JP2006247787A - 外部環境の検出機構、および、ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】比較的重い荷物などを持った場合であってもセンサの振り切れを生じずに、しかも、小さな力で保持部材を変位させることのできる外部環境の検出機構を提供する。
【解決手段】アーム１１の先端１１ａ近傍に設けられ、人間の腕や荷物などの外部環境を保持する保持部材１３と、アーム１１に対する保持部材１３の変位方向を水平方向へのみ許容するケーシング１４と、アーム１１と保持部材１３との間に設けられ、アーム１１に対する保持部材１３の変位量を検出する変位検出センサ１５と、保持部材１３から加えられる外力を検出する力覚センサ１７とを設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、人間と協働で作業を行うことができるロボットに関するもので、より詳しくは、アームの先端近傍に取り付けられ、外部環境の変位や外力を検出しうる外部環境の検出機構に関するものある。

近年、高齢化社会に伴い、人間の動きを補助できるようにしたロボットが種々提案されている。例えば、人間の腕の動きを補助できるようにしたロボットに関しては、下記の特許文献１に記載されるようなロボットが存在している。

この特許文献１に記載されているロボットは、腕の動きの不自由な人間の介護を行うアシスト型ロボットに関するものであり、図７に示すように、人間の腕を保持する保持部材３０と、その保持部材３０とロボットのアームの先端との間に取り付けられる平行リンク機構３１と、その平行リンク機構３１の内部に設けられ、保持部材３０の変位量を検出する変位検出センサ３２と、保持部材３０に保持された腕からの外力を検出する力覚センサ３３とを具備してなるもので、変位検出センサ３２や力覚センサ３３からの出力値によってロボットをインピーダンス制御できるようにしたものである。
特開２００４−３５８５７５号公報

このような発明は、力覚センサで検出できない外力に代わって変位検出センサが腕の変位を検出するため、力の弱い高齢者や手の不自由な者にとって非常に使い勝手のよいものとなるが、このように平行リンク機構３１を用いる場合は、上下方向のリンク要素３１を急激に倒れ込ませないようにして、変位検出センサや力覚センサの急激な振り切れを防止することが好ましい。

そこで、本発明は上記課題を解決するために、比較的重い荷物などを持った場合であってもセンサの振り切れを生じずに、しかも、小さな力で保持部材を変位させることのできる外部環境の検出機構を提供することを目的とするものである。

すなわち、本発明は上記課題を解決するために、人間の腕や荷物などの外部環境を保持するロボットのアームの先端近傍に設けられる外部環境の検出機構において、人間の腕や荷物などの外部環境を保持する保持部材と、前記アームに対して保持部材を水平方向へのみ変位させる変位方向規制部材と、前記アームと保持部材との間に設けられ、アームに対する保持部材の変位量を検出する変位検出センサと、保持部材から加えられる外力を検出する力覚センサとを具備するようにしたものである。

このようにすれば、比較的重い荷物を保持した場合であっても、従来のように上下方向のリンク要素が倒れ込むようなことがなくなり、センサの振り切れによるロボットの不安定な動作を防止することができるようになる。しかも、リンク要素の倒れ込みを防止するためのバネなどを設ける必要がないため、小さな力で保持部材を変位させることができるようになる。

また、このような変位方向規制部材を、水平な上面を有するケーシング、もしくは、このケーシング上に取り付けられる水平面を有するスペーサで構成し、このケーシングの内部に変位検出センサを設けるとともに、ケーシングとアームとの間に力覚センサを設けるようにする。

このようにすれば、変位検出センサを収納したケーシングの上面やスペーサの上面を利用して保持部材を水平方向にスライドさせることができるので、非常に簡単な構成で保持部材の変位方向を規制することができる。しかも、ケーシングの下方に力覚センサを設けているため、ケーシングを介して伝達された外力をそのまま検出することができるようになる。

