JP2017077600A - マニピュレータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ユーザーが直接触れて外力を与えてマニピュレータ装置を動かす際、マニピュレータ装置の所定箇所が周囲の物体に衝突してしまう事態を抑制する。
【解決手段】少なくとも１つの関節部と、前記関節部を動作させるための駆動力を出力する駆動手段と、所定の動作命令に従って前記駆動手段を制御する駆動制御手段とを有するマニピュレータ装置であって、当該マニピュレータ装置上の所定箇所が位置することを禁止する禁止位置を特定するための禁止位置特定情報を取得する禁止位置特定情報取得手段と、前記所定箇所の位置を検知する位置検知手段と、当該マニピュレータ装置が受けた外力を検知する外力検知手段と、前記外力検知手段が外力を検知したとき、前記位置検知手段の検知結果に基づいて、前記所定箇所が前記禁止位置へ移動することを阻害する移動阻害手段とを有する。
【選択図】図７

Description

本発明はマニピュレータ装置に関するものである。

従来、少なくとも１つの関節部を備え、駆動手段により関節部を動作させることで所定の作業を行うマニピュレータ装置が知られている。

例えば、特許文献１には、アームに設けられた把持部（エンドエフェクタ）で把持対象物を把持して位置決めや運搬を行うマニピュレータ装置が開示されている。このマニピュレータ装置は、把持対象物の形状や寸法が未知であっても、その把持対象物が周囲の物や人に接触するのを回避するために、把持部周辺の画像を複数取得し、取得した複数の画像から把持対象物の形状や寸法を検出する。

マニピュレータ装置に所定の作業を行わせるためには、マニピュレータ装置に対して当該作業を教示する必要がある。その教示の方法としては、ユーザーがマニピュレータ装置に直接触れて外力を与えることによりマニピュレータ装置を動かし、マニピュレータ装置に作業を教示する方法が挙げられる。この教示方法は、マニピュレータ装置に作業を教示するための特別な知識が不要であるというメリットがある。ところが、この教示方法においては、ユーザーが直接触れてマニピュレータ装置を動かしたとき、マニピュレータ装置上の所定箇所（例えばエンドエフェクタの箇所）が周囲の物体に衝突するなどの問題が発生することがある。

上述した課題を解決するために、本発明は、少なくとも１つの関節部と、前記関節部を動作させるための駆動力を出力する駆動手段と、所定の動作命令に従って前記駆動手段を制御する駆動制御手段とを有するマニピュレータ装置であって、当該マニピュレータ装置上の所定箇所が位置することを禁止する禁止位置を特定するための禁止位置特定情報を取得する禁止位置特定情報取得手段と、前記所定箇所の位置を検知する位置検知手段と、当該マニピュレータ装置が受けた外力を検知する外力検知手段と、前記外力検知手段が外力を検知したとき、前記位置検知手段の検知結果に基づいて、前記所定箇所が前記禁止位置へ移動することを阻害する移動阻害手段とを有することを特徴とする。

本発明によれば、ユーザーが直接触れて外力を与えてマニピュレータ装置を動かす際、マニピュレータ装置の所定箇所が周囲の物体に衝突してしまう事態を抑制できるという優れた効果が奏される。

実施形態におけるロボットアームシステムを上方から見たときの構成を説明するための説明図である。 同ロボットアームシステムを側方から見たときの説明図である。 同ロボットアームシステムの駆動制御装置のブロック図である。 同ロボットアームシステムを操作したり作業を教示したりするユーザーが操作する操作部を示す説明図である。 同ロボットアームシステムのマニピュレータ装置の第二アーム先端部に発生させる力Ｆと、各アームを回動させる各関節軸のトルクとの関係を説明するための説明図である。 アシスト制御例１の制御ブロック図である。 アシスト制御例１におけるアシスト制御の流れを示すフローチャートである。 アシスト制御例１における変形例を示す制御ブロック図である。 アシスト制御例１のアシスト制御による、ユーザーが付与した操作力とモータに入力されるモータ電流値との関係を示すグラフである。 マニピュレータ装置に取り付けられた検査用カメラと検査対象物とを示す拡大図である。 アシスト制御例２の制御ブロック図である。 アシスト制御例２におけるアシスト制御の流れを示すフローチャートである。 アシスト制御例１のアシスト制御による、ユーザーが付与した操作力と操作力指令値との関係を示すグラフである。 アシスト制御例２における変形例を示す制御ブロック図である。 （ａ）は、アシスト制御例２において、マニピュレータ装置の所定箇所が地点Ｐから地点Ｐ’へ移動するように、ユーザーの操作力によってマニピュレータ装置を動かす例を示す説明図である。（ｂ）は、同図（ａ）に示すようにマニピュレータ装置を動かしたときの操作力の変化を示すグラフである。 アシスト制御例３のアシスト制御による、ユーザーが付与した操作力と操作力指令値との関係を示すグラフである。 アシスト制御例４の制御ブロック図である。 アシスト制御例４における変形例を示す制御ブロック図である。 アシスト制御例５の内容を説明するための説明図である。 アシスト制御例５におけるアシスト制御の流れを示すフローチャートである。 稼働エリアの設定例を示す説明図である。

以下、本発明に係るマニピュレータ装置をロボットアームシステムに適用した一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態におけるロボットアームシステム２００を上方から見たときの構成を説明するための説明図である。
図２は、本実施形態におけるロボットアームシステム２００を側方から見たときの説明図である。

本実施形態のロボットアームシステム２００は、２つの関節部を備えた２自由度のマニピュレータ装置１００が回転ステージ上の台に取り付けられたものである。回転ステージは、回転ステージ用の駆動源の駆動力によって、鉛直方向（ｚ軸方向）に沿った回転軸回りを回転する。マニピュレータ装置１００の先端（アーム１０１の先端側端部）には、使用目的に応じて、ピッキングハンド、エアーチャック、カメラなどのエンドエフェクタが取り付けられる。本実施形態のロボットアームシステム２００は、エンドエフェクタとして検査用カメラ３００を取り付け、検査対象物５００の表面を検査用カメラ３００で撮像して、その表面の傷を検査するものである。本実施形態では、２つの関節部の動作によって、検査用カメラ３００を、検査対象物５００の上面に対して平行なｘ軸方向と、検査対象物５００の上面に対して接離方向であるｚ軸方向とに移動させることができる。なお、本実施形態では、２つの関節部を有するマニピュレータ装置を例に挙げて説明するが、関節部の数は任意である。

