JPH0423016A - ６次元入力装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 多自由度ロボットマニピュレータを用いた入力装置に関
し、 多自由度ロボットマニピュレータの先端部分における姿
勢変化時の重力の補償を行って、マニピュレータ先端部
分の６自由度のすべてを入力として扱うことができるよ
うにした、６次元入力装置を提供することを目的とし、 アームの先端に６軸力／モーメントセンサ部を有し、こ
の６軸力／モ一メントセンザ部の入力部に取り付けられ
た握り部を操作する際にこの握り部に作用する重力の影
響を補償して、握り部に加えられた力、モーメントに比
例した速度、角速度の情報を発生する多自由度ロボット
マニピュレータと、この多自由度ロボットマニピュレー
タの速度、角速度の情報に応じて位置５姿勢の情報を出
力する制御装置とを備えることによって構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は多自由度ロボットマニピュレータを用いた入力
装置に係り、特にマニピュレータの先端部分における６
自由度のすべてを、入力として扱うことができるように
した、６次元入力装置に関するものである。

多自由度ロボットマニピュレータは、位置、姿勢の遠隔
指示や、多自由度ロボットの遠隔操縦等の目的に用いら
れるものである。

このような多自由度ロボットマニピュレータにおいては
、マニピュレータの先端部分の位置だけでなく姿勢も変
化させる場合に、先端部分に働く重力の補償を行って、
マニピュレータ先端部分の６つの自由度のすべてを入力
として扱えるようにすることが要望されている。

〔従来の技術］ 従来の多自由度ロボットマニピュレータにおいては、力
センサの出力値のみを使用してマニピュレータに加わる
力を検出し、マニピュレータの位置だけを変化させて、
その位置の情報を得るようにしていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、多自由度ロボットマニピュレータを使用
する上で、従来技術のように力センサの検出値のみを用
いてマニピュレータに加わる力を検出して位置の情報を
得るだけでは、完全な制御情報を得ることはできない。

すなわち多自由度ロボットマニピュレータの使用に際し
ては、マニピュレータ先端部分の位置だけでなく姿勢も
変化させる場合の、重力の補償の問題を解決して、マニ
ピュレータ先端部分の６自由度のすべてについて、これ
を入力として扱えるようにすることが必要であるが、従
来、このような考慮は全くなされていなかった。

本発明はこのような従来技術の課題を解決しようとする
ものであって、多自由度ロボットマニピュレータの先端
部分における姿勢変化時の重力の補償を行って、マニピ
ュレータ先端部分の６自由度のすべてを入力として扱う
ことができるようにした、６次元入力装置を提供するこ
とを目的としている。

［課題を解決するための手段］ 本発明は第１図にその原理的構成を示すように、本発明
の６次元入力装置は、多自由度ロボットマニピュレータ
３と、制御装置４とから構成される。

多自由度ロボットマニピュレータ３は、アームの先端に
６軸力／モーメントセンサ部１を有しこの６軸力／モー
メントセンサ部１の入力部に取り付けられた握り部２を
操作する際に、この握り部２に作用する重力の影響を補
償して、握り部２に加えられた力、モーメントに比例し
た速度、角速度の情報を発生する。制御装置４は、多自
由度ロボットマニピュレータ３の速度、角速度の情報に
応じて位置、姿勢の情報を出力するものである。

また、本発明は、制御装置４において座標変換部６を存
することによって、６次元入力装置において得られた位
置の情報を任意の座標系に変換して表現した出力を発生
する。

さらに本発明は、制御装置４において角表現変換部６を
有することによって、６次元入力装置において得られた
姿勢の情報を任意の角表現に変換して表現した出力を発
生する。

〔作用〕

第２図は多自由度ロボットマニピュレータの先端部分の
構成を示し、１１は先端部分を構成する握り部、１２は
６軸力／モーメントセンサ部、１３はアームを示してい
る。

第２図において、アームの部分を基準としたハンド座標
系をΣｈ　　（Ｘｈ、）’ｈ、Ｚｈ　）、ハンド座標系
Σ、の原点をＯとしたとき、この座標系において、６軸
力／モーメントセンサ部１２の中心位置をＷ原点０から
握り部１１の重心位置へのベクトルをＳ、で表すものと
する。

