JP2006024150A - Operating device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technology of high versatility for reproducing a moderate operation reaction force in an operation piece. <P>SOLUTION: This operating device comprises: the operation piece operated by a person; an operation force detection means for detecting the operation force applied to the operation piece by the person; a means for detecting the speed of the operation piece; and a means for calculating a first speed by adding a speed variation calculated from acceleration caused by the detected operation force to the speed of the detected operation piece. This operating device also comprises: a means for determining a force in the opposite direction to the first speed; a means for calculating a second speed by adding the speed variation calculated from acceleration caused by the determined opposite force to the first speed and for setting the calculated second speed to be zero when the calculated second speed is in the opposite direction to the first speed; and an actuator for operating the operating piece so as to vary the speed of the operation piece to the second speed calculated by a second speed calculating means. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、人によって操作される操作子の位置をアクチュエータによって制御する技術に関する。特に人が操作子に操作力を加えたときに、操作子から人に適度な反力(例えば手応え等)を与えることによって、良好な操作性が得られるようにアクチュエータを制御する技術に関する。   The present invention relates to a technique for controlling the position of an operator operated by a person by an actuator. In particular, the present invention relates to a technique for controlling an actuator so that good operability can be obtained by applying an appropriate reaction force (for example, response) from a manipulator to the man when an manipulator is applied to the manipulator.

例えば自動車のステアリングホイールのように、人によって操作される操作子をアクチュエータによって移動させることによって、人の操作を補助する技術が開発されている。この種の技術では、人が操作子に操作力を加えたときに、操作子から人に適度な反力(以下、操作反力ということがある)を与えられるようにすると、良好な操作性が得られることが知られている。特に、人が操作子に加えている操作力と、結果的に実現される操作子の運動の間に、
M・(dP/dt)+D・(dP/dt)+K・P=Fh ・・(1)
の関係が成立していると、人に良好な操作感が得られ、操作性が向上することが知られている。ここで、dP/dtは操作子の加速度ベクトル、dP/dtは操作子の速度ベクトル、Pは操作子の位置ベクトルである。Mは操作子の加速度に対する比例マトリクスであり、操作子に再現される質量に相当する。Dは操作子の速度に対する比例マトリクスであり、操作子に再現される粘性係数に相当する。Kは操作子の位置に対する比例マトリクスであり、操作子に再現されるばね定数マトリクスに相当する。Fhは人による操作力ベクトルである。
上記の知見を活用した技術が特許文献1に開示されている。特許文献1の装置では、重量物を支持する可動体と、その可動体を動かすアクチュエータを備えており、作業者が可動体に加える操作力と、操作力とアクチュエータによって実現される重量物の運動との間に、上記(1)式が成立するようにアクチュエータの出力を調節する。
特許文献1は、重量物の搬送作業を複数の作業段階に大別し、重量物を細かに移動させる位置決め時には、加速度に対する比例係数Mを小さくする一方、速度に対する比例係数Dを大きくすることが有効であることを報告している。
特開2001−75649号公報
For example, a technique for assisting human operation by moving an operation element operated by a person such as a steering wheel of an automobile by an actuator has been developed. With this type of technology, when a person applies an operating force to an operating element, the operating element can provide an appropriate reaction force to the person (hereinafter, referred to as an operating reaction force), resulting in good operability. Is known to be obtained. In particular, between the operating force that a person is applying to the controls and the resulting movement of the controls,
M · (d 2 P / dt 2 ) + D · (dP / dt) + K · P = Fh (1)
It is known that when the above relationship is established, a good feeling of operation is obtained for a person and operability is improved. Here, d 2 P / dt 2 is an acceleration vector of the operating element, dP / dt is a speed vector of the operating element, and P is a position vector of the operating element. M is a proportional matrix with respect to the acceleration of the operating element, and corresponds to the mass reproduced by the operating element. D is a proportional matrix with respect to the speed of the operation element, and corresponds to a viscosity coefficient reproduced by the operation element. K is a proportional matrix with respect to the position of the operation element, and corresponds to a spring constant matrix reproduced by the operation element. Fh is a human operation force vector.
A technique using the above knowledge is disclosed in Patent Document 1. The apparatus of Patent Document 1 includes a movable body that supports a heavy object and an actuator that moves the movable object, and an operation force that an operator applies to the movable body, and a movement of the heavy object that is realized by the operation force and the actuator. The output of the actuator is adjusted so that the above equation (1) holds.
According to Patent Document 1, the work of transporting heavy objects is roughly divided into a plurality of work stages, and at the time of positioning for moving a heavy object finely, the proportional coefficient M for acceleration is reduced while the proportional coefficient D for speed is increased. It is reported to be effective.
JP 2001-75649 A

人が操作子に加えている操作力等から、先に示した(1)式の関係を満たす操作子の目標位置を計算し、アクチュエータによってその目標位置に移動させる方式であると、人の僅かな手ぶれに操作子が敏感に応答し、人の手ぶれを増幅してしまうこともある。細かな操作を行う際にはかえって操作感を悪化させてしまい、操作性が低下してしまう。
そこで特許文献1の技術では、物体を細かく移動させて位置を決定する段階では、速度に対する比例係数Dを大きくすることによって操作反力を増大するようにしている。しかしながらこの技術は、重量物の搬送作業が予め想定された複数の作業段階に大別できることに立脚しており、重量物の搬送作業のように一連の操作が比較的定まっている場合には有効であるが、他の様々な用途の操作子に適用するには汎用性に欠ける面がある。
本発明は、上記の問題を解決する。本発明は、操作子に適度な操作反力を再現する汎用性の高い技術を提供する。
The target position of the operating element that satisfies the relationship of the above-described equation (1) is calculated from the operating force applied by the person to the operating element and moved to the target position by the actuator. There is also a case where the operator responds sensitively to an unstable camera shake and amplifies human camera shake. When a fine operation is performed, the operational feeling is worsened and the operability is lowered.
Therefore, in the technique of Patent Document 1, in the stage of determining the position by finely moving the object, the operation reaction force is increased by increasing the proportional coefficient D with respect to the speed. However, this technology is based on the fact that heavy goods transportation work can be roughly divided into a plurality of work stages assumed in advance, and is effective when a series of operations are relatively fixed, such as heavy goods transportation work. However, there is a lack of versatility when applied to a controller for various other purposes.
The present invention solves the above problems. The present invention provides a highly versatile technique for reproducing an appropriate operation reaction force on an operator.

本発明者は、先に示した(1)式の関係を満たすようにアクチュエータを制御しても良好な操作性が得られない理由を種々に研究した。
その結果、(1)式には自然界に存在する摩擦力が加味されておらず、摩擦力が存在しないという不自然な環境で操作するときの操作感が再現されてしまうことにあることを認識した。例えば平面内の所定位置に物体を搬送して位置決めする場合、人は平面から物体に作用する摩擦力を考慮し、摩擦力を利用して操作する。(1)式の関係を満たすようにアクチュエータを制御する方式では、自然界に存在する摩擦力が加味されず、その自然な操作を再現することができない。
実際の作業でも、摩擦力が作用しないことがある。自由空間内の所定位置に物体を搬送して位置決めする場合には、摩擦力が作用しない。体験すれば直ちに明らかになるが、人にとって摩擦力が働かない環境で位置決め操作することは困難である。この場合、摩擦力が作用する環境で作業している関係を再現できれば、その操作ははるかに自然で簡単なものとなる。
アクチュエータによって操作子の位置を制御する方式では、操作子の運動に摩擦力を再現することは難しい。むしろ摩擦力を排除する方向に向かって研究されており、摩擦力を利用する研究は極めて少ない。
本発明者らは、自然で良好な操作性を得るためには、摩擦力を利用することが重要であることを認識し、あえて扱いにくい摩擦力を再現する課題に取り組むことによって、本発明を完成するに至った。
The present inventor has studied various reasons why good operability cannot be obtained even if the actuator is controlled so as to satisfy the relationship of the expression (1).
As a result, it is recognized that the frictional force existing in the natural world is not taken into account in the expression (1), and that the operational feeling when operating in an unnatural environment where there is no frictional force is reproduced. did. For example, when an object is transported and positioned at a predetermined position in a plane, a person operates using the frictional force in consideration of the frictional force acting on the object from the plane. In the method of controlling the actuator so as to satisfy the relationship of the expression (1), the friction force existing in the natural world is not taken into account, and the natural operation cannot be reproduced.
Even in actual work, frictional force may not work. When an object is transported and positioned at a predetermined position in free space, no frictional force acts. As soon as it is experienced, it is difficult for humans to perform positioning operations in an environment where frictional force does not work. In this case, if the relationship working in the environment where the frictional force acts can be reproduced, the operation becomes much more natural and simple.
In the method of controlling the position of the operation element by the actuator, it is difficult to reproduce the frictional force in the movement of the operation element. Rather, research has been conducted in the direction of eliminating frictional force, and very little research has been done on using frictional force.
The present inventors recognize that it is important to use frictional force in order to obtain a natural and good operability, and tackle the problem of reproducing frictional force that is difficult to handle. It came to be completed.

摩擦力は、操作性を良くも悪くもする。平面内の所定位置に物体を搬送して位置決めする場合、動摩擦力が作用している環境を再現した方が、自然で良好な操作性を得ることができる。しかしながら、静止している物体をわずかに移動させて目標位置に位置決めする操作に摩擦力を再現すると、その操作は困難なものとなる。周知のように、静摩擦係数は動摩擦係数よりも大きい。静止している物体に静摩擦力以上の力を加えて移動させると、わずかに離れた目標位置を超えて移動してしまい、なかなか目標位置に位置決めできないことが多い。いわゆるスティックスリップ現象が起こってしまい、細かな操作を行う際には摩擦力が操作性を悪化させてしまう。操作性を良くする摩擦力とは、例えばスティックスリップ現象の発現しないような摩擦力といえる。
機械的な摺動抵抗部を設けることによって操作反力に摩擦力を加味するハードウエアを構築しても、スティックスリップ現象が発現してしまい、単純に良好な操作性を得ることはできない。
本発明者は、操作性を良くする側に作用する摩擦力を活用し、操作性を悪くする側に作用する摩擦力を排除することによって、上記の問題を克服した。
The frictional force makes the operability good or bad. When an object is transported and positioned at a predetermined position in a plane, natural and good operability can be obtained by reproducing an environment in which a dynamic friction force is acting. However, if the frictional force is reproduced in the operation of moving the stationary object slightly and positioning it at the target position, the operation becomes difficult. As is well known, the static friction coefficient is larger than the dynamic friction coefficient. When a stationary object is moved by applying a force greater than the static frictional force, the object moves beyond a slightly separated target position, and it is often difficult to position the object at the target position. A so-called stick-slip phenomenon occurs, and the frictional force deteriorates the operability when performing a fine operation. The frictional force that improves operability can be said to be a frictional force that does not cause a stick-slip phenomenon, for example.
Even if hardware that adds frictional force to the operation reaction force by providing a mechanical sliding resistance portion, a stick-slip phenomenon occurs, and simply good operability cannot be obtained.
The present inventor has overcome the above problem by utilizing the frictional force acting on the side that improves operability and eliminating the frictional force acting on the side that degrades operability.