マニピュレータ装置１００の第一関節部に位置する第一関節軸１０２は、台座２０２に回転可能に支持されている。この第一関節軸１０２には第一アーム１０１の後端部が取り付けられている。また、この第一関節軸１０２には、第一減速機構１０３を介して駆動手段としての第一モータ１０４が取り付けられている。また、第一関節軸１０２には、第一モータ１０４の回転量（回転情報）を計測するための第一モータ用エンコーダ１０５が取り付けられている。第一関節軸１０２は、第一モータ１０４の駆動力により軸回転し、これにより第一関節軸１０２に取り付けられた第一アーム１０１が第一関節軸１０２を中心に回動する。

また、マニピュレータ装置１００の第二関節部に位置する第二関節軸１１２は、第一アーム１０１の先端部に回転可能に取り付けられている。この第二関節軸１１２には第二アーム１１１の後端部が取り付けられている。また、この第二関節軸１１２には、第二減速機構１１３を介して駆動手段としての第二モータ１１４が取り付けられている。また、第二関節軸１１２には、第二モータ１１４の回転量（回転情報）を計測するための第二モータ用エンコーダ１１５が取り付けられている。第二関節軸１１２は、第二モータ１１４の駆動力により軸回転し、これにより第二関節軸１１２に取り付けられた第二アーム１１１が第二関節軸１１２を中心に回動する。

図３は、本実施形態のロボットアームシステム２００の駆動制御装置のブロック図である。
ロボットアームシステム２００は、ロボットアーム本体２０３、電源部２０５、ホストコントローラ２０４等から構成されている。例えば、ロボットアームシステム２００の制御に画像情報が必要な場合には、ホストコントローラ２０４に画像入力装置２０６が接続されることもある。なお、電源部２０５、ホストコントローラ２０４、画像入力装置２０６は、ロボットアーム本体２０３に対して別体であってもよいが、ロボットアーム本体２０３内に実装されたスタンドアローン型の構成としてもよい。

次に、ロボットアームシステム２００に動作について説明する。
ロボットアームシステム２００の動作制御は、演算処理部であるＣＰＵを備えた制御部２１０によって行われる。ホストコントローラ２０４と制御部２１０との間は通信網２０７によって接続されている。この通信網２０７からは、駆動制御に必要な各種パラメータ、エンドエフェクタである検査用カメラ３００（制御対象部位）を目標位置まで移動させるための動作命令（目標移動位置情報等）、検査用カメラ３００（所定箇所）が移動することを禁止する移動禁止位置を特定するための移動禁止位置特定情報などが制御部２１０へ送信される。また、制御部２１０には、外力検知手段としての外力検知部２２０Ａや位置検知手段としてのステレオカメラ３０１等を含む各種センサ２２０やスイッチ２２１からの信号や情報も入力され、これらの信号や情報をもとにロボットアームシステム２００の稼働エリアの制限、緊急停止等の処理が実行される。

マニピュレータ装置１００の各関節部の動作は、モータ１０４，１１４をそれぞれ駆動制御することによって実現される。モータ１０４，１１４の駆動情報は、モータ用エンコーダ１０５，１１５からの信号が駆動情報検出部２３２，２３４にそれぞれ入力され、回転量（回転角度）、回転速度、回転加速度といった回転情報に変換されて、制御部２１０内の駆動制御部２１３に入力される。駆動制御部２１３は、これらの回転情報及びホストコントローラ２０４から指令される目標移動位置情報（動作命令）に基づいて目標駆動プロファイルを生成し、その目標駆動プロファイルに沿って各モータ１０４，１１４が駆動されるように、モータドライバ２３１，２３３へ駆動指令を出す。

電源部２０５は、駆動制御部２１３から遮断の指示を受けることができ、駆動制御部２１３は必要に応じて自身を含めてロボットアームシステムを構成する各部への電源供給を停止できる。電源供給の再開は、ホストコントローラ２０４からの指示やユーザーによる外部からの操作に基づいて行うことができる。

駆動制御部２１３は、動作命令を受け付けて目標駆動プロファイルを生成したら、その目標駆動プロファイルに沿って各モータ１０４，１１４を駆動する。そして、各エンコーダ１０５，１１５を監視することで各関節部の回転角度（アーム１０１，１１１の姿勢）を把握しながら、目標駆動プロファイルに従って各モータ１０４，１１４を駆動し、最終的に動作命令に係る目標位置へ検査用カメラ３００（所定箇所）を移動させる。

図４は、本ロボットアームシステム２００を操作したり作業を教示したりするユーザーが操作する操作入力手段としての操作部４００を示す説明図である。
本ロボットアームシステム２００の操作部４００は、タッチパネル４０１、テンキー４０２、実行ボタン４０３、電源ボタン４０４、緊急停止ボタン４０５等から構成されている。タッチパネル４０１には、例えば、現在のマニピュレータ装置１００の位置や姿勢が３Ｄモデルで映し出されたり、ユーザーに対する操作手順の説明が表示されたりする。後述する作業の教示（ティーチング）により動作命令を作成した後、実行ボタン４０３を押下することにより、本ロボットアームシステム２００が当該動作命令に従って作業を開始する。