また握り部１１の重心Ｓ、の位置に図示のような力Ｆと
モーメントＮが加えられたとき、６軸力／モーメントセ
ンサ部１２に加えられる力をＦｓ。

モーメントをＮ、とする。

第２図において、ハンド座標系Σ、の原点Ｏの速度を９
、握り部１１の重心弧の位置の速度を敷ハンド座標系Σ
６の角速度をゐとする。握り部１１の質量をｍ、とする
と重力加速度をｉとして、握り部１１に加わる重力はｍ
ｈｊである。なお以下においては転置行列をＴで表すも
のとする。

第３図は速度、角速度を求める処理の流れを示したもの
である。

握り部１１の移動速度および回転の角速度が比較的小さ
いとすると、握り部１１の重心ねにおける力Ｆ、モーメ
ントＮの釣合いは、 Ｆ＝　　Ｆｘ　＋ｍｈ　ＲＴｉｇ Ｎ＝　Ｎｓ　　　（Ｓｈ　　　ｒ、）ｘＦｓとなる。こ
こでＲはハンド座標系Σ１の姿勢を示し、 である。

この加えられた力、モーメントに比例して握り部１１の
重心位１ｓわが移動１回転する。すなわちこの場合の移
動速度※１回転の角速度ゐは、０＝Ｋｖ　（−Ｆ’、　
十ｍ、Ｒ７ｇ）ゐ−肌　（−亀〜（Ｓｂ　　ｒ’ｓ　）
　ＸＦｓ　）となる。ただし、ここでＫｖ、に、は比例
定数であって、この入力装置の感度を示している。

また、ハンド座標系の原点０の速度は、←→−品×Ｓ）
。

となる。これらの式を基にして速度の情報を発生させる
ことにより、希望する入力を行うことができる。

このように本発明においては、先端部分の静的力、モー
メントのバランスを考慮して、先端部分に加えられた力
、モーメントを算出し、その力に比例した速度、角速度
の情報を発生させることによって、位置、姿勢を変化さ
せる情報を得るようにしている。

制御装置は、多自由度ロボットマニピュレータからの速
度、角速度の情報に応じて演算を行って、位置、姿勢を
指定する出力を発生し、この出力の変化によって、制御
対象における位置、姿勢の変化が生じる。

この際、制御装置からの位置の情報は、任意の座標系に
変換して出力することができ、また、姿勢の情報は、任
意の角表現で出力することが可能である。

第２図において、多自由度ロボ・ントマニビュレータ制
御装置の位置情報出力をｘ、ｙ、ｚ、本装置の位置情報
出力をＸ０１）’ｏ＋Ｚｏとし、多自由度ロボットマニ
ピュレータ制御装置の姿勢情報出力をα、β、Ｔ、本装
置の姿勢情報出力をα。、β。。

γ。とする。

マニピュレータ制御装置が出力する座標系は、一般にデ
カルト座標系であるから、これを下記のいずれかの座標
系に変換して出力する。

（ａ）デカルト座標系 ＸＯ←Ｘ ｙｏ　←ｙ Ｚ（１←２ （ｂ）円柱座標系 Ｘ０←／ｘ　　＋ｙ　　＋ｚ Ｖｏ　←ａ　ｔ　ａ　ｎ２　（ｘ、　　ｙ）ｚｏ４′−
２ （Ｃ）球面座標系 χ０←、／Ｘ　　＋ｙ　　＋ｚ ｙｏ４−ａｔａｎ２　（ｘ、ｙ） ｚＯ←ａｔａｎ２（ｚ、／ｘ　　＋ｙ　　）（ｄ）上記
（ａ）〜（Ｃ）の座標系をさらに任意の関数で変換した
座標系。