また、このように保持部材を水平方向にスライドさせる場合、そのケーシングもしくは平面板との間の摩擦を低減させる摩擦低減手段を設けるようにする。

このようにすれば、小さな力で保持部材をスライドさせることによって簡単に変位検出センサを作動させることができ、また、力覚センサに不要な力を伝えるようなことがなくなる。

更に、保持部材を水平方向に変位させる場合、その水平方向の変位量を制限するような変位量制限部を設ける。

このようにすれば、変位検出センサの振り切れを防止することができ、安定してロボットを制御することができるようになる。

そして、このように変位量制限部を設ける場合、保持部材の変位の境界部分に衝撃緩和部材を設けるようにする。

このようにすれば、保持部材が大きく変位した場合であっても、衝撃緩和部材によってその衝撃を緩和することができ、力覚センサに激力が入力されることがなくなるので、安定してロボットを制御することができるようになる。

本発明では、人間の腕や荷物などの外部環境を保持するロボットのアームの先端近傍に設けられる外部環境の検出機構において、人間の腕や荷物などの外部環境を保持する保持部材と、前記アームに対して保持部材を水平方向へのみ変位させる変位方向規制部材と、前記アームと保持部材との間に設けられ、アームに対する保持部材の変位量を検出する変位検出センサと、保持部材から加えられる外力を検出する力覚センサとを具備するようにしたので、比較的重い荷物を保持した場合であっても、従来のように上下方向のリンク要素が倒れ込むようなことがなくなり、センサの振り切れによるロボットの不安定な動作を防止することができるようになる。しかも、リンク要素の倒れ込みを防止するためのバネなどを設ける必要がないため、小さな力で保持部材を変位させることができるようになる。

以下、本発明の一実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は本実施の形態におけるロボット１の全体図を示したものであり、図２は、そのアーム１１の先端１１ａに取り付けられる検出機構１２の拡大図を示したものである。また、図３は、図２における切欠断面図を示したものであり、図４は、保持部材１３を変位させた状態を示したものである。

このロボット１は、人間の腕を下から支持しながら荷物の運搬を補助できるようにしたもので、ロボット本体１０とインピーダンス制御装置２０とを備えて構成される。このロボット本体１０は、基本的な構成として、複数本のアーム１１と、これらのアーム１１を駆動する図示しないアクチュエータとを備える。そして、更に、この実施の形態では、アーム１１の先端１１ａ近傍に、人間の腕などの外部環境との相対的な変位量や外部環境からの外力を検出するための検出機構１２を備えている。そして、このロボット１は、この検出機構１２で検出した変位量や外力によってロボット本体１０をインピーダンス制御できるようにしている。この検出機構１２の具体的構成について説明する。

この検出機構１２は、アーム１１の先端１１ａ近傍に取り付けられるもので、人間の腕を保持する保持部材１３と、この保持部材１３を載置するケーシング１４とを備える。このケーシング１４の内部には、図３に示すような変位検出センサ１５が設けられ、また、このケーシング１４とアーム１１の先端１１ａとの間には力覚センサ１７が設けられる。

保持部材１３は、図１および図４に示すように、人間の腕を載置できるようにした湾曲部材１３ａを備えて構成される。この湾曲部材１３ａは、常に上方を開放させた状態にしており、これによって人間の腕を簡単に取り外しできるようにして、使用者に安堵感を与えられるようにしている。この保持部材１３は、下向きＵ字状の架橋部材１３ｅを介してベース部材１３ｂに固定される。

