JP2006263897A - タスクスキルによる丸型ハンドルバルブ操作装置 - Google Patents
タスクスキルによる丸型ハンドルバルブ操作装置 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】
位置誤差にロバストで様々なサイズの丸型ハンドルバルブを開放、閉鎖操作する人の器用さをロボットに実装するための丸型ハンドルバルブ操作タスクスキルを実装するタスクスキルによる丸型ハンドルバルブ操作装置を実現する。
【解決手段】
丸型ハンドルバルブ１２の開放・閉鎖操作をタスクスキルに基づいて記述するために、タスクスキルの動作手順を示し、ここの動作手順をタスクスキルのモデルである初期条件、タスクスキル動作、終了条件に基づいて記述した。また、タスクスキル動作にはインピーダンスと力のハイブリッド制御を実装した。
【選択図】図１
位置誤差にロバストで様々なサイズの丸型ハンドルバルブを開放、閉鎖操作する人の器用さをロボットに実装するための丸型ハンドルバルブ操作タスクスキルを実装するタスクスキルによる丸型ハンドルバルブ操作装置を実現する。
【解決手段】
丸型ハンドルバルブ１２の開放・閉鎖操作をタスクスキルに基づいて記述するために、タスクスキルの動作手順を示し、ここの動作手順をタスクスキルのモデルである初期条件、タスクスキル動作、終了条件に基づいて記述した。また、タスクスキル動作にはインピーダンスと力のハイブリッド制御を実装した。
【選択図】図１
Description
本発明は器用な作業のひとつである丸型ハンドルを操作してバルブの開放、閉鎖を実現するタスクスキルを実装した丸型ハンドルバルブ操作装置に関するものである。
プラントなどでは、配管内を流れる液体や気体の制御に多くの丸型ハンドルバルブを利用しており、丸型ハンドルバルブ操作は、人の手により実行されている。
しかし、プラントにおけるコスト削減を実現するには、バルブ操作員を削減する必要がある。また、原子力プラント、宇宙空間、深海などの極限環境下では、人が直接丸型ハンドルバルブを操作するには放射線の影響など危険性が極めて高い。
この改善策として、バルブに駆動機構を付加する方法や、遠隔地からバルブを開閉する装置が開発されているが、既に使用されているバルブに適用するには、追加部品の設置などが必要となる（特許文献１、２参照）。さらに、ロボットなどによる丸型ハンドルバルブ操作の実現も考えられているが、ロボットのハンドと丸型ハンドルバルブの位置・姿勢誤差問題を解決することができていない。
特開平３−１９３６５号公報
特開２０００−５５２３５号公報
解決しようとする問題点は、既に幅広く使用されている丸型ハンドルバルブを人の代わりに操作できる特性を有し、丸型ハンドルバルブを操作するハンドと丸型ハンドルバルブ間に位置・姿勢誤差があっても丸型ハンドルバルブ操作を実現できる特性を有する丸型ハンドルバルブ操作タスクスキルの具体的な記述と、丸型ハンドルバルブ操作タスクスキルを実装した丸型ハンドルバルブ操作装置の確立である。
本発明は前記課題を解決するために、以下の手段を採用する。
タスクスキルによる丸型ハンドルバルブ操作装置は、ロボットと、力センサと、ハンドと、カメラと、ロボットを制御する制御装置と、力センサ情報を取得する装置と、ハンドを制御する制御装置と、カメラを制御する制御装置と、インピーダンスと力のハイブリッド制御を利用したタスクスキルを実装するタスクスキル実装装置と、を有する。
タスクスキルによる丸型ハンドルバルブ操作装置は、ロボットと、力センサと、ハンドと、カメラと、ロボットを制御する制御装置と、力センサ情報を取得する装置と、ハンドを制御する制御装置と、カメラを制御する制御装置と、インピーダンス制御を利用したタスクスキルを実装するタスクスキル実装装置と、を有する。
前記タスクスキルによる丸型ハンドルバルブ操作装置のロボットは多関節方式であり、ロボットを駆動するモータの電流を利用して力センサの代わりに利用することができることを特徴とするタスクスキルによる丸型ハンドルバルブ操作装置。
前記丸型ハンドルバルブ操作は、環境に固定された丸型ハンドルバルブに対して、バルブの開放、バルブの閉鎖を行い、丸型ハンドルバルブの全サイズに対応し、丸型ハンドルバルブの中心軸とハンドの中心軸に位置と姿勢の誤差があっても、前記丸型ハンドルバルブ操作を実現することを特徴とするタスクスキルによる丸型ハンドルバルブ操作装置。
本発明に係るタスクスキルによる丸型ハンドルバルブ操作装置によれば、操作対象である丸型ハンドルの位置を位置誤差無しに正確に計測する必要が無くなり、既に使用されている丸型ハンドルバルブの操作を人に代わって実行することができるため、コスト削減に貢献するだけでなく、原子力プラントなど非常に危険な環境でも丸型ハンドルバルブ操作を実現できるという利点がある。
本発明に係るタスクスキルによる丸型ハンドルバルブ操作装置を実施するための最良の形態を以下に説明する。まず、本発明の概念及び特徴を簡単に説明すると、本発明におけるタスクスキルは、ロボットがある基本動作を実行できるようにさせるだけでなく、丸型ハンドルバルブを閉める、ナットを組付けるなどの動作を表す上位言語のレベルから再利用可能なモジュールである。
