JP2008200764A

JP2008200764A - Manipulator for working

Info

Publication number: JP2008200764A
Application number: JP2007036221A
Authority: JP
Inventors: Fujio Tajima; 不二夫田島
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2007-02-16
Filing date: 2007-02-16
Publication date: 2008-09-04

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manipulator for working, which enables atypical work or quantitative work to be done while achieving simple mounting, and favorable environmental resistance, reliability, and affinity to humans. <P>SOLUTION: The manipulator for working is provided with: a movable item such as a robot comprising a movable part and a control part; and a manipulator part comprising a contact sensor attached to the movable item to detect a contact state with a subject of working, and a force sensor to detect contact force when in contact. The control part is provided with: a means to acquire a working state based on the contact state detected by the contact sensor or the contact force detected by the force sensor; and a means to interpret pattern information having artificial regularity detected by the contact sensor or the force sensor as a command. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、作業用マニピュレータに係り、特に移動ロボット等の移動体に付属し複数の関節を有するリンク機構からなり主に接触作業を目的としたマニピュレータ部を備える作業用マニピュレータに好適なものである。 The present invention relates to a work manipulator, and is particularly suitable for a work manipulator comprising a link mechanism attached to a moving body such as a mobile robot and having a plurality of joints and mainly including a manipulator section for the purpose of contact work. .

接触作業を目的としたマニピュレータの制御装置の例として、例えば特開２００２−２０５２９０号公報（特許文献１）に示される脚式移動ロボットの制御装置及び制御方法がある。ここでは、画像、音声、接触、感圧といった複数の入力装置を備えているロボットであり、頭部、腕部、下肢、体幹など、機体の構成部位の一部又は全部の動作を用いて、視覚センサ、マイク、スイッチ、感圧センサなどから入力される情報に対して意図的に変化を生じさせることにより、行動決定に用いるための外部要因が適切に得られるようにするロボットの制御装置が示されている。 As an example of a manipulator control device for the purpose of contact work, for example, there is a control device and control method for a legged mobile robot disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-205290 (Patent Document 1). Here, it is a robot equipped with a plurality of input devices such as images, sounds, contacts, and pressure-sensing, and using part or all of the movements of the components of the aircraft, such as the head, arms, lower limbs, and trunk , A robot control apparatus that appropriately obtains external factors for use in action determination by intentionally changing information input from a visual sensor, a microphone, a switch, a pressure sensor, etc. It is shown.

特開２００２−２０５２９０号公報JP 2002-205290 A

従来の産業用ロボットは、駆動エネルギの供給や制御装置の大きさ・重さに関して基本的には制限がない。それに比べて、移動ロボット等の移動体はエネルギ供給源や制御装置等を内蔵する必要があるため、不要不急のデバイスはなるべく付加せず、実装をなるべく簡素にしてやり、重量や形状寸法の適正化を図る必要がある。実装の簡略化は、ハードウェアの信頼性向上という観点からも、移動し作業するという故障リスクの高い運用形態をとるロボットにおける、重要な設計課題である。 Conventional industrial robots basically have no restrictions on the supply of driving energy and the size and weight of the control device. In comparison, mobile bodies such as mobile robots need to incorporate energy supply sources and control devices. Therefore, unnecessary devices are not added as much as possible, and mounting is simplified as much as possible, and weight and shape dimensions are appropriate. It is necessary to plan. Simplification of the mounting is an important design issue in a robot that takes an operation form with a high risk of failure to move and work from the viewpoint of improving hardware reliability.

移動作業ロボットの中でも、特に昨今開発が進んでいる人間型ロボットなどにおいては、人間との共生もしくは時空共在が前提であり、それゆえ外観からもたらされる親近感が従来のロボットより重要視される傾向が高い。同じ理由で、インターフェースの手段としても、産業用ロボットにおけるコントロールボックスのようなものを介するのでなく、人間同士が行う方法すなわち自然言語やボディランゲージを用いることが望まれる。 Among mobile work robots, especially humanoid robots that have been developed recently, symbiosis with humans or coexistence of space-time is a premise, and therefore the familiarity brought about by the appearance is more important than conventional robots. The tendency is high. For the same reason, it is desirable to use a method performed by humans, that is, a natural language or a body language, as an interface means, not via a control box in an industrial robot.

結果として、往々にして人を模した移動作業ロボットには、特許文献１のように上記コントロールボックスのようなコマンドインターフェイス用ハードウェアを省略される傾向がある。このことは、ロボットの自律性が極めて高く、作業現場で何の指示命令も不要であるか、音声言語等での抽象的な指示によって具体的・数量的な単位レベル動作計画が生成できるほどに高度な知能を有していれば問題にはならない。しかし、実際のところ、人間の存在する環境での作業は、非定型すなわち事前に計画できないことが多いため、ある程度以上の細かさで定量性のある指示が必要なことが多い。また、環境によっては騒音などで音声等のコミュニケーション手段が使えない場合もありうる。そのため、従来はわざわざ命令入力のための外部装置を用意しないと、そういったロボットに対して明確な作業指示をすることはできなかった。また、逆に自律性を高めると、行動原理と環境情報から導かれる行動が複雑になり、ある特定の目的を持った作業を命令することが難しくなる傾向がある。 As a result, mobile work robots that imitate people often tend to omit the command interface hardware such as the control box as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-228561. This means that robots are extremely autonomous and do not require any instruction commands at the work site, so that a concrete / quantitative unit-level action plan can be generated by abstract instructions in speech language etc. It doesn't matter if you have advanced intelligence. However, in practice, work in an environment where humans are present is often atypical, that is, often cannot be planned in advance, and often requires instructions with a certain degree of fineness and quantitativeness. Further, depending on the environment, there are cases where communication means such as voice cannot be used due to noise or the like. For this reason, until now, it has been impossible to give clear instructions to such robots unless an external device for command input is prepared. On the other hand, if the autonomy is increased, the behavior derived from the behavior principle and the environmental information becomes complicated, and it tends to be difficult to order a task having a specific purpose.

