JP7415590B2 - 主従ロボットの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ユーザにより加えられた力の大きさ及び方向に基づいて動作する主ロボットと、主ロボットに倣った動作を追従して行う従ロボットとを制御する制御装置に関する。

従来、ユーザによりロボットに加えられた力の大きさ及び方向に基づいてロボットを動作させ、ロボットの動作を直接教示する制御装置がある（特許文献１参照）。

特許第４８２２０６３号公報

ところで、上記主ロボットと上記従ロボットとを備えるシステムにおいて、主ロボットの動作を通じて従ロボットの動作を制御すると、以下の問題が生じることに本願発明者は着目した。

すなわち、主ロボットの周囲環境と従ロボットの周囲環境とは異なるため、ユーザは、主ロボットを動作させる際に、障害物に従ロボットが衝突する危険性を把握することが困難である。また、従ロボットが障害物に接近する度に制御を中断すると、従ロボットを効率的に動作させることができない。

本発明は、こうした課題を解決するためになされたものであり、その主たる目的は、主従ロボットの制御装置において、障害物に従ロボットが衝突する危険性をユーザが把握し易くするとともに、従ロボットを効率的に動作させることにある。

上記課題を解決するための第１の手段は、
ユーザにより加えられた力の大きさ及び方向に基づいて動作する主ロボットと、前記主ロボットに倣った動作を追従して行う従ロボットと、を制御する制御装置であって、
前記従ロボットの周囲に仮想障害物を設定する設定部と、
前記設定部により設定された前記仮想障害物に前記従ロボットが衝突した場合に、前記仮想障害物を押すように前記従ロボットを動作させる前記主ロボットの第１方向への動作を規制しつつ、前記主ロボットの制御を継続する制御部と、
を備える。

上記構成によれば、主ロボットは、ユーザにより加えられた力の大きさ及び方向に基づいて動作する。従ロボットは、主ロボットに倣った動作を追従して行う。

ここで、設定部は、従ロボットの周囲に仮想障害物を設定する。仮想障害物は、例えば、従ロボットの周囲環境に実際に存在する実障害物と同じ位置に同じ大きさで設定してもよいし、実障害物よりも一回り大きく設定してもよい。そして、制御部は、設定部により設定された仮想障害物に従ロボットが衝突した場合に、仮想障害物を押すように従ロボットを動作させる主ロボットの第１方向への動作を規制する。このため、仮想障害物に従ロボットが衝突した場合に、従ロボットが仮想障害物を押すように動作することを規制することができる。さらに、主ロボットに力を加えているユーザは、主ロボットの第１方向への動作が規制されたことで、従ロボットが仮想障害物に衝突したこと、すなわち実障害物に従ロボットが衝突する危険性を把握することができる。

また、制御部は、仮想障害物に従ロボットが衝突した場合に、主ロボットの第１方向への動作を規制しつつ、主ロボットの制御を継続する。したがって、従ロボットが仮想障害物に衝突しても制御を中断しないようにすることができ、従ロボットを効率的に動作させることができる。

仮想障害物に従ロボットが衝突した場合に、仮想障害物を押すように従ロボットを動作させる主ロボットの第１方向への動作を規制する際に、主ロボットの動作全体を規制することが考えられる。この場合、主ロボットが少しでも第１方向へ動作しようとすると主ロボットを動作させることができなくなるため、従ロボットを動作させる操作性が低下するおそれがある。

この点、第２の手段では、前記制御部は、前記設定部により設定された前記仮想障害物に前記従ロボットが衝突した場合に、前記主ロボットの前記第１方向への動作を規制しつつ、前記仮想障害物に沿うように前記従ロボットを動作させる前記主ロボットの第２方向への動作を許容する。こうした構成によれば、仮想障害物に従ロボットが衝突した場合に、仮想障害物に沿うように従ロボットを動作させることができる。したがって、仮想障害物に近接する位置まで従ロボットを動作させることが容易となる。

具体的には、第３の手段のように、前記制御部は、前記設定部により設定された前記仮想障害物に前記従ロボットが衝突した場合に、前記ユーザにより加えられた力を前記第１方向の成分を０にし且つ前記第２方向の成分を維持した第１変換力に変換し、前記第１変換力の大きさ及び方向に基づいて前記主ロボットを動作させる、といった構成を採用することができる。こうした構成によれば、仮想障害物に従ロボットが衝突した場合に、仮想障害物を押すように従ロボットを動作させることを規制し、且つ仮想障害物に沿うように従ロボットを動作させることを、簡単な演算により実現することができる。

第４の手段では、前記制御部は、前記設定部により設定された前記仮想障害物に前記従ロボットが衝突し、且つ前記ユーザにより加えられた前記力の前記第１方向の成分が前記第２方向の成分よりも小さい場合に、前記ユーザにより加えられた前記力を、前記第１方向の成分を０にし且つ前記第２方向の成分を維持した第１変換力に変換し、前記第１変換力の大きさ及び方向に基づいて前記主ロボットを動作させ、前記設定部により設定された前記仮想障害物に前記従ロボットが衝突し、且つ前記ユーザにより加えられた前記力の前記第１方向の成分が前記第２方向の成分よりも大きい場合に、前記ユーザにより加えられた前記力を、前記第１方向の成分を０にし且つ前記第２方向の成分を縮小した第２変換力に変換し、前記第２変換力の大きさ及び方向に基づいて前記主ロボットを動作させる。

