JP7132160B2 - ロボットアーム操作システムおよびロボットアーム操作方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、ロボットアーム操作システムおよびロボットアーム操作方法に関する。

放射線環境など人の立ち入り困難な環境での作業のため、ロボットアーム操作システムが用いられ、ロボットアームを遠隔操作する。マスター・スレーブ式のロボットアーム操作システムは、マスターアームおよびスレーブアームを有する。オペレータがマスターアームを操作し、この操作に対応してスレーブアームが遠隔で動作する。

ここで、スレーブアームの手先の姿勢・位置を作業対象に合わせて操作する（姿勢・位置の調節）。例えば、スレーブアームでインパクトレンチを把持して、ボルトを締結する。このとき、インパクトレンチの姿勢と位置を調整して、インパクトレンチをボルトに嵌め合わせる。他にも種々の作業（例えば、コネクタの着脱）において、このように姿勢と位置が調整される。

しかし、姿勢・位置の調整は、次のように、必ずしも容易ではない。すなわち、作業監視用カメラの視認方位が限定されていたり、カメラの映像からの距離の把握が困難であったり、オペレータへの作業時の反力や触覚の正確な伝達が困難であったりすることによって、調整が困難になっている。

例えば、アームを目標位置に誘導できるロボット遠隔操作装置において、仮想ガイドを生成し、アーム把持物体の先端基準位置と仮想ガイドとの位置関係の変化から干渉状況を判別し、仮想ガイドの壁よりめり込んだ量に比例した反力をマスターアームを介してオペレータに帰還するものが提案されている。

特開平８－２５２５４号公報

しかし、この仮想ガイドは、位置決めの補助用であり、姿勢決めの補助用ではないため、上記のボルト締結やコネクタ着脱には、必ずしも有用ではない。

本発明は、作業対象の軸への対応の容易化を図るロボットアーム操作システムおよびロボットアーム操作方法を提供することを目的とする。

実施形態のロボットアーム操作システムは、マスターアーム、スレーブアーム、算出部、制御部を備える。マスターアームは、オペレータによって操作される。スレーブアームは、前記操作に対応して、作業ツールを動かして、作業対象の主軸に合わせる。算出部は、前記主軸と前記作業ツール間の距離に対応する操作補助力を算出する。制御部は、前記マスターアームに前記操作補助力を反映させる。前記作業ツールが主軸を有し、前記算出部が、前記作業対象の主軸と前記作業ツール間の距離に対応する第１の補助力と、前記作業対象の主軸と前記作業ツールの主軸間のなす角度に対応する第２の補助力と、を算出し、前記第１の補助力に第１の係数を乗じた第１の値と、前記第２の補助力に第２の係数を乗じた第２の値と、の和を前記操作補助力として、算出し、前記第１、第２の係数が、前記作業対象と前記作業ツール間の距離に対応して変化する。

実施形態に係るロボットアーム操作システム１０の模式図である。 ボルト締結のための姿勢・位置合わせ作業の模式図である。 ボルト締結のための姿勢・位置合わせ作業の模式図である。

以下、図面を参照して、実施形態に係るロボットアーム操作システムを説明する。
図１は、実施形態に係るロボットアーム操作システム１０の模式図である。図２、図３は、ロボットアーム操作システム１０による姿勢・位置合わせ作業の一例（ボルト締結）を表す模式図である。

ロボットアーム操作システム１０は、スレーブアーム３０を操作する。スレーブアーム３０は、作業工具（作業ツール）Ｔ（例えば、インパクトレンチＲ）を把持して動かし、作業対象Ｏ（例えば、ボルトＢ）の主軸に対応する姿勢・位置に配置する（例えば、ボルトＢの締結）。

図２、図３では、一例として、スレーブアーム３０（手３５）はインパクトレンチＲを把持し、例えば、次のように、ボルトＢを締結する。
まず、ボルトＢの軸心（主軸Ａｏ）とインパクトレンチＲの軸心（主軸Ａｔ）が一致するようにスレーブアーム３０を操作する（姿勢合わせ、図２、図３参照）。
次に、この軸心（主軸Ａｏ）に沿ってソケットＳを移動させ、ボルトＢに近づける（位置合わせ、図３）。この結果、インパクトレンチＲ先端のソケットＳがボルトＢに嵌め合わされる。

