JP2009034758A - パワーアシスト装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】作業者の操作に対する応答性に優れ、対象物の移動や取り付け作業の効率を向上させたパワーアシスト装置及びその制御方法を提供することを目的とする。
【解決手段】作業者の操作に協動して対象物２を移動可能なパワーアシスト装置１であって、対象物２を把持するハンド部１０と、ハンド部１０を上下方向に駆動させる上下駆動部１１と、上下駆動部１１に対してハンド部１０を任意の三次元方向に揺動自在に連結させるフリージョイント部１２と、ハンド部１０に対して所定の方向に粘性抵抗を付与するシリンダ装置１３・１４と、ハンド部１０を操作する作業者の操作力を検出する力センサ１５と、力センサ１５により検出された操作力から上下駆動部１１に対するインピーダンス制御指令値を算出し、インピーダンス制御指令値に基づいて上下駆動部１１を駆動させる制御部１６とを具備してなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、パワーアシスト装置及びその制御方法の技術に関し、より詳細には、対象物を把持しつつ、作業者の操作に協動して対象物を移動可能なパワーアシスト装置及びその制御方法に関する。

従来、製造現場や生産ライン等において、作業者による重量物の昇降を補助するパワーアシスト装置の需要が高まっている。すなわち、自動車の生産ラインでは、フロントガラスやリヤガラス等の対象物（ワーク）が、ターゲットとなる車体の窓枠部にまで搬送され、かかる窓枠部に対して三次元に位置決めした状態で取り付け作業が行われる。このような対象物の運搬や取り付け作業は、作業者による人力だけでは困難であり、また作業効率も悪い。そこで通常は、かかる作業時には、作業者と協動して対象物を移動させるパワーアシスト装置が用いられている。

パワーアシスト装置においては、フリージョイント（回転軸部）を介して任意の方向に揺動自在に対象物が把持される。このようなパワーアシスト装置においては、回転軸部に対する対象物の変位は、互いに直交する水平軸であるｘ軸、ｙ軸及び鉛直軸であるｚ軸より構成される絶対座標空間に対して三軸方向成分に分解すると、ターゲット方向に対して直行する左右方向軸軸（ｘ軸）周りの変位（ピッチ角変位）と、ターゲット方向に沿った左右方向軸（ｙ軸）周りの変位（ロール角変位）と、及び鉛直方向軸（ｚ軸）周りの変位（ヨー角変位）とに分けられる。かかるパワーアシスト装置を用いて対象物をターゲットに取り付ける際には、作業者によって把持手段が揺動操作されることで、ターゲットに対して所定のピッチ角、ロール角、及びヨー角となるように対象物の三次元的な姿勢が調整される。

ところで、特許文献１には、対象物を把持する把持手段の回転軸周りの変位角度を検出し、作業者が把持手段に触れているときに、かかる検出結果と予め設定された基準値とを比較して、それらを一致させるように把持手段を上下に駆動制御するパワーアシスト装置の構成が開示されている（特許文献１参照）。

特許文献１に開示されるパワーアシスト装置の構成によれば、作業者が把持手段の一端を操作する際に、駆動装置によって把持手段が上下昇降されることで、対象物の変位角度（ロール角変位）が制御される。つまり、作業者が把持手段を操作することによってロール角が変位しても、かかるロール角の変位に基づいて直ちに駆動装置が駆動されるため、ロール角の変位が一定となるように制御されるのである。

しかしながら、上述した特許文献１に開示されるパワーアシスト装置では、対象物の変位角度（ロール角変位）に基づいて対象物の姿勢を制御するものであるため、作業者によって把持手段の一端が実際に操作されて、対象物に傾き（変位）が生じてから駆動装置が駆動される。そのため、かかる構成では、実際の作業者の操作に対する対象物の姿勢制御の応答性が悪く操作性に劣り、対象物の移動や取り付け作業の効率が悪かった。
特開平１１−２４５１２４号公報

そこで、本発明では、パワーアシスト装置及びその制御方法に関し、前記従来の課題を解決するもので、作業者の操作に対する応答性に優れ、対象物の移動や取り付け作業の効率を向上させたパワーアシスト装置及びその制御方法を提供することを目的とする。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

すなわち、請求項１においては、作業者の操作に協動して対象物を移動可能なパワーアシスト装置であって、対象物を把持する把持手段と、前記把持手段を所定方向に駆動させる駆動手段と、前記駆動手段に対して前記把持手段を任意の三次元方向に揺動自在に連結させる回転軸部と、前記把持手段に対して所定の方向に粘性抵抗を付与する粘性抵抗手段と、前記把持手段を操作する作業者の操作力を検出する操作力検出手段と、前記操作力検出手段により検出された操作力から前記駆動手段に対するインピーダンス制御指令値を算出し、該インピーダンス制御指令値に基づいて前記駆動手段を駆動させる制御手段とを具備してなるものである。

