JP7483597B2 - Wearable Robot - Google Patents
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Description
本発明は、装着型ロボットに関するものである。 The present invention relates to a wearable robot.
近年、少子高齢化の進展に伴い、建築現場でもロボットを導入し、人間の負荷を軽減しようという取り組みが進められている。例えば、特許文献1には、天井パネルの施工を行うビス打ちロボットおよび天井パネル搬送ロボットが開示されている。また、特許文献2には、台車型の移動ロボットに多関節アームを取り付けることで構成され、天井パネルのビス打ちなど内装作業を行うロボット装置が開示されている。 In recent years, with the declining birthrate and aging population, efforts are being made to reduce the burden on humans at construction sites by introducing robots. For example, Patent Document 1 discloses a screw-driving robot and a ceiling panel transport robot that install ceiling panels. Patent Document 2 discloses a robot device that is composed of a cart-type mobile robot with a multi-joint arm attached, and that performs interior work such as driving screws into ceiling panels.
しかしながら、建築現場には様々な環境が存在するため、特許文献1および特許文献2に開示されている従来のロボット装置には困難な作業がある。また、建築現場においては、人とロボットが共存し、共同作業や分担作業など、協働できるようにすることがロボット装置を活用する上で有効である。人とロボットとを協働させるには、人体にアーム型ロボットを装着させることも有効である。 However, because construction sites involve a variety of environments, there are tasks that are difficult for the conventional robotic devices disclosed in Patent Documents 1 and 2 to perform. Furthermore, at construction sites, it is effective in utilizing robotic devices to enable people and robots to coexist and work together, such as by working together or sharing tasks. To enable people and robots to work together, it is also effective to have an arm-type robot attached to the human body.
人体にロボットを装着させた場合、人体が傾斜すると、ロボットが変位する。そこで、人体の傾斜に応じて、ロボットの姿勢を補正する必要が生じる。ロボットの姿勢の補正量が比較的大きい場合、ロボットの動きの変化が比較的大きくなる。よって、人体に作用する力が比較的大きくなるため、人体の安定性が低下する。 When a robot is attached to a human body, the robot will be displaced if the human body tilts. This makes it necessary to correct the robot's posture in accordance with the tilt of the human body. If the amount of correction to the robot's posture is relatively large, the change in the robot's movement will be relatively large. As a result, the force acting on the human body will be relatively large, reducing the stability of the human body.
本発明は、上述した課題を解決するもので、装着型ロボットにおいて、人体の安定性の低下を抑制することを目的とする。 The present invention aims to solve the above-mentioned problems and to prevent a decrease in the stability of the human body in a wearable robot.
上記目的を達成するために、本発明の装着型ロボットは、人体に装着される多関節アームと、多関節アームの姿勢を検出するセンサと、多関節アームの先端位置を補正する制御装置と、を備え、制御装置は、センサの検出結果に基づいて、人体が揺動したか否かを判定し、人体が揺動したと判定された場合、多関節アームの先端位置の補正が人体に与える影響度を推定し、推定された影響度が所定値より小さい場合、多関節アームの先端位置の補正を実行する。 To achieve the above objective, the wearable robot of the present invention comprises a multi-joint arm attached to the human body, a sensor for detecting the posture of the multi-joint arm, and a control device for correcting the tip position of the multi-joint arm. The control device determines whether the human body has swung based on the detection result of the sensor, and if it is determined that the human body has swung, estimates the degree of effect that correction of the tip position of the multi-joint arm will have on the human body, and if the estimated degree of effect is less than a predetermined value, corrects the tip position of the multi-joint arm.
本発明の装着型ロボットによれば、人体の安定性の低下を抑制することができる。 The wearable robot of the present invention can prevent the deterioration of the stability of the human body.
<第1実施形態>
以下、本発明の第1実施形態における装着型ロボットについて、図面を参照しながら説明する。以下では、図1における上側および下側をそれぞれ装着型ロボット1の上方および下方として説明する。
First Embodiment
A wearable robot according to a first embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following description, the upper and lower sides in FIG. 1 are respectively above and below the wearable robot 1.
