WO2018212239A1 - 遠隔操作ロボットシステム - Google Patents

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WO2018212239A1
WO2018212239A1 PCT/JP2018/018957 JP2018018957W WO2018212239A1 WO 2018212239 A1 WO2018212239 A1 WO 2018212239A1 JP 2018018957 W JP2018018957 W JP 2018018957W WO 2018212239 A1 WO2018212239 A1 WO 2018212239A1
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WO
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arm
command
master arm
unit
slave arm
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PCT/JP2018/018957
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French (fr)
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信恭 下村
掃部　雅幸
藤森　潤
博貴 木下
拓哉 志鷹
大樹 ▲高▼橋
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川崎重工業株式会社
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Priority to EP18801776.8A priority patent/EP3626402A4/en
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    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/39—Robotics, robotics to robotics hand
    • G05B2219/39194—Compensation gravity

Definitions

  • the present invention relates to a remote control robot system including a master arm and a slave arm.
  • a remote operation robot system including a master arm operated by an operator and a slave arm that operates in response to an operation on the master arm.
  • the operator operates the master arm to cause the slave arm to perform operations such as device assembly and maintenance.
  • operations such as device assembly and maintenance.
  • a remote control robot system for example, the gravity of the object held by the slave arm, the reaction force (contact force) received by the slave arm or the object held by the slave arm coming into contact with another object, etc.
  • Patent Document 1 discloses this type of technology.
  • an object of the present invention is to provide a remote control robot system that improves the operational feeling of an operator received through a master arm.
  • a remote control robot system includes a slave arm that performs a predetermined operation and a motor that drives a joint, and a master that receives an operation for operating the slave arm from an operator.
  • a command generating unit for generating a command to apply a virtual external force in a predetermined direction independent of the force received by the slave arm from the outside to the master arm
  • a motor control unit for supplying a driving current to the motor.
  • a virtual external force acting in a predetermined direction is presented to the operator via the master arm, independent of the force received by the slave arm from the outside. For this reason, for example, if an external force that does not impose a burden is applied to the master arm in a direction that the operator is assumed to receive force, a deviation between the sense that the operator assumes and the sense that the operator receives via the master arm. Can be reduced. Thereby, the operator's operational feeling received through the master arm can be improved.
  • the remote control robot system includes a setting value input unit that receives an input of a setting value for defining the magnitude and direction of the virtual external force, and a setting that stores the setting value input from the setting value input unit A value storage unit, and the command generation unit may generate the command based on the set value stored in the set value storage unit.
  • the above-described remote operation robot system further includes a holding hand that holds a workpiece and a gravity compensation unit that compensates for the gravity of the workpiece held by the holding hand, provided at the tip of the slave arm,
  • the command generation unit generates a command to apply a virtual external force to the master arm in a gravity direction independent of the gravity of the work held by the holding hand when the work is held by the holding hand. May be.
  • the gravity compensator does not reflect the gravity of the object held by the slave arm with the holding hand on the master arm, and applies a virtual external force to the master arm that does not cause a burden to act in the direction of gravity. Can be made. Thereby, the operation burden of the master arm can be reduced, and a sense of holding an object can be presented to the operator.
  • the remote operation robot system further includes a gripping part provided at a tip of the master arm that can be gripped by the operator, and a gripping sensor that detects whether or not the gripping part is gripped.
  • the command generation unit generates a command to apply the virtual external force to the master arm when detecting that the grip sensor is gripped, and when detecting that the grip sensor is not gripped, the command generation unit May be generated so as not to be applied to the master arm.
  • a virtual external force acts on the tip of the master arm in a predetermined direction only while the operator is gripping the grip portion, and the virtual external force is applied when the operator releases the grip portion. No longer. For this reason, when the operator releases the grip portion, the master arm is prevented from operating by a virtual external force.
  • the remote control robot system of the present invention it is possible to improve the operator's operational feeling received through the master arm.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a remote control robot system according to an embodiment of the present invention. It is a control block diagram which shows the outline
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a remote operation robot system 100.
  • the remote operation robot system 100 is a master / slave type robot system, and includes a slave arm 1 and a master arm 2.
  • the remote operation robot system 100 includes an input device 4, an output device 5, a status acquisition device 6, a storage device 7, and a control unit 8 that comprehensively controls the system 100.
  • the remote operation robot system 100 when the operator operates the master arm 2, the slave arm 1 located away from the master arm 2 follows the movement of the master arm 2 and performs a predetermined operation.
  • the remote operation robot system 100 is exemplified by a system that is constructed in an automobile assembly line and performs a work of attaching a seat to the body of the automobile.
  • a sheet (hereinafter referred to as an assembly) W1 is an object (work) that is held and moved by the slave arm 1, and a hole h is provided at the bottom of the assembly W1. It has been.
  • a vehicle body (hereinafter referred to as an assembly) W2 partially shown in FIG. 1 is supported by a support base (not shown), and a predetermined portion of the assembly W2 is positioned upward. A protruding pin p is provided.
  • the operator operates the master arm 2 to operate the slave arm 1 and, as shown by a broken line, the assembly W1 so that the pin p of the assembly W2 is inserted into the hole h of the assembly W1. Is moved downward and assembled onto the workpiece W2.
  • the remote operation robot system 100 operates the slave arm 1 in accordance with a control mode in which the operator operates the slave arm 1 via the master arm 2 (hereinafter, manual mode) and a preset task program.
  • the control mode (hereinafter referred to as automatic mode) can be switched.
  • the slave arm 1 is an articulated robot arm having a plurality of joints JT1 to JT6, which includes a connecting body of a plurality of links 11a to 11f and a base 15 that supports the links. More specifically, in the first joint JT1, the base 15 and the base end portion of the first link 11a are coupled so as to be rotatable about an axis extending in the vertical direction. In the second joint JT2, the distal end portion of the first link 11a and the proximal end portion of the second link 11b are coupled to be rotatable about an axis extending in the horizontal direction.
  • the distal end portion of the second link 11b and the proximal end portion of the third link 11c are coupled to be rotatable about an axis extending in the horizontal direction.
  • the distal end portion of the third link 11c and the proximal end portion of the fourth link 11d are coupled so as to be rotatable about an axis extending in the longitudinal direction of the fourth link 11d.
  • the distal end portion of the fourth link 11d and the proximal end portion of the fifth link 11e are coupled so as to be rotatable around an axis orthogonal to the longitudinal direction of the fourth link 11d.
  • the distal end portion of the fifth link 11e and the proximal end portion of the sixth link 11f are coupled so as to be able to rotate.
  • the end effector corresponding to the work content is detachably attached to the tip of the sixth link 11f.
  • the end effector is the holding hand 12 that holds the assembly W1.
  • Each joint JT1 to JT6 of the slave arm 1 is provided with a drive motor (not shown) as an example of an actuator for relatively rotating two members connected thereto.
  • These drive motors are, for example, servo motors that are servo-controlled by the motor control unit 16.
  • the motor control unit 16 can servo-control a plurality of drive motors by one unit, but a motor control unit corresponding to each drive motor may be provided.
  • Each drive motor is provided with a position sensor (not shown) for detecting the rotational position and a current sensor (not shown) for detecting a current for controlling the rotation.
  • the position sensor is, for example, an encoder.
  • the drive motor, position sensor, and current sensor are electrically connected to the motor control unit 16.
  • the motor control unit 16 generates a torque command value (current command value) based on a command value acquired from the control unit 8 (more specifically, a command generation unit 83 described later), and a drive current corresponding to the torque command value. Are supplied to the drive motors of the joints JT1 to JT6. The output rotation angle of the drive motor is detected by a position sensor and fed back to the motor control unit 16.
  • the functions of the motor control unit 16 and the control unit 8 may be realized as a single circuit or a single arithmetic device.
  • the slave arm 1 has a force sensor 17 for detecting a force received from the outside.
  • the force sensor 17 is a force (hereinafter referred to as “contact force”) fs applied to the slave arm 1 when the slave arm 1 comes into contact with another object (for example, the attached object W2). This is for obtaining the size and direction.
  • the contact force fs is a reaction force applied to the slave arm 1 when the holding hand 12 or the assembly W1 held by the holding hand 12 contacts the assembly W2.
  • the force sensor 17 is a three-axis force sensor capable of detecting component forces acting in three axial directions orthogonal to each other.
