專利名稱：機器手控制裝置及控制方法、機器人的制作方法
技術領域：
本發明涉及人與機器人協作進行作業(例如搬運物體作業)之際機器手的控制裝置及控制方法、具有機器手控制裝置的機器人、機器手控制程序、集成電子電路。
背景技術：
近年來，看護機器人或家務輔助機器人等家庭用機器人逐漸開發。家庭機器人與工業用機器人不同，它是在人附近作業，因而，與人的物理接觸是不可避免的，從安全性方面而言，機器人在機構上必須靈活(柔軟)，動作也必須柔和。作為機器人裝置的一例，提出了一種確保控制裝置動作精度的技術，其檢測施加給機器手的與人類的接觸力，當對手臂施加大力時減小復原力而提高安全性、當對手臂施加微小力時增大復原力而確保動作精度(參照專利文獻1)。另外，有一種肢體控制裝置的控制裝置，其以基于裝在肢體上的裝置動作而使肢體活動為目的，根據裝置上所安裝的力傳感器或位置與角度傳感器的讀出信息，通過力控制或位置控制來控制裝置的動作，其中，在驅動裝置的動作過程中，始終監控對裝在裝置上的肢體所施加的負載，在對肢體施加的負載到達比設定的對肢體施加的過負載值Flimit 小的值Fstart的時刻，使驅動裝置動作所具有的所有自由度中某一自由度方向的阻抗常數隨著肢體負載值向所述過負載值Flimit靠近而變化，假設其自由度方向的動作是自由的(參照專利文獻2)。再有，還提出一種技術是根據輸入的肢體的參數，生成代表性的運動圖形，算出肢體驅動裝置的目標軌道，只運用肢體的參數信息在肢體驅動裝置中切換他動運動和自動運動、抵抗運動(參照專利文獻3)。專利文獻1 JP特開平10-329071號公報專利文獻2 JP特開平9-154900號公報專利文獻3 JP特開平10-192350號公報不過，在專利文獻1所述的現有技術中，當對機器手施加大力時要減小復原力，而專利文獻2中要增大對肢體施加的負載時，不能施加過大的負載，專利文獻3中是按照肢體的動作來切換他動運動、自動運動、抵抗運動，從而存在的課題是如果由于操作者的姿勢不好、或操作者的力氣不斷輸入而發生手抖造成誤操作，而使機器手抓握的搬運物傾斜、搬運物中的物品脫落，或者如果搬運物為硬的物體或尖角的物體，則有可能由于搬運物活動而對人造成負擔。
發明內容
本發明就是鑒于上述課題而做出的，其目的在于提供機器手控制裝置及控制方法、機器人、機器手控制程序、集成電子電路，能夠實現即使與機器手協作進行搬運物體作業的人的姿勢或身體狀況不好也不會發生機器手傾斜而使搬運物體脫落的安全的機器人控制。根據本發明的第1方式，提供一種機器手控制裝置，其具備作業姿勢信息獲取單元，其獲取和人與所述機器手協作搬運物體時與所述機器手協作的所述人的作業姿勢有關的作業姿勢信息；危險程度算出單元，其根據由所述作業姿勢信息獲取單元獲取的所述作業姿勢信息，算出所述人在搬運物體時的危險程度；剛性控制單元，其進行控制以使利用所述危險程度算出單元算出的所述危險程度越大越提高所述機器手的剛性。根據本發明的第18方式，提供一種機器手控制裝置，其包括位置信息獲取單元， 其獲取所述機器手位置信息和與所述機器手協作的人的位置信息；危險程度算出單元，其算出所述機器手的位置信息和與所述機器手協作的所述人的位置信息的相對位置，根據算出的相對位置算出危險程度；剛性控制單元，其進行控制以使利用所述危險程度算出部算出的所述危險程度越大越提高所述機器手的剛性。根據本發明的第24方式，提供一種機器手明的控制方法，其根據和人與所述機器手協作搬運物體時與所述機器手協作的所述人的作業姿勢有關的作業姿勢信息，利用危險程度算出單元算出所述人在搬運物體時的危險程度；利用剛性控制單元進行控制以使所述危險程度算出單元算出的所述危險程度越大所述機器手越為高剛性。根據本發明的第26方式，其用來使計算機中執行的機器手控制程序，包括危險程度算出步驟，其根據和人與所述機器手協作搬運物體時與所述機器手協作的所述人的作業姿勢有關的作業姿勢信息算出所述人在搬運物體時的危險程度；剛性控制單元，其進行控制以使所述危險程度算出單元算出的所述危險程度越大所述機器手越為高剛性。根據本發明的第27方式，提供一種控制機器手的集成電子電路，其特征在于，包括作業姿勢信息獲取單元，其獲取和人與所述機器手協作搬運物體時與所述機器手協作的所述人的作業姿勢有關的作業姿勢信息；危險程度算出單元，其根據由所述作業姿勢信息，算出所述人在搬運物體時的危險程度；剛性控制單元，其進行控制以使所述危險程度算出單元算出的所述危險程度越大所述機器手越為高剛性。