一般には、オペレータＭが、スレーブアーム３０先端のカメラや作業エリアを俯瞰するカメラの映像を見ながら、姿勢・位置合わせを行う。しかし、カメラ映像から位置や姿勢の判断は困難で、操作の試行錯誤がなされる。
本実施形態では、この姿勢・位置合わせが容易になる。以下、詳細に説明する。

ロボットアーム操作システム１０は、マスターアーム２０、スレーブアーム３０、制御部４１ａ、４１ｂ、通信部４２ａ、４２ｂ、計測部４４、記憶部４５、判定部４６、算出部４７を有する。

ここでは、マスター側に、マスターアーム２０、制御部４１ａ、通信部４２ａが配置され、スレーブ側にスレーブアーム３０、制御部４１ｂ、通信部４２ｂ、計測部４４、記憶部４５、判定部４６、算出部４７が配置される。
スレーブ側に、記憶部４５、判定部４６、算出部４７を配置することで、計測部４４での計測結果等をマスター側に通信することが不要となる。この結果、マスター、スレーブ間（通信部４２ａ、４２ｂ間）での通信量を低減できる。
但し、記憶部４５、判定部４６、算出部４７をマスター側に配置することも可能である。また、これらを別個にマスター側、スレーブ側に配置してもよい。

マスターアーム２０（操作指令の入力装置）は、本体２１、腕２２を有し、オペレータＭによって直接動かされる（マスターアーム２０の操作）。腕２２は、複数の腕部、複数の関節、および手２５を備える。

腕２２の関節は、接続要素間（本体２１と腕２２の間，腕部の間、腕部と手２５の間など）を可動に（例えば、回転変位、一軸方向変位可能に）接続する。この結果、腕２２は、オペレータＭの操作によって、本体２１に対して、手先（手２５）を６以上の自由度（６軸以上）で相対的に変位できる（例えば、３軸の位置変位、および３軸の回転変位）。

腕２２の関節は、接続要素間の相対変位（例えば、回転変位、一軸方向変位）を検出する変位センサを有し、オペレータＭの操作を検出できる。

腕２２の関節は、これら相対変位の方向に力（例えば、回転トルク、一軸方向回転力）を印加するモータを有し、オペレータＭに操作の適否を伝達できる（操作の補助）。腕２２の関節は、全体で、例えば、６以上の自由度（６軸以上）の力ｆｔを印加できる。

スレーブアーム３０（操作指令の出力装置）は、本体３１、腕３２を有し、マスターアーム２０への操作によって間接的に動作する。腕３２は、複数の腕部、複数の関節、および手３５を備える。

腕３２の関節は、接続要素間（本体３１と腕３２の間，腕部の間、腕部と手３５の間など）を可動に（例えば、回転変位、一軸方向変位可能に）接続する。

腕３２の関節は、接続要素間を相対変位（例えば、回転変位、一軸方向変位）させるモータを有し、マスターアーム２０での操作に対応して動作する。手先（手３５）は、関節によって、本体３１に対して、６以上の自由度（６軸以上）で相対的に変位する（例えば、３軸の位置変位、および３軸の回転変位）。

腕３２の関節は、これらの相対変位（例えば、回転変位、一軸方向変位）を検出する変位センサを有し、スレーブアーム３０の状態（変位量）を検出できる。

腕３２（手３５）は、手先（手３５）に印加される力・トルクを測定する力・トルクセンサを備える。この力・トルクセンサには、例えば、この手先の座標（手先座標）に対応する６軸（６自由度）で力・トルクを測定できる６軸の力・トルクセンサを用いることができる。
すなわち、スレーブアーム３０の動作によって、反力ｆｓが発生することがある。例えば、スレーブアーム３０の手３５が物を把持したり、接触したりしたことで、手３５に反力ｆｓが作用する。この反力ｆｓが力・トルクセンサによって検出される。
反力ｆｓは、手先座標で表すことができる。なお、後述の力ｆｔ、トルクτ（θ）、力ｆ（ｄ）、操作補助力ｆｇも、手先座標で表すことができる。

