JPS6016394A - 接触センサおよびロボツトの制御方法 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は多関節型ロボットアーム（以下単に「ロボット
」とも称する）に係り、特に障害物との接触状態を検出
する接触センサと、これを装着したロボットの障害物へ
の衝突を回避させる動作制御方法に関する。

〔発明の背景］ 従来多くのロボットは、動作空間内に障害物が無いとい
う基本的前提のもとに動作制御が行われている。しかし
芙際にロボットが使用される状況においては、作業環境
が変化する場合が多々ある。

作業環境の変化に応じたロボットの適切な動作を環境変
化の全ての場合について、あらかじめ教示しておくこと
は極めて繁雑な作業、になるため現実的な方法ではない
。

そこで、ロボットの先端に超音波センサを装着し作業環
境の変化を検出することによって、作業環境の変化に自
動的に対処するというロボットの制御方法が提案されて
いる。この制御方法は、ロボットの動作空間、特にあら
かじめ指定された動作軌跡上に侵入してきた障害物をロ
ボットの先端に装着した超音波センサで検出し、ロボッ
トがこの障害物に衝突しないようにあらかじめ定められ
た退避領域に退避させ障害物を回避させた後、指定の動
作軌跡上に復帰させるものである。

この制御方法では、ロボット先端部の障害物への接近を
検出しているだけであるため、先端部以外の他のリンク
部分も障害物に衝突しないようにするためには、指定動
作軌跡から十分離れた位置に退避領域を確保しなければ
ならない。したがって狭隘な作業空間でのロボットの障
害回避制御には通しないという間屈があった。

またロボット各部の障害物への接近あるいは接触状＋、
ｌを検出するために超音波センサを用いたのでは装置規
模が大きくなる割に詳細な情報が得られないという問題
がめる。これに対し、物体との候触状慇を検出する接触
センサとして一般的に用いられているものの一例に、「
タッチパネルｊ（特公昭４９−３４２７　）と呼ばれる
ものがある。

これは検出板の端部を数向所で荷重検出器を介して支持
する構造をとっており、検出板に対する接触位置を各荷
重検出器に刃口わる力から計測するものである。

タッチパネルに代表されるこの種の接触センサでは、許
容し得る接触変位がほとんど無いため、接触変位を検出
できないばかりでなく、過度の接触に対しては破損する
恐れがある。したがってロボット等の運動する物体の障
＠吻に対する接触検出用としては適しないという問題が
あった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、ロボット各部の障害物に対する接触状
態を検出する実用的接触センサと、この情報に基づいて
狭隘な作業空間でもロボットが障害物に衝突しないよう
に、障害物の形状に応じてロボット全１４成する各リン
クを制置ル得る多関節型ロボットの障害物回避制御方法
を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明の提供する接触センサは、対象物体への接触部と
なる接触検出部材を複数個の弾性支持体で柔軟に支持し
、障害物との接触によるこの弾性支持体の変形量ヲ、吹
出器で検出し、この検出情報に基づいて対象物体の接触
検出部材への接触位置と接触変位を算出するものである
。

また多関節型ロボットの障害物回避制御方法は、ロボッ
ト′ｆ：俗成する谷リンクの回りに障害物との接触状態
を検出する接触センサを複数個装着し、この接触センサ
により検出した谷リンクの＃害物に対する接触位置に応
じて該リンクを回転させると共に、接触変位に応じて該
リンクを接触が回避される方向へ並進させることによっ
て、障害物の形状に応じたロボットの衝突回避動作を行
わせようとするものである。

〔発明の＊抛例］ 以下、本発明を夷Ｓ列に従って詳細に説明する。

第１図は本実施例における多関節型ロボット上の機構構
造の概略を説明したものである。本ロボットはｘｙ平向
内の位置決めを行うための４つの回転型関節’１１０，
１２０，１３０，１４０とこれらを連接する４つのリン
ク１１１，１２１゜１３１．１４１から構成され、さら
に各リンクの両側にはそれぞれ接触センサ１１２，１１
３゜１２２．１２３，１３２，１３３，１４２，１４３
が装着されている。

この多関節型ロボット１の幾何学的構造を第２図に示す
。谷リンクＬｌ　、Ｌ２　、Ｌｓ　、Ｌ４の長さは、そ
れぞれｔｘ　、　ｔ２　＋　ｔｓ　＋　１＜であり、各
関節の回転角度は、それぞれＸ軸からθｒｓ　リンクＬ
ｌからθ２、リンクＬ２からθ３、リンクＬ３からθ４
である。また、リンクＬ１の基部は直交座標系−ｘｙの
原点に位置している。この時、ロボットの各関節及び先
端位置Ｘｎは、各関節角θの関数として表わせる。

