JP6444092B2 - Human movement support device - Google Patents
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Description
本発明は、人とロボットアームとの協調動作装置に関し、特に人の動きをアシストする人の動作支援装置に関する。 The present invention relates to a cooperative operation device between a person and a robot arm, and more particularly to a human motion support device that assists the movement of a person.
従来の人とロボットアームとの協調動作技術は、手の動きをモーションキャプチャ等の高度の計測システムを用いて手の動きを解析し、それに基づいてロボットアームの動き及び力を精密に制御するものであり、高価な計測装置及び精度の高いパラメータ制御装置が必要であった。
例えば、特許文献１には、作業者が部品の一方を持ち、ロボットアームがこの部品の他方を保持し、人の手の動きをモーションキャプチャで検出し、手の動きが正しいと判断した場合にロボットアームが所定の動作を行う作業補助システムを開示する。
しかし、同技術は、作業者の動きそのものを正確な方向にアシストできるものではない。
特許文献２には、障害のある人間の手と動的力センサーを組み込んだマニピュレーターのクランプとを振持器に連結することで、障害のある人間が振るえながら文字を書いても振るえる動作をマニピュレーターが吸収・補正する手作業アシスタントマニピュレーター制御システムを開示する。
しかし、同公報に開示する技術は、手の振るえをどのように読み取り、どのように制御するか不明である。
The conventional cooperative operation technology between a human and a robot arm is a technique that analyzes the movement of the hand using a sophisticated measurement system such as motion capture and precisely controls the movement and force of the robot arm based on it. Therefore, an expensive measuring device and a highly accurate parameter control device are necessary.
For example, in Patent Document 1, when an operator has one of parts, a robot arm holds the other part, the movement of a human hand is detected by motion capture, and the movement of the hand is determined to be correct. A work assistance system in which a robot arm performs a predetermined operation is disclosed.
However, this technology cannot assist the worker's movement in the correct direction.
Patent Document 2 describes a manipulator that moves a handicapped person even when writing a character by shaking a hand of a handicapped person and a clamp of a manipulator incorporating a dynamic force sensor to a shaker. Discloses a manual assistant manipulator control system that absorbs and corrects.
However, it is unclear how the technique disclosed in the publication reads and controls the hand shake.
本発明は、簡易な計測系と制御系で正確な人とロボットアームとの協調動作が可能な人の動作支援装置の提供を目的とする。 It is an object of the present invention to provide a human motion support apparatus capable of accurately performing a cooperative operation between a human and a robot arm with a simple measurement system and control system.
本発明に係る人の動作支援装置は、自由端側に出力点を有し、他端に受動関節を有する受動リンクと、２つ以上の駆動関節を有し、前記受動関節は前記２つ以上の駆動関節により位置制御されていることを特徴とする。
具体的には、自由端側に出力点を有し、他端に受動関節を有する受動リンクと、第１の駆動関節により駆動される第１の駆動リンクと、第２の駆動関節により駆動される第２の駆動リンクとの少なくとも２つ以上の駆動リンクを有し、前記受動関節と前記第１、第２の駆動リンクを接続するリンクアームを有する態様が例として挙げられる。
また、自由端側に出力点を有し、他端に受動関節を有する受動リンクと、第１の駆動関節により駆動される第１の駆動リンクと、第２の駆動関節により駆動される第２の駆動リンクとの少なくとも２つ以上の駆動リンクを有し、前記受動関節は第１の駆動リンクと接続され、前記第１の駆動関節は第２の駆動リンクと接続されている態様が例として挙げられる。
本発明は受動リンクの自由端側の出力点を人が操作し、受動関節の回転変位によって目標とする理想軌跡方向に移動操作するのをロボットアーム等の駆動関節側のリンクにて正確な方向又は位置に移動補正（アシスト）する点に特徴がある。
この場合に人の操作量が駆動関節側のアシスト量より小さくなり過ぎると、人による出力点の速度、力加減の調整が困難になる。
The human motion support device according to the present invention includes an output point on the free end side, a passive link having a passive joint on the other end, and two or more drive joints, and the passive joints include the two or more passive joints. The position is controlled by the drive joint.
