JP5129415B2 - ロボット、ロボットの制御装置、制御方法、及び制御プログラム - Google Patents

Description

本発明は、工場内、又は、家庭内、又は、介護現場等でパワーアシスト等の作業支援を行うロボットアームを備えるロボット等、人と協働するロボット、ロボットの制御装置、制御方法、及び制御プログラムに関する。

近年、工場等で人と協調して動作し、パワーアシスト等の作業支援を行う人協調型のロボットが注目されている。こうした人協調型のロボットは人の操作により動作するため、高度な自律機能がなくても実用的な作業が可能である。また、人の制御の下に動作するため、安全性が高く、将来は工場内に留まらず、家庭内の生活支援又は介護への応用が期待されている。

人協調型のロボットは、主にインピーダンス制御を使うことにより人がロボットにかける力に応じて動作することを可能としており、その操作性は、慣性と粘性と剛性とのインピーダンスパラメータによって決定される。例えば、粘性を低く設定した場合、軽い力でロボットが動作するため移動が容易である反面、安定性が低く、位置決めなど精密な動作には不適な特性となる。一方、粘性を高く設定した場合、抵抗が大きくなり移動が困難になる反面、安定性が高くなり、位置決めなど精密な動作に適した特性となる。このように、ある１つの固定のインピーダンスパラメータでは、例えば移動のしやすさと位置決めしやすさとを両立することはできない。

こうした課題に対し、従来技術は、作業フェーズに応じてインピーダンスパラメータを変化させることにより、適切な操作性を得る作業補助装置を開示している（特許文献１）。

また、他の従来技術としては、物体が位置する領域区分、物体の位置、所定のスカラー場、又は所定のベクトル場に基づきアシスト力を決定し、所定のベクトル場を動的に変更するパワーアシスト装置を開示している（特許文献２）。

特許第３５０４５０７号公報 特開２００３−０８１５９９号公報

しかしながら、前記特許文献１の従来技術では、作業フェーズを判別する必要があり、判別が正確にできなかったときには適切なインピーダンスパラメータに設定されない可能性がある。また、作業内容が変わると判別ルールを新たに見つける必要があり、様々な作業への応用は容易ではない。

また、前記特許文献２の従来技術では、ベクトル場を動的に変更することを開示しているが、具体的には収束状態判定手段により位置決めをしているかを判定し、ポテンシャルに極小点を設けることの開示しかなく、位置決め動作の操作性向上にしか効果を発揮することはできない。また、ただ単に極小点を設けるだけであり、さらなる操作性の向上を実現することは困難である。

本発明の目的は、前記従来の制御装置の課題を解決し、簡潔なアルゴリズムにより安定して最適なインピーダンスパラメータに設定され作業の操作性を向上させることが可能なロボット、ロボットの制御装置、制御方法、及び制御プログラムを提供する。

前記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。

本発明の第１態様によれば、多関節ロボットアームと、
前記多関節ロボットアームに配設されて外力を取得する外力取得部と、
前記多関節ロボットアームの動作に伴って移動する前記多関節ロボットアームの手先のそれぞれの位置と、前記それぞれの位置における慣性、粘性、及び、剛性を含むインピーダンスパラメータとを対応付けるインピーダンスパラメータの基準分布をインピーダンスマップとして記憶するインピーダンスマップ記憶部と、
前記多関節ロボットアームの前記手先の現在の位置の情報に応じて、前記インピーダンスマップにおける前記インピーダンスパラメータの基準分布に対して前記多関節ロボットアームの動作を行っている前記手先の位置の前又は後の位置でのインピーダンスパラメータの分布を変化させるインピーダンスマップ可変部と、
前記外力取得部が取得した外力及び前記インピーダンスマップ可変部により変化させられた前記インピーダンスパラメータの分布とに基づき前記多関節ロボットアームをインピーダンス制御するインピーダンス制御部と、
を有することを特徴とするロボットを提供する。

本発明の第９態様によれば、多関節ロボットアームの動作に伴って移動する前記多関節ロボットアームの手先のそれぞれの位置と、前記それぞれの位置における慣性、粘性、及び、剛性を含むインピーダンスパラメータとを対応付けるインピーダンスパラメータの基準分布をインピーダンスマップとして記憶するインピーダンスマップ記憶部と、
前記多関節ロボットアームの前記手先の現在の位置の情報に応じて、前記インピーダンスマップにおける前記インピーダンスパラメータの基準分布に対して前記多関節ロボットアームの動作を行っている前記手先の位置の前又は後の位置でのインピーダンスパラメータの分布を変化させるインピーダンスマップ可変部と、
前記多関節ロボットアームに配設された外力取得部で取得した外力及び前記インピーダンスマップ可変部により変化させられた前記インピーダンスパラメータの分布とに基づき前記多関節ロボットアームをインピーダンス制御するインピーダンス制御部と、
を備えることを特徴とするロボットの制御装置を提供する。

本発明の第１０態様によれば、多関節ロボットアームに配設された外力取得部で外力を取得し、
前記多関節ロボットアームの動作に伴って移動する前記多関節ロボットアームの手先のそれぞれの位置と、前記それぞれの位置における慣性、粘性、及び、剛性を含むインピーダンスパラメータとを対応付けるインピーダンスパラメータの基準分布をインピーダンスマップとしてインピーダンスマップ記憶部に記憶し、
インピーダンスマップ可変部により、前記多関節ロボットアームの前記手先の現在の位置の情報に応じて、前記インピーダンスマップにおける前記インピーダンスパラメータの基準分布に対して前記多関節ロボットアームの動作を行っている位置の前又は後の位置でのインピーダンスパラメータの分布を変化させ、
前記外力取得部が取得した外力及び前記インピーダンスマップ可変部により変化させられた前記インピーダンスパラメータの分布とに基づき前記多関節ロボットアームをインピーダンス制御部によりインピーダンス制御することを特徴とするロボットの制御方法を提供する。

本発明の第１１態様によれば、コンピューターを、
多関節ロボットアームの動作に伴って移動する前記多関節ロボットアームの手先のそれぞれの位置と、前記それぞれの位置における慣性、粘性、及び、剛性を含むインピーダンスパラメータとを対応付けるインピーダンスパラメータの基準分布をインピーダンスマップとして記憶するインピーダンスマップ記憶部と、
前記多関節ロボットアームの前記手先の現在の位置の情報に応じて、前記インピーダンスマップにおける前記インピーダンスパラメータの基準分布に対して前記多関節ロボットアームの動作を行っている前記手先の位置の前又は後の位置でのインピーダンスパラメータの分布を変化させるインピーダンスマップ可変部と、
前記多関節ロボットアームに配設された外力取得部で取得した外力及び前記インピーダンスマップ可変部により変化させられた前記インピーダンスパラメータの分布とに基づき前記多関節ロボットアームをインピーダンス制御するインピーダンス制御部として機能させるためのロボットの制御プログラムを提供する。

本発明のロボット、ロボットの制御装置、制御方法、及び制御プログラムによれば、インピーダンスマップ可変部を有することにより、ロボットアームの手先の現在の位置に基づいてインピーダンスマップを更新していくので、簡潔なアルゴリズムにより、安定して最適なインピーダンスパラメータへの設定が可能となる。

本発明のこれらと他の目的と特徴は、添付された図面についての実施形態に関連した次の記述から明らかになる。この図面においては、
図１は、本発明の第１実施形態におけるロボットの全体構成を示す図であり、 図２は、本発明の第１実施形態におけるロボットのインピーダンス制御手段の構成を示すブロック図であり、 図３は、本発明の第１実施形態におけるロボットによる人との協調搬送作業を説明する図であり、 図４は、本発明の第１実施形態における協調搬送作業の詳細手順を説明する図であり、 図５は、本発明の第１実施形態におけるインピーダンスマップを説明する図であり、 図６Ａは、本発明の第１実施形態におけるインピーダンス可変手段による粘性Ｄの分布の更新方法を説明する図であり、 図６Ｂは、本発明の第１実施形態におけるインピーダンス可変手段による粘性Ｄの分布の更新方法を説明する図であり、 図７は、本発明の第１実施形態における前記ロボットにおけるインピーダンス制御手段の全体的な動作ステップを表すフローチャートであり、 図８は、本発明の第１実施形態におけるインピーダンス可変手段による粘性Ｄの分布の他の更新方法を説明する図であり、 図９Ａは、本発明の第２実施形態におけるインピーダンスマップを説明する図であり、 図９Ｂは、本発明の第２実施形態におけるインピーダンスマップを説明する図であり、 図９Ｃは、本発明の第２実施形態におけるインピーダンスマップを説明する図であり、 図９Ｄは、本発明の第２実施形態におけるインピーダンスマップを説明する図であり、 図１０Ａは、本発明の第３実施形態におけるインピーダンスマップを説明する図であり、 図１０Ｂは、本発明の第３実施形態におけるインピーダンスマップを説明する図であり、 図１１は、本発明の第１実施形態におけるインピーダンスパラメータの具体数値を説明する図であり、 図１２Ａは、本発明の第１実施形態におけるロボットのハンドの作業領域のｙ＝ｙ_１におけるｘ方向の粘性Ｄの分布を説明する図であり、 図１２Ｂは、本発明の第１実施形態におけるロボットのハンドの作業領域のｙ＝ｙ_２におけるｘ方向の粘性Ｄの分布を説明する図であり、 図１２Ｃは、本発明の第１実施形態におけるロボットのハンドの作業領域のｙ＝ｙ_３におけるｘ方向の粘性Ｄの分布を説明する図であり、 図１２Ｄは、本発明の第１実施形態におけるロボットのハンドの作業領域のｙ＝ｙ_４におけるｘ方向の粘性Ｄの分布を説明する図であり、 図１２Ｅは、本発明の第１実施形態におけるロボットのハンドの作業領域のｙ＝ｙ_５におけるｘ方向の粘性Ｄの分布を説明する図であり、 図１２Ｆは、本発明の第１実施形態におけるロボットのハンドの作業領域のｙ＝ｙ_６におけるｘ方向の粘性Ｄの分布を説明する図であり、 図１２Ｇは、本発明の第１実施形態におけるロボットのハンドの作業領域のｙ＝ｙ_７におけるｘ方向の粘性Ｄの分布を説明する図であり、 図１３は、本発明の第１実施形態と第２実施形態との組み合わせにおけるインピーダンス可変手段による粘性Ｄの分布の更新方法を説明する図であり、 図１４Ａは、本発明の第４実施形態におけるインピーダンス可変手段による慣性Ｍの分布の更新方法を説明する図であり、 図１４Ｂは、本発明の第４実施形態におけるインピーダンス可変手段による慣性Ｍの分布の更新方法を説明する図である。

