JP2008213119A - 協調作業ロボットとその制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】作業者（人間）が操作の主体であり、一人では運搬し位置決めすることが困難なオブジェクトを一人の作業者の意図に沿ってその作業者との協調作業により効率よく運搬し正確に位置決めすることができる協調作業ロボットとその制御方法を提供する。
【解決手段】人間一人では運搬し位置決めすることが困難なオブジェクト１を、人間の意図に沿って人間との協調作業により運搬し位置決めする協調作業ロボット。オブジェクト１の一端部をフリージョイント１２を介して把持し３次元的に移動可能なロボットハンド１０と、オブジェクトの他端部を把持する人間が作用する捩りトルクを検出するトルクセンサ１７と、ロボットハンドに他端部から作用するスラスト力を検出するスラストセンサ１５と、オブジェクトのロボットハンドに対する変位角を検出する角度センサ１４と、捩りトルク、スラスト力及び変位角から人間の意図を検出し、ロボットハンドの３次元位置を制御する制御装置２０とを備える。
【選択図】図１
【解決手段】人間一人では運搬し位置決めすることが困難なオブジェクト１を、人間の意図に沿って人間との協調作業により運搬し位置決めする協調作業ロボット。オブジェクト１の一端部をフリージョイント１２を介して把持し３次元的に移動可能なロボットハンド１０と、オブジェクトの他端部を把持する人間が作用する捩りトルクを検出するトルクセンサ１７と、ロボットハンドに他端部から作用するスラスト力を検出するスラストセンサ１５と、オブジェクトのロボットハンドに対する変位角を検出する角度センサ１４と、捩りトルク、スラスト力及び変位角から人間の意図を検出し、ロボットハンドの３次元位置を制御する制御装置２０とを備える。
【選択図】図１
Description
本発明は、作業者（人間）が操作の主体であり、人間一人では運搬し位置決めすることが困難なオブジェクトを一人の作業者の意図に沿ってその作業者との協調作業により効率よく運搬し正確に位置決めするための協調作業ロボットとその制御方法に関する。
近年、人間と協調作業するためのロボット（以下、協調作業ロボットと呼ぶ）の需要が高まっている。この理由は、特に生産ラインにおける人員不足と人間同士の共同作業の困難性にある。
例えば、一人では運搬し位置決めすることが困難なオブジェクト（例えば、フロントガラスやリヤガラス）をターゲット（例えば、車体の窓枠）まで運搬し、これに位置決めするような作業は、従来から二人の作業者（人間）の共同作業で行われている。またこのような共同作業は、製造業におけるマテリアルハンドリングや組立に限定されず、物流業（重量物搬送）、土木・建設業（資材運搬、据付）等においても、頻繁に発生する。
しかし、このような共同作業を効率よく正確に行うためには、共同作業者の長期間の訓練が必要となる。また、人間同士の共同作業であるため、作業者同士が何らかの理由で協調できない場合、訓練をいくら繰り返してもできないこともある。
しかし、このような共同作業を効率よく正確に行うためには、共同作業者の長期間の訓練が必要となる。また、人間同士の共同作業であるため、作業者同士が何らかの理由で協調できない場合、訓練をいくら繰り返してもできないこともある。
そこで、人間と協調作業する協調作業ロボットを導入し、上述したような共同作業を、一人の作業者でロボットとの協調作業により実行するための手段が種々提案されている（例えば、特許文献１〜３）。
特許文献１の「物体協調運搬ロボットの制御方法及びその装置」は、人間と協調して物体を運搬する物体協調運搬ロボットの制御を、物体が運動可能な方向を制限することにより、人間が物体の挙動を日常的な感覚で直感的に把握できるようにすることを目的とする。
この目的を達成するため、この発明の手段は、図１２に示すように、物体協調運搬ロボット５１を制御するに際し、物体５４からロボットに加わる力を力覚センサ５５で検出し、そのセンサ信号から分離した鉛直軸周りの回転力成分及び物体長軸方向の並進力成分Ｆｘに基づき、鉛直軸周りの回転運動成分及び物体長軸方向の並進運動成分を、ロボットの抵抗力が小さくなるようにゲインを設定して出力させる。一方、物体短軸方向の並進力成分Ｆｙに対しては物体短軸方向の並進運動が生じないように拘束する。それにより、物体５４に対してそれがロボット側の一点で物体長軸方向を向いた仮想的な車輪に支えられているのと同等な運動制限を与えてロボットアームを駆動するものである。
この目的を達成するため、この発明の手段は、図１２に示すように、物体協調運搬ロボット５１を制御するに際し、物体５４からロボットに加わる力を力覚センサ５５で検出し、そのセンサ信号から分離した鉛直軸周りの回転力成分及び物体長軸方向の並進力成分Ｆｘに基づき、鉛直軸周りの回転運動成分及び物体長軸方向の並進運動成分を、ロボットの抵抗力が小さくなるようにゲインを設定して出力させる。一方、物体短軸方向の並進力成分Ｆｙに対しては物体短軸方向の並進運動が生じないように拘束する。それにより、物体５４に対してそれがロボット側の一点で物体長軸方向を向いた仮想的な車輪に支えられているのと同等な運動制限を与えてロボットアームを駆動するものである。
特許文献２の「物体協調運搬ロボットの制御方法及びその装置」は、人間とロボットが長尺物の両端を把持して、その重量による負荷を分担して運搬するようにした協調運搬ロボットの制御において、ロボットアームの手先における回転力が零となるように手先の回転運動を制御する一方、物体が水平を維持するように手先の鉛直方向の並進運動を制御することによって、物体重量の約半分をロボットアームに負担させるようにした制御手段を得ることを目的とする。
この目的を達成するため、この発明の制御方法は、図１３に示すように、人間５３とロボット５１が物体５４の両端を把持して運搬するための物体協調運搬ロボット５１を制御する。また、物体５４からロボット５１に加わる力及び手先の角度をセンサ５５で検出し、そのセンサ信号に基づき、水平軸周りの回転運動成分τ及び水平前後方向の並進運動成分Ｆｘについては、ロボットの抵抗力が小さくなるようにゲインを設定して、ロボットアームを駆動する運動指令を出力させ、検出した手先の角度に対しては、物体５４が水平を維持するように手先の鉛直方向の並進運動の運動指令を出力させるものである。
この目的を達成するため、この発明の制御方法は、図１３に示すように、人間５３とロボット５１が物体５４の両端を把持して運搬するための物体協調運搬ロボット５１を制御する。また、物体５４からロボット５１に加わる力及び手先の角度をセンサ５５で検出し、そのセンサ信号に基づき、水平軸周りの回転運動成分τ及び水平前後方向の並進運動成分Ｆｘについては、ロボットの抵抗力が小さくなるようにゲインを設定して、ロボットアームを駆動する運動指令を出力させ、検出した手先の角度に対しては、物体５４が水平を維持するように手先の鉛直方向の並進運動の運動指令を出力させるものである。
特許文献３の「パワーアシスト装置およびその制御方法」は、作業中の安全上有利であり、エネルギー消費を低減するとともに、ロボットアームの応答速度を向上させることのできるパワーアシスト装置およびその制御方法を提供することを目的とする。
この目的を達成するため、このパワーアシスト装置６１は、図１４に示すように、先端部に運搬対象物Ｗを保持するロボットアーム６０と、このロボットアームを搭載する自走式の移動ベース７０とを具備し、ロボットアーム６０に加えられた操作力を増幅することにより、運搬対象物Ｗの運搬を補助するようにしている。またロボットアーム６０の先端部が移動ベース７０を基準とした所定の動作領域内にある場合には移動ベース７０を停止させた状態に保持する一方、ロボットアーム６０の先端部が動作領域の外周縁部に達した場合には移動ベース７０を自走させてこれらロボットアーム６０の先端部と移動ベース７０との離隔距離を減少させる制御手段を具備するものである。
この目的を達成するため、このパワーアシスト装置６１は、図１４に示すように、先端部に運搬対象物Ｗを保持するロボットアーム６０と、このロボットアームを搭載する自走式の移動ベース７０とを具備し、ロボットアーム６０に加えられた操作力を増幅することにより、運搬対象物Ｗの運搬を補助するようにしている。またロボットアーム６０の先端部が移動ベース７０を基準とした所定の動作領域内にある場合には移動ベース７０を停止させた状態に保持する一方、ロボットアーム６０の先端部が動作領域の外周縁部に達した場合には移動ベース７０を自走させてこれらロボットアーム６０の先端部と移動ベース７０との離隔距離を減少させる制御手段を具備するものである。
特許文献１の手段は、仮想非ホロミック拘束により、アーム先端に単車輪と等価な拘束を設定し、手押し台車と同様な直感的操作を可能にするものである。しかし、上述したような適用分野（例えばフロントガラスの自動車への取付作業）では、この手段を適用するスペースや時間的余裕がない問題点がある。
