JP2009208170A - パワーアシスト装置およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ロボットが環境に接触しても発振現象を生じることがなく、安定した接触状態を維持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。
【解決手段】制御装置６によって、ロボットアーム２が環境と非接触の場合、ロボットアーム２に提示する仮想の非接触時摩擦力Ｆ_Ｌを設定し、非接触時摩擦力Ｆ_Ｌが操作ハンドル４に作用するようにアクチュエータ５を制御し、あるいは、ロボットアーム２が環境と接触し、操作力ｆ_ｍと外力ｆ_ｅの向きが一致する場合には、ロボットアーム２に提示する仮想の非接触時摩擦力Ｆ_Ｌを設定し、非接触時摩擦力Ｆ_Ｌが操作ハンドル４に作用するようにアクチュエータ５を制御し、あるいは、ロボットアーム２が環境と接触し、操作力ｆ_ｍと外力ｆ_ｅの向きが一致しない場合には、ロボットアーム２に提示する仮想の接触時摩擦力Ｆ_Ｈを設定し、接触時摩擦力Ｆ_Ｈが操作ハンドル４に作用するようにアクチュエータ５を制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、パワーアシスト装置の技術に関し、より詳しくは、パワーアシスト装置およびその制御方法に関する。

従来、製造現場等では、作業者の労力軽減や作業性向上のためにパワーアシスト装置と呼ばれるロボットが用いられている。そして、パワーアシスト装置の制御方法としては、位置制御ベースの機械インピーダンス制御（所謂、アドミッタンス制御）が広く採用されている。

アドミッタンス制御では、通常は高ゲインの位置制御を行っており、その目標位置は力センサの情報に基づいて決めるため、力センサを介さずに加えられた力は制御動作において考慮されず、マニピュレータは殆ど動作しない。
つまり、力センサによる検知部位以外の部位において、ロボットアームと環境（外界）との接触があったとしても、ロボットアームはその接触を考慮することなく作動し続けてしまい、作業者が意図しない動作を行う場合がある。今後は、人とロボットが空間を共有していく状況がますます増えるため、人や環境と接触するロボットの安全性をより考慮したアドミッタンス制御が必要となる。
力覚（操作力）センサを介さずに作用した外力の推定値を併用することにより、環境との接触に対する安全性を高めたアドミッタンス制御の手法が以下に示す非特許文献１等に開示されている。

従来技術に示されている制御方法においては、未知の外力に対してコンプライアントな動作が実現できる。しかしながら、この方法では操作者がロボットを環境に接触させてさらに押し付けるような場合に発振現象が生じてしまうことが知られている。本来、操作力と外力が完全に均衡した状態であれば発振現象は生じないはずであるが、両者の間にわずかでも差があれば発振現象が生じ得るものである。この発振現象は、パワーアシスト装置による押し付け作業のようにロボットと環境との接触が前提となる場合には問題となってしまう。

この問題を解決するために、これまでは、操作者によってパワーアシスト装置の押し付け具合を調整するような対処方法しか見出せていなかった。また、粘性抵抗を増す設定をすることによっても発振現象を抑えることができるが、この場合パワーアシスト装置の操作に必要な操作力が大きくなり、このため操作性が悪化してしまい実用上好ましくない状況であった。
つまり、従来技術では、発振現象を抑える有効な方法が存在していない状況であった。
磯将人、関弘和、堀洋一著，負荷特性に応じたインピーダンス制御を用いたセンサレスパワーアシスト法，電気学会産業計測制御研究会 ＩＩＣ−０２−４０（２００２）

そこで本発明では、このような現状を鑑み、ロボットが環境に接触しても発振現象を生じることがなく、安定した接触状態を維持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課題としている。