以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

以下、図面を参照して本発明における実施形態を詳細に説明する前に、本発明の種々の態様について説明する。

本発明の第１態様によれば、多関節ロボットアームと、
前記多関節ロボットアームに配設されて外力を取得する外力取得部と、
前記多関節ロボットアームの動作に伴って移動する前記多関節ロボットアームの手先のそれぞれの位置と、前記それぞれの位置における慣性、粘性、及び、剛性を含むインピーダンスパラメータとを対応付けるインピーダンスパラメータの基準分布をインピーダンスマップとして記憶するインピーダンスマップ記憶部と、
前記多関節ロボットアームの前記手先の現在の位置の情報に応じて、前記インピーダンスマップにおける前記インピーダンスパラメータの基準分布に対して前記多関節ロボットアームの動作を行っている前記手先の位置の前又は後の位置でのインピーダンスパラメータの分布を変化させるインピーダンスマップ可変部と、
前記外力取得部が取得した外力及び前記インピーダンスマップ可変部により変化させられた前記インピーダンスパラメータの分布とに基づき前記多関節ロボットアームをインピーダンス制御するインピーダンス制御部と、
を有することを特徴とするロボットを提供する。

本発明の第２態様によれば、前記多関節ロボットアームの前記手先の位置の情報を微分して速度を求める速度取得部をさらに備え、
前記インピーダンスマップ可変部は、前記多関節ロボットアームの前記手先の現在の位置の情報と前記速度取得部で取得した速度とに応じて、前記インピーダンスマップにおけるインピーダンスパラメータの基準分布に対して前記多関節ロボットアームの動作を行っている前記手先の位置の前又は後の位置でのインピーダンスパラメータの分布を変化させる、第１の態様に記載のロボットを提供する。

本発明の第３態様によれば、前記インピーダンスマップ可変部は、前記多関節ロボットアームの前記手先が通過する位置での前記インピーダンスパラメータの粘性を、前記多関節ロボットアームの前記手先が通過する前よりも前記手先が通過した後に、高くなるように変化させる第１の態様に記載のロボットを提供する。

本発明の第４態様によれば、前記インピーダンスマップ可変部は、前記多関節ロボットアームの前記手先が通過した位置での粘性を、前記多関節ロボットアームの前記手先が前記位置を通過した後に高くした後、前記多関節ロボットアームの前記手先が前記位置から一定距離を離れたときに前記位置での粘性を、前記高くした粘性の値よりも低くする第３の態様に記載のロボットを提供する。

本発明の第５態様によれば、前記インピーダンスマップ記憶部に記憶された前記インピーダンスマップが、前記多関節ロボットアームの前記手先を移動するための粘性の低い第１領域と、前記多関節ロボットアームの前記手先を位置決めするための前記第１領域よりも高い粘性の第２領域と、さらに前記第２領域の周辺を囲うように配置されかつ前記第２領域よりも高い粘性の第３領域とを有し、
前記インピーダンスマップ可変部は、前記多関節ロボットアームの前記手先が前記第２領域に入った後に、前記第３領域が囲う前記第２領域の面積を、前記手先が前記第２領域に入る前の面積よりも小さくなるように変化させることを特徴とする第１の態様に記載のロボットを提供する。

本発明の第６態様によれば、前記インピーダンスマップ可変部は、前記多関節ロボットアームの前記手先が前記第２領域に入った後に、前記第２領域の粘性の値を、前記手先が前記第２領域に入る前の粘性の値よりも低い方へ変化させることを特徴とする第５の態様に記載のロボットを提供する。

本発明の第７態様によれば、前記インピーダンスマップ記憶部に記憶された前記インピーダンスマップは、前記多関節ロボットアームの前記手先を移動するための粘性の低い第１領域と、前記手先を位置決めするための、前記第１領域の粘性よりも高い第２領域とを有するとともに、前記第２領域と前記第１領域との間に、前記手先を位置決めするための、第１領域の粘性よりも高くかつ第２領域の粘性以下の第４領域を設定し、
前記インピーダンスマップ可変部は、前記手先が前記第４領域に入った後に、前記第４領域の粘性を前記第２領域の粘性よりも高くするように変化させることを特徴とする第１の態様に記載のロボットを提供する。

本発明の第８態様によれば、前記多関節ロボットアームの前記手先の位置の情報を微分して速度を求める速度取得部をさらに備え、
前記インピーダンスマップ可変部は、前記多関節ロボットアームの前記手先の現在の位置の情報と、前記多関節ロボットアームの前記手先が前記第４領域に入る速度であって前記速度取得部で取得した速度に応じて、前記第４領域の粘性の高さを設定することを特徴とする第７の態様に記載のロボットを提供する。

本発明の第９態様によれば、多関節ロボットアームの動作に伴って移動する前記多関節ロボットアームの手先のそれぞれの位置と、前記それぞれの位置における慣性、粘性、及び、剛性を含むインピーダンスパラメータとを対応付けるインピーダンスパラメータの基準分布をインピーダンスマップとして記憶するインピーダンスマップ記憶部と、
前記多関節ロボットアームの前記手先の現在の位置の情報に応じて、前記インピーダンスマップにおける前記インピーダンスパラメータの基準分布に対して前記多関節ロボットアームの動作を行っている前記手先の位置の前又は後の位置でのインピーダンスパラメータの分布を変化させるインピーダンスマップ可変部と、
前記多関節ロボットアームに配設された外力取得部で取得した外力及び前記インピーダンスマップ可変部により変化させられた前記インピーダンスパラメータの分布とに基づき前記多関節ロボットアームをインピーダンス制御するインピーダンス制御部と、
を備えることを特徴とするロボットの制御装置を提供する。

本発明の第１０態様によれば、多関節ロボットアームに配設された外力取得部で外力を取得し、
前記多関節ロボットアームの動作に伴って移動する前記多関節ロボットアームの手先のそれぞれの位置と、前記それぞれの位置における慣性、粘性、及び、剛性を含むインピーダンスパラメータとを対応付けるインピーダンスパラメータの基準分布をインピーダンスマップとしてインピーダンスマップ記憶部に記憶し、
インピーダンスマップ可変部により、前記多関節ロボットアームの前記手先の現在の位置の情報に応じて、前記インピーダンスマップにおける前記インピーダンスパラメータの基準分布に対して前記多関節ロボットアームの動作を行っている位置の前又は後の位置でのインピーダンスパラメータの分布を変化させ、
前記外力取得部が取得した外力及び前記インピーダンスマップ可変部により変化させられた前記インピーダンスパラメータの分布とに基づき前記多関節ロボットアームをインピーダンス制御部によりインピーダンス制御することを特徴とするロボットの制御方法を提供する。

本発明の第１１態様によれば、コンピューターを、
多関節ロボットアームの動作に伴って移動する前記多関節ロボットアームの手先のそれぞれの位置と、前記それぞれの位置における慣性、粘性、及び、剛性を含むインピーダンスパラメータとを対応付けるインピーダンスパラメータの基準分布をインピーダンスマップとして記憶するインピーダンスマップ記憶部と、
前記多関節ロボットアームの前記手先の現在の位置の情報に応じて、前記インピーダンスマップにおける前記インピーダンスパラメータの基準分布に対して前記多関節ロボットアームの動作を行っている前記手先の位置の前又は後の位置でのインピーダンスパラメータの分布を変化させるインピーダンスマップ可変部と、
前記多関節ロボットアームに配設された外力取得部で取得した外力及び前記インピーダンスマップ可変部により変化させられた前記インピーダンスパラメータの分布とに基づき前記多関節ロボットアームをインピーダンス制御するインピーダンス制御部として機能させるためのロボットの制御プログラムを提供する。

