JP2022164073A - ロボットシステム、その制御方法及び制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】マスタ装置を操作してスレーブ装置を動作させる際の操作性を向上させる。【解決手段】ロボットシステム１００は、ユーザに操作される操作装置２と、対象物Ｗに作用を加えるエンドエフェクタ１１とエンドエフェクタ１１を動作させるロボットアーム１２とを有するロボット１と、操作装置２を介して入力される操作情報に応じてエンドエフェクタ１１を動作させるようにロボットアーム１２への指令を出力する制御装置３とを備えている。制御装置３は、操作装置２に設定された操作座標系における基準面ＲＰが対象物Ｗの表面に対応付けられる座標変換を行って、操作情報に基づいてロボットアーム１２への指令を生成する。【選択図】図１

Description

ここに開示された技術は、ロボットシステム、その制御方法及び制御プログラムに関する。

従来より、ロボットを動作させることによって対象物に作用を加えるロボットシステムが知られている。

例えば、特許文献１では、グラインダ等のツールを有するロボットアームによって対象物を加工するロボットシステムが開示されている。このロボットシステムにおいては、制御装置がロボットアームを制御して、ツールによる所望の加工を実現させている。

特開２０１７－１１２２号公報

ところで、ロボットアームを制御装置による自動制御ではなく、ユーザの操作を介した手動制御することが考えられる。つまり、ユーザがマスタ装置を操作して、ロボットのようなスレーブ装置を動作させることが考えられる。そのようなロボットシステムにおいては、例えば、スレーブ装置が配置された現場から離れた位置からユーザがマスタ装置を操作、即ち、遠隔操作することができる。

しかしながら、遠隔操作においては、ユーザがツール等を実際に把持して行う作業時とは異なり、視覚、触覚又は聴覚等からのフィードバックを得ることが難しく、実際の作業とは異なる操作の難しさがある。

ここに開示された技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、マスタ装置を操作してスレーブ装置を動作させる際の操作性を向上させることにある。

本開示のロボットシステムは、ユーザに操作されるマスタ装置と、対象物に作用を加える作用部と前記作用部を動作させる動作部とを有するスレーブ装置と、前記マスタ装置を介して入力される操作情報に応じて前記作用部を動作させるように前記動作部への指令を出力する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記マスタ装置に設定された操作座標系における基準面が前記対象物の表面に対応付けられる座標変換を行って、前記操作情報に基づいて前記動作部への指令を生成する。

本開示のロボットシステムの制御方法は、ユーザに操作されるマスタ装置と、対象物に作用を加える作用部と前記作用部を動作させる動作部とを有するスレーブ装置とを備えるロボットシステムの制御方法であって、前記マスタ装置を介して入力される操作情報に応じて前記作用部を動作させるように前記動作部への指令を出力することと、前記操作情報に基づいて前記動作部への指令を生成する際に、前記マスタ装置に設定された操作座標系における基準面が前記対象物の表面に対応付けられる座標変換を行うこととを含む。

本開示の制御プログラムは、ユーザに操作されるマスタ装置と、前記マスタ装置の動作に応じて対象物に作用を加えるスレーブ装置とを備えるロボットシステムを制御する機能をコンピュータに実現させるための制御プログラムであって、前記マスタ装置を介して入力される操作情報に応じて前記作用部を動作させるように前記動作部への指令を出力する機能と、前記操作情報に基づいて前記動作部への指令を生成する際に、前記マスタ装置に設定された操作座標系における基準面が前記対象物の表面に対応付けられる座標変換を行う機能とをコンピュータに実現させる。

前記ロボットシステムによれば、マスタ装置を操作してスレーブ装置を動作させる際の操作性を向上させることができる。

前記ロボットシステムの制御方法によれば、マスタ装置を操作してスレーブ装置を動作させる際の操作性を向上させることができる。

前記制御プログラムによれば、マスタ装置を操作してスレーブ装置を動作させる際の操作性を向上させることができる。

図１は、ロボットシステムの構成を示す模式図である。 図２は、エンドエフェクタの拡大図である。 図３は、ロボット制御装置の概略的なハードウェア構成を示す図である。 図４は、操作装置の斜視図である。 図５は、操作制御装置の概略的なハードウェア構成を示す図である。 図６は、制御装置の概略的なハードウェア構成を示す図である。 図７は、ロボットシステムの制御系統の構成を示すブロック図である。 図８は、基準軸と対象物との交点における対象物の法線を示す模式図である。 図９は、ロボットシステムの動作を示すフローチャートである。 図１０は、ユーザによって動かされる操作部の模式図である。 図１１は、座標変換が行われない場合のエンドエフェクタの動作を示す模式図である。 図１２は、座標変換が行われた場合のエンドエフェクタの動作を示す模式図である。 図１３は、変形例において、ユーザによって動かされる操作部の模式図である。

以下、例示的な実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

本開示において、ロボットが行う作業は、ティーチング作業並びに教示の確認及び修正作業を含まない。したがって、以下の説明における操作装置２は、ティーチペンダントを含まない。

図１は、実施形態に係るロボットシステム１００の構成を示す模式図である。

ロボットシステム１００は、ロボット１と、ユーザに操作される操作装置２と、ロボット１を制御する制御装置３とを備える。ロボットシステム１００は、マスタスレーブシステムを構成する。操作装置２は、マスタ装置として機能し、ロボット１は、スレーブ装置として機能する。制御装置３は、ロボットシステム１００の全体を制御し、ロボット１と操作装置２との間でバイラテラル制御を行う。

ロボット１は、例えば、産業用ロボットである。ロボット１は、対象物Ｗに作用を加えるエンドエフェクタ１１と、エンドエフェクタ１１を動作させるロボットアーム１２とを有している。エンドエフェクタ１１は、ロボットアーム１２の先端に連結されている。ロボット１は、ロボットアーム１２によってエンドエフェクタ１１を動作、即ち、移動させて、エンドエフェクタ１１によって対象物Ｗに作用を加える。例えば、作用は、加工である。例えば、対象物Ｗは、大型タンクの湾曲した壁等である。

ロボット１は、ロボットアーム１２を支持するベース１０と、ロボット１の全体を制御するロボット制御装置１４とをさらに有していてもよい。

ロボットアーム１２は、エンドエフェクタ１１の位置及び姿勢を変更する。ロボットアーム１２は、垂直多関節型のロボットアームである。ロボットアーム１２は、複数のリンク１２ａと、複数のリンク１２ａを接続する関節１２ｂと、複数の関節１２ｂを回転駆動するサーボモータ１５（図３参照）とを有している。例えば、ロボットアーム１２の一端部（エンドエフェクタ１１とは反対側の端部）に位置するリンク１２ａは、関節１２ｂを介して、鉛直方向に延びる回転軸Ｒ１回りに回転可能にベース１０に連結されている。ロボットアーム１２は、動作部の一例である。

尚、ロボットアーム１２は、水平多関節型、パラレルリンク型、直角座標型、又は極座標型のロボットアーム等であってもよい。

図２は、エンドエフェクタ１１の拡大図である。エンドエフェクタ１１は、研削装置１１ａを有し、対象物Ｗに作用としての研削を加える。エンドエフェクタ１１は、作用部の一例である。尚、エンドエフェクタ１１が対象物Ｗに加える作用は、研削ではなく、切削又は研磨等であってもよい。

例えば、研削装置１１ａは、グラインダ、オービタルサンダ、ランダムオービットサンダ、デルタサンダ又はベルトサンダ等であってもよい。グラインダは、円盤状の研削砥石を回転させるタイプ、円錐状又は円柱状の研削砥石を回転させるタイプ等であってもよい。ここでは、研削装置１１ａは、円盤状の研削砥石を回転させるタイプのグラインダである。

ロボット１には、直交３軸のスレーブ座標系が規定されている。スレーブ座標系は、ロボット１を基準に設定されている。スレーブ座標系は、互いに直交するＸｒ軸、Ｙｒ軸、及びＺｒ軸を有している。Ｘｒ軸、Ｙｒ軸、及びＺｒ軸は、原点Ｏｒにおいて互いに交差している。原点Ｏｒは、ベース１０の上面に位置している。Ｘｒ軸及びＹｒ軸は、水平方向に、即ち、ベース１０の上面と平行に延びている。Ｚｒ軸は、鉛直方向に延びている。Ｚｒ軸は、ロボットアーム１２とベース１０とを連結する関節１２ｂの回転軸Ｒ１と一致している。Ｙｒ軸は、図１における紙面と垂直に延びている。