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。

即ち、請求項１においては、操作者により操作される操作部位と、前記操作部位に加えられた操作力を計測する操作力センサと、前記操作部位を支持するロボットアームと、前記ロボットアームを駆動するアクチュエータと、前記ロボットアームが環境と接触した時に受ける外力を計測する外力センサ、もしくは、前記ロボットアームが環境と接触した時に受ける外力を推定する外力推定手段と、前記操作力センサと、前記ロボットアームと、前記アクチュエータと、前記外力センサもしくは前記外力推定手段と接続される制御装置と、を備えるパワーアシスト装置であって、前記制御装置は、前記ロボットアームが環境と接触していない場合には、前記ロボットアームに提示する仮想の摩擦力として所定の大きさの非接触時摩擦力を設定し、該非接触時摩擦力が前記操作部位に作用するように前記アクチュエータを制御し、あるいは、前記ロボットアームが環境と接触している場合であって、前記操作力センサにより計測された操作力の向きと、前記外力センサもしくは外力推定手段によって計測もしくは推定された外力の向きと、が一致する場合には、前記ロボットアームに提示する仮想の摩擦力として、前記非接触時摩擦力を設定し、該非接触時摩擦力が前記操作部位に作用するように前記アクチュエータを制御し、あるいは、前記ロボットアームが環境と接触している場合であって、前記操作力センサにより計測された操作力の向きと、前記外力センサもしくは外力推定手段によって計測もしくは推定された外力の向きと、が一致しない場合には、前記ロボットアームに提示する仮想の摩擦力として前記非接触時摩擦力とは異なる接触時摩擦力を設定し、前記制御装置によって、該接触時摩擦力が前記操作部位に作用するように前記アクチュエータを制御するものである。

請求項２においては、前記制御装置は、前記外力センサもしくは外力推定手段によって計測もしくは推定された外力と、前記制御装置に予め設定された閾値と、を比較し、前記外力が前記閾値以下であるときには、前記ロボットアームと環境が非接触の状態であると判定し、前記外力が前記閾値を越えているときには、前記ロボットアームと環境が接触している状態であると判定するものである。

請求項３においては、前記制御装置によって、前記接触時摩擦力としては、前記操作力センサにより計測した操作力に比して大きい力が設定され、かつ、前記非接触時摩擦力としては、前記接触時摩擦力に比して十分に小さい力が設定されるものである。

請求項４においては、前記接触時摩擦力は、前記制御装置によって、前記操作力センサにより計測した操作力に定数を加算して求めるものである。

請求項５においては、操作者により操作される操作部位と、前記操作部位に加えられた操作力を計測する操作力センサと、前記操作部位を支持するロボットアームと、前記ロボットアームを駆動するアクチュエータと、前記ロボットアームが環境と接触した時に受ける力を計測する外力センサ、もしくは、前記ロボットアームが環境と接触した時に受ける力を推定する外力推定手段と、前記操作力センサと、前記ロボットアームと、前記アクチュエータと、前記外力センサもしくは前記外力推定手段と接続される制御装置と、を備えるパワーアシスト装置の制御方法であって、前記制御装置によって、前記ロボットアームが環境と接触しているか否かを判定する接触判定工程と、前記接触判定工程において、前記ロボットアームが環境と接触していないと判定された場合には、前記制御装置により前記ロボットアームに提示する仮想の摩擦力として所定の大きさの非接触時摩擦力を設定し、あるいは、前記接触判定工程において、前記ロボットアームが環境と接触していると判定され、かつ、前記操作力センサにより計測された操作力の向きと、前記外力センサもしくは外力推定手段によって計測もしくは推定された外力の向きとが一致する場合には、前記制御装置により前記ロボットアームに提示する仮想の摩擦力として前記非接触時摩擦力を設定し、あるいは、前記接触判定工程において、前記ロボットアームが環境と接触していると判定され、かつ、前記操作力センサにより計測された操作力の向きと、前記外力センサもしくは外力推定手段によって計測もしくは推定された外力の向きとが一致しない場合には、前記制御装置により前記ロボットアームに提示する仮想の摩擦力として前記非接触時摩擦力とは異なる接触時摩擦力を設定する仮想摩擦力設定工程と、前記制御装置によって、設定した前記非接触時摩擦力あるいは前記接触時摩擦力が前記操作部位に作用するように前記アクチュエータを制御する仮想摩擦力付与工程と、を備えるものである。

請求項６においては、前記接触判定工程は、前記制御装置によって、前記外力センサもしくは外力推定手段によって計測もしくは推定された外力と、前記制御装置に予め設定された閾値と、を比較し、前記外力が前記閾値以下であるときには、前記ロボットアームと環境が非接触の状態であると判定し、前記外力が前記閾値を越えているときには、前記ロボットアームと環境が接触している状態であると判定するものである。

請求項７においては、前記仮想摩擦力設定工程は、前記制御装置によって、前記接触時摩擦力としては、前記操作力センサにより計測した操作力に比して大きい力が設定され、かつ、前記非接触時摩擦力としては、前記接触時摩擦力に比して十分に小さい力が設定されるものである。

請求項８においては、前記接触時摩擦力は、前記制御装置によって、前記操作力センサにより計測した操作力に定数を加算して求めるものである。

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においては、ロボットアームと環境の接触状態に応じて、ロボットアームに提示する仮想摩擦力を適時修正することにより、発振現象の発生を防止することができる。