根據本發明的第28方式，提供一種機器手控制方法，其特征在于，利用危險程度算出部算出作為協作搬運信息的所述機器手的位置信息和與所述機器手協作的人的位置的相對位置，按照算出的相對位置在危險程度算出部算出所述危險程度；利用剛性控制單元進行控制以使算出的所述危險程度越大所述機器手越為高剛性。根據本發明的第30方式，提供一種用來計算機中執行的機器手控制程序，其特征在于，包括位置信息獲取步驟，其獲取和所述機器手位置信息、人與所述機器手協作搬運物體時與所述機器手協作的所述人的位置信息有關的信息；危險程度算出步驟，其算出所述機器手的位置信息和與所述機器手協作的所述人的位置信息的相對位置，根據算出的相對位置算出危險程度；剛性控制步驟，其進行控制以使所述危險程度算出部算出的所述危險程度越大所述機器手越為高剛性。根據本發明的第31方式，提供一種控制機器手的集成電子電路，其特征在于，包括位置信息獲取單元，其獲取所述機器手位置信息和與所述機器手協作的人的位置信息； 危險程度算出單元，其算出所述機器手的位置信息和與所述機器手協作的所述人的位置信息的相對位置，根據算出的相對位置算出危險程度；剛性控制單元，其進行控制以使利用所述危險程度算出單元算出的所述危險程度越大所述機器手越為高剛性。
發明效果 如上所述根據本發明的機器手控制裝置及機器人，至少具有危險程度算出單元和剛性控制單元(還例如具有阻抗設定單元、阻抗控制單元)，從而對應于與機器手協作的人的作業姿勢信息(還有身體狀況信息或機器手與人的相對位置等協作搬運信息)進行控制以提高機器手的剛性(例如適當設定機器手的機器阻抗設定值)，因此，不會由于操作者的姿勢不好、或操作者的力氣不斷輸入而發生手抖造成誤操作，使機器手抓握的搬運物傾斜、 搬運物體中的物品脫落，或是如果搬運物為硬的物體或尖角的物體，也不會由于搬運物體活動而對人施加負擔，能夠實現安全的機器人控制。另外，根據本發明的機器手控制方法及控制程序，根據與所述機器手協作的人作業姿勢相關的作業姿勢信息控制所述機器手為高剛性(例如設定機器手的機械阻抗設定值，將所述機器手的機器阻抗值控制為所述設定的所述機械阻抗設定值)，從而對應于與機器手協作的所述人的作業姿勢相關的作業姿勢信息(例如所述人的狀態等協作搬運信息) 進行控制以提高機器手的剛性(例如適當設定并控制機器手的機器阻抗設定值)，因此，不會由于操作者的姿勢不好、或操作者的力氣不斷輸入而發生手抖造成誤操作，使機器手搬運的搬運物傾斜、搬運物體中的物品脫落，或是如果搬運物為硬的物體或尖角的物體，也不會由于搬運物體活動而對人施加負擔，能夠實現安全的機器人控制。
本發明的這些及其他目的特征，可以通過與針對附圖的優選實施方式相關聯的以下敘述而明白。這些附圖是圖1是表示本發明第1實施方式中機器人控制裝置構成概要的圖。圖2是表示本發明第1實施方式中構成機器人系統的控制裝置和作為控制對象的機器手的詳細構成的圖。圖3是表示本發明第1實施方式中機器人控制裝置的操作狀態的圖。圖4是表示本發明第1實施方式中機器手控制裝置的操作狀態的圖。圖5是表示本發明第1實施方式中控制裝置的阻抗控制部構成的框圖。圖6是表示本發明第1實施方式中控制裝置的阻抗控制部動作步驟的流程圖。圖7是表示本發明第1實施方式的控制裝置的搬運狀態信息收集部構成的框圖。圖8是說明本發明第1實施方式中搬運狀態數據庫的物體特性一覽表的圖。圖9是說明本發明第1實施方式中搬運狀態數據庫的作業狀態一覽表的圖。圖10是表示本發明第1實施方式中機器人控制裝置的操作狀態的圖。圖11是表示本發明第1實施方式中機器人控制裝置的操作狀態的圖。圖12是表示本發明第1實施方式中人的重心坐標和支撐基點面的關系的圖。圖13是表示本發明第1實施方式中控制裝置的搬運狀態信息收集部、搬運狀態數據庫和危險程度算出部、阻抗設定部的動作步驟的流程圖。圖14是表示本發明第1實施方式中控制裝置整體動作步驟的流程圖。圖15是說明本發明第2實施方式中控制裝置的搬運狀態數據庫的抓握規則表的圖。圖16是用來說明本發明第1實施方式中重心測量部而使用配置在地板上的負載傳感器的xy坐標的說明圖。圖17表示本發明第1實施方式中身體狀況測量部的頻率閾值的圖。圖18是表示本發明第1實施方式中身體狀況測量部的頻率等級的圖。圖19A是表示本發明第1實施方式中判斷數據庫的具體例的圖。圖19B是表示本發明第1實施方式中判斷數據庫的具體例的圖。圖20表示本發明第2施方式中構成機器人系統的控制裝置和作為控制對象的機器手的詳細構成的圖。圖21A是以表的形式表示用于本發明第1實施方式中物體重量輕時算出的危險度険度低而使用的例子的圖。圖21B是以表的形式表示用于本發明第1實施方式中物體重量重時算出的危險度険度高而使用的例子的圖。圖22是表示本發明的變形例中溫度和危險度關系的圖。