これによって、得られた位置の情報を任意の座標系で表
現して出力することができる。

制御装置が出力する姿勢表現は、一般にｚｙｚ型オイラ
ー角である。これを以下のいずれかの変換を行って出力
する。

（ａ）　ｚ　ｙ　ｚ型オイラー角表現 α０　←α β。←β γ０　←Ｔ （ｂ）ｚｘｚ型オイラー角表現 α、←ａｔａｎ２　（ｃｏｓα、−５ｉｎα）β。←β ｒｏ←ａｔａｎ２　（−ｃｏｓｒ、５ｉｎｒ）（Ｃ）ロ
ール・ピッチ・ヨー表現 α。←ａｔａｎ　２　（ｓｉｎβ５ｉｎｃｘ、ｃｏｓβ
）β０←ａｔａｎ２（−ｓｉｎｉｒｏｓｉｎβｃｏｓα
、ｓｉｎβｓｉｎα）７ｏ″ａｔａｎ２（−ｓｉｎ　α
ｃｏｓ　７−ｃｏｓβｃｏｓαｓｉｎ　ｒｓｉｎ　ｒｘ
ｓｉｎ　７　＋ｃｏｓβＣＯ３αＣ０５Ｔ）（ｄ）上記
（ａ）〜（Ｃ）の表現をさらに任意の関数で変換した表
現。

これによって、得られた姿勢の情報を任意の角表現で出
力することができる。

［実施例］ 第４図は本発明の全体構成例を示したものである。

図中、２１は多自由度ロボットマニピュレータを示し、
２２は握り部、２３は６軸力／モーメントセンサである
。２４はアナログ信号をディジタル信号に変換するアナ
ログディジタル（Ａ／Ｄ）変換器、２５は先端部分にお
ける先端速度指令を発生する速度発生器、２６は握り部
２２における先端角速度指令を発生する角速度発生器、
２７は先端姿勢データと先端位置データとを発生するマ
ニピュレータ制御装置、２８は６次元出力からなる位置
、姿勢データを発生する座標変換器である。

多自由度ロボットマニピュレータ２１は、その握り部２
２に近接して６軸力／モーメントセンサ２３を有してお
り、先端部分２２の位置、姿勢を人手または他の装置に
よって変化させることによって、６軸力／モーメントセ
ンサ２３から力のデータとモーメントのデータとを発生
する。Ａ／Ｄ変換器２４は、６軸力／モーメントセンサ
２３の力、モーメントの出力データをディジタル信号に
変換する。

速度発生器２５はＡ／Ｄ変換器２４からのディジタル化
された力のデータと、マニピュレータ制御装置２７から
の先端姿勢データとから、握り部２２における速度指令
を表す先端速度指令データを発生する。角速度発生器２
６は、Ａ／Ｄ変換器２４からのディジタル化された力の
データと、ディジタル化されたモーメントのデータとか
ら握り部２２における角速度指令を表す先端角速度指令
データを発生する。マニピュレータ制御装置２７は、速
度発生器２５からの先端速度指令データと、角速度発生
器２６からの先端角速度指令データとから、握り部２２
の姿勢を表す先端姿勢データと、握り部２２の位置を表
す先端位置データとを発生ずる。座標変換器２８は、マ
ニピュレータ制御装置２７からの先端姿勢データと先端
位置データとから座標変換を行うことによって、任意の
座標系に変換して表現した、所要の６次元出力からなる
位置、姿勢データを発生する。

第５図は本発明の一実施例のシステム構成を示したもの
であって、遠隔操作のロボット装置に適用した場合を例
示している。

図中、第４図におけると同じものを同じ番号で示し、３
０は通信線、３１はロボット制御装置、３２は多自由度
ロボット、３３はハンドラ、３４は対象物である。

第５図において、６次元入力装置２０を操作することに
よって、６次元入力装置２０は、位置。

姿勢データを発生する。その位置、姿勢データは、通信
綿３０を介してロボット制御装置３１へ送られる。ロボ
ット制御装置３１は、与えられた位置。

姿勢データによって多自由度ロボットマニピュレータ３
２を制御する。多自由度ロボットマニピュレータ３２は
、先端にハンドラ３３を有し、ロボット制御装置３１に
よって、ハンドラ３３の位置。