該タスクスキルのモデルは、初期条件、タスクスキル動作、終了条件から構成され、該タスクスキルのモデルは、一連の状態遷移を実現するものであることを特徴とする。本発明では、丸型ハンドルバルブ操作タスクスキルにおけるタスクスキル動作に、インピーダンスと力のハイブリッド制御、またはインピーダンス制御が実装（適用）される点を特徴とする。
即ち、本発明における丸型ハンドルバルブ操作装置では、タスクスキル動作を、インピーダンスと力のハイブリッド制御、またはインピーダンス制御に基づいて行うプログラムが実装されたタスクスキル実装装置（具体的にはタスクスキルを実行するプログラムが実装されたコンピュータ）を備えている。
タスクスキル動作にインピーダンスと力のハイブリッド制御を実装（適用）することにより、自由空間での軌道追従性を確保し、対象物や環境との位置誤差に対しても過大な力が発生することを防止できる点が主な特徴である。そして、位置と姿勢のそれぞれ軸に対し操作者の意図に合わせてインピーダンス制御と力制御を適用できる点も特徴である。
さらに、タスクスキル動作にインピーダンスと力のハイブリッド制御を実装する場合、ひとつの軸においてインピーダンス制御から力制御、あるいは力制御からインピーダンス制御に切り替えるとき、制御の安定化問題が生じるが、タスクスキル動作にインピーダンス制御を実装すると、このような制御の切り替え問題がなくなることも本発明の特徴である。
ここで、本発明に係るタスクスキルによる丸型ハンドルバルブ操作装置を実施するための最良の形態を、より詳細に説明するために、タスクスキル動作にインピーダンスと力のハイブリッド制御を利用した実施例１及びタスクスキル動作にインピーダンス制御を利用した実施例２に基づいて、図面を参照して、以下説明する。
なお、図４は実施例１を説明する図であり、図５は実施例２を説明する図であるが、図１〜３は、実施例１及び実施例２に共通な図である。
図１は、本発明に関わるタスクスキル動作にインピーダンスと力のハイブリッド制御を利用したタスクスキルによる丸型ハンドルバルブ操作装置１の全体構成図である。タスクスキル実行装置１０は、ロボット２（本実施例１ではロボットアーム）、力センサ３、ハンド４、カメラ５、ロボット制御装置６、ハンド制御装置７、力センサ情報取得装置８、カメラ制御装置９を有する。
ロボット２は、多関節方式であり、ロボット制御装置６による位置制御で動作する。さらに、ロボット２を駆動するモータの電流を利用して力センサ３の代わりに利用することもできる。これは、ハンドの手先で摘む場合に抗力（負荷）が大きいと、摘むためのハンドの手先を駆動するモータの電流が大きくなるので、それにより当該力の大きさが分かる、ということを利用するものである。また、ハンド４の手先位置は、ロボット２の関節に設置されている関節角度計測装置（例、ポテンショメータ）により計算できることは周知技術である。
ハンド４は、多指ハンドであり、ハンド制御装置７により指先が位置制御で動作する。
タスクスキル実行装置１０は、ロボット制御装置６に送信するロボット２の目標手先位置指令値と、ハンド制御装置７に送信するハンド４の目標指位置指令値を、タスクスキル実装装置１１（具体的にはタスクスキルを実行するプログラムが実装されたコンピュータ）から受信する。
そして、タスクスキル実行装置１０は、ロボット制御装置６で計算されるロボット２の現在手先位置情報と、力センサ情報取得装置８で取得する力センサ３の情報と、ハンド制御装置７で計算されるハンド４の現在指位置情報と、カメラ制御装置９で取得するカメラ５の映像を、タスクスキル実装装置１１へ送信する。
タスクスキル実装装置１１は、丸型ハンドルバルブ操作タスクスキルが実装されている。タスクスキルは、初期条件、タスクスキル動作、終了条件からなる一連の状態遷移を実現し、初期条件および終了条件はロボット２の位置、力センサ３の値、ハンド４の位置、カメラ５の映像情報で記述され、タスクスキル動作はインピーダンスと力のハイブリッド制御で記述される。
タスクスキル動作が記述されるインピーダンスと力のハイブリッド制御において、インピーダンス制御での慣性ゲインをすべて 0.5 [kg]、ダンピングゲインを並進軸 200.0 [Ns/m]、 回転軸10.0 [Nm/(rad/s)]、剛性ゲインを並進軸500.0 [N/m]、 回転軸5.0 [Nm/rad]とし、力制御でのゲインを並進軸 0.0005 [m/N]、回転軸 0.05 [rad/Nm]とする。
図２は、ハンド４による丸型ハンドルバルブ１２の開放、閉鎖作業の概要図である。丸型ハンドルバルブ１２は環境に固定される。Σhはハンド４に固定されたハンド座標系であり、点０が原点である。Σcは丸型ハンドルバルブ１２に固定された丸型ハンドルバルブ座標系であり、点Cが原点である。ロボット２の手先座標系は、ハンド４のハンド座標系Σhと一致する。
ハンド４を動かすタスクスキル動作は、タスクスキル動作座標系Σsで記述され、制御点はハンド４の点Oとするため、ハンド４に力、モーメントが作用しない場合には、ハンド４の点Oがハンド４のインピーダンス中心となる。Σsは、Σhを基準として決定され、原点も点Oと一致する。
ここで、ハンド４が移動すると同時にΣhも移動するため、ある時点でのΣhをΣsと設定し、Σhが引き続き移動したとしてもΣsは設定された時点の位置に固定される。また、一度ΣsがΣhにより設定され、Σsを基準にしてΣhが移動したとしても、移動後のΣhを利用してΣsを新規に再設定できる。