オペレータＭによる操作は、マスターアーム２０の状態（変位ｘ）の変化ｘ’として、腕２２の関節中の変位センサによって検出される。
このようにして検出されたマスターアーム２０の状態情報（変位の変化ｘ’）は、マスターアーム２０側の通信部４２ａから送信され、ネットワークを介して、スレーブアーム３０側の通信部４２ｂに受信される。

制御部４１ｂは、マスターアーム２０の状態の変化（変位の変化ｘ’）と対応するように、スレーブアーム３０を動作させる。この結果、オペレータＭが、マスターアーム２０の手２５を把持して動かす（操作する）と、これに対応して、スレーブアーム３０の手３５も動く。このようにして、オペレータＭはマスターアーム２０の手２５を把持して、動かすことで、直感的で判り易く、スレーブアーム３０の手３５を操作できる。

この操作によって反力ｆｓが発生すると、スレーブアーム３０の力・トルクセンサによって検出される。この反力ｆｓは、後述の操作補助力ｆｇと加算され、力ｆｔとして、スレーブアーム３０側の通信部４２ｂから送信され、ネットワークを介して、マスターアーム２０側の通信部４２ａに受信される。

制御部４１ａは、腕２２の関節のモータを制御し、受信した力ｆｔ（反力ｆｓを含む）に対応する力（例えば、回転トルク、一軸方向回転力）を発生させる。すなわち、制御部４１ａは、オペレータＭにスレーブアーム３０での反力ｆｓを提示し（フィードバック）、その操作を補助する。
なお、力ｆｔ（反力ｆｓ）が手先座標で表される場合、制御部４１ａは、力ｆｔ（反力ｆｓ）を腕２２の関節での力・トルクに分解し、各関節を制御する。

計測部４４は、作業対象Ｏおよび作業工具Ｔの形状（例えば、三次元形状）を計測する、例えば、画像センサ（一例として、テレビカメラ）である。計測部４４は、スレーブアーム３０または作業環境に設置できる。
なお、作業環境は、スレーブアーム３０が設置される場所に配置され、作業に拘わる可能性のある物体（構造物、物品）を意味する。

画像センサ以外に、三次元センサ（一例として、スキャナ）を挙げることができる。スキャナは、光、電波、音波等の波動を照射し、物体から反射された波動を検知することで、物体の三次元形状を測定する。

記憶部４５は、作業対象Ｏ、作業工具Ｔ、および作業環境の形状モデルを記憶する。
形状モデルは、作業対象Ｏ、作業工具Ｔ、および作業環境の三次元形状を表すデータである。但し、この形状モデルは、作業に関連しない形状（例えば、内部形状）を表す必要はない。

判定部４６は、記憶部４５に記憶された形状モデルと、計測部４４で計測された形状を比較して、作業対象Ｏ（例えば、ボルトＢ）、作業工具Ｔ（例えば、インパクトレンチＲ）それぞれの位置Ｐｏ、Ｐｔ、主軸Ａｏ、Ａｔを判定する。位置Ｐｏ、Ｐｔは、例えば、作業対象Ｏ、作業工具Ｔが最初に係合する（例えば、ソケットＳのボルトＢへの嵌め合い）先端の位置とするのが好ましい。

この判定に際して、計測部４４での計測結果に対して、種々の処理（例えば、画像処理や物体認識処理）がなされる。例えば、計測部４４に画像センサを用いた場合、計測された画像が画像処理されて、その輪郭が抽出され、この輪郭と形状モデルの輪郭が比較される。

（作業工具Ｔの形状測定が不要の場合）
ここで、作業工具Ｔがスレーブアーム３０に完全に固定されている場合は、スレーブアーム３０の状態（変位量）の情報を用いて、作業工具Ｔの位置Ｐｔ、主軸Ａｔを幾何学的に算出できる。この場合、作業工具Ｔの形状の計測等は不要となる。
一方、作業工具Ｔがスレーブアーム３０に対して可動の場合（例えば、インパクトレンチＲを汎用グリッパで把持する場合）は、作業対象Ｏと同様、形状計測によって、位置Ｐｔ、主軸Ａｔを算出する。

