JP4443614B2 - パワーアシスト装置及びその制御方法 - Google Patents

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、ワークを搬送する際に進行方向をガイドする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に関する技術としては、例えばワークを搬送する際に、あらかじめ設定された設定エリアからはみ出した場合には、インビジブルウォールと呼ばれる仮想の壁から受ける戻し力を作業者に与えるように、ワークを支持するアームのモータを駆動するものが知られている。（例えば、特許文献１参照）。

また、製造現場におけるパワーアシスト装置の使用例として、アシストを行うロボットアームの先に人が操作する操作子を具備し、人の操作をアシストする力をロボットアームに発生させるパワーアシスト装置が、ウィンドウガラスを自動車のボディにはめ込むなどの、高精度のワーク位置決めと、はめ込む時の進行方向の精度が求められる作業に用いられている。
特開２００５−２８４９２号公報

しかし、上述した特許文献１に記載の技術は搬送を行う際の基準となる軌道の変更・修正を容易に行うことができないために、この技術を例えば上述したような自動車のボディにウィンドウガラスをはめ込む作業に適用した場合を考えると、ボディとウィンドウガラスがわずかでもずれていると、まず、そのまま適用した場合は、（１）ウィンドウガラス側のアップストッパがボディの係合穴にうまく入らず、ボディにぶつける。（２）トランクとボディの隙間にウィンドウガラスを差し込む際に、トランクやボディにガラスがぶつかる、などの問題点が考えられる。
また、ティーチング設定エリアを変える場合は、設定エリアを変更するのに時間がかかるといった問題点が考えられる。

さらに、特許文献１記載の技術の適用についてより具体的な課題を上げると、そのまま適用した場合は、（１）ウィンドウガラスに接着剤のウレタン（図４の符号１２）が塗布されているので、付着しないように離れた高さで位置合わせをしてから、その位置を維持したまま下げていく動作が必要がある。（２）トランクとボディの隙間や、ストッパをボディの穴に差し込む向きがワークの構造上決まっているため、搬送方向の精度が要求される。（３）操作ハンドルに力を加えて動かす際に、動かしたくない向きにも力がかかってしまい、その向きにも動いてしまい、位置ズレと挿入向きのズレが生じる。（４）ボディの位置が毎回ばらつくため、設定したティーチ位置を変える必要あり、さらに、ティーチング設定エリアを変える場合は、搬送モードと設定エリアを変えるモードを切り替える必要がある、等の実施上の多くの課題がある。

また、特許文献１に記載の技術を適用せず、自動車のボディにウィンドウガラスをはめ込む作業を行う場合は、すなわち、図１０に示すようにウィンドウガラス２を従来のパワーアシスト装置で搬送しながら操作者の操作によりボディ１００にはめ込む作業を行う場合は、操作者は操作子によりアシストを行うロボットアームの操作を行う際には、ロボットアームをどの方向にも同様に動かすことが可能であり、そのような状態で自動車のボディ１００上空でウィンドウガラス２の前後位置を合わせても、図１０の点線矢印の方向に降ろして行く途中で前後にずれることがあるため、アッパーの位置を合わせたままで真下に安定して降ろすような手段が望まれていた。
そこで本発明では、このような課題を鑑み、ワークを目標に合わせる場合は、ブレを補正して目標軌道に沿いやすくするとともに、軌道の変更・修正を行う場合は、ワークをスムーズに移動できるように制御す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目的とする。

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とその向きを検出する操作力検出手段と、
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駆動手段と、
を備えるパワーアシスト装置の制御方法であって、
前記操作力検出手段により検出された前記操作部位に加えられた操作力の向きが、
予め定めた操作部位の進行方向に対する所定の角度範囲内である場合には、
前記操作部位を前記進行方向に沿って進行させるように前記駆動手段を駆動し、
前記操作力検出手段により検出された前記操作部位に加えられた操作力の向きが、
前記所定の角度範囲外である場合には、
前記操作部位を加えられた操作力の向きへ進行させるように前記駆動手段を駆動するものである。

請求項２においては、
前記所定の角度範囲を、内側の第一角度範囲と、該第一角度範囲の両外側に位置する第二角度範囲とに分割設定し、
前記操作力検出手段により検出された前記操作部位に加えられた操作力の向きが、
前記第一角度範囲内である場合には、
前記操作部位を前記進行方向に沿って進行させるように前記駆動手段を駆動し、
前記操作力検出手段により検出された前記操作部位に加えられた操作力の向きが、
前記第二角度範囲内である場合には、
前記操作部位を、前記操作部位に加えられた操作力の進行方向成分と、前記操作部位に加えられた操作力の進行方向に対する垂直方向成分よりも小さくなるように補正した補正後垂直方向成分とで決定される方向へ進行させるように前記駆動手段を駆動するものである。

請求項３においては、
前記第二角度範囲を、複数の角度範囲に分割設定し、
前記複数の角度範囲の外側に行くに従って、前記補正後垂直方向成分を徐々に大きくするものである。