タスクスキル動作に実装されるインピーダンスと力のハイブリッド制御では、個々の制御軸（x、y、z軸、roll、pitch、yaw軸）に対してインピーダンス制御と力制御のどちらかの制御を設定する必要がある。
丸型ハンドルバルブ操作タスクスキルの動作手順と、これらの動作を行う個々の軸に対する制御手段（カッコ内に記載）は、次のとおりである。
（１）丸型ハンドルバルブ１２への接近・接触動作（全軸インピーダンス制御）
（２）丸型ハンドルバルブ１２への挿入穴探索動作（z軸力制御、その他の軸インピーダンス制御）
（３）丸型ハンドルバルブ１２への挿入動作動作（全軸インピーダンス制御）
（４）丸型ハンドルバルブ１２への押付け動作（z軸力制御、その他の軸インピーダンス制御）
（５）丸型ハンドルバルブ１２からの力解除動作（全軸力制御）
（６）丸型ハンドルバルブ１２の開放・閉鎖動作（全軸インピーダンス制御）
（７）「丸型ハンドルバルブ１２からの力解除動作（全軸力制御）
（８）丸型ハンドルバルブ１２からの離脱動作（全軸インピーダンス制御）
（９）ハンド４の回転動作（全軸インピーダンス制御）
（１０）丸型ハンドルバルブ１２からの力解除動作（全軸力制御）
（１１）丸型ハンドルバルブ１２からの離脱動作（全軸インピーダンス制御）
（１）丸型ハンドルバルブ１２への接近・接触動作（全軸インピーダンス制御）
（２）丸型ハンドルバルブ１２への挿入穴探索動作（z軸力制御、その他の軸インピーダンス制御）
（３）丸型ハンドルバルブ１２への挿入動作動作（全軸インピーダンス制御）
（４）丸型ハンドルバルブ１２への押付け動作（z軸力制御、その他の軸インピーダンス制御）
（５）丸型ハンドルバルブ１２からの力解除動作（全軸力制御）
（６）丸型ハンドルバルブ１２の開放・閉鎖動作（全軸インピーダンス制御）
（７）「丸型ハンドルバルブ１２からの力解除動作（全軸力制御）
（８）丸型ハンドルバルブ１２からの離脱動作（全軸インピーダンス制御）
（９）ハンド４の回転動作（全軸インピーダンス制御）
（１０）丸型ハンドルバルブ１２からの力解除動作（全軸力制御）
（１１）丸型ハンドルバルブ１２からの離脱動作（全軸インピーダンス制御）
以上の動作手順を、図３に丸型ハンドルバルブ操作作状況とともに、フローチャートで示す。以下、各動作手順毎に説明する。
（１）丸型ハンドルバルブ１２への接近・接触動作は、タスクスキルのモデル（初期条件、タスクスキル動作、終了条件の一連の状態遷移）を使って以下のように記述する。
・初期条件：カメラ５によりΣhのz軸とΣcのz軸をある程度一致させ、動作開始時ΣhをΣsとして設定する。z軸方向でのハンド４と丸型ハンドルバルブ１２の距離は 0.1 [m]以内とする。
・タスクスキル動作：全軸インピーダンス制御で、インピーダンス中心をz軸方向に0.013 [m/s] で 0.1[m]移動させる。
・終了条件：z軸方向に-4.0 [N] 発生した時点で終了する。この時点でのΣhをΣsとして再設定する。
・初期条件：カメラ５によりΣhのz軸とΣcのz軸をある程度一致させ、動作開始時ΣhをΣsとして設定する。z軸方向でのハンド４と丸型ハンドルバルブ１２の距離は 0.1 [m]以内とする。
・タスクスキル動作：全軸インピーダンス制御で、インピーダンス中心をz軸方向に0.013 [m/s] で 0.1[m]移動させる。
・終了条件：z軸方向に-4.0 [N] 発生した時点で終了する。この時点でのΣhをΣsとして再設定する。
（２）丸型ハンドルバルブ１２への挿入穴探索動作は、タスクスキルのモデルを使って以下のように記述する。
・初期条件：z軸方向に-4.0 [N] 発生状態とする。
・タスクスキル動作：z軸力制御、その他の軸インピーダンス制御とする。インピーダンス中心をyaw軸周りに0.08 [rad/s]で-3.14 [rad] 回転させる。
・終了条件：z軸方向の力が絶対値で1.0 [N] 以下になった時点で終了する。
・初期条件：z軸方向に-4.0 [N] 発生状態とする。
・タスクスキル動作：z軸力制御、その他の軸インピーダンス制御とする。インピーダンス中心をyaw軸周りに0.08 [rad/s]で-3.14 [rad] 回転させる。
・終了条件：z軸方向の力が絶対値で1.0 [N] 以下になった時点で終了する。
（３）丸型ハンドルバルブ１２への挿入動作は、タスクスキルのモデルを使って以下のように記述する。
・初期条件：z軸方向の力が絶対値で1.0 [N] 以下の状態とする。
・タスクスキル動作：全軸インピーダンス制御とする。インピーダンス中心をz軸方向に
0.01 [m/s] で0.1[m] 移動させると同時に、yaw軸周りに0.05 [rad/s]で-3.14 [rad] 回転させる。
・終了条件：z軸方向の力が-6.0 [N] 発生した時点で終了する。
・初期条件：z軸方向の力が絶対値で1.0 [N] 以下の状態とする。
・タスクスキル動作：全軸インピーダンス制御とする。インピーダンス中心をz軸方向に
0.01 [m/s] で0.1[m] 移動させると同時に、yaw軸周りに0.05 [rad/s]で-3.14 [rad] 回転させる。
・終了条件：z軸方向の力が-6.0 [N] 発生した時点で終了する。