また、エンドエフェクタ１１には、直交３軸のツール座標系が規定されている。ツール座標系は、エンドエフェクタ１１に固定された座標系である。ツール座標系は、図２に示すように、互いに直交するＸｔ軸、Ｙｔ軸、及びＺｔ軸を有している。Ｘｔ軸、Ｙｔ軸、及びＺｔ軸は、原点Ｏｔにおいて互いに交差している。例えば、原点Ｏｔは、研削装置１１ａのうち対象物Ｗとの接点に位置している。詳しくは、研削装置１１ａの研削砥石の回転軸Ｂは、エンドエフェクタ１１が取り付けられたリンク１２ａの回転軸Ｒ２に対して傾斜している。研削砥石の外周縁のうち回転軸Ｒ２の方向においてリンク１２ａから最も離れた部分が、対象物Ｗとの接点として想定されている。Ｚｔ軸は、回転軸Ｒ２と平行に延びている。Ｘｔ軸は、研削砥石の回転軸ＢがＸｔ－Ｚｔ平面内で延びるように設定されている。Ｙｔ軸は、図１における紙面と垂直に延びている。ツール座標系は、スレーブ座標系から見ると、エンドエフェクタ１１の位置・姿勢に応じて変化する。つまり、ツール座標系は、ロボットアーム１２の移動に応じて、エンドエフェクタ１１と共に移動する。

ロボット１は、エンドエフェクタ１１が対象物から受ける反力（以下、「接触力」という）を検出する接触力センサ１３をさらに有していてもよい。

接触力センサ１３は、この例では、ロボットアーム１２とエンドエフェクタ１１との間（具体的には、ロボットアーム１２とエンドエフェクタ１１との連結部）に設けられている。接触力センサ１３は、直交する３軸方向の力と該３軸回りのモーメントを検出する。接触力センサ１３は、接触力検出部の一例である。

尚、接触力検出部は、接触力センサ１３に限定されない。例えば、接触力センサ１３は、１軸、２軸又は３軸方向の力のみを検出してもよい。あるいは、接触力検出部は、ロボットアーム１２のサーボモータ１５の電流を検出する電流センサ又はサーボモータ１５のトルクを検出するトルクセンサ等であってもよい。

図３は、ロボット制御装置１４の概略的なハードウェア構成を示す図である。ロボット制御装置１４は、ロボットアーム１２のサーボモータ１５及び研削装置１１ａを制御する。ロボット制御装置１４は、接触力センサ１３の検出信号を受け付ける。ロボット制御装置１４は、制御装置３と情報、指令及びデータ等の送受信を行う。ロボット制御装置１４は、制御部１６と、記憶部１７と、メモリ１８とを有している。

制御部１６は、ロボット制御装置１４の全体を制御する。制御部１６は、各種の演算処理を行う。例えば、制御部１６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサで形成されている。制御部１６は、ＭＣＵ（Micro Controller Unit）、ＭＰＵ（Micro Processor Unit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＰＬＣ（Programmable Logic Controller）等で形成されていてもよい。

記憶部１７は、制御部１６で実行されるプログラム及び各種データを格納している。記憶部１７は、不揮発性メモリ、ＨＤＤ（Hard Disc Drive）又はＳＳＤ（Solid State Drive）等で形成される。

メモリ１８は、データ等を一時的に格納する。例えば、メモリ１８は、揮発性メモリで形成される。

操作装置２は、図１に示すように、ユーザが操作する操作部２１と、操作部２１にユーザから加えられる操作力を検出する操作力センサ２３とを有している。操作装置２は、ロボット１を手動運転で操作するための入力を受け付け、入力された情報である操作情報を制御装置３へ出力する。具体的には、ユーザは、操作部２１を把持して操作装置２を操作する。その際に操作部２１に加えられる力を操作力センサ２３が検出する。操作力センサ２３によって検出される操作力は、操作情報として制御装置３へ出力される。

操作装置２は、ベース２０と、ベース２０に設けられ、操作部２１を支持する支持機構２２と、操作装置２の全体を制御する操作制御装置２４とをさらに有していてもよい。操作装置２は、制御装置３からの制御によって、操作力に対する反力をユーザに与える。具体的には、操作制御装置２４は、制御装置３からの指令を受けて、支持機構２２を制御することによって、反力をユーザに感知させる。支持機構２２は、支持部の一例である。

図４は、操作装置２の斜視図である。支持機構２２は、６つのアーム２２ａを有している。２つのアーム２２ａが１つの組を形成している。つまり、支持機構２２は、３組のアーム２２ａを有している。３組のアーム２２ａは、操作部２１から放射状に延びている。各アーム２２ａは、関節２２ｂを有している。各関節２２ｂは、アーム２２ａを形成する２つのリンクを直交する３軸回りに回転可能にボールジョイント等の自在継手を介して連結している。各アーム２２ａは、関節２２ｂで屈曲可能である。各アーム２２ａの一端は、直交する３軸回りに回転可能に操作部２１にボールジョイント等の自在継手を介して連結されている。各アーム２２ａの他端は、サーボモータ２５に減速機等（図示省略）を介して連結されている。サーボモータ２５は、ベース２０上に配置されている。

ベース２０の上面には、６つのサーボモータ２５が配置されている。同組の２つのアーム２２ａに連結された２つのサーボモータ２５が１つの組を形成している。各組の２つのサーボモータ２５の回転軸は、一直線上に、即ち、同軸上に延びている。３組のサーボモータ２５の回転軸が三角形を形成するように、６つのサーボモータ２５は配置されている。

このように構成された支持機構２２は、操作部２１が３次元空間内で任意の位置及び姿勢をとることができるように、操作部２１を支持する。操作部２１の位置及び姿勢に対応して、サーボモータ２５が回転する。サーボモータ２５の回転量、即ち、回転角は、一義的に決まる。

操作装置２には、直交３軸のマスタ座標系が規定されている。マスタ座標系は、操作装置２を基準に設定されている。マスタ座標系は、互いに直交するＸｍ軸、Ｙｍ軸、及びＺｍ軸を有している。Ｘｍ軸、Ｙｍ軸、及びＺｍ軸は、原点Ｏｍにおいて互いに交差している。原点Ｏｍは、ベース２０の上面に位置している。Ｘｍ軸及びＹｍ軸は、水平方向に、即ち、ベース２０の上面と平行に延びている。Ｚｍ軸は、鉛直方向に延びている。Ｚｍ軸は、３組のサーボモータ２５の回転軸によって形成される三角形の重心を通る。マスタ座標系は、操作装置２のベース２０に固定された座標系である。

また、操作部２１には、直交３軸の操作座標系が規定されている。操作座標系は、操作部２１に固定された座標系である。操作座標系は、互いに直交するＸｎ軸、Ｙｎ軸及びＺｎ軸を有している。Ｘｎ軸、Ｙｎ軸及びＺｎ軸は、原点Ｏｎにおいて互いに直交している。例えば、原点Ｏｎは、操作部２１の中央に位置している。操作座標系は、マスタ座標系から見ると、操作部２１の位置・姿勢に応じて変化する。つまり、操作座標系は、操作部２１の移動に応じて、操作部２１と共に移動する。この例では、操作座標系は、ツール座標系と対応している。

さらに、操作座標系においては、基準面ＲＰが設定されている。この例では、基準面ＲＰは、平面であり、具体的には、Ｘｎ－Ｙｎ平面に平行な面である。

操作力センサ２３は、この例では、図１に示すように操作部２１と支持機構２２との間（具体的には、操作部２１と支持機構２２との連結部）に設けられている。操作力センサ２３は、直交する３軸方向の力と該３軸回りのモーメントを検出する。操作力センサ２３は、操作力検出部の一例である。

尚、操作力検出部は、操作力センサ２３に限定されない。例えば、操作力センサ２３は、１軸、２軸又は３軸方向の力のみを検出してもよい。あるいは、操作力検出部は、支持機構２２のサーボモータ２５の電流を検出する電流センサ又はサーボモータ２５のトルクを検出するトルクセンサ等であってもよい。

図５は、操作制御装置２４の概略的なハードウェア構成を示す図である。操作制御装置２４は、サーボモータ２５を制御することによって支持機構２２を動作させる。操作制御装置２４は、操作力センサ２３の検出信号を受け付ける。操作制御装置２４は、制御装置３と情報、指令及びデータ等の送受信を行う。操作制御装置２４は、制御部２６と、記憶部２７と、メモリ２８とを有している。

制御部２６は、操作制御装置２４の全体を制御する。制御部２６は、各種の演算処理を行う。例えば、制御部２６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサで形成されている。制御部２６は、ＭＣＵ（Micro Controller Unit）、ＭＰＵ（Micro Processor Unit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＰＬＣ（Programmable Logic Controller）等で形成されていてもよい。

記憶部２７は、制御部２６で実行されるプログラム及び各種データを格納している。記憶部２７は、不揮発性メモリ、ＨＤＤ（Hard Disc Drive）又はＳＳＤ（Solid State Drive）等で形成される。

メモリ２８は、データ等を一時的に格納する。例えば、メモリ２８は、揮発性メモリで形成される。

制御装置３は、ロボット１及び操作装置２を制御する。制御装置３は、操作装置２を介して入力される操作情報に応じてエンドエフェクタ１１を動作させるように、ロボットアーム１２への指令であるスレーブ指令をロボット１へ出力する。制御装置３は、操作装置２を介した操作に応じてロボットアーム１２を制御することによってエンドエフェクタ１１に対象物Ｗへ作用を加えさせる。さらに、制御装置３は、対象物Ｗからロボット１が受ける反力に応じて操作部２１を動作させるように、支持機構２２への指令であるマスタ指令を操作装置２へ出力する。制御装置３は、支持機構２２を制御することによって、エンドエフェクタ１１が対象物Ｗから受ける反力をユーザに提示する。