請求項２においては、前記制御手段は、前記操作力検出手段により検出された操作力を所定方向の操作力成分に分解し、該操作力成分に応じたインピーダンス制御指令値を算出するものである。

請求項３においては、前記粘性抵抗手段は、粘性抵抗値が可変に構成され、前記制御手段は、前記把持手段を操作する作業者の操作力に応じて粘性抵抗値を変更して前記粘性抵抗手段を制御するものである。

請求項４においては、前記制御手段は、前記把持手段に付与される外力が予め設定された閾値より大きい場合に、前記操作力に外力を加算してインピーダンス制御指令値を算出するものである。

請求項５においては、対象物を把持する把持手段と、前記把持手段を所定方向に駆動させる駆動手段と、前記駆動手段に対して前記把持手段を任意の三次元方向に揺動自在に連結させる回転軸部と、前記把持手段に対して所定の揺動方向に粘性抵抗を付与する粘性抵抗手段と、前記把持手段を操作する作業者の操作力を検出する操作力検出手段とを備え、作業者の操作に協動して対象物を移動可能なパワーアシスト装置の制御方法であって、前記操作力検出手段により検出された操作力から前記駆動手段に対するインピーダンス制御指令値を算出し、該インピーダンス制御指令値に基づいて前記駆動手段を駆動させる制御工程を有してなるものである。

請求項６においては、前記制御工程は、前記操作力検出手段により検出された操作力を所定方向の操作力成分に分解し、該操作力成分に応じたインピーダンス制御指令値を算出する工程を有するものである。

請求項７においては、前記制御工程は、前記把持手段を操作する作業者の操作力に応じて、粘性抵抗値が可変に構成された粘性抵抗手段の粘性抵抗値を変更する工程を有するものである。

請求項８においては、前記制御工程は、前記把持手段に付与される外力が予め設定された閾値内にあるか否かを判定する工程と、前記操作力に外力を加算してインピーダンス制御指令値を算出する工程とを有するものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

請求項１に示す構成としたので、作業者の操作に対する応答性に優れ、対象物の移動や取り付け作業の効率を向上させることができる。

請求項２に示す構成としたので、作業者の操作意図に応じた制御が可能となり、対象物の移動や取り付け作業時の把持手段の操作性をより向上できる。

請求項３に示す構成としたので、作業者ごとの操作力の違いに対応することができ、把持手段を操作する作業者の操作性をより向上できるとともに、駆動手段に対する負荷を軽減することができる。

請求項４に示す構成としたので、粘性抵抗に加えて把持手段に作用する外力を考慮することで、使用環境や使用状態の変化による影響に対応して制御することができる。

請求項５に示す構成としたので、作業者の操作に対する応答性に優れ、対象物の移動や取り付け作業の効率を向上させることができる。

請求項６に示す構成としたので、作業者の操作意図に応じた制御が可能となり、対象物の移動や取り付け作業時の把持手段の操作性をより向上できる。

請求項７に示す構成としたので、作業者ごとの操作力の違いに対応することができ、把持手段を操作する作業者の操作性をより向上できるとともに、駆動手段に対する負荷を軽減することができる。

請求項８に示す構成としたので、粘性抵抗に加えて把持手段に作用する外力を考慮することで、使用環境や使用状態の変化による影響に対応して制御することができる。

次に、発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明の一実施例に係るパワーアシスト装置の全体的な構成を示した正面図、図２は制御部の構成を示したブロック図、図３は絶対座標空間での対象物の変位角度を示した図、図４はパワーアシスト装置の制御方法を示したフローチャート、図５は同じくパワーアシスト装置の制御方法を示したフローチャート、図６は別実施例のパワーアシスト装置の制御方法を示したフローチャートである。

以下の実施例においては、図１に示す矢印のとおり、搬送ライン４と直交する水平方向をＸ方向、搬送ライン４に沿う水平方向をＹ方向（図１の紙面直交方向）、搬送ライン４に対して上下垂直方向をＺ方向とする。また、搬送ライン４の直上方に位置した状態のパワーアシスト装置１に対して、Ｙ方向をパワーアシスト装置１の前後方向、Ｘ方向をパワーアシスト装置１の左右方向、Ｚ方向をパワーアシスト装置１の上下方向とする。

そして、図３に示すように、本実施例では、任意の原点に対して互いに直交する水平軸であるｘ軸、ｙ軸、及びこれらに対する鉛直軸であるｚ軸として表される絶対座標空間が設定されている。絶対座標空間を構成するｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸は、それぞれ上述したＸ方向、Ｙ方向、及びＺ方向に沿うものである。