請求項４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とその向きを検出する操作力検出手段と、
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駆動手段と、
前記駆動手段を制御する制御装置と、
を備えるパワーアシスト装置であって、
前記制御装置は、
前記操作力検出手段により検出された前記操作部位に加えられた操作力の向きが、
予め定めた操作部位の進行方向に対する所定の角度範囲内である場合には、
前記操作部位を前記進行方向に沿って進行させるように前記駆動手段を駆動し、
前記操作力検出手段により検出された前記操作部位に加えられた操作力の向きが、
前記所定の角度範囲外である場合には、
前記操作部位を加えられた操作力の向きへ進行させるように前記駆動手段を駆動するものである。

請求項５においては、
前記制御装置には、前記所定の角度範囲が、内側の第一角度範囲と、該第一角度範囲の両外側に位置する第二角度範囲とに分割設定され、
前記制御装置は、
前記操作力検出手段により検出された前記操作部位に加えられた操作力の向きが、
前記第一角度範囲内である場合には、
前記操作部位を前記進行方向に沿って進行させるように前記駆動手段を駆動し、
前記操作力検出手段により検出された前記操作部位に加えられた操作力の向きが、
前記第二角度範囲内である場合には、
前記操作部位を、前記操作部位に加えられた操作力の進行方向成分と、前記操作部位に加えられた操作力の進行方向に対する垂直方向成分よりも小さくなるように補正した補正後垂直方向成分とで決定される方向へ進行させるように前記駆動手段を駆動するものである。

請求項６においては、
前記第二角度範囲は、複数の角度範囲に分割設定され、
前記複数の角度範囲の外側に行くに従って、前記補正後垂直方向成分が徐々に大きくなるものである。

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、ワークを目標に合わせて搬送する場合は、ブレを補正でき、軌道の変更・修正を行う場合は、ワークをスムーズに移動できる。

請求項２においては、ワークを目標に合わせて搬送する場合は、ブレを補正でき、軌道の変更・修正を行う場合は、ワークをより違和感なくスムーズに移動できる。

請求項３においては、ワークを目標に合わせて搬送する場合は、ブレを補正でき、軌道の変更・修正を行う場合は、ワークをより違和感なくスムーズに移動できる。

請求項４においては、ワークを目標に合わせて搬送する場合は、ブレを補正でき、軌道の変更・修正を行う場合は、ワークをスムーズに移動できる。

請求項５においては、ワークを目標に合わせて搬送する場合は、ブレを補正でき、軌道の変更・修正を行う場合は、ワークをより違和感なくスムーズに移動できる。

請求項６においては、ワークを目標に合わせて搬送する場合は、ブレを補正でき、軌道の変更・修正を行う場合は、ワークをより違和感なくスムーズに移動できる。

次に、発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明に係るパワーアシスト装置の全体構成を示す模式図、図２はパワーアシスト装置の制御系の構成を示すブロック図、図３はパワーアシスト装置におけるロボットアームの別実施例を示す斜視図、図４はウィンドウガラスをボディに取付けた状態におけるウィンドウガラスの上端部を拡大して示す模式図、図５は所定の角度範囲と操作力の向きとの関係を示す図、図６は所定の角度範囲と操作力の向きとの関係を示す図、図７は所定の角度範囲と操作力の向きとの関係を示す図、図８はガイド方向と角度の実現形態を示す説明図、図９は操作力補正のベクトル線図、図１０は従来のパワーアシスト装置によるウィンドウガラスの取付動作を示す模式図である。
なお、本実施形態では、理解に供しやすくするため、搬送対象物であるワークを、図１に示すＸＹＺ座標系のＸＹ平面内で移動する作業を例とする。ＸＹ平面は鉛直面である。
また、以下の説明においては、説明の便宜上、図１に示す矢印Ｘの方向を前方とする。
また、本実施形態において、操作者１が行う主な作業は、ワークであるウィンドウガラス２（以下、ウィンドウ２という）を、図１に示す自動車のボディ１００の窓枠１００ａ上方から、窓枠１００ａのウィンドウ２取付位置へ移動して取り付ける作業である。

まず、本発明に係るパワーアシスト装置の全体構成について説明する。
パワーアシスト装置５０は、図１に示すように、主としてロボットの一例であるロボットアーム３と、ジョイント４と、該ジョイント４を介してロボットアーム３に支持されるウィンドウ２の保持手段である吸着治具５と、該吸着治具５に設けられた操作者１により操作される操作部位である操作ハンドル６と、前記操作ハンドル６に加えられた操作力とその向きを検出する操作力検出手段である力センサ７と、前記ロボットアーム３を駆動するアクチュエータ１１と、該アクチュエータ１１を駆動制御する制御装置８（図２に図示）によって構成されている。

