JP6033193B2

JP6033193B2 - ロボット

Info

Publication number: JP6033193B2
Application number: JP2013197459A
Authority: JP
Inventors: 泰三吉川
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2013-09-24
Filing date: 2013-09-24
Publication date: 2016-11-30
Anticipated expiration: 2033-09-24
Also published as: JP2015062972A

Description

本発明は、アームロボット又はアームを備えているロボットに関する。

アーム先端部のエンドエフェクタの目標位置軌道に基づいてアームを構成する関節機構の角度及び角速度指令値が決定され、当該指令値にしたがってアームの動作を制御する技術が提案されている（特許文献１及び２参照）。

特開昭６４−０６６７１５号公報特許第３４６５２５３号公報

しかし、エンドエフェクタの実位置軌道を当該目標位置軌道から逸脱させるような外力がアームに作用した場合、アームの動作が硬くなり、当該外力に応じて適応的にアームを作動させることが困難である。

そこで、本発明は、外力に応じてアームの姿勢を適応的に制御することが可能なロボットを提供することを解決課題とする。

本発明は、基体と、前記基体から延設され、複数のリンク及び当該複数のリンクを連結する複数の関節機構を有するアームと、前記アームの動作を制御するように構成されている制御装置とを備えているロボットに関する。

本発明は、前記制御装置が、前記複数の関節機構のそれぞれの角度軌道に基づき、前記アームの動力学モデルにしたがって第１トルク指令値を設定し、制御点に作用する外力にゲイン係数を乗じることにより前記制御点において前記アームに発生させる力指令値を定めた上で、当該力指令値にヤコビ行列を乗じることにより前記制御点よりも前記基体に対して近い側にある指定関節機構に対する第２トルク指令値を設定し、かつ、前記第１トルク指令値と前記第２トルク指令値との合成結果を前記複数の関節機構のそれぞれに対するトルク指令値として出力することにより、前記アームの動作を制御するように構成されていることを特徴とする。

本発明のロボットによれば、アームの各関節機構の角度軌道に基づき、動力学モデルにしたがって第１トルク指令値が設定され、当該第１トルク指令値を含むトルク指令値にしたがってアームの動作が制御される。このため、制御点とは異なる箇所においてアームに作用する外力（第１外力）に応じてアームの姿勢を柔軟に変化させることができる。

制御点においてアームに作用する外力（第２外力）に対してゲイン係数が乗じられることにより力指令値が設定され、当該力指令値に応じて第２トルク指令値が設定され、当該第２トルク指令値を含むトルク指令値にしたがってアームの動作が制御される。

具体的には、ゲイン係数が「負値」に設定されている場合、制御点において該当第２外力成分に対して逆方向にアームが力（抵抗力）を発生するようにアームの動作が制御される。また、ゲイン係数が「正値」に設定されている場合、制御点において該当第２外力成分に対して順方向にアームが力（補助力）を発生するようにアームの動作が制御される。さらに、ゲイン係数が「０」に設定されている場合、制御点において該当第２外力成分に応じた力をアームが発生しないようにアームの動作が制御される。

このため、制御点における第２外力の各成分に対してゲイン係数の値の組み合わせがさまざまに変更されることにより、当該第２外力に応じて制御点がさまざまな形態で変位しうるようにアームの姿勢が適応的に制御されうる。

本発明のロボットにおいて、前記制御装置が、前記ゲイン係数の値として−１を前記制御点に作用する外力の鉛直方向成分に乗じることにより前記力指令値の鉛直方向成分を設定するように構成されていることが好ましい。

当該構成のロボットによれば、アームに対して鉛直方向に作用する第２外力に対して逆方向に同じ大きさの力をアームが発生するように、アームの動作が制御される。このため、制御点に物体の荷重がかかる又は重力が作用するような形態でアームに当該物体を支持させながら、アームに対して第１外力を作用させることにより、制御点及び物体を所望の形態で変位させることができる。

本発明のロボットにおいて、前記制御装置が、前記複数のリンクのそれぞれに作用する重力を補償する重力補償トルクが含まれるように前記トルク指令値を設定するように構成されていることが好ましい。

