機械手臂的控制裝置的制作方法

專利名稱：機械手臂的控制裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及對家用機器人等能與人進行物理接觸的機器人的機械手臂(robot arm)進行控制的機械手臂的控制裝置及控制方法、具有機械手臂的控制裝置的機器人、以 及機械手臂的控制程序。
背景技術：
近年，寵物機器人等家用機器人的開發正在積極進行，可期待將來家務支援機器 人等更實用的家用機器人被實用化。家用機器人需要進入家庭與人類共存，因此，與人類的 物理接觸不可避免，從安全性方面考慮，需要柔韌性。針對這樣的課題，作為現有技術，在專利文獻1的特開平10-329071號公報中公 開了下述控制裝置，其中，檢測施加到機械手臂上的與人的接觸力，當向手施加了較大的力 時，減小復原力來提高安全性，當向手施加了微小的力時，增大復原力來確保動作精度。專利文獻1 特開平10-329071號公報但是，在上述現有的控制裝置中，由于僅當向機械手臂施加了較大的力時減小復 原力，因此，在用機械手臂把持盤子并在盤子上承載物體的情況等，因機械手臂與人的接觸 而機械手臂移動使盤子傾斜，存在盤子上承載的物體落下的危險。另外，當機械手臂把持著 硬物或具有尖角的物體時，若僅減小復原力，則因與人的接觸而硬物或有尖角的物體移動， 會撞擊到與機械手臂接觸的人、在附近的其他人、或者家具等其他物體，存在造成損傷的危 險。

發明內容
本發明的目的在于解決上述現有的控制裝置的課題，提供一種即使機械手臂與人 接觸也不會對人造成因接觸引起的損傷、且不會因接觸而機械手臂移動使把持物體落下或 與其他人或其他物體接觸帶來損傷的、能實現安全的機器人控制的、機械手臂的控制裝置 及控制方法、機器人、及機械手臂的控制程序。為實現上述目的，本發明按以下方式構成。根據本發明的第1形態，提供一種機械手臂的控制裝置，包括物體特性數據庫， 其記錄有與上述機械手臂所搬運的物體的搬運特性相關的信息；物體特性呼應阻抗設定單 元，其基于上述物體特性數據庫的上述信息，設定上述機械手臂的機械阻抗設定值；和阻抗 控制單元，其將上述機械手臂的機械阻抗的值控制為上述物體特性呼應阻抗設定單元所設 定的機械阻抗設定值。根據本發明的第17形態，提供一種機械手臂的控制方法，基于與上述機械手臂所搬運的物體的搬運特性相關的信息，設定上述機械手臂的機械阻抗設定值，將上述機械手 臂的機械阻抗的值控制為上述設定的上述機械阻抗設定值。根據本發明的第18形態，提供一種機器人，包括上述機械手臂；和對上述機械手 臂進行控制的第1 16的任一形態所記載的機械手臂的控制裝置。根據本發明的第19形態，提供一種機械手臂的控制程序，使計算機作為如下單元 發揮功能物體特性呼應阻抗設定單元，其基于與機械手臂所搬運的物體的搬運特性相關 的信息，設定上述機械手臂的機械阻抗設定值；和阻抗控制單元，其將上述機械手臂的機械 阻抗的值控制為上述物體特性呼應阻抗設定單元所設定的機械阻抗設定值。
(發明效果)根據本發明的機械手臂的控制裝置及具有機械手臂的控制裝置的機器人，通過包 括物體特性數據庫、物體特性呼應阻抗設定單元和阻抗控制單元，根據由機械手臂搬運的 物體的搬運特性，適當地設定機械手臂的機械阻抗設定值，因此，即使與人接觸也不會對人 造成因接觸引起的損傷、且不會因接觸而機械手臂移動使搬運的物體落下或與其他人或其 他物體接觸帶來損傷的、安全的機器人控制。另外，根據本發明的機械手臂的控制方法及程序，基于與上述機械手臂所搬運的 物體的搬運特性相關的信息，設定上述機械手臂的機械阻抗設定值，通過將上述機械手臂 的機械阻抗的值控制為上述設定的上述機械阻抗設定值，從而根據搬運的物體的搬運特 性，適當地設定機械手臂的機械阻抗設定值，因此，即使與人接觸也不會對人造成因接觸引 起的損傷、且不會因接觸而機械手臂移動使搬運的物體落下或與其他人或其他物體接觸帶 來損傷的、安全的機器人控制。


本發明的這些和其他目的與特征，通過針對附圖的與優選實施方式有關的以下描 述可以明確。在該附圖中，圖1是表示本發明的第一實施方式的控制裝置的概念的框圖；圖2是表示本發明的第一實施方式的機械手臂的控制裝置的硬件結構和作為控 制對象的機械手臂的詳細結構的圖；圖3是表示本發明的第一實施方式的控制裝置的阻抗控制單元的結構的框圖；圖4是說明物體特性數據庫的特性一覽表的圖；圖5是表示本發明的第一實施方式的控制裝置的阻抗控制單元中的控制程序的 動作步驟的流程圖；圖6是表示本發明的第一實施方式的控制裝置的整體動作步驟的流程圖；圖7A是說明本發明的第一實施方式的機械手臂的控制裝置的控制對象即機械手 臂的動作的圖；圖7B是說明本發明的第一實施方式的機械手臂的控制裝置的控制對象即機械手 臂的動作的圖；圖7C是說明本發明的第一實施方式的機械手臂的控制裝置的控制對象即機械手 臂的動作的圖；圖7D是說明本發明的第一實施方式的機械手臂的控制裝置的控制對象即機械手臂的動作的圖；圖8是說明物體特性數據庫的把持規則表的圖；圖9是說明本發明的第二實施方式的機械手臂的控制裝置的控制對象即機械手 臂所進行的把持動作的圖；圖10是說明物體特性數據庫的另一把持規則表的圖；圖11是說明本發明的第三實施方式的控制裝置的阻抗控制單元的結構的圖；圖12是說明本發明的第二實施方式的機械手臂的控制裝置的控制對象即機械手 臂所進行的其他把持動作的圖；
圖13是說明本發明的第一實施方式的機械手臂的控制裝置的目標軌道的圖；圖14是說明本發明的第一實施方式的物體特性收集單元的詳細情況的框圖；圖15是說明本發明的第一實施方式的機械手臂的控制裝置的效果的圖。
具體實施例方式下面，基于附圖，對本發明的實施方式進行詳細說明。在附圖中，對相同部件標注 了相同參照標記。以下，在參照附圖對本發明的實施方式進行詳細說明之前，對本發明的各種形態 進行說明。根據本發明的第1形態，提供一種機械手臂的控制裝置，包括物體特性數據庫， 其記錄有與上述機械手臂所搬運的物體的搬運特性相關的信息；物體特性呼應阻抗設定單 元，其基于上述物體特性數據庫的上述信息，設定上述機械手臂的機械阻抗設定值；和阻抗 控制單元，其將上述機械手臂的機械阻抗的值控制為上述物體特性呼應阻抗設定單元所設 定的上述機械阻抗設定值。根據本發明的第2形態，基于第1形態所述的機械手臂的控制裝置，其特征在于， 還包括物體特性收集單元，其收集與上述機械手臂所搬運的上述物體的搬運特性相關的信 息，并將收集到的與上述物體的搬運特性相關的信息記錄到上述物體特性數據庫中。根據本發明的第3形態，基于第1或第2形態所述的機械手臂的控制裝置，其特征 在于，上述阻抗控制單元具有對人或物體與上述機械手臂接觸的情況進行檢測的接觸檢測 單元，在上述機械手臂與上述人或物體接觸時，將上述機械手臂的機械阻抗的值控制為上 述物體特性呼應阻抗設定單元所設定的上述機械阻抗設定值。根據本發明的第4形態，基于第1或第2形態所述的機械手臂的控制裝置，其特征 在于，上述特性呼應阻抗設定單元基于上述物體特性數據庫的上述信息，對上述機械手臂 的手的并進方向及旋轉方向的六維方向的機械阻抗設定值分別進行設定。根據本發明的第5形態，基于第4形態所述的機械手臂的控制裝置，其特征在于， 上述特性呼應阻抗設定單元設上述手的上述并進方向為低剛性，設上述旋轉方向與上述并 進方向相比為高剛性，從而設定為使上述機械手臂所搬運的上述物體保持水平。根據本發明的第6形態，基于第1或第2形態所述的機械手臂的控制裝置，其特征 在于，上述物體特性數據庫具有上述機械手臂所搬運的上述物體的物理特性信息，上述特 性呼應阻抗設定單元基于上述物體特性數據庫的上述物理特性信息，設定上述機械阻抗設 定值。