ロボットアーム３は、図１に示すように側面視パンタグラフ状の閉ループリンク機構に構成されており、複数の関節３ａ（本実施例では４箇所）を介して各リンク３ｂ・３ｂ・３ｂ・３ｂが連結されている。該ロボットアーム３の先端である手先３ｃがジョイント４を介してウィンドウ２を吸着する吸着治具５に繋がっている。前記ジョイント４は前記吸着治具５に吸着されているウィンドウ２の姿勢を３次元的に揺動可能である。また、前記各関節３ａ、ジョイント４及び各リンク３ｂ・３ｂ・３ｂ・３ｂによりリンク機構を構成しており、該リンク機構にはアクチュエータ１１（図２に図示）が取り付けられており、該アクチュエータ１１を駆動することによりリンク機構を駆動し、ロボットアーム３の手先３ｃが３次元的に揺動可能となっている。これにより、前記ロボットアーム３にジョイント４を介して連結される吸着治具５は、該ロボットアーム３に対して３次元的に揺動可能となっている。
また、ロボットアーム３は、通常の搬送の場合は、操作者１がウィンドウ２を操作ハンドル６によりヨー軸、ロール軸回りに回転させたときにそれぞれ横方向（図１の左右方向）、縦方向（図１の上下方向）にロボットアーム３の手先３ｃを動かしウィンドウ２を移動させることが可能である。つまり、操作者１が操作ハンドル６を把持して吸着治具５を傾けた方向に、ウィンドウ２を移動させることが可能である。
なお、本実施形態においては、図１に示すように側面視パンタグラフ状のロボットアーム３を具備したパワーアシスト装置５０について説明したが、特に限定するものではなく、ロボットアームとして、図３に示すような、マニュピュレータ型の多関節型ロボットであるロボットアーム３０であってもかまわない。図３に示したロボットアーム３０おいては、前述したロボットアーム３と同様の部材及び機能を有する箇所には同符号を付している。

また、ロボットアーム３の各関節３ａ・３ａ・３ａ・３ａ及びジョイント４には、各リンク３ｂ・３ｂ・３ｂ・３ｂの位置を角度として検出する角度検出手段であるエンコーダ１０（図２に図示）が配置されている。該エンコーダ１０による検出値は制御装置８へ送られる。制御装置８は、送られたエンコーダ１０の検出値から、ウィンドウ２の位置及びウィンドウ２の姿勢を求めることができる。

吸着治具５は、該吸着治具５の枠組みであるフレーム５ａと、該フレーム５ａの左右両側（ライン進行方向である矢印Ｘに対して両側）にそれぞれ張り出した操作者１が把持して吸着治具５を操作するための操作ハンドル６・６を備えている。また、吸着治具５は、ロボットアーム３の手先３ｃにジョイント４を介して吊られており、ウィンドウ２を吸着保持可能となっている。具体的には、フレーム５ａの下端には、ウィンドウ２の表面（つまり、ウィンドウ２をボディ１００に取り付けたときにボディ１００の外側になる面）に吸い付く複数の吸盤９が取り付けられている（本実施例では４箇所）。吸着治具５にウィンドウ２を保持させる場合、吸盤９をウィンドウ２表面に密着させ、図示しないポンプによって吸盤９内の空気を吸引する。これにより、ウィンドウ２は吸盤９に吸着され、吸着治具５に保持される。
一方、吸着治具５からウィンドウ２を開放する場合には、ポンプによる空気の吸引を停止し、吸盤９とウィンドウ２との間に空気を注入することで、吸盤９へのウィンドウ２の吸着を停止する。これにより、ウィンドウ２は吸着治具５から開放される。

前記操作ハンドル６は、図２に示すように平面視略Ｕ字状であり、吸着治具５の両端部に配置されている。また、操作ハンドル６の一端（操作者１がハンドルを把持する側）の幅方向中央部近傍には前記力センサ７が配設されている。操作ハンドル６は、ボディ１００の窓枠１００ａにウィンドウ２を取り付ける際に操作者１によって把持される。操作者１がハンドル６を把持することで、吸着治具５が安定し、操作者１は窓枠１００ａに対するウィンドウ２の位置調整を行うことができる。

前記力センサ７は、ハンドル６と吸着治具５のフレーム５ａとの間に配置されて、ハンドル６にかかる操作力と、操作力の向きを検出するセンサである。つまり、パワーアシスト装置５０と協調作業する操作者１がウィンドウ２に加える操作力およびトルクを検出するセンサである。
また、前記力センサ７によって検出された操作者１の操作力と操作力の向きは、後述する制御装置８へ送られる。
なお、本実施形態では力センサ７はハンドル６の一方にのみに配設したものであるが特に限定するものではなく、両方のハンドル６近傍に配設してもかまわない。

制御装置８には、図２に示すように上述した力センサ７、エンコーダ１０及びロボットアーム３を駆動させるアクチュエータ１１が接続されている。パワーアシスト装置５０の各部の動作は制御装置８によって制御される。前記力センサ７で検出された操作力と操作力の向き、前記エンコーダ１０に基づく吸着治具５（ウィンドウ２）の位置情報等に基づいて操作者１の意図（本実施形態ではウィンドウ２を取り付けるために下方に動かしたい意図）をリアルタイムで推定する。そして、制御装置８は、アクチュエータ１１を駆動してロボットアーム３を制御し、後述する操作者１に加えられた操作力の向きに応じて決定されるアシスト力を発生させる。

