JP2021045816A - 冗長自由度ロボットアームの操作支援装置、方法及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】空間情報を正確に把握することが困難な状況であっても、オペレータの負担を軽減させる冗長自由度ロボットアームの操作支援技術が提供される。【解決手段】操作支援装置１０において、形状計測センサ２１による形状データＰに基づいて作業空間の立体マップ１５を生成する生成部１１と、オペレータ３１による操作信号ｘref及び立体マップ１５に基づいて作業空間３９に設置されたロボットアーム２０の先端位置及び全体姿勢を制御する駆動信号ｑrefを発生させる発生部１７と、ロボットアーム２０に設けられたトルクセンサ２２のトルク信号τexに基づいて演算した修正信号ΔｑZを用いて駆動信号ｑrefを修正し障害物に倣う動作をさせる演算部１２と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、冗長自由度ロボットアームの操作支援技術に関する。

冗長自由度ロボットアームとは、与えられた作業を遂行するのに必要最小限な数よりも多い自由度を持つロボットアームのことである。これにより、ロボットアーム先端の単一位置に対し、途中関節の位置の多様性を確保できる。

放射線環境等の人が立ち入れない場所における作業では、作業空間から離れた場所でオペレータがマスターアームを操作し、作業空間にセッティングされたロボットアームをスレーブアームとして遠隔操作することが検討されている。特に未知の障害物があるような作業環境下では、上記特徴を持つ冗長自由度ロボットアームの活用が有効である。しかし、アームの先端のみならずその中間リンクが周囲の構造物と干渉しないよう作業を遂行することはオペレータの負荷が大きく、課題となっていた。

従来技術として、ロボットアームの冗長自由度を利用して障害物を回避する操作方法に関し、オペレータがロボットアームのリンクなどの一部分を指定して、その自由度を拘束してアーム手先を操作するというものがある。また他の従来技術として、冗長ロボットアームが障害物に衝突しても作業を継続できるようにするための力制御に関し、冗長ロボットアームを、非冗長ロボットアームを直列に接続したものと捉え、それぞれのアーム手先にコンプライアンス制御を掛けるというものがある。

特開２０１５−１７４１８４号公報

放射線環境等の人が立ち入れない場所における作業は、作業空間から離れた場所でオペレータがマスターアームを操作し、作業空間にセッティングされた冗長自由度ロボットアームをスレーブアームとして遠隔操作することが検討されている。しかし、上述した従来技術では、オペレータは手先位置を操作するだけでなく、障害物を回避する操作の際にオペレータがロボットアームの一部分を指定する必要があるなど、オペレータの負担となる課題がある。また上述した他の従来技術では、冗長自由度数が大きくない場合は適用できないという課題がある。

本発明の実施形態はこのような事情を考慮してなされたもので、空間情報を正確に把握することが困難な状況であってもオペレータの負担を軽減させる冗長自由度ロボットアームの操作支援技術を提供することを目的とする。

実施形態に係る冗長自由度ロボットアームの操作支援装置において、形状計測センサによる形状データに基づいて作業空間の立体マップを生成する生成部と、オペレータによる操作信号及び前記立体マップに基づいて前記作業空間に設置されたロボットアームの先端位置及び全体姿勢を制御する駆動信号を発生させる発生部と、前記ロボットアームに設けられたトルクセンサのトルク信号に基づいて演算した修正信号を用いて前記駆動信号を修正し障害物に倣う動作をさせる演算部と、を備える。

本発明の実施形態により、空間情報を正確に把握することが困難な状況であってもオペレータの負担を軽減させる冗長自由度ロボットアームの操作支援技術が提供される。

（Ａ）冗長自由度ロボットアームが作業空間で作業する様子を示すイメージ図、（Ｂ）作業空間から離れた場所でオペレータがマスターアームを操作する様子を示すイメージ図。 第１実施形態に係る冗長自由度ロボットアームの操作支援装置のブロック図。 第２実施形態に係る冗長自由度ロボットアームの操作支援装置のブロック図。 実施形態に係る冗長自由度ロボットアームの操作支援方法の動作及び操作支援プログラムのアルゴリズムを説明するフローチャート。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。図１（Ａ）は冗長自由度ロボットアーム２０が作業空間３９で作業する様子を示すイメージ図である。図１（Ｂ）は作業空間から離れた場所でオペレータ３１がマスターアーム３２を操作する様子を示すイメージ図である。

このように、オペレータ３１が操作するマスターアーム３２とスレーブアームに見立てられたロボットアーム２０との間で、通信装置３５（３５ａ，３５ｂ）を介して操作信号ｘ_ref（図２）の受け渡しが行われる。そして各実施形態は、力帰還型のマスタースレーブアームシステムを採用している。これにより、ロボットアーム２０に設けられた力センサ２４（図２）の力信号Ｆ_exに基づいて、このロボットアーム２０に作用した反力を、マスターアーム３２からオペレータ３１に知覚させることができる。