  • the force sensor 17 is provided so as to connect the distal end portion of the sixth link 11f and the holding hand 12. For this reason, the force information detected by the force sensor 17 includes the gravity of the holding hand 12 and the gravity of the attachment W1 held thereby.
  • the force information detected by the force sensor 17 is sent to the control unit 8.
  • the gravitational compensation unit 82 described later removes the above-described gravitational component from the external force detected by the force sensor 17 and acquires the contact force fs. That is, in the present embodiment, the force sensor 17 and a gravity compensation unit 82 described later constitute a contact force acquisition unit 18 (see FIG. 2) that acquires the contact force fs.
  • the contact force acquisition unit 18 is not limited to that acquired by the force sensor 17 and the gravity compensation unit 82, and for example, the contact force fs may be acquired using the drive current of the drive motor of the slave arm 1. .
  • the master arm 2 is means for receiving an operator's operation.
  • the slave arm 1 operates such that the hand portion of the slave arm 1 moves following the movement of the hand portion of the master arm 2. That is, the master arm 2 is configured to intuitively operate the position and posture of the slave arm 1.
  • the hand portion of the master arm 2 is made to follow the hand portion of the slave arm 1, and the force received from the outside by the slave arm 1 is transmitted to the operator via the master arm 2.
  • the presented bilateral control is adopted.
  • the master arm 2 is an articulated robot arm having the same number of joints JTm1 to JTm6 as the slave arm 1, and is configured by sequentially connecting a base 25 and a plurality of links 21a to 21f. ing.
  • the connection configuration of the links 21a to 21f of the master arm 2 is substantially the same as the links 11a to 11f of the slave arm 1, and a detailed description thereof will be omitted.
  • the master arm 2 has a similar structure to the slave arm 1, but the master arm 2 may have a non-similar structure to the slave arm 1.
  • the master arm 2 when the operation that the operator causes the slave arm 1 to perform through the master arm 2 is only movement in the vertical direction, the master arm 2 has a smaller number of joints (for example, only JTm2, JTm3, and JTm5) than the slave arm 1. It may be an articulated robot arm.
  • Each of the joints JTm1 to JTm6 of the master arm 2 is provided with a drive motor (not shown) as an example of an actuator that relatively rotates two members connected to each other.
  • These drive motors are servo motors that are servo-controlled by the motor control unit 26, for example.
  • the motor control unit 26 can servo-control a plurality of drive motors by one unit, but a motor control unit corresponding to each drive motor may be provided.
  • Each drive motor is provided with a position sensor (not shown) for detecting the rotational position and a current sensor (not shown) for detecting a current for controlling the rotation.
  • the position sensor is, for example, an encoder.
  • the drive motor, position sensor, and current sensor are electrically connected to the motor control unit 26.
  • the motor control unit 26 generates a torque command value (current command value) based on a command value acquired from the control unit 8 (more specifically, a command generation unit 83 described later), and a drive current corresponding to the torque command value. Are supplied to the drive motors of the joints JTm1 to JTm6. The output rotation angle of the drive motor is detected by a position sensor and fed back to the motor control unit 26.
  • the functions of the motor control unit 26 and the control unit 8 may be realized as a single circuit or a single arithmetic device.
  • a gripper (a “gripping part” of the present invention) 29 that can be gripped by an operator via a force sensor 28 is provided at the tip of the sixth link 21 f of the master arm 2.
  • the force sensor 28 detects the magnitude and direction of the force (hereinafter referred to as “operation force”) fm applied to the master arm 2 by the operation of the operator holding the gripper 29. That is, in the present embodiment, the force sensor 17 functions as an operation force acquisition unit that acquires the operation force fm.
  • the force sensor 28 is a triaxial force sensor capable of detecting component forces acting in three axial directions orthogonal to each other. The operating force fm detected by the force sensor 28 is sent to the control unit 8.
  • the gripper 29 is provided with a grip sensor 30 for detecting whether or not the gripper 29 is gripped.
  • the detection signal generated by the grip sensor 30 is sent to the control unit 8.
  • the input device 4 is an input unit that is installed outside the work space together with the master arm 2 and inputs an instruction received from an operator to the control unit 8.
  • an operation other than the operation related to the position and posture of the slave arm 1 is input.
  • the input device 4 is provided with one or more operation input tools for inputting an operation command excluding the position and posture of the slave arm 1 such as an operation input tool for selecting the control mode of the slave arm 1 and an emergency stop switch.
  • the one or more operation input tools may include known operation input tools such as a touch panel, a key, a lever, a button, a switch, and a dial.
  • a portable terminal such as a pendant or a tablet may be used as the input device 4.
  • the input device 4 includes a setting value input unit 41 that receives input of setting values for defining the magnitude and direction of a virtual external force described later.
  • the set value input unit 41 is, for example, a touch panel or a key that can input numerical values. Details of the set value input from the set value input unit 41 will be described later.
  • the output device 5 outputs information transmitted from the control unit 8.
  • the output device 5 is installed at a position that can be easily seen by an operator operating the master arm 2.
  • the output device 5 includes at least a display device, and may further include a printer, a speaker, a warning light, and the like.
  • information transmitted from the control unit 8 is displayed and output.
  • a speaker information transmitted from the control unit 8 is output as sound.
  • the printer information transmitted from the control unit 8 is printed out on a recording medium such as paper.
  • the situation acquisition device 6 is means for acquiring situation information indicating a situation in the work space of the slave arm 1.
  • the situation information includes information used for recognizing the position and posture of the slave arm 1 in the work space or the surrounding situation surrounding the slave arm 1. More specifically, the situation information includes, for example, the position and posture of the slave arm 1 in the work space, the positional relationship between the attachment W1 held by the slave arm 1 and the attachment W2, and the like in the work space. Includes information necessary for recognizing the situation of the slave arm 1 and the situation around the slave arm 1.
  • the situation acquisition device 6 includes, for example, one or more camera devices that photograph the work situation of the slave arm 1, the position of the assembly W1, the position of the assembly W2, the assembly W1 and the assembly W2. It is a sensor that measures the distance between.
  • the storage device 7 stores various task programs used for controlling the slave arm 1.
  • the task program may be created as an operation flow for each work.
  • the task program is created by teaching, for example, and is stored in the storage device 7 in association with the identification information of the slave arm 1 and the task.
  • the storage device 7 is described independently of the control unit 8, the storage device included in the control unit 8 may serve as the storage device 7.
  • the storage device 7 stores operation sequence information created in advance.
  • the operation sequence information is information relating to an operation sequence that defines a series of work steps performed by the slave arm 1 in the work space.
  • the operation order of the work process is associated with the control mode of the slave arm 1.
  • a task program for causing the slave arm 1 to automatically execute the work is associated with each work process.
  • the operation sequence information may include a program for causing the slave arm 1 to automatically execute the work for each work process.
  • Control unit 8 As shown in FIG. 1, a slave arm 1, a master arm 2, an input device 4, an output device 5, a status acquisition device 6, and a storage device 7 are connected to the control unit 8 so that they can communicate with each other by wire or wirelessly. .
  • the control unit 8 is a so-called computer, and includes an arithmetic processing unit such as a CPU and a storage unit such as a ROM and a RAM (none of which are shown).
  • the storage unit stores a control program executed by the control unit 8, various fixed data, and the like.
  • the arithmetic processing unit transmits and receives data to and from external devices such as the input device 4, the output device 5, the status acquisition device 6, and the storage device 7.
  • the arithmetic processing unit inputs detection signals from various sensors and outputs control signals to each control target.
  • processing for controlling various operations of the system 100 is performed by the arithmetic processing unit reading and executing software such as a program stored in the storage unit.
  • the control unit 8 may execute each process by centralized control by a single computer, or may execute each process by distributed control by cooperation of a plurality of computers. Moreover, the control unit 8 may be comprised from the microcontroller, the programmable logic controller (PLC), etc.
  • PLC programmable logic controller
  • the control unit 8 includes a mode switching unit 81, a gravity compensation unit 82, a command generation unit 83, a set value storage unit 84, and an external force application switching unit 85 as functional blocks.
  • these functional blocks are collectively shown in one control unit 8, but each functional block or a combination of a plurality of functional blocks may be realized by one or more independent computers. In this case, some of these functional blocks may be arranged in the work space, and the remaining part may be arranged in the outside work space.