図６は、制御装置３の概略的なハードウェア構成を示す図である。制御装置３は、ロボット制御装置１４及び操作制御装置２４と情報、指令及びデータ等の送受信を行う。制御装置３は、制御部３１と、記憶部３２と、メモリ３３とを有している。

制御部３１は、制御装置３の全体を制御する。制御部３１は、各種の演算処理を行う。例えば、制御部３１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサで形成されている。制御部３１は、ＭＣＵ（Micro Controller Unit）、ＭＰＵ（Micro Processor Unit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＰＬＣ（Programmable Logic Controller）等で形成されていてもよい。

記憶部３２は、制御部３１で実行されるプログラム及び各種データを格納している。記憶部３２は、不揮発性メモリ、ＨＤＤ（Hard Disc Drive）又はＳＳＤ（Solid State Drive）等で形成される。例えば、記憶部３２は、制御プログラム３２１及び対象物Ｗの三次元情報３２２を格納している。

制御プログラム３２１は、ロボットシステム１００を制御する機能をコンピュータとしての制御部３１に実現させるためのプログラムである。

対象物Ｗの三次元情報３２２は、対象物Ｗの表面を表す情報である。例えば、対象物Ｗの三次元情報３２２は、対象物ＷのＳＴＬ（Standard Triangulated Language）データである。つまり、対象物Ｗの表面が複数のポリゴンで表現され、各ポリゴンの座標情報が三次元情報３２２として記憶部３２に格納されている。各ポリゴンの座標情報は、対象物Ｗに設定されたワーク座標系における座標情報である。記憶部３２には、ワーク座標系の原点とスレーブ座標系の原点との位置関係も格納されている。

対象物Ｗの三次元情報３２２は、予め取得され、記憶部３２に格納されている。例えば、三次元スキャナ等で対象物Ｗの表面が測定され、対象物Ｗの点群データが取得される。点群データから、対象物Ｗがポリゴン化され、ＳＴＬデータが取得される。あるいは、対象物ＷのＣＡＤデータ等の設計データから、ＳＴＬデータが取得されてもよい。

メモリ３３は、データ等を一時的に格納する。例えば、メモリ３３は、揮発性メモリで形成される。

図７は、ロボットシステム１００の制御系統の構成を示すブロック図である。

ロボット制御装置１４の制御部１６は、記憶部１７からプログラムをメモリ１８に読み出して展開することによって、各種機能を実現する。具体的には、制御部１６は、入力処理部４１と動作制御部４２として機能する。

入力処理部４１は、接触力センサ１３及びサーボモータ１５から受け取る情報、データ及び指令等を制御装置３に出力する。具体的には、入力処理部４１は、接触力センサ１３から６軸の力の検出信号を受け取り、該検出信号を操作情報として制御装置３へ出力する。また、入力処理部４１は、サーボモータ１５から回転センサ（例えば、エンコーダ）及び電流センサの検出信号を受け取る。入力処理部４１は、動作制御部４２によるロボットアーム１２のフィードバック制御のために該検出信号を動作制御部４２へ出力する。また、入力処理部４１は、ロボットアーム１２の位置情報として該検出信号を制御装置３へ出力する。

動作制御部４２は、制御装置３からスレーブ指令（具体的には、指令位置ｘｄｓ）を受け取り、スレーブ指令に従ってロボットアーム１２を動作させるための制御指令を生成する。動作制御部４２は、サーボモータ１５へ制御指令を出力し、ロボットアーム１２を動作させ、研削装置１１ａを指令位置に対応する位置へ移動させる。このとき、動作制御部４２は、入力処理部４１からのサーボモータ１５の回転センサ及び／又は電流センサの検出信号に基づいて、ロボットアーム１２の動作をフィードバック制御する。また、動作制御部４２は、研削装置１１ａへ制御指令を出力し、研削装置１１ａを動作させる。これにより、研削装置１１ａが対象物Ｗを研削する。

操作制御装置２４の制御部２６は、記憶部２７からプログラムをメモリ２８に読み出して展開することによって、各種機能を実現する。具体的には、制御部２６は、入力処理部５１と動作制御部５２として機能する。

入力処理部５１は、操作力センサ２３から受け取る情報、データ及び指令等を制御装置３に出力する。具体的には、入力処理部５１は、操作力センサ２３から６軸の力の検出信号を受け取り、該検出信号を反力情報として制御装置３へ出力する。また、入力処理部５１は、サーボモータ２５から回転センサ（例えば、エンコーダ）及び電流センサの検出信号を受け取る。入力処理部５１は、動作制御部５２による支持機構２２のフィードバック制御のために該検出信号を動作制御部５２へ出力する。

動作制御部５２は、制御装置３からマスタ指令（具体的には、指令位置ｘｄｍ）を受け取り、マスタ指令に従って支持機構２２を動作させるための制御指令を生成する。動作制御部５２は、サーボモータ２５へ制御指令を出力し、支持機構２２を動作させ、操作部２１を指令位置に対応する位置へ移動させる。このとき、動作制御部５２は、入力処理部５１からのサーボモータ２５の回転センサ及び／又は電流センサの検出信号に基づいて、支持機構２２の動作をフィードバック制御する。これにより、ユーザが操作部２１に与える操作力に対して反力が与えられる。その結果、ユーザは、対象物Ｗから反力を操作部２１から疑似的に感じつつ、操作部２１を操作することができる。

制御装置３の制御部３１は、記憶部３２から制御プログラム３２１をメモリ３３に読み出して展開することによって、各種機能を実現する。具体的には、制御部３１は、操作力取得部６１と接触力取得部６２と加算部６３と力／速度換算部６４とスレーブ出力部６９とゲイン処理部６１０とマスタ出力部６１１として機能する。

これらの機能によって、制御装置３は、操作情報及び反力情報に応じてスレーブ指令及びマスタ指令を生成する。制御装置３は、操作情報からスレーブ指令を生成する際に、操作装置２に設定された操作座標系における基準面ＲＰが対象物Ｗの表面に対応付けられる座標変換を行う。つまり、制御装置３は、エンドエフェクタ１１を動作させるためのスレーブ指令を操作装置２の操作情報から生成する際に、基準面ＲＰと対象物Ｗの表面との対応関係と同じ対応関係で座標変換を実行する。例えば、ユーザが操作装置２を基準面ＲＰに沿って操作した場合、制御装置３は、エンドエフェクタ１１が対象物Ｗの表面に沿った動作を行うようなスレーブ指令を生成する。基準面ＲＰは、操作座標系における仮想面であり、この例では、操作座標系における平面（例えば、操作座標系のＸｎ－Ｙｎ平面と平行な面）である。座標変換は、生成されたスレーブ指令が操作情報に対して座標変換されていることを意味する。つまり、操作情報をまず座標変換するとか、スレーブ指令を生成する最終段階で座標変換するとか、どの段階で座標変換されるかは問わない。

さらに、制御装置３は、座標変換において、対象物Ｗの表面に対するエンドエフェクタ１１の姿勢を一定に維持する。具体的には、制御装置３は、エンドエフェクタ１１に設定されたツール座標系で定義された基準軸Ａと対象物Ｗの表面との交点における対象物Ｗの法線に基準軸Ａが一致するようにエンドエフェクタ１１の姿勢を変更することによって、対象物Ｗの表面に対するエンドエフェクタ１１の姿勢を一定に維持する。この例では、基準軸Ａは、ツール座標系のＺｔ軸である。

操作力取得部６１は、入力処理部５１を介して、操作力センサ２３の検出信号を受け取り、検出信号に基づいて操作力ｆｍを取得する。例えば、操作力取得部６１は、操作力センサ２３の検出信号から、操作部２１の中央に作用する力であって操作座標系で表される力を操作力ｆｍとして求める。操作力取得部６１は、操作力ｆｍを加算部６３へ入力する。

接触力取得部６２は、入力処理部４１を介して、接触力センサ１３の検出信号を受け取り、検出信号に基づいて接触力ｆｓを取得する。例えば、接触力取得部６２は、接触力センサ１３の検出信号から、エンドエフェクタ１１のうち対象物Ｗとの接点に作用する力であってツール座標系で表される力を接触力ｆｓとして求める。接触力取得部６２は、接触力ｆｓを加算部６３へ入力する。

加算部６３は、操作力取得部６１から入力された操作力ｆｍと接触力取得部６２から入力された接触力ｆｓとの和を算出する。ここで、操作力ｆｍと接触力ｆｓとは、反対向きの力なので、操作力ｆｍと接触力ｆｓとは正負の符号が異なる。つまり、操作力ｆｍと接触力ｆｓとが足されることによって、操作力ｆｍの絶対値は小さくなる。

