JP2006341348A - タスクスキルによる電源用３ピンプラグ挿入装置 - Google Patents
タスクスキルによる電源用３ピンプラグ挿入装置 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】
位置・姿勢誤差にロバストな特徴を有する電源用３ピンプラグ挿入作業を実施する人の器用さをロボットに実装するための電源用３ピンプラグ挿入作タスクスキルを実装する電源用３ピンプラグ挿入装置を実現する。
【解決手段】
電源用３ピンプラグ１２を電源用３ピンコンセント１３に挿入する作業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、またはインピーダンス制御を実装した。
【選択図】図１
位置・姿勢誤差にロバストな特徴を有する電源用３ピンプラグ挿入作業を実施する人の器用さをロボットに実装するための電源用３ピンプラグ挿入作タスクスキルを実装する電源用３ピンプラグ挿入装置を実現する。
【解決手段】
電源用３ピンプラグ１２を電源用３ピンコンセント１３に挿入する作業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、またはインピーダンス制御を実装した。
【選択図】図１
Description
本発明は普段の生活の中で必要不可欠な作業のひとつである電源用３ピンプラグを電源用３ピンコンセントへ挿入する動作を実現するタスクスキルを実装した電源用３ピンプラグ挿入装置に関するものである。
日常生活や工場などで電気を動力源とする装置の多くは、電源用３ピンプラグを有しており、電源用３ピンプラグを動力供給源である電源用３ピンコンセントへ挿入することにより電気が供給される。この電源用３ピンプラグ挿入は、人の手により実施されることが多い。
しかし、将来日常生活支援ロボットの開発や、工場での支援ロボットの開発を実現するには、電源用３ピンプラグを電源用３ピンコンセントに挿入する器用な手先技術を開発する必要がある。特に、原子力プラントなどの極限環境下では人が直接電源用３ピンプラグ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、遠隔操作によりプラグの抜き差しを実施する駆動機構をプラグ内部に付加する方法や、抜き差しを容易に実施できるコンセントなどが開発されているが、一般に使用されているプラグやコンセントをそのまま使用することができない（特許文献１、２参照）。さらに、ロボットなどによる電源用３ピンプラグ挿入の実現も考えられているが、ロボットが把持する電源用３ピンプラグの電極棒と電源用３ピンコンセントの挿入穴間の位置、姿勢誤差問題を解決することができていない。
特開２００２−１１０２９６号公報
特開２００３−２１７７５７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電源用３ピンプラグを人の代わりに操作できる特性を有し、電源用３ピンプラグの電極棒と電源用３ピンコンセントの挿入穴間に位置・姿勢誤差があっても電源用３ピンプラグ挿入を実現できる特性を有する電源用３ピンプラグ挿入スクスキルの具体的な記述と、電源用３ピンプラグ挿入タスクスキルを実装した電源用３ピンプラグ挿入装置の確立である。
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電源用３ピンプラグ挿入装置は、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電源用３ピンプラグ挿入装置は、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電源用３ピンプラグ挿入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電源用３ピンプラグ挿入装置。
前記電源用３ピンプラグ挿入は、環境に固定された電源用３ピンコンセントに対して、電源用３ピンプラグを挿入する動作であり、電源用３ピンプラグの電極棒と電源用３ピンコンセントの挿入穴に位置と姿勢の誤差があっても、前記電源用３ピンプラグ挿入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電源用３ピンプラグ挿入装置。
本発明に係るタスクスキルによる電源用３ピンプラグ挿入装置によれば、操作対象である電源用３ピンコンセント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電源用３ピンプラグの操作を人に代わって実行することができるだけでなく、原子力プラントなど非常に危険な環境でも電源用３ピンプラグ挿入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電源用３ピンプラグ挿入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、電源用３ピンプラグ挿入す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、電源用３ピンプラグ挿入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、本発明における電源用３ピンプラグ挿入装置では、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