  • the mode switching unit 81 switches the control mode for operating the slave arm 1 between the above-described manual mode and automatic mode. Switching of the control mode of the slave arm 1 by the mode switching unit 81 is performed based on the above-described operation sequence information stored in the storage device 7. In the present embodiment, the gravity compensation by the gravity compensation unit 82 and the command generation by the command generation unit 83 are executed when the control mode for operating the slave arm 1 is the manual mode.
  • the gravity compensation unit 82 compensates the gravity of the attachment W1 so that the gravity of the attachment W1 held by the slave arm 1 is not presented to the operator via the master arm 2.
  • the force detected by the force sensor 17 includes, for example, the gravity of the attachment W1 held by the slave arm 1.
  • the external force received by the slave arm is presented to the operator via the master arm.
  • the gravity compensation part 82 is holding
  • the gravity part of the holding hand 12 is obtained.
  • the command generation unit 83 generates a command value to be sent to the motor control units 16 and 26.
  • the remote operation robot system 100 employs parallel bilateral control. That is, the command generation unit 83 in the present embodiment uses the position command value Xd, s to be sent to the motor control unit 16 on the slave arm 1 side and the motor on the master arm 2 side from the information about the contact force fs and the information about the operation force fm. This is a position command generation unit that generates a position command value Xd, m to be sent to the control unit 26.
  • the slave coordinate system of the slave arm 1 and the master coordinate system of the master arm 2 are associated with each other.
  • FIG. 2 is a control block diagram showing an outline of command generation by the command generation unit 83.
  • the command generation unit 83 includes functional units such as a force / speed conversion unit 86 and speed position conversion units 87a and 87b.
  • the force / speed conversion unit 86 calculates a speed command value vd that defines the moving direction and moving speed of the hand portion of the slave arm 1 from the force command value based on the contact force fs and the operating force fm.
  • the speed command value vd is a speed vector, a speed command value vdx in the x-axis direction extending in a predetermined horizontal direction, a speed command value vdy in the y-axis direction orthogonal to the x-axis and extending in the horizontal direction, and the direction of gravity Is calculated as a speed command value vdz in the z-axis direction extending to
  • the force / velocity conversion unit 86 generates a speed command value vd for applying a virtual external force, that is, virtual gravity, to the master arm 2 in the gravity direction (z direction).
  • a virtual external force that is, virtual gravity
  • “virtual external force” means that the external force actually applied to the slave arm 1, that is, the external force detected by the force sensor 28 is independent.
  • the force / speed conversion unit 86 calculates a speed command value vd from the force command value based on the operation force fm and the contact force fs by the following conversion formula (1) so as to apply virtual gravity to the master arm 2. calculate.
  • m ⁇ g is a term for applying the above-described virtual gravity to the hand portion of the master arm 2, and “m” is a preset virtual mass. It is.
  • the force / velocity conversion unit 86 in the present embodiment sets the term “m ⁇ g” as in the above conversion equation (1) so that a force that does not cause a burden in the direction of gravity acts on the master arm 2.
  • the speed command value vd is generated.
  • the speed command value vd obtained by the force / speed converter 86 is sent to the speed position converter 87a on the slave arm 1 side and the speed position converter 87b on the master arm 2 side.
  • the speed position conversion units 87a and 87b generate the position command value Xd, s of the slave arm 1 and the position command value Xd, m of the master arm 2 at any time in real time using the speed command value vd.
  • the position command value Xd, s generated by the speed position conversion unit 87a is sent to the motor control unit 16 on the slave arm 1 side, and the motor control unit 16 performs the operation of the slave arm 1 based on the position command value Xd, s. Control.
  • the position command value Xd, m generated by the speed position conversion unit 87b is sent to the motor control unit 26 on the master arm 2 side, and the motor control unit 26 operates the master arm 2 based on the position command value Xd, m. Control.
  • the operation of the master arm 2 is controlled based on the position command value Xd, m that causes the virtual gravity to act on the master arm 2, the operator is presented with a sense of holding the object via the master arm 2. .
  • the set value storage unit 84 stores the set value input from the set value input unit 41.
  • the set value stored in the set value storage unit 84 is used to generate a command value in the command generation unit 83.
  • the set value stored in the set value storage unit 84 includes the value “m” (virtual mass m) of the above equation (1).
  • the magnitude of the gravitational force acting on the master arm 2 is changed according to the virtual mass m stored in the set value storage unit 84.
  • the virtual mass m is set from the set value input unit 41 so as not to be a burden on the operator who operates the master arm 2 (for example, 1.5 kg).
  • the setting value stored in the setting value storage unit 84 may include the values of “M” and “Cv” in the above equation (1).
  • the external force application switching unit 85 uses a command value generation method in the command generation unit 83 so that a command to apply a virtual external force to the master arm 2 is generated only when the operator holds the gripper 29. Switch. Specifically, the external force application switching unit 85 changes the force command value based on the operation force fm and the contact force fs in the force / speed conversion unit 86 to a speed command value in accordance with a detection signal sent from the grip sensor 30 to the control unit 8. Switch the conversion formula to convert to vd.
  • the external force application switching unit 85 sets the conversion formula used in the force / speed conversion unit 86 to the conversion formula (1). For this reason, the command generation unit 83 generates a command to add virtual gravity to the tip of the master arm 2.
  • the external force application switching unit 85 uses a conversion formula used by the force / speed conversion unit 86 as follows so that virtual gravity is not applied to the master arm 2. Set to (2).
  • the above conversion formula (2) is obtained by removing the term “m ⁇ g” of the virtual gravity acting on the master arm 2 from the left side of the above conversion formula (1).
  • the speed command value vd is obtained based on the contact force fs and the operation force fm
  • the position command values Xd, s, Xd, m are generated by the speed position conversion units 87a, 87b.
  • virtual gravity acts on the tip of the master arm 2 only while the operator is gripping the gripper 29, and when the operator releases the gripper 29, the virtual gravity does not work. For this reason, when the operator releases the gripper 29, the slave arm 1 and the master arm 2 are prevented from operating due to virtual gravity set in advance by the set value input unit 41.
  • the external force application switching unit 85 may switch to the following formulas (3) and (4) instead of the conversion formula (2). .
  • the above formula (3) is obtained by adding a virtual external force fv for moving the hand portion of the slave arm 1 to a predetermined position on the right side of the conversion formula (1).
  • “Xv” is a preset target position of the hand portion of the slave arm 1
  • “Xd, s” is a current position of the hand portion of the slave arm 1.
  • the target position Xv is set to a safe position that does not come into contact with other objects even if the hand portion of the slave arm 1 moves to that position.
  • the attachment W1 held by the holding hand 12 is moved downward by virtual gravity to the floor or the like. Collisions are prevented.
  • the value of “k” or “Xv” (that is, the position coordinate in the slave coordinate system) of the above equation (4) may be included in the setting value stored in the setting value storage unit 84.
  • the operation sequence information of the work of attaching the assembly (seat) W1 to the assembly (vehicle body) W2 stored in the storage device 7 is the take-out task T1 for extracting the assembly W1 from the container, the assembly It consists of a transfer task T2 for transporting W1 to the vicinity of the attachment position of the attachment W2, and an attachment task T3 for attaching the attachment W1 in the vicinity of the attachment position to the attachment position. These tasks T1 to T3 are repeated in this order. Execute.
  • control unit 8 reads predetermined operation sequence information stored in the storage device 7, and starts control of the system 100 along with this operation sequence information.
  • control unit 8 reads out the task program of the extraction task T1 from the storage device 7 and executes it.
  • control unit 8 reads and executes the task program for the transfer task T2.
  • the control unit 8 controls the operation of the slave arm 1 in the automatic mode.
  • the control unit 8 causes the display device to display a selection screen for prompting the operator to select a control mode of the next attachment task T3.
  • the control unit 8 causes the display device to output the status information of the slave arm 1 whose control mode is about to be selected.
  • the status information displayed and output on the display device may include the identification information of the slave arm 1 shown, the contents of the process to be performed next, and the like.
  • the operator visually recognizes the status information of the slave arm 1 displayed on the display device, and selects, for example, the manual mode or the automatic mode by the master arm 2 or the input device 4.
  • the control unit 8 switches the control mode of the slave arm 1 from the automatic mode to the manual mode by the mode switching unit 81.
  • the assembly W1 is held in the holding hand 12 of the slave arm 1, but the gravity compensator 82 removes the gravity component of the force detected by the force sensor 28, so that the master The gravity of the assembly W1 does not act on the arm 2. Further, when the operator does not grip the gripper 29, virtual gravity does not act on the master arm 2. That is, the position command value is generated by the command generator 83 based on the conversion formula (2).
