專利名稱：機器人手臂的控制裝置及控制方法、機器人、及機器人手臂的控制程序的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及家庭用機器人等有可能與人物理接觸的機器人手臂的控 制裝置及控制方法、機器人、及機器人手臂的控制程序。
背景技術(shù)：
近年，寵物型機器人等家庭用機器人的開發(fā)十分活躍，將來期待著家 務支援機器人等更實用的家庭用機器人的實用化。由于家庭用機器人需要 進入家庭與人共同生活，因此與人的物理接觸是不可缺少的，從安全性方 面考慮，需要是柔軟的。
對于如此的課題，作為以往技術(shù)，在專利文獻l(JP特開平10—329071 號公報)中公開了一種控制裝置，其探測施加給機器人手臂的與人的接觸 力，在對手臂施加較大的力時，減小復原力，提高安全性，在對手臂施加 微小的力時增大復原力，確保動作精度。
此外，在專利文獻2中也公開了一種控制裝置，如圖IIA所示，其具 有傳感器機構(gòu)515，其分別探測障礙物所處的環(huán)境和與機器人513接觸 的接觸部及其接觸力；位置姿勢測量裝置514，其分別測量移動機構(gòu)511 及機械手512的位置姿勢；計算機517，其從所述接觸力和位置姿勢計算 機器人513的接觸力回避動作；驅(qū)動器516，其根據(jù)該計算機517的計算 結(jié)果，驅(qū)動移動機構(gòu)511和機械手512。在障礙物所處的環(huán)境和機器人513 的接觸時，通過移動機構(gòu)511和機械手512兩者的聯(lián)合動作進行回避動作。
此外，在專利文獻3中公開了一種阻抗控制裝置，如圖12所示，其 對于用力覺傳感器412檢測到作用于具有手端操作裝置411的機器人401 的來自外部環(huán)境的力，實時推定外部環(huán)境的剛性系數(shù)，通過電機413a的 控制驅(qū)動控制機器人401的手臂410。
專利文獻l: JP特開平10 — 329071號公報專利文獻2: JP特開2005_59161號公報 專利文獻3: JP特開2004—223663號公報
但是，在上述以往控制裝置中，未考慮到在多關(guān)節(jié)式的機器人手臂上 的應用，在是多關(guān)節(jié)式的機器人手臂時，不能成為保證安全性的控制裝置。
此外，在上述以往控制裝置中，也未考慮到進行接觸的人的活動，不 能成與人的活動相符的最佳的控制。
此外，在專利文獻2中，如圖IIB及圖IIC所示，通過使機器人513 上的與存在障礙物的環(huán)境的接觸部532向接觸力531的方向沿著接觸回避 路徑526移動，進行回避動作527，減小來自環(huán)境的接觸力531，最終避 免接觸。此外，如圖IID及圖IIE所示，通過使機器人513上的與存在障 礙物的環(huán)境的接觸部532的接觸面向通過接觸力531發(fā)生的力矩533的方 向傾斜，同時使前述接觸部以描繪任意尺寸的圓圈526的方式移動，進行 回避動作527,減小來自環(huán)境的接觸力531，最終避免接觸。但是，對于 各個回避動作527的具體的動作控制沒有任何公開。
此外，關(guān)于專利文獻3，如圖12所示，與算出的外部環(huán)境的剛性系 數(shù)具有相關(guān)關(guān)系地，使機器人側(cè)的阻抗特性變化，采用這些值算出手端操 作裝置411的位置，只著眼于手端操作裝置411的位置，對于為了不對人 施加接觸損害而進行的手臂410的具體的動作控制完全沒有公開。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就在于解決上述以往的控制裝置的問題，提供一種機器 人手臂的控制裝置及控制方法、機器人、及機器人手臂的控制程序，其即 使多關(guān)節(jié)式的機器人手臂也能與人安全地接觸，而且，能夠進行對應人的 活動的最佳的接觸動作，能夠不對人施加接觸損害地與人共存，能夠?qū)崿F(xiàn) 機器人手臂的安全的動作控制。
為達到上述目的，本發(fā)明如以下構(gòu)成。
根據(jù)本發(fā)明的第1方式，提供一種多關(guān)節(jié)式機器人手臂的控制裝置，
其具有以下單元
碰撞位置取得單元，其取得人或移動體與所述多關(guān)節(jié)式機器人手臂的 碰撞位置；碰撞對應動作控制單元，其基于所述碰撞位置取得單元取得的、所述 人或移動體與所述多關(guān)節(jié)式機器人手臂的所述碰撞位置，控制進行使比所 述碰撞位置所屬的所述多關(guān)節(jié)式機器人手臂的連桿靠近根部一側(cè)的關(guān)節(jié) 部的剛性比其它關(guān)節(jié)部的剛性低的碰撞對應動作。
