JP2017030058A - ロボット、ロボット制御装置およびロボットシステム - Google Patents

Abstract

【課題】マニュピレーターの状態を容易に認識できる技術の提供。【解決手段】本発明のロボットは、駆動部によって駆動されるマニュピレーターと、力覚センサーとを含むロボットであって、前記駆動部は、前記力覚センサーに基づいて制御され、前記マニュピレーターは、前記マニュピレーターの運動状態に関するパラメーターを表示する表示器を有している。【選択図】図２

Description

本発明は、ロボット、ロボット制御装置およびロボットシステムに関する。

ロボットの動作状態をディスプレイやティーチングペンダントに表示する技術が知られている（特許文献１，２、参照）。特許文献１，２において、ディスプレイやティーチングペンダントを視認することにより、ロボットの動作状態を認識できる。

特開２００７−１９６２９８号公報 特開２０１３−２０２７３１号公報

しかしながら、ディスプレイやティーチングペンダントに動作状態が表示されていても、ロボットのどの部分の動作状態を表しているかを直感的に認識することが困難であるという問題があった。また、動作状態を確認するためにディスプレイやティーチングペンダントを視認しなければならず、実際に動作しているロボットから一旦目を離さなければならないという問題があった。
本発明は、前記問題を解決するために創作されたものであって、マニュピレーターの状態を容易に認識できる技術の提供を目的とする。

前記目的を達成するためのロボットは、駆動部によって駆動されるマニュピレーターと、力覚センサーとを含むロボットであって、駆動部は、力覚センサーに基づいて制御され、マニュピレーターは、マニュピレーターの運動状態に関するパラメーターを表示する表示器を有する。

前記の構成において、マニュピレーターの運動状態に関するパラメーターを表示する表示器がマニュピレーターに備えられる。これにより、マニュピレーターそのものを視認しながら表示器を視認できるとともに、表示器がマニュピレーターの運動状態を表していることを直感的に認識できる。また、力覚センサーに基づいてマニュピレーターを制御すると、マニュピレーターの運動状態が複雑となったり、予測困難となったりするが、表示器を視認することによりマニュピレーターの動作状態を容易に認識できる。

なお請求項に記載された各手段の機能は、構成自体で機能が特定されるハードウェア資源、プログラムにより機能が特定されるハードウェア資源、又はそれらの組み合わせにより実現される。また、これら各手段の機能は、各々が物理的に互いに独立したハードウェア資源で実現されるものに限定されない。

ロボットシステムの模式図である。 ロボットの斜視図である。 ロボットシステムのブロック図である。 パラメーターの一覧表である。 表示器の正面図である。 他の実施形態のロボットの斜視図である。 他の実施形態のロボットの斜視図である。

以下、本発明の実施の形態を以下の順序にしたがって添付図面を参照しながら説明する。なお、各図において対応する構成要素には同一の符号が付され、重複する説明は省略される。
（１）ロボットシステムの構成：
（２）他の実施形態：

（１）ロボットシステムの構成：
本発明の第一実施例にかかるロボットシステムは、図１に示すように、ロボット１と、制御装置３（ロボット制御装置）と、を備えている。制御装置３は、本発明のロボット制御装置を構成する。制御装置３は、専用のコンピューターであってもよいし、ロボット１のためのプログラムがインストールされた汎用のコンピューターであってもよい。

ロボット１は、１つのマニュピレーターＭを備える単腕ロボットであり、マニュピレーターＭはアームＡとエンドエフェクター２と表示器Ｄとを備える。アームＡは６つの関節Ｊ１〜Ｊ６を備える。関節Ｊ１〜Ｊ６によって６個のアーム部材Ａ１〜Ａ６が連結される。関節Ｊ２、Ｊ３、Ｊ５は曲げ関節であり、関節Ｊ１、Ｊ４、Ｊ６はねじり関節である。アームＡのうち最も先端側のアーム部材Ａ６には、関節Ｊ６を介して、力覚センサーＦＳとエンドエフェクター２とが装着される。アーム部材Ａ２〜Ａ６のそれぞれの両端には関節Ｊ１〜Ｊ６が存在する。エンドエフェクター２はグリッパーによってワークＷを把持する。エンドエフェクター２の所定位置をツールセンターポイント（ＴＣＰ）と表す。ＴＣＰの位置はエンドエフェクター２の位置の基準となる。力覚センサーＦＳは、６軸の力検出器である。力覚センサーＦＳは、互いに直交する３個の検出軸方向の力の大きさと、当該３個の検出軸まわりのトルクの大きさとを検出する。