特許文献２の手段は、追従昇降制御により、対象物の傾きに応じてアーム先端を上下し、対象物を水平に保ちながら人間に追従して昇降させるものである。しかし、この手段では、人間がオブジェクトを回転させたいのか、あるいは移動したいのかを、ロボットが判別できない問題点がある。
特許文献３の手段は、ロボットアームと台車の協調制御により、ロボットアームの可操作性と台車の安定性を保ちつつ協調運動を実現するものである。しかし、この手段は、従来、二人の作業者（人間）の共同作業で行われている上述したような適用分野（例えばフロントガラスの自動車への取付作業）には、適用が困難である。
一方、一人では運搬し位置決めすることが困難なオブジェクト（例えば、フロントガラスやリヤガラス）を、ロボットのみで運搬できるように構成し、その位置決めのみを数値制御又は作業者の補助で行うことも可能である。
しかしこの場合、オブジェクト全体を運搬・位置決めするために、ロボットは必然的に大型となり、かつ汎用性が低下する問題点がある。
しかしこの場合、オブジェクト全体を運搬・位置決めするために、ロボットは必然的に大型となり、かつ汎用性が低下する問題点がある。
本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、作業者（人間）が操作の主体であり、一人では運搬し位置決めすることが困難なオブジェクトを一人の作業者の意図に沿ってその作業者との協調作業により効率よく運搬し正確に位置決めすることができる協調作業ロボットとその制御方法を提供することにある。
本発明によれば、人間一人では運搬し位置決めすることが困難なオブジェクトを、人間の意図に沿ってその人間との協調作業により、３次元的に運搬し所定の位置に位置決めする協調作業ロボットであって、
オブジェクトの一端部を揺動可能なフリージョイントを介して把持し３次元的に移動可能なロボットハンドと、
オブジェクトの他端部を把持する人間が該他端部に作用する捩りトルクを検出するトルクセンサと、
前記ロボットハンドに他端部から作用するスラスト力を検出するスラストセンサと、
オブジェクトのロボットハンドに対する変位角を検出する角度センサと、
前記捩りトルク、スラスト力及び変位角から人間の意図を検出し、前記ロボットハンドの３次元位置を制御する制御装置と、を備えたことを特徴とする協調作業ロボットが提供される。
オブジェクトの一端部を揺動可能なフリージョイントを介して把持し３次元的に移動可能なロボットハンドと、
オブジェクトの他端部を把持する人間が該他端部に作用する捩りトルクを検出するトルクセンサと、
前記ロボットハンドに他端部から作用するスラスト力を検出するスラストセンサと、
オブジェクトのロボットハンドに対する変位角を検出する角度センサと、
前記捩りトルク、スラスト力及び変位角から人間の意図を検出し、前記ロボットハンドの３次元位置を制御する制御装置と、を備えたことを特徴とする協調作業ロボットが提供される。
また、本発明によれば、オブジェクトの一端部を揺動可能なフリージョイントを介して把持し３次元的に移動可能なロボットハンドと、
オブジェクトの他端部を把持する人間が該他端部に作用する捩りトルクを検出するトルクセンサと、
前記ロボットハンドに他端部から作用するスラスト力を検出するスラストセンサと、
オブジェクトのロボットハンドに対する変位角を検出する角度センサとを備えた協調作業ロボットの制御方法であって、
前記捩りトルク、スラスト力及び変位角から人間の意図を検出し、前記ロボットハンドの３次元位置を制御する、ことを特徴とする協調作業ロボットの制御方法が提供される。
オブジェクトの他端部を把持する人間が該他端部に作用する捩りトルクを検出するトルクセンサと、
前記ロボットハンドに他端部から作用するスラスト力を検出するスラストセンサと、
オブジェクトのロボットハンドに対する変位角を検出する角度センサとを備えた協調作業ロボットの制御方法であって、
前記捩りトルク、スラスト力及び変位角から人間の意図を検出し、前記ロボットハンドの３次元位置を制御する、ことを特徴とする協調作業ロボットの制御方法が提供される。
本発明の好ましい実施形態によれば、互いに直交する水平軸ｘ、ｙ及び鉛直軸ｚを有する３次元空間において、前記一端部と他端部を結ぶオブジェクトの軸線が、ほぼｙ軸方向に延びるように初期位置が設定されており、
前記初期位置からｘ軸方向に離れた位置にオブジェクトの位置決め位置が設定されており、
前記オブジェクトの変位角は、ｘ軸まわりのピッチ角α、ｙ軸まわりのロール角β、及びｚ軸まわりのヨー角γであり、
前記ピッチ角αを一定に保持するようにロボットハンドのｚ軸位置を制御し、かつ前記スラスト力の方向にｙ軸位置を制御する。
前記初期位置からｘ軸方向に離れた位置にオブジェクトの位置決め位置が設定されており、
前記オブジェクトの変位角は、ｘ軸まわりのピッチ角α、ｙ軸まわりのロール角β、及びｚ軸まわりのヨー角γであり、
前記ピッチ角αを一定に保持するようにロボットハンドのｚ軸位置を制御し、かつ前記スラスト力の方向にｙ軸位置を制御する。
本発明の好ましい第１実施形態によれば、人間がオブジェクトの他端部に捩りトルクを付加せずに他端部を移動させるときには、人間の意図を並進と判断して、ヨー角γを一定に保持するようにロボットハンドのｘ軸位置を制御し、
人間がオブジェクトの他端部に捩りトルクを付加しながら他端部を移動させるときには、人間の意図を回転と判断して、そのトルク方向にヨー角γが増減するようにｘ軸位置を制御する。
人間がオブジェクトの他端部に捩りトルクを付加しながら他端部を移動させるときには、人間の意図を回転と判断して、そのトルク方向にヨー角γが増減するようにｘ軸位置を制御する。
本発明の好ましい第２実施形態によれば、人間がオブジェクトの他端部に捩りトルクを付加せずに他端部を移動させるときには、人間の意図を回転と判断して、ロボットハンドのｘ軸位置をそのまま保持し、
人間がオブジェクトの他端部に捩りトルクを付加しながら他端部を移動させるときには、人間の意図を並進と判断して、ヨー角γを一定に保持するようにロボットハンドのｘ軸位置を制御する。
人間がオブジェクトの他端部に捩りトルクを付加しながら他端部を移動させるときには、人間の意図を並進と判断して、ヨー角γを一定に保持するようにロボットハンドのｘ軸位置を制御する。
本発明の好ましい第３実施形態によれば、人間がオブジェクトの他端部に捩りトルクを付加しながら他端部を移動させるときに、人間の意図をすべて回転中心まわりの回転とみなし、
回転モードと移動モードとの間に切り替えがないモードレスで、捩りトルクが大きいときに回転中心をオブジェクト中心の近くに設定し、捩りトルクが小さいときに回転中心をオブジェクト中心から十分離れた位置に設定し、設定した回転中心を中心としてオブジェクトが回転変位するようにロボットハンドのｘ軸位置を制御する。
回転モードと移動モードとの間に切り替えがないモードレスで、捩りトルクが大きいときに回転中心をオブジェクト中心の近くに設定し、捩りトルクが小さいときに回転中心をオブジェクト中心から十分離れた位置に設定し、設定した回転中心を中心としてオブジェクトが回転変位するようにロボットハンドのｘ軸位置を制御する。
第３実施形態において、オブジェクト中心から回転中心までの距離Ｌ（Ｔ）を、捩りトルクＴが所定の最大閾値より大きいときに０、所定の最小閾値より小さいときに回転を並進とみなせる最大絶対値、それらの中間のときにその間を滑らかに変化するＳ字状曲線に予め設定するのがよい。
上記本発明の協調作業ロボットの構成によれば、オブジェクトの一端部を把持して３次元的に移動可能なロボットハンドを備えるので、オブジェクトの他端部を人間が把持して、ロボットと人間の協調作業により、一人では運搬し位置決めすることが困難なオブジェクトを容易に運搬し短時間に位置決めすることができる。
また、ロボットハンドは、揺動可能なフリージョイントを介して一端部を把持するので、他端部を人間が把持してどの方向に操作しても、ロボットハンドには曲げモーメントが作用せず、ロボットハンドを小型軽量化できる。
さらに、人間の操作による捩りトルク、スラスト力及び変位角から人間の意図を検出し、ロボットハンドの３次元位置を制御する制御装置を備えるので、切換えスイッチ等を用いることなく、作業者（人間）が操作の主体となって、作業者の意図に沿ってオブジェクトを並進、回転させることができる。
また、ロボットハンドは、揺動可能なフリージョイントを介して一端部を把持するので、他端部を人間が把持してどの方向に操作しても、ロボットハンドには曲げモーメントが作用せず、ロボットハンドを小型軽量化できる。