請求項２においては、ロボットアームと環境との接触状態を容易かつ適切に判定することができる。

請求項３においては、ロボットアームが環境と接触したときに、操作部位に対して操作者の操作力に比して大きい摩擦力が付与されるため、ロボットアームと環境が接触する向きには操作部位が変位せず、また、接触する向きと反対の向きには操作者の操作力に比して小さい摩擦力が付与されるため、ロボットアームが自由に変位でき、これにより、発振現象の発生を確実に防止することができる。

請求項４においては、接触時摩擦力を容易かつ適切に設定することができる。

請求項５においては、ロボットアームと環境の接触状態に応じて、ロボットアームに提示する仮想摩擦力を適時修正することにより、発振現象の発生を防止することができる。

請求項６においては、ロボットアームと環境との接触状態を容易かつ適切に判定することができる。

請求項７においては、ロボットアームが環境と接触したときに、操作部位に対して操作者の操作力に比して大きい摩擦力が付与されるため、ロボットアームが環境と接触する向きには操作部位が変位せず、また、接触する向きと反対の向きには操作者の操作力に比して小さい摩擦力が付与されるため、ロボットアームが自由に変位でき、これにより、発振現象の発生を確実に防止することができる。

請求項８においては、接触時摩擦力を容易かつ適切に設定することができる。

次に、発明の実施の形態を説明する。
まず始めに、本発明の一実施例に係るパワーアシスト装置１の全体構成について、図１を用いて説明をする。図１は本発明の一実施例に係る操作者によるロボットアームと環境との接触作業の状況を示す模式図である。
図１に示す如く、本発明の一実施例に係るパワーアシスト装置１は、ロボットアーム２、操作力センサ３、操作ハンドル４、アクチュエータ５、制御装置６等により構成している。

ロボットアーム２は、アクチュエータ５により支持されており、制御装置６からの指令に応じてアクチュエータ５を作動させることにより、種々の姿勢をとることができるロボット装置である。

ロボットアーム２の先端部には、操作力センサ３を介して操作ハンドル４が配設されており、該操作ハンドル４を操作者が把持してロボットアーム２を所望する位置に移動させることができる。また、その移動の際に操作者によって操作ハンドル４に加えられた操作力ｆ_ｍを操作力センサ３で検知するようにしている。

アクチュエータ５は、ロボットアーム２を支持し駆動するのみならず、ロボットアーム２の姿勢および動作速度を検知することができる。
また、本実施例では、アクチュエータ５は制御装置６と接続されており、アクチュエータ５により検知するロボットアーム２の姿勢情報および作動速度情報に基づいて、制御装置６によってロボットアーム２に作用する環境から受ける外力ｆ_ｅ（接触力）を推定する構成としている。つまり、アクチュエータ５と制御装置６によって、外力推定手段を構成している。
尚、本実施例では、環境から受ける外力ｆ_ｅとして推定値を算出して採用する構成としているが、外力検知用の操作力センサを別途備える構成とし、環境から受ける外力ｆ_ｅとして実際の測定値を採用する構成とすることも可能である。

さらに、制御装置６は前述した操作力センサ３とも接続されており、制御装置６には、操作力センサ３により検知する操作者の操作力ｆ_ｍと、アクチュエータ５により検知するロボットアーム２の姿勢情報および作動速度情報から求めた外力ｆ_ｅが入力される構成としている。

そして、ロボットアーム２が環境（例えば、障害物７）と接触するときには、操作者が加える操作力ｆ_ｍと障害物７からの外力ｆ_ｅが作用する。アドミッタンス制御では、この操作力ｆ_ｍと外力ｆ_ｅを検出または推定し、その検出値または推定値に基づいて、所望するインピーダンスを実現するように手先位置ｘ_ｄの目標位置（目標手先位置ｘ'_ｄ）を制御装置６によって演算し、随時目標手先位置ｘ'_ｄを更新しながら、その目標手先位置ｘ'_ｄにロボットアーム２の手先位置ｘ_ｄを移動させるようにロボットアーム２を駆動するアクチュエータ５を制御装置６によって制御する構成としている。