ロボット１が設置された空間を規定する座標系をロボット座標系と表す。本実施形態において、ロボット座標系は、水平面上において互いに直交するＸ軸とＹ軸と、鉛直上向きを正方向とするＺ軸とによって規定される３次元の直交座標系である。またＸ軸周りの回転角をＲＸで表し、Ｙ軸周りの回転角をＲＹで表し、Ｚ軸周りの回転角をＲＺで表す。Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の位置により３次元空間における任意の位置を表現でき、ＲＸ，ＲＹ，ＲＺ方向の回転角により３次元空間における任意の姿勢（回転方向）を表現できる。以下、特に示さない限り、位置と表記した場合、姿勢も意味し得ることとする。また、特に示さない限り、力と表記した場合、ＲＸ，ＲＹ，ＲＺ方向に作用するトルクも意味し得ることとする。制御装置３は、アームＡを駆動することによって、ロボット座標系においてＴＣＰの位置を制御する。

エンドエフェクター２は力覚センサーＦＳに対して相対的に移動不能に固定されており、エンドエフェクター２と力覚センサーＦＳとで単一の剛体が形成されると見なすことができる。従って、ＴＣＰと力覚センサーＦＳは、一体的に運動する。すなわち、ＴＣＰと力覚センサーＦＳの移動距離（回転角も含む）と移動方向（回転方向も含む）と速度（角速度）と加速度（角加速度）とは互いに一致する。また、力覚センサーＦＳが検出する力の大きさと方向は、ＴＣＰに作用する力の大きさと方向と一致すると見なすことができる。以下、エンドエフェクター２と力覚センサーＦＳとを手先部Ｈと総称する。

図２は、マニュピレーターＭの斜視図である。マニュピレーターＭのうち力覚センサーＦＳには、表示器Ｄが取り付けられている。表示器Ｄは、液晶ディスプレイであってもよいし、有機ＥＬ（Electroluminescenc）ディスプレイであってもよいし、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）等の発光素子がドットマトリクス状に配置されたディスプレイであってもよい。表示器Ｄは、２次元の画像を表示し、モノクロ画像が表示できるように構成されてもよいし、グレースケール画像が表示できるように構成されてもよいし、カラー画像が表示できるように構成されてもよい。表示器Ｄは、平面板状に形成されてもよいし、力覚センサーＦＳの外形形状に追従する曲面状に形成されてもよい。本実施形態において、表示器Ｄは、α軸方向とβ軸方向の辺によって構成される矩形平面状となっている。

図３は、ロボットシステムのブロック図である。制御装置３にはロボット１の制御を行うための制御プログラムがインストールされている。制御装置３は、プロセッサーやＲＡＭやＲＯＭを含むコンピューターを備える。コンピューターがＲＯＭ等の記録媒体に記録された制御プログラムを実行することにより、制御装置３は、機能構成としての駆動制御部３１と表示制御部３２とを備えることとなる。駆動制御部３１と表示制御部３２とは、制御装置３のハードウェア資源とソフトウェア資源とが協働して実現する機能構成である。なお、駆動制御部３１と表示制御部３２とは、必ずしもソフトウェア資源によって実現されなくてもよく、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）によって実現されてもよい。

駆動制御部３１は、力覚センサーＦＳに基づいて、駆動部としてのモーターＭ１〜Ｍ６を制御する。具体的に、駆動制御部３１は、手先部Ｈの運動状態が目標の運動状態に近づくように、力覚センサーＦＳの出力信号に基づいて、マニュピレーターＭ（アームＡ）を制御する。手先部Ｈの運動状態には、マニュピレーターＭの各部位の移動状態とともに、マニュピレーターＭに作用する作用力の状態も含まれる。具体的に、駆動制御部３１は、目標位置と目標力とがＴＣＰにて実現されるようにアームＡを制御する。目標力とは、力覚センサーＦＳが検出すべき力であり、ＴＣＰに作用すべき力である。Ｓの文字は、ロボット座標系を規定する軸の方向（Ｘ，Ｙ，Ｚ，ＲＸ，ＲＹ，ＲＺ）のなかのいずれか１個の方向を表すこととする。例えば、Ｓ＝Ｘの場合、ロボット座標系にて設定された目標位置のＸ方向成分がＳ_t＝Ｘ_tと表記され、目標力のＸ方向成分がｆ_St＝ｆ_Xtと表記される。また、Ｓは、Ｓ方向の位置（回転角）も表すこととする。

ロボット１は、図１に図示した構成のほかに、駆動部としてのモーターＭ１〜Ｍ６と、エンコーダーＥ１〜Ｅ６とを備える。モーターＭ１〜Ｍ６とエンコーダーＥ１〜Ｅ６とは、関節Ｊ１〜Ｊ６のそれぞれに対応して備えられており、エンコーダーＥ１〜Ｅ６はモーターＭ１〜Ｍ６の駆動位置を検出する。アームＡを制御することは、駆動部としてのモーターＭ１〜Ｍ６を制御することを意味する。駆動制御部３１は、ロボット１と通信可能なっている。駆動制御部３１は、モーターＭ１〜Ｍ６の駆動位置の組み合わせと、ロボット座標系におけるＴＣＰの位置との対応関係Ｕを記憶している。