なお、力センサ２４は、ロボットアーム２０の手先に設けられこの手先にかかる力を信号出力する場合の他に、ロボットアーム２０の各関節に設けられこの関節にかかるトルクを信号出力する場合もある。またロボットアーム２０は、その基端部が移動手段３６に固定されており、図示略のコントローラにより作業空間３９の床面の任意位置に移動することができる。

オペレータ３１は、操作指令の入力装置であるマスターアーム３２の先端を把持して動かすことで、作業を実施するロボットアーム２０の先端の動きを指示する。マスターアーム３２の先端位置の情報は、操作信号ｘ_refとして通信装置３５（３５ａ，３５ｂ）を介してロボットアーム２０側の操作支援装置１０に送信される。なお実施形態において通信装置３５（３５ａ，３５ｂ）は、操作信号ｘ_refを電波で伝送する無線方式を採用しているが、ケーブルで伝送する有線方式を採用してもよい。

この操作信号ｘ_refに基づいてロボットアーム２０の先端位置は、マスターアーム３２の先端位置に対応する位置に追従するように制御される。なお各実施形態に適用されるロボットアーム２０は、冗長自由度を持つものであるために、その先端を作業対象物３８にアクセスさせつつ、その構成部材である中間リンク２５と障害物３７との衝突を回避できる可能性がある。一方、ロボットアーム２０の先端が作業対象物３８を把持したり、ロボットアーム２０の中間リンク２５が障害物３７に衝突したりした場合、このロボットアーム２０に力が加わる。

この力を力センサ２４で検出した力信号Ｆ_exは、ロボットアーム２０からマスターアーム３２に通信装置３５（３５ａ，３５ｂ）を介して伝送される。そして、マスターアーム３２は、受信した力信号Ｆ_exに基づいて、作用する力をその手先に帰還し、オペレータ３１に認識させる。なお力センサ２４は、マスターアーム３２の先端や、関節部分や、関節と関節を結ぶリンク部分に設けられている。

図２は第１実施形態に係る冗長自由度ロボットアームの操作支援装置１０Ａのブロック図である。このように操作支援装置１０Ａは、形状計測センサ２１による形状データＰに基づいて作業空間３９（図１（Ａ））の立体マップ１５を生成する生成部１１と、オペレータ３１による操作信号ｘ_ref及び立体マップ１５に基づいて作業空間３９に設置されたロボットアーム２０の先端位置及び全体姿勢を制御する駆動信号ｑ_refを発生させる発生部１７と、ロボットアーム２０に設けられたトルクセンサ２２のトルク信号τ_exに基づいて演算した修正信号Δｑ_Zを用いて駆動信号ｑ_refを修正し障害物３７（図１（Ａ））に倣う動作をさせる演算部１２と、を備えている。

形状計測センサ２１は、障害物３７や作業対象物３８を含む作業空間３９の形状データＰを出力する。なお実施形態において形状計測センサ２１は、ロボットアーム２０の側に固定されている場合を例示したが、特に限定はなく、移動手段３６の側に固定されている場合もあるし、作業空間３９の側に固定されている場合もある。

立体マップ生成部１１は、形状計測センサ２１で異なる角度から撮像した複数の形状データＰを利用して、障害物３７や作業対象物３８を含む作業空間３９の環境形状を表す立体マップ１５を生成するものである。マスターアーム３２の操作によるロボットアーム２０の先端の動きに伴って、形状計測センサ２１は様々な角度から形状データＰを出力することができる。

なお障害物３７や作業対象物３８の撮像方向に死角がある場合は、この死角からの障害物３７や作業対象物３８の形態は不明となる。しかし、死角であった撮像方向からの形状データＰが新たに取得される毎に、立体マップ１５は更新され保存される。なお立体マップ１５は、形状計測センサ２１から生成される以外に、図面などの三次元のＣＡＤデータを利用することもできる。なお、形状計測センサ２１としては、画像センサや、距離センサを用いることができる。

駆動信号発生部１７は、立体マップ１５と、通信装置３５（３５ａ，３５ｂ）を介して送信される操作信号ｘ_refと、を取得する。そして、マスターアーム３２の先端により操作指示された作業空間３９の位置にロボットアーム２０の先端が位置するように、かつロボットアーム２０の中間リンク２５が障害物３７に衝突しないように全体姿勢を制御させる。そして駆動信号発生部１７は、ロボットアーム２０を構成する複数の中間リンク２５の各々の関節の回転角度を制御する駆動信号ｑ_refを発生させる。