さらに、人間の操作による捩りトルク、スラスト力及び変位角から人間の意図を検出し、ロボットハンドの３次元位置を制御する制御装置を備えるので、切換えスイッチ等を用いることなく、作業者（人間）が操作の主体となって、作業者の意図に沿ってオブジェクトを並進、回転させることができる。
また上記本発明の制御方法によれば、捩りトルク、スラスト力及び変位角から人間の意図を検出し、ロボットハンドの３次元位置を制御するので、切換えスイッチ等を用いることなく、作業者（人間）が操作の主体となって、作業者の意図に沿ってオブジェクトを並進、回転させることができる。
また、ｘ軸まわりのピッチ角αを一定に保持するようにロボットハンドのｚ軸位置を制御するので、初期位置のピッチ角αを位置決め位置のピッチ角αと同一に予め設定するだけで、ピッチ角αの制御を非常に容易にできる。
さらに、前記スラスト力の方向にｙ軸位置を制御するので、後述するゼロフォース制御により、オブジェクトのｙ軸方向の位置決めを作業者が非常に小さい力で容易に実施できる。
従って、オブジェクトの一端を作業者（人間）が上下動（ｚ軸）、及び前後移動（ｙ軸）させるだけで、一人では運搬し位置決めすることが困難なオブジェクトを上下動及び前後移動させて運搬し、かつ上下位置及び前後位置を正確に位置決めすることができる。
さらに、前記スラスト力の方向にｙ軸位置を制御するので、後述するゼロフォース制御により、オブジェクトのｙ軸方向の位置決めを作業者が非常に小さい力で容易に実施できる。
従って、オブジェクトの一端を作業者（人間）が上下動（ｚ軸）、及び前後移動（ｙ軸）させるだけで、一人では運搬し位置決めすることが困難なオブジェクトを上下動及び前後移動させて運搬し、かつ上下位置及び前後位置を正確に位置決めすることができる。
また、本発明の好ましい第１実施形態によれば、人間がオブジェクトの他端部に捩りトルクを付加せずに他端部を移動させるときには、人間の意図は通常「並進」であり、ｚ軸まわりのヨー角γを一定に保持するようにロボットハンドのｘ軸位置を制御することでヨー角γを変化させることなく意図通りにオブジェクトを並進させることができる。
また、人間がオブジェクトの他端部に捩りトルクを付加しながら他端部を移動させるときには、人間の意図は通常「回転」であり、そのトルク方向にヨー角γが増減するようにｘ軸位置を制御することで意図通りにオブジェクトを回転させることができる。
また、人間がオブジェクトの他端部に捩りトルクを付加しながら他端部を移動させるときには、人間の意図は通常「回転」であり、そのトルク方向にヨー角γが増減するようにｘ軸位置を制御することで意図通りにオブジェクトを回転させることができる。
また、本発明の好ましい第２実施形態によれば、人間がオブジェクトの他端部に捩りトルクを付加せずに他端部を移動させるときには、人間の意図は回転であると決めて、ロボットハンドのｘ軸位置をそのまま保持することで、ｚ軸まわりのヨー角γ（すなわちオブジェクトの回転）を人間が自由に設定できる。
また人間がオブジェクトの他端部に捩りトルクを付加しながら他端部を移動させるときには、人間の意図は並進であると決めて、ヨー角γを一定に保持するようにロボットハンドのｘ軸位置を制御することで、トルクのかけ方のみで意図通りにオブジェクトを並進させることができる。
また人間がオブジェクトの他端部に捩りトルクを付加しながら他端部を移動させるときには、人間の意図は並進であると決めて、ヨー角γを一定に保持するようにロボットハンドのｘ軸位置を制御することで、トルクのかけ方のみで意図通りにオブジェクトを並進させることができる。
また、本発明の好ましい第３実施形態によれば、人間がオブジェクトの他端部に捩りトルクを付加しながら他端部を移動させるときに、人間の意図をすべて回転中心まわりの回転とみなすので、回転と並進を区別する必要がなく、回転モードと移動モードとの間に切り替えがないモードレスで、常に同じ計算手段（回転中心計算とｘ軸制御）で、オブジェクトを回転中心まわりに回転させて、人間の意図通りにオブジェクトを実質的に並進かつ回転させることができる。
以下、本発明の好ましい実施形態を説明する。なお各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
図１は、本発明の協調作業ロボットの全体構成図である。本発明の協調作業ロボットは、人間一人では運搬し位置決めすることが困難なオブジェクト１を、人間の意図に沿ってその人間との協調作業により、３次元的に運搬し所定の位置に位置決めするためのロボットである。
図１において、２は、オブジェクト１を下方にリジットに固定したオブジェクト保持フレーム（以下、単に「フレーム」と呼ぶ）である。オブジェクト１は、一人では運搬し位置決めすることが困難なオブジェクト（例えば、フロントガラスやリヤガラス）である。なおオブジェクト１の形状は任意である。
図１は、本発明の協調作業ロボットの全体構成図である。本発明の協調作業ロボットは、人間一人では運搬し位置決めすることが困難なオブジェクト１を、人間の意図に沿ってその人間との協調作業により、３次元的に運搬し所定の位置に位置決めするためのロボットである。
図１において、２は、オブジェクト１を下方にリジットに固定したオブジェクト保持フレーム（以下、単に「フレーム」と呼ぶ）である。オブジェクト１は、一人では運搬し位置決めすることが困難なオブジェクト（例えば、フロントガラスやリヤガラス）である。なおオブジェクト１の形状は任意である。
本発明の協調作業ロボットは、オブジェクト保持フレーム２の一端に固定されたロボットハンド１０と、ロボットハンド１０を３次元空間上で移動する３軸移動装置１１と、この３軸移動装置１１を制御する制御装置２０とを備える。
また、オブジェクト保持フレーム２の他端上部には、作業者用の操作ハンドル１６が固定されている。この操作ハンドル１６は、下端がフレーム２に固定されたＴ字形であり、操作ハンドルでフレーム２の他端部を持ち上げながら、フレーム２に操作ハンドルを中心とする捩りトルクＴを付加しやすくなっている。
さらに、この操作ハンドル１６とオブジェクト保持フレーム２との間に、オブジェクトの他端部を把持する人間が他端部（すなわち操作ハンドル１６）に作用する捩りトルクＴを検出するトルクセンサ１７が設けられている。検出した捩りトルクＴは、制御装置２０にリアルタイムに入力される。
また、オブジェクト保持フレーム２の他端上部には、作業者用の操作ハンドル１６が固定されている。この操作ハンドル１６は、下端がフレーム２に固定されたＴ字形であり、操作ハンドルでフレーム２の他端部を持ち上げながら、フレーム２に操作ハンドルを中心とする捩りトルクＴを付加しやすくなっている。
さらに、この操作ハンドル１６とオブジェクト保持フレーム２との間に、オブジェクトの他端部を把持する人間が他端部（すなわち操作ハンドル１６）に作用する捩りトルクＴを検出するトルクセンサ１７が設けられている。検出した捩りトルクＴは、制御装置２０にリアルタイムに入力される。
なお、オブジェクト保持フレーム２は必須ではなく、ロボットハンド１０と操作ハンドル１６をオブジェクト１に任意の手段（例えば、吸盤等）で直接固定してもよい。以下、オブジェクト１とオブジェクト保持フレーム２は、常に一体的に移動し、実質的に同一とみなせるものとする。
図１において、互いに直交する水平軸ｘ、ｙ及び鉛直軸ｚを有する３次元空間を設定する。なお、３軸の原点は、どこにあってもよい。また、この例では、オブジェクト１の一端部１ａと他端部１ｂを結ぶオブジェクト１の軸線が、ほぼｙ軸方向に延びるように初期位置を設定する。
図２は、ロボットハンド１０の全体斜視図である。
ロボットハンド１０は、オブジェクト１（この例ではフレーム２）の一端部を揺動可能なフリージョイント１２を介して把持している。このフリージョイント１２は、ｘ軸まわり、ｙ軸まわり、及びｚ軸まわりに自由回転可能に構成されている。またそれぞれの回転軸にロボットハンド１０に対する変位角を検出する角度センサ１４が設けられている。
オブジェクト１の変位角は、ｘ軸まわりのピッチ角α、ｙ軸まわりのロール角β、及びｚ軸まわりのヨー角γであり、この３台の角度センサ１４の検出角として常時検出される。また検出したピッチ角α、ロール角β及びヨー角γは、制御装置２０にリアルタイムに入力される。
ロボットハンド１０は、オブジェクト１（この例ではフレーム２）の一端部を揺動可能なフリージョイント１２を介して把持している。このフリージョイント１２は、ｘ軸まわり、ｙ軸まわり、及びｚ軸まわりに自由回転可能に構成されている。またそれぞれの回転軸にロボットハンド１０に対する変位角を検出する角度センサ１４が設けられている。
オブジェクト１の変位角は、ｘ軸まわりのピッチ角α、ｙ軸まわりのロール角β、及びｚ軸まわりのヨー角γであり、この３台の角度センサ１４の検出角として常時検出される。また検出したピッチ角α、ロール角β及びヨー角γは、制御装置２０にリアルタイムに入力される。