本発明の目的は、実装が簡素で耐環境性や信頼性や対人親和性を良好なものとしつつ、非定型作業や定量性のある作業が可能な作業用マニピュレータを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a work manipulator that is simple in mounting and has good environmental resistance, reliability, and interpersonal compatibility, and can perform atypical work and quantitative work.

前述の目的を達成するために、本発明は、移動部及び制御部を有するロボット等の移動体と、前記移動体に付属され、作業対象との接触状態を検出する接触センサ及び接触時の接触力を検出する力センサを有するマニピュレータ部とを備え、前記制御部は接触センサで検出された接触状態または前記力センサで検出された接触力に基づいて作業状態を把握する手段を備えている作業用マニピュレータにおいて、前記制御部は、前記接触センサまたは前記力センサで検出された人工的な規則性を有するパターン情報を命令として解釈する手段を備えていることにある。 In order to achieve the above-described object, the present invention provides a moving body such as a robot having a moving unit and a control unit, a contact sensor attached to the moving body and detecting a contact state with a work object, and a contact at the time of contact. A manipulator unit having a force sensor for detecting force, and the control unit includes a contact state detected by the contact sensor or means for grasping a work state based on the contact force detected by the force sensor In the manipulator for operation, the control unit includes means for interpreting pattern information having artificial regularity detected by the contact sensor or the force sensor as a command.

係る本発明の好ましい具体的な構成例は次の通りである。
（１）前記制御部で解釈されるパターン情報は、前記接触センサで検出された長短で区別されるオン／オフ時間を素片とし、これを１つ以上組み合わせたものを命令時の情報単位とすること。
（２）前記制御部で解釈されるパターン情報は、前記力センサで検出された強度、方向及び持続時間の少なくとも何れか一つで区別され、これを素片として１つ以上組み合わせたものを命令時の情報単位とすること。
（３）前記制御部で解釈されるパターン情報は、前記接触センサで検出された長短で区別されるオン／オフ時間を素片とし、これを１つ以上組み合わせた情報単位と、前記力センサで検出された強度、方向及び持続時間の少なくとも何れか一つで区別され、これを素片として１つ以上組み合わせた情報単位と、の組み合わせを命令時の情報単位とすること。
（４）前記（１）において、前記制御部は前記作業状態を把握する手段と前記パターン情報を命令として解釈する手段との切換え手段を備え、前記切換え手段は前記情報単位を構成するオン／オフ時間の素片より長いオン／オフ時間の素片を用いて切換えるものであること。
（５）前記（２）において、前記制御部は前記作業状態を把握する手段と前記パターン情報を命令として解釈する手段との切換え手段を備え、前記切換え手段は前記情報単位を構成する強度の素片より大きい素片を用いて切換えるものであること。 A preferred specific configuration example of the present invention is as follows.
(1) The pattern information interpreted by the control unit is a unit of on / off time detected by the contact sensor, which is distinguished by the length, and a combination of one or more of them as an information unit at the time of command. To do.
(2) The pattern information interpreted by the control unit is distinguished by at least one of the intensity, direction, and duration detected by the force sensor, and a command obtained by combining one or more of them as a segment. It should be an information unit of time.
(3) The pattern information interpreted by the control unit includes on / off times that are distinguished by the length detected by the contact sensor as a segment, and an information unit obtained by combining one or more of these, and the force sensor. A combination of at least one of the detected intensity, direction, and duration, and an information unit obtained by combining one or more of them as a segment, is used as an information unit at the time of command.
(4) In the above (1), the control unit includes a switching means between a means for grasping the working state and a means for interpreting the pattern information as a command, and the switching means is an on / off function constituting the information unit. Switching using a unit with an on / off time longer than the unit of time.
(5) In the above (2), the control unit includes a switching unit between a unit for grasping the work state and a unit for interpreting the pattern information as a command, and the switching unit is an element of intensity constituting the information unit. It must be switched using a segment larger than the segment.

かかる本発明の作業用マニピュレータによれば、実装が簡素で耐環境性や信頼性や対人親和性を良好なものとしつつ、非定型作業や定量性のある作業が可能である。 According to the work manipulator of the present invention, it is possible to perform atypical work and work with quantitativeness while being simple in mounting and having good environmental resistance, reliability, and human compatibility.