（４）丸型ハンドルバルブ１２への押付け動作は、タスクスキルのモデルを使って以下のように記述する。
・初期条件：z軸方向の力が-6.0 [N] 発生状態とする。
・タスクスキル動作：z軸力制御、その他の軸インピーダンス制御とする。インピーダンス中心を固定し、z軸方向に -6.0 [N] で押付ける。
・終了条件：1.5[s] 間押付けた時点で終了する。
・初期条件：z軸方向の力が-6.0 [N] 発生状態とする。
・タスクスキル動作：z軸力制御、その他の軸インピーダンス制御とする。インピーダンス中心を固定し、z軸方向に -6.0 [N] で押付ける。
・終了条件：1.5[s] 間押付けた時点で終了する。
（５）丸型ハンドルバルブ１２からの力解除動作は、タスクスキルのモデルを使って以下のように記述する。
・初期条件：初期条件無し。
・タスクスキル動作：全軸力制御とする。全軸1.0[s] 間に 0.0 [N]、0.0 [Nm]にする。
・終了条件：2.0 [s] 間経過した時点で終了する。この時点でのΣhをΣsとして再設定する。
・初期条件：初期条件無し。
・タスクスキル動作：全軸力制御とする。全軸1.0[s] 間に 0.0 [N]、0.0 [Nm]にする。
・終了条件：2.0 [s] 間経過した時点で終了する。この時点でのΣhをΣsとして再設定する。
（６）丸型ハンドルバルブ１２の開放・閉鎖動作は、タスクスキルのモデルを使って以下のように記述する。
・初期条件：初期条件無し。
・タスクスキル動作：全軸インピーダンス制御とする。バルブ開放の場合、インピーダンス中心をyaw軸周りに0.24 [rad/s] で -1.57 [rad] 回転させる。バルブ閉鎖の場合、インピーダンス中心をyaw軸周りに0.24 [rad/s] で 1.57 [rad] 回転させる。
・終了条件：yaw軸周りのモーメントが絶対値で1.5 [Nm] 以上発生したまま2.0 [s] 間経過した状態を、バルブの開放・閉鎖完了評価条件とし、バルブの開放・閉鎖完了評価条件を満たした時点で終了し、（１０）丸型ハンドルバルブ１２からの力解除動作へ移行する。バルブの開放・閉鎖完了評価条件を満たさない場合には、（７）丸型ハンドルバルブ１２からの力解除動作へ移行する。
・初期条件：初期条件無し。
・タスクスキル動作：全軸インピーダンス制御とする。バルブ開放の場合、インピーダンス中心をyaw軸周りに0.24 [rad/s] で -1.57 [rad] 回転させる。バルブ閉鎖の場合、インピーダンス中心をyaw軸周りに0.24 [rad/s] で 1.57 [rad] 回転させる。
・終了条件：yaw軸周りのモーメントが絶対値で1.5 [Nm] 以上発生したまま2.0 [s] 間経過した状態を、バルブの開放・閉鎖完了評価条件とし、バルブの開放・閉鎖完了評価条件を満たした時点で終了し、（１０）丸型ハンドルバルブ１２からの力解除動作へ移行する。バルブの開放・閉鎖完了評価条件を満たさない場合には、（７）丸型ハンドルバルブ１２からの力解除動作へ移行する。
（７）丸型ハンドルバルブ１２からの力解除動作は、タスクスキルのモデルを使って以下のように記述する。
・初期条件：初期条件無し。
・タスクスキル動作：全軸力制御とする。全軸1.0[s] 間に 0.0 [N]、0.0 [Nm]にする。
・終了条件：2.0 [s] 間経過した時点で終了する。この時点でのΣhをΣsとして再設定する。
・初期条件：初期条件無し。
・タスクスキル動作：全軸力制御とする。全軸1.0[s] 間に 0.0 [N]、0.0 [Nm]にする。
・終了条件：2.0 [s] 間経過した時点で終了する。この時点でのΣhをΣsとして再設定する。
（８）丸型ハンドルバルブ１２からの離脱動作は、タスクスキルのモデルを使って以下のように記述する。
・初期条件：初期条件無し。
・タスクスキル動作：全軸インピーダンス制御とする。インピーダンス中心をz軸方向に
0.017 [m/s] で -0.05 [m] 移動させる。
・終了条件：インピーダンス中心がz軸方向に-0.05 [m] 移動した時点で終了する。この時点でのΣhをΣsとして再設定する。
・初期条件：初期条件無し。
・タスクスキル動作：全軸インピーダンス制御とする。インピーダンス中心をz軸方向に
0.017 [m/s] で -0.05 [m] 移動させる。
・終了条件：インピーダンス中心がz軸方向に-0.05 [m] 移動した時点で終了する。この時点でのΣhをΣsとして再設定する。
（９）ハンド４の回転動作は、タスクスキルのモデルを使って以下のように記述する。
・初期条件：初期条件無し。
・タスクスキル動作：全軸インピーダンス制御とする。バルブ開放の場合、インピーダンス中心をyaw軸周りに0.40 [rad/s] で 1.6 [rad] 回転させる。バルブ閉鎖の場合、インピーダンス中心をyaw軸周りに 0.40 [rad/s] で-1.6 [rad] 回転させる。
・終了条件：バルブ開放の場合、インピーダンス中心がyaw軸周りに1.6 [rad] 移動した時点で終了とし、この時点でのΣhをΣsとして再設定する。バルブ閉鎖の場合、インピーダンス中心がyaw軸周りに -1.6 [rad] 移動した時点で終了とし、この時点でのΣhをΣsとして再設定する。
・初期条件：初期条件無し。