根據本發明的第7形態，基于第1或第2形態所述的機械手臂的控制裝置，其特征 在于，上述物體特性數據庫具有上述機械手臂所搬運的上述物體的屬性信息，上述特性呼 應阻抗設定單元基于上述物體特性數據庫的上述屬性信息，設定上述機械阻抗設定值。根據本發明的第8形態，基于第6形態所述的機械手臂的控制裝置，其特征在于， 上述物體特性數據庫具有上述機械手臂所搬運的上述物體的重量信息來作為上述機械手 臂所搬運的上述物體的物理特性信息，上述特性呼應阻抗設定單元基于上述物體特性數據 庫的上述重量信息，設定上述機械阻抗設定值。根據本發明的第9形態，基于第6形態所述的機械手臂的控制裝置，其特征在于， 上述物體特性數據庫具有上述機械手臂所搬運的上述物體的尺寸信息來作為上述物理特 性信息，上述特性呼應阻抗設定單元基于上述尺寸信息，設定上述機械阻抗設定值。根據本發明的第10形態，基于第6形態所述的機械手臂的控制裝置，其特征在于， 上述物體特性數據庫具有上述機械手臂所搬運的上述物體的硬度信息來作為上述物理特 性信息，上述特性呼應阻抗設定單元基于上述物體特性數據庫的上述硬度信息，設定上述 機械阻抗設定值。
根據本發明的第11形態，基于第6形態所述的機械手臂的控制裝置，其特征在于， 上述物體特性數據庫具有上述機械手臂所搬運的上述物體的位置及姿勢的限制條件信息 作為上述物理特性信息，上述特性呼應阻抗設定單元基于上述物體特性數據庫的上述位置 及姿勢的限制條件信息，設定上述機械阻抗設定值。根據本發明的第12形態，基于第11形態所述的機械手臂的控制裝置，其特征在 于，上述物體特性數據庫所具有的物體的位置及姿勢的限制條件信息，是基于上述機械手 臂同時搬運的多個物體的位置及姿勢的相對關系而設定的上述物體的位置及姿勢的限制 條件信息。根據本發明的第13形態，基于第11形態所述的機械手臂的控制裝置，其特征在 于，上述物體特性數據庫所具有的物體的位置及姿勢的限制條件信息，是基于上述搬運的 物體的周圍環境信息而設定的上述物體的位置及姿勢的限制條件信息。根據本發明的第14形態，基于第7形態所述的機械手臂的控制裝置，其特征在于， 上述物體特性數據庫具有上述搬運的物體的危險度信息來作為上述物體的屬性信息，上述 特性呼應阻抗設定單元基于上述物體特性數據庫的上述危險度信息，設定上述機械阻抗設 定值。根據本發明的第15形態，基于第14形態所述的機械手臂的控制裝置，其特征在 于，上述物體特性數據庫所具有的危險度信息是基于上述搬運的物體的周圍環境信息而設 定的危險度信息。根據本發明的第16形態，基于第7形態所述的機械手臂的控制裝置，其特征在于， 上述物體特性數據庫具有上述搬運的物體的重要度信息來作為上述物體的屬性信息，上述 特性呼應阻抗設定單元基于物體特性數據庫的上述重要度信息，設定上述機械阻抗設定值。根據本發明的第17形態，提供一種機械手臂的控制方法，基于與上述機械手臂所 搬運的物體的搬運特性相關的信息，設定上述機械手臂的機械阻抗設定值，將上述機械手 臂的機械阻抗的值控制為上述設定的上述機械阻抗設定值。
根據本發明的第18形態，提供一種機器人，包括上述機械手臂；和對上述機械手 臂進行控制的第1 16的任一形態所記載的機械手臂的控制裝置。根據本發明的第19形態，提供一種機械手臂的控制程序，使計算機作為如下單元 發揮功能物體特性呼應阻抗設定單元，其基于與機械手臂所搬運的物體的搬運特性相關 的信息，設定上述機械手臂的機械阻抗設定值；和阻抗控制單元，其將上述機械手臂的機械 阻抗的值控制為上述物體特性呼應阻抗設定單元所設定的上述機械阻抗設定值。以下，基于附圖對本發明的實施方式的機械手臂的控制裝置及控制方法、機器人、 以及程序進行詳細說明。(第一實施方式)
圖1是表示本發明的第一實施方式的機械手臂的控制裝置1的概念的框圖。在圖 1中，2是物體特性數據庫，作為由后述的機械手臂5搬運的搬運物體例如一邊把持一邊搬 運的物體(把持物體)38的物體特性數據的一例，記錄有物理特性信息及屬性信息等搬運 特性信息例如把持特性信息，具有當被把持的物體38被確定時將該物體38的特性數據向 物體特性呼應阻抗設定單元3送出的功能。這里，物理特性信息是指，例如物體的形狀、大小(尺寸)、重量或溫度等從物理、 物性、幾何學上確定的特性信息。另外，物體的屬性信息是指，例如危險度或重要度等概念特性或由物理特性產生 的二次特性信息。3是物體特性呼應阻抗設定單元，基于與物體特性數據庫2的把持物體相關的特 性信息，進行機械手臂5的機械阻抗設定值、即剛性或粘性的設定值的設定。4是阻抗控制單元，按照成為物體特性呼應阻抗設定單元3所設定的機械阻抗設 定值的方式，進行對機械手臂5的各關節部的機械阻抗的值進行控制的阻抗控制動作。圖2是表示機械手臂的控制裝置1的硬件結構和作為控制對象的機械手臂5的詳 細結構的圖。控制裝置1從硬件上由一般的個人計算機構成，除物體特性數據庫2、物體特性呼 應阻抗設定單元3和阻抗控制單元4的輸入輸出IF (接口)19之外的部分，作為由個人計 算機執行的控制程序17而以軟件實現。輸入輸出IF19由與個人計算機的PCI總線等的擴展槽連接的、D/A板20、A/D板 21、計數器板22構成。通過執行用于控制機械手臂5的動作的控制程序17而控制裝置1發揮功能，機械 手臂5的各關節部的由后述的編碼器43輸出的關節角度信息通過計數器板22被取入到控 制裝置1中，通過控制裝置1算出各關節部的旋轉動作中的控制指令值。算出的各控制指 令值通過D/A板20被施加到馬達驅動器18，按照從馬達驅動器18送出的各控制指令，對機 械手臂5的各關節部的后述的馬達42進行驅動。另外，手(hand)6中還包括作為由馬達 驅動器18驅動控制的手驅動裝置的一例的手驅動用馬達62 (實際上配置在機械手臂5的 手6的內部)、對手驅動用馬達62的旋轉軸的旋轉相位角(即關節角)進行檢測的編碼器 63 (實際上配置在機械手臂5的手6的內部)，基于由編碼器63檢測出的旋轉角度，根據來 自控制裝置1的阻抗控制單元4的手控制單元200的控制信號，通過馬達驅動器18對手驅 動用馬達62的旋轉進行驅動控制，使手驅動用馬達62的旋轉軸正反旋轉，從而能使手6張開閉合。