さらに、ロボットハンド１０に他端部１ｂから作用するスラスト力Ｆを検出するスラストセンサ１５を備える。検出したスラスト力Ｆは、制御装置２０にリアルタイムに入力される。
なおスラストセンサ１５は、この例では、ロボットハンド１０の中間部に設けられているが、本発明はこれに限定されず、操作ハンドル自体に設けても、オブジェクト１（又はフレーム２）の一端部とロボットハンド１０の間に介在させてもよい。
なおスラストセンサ１５は、この例では、ロボットハンド１０の中間部に設けられているが、本発明はこれに限定されず、操作ハンドル自体に設けても、オブジェクト１（又はフレーム２）の一端部とロボットハンド１０の間に介在させてもよい。
制御装置２０は、捩りトルクＴ、スラスト力Ｆ及び変位角（ピッチ角α、ロール角β及びヨー角γ）から協調作業する人間の意図を検出し、ロボットハンド１０の３次元位置を制御する。
図３は、上述した本発明の協調作業ロボットを模式的に示す図である。この図において、３軸移動装置１１は、多関節アームロボットであるが、本発明はこれに限定されない。
この図に示すように、オブジェクト１を保持するオブジェクト保持フレーム２が、３次元回転自由ジョイント（フリージョイント１２）でロボットハンド１０に連結されている。人間３がオブジェクト１の一端を移動すると、フリージョイント１２の角度（ピッチ角α、ロール角β及びヨー角γ）が変化し、角度センサ１４で検出され制御装置２０に入力される。操作ハンドル１６がフレーム２の人間に近い箇所に取り付けられている。人間はこの操作ハンドル１６を用いてオブジェクト１を保持する。人間がオブジェクト平面に平行な平面内で操作ハンドルをねじると、そのトルクＴはトルクセンサ１７で検出され制御装置２０に入力される。
この図に示すように、オブジェクト１を保持するオブジェクト保持フレーム２が、３次元回転自由ジョイント（フリージョイント１２）でロボットハンド１０に連結されている。人間３がオブジェクト１の一端を移動すると、フリージョイント１２の角度（ピッチ角α、ロール角β及びヨー角γ）が変化し、角度センサ１４で検出され制御装置２０に入力される。操作ハンドル１６がフレーム２の人間に近い箇所に取り付けられている。人間はこの操作ハンドル１６を用いてオブジェクト１を保持する。人間がオブジェクト平面に平行な平面内で操作ハンドルをねじると、そのトルクＴはトルクセンサ１７で検出され制御装置２０に入力される。
図４は、制御装置２０による協調作業ロボットの制御方法を示す全体フロー図である。
ステップＳ１において、制御装置２０に、捩りトルクＴ、スラスト力Ｆ及び変位角（ピッチ角α、ロール角β及びヨー角γ）がリアルタイムに入力される。
ステップＳ１において、制御装置２０に、捩りトルクＴ、スラスト力Ｆ及び変位角（ピッチ角α、ロール角β及びヨー角γ）がリアルタイムに入力される。
ステップＳ２では、ｘ軸まわりのピッチ角αを一定（すなわち初期値α０）に保持するように、α＝α０でない場合にはロボットハンドのｚ軸位置を制御する（Ｓ２１）。
この制御方法により、オブジェクト１の初期位置のピッチ角αを位置決め位置のピッチ角αと同一に予め設定するだけで、ピッチ角αの制御を非常に容易にできる。
この制御方法により、オブジェクト１の初期位置のピッチ角αを位置決め位置のピッチ角αと同一に予め設定するだけで、ピッチ角αの制御を非常に容易にできる。
次に、ステップＳ３では、スラスト力Ｆが０でない場合にはスラスト力Ｆの方向にｙ軸位置を制御する（Ｓ３１）。すなわち、いわゆる「ゼロフォース制御」により、オブジェクトのｙ軸位置を人間の操作によるスラスト力だけで容易に制御できる。
ステップＳ４において、リアルタイムに入力される捩りトルクＴ、スラスト力Ｆ及び変位角（ピッチ角α、ロール角β及びヨー角γ）から人間（作業者）の意図を検出する。
ステップＳ５では、検出された作業者の意図に沿ってオブジェクトを並進、回転させる。
ステップＳ５では、検出された作業者の意図に沿ってオブジェクトを並進、回転させる。
上述した本発明の方法によれば、操作の主体は作業者（人間）であるが、作業者が直接操作するのは、操作ハンドル１６のみであり、この操作ハンドルのｘ，ｙ，ｚ方向の移動とこれに付加するトルクのみで、切換えスイッチ等を用いることなく、一人では運搬し位置決めすることが困難なオブジェクトを一人の作業者の意図に沿ってその作業者との協調作業により効率よく運搬し正確に位置決めすることができる。
人間がロボットと協調してあるオブジェクトを移動しようとする場合、ロボットは人間の意図を理解できなければならない。従ってこの場合の主な問題点は、人間がオブジェクトを並進させたいか、回転させたいか、同時に両方をしたいかをどのような手段で検出かにある。
以下、ステップＳ４、Ｓ５における人間（作業者）の意図を検出する方法（以下、「意図検出手段」という）の具体例を説明する。
以下、ステップＳ４、Ｓ５における人間（作業者）の意図を検出する方法（以下、「意図検出手段」という）の具体例を説明する。
図５は、意図検出手段の第１実施形態を示すフロー図である。
この第１実施形態では、人間がオブジェクト１の他端部に捩りトルクＴを付加せずに他端部を移動させるときには、人間の意図は「並進」であり、人間がオブジェクトの他端部に捩りトルクを付加しながら他端部を移動させるときには、人間の意図は「回転」であるものとする。この条件は、通常の人間の感覚と合致しているため、作業者は容易に理解し短時間に体得することができる。
この第１実施形態では、人間がオブジェクト１の他端部に捩りトルクＴを付加せずに他端部を移動させるときには、人間の意図は「並進」であり、人間がオブジェクトの他端部に捩りトルクを付加しながら他端部を移動させるときには、人間の意図は「回転」であるものとする。この条件は、通常の人間の感覚と合致しているため、作業者は容易に理解し短時間に体得することができる。
この条件下において、本発明の制御装置２０は、人間がオブジェクトの他端部に捩りトルクを付加せず（Ｔ＝０）に他端部を移動させるときには、ｚ軸まわりのヨー角γを一定に保持する。これにより操作ハンドル１６のｘ方向変位はロボットハンド１０のｘ方向変位で追従され、オブジェクト１はｘ軸に沿って並進する。
すなわち、本発明の制御装置２０は、ステップＳ４２において人間の意図を「並進」と判断して、ヨー角γを一定（初期値γ０）に保持するようにロボットハンド１０のｘ軸位置を制御する（Ｓ５１）。従って人間の意図通りにオブジェクトを並進させることができる。
すなわち、本発明の制御装置２０は、ステップＳ４２において人間の意図を「並進」と判断して、ヨー角γを一定（初期値γ０）に保持するようにロボットハンド１０のｘ軸位置を制御する（Ｓ５１）。従って人間の意図通りにオブジェクトを並進させることができる。
また、人間がオブジェクトの他端部に捩りトルクを付加しながら他端部を移動させるときには、操作ハンドルへのトルクＴにより、ｚ軸まわりのヨー角γを所望の角度に変化させる。
すなわちステップＳ４２、Ｓ４３において人間の意図を回転と判断して、そのトルク方向にヨー角γが増減するようにｘ軸位置を制御する（Ｓ５２）。従って人間の意図通りにオブジェクトを回転させることができる。
すなわちステップＳ４２、Ｓ４３において人間の意図を回転と判断して、そのトルク方向にヨー角γが増減するようにｘ軸位置を制御する（Ｓ５２）。従って人間の意図通りにオブジェクトを回転させることができる。
図６は、意図検出手段の第２実施形態を示すフロー図である。
この第２実施形態では、人間がオブジェクト１の他端部に捩りトルクＴを付加せずに他端部を移動させるときには、人間の意図は「回転」であり、また人間がオブジェクト１の他端部に捩りトルクＴを付加しながら他端部を移動させるときには、人間の意図は「並進」であるとする。
この条件は、通常の人間の感覚とは一致しないが、捩りトルクの有無で回転と並進を切換えることができるので、作業者は容易に理解し短時間に体得することができる。
この第２実施形態では、人間がオブジェクト１の他端部に捩りトルクＴを付加せずに他端部を移動させるときには、人間の意図は「回転」であり、また人間がオブジェクト１の他端部に捩りトルクＴを付加しながら他端部を移動させるときには、人間の意図は「並進」であるとする。
この条件は、通常の人間の感覚とは一致しないが、捩りトルクの有無で回転と並進を切換えることができるので、作業者は容易に理解し短時間に体得することができる。
この条件下で、人間がオブジェクトの他端部に捩りトルクを付加せず（Ｔ＝０）に他端部を移動させるときには、制御装置は、ロボットハンド１０の位置を一定に保持する。従って操作ハンドル１６の位置が変化すると、オブジェクト１はフリージョイント１２を中心に傾動し、ヨー角γ及びロール角βが変化する。