・タスクスキル動作：全軸インピーダンス制御とする。バルブ開放の場合、インピーダンス中心をyaw軸周りに0.40 [rad/s] で 1.6 [rad] 回転させる。バルブ閉鎖の場合、インピーダンス中心をyaw軸周りに 0.40 [rad/s] で-1.6 [rad] 回転させる。
・終了条件：バルブ開放の場合、インピーダンス中心がyaw軸周りに1.6 [rad] 移動した時点で終了とし、この時点でのΣhをΣsとして再設定する。バルブ閉鎖の場合、インピーダンス中心がyaw軸周りに -1.6 [rad] 移動した時点で終了とし、この時点でのΣhをΣsとして再設定する。
（１０）丸型ハンドルバルブ１２からの力解除動作は、タスクスキルのモデルを使って以下のように記述する。
・初期条件：初期条件無し。
・タスクスキル動作：全軸力制御とする。全軸1.0[s] 間に 0.0 [N]、0.0[Nm]にする。
・終了条件：2.0[s] 間経過した時点で終了する。この時点でのΣhをΣsとして再設定する。
・初期条件：初期条件無し。
・タスクスキル動作：全軸力制御とする。全軸1.0[s] 間に 0.0 [N]、0.0[Nm]にする。
・終了条件：2.0[s] 間経過した時点で終了する。この時点でのΣhをΣsとして再設定する。
（１１）丸型ハンドルバルブ１２からの離脱動作は、タスクスキルのモデルを使って以下のように記述する。
・初期条件：初期条件無し。
・タスクスキル動作：全軸インピーダンス制御とする。インピーダンス中心をz軸方向に
0.017 [m/s] で -0.05 [m] 移動させる。
・終了条件：インピーダンス中心がz軸方向に-0.05 [m] 移動した時点で終了する。
・初期条件：初期条件無し。
・タスクスキル動作：全軸インピーダンス制御とする。インピーダンス中心をz軸方向に
0.017 [m/s] で -0.05 [m] 移動させる。
・終了条件：インピーダンス中心がz軸方向に-0.05 [m] 移動した時点で終了する。
図４に丸型ハンドルバルブ操作タスクスキルを実装した丸型ハンドルバルブ操作装置による丸型ハンドルバルブ閉鎖操作の実行結果を示す。使用した丸型ハンドルバルブはV40Aである。図４（ａ）はハンド４の点Ｏに作用する力、図４（ｂ）はハンド４の点Ｏに作用するモーメント、図４（ｃ）はハンド４の点Ｏの位置、図４（ｄ）はハンド４の点Ｏの姿勢、図４（ｅ）はインピーダンス中心の位置、図４（ｆ）はインピーダンス中心の姿勢である。
動作手順は図３の（１）〜（６）、（７）〜（９）、（１）〜（６）、（７）〜（９）、（１）〜（６）、（１０）、（１１）となっている。位置誤差は、並進で10.0 [mm]、姿勢で10 [deg] 設定した。位置誤差がある状況で丸型ハンドルバルブ閉鎖操作は問題なく実行されている。また、V32A、V40A、V50Aにおいても、問題なく丸型ハンドルバルブ開放・閉鎖操作が実行できた。
図１は、本発明に関わるタスクスキル動作にインピーダンス制御を利用したタスクスキルによる丸型ハンドルバルブ操作装置１の全体構成図である。タスクスキル実行装置１０は、ロボット２（本実施例２ではロボットアーム）、力センサ３、ハンド４、カメラ５、ロボット制御装置６、ハンド制御装置７、力センサ情報取得装置８、カメラ制御装置９を有する。
ロボット２は、多関節方式であり、ロボット制御装置６により位置制御で動作する。さらに、ロボット２を駆動するモータの電流を利用して力センサ３の代わりに利用することもできる。ハンド４の手先位置は、ロボット２の関節に設置されている関節角度計測装置（例、ポテンショメータ）により計算できることは周知技術である。
ハンド４は、多指ハンドであり、ハンド制御装置７により指先が位置制御で動作する。
タスクスキル実行装置１０は、ロボット制御装置６に送信するロボット２の目標手先位置指令値とハンド制御装置７に送信するハンド４の目標指位置指令値をタスクスキル実装装置１１から受信し、ロボット制御装置６で計算されるロボット２の現在手先位置情報と力センサ情報取得装置８で取得する力センサ３の情報とハンド制御装置７で計算されるハンド４の現在指位置情報とカメラ制御装置９で取得するカメラ５の映像をタスクスキル実装装置１１へ送信する。
タスクスキル実装装置１１は、丸型ハンドルバルブ操作タスクスキルが実装されている。タスクスキルは、初期条件、タスクスキル動作、終了条件からなる一連の状態遷移を実現し、初期条件および終了条件はロボット２の位置、力センサ３の値、ハンド４の位置、カメラ５の映像情報で記述され、タスクスキル動作はインピーダンス制御で記述される。
タスクスキル動作が記述されるインピーダンス制御において、インピーダンス制御での慣性ゲインをすべて 0.5 [kg]、ダンピングゲインを並進軸 200.0 [Ns/m]、 回転軸10.0 [Nm/(rad/s)]、剛性ゲインを並進軸500.0 [N/m]、 回転軸5.0 [Nm/rad]とする。
図２は、ハンド４による丸型ハンドルバルブ１２の開放、閉鎖作業の概要図である。丸型ハンドルバルブ１２は環境に固定される。Σhはハンド４に固定されたハンド座標系であり、点０が原点である。Σcは丸型ハンドルバルブ１２に固定された丸型ハンドルバルブ座標系であり、点Cが原点である。ロボット２の手先座標系は、ハンド４のハンド座標系Σhと一致する。