Ｘ、＝Ｆ、（θ）　・・・・・・・・・・・・・・・（
１１但し、 ０＝（θ１　θ２θ３θ　）Ｔ ｘｎ＝（Ｘ＝ｒ　Ｙ　、、）” であり、Ｔは転置行列を表わす。

ここで、ロボットの各関節及び先端位置Ｘ。は、ロボッ
トの幾何学的構造から、次式のように狭わせる。

但し、 ｘｔ＝ｙｉ　＝０．ｎ＝２．３，４．ｓである。

第３図に本実施例における接触センサ２の概略機構構造
を示す。２０１は、対象物体との直接的接触部となる検
出レバーであり、一端は直動ロッド２０２ａの先端に対
して回転自在に、また他端はスライダ２０２を介して直
動ロッド２０３ｂの先端に対して滑動並びに回転自在に
結合されている。

すなわちこスライダ２０２は、検出レバー２０１の長穴
に滑動自任に結合されると同時に、直動ロッ）　２０３
ｂの先端に対して回転自任に結合されている。直動ロッ
ド２０３ａ、２０３ｂ　はそれぞれコイルばね２０５ａ
、２０５ｂ　によりベース２０６に対して柔軟に弾性支
持されると共に、各基部はそれぞれリニアポテンショメ
ータ等の直動変位検出器２０４ａ、２０４ｂの入力軸に
結合されている。対象物体が検出レバー２０１に接触し
た場合、その接触力に応じてコイルばね２０５ａ、２０
５ｂが菱形するため、これに支持された直動ロッド２０
３　ａ。

２０３ｂもこの変形に従って変位する。この結果、検出
レバー２０１の姿勢と位置が対象物体との接触状態に応
じて変化するため、所定のストロークの範囲で対象物体
との衝突を回避できる。

第４図に本実施例における接触センサ２の幾何学的概略
構造を図示する。ここで接触が無い場合の直動ロッドの
変位ｋＹｏとし、また２つの直動ロッドの軸間距離をＤ
とする。

この接触センサに対象物が接触した部付、接触センサは
第５図のように変形する。両直励ロッドを弾性支持する
コイルはねのはね定数が等しいとすると、この場合の接
触位置ｄと接触変位（以下「ストローク」とも称す）Ｓ
は、検出レバーに作用する力の釣り会い条件から近似的
に、・・・・・・・・・・・・・・・（５）ｄ　）’２
　：ｙｏ　Ｖ２ と表わせる。

したがって、上ｔｉｅ（３１式、（４）式及び（５）式
に基づいて直動変位検出器の出力信号）’ｔ　＋　ｙ！
から接触位置ｄと接触ストロークＳ＝ｉ求めること１が
できる。

これらの演！はマイクロコンピュータ等ヲ用いれば、容
易に実現することができる。

尚本実施例においては、接触位置ｄと接触ストロークＳ
の計算に近似式（３）及び（４）′ｆＩ：用いたが、こ
れ以上の近似式あるいは厳密式を用いることも可能であ
る。

第６図には、本発明の提供する接触センサの他の実施例
を示す。５０１は対象物体との直接的接触部となる検出
レバーであり、一端は回転レバー５０３ａの先端に対し
て回転自在に、また他端はスライダ５０２を介して回転
レバー５０３ｂの先端に対して滑動並びに回転自在に結
合されている。すなわちスライダ５０２は検出レバー５
０１の長大に滑動自在に結合されると同時に、回転レノ
（−５０３ｂの先端に対して回転自在に結合されている
。

回転レバー５０３ａ、５０３ｂはそれぞれうず巻ばね５
０５ａ、５０５ｂによりベース５０６に対して柔軟に弾
性支持されると共に、各基部はそれぞれ回転型ポテンシ
ョメータ等の回転変位：戊出器５０４ａ。

５０４ｂの入力軸に結合されている。対象物体が検出レ
バー５０１に接触した場合、その接触力に応じてうず巻
ばね５０５ａ、５０５ｂ　が変形するため、これに支持
された回転レバー５０３ａ、５０３ｂ　もこの変形に従
って移動する。この結果、検出レノ（−５０１の姿勢と
位置が対象物体との接触状態に応じて変化するため、所
定のストロークの範囲で対象物体との衝突を回避するこ
とが可能となる。

第７図に本実施例における接触センサーの幾何学的概略
（１４造を図示する。ここで接触が無い場合、長さ凡の
両回転レバーの回転変位を００とし、また２つの回転レ
バーの回転軸間距離をＤとする。

