JP7049069B2 - ロボットシステム及びロボットシステムの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、ロボットシステム及びロボットシステムの制御方法に関する。

危険作業や微細作業などで、操作者が直接作業を行うことなく、操作者がマスタアームを操作してスレーブアームによって作業を行うマスタ・スレーブ型のロボットシステムが開発されている。例えば特許文献１には、スレーブアームが作業対象物や作業環境から受ける反力情報を、マスタアームを介して操作者に伝達し、作業効率を高めるバイラテラル制御方式のロボットシステムが開示されている。一般に、バイラテラル制御とは、マスタアームからスレーブアームへの姿勢制御とスレーブアームからマスタアームへの力制御を同時に行う制御方法である。

特開平１０－２０２５５８号公報

しかし、上記従来のバイラテラル制御方式によるロボットシステムにおいて、反力に対する応答性を上げた場合、感覚が操作者に伝わりやすいが、制御系が不安定になる。このため、実際の用途では反力に対する応答性を下げざるを得ない。この場合、ロボットの動作が安定になり、操作し易いが、例えば当たった感覚や、押付ながら探る感覚が操作者に伝わり難くなる。また、触覚を再現しようとすると感覚検出用のセンサが別途必要になる。このような課題は、少なくともスレーブアームの先端に力覚センサを備えたマスタ・スレーブ型のロボットシステムに共通する。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、マスタ・スレーブ型のロボットシステムにおいて感覚検出用のセンサを別途設けること無く、操作感覚を向上させることを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明のある形態に係るロボットシステムは、操作端を有するマスタアームと、作業端を有するスレーブアームと、操作者によって前記操作端に付与される操作力を検出する操作力検出部と、前記作業端又は当該作業端によって保持されたワークに付与される反力を検出する反力検出部と、前記操作力と前記反力に基づいて、マスタアームの動作指令を生成するとともに、スレーブアームの動作指令を生成するシステム制御部と、前記システム制御部によって生成されたマスタアームの動作指令に基づいて、マスタアームを制御するように構成されたマスタ側制御部と、前記システム制御部によって生成されたスレーブアームの動作指令に基づいて、スレーブアームを制御するように構成されたスレーブ側制御部と、を備えるロボットシステムであって、前記システム制御部は、前記反力が急激に時間変化した状態である反力急変状態において、前記操作端を操作する操作者に対し、操作感覚を誇張して提示するための誇張表現部を有する。

上記構成によれば、マスタ・スレーブ型のロボットシステムにおいて、作業端（又は当該作業端によって保持されたワーク）に付与される反力が急激に時間変化した反力急変状態において、操作端を操作する操作者に対し、操作感覚が誇張して提示される。これにより、例えば操作者はスレーブアームの作業端が対象物に接触したことを認識することができる。

前記誇張表現部は、前記反力急変状態では、前記反力に基づいて、前記システム制御部によって生成されたマスタアームの動作指令を修正するための修正成分を生成するようにしてもよい。

上記構成によれば、操作力及び反力に基づいて、マスタアームの動作指令およびスレーブアームの動作指令を生成するバイラテラル制御において、上記反力急変状態では、スレーブアームの反力に基づいて、マスタアームの動作指令を修正するための修正成分が生成される。これにより、反力がマスタアームの動作指令に反映されるので、操作者はスレーブアームの作業端が対象物に接触したことを認識できる。これにより、バイラテラル制御において、高周波の細かい感覚を提示することができる。

尚、前記修正成分は、三角波成分であってもよい。マスタアームを操作する操作者に対し、スレーブアームの作業端が固い対象物に当たった感覚を誇張表現することができる。

また、前記修正成分は、サイン波成分であってもよい。マスタアームを操作する操作者に対し、スレーブアームの作業端が軟らかい対象物に当たった感覚を誇張表現することができる。

また、前記修正成分は、前記反力の時間の二階微分値であってもよい。マスタアームを操作する操作者に対し、スレーブアームの作業端が実際に対象物に当たった感覚を誇張表現することができる。

上記ロボットシステムにおける動作指令は、位置指令であってもよい。上記構成によれば、操作力及び反力に基づいて、マスタアームの動作指令およびスレーブアームの動作指令を生成する並列型バイラテラル制御において、操作者に対し、操作感覚を誇張して提示することができる。

上記ロボットシステムの前記システム制御部は、前記スレーブアームの位置情報と、前記修正成分を加味したマスタアームの位置情報に基づいて、マスタアームの前記位置指令を補正するための補正成分を生成する位置ずれ補正部を更に備えるようにしてもよい。

上記構成によれば、並列型バイラテラル制御において、上記誇張表現部により生じたマスタアームとスレーブアームの位置関係のずれを徐々に補正することができる。操作者に違和感がないように、操作感覚を誇張表現した後に、マスタアームがゆっくりと動いて補正されるので、マスタアームの操作に影響を与えることは無い。

上記ロボットシステムは、予め、ロボットシステムの特定の作業における、スレーブアームの位置情報、前記操作力、および、前記反力をデータとして収集し、収集したデータに応じて一以上の作業状態を分類し、分類した作業状態を記憶しておく記憶部を更に備え、前記誇張表現部は、ロボットシステムの動作中において、スレーブアームの位置情報、前記操作力、および、前記反力のうち少なくとも一つの値に基づいて、前記記憶部に記憶された前記作業状態のいずれの作業状態に分類されるかを判定する作業状態判定部を更に備えるようにしてもよい。