図５は、マニピュレータ装置１００の制御対象部位である検査用カメラ３００すなわち第二アーム１１１の先端部に発生させる力Ｆと、各アーム１０１，１１１を回動させる各関節軸１０２，１１２のトルクとの関係を説明するための説明図である。
なお、図５において、「Ｉｉ」は慣性モーメントであり、「Ｌｉ」は回転軸間のアーム長であり、「ｍｉ」はアームの質量であり、「θｉ」はアームの回転角度であり、「τｉ」は回転軸トルクであり、「ｒｉ」は回転軸とアームの質量中心との距離であり、「ｇ」は重力加速度（ｙ軸負方向）であり、「ｉ」は、関節部の種別である。本実施形態では、２つの関節部をもつマニピュレータ装置１００であるため、ｉ＝１、２である。

まず、鉛直方向に平行なｚ軸と水平方向に平行なｘ軸とからなるｘｚ平面上でマニピュレータ装置１００が動作するときの回転軸トルクの運動方程式を考える。
一般に、回転軸トルクの運動方程式は、下記の式（１）で与えられる。なお、下記の式（１）中の「ｑ」は一般化座標を示し、下記の式（２）に示されるものである。

前記式（１）において、左辺第一項は慣性力であり、左辺第二項は遠心力及びコリオリ力であり、左辺第三項は重力項である。本実施形態のマニピュレータ装置１００に対して前記式（１）に示す運動方程式を当てはめると、その回転軸トルクの運動方程式は、下記の式（３）のように表すことができる。

前記式（３）を用いることで、マニピュレータ装置１００の動作中に、第一関節軸１０２及び第二関節軸１１２にかかるトルクτｉを推定することができる。機械構成、減速機構１０３，１１３、剛性、粘性、摩擦などを考慮することにより、トルクτｉをより高い精度で推定することが可能である。

このようにして得られるトルクτｉと、マニピュレータ装置１００の制御対象部位である検査用カメラ３００すなわち第二アーム１１１の先端部に発生させる力Ｆとの関係は、下記の式（４）及び（５）に示すとおりである。

なお、前記式（４）及び（５）中の「Ｊ」はヤコビ行列を示す。本実施形態のマニピュレータ装置１００のような２つの関節部をもつマニピュレータ装置の場合、ヤコビ行列Ｊは下記の式（６）に示すものとなる。

前記式（６）を前記式（５）に当てはめることで、下記の式（７）が得られる。この式（７）より、マニピュレータ装置１００の制御対象部位である検査用カメラ３００すなわち第二アーム１１１の先端部に発生させる力Ｆを求めることができる。

〔アシスト制御例１〕
次に、ユーザーがマニピュレータ装置１００に直接触れて外力（操作力）を付与することにより作業を教示する直接教示（ダイレクトティーチング）の際に、ユーザーの操作を補助するアシスト制御の一例（アシスト制御例１）について説明する。

図６は、本アシスト制御例１の制御ブロック図である。
図７は、本アシスト制御例１におけるアシスト制御の流れを示すフローチャートである。
ユーザーがマニピュレータ装置１００への直接教示を行う際、検査用カメラ３００（所定箇所）を目標位置まで移動させるためにユーザーがマニピュレータ装置１００に与えた操作力（外力）が、マニピュレータ装置１００に設けられた外力検知手段としての外力検知部２２０Ａによって検知される。本実施形態の外力検知部２２０Ａは、関節軸１０２，１１２とアーム１０１，１１１との連結箇所等に設置される力覚センサ（例えば６軸力覚センサ）を用い、ユーザーがマニピュレータ装置１００に対してどの方向にどのくらいの大きさの操作力を加えたかを直接的に検知するものである。

ただし、外力検知手段は、力覚センサを用いた外力検知部２２０Ａのように、ユーザーがマニピュレータ装置１００に対して与えた操作力を直接的に検知する手段に限られない。例えば、ユーザーがマニピュレータ装置１００に対して与えた操作力は、モータ電流検知手段（動き検知手段）などを用いて把握されるモータ１０４，１１４への入力トルクや、モータ用エンコーダ１０５，１１５（動き検知手段）の検知結果から把握されるモータ１０４，１１４の回転量などの情報に基づき、上述した運動方程式を用いることで推定することが可能である。したがって、図８に示すように、外力検知部２２０Ａに代えて、これらの情報から、ユーザーがマニピュレータ装置１００に対して与えた操作力を推定する外力推定部２２０Ｂを用い、ユーザーがマニピュレータ装置１００に対して与えた操作力を関節的に検知してもよい。このとき、更に、摩擦、粘性、剛性などを考慮した推定を行うことにより、より高い精度で操作力を推定することができる。なお、モータ１０４，１１４への入力トルクは、モータへ入力されるモータ電流値に所定のトルク定数５０２を乗じることにより推定することができる。

本アシスト制御例１のアシスト制御では、制御部２１０により、外力検知部２２０Ａが検知したユーザーの操作力に応じて、その操作力が軽減されるように各関節部のモータ１０４，１１４を制御する。詳しくは、ユーザーが操作部４００を操作するなどして直接教示を開始する旨の指示操作が入力されると（Ｓ２）、外力検知部２２０Ａが検知したユーザーの操作力に応じ、その操作力と同じ向きにマニピュレータ装置１００を動かすための駆動力が発生するように、各関節部のモータ１０４，１１４を制御する。具体的には、外力検知部２２０Ａでユーザーの操作力が検知されたとき（Ｓ３のＹｅｓ）、その操作力の検知結果が操作力指令値として、駆動指令生成部５０１に入力される。

駆動指令生成部５０１では、その操作力指令値に基づき、その操作力と同じ向きにマニピュレータ装置１００を動かすための駆動指令を生成して出力する（Ｓ４）。駆動指令生成部５０１は、入力される操作力指令値が過剰な変動を抑制するためにＰＩＤ制御を実施するものでもよい。生成された駆動指令がモータドライバ２３１，２３３にそれぞれ入力されると、各モータ１０４，１１４に対して駆動指令に応じたモータ電流が入力され、各モータ１０４，１１４が駆動する（Ｓ５）。これにより、ユーザーが付与した操作力と同じ向きにマニピュレータ装置１００が動き、ユーザーの操作力が軽減される。その結果、ユーザーは小さい操作力でマニピュレータ装置１００を動かすことができ、直接教示におけるユーザーの作業負担が軽減される。