そして、図１に示すような状況では、操作力ｆ_ｍおよび外力ｆ_ｅを推定する（あるいは直接的に計測する）ことによって得る情報に基づいて、以下に示す数式１が成立する。

尚、ここでαはアシスト比を示しているが、以後の説明では簡単のためにα＝１とする。また、Ｍは慣性、Ｄは粘性を示している。

このように、制御装置６によって、複数の力（即ち、操作力ｆ_ｍおよび外力ｆ_ｅ）の情報を用いて手先位置ｘ_ｄの目標位置（目標手先位置ｘ'_ｄ）を計算する場合、操作力ｆ_ｍおよび外力ｆ_ｅの合力がゼロとなり均衡を保っていなければ、目標手先位置ｘ'_ｄを一定値に整定することができない。
また、各センサによる力の検出遅れや演算時間に起因する遅れ等もあいまって、目標手先位置ｘ'_ｄが発振してしまう。
本発明では、操作力ｆ_ｍと外力ｆ_ｅの状況に応じて、前記数式１の計算に用いる外力ｆ_ｅを仮想摩擦力Ｆに修正する制御方法を採用し、発振現象が発生することを防止するようにしている。

次に、本発明に係るアドミッタンス制御によるパワーアシスト装置の制御方法について、図２〜図４を用いて説明をする。図２は本発明の一実施例に係るアドミッタンス制御の制御フロー図、図３（ａ）は本発明の一実施例に係るロボットアームと環境の非接触状態（ｆ_ｅ＝０）を示す模式図、図３（ｂ）は本発明の一実施例に係るロボットアームと環境の非接触状態（ｆ_ｅ≦ｆ_ｓ）を示す模式図、図４（ａ）は本発明の一実施例に係るロボットアームと環境の接触状態（ｆ_ｅ＞ｆ_ｓ）を示す模式図、図４（ｂ）は本発明の一実施例に係るロボットアームと環境の接触状態における操作可能な向きを示す模式図である。

図２に示す如く、本発明の一実施例に係るパワーアシスト装置１の制御方法では、制御動作が開始されると、まず環境（例えば、障害物７）から受ける外力ｆ_ｅを計測、もしくは推定により求めるようにしている（Ｓ０１）。

（接触判定工程）
次に、（Ｓ０１）で求めた外力ｆ_ｅに基づいて、制御装置６によって条件判定をする（Ｓ０２）。
制御装置６には、予めロボットアーム２が障害物７と接触しているか否かを判定するための閾値として接触判定閾値ｆ_ｓを設定している。そして、この接触判定閾値ｆ_ｓと（Ｓ０１）で求めた外力ｆ_ｅを比較し、ｆ_ｅ＞ｆ_ｓを満たしていなければ（即ち、ｆ_ｅ≦ｆ_ｓであれば）、ロボットアーム２と障害物７は非接触の状態であると判定して、次のステップ（Ｓ０３）に遷移し、ｆ_ｅ＞ｆ_ｓを満たしていれば、ロボットアーム２が障害物７と接触していると判定して、次のステップ（Ｓ０４）に遷移するようにしている。

即ち、本発明の一実施例に係るパワーアシスト装置１では、制御装置６は、外力推定手段によって推定された外力ｆ_ｅと、制御装置６に予め設定された接触判定閾値ｆ_ｓと、を比較し、外力ｆ_ｅが接触判定閾値ｆ_ｓ以下であるときには、ロボットアーム２と環境が非接触の状態であると判定し、外力ｆ_ｅが接触判定閾値ｆ_ｓを越えているときには、ロボットアーム２と環境が接触している状態であると判定するようにしている。
これにより、ロボットアーム２と環境との接触状態を容易かつ適切に判定することができるのである。

（仮想摩擦力設定工程）
ロボットアーム２と障害物７が非接触の状態である場合には、制御装置６によって、ロボットアーム２に提示する仮想の摩擦力Ｆとして、非接触時摩擦力Ｆ_Ｌを設定するようにしている（Ｓ０３）。

図３（ａ）・（ｂ）に示す如く、ここで言う非接触の状態とは、図３（ａ）に示すような、ロボットアーム２が障害物７と完全に離間しており、外力ｆ_ｅが発生していない（即ち、ｆ_ｅ＝０）場合と、図３（ｂ）に示すような、ロボットアーム２が障害物７と接触しているが、外力ｆ_ｅが接触判定閾値ｆ_ｓを越えていない（即ち、ｆ_ｅ≦ｆ_ｓ）場合とを含んでいる。