当該構成のロボットによれば、アームに対して第２外力が作用していない状態で、当該アームの姿勢が自重により変化することなくそのままに維持されるようにアームの動作が制御されうる。

本発明のロボットにおいて、前記制御装置が、前記第１トルク指令値と前記第２トルク指令値との干渉を解消するための零空間への射影行列を前記第１トルク指令値に対して乗じた結果と、前記第２トルク指令値との和を前記複数の関節機構のそれぞれに対するトルク指令値として設定するように構成されていることが好ましい。

当該構成のロボットによれば、指定関節機構の第２トルク指令値に対する、第１外力に応じた指定関節機構の受動的な動作の影響が解消され、その結果として力指令値に応じた力をアームに確実に発生させることができる。

本発明のロボットにおいて記基体を並進移動させる機能を有する移動機構をさらに備え、前記制御装置が、前記アームの基準点の変位にしたがって前記基体を並進移動させるように前記移動機構の動作を制御するように構成されていることが好ましい。

当該構成のロボットによれば、グローバル座標系における基準点の変位に応じて基体が変位しうるので、制御点、又は制御点に荷重がかかるような形態でアームにより支持されている物体がさまざまな形態で変位しうるようにアームの姿勢が適応的に制御されうる。

本発明のロボットの構成説明図。ロボットの制御装置の構成説明図。本発明の一実施形態としてのロボットの構成説明図。ロボットの動作検証に関する説明図。本発明のロボットの他の実施形態に関する説明図。本発明のロボットの他の実施形態に関する説明図。本発明のロボットの他の実施形態に関する説明図。

（ロボットの構成）
図１に示されているロボット１は、基体Ｂ１と、基体Ｂ１を支持するとともに基体Ｂ１を並進移動させるように構成されている移動機構Ｂ２と、基体Ｂ１から延設されているアームＡと、ロボットの駆動源であるアクチュエータ（図示略）の動作を制御する制御装置２とを備えている。アームＡは、複数の関節機構Ｊ_i（ｉ＝１〜Ｎ）と、当該複数の関節機構Ｊ_iを介して連結されている複数のリンクＬ_iとを備えている。関節機構の数及び各関節機構の自由度（１〜３）は任意に設計されうる。

アームＡを構成するアクチュエータの動作に応じて、各関節機構Ｊ_iの回転自由度に応じた軸回りの関節角度ｑ_iが制御されることにより、第ｉ−１リンクＬ_i-1に対する第ｉリンクＬ_iの相対的な姿勢が調節される。ロボット１は各関節角度ｑ_iに応じた信号を出力する関節角度センサ（図示略）をさらに備え、制御装置２は各関節角度センサからの出力信号に基づいて各関節角度ｑ_iを測定する。

第Ｎ関節機構Ｊ_Nには、エンドエフェクタとしての第ＮリンクＬ_N上にある制御点Ｐ_Cに作用する外力（第２外力）Ｆに応じた信号を出力する６軸力センサが外力検知器Ｓ_Nとして設けられている。外力Ｆは、ｆｘ（ｘ方向の並進力）、ｆｙ（ｙ方向の並進力）、ｆｚ（ｚ方向の並進力）、Ｍｘ（ｘ軸回りの回転力）、Ｍｙ（ｙ軸回りの回転力）及びＭｚ（ｚ軸回りの回転力）を成分とする６次元ベクトルにより表わされる。

第Ｎリンク座標系（ローカル座標系）における外力検知器Ｓ_Nによる外力Ｆの測定値は、第Ｎリンクの姿勢行列Ｔ（Ｎ）＝Π_k=1~NＴ（ｋ）（「Π」は積を表わす。）を用いてグローバル座標系の測定値に座標変換される。

関節機構Ｊ₁〜Ｊ_Nのうち一部又は全部の関節機構Ｊ_iに外力検出器Ｓ_iが設けられていてもよい。外力検出器Ｓ_iが設けられた一又は各関節機構Ｊ_iにより駆動される一又は各リンクＬ_i上に制御点Ｐ_Cが定義される。

移動機構Ｂ２を構成するアクチュエータの動作が制御されることにより、基体Ｂ１のグローバル座標系における位置Ｐ_B1が制御される。制御装置２は、電子制御ユニット（ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ｉ／Ｏ回路等により構成されている。）又はコンピュータにより構成されている。