Specifically, it is driven by a passive link having an output point on the free end side and having a passive joint on the other end, a first drive link driven by a first drive joint, and a second drive joint. As an example, there may be mentioned a mode having at least two or more drive links to the second drive link and having a link arm connecting the passive joint and the first and second drive links.
A passive link having an output point on the free end side and having a passive joint at the other end, a first drive link driven by the first drive joint, and a second drive driven by the second drive joint As an example, there is provided at least two or more drive links to the drive link, the passive joint is connected to the first drive link, and the first drive joint is connected to the second drive link. Can be mentioned.
According to the present invention, the manipulator operates the output point on the free end side of the passive link and moves it in the target ideal locus direction by the rotational displacement of the passive joint. Or it is characterized in that movement correction (assist) is performed at the position.
In this case, if the operation amount of the person becomes too smaller than the assist amount on the drive joint side, it becomes difficult to adjust the speed and force adjustment of the output point by the person.
人の出力点の操作量が駆動関節側のアシスト量より大きく制御するのに、例えば、前記駆動関節は、リンク連結された受動関節の関節点と受動リンクのリンク角（α）を制御するものであってもよい。
この場合に、受動リンクのリンク角（α）は、アシスト量の方が人の操作量よりも大きくなる特異姿勢を回避するように制御されている。
ここで特異姿勢とは、受動リンク（出力リンク）の出力点と受動関節点とを結ぶ腕（アーム）方向に出力点の移動方向が一致又はそれに近い場合をいい、このような状態では人の操作量よりもアシスト量が大きくなり、人による目標方向に対する速度、力加減の調整が困難になる。
For example, the driving joint controls the joint point of the passive joint connected to the link and the link angle (α) of the passive link while the operation amount of the human output point is controlled to be larger than the assist amount on the driving joint side. It may be.
In this case, the link angle (α) of the passive link is controlled so as to avoid a specific posture in which the assist amount is larger than the operation amount of the person.
Here, the singular posture means that the movement direction of the output point coincides with or close to the arm (arm) direction connecting the output point of the passive link (output link) and the passive joint point. The assist amount becomes larger than the operation amount, and it becomes difficult for a person to adjust the speed and force in the target direction.
また、出力点を移動させる目標方向が途中で屈曲する場合に、前記出力点を理想軌跡における屈曲点の前後にて、リンク角（α）を徐々に変化させるのが好ましい。
例えば、人が出力点を操作する理想軌跡の角度が途中で大きく変わる場合に、屈曲後に特異姿勢となるのをさけるのが好ましいからである。
この場合に、人が出力点を理想軌跡と異なる方向に操作しようとすると、その動きを規制する規制手段を有するのが好ましい。
ここで規制手段とは受動関節点に回転ブレーキがかかる等、人にその移動方向は目標とする移動方向とは異なることを伝達できるものであれば制限がない。
Further, when the target direction for moving the output point is bent halfway, it is preferable to gradually change the link angle (α) before and after the bending point in the ideal locus.
For example, it is preferable to avoid a unique posture after bending when the angle of an ideal trajectory where a person operates an output point changes greatly in the middle.
In this case, it is preferable to have a restricting means for restricting the movement of the person who operates the output point in a direction different from the ideal locus.
Here, the restriction means is not limited as long as it can transmit to the person that the movement direction is different from the target movement direction, such as a rotation brake is applied to the passive joint point.
本発明に係る人の動作支援装置によれば、人が出力点を操作する際に目標とする移動方向の状態に合せて人の柔軟な判断により移動速度やその力加減を調整しつつ、駆動関節側の例えばロボットアーム等にて本来の移動目標（理想軌跡）に一致させるようにアシストできる。
これにより出力部の速度、力などの加減は人が行い、精度の高い正確な位置決めはロボット等の制御により行うことができ、人に対する動作教示や、また、他の加工、溶接、組立などの作業において高価な計測装置や制御装置等を用いることなく、高度なロボット等との協調作業ができる。
According to the human motion support device according to the present invention, driving is performed while adjusting the moving speed and its force adjustment by flexible human judgment according to the state of the target moving direction when the man operates the output point. For example, a robot arm or the like on the joint side can assist to match the original movement target (ideal locus).
