WO2018212265A1 - ロボットシステム及びロボットシステムの制御方法 - Google Patents

ロボットシステム及びロボットシステムの制御方法 Download PDF

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WO2018212265A1
WO2018212265A1 PCT/JP2018/019046 JP2018019046W WO2018212265A1 WO 2018212265 A1 WO2018212265 A1 WO 2018212265A1 JP 2018019046 W JP2018019046 W JP 2018019046W WO 2018212265 A1 WO2018212265 A1 WO 2018212265A1
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slave
force
master
unit
operation command
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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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Definitions

  • the present invention relates to a robot system and a control method of the robot system.
  • This master-slave manipulator is configured to switch to the contact mode when the reaction force measured by the force sensor exceeds a preset force target value.
  • the contact mode with respect to the force control direction set in advance so as to substantially coincide with the normal direction of the work object, that is, the direction toward the work object and the direction away from the work object, the slave arm is Without being operated so as to follow the operation of the master arm, the force target value set in advance and the reaction force measured by the force sensor are made to operate by force control. This makes it possible to stably control the master-slave manipulator that performs work while contacting a hard work object.
  • a robot system includes a slave arm having a work end, and the work held at the work end or the work end when the work held at the work end contacts an object to be assembled with the work.
  • a slave-side force detection unit that detects the direction and magnitude of the reaction force acting on the slave arm, a slave arm drive unit that drives the slave arm, and the slave arm drive based on a slave operation command that defines the moving direction of the working end
  • a slave unit including a slave control unit, a master arm having an operation end, a master side force detection unit that detects the direction and magnitude of the operation force applied by the operator to the operation end,
  • a master arm drive unit that drives the master arm and a master arm drive based on a master operation command that defines a moving direction of the operation end.
  • a master unit including a master-side control unit that controls the unit, and based on the operation force and the reaction force, the slave operation command and a movement direction corresponding to the movement direction of the working end of the slave operation command
  • a system control unit that generates the master operation command for moving the operation end, wherein the system control unit determines a moving direction of the work end based on the operation force and the reaction force.
  • a conversion unit for calculating and a restriction for correcting the movement direction of the work end so as to restrict the movement of the work end in a direction of pressing the object when the reaction force exceeds a preset allowable value.
  • a command generation unit that generates the slave operation command and the master operation command based on the corrected moving direction of the working end.
  • the pressing operation of the workpiece can be restricted, and the workpiece and the object can be prevented from being damaged by the operation of the slave arm. Further, in a state where the work held at the work end presses the object, the work end of the slave arm is moved away from the object by applying a force to the operation end in a direction corresponding to the direction in which the work end moves away from the object. It can be moved in the direction of leaving, and operability can be improved.
  • a robot system control method includes a slave arm having a work end and a work held at the work end when the work held at the work end contacts an object to be assembled.
  • a slave-side force detection unit that detects the direction and magnitude of the reaction force acting on the workpiece, a slave arm drive unit that drives the slave arm, and a slave operation command that defines a moving direction of the working end.
  • a slave unit including a slave-side control unit that controls the slave arm drive unit; a master arm having an operation end; and a master-side force detection that detects a direction and a magnitude of an operation force applied to the operation end by the operator.
  • a master arm driving unit that drives the master arm, and a master operation command that defines a moving direction of the operation end.
  • a master unit including a master side control unit that controls the arm drive unit, and the slave operation command and a movement corresponding to the moving direction of the working end of the slave operation command based on the operation force and the reaction force
  • a system control unit that generates the master operation command for moving the operation end in a direction, wherein the system control unit is configured to control the work end based on the operation force and the reaction force.
  • a regulation step for correcting the moving direction of the end, and the slave operation command and the master operation command based on the moving direction of the working end corrected by the system control unit Having a command generation step of generating.
  • the pressing operation of the workpiece can be restricted, and the workpiece and the object can be prevented from being damaged by the operation of the slave arm. Further, in a state where the work held at the work end presses the object, the work end of the slave arm is moved away from the object by applying a force to the operation end in a direction corresponding to the direction in which the work end moves away from the object. It can be moved in the direction of leaving, and operability can be improved.
  • the present invention can prevent the workpiece and the object from being damaged by the operation of the slave arm, and can improve the operability.
  • FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a configuration example of a robot system according to a first embodiment.
  • FIG. 2 is a block diagram schematically showing a configuration example of a control system of the robot system of FIG. 1. It is a flowchart which shows the operation example of the robot system of FIG. It is a flowchart which shows the operation example of the robot system of FIG. It is a figure which shows the operation example of the robot system of FIG. It is a figure which shows the operation example of the robot system of FIG. It is a figure which shows the operation example of the robot system of FIG. It is a figure which shows the time-dependent change of reaction force in the operation example of the robot system of FIG.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a change with time of a pressing direction component of a relaxation speed vector in the operation example of the robot system of FIG. 1.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a change with time of a pressing direction component of an acceleration / deceleration vector in the operation example of the robot system of FIG. 1.
  • 6 is a block diagram schematically showing a configuration example of a control system of a robot system according to a second embodiment.
  • the robot system includes a slave arm having a work end, and a direction of a reaction force acting on the work end or the work held on the work end when the work held on the work end contacts an object to be assembled with the work. And a slave-side control that controls the slave arm drive unit based on a slave operation command that defines a moving direction of the working end, a slave arm force detection unit that detects the size, a slave arm drive unit that drives the slave arm A master unit having a control unit, a master arm having an operation end, a master-side force detection unit that detects the direction and magnitude of an operation force applied by the operator to the operation end, and a master that drives the master arm And a master side control that controls the master arm drive unit based on an arm drive unit and a master operation command that defines a moving direction of the operation end.
  • a master unit including the operation unit and the operation force and the reaction force, the slave operation command and the operation end is moved in a movement direction corresponding to a movement direction of the work end of the slave operation command.
  • a system control unit that generates a master operation command wherein the system control unit calculates a moving direction of the working end based on the operation force and the reaction force; When the reaction force exceeds a preset allowable value, a restriction unit that corrects the movement direction of the work end so as to restrict the movement of the work end in a direction of pressing the object, and the corrected work
  • a command generation unit configured to generate the slave operation command and the master operation command based on the moving direction of the end.
  • the pressing operation of the workpiece can be restricted, and the workpiece and the object can be prevented from being damaged by the operation of the slave arm. Further, in a state where the work held at the work end presses the object, the work end of the slave arm is moved away from the object by applying a force to the operation end in a direction corresponding to the direction in which the work end moves away from the object. It can be moved in the direction of leaving, and operability can be improved.
  • the slave operation command may be a position command.
  • the restricting portion includes a force adjusting portion, and the force adjusting portion temporarily maintains the position of the working end in a direction in which the working end presses the object when the reaction force exceeds the allowable value.
  • the movement direction of the working end may be corrected as described above.
  • the conversion unit calculates an original velocity vector that defines a moving direction and a moving speed of the working end based on a difference between the operating force and the reaction force
  • the restricting unit includes a force adjusting unit
  • the force adjusting unit When the pressure direction component of the reaction force in the direction of pressing the object exceeds the allowable value and the original velocity vector includes a pressing direction component in the direction of pressing the object, the pressing direction
  • the original speed vector may be modified so that the component becomes 0 to calculate an acceleration / deceleration vector, and the command generation unit may generate the slave operation command and the master operation command based on the acceleration / deceleration vector.
  • This configuration can effectively prevent the workpiece and the object from being damaged by the operation of the slave arm.
  • the force adjusting unit includes a component in a direction orthogonal to a pressing direction component that is a direction component pressing the object of the acceleration / deceleration vector and a direction orthogonal to the direction of pressing the object of the original velocity vector.
  • the acceleration / deceleration vector may be calculated by correcting the original velocity vector so as to have the same value.
  • the restricting portion includes a force relaxation portion, and the force relaxation portion moves the work end in a direction opposite to a direction in which the work end presses the object when the allowable value is exceeded.
  • the moving direction of the end may be corrected.
  • the reaction force can be reduced when the workpiece and the object come into contact with each other.
  • the conversion unit calculates an original velocity vector that defines a moving direction and a moving speed of the working end based on a difference between the operating force and the reaction force, and the force relaxation unit is configured to reduce the reaction force from the allowable value.
  • the original velocity vector is corrected so that the pressing direction component, which is the direction component pressing the object, becomes a relaxation velocity vector.
  • the command generation unit may generate the slave operation command and the master operation command based on the relaxation speed vector.
  • the reaction force can be moderated appropriately when the workpiece and the object come into contact with each other.
  • the force relaxation unit adds an adjusted integrated value obtained by multiplying a value obtained by subtracting the reaction force from the allowable value and a predetermined gain to the pressing direction component of the original speed vector to obtain the original speed vector.
  • the relaxation rate vector may be calculated with correction.
  • the reaction force can be moderated appropriately when the workpiece and the object come into contact with each other.
  • the force relaxation unit may set the adjustment integrated value to 0 when the reaction force falls within the allowable value after the reaction force exceeds the allowable value.
  • the restricting portion includes a force adjusting portion, and the force adjusting portion temporarily maintains the position of the working end in a direction in which the working end presses the object when the reaction force exceeds the allowable value.
  • the movement direction of the working end may be corrected as described above.
  • the restricting portion further includes a force adjusting portion, and the force adjusting portion is configured such that a pressing direction component of the reaction force in a direction of pressing the object exceeds the allowable value and the relaxation speed vector is the pressing direction component.
  • the acceleration direction vector is calculated by correcting the relaxation speed vector so that the pressing direction component becomes 0, and the command generation unit is configured to generate the slave operation command and the master operation based on the acceleration / deceleration vector. A command may be generated.
  • the force relaxation unit includes a component in a direction orthogonal to a direction in which the component of the relaxation velocity vector presses the object in a direction orthogonal to a pressing direction component that is a direction component in which the object is pressed.
  • the acceleration / deceleration vector is calculated by correcting the original velocity vector so as to have the same value, and the force acceleration / deceleration unit has a component of the acceleration / deceleration vector in a direction orthogonal to the direction in which the object is pressed.
  • the acceleration / deceleration vector may be calculated by correcting the relaxation rate vector so that the vector has the same value as the component in the direction orthogonal to the direction in which the object is pressed.
  • the control method of the robot system includes a slave arm having a work end and a reaction that acts on the work end or the work held on the work end when the work held on the work end contacts an object to be assembled.
  • a slave-side force detection unit that detects the direction and magnitude of the force
  • a slave arm drive unit that drives the slave arm
  • the slave arm drive unit that controls the slave arm drive unit based on a slave operation command that defines the moving direction of the working end
  • a slave unit including a slave-side control unit, a master arm having an operation end, a master-side force detection unit that detects the direction and magnitude of an operation force applied to the operation end by an operator, and the master arm.
  • a master unit including a star side control unit, and based on the operation force and the reaction force, the slave operation command and the operation end in a movement direction corresponding to the movement direction of the working end of the slave operation command.
  • a system control unit that generates the master operation command to be moved, wherein the system control unit calculates a moving direction of the work end based on the operation force and the reaction force.
  • the conversion step and when the reaction force exceeds a preset allowable value, the system control unit corrects the movement direction of the work end so as to restrict the movement of the work end in the direction of pressing the object.
  • a command generation step for generating the slave operation command and the master operation command based on the movement direction of the working end corrected by the system control unit. And, with a.