上記構成によれば、操作者はスレーブアームの作業端が対象物に接触したことを認識するだけでなく、接触後に開始される作業の状態を正確に認識することができる。例えば上記反力急変状態を作業が開始された状態であるとみなしてもよい。

前記作業状態判定部は、ロボットシステムの動作中において、前記反力が所定の方向に発生し、かつ、前記操作力が前記所定の方向に直交する方向に発生している作業状態を、対象物を探っている状態（searching）であると判定するようにしてもよい。

前記作業状態判定部は、ロボットシステムの動作中において、スレーブアームの位置情報が所定位置よりも所定の方向に位置し、かつ、前記反力が変化した作業状態を、前記作業端によって保持されたワークが対象物に挿入された状態(inserted)であると判定するようにしてもよい。

前記誇張表現部は、前記作業状態を、音、マスタアームの振動および光のうち、少なくとも一つによって操作者に提示する作業状態提示部を更に備えるようにしてもよい。

本発明は、以上に説明した構成を有し、マスタ・スレーブ型のロボットシステムにおいて感覚検出用のセンサを別途設けること無く、操作感覚を向上させることができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係るロボットシステムの全体の構成を示す図である。 図２は、図１のロボットシステムの制御系の構成を示すブロック図である。 図３は、反力、及び、誇張表現部により生成される修正成分の時間変化を例示するグラフである。 図４は、本発明の第２実施形態に係るロボットシステムの制御系の構成を示すブロック図である。 図５は、本発明の第３実施形態に係るロボットシステムの制御系の構成を示すブロック図である。 図６は、ロボットシステムの動作の一例を示す模式図である。

以下、好ましい実施形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図面を通じて同一または相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。また、図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を模式的に示したものである。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るロボットシステムの構成例を示す模式図である。図１に示すように、本実施形態のロボットシステム１００は、スレーブアーム１がマスタアーム２により遠隔操作されるマスタ・スレーブ式の遠隔操作システムで構成される。

ロボットシステム１００（以下、遠隔操作システムともいう）は、第１のロボットで構成されるスレーブアーム１と、第２のロボットで構成されるマスタアーム２と、制御装置３と、力覚センサ４と、カメラ５と、モニタ６と、を備える。スレーブアーム１は、任意のタイプのロボットで構成され得る。スレーブアーム１は、本実施形態では、例えば、周知の多関節ロボットで構成され、基台１ａと、基台１ａに設けられた多関節のアーム１ｂと、アーム１ｂの先端に設けられた手首１ｃとを備える。基台１ａの上面を基準とした座標系をスレーブアーム１のベース座標系と呼ぶ。多関節のアーム１ｂの各関節は駆動用のサーボモータ、及び、サーボモータの回転角度位置を検出するエンコーダ、サーボモータに流れる電流を検出する電流センサを備える（いずれも図示せず）。手首１ｃにはエンドエフェクタ７が取り付けられる。エンドエフェクタ７は、本発明の「作業端」に相当する。エンドエフェクタ７はワークを把持可能なロボットハンドである。エンドエフェクタ７は、手首１ｃ先端に取り付けられたハンド本体（図示せず）と、例えばモータで構成されたアクチュエータ（図示せず）で駆動される２本の指部とを備える。アクチュエータが動作すると２本の指部がハンド本体に対して移動する。ハンドの２本の指部は、マスタアーム２の操作によって、互いに近接又は離隔するように移動可能であり、２本の指部で嵌合部品Ｗ１を把持することができる。エンドエフェクタ７には力覚センサ４が取り付けられる。

力覚センサ４は、スレーブアーム１の手首１ｃに取り付けられる。力覚センサ４は、エンドエフェクタ７によって保持されたワークに付与される反力を検出する。力覚センサ４は、本発明の「反力検出部」に相当する。力覚センサ４は、本実施形態ではエンドエフェクタ７の基端に取付けられ、エンドエフェクタ７の先端に加わる力を検知するように構成される。力覚センサ４は、例えば手首座標系で定義されるＸＹＺ軸方向の力と、各軸回りに作用するモーメントとを検出することが可能な六軸力覚センサである。ここで手首座標系とは手首１ｃを基準とした座標系である。力覚センサ４は、本実施形態では、エンドエフェクタ７によって保持されたワークである嵌合部品Ｗ１が、対象物である被嵌合部品Ｗ２に接触したときに、スレーブアーム１のベース座標系における嵌合部品Ｗ１に作用する反力の方向およびその大きさを検出し、検出信号を無線又は有線により制御装置３に送信するように構成される。