この接触センサ５に対象物体が接触した場合、接触セン
サは第８図のように変形する。両回転レバーを弾性皮付
するうず巻ばねのばね定数が等しいとすると、この場合
の接触位置ｄと接触ストロークＳは、検出レバーに作用
する力の釣り合い条件から近似的に ・・・・・・・・・・・・・・・（７）と沃わせる。

したがって、上記（６）式、（力式及び（８）式に基づ
いて、回転変位検出器の出力信号θ１．θ２から接触位
置ｄと接触ストロークｓ２求めることができる。

これらの演算はマイクロコンピュータ等ヲ用いれば、容
易に実現することができる。

尚本実施例においては、接触位置ｄと接触ストロークＳ
の計算に近似式（６）及び（７）ヲ用いたが、これ以上
の近似式あるいは厳密式を用いることも用途に応じて可
能である。

また本実施例では、二次元的構造の接触センサについて
説明したが、平面状あるいは曲面状の接触検出部拐を用
い、これを３点あるいはそれ以上の点で弾性体により柔
軟に支持する構造とし、障害９勿との接触位置とストロ
ークを上記弾性体における変形量の計測する算出するこ
とも可能である。

第９図は、本発明の実施例における多関節型ロボット１
の第３リンクが障害物８００へ接触した除の幾例学的概
略構造を示したものである。

ここで、本ロボットは予めメモリに記憶された教示デー
タに従って動作が制御されている。すなわち、メモリか
らΔｔの周期で逐次サンプリング的に教示データを読み
出し、以下のようにしてロボットの各関節の動作目標値
として、サーボ制御されている。

（ｎ≧１．ｏｒ　（ｏ）＝θｔ　（ｏ）　）但し、θ１
（ｎ社第ｎ回目のサンプリング時に、メモリからＱ′と
み出された新たな目標値であり、θ１（ｎ−１）は前回
のサンプリング時にメモリから読み出した目標１１Ｉｆ
である。この新目標値θｔ　（ｎ）と出目標値θｔ（ｎ
−ｔ）の差分を増分値ｄθ＋”　（ｎ）とし、これを前
回のサーボ目標値θ、＊（Ｈ−１）　に加算して新サー
ボ目標値θ＋”（ｎ）’ｒ得、これに従ってロボットの
各関節角度をサーボ制御している。

第９図において、第ｎ回目のサンプリング時にメモリか
ら読み出された教示データ、すなわち各関節の動作目標
値θ＋（ｎ）（ｉ＝ｔ、　２．　ａ、　４）に従ツー’
ｃロボットｋｌｒ作させた瞳、第ｎ　＋　１回目のサン
プリング時に第ｊリンクの障害物８００への接触が検出
されたものとする。

この時、本発明の提供する障害物回避制御方法では、先
ず前述した接触センサにより、障害物８００に対する接
触位置ｄＪＲと接触ストロークＳＪＲを検出する。接触
点Ｐの位置は、第１０図に詳説するように接触が発生し
た第ｊ　ＩＪンクの長さｔＪに対する比に、Ｒ として表わす。

次に、障害物への接触位置ｄＩＲすなわちｋＪＲに比例
した、 ｄψ３＝（２Ｊｉ　１）ｄψｊ本　・・・・・・・・・
・・・・・・αυなる退避角度ｄψｊだけ、第ｊリンク
を接触時の姿勢から回転させると共に、障害物−の接触
が回避される方向へ、接触点Ｐでの退避距離が接触スト
ローク８３Ｂと等しくなるように、並進退避させる。

このように、接触が発生した第ｊリンクを角度ｄψｊ回
転させながら、接触点Ｐにおいて距離５ＪＩＩだけ並進
退避させるためには、第ｊ　ＩＪンクの駆動関節ＲＪの
位置ｔ　ｄＸｊ移動させると共に、この移動を実現する
のに要した第１軸から第ｊ−１軸の回転変位ｄθｈ・・
・・・・、ｄθｊ−ｔによる第ｊリンクの回転を補正し
ながら第ｊ軸２ｄθｊだけ回転させればよい。　・ すなわち、退避距離ｄＸ、と、回転角ｄθ、は、ｄＸｊ
＝ｃｄｘｓ　ｄｙｓ　）Ｔ　・・・・・・・・・・・・
・・・Ｕ渇ｄｘ３＝Ｊｇ（ｘｊ＋ｂ　ＸＪ）（１−ｃｏ
ｓｄｇｌ＋ｊ）１Ｂ （Ｙ　ｈｌ　−ｙｊ）　（−−ｋ　ｊａｓｉｎｄψＪ）
　…−Ｕ１゜ ｄＹ　ｓ＝ｋ　ＩＲ（Ｙ　１今１　’Ｉ　ｓ　ｌ　（１
−ｃｏｓｄψ　ｊ）ｄθ３＝ｄψ、−Σｄθ亀　・・・
・・・・・団−・・・（ｌＥ９１．１ と与えられる。

