機器人、機器人的控制裝置及控制方法、以及機器人的控制裝置的控制程序的製作方法

2023-06-08 15:52:01

專利名稱：機器人、機器人的控制裝置及控制方法、以及機器人的控制裝置的控制程序的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種人和機器人協作進行作業(協調作業)時的機器人、機器人的控 制裝置及控制方法、以及機器人的控制裝置的控制程序。
背景技術：
近年來，正積極進行看護機器人或家務支援機器人等家庭用機器人的研發。此外， 與到目前為止與人隔離的情形不同，工業用的機器人也正增加進行與人的協作作業的功 能。這些機器人由於靠近人進行作業，所以與人的物理接觸是不可缺少的。為此，基於安全 性方面，有必要使機器人在機構上柔軟，在活動上也柔和。作為機器人裝置的一例，已提出了一種人和機械臂協作搬運物體的裝置。在其中 提出，一方面控制鉗爪的旋轉運動，以使得機械臂的鉗爪的手的旋轉力變為零，另一方面控 制鉗爪的鉛直方向的平移運動，以便維持物體水平的技術(參照專利文獻1)。根據此專利文獻1的技術，實現作為現有課題的物體的質量不明確，或物體的質 量在中途發生變化的情形的協作搬運。專利文獻1 JP特開2000-343470號公報

發明內容
但是，在專利文獻1這樣的現有的技術中，如圖13A所示，為了與作用於機械臂101 上的力無關係地上下移動機械臂101，以便保持搬運的物體103A水平，而在搬運物體103A 之下具有另一物體103B，此外在人102要降下搬運的物體103A的時候，即使物體103A、 103B相互接觸，也會產生機械臂101還要向下移動的現象。由此，如圖13A、13B所示，存在 物體103A、103B彼此相互擠壓、破損，在機械臂101上產生過多的負載這樣的課題。鑑於這樣的課題而進行本發明，其目的在於，提供一種機器人、機器人的控制裝置 及控制方法、以及機器人的控制裝置的控制程序，其中，在人和機械臂協作搬運物體時，即 使搬運的物體的重量不明確、或重量在中途變化也能搬運，並且即使是在機械臂或搬運的 物體之下存在其它的物體的情況下，物體彼此也不會有所需以上的相互擠壓，能實現安全 的機器人控制。為了實現上述目的，本發明結構如下。根據本發明的第一方式，提供一種機器人，該機器人具有機械臂、和配置在上述機械臂的鉗爪上的手，按照由人和上述手來 保持位於上述人和上述機器人之間的物體的狀態，進行協作，搬運上述物體，該機器人包括驅動部，其調整上述手的角度；力檢測部，其檢測並輸出作用在上述物體和上述手之間的力；角度檢測部，其檢測並輸出上述手的上述角度；以及
控制部，其進行以下力控制，即基於上述角度檢測部的輸出和上述力檢測部的輸 出來進行控制，以使得上述機械臂的鉛直方向的力成為規定力。根據這樣的結構，無論搬運的物體的重量如何，都能估算人的搬運力，實現對機械 臂和人進行協作來搬運物體的機器人的控制。此外，根據本發明的第四方式，提供一種機器人的控制裝置，其中，上述機器人具有機械臂、和配置在上述機械臂的鉗爪上的手，該機器人的控 制裝置控制上述機器人，以便按照由人和上述手來保持位於上述人和上述機器人之間的物 體的狀態，進行協作，搬運上述物體，該機器人的控制裝置包括輸入部，其輸入由力檢測部檢測出的力信息、以及由角度檢測部檢測出的角度信 息，其中，上述力檢測部檢測作用在上述物體和上述手之間的力，上述角度檢測部檢測通過 驅動部而被進行角度調整的上述手的角度；以及控制部，其進行以下力控制，即基於上述力檢測部的上述力信息和上述角度檢測 部的上述角度信息來進行控制，以使得上述機械臂的鉛直方向的力成為規定力。通過此結構，在人將物體放置在例如桌子等上時，能實現可安全、水平地放置物體 的機器人的控制。