本発明は、操作子の動作をアクチュエータによって調節することで、人による操作子の操作を補助する装置に具現化することができる。この操作装置は、人が操作する操作子と、人が操作子に加えている操作力を検出する操作力検出手段と、操作子の速度を検出する速度検出手段と、速度検出手段で検出した操作子の速度に、操作力検出手段で検出した操作力に起因して生じる加速度から計算する速度変化量を加味することによって、第1速度を算出する第1速度算出手段と、第1速度算出手段で算出した第1速度と反対向きの力を決定する反対力決定手段と、第1速度算出手段で算出した第1速度に、反対力決定手段で決定した反対力に起因して生じる加速度から計算する速度変化量を加味することによって、第2速度を算出し、算出した第2速度が第1速度と反対向きであれば、算出した第2速度をゼロとする第2速度算出手段と、操作子の速度が第2速度算出手段で算出した第2速度に変化するように操作子を動作させるアクチュエータとを備える。   The present invention can be embodied in a device that assists the operation of the operator by a person by adjusting the operation of the operator using an actuator. This operating device is detected by an operator operated by a person, an operating force detecting means for detecting an operating force applied by the person to the operating element, a speed detecting means for detecting the speed of the operating element, and a speed detecting means. First speed calculation means for calculating the first speed by adding the speed change amount calculated from the acceleration caused by the operation force detected by the operation force detection means to the speed of the operation element, and the first speed calculation A counter force determining means for determining a force in the direction opposite to the first speed calculated by the means, and an acceleration caused by the counter force determined by the counter force determining means to the first speed calculated by the first speed calculating means. A second speed calculating means that calculates the second speed by taking into account the speed change amount to be calculated, and sets the calculated second speed to zero if the calculated second speed is in the opposite direction to the first speed; The speed of the operator is calculated by the second speed calculation means And an actuator for operating the operator to vary the second speed.

本発明の装置では、操作力Fhから、その操作力に起因して生じるはずの加速度を算出する。この段階では、摩擦力を考慮しない。前記した式(1)から加速度を解くことによって操作力に起因して生じるはずの加速度を算出することができる。
粘性やばね力が働かない環境であれば、[M・(dP/dt)=Fh]の式から加速度(dP/dt)を求めることができる。ここでMは、操作子に擬制する物体の質量に相当する。
加速度が判明すると、単位時間後の速度変化量を計算することができる。現在の速度に加速度から計算した速度変化量を加味することによって、単位時間後の速度を算出することができる。これが本発明で算出する第1速度である。
本発明では、第1速度から摩擦力に相当する反対力を決定する。反対力は、第1速度と反対向きの力である。反対力の大きさは、実現する操作感に合わせて調整可能であり、固定した値であってもよい。あるいは操作子の速度、位置、移動方向等に依存させて大小させてもよい。第1速度がゼロであれば、第1速度に向きが存在しないことから、反対力はゼロとする。このことは、静止摩擦力をゼロとすることを意味しない。第1速度は、摩擦力等の反対力が作用しないとするときの仮想的な速度だからである。
本発明では、第1速度と反対向きの力を決定し、その反対力によって生じる加速度を計算する。ここでも、[M・(dP/dt)=反対力]の式から加速度を求めることができる。加速度が判明すると、反対力に起因する単位時間後の速度変化量を計算することができる。第1速度に、反対力に起因する単位時間後の速度変化量を加味することによって、単位時間後の速度を算出することができる。これが本発明で算出する第2速度である。
第1速度の向きと第2速度の向きが互いに反対向きとなっている場合、第2速度をゼロに修正する。摩擦力による影響を計算するために反対力を想定したけれども、摩擦力には反対方向に移動させる作用がないからである。
最終的には、操作子の速度が、第2速度算出手段で算出した第2速度に変化するように、アクチュエータが操作子の動作を調節する。操作子は、その速度が速度検出手段で検出した速度から第2速度算出手段で算出した第2速度に変化するように移動する。
上記では、第1速度を計算するまでの段階で、粘性やばね力が速度に与える影響を計算し、それから反対力を利用して第2速度を計算する例を説明した。後記する実施例に示すように、第1速度を計算するまでの段階では粘性が速度に与える影響を計算せず、反対力と粘性を利用して第2速度を計算してもよい。必要なら、第1速度を計算するまでの段階では粘性やばね力が速度に与える影響を計算せず、反対力と粘性とばね力を利用して第2速度を計算してもよい。
In the apparatus of the present invention, the acceleration that should occur due to the operating force is calculated from the operating force Fh. At this stage, the frictional force is not considered. By solving the acceleration from the equation (1), it is possible to calculate the acceleration that should occur due to the operating force.
In an environment where viscosity and spring force do not work, the acceleration (d 2 P / dt 2 ) can be obtained from the equation [M · (d 2 P / dt 2 ) = Fh]. Here, M corresponds to the mass of the object imitating the operator.
When the acceleration is known, the speed change amount after unit time can be calculated. By adding the speed change amount calculated from the acceleration to the current speed, the speed after the unit time can be calculated. This is the first speed calculated by the present invention.
In the present invention, the opposite force corresponding to the friction force is determined from the first speed. The opposite force is a force opposite to the first speed. The magnitude of the opposing force can be adjusted according to the operational feeling to be realized, and may be a fixed value. Alternatively, the size may be increased or decreased depending on the speed, position, moving direction, etc. of the operation element. If the first speed is zero, there is no direction in the first speed, so the counter force is zero. This does not mean that the static frictional force is made zero. This is because the first speed is a virtual speed when an opposite force such as a frictional force does not act.
In the present invention, a force opposite to the first speed is determined, and an acceleration generated by the opposite force is calculated. Here too, the acceleration can be determined from the equation [M · (d 2 P / dt 2 ) = opposite force]. Once the acceleration is known, the amount of speed change after a unit time due to the opposite force can be calculated. The speed after the unit time can be calculated by adding the speed change amount after the unit time due to the opposite force to the first speed. This is the second speed calculated in the present invention.
If the direction of the first speed and the direction of the second speed are opposite to each other, the second speed is corrected to zero. This is because the opposite force is assumed to calculate the influence of the frictional force, but the frictional force has no action to move in the opposite direction.
Finally, the actuator adjusts the operation of the operating element so that the speed of the operating element changes to the second speed calculated by the second speed calculating means. The operating element moves so that the speed changes from the speed detected by the speed detecting means to the second speed calculated by the second speed calculating means.
In the above description, the example in which the influence of the viscosity and the spring force on the speed is calculated until the first speed is calculated, and then the second speed is calculated using the opposite force. As shown in the examples described later, the second speed may be calculated using the opposite force and the viscosity without calculating the influence of the viscosity on the speed until the first speed is calculated. If necessary, the second speed may be calculated using the counter force, the viscosity, and the spring force without calculating the influence of the viscosity and the spring force on the speed until the first speed is calculated.

図5を用いて、上記で算出される第1速度や第2速度について説明する。図5(a)〜(d)は、横軸に操作子の速度をとり縦軸に反対力を示すグラフである。図5(a)〜(d)に示すように、反対力は操作子の速度と逆向きであり、その大きさは操作子の速度によらず一定である。また、操作子の速度がゼロであれば反対力もゼロである。
図5(a)〜(d)において、図中Aは操作子の現在速度を示しており、図中Bは算出される第1速度を示しており、図中Cは算出される第2速度を示している。
図5(a)は、操作子が移動している場合であって、現在速度が比較的大きい場合を示している。これは、例えば人が操作子を大きく操作している状況に対応する。操作力Fhに基づいて、例えば図5(a)に示すように第1速度Bが算出される。第1速度Bが正方向であることから、反対力は負方向となり、第1速度Bよりも第2速度Cは小さく算出される。第2速度を用いて操作子の位置を決定することにより、操作子はあたかも動摩擦力が作用しているように運動する。操作子を操作している人には、操作子に動摩擦力が作用しているような操作反力が与えられる。このとき再現される動摩擦力の大きさは、反対力の大きさに等しい。
The first speed and the second speed calculated above will be described with reference to FIG. FIGS. 5A to 5D are graphs in which the horizontal axis represents the speed of the operating element and the vertical axis represents the opposite force. As shown in FIGS. 5A to 5D, the opposite force is opposite to the speed of the operation element, and the magnitude thereof is constant regardless of the speed of the operation element. If the speed of the operation element is zero, the opposite force is also zero.
5A to 5D, A in the figure indicates the current speed of the operator, B in the figure indicates the calculated first speed, and C in the figure indicates the calculated second speed. Is shown.
FIG. 5A shows a case where the operating element is moving and the current speed is relatively high. This corresponds to, for example, a situation where a person is operating the operation element greatly. Based on the operating force Fh, for example, the first speed B is calculated as shown in FIG. Since the first speed B is in the positive direction, the opposite force is in the negative direction, and the second speed C is calculated to be smaller than the first speed B. By determining the position of the manipulator using the second speed, the manipulator moves as if a dynamic friction force is acting. An operation reaction force in which a dynamic friction force acts on the operation element is given to a person who operates the operation element. The magnitude of the dynamic friction force reproduced at this time is equal to the magnitude of the opposite force.

図5(b)は、操作子が移動している場合であって、現在速度や第1速度が比較的小さい場合を示している。これは、例えば人が操作子を細かに操作している状況に対応する。図5(b)に示すように、算出される第1速度Bが小さい場合、第2速度の向きが第1速度Bの向きに対して、反対向きになることがある。このように、第1速度Bの向きと第2速度Cの向きが互いに反対向きとなっている場合、第2速度はゼロに修正される。ここで第2速度がゼロに修正されず、操作子が修正前の第2速度に基づいて変位すると、人が操作した向きと逆向きに操作子が動いたり、人が操作していないのに操作子が振動を始めてしまう。本装置では、第2速度はゼロに修正し、第2速度を用いて操作子の位置を決定することにより、操作子はあたかも動摩擦力や静止摩擦力が作用しているように運動する。操作子を操作している人には、操作子に動摩擦力や静止摩擦力が作用しているような操作反力が与えられる。   FIG. 5B shows a case where the operator is moving and the current speed and the first speed are relatively small. This corresponds to, for example, a situation where a person is operating the operation element in detail. As shown in FIG. 5B, when the calculated first speed B is small, the direction of the second speed may be opposite to the direction of the first speed B. Thus, when the direction of the first speed B and the direction of the second speed C are opposite to each other, the second speed is corrected to zero. If the second speed is not corrected to zero and the operating element is displaced based on the second speed before the correction, the operating element moves in the opposite direction to the direction operated by the person or the person is not operating. The controller starts to vibrate. In this apparatus, the second speed is corrected to zero, and the position of the operating element is determined using the second speed, so that the operating element moves as if a dynamic friction force or a static friction force is acting. An operation reaction force in which a dynamic friction force or a static friction force acts on the operation element is given to a person who operates the operation element.

図5(c)は、操作子が停止している場合であって、操作力が比較的小さい場合を示している。これは、例えば人が操作子を停止させているときに、手ぶれしている状況に対応する。図5(c)に示すように、操作力が小さいときは、算出される第1速度Bが小さいので、第2速度の向きが第1速度Bの向きに対して、反対向きになる。第1速度Bの向きと第2速度Cの向きが互いに反対向きとなっているので、第2速度はゼロに修正される。現在速度と第2速度がゼロであることから、操作子は変位しないように維持される。操作子を操作している人には、操作子に静止摩擦力が作用しているような操作反力が与えられる。
図5(d)は、操作子が停止している場合であって、操作力が比較的大きい場合を示している。これは、例えば人が停止している操作子を、動かし始める状況に対応する。図5(d)に示すように、操作力が大きいときは、算出される第1速度Bが大きいので、第2速度の向きと第1速度Bの向きが、同じ向きになる。第2速度を用いて操作子の位置を決定することにより、操作子はあたかも動摩擦力や静止摩擦力が作用しているように運動する。
図5(c)(d)から明らかなように、停止している操作子に第1速度と第2速度が同じ向きに算出されるような操作力を加えると、停止している操作子を動かすことができる。即ち、反対力を超える操作力を加えたときに、停止している操作子を動かすことができ、操作子に再現される最大の静止摩擦力が、反対力と等しいことを意味する。この操作装置では、操作子の運動に再現される最大静止摩擦力と、操作子の運動に再現される動摩擦力とが等しくなる。操作子の運動に、最大静止摩擦力と動摩擦力が等しく、静止摩擦力と動摩擦力に区別のない擬似摩擦力が再現される。
FIG. 5C shows a case where the operating element is stopped and the operation force is relatively small. This corresponds to, for example, a situation where the user shakes when the operator stops the operation element. As shown in FIG. 5C, when the operating force is small, the calculated first speed B is small, so the direction of the second speed is opposite to the direction of the first speed B. Since the direction of the first speed B and the direction of the second speed C are opposite to each other, the second speed is corrected to zero. Since the current speed and the second speed are zero, the operation element is maintained so as not to be displaced. An operation reaction force in which a static frictional force acts on the operation element is given to the person who operates the operation element.
FIG. 5D shows a case where the operation element is stopped and the operation force is relatively large. This corresponds to a situation in which, for example, a manipulator that is stopped is started to move. As shown in FIG. 5D, when the operating force is large, the calculated first speed B is large, and therefore the direction of the second speed and the direction of the first speed B are the same. By determining the position of the manipulator using the second speed, the manipulator moves as if a dynamic friction force or a static friction force is acting.
As apparent from FIGS. 5C and 5D, when an operating force is applied to the operating element that is stopped so that the first speed and the second speed are calculated in the same direction, the operating element that is stopped is displayed. Can move. That is, when an operating force exceeding the opposite force is applied, the stopped operator can be moved, which means that the maximum static friction force reproduced by the operator is equal to the opposite force. In this operating device, the maximum static friction force reproduced in the movement of the operating element is equal to the dynamic friction force reproduced in the movement of the operating element. The maximum static frictional force and the dynamic frictional force are equal to the movement of the operation element, and a pseudo frictional force that is indistinguishable between the static frictional force and the dynamic frictional force is reproduced.

