JP4032263B2 - ロボットのダイレクトティーチ装置 - Google Patents

Description

【発明の属する技術分野】
本発明は、ロボットマニピュレータのダイレクトティーチ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のロボットマニピュレータは肢体の機能回復や機能強化のために医療装置やトレーニング装置として使われることがあり、肢体の運動を教示するティーチングモードと肢体を駆動する動作モードの二つのモードを備えているのが一般的である。この装置を有効に機能させるには、動作モードで肢体に適した動作を与えることであるが、その動作を決めるのがティーチングモードである。このモードを備えた従来のロボットのダイレクトティーチ装置は例えば特開平８−６８７号公報等に開示されており、図２に示すような構成をしている。図において、２０１はいくつかのリンクからなるマニピュレータ本体、２０２はマニピュレータ本体２０１の先端部に取り付けられた力センサ、２０３は力センサ２０２の計測値、２０４は計測値２０３を座標変換する座標変換部、２０５は座標変換された力情報、２０６はマニピュレータの運動を計算する運動計算部、２０７は運動計算部２０６で計算された運動の値、２０８はマニピュレータのサーボ系、２０９はマニピュレータのサーボ系２０８の出力であり、２１０は座標変換部２０４と運動計算部２０６からなり、力センサ２０２の計測値２０３からマニピュレータの運動の値２０７を計算する部分である。
この図において、力センサ２０２はマニピュレータ本体２０１の先端にかかる力を常時計測しており、計測値２０３は常時座標変換部２０４に送られている。ここで、計測値２０３はマニピュレータ本体２０１の姿勢に応じて座標変換部２０４によって座標変換され、座標変換された力情報２０５が得られる。次に、力情報２０５は運動計算部２０６に送られ、力情報２０５にならう方向にマニピュレータ本体２０１を移動させる運動を計算する。こうして得られた運動の値２０７に従って、マニピュレータのサーボ系２０８は、マニピュレータ本体２０１の各アクチュエータへ信号を出力する。以上の処理をきわめて短い制御周期で行うことで、滑らかなならい動作を実現し、ティーチングを行うことができるようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが従来技術では、前記の処理をきわめて短い制御周期ですることが必須の条件になっており、これがなんらかの原因で長くなると、制御系が不安定になるという問題があった。これは特に、従来の実施例の図２に示した計算する部分２１０における処理が長くなるために発生することが多い。制御周期が長くなる原因として、例えば、前記処理の一部において情報伝送の遅れが発生した場合や、計算などの処理の遅れが発生した場合がある。このような場合、制御系が発散し不安定になるため、マニピュレータ本体２０１が振動して危険な状態となる。そこで、本発明は、制御周期が長くなっても制御系が不安定にならない、ダイレクトティーチ装置を提供することを目的とするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記の問題を解決するため、本発明は、従来の実施例の図２に示したような、マニピュレータの手先に装着した力センサの情報をもとにマニピュレータに加えるオペレータの操作力に応じてこれにならうようにマニピュレータを動作させるダイレクトティーチ装置において、図２の計算する部分２１０を以下のように構成したのである。すなわち、力センサが検出する力情報を常に計測し、マニピュレータ本体の動作停止中は力情報の値がしきい値Ａ以下であれば停止状態を保持し、力情報の値がしきい値Ａ以下でなければ力情報の値からこの力の方向にならうようにマニピュレータが移動する方向を計算し、マニピュレータをその方向に動作させ、動作中に計測している力情報が前記しきい値Ａより小さいしきい値Ｂ以下にならない限り前記の動作を保持し，前記力情報が前記しきい値Ｂ以下になった時点でマニピュレータの動作を停止させ、同時に前記の処理を繰り返す構成としたのである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
上記手段により、なんらかの原因で制御周期が長くなっても、制御系が不安定になったり、マニピュレータの動作が振動的になって危険な状態に陥るという問題が生じることはない。