以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態におけるロボット１の構成を示す。ロボット１は、多関節ロボットアーム５と、多関節ロボットアーム５の動作を制御する制御装置２とを備えている。

制御装置２は、ハードウェア的には一般的なパーソナルコンピュータにより構成されている。そして、制御装置２のうちのインピーダンス制御手段（インピーダンス制御部）４の入出力ＩＦ１９を除く部分は、パーソナルコンピュータで実行される制御プログラム１７としてソフトウェア的に実現される。

入出力ＩＦ１９は、パーソナルコンピュータのＰＣＩバスなどの拡張スロットルに接続された、Ｄ／Ａボード２０と、Ａ／Ｄボード２１と、カウンタボード２２とにより構成される。

ロボット１の多関節ロボットアーム５の動作を制御するための制御プログラム１７が実行されることにより、制御装置２が機能する。

ロボットアーム５の各関節１１、１２（１２ａ，１２ｂ）、１３、１４、１５の関節角度センサーの一例である各エンコーダ４２より出力される関節角度情報は、カウンタボード２２を通じて制御装置２にそれぞれ取り込まれる。制御装置２は、取り込んだ関節角度情報に基づいて、各関節１１、１２、１３、１４、１５における回転動作の制御指令値をそれぞれ算出する。算出された各制御指令値は、Ｄ／Ａボード２０を通じてモータードライバ１８に与えられ、モータードライバ１８から送られた各制御指令値に従って、ロボットアーム５の各関節１１、１２、１３、１４、１５のそれぞれのモータ４１が駆動される。

ロボットアーム５は、５自由度の多リンクマニピュレータであり、物体を把持するためのハンド（多関節ロボットアーム５の手先の一例）６と、前腕リンク８と、肘ブロック１６と、一対の上腕リンク９ａ、９ｂと、第１関節支柱２４と、台部１０とを有して構成されている。

前腕リンク８は、先端に、ハンド６が取付けられる手首部７が第４関節１４の関節軸周りに回転可能に接続されている。

肘ブロック１６の一端には、前腕リンク８の基端が第３関節１３の関節軸周りに回転可能に連結されている。

一対の上腕リンク９ａ、９ｂは、それらの各一端が、肘ブロック１６の他端にそれぞれ
第２関節のうちの２つの関節１２ｃ、１２ｄの関節軸周りに回転可能に接続された平行リンク構造で構成されている。

第１関節支柱２４は、台部１０と支持部材１２４とで、上下方向沿いに位置しかつ第１関節１１の関節軸周りに回転可能に支持されている。第１関節支柱２４の上端近傍部には、上腕リンク９ａ、９ｂの各他端がそれぞれ第２関節のうちの２つの関節１２ａ、１２ｂの関節軸周りに回転可能に接続されている。詳しくは、第１関節支柱２４の下端は、台部１０に第１関節１１の関節軸周りに回転可能に支持され、第１関節支柱２４の上端は、台部１０に立設された支持部材１２４の支持部１２４ｂの上端から張り出した支持部材１２４の上端支持部１２４ｃに第１関節１１の関節軸周りに回転可能に支持されている。

第２関節１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの関節軸周りでの回転により、第３関節１３の関節軸が第１関節１１の関節軸に対し常に平行を保つように、肘ブロック１６が第２関節１２ａおよび第２関節１２ｂ周りの回転運動を行うようにしている。

このように構成することにより、ロボットアーム５は、合計５個の軸周りに回転可能として前記５自由度の多リンクマニピュレータを構成している。

手首部７は、大括弧（］）形状の第１ブラケット部７ａと、逆Ｔ字形状の上部と一対のＬ字状の下部とで構成される第２ブラケット部７ｂとが互いに組み合わされてハンド６を構成している。すなわち、第１ブラケット部７ａの上端中央部が、前腕リンク８の先端に第４関節１４の関節軸周りに回転可能に連結されている。第１ブラケット部７ａの両端部の内側には、第２ブラケット部７ｂの逆Ｔ字形状の上部の両端部が第５関節１５の関節軸周りに回転可能に連結されている。第２ブラケット部７ｂの逆Ｔ字形状の上部の中央部には、後述するように、操作ハンドル４０が取り付けられている。第１ブラケット部７ａと第２ブラケット部７ｂとには、薄型テレビなどのパネルなどの物体と係合可能な係合部７ｃを、逆Ｔ字形状の上部の上端と両端部近傍部と一対のＬ字状の下部の下端との合計５箇所にそれぞれ備えている。この結果、例えば、第１ブラケット部７ａ逆Ｔ字形状の上部の上端の係合部７ｃと両端部近傍部の係合部７ｃとで、薄型テレビなどのパネルなどの矩形板状の物体の上端縁と両側縁とを支持し、第２ブラケット部７ｂ一対のＬ字状の下部の下端の係合部７ｃで薄型テレビなどのパネルなどの矩形板状の物体の下端縁を支持可能として、ハンド６で薄型テレビなどのパネルなどの矩形板状の物体を安定して把持できるようにしている。よって、ハンド６は、互いに直交し、かつ、上下方向沿いに配置された第４関節１４と上下方向と直交する横方向沿いに配置された第５関節１５との２つの回転軸を有しており、台部１０に対して、ハンド６の相対的な姿勢（向き）を変化させて、ハンド６で把持した物体の相対的な姿勢（向き）を変化させることができる。

各軸の回転部分を構成する各関節１１、１２ａ、１３、１４、１５には、各関節１１、１２ａ、１３、１４、１５の一方の部材に設けられた回転駆動装置（本第１実施形態ではモータ４１）と、モータ４１の回転軸の回転位相角（すなわち関節角）を検出するエンコーダ４２とを備える。そして、モータ４１の回転軸が関節の他方の部材に連結されて前記回転軸を正逆回転させることにより、他方の部材を一方の部材に対して各関節軸周りに回転可能とする。回転駆動装置は、後述するモータードライバ１８により駆動制御される。本第１実施形態では、回転駆動装置の一例としてのモータ４１とエンコーダ４２とは、ロボットアーム５の各関節１１、１２ａ、１３、１４、１５の内部に配設されている。

図１の参照符号３５は台部１０に対して相対的な位置関係が固定された絶対座標系であり、参照符号３６はハンド６に対して相対的な位置関係が固定された手先座標系である。絶対座標系３５から見た手先座標系３６の原点位置Ｏ_ｅ（ｘ、ｙ、ｚ）をロボットアーム５の手先位置とし、絶対座標系３５から見た手先座標系３６の姿勢をロール角とピッチ角とで表現した（φ、θ）をロボットアーム５のハンド６の手先姿勢とし、ハンド６の手先位置及び姿勢ベクトルをｒ＝［ｘ、ｙ、ｚ、φ、θ］^Ｔと定義する。ロボットアーム５のハンド６の手先位置及び姿勢を制御する場合には、手先位置及び姿勢ベクトルｒを目標手先位置及び姿勢ベクトルｒ_ｄに追従させることになる。

操作ハンドル４０は、ハンド６と、外力取得手段（外力取得部又は外力取得装置）の一例として機能する力センサー３を介して接続されており、力センサー３に中央部が固定されたＨ型の支持体４０ｂに固定された一対の上下方向沿いの棒状握り部４０ａで構成されて、人３９は操作ハンドル４０の一対の握り部４０ａを直接握り、力をかけることでロボット５を操作することができる。操作ハンドル４０とロボットアーム５の間には力センサー３が配設されており、人３９が操作するときの力を力センサー３で検出することができる。 次に、図２を使い、インピーダンス制御手段４の詳細について説明する。図２において、参照符号５は図１に示したロボットアームである。ロボットアーム５からは各関節の関節軸のエンコーダ４２により計測された関節角の現在値（関節角度ベクトル）ｑ＝［ｑ_１，ｑ_２，ｑ_３，ｑ_４，ｑ_５］^Ｔが出力され、カウンタボード２２によりインピーダンス制御手段４に取り込まれる。ただし、ｑ_１，ｑ_２，ｑ_３，ｑ_４，ｑ_５は、それぞれ、第１関節１１、第２関節１２ａ、第３関節１３、第４関節１４、第５関節１５の関節角度である。

また、ロボットアーム５の力センサー３からは、力センサー３により計測された外力（計測値）Ｆ_Ｓ＝［ｆ_ｘ，ｆ_ｙ，ｆ_ｚ，ｎ_ｘ，ｎ_ｙ，ｎ_ｚ］^Ｔが出力され、Ａ／Ｄボード２１によりインピーダンス制御手段４に取り込まれる。ここで、ｆ_ｘ，ｆ_ｙ，ｆ_ｚは手先座標系３６の互いに直交する３方向（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸方向）の方向別の力の成分である。
また、ｎ_ｘ、ｎ_ｙ，ｎ_ｚは手先座標系３６の互いに直交する３方向まわりの回転モーメントである。