図１に示すように、本実施例のパワーアシスト装置１は、自動車等の製造現場や生産ライン等において、作業者による重量物の移動を補助するための装置として構成されている。すなわち、パワーアシスト装置１は、対象物２としての自動車のフロント（リア）ガラスを把持した状態で作業者によって操作され、かかる作業者の操作に協動しながら、ターゲット３としての車体の枠体部まで移動可能に構成されている。

対象物２は、平面視略矩形に形成された板状の重量物であり、一方の表面に水平面若しくは湾曲面を有している。そして、対象物２は、パワーアシスト装置１によって、ターゲット３に対して三次元方向に相対的に位置決めされた状態で取り付けられる。また、搬送ライン４は、略直線状に敷設されたコンベアが設けられており、かかるコンベア上にターゲット３が固定された状態で搬送される。

次に、本実施例のパワーアシスト装置１の全体構成について、以下に詳述する。
図１及び図２に示すように、本実施例のパワーアシスト装置１は、対象物２を着脱可能に把持する把持手段としてのハンド部１０と、ハンド部１０を上下方向に駆動させる駆動手段としての上下駆動部１１と、上下駆動部１１に対してハンド部１０を任意の三次元方向に揺動自在に連結させる回転軸部としてのフリージョイント部１２と、ハンド部１０に対して所定の方向に粘性抵抗を付与する粘性抵抗手段としてのシリンダ装置１３・１４と、前記把持手段を操作する作業者の操作力を検出する操作力検出手段としての力センサ１５と、各構成部材に接続されてパワーアシスト装置１を制御する制御手段としての制御部１６等とで構成され、作業者の操作を補助するように作業者の操作に協動して、僅かな力で対象物２を移動することができ、作業者によってハンド部１０を操作して、対象物２を所定位置まで移動させ、さらには三次元的に対象物２を位置決めした状態で、ターゲット３に対象物２を取り付けることができるように構成されている。

ハンド部１０は、対象物２の一平面をチャック（吸着保持）する保持部１０ａ・１０ａが設けられており、かかる保持部１０ａ・１０ａによって対象物２を把持することで、対象物２がハンド部１０に固定される。ハンド部１０の一端部には、作業ハンドル１０ｂが設けられており、作業者が作業ハンドル１０ｂを把持することで、ハンド部１０が三次元方向に揺動操作されるとともに、ハンド部１０自体がターゲット３に対して上下方向及び前後方向に相対的に移動操作される。なお、後述するように作業ハンドル１０ｂには、力センサ１５が配設されている。

上下駆動部１１は、一端部が機台部１７を介して固定面５に連結され、固定面５から垂下された状態で取り付けられている。機台部１７は、固定面５に対して搬送ライン４に沿って摺動可能に連結されており、本実施例では、作業者によってハンド部１０がＹ方向に移動されると、これに連動して機台部１７と一体に上下駆動部１１が摺動される。なお、機台部１７には、後述するシリンダ装置１３・１４のシリンダ本体１３ａ・１４ａ等が取り付けられている。上下駆動部１１の自由端である他端部には、上述したハンド部１０が接続されている。また、本実施例の上下駆動部１１は、図示せぬ油圧シリンダと、油圧シリンダを伸縮させるアクチュエータ等によって構成されており、上下方向に伸縮可能であって、かつ、任意の伸縮状態のままで停止することができるように構成されている。

本実施例のパワーアシスト装置１は、上下駆動部１１が上下方向に伸縮されることで、ハンド部１０が上下方向（Ｚ方向）に駆動される。また、上下駆動部１１は、作業者によってハンド部１０が操作されない状態では、ハンド部１０に対象物２が把持された状態であっても、ハンド部１０の上下方向位置が変動しないように伸縮状態が維持されて、ハンド部１０が位置決めされて停止される。

なお、上下駆動部１１は、後述する制御部１６に接続されており（図２参照）、制御部１６によって、上下駆動部１１のアクチュエータが駆動されて能動的に上下方向に伸縮される。すなわち、上下駆動部１１は、制御部１６からの信号を受けることで、油圧シリンダが所定の伸縮状態となるように伸縮されて、ハンド部１０が上下方向に能動的に駆動される。制御部１６による上下駆動部１１の伸縮制御（インピーダンス制御）については、詳細を後述する（図４参照）。

フリージョイント部１２は、上下駆動部１１の他端部に取り付けられており、ハンド部１０が任意の三次元方向に揺動自在となるように連結されている。上述した絶対座標空間において、ハンド部１０は、フリージョイント部１２によってｘ軸周り、ｙ軸周り、及びｚ軸周りに自由回転可能となるように連結されている。そのため、ハンド部１０が作業者によって任意の三次元方向に揺動操作されることで、対象物２の姿勢が三次元的に調整可能とされている。なお、フリージョイント部１２の構成としては、公知の構成を用いることができる。