上記構成によれば、仮想障害物に従ロボットが衝突し、且つユーザにより加えられた力の第１方向の成分が第２方向の成分よりも小さい場合に、第３の手段と同様の制御が行われる。このため、仮想障害物に従ロボットが衝突した場合に、仮想障害物を押すように従ロボットを動作させることを規制し、且つ仮想障害物に沿うように従ロボットを動作させることができる。一方、仮想障害物に従ロボットが衝突し、且つユーザにより加えられた力の第１方向の成分が第２方向の成分よりも大きい場合は、ユーザにより加えられた力の第２方向の成分が縮小された第２変換力の大きさ及び方向に基づいて、主ロボットが動作させられる。このため、ユーザは、従ロボットが仮想障害物に沿う方向よりも仮想障害物を押す方向に動作しようとしていることを把握し易くなるとともに、従ロボットを慎重に動作させることができる。

第５の手段では、前記制御部は、前記設定部により設定された前記仮想障害物に前記従ロボットが衝突した場合に、前記主ロボットの前記第１方向への動作を規制する際に前記主ロボットの動作全体を規制する。こうした構成よれば、仮想障害物に前記従ロボットが衝突した場合に、仮想障害物から離れるように従ロボットを動作させる主ロボットの動作しか許容されなくなる。このため、仮想障害物に従ロボットが衝突した場合に、仮想障害物から離れるように従ロボットを動作させることをユーザに促すことができる。

第６の手段は、
ユーザにより加えられた力の大きさ及び方向に基づいて動作する主ロボットと、前記主ロボットに倣った動作を追従して行う従ロボットと、を制御する制御装置であって、
前記主ロボットの周囲に仮想障害物を設定する設定部と、
前記設定部により設定された前記仮想障害物に前記主ロボットが衝突した場合に、前記仮想障害物を押す前記主ロボットの第１方向への動作を規制しつつ、前記主ロボットの制御を継続する制御部と、
を備える。

上記構成によれば、設定部は、主ロボットの周囲に仮想障害物を設定する。仮想障害物は、例えば、主ロボットと従ロボットとの大きさの違いを考慮して、従ロボットの周囲環境に実際に存在する実障害物の位置と大きさとに対応させて設定してもよいし、実障害物よりも一回り大きい大きさに対応させて設定してもよい。そして、制御部は、設定部により設定された仮想障害物に主ロボットが衝突した場合に、仮想障害物を押す主ロボットの第１方向への動作を規制する。このため、仮想障害物に主ロボットが衝突した場合、すなわち実障害物に従ロボットが衝突した又は衝突する危険が生じた場合に、従ロボットが実障害物を押すように動作することを規制することができる。さらに、主ロボットに力を加えているユーザは、主ロボットの第１方向への動作が規制されたことで、従ロボットが実障害物に衝突した又は衝突する危険が生じたことを把握することができる。

また、制御部は、仮想障害物に主ロボットが衝突した場合に、主ロボットの第１方向への動作を規制しつつ、主ロボットの制御を継続する。したがって、主ロボットが仮想障害物に衝突しても制御を中断しないようにすることができ、従ロボットを効率的に動作させることができる。

第７の手段では、前記従ロボットは、前記主ロボットよりも大型であり、前記制御装置は、前記従ロボットの動作の教示に用いられる。こうした構成によれば、従ロボットが主ロボットよりも大型であり、ユーザが従ロボットに力を加えて動作を直接教示することが難しい場合に、主ロボットの動作を通じて従ロボットの動作を教示することができる。

マスタロボットとスレーブロボットとを備えるシステムを示す模式図 スレーブロボットのアームと仮想障害物との衝突状態を模式的に示す平面図 第１実施形態において、図２の衝突状態でのマスタロボットのアームと、外力及びその成分を模式的に示す平面図 第２実施形態において、図２の衝突状態でのマスタロボットのアームと、外力の第１変換力とを模式的に示す平面図 第２実施形態において、図２の衝突状態でのマスタロボットのアームと、外力の第２変換力とを模式的に示す平面図 第３実施形態において、図２の衝突状態でのマスタロボットのアームと、外力の第３変換力とを模式的に示す平面図 第３実施形態において、図２の衝突状態でのマスタロボットのアームと、外力の第４変換力とを模式的に示す平面図

（第１実施形態）
以下、マスタロボットとスレーブロボットとを備えるシステムに適用される制御装置に具現化した第１実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１に示すように、システム１０は、マスタロボット２０とスレーブロボット３０とを備えている。

マスタロボット２０（主ロボット）は、例えば６軸の垂直多関節型ロボットであり、基台（ベース）２１とアーム２２とを備えている。アーム２２の隣り合うリンクは、関節を介して相対回転可能に連結されている。各関節は、各関節に対応する各モータにより駆動される。

アーム２２の先端には、ハンド２３が取り付けられている。ハンド２３は、一対の爪２３Ａ，２３Ｂを備えており、爪２３Ａ，２３Ｂの間隔を拡大及び縮小する開閉動作を行う。爪２３Ａ，２３Ｂは、モータにより駆動される。

基台２１の内部には、マスタロボット２０及びハンド２３の状態を記録する記録部２５、及びマスタロボット２０及びハンド２３の動作を制御する制御部２６が設けられている。制御部２６の機能は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、駆動回路、及び入出力インターフェース等を備えるコンピュータにより実現されている。