具體實施例方式以下，根據附圖詳細說明本發明的實施方式。以下，在參照附圖詳細說明本發明的實施方式之前，關于本發明的各種方式進行說明。本發明的第1方式，提供一種機器手控制裝置，其具備作業姿勢信息獲取單元，其獲取和人與所述機器手協作搬運物體時與所述機器手協作的所述人的作業姿勢有關的作業姿勢信息；危險程度算出單元，其根據由所述作業姿勢信息獲取單元獲取的所述作業姿勢信息，算出所述人在搬運物體時的危險程度；剛性控制單元，其進行控制以使利用所述危險程度算出單元算出的所述危險程度越大越提高所述機器手的剛性。本發明的第2方式，提供一種機器手控制裝置，還具備阻抗設定單元，其進行設定以使利用所述危險程度算出單元算出的所述危險程度越大越增大所述機器手的機械阻抗設定值；所述剛性控制單元根據所述阻抗設定單元設定的所述機械阻抗設定值控制所述機器手的機械阻抗值。由于采用這樣的構成，能夠根據作為協作搬運信息一例的與搬運物體時人的作業姿勢有關的作業姿勢信息設定、控制機械阻抗設定值。在此，本發明的第3方式，根據第2方式所述機器手控制裝置，所述阻抗設定單元根據所述搬運物體時的所述危險程度，分別獨立設定所述機器手手指的平移方向及旋轉方向的6維方向的機械阻抗設定值。由于采用這樣的構成，能夠根據搬運物體時人的作業姿勢在6維方向獨立設定、 控制機械阻抗設定值。再有，本發明的第4方式，根據第3方式所述機器手控制裝置，所述阻抗設定單元根據所述搬運物體時的所述危險程度，分別設定所述機械阻抗設定值，以使所述旋轉方向的剛性高于所述手指的所述平移方向的剛性，由此將所述機器手搬運的所述物體保持水平。由于采用這樣的構成，能夠根據搬運物體時人的作業姿勢進行設定控制以使所述機器手搬運的物體保持水平。再有，本發明的第5方式，根據第1方式所述機器手控制裝置，所述作業姿勢信息包括與所述機器手協作的所述人協作一側的肘關節角度信息，所述搬運物體時的所述肘關節角度越大，所述危險程度算出單元算出的所述危險程度越大，所述肘關節角度越小算出的所述危險程度越小。由于采用這樣的構成，能夠對應于人作業時的肘關節角度設定機械阻抗設定值， 人作業時的肘關節角度越大，算出的所述危險程度越大。再有，本發明的第6方式，根據第1方式所述機器手控制裝置，所述作業姿勢信息包括與所述機器手協作的所述人協作一側的手指位置信息和從所述人胸骨到地板的高度即胸骨上緣高的信息，所述手指位置的高度越大于所述胸骨上緣高的高度，所述危險程度算出單元算出的所述危險程度越大，所述手指位置的高度越小于所述胸骨上緣高的高度，算出的所述危險程度越小。由于采用這樣的構成，能夠實現操作機器手的人的所述手指位置高度越大于所述胸骨上緣高的高度，算出的所述危險程度越大。再有，本發明的第7方式，根據第1方式所述機器手控制裝置，所述作業姿勢信息包括與所述機器手協作的所述人的重心坐標信息和所述人在地板上的支撐面即支撐基礎面的信息，所述危險程度算出單元判定所述人的重心坐標是否在所述人的支撐基礎面的范圍內，當處于范圍外時所述人的重心坐標距所述支撐基礎面的距離越大，算出的所述危險程度越大。由于采用這樣的構成，能夠判定所述人的心坐標是否在所述人的支撐基礎面范圍內，當處于范圍外時距所述支撐基礎面的距離越大，算出的所述危險程度越大。本發明的第8方式，根據第1方式所述機器手控制裝置，所述作業姿勢信息包括與所述機器手協作的所述人的好使的手信息，所述危險程度算出單元判定所述人是否用好使的手操作所述機器手，算出所述人用好使的手操作時的所述危險程度小于所述人沒有用好使的手操作時的所述危險程度。由于采用這樣的構成，能夠判定所述人是否用好使的手操作所述機器手，沒有用好使的手時用所述危險程度算出單元算出的所述危險程度大。本發明的第9方式，根據第1方式所述機器手控制裝置，還具備身體狀況信息獲取單元，其獲取和所述人與所述機器手協作搬運物體時與所述機器手協作的所述人的身體狀況有關的信息即身體狀況信息，所述危險程度算出單元根據所述作業姿勢信息和所述身體狀況信息算出所述人搬運物體時的危險程度。由于采用這樣的構成，能夠根據搬運物體時人的所述身體狀況信息算出危險程度。