シリンダ装置１３・１４は、フリージョイント部１２に対する対象物２のｙ軸周りの揺動方向に対してハンド部１０に所定の粘性抵抗を付与するものであって、本実施例では、上下駆動部１１を挟んで一対のシリンダ装置１３・１４がハンド部１０の左右方向の端部に配設されている。なお、本実施例のシリンダ装置１３・１４の構成はそれぞれ略等しく、以下、特に断りのない場合には、ハンド部１０の作業ハンドル１０ｂが配設された側に設けられたシリンダ装置１３の構成について説明する。

シリンダ装置１３は、機台部１７に固定されたシリンダ本体１３ａと、一端がシリンダ本体１３ａに接続され、他端部がハンド部１０に接続されたワイヤ１３ｂ等とで構成されている。シリンダ本体１３ａは、油圧シリンダ等の流体シリンダが用いられ、図示せぬピストンにワイヤ１３ｂの一端が接続されている。ワイヤ１３ｂは、プーリ１３ｃ・１３ｃを介して固定面５に対して鉛直下方に垂下されており、ワイヤ１３ｂの他端がハンド部１０に接続されている。シリンダ本体１３ａは、ワイヤ１３ｂの他端が下方に引っ張られることで図示せぬピストンが伸長方向に摺動される。

シリンダ装置１３・１４は、上述したように、ハンド部１０の左右方向の端部にワイヤ１３ｂ・１４ｂが接続されており、ハンド部１０に対してｙ軸周りの揺動方向に粘性抵抗が付与されている。すなわち、本実施例のパワーアシスト装置１では、ハンド部１０が操作されて、作業ハンドル１０ｂが配設された側の端部が下方（図１においてｙ軸周りに反時計方向）に揺動されると、シリンダ装置１３のワイヤ１３ｂが下方に引っ張られてシリンダ本体１３ａが伸長されて、ハンド部１０に粘性抵抗が付与される。一方、ハンド部１０が操作されて、作業ハンドル１０ｂが配設された側の端部が上方（図１においてｙ軸周りに時計方向）に揺動されると、シリンダ装置１４のワイヤ１４ｂが下方に引っ張られてシリンダ本体１４ａが伸長されて、同様に、ハンド部１０に粘性抵抗が付与される。

なお、本実施例のシリンダ装置１３・１４は、後述する制御部１６に接続されている（図２参照）。シリンダ装置１３・１４は、粘性抵抗値が予め設定値として設定されているが、図示せぬアクチュエータ等が駆動されてシリンダ本体１３ａ・１４ａの内部油圧が変更されて、粘性抵抗値が所定の値（設定値）となるように変更可能に構成されている。すなわち、シリンダ装置１３・１４においては、粘性抵抗値が設定値として設定されているが、ハンド部１０を操作する作業者の操作力に応じてかかる設定値が変更されるのである。シリンダ装置１３・１４の粘性抵抗値の設定値変更については、詳細を後述する（図５参照）。

力センサ１５は、ハンド部１０の作業ハンドル１０ｂに配設されており、ハンド部１０に対する作業者の操作力が検出される。具体的には、力センサ１５は、圧力センサにより構成されており、絶対座標空間において、フリージョイント部１２に対する六軸方向の操作力成分が検出される。具体的には、ｘ軸方向、ｙ軸方向、及びｚ軸方向のスラスト力と、対象物２のｘ軸周り（ピッチ角方向）、ｙ軸周り（ロール角方向）、及びｚ軸周り（ヨー角方向）のトルクが検出される。

なお、力センサ１５は、制御部１６に電気的に接続されており（図２参照）、作業者によってハンド部１０に加えられた操作力（スラスト力、トルク）が検出されると、かかる検出結果が制御部１６に電気出力される。特に、本実施例では、上述したように、シリンダ装置１３・１４によってハンド部１０にはｙ軸周りの揺動方向に粘性抵抗が付与されるため、後述する制御部１６にて、力センサ１５によって検出されたｚ軸方向のスラスト力及びｙ軸周り（ロール角方向）のトルクに基づいてインピーダンス制御指令値が算出される（図４参照）。

以上のように構成されるパワーアシスト装置１を用いて、対象物２を上下方向に移動させる際には、搬送ライン４の一側方に配置された作業者によってハンド部１０の一端が上下方向（Ｚ方向）へ揺動操作されることで、ハンド部１０の操作に連動して上下駆動部１１が受動的に上下方向に伸縮される。また、対象物２を前後方向に移動させる際には、作業者によってハンド部１０の一端が前後方向（Ｙ方向）に揺動操作されることで、ハンド部１０の操作に連動して上下駆動部１１が前後方向に移動される。
また、パワーアシスト装置１を用いて対象物２の取り付け作業を行う際には、作業者によってハンド部１０の一端が三次元方向に揺動操作されることで、対象物２の三次元的な姿勢が調整される。

