JPH04354685A - マニピュレータの制御装置 - Google Patents

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はマニピュレータの制御装
置に係り、特にアーム先端にマニピュレータを操作する
操作レバーを備えたマニピュレータの制御装置に関する
。

【０００２】

【従来の技術】従来より、マスターアームとの間に間隔
を隔ててマスターアームと類似した機構のスレーブアー
ムを設置し、マスターアームとスレーブアームとを伝達
手段で連結したマニピュレータが知られている。このマ
ニピュレータによれば、マスターアームの操作が伝達手
段を介してスレーブアームに忠実に伝達されると共に、
これに力感知機能を付加することによりマスターアーム
の操作に応じてスレーブアームによってワークに加えら
れた力が、マスターアームにフィードバックされること
により操作者が手で行うと同様な作業感覚を得ることが
できる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
マスタースレーブ式のマニピュレータは、スレーブアー
ムがマスターアームによって遠隔操作されるものである
ため、釘打、ボルト締め等のように操作者が直接ワーク
に対して作業を行う必要がある場合には、操作者がワー
クの位置する場所まで移動するかまたはマニピュレータ
を操作する操作者とは別に他の作業員を必要とする、と
いう問題があった。

【０００４】本発明は上記問題点を解決するためになさ
れたもので、マニピュレータを操作する操作者がワーク
に対して直接作業を行えると共に、操作者が希望する力
で希望する方向にエンドエフェクタを動作させることが
できるマニピュレータの制御装置を提供することを目的
とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、マニピュレータの各関節を駆動する駆動手
段と、マニピュレータのアーム先端に取付けられると共
に操作者の操作力に応じた動作指令を出力する動作指令
出力手段と、アーム先端に取付けられたエンドエフェク
タが外部環境から受ける力を検出する力検出手段と、エ
ンドエフェクタの動作の主方向及び前記操作力に対する
エンドエフェクタとワークとの押付力を設定するための
設定手段と、前記動作指令、前記力検出手段出力及び前
記設定手段に設定された内容に基づいてエンドエフェク
タが設定された押付力で設定された主方向に動作するよ
うに前記駆動手段を制御する制御手段と、を含んで構成
したものである。

【０００６】

【作用】本発明の動作指令出力手段は、マニピュレータ
のアーム先端に取付けられており、操作者の操作力に応
じた動作指令を出力する。このように動作指令出力手段
がマニピュレータのアーム先端に取付けられているため
、マニピュレータ操作者はマニピュレータを操作する位
置でワークに対しても作業を行うことができる。力検出
手段は、アーム先端に取付けられたエンドエフェクタが
外部環境から受ける力を検出する。本発明には、設定手
段が設けられており、この設定手段によってエンドエフ
ェクタの動作の主方向及び操作者の操作力に対するエン
ドエフェクタとワークとの押付力を設定することができ
る。制御手段は、動作指令出力手段から出力された動作
指令、力検出手段によって検出されたエンドエフェクタ
が外部環境から受ける力、及び、設定手段に設定された
内容に基づいて、エンドエフェクタが設定された押付力
でかつ設定された方向に動作するように、マニピュレー
タの各関節を駆動する駆動手段を制御する。このように
、エンドエフェクタが設定された押付力で設定された主
方向に動作されるため、操作者の癖や熟練度等によって
操作者が意図した動作指令を与えることができない場合
であっても、設定手段に設定された内容に一致するよう
にマニピュレータが駆動されるため、作業を迅速にかつ
正確に行うことができ操作性の良いマニピュレータを提
供することができる。

【０００７】

【実施例】以下図面を参照して本発明の実施例を詳細に
説明する。図１に示すように本実施例のマニピュレータ
は、第１アーム１０及び第２アーム１２を備えたアーム
と、アーム先端に取付けられたエンドエフェクタ２５と
を備えている。第１アーム１０の一端は基台１４に回転
可能に取付けられ、第１アーム１０の他端は第２アーム
１２の一端と回転可能に連結されている。第１アーム１
０と基台１４との連結部、即ち関節には、第１アーム１
０をこの関節を中心に回動させるモーター等で構成され
た第１アーム用アクチュエータ１６が取付けられている
。また、第１アーム１０と第２アーム１２との連結部、
即ち関節には、この関節を中心に第２アーム１２を回動
させるための第２アーム用アクチュエータ１８が取付け
られている。