マスタアーム２は、任意のタイプのロボットで構成され得る。マスタアーム２は、本実施形態では、スレーブアーム１と相似構造を有する。すなわち、マスタアーム２も、スレーブアーム１と同様に多関節ロボットで構成され、マスタアーム２の基台の上面を基準としてマスタアーム２のベース座標系が定義される。多関節のアームの各関節は駆動用のサーボモータ、及び、サーボモータの回転角度位置を検出するエンコーダ、サーボモータに流れる電流を検出する電流センサを備える（いずれも図示せず）。マスタアーム２の先端には、スレーブアーム１先端のエンドエフェクタ７の形状を模した操作レバー２１が取り付けられる。操作レバー２１は、本発明の「操作端」に相当する。尚、「操作端」は、操作者によって操作することによりスレーブアーム１を操作可能な構成であれば、例えばスイッチ、調整ツマミ又はタブレットなどの携帯端末でもよいし、操縦桿のような簡易なものであってもよい。操作レバー２１には力覚センサ２０が取り付けられる。力覚センサ２０は、操作者によって操作レバー２１に付与される操作力を検出する。力覚センサ２０は、本発明の「操作力検出部」に相当する。力覚センサ２０は、本実施形態ではマスタアーム２の先端の操作レバー２１に取付けられ、操作レバー２１に加わる力を検知するように構成される。力覚センサ２０は、例えばマスタアーム２の手首座標系で定義されるＸＹＺ軸方向の力と、各軸回りに作用するモーメントとを検出することが可能な六軸力覚センサである。ここで手首座標系とはマスタアーム２の手首を基準とした座標系である。本実施形態では、操作者がスレーブアーム１を操作すべく操作レバー２１を操作すると、力覚センサ２０は、マスタアーム２のベース座標系において、操作レバー２１に操作者が加えた操作力の方向および大きさを検出し、検出信号を操作情報として、無線又は有線により制御装置３に送信する。

カメラ５は、スレーブアーム１の可動範囲の全部又は一部における当該スレーブアーム１の動作を撮像可能なように設けられる。カメラ５が撮像した画像情報は制御装置３に送信され、制御装置３は、この画像情報に対応する画像を表示するようモニタ６を制御する。

ロボットシステム１００では、スレーブアーム１の作業領域から離れた位置（作業エリア外）にいる操作者は、操作情報の入力として、モニタ６に映し出されたカメラ５の映像を見ながらマスタアーム２の操作レバー２１に所望の操作力を付与する。操作力に従って、マスタアーム２とともにスレーブアーム１が動作を行い、特定の作業を行うことができる。特定作業は、例えばエンドエフェクタ７によって保持されたワークである嵌合部品Ｗ１を、対象物である被嵌合部品Ｗ２の穴に挿入する作業である。この作業は組立作業のなかでも操作者の熟練を要する。

また、ロボットシステム１００では、スレーブアーム１は、操作者によるマスタアーム２の操作なしに、所定の作業を自動的に行うこともできる。本明細書では、マスタアーム２を介して入力された操作情報に従って、スレーブアーム１を動作させる運転モードを「手動モード」と称する。なお、上述の「手動モード」には、操作者がマスタアーム２を操作することによって入力された操作情報に基づいて動作中のスレーブアーム１の動作の一部が自動で動作補正される場合も含む。また、予め設定された所定のプログラムに従ってスレーブアーム１を動作させる運転モードを「自動モード」と称する。更に、本実施形態のロボットシステム１００では、スレーブアーム１が自動で動作している途中に、マスタアーム２の操作をスレーブアーム１の自動の動作に反映させて、自動で行うことになっていた動作を修正することができるように構成されている。本明細書では、マスタアーム２を介して入力された操作情報を反映可能な状態で、予め設定された所定のプログラムに従ってスレーブアーム１を動作させる運転モードを「修正自動モード」と称する。なお、上述の「自動モード」は、スレーブアーム１を動作させる運転モードが自動モードであるときはマスタアーム２の操作がスレーブアーム１の動作に反映されないという点で、「修正自動モード」と区別される。以下では、本実施形態のロボットシステム１００は、特に断りが無い限り、「手動モード」として動作する。

図２は、ロボットシステム１００の制御系の構成を示すブロック図である。図２に示すように、制御装置３は、動作指令生成部８と、誇張表現部９と、インターフェース部（図示しない）を含む。本実施形態では、制御装置３は、入力装置（図示せず）に接続されている。入力装置は、タッチパネル、キーボード等のマン－マシンインターフェースで構成され、主に、スレーブアーム１の「自動モード」、「修正動作モード」、及び「手動モード」のモード切り替え、各種データ等を入力するために用いられる。制御装置３は、コンピュータ、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ等の演算処理機能およびメモリを有する装置で構成される。動作指令生成部８および誇張表現部９の各機能は、制御装置３のメモリに格納された所定のプログラムが制御装置３の演算処理部（図示せず）によって実行されることによって実現される。また、本実施形態の制御装置３は、カメラ５で撮像された画像情報に対応する画像を表示するモニタ制御部の機能も有する。制御装置３のハードウェア上の構成は任意であり、制御装置３は、スレーブアーム１等の他の装置から独立して設けられてもよく、他の装置と一体的に設けられてもよい。本実施形態のロボットシステム１００は、並列型バイラテラル制御方式によるマスタ・スレーブ型のロボットシステムである。マスタアーム２の力覚センサ２０によって検出された操作力ｆ_ｍと、スレーブアーム１の力覚センサ４によって検出された反力ｆ_ｓが制御装置３に入力される。

動作指令生成部８は、マスタアーム２の力覚センサ２０によって検出された操作力ｆ_ｍと、スレーブアーム１の力覚センサ４によって検出された反力ｆ_ｓに基づいて、スレーブアーム１の動作指令（以下、スレーブ動作指令ともいう）を生成するとともに、マスタアーム２の動作指令（以下、マスタ動作指令ともいう）を生成する。本実施形態では、スレーブ動作指令は、スレーブアーム１のベース座標系で規定された、スレーブアーム１の各関節軸を駆動するサーボモータの位置指令である。マスタ動作指令は、マスタアーム２のベース座標系で規定された、マスタアーム２の各関節軸を駆動するサーボモータの位置指令である。マスタ動作指令は、スレーブ動作指令によるエンドエフェクタ７の移動方向と同じ方向に操作レバー２１を移動させるように生成される。つまり、スレーブアーム１とマスタアーム２は同じような動作をする。