ハンド４を動かすタスクスキル動作は、タスクスキル動作座標系Σsで記述され、制御点はハンド４の点Oとするため、ハンド４に力、モーメントが作用しない場合には、ハンド４の点Oがハンド４のインピーダンス中心となる。Σsは、Σhを基準として決定され、原点も点Oと一致する。ここで、ハンド４が移動すると同時にΣhも移動するため、ある時点でのΣhをΣsと設定し、Σhが引き続き移動したとしてもΣsは設定された時点の位置に固定される。また、一度ΣsがΣhにより設定され、Σsを基準にしてΣhが移動したとしても、移動後のΣhを利用してΣsを新規に再設定できる。
丸型ハンドルバルブ操作タスクスキルの動作手順は、次のとおりである。
（１）丸型ハンドルバルブ１２への接近・接触動作
（２）丸型ハンドルバルブ１２への挿入穴探索動作
（３）丸型ハンドルバルブ１２への挿入動作動作
（４）丸型ハンドルバルブ１２への押付け動作
（５）丸型ハンドルバルブ１２からの力解除動作
（６）丸型ハンドルバルブ１２の開放・閉鎖動作
（７）「丸型ハンドルバルブ１２からの力解除動作
（８）丸型ハンドルバルブ１２からの離脱動作
（９）ハンド４の回転動作
（１０）丸型ハンドルバルブ１２からの力解除動作
（１１）丸型ハンドルバルブ１２からの離脱動作
（１）丸型ハンドルバルブ１２への接近・接触動作
（２）丸型ハンドルバルブ１２への挿入穴探索動作
（３）丸型ハンドルバルブ１２への挿入動作動作
（４）丸型ハンドルバルブ１２への押付け動作
（５）丸型ハンドルバルブ１２からの力解除動作
（６）丸型ハンドルバルブ１２の開放・閉鎖動作
（７）「丸型ハンドルバルブ１２からの力解除動作
（８）丸型ハンドルバルブ１２からの離脱動作
（９）ハンド４の回転動作
（１０）丸型ハンドルバルブ１２からの力解除動作
（１１）丸型ハンドルバルブ１２からの離脱動作
以上の動作手順を、図３に丸型ハンドルバルブ操作操作状況とともに、フローチャートで示す。以下、各動作手順毎に説明する。
（１）丸型ハンドルバルブ１２への接近・接触動作は、タスクスキルのモデルを使って以下のように記述する。
・初期条件：カメラ５によりΣhのz軸とΣcのz軸をある程度一致させ、動作開始時ΣhをΣsとして設定する。z軸方向でのハンド４と丸型ハンドルバルブ１２の距離は 0.1 [m]以内とする。
・タスクスキル動作：インピーダンス中心をz軸方向に0.013 [m/s] で0.1 [m] 移動させる。
・終了条件：z軸方向に-4.0[N] 発生した時点で終了する。
・初期条件：カメラ５によりΣhのz軸とΣcのz軸をある程度一致させ、動作開始時ΣhをΣsとして設定する。z軸方向でのハンド４と丸型ハンドルバルブ１２の距離は 0.1 [m]以内とする。
・タスクスキル動作：インピーダンス中心をz軸方向に0.013 [m/s] で0.1 [m] 移動させる。
・終了条件：z軸方向に-4.0[N] 発生した時点で終了する。
（２）丸型ハンドルバルブ１２への挿入穴探索動作は、タスクスキルのモデルを使って以下のように記述する。
・初期条件：z軸方向に-4.0 [N] 発生状態とする。
・タスクスキル動作：インピーダンス中心をyaw軸周りに0.08[rad/s]で-3.14 [rad] 回転させる。
・終了条件：z軸方向の力が絶対値で1.0 [N] 以下になった時点で終了する。
・初期条件：z軸方向に-4.0 [N] 発生状態とする。
・タスクスキル動作：インピーダンス中心をyaw軸周りに0.08[rad/s]で-3.14 [rad] 回転させる。
・終了条件：z軸方向の力が絶対値で1.0 [N] 以下になった時点で終了する。
（３）丸型ハンドルバルブ１２への挿入動作は、タスクスキルのモデルを使って以下のように記述する。
・初期条件：z軸方向の力が絶対値で1.0 [N] 以下の状態とする。
・タスクスキル動作：インピーダンス中心をz軸方向に0.01 [m/s] で0.1[m] 移動させると同時に、yaw軸周りに0.05[rad/s]で -3.14 [rad] 回転させる。
・終了条件：z軸方向の力が-6.0 [N] 発生した時点で終了する。
・初期条件：z軸方向の力が絶対値で1.0 [N] 以下の状態とする。
・タスクスキル動作：インピーダンス中心をz軸方向に0.01 [m/s] で0.1[m] 移動させると同時に、yaw軸周りに0.05[rad/s]で -3.14 [rad] 回転させる。
・終了条件：z軸方向の力が-6.0 [N] 発生した時点で終了する。
（４）丸型ハンドルバルブ１２への押付け動作は、タスクスキルのモデルを使って以下のように記述する。
・初期条件：z軸方向の力が-6.0 [N] 発生状態とする。
・タスクスキル動作：インピーダンス中心を固定し -6.0 [N] 発生させる。
・終了条件：1.5[s] 間押付けた時点で終了する。
・初期条件：z軸方向の力が-6.0 [N] 発生状態とする。
・タスクスキル動作：インピーダンス中心を固定し -6.0 [N] 発生させる。
・終了条件：1.5[s] 間押付けた時点で終了する。
（５）丸型ハンドルバルブ１２からの力解除動作は、タスクスキルのモデルを使って以下のように記述する。
・初期条件：初期条件無し。
・タスクスキル動作：インピーダンス中心を、1.0 [s] 間に発生力・トルクが0.0 [N]、0.0 [Nm] となるように移動させる。
・終了条件：2.0[s] 間経過した時点で終了する。この時点でのΣhをΣsとして再設定する。