As a result, the speed and force of the output part can be adjusted by a person, and accurate and accurate positioning can be performed by the control of a robot, etc., and the operation instruction for the person, other processing, welding, assembly, etc. Collaborative work with advanced robots and the like can be performed without using expensive measuring devices or control devices.
本発明に係る人の動作支援装置のリンク機構の構造例を以下、図に基づいて説明するが、本発明はこれに限定されない。 A structural example of a link mechanism of a human motion support device according to the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to this.
図１に３自由度平面８節平行クランク機構の例を示す。
第１駆動関節（Ｏ）１１と第２駆動関節（Ａ）１２及び従動関節（Ｂ），（Ｃ）とをリンク連結してある。
第１駆動関節（Ｏ）の第１駆動リンク１１ａは従動関節（Ｃ），（Ｄ），（Ｅ）とをリンク連結し、従動関節（Ｄ）はリンクアーム１５の途中に設けてあり、リンクアーム１５の先端部に受動関節（Ｆ）２１を介して受動リンク２１ａを連結してある。
第１駆動リンク１１ａ及び第２駆動リンク１２ａの回転角度は、駆動関節に設けたモーター及びエンコーダにより制御されている。
リンク１１ｂは補助リンクであり、リンク１３，１４は従動リンクである。
また、受動リンク２１ａの自由端側が出力点（Ｐ）になっていて、そのリンク姿勢であるリンク角（α）を計測するためのエンコーダが受動関節点（Ｆ）２１に設けられている。
FIG. 1 shows an example of a three-degree-of-freedom planar 8-joint parallel crank mechanism.
The first drive joint (O) 11, the second drive joint (A) 12, and the driven joints (B) and (C) are linked.
The first drive link 11a of the first drive joint (O) links the driven joints (C), (D), and (E), and the driven joint (D) is provided in the middle of the link arm 15. A passive link 21 a is connected to the tip of the arm 15 via a passive joint (F) 21.
The rotation angles of the first drive link 11a and the second drive link 12a are controlled by a motor and an encoder provided at the drive joint.
The link 11b is an auxiliary link, and the links 13 and 14 are driven links.
Moreover, the free end side of the passive link 21a is an output point (P), and an encoder for measuring the link angle (α) which is the link posture is provided at the passive joint point (F) 21.
このようなリンク機構による出力点（Ｐ）の動きの説明を図２に基づいてする。
人が手で持って受動リンク２１ａの出力点（Ｐ）を目標方向に移動させると、図２（ｂ）に示すようにＦＰの方向に回転しようとする。
これに対して第１及び第２駆動関節１１，１２の回転により、図２（ｃ）にＦＡで示す方向に受動関節点（Ｆ）の位置がアシストされる。
これにより人が出力点を移動させる操作方向を常に正確な目標位置にアシストする。
その補正機構を図３（ａ）〜（ｄ）に示す。
図３（ａ）に示すように人（ヒト）が出力点Ｐ（ＸＰ，ＹＰ）を目標軌跡方向に操作すると、リンク角（α）が図３（ｂ）のように変化する。
このときの目標軌跡からのずれを受動関節点（Ｆ）の位置を制御している駆動関節が動き、図３（ｃ）に示すＰ１の方向に補正する。
それと同時に図３（ｄ）のように、リンク角（α）を理想リンク角（αｉｄ）に維持するようにベクトルＰ２の方向に補正し、最終的には、図３（ｅ）のように前記出力点の位置を補正するベクトルＰ１とＰ２の合成ベクトルＰの方向に、受動関節点（Ｆ）を位置制御する。
ここで理想リンク角は受動リンクのＰＦ線と直交する方向に目標軌跡があることをいう。
この方向は最も人の操作性がよい。
The movement of the output point (P) by such a link mechanism will be described with reference to FIG.
When a person holds the hand and moves the output point (P) of the passive link 21a in the target direction, it tries to rotate in the direction of FP as shown in FIG. 2 (b).
The rotation of the first and second drive joints 11 and 12 with respect to this, the position of the passive articulation point (F) in the direction indicated by F A in FIG. 2 (c) is assisted.
Thereby, the operation direction in which the person moves the output point is always assisted to an accurate target position.
The correction mechanism is shown in FIGS.