（制御装置の構成）
図２に示されている制御装置２は、第１トルク指令要素２１と、第２トルク指令要素２２と、基体運動指令要素２３と、アーム制御要素２４と、基体制御要素２５とを備えている。制御装置２の各構成要素は、メモリと、当該メモリから必要なデータ及びプログラムを読み出した上で、後述する担当演算処理を実行する演算処理装置（ＣＰＵ）とにより構成されている。

第１トルク指令要素２１は、各関節機構Ｊ_kの角度ｑ等に基づき、アームＡの動力学モデルにしたがって、各関節機構Ｊ_kの第１トルク指令値trq1_cmd(k)を設定するように構成されている。第２トルク指令要素２２は、制御点Ｐ_CにおいてアームＡに作用する外力測定値Ｆactをフィルタ（ローパスフィルタ）１０に通した結果としての外力（第２外力）Ｆにゲイン行列Ｍgainを乗じることによりアームＡに発生させる力指令値Ｆcmdを設定する要素２２１と、力指令値Ｆcmdに基体Ｂ１を基準として定義されるヤコビ行列Ｊを用いた演算処理を施すことにより各関節機構Ｊ_kの第２トルク指令値trq2_cmd（ｋ）を設定する要素２２２とを備えている。

アーム制御要素２４は、第１トルク指令値trq1_cmd（ｋ）と第２トルク指令値trq2_cmd（ｋ）との和又は合成結果であるトルク指令値trq_cmd（ｋ）に基づき、各関節機構Ｊ_kのトルクを制御することによりアームＡの動作を制御する。

ロボット１が関節角度指令値ｑcmdによりアームＡの各関節機構Ｊ_kの関節角度ｑ_iが制御される関節駆動型のロボットである場合、制御装置２はトルク変換器を備えている（米国特許公報ＵＳ７，９８６，１１８Ｂ２参照）。各関節機構Ｊ_kのトルク指令値trq_cmd（ｋ）が、当該トルク変換器により関節角度指令値ｑcmd（ｋ）又は関節角速度指令値ｄｑcmd（ｋ）／ｄｔに変換される。これにより、ロボット１が擬似的にトルク指令型のロボットとして制御されうる。

基体運動指令要素２３は、力指令値Ｆcmdにコンプライアンスゲイン行列Ｍcmp_gainを乗じることにより基体Ｂ１の位置指令値Ｐ_B1_cmd及び姿勢指令値θ_B1_cmdを設定する。基体制御要素２５は、位置指令値Ｐ_B1_cmd及び姿勢指令値θ_B1_cmdにしたがって基体Ｂ１の位置及び姿勢を制御する。

（ロボットの制御方法）
前記構成の制御装置２により実行されるロボット１の動作制御方法について説明する。

（関節空間におけるトルク指令）
第１トルク指令要素２１により、アームＡの動力学モデルを表わす関係式（２１）にしたがって、第１トルク指令値（関節空間におけるトルク指令値）trq_joint_cmd≡trq1_cmd＝［trq1_cmd(1), ..trq1_cmd(i), ..trq1_cmd(N)］が設定される。

A(q)(d²q/dt²)+B(q,(dq/dt))+g(q)=trq1_cmd ..(21)。

各関節機構の角度ｑ＝［ｑ（１），‥ｑ（ｉ），‥ｑ（Ｎ）］、関節角速度（ｄｑ／ｄｔ）、関節角加速度（ｄ²ｑ／ｄｔ²）、慣性行列Ａ（ｑ）、遠心力・コリオリ力Ｂ（ｑ，（ｄｑ／ｄｔ））及び重力補償トルクｇ（ｑ）のそれぞれは、当該角度ｑの時系列的な変化態様を定める角度軌道に基づいて定められる。

関係式（２１）によれば、関節角度指令値ｑcmdが出力されない場合、制御点Ｐ_C以外の箇所においてアームＡに作用する外力（第１外力）に応じて、当該アームＡを受動的に作動させるような第１トルク指令値trq1_cmdが出力される。