以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。図１は、図２における計算する部分２１０について、本発明で改善した動作をさせるための処理のフローを示す図である。図において、ダイレクトティーチの処理を開始すると、まず力センサの計測をおこなう。このとき、マニピュレータの動作が停止中であれば、処理１０１で力計測値としきい値Ａを比較する。このとき、力計測値がしきい値Ａ以下であれば、マニピュレータの動作停止を継続する。また、力計測値がしきい値Ａ以下でなければ、処理１０２で前記力センサが計測した力の方向に従ってマニピュレータの動作方向を決定し、処理１０３でその力の大きさに従って動作速度を決定し、処理１０４でマニピュレータの動作を開始する。一方、力を計測した時点でマニピュレータが動作停止中でないときは、処理１０５で前記力計測値としきい値Ｂとを比較する。このとき、力計測値がしきい値Ｂ以下であれば、マニピュレータの動作を停止し、力計測値がしきい値Ｂ以下でなければ、処理１０６でマニピュレータの動作を継続する。以上の処理を終了すると、本システムの終了指令の有無を確認する。その指令があるときはここでシステムの処理を終了するが、その指令がないときは、力センサの計測を始めとする前記の処理をもう一度繰り返す。ここで、前記しきい値Ａは動作開始の基準となる力計測値の大きさ、前記しきい値Ｂは動作終了の基準となる力計測値の大きさを示すものであり、これらの設定によって僅かの力で動作してしまい、動作と停止の繰り返しによって系全体が不安定となるのを防いでいる。このため、しきい値Ａとしきい値Ｂは０＜Ｂ＜Ａという関係にあり、ＡとＢの大きさの差が大きくなる程アームの動作・停止を繰り返す動作の感度が下がり、安定性が増す。
【０００６】
次に、処理１０２の動作方向の決定方法については、種々の方法が採用できるので、いくつかの変形例について説明する。例えば、並進方向の力と回転方向の力とをある重みづけによって比較することで、いずれかを選択し、選択した力にならう方向をマニピュレータの動作方向とすることができる。また、並進方向の力と回転方向の力のいずれを読み取りいずれを無視するかをスイッチによって選択し、選択した力にならう方向をマニピュレータの動作方向とすることもできる。さらに、並進方向の力と回転方向の力とに関してそれぞれマニピュレータの移動すべき方向を計算し、それらを合わせた運動をマニピュレータの動作方向とすることもできる。
処理１０３の動作速度の決定方法についても、種々の方法が採用できる。例えば、マニピュレータの移動する速度の大きさを、力情報がしきい値Ａを越えたときの値の大きさに比例して与えることができる。また、力情報の値の大きさに応じた大きさの速度でかつその速度を一定に保ちながらマニピュレータを動作させることもできる。さらに、マニピュレータの目標とする動作速度に対し、動作の立ち上がり時にはこれを１次系あるいは２次系の応答に沿って動作速度を滑らかに前記目標速度に近づけてマニピュレータを動作させることもできる。
動作停止の決定方法についても、種々の方法が採用できる。例えば、並進方向の力と回転方向の力の値の少なくとも一方が設定したしきい値以下になったときにマニピュレータを停止させることができる。また、並進方向の力と回転方向の力の値の両方が設定したしきい値以下になったときに始めてマニピュレータを停止させることができる。さらに、マニピュレータの動作中にマニピュレータの移動する方向にかかる力がしきい値Ｂ以下になったときに始めてマニピュレータを停止させることもできる。このほかに、マニピュレータの動作中にマニピュレータの移動する方向にかかる力がしきい値Ｂ以下になったときに、もしその移動方向以外の方向の操作力がしきい値Ｂ以下でないならば、マニピュレータを停止させることなく、新たな操作力に応じてこれにならう方向にマニピュレータの移動方向を選択し、移動速度を設定することもできる。
以上のほか、オペレータに分かりやすくするため、マニピュレータの動作起動時および動作停止時に音を発生させることもできる。
以上のことから、本システムを組み込むことによってマニピュレータの動作の制御周期が長くなっても、制御系が不安定になり、マニピュレータの動作が振動的になったり危険な状態になるという問題は生じない。
【０００７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、マニピュレータの動作の制御周期が長くなっても、制御系が不安定になり、マニピュレータの動作が振動的になったり危険な状態になるという問題は生じず、簡易なシステムによって安定したダイレクトティーチを行うことができる。
【０００８】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す図である。
【図２】従来の装置を示す図である。
【符号の説明】
１０１ 力計測値としきい値Ａとの比較処理
１０２ マニピュレータの動作方向の決定処理
１０３ マニピュレータの動作速度の決定処理
１０４ マニピュレータの動作開始処理
１０５ 力計測値としきい値Ｂとの比較処理
１０６ マニピュレータの動作継続処理
２０１ マニピュレータ本体
２０２ 力センサ
２０３ 計測値
２０４ 座標変換部
２０５ 力情報
２０６ 運動計算部
２０７ 運動の値
２０８ マニピュレータのサーボ系
２０９ 出力
２１０ 計算する部分