根據本發明的第九方式，提供一種機器人的控制方法，其中，上述機器人具有機械臂和配置在上述機械臂的鉗爪上的手，在該機器人的 控制方法中，控制上述機器人，以便按照由人和上述手來保持位於上述人和上述機器人之 間的物體的狀態，進行協作，搬運上述物體，輸入由力檢測部檢測出的力信息、以及由角度檢測部檢測出的角度信息，其中，上 述力檢測部檢測作用在上述物體和上述手之間的力，上述角度檢測部檢測通過驅動部而被 進行角度調整的上述手的角度，通過控制部進行以下力控制，即基於上述力檢測部的上述力信息和上述角度檢 測部的上述角度信息來進行控制，以使得上述機械臂的鉛直方向的力成為規定力。根據本發明的第十方式，提供一種機器人的控制裝置的控制程序，其中，上述機器人具有機械臂和配置在上述機械臂的鉗爪上的手，利用該機器人 的控制裝置的控制程序控制上述機器人，以便按照由人和上述手來保持位於上述人和上述 機器人之間的物體的狀態，進行協作，搬運上述物體，該機器人的控制裝置的控制程序用於使計算機實現如下功能輸入由力檢測部檢測出的力信息、以及由角度檢測部檢測出的角度信息的功能， 其中，上述力檢測部檢測作用在上述物體和上述手之間的力，上述角度檢測部檢測通過驅 動部而被進行角度調整的上述手的角度；以及通過控制部進行力控制的功能，其中，上述力控制為基於上述力檢測部的上述力 信息和上述角度檢測部的上述角度信息來進行控制，以使得上述機械臂的鉛直方向的力成 為規定力。通過這些這樣的結構，無論搬運的物體的重量如何，都能估算人的搬運力，實現對 機械臂和人進行協作來搬運物體的機器人的控制。發明效果
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如上所述，根據本發明的機器人、機器人的控制裝置及控制方法、以及機器人的控 制裝置的控制程序，在機器人的機械臂和人進行協作搬運物體的情況下，根據在機械臂的 鉗爪上產生的力和機械臂的鉗爪的手的角度，一邊援助物體的重量部分，一邊由上述控制 部估算人在鉛直方向上對物體施加的力，並基於此估算的力由上述控制部進行鉛直方向的 力控制，所以即使是在物體的重量不明確的情況下或物體的重量在中途變化的情況下，也 能不測量物體的重量就實現對機械臂和人能夠進行協動搬運物體的機器人控制。並且，由於在根據在機械臂的鉗爪上產生的力和鉗爪角度來估算人要搬運的力的 同時，還基於在機械臂的鉗爪上產生的力進行鉛直方向的力控制，所以，在搬運的物體與處 於其下的其它物體幹擾時，沒有進行無用地相互擠壓，安全的機器人控制成為可能。


本發明的這些以及其他目的、特徵，基於與針對添加的附圖的優選實施方式相關 的如下記述會明確。在此附圖中，圖1是表示本發明的1個實施方式中的機器人系統的結構的概況的圖，圖2是表示本發明的上述實施方式中的構成上述機器人系統的機器人控制裝置 和作為控制對象的機械臂的詳細結構的圖，圖3A是本發明的上述實施方式中的上述機器人控制裝置的控制方框圖，圖3B是本發明的上述實施方式中的上述機器人控制裝置的另一控制方框圖，圖4A是用於說明本發明的上述實施方式中的由上述機器人控制裝置控制的上述 機械臂的鉗爪的記號等的說明圖，圖4B是用於說明本發明的上述實施方式中的由上述機器人控制裝置控制的上述 機械臂的鉗爪的滾動角(roll)、俯仰角(pitch)、偏轉角(yaw)的說明圖，圖4C是用於說明本發明的上述實施方式中的由上述機器人控制裝置控制的上述 機械臂的鉗爪的滾動角、俯仰角、偏轉角的說明圖，圖4D是用於說明本發明的上述實施方式中的由上述機器人控制裝置控制的上述 機械臂的鉗爪的滾動角、俯仰角、偏轉角的說明圖，圖5是用於說明本發明的上述實施方式中的上述機械臂的鉗爪中的記號等的說 明圖，圖6A是表示本發明的上述實施方式中的根據上述機械臂和人的協作而產生的物 體搬運的狀態的圖，圖6B是表示本發明的上述實施方式中的根據上述機械臂和人的協作而產生的物 體搬運的狀態的圖，圖6C是表示本發明的上述實施方式中的根據上述機械臂和人的協作而產生的物 體搬運的狀態的圖，圖6D是表示本發明的上述實施方式中的根據上述機械臂和人的協作而產生的物 體搬運的狀態的圖，圖7是以表的方式表示本發明的上述實施方式相關的上述機器人控制裝置中的 估算參數資料庫的一例的圖，圖8是表示本發明的上述實施方式中的用於進行上述機器人控制裝置的運動控制部的物體搬運動作控制的工作步驟的流程圖，圖9是表示本發明的上述實施方式中的上述機器人控制裝置的上述運動控制部 