力／速度換算部６４は、スレーブ指令及びマスタ指令の基になる指令速度ｘｄ’を生成する。力／速度換算部６４は、操作装置２による操作情報に応じた成分である操作成分を生成する操作換算部６５と、座標変換に相当する成分である変換成分を生成する変換部６６とを有する。力／速度換算部６４は、操作成分に変換成分を付加して指令速度ｘｄ’を生成する。

操作換算部６５は、操作力センサ２３によって検出される操作力ｆｍを操作情報として操作成分を生成する。操作換算部６５は、操作情報に加えて、ロボット１が対象物Ｗから受ける反力に関する反力情報も考慮して操作成分を生成する。具体的には、操作換算部６５は、接触力センサ１３によって検出される接触力ｆｓを反力情報として、操作情報及び反力情報に基づいて操作成分を生成する。つまり、操作成分は、少なくとも操作情報に応じた指令成分であり、より具体的には操作情報及び反力情報に応じた指令成分である。

詳しくは、操作換算部６５は、操作力ｆｍと接触力ｆｓとの和である合成力ｆｍ＋ｆｓを速度ｅ’に換算する。操作換算部６５は、慣性係数、粘性係数（ダンパ係数）及び剛性係数（バネ係数）を含む運動方程式に基づく運動モデルを用いて、合成力ｆｍ＋ｆｓが作用した場合の物体の速度ｅ’を算出する。具体的には、操作換算部６５は、以下の運動方程式に基づいて速度ｅ’を算出する。

ここで、ｅは、物体の位置である。ｍｄは、慣性係数である。ｃｄは、粘性係数である。ｋｄは、剛性係数である。ｆｍは、操作力である。ｆｓは、接触力である。尚、「’」は１回微分を表し、「”」は２回微分を表す。

式（１）は線形微分方程式であり、式（１）を速度ｅ’について解くと、ｅ’＝Ｖ（ｆｍ，ｆｓ）となる。Ｖ（ｆｍ，ｆｓ）は、ｆｍ，ｆｓを変数とし，ｍｄ，ｃｄ，ｋｄ等を定数とする関数である。

関数Ｖ（ｆｍ，ｆｓ）は、記憶部３２に格納されている。操作換算部６５は、記憶部３２から関数Ｖ（ｆｍ，ｆｓ）を読み出して速度ｅ’を求める。速度ｅ’が操作成分である。以下、速度ｅ’を「操作成分ｅ’」と称する。

変換部６６は、変換成分ｓ’を生成する。より詳しくは、変換成分ｓ’は、対象物Ｗの表面に対するエンドエフェクタ１１の姿勢を一定に維持しつつ、操作座標系における基準面ＲＰが対象物Ｗの表面に対応付けられる座標変換を実現するための指令成分である。

変換部６６は、ツール座標系で定義された基準軸Ａと対象物Ｗの表面との交点における対象物の法線を取得する取得部６７と、基準軸を法線に一致させるようにエンドエフェクタ１１を移動させるための指令速度を変換成分ｓ’として求める算出部６８とを有している。

取得部６７は、ツール座標系における原点Ｏｔの位置及びＺｔ軸の向きを求める。この例では、ツール座標系のＺｔ軸が基準軸Ａとして設定されている。制御装置３は、サーボモータ１５の回転センサ及び電流センサの検出信号が入力処理部４１から、ロボットアーム１２の位置情報として入力され、ロボットアーム１２の状態（具体的には、位置及び姿勢）を逐次監視している。取得部６７は、現在のロボットアーム１２の状態から、現在のツール座標系の原点Ｏｔの位置及びＺｔ軸の向きを求める。また、取得部６７は、対象物Ｗの三次元情報３２２を記憶部３２から読み出す。

そして、取得部６７は、図８に示すように、基準軸Ａ（Ｚｔ軸）と対象物Ｗの表面との交点Ｐにおける法線Ｎを求める。図８は、基準軸Ａと対象物Ｗとの交点Ｐにおける対象物Ｗの法線Ｎを示す模式図である。

具体的には、取得部６７は、対象物Ｗの表面を形成する複数のポリゴン（即ち、三角形の微小部分）のうち基準軸Ａが貫通するポリゴンを求める。取得部６７は、基準軸Ａが貫通するポリゴンの法線Ｎを求める。例えば、取得部６７は、該ポリゴンの３つの頂点を通る平面の法線であって、該ポリゴンと基準軸Ａとの交点を通る法線Ｎを求める。

算出部６８は、取得部６７によって求められた法線Ｎに基準軸Ａが一致するようにエンドエフェクタ１１を移動させるための指令速度を変換成分ｓ’として求める。図８の例では、変換成分ｓ’は、実線のエンドエフェクタ１１を二点鎖線のエンドエフェクタ１１の位置へ移動させるための指令速度である。

力／速度換算部６４は、操作成分ｅ’に変換成分ｓ’を付加し、指令速度ｘｄ’を生成する。操作成分ｅ’に変換成分ｓ’を付加することは、基準面ＲＰと対象物Ｗの表面との対応関係と同じ対応関係の座標変換を操作成分ｅ’に施すことに等しい。力／速度換算部６４は、生成された指令速度ｘｄ’をスレーブ出力部６９とゲイン処理部６１０とへ出力する。

スレーブ出力部６９は、指令速度ｘｄ’（即ち、操作成分ｅ’及び変換成分ｓ’）に基づいてスレーブ指令を生成する。詳しくは、スレーブ出力部６９は、指令速度ｘｄ’をエンドエフェクタ１１の指令位置ｘｄｓに換算する。指令位置ｘｄｓは、ツール座標系における位置である。指令位置ｘｄｓがスレーブ指令である。例えば、操作装置２の移動量に対するロボット１の移動量の比が設定されている場合、スレーブ出力部６９は、指令速度ｘｄ’から求めた指令位置を移動比に応じて逓倍して指令位置ｘｄｓを求める。指令速度ｘｄ’は、最終的にスレーブ指令に換算される。そのため、操作成分ｅ’は、スレーブ指令のうち操作情報に応じた指令成分が速度の形式で表されたものとみなすことができる。変換成分ｓ’は、スレーブ指令のうち座標変換に相当する指令成分が速度の形式で表されたものとみなすことができる。

スレーブ出力部６９は、指令位置ｘｄｓをロボット制御装置１４、具体的には、動作制御部４２へ出力する。動作制御部４２は、指令位置ｘｄｓへのエンドエフェクタ１１の移動を実現させるための、サーボモータ１５への制御指令を生成する。動作制御部４２は、生成された制御指令をサーボモータ１５へ出力することによって、ロボットアーム１２を動作させ、エンドエフェクタ１１を指令位置ｘｄｓに対応する位置へ移動させる。

ゲイン処理部６１０は、指令速度ｘｄ’にゲイン処理を施す。ゲイン処理部６１０は、指令速度ｘｄ’の各成分のゲインを調整する。この例では、ゲイン処理部６１０は、指令速度ｘｄ’のうち変換成分ｓ’のゲインをゼロにする。つまり、ゲイン処理部６１０は、変換成分ｓ’をキャンセルして、操作成分ｅ’のみを出力する。ゲイン処理部６０は、処理後の指令速度ｘｄ’をマスタ出力部６１１へ出力する。

マスタ出力部６１１は、ゲイン処理された指令速度ｘｄ’に基づいてマスタ指令を生成する。詳しくは、マスタ出力部６１１は、ゲイン処理された指令速度ｘｄ’を操作部２１の指令位置ｘｄｍに換算する。指令位置ｘｄｍは、操作座標系における位置である。指令位置ｘｄｍがマスタ指令である。

マスタ出力部６１１は、指令位置ｘｄｍを操作制御装置２４、具体的には、動作制御部５２へ出力する。動作制御部５２は、指令位置ｘｄｍへの操作部２１の移動を実現させるための、サーボモータ２５への制御指令を生成する。動作制御部５２は、生成された制御指令をサーボモータ２５へ出力することによって、支持機構２２を動作させ、操作部２１を指令位置ｘｄｍに対応する位置へ移動させる。

［ロボットシステムの動作］
次に、このように構成されたロボットシステム１００の動作について説明する。図９は、ロボットシステム１００の動作を示すフローチャートである。この例では、ユーザは、操作装置２を操作して、ロボット１によって対象物Ｗに研削加工を行う。制御装置３は、図９に示すフローチャートの処理を所定の制御周期で繰り返し実行する。

まず、制御装置３は、ステップＳ１において、操作力及び接触力を取得する。ユーザが操作装置２を操作すると、ユーザが操作部２１を介して加えた操作力を操作力センサ２３が検出する。操作力センサ２３に検出された操作力は、入力処理部５１によって検出信号として制御装置３へ入力される。このとき、ロボット１の接触力センサ１３によって検出される接触力が入力処理部４１を介して制御装置３の接触力取得部６２に検出信号として入力される。

