を許容することができるようになる。

また、変位検出センサ１２の窓部１２ｄによってスティック１２ａの回動角度が規制され、これにより載置部材１１ｄの長手方向（ｙ方向）に対して垂直な左右方向（ｘ方向）以外への大きな変位を規制できるようにしたので、急に大きな変位量が入力されることによるロボット１の急激な動きを防止することができるようになる。

また、変位機構１１ｄの内側に変位検出センサ１２を設けるとともに、変位機構１１とアーム先端１０ａとの間に力覚センサ１３を設けるようにしたので、腕の動きを変位検出センサ１２で検出することができるとともに、変位機構１１の下側に設けられた力覚センサ１３によって集中した外力を検出することができるようになる。

また、載置部材１１ｄとして、人間の腕を上から載置した状態でその上方から腕の動きを拘束しないようなチャネル状に構成したので、載置部材１１ｄの上側が開放されて自由な動きを許容することができる。これにより、使用者の不安を払拭させることができるとともに、ベルトを使用しないことから第三者の協力などが不要となる。

そして、このようにロボット１のアーム１０を駆動する場合、変位検出センサ１２及び力覚センサ１３の出力値を用いて各アーム１０をインピーダンス制御するようにしたので、人間との協働作業に適した滑らかな動きを実現することができる。すなわち、人間の柔らかい動きに対応してアームの動きに滑らかさを持たせることができ、また、人間の硬い動きに対応してアームの動きに硬さを持たせるようにすることができるようになる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。

例えば、本実施形態では、例えば、介護用のロボット１として外部環境である人間の腕を支持するような例を挙げて説明したが、これに限らず、インピーダンス制御の入力として外力と変位を好適に使用できるものであれば、どのようなアプリケーションに用いるようにしても良い。

また、上記実施の形態では、線状の連結部材１１ｂを用いてパラレルリンク機構を構成するようにしたが、線状の連結部材１１ｂに限らず、薄板状の連結部材を用いてパラレルリンク機構を構成するようにしても良い。

本実施の形態におけるロボットシステムの概観図 同形態における変位機構、変位検出センサ、力覚センサを示す拡大斜視図 同形態における変位機構、変位検出センサ、力覚センサの正面図 同形態における変位機構、変位検出センサ、力覚センサの側面図 同形態における変位機構、変位検出センサ、力覚センサの上面図 同形態におけるロボットシステムの機能ブロック図 同形態における制御線図

符号の説明

１・・・ロボット
２・・・インピーダンス制御装置
１０・・・アーム
１０ａ・・・アーム先端
１１・・・変位機構
１１ａ・・・載置台
１１ｄ・・・載置部材
１２・・・変位検出センサ
１２ｄ・・・窓部
１３・・・力覚センサ
１００・・・ロボットシステム

Claims (8)

1. アーム先端の近傍に設けられ人間の腕を載置するための載置部材と、アーム先端と載置部材との相対変位を検出する変位検出センサと、載置部材を介して人間の腕から作用する外力を検出する力覚センサとを備え、前記変位検出センサ及び力覚センサからの出力値を用いて各アームを駆動するロボットであって、前記腕の載置される載置部材の長手方向に対して垂直な左右方向への回動を規制して載置部材の変位を許容する変位機構を設けたことを特徴とするロボット。
2. 前記変位機構が、腕の載置される載置部材の長手方向に対して垂直な左右方向への載置部材の水平移動を許容するパラレルリンク機構である請求項１に記載のロボット。
3. 前記変位機構が、腕の載置される載置部材の長手方向に対する傾動を許容する機構である請求項１に記載のロボット。
4. 前記変位機構が、腕の載置される載置部材の長手方向に対して垂直な上下方向を軸とした載置部材の回転を許容する機構である請求項１に記載のロボット。
5. 腕の載置される載置部材の変位量を規制する変位量規制部を設けてなるものである請求項１に記載のロボット。
6. 前記変位機構の内側に変位検出センサを設けるとともに、前記変位機構とアーム先端との間に力覚センサを設けてなる請求項１に記載のロボット。
7. 前記載置部材が、人間の腕を上から載置した状態でその上方から腕を拘束しない形状で構成されるものである請求項１に記載のロボット。
8. 更に、前記変位検出センサと力覚センサの出力値を用いて前記アームをインピーダンス制御するインピーダンス制御装置を備えてなることを特徴とする請求項１から７に記載のインピーダンス制御ロボットシステム。

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