図９は、本アシスト制御例１のアシスト制御による、ユーザーが付与した操作力とモータ１０４，１１４に入力されるモータ電流値との関係を示すグラフである。
本アシスト制御例１では、図９に示すように、ユーザーが大きな操作力でマニピュレータ装置１００を動かすほど、その操作力と同じ向きにマニピュレータ装置１００を動かすモータ１０４，１１４に入力されるモータ電流値が大きくなる。これにより、ユーザーは一定範囲内の小さな操作力でマニピュレータ装置１００を動かすことができる。

ここで、本実施形態のロボットアームシステム２００は、図１０に示すように、エンドエフェクタとして検査用カメラ３００を取り付け、検査対象物５００の上面を検査用カメラ３００で撮像し、その上面の傷の有無を検査するものである。このロボットアームシステム２００では、適切な検査を行うためには、検査対象物５００の上面（被検査面）と検査用カメラ３００との間を目標距離に維持して撮影することが重要である。しかしながら、検査対象物５００の種類ごとに検査対象物５００と検査用カメラ３００との相対位置が変わるような場合、例えば、検査対象物５００の種類ごとに検査対象物５００の形状や寸法などが異なる場合には、検査対象物５００の種類が変更されるたびに、ユーザーが直接教示（ダイレクトティーチング）を行う必要がある。すなわち、検査対象物５００の種類が変更されるたびに、ユーザーは、その検査対象物５００の表面に対して目標距離だけ離れた位置（目標位置）に所定箇所である検査用カメラ３００（具体的には検査用カメラ３００上の図１０中のＰ点）が位置するように、マニピュレータ装置１００に直接触れて操作力を付与し、作業を教示する必要がある。

このような直接教示を行う場合、ユーザーが直接触れてマニピュレータ装置を動かしたときに、検査用カメラ３００を検査対象物５００に近付けすぎて、検査用カメラ３００が検査対象物５００に衝突してしまうおそれがある。特に、本アシスト制御例１では、上述したように、ユーザーの操作力を軽減するためのアシスト制御を実施しているため、検査用カメラ３００が検査対象物５００に衝突してしまうおそれが高い。

そこで、本アシスト制御例１においては、図１０に示すように、検査用カメラ３００と連動して移動する箇所、具体的には、検査用カメラ３００と一体で移動する箇所に、位置検知手段としての撮像手段であるステレオカメラ３０１を設けている。ステレオカメラ３０１は、２台のカメラを使って同じ撮像領域を異なる方向から撮像する。ステレオカメラ３０１内には、それぞれのカメラで撮像した２つの撮像画像から得られる視差情報（距離情報）を演算する演算部が備わっており、その視差情報を取得することにより、撮像領域内の対象物（例えば最近接物）までの距離を測定することができる。したがって、ユーザーが直接触れてマニピュレータ装置を動かし、検査用カメラ３００を検査対象物５００に近付けたとき、ステレオカメラ３０１から出力される視差情報に基づき、検査用カメラ３００と検査対象物５００との距離（検査対象物５００に対する検査用カメラ３００の相対位置）を得ることができる。

ステレオカメラ３０１から出力される視差情報（距離情報）は、制御部２１０に入力される。制御部２１０には、予め、禁止位置特定情報取得手段としての操作部４００をユーザーが操作するなどして、検査用カメラ３００が位置することを禁止する禁止位置を特定するための禁止位置特定情報が入力される。本アシスト制御例１における禁止位置は、検査用カメラ３００と検査対象物５００の上面（対象物体）との距離が所定の接近禁止距離未満となる位置である。

ユーザーが操作部４００を操作するなどして接近禁止距離を設定すると（Ｓ１）、制御部２１０は、その接近禁止距離を禁止位置特定情報として取得し、ステレオカメラ３０１の視差情報から得られる検査用カメラ３００と検査対象物５００との距離が当該接近禁止距離未満になるときに（Ｓ６，Ｓ７のＹｅｓ）、検査用カメラ３００が検査対象物５００に近づく向きへの移動が阻害されるような移動阻害制御を実施する（Ｓ８）。

本アシスト制御例１における移動阻害制御は、例えば、検査用カメラ３００が検査対象物５００に近づく向きへの移動が特定の関節部のみの回動によって行われる場合には、当該特定の関節部の回動を規制する制御を用いることができる。その際の規制手段としては、関節部の関節軸を回転不能にするロック機構や、関節部の関節軸の回転を制動するブレーキ機構などを用いることができる。このとき、当該特定の関節部以外の関節部の回動については規制しないことが好ましい。これにより、ユーザーは、検査用カメラ３００が接近禁止距離まで検査対象物５００の上面に近づくことを規制された状態で、マニピュレータ装置１００を動かし、検査用カメラ３００を検査対象物５００の上面に平行な方向へ移動させることが可能となる。その結果、検査用カメラ３００を検査対象物５００に衝突させることなく、検査用カメラ３００を目標位置に位置させることができ、適切かつ迅速なダイレクトティーチングが可能となる。

また、移動阻害制御は、例えば、関節部を駆動するモータを制御することによっても実現できる。具体的には、例えば、制御部２１０は、検査用カメラ３００と検査対象物５００との距離が接近禁止距離未満になるときには、外力検知部２２０Ａが検知したユーザーの操作力が増大するように、又は、外力検知部２２０Ａが検知したユーザーの操作力の向きへの動作が禁止されるように、各関節部のモータ１０４，１１４を制御する。このとき、外力検知部２２０Ａが検知したユーザーの操作力のうち、検査用カメラ３００が検査対象物５００に近づく向きへの分力のみが増大するように、又は、その向きのみの動作が禁止されるように、各関節部のモータ１０４，１１４を制御するのが好ましい。これにより、ユーザーは、検査用カメラ３００が接近禁止距離まで検査対象物５００の上面に近づくことを規制された状態で、マニピュレータ装置１００を動かし、検査用カメラ３００を検査対象物５００の上面に平行な方向へ移動させることが可能となる。その結果、検査用カメラ３００を検査対象物５００に衝突させることなく、検査用カメラ３００を目標位置に位置させることができ、適切かつ迅速なダイレクトティーチングが可能となる。