なお、ピッチ角αも同時に変化するが、上述したステップＳ２により、ｘ軸まわりのピッチ角αは一定（すなわち初期値α０）に保持される。
この制御方法により、オブジェクト１の初期位置のピッチ角αを位置決め位置のピッチ角αと同一に予め設定するだけで、ピッチ角αの制御を非常に容易にできる。
すなわちステップＳ４４において人間の意図は回転であると判断し、ロボットハンドのｘ軸位置をそのまま保持する（Ｓ５３）ことで、ｚ軸まわりのヨー角γを人間が自由に設定できる。
なお、ピッチ角αも同時に変化するが、上述したステップＳ２により、ｘ軸まわりのピッチ角αは一定（すなわち初期値α０）に保持される。
この制御方法により、オブジェクト１の初期位置のピッチ角αを位置決め位置のピッチ角αと同一に予め設定するだけで、ピッチ角αの制御を非常に容易にできる。
すなわちステップＳ４４において人間の意図は回転であると判断し、ロボットハンドのｘ軸位置をそのまま保持する（Ｓ５３）ことで、ｚ軸まわりのヨー角γを人間が自由に設定できる。
また人間がオブジェクトの他端部に捩りトルクを付加しながら他端部を移動させるときには、操作ハンドルへのトルクＴにより、オブジェクトを所望の位置を変化させる。
すなわちステップＳ４４において人間の意図は並進であると判断し、ヨー角γを一定（直前のγ０）に保持するようにロボットハンドのｘ軸位置を制御する（Ｓ５４）ことで、トルクのかけ方のみで意図通りにオブジェクトを並進させることができる。
すなわちステップＳ４４において人間の意図は並進であると判断し、ヨー角γを一定（直前のγ０）に保持するようにロボットハンドのｘ軸位置を制御する（Ｓ５４）ことで、トルクのかけ方のみで意図通りにオブジェクトを並進させることができる。
図７は、意図検出手段の第３実施形態を示すフロー図である。
この第３実施形態では、人間がオブジェクトの他端部に捩りトルクを付加しながら他端部を移動させるときに、人間の意図をすべて回転中心まわりの回転とみなす。
そして、回転と並進を区別する必要がなく、常に同じ計算手段（回転中心計算Ｓ４７とｘ軸制御Ｓ５７）で、オブジェクトを回転中心まわりに回転させて、人間の意図通りにオブジェクトを実質的に並進かつ回転させることができる。
なおこの第３実施形態では、オブジェクト中心Ｏから回転中心Ｐまでの距離Ｌ（Ｔ）を、捩りトルクＴが所定の最大閾値より大きいときに０、所定の最小閾値より小さいときに回転を並進とみなせる最大絶対値、それらの中間のときにその間を滑らかに変化するＳ字状曲線に予め設定するのがよい
すなわち、回転中心計算Ｓ４７において、操作ハンドル１６へのトルクＴから、オブジェクト中心Ｏから回転中心Ｐまでの距離Ｌ（Ｔ）を計算し、回転中心Ｃは、ロボットハンドの点Ｈと先の回転中心Ｃとを結ぶ線上で、オブジェクト中心Ｏからから距離Ｌ（Ｔ）の点として見出される。
この第３実施形態では、人間がオブジェクトの他端部に捩りトルクを付加しながら他端部を移動させるときに、人間の意図をすべて回転中心まわりの回転とみなす。
そして、回転と並進を区別する必要がなく、常に同じ計算手段（回転中心計算Ｓ４７とｘ軸制御Ｓ５７）で、オブジェクトを回転中心まわりに回転させて、人間の意図通りにオブジェクトを実質的に並進かつ回転させることができる。
なおこの第３実施形態では、オブジェクト中心Ｏから回転中心Ｐまでの距離Ｌ（Ｔ）を、捩りトルクＴが所定の最大閾値より大きいときに０、所定の最小閾値より小さいときに回転を並進とみなせる最大絶対値、それらの中間のときにその間を滑らかに変化するＳ字状曲線に予め設定するのがよい
すなわち、回転中心計算Ｓ４７において、操作ハンドル１６へのトルクＴから、オブジェクト中心Ｏから回転中心Ｐまでの距離Ｌ（Ｔ）を計算し、回転中心Ｃは、ロボットハンドの点Ｈと先の回転中心Ｃとを結ぶ線上で、オブジェクト中心Ｏからから距離Ｌ（Ｔ）の点として見出される。
以下、上述した第３実施形態の本発明の実施例を説明する。なお、上述した第１、２実施形態の発明も同様に実施し、その有効性を確認している。
１．はじめに
本発明では、ターゲット（被位置決め物）にオブジェクト（位置決め物）を位置決めすることを考える。ターゲット（例えばフロントガラスを嵌める枠）は常にオブジェクト（例えばフロントガラス）よりも大きいので、上方から見るとオブジェクトとターゲットの間に隙間が見られる。また、オブジェクトとターゲットが直線上に並んでいない場合、それらの縁の間に角度が生じる。隙間の幅は、両側面が直線上に並んだ際に測定する。対向する２辺において、オブジェクトとターゲットの隙間が等しい場合、オブジェクトは正しく位置決めされたといえる。
通常、このような作業を人間の作業者２人で行うには、長い訓練期間が必要である。さらに大きな問題として、作業者同士が何らかの理由で協調せず、オブジェクトをターゲット上に正しく位置決めできないこともある。これらの問題は、組立工程においては、大きな障害となる。
本発明は、完全な全自動化ではなく、位置決め作業の際、人間を補助することができるロボットのパートナーを提供することにある。このロボットのパートナーを本発明では、「協調作業ロボット」と呼ぶ。
本発明では、ターゲット（被位置決め物）にオブジェクト（位置決め物）を位置決めすることを考える。ターゲット（例えばフロントガラスを嵌める枠）は常にオブジェクト（例えばフロントガラス）よりも大きいので、上方から見るとオブジェクトとターゲットの間に隙間が見られる。また、オブジェクトとターゲットが直線上に並んでいない場合、それらの縁の間に角度が生じる。隙間の幅は、両側面が直線上に並んだ際に測定する。対向する２辺において、オブジェクトとターゲットの隙間が等しい場合、オブジェクトは正しく位置決めされたといえる。
通常、このような作業を人間の作業者２人で行うには、長い訓練期間が必要である。さらに大きな問題として、作業者同士が何らかの理由で協調せず、オブジェクトをターゲット上に正しく位置決めできないこともある。これらの問題は、組立工程においては、大きな障害となる。
本発明は、完全な全自動化ではなく、位置決め作業の際、人間を補助することができるロボットのパートナーを提供することにある。このロボットのパートナーを本発明では、「協調作業ロボット」と呼ぶ。
本発明の発明者らは、人間と共に位置決め作業を行うことができる協調作業ロボットのプロトタイプを開発（製作及び試験）した。一般に光学的認識機器の信頼性は低いため、本発明ではロボットに視覚センサを装備しなかった。したがってロボットは、ターゲットとの距離を感知できず、位置決めは人間側が主体となって実行しなくてはならない。
この場合に問題となるのは、人間がオブジェクトを回転したい或いは移動したい場合に、そのどちらを人間が望んでいるかをロボットがどのように感知するか、という問題である。本発明は、この問題に対する解決策を提供している。
本発明のアルゴリズムは、回転モードと移動モードとの間に切り替えが何もないことから、モードレスと呼ぶ。本発明では、すべての移動が回転として処理される。移動とは、無限に離れた点を中心として回転することである。人間によるハンドルトルクにより回転中心を決定し、操作ハンドルの移動によりオブジェクトを回転する。
この場合に問題となるのは、人間がオブジェクトを回転したい或いは移動したい場合に、そのどちらを人間が望んでいるかをロボットがどのように感知するか、という問題である。本発明は、この問題に対する解決策を提供している。
本発明のアルゴリズムは、回転モードと移動モードとの間に切り替えが何もないことから、モードレスと呼ぶ。本発明では、すべての移動が回転として処理される。移動とは、無限に離れた点を中心として回転することである。人間によるハンドルトルクにより回転中心を決定し、操作ハンドルの移動によりオブジェクトを回転する。
２．プロトタイプ
発明者らは、平らなオブジェクト（例えば平板）を、協調して正確に位置決めする協調作業ロボットのプロトタイプを開発した。
上述した図１及び図２は製作した協調作業ロボットの構成図である。また、図８は、ロボットハンドのフリージョイント構造を模式的に示す図である。
図２及び図８に示すように、ロボットハンド１０は、６自由度（ｘ，ｙ，ｚ，α，β，γ）を有する。図８において３台の角柱状のアクチュエータは、電気モータによって駆動され、デカルト空間の３方向（ｘ，ｙ，ｚ）への移動を可能にする。この３台の角柱状のアクチュエータは、上述した３軸移動装置１１に相当する。
さらに、駆動されない３台の回転ジョイントを有する。３台の回転ジョイントは人間とロボット間の相対的位置が変わる場合にのみ移動するフリージョイントである。回転ジョイントの角度α，β，γは、ロータリエンコーダで測定する。この３台の回転ジョイントは、上述したフリージョイント１２に相当する。
発明者らは、平らなオブジェクト（例えば平板）を、協調して正確に位置決めする協調作業ロボットのプロトタイプを開発した。