機械手臂5是六個自由度的多連桿操縱器(link manipulator)，具有手6、具有 安裝手6的手腕部7的前臂連桿8、與前臂連桿8可旋轉地連接的上臂連桿9、可旋轉地連 接支承上臂連桿9的底座部10。該底座部10可固定在一定位置，也可與能移動的移動裝置 連接而可移動。手腕部7具有第四關節部14、第五關節部15、第六關節部16三個旋轉軸， 可改變手6相對于上臂連桿9的相對姿勢(朝向)。即，在圖2中，第四關節部14可改變 手6相對于手腕部7的繞橫軸的相對姿勢，第五關節部15可改變手6相對于手腕部7的繞 與第四關節部14的橫軸垂直的縱軸的相對姿勢，第六關節部16可改變手6相對于手腕部 7的繞與第四關節部14的橫軸及第五關節部15的縱軸分別垂直的橫軸的相對姿勢。前臂 連桿8的另一端相對于上臂連桿9的前端，可繞第三關節部13即與第四關節部14的橫軸 平的橫軸旋轉，上臂連桿9的另一端相對于底座10，可繞第二關節部12即與第四關節部14 的橫軸平行的橫軸旋轉，底座10的上側可動部相對于底座10的下側固定部，可繞第一關節 部11即與第五關節部15的縱軸平行的縱軸旋轉。結果，機械手臂5共計可繞六個軸旋轉， 構成上述六個自由度的多連桿操縱器。構成各軸的旋轉部分的各關節部中包括設置在各關節部的一方的部件中且作為 由馬達驅動器18驅動控制的旋轉驅動裝置的一例的馬達42 (實際上配置在機械手臂5的 各關節部的內部)、和對馬達42的旋轉軸的旋轉相位角(即關節角)進行檢測的編碼器 43(實際上配置在機械手臂5的各關節部的內部)，設置在一方的部件中的馬達42的旋轉 軸與另一方部件連接，通過使上述旋轉軸正反旋轉，從而使 另一方部件能相對于一方部件 繞各軸旋轉。35是相對于底座10的下側固定部固定了相對位置關系的絕對坐標1系，36是相 對于手6固定了相對位置關系的手坐標系。將從絕對坐標系35觀察的手坐標系36的原點 位置0e(X，y，z)作為機械手臂5的手位置，將用滾轉角、螺旋角和偏轉角表現從絕對坐標系 35觀察的手坐標系36的姿勢的(Φ，θ，ψ)作為機械手臂5的手姿勢，將手位置及姿勢向 量定義為向量r= [x，y，z，Φ，θ , ψ]τ。因此，作為一例，優選第一關節部11的縱軸相對 于絕對坐標系35的ζ軸平行，第二關節部12的橫軸位于相對于χ軸平行的位置。另外，優 選第六關節部16的橫軸相對于手坐標系36的χ軸平行，第四關節部14的橫軸位于相對于 y軸平行的位置，第五關節部15的縱軸位于相對于ζ軸平行的位置。此外，設相對于手坐標 系36的χ軸的旋轉角為偏轉角Ψ，設相對于y軸的旋轉角為螺旋角θ，設相對于ζ軸的旋 轉角為滾轉角Φ。在控制機械手臂5的手位置及姿勢時，使手位置及姿勢向量r追隨手位 置及姿勢目標向量rd。50是物體特性收集單元，收集由機械手臂5把持的物體的特性數據，輸入到物體 特性數據庫2中進行更新。具體而言，物體特性收集單元50如后面所述，分別輸入來自照 相機等圖像攝像裝置44的圖像數據、由讀取單元34(例如RF標識(tag)接收機54)讀取 的把持物體38的RF標識33的信息、通過網絡46從位于外部的網絡服務器的物品信息數 據庫47獲得的物體特性數據，并將輸入的數據或信息適當輸入到物體特性數據庫2中進行 更新。另外，在物體特性收集單元50上連接計數板22，還輸入從機械手臂5的各關節部的 編碼器43輸出的關節角度信息、和來自阻抗控制單元4的物體重量等信息。在圖14中表示物體特性收集單元50的詳細情況。
45是圖像識別單元，根據照相機等圖像攝像裝置44的圖像數據進行圖像識別，提 取把持物體38的尺寸，輸出到物體特性數據庫2中。另外，圖像識別單元45向后述的作為 搬運狀態檢測單元的一例的把持狀態檢測單元53輸出根據圖像識別單元45的圖像識別結 果得到的多個把持物體的相對位置關系。48是物體重量推斷單元，進行把持物體38的重量的推斷。例如，在機械手臂5的 手腕部7配置有力傳感器的情況下，機械手臂5將從把持物體并處于靜止狀態時的力傳感 器的測量值中減去手6的重量后的值作為物體重量。另外，當利用后述的力推斷單元24 時，機械手臂5從力推斷單元24獲得把持物體并處于靜止狀態時的各關節部處產生的轉矩 τ ext,并根據機械手臂的運動方程來求取機械手臂5保持該位置及姿勢所需的轉矩，將相減 后的轉矩值換算成作用在手上的力，作為物體重量。 49是屬性數據輸入IF (接口)，是人使用鍵盤、鼠標或話筒等輸入裝置輸入屬性數 據(屬性信息)用的接口。51是干擾判斷單元，根據機械手臂5的周圍環境中存在的墻壁或家具等的配置信 息的地圖、即環境圖數據庫52中存儲的環境圖信息和從阻抗控制單元4輸入的機械手臂5 的位置及姿勢信息，判斷機械手臂5與墻壁或家具等的干擾關系，進行物體特性數據庫2的 屬性信息的設定、變更。53是作為搬運狀態檢測單元的一例的把持狀態檢測單元，當同時把持多個把持物 體時，從根據圖像識別單元45的圖像識別結果獲得的多個把持物體的相對位置關系的信 息、由RF標識接收機54獲得的把持物體的ID編號等的ID信息(ID數據)的組合的信息， 推斷把持狀態來進行檢測。把持狀態檢測單元53具有表示物體彼此的組合和把持狀態的 關系的把持狀態表，在得到了 ID信息的組合的情況下，參照把持狀態表，推斷把持狀態。例 如是盤子與其他物體的組合的情況下，把持狀態表中記錄有多條在盤子上載置了物體的把 持狀態等的一般把持規則。這樣，物體特性收集單元50包括與照相機等圖像攝像裝置44和物體特性數據庫 2連接的圖像識別單元45 ；與阻抗控制單元4和物體特性數據庫2連接的物體重量推斷單 元48 ；與阻抗控制單元4和物體特性數據庫2連接的干擾判斷單元51 ；與干擾判斷單元51 連接的環境圖數據庫52 ；與物體特性數據庫2和鍵盤、鼠標或話筒等輸入裝置(未圖示) 連接的屬性數據輸入IF (接口)49 ；以及與RF標識接收機54、圖像識別單元45和物體特性 數據庫2連接的把持狀態檢測單元53 ；由各個單元或部件發揮各自的功能，并且具有如下 功能將由RF標識接收機54讀取的把持物體38的RF標識33的信息輸入到物體特性數據 庫2中，并通過網絡46訪問位于外部的TOB的物品信息數據庫47后將物體特性數據輸入 到物體特性數據庫2中。接著，對物體特性數據庫2的詳細情況進行說明。在物體特性數據庫2中，預先登 記有例如設置了機械手臂5的室內存在的各種物體38所相關的信息。在各物體38中配置 有RF標識33，在RF標識33中記錄有各自的ID編號等的ID信息。在機械手臂5的手6中 配置有RF標識33的讀取單元34(例如，RF標識接收機54)，根據來自控制裝置1的阻抗控 制單元4的控制信號，經馬達驅動器18通過手驅動用馬達62的旋轉驅動控制使手6張開 閉合，當機械手臂5的手6對物體38進行把持時，由讀取單元34讀取被把持的物體38的 RF標識33的信息，并由讀取單元34確定所把持的物體38的ID編號是多少，將被把持的物體38的ID編號通過物體特性收集單元50輸入到物體特性數據庫2中。然后，物體特性數 據庫2將被確定的ID編號所對應的物體38的特性數據向物體特性呼應阻抗設定單元3送