  • the pressing operation of the workpiece can be restricted, and the workpiece and the object can be prevented from being damaged by the operation of the slave arm. Further, in a state where the work held at the work end presses the object, the work end of the slave arm is moved away from the object by applying a force to the operation end in a direction corresponding to the direction in which the work end moves away from the object. It can be moved in the direction of leaving, and operability can be improved.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration example of a robot system 100 according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a block diagram schematically showing a configuration example of the control system of the robot system 100.
  • the robot system 100 is a system including a master-slave type robot that operates so that the slave arm 11 follows the movement of the master arm 21 as shown in FIGS. 1 and 2.
  • the slave arm 11 receives the operation command. It is configured so that a specific work such as a part assembling work can be performed.
  • the robot system 100 is a bilateral control type robot system, and the control unit controls the operation of the master arm 21 in addition to the slave arm 11, so that the force acting on the slave arm 11 is transmitted via the master arm 21.
  • the robot system 100 includes a slave unit 1 including a slave arm 11, a master unit 2 including a master arm 21, and a system control unit 3.
  • the slave unit 1 is an industrial robot. However, it is not limited to this.
  • the slave unit 1 includes a base 10, a slave arm 11, a slave side force detection unit 12, a slave arm drive unit 13 (see FIG. 2), and a slave side control unit 14 (see FIG. 2).
  • the slave arm 11 is, for example, a vertical articulated robot arm. That is, a plurality of links sequentially connected in a direction from the base end portion toward the tip end portion and one or more joints that rotatably connect the other to one of the adjacent links.
  • the distal end of the slave arm 11 constitutes a work end 11a, and a hand (end effector) 16 is provided on the work end 11a.
  • the base 10 is fixed to the floor, for example, and supports the slave arm 11.
  • the hand 16 is configured to be able to perform a holding operation for holding the workpiece W and an opening operation for releasing the held workpiece W.
  • the hand 16 includes a hand drive unit (not shown) for performing a holding operation and a releasing operation.
  • the hand 16 is configured so as to be able to perform a holding operation and a releasing operation so that, for example, a part assembling operation can be performed, but is not limited thereto. Instead of this, for example, a welding operation and a painting operation may be performed.
  • the slave-side force detection unit 12 is a sensor that detects magnitudes of forces acting in three axial directions orthogonal to each other, and is disposed at the working end 11 a of the slave arm 11.
  • the slave-side force detection unit 12 includes a three-axis force sensor that can detect component forces acting in three axial directions orthogonal to each other. As a result, the slave-side force detection unit 12 moves the work end 11a or the work W held on the work end 11a when the work W held on the work end 11a of the slave arm 11 contacts the object T to which the work W is assembled. The direction and magnitude of the acting reaction force f s are detected.
  • the slave arm drive unit 13 drives the slave arm 11. That is, the slave arm drive unit 13 includes an actuator provided at each joint of the slave arm 11, and operates each joint by driving the actuator, so that the distal end portion (working end) with respect to the base end portion of the slave arm 11. 11a) and the hand 16 are moved within a predetermined operating area.
  • each joint of the slave arm 11 is a rotating joint
  • the actuator is a servo motor including a speed reducer.
  • Slave control unit 14 controls the slave arm driving unit 13 based on the slave operation command x s which defines the direction of movement of the working end 11a, to operate the slave arm 11.
  • the slave operation command xs is a position command in the slave coordinate system.
  • the slave-side control unit 14 calculates the rotation angle of the output shaft of the servomotor of each joint based on the slave operation command xs , and controls the current supplied to the servomotor of each joint of the slave arm 11 to control the servomotor. The operation is controlled and the posture of the slave arm 11 is changed.
  • the master unit 2 is installed outside the work area and controls the operation of the slave arm 11.
  • the master unit 2 includes a master arm 21, a master side force detection unit 22, a master arm drive unit 23, and a master side control unit 24.
  • the master arm 21 is a device that the operator P touches and operates to input an operation command to the slave arm 11 from the operator P.
  • the part touched and operated by the operator P constitutes the operation end 21a, and the operator P applies a force to the operation end 21a and inputs an operation command to the slave arm 11.
  • the master side force detection unit 22 is a sensor that detects the magnitudes of forces acting in three axial directions orthogonal to each other, and is disposed at the operation end 21 a of the master arm 21.
  • the master side force detection unit 22 is configured by a three-axis force sensor capable of detecting component forces acting in three axial directions orthogonal to each other.
  • the master-side power detection unit 22 operation command for the slave arm 11 from the operator P, i.e. to detect the direction and magnitude of the operating force f m the operator P to the operation end 21a of the master arm 21 is added It is configured.
  • the master arm driving unit 23 drives the master arm 21. That is, the master arm drive unit 23 includes an actuator provided at each joint of the master arm 21, and moves the operation end 21a of the master arm 21 by operating each joint by driving the actuator.
  • the actuator is a servo motor including a speed reducer.
  • the master control portion 24 controls the master arm driving unit 23 based on the master operation command x m which defines the direction of movement of the operating end 21a, to operate the master arm 21.
  • Master operation command x m is a position command in the master coordinate system.
  • the master side control unit 24 calculates the rotation angle of the output shaft of the servo motor of each joint of the master arm 21 based on the master operation command x m , and controls the current supplied to the servo motor of each joint of the master arm 21. Then, the operation of the servo motor of each joint is controlled, and the posture of the master arm 21 is changed.
  • the system control unit 3 controls the slave unit 1 and the master unit 2 by a parallel bilateral control method. That is, the system controller 3 on the basis of the reaction force f s operating force f m and the slave-side power detector 12 master force detector 22 has detected that the detected slave operation command x s and the position is a position command generating a master operation command x m which is a command. Master operation command x m is an operation command to move the operating end 21a in the moving direction corresponding to the direction of movement of the working end 11a of the slave operation command x s.
  • the master coordinate system of slave coordinate system and the master arm 21 of the slave arm 11 associated, the moving direction of the working end 11a of the slave coordinate system of slave operation command x s, master coordinate system of the master operation command x m
  • the moving direction of the operation end 21a is the same (coincides with each other).
  • the working end 11a of the slave arm 11 operates so as to follow the movement of the operating end 21a of the master arm 21, and the force acting on the working end 11a of the slave arm 11 is transmitted via the operating end 21a of the master arm 21.
  • the operator can perform work by recognizing a force sense when the work end 11a comes into contact with the environment.
  • the system control unit 3 includes a conversion unit 31, a regulation unit 32, and a command generation unit 33.
  • the conversion unit 31, the regulation unit 32, and the command generation unit 33 are functional blocks that are realized by executing a predetermined control program by a calculation unit (not shown).
  • the above-described arithmetic units related to the slave-side control unit 14, the master-side control unit 24, and the system control unit 3 are configured by an arithmetic unit such as a programmable logic device (PLD) such as a microcontroller, a CPU, an ASIC, and an FPGA.
  • the calculation unit may be configured by a single controller that performs centralized control, or may be configured by a plurality of controllers that perform distributed control in cooperation with each other.
  • the system control unit 3 includes a storage device (not shown) that stores various programs and data. Further, the system control unit 3 may be configured by a single controller including the slave side control unit 14 and the master side control unit 24, or may be configured by a plurality of controllers that perform distributed control in cooperation with each other. Good.
  • Conversion unit 31 calculates the moving direction of the working end 11a on the basis of the reaction force f s operating force f m and the slave-side power detector 12 master force detector 22 has detected is detected. That is, based on the difference between the operation force f m and the reaction force f s , the original speed vector v d that defines the movement direction and movement speed of the work end 11a is calculated. The conversion unit 31 calculates the original velocity vector v d based on, for example, the following formula (1).
  • the restricting unit 32 presses the object T of the slave arm 11.
  • the movement direction of the work end 11a of the slave arm 11 is corrected so as to restrict the movement of the work end 11a.
  • the restricting portion 32 includes a force relaxing portion 41 and a force adjusting portion 42.
  • the force relaxation unit 41 presses the object T on the working end 11a of the slave arm 11.
  • the moving direction of the working end 11a of the slave arm 11 is corrected so that the working end 11a of the slave arm 11 is moved in the opposite direction.
  • the original speed is calculated by, for example, the following equations (2) to (5).
  • a relaxation speed vector v dm is calculated based on the vector v d .
  • the force relaxation unit 41 is based on a value obtained by subtracting the pressing direction component f si of the reaction force f s from the allowable value f lim. by adding the calculated value in the pressing direction component v di raw velocity vector v d, modifies the original velocity vector v d, and is configured to calculate the relaxation velocity vector v dm.
  • the adjustment proportional value obtained by subtracting the pressing direction component f si of the reaction force f s from the allowable value f lim (negative value) and the proportional gain K p , and the pressing of the reaction force f s from the allowable value f lim By adding an adjustment integrated value obtained by multiplying a value obtained by subtracting the value obtained by subtracting the direction component f si (negative value) by the integral gain K i to the pressing direction component v di of the original velocity vector v d , the original velocity vector v d is corrected, and the relaxation rate vector v dm is calculated.
  • the pressing direction component v di objects T is a direction component for pressing the original velocity vector v d is reduced based on the deviation value from the allowable value f lim when the reaction force f s exceeds the allowable value f lim Correct the original velocity vector v d to calculate the relaxation velocity vector v dm.
  • the adjustment integrated value is configured to be added to the pressing direction component v di , so that the vibration of the value of v dmi can be suppressed and appropriately converged to the allowable value f lim .
  • the components (v dmj component and v dmk component) in the direction orthogonal to the direction in which the object of the relaxation velocity vector v dm is pressed are orthogonal to the direction in which the object of the original velocity vector v d is pressed. calculating the direction of component (v dj component and v dk component) and relaxation by modifying the original velocity vector v d to be the same value velocity vector v dm to.
  • force relaxation unit 41 the reaction force f s after the pressing direction component f si of the reaction force f s exceeds the allowable value f lim is within the allowable value f lim, the adjustment integrated value to zero.
  • the force relaxation unit 41 sets the original speed vector v d as the relaxation speed vector v dm without correcting it.
  • the force adjuster 42 is configured to temporarily maintain the position of the work end 11a in the direction in which the work end 11a of the slave arm 11 presses the object T.
  • the moving direction of 11a is corrected. That is, the pressing direction component f si of the reaction force f s detected by the slave-side force detection unit 12 exceeds the allowable value f lim , and the pressing direction component v dmi goes in the direction in which the relaxation speed vector v dm presses the target T. Is included, the relaxation speed vector v dm is corrected so that the pressing direction component v dmi becomes 0, and the acceleration / deceleration vector v da is calculated.
  • the force adjuster 42 calculates the acceleration / deceleration vector v da based on the relaxation velocity vector v dm using , for example, the following equations (6) to (9).
  • the force adjusting unit 42 is a direction in which components (v daj component and v dak component) in a direction orthogonal to the direction in which the object T of the acceleration / deceleration vector v da is pressed presses the object T in the relaxation speed vector v dm.
  • the acceleration / deceleration vector v da is calculated by correcting the relaxation velocity vector v dm so as to have the same value as the component in the direction orthogonal to the component (v dmj component and v dmk component).
  • the force adjusting unit 42 is configured such that the pressing direction component f si of the reaction force f s detected by the slave side force detecting unit 12 falls within the allowable value f lim , or in the direction in which the relaxation speed vector v dm presses the object.
  • the pressing direction component v dmi is not included (when the pressing direction component v dmi takes 0 or a negative value)
  • the relaxation speed vector v dm is not corrected and is set as the acceleration / deceleration vector v da .
  • the command generation unit 33 generates a slave operation command x s and a master operation command x m based on the corrected moving direction of the work end 11a. That is, the command generation unit 33 generates the slave operation command x s and the master operation command x m based on the acceleration / deceleration vector v da calculated based on the relaxation speed vector v dm .