この装置では、人の操作を補助しうる素直な摩擦力、例えば静止摩擦力と動摩擦力の区別のないような擬似摩擦力を操作子の運動に再現することができる。この装置によると、操作子に適度な操作反力を発生させることができる。例えば操作状態等に応じて制御則を切換える必要がなく、様々な機械装置等の操作装置に採用することができる。   In this device, a simple friction force that can assist a human operation, for example, a pseudo friction force that does not distinguish between a static friction force and a dynamic friction force can be reproduced in the motion of the operator. According to this apparatus, an appropriate operation reaction force can be generated in the operation element. For example, it is not necessary to switch the control law according to the operation state or the like, and it can be employed in various operation devices such as mechanical devices.

上記の装置において、操作子の速度が、前記速度検出手段で検出した操作子の速度から、前記第2速度算出手段で算出した第2速度に変化するときに、操作子が変位する変位量を算出する変位量算出手段をさらに備えることが好ましい。この場合、アクチュエータは、変位量算出手段で算出した変位量だけ操作子を移動させる。
この装置では、操作子の動作を操作子の位置によって調節するので、操作子の運動に擬似摩擦力をより精度よく再現することができる。
In the above apparatus, when the speed of the operating element changes from the speed of the operating element detected by the speed detecting means to the second speed calculated by the second speed calculating means, a displacement amount by which the operating element is displaced is calculated. It is preferable to further include a displacement amount calculating means for calculating. In this case, the actuator moves the operation element by the displacement amount calculated by the displacement amount calculation means.
In this apparatus, since the operation of the operation element is adjusted according to the position of the operation element, the pseudo friction force can be more accurately reproduced in the movement of the operation element.

本発明はまた、操作子をアクチュエータによって移動させることによって、人による操作子の操作を補助する方法を提供することができる。この方法は、人が操作子に加えている操作力を検出する操作力検出工程と、操作子の速度を検出する速度検出工程と、速度検出工程で検出した操作子の速度に操作力検出工程で検出した操作力に起因して生じる加速度から計算する速度変化量を加味することによって、第1速度を算出する第1速度算出工程と、第1速度算出工程で算出した第1速度と反対向きの力を決定する反対力決定工程と、第1速度算出工程で算出した第1速度に、反対力決定工程で決定した反対力に起因して生じる加速度から計算する速度変化量を加味することによって、第2速度を算出し、算出した第2速度が第1速度と反対向きであれば、第2速度をゼロとする第2速度算出工程と、アクチュエータによって、操作子の速度が第2速度算出工程で算出した速度に変化するように操作子を動作させる動作工程とを備える。   The present invention can also provide a method of assisting the operation of the operator by a person by moving the operator by an actuator. The method includes an operation force detection step for detecting an operation force applied to a manipulator by a person, a speed detection step for detecting a speed of the manipulator, and an operation force detection step based on the speed of the manipulator detected in the speed detection step. The first speed calculation step for calculating the first speed by taking into account the speed change amount calculated from the acceleration caused by the operating force detected in step 1, and the direction opposite to the first speed calculated in the first speed calculation step By adding the speed change amount calculated from the acceleration caused by the counter force determined in the counter force determination step to the counter force determination step for determining the force of the first force and the first speed calculated in the first speed calculation step The second speed is calculated, and if the calculated second speed is in the opposite direction to the first speed, the second speed is calculated by the second speed calculation step in which the second speed is zero and the actuator calculates the second speed. Changed to the speed calculated in the process Operating the operator to and an operation process.

この方法では、人の操作を補助しうる素直な摩擦力、例えば静止摩擦力と動摩擦力の区別のないような擬似摩擦力を操作子の運動に再現することができる。この方法によると、操作子に適度な操作反力を発生させることができる。例えば操作状態等に応じて制御則を切換える必要がなく、様々な機械装置等の操作装置に採用することができる。   According to this method, a simple frictional force capable of assisting a human operation, for example, a pseudo frictional force having no distinction between a static frictional force and a dynamic frictional force can be reproduced in the movement of the operator. According to this method, an appropriate operation reaction force can be generated in the operation element. For example, it is not necessary to switch the control law according to the operation state or the like, and it can be employed in various operation devices such as mechanical devices.

本発明の技術は、電子計算機によって、人が操作する操作子の位置をアクチュエータによって移動させるためのプログラムにも具現化される。このプログラムは、電子計算機に、人が操作子に加えている操作力を入力する処理と、操作子の速度を入力する処理と、入力した操作子の速度に、入力した操作力に起因して生じる加速度から計算する速度変化量を加味することによって、第1速度を算出する第1速度算出処理と、第1速度算出処理で算出した第1速度と反対向きの力を決定する反対力決定処理と、第1速度算出処理で算出した第1速度に、反対力決定処理で決定した反対力に起因して生じる加速度から計算する速度変化量を加味することによって、第2速度を算出し、算出した第2速度が第1速度と反対向きであれば、算出した第2速度をゼロとする第2速度算出処理と、操作子の速度が第2速度算出処理で算出した第2速度に変化するようにアクチュエータへの動作指令を出力する出力処理とを実行させるプログラムである。
このプログラムをコンピュータに実行させることにより、人の操作を補助しうる素直な摩擦力、例えば静止摩擦力と動摩擦力の区別のないような擬似摩擦力を操作子の運動に再現することができる。操作子に適度な操作反力を発生させることができる。例えば操作状態等に応じて制御則を切換える必要がなく、様々な機械装置等の操作装置に採用することができる。
The technique of the present invention is also embodied in a program for moving the position of an operator operated by a person using an actuator by an electronic computer. This program is based on the input operation force on the computer, the process of inputting the operation force applied by the person to the operation element, the process of inputting the operation element speed, and the input operation element speed. A first speed calculation process for calculating the first speed by adding a speed change amount calculated from the generated acceleration, and an opposite force determination process for determining a force opposite to the first speed calculated in the first speed calculation process. The second speed is calculated by adding the speed change amount calculated from the acceleration generated due to the opposite force determined in the opposite force determination process to the first speed calculated in the first speed calculation process. If the second speed is opposite to the first speed, the second speed calculation process for setting the calculated second speed to zero and the speed of the operator change to the second speed calculated by the second speed calculation process. Operation command to the actuator Is a program for executing an output process of outputting.
By causing the computer to execute this program, it is possible to reproduce a simple friction force that can assist human operations, for example, a pseudo friction force that does not distinguish between a static friction force and a dynamic friction force in the movement of the operator. An appropriate operation reaction force can be generated in the operation element. For example, it is not necessary to switch the control law according to the operation state or the like, and it can be employed in various operation devices such as mechanical devices.

本発明により、操作子に適度な操作反力を与える汎用性の高い技術が提供され、各種の操作に対して良好な操作感を与えることができる。   According to the present invention, a highly versatile technique for providing an appropriate operation reaction force to the operation element is provided, and a favorable operational feeling can be given to various operations.

最初に、以下に説明する実施例の主要な特徴を列記する。
(形態1) 作業支援装置は、作業者が把持する把持部と、把持部をx方向に変位させる第1アクチュエータと、把持部をy方向に変位させる第2アクチュエータと、把持部をz方向に変位させる第3アクチュエータを備えている。
(形態2) 作業支援装置は、作業者が把持部に加えている力を測定する力覚センサを備えている。その力覚センサは、作業者が把持部に加えている力を、x方向、y方向、z方向、およびx軸周り方向、y軸周り方向、z軸周り方向の6方向の力に区別して検出することができる。
First, the main features of the embodiments described below are listed.
(Mode 1) The work support device includes a gripping part gripped by an operator, a first actuator that displaces the gripping part in the x direction, a second actuator that displaces the gripping part in the y direction, and a gripping part in the z direction. A third actuator to be displaced is provided.
(Mode 2) The work support device includes a force sensor that measures the force applied by the operator to the grip portion. The force sensor distinguishes the force applied by the operator to the gripping part into six directions including the x direction, the y direction, the z direction, the x axis direction, the y axis direction, and the z axis direction. Can be detected.

本発明を実施する実施例について図面を参照しながら説明する。本実施例は、本発明の技術を作業者による搬送作業を補助する装置に適用したものである。
図1は、本実施例の作業者による重量物の搬送作業を補助する装置(以下、作業補助装置と略す)2の全体像を示している。図2は、作業補助装置2の電気構成を示している。
図1、図2に示す作業補助装置2は、自動車の製造現場において、自動車のインストルメントパネル(以下、インパネと略す)Wを、自動車のボディ(図示せず)内に組み付ける工程で利用される。この工程では、インパネWを自動車ボディ内に搬送、位置決めし、自動車ボディに固定する作業が作業者によって行われる。作業者は、インパネWを作業補助装置2に固定し、作業補助装置2を介して搬送、位置決めする。作業補助装置2により、作業者は、インパネWよりも軽量な物体を搬送するときに要求される力でインパネWを搬送することができる。
Embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. In this embodiment, the technique of the present invention is applied to an apparatus for assisting a transport operation by an operator.
FIG. 1 shows an overall view of a device 2 (hereinafter abbreviated as a work assisting device) 2 that assists an operator of the present embodiment in carrying heavy objects. FIG. 2 shows an electrical configuration of the work assisting device 2.
The work assisting device 2 shown in FIGS. 1 and 2 is used in a process of assembling an instrument panel (hereinafter abbreviated as “instrument panel”) W of an automobile into a body (not shown) of the automobile at a manufacturing site of the automobile. . In this step, the operator performs an operation of conveying and positioning the instrument panel W in the automobile body and fixing it to the automobile body. The operator fixes the instrument panel W to the work auxiliary device 2, and conveys and positions it through the work auxiliary device 2. The work assisting device 2 allows the worker to transport the instrument panel W with a force required when transporting an object that is lighter than the instrument panel W.

図1によく示されるように、作業補助装置2は、一対の固定レール8a、8bと、その固定レール8a、8bの長手方向に沿ってスライド可能な第1可動体10と、その第1可動体10の長手方向に沿ってスライド可能な第2可動体20と、その第2可動体20の長手方向に沿ってスライド可能な第3可動体30を備えている。以下、固定レール8a、8bの長手方向をx方向とし、第1可動体10の長手方向をy方向とし、第2可動体20の長手方向をz方向とする。x方向とy方向とz方向は互いに略直交している。また、第3可動体30には、インパネWを支持可能なインパネ支持体40が取り付けられている。インパネ支持体40には、インパネWを脱着可能に固定するための固定部46等が設けられている。作業補助装置2では、所定の可動空間内を第3可動体30が自由に移動できるように構成されており、インパネ支持体40を介して支持しているインパネWを自由に移動させることができるように構成されている。   As well shown in FIG. 1, the work assisting device 2 includes a pair of fixed rails 8a and 8b, a first movable body 10 slidable along the longitudinal direction of the fixed rails 8a and 8b, and a first movable A second movable body 20 slidable along the longitudinal direction of the body 10 and a third movable body 30 slidable along the longitudinal direction of the second movable body 20 are provided. Hereinafter, the longitudinal direction of the fixed rails 8a and 8b is the x direction, the longitudinal direction of the first movable body 10 is the y direction, and the longitudinal direction of the second movable body 20 is the z direction. The x direction, the y direction, and the z direction are substantially orthogonal to each other. In addition, an instrument panel support 40 that can support the instrument panel W is attached to the third movable body 30. The instrument panel support 40 is provided with a fixing portion 46 for fixing the instrument panel W so as to be detachable. The work assisting device 2 is configured such that the third movable body 30 can freely move within a predetermined movable space, and the instrument panel W supported via the instrument panel support 40 can be freely moved. It is configured as follows.