・初期条件：初期条件無し。
・タスクスキル動作：インピーダンス中心を、1.0 [s] 間に発生力・トルクが0.0 [N]、0.0 [Nm] となるように移動させる。
・終了条件：2.0[s] 間経過した時点で終了する。この時点でのΣhをΣsとして再設定する。
（６）丸型ハンドルバルブ１２の開放・閉鎖動作は、タスクスキルのモデルを使って以下のように記述する。
・初期条件：初期条件無し。
・タスクスキル動作：バルブ開放の場合、インピーダンス中心をyaw軸周りに0.24
[rad/s] で -1.57 [rad]回転させる。バルブ閉鎖の場合、インピーダンス中心をyaw軸周りに0.24[rad/s] で 1.57 [rad] 回転させる。
・終了条件：yaw軸周りのモーメントが絶対値で1.5 [Nm] 以上発生したまま2.0 [s] 間経過した状態を、バルブの開放・閉鎖完了評価条件とし、バルブの開放・閉鎖完了評価条件を満たした時点で終了し、（１０）丸型ハンドルバルブ１２からの力解除動作へ移行する。バルブの開放・閉鎖完了評価条件を満たさない場合には、（７）丸型ハンドルバルブ１２からの力解除動作へ移行する。
・初期条件：初期条件無し。
・タスクスキル動作：バルブ開放の場合、インピーダンス中心をyaw軸周りに0.24
[rad/s] で -1.57 [rad]回転させる。バルブ閉鎖の場合、インピーダンス中心をyaw軸周りに0.24[rad/s] で 1.57 [rad] 回転させる。
・終了条件：yaw軸周りのモーメントが絶対値で1.5 [Nm] 以上発生したまま2.0 [s] 間経過した状態を、バルブの開放・閉鎖完了評価条件とし、バルブの開放・閉鎖完了評価条件を満たした時点で終了し、（１０）丸型ハンドルバルブ１２からの力解除動作へ移行する。バルブの開放・閉鎖完了評価条件を満たさない場合には、（７）丸型ハンドルバルブ１２からの力解除動作へ移行する。
（７）丸型ハンドルバルブ１２からの力解除動作は、タスクスキルのモデルを使って以下のように記述する。
・初期条件：初期条件無し。
・タスクスキル動作：インピーダンス中心を、1.0 [s] 間に発生力・トルクが0.0 [N]、0.0 [Nm] となるように移動させる。
・終了条件：2.0[s] 間経過した時点で終了する。この時点でのΣhをΣsとして再設定する。
・初期条件：初期条件無し。
・タスクスキル動作：インピーダンス中心を、1.0 [s] 間に発生力・トルクが0.0 [N]、0.0 [Nm] となるように移動させる。
・終了条件：2.0[s] 間経過した時点で終了する。この時点でのΣhをΣsとして再設定する。
（８）丸型ハンドルバルブ１２からの離脱動作は、タスクスキルのモデルを使って以下のように記述する。
・初期条件：初期条件無し。
・タスクスキル動作：インピーダンス中心をz軸方向に0.017 [m/s] で -0.05 [m] 移動させる。
・終了条件：インピーダンス中心がz軸方向に-0.05 [m] 移動した時点で終了する。この時点でのΣhをΣsとして再設定する。
・初期条件：初期条件無し。
・タスクスキル動作：インピーダンス中心をz軸方向に0.017 [m/s] で -0.05 [m] 移動させる。
・終了条件：インピーダンス中心がz軸方向に-0.05 [m] 移動した時点で終了する。この時点でのΣhをΣsとして再設定する。
（９）ハンド４の回転動作は、タスクスキルのモデルを使って以下のように記述する。
・初期条件：初期条件無し。
・タスクスキル動作：バルブ開放の場合、インピーダンス中心をyaw軸周りに0.40 [rad/s] で 1.6 [rad] 回転させる。バルブ閉鎖の場合、インピーダンス中心をyaw軸周りに 0.40 [rad/s] で-1.6 [rad] 回転させる。
・終了条件：バルブ開放の場合、インピーダンス中心がyaw軸周りに1.6 [rad] 移動した時点で終了とし、この時点でのΣhをΣsとして再設定する。バルブ閉鎖の場合、インピーダンス中心がyaw軸周りに -1.6 [rad] 移動した時点で終了とし、この時点でのΣhをΣsとして再設定する。
・初期条件：初期条件無し。
・タスクスキル動作：バルブ開放の場合、インピーダンス中心をyaw軸周りに0.40 [rad/s] で 1.6 [rad] 回転させる。バルブ閉鎖の場合、インピーダンス中心をyaw軸周りに 0.40 [rad/s] で-1.6 [rad] 回転させる。
・終了条件：バルブ開放の場合、インピーダンス中心がyaw軸周りに1.6 [rad] 移動した時点で終了とし、この時点でのΣhをΣsとして再設定する。バルブ閉鎖の場合、インピーダンス中心がyaw軸周りに -1.6 [rad] 移動した時点で終了とし、この時点でのΣhをΣsとして再設定する。
（１０）丸型ハンドルバルブ１２からの力解除動作は、タスクスキルのモデルを使って以下のように記述する。
・初期条件：初期条件無し。
・タスクスキル動作：インピーダンス中心を、1.0 [s] 間に発生力・トルクが 0.0 [N]、0.0[Nm] となるように移動させる。
・終了条件：2.0[s] 間経過した時点で終了する。この時点でのΣhをΣsとして再設定する。
・初期条件：初期条件無し。
・タスクスキル動作：インピーダンス中心を、1.0 [s] 間に発生力・トルクが 0.0 [N]、0.0[Nm] となるように移動させる。