  • the master operation command x m is an operation command to move the operating end 21a in the moving direction corresponding to the direction of movement of the working end 11a of the slave operation command x s.
  • FIG. 3A and 3B are flowcharts showing an operation example of the robot system 100.
  • FIG. 4A and 4B are diagrams illustrating an operation example of the robot system 100.
  • FIG. In this operation example a workpiece W that is formed in a cylindrical shape and has a through hole Wa and a target T that is a columnar pin that extends in the vertical direction and can be fitted to the through hole Wa are included.
  • the robot system 100 performs an operation of fitting and assembling the workpiece W to the object T.
  • the workpiece W is held by the hand 16 of the slave arm 11, and the object T is located on the production line, for example.
  • the operation force f m is 0 and the reaction force f s is also 0.
  • the difference between the force f m and the reaction force f s is also zero. Therefore, the original velocity vector v d calculated by the conversion unit 31, the relaxation velocity vector v dm calculated by the force relaxation unit 41, and the acceleration / deceleration vector v da calculated by the force adjustment unit 42 are all 0, and the slave operation command
  • the generation unit 51 and the master operation command generation unit 52 do not update the target positions of the slave arm 11 and the master arm 21, respectively. Therefore, the slave arm 11 and the master arm 21 maintain the current posture.
  • step S1 the direction of the operator P is closer to the object T to the workpiece W, i.e. the addition of the operation force f m to the operation end 21a of the master arm 21 downward, conversion unit 31, the operation force f m and the reaction force f s Hara velocity vector downward having a magnitude corresponding to the difference between v d, i.e. to calculate the original velocity vector v d downward having a magnitude corresponding to the operating force f m (step S1).
  • the force relaxation unit 41 determines whether or not the pressing direction component f si of the reaction force f s detected by the slave side force detection unit 12 exceeds the allowable value f lim (step S2). In a state where the workpiece W is moving so as to approach the object T, the reaction force f s detected by the slave side force detection unit 12 is 0 and falls within the allowable value f lim (No in step S2). the relaxation velocity vector v dm without modifying the original velocity vector v d (step S32).
  • the force adjusting unit 42 is a direction in which the pressing direction component f si of the reaction force f s detected by the slave side force detecting unit 12 exceeds the allowable value f lim and the relaxation speed vector v dm presses the target T. It is determined whether or not it includes a pressing direction component v dmi toward (step S4). In a state where the workpiece W is moving so as to approach the object T, the pressing direction component f si of the reaction force f s detected by the slave-side force detection unit 12 is 0 (No in step S4). The acceleration / deceleration vector v da is set without correcting the velocity vector v dm (step S52).
  • the slave motion command generator 51 generates a slave motion command x s based on the acceleration / deceleration vector v da, and sets the target position of the work end 11a of the slave arm 11 in the slave coordinate system to a position below the current position.
  • the slave operation command x s is input to the slave-side control unit 14, and the slave-side control unit 14 changes the posture of the slave arm 11 so that the work end 11a of the slave arm 11 moves downward.
  • the master operation command generator 52 generates a master operation command x m based on the acceleration / deceleration vector v da and updates the target position of the operation end 21a of the master arm 21 in the master coordinate system to a position below the current position.
  • Master operation command x m is input to the master control portion 24, the master control portion 24 changes the posture of the master arm 21 as the operating end 21a of the master arm 21 is moved downward (step S6). And step S1 is performed again.
  • FIG. 5A is a graph showing a change over time of the pressing direction component f si of the reaction force f s detected by the slave-side force detection unit 12 in this operation example, and the workpiece W comes into contact with the upper end of the object T. It shows that the pressing direction component f si of the reaction force f s exceeds the allowable value f lim at time t 0 .
  • the force relaxation unit 41 detects the slave-side force detection unit 12 in step S2. It is determined that the pressing direction component f si of the reaction force f s exceeds the allowable value f lim (Yes in step S2), the original velocity vector v d is corrected, and the relaxation velocity vector v dm is calculated (step S31).
  • the pressing direction component v dmi of the relaxation speed vector v dm has an adjustment proportional value and an adjustment integrated value that take a negative value on the pressing direction component v di of the original speed vector that takes a positive value. As shown in FIG. 5B, the pressing direction component v dmi changes so that the value becomes smaller as time passes.
  • step S4 the force adjusting unit 42 determines that the pressing direction component f si of the reaction force f s detected by the slave side force detecting unit 12 exceeds the allowable value f lim , and the relaxation speed vector v dm is the target T. Is determined to include a pressing direction component v dmi toward the pressing direction (Yes in step S4), and the relaxation speed vector v dm is corrected so that the pressing direction component v dmi becomes 0, and the acceleration / deceleration vector v da is determined as Calculate (step S51).
  • the force adjustment portion 42 in the pressing direction component v dmi value time zone to take a positive value T1 the value of the pressing direction component v dmi relaxation velocity vector v dm to 0
  • an acceleration / deceleration vector v da is calculated.
  • the pressing direction component v dai of the acceleration / deceleration vector v da takes a value of 0 in the time zone T1.
  • the target position in the pressing direction (i direction) of the slave operation command x s and the master operation command x m generated based on the acceleration / deceleration vector v da is the same position as the current position.
  • the working end 11a of the slave arm 11 is positioned at the working end 11a in the direction in which the working end 11a of the slave arm 11 presses the object T. And the movement of the working end 11a of the slave arm 11 is restricted so as not to move downward. Accordingly, it is possible to prevent an excessive force from acting on the workpiece W and the target object T and damaging the workpiece W and the target object T. Further, at time t 0 when the workpiece W comes into contact with the upper end of the object T, the operation end 21a of the master arm 21 is suddenly restricted so as not to move downward, and also in the time zone T1 immediately after that, the master arm 21 is also moved.
  • the movement of the operation end 21a is restricted so as not to move downward.
  • the operator P can obtain a sense that the work end 11a has received an impact by contacting the object T.
  • a reaction force f s to the slave-side power detection unit 12 detects no change.
  • the force relaxation unit 41 is corrected so that the value of the pressing direction component v dmi of the relaxation velocity vector v dm decreases. and, as shown in FIG. 5B, when the pressing direction component v dmi goes to zero or below at time t 1, the force adjustment portion 42, as shown in FIGS. 5B and 5C, relaxation velocity vector v dm is subject in step S4 It is determined that it does not include the pressing direction component v dmi toward the direction in which the object T is pressed (No in step S4), and the relaxation speed vector v dm is set as the acceleration / deceleration vector v da without correction.
  • the target position in the pressing direction (i direction) of the slave operation command x s and the master operation command x m generated based on the acceleration / deceleration vector v da is the direction in which the workpiece W presses the object T rather than the current position. This is the opposite direction, that is, the position on the side where the workpiece W is away from the object T. Accordingly, as shown in FIG. 5C, in the time period T2 until time t 2 when the pressing direction component f si of the reaction force f s is within the allowable value f lim, working end 11a of the slave arm 11 moves upward. Thereby, the force with which the workpiece W presses the object T can be reduced or canceled, and the workpiece W and the object T can be effectively prevented from being damaged.
  • the operator P is configured to gradually move the working end 11a of the slave arm 11 upward in a time zone T2 following the time zone T1 in which he / she feels a sense related to the impact received in the time zone T1. Therefore, it is possible to prevent vibrations from occurring in the slave arm 11 and the master arm 21, and to prevent the operator P from feeling uncomfortable with the operability of the master arm 21.
  • the interval from time t 0 to time t 2 the value of the proportional gain K p and the integral gain K i of equation (3) so that the about 50 ms is selected.
  • force relaxation unit 41 has the same component in the direction orthogonal to the pressing direction of relaxation velocity vector v dm as the component in the direction orthogonal to the pressing direction of original velocity vector v d.
  • the relaxation speed vector v dm is calculated by correcting the original speed vector v d so as to be a value.
  • the force adjusting unit 42 sets the relaxation speed vector v dm so that the component in the direction orthogonal to the pressing direction of the acceleration / deceleration vector v da has the same value as the component in the direction orthogonal to the pressing direction of the relaxation speed vector v dm .
  • the acceleration / deceleration vector vda is calculated after correction.
  • the restricting unit 32 does not correct the components in the direction orthogonal to the pressing direction of the original velocity vector v d calculated by the conversion unit 31 (the j-direction component and the k-direction component of the original velocity vector v d ), and accelerates / decelerates.
  • Vector vda is calculated. Therefore, the movement operation (movement operation on the jk plane) of the workpiece W in the j direction and the k direction in a state where the workpiece W is pressed against the object T is changed from a state where the workpiece W is not pressed against the object T. do not do. Therefore, the operation of fitting the workpiece W and the object T shown in FIG. 4B, that is, the operation of searching for the position where the axis of the through hole Wa of the workpiece W and the axis of the object T coincide, can be performed smoothly.
  • the robot system 100 and the restricting unit 32 restrict the movement of the operation end 21a in the direction in which the object T is pressed, the work W is pressed against the object T and orthogonal to the pressing direction. By moving in the plane direction, the excessive frictional force acts between the workpiece W and the object T, and the workpiece W and the object T can be prevented from being damaged.
  • the work end 11a is moved in a direction corresponding to the direction away from the object T without performing a special operation such as a mode switching operation.
  • the work end 11a of the slave arm 11 can be moved in a direction away from the object T, and operability can be improved. That is, even in a state where the work W held at the work end 11a is pressing the object T, an operation for moving the work end 11a in a direction in which the work end 11a moves away from the object T is a work held at the work end 11a. This can be performed in the same manner as when W is not in contact with the object T.
  • the slave arm 11 is an industrial robot, and a mechanism with a large reduction ratio such as a wave gear device is used for the speed reducer of the slave arm drive unit 13.
  • position control is used.
  • the restricting unit 32 restricts the movement of the operation end 21a in the direction in which the object T is pressed, it is possible to effectively prevent the workpiece W and the object T from being damaged in the robot system 100 using position control. it can.
  • the slave-side force detection unit 12 uses the sensor disposed at the work end 11a of the slave arm 11 to use the direction of the reaction force f s acting on the work end 11a of the slave arm 11 or the work W held on the work end 11a and Although the size is detected, the present invention is not limited to this. Instead, the slave-side force detection unit 12 acts on the work end 11a of the slave arm 11 or the work W held on the work end 11a based on the current value supplied to the servomotor of each joint of the slave arm 11. The direction and magnitude of the reaction force f s may be detected.
  • the master-side force detecting unit 22 uses a sensor disposed at the operating end 21a of the master arm 21, the direction and magnitude of the operating force f m the operator P is applied to the manipulating end 21a of the master arm 21 Although it detected, it is not restricted to this.
  • the master-side power detection unit 22 based on the current value supplied to the servo motor of each joint of the master arm 21, the operator P to the operation end 21a of the master arm 21 operating force f m plus The direction and size may be detected.
  • FIG. 6 is a block diagram schematically showing a configuration example of a control system of the robot system according to the second embodiment.
  • system control unit 3 further includes an exaggeration expression unit 252.
  • the exaggerated expression unit 252 determines whether or not the workpiece W and the object T are in contact with each other based on the reaction force f s detected by the slave-side force detection unit 12.
  • the operator P is presented with an exaggerated sense that the workpiece W has contacted the object T.
  • the exaggerated expression unit 252 For the presentation of the sensation to the operator P, the exaggerated expression unit 252 generates a speed component based on the reaction force f s of the slave arm 11, and the generated speed component is input to the master operation command generation unit 52 as an acceleration / deceleration vector v. Add to da .