図1、図2に示すように、作業補助装置2は、第1可動体10をx方向に沿ってスライドさせる第1アクチュエータ12、第2可動体20をy方向に沿ってスライドさせる第2アクチュエータ22、第3可動体30をz方向に沿ってスライドさせる第3アクチュエータ32を備えている。
作業補助装置2は、第3可動体30に固定された力覚センサ6と、力覚センサ6に設けられた作業者が把持するための把持部4を備えている。作業者は、作業補助装置2を介してインパネWを搬送する際に、把持部4を把持してインパネWを搬送する。力覚センサ6は、作業者が把持部4に加えている搬送力(操作力)を検出するためのセンサであり、作業者の操作力をx方向、y方向、z方向、およびx軸周り方向、y軸周り方向、z軸周り方向の6方向の力に区別して検出することができる。
作業補助装置2は、図1には図示されないが、第1可動体10のx方向の位置を検出する第1位置センサ16と、第2可動体20のy方向の位置を検出する第2位置センサ26と、第3可動体30のz方向の位置を検出する第3位置センサ36を備えている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the work auxiliary device 2 includes a first actuator 12 that slides the first movable body 10 along the x direction, and a second actuator that slides the second movable body 20 along the y direction. 22, a third actuator 32 is provided for sliding the third movable body 30 along the z direction.
The work assisting device 2 includes a force sensor 6 fixed to the third movable body 30 and a grip portion 4 that is provided on the force sensor 6 and is gripped by an operator. When the operator transports the instrument panel W via the work assisting device 2, the worker grips the grip portion 4 and transports the instrument panel W. The force sensor 6 is a sensor for detecting a conveying force (operating force) applied to the grip portion 4 by the operator, and the operator's operating force around the x direction, the y direction, the z direction, and the x axis. It is possible to detect by distinguishing the force in six directions including the direction, the direction around the y axis, and the direction around the z axis.
Although not shown in FIG. 1, the work assisting device 2 is a first position sensor 16 that detects the position of the first movable body 10 in the x direction, and a second position that detects the position of the second movable body 20 in the y direction. A sensor 26 and a third position sensor 36 that detects the position of the third movable body 30 in the z direction are provided.

作業補助装置2は、第1、第2、第3アクチュエータ12、22、32の動作を制御する制御ユニット60を備えている。
図2によく示されるように、制御ユニット60は、第1アクチュエータ12を動作させる第1ドライバ14と、第2アクチュエータ22を動作させる第2ドライバ24と、第3アクチュエータ32を動作させる第3ドライバ34を備えている。また、第1、第2、第3ドライバ14、24、34に指令を与える処理部62や、作業者が処理部62に指示を入力したり、処理部62から作業者に情報を表示するための操作パネル64等を備えている。
処理部62には、力覚センサ6が接続されており、力覚センサ6で検出した作業者が把持部4に加えた操作力が処理部62に入力される。また、処理部62には、第1、第2、第3位置センサ16、26、36が接続されており、第1位置センサ16で検出した第1可動体10のx方向の位置と、第2位置センサ26で検出した第2可動体20のy方向の位置と、第3位置センサ36で検出した第3可動体30のz方向の位置が入力される。処理部62は、入力される第1、第2、第3可動体10、20、30の位置から、把持部4の位置P:(x,y,z)を算出することができる。また処理部62は、把持部4の位置座標Pの経時変化から、把持部4の速度v:(dx/dt,dy/dt,dz/dt)や、把持部4の加速度a:(dx/dt,dy/dt,dz/dt)を算出することができる。
把持部4とインパネWは相対的に固定されているので、把持部4の位置P(x,y,z)、把持部4の速度v(dx/dt,dy/dt,dz/dt)、把持部4の加速度a(dx/dt,dy/dt,dz/dt)は、それぞれインパネWの位置、インパネWの速度、インパネWの加速度に対応する。
The work assisting device 2 includes a control unit 60 that controls operations of the first, second, and third actuators 12, 22, and 32.
As well shown in FIG. 2, the control unit 60 includes a first driver 14 that operates the first actuator 12, a second driver 24 that operates the second actuator 22, and a third driver that operates the third actuator 32. 34 is provided. Further, the processing unit 62 that gives instructions to the first, second, and third drivers 14, 24, and 34, and the operator inputs instructions to the processing unit 62 and displays information from the processing unit 62 to the worker. The operation panel 64 is provided.
The force sensor 6 is connected to the processing unit 62, and an operation force applied to the grip unit 4 by an operator detected by the force sensor 6 is input to the processing unit 62. Further, the first, second, and third position sensors 16, 26, and 36 are connected to the processing unit 62, and the position of the first movable body 10 detected by the first position sensor 16 in the x direction, The y-direction position of the second movable body 20 detected by the two-position sensor 26 and the z-direction position of the third movable body 30 detected by the third position sensor 36 are input. The processing unit 62 can calculate the position P: (x, y, z) of the gripping unit 4 from the input positions of the first, second, and third movable bodies 10, 20, and 30. Further, the processing unit 62 determines the speed v: (dx / dt, dy / dt, dz / dt) of the gripping unit 4 and the acceleration a: (d 2 ) of the gripping unit 4 from the change with time of the position coordinate P of the gripping unit 4. x / dt 2 , d 2 y / dt 2 , d 2 z / dt 2 ) can be calculated.
Since the grip portion 4 and the instrument panel W are relatively fixed, the position P (x, y, z) of the grip portion 4, the speed v (dx / dt, dy / dt, dz / dt) of the grip portion 4, The acceleration a (d 2 x / dt 2 , d 2 y / dt 2 , d 2 z / dt 2 ) of the grip 4 corresponds to the position of the instrument panel W, the speed of the instrument panel W, and the acceleration of the instrument panel W, respectively.

処理部62は、仮想質量Mや、仮想粘性係数Dや、仮想弾性係数Kや、擬似摩擦力値(反対力値)f等を記憶することができる。仮想質量Mや、仮想粘性係数Dや、仮想弾性係数Kや、擬似摩擦力値f等は、作業者等が予め設定し、操作パネル64等を利用して作業補助装置2に教示しておくことができる。なお、本実施例の作業補助装置2では、仮想弾性係数Kがゼロに設定されている。
制御ユニット60の処理部62は、作業者が把持部4に加えた操作力や、把持部4の位置Pや、把持部4の速度vや、把持部4の加速度aを算出し、記憶している仮想質量Mや、仮想粘性係数Dや、仮想弾性係数Kや、擬似摩擦力値f等を用いて把持部4を変位させるべき目標位置を逐次算出し、第1、第2、第3ドライバ14、24、34に教示する。第1、第2、第3ドライバ14、24、34は、教示された位置へと第1、第2、第3可動体10、20、30が変位するように、第1、第2、第3アクチュエータを動作させる。作業補助装置2は、作業者が把持部4に加えている力を補完するように動作し、把持部4と共にインパネWを変位させる。作業者は、あたかもインパネWよりも軽量な物体を搬送しているときの力で、インパネWを搬送することができる。
The processing unit 62 can store a virtual mass M, a virtual viscosity coefficient D, a virtual elastic coefficient K, a pseudo frictional force value (opposite force value) f, and the like. The virtual mass M, the virtual viscosity coefficient D, the virtual elastic coefficient K, the pseudo frictional force value f, and the like are preset by an operator or the like, and are taught to the work auxiliary device 2 using the operation panel 64 or the like. be able to. In the work assistance device 2 of the present embodiment, the virtual elastic coefficient K is set to zero.
The processing unit 62 of the control unit 60 calculates and stores the operating force applied by the operator to the grip unit 4, the position P of the grip unit 4, the speed v of the grip unit 4, and the acceleration a of the grip unit 4. The target position at which the gripper 4 should be displaced is sequentially calculated using the virtual mass M, the virtual viscosity coefficient D, the virtual elastic coefficient K, the pseudo frictional force value f, etc., and the first, second and third Teach drivers 14, 24 and 34. The first, second, and third drivers 14, 24, and 34 are arranged so that the first, second, and third movable bodies 10, 20, and 30 are displaced to the taught positions. 3 Actuate the actuator. The work assisting device 2 operates so as to supplement the force applied by the operator to the grip portion 4 and displaces the instrument panel W together with the grip portion 4. The operator can transport the instrument panel W with the force as if transporting an object that is lighter than the instrument panel W.

以下、処理部62が把持部4の変位量を逐次算出する処理について詳細に説明する。図3は、処理部62が把持部4の変位量を逐次算出する処理の流れを示すフローチャートである。処理部62は、図3のフローチャートに示す演算処理を、動作周期Δtによって繰り返し実行する。なおここでは、仮想弾性係数Kにゼロを設定しているものとする。
ステップS2では、第1、第2、第3位置センサ16、26、36の出力に基づいて、把持部4の位置(x,y,z)を算出する。以下、時刻tにおける把持部4の位置をP(t)と記述し、そのときの把持部4の座標(x,y,z)を、それぞれ(x(t),y(t),z(t))と記述する。
ステップS4では、把持部4の速度(dx/dt,dy/dt,dz/dt)を算出する。処理部62は、把持部4の経時的な位置変化から、即ち、今回の動作サイクルのステップS2で算出した把持部4の位置P(t)と、前回の動作サイクルで算出した把持部4の位置P(t−Δt)から、時刻tにおける把持部4の速度を算出する。以下、時刻tにおける把持部4の速度をv(t)と記述し、そのときの把持部4のx方向、y方向、z方向の速度を、それぞれv(t)、v(t)、v(t)と記述する。
ステップS6では、力覚センサ6の出力に基づいて、作業者が把持部4に加えている操作力を算出する。処理部64は、作業者が把持部4に加えている操作力のなかで、少なくともx方向と、y方向と、z方向の成分を区別して算出する。以下、時刻tにおいて作業者が把持部4に加えている操作力をF(t)と記述し、そのx方向、y方向、z方向の成分を、それぞれF(t)、F(t)、F(t)と記述する。
Hereinafter, the process in which the processing unit 62 sequentially calculates the displacement amount of the gripping part 4 will be described in detail. FIG. 3 is a flowchart showing a flow of processing in which the processing unit 62 sequentially calculates the displacement amount of the gripping unit 4. The processing unit 62 repeatedly executes the arithmetic processing shown in the flowchart of FIG. 3 with the operation cycle Δt. Here, it is assumed that the virtual elastic coefficient K is set to zero.
In step S2, the position (x, y, z) of the grip portion 4 is calculated based on the outputs of the first, second, and third position sensors 16, 26, and 36. Hereinafter, the position of the grip portion 4 at time t is described as P (t), and the coordinates (x, y, z) of the grip portion 4 at that time are (x (t), y (t), z ( t)).
In step S4, the speed (dx / dt, dy / dt, dz / dt) of the grip portion 4 is calculated. The processing unit 62 determines the position P (t) of the gripper 4 calculated in step S2 of the current operation cycle and the position of the gripper 4 calculated in the previous operation cycle from the position change of the gripper 4 with time. From the position P (t−Δt), the speed of the grip portion 4 at the time t is calculated. Hereinafter, the speed of the gripping part 4 at time t is described as v (t), and the speeds of the gripping part 4 at that time in the x direction, y direction, and z direction are respectively v x (t) and v y (t). , V z (t).
In step S <b> 6, based on the output of the force sensor 6, the operation force applied to the grip portion 4 by the operator is calculated. The processing unit 64 calculates and distinguishes at least components in the x direction, the y direction, and the z direction among the operating forces applied to the grip unit 4 by the operator. Hereinafter, the operating force applied to the gripper 4 by the operator at time t is described as F (t), and the components in the x, y, and z directions are respectively F x (t) and F y (t ), F z (t).