的搬運物承載判定工作步驟的流程圖，圖10是表示本發明的上述實施方式中的根據上述機械臂和人的協作而產生的上 述物體的承載時的狀態的說明圖，圖11是用於說明在本發明的上述實施方式中的上述機器人控制裝置中，通過搬 運物承載判定部的搬運物承載判定方法的一例的圖(圖11(a)是表示上述機械臂的鉗爪ζ 位置和時間t的關係的圖表，圖11(b)是表示上述機械臂的角度ωρ和時間t的關係的圖 表，圖11 (c)是表示上述機械臂的鉛直方向的力Fz和時間t的關係的圖表)，圖12是表示本發明的上述實施方式的變化例相關的機器人系統的說明圖，圖13A是表示現有例中的機器人控制裝置的概況的圖，圖13B是用於說明現有例中的機器人控制裝置的課題的圖。
具體實施例方式下面，在參照附圖詳細地說明本發明的實施方式之前，說明本發明的各種方式。根據本發明的第一方式，提供一種機器人，該機器人具有機械臂、和配置在上述機械臂的鉗爪上的手，按照由人和上述手來 保持位於上述人和上述機器人之間的物體的狀態，進行協作，搬運上述物體，該機器人包括驅動部，其調整上述手的角度；力檢測部，其檢測並輸出作用在上述物體和上述手之間的力；角度檢測部，其檢測並輸出上述手的上述角度；以及控制部，其進行以下力控制，即基於上述角度檢測部的輸出和上述力檢測部的輸 出來進行控制，以使得上述機械臂的鉛直方向的力成為規定力。根據本發明的第二方式，提供一種第一方式所述的機器人，其中，上述控制部使用上述角度檢測部的輸出和上述力檢測部的輸出，估算上述人要在 鉛直方向上作用於上述機器人的力，並進行以下力控制，即用估算出的力進行控制，以使 得上述機械臂的鉛直方向的力成為規定力。根據本發明的第三方式，提供一種第一或第二方式所述的機器人，其中，上述力檢測部檢測並輸出作用在上述物體和上述手之間的鉛直方向的力，上述控制部基於上述角度檢測部的輸出和上述力檢測部的輸出，決定上述力控制 的鉛直方向的輸入，當上述人提升上述物體且上述力控制的鉛直方向的輸入變為向上時， 進行力控制，以使得上述機械臂上升，並且當上述人使上述物體下降且上述力控制的鉛直 方向的輸入變為向下時，進行力控制，以使得上述機械臂下降，另一方面，在由上述力檢測 部檢測出的上述鉛直方向的力變大時，進行力控制，以使得上述機械臂的向上的力增加，並 且在由上述力檢測部檢測出的上述鉛直方向的力變小時，進行力控制，以使得上述機械臂 的向上的力減少。根據本發明第四方式，提供一種機器人的控制裝置，其中，上述機器人具有機械臂和配置在上述機械臂的鉗爪上的手，該機器人的控
7制裝置控制上述機器人，以便按照由人和上述手來保持位於上述人和上述機器人之間的物 體的狀態，進行協作，搬運上述物體，該機器人的控制裝置包括輸入部，其輸入由力檢測部檢測出的力信息、以及由角度檢測部檢測出的角度信 息，其中，上述力檢測部檢測作用在上述物體和上述手之間的力，上述角度檢測部檢測通過 驅動部而被進行角度調整的上述手的角度；以及控制部，其進行以下力控制，即基於上述力檢測部的上述力信息和上述角度檢測 部的上述角度信息來進行控制，以使得上述機械臂的鉛直方向的力成為規定力。根據本發明第五方式，提供一種第四方式所述的機器人的控制裝置，其中，該機器人的控制裝置包括搬運力估算部，該搬運力估算部基於上述角度檢測部的 輸出和上述力檢測部的輸出，估算上述人要在鉛直方向上作用於上述機器人的力，該機器人的控制裝置進行以下力控制，S卩基於由上述搬運力估算部估算出的上 述力來進行控制，以使得上述機械臂的鉛直方向的力成為規定力。根據本發明的第六方式，提供一種第五方式所述的機器人的控制裝置，其中，上述搬運力估算部使用將在上述角度檢測部的輸出上乘以係數後的值、和在上述 力檢測部的輸出的鉛直分量上乘以係數後的值進行相加後而得到的值，以作為上述力控制 的鉛直方向的輸入。