  • the generated velocity component is, for example, a triangular wave component for one period, and thus, it is possible to express a feeling that the slave arm 11 has hit a hard object to the operator P who operates the operation end 21a.
  • the restricting unit 32 has exemplified the configuration including the force relaxing unit 41 and the force adjusting unit 42, but is not limited thereto.
  • the regulation unit 32 may include the force relaxation unit 41 of the force relaxation unit 41 and the force adjustment unit 42.
  • the command generation unit 33 generates the slave operation command x s and the master operation command x m based on the relaxation speed vector v dm .
  • the restricting unit 32 has exemplified the configuration including the force relaxing unit 41 and the force adjusting unit 42, but is not limited thereto.
  • the regulating part 32 may include the force adjusting part 42 of the force relaxing part 41 and the force adjusting part 42.
  • the force adjusting unit 42 is a direction in which the pressing direction component f si of the reaction force f s detected by the slave side force detecting unit 12 exceeds the allowable value f lim , and the original velocity vector v d presses the target T. when including a pressing direction component v di towards calculates the acceleration vector v da modify the original velocity vector v d to the pressing direction component v di is zero.
  • T object W work 1 slave unit 2 master unit 3 system control unit 11 slave arm 11a working end 12 slave side force detection unit 13 slave arm driving unit 14 slave side control unit 21 master arm 21a operation end 22 master side force detection unit 23 Master arm drive unit 24 Master side control unit 31 Conversion unit 32 Restriction unit 33 Command generation unit 100 Robot system

Abstract

スレーブアーム(11)の作業端(11a)に保持したワーク(W)に作用する反力(fs)の方向及び大きさを検出するスレーブ側力検出部(12)を含むスレーブユニット(1)と、マスタアーム(21)の操作端(21a)に操作者(P)が加えた操作力(fm)の方向及び大きさを検出するマスタ側力検出部(22)を含むマスタユニット(2)と、操作力(fm)及び反力(fs)に基づいてスレーブ動作指令(xs)とマスタ動作指令(xm)とを生成するシステム制御部(3)と、を有し、システム制御部(3)は、反力(fs)が予め設定された許容値(flim)を超えるときは対象物(T)を押圧する方向への作業端(11a)の移動を規制するように作業端(11a)の移動方向を修正する規制部(32)を有する。

Description

ロボットシステム及びロボットシステムの制御方法
　本発明は、ロボットシステム及びロボットシステムの制御方法に関する。
　従来からマスタースレーブマニピュレータとその制御方法が知られている（例えば特許文献１参照）。
　このマスタースレーブマニピュレータは、力センサの測定した反力があらかじめ設定した力目標値を超えると接触モードに切り替えるよう構成されている。この接触モードにおいては、作業対象物の法線方向にほぼ一致するようにあらかじめ設定しておいた力制御方向、すなわち、作業対象物に向かう方向及び作業対象物から離れる方向に関しては、スレーブアームをマスターアームの動作に追従するように動作させずに、あらかじめ設定した力目標値と、力センサの測定した反力が一致するように力制御によって動作させるように構成されている。これによって、硬い作業対象物に接触しながら作業を行うマスタースレーブマニピュレータを安定に制御することができる。
特開平８－２８１５７３号公報
　しかし、特許文献１に記載のマスタースレーブマニピュレータは、接触モードにおいては、マスタアームへの入力が無効化されるため、モード切替操作を行わなければ、マスタアームを操作して作業対象物から離れる方向にスレーブアームを動作させることができず、操作性に難点があった。
　上記課題を解決するため、ロボットシステムは、作業端を有するスレーブアームと、前記作業端に保持したワークが該ワークを組み付ける対象物に接触したときに前記作業端又は前記作業端に保持した前記ワークに作用する反力の方向及び大きさを検出するスレーブ側力検出部と、前記スレーブアームを駆動するスレーブアーム駆動部と、前記作業端の移動方向を規定するスレーブ動作指令に基づき前記スレーブアーム駆動部を制御するスレーブ側制御部と、を含むスレーブユニットと、操作端を有するマスタアームと、前記操作端に操作者が加えた操作力の方向及び大きさを検出するマスタ側力検出部と、前記マスタアームを駆動するマスタアーム駆動部と、前記操作端の移動方向を規定するマスタ動作指令に基づき前記マスタアーム駆動部を制御するマスタ側制御部と、を含むマスタユニットと、前記操作力及び前記反力に基づいて、前記スレーブ動作指令と、該スレーブ動作指令の前記作業端の移動方向に対応する移動方向に前記操作端を移動させる前記マスタ動作指令とを生成するシステム制御部と、を有するロボットシステムであって、前記システム制御部は、前記操作力及び前記反力に基づいて前記作業端の移動方向を算出する換算部と、前記反力が予め設定された許容値を超えるときは前記対象物を押圧する方向への前記作業端の移動を規制するように前記作業端の前記移動方向を修正する規制部と、修正した前記作業端の前記移動方向に基づいて前記スレーブ動作指令及び前記マスタ動作指令を生成する指令生成部と、を有する。
　この構成によれば、ワークの押付動作を規制することができ、スレーブアームの動作によるワーク及び対象物の破損を防止することができる。また、作業端に保持したワークが対象物を押圧している状態において、作業端が対象物から離れる方向と対応する方向に操作端に力を加えることによって、スレーブアームの作業端を対象物から離れる方向に移動させることができ、操作性を向上させることができる。
　上記課題を解決するため、ロボットシステムの制御方法は、作業端を有するスレーブアームと、前記作業端に保持したワークが該ワークを組み付ける対象物に接触したときに前記作業端又は前記作業端に保持した前記ワークに作用する反力の方向及び大きさを検出するスレーブ側力検出部と、前記スレーブアームを駆動するスレーブアーム駆動部と、前記作業端の移動方向を規定するスレーブ動作指令に基づき前記スレーブアーム駆動部を制御するスレーブ側制御部と、を含むスレーブユニットと、操作端を有するマスタアームと、前記操作端に操作者が加えた操作力の方向及び大きさを検出するマスタ側力検出部と、前記マスタアームを駆動するマスタアーム駆動部と、前記操作端の移動方向を規定するマスタ動作指令に基づき前記マスタアーム駆動部を制御するマスタ側制御部と、を含むマスタユニットと、前記操作力及び前記反力に基づいて、前記スレーブ動作指令と、該スレーブ動作指令の前記作業端の移動方向に対応する移動方向に前記操作端を移動させる前記マスタ動作指令とを生成するシステム制御部と、を有するロボットシステムの制御方法であって、前記システム制御部が前記操作力及び前記反力に基づいて前記作業端の移動方向を算出する換算ステップと、前記システム制御部が前記反力が予め設定された許容値を超えるときは前記対象物を押圧する方向への前記作業端の移動を規制するように前記作業端の移動方向を修正する規制ステップと、前記システム制御部が修正した前記作業端の移動方向に基づいて前記スレーブ動作指令及び前記マスタ動作指令を生成する指令生成ステップと、を有する。
　この構成によれば、ワークの押付動作を規制することができ、スレーブアームの動作によるワーク及び対象物の破損を防止することができる。また、作業端に保持したワークが対象物を押圧している状態において、作業端が対象物から離れる方向と対応する方向に操作端に力を加えることによって、スレーブアームの作業端を対象物から離れる方向に移動させることができ、操作性を向上させることができる。
　本発明は、スレーブアームの動作によるワーク及び対象物の破損を防止することができ、また、操作性を向上させることができるという効果を奏する。
実施の形態１に係るロボットシステムの構成例を概略的に示す図である。 図１のロボットシステムの制御系統の構成例を概略的に示すブロック図である。 図１のロボットシステムの動作例を示すフローチャートである。 図１のロボットシステムの動作例を示すフローチャートである。 図１のロボットシステムの動作例を示す図である。 図１のロボットシステムの動作例を示す図である。 図１のロボットシステムの動作例において、反力の経時変化を示す図である。 図１のロボットシステムの動作例において、緩和速度ベクトルの押圧方向成分の経時変化を示す図である。 図１のロボットシステムの動作例において、加減速度ベクトルの押圧方向成分の経時変化を示す図である。 実施の形態２に係るロボットシステムの制御系統の構成例を概略的に示すブロック図である。