検査対象物５００の上面に一致するｘ−ｙ平面を定義し、かつ、そのｘ軸及びｙ軸に直交するｚ軸を定義して、各関節部のモータ１０４，１１４の駆動制御を実施する場合、移動阻害制御は、検査用カメラ３００の位置Ｐのｚ軸座標が、設定された接近禁止距離に相当する値になったとき、その値で一定となるように移動阻害制御を行ってもよい。

なお、本アシスト制御例１では、位置検知手段として、ステレオカメラ３０１を用いる例であるが、これに限らず、例えば、検査用カメラ３００と連動して移動する箇所に、レーザ変位センサ等の測距手段を設け、その検知結果に基づいて検査対象物５００の上面に対する検査用カメラ３００の相対位置を検知するものであってもよい。レーザ変位センサは、一般に高精度な測定が可能である。一方、ステレオカメラ３０１は一般に安価で位置検知手段を実現できる。また、位置検知手段は、検査対象物５００の上面に対する検査用カメラ３００の相対位置を検知するものに限らず、検査用カメラ３００の絶対位置を検知するものであってもよい。また、ステレオカメラ３０１の設置位置は、マニピュレータ装置１００の先端部分に限らず、例えば、監視カメラのように天井に設置するなど、マニピュレータ装置１００とは別の箇所に設置することも可能である。ユーザーが予めホストコントローラ２０４に対して検査対象物５００の位置や形状の情報を入力することにより、検査対象物５００の上面に対する検査用カメラ３００の相対位置を検知するものであってもよい。

〔アシスト制御例２〕
次に、本実施形態に適用可能なアシスト制御の他の例（アシスト制御例２）について説明する。
本アシスト制御例２は、アシスト制御によりモータが発生させる駆動力（アシスト力）にリミッターを設け、マニピュレータ装置１００が過剰なアシスト制御で動作するのを抑制するものである。なお、移動阻害制御の内容については、上述したアシスト制御例１と同様であるため、説明を省略する。

図１１は、本アシスト制御例２の制御ブロック図である。
図１２は、本アシスト制御例２におけるアシスト制御の流れを示すフローチャートである。
本アシスト制御例２においては、ユーザーが操作部４００を操作するなどして、アシスト力設定値が指示されると、そのアシスト力設定値が操作力指令値生成部５０３に入力される（Ｓ１１）。その後、直接教示を開始する旨の指示操作が入力されると（Ｓ１２）、外力検知部２２０Ａでユーザーの操作力が検知されたとき（Ｓ１３のＹｅｓ）、その操作力の検知結果が操作力指令値生成部５０３に入力される。この操作力指令値生成部５０３では、検知した操作力と操作力目標値とに基づいて、検知した操作力に応じた操作力指令値が生成される。

操作力指令値生成部５０３で生成される操作力指令値も、図１３に示すように、上述したアシスト制御例１と同様、ユーザーが大きな操作力でマニピュレータ装置１００を動かすほど、操作力指令値も大きくなり、モータに入力されるモータ電流値が大きくなる。ただし、操作力指令値は、アシスト力設定値を上限とし、それ以上の操作力が加わっても操作力指令値としてはその上限値が操作力指令値生成部５０３から出力される。その結果、マニピュレータ装置１００に対して大きな外力（ユーザーによる操作力に限られない。）が加わったときに過大なモータ電流が流れて過剰なアシスト力が発生するのを抑制できる。その結果、ユーザーは、上述したアシスト制御例１よりも安定した操作力で、マニピュレータ装置１００を動かすことができる。

なお、図１４に示すように、本アシスト制御例２において、外力検知部２２０Ａに代えて外力推定部２２０Ｂを用いてもよい。

図１５（ａ）は、本アシスト制御例２において、マニピュレータ装置１００の所定箇所（検査用カメラ３００の箇所）が地点Ｐから地点Ｐ’へ移動するように、ユーザーの操作力によってマニピュレータ装置１００を動かす例を示す説明図である。
図１５（ｂ）は、図１５（ａ）に示すようにマニピュレータ装置１００を動かしたときの操作力の変化を示すグラフである。
なお、図１５（ｂ）には、本アシスト制御例２によるアシスト制御を行ってマニピュレータ装置１００を動かしたアシスト有りのケースと、アシスト制御を行わずにユーザーの操作力のみでマニピュレータ装置１００を動かしたアシスト無しのケースが示されている。

図１５（ｂ）に示すように、アシスト無しのケースでは、ユーザーによる必要な操作力が大きく、その変動幅も大きいのに対し、本アシスト制御例２によるアシスト有りのケースでは、ユーザーによる必要な操作力が小さく、設定したアシスト力設定値付近で安定しており、その変動幅が小さい。すなわち、本アシスト制御例２によれば、一定の軽い操作力でマニピュレータ装置１００を動かして直接教示を行うことができる。

〔アシスト制御例３〕
次に、本実施形態に適用可能なアシスト制御の更に他の例（アシスト制御例３）について説明する。
図１６は、本アシスト制御例３において、操作力指令値生成部５０３で生成される操作力指令値の例を示すグラフである。
本アシスト制御例３においては、ユーザーによって与えられる操作力が一定値未満である場合には、モータが駆動せずにアシスト力を発生させず、当該一定値以上の操作力が付与されたら、一定のアシスト力が発生するようにアシスト制御する例である。このように、ユーザーによって与えられる操作力が一定値未満である場合にアシスト力を発生しないようにすることで、アシスト力が微小変動して操作力を安定させることができない事態を抑制することができる。

〔アシスト制御例４〕
次に、本実施形態に適用可能なアシスト制御の更に他の例（アシスト制御例４）について説明する。
本アシスト制御例４は、上述アシスト制御例２において、モータ用エンコーダ１０５，１１５の検知結果を用いたフィードバック制御を付加したものである。