【０００８】また、基台１４にはアームを旋回させるた
めの旋回用アクチュエータ３２が取付けられている。

【０００９】第１アーム１０と平行に、一端が基台１４
に回転可能に取付けられかつ他端が連結部材２１に回転
可能に取付けられた姿勢一定制御用リンク２０が設けら
れている。また第２アーム１２と平行に一端が連結部材
２１に回転可能に取付けられた姿勢一定制御用リンク２
０が設けられている。第２アーム１２と姿勢一定制御用
リンク２０との先端部にはセンサ取付箱２２が取付けら
れている。第２アーム１２と姿勢一定制御用リンク２０
、第１アーム１０と姿勢一定制御用リンク２０とによっ
てそれぞれ平行リンクが構成されているためセンサ取付
箱２２は姿勢をかえることなくＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に移動
することができる。

【００１０】センサ取付箱２２の前面にはエンドエフェ
クタ２５が外部環境から受ける力をＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の
３分力に分解して検出する環境用力センサ２４を介して
エンドエフェクタ２５が取付けられている。また、セン
サ取付箱２２の側面には図２にも示すように操作レバー
２８に作用する操作力をＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の３分力に分
解して検出する操作用力センサ２６が取付けられている
。また、センサ取付箱２２の底面には、エンドエフェク
タ２５の動作の主方向、操作レバー２８に作用する操作
力とエンドエフェクタ２５のワークに対する押付力との
倍率を設定するための設定装置３０が取付けられている
。

【００１１】図３に示すように、設定装置３０は、操作
用力センサ２６の動作の主方向を設定するための動作主
方向設定スイッチ３４、操作力に対する押付力の倍率を
設定するための押付力倍率設定用ボリューム３８が設け
られている。動作主方向設定スイッチ３４には、Ｘ方向
、Ｙ方向、Ｚ方向及び解除の表示があり、つまみをいず
れかの表示に一致させることによって動作の主方向を設
定したりこの設定を解除することができる。また、押付
力倍率設定用ボリューム３８のつまみを回転させること
によって操作力に対する押付力の倍率を変更することが
できる。

【００１２】図４はマニピュレータを制御する制御装置
４８をロボット、操作者及び環境に関連させて示すもの
で、この制御装置４８は環境用力センサ２４出力Ｆｅ　
にゲインＫｅ　を乗算することによって位置検出値Ｘｅ
　を出力する環境用コントローラ４２と、操作用力セン
サ２６の出力Ｆｈ　にゲインＫｈ　を乗算することによ
って位置指令値Ｘｈ　を出力する操作用コントローラ４
０とを備えている。操作用コントローラ４０及び環境用
コントローラ４２の出力端は操作用コントローラ４０出
力から環境用コントローラ４２出力を減算した差Ｘを出
力する減算器４４に接続されている。減算器４４はサー
ボアンプ４６を介してマニピュレータの各関節に設けら
れたアクチュエータに接続されている。また、操作用コ
ントローラ４０及び環境用コントローラ４２には設定装
置３０が接続されている。

【００１３】操作用コントローラ４０は、図５に示すよ
うに、操作用力センサ２６で検出されたＸ軸方向分力Ｆ
ｈｘをゲインＫｈｘで増幅してＸ軸方向の位置指令Ｘを
出力する増幅器５０、Ｙ軸方向分力ＦｈｙにゲインＫｈ
ｙを乗算してＹ軸方向の位置指令Ｙを出力する増幅器５
２、及びＺ軸方向分力ＦｈｚにゲインＫｈｚを乗算して
Ｚ軸方向の位置指令Ｚを出力する増幅器５４を備えてい
る。ゲインＫｈｘ、Ｋｈｙ、ＫｈｚはゲインＫｈ　をＸ
、Ｙ、Ｚ軸方向に分解したときの成分である。またこれ
らの増幅器のゲインＫｈｘ、Ｋｈｙ、Ｋｈｚは設定装置
３０の動作主方向設定スイッチ３４の設定に応じて変更
される。増幅器５０、増幅器５２、増幅器５４は変換回
路５６に接続されている。この変換回路５６は、位置指
令Ｘ、Ｙ、Ｚを用いてヤコビ行列を利用した周知の変換
方法によって第１アーム用アクチュエータ１６、第２ア
ーム用アクチュエータ１８及び旋回用アクチュエータ３
２の各関節での指令値、即ち目標角度θ１、θ２及びθ
３を演算して出力する。