関係式（２１）左辺における重力補償項ｇ（ｑ）により、ロボット１の姿勢にかかわらず各リンクＬ_iに作用する重力が補償される。したがって、各リンクＬ_iに作用する外力Ｆに応じて、ロボット１が各リンクＬ_iに作用する重力による影響を補償しながら受動的に操作されうる。ロボット１は外力Ｆが０になった場合、各リンクＬ_iの位置及び姿勢、ひいてはアームＡの位置及び姿勢をそのまま変化させずに維持することができる。

（操作空間におけるトルク指令）
第２トルク指令要素２２により、外力検知器Ｓ_Nを通じて測定された外力（第２外力）Ｆと、ゲイン行列Ｍgainとに基づいて関係式（２２１）にしたがって力指令値Ｆcmdが算出される。「Diag」は対角行列を表わす。

Fcmd=MgainF,Mgain=Diag(K_fx, K_fy, K_fz, K_Mx, K_My, K_Mz) ..(221)。

ゲイン行列Ｍ_gainの対角要素（ゲイン係数）Ｋ_s（ｓ＝ｆｘ，ｆｙ，ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）が正値に設定されている場合、力成分Ｆ_sに対して順方向の力又は支援力が作用するような力指令値Ｆcmdが設定される。一方、ゲイン係数Ｋ_sが負値に設定されている場合、力成分Ｆ_sに対して逆方向の力又は抵抗力が作用するような力指令値Ｆcmdが設定される。例えば、ゲイン係数Ｋ_fzが「−１」に設定されることにより、アームＡに作用するｚ方向の外力Ｆ_fzが完全に補償（キャンセル）されるような力指令値Ｆcmdが設定される。

当該制御点Ｐ_CにおいてアームＡに発生させる力Ｆcmdと操作空間に射影された慣性行列Λ_Cに基づいて関係式（２２２）にしたがって、操作空間において発生させる力Fcmd^*として変換される。

Fcmd^*=Λ_CFcmd ..(222)。
操作空間における力指令値Ｆcmd^*は、関係式（２２３）にしたがって各関節機構Ｊ_kの第２トルク指令値（操作空間におけるトルク指令値）trq_task_cmd≡trq2_cmd＝［trq2_cmd(1), ..trq2_cmd(i), ..trq2_cmd(N)］として分配される。

trq2_cmd=Jc^TFcmd^* ..(223)。

制御点Ｐ_Cがエンドエフェクタとしての第ＮリンクＬ_Nに定義されている場合、基体Ｂ１の座標系を基準として定義されているヤコビ行列Ｊ_Cは関係式（２２４）にしたがって定義されている。これは一般的なヤコビ行列である。

Jc=(J1, ..Ji, ..Jn), Ji=(Ji1, Ji2, Ji3, Ji4, Ji5, Ji6)^T..(224)。

一方、制御点Ｐ_Cが第ｉリンクＬ_i（ｉ＜Ｎ）上の任意の位置にある場合のヤコビ行列Ｊ_Cは関係式（２２５）にしたがって定義される。

Jc=(J1, ..Ji, 0, ..0) ..(225)。

制御点Ｐ_Cが定義される第ｉリンクＬ（ｉ）の駆動用の第ｉ関節機構Ｊ（ｉ）のグローバル座標系における位置を表わすベクトルＰ_J(i)及び姿勢を表わす行列Θ_J(i)が算出される。第ｉリンクＬ（ｉ）に対して位置及び姿勢が固定されているリンク座標系（ローカル座標系）における制御点Ｐ_Cの第ｉ関節機構Ｊ（ｉ）に対するオフセットを表わすベクトルＰc_offsetにより定義される。これにより、グローバル座標系における制御点Ｐ_C＝Ｐ_J1(i)＋Θ_J1(i)Ｐc_offsetが定義される。

これにより、第ｉリンクＬ_i上の制御点Ｐ_Cで発生する力Ｆcmdが、第ｉ関節機構Ｊ_iとこれよりも基体Ｂ１に近い側に関節機構Ｊ₁〜Ｊ_i-1のそれぞれの第２トルク指令値trq2_cmd(k)（ｋ＝１〜ｉ）に変換される。