ステップS8では、保存加速度a(t)を算出する。保存加速度a(t)とは、保存力による加速度である。保存力とは、人が加える操作力や弾性体が加える弾性力等のように、物体に作用したときに、そのエネルギーが物体に保存されて、物体のエネルギーを増加することができる力を指す。即ち、
(t)=(F(t)−K・P(t))/M ;
となる。保存加速度a(t)のx方向、y方向、z方向の成分を、それぞれacx(t)、acy(t)、acz(t)とすると、
cx(t)=(F(t)−K・x)/M
cy(t)=(F(t)−K・y)/M
cz(t)=(F(t)−K・z)/M
となる。保存加速度a(t)は、操作力F(t)に起因して生じる加速度と、仮想弾性力K・P(t)に起因して生じる加速度の和となる。なお、本実施例の作業補助装置2では、仮想弾性係数Kをゼロに設定しているので、保存加速度a(t)は、操作力F(t)に起因して生じる加速度に等しく、保存加速度a(t)は操作力F(t)に比例する。
ステップS10では、保存加速度a(t)を用いて、動作周期Δt後の把持部4の第1速度v(t+Δt)を算出する。即ち、
(t+Δt)=v(t)+a(t)・Δt ;
となる。第1速度v(t+Δt)のx方向、y方向、z方向の成分を、それぞれvcx(t+Δt)、vcy(t+Δt)、vcz(t+Δt)とすると、
cx(t+Δt)=v(t)+acx(t)・Δt
cy(t+Δt)=v(t)+acy(t)・Δt
cz(t+Δt)=v(t)+acz(t)・Δt
となる。第1速度v(t+Δt)は、算出した把持部4の速度v(t)に、操作力F(t)に起因して生じる加速度から計算される速度変化量や、仮想弾性力K・P(t)に起因して生じる加速度から計算される速度変化量が加味されている。第1速度v(t+Δt)は、速度v(t)で運動している質量Mの物体に、操作力F(t)を加えたときに、動作周期Δt後に実現される物体の速度と等しい。第1速度v(t+Δt)は、摩擦力や粘性抵抗力を考慮しない速度である。
In step S8, a stored acceleration a c (t) is calculated. The stored acceleration a c (t) is an acceleration due to a storage force. Conservative force refers to the force that can increase the energy of an object when it acts on an object, such as an operating force applied by a person or an elastic force applied by an elastic body, when that energy is stored in the object. . That is,
a c (t) = (F (t) −K · P (t)) / M;
It becomes. When the components of the stored acceleration a c (t) in the x, y, and z directions are a cx (t), a cy (t), and a cz (t), respectively,
a cx (t) = (F x (t) −K x · x) / M
a cy (t) = (F y (t) −K y · y) / M
a cz (t) = (F z (t) −K z · z) / M
It becomes. The stored acceleration a c (t) is the sum of the acceleration caused by the operating force F (t) and the acceleration caused by the virtual elastic force K · P (t). In the work assistance device 2 of this embodiment, since the virtual elastic coefficient K is set to zero, the stored acceleration a c (t) is equal to the acceleration generated due to the operating force F (t) and stored. The acceleration a c (t) is proportional to the operating force F (t).
In step S10, using the stored acceleration a c (t), the first speed v c (t + Δt) of the grip portion 4 after the operation cycle Δt is calculated. That is,
v c (t + Δt) = v (t) + a c (t) · Δt;
It becomes. If the components of the first velocity v c (t + Δt) in the x direction, y direction, and z direction are v cx (t + Δt), v cy (t + Δt), and v cz (t + Δt), respectively.
v cx (t + Δt) = v x (t) + a cx (t) · Δt
v cy (t + Δt) = v y (t) + a cy (t) · Δt
v cz (t + Δt) = v z (t) + a cz (t) · Δt
It becomes. The first speed v c (t + Δt) is the calculated speed v (t) of the gripper 4 and the speed change amount calculated from the acceleration caused by the operating force F (t) or the virtual elastic force K · P. The amount of speed change calculated from the acceleration caused by (t) is taken into account. The first speed v c (t + Δt) is equal to the speed of the object realized after the operation period Δt when the operating force F (t) is applied to the mass M object moving at the speed v (t). . The first speed v c (t + Δt) is a speed that does not consider the frictional force or the viscous resistance force.

ステップS12では、擬似摩擦力f(t)が決定される。図4に示すように、擬似摩擦力f(t)の方向は、把持部4の第1速度v(t)の向きと反対向きとなるように決定される。また、擬似摩擦力f(t)の大きさは、把持部4が移動しているときは、擬似摩擦力値fとする。即ち、擬似摩擦力f(t)のx方向、y方向、z方向の成分を、それぞれf(t)、f(t)、f(t)とすると、
(t)=−f・vcx(t)/|v(t)|
(t)=−f・vcy(t)/|v(t)|
(t)=−f・vcz(t)/|v(t)|
となる。なお、
|v(t)|=((vcx(t))+(vcy(t))+(vcz(t))1/2
であり、
|f(t)|=((f(t))+(f(t))+(f(t))1/2
=f
である。
一方、算出された第1速度v(t)がゼロであれば、擬似摩擦力の大きさ|f(t)|をゼロとする。即ち、
(t)=f(t)=f(t)=0
である。このことは、作業補助装置2が把持部4の運動に再現する静止摩擦力がゼロであることを意味しない。第1速度v(t)は摩擦力がないとするときの仮想的な速度であり、この段階の擬似摩擦力f(t)は、その第1速度v(t)に対して仮に定めるものである。
In step S12, the pseudo frictional force f (t) is determined. As shown in FIG. 4, the direction of the pseudo frictional force f (t) is determined to be opposite to the direction of the first speed v c (t) of the grip portion 4. Further, the magnitude of the pseudo frictional force f (t) is set to the pseudo frictional force value f when the grip portion 4 is moving. That is, if the components of the pseudo frictional force f (t) in the x direction, y direction, and z direction are f x (t), f y (t), and f z (t), respectively,
f x (t) = − f · v cx (t) / | v c (t) |
f y (t) = − f · v cy (t) / | v c (t) |
f z (t) = − f · v cz (t) / | v c (t) |
It becomes. In addition,
| V c (t) | = ((v cx (t)) 2 + (v cy (t)) 2 + (v cz (t)) 2 ) 1/2
And
| F (t) | = ((f x (t)) 2 + (f y (t)) 2 + (f z (t)) 2 ) 1/2
= F
It is.
On the other hand, if the calculated first speed v c (t) is zero, the magnitude | f (t) | of the pseudo frictional force is set to zero. That is,
f x (t) = f y (t) = f z (t) = 0
It is. This does not mean that the static friction force that the work assisting device 2 reproduces in the movement of the grip portion 4 is zero. The first speed v c (t) is a virtual speed when there is no frictional force, and the pseudo frictional force f (t) at this stage is temporarily determined with respect to the first speed v c (t). Is.

ステップS14では、消散加速度a(t)を算出する。消散加速度a(t)とは、消散力による加速度である。消散力とは、粘性抵抗力や摩擦力等のように、物体に作用したときに、物体のエネルギーを消散させ、物体のエネルギーを増加させることができない力を指す。ここでは、仮想粘性係数Dと擬似摩擦力f(t)により、
(t)=(−D・v(t)+f(t))/M ;
となる。消散加速度a(t)のx方向、y方向、z方向の成分を、それぞれadx(t)、ady(t)、adz(t)とすると、
dx(t)=(−D・vcx(t)+f(t))/M
dy(t)=(−D・vcy(t)+f(t))/M
dz(t)=(−D・vcz(t)+f(t))/M
となる。消散加速度a(t)は、粘性抵抗力に比例する成分と、擬似摩擦力f(t)に比例する成分の和となる。粘性係数Dがゼロに設定されていれば、消散加速度a(t)は、擬似摩擦力f(t)に比例する。
ステップS16では、ステップS10で求めた第1速度v(t+Δt)と、ステップS14で求めた消散加速度a(t)を用いて、動作周期Δt後の把持部4の第2速度v(t+Δt)を算出する。即ち、
(t+Δt)=v(t+Δt)+a(t)・Δt ;
となる。第2速度v(t+Δt)のx方向、y方向、z方向の成分を、それぞれvdx(t+Δt)、vdy(t+Δt)、vdz(t+Δt)とすると、
dx(t+Δt)=vcx(t+Δt)+adx(t)・Δt
dy(t+Δt)=vcy(t+Δt)+ady(t)・Δt
dz(t+Δt)=vcz(t+Δt)+adz(t)・Δt
となる。第2速度v(t+Δt)は、速度v(t)で運動している質量Mの物体に操作力F(t)を加え、粘性抵抗力D・v(t)と擬似摩擦力f(t)と等しい力が作用しているときに、動作周期Δt後に実現される物体の速度と等しい。このとき、例えば第1速度v(t+Δt)が小さいと、第1速度v(t+Δt)と第2速度v(t+Δt)が、反対向きに算出されることがある。一般に、粘性抵抗力や摩擦力は物体の速度と反対向きに作用して物体の速度を減ずるが、物体の速度を反転させるような作用はない。本実施例では、以下に説明するステップS18とステップS20の処理によって、粘性抵抗力D・v(t)や擬似摩擦力f(t)が速度を反転させるような結果が導出されることを禁止する。
In step S14, the dissipation acceleration a d (t) is calculated. The dissipation acceleration a d (t) is an acceleration due to the dissipation force. The dissipative force refers to a force that cannot dissipate the energy of the object and increase the energy of the object when acting on the object, such as a viscous resistance force or a frictional force. Here, by the virtual viscosity coefficient D and the pseudo frictional force f (t),
a d (t) = (− D · v (t) + f (t)) / M;
It becomes. If the components of the dissipation acceleration a d (t) in the x direction, y direction, and z direction are a dx (t), a dy (t), and a dz (t), respectively,
a dx (t) = (− D · v cx (t) + f x (t)) / M
a dy (t) = (− D · v cy (t) + f y (t)) / M
a dz (t) = (− D · v cz (t) + f z (t)) / M
It becomes. The dissipation acceleration a d (t) is the sum of a component proportional to the viscous resistance force and a component proportional to the pseudo frictional force f (t). If the viscosity coefficient D is set to zero, the dissipation acceleration a d (t) is proportional to the pseudo frictional force f (t).
In step S16, using the first velocity v c (t + Δt) obtained in step S10 and the dissipative acceleration a d (t) obtained in step S14, the second velocity v d ( t + Δt) is calculated. That is,
v d (t + Δt) = v c (t + Δt) + a d (t) · Δt;
It becomes. When the components of the second velocity v d (t + Δt) in the x direction, y direction, and z direction are v dx (t + Δt), v dy (t + Δt), and v dz (t + Δt), respectively.
v dx (t + Δt) = v cx (t + Δt) + a dx (t) · Δt
v dy (t + Δt) = v cy (t + Δt) + a dy (t) · Δt
v dz (t + Δt) = v cz (t + Δt) + a dz (t) · Δt
It becomes. The second speed v d (t + Δt) applies the operating force F (t) to the mass M object moving at the speed v (t), and the viscous resistance force D · v c (t) and the pseudo friction force f ( When a force equal to t) is acting, it is equal to the speed of the object realized after the movement period Δt. At this time, for example, if the first speed v c (t + Δt) is small, the first speed v c (t + Δt) and the second speed v d (t + Δt) may be calculated in opposite directions. In general, viscous resistance force and friction force act in the opposite direction to the speed of the object to reduce the speed of the object, but there is no action to reverse the speed of the object. In the present embodiment, the results of steps S18 and S20 described below lead to a result in which the viscous resistance force D · v c (t) and the pseudo friction force f (t) reverse the speed. Ban.