根據本發明的第七方式，提供一種第四 六方式中任意一項所述的機器人的控制 裝置，其中，該機器人的控制裝置還包括鉗爪位置檢測部，該鉗爪位置檢測部檢測上述機械臂 的鉗爪的上述手的位置，並且包括搬運物承載判定部，該搬運物承載判定部根據上述鉗爪位置檢測部的輸 出、上述角度檢測部的輸出、和上述力檢測部的輸出，判定上述搬運的物體是否被承載在物 體承載面上，當上述搬運物承載判定部判定為上述物體被承載在上述物體承載面上時，將上述 機械臂的鉛直方向的控制從上述力控制切換為位置控制。根據本發明的第八方式，提供一種第七方式所述的機器人的控制裝置，其中，在上述機械臂的上述手比水平面更向下，且上述鉗爪位置檢測部的輸出從下降轉 變為停止，並且上述力檢測部的輸出中、鉛直方向向下的力轉變為減少時，上述搬運物承載 判定部判定為上述搬運的物體被承載在上述物體承載面上。根據本發明的第九方式，提供一種機器人的控制方法，其中，上述機器人具有機械臂和配置在上述機械臂的鉗爪上的手，在該機器人的 控制方法中，控制上述機器人，以便按照由人和上述手來保持位於上述人和上述機器人之 間的物體的狀態，進行協作，搬運上述物體，輸入由力檢測部檢測出的力信息、以及由角度檢測部檢測出的角度信息，其中，上 述力檢測部檢測作用在上述物體和上述手之間的力，上述角度檢測部檢測通過驅動部而被 進行角度調整的上述手的角度，通過控制部進行以下力控制，即基於上述力檢測部的上述力信息和上述角度檢 測部的上述角度信息來進行控制，以使得上述機械臂的鉛直方向的力成為規定力。
根據本發明的第十方式，提供一種機器人的控制裝置的控制程序，其中，上述機器人具有機械臂和配置在上述機械臂的鉗爪上的手，利用該機器人 的控制裝置的控制程序控制上述機器人，以便按照由人和上述手來保持位於上述人和上述 機器人之間的物體的狀態，進行協作，搬運上述物體，該機器人的控制裝置的控制程序用於使計算機實現如下功能輸入由力檢測部檢測出的力信息、以及由角度檢測部檢測出的角度信息的功能， 其中，上述力檢測部檢測作用在上述物體和上述手之間的力，上述角度檢測部檢測通過驅 動部而被進行角度調整的上述手的角度；以及通過控制部進行力控制的功能，其中，上述力控制為基於上述力檢測部的上述力 信息和上述角度檢測部的上述角度信息來進行控制，以使得上述機械臂的鉛直方向的力成 為規定力。下面，使用附圖詳細地說明本發明的1個實施方式相關的機器人、機器人的控制 裝置及控制方法、以及機器人的控制裝置的控制程序。首先，說明本發明的1個實施方式相關的機器人系統1的結構。圖1是表示本發 明的上述實施方式中的機器人系統1的結構的概況的圖。如圖1所示，本發明的上述實施方式的、包括具有機械臂5的機器人5A及其控制 裝置4的機器人系統1是如下系統，即，在廚房或桌子等作業臺附近的壁面91上承載機械 臂5的基端，機械臂5的鉗爪的手30可保持例如把持搬運對象的物體3的一端3a，與機械 臂5協作的人2可把持與物體3的一端3a相對的另一端3b，按照人2和機器人5A的機械 臂5的鉗爪的手30保持位於人2和機器人5A之間的物體3的狀態，人2和機器人5A協 作，搬運物體3。具體地，按照機械臂5的手30把持物體3的一端(位於人2和機器人5A 之間的物體3中的、靠近機器人5A —側的把持用部分，例如鍋的一個把手3a)，且人2把持 物體3的另一端(位於人2和機器人5A之間的物體3中的、靠近人2 —側的把持用部分， 例如鍋的另一個把手3b)的狀態，通過人2在想要搬送物體3的方向上施加力，來移動機器 人系統1的機械臂5，機械臂5和人2進行協作就能搬運物體3。本發明的上述實施方式的物體3，概念上是包括加入水或食材的鍋、或餐具、或家 具等的重量物，並且還包含重量在中途變化的物體(例如在搬運空的鍋的中途加入水或食 材的鍋)，是機械臂5和人2 —邊保持一邊協作搬運，可承載在承載面上的對象物體。此外，在本發明的上述實施方式中，雖然機械臂5的基端被配置在作業臺附近的 壁面91上，但在無壁面的島式廚房的情況下，可以承載在頂棚面或島式廚房的作業側面等 適於進行作業的場所。圖2是表示構成機器人系統1的控制裝置4和作為控制對象的機械臂5的詳細結 構的圖。並且，在圖4A中放大示出機械臂5的前臂連杆32、手腕部31、手30。控制裝置4在此上述實施方式中，作為一例，由普通的個人電腦構成，控制裝置4 由估算參數資料庫7、動作軌道程序用資料庫37、和搬運控制部8構成。其中，如圖3A及圖 3B所示，估算參數資料庫7、動作軌道程序用資料庫37、和搬運控制部8可作為控制程序6 構成。構成輸入輸出IF(接口)9，以便包括連接在個人電腦的PCI總線等的擴展槽 (extended slot)上的例如D/A板、A/D板、計數器板等。