駆動制御部３１は、モーターＭ１〜Ｍ６の駆動位置Ｄ_aを取得すると、対応関係Ｕに基づいて、当該駆動位置Ｄ_aをロボット座標系におけるＴＣＰの位置Ｓ（Ｘ，Ｙ，Ｚ，ＲＸ，ＲＹ，ＲＺ）に変換する。駆動制御部３１は、ＴＣＰの位置Ｓと、力覚センサーＦＳの検出値とに基づいて、力覚センサーＦＳに現実に作用している作用力ｆ_Sをロボット座標系において特定する。なお、力覚センサーＦＳは、独自の座標系において検出値を検出するが、力覚センサーＦＳとＴＣＰとの相対位置・方向とが既知のデータとして記憶されているため、駆動制御部３１はロボット座標系における作用力ｆ_Sを特定できる。駆動制御部３１は、作用力ｆ_Sに対して重力補償を行う。重力補償とは、作用力ｆ_Sから重力成分を除去することである。重力補償を行った作用力ｆ_Sは、ＴＣＰに作用している重力以外の力と見なすことができる。ＴＣＰの姿勢ごとにＴＣＰに作用する作用力ｆ_Sの重力成分が予め調査されており、駆動制御部３１は、作用力ｆ_SからＴＣＰの姿勢に対応する重力成分を減算することにより重力補償が実現する。

駆動制御部３１は、目標力ｆ_Stと作用力ｆ_Sとをインピーダンス制御の運動方程式に代入することにより、力由来補正量ΔＳを特定する。（１）式は、インピーダンス制御の運動方程式である。

（１）式の左辺は、ＴＣＰの位置Ｓの２階微分値に仮想慣性係数ｍを乗算した第１項と、ＴＣＰの位置Ｓの微分値に仮想粘性係数ｄを乗算した第２項と、ＴＣＰの位置Ｓに仮想弾性係数ｋを乗算した第３項とによって構成される。（１）式の右辺は、目標力ｆ_Stから現実の作用力ｆ_Sを減算した力偏差Δｆ_S（ｔ）によって構成される。（１）式における微分とは、時間による微分を意味する。ロボット１が行う工程において、目標力ｆ_Stとして一定値が設定される場合もあるし、目標力ｆ_Stとして時間に依存する関数によって導出される値が設定される場合もある。

インピーダンス制御とは、仮想の機械的インピーダンスをモーターＭ１〜Ｍ６によって実現する制御である。仮想慣性係数ｍはＴＣＰが仮想的に有する質量を意味し、仮想粘性係数ｄはＴＣＰが仮想的に受ける粘性抵抗を意味し、仮想弾性係数ｋはＴＣＰが仮想的に受ける弾性力のバネ定数を意味する。各パラメーターｍ，ｄ，ｋは方向ごとに異なる値に設定されてもよいし、方向に拘わらず共通の値に設定されてもよい。力由来補正量ΔＳとは、ＴＣＰが機械的インピーダンスを受けた場合に、目標力ｆ_Stとの力偏差Δｆ_S（ｔ）を解消するために、ＴＣＰが移動すべき位置Ｓの大きさを意味する。駆動制御部３１は、目標位置Ｓ_tに、力由来補正量ΔＳを加算することにより、インピーダンス制御を考慮した補正目標位置（Ｓ_t＋ΔＳ）を特定する。

そして、駆動制御部３１は、対応関係Ｕに基づいて、ロボット座標系を規定する各軸の方向の補正目標位置（Ｓ_t＋ΔＳ）を、各モーターＭ１〜Ｍ６の目標の駆動位置である目標駆動位置Ｄ_tに変換する。そして、駆動制御部３１は、目標駆動位置Ｄ_tからモーターＭ１〜Ｍ６の現実の駆動位置Ｄ_aを減算することにより、駆動位置偏差Ｄ_e（＝Ｄ_t−Ｄ_a）を算出する。駆動制御部３１は、駆動位置偏差Ｄ_eに位置制御ゲインＫ_pを乗算した値と、現実の駆動位置Ｄ_aの時間微分値である駆動速度との差である駆動速度偏差に、速度制御ゲインＫ_vを乗算した値とを加算することにより、制御量Ｄ_cを特定する。なお、位置制御ゲインＫ_pおよび速度制御ゲインＫ_vは、比例成分だけでなく微分成分や積分成分にかかる制御ゲインを含んでもよい。制御量Ｄ_cは、モーターＭ１〜Ｍ６のそれぞれについて特定される。以上説明した構成により、駆動制御部３１は、目標位置Ｓ_tと目標力ｆ_Stとに基づいてアームＡを制御することができる。