  • the conversion formula (2) is switched from the conversion formula (2) to the conversion formula (1) for applying virtual gravity to the master arm 2 by the external force application switching unit 85. For this reason, the operator operates the master arm 2 to operate the slave arm 1 while receiving a force in the direction of gravity via the master arm 2. Thus, the operator operates the master arm 2 to bring the assembly W1 closer to the assembly W2 in order to insert the pin p of the assembly W2 into the hole h of the assembly W1.
  • the control unit 8 sequentially advances the work process along the operation sequence.
  • the virtual gravity acting on the operator via the master arm 2 that is independent of the force received by the slave arm 1 from the outside and acts so as not to be a burden in the direction of gravity.
  • the gravity compensation of the assembly W1 held by the holding arm 12 by the slave arm 1 is not reflected on the master arm 2 by the gravity compensation unit 82, and the virtual gravity set from the set value input unit 41 is not reflected on the master arm 2.
  • the operational feeling of the operator received through the master arm 2 can be improved.
  • the virtual external force applied to the master arm 2 is appropriately adjusted to a size and a direction that are easy for the operator to operate. can do. For this reason, the operation burden of the master arm 2 can be reduced, and a sense of holding an object can be presented to the operator. Further, the virtual external force applied to the master arm 2 is preset from the set value input unit 41 and is independent of the force detected from the force sensor 17. For this reason, the virtual gravity applied to the master arm 2 can be made constant regardless of the weight of the object held by the holding hand 12.
  • the master arm 2 and the slave arm 1 are controlled by the parallel bilateral control, but the bilateral control applied to the present invention is not limited to the parallel type.
  • the bilateral control applied to the present invention may not be a bilateral control method. That is, the force received from the outside by the slave arm 1 may not be applied to the master arm 2, and only virtual gravity may be applied.
  • the command generation unit 83 generates a command value for applying a virtual external force to the master arm 2 in the direction of gravity.
  • the magnitude and direction of the virtual external force depends on the work performed by the slave arm 1. Can be changed as appropriate. For example, when the work of stirring a viscous liquid is performed with a rod-like body or the like held by the slave arm 1, the command generation unit 83 may generate a command that causes the master arm 2 to act on the viscous resistance received from the liquid. In this case, the virtual external force may be applied in a direction opposite to the direction in which the master arm 2 is operated (the moving direction of the rod-shaped body).
  • the magnitude and direction of the virtual external force can be appropriately set from the set value input unit 41.
  • the remote operation robot system according to the present invention can be set by the operator using the magnitude and direction of the virtual external force. Is not required to be provided with the set value input unit 41 so that the preset value is not changed from the preset value.
  • Remote operation robot system 1 Slave arm 2: Master arm 12: Holding hand 16: Motor control unit 26: Motor control unit 29: Gripper 30: Grasping sensor 41: Set value input unit 82: Gravity compensation unit 83: Command generation Unit 84: set value storage unit W1: assembly W2: assembly fm: operation force fs: contact force

Abstract

遠隔操作ロボットシステムは、所定の作業を行うスレーブアームと、関節を駆動するモータを有し、スレーブアームを動作させるための操作をオペレータから受け付けるマスタアームと、マスタアームに、スレーブアームが外部から受けた力とは独立した仮想の外力を所定方向に加える指令を生成する指令生成部と、指令生成部から送られた指令に対応した駆動電流をモータに与えるモータ制御部と、を備える。

Description

遠隔操作ロボットシステム
　本発明は、マスタアーム及びスレーブアームを備えた遠隔操作ロボットシステムに関する。
　従来、オペレータにより操作されるマスタアームと、マスタアームに対する操作に応じて動作するスレーブアームとを備えた遠隔操作ロボットシステムが知られている。オペレータは、マスタアームを操作することにより、スレーブアームに機器の組立やメンテナンスなどの作業を行わせる。このような遠隔操作ロボットシステムには、例えばスレーブアームが保持した物体の重力や、スレーブアーム又はそれが保持した物体が他の物体に接触することにより受ける反力（接触力）などを、マスタアームを介してオペレータに感知させるものがある。特許文献１には、この種の技術が開示されている。