出ο在物體特性數據庫2所保持的信息中，以圖4所示的物理特性信息和屬性信息的 特性一覽表30的形式記錄有每個物體的特性數據。每個物體的特性數據如圖4所示，由每 個物體的ID編號、作為與ID編號相當的物理特性信息的一例的物體的重量信息、尺寸信 息、及硬度信息、以及作為屬性信息的一例的物體的危險度信息構成。預先測定和評價這些 重量信息、尺寸信息、硬度信息、危險度信息的數據，并存儲到物體特性數據庫2中作為數 據庫。關于物體特性數據庫2的尺寸信息，若設置圖像攝像裝置44及圖像識別單元45， 則 基于由該圖像攝像裝置44獲得的圖像數據，利用圖像識別單元45進行圖像識別，從而得 到物體38的尺寸，將尺寸信息重新存入物體特性數據庫2中或還可進行更新。 關于物體特性數據庫2的重量信息，可在機械手臂5的手腕部7配置力傳感器，或 利用后述的推斷單元24通過物體重量推斷單元48來推斷機械手臂5所把持的物體38的 重量，可將重量信息重新蓄積到物體特性數據庫2中。另外，例如，當對機械手臂5所把持 的鍋注入水時，還可由物體重量推斷單元48對由注入的水引起的物體的重量的增加進行 推斷，因此，也能應對由重量增減引起的重量信息的更新。關于物體特性數據庫2的硬度信息，根據把持物體38的硬度進行等級1 5的5 級評價。評價值基于物體38的材質進行評價并作為硬度信息進行記錄，例如，由金屬形成 的物體為硬度最高的“等級5”，由塑料等樹脂形成的物體為中度的“等級3”，由紙或毛巾等 柔軟物體形成的物體為硬度最低的“等級1”。另外，硬度還可從容易被破壞的程度的觀點 來評價。考慮將如玻璃杯或陶瓷器那樣與其他物體碰撞即破裂的危險高的物體設為“等級 5”。這些硬度信息預先由人進行判斷、或根據物體的RF標識33中記錄的ID信息自動判斷， 進行等級的評價和設定，并通過屬性數據輸入IF49進行向物體特性數據庫2的輸入。關于物體特性數據庫2的危險度信息，例如，進行等級1 5的5級評價。作為評 價值的具體例子，將如刃具那樣危險性高、認為由機械手臂5處理時最需要注意的物體設 為危險度最高的“等級5”，將如書籍或毛巾等輕薄柔軟、認為即使與人碰撞也完全不會帶來 危險的物體設為危險度最低的“等級1”。這些危險度信息預先由人進行判斷，進行等級的 評價和設定，并通過屬性數據輸入IF49進行向物體特性數據庫2的輸入。或者，對由干擾 判斷單元51判斷為應把持的物體38位于壁面或家具等附近、存在應把持的物體38與壁面 或家具等的干擾的危險的把持物體，將危險度設定得較高。這里，關于應把持的物體38是 否位于壁面或家具等附近，例如在環境圖數據庫52所存儲的環境圖信息中還存儲了應把 持物體38的位置信息的情況下，從環境圖數據庫52取入該位置信息即可，當環境圖數據庫 52中未存儲這樣的位置信息的情況下，也可由照相機等圖像攝像裝置44對要把持物體38 進行攝像，并由圖像識別單元45對所取得的圖像進行圖像識別，暫時存儲到物體特性數據 庫2中，然后參照所存儲的圖像識別結果，由干擾判斷單元51推定判斷應把持物體38的位 直fe息。進而，例如，如圖9所示，在由機械手臂5把持盤子39、盤子39上載置了杯子40這 樣的把持狀態的情況下，因機械手臂5與人(例如手100)的接觸而使盤子39傾斜，則存在杯子40如箭頭101所示那樣從盤子39落下的危險，因此，在使用了由RF標識接收機54得 到的RF標識33的ID編號等ID信息進行把持物體的檢測中，在盤子39的RF標識33和杯 子40的RF標識33同時被RF標識接收機54檢測到的情況下，或者，在根據圖像識別單元 45的圖像識別結果得到盤子39上載置了杯子40的信息作為相對位置關系信息的情況下， 若在盤子39上載置杯子40地進行搬運，則由把持狀態檢測單元53進行推斷并將危險度設 定得較高(參照圖14)。另外，物體特性數據庫2的所有信息還可由物體特性收集單元50通過網絡46，對 位于外部網絡服務器等的物品信息數據庫47進行訪問來獲得物體特性數據，從而對物體 特性數據庫2內的各信息進行更新。接著，對物體特性呼應阻抗設定單元3的詳細情況進行說明。在物體特性呼應阻 抗設定單元3中，基于物體特性數據庫2的搬運特性信息，根據所把持的物體38，進行機械 手臂5的機械阻抗設定值的設定。作為機械阻抗設定值的設定參數，存在慣性M、粘性D和 剛性K。機械阻抗設定值的各參數的設定基于以下評價式來進行。
[數學式1]M = KMmX (重量[kg]) +KMl X (尺寸[m]) +KMkX (硬度)+KMdX (危險度)……式(1)[數學式2]D = KDmX (重量[kg])+KDl X (尺寸[m]) +KDk X (硬度)+KDd X (危險度)……式(2)[數學式3]K = KKmX (重量[kg]) +KKl X (尺寸[m]) +KKk X (硬度)+KKd X (危險度)……式(3)上述式(1) (3)中的KMm、KMl、KMk、KMcU KDm、KDl、KDk、KDcU KKm、KKl、KKk、KKd
是增益，分別為某一常數值。物體特性呼應阻抗設定單元3向阻抗設定單元4輸出基于上述式(1)、(2)、(3)計 算出的機械阻抗參數的慣性M、粘性D和剛性K。根據上述式(1) (3)，通過適當設定增益KMm等，例如，對重量大的物體根據式 (1)將慣性M設定得較大，使機械手臂5具有與把持物體38的重量成正比的重量感，結果， 在使機械手臂5移動時需要較大的力，即使稍微用手推動機械手臂5其也不會移動(產生 的加速度小)。反之，對重量輕的物體根據式(1)將慣性M設定得較小，使機械手臂5具有與 把持物體38的重量成正比的重量感，結果，以較弱的力就能容易地使機械手臂5移動(產 生的加速度大)。另外，在如刃具那樣危險度設定得較高的物體的情況下，粘性D和剛性K 被設定得較大，在機械手臂5的移動中會產生阻力感或硬度，不易移動。反之在如毛巾那樣 危險度設定得較低的物體的情況下，粘性D和剛性K被設定得較小，在機械手臂5的移動中 不存在阻力感和硬度，容易移動。在同時把持有多個物體時，關于重量使用將同時把持的物體的重量相加后的總重 量，進行機械阻抗設定值的計算。另外，關于尺寸，使用同時把持的物體的尺寸中最大的尺寸進行機械阻抗設定值 的計算。