上述した図１及び図２は製作した協調作業ロボットの構成図である。また、図８は、ロボットハンドのフリージョイント構造を模式的に示す図である。
図２及び図８に示すように、ロボットハンド１０は、６自由度（ｘ，ｙ，ｚ，α，β，γ）を有する。図８において３台の角柱状のアクチュエータは、電気モータによって駆動され、デカルト空間の３方向（ｘ，ｙ，ｚ）への移動を可能にする。この３台の角柱状のアクチュエータは、上述した３軸移動装置１１に相当する。
さらに、駆動されない３台の回転ジョイントを有する。３台の回転ジョイントは人間とロボット間の相対的位置が変わる場合にのみ移動するフリージョイントである。回転ジョイントの角度α，β，γは、ロータリエンコーダで測定する。この３台の回転ジョイントは、上述したフリージョイント１２に相当する。
発明者らは、２つの理由から上述したフリージョイント１２を採用した。理由の１つは、人間のパートナーの場合との類似性のためである。人間は大きい力を発生できるが、パートナーに影響を与えるトルクは非常に弱いからである。例外は、オブジェクトのロール回転（横方向の回転）である。よって人間のパートナーと同様の感触を作業者が受けるロボットが必要となる。
他の理由は、駆動回転ジョイントを用いると、オブジェクトを保持するロボットの構造は、人間のパートナーが別方向に力を作用させた場合に発生するトルクに耐え得る頑丈さと強度を要するためである。フリージョイントを使用することで、構造上の強度が少なくてすみ、軽量化が可能となる。
他の理由は、駆動回転ジョイントを用いると、オブジェクトを保持するロボットの構造は、人間のパートナーが別方向に力を作用させた場合に発生するトルクに耐え得る頑丈さと強度を要するためである。フリージョイントを使用することで、構造上の強度が少なくてすみ、軽量化が可能となる。
また、本発明ではオブジェクト１を保持するオブジェクト保持フレーム２を使用した。工業上での使用では、このようなフレームが一般的に利用できる。フレームには、例えば操作ハンドル１６を取り付けできるといったような、多くの利点がある。生産ライン上では、オブジェクト１はフレーム２の下部に取り付けられる。
しかしプロトタイプでは、オブジェクト保持フレーム２とオブジェクト自体を区別していない。フレーム２の人間側には、トルクセンサ付きの操作ハンドル１６が取り付けられている。ロボット側に他のスラストセンサ１５があり、人間側から見て前後方向の移動を可能にするために利用される。
しかしプロトタイプでは、オブジェクト保持フレーム２とオブジェクト自体を区別していない。フレーム２の人間側には、トルクセンサ付きの操作ハンドル１６が取り付けられている。ロボット側に他のスラストセンサ１５があり、人間側から見て前後方向の移動を可能にするために利用される。
３．回転と移動の問題
本発明の目的は、人間によるオブジェクトの移動を協働して助けることができ、人間がオブジェクトをどこに、どのように移動させたいのかを判別することができるロボット（協調作業ロボット）を提供することにある。
この目的を達成するために浮上する問題点の１つは、人間がオブジェクトを回転させたいのか、あるいは移動したいのかを、ロボットがどのようにして判別するかということにある。
本発明の目的は、人間によるオブジェクトの移動を協働して助けることができ、人間がオブジェクトをどこに、どのように移動させたいのかを判別することができるロボット（協調作業ロボット）を提供することにある。
この目的を達成するために浮上する問題点の１つは、人間がオブジェクトを回転させたいのか、あるいは移動したいのかを、ロボットがどのようにして判別するかということにある。
以下の実施例では平らなオブジェクト１を水平面上に移動することに特定する。人間が手すなわち操作ハンドル１６を右に動かせば、人間はオブジェクト全体を右に移動しようとしているかもしれないが、オブジェクトを回転しようとしているのかもしれない。
この問題を解決するために、本発明では、人間の作業者は、位置決め作業の最初から最後まで、操作ハンドルを保持しており、スイッチ等による切り替えのないモードレスの制御方法を創案した。
この問題を解決するために、本発明では、人間の作業者は、位置決め作業の最初から最後まで、操作ハンドルを保持しており、スイッチ等による切り替えのないモードレスの制御方法を創案した。
４．モードレスアルゴリズム
本発明の制御方法では、平面におけるすべての移動を回転として解釈する。純粋な移動は、極端に離れた点を中心とする回転として表現される。操作ハンドルに取付けられたトルクセンサ１７により、オブジェクト１に対するトルクＴが測定される。このトルクＴに基づき、操作ハンドル１６とその直前の回転中心Ｃを通る直線に沿って、回転中心Ｃを移動する。回転中心Ｃが移動しても、オブジェクト１を回転させない。操作ハンドル１６を横方向（ｘ方向）に動かす（作業者側から見て）ことで、回転が起きる。モードレスアルゴリズムとは、回転中心Ｃが、操作ハンドル１６のトルク信号によって直接決定されるアルゴリズムである。作業者が操作ハンドルを強くねじるほど、回転中心は作業者に近くなる。
本発明の制御方法では、平面におけるすべての移動を回転として解釈する。純粋な移動は、極端に離れた点を中心とする回転として表現される。操作ハンドルに取付けられたトルクセンサ１７により、オブジェクト１に対するトルクＴが測定される。このトルクＴに基づき、操作ハンドル１６とその直前の回転中心Ｃを通る直線に沿って、回転中心Ｃを移動する。回転中心Ｃが移動しても、オブジェクト１を回転させない。操作ハンドル１６を横方向（ｘ方向）に動かす（作業者側から見て）ことで、回転が起きる。モードレスアルゴリズムとは、回転中心Ｃが、操作ハンドル１６のトルク信号によって直接決定されるアルゴリズムである。作業者が操作ハンドルを強くねじるほど、回転中心は作業者に近くなる。
一般に平面におけるオブジェクト１の変位は、直交するｘ軸とｙ軸に沿った２つの変位とオブジェクト中心まわりの回転に分解される（ｘ、ｙ、θｚ）。その他の分解も可能である。オブジェクトのどのような移動も、回転中心まわりの回転とその半径に沿った移動と見なすことができる。この場合、平行移動は無限半径の円における回転となる。オブジェクトの変位は、回転中心Ｃの座標（ｘｃ、ｙｃ）、回転相対角度θ、および半径に沿って移動した距離ｒによって定義される。
純粋な回転または純粋な平行移動の前のオブジェクトの２点をＸ１およびＸ２とすると、移動後のオブジェクトの２点Ｘ’１およびＸ’２ および回転中心Ｃは、数１の式（１）から算出される。
ここで、Ｍ＊は、式（２）で示される点Ｃを中心とする回転を表す回転マトリックスである。
ここで、Ｍ＊は、式（２）で示される点Ｃを中心とする回転を表す回転マトリックスである。
図９は、平面におけるオブジェクトの移動を示す図である。
工業的応用に関しては、オブジェクトのヨー軸を中心とする大きな回転（ヨー角γ）は必要としない。従ってｙ方向を独立した移動とみなすことで、回転中心の計算を簡略化できる。これにより、平面におけるオブジェクトの移動は、この図に示すようにｙ方向の移動とスライド回転（ｙ，θ，Ｒ）に分解できる。オブジェクトは回転中心Ｃを中心として回転するが、オブジェクトの中心Ｏはｙ軸のゼロフォース制御によりｙ軸に沿っては移動せず、ｘ方向に沿ってスライドする。回転中心Ｃはオブジェクトの長さ方向の対称線となる直線上に限定されるため、容易に回転中心Ｃが判明する。
工業的応用に関しては、オブジェクトのヨー軸を中心とする大きな回転（ヨー角γ）は必要としない。従ってｙ方向を独立した移動とみなすことで、回転中心の計算を簡略化できる。これにより、平面におけるオブジェクトの移動は、この図に示すようにｙ方向の移動とスライド回転（ｙ，θ，Ｒ）に分解できる。オブジェクトは回転中心Ｃを中心として回転するが、オブジェクトの中心Ｏはｙ軸のゼロフォース制御によりｙ軸に沿っては移動せず、ｘ方向に沿ってスライドする。回転中心Ｃはオブジェクトの長さ方向の対称線となる直線上に限定されるため、容易に回転中心Ｃが判明する。
まず始めにオブジェクトの中心のｙ成分を設定すると、後のステップＯ’においては、前のステップＯのオブジェクト中心のｙ成分が相当する。これにより、オブジェクト中心がＯｈまで移動することになる。移動した距離が、ｘ成分である。さらに、点ＯとＯｈを通るオブジェクトの長さ方向の対称線の交点を見出す。交点のｙ成分は回転半径Ｒとなる。このような分解による利点は、ｘ方向の移動と回転が同様に処理されるということである。本発明ではこのような分解を利用して、ｙ方向においてゼロフォース制御、平面におけるその他の方向においてはモードレスアルゴリズムを実施している。
なお、上述した対称線の代わりに、オブジェクトを代表する任意の直線を用いることもできる。
なお、上述した対称線の代わりに、オブジェクトを代表する任意の直線を用いることもできる。