　この種の遠隔操作ロボットシステムでは、例えばスレーブアームが保持した物体の重量が大きい場合、オペレータはその重量を感知しながらマスタアームを操作することになるため、オペレータに負担となり得る。特許文献１に開示されたシステムでは、マスタアームを操作するオペレータにスレーブアームに作用する反力のみ感知させるか、反力と物体の重力とを合わせて感知させるかをスイッチで切り替えることができるように構成されている。具体的には、特許文献１に開示されたシステムでは、設定時点でスレーブアームが保持した物体の重量を演算する。そして、スレーブアームに作用する反力のみオペレータに感知させる場合には、設定時点以外の期間において、スレーブアームが受ける力から物体の重力に対応する力を減算して得られる駆動信号に基づき、マスタアームを駆動している。
特公平８－２９５０８号公報
　しかし、特許文献１に開示されたシステムのように、スレーブアームが保持した物体の重力等の所定の外力を完全にキャンセルしてしまうと、オペレータが想定した感覚と、マスタアームを介して受ける感覚との間にずれが生じ得る。このような操作感覚のずれは、作業性に悪影響を与える可能性がある。
　そこで、本発明は、マスタアームを介して受けるオペレータの操作感を改善した遠隔操作ロボットシステムを提供することを目的とする。
　上記課題を解決するために、本発明に係る遠隔操作ロボットシステムは、所定の作業を行うスレーブアームと、関節を駆動するモータを有し、前記スレーブアームを動作させるための操作をオペレータから受け付けるマスタアームと、前記マスタアームに、前記スレーブアームが外部から受けた力とは独立した仮想の外力を所定方向に加える指令を生成する指令生成部と、前記指令生成部から送られた指令に対応した駆動電流を前記モータに与えるモータ制御部と、を備える。
　上記の構成によれば、マスタアームを介してオペレータには、スレーブアームが外部から受けた力とは独立した、所定方向に作用する仮想の外力が提示される。このため、例えばマスタアームに、オペレータが力を受けると想定した方向に、負担にならない程度の外力を作用させれば、オペレータが想定した感覚と、マスタアームを介して受ける感覚との間のずれを低減することができる。これにより、マスタアームを介して受けるオペレータの操作感を改善することができる。
　上記の遠隔操作ロボットシステムは、前記仮想の外力の大きさ及び方向を規定するための設定値の入力を受け付ける設定値入力部と、前記設定値入力部から入力された前記設定値を記憶する設定値記憶部と、を更に備え、前記指令生成部は、前記設定値記憶部に記憶された前記設定値に基づき前記指令を生成してもよい。この構成によれば、設定値入力部から仮想の外力の大きさや方向を設定することができるため、マスタアームに加えられる仮想の外力をオペレータにとって操作しやすい大きさ及び方向に適宜調整することができる。
　例えば、上記の遠隔操作ロボットシステムは、前記スレーブアームの先端に設けられた、ワークを保持する保持ハンドと、前記保持ハンドに保持されたワークの重力を補償する重力補償部と、を更に備え、前記指令生成部は、前記保持ハンドにワークが保持されている場合に、前記マスタアームに、前記保持ハンドに保持されたワークの重力とは独立した仮想の外力を重力方向に加える指令を生成してもよい。この構成によれば、重力補償部により、スレーブアームが保持ハンドにより保持した物体の重力はマスタアームには反映させず、マスタアームに、重力方向に作用する負担にならない程度の仮想の外力を作用させることができる。これにより、マスタアームの操作負担を軽減でき、且つ、オペレータに物体を保持した感覚を提示できる。
　上記の遠隔操作ロボットシステムは、前記マスタアームの先端に設けられた、前記オペレータが把持可能な把持部と、前記把持部が把持されているか否かを検知する把持センサと、を更に備え、前記指令生成部は、前記把持センサが把持されていると検知した場合、前記仮想の外力を前記マスタアームに加える指令を生成し、前記把持センサが把持されていないと検知した場合、前記仮想の外力を前記マスタアームに加えない指令を生成してもよい。この構成によれば、オペレータが把持部を把持している間だけ、前記マスタアームの先端に所定方向に仮想の外力が作用し、オペレータが把持部を離した場合には、仮想の外力は作用しなくなる。このため、オペレータが把持部を離したときに、仮想の外力によりマスタアームが動作することが防がれる。
　本発明の遠隔操作ロボットシステムによれば、マスタアームを介して受けるオペレータの操作感を改善することができる。
本発明の一実施形態に係る遠隔操作ロボットシステムの概略構成図である。 図１に示す指令生成部による指令生成の概要を示す制御ブロック図である。
　以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
　〔遠隔操作ロボットシステム１００〕
　図１は遠隔操作ロボットシステム１００の概略構成図である。図１に示すように、遠隔操作ロボットシステム１００は、マスタ・スレーブ方式のロボットシステムであって、スレーブアーム１と、マスタアーム２とを備えている。また、遠隔操作ロボットシステム１００は、入力装置４と、出力装置５と、状況取得装置６と、記憶装置７と、システム１００を包括的に制御する制御ユニット８とを備えている。
　遠隔操作ロボットシステム１００では、オペレータがマスタアーム２を操作することにより、マスタアーム２から離れた場所にあるスレーブアーム１がマスタアーム２の動きに追従し所定の作業を行う。本実施形態では、遠隔操作ロボットシステム１００として、自動車組立ラインに構築され、自動車のボディにシートを取り付ける作業を行うシステムが例示される。
　具体的には、図１に示すように、シート（以下、組付物）Ｗ１は、スレーブアーム１により保持され動かされる対象（ワーク）であり、組付物Ｗ１の底部に、穴ｈが設けられている。また、図１にその一部が示される自動車のボディ（以下、被組付物）Ｗ２は、支持台（図示略）に支持されており、被組付物Ｗ２の所定の箇所には上方に突き出たピンｐが設けられている。オペレータは、マスタアーム２を操作することにより、スレーブアーム１を動作させ、破線で示すように、組付物Ｗ１の穴ｈに被組付物Ｗ２のピンｐが挿通するように組付物Ｗ１を下方に移動させ、被組付物Ｗ２の上に組み付ける。
　また、本実施形態の遠隔操作ロボットシステム１００は、オペレータがマスタアーム２を介してスレーブアーム１を動作させる制御モード（以下、手動モード）と、予め設定されたタスクプログラムに従ってスレーブアーム１を動作させる制御モード（以下、自動モード）とが切り替えられるように構成されている。
　以下、遠隔操作ロボットシステム１００の各構成要素について詳細に説明する。
　〔スレーブアーム１〕
　スレーブアーム１は、複数のリンク１１ａ～１１ｆの連接体と、これを支持する基台１５とから構成された、複数の関節ＪＴ１～ＪＴ６を有する多関節ロボットアームである。より詳しくは、第１関節ＪＴ１では、基台１５と、第１リンク１１ａの基端部とが、鉛直方向に延びる軸回りに回転可能に連結されている。第２関節ＪＴ２では、第１リンク１１ａの先端部と、第２リンク１１ｂの基端部とが、水平方向に延びる軸回りに回転可能に連結されている。第３関節ＪＴ３では、第２リンク１１ｂの先端部と、第３リンク１１ｃの基端部とが、水平方向に延びる軸回りに回転可能に連結されている。第４関節ＪＴ４では、第３リンク１１ｃの先端部と、第４リンク１１ｄの基端部とが、第４リンク１１ｄの長手方向に延びる軸回りに回転可能に連結されている。第５関節ＪＴ５では、第４リンク１１ｄの先端部と、第５リンク１１ｅの基端部とが、第４リンク１１ｄの長手方向と直交する軸回りに回転可能に連結されている。第６関節ＪＴ６では、第５リンク１１ｅの先端部と第６リンク１１ｆの基端部とが、捻れ回転可能に連結されている。
　そして、第６リンク１１ｆの先端部には、作業内容に対応したエンドエフェクタが着脱可能に装着される。本実施形態では、エンドエフェクタは、組付物Ｗ１を保持する保持ハンド１２である。
　スレーブアーム１の各関節ＪＴ１～ＪＴ６には、それが連結する２つの部材を相対的に回転させるアクチュエータの一例としての駆動モータ（図示略）が設けられている。これら駆動モータは、例えば、モータ制御部１６によってサーボ制御されるサーボモータである。本実施形態に係るモータ制御部１６は、１台で複数の駆動モータをサーボ制御できるものであるが、各駆動モータに対応するモータ制御部が設けられていてもよい。また、各駆動モータには、その回転位置を検出するための位置センサ（図示略）と、その回転を制御する電流を検出するための電流センサ（図示略）とが設けられている。位置センサは、例えば、エンコーダである。駆動モータ、位置センサ、及び電流センサは、モータ制御部１６と電気的に接続されている。
　モータ制御部１６は、制御ユニット８（より詳細には、後述する指令生成部８３）より取得した指令値に基づいてトルク指令値（電流指令値）を生成し、トルク指令値に対応した駆動電流を、各関節ＪＴ１～ＪＴ６の駆動モータへ供給する。駆動モータの出力回転角は位置センサによって検出され、モータ制御部１６へフィードバックされる。但し、モータ制御部１６と制御ユニット８の機能が、単一の回路または単一の演算装置として実現されてもよい。