另外，關于硬度，使用同時把持的物體的硬度中最大的硬度進行機械阻抗設定值 的計算。另外，關于危險度，使用同時把持的物體的危險度中最大的危險度進行機械阻抗 設定值的計算。圖3中表示阻抗控制單元4的框圖。阻抗控制單元4將上述機械手臂的機械阻抗 的值控制為基于由物體特性呼應阻抗設定單元3設定的慣性M、粘性D和剛性K的設定值 而設定的機械手臂5的機械阻抗設定值。接著，使用圖3，對阻抗控制單元4的詳細情況進行說明。在圖3中，5是作為控制 對象的圖2所示機械手臂。從機械手臂5輸出由各個關節軸的編碼器43測量的關節角的 當前值(關節角度向量)向量q= [Q1, q2，q3，q4，q5，q6]T，并通過計數板22取入到阻抗控 制單元4中。其中，qi、q2、q3、q4、q5、q6分別是第一關節部11、第二關節部12、第三關節部 13、第四關節部14、第五關節部15、第六關節部16的關節角度。23是目標軌道生成單元，輸出用于實現作為目標的機械手臂5的動作的手位置及 姿勢目標向量rd。如圖13所示，作為目標的機械手臂5的動作根據目的作業，事前被賦予 各自的時間(t = 0，t = t1; t = t2，…)的按每個點的位置(rdQ，rdl, rd2,…)，目標軌道 生成單元23使用多項式插值，補充各點間的軌道，來生成手位置及姿勢目標向量rd。
24是輸入推斷單元，推斷由人等與機械手臂5的接觸而對機械手臂5施加的外 力。通過A/D板21，將由馬達驅動器18的電流傳感器測量的、對機械手臂5的各關節部進 行驅動的馬達42中流動的電流值i = [ii; i2, i3，i4，i5，i6]T取入到力推斷單元24中，另 夕卜，通過計數板22取入關節角的當前值q，并且，取入來自后述的近似逆運動學(inverse kinematics)計算單元28的關節角度誤差補償輸出U(ie。力推斷單元24發揮觀測器的功 能，根據以上的電流值i、關節角的當前值q、關節角度誤差補償輸出U-算出因施加到機械 手臂5的外力而在各關節部產生的轉矩τ
ext 一 L T Iext，T 2ext，T 3ext，T 4ext，T 5ext，T 6ext」0
然后，根據Frart = Jv(q)_T τ -
Τ換算成機械手臂5的手的等效手外力Frart并輸出。 這里，Jv(q)是滿足下式的雅可比矩陣。[數學式4]v-Jv (q) q其中，ν= [vx, vy, νζ, ωχ，coy，ωζ]τ，(vx, Vy, vz)是手坐標系 36 下的機械手臂 5 的 手的并進速度，(ωχ，coy，ωζ)是手坐標系36下的機械手臂5的手的角速度。另外，m是所 把持的物體的質量，g是所把持的物體的重力加速度。把持物體的質量m的值可從物體特 性數據庫2獲得。另外，也可由機械手臂5實際進行把持，根據此時的力推斷單元24的等 效手外力Frart的推斷結果，算出把持物體的質量m的值。37是接觸檢測單元，對力推斷單元24所推斷的等效手外力Frait進行觀測，檢測機 械手臂5與人或其他物體的接觸。由于在發生接觸時等效手外力Frait會變化，因此，當該變 化量超過某一值AF時，由接觸檢測單元37檢測到發生了接觸。當由接觸檢測單元37檢 測到接觸時，接觸檢測單元37向阻抗計算單元25通知檢測到接觸的事實。阻抗計算單元25是對機械手臂5發揮實現控制上述機械手臂的機械阻抗的值向 機械阻抗設定值的功能的部分，在接觸檢測單元37未檢測到機械手臂5與人或其他物體的 接觸的通常動作時輸出0。另一方面，當由接觸檢測單元37檢測到機械手臂5與人或其他物體的接觸，并從接觸檢測單元37收到接觸的通知時，根據由物體特性呼應阻抗設定單元 3設定的阻抗參數即慣性M、粘性D、剛性K、關節角的當前值q、由力推斷單元24推斷出的外 力Frat，基于以下的式(4)來計算對機械手臂5實現上述機械手臂的機械阻抗的值向機械阻 抗設定值的控制用的手位置及姿勢目標修正輸出rd,并輸出。手位置及姿勢目標修正輸出 rd.被加到目標軌道生成單元23所輸出的手位置及姿勢目標向量rd上，生成手位置及姿勢 目標修正向量rdm。26是正運動學(forward kinematics)計算單元，將來自機械手臂5的各個關節軸 的編碼器43所測量的關節角的當前值q、即關節角度向量q通過計數板22輸入，進行從機 械手臂5的關節角度向量q向手位置及姿勢向量r的變換的幾何科學計算。27是位置誤差補償單元，被輸入根據在機械手臂5中測量的關節角度向量q由正 運動學計算單元26計算的手位置及姿勢向量r、與手位置及姿勢修正目標向量rdm之間的 誤差re,向近似逆運動學計算單元28輸出位置誤差補償輸出Hre0
在近似逆運動學計算單元28中，根據近似式u。ut = J,，進行逆運動學的近 似計算。其中，Jjq)是滿足下式的雅可比矩陣，[數學式9] r = J r (q) qUin是向近似逆運動學計算單元28的輸入，u。ut是來自逆運動學計算單元28的輸 出，若將輸入Uin作為關節角度誤差。則成為如qe = Jr (q) ^re那樣從手位置及姿勢誤差re 向關節角度誤差的變換式。因此，當位置誤差補償輸出被輸入到近似逆運動學計算 單元28中，則作為其輸出，從近似逆運動學計算單元28輸出對關節角度誤差qe進行補償 用的關節角度誤差補償輸出關節角度誤差補償輸出Uqe通過D/A板20被賦予到馬達驅動器18作為電壓指令 值，通過各馬達42而各關節軸被正反旋轉驅動，從而機械手臂5動作。關于如上那樣構成的阻抗控制單元4，對機械手臂5的阻抗控制動作的原理進行 說明。阻抗控制動作的基礎是由位置誤差補償單元27進行的手位置及姿勢誤差re的反 饋控制(位置控制)，圖3的虛線所包圍的部分為位置控制系統29。作為位置誤差補償單 元27，例如若使用PID補償器，則按照使手位置及姿勢誤差re收斂到0的方式進行控制，可 實現作為目標的機械手臂5的阻抗控制動作。在由接觸檢測單元37檢測到機械手臂5與人或其他物體的接觸的情況下，通過阻 抗計算單元25對上述說明過的位置控制系統29加上手位置及姿勢目標修正輸出，進行 手位置及姿勢的目標值的修正。為此，上述的位置控制系統29使手位置及姿勢的目標值稍 稍偏離原來的值，結果，實現將上述機械手臂5的機械阻抗的值控制在上述適當設定的設 定值的動作。由于根據式(4)能算出手位置及姿勢目標修正輸出rd,，因此，能實現將上述 機械手臂5的慣性M、粘性D、剛性K的機械阻抗的值控制在上述適當設定的設定值的動作。結合圖5的流程圖，對基于以上原理的控制程序的實際動作步驟進行說明。在步驟1中，將由各個編碼器43測量的關節角度數據(關節變量向量或關節角度 向量q)取入到控制裝置1內。接著，在步驟2中，由近似逆運動學計算單元28進行機械手臂5的運動學計算所 需要的雅可比矩陣^等的計算。然后，在步驟3 (正運動學計算單元26中的處理)中，通過正運動學計算單元26， 根據來自機械手臂5的關節角度數據(關節角度向量q)，計算機械手臂5的當前的手位置 及姿勢向量r。接著，在步驟4中，基于控制裝置1的存儲器(未圖示)中預先存儲的機械手臂5 的動作程序，通過目標軌道生成單元23計算機械手臂10的手位置及姿勢目標修正輸出rd。然后，在步驟5 (力推斷單元24中的處理)中，通過力推斷單元24，根據馬達42的 驅動電流值i、關節角度數據(關節角度向量q)、關節角度誤差補償輸出U-算出機械手臂 5的手處的等效手外力Fext。接著，在步驟6 (接觸檢測單元37中的處理)中，根據由力推斷單元24計算出的 機械手臂5的手處的等效手外力Frait,判斷機械手臂5與人或其他物體有無接觸，在由接觸 檢測單元37檢測到有接觸的情況下進入步驟7，在檢測到無接觸的情況下進入步驟7’的處理。然后，在步驟7 (阻抗計算單元25中的處理)中，當由接觸檢測單元37檢測到機 械手臂5與人或其他物體的接觸的情況下，根據由物體特性呼應阻抗設定單元3設定的機 械阻抗參數的慣性M、粘性D、剛性K、關節角度數據(關節角度向量q)、由力推斷單元24計 算出的施加到機械手臂5的等效手外力Frart,由阻抗計算單元25計算手位置及姿勢目標修 正輸出rd,。然后，進入到步驟8。在步驟V (阻抗計算單元25中的處理)中，在由接觸檢測單元37檢測到機械手 臂5與人或其他物體無接觸的情況下，由阻抗計算單元25使手位置及姿勢目標修正輸出