また、制御装置８は、図示しない中央演算処理装置（ＣＰＵ）や記憶装置（ハードディスク装置、ＲＡＭやＲＯＭ）やインターフェース等からなり、記憶装置に後述する操作力とその向きθｈと目標軌道Ａとの関係からアクチュエータ１１をどのような条件で駆動制御するかを判断するための各種情報が記憶されている。
また、制御装置８は、図示しない指令値算出装置・指令値出力装置を有する。

次に、本発明に係るパワーアシスト装置の制御方法について図４から図７を用いて説明する。
まず、制御装置８に操作ハンドル６もしくはロボットアーム３の手先３ｃの進行方向（本実施形態では操作ハンドル６の進行方向）を予め設定しておく。また、予め設定された操作ハンドル６の進行方向Ａは、操作ハンドル６の目標軌道Ａとなる。本実施形態においては、図４に示すウィンドウ２の上端部にある鍵状のアップストッパ２ａが、ボディ１００の所定位置に設けられたアップストッパ２ａの係合穴と係合するように鉛直下方（図４の矢印Ａ方向）を操作ハンドル６の進行方向Ａとして制御装置８に予め設定しておく。そして、図５に示すように、前記進行方向Ａ（目標軌道Ａ）を基準として所定の角度範囲の条件設定を行う。
ここで、図５の点線矢印で示す進行方向Ａに対して、角度範囲の境界がなす角をθ１、θ２とする（本実施形態ではθ１＝２０°、θ２＝３０°）。このθ１で表される角度範囲は、操作ハンドル６に加えられる操作力の向きθｈが、この角度範囲内である条件（θ１≧θｈ）において、進行方向Ａに対して操作ハンドル６が斜めに全く動かないように制御を行う角度範囲である。
さらに、この斜めに全く動かない角度範囲よりもさらに両外側に位置するθ２の角度範囲からθ１の角度範囲を除いたエリアである角度範囲は、操作ハンドル６に加えられる操作力の向きθｈが、この角度範囲内である条件（θ１＜θｈ≦θ２）において、進行方向Ａに対して操作ハンドル６が斜めに動きにくくなるように制御を行う角度範囲である。

また、斜めに動きにくい角度範囲の外側となる角度範囲は、操作ハンドル６に加えられる操作力の向きθｈが、この角度範囲内にある条件（θ２＜θｈ）において、操作ハンドル６に加えられる操作力と操作力の向きθｈで、操作ハンドル６が進行するように制御を行う角度範囲である。
こうして、それぞれの角度範囲とその角度範囲内に操作力の向きが対応した場合のそれぞれの制御の流れについて制御装置８内に記憶させておき、力センサ７により操作者１により加えられた操作力とその向きθｈを検出して、制御装置８が、検出された操作力とその向きθｈと、上述した角度範囲との関係に基づいてアクチュエータ１１の駆動制御を行うものである。
なお、上述したように操作ハンドル６の進行方向Ａを制御装置８に記憶させているが、特に限定するものではなく、ロボットアーム３の手先３ｃの進行方向（手先３ｃの目標軌道）やワークであるウィンドウ２の進行方向（ワークの目標軌道）を記憶させておき、それらの進行方向を操作力の向きθｈを測るための基準方向として採用することも可能である。

図５に示すように、力センサ７により操作力の向きθｈが、操作ハンドル６が進行方向Ａに対して斜めに動きにくい角度範囲外（θ２の外側の角度範囲。θ２＜θｈ）であると検出された場合は、操作力の向きθｈが操作ハンドル６の進行方向Ｄとなる。具体的には、制御装置８が、操作ハンドル６に加えられた操作力とその向きθｈをそのまま採用して、操作ハンドル６を進行させるようにアクチュエータ１１を駆動させる。つまり、θ２の外側となる角度範囲に入る操作力の向きθｈは、操作ハンドル６が自由に動ける向きである。

また、図６に示すように、操作力の向きθｈが、力センサ７により操作ハンドル６が進行方向Ａに対して斜めに全く動かない角度範囲内（θ１≧θｈ）であると検出された場合は（図６の操作ハンドル６の操作力の向きθｈが、θ１≧θｈの条件下にある場合）、予め定めた進行方向Ａに対して操作力の垂直成分（図６の矢印Ｂｘ）は無視（キャンセル）されゼロとなり、進行方向Ａと平行である上下方向の成分（図６の矢印Ｂｙ）のみを有効とし、操作ハンドル６を進行方向Ａに沿って進行させる。すなわち、制御装置８が、操作ハンドル６に加えられた操作力とその向きθｈの進行方向Ａ成分のみを採用して、操作ハンドル６を進行させるようにアクチュエータ１１を駆動させる。
このように、本発明に係るパワーアシスト装置５０の制御方法を適用することで、操作ハンドル６を進行方向Ａに沿ってガイドアシストする制御が可能となり、ワークであるウィンドウ２を所定の位置にスムーズに搬送することができる。