装着型ロボット1は、人と協働して作業を行うロボットである。装着型ロボット1は、図1に示すように、装着部10、多関節アーム20、センサ30、カメラ40、および、制御装置50を備えている。
The wearable robot 1 is a robot that works in collaboration with humans. As shown in FIG. 1, the wearable robot 1 includes a
装着部10は、多関節アーム20を使用者の人体Hに固定するためのものである。装着部10は、人体Hに着脱可能に構成されている。装着部10は、背負部11および複数のベルト12を備えている。背負部11は、直方体状に形成され、人体Hに背負われることで装着される。複数のベルト12は、背負部11を人体Hに固定するものである。本実施形態においてベルト12の本数は2つであるが、これに限定されないことは言うまでもない。背負部11の上側には、多関節アーム20が取り付けられている。
The
多関節アーム20は、マニピュレータである。多関節アーム20は、土台21、複数のリンク22,23,24、複数の関節部J、ハンド25、複数の駆動部M、および、複数の角度検出部Eを備えている。
The
なお、図1に示す関節部Jの個数は4つ、並びに、駆動部Mの個数および角度検出部Eの個数は5つあるが、これに限定されないことは言うまでもない。本実施形態において、第1~3の関節部J1~J3それぞれは、1つの軸線を有している。また、第4の関節部J4は、互いに直交する2つの軸線を有している。よって、多関節アーム20は5つの自由度を有しているが、自由度がこれに限定されないことは言うまでもない。
Note that, although the number of joints J shown in FIG. 1 is four, and the number of drive units M and angle detection units E is five, it goes without saying that this is not limited to this. In this embodiment, the first to third joints J1 to J3 each have one axis. Furthermore, the fourth joint J4 has two axes that are perpendicular to each other. Thus, the
土台21は、背負部11の上面に取り付けられている。土台21には、第1の関節部J1を介して第1のリンク22の第1端部が接続されている。第1の関節部J1は、土台21に対して第1のリンク22を1つの軸線回りに回転させるように動作する。
The
第1のリンク22の第2端部には、第2の関節部J2を介して、第2のリンク23の第1端部が接続されている。第2の関節部J2は、第1のリンク22に対して第2のリンク23を1つの軸線回りに回転させるように動作する。
The second end of the
第2のリンク23の第2端部には、第3の関節部J3を介して、第3のリンク24の第1端部が接続されている。第3の関節部J3は、第2のリンク23に対して第3のリンク24を1つの軸線回りに回転させるように動作する。
The second end of the
第3のリンク24の第2端部には、第4の関節部J4を介して、ハンド25が接続されている。第4の関節部J4は、第3のリンク24に対してハンド25を互いに直交する2つの軸線回りに回転させるように動作する。
The
ハンド25は、目的の作業のワークを把持するものである。目的の作業は、例えば建築現場で天井パネルを持ち上げる作業である。ワークは、例えば天井パネルである。
The
複数の駆動部Mは、各関節部Jに配置され、各関節部Jに接続された部材を、軸線回りに回転させる。複数の駆動部Mは、制御装置50に制御され、各関節部Jひいては多関節アーム20を動作させる。駆動部Mは、例えばモータである。
The multiple drive units M are disposed at each joint J and rotate the members connected to each joint J around an axis. The multiple drive units M are controlled by the
複数の角度検出部Eは、各駆動部Mに配置され、各駆動部Mの回転角度を検出する。各駆動部Mの回転角度は、各関節部Jの関節角度に相当する。 Multiple angle detection units E are arranged on each drive unit M and detect the rotation angle of each drive unit M. The rotation angle of each drive unit M corresponds to the joint angle of each joint unit J.
センサ30は、土台21に配置され、多関節アーム20の姿勢を検出するものである。多関節アーム20の姿勢は、多関節アーム20の鉛直方向に対する角度であり、具体的には、土台21に配置された基準点Pを原点として鉛直方向に対して土台21が傾斜した角度Cである(図3)。センサ30は、単位時間の角度の変化量、すなわち、角速度を検出する。センサ30は、例えばジャイロセンサである。なお、センサ30は、重力センサ、すなわち、鉛直方向に対する角度を検出する加速度センサでもよい。センサ30の検出結果は、制御装置50に送信される。
The
カメラ40は、土台21に配置され、目的の作業を行う作業箇所の画像を取得する。カメラ40が取得した画像は、制御装置50に送信される。
The
制御装置50は、装着型ロボット1を統括制御するコンピュータである。制御装置50は、多関節アーム20の動作を制御する。また、多関節アーム20の動作の制御は、後述するように、人体Hが揺動したことによって生じる多関節アーム20の姿勢の変化に応じて、多関節アーム20の先端位置を補正することを含む。多関節アーム20の先端位置は、基準点Pから見たハンド25の位置である。以下、多関節アーム20の先端位置を、ハンド25の位置と記載する場合がある。
The
人体Hの揺動は、人体Hが揺れ動いたり、傾斜したりすることである。多関節アーム20の先端位置の補正とは、人体Hの揺動によって移動した多関節アーム20の先端位置を人体Hの揺動前の位置に近づけることである。
The swinging of the human body H refers to the swinging or tilting of the human body H. Correcting the tip position of the
本実施形態において多関節アーム20の先端位置の補正は、多関節アーム20が動作していない場合に実行される。多関節アーム20が動作していない場合とは、複数の関節部Jそれぞれが回転していない場合である。多関節アーム20が動作していない場合に、例えば、装着型ロボット1が目的の作業を行うためにハンド25がワークを把持し、かつ、人体Hが動いていない状態のとき、ハンド25ひいてはワークは静止している。すなわち、多関節アーム20が動作していないためにハンド25が静止している状態で、人体Hが揺動したことにより、多関節アーム20の先端位置の補正が行われた場合、ハンド25が静止し続けるように、多関節アーム20は動作する。