【００１４】環境用コントローラ４２は、図５に示すよ
うに、環境用力センサ２４で検出されたＸ軸方向分力Ｆ
ｅｘをゲインＫｅｘで増幅してＸ軸方向の位置検出値Ｘ
’を出力する増幅器４２Ａ、Ｙ軸方向分力Ｆｅｙにゲイ
ンＫｅｙを乗算してＹ軸方向の位置検出値Ｙ’を出力す
る増幅器４２Ｂ、及びＺ軸方向分力ＦｅｚにゲインＫｅ
ｚを乗算してＺ軸方向の位置検出値Ｚ’を出力する増幅
器４２Ｃを備えている。ゲインＫｅｘ、Ｋｅｙ、Ｋｅｚ
はゲインＫｅ　をＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に分解したときの成
分である。またこれらの増幅器のゲインＫｅｘ、Ｋｅｙ
、Ｋｅｚは設定装置３０の押付力倍率設定用ボリューム
３８で設定された押付力の倍率に応じて変更される。増
幅器４２Ａ、増幅器４２Ｂ、増幅器４２Ｃは変換回路４
３に接続されている。この変換回路４３は、位置検出値
Ｘ’　、Ｙ’、Ｚ’を用いてヤコビ行列を利用した周知
の変換方法によって第１アーム用アクチュエータ１６、
第２アーム用アクチュエータ１８及び旋回用アクチュエ
ータ３２の各関節での位置検出値Ｘｅｘ、Ｘｅｙ、Ｘｅ
Ｚを演算して出力する。

【００１５】ここで、位置検出値Ｘｅ　（Ｘｅｘ、Ｘｅ
ｙ、ＸｅＺ）、位置指令値Ｘｈ　（θ１　、θ２　、θ
３　）、減算器４４出力Ｘ及び操作力Ｆｈ　は図４から
次の（１）〜（４）式に示すようになる。この（１）〜
（４）式に基づいてエンドエフェクタがワークと接触す
るときの押付力Ｆｅ　と操作力Ｆｈ　との比Ｆｅ　／Ｆ
ｈ　を求めると（５）式に示すようになる。

【００１６】 Ｘｅ　＝Ｋｅ　・Ｆｅ　……（１） Ｘｈ　＝Ｋｈ　・Ｆｈ　……（２） Ｘ　　＝Ｘｈ　−Ｘｅ　……（３） Ｆｈ　＝Ｒ・Ｘ　　　　……（４） Ｒ：ロボットの特性で定まる定数

【００１７】

【数１】

【００１８】この（５）式から理解されるようにゲイン
Ｋｅ　またはゲインＫｈ　を変更することによって操作
力の倍率Ｆｅ　／Ｆｈ　を変更することができる。即ち
、ゲインＫｈ　とゲインＫｅ　を設定すると任意の操作
力の倍率Ｆｅ　／Ｆｈ　を得ることができる。例えば、
ゲインＫｈ　を一定にしてゲインＫｅを小さくすると倍
率は小さくなり、ゲインＫｅ　を大きくすると倍率は大
きくなる。操作者の癖や熟練度により任意に倍率Ｆｅ　
／Ｆｈ　を選択すれば、使いやすい操作性の良いマニピ
ュレータになる。また、操作力Ｆｈ　と押付力Ｆｅ　の
関係を自由に選択できることから図７に示すように操作
力Ｆｈ　と押付力Ｆｅ　との関係を曲線ａまたは曲線ｂ
のように任意設定することが可能になり、操作者の癖や
熟練度によりさまざまな曲線を持たせることができる。

【００１９】次に、図８のガラス板等の板状ワーク４８
を天井と床との間を通って壁方向へ接近させる場合を例
にとって本実施例の動作を説明する。まず板状ワークを
Ｙ軸方向に移動するため、動作主方向設定スイッチ３４
のつまみをＹ方向に設定し、押付力倍率設定用ボリュー
ム３８によって押付力の倍率を設定する。これによって
、ゲインＫｈｙは押付力の倍率によって定まる大きな値
になりかつゲインＫｈｘ、Ｋｈｚは小さな値になる。ま
た、壁へ押付けるため、設定された倍率によってゲイン
Ｋｅｙは大きく、ゲインＫｅｘ、Ｋｅｚは小さくなる。 次に、操作レバー２８を握ってエンドエフェクタ２５を
Ｙ軸方向に移動させる。このとき操作レバー２８に作用
する操作力は操作用力センサ２６によってＸ、Ｙ、Ｚ方
向の分力として検出される。増幅器５２のゲインＫｈｙ
は大きな値であり、増幅器５０及び増幅器５４のゲイン
Ｋｈｘ、Ｋｈｚは小さな値であるため、位置指令Ｙは操
作力のＹ軸方向の分力ＦｈｙとゲインＫｈｙとの積で表
される大きな値になり、Ｘ方向の位置指令値及びＺ軸方
向の位置指令値は０に近い小さな値になる。従って操作
者の熟練度等によって操作レバーがＺ軸方向またはＸ軸
方向に振動しながらＹ軸方向に移動された場合であって
もＺ軸方向またはＸ軸方向に作用する操作力による位置
指令はほとんど０の値になるためエンドエフェクタ２５
がＺ軸方向またはＸ軸方向に振動するのが防止され、Ｙ
軸方向へのみ移動される。板状ワークが、壁に接触する
と動作主方向切換用スイッチ３４によって設置された押
付方向に、押付力倍率設定用ボリューム３８で設定され
た押付力の倍率（ゲインＫｅｙの大きさによって定まる
）に応じた押付力が得られるため板状ワークの材質に応
じた押付力で板状ワークを壁に押付けることができ、板
状ワークの破損を防止することができる。