従来の問題点であったウィンドウ２のアップストッパ２ａのボディ１００へのはめ込み作業においても、図７に示すように、アップストッパ２ａと係合穴との位置合わせを行った後、アップストッパ２ａの鉛直下方となる進行方向Ａを予め設定しておけば、そのまま進行方向Ａが操作ハンドル６をズレないように規制する向きとなる。すなわち、進行方向Ａ（目標軌道Ａ）に対して所定角度範囲内（ここでは、斜めに全く動かない角度範囲θ１内）で操作力の向きθｈが加わると、強制的に規制される向き（本実施例では鉛直下方となる進行方向Ａ）に補正され、規制された向きにしか動かないように制御装置８により操作ハンドル６が制御される。
また、上述したように操作ハンドル６が規制されて、進行方向Ａに沿って移動している途中であっても、操作者１が意図して斜めに動きにくい角度範囲外（θ２の両外側の角度範囲）となるべく操作ハンドル６に操作力の向きθｈの操作力を与えると、進行方向Ａの向きに規制されることなく、目標軌道Ａから離れて自由に動けるようになる。
このようにして、ウィンドウ２をボディ１００にはめ込む前に位置合わせをしたウィンドウ２の上端部の位置をブレることなく進行方向にガイドしてウィンドウ２を下降させることが可能となり、ウィンドウ２を所望の向きに進めて係合穴にはめ込むことができるので、位置決め精度と、進行方向精度が向上し、作業時間も短縮される。

なお、本実施例においては本発明を理解に供しやすくするために、鉛直下方を予め定める進行方向Ａとする例を挙げているが、製造現場においてはあらゆる方向に対応する必要があり、制御すべき方向を特に限定するものではなく、適宜状況に応じて進行方向（目標軌道）を制御装置８に設定可能である。
また、予め定める進行方向Ａ（目標軌道Ａ）は、直線状、ジグザグ状もしくは曲線状等で二次元平面上だけでなく三次元空間内において自在に設定可能であり、複雑に入り組んだ進行方向であっても制御装置８にて容易に設定可能である。

また、上述した角度範囲の設定については、特に限定されるものではなく、例えば、操作力の向きθｈが進行方向Ａに対して所定の角度範囲内である場合は、操作力の進行方向成分のみを採用し、操作力の向きθｈが所定の角度範囲外にある場合は、加えられた操作力とその向きを採用して制御することも可能である。つまり、本発明に係るパワーアシスト装置５０の制御方法は、進行方向Ａ（目標軌道Ａ）に対して操作力の向きθｈが所定角度以内であれば、目標軌道Ａに沿った形でワークであるウィンドウ２が進むように軌道を規制する手段を有し、目標軌道Ａが所定角度を超えた場合は、前記規制する手段による規制を行わないものである。

さらに、前記所定の角度範囲を、内側の第一角度範囲と、該第一角度範囲の両外側に位置する第二角度範囲とに分割して、操作力の向きθｈが第一角度範囲内にある場合は、操作力の進行方向成分のみを採用し、操作力の向きθｈが第二角度範囲内にある場合は、上述したように操作ハンドル６が斜めに動きにくくなるように制御を行う角度範囲とする。具体的には、斜めに動きにくくするためには、操作ハンドル６に加えられた操作力の進行方向成分と、操作ハンドル６に加えられた操作力の進行方向に対する垂直方向成分よりも小さくなるように補正した垂直方向成分と、を採用してアクチュエータ１１を駆動制御するものである。つまり、前記制御装置８により、操作ハンドル６に加えられた操作力の進行方向成分と、前記補正した垂直方向成分とで決定される方向へ操作ハンドル６を進行させるように、前記アクチュエータ１１を駆動する。

さらに、前述した第二角度範囲内（斜めに動きにくい角度範囲内）を、さらに複数の角度範囲に分割設定して、角度範囲が外側になっていくに従って、徐々に図６に示す矢印Ｂｘの操作力のキャンセル量を緩和（少なくしていく）していくように構成することも可能である。すなわち、前記複数の角度範囲の外側に行くに従って、垂直方向成分の補正後の操作力が徐々に大きくなるように構成するものである。
このように構成すると、操作者１が前記第一角度範囲（斜めに動かない角度範囲）と前記第二角度範囲（斜めに動きにくい角度範囲）との境界を出入しても、その境界を感じることがない。つまり、スムーズに目標軌道Ａからの離脱もしくは目標軌道Ａに復帰することができる。

次に、上述した本発明に係るパワーアシスト装置の制御方法に係る演算方法を、数式を用いて詳しく説明する。
制御装置８の図示しない演算部においては、操作者１によって操作ハンドル６に加えられた操作力とその向きθｈを力センサ７により検出した検出値に基づいて、目標軌道Ａに対する修正軌道を演算するものである。