・終了条件：2.0[s] 間経過した時点で終了する。この時点でのΣhをΣsとして再設定する。
（１１）丸型ハンドルバルブ１２からの離脱動作は、タスクスキルのモデルを使って以下のように記述する。
・初期条件：初期条件無し。
・タスクスキル動作：インピーダンス中心をz軸方向に0.017 [m/s] で -0.05 [m] 移動させる。
・終了条件：インピーダンス中心がz軸方向に-0.05 [m] 移動した時点で終了する。
・初期条件：初期条件無し。
・タスクスキル動作：インピーダンス中心をz軸方向に0.017 [m/s] で -0.05 [m] 移動させる。
・終了条件：インピーダンス中心がz軸方向に-0.05 [m] 移動した時点で終了する。
図４に丸型ハンドルバルブ操作タスクスキルを実装した丸型ハンドルバルブ操作装置による丸型ハンドルバルブ開放操作の実行結果を示す。使用した丸型ハンドルバルブはV40Aである。図４（a）はハンド４の点Oに作用する力、図４（b）はハンド４の点Oに作用するモーメント、図４（c）はハンド４の点Oの位置、図４（d）はハンド４の点Oの姿勢、図４（e）はインピーダンス中心の位置、図４（f）はインピーダンス中心の姿勢である。バルブを完全に開放するには、丸型ハンドルを62.8 [rad]以上回転させる必要があるが、本実験では9.42 [rad] のみ回転させたため、動作手順は図３の（１）〜（６）、（７）〜（９）、（１）〜（６）、（７）〜（９）、（１）〜（６）、（７）〜（９）となっている。
位置誤差は、並進で10.0[mm]、姿勢で 10 [deg] 設定した。位置誤差がある状況で丸型ハンドルバルブ開放操作は問題なく実行されている。また、V32A、V40A、V50Aにおいても、問題なく丸型ハンドルバルブ開放・閉鎖操作が実行できた。
以上、本発明に関わる丸型ハンドルバルブ操作タスクスキルによる丸型ハンドルバルブ操作装置を実施するための最良の形態を実施例１、実施例２に基づいて説明した。既に本発明を利用し、実施例で示したタスクスキルによる丸型ハンドルバルブの開放・閉鎖操作を実行した。このタスクスキルによる丸型ハンドルバルブ装置は、異なるサイズの丸型ハンドルバルブ１２や位置・姿勢誤差を含んだ様々な環境下で丸型ハンドルバルブ操作を実現することができ、実際に使用できることが確認された。
これまでは、既にプラント内に設置されている丸型ハンドルバルブの操作は、人に拠らなければならなかったり、新たに部品を設置したりする必要があった。さらに、ロボットにより、丸型ハンドルバルブの操作を実施するには、ハンド４と丸型ハンドルバルブ１２間に位置・姿勢誤差があると、丸型ハンドルバルブ操作が遂行できなかったが、本発明では前記のように新たに部品を設置する必要もなく、位置・姿勢誤差があっても問題なく丸型ハンドルバルブ操作を実現することができる。
したがって、プラント内だけでなく、様々な環境下で使用されている丸型ハンドルバルブの操作を本発明に関わる丸型ハンドルバルブ操作タスクスキルによる丸型ハンドルバルブ操作装置で実現することができる。
１ タスクスキルによる丸型ハンドルバルブ操作装置
２ ロボット
３ 力センサ
４ ハンド
５ カメラ
６ ロボット制御装置
７ ハンド制御装置
８ 力センサ情報取得装置
９ カメラ制御装置
１０ タスクスキル実行装置
１１ タスクスキル実装装置
１２ 丸型ハンドルバルブ
２ ロボット
３ 力センサ
４ ハンド
５ カメラ
６ ロボット制御装置
７ ハンド制御装置
８ 力センサ情報取得装置
９ カメラ制御装置
１０ タスクスキル実行装置
１１ タスクスキル実装装置
１２ 丸型ハンドルバルブ
Claims (4)
- ロボットと、力センサと、ハンドと、カメラと、ロボットを制御する制御装置と、力センサ情報を取得する装置と、ハンドを制御する制御装置と、カメラを制御する制御装置と、インピーダンスと力のハイブリッド制御を利用したタスクスキルを実装するタスクスキル実装装置と、を有するタスクスキルによる丸型ハンドルバルブ操作装置。
- ロボットと、力センサと、ハンドと、カメラと、ロボットを制御する制御装置と、力センサ情報を取得する装置と、ハンドを制御する制御装置と、カメラを制御する制御装置と、インピーダンス制御を利用したタスクスキルを実装するタスクスキル実装装置と、を有するタスクスキルによる丸型ハンドルバルブ操作装置。
- 前記タスクスキルによる丸型ハンドルバルブ操作装置のロボットは多関節方式であり、ロボットを駆動するモータの電流を利用して力センサの代わりに利用することができることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のタスクスキルによる丸型ハンドルバルブ操作装置。
- 前記丸型ハンドルバルブ操作は、環境に固定された丸型ハンドルバルブに対して、バルブの開放、バルブの閉鎖を行い、丸型ハンドルバルブの全サイズに対応し、丸型ハンドルバルブの中心軸とハンドの中心軸に位置と姿勢の誤差があっても、前記丸型ハンドルバルブ操作を実現することを特徴とする請求項１又は請求項２記載のタスクスキルによる丸型ハンドルバルブ操作装置。
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