As shown in FIG. 3A, when a person (human) operates the output point P (X P , Y P ) in the target trajectory direction, the link angle (α) changes as shown in FIG. 3B.
Displacement drive joint which controls the position of the passive articulation point (F) moves from the target locus in this case, to correct the direction of P 1 illustrated in Figure 3 (c).
At the same time as shown in FIG. 3 (d), the corrected in the direction of the vector P 2 so as to maintain the link angle (alpha) to the ideal link angle (αid), finally, as shown in FIG. 3 (e) The position of the passive joint point (F) is controlled in the direction of the combined vector P of the vectors P 1 and P 2 for correcting the position of the output point.
Here, the ideal link angle means that the target locus is in a direction orthogonal to the PF line of the passive link.
This direction has the best human operability.
このようにリンク角（α）と受動関節点（Ｆ）の位置を制御すると次のような利点がある。
図８（ａ）に示すように、受動リンク２１ａを駆動リンク１１ａに連結したとする。
この状態で出力点Ｐを、この出力点Ｐと駆動関節Ｏを結ぶ線分ＰＯと直交する方向に近い方向に移動させようとすると、人の操作量ＦＰよりもアシスト量ＦＡの方が大きくなり、人が出力点Ｐを制御するのが困難になる。
従って、この場合には図８（ｂ）のように受動関節と駆動関節を切り替える必要が出てくる。
これに対して図１のリンク機構を用いると、受動リンク２１ａの理想リンク姿勢を維持するように駆動関節側が補正するので、広い範囲にて図８のように受動関節と駆動関節とを切り替える必要がなく、切り替え時に生じる出力点の理想軌跡からのズレを防止する。
Controlling the positions of the link angle (α) and the passive joint point (F) in this way has the following advantages.
As shown in FIG. 8A, it is assumed that the passive link 21a is connected to the drive link 11a.
The output point P in this state, if it is attempted to move in the direction close to a direction perpendicular to the line segment PO connecting the output point P and the drive joints O, found the following assist amount F A than operating amount F P of human It becomes large and it becomes difficult for a person to control the output point P.
Therefore, in this case, it is necessary to switch between the passive joint and the drive joint as shown in FIG.
On the other hand, when the link mechanism of FIG. 1 is used, the drive joint side corrects so as to maintain the ideal link posture of the passive link 21a, so it is necessary to switch between the passive joint and the drive joint in a wide range as shown in FIG. This prevents the deviation of the output point from the ideal locus that occurs at the time of switching.
図１に示したリンク機構を用いると、人の動作を正確にアシストできる。
この場合でも例えば図９に示すように、理想軌跡１から理想軌跡２に直角に切り替わる場合に、理想軌跡１の屈曲点（コーナー部）まで理想リンク角（αｉｄ，１）を維持しようとすると、理想軌跡２にて移動方向と受動リンク２１ａのリンク方向ＦＰとが一致し、人の操作量よりアシスト量の方が非常に大きくなる特異姿勢の状態が生じる恐れがある。
そこで、このような状態を回避する方策として図４に示すようなリンク角（α）の制御方法が好ましい。
If the link mechanism shown in FIG. 1 is used, a human motion can be assisted accurately.
Even in this case, for example, as shown in FIG. 9, when the ideal trajectory 1 is switched to a right angle from the ideal trajectory 2, if the ideal link angle (αid, 1) is maintained up to the bending point (corner portion) of the ideal trajectory 1, In the ideal locus 2, the moving direction and the link direction FP of the passive link 21 a coincide with each other, and there is a possibility that a unique posture state in which the assist amount is much larger than the human operation amount may occur.
Therefore, a link angle (α) control method as shown in FIG. 4 is preferable as a measure for avoiding such a state.
理想軌跡１のとき、当初のリンク角（α１），軌跡長さｌとし、屈曲点から出力点の距離をｄｌとする。
理想軌跡２に切り替わる際に特異姿勢になるのを避けるために、理想リンク角（αｉｄ，２）と（α１）との間にリンク角（α２）がくるようにリンク角（α）を徐々に変化させる。
図４に示す例は、第１駆動関節１１１の第１駆動リンク１１１ａと第２駆動関節１１２の第２駆動リンク１１２ａとで受動リンク２１ａの受動関節点（Ｆ）の位置及び受動リンク２１ａのリンク角（α）を制御した例である。
本実施例ではα２の値が（α１）と（αｉｄ，２）との中間になるように（α）を制御した例になっているが、（α）は±３０°，好ましくは±２０°の範囲であれば実用上、問題はない。
For the ideal trajectory 1, the initial link angle (α 1 ) and trajectory length l are assumed, and the distance from the bending point to the output point is assumed to be dl.