マスタロボット２０のリンク２２ａには、ハンド２３の開閉ボタン２２ｂ及び位置取込ボタン２２ｃが設けられている。制御部２６は、ユーザが開閉ボタン２２ｂ（操作部）の開部分を押している間、ハンド２３を第１速度で開く動作を実行する。制御部２６は、ユーザが開閉ボタン２２ｂの閉部分を押している間、ハンド２３を第２速度で閉じる動作を実行する。第２速度は、第１速度と同じ速度であってもよいし、第１速度よりも低い速度であってもよい。制御部２６は、ユーザが開閉ボタン２２ｂを押すことをやめた時のハンド２３の開閉位置を保持する。すなわち、ハンド２３は、ユーザにより開閉位置を変更して保持可能である。位置取込ボタン２２ｃについては後述する。

マスタロボット２０の各関節には、各関節の回転角度を検出するエンコーダがそれぞれ設けられている。すなわち、エンコーダは、アーム２２の制御点の位置及び姿勢（以下、「アーム２２の位置及び姿勢」という）を検出する。制御点は、アーム２２の先端の中央に設定されている。また、アーム２２には、力覚センサやトルクセンサが設けられており、力覚センサやトルクセンサはアーム２２に作用する（加えられる）外力を検出する。外力は、各方向への力とモーメントとを含む。エンコーダ、力覚センサ、及びトルクセンサの検出結果は、制御部２６へ入力される。

ハンド２３には、ハンド２３の開閉位置を検出するエンコーダが設けられている。また、ハンド２３には、ハンド２３の把持力を検出する力センサが設けられている。力センサは、爪２３Ａ，２３Ｂを駆動するモータに流れる電流を検出する電流センサや、爪２３Ａ，２３Ｂに作用する圧力を検出する圧力センサ等である。エンコーダ、及び力センサの検出結果は、制御部２６へ入力される。

制御部２６は、アーム２２に作用する外力に従って、アーム２２の位置及び姿勢を制御する。詳しくは、制御部２６は、アーム２２に作用する重力を補償するトルクを各関節のモータにより発生させるとともに、検出した外力の大きさ及び方向に基づいてアーム２２を動作させる力制御を行う。力制御では、外力の方向に、外力の大きさに応じて、制御点の位置及び姿勢の指令値を更新する。そして、制御部２６は、アーム２２に作用する外力がなくなった時のアーム２２の位置及び姿勢を保持する。すなわち、マスタロボット２０は、ユーザによりアーム２２の位置及び姿勢を変更して保持可能である。本実施形態では、ユーザは、ダイレクトティーチによりアーム２２を直接掴んで移動させることができ、そしてアーム２２の位置及び姿勢を保持することができる。

ユーザが位置取込ボタン２２ｃを押した時に、制御部２６は、各関節及びハンド２３のエンコーダ、力センサの検出結果に基づいて、その時のアーム２２の位置及び姿勢、ハンド２３の開閉位置、把持力、及び把持状態を、状態情報として記録部２５に記録させる。制御部２６は、ユーザが位置取込ボタン２２ｃを押す度に、状態情報を時系列に記録部２５に記録させる。すなわち、位置取込ボタン２２ｃ（操作部）は、アーム２２及びハンド２３の状態を記録する操作を受け付け、ユーザにより操作された場合に操作されたことを通知する。記録部２５は、位置取込ボタン２２ｃにより操作を受け付けた時に、各関節の及びハンド２３のエンコーダ、及び力センサによりそれぞれ検出されたアーム２２の位置及び姿勢、ハンド２３の開閉位置、把持力、及び把持状態を状態情報として時系列に記録する。したがって、ユーザは、アーム２２の移動、ハンド２３の開閉、及び位置取込を繰り返すことにより、アーム２２及びハンド２３の動作を教示することができる。

制御部２６は、記録部２５により時系列に記録された上記状態情報を再現するように、アーム２２及びハンド２３の動作を制御する。したがって、ユーザは、教示したアーム２２及びハンド２３の動作を、制御部２６により再現させることができる。これにより、ユーザは、マスタロボット２０によりワーク等に対して作業を実行させることができる。

マスタロボット２０には、ケーブル２９によってスレーブロボット３０が接続されている。スレーブロボット３０（従ロボット）は、マスタロボット２０と同型式（例えば６軸の垂直多関節型）でマスタロボット２０よりも大型のロボットである。スレーブロボット３０は、安全柵Ｇ内に設置されている。スレーブロボット３０は、マスタロボット２０よりも大型であること、マスタロボット２０と形状が若干異なること、開閉ボタン２２ｂ及び位置取込ボタン２２ｃを備えていないこと、設定部３７を備えていることを除いて、マスタロボット２０と同様の構成を備えている。スレーブロボット３０は、基台（ベース）３１とアーム３２とを備えている。アーム３２の先端には、ハンド（図示略）が取り付けられている。スレーブロボット３０の各関節（対応関節）は、マスタロボット２０の各関節に対応している。

基台３１の内部には、記録部３５、制御部３６、及び設定部３７が設けられている。記録部３５は、スレーブロボット３０及びハンドの状態を記録する。制御部３６は、スレーブロボット３０及びハンドの動作を制御する。設定部３７については後述する。制御部３６及び設定部３７の機能は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、駆動回路、及び入出力インターフェース等を備えるコンピュータにより実現されている。