とこで、関節１（、をｄＸ、移動させるための、第１軸
から第ｊ−１軸の回転変位ｄθ１．・・・・・・、ｄθ
Ｊ−１は以下のようにしてめる。

まず、ロボットの関ｋＩｉｌｉ位置Ｘ、を指令速度大。

＊に従って移動させるためには、特願昭５７−２１５４
２５　に示されているように、（Ｌ）式を時間微分した Ｘ、＝Ｊ、＠　・・・・・・・・・・・・・・・αη（
但し％ＪＩｌはｘｌのｇに関するＶコピアンで。

・　θ０ ０＝□ δ　ｔ のように制御すればよい。

但し、 で、Ｃｋは冗長関節を固定するための縮退化１１夕１ｊ
であシ、 と定義する。

次に、単位時間Δｔの間に第ｊ関節をｄｘ、だけ移動さ
せる際の速度全衝突回避速［Ｘｊ“Ｘ　Ｊ　”　＝ｄｘ
Ｊ／ΔＴ　・・・・・・・・・・・・・・・Ｃａとして
、α槌式を用いてこれを実現する第１軸から第ｊ−１軸
の動作速度０．　＋　ｆ： ｅ）　ｔ”　＝　（θ１１θ１２・・・・・・ｆ目−１
Ｏ・・・・・・０）Ｔとめる。

したがって０式の動作速度ｉげで単位時間Δを動作させ
ることによって、衝突回避移動ｄＸ１が実現されるので
、μＱ式における第１軸から第ｊ−１軸の回転変位ｄ＠
Ｊは ｄ１２Ｌ＝船”Δｔ　・・・・・・・・・・・・・・憎
但し、 ｃｉ＠ｊ＝（ｃｔθ１＋ｄθ２．・・・・・・、ｄθＪ
−１＋０＋・・・、０）Ｔと与えられる。

一方、接触が発生した第ｊリンクより先端側のリンクの
姿勢が、第１軸から第１軸の回転の影響を受けないよう
に、ｇｊ＋１軸の回転ｙｄθｊ＋１だけ補正する。

すなわち、 たけ、第ｊ−ｔ−を軸の回転を補正する。

したがって、ロボットの障害物への接触が検出された際
、新サーボ目標値θ＋”（ｎ＋１）　Ｉｔと修正するこ
とにぶって、衝突を回避することカニ可能となる。

尚、接触ストロークＳＪＲとリンク長ｔ１の比ＳＪＲ／
ｌ−Ｊ　が微小な場合には、退避角度ｄψ１及び退避ベ
クトルｄＸ、として、次の近似式を用いることも可能で
あるのみならず、これ以上の近似式あるいは、厳密式を
用いることも用途によっては可能である。

第１１図は、サンプリング制御ヲ用いた本発明の制御方
法の一実施例を示したものである。本図−においては、
９０１は、あらかじめ教示されたロボットの各関節の時
系列動作角度を記憶させたメモリである。このメモリ９
０１からは、第ｎ＋１回目のサンプリング時にロボット
の各関節の新たな動作目標値θ＋（ｎ＋１）が読み出せ
るようになっている。また、９０２は一時記憶用のメモ
リであり、前回のサンプリング時の動作目標値θＩ←）
が記憶されている。９０３は、この新動作目標値θ＋（
ｎ＋１）と出動作目標値θ１（ｎ）と、一時記憶用メモ
リ９０４に記憶されている前回のサンプリング時のサー
ボ目標値θｔ”（ｎ）、及び後述する角度修正器９１０
の出力値ｄθ魚に従い、０式に基づいて新たなサーボ目
標値θ＋”　（ｎ＋１）ｋ算出する目標値修正器である
。

９２０は位置制御型サーボ機構であり、ロボットの各関
節Ｒ１，Ｒ２、Ｒａ　、Ｒ４をそれぞれ回転させるサー
ボモータ９２２−１．２．３．４と、これらのサーボモ
ータをそれぞれ駆動するサーボ増幅器９２１−１．２．
３．４、さらにはロボットの各関節Ｒ１＊　Ｒ２＋　Ｒ
３＋　Ｒ４の回転角度θＩをそれぞれ検出するポテンシ
ョメータ９２３−１．２．３．４から構成される。本サ
ーボ機構９２０により、ロボットの各関節角度θ監は指
定された目標値θｉ＊（ｎ＋１）へ位置制御されること
になる。