電源用３ピンプラグ挿入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電源用３ピンプラグ挿入装置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、電源用３ピンプラグ１２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、ロボットに作用する抗力（負荷）が大きいと、ロボットの関節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、電源用３ピンプラグ挿入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。
図２は、ハンド４による電源用３ピンプラグ挿入作業の概要図である。電源用３ピンコンセント１３は環境に固定される。Σpは電源用３ピンプラグ１２に固定された電源用３ピンプラグ座標系であり、点Pが原点である。Σoは電源用３ピンコンセント１３に固定された電源用３ピンコンセント座標系であり、点Oが原点である。ロボット２の手先座標系は、電源用３ピンプラグ１２の電源用３ピンプラグ座標系Σpと一致する。
電源用３ピンプラグ１２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、制御点は電源用３ピンプラグ１２の点Pとするため、電源用３ピンプラグ１２に力、モーメントが作用しない場合には、電源用３ピンプラグ１２の点Pが電源用３ピンプラグ１２のインピーダンス中心となる。Σsは、Σpを基準として決定され、原点も点Pと一致する。
ここで、電源用３ピンプラグ１２が移動すると同時にΣpも移動するため、ある時点でのΣpをΣsと設定し、Σp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Σpにより設定され、Σsを基準にしてΣpが移動したとしても、移動後のΣp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、ロール（roll）、ピッチ（pitch）、ヨー（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。
電源用３ピンプラグ挿入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）電源用３ピンコンセント１３への接近・接触動作（全軸インピーダンス制御）
（２）電源用３ピンコンセント１３への押付け動作（全軸インピーダンス制御）
（３）電源用３ピンコンセント丸穴１４挿入への穴探索動作（全軸インピーダンス制御）
（４）電源用３ピンコンセント１３への押付け動作（全軸インピーダンス制御）
（５）電源用３ピンコンセント丸穴１４挿入確認動作（全軸インピーダンス制御）
（６）電源用３ピンコンセント四角穴１５挿入への穴探索操作（全軸インピーダンス制御）
（７）力解除動作（全軸力制御）
（８）電源用３ピンコンセント１３への挿入動作I（全軸インピーダンス制御）
（９）電源用３ピンコンセント１３への挿入動作II（全軸インピーダンス制御）
（１０）力解除動作（全軸力制御）
（１）電源用３ピンコンセント１３への接近・接触動作（全軸インピーダンス制御）
（２）電源用３ピンコンセント１３への押付け動作（全軸インピーダンス制御）
（３）電源用３ピンコンセント丸穴１４挿入への穴探索動作（全軸インピーダンス制御）
（４）電源用３ピンコンセント１３への押付け動作（全軸インピーダンス制御）
（５）電源用３ピンコンセント丸穴１４挿入確認動作（全軸インピーダンス制御）
（６）電源用３ピンコンセント四角穴１５挿入への穴探索操作（全軸インピーダンス制御）
（７）力解除動作（全軸力制御）
（８）電源用３ピンコンセント１３への挿入動作I（全軸インピーダンス制御）
（９）電源用３ピンコンセント１３への挿入動作II（全軸インピーダンス制御）
（１０）力解除動作（全軸力制御）
以上の動作手順を、図３に電源用３ピンプラグ挿入状況とともに、フローチャートで示す。以下、各動作手順毎に説明する。
（１）電源用３ピンコンセント１３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ΣpとΣoをある程度一致させ、動作開始時ΣpをΣsとして設定する。
・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] で移動させる。
・終了条件：z軸方向に−6.0 [N] 発生した時点で終了する。
・初期条件：カメラ５によりΣpとΣoをある程度一致させ、動作開始時ΣpをΣsとして設定する。
・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] で移動させる。
・終了条件：z軸方向に−6.0 [N] 発生した時点で終了する。
（２）電源用３ピンコンセント１３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軸方向に −6.0 [N] 程度発生状態とする。
・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固定する。
・終了条件：0.7 [s] 間経過した時点で終了する。
・初期条件：z軸方向に −6.0 [N] 程度発生状態とする。