スレーブロボット３０の各関節には、各関節の回転角度を検出するエンコーダがそれぞれ設けられている。すなわち、エンコーダは、アーム３２の制御点の位置及び姿勢（以下、「アーム３２の位置及び姿勢」という）を検出する。制御点は、アーム３２の先端の中央に設定されている。エンコーダの検出結果は、制御部３６へ入力される。

ハンドには、ハンドの開閉位置を検出するエンコーダが設けられている。また、ハンドには、ハンドの把持力を検出する力センサが設けられている。エンコーダ、及び力センサの検出結果は、制御部３６へ入力される。

マスタロボット２０の制御部２６は、マスタロボット２０の各関節及びハンド２３のエンコーダ、力センサ、開閉ボタン２２ｂ、及び位置取込ボタン２２ｃの検出結果を、スレーブロボット３０の制御部３６へ送信する。

制御部３６は、スレーブロボット３０の各関節の角度を、マスタロボット２０の対応する各関節の角度に一致させるように、スレーブロボット３０の各関節のモータを制御する。詳しくは、制御部３６は、マスタロボット２０の各関節のエンコーダ、及びスレーブロボット３０の各関節のエンコーダの検出結果に基づいて、スレーブロボット３０の各関節のモータをフィードバック制御する。すなわち、スレーブロボット３０の各関節は、マスタロボット２０の各関節に倣った動きを追従して行う。制御部３６は、スレーブロボット３０の各関節及びハンドのエンコーダ、並びに力センサの検出結果を、マスタロボット２０の制御部２６へ送信する。なお、マスタロボット２０の制御部２６、並びにスレーブロボット３０の制御部３６及び設定部３７により、主従ロボットの制御装置が構成されている。

ユーザが位置取込ボタン２２ｃを押した時に、制御部３６は、スレーブロボット３０の各関節及びハンドのエンコーダの検出結果に基づいて、その時のアーム３２の位置及び姿勢、並びにハンドの開閉位置を、状態情報として記録部３５に記録させる。制御部３６は、ユーザが位置取込ボタン２２ｃを押す度に、状態情報を時系列に記録部３５に記録させる。記録部３５は、位置取込ボタン２２ｃにより操作を受け付けた時に、スレーブロボット３０の各関節及びハンドのエンコーダによりそれぞれ検出されたアーム３２の位置及び姿勢、並びにハンドの開閉位置を状態情報として時系列に記録する。したがって、ユーザは、マスタロボット２０のアーム２２の移動、ハンドの開閉、及び位置取込を繰り返すことにより、スレーブロボット３０のアーム３２及びハンドの動作を教示することができる。

制御部３６は、記録部３５により時系列に記録された上記状態情報を再現するように、アーム３２及びハンドの動作を制御する。したがって、ユーザは、教示したアーム３２及びハンドの動作を、制御部３６により再現させることができる。これにより、ユーザは、スレーブロボット３０によりワーク等に対して作業を実行させることができる。

ここで、マスタロボット２０の周囲環境と、スレーブロボット３０の周囲環境とは異なる。このため、ユーザは、マスタロボット２０を動作させる際に、障害物にスレーブロボット３０が衝突する危険性を把握することが困難である。また、スレーブロボット３０が障害物に接近する度に制御を中断すると、スレーブロボット３０を効率的に動作させることができない。

この点、上記設定部３７は、スレーブロボット３０の周囲環境に実際に存在する実障害物の位置、形状、大きさ等を把握している。例えば、ユーザは、実障害物の位置、形状、大きさ等を、設定部３７に予め登録しておけばよい。そして、設定部３７は、スレーブロボット３０の周囲に仮想障害物Ｂ１，Ｂ２を設定する。ここでは、設定部３７は、実障害物と同じ位置に、実障害物と同じ形状で、実障害物よりも一回り大きく仮想障害物Ｂ１，Ｂ２を設定している。仮想障害物Ｂ１，Ｂ２は、スレーブロボット３０が衝突を避けるべき仮想的な障害物である。なお、モニタ等（表示装置）に、スレーブロボット３０のシミュレーション画像及び仮想障害物Ｂ１，Ｂ２を表示してもよいし、表示しなくてもよい。また、現実の景色に重ねて仮想画像を表示する眼鏡型表示装置において、仮想障害物Ｂ１，Ｂ２を、スレーブロボット３０に対応した位置に表示することもできる。

制御部３６は、スレーブロボット３０の各関節のエンコーダの検出結果、アーム３２の形状寸法、及び仮想障害物Ｂ１，Ｂ２の位置，形状，大きさ（位置等）に基づいて、アーム３２が仮想障害物Ｂ１，Ｂ２に衝突したか否かを判定する。図２は、スレーブロボット３０のアーム３２と仮想障害物Ｂ１との衝突状態を模式的に示す平面図である。図２に示すように、制御部３６は、アーム３２が仮想障害物Ｂ１に衝突したと判定した場合、衝突点Ｃにおける仮想障害物Ｂ１の外面Ｓに対する法線方向Ｎを算出する。詳しくは、仮想障害物Ｂ１の位置、形状、大きさ、及び衝突点Ｃの位置に基づいて、衝突点Ｃにおける外面Ｓに対する法線方向Ｎを算出する。そして、制御部３６は、衝突発生の情報と法線方向Ｎとを、マスタロボット２０の制御部２６へ送信する。