姿勢を変化させる。

従って第５図に示された実施例によれば、多自由度ロボ
ットマニピュレータ２１において握り部を操作すること
によって、ハンドラ３３の位置、姿勢を指定する制御を
行うことができ、ハンドラ３３を介して、対象物３４を
任意にハンドリングすることができる。

第６図は本発明の他の実施例のシステム構成を示したも
のであって、設計、製図用ＣＡＤシステムに適用した場
合を例示している。

図中、２０は第３図に示されたものと同様の６次元入力
装置、４０はＣＡＤシステム、４１は２次元の位置デー
タを入力する２次元入力装置、４２はマウス、４３は文
字情報を入力する文字入力装置、４４はキー、４５は画
像情報を表示する表示装置である。

部品の組み立て等のシミュレーシヨンで、オペレータの
指定した位置に、指定した姿勢で部品等を配置する場合
、６次元入力装置２０は、前述のように、握り部の操作
に応じて６次元出力からなる位置、姿勢データを発生し
て、ＣＡＤシステム４０に入力する。２次元入力装置４
１は、例えばマウス４２等を有し、２次元（平面上）の
位置を指定するデータを発生して、ＣＡＤシステム４０
に入力する。文字入力装置４３は、例えばキーボード等
からなり、キー４４の操作に応じて文字。

数字等のデータを発生して、ＣＡＤシステム４０に入力
する。

ＣＡＤシステム４０は、これらの各入力装置からの入力
データに応じて、所定のアルゴリズムに基づく処理を行
って、部品等の位置、姿勢を求め、文字等の情報ととも
にこれを表示装置４５において画像として可視的に表示
する。

従ってオペレータは、表示装置４５の画像を観察しなが
ら６次元入力装置２０および他の入力装置を操作するこ
とによって、所望の位置、姿勢に部品等が配置されるよ
うにすることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、その先端部分に６
軸力／モーメントセンサを有する多自由度ロボットマニ
ピュレータの握り部の位置、姿勢を人手または他の装置
によって変化させて、その位置、姿勢を表すパラメータ
を得ることによって、マニピュレータの握り部の６つの
自由度のすべてを入力として扱うことが可能となる。従
って本発明によれば、位置、姿勢を遠隔で指定する情報
を入力したり、多自由度ロボットの遠隔操縦を行う等の
場合に、従来のマニピュレータの場合のように、位置の
情報のみを利用する場合と比べて、より自由度の高い操
作を行うことができ、従って精度の高い位置、姿勢の制
御を行うことができるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理的構成を示す図、第２図は多自由
度ロボットマニピュレータの先端部分の構成を示す図、
第３図は速度、角速度を求める処理の流れを示す図、第
４図は本発明の全体構成例を示す図、第５図は本発明の
一実施例のシステム構成を示す図、第６図は本発明の他
の実施例のシステム構成を示す図である。 １は６軸力／モーメントセンサ部、２は握り部、３は多
自由度ロボットマニピュレータ、４は制御装置、５は座
標変換部、６は角表現変換部である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）アームの先端に６軸力／モーメントセンサ部（１
   ）を有し該６軸力／モーメントセンサ部（１）の入力部
   に取り付けられた握り部（２）を操作する際に該握り部
   （２）に作用する重力の影響を補償して該握り部（２）
   に加えられた力、モーメントに比例した速度、角速度の
   情報を発生する多自由度ロボットマニピュレータ（３）
   と、該多自由度ロボットマニピュレータ（３）の速度、
   角速度の情報に応じて位置、姿勢の情報を出力する制御
   装置（４）とからなることを特徴とする６次元入力装置
   。
2. （２）前記制御装置（４）において、得られた位置の情
   報を任意の座標系に変換して表現した出力を発生する座
   標変換部（５）を有することを特徴とする請求項第１項
   記載の６次元入力装置。
3. （３）前記制御装置（４）において、得られた姿勢の情
   報を任意の角表現に変換して表現した出力を発生する角
   表現変換部（６）を有することを特徴とする請求項第１
   項または第２項記載の６次元入力装置。