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再有，本發明的第10方式，根據第9方式所述機器手控制裝置，所述危險程度算出單元判定所述身體狀況信息是否在正常的身體狀況信息范圍內，當處在正常的身體狀況信息范圍外時，所述身體狀況信息和所述正常的身體狀況信息范圍的差異越大，算出的所述危險程度越大。由于采用這樣的構成，能夠判定所述身體狀況信息是否在正常的身體狀況信息范圍內，當處在范圍外時距所述正常的身體狀況信息范圍的差異越大，算出的所述的危險程度越大。再有，本發明的第11方式，根據第9方式所述機器手控制裝置，所述身體狀況信息包括與所述機器手協作的所述人的與所述機器手協作一側的手臂振動度信息、與所述機器手協作的所述人的心率信息、與所述機器手協作的所述人的血壓信息、與所述機器手協作的所述人的體溫信息中的至少1個信息。根據這樣的構成，能夠根據所述振動度的信息、所述心率的信息、血壓的信息、所述體溫的信息算出危險程度。再有，本發明的第12方式，根據第1或第9方式所述機器手控制裝置，所述作業姿勢信息獲取單元獲取與所述機器手搬運的所述物體的物體特性有關的物體特性信息，所述阻抗設定單元根據所述搬運物體時所述危險程度和所述物體特性信息設定所述機器手的機械阻抗設定值。由于采用這樣的構成，能夠根據作業姿勢信息獲取單元獲取的作業姿勢信息和與所述機器手搬運的所述物體的物體特性有關的信息，控制機器手的剛性(例如能夠設定、 控制機械阻抗設定值)。再有，本發明的第13方式，根據第12方式所述機器手控制裝置，所述阻抗設定單元根據所述危險程度和所述物體特性信息，分別獨立設定所述機器手的手指平移方向及旋轉方向的6維方向的機械阻抗設定值。由于采用這樣的構成，能夠根據所述危險程度和所述物體特性信息設定、控制機械阻抗設定值。再有，本發明的第14方式，根據第12方式所述機器手控制裝置，所述阻抗設定單元根據所述危險程度和所述物體特性信息，分別設定所述機械阻抗設定值，以使所述手指的所述旋轉方向的剛性高于所述平移方向的剛性，由此將所述機器手搬運的所述物體保持水平。由于采用這樣的構成，能夠設定所述機器手搬運的物體保持水平。再有，本發明的第15方式，根據第12方式所述機器手控制裝置，所述危險程度算出單元在所述物體特性信息大于閾值時算出的危險程度大，在所述物體特性信息小于閾值時算出的危險程度小。由于采用這樣的構成，所述危險程度算出單元能夠在所述物體特性信息大于閾值時增大危險程度，在所述物體特性信息小于閾值時減小危險程度。再有，本發明的第16方式，根據第12方式所述機器手控制裝置，所述物體特性信息包括所述機器手搬運的所述物體的物理特性信息或所述物體的屬性信息的至少1個信息，所述阻抗設定單元根據所述危險程度算出單元算出的所述危險程度和所述物理特性信息或屬性信息的至少1個信息，設定所述機器手的機械阻抗設定值。
由于采用這樣的構成，所述阻抗設定單元能夠根據所述危險程度算出單元算出的所述危險程度和所述物理特性信息或所述物體的屬性信息的至少1個信息進行運算。再有，本發明的第17方式，根據第12方式所述機器手控制裝置，作為所述機器手搬運的所述物體的物理特性信息包括所述機器手搬運的所述物體的重量信息和所述物體的尺寸信息、所述物體的硬度信息、所述物體的位置及姿勢的約束信息中的至少1個信息， 作為所述物體的屬性信息包括所述機器手搬運的所述物體的尖銳度信息、所述機器手搬運的所述物體的重要度信息中的至少1個信息。由于采用這樣的構成，所述阻抗設定單元能夠根據所述危險程度算出單元算出的所述危險程度和所述重量信息、或所述尺寸信息、或所述物體的硬度信息、或所述物體的位置及姿勢的約束條件信息、或尖銳度信息、或重要度信息進行運算。再有，本發明的第18方式，提供一種機器手控制裝置，包括位置信息獲取單元，其獲取所述機器手位置信息和與所述機器手協作的人的位置信息；危險程度算出單元，其算出所述機器手的位置信息和與所述機器手協作的所述人的位置信息的相對位置，根據算出的相對位置算出危險程度；剛性控制單元，其進行控制以使利用所述危險程度算出單元算出的所述危險程度越大越提高所述機器手的剛性。由于采用這樣的構成，能夠根據所述相對位置進行控制以提高機器手的剛性(例如設定機器手的機械阻抗設定值)。再有，本發明的第19方式，根據第18方式所述的機器手控制裝置，還具備阻抗設定單元，根據所述危險程度算出部算出的所述危險程度設定所述機器手的機械阻抗設定值；所述剛性控制單元包括控制所述機器手的機械阻抗值為所述阻抗設定單元設定的所述機械阻抗設定值。根據該構成，能夠設定機器手的機械阻抗設定值，根據所述相對位置進行控制以提高機器手的剛性。即、能夠對應于所述機器手的位置信息和與所述機器手協作的所述人的所述位置信息的相對位置的變化來控制機器手。