In this embodiment, the tip position of the
制御装置50は、図2に示すように、入力部51、角度算出部52、揺動判定部53、補正角度算出部54、影響度推定部55、補正実行決定部56、軌道生成部57、目標角度生成部58、目標角度加算部59、角度誤差計算部60、および、出力部61を備えている。制御装置50は、専用のハードウエアまたはソフトウェアを実行するプロセッサによって構成されている。つまり、制御装置50は、制御装置50の記憶領域(不図示)に予め格納されている所定のプログラムを実行することにより、角度算出部52、揺動判定部53、補正角度算出部54、影響度推定部55、補正実行決定部56、軌道生成部57、目標角度生成部58、目標角度加算部59、角度誤差計算部60、および、出力部61として機能する。
2, the
入力部51は、センサ30の検出結果および角度検出部Eの検出結果を取得する。角度検出部Eの検出結果は、制御装置50の記憶領域に時系列に沿って記憶される。
The
角度算出部52は、多関節アーム20の現在の角度を算出する。多関節アーム20の現在の角度は、多関節アーム20の土台21が鉛直方向に対して傾斜した角度である(図3)。角度算出部52は、具体的には、センサ30が検出した角速度を入力部51から取得して、取得した角速度を積分することで、多関節アーム20の現在の角度を算出する。
The
揺動判定部53は、多関節アーム20が動作していない場合において人体Hが揺動したか否かを判定する。揺動判定部53は、今回取得した角度検出部Eの検出結果と、記憶領域に記憶され前回取得した角度検出部Eの検出結果とを比較する。両検出結果が変化している場合、揺動判定部53は、多関節アーム20が動作している判定する。揺動判定部53は、多関節アーム20が動作していると判定した場合、多関節アーム20の現在の角度をゼロとして補正角度算出部54に送信する。
The
一方、今回取得した角度検出部Eの検出結果と、記憶領域に記憶され前回取得した角度検出部Eの検出結果とが比較され、検出結果が変化していない場合、揺動判定部53は、多関節アーム20が動作していないと判定する。なお、揺動判定部53は、今回取得した角度検出部Eの検出結果と、記憶領域に記憶され前回までに取得した複数の角度検出部Eの検出結果とを比較して、多関節アーム20が動作していないか否かを判定してもよい。
On the other hand, the detection result of the angle detection unit E acquired this time is compared with the detection result of the angle detection unit E acquired last time and stored in the memory area, and if the detection result has not changed, the
揺動判定部53は、多関節アーム20が動作していないと判定した場合、入力部51を介してセンサ30から送信される角速度、および、角度算出部52から送信される多関節アーム20の現在の角度を取得する。揺動判定部53は、取得した角速度が所定角速度より小さい場合、人体Hが揺動していないと判定する。揺動判定部53は、人体Hが揺動していないと判定した場合、多関節アーム20の現在の角度をゼロとして補正角度算出部54に送信する。
When the
一方、揺動判定部53は、取得した角速度が所定角速度以上である場合、人体Hが揺動したと判定する。揺動判定部53は、人体Hが揺動したと判定した場合、取得した多関節アーム20の現在の角度を補正角度算出部54に送信する。
On the other hand, if the acquired angular velocity is equal to or greater than the predetermined angular velocity, the
補正角度算出部54は、人体Hの揺動に応じて多関節アーム20の先端位置を補正するために、各関節部Jの関節角度を補正する補正角度を算出する。
The correction
補正角度算出部54は、揺動判定部53からゼロを取得した場合、補正角度をゼロにして影響度推定部55に送信する。補正角度がゼロである場合、各関節部Jの関節角度が補正されないため、多関節アーム20の先端位置は、補正されない。補正角度算出部54が補正角度をゼロにして送信する場合は、揺動判定部53によって、多関節アーム20が動作していると判定された場合、あるいは、多関節アーム20が動作していないときに人体Hが揺動していないと判定された場合である。よって、多関節アーム20が動作していると判定された場合、あるいは、多関節アーム20が動作していないときに人体Hが揺動していない場合、多関節アーム20の先端位置は、補正されない。
When the correction
一方、補正角度算出部54は、揺動判定部53からゼロより大きい多関節アーム20の現在の角度を取得したことに応じて、入力部51を介して角度検出部Eから現在の各関節部Jの関節角度を取得する。補正角度算出部54は、取得した現在の各関節部Jの関節角度を用いて、運動学に基づいて、人体Hの揺動がない場合のハンド25の位置を算出する。
Meanwhile, in response to acquiring the current angle of the
続けて、補正角度算出部54は、人体Hが揺動した状態において、人体Hの揺動がない場合のハンド25の算出された位置にハンド25を位置させるために必要な各関節部Jの関節角度を、各関節部Jの修正角度として算出する。補正角度算出部54は、具体的には、人体Hの揺動がない場合のハンド25の算出された位置、および、取得した多関節アーム20の現在の角度を用いて、逆運動学に基づいて、修正角度を算出する。
Then, the correction
さらに、補正角度算出部54は、算出された各関節部Jの修正角度と、取得した現在の各関節部Jの関節角度との差を、各関節部Jの補正角度として算出し、算出した各関節部Jの補正角度を影響度推定部55に送信する。
Furthermore, the correction
影響度推定部55は、ハンド25の位置の補正が人体Hに与える影響度を推定する。影響度推定部55は、具体的には、補正角度算出部54から取得した各関節部Jの補正角度を用いて、各関節部Jの関節角度ひいては多関節アーム20の先端位置を補正した場合における人体Hに加わる力を影響度として推定する。補正による多関節アーム20の動作ひいては人体Hに加わる力が大きくなるにしたがって、影響度は大きくなる。各関節部Jの補正角度と影響度との関係は、実験等によって実測されて予め導出されている。影響度推定部55は、取得した補正角度および推定された影響度を補正実行決定部56に送信する。なお、影響度推定部55は、補正角度としてゼロを取得した場合、影響度を後述する所定値より小さい値に導出する。
The
補正実行決定部56は、多関節アーム20の先端位置を補正するか否かを決定する。補正実行決定部56は、取得した影響度が所定値より小さい場合、多関節アーム20の先端位置の補正を実行すると決定し、取得した補正角度を目標角度加算部59に送信する。影響度が所定値より小さい場合、多関節アーム20の先端位置が補正されても、人体Hの安定性が確保されるように、所定値は設定されている。