このように立体マップ１５に基づいてロボットアーム２０の姿勢を制御しても、この立体マップ１５に死角がある場合や環境が変化した場合は、ロボットアーム２０の中間リンク２５が障害物３７に衝突する場合がある。

修正信号演算部１２は、中間リンク２５が障害物３７に衝突したことを、ロボットアーム２０に設けられたトルクセンサ２２が過剰なトルク信号τ_exを出力したことから察知する。そして修正信号演算部１２は、中間リンク２５が障害物３７との衝突を回避し、過剰なトルク信号τ_exが正常値に戻るような、中間リンク２５の関節に微小変位角を与える修正信号Δｑ_Zを演算する。そして、この演算された修正信号Δｑ_Zは、発生部１７からの駆動信号ｑ_reに足し合わされて、中間リンク２５の関節駆動部２３に出力される。これにより、中間リンク２５と障害物３７との衝突は回避されて、中間リンク２５が障害物３７に倣うようにロボットアーム２０の姿勢が制御される。

次に修正信号演算部１２における修正信号Δｑ_Zの演算アルゴリズムの導き方の一例を示す。障害物３７に倣う動作とは押された方向に移動すること、つまり、負の仕事をすることと捉え、ロボットアーム２０の手先位置を目標値に保てるように先端速度に影響を与えない関節速度空間での仕事率が負となるように微小目標関節角度を生成する。この仕事率とは先端速度に影響しない関節速度空間と各関節に外部から作用する外力トルクとの積に相当する。各関節に外部から作用するトルクは、トルクセンサやモータ電流値を利用して推定する。中間リンク２５のある点のコンプライアンスを厳密に設定するような手法ではなく、スレーブアームの姿勢によって障害物への倣いやすさが変化するが、冗長自由度数が少ないロボットアームにも適用可能である。

（第２実施形態）
次に図３を参照して本発明における第２実施形態について説明する。図３は第２実施形態に係る冗長自由度ロボットアームの操作支援装置１０Ｂのブロック図である。なお、図３において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。

図３に示すように第２実施形態の操作支援装置１０Ｂは、上述した第１実施形態の操作支援装置１０Ａの構成に加え、さらに修正信号Δｑ_Zに基づいて立体マップ１５を修正する修正部１６を備えている。

ロボットアーム２０が障害物３７に接触した際の情報（トルク信号τ_ex）を用いて立体マップ１５を更新する方法を説明する。中間リンク２５が障害物３７に接触すると、各軸のトルクセンサ２２から非接触時とは異なる値のトルク信号τ_exが出力される。このトルク信号τ_exの値を解析することで衝突を検知することができるが、その衝突個所は特定できない。

そこで立体マップ修正部１６は、衝突を検知した場合、自身の姿勢と衝突個所の候補とを情報として逐次蓄積していく。そして、様々な姿勢で接触した結果蓄積された複数の情報から接触個所を絞り込み、障害物３７の形状を推測する。そして、この推測した障害物３７の形状を立体マップ生成部１１に送り、既存の立体マップ１５を更新していく。また反対に、立体マップ１５で障害物３７として認識されている領域をロボットアーム２０が通過できた場合は、その領域を障害物が無い空間と認識させ立体マップ１５を更新する。このように立体マップ１５を更新していくことで形状計測センサ２１の死角を補い、立体マップ１５の精度を向上することができる。

図４は実施形態に係る冗長自由度ロボットアームの操作支援方法の動作及び操作支援プログラムのアルゴリズムを説明するフローチャートである。まず形状計測センサ２１から形状データＰを受信する（Ｓ１１）。そして、この受信した形状データＰに基づいて作業空間３９の立体マップ１５を生成する（Ｓ１２）。

次にオペレータ３１による操作信号ｘ_refを受信する（Ｓ１３）。そして、この操作信号ｘ_ref及び立体マップ１５に基づいて作業空間３９に設置されたロボットアーム２０の先端位置及び全体姿勢を制御する駆動信号ｑ_refを生成する（Ｓ１４）。次にロボットアーム２０に設けられたトルクセンサ２２からトルク信号τ_exを受信する（Ｓ１５）。このトルク信号τ_exの値が閾値を下回る場合は（Ｓ１６ Ｙｅｓ）、ロボットアーム２０は障害物３７と衝突していないと判断され、（Ｓ１１）〜（Ｓ１５）のフローが繰り返される。

そして、このトルク信号τ_exの値が閾値を超える場合は（Ｓ１６ Ｎｏ）、ロボットアーム２０が障害物３７と衝突していると判断され、修正信号Δｑ_Zを演算する（Ｓ１７）。そして、この演算した修正信号Δｑ_Zを用いて駆動信号ｑ_refを修正し（Ｓ１８）、障害物３７との衝突を回避させる。さらに修正信号Δｑ_Zを用いて、立体マップ１５に修正を加える（Ｓ１９）。このように（Ｓ１１）から（Ｓ１９）のフローを、ロボットアーム２０の操作を終了するまで繰り返す（Ｓ２０ Ｎｏ Ｙｅｓ ＥＮＤ）。