（関節空間及び操作空間におけるトルク指令値の合成）
関係式（２４１）により表わされるゼロ空間への射影行列Ｎ_C ^Tが用いられて、関係式（２４２）にしたがって最終的なトルク指令値trq_cmdが設定される。これにより、制御点Ｐ_CにおいてアームＡに力を発生させるための第２トルク指令値trq2_cmdと、当該制御点Ｐ_Cよりも基体Ｂ１に対して近い側の関節機構Ｊ_kの第１トルク指令値trq1_cmd(k)とが相互に干渉することが回避されうる。

Nc^T=I-Jc^TJc*^T, Jc*^T=ΛcJcA^-1, Λc^-1=JcA^-1Jc^T ..(241)。

trq_cmd=Nc^Ttrq1_cmd+trq2_cmd,
trq1_cmd=(trq1_cmd(1), ..trq1_cmd(i), trq1_cmd(i+1), ..trq1_cmd(N)),
trq2_cmd=(trq2_cmd(1), ..trq2_cmd(i), 0, ..0) ..(242)。

したがって、制御点Ｐ_CにおいてアームＡに作用する外力Ｆは、第ｉリンクＬ_i及び第ｉリンクＬ_iよりも基体Ｂ１に対して近い側にある関節機構Ｊ₁〜Ｊ_i-1のトルク指令値trq_cmd（１）〜trq_cmd（ｉ）に反映される。その一方、当該力Ｆは、第ｉリンクＬ_iよりも基体Ｂ１に対して遠い側にある関節機構Ｊ_i+1〜Ｊ_Nのトルク指令値trq_cmd（ｉ＋１）〜trq_cmd（Ｎ）には反映されない。

（基体の並進制御）
基体Ｂ１の代表点（例えば重心）Ｐ_B1と、アームＡに定義される基準点Ｐ_Aとの水平方向（グローバル座標系のｘ方向及びｙ方向）の間隔ｕが一定範囲内に収まるように、基体Ｂ１を並進移動させるように移動機構Ｂ２の動作が制御される。当該間隔ｕ及びその時間変化率ｄｕ／ｄｔに基づき、仮想的な弾性力ＫＤ（Ｋ：バネ定数）及び減衰力Ｄ（ｄｕ／ｄｔ）（Ｄ：ダンパ係数）が基体Ｂ１に作用するというモデルにしたがって、グローバル座標系における代表点Ｐ_B1が変位するように移動機構Ｂ２の動作が制御される。

移動機構Ｂ２が並進移動することにより代表点Ｐ_B1が動かされてもよく、移動機構Ｂ２が並進移動することなく、基体Ｂ１との相対的な姿勢が変更されることにより代表点Ｐ_B1が動かされてもよい。

（動作検証）
動作検証対象として、図３に示されているように脚式移動ロボット１が用いられた。ロボット１は、人間と同様に、基体Ｂ１と、基体Ｂ１の上方に配置された頭部Ｂ０と、基体Ｂ１の上部に上部両側から延設された左右のアームＡと、基体Ｂ１の下部から下方に延設された左右の脚体（移動機構）Ｂ２とを備えている（再表０３／０９０９７８号公報及び再表０３／０９０９７９号公報等参照）。

基体Ｂ１はヨー軸回りに相対的に回動しうるように上下に連結された上部および下部により構成されている。頭部Ｂ０は基体Ｂ１に対してヨー軸回りに回動する等、動くことができる。

アームＡは第１リンクＬ１と、第２リンクＬ２とを備えている。左右のアームＡのそれぞれの先端にはハンド（第３リンク）Ｌ３が設けられている。基体Ｂ１と第１リンクＬ１とは第１関節機構（肩関節機構）Ｊ１を介して連結され、第１リンクＬ１と第２リンクＬ２とは第２関節機構（肘関節機構）Ｊ２を介して連結され、第２リンクＬ２とハンドＬ３とは第３関節機構（手首関節機構）Ｊ３を介して連結されている。第１関節機構Ｊ１はロール、ピッチおよびヨー軸回りの回動自由度を有し、第２関節機構Ｊ２はピッチ軸回りの回動自由度を有し、第３関節機構Ｊ３はロール、ピッチ、ヨー軸回りの回動自由度を有している。