現実の作用力ｆ_Sを目標力ｆ_Stとするための制御が力制御であり、ＴＣＰの現実の位置Ｓを目標位置Ｓ_tとするための制御が位置制御である。本実施形態において、駆動制御部３１は、動作の内容に応じて、位置制御と力制御の双方を行うことと、位置制御のみを行うことができる。例えば、現実の作用力ｆ_Sに拘わらず、図３の力由来補正量ΔＳが常時０であると見なすことにより、実質的に位置制御のみを行うことができる。

表示制御部３２は、表示器Ｄを制御する。表示制御部３２と表示器Ｄとは図示しない配線によって接続されており、表示制御部３２が出力した表示画像データが示す画像を表示器Ｄが表示する。すなわち、表示制御部３２は、表示画像データを生成し、当該表示画像データを表示器Ｄに出力することにより、表示器Ｄの表示を制御する。

表示制御部３２は、手先部Ｈの運動状態に関するパラメーターを表示器Ｄに表示させる。表示制御部３２は、手先部Ｈの目標の運動状態に関するパラメーターを得るために目標位置Ｓ_tと目標力ｆ_Stとを駆動制御部３１から取得する。また、表示制御部３２は、ＴＣＰの現実の運動状態に関するパラメーターを得るためにＴＣＰの位置Ｓと作用力ｆ_Sとを駆動制御部３１から取得する。なお、本実施形態において、手先部Ｈの運動状態は、力覚センサーＦＳおよびＴＣＰの運動状態と同視できることとする。

駆動制御部３１は、微小な制御周期（例えば４ｍ秒）ごとに、目標位置Ｓ_tと目標力ｆ_Stと位置Ｓと作用力ｆ_Sとを更新し、制御周期ごとに目標位置Ｓ_tと目標力ｆ_Stと位置Ｓと作用力ｆ_Sを取得することとする。駆動制御部３１が制御周期ごとに目標位置Ｓ_tと目標力ｆ_Stと位置Ｓと作用力ｆ_Sとを更新することにより、マニュピレーターＭに時系列の動作を行わせることが可能となるとともに、直前の運動状態を反映させてマニュピレーターＭの動作を行わせることが可能となる。駆動制御部３１は、制御周期ごとに目標位置Ｓ_tを設定していくことにより、最終的な目標の位置までＴＣＰを移動させることができる。

駆動制御部３１は、最終的な目標の位置までのＴＣＰの軌道を設定し、当該軌道を速度や加速度の上限値等の制約の下で制御周期ごとに分割した個々の位置を目標位置Ｓ_tとして順次設定する。表示制御部３２は、制御周期ごとの目標位置Ｓ_tと目標力ｆ_Stと位置Ｓと作用力ｆ_Sに基づいて、手先部Ｈの運動状態に関するパラメーターを算出する。

図４は、手先部Ｈの運動状態（移動状態および力状態）に関するパラメーターの一覧表である。運動状態に関するパラメーターは、並進運動のパラメーターと回転運動のパラメーターとに分類できる。また、運動状態に関するパラメーターは、目標のパラメーターと現実のパラメーターとに分類できる。また、運動状態に関するパラメーターには、数値（スカラー）で表現可能なパラメーターと、矢印で表現可能なパラメーターとが含まれる。表示制御部３２は、ロボット座標系において、直前時刻の目標位置Ｓ_tから現在の目標位置Ｓ_tまで向かうベクトルを目標の移動ベクトルとして算出する。直前時刻とは、現在よりもｎ個分（ｎは自然数）の制御周期だけ前の時刻を意味する。ｎが任意に設定できるように構成されてもよい。本実施形態において、ｎ＝１である。移動ベクトルは、ロボット座標系における各軸方向の移動量によって表される。移動ベクトルのうち、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の移動量で構成されるベクトルを並進ベクトルとし、ＲＸ，ＲＹ，ＲＺ方向の移動量で構成されるベクトルを回転ベクトルと表す。

表示制御部３２は、目標の並進ベクトルを構成するＸ，Ｙ，Ｚ方向の移動量の二乗和平方根を目標の並進距離として算出する。さらに、表示制御部３２は、目標の並進距離を１制御周期の長さで除算することにより、目標の並進速度を算出する。表示制御部３２は、現在の目標の並進速度から直前時刻の目標の並進速度を減算した値を、過去時刻から現在までの期間で除算することにより並進加速度を算出する。また、表示制御部３２は、目標の並進距離を所定の累積開始時刻から現在まで累積することにより、目標の累積並進距離を算出する。

