JP2016036862A - 人の動作支援装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な計測系と制御系で正確な人とロボットアームとの協調動作が可能な人の動作支援装置の提供を目的とする。
【解決手段】自由端側に出力点を有する受動リンクの他端側にある受動関節と、２自由度以上で制御された駆動関節とをリンク連結したことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、人とロボットアームとの協調動作装置に関し、特に人の動きをアシストする人の動作支援装置に関する。

従来の人とロボットアームとの協調動作技術は、手の動きをモーションキャプチャ等の高度の計測システムを用いて手の動きを解析し、それに基づいてロボットアームの動き及び力を精密に制御するものであり、高価な計測装置及び精度の高いパラメータ制御装置が必要であった。
例えば、特許文献１には、作業者が部品の一方を持ち、ロボットアームがこの部品の他方を保持し、人の手の動きをモーションキャプチャで検出し、手の動きが正しいと判断した場合にロボットアームが所定の動作を行う作業補助システムを開示する。
しかし、同技術は、作業者の動きそのものを正確な方向にアシストできるものではない。
特許文献２には、障害のある人間の手と動的力センサーを組み込んだマニピュレーターのクランプとを振持器に連結することで、障害のある人間が振るえながら文字を書いても振るえる動作をマニピュレーターが吸収・補正する手作業アシスタントマニピュレーター制御システムを開示する。
しかし、同公報に開示する技術は、手の振るえをどのように読み取り、どのように制御するか不明である。

特開２０１１−１５６６４１号公報 特開平１１−２７７４７３号公報

本発明は、簡易な計測系と制御系で正確な人とロボットアームとの協調動作が可能な人の動作支援装置の提供を目的とする。

本発明に係る人の動作支援装置は、自由端側に出力点を有し、他端に受動関節を有する受動リンクと、２つ以上の駆動関節を有し、前記受動関節は前記２つ以上の駆動関節により位置制御されていることを特徴とする。
具体的には、自由端側に出力点を有し、他端に受動関節を有する受動リンクと、第１の駆動関節により駆動される第１の駆動リンクと、第２の駆動関節により駆動される第２の駆動リンクとの少なくとも２つ以上の駆動リンクを有し、前記受動関節と前記第１、第２の駆動リンクを接続するリンクアームを有する態様が例として挙げられる。
また、自由端側に出力点を有し、他端に受動関節を有する受動リンクと、第１の駆動関節により駆動される第１の駆動リンクと、第２の駆動関節により駆動される第２の駆動リンクとの少なくとも２つ以上の駆動リンクを有し、前記受動関節は第１の駆動リンクと接続され、前記第１の駆動関節は第２の駆動リンクと接続されている態様が例として挙げられる。
本発明は受動リンクの自由端側の出力点を人が操作し、受動関節の回転変位によって目標とする理想軌跡方向に移動操作するのをロボットアーム等の駆動関節側のリンクにて正確な方向又は位置に移動補正（アシスト）する点に特徴がある。
この場合に人の操作量が駆動関節側のアシスト量より小さくなり過ぎると、人による出力点の速度、力加減の調整が困難になる。

人の出力点の操作量が駆動関節側のアシスト量より大きく制御するのに、例えば、前記駆動関節は、リンク連結された受動関節の関節点と受動リンクのリンク角（α）を制御するものであってもよい。
この場合に、受動リンクのリンク角（α）は、アシスト量の方が人の操作量よりも大きくなる特異姿勢を回避するように制御されている。
ここで特異姿勢とは、受動リンク（出力リンク）の出力点と受動関節点とを結ぶ腕（アーム）方向に出力点の移動方向が一致又はそれに近い場合をいい、このような状態では人の操作量よりもアシスト量が大きくなり、人による目標方向に対する速度、力加減の調整が困難になる。

また、出力点を移動させる目標方向が途中で屈曲する場合に、前記出力点を理想軌跡における屈曲点の前後にて、リンク角（α）を徐々に変化させるのが好ましい。
例えば、人が出力点を操作する理想軌跡の角度が途中で大きく変わる場合に、屈曲後に特異姿勢となるのをさけるのが好ましいからである。
この場合に、人が出力点を理想軌跡と異なる方向に操作しようとすると、その動きを規制する規制手段を有するのが好ましい。
ここで規制手段とは受動関節点に回転ブレーキがかかる等、人にその移動方向は目標とする移動方向とは異なることを伝達できるものであれば制限がない。