控制裝置4經由作為輸入部的一例的輸入輸出IF9與驅動機械臂5的各連杆操縱 裝置的馬達驅動器10連接，向此馬達驅動器10發送控制信號。通過控制裝置4執行控制機械臂5的工作，由機械臂5的各關節部的後述的編碼 器11輸出的各關節角度信息、以及檢測力信息且由後述的力檢測部13輸出的在機械臂5 的鉗爪(手30)上產生的力信息，通過輸入輸出IF9的計數器板被取入到控制裝置4中，基 於取入的各關節角度信息及力信息，由控制裝置4計算各關節部的旋轉動作中的控制指令 值。計算出的各控制指令值通過輸入輸出IF9的D/A板，被給予用於驅動控制機械臂5的 各關節部的馬達驅動器10，按照由馬達驅動器10送來的各控制指令值，來驅動機械臂5的 各關節部的馬達12。作為驅動部的一例，用此馬達驅動器10和馬達12發揮作用。此外，編 碼器11作為輸出角度信息的角度檢測部的一例起作用。機械臂5作為一例是6自由度的多連杆操縱裝置，包括手30 ；在前端具有安裝有 手30的手腕部31的前臂連杆32 ；前端可旋轉地連接在前臂連杆32的基端上的上臂連杆 33 ；和可旋轉地連接支持上臂連杆33的基端且固定在壁面91上的臺部34。手腕部31具有第4關節部27、第5關節部28、第6關節部29三個旋轉軸，能使手 30相對前臂連杆32的相對的姿勢(方向)變化。即，在圖2、圖4A中，第4關節部27能使 手30相對手腕部31的環繞Ψχ軸(縱軸)的相對的姿勢變化。第五關節部28能使手30 相對手腕部31的、環繞與第4關節部27的Ψ^ 正交的Ψ^ (橫軸)的相對的姿勢變化。 第6關節部29能使手30相對手腕部31的、環繞與第四關節部27的Ψχ軸及第5關節部 28的Wy軸分別正交的鉗爪前端方向的軸Ψζ(橫軸)的相對的姿勢變化。即，手30能夠 相對於前臂連杆32的一端32a在Wj^l Wy軸、Ψζ軸的三軸方向上分別獨立地旋轉。在 此，Ψχ軸、Wy軸、Ψζ軸是彼此正交的坐標軸。此夕卜，Ψχ軸、軸、Ψζ軸不必與圖2中的 後述的鉗爪坐標系36 —致。前臂連杆32的另一端32b能夠相對上臂連杆33的一端33a環繞第3關節部26旋 轉。在上述實施方式中，能夠環繞第3關節部26旋轉意味著能夠環繞與第5關節部28的 Ψ,軸平行的橫軸旋轉。上臂連杆33的另一端33b能夠相對臺部34環繞第2關節部25旋 轉。在上述實施方式中，能夠環繞第2關節部25旋轉意味著能夠環繞與第5關節部28的 Wy軸(第3關節部26的橫軸)平行的橫軸旋轉。臺部34的上側可動部34a能夠相對臺 部34的下側固定部34b環繞第1關節部24旋轉。在上述實施方式中，能夠環繞第1關節 部24旋轉意味著能夠環繞絕對坐標系35的ζ軸旋轉。其結果，機械臂5能夠分別獨立地環繞第1關節部24至第6關節部29合計6個 軸旋轉，構成上述6自由度的多連杆操縱裝置。在構成各軸的旋轉部分的各關節部中包括作為配備在構成各關節部的一對構件 (例如轉動側構件、支持該轉動側構件的支持側構件)中的一個構件上、且通過後述的馬達 驅動器10進行驅動控制的旋轉驅動裝置的一例的馬達12 (實際上配置在機械臂5的各關 節部的內部中)；和檢測馬達12的旋轉軸的旋轉相位角(即關節角)的編碼器11 (實際中， 配置在機械臂5的各關節部的內部)。因此，通過將配置在構成各關節部的一個構件上的馬 達12的旋轉軸連接在各關節部的另一構件上，並使上述旋轉軸進行正逆旋轉，就能使另一 構件相對一個構件環繞各軸旋轉。35是相對臺部34的下側固定部34b的相對的位置關係固定的絕對坐標系，36是相對手30的相對的位置關係固定的鉗爪坐標系。設從絕對坐標系35觀察到的鉗爪坐標系 36的原點位置Oe (X，y，ζ)為機械臂5的手30的位置(即鉗爪位置)。