以下、本発明の一実施例を、図面を用いて説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図１に、本発明に係る作業用マニピュレータの構成を示す。図１において、１０１はマニピュレータ部、１０２は作業用ハンド、１０３は接触センサ、１０４は力センサ、１０５は関節リミットセンサ、１０６は操作者、１０７は移動ロボット、１０８は移動ロボット頭部、１０９は移動ロボット胴体、１１０は移動ロボット走行部、１１１は制御部、１１２は駆動エネルギ供給部、１１３はマニピュレータ制御情報および制御入力伝達経路、１１４は移動ロボット頭部制御情報および制御入力伝達経路、１１５は移動ロボット走行部制御情報および制御入力伝達経路、１１６は駆動エネルギ供給経路を示す。図１に示したマニピュレータは人間型ロボットにおいて、典型的な構成のものをリンクとジョイントで模式的に表現しているが、以下の内容はここに示した自由度構成で限定されることはない。 FIG. 1 shows a configuration of a working manipulator according to the present invention. In FIG. 1, 101 is a manipulator unit, 102 is a work hand, 103 is a contact sensor, 104 is a force sensor, 105 is a joint limit sensor, 106 is an operator, 107 is a mobile robot, 108 is a mobile robot head, 109 is Mobile robot body, 110 is a mobile robot traveling unit, 111 is a control unit, 112 is a drive energy supply unit, 113 is manipulator control information and control input transmission path, 114 is mobile robot head control information and control input transmission path, and 115 is Mobile robot traveling unit control information and control input transmission path 116 indicates a drive energy supply path. The manipulator shown in FIG. 1 schematically represents a typical configuration of a humanoid robot with links and joints, but the following contents are not limited to the configuration of degrees of freedom shown here. .

図１中には、マニピュレータ部１０１及び作業用ハンド１０２を１機のみ図示しているが、これらを２機以上装備していてもよい。実際、人を模した移動作業ロボットは、作業性能向上と対人親和性を考慮して、２機の腕様マニピュレータ部を装備しているのが常套的である。関節リミットセンサ１０５は全ての関節の上限・下限位置に装備されているが、ここでは１箇所のみ図示した。図示を省略したが、各関節にはこのほかに関節角度を検出するエンコーダ等のセンサおよび関節を駆動するアクチュエータが装備されているものとする。 In FIG. 1, only one manipulator unit 101 and work hand 102 are illustrated, but two or more of these may be provided. Actually, a mobile work robot imitating a person is usually equipped with two arm-like manipulator units in consideration of work performance improvement and human compatibility. The joint limit sensor 105 is provided at the upper and lower limit positions of all the joints, but only one location is shown here. Although not shown, each joint is assumed to be equipped with a sensor such as an encoder for detecting the joint angle and an actuator for driving the joint.

移動ロボット１０７は頭部１０８を有し、該頭部はパン−チルト２自由度もしくはロール−ピッチ−ヨー３自由度関節に支持されており、マニピュレータ部１０１の各関節は、同様な機能を有するリミットセンサ、角度センサ及びアクチュエータを装備しているものとする。図中の移動ロボット走行部１１０は二輪の回転による移動機構として描かれているが、これは何輪でもよく、またタイヤ以外の移動手段、例えば脚機構等でもよい。駆動エネルギ供給部１１２は一次電池、二次電池、燃料電池、内燃機関、外燃機関等、発電または放電によって制御部１１１に給電可能なものであれば何でもよい。マニピュレータ制御情報および制御入力伝達経路１１３にはマニピュレータ各関節からの角度情報、リミットセンサ情報、ハンド１０２の開度情報に加え接触センサ情報、力センサ情報が制御部１１１に向かって流れ、制御部１１１からはアクチュエータ制御入力が各関節モータに向かって伝達される。移動ロボット頭部制御情報および制御入力伝達経路１１４にも同様に角度センサ情報、リミットセンサ情報、アクチュエータ制御入力が伝達される。移動ロボット走行部制御情報および制御入力伝達経路１１５には車輪移動機構の場合は角度センサ情報とアクチュエータ制御入力が伝達される。脚機構の場合は前記マニピュレータ部と同様の情報および制御入力が伝達される。 The mobile robot 107 has a head 108, and the head is supported by a pan-tilt 2-degree-of-freedom or roll-pitch-yaw 3-degree-of-freedom joint, and each joint of the manipulator unit 101 has a similar function. It shall be equipped with limit sensor, angle sensor and actuator. The mobile robot traveling unit 110 in the drawing is depicted as a moving mechanism by rotating two wheels, but this may be any number of wheels, and may be a moving means other than a tire, such as a leg mechanism. The driving energy supply unit 112 may be anything such as a primary battery, a secondary battery, a fuel cell, an internal combustion engine, an external combustion engine, or the like that can supply power to the control unit 111 by power generation or discharge. In the manipulator control information and control input transmission path 113, contact sensor information and force sensor information flow toward the control unit 111 in addition to angle information, limit sensor information, and opening information of the hand 102 from each joint of the manipulator. From, the actuator control input is transmitted toward each joint motor. Similarly, angle sensor information, limit sensor information, and actuator control input are transmitted to the mobile robot head control information and the control input transmission path 114. In the case of a wheel moving mechanism, angle sensor information and actuator control input are transmitted to the mobile robot traveling unit control information and control input transmission path 115. In the case of a leg mechanism, the same information and control input as the manipulator unit are transmitted.