本発明者等は、まず操作者１が目標軌道Ａに沿ってロボットアーム３の手先３ｃを移動させるときの操作力のブレ角度を調べた。その結果として、おおむね±１０［ｄｅｇ］以内であった。個人差も考慮して、±２０［ｄｅｇ］以内のときは操作者１が目標軌道Ａに沿って操作しようとしていると本実施形態においては想定し、制御装置８に設定する。また、操作者１が、それ以上の方向（２０［ｄｅｇ］以上）に操作しているときには、軌道を変更・修正しようとしていると考えているものとして制御装置８に条件設定する。
なお、前記ブレ角度は、特に限定するものではなく、状況に応じて適宜設定変更が可能である。

具体的には、目標の方向および補正角度範囲に応じて、図８のような実現形態が考えられる。（ａ）はｘ軸の正負方向を目標の方向としている。（ｂ）は（ａ）に対してθｄだけ傾けた状態である。（ｃ）はｘ軸の正方向には補正をかけるが、負方向には補正をかけないフリー状態である。（ｄ）は（ｃ）を角度θｄだけ傾けた状態である。

（操作力の修正方法）
図８（ａ）のように、手ブレ補正により進みやすくする方向をｘ軸とする。操作力の向きθｈがｘ軸に対して±θ１の範囲では、手ブレを押さえ込むために、操作力のｙ軸成分をキャンセルさせる。また、ｘ軸に対して±θ２を超える範囲では、そのままの操作力を用いる。操作力の向きθｈがθ１とθ２の間である場合は、ｙ軸成分のキャンセル具合を補間するようにする。
もともとの操作力Ｆｈ＝（Ｆｈｘ,Ｆｈｙ）のｙ軸成分に対して、以下のような修正を加えて新たな操作力（数１）を得る。

ただし、この場合、θｈは次式（数２）により表わされる。

これで次式（数３）にて表わされる補正後の操作力が得られる。

図８（ｂ）のように、傾いている場合は、回転行列で座標変換することで、上記と同様の計算ができる。
操作力Ｆｈの目標方向成分とその垂直成分は、次式（数４）のように回転行列をかけることにより求まる。

ここで、Ｒ（θ）は角度θだけ回転させる行列であり、例えば２次元では次式（数５）で表される。

補正の計算は、次式（数６）のようになる。

ただし、この場合、θ’ｈは次式（数７）により表わされる。

こうして、次式（数８）にて表わされる、補正計算により得られた新たな操作力を、次式(数９)に示すように、再度回転行列Ｒ（θｄ）で元の座標系に戻す。

このように操作力情報を補正した後で、通常のインピーダンス制御計算を行い、パワーアシスト装置５０をインピーダンス制御すればよい。

例えば、速度ｖで移動している物体に、操作力Ｆｈが作用したときのベクトル線図を図９に示す（Ｔはサンプリング時間、Ｍは質量である）。ただし、ｘ軸方向に進めたい場合である。
図９に示すように、ロボットアーム３がベクトルｖの方向に移動している場合を考える。操作力がＦｈというベクトルで表されるとすると、１サンプリング後の加速度分は図９に示すＦｈＴ／Ｍというベクトルになる。ここで、ｘ軸方向を目標軌道Ａ（進行方向Ａ）としているので、補正後の操作力はバーＦｈＴ／Ｍのベクトルのようにｙ方向成分がキャンセルされ、最終的に次のサンプリングにおける速度ベクトルはバーｖとなる。この例では、最初の移動方向ｖが目標軌道Ａからずれている場合を取り上げているが、前記の計算は非常に短時間のサンプリングにおける計算であり、このような計算を繰り返し行うことにより、移動速度ベクトルは目標軌道Ａ（進行方向Ａ）に沿うこととなり、ロボットアーム３は目標軌道Ａ（進行方向Ａ）に沿って移動する。また、最初の移動方向が目標軌道Ａからずれていない場合は、その後の移動も目標軌道Ａからずれることなく、目標軌道Ａ（進行方向Ａ）に沿って移動する。
なお、本実施形態においては移動速度に依存した補正を加えていないが、移動速度に応じて補正量を可変にすることも可能である。
また、前記補正量だけでなく前述した第一角度範囲と第二角度範囲とをそれぞれ可変したり、操作力の大きさに応じて補正量を可変にしたりすることも可能である。

次に、上記構成のパワーアシスト装置５０に上述した制御方法を適用して、ロボットと作業者が協調してウィンドウ２をボディ１００の窓枠１００ａにはめ込む作業及びパワーアシスト装置５０の動作について説明する。

図１に示すように、ロボットアーム３の先端となる手先３ｃにジョイント４を介して吊られた吸着治具５があり、ウィンドウ２をボディ１００の窓枠１００ａに取り付けるために、前記吸着治具５によりウィンドウ２が吸着されている。操作者１はウィンドウ２の位置と姿勢を調整しながらロボットアーム３を誘導することで、ウィンドウはめ込み位置である窓枠１００ａ上方までウィンドウ２を搬送する。
図７に示すように、ウィンドウ２は、窓枠１００ａに対してやや上空に位置している。そして、操作者１はウィンドウ２の上端部に設けられているアップストッパ２ａを、アップストッパ２ａを係合する係合穴の鉛直上方に位置させておく。このとき、操作者１がこの位置で操作ハンドル６を持って、ウィンドウ２を目標位置である窓枠１００ａに近づける方向に、すなわち、ウィンドウ２を吸着した吸着治具５の操作ハンドル６に操作力を加えると、その操作力に応じて、図７に示すように操作ハンドル６が進行方向Ａに動く。