・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固定する。
・終了条件：0.7 [s] 間経過した時点で終了する。
（３）電源用３ピンコンセント丸穴１４挿入への穴探索動作は、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 −6.0 [N] 程度発生状態とする。
・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y軸方向に 0.01 [m/s] で−0.015[m]へ移動させる。その後、0.01 [m/s] で 0.015 [m]へ移動させる。
・終了条件：z軸方向の力が0.2 [s]間、絶対値で3.0 [N]以下になった時点で終了する。
・初期条件：z軸方向に −6.0 [N] 程度発生状態とする。
・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y軸方向に 0.01 [m/s] で−0.015[m]へ移動させる。その後、0.01 [m/s] で 0.015 [m]へ移動させる。
・終了条件：z軸方向の力が0.2 [s]間、絶対値で3.0 [N]以下になった時点で終了する。
（４）電源用３ピンコンセント１３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：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0.01 [m/s]で0.1[m]へ移動させる。
・終了条件：z軸方向に −6.0 [N] 発生した時点で、インピーダンス中心を固定し、1.0 [s] 間維持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0.01 [m/s]で0.1[m]へ移動させる。
・終了条件：z軸方向に −6.0 [N] 発生した時点で、インピーダンス中心を固定し、1.0 [s] 間維持した時点で終了する。
（５）電源用３ピンコンセント丸穴１４挿入確認動作は、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 −6.0 [N] 程度発生状態とする。
・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x軸方向に0.03 [m/s]で0.015 [m]へ移動させる（動作１）。その後、インピーダンス中心をx軸方向に0.03 [m/s]で−0.015 [m]へ移動させる（動作２）。その後、インピーダンス中心をx軸方向に0.03 [m/s]で0.0 [m]へ移動させる（動作３）。その後、インピーダンス中心をy軸方向に0.03 [m/s]で0.015 [m]へ移動させる（動作４）。その後、インピーダンス中心をy軸方向に0.03 [m/s]で−0.015 [m]へ移動させる（動作５）。その後、インピーダンス中心をy軸方向に0.03 [m/s]で0.0 [m]へ移動させる（動作６）。
・終了条件：動作（１、２、４、５）において、x、y軸方向の合力が0.2 [s]間絶対値で3.0 [N]発生した時点、あるいは動作が終了した時点で次の動作に移る。動作（３、６）においては、動作が終了した時点で次の動作に移る。各動作（１、２、４、５）それぞれにおいて、x、y軸方向の合力が0.2 [s]間絶対値で3.0 [N]発生した場合には、（６）電源用３ピンコンセント四角穴１５挿入への穴探索操作へ移行するが、それ以外の場合には、（３）電源用３ピンコンセント丸穴１４挿入への穴探索動作へ移行する。
・初期条件：z軸方向に −6.0 [N] 程度発生状態とする。
・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x軸方向に0.03 [m/s]で0.015 [m]へ移動させる（動作１）。その後、インピーダンス中心をx軸方向に0.03 [m/s]で−0.015 [m]へ移動させる（動作２）。その後、インピーダンス中心をx軸方向に0.03 [m/s]で0.0 [m]へ移動させる（動作３）。その後、インピーダンス中心をy軸方向に0.03 [m/s]で0.015 [m]へ移動させる（動作４）。その後、インピーダンス中心をy軸方向に0.03 [m/s]で−0.015 [m]へ移動させる（動作５）。その後、インピーダンス中心をy軸方向に0.03 [m/s]で0.0 [m]へ移動させる（動作６）。
・終了条件：動作（１、２、４、５）において、x、y軸方向の合力が0.2 [s]間絶対値で3.0 [N]発生した時点、あるいは動作が終了した時点で次の動作に移る。動作（３、６）においては、動作が終了した時点で次の動作に移る。各動作（１、２、４、５）それぞれにおいて、x、y軸方向の合力が0.2 [s]間絶対値で3.0 [N]発生した場合には、（６）電源用３ピンコンセント四角穴１５挿入への穴探索操作へ移行するが、それ以外の場合には、（３）電源用３ピンコンセント丸穴１４挿入への穴探索動作へ移行する。
（６）電源用３ピンコンセント四角穴１５挿入への穴探索操作は、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 −6.0 [N] 程度発生状態とする。