動作指令生成部８は、具体的には、加減算部８１と、力・速度変換部８２と、速度・位置変換部８３（スレーブ側）と、速度・位置変換部８４（マスタ側）と、加減算部８５と、を備える。各部８１～８５は、制御装置３のメモリ（図示せず）に格納された所定のプログラムが制御装置３の演算処理部（図示せず）によって実行されることによって実現される。

加減算部８１は、マスタアーム２の力覚センサ２０で検知された操作力ｆ_ｍからスレーブアーム１の力覚センサ４で検知された反力ｆ_ｓを減算し、これを力・速度変換部８２に出力するように構成される。

力・速度変換部８２は、加減算部８１から入力される操作力ｆ_ｍと反力ｆ_ｓとの差分に基づいて、速度指令値ｖ_ｄを生成し、これを速度・位置変換部８３（スレーブ側）、および、加減算部８５にそれぞれ出力する。

速度・位置変換部８３（スレーブ側）は、速度指令値ｖ_ｄに基づいてスレーブアーム１の位置指令値ｘ_ｄｓを生成し、これをスレーブ側制御部３０に出力する。スレーブ側制御部３０は、例えばスレーブアーム１を位置制御するように構成されたロボットコントローラである。スレーブ側制御部３０は、スレーブアーム１の各関節軸の位置指令値とエンコーダ（図示せず）の検出値（実際値）の偏差に基づいて速度指令値を生成する。そして、生成した速度指令値と速度現在値の偏差に基づいてトルク指令値（電流指令値）を生成し、生成した電流指令値と電流センサの検出値（実際値）の偏差に基づいてサーボモータを制御する。

速度・位置変換部８４（マスタ側）は、速度指令値ｖ_ｄに基づいてマスタアーム２の位置指令値ｘ_ｄｍを生成し、これをマスタ側制御部１２に出力する。マスタ側制御部１２は、例えばマスタアーム２を位置制御するように構成されたロボットコントローラである。マスタ側制御部１２は、マスタアーム２の各関節軸の位置指令値とエンコーダ（図示せず）の検出値（実際値）の偏差に基づいて速度指令値を生成する。そして、生成した速度指令値と速度現在値の偏差に基づいてトルク指令値（電流指令値）を生成し、生成した電流指令値と電流センサの検出値（実際値）の偏差に基づいてサーボモータを制御する。

誇張表現部９は、スレーブアーム１の力覚センサ４によって検出された反力ｆ_ｓが急激に時間変化した反力急変状態において、操作レバー２１を操作する操作者に対し、操作感覚を誇張して提示するように構成されている。本実施形態では、誇張表現部９は、反力急変状態では、反力ｆ_ｓに基づいて、マスタアーム２の位置指令値ｘ_ｄｍを修正するための修正成分を生成し、これを加減算部８５に出力する。

加減算部８５は、力・速度変換部８２によって生成された速度指令値ｖ_ｄと、誇張表現部９によって生成された修正成分を加算し、これを速度・位置変換部８４に出力する。速度・位置変換部８４（マスタ側）は、修正された速度指令値ｖ_ｄに基づいてマスタアーム２の位置指令値ｘ_ｄｍを更新し、これをマスタ側制御部１２に出力する。このように、スレーブアーム１の反力ｆ_ｓがマスタアーム２の位置指令値ｘ_ｄｍに反映される。

次に、ロボットシステムの動作について説明する。ロボットシステム１００では、操作者は、操作情報の入力として、モニタ６に映し出されたカメラ５の映像を見ながらマスタアーム２の操作レバー２１に所望の操作力を付与する。操作力に従って、マスタアーム２とともにスレーブアーム１が動作を行う。つまり、操作者は、モニタ６を見ながら操作レバー２１を操作することにより、マスタアーム２とスレーブアーム１を操作者が意図するように操作する。そして、スレーブアーム１のエンドエフェクタ７によって保持されたワークである嵌合部品Ｗ１が、被嵌合部品Ｗ２である対象物に接触した場合を想定する。図３（ａ）は、スレーブアーム１の力覚センサ４によって検出された反力ｆ_ｓの時間変化を模式的に示すグラフである。時刻ｔ０において、スレーブアーム１の力覚センサ４によって検出された反力ｆ_ｓは急激に上昇している。誇張表現部９は、スレーブアーム１の力覚センサ４によって検出された反力ｆ_ｓが急激に時間変化した反力急変状態において、操作レバー２１を操作する操作者に対し、操作感覚を誇張して提示する。誇張表現部９は、例えば反力ｆ_ｓが予めメモリに記憶された所定値以上である場合に反力急変状態であると判定してもよいし、反力ｆ_ｓの微小時間Δｔにおける変化量が正である場合に反力急変状態であると判定してもよい。誇張表現部９は、反力急変状態では、反力ｆ_ｓに基づいて、マスタアーム２の位置指令値ｘ_ｄｍを修正するための修正成分を生成し、これを加減算部８５に出力する。加減算部８５は、力・速度変換部８２によって生成された速度指令値ｖ_ｄと、誇張表現部９によって生成された修正成分を加算し、これを速度・位置変換部８４に出力する。速度・位置変換部８４（マスタ側）は、修正された速度指令値ｖ_ｄに基づいてマスタアーム２の位置指令値ｘ_ｄｍを更新し、これをマスタ側制御部１２に出力する。このように、スレーブアーム１の反力ｆ_ｓがマスタアーム２の位置指令値ｘ_ｄｍに反映されるので、操作者はスレーブアーム１のエンドエフェクタ７が対象物に接触したことを認識できる。これにより、並列型バイラテラル制御において、高周波の細かい感覚を提示することができる。