為0向量。然后，進入到步驟8。
在步驟8 (位置誤差補償單元27中的處理)中，由位置誤差補償單元27計算手位 置及姿勢目標向量rd與手位置及姿勢目標修正輸出之和即手位置及姿勢修正目標向量 Tdffl、與當前的手位置及姿勢向量r之差即手位置及姿勢的誤差作為位置誤差補償單元 27的具體例，考慮PID補償器。通過適當調整作為常數的對角矩陣的比例、微分、積分三個 增益，進行使位置誤差收斂到0的控制。接著，在步驟9 (近似逆運動學計算單元28中的處理)中，通過近似逆運動學計算 單元28乘以步驟2中計算出的雅可比矩陣J,的逆矩陣，從而將位置誤差補償輸出U,e通過 近似逆運動學計算單元28從與手位置及姿勢的誤差相關的值變換為與關節角度的誤差相 關的值即關節角度誤差補償輸出然后，在步驟10中，關節角度誤差補償輸出Uqe從近似逆運動學計算單元28通過 D/A板20被賦予到馬達驅動器18，通過使各個馬達42中流動的電流量變化，產生機械手臂 5的各個關節軸的旋轉運動。以上的步驟1 步驟10作為控制的計算循環被反復執行，從而可實現機械手臂5 的動作的控制、即將機械手臂5的機械阻抗的值控制為上述適當設定的設定值的動作。接著，針對本發明的第一實施方式的控制裝置1的整體動作，基于圖6的流程圖， 作為一個具體例，對由機械手臂5 —邊把持物體38 —邊進行搬運的作業進行說明。首先，在步驟A中，通過目標軌道生成單元23生成由機械手臂5的手6對物體38 進行把持用的目標軌道，根據通過圖5所示的步驟7’的控制流程來執行機械手臂5的手位 置及姿勢的控制，并且，通過控制裝置1驅動控制手驅動用馬達62，在使手6張開的狀態下 靠近物體38，使手6位于能對物體38進行把持的位置，然后閉合手6來把持物體38，從而 可實現物體38的把持動作(參照圖7A所示的把持動作)。此外，在生成上述目標軌道時所 需要的、要把持的物體38的位置信息如上所述被預先存儲到環境圖數據庫52中，或者，可 利用圖像攝像裝置44和圖像識別單元45取得。由此，在機械手臂5固定的情況下，可由目 標軌道生成單元23根據機械手臂5被固定的位置的信息和上述要把持的物體38的位置信 息來生成對物體38進行把持用的目標軌道。另外，在通過移動裝置等使機械手臂5移動的 情況下，例如可利用圖像攝像裝置44和圖像識別單元45適當取得機械手臂5相對于基準 位置的當前位置信息，由目標軌道生成單元23根據所取得的當前位置信息和上述要把持 的物體38的位置信息來生成對物體38進行把持用的目標軌道。接著，在步驟B中，通過手6中配置的RF標識接收機54讀取物體38中配置的RF 標識33的信息，由RF標識接收機54確定物體38的ID編號等ID信息。
然后，在步驟C中，根據由RF標識接收機54讀取的ID編號等ID信息，從物體特 性數據庫2中讀出物體38的重量、尺寸等特性數據，并從物體特性數據庫2中向物體特性 呼應阻抗設定單元3傳輸。接著，在步驟D中，在物體特性呼應阻抗設定單元3中，基于從物體特性數據庫2 傳輸來的特性數據，根據上述式(1) 式(3)，計算與物體38呼應的機械阻抗設定值。然后，在步驟E中，通過目標軌道生成單元23生成由機械手臂5的手6 —邊對物 體38進行把持一邊進行搬運用的目標軌道，根據通過圖5所示的步驟7’的控制流程來執 行機械手臂5的手位置及姿勢的控制，從而實現搬運動作(參照圖7B中箭頭所示的搬運動 作)。
接著，在步驟F中，由接觸檢測單元37檢測(接觸檢測單元37中的檢測動作)機 械手臂5是否未與人或其他物體接觸、在由接觸檢測單元37未檢測到接觸的情況下使動作 轉移到步驟G，在由接觸檢測單元37檢測到接觸的情況下(在檢測到圖7C所示的手100與 機械手臂5的接觸動作的情況下)使動作轉移到步驟H。在步驟G中，由目標軌道生成單元23進行搬運動作是否完成的判定。在搬運動作 尚未完成的情況下，繼續進行到目標位置為止的目標軌道的計算，繼續進行搬運動作，另一 方面，在搬運動作已完成的情況下，到目標位置為止的目標軌道的計算完成，輸出目的地的 位置作為rd，并且，在機械手臂5的實際的手位置r與rd近似一致的情況下，判斷為到達了 目標位置。在物體38被向目標位置即目的地搬運并且搬運完成的情況下，轉移到步驟I。 在搬運動作未完成處于搬運中途的情況下，繼續進行步驟E的搬運動作。在步驟H中，通過阻抗控制單元4進行阻抗控制動作，將上述機械手臂的機械阻抗 的值控制為在物體特性呼應阻抗設定單元3中計算的機械阻抗設定值(阻抗控制單元4中 的動作)，在接觸檢測單元37進行接觸檢測的期間繼續進行阻抗控制動作。在步驟I中，若把持物體38的搬運完成，則通過控制裝置1的控制而機械手臂5 的手6張開，物體38從把持狀態被釋放(參照圖7D所示的把持解除動作)。接著，在步驟J中，由目標軌道生成單元23向阻抗計算單元25輸出動作完成告知 信號201，由阻抗計算單元25清除所設定的機械阻抗設定值。通過以上的動作步驟A 步驟J，實現由機械手臂5進行的物體的搬運作業，在由 接觸檢測單元37檢測到接觸的情況下，實現向阻抗控制動作的切換。如上所述，通過包括物體特性數據庫2、物體特性呼應阻抗設定單元3和阻抗控制 單元4，在由接觸檢測單元37檢測到機械手臂5與人或其他物體接觸時，從剛性高的位置控 制的狀態迅速轉移到阻抗控制的狀態，從而可確保安全性(換而言之，轉移到能充分發揮 柔韌性的狀態，通過與人接觸，機械手臂5柔韌地移動從而可發揮安全性)，并且，能根據把 持物體的特性而適當改變機械手臂5的機械阻抗設定值。具體而言，例如，在盤子上載置杯 子進行搬運時，由于控制為即使與人接觸而機械手臂5柔韌地移動也要維持手的姿勢，因 此，盤子被維持水平，不會使杯子落下。因此，如圖15所示，相對于機械手臂5的手的目標軌道TA，當由接觸檢測單元37 檢測到與人(例如，手100)的接觸時，在沒有進行適當的機械阻抗設定值的設定的情況下， 則成為如軌道TC所示，有可能產生機械手臂5的手6所把持的物體38或手6與家具55等 其他物體碰撞，相對于此，在如上述第一實施方式那樣進行適當的阻抗設定值的設定的情況下，如軌道TB所示，可減小從目標軌道TA的偏離量，能避免機械手臂5的手6所把持的物體38或手6與家具55等其他物體碰撞的危險。