非接触時摩擦力Ｆ_Ｌは、操作者の通常の操作力に比して小さい力が設定されるため、ロボットアーム２と障害物７が非接触の状態では、操作者は操作ハンドル４を操作することによって、所望する位置に自由にロボットアームの手先位置ｘ_ｄを変位させることができる。尚、操作者が操作ハンドル４を操作する際に全く抵抗感がないと、却って操作性が悪いと感じることになるため、ロボットアーム２と障害物７が非接触の状態においても、常に非接触時摩擦力Ｆ_Ｌが作用する構成とすることは、操作性の向上という観点においても好ましい。

ロボットアーム２と障害物７が接触している場合には、制御装置６によって、ロボットアーム２に提示する仮想の摩擦力Ｆが設定される（Ｓ０４）。
この場合、外力ｆ_ｅが作用する向きに応じて異なる摩擦力を設定するようにしており、外力ｆ_ｅが作用する向きへのロボットアーム２の操作に対しては、摩擦力Ｆとして、非接触時摩擦力Ｆ_Ｌを設定するようにしている（Ｓ０４−１）。

また、外力ｆ_ｅが作用する向き以外へのロボットアーム２の操作に対しては、摩擦力Ｆとして、接触時摩擦力Ｆ_Ｈを設定するようにしている（Ｓ０４−２）。
接触時摩擦力Ｆ_Ｈは、操作者の操作力ｆ_ｍに比して大きい力が設定される（即ち、ｆ_ｍ＜Ｆ_Ｈ）。例えば、以下の数式２によって求める構成としている。尚、Ｃは定数である。

即ち、本発明の一実施例に係るパワーアシスト装置１において、接触時摩擦力Ｆ_Ｈは、制御装置６によって、操作力センサ３により計測した操作力ｆ_ｍに定数（例えば、定数Ｃ）を加算して求める構成としている。
これにより、接触時摩擦力Ｆ_Ｈを容易かつ適切に設定することができるのである。
尚、接触時摩擦力Ｆ_Ｈは、操作者の操作力ｆ_ｍに比して大きい力を設定すればよいため、例えば、操作者の操作力ｆ_ｍに定数を乗じて求めることも可能である。

このように、非接触時摩擦力Ｆ_Ｌは、操作者の操作力ｆ_ｍに比して小さい力が設定され、かつ、接触時摩擦力Ｆ_Ｈは、操作者の操作力ｆ_ｍに比して大きい力が設定される構成とすることにより、非接触時摩擦力Ｆ_Ｌおよび接触時摩擦力Ｆ_Ｈは、Ｆ_Ｌ＜Ｆ_Ｈの関係が成り立つように設定される。

（仮想摩擦力付与工程）
そして、（Ｓ０３）または（Ｓ０４）で設定した各摩擦力Ｆに基づいて目標加速度Ａ_ｄを計算し（Ｓ０５）、さらに求めた目標加速度Ａ_ｄを時間積分して、目標速度Ｖ_ｄおよび目標手先位置ｘ'_ｄを計算し（Ｓ０６）、目標速度Ｖ_ｄおよび目標手先位置ｘ'_ｄとなるようにロボットアーム２を支持するアクチュエータ５の駆動を制御装置６によって制御するようにしている。尚、制御フロー中の各演算処理は制御装置６によって行う構成としている。このとき、目標加速度Ａ_ｄは、以下の数式３により求めている。

図３（ａ）・（ｂ）に示す如く、ロボットアーム２と障害物７が非接触の状態では、制御装置６によって、ロボットアーム２に提示する仮想の摩擦力Ｆとして、非接触時摩擦力Ｆ_Ｌを設定し、操作ハンドル４に対して非接触時摩擦力Ｆ_Ｌが作用するようにアクチュエータ５を制御するようにしている。
尚、本実施例では、説明の便宜上、図３（ａ）・（ｂ）中の上下左右の向きにのみ非接触時摩擦力Ｆ_Ｌが作用している表現としているが、実際には、操作ハンドル４を操作する全ての向きに対して非接触時摩擦力Ｆ_Ｌが作用するようにアクチュエータ５を制御するようにしている。

図４（ａ）に示す如く、ロボットアーム２と障害物７が接触している状態とは、ロボットアーム２が障害物７と接触しており、かつ、外力ｆ_ｅが接触判定閾値ｆ_ｓを越えている（即ち、ｆ_ｅ＞ｆ_ｓ）状態をいうものである。

図４（ｂ）に示す如く、ロボットアーム２と障害物７が接触している状態では、外力ｆ_ｅが作用する向きへのロボットアーム２の操作（即ち、図４（ｂ）における上向きへの操作）に対しては、制御装置６によって、操作ハンドル４に対して非接触時摩擦力Ｆ_Ｌが作用するようにアクチュエータ５を制御するようにしている。このため操作者は、図４（ｂ）における上向きへの操作は、非接触状態と同じ操作性でロボットアーム２の手先位置ｘ_ｄを変位させることができる。

