JP6984348B2 - 剛性検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、剛性検出装置に関する。

特許文献１には、マニピュレータのアームの関節部（関節軸）の剛性を検出（予測）する剛性検出装置が開示されている。具体的には、剛性検出において、まず、アーム先端に重りを取り付けた状態で剛性検出用の設定アーム動作を実施し、関節部の回転角の検出および剛性の仮算出（予測値の計算）を行う。この際、当該設定アーム動作を重りの重さを変えて複数回実施し、それぞれの場合において、アームの位置／姿勢の実測値と予測値との誤差を算出する。そして、当該誤差に基づいて剛性の仮検出値を補正することにより剛性の検出を行う。

特開２０１１−１２５９５６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の剛性検出装置では、異なる複数の重りを用意し、当該重りの付け外しは人が適宜行う必要があること、アームの位置を測定するための外部計測器を準備する必要があること、など、検出の際に人が煩わしい作業を行う必要がある。このように、特許文献１に記載の剛性検出装置では、剛性の検出に手間がかかるという問題があった。

本発明は、以上の背景に鑑みなされたものであり、マニピュレータの関節部における剛性を簡易に検出することができる剛性検出装置を提供することを目的とする。

本発明は、関節部を有するアーム部と、前記アーム部の先端に接続された把持部と、前記関節部を駆動する駆動モータと前記把持部の把持動作をそれぞれ制御する制御部と、を備えるマニピュレータの前記関節部における弾性体の剛性を検出する剛性検出装置であって、前記関節部における弾性体のねじれ歪み量を検出する歪み検出部と、前記関節部の回転中心よりも先端側の位置に設けられ、当該位置にかかる外力を検出する力検出部と、前記歪み検出部によって検出されるねじれ歪み量の値と前記力検出部によって検出される力の値とに基づいて前記関節部における弾性体の剛性を検出する剛性検出部と、を備え、前記剛性検出部は、前記マニピュレータにおいて、前記把持部に静止把持対象物を把持させ、かつ、前記駆動モータの駆動トルクを変化させるように前記制御部が制御を行っている状態で、前記歪み検出部によって検出されるねじれ歪み量の値の変化量と、前記力検出部によって検出される力の値の変化量と、を用いて前記弾性体の剛性を検出するのである。

剛性検出装置は、歪み検出部により検出される関節部における弾性体のねじれ歪み量と、力検出部により検出される力とに基づいて、関節部における弾性体の剛性を自動的に検出する。このため、人が、重りの付け外しをしたり、アーム部の位置を測定するための外部計測器を準備したり、といった煩わしい作業をする必要はない。これにより、マニピュレータの関節部における剛性を簡易に検出することができる。

本発明によれば、マニピュレータの関節部における剛性を簡易に検出することができる。

本実施の形態にかかる剛性検出装置を適用する自律移動体としての把持ロボットを示す図である。 本実施の形態にかかる剛性検出装置の構成を示す模式図である。 剛性検出装置による、関節部における弾性体の剛性を検出する処理の流れを示すフローチャートである。 関節部にかかるトルクと関節部に生じたトルクによるねじれ歪み量との関係の一例を示すグラフである。 剛性検出装置が先端に物体を把持するための機構を備えていない構成のマニピュレータに組み込まれた状態を示す模式図である。 剛性検出装置により、先端に物体を把持するための機構を備えていない構成のマニピュレータにおける関節部の剛性を検出する処理の流れを示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。

まず、図１を参照して本実施の形態にかかる剛性検出装置を適用する自律移動体４０の概略構成について説明する。図１は、本実施の形態にかかる剛性検出装置を適用する自律移動体４０を示す図である。自律移動体４０は、マニピュレータ５１と、移動装置６１と、外界認識部７１と、を備える。

マニピュレータ５１は、把持部５２と、アーム部５３と、胴体部５４と、有する。把持部５２は、物体を把持するロボットハンドとして機能する。把持部５２は、アーム部５３の先端に接続されている。アーム部５３における、先端と反対側の端部は、胴体部５４に接続されている。アーム部５３は、把持部５２との接続部分に関節部５５を有する。なお、アーム部５３が、胴体部５４との接続部分に関節部５６を備えていてもよい。制御部５８は、関節部５５および関節部５６を駆動する駆動モータと、把持部５２の把持動作と、をそれぞれ制御する。

マニピュレータ５１は、移動装置６１に搭載されている。移動装置６１は、下面に複数の車輪を備えた全方位台車であり、回転軸を中心に旋回可能に構成されている。マニピュレータ５１における胴体部５４の上部には、外界認識部７１が回動可能に取り付けられている。外界認識部７１は、外界センサ７２を有する。外界センサ７２は、外界認識部７１の正面方向の障害物を検知するためのセンサであり、外界認識部７１の前方側正面に配置されている。外界センサ７２として、例えば、映像を撮影するためのカメラや、３Ｄセンサを用いることができる。