マニピュレータ部１０１の接触センサ１０３、力センサ１０４は、通常の場合には、例えば図２に示されるように、（ａ）ドアノブ７０１を回す、（ｂ）ボタン７０２を押す、（ｃ）対象物７０３を把持する等における作業情報（外界情報）の検出に用いられる。すなわち、制御部１１１は、接触センサ１０３で検出された接触状態、力センサ１０４で検出された接触力に基づいて、作業状態を把握する手段（機能）を備えている。 In the normal case, the contact sensor 103 and the force sensor 104 of the manipulator unit 101 are, for example, as shown in FIG. 2, (a) turning the door knob 701, (b) pushing the button 702, (c) the object 703. This is used for detecting work information (external world information) when gripping an object. That is, the control unit 111 includes means (function) for grasping the work state based on the contact state detected by the contact sensor 103 and the contact force detected by the force sensor 104.

そして、このマニピュレータ部１０１の接触センサ１０３、力センサ１０４を、図３に示す手順で状態の切替を行うことによって、通常の作業情報の検出の他に、コマンド情報を検出することが可能となる。すなわち、制御部１１１は、接触センサ１０３及び力センサ１０４で検出された人工的な規則性を有するパターン情報を命令として解釈する手段（機能）と、作業状態を把握する手段とパターン情報を命令として解釈する手段との切換え手段（機能）と、を備えている。 Then, by switching the state of the contact sensor 103 and the force sensor 104 of the manipulator unit 101 according to the procedure shown in FIG. 3, it becomes possible to detect command information in addition to detection of normal work information. . In other words, the control unit 111 interprets the pattern information having artificial regularity detected by the contact sensor 103 and the force sensor 104 as a command (function), as a command for understanding the working state, and the pattern information as a command. Switching means (function) with means for interpretation.

その動作手順について次に説明する。まず、操作者１０６が今からコマンドを入力することを示すため、自然には生じ得ないような人工的な時系列のパターン（入力開始パターン）を接触センサ１０２や力センサ１０３、および他の各種センサに入力する（ステップ３０１）。制御部１１１がこれを認識し、その後のセンサ入力を待つ状態になる（ステップ３０２）。 The operation procedure will be described next. First, in order to show that the operator 106 will input a command from now on, an artificial time-series pattern (input start pattern) that cannot occur naturally is set to the contact sensor 102, the force sensor 103, and other various types. Input to the sensor (step 301). The controller 111 recognizes this and waits for subsequent sensor input (step 302).

入力待ち状態ではタイムアウトを設ける。すなわち入力開始が認識された後で入力待ちを行い、一定時間入力がない場合（ステップ３０３、ステップ３０４）、コマンド入力は中断され（ステップ３０５）、制御部１１１は通常状態に戻る。 A timeout is provided when waiting for input. That is, after the start of input is recognized, the input is waited. When there is no input for a certain time (step 303, step 304), the command input is interrupted (step 305), and the control unit 111 returns to the normal state.

入力があった場合は操作者１０６は引き続き規則性のあるパターンを入力する。制御部１１１はこれらのパターンをコマンドとして解釈する（ステップ３０６）。ここでコマンドに該当しない、意味のないパターンが入力された場合（ステップ３０７）、制御部１１１は入力を中断し（ステップ３０８）、通常状態に戻る。入力終了パターンが入力されたら終了する（ステップ３０９）。コマンドとして意味のある情報が入力された場合は、その命令を実行する（ステップ３１０）。命令実行後、一定時間が経過した場合（ステップ３１１）、制御部１１１は入力終了と判断し、通常の状態に戻る（ステップ３１２）。そうでない場合はステップ３０１に戻る。 When there is an input, the operator 106 continues to input a regular pattern. The control unit 111 interprets these patterns as commands (step 306). If a meaningless pattern that does not correspond to the command is input (step 307), the control unit 111 interrupts the input (step 308) and returns to the normal state. When the input end pattern is input, the process ends (step 309). If meaningful information is input as a command, the command is executed (step 310). When a certain time has elapsed after the execution of the command (step 311), the control unit 111 determines that the input has ended and returns to the normal state (step 312). Otherwise, return to step 301.

次に、図４を用いて、前記手順を接触センサ１０３で最も簡単に実装した例を説明する。図４（ａ）の矩形波のグラフは接触センサのオン／オフを示す。図４（ｂ）のグラフの縦軸は作業用ハンド１０２の開度を表す。横軸はいずれも時間であり、破線で対応付けられた位置は同時刻である。 Next, an example in which the above procedure is most simply implemented by the contact sensor 103 will be described with reference to FIG. The rectangular wave graph in FIG. 4A shows on / off of the contact sensor. The vertical axis of the graph in FIG. 4B represents the opening degree of the work hand 102. The horizontal axis is time, and the positions associated with broken lines are the same time.