ステップS18では、ステップS10で求めた第1速度v(t+Δt)と、ステップS16で求めた第2速度v(t+Δt)について、
cx(t+Δt)・vdx(t+Δt)<0(ゼロ) ;
cy(t+Δt)・vdy(t+Δt)<0(ゼロ) ;
cz(t+Δt)・vdz(t+Δt)<0(ゼロ) ;
であるか否かが判定される。ここでは、第1速度v(t+Δt)と第2速度v(t+Δt)が反対向きであることから、上記の3式はいずれかの1式が満たされるときに、他の2式も満たされる関係となっている。このステップでイエスの場合はステップS20へと進み、ノーの場合はステップS22へと進む。
ステップS20では、x,y,z方向のなかでステップS18の判定でイエスとなった方向について、ステップS16で求めた第2速度v(t+Δt)をゼロと書き換える。例えばx方向について、vcx(t+Δt)・vdx(t+Δt)<0と判定されれば、第2速度vdx(t+Δt)=0(ゼロ)と書き換える。他のy,z方向についても同様に処理し、第2速度v(t+Δt)をゼロとする。
In step S18, the first speed v c (t + Δt) obtained in step S10 and the second speed v d (t + Δt) obtained in step S16 are as follows.
v cx (t + Δt) · v dx (t + Δt) <0 (zero);
v cy (t + Δt) · v dy (t + Δt) <0 (zero);
v cz (t + Δt) · v dz (t + Δt) <0 (zero);
It is determined whether or not. Here, since the first speed v c (t + Δt) and the second speed v d (t + Δt) are in opposite directions, the above three formulas satisfy the other two formulas when any one formula is met. It has become a relationship. If yes in this step, the process proceeds to step S20, and if no, the process proceeds to step S22.
In step S20, the second speed v d (t + Δt) obtained in step S16 is rewritten as zero in the x, y, z direction in the direction that is determined to be yes in step S18. For example, in the x direction, if it is determined that v cx (t + Δt) · v dx (t + Δt) <0, the second speed v dx (t + Δt) = 0 (zero) is rewritten. The same process is performed for the other y and z directions, and the second velocity v d (t + Δt) is set to zero.

作業補助装置2は、以下に説明するステップS22、ステップS24の処理によって、把持部4の速度が、ステップS18で算出した第2速度v(t+Δt)に変化するように、第1〜第3ドライバ14、24、34を動作させる。
ステップS22では、上述の処理で決定された第2速度v(t+Δt)を、動作周期Δt後の把持部4の速度として、動作周期Δt後までに把持部4が変位すべき位置P(t+Δt)を算出する。例えば、
P(t+Δt)=P(t)+(v(t)+v(t+Δt))・Δt/2 ;
と計算することができる。x、y、z座標毎に表すと、
(t+Δt)=P(t)+(v(t)+vdx(t+Δt))・Δt/2
(t+Δt)=P(t)+(v(t)+vdy(t+Δt))・Δt/2
(t+Δt)=P(t)+(v(t)+vdz(t+Δt))・Δt/2
となる。上記の式は、時刻tにおいて位置P(t)を速度v(t)で運動している物体が、時刻t+Δtにおいて第2速度v(t)で運動しているとしたときに、その物体が存在しうる位置P(t+Δt)を計算する式の一例である。
ステップS24では、現在の位置P(t)と、ステップS22で算出した変位すべき位置P(t+Δt)から、把持部4の変位量をそれぞれx、y、z方向毎に算出し、第1〜第3ドライバ14、24、34に教示する。
処理部62は、再びステップS2へ戻り、以上の演算処理を動作周期Δtによって繰り返し実行する。なお、ステップS2では、把持部4の現在位置を検出することにかえて、ステップS22で算出した把持部4の位置P(t+Δt)を用いてもよい。また、ステップS4では、把持部4の速度を算出することにかえて、ステップS16〜ステップS20で算出した第2速度v(t+Δt)を用いてもよい。
本実施例では、第1速度を計算するまでの段階で、保存力である仮想弾性力が速度に与える影響を加味し、それから消散力である仮想粘性抵抗力や擬似摩擦力を利用して第2速度を計算する例を説明した。これに限らず、第1速度を計算するまでの段階では仮想弾性力が速度に与える影響を加味せず、第2速度を計算する段階で仮想弾性力を加味してもよい。あるいは、第1速度を計算するまでの段階で仮想弾性力や仮想粘性抵抗力が速度に与える影響を加味し、第2速度を計算する段階で擬似摩擦力のみを加味してもよい。
The work assisting device 2 performs first to third so that the speed of the gripping unit 4 changes to the second speed v d (t + Δt) calculated in step S18 by the processes of steps S22 and S24 described below. The drivers 14, 24 and 34 are operated.
In step S22, the second speed v d (t + Δt) determined in the above-described process is used as the speed of the grip part 4 after the operation period Δt, and the position P (t + Δt) at which the grip part 4 should be displaced before the operation period Δt. ) Is calculated. For example,
P (t + Δt) = P (t) + (v (t) + v d (t + Δt)) · Δt / 2;
And can be calculated. Expressed for each x, y, z coordinate:
P x (t + Δt) = P x (t) + (v x (t) + v dx (t + Δt)) · Δt / 2
P y (t + Δt) = P y (t) + (v y (t) + v dy (t + Δt)) · Δt / 2
P z (t + Δt) = P z (t) + (v z (t) + v dz (t + Δt)) · Δt / 2
It becomes. The above formula is obtained when an object moving at the speed P (t) at the time t at the speed v (t) is moving at the second speed v d (t) at the time t + Δt. This is an example of an expression for calculating a position P (t + Δt) where can exist.
In step S24, the displacement amount of the gripper 4 is calculated for each of the x, y, and z directions from the current position P (t) and the position P (t + Δt) calculated in step S22. Teach the third driver 14, 24, 34.
The processing unit 62 returns to step S2 again, and repeatedly executes the above arithmetic processing with the operation cycle Δt. In step S2, the position P (t + Δt) of the grip part 4 calculated in step S22 may be used instead of detecting the current position of the grip part 4. In Step S4, the second speed v d (t + Δt) calculated in Steps S16 to S20 may be used instead of calculating the speed of the grip portion 4.
In the present embodiment, at the stage until the first speed is calculated, the influence of the virtual elastic force, which is a conserving force, on the speed is taken into account, and then the virtual viscous resistance force and the pseudo friction force, which are the dissipating force, are used. The example which calculates 2 speed was demonstrated. Not limited to this, the virtual elastic force may be added at the stage of calculating the second speed without considering the influence of the virtual elastic force on the speed at the stage until the first speed is calculated. Alternatively, the influence of the virtual elastic force or virtual viscous resistance force on the speed may be taken into consideration until the first speed is calculated, and only the pseudo friction force may be taken into consideration at the stage of calculating the second speed.

図5を用いて、作業者が把持部4に操作力Fを加えたときに、把持部4に実現される運動について説明する。図5(a)〜(d)は、横軸に把持部(操作部)4の速度をとり、縦軸に擬似摩擦力(反対力)を示すグラフである。図5(a)〜(d)に示すように、擬似摩擦力は第1速度v(t+Δt)に対して逆向きであって、その大きさは擬似摩擦力値fに等しい。また、第1速度v(t+Δt)がゼロの場合、擬似摩擦力はゼロと与えられる。なお、図5に示す速度範囲では、擬似摩擦力に対して粘性抵抗力は十分に小さく、粘性抵抗力は無視することができる。即ち、図5に示すグラフは、把持部4の速度と、擬似摩擦力と粘性抵抗力を合計した消散力との関係を示すグラフに略等しい。
図5(a)〜(d)において、図中Aは、図3のステップS4で検出される把持部4の速度v(t)を示している。図中Bは、図3のステップS10で算出される第1速度v(t+Δt)を示している。図中Cは、図3のステップS16で算出される第2速度v(t+Δt)を示している。
With reference to FIG. 5, a description will be given of the movement realized by the gripper 4 when the operator applies an operating force F to the gripper 4. FIGS. 5A to 5D are graphs in which the horizontal axis represents the speed of the gripping unit (operation unit) 4 and the vertical axis represents the pseudo frictional force (opposite force). As shown in FIGS. 5A to 5D, the pseudo friction force is in the opposite direction to the first speed v c (t + Δt), and the magnitude thereof is equal to the pseudo friction force value f. Further, when the first speed v c (t + Δt) is zero, the pseudo frictional force is given as zero. In the speed range shown in FIG. 5, the viscous resistance force is sufficiently small with respect to the pseudo friction force, and the viscous resistance force can be ignored. That is, the graph shown in FIG. 5 is substantially equal to the graph showing the relationship between the speed of the gripping portion 4 and the dissipative force obtained by adding the pseudo friction force and the viscous resistance force.
5A to 5D, A in the drawing indicates the speed v (t) of the grip portion 4 detected in step S <b> 4 of FIG. 3. B in the figure indicates the first speed v c (t + Δt) calculated in step S10 of FIG. C in the figure indicates the second speed v d (t + Δt) calculated in step S16 in FIG.

図5(a)は、把持部4が移動している場合であって、速度v(t)が比較的大きい場合を示している。これは、例えば作業者が把持部4を大きく操作して、インパネWを搬送している状況に対応する。第1速度v(t+Δt)と第2速度v(t+Δt)が同じ向きであることから(ステップS18でノー)、把持部4の位置はC点に示す第2速度v(t+Δt)を用いて決定される(ステップS22)。把持部4は、操作力Fと動摩擦力fが作用している質量Mの物体と同様に運動し、把持部4を操作してインパネWを搬送する作業者には、インパネWに動摩擦力fが作用しているような操作反力が与えられる。
図5(b)は、把持部4が移動している場合であって、速度v(t)や第1速度v(t+Δt)が比較的小さい場合を示している。これは、例えば作業者が把持部4を細かに操作し、インパネWを位置決めしている状況に対応する。第1速度v(t+Δt)と第2速度v(t+Δt)が互いに反対向きであることから、ステップS16で算出した第2速度v(t+Δt)は、ステップS20でゼロに修正される。把持部4は、操作力Fや動摩擦力fが作用している質量Mの物体が、静止摩擦力によって停止するような運動をし、把持部4を操作してインパネWを搬送する作業者には、インパネWに動摩擦力fや静止摩擦力が作用しているような操作反力が与えられる。
FIG. 5A shows a case where the grip portion 4 is moving and the speed v (t) is relatively high. This corresponds to, for example, a situation in which the operator greatly operates the grip portion 4 and transports the instrument panel W. Since the first speed v c (t + Δt) and the second speed v d (t + Δt) are in the same direction (No in step S18), the position of the gripper 4 is the second speed v d (t + Δt) indicated by point C. To be determined (step S22). The gripper 4 moves in the same manner as an object of mass M on which the operating force F and the dynamic friction force f are applied, and the operator who operates the gripper 4 to transport the instrument panel W receives the dynamic friction force f on the instrument panel W. An operational reaction force is applied as if.
FIG. 5B shows a case where the grip portion 4 is moving and the speed v (t) and the first speed v c (t + Δt) are relatively small. This corresponds to, for example, a situation where the operator finely operates the grip portion 4 and positions the instrument panel W. Since the first velocity v c (t + Δt) and the second velocity v d (t + Δt) are opposite to each other, the second velocity v d calculated in step S16 (t + Δt), are corrected to zero at step S20. The grip portion 4 moves so that an object of mass M on which the operation force F or the dynamic friction force f acts is stopped by the static friction force, and operates the grip portion 4 to convey the instrument panel W to an operator. An operation reaction force is applied to the instrument panel W such that a dynamic friction force f or a static friction force acts on the instrument panel W.