図３は、図２の衝突状態でのマスタロボット２０のアーム２２と、外力Ｆ１及びその成分Ｆ１ａ及びＦ１ｂを模式的に示す平面図である。スレーブロボット３０と位置基準を一致させた座標空間において、法線方向Ｎにａ軸をとり、ａ軸に垂直な方向にｂ軸をとっている。外力Ｆ１は、ユーザがマスタロボット２０に加えた力であり、その大きさ及び方向が力覚センサやトルクセンサにより検出される。外力Ｆ１のａ軸成分がＦ１ａであり、ｂ軸成分がＦ１ｂである。

マスタロボット２０の制御部２６は、スレーブロボット３０の制御部３６から衝突発生の情報と法線方向Ｎとを受信した場合に、以下の制御を行う。制御部２６は、ｂ軸方向と外力Ｆ１の大きさ及び方向とに基づいて（ｂ軸と外力Ｆ１との角度、及び外力Ｆ１の大きさに基づいて）、外力Ｆ１のｂ軸成分Ｆ１ｂを算出する。そして、外力Ｆ１の大きさ及び方向に基づく力制御に代えて、ｂ軸成分Ｆ１ｂの大きさ及び方向に基づく力制御により、アーム２２を動作させる。換言すれば、外力Ｆ１を、ａ軸方向（第１方向）の成分を０にし且つｂ軸方向（第２方向）の成分を維持した第１変換力（＝Ｆ１ｂ）に変換し、第１変換力の大きさ及び方向に基づいてマスタロボット２０を動作させる。すなわち、制御部２６は、仮想障害物Ｂ１，Ｂ２を押すようにスレーブロボット３０を動作させるマスタロボット２０のａ軸方向への動作を規制しつつ、マスタロボット２０の制御を継続する。詳しくは、制御部２６は、マスタロボット２０の法線方向Ｎへの動作を規制しつつ、仮想障害物Ｂ１の外面Ｓに沿うようにスレーブロボット３０を動作させるマスタロボット２０の法線方向Ｎに垂直な方向（第２方向）への動作を許容する。

そして、スレーブロボット３０の制御部３６は、スレーブロボット３０の各関節の角度を、マスタロボット２０の対応する各関節の角度に一致させるように、スレーブロボット３０の各関節のモータを制御する。その結果、仮想障害物Ｂ１にスレーブロボット３０が衝突した場合に、スレーブロボット３０のアーム３２は、仮想障害物Ｂ１の外面Ｓに沿うように動作する。

以上詳述した本実施形態は、以下の利点を有する。

・制御部２６は、設定部３７により設定された仮想障害物Ｂ１にスレーブロボット３０が衝突した場合に、仮想障害物Ｂ１を押すようにスレーブロボット３０を動作させるマスタロボット２０の法線方向Ｎ（ａ軸方向）への動作を規制する。このため、仮想障害物Ｂ１にスレーブロボット３０が衝突した場合に、スレーブロボット３０が仮想障害物Ｂ１を押すように動作すること、ひいては実障害物に衝突することを規制することができる。さらに、マスタロボット２０に力を加えているユーザは、マスタロボット２０の法線方向Ｎへの動作が規制されたことで、スレーブロボット３０が仮想障害物Ｂ１に衝突したこと、すなわち実障害物にスレーブロボット３０が衝突する危険性を把握することができる。

・制御部２６は、仮想障害物Ｂ１にスレーブロボット３０が衝突した場合に、マスタロボット２０の法線方向Ｎへの動作を規制しつつ、マスタロボット２０の制御を継続する。したがって、スレーブロボット３０が仮想障害物Ｂ１に衝突しても制御を中断しないようにすることができ、スレーブロボット３０を効率的に動作させることができる。

・制御部２６は、設定部３７により設定された仮想障害物Ｂ１にスレーブロボット３０が衝突した場合に、マスタロボット２０の法線方向Ｎへの動作を規制しつつ、仮想障害物Ｂ１に沿うようにスレーブロボット３０を動作させる、マスタロボット２０の法線方向Ｎに垂直な方向（ｂ軸方向）への動作を許容する。こうした構成によれば、仮想障害物Ｂ１にスレーブロボット３０が衝突した場合に、仮想障害物Ｂ１に沿うようにスレーブロボット３０を動作させることができる。したがって、仮想障害物Ｂ１に近接する位置までスレーブロボット３０を動作させることが容易となる。

・制御部２６は、設定部３７により設定された仮想障害物Ｂ１にスレーブロボット３０が衝突した場合に、ユーザにより加えられた力を法線方向Ｎの成分を０にし且つ法線方向Ｎに垂直な方向の成分を維持した第１変換力に変換し、第１変換力の大きさ及び方向に基づいてマスタロボット２０を動作させる。こうした構成によれば、仮想障害物Ｂ１にスレーブロボット３０が衝突した場合に、仮想障害物Ｂ１を押すようにスレーブロボット３０を動作させることを規制し、且つ仮想障害物Ｂ１に沿うようにスレーブロボット３０を動作させることを、簡単な演算により実現することができる。