而且，使用滾動角、 俯仰角、和偏轉角用坐標(Φ，θ , Ψ)表現從絕對坐標系35觀察到的鉗爪坐標系36的姿 勢。設此坐標(Φ，θ，ψ)為機械臂5的鉗爪姿勢(手30的姿勢)，將鉗爪位置及姿勢向量 定義為向量r = [x，y，z，Φ，θ，ψ]τ。使用圖4Β 圖4D說明滾動角、俯仰角、偏轉角。首 先，以絕對坐標系35的Z軸為旋轉軸，考慮使坐標系旋轉角度Φ後得到的坐標系(參照圖 4Β)。設此時的坐標係為[X'，V，Ζ]。接著，以Y'為旋轉軸使此坐標系旋轉角度θ (參 照圖4C)。設此時的坐標軸為[X"，Y'，Ζ"]。最後，以X"為旋轉軸使此坐標系旋轉角度 Ψ(參照圖4D)。此時的坐標系的姿勢為滾動角度Φ、俯仰角度θ、偏轉角度V，此時的姿 勢向量成為(Φ，θ，ψ)。在鉗爪坐標系36與姿勢(Φ，θ，ψ)坐標系將原點位置平行移 動到鉗爪坐標系36的原點位置0e(X，y，z)後得到的坐標系一致的時候，設鉗爪坐標系的姿 勢向量為(Φ，θ，Ψ)。在控制機械臂5的鉗爪位置及姿勢的情況下，通過搬運控制部8能使鉗爪位置及 姿勢向量r追隨由後述的目標軌道生成部18生成的鉗爪位置及姿勢目標向量rd。力檢測部13檢測或估算在機械臂5的手30和搬運物體3之間產生的力，並輸出其 信息。作為一例，雖然假設力檢測部13為處於手30和手腕部31之間的6軸的力傳感器， 但在限定物體3的搬運方向的情況等中即使是6軸以下也無妨。但是，至少需要能夠始終 檢測鉛直方向的力的機構或裝置。來自力檢測部13的輸出被輸出給估算參數資料庫7、搬 運力估算部14、目標軌道生成部18、以及搬運物承載判定部(搬運物體承載判定部)19。此外，作為力檢測部13的另一例子，也可以不使用傳感器，而構成基於馬達電流 值等進行估算的力估算部(作為一例，參照圖3B的13A)。此情況下，力檢測部13 (力估算 部13A)的外力的估算按如下的方法進行估算。馬達驅動器10的電流傳感器IOa測量流過 對機械臂5的各關節部進行驅動的馬達12的電流值i = [ii; i2, i3，i4，i5，i6]T。由馬達驅 動器10的電流傳感器測量出的電流值i = [ii; i2, i3，i4，i5，i6]T經由輸入輸出IF9的A/D 板被取入到力檢測部13 (力估算部13A)中。此外，在關節角的現在值q經由輸入輸出IF9 的計數器板被取入到力檢測部13(力估算部13A)中的同時，還將來自後述的近似逆運動學 (inverse kinematics)計算部22的關節角度誤差補償輸出取入到力檢測部13 (力估 算部13Α)中。力檢測部13 (力估算部13Α)作為觀測器起作用，根據上述電流值i、關節角的現在 值q、關節角度誤差補償輸出Uqe的各信息，計算由施加給機械臂5的外力在各關節部產生 的扭矩、xt。而且，力檢測部13 (力估算部13A)進一步根據Frart = Jv (q)_T Text將其換算成 機械臂5的鉗爪的等效鉗爪外力Frait,並將換算後的力Frait輸出給估算參數資料庫7、搬運力 估算部14、目標軌道生成部18、和搬運物承載判定部19。在此，Jv(q)是滿足式(1)的雅可 比矩陣。[數1]v=Jv{q)q· · 式(1)其中，ν = [vx,vy,vz, λχ，λ」 λ Jt，(vx,vy,vz)是鉗爪坐標系36中的機械臂5的 鉗爪的平移速度，(λχ, Ay, λζ)是鉗爪坐標系36中的機械臂5的鉗爪的角速度。
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圖3A及圖3B是表示搬運控制部8的詳細結構的圖。搬運控制部8結構為包括 搬運力估算部14、力控制部15、和搬運物承載判定部19。力控制部15結構為包括阻抗控 制部17、位置誤差計算部40、位置控制部16、和目標軌道生成部18。並且，位置控制部16 結構為包括位置誤差補償部20、正運動學(forward kinematics)計算部21、和近似逆運 動學計算部22，根據機械臂5的目標軌道、以及機械臂5的現在位置及姿勢，由位置控制部 16輸出機械臂5的指令值。