例如，由于可根據把持物體38的重量來改變機械手臂5的機械阻抗設定值，因此， 若由物體特性呼應阻抗設定單元3按照與重量成正比的方式設定剛性K，S卩，由物體特性呼 應阻抗設定單元3將增益KKm設定為KKm > 0，則在由手6把持重物38時，可增強彈性、增 大阻力，所以，在人用手100推動機械手臂5時，達到所需程度以上才能使機械手臂5移動， 從而可降低所把持的重物38與其他家具55等其他物體或平面等碰撞的危險性。另外，若通過物體特性呼應阻抗設定單元3按照與把持物體38的重量成比例的方 式較大地設定慣性M,即，由物體特性呼應阻抗設定單元3將增益KMm設定為KMm > 0，則在 人用手100推動機械手臂5時，人可感覺到物體38的重量的感覺，因此，可防止不必要地施 力推動。另外，對于作為把持物體38的例子，如刃具那樣被設定為危險度高的“等級5”的 物體38而言，例如，若由物體特性呼應阻抗設定單元3將增益KDd的設定值設定得較大，則 粘性D會通過物體特性呼應阻抗設定單元3根據危險度較大地設定，從而對機械手臂5產 生由粘性引起的阻力，可防止與人接觸而刃具等不小心被移動的危險性，由此可提高安全 性。另外，作為把持物體38的例子，在一邊把持盛有熱水的鍋一邊進行搬運的情況 下，例如，在機械手臂5的手附近配置紅外線傳感器(未圖示)，通過由紅外線傳感器檢測溫 度來檢測高溫，由物體特性呼應阻抗設定單元3將物體特性數據庫2的危險度數據設為危 險度最高的“等級5”。通過這樣進行設定，物體特性呼應阻抗設定單元3及阻抗控制單元 4增大粘性，將機械手臂5控制為不易移動，因此，即使被人用手推動，也能防止機械手臂劇 烈移動而使熱水飛濺。如上所述，根據本發明的第一實施方式的控制裝置1，即使與人接觸，也不會對人 造成因接觸引起的損傷，并且，可提供不會因接觸而機械手臂5移動使把持物體38落下或 與其他人或其他物體接觸帶來損傷的、能實現安全的機器人控制的控制裝置。(第二實施方式)由于本發明的第二實施方式中的機械手臂的控制裝置的基本結構與圖1、圖2所 示的第一實施方式的情況相同，因此，省略公共部分的說明，以下僅對不同部分進行詳細說 明。圖8是說明物體特性數據庫2的把持規則的圖。物體特性數據庫2除圖4所示的 特性一覽表30之外，還具有圖8所示的記載了物體的位置及姿勢的限制條件信息的把持規 則表31。把持規則表31中存在位置維持、姿勢維持、高度維持的項目，針對各個項目預先記 錄有1或0的數值。當姿勢維持的項目為1時，表示存在不使物體姿勢移動地進行固定的姿勢的限制 條件的信息，機械手臂5的手6的手指的旋轉(Φ，θ，ψ)方向的機械阻抗設定值由物體特 性呼應阻抗設定單元3設定得較大，手6的姿勢被控制為不易變動。例如，如圖9所示，在用手6把持盤子39、且所把持的盤子39上載置有杯子40這 樣的把持狀態下，存在因機械手臂5與人接觸而盤子39傾斜杯子40如箭頭101那樣落下 的危險，因此，為了維持手6的姿勢，使盤子39保持水平，從而將把持規則表31的姿勢維持的項目設定為1。把持規則表31的項目的設定基于把持狀態檢測單元53的檢測結果進行。例如， 在由RF標識接收機54檢測到盤子39和杯子40的情況下，參照把持狀態表，推斷出是在盤 子39上載置有杯子40的把持狀態，從而將把持規則表31的姿勢維持的項目設定為1。判斷是否處于這樣用手6把持盤子39、且盤子39上載置有杯子40的把持狀態， 通過由圖像識別單元45對圖像攝像裝置44所取得的圖像數據進行圖像識別來實現上述判 斷(即，根據圖像識別單元45的圖像識別結果，若得到在盤子39上載置了杯子40的信息 作為相對位置關系信息，則可判斷為處于在盤子39上載置有杯子40的把持狀態)，另外， 在使用了基于RF標識的ID編號等ID信息進行把持物體的檢測中，例如，在盤子39和杯子 40同時被檢測到的情況下，若在盤子39上載置杯子40地進行搬運，則由把持狀態檢測單元 53進行推斷，在由把持狀態檢測單元53推斷出上 述把持狀態的情況下，也可在把持規則表 31中預先記錄將姿勢維持的項目設為1。 另外，在位置維持的項目為1時，機械手臂5的手6的并進(X，y，ζ)方向的機械阻 抗設定值由物體特性呼應阻抗設定單元3較大地設定，手6的姿勢被控制為不易變動。例如，在機械手臂5的手6的附近存在家具等，手6向并進(x，y，z)方向前進則存 在碰撞到家具等的危險的情況下，也可在把持規則表31中預先記錄將位置維持的項目設 為1。另外，在高度維持的項目為1時，作為機械手臂5的手6的ζ方向的機械阻抗設定 值由物體特性呼應阻抗設定單元3較大地設定，維持手6所處的高度。例如，如圖12所示，在手6上提著袋子41這樣的把持狀態下，若手6的手指位置 降低，則存在袋子41的底面與地面接觸的危險，因此，也可在把持規則表31中預先記錄將 高度維持的項目設為1。該情況下，機械手臂5的手6的-ζ方向、即鉛直方向朝下的機械阻 抗設定值由物體特性呼應阻抗設定單元3較大地設定，手6的位置被控制為不易降低。接著，以姿勢維持的情況為例，對將上述機械手臂的機械阻抗的值控制為機械阻 抗設定值的實現方法進行說明。手位置及姿勢目標修正輸出在阻抗計算單元25中根據下式(8)進行計算。[數學式10] 其中，[數學式11] (αχ, ay, az, α φ, α θ, α ψ)是阻抗控制系數。
當機械手臂5與人等未接觸而處于通常的位置控制模式時，阻抗控制系數的所有 成分(αχ，ay，αζ，α ，α 0，α ψ)被物體特性呼應阻抗設定單元3設定為0。此時，在式 (8)中由阻抗計算單元25計算的手位置及姿勢目標修正輸出的各成分為0，不進行手 位置及姿勢目標的修正，阻抗控制單元4作為位置控制系統進行動作。在機械手 臂5與人等發生接觸，由接觸檢測單元37檢測到該接觸時，阻抗控制系 數的一部分成分被阻抗計算單元25改變。例如，在接觸檢測時，參照物體特性數據庫2的 把持規則表31，當把持規則表31的姿勢維持的項目為1時，通過物體特性呼應阻抗設定單 元3，與位置對應的成分(a x，ay, a z)被切換為1，與姿勢對應的成分(α ρ α0，α ψ)維 持0。由此，關于手的位置(x，y，z)被阻抗控制單元4控制成為剛性K，手的姿勢(Φ，θ , Ψ)由阻抗控制單元4維持位置控制。因此，例如，若慣性M = 0、D = 0、由物體特性呼應阻抗設定單元3將機械阻抗設 定為能發揮作為剛性K充分柔韌性的設定值時，因機械手臂5與人接觸而手6的位置柔韌 地移動從而可發揮安全性，另一方面，由于手6的姿勢被維持，因此，例如，在盤子39上載置 杯子40地進行搬運的情況下，即使發生人的接觸，盤子39也被水平地維持，不會使杯子40 落下。這樣，根據阻抗控制系數，可將上述機械手臂5的機械阻抗的值按手6的方向控制 為機械阻抗設定值，從而可實現能同時滿足確保針對與人接觸的安全性、且實現針對把持 物體或周圍環境等外部環境的安全性的控制。