図5(c)は、把持部4が停止している場合であって、操作力Fが比較的小さい場合を示している。これは、例えば作業者が把持部4を停止させているときに、手ぶれしている状況に対応する。操作力Fが小さいときは、第1速度v(t+Δt)が小さいので、第2速度v(t+Δt)が、第1速度v(t+Δt)と反対向きとなって求められる。第1速度v(t+Δt)と第2速度v(t+Δt)が互いに反対向きであることから、ステップS16で算出した第2速度v(t+Δt)は、ステップS20でゼロに修正される。現在速度v(t)と第2速度v(t+Δt)がゼロであることから、把持部4は変位しないように維持される。把持部4を把持してインパネWを停止させている作業者には、把持部4に静止摩擦力が作用しているような操作反力が与えられる
図5(d)は、把持部4が停止している場合であって、操作力Fが比較的大きい場合を示している。これは、例えば作業者が停止している把持部4を動かし始めて、インパネWの搬送を開始するような状況に対応する。操作力Fが大きいときは、第1速度v(t+Δt)が大きいので、第2速度v(t+Δt)が、第1速度v(t+Δt)と同じ向きとなって求められる。把持部4は、最大静止摩擦力を超える力が加えられて動き始める質量Mの物体と同様に運動し、把持部4を操作してインパネWを搬送する作業者には、インパネWに最大静止摩擦力fを超えて操作力Fを加えたときのような操作反力が与えられる。
図5(c)(d)から明らかなように、停止している把持部4に、第1速度v(t+Δt)と第2速度v(t+Δt)が同じ向きに算出されるような操作力Fを加えると、停止している把持部4を動かすことができる。即ち、擬似摩擦力fを超える操作力Fを加えたときに、停止している操作子を動かすことができ、把持部4に再現される最大の静止摩擦力が、擬似摩擦力fと等しいことを意味する。作業補助装置2では、把持部4の運動に再現される最大静止摩擦力の大きさと、操作子の運動に再現される動摩擦力の大きさが等しくなる。
FIG. 5C shows a case where the grip portion 4 is stopped and the operation force F is relatively small. This corresponds to, for example, a situation where the operator is shaking when the gripper 4 is stopped. When the operating force F is small, the first speed v c (t + Δt) is small, so the second speed v d (t + Δt) is obtained in the opposite direction to the first speed v c (t + Δt). Since the first velocity v c (t + Δt) and the second velocity v d (t + Δt) are opposite to each other, the second velocity v d calculated in step S16 (t + Δt), are corrected to zero at step S20. Since the current speed v (t) and the second speed v d (t + Δt) are zero, the grip portion 4 is maintained so as not to be displaced. An operator who holds the grip portion 4 and stops the instrument panel W is given an operation reaction force in which a static frictional force acts on the grip portion 4. FIG. A case where the operation force F is relatively large is shown. This corresponds to a situation in which, for example, the operator starts moving the holding unit 4 that is stopped, and starts transporting the instrument panel W. When the operating force F is large, the first speed v c (t + Δt) is large, so the second speed v d (t + Δt) is obtained in the same direction as the first speed v c (t + Δt). The gripper 4 moves in the same manner as an object of mass M that starts to move when a force exceeding the maximum static frictional force is applied, and the operator who operates the gripper 4 to transport the instrument panel W has a maximum rest in the instrument panel W. An operation reaction force is applied as when the operation force F is applied beyond the friction force f.
As is apparent from FIGS. 5C and 5D, the first speed v c (t + Δt) and the second speed v d (t + Δt) are calculated in the same direction on the grip unit 4 that is stopped. When the force F is applied, the stopped grip portion 4 can be moved. That is, when the operating force F exceeding the pseudo friction force f is applied, the stopped operating element can be moved, and the maximum static friction force reproduced in the grip portion 4 is equal to the pseudo friction force f. Means. In the work assistance device 2, the magnitude of the maximum static friction force reproduced in the movement of the grip portion 4 is equal to the magnitude of the dynamic friction force reproduced in the movement of the operator.

図6は、作業補助装置2を用いて、インパネWの保管位置から、インパネWを自動車ボディに組み付ける組付位置まで、インパネWを搬送して位置決めし、そのときの操作反力とインパネWの速度の関係を測定したグラフである。図6(a)(b)のグラフは、横軸が時刻を示しており、左方の縦軸が操作反力を示しており、右方の縦軸がインパネWの速度を示している。図6(a)は、擬似摩擦力値fを与えた場合の測定結果である。図6(a)中の破線92aは、測定された操作反力(作業者が感じる手応え)を示す。図6(a)中の実線92bは、測定されたインパネWの速度を示す。一方、図6(b)は、擬似摩擦力値fをゼロに設定した場合の測定結果である。図6(b)中の破線94aは、測定された操作反力を示す。図6(b)中の実線94bは、測定されたインパネWの速度を示す。図6(a)では、操作反力が常に正の値となっており、作業補助装置2が擬似摩擦力f(t)を再現することにより、作業者に安定した手応えを与えていることが確認できる。一方、図6(b)に示すように、擬似摩擦力値fをゼロに設定した場合では、搬送作業後半(位置決め段階)において、操作反力が速度と反対向きになっている。このような関係になると、作業者はインパネWに引き摺られるような感覚を覚えることとなり、違和感のある操作性となってしまう。   FIG. 6 shows that the instrument panel W is transported and positioned from the storage position of the instrument panel W to the assembly position where the instrument panel W is assembled to the automobile body using the work auxiliary device 2, and the operation reaction force and instrument panel W at that time are It is the graph which measured the relationship of speed. In the graphs of FIGS. 6A and 6B, the horizontal axis indicates time, the left vertical axis indicates the operation reaction force, and the right vertical axis indicates the speed of the instrument panel W. FIG. 6A shows the measurement result when the pseudo frictional force value f is given. A broken line 92a in FIG. 6A indicates the measured operation reaction force (response that the operator feels). A solid line 92b in FIG. 6A indicates the measured speed of the instrument panel W. On the other hand, FIG. 6B shows a measurement result when the pseudo frictional force value f is set to zero. A broken line 94a in FIG. 6B indicates the measured operation reaction force. A solid line 94b in FIG. 6B indicates the measured speed of the instrument panel W. In FIG. 6A, the operation reaction force is always a positive value, and the work assisting device 2 reproduces the pseudo frictional force f (t), thereby giving a stable response to the worker. I can confirm. On the other hand, as shown in FIG. 6B, when the pseudo frictional force value f is set to zero, the operation reaction force is opposite to the speed in the latter half of the transfer operation (positioning stage). If it becomes such a relationship, an operator will feel the feeling dragged by the instrument panel W, and it will become operativity with a sense of incongruity.

作業補助装置2では、把持部4の位置や、把持部4の移動方向や、作業者の操作に基づいて、記憶している擬似摩擦力値fを変化するようにしてもよい。
図7は、作業補助装置2のx,y方向の可動範囲100を示している。作業者は、作業補助装置2を利用して、インパネWを保管位置Sから組付位置Gまで搬送する。
まず作業者は、インパネWをインパネ支持体40に固定するために、インパネ支持体40を保管位置Sの近傍に移動する。このとき把持部4は、図7の範囲102内に位置する。把持部4が範囲102に位置するときは、例えば設定した擬似摩擦力値fをそのまま使用する。それにより、作業者が把持部4を操作したときに、操作する方向によらず安定した操作反力(手ごたえ)が得られ、インパネ支持体40を固定しようとするインパネWに接近させやすい。
インパネWをインパネ支持体40に固定した後に、作業者はインパネWをx方向に大きく移動する。このとき把持部4は、図7の範囲104内をx方向に移動する。従って、把持部4が範囲104に位置するときは、例えば算出した第1速度v(t+Δt)の方向とx方向とのなす角が大きいほど、擬似摩擦力値fを大きく修正するようにする。それにより、作業者が把持部4を操作したときに、x方向には移動しやすく、他の方向には移動しにくい操作感を与えることができる。作業者は、インパネWをあたかもx方向に沿ったレールに乗せて搬送しているような操作感が得られ、インパネWをx方向に搬送しやすい。
In the work assistance device 2, the stored pseudo frictional force value f may be changed based on the position of the gripper 4, the moving direction of the gripper 4, or the operator's operation.
FIG. 7 shows the movable range 100 in the x and y directions of the work assisting device 2. The operator uses the work auxiliary device 2 to transport the instrument panel W from the storage position S to the assembly position G.
First, the operator moves the instrument panel support 40 to the vicinity of the storage position S in order to fix the instrument panel W to the instrument panel support 40. At this time, the grip portion 4 is located within the range 102 in FIG. When the grip portion 4 is positioned in the range 102, for example, the set pseudo frictional force value f is used as it is. Thereby, when the operator operates the grip portion 4, a stable operation reaction force (hand feel) is obtained regardless of the operating direction, and the instrument panel support 40 can be easily brought close to the instrument panel W to be fixed.
After fixing the instrument panel W to the instrument panel support 40, the operator moves the instrument panel W greatly in the x direction. At this time, the gripper 4 moves in the x direction within the range 104 of FIG. Therefore, when the grip portion 4 is located in the range 104, for example, the larger the angle formed between the direction of the calculated first speed v c (t + Δt) and the x direction, the larger the pseudo frictional force value f is corrected. . Thereby, when the operator operates the grip portion 4, it is possible to give an operational feeling that it is easy to move in the x direction and difficult to move in other directions. An operator can obtain an operational feeling as if the instrument panel W is transported on a rail along the x direction, and the operator can easily transport the instrument panel W in the x direction.

インパネWをx方向に搬送した後に、作業者はインパネWを組付位置Gに向けてy方向に移動するために、搬送する向きをx方向からy方向へと変える。このとき把持部4は、図7の範囲106内に位置する。把持部4が範囲106内に位置するときは、例えば範囲102と同様に設定した擬似摩擦力値fをそのまま使用する。それにより、作業者はインパネWの搬送方向を変えやすい。
インパネWの搬送方向を変えた後に、作業者はインパネWを組付位置Gに向けてy方向に大きく移動する。このとき把持部4は、図7の範囲108内をy方向に移動する。従って、把持部4が範囲108に位置するときは、例えば算出した第1速度v(t+Δt)の方向とy方向とのなす角が大きいほど、擬似摩擦力値fを大きく修正するようにする。それにより、作業者が把持部4を操作したときに、y方向には移動しやすく、他の方向には移動しにくい操作感を与えることができる。作業者は、インパネWをあたかもy方向に沿ったレールに乗せて搬送しているような操作感が得られ、インパネWをy方向に搬送しやすい。
インパネWを組付位置Gの近傍まで搬送した後に、作業者はインパネWを自動車ボディの組付位置へと位置決めする。このとき把持部4は、図7の範囲110内に位置する。従って、把持部4が範囲110に位置するときは、例えば作業者の操作によって擬似摩擦力値fを調節できるようにするとよい。例えば、力覚センサ6で検出されるz軸周り方向の力に比例して、擬似摩擦力値fが増大するようにする。それにより、作業者は把持部4を捻るように操作することで、操作反力を調節することができるようになる。位置決め作業時の細かな操作をするときに、例えば擬似摩擦力値fを高めるように操作して、手ぶれを強く抑えるようにすると、位置決めしやすい。
以上の搬送作業では、作業補助装置2の可動範囲100において、把持部4が図7の範囲112内に位置することがない。従って、把持部4が範囲112に位置するときは、例えば擬似摩擦力値fを大きく修正するようにしてもよい。このとき、把持部4の移動方向が範囲112内へさらに進入する方向のときのみ修正してもよい。それにより、把持部4が範囲102〜110から外れると強い操作反力を感じ、把持部4が範囲102〜110へと復帰するときは適度な操作反力を感じるようになり、作業者は範囲102〜110の周囲にあたかも壁が存在するような感覚を覚える。把持部4が範囲102〜110から外れることを防止することができ、インパネWが想定外の位置へと搬送されることが防止される。
After the instrument panel W is transported in the x direction, the operator changes the transport direction from the x direction to the y direction in order to move the instrument panel W in the y direction toward the assembly position G. At this time, the grip portion 4 is located within the range 106 of FIG. When the grip portion 4 is positioned within the range 106, for example, the pseudo frictional force value f set similarly to the range 102 is used as it is. Thereby, the operator can easily change the conveyance direction of the instrument panel W.
After changing the conveyance direction of the instrument panel W, the operator greatly moves the instrument panel W toward the assembly position G in the y direction. At this time, the gripper 4 moves in the y direction within the range 108 of FIG. Therefore, when the grip portion 4 is positioned in the range 108, for example, the larger the angle formed between the direction of the calculated first speed v c (t + Δt) and the y direction, the larger the pseudo frictional force value f is corrected. . Thereby, when the operator operates the grip portion 4, it is possible to give an operational feeling that it is easy to move in the y direction and difficult to move in other directions. An operator can obtain an operational feeling as if the instrument panel W is transported on a rail along the y direction, and the operator can easily transport the instrument panel W in the y direction.
After conveying the instrument panel W to the vicinity of the assembly position G, the operator positions the instrument panel W to the assembly position of the automobile body. At this time, the grip portion 4 is located within the range 110 in FIG. Therefore, when the grip portion 4 is located in the range 110, the pseudo frictional force value f may be adjusted by an operator's operation, for example. For example, the pseudo frictional force value f is increased in proportion to the force around the z axis detected by the force sensor 6. Thereby, the operator can adjust the operation reaction force by operating the grip portion 4 to twist. When performing a fine operation during the positioning operation, for example, if the operation is performed so as to increase the pseudo frictional force value f so as to suppress camera shake strongly, positioning is facilitated.
In the above transfer work, the grip portion 4 is not located within the range 112 in FIG. 7 in the movable range 100 of the work assisting device 2. Therefore, when the grip portion 4 is positioned in the range 112, for example, the pseudo frictional force value f may be greatly corrected. At this time, the correction may be made only when the moving direction of the grip portion 4 is a direction further entering the range 112. Thereby, when the grip portion 4 is out of the range 102 to 110, a strong operation reaction force is felt, and when the grip portion 4 returns to the range 102 to 110, an appropriate operation reaction force is felt. I feel as if there are walls around 102-110. It is possible to prevent the grip portion 4 from being out of the range 102 to 110, and it is possible to prevent the instrument panel W from being transported to an unexpected position.