本実施形態では、誇張表現部９は、作業対象物の性質に応じて様々な修正成分を生成することができる。図３（ｂ）～図３（ｄ）は、修正成分の時間変化を例示するグラフである。図３（ｂ）は、修正成分が三角波成分である場合を示している。図３（ｂ）に示すように、誇張表現部９は、反力急変状態において、１周期分の三角波成分を修正成分として生成する。尚、三角波成分の１周期分に相当する期間は、例えば４０ｍｓｅｃであるが、操作者が知覚できる程度の長さであればよい。加減算部８５は、力・速度変換部８２によって生成された速度指令値ｖ_ｄに、誇張表現部９によって生成された修正成分を加算し、これを速度・位置変換部８４に出力する。速度・位置変換部８４（マスタ側）は、修正された速度指令値ｖ_ｄに基づいてマスタアーム２の位置指令値ｘ_ｄｍを更新し、これをマスタ側制御部１２に出力する。修正成分として三角波成分を使用することにより、マスタアーム２を操作する操作者に対し、スレーブアーム１が固い対象物に当たった感覚を誇張表現することができる。

図３（ｃ）は、修正成分がサイン波成分である場合を示している。図３（ｃ）に示すように、誇張表現部９は、反力急変状態において、１周期分のサイン波成分を修正成分として生成する。加減算部８５は、力・速度変換部８２によって生成された速度指令値ｖ_ｄに、誇張表現部９によって生成された修正成分を加算し、これを速度・位置変換部８４に出力する。速度・位置変換部８４（マスタ側）は、修正された速度指令値ｖ_ｄに基づいてマスタアーム２の位置指令値ｘ_ｄｍを更新し、これをマスタ側制御部１２に出力する。修正成分としてサイン波成分を使用することにより、マスタアーム２を操作する操作者に対し、スレーブアーム１が軟らかい対象物に当たった感覚を誇張表現することができる。

図３（ｄ）は、修正成分が反力ｆ_ｓの時間ｔの二階微分値である場合を示している。図３（ｄ）に示すように、誇張表現部９は、反力急変状態において、三角波成分やサイン波成分の１周期に相当する成分を修正成分として生成する。加減算部８５は、力・速度変換部８２によって生成された速度指令値ｖ_ｄに、誇張表現部９によって生成された修正成分を加算し、これを速度・位置変換部８４に出力する。速度・位置変換部８４（マスタ側）は、修正された速度指令値ｖ_ｄに基づいてマスタアーム２の位置指令値ｘ_ｄｍを更新し、これをマスタ側制御部１２に出力する。修正成分として反力ｆ_ｓの時間ｔの二階微分値を使用することにより、マスタアーム２を操作する操作者に対し、スレーブアーム１が実際に対象物に当たった感覚を誇張表現することができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。本実施形態のロボットシステムの基本的な構成は、第１実施形態と同様である。以下では、第１実施形態と共通する構成の説明は省略し、相違する構成についてのみ説明する。

図４は、本発明の第２実施形態に係るロボットシステムの制御系の構成を示すブロック図である。図４に示すように、本実施形態のロボットシステム１００Ａでは、第１実施形態と比較すると、制御装置３Ａがスレーブアーム１の位置情報と、修正成分を加味したマスタアーム２の位置情報に基づいて、スレーブアーム１とマスタアーム２の位置関係のずれを補正するための補正成分を生成する位置ずれ補正部９２および加減算部９１を更に備える点が異なる。

位置ずれ補正部９２は、スレーブアームの位置指令値ｘ_ｄｓと、修正成分を加味したマスタアームの位置指令値ｘ_ｄｍとの偏差の積算値を算出し、マスタアーム２の位置指令値ｘ_ｄｍを補正するための補正成分を生成する。

加減算部９１は、位置ずれ補正部９２で生成された補正成分と誇張表現部９で生成された修正成分を加算し、これを加減算部８５に出力する。加減算部８５は、力・速度変換部８２によって生成された速度指令値ｖ_ｄと、誇張表現部９によって生成された修正成分に位置ずれの補正成分が加味されたものを加算し、これを速度・位置変換部８４に出力する。速度・位置変換部８４（マスタ側）は、修正および補正された速度指令値ｖ_ｄに基づいてマスタアーム２の位置指令値ｘ_ｄｍを更新し、これをマスタ側制御部１２に出力する。これにより、並列型バイラテラル制御において、誇張表現部９により生じたマスタアーム２とスレーブアーム１の位置関係のずれを徐々に補正することができる。操作者に違和感がないように、操作感覚を誇張表現した後に、マスタアーム２がゆっくりと動いて補正されるので、マスタアーム２の操作に影響を与えることは無い。