・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ヨー軸周りに0.2 [dad/s]で−0.7 [rad]回転させる。その後、インピーダンス中心をヨー軸周りに0.2 [dad/s]で0.7 [rad]回転させる。
・終了条件：z軸方向の力が1.0 [s]間絶対値で3.0 [N]以下になる状態、あるいは、ヨー軸周りのモーメントが1.0 [s]間絶対値で0.4 [Nm] 以上発生した状態とする。
・初期条件：z軸方向に −6.0 [N] 程度発生状態とする。
・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ヨー軸周りに0.2 [dad/s]で−0.7 [rad]回転させる。その後、インピーダンス中心をヨー軸周りに0.2 [dad/s]で0.7 [rad]回転させる。
・終了条件：z軸方向の力が1.0 [s]間絶対値で3.0 [N]以下になる状態、あるいは、ヨー軸周りのモーメントが1.0 [s]間絶対値で0.4 [Nm] 以上発生した状態とする。
（７）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0.5[s] 間に 0.0 [N]、0.0 [Nm]にする。
・終了条件：0.5 [s] 経過した時点で終了する。この時点でのΣp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0.5[s] 間に 0.0 [N]、0.0 [Nm]にする。
・終了条件：0.5 [s] 経過した時点で終了する。この時点でのΣpをΣsとして再設定する。
（８）電源用３ピンコンセント１３への挿入動作I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 0.02 [m/s] で 0.03 [m]へ移動させる。
・終了条件：1.5 [s]経過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 0.02 [m/s] で 0.03 [m]へ移動させる。
・終了条件：1.5 [s]経過した時点で終了する。
（９）電源用３ピンコンセント１３への挿入動作II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：インピーダンス中心がz軸方向0.3[m]にある。
・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ピッチ軸周りに0.3 [rad/s]で0.1 [rad]へ移動させる（動作１）。その後、インピーダンス中心をピッチ軸周りに0.3 [rad/s]で−0.1 [rad]へ移動させる（動作２）。その後、動作１、動作２を順に繰り返す。
・終了条件：z軸方向の力が0.1[s]間、絶対値で28.0 [N]以上発生した時点で終了する。
・初期条件：インピーダンス中心がz軸方向0.3[m]にある。
・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ピッチ軸周りに0.3 [rad/s]で0.1 [rad]へ移動させる（動作１）。その後、インピーダンス中心をピッチ軸周りに0.3 [rad/s]で−0.1 [rad]へ移動させる（動作２）。その後、動作１、動作２を順に繰り返す。
・終了条件：z軸方向の力が0.1[s]間、絶対値で28.0 [N]以上発生した時点で終了する。
（１０）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3.0 [s] 間に 0.0 [N]、0.0 [Nm]にする。
・終了条件：3.0 [s] 経過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：全軸力制御とする。全軸3.0 [s] 間に 0.0 [N]、0.0 [Nm]にする。
・終了条件：3.0 [s] 経過した時点で終了する。
図４に電源用３ピンプラグ挿入タスクスキルを実装した電源用３ピンプラグ挿入装置による電源用３ピンプラグ挿入の実行結果を示す。図４（ａ）は電源用３ピンプラグ１２の点Pに作用する力、図４（ｂ）は電源用３ピンプラグ１２の点Pに作用するモーメント、図４（ｃ）は電源用３ピンプラグ１２の点Ｏの位置、図４（ｄ）は電源用３ピンプラグ１２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）〜（５）、（６）〜（１０）となっている。位置誤差は、並進でy軸方向に−0.01 [m]、ロール軸周りに0.05 [rad]、ヨー軸周りに0.2 [rad]設定した。位置・姿勢誤差がある状況で電源用３ピンプラグ挿入は問題なく実行されている。
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電源用３ピンプラグ挿入装置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、電源用３ピンプラグ１２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、ロボットに作用する抗力（負荷）が大きいと、ロボットの関節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、電源用３ピンプラグ挿入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。