・スレーブロボット３０は、マスタロボット２０よりも大型であり、制御装置（制御部２６，３６、設定部３７）は、スレーブロボット３０の動作の教示に用いられる。こうした構成によれば、スレーブロボット３０がマスタロボット２０よりも大型であり、ユーザがスレーブロボット３０に力を加えて動作を直接教示することが難しい場合に、マスタロボット２０の動作を通じてスレーブロボット３０の動作を教示することができる。

（第２実施形態）
以下、第２実施形態について、第１実施形態との相違点を中心に説明する。本実施形態では、外力のａ軸成分がｂ軸成分よりも小さいか否かにより、力制御に用いる変換力を変更している。なお、第１実施形態と同一の部分については、同一の符号を付すことにより説明を省略する。

図４は、図２の衝突状態でのマスタロボット２０のアーム２２と、外力Ｆ２の第１変換力Ｆ２ｃとを模式的に示す平面図である。Ｆ２ａは外力Ｆ２のａ軸成分であり、Ｆ２ｂは外力Ｆ２のｂ軸成分である。図４は、外力Ｆ２のａ軸成分Ｆ２ａがｂ軸成分Ｆ２ｂよりも小さい場合を示している。

この場合、マスタロボット２０の制御部２６は、ユーザにより加えられた力である外力Ｆ２を、ａ軸方向（第１方向）の成分を０にし且つｂ軸方向（第２方向）の成分を維持した第１変換力Ｆ２ｃに変換する。第１変換力Ｆ２ｃは、外力Ｆ２のｂ軸成分Ｆ２ｂと等しい。制御部２６は、外力Ｆ２の大きさ及び方向に基づく力制御に代えて、第１変換力Ｆ２ｃの大きさ及び方向に基づく力制御により、アーム２２を動作させる。そして、スレーブロボット３０の制御部３６は、スレーブロボット３０の各関節の角度を、マスタロボット２０の対応する各関節の角度に一致させるように、スレーブロボット３０の各関節のモータを制御する。

図５は、図２の衝突状態でのマスタロボット２０のアーム２２と、外力Ｆ３の第２変換力Ｆ３ｃとを模式的に示す平面図である。Ｆ３ａは外力Ｆ３のａ軸成分であり、Ｆ３ｂは外力Ｆ３のｂ軸成分である。図５は、外力Ｆ３のａ軸成分Ｆ３ａがｂ軸成分Ｆ３ｂよりも大きい場合を示している。

この場合、マスタロボット２０の制御部２６は、ユーザにより加えられた力である外力Ｆ３を、ａ軸方向（第１方向）の成分を０にし且つｂ軸方向（第２方向）の成分を縮小した第２変換力Ｆ３ｃに変換する。第２変換力Ｆ３ｃは、外力Ｆ３のｂ軸成分Ｆ３ｂに、ａ軸成分Ｆ３ａの大きさに対するｂ軸成分Ｆ３ｂの大きさの割合を掛けて算出する（Ｆ３ｃ＝Ｆ３ｂ×｜Ｆ３ｂ｜／｜Ｆ３ａ｜）。制御部２６は、外力Ｆ３の大きさ及び方向に基づく力制御に代えて、第２変換力Ｆ３ｃの大きさ及び方向に基づく力制御により、アーム２２を動作させる。そして、スレーブロボット３０の制御部３６は、スレーブロボット３０の各関節の角度を、マスタロボット２０の対応する各関節の角度に一致させるように、スレーブロボット３０の各関節のモータを制御する。

以上詳述した本実施形態は、以下の利点を有する。ここでは、第１実施形態と異なる利点のみを述べる。

・仮想障害物Ｂ１にスレーブロボット３０が衝突し、且つユーザにより加えられた力（外力Ｆ２）のａ軸方向の成分（Ｆ２ａ）がｂ軸方向の成分（Ｆ２ｂ）よりも小さい場合に、第１実施形態と同様の制御が行われる。このため、仮想障害物Ｂ１にスレーブロボット３０が衝突した場合に、仮想障害物Ｂ１を押すようにスレーブロボット３０を動作させることを規制し、且つ仮想障害物Ｂ１に沿うようにスレーブロボット３０を動作させることができる。さらに、外力Ｆ２において、スレーブロボット３０を仮想障害物Ｂ１に向かわせる方向のａ軸成分Ｆ２ａが仮想障害物Ｂ１に沿わせる方向のｂ軸成分Ｆ２ｂよりも小さい場合は、仮想障害物Ｂ１に沿わせる方向のｂ軸成分Ｆ２ｂ（＝Ｆ２ｃ）に従って、スレーブロボット３０を動作させることができる。

・仮想障害物Ｂ１にスレーブロボット３０が衝突し、且つユーザにより加えられた力（外力Ｆ３）のａ軸方向の成分（Ｆ３ａ）がｂ軸方向の成分（Ｆ３ｂ）よりも大きい場合は、外力Ｆ３のｂ軸成分Ｆ３ｂが縮小された第２変換力Ｆ３ｃの大きさ及び方向に基づいて、マスタロボット２０が動作させられる。詳しくは、外力Ｆ３において、スレーブロボット３０を仮想障害物Ｂ１に向かわせる方向のａ軸成分Ｆ３ａが仮想障害物Ｂ１に沿わせる方向のｂ軸成分Ｆ３ｂに対して大きいほど、第２変換力Ｆ３ｃが小さくされる。したがって、ユーザは、スレーブロボット３０が仮想障害物Ｂ１に沿う方向よりも仮想障害物Ｂ１を押す方向に動作しようとしていることを把握し易くなるとともに、スレーブロボット３０を慎重に動作させることができる。