尚、本実施形態では、位置ずれ補正部９２は、スレーブアーム１の位置指令値ｘ_ｄｓと、修正成分を加味したマスタアーム２の位置指令値ｘ_ｄｍに基づいて、これらの偏差の積算値を算出するように構成されたが、スレーブアーム１とマスタアーム２の位置情報であれば、各関節に設けられたサーボモータの回転角度位置を検出するエンコーダの検出値（実際値）を用いてもよい。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態について説明する。本実施形態のロボットシステムの基本的な構成は、上記実施形態と同様である。以下では、上記実施形態と共通する構成の説明は省略し、相違する構成についてのみ説明する。

図５は、本発明の第３実施形態に係るロボットシステムの制御系の構成を示すブロック図である。図５に示すように、本実施形態のロボットシステム１００Ｂは、第２実施形態（図４）と比較すると、制御装置３Ｂの第２誇張表現部１９が作業状態判定部９３および作業状態提示部１３を更に備える点が異なる。

本実施形態では、メモリ９４には、予め、特定の作業における、スレーブアーム１の位置指令値ｘ_ｄｓ 、マスタアーム２の操作力ｆ_ｍ、および、スレーブアーム１の反力ｆ_ｓがデータとして収集され、収集したデータに応じて少なくとも一以上の作業状態が分類され、分類された作業状態が記憶されている。特定作業は、エンドエフェクタ７によって保持されたワークである嵌合部品Ｗ１を、対象物である被嵌合部品Ｗ２の穴に挿入する作業である。作業状態として、作業が開始された状態、対象物を探っている状態、および、ワークが対象物に挿入された状態が例示される。

作業状態判定部９３は、ロボットシステム１００Ｂの動作中において、スレーブアーム１の位置指令値ｘ_ｄｓ 、マスタアーム２の操作力ｆ_ｍ、および、スレーブアーム１の反力ｆ_ｓのうち少なくとも一つの値に基づいて、メモリ９４に記憶された作業状態のいずれの作業状態に分類されるかを判定する。本実施形態では、作業状態判定部９３は、作業が開始された状態、対象物を探っている状態、および、ワークが対象物に挿入された状態のいずれの作業状態であるかを判定する。作業状態提示部１３は、作業状態を、音、マスタアームの振動および光のうち、少なくとも一つによって操作者に提示するように構成されている。

次に、本実施形態のロボットシステム１００Ｂの動作について図６を用いて説明する。図６に示すように、スレーブアーム１の手首座標系は手首１ｃの取り付け面に平行にＸ軸及びＹ軸が定義され、取り付け面に垂直な方向にＺ軸が定義される。マスタアーム２の手首座標系は手首２ｃの取り付け面に平行にＸ軸及びＹ軸が定義され、取り付け面に垂直な方向にＺ軸が定義される。図６（ａ）に示すように、ロボットシステム１００では、操作者は、操作情報の入力として、モニタ６に映し出されたカメラ５の映像を見ながらマスタアーム２の操作レバー２１に所望の操作力を付与する。操作力に従って、マスタアーム２とともにスレーブアーム１が動作を行う。操作者は、モニタ６を見ながらエンドエフェクタ７によって保持されたワークである嵌合部品Ｗ１が、対象物である被嵌合部品Ｗ２の穴Ｈに挿入されるように、操作レバー２１を操作する。

まず、スレーブアーム１のエンドエフェクタ７によって保持されたワークである嵌合部品Ｗ１が、被嵌合部品Ｗ２である対象物に接触した場合を想定する。誇張表現部９は、例えば反力ｆ_ｓが予めメモリに記憶された所定値以上である場合に反力急変状態であると判定してもよいし、反力ｆ_ｓの微小時間Δｔにおける変化量が正である場合に反力急変状態であると判定してもよい。誇張表現部９は、スレーブアーム１の力覚センサ４によって検出された反力ｆ_ｓが急激に時間変化した状態である反力急変状態において、操作レバー２１を操作する操作者に対し、操作感覚を誇張して提示する。誇張表現部９は、反力急変状態では、反力ｆ_ｓに基づいて、マスタアーム２の位置指令値ｘ_ｄｍを修正するための修正成分を生成することにより、スレーブアーム１の反力ｆ_ｓがマスタアーム２の位置指令値ｘ_ｄｍに反映されるので、操作者はスレーブアーム１のエンドエフェクタ７が対象物に接触したことを認識できる。

また、本実施形態では、作業状態判定部９３は、反力急変状態を作業が開始された状態であるとみなす。そして、作業状態提示部１３は、この状態を、振動モータの振動によってマスタアームを操作する操作者に提示する。または光によって視覚的に操作者に認識させてもよい。これにより、マスタの応答性では対応できない、高周波の細かい感覚を提示することができる。

操作者は、作業を進める。操作者は、図６（ｂ）に示すように操作レバー２１を横向きに操作することにより、マスタアーム２の手首座標系においてＸＹ平面に平行な横向きの操作力ｆ_ｍが操作レバー２１に付与される。これにより、エンドエフェクタ７に保持された嵌合部品Ｗ１は、被嵌合部品Ｗ２と接触した状態を維持しながら、被嵌合部品Ｗ２の嵌合穴Ｈの方向に移動する。このとき、嵌合部品Ｗ１を把持したスレーブアーム１の反力ｆ_ｓは上方向（図ではＺ軸の正の方向）に発生し、かつ、マスタアーム２の操作力ｆ_ｍは横方向（図ではＹ軸の正の方向）に発生する。作業状態判定部９３は、スレーブアーム１の反力ｆ_ｓおよびマスタアーム２の操作力ｆ_ｍに基づいて、このような作業状態を、嵌合部品Ｗ１が対象物を探っている状態（searching）であると判定する。そして、作業状態提示部１３は、この状態を、ガリガリという音によって操作者に提示する。これにより、マスタの応答性では対応できない、高周波の細かい感覚を提示することができる。