ベース部材１３ｂは、平面板によって構成されるもので、その中央部分に、変位検出センサ１５のスティック１５ａを突出させるための円形の第一窓部１３ｃを設けている。この第一窓部１３ｃの内側には、十文字状に交叉する二本の線材１３ｄが設けられ、また、これに対応して変位検出センサ１５のスティック１５ａ側にも、十文字状に交叉する深い切欠溝１５ｂが設けられている。そして、これらの切欠溝１５ｂと線材１３ｄとを摺動可能に嵌め合わせることによって、第一窓部１３ｃの中央に保持し、これによって保持部材１３の自由な傾動を可能にしている。なお、このようにスティック１５ａの切欠溝１５ｂに嵌め合わせるだけの構成であると、保持部材１３がスティック１５ａから抜け外れてしまう可能性がある。このため、この実施の形態では、図４に示すように、線材１３ｄとスティック１５ａの切欠溝１５ｂの奥方との間にコイルスプリング１５ｃを取り付けて保持部材１３の抜けを防止している。但し、このコイルスプリング１５ｃのバネ定数を大きくすると、保持部材１３を変位させる際に大きな力が必要となってしまうため、可能な限りバネ定数を小さくしている。勿論、このような抜けを防止するためには、このようなコイルスプリング１５ｃを用いることなく、切欠溝１５ｂの上端部分を塞ぐなどしても良い。

このベース部材１３ｂの下面には、スペーサ１４ａとの接触摩擦を低減させるための摩擦低減手段１６が設けられる。この摩擦低減手段１６は、ベアリングやテフロン（登録商標）などのように摩擦の少ない素材によって実現される。なお、図３および図４においては、ベース部材１３ｂの下面にベアリングを配置した例を示している。

このスペーサ１４ａは、ケーシング１４の上面に取り付けられるもので、その中央に第二窓部１４ｂを設けている。このスペーサ１４ａの上面には、ベース部材１３ｂと同様に、摩擦を低減させるための摩擦低減手段であるテフロンなどが設けられる。このスペーサ１４ａの中央に設けられる第二窓部１４ｂは、スティック１５ａの変位を許容する大きさに設けられ、また、その境界部分にゴムなどの衝撃緩和部材１４ｃが設けられる。この衝撃緩和部材１４ｃは、スティック１５ａが第二窓部１４ｂに接触した際における激力の発生を防止する。この衝撃緩和部材１４ｃは、ウレタンやスポンジなどのような比較的柔らかい素材を用いるようにしても良い。

このケーシング１４は、変位検出センサ１５の筐体を構成するもので、その内部にスティック１５ａの傾動角度を検出するための機構が設けられる。このスティック１５ａによって検出された傾動角度は、インピーダンス制御装置２０に出力され、そこで、その傾動角度に基づいてスティック１５ａの先端の位置が演算される。この変位検出センサ１５は、本来、スティック１５ａのｘ、ｙ、ｚ方向の変位量を検出できるものであるが、この実施の形態では、スペーサ１４ａによりｚ方向の変位が規制されているため、ｘ、ｙ方向の変位のみを検出する。

また、このケーシング１４の下方、すなわち、アーム１１の先端１１ａとケーシング１４の下面との間には、力覚センサ１７が設けられる（図１参照）。この力覚センサ１７は、保持部材１３から入力された外力を検出するもので、ｘ、ｙ、ｚ方向の外力や、ｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向のトルクを検出する。

このように構成された検出機構１２によって検出された変位や外力は、インピーダンス制御装置２０に出力され、そこで、アクチュエータを駆動するための信号が生成される。このインピーダンス制御装置２０の構成および制御方法について説明する。

インピーダンス制御装置２０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やメモリなどを用いて、図５に示す変位検出手段２１、外力検出手段２２、パラメータ設定手段２３、演算手段２４、制御手段２５を機能させる。

このうち変位検出手段２１は、変位検出センサ１５からの信号に基づいて保持部材１３の水平方向の変位を検出する。この検出に際しては、スティック１５ａの傾動角度を検出し、それに基づいてスティック１５ａ先端の水平方向の変位量、

Δpx＝Ｄ／tanθx （式１）

Δpy＝Ｄ／tanθy （式２）

を演算する。ここでＤはスティック１５ａの基端とベース部材１３ｂまでの一定の高さであり、θxはｘ軸方向に対するスティック１５ａの傾動角度、θyはｙ軸方向に対する傾動角度である。これによりスティック１５ａ先端の座標p_R0は、