【００２０】また、図９に示すようにエンドエフェクタ
としてグラインダー５０を取付けた場合においても、グ
ラインダー５０を対象物に押し当ててグラインディング
するときに操作者の熟練度、対象物５２の材質、グライ
ンディング量から適切な押付け力の倍率を自由に設定で
きるため作業が早く正確に行え操作性の良いマニピュレ
ータとなる。

【００２１】なお、上記ではＦｅ　／Ｆｈ　が線形であ
る例について説明したが、第１０図に示すように操作力
と押付力との関係を非線型に設定できる表示または設定
パネル６０に置換えて設定するようにしても良い。さら
に、上記では動作主方向設定スイッチ３４、押付力倍率
設定用ボリューム３８を用いた例について説明したが、
図１１に示すように、動作主方向設定スイッチ３４に変
えてＸ、Ｙ、Ｚ軸各方向のゲインＫｈｘ、Ｋｈｙ、Ｋｈ
ｚをそれぞれ任意に設定できるボリューム５４、押付力
倍率設定用ボリューム３８に代えてゲインＫｅｘ、Ｋｅ
ｙ、Ｋｅｚをそれぞれ任意に設定できるボリューム５６
を設けても良い。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、エ
ンドエフェクタの動作の主方向及びエンドエフェクタと
ワークとの押付力を設定できるようにしたため、マニピ
ュレータを操作者が直接ワークに対して作業を行うこと
ができると共にマニピュレータの操作性を向上すること
ができる、という効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のマニピュレータの概略図である。

【図２】第２アームの先端部の斜視図である。

【図３】図２の拡大図である。

【図４】制御装置と環境、ロボット、操作者の関係を示
すブロック図である。

【図５】操作用コントローラのブロック図である。

【図６】ゲインＫｈ　と操作力の倍率Ｆｅ　／Ｆｈ　と
の関係を示す線図である。

【図７】操作力と押付力との関係を示す線図である。

【図８】天井と床との間隙を通してワークを壁に押付け
る使用例を説明するための概略図である。

【図９】対象物をグラインダーでグラインディングする
使用例を説明するための概略図である。

【図１０】操作力と接触とが非線型の場合の表示パネル
の概略図である。

【図１１】設定装置の他の例を示す斜視図である。

【符号の説明】

１０　　　　　　第１アーム １２　　　　　　第２アーム １４　　　　　　基台 １６　　　　　　第１アーム用アクチュエータ１８　　
　　　　第２アーム用アクチュエータ２０　　　　　　
姿勢一定制御リンク ２１　　　　　　連結部材 ２４　　　　　　環境用力センサ ２５　　　　　　エンドエフェクタ ２６　　　　　　操作用力センサ ２８　　　　　　操作レバー ３０　　　　　　設定装置 ３２　　　　　　旋回用アクチュエータ３４　　　　　
　動作主方向設定スイッチ３８　　　　　　押付力倍率
設定用ボリューム４０　　　　　　操作用コントローラ ４２　　　　　　環境用コントローラ ４４　　　　　　減算器 ４６　　　　　　サーボアンプ ４８　　　　　　制御装置 ５０　　　　　　増幅器 ５２　　　　　　増幅器 ５４　　　　　　ゲイン設定用ボリューム５６　　　　
　　変換回路 ６０　　　　　　設定パネル

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　マニピュレータの各関節を駆動する駆
   動手段と、マニピュレータのアーム先端に取付けられる
   と共に操作者の操作力に応じた動作指令を出力する動作
   指令出力手段と、アーム先端に取付けられたエンドエフ
   ェクタが外部環境から受ける力を検出する力検出手段と
   、エンドエフェクタの動作の主方向及び前記操作力に対
   するエンドエフェクタとワークとの押付力を設定するた
   めの設定手段と、前記動作指令、前記力検出手段出力及
   び前記設定手段に設定された内容に基づいてエンドエフ
   ェクタが設定された押付力で設定された主方向に動作す
   るように前記駆動手段を制御する制御手段と、を含むマ
   ニピュレータの制御装置。