制御装置３では、操作力取得部６１が、検出信号に基づく操作力ｆｍを加算部６３へ入力する。接触力取得部６２は、検出信号に基づく接触力ｆｓを加算部６３へ入力する。

続いて、ステップＳ２において、制御装置３は、マスタ指令及びスレーブ指令の操作成分ｅ’を生成する。具体的には、加算部６３は、合成力ｆｍ＋ｆｓを力／速度換算部６４へ入力する。力／速度換算部６４は、関数Ｖ（ｆｍ，ｆｓ）を用いて、合成力ｆｍ＋ｆｓから操作成分ｅ’を求める。

ステップＳ１，Ｓ２と並行して、制御装置３は、ステップＳ３において変換成分ｓ’を生成する。具体的には、変換部６６は、現在のツール座標系の原点Ｏｔの位置及びＺｔ軸の向きを導出する。変換部６６は、対象物Ｗの三次元情報３２２を記憶部３２から読み出し、Ｚｔ軸、即ち、基準軸Ａと対象物Ｗの表面との交点Ｐを求める。変換部６６は、求められた交点Ｐにおける対象物Ｗの表面の法線Ｎを求める。そして、変換部６６は、基準軸Ａが対象物Ｗの法線Ｎに一致するようにエンドエフェクタ１１を移動させるための指令速度を変換成分ｓ’として求める。

ステップＳ４において、制御装置３は、操作成分ｅ’に変換成分ｓ’を付加して、指令速度ｘｄ’を生成する。ステップＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４は、操作情報に基づいて動作部への指令を生成する際に、マスタ装置に設定された操作座標系における基準面が対象物の表面に対応付けられる座標変換を行うこととに相当する。

ステップＳ５において、制御装置３は、指令速度ｘｄ’からスレーブ指令、即ち、エンドエフェクタ１１の指令位置ｘｄｓを生成する。ステップＳ５は、マスタ装置を介して入力される操作情報に応じて作用部を動作させるように動作部への指令を出力することに相当する。

それと並行して、制御装置３は、ステップＳ７において、指令速度ｘｄ’にゲイン処理を施し、指令速度ｘｄ’のうちの角速度成分をゼロにする。その後、制御装置３は、ステップＳ８において、ゲイン処理された指令速度ｘｄ’からマスタ指令、即ち、操作部２１の指令位置ｘｄｍを生成する。

その後、制御装置３は、ステップＳ６において指令位置ｘｄｓをロボット１へ出力すると共に、ステップＳ９において指令位置ｘｄｍを操作装置２へ出力する。これにより、ロボット１は、指令位置ｘｄｓに応じて動作して研削を実行する。それと並行して、操作装置２は、指令位置ｘｄｍに応じて動作して、ユーザに反力を提示する。

このような処理が行われた場合のエンドエフェクタ１１等の動作について詳しく説明する。図１０は、ユーザによって動かされる操作部２１の模式図である。図１１は、座標変換が行われない場合のエンドエフェクタ１１の動作を示す模式図である。図１２は、座標変換が行われた場合のエンドエフェクタ１１の動作を示す模式図である。

この例では、ユーザは、図１０に示すように、操作装置２の操作部２１を基準面ＲＰに沿って、例えば、Ｘ方向へ移動させる。これにより、Ｙ方向成分及びＺ方向成分を含まないＸ方向への操作力が、操作装置２から制御装置３へ入力される。このとき、ロボット１に作用する接触力も、制御装置３へ入力される。

制御装置３は、操作装置２からの操作力に応じて、即ち、合成力ｆｍ＋ｆｓに応じて操作成分ｅ’を求める。ここで、操作部２１はＸ方向へのみ動かされているので、合成力ｆｍ＋ｆｓもＸ方向成分のみである。そのため、操作成分ｅ’は、Ｘ方向成分のみであり、Ｙ方向成分、Ｚ方向成分及び回転成分を含まない。

仮に、制御装置３が座標変換を行うことなく、単純に操作成分ｅ’からスレーブ指令を生成したとすると、エンドエフェクタ１１は、図１１に示すように、ツール座標系のＸ方向にのみ移動する。つまり、エンドエフェクタ１１は、操作座標系における操作部２１の動作と同様の動作、又は、相似的な動作をツール座標系において実行する。この場合、エンドエフェクタ１１を対象物Ｗの表面に沿って移動させるためには、ユーザは、それに相当する操作を操作部２１に対して入力する必要がある。例えば、ユーザは、操作部２１をＸ方向に加えて、Ｚ方向へも動かす必要がある。そのため、ユーザは、エンドエフェクタ１１を対象物Ｗの表面に沿わせるための操作を行いつつ、エンドエフェクタ１１による加工位置を調整する等の操作を行う必要がある。

それに対し、制御装置３は、操作情報からスレーブ指令を生成する際に、操作座標系における基準面ＲＰを対象物Ｗの表面に対応付ける座標変換を行う。具体的には、図８に示すように、制御装置３は、基準軸Ａと対象物Ｗの表面との交点Ｐにおける法線Ｎに基準軸Ａが一致するようにエンドエフェクタ１１を移動させる（この動作が座標変換に相当する）。これにより、ツール座標系の向きが変わる。操作成分ｅ’は、ツール座標系に対応している。今回の操作成分ｅ’は、Ｘ方向成分のみであるが、ツール座標系のＸｔ軸の向きが変わるので、エンドエフェクタ１１は、変更されたＸｔ軸の向きへ移動する。図１２の例では、ツール座標系のＺｔ軸が交点Ｐの法線Ｎに一致させられるので、ツール座標系のＸｔ軸は、交点Ｐにおける対象物Ｗの接線方向を向くことになる。つまり、Ｘ方向成分のみの操作成分ｅ’は、対象物Ｗの接線方向を向く成分となる。

このような処理が制御周期で繰り返される。つまり、各周期において、基準軸Ａ、及び、基準軸Ａに対応する、対象物Ｗの法線Ｎが求められ、エンドエフェクタ１１の姿勢、即ち、ツール座標系の向きが逐次変更される。具体的には、ツール座標系のＸｔＹｔ平面が対象物Ｗの交点Ｐにおける接平面と平行となるように、ツール座標系の向きが逐次変更される。

その結果、ユーザは、操作部２１を基準面ＲＰに沿って移動させると、エンドエフェクタ１１は、図１２に示すように、対象物Ｗの表面に沿うように移動する。ユーザは、エンドエフェクタ１１を対象物Ｗの表面に沿わせるための意図的な操作が不要となる。ユーザは、対象物Ｗの表面上のエンドエフェクタ１１による加工位置の調整、加工時（例えば、研削時）のエンドエフェクタ１１の移動軌跡（即ち、エンドエフェクタ１１の動かし方）、及び、エンドエフェクタ１１による加工量（例えば、研削の深さ）等の、エンドエフェクタ１１を対象物Ｗの表面に沿わせる以外の操作に集中することができる。

別の観点からは、ユーザは、操作部２１を基準面ＲＰに沿って移動させることによってエンドエフェクタ１１を対象物Ｗの表面に沿って移動させることができるので、操作部２１の動作範囲が限定されている場合であっても、エンドエフェクタ１１を比較的柔軟かつ広範囲に移動させることができる。例えば、対象物Ｗの表面形状は様々であり、対象物Ｗの表面の法線方向が略１８０度変化するような表面形状もあり得る。一方、前述のように操作部２１が支持機構２２によって支持されている構成においては、操作部２１の動作範囲は、支持機構２２に依存する。操作部２１を略１８０度回転させることは難しい。そのような場合であっても、制御装置３は、基準面ＲＰに沿った操作部２１の移動を対象物Ｗの表面に沿ったエンドエフェクタ１１の移動に変換する。このように、基準面ＲＰに沿った操作部２１の移動という限られた範囲の操作であっても、対象物Ｗの様々な表面形状に応じてエンドエフェクタ１１を柔軟に且つ広範囲に移動させることができる。この点においても、操作装置２を操作してロボット１を動作させる際の操作性を向上させることができる。

さらに、この例では、座標変換において、対象物Ｗの表面に対するエンドエフェクタ１１の姿勢が一定に維持される。つまり、基準面ＲＰに対する操作部２１の姿勢（即ち、角度）が一定に維持されていれば、エンドエフェクタ１１は、対象物Ｗの表面に対する姿勢が一定に維持されつつ、対象物Ｗの表面に沿って移動する。エンドエフェクタ１１の姿勢が一定に維持されるとは、ツール座標系で定義された基準軸Ａと対象物Ｗの表面との交点Ｐにおける対象物Ｗの法線Ｎ又は接線に対する基準軸Ａの角度が一定に維持されることを意味する。これにより、操作座標系における基準面ＲＰに対する姿勢が一定での基準面ＲＰに沿った操作部２１の操作は、対象物Ｗの表面に対する姿勢が一定で且つ対象物Ｗの表面に沿ったエンドエフェクタ１１の移動に変換される。