図２は、ハンド４による電源用３ピンプラグ挿入作業の概要図である。電源用３ピンコンセント１３は環境に固定される。Σpは電源用３ピンプラグ１２に固定された電源用３ピンプラグ座標系であり、点Pが原点である。Σoは電源用３ピンコンセント１３に固定された電源用３ピンコンセント座標系であり、点Oが原点である。ロボット２の手先座標系は、電源用３ピンプラグ１２の電源用３ピンプラグ座標系Σpと一致する。
電源用３ピンプラグ１２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、制御点は電源用３ピンプラグ１２の点Pとするため、電源用３ピンプラグ１２に力、モーメントが作用しない場合には、電源用３ピンプラグ１２の点Pが電源用３ピンプラグ１２のインピーダンス中心となる。Σsは、Σpを基準として決定され、原点も点Pと一致する。
ここで、電源用３ピンプラグ１２が移動すると同時にΣpも移動するため、ある時点でのΣpをΣsと設定し、Σp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Σpにより設定され、Σsを基準にしてΣpが移動したとしても、移動後のΣpを利用してΣsを新規に再設定できる。
電源用３ピンプラグ挿入タスクスキルの動作手順は、次のとおりである。
（１）電源用３ピンコンセント１３への接近・接触動作
（２）電源用３ピンコンセント１３への押付け動作
（３）電源用３ピンコンセント丸穴１４挿入への穴探索動作
（４）電源用３ピンコンセント１３への押付け動作
（５）電源用３ピンコンセント丸穴１４挿入確認動作
（６）電源用３ピンコンセント四角穴１５挿入への穴探索操作
（７）力解除動作
（８）電源用３ピンコンセント１３への挿入動作I
（９）電源用３ピンコンセント１３への挿入動作II
（１０）力解除動作
（１）電源用３ピンコンセント１３への接近・接触動作
（２）電源用３ピンコンセント１３への押付け動作
（３）電源用３ピンコンセント丸穴１４挿入への穴探索動作
（４）電源用３ピンコンセント１３への押付け動作
（５）電源用３ピンコンセント丸穴１４挿入確認動作
（６）電源用３ピンコンセント四角穴１５挿入への穴探索操作
（７）力解除動作
（８）電源用３ピンコンセント１３への挿入動作I
（９）電源用３ピンコンセント１３への挿入動作II
（１０）力解除動作
以上の動作手順を、図３に電源用３ピンプラグ挿入状況とともに、フローチャートで示す。以下、各動作手順毎に説明する。
（１）電源用３ピンコンセント１３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ΣpとΣoをある程度一致させ、動作開始時ΣpをΣsとして設定する。
・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] で移動させる。
・終了条件：z軸方向に−6.0 [N] 発生した時点で終了する。
・初期条件：カメラ５によりΣpとΣoをある程度一致させ、動作開始時ΣpをΣsとして設定する。
・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] で移動させる。
・終了条件：z軸方向に−6.0 [N] 発生した時点で終了する。
（２）電源用３ピンコンセント１３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軸方向に −6.0 [N] 程度発生状態とする。
・タスクスキル動作：インピーダンス中心を固定する。
・終了条件：0.7 [s] 間経過した時点で終了する。
・初期条件：z軸方向に −6.0 [N] 程度発生状態とする。
・タスクスキル動作：インピーダンス中心を固定する。
・終了条件：0.7 [s] 間経過した時点で終了する。
（３）電源用３ピンコンセント丸穴１４挿入への穴探索動作は、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 −6.0 [N] 程度発生状態とする。
・タスクスキル動作：インピーダンス中心をy軸方向に 0.01 [m/s] で−0.015[m]へ移動させる。その後、0.01 [m/s] で0.015 [m]へ移動させる。
・終了条件：z軸方向の力が0.2 [s]間、絶対値で3.0 [N]以下になった時点で終了する。
・初期条件：z軸方向に −6.0 [N] 程度発生状態とする。
・タスクスキル動作：インピーダンス中心をy軸方向に 0.01 [m/s] で−0.015[m]へ移動させる。その後、0.01 [m/s] で0.015 [m]へ移動させる。
・終了条件：z軸方向の力が0.2 [s]間、絶対値で3.0 [N]以下になった時点で終了する。
（４）電源用３ピンコンセント１３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：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0.01 [m/s]で0.1[m]へ移動させる。
・終了条件：z軸方向に −6.0 [N] 発生した時点で、インピーダンス中心を固定し、1.0 [s] 間維持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0.01 [m/s]で0.1[m]へ移動させる。