　ロボットシステムは、作業端を有するスレーブアームと、前記作業端に保持したワークが該ワークを組み付ける対象物に接触したときに前記作業端又は前記作業端に保持した前記ワークに作用する反力の方向及び大きさを検出するスレーブ側力検出部と、前記スレーブアームを駆動するスレーブアーム駆動部と、前記作業端の移動方向を規定するスレーブ動作指令に基づき前記スレーブアーム駆動部を制御するスレーブ側制御部と、を含むスレーブユニットと、操作端を有するマスタアームと、前記操作端に操作者が加えた操作力の方向及び大きさを検出するマスタ側力検出部と、前記マスタアームを駆動するマスタアーム駆動部と、前記操作端の移動方向を規定するマスタ動作指令に基づき前記マスタアーム駆動部を制御するマスタ側制御部と、を含むマスタユニットと、前記操作力及び前記反力に基づいて、前記スレーブ動作指令と、該スレーブ動作指令の前記作業端の移動方向に対応する移動方向に前記操作端を移動させる前記マスタ動作指令とを生成するシステム制御部と、を有するロボットシステムであって、前記システム制御部は、前記操作力及び前記反力に基づいて前記作業端の移動方向を算出する換算部と、前記反力が予め設定された許容値を超えるときは前記対象物を押圧する方向への前記作業端の移動を規制するように前記作業端の前記移動方向を修正する規制部と、修正した前記作業端の前記移動方向に基づいて前記スレーブ動作指令及び前記マスタ動作指令を生成する指令生成部と、を有する。
　この構成によれば、ワークの押付動作を規制することができ、スレーブアームの動作によるワーク及び対象物の破損を防止することができる。また、作業端に保持したワークが対象物を押圧している状態において、作業端が対象物から離れる方向と対応する方向に操作端に力を加えることによって、スレーブアームの作業端を対象物から離れる方向に移動させることができ、操作性を向上させることができる。
　前記スレーブ動作指令は位置指令であってもよい。
　この構成によれば、位置指令に基づいて動作するスレーブアームを用いたロボットシステムにおいて、ワークまたは対象物の破損を効果的に防止することができる。
　前記規制部は力加減部を有し、前記力加減部は、前記反力が前記許容値を超えるときは前記作業端が前記対象物を押圧する方向における前記作業端の位置を一時的に維持するように前記作業端の前記移動方向を修正してもよい。
　この構成によれば、位置指令に基づいて動作するスレーブアームを用いたロボットシステムにおいて、ワークまたは対象物の破損を適切に防止することができる。
　前記換算部は、前記操作力及び前記反力の差分に基づいて前記作業端の移動方向及び移動速度を規定する原速度ベクトルを算出し、前記規制部は力加減部を有し、前記力加減部は、前記反力の前記対象物を押圧する方向に向かう押圧方向成分が前記許容値を超え且つ前記原速度ベクトルが前記対象物を押圧する方向に向かう押圧方向成分を含むときは該押圧方向成分が０になるように前記原速度ベクトルを修正して加減速度ベクトルを算出し、前記指令生成部は、前記加減速度ベクトルに基づいて前記スレーブ動作指令及び前記マスタ動作指令を生成してもよい。
　この構成によれば、スレーブアームの動作によるワーク及び対象物の破損を効果的に防止することができる。
　前記力加減部は、前記加減速度ベクトルの前記対象物を押圧する方向成分である押圧方向成分と直交する方向の成分が前記原速度ベクトルの前記対象物を押圧する方向と直交する方向の成分と同じ値となるように前記原速度ベクトルを修正して前記加減速度ベクトルを算出してもよい。
　この構成によれば、スレーブアームの動作によるワークまたは対象物の破損を防止するとともに、操作感の悪化を防止することができる。
　前記規制部は、力緩和部を有し、前記力緩和部は、前記許容値を超えるときは前記作業端が前記対象物を押圧する方向と反対方向に前記作業端を移動させるように前記作業端の移動方向を修正してもよい。
　この構成によれば、ワークと対象物とが接触したときに反力を緩和することができる。
　前記換算部は、前記操作力及び前記反力の差分に基づいて前記作業端の移動方向及び移動速度を規定する原速度ベクトルを算出し、前記力緩和部は、前記反力が前記許容値を超えるときは前記許容値からの乖離値に基づいて前記原速度ベクトルの前記対象物を押圧する方向成分である押圧方向成分が小さくなるように前記原速度ベクトルを修正して緩和速度ベクトルを算出し、前記指令生成部は、前記緩和速度ベクトルに基づいて前記スレーブ動作指令及び前記マスタ動作指令を生成してもよい。
　この構成によれば、ワークと対象物とが接触したときに反力を適切に緩和することができる。
　前記力緩和部は、前記許容値から前記反力を減算した値を積算した値に所定のゲインを乗算した調整積算値を前記原速度ベクトルの前記押圧方向成分に加算して前記原速度ベクトルを修正して前記緩和速度ベクトルを算出してもよい。
　この構成によれば、ワークと対象物とが接触したときに反力を適切に緩和することができる。
　前記力緩和部は、前記反力が前記許容値を超えた後で前記反力が許容値内に収まると、前記調整積算値を０にしてもよい。
　この構成によれば、ワークと対象物とが離間し、作業性が低下することを防止することができる。
　前記規制部は力加減部を有し、前記力加減部は、前記反力が前記許容値を超えるときは前記作業端が前記対象物を押圧する方向における前記作業端の位置を一時的に維持するように前記作業端の前記移動方向を修正してもよい。
　この構成によれば、位置指令に基づいて動作するスレーブアームを用いたロボットシステムにおいて、ワークまたは対象物の破損を適切に防止することができる。
　前記規制部は力加減部を更に有し、前記力加減部は、前記反力の前記対象物を押圧する方向に向かう押圧方向成分が前記許容値を超え且つ前記緩和速度ベクトルが前記押圧方向成分を含むときは該押圧方向成分が０になるように前記緩和速度ベクトルを修正して加減速度ベクトルを算出し、前記指令生成部は、前記加減速度ベクトルに基づいて前記スレーブ動作指令及び前記マスタ動作指令を生成してもよい。
　この構成によれば、スレーブアームの動作によるワーク及び対象物の破損を適切に防止することができる。
　前記力緩和部は、前記緩和速度ベクトルの前記対象物を押圧する方向成分である押圧方向成分と直交する方向の成分が前記原速度ベクトルの前記対象物を押圧する方向と直交する方向の成分と同じ値になるように前記原速度ベクトルを修正して前記加減速度ベクトルを算出し、前記力加減部は、前記加減速度ベクトルの前記対象物を押圧する方向と直交する方向の成分が前記緩和速度ベクトルの前記対象物を押圧する方向と直交する方向の成分と同じ値となるように前記緩和速度ベクトルを修正して前記加減速度ベクトルを算出してもよい。
　この構成によれば、スレーブアームの動作によるワークまたは対象物の破損を防止するとともに、操作感の悪化を防止することができる。
　ロボットシステムの制御方法は、作業端を有するスレーブアームと、前記作業端に保持したワークが該ワークを組み付ける対象物に接触したときに前記作業端又は前記作業端に保持した前記ワークに作用する反力の方向及び大きさを検出するスレーブ側力検出部と、前記スレーブアームを駆動するスレーブアーム駆動部と、前記作業端の移動方向を規定するスレーブ動作指令に基づき前記スレーブアーム駆動部を制御するスレーブ側制御部と、を含むスレーブユニットと、操作端を有するマスタアームと、前記操作端に操作者が加えた操作力の方向及び大きさを検出するマスタ側力検出部と、前記マスタアームを駆動するマスタアーム駆動部と、前記操作端の移動方向を規定するマスタ動作指令に基づき前記マスタアーム駆動部を制御するマスタ側制御部と、を含むマスタユニットと、前記操作力及び前記反力に基づいて、前記スレーブ動作指令と、該スレーブ動作指令の前記作業端の移動方向に対応する移動方向に前記操作端を移動させる前記マスタ動作指令とを生成するシステム制御部と、を有するロボットシステムの制御方法であって、前記システム制御部が前記操作力及び前記反力に基づいて前記作業端の移動方向を算出する換算ステップと、前記システム制御部が前記反力が予め設定された許容値を超えるときは前記対象物を押圧する方向への前記作業端の移動を規制するように前記作業端の移動方向を修正する規制ステップと、前記システム制御部が修正した前記作業端の移動方向に基づいて前記スレーブ動作指令及び前記マスタ動作指令を生成する指令生成ステップと、を有する。
　この構成によれば、ワークの押付動作を規制することができ、スレーブアームの動作によるワーク及び対象物の破損を防止することができる。また、作業端に保持したワークが対象物を押圧している状態において、作業端が対象物から離れる方向と対応する方向に操作端に力を加えることによって、スレーブアームの作業端を対象物から離れる方向に移動させることができ、操作性を向上させることができる。
　以下、実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、以下では、全ての図を通じて、同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
　（実施の形態１）
　図１は、実施の形態１に係るロボットシステム１００の構成例を概略的に示す図である。図２は、ロボットシステム１００の制御系統の構成例を概略的に示すブロック図である。
　ロボットシステム１００は、図１及び図２に示すように、スレーブアーム１１がマスタアーム２１の動きをなぞるように動作するマスタースレーブ方式のロボットを含むシステムである。ロボットシステム１００では、スレーブアーム１１の作業領域から離れた位置（作業領域外）にいる操作者がマスタアーム２１を動かして動作指令をロボットシステム１００に入力することで、スレーブアーム１１が該動作指令に対応した動作を行い、部品の組み付け作業などの特定の作業を行うことができるように構成されている。
　更に、ロボットシステム１００は、バイラテラル制御方式のロボットシステムであり、制御部がスレーブアーム１１に加えてマスタアーム２１の動作を制御することで、スレーブアーム１１に作用する力をマスタアーム２１を介して操作者に提示するように構成されている。ロボットシステム１００は、スレーブアーム１１を含むスレーブユニット１と、マスタアーム２１を含むマスタユニット２と、システム制御部３とを備える。
　［スレーブユニットの構成例］
　スレーブユニット１は、産業用ロボットである。しかし、これに限られるものではない。スレーブユニット１は、基部１０と、スレーブアーム１１と、スレーブ側力検出部１２と、スレーブアーム駆動部１３（図２参照）と、スレーブ側制御部１４（図２参照）とを含む。
　スレーブアーム１１は、例えば、垂直多関節型のロボットアームである。すなわち、基端部から先端部に向かう方向に順次連結される複数のリンクと、隣り合うリンクの一方に対して他方を回動可能に連結する一以上の関節を備える。そして、スレーブアーム１１の先端部が作業端１１ａを構成し、作業端１１ａにはハンド（エンドエフェクタ）１６が設けられている。基部１０は、例えば床に固定され、スレーブアーム１１を支えている。
　ハンド１６は、ワークＷの保持を行う保持動作及び保持したワークＷの開放を行う開放動作を行うことができるように構成されている。ハンド１６は、保持動作及び解放動作を行うための図示しないハンド駆動部を含む。なお、本実施の形態においてハンド１６は、例えば部品の組み付け作業を実施することができるように保持動作及び解放動作をおこなうことができるように構成されているがこれに限られるものではない。これに代えて、例えば溶接作業、塗装作業を行うことができるように構成されていてもよい。
　スレーブ側力検出部１２は、互いに直交する３つの軸方向に作用する力の大きさを検出するセンサであり、スレーブアーム１１の作業端１１ａに配設されている。スレーブ側力検出部１２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。これによって、スレーブ側力検出部１２は、スレーブアーム１１の作業端１１ａに保持したワークＷがワークＷを組み付ける対象物Ｔに接触したときに、作業端１１ａ又は作業端１１ａに保持したワークＷに作用する反力ｆｓの方向及び大きさを検出するように構成されている。