上述の制御部５８は、外界認識部７１からの認識結果に基づき、移動装置６１の移動量を制御可能なように構成されていてもよい。すなわち、制御部５８は、外界認識部７１によって認識された把持対象物のところまで自律移動体４０を移動させるように移動装置６１を制御してもよい。さらに、制御部５８は、自律移動体４０を把持対象物のところまで移動させた後、把持対象物が把持部５２によって把持されるように把持部５２を制御してもよい。

次に、図２を参照して本実施の形態にかかる剛性検出装置１０について説明する。ここで、剛性検出装置１０は関節部５５における剛性を検出するための装置である。
図２は、本実施の形態にかかる剛性検出装置１０の構成を示す模式図である。なお、図２には、剛性検出装置１０が、図１に示す、マニピュレータ５１を含む自律移動体４０に組み込まれている例を示す。また、図２において、簡単のため、自律移動体４０については、図１の破線Ａで囲った領域のみ示す。

図２に示すように、剛性検出装置１０は、力検出部１１と、歪み検出部１２と、剛性検出部１５と、を備えている。力検出部１１は、関節部５５の回転中心よりも先端側の位置に設けられ、当該位置にかかる外力を検出する。図２に示す例では、力検出部１１は把持部５２に設置されている。

歪み検出部１２は、関節部５５における弾性体５５ａのねじれ歪み量を検出するためのものである。歪み検出部１２は、駆動モータ５５ｂの軸に取り付けられた第１エンコーダ（モータ軸エンコーダ）１３と、弾性体５５ａを挟んで駆動モータ５５ｂの反対側に取り付けられた第２エンコーダ（間接出力軸エンコーダ）１４と、を含む。歪み検出部１２は、第１エンコーダ１３により検出された検出値（回転量）と第２エンコーダ１４により検出された検出値（回転量）との差分に基づいて弾性体５５ａのねじれ歪み量を検出する。歪み検出部１２をこのように構成することで、弾性体５５ａのねじれ歪み量を精度良く検出することが可能になる。

剛性検出部１５は、歪み検出部１２によって検出されるねじれ歪み量の値と力検出部１１によって検出される力の値とに基づいて関節部５５における弾性体５５ａの剛性を検出する。

次に、剛性検出装置１０による、関節部５５における弾性体５５ａの剛性の具体的な検出方法について説明する。なお、以下の説明では、マニピュレータ５１の構成については図１を、剛性検出装置１０の構成については図２を適宜参照する。

図３は、剛性検出装置１０による、関節部５５における弾性体５５ａの剛性を検出する処理の流れを示すフローチャートである。図３に示すように、まず、マニピュレータ５１において、把持部５２に静止把持対象物Ｗを把持させ、かつ、駆動モータ５５ｂの駆動トルクを変化させるように制御部５８が制御を行っている状態で、歪み検出部１２によるねじれ歪み量の値の検出、および、力検出部１１による力の値の検出を行う（ステップＳ１）。具体的には、制御部５８は、位置制御により目標関節角度を微小変化させるように駆動モータ５５ｂを制御し、その結果として、駆動モータ５５ｂの駆動トルクを変化させる。駆動モータ５５ｂの制御を、位置制御で行う場合、電流制御（トルク制御）で行う場合に対し、制御系の安定性をより向上させることができる。

続いて、剛性検出部１５が、力検出部１１により検出された外力に対し、物理パラメータが織り込まれたモデル式を適用して、関節部５５に生じたトルクを算出する（ステップＳ２）。続いて、剛性検出部１５が、歪み検出部１２によって検出されたねじれ歪み量の変化量と算出したトルクの変化量との関係から弾性体５５ａの剛性を検出する（ステップＳ３）。

図４は、関節部５５にかかるトルクと関節部５５に生じたトルクによるねじれ歪み量との関係の一例を示すグラフである。図４に示すように、トルクをｙ、それに対応するねじれ歪み量をｘとして、検出された複数のデータをグラフ中にプロットし、統計的な手法により回帰線Ｌ１を算出する。なお、トルクをｙ、それに対応するねじれ歪み量をｘとするデータ（図４におけるグラフ中のプロット点）は、少なくとも２つあれば回帰線を算出することができる。この回帰線の傾きが関節部５５における弾性体５５ａの剛性（ばね定数）に対応する。

上述したように、マニピュレータ５１に本実施の形態にかかる剛性検出装置１０を組み込むことで、関節部５５における剛性の検出は、人が関与することなく、剛性検出装置１０によって自動的に行われる。このため、特許文献１のように、関節部５５における剛性の検出において、人が、重りの付け外しをしたり、アームの位置を測定するための外部計測器を準備したりする、といった煩わしい作業をする必要はない。以上より、本実施の形態にかかる剛性検出装置１０によれば、マニピュレータ５１の関節部５５における剛性を簡易に検出することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