以上述べた少なくともひとつの実施形態の冗長自由度ロボットアームの操作支援装置によれば、ロボットアームに設けられたトルクセンサのトルク信号を利用して障害物との衝突を回避させる機能を持つことにより、空間情報を正確に把握することが困難な状況であってもオペレータの負担を軽減させることが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。また、冗長自由度ロボットアームの操作支援装置の構成要素は、コンピュータのプロセッサで実現することも可能であり、冗長自由度ロボットアームの操作支援プログラムにより動作させることが可能である。

以上説明した冗長自由度ロボットアームの操作支援装置は、専用のチップ、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、又はＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサを高集積化させた制御装置と、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）などの記憶装置と、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）やＳＳＤ（Solid State Drive）などの外部記憶装置と、ディスプレイなどの表示装置と、マウスやキーボードなどの入力装置と、通信Ｉ／Ｆとを、備えており、通常のコンピュータを利用したハードウェア構成で実現できる。

また冗長自由度ロボットアームの操作支援装置で実行されるプログラムは、ＲＯＭ等に予め組み込んで提供される。もしくは、このプログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、メモリカード、ＤＶＤ、フロッピーディスク（ＦＤ）等のコンピュータで読み取り可能な記憶媒体に記憶されて提供するようにしてもよい。

また、本実施形態に係る冗長自由度ロボットアームの操作支援装置で実行されるプログラムは、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせて提供するようにしてもよい。また、操作支援装置は、構成要素の各機能を独立して発揮する別々のモジュールを、ネットワーク又は専用線で相互に接続し、組み合わせて構成することもできる。

１０（１０Ａ，１０Ｂ）…操作支援装置、１１…立体マップ生成部（生成部）、１２…修正信号演算部（演算部）、１５…立体マップ、１６…立体マップ修正部（修正部）、１７…駆動信号発生部（発生部）、２０…冗長自由度ロボットアーム（ロボットアーム）、２１…形状計測センサ、２２…トルクセンサ、２３…関節駆動部、２４…力センサ、２５…中間リンク、３１…オペレータ、３２…マスターアーム、３５…通信装置、３６…移動手段、３７…障害物、３８…作業対象、３９…作業空間。

Claims (6)

1. 形状計測センサによる形状データに基づいて作業空間の立体マップを生成する生成部と、
   オペレータによる操作信号及び前記立体マップに基づいて前記作業空間に設置されたロボットアームの先端位置及び全体姿勢を制御する駆動信号を発生させる発生部と、
   前記ロボットアームに設けられたトルクセンサのトルク信号に基づいて演算した修正信号を用いて前記駆動信号を修正し障害物に倣う動作をさせる演算部と、を備える冗長自由度ロボットアームの操作支援装置。
2. 請求項１に記載の冗長自由度ロボットアームの操作支援装置において、
   前記操作信号は、前記ロボットアームをスレーブアームに見立てて前記オペレータが操作するマスターアームから出力される冗長自由度ロボットアームの操作支援装置。
3. 請求項２に記載の冗長自由度ロボットアームの操作支援装置において、
   前記ロボットアームに設けられた力センサの力信号に基づいて、前記スレーブアームに作用した反力を、前記マスターアームから前記オペレータに知覚させる冗長自由度ロボットアームの操作支援装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の冗長自由度ロボットアームの操作支援装置において、
   前記修正信号に基づいて前記立体マップを修正する修正部を備える冗長自由度ロボットアームの操作支援装置。
5. 形状計測センサによる形状データに基づいて作業空間の立体マップを生成するステップと、
   オペレータによる操作信号及び前記立体マップに基づいて前記作業空間に設置されたロボットアームの先端位置及び全体姿勢を制御する駆動信号を生成するステップと、
   前記ロボットアームに設けられたトルクセンサのトルク信号に基づいて演算した修正信号を用いて前記駆動信号を修正し障害物に倣う動作をさせるステップと、を備える冗長自由度ロボットアームの操作支援方法。
6. コンピュータに、
   形状計測センサによる形状データに基づいて作業空間の立体マップを生成するステップ、
   オペレータによる操作信号及び前記立体マップに基づいて前記作業空間に設置されたロボットアームの先端位置及び全体姿勢を制御する駆動信号を生成するステップ、
   前記ロボットアームに設けられたトルクセンサのトルク信号に基づいて演算した修正信号を用いて前記駆動信号を修正し障害物に倣う動作をさせるステップ、を実行させる冗長自由度ロボットアームの操作支援プログラム。

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