・終了条件：z軸方向に −6.0 [N] 発生した時点で、インピーダンス中心を固定し、1.0 [s] 間維持した時点で終了する。
（５）電源用３ピンコンセント丸穴１４挿入確認動作は、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 −6.0 [N] 程度発生状態とする。
・タスクスキル動作：インピーダンス中心をx軸方向に0.03 [m/s]で0.0 [m]から0.015 [m]へ移動させる（動作１）。その後、インピーダンス中心をx軸方向に0.03 [m/s]で−0.015 [m]へ移動させる（動作２）。その後、インピーダンス中心をx軸方向に0.03 [m/s]で0.0 [m]へ移動させる（動作３）。その後、インピーダンス中心をy軸方向に0.03 [m/s]で0.015 [m]へ移動させる（動作４）。その後、インピーダンス中心をy軸方向に0.03 [m/s]で−0.015 [m]へ移動させる（動作５）。その後、インピーダンス中心をy軸方向に0.03 [m/s]で0.0 [m]へ移動させる（動作６）。
・終了条件：動作（１、２、４、５）において、x、y軸方向の合力が0.2 [s]間絶対値で3.0 [N]発生した時点、あるいは動作が終了した時点で次の動作に移る。動作（３、６）においては、動作が終了した時点で次の動作に移る。各動作（１、２、４、５）それぞれにおいて、x、y軸方向の合力が0.2 [s]間絶対値で3.0 [N]発生した場合には、（６）電源用３ピンコンセント四角穴１５挿入への穴探索操作へ移行するが、それ以外の場合には、（３）電源用３ピンコンセント丸穴１４挿入への穴探索動作へ移行する。
・初期条件：z軸方向に −6.0 [N] 程度発生状態とする。
・タスクスキル動作：インピーダンス中心をx軸方向に0.03 [m/s]で0.0 [m]から0.015 [m]へ移動させる（動作１）。その後、インピーダンス中心をx軸方向に0.03 [m/s]で−0.015 [m]へ移動させる（動作２）。その後、インピーダンス中心をx軸方向に0.03 [m/s]で0.0 [m]へ移動させる（動作３）。その後、インピーダンス中心をy軸方向に0.03 [m/s]で0.015 [m]へ移動させる（動作４）。その後、インピーダンス中心をy軸方向に0.03 [m/s]で−0.015 [m]へ移動させる（動作５）。その後、インピーダンス中心をy軸方向に0.03 [m/s]で0.0 [m]へ移動させる（動作６）。
・終了条件：動作（１、２、４、５）において、x、y軸方向の合力が0.2 [s]間絶対値で3.0 [N]発生した時点、あるいは動作が終了した時点で次の動作に移る。動作（３、６）においては、動作が終了した時点で次の動作に移る。各動作（１、２、４、５）それぞれにおいて、x、y軸方向の合力が0.2 [s]間絶対値で3.0 [N]発生した場合には、（６）電源用３ピンコンセント四角穴１５挿入への穴探索操作へ移行するが、それ以外の場合には、（３）電源用３ピンコンセント丸穴１４挿入への穴探索動作へ移行する。
（６）電源用３ピンコンセント四角穴１５挿入への穴探索操作は、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 −6.0 [N] 程度発生状態とする。
・タスクスキル動作：インピーダンス中心をヨー軸周りに0.2 [dad/s]で−0.7 [rad]回転させる。その後、インピーダンス中心をヨー軸周りに0.2 [dad/s]で0.7 [rad]回転させる。
・終了条件：z軸方向の力が1.0 [s]間絶対値で3.0 [N]以下になる状態、あるいは、ヨー軸周りのモーメントが1.0 [s]間絶対値で0.4 [Nm] 以上発生した状態とする。
・初期条件：z軸方向に −6.0 [N] 程度発生状態とする。
・タスクスキル動作：インピーダンス中心をヨー軸周りに0.2 [dad/s]で−0.7 [rad]回転させる。その後、インピーダンス中心をヨー軸周りに0.2 [dad/s]で0.7 [rad]回転させる。
・終了条件：z軸方向の力が1.0 [s]間絶対値で3.0 [N]以下になる状態、あるいは、ヨー軸周りのモーメントが1.0 [s]間絶対値で0.4 [Nm] 以上発生した状態とする。
（７）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0.5[s] 間に 0.0 [N]、0.0 [Nm]になるようにインピーダンス中心を移動させる。
・終了条件：0.5 [s] 経過した時点で終了する。この時点でのΣp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0.5[s] 間に 0.0 [N]、0.0 [Nm]になるようにインピーダンス中心を移動させる。
・終了条件：0.5 [s] 経過した時点で終了する。この時点でのΣpをΣsとして再設定する。
（８）電源用３ピンコンセント１３への挿入動作I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 0.02 [m/s] で 0.03 [m]へ移動させる。
・終了条件：1.5 [s]経過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 0.02 [m/s] で 0.03 [m]へ移動させる。