　また、スレーブアーム１は、外部から受ける力を検出する力センサ１７を有する。本実施形態において、力センサ１７は、スレーブアーム１が他の物体（例えば被組付物Ｗ２）に接触することによってスレーブアーム１に加えられる力（以下、「接触力」と称する。）fsの大きさ及び方向を取得するためのものである。本実施形態では、接触力fsは、保持ハンド１２又はそれに保持された組付物Ｗ１が被組付物Ｗ２に接触する場合にスレーブアーム１に加えられる反力である。力センサ１７は、互いに直交する３つの軸方向に作用する分力の検出が可能な３軸力覚センサで構成される。
　本実施形態では、力センサ１７は、第６リンク１１ｆの先端部と保持ハンド１２とを接続するように設けられている。このため、力センサ１７により検出された力情報には、保持ハンド１２の重力やそれに保持された組付物Ｗ１の重力も含まれる。力センサ１７により検出された力情報は、制御ユニット８に送られる。制御ユニット８では、後述する重力補償部８２によって、力センサ１７が検出した外力から上述した重力分が除かれて接触力fsが取得される。即ち、本実施形態では、力センサ１７と後述の重力補償部８２とにより、接触力fsを取得する接触力取得部１８（図２参照）が構成される。
　但し、接触力取得部１８は、力センサ１７と重力補償部８２とにより取得するものに限定されず、例えばスレーブアーム１の駆動モータの駆動電流を利用して接触力fsを取得してもよい。
　〔マスタアーム２〕
　マスタアーム２は、オペレータの操作を受け付ける手段である。本実施形態に係る遠隔操作ロボットシステム１００では、スレーブアーム１の手先部がマスタアーム２の手先部の動きに追従して動くように、スレーブアーム１が動作する。つまり、マスタアーム２は、スレーブアーム１の位置や姿勢を直感的に操作できるように構成されている。また、本実施形態に係る遠隔操作ロボットシステム１００では、マスタアーム２の手先部をスレーブアーム１の手先部に追従させるとともに、スレーブアーム１が外部から受けた力をマスタアーム２を介してオペレータに提示するバイラテラル制御が採用されている。
　本実施形態では、マスタアーム２は、スレーブアーム１と同じ数の複数の関節ＪＴm１～ＪＴm６を有する多関節ロボットアームであって、基台２５及び複数のリンク２１ａ～２１ｆが順次連結されて構成されている。マスタアーム２のリンク２１ａ～２１ｆの連接構成は、スレーブアーム１のリンク１１ａ～１１ｆと実質的に同一であり、詳細な説明は省略する。
　なお、本実施形態では、マスタアーム２は、スレーブアーム１と相似構造をしているが、マスタアーム２は、スレーブアーム１と非相似構造をしていてもよい。例えば、オペレータがマスタアーム２を介してスレーブアーム１に行わせる動作が上下方向への移動のみである場合、マスタアーム２はスレーブアーム１より少ない数（例えばＪＴm２，ＪＴm３，ＪＴm５のみ）の関節を有する多関節ロボットアームであってもよい。
　マスタアーム２の各関節ＪＴm１～ＪＴm６には、それが連結する２つの部材を相対的に回転させるアクチュエータの一例としての駆動モータ（図示略）が設けられている。これら駆動モータは、例えば、モータ制御部２６によってサーボ制御されるサーボモータである。本実施形態に係るモータ制御部２６は、１台で複数の駆動モータをサーボ制御できるものであるが、各駆動モータに対応するモータ制御部が設けられていてもよい。また、各駆動モータには、その回転位置を検出するための位置センサ（図示略）と、その回転を制御する電流を検出するための電流センサ（図示略）とが設けられている。位置センサは、例えば、エンコーダである。駆動モータ、位置センサ、及び電流センサは、モータ制御部２６と電気的に接続されている。
　モータ制御部２６は、制御ユニット８（より詳細には、後述する指令生成部８３）より取得した指令値に基づいてトルク指令値（電流指令値）を生成し、トルク指令値に対応した駆動電流を、各関節ＪＴm１～ＪＴm６の駆動モータへ供給する。駆動モータの出力回転角は位置センサによって検出され、モータ制御部２６へフィードバックされる。但し、モータ制御部２６と制御ユニット８の機能が、単一の回路または単一の演算装置として実現されてもよい。
　マスタアーム２の第６リンク２１ｆの先端部には、力センサ２８を介して、オペレータが把持可能なグリッパ（本発明の「把持部」）２９が設けられている。本実施形態では、グリッパ２９を把持したオペレータの操作によってマスタアーム２に加えられる力（以下、「操作力」と称する。）fmの大きさ及び方向が、力センサ２８により検出される。即ち、本実施形態では、力センサ１７が、操作力fmを取得する操作力取得部として機能する。力センサ２８は、互いに直交する３つの軸方向に作用する分力の検出が可能な３軸力覚センサで構成される。力センサ２８により検出された操作力fmは、制御ユニット８に送られる。
　また、グリッパ２９には、当該グリッパ２９が把持されているか否かを検知する把持センサ３０が設けられている。把持センサ３０により生成された検知信号は、制御ユニット８に送られる。
　〔入力装置４〕
　入力装置４は、マスタアーム２と共に作業空間外に設置され、オペレータから受け付けた指示を制御ユニット８に入力する入力手段である。入力装置４では、スレーブアーム１の位置や姿勢に係る操作以外の操作が入力される。入力装置４には、スレーブアーム１の制御モードを選択するための操作入力具や、非常停止スイッチなど、スレーブアーム１の位置や姿勢を除く操作指令を入力する１以上の操作入力具が設けられている。１以上の操作入力具には、例えば、タッチパネル、キー、レバー、ボタン、スイッチ、ダイヤルなどの既知の操作入力具が含まれていてよい。また、入力装置４として、ペンダントやタブレットなどの携帯端末が用いられてもよい。
　本実施形態において、入力装置４には、後述する仮想の外力の大きさ及び方向を規定するための設定値の入力を受け付ける設定値入力部４１が含まれる。設定値入力部４１は、例えば数値を入力可能なタッチパネル、キーなどである。設定値入力部４１から入力される設定値について、詳細は後述する。
　〔出力装置５〕
　出力装置５は、制御ユニット８から送信された情報を出力するものである。出力装置５は、マスタアーム２を操作しているオペレータから視認しやすい位置に設置される。出力装置５には、少なくともディスプレイ装置が含まれており、更に、プリンタやスピーカや警報灯などが含まれていてもよい。ディスプレイ装置では、制御ユニット８から送信された情報が表示出力される。例えば、スピーカでは、制御ユニット８から送信された情報が音として出力される。また、例えば、プリンタでは、制御ユニット８から送信された情報が紙などの記録媒体に印字出力される。
　〔状況取得装置６〕
　状況取得装置６は、スレーブアーム１の作業空間内における状況を示す状況情報を取得する手段である。状況情報は、作業空間内におけるスレーブアーム１の位置及び姿勢等、或いはスレーブアーム１を取り巻く周囲の状況を認識するために利用する情報を含む。より具体的には、状況情報は、例えば、作業空間内におけるスレーブアーム１の位置及び姿勢、スレーブアーム１に保持された組付物Ｗ１と被組付物Ｗ２との位置関係等、作業空間内においてスレーブアーム１の状況及びスレーブアーム１の周囲の状況を認識可能とするために必要な情報を含む。状況取得装置６は、例えば、スレーブアーム１の作業状況を撮影する１つ以上のカメラ装置や、組付物Ｗ１の位置、被組付物Ｗ２の位置、組付物Ｗ１と被組付物Ｗ２の間の距離などを計測するセンサである。
　〔記憶装置７〕
　記憶装置７には、スレーブアーム１の制御に用いられる各種タスクプログラムが記憶されている。タスクプログラムは、作業ごとの動作フローとして作成されていてよい。タスクプログラムは、例えば、ティーチングにより作成され、スレーブアーム１の識別情報とタスクとに対応付けられて記憶装置７に格納される。なお、記憶装置７は制御ユニット８から独立して記載されているが、制御ユニット８が備える記憶装置が記憶装置７としての機能を担ってもよい。
　また、記憶装置７には、予め作成された動作シーケンス情報が記憶されている。動作シーケンス情報とは、作業空間内でスレーブアーム１によって実施される一連の作業工程を規定した動作シーケンスに関する情報である。この動作シーケンス情報では、作業工程の動作順と、スレーブアーム１の制御モードとが対応付けられている。また、この動作シーケンス情報では、各作業工程に対しスレーブアーム１にその作業を自動的に実行させるためのタスクプログラムが対応づけられている。但し、動作シーケンス情報が、各作業工程に対しスレーブアーム１にその作業を自動的に実行させるためのプログラムを含んでいてもよい。
　〔制御ユニット８〕
　図１に示すように、制御ユニット８には、スレーブアーム１、マスタアーム２、入力装置４、出力装置５、状況取得装置６、及び記憶装置７が有線又は無線で通信可能に接続されている。
　制御ユニット８は、いわゆるコンピュータであって、ＣＰＵ等の演算処理部と、ＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶部を有している（いずれも図示せず）。記憶部には、制御ユニット８が実行する制御プログラムや、各種固定データ等が記憶されている。演算処理部は、例えば、入力装置４、出力装置５、状況取得装置６及び記憶装置７などの外部装置とデータの送受信を行う。また、演算処理部は、各種センサからの検出信号の入力や各制御対象への制御信号の出力を行う。制御ユニット８では、記憶部に記憶されたプログラム等のソフトウェアを演算処理部が読み出して実行することにより、システム１００の各種動作を制御するための処理が行われる。なお、制御ユニット８は単一のコンピュータによる集中制御により各処理を実行してもよいし、複数のコンピュータの協働による分散制御により各処理を実行してもよい。また、制御ユニット８は、マイクロコントローラ、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）等から構成されていてもよい。