從而，能夠對應于所述相對位置的變化重復地適當設定機器手的機械阻抗設定值，即使由于操作者的姿勢不好、或操作者的力氣不斷輸入而發生手抖易造成誤操作，或者機器手抓握的搬運物開始傾斜而使搬運物體中的物品就要脫落時也能夠更安全地控制機器人。再有，本發明的第20方式，根據第19方式所述的機器手控制裝置，所述算出的相對位置越近，所述危險程度算出部算出的所述危險程度越大，所述算出的相對位置越遠，算出的危險程度越小；所述危險程度算出部算出的所述危險程度越大，所述阻抗設定單元設定所述機器手的機械阻抗設定值越大，所述危險程度越小，設定所述機器手的機械阻抗設定值越小。再有，本發明的第21方式，根據第19方式所述的機器手控制裝置，所述阻抗設定單元根據所述危險程度算出部算出的所述危險程度，獨立設定所述機器手手指的平移方向及旋轉方向的6維方向的機械阻抗設定值。由于采用這樣的構成，所述阻抗設定單元能夠根據所述相對位置獨立設定所述機器手手指的平移方向及旋轉方向的6維方向的機械阻抗設定值。
再有，本發明的第22方式，根據第19方式所述的機器手控制裝置，所述機械阻抗設定單元利用機械阻抗控制單元分別控制所述機器手的機械阻抗的值，以使在所述相對位置小、所述危險程度算出部算出的所述危險程度高時，所述機械阻抗的值為低于所述阻抗設定單元設定的所述手指的所述平移方向及所述旋轉方向的所述機械阻抗設定值的值，在所述相對位置大、所述危險程度算出部算出的所述危險程度低時，所述機械阻抗的值為所述阻抗設定單元設定的所述機械阻抗設定值。由于采用這樣的構成，能夠在所述相對位置小、所述危險程度高時，設定所述手指的平移方向及所述旋轉方向為低剛性，而在所述相對位置大、所述危險程度低時，設定所述手指的所述平移方向及所述旋轉方向為高剛性。再有，本發明的第23方式，根據第1或18方式所述的機器手控制裝置，還具備向與所述機器手協作的所述人通知所述危險程度的通知單元。由于采用這樣的構成，能夠向操作者通行所述危險程度。本發明的第24方式，提供一種機器手控制方法，根據和人與所述機器手協作手動物體時與所述機器手協作的所述人的作業姿勢有關的作業姿勢信息，利用危險程度算出單元算出所述人在搬運物體時的危險程度；利用剛性控制單元進行控制以使所述危險程度算出單元算出的所述危險程度越大所述機器手越為高剛性。本發明的第25方式，提供一種機器人，具有所述機器手和控制所述機器手的第 1 17方式任意一項所述的機器手控制裝置。本發明的第26方式，提供一種機器手控制程序，是用來在計算機中執行的機器手控制程序，其特征在于，包括危險程度算出步驟，其根據和人與所述機器手協作搬運物體時與所述機器手協作的所述人的作業姿勢有關的作業姿勢信息算出所述人在搬運物體時的危險程度；剛性控制單元，其進行控制以使所述危險程度算出單元算出的所述危險程度越大所述機器手越為高剛性。本發明的第27方式，提供一種控制機器手的集成電子電路，其特征在于，包括作業姿勢信息獲取單元，其獲取和人與所述機器手協作搬運物體時與所述機器手協作的所述人的作業姿勢有關的作業姿勢信息；危險程度算出單元，其根據所述作業姿勢信息，算出所述人在搬運物體時的危險程度；剛性控制單元，其進行控制以使所述危險程度算出單元算出的所述危險程度越大所述機器手越為高剛性。本發明的第28方式，提供一種機器手控制方法，利用危險程度算出部算出協作搬運信息即所述機器手的位置信息和與所述機器手協作的人的位置信息的相對位置，按照算出的相對位置在危險程度算出部算出所述危險程度；利用剛性控制單元進行控制以使算出的所述危險程度越大所述機器手越為高剛性。本發明的第29方式，提供一種機器人，具有所述機器手和控制所述機器手的第 18 22方式任意一項所述的機器手控制裝置。
本發明的第30方式，提供一種用來在計算機中執行的機器手控制程序，包括位置信息獲取步驟，其獲取和所述機器手位置信息、人與所述機器手協作搬運物體時與所述機器手協作的所述人的位置有關的信息；危險程度算出步驟，其算出所述機器手的位置信息和與所述機器手協作的所述人的位置信息的相對位置，根據算出的相對位置算出危險程度；剛性控制步驟，其進行控制以使所述危險程度算出部算出的所述危險程度越大所述機器手越為高剛性。本發明的第31方式，提供一種控制機器手的集成電子電路，包括位置信息獲取單元，其獲取所述機器手位置信息和與所述機器手協作的人的位置信息；危險程度算出單元，其算出所述機器手的位置信息和與所述機器手協作的所述人的所述位置信息的相對位置，根據算出的相對位置算出危險程度；剛性控制單元，其進行控制以使利用所述危險程度算出單元算出的所述危險程度越大所述機器手越為高剛性。