これに対して、外力ｆ_ｅが作用する向き以外へのロボットアーム２の操作（即ち、図４（ｂ）における左右および下向きへの操作）に対しては、制御装置６によって、操作ハンドル４に対して接触時摩擦力Ｆ_Ｈが作用するようにアクチュエータ５を制御するようにしている。このため操作者が、図４（ｂ）における左右向きおよび下向きへの操作を行うと、操作ハンドル４には、操作者の操作力ｆ_ｍよりも大きい接触時摩擦力Ｆ_Ｈが作用するように制御されるため、操作者は図４（ｂ）における左右向きおよび下向きにはロボットアーム２の手先位置ｘ_ｄを変位させることができない。

このように、本発明の一実施例に係るパワーアシスト装置１の制御方法では、ロボットアーム２と障害物７が接触したときには、操作者がロボットアーム２を障害物７に対してさらに押圧する向きに変位させることができないように制御することによって、発振現象の発生を確実に防止するようにしている。
尚、本実施例では、説明の便宜上、図４（ａ）・（ｂ）中の下向きおよび左右向きにのみ接触時摩擦力Ｆ_Ｈが作用している表現としているが、実際には、上向き以外の操作ハンドル４を操作する全ての向きに対して接触時摩擦力Ｆ_Ｈが作用するようにアクチュエータ５を制御するようにしている。

即ち、本発明の一実施例に係るパワーアシスト装置１では、制御装置６によって、接触時摩擦力Ｆ_Ｈとしては、操作力センサ３により計測した操作力ｆ_ｍに比して大きい力が設定され、かつ、非接触時摩擦力Ｆ_Ｌとしては、接触時摩擦力Ｆ_Ｈに比して十分に小さい力が設定される構成としている。
具体的には、操作ハンドル４に対して非接触時摩擦力Ｆ_Ｌが作用した状態では、非接触状態と同じ操作性でロボットアーム２の手先位置ｘ_ｄを変位させることができるように構成するとともに、操作ハンドル４に対して接触時摩擦力Ｆ_Ｈが作用した状態では、ロボットアーム２が障害物７と接触する向きには操作ハンドル４を変位させることができないように構成している。
これにより、ロボットアーム２が環境と接触したときに、操作ハンドル４に対して操作者の操作力ｆ_ｍに比して大きい接触時摩擦力Ｆ_Ｈが付与されるため、ロボットアーム２が環境との接触する向きに向けて操作ハンドル４が変位せず、また、接触する向きと反対の向きには操作者の操作力ｆ_ｍに比して小さい非接触時摩擦力Ｆ_Ｌが付与されるため、ロボットアーム２が自由に変位でき、これにより、発振現象の発生を確実に防止することができるのである。

また、本発明の一実施例に係るパワーアシスト装置１は、操作者により操作される操作部位たる操作ハンドル４と、操作ハンドル４に加えられた操作力ｆ_ｍを計測する操作力センサ３と、操作ハンドル４を支持するロボットアーム２と、ロボットアーム２を駆動するアクチュエータ５と、ロボットアーム２が環境と接触した時に受ける外力を推定する外力推定手段（アクチュエータ５および制御装置６）と、操作力センサ３と、ロボットアーム２と、アクチュエータ５と、外力推定手段と接続される制御装置６と、を備えるパワーアシスト装置１であって、制御装置６によって、ロボットアーム２が環境と接触していない場合には、ロボットアーム２に提示する仮想の摩擦力Ｆとして非接触時摩擦力Ｆ_Ｌを設定し、非接触時摩擦力Ｆ_Ｌが操作ハンドル４に作用するようにアクチュエータ５を制御し、あるいは、制御装置６によって、ロボットアーム２が環境と接触している場合であって、操作力センサ３により計測された操作力ｆ_ｍの向きと、外力推定手段によって推定された外力ｆ_ｅの向きと、が一致する場合には、ロボットアーム２に提示する仮想の摩擦力Ｆとして、非接触時摩擦力Ｆ_Ｌを設定し、非接触時摩擦力Ｆ_Ｌが操作ハンドル４に作用するようにアクチュエータ５を制御し、あるいは、制御装置６によって、ロボットアーム２が環境と接触している場合であって、操作力センサ３により計測された操作力ｆ_ｍの向きと、外力推定手段によって推定された外力ｆ_ｅの向きと、が一致しない場合には、ロボットアーム２に提示する仮想の摩擦力Ｆとして接触時摩擦力Ｆ_Ｈを設定し、制御装置６によって、接触時摩擦力Ｆ_Ｈが操作ハンドル４に作用するようにアクチュエータ５を制御する構成としている。