　スレーブアーム駆動部１３は、スレーブアーム１１を駆動する。すなわち、スレーブアーム駆動部１３は、スレーブアーム１１の各関節に設けられたアクチュエータを含み、アクチュエータの駆動によって各関節を動作させることにより、スレーブアーム１１の基端部に対して先端部（作業端１１ａ）及びハンド１６を所定の動作領域内で移動させる。本実施の形態において、例えば、スレーブアーム１１の各関節は回動関節であり、アクチュエータは減速機を備えるサーボモータである。
　スレーブ側制御部１４は、作業端１１ａの移動方向を規定するスレーブ動作指令ｘｓに基づきスレーブアーム駆動部１３を制御し、スレーブアーム１１を動作させる。スレーブ動作指令ｘｓは、スレーブ座標系における位置指令である。スレーブ側制御部１４は、スレーブ動作指令ｘｓに基づき、各関節のサーボモータの出力軸の回転角を算出し、スレーブアーム１１の各関節のサーボモータに供給する電流を制御してサーボモータの動作を制御し、スレーブアーム１１の姿勢を変更する。
　［マスタユニットの構成例］
　マスタユニット２は、作業領域外に設置され、スレーブアーム１１の動作を制御する。
　マスタユニット２は、マスタアーム２１と、マスタ側力検出部２２と、マスタアーム駆動部２３と、マスタ側制御部２４とを含む。
　マスタアーム２１は、操作者Ｐが触れて操作して操作者Ｐからスレーブアーム１１に対する動作指令を入力する装置である。操作者Ｐが触れて操作する部位が操作端２１ａを構成し、操作者Ｐは操作端２１ａに力を加えて、スレーブアーム１１に対する動作指令を入力する。
　マスタ側力検出部２２は、互いに直交する３つの軸方向に作用する力の大きさを検出するセンサであり、マスタアーム２１の操作端２１ａに配設されている。マスタ側力検出部２２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。これによって、マスタ側力検出部２２は、操作者Ｐからスレーブアーム１１に対する動作指令、すなわちマスタアーム２１の操作端２１ａに操作者Ｐが加えた操作力ｆｍの方向及び大きさを検出するように構成されている。
　マスタアーム駆動部２３は、マスタアーム２１を駆動する。すなわち、マスタアーム駆動部２３は、マスタアーム２１の各関節に設けられたアクチュエータを含み、アクチュエータの駆動によって各関節を動作させることにより、マスタアーム２１の操作端２１ａを移動させる。本実施の形態において、例えば、アクチュエータは減速機を備えるサーボモータである。
　マスタ側制御部２４は、操作端２１ａの移動方向を規定するマスタ動作指令ｘｍに基づきマスタアーム駆動部２３を制御し、マスタアーム２１を動作させる。マスタ動作指令ｘｍは、マスタ座標系における位置指令である。マスタ側制御部２４は、マスタ動作指令ｘｍに基づき、マスタアーム２１の各関節のサーボモータの出力軸の回転角を算出し、マスタアーム２１の各関節のサーボモータに供給する電流を制御して各関節のサーボモータの動作を制御し、マスタアーム２１の姿勢を変更する。
　［システム制御部の構成例］
　システム制御部３は、並列型バイラテラル制御方式によって、スレーブユニット１及びマスタユニット２を制御する。すなわち、システム制御部３は、マスタ側力検出部２２が検出した操作力ｆｍ及びスレーブ側力検出部１２が検出した反力ｆｓに基づいて、位置指令であるスレーブ動作指令ｘｓ及び位置指令であるマスタ動作指令ｘｍを生成する。マスタ動作指令ｘｍは、スレーブ動作指令ｘｓの作業端１１ａの移動方向に対応する移動方向に操作端２１ａを移動させる動作指令である。すなわち、スレーブアーム１１のスレーブ座標系とマスタアーム２１のマスタ座標系とは対応づけられ、スレーブ動作指令ｘｓのスレーブ座標系における作業端１１ａの移動方向と、マスタ動作指令ｘｍのマスタ座標系における操作端２１ａの移動方向とが同じ方向となる（互いに一致する）ように構成されている。
　これによって、スレーブアーム１１の作業端１１ａがマスタアーム２１の操作端２１ａの動きをなぞるように動作し、且つスレーブアーム１１の作業端１１ａに作用する力をマスタアーム２１の操作端２１ａを介して操作者に提示する。したがって、操作者は、作業端１１ａが環境に接触した際の力覚を認識して作業を行うことができるように構成されている。
　システム制御部３は、換算部３１と、規制部３２と、指令生成部３３とを含む。換算部３１、規制部３２、指令生成部３３は、所定の制御プログラムを図示しない演算部が実行することにより実現される機能ブロックである。
　スレーブ側制御部１４、マスタ側制御部２４及びシステム制御部３に係る上記の演算部は、例えばマイクロコントローラ、ＣＰＵ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ等のプログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ）などの演算器で構成される。演算部は、集中制御する単独の制御器で構成されていてもよく、互いに協働して分散制御する複数の制御器で構成されてもよい。また、システム制御部３は、各種プログラム及びデータを記憶する記憶装置（図示せず）を備えている。また、システム制御部３は、スレーブ側制御部１４及びマスタ側制御部２４を含む単独の制御器で構成されていてもよく、互いに協働して分散制御する複数の制御器で構成されてもよい。
　換算部３１は、マスタ側力検出部２２が検出した操作力ｆｍ及びスレーブ側力検出部１２が検出した反力ｆｓに基づいて作業端１１ａの移動方向を算出する。すなわち、操作力ｆｍ及び反力ｆｓの差分に基づいて作業端１１ａの移動方向及び移動速度を規定する原速度ベクトルｖｄを算出する。換算部３１は、原速度ベクトルｖｄを、例えば以下の式（１）に基づいて算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
  
　規制部３２は、スレーブ側力検出部１２が検出した反力ｆｓの押圧方向成分ｆｓｉが予め設定された許容値ｆｌｉｍを超えるときは、スレーブアーム１１の対象物Ｔを押圧する方向への作業端１１ａの移動を規制するようにスレーブアーム１１の作業端１１ａの移動方向を修正する。本実施の形態において、規制部３２は、力緩和部４１と、力加減部４２とを含む。
　力緩和部４１は、スレーブ側力検出部１２が検出した反力ｆｓの押圧方向成分ｆｓｉが許容値ｆｌｉｍを超えるときは、スレーブアーム１１の作業端１１ａの対象物Ｔを押圧する方向と反対方向にスレーブアーム１１の作業端１１ａを移動させるようにスレーブアーム１１の作業端１１ａの移動方向を修正する。
　本実施の形態において、スレーブ側力検出部１２が検出した反力ｆｓの押圧方向成分ｆｓｉが許容値ｆｌｉｍを超えるときは、例えば以下の式（２）～（５）によって、原速度ベクトルｖｄに基づいて緩和速度ベクトルｖｄｍを算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
  
　すなわち、力緩和部４１は、反力ｆｓの押圧方向成分ｆｓｉが許容値ｆｌｉｍを超えるときは、許容値ｆｌｉｍから反力ｆｓの押圧方向成分ｆｓｉを減算した値に基づいて算出した値を原速度ベクトルｖｄの押圧方向成分ｖｄｉに加算することにより、原速度ベクトルｖｄを修正し、緩和速度ベクトルｖｄｍを算出するように構成されている。すなわち、許容値ｆｌｉｍから反力ｆｓの押圧方向成分ｆｓｉを減算した値（負の値）に比例ゲインＫｐを乗算した調整比例値、及び許容値ｆｌｉｍから反力ｆｓの押圧方向成分ｆｓｉを減算した値を積算した値（負の値）に積分ゲインＫｉを乗算した調整積算値を原速度ベクトルｖｄの押圧方向成分ｖｄｉに加算することにより、原速度ベクトルｖｄを修正し、緩和速度ベクトルｖｄｍを算出する。すなわち、反力ｆｓが許容値ｆｌｉｍを超えるときは許容値ｆｌｉｍからの乖離値に基づいて原速度ベクトルｖｄの対象物Ｔを押圧する方向成分である押圧方向成分ｖｄｉが小さくなるように原速度ベクトルｖｄを修正して緩和速度ベクトルｖｄｍを算出する。このように、調整積算値を押圧方向成分ｖｄｉに加算するように構成されているので、ｖｄｍｉの値の振動を抑えて許容値ｆｌｉｍに適切に収束させることができる。
　なお、力緩和部４１は、緩和速度ベクトルｖｄｍの対象物を押圧する方向と直交する方向の成分（ｖｄｍｊ成分及びｖｄｍｋ成分）が原速度ベクトルｖｄの対象物を押圧する方向と直交する方向の成分（ｖｄｊ成分及びｖｄｋ成分）と同じ値となるように原速度ベクトルｖｄを修正して緩和速度ベクトルｖｄｍを算出する。
　また、力緩和部４１は、反力ｆｓの押圧方向成分ｆｓｉが許容値ｆｌｉｍを超えた後で反力ｆｓが許容値ｆｌｉｍ内に収まると、調整積算値を０にする。
　一方、力緩和部４１は、反力ｆｓの押圧方向成分ｆｓｉが許容値ｆｌｉｍ内に収まるときは、原速度ベクトルｖｄを修正することなく緩和速度ベクトルｖｄｍとする。
　力加減部４２は、反力ｆｓが許容値ｆｌｉｍを超えるときはスレーブアーム１１の作業端１１ａが対象物Ｔを押圧する方向における作業端１１ａの位置を一時的に維持するように作業端１１ａの移動方向を修正する。すなわち、スレーブ側力検出部１２が検出した反力ｆｓの押圧方向成分ｆｓｉが許容値ｆｌｉｍを超え、且つ緩和速度ベクトルｖｄｍが対象物Ｔを押圧する方向に向かう押圧方向成分ｖｄｍｉを含むときは、この押圧方向成分ｖｄｍｉが０になるように緩和速度ベクトルｖｄｍを修正して加減速度ベクトルｖｄａを算出する。
　本実施の形態において、力加減部４２は、例えば以下の式（６）～（９）によって、緩和速度ベクトルｖｄｍに基づいて加減速度ベクトルｖｄａを算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
  
　なお、力加減部４２は、加減速度ベクトルｖｄａの対象物Ｔを押圧する方向と直交する方向の成分（ｖｄａｊ成分及びｖｄａｋ成分）が緩和速度ベクトルｖｄｍの対象物Ｔを押圧する方向と直交する方向の成分（ｖｄｍｊ成分及びｖｄｍｋ成分）と同じ値となるように緩和速度ベクトルｖｄｍを修正して加減速度ベクトルｖｄａを算出する。
　一方、力加減部４２は、スレーブ側力検出部１２が検出した反力ｆｓの押圧方向成分ｆｓｉが許容値ｆｌｉｍに収まるとき、又は緩和速度ベクトルｖｄｍが対象物を押圧する方向に向かう押圧方向成分ｖｄｍｉを含まないとき（押圧方向成分ｖｄｍｉが０又は負の値をとるとき）は、緩和速度ベクトルｖｄｍを修正することなく加減速度ベクトルｖｄａとする。
　指令生成部３３は、修正した作業端１１ａの移動方向に基づいてスレーブ動作指令ｘｓ及びマスタ動作指令ｘｍを生成する。すなわち、指令生成部３３は、緩和速度ベクトルｖｄｍに基づいて算出された加減速度ベクトルｖｄａに基づいてスレーブ動作指令ｘｓ及びマスタ動作指令ｘｍを生成する。指令生成部３３は、加減速度ベクトルｖｄａに基づいて作業端１１ａの目標位置を規定するスレーブ動作指令ｘｓを生成するスレーブ動作指令生成部５１と、加減速度ベクトルｖｄａに基づいてマスタアーム２１の目標位置を規定するマスタ動作指令ｘｍを生成するマスタ動作指令生成部５２とを含む。上述の通り、マスタ動作指令ｘｍは、スレーブ動作指令ｘｓの作業端１１ａの移動方向に対応する移動方向に操作端２１ａを移動させる動作指令である。
　［動作例］
　次に、ロボットシステム１００の動作例を説明する。
　図３Ａ及び図３Ｂは、ロボットシステム１００の動作例を示すフローチャートである。図４Ａ及び図４Ｂは、ロボットシステム１００の動作例を示す図である。本動作例においては、円筒形に形成され貫通孔Ｗａを有するワークＷと、上下方向に伸延する円柱状のピンであって、貫通孔Ｗａと嵌合可能に形成されている対象物Ｔとを嵌合させて、ワークＷを対象物Ｔに組み付ける作業をロボットシステム１００を用いて行う。ワークＷはスレーブアーム１１のハンド１６に把持されており、対象物Ｔは例えば生産ライン上に位置している。