此外，在第二實施方式中，使把持規則表31如圖8所示，但并不限定于此，如圖10 那樣按位置維持成分、姿勢維持成分、進而按士方向來指定機械阻抗設定值的切換的動作 的方法的形式也能發揮同樣效果，并且，能更細致地指定機械阻抗設定值的切換的動作。(第三實施方式)本發明的第三實施方式中的控制裝置的基本結構與上述第二實施方式的情況相 同，因此，省略公共部分的說明，以下僅對不同部分進行詳細說明。圖11是表示本發明的第三實施方式的、機械手臂的控制裝置的阻抗控制單元4Α 的結構的框圖。32是按方向阻抗調整單元，具有基于物體特性呼應阻抗設定單元3所設定 的機械阻抗設定值、及物體特性數據庫2的把持規則表31，按方向對位置誤差補償單元27 的反饋增益進行調整的功能。在本發明的第三實施方式的上述控制裝置的阻抗控制單元4Α的物體特性呼應阻 抗設定單元3中，進行剛性K及粘性D的設定，不進行慣性M的設定。另外，位置誤差補償 單元27是PD補償器，根據下式(10)計算位置誤差補償輸出ure。[數學式12]Ure:Kpre+KD^f·……式(10)
at其中，Kp是比例增益矩陣，Kd是微分增益矩陣，其對角成分是由針對手位置向量[數學式13]r = [χ, y( ζ, φ, Θ, φ] τ的各成分的增益構成的對角矩陣。通過調整這些增益(調諧)，可獲得適當位置和 姿勢的控制性能。
接著，對動作進行說明。在由接觸檢測單元37未檢測到與人或其他物體的接觸的情況下，按方向阻抗調 整單元32不動作，位置誤差補償單元27根據以式(10)計算的增益進行動作，實現機械手 臂5的位置控制。另一方面，在由接觸檢測單元37檢測到與人或其他物體的接觸的情況下，按方向 阻抗調整單元32基于下式(11)和式(12)對位置誤差補償單元27的增益進行調整。[數學式14]
……式 Q D[數學式I5]
式(12)其中，α是由式(9)賦予的阻抗控制系數，I是單位矩陣。因此，位置誤差補償單 元27的位置誤差補償輸出Um被按方向阻抗調整單元32調整增益，通過下式(13)計算。[數學式ie] 根據上述式(13)，在把持規則表31中設定了位置維持、姿勢維持或高度維持的情 況下，α的對角成分(αχ，ay, αζ, α φ, α θ, α ψ)中對應的方向的成分被設定為1，因此， 關于這些方向，基于位置控制用的增益KP、KD進行反饋，因此，機械手臂5進行位置控制模式 的動作。另一方面，在其他方向成分中，由于機械手臂5使用物體特性呼應阻抗設定單元3 所設定的機械阻抗設定值的剛性K及粘性D，因此，成為基于剛性K、粘性D的設定值的控制 模式。所以，例如，若設剛性1( < KP，則在接觸時，對應的方向的位置控制的比例增益減小， 機械手臂5的剛性降低。另外，若設粘性0 < KD，則在接觸時，對應的方向的位置控制的微 分增益減小，機械手臂5的粘性降低。在前面記載的第一實施方式中，這些剛性K及粘性D的設定值分別是表示剛性、粘 性的物體特性的值本身，但該第三實施方式的剛性K、粘性D并非直接表示剛性、粘性，而是 通過調整增益來虛擬地實現剛性、粘性。因此，對于該第三實施方式的剛性K、粘性D的具體 數值，一邊以試驗方式進行調整一邊探索可獲得適當的剛性、粘性的值。如上所述，在本發明的第三實施方式的機械手臂的控制裝置中，通過調整位置誤 差補償單元27的增益，按手的方向虛擬地實現將上述機械手臂5的機械阻抗的值控制為機 械阻抗設定值，從而可實現能同時滿足確保針對與人接觸的安全性、且實現針對把持物體 或周圍環境等外部環境的安全性的控制。此外，在上述第一實施方式中，將物理特性信息設為把持物體的重量信息、尺寸信 息、硬度信息，但并不限定于這些，也可以是溫度等其他物理特性。另外，在上述第一實施方式中，將屬性信息設為危險度信息，但并不限定于這些， 也可以是重要度信息等其他屬性信息。當選擇重要度信息作為屬性信息時，例如，若對紀念 品等重要物品將重要度設定得較高，則由于機械手臂5的機械阻抗設定值被設定得較高， 因此，可降低重要物品破損的危險度。
此外，在上述實施方式中，以機械手臂為例進行了說明，但本發明并不限定于手， 也可應用于通過車輪而移動的移動機器人、雙腳行走機器人、多腳行走機器人等中，對移動 機器人等與人的接觸，發揮同樣的效果。此外，通過適當組合上述各種實施方式中的任意實施方式，能發揮各自具有的效果。
(工業上的可利用性)本發明作為對家用機器人等能與人接觸的機器人的機械手臂的動作進行控制的 機械手臂的控制裝置及控制方法、具有機械手臂的控制裝置的機器人、以及機械手臂的控 制程序有用。另外，并不限定于家用機器人，還可應用于工業用機器人、生產設備等中的可 動機構的機械手臂的控制裝置及控制方法、具有機械手臂的控制裝置的機器人、以及機械 手臂的控制程序。本發明參照附圖，與優選實施方式相關聯地進行了充分記載，但對本領域技術人 員而言清楚各種變形和修正。這種變形和修正只要不偏離所附的權利要求所限定的本發明 的范圍，則應理解為包含在本發明中。
權利要求
一種機械手臂的控制裝置，包括物體特性數據庫，其記錄有與上述機械手臂所搬運的物體的搬運特性相關的信息；物體特性呼應阻抗設定單元，其基于上述物體特性數據庫的上述信息，設定上述機械手臂的機械阻抗設定值；和阻抗控制單元，其將上述機械手臂的機械阻抗的值控制為上述物體特性呼應阻抗設定單元所設定的上述機械阻抗設定值；上述物體特性數據庫具有上述機械手臂所搬運的上述物體的屬性信息，具有上述搬運的物體的危險度信息作為上述物體的屬性信息，并且，上述物體特性呼應阻抗設定單元基于上述物體特性數據庫的上述危險度信息，設定上述機械阻抗設定值。
2.根據權利要求1所述的機械手臂的控制裝置，其特征在于，還包括物體特性收集單元，其收集與上述機械手臂所搬運的上述物體的搬運特性相關 的信息，并將收集到的與上述物體的搬運特性相關的信息記錄到上述物體特性數據庫中。
3.根據權利要求1或2所述的機械手臂的控制裝置，其特征在于，上述物體特性數據庫所具有的危險度信息是基于上述搬運的物體的周圍環境信息而 設定的危險度信息。
4.根據權利要求1 3中任一項所述的機械手臂的控制裝置，其特征在于，上述阻抗控制單元具有對人或物體與上述機械手臂接觸的情況進行檢測的接觸檢測 單元，在上述機械手臂與上述人或物體接觸時，將上述機械手臂的機械阻抗的值控制為上 述物體特性呼應阻抗設定單元所設定的機械阻抗設定值。
全文摘要
一種機械手臂控制裝置，由物體特性呼應阻抗設定單元(3)基于記錄有與手所把持的物體的特性有關的信息的物體特性數據庫(2)的信息來設定手的機械阻抗設定值，并通過阻抗控制單元(4)將手的機械阻抗的值控制為所設定的機械阻抗設定值。
文檔編號B25J19/06GK101870108SQ201010196959
公開日2010年10月27日 申請日期2006年12月12日 優先權日2006年1月13日
發明者岡崎安直 申請人:松下電器產業株式會社