The correction
一方、影響度が所定値以上である場合、多関節アーム20の先端位置が補正されると、人体Hが揺動しているところに、補正によって比較的大きい力が人体Hに作用するため、人体Hの安定性が低下する。そこで、取得した影響度が所定値以上である場合、多関節アーム20の先端位置の補正を実行しないと判定し、補正角度をゼロとして目標角度加算部59に送信する。
On the other hand, if the degree of influence is equal to or greater than a predetermined value, when the tip position of the
軌道生成部57は、装着型ロボット1の電源がオンされている場合にハンド25の目標位置および移動時間を所定のタイミング(例えば所定時間毎)にて取得する。軌道生成部57は、ハンド25の現在位置、並びに、取得した移動時間およびハンド25の目標位置に基づいて、現在位置から目標位置まで移動時間で移動するハンド25の位置の軌道を示す時系列データを生成する。ハンド25の現在の位置は、前回取得したハンド25の目標位置である。軌道生成部57は、取得したハンド25の目標位置を制御装置50の記憶領域に時系列に沿って記憶する。
When the wearable robot 1 is powered on, the
例えば、装着型ロボット1に目的の作業を行わせる場合、ハンド25を移動させるために前回入力されたハンド25の目標位置とは異なるハンド25の目標位置が入力される。目的の作業が天井パネルの持ち上げ作業である場合、例えば使用者の目標位置を設定するスイッチ(不図示)の操作によって、制御装置50がカメラ40を制御して、天井パネルを位置させる天井の画像を取得する。制御装置50は、取得した画像に対して所定の画像処理を行い、天井パネルを持ち上げる位置ひいてはハンド25の目標位置を算出する。算出されたハンド25の目標位置は軌道生成部57が取得する。また、移動時間は、算出されたハンド25の目標位置と現在のハンド25の位置との距離に基づいて算出されて、軌道生成部57が取得する。
For example, when the wearable robot 1 is made to perform a target task, a target position of the
一方、ハンド25を移動させる旨の指示を制御装置50が取得していない場合、前回入力されたハンド25の目標位置および移動時間が繰り返し入力される。
On the other hand, if the
軌道生成部57は、ハンド25の現在位置からハンド25の目標位置まで、生成した時系列データに沿って順にハンド25の位置を、目標角度生成部58に送信する。
The
目標角度生成部58は、軌道生成部57から取得したハンド25の位置を用いて、逆運動学に基づいて、各関節部Jについて目標角度を生成する。
The target
目標角度加算部59は、生成された各関節部Jの目標角度に、取得した各関節部Jの補正角度を加算する。
The target
角度誤差計算部60は、入力部51を介して角度検出部Eから現在の各関節部Jの関節角度を取得して、各関節部Jについて、取得した現在の関節角度と、補正角度を加算された目標角度との差分を算出する。
The angle
出力部61は、角度誤差計算部60によって算出された各関節部Jの差分を用いて、各駆動部Mについて目標とする角速度を算出する。出力部61は、PID補償器を含んで構成されている。すなわち、出力部61は、定数の対角行列である比例、微分、積分の3つのゲインを適切に調整することにより、差分をゼロに収束させるように目標とする角速度を算出する。出力部61は、算出した角速度を制御信号として各駆動部Mに出力する。
The
次に、図4に示されるフローチャートを参照しながら、上述した制御装置50が実行するプログラム、および、プログラムが実行された場合の装着型ロボット1の動作について説明する。本実施形態において、プログラムは、装着型ロボット1の電源がオンされている場合に繰り返し実行される。
Next, with reference to the flowchart shown in FIG. 4, the program executed by the
揺動判定部53は、S10にて、多関節アーム20が動作していないときにおいて人体Hが揺動したか否かを判定する。多関節アームが動作している場合、あるいは、多関節アーム20が動作していないときにおいて人体Hが揺動していないことにより、センサ30によって計測された角速度が所定角速度より小さい場合(S10にてNO)、補正角度算出部54は、S12にて補正角度をゼロにして、プログラムをS16に進める。
In S10, the
一方、多関節アーム20が動作していないときにおいて人体Hが揺動したことにより、センサ30によって計測された角速度が所定角速度以上である場合(S10にてYES)、補正角度算出部54は、S14にて、補正角度を算出する。
On the other hand, if the angular velocity measured by the
続けて、影響度推定部55は、S16にて、影響度を推定する。さらに、補正実行決定部56は、S18にて、影響度が所定値以上であるか否かを判定する。人体Hの揺動が比較的小さいことにより、影響度が所定値より小さい場合(S18にてNO)、補正実行決定部56は、S20にて、補正を実行する決定をして、プログラムを終了する。
Then, the
補正が実行される場合、目標角度加算部59が補正角度を目標角度に加算して、出力部61は、目標角度に応じた制御信号を各関節部Jの駆動部Mに出力する。よって、多関節アーム20が動作していない場合において人体Hが揺動しても、駆動部Mの回転角度ひいては多関節アーム20の動作が補正されるため、ハンド25は、目標位置からのズレが抑制された位置に到達することができる。
When correction is performed, the
一方、人体Hの揺動が比較的大きいことにより、影響度が所定値以上である場合(S18にてYES)、補正実行決定部56は、S22にて補正を実行しない決定をして、プログラムを終了する。
On the other hand, if the swaying of the human body H is relatively large and the degree of influence is equal to or greater than the predetermined value (YES in S18), the correction
補正が実行されない場合、目標角度加算部59がゼロを目標角度に加算して、出力部61は、目標角度に応じた制御信号を各関節部Jの駆動部Mに出力する。よって、駆動部Mの回転角度ひいては多関節アーム20の動作が補正されないため、人体Hの安定性が確保される。
When no correction is performed, the
<第2実施形態>
次に、本発明の第2実施形態における装着型ロボット1について、主として上述した第1実施形態とは異なる部分について、図5乃至図8を用いて説明する。第2実施形態の制御装置50は、駆動制限部162および位置判定部163をさらに備えている(図5)。