　まず、マスタアーム２１が操作されておらず、且つスレーブアーム１１が対象物Ｔ等の環境に接触していない状態においては、操作力ｆｍは０であり、反力ｆｓも０となり、操作力ｆｍと反力ｆｓとの差分も０となる。したがって、換算部３１が算出する原速度ベクトルｖｄ、力緩和部４１が算出する緩和速度ベクトルｖｄｍ、及び力加減部４２が算出する加減速度ベクトルｖｄａは、何れも０となり、スレーブ動作指令生成部５１及びマスタ動作指令生成部５２は、それぞれスレーブアーム１１及びマスタアーム２１の目標位置を更新しない。よって、スレーブアーム１１及びマスタアーム２１は、現在の姿勢を維持する。
　次に、操作者ＰがワークＷを対象物Ｔに近づける方向、すなわち下方にマスタアーム２１の操作端２１ａに操作力ｆｍを加えると、換算部３１は、操作力ｆｍと反力ｆｓとの差分に応じた大きさを有する下方向の原速度ベクトルｖｄ、すなわち操作力ｆｍに応じた大きさを有する下方向の原速度ベクトルｖｄを算出する（ステップＳ１）。
　次に、力緩和部４１は、スレーブ側力検出部１２が検出した反力ｆｓの押圧方向成分ｆｓｉが許容値ｆｌｉｍを超えるか否かを判定する（ステップＳ２）。ワークＷが対象物Ｔに近づくように移動している状態においては、スレーブ側力検出部１２が検出した反力ｆｓは０であり、許容値ｆｌｉｍに収まるので（ステップＳ２においてＮｏ）、原速度ベクトルｖｄを修正することなく緩和速度ベクトルｖｄｍとする（ステップＳ３２）。
　次に、力加減部４２は、スレーブ側力検出部１２が検出した反力ｆｓの押圧方向成分ｆｓｉが許容値ｆｌｉｍを超え、且つ緩和速度ベクトルｖｄｍが対象物Ｔを押圧する方向に向かう押圧方向成分ｖｄｍｉを含むか否かを判定する（ステップＳ４）。ワークＷが対象物Ｔに近づくように移動している状態においては、スレーブ側力検出部１２が検出した反力ｆｓの押圧方向成分ｆｓｉは０であるので（ステップＳ４においてＮｏ）、緩和速度ベクトルｖｄｍを修正することなく加減速度ベクトルｖｄａとする（ステップＳ５２）。
　次に、スレーブ動作指令生成部５１は、加減速度ベクトルｖｄａに基づいてスレーブ動作指令ｘｓを生成し、スレーブ座標系におけるスレーブアーム１１の作業端１１ａの目標位置を現在位置の下方の位置に更新する。スレーブ動作指令ｘｓは、スレーブ側制御部１４に入力され、スレーブ側制御部１４がスレーブアーム１１の作業端１１ａが下方に移動するようにスレーブアーム１１の姿勢を変化させる。また、マスタ動作指令生成部５２は、加減速度ベクトルｖｄａに基づいてマスタ動作指令ｘｍを生成し、マスタ座標系におけるマスタアーム２１の操作端２１ａの目標位置を現在位置の下方の位置に更新する。マスタ動作指令ｘｍは、マスタ側制御部２４に入力され、マスタ側制御部２４がマスタアーム２１の操作端２１ａが下方に移動するようにマスタアーム２１の姿勢を変化させる（ステップＳ６）。そして、再度ステップＳ１が実行される。
　このように、ステップＳ１～Ｓ６が繰り返し実行されることにより、スレーブアーム１１の作業端１１ａ及びマスタアーム２１の操作端２１ａが同時に下方に移動するように構成されている。これによって、操作者Ｐは、あたかもスレーブアーム１１の作業端１１ａがマスタアーム２１の操作端２１ａの動きをなぞるように動作するような感覚を得られる。
　そして、スレーブアーム１１の作業端１１ａが下方に移動することにより、図４Ａに示すように、ワークＷが対象物Ｔの上端に接触し、ワークＷが対象物Ｔに押し付けられると、反力がワークＷに作用し、この力の方向及び大きさに応じた反力ｆｓがスレーブ側力検出部１２により検出される。図５Ａは、本動作例におけるスレーブ側力検出部１２により検出された反力ｆｓの押圧方向成分ｆｓｉの経時的な変化を示すグラフであり、ワークＷが対象物Ｔの上端に接触した時刻ｔ０において反力ｆｓの押圧方向成分ｆｓｉが許容値ｆｌｉｍを超えたことを示している。
　そして、スレーブ側力検出部１２により検出された反力ｆｓの押圧方向成分ｆｓｉが許容値ｆｌｉｍを超えると、ステップＳ２において、力緩和部４１は、スレーブ側力検出部１２が検出した反力ｆｓの押圧方向成分ｆｓｉが許容値ｆｌｉｍを超えたと判定し（ステップＳ２においてＹｅｓ）、原速度ベクトルｖｄを修正して緩和速度ベクトルｖｄｍを算出する（ステップＳ３１）。上述の式（３）に示す通り、緩和速度ベクトルｖｄｍの押圧方向成分ｖｄｍｉは、正の値をとる原速度ベクトルの押圧方向成分ｖｄｉに負の値をとる調整比例値及び調整積算値を加算することによって算出され、図５Ｂに示すように、押圧方向成分ｖｄｍｉは、時間の経過に伴って値が小さくなるように変化する。
　次に、力加減部４２は、ステップＳ４において、スレーブ側力検出部１２が検出した反力ｆｓの押圧方向成分ｆｓｉが許容値ｆｌｉｍを超え、且つ緩和速度ベクトルｖｄｍが対象物Ｔを押圧する方向に向かう押圧方向成分ｖｄｍｉを含むと判定し（ステップＳ４においてＹｅｓ）、この押圧方向成分ｖｄｍｉが０になるように緩和速度ベクトルｖｄｍを修正して加減速度ベクトルｖｄａを算出する（ステップＳ５１）。
　すなわち、図５Ｂに示すように、力加減部４２は、押圧方向成分ｖｄｍｉの値が正の値をとる時間帯Ｔ１においては、緩和速度ベクトルｖｄｍの押圧方向成分ｖｄｍｉの値を０にして、加減速度ベクトルｖｄａを算出する。これによって、図５Ｃに示すように、時間帯Ｔ１において加減速度ベクトルｖｄａの押圧方向成分ｖｄａｉは、０の値をとる。この加減速度ベクトルｖｄａに基づいて生成されるスレーブ動作指令ｘｓ及びマスタ動作指令ｘｍの押圧方向（ｉ方向）における目標位置は現在位置と同じ位置である。したがって、ワークＷが対象物Ｔの上端に接触した直後の時間帯Ｔ１において、スレーブアーム１１の作業端１１ａは、スレーブアーム１１の作業端１１ａが対象物Ｔを押圧する方向における作業端１１ａの位置を一時的に維持し、スレーブアーム１１の作業端１１ａは下方に移動しないように移動が規制される。これによって、過度な力がワークＷ及び対象物Ｔに作用し、ワークＷ及び対象物Ｔが破損することを防止することができる。また、ワークＷが対象物Ｔの上端に接触した時刻ｔ０において、マスタアーム２１の操作端２１ａは下方に移動しないように移動が突然規制され、更にその直後の時間帯Ｔ１においてもマスタアーム２１の操作端２１ａは下方に移動しないように移動が規制される。これによって、操作者Ｐは、作業端１１ａが対象物Ｔに接触して衝撃を受けた感覚を得られる。なお、図５Ａに示すように、時間帯Ｔ１において、スレーブアーム１１の作業端１１ａは移動しないため、スレーブ側力検出部１２が検出する反力ｆｓは変化しない。
　そして、時間が経過するに従い原速度ベクトルｖｄに加算される調整積算値の絶対値が増大し、力緩和部４１が緩和速度ベクトルｖｄｍの押圧方向成分ｖｄｍｉの値が小さくなるように修正し、図５Ｂに示すように、時刻ｔ１において押圧方向成分ｖｄｍｉが０以下になると、力加減部４２は、図５Ｂ及び図５Ｃに示すように、ステップＳ４において緩和速度ベクトルｖｄｍが対象物Ｔを押圧する方向に向かう押圧方向成分ｖｄｍｉを含まないと判定し（ステップＳ４においてＮｏ）、緩和速度ベクトルｖｄｍを修正することなく加減速度ベクトルｖｄａとする。この加減速度ベクトルｖｄａに基づいて生成されるスレーブ動作指令ｘｓ及びマスタ動作指令ｘｍの押圧方向（ｉ方向）における目標位置は、現在位置よりもワークＷが対象物Ｔを押圧する方向と反対方向、すなわちワークＷが対象物Ｔから遠ざかる側の位置である。したがって、図５Ｃに示すように、反力ｆｓの押圧方向成分ｆｓｉが許容値ｆｌｉｍ内に収まる時刻ｔ２までの時間帯Ｔ２において、スレーブアーム１１の作業端１１ａは上方に移動する。これによって、ワークＷが対象物Ｔを押圧する力を小さく又はキャンセルすることができ、ワークＷ及び対象物Ｔが破損することを効果的に防止することができる。また、操作者Ｐは、時間帯Ｔ１において受けた衝撃に係る感覚を覚えている時間帯Ｔ１に続く時間帯Ｔ２において、スレーブアーム１１の作業端１１ａを徐々に上方に移動させるように構成されているので、スレーブアーム１１及びマスタアーム２１に振動が発生することを防止することができ、また、操作者Ｐがマスタアーム２１の操作性に違和感を与えることを防止することができる。
　そして、時間帯Ｔ２において、スレーブアーム１１の作業端１１ａが上方に移動すると、図５Ａに示すように、反力ｆｓの押圧方向成分ｆｓｉの値が減少する。そして、図３Ｂに示すように、時刻ｔ０において反力ｆｓの押圧方向成分ｆｓｉが許容値ｆｌｉｍを超えた後、時刻ｔ２において反力ｆｓの押圧方向成分ｆｓｉが許容値ｆｌｉｍ内に収まると、式（３）における調整比例値及び調整積算値を０にリセットする。これによって、再び反力ｆｓの押圧方向成分ｆｓｉが許容値ｆｌｉｍを超えたときに、前回の調整比例値及び調整積算値が原速度ベクトルｖｄの押圧方向成分ｖｄｉに加算され、スレーブアーム１１及びマスタアーム２１の動作に異常をきたすことを防止することができる。
　なお、本実施の形態において、時刻ｔ０から時刻ｔ２までの間隔が５０ミリ秒程度となるように式（３）の比例ゲインＫｐ及び積分ゲインＫｉの値が選択される。これによって、操作性を向上させることができる。
　なお、式（２）～（５）の通り、力緩和部４１は、緩和速度ベクトルｖｄｍの押圧方向と直交する方向の成分が原速度ベクトルｖｄの押圧方向と直交する方向の成分と同じ値となるように原速度ベクトルｖｄを修正して緩和速度ベクトルｖｄｍを算出する。また、力加減部４２は、加減速度ベクトルｖｄａの押圧方向と直交する方向の成分が緩和速度ベクトルｖｄｍの押圧方向と直交する方向の成分と同じ値となるように緩和速度ベクトルｖｄｍを修正して加減速度ベクトルｖｄａを算出する。すなわち、規制部３２は、換算部３１が算出した原速度ベクトルｖｄの押圧方向と直交する方向の成分（原速度ベクトルｖｄのｊ方向成分及びｋ方向成分）を修正せずに、加減速度ベクトルｖｄａを算出する。よって、ワークＷが対象物Ｔに押付けられた状態におけるワークＷのｊ方向及びｋ方向への移動操作（ｊｋ平面上の移動操作）は、ワークＷが対象物Ｔに押付けられていない状態と変化しない。よって、図４Ｂに示すワークＷと対象物Ｔとを嵌合させる操作、すなわちワークＷの貫通孔Ｗａの軸と対象物Ｔの軸とが一致する位置を探る操作を円滑に行うことができる。
　以上に説明したように、ロボットシステム１００、規制部３２が対象物Ｔを押圧する方向への操作端２１ａの移動を規制するので、ワークＷが対象物Ｔに押付けられた状態で押圧方向と直交する平面方向に移動することによって、過大な摩擦力がワークＷと対象物Ｔとの間に作用し、ワークＷ及び対象物Ｔが破損することを防止することができる。
　また、作業端１１ａに保持したワークＷが対象物Ｔを押圧している状態において、モード切替操作等の特別な操作を行うことなく、作業端１１ａが対象物Ｔから離れる方向と対応する方向に操作端２１ａに力を加えることによって、スレーブアーム１１の作業端１１ａを対象物Ｔから離れる方向に移動させることができ、操作性を向上させることができる。すなわち、作業端１１ａに保持したワークＷが対象物Ｔを押圧している状態においても、作業端１１ａが対象物Ｔから離れる方向に作業端１１ａを移動させる操作を、作業端１１ａに保持したワークＷが対象物Ｔと接触していないときと同様に行うことができる。