まず、図４（ａ）に示すように、コマンド入力開始を示すパターンとして接触センサ１０３をｔｂ秒押す。ｔｂｍ≦ｔｂ≦ｔｂＭのとき、開始パターンと認識する。通常、ｔｂｍ＝５［ｓ］、ｔｂＭ＝１０［ｓ］程度に取れば、この間の長さだけ接触センサ１０３を押すというのは計時手段を有していない人間にとっても難しいことではない。 First, as shown in FIG. 4A, the touch sensor 103 is pressed for tb seconds as a pattern indicating the start of command input. When tbm ≦ tb ≦ tbM, it is recognized as a start pattern. Normally, when tbm = 5 [s] and tbM = 10 [s] are taken, it is not difficult for a person who does not have time measuring means to press the contact sensor 103 by the length between them.

ここで、タイムアウトまでの長さをｔｏとすると、図中ｔｇ１〜ｔｇ３はいずれもｔｏより短いとする。まず、ｔｇ１［ｓ］経過後、ｔｌ［ｓ］だけ接触センサ１０３を押す。このｔｌは、ｔｌｍ≦ｔｌ≦ｔｌＭのとき、ハンド開度をΔθｈｌだけ変化させるコマンドであるとする。次に、ｔｇ２［ｓ］の間隔を置いた後、再びｔｌ［ｓ］だけ接触センサ１０３を押すと、更にΔθｈｌだけハンド開度が変化する。その後、ｔｇ３［ｓ］だけ間隔を置き、今度はｔｓ［ｓ］だけ接触センサ１０３を押す。ｔｓはｔｓｍ≦ｔｓ≦ｔｓＭのときハンド開度をΔθｈｓだけ変化させるコマンドであるとする。この時、ハンド開度は下のグラフのように変化する。ここでｔｌｍ＝１［ｓ］、ｔｌＭ＝２［ｓ］、ｔｓｍ＝０．１［ｓ］、ｔｓＭ＝０．３［ｓ］程度に設定すれば、ｔｌ、ｔｓをこの間に収めることは比較的たやすい。よしんば入力を失敗してハンド開度に変化がない場合でもすぐにリトライできる。 Here, assuming that the length until timeout is to, all of tg1 to tg3 in the figure are shorter than to. First, after elapse of tg1 [s], the contact sensor 103 is pushed by tl [s]. This tl is a command for changing the hand opening by Δθhl when tlm ≦ tl ≦ tlM. Next, when the contact sensor 103 is pushed again by tl [s] after an interval of tg2 [s], the hand opening degree further changes by Δθhl. Thereafter, an interval is set by tg3 [s], and this time the touch sensor 103 is pushed by ts [s]. It is assumed that ts is a command for changing the hand opening by Δθhs when tsm ≦ ts ≦ tsM. At this time, the opening degree of the hand changes as shown in the graph below. Here, if tlm = 1 [s], tlM = 2 [s], tsm = 0.1 [s], and tsM = 0.3 [s] are set, it is relatively difficult to keep tl and ts in between. Easy. Even if the input is not successful and the hand opening does not change, you can retry immediately.

通常モードに戻したいときはｔｅ［ｓ］だけ接触センサ１０３を長押しする。ｔｅはｔｂと同程度に設定すればよい。なお、入力が成功したかどうかは各ステップで頭部１０８の各関節に決まった動き方をさせるなどの反応を見せる方法が考えられる。例えばコマンド入力が成功し意味のある解釈が成り立った場合は首を縦に振り、入力失敗等で中断した場合は首を横に振るなどすれば区別はつく。接触センサ１０３が複数装備されていればセンサ毎のオン／オフを組み合わせることで入力パターンを増やすことも考えられる。 When it is desired to return to the normal mode, the touch sensor 103 is pressed and held for te [s]. te may be set to the same level as tb. Note that a method of showing a reaction such as causing each joint of the head 108 to perform a predetermined movement method at each step can be considered as to whether the input is successful. For example, if command input is successful and a meaningful interpretation is established, the head can be swung vertically, and if interrupted due to input failure, etc., the head can be swung horizontally. If a plurality of contact sensors 103 are provided, the input pattern may be increased by combining ON / OFF for each sensor.

入力デバイスが接触センサ１０３のみの場合はオン／オフの時系列を解釈することになるが、力センサから得られる力・トルクの大きさや方向などを組み合わせて解釈の材料にすると、多段階・多次元の入力が可能になるため、同じ時間でより大量・複雑な情報を入力することができる。 When the input device is only the contact sensor 103, the time series of on / off is interpreted. However, when the force / torque magnitude and direction obtained from the force sensor are combined into the interpretation material, it is multi-stage / multi- Since dimensions can be input, a large amount of complicated information can be input at the same time.

図５を用いてその最も簡単な例を説明する。図５は力センサ１０４の検出した力の大きさの時系列を示したものである。大きさとしては全方向の合力でもよいし、ある方向の力の大きさを用いてもよい。なお、力センサ出力にノイズやチャタリングなどが混入する場合は予めフィルタを通す。フィルタ処理による時間遅れは全てのデータが総体的に遅れる限りは問題にならない。また、波形のなまりも後述のタイムアウト時間やパターン間隙時間、素片間時間をフィルタ特性に応じて適切に設定すれば問題にならない。 The simplest example will be described with reference to FIG. FIG. 5 shows a time series of the magnitude of the force detected by the force sensor 104. The magnitude may be the resultant force in all directions, or the magnitude of the force in a certain direction. When noise or chattering is mixed in the force sensor output, a filter is passed in advance. The time delay due to filtering is not a problem as long as all data is totally delayed. In addition, waveform rounding does not pose any problem if a later-described timeout time, pattern gap time, and inter-element time are appropriately set according to the filter characteristics.