このとき、力センサ７により操作力の向きθｈが予め定めた進行方向Ａ（目標軌道Ａ、本実施例では下方方向）に対して所定の角度範囲内（θ１≧θｈ）にあると検出した場合、検出した操作力の進行方向成分で操作ハンドル６を目標軌道Ａに沿って進行させる。そうして、アップストッパ２ａを係合穴に係合する。また、進行方向Ａに沿って操作ハンドル６を進行させている途中に、アップストッパ２ａの係合穴への係合を取り止めたい場合は、操作者１が意図的に所定の角度範囲外（θ２＜θｈ）となる方向に操作力の向きθｈを操作ハンドル６に与えて、進行方向Ａから外れて自由に移動させることも可能である。

つまり、操作者１がウィンドウ２を予め設定された目標軌道Ａに沿って移動させようと操作ハンドル６に働きかけた場合は、操作者１の手先のブレを補正して目標軌道Ａに沿って移動させることが可能であり、所定の角度範囲から外れた操作力の向きθｈを与えた場合は、操作力と同じ向きに操作ハンドル６を動かすことが可能となる。

なお、操作者１は、操作ハンドル６に加える操作力について、その方向を厳密に意識しているわけではないので、操作力の方向はＸＹ平面と平行にならない場合もある。しかし力センサ７は、操作力のＸＹ平面と平行であるヨー軸回り方向成分のみを検出するため、操作者１が加える操作力はＸＹ平面と平行でなくてもよい。

このように、操作者１により操作される操作部位である操作ハンドル６と、前記操作ハンドル６に加えられた操作力とその向きθｈを検出する操作力検出手段である力センサ７と、前記操作ハンドル６を支持するロボットアーム３と、前記ロボットアーム３を駆動する駆動手段であるアクチュエータ１１と、を備えるパワーアシスト装置５０の制御方法であって、前記力センサ７により検出された前記操作ハンドル６に加えられた操作力の向きθｈが、予め定めた操作ハンドル６の進行方向Ａに対する所定の角度範囲内である場合には、前記操作ハンドル６を前記進行方向Ａに沿って進行させるように前記アクチュエータ１１を駆動し、前記力センサ７により検出された前記操作ハンドル６に加えられた操作力の向きθｈが、前記所定の角度範囲外である場合には、前記操作ハンドル６を、加えられた操作力の向きθｈへ進行させるように前記アクチュエータ１１を駆動するというパワーアシスト装置５０の制御方法を適用することにより、ワークであるウィンドウ２を目標に合わせて搬送する場合は、ブレを補正でき、軌道の変更・修正を行う場合は、ウィンドウ２をスムーズに移動できる。

また、前記所定の角度範囲を、内側の第一角度範囲と、該第一角度範囲の両外側に位置する第二角度範囲とに分割設定し、前記力センサ７により検出された前記操作ハンドル６に加えられた操作力の向きθｈが、前記第一角度範囲内である場合には、前記操作ハンドル６を前記進行方向Ａに沿って進行させるように前記アクチュエータ１１を駆動し、前記力センサ７により検出された前記操作ハンドル６に加えられた操作力の向きθｈが、前記第二角度範囲内である場合には、前記操作ハンドル６を、前記操作ハンドル６に加えられた操作力の進行方向成分と、前記操作ハンドル６に加えられた操作力の進行方向Ａに対する垂直方向成分よりも小さくなるように補正した補正後垂直方向成分とで決定される方向へ進行させるように前記アクチュエータ１１を駆動するパワーアシスト装置５０の制御方法を適用することにより、ワークであるウィンドウ２を目標に合わせて搬送する場合は、ブレを補正でき、軌道の変更・修正を行う場合は、ウィンドウ２をより違和感なくスムーズに移動できる。

また、前記第二角度範囲を、複数の角度範囲に分割設定し、前記複数の角度範囲の外側に行くに従って、前記補正後垂直方向成分を徐々に大きくするパワーアシスト装置５０の制御方法を適用することにより、ワークであるウィンドウ２を目標に合わせて搬送する場合は、ブレを補正でき、軌道の変更・修正を行う場合は、ウィンドウ２をより違和感なくスムーズに移動できる。さらに、分割する角度範囲を細かく設定すれば、よりスムーズに操作感が得られる。

本発明のパワーアシスト装置５０の制御方法を適用することにより、操作者１の操作力にブレが生じても、あらかじめ設定した進行させたい向きに対してガイドされるので、ずれることなく、一定の向きに操作部位である操作ハンドル６が進行する。これにより、進行方向精度が向上するので、ウィンドウ２等をボディ１００にはめ込む前に位置合わせをした位置を保ったまま、ウィンドウ２を所望の向きに進めてはめ込むことができ、位置がずれにくくなり、位置決め精度が向上する。
また、位置調整時など、あらかじめ設定した進行方向以外の向きに動かしたい場合には、このガイドは働かないので、人の自由な操作を邪魔しないので、作業時間が短縮される。