また、表示制御部３２は、目標の回転ベクトルを構成するＲＸ，ＲＹ，ＲＺ方向の移動量の二乗和平方根を目標の回転角として算出する。さらに、表示制御部３２は、目標の回転角を１制御周期の長さで除算することにより、目標の角速度を算出する。表示制御部３２は、現在の目標の角速度から直前時刻の目標の角速度を減算した値を、過去時刻から現在までの期間で除算することにより角加速度を算出する。また、表示制御部３２は、目標の回転角を累積開始時刻から現在まで累積することにより、目標の累積回転角を算出する。表示制御部３２は、現実の位置Ｓについても同様の計算を行うことにより、現実の並進距離と累積並進距離と並進速度と加速度と回転角と累積回転角と回転速度と角速度と角加速度とを算出する。

目標力ｆ_Stはロボット座標系のベクトルで表されるが、表示制御部３２は、目標力ｆ_StのベクトルのうちＸ，Ｙ，Ｚ方向の成分を並進力ベクトルとして抽出し、当該並進力ベクトルの各成分の二乗和平方根を目標の並進力の大きさとして算出する。表示制御部３２は、目標力ｆ_StのベクトルのうちＲＸ，ＲＹ，ＲＺ方向の成分をトルクベクトルとして抽出し、当該トルクベクトルの各成分の二乗和平方根を目標のトルクの大きさとして算出する。表示制御部３２は、以上のようにして算出した運動状態に関するパラメーターの数値（文字）を表す画像の表示画像データを生成し、表示器Ｄに出力する。

表示制御部３２は、パラメーターを、方向を指し示す矢印で表示させることにより、運動状態に関する方向のパラメーターを表示器Ｄに表示させる。ここで、表示器ＤとＴＣＰは一体となって移動するため、ロボット座標系におけるＴＣＰの姿勢（ＲＸ，ＲＹ，ＲＺ）に応じて、表示器Ｄの外周を構成する辺の方向を意味するα，β軸の方向も変化する。ＴＣＰの姿勢と、ロボット座標系における表示器Ｄのα，β軸の方向との対応関係Ｖが記録媒体に記録されており、表示制御部３２は、対応関係Ｖを参照可能となっている。表示制御部３２は、現在のＴＣＰの姿勢と対応関係Ｖとに基づいて、現在の表示器Ｄのα，β軸の方向をロボット座標系において特定する。すなわち、表示制御部３２は、ロボット座標系における任意の方向のベクトルから、現在の表示器Ｄのα軸方向の成分とβ軸方向の成分とを抽出できる。なお、αβ平面に直交する軸をγ軸とする。

表示制御部３２は、ロボット座標系における並進ベクトルと並進力ベクトルから、現在の表示器Ｄのα軸方向の成分とβ軸方向の成分とを抽出する。そして、表示制御部３２は、抽出したα軸方向の成分とβ軸方向の成分とで構成されるαβ平面内の矢印を示す表示画像データを、それぞれ並進方向と並進力方向とを指し示す表示画像データとして生成する。また、表示制御部３２は、ロボット座標系における回転ベクトルとトルクベクトルから、現在の表示器Ｄのα軸方向の成分とβ軸方向の成分とを抽出する。そして、表示制御部３２は、抽出したα軸方向の成分とβ軸方向の成分とで構成されるαβ平面内の回転軸まわりの矢印を示す表示画像データを、それぞれ回転方向と回転力方とを指し示す表示画像データとして生成する。

以上の構成により、力覚センサーＦＳの運動状態に関するパラメーターを表示器Ｄにて表示することが可能となる。なお、表示制御部３２は、表示対象の運動状態に関するパラメーターを算出すればよく、必ずしもすべてのパラメーターを算出しなくてもよい。

図５Ａ〜５Ｒは、表示器Ｄにて表示される画像の例を示す。図５Ａ〜５Ｌは、運動状態に関するパラメーターを数値で表す画像を示している。図５Ａ〜５Ｈに示すように、表示制御部３２は、単一の複数の運動状態に関するパラメーターの数値を表示器Ｄに表示させてもよい。図５Ｉ，５Ｊに示すように、表示制御部３２は、目標と現実のパラメーターを対比可能に併記してよい。さらに、図５Ｊに示すように、表示制御部３２は、運動状態に関するパラメーターの数値をグラフで表してもよく、目標と現実のパラメーターのグラフを対比可能に併記してもよい。また、表示制御部３２は、目標と現実のパラメーター同士の差分や比の値を表示してもよい。むろん、図５Ｋに示すように、表示制御部３２は、種類の異なるパラメーターを併記してもよい。また、図５Ｉ〜５Ｋに示すように、表示制御部３２は、運動状態に関するパラメーター名を表示器Ｄに表示させてもよい。

