JP2017154193A

JP2017154193A - ロボット

Info

Publication number: JP2017154193A
Application number: JP2016037577A
Authority: JP
Inventors: 英典藪下; Hidenori Yabushita; 清宏宗玄; Kiyohiro Sogen
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-02-29
Filing date: 2016-02-29
Publication date: 2017-09-07

Abstract

【課題】ドアノブの動きに、ロボットアームによるドアノブの操作方向を応答性良く追従させること。
【解決手段】ロボット１は、ドア２のドアノブ２１をロボットハンド１２１によって把持可能なロボットアーム１２と、ロボットアーム１２に加わる力を検出する力センサ１３と、ドアノブ２１の初期操作方向を記憶する記憶部１４１と、ドアノブ２１の座標系における原点と一致する中心位置から、ドアノブ２１の初期操作方向の直線上の任意の終端部まで伸びる形状である、仮想的な受動モデルＭを設置する受動モデル設置部１４２と、受動モデルＭの中心位置と終端部を結ぶ直線に沿ってロボットアーム１２を操作する第１処理と、力センサ１３によって検出された力に基づいて受動モデルＭの姿勢を更新する第２処理と、を繰り返す制御部１４３と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロボットに関し、特に、ドアを開閉するロボットに関する。

近年、ドアを開閉するロボットが提案されている。例えば、特許文献１には、開閉方向が未知であるドアを開閉するロボットが開示されている。特許文献１に開示されたロボットは、ロボットアームの先端に設けられたロボットハンドでドアノブを把持した状態で、ロボットハンドを任意の方向に移動するよう制御する。そして、そのときにロボットアームに加わる力を検出し、検出した力に基づいて、ドアの開く方向を判断する。

特開２０１０−２２１３２０号公報

ところで、ロボットが開閉するドアが、回転させて開閉するタイプのドアである場合、ドアが開くにつれて、ロボットアームによるドアノブの操作方向が変わる。そのため、倣い制御によって、ドアの開閉状態に応じて、ロボットアームによるドアノブの操作方向を制御することが考えられる。

しかし、実際には、ロボットハンドとドアノブとの間には滑りがあるため、ドアが開くにつれて、ドアノブの動きに、ロボットアームによるドアノブの操作方向が追従できなくなり、ドアの開き角度と、ロボットアームによるドアノブの操作角度（引く角度）と、が乖離していき、ドアを開ききることができないことがある。

本発明は、上記を鑑みなされたものであって、ドアノブの動きに、ロボットアームによるドアノブの操作方向を応答性良く追従させることができるロボットを提供する。

本発明の一態様に係るロボットによれば、
ドアの取っ手を把持部によって把持可能なアームと、
前記アームに加わる力を検出する力検出部と、
前記取っ手の初期操作方向を記憶する記憶部と、
前記取っ手の座標系における原点と一致する中心位置から、前記取っ手の初期操作方向の直線上の任意の終端部まで伸びる形状である、仮想的な受動モデルを設置する受動モデル設置部と、
前記受動モデルの前記中心位置と前記終端部を結ぶ直線に沿って前記アームを操作する第１処理と、前記力検出部によって検出された力に基づいて前記受動モデルの姿勢を更新する第２処理と、を繰り返す制御部と、を備える。

上述した本発明の態様によれば、ドアの取っ手の動きに、ロボットアームによる取っ手の操作方向を応答性良く追従させることができるという効果が得られる。

本実施の形態に係るロボット１の全体構成例を示す図である。本実施の形態に係るロボット１において、受動モデルＭの更新に応じて、ドアノブ２１の操作方向を更新する様子の例を示す図である。本実施の形態に係るロボット１において、ドア２を操作する場合の動作フローの例を示すフローチャートである。本実施の形態に係る受動モデルＭに関連して定義する座標系の例を示す図である。本実施の形態に係る制御装置１４の構成例を示すブロック図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本実施の形態に係るロボット１の全体構成例を示す図である。ロボット１は、蝶番２２を中心に回転させて開閉するタイプのドア２を、ドア２のドアノブ（取っ手）２１を把持した状態で開閉するロボットである。ロボット１は、ロボット本体１１と、ロボットアーム１２と、力センサ１３と、制御装置１４と、を備えている。