図１７は、本アシスト制御例４の制御ブロック図である。
上述したアシスト制御例４においては、操作力指令値生成部５０３から出力される操作力指令値が、位置速度指令値生成部５０４に入力される。この位置速度指令値生成部５０４は、入力される操作力指令値に応じた目標位置又は目標速度を示す位置速度指令値を生成して減算器５０５へ出力する。減算器５０５には、モータ用エンコーダ１０５，１１５が検出したモータ１０４，１１４の回転情報（位置、速度）が入力される。減算器５０５は、位置速度指令値生成部５０４から入力された位置速度指令値から、に入力され、モータ用エンコーダ１０５，１１５からのフィードバック情報（モータ１０４，１１４の回転情報）を減算して、モータ１０４，１１４の位置や速度をフィードバック制御する。

なお、図１８に示すように、本アシスト制御例４において、外力検知部２２０Ａに代えて外力推定部２２０Ｂを用いてもよい。

〔アシスト制御例５〕
次に、本実施形態に適用可能なアシスト制御の更に他の例（アシスト制御例５）について説明する。
なお、ユーザーの操作力を軽減するためのアシスト制御の内容については、上述したアシスト制御例１等と同様であるため、説明を省略する。

図１９は、本アシスト制御例５の内容を説明するための説明図である。
本アシスト制御例５は、検査用カメラ３００が検査対象物５００に衝突するのを回避するためではなく、本ロボットアームシステム２００の周囲に存在する壁、天井、床、柱、機器、装置などの検査対象物５００以外の障害物５０７（対象物体）との衝突を回避するためのものである。すなわち、図１９に示すように、マニピュレータ装置１００の稼働エリアＡは、壁等の障害物５０７よりも外側まで延びているため、図１９中符号Ｂで示す稼働エリア部分では、マニピュレータ装置１００の先端部分が障害物５０７に衝突してしまう。

本アシスト制御例５で用いられるロボットアームシステム２００’の基本構成は、上述したロボットアームシステム２００と同様であるが、位置検知手段としてのステレオカメラ３０１’の撮像方向が、検査対象物５００の上面を撮像する方向ではなく、ロボットアームシステム２００の側面方向（ｘ軸方向）を撮像する方向となるように、ステレオカメラ３０１’が設置されている。より詳しくは、ステレオカメラ３０１’の撮像方向が、マニピュレータ装置１００が取り付けられた回転ステージの回転軸（ｚ軸）から径方向外側の向きとなるように、ステレオカメラ３０１’の先端付近に取り付けられている。

もちろん、位置検知手段としては、レーザ変位センサ等の測距手段を用いてもよい。また、近年のカメラは、高速な信号伝達手段あるいは高性能の画像処理モジュールが付随しているので、例えば画像入力装置２０６を配置して、目的に応じたカメラを簡単に交換できるように構成してもよい。この場合、カメラの撮像画像データをホストコントローラ２０４へ送り、ホストコントローラ２０４で障害物の認識や稼働エリアの設定などを行うことが可能である。その結果、既存のマニピュレータ装置１００に構成を付加する形で、本実施形態を実施することとなる。また、ユーザーが予めホストコントローラ２０４に対して障害物５０７の位置や形状の情報を入力することにより、障害物５０７に対するマニピュレータ装置１００の相対位置を検知するものであってもよい。

図２０は、本アシスト制御例５におけるアシスト制御の流れを示すフローチャートである。
直接教示（ダイレクトティーチング）を行う場合、ユーザーが直接触れてマニピュレータ装置を動かしたときに、マニピュレータ装置１００の先端部分（アーム１０１の先端部や検査用カメラ３００等）が、本ロボットアームシステム２００の周囲に存在する障害物５０７に衝突してしまうおそれがある。特に、本アシスト制御例５でも、上述したように、ユーザーの操作力を軽減するためのアシスト制御を実施しているため、マニピュレータ装置１００の先端部分（所定箇所）が障害物５０７に衝突してしまうおそれが高い。

そこで、本アシスト制御例５においては、図１９に示すように、マニピュレータ装置１００の先端部分（所定箇所）と連動して移動する箇所、具体的には、マニピュレータ装置１００の先端部分（所定箇所）と一体で移動する箇所に、位置検知手段としての撮像手段であるステレオカメラ３０１’を設けている。なお、ステレオカメラ３０１’の設置位置は、マニピュレータ装置１００の先端部分に限らず、例えば、監視カメラのように天井に設置するなど、マニピュレータ装置１００とは別の箇所に設置することも可能である。

ステレオカメラ３０１’の構成は、上述したステレオカメラ３０１と同様であり、撮像領域内の対象物（例えば最近接物）までの距離を測定するための視差情報（距離情報）を出力する。したがって、ユーザーが直接触れてマニピュレータ装置を動かし、マニピュレータ装置１００の先端部分を障害物５０７に近付けたとき、ステレオカメラ３０１’から出力される視差情報に基づき、マニピュレータ装置１００の先端部分と障害物５０７との距離（障害物５０７に対する先端部分の相対位置）を得ることができる。

ステレオカメラ３０１’から出力される視差情報（距離情報）は、上述したアシスト制御例１と同様、制御部２１０に入力される。制御部２１０には、予め、禁止位置特定情報取得手段としての操作部４００をユーザーが操作するなどして、検査用カメラ３００が位置することを禁止する禁止位置を特定するための禁止位置特定情報が入力される（Ｓ２１）。この禁止位置特定情報としては、マニピュレータ装置１００の先端に取り付けられる検査用カメラ３００等のエンドエフェクタの形状寸法の情報、ユーザーの腕や指の太さ等の情報などが挙げられる。制御部２１０は、このような禁止位置特定情報に基づき、接近禁止距離を設定する（Ｓ２２）。具体的には、マニピュレータ装置１００の先端部分（エンドエフェクタを含む）と障害物５０７との距離がユーザーの腕や指の太さよりも広い距離となるような接近禁止距離を設定する。本アシスト制御例５において、禁止位置は、マニピュレータ装置１００の先端部分（所定箇所）と障害物５０７（対象物体）との距離が、設定された接近禁止距離未満となる位置である。