ｘ軸方向；p_R0x＝Δpx＋p_x （式３）

ｙ軸方向；p_R0y＝Δpy＋p_y （式４）

ｚ軸方向；p_R0z＝p_z （式５）

となる。ここで、p_x、p_y、p_zはアーム１１の先端１１ａのｘｙｚ座標の初期位置、もしくは、インピーダンス制御中に求められるアーム１１の先端１１ａの座標位置である。

外力検出手段２２は、アーム１１の先端１１ａに設けられた力覚センサ１７からの信号に基づいて外部環境の外力を検出する。この外力の検出を検出する際は、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１７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１７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２３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１の手先の運動としてより適した値になるように設定される。

演算手段２４は、変位検出手段２１によって検出されたスティック１５ａの先端、正確には第一窓部１３ｃの中心位置の座標位置p_R0および外力検出手段２２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２３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１１の先端１１ａの位置p_R（p_x、p_y、p_z）_、速度p_R'（p'_x、p'_y、p'_z）、加速度p_R"（p"_x、p"_y、p"_z）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（式６）を用いて行われる。

Ｍ_Rp_R"＋Ｄ_Rp_R'＋Ｋ_R (p_R−p_R0）＝Ｆ_H （式６）

そして、この（式６）を解く際、まずアーム１１の関節角度などからアーム１１の先端１１ａの位置p_Rを演算し、この（式６）を

p_R"＝｛Ｆ_H−Ｄ_Rp_R'−Ｋ_R (p_R−p_R0）｝／Ｍ_R （式７）

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ってアーム１１の先端１１ａの動作速度p_R'を求める。初期状態では、アーム１１の先端１１ａの動作速度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２５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、フィ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１１の先端１１ａ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６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、この状態で保持部材１３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１５の変位量および力覚センサ１７の外力を検出する。そして、これらの変位量および外力を入力値とし、（式７）用いて、アーム１１の先端１１ａ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１１の先端１１ａ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１１の先端１１ａの位置が移動する。すなわち、スティック１５ａの傾動角度θ_i（ｉ＝ｘ、ｙ）がゼロとなるようにアーム１１の先端１１ａが動き、これによって、常にスティック１５ａが起立した状態となるように人間の腕の動きに追従する。

このように上記実施の形態によれば、アーム１１の先端１１ａ近傍に設けられ、人間の腕を保持する保持部材１３と、アーム１１に対して保持部材１３を水平方向へのみ変位させるスペーサ１４ａと、アーム１１と保持部材１３との間に設けられ、アーム１１に対する保持部材１３の変位量を検出する変位検出センサ１５と、保持部材１３から加えられる外力を検出する力覚センサ１７とを設けるようにしたので、人間が比較的重い荷物を保持した場合であっても、従来のように上下方向のリンク要素が倒れ込むようなことがなくなり、センサの振り切れによるロボットの不安定な動作を防止することができるようになる。しかも、リンク要素の倒れ込みを防止するためのバネなども設ける必要がないため、小さな力で保持部材を変位させることができるようになる。

また、変位検出センサ１５を収納したケーシング１４上にスペーサ１４ａを設けて、このスペーサ１４ａの水平面上で保持部材１３を水平方向へのみ変位させるようにしたので、非常に簡単な構成で変位方向を制限することができる。しかも、ケーシング１４の下方に力覚センサ１７を設けているため、スペーサ１４ａとケーシング１４を伝ってくる外力をそのまま検出することができるようになる。

また、このように保持部材１３をスライドさせる場合、スペーサ１４ａとの間の摩擦を低減させるテフロンやベアリングなどの摩擦低減手段１６を設けるようにしたので、小さな力で変位検出センサ１５を作動させることができ、また、力覚センサ１７に不要な力を伝えるようなことがなくなる。