本発明に係る人の動作支援装置によれば、人が出力点を操作する際に目標とする移動方向の状態に合せて人の柔軟な判断により移動速度やその力加減を調整しつつ、駆動関節側の例えばロボットアーム等にて本来の移動目標（理想軌跡）に一致させるようにアシストできる。
これにより出力部の速度、力などの加減は人が行い、精度の高い正確な位置決めはロボット等の制御により行うことができ、人に対する動作教示や、また、他の加工、溶接、組立などの作業において高価な計測装置や制御装置等を用いることなく、高度なロボット等との協調作業ができる。

本発明に係る装置のリンク構造例を示す。 （ａ）〜（ｃ）はリンク機構の動きを示す。 （ａ）〜（ｅ）は受動関節点（Ｆ）と受動リンクのリンク角（α）の補正例を示す。 （ａ）〜（ｃ）はリンク角（α）の徐変制御を示す。 （ａ）〜（ｄ）受動リンクに移動方向の規制手段を設けた例を示す。 本発明に係る装置を用いて正方形を書いた例を示す。 （ａ）〜（ｃ）は波状面に文字を書いた例を示す。 （ａ）、（ｂ）は受動関節と駆動関節を切り替える例を示す。 （ａ）、（ｂ）は受動リンクが特異姿勢となる例を示す。

本発明に係る人の動作支援装置のリンク機構の構造例を以下、図に基づいて説明するが、本発明はこれに限定されない。

図１に３自由度平面８節平行クランク機構の例を示す。
第１駆動関節（Ｏ）１１と第２駆動関節（Ａ）１２及び従動関節（Ｂ），（Ｃ）とをリンク連結してある。
第１駆動関節（Ｏ）の第１駆動リンク１１ａは従動関節（Ｃ），（Ｄ），（Ｅ）とをリンク連結し、従動関節（Ｄ）はリンクアーム１５の途中に設けてあり、リンクアーム１５の先端部に受動関節（Ｆ）２１を介して受動リンク２１ａを連結してある。
第１駆動リンク１１ａ及び第２駆動リンク１２ａの回転角度は、駆動関節に設けたモーター及びエンコーダにより制御されている。
リンク１１ｂは補助リンクであり、リンク１３，１４は従動リンクである。
また、受動リンク２１ａの自由端側が出力点（Ｐ）になっていて、そのリンク姿勢であるリンク角（α）を計測するためのエンコーダが受動関節点（Ｆ）２１に設けられている。

このようなリンク機構による出力点（Ｐ）の動きの説明を図２に基づいてする。
人が手で持って受動リンク２１ａの出力点（Ｐ）を目標方向に移動させると、図２（ｂ）に示すようにＦ_Ｐの方向に回転しようとする。
これに対して第１及び第２駆動関節１１，１２の回転により、図２（ｃ）にＦ_Ａで示す方向に受動関節点（Ｆ）の位置がアシストされる。
これにより人が出力点を移動させる操作方向を常に正確な目標位置にアシストする。
その補正機構を図３（ａ）〜（ｄ）に示す。
図３（ａ）に示すように人（ヒト）が出力点Ｐ（Ｘ_Ｐ，Ｙ_Ｐ）を目標軌跡方向に操作すると、リンク角（α）が図３（ｂ）のように変化する。
このときの目標軌跡からのずれを受動関節点（Ｆ）の位置を制御している駆動関節が動き、図３（ｃ）に示すＰ_１の方向に補正する。
それと同時に図３（ｄ）のように、リンク角（α）を理想リンク角（αｉｄ）に維持するようにベクトルＰ_２の方向に補正し、最終的には、図３（ｅ）のように前記出力点の位置を補正するベクトルＰ_１とＰ_２の合成ベクトルＰの方向に、受動関節点（Ｆ）を位置制御する。
ここで理想リンク角は受動リンクのＰＦ線と直交する方向に目標軌跡があることをいう。
この方向は最も人の操作性がよい。

このようにリンク角（α）と受動関節点（Ｆ）の位置を制御すると次のような利点がある。
図８（ａ）に示すように、受動リンク２１ａを駆動リンク１１ａに連結したとする。
この状態で出力点Ｐを、この出力点Ｐと駆動関節Ｏを結ぶ線分ＰＯと直交する方向に近い方向に移動させようとすると、人の操作量Ｆ_Ｐよりもアシスト量Ｆ_Ａの方が大きくなり、人が出力点Ｐを制御するのが困難になる。
従って、この場合には図８（ｂ）のように受動関節と駆動関節を切り替える必要が出てくる。
これに対して図１のリンク機構を用いると、受動リンク２１ａの理想リンク姿勢を維持するように駆動関節側が補正するので、広い範囲にて図８のように受動関節と駆動関節とを切り替える必要がなく、切り替え時に生じる出力点の理想軌跡からのズレを防止する。