（作業対象Ｏが死角の場合）
以上は、計測部４４が作業対象Ｏの外形を計測できることを前提としている。
しかし、作業対象Ｏが他の構造物の死角になり、計測部４４で計測できないこともあり得る。
この場合、判定部４６は、計測できる物体（作業対象と異なる物体、例えば、ボルトＢ１）と、その物体と作業対象Ｏ（例えば、ボルトＢ）との相対的幾何情報（相対的な位置・方位の情報）をもとに、作業対象Ｏの位置Ｐｏ、主軸Ａｏを判定できる。
すなわち、形状モデルは、死角になっている作業対象Ｏと、計測可能な物品との相対幾何情報を含み得る。
判定部４６は、この形状モデルと計測された物体（例えば、ボルトＢ１）の形状から死角のボルトＢの位置・主軸を判定できる。

（作業対象Ｏの形状測定が不要の場合）
以上では、計測部４４によって作業対象Ｏの形状を測定し、その位置Ｐｏ、主軸Ａｏを判定している。但し、形状モデルが、作業対象Ｏの位置Ｐｏ、主軸Ａｏの情報を含んでいれば、作業対象Ｏを計測部４４で計測しなくともよい。

（操作補助力ｆｇの算出）
算出部４７は、主軸Ａｏ、Ａｔの偏差（角度θ）および主軸Ａｏに対する位置Ｐｔの偏差（距離ｄ）に応じて、操作補助力ｆｇを算出する。操作補助力ｆｇは、作業工具Ｔを作業対象Ｏに対応する姿勢および位置に誘導するための力である。

主軸Ａｏ、Ａｔの偏差は、例えば、主軸Ａｏ、Ａｔのなす角度θである。
算出部４７は、この角度θに対応して、主軸Ａｏ、Ａｔを一致させるための姿勢補正力として、トルクτ（θ）を算出する。

このトルクτ（θ）は、角度θに応じて、その絶対値が大きくなる（例えば、比例）。すなわち、トルクτ（θ）は、主軸Ａｏ、Ａｔのなす角度θを大きくする操作を阻害し、角度θを小さくする操作を許容するように働く。すなわち、角度θを大きくする操作に対しては、この操作方向と逆方向の大きなトルクτ（θ）が算出される。一方、角度θを小さくする操作に対しては、小さな（例えば、実質ゼロ）トルクτ（θ）が算出される。角度θを小さくする、あるいは大きくする操作に対応して、小さな、あるいは大きなトルクτ（θ）が算出される。
従い、大きなトルクτ（θ）を受けないように、オペレータＭがマスターアーム２０を操作すれば、主軸Ａｏ、Ａｔが自然に一致することになる。

主軸Ａｏに対する位置Ｐｔの偏差は、例えば、位置Ｐｔから主軸Ａｏへの垂直方向の距離ｄ（例えば、ソケットＳの先端からボルトＢの主軸Ａｏへの垂線方向への距離ｄ）である。
算出部４７は、この距離ｄに対応して、主軸Ａｏに、位置Ｐｔを一致させるための位置補正力として力ｆ（ｄ）を算出する。

この力ｆ（ｄ）は、主軸Ａｏと作業ツールＴ間の距離ｄに対応して変化し、位置Ｐｔから主軸Ａｏへの距離ｄを大きくする操作を阻害し、距離ｄを小さくする操作を許容するように働く。すなわち、距離ｄを大きくする操作に対しては、この操作方向と逆方向の大きな力ｆ（ｄ）が算出される。一方、距離ｄを小さくする操作に対しては、小さな（例えば、実質ゼロ）力ｆ（ｄ）が算出される。距離ｄを小さくする、あるいは大きくする操作に対応して、小さな、あるいは大きな力ｆ（ｄ）が算出される。
この結果、大きな力ｆ（ｄ）を受けないように、オペレータＭがマスターアーム２０を操作すれば、主軸Ａｏの延長線上に位置Ｐｔが自然に配置されることになる。