　制御ユニット８は、機能ブロックとして、モード切替部８１と、重力補償部８２と、指令生成部８３と、設定値記憶部８４と、外力付与切替部８５とを備えている。図１では、これらの機能ブロックが１つの制御ユニット８にまとめて示されているが、各機能ブロック又は複数の機能ブロックの組み合わせが独立した１以上のコンピュータによって実現されていてもよい。この場合、これらの機能ブロックのうち一部が作業空間に配置され、残部が作業外空間に配置されていてもよい。
　モード切替部８１は、スレーブアーム１を動作させる制御モードを、上述した手動モードと自動モードとの間で切り替える。モード切替部８１によるスレーブアーム１の制御モードの切替は、記憶装置７に記憶された上述の動作シーケンス情報に基づき行われる。本実施形態では、重力補償部８２による重力補償及び指令生成部８３による指令の生成は、スレーブアーム１を動作させる制御モードが手動モードの場合に実行される。
　重力補償部８２は、スレーブアーム１が保持した組付物Ｗ１の重力がマスタアーム２を介してオペレータに提示されないように、組付物Ｗ１の重力を補償する。具体的には、力センサ１７が検出した力には、例えばスレーブアーム１が保持した組付物Ｗ１の重力などが含まれる。バイラテラル制御では、スレーブアームが受ける外力がマスタアームを介してオペレータに提示されるため、例えばスレーブアームが保持した物体の重量が大きい場合、オペレータはその重量を感知しながらマスタアームを操作することになり、オペレータに負担となり得る。このため、本実施形態では、重力補償部８２が、保持ハンド１２に組付物Ｗ１が保持されている場合に、スレーブアーム１の力センサ１７により検出した値から、保持ハンド１２の重力分と当該保持ハンド１２に保持された組付物Ｗ１の重力分を除く補正を行っている。このように補正されることで、接触力fsが取得され、後述の指令生成部８３に送られる。
　指令生成部８３は、モータ制御部１６，２６に送る指令値を生成する。本実施形態に係る遠隔操作ロボットシステム１００では、並列型バイラテラル制御が採用されている。即ち、本実施形態における指令生成部８３は、接触力fsに関する情報と操作力fmに関する情報から、スレーブアーム１側のモータ制御部１６に送る位置指令値Xd,sと、マスタアーム２側のモータ制御部２６に送る位置指令値Xd,mを生成する位置指令生成部である。スレーブアーム１のスレーブ座標系とマスタアーム２のマスタ座標系とは対応づけられている。
　図２は、指令生成部８３による指令生成の概要を示す制御ブロック図である。本実施形態では、指令生成部８３は、力速度換算部８６、並びに速度位置換算部８７ａ，８７ｂの各機能部を有している。
　力速度換算部８６は、接触力fsと操作力fmに基づく力指令値から、スレーブアーム１の手先部の移動方向及び移動速度を規定する速度指令値vdを算出する。速度指令値vdは、速度ベクトルであって、所定の水平方向に延びるｘ軸方向の速度指令値vdx、ｘ軸に直交し且つ水平方向に延びるｙ軸方向の速度指令値vdy、及び、重力方向に延びるｚ軸方向の速度指令値vdzとして算出される。
　本実施形態では、力速度換算部８６は、マスタアーム２に、重力方向（ｚ方向）に仮想の外力、即ち仮想重力を加える速度指令値vdを生成する。ここで、「仮想の外力」とは、実際にスレーブアーム１に作用した外力、即ち力センサ２８により検知した外力とは独立したものであることを意味する。
　具体的には、力速度換算部８６は、マスタアーム２に仮想の重力を加えるよう、操作力fm及び接触力fsに基づく力指令値から、以下の換算式（１）により速度指令値vdを算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
  
　ここで、上記の式（１）の左辺において、「m×g」の項が、マスタアーム２の手先部に上述した仮想重力を加えるための項であり、「m」は予め設定した仮想質量である。
　上記換算式（１）における「m×g」の項の意義について説明する。上述したように重力補償部８２により保持ハンド１２により保持した物体の重力が補償されるため、従来の並列型バイラテラル制御に従って接触力fsと操作力fmのみにより指令値を生成すると、オペレータには物体を保持した感覚は提示されない。そこで、本実施形態における力速度換算部８６では、重力方向に負担にならない程度の力がマスタアーム２に作用するように、上記の換算式（１）のように「m×g」の項を追加して速度指令値vdを生成する。
　力速度換算部８６で得られた速度指令値vdは、スレーブアーム１側の速度位置換算部８７ａとマスタアーム２側の速度位置換算部８７ｂに送られる。速度位置換算部８７ａ，８７ｂは、それぞれ、速度指令値vdを用いて、リアルタイムに随時、スレーブアーム１の位置指令値Xd,sとマスタアーム２の位置指令値Xd,mを生成する。速度位置換算部８７ａで生成された位置指令値Xd,sは、スレーブアーム１側のモータ制御部１６に送られ、モータ制御部１６は、位置指令値Xd,sに基づきスレーブアーム１の動作を制御する。速度位置換算部８７ｂで生成された位置指令値Xd,mは、マスタアーム２側のモータ制御部２６に送られ、モータ制御部２６は、位置指令値Xd,mに基づきマスタアーム２の動作を制御する。こうして、仮想の重力をマスタアーム２に作用させる位置指令値Xd,mに基づき、マスタアーム２の動作が制御されるため、オペレータにはマスタアーム２を介して物体を保持した感覚が提示される。
　設定値記憶部８４は、設定値入力部４１から入力された設定値を記憶する。設定値記憶部８４に記憶された設定値は、指令生成部８３における指令値の生成に用いられる。設定値記憶部８４に記憶される設定値には、上記の式（１）の「m」の値（仮想質量m）が含まれる。設定値記憶部８４に記憶された仮想質量mに応じて、マスタアーム２に作用する重力方向の力の大きさが変更される。例えば、仮想質量mは、マスタアーム２を操作するオペレータに負担にならない程度（例えば１．５ｋｇ）に設定値入力部４１から設定される。また、設定値記憶部８４に記憶される設定値には、上記の式（１）の「M」や「Cv」の値が含まれてもよい。
　外力付与切替部８５は、指令生成部８３での指令値の生成方法を、オペレータがグリッパ２９を把持している場合にのみ上述のマスタアーム２に仮想の外力を加える指令が生成されるように切り替える。具体的には、外力付与切替部８５は、把持センサ３０から制御ユニット８に送られる検知信号に応じて、力速度換算部８６における操作力fm及び接触力fsに基づく力指令値を速度指令値vdに換算する換算式を切り替える。
　即ち、グリッパ２９が把持されていると把持センサ３０が検知した場合、外力付与切替部８５は、力速度換算部８６で用いる換算式を、上記換算式（１）に設定する。このため、指令生成部８３は、マスタアーム２の先端に仮想の重力を加える指令を生成する。
　グリッパ２９が把持されていないと把持センサ３０が検知した場合、マスタアーム２に仮想の重力を加えないよう、外力付与切替部８５は、力速度換算部８６で用いる換算式を、以下の換算式（２）に設定する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
  
　上記の換算式（２）は、上記の換算式（１）の左辺から、マスタアーム２に作用させる仮想重力の項「m×g」を除いたものである。こうして、接触力fs及び操作力fmに基づき、速度指令値vdが得られ、速度位置換算部８７ａ，８７ｂで位置指令値Xd,s，Xd,mが生成される。その結果、オペレータがグリッパ２９を把持している間だけ、マスタアーム２の先端に仮想の重力が作用し、オペレータがグリッパ２９を離した場合には、仮想の重力は作用しなくなる。このため、オペレータがグリッパ２９を離したときに、設定値入力部４１にて予め設定した仮想の重力によりスレーブアーム１及びマスタアーム２が動作することが防がれる。
　また、グリッパ２９が把持されていないと把持センサ３０が検知した場合、外力付与切替部８５は、上記換算式（２）の代わりに、以下の式（３）及び（４）に切り替えてもよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
  
　上記の式（３）は、上記の換算式（１）の右辺に、スレーブアーム１の手先部を所定の位置に移動させるための仮想外力fvを追加したものである。上記の式（４）の右辺において、「Xv」は、予め設定したスレーブアーム１の手先部の目標位置であり、「Xd,s」は、スレーブアーム１の手先部の現在位置である。オペレータがグリッパ２９を離すことにより、上記の式（３）及び（４）に切り替えられた場合、予め設定したスレーブアーム１の手先部は、目標位置Xvに向かって移動する。その後、スレーブアーム１が外部から外力を受けない限り（fs＝0）、スレーブアーム１の手先部は目標位置Xvで停止する。ここで、目標位置Xvは、スレーブアーム１の手先部がその位置に移動しても他の物体と接触しない安全な位置に設定される。このように、オペレータがグリッパ２９を離した後にスレーブアーム１の手先部が所定の位置に移動するため、仮想重力によって保持ハンド１２が保持した組付物Ｗ１が下方へと移動して床等に衝突することが防がれる。