このようにして接近禁止距離が設定された後、制御部２１０は、直接教示を開始する。そして、ユーザーの操作力によりマニピュレータ装置１００が動かされることで、ステレオカメラ３０１’の視差情報から、本ロボットアームシステム２００の周囲の障害物が認識される（Ｓ２３のＹｅｓ）。障害物が認識されたら、制御部２１０は、記憶部に記憶される稼動エリアを設定する。

稼働エリアは、マニピュレータ装置１００をモータ１０４，１１４の駆動力で動作させるときのマニピュレータ装置１００の稼働エリアを制限する制御に利用される。ここでは、図２１に示すように、稼働エリア５０７’は、認識された障害物５０７との距離Ｌが上述した接近禁止距離以上となるように設定されるが、これに限られず、任意の距離に設定してよい。

また、制御部２１０は、ステレオカメラ３０１’の視差情報から得られるマニピュレータ装置１００の先端部分と障害物５０７との距離が、前記処理ステップＳ２２で設定された接近禁止距離未満になるとき（Ｓ２５のＹｅｓ）、マニピュレータ装置１００の先端部分が当該障害物に近づく向きＦ１への移動が阻害されるような移動阻害制御を実施する（Ｓ２６）。

本実施形態における移動阻害制御の内容は、上述したアシスト制御例１等と同様である。すなわち、例えば、マニピュレータ装置１００の先端部分が障害物に近づく向きへの移動が特定の関節部のみの回動によって行われる場合には、当該特定の関節部の回動を規制する制御を用いることができる。その際の規制手段としては、関節部の関節軸を回転不能にするロック機構や、関節部の関節軸の回転を制動するブレーキ機構などを用いることができる。また、移動阻害制御は、例えば、関節部を駆動するモータを制御することによっても実現できる。具体的には、例えば、制御部２１０は、マニピュレータ装置１００の先端部分と認識した障害物５０７との距離が接近禁止距離未満になるときには、外力検知部２２０Ａが検知したユーザーの操作力が増大するように、又は、外力検知部２２０Ａが検知したユーザーの操作力の向きへの動作が禁止されるように、各関節部のモータ１０４，１１４を制御する。このとき、外力検知部２２０Ａが検知したユーザーの操作力のうち、マニピュレータ装置１００の先端部分が障害物に近づく向きへの分力Ｆ３のみが増大するように、又は、その向きのみの動作が禁止されるように、各関節部のモータ１０４，１１４を制御するのが好ましい。

本アシスト制御例５によれば、直接教示（ダイレクトティーチング）の際にユーザーの操作力で動かしたマニピュレータ装置１００が壁等の障害物５０７に衝突することを回避できる。特に、本アシスト制御例５によれば、マニピュレータ装置１００と壁等の障害物５０７との間にユーザーの指や腕が挟まれるような事態も回避できる。

以上に説明したものは一例であり、次の態様毎に特有の効果を奏する。
（態様Ａ）
少なくとも１つの関節部と、前記関節部を動作させるための駆動力を出力するモータ１０４，１０４等の駆動手段と、所定の動作命令に従って前記駆動手段を制御する駆動制御部２１３等の駆動制御手段とを有するマニピュレータ装置１００であって、当該マニピュレータ装置上の検査用カメラ３００あるいは先端部分等の所定箇所が位置することを禁止する禁止位置を特定するための禁止位置特定情報を取得する操作部４００等の禁止位置特定情報取得手段と、前記所定箇所の位置を検知するステレオカメラ３０１，３０１’等の位置検知手段と、当該マニピュレータ装置が受けたユーザーの操作力等の外力を検知する外力検知部２２０Ａや外力推定部２２０Ｂ等の外力検知手段と、前記外力検知手段が外力を検知したとき、前記位置検知手段の検知結果に基づいて、前記所定箇所が前記禁止位置へ移動することを阻害するロック機構、ブレーキ機構、駆動制御部２１３等の移動阻害手段とを有することを特徴とする。
本態様によれば、ユーザーが直接触れて外力（操作力）を与えてマニピュレータ装置を動かす際、外力検知手段により外力が検知される。この際、位置検知手段の検知結果に基づき、禁止位置特定情報取得手段が取得した禁止位置に向けてマニピュレータ装置上の所定箇所が移動することが検知されると、その所定箇所の禁止位置への移動が移動阻害手段により阻害される。これにより、マニピュレータ装置に直接触れて外力を与えているユーザーには、所定箇所が禁止位置に移動する前に、その外力に対する抗力が伝わる。このような抗力が伝わることで、所定箇所を禁止位置に移動させてしまうようなユーザーによるマニピュレータ装置の動きが抑制される。よって、所定箇所が周囲の物体に衝突してしまうような位置を設定しておくことで、ユーザーが直接触れて外力を与えてマニピュレータ装置を動かす際、マニピュレータ装置上の所定箇所が周囲の物体に衝突してしまう事態を抑制できる。

（態様Ｂ）
前記態様Ａにおいて、前記所定箇所の移動に連動して移動するように設置されたステレオカメラ３０１，３０１’等の撮像手段を有し、前記位置検知手段は、前記撮像手段により検査対象物５００や障害物５０７等の対象物体を撮像した撮像画像に基づいて該対象物体に対する前記所定箇所の相対位置を検知するものを含むことを特徴とする。
これによれば、比較的安価な構成で、対象物体に対する所定箇所の相対位置を検知することができる。

（態様Ｃ）
前記態様Ａ又はＢにおいて、前記所定箇所の移動に連動して移動するように設置されたレーザ変位センサを有し、前記位置検知手段は、前記レーザ変位センサの検知結果に基づいて対象物体に対する前記所定箇所の相対位置を検知するものを含むことを特徴とする。
これによれば、対象物体に対する所定箇所の相対位置を高精度に検知することが可能である。