Second Embodiment
Next, the wearable robot 1 according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to Fig. 5 to Fig. 8, mainly focusing on the differences from the first embodiment. The
駆動制限部162は、多関節アーム20が動作していない場合において人体Hが揺動したと揺動判定部53が判定した場合、複数の関節部Jのうち一部の関節部Jの動作を制限する。駆動制限部162は、具体的には、影響度推定部55によって推定された影響度が所定値以上である場合に、一部の関節部Jの動作を制限する。
When the
また、駆動制限部162は、動作を制限する関節部Jを、所定の優先順にしたがって決定する。所定の優先順は、多関節アーム20の先端側に配置された関節部Jよりも多関節アーム20の基端側に配置された関節部Jを優先して制限するように定められている。
The
例えば、多関節アーム20の基端側に配置された関節部Jである第1,2の関節部J1,J2の動作を制限した場合、多関節アーム20の動作の補正は、第3,4の関節部J3,J4を動作させて行う。第3,4の関節部J3,J4が動作する場合、多関節アーム20における第3の関節部J3から先端側が動作する(図6)。なお、図6において、動作前の多関節アーム20は破線にて示され、動作後の多関節アーム20は実線にて示されている。
For example, when the movement of the first and second joints J1 and J2, which are the joints J arranged on the base end side of the
これに対して、多関節アーム20の先端側に配置された関節部Jである第3,4の関節部J3,J4の動作を制限した場合、多関節アーム20の動作の補正は、第1,2の関節部J1,J2を動作させて行う。第1,2の関節部J1,J2が動作する場合、多関節アーム20における第3の関節部J3から基端側が動作する(図7)。なお、図7において、動作前の多関節アーム20は破線にて示され、動作後の多関節アーム20は実線にて示されている。
In contrast, when the movement of the third and fourth joints J3 and J4, which are the joints J located at the tip side of the
図6および図7にて、破線にて示すようにハンド25が上方に向けて開放する状態から、実線にて示すようにハンド25が右上方に向けて開放する状態に多関節アーム20を動作させる場合、多関節アーム20における第3の関節部J3から先端側が動作した場合よりも、多関節アーム20における第3の関節部J3から基端側が動作した場合の方が、多関節アーム20の動作ひいては影響度が大きい。そこで、所定の優先順は、算出される影響度が小さくなるように、多関節アーム20の先端側に配置された関節部Jよりも多関節アーム20の基端側に配置された関節部Jを優先して制限するように定められている。
6 and 7, when the
また、第2実施形態の補正角度算出部54は、駆動制限部162が関節部Jの一部の動作を制限した場合、動作の対象となる関節部Jの関節角度を補正する補正角度を算出する。
In addition, the correction
位置判定部163は、駆動制限部162が複数の関節部Jの一部の動作を制限した状態において多関節アーム20の先端位置の補正をした場合における、多関節アーム20の先端位置が許容範囲内にあるか否かを判定する。
The
位置判定部163は、人体Hが揺動する直前の多関節アーム20の先端位置と、人体Hが揺動したことにより補正された多関節アーム20の先端位置との距離を算出する。人体Hが揺動する直前の多関節アーム20の先端位置は、人体Hが揺動していない場合、すなわち、多関節アーム20の現在の角度をゼロとした場合における現在の各関節部Jの関節角度を用いて算出される位置である。
The
人体Hが揺動すると、多関節アーム20の先端は、揺動する直前の位置から人体Hの揺動角度に応じた距離移動する。ここで、補正が入ると、多関節アーム20の先端は、人体Hが揺動する直前に位置していた位置に近づく。つまり、人体Hが揺動したことにより補正された多関節アーム20の先端位置は、人体Hが揺動することによって多関節アーム20の先端が位置することになる位置を始点として、各関節部Jの関節角度が補正角度を用いて補正されることで多関節アーム20の先端が移動する先の位置である。人体Hが揺動することによって多関節アーム20の先端が位置することになる位置は、多関節アーム20の現在の角度を用いて算出される。
When the human body H swings, the tip of the
人体Hが揺動する直前の多関節アーム20の先端位置と、人体Hが揺動したことにより補正された多関節アーム20の先端位置との距離が所定距離以下である場合、位置判定部163は、多関節アーム20の先端位置が許容範囲内にあると判定する。
If the distance between the tip position of the
一方、人体Hが揺動する直前の多関節アーム20の先端位置と、人体Hが揺動したことにより補正された多関節アーム20の先端位置との距離が所定距離より大きい場合、位置判定部163は、多関節アーム20の先端位置が許容範囲内にないと判定する。
On the other hand, if the distance between the tip position of the
次に、図8に示されるフローチャートを参照しながら、第2実施形態の制御装置50が実行するプログラム、および、プログラムが実行された場合の装着型ロボット1の動作について説明する。第2実施形態において、プログラムは、装着型ロボット1が目的の作業を行っている場合に繰り返し実行される。
Next, with reference to the flowchart shown in FIG. 8, the program executed by the
装着型ロボット1が目的の作業を行っている場合、上述したように、出力部61から目標とする角速度が制御信号として各関節部Jの駆動部Mに出力され、各関節部Jひいては多関節アーム20が動作して、ハンド25が目標位置に向けて移動している。
When the wearable robot 1 is performing a target task, as described above, the
なお、図8のフローチャートにおけるS10~S20は、図4のフローチャートにおけるS10~S20と同じである。よって、図8のフローチャートのS30から説明する。 Note that steps S10 to S20 in the flowchart in FIG. 8 are the same as steps S10 to S20 in the flowchart in FIG. 4. Therefore, the explanation will begin with step S30 in the flowchart in FIG. 8.