目標軌道生成手段（目標軌道生成部）２３は、目標とするロボットアーム５の動作を実現するための手先位置及び姿勢目標ベクトルｒ_ｄを出力する。目標とするロボットアーム５の動作は、目的とする作業に応じて、事前に、それぞれの時間（ｔ＝０、ｔ＝ｔ_１、ｔ＝ｔ_２、・・・）でのポイント毎の位置（ｒ_ｄ０、ｒ_ｄ１、ｒ_ｄ２、・・・）が時系列データとして与えられている。目標軌道生成手段２３は、多項式補間を使用し、各ポイント間の軌道を補完し、手先位置及び姿勢目標ベクトルｒ_ｄを生成する。

インピーダンスマップ記憶部４８は、ロボットアーム５の作業領域内の３次元位置におけるインピーダンスパラメータＭ、Ｄ、及び、Ｋ（慣性Ｍ、粘性Ｄ、及び、剛性Ｋ）の基準分布（変更又は更新前の基準となる分布又は初期状態の分布）をインピーダンスマップのデータベースとして記憶して保有している。

インピーダンスマップ可変手段（インピーダンスマップ可変部）５０は、順運動学計算手段２６からのロボットアーム５の手先（ハンド）６の現在の位置に応じて、インピーダンスマップ記憶部４８のインピーダンスパラメータの基準分布を変更する。

インピーダンス計算手段（インピーダンス計算部）２５は、ロボットアーム５に機械インピーダンス設定値へのロボットアーム５の機械インピーダンスの値の制御を実現する機能を果たす部分である。インピーダンス計算手段２５は、ロボットアーム５が目標軌道生成手段２３の生成する目標軌道に沿うよう位置制御により単独で動作する場合は、０を出力する。一方、ロボットアーム５と人間が協働作業をする場合には、インピーダンス計算手段２５は、インピーダンスマップ記憶部４８において設定したインピーダンスパラメータＭ、Ｄ、及び、Ｋ（慣性Ｍ、粘性Ｄ、及び、剛性Ｋ）と、後述する力変換手段（力変換部）３０へ入力される外力Ｆ＝［ｆ_ｘ，ｆ_ｙ，ｆ_ｚ，ｎ_φ，ｎ_θ］^Ｔとにより、ロボットアーム５に機械インピーダンスを実現するための手先位置及び姿勢目標補正出力Δｒ_ｄを以下の式（１）により計算して出力する。手先位置及び姿勢目標補正出力Δｒ_ｄは、目標軌道生成手段２３の出力する手先位置及び姿勢目標ｒ_ｄに第１演算部５１で加算され、手先位置及び姿勢補正目標ベクトルｒ_ｄｍが生成される。ただし、ｎ_φ、ｎ_θはロール軸、ヨー軸回りの回転モーメントである。

．．．．．（１）
ただし、

．．．．．（２）

．．．．．（３）

．．．．．（４）
であり、ｓはラプラス演算子である。

順運動学計算手段（順運動学計算部）２６には、ロボットアーム５のそれぞれの関節軸のエンコーダ４２から出力された各関節角の現在値ｑである関節角度ベクトルｑがカウンタボード２２を介して入力される。順運動学計算手段２６では、ロボットアーム５の関節角度ベクトルｑから手先位置及び姿勢ベクトルｒへの変換の幾何学的計算を行う。

第２演算部５２は、順運動学計算手段２６により計算される手先位置及び姿勢ベクトルｒと、第１演算部５１で生成された手先位置及び姿勢補正目標ベクトルｒ_ｄｍとの誤差ｒ_ｅを求め、求めた誤差ｒ_ｅを位置誤差補償手段（位置誤差補償部）２７に出力する。

位置誤差補償手段２７は、第２演算部５２で求められた誤差ｒ_ｅに基づいて位置誤差補償出力ｕ_ｒｐを求め、求めた位置誤差補償出力ｕ_ｒｐを近似逆運動学計算手段（近似逆運動学計算部）２８に出力する。

近似逆運動学計算手段２８は、近似式

を用いて、逆運動学の近似計算を行う。ただし、Ｊ_ｒ（ｑ）は

の関係を満たすヤコビ行列、ｕ_ｉｎは近似逆運動学計算手段２８への入力、ｕ_ｏｕｔは近似逆運動学計算手段２８からの出力である。ここで、

と近似して考えることができるので、ヤコビ行列の定義式

に代入すると、

が成り立つことが分かる。すなわち、Ｊ_ｒ（ｑ）^−１を近似逆運動学計算手段２８で乗算することで、手先位置及び姿勢に関する誤差値から関節角度に関する誤差値への変換となる。したがって、手先位置及び姿勢誤差ｒ_ｅにゲインをかける等した値である位置誤差補償出力ｕ_ｒｅが近似逆運動学計算手段２８に入力されると、近似逆運動学計算手段２８の出力として、関節角度誤差ｑ_ｅを補償するための関節角度誤差補償出力ｕ_ｑｅが近似逆運動学計算手段２８から出力されることになる。

関節角度誤差補償出力ｕ_ｑｅは、近似逆運動学計算手段２８からＤ／Ａボード２０を介してモータードライバ１８に電圧指令値として与えられ、モータードライバ１８でそれぞれのモータ４１が駆動されて、各関節軸が正逆回転駆動されてロボットアーム５が動作する。

以上のように構成されるインピーダンス制御手段４の基本構成に関して動作の基本原理を説明する。

動作の基本は、位置誤差補償手段２７による手先位置及び姿勢誤差ｒ_ｅのフィードバック制御（位置制御）であり、図２の点線で囲まれた部分が位置制御系２９になっている。位置誤差補償手段２７として、例えば、ＰＩＤ補償器を使用すれば、手先位置及び姿勢誤差ｒ_ｅが０に収束するように制御が働き、目標とするロボットアーム５のインピーダンス制御動作が実現することができる。

インピーダンス制御を行う場合、前記説明した位置制御系２９に対し、インピーダンス計算手段２５により手先位置及び姿勢目標補正出力Δｒ_ｄが目標軌道生成手段２３の出力する手先位置及び姿勢目標ｒ_ｄに第１演算部５１で加算されて手先位置及び姿勢の目標値の補正が行われる。このために、前記した位置制御系２９は、手先位置及び姿勢の目標値が本来の値より微妙にずれることになり、結果的に機械インピーダンスが実現される。以上の図２の一点鎖線で囲まれた部分は、位置制御ベースのインピーダンス制御系４９と呼ばれる構成であり、このインピーダンス制御系４９により、慣性Ｍ、粘性Ｄ、及び、剛性Ｋの機械インピーダンスが実現される。インピーダンス制御手段４は、制御手段（制御部）（又は動作制御手段、又は動作制御部）の一例として機能する。

以上のインピーダンス制御を利用すれば、図３に示すような人３９とロボット１との物体３８の協調搬送のような協働作業が可能となる。人３９が物体３８を移動しようとして、一対の操作ハンドル４０の棒状握り部４０ａに両手で力をかけると、操作ハンドル４０を通じて力がロボット１のロボットアーム５に伝わる。前記ロボットアーム５に伝わった力が、ロボットアーム５の力センサー３により、外力Ｆ_ｓとして検出される。インピーダンス制御手段４への入力となる外力Ｆ_ｓは、操作ハンドル４０の重力を考慮するとともに、手先座標系３６の原点Ｏ_ｅと力センサー３の測定面５３の位置とが異なることを考慮するため、力変換手段３０において、力センサー３により検出された外力Ｆ_ｓを基に式（５）で計算を行い、この計算により算出される外力Ｆを使用する。

．．．．．（５）

ただし、ｍは操作ハンドル４０の質量、ｇは重力加速度、^０Ｒ_ｅは手先座標系３６から絶対座標系３５へ姿勢を変換する回転行列、ｌ_ｓｅは手先座標系３６の原点Ｏ_ｅから力センサー３の測定面５３までの距離、ｌ_ｓｈは操作ハンドル４０の重心から力センサー３の測定面５３までの距離である。式（５）で計算される外力Ｆを入力にインピーダンス制御を行えば、ロボットアーム５は人３９がかけた力の方向に沿うように動作するため、協調搬送が実現する。なお、操作ハンドル４０の質量ｍ、及び、重力加速度ｇは、力変換手段３０に予め記憶されている。

本発明の第１実施形態のロボット１の制御装置２の特徴は、以上の基本的なインピーダンス制御手段４の構成に加え、インピーダンスマップ記憶部４８及びインピーダンスマップ可変手段５０を有するところにあり、以下、詳細について図４に示す作業を行う場合を例に説明する。ここでは、物体３８の一例として薄型テレビ４６を使用している。

図４での作業内容は、以下の通りである。

まず、図４の右側の第１作業台３１に伏して置かれた薄型テレビ４６をハンド６で把持し、持ち上げ、ｙ軸周りのθ方向周りに９０°回転する（矢印Ａ参照）ことで、上下方向に立てた状態にする。