ロボットアーム１２は、ロボット本体１１に取り付けられる。また、ロボットアーム１２は、先端に設けられたロボットハンド１２１によってドアノブ２１を把持可能である。ロボットハンド１２１は、把持部の一例である。また、ロボットアーム１２は、複数の関節（図１では２つ）を備えており、制御装置１４からの制御信号に従い、複数の関節に設けられたアクチュエータ（不図示）を駆動することによって、人間の腕のように駆動することができる。また、ロボットアーム１２は、制御装置１４からの制御信号に従い、ロボットハンド１２１の把持動作を実現する複数のアクチュエータ（不図示）を駆動することによって、ロボットハンド１２１を人間の手のように駆動することができる。本実施の形態では、ロボットアーム１２は、ロボットハンド１２１を６自由度方向に任意の角度で動作させることが可能であるとする。

力センサ１３は、ドアノブ２１からロボットハンド１２１に加わる外力を検出するもので、力検出部の一例である。力センサ１３によって検出された外力は制御装置１４に出力される。

制御装置１４は、ロボットアーム１２に制御信号を出力することによって、ドア２の開閉を実現するようロボットアーム１２を制御する。制御装置１４は、ロボット本体１１に内蔵されており、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＣＰＵによって実行される制御プログラム、演算プログラム等が記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）、処理データ等を記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）等からなるマイクロコンピュータを中心にして、ハードウェア構成されている。

ここで、まず、本実施の形態に係る制御装置１４における、ロボットアーム１２の制御方法の概要について説明する。
本実施の形態では、ロボットハンド１２１でドア２のドアノブ２１を把持した状態で、ドア２を開閉させる。しかし、ドア２は、回転させて開閉するタイプであるため、ドア２が開くにつれて、ロボットアーム１２によるドアノブ２１の操作方向が変わる。これに対応するため、倣い制御を行うことが考えられる。

しかし、実際には、ロボットハンド１２１とドアノブ２１との間には滑りがあるため、ドア２が開くにつれて、ドア２の開き角度と、ロボットアーム１２によるドアノブ２１の操作角度（引く角度）と、が乖離し、ドアを開ききることができないことがある。そのため、ドアノブ２１の動きに応じて、ロボットアーム１２によるドアノブ２１の操作方向を適宜更新することが重要である。

そこで、本実施の形態では、制御装置１４は、図２に示されるように、ロボットハンド１２１がドアノブ２１を把持する把持位置に、非ホロミックで受動的な特性を持つ仮想的な内部モデル（以下、受動モデルＭと称す）を設置する。そして、制御装置１４は、ドアノブ２１の動きに応じて、受動モデルＭを更新し、更新した受動モデルＭの姿勢に基づいて、ロボットアーム１２によるドアノブ２１の操作方向を制御する。具体的には、制御装置１４は、ロボットアーム１２が、受動モデルＭの長手方向に沿って、ドアノブ２１を操作するよう制御する。

このような受動モデルＭをドアノブ２１の把持位置に設置することで、ロボットハンド１２１が動作可能な６自由度が５自由度以下に拘束されることになる。その結果、ドアノブ２１の動きに、ドアノブ２１の操作方向を応答性良く追従させることができる。その一方で、ドア２の振動や力センサ１３のセンサノイズの影響を受けにくくなるため、その他の方向への感度を低く抑えることができる。

さらに、本実施の形態では、制御装置１４は、受動モデルＭの姿勢に応じて、ドアノブ２１の操作方向を制御するだけでなく、ドアノブ２１の操作方向とロボットハンド１２１の姿勢（方向）とが一致するように、ロボットアーム１２の姿勢を制御する。これにより、図２に示されるように、ドアノブ２１を、ドア２と直交するする操作方向に効率よく操作することができる。なお、図２において、受動モデルＭには、キャスター車輪Ｃが設けられている。

次に、本実施の形態に係るロボット１の動作フローについて説明する。
図３は、本実施の形態に係るロボット１において、ドア２を操作する場合の動作フローの例を示すフローチャートである。本実施の形態では、ドアノブ２１の初期の操作方向である初期操作方向は既知であり、制御装置１４に記憶されているものとする。また、ロボットハンド１２１がドアノブ２１を把持し、ドアノブ２１の初期操作方向と受動モデルＭの姿勢とが一致した状態で、ドア２の操作が開始されるものとする。

まず、制御装置１４は、受動モデルＭの姿勢Ｘ_centerに応じた操作方向へドアノブ２１の操作力ｆ_ｏｐを発生するよう、ロボットアーム１２を制御する（ステップＳ１）。初期の受動モデルＭの姿勢Ｘ_centerは、ドアノブ２１の初期操作方向と一致する。そのため、ここでは、制御装置１４は、ドアノブ２１の初期操作方向に操作力ｆ_ｏｐを発生するよう制御する。