操作者は、図６（ｃ）に示すように、操作レバー２１の横向きの操作を継続する。その後、エンドエフェクタ７に保持された嵌合部品Ｗ１が被嵌合部品Ｗ２の嵌合穴Ｈに挿入される。このとき、ワークを把持したスレーブアーム１の位置は所定位置（図では被嵌合部品Ｗ２の表面）よりも下方向（図ではＺ軸の負の方向）に位置し、かつ、スレーブアーム１の反力ｆ_ｓが変化する。スレーブアーム１の反力ｆ_ｓの大きさは、探っている状態と比べて減少する。作業状態判定部９３は、スレーブアーム１の位置指令値ｘ_ｄｓおよびスレーブアームの反力ｆ_ｓに基づいて、このような作業状態を、ワークが対象物に挿入された状態(inserted)であると判定する。そして、作業状態提示部１３は、ワークが対象物に挿入された状態を、音によって操作者に提示する。作業状態提示部１３は、この状態を、例えばスピーカからのスッという音によって操作者に提示する。これにより、マスタの応答性では対応できない、高周波の細かい感覚を提示することができる。

本実施形態によれば、操作者はスレーブアーム１のエンドエフェクタ７に保持されたワークが対象物に接触したことを認識するだけでなく、接触後に開始される作業の状態を正確に認識することができる。

（その他の実施形態）
尚、上記各実施形態のロボットシステムによる特定作業は、エンドエフェクタ７によって保持されたワークである嵌合部品Ｗ１を、対象物である被嵌合部品Ｗ２の穴に挿入する作業としたが、これに限られるものではない。例えば、ロボットシステムは外科手術システムであってエンドエフェクタは手術器具であってもよい。このようなシステムでは、施術者は、内視鏡画像を見ながらマスタアーム２を操作する。スレーブアーム１先端に取り付けられた手術器具は若干の反力を受けながらゲル状の人体の内部を進行し、対象物である骨に接触した状態で施術を行うような特定作業が想定される。

また、作業状態判定部９３によって判定される作業状態は、作業が開始された状態、対象物を探っている状態、および、ワークが対象物に挿入された状態が例示されたが、これに限られることはなく、特定作業に応じてその他の作業状態を判定してもよい。

尚、上記各実施形態では、マスタ動作指令およびスレーブ動作指令は、各アームの各関節軸を駆動するサーボモータの位置指令であったが、これに限られず、各関節軸を駆動するサーボモータのトルク指令であってもよい。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造および／または機能の詳細を実質的に変更できる。

本発明は、マスタ・スレーブ型のロボットシステムに有用である。

１ スレーブアーム
２ マスタアーム
３，３Ａ，３Ｂ 制御装置
４ 力覚センサ（スレーブ側）
５ カメラ
６ モニタ
７ エンドエフェクタ
８ 動作指令生成部
９ 誇張表現部
１２ マスタ側制御部（マスタ側）
２０ 力覚センサ（マスタ側）
３０ スレーブ側制御部（スレーブ側）
１００，１００Ａ，１００Ｂ ロボットシステム

Claims (13)