次に、パワーアシスト装置１の制御部１６について、以下に詳述する。
図２に示すように、制御部１６は、各種処理が実行される図示せぬＣＰＵや各種処理プログラム等が格納される記憶部としての図示せぬメモリ等とで構成されており、力センサ１５により検出された操作力（スラスト力、トルク）が六軸方向の操作力成分に分解され、かかる対象物２のｚ軸方向のスラスト力又はｙ軸周りのトルクに応じた上下駆動部１１に対するインピーダンス制御指令値を算出し、該インピーダンス制御指令値に基づいて上下駆動部１１を駆動させるものである（図４参照）。

制御部１６には、上下駆動部１１、シリンダ装置１３、１４、及び力センサ１５が接続されている。制御部１６には、力センサ１５により検出された作業者の操作力に基づく電気信号が入力され、入力された操作力から上下駆動部１１に対するインピーダンス制御指令値に基づく電気信号が上下駆動部１１に出力される。また、シリンダ装置１３・１４には、制御部１６から所定の粘性抵抗値となるようにシリンダ本体１３ａ・１４ａを制御するための電気信号が出力される。

制御部１６のＣＰＵは、力センサ１５からの信号等が、図示せぬＡ／Ｄ変換回路によってデジタル化されて入力され、各種処理が実行されるように構成されている。制御部１６のメモリは、ＥＥＰＲＯＭのような不揮発性のメモリが用いられ、ＣＰＵの処理に必要なプログラムや各種設定データ（粘性抵抗値の設定値等）や、その他の演算プログラム等が記憶されている。

次に、本実施例のパワーアシスト装置１の制御方法について、以下に詳述する。
図４及び図５に示すように、上述したように構成されるパワーアシスト装置１の制御方法としては、具体的には、力センサ１５によってハンド部１０を操作する作業者の操作力を検出する操作力検出工程と、ハンド部１０を操作する作業者の操作力に応じてシリンダ装置１３・１４の粘性抵抗値の設定値を変更して、シリンダ装置を制御するシリンダ装置制御工程と、操作力検出工程にて検出された操作力からインピーダンス制御指令値を算出するインピーダンス制御算出工程と、算出工程にて算出されたインピーダンス制御指令値を上下駆動部１１に出力する出力工程等とを有する。

操作力検出工程では、作業者によってハンド部１０が任意の三次元方向に揺動されて、ハンド部１０が所定方向に揺動された際に、ハンド部１０を操作する作業者の操作力が検出される（Ｓ１００）。具体的には、ハンド部１０に配設された力センサ１５によって、ｘ軸方向、ｙ軸方向、及びｚ軸方向のスラスト力と、対象物２のｘ軸周り（ピッチ角方向）、ｙ軸周り（ロール角方向）、及びｚ軸周り（ヨー角方向）のトルクが検出され、制御部１６に電気信号として出力される。制御部１６では、入力された操作力から各操作力成分が抽出される。

操作力検出工程では、作業者のハンド部１０の操作意図が検出される。すなわち、力センサ１５によって検出される操作力の内、例えば、ｙ軸回りの顕著なトルクが検出されると、作業者がハンド部１０を上下方向に揺動して姿勢を制御して位置決めしたいという操作意図を有していることを表している。また、ｚ軸方向の顕著なスラスト力が検出されると、作業者がハンド部１０を上下方向に移動させたいという操作意図を有していることを表している。

シリンダ装置制御工程では、ハンド部１０を操作する作業者の操作力に応じてシリンダ装置１３・１４の粘性抵抗値の設定値が変更されて、変更された粘性抵抗値の設定値となるようにシリンダ装置１３・１４が制御される（Ｓ１１０）。このシリンダ装置制御工程においては、上述した操作力検出工程にて検出された作業者の操作意図に応じてシリンダ装置１３・１４の制御が行われる。

ところで、シリンダ装置１３・１４は、通常は、制御部１６によって粘性抵抗値が基準値となるように制御されている。粘性抵抗値の基準値は、制御部１６の図示せぬメモリに記憶されており、粘性抵抗値の設定値が変更されると上書きして格納される。また、予めスラスト力やトルク等に応じた粘性抵抗値の設定値の変更量が定量的に決められている。