続いて、制御装置１４は、受動モデルＭの姿勢Ｘ_centerに応じたドアノブ２１の操作方向とロボットハンド１２１の姿勢（方向）とが一致するように、ロボットアーム１２の姿勢を制御する（ステップＳ２）。初期の受動モデルＭの姿勢姿勢Ｘ_centerは、ドアノブ２１の初期操作方向と一致する。そのため、ここでは、制御装置１４は、ロボットハンド１２１の姿勢（方向）を、ドアノブ２１の初期操作方向と一致するよう制御する。

ロボットアーム１２は、制御装置１４によるステップＳ１，Ｓ２の制御に従い、ドアノブ２１を操作する。また、力センサ１３は、このときにロボットハンド１２１に掛かる外力ｆ_{ｃｅｎｔｅｒ}を検出し、検出した外力ｆ_{ｃｅｎｔｅｒ}を制御装置１４に出力する。

続いて、制御装置１４は、力センサ１３によって検出されたロボットハンド１２１に掛かる外力ｆ_{ｃｅｎｔｅｒ}を入力として（ステップＳ３）、受動モデルＭを更新する（ステップＳ４）。これにより、更新した最新の受動モデルＭの姿勢Ｘ_centerが得られる。

続いて、制御装置１４は、ドア２の操作が完了したか否かを判定し（ステップＳ５）、操作が完了していた場合、処理を終了する。
一方、ドア２の操作が完了していない場合、ステップＳ１の処理に戻る。そして、制御装置１４は、ステップＳ１において、直近のステップＳ４で更新した最新の受動モデルＭの姿勢Ｘ_centerに応じた操作方向へドアノブ２１の操作力ｆ_ｏｐを発生するよう、ロボットアーム１２を制御する。また、制御装置１４は、ステップＳ２において、直近のステップＳ４で更新された最新の受動モデルＭの姿勢Ｘ_centerに応じたドアノブ２１の操作方向とロボットハンド１２１の姿勢（方向）とが一致するように、ロボットアーム１２の姿勢を制御する。以下、上記と同様のステップＳ３，Ｓ４の処理を行う。

次に、図３のステップＳ４の受動モデルＭの更新処理について説明する。
本実施の形態では、ロボットハンド１２１によるドアノブ２１の把持位置に受動モデルＭをあてはめるために、図４に示されるような座標系を定義する。

ドアノブ２１の座標系をΣ_ｎｏｂとし、仮想的な受動モデルＭの座標系をΣ_{ｃｅｎｔｅｒ}とする。また、仮想的な受動モデルＭとして、キャスターモデルのような受動的な要素を仮定した場合の受動モデルＭの終端の座標系をΣ_ｔａｉｌとする。なお、以上の座標系は全て、Σ_{ｇｒｏｂａｌ}を基準とした座標系とする。

また、Σ_{ｃｅｎｔｅｒ}とΣ_ｎｏｂの原点は一致し、姿勢のみが異なるとする。また、Σ_{ｃｅｎｔｅｒ}とΣ_ｔａｉｌのｘ軸は同一直線上にあり、両者は距離Ｌだけ離れているとする。
ロボットアーム１２によるドアノブ２１の操作力ｆ_ｏｐは、Σ_{ｃｅｎｔｅｒ}のｘ_ｃ方向に作用させる（ドア２を開く場合の操作方向は−ｘ_ｃ方向となり、ドア２を閉じる場合の操作方向はｘ_ｃ方向となる）。
また、ロボットハンド１２１とドアノブ２１の相対姿勢は固定されておらず、ロボットハンド１２１は任意の姿勢を自由に取れることを前提としている。

ここで、非ホロミックな受動モデルＭとして、キャスターモデルを仮定した場合、力センサ１３によって検出されたロボットハンド１２１に掛かる外力ｆ_{ｃｅｎｔｅｒ}と、ロボットアーム１２によるドアノブ２１の操作力ｆ_ｏｐと、からなる合力によって、受動モデルＭには以下の式（１）で表される外力が作用する。

式（１）において、^ｔａｉｌＴ_{ｃｅｎｔｅｒ}は、幾何学的な特性を定義するもので、以下の式（２）の行列で表される。

また、受動モデルＭの終端は、以下の式（３）の動特性を持つと仮定する。

ここで、Ｍ_ｔａｉｌ、Ｄ_ｔａｉｌは、Σ_ｔａｉｌの動特性を定義する対角行列となり、例えば、以下の式（４）、式（５）のようなパラメータを取り得る。

受動モデルＭの中心の位置・姿勢を実現するように、ロボットアーム１２のロボットハンド１２１を制御するため、式（３）をロボットハンド１２１の座標系Σ_{ｃｅｎｔｅｒ}へ変換する必要がある。
例えば、Σ_{ｃｅｎｔｅｒ}とΣ_ｔａｉｌとの幾何学的な関係は、以下の式（６）〜式（８）で定義することができる。