脚体Ｂ２は第１脚体リンクＢＬ１と、第２脚体リンクＢＬ２と、足平部ＢＬ３とを備えている。基体Ｂ１と第１脚体リンクＢＬ１とは股関節機構（第１脚関節機構）ＢＪ１を介して連結され、第１脚体リンクＢＬ１と第２脚体リンクＢＬ２とは膝関節機構（第２脚関節機構）ＢＪ２を介して連結され、第２脚体リンクＢＬ２と足平部ＢＬ３とは足関節機構（第３脚関節機構）ＢＪ３を介して連結されている。

股関節機構ＢＪ１はロール、ピッチおよびロール軸回りの回動自由度を有し、膝関節機構ＢＪ２はピッチ軸回りの回動自由度を有し、足関節機構ＢＪ３はロールおよびピッチ軸回りの回動自由度を有している。股関節機構ＢＪ１、膝関節機構ＢＪ２および足関節機構ＢＪ３は「脚関節機構群」を構成する。なお、脚関節機構群に含まれる各関節機構の並進および回転自由度は適宜変更されてもよい。また、股関節機構ＢＪ１、膝関節機構ＢＪ２および足関節機構ＢＪ３のうち任意の１つの関節機構が省略された上で、残りの２つの関節機構の組み合わせにより脚関節機構群が構成されていてもよい。さらに、脚体Ｂ２が膝関節とは別の第２脚関節機構を有する場合、当該第２脚関節機構が含まれるように脚関節機構群が構成されてもよい。足部ＢＬ３の底には着地時の衝撃緩和のため弾性素材が設けられている（特開２００１−１２９７７４号公報参照）。

ロボット１の脚体Ｂ２の動作は、特許第３１３２１５６号公報等に記載されている姿勢安定化の手法にしたがって制御される。アームＡの動作は、本発明の重力トルクのみが補償されている受動的な関節駆動モードにしたがって制御される。

第３関節機構Ｊ３の箇所（手首部分のみに、エンドエフェクタとしてのハンドＬ３に作用する外力Ｆに応じた信号を出力するように構成されている外力検知器Ｓが設けられている。

（検証結果その１）
ゲイン行列Ｍgainとして対角行列−Ｉ＝Ｄｉａｇ（−１，−１，−１，−１，−１，−１）が採用された。ハンドＬ３上に制御点Ｐ_Cが定義されている。

図４（ａ）に示されているように、オペレータが、ハンドＬ３よりも基体Ｂ１側にある第１リンクＬ１又は第２リンクＬ２をつかんで外力Ｆを作用させた（白矢印参照）。この場合、アームＡの姿勢が柔軟に変化させることができた。

図４（ｂ）に示されているように、ハンドＬ３上の制御点Ｐ_Cにおいて物体の荷重がかかるような形態でアームＡ（右側アームＡ（Ｒ））に当該物体を支持させた。この場合、ハンドＬ３上の制御点Ｐ_Cにおいて物体に作用する重力に対して逆方向に同じ大きさの力が生じるようにアームＡの動作が制御されることにより、ハンドＬ３の位置は動かなかった。

図４（ｃ）に示されているように、右側アームＡ（Ｒ）に物体を支持させた状態で、オペレータがハンドＬ３をつかんで外力Ｆを作用させた（白矢印参照）。この場合、当該外力Ｆに対して逆方向に同じ大きさの力が生じるようにアームＡの動作が制御されることにより、ハンドＬ３及び物体の位置は動かなかった。一方、この状態で、オペレータが第１リンクＬ１又は第２リンクＬ２をつかんで外力Ｆを作用させた場合、アームＡの姿勢が柔軟に変化するように制御されることにより、ハンドＬ３（制御点Ｐ_C）及び物体の位置を容易に変化させることができた（図４（ａ）参照）。

（検証結果その２）
ゲイン行列Ｍgainとして対角行列Ｄｉａｇ（１，１，−１，１，１，１）が採用された。右側アームＡ（Ｒ）に物体を支持させた場合、ハンドＬ３上の制御点Ｐ_Cにおいて物体に作用する重力に対して逆方向に同じ大きさの力が生じるようにアームＡの動作が制御されることにより、ハンドＬ３の位置は動かなかった（図４（ｂ）参照）。また、オペレータが、ハンドＬ３をつかんで鉛直方向に外力ｆを作用させた場合も、ハンドＬ３の位置は動かなかった。