一方、９２４−１．２．３．４及び９２５−１．２．３
．４はロボットの各リンクＬｓ　、Ｌ２．Ｌｓ　、Ｌ４
の左側及び右側にそれぞれ装着された接触センサである
。９０５は、この接触センサ９２４−１．２．３゜４及
び９２５−１．２．３．４の出゛力信号ｄ）’１１．ａ
　＋ｄＹ　ＩＬｂ＋　ｄｙ＋ｕ　１１１　ｄｙ　ｌＲｂ
　に応じて、（３）及び（４）式に基ついて接触位置ｄ
ＩＬ　＋　ｄＩＩＩと接触ストロークＳ＋ｊ、Ｓ　ｌｎ
ｋｇ出する接触位置・ストローク算出器である。９０６
は、この接触位置ｄｌＬ、ｄｌｌと接触ストロークＳＩ
Ｌ、ＳＩＲの情報カラ、（ｉｏｔ　、　ａＩＪ。

（＋２＋、αａ、αω式に基づいて、退避角度ｄψ奪と
退避ベクトルｄＸ　１’ｒ算出する衝突回避量算出器で
ある。９０７は、この退避ベクトルｄＸ、を３Ｄ式を用
いて衝突回避速度大ｉ゛に変換する変換器である。

９０８は、この衝突回避速度Ｘ−を実現する衝突回避角
速度θＩ”ｋ６２式を用いてめる座標変換器である。９
０９は、この衝突回避角速度θｔから、退避角度ｄｅＩ
を０式に基づいて算出する変換器である。９１０は、こ
の退避角度ｄθｌと前記退赴角［ｄψｉから、Ｒ０式及
び（ハ）式を用いて、修正角［ｄθｌをめる角度修正器
である。

以上説明した障害物回避制御回路を用いてロボツ）ｋ制
御することにより、障害物が有った場合にも、この存在
を接触センサで検出し、検出した接触位置に応じて接糸
したリンクを回転させながら、接触ストロークに応じて
接触リンクを並進退避させることによυ、障害物への衝
突を回避しながらほぼあらかじめ目標とした方向へ動作
を続行することが可能となる。

尚、ここでは専用回路を用いた本障害物回避制御方法の
実施例について説明したが、マイクロ・コンピュータ等
の計算機を用いても実現することも可能である。

以上、本実施例においては、平面内の多関節型ロボット
の障害物回避制御方法について説明したが、空間内で動
作を行う一般の多関節型ロボットの障害物回避において
も、同様の考え方が適用できることは明らかであろう。

〔発明の効果〕

本発明によれは、障害物に接触した各リンクをそれぞれ
接触位置と接触ストロークに応じて回転並びに並進退避
させるため、第１２図に示すような狭間隙でもつかえる
ことなく障害物の形状に応じた衝突回避動作が実現でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は多関節型ロボットの機構構造を概説した図であ
υ、第２図はこの幾何学的概略構造を示した図である。 第３図は接触センサの構造を、第４．５図は動作原理を
示したものであり、第６図は接触センサの実施例の構造
を、第７，８図はその動作原理を示したものである。第
９図は多関節型ロボットの障害物回避動作を示したもの
であり、第１０図はこの部分拡大図である。第１１図は
本、発明の一実施例を示した図である。第１２図は狭間
隙における障害物回避動作を示したものである。 １・・・多関節型ロポツ）、２．５・・・接触センサ、
９０３・・・目標値修正器、９０５・・・接触位置・ス
ト第　１　図 土 用　２　図 ′：Ａ　３　図 ％４［２１１ 市５（２］ 第　６　口 第７　図 閑　δ　図 第　９　図 第　１０　閉

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、対象物体への接触部となる接触検出部材と、これを
   複数箇所で柔軟に支持する複数個の弾性支持体と、前記
   弾性支持体の変形量を検出する複数の検出器から構成さ
   れ、前記複数の検出器の出力信号情報から接触検出部材
   に対する対象物体の接触位置と変位を測定することを特
   徴とする接触センサ。 ２、各リンクの回シに障害物に対する接触位置と変位を
   検出する複数の検出器を装着した多関節型ロボットにお
   いて、障害物への接触が検出されたリンクを接触した位
   置に応じて回転させると共に、変位に応じて接触を回避
   する方向に並進させることによって、障害物との衝突を
   回避することを特徴としたロボットの制御方法。