その後、第１作業台３１の上方の位置から第２作業台３２の上方へと薄型テレビ４６をハンド６で水平移動し（矢印Ｂ参照）、ハンド６で把持した薄型テレビ４６を第２作業台３２に配設されたスタンド３３に位置合わせをする。

その後、ハンド６で把持した薄型テレビ４６を下降させ、薄型テレビ４６の底面に配設された一対の挿入口４７に、第２作業台３２のスタンド３３の一対の突起３３ａを挿入する（矢印Ｃ参照）。以上が前記した作業である。

図４の作業時の操作性を良くするために、作業開始前の初期状態においてインピーダンスマップ記憶部４８は、例えば、図５及び図１２Ａ〜図１２Ｇで示す粘性Ｄの分布を基準分布として設定する。粘性Ｄ以外のパラメータに関しては、例えば、慣性Ｍは５ｋｇ、剛性ｋは０Ｎ／ｍの一定値に、インピーダンスマップ記憶部４８において基準分布として設定する。図５はハンド６の作業領域のｘ＝ｘ_１におけるｙ方向の粘性Ｄの分布を表しており、図１２Ａ〜図１２Ｇはｙ＝ｙ_１〜ｙ_７それぞれにおけるｘ方向の粘性Ｄの分布を表している。図５及び図１２Ａ〜図１２Ｇに示すように粘性Ｄの分布はｘ方向及びｙ方向に関する二次元の分布となっている。なお、ｚ方向はｘ方向及びｙ方向で決まる粘性Ｄがそのまま一定に続いている。ロボットアーム５の手先位置Ｏ_ｅ（手先座標系３６の原点）が図示した位置ｙ_ｅ（図５参照）にあるとき、粘性Ｄの値は矢印Ｄで示される値となる。一例として、図５に示す位置（ｘ_１，ｙ_１）〜（ｘ_１，ｙ_７）、及び、図１２Ｃに示す位置（ｘ_１，ｙ_３）〜（ｘ_４，ｙ_３）におけるインピーダンスパラメータの値を図１１に示す。

第１作業台３１の作業領域３４では粘性Ｄは低い値（例えば、１０Ｎｓ／ｍ）に設定されており、ハンド６の移動領域４３の第２作業台３２の手前で粘性Ｄは上昇し、第２作業台３２の作業領域３７では粘性Ｄは高い値（例えば、６０Ｎｓ／ｍ）に設定されている。また、作業領域３４，３７の外側の領域である外側領域４４、４５の粘性Ｄは、さらに高い値（例えば、最大１００Ｎｓ／ｍ）に設定されている。ここで、外側領域４４、４５の粘性Ｄと、作業領域３７などの粘性Ｄとの差としては、（１００Ｎｓ／ｍ）／（６０Ｎｓ／ｍ）＝約１．７倍を例として挙げているが、これは一例であり、ロボットアームの性能、制御系の性能によって変わる。なお、人が操作感として適切と感じる範囲という観点で考えると、前記１．７倍を採用してもよい。

粘性Ｄの低い領域では、人３９は、ロボットアーム５を軽い力で容易に移動させることが可能となる。一方、粘性Ｄの高い領域では、人３９にとっては、抵抗が増加してロボットアーム５の移動が困難になる代わりに、ロボットアーム５の動作の安定性が向上し、位置決め作業を精度良く行うことが可能となるという操作性を付与することができる。

したがって、図５に示す粘性Ｄの初期分布（基準分布）によれば、第１作業台３１から第２作業台３２に向けて軽い力での移動が可能となり、第２作業台３２に近づくにつれ粘性Ｄが上昇することで抵抗が増し、ロボットアーム５の減速がアシストされる。また、第２作業台３２の上方に到達すると、粘性Ｄは高い状態であるため位置決め操作がし易くなり、スタンド３３への挿入作業を容易に行うことができるようになる。さらに、外側領域４４、４５ではさらに粘性Ｄが高いのでさらに移動に対する抵抗が大きくなり、外側領域４４では、人３９が間違って第１作業台３１から第２作業台３２への方向と逆方向へ逆走するのを防いだり、外側領域４５では、スタンド３３の位置を越えて行き過ぎるのを防ぐことが可能となる。

すなわち、軽い力で移動させたい領域では、粘性Ｄを低くする。ロボットアーム５の動作の安定性が向上し、位置決め作業を精度良く行いたい領域では、前記軽い力で移動させたい領域よりも、粘性Ｄを高くすればよい。また、ロボットアーム５のハンド６の移動を避けたい領域では、前記高い粘性Ｄの値よりも、さらに数倍、粘性Ｄを高くすればよい。

以上の基本的な操作性に加えて、インピーダンスマップ可変手段５０がインピーダンスマップ記憶部４８の粘性Ｄの分布を変化させることにより、さらなる操作性の向上が可能となる。

インピーダンスマップ可変手段５０には、順運動学計算手段２６からロボットアーム５の現在の手先位置及び姿勢ベクトルｒが入力される。図６Ａに示すように、インピーダンスマップ可変手段５０は、入力された現在の手先位置及び姿勢ベクトルｒを基に、Ｏ_ｅ（手先座標系３６の原点）で示すロボットアーム５の手先位置が矢印Ｖで示すように移動するにつれ、粘性Ｄの高い領域へとつながる粘性の壁５４を、矢印Ｗで示すように、ロボットアーム５の手先位置に追従させるように変化させる（点線の位置などから矢印Ｗで示す左方向に移動させる）。これにより、ロボットアーム５の手先が移動により通過した位置は、粘性の壁５４が通過するにつれて粘性Ｄが高くなっていくため、矢印Ｖとは逆向きの方向にはロボットアーム５の手先が動きにくくなり、人３９の誤操作を防ぐことができる。ここで、粘性Ｄの高い領域、例えば、壁５４としての逆向きの方向の移動困難な効果をもたらすための粘性の例としては１００Ｎｓ／ｍが挙げられる。この数値の粘性の場合では、実際に人がロボットアーム５を動かそうとすると重く感じ、容易に動かせないという操作感を人３９が感じることになる。これに対して、粘性Ｄの低い領域において粘性が１０Ｎｓ／ｍの場合では、人が指先だけで軽々とロボットアーム５を動かすことができ、容易に動かせるという操作感を人３９が感じることになる。

また、インピーダンスマップ可変手段５０は、入力された現在の手先位置及び姿勢ベクトルｒを基に、ロボットアーム５のハンド６が第２作業台３２の上方に到達し、ロボットアーム５のハンド６で把持した薄型テレビ４６をスタンド３３に対し位置決めを行う際には、図６Ｂに示すように、スタンド３３の中心を中心とした粘性Ｄの谷５５が形作られるように粘性Ｄを変化させる。このようにすることで、粘性Ｄの谷５５により、ロボットアーム５の手先位置が、スタンド３３の中心に対して進退方向に大きく移動しにくくしてスタンド３３の近傍に拘束され、手先であるハンド６の位置決め動作が容易になる。ここで、谷５５として手先位置を拘束する効果をもたらすための粘性の例としては６０Ｎｓ／ｍぐらいが挙げられる。この数値の粘性の場合では、指先のみでのロボットアーム５の移動操作は、抵抗が大きくて難しいが、ロボットの腕をしっかり持って人が操作すれば、ロボットアーム５を移動させることができるレベルである。

図７は、上述した原理に基づく制御プログラムによるインピーダンス制御時の動作ステップを説明するフローチャートである。

ステップＳ１では、それぞれのエンコーダ４２により計測された関節角度データ（関節角度ベクトルｑ）が制御装置２に取り込まれる。

ステップＳ２では、ロボットアーム５の運動学計算に必要なヤコビ行列Ｊ_ｒ等の計算が近似逆運動学計算手段２８により行われる。

ステップＳ３では、ロボットアーム５からの関節角度データ（関節角度ベクトルｑ）から、ロボットアーム５の現在の手先位置及び姿勢ベクトルｒが順運動学計算手段２６により計算される（順運動学計算手段２６での処理）。

ステップＳ４では、現在の手先位置及び姿勢ベクトルｒが、順運動学計算手段２６からインピーダンスマップ可変手段５０に取り込まれ、インピーダンスマップ記憶部４８の粘性Ｄの分布が更新される。

ステップＳ５では、力センサー３の計測値である外力Ｆ_ｓが力変換手段３０に取り込まれ、外力Ｆ_ｓと式（５）とに基づき、外力Ｆが力変換手段３０で計算される。この結果、力センサー３の計測値である外力Ｆ_ｓが外力Ｆに力変換手段３０で変換される。

ステップＳ６では、インピーダンスマップ記憶部４８からのインピーダンスパラメータＭ、Ｄ、及び、Ｋと、それぞれのエンコーダ４２からの関節角度データ（関節角度ベクトルｑ）と、力変換手段３０において変換された外力Ｆとから、手先位置及び姿勢目標補正出力Δｒ_ｄが、インピーダンス計算手段２５により計算される（インピーダンス計算手段２５での処理）。