Claims (8)

1. マニピュレータの手先に装着した力センサの情報をもとに前記マニピュレータに加えるオペレータの操作力に応じてこれにならうように前記マニピュレータを動作させるダイレクトティーチ装置において、前記力センサの力情報を常に計測し、前記マニピュレータの動作停止中は該力情報の値がしきい値Ａ以下であれば停止状態を保持し、前記力情報の値がしきい値Ａ以下でなければ前記力情報の値からこの力の方向にならうように前記マニピュレータが移動する方向を計算して、前記マニピュレータを前記この力の方向にならうように動作させ、動作中に計測している前記力情報が前記しきい値Ａより小さいしきい値Ｂ以下にならない限り前記この力の方向にならうような動作を保持し，前記力情報が前記しきい値Ｂ以下になった時点で前記マニピュレータの動作を停止させることを特徴とするロボットのダイレクトティーチ装置。
2. 前記マニピュレータが移動する方向を決定する方法として、計測された前記力センサの並進方向の力と回転方向の力とをある重みづけによって比較し、いずれかを選択することを特徴とする請求項１記載のロボットのダイレクトティーチ装置。
3. 前記マニピュレータが移動する方向を決定する方法として、計測された前記力センサの並進方向の力と回転方向の力のいずれを読み取りいずれを無視するかをスイッチによって選択することを特徴とする請求項１記載のロボットのダイレクトティーチ装置。
4. 前記マニピュレータが移動する方向を決定する方法として、計測された前記力センサの並進方向の力と回転方向の力とについては、それぞれ前記マニピュレータの移動すべき方向を計算し、前記並進方向の力と前記回転方向の力の合成された力による運動を前記マニピュレータに行わせるとともに、前記並進方向の力と前記回転方向の力の値の少なくとも一方あるいは両方が設定した前記しきい値以下になったときに前記マニピュレータを停止させることを特徴とする請求項１記載のロボットのダイレクトティーチ装置。
5. 前記マニピュレータの動作中に前記マニピュレータの移動方向にかかる力がしきい値Ｂ以下になれば前記マニピュレータを停止させ、移動方向以外の方向の操作力が前記しきい値Ｂ以下でない時は、前記マニピュレータを停止させることなく、新たな操作力に応じて前記操作力にならう方向に前記マニピュレータの移動方向を選択し、移動速度を設定することを特徴とする請求項１記載のロボットのダイレクトティーチ装置。
6. 前記力情報がしきい値Ａを越えたときの値に比例して前記マニピュレータの目標速度を与えるとともに、動作の立ち上がり時には１次系あるいは２次系の応答に沿って動作速度を滑らかに前記目標速度に近づけて前記マニピュレータを動作させることを特徴とする請求項１記載のロボットのダイレクトティーチ装置。
7. 前記力情報の値の大きさに応じた速度で動作させ、前記速度を一定に保ちながら前記マニピュレータを動作させることを特徴とする請求項１記載のロボットのダイレクトティーチ装置。
8. 前記マニピュレータの動作起動時および動作停止時に音を発生することを特徴とする請求項１記載のロボットのダイレクトティーチ装置。
   【０００１】

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