まず、入力開始パターンとして、ある一定値Ｆｄより大きな値の力を加える。この時、持続時間は問題にしないので、前述の接触センサ１０３による実装のときのように操作者がこれを気にする必要がない。入力開始後のタイムアウト時間ｔｏは設定するが、それ以外の時間制限はない。開始パターン入力後、力の大きさで段階をつけて入力を行い、これを解釈することを行う。図５では、力の大きさを、（１）Ｆｄより大、（２）ＦｓとＦｄの間、（３）Ｆｓより小、の３段階に分けている。前記（１）の場合は入力開始／終了パターンに用いる。前記（２）、（３）では力の大小を持続時間の長短に置き換えて解釈する。 First, a force having a value larger than a certain fixed value Fd is applied as an input start pattern. At this time, since the duration does not matter, there is no need for the operator to worry about this as in the case of mounting by the contact sensor 103 described above. Although the timeout time to after the start of input is set, there is no other time limit. After the start pattern is input, input is performed in stages with the magnitude of the force, and this is interpreted. In FIG. 5, the magnitude of the force is divided into three stages: (1) larger than Fd, (2) between Fs and Fd, and (3) smaller than Fs. The case (1) is used for the input start / end pattern. In (2) and (3) above, the magnitude of the force is replaced with the length of the duration.

これにより前述の接触センサ１０３による入力と同様に扱えるが、一塊の情報パターン（いくつかの長短の素片から形成される、意味を持つ情報の最小単位）入力時にそれを形成する素片（図５では１つの矩形）の間の時間（例えば図５ではｔｅｇ１、ｔｅｇ２）の管理を意識せずにすむことで操作者による入力をより容易にしている。すなわち、ｔｅｇ１、ｔｅｇ２はパターン間隙を示す時間経過ｔｇ１と比べて区別がつく程度により小さければよい。この場合に意識する必要があるのはパターンとパターンの間隙を示す時間経過ｔｇ１、ｔｇ２のみである。しかし、これも厳密なものではなく、素片間時間ｔｅｇ１、ｔｅｇ２よりは長いがタイムアウト時間ｔｏとの区別がつく程度に小さい値であればよい。逆に言えばｔｏをある程度長く取っておけばｔｇｎ、ｔｅｇｎ（ｎ＝１…）は人間のタイム感覚で十分対応可能な長さにできる。また、力の大きさに関しても、段階数に反して入力が容易になる。図５の場合は３段階であり、これを大・中・小に割り当てれば厳密な力の管理は必要なく、閾値Ｆｄ、Ｆｓを適当に設定すれば人間の力覚で十分対応可能である。本入力方法は既存の通信符号例えばモールス符号に似ているが、モールス符号が素片幅を時間で規定しているのに対して、本入力方法は素片の長短を入力された力の大小で区別して、かつ素片の時間幅を問題にしていない点が異なり、モールス符号より単位時間あたりの入力パターン数を増やすことが可能である。 As a result, it can be handled in the same manner as the input by the contact sensor 103 described above, but a piece of information pattern (a minimum unit of meaningful information formed from several long and short pieces) is formed when it is inputted (see FIG. In FIG. 5, it is possible to make the input by the operator easier by not having to be aware of the management of time (for example, teg 1 and teg 2 in FIG. 5). That is, teg1 and teg2 need only be small enough to be distinguished from the time lapse tg1 indicating the pattern gap. In this case, it is only necessary to be aware of the time passages tg1 and tg2 indicating the gap between the patterns. However, this is not strict and may be a value that is longer than the inter-element time teg1 and teg2 but small enough to be distinguished from the timeout time to. In other words, if to is kept long to some extent, tgn and tegn (n = 1...) Can be made sufficiently long for human time sense. Also, the magnitude of the force can be easily input regardless of the number of steps. In the case of FIG. 5, there are three stages. If these are assigned to large, medium and small, strict force management is not necessary, and if the thresholds Fd and Fs are set appropriately, human force sense can be used sufficiently. . This input method is similar to existing communication codes such as Morse code, but Morse code defines the unit width in terms of time. However, it is possible to increase the number of input patterns per unit time as compared with Morse code.

本入力方法は、モールス符号通信と同様、慣れれば１分間に数十の情報パターンを入力可能であるが、操作者が必ずしもそういった入力方法に習熟しているとは限らない。その場合は入力補助の道具を用いるのがよい。 This input method, like Morse code communication, can input several tens of information patterns per minute if it gets used to, but the operator is not necessarily familiar with such an input method. In that case, it is better to use an input assist tool.