人体Hの揺動が比較的大きいことにより、影響度が所定値以上である場合(S18にてYES)、駆動制限部162は、S30にて、一部の関節部Jの動作を制限する。駆動制限部162は、所定の優先順にしたがって、複数の関節部Jのうち1つの関節部Jの動作を制限する。駆動制限部162は、具体的には、多関節アーム20の最も基端側にある第1の関節部J1の動作を制限する。動作を制限された関節部Jを駆動する駆動部Mは、制御対象外となる。
If the degree of influence is equal to or greater than a predetermined value due to a relatively large swing of the human body H (YES in S18), the
続けて、S32にて、制御対象となる駆動部Mの個数が1個以上であるか否かが判定される。第1の関節部J1の動作が制限された場合、第2~第4の関節部J2~J4における駆動部Mが制御対象となる。第2,3の関節部J2,J3には駆動部Mが1つずつ配置され、第4の関節部J4には駆動部Mが2つ配置されているため、制御対象となる駆動部Mは4つである。この場合(S32にてYES)、位置判定部163は、S34にて、一部の関節部Jの動作が制限された状態で、補正された多関節アーム20の先端位置が許容範囲内であるか否かを判定する。
Next, in S32, it is determined whether the number of drive units M to be controlled is one or more. When the movement of the first joint J1 is restricted, the drive units M in the second to fourth joint units J2 to J4 become the control units. Since one drive unit M is disposed at each of the second and third joint units J2 and J3, and two drive units M are disposed at the fourth joint unit J4, the number of drive units M to be controlled is four. In this case (YES in S32), the
多関節アーム20の先端位置の補正において、複数の関節部Jの一部の動作が制限された場合は、関節部Jの一部の動作が制限されない場合に比べて、補正の精度が低下する。補正の精度の低下が比較的大きいことにより、ハンド25の位置が許容範囲内にない場合(S34にてNO)、補正実行決定部56は、S36にて補正を実行しない決定をして、プログラムは終了する。
When correcting the tip position of the articulated
一方、補正の精度の低下が比較的小さいことにより、ハンド25の位置が許容範囲内にある場合(S34にてYES)、影響度推定部55は、S38にて、第1の関節部J1の動作が制限された状態で、影響度を再推定する。第1の関節部J1の動作が制限されたことにより、多関節アーム20の動作は、関節部Jの動作が制限されない場合に比べて小さくなるため、S38にて再推定された影響度は、S16にて推定された影響度よりも小さくなる。
On the other hand, if the decrease in the accuracy of the correction is relatively small and the position of the
続けて、補正実行決定部56は、S40にて、再推定された影響度が所定値以上であるか否かを判定する。第1の関節部J1の動作が制限されたことによって影響度の低下が比較的大きいため、再推定された影響度が所定値より小さい場合(S40にてNO)、補正実行決定部56は、S42にて補正を実行する決定をして、プログラムは終了する。
Then, in S40, the correction
一方、第1の関節部J1の動作が制限されたことによっても影響度の低下が比較的小さいため、再推定された影響度が所定値以上である場合(S40にてYES)、プログラムは、S30に戻る。 On the other hand, since the reduction in the degree of influence due to the restriction on the movement of the first joint J1 is relatively small, if the re-estimated degree of influence is equal to or greater than the predetermined value (YES in S40), the program returns to S30.
駆動制限部162は、S30にて、駆動制限部162は、所定の優先順にしたがって、複数の関節部Jのうち1つの関節部Jの動作をさらに制限する。駆動制限部162は、具体的には、動作が制限されていない関節部Jのうち多関節アーム20の最も基端側にある第2の関節部J2の動作を制限する。よって、第1,2の関節部J1,J2の動作が制限されるため、第3,4の関節部J3,J4における駆動部Mが制御対象となる。
In S30, the
続けて、第1,2の関節部J1,J2の動作が制限された状態で、上述したS32~34が実行される。多関節アーム20の先端位置が許容範囲内である場合(S34にてYES)、影響度推定部55は、S38にて、第1,2の関節部J1,J2の動作が制限された状態で影響度を再推定する。
Then, the above-mentioned steps S32 to S34 are executed with the movement of the first and second joints J1 and J2 restricted. If the tip position of the articulated
さらに、補正実行決定部56は、S40にて、第1,2の関節部J1,J2の動作が制限された状態で再推定された影響度が所定値以上であるか否かを判定する。再推定された影響度が所定値より小さい場合(S40にてNO)、補正実行決定部56は、S42にて補正を実行する決定をして、プログラムを終了する。
The correction
一方、第1,2の関節部J1,J2の動作が制限されたことによっても影響度の低下が比較的小さいため、再推定された影響度が所定値以上である場合(S40にてYES)、プログラムは、S30に戻る。 On the other hand, since the decrease in the degree of influence due to the restriction on the movement of the first and second joints J1 and J2 is relatively small, if the re-estimated degree of influence is equal to or greater than the predetermined value (YES in S40), the program returns to S30.