（態様Ｄ）
前記態様Ａ〜Ｃのいずれかの態様において、前記禁止位置は、前記所定箇所と対象物体との距離が所定の接近禁止距離未満となる位置を含み、前記移動阻害手段は、前記所定箇所と前記対象物体との距離が所定の接近禁止距離未満にならないように、前記所定箇所の移動を阻害することを特徴とする。
これによれば、所定箇所が対象物体に衝突することを簡易な制御で抑制できる。

（態様Ｅ）
前記態様Ａ〜Ｄのいずれかの態様において、前記移動阻害手段は、前記所定箇所が前記禁止位置へ移動することを阻害するように前記駆動手段を前記駆動制御手段により制御するものを含むことを特徴とする。
これによれば、専用の移動阻害手段を設けずに済むので、簡易な構成を実現できる。

（態様Ｆ）
前記態様Ａ〜Ｄのいずれかの態様において、前記移動阻害手段は、前記所定箇所が前記禁止位置へ移動することを禁止するロック機構あるいはブレーキ機構等の移動禁止手段を含むことを特徴とする。
これによれば、所定箇所が対象物体に衝突することを安定して抑制できる。

（態様Ｇ）
前記態様Ａ〜Ｆのいずれかの態様において、前記駆動制御手段は、前記外力検知手段が検知した外力を軽減するように前記駆動手段を制御することを特徴とする。
これによれば、ユーザーは少ない操作力でマニピュレータを動かすことができる。

（態様Ｈ）
前記態様Ａ〜Ｇのいずれかの態様において、前記外力検知手段は、６軸力覚センサを用いて当該マニピュレータ装置が受けた外力を検知するものを含むことを特徴とする。
これによれば、ユーザーがマニピュレータ装置に対してどの方向にどのくらいの大きさの操作力を加えたかを直接的に検知することができる。

（態様Ｉ）
前記態様Ａ〜Ｈのいずれかの態様において、前記関節部の動きを検知するモータ電流検知手段やモータ用エンコーダ１０５，１１５等の動き検知手段を有し、前記外力検知手段は、前記動き検知手段の検知結果から当該マニピュレータ装置が受けた外力を推定するものを含むことを特徴とする。
これによれば、直接的に検知する手段を用いなくても、ユーザーがマニピュレータ装置に対して与えた操作力を検知することができる。

１００ マニピュレータ装置
１０１，１１１ アーム
１０２，１１２ 関節軸
１０３，１１３ 減速機構
１０４，１１４ モータ
１０５，１１５ モータ用エンコーダ
２００ ロボットアームシステム
２０３ ロボットアーム本体
２０４ ホストコントローラ
２０５ 電源部
２０６ 画像入力装置
２１０ 制御部
２１３ 駆動制御部
２２０Ａ 外力検知部
２２０Ｂ 外力推定部
２３１，２３３ モータドライバ
２３２，２３４ 駆動情報検出部
３００ 検査用カメラ
３０１，３０１’ ステレオカメラ
４００ 操作部
５００ 検査対象物
５０１ 駆動指令生成部
５０２ トルク定数
５０３ 操作力指令値生成部
５０４ 位置速度指令値生成部
５０５ 減算器
５０７ 障害物

国際公開第２００８／０４７８７２号

Claims (9)

1. 少なくとも１つの関節部と、
   前記関節部を動作させるための駆動力を出力する駆動手段と、
   所定の動作命令に従って前記駆動手段を制御する駆動制御手段とを有するマニピュレータ装置であって、
   当該マニピュレータ装置上の所定箇所が位置することを禁止する禁止位置を特定するための禁止位置特定情報を取得する禁止位置特定情報取得手段と、
   前記所定箇所の位置を検知する位置検知手段と、
   当該マニピュレータ装置が受けた外力を検知する外力検知手段と、
   前記外力検知手段が外力を検知したとき、前記位置検知手段の検知結果に基づいて、前記所定箇所が前記禁止位置へ移動することを阻害する移動阻害手段とを有することを特徴とするマニピュレータ装置。
2. 請求項１に記載のマニピュレータ装置において、
   前記所定箇所の移動に連動して移動するように設置された撮像手段を有し、
   前記位置検知手段は、前記撮像手段により対象物体を撮像した撮像画像に基づいて該対象物体に対する前記所定箇所の相対位置を検知するものを含むことを特徴とするマニピュレータ装置。
3. 請求項１又は２に記載のマニピュレータ装置において、
   前記所定箇所の移動に連動して移動するように設置されたレーザ変位センサを有し、
   前記位置検知手段は、前記レーザ変位センサの検知結果に基づいて対象物体に対する前記所定箇所の相対位置を検知するものを含むことを特徴とするマニピュレータ装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のマニピュレータ装置において、
   前記禁止位置は、前記所定箇所と対象物体との距離が所定の接近禁止距離未満となる位置を含み、
   前記移動阻害手段は、前記所定箇所と前記対象物体との距離が所定の接近禁止距離未満にならないように、前記所定箇所の移動を阻害することを特徴とするマニピュレータ装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載のマニピュレータ装置において、
   前記移動阻害手段は、前記所定箇所が前記禁止位置へ移動することを阻害するように前記駆動手段を前記駆動制御手段により制御するものを含むことを特徴とするマニピュレータ装置。
6. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載のマニピュレータ装置において、
   前記移動阻害手段は、前記所定箇所が前記禁止位置へ移動することを禁止する移動禁止手段を含むことを特徴とするマニピュレータ装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載のマニピュレータ装置において、
   前記駆動制御手段は、前記外力検知手段が検知した外力を軽減するように前記駆動手段を制御することを特徴とするマニピュレータ装置。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載のマニピュレータ装置において、
   前記外力検知手段は、６軸力覚センサを用いて当該マニピュレータ装置が受けた外力を検知するものを含むことを特徴とするマニピュレータ装置。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載のマニピュレータ装置において、
   前記関節部の動きを検知する動き検知手段を有し、
   前記外力検知手段は、前記動き検知手段の検知結果から当該マニピュレータ装置が受けた外力を推定するものを含むことを特徴とするマニピュレータ装置。

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