図５に示すように、ハンド部１０を上下方向に移動させる場合について考えると、力センサ１５によってハンド部１０においてｚ軸方向であって作業ハンドル１０ｂが設けられた一端を上方に揺動させる方向のスラスト力が検出されると（Ｓ１１１）、作業者がハンド部１０を上昇させる意図があると判定されて、シリンダ装置１３・１４の粘性抵抗値の設定値が変更される（Ｓ１１２）。かかる場合には、シリンダ装置１３・１４の粘性抵抗値の設定値が高くなるように変更される。

また、力センサ１５によってハンド部１０においてｚ軸方向であって作業ハンドル１０ｂが設けられた一端を下方に揺動させる方向のスラスト力が検出されると（Ｓ１１３）、作業者がハンド部１０を下降させる意図があると判定されて、シリンダ装置１３・１４の粘性抵抗値の設定値が変更される（Ｓ１１４）。かかる場合には、シリンダ装置１３・１４の粘性抵抗値の設定値が低くなるように変更される。

力センサ１５にてｚ軸方向のいずれの方向のスラスト力が検出されない場合には（Ｓ１１５）、作業者は上下方向へハンド部１０を移動させる意図がないものと判定されて、シリンダ装置１３・１４の粘性抵抗値の設定値は変更されない。

そして、以上のようにして粘性抵抗の設定値が変更等された後に、各シリンダ装置１３・１４において、制御部１６によって図示せぬアクチュエータ等が駆動されてシリンダ本体１３ａ・１４ａの内部油圧が変更され、粘性抵抗値が設定値となるように制御される。このようにシリンダ装置１３・１４が制御されることで、作業者がハンド部２を上下方向に移動させる際には、ハンド部１０の揺動方向に効果的に粘性抵抗が作用して、ハンド部１０の操作性が向上されるのである。

なお、ハンド部１０を上下方向に揺動させて、対象物２の姿勢を三次元方向に位置決めさせる場合についても同様である。かかる場合には、力センサ１５によってｙ軸周りのトルクが検出される。また、各シリンダ装置１３・１４の粘性抵抗値の基準値は、同時に一方を所定量上げて、他方を所定量下げるように制御されることで、ハンド部１０の揺動操作及び、対象物２の位置決め操作が容易となる。

図４に戻って、インピーダンス制御算出工程では、操作力検出工程にて検出された操作力から上下駆動部１１に対するインピーダンス制御指令値が算出される（Ｓ１２０）。具体的には、本実施例の上下駆動部１１は、上下方向に駆動されるのみであるため、操作力検出工程にて検出された操作力の内、ｙ軸周りのトルクとｚ軸方向のスラスト力とが分解されて抽出され、かかるトルクとスラスト力に基づいて、インピーダンス制御指令値が算出される。なお、インピーダンス制御指令値は、公知のインピーダンス制御則に則して、対象物２の質量や、パワーアシスト装置１の構成部材の粘性抵抗・摩擦抵抗等から算出される。

そして、インピーダンス制御算出工程にて算出されたインピーダンス制御指令値が、制御部１６から上下駆動部１１に出力されることで（Ｓ１３０）、上下駆動部１１がインピーダンス制御される。

以上のように、本実施例のパワーアシスト装置１は、作業者の操作に協動して対象物２を移動可能なパワーアシスト装置１であって、対象物２を把持するハンド部１０と、ハンド部１０を所定方向に駆動させる上下駆動部１１と、上下駆動部１１に対してハンド部１０を任意の三次元方向に揺動自在に連結させるフリージョイント部１２と、ハンド部１０に対してｙ軸周りの揺動方向に粘性抵抗を付与するシリンダ装置１３・１４と、ハンド部１０を操作する作業者の操作力を検出する力センサ１５と、力センサ１５により検出された操作力から上下駆動部１１に対するインピーダンス制御指令値を算出し、該インピーダンス制御指令値に基づいて上下駆動部１１を駆動させる制御部１６とを具備してなるため、作業者の操作に対する応答性に優れ、対象物２の移動や取り付け作業の効率を向上させることができる。

すなわち、本実施例のパワーアシスト装置１では、フリージョイント部１２によって揺動自在に指示されたハンド部１０に対して、その揺動方向に粘性抵抗を付与するシリンダ装置１３・１４が設けられるため、力センサ１５によって作業者の操作力の検出することができる。このように、作業者の操作力を検出することで、上下駆動部１１のインピーダンス制御が可能となり、作業者のハンド部１０の操作に対する応答性を向上できるのである。また、作業者において操作意図に応じてハンド部１０を操作することができるため、対象物２の移動や取り付け作業時のハンド部１０の操作性、作業効率を向上できるのである。

特に、本実施例では、制御部１６は、力センサ１５により検出された操作力を所定方向の操作力成分に分解し、各操作力成分に応じたインピーダンス制御指令値を算出するため、作業者の操作意図に応じた制御が可能となり、対象物２の移動や取り付け作業時のハンド部１０の操作性をより向上できる。