なお、本実施形態ではウィンドウ２の取付作業を例に上げたが、特に限定するものではなく、本発明はロボットを使用して対象物（ワーク）を所定位置に組み付ける作業に広く適用可能である。

本発明に係るパワーアシスト装置の全体構成を示す模式図。 パワーアシスト装置の制御系の構成を示すブロック図。 パワーアシスト装置におけるロボットアームの別実施例を示す斜視図。 ウィンドウガラスをボディに取付けた状態におけるウィンドウガラスの上端部を拡大して示す模式図。 所定の角度範囲と操作力の向きとの関係を示す図。 所定の角度範囲と操作力の向きとの関係を示す図。 所定の角度範囲と操作力の向きとの関係を示す図。 ガイド方向と角度の実現形態を示す説明図。 操作力補正のベクトル線図。 従来のパワーアシスト装置によるウィンドウガラスの取付動作を示す模式図。

符号の説明

１ 操作者
３ ロボットアーム
６ 操作ハンドル
７ 力センサ
８ 制御装置
１１ アクチュエータ
５０ パワーアシスト装置
θｈ 操作力の向き
Ａ 進行方向

Claims (6)

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とその向きを検出する操作力検出手段と、
   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駆動手段と、
   を備えるパワーアシスト装置の制御方法であって、
   前記操作力検出手段により検出された前記操作部位に加えられた操作力の向きが、
   予め定めた操作部位の進行方向に対する所定の角度範囲内である場合には、
   前記操作部位を前記進行方向に沿って進行させるように前記駆動手段を駆動し、
   前記操作力検出手段により検出された前記操作部位に加えられた操作力の向きが、
   前記所定の角度範囲外である場合には、
   前記操作部位を加えられた操作力の向きへ進行させるように前記駆動手段を駆動する、
   ことを特徴とするパワーアシスト装置の制御方法。
2. 前記所定の角度範囲を、内側の第一角度範囲と、該第一角度範囲の両外側に位置する第二角度範囲とに分割設定し、
   前記操作力検出手段により検出された前記操作部位に加えられた操作力の向きが、
   前記第一角度範囲内である場合には、
   前記操作部位を前記進行方向に沿って進行させるように前記駆動手段を駆動し、
   前記操作力検出手段により検出された前記操作部位に加えられた操作力の向きが、
   前記第二角度範囲内である場合には、
   前記操作部位を、前記操作部位に加えられた操作力の進行方向成分と、前記操作部位に加えられた操作力の進行方向に対する垂直方向成分よりも小さくなるように補正した補正後垂直方向成分とで決定される方向へ進行させるように前記駆動手段を駆動する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のパワーアシスト装置の制御方法。
3. 前記第二角度範囲を、複数の角度範囲に分割設定し、
   前記複数の角度範囲の外側に行くに従って、前記補正後垂直方向成分を徐々に大きくすることを特徴とする請求項２に記載のパワーアシスト装置の制御方法。
4. 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とその向きを検出する操作力検出手段と、
   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駆動手段と、
   前記駆動手段を制御する制御装置と、
   を備えるパワーアシスト装置であって、
   前記制御装置は、
   前記操作力検出手段により検出された前記操作部位に加えられた操作力の向きが、
   予め定めた操作部位の進行方向に対する所定の角度範囲内である場合には、
   前記操作部位を前記進行方向に沿って進行させるように前記駆動手段を駆動し、
   前記操作力検出手段により検出された前記操作部位に加えられた操作力の向きが、
   前記所定の角度範囲外である場合には、
   前記操作部位を加えられた操作力の向きへ進行させるように前記駆動手段を駆動する、
   ことを特徴とするパワーアシスト装置。
5. 前記制御装置には、前記所定の角度範囲が、内側の第一角度範囲と、該第一角度範囲の両外側に位置する第二角度範囲とに分割設定され、
   前記制御装置は、
   前記操作力検出手段により検出された前記操作部位に加えられた操作力の向きが、
   前記第一角度範囲内である場合には、
   前記操作部位を前記進行方向に沿って進行させるように前記駆動手段を駆動し、
   前記操作力検出手段により検出された前記操作部位に加えられた操作力の向きが、
   前記第二角度範囲内である場合には、
   前記操作部位を、前記操作部位に加えられた操作力の進行方向成分と、前記操作部位に加えられた操作力の進行方向に対する垂直方向成分よりも小さくなるように補正した補正後垂直方向成分とで決定される方向へ進行させるように前記駆動手段を駆動する、
   ことを特徴とする請求項４に記載のパワーアシスト装置。
6. 前記第二角度範囲は、複数の角度範囲に分割設定され、
   前記複数の角度範囲の外側に行くに従って、前記補正後垂直方向成分が徐々に大きくなることを特徴とする請求項５に記載のパワーアシスト装置。

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