なお、第２変換力Ｆ３ｃを、ｂ軸成分Ｆ３ｂの一律に半分や１／３の大きさに設定することもできる。こうした構成によれば、制御部２６は、第２変換力Ｆ３ｃを容易に算出することができる。

（第３実施形態）
以下、第３実施形態について、第１実施形態との相違点を中心に説明する。本実施形態では、外力のａ軸成分が０よりも大きいか否かにより、力制御に用いる変換力を変更している。なお、第１実施形態と同一の部分については、同一の符号を付すことにより説明を省略する。

図６は、図２の衝突状態でのマスタロボット２０のアーム２２と、外力Ｆ４の第３変換力Ｆ４ｃとを模式的に示す平面図である。Ｆ４ａは外力Ｆ４のａ軸成分であり、Ｆ４ｂは外力Ｆ４のｂ軸成分である。図６は、外力Ｆ４のａ軸成分Ｆ４ａが０よりも大きい場合を示している。

この場合、マスタロボット２０の制御部２６は、ユーザにより加えられた力である外力Ｆ４を、ａ軸方向（第１方向）の成分を０にし且つｂ軸方向（第２方向）の成分を０にした第３変換力Ｆ４ｃに変換する。第３変換力Ｆ４ｃの大きさは０である。制御部２６は、外力Ｆ４の大きさ及び方向に基づく力制御に代えて、第３変換力Ｆ４ｃ＝０の大きさ及び方向に基づく力制御により、アーム２２を動作させる。すなわち、制御部２６は、マスタロボット２０のａ軸方向への動作を規制する際にマスタロボット２０の動作全体を規制する。そして、スレーブロボット３０の制御部３６は、スレーブロボット３０の各関節の角度を、マスタロボット２０の対応する各関節の角度に一致させるように、スレーブロボット３０の各関節のモータを制御する。すなわち、制御部３６は、スレーブロボット３０の動作全体を規制する。

図７は、図２の衝突状態でのマスタロボット２０のアーム２２と、外力Ｆ５の第４変換力Ｆ５ｃとを模式的に示す平面図である。Ｆ５ａは外力Ｆ５のａ軸成分であり、Ｆ５ｂは外力Ｆ５のｂ軸成分である。図７は、外力Ｆ５のａ軸成分Ｆ５ａが０よりも小さい場合を示している。

この場合、マスタロボット２０の制御部２６は、ユーザにより加えられた力である外力Ｆ５を、そのまま第４変換力Ｆ５ｃとする。第４変換力Ｆ５ｃは外力Ｆ５と等しい。制御部２６は、第４変換力Ｆ５ｃ（＝Ｆ５）の大きさ及び方向に基づく力制御により、アーム２２を動作させる。そして、スレーブロボット３０の制御部３６は、スレーブロボット３０の各関節の角度を、マスタロボット２０の対応する各関節の角度に一致させるように、スレーブロボット３０の各関節のモータを制御する。

以上詳述した本実施形態は、以下の利点を有する。ここでは、第１実施形態と異なる利点のみを述べる。

・仮想障害物Ｂ１にスレーブロボット３０が衝突した場合に、仮想障害物Ｂ１から離れるようにスレーブロボット３０を動作させるマスタロボット２０の動作しか許容されなくなる。このため、仮想障害物Ｂ１にスレーブロボット３０が衝突した場合に、仮想障害物Ｂ１から離れるようにスレーブロボット３０を動作させることをユーザに促すことができる。

・外力Ｆ５において、ａ軸成分Ｆ５ａが仮想障害物Ｂ１からスレーブロボット３０を離す方向の成分である場合は、外力Ｆ５に従ってそのままスレーブロボット３０を動作させることができる。このため、仮想障害物Ｂ１からスレーブロボット３０を速やかに離すことができる。

なお、上記の各実施形態を、以下のように変更して実施することもできる。上記の各実施形態と同一の部分については、同一の符号を付すことにより説明を省略する。

・ハンド２３の開閉ボタン２２ｂ及び位置取込ボタン２２ｃの一方のみを、マスタロボット２０に設けることもできる。また、ユーザにより操作された場合に操作されたことを通知する操作部として、押し下げ式のボタン２２ｂ，２２ｃに限らず、スライド式のスイッチや押し倒し式のレバー等を採用することもできる。

・設定部３７は、スレーブロボット３０の周囲環境に実際に存在する実障害物と同じ位置に同じ大きさで、仮想障害物Ｂ１，Ｂ２を設定することもできる。

・スレーブロボット３０のアーム３２の先端部に限らず、アーム３２の肘等（中間部）が仮想障害物Ｂ１，Ｂ２に衝突した場合に、上記の各実施形態を実施することもできる。

・マスタロボット２０の基台２１の内部に、上記設定部３７に準じた設定部が設けられていてもよい。設定部は、マスタロボット２０の周囲に仮想障害物を設定する。仮想障害物は、例えば、マスタロボット２０とスレーブロボット３０との大きさの違いを考慮して、スレーブロボット３０の周囲環境に実際に存在する実障害物の位置と大きさとに対応させて設定してもよいし、実障害物よりも一回り大きい大きさに対応させて設定してもよい。なお、モニタ等（表示装置）に、マスタロボット２０のシミュレーション画像及び仮想障害物を表示してもよいし、表示しなくてもよい。また、現実の景色に重ねて仮想画像を表示する眼鏡型表示装置において、仮想障害物を、マスタロボット２０に対応した位置に表示することもできる。