本発明では別々のモードを使用しないため、モードの切り替えをする必要がない。これにより二極間のパラメーターの変更が円滑になる。二極とは、一方はオブジェクト中心における回転であり、他方は並進、言い換えれば無限に離れた点を中心とする回転である。
ここで「無限に離れた」ではなく「非常に離れた」と言い換えても、作業者はその違いを意識しないだろう。したがって回転中心Ｃとオブジェクト中心Ｏとは、オブジェクトの長さ方向の対称線（オブジェクトのロール軸）に沿って、かなり離れていなくてはならない。
ここで「無限に離れた」ではなく「非常に離れた」と言い換えても、作業者はその違いを意識しないだろう。したがって回転中心Ｃとオブジェクト中心Ｏとは、オブジェクトの長さ方向の対称線（オブジェクトのロール軸）に沿って、かなり離れていなくてはならない。
回転中心ＣはハンドルトルクＴに応じて移動する。トルクＴがゼロの場合、横方向の動きは平行移動になる。トルクが最大の場合、回転中心Ｃはオブジェクト中心Ｏに移動し、横への動きはオブジェクト中心における回転となる。トルクがゼロでなく、最大でない範囲内の場合、回転中心は非常に離れている場所とオブジェクト中心との間にある。
図１０は、回転中心Ｃの位置がトルクＴでどのように決まるかを示す図である。
多くの場合、人間はオブジェクトを移動させるか、オブジェクト上の回転中心を中心として回転させることを望むことから、リニアカーブは採用しなかった。作業者は、１００メートル離れた点を中心としてオブジェクトを回転させる場合と、７０メートル離れた点を中心として回転させる場合の相違を感じることはない。
多くの場合、人間はオブジェクトを移動させるか、オブジェクト上の回転中心を中心として回転させることを望むことから、リニアカーブは採用しなかった。作業者は、１００メートル離れた点を中心としてオブジェクトを回転させる場合と、７０メートル離れた点を中心として回転させる場合の相違を感じることはない。
図１１は、モードレスアルゴリズムの回転を示す図である。
この図において、点Ｐはロボットのフリージョイント１２であり、Ｃは回転中心である。点Ｈは人間が操作ハンドルを保持する場所である。
人間が、最初に操作ハンドルをＨ０からＨ１に動かすと、オブジェクトは点Ｐ０のまわりを移動する。ここで、アルゴリズムの機能を証明するため、ロボットはかなり緩慢な動作を行うと仮定する。ロボットがフリージョイントＰ０を中心とする回転を感知すると、点Ｃ０を回転中心として維持するため、フリージョイントをＰ０からＰ４に移動させなくてはならない。まずアルゴリズムが、センサのデータから新たな点Ｈ１を算出した後に、回転中心Ｃ０が移動しない新たな点Ｐ４の位置を算出する。回転中心Ｃの移動は、最初の位置からＨｎＣｎ−１の線に沿った動きのみが許容される。アルゴリズムは、回転中心Ｃをこの線に沿って、点Ｈから点Ｐまで、ある距離Ｒだけ移動させる。
その結果、新たな回転中心Ｃ１はごくわずかに位置を変えるものの、このような変更は、ロボットが大変緩慢に作動すること、またヨー角が大きいことを仮定したためであり、現実には起こらないものである。ｙ方向の誤差についても、ｙ方向は、ゼロフォース制御によって独自に制御されるため、無視することができる。
ここで「ゼロフォース制御」とは、スラスト力Ｆが検出される場合に、スラスト力の方向にｙ軸位置を制御することで、ｙ軸方向の位置決めを作業者が非常に小さい力で行えるようにする制御をいう。
この図において、点Ｐはロボットのフリージョイント１２であり、Ｃは回転中心である。点Ｈは人間が操作ハンドルを保持する場所である。
人間が、最初に操作ハンドルをＨ０からＨ１に動かすと、オブジェクトは点Ｐ０のまわりを移動する。ここで、アルゴリズムの機能を証明するため、ロボットはかなり緩慢な動作を行うと仮定する。ロボットがフリージョイントＰ０を中心とする回転を感知すると、点Ｃ０を回転中心として維持するため、フリージョイントをＰ０からＰ４に移動させなくてはならない。まずアルゴリズムが、センサのデータから新たな点Ｈ１を算出した後に、回転中心Ｃ０が移動しない新たな点Ｐ４の位置を算出する。回転中心Ｃの移動は、最初の位置からＨｎＣｎ−１の線に沿った動きのみが許容される。アルゴリズムは、回転中心Ｃをこの線に沿って、点Ｈから点Ｐまで、ある距離Ｒだけ移動させる。
その結果、新たな回転中心Ｃ１はごくわずかに位置を変えるものの、このような変更は、ロボットが大変緩慢に作動すること、またヨー角が大きいことを仮定したためであり、現実には起こらないものである。ｙ方向の誤差についても、ｙ方向は、ゼロフォース制御によって独自に制御されるため、無視することができる。
ここで「ゼロフォース制御」とは、スラスト力Ｆが検出される場合に、スラスト力の方向にｙ軸位置を制御することで、ｙ軸方向の位置決めを作業者が非常に小さい力で行えるようにする制御をいう。
回転中心の位置Ｃｎとハンドル位置Ｈｎとの関係は、数２の式（３）で表される。
ここでＲは操作ハンドルとオブジェクト中心Ｏとの間の一定の距離であり、関数Ｌ（Ｔ）がオブジェクト中心から回転中心までの距離を決定する。ほとんどの場合、トルクが現実的にはゼロでなく、トルクを最大に維持することも容易ではないため、線形関数ではよい結果が得られなかった。より有用な関数の例を、上述した図１０に示す。さらにその式を、数２の式（４）と（５）で示す。
式（４）の関数は、スムース関数を経たステップ関数の近似式である。
ここでＲは操作ハンドルとオブジェクト中心Ｏとの間の一定の距離であり、関数Ｌ（Ｔ）がオブジェクト中心から回転中心までの距離を決定する。ほとんどの場合、トルクが現実的にはゼロでなく、トルクを最大に維持することも容易ではないため、線形関数ではよい結果が得られなかった。より有用な関数の例を、上述した図１０に示す。さらにその式を、数２の式（４）と（５）で示す。
式（４）の関数は、スムース関数を経たステップ関数の近似式である。
５．実験結果
製作したプロトタイプの協調作業ロボットを使用して、実験は、３名の被験者によって実施した。各々の被験者は、オブジェクトを、最初の位置からターゲット（目標物）の中央部に、両端が平行になるように正しく移動するよう指示された。いずれの被験者も、この実験を１０回繰り返した。
表１は、実験時間、ｘとｙ方向における精度および角度の平均値と標準偏差を示している。また、ｘとｙ方向、およびオブジェクトのヨー角度における位置決め精度に対する平均絶対誤差が示されている。
製作したプロトタイプの協調作業ロボットを使用して、実験は、３名の被験者によって実施した。各々の被験者は、オブジェクトを、最初の位置からターゲット（目標物）の中央部に、両端が平行になるように正しく移動するよう指示された。いずれの被験者も、この実験を１０回繰り返した。
表１は、実験時間、ｘとｙ方向における精度および角度の平均値と標準偏差を示している。また、ｘとｙ方向、およびオブジェクトのヨー角度における位置決め精度に対する平均絶対誤差が示されている。
オブジェクトの大きさは、ａｏ＝４７０ｍｍおよびｂｏ＝６７０ｍｍである。ターゲットの大きさは、ａｔ＝４７８ｍｍおよびｂｔ＝６７８ｍｍである。被験者は、オブジェクトをｘ方向に約３００ｍｍ、ｙ方向に約２００ｍｍ、および約１６００ｍｍの高さから約１０００ｍｍに移動させる必要があった。ただし、ハンドルトルクが回転中心を移動させるのみで、トルクが操作ハンドルの動きを伴う場合にのみ回転が可能であるため、あまり現実感がなく、被験者がそのような移動を理解するには、かなり長期間の訓練を要することがわかった。
上述した本発明の協調作業ロボットの構成によれば、オブジェクト１の一端部を把持して３次元的に移動可能なロボットハンド１０を備えるので、オブジェクト１の他端部を人間が把持して、ロボットと人間の協調作業により、一人では運搬し位置決めすることが困難なオブジェクトを運搬し位置決めすることができる。
また、ロボットハンド１０は、揺動可能なフリージョイント１２を介して一端部を把持するので、他端部を人間が把持してどのように操作しても、ロボットハンド１０には曲げモーメントが作用せず、ロボットハンドを小型軽量化できる。
さらに、人間の操作による捩りトルクＴ、スラスト力Ｆ及び変位角（ピッチ角α、ロール角β及びヨー角γ）から人間の意図を検出し、ロボットハンドの３次元位置を制御する制御装置２０を備えるので、切換えスイッチ等を用いることなく、作業者（人間）が操作の主体であり、作業者の意図に沿ってオブジェクトを並進、回転させることができる。
また、ロボットハンド１０は、揺動可能なフリージョイント１２を介して一端部を把持するので、他端部を人間が把持してどのように操作しても、ロボットハンド１０には曲げモーメントが作用せず、ロボットハンドを小型軽量化できる。