さらに、図５Ｌに示すように、表示制御部３２は、表示器Ｄの姿勢に拘わらず文字の上方向が常にＺ軸方向の上を向くように表示画像データを生成してもよい。すなわち、表示制御部３２は、現在のＴＣＰの姿勢と対応関係Ｖとに基づいて、現在の表示器Ｄのα，β軸の方向をロボット座標系において特定し、当該α，β軸の方向に基づいて画像を回転させてもよい。なお、表示制御部３２は、運動状態に関するパラメーターの単位を表示してもよいし、単位の表示を省略してもよい。また、図示した単位は一例に過ぎず、他の単位によって運動状態に関するパラメーターが表されてもよいし、単位が切り替え可能であってもよい。表示制御部３２は、運動状態に関するパラメーターの種類に応じてパラメーターを表す文字の大きさや字体や色や背景や点滅状態を切り替えてもよい。むろん、表示制御部３２は、複数の運動状態に関するパラメーターを時分割で順に表示させてもよい。

図５Ｍ〜５Ｑは、運動状態に関するパラメーターの方向を表す画像を示している。図５Ｍ〜５Ｑに示すように、表示制御部３２は、運動状態に関するパラメーターの方向を指し示す矢印の画像を表示器Ｄに表示させてもよい。図５Ｏ，５Ｐに示すように、表示制御部３２は、回転ベクトルとトルクベクトルの方向を指し示す矢印として、回転ベクトルとトルクベクトルから抽出したα，β軸成分で構成される回転軸まわりに回転する矢印を表す表示画像データを生成してもよい。表示制御部３２は、複数の運動状態に関するパラメーターの方向を指し示す矢印の画像を表示器Ｄに表示させてもよく、図５Ｑに示すように、目標と現実のパラメーターの方向を指し示す矢印を対比可能に併記してもよい。さらに、図５Ｒに示すように、表示制御部３２は、パラメーターの方向を指し示す矢印とともに、当該パラメーターの大きさを示す文字を表示してもよい。

本実施形態において、マニュピレーターＭ（手先部Ｈ）の運動状態に関するパラメーターを表示する表示器ＤがマニュピレーターＭに備えられる。これにより、マニュピレーターＭそのものを視認しながら表示器Ｄを視認できるとともに、表示器ＤがマニュピレーターＭの運動状態を表していることを直感的に認識できる。また、マニュピレーターＭに作用する作用力ｆ_Sが目標力ｆ_Stに近づくように制御すると、マニュピレーターＭの運動状態が複雑となったり、予測困難となったりするが、表示器Ｄを視認することによりマニュピレーターＭの動作状態を容易に認識できる。

力制御を行っている場合には、マニュピレーターＭやワークＷに積極的に力を作用させることとなるため、マニュピレーターＭやワークＷ等が破損しないようにマニュピレーターＭの状態を注視する必要性が大きい。また、マニュピレーターＭの微小な動きに応じて作用力ｆ_Sが変化するため、力制御を行っている場合にはマニュピレーターＭの運動状態が小刻みに変化し得る。特に力制御としてインピーダンス制御を行う場合には、マニュピレーターＭの運動状態が振動状態となって小刻みに変化しやすくなる。本実施形態において、マニュピレーターＭの状態を注視したままマニュピレーターＭの運動状態に関するパラメーターを認識できるため、マニュピレーターＭの運動状態に関するパラメーターを容易に認識できる。

特に、プログラマーやメカ設計者やティーチング作業者が制御装置３にマニュピレーターＭの動作を設定する際には、マニュピレーターＭが未知の動作を行うこととなるため、表示器Ｄにて運動状態に関するパラメーターを視認できるメリットが大きい。また、マニュピレーターＭの動作が設定された後に、オペレーターや設備保全エンジニアがマニュピレーターＭが正常に動作しているか否かを判断する場合にも、マニュピレーターＭの状態を注視したままマニュピレーターＭの運動状態に関するパラメーターを認識できるメリットは大きい。特に異常が発生した場合にマニュピレーターＭの状態を注視できるため、安全上のメリットが大きい。