再有，力控制系統除上述方法外，還可以使用混合控制等其它的 力控制方法。從機械臂5輸出由各個關節部的編碼器11測量出的關節角的現在值(關節角度 向量)向量q = [Q1, q2，q3，q4，q5，q6]T，通過輸入輸出IF9的計數器板被取入到搬運控制部 8中。其中，qi、q2、q3、q4、q5、q6分別是從編碼器11檢測出的第1關節部24、第2關節部25、 第3關節部26、第4關節部27、第5關節部28、第6關節部29的關節角度。目標軌道生成部18基於鉗爪位置及姿勢向量r、動作軌道程序用資料庫37、來自 力檢測部13的力信息、和來自後述的搬運物承載判定部19的搬運物承載判定信息，輸出用 於實現設為目標的機械臂5的動作的鉗爪位置及姿勢目標rd。在沿事先決定的軌道進行 位置控制的情況下，設為目標的機械臂5的動作，被事先給予動作軌道程序，其中，該動作 軌道程序按照設為目標的作業將各個時間(t = 0、t =、、t = t2、…)中的每一點的位置 (rdtl、rdl、rd2、…)存儲在動作軌道程序用資料庫37中；目標軌道生成部18基於來自動作軌 道程序用資料庫37的上述各個時間(t = 0、t =、、t = t2、…)中的每一點的位置(rdQ、 rdl、rd2、…)的信息、和鉗爪位置及姿勢向量r，使用多項式插值，補充各點間的軌道，生成 鉗爪位置及姿勢目標向量rd。此外，在進行力控制的時候，通過從力控制開始時起停止鉗爪 位置及姿勢目標向量rd的更新，就能由後述的鉗爪位置及姿勢目標修正輸出實現力控 制。另外，在想進行位置及姿勢中僅一部分的力控制的情況下，通過停止想進行力控制的成 分的更新，就能實現。阻抗控制部17是發揮在機械臂5中實現向機械阻抗設定值的、上述機械臂5的機 械阻抗的值的控制的功能的部分，輸入後述的來自搬運物承載判定部19的搬運物承載判 定信息，並且還根據通過實驗事前設定的阻抗參數即慣性M、粘性D、剛性K和搬運力估算部 14輸出的搬運力F。my，按以下的式(2)計算用於實現上述機械臂5的機械阻抗的值的、向 機械阻抗設定值的控制的鉗爪位置及姿勢目標修正輸出rd,，並向位置控制部16輸出。鉗 爪位置及姿勢目標修正輸出rd,，通過位置誤差計算部40與目標軌道生成部18輸出的鉗爪 位置及姿勢目標向量rd相加，生成鉗爪位置及姿勢修正目標向量rdm。[數2]rdi,={s2M^sD+kr Fcany· · 式(2)其中，[數3]
權利要求
一種機器人，其具有機械臂、和配置在上述機械臂的鉗爪上的手，按照由人和上述手來保持位於上述人和上述機器人之間的物體的狀態，進行協作，搬運上述物體，該機器人包括驅動部，其調整上述手的角度；力檢測部，其檢測並輸出作用在上述物體和上述手之間的力；角度檢測部，其檢測並輸出上述手的上述角度；以及控制部，其進行以下力控制，即基於上述角度檢測部的輸出和上述力檢測部的輸出來進行控制，以使得上述機械臂的鉛直方向的力成為規定力。
2.根據權利要求1所述的機器人，其中，上述控制部使用上述角度檢測部的輸出和上述力檢測部的輸出，估算上述人要在鉛直 方向上作用於上述機器人的力，並進行以下力控制，即用估算出的力進行控制，以使得上 述機械臂的鉛直方向的力成為規定力。
3.根據權利要求1或2所述的機器人，其中，上述力檢測部檢測並輸出作用在上述物體和上述手之間的鉛直方向的力，上述控制部基於上述角度檢測部的輸出和上述力檢測部的輸出，決定上述力控制的鉛 直方向的輸入，當上述人提升上述物體且上述力控制的鉛直方向的輸入變為向上時，進行 力控制，以使得上述機械臂上升，並且當上述人使上述物體下降且上述力控制的鉛直方向 的輸入變為向下時，進行力控制，以使得上述機械臂下降，另一方面，在由上述力檢測部檢 測出的上述鉛直方向的力變大時，進行力控制，以使得上述機械臂的向上的力增加，並且在 由上述力檢測部檢測出的上述鉛直方向的力變小時，進行力控制，以使得上述機械臂的向 上的力減少。