主軸Ａｏの延長線上で位置Ｐｔが移動する場合、力ｆ（ｄ）は小さく（例えば、実質ゼロ）、そのような操作は阻害されない。すなわち、例えば、ソケットＳをボルトＢに嵌め合わせる差し込み動作は、阻害されず、操作容易である。

操作補助力ｆｇは、姿勢補正力τ（θ）、位置補正力ｆ（ｄ）それぞれに係数Ｋ１（第２の係数）、Ｋ２（第１の係数）を乗じて、加算した次のベクトルとして定義できる。
ｆｇ ＝（Ｋ１×τ（θ）、Ｋ２×ｆ（ｄ））

ここで、係数Ｋ１、Ｋ２は、一定値とすることができる。
また、係数Ｋ１、Ｋ２は、位置Ｐｏ、Ｐｔ間の距離ｄ０に基づいて変化させてもよい。例えば、距離ｄ０が小さくなるほど、係数を大きくする。

このようにすると、作業対象Ｏ、作業工具Ｔが離れているときには、操作補助力ｆｇが小さくなり、姿勢・位置決めを問わない、自由な操作が容易となる。
作業対象Ｏに作業工具Ｔが近づくと、操作補助力ｆｇが大きくなり、姿勢・位置決めが優先される。

（作業干渉への対応）
ここで、スレーブアーム３０と作業工具Ｔが作業環境（作業に拘わる可能性のある物体）と干渉することがあり得る。このような場合、この干渉の可能性に応じて、係数Ｋ１、Ｋ２を変化させることが好ましい。
形状モデルに、作業環境の形状を定義しておくことで、スレーブアーム３０および作業工具Ｔと作業環境との干渉の可能性を評価することができる。

判定部４６が、スレーブアーム３０および作業工具Ｔと作業環境との隙間Ｄを判定する。このとき、記憶部４５に記憶された形状モデルおよび計測部４４で計測された形状が用いられる。隙間Ｄは、例えば、スレーブアーム３０および作業工具Ｔと作業環境の最短距離である。図２，３では、隙間Ｄはスレーブアーム３０と支柱Ｅ間の最短距離である。

算出部４７は、隙間Ｄに対応して、操作補助力ｆｇを調節する。すなわち、隙間Ｄが小さければ、干渉リスクが大きいと考えられ、操作補助力ｆｇを小さくする。例えば、隙間Ｄが所定値以下になった場合に、Ｋ１，Ｋ２を小さくするよう設定する。

干渉の可能性が大きい場合に、操作補助力ｆｇを小さくすることで、姿勢・位置合わせに拘束されない自由な操作を可能となる。例えば、ボルトＢとソケットＳの主軸を一致させない状態で強引に嵌め合わせた方が安全な場合もある。

（力ｆｔの算出）
前述のように、スレーブアーム３０の反力ｆｓに操作補助力ｆｇを加算して、力ｆｔが算出される。
ｆｔ ＝ ｆｓ ＋ ｆｇ

既述のように、力ｆｔは、制御部４１ｂ、通信部４２ｂ、通信部４２ａを経由して、制御部４１ａに入力される。制御部４１ａは、腕２２の関節のモータを制御して、受信した力ｆｔに対応する力を提示する。オペレータＭが、これに倣うように、マスターアーム２０を操作することで、短時間かつ容易な姿勢・位置決め操作が可能となる。
既述のように、制御部４１ａは、必要に応じて、力ｆｔを腕２２の関節での力・トルクに分解し、各関節を制御する。

このように、スレーブアーム３０を作業対象Ｏに対して姿勢・位置決めするための仮想的な操作補助力ｆｇをマスターアーム２０にフィードバックすることで、姿勢・位置決めに必要な操作方向・操作量をオペレータが認識しながら操作できる。