表示制御部３２は、力制御と位置制御の双方を行っている場合と、位置制御のみを行っている場合とで、表示対象とする運動状態に関するパラメーターを切り替えてもよい。例えば、表示制御部３２は、力制御と位置制御の双方を行っている場合に限り、並進力方向や並進力の大きさやトルク方向やトルクの大きさ等の力状態のパラメーターを表示するようにしてもよい。むろん、表示制御部３２は、力制御と位置制御の双方を行っている場合に、並進速度や並進加速度や回転方向や累積回転角や回転速度や角速度や角加速度や並進力方向等の移動状態のパラメーターを表示させてもよい。力制御と位置制御の双方を行っている場合には、マニュピレーターＭの移動状態が小刻みに変化し易くなるため、位置制御のみを行う場合よりも移動状態のパラメーターの表示更新周期を小さくしてもよいし、数値の表示桁数を大きくしてもよい。また、表示制御部３２は、力制御と位置制御の双方を行っている場合に、累積並進距離や累積回転角を累積してもよく、力制御の開始時刻を累積並進距離や累積回転角の累積開始時刻としてもよい。これにより、力制御によって、マニュピレーターＭの軌道がどの程度延びることとなるかを容易に把握できる。

（２）他の実施形態：
ロボット１は、必ずしも６軸の単腕ロボットでなくてもよく、マニュピレーターＭの関節数は特に限定されない。ロボット１は、双腕ロボットであってもよいし、スカラーロボットであってもよい。また、力覚センサーＦＳは、必ずしも多軸の力センサーでなくてもよく、関節Ｊ１〜Ｊ６ごとに当該関節Ｊ１〜Ｊ６に作用するトルクを検出するトルクセンサーであってもよい。また、トルクセンサーの代わりにモーターＭ１〜Ｍ６の負荷に基づいてトルクが検出されてもよい。また、制御装置３は、ロボット１と独立した装置でなくてもよく、ロボット１に内蔵されてもよい。この場合、表示制御部３２は、ロボット１に備えられることとなる。また、表示制御部３２は、ロボット１と制御装置３以外の別の装置に備えられてもよい。

表示器Ｄは、マニュピレーターＭが有すればよく、移動可能なアーム部材Ａ２〜Ａ６に取り付けられもよいし、エンドエフェクター２に取り付けられてもよい。表示器Ｄがアーム部材Ａ２〜Ａ６に取り付けられる場合、表示制御部３２は、表示器Ｄが取り付けられたアーム部材Ａ２〜Ａ６の運動状態に関するパラメーターを表示器Ｄに表示させればよい。表示制御部３２は、アーム部材Ａ２〜Ａ６よりも根本側（アーム部材Ａ１側）の関節Ｊ２〜Ｊ６のモーターＭ２〜Ｍ６の駆動位置に基づいて、表示器Ｄが取り付けられたアーム部材Ａ２〜Ａ６の現実の運動状態に関するパラメーターを取得すればよい。また、ＴＣＰの目標位置Ｓ_tごとにモーターＭ２〜Ｍ６がとるべき駆動位置が定められているため、表示制御部３２は、ＴＣＰの目標位置Ｓ_tに基づいて、表示器Ｄが取り付けられたアーム部材Ａ２〜Ａ６の目標の運動状態に関するパラメーターを取得すればよい。

具体的に、表示制御部３２は、表示器Ｄが取り付けられたアーム部材Ａ２〜Ａ６の運動状態に関するパラメーターとして、表示器Ｄが取り付けられたアーム部材Ａ２〜Ａ６を直接連結する根本側の関節Ｊ２〜Ｊ６の回転方向やトルクを表示器Ｄに表示させてもよい。

図６は、他の実施形態にかかるロボット１の斜視図である。同図に示すように、表示器Ｄはアーム部材Ａ３に取り付けられている。表示制御部３２は、表示器Ｄが取り付けられたアーム部材Ａ３を直接連結する根本側の関節Ｊ２の目標または現実の回転方向を表示器Ｄに表示させている。関節Ｊ２の現実の回転方向はエンコーダーＥ２の出力信号に基づいて特定でき、関節Ｊ２の目標の回転方向は目標のＴＣＰの目標位置Ｓ_tから導出できる。表示制御部３２は、モーターＭ２の負荷から導出したトルクの大きさや方向を表示器Ｄに表示させてもよい。なお、関節Ｊ２の状態を表現しやすくするために、表示器Ｄは、関節Ｊ２の回転軸に直交する平面上に取り付けられることが望ましい。

プログラマーやメカ設計者やティーチング作業者は、手先部Ｈの運動状態を予測できるとしても、アーム部材Ａ２〜Ａ６の運動状態までは予測することができない可能性がある。ＴＣＰの位置に対してアーム部材Ａ２〜Ａ６の位置は一意ではないからであり、アームＡの駆動軸の数が大きくなるほど各アーム部材Ａ２〜Ａ６の運動状態の予測は困難となる。このような場合においても、アーム部材Ａ２〜Ａ６に表示器Ｄを取り付けることにより、アーム部材Ａ２〜Ａ６の運動状態に関するパラメーターを容易に認識できる。