対象物Ｗの表面が湾曲している場合、エンドエフェクタ１１を対象物Ｗの表面に沿って移動させつつ、対象物Ｗの表面に対するエンドエフェクタ１１の姿勢を一定に維持するためには、対象物Ｗの表面におけるエンドエフェクタ１１の位置に応じてエンドエフェクタ１１を回転させる必要がある。制御装置３の座標変換によれば、ユーザは、基準面ＲＰに対する操作部２１の姿勢（即ち、角度）を一定に維持したまま操作部２１を基準面ＲＰに沿って移動させることによって、それ以外の特段の操作をしなくても、エンドエフェクタ１１を対象物Ｗの表面に対する姿勢を一定に維持したまま対象物Ｗの表面に沿って移動させることができる。特に、対象物Ｗの表面が複雑な形状であっても、対象物Ｗの表面に対するエンドエフェクタ１１の姿勢を一定に維持することを容易な操作で実現できる。

その結果、研削の場合には、対象物Ｗの表面に対するグラインダ等のツールの角度を一定に維持したまま、ツールを対象物Ｗの表面に沿って移動させることを容易な操作で実現できる。これにより、対象物Ｗの表面の一様な、即ち、均質な研削を容易な操作で実現できる。作用部による作用は、研削に限定されず、切削若しくは研磨、溶接、塗装又は組立であってもよい。対象物Ｗの表面に対するエンドミル、溶接トーチ又は塗装ガン等のツールの姿勢（例えば、角度）を一定に維持したまま、ツールを対象物Ｗの表面に沿って移動させることを容易な操作で実現できる。あるいは、対象物Ｗに形成された開口に別の部品を挿入する等の組立において、開口が対象物Ｗの表面に対して所定の方向に延びている場合、対象物Ｗの表面に対するエンドエフェクタ１１の姿勢を一定に維持することによって、開口に対する部品の向きを一定に維持することが容易になる。それにより、開口への部品の挿入を容易に行うことができる。その結果、対象物Ｗの表面の一様な、即ち、均質な切削若しくは研磨、溶接、塗装又は組立を容易な操作で実現できる。

ただし、制御装置３の座標変換は、エンドエフェクタ１１を対象物Ｗの表面に沿った方向にしか移動させることができないことを意味するものではない。例えば、操作部２１が基準面ＲＰと交差する方向に動かされた場合には、そのような操作情報に応じて、エンドエフェクタ１１は、対象物Ｗの表面と交差する方向に移動させられる。ただし、操作情報からスレーブ指令が生成される際には、基準面ＲＰが対象物Ｗの表面に対応付けられるのと同じ対応関係で座標変換が実行される。

さらに、基準面ＲＰに対する操作部２１の姿勢が一定であれば対象物Ｗの表面に対するエンドエフェクタ１１の姿勢が一定に維持されるので、操作部２１の操作方向と対象物Ｗの表面に対するエンドエフェクタ１１の移動方向との対応関係が一定に維持される。すなわち、対象物Ｗの表面上のエンドエフェクタ１１の位置が変化しても、エンドエフェクタ１１を対象物Ｗの表面の法線方向又は接線方向等の特定の方向に移動させるための操作部２１の操作座標系における操作方向は変化しない。例えば、前述の例では、対象物Ｗの表面上のエンドエフェクタ１１の位置が変化しても、操作座標系におけるＺｎ軸方向への操作部２１の操作は、常に、対象物Ｗの表面に対する法線方向へのエンドエフェクタ１１の移動に変換される。そのため、ユーザは、対象物Ｗの表面に対するエンドエフェクタ１１の姿勢をあまり意識することなく、操作部２１を操作することができる。

また、指令速度ｘｄ’からマスタ指令が生成される際に、指令速度ｘｄ’のうち変換成分ｓ’がゼロにされ、指令速度ｘｄ’のうち操作成分ｅ’のみを用いてマスタ指令が生成される。これにより、対象物Ｗの表面に沿ったエンドエフェクタ１１の移動に対応する操作部２１の移動がキャンセルされる。仮に、対象物Ｗの表面に沿ったエンドエフェクタ１１の移動に対応するように操作部２１が動作制御されると、対象物Ｗの表面に対するエンドエフェクタ１１の姿勢を一定に維持するためのエンドエフェクタ１１の回転に伴って操作部２１も回転し得る。その場合、基準面ＲＰが水平方向に対して傾斜する。つまり、指令速度ｘｄ’のうち変換成分ｓ’を考慮することなく、指令速度ｘｄ’からマスタ指令が生成されることによって、操作部２１の回転を低減し、基準面ＲＰを水平に維持しやすくなる。ユーザは、基準面ＲＰの回転変動を意識することなく、操作部２１を水平に動かすことによって操作部２１を基準面ＲＰに沿って容易に移動させることができる。

以上のように、ロボットシステム１００は、ユーザに操作される操作装置２（マスタ装置）と、対象物Ｗに作用を加えるエンドエフェクタ１１（作用部）とエンドエフェクタ１１を動作させるロボットアーム１２（動作部）とを有するロボット１（スレーブ装置）と、操作装置２を介して入力される操作情報に応じてエンドエフェクタ１１を動作させるようにロボットアーム１２への指令を出力する制御装置３とを備え、制御装置３は、操作装置２に設定された操作座標系における基準面ＲＰが対象物Ｗの表面に対応付けられる座標変換を行って、操作情報に基づいてロボットアーム１２への指令を生成する。

換言すると、ユーザに操作される操作装置２（マスタ装置）と、対象物Ｗに作用を加えるエンドエフェクタ１１（作用部）とエンドエフェクタ１１を動作させるロボットアーム１２（動作部）とを有するロボット１（スレーブ装置）とを備えるロボットシステム１００の制御方法は、操作装置２を介して入力される操作情報に応じてエンドエフェクタ１１を動作させるようにロボットアーム１２への指令を出力することと、操作情報に基づいてロボットアーム１２への指令を生成する際に、操作装置２に設定された操作座標系における基準面ＲＰが対象物Ｗの表面に対応付けられる座標変換を行うこととを含む。

さらに換言すると、ユーザに操作される操作装置２（マスタ装置）と、対象物Ｗに作用を加えるエンドエフェクタ１１（作用部）とエンドエフェクタ１１を動作させるロボットアーム１２（動作部）とを有するロボット１（スレーブ装置）とを備えるロボットシステム１００を制御する機能をコンピュータに実現させるための制御プログラム３２１は、操作装置２を介して入力される操作情報に応じてエンドエフェクタ１１を動作させるようにロボットアーム１２への指令を出力する機能と、操作情報に基づいてロボットアーム１２への指令を生成する際に、操作装置２に設定された操作座標系における基準面ＲＰが対象物Ｗの表面に対応付けられる座標変換を行う機能とをコンピュータに実現させる。

これらの構成によれば、基準面ＲＰに沿った操作装置２の操作が、対象物Ｗの表面に沿ったエンドエフェクタ１１の移動に変換される。ユーザは、対象物Ｗの表面形状を考慮して操作装置２を操作する必要はなく、操作装置２を基準面ＲＰに沿って動かすことによって、エンドエフェクタ１１を対象物Ｗの表面に沿って移動させることができる。対象物Ｗの表面が湾曲したり、複雑な形状をしていたりしても、ユーザは、操作装置２の単純な操作によって、エンドエフェクタ１１を対象物Ｗの表面に沿って移動させることができる。その結果、操作装置２を操作してロボット１を動作させる際の操作性を向上させることができる。例えば、ユーザは、対象物Ｗの表面形状を考慮して操作装置２を操作する必要がない分、対象物Ｗの表面上のエンドエフェクタ１１の位置の調整又は操作部２１への力加減の調整等に注力することができ、操作の精度を向上させることができる。

別の観点からは、基準面ＲＰに沿った操作装置２の操作が、対象物Ｗの表面に沿ったエンドエフェクタ１１の移動に変換されるので、操作部２１の動作範囲が限定されている場合であっても、エンドエフェクタ１１を比較的柔軟かつ広範囲に移動させることができる。基準面ＲＰに沿った操作部２１の移動という限られた範囲の操作であっても、対象物Ｗの様々な表面形状に応じてエンドエフェクタ１１を柔軟に且つ広範囲に移動させることができる。この点においても、操作装置２を操作してロボット１を動作させる際の操作性を向上させることができる。

また、基準面ＲＰは、操作座標系における平面である。

この構成によれば、ユーザは、操作装置２を操作座標系において平面的に動かすことによって、エンドエフェクタ１１を対象物Ｗの表面に沿って移動させることができる。つまり、ユーザは、平面に対して作用を加えるかのような操作を操作装置２を介して行うことによって、エンドエフェクタ１１を対象物Ｗの表面に沿って移動させることができる。