補助具の簡単な例を図６に示す。図６において、６０１は補助具、６０２は開始パターンを入力するための突起、６０３〜６０５は情報パターンを入力するための突起群、６０６は終了パターンを入力するための突起である。図６（ａ）は上から見た図、図６（ｂ）は横から見た図である。 A simple example of an auxiliary tool is shown in FIG. In FIG. 6, 601 is an auxiliary tool, 602 is a protrusion for inputting a start pattern, 603 to 605 are protrusion groups for inputting an information pattern, and 606 is a protrusion for inputting an end pattern. 6A is a view seen from above, and FIG. 6B is a view seen from the side.

操作者は、命令としての情報パターンを入力する際には、図７に示すように一定位置にサーボ静止しているマニピュレータ部１０１の先端にこの補助具６０１を当てスライドする。その結果、力センサ１０４には前記のパターンでの入力ができる。このとき、スライドに要する時間や途中での速度変動は、前記の原理で検出する限り問題にはならない。あるいは、図８のように、この補助具６０１をドアや壁、机、椅子８０１などの環境に配置しておくことも考えられる。この補助具６０１は交換可能にしておく。前提として、環境内のある対象物の決まった位置にこの補助具６０１を取り付け、移動ロボットが地図なり別途装備されたセンサなりでこれを認識した際には、その決まった位置をなぞることで、その対象物に対する操作を記述しておくことができる。すなわち、環境内の多種多様な対象物に対して、その物理的・幾何学的特徴を記録し、ロボットが動作する際にはこれを検出し記録された特徴との照合を行い対象物の種類を特定し対応する操作手順を実行する、などといった処理を省略できる。 When an operator inputs an information pattern as a command, the operator slides the auxiliary tool 601 against the tip of the manipulator unit 101 that is servo-stopped at a fixed position as shown in FIG. As a result, the force sensor 104 can be input in the above pattern. At this time, the time required for the slide and the speed fluctuation in the middle are not a problem as long as they are detected by the above principle. Alternatively, as shown in FIG. 8, it may be possible to arrange the auxiliary tool 601 in an environment such as a door, a wall, a desk, or a chair 801. The auxiliary tool 601 is exchangeable. As a premise, when this auxiliary tool 601 is attached to a predetermined position of a target object in the environment and the mobile robot recognizes this with a sensor that is separately equipped with a map, by tracing that fixed position, An operation for the object can be described. That is, the physical and geometric characteristics of various objects in the environment are recorded, and when the robot moves, it is detected and collated with the recorded characteristics. It is possible to omit processing such as identifying the user and executing a corresponding operation procedure.

以上に示した例から明らかなように、通常はマニピュレータ部の動作制御のために用いる、接触状態や外力を検出するためのセンサを、操作者の命令情報の入力に用いることができる。 As is clear from the example described above, a sensor for detecting a contact state or an external force, which is usually used for controlling the operation of the manipulator unit, can be used for inputting operator command information.

本実施例によれば、本来は動作制御において環境（物体や構造物などの作業対象）との力学的相互作用の状態を定量的に検出するために標準的に装備されている、力センサ・接触センサなどを介して定量的命令またはリテラルな命令を入力可能となる。また、人を模した自律型移動作業ロボットなどにおいては、機体にコマンドインターフェイスを装備することが省略できるため、耐環境性・信頼性・対人親和性の向上が図れる。 According to the present embodiment, a force sensor, which is normally equipped as a standard for quantitatively detecting the state of mechanical interaction with the environment (work target such as an object or structure) in motion control. A quantitative command or a literal command can be input through a contact sensor or the like. In addition, in an autonomous mobile work robot that imitates a person, it is possible to omit the command interface on the machine body, so that the environment resistance, reliability, and interpersonal affinity can be improved.

本発明の一実施例に係る作業用マニピュレータの構成図である。It is a block diagram of the work manipulator which concerns on one Example of this invention. 図１のマニピュレータ部の力センサ、接触センサを用いて行う作業の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the operation | work performed using the force sensor and contact sensor of the manipulator part of FIG. 図１のマニピュレータ部におけるコマンド入力の処理の流れを示す図である。It is a figure which shows the flow of a command input process in the manipulator part of FIG. 図１のマニピュレータ部における接触センサを用いた例の動作説明図である。It is operation | movement explanatory drawing of the example using the contact sensor in the manipulator part of FIG. 図１のマニピュレータ部における力センサを用いた例の動作説明図である。It is operation | movement explanatory drawing of the example using the force sensor in the manipulator part of FIG. 図１のマニピュレータ部に用いる入力補助具の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the input auxiliary tool used for the manipulator part of FIG. 図６の入力補助具を用いた入力方法の一例を説明する図である。It is a figure explaining an example of the input method using the input auxiliary tool of FIG. 図６の入力補助具を用いた入力方法の他の例を説明する図である。It is a figure explaining the other example of the input method using the input auxiliary tool of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