更に、保持部材１３を水平方向に変位させる場合、その水平方向の変位量を制限するような第二窓部１４ｂを設けるようにしたので、変位検出センサ１５の振り切れを防止することができ、安定してロボット１を制御することができるようになる

そして、このような第二窓部１４ｂの周囲にゴムなどの衝撃緩和部材１４ｃを設けるようにしたので、保持部材１３が大きく変位した場合であっても、衝撃緩和部材１４ｃによってその衝撃を緩和することができ、力覚センサ１７に激力が入力されるようなことがなくなる。

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、上記実施の形態では、円筒状のケーシング１４の上にスペーサ１４ａを設けて、その上面で保持部材１３をスライドさせるようにしているが、ケーシング１４の水平な上面を利用して保持部材１３をスライドさせるようにしても良い。

また、上記実施の形態では、人間の腕を支持してその力を補助するロボット１を例に挙げて説明したが、これに限らず、ロボット１自身が運搬対象物を保持するような場合にも適用することができる。例えば、アーム１１の先端１１ａに机などの運搬対象物を把持させるクランプ部材を取り付け、このクランプ部材によって机の一方側を把持させるとともに、他方側を人間が保持して、協働で机を運搬するような場合にも適用することができる。このような場合、ロボット１が重い机を持ち上げたとしても、スティック１５ａが傾動して振り切れてしまうようなことがないので、安定してロボットを制御しながら机を運搬することができるようになる。

本実施の形態におけるロボットの全体図 同形態におけるアームの先端の検出機構の拡大図 図２における切欠断面図 同形態における保持部材を変位させた状態を示す図 同形態におけるインピーダンス制御装置の機能ブロック図 同形態における制御線図 従来例におけるアームの先端の検出機構を示す図

符号の説明

１・・・ロボット
１０・・・ロボット本体
１１・・・アーム
１１ａ・・・アームの先端
１２・・・検出機構
１３・・・保持部材
１３ａ・・・湾曲部材
１３ｂ・・・ベース部材
１３ｃ・・・第一窓部
１３ｄ・・・線材
１３ｅ・・・架橋部材
１４・・・ケーシング
１４ａ・・・スペーサ
１４ｂ・・・第二窓部
１４ｃ・・・衝撃緩和部材
１５・・・変位検出センサ
１５ａ・・・スティック
１５ｂ・・・切欠溝
１６・・・摩擦低減手段
１７・・・力覚センサ

Claims (6)

1. 人間の腕や荷物などの外部環境を保持するロボットのアームの先端近傍に設けられる外部環境の検出機構において、
   人間の腕や荷物などの外部環境を保持する保持部材と、
   前記アームに対して保持部材を水平方向へのみ変位させる変位方向規制部材と、
   前記アームと保持部材との間に設けられ、アームに対する保持部材の変位量を検出する変位検出センサと、
   保持部材から加えられる外力を検出する力覚センサとを具備してなることを特徴とする外部環境の検出機構。
2. 前記変位方向規制部材が、水平な上面を有するケーシング、もしくは、当該ケーシング上に取り付けられる水平面を有するスペーサで構成されるものであり、当該ケーシングの内部に前記変位検出センサを設けるとともに、当該ケーシングとアームとの間に前記力覚センサを設けるようにした請求項１に記載の外部環境の検出機構。
3. 前記保持部材と前記ケーシング、もしくは、前記保持部材とスペーサとの間の摩擦を低減させる摩擦低減手段を設けた請求項２に記載の外部環境の検出機構。
4. 前記保持部材の水平方向の変位量を制限する変位量制限部を設けた請求項１に記載の外部環境の検出機構。
5. 前記変位量制限部に、衝撃緩和部材を設けた請求項４に記載の外部環境の検出機構。
6. 請求項１から５に記載の外部環境の検出機構を備えたロボット。

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