そして、制御部２６は、設定部により設定された仮想障害物にマスタロボット２０が衝突した場合に、仮想障害物を押すマスタロボット２０の法線方向Ｎ（ａ軸方向）への動作を規制する。こうした構成によれば、仮想障害物にマスタロボット２０が衝突した場合、すなわち実障害物にスレーブロボット３０が衝突した又は衝突する危険が生じた場合に、スレーブロボット３０が実障害物を押すように動作することを規制することができる。さらに、マスタロボット２０に力を加えているユーザは、マスタロボット２０のａ軸方向（第１方向）への動作が規制されたことで、スレーブロボット３０が実障害物に衝突した又は衝突する危険が生じたことを把握することができる。

また、制御部２６は、仮想障害物にマスタロボット２０が衝突した場合に、マスタロボット２０のａ軸方向への動作を規制しつつ、マスタロボット２０の制御を継続する。こうした構成によれば、マスタロボット２０が仮想障害物Ｂ１に衝突しても制御を中断しないようにすることができ、スレーブロボット３０を効率的に動作させることができる。なお、上記の場合、マスタロボット２０の制御部２６及び設定部、並びにスレーブロボット３０の制御部３６により、主従ロボットの制御装置が構成される。また、マスタロボット２０の周囲に仮想障害物を設定した場合も、スレーブロボット３０をマスタロボット２０に読み替えて、第１～第３実施形態と同様の制御を行うことができる。

・制御装置（制御部２６，３６、設定部３７）は、スレーブロボット３０の動作の教示に用いられず、マスタロボット２０及びスレーブロボット３０を制御するだけでもよい。また、スレーブロボット３０は、マスタロボット２０と同じ大きさや、マスタロボット２０よりも小型であってもよい。

・マスタロボット２０及びスレーブロボット３０は、６軸の垂直多関節型ロボットに限らず、５軸以下又は７軸以上の垂直多関節型のロボットや、水平多関節型のロボットであってもよい。

２０…マスタロボット（主ロボット）、２２…アーム、２６…制御部、３０…スレーブロボット（従ロボット）、３２…アーム、３６…制御部、３７…設定部。

Claims (3)

1. ユーザにより加えられた力の大きさ及び方向に基づいて動作する主ロボットと、前記主ロボットに倣った動作を追従して行う従ロボットと、を制御する制御装置であって、
   前記従ロボットの周囲に仮想障害物を設定する設定部と、
   前記設定部により設定された前記仮想障害物に前記従ロボットが衝突した場合に、前記仮想障害物を押すように前記従ロボットを動作させる前記主ロボットの第１方向への動作を規制しつつ、前記主ロボットの制御を継続する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記設定部により設定された前記仮想障害物に前記従ロボットが衝突した場合に、前記主ロボットの前記第１方向への動作を規制しつつ、前記仮想障害物に沿うように前記従ロボットを動作させる前記主ロボットの第２方向への動作を許容し、
   前記制御部は、前記設定部により設定された前記仮想障害物に前記従ロボットが衝突した場合に、前記ユーザにより加えられた前記力を、前記第１方向の成分を０にし且つ前記第２方向の成分を維持した第１変換力に変換し、前記第１変換力の大きさ及び方向に基づいて前記主ロボットを動作させる、主従ロボットの制御装置。
2. ユーザにより加えられた力の大きさ及び方向に基づいて動作する主ロボットと、前記主ロボットに倣った動作を追従して行う従ロボットと、を制御する制御装置であって、
   前記従ロボットの周囲に仮想障害物を設定する設定部と、
   前記設定部により設定された前記仮想障害物に前記従ロボットが衝突した場合に、前記仮想障害物を押すように前記従ロボットを動作させる前記主ロボットの第１方向への動作を規制しつつ、前記主ロボットの制御を継続する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記設定部により設定された前記仮想障害物に前記従ロボットが衝突した場合に、前記主ロボットの前記第１方向への動作を規制しつつ、前記仮想障害物に沿うように前記従ロボットを動作させる前記主ロボットの第２方向への動作を許容し、
   前記制御部は、
   前記設定部により設定された前記仮想障害物に前記従ロボットが衝突し、且つ前記ユーザにより加えられた前記力の前記第１方向の成分が前記第２方向の成分よりも小さい場合に、前記ユーザにより加えられた前記力を、前記第１方向の成分を０にし且つ前記第２方向の成分を維持した第１変換力に変換し、前記第１変換力の大きさ及び方向に基づいて前記主ロボットを動作させ、
   前記設定部により設定された前記仮想障害物に前記従ロボットが衝突し、且つ前記ユーザにより加えられた前記力の前記第１方向の成分が前記第２方向の成分よりも大きい場合に、前記ユーザにより加えられた前記力を、前記第１方向の成分を０にし且つ前記第２方向の成分を縮小した第２変換力に変換し、前記第２変換力の大きさ及び方向に基づいて前記主ロボットを動作させる、主従ロボットの制御装置。
3. 前記従ロボットは、前記主ロボットよりも大型であり、
   前記制御装置は、前記従ロボットの動作の教示に用いられる、請求項１又は２に記載の主従ロボットの制御装置。

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