ステップＳ７では、目標軌道生成手段２３からの手先位置及び姿勢目標ベクトルｒ_ｄとインピーダンス計算手段２５からの手先位置及び姿勢目標補正出力Δｒ_ｄとの和が第１演算部５１で計算される。第１演算部５１で計算されて求められた手先位置及び姿勢補正目標ベクトルｒ_ｄｍと、順運動学計算手段２６からの現在の手先位置及び姿勢ベクトルｒとの差である手先位置及び姿勢の誤差ｒ_ｅが、第２演算部５２で計算される。第２演算部５２で計算されて求められた手先位置及び姿勢の誤差ｒ_ｅが位置誤差補償手段２７に入力されて、位置誤差補償手段２７において、位置誤差補償出力ｕ_ｒｅが求められる
（位置誤差補償手段２７での処理）。位置誤差補償手段２７の具体例としてはＰＩＤ補償器が考えられる。定数の対角行列である比例、微分、積分の３つのゲインを適切に調整することにより、位置誤差が０に収束するように制御が働く。

ステップＳ８では、ステップＳ２で計算したヤコビ行列Ｊ_ｒの逆行列を近似逆運動学計算手段２８で乗算することにより、位置誤差補償手段２７からの位置誤差補償出力ｕ_ｒｅを、手先位置及び姿勢の誤差に関する値から、関節角度の誤差に関する値である関節角度誤差補償出力ｕ_ｑｅに、近似逆運動学計算手段２８により変換する（近似逆運動学計算手段２８での処理）。

ステップＳ９では、関節角度誤差補償出力ｕ_ｑｅが、近似逆運動学計算手段２８からＤ／Ａボード２０を通じてモータードライバ１８に与えられ、モータードライバ１８により、各モータ４１を流れる電流量を変化させることにより、ロボットアーム５の各関節の関節軸の回転運動が発生する。

以上のステップＳ１〜ステップＳ９が、制御の計算ループとして繰り返し実行されることにより、ロボットアーム５の動作の制御が実現する。なお、ステップＳ２〜ステップＳ５の動作の順番はパラレル処理でも可能であり、必ずしも、この順番通りでなくてもよい。

以上、本第１実施形態によれば、ロボットアーム５の手先（ハンド）６の現在の位置の情報に応じて、インピーダンスマップにおけるインピーダンスパラメータの基準分布に対してロボットアーム５の動作を行っている手先の位置の前又は後の位置でのインピーダンスパラメータの分布を変化させるインピーダンスマップ可変手段５０を有している。よって、ロボットアーム５のハンド６の位置、すなわち、現在の手先位置に応じて、インピーダンスマップ記憶部４８のインピーダンスパラメータＭ、Ｄ、及び、Ｋの分布をインピーダンスマップ可変手段５０で変化させることにより、粘性Ｄの高い領域へとつながる粘性の壁５４を、ロボットアーム５の手先位置に追従させるように変化させることができる。これにより、ロボットアーム５の手先の移動により通過した位置は粘性Ｄが高くなっていくため、逆戻りがしにくくなり、人３９の誤操作を防ぐ効果を発揮し、作業手順を間違うことのない安全なロボットとすることができる。

また、スタンド３３に対して、ハンド６で把持した薄型テレビ４６位置決めを行う際には、インピーダンスマップ可変手段５０により、現在の手先位置に応じて、スタンド３３の付近で粘性の谷５５が形作られることで、ロボットアーム５の手先位置がスタンド３３の近傍に拘束され、粘性Ｄがただ単に高い場合よりも、さらに位置決め動作が容易になるという効果を発揮する。

以上のように、位置決め動作に対する効果だけでなく、逆戻り防止の効果も発揮し、操作性に関する複数の効果を同時に実現できるという利点もある。

なお、本第１実施形態では、図６Ａに示すように、インピーダンスマップ可変手段５０により、ロボットアーム５の手先が移動により通過した位置の粘性Ｄを高くするとしている。しかしながら、第１実施形態の変形例として、図８に粘性Ｄの山５６で示すように、インピーダンスマップ可変手段５０により、粘性Ｄを高くした後に、再び粘性Ｄを低くする更新方法も可能である。インピーダンスマップ可変手段５０により再び粘性Ｄを低く場合は、粘性Ｄを高くする前の粘性Ｄまで戻してもよいし、粘性Ｄを高くした値よりも、ある程度、低くなるようにしてもよい。この場合は、粘性Ｄの山５６により、矢印Ｖで示す逆戻り動作に対しては抵抗を感じる。このため、同様に誤操作を防ぐ効果を発揮するのに加えて、抵抗に抗してさらに逆戻り動作を意図的に継続すると、粘性Ｄの山５６を越え矢印Ｄ２のような粘性Ｄの低い領域に到達するため、再び、動作が軽くなり逆戻り動作も容易になる。このように、図８に示す方法によれば、意図的に逆戻り動作を行った場合には逆戻りも可能となり、作業のやり直しができるなど、動作シーケンスを柔軟にすることができ、作業の柔軟性を増すことができる。なお、粘性が低くなるほど操作が軽くなるが、軽くしすぎると制御が不安定になり発振することになる。このため、一例として、１０Ｎｓ／ｍを実用的に使える粘性の下限値としてもよい。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態におけるロボット１の基本的な構成は、図１及び図２に示した第１実施形態の場合と同様であるので、共通部分の説明は省略し、異なる部分についてのみ以下、詳細に説明する。

本第２実施形態では、インピーダンスマップ記憶部４８の初期状態、すなわち、インピーダンスマップ記憶部４８に記憶されたインピーダンスパラメータＭ、Ｄ、及び、Ｋ（慣性Ｍ、粘性Ｄ、及び、剛性Ｋ）の基準分布（変更又は更新前の基準となる分布又は初期状態の分布）のインピーダンスマップは、図９Ａ及び図９Ｂに示すように、ロボットアーム５の手先を移動するための粘性の低い第１領域１０１と、ロボットアーム５の手先を位置決めするための、第１領域１０１の粘性よりも粘性の高い第２領域１０２と、さらに位置決めするための粘性の高い第２領域１０２の周辺を囲うように位置決めするための、第１領域１０１及び第２領域の粘性より高い粘性の第３領域１０３とで構成され、第２作業台３２のスタンド３３の近傍で粘性Ｄの谷５５が設定されている。すなわち、作業の開始位置であるから第１領域１０１が設定され、第２作業台３２の周囲に第３領域１０３が設定され、第２作業台３２のスタンド３３の中心を中心とした粘性Ｄの谷５５が第２領域１０２で設定されている。よって、ｙ方向の位置で見れば、移動領域４３と第２作業台領域３７との境界付近に第３領域１０３の山の頂上が位置するように設定され、第２作業台領域３７に第２領域１０２が設定されている。また、外側領域４５にも第３領域１０３が設定されている。厳密には、図９Ａでは、第１領域１０１と第３領域１０３との間に遷移領域があり、第３領域１０３と第２領域１０２との間にも遷移領域がある。このように遷移領域を配置しておく理由は、ステップ的にインピーダンスパラメータが変化するようにすると、境界部を越えるときに制御が急激に変化するので、人が衝撃を感じたり、条件が悪いと制御系が不安定になり発振することもあり、これらを防止するためである。一方、遷移領域を無くして、第１領域１０１には第３領域１０３が隣接し、第３領域１０３には第２領域１０２が隣接する場合には、上記不具合を防止するため、各領域の周縁部では、値が徐々に変化して滑らかにつながるようにすればよい。

第１実施形態と同様な薄型テレビ４６の作業が開始され、ロボットアーム５の手先が移動し、薄型テレビ４６を把持したハンド６がスタンド３３の近傍、すなわち、第２領域１０２の粘性Ｄの谷５５の位置に到達すると、図９Ｃ及び図９Ｄに示すように、インピーダンスマップ可変手段５０は、粘性Ｄの谷５５の幅を狭める方向（言い換えれば、平面的に見れば、粘性Ｄの谷５５である第２領域１０２の面積を小さくする方向）に（矢印Ｗ１参照）、かつ、粘性Ｄの谷５５の深さを深める方向に（矢印Ｗ２参照）インピーダンスマップ記憶部４８のパラメータを徐々に更新する。粘性Ｄの谷５５の幅を狭める方向に更新する割合、及び、粘性Ｄの谷５５の深さを深める方向に更新する割合については、それぞれ、予め、インピーダンスマップ可変手段５０において設定しておくことができる。

以上のインピーダンスマップ可変手段５０によるインピーダンスマップ記憶部４８の更新方法によれば、インピーダンスマップ可変手段５０により粘性Ｄの谷５５の幅を狭め深さを深めることにより、ロボットアーム５の手先位置が粘性Ｄの谷底へと拘束されつつ誘導される効果が高められ、スタンド３３への位置決めがより容易に、かつ精度良く行うことが可能となる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態におけるロボット１の基本的な構成は、図１及び図２に示した第１実施形態の場合と同様であるので、共通部分の説明は省略し、異なる部分についてのみ以下、詳細に説明する。