さらに、ハンドＬ３により物体が支持されている状態で、オペレータがハンドＬ３をつかんで外力Ｆ（ｘ方向又はｙ方向）を作用させた場合、実施例１とは異なり、当該外力Ｆに対して順方向に同じ大きさの力が生じるようにアームＡの動作が制御されることによりハンドＬ３及び物体の位置が動かされた（図４（ｃ）参照）。

オペレータが、ハンドＬ３よりも基体Ｂ１側にある第１リンクＬ１又は第２リンクＬ２をつかんで外力Ｆを作用させた場合、実施例１と同様に、アームＡの姿勢が柔軟に変化するように制御されることにより、ハンドＬ３及び物体の位置を容易に変化させることができた。ハンドＬ３ではなく、第１リンクＬ１又は第２リンクＬ２に物体の荷重がかかるような形態でアームに当該物体を支持させた場合、当該荷重により第１リンクＬ１又は第２リンクＬ２が下降するようにアームＡの姿勢が変化した。

（本発明の他の実施形態）
図５に示されているように、図３に示されているロボット１のハンドＬ３に人間が荷重Ｆact（右方向矢印参照）をかけることにより、当該荷重Ｆactに応じた補助力Ｆcmd（左方向矢印参照）が人間に対して作用するように、アームＡの動作が制御されてもよい。ロボット１の第３関節機構Ｊ３（図３参照）にはハンドＬ３に作用する当該荷重Ｆactを測定するための６軸又は３軸力センサＳ₁が設けられ、基体Ｂ１にはジャイロセンサＳ₂が設けられている。

ロボット１はアームＡが伸びきらないように基体Ｂ１を並進移動させるため、脚体Ｂ２を動かして歩行する。その結果、人間がロボット１により後ろから押されることにより、その歩行のための負荷が軽減されうる。

図６（ａ）（ｂ）に示されている倒立振子型車両の上部フレームにより基体Ｂ１が構成され、上部フレームを支持する下部フレームに格納されている車輪により移動機構Ｂ２が構成されていてもよい（特開２０１１−０６３１８０号公報等参照）。アームＡは３つのアームリンクＬ１〜Ｌ３を有している。第１アームリンクＬ１は第１関節機構Ｊ１を介して上部フレームＢ１に対して接続されている。第２アームリンクＬ２は第２関節機構Ｊ２を介して第１アームリンクＬ１に対して連結されている。ハンド又はエンドエフェクタＬ３は第３関節機構Ｊ３を介して第２アームリンクＬ２に対して連結されている。

図６（ａ）には、ロボット１が静止し、かつ、物体が持ち手を介してハンドＬ３にぶら下げられている状態が示されている。この状態では、６軸力センサＳ₁により当該物体の質量ｍに由来する下方向（−Ｚ方向）の荷重ｍｇが測定される。対角行列であるゲイン行列Ｍgain（関係式（２２１）参照）の対角成分Ｍ_sのうち少なくともＭ_fzが「−１」に設定されている場合、上方向（＋Ｚ方向）に大きさが同じ力Ｆcmdが作用するようにアームＡを含むロボット１の動作が制御される。その結果、荷重ｍｇと力Ｆcmdとが釣り合い、アームＡの姿勢がそのままに維持された状態でロボット１が静止することができる。

図６（ｂ）には、図６（ａ）に示されている静止状態（破線参照）から、車輪Ｂ２の動作によりロボット１が前方（＋Ｘ方向）に進んだ状態が示されている。この状態では、６軸力センサＳ₁により荷重ｍｇに加えて、後方（−Ｘ方向）への慣性力Ｆaccが測定される。対角行列であるゲイン行列Ｍgainの対角成分Ｍ_sのうち少なくともＭ_fx及びＭ_fzが「−１」に設定されている場合、上方向（＋Ｚ方向）及び前方（＋Ｘ方向）のそれぞれに大きさが同じ力の合力Ｆcmdが作用するようにアームＡを含むロボット１の動作が制御される。その結果、アームＡの姿勢がそのままに維持された状態でロボット１が移動することができる。