1. 操作端を有するマスタアームと、
   作業端を有するスレーブアームと、
   操作者によって前記操作端に付与される操作力を検出する操作力検出部と、
   前記作業端又は当該作業端によって保持されたワークに付与される反力を検出する反力検出部と、
   前記操作力と前記反力に基づいて、マスタアームの動作指令を生成するとともに、スレーブアームの動作指令を生成するシステム制御部と、
   前記システム制御部によって生成されたマスタアームの動作指令に基づいて、マスタアームを制御するように構成されたマスタ側制御部と、
   前記システム制御部によって生成されたスレーブアームの動作指令に基づいて、スレーブアームを制御するように構成されたスレーブ側制御部と、
   を備えるロボットシステムであって、
   前記システム制御部は、前記反力が急激に時間変化した状態である反力急変状態において、前記操作端を操作する操作者に対し、操作感覚を誇張して提示するための誇張表現部を有し、
   前記誇張表現部は、前記反力急変状態では、前記反力に基づいて、前記システム制御部によって前記操作力と前記反力の減算結果に基づいて生成されたマスタアームの動作指令に加えることで前記マスタアームの動作指令を修正するための修正成分を生成し、前記システム制御部によって生成されたスレーブアームの動作指令を修正するための修正成分は生成しない、ロボットシステム。
2. 操作端を有するマスタアームと、
   作業端を有するスレーブアームと、
   操作者によって前記操作端に付与される操作力を検出する操作力検出部と、
   前記作業端又は当該作業端によって保持されたワークに付与される反力を検出する反力検出部と、
   前記操作力と前記反力に基づいて、マスタアームの動作指令を生成するとともに、スレーブアームの動作指令を生成するシステム制御部と、
   前記システム制御部によって生成されたマスタアームの動作指令に基づいて、マスタアームを制御するように構成されたマスタ側制御部と、
   前記システム制御部によって生成されたスレーブアームの動作指令に基づいて、スレーブアームを制御するように構成されたスレーブ側制御部と、
   を備えるロボットシステムであって、
   前記システム制御部は、前記反力が急激に時間変化した状態である反力急変状態において、前記操作端を操作する操作者に対し、操作感覚を誇張して提示するための誇張表現部を有し、
   前記誇張表現部は、前記反力急変状態では、前記反力に基づいて、前記システム制御部によって生成されたマスタアームの動作指令を修正するための修正成分を生成し、前記システム制御部によって生成されたスレーブアームの動作指令を修正するための修正成分は生成せず、
   前記システム制御部は、前記スレーブアームの位置情報と、前記修正成分を加味したマスタアームの位置情報に基づいて、前記スレーブアームと前記マスタアームの位置関係のずれを補正するための補正成分を生成する位置ずれ補正部を更に有し、
   前記動作指令は、位置指令である、ロボットシステム。
3. 前記動作指令は、位置指令である、請求項１に記載のロボットシステム。
4. 前記システム制御部は、前記スレーブアームの位置情報と、前記修正成分を加味したマスタアームの位置情報に基づいて、前記スレーブアームと前記マスタアームの位置関係のずれを補正するための補正成分を生成する位置ずれ補正部を更に備える、請求項３に記載のロボットシステム。
5. 前記修正成分は、三角波成分である、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のロボットシステム。
6. 前記修正成分は、サイン波成分である、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のロボットシステム。
7. 前記修正成分は、前記反力の時間の二階微分値である、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のロボットシステム。
8. 予め、ロボットシステムの特定の作業における、スレーブアームの位置情報、前記操作力、および、前記反力をデータとして収集し、収集したデータに応じて一以上の作業状態を分類し、分類した作業状態を記憶しておく記憶部と、
   ロボットシステムの動作中において、スレーブアームの位置情報、前記操作力、および、前記反力のうち少なくとも一つの値に基づいて、前記記憶部に記憶された前記作業状態のいずれの作業状態に分類されるかを判定する作業状態判定部を有する第２誇張表現部と、を更に備える、請求項１乃至７のいずれか一項に記載のロボットシステム。
9. 操作端を有するマスタアームと、
   作業端を有するスレーブアームと、
   操作者によって前記操作端に付与される操作力を検出する操作力検出部と、
   前記作業端又は当該作業端によって保持されたワークに付与される反力を検出する反力検出部と、
   前記操作力と前記反力に基づいて、マスタアームの動作指令を生成するとともに、スレーブアームの動作指令を生成するシステム制御部と、
   前記システム制御部によって生成されたマスタアームの動作指令に基づいて、マスタアームを制御するように構成されたマスタ側制御部と、
   前記システム制御部によって生成されたスレーブアームの動作指令に基づいて、スレーブアームを制御するように構成されたスレーブ側制御部と、
   を備えるロボットシステムであって、
   予め、ロボットシステムの特定の作業における、スレーブアームの位置情報、前記操作力、および、前記反力をデータとして収集し、収集したデータに応じて一以上の作業状態を分類し、分類した作業状態を記憶しておく記憶部と、第２誇張表現部と、を更に備え、
   前記第２誇張表現部は、
   ロボットシステムの動作中において、スレーブアームの位置情報、前記操作力、および、前記反力のうち少なくとも一つの値に基づいて、前記記憶部に記憶された前記作業状態のいずれの作業状態に分類されるかを判定する作業状態判定部を有する、ロボットシステム。
10. 前記作業状態判定部は、
    ロボットシステムの動作中において、前記反力が所定の方向に発生し、かつ、前記操作力が前記所定の方向に直交する方向に発生している作業状態を、対象物を探っている状態（searching）であると判定する、請求項８又は９に記載のロボットシステム。
11. 前記作業状態判定部は、
    ロボットシステムの動作中において、スレーブアームの位置情報が所定位置よりも所定の方向に位置し、かつ、前記反力が変化した作業状態を、前記作業端によって保持されたワークが対象物に挿入された状態(inserted)であると判定する、請求項８又は９に記載のロボットシステム。
12. 前記誇張表現部は、前記作業状態を、音、マスタアームの振動および光のうち、少なくとも一つによって操作者に提示する作業状態提示部を更に備える、請求項８乃至１１のいずれか一項に記載のロボットシステム。
13. 操作端を有するマスタアームと、作業端を有するスレーブアームと、操作者によって前記操作端に付与される操作力を検出する操作力検出部と、前記作業端又は当該作業端によって保持されたワークに付与される反力を検出する反力検出部と、前記操作力と前記反力に基づいて、マスタアームの動作指令を生成するとともに、スレーブアームの動作指令を生成するシステム制御部と、前記システム制御部によって生成されたマスタアームの動作指令に基づいて、マスタアームを制御するように構成されたマスタ側制御部と、前記システム制御部によって生成されたスレーブアームの動作指令に基づいて、スレーブアームを制御するように構成されたスレーブ側制御部と、を備えるロボットシステムの制御方法であって、
    前記システム制御部により、前記反力が急激に時間変化した状態である反力急変状態において、前記操作端を操作する操作者に対し、操作感覚を誇張して提示し、
    前記反力急変状態では、前記反力に基づいて、前記システム制御部によって前記操作力と前記反力の減算結果に基づいて生成されたマスタアームの動作指令に加えることで前記マスタアームの動作指令を修正するための修正成分を生成し、
    前記システム制御部によって生成されたスレーブアームの動作指令を修正するための修正成分は生成しない、ロボットシステムの制御方法。

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