本第３実施形態では、インピーダンスマップ記憶部４８の初期状態は、図１０Ａに示すように、第２作業台３２のスタンド３３の近傍で粘性Ｄが高く設定された粘性の第２の壁５４Ａが第４領域１０４として形成されている。より詳しくは、インピーダンスマップ記憶部４８の初期状態、すなわち、インピーダンスマップ記憶部４８に記憶されたインピーダンスパラメータＭ、Ｄ、及び、Ｋ（慣性Ｍ、粘性Ｄ、及び、剛性Ｋ）の基準分布（変更又は更新前の基準となる分布又は初期状態の分布）のインピーダンスマップは、ロボットアーム５のハンド６を移動するための粘性の低い第１領域１０１と、ハンド６を位置決めするための、第１領域１０１の粘性よりも高い第２領域１０２とを有している。そして、さらに、第２領域１０２と第１領域１０１との間に、ハンド６を位置決めするための、第１領域１０１の粘性よりも高くかつ第２領域１０２の粘性以下（一例として、図１０Ａでは第２領域１０２の粘性と同じ粘性）の第４領域１０４を設定している。この第４領域１０４は、ハンド６が第４領域１０４に入ると、インピーダンスマップ可変部５０により、第４領域１０４の粘性を初期状態よりも大きく変更可能に設定している。厳密には、図１０Ａでは、第１領域１０１と第４領域１０４との間に遷移領域がある。このように遷移領域を配置しておく理由は、ステップ的にインピーダンスパラメータが変化するようにすると、境界部を越えるときに制御が急激に変化するので、人が衝撃を感じたり、条件が悪いと制御系が不安定になり発振することもあり、これらを防止するためである。一方、遷移領域を無くして、第１領域１０１には第４領域１０４が隣接する場合には、上記不具合を防止するため、各領域の周縁部では、値が徐々に変化して滑らかにつながるようにすればよい。

インピーダンスマップ可変部５０は、ハンド６が第４領域１０４に入った後に、第４領域１０４の粘性を第２領域１０２の粘性よりも高くするように変化させて、ハンド６を位置決めしやすくしている。

すなわち、前記第１実施形態と同様な作業が開始され、ロボットアーム５の手先が移動し、粘性Ｄの第２の壁５４Ａに到達すると（第４領域１０４に入ると）、図１０Ｂに示すようにインピーダンスマップ可変手段５０は、下記数式（６）に基づき、粘性Ｄの第２の壁５４Ａの高さ（すなわち、第４領域１０４の粘性の大きさに対応。）をロボットアーム５の手先の移動速度に比例して、到達前の粘性よりも、第４領域１０４の粘性を高めるように、高くする（矢印Ｗ参照）よう、インピーダンスマップ記憶部４８のパラメータを更新する。

・・・・（６）
ただし、Ｋ_Ｄは比例定数、

はｙ方向の手先の移動速度である。この手先の移動速度は、ロボットアーム５の手先の位置の情報を速度取得部６０で微分して速度を求めることができる。速度取得部６０は、インピーダンス制御手段４内に配置されている（図２参照）。速度取得部６０には、順運動学計算手段２６からロボットアーム５の現在の手先位置及び姿勢ベクトルｒが入力されて、速度取得部６０で求められた速度をインピーダンスマップ可変手段５０に入力する。

本第３実施形態のインピーダンスマップ可変手段５０によるインピーダンスマップ記憶部４８の更新方法によれば、インピーダンスマップ可変手段５０により、ロボットアーム５の手先の現在の位置の情報と速度取得部６０で取得した速度とに応じて、粘性Ｄの第２の壁５４Ａの高さ（第４領域１０４の粘性）を、ロボットアーム５の手先の移動速度に比例して高くすることにより、ロボットアーム５の手先の速度が適切に減速され、スタンド３３への位置決めがより容易になる。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態におけるロボット１の基本的な構成は、図１及び図２に示した第１実施形態の場合と同様であるので、共通部分の説明は省略し、異なる部分についてのみ以下、詳細に説明する。

第４実施形態での作業内容は、第１実施形態の図４に示す作業を行い、ハンド６で把持した薄型テレビ４６の挿入口４７に第２作業台３２のスタンド３３を挿入した後、ハンド６を解放し、再び、ハンド６が第１作業台３１の上方に戻る動作である。

第４実施形態では、インピーダンスマップ可変手段５０により、粘性Ｄだけでなく、慣性Ｍも変化させている。インピーダンスマップ記憶部４８の初期状態は、図１４Ａに示すように、スタンド３３の近傍（第２作業台領域３７及び第２作業台領域３７の外側領域４５）で慣性Ｍが例えば２０ｋｇと高く設定され、その他の領域では例えば５ｋｇと低く設定されている。ここで、慣性Ｍは、絶対値を人がどのように感じるかに依存する。慣性の値は、質量に相当する。例えば、慣性の値を５ｋｇに設定する場合、５ｋｇの重さの物を人が動かす感覚になり、容易に動かせるという操作感を人３９が感じることになる。しかし、慣性の値を１００ｋｇに設定する場合、１００ｋｇの重さの物を動かすのは人にとって困難であるので、操作が難しいという操作感を人３９が感じることになる。

図１４Ａに示す慣性Ｍの初期分布（基準分布）によれば、第１作業台３１から第２作業台３２に向かって移動する際（図４の矢印Ａ、Ｂ参照）、慣性Ｍの値が小さいため、小さな力でロボットアーム５が動作する。このため、操作感が軽くなり、ロボットアーム５の移動が容易となる。また、第２作業台３２のスタンド３３へ位置決めを行う際には、慣性Ｍが大きくなるためロボットアーム５の動作が安定し、位置決め作業が容易となる。

第４実施形態では、薄型テレビ４６のスタンド３３への挿入作業が完了すると（この完了は、ロボットアーム５の手先位置情報より判断可能。）、図１４Ｂに示すように、インピーダンスマップ可変手段５０により、スタンド３３の近傍の慣性Ｍを例えば２０ｋｇから例えば５ｋｇに低下させる（下向きの矢印参照）。これにより、第２作業台３２から第１作業台３１へ戻る動作を小さい力で行うことが可能となり、操作性が向上する。

以上、第１実施形態から第４実施形態まで本発明について説明したが、本発明によれば、インピーダンスマップ可変手段５０によりロボットアーム５の現在の手先位置に基づいてインピーダンスマップ記憶部４８のインピーダンスマップを更新することができるので、作業フェーズの判断アルゴリズムのような複雑な処理は必要なく、また、判別の間違いも少ないため、簡潔なアルゴリズムにより安定して最適なインピーダンスパラメータへと設定され作業の操作性を向上させることが可能である。

また、図４に示した物体の運搬又は挿入作業以外の他の作業へ応用する場合は、インピーダンスマップ記憶部４８のパラメータの分布（基準分布）とインピーダンスマップ可変手段５０のインピーダンスマップ記憶部４８の更新方法を変えることで対応可能であり、位置、速度、及び、加速度等、多くのパラメータを検討しなければならない作業フェーズに基づく方法と比べ、他作業への応用は容易となる。

また、本発明によれば、ただ単に粘性の極小点（粘性の谷５５）を設けるだけではなく、他にも粘性の壁５４，５４Ａを動的に動かすことで逆戻り動作に対し抵抗が大きくなるようにすることで、誤操作防止などの位置決め動作の操作性向上以外の効果も得ることができる。

さらに、ただ単に粘性の極小点（粘性の谷５５）を設けるだけではなく、ロボットアーム５の手先の現在位置に応じて粘性の極小点（粘性の谷５５）の幅又は深さなどの特性を変化させることができるため、位置決め動作のさらなる操作性向上を実現できる。

なお、前記第１及び第２実施形態では、それぞれ単独で説明を行っているが、第１実施形態と第２実施形態とを組み合わせることも可能である。例えば、図６Ｂの状態の後、図１３に示すように、インピーダンスマップ可変手段５０により、粘性Ｄの谷５５の幅を狭める方向に（矢印Ｗ１参照）、かつ、粘性Ｄの谷５５の深さを深める方向に（矢印Ｗ２参照）に粘性Ｄの分布を変化させることもできる。

なお、本発明を第１〜第４実施形態に基づいて説明してきたが、本発明は、上記の第１〜第４実施形態に限定されないのはもちろんである。以下のような場合も本発明に含まれる。

前記各制御装置は、具体的には、マイクロプロセッサ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスクユニット、ディスプレイユニット、キーボード、マウスなどから構成されるコンピュータシステムである。前記ＲＡＭまたはハードディスクユニットには、コンピュータプログラムが記憶されている。前記マイクロプロセッサが、前記コンピュータプログラムにしたがって動作することにより、各装置は、その機能を達成する。ここでコンピュータプログラムは、所定の機能を達成するために、コンピュータに対する指令を示す命令コードが複数個組み合わされて構成されたものである。