式（６）〜式（８）を用いると、式（３）は、以下の式（９）のように表される。

式（９）を得ることが、図３のステップＳ４の受動モデルＭの更新処理に相当する。

式（９）から分かるように、力センサ１３によって検出されたロボットハンド１２１に掛かる外力ｆ_{ｃｅｎｔｅｒ}を入力とし、ドア２を開けるのに適した受動モデル特性を実現する、受動モデルＭの姿勢Ｘ_centerを出力とする制御ループを組むことが可能になる。

制御装置１４は、受動モデルＭの更新処理後、ドア２の操作が完了していなければ、最新のＸ_centerの姿勢方向をドアノブ２１の操作方向として、ドアノブ２１へ操作力ｆ_ｏｐを発生するように、ロボットアーム１２を制御する（図３のステップＳ１に相当）。さらに、制御装置１４は、ドアノブ２１の操作方向とロボットハンド１２１の姿勢（方向）とが一致するように、ロボットアーム１２の姿勢を制御する（図３のステップＳ２に相当）。

上述のようにして、式（９）に基づいて、ロボットアーム１２によるドアノブ２１の操作方向及びロボットハンド１２１の姿勢を制御することにより、ドアノブ２１の動きに、ドアノブ２１の操作方向を応答性良く追従させることができる。その一方で、他の方向への感度（ドア２の振動や力センサ１３のセンサノイズの影響）を低く迎えることができる。これにより、ドアノブ２１の安定的な操作を実現することができるため、ロボットハンド１２１とドアノブ２１との間に滑りがあったとしても、ドア２を開ききることができる。

次に、本実施の形態に係る制御装置１４の構成について説明する。
図５は、本実施の形態に係る制御装置１４の構成例を示すブロック図である。制御装置１４は、記憶部１４１と、受動モデル設置部１４２と、制御部１４３と、を備えている。なお、受動モデル設置部１４２及び制御部１４３は、例えば、ＣＰＵによって実現することができ、また、記憶部１４１は、例えば、ＲＯＭ、ＲＡＭ等によって実現することができる。

記憶部１４１は、ドアノブ２１の初期操作方向を記憶する。
受動モデル設置部１４２は、ドアノブ２１の座標系における原点と一致する中心位置（Σ_center）から、ドアノブ２１の初期操作方向の直線上の任意の終端部（Σ_tail）まで伸びる形状である、仮想的な受動モデルＭを設置する。

制御部１４３は、ロボットアーム１２に制御信号を出力することによって、ドア２の開閉を実現するようロボットアーム１２を制御する。具体的には、制御部１４３は、受動モデルＭの中心位置（Σ_center）と終端部（Σ_tail）とを結ぶΣ_center−Σ_tail直線（受動モデルＭの長手方向）に沿って、ロボットアーム１２を操作する第１処理と、力センサ１３によって検出された外力（ｆ_{ｃｅｎｔｅｒ}）に基づいて受動モデルＭの姿勢（Ｘ_center）を更新する第２処理と、を繰り返す。

上述のように、制御部１４３は、力センサ１３によって検出された外力（ｆ_{ｃｅｎｔｅｒ}）に基づいて更新した受動モデルＭのΣ_center−Σ_tail直線に沿って、ロボットアーム１２を操作する。そのため、ドアノブ２１の動きに、ドアノブ２１の操作方向を応答性良く追従させる一方で、他の方向への感度を低く迎えることができる。これにより、ロボットハンド１２１とドアノブ２１との間に滑りがあったとしても、ドア２を開ききることができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１ロボット
１１ロボット本体
１２ロボットアーム
１２１ロボットハンド
１３力センサ
１４制御装置
１４１記憶部
１４２受動モデル設置部
１４３制御部
２ドア
２１ドアノブ
２２蝶番
Ｍ受動モデル
Ｃキャスター車輪

Claims

ドアの取っ手を把持部によって把持可能なアームと、
前記アームに加わる力を検出する力検出部と、
前記取っ手の初期操作方向を記憶する記憶部と、
前記取っ手の座標系における原点と一致する中心位置から、前記取っ手の初期操作方向の直線上の任意の終端部まで伸びる形状である、仮想的な受動モデルを設置する受動モデル設置部と、
前記受動モデルの前記中心位置と前記終端部を結ぶ直線に沿って前記アームを操作する第１処理と、前記力検出部によって検出された力に基づいて前記受動モデルの姿勢を更新する第２処理と、を繰り返す制御部と、を備えるロボット。