さらに、人間の操作による捩りトルクＴ、スラスト力Ｆ及び変位角（ピッチ角α、ロール角β及びヨー角γ）から人間の意図を検出し、ロボットハンドの３次元位置を制御する制御装置２０を備えるので、切換えスイッチ等を用いることなく、作業者（人間）が操作の主体であり、作業者の意図に沿ってオブジェクトを並進、回転させることができる。
また上記本発明の制御方法によれば、捩りトルク、スラスト力及び変位角から人間の意図を検出し、ロボットハンドの３次元位置を制御するので、切換えスイッチ等を用いることなく、作業者（人間）が操作の主体であり、作業者の意図に沿ってオブジェクトを並進、回転させることができる。
また、ｘ軸まわりのピッチ角αを一定に保持するようにロボットハンド１０のｚ軸位置を制御するので、初期位置のピッチ角αを位置決め位置のピッチ角αと同一に予め設定するだけで、ピッチ角αの制御を非常に容易にできる。
さらに、前記スラスト力Ｆの方向にｙ軸位置を制御するので、オブジェクトのｙ軸位置を人間の操作によるスラスト力だけで容易に制御できる。
従って、オブジェクト１の一端を作業者（人間）が上下動（ｚ軸）、及び前後移動（ｙ軸）させるだけで、一人では運搬し位置決めすることが困難なオブジェクト１を上下動及び前後移動させて運搬し、かつ上下位置及び前後位置を正確に位置決めすることができる。
さらに、前記スラスト力Ｆの方向にｙ軸位置を制御するので、オブジェクトのｙ軸位置を人間の操作によるスラスト力だけで容易に制御できる。
従って、オブジェクト１の一端を作業者（人間）が上下動（ｚ軸）、及び前後移動（ｙ軸）させるだけで、一人では運搬し位置決めすることが困難なオブジェクト１を上下動及び前後移動させて運搬し、かつ上下位置及び前後位置を正確に位置決めすることができる。
また、本発明の好ましい第１実施形態によれば、人間がオブジェクトの他端部に捩りトルクを付加せずに他端部を移動させるときには、人間の意図は通常「並進」であり、ｚ軸まわりのヨー角γを一定に保持するようにロボットハンドのｘ軸位置を制御することで意図通りにオブジェクトを並進させることができる。
また、人間がオブジェクトの他端部に捩りトルクを付加しながら他端部を移動させるときには、人間の意図は通常「回転」であり、そのトルク方向にヨー角γが増減するようにｘ軸位置を制御することで意図通りにオブジェクトを回転させることができる。
また、人間がオブジェクトの他端部に捩りトルクを付加しながら他端部を移動させるときには、人間の意図は通常「回転」であり、そのトルク方向にヨー角γが増減するようにｘ軸位置を制御することで意図通りにオブジェクトを回転させることができる。
また、本発明の好ましい第２実施形態によれば、人間がオブジェクトの他端部に捩りトルクを付加せずに他端部を移動させるときには、人間の意図は回転であると決めて、ロボットハンドのｘ軸位置をそのまま保持することで、ｚ軸まわりのヨー角γを人間が自由に設定できる。
また人間がオブジェクトの他端部に捩りトルクを付加しながら他端部を移動させるときには、人間の意図は並進であると決めて、ヨー角γを一定に保持するようにロボットハンドのｘ軸位置を制御することで、トルクのかけ方のみで意図通りにオブジェクトを並進させることができる。
また人間がオブジェクトの他端部に捩りトルクを付加しながら他端部を移動させるときには、人間の意図は並進であると決めて、ヨー角γを一定に保持するようにロボットハンドのｘ軸位置を制御することで、トルクのかけ方のみで意図通りにオブジェクトを並進させることができる。
また、本発明の好ましい第３実施形態によれば、人間がオブジェクトの他端部に捩りトルクを付加しながら他端部を移動させるときに、人間の意図をすべて回転中心まわりの回転とみなすので、回転と並進を区別する必要がなく、回転モードと移動モードとの間に切り替えがないモードレスで、常に同じ計算手段（回転中心計算とｘ軸制御）で、オブジェクトを回転中心まわりに回転させて、人間の意図通りにオブジェクトを実質的に並進かつ回転させることができる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
１ オブジェクト、１ａ 一端部、１ｂ 他端部、
２ オブジェクト保持フレーム、３ 人間、
１０ ロボットハンド、１１ ３軸移動装置（多関節アームロボット）、
１２ フリージョイント、１４ 角度センサ、１５ スラストセンサ、
１６ 操作ハンドル、１７ トルクセンサ、
２０ 制御装置、
２ オブジェクト保持フレーム、３ 人間、
１０ ロボットハンド、１１ ３軸移動装置（多関節アームロボット）、
１２ フリージョイント、１４ 角度センサ、１５ スラストセンサ、
１６ 操作ハンドル、１７ トルクセンサ、
２０ 制御装置、
Claims (7)
- 人間一人では運搬し位置決めすることが困難なオブジェクトを、人間の意図に沿ってその人間との協調作業により、３次元的に運搬し所定の位置に位置決めする協調作業ロボットであって、
オブジェクトの一端部を揺動可能なフリージョイントを介して把持し３次元的に移動可能なロボットハンドと、
オブジェクトの他端部を把持する人間が該他端部に作用する捩りトルクを検出するトルクセンサと、
前記ロボットハンドに他端部から作用するスラスト力を検出するスラストセンサと、
オブジェクトのロボットハンドに対する変位角を検出する角度センサと、
前記捩りトルク、スラスト力及び変位角から人間の意図を検出し、前記ロボットハンドの３次元位置を制御する制御装置と、を備えたことを特徴とする協調作業ロボット。 - オブジェクトの一端部を揺動可能なフリージョイントを介して把持し３次元的に移動可能なロボットハンドと、
オブジェクトの他端部を把持する人間が該他端部に作用する捩りトルクを検出するトルクセンサと、
前記ロボットハンドに他端部から作用するスラスト力を検出するスラストセンサと、
オブジェクトのロボットハンドに対する変位角を検出する角度センサとを備えた協調作業ロボットの制御方法であって、
前記捩りトルク、スラスト力及び変位角から人間の意図を検出し、前記ロボットハンドの３次元位置を制御する、ことを特徴とする協調作業ロボットの制御方法。 - 互いに直交する水平軸ｘ、ｙ及び鉛直軸ｚを有する３次元空間において、前記一端部と他端部を結ぶオブジェクトの軸線が、ほぼｙ軸方向に延びるように初期位置が設定されており、
前記初期位置からｘ軸方向に離れた位置にオブジェクトの位置決め位置が設定されており、
前記オブジェクトの変位角は、ｘ軸まわりのピッチ角α、ｙ軸まわりのロール角β、及びｚ軸まわりのヨー角γであり、
前記ピッチ角αを一定に保持するようにロボットハンドのｚ軸位置を制御し、かつ前記スラスト力の方向にｙ軸位置を制御する、ことを特徴とする請求項２に記載の協調作業ロボットの制御方法。 - 人間がオブジェクトの他端部に捩りトルクを付加せずに他端部を移動させるときには、人間の意図を並進と判断して、ヨー角γを一定に保持するようにロボットハンドのｘ軸位置を制御し、
人間がオブジェクトの他端部に捩りトルクを付加しながら他端部を移動させるときには、人間の意図を回転と判断して、そのトルク方向にヨー角γが増減するようにｘ軸位置を制御する、ことを特徴とする請求項３に記載の協調作業ロボットの制御方法。 - 人間がオブジェクトの他端部に捩りトルクを付加せずに他端部を移動させるときには、人間の意図を回転と判断して、ロボットハンドのｘ軸位置をそのまま保持し、
人間がオブジェクトの他端部に捩りトルクを付加しながら他端部を移動させるときには、人間の意図を並進と判断して、ヨー角γを一定に保持するようにロボットハンドのｘ軸位置を制御する、ことを特徴とする請求項３に記載の協調作業ロボットの制御方法。 - 人間がオブジェクトの他端部に捩りトルクを付加しながら他端部を移動させるときに、人間の意図をすべて回転中心まわりの回転とみなし、
回転モードと移動モードとの間に切り替えがないモードレスで、捩りトルクが大きいときに回転中心をオブジェクト中心の近くに設定し、捩りトルクが小さいときに回転中心をオブジェクト中心から十分離れた位置に設定し、設定した回転中心を中心としてオブジェクトが回転変位するようにロボットハンドのｘ軸位置を制御する、ことを特徴とする請求項３に記載の協調作業ロボットの制御方法。 - オブジェクト中心から回転中心までの距離Ｌ（Ｔ）を、捩りトルクＴが所定の最大閾値より大きいときに０、所定の最小閾値より小さいときに回転を並進とみなせる最大絶対値、それらの中間のときにその間を滑らかに変化するＳ字状曲線に予め設定する、ことを特徴とする請求項６に記載の協調作業ロボットの制御方法。
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| JP2007056681A JP2008213119A (ja) | 2007-03-07 | 2007-03-07 | 協調作業ロボットとその制御方法 |
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