上記実施の形態では、剛性検出装置が自律移動体４０（図１参照）に組み込まれた例について説明したが、これに限るものではない。上記実施の形態で説明した剛性検出装置１０は、外界認識部７１や移動装置６１を備えていない、単体としてのマニピュレータ５１に組み込まれてもよい。つまり、本発明に係る剛性検出装置を組み込むことができるマニピュレータは、少なくとも、関節部を有するアーム部と、アーム部の先端に接続された把持部と、関節部を駆動する駆動モータと把持部の把持動作をそれぞれ制御する制御部と、を備えるものであればよい。

上記実施の形態で説明した関節部における弾性体の剛性の検出方法は、例えば、塗装装置のように、先端に物体を把持するための機構を備えていない構成のマニピュレータに対しても応用することができる。すなわち、マニピュレータの先端を外界の静止把持対象物に固定することができれば、上記実施の形態で説明した、マニピュレータの関節部における弾性体の剛性の検出方法を適用することができる。

図５は、剛性検出装置１０が先端に物体を把持するための機構を備えていない構成のマニピュレータに組み込まれた状態を示す模式図である。なお、当該マニピュレータの構成は、図１に示すマニピュレータ５１の構成と、把持部５２を棒状の先端部１５２に置き換えている点以外は同じである。よって、以下の説明では、マニピュレータの構成については、図１に示すマニピュレータ５１の構成を適宜参照する。図５に示すように、関節部における弾性体の剛性を検出する際、固定手段１５９により、マニピュレータの先端部１５２を静止把持対象物Ｗに固定する。

図６は、剛性検出装置１０により、先端に物体を把持するための機構を備えていない構成のマニピュレータにおける関節部の剛性を検出する処理の流れを示すフローチャートである。図６に示すように、まず、マニピュレータ５１において、固定手段１５９により先端部１５２を静止把持対象物Ｗに固定し、かつ、駆動モータ５５ｂの駆動トルクを変化させるように制御部５８（図１参照）が制御を行っている状態で、歪み検出部１２によるねじれ歪み量の値の検出、および、力検出部１１による力の値の検出を行う（ステップＳ１０１）。続いて、剛性検出部１５が、力検出部１１により検出された外力に対し、物理パラメータが織り込まれたモデル式を適用して、関節部５５に生じたトルクを算出する（ステップＳ１０２）。続いて、剛性検出部１５が、歪み検出部１２によって検出されたねじれ歪み量の変化と算出したトルクの変化との関係から弾性体５５ａの剛性を検出する（ステップＳ１０３）。これにより、把持部を備えていないマニピュレータの関節部における剛性を簡易に検出することができる。

１０ 剛性検出装置
１１ 力検出部
１２ 歪み検出部
１３ 第１エンコーダ
１４ 第２エンコーダ
１５ 剛性検出部
４０ 自律移動体
５１ マニピュレータ
５２ 把持部
５３ アーム部
５４ 胴体部
５５ 関節部
５５ａ 弾性体
５５ｂ 駆動モータ
５６ 関節部
５８ 制御部
６１ 移動装置
７１ 外界認識部
７２ 外界センサ
１５２ 先端部
１５９ 固定手段
Ｗ 静止把持対象物

Claims (2)

1. 関節部を有するアーム部と、
   前記アーム部の先端に接続された把持部と、
   前記関節部を駆動する駆動モータと前記把持部の把持動作をそれぞれ制御する制御部と、を備えるマニピュレータの前記関節部における弾性体の剛性を検出する剛性検出装置であって、
   前記関節部における弾性体のねじれ歪み量を検出する歪み検出部と、
   前記関節部の回転中心よりも先端側の位置に設けられ、当該位置にかかる外力を検出する力検出部と、
   前記歪み検出部によって検出されるねじれ歪み量の値と前記力検出部によって検出される力の値とに基づいて前記関節部における弾性体の剛性を検出する剛性検出部と、を備え、
   前記剛性検出部は、前記マニピュレータにおいて、前記把持部に静止把持対象物を把持させ、かつ、前記駆動モータの駆動トルクを変化させるように前記制御部が制御を行っている状態で、前記歪み検出部によって検出されるねじれ歪み量の値の変化量と、前記力検出部によって検出される力の値の変化量と、を用いて前記弾性体の剛性を検出する、剛性検出装置。
2. 請求項１記載の剛性検出装置であって、
   前記制御部は、位置制御により前記駆動モータの駆動トルクを制御する、剛性検出装置。

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