In order to avoid a singular posture when switching to the ideal locus 2, the link angle (α) is set so that the link angle (α 2 ) is between the ideal link angle (αid, 2) and (α 1 ). Change gradually.
In the example illustrated in FIG. 4, the position of the passive joint point (F) of the passive link 21 a and the link of the passive link 21 a between the first drive link 111 a of the first drive joint 111 and the second drive link 112 a of the second drive joint 112. This is an example in which the angle (α) is controlled.
In this embodiment, (α) is controlled so that the value of α 2 is intermediate between (α 1 ) and (αid, 2), but (α) is ± 30 °, preferably ± If it is within the range of 20 °, there is no practical problem.
また、人の操作方向を屈曲点にて教示する例を図５に示す。
人が操作力Ｆ１にて理想軌跡１に沿って出力点を移動させ、屈曲点で理想軌跡２とは仮に逆方向に操作しようとすると、受動関節に回転拘束するブレーキがかかるようになっている。
FIG. 5 shows an example in which a person's operation direction is taught at a bending point.
Human moves the output point along the ideal track 1 by the operation force F 1, when you try to operate if in the opposite direction to the ideal track 2 at the bending point, so braked rotating restraining passive joints Yes.
本発明に係る装置を用いて、図や文字を描いた例を説明する。
図６は目標軌跡（理想軌跡）として正方形を設定し、本発明に係る装置のアシストにて正方形を描いたものである。
目標軌跡からほとんどズレがないように人が図形を描けたことが分かる。
図７は（ａ）に示すような波状面に（ｂ）に示すような文字「ろ」を描いたものである。
この場合、出力点は上下方向に自由に動くペンを装備している。
人がこのペンを波上面に沿って上下させながら文字を描いた。
その結果、図７（ｂ）に示すように正確な図形を描いた。
即ち、本発明に係る動作支援装置が人の操作を正確にアシストしていることが分かる。
An example in which figures and characters are drawn using the apparatus according to the present invention will be described.
In FIG. 6, a square is set as a target locus (ideal locus), and the square is drawn with the assistance of the apparatus according to the present invention.
From the target trajectory, it can be seen that the person was able to draw the figure so that there was almost no deviation.
FIG. 7 shows a character “RO” as shown in (b) on a wavy surface as shown in (a).
In this case, the output point is equipped with a pen that moves freely in the vertical direction.
A person drew a letter while moving the pen up and down along the wave surface.
As a result, an accurate figure was drawn as shown in FIG.
That is, it can be seen that the operation support apparatus according to the present invention accurately assists a human operation.
１１ 第１駆動関節
１１ａ 第１駆動リンク
１２ 第２駆動関節
１２ａ 第２駆動リンク
２１ 受動関節
２１ａ 受動リンク
11 1st drive joint 11a 1st drive link 12 2nd drive joint 12a 2nd drive link 21 Passive joint 21a Passive link
Claims (2)
前記駆動関節は、前記受動リンクのリンク角（α）を制御するものであり、
前記受動リンクのリンク角（α）は、アシスト量の方が人の操作量よりも大きくなる特異姿勢を回避するように制御されていることを特徴とする人の動作支援装置。 A passive link having an output point at the free end and a passive joint at the other end, a first drive link driven by the first drive joint, and a second drive driven by the second drive joint It has at least two or more drive links with the link, the passive joints are connected to a first drive link, said first drive joint is connected to the second drive link, the amount of operation of the prior SL output point There the first, Ri Ah at larger than the assist amount of the drive joints to be operated by a second drive link,
Before SL drive joint state, and are not to control the link angle of the driven link (alpha),
Link angle before Symbol passive links (alpha), the operation support apparatus of the person, characterized in that the direction of the assist amount is controlled so as to avoid the larger singular than the amount of operation of the human.
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