　更に、本実施の形態において、スレーブアーム１１は、産業用ロボットであり、スレーブアーム駆動部１３の減速機には波動歯車装置等の減速比の大きい機構が用いられ、そのために、通常、サーボモータの制御は、位置制御が用いられる。しかし、位置制御において、作業端１１ａに保持したワークＷが対象物Ｔ等の環境に接触すると大きな反力が発生し、ワークＷや対象物Ｔを破損する虞があった。しかし、規制部３２が対象物Ｔを押圧する方向への操作端２１ａの移動を規制するので、位置制御を用いたロボットシステム１００において効果的にワークＷや対象物Ｔの破損を防止することができる。
　＜実施の形態１の変形例＞
　スレーブ側力検出部１２は、スレーブアーム１１の作業端１１ａに配設したセンサを用いて、スレーブアーム１１の作業端１１ａ又は作業端１１ａに保持したワークＷに作用する反力ｆｓの方向及び大きさを検出したがこれに限られるものではない。これに代えて、スレーブ側力検出部１２は、スレーブアーム１１の各関節のサーボモータに供給する電流値に基づいて、スレーブアーム１１の作業端１１ａ又は作業端１１ａに保持したワークＷに作用する反力ｆｓの方向及び大きさを検出してもよい。
　また、マスタ側力検出部２２は、マスタアーム２１の操作端２１ａに配設したセンサを用いて、マスタアーム２１の操作端２１ａに操作者Ｐが加えた操作力ｆｍの方向及び大きさを検出したがこれに限られるものではない。これに代えて、マスタ側力検出部２２は、マスタアーム２１の各関節のサーボモータに供給する電流値に基づいて、マスタアーム２１の操作端２１ａに操作者Ｐが加えた操作力ｆｍの方向及び大きさを検出してもよい。
　（実施の形態２）
　以下では実施の形態２の構成、動作について、実施の形態１との相違点を中心に述べる。
　図６は、実施の形態２に係るロボットシステムの制御系統の構成例を概略的に示すブロック図である。
　本実施の形態２において、システム制御部３は、更に誇張表現部２５２を備える。
　誇張表現部２５２は、スレーブ側力検出部１２が検出した反力ｆｓに基づきワークＷと対象物Ｔとが接触状態にあるか否かを判定し、接触状態にあると判定した場合は、操作者Ｐに対し、ワークＷが対象物Ｔに接触した感覚を誇張して提示する。
　操作者Ｐに対する感覚の提示は、誇張表現部２５２がスレーブアーム１１の反力ｆｓに基づいて速度成分を生成し、生成した速度成分をマスタ動作指令生成部５２に入力される加減速度ベクトルｖｄａに加算する。生成される速度成分は、例えば１周期分の三角波成分であり、これにより、操作端２１ａを操作する操作者Ｐに対し、スレーブアーム１１が固い対象物に当たった感覚を表現することができる。
　（実施の形態３）
　上記実施の形態１において、規制部３２は、力緩和部４１及び力加減部４２を含む形態を例示したがこれに限られるものではない。これに代えて、規制部３２は、力緩和部４１及び力加減部４２のうち力緩和部４１を含むよう構成してもよい。
　この場合、力緩和部４１は、指令生成部３３は、緩和速度ベクトルｖｄｍに基づいてスレーブ動作指令ｘｓ及びマスタ動作指令ｘｍを生成する。
　（実施の形態４）
　上記実施の形態１において、規制部３２は、力緩和部４１及び力加減部４２を含む形態を例示したがこれに限られるものではない。これに代えて、規制部３２は、力緩和部４１及び力加減部４２のうち力加減部４２を含むよう構成してもよい。
　この場合、力加減部４２は、スレーブ側力検出部１２が検出した反力ｆｓの押圧方向成分ｆｓｉが許容値ｆｌｉｍを超え、且つ原速度ベクトルｖｄが対象物Ｔを押圧する方向に向かう押圧方向成分ｖｄｉを含むときは、この押圧方向成分ｖｄｉが０になるように原速度ベクトルｖｄを修正して加減速度ベクトルｖｄａを算出する。
　上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
　Ｔ　対象物
　Ｗ　ワーク
　１　スレーブユニット
　２　マスタユニット
　３　システム制御部
　１１　スレーブアーム
　１１ａ　作業端
　１２　スレーブ側力検出部
　１３　スレーブアーム駆動部
　１４　スレーブ側制御部
　２１　マスタアーム
　２１ａ　操作端
　２２　マスタ側力検出部
　２３　マスタアーム駆動部
　２４　マスタ側制御部
　３１　換算部
　３２　規制部
　３３　指令生成部
　１００　ロボットシステム
 

Claims (13)

  1. 　作業端を有するスレーブアームと、前記作業端に保持したワークが該ワークを組み付ける対象物に接触したときに前記作業端又は前記作業端に保持した前記ワークに作用する反力の方向及び大きさを検出するスレーブ側力検出部と、前記スレーブアームを駆動するスレーブアーム駆動部と、前記作業端の移動方向を規定するスレーブ動作指令に基づき前記スレーブアーム駆動部を制御するスレーブ側制御部と、を含むスレーブユニットと、
    　操作端を有するマスタアームと、前記操作端に操作者が加えた操作力の方向及び大きさを検出するマスタ側力検出部と、前記マスタアームを駆動するマスタアーム駆動部と、前記操作端の移動方向を規定するマスタ動作指令に基づき前記マスタアーム駆動部を制御するマスタ側制御部と、を含むマスタユニットと、
    　前記操作力及び前記反力に基づいて、前記スレーブ動作指令と、該スレーブ動作指令の前記作業端の移動方向に対応する移動方向に前記操作端を移動させる前記マスタ動作指令とを生成するシステム制御部と、を有するロボットシステムであって、
    　前記システム制御部は、
    　前記操作力及び前記反力に基づいて前記作業端の移動方向を算出する換算部と、
    　前記反力が予め設定された許容値を超えるときは前記対象物を押圧する方向への前記作業端の移動を規制するように前記作業端の前記移動方向を修正する規制部と、
    　修正した前記作業端の前記移動方向に基づいて前記スレーブ動作指令及び前記マスタ動作指令を生成する指令生成部と、を有する、ロボットシステム。
  2. 　前記スレーブ動作指令は位置指令である、請求項１に記載のロボットシステム。
  3. 　前記規制部は力加減部を有し、
    　前記力加減部は、前記反力が前記許容値を超えるときは前記作業端が前記対象物を押圧する方向における前記作業端の位置を一時的に維持するように前記作業端の前記移動方向を修正する、請求項１又は２に記載のロボットシステム。
  4. 　前記換算部は、前記操作力及び前記反力の差分に基づいて前記作業端の移動方向及び移動速度を規定する原速度ベクトルを算出し、
    　前記規制部は力加減部を有し、
    　前記力加減部は、前記反力の前記対象物を押圧する方向に向かう押圧方向成分が前記許容値を超え且つ前記原速度ベクトルが前記対象物を押圧する方向に向かう押圧方向成分を含むときは該押圧方向成分が０になるように前記原速度ベクトルを修正して加減速度ベクトルを算出し、
    　前記指令生成部は、前記加減速度ベクトルに基づいて前記スレーブ動作指令及び前記マスタ動作指令を生成する、請求項１又は２に記載のロボットシステム。
  5. 　前記力加減部は、前記加減速度ベクトルの前記対象物を押圧する方向成分である押圧方向成分と直交する方向の成分が前記原速度ベクトルの前記対象物を押圧する方向と直交する方向の成分と同じ値となるように前記原速度ベクトルを修正して前記加減速度ベクトルを算出する、請求項４に記載のロボットシステム。
  6. 　前記規制部は、力緩和部を有し、
    　前記力緩和部は、前記許容値を超えるときは前記作業端が前記対象物を押圧する方向と反対方向に前記作業端を移動させるように前記作業端の移動方向を修正する、請求項１又は２に記載のロボットシステム。
  7. 　前記換算部は、前記操作力及び前記反力の差分に基づいて前記作業端の移動方向及び移動速度を規定する原速度ベクトルを算出し、
    　前記力緩和部は、前記反力が前記許容値を超えるときは前記許容値からの乖離値に基づいて前記原速度ベクトルの前記対象物を押圧する方向成分である押圧方向成分が小さくなるように前記原速度ベクトルを修正して緩和速度ベクトルを算出し、
    　前記指令生成部は、前記緩和速度ベクトルに基づいて前記スレーブ動作指令及び前記マスタ動作指令を生成する、請求項６に記載のロボットシステム。
  8. 　前記力緩和部は、前記許容値から前記反力を減算した値を積算した値に所定のゲインを乗算した調整積算値を前記原速度ベクトルの前記押圧方向成分に加算して前記原速度ベクトルを修正して前記緩和速度ベクトルを算出する、請求項７に記載のロボットシステム。
  9. 　前記力緩和部は、前記反力が前記許容値を超えた後で前記反力が許容値内に収まると、前記調整積算値を０にする、請求項８に記載のロボットシステム。
  10. 　前記規制部は力加減部を有し、
    　前記力加減部は、前記反力が前記許容値を超えるときは前記作業端が前記対象物を押圧する方向における前記作業端の位置を一時的に維持するように前記作業端の前記移動方向を修正する、請求項６乃至９の何れかに記載のロボットシステム。
  11. 　前記規制部は力加減部を更に有し、
    　前記力加減部は、前記反力の前記対象物を押圧する方向に向かう押圧方向成分が前記許容値を超え且つ前記緩和速度ベクトルが前記押圧方向成分を含むときは該押圧方向成分が０になるように前記緩和速度ベクトルを修正して加減速度ベクトルを算出し、
    　前記指令生成部は、前記加減速度ベクトルに基づいて前記スレーブ動作指令及び前記マスタ動作指令を生成する、請求項６乃至９の何れかに記載のロボットシステム。
  12. 　前記力緩和部は、前記緩和速度ベクトルの前記対象物を押圧する方向成分である押圧方向成分と直交する方向の成分が前記原速度ベクトルの前記対象物を押圧する方向と直交する方向の成分と同じ値になるように前記原速度ベクトルを修正して前記加減速度ベクトルを算出し、
    　前記力加減部は、前記加減速度ベクトルの前記対象物を押圧する方向と直交する方向の成分が前記緩和速度ベクトルの前記対象物を押圧する方向と直交する方向の成分と同じ値となるように前記緩和速度ベクトルを修正して前記加減速度ベクトルを算出する、請求項１１に記載のロボットシステム。
  13. 　作業端を有するスレーブアームと、前記作業端に保持したワークが該ワークを組み付ける対象物に接触したときに前記作業端又は前記作業端に保持した前記ワークに作用する反力の方向及び大きさを検出するスレーブ側力検出部と、前記スレーブアームを駆動するスレーブアーム駆動部と、前記作業端の移動方向を規定するスレーブ動作指令に基づき前記スレーブアーム駆動部を制御するスレーブ側制御部と、を含むスレーブユニットと、
    　操作端を有するマスタアームと、前記操作端に操作者が加えた操作力の方向及び大きさを検出するマスタ側力検出部と、前記マスタアームを駆動するマスタアーム駆動部と、前記操作端の移動方向を規定するマスタ動作指令に基づき前記マスタアーム駆動部を制御するマスタ側制御部と、を含むマスタユニットと、
    　前記操作力及び前記反力に基づいて、前記スレーブ動作指令と、該スレーブ動作指令の前記作業端の移動方向に対応する移動方向に前記操作端を移動させる前記マスタ動作指令とを生成するシステム制御部と、を有するロボットシステムの制御方法であって、
    　前記システム制御部が前記操作力及び前記反力に基づいて前記作業端の移動方向を算出する換算ステップと、
    　前記システム制御部が前記反力が予め設定された許容値を超えるときは前記対象物を押圧する方向への前記作業端の移動を規制するように前記作業端の移動方向を修正する規制ステップと、
    　前記システム制御部が修正した前記作業端の移動方向に基づいて前記スレーブ動作指令及び前記マスタ動作指令を生成する指令生成ステップと、を有する、ロボットシステムの制御方法。
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