図７（ａ）には、エンドエフェクタＬ３が第３関節機構Ｊ３から左右に分岐して延伸された略Ｕ字状に形成され、一対の当該延伸部分が人間をその左右の脇下で支えるように構成されているロボット１が示されている。対角行列であるゲイン行列Ｍgainの対角成分Ｍ_fzが「−１」に設定されることにより、脚の運動機能が低下した人間であってもロボット１の補助により起立状態を維持することができる。対角行列であるゲイン行列Ｍgainの対角成分Ｍ_sのうちＭ_fx及びＭ_fyが正値に設定されている場合、人間はエンドエフェクタＬ３に対して体重を預けることで、ロボット１とともに移動することができる。

図７（ｂ）には、エンドエフェクタＬ３が椅子状に形成されているロボット１が示されている。対角行列であるゲイン行列Ｍgainの対角成分Ｍ_sのうちＭ_fx及びＭ_fyが正値に設定されている場合、人間は床面を蹴ることで、ロボット１とともに移動することができる。

図７（ｃ）には、図６（ａ）（ｂ）に示されているロボット１が中間に人間が入り込むことができる程度の間隔をおいて左右に配置された上で背もたれ様の部材により一体化されているロボット１が示されている。対角行列であるゲイン行列Ｍgainの対角成分Ｍ_fzが「−１」に設定されることにより、左右のエンドエフェクタＬ３により物体を支持した状態でもアームＡの姿勢が変更されることはない。その一方、人間がアームＡのエンドエフェクタＬ３以外の任意の箇所（例えば第２アームリンクＬ２）をつかんで力を入れることで、アームＡが受動的に動かされ、その姿勢が任意に変更される。さらに、人間はアームＡの姿勢を任意に変更することで、ロボット１とともに移動することができる。

１‥ロボット、２‥制御装置、Ａ‥アーム、Ｊ_i‥関節機構、Ｌ_i‥リンク。

Claims

基体と、前記基体から延設され、複数のリンク及び当該複数のリンクを連結する複数の関節機構を有するアームと、前記アームの動作を制御するように構成されている制御装置とを備えているロボットであって、
前記制御装置が、前記複数の関節機構のそれぞれの角度軌道に基づき、前記アームの動力学モデルにしたがって第１トルク指令値を設定し、制御点に作用する外力にゲイン係数を乗じることにより前記制御点において前記アームに発生させる力指令値を定めた上で、当該力指令値にヤコビ行列を乗じることにより前記制御点よりも前記基体に対して近い側にある指定関節機構に対する第２トルク指令値を設定し、かつ、前記第１トルク指令値と前記第２トルク指令値との合成結果を前記複数の関節機構のそれぞれに対するトルク指令値として出力することにより、前記アームの動作を制御するように構成されていることを特徴とするロボット。
請求項１記載のロボットにおいて、
前記制御装置が、前記ゲイン係数の値として−１を前記制御点に作用する外力の鉛直方向成分に乗じることにより前記力指令値の鉛直方向成分を設定するように構成されていることを特徴とするロボット。
請求項１又は２記載のロボットにおいて、
前記制御装置が、前記複数のリンクのそれぞれに作用する重力を補償する重力補償トルクが含まれるように前記トルク指令値を設定するように構成されていることを特徴とするロボット。
請求項１〜３のうちいずれか１つに記載のロボットにおいて、
前記制御装置が、前記第１トルク指令値と前記第２トルク指令値との干渉を解消するための零空間への射影行列を前記第１トルク指令値に対して乗じた結果と、前記第２トルク指令値との和を前記複数の関節機構のそれぞれに対するトルク指令値として設定するように構成されていることを特徴とするロボット。
請求項１〜４のうちいずれか１つに記載のロボットにおいて、
前記基体を並進移動させる機能を有する移動機構をさらに備え、
前記制御装置が、前記アームの基準点の変位にしたがって前記基体を並進移動させるように前記移動機構の動作を制御するように構成されていることを特徴とするロボット。