さらに、本発明の一実施例に係るパワーアシスト装置の制御方法では、制御装置６によって、ロボットアーム２が環境と接触しているか否かを判定する接触判定工程と、ロボットアーム２が環境と接触していない場合には、ロボットアーム２に提示する仮想の摩擦力Ｆとして非接触時摩擦力Ｆ_Ｌを設定し、あるいは、制御装置６によって、ロボットアーム２が環境と接触している場合であって、操作力センサ３により計測された操作力ｆ_ｍの向きと外力推定手段によって推定された外力ｆ_ｅの向きと、が一致する場合には、ロボットアーム２に提示する仮想の摩擦力Ｆとして、非接触時摩擦力Ｆ_Ｌを設定し、あるいは、制御装置６によって、ロボットアーム２が環境と接触している場合であって、操作力センサ３により計測された操作力ｆ_ｍの向きと外力推定手段によって推定された外力ｆ_ｅの向きと、が一致しない場合には、ロボットアーム２に提示する仮想の摩擦力Ｆとして接触時摩擦力Ｆ_Ｈを設定する仮想摩擦力設定工程と、制御装置６によって、設定した非接触時摩擦力Ｆ_Ｌあるいは接触時摩擦力Ｆ_Ｈが操作ハンドル４に作用するようにアクチュエータ５制御する仮想摩擦力付与工程と、を備えている。

このような構成とすることにより、ロボットアーム２と環境との接触状態に応じて、ロボットアーム２に提示する仮想の摩擦力Ｆを適時修正することにより、発振現象の発生を防止することができるのである。

本発明の一実施例に係る操作者によるロボットアームと環境との接触作業の状況を示す模式図。 本発明の一実施例に係るアドミッタンス制御の制御フロー図。 （ａ）本発明の一実施例に係るロボットアームと環境の非接触状態（ｆ_ｅ＝０）を示す模式図、（ｂ）本発明の一実施例に係るロボットアームと環境の非接触状態（ｆ_ｅ≦ｆ_ｓ）を示す模式図。 （ａ）本発明の一実施例に係るロボットアームと環境の接触状態（ｆ_ｅ＞ｆ_ｓ）を示す模式図、（ｂ）本発明の一実施例に係るロボットアームと環境の接触状態における操作可能な向きを示す模式図。

符号の説明

１ パワーアシスト装置
２ ロボットアーム
３ 操作力センサ
４ 操作ハンドル
５ アクチュエータ
６ 制御装置
ｆ_ｍ 操作力
ｆ_ｅ 外力
Ｆ_Ｌ 非接触時摩擦力
Ｆ_Ｈ 接触時摩擦力

Claims (8)