以下，利用附圖對本發明的實施方式進行詳細說明。(第1實施方式)首先，關于具備本發明第1實施方式的機器手控制裝置的機器人系統1的構成進行說明。圖1是表示本發明第1實施方式中機器人系統構成概要的圖。如圖1所示，本發明第1實施方式的具備機器手5及其控制裝置2的機器人系統1 的機器手5設置在廚房或工作臺等作業臺7的壁面9上，機器手5的根端能夠移動地由固定在壁面9上的軌道8支撐，機器手5能夠在軌道8上沿著軌道8橫向(例如水平方向) 移動。再有，機器人系統1的機器手5前端的手部30可保持(例如抓握)搬運對象的物體 3 一端，與機器手5協作的人4可抓握物體3的另一端。在機器手5前端抓握物體3 —端 (例如鍋一側的提手)且人4抓握物體另一端(例如鍋另一側的提手)的狀態下，通過人4 沿想搬運物體3的方向加力，使機器人系統1工作，機器手5沿著軌道8移動，機器手5和人4能夠協作搬運物體3。本發明第1實施方式的物體3的概念也包括放有水或食材的鍋或餐具、家具等重量物，是機器手5和人4能夠協作搬運的對象物體。另外，本發明的第1實施方式中，軌道8配置在作業臺7的壁面9上，不過，在沒有壁面的島式廚房的情況下，可設置在頂棚面或島式廚房的作業側面等適于作業的場所。圖2是構成機器人系統1的控制裝置2和作為控制對象的機器手5的詳細構成的圖。控制裝置2及周邊裝置10有一例是分別由普通的個人計算機構成。控制裝置2的構成包括作為危險程度算出單元(危險程度算出部)一例的危險程度算出部22、作為阻抗設定單元(阻抗設定部)一例的阻抗設定部23、作為剛性控制單元 (剛性控制部)或阻抗控制單元(阻抗控制部)一例的阻抗控制部24(圖2中以“剛性控制部24”圖示)。該控制裝置2進行剛性控制，使危險程度算出單元22算出的所述危險程度越大越提高所述機器手的剛性，作為其具體的一例為進行阻抗控制。周邊裝置10的構成是包括協作搬運信息數據庫(或作業姿勢信息數據庫)及作為物體特性數據庫一例的搬運狀態數據庫21、物體特性收集單元(物體特性收集部)或作為協作搬運信息收集部一例的搬運狀態信息收集部25、輸入輸出IF(接口)26、馬達驅動器27、RF標簽接收部45和危險度信息輸出部60。輸入輸出IF26與個人計算機的PCI總線等擴展槽連接，其構成是具備例如D/A板 (board)、A/D 板、對接板(counter board)等。控制機器手5動作的控制裝置2及周邊裝置10被執行，從而從機器手5的各關節部的后述編碼器44輸出的各關節角度信息通過輸入輸出IF26的對接孔被讀取到控制裝置2中，根據讀取的各關節角度信息，由控制裝置2算出各關節部在旋轉動作中的控制指令值。算出的各控制指令值通過輸入輸出IF26的D/A板，被賦予用來驅動控制機器手5各關節部的馬達驅動器27，按照從馬達驅動器27輸送來的各控制指令值，驅動機器手5各關節部的馬達43。另外，手部30上還具備由馬達驅動器27驅動控制的作為手部驅動裝置一例的手部驅動用馬達62和檢測手部驅動用馬達62的旋轉軸的旋轉相位角的編碼器61，根據由編碼器61檢測的旋轉角度，利用來自控制裝置2的阻抗控制部24的手控制部54的控制信號經由馬達驅動器27驅動控制馬達62的旋轉，使手部驅動用馬達62的旋轉軸正反旋轉，從而打開或關閉手部30。機器手5有一例是多關節機器手，是一種6自由度的多連桿機械手，具備所述手部 30、前端具有安裝手部30的腕部31的前臂連桿32、前端能夠旋轉地連結在前臂連桿32根端的上臂連桿33和能夠旋轉地連結支撐上臂連桿33的座部34。座部34與能夠移動的軌道8連結，不過，也可以固定在一定位置。腕部31具有第4關節部38、第5關節部39、第6 關節部40這3個旋轉軸，能夠變化手部相對于前臂連桿的相對姿勢(朝向)。即圖2中，第 4關節部38能夠變化手部30相對于腕部31的環繞橫軸的相對姿勢。第5關節部39能夠變化手部30相對于腕部31的環繞與第4關節部38橫軸正交的縱軸的相對姿勢。第6關節部40能夠變化手部30相對于腕部31的環繞與第4關節部38的橫軸及第5關節部39縱軸分別正交的橫軸的相對姿勢。前臂連桿32的另一端能夠相對于上臂連桿33前端環繞第 3關節部37、即環繞與第4關節部38橫軸平行的橫軸旋轉。上臂連桿33的另一端能夠相對于座部34環繞第2關節部36、即環繞與第4關節部38橫軸平行的橫軸旋轉，座部34的上側可動部能夠相對于座部34的下側固定部環繞第1關節部35、即環繞與第5關節部39 縱軸平行的縱軸旋轉。