また、本実施例では、シリンダ装置１３・１４は、粘性抵抗値が可変に構成され、制御部１６は、ハンド部１０を操作する作業者の操作力に応じて粘性抵抗値を変更してシリンダ装置１３・１４が制御されるため、作業者の操作意図に応じてシリンダ装置が制御されることで、作業者ごとの操作力の違いに対応することができ、ハンド部１０を操作する作業者の操作性をより向上できるとともに、上下駆動部１１に対する負荷を軽減することができる。

なお、本実施例のパワーアシスト装置１の構成及びその制御方法は、上述した実施例に限定されない。以下の実施例では、上述した実施例を共通する部材・構成についての説明は省略する。

すなわち、図６に示す別実施例のように、パワーアシスト装置１の制御部１６において、ハンド部１０に付与される外力が予め設定された閾値より大きい場合に、操作力に外力を加算してインピーダンス制御指令値を算出するように構成されてもよい。具体的には、かかる制御部１６によって、パワーアシスト装置１は次のように制御される。

まず、上述した実施例のように、力センサ１５によって作業者によってハンド部１０が所定方向に揺動された際に、ハンド部１０を操作する作業者の操作力が検出される（Ｓ２００）。このとき、本実施例ではさらに力センサ１５に加えられた操作力以外の外力が検出される（Ｓ２１０）。ここで、外力とは、例えば、粘性抵抗による力やトルクのことをいい、具体的には、ハンド部１０を揺動操作する際にシリンダ装置１３・１４により付与される粘性抵抗以外の力（抵抗力）のことである。本実施例では、かかる外力は、力センサ１５により検出される操作力の異常値や制御部１６によって検出される粘性抵抗値（の異常値）などに基づいて検出される。

次いで、ハンド部１０に付与された外力が所定の閾値内にあるか否かが判定される。具体的には、上述した外力がシリンダ装置１３・１４の粘性抵抗値の異常に起因するものである場合に、シリンダ装置１３・１４の平常時の静荷重（基準値）に対する外力の変動分（偏差）が算出され（Ｓ２２０）、かかる変動分が予め定められた閾値にあるか否かが判定される（Ｓ２３０）。その結果、変動分が閾値内にないと判定された場合には、かかる外力の影響で力センサ１５によって操作力が正しく反映されていないため、検出された操作力に変動分が加算して考慮されて（Ｓ２４０）、インピーダンス制御指令値が算出される（Ｓ２５０）。一方、変動分が閾値内にあると判定された場合には、外力は無視できる範囲の測定誤差やノイズであるとして、上述した力センサ１５によって検出された操作力がそのまま以降の工程（図４参照）で使用される。そして、算出されたインピーダンス制御指令値が上下駆動部１１に出力されて（Ｓ２６０）、インピーダンス制御が実行される。

このように、本実施例のパワーアシスト装置１のように、制御部１６において、ハンド部１０に付与される外力が予め設定された閾値より大きい場合に、操作力に外力を加算してインピーダンス制御指令値を算出するように構成されることで、粘性抵抗に加えてハンド部１０に作用する外力を考慮することで、使用環境や使用状態の変化による影響に対応して制御することができる。例えば、シリンダ装置１３・１４が故障等した場合にハンド部１０に粘性抵抗が付与されても、かかる故障等に基づく粘性抵抗の変化を外力として検出して、力センサ１５により検出される操作力に反映させることで、力センサ１５に実際に作用する操作力を正確に検出することができ、作業者の操作性を維持することができる。

なお、制御部１６において、検出された外力（の偏差）が所定の閾値より大きいと判定された場合に、パワーアシスト装置の何れかの構成部材が故障したと判断して、ハンド部１０の操作や上下駆動部１１の駆動を停止させるように制御されてもよい。

さらに、別実施例のパワーアシスト装置としては、駆動手段としては、上述した実施例のように上下方向にのみ駆動可能な上下駆動部１１として構造とされているが（図１参照）、かかる駆動手段の構成としては、これに特に限定されない。駆動手段の構成としては、少なくともハンド部１０に把持された対象物２を所定方向に移動可能に構成されればよく、例えば、多関節型のロボットアーム構造とすることで、上下方向（Ｚ方向）のみならず、前後方向（Ｙ方向）や左右方向（Ｘ方向）にも伸縮可能に構成されてもよい。

また、粘性抵抗手段としては、上述した実施例では一対のシリンダ装置１３・１４により構成されるが（図１参照）、かかる粘性抵抗手段の構成としては、一定圧に制御されたシリンダ構造であれば、これに特に限定されない。例えば、粘性抵抗手段としてロータリダンパなどを用いることができる。また、シリンダ構造としても、シリンダ本体がワイヤを介してハンド部１０に接続される構成に限定されず、ハンド部１０に粘性抵抗を付与することができる構成であればよい。