1. 操作者により操作される操作部位と、
   前記操作部位に加えられた操作力を計測する操作力センサと、
   前記操作部位を支持するロボットアームと、
   前記ロボットアームを駆動するアクチュエータと、
   前記ロボットアームが環境と接触した時に受ける外力を計測する外力センサ、もしくは、前記ロボットアームが環境と接触した時に受ける外力を推定する外力推定手段と、
   前記操作力センサと、前記ロボットアームと、前記アクチュエータと、前記外力センサもしくは前記外力推定手段と接続される制御装置と、
   を備えるパワーアシスト装置であって、
   前記制御装置は、
   前記ロボットアームが環境と接触していない場合には、
   前記ロボットアームに提示する仮想の摩擦力として所定の大きさの非接触時摩擦力を設定し、
   該非接触時摩擦力が前記操作部位に作用するように前記アクチュエータを制御し、
   あるいは、
   前記ロボットアームが環境と接触している場合であって、
   前記操作力センサにより計測された操作力の向きと、
   前記外力センサもしくは外力推定手段によって計測もしくは推定された外力の向きと、
   が一致する場合には、
   前記ロボットアームに提示する仮想の摩擦力として、
   前記非接触時摩擦力を設定し、
   該非接触時摩擦力が前記操作部位に作用するように前記アクチュエータを制御し、
   あるいは、
   前記ロボットアームが環境と接触している場合であって、
   前記操作力センサにより計測された操作力の向きと、
   前記外力センサもしくは外力推定手段によって計測もしくは推定された外力の向きと、
   が一致しない場合には、
   前記ロボットアームに提示する仮想の摩擦力として前記非接触時摩擦力とは異なる接触時摩擦力を設定し、
   前記制御装置によって、
   該接触時摩擦力が前記操作部位に作用するように前記アクチュエータを制御する、
   ことを特徴とするパワーアシスト装置。
2. 前記制御装置は、
   前記外力センサもしくは外力推定手段によって計測もしくは推定された外力と、
   前記制御装置に予め設定された閾値と、を比較し、
   前記外力が前記閾値以下であるときには、
   前記ロボットアームと環境が非接触の状態であると判定し、
   前記外力が前記閾値を越えているときには、
   前記ロボットアームと環境が接触している状態であると判定する、
   ことを特徴とする請求項１記載のパワーアシスト装置。
3. 前記制御装置によって、
   前記接触時摩擦力としては、
   前記操作力センサにより計測した操作力に比して大きい力が設定され、かつ、
   前記非接触時摩擦力としては、
   前記接触時摩擦力に比して十分に小さい力が設定される、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載のパワーアシスト装置。
4. 前記接触時摩擦力は、
   前記制御装置によって、
   前記操作力センサにより計測した操作力に定数を加算して求める、
   ことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか一項に記載のパワーアシスト装置。
5. 操作者により操作される操作部位と、
   前記操作部位に加えられた操作力を計測する操作力センサと、
   前記操作部位を支持するロボットアームと、
   前記ロボットアームを駆動するアクチュエータと、
   前記ロボットアームが環境と接触した時に受ける力を計測する外力センサ、もしくは、前記ロボットアームが環境と接触した時に受ける力を推定する外力推定手段と、
   前記操作力センサと、前記ロボットアームと、前記アクチュエータと、前記外力センサもしくは前記外力推定手段と接続される制御装置と、
   を備えるパワーアシスト装置の制御方法であって、
   前記制御装置によって、前記ロボットアームが環境と接触しているか否かを判定する接触判定工程と、
   前記接触判定工程において、前記ロボットアームが環境と接触していないと判定された場合には、前記制御装置により前記ロボットアームに提示する仮想の摩擦力として所定の大きさの非接触時摩擦力を設定し、
   あるいは、
   前記接触判定工程において、前記ロボットアームが環境と接触していると判定され、かつ、前記操作力センサにより計測された操作力の向きと、前記外力センサもしくは外力推定手段によって計測もしくは推定された外力の向きとが一致する場合には、前記制御装置により前記ロボットアームに提示する仮想の摩擦力として前記非接触時摩擦力を設定し、
   あるいは、
   前記接触判定工程において、前記ロボットアームが環境と接触していると判定され、かつ、前記操作力センサにより計測された操作力の向きと、前記外力センサもしくは外力推定手段によって計測もしくは推定された外力の向きとが一致しない場合には、前記制御装置により前記ロボットアームに提示する仮想の摩擦力として前記非接触時摩擦力とは異なる接触時摩擦力を設定する仮想摩擦力設定工程と、
   前記制御装置によって、設定した前記非接触時摩擦力あるいは前記接触時摩擦力が前記操作部位に作用するように前記アクチュエータを制御する仮想摩擦力付与工程と、
   を備える、
   ことを特徴とするパワーアシスト装置の制御方法。
6. 前記接触判定工程は、
   前記制御装置によって、
   前記外力センサもしくは外力推定手段によって計測もしくは推定された外力と、
   前記制御装置に予め設定された閾値と、を比較し、
   前記外力が前記閾値以下であるときには、
   前記ロボットアームと環境が非接触の状態であると判定し、
   前記外力が前記閾値を越えているときには、
   前記ロボットアームと環境が接触している状態であると判定する、
   ことを特徴とする請求項５記載のパワーアシスト装置の制御方法。
7. 前記仮想摩擦力設定工程は、
   前記制御装置によって、
   前記接触時摩擦力としては、
   前記操作力センサにより計測した操作力に比して大きい力が設定され、かつ、
   前記非接触時摩擦力としては、
   前記接触時摩擦力に比して十分に小さい力が設定される、
   ことを特徴とする請求項５または請求項６の何れかに記載のパワーアシスト装置の制御方法。
8. 前記接触時摩擦力は、
   前記制御装置によって、
   前記操作力センサにより計測した操作力に定数を加算して求める、
   ことを特徴とする請求項５〜請求項７の何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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