其結果是，機器手5能夠環繞總共6個軸旋轉，構成所述6自由度的多連桿機械手。構成各軸旋轉部分的各關節部在構成各關節部的一對構件(例如，轉動側構件和支撐該轉動側構件的支撐側構件)中的一個構件上，具備利用后述的馬達驅動器27驅動控制的作為旋轉驅動裝置一例的馬達43(實際上配置在機器手5的各關節部內部)和檢測馬達43旋轉軸的旋轉相位角(即關節角)的編碼器44(實際上配置在機器手5的各關節部內部)，各關節部的一個構件上所具備的馬達43的旋轉軸與各關節部的另一個構件相連結，使所述旋轉軸正反旋轉，從而能夠使另一個構件相對于一個構件環繞各軸旋轉。41是與座部34的下側固定部相對位置關系固定的絕對坐標系，42是與手部30相對位置關系固定的手指坐標系。將從絕對坐標系41看的手指坐標系42的原點位置0e(x、 y、z)作為機器手5的手指位置，用側傾角、縱擺角和橫擺角(φ、θ、ψ)表示從絕對坐標系 41看的手指坐標系42的姿勢，將側傾角、縱擺角和橫擺角(φ、θ、ψ)作為機器手5的手指姿勢，定義手指位置及姿勢向量為向量r= [χ、y、ζ、φ、θ、ψ] τ。從而，作為一例，優選第1關節部35的縱軸位置能夠平行于絕對坐標系41的ζ軸，第2關節部36的橫軸位置能夠平行于χ軸。另外，優選第6關節部40的橫軸位置能夠平行于手指坐標系42的χ 軸，第4關節部38的橫軸位置能夠平行于y軸，第5關節部39縱軸位置能夠平行于ζ軸。 還有，將相對于手指坐標系42的χ軸的旋轉角作為橫擺角Ψ，相對于y軸的旋轉角作為縱擺角θ，相對于ζ軸的旋轉角作為側傾角φ。當控制機器手5的手指位置及姿勢時，使手指位置及姿勢向量r追從于由后述目標軌道生成部55生成的手指位置及姿勢目標向量rd。搬運狀態信息收集部25作為作業姿勢信息獲取單元(作業姿勢信息獲取部)的一例發揮作用，收集與機器手5協作工作的人(例如，為了與機器手5協作作業而操作機器手5的人)4的狀態、換言之是收集協作作業狀態(例如作業姿勢、身體狀況信息、機器手5 與人4的相對位置等)信息(作業姿勢信息為一例)或抓握物體3的特性數據(例如，與搬運狀態關連的特性數據)(物體特性信息)，向搬運狀態數據數據庫21輸入并進行更新、 存儲。具體地說，搬運狀態信息收集部25如后所述，分別輸入、收集以下信息來自照相機等圖像拍攝裝置28的圖像數據、從RF標簽記取部47和RF標簽接收部45讀取的抓握物體 3的RF標簽46的信息、后述的測量人4身體狀況的身體狀況測量部70的身體狀況信息、后述的測量人4重心的重心測量部69的重心信息、通過互聯網29從外部采集網絡服務器的信息數據庫63傳輸來的物體信息等人4與機器手5協作作業搬運物體3時應考慮的信息、 換言之是協作搬運信息，將上述輸入收集的信息適當輸入到搬運狀態數據庫21中，并進行更新存儲。再有，搬運狀態信息收集部25還輸入從與輸入輸出IF26的對接板連接的機器手5各關節部的編碼器44輸出的關節角度信息、或來自阻抗控制部24的與物體重量有關的信息等。圖7表示如圖3那樣人4與機器手5協調(協作)搬運物體3時的搬運狀態信息收集部25的詳情。搬運狀態信息收集部25的構成是包括物體重量推定部65、數據輸入 IF (接口)66、搬運狀態檢測部67、圖像識別部68、重心測量部69和身體狀況測量部70。68是圖像識別部，在照相機等圖像拍攝裝置28獲得的圖像數據和預先記錄的抓握物體3的圖像之間進行模擬匹配處理，提取抓握物體3的尺寸，向搬運狀態數據庫21輸入。再有，圖像識別部68是提取人4的身高、人4抓握抓握物體3 —側臂的肘位置12或人 4抓握抓握物體3 —側臂的手指位置13、人4抓握抓握物體3 —側臂的肩位置18、還有從人 4的胸骨到地板98的高度即胸骨上緣高15、人4的兩腳寬度即腳寬長度14、關于人4用左右哪只手抓握抓握物體3的信息即擔當的手信息，向搬運狀態數據庫21輸出，并且向搬運狀態檢測部67輸出肘位置12、手指位置13、肩位置18的信息(位置坐標信息)。具體地說，通過圖像的模擬匹配提取人站立時的臉，由臉距地板的距離算出身高。接著，從預先記錄的人4的標準身體特性模型(例如、記錄每種性別的身高下的肩或臂、肘位置等)中提取人4的肘位置12或人4的手指位置13、人4的肩位置18還有從人4的胸骨到地板98的高度即胸骨上緣高15、人4的兩腳寬度即腳寬長度14。再有，從臉模型(例如記錄有眼睛或口等位置的信息)中檢測人4的臉，當利用所述方法檢測的抓握抓握物體3的手指位置13 位于所述檢測的臉的位置左側時，記錄擔當的手信息為「2」，并且作為一例當位置比所述檢測的臉的位置靠右側時記錄擔當的手信息為「1」，分別向搬運狀態數據庫21輸出。還有，可利用模擬匹配提出身高或擔當的手信息，不過，也可以在人4的頭或擔當的手等上裝配RF 標簽，從RF標簽的位置求出身高或擔當的手信息。