さらに、粘性抵抗手段としては、上述した実施例では、ハンド部１０のｙ軸周りの揺動方向（ロール角方向）に粘性抵抗が付与される構成であったが、かかる粘性抵抗が付与される方向としては、その他の方向（ハンド部１０の揺動方向やスラスト方向）にも付与されるような構成とされてもよい。

また、操作力手段としては、上述した実施例のように、圧力センサが用いられる他に、ストレインゲージ（ひずみセンサ）やロードセル（荷重センサ）などが用いられる。特に、操作力手段として、ロードセルが用いられる場合には、好ましくは、ハンド部１０の揺動中心であるフリージョイント部１２に設けられる。

本発明の一実施例に係るパワーアシスト装置の全体的な構成を示した正面図。 制御部の構成を示したブロック図。 絶対座標空間での対象物の変位角度を示した図。 パワーアシスト装置の制御方法を示したフローチャート。 同じくパワーアシスト装置の制御方法を示したフローチャート。 別実施例のパワーアシスト装置の制御方法を示したフローチャート。

符号の説明

１ パワーアシスト装置
２ 対象物
３ ターゲット
１０ ハンド部（把持手段）
１１ 上下駆動部（駆動手段）
１２ フリージョイント部（回転軸部）
１３、１４ シリンダ装置（粘性抵抗手段）
１５ 力センサ（操作力検出手段）
１６ 制御部（制御手段）

Claims (8)

1. 作業者の操作に協動して対象物を移動可能なパワーアシスト装置であって、
   対象物を把持する把持手段と、
   前記把持手段を所定方向に駆動させる駆動手段と、
   前記駆動手段に対して前記把持手段を任意の三次元方向に揺動自在に連結させる回転軸部と、
   前記把持手段に対して所定の方向に粘性抵抗を付与する粘性抵抗手段と、
   前記把持手段を操作する作業者の操作力を検出する操作力検出手段と、
   前記操作力検出手段により検出された操作力から前記駆動手段に対するインピーダンス制御指令値を算出し、該インピーダンス制御指令値に基づいて前記駆動手段を駆動させる制御手段とを具備してなることを特徴とするパワーアシスト装置。
2. 前記制御手段は、前記操作力検出手段により検出された操作力を所定方向の操作力成分に分解し、該操作力成分に応じたインピーダンス制御指令値を算出することを特徴とする請求項１に記載のパワーアシスト装置。
3. 前記粘性抵抗手段は、粘性抵抗値が可変に構成され、
   前記制御手段は、前記把持手段を操作する作業者の操作力に応じて粘性抵抗値を変更して前記粘性抵抗手段を制御することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のパワーアシスト装置、
4. 前記制御手段は、前記把持手段に付与される外力が予め設定された閾値より大きい場合に、前記操作力に外力を加算してインピーダンス制御指令値を算出することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のパワーアシスト装置。
5. 対象物を把持する把持手段と、
   前記把持手段を所定方向に駆動させる駆動手段と、
   前記駆動手段に対して前記把持手段を任意の三次元方向に揺動自在に連結させる回転軸部と、
   前記把持手段に対して所定の揺動方向に粘性抵抗を付与する粘性抵抗手段と、
   前記把持手段を操作する作業者の操作力を検出する操作力検出手段とを備え、作業者の操作に協動して対象物を移動可能なパワーアシスト装置の制御方法であって、
   前記操作力検出手段により検出された操作力から前記駆動手段に対するインピーダンス制御指令値を算出し、該インピーダンス制御指令値に基づいて前記駆動手段を駆動させる制御工程を有してなることを特徴とするパワーアシスト装置の制御方法。
6. 前記制御工程は、前記操作力検出手段により検出された操作力を所定方向の操作力成分に分解し、該操作力成分に応じたインピーダンス制御指令値を算出する工程を有することを特徴とする請求項５に記載のパワーアシスト装置の制御方法。
7. 前記制御工程は、前記把持手段を操作する作業者の操作力に応じて、粘性抵抗値が可変に構成された粘性抵抗手段の粘性抵抗値を変更する工程を有することを特徴とする請求項５又は請求項６に記載のパワーアシスト装置の制御方法。
8. 前記制御工程は、前記把持手段に付与される外力が予め設定された閾値内にあるか否かを判定する工程と、前記操作力に外力を加算してインピーダンス制御指令値を算出する工程とを有することを特徴とする請求項５乃至請求項７のいずれか一項に記載のパワーアシスト装置の制御方法。

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