以上の実施形態では、ボルトＢの締結作業を例にして説明したが、スレーブアーム３０先端の位置や姿勢を作業対象Ｏに対して調整する必要のある他の作業にも同様に適用可能である。
また、スレーブアーム３０が姿勢・位置を制御可能な機構として記載したが、位置だけ、あるいは姿勢だけ制御できる機構に対しても同様の考え方で位置決め補正を行うことができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０： ロボットアーム操作システム， ２０： マスターアーム， ２１： 本体， ２２： 腕， ２５： 手， ３０： スレーブアーム， ３１： 本体， ３２： 腕， ３５： 手， ４１ａ、４１ｂ： 制御部， ４２ａ、４２ｂ： 通信部， ４４： 計測部， ４５： 記憶部， ４６： 判定部， ４７： 算出部， Ｍ： オペレータ， Ｏ： 作業対象， Ｔ： 作業工具

Claims (6)

1. オペレータによって操作されるマスターアームと、
   前記操作に対応して、作業ツールを動かして、作業対象の主軸に合わせるスレーブアームと、
   前記主軸と前記作業ツール間の距離に対応する操作補助力を算出する算出部と、
   前記マスターアームに前記操作補助力を反映させる制御部と、
   を具備するロボットアーム操作システムであって、
   前記作業ツールが主軸を有し、
   前記算出部が、
   前記作業対象の主軸と前記作業ツール間の距離に対応する第１の補助力と、
   前記作業対象の主軸と前記作業ツールの主軸間のなす角度に対応する第２の補助力と、を算出し、
   前記第１の補助力に第１の係数を乗じた第１の値と、前記第２の補助力に第２の係数を乗じた第２の値と、の和を前記操作補助力として、算出し、
   前記第１、第２の係数が、前記作業対象と前記作業ツール間の距離に対応して変化する、
   ロボットアーム操作システム。
2. 物体の形状を計測する計測部と、
   前記作業ツールの形状モデルを記憶する記憶部と、
   前記形状モデルと、前記計測部で計測された前記作業ツールの形状と、に基づいて、前記作業ツールの位置および主軸を判定する判定部と、
   をさらに具備する請求項１に記載のロボットアーム操作システム。
3. 前記形状モデルが作業対象の形状の情報を含み、
   前記判定部が、前記形状モデルと、前記計測部で計測された前記作業対象の形状と、に基づいて、前記作業対象の位置および主軸を判定する、
   請求項２に記載のロボットアーム操作システム。
4. 前記形状モデルが、前記作業対象と異なる物体の形状およびこの物体と前記作業対象の相対的幾何情報を含み、
   前記判定部が、前記形状モデルと、前記計測部で計測された前記物体の形状と、に基づいて、前記作業対象の位置および主軸を判定する、
   請求項３に記載のロボットアーム操作システム。
5. 前記スレーブアームおよび前記作業ツールと、作業環境下の物体間の隙間を判定する第２の判定部をさらに具備し、
   前記算出部が、前記スレーブアームおよび前記作業ツールと、前記作業環境下の物体間の隙間に対応して前記操作補助力を変化させる、
   請求項１乃至４いずれか１項に記載のロボットアーム操作システム。
6. オペレータがマスターアームを操作する工程と、
   前記操作に対応して、スレーブアームが、作業ツールを動かして、作業対象の主軸に対応させる工程と、
   前記主軸と前記作業ツール間の距離に対応する操作補助力を算出する工程と、
   前記マスターアームに前記操作補助力を反映させる工程と、
   を具備するロボットアーム操作方法であって、
   前記作業ツールが主軸を有し、
   前記操作補助力を算出する工程は、
   前記作業対象の主軸と前記作業ツール間の距離に対応する第１の補助力と、
   前記作業対象の主軸と前記作業ツールの主軸間のなす角度に対応する第２の補助力と、を算出し、
   前記第１の補助力に第１の係数を乗じた第１の値と、前記第２の補助力に第２の係数を乗じた第２の値と、の和を前記操作補助力として、算出し、
   前記第１、第２の係数が、前記作業対象と前記作業ツール間の距離に対応して変化する、
   ロボットアーム操作方法。

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