１０１…マニピュレータ部、１０２…作業用ハンド、１０３…接触センサ、１０４…力センサ、１０５…関節リミットセンサ、１０６…操作者、１０７…移動ロボット、１０８…移動ロボット頭部、１０９…移動ロボット胴体、１１０…移動ロボット走行部、１１１…制御部、１１２…駆動エネルギ供給部、１１３…マニピュレータ制御情報および制御入力伝達経路、１１４…移動ロボット頭部制御情報および制御入力伝達経路、１１５…移動ロボット走行部制御情報および制御入力伝達経路、１１６…駆動エネルギ供給経路、６０１…補助具、６０２…開始パターンを入力するための突起、６０３〜６０５…情報パターンを入力するための突起群、６０６…終了パターンを入力するための突起。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Manipulator part, 102 ... Working hand, 103 ... Contact sensor, 104 ... Force sensor, 105 ... Joint limit sensor, 106 ... Operator, 107 ... Mobile robot, 108 ... Mobile robot head, 109 ... Mobile robot body, DESCRIPTION OF SYMBOLS 110 ... Mobile robot travel part, 111 ... Control part, 112 ... Drive energy supply part, 113 ... Manipulator control information and control input transmission path, 114 ... Mobile robot head control information and control input transmission path, 115 ... Mobile robot travel part Control information and control input transmission path 116: Driving energy supply path 601 ... Auxiliary tool 602 ... Projection for inputting start pattern, 603 to 605 ... Projection group for inputting information pattern, 606 ... End pattern Protrusions for input.

Claims

移動部及び制御部を有するロボット等の移動体と、
前記移動体に付属され、作業対象との接触状態を検出する接触センサ及び接触時の接触力を検出する力センサを有すると共に、複数の関節を有するリンク機構からなるマニピュレータ部とを備え、
前記制御部は接触センサで検出された接触状態または前記力センサで検出された接触力に基づいて作業状態を把握する手段を備えている作業用マニピュレータにおいて、
前記制御部は、前記接触センサまたは前記力センサで検出された人工的な規則性を有するパターン情報を命令として解釈する手段を備えていること、
を特徴とした作業用マニピュレータ。 A moving body such as a robot having a moving unit and a control unit;
A contact sensor that is attached to the moving body and that detects a contact state with a work object and a force sensor that detects a contact force at the time of contact, and a manipulator unit including a link mechanism having a plurality of joints;
In the work manipulator provided with means for grasping the work state based on the contact state detected by the contact sensor or the contact force detected by the force sensor,
The control unit includes means for interpreting pattern information having artificial regularity detected by the contact sensor or the force sensor as a command;
Work manipulator characterized by

請求項１において、前記制御部で解釈されるパターン情報は、前記接触センサで検出された長短で区別されるオン／オフ時間を素片とし、これを１つ以上組み合わせたものを命令時の情報単位とすること、を特徴とする作業用マニピュレータ。 2. The pattern information interpreted by the control unit according to claim 1, wherein on / off time distinguished by length and shortness detected by the contact sensor is used as a segment, and a combination of one or more of these pieces is information at the time of command. A work manipulator characterized by being a unit.

請求項１において、前記制御部で解釈されるパターン情報は、前記力センサで検出された強度、方向及び持続時間の少なくとも何れか一つで区別され、これを素片として１つ以上組み合わせたものを命令時の情報単位とすること、を特徴とする作業用マニピュレータ。 2. The pattern information interpreted by the control unit according to claim 1, wherein the pattern information is distinguished by at least one of intensity, direction, and duration detected by the force sensor, and one or more of them are combined as a segment. A work manipulator characterized in that is used as an information unit at the time of instruction.

請求項１において、前記制御部で解釈されるパターン情報は、前記接触センサで検出された長短で区別されるオン／オフ時間を素片とし、これを１つ以上組み合わせた情報単位と、前記力センサで検出された強度、方向及び持続時間の少なくとも何れか一つで区別され、これを素片として１つ以上組み合わせた情報単位と、の組み合わせを命令時の情報単位とすること、を特徴とする作業用マニピュレータ。 The pattern information interpreted by the control unit according to claim 1, wherein the pattern information interpreted by the contact sensor includes on / off times distinguished by lengths and shorts as segments, and an information unit obtained by combining one or more of these, and the force It is distinguished by at least one of intensity, direction, and duration detected by a sensor, and a combination of one or more information units as a unit and a combination as an information unit at the time of command, Work manipulator.

請求項２において、前記制御部は前記作業状態を把握する手段と前記パターン情報を命令として解釈する手段との切換え手段を備え、前記切換え手段は前記情報単位を構成するオン／オフ時間の素片より長いオン／オフ時間の素片を用いて切換えるものであること、を特徴とする作業用マニピュレータ。 3. The control unit according to claim 2, further comprising a switching means between a means for grasping the work state and a means for interpreting the pattern information as a command, wherein the switching means is an on / off time element constituting the information unit. A work manipulator characterized by being switched using a segment having a longer on / off time.

請求項３において、前記制御部は前記作業状態を把握する手段と前記パターン情報を命令として解釈する手段との切換え手段を備え、前記切換え手段は前記情報単位を構成する強度の素片より大きい素片を用いて切換えるものであること、を特徴とする作業用マニピュレータ。 4. The control unit according to claim 3, further comprising a switching unit between a unit for grasping the work state and a unit for interpreting the pattern information as a command, wherein the switching unit is larger than a unit of strength constituting the information unit. A work manipulator characterized by being switched using a piece.