・終了条件：1.5 [s]経過した時点で終了する。
（９）電源用３ピンコンセント１３への挿入動作II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：インピーダンス中心がz軸方向0.3[m]にある。
・タスクスキル動作：インピーダンス中心をピッチ軸周りに0.3 [rad/s]で0.1 [rad]へ移動させる（動作１）。その後、インピーダンス中心をピッチ軸周りに0.3 [rad/s]で−0.1 [rad]へ移動させる（動作２）。その後、動作１、動作２を順に繰り返す。
・終了条件：z軸方向の力が0.1[s]間、絶対値で28.0 [N]以上発生した時点で終了する。
・初期条件：インピーダンス中心がz軸方向0.3[m]にある。
・タスクスキル動作：インピーダンス中心をピッチ軸周りに0.3 [rad/s]で0.1 [rad]へ移動させる（動作１）。その後、インピーダンス中心をピッチ軸周りに0.3 [rad/s]で−0.1 [rad]へ移動させる（動作２）。その後、動作１、動作２を順に繰り返す。
・終了条件：z軸方向の力が0.1[s]間、絶対値で28.0 [N]以上発生した時点で終了する。
（１０）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3.0 [s] 間に 0.0 [N]、0.0 [Nm]になるように、インピーダンス中心を移動する。
・終了条件：3.0 [s] 経過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3.0 [s] 間に 0.0 [N]、0.0 [Nm]になるように、インピーダンス中心を移動する。
・終了条件：3.0 [s] 経過した時点で終了する。
図４に電源用３ピンプラグ挿入タスクスキルを実装した電源用３ピンプラグ挿入装置による電源用３ピンプラグ挿入の実行結果を示す。図４（ａ）は電源用３ピンプラグ１２の点Pに作用する力、図４（ｂ）は電源用３ピンプラグ１２の点Pに作用するモーメント、図４（ｃ）は電源用３ピンプラグ１２の点Ｏの位置、図４（ｄ）は電源用３ピンプラグ１２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）〜（５）、（６）〜（１０）となっている。位置誤差は、並進でy軸方向に0.01 [m]、ロール軸周りに0.05 [rad]、ヨー軸周りに−0.2 [rad] 設定した。位置・姿勢誤差がある状況で電源用３ピンプラグ挿入は問題なく実行されている。
以上、本発明に関わる電源用３ピンプラグ挿入タスクスキルによる電源用３ピンプラグ挿入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電源用３ピンプラグ挿入を実行した。このタスクスキルによる電源用３ピンプラグ挿入装置は、位置・姿勢誤差を含んだ様々な環境下で電源用３ピンプラグ挿入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、日常生活や向上などで電気を動力源とする装置の有する電源用３ピンプラグを動力供給源である電源用３ピンコンセントへ挿入する作業は、人に拠らなければならなかった。さらに、ロボットにより、電源用３ピンプラグ挿入を実施するには、電源用３ピンプラグ１２と電源用３ピンコンセント１３間に位置・姿勢誤差があると、電源用３ピンプラグ挿入が遂行できなかったが、本発明では前記のように位置・姿勢誤差があっても問題なく電源用３ピンプラグ挿入を実現することができる。
したがって、既知環境だけでなく、様々な未知環境下で必要とされる電源用３ピンプラグ挿入を本発明に関わる電源用３ピンプラグ挿入タスクスキルによる電源用３ピンプラグ挿入装置で実現することができる。
１ タスクスキルによる電源用３ピンプラグ挿入装置
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 電源用３ピンプラグ
１３ 電源用３ピンコンセント
１４ 電源用３ピンコンセント丸穴
１５ 電源用３ピンコンセント四角穴
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 電源用３ピンプラグ
１３ 電源用３ピンコンセント
１４ 電源用３ピンコンセント丸穴
１５ 電源用３ピンコンセント四角穴
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電源用３ピンプラグ挿入装置。
- 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電源用３ピンプラグ挿入装置。
- 前記タスクスキルによる電源用３ピンプラグ挿入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電源用３ピンプラグ挿入装置。
- 前記電源用３ピンプラグ挿入は、環境に固定された電源用３ピンコンセントに対して、電源用３ピンプラグを挿入する動作であり、電源用３ピンプラグの電極棒と電源用３ピンコンセントの挿入穴に位置と姿勢の誤差があっても、前記電源用３ピンプラグ挿入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電源用３ピンプラグ挿入装置。
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