65是物體重量推定部，進行抓握物體3的重量推定。例如，當機器手5的腕部31 配置力傳感器時，從機器手5抓握物體3處于靜止狀態時利用力傳感器獲得的測量值減去手部30的重量，所得值作為物體重量。另外，利用后述的力推定部53時，物體重量推定部 65從力推定部53獲得機器手5抓握物體3處于靜止狀態時各關節部發生的轉矩τ ext，利用機器手5的運動方程式求出機器手5保持其位置及姿勢所必需的轉矩，將相減后的轉矩值換算成作用給手指的力，作為物體重量。66是數據輸入IF (接口)，這種接口用于人們使用鍵盤、鼠標或麥克等輸入裝置輸入如后所述抓握物體3的尖銳程度等信息、即物體的屬性數據(屬性信息)，或者使用按鈕 66等輸入裝置，接收來自人4的開始及結束搬運物體的指令。按鈕66例如既可以是叉簧開關(toggle switch)的形式，能夠用1個按鈕分別輸入開始搬運物體及結束搬運物體，也可以分別設置開始搬運物體按鈕和結束搬運物體按鈕。69是重心測量部，測量操作機器手5的人4的重心坐標19 {重心坐標rg (X，Y)}， 向搬運狀態數據庫21輸出。參考圖書(基礎人類工學小川礦一著新日本印刷株式會社發行)的記載，如圖16所示，重心測量部69在地板98上配置多個(例如Si、S2、S33個)負載傳感器，以負載傳感器S1的坐標為(Xl，yi)、負載傳感器S2的坐標為(x2，y2)、負載傳感器 S3的坐標為(x3，y3)。另外，將負載傳感器Sp S2、S3中求得的力分別作為WpW2J3，人4的體重為W、負載傳感器S1的坐標(Xl，yi)作為地板98上的xy坐標原點(0，0)時，地板98上的xy坐標上的人4的重心位置19 (其坐標為(X，Y))利用以下的式⑴(2)算出。數式1
權利要求
1.一種機器手控制裝置，其特征在于，具備作業姿勢信息獲取單元，其獲取作業姿勢信息，該作業姿勢信息是關于人與機器手協作搬運物體時與所述機器手協作的所述人的作業姿勢的信息；危險程度算出單元，其根據由所述作業姿勢信息獲取單元獲取的所述作業姿勢信息， 算出所述人在搬運物體時的危險程度；和剛性控制單元，其進行控制以使利用所述危險程度算出單元算出的所述危險程度越大越提高所述機器手的剛性，并且，所述作業姿勢信息包括與所述機器手協作的所述人協作一側的肘關節角度信息，所述搬運物體時的所述肘關節角度越大所述危險程度算出單元算出的所述危險程度越大，所述肘關節角度越小所述危險程度算出單元算出的所述危險程度越小。
2.一種機器人，其特征在于，具有機器手，和控制所述機器手的權利要求1所述的機器手控制裝置。
3.一種機器手控制方法，其特征在于，利用作業姿勢信息獲取單元獲取作業姿勢信息，該作業姿勢信息是關于人與機器手協作搬運物體時與所述機器手協作的所述人的作業姿勢的信息；利用危險程度算出單元，根據由所述作業姿勢信息獲取單元獲取的所述作業姿勢信息，算出所述人在搬運物體時的危險程度；利用剛性控制單元進行控制，以使利用所述危險程度算出單元算出的所述危險程度越大越提高所述機器手的剛性，并且，所述作業姿勢信息包括與所述機器手協作的所述人協作一側的肘關節角度信息。在利用所述危險程度算出單元算出所述危險程度時，所述搬運物體時的所述肘關節角度越大所述危險程度算出單元算出的所述危險程度越大，所述肘關節角度越小所述危險程度算出單元算出的所述危險程度越小。
全文摘要
一種機器手控制裝置及控制方法、機器人，該控制裝置具備作業姿勢信息獲取單元，其獲取作業姿勢信息，該作業姿勢信息是關于人與機器手協作搬運物體時與機器手協作的人的作業姿勢的信息；危險程度算出單元，其根據由作業姿勢信息獲取單元獲取的作業姿勢信息，算出人在搬運物體時的危險程度；和剛性控制單元，其進行控制以使利用危險程度算出單元算出的危險程度越大越提高機器手的剛性，并且，作業姿勢信息包括與機器手協作的人協作一側的肘關節角度信息，搬運物體時的肘關節角度越大危險程度算出單元算出的危險程度越大，肘關節角度越小危險程度算出單元算出的危險程度越小。
文檔編號B25J13/08GK102248537SQ20111015971
公開日2011年11月23日 申請日期2008年6月24日 優先權日2007年6月27日
發明者岡崎安直, 津坂優子 申請人:松下電器產業株式會社