　上記の式（４）の「k」の値や「Xv」（即ち、スレーブ座標系における位置座標）の値は、設定値記憶部８４に記憶される設定値に含まれてもよい。
　〔遠隔操作ロボットシステム１００の動作〕
　続いて、上記構成の遠隔操作ロボットシステム１００の動作の一例を説明する。
　記憶装置７に記憶された被組付物（自動車のボディ）Ｗ２への組付物（シート）Ｗ１の取付作業の動作シーケンス情報は、コンテナから組付物Ｗ１を取り出す取出タスクＴ１、組付物Ｗ１を被組付物Ｗ２の取付位置近傍まで搬送する搬送タスクＴ２、及び、取付位置近傍にある組付物Ｗ１を取付位置へ取り付ける取付タスクＴ３からなり、これらのタスクＴ１～Ｔ３をこの順に繰り返し実行する。
　初めに、制御ユニット８は、記憶装置７に記憶された所定の動作シーケンス情報を読み出し、この動作シーケンス情報に沿ってシステム１００の制御を開始する。先ず、制御ユニット８は、記憶装置７から取出タスクＴ１のタスクプログラムを読み出して実行する。次いで、制御ユニット８は、搬送タスクＴ２のタスクプログラムを読み出して実行する。取出タスクＴ１及び搬送タスクＴ２では、制御ユニット８は自動モードでスレーブアーム１の動作を制御する。
　搬送タスクＴ２が終了すると、制御ユニット８は、次の取付タスクＴ３の制御モードの選択をオペレータに促すための選択画面をディスプレイ装置に表示させる。併せて、制御ユニット８は、制御モードが選択されようとしているスレーブアーム１の状況情報をディスプレイ装置に出力させる。ここで、ディスプレイ装置に表示出力される状況情報に、映されているスレーブアーム１の識別情報や、次に行うプロセスの内容などが含まれていてもよい。
　オペレータは、ディスプレイ装置に表示されたスレーブアーム１の状況情報を視認して、例えばマスタアーム２又は入力装置４によって、手動モードか自動モードかを選択する。ここで、手動モードが選択されると、制御ユニット８は、モード切替部８１によりスレーブアーム１の制御モードを自動モードから手動モードに切り替える。
　手動モードに切り替えられた時点において、スレーブアーム１の保持ハンド１２には組付物Ｗ１が保持されているが、重力補償部８２により力センサ２８が検出した力の重力分が除かれるため、マスタアーム２に組付物Ｗ１の重力は作用していない。また、オペレータがグリッパ２９を把持していない場合、マスタアーム２には仮想の重力も作用していない。即ち、上記の換算式（２）に基づき、指令生成部８３により位置指令値が生成される。
　オペレータが、グリッパ２９を把持すると、外力付与切替部８５により、換算式（２）から、マスタアーム２に仮想重力を作用させるための換算式（１）に切り替わる。このため、オペレータは、マスタアーム２を介して重力方向に力を受けながら、マスタアーム２を操作してスレーブアーム１を動作させる。こうして、オペレータはマスタアーム２を操作して、組付物Ｗ１の穴ｈに被組付物Ｗ２のピンｐを挿通させるために、組付物Ｗ１を被組付物Ｗ２に近づける。
　組付物Ｗ１を被組付物Ｗ２に近づける際、穴ｈとピンｐの位置がずれており、組付物Ｗ１の底部（即ち、穴ｈの周りの面）にピンｐが接触すると、鉛直上向きの接触力fsが大きくなり、マスタアーム２を介してオペレータに提示される重力方向（鉛直下向き）の力は軽減される。例えば、接触力fsと仮想の重力m×gが釣り合うと、マスタアーム２を介してオペレータに提示される重力方向の力はゼロになる。このため、オペレータは、組付物Ｗ１の底部が被組付物Ｗ２のピンｐに乗ったことを、マスタアーム２を介して認識することができる。
　その後、組付物Ｗ１を横にずらして穴ｈの位置をピンｐの位置に一致させた場合、鉛直上向きの接触力fsはゼロになり、オペレータには、再度、マスタアーム２を介して仮想の重力が提示される。このため、オペレータは、被組付物Ｗ２のピンｐが組付物Ｗ１の穴ｈに入ったことを、マスタアーム２を介して認識することができる。
　こうして被組付物Ｗ２に対する組付物Ｗ１の組付けが完了すると、取出タスクＴ１に戻る。以上説明したように、制御ユニット８は動作シーケンスに沿って作業工程を順次進行させる。
　本実施形態に係る遠隔操作ロボットシステム１００では、マスタアーム２を介してオペレータには、スレーブアーム１が外部から受けた力とは独立した、重力方向に負担にならない程度に作用する仮想の重力が提示される。即ち、重力補償部８２により、スレーブアーム１が保持ハンド１２により保持した組付物Ｗ１の重力等はマスタアーム２には反映させず、設定値入力部４１から設定した仮想の重力をマスタアーム２に作用させる。このため、オペレータが想定した感覚（物体を保持した感覚）と、マスタアーム２を介して実際に受ける感覚との間のずれを低減することができる。これにより、マスタアーム２を介して受けるオペレータの操作感を改善することができる。
　また、本実施形態では、設定値入力部４１から仮想の外力の大きさや方向を設定することができるため、マスタアーム２に加えられる仮想の外力をオペレータにとって操作しやすい大きさ及び方向に適宜調整することができる。このため、マスタアーム２の操作負担を軽減でき、且つ、オペレータに物体を保持した感覚を提示できる。更に、マスタアーム２に加えられる仮想の外力は、設定値入力部４１から予め設定されたものであり、力センサ１７から検出した力とは独立している。このため、保持ハンド１２に保持された物体の重量に関係なく、マスタアーム２に加える仮想の重力を一定にすることができる。
　本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
　例えば、上記実施形態では、並列型バイラテラル制御によりマスタアーム２及びスレーブアーム１が制御されたが、本発明に適用されるバイラテラル制御は、並列型に限定されない。例えば、対称型、力逆送型及び力帰還型のいずれのバイラテラル制御も本発明に適用可能である。また、本発明に適用される制御方式は、バイラテラル制御方式でなくてもよい。即ち、スレーブアーム１が外部から受けた力をマスタアーム２に作用させなくてもよく、仮想の重力のみを作用させてもよい。
　また、上記実施形態では、指令生成部８３が、マスタアーム２に重力方向に仮想の外力を加える指令値を生成したが、この仮想の外力の大きさや方向は、スレーブアーム１が行う作業に応じて適宜変更可能である。例えば、スレーブアーム１が保持した棒状体などで粘性のある液体をかき混ぜる作業を行う場合、指令生成部８３は、液体から受ける粘性抵抗をマスタアーム２に作用させる指令を生成してもよい。この場合、仮想の外力はマスタアーム２を操作する方向（棒状体の移動方向）とは反対方向に作用させてもよい。
　また、上記実施形態では、設定値入力部４１から仮想の外力の大きさや方向を適宜設定することができたが、本発明に係る遠隔操作ロボットシステムは、オペレータによって仮想の外力の大きさ及び方向が予め設定されたものから変更されないように、設定値入力部４１を備えていなくてもよい。
１００　　：遠隔操作ロボットシステム
１　　　　：スレーブアーム
２　　　　：マスタアーム
１２　　　：保持ハンド
１６　　　：モータ制御部
２６　　　：モータ制御部
２９　　　：グリッパ
３０　　　：把持センサ
４１　　　：設定値入力部
８２　　　：重力補償部
８３　　　：指令生成部
８４　　　：設定値記憶部
Ｗ１　　　：組付物
Ｗ２　　　：被組付物
ｆｍ　　　：操作力
ｆｓ　　　：接触力

Claims (4)

  1. 　所定の作業を行うスレーブアームと、
    　関節を駆動するモータを有し、前記スレーブアームを動作させるための操作をオペレータから受け付けるマスタアームと、
    　前記マスタアームに、前記スレーブアームが外部から受けた力とは独立した仮想の外力を所定方向に加える指令を生成する指令生成部と、
    　前記指令生成部から送られた指令に対応した駆動電流を前記モータに与えるモータ制御部と、を備える、遠隔操作ロボットシステム。
  2. 　前記仮想の外力の大きさ及び方向を規定するための設定値の入力を受け付ける設定値入力部と、
    　前記設定値入力部から入力された前記設定値を記憶する設定値記憶部と、を更に備え、
    　前記指令生成部は、前記設定値記憶部に記憶された前記設定値に基づき前記指令を生成する、請求項１に記載の遠隔操作ロボットシステム。
  3. 　前記スレーブアームの先端に設けられた、ワークを保持する保持ハンドと、
    　前記保持ハンドに保持されたワークの重力を補償する重力補償部と、を更に備え、
    　前記指令生成部は、前記保持ハンドにワークが保持されている場合に、前記マスタアームに、前記保持ハンドに保持されたワークの重力とは独立した仮想の外力を重力方向に加える指令を生成する、請求項１又は２に記載の遠隔操作ロボットシステム。
  4. 　前記マスタアームの先端に設けられた、前記オペレータが把持可能な把持部と、
    　前記把持部が把持されているか否かを検知する把持センサと、を更に備え、
    　前記指令生成部は、
    　前記把持センサが把持されていると検知した場合、前記仮想の外力を前記マスタアームに加える指令を生成し、
    　前記把持センサが把持されていないと検知した場合、前記仮想の外力を前記マスタアームに加えない指令を生成する、請求項１～３のいずれか１項に記載の遠隔操作ロボットシステム。
     
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