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
上記では、本発明の技術を重量物を搬送する作業を補助する装置に適用した例を示したが、本発明の技術は他の様々な装置等に適用可能である。自動車を例に挙げると、例えばパワーステアリング装置、ペダル装置、減速比シフトレバー装置をはじめ、人が操作する操作子を備える操作装置に広く適用可能である。また、これら適用先のパワーステアリング装置、ペダル装置等は、実在する自動車に搭載されたものに限らず、自動車の運転をシミュレートするゲーム装置等に搭載される操作装置にも適用可能である。
上記では、仮想弾性力を第1速度の計算に加味する場合を説明した。仮想弾性力を加味する場合、仮想弾性力は基準位置に対する変位量に比例し、基準位置を境として作用する方向が反転することから、第1、第2速度を算出する段階では仮想弾性力を加味しないで変位すべき位置を算出し、算出した変位すべき位置と現在の位置とが基準位置を跨いでいるのか否かを判断し、仮想弾性力を調節して加味するようにしてもよい。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
Although the example which applied the technique of this invention to the apparatus which assists the operation | work which conveys a heavy article was shown above, the technique of this invention is applicable to other various apparatuses. Taking an automobile as an example, the present invention is widely applicable to, for example, a power steering device, a pedal device, a reduction ratio shift lever device, and an operation device including an operator operated by a person. Further, the power steering device, pedal device, and the like to which these are applied are not limited to those installed in an actual automobile, but can also be applied to an operation device installed in a game device or the like that simulates driving of an automobile.
In the above description, the case where the virtual elastic force is added to the calculation of the first speed has been described. When the virtual elastic force is taken into account, the virtual elastic force is proportional to the amount of displacement with respect to the reference position, and the direction acting on the reference position is reversed. Therefore, the virtual elastic force is calculated at the stage of calculating the first and second velocities. It is also possible to calculate the position to be displaced without taking into account, determine whether the calculated position to be displaced and the current position straddle the reference position, and adjust the virtual elastic force for consideration. .
The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology illustrated in the present specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical utility by achieving one of the objects.

搬送作業補助装置の外観を示す図。The figure which shows the external appearance of a conveyance work assistance apparatus. 搬送作業補助装置の構成を示すブロック図。The block diagram which shows the structure of a conveyance work assistance apparatus. 搬送作業補助装置の処理の流れを示すフローチャート。The flowchart which shows the flow of a process of a conveyance work assistance apparatus. 第1速度と擬似摩擦力(反対力)の向きの関係を説明する図。The figure explaining the relationship between the direction of 1st speed and pseudo frictional force (opposite force). 検出速度と第1速度と第2速度の関係を説明する図。The figure explaining the relationship between a detection speed, 1st speed, and 2nd speed. 作業補助装置による搬送作業時の操作反力と搬送速度の関係を示す図。The figure which shows the relationship between the operation reaction force at the time of the conveyance work by a work auxiliary device, and conveyance speed. 作業補助装置のxy方向の可動範囲を例示する図。The figure which illustrates the movable range of xy direction of a work auxiliary device.

符号の説明Explanation of symbols

2・・作業補助装置
8a、8b・・固定レール
10、20、30・・第1、第2、第3可動体
12、22、32・・第1、第2、第3アクチュエータ
14、24,34・・第1、第2、第3ドライバ
16、26、36・・第1、第2、第3位置センサ
60・・制御ユニット
62・・処理部
64・・操作パネル
2 .. Work auxiliary devices 8a, 8b .. Fixed rails 10, 20, 30 .. First, second and third movable bodies 12, 22, 32 .. First, second and third actuators 14, 24,. 34..First, second and third drivers 16, 26, 36..First, second and third position sensors 60..Control unit 62..Processing unit 64..Operation panel

Claims (6)

人が操作する操作子と、
人が操作子に加えている操作力を検出する操作力検出手段と、
操作子の速度を検出する速度検出手段と、
速度検出手段で検出した操作子の速度に、操作力検出手段で検出した操作力に起因して生じる加速度から計算する速度変化量を加味することによって、第1速度を算出する第1速度算出手段と、
第1速度算出手段で算出した第1速度と反対向きの力を決定する反対力決定手段と、
第1速度算出手段で算出した第1速度に、反対力決定手段で決定した反対力に起因して生じる加速度から計算する速度変化量を加味することによって、第2速度を算出し、算出した第2速度が第1速度と反対向きであれば、算出した第2速度をゼロとする第2速度算出手段と、
操作子の速度が第2速度算出手段で算出した第2速度に変化するように、操作子を動作させるアクチュエータと、
を備える操作装置。
An operator operated by a person,
An operation force detecting means for detecting an operation force applied by a person to the operation element;
Speed detecting means for detecting the speed of the operator;
First speed calculating means for calculating the first speed by adding the speed change amount calculated from the acceleration caused by the operating force detected by the operating force detecting means to the speed of the operating element detected by the speed detecting means. When,
An opposite force determining means for determining a force opposite to the first speed calculated by the first speed calculating means;
The second speed is calculated by adding the speed change amount calculated from the acceleration generated due to the counter force determined by the counter force determining means to the first speed calculated by the first speed calculating means, and calculating the calculated second speed. If the second speed is opposite to the first speed, a second speed calculating means for setting the calculated second speed to zero,
An actuator for operating the operating element so that the speed of the operating element changes to the second speed calculated by the second speed calculating means;
An operating device comprising:
操作子の速度が、前記速度検出手段で検出した操作子の速度から、前記第2速度算出手段で算出した第2速度に変化するときに、操作子が変位する変位量を算出する変位量算出手段をさらに備え、
前記アクチュエータは、変位量算出手段で算出した変位量だけ操作子を移動させることを特徴とする請求項1に記載の操作装置。
Displacement calculation for calculating a displacement amount of the operation element when the speed of the operation element changes from the speed of the operation element detected by the speed detection means to the second speed calculated by the second speed calculation means. Further comprising means,
The operation device according to claim 1, wherein the actuator moves the operation element by a displacement amount calculated by a displacement amount calculation unit.
人が操作する操作子と、
人が操作する操作子を移動させるアクチュエータを備え、
アクチュエータは、人が操作子に加えている力を、擬似摩擦力が作用する物体に加えたときに生じる物体の運動を、操作子の運動に実現することを特徴とする操作装置。
An operator operated by a person,
It has an actuator that moves a manipulator operated by a person,
An actuator realizes the movement of an object that occurs when a force applied by a person to the operating element is applied to an object to which a pseudo frictional force acts on the movement of the operating element.
人が操作子に加えている操作力を検出する操作力検出工程と、
操作子の速度を検出する速度検出工程と、
速度検出工程で検出した操作子の速度に、操作力検出工程で検出した操作力に起因して生じる加速度から計算する速度変化量を加味することによって、第1速度を算出する第1速度算出工程と、
第1速度算出工程で算出した第1速度と反対向きの力を決定する反対力決定工程と、
第1速度算出工程で算出した第1速度に、反対力決定工程で決定した反対力に起因して生じる加速度から計算する速度変化量を加味することによって、第2速度を算出し、算出した第2速度が第1速度と反対向きであれば、第2速度をゼロとする第2速度算出工程と、
アクチュエータによって、操作子の速度が第2速度算出工程で算出した速度に変化するように、操作子を動作させる動作工程と、
を備える操作子の動作調節方法。
An operation force detection step for detecting an operation force applied by a person to the operation element;
A speed detection step for detecting the speed of the operator;
A first speed calculation step for calculating a first speed by adding a speed change amount calculated from the acceleration generated due to the operation force detected in the operation force detection step to the speed of the operation element detected in the speed detection step. When,
An opposite force determination step for determining a force opposite to the first velocity calculated in the first velocity calculation step;
The second speed is calculated by adding the speed change amount calculated from the acceleration generated due to the counterforce determined in the counterforce determination process to the first speed calculated in the first speed calculation step, If the second speed is opposite to the first speed, a second speed calculation step in which the second speed is zero;
An operation step of operating the manipulator so that the speed of the manipulator changes to the speed calculated in the second velocity calculating step by the actuator;
A method for adjusting the operation of an operator comprising:
人が操作する操作子の動作をアクチュエータによって調節する方法であり、
人が操作子に加えている力を、擬似摩擦力が作用する物体に加えたときに生じる物体の運動を、アクチュエータによって操作子の運動に実現することを特徴とする操作子の動作調節方法。
It is a method of adjusting the operation of the operator operated by a person with an actuator,
What is claimed is: 1. A method of adjusting an operation of an operating element, comprising: realizing the movement of an object generated when a force applied by a person to the operating element is applied to an object to which a pseudo frictional force is applied to the movement of the operating element by an actuator.
人が操作する操作子の動作をアクチュエータによって調節するためのプログラムであり、電子計算機に、
人が操作子に加えている操作力を入力する処理と、
操作子の速度を入力する処理と、
入力した操作子の速度に、入力した操作力に起因して生じる加速度から計算する速度変化量を加味することによって、第1速度を算出する第1速度算出処理と、
第1速度算出処理で算出した第1速度と反対向きの力を決定する反対力決定処理と、
第1速度算出処理で算出した第1速度に、反対力決定処理で決定した反対力に起因して生じる加速度から計算する速度変化量を加味することによって、第2速度を算出し、算出した第2速度が第1速度と反対向きであれば、算出した第2速度をゼロとする第2速度算出処理と、
操作子の速度が、第2速度算出処理で算出した第2速度に変化するように、アクチュエータへの動作指令を出力する出力処理と、
を実行させるプログラム。
It is a program for adjusting the operation of the operator operated by a person with an actuator.
A process of inputting an operation force applied by a person to an operation element;
Processing to input the speed of the control;
A first speed calculation process for calculating a first speed by adding a speed change amount calculated from an acceleration caused by the input operation force to the input speed of the operator;
An opposite force determination process for determining a force opposite to the first speed calculated in the first speed calculation process;
The second speed is calculated by adding the speed change amount calculated from the acceleration generated due to the opposite force determined in the opposite force determination process to the first speed calculated in the first speed calculation process. If the second speed is opposite to the first speed, a second speed calculation process that sets the calculated second speed to zero;
An output process for outputting an operation command to the actuator so that the speed of the operator changes to the second speed calculated in the second speed calculation process;
A program that executes
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