例えば、ハードディスク又は半導体メモリ等の記録媒体に記録されたソフトウェア・プログラムをＣＰＵ等のプログラム実行部が読み出して実行することによって、各構成要素が実現され得る。なお、前記実施形態における制御装置を実現するソフトウェアは、以下のようなプログラムである。つまり、このプログラムは、コンピュータに、
多関節ロボットアームの動作に伴って移動する前記多関節ロボットアームの手先のそれぞれの位置と、前記それぞれの位置における慣性、粘性、及び、剛性を含むインピーダンスパラメータとを対応付けるインピーダンスパラメータの基準分布をインピーダンスマップとして記憶するインピーダンスマップ記憶部と、
前記多関節ロボットアームの前記手先の現在の位置の情報に応じて、前記インピーダンスマップにおける前記インピーダンスパラメータの基準分布に対して前記多関節ロボットアームの動作を行っている前記手先の位置の前又は後の位置でのインピーダンスパラメータの分布を変化させるインピーダンスマップ可変部と、
前記多関節ロボットアームに配設された外力取得部で取得した外力及び前記インピーダンスマップ可変部により変化させられた前記インピーダンスパラメータの分布とに基づき前記多関節ロボットアームをインピーダンス制御するインピーダンス制御部
として機能させるためのロボットの制御プログラムである。

また、このプログラムは、サーバなどからダウンロードされることによって実行されてもよく、所定の記録媒体（例えば、ＣＤ−ＲＯＭなどの光ディスク、磁気ディスク、又は、半導体メモリなど）に記録されたプログラムが読み出されることによって実行されてもよい。

また、このプログラムを実行するコンピュータは、単数であってもよく、複数であってもよい。すなわち、集中処理を行ってもよく、あるいは分散処理を行ってもよい。

また、前記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

本発明のロボット、ロボットの制御装置、制御方法、及び制御プログラムは、簡潔なアルゴリズムにより安定して最適なインピーダンスパラメータへと設定され作業の操作性を向上させることができて、工場又は家庭内、又は、介護現場等でパワーアシスト等の作業支援を行うロボット等、人と協働するロボット、ロボットの制御装置、制御方法、及び制御プログラムとして有用である。

本発明は、添付図面を参照しながら実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形又は修正は明白である。そのような変形又は修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。

Claims (11)

1. 多関節ロボットアームと、
   前記多関節ロボットアームに配設されて外力を取得する外力取得部と、
   前記多関節ロボットアームの動作に伴って移動する前記多関節ロボットアームの手先のそれぞれの位置と、前記それぞれの位置における慣性、粘性、及び、剛性を含むインピーダンスパラメータとを対応付けるインピーダンスパラメータの基準分布をインピーダンスマップとして記憶するインピーダンスマップ記憶部と、
   前記多関節ロボットアームの前記手先の現在の位置の情報に応じて、前記インピーダンスマップにおける前記インピーダンスパラメータの基準分布に対して前記多関節ロボットアームの動作を行っている前記手先の位置の前又は後の位置でのインピーダンスパラメータの分布を変化させるインピーダンスマップ可変部と、
   前記外力取得部が取得した外力及び前記インピーダンスマップ可変部により変化させられた前記インピーダンスパラメータの分布とに基づき前記多関節ロボットアームをインピーダンス制御するインピーダンス制御部と、
   を有するロボット。
2. 前記多関節ロボットアームの前記手先の位置の情報を微分して速度を求める速度取得部をさらに備え、
   前記インピーダンスマップ可変部は、前記多関節ロボットアームの前記手先の現在の位置の情報と前記速度取得部で取得した速度とに応じて、前記インピーダンスマップにおけるインピーダンスパラメータの基準分布に対して前記多関節ロボットアームの動作を行っている前記手先の位置の前又は後の位置でのインピーダンスパラメータの分布を変化させる、請求項１に記載のロボット。
3. 前記インピーダンスマップ可変部は、前記多関節ロボットアームの前記手先が通過する位置での前記インピーダンスパラメータの粘性を、前記多関節ロボットアームの前記手先が通過する前よりも前記手先が通過した後に、高くなるように変化させる請求項１に記載のロボット。
4. 前記インピーダンスマップ可変部は、前記多関節ロボットアームの前記手先が通過した位置での粘性を、前記多関節ロボットアームの前記手先が前記位置を通過した後に高くした後、前記多関節ロボットアームの前記手先が前記位置から一定距離を離れたときに前記位置での粘性を、前記高くした粘性の値よりも低くする請求項３に記載のロボット。
5. 前記インピーダンスマップ記憶部に記憶された前記インピーダンスマップが、前記多関節ロボットアームの前記手先を移動するための粘性の低い第１領域と、前記多関節ロボットアームの前記手先を位置決めするための前記第１領域よりも高い粘性の第２領域と、さらに前記第２領域の周辺を囲うように配置されかつ前記第２領域よりも高い粘性の第３領域とを有し、
   前記インピーダンスマップ可変部は、前記多関節ロボットアームの前記手先が前記第２領域に入った後に、前記第３領域が囲う前記第２領域の面積を、前記手先が前記第２領域に入る前の面積よりも小さくなるように変化させる請求項１に記載のロボット。
6. 前記インピーダンスマップ可変部は、前記多関節ロボットアームの前記手先が前記第２領域に入った後に、前記第２領域の粘性の値を、前記手先が前記第２領域に入る前の粘性の値よりも低い方へ変化させる請求項５に記載のロボット。
7. 前記インピーダンスマップ記憶部に記憶された前記インピーダンスマップは、前記多関節ロボットアームの前記手先を移動するための粘性の低い第１領域と、前記手先を位置決めするための、前記第１領域の粘性よりも高い第２領域とを有するとともに、前記第２領域と前記第１領域との間に、前記手先を位置決めするための、第１領域の粘性よりも高くかつ第２領域の粘性以下の第４領域を設定し、
   前記インピーダンスマップ可変部は、前記手先が前記第４領域に入った後に、前記第４領域の粘性を前記第２領域の粘性よりも高くするように変化させる請求項１に記載のロボット。
8. 前記多関節ロボットアームの前記手先の位置の情報を微分して速度を求める速度取得部をさらに備え、
   前記インピーダンスマップ可変部は、前記多関節ロボットアームの前記手先の現在の位置の情報と、前記多関節ロボットアームの前記手先が前記第４領域に入る速度であって前記速度取得部で取得した速度に応じて、前記第４領域の粘性の高さを設定する請求項７に記載のロボット。
9. 多関節ロボットアームの動作に伴って移動する前記多関節ロボットアームの手先のそれぞれの位置と、前記それぞれの位置における慣性、粘性、及び、剛性を含むインピーダンスパラメータとを対応付けるインピーダンスパラメータの基準分布をインピーダンスマップとして記憶するインピーダンスマップ記憶部と、
   前記多関節ロボットアームの前記手先の現在の位置の情報に応じて、前記インピーダンスマップにおける前記インピーダンスパラメータの基準分布に対して前記多関節ロボットアームの動作を行っている前記手先の位置の前又は後の位置でのインピーダンスパラメータの分布を変化させるインピーダンスマップ可変部と、
   前記多関節ロボットアームに配設された外力取得部で取得した外力及び前記インピーダンスマップ可変部により変化させられた前記インピーダンスパラメータの分布とに基づき前記多関節ロボットアームをインピーダンス制御するインピーダンス制御部と、
   を備えるロボットの制御装置。
10. 多関節ロボットアームに配設された外力取得部で外力を取得し、
    前記多関節ロボットアームの動作に伴って移動する前記多関節ロボットアームの手先のそれぞれの位置と、前記それぞれの位置における慣性、粘性、及び、剛性を含むインピーダンスパラメータとを対応付けるインピーダンスパラメータの基準分布をインピーダンスマップとしてインピーダンスマップ記憶部に記憶し、
    インピーダンスマップ可変部により、前記多関節ロボットアームの前記手先の現在の位置の情報に応じて、前記インピーダンスマップにおける前記インピーダンスパラメータの基準分布に対して前記多関節ロボットアームの動作を行っている位置の前又は後の位置でのインピーダンスパラメータの分布を変化させ、
    前記外力取得部が取得した外力及び前記インピーダンスマップ可変部により変化させられた前記インピーダンスパラメータの分布とに基づき前記多関節ロボットアームをインピーダンス制御部によりインピーダンス制御するロボットの制御方法。
11. コンピューターを、
    多関節ロボットアームの動作に伴って移動する前記多関節ロボットアームの手先のそれぞれの位置と、前記それぞれの位置における慣性、粘性、及び、剛性を含むインピーダンスパラメータとを対応付けるインピーダンスパラメータの基準分布をインピーダンスマップとして記憶するインピーダンスマップ記憶部と、
    前記多関節ロボットアームの前記手先の現在の位置の情報に応じて、前記インピーダンスマップにおける前記インピーダンスパラメータの基準分布に対して前記多関節ロボットアームの動作を行っている前記手先の位置の前又は後の位置でのインピーダンスパラメータの分布を変化させるインピーダンスマップ可変部と、
    前記多関節ロボットアームに配設された外力取得部で取得した外力及び前記インピーダンスマップ可変部により変化させられた前記インピーダンスパラメータの分布とに基づき前記多関節ロボットアームをインピーダンス制御するインピーダンス制御部として機能させるためのロボットの制御プログラム。

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