さらに、制御装置３は、座標変換において、対象物Ｗの表面に対するエンドエフェクタ１１の姿勢を一定に維持する。

この構成によれば、制御装置３は、操作座標系における基準面ＲＰを対象物Ｗの表面に対応付けるような座標変換を行う際に、対象物Ｗの表面に対するエンドエフェクタ１１の姿勢が一定になるようにエンドエフェクタ１１の姿勢を調整する。そのため、ユーザは、対象物Ｗの表面に対するエンドエフェクタ１１の姿勢を一定にするための特段の操作を行わなくても、対象物Ｗの表面に対するエンドエフェクタ１１の姿勢が一定になるように自動的に調整される。その結果、対象物Ｗに対する一様な、即ち、均質な作用をエンドエフェクタ１１によって加えることができる。

詳しくは、制御装置３は、エンドエフェクタ１１に設定されたツール座標系で定義された基準軸Ａと対象物Ｗの表面との交点Ｐにおける対象物Ｗの法線Ｎに基準軸Ａが一致するようにエンドエフェクタ１１の姿勢を変更することによって、対象物Ｗの表面に対するエンドエフェクタ１１の姿勢を一定に維持する。

この構成によれば、対象物Ｗの表面の法線Ｎに対するエンドエフェクタ１１の姿勢が一定に維持される。

また、操作装置２は、ユーザが操作する操作部２１と、操作部２１を支持すると共に操作部２１を動作させる支持機構２２（支持部）とを有し、操作座標系は、操作部２１に固定されている。

この構成によれば、操作部２１は、支持機構２２によって支持されると共に、支持機構２２によって動作させられる。つまり、操作部２１は、移動し得る。ここで、操作座標系は、操作部２１に固定されているので、基準面ＲＰは、操作部２１の移動に伴って移動する。操作部２１が移動しても、操作部２１に対する基準面ＲＰの関係が一定なので、ユーザは、基準面ＲＰを容易に把握しながら移動させることができる。

さらに、操作装置２は、操作部２１にユーザから加えられる操作力を検出する操作力センサ２３をさらに有し、制御装置３は、操作情報に応じた指令成分である操作成分ｅ’を操作力センサ２３によって検出される操作力を操作情報として求める操作換算部６５と、座標変換に相当する指令成分である変換成分ｓ’を求める変換部６６と、操作成分ｅ’及び変換成分ｓ’に基づいてロボットアーム１２への指令を生成するスレーブ出力部６９とを有している。

この構成によれば、操作装置２の操作力センサ２３が、操作部２１にユーザから加えられる操作力を操作情報として検出する。制御装置３の操作換算部６５は、操作力センサ２３によって検出された操作力に応じた操作成分ｅ’を求める。さらに、制御装置３の変換部６６は、座標変換に相当する変換成分ｓ’を求める。そして、制御装置３のスレーブ出力部６９は、操作成分ｅ’及び変換成分ｓ’に基づいて指令を生成する。このように、操作成分ｅ’及び変換成分ｓ’を分けて、それぞれを操作換算部６５及び変換部６６が求めることによって、操作成分ｅ’及び変換成分ｓ’を求める処理を簡単にすることができる。

詳しくは、変換部６６は、エンドエフェクタ１１に固定されたツール座標系で定義された基準軸Ａと対象物Ｗの表面との交点Ｐにおける対象物Ｗの法線Ｎを取得する取得部６７と、基準軸Ａが法線Ｎに一致するようにエンドエフェクタ１１を移動させるための指令成分を変換成分ｓ’として求める算出部６８とを有する。

この構成によれば、まず、取得部６７が、エンドエフェクタ１１のツール座標系で定義された基準軸Ａと対象物Ｗの表面との交点Ｐにおける対象物Ｗの法線Ｎを取得する。その後、算出部６８は、基準軸Ａが法線Ｎに一致するようにエンドエフェクタ１１を移動させるための変換成分ｓ’を求める。この変換成分ｓ’を用いてロボットアーム１２への指令が生成されることによって、基準軸Ａが対象物Ｗの法線Ｎと一致するように、エンドエフェクタ１１の姿勢が調整される。

さらに、ロボットシステム１００は、対象物Ｗからエンドエフェクタ１１へ作用する反力である接触力を検出する接触力センサ１３（接触力検出部）をさらに備え、操作換算部６５は、操作力センサ２３によって検出される操作力及び接触力センサ１３によって検出される接触力に基づいて操作成分ｅ’を求め、制御装置３は、操作部２１を動作させるための支持機構２２への指令を操作成分ｅ’に基づいて生成するマスタ出力部６１１をさらに有している。

この構成によれば、操作換算部６５は、操作力センサ２３によって検出される操作力に加えて、接触力センサ１３によって検出される接触力に基づいて操作成分ｅ’を求める。その結果、エンドエフェクタ１１は、操作力だけでなく接触力にも応じた動作を行う。さらに、操作成分ｅ’は、ロボットアーム１２への指令を生成するために用いられるだけでなく、操作装置２の支持機構２２への指令を生成するために用いられる。その結果、操作装置２は、ユーザに接触力に応じた反力を提示することができる。つまり、ユーザは、エンドエフェクタ１１に作用する反力を感じながら、操作装置２を操作することができる。

詳しくは、マスタ出力部６１１は、変換成分ｓ’を考慮せずに、操作成分ｅ’に基づいて支持機構２２への指令を生成する。

この構成によれば、ロボットアーム１２への指令は、操作成分ｅ’及び変換成分ｓ’に基づいて生成される。一方、支持機構２２への指令は、操作成分ｅ’に基づいて生成され、変換成分ｓ’が反映されない。つまり、エンドエフェクタ１１は、操作情報及び座標変換に応じた動作を行うのに対し、支持機構２２は、座標変換を反映せず、操作情報に応じた動作を行う。具体的には、エンドエフェクタ１１が対象物Ｗの表面に沿って移動しても、操作部２１は、対象物Ｗの表面形状に倣った移動をしない。そのため、ユーザは、操作部２１を基準面ＲＰに沿って移動させることが容易になる。

また、エンドエフェクタ１１が対象物Ｗに加える作用は、研削、切削又は研磨である。

研削、切削又は研磨においては、エンドエフェクタ１１が対象物Ｗに接触し、対象物Ｗからエンドエフェクタ１１へ反力が作用する。ユーザは、接触力センサ１３によって検出される接触力に基づく反力を提示されながら操作装置２を操作する。ユーザは、反力を感じながら、操作部２１を操作して、エンドエフェクタ１１を対象物Ｗの表面に沿うように移動させる。このとき、ユーザは、操作部２１を基準面ＲＰに沿う方向へ操作するだけで、対象物Ｗからの反力を感じつつ、エンドエフェクタ１１を対象物Ｗの表面に沿って移動させることができる。その結果、対象物Ｗに研削、切削又は研磨を実行する際のロボット１の操作性を向上させることができる。

〈変形例〉
次に、ロボットシステム１００の変形例について説明する。図１３は、変形例において、ユーザによって動かされる操作部２１の模式図である。この変形例では、指令速度ｘｄ’からのマスタ指令の求め方が前述の例とは異なる。

詳しくは、制御装置３のゲイン処理部６１０は、指令速度ｘｄ’のうち変換成分ｓ’のゲインをゼロにすることなく、即ち、キャンセルすることなく、指令速度ｘｄ’をマスタ出力部６１１へ出力する。そのため、マスタ出力部６１１は、操作成分ｅ’及び変換成分ｓ’に基づいてマスタ指令、即ち、指令位置ｘｄｍを生成する。

これにより、エンドエフェクタ１１の動作は、前述の例と変わらない。つまり、操作部２１が基準面ＲＰに沿って動かされると、エンドエフェクタ１１は、図１２に示すように、対象物Ｗの表面に対する姿勢が一定に維持されつつ、対象物Ｗの表面に沿って移動する。

このとき、操作部２１は、操作成分ｅ’に起因するエンドエフェクタ１１の動作と変換成分ｓ’に起因するエンドエフェクタ１１の動作との両方を反映させた動作を行う。つまり、図１３に示すように、操作部２１は、概ね、対象物Ｗの表面に対する姿勢が一定で対象物Ｗの表面に沿った軌跡を描くように支持機構２２によって移動させられる。ユーザは、基準面ＲＰに沿った方向へ操作部２１に操作力を加えており、操作部２１が対象物Ｗの表面に沿った軌跡を描くように操作部２１を意図的に操作しているわけではない。つまり、ユーザは、操作部２１を対象物Ｗの表面に沿うように意図的に操作しなくても、対象物Ｗの表面形状を感知しながら、操作部２１を操作することができる。

尚、基準面ＲＰは、操作部２１に固定された操作座標系で規定されているので、操作部２１の移動と同様に移動する。操作部２１の姿勢が変化すると、それに伴って基準面ＲＰの姿勢、即ち、角度も変化する。ユーザは、操作部２１を把持しているので、操作部２１の姿勢を知覚することができ、基準面ＲＰの角度を概ね把握することができる。そのため、操作部２１の姿勢が変化しても、ユーザは、操作部２１を容易に基準面ＲＰに沿って移動させることができる。