このように、複数の関節部Jのうち1つの関節部Jの動作を、所定の優先順にしたがって、1つずつ制限し(S30)、多関節アーム20の先端位置が許容範囲内であり(S34にてYES)、かつ、再推定された影響度が所定値より小さくなった場合(S40にてNO)、補正を実行する決定がされる。
In this way, the movement of each of the multiple joints J is restricted one by one in accordance with a predetermined priority order (S30), and if the tip position of the
また、S30において、すべての関節部Jの動作を制限したことにより、制御対象となる駆動部Mの個数がゼロとなった場合(S32にてNO)、補正実行決定部56は、S44にて、補正を実行しないことを決定して、プログラムは終了する。
In addition, if the number of drive units M to be controlled becomes zero due to the restriction of the movements of all joint units J in S30 (NO in S32), the correction
このように、全ての関節部Jが動作した場合において推定された影響度が所定値以上である場合に、複数の関節部Jの一部の動作を制限した状態でハンド25の位置の補正をした場合の影響度を推定するため、推定される影響度は抑制される。よって、影響度が抑制された補正を行うことができる。
In this way, if the estimated degree of influence when all joints J are in motion is equal to or greater than a predetermined value, the estimated degree of influence is suppressed because the degree of influence when correcting the position of the
また、複数の関節部Jの一部の動作を制限した状態で補正されたハンド25の位置が、許容範囲内にある場合に補正が実行される。よって、補正の精度の低下が抑制される。
In addition, correction is performed when the position of the
<変形例>
本発明は、これまでに説明した実施の形態に限定されるものではない。本発明の主旨を逸脱しない限り、各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。
<Modification>
The present invention is not limited to the embodiments described above. As long as they do not deviate from the gist of the present invention, various modifications of the present embodiments and combinations of components in different embodiments are also included within the scope of the present invention.
例えば、影響度は、多関節アーム20の先端位置を補正した場合における人体Hに加わる力であるが、これに代えて、多関節アーム20の先端位置を補正した場合における人体Hに加わるモーメントとしてもよい。また、影響度は、多関節アーム20の先端位置を補正した場合における人体Hに加わる力およびモーメントに基づいて導出されてもよい。
For example, the degree of influence is the force applied to the human body H when the tip position of the
また、多関節アーム20の先端位置を補正した場合における人体Hに影響する方向によって、所定値は、異なる値でもよい。所定値は、例えば、多関節アーム20の先端位置を補正した場合における人体Hに加わる力が、前後方向に作用した場合より、左右方向に作用する場合の方を小さくなるように設定してもよい。
The predetermined value may be different depending on the direction of influence on the human body H when the tip position of the
また、所定値は、人体Hの揺動の大きさ、すなわち、角度算出部52が算出した角度に応じて異なる値にしてもよい。具体的には、角度算出部52が算出した角度が大きくなるにしたがって、所定値は、小さくなるように設定されてもよい。
The predetermined value may be different depending on the magnitude of the sway of the human body H, i.e., the angle calculated by the
また、多関節アーム20の先端位置の補正は、多関節アーム20が動作している場合に実行されてもよい。これによれば、多関節アーム20が動作しているときにおいても、推定された影響度が所定値より小さい場合に、多関節アーム20の先端位置の補正が実行されるため、人体の安定性の低下を抑制することができる。
The correction of the tip position of the
また、第2実施形態の駆動制限部162は、全ての関節部Jが動作する場合の影響度が所定値以上となった場合に、S30にて複数の関節部Jの一部の動作を制限するが、これに代えて、初めから、複数の関節部Jの一部の動作を制限して影響度を推定してもよい。
In addition, the
また、第2実施形態において、制御装置50は、位置判定部163を備えなくてもよい。この場合、補正されたハンド25の位置が許容範囲内にないときにおいても、影響度が所定値より小さければ、補正を実行する決定がされる。
In addition, in the second embodiment, the
また、駆動制限部162は、関節部Jを1つずつ制限するが、これに限定されず一度に複数の関節部Jの動作を制限してもよい。
Additionally, the
また、所定の優先順を、上述した順番とは逆に、多関節アーム20の基端側に配置された関節部Jよりも多関節アーム20の先端側に配置された関節部Jを優先して制限するように定めてもよい。
The predetermined priority order may also be set so as to prioritize restriction of the joint part J located at the tip end of the
また、駆動制限部162は、所定の優先順にしたがって一部の関節部Jの動作を制限しているが、これに代えて、所定の優先順に従わずに、ランダムに動作を制限する関節部Jを選択してもよい。
In addition, the
また、駆動部Mは、モータであるが、これに代えて、ニューマチックアクチュエータ、ソレノイド又はリニアモータとしてもよいし、これらの組み合わせで構成してもよい。 Additionally, the drive unit M is a motor, but it may be a pneumatic actuator, a solenoid, or a linear motor, or may be a combination of these.
また、制御装置50は、装着型ロボット1とは別体であってもよい。この場合、センサ30、カメラ40、並びに、各関節部Jの駆動部Mおよび角度検出部Eと、制御装置50とは有線または無線にて通信可能に接続される。すなわち、多関節アーム20は、制御装置50によって遠隔操作される。この場合の制御装置50は、例えばスマートフォンであってもよい。なお、この場合、制御装置50の入力部51および出力部61は、「信号送受信部」を構成する。
The
本発明は、装着型のロボットに広く利用可能である。 This invention can be widely used in wearable robots.
1 装着型ロボット
10 装着部
20 多関節アーム
30 センサ
50 制御装置
H 人体
J 関節部
Reference Signs List 1
Claims (11)
前記多関節アームの姿勢を検出するセンサと、
前記多関節アームの先端位置を補正する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記センサの検出結果に基づいて、前記人体が揺動したか否かを判定し、
前記人体が揺動したと判定された場合、前記多関節アームの先端位置の補正が前記人体に与える影響度を推定し、
推定された前記影響度が所定値より小さい場合、前記多関節アームの先端位置の補正を実行する、
装着型ロボット。 A multi-joint arm attached to the human body;
A sensor for detecting a posture of the articulated arm;
A control device that corrects a tip position of the articulated arm,
The control device includes:
determining whether the human body has swayed based on the detection result of the sensor;
When it is determined that the human body has swung, estimating the degree of influence that a correction of the tip position of the articulated arm has on the human body;
If the estimated degree of influence is smaller than a predetermined value, a correction is made to the tip position of the articulated arm.