4.一種機器人的控制裝置，其中，上述機器人具有機械臂和配置在上述機械臂的鉗爪 上的手，該機器人的控制裝置控制上述機器人，以便按照由人和上述手來保持位於上述人 和上述機器人之間的物體的狀態，進行協作，搬運上述物體，該機器人的控制裝置包括輸入部，其輸入由力檢測部檢測出的力信息、以及由角度檢測部檢測出的角度信息，其 中，上述力檢測部檢測作用在上述物體和上述手之間的力，上述角度檢測部檢測通過驅動 部而被進行角度調整的上述手的角度；以及控制部，其進行以下力控制，即基於上述力檢測部的上述力信息和上述角度檢測部的 上述角度信息來進行控制，以使得上述機械臂的鉛直方向的力成為規定力。
5.根據權利要求4所述的機器人的控制裝置，其中，該機器人的控制裝置包括搬運力估算部，該搬運力估算部基於上述角度檢測部的輸出 和上述力檢測部的輸出，估算上述人要在鉛直方向上作用於上述機器人的力，該機器人的控制裝置進行以下力控制，即基於由上述搬運力估算部估算出的上述力 來進行控制，以使得上述機械臂的鉛直方向的力成為規定力。
6.根據權利要求5所述的機器人的控制裝置，其中，上述搬運力估算部使用將在上述角度檢測部的輸出上乘以係數後的值、和在上述力檢 測部的輸出的鉛直分量上乘以係數後的值進行相加後而得到的值，以作為上述力控制的鉛 直方向的輸入。
7.根據權利要求4 6中任意一項所述的機器人的控制裝置，其中，該機器人的控制裝置還包括鉗爪位置檢測部，該鉗爪位置檢測部檢測上述機械臂的鉗 爪的上述手的位置，並且包括搬運物承載判定部，該搬運物承載判定部根據上述鉗爪位置檢測部的輸出、 上述角度檢測部的輸出、和上述力檢測部的輸出，判定上述搬運的物體是否被承載在物體 承載面上，當上述搬運物承載判定部判定為上述物體被承載在上述物體承載面上時，將上述機械 臂的鉛直方向的控制從上述力控制切換為位置控制。
8.根據權利要求7所述的機器人的控制裝置，其中，在根據上述角度檢測部的輸出，機械臂的上述手比水平面更向下，且根據上述鉗爪位 置檢測部的輸出，上述鉗爪位置的變動從下降轉變為恆定，且上述力檢測部的輸出中、鉛直 方向向下的力轉變為減少時，上述搬運物承載判定部判定為上述搬運的物體被承載在上述 物體承載面上。
9.一種機器人的控制方法，其中，上述機器人具有機械臂和配置在上述機械臂的鉗爪 上的手，在該機器人的控制方法中，控制上述機器人，以便按照由人和上述手來保持位於上 述人和上述機器人之間的物體的狀態，進行協作，搬運上述物體，輸入由力檢測部檢測出的力信息、以及由角度檢測部檢測出的角度信息，其中，上述力 檢測部檢測作用在上述物體和上述手之間的力，上述角度檢測部檢測通過驅動部而被進行 角度調整的上述手的角度，通過控制部進行以下力控制，即基於上述力檢測部的上述力信息和上述角度檢測部 的上述角度信息來進行控制，以使得上述機械臂的鉛直方向的力成為規定力。
10.一種機器人的控制裝置的控制程序，其中，上述機器人具有機械臂和配置在上述機 械臂的鉗爪上的手，利用該機器人的控制裝置的控制程序控制上述機器人，以便按照由人 和上述手來保持位於上述人和上述機器人之間的物體的狀態，進行協作，搬運上述物體，該機器人的控制裝置的控制程序用於使計算機實現如下功能輸入由力檢測部檢測出的力信息、以及由角度檢測部檢測出的角度信息的功能，其中， 上述力檢測部檢測作用在上述物體和上述手之間的力，上述角度檢測部檢測通過驅動部而 被進行角度調整的上述手的角度；以及通過控制部進行力控制的功能，其中，上述力控制為基於上述力檢測部的上述力信息 和上述角度檢測部的上述角度信息來進行控制，以使得上述機械臂的鉛直方向的力成為規 定力。
全文摘要
本發明提供一種機器人、機器人的控制裝置及控制方法、以及機器人的控制裝置的控制程序。基於物體(3)及手(30)間的鉛直方向的力、和手(30)與水平面所成角度，由搬運力估算部(14)估算人(2)在鉛直方向上施加的搬運力，基於估算出的力進行力控制，以使得機器人系統(1)中的機械臂的鉛直方向的力成為規定力。
文檔編號B25J13/08GK101952087SQ200980101178
公開日2011年1月19日 申請日期2009年2月2日 優先權日2008年2月6日
發明者岡崎安直, 小松真弓 申請人:松下電器產業株式會社