以上のように、変形例においては、マスタ出力部６１１は、支持機構２２への指令を操作成分ｅ’に加えて変換成分ｓ’に基づいて生成する。

この構成によれば、基準面ＲＰに沿った操作部２１の操作であっても、対象物Ｗの表面に沿ったエンドエフェクタ１１の移動と同様に操作部２１を移動させることができる。その結果、ユーザは、操作部２１を対象物Ｗの表面に沿うように意図的に操作しなくても、対象物Ｗの表面形状を感知しながら、操作部２１を操作することができる。

《その他の実施形態》
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、前記実施形態を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、前記実施形態で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。また、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、前記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。

例えば、マスタ装置は、操作装置２に限定されず、ユーザによる操作情報を入力できる限り、任意の構成を採用することができる。スレーブ装置は、ロボット１に限定されず、対象物に作用を加える作用部と作用部を動作させる動作部とを有する限り、任意の構成を採用することができる。

対象物Ｗの三次元情報３２２は、ＳＴＬデータに限定されない。対象物の三次元情報３２２は、対象物の表面の任意の部分の法線を取得することができるデータであればよく、例えば、点群データでもよい。あるいは、対象物の三次元情報３２２は、対象物の表面の各部分における法線の情報そのものであってもよい。

前述の座標変換の手法は、一例に過ぎず、これに限定されない。座標変換は、マスタ座標系における基準面が対象物の表面に対応付けられるものであればよく、対象物の表面に対する作用部の姿勢を一定に維持することは必須ではない。つまり、前述の図１１，１２の例で、座標変換において、エンドエフェクタ１１を回転させずに、マスタ座標系のＺｒ軸の方向におけるエンドエフェクタ１１と対象物Ｗの表面との距離が一定になるようにエンドエフェクタ１１のＺｒ軸の方向の位置だけを調整してもよい。

前述の合成力ｆｍ＋ｆｓから指令位置ｘｄｓ及び指令位置ｘｄｍを算出する方法は、一例に過ぎない。例えば、運動モデルは一例に過ぎず、異なる運動モデルを用いてもよい。

ゲイン処理部６１０は、変換成分ｓ’ではなく、指令速度ｘｄ’のうち３軸それぞれの回転成分のゲインをゼロにしてもよい。つまり、ゲイン処理部６１０は、指令速度ｘｄ’のうち角速度の成分をキャンセルして、指令速度ｘｄ’のうち３軸それぞれの並進成分のみを出力してもよい。指令速度ｘｄ’のうちの回転成分がキャンセルされることによって、操作部２１の回転が抑制される。このような方法でも、ユーザは、操作部２１を水平に移動させやすくなる。

前述のブロック図は一例であり、複数のブロックを１つのブロックとして実現したり、１つのブロックを複数のブロックに分割したり、一部の機能を別のブロックに移したりしてもよい。

前述のフローチャートは一例であり、ステップを省略又は変更してもよい。または、ステップの順番を変更したり、直列的な複数のステップを並列に処理したり、又は、並列的な複数のステップを直列的に処理したりしてもよい。

本開示の技術は、前記プログラムが記録された非一時的なコンピュータ読み取り可能な記録媒体であってもよい。また、前記プログラムは、インターネット等の伝送媒体を介して流通させることができるものであってもよい。

本実施形態で開示された構成の機能は、電気回路又は処理回路を用いて実行されてもよい。プロセッサは、トランジスタ及びその他の回路を含む処理回路等である。本開示において、ユニット、コントローラ又は手段は、記載した機能を実行するためのハードウェア又はプログラムされたものである。ここで、ハードウェアは、本実施形態で開示された機能を実行するように構成若しくはプログラムされた、本実施形態で開示されたもの又は公知のハードウェアである。ハードウェアが、プロセッサ又はコントローラの場合、回路、手段又はユニットは、ハードウェアとソフトウェアの組み合わせであり、ソフトウェアは、ハードウェア及び／又はプロセッサを構成するために用いられる。

１００ ロボットシステム
１ ロボット（スレーブ装置）
１１ エンドエフェクタ（作用部）
１２ ロボットアーム（動作部）
１３ 接触力センサ（接触力検出部）
２ 操作装置（マスタ装置）
２１ 操作部
２２ 支持機構（支持部）
２３ 操作力センサ（操作力検出部）
３ 制御装置
３２１ 制御プログラム
６５ 操作換算部
６６ 変換部
６７ 取得部
６８ 算出部
６９ スレーブ出力部
６１１ マスタ出力部
Ｗ 対象物
ＲＰ 基準面

Claims (13)

1. ユーザに操作されるマスタ装置と、
   対象物に作用を加える作用部と前記作用部を動作させる動作部とを有するスレーブ装置と、
   前記マスタ装置を介して入力される操作情報に応じて前記作用部を動作させるように前記動作部への指令を出力する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記マスタ装置に設定された操作座標系における基準面が前記対象物の表面に対応付けられる座標変換を行って、前記操作情報に基づいて前記動作部への指令を生成するロボットシステム。
2. 請求項１に記載のロボットシステムにおいて、
   前記基準面は、前記操作座標系における平面であるロボットシステム。
3. 請求項１又は２に記載のロボットシステムにおいて、
   前記制御装置は、前記座標変換において、前記対象物の表面に対する前記作用部の姿勢を一定に維持するロボットシステム。
4. 請求項３に記載のロボットシステムにおいて、
   前記制御装置は、前記作用部に設定されたツール座標系で定義された基準軸と前記対象物の表面との交点における前記対象物の法線に前記基準軸が一致するように前記作用部の姿勢を変更することによって、前記対象物の表面に対する前記作用部の姿勢を一定に維持するロボットシステム。
5. 請求項１に記載のロボットシステムにおいて、
   前記マスタ装置は、ユーザが操作する操作部と、前記操作部を支持すると共に前記操作部を動作させる支持部とを有し、
   前記操作座標系は、前記操作部に固定されているロボットシステム。
6. 請求項５に記載のロボットシステムにおいて、
   前記マスタ装置は、前記操作部にユーザから加えられる操作力を検出する操作力検出部をさらに有し、
   前記制御装置は、
   前記操作情報に応じた指令成分である操作成分を前記操作力検出部によって検出される前記操作力を前記操作情報として求める操作換算部と、
   前記座標変換に相当する指令成分である変換成分を求める変換部と、
   前記操作成分及び前記変換成分に基づいて前記動作部への指令を生成するスレーブ出力部とを有しているロボットシステム。
7. 請求項６に記載のロボットシステムにおいて、
   前記変換部は、
   前記作用部に固定されたツール座標系で定義された基準軸と前記対象物の表面との交点における前記対象物の法線を取得する取得部と、
   前記基準軸が前記法線に一致するように前記作用部を移動させるための指令成分を前記変換成分として求める算出部とを有するロボットシステム。
8. 請求項６又は７に記載のロボットシステムにおいて、
   前記対象物から前記作用部へ作用する反力である接触力を検出する接触力検出部をさらに備え、
   前記操作換算部は、前記操作力検出部によって検出される前記操作力及び前記接触力検出部によって検出される前記接触力に基づいて前記操作成分を求め、
   前記制御装置は、前記操作部を動作させるための前記支持部への指令を前記操作成分に基づいて生成するマスタ出力部をさらに有しているロボットシステム。
9. 請求項８に記載のロボットシステムにおいて、
   前記マスタ出力部は、前記変換成分を考慮せずに、前記操作成分に基づいて前記支持部への指令を生成するロボットシステム。
10. 請求項８に記載のロボットシステムにおいて、
    前記マスタ出力部は、前記支持部への指令を前記操作成分に加えて前記変換成分に基づいて生成するロボットシステム。
11. 請求項８乃至１０の何れか１つに記載のロボットシステムにおいて、
    前記作用部が前記対象物に加える作用は、研削、切削又は研磨であるロボットシステム。
12. ユーザに操作されるマスタ装置と、対象物に作用を加える作用部と前記作用部を動作させる動作部とを有するスレーブ装置とを備えるロボットシステムの制御方法であって、
    前記マスタ装置を介して入力される操作情報に応じて前記作用部を動作させるように前記動作部への指令を出力することと、
    前記操作情報に基づいて前記動作部への指令を生成する際に、前記マスタ装置に設定された操作座標系における基準面が前記対象物の表面に対応付けられる座標変換を行うこととを含む、ロボットシステムの制御方法。
13. ユーザに操作されるマスタ装置と、対象物に作用を加える作用部と前記作用部を動作させる動作部とを有するスレーブ装置とを備えるロボットシステムを制御する機能をコンピュータに実現させるための制御プログラムであって、
    前記マスタ装置を介して入力される操作情報に応じて前記作用部を動作させるように前記動作部への指令を出力する機能と、
    前記操作情報に基づいて前記動作部への指令を生成する際に、前記マスタ装置に設定された操作座標系における基準面が前記対象物の表面に対応付けられる座標変換を行う機能とをコンピュータに実現させるための制御プログラム。
    
    

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