図１に示したリンク機構を用いると、人の動作を正確にアシストできる。
この場合でも例えば図９に示すように、理想軌跡１から理想軌跡２に直角に切り替わる場合に、理想軌跡１の屈曲点（コーナー部）まで理想リンク角（αｉｄ，１）を維持しようとすると、理想軌跡２にて移動方向と受動リンク２１ａのリンク方向ＦＰとが一致し、人の操作量よりアシスト量の方が非常に大きくなる特異姿勢の状態が生じる恐れがある。
そこで、このような状態を回避する方策として図４に示すようなリンク角（α）の制御方法が好ましい。

理想軌跡１のとき、当初のリンク角（α_１），軌跡長さｌとし、屈曲点から出力点の距離をｄｌとする。
理想軌跡２に切り替わる際に特異姿勢になるのを避けるために、理想リンク角（αｉｄ，２）と（α_１）との間にリンク角（α_２）がくるようにリンク角（α）を徐々に変化させる。
図４に示す例は、第１駆動関節１１１の第１駆動リンク１１１ａと第２駆動関節１１２の第２駆動リンク１１２ａとで受動リンク２１ａの受動関節点（Ｆ）の位置及び受動リンク２１ａのリンク角（α）を制御した例である。
本実施例ではα_２の値が（α_１）と（αｉｄ，２）との中間になるように（α）を制御した例になっているが、（α）は±３０°，好ましくは±２０°の範囲であれば実用上、問題はない。

また、人の操作方向を屈曲点にて教示する例を図５に示す。
人が操作力Ｆ_１にて理想軌跡１に沿って出力点を移動させ、屈曲点で理想軌跡２とは仮に逆方向に操作しようとすると、受動関節に回転拘束するブレーキがかかるようになっている。

本発明に係る装置を用いて、図や文字を描いた例を説明する。
図６は目標軌跡（理想軌跡）として正方形を設定し、本発明に係る装置のアシストにて正方形を描いたものである。
目標軌跡からほとんどズレがないように人が図形を描けたことが分かる。
図７は（ａ）に示すような波状面に（ｂ）に示すような文字「ろ」を描いたものである。
この場合、出力点は上下方向に自由に動くペンを装備している。
人がこのペンを波上面に沿って上下させながら文字を描いた。
その結果、図７（ｂ）に示すように正確な図形を描いた。
即ち、本発明に係る動作支援装置が人の操作を正確にアシストしていることが分かる。

１１ 第１駆動関節
１１ａ 第１駆動リンク
１２ 第２駆動関節
１２ａ 第２駆動リンク
２１ 受動関節
２１ａ 受動リンク

Claims (7)

1. 自由端側に出力点を有し、他端に受動関節を有する受動リンクと、２つ以上の駆動関節を有し、
   前記受動関節は前記２つ以上の駆動関節により位置制御されていることを特徴とする人の動作支援装置。
2. 自由端側に出力点を有し、他端に受動関節を有する受動リンクと、第１の駆動関節により駆動される第１の駆動リンクと、第２の駆動関節により駆動される第２の駆動リンクとの少なくとも２つ以上の駆動リンクを有し、前記受動関節と前記第１、第２の駆動リンクを接続するリンクアームを有することを特徴とする請求項１記載の人の動作支援装置。
3. 自由端側に出力点を有し、他端に受動関節を有する受動リンクと、第１の駆動関節により駆動される第１の駆動リンクと、第２の駆動関節により駆動される第２の駆動リンクとの少なくとも２つ以上の駆動リンクを有し、前記受動関節は第１の駆動リンクと接続され、前記第１の駆動関節は第２の駆動リンクと接続されていることを特徴とする請求項１記載の人の動作支援装置。
4. 前記出力点の操作量が前記第１、第２の駆動リンクによって操作される駆動関節のアシスト量より大であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の人の動作支援装置。
5. 前記駆動関節は、前記受動リンクのリンク角（α）を制御するものであることを特徴とする請求項４記載の人の動作支援装置。
6. 受動リンクのリンク角（α）は、アシスト量の方が人の操作量よりも大きくなる特異姿勢を回避するように制御されていることを特徴とする請求項５記載の人の動作支援装置。
7. 人が出力点を理想軌跡と異なる方向に操作しようとすると、その動きを規制する規制手段を有することを特徴とする請求項６記載の人の動作支援装置。