Wearable robot.
前記人体が揺動したと判定された場合、前記多関節アームが備える複数の関節部の一部の動作を制限した状態における前記多関節アームの先端位置の補正が、前記人体に与える影響度を推定する、
請求項1に記載の装着型ロボット。 The control device includes:
When it is determined that the human body has swung, estimating the degree of influence that a correction of a tip position of the multi-joint arm has on the human body in a state in which the movement of some of the multiple joints of the multi-joint arm is restricted.
The wearable robot according to claim 1 .
推定された前記影響度が前記所定値以上である場合、動作を制限する関節部を変更した状態における前記多関節アームの先端位置の補正が、前記人体に与える影響度を再推定し、
再推定された前記影響度が前記所定値より小さい場合、前記多関節アームの先端位置の補正を実行する、
請求項2に記載の装着型ロボット。 The control device includes:
If the estimated degree of influence is equal to or greater than the predetermined value, re-estimating the degree of influence on the human body caused by the correction of the tip position of the multi-joint arm in a state in which the joint that limits the movement is changed;
If the re-estimated influence degree is smaller than the predetermined value, a correction of the tip position of the articulated arm is executed.
The wearable robot according to claim 2.
前記人体に与える影響度を推定する際に動作を制限する関節部、および、前記人体に与える影響度を再推定する際に動作を制限する関節部を、所定の優先順にしたがって決定する、
請求項3に記載の装着型ロボット。 The control device includes:
determining, in a predetermined order of priority, joints whose movements are to be restricted when estimating the degree of influence on the human body and joints whose movements are to be restricted when re-estimating the degree of influence on the human body;
The wearable robot according to claim 3.
請求項4に記載の装着型ロボット。 the predetermined priority order is determined so as to give priority to restricting a joint portion arranged on a base end side of the multi-joint arm over a joint portion arranged on a tip end side of the multi-joint arm,
The wearable robot according to claim 4.
前記複数の関節部の一部の動作を制限した状態において前記多関節アームの先端位置の補正をした場合における、前記多関節アームの先端位置を算出し、
算出された前記多関節アームの先端位置が許容範囲内にあり、かつ、前記影響度が前記所定値より小さい場合、前記多関節アームの先端位置の補正を実行する、
請求項2から5の何れか1項に記載の装着型ロボット。 The control device includes:
calculating a tip position of the multi-joint arm when the tip position of the multi-joint arm is corrected in a state in which the movement of some of the plurality of joints is restricted;
when the calculated tip position of the multi-joint arm is within an allowable range and the degree of influence is smaller than the predetermined value, correcting the tip position of the multi-joint arm.
The wearable robot according to any one of claims 2 to 5.
請求項1から6の何れか1項に記載の装着型ロボット。 The sensor is a gyro sensor.
The wearable robot according to any one of claims 1 to 6.
請求項1から6の何れか1項に記載の装着型ロボット。 The sensor is an acceleration sensor.
The wearable robot according to any one of claims 1 to 6.
コンピュータに、
前記多関節アームの姿勢を検出するステップと、
検出された前記多関節アームの姿勢に基づいて、前記人体が揺動したか否かを判定するステップと、
前記人体が揺動したと判定された場合、前記多関節アームの先端位置の補正が前記人体に与える影響度を推定するステップと、
推定された前記影響度が所定値よりも小さい場合、前記多関節アームの先端位置の補正を実行するステップと、を実行させる、
プログラム。 A program for correcting a tip position of a multi-joint arm attached to a human body,
On the computer,
Detecting a posture of the articulated arm;
determining whether the human body has swung based on the detected posture of the articulated arm;
estimating an effect of a correction of a tip position of the articulated arm on the human body when it is determined that the human body has swung;
and if the estimated degree of influence is smaller than a predetermined value, executing a correction of the tip position of the articulated arm.
program.
前記多関節アームの姿勢を検出するステップと、
検出された前記多関節アームの姿勢に基づいて、前記人体が揺動したか否かを判定するステップと、
前記人体が揺動したと判定された場合、前記多関節アームの先端位置の補正が前記人体に与える影響度を推定するステップと、
推定された前記影響度が所定値よりも小さい場合、前記多関節アームの先端位置の補正を実行するステップと、を含む、
制御方法。 A control method for correcting a tip position of a multi-joint arm attached to a human body, comprising the steps of:
Detecting a posture of the articulated arm;
determining whether the human body has swung based on the detected posture of the articulated arm;
estimating an effect of a correction of a tip position of the articulated arm on the human body when it is determined that the human body has swung;
and when the estimated degree of influence is smaller than a predetermined value, correcting a tip position of the articulated arm.
Control methods.
前記制御信号を生成するコンピュータと、を備え、
前記コンピュータは、
前記センサの検出結果に基づいて、前記人体が揺動したか否かを判定し、
前記人体が揺動したと判定された場合、前記装着型ロボットの先端位置の補正が前記人体に与える影響度を推定し、
推定された前記影響度が所定値より小さい場合、前記制御信号を生成する、
制御装置。
a signal transmitting/receiving unit that receives a detection result of a sensor that detects the posture of a wearable robot worn on a human body and transmits a control signal to cause the wearable robot to correct a tip position of the wearable robot;
a computer for generating the control signal;
The computer includes:
determining whether the human body has swayed based on the detection result of the sensor;
When it is determined that the human body has swayed, estimating the degree of influence that a correction of the tip position of the wearable robot has on the human body;
generating the control signal when the estimated influence degree is smaller than a predetermined value;
Control device.
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