さらに、表示器Ｄの個数は１個に限られず、２個以上のアーム部材Ａ２〜Ａ６のそれぞれに表示器Ｄが取り付けられてもよい。さらに、力覚センサーＦＳやアーム部材Ａ２〜Ａ６のいずれか１個に対して複数の表示器Ｄが取り付けられてもよい。また、駆動制御部３１が制御に使用する運動状態と、表示器Ｄが表示する運動状態とは、必ずしも一致しなくてもよい。例えば、駆動制御部３１が位置制御のみを行う状態において、表示器Ｄが現実の並進力やトルクの大きさを表示してもよい。

図７は、他の実施形態にかかるロボット１の斜視図である。同図に示すように、２個の表示器Ｄ１，Ｄ２が力覚センサーＦＳに取り付けられている。２個の表示器Ｄ１，Ｄ２は互いに直交する平面をなす。表示器Ｄ１は前記実施形態の表示器Ｄと同じであり、αβ平面において方向に手先部Ｈの運動状態に関するパラメーターの方向を指し示す矢印を表示する。これに対して、表示器Ｄ２はβγ平面において手先部Ｈの運動状態に関するパラメーターの方向を指し示す矢印を表示する。γ軸はαβ平面に直交する軸である。表示制御部３２は、ロボット座標系における並進ベクトルと並進力ベクトルから、現在の表示器Ｄ２のβ軸方向の成分とγ軸方向の成分とを抽出する。そして、表示制御部３２は、抽出したβ軸方向の成分とγ軸方向の成分とで構成されるβγ平面内の矢印を示す表示画像データを、それぞれ並進方向と並進力方向とを指し示す表示器Ｄ２の表示画像データとして生成する。以上のように２個の表示器Ｄ１，Ｄ２を備えさせることにより、手先部Ｈの運動状態に関するパラメーターの３次元の方向を表現できる。

１…ロボット、２…エンドエフェクター、３…制御装置、３１…駆動制御部、表示制御部３２、Ａ…アーム、Ａ１〜Ａ６…アーム部材、ｄ…仮想粘性係数、Ｄ_a…駆動位置、Ｄ_c…制御量、Ｄ_e…駆動位置偏差、Ｄ_t…目標駆動位置、Ｅ１〜Ｅ６…エンコーダー、ｆ…力、ｆ_S…作用力、ｆ_S…目標力、ＦＳ…力覚センサー、ｆ_St…目標力、Ｊ１〜Ｊ６…関節、Ｋ…凹部、ｋ…仮想弾性係数、Ｋ_p…位置制御ゲイン、Ｋ_v…速度制御ゲイン、ｍ…仮想慣性係数、Ｍ１〜Ｍ６…モーター、Ｗ…ワーク、Δｆ_S…力偏差、ΔＳ…力由来補正量

Claims (9)

1. 駆動部によって駆動されるマニュピレーターと、力覚センサーとを含むロボットであって、
   前記駆動部は、前記力覚センサーに基づいて制御され、
   前記マニュピレーターは、前記マニュピレーターの運動状態に関するパラメーターを表示する表示器を有している、
   ロボット。
2. 前記マニュピレーターには、前記表示器が取り付け可能になっている、
   請求項１記載のロボット。
3. 前記パラメーターは、少なくとも前記マニュピレーターの位置と速度と加速度と前記力覚センサーに作用する作用力のいずれかを含む、
   請求項１または請求項２のいずれかに記載のロボット。
4. 前記パラメーターは、少なくとも前記マニュピレーターの移動方向と前記作用力の方向のいずれかを含む、
   請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のロボット。
5. 前記表示器は、前記パラメーターを、方向を指し示す矢印で表示する、
   請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のロボット。
6. 前記パラメーターは、
   少なくともセンサーが検出した前記マニュピレーターの現実の運動状態と、前記マニュピレーターの目標の運動状態のいずれかに関する、
   請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のロボット。
7. 前記マニュピレーターは、両端の関節によって相互に連結された複数のアーム部材を含み、
   前記表示器は、前記アーム部材に取り付けられ、当該アーム部材の運動状態に関する前記パラメーターを表示する、
   請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のロボット。
8. 請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のロボットの前記駆動部を制御する駆動制御部と、
   前記マニュピレーターの運動状態に関する前記パラメーターを、前記マニュピレーターが有する前記表示器に表示させる表示制御部と、
   を備えるロボット制御装置。
9. 請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のロボットと、
   前記ロボットの前記駆動部を制御する駆動制御部と、前記マニュピレーターの運動状態に関する前記パラメーターを、前記マニュピレーターが有する前記表示器に表示させる表示制御部と、を備えるロボット制御装置と、
   を含むロボットシステム。

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