根據(jù)本發(fā)明的第9方式，提供一種多關(guān)節(jié)式機器人手臂的控制方法， 其中，
由運動檢測單元檢測靠近所述機器人手臂的人或移動體的運動； 基于由所述運動檢測單元檢測的所述人或移動體的運動檢測結(jié)果，由
接近探測單元探測所述人或移動體接近所述機器人手臂；
在通過所述接近探測單元探測到所述人或移動體接近時，基于由所述 運動檢測單元檢測的所述人或移動體的所述運動，推定所述人或移動體與 所述多關(guān)節(jié)式機器人手臂的所述碰撞位置，通過碰撞位置取得單元取得所 述碰撞位置，并且，通過利用碰撞對應動作控制單元，控制使比通過所述 碰撞位置取得單元取得的所述碰撞位置所屬的所述多關(guān)節(jié)式機器人手臂 的連桿靠近根部一側(cè)的關(guān)節(jié)部的剛性比其它關(guān)節(jié)部的剛性低，進行對應于 所述人與所述機器人手臂的碰撞的碰撞對應動作。
根據(jù)本發(fā)明的第10方式，提供一種機器人，其特征在于 具有，
所述多關(guān)節(jié)式機器人手臂、
控制所述機器人手臂的第1方式 第8方式中的任何一項所述的機器 人手臂的控制裝置；
通過所述碰撞對應動作控制單元控制進行對應于所述人或移動體與 所述機器人手臂的碰撞的所述碰撞對應動作。
根據(jù)本發(fā)明的第11方式，提供一種機器人手臂的控制程序，用于使 計算機具有作為如下單元的功能
碰撞位置取得單元，其取得人或移動體與多關(guān)節(jié)式機器人手臂的碰撞
位置；
碰撞對應動作控制單元，其基于所述碰撞位置取得單元取得的所述人 或移動體與所述多關(guān)節(jié)式機器人手臂的所述碰撞位置，控制進行使比所述
碰撞位置所屬的所述多關(guān)節(jié)式機器人手臂的連桿靠近根部一側(cè)的關(guān)節(jié)部
7的剛性比其它關(guān)節(jié)部的剛性低的碰撞對應動作。
根據(jù)本發(fā)明的機器人手臂的控制裝置及控制方法、機器人、及機器人 手臂的控制程序，具備碰撞位置取得單元和碰撞對應動作控制單元、或具 備這些功能。因此，在人接近機器人手臂時，可按對應人的運動的適當?shù)?br> 姿勢動作、或按適當?shù)年P(guān)節(jié)部的機械阻抗動作。換句話講，基于上述人或 移動體與上述多關(guān)節(jié)式機器人手臂的上述碰撞位置，通過使比上述碰撞位
置所屬的上述多關(guān)節(jié)式機器人手臂的連桿靠近根部一側(cè)的關(guān)節(jié)部的剛性 低于其它關(guān)節(jié)部的剛性，容易使靠近根部一側(cè)的關(guān)節(jié)部活動，由該關(guān)節(jié)部 消減碰撞時施加的力，從而能夠減小施加給人的沖擊力，提高安全性。因 而，即使是多關(guān)節(jié)式的機器人手臂也能安全地與人接觸，而且，可進行對 應人的活動的最佳的接觸動作，能夠?qū)崿F(xiàn)不對人施加接觸損害地與人共存 的安全的機器人手臂的動作控制。


本發(fā)明的上述目的和特征，可從參考附圖對本發(fā)明的優(yōu)選的實施方式 進行的以下的敘述中闡明。其中
圖1是表示本發(fā)明的第1實施方式中的機器人手臂的控制裝置的構(gòu)成 及控制對象即機器人手臂的構(gòu)成的說明圖。
圖2是說明本發(fā)明的上述第1實施方式中的上述機器人手臂的控制裝 置中的機器人手臂的碰撞警戒區(qū)域的示意圖。
圖3A是說明上述第1實施方式中的上述控制裝置的人運動檢測單元
及碰撞位置推定單元的功能的俯視圖。
圖3B是說明上述第1實施方式中的上述控制裝置的人運動檢測單元 及碰撞位置推定單元的功能的俯視圖。
圖3C是說明上述第1實施方式中的上述控制裝置的人運動檢測單元 及碰撞位置推定單元的功能的俯視圖。
圖3D是說明上述第1實施方式中的上述控制裝置的人運動檢測單元 及碰撞位置推定單元的功能的俯視圖。
圖4是表示上述第1實施方式中的上述控制裝置的動作控制單元的詳 細構(gòu)成的框圖。圖5是表示上述第1實施方式中的上述控制裝置的動作控制單元中的 控制程序的動作步驟的流程圖。
圖6是表示上述第1實施方式中的上述控制裝置全體的動作步驟的流 程圖。
圖7是說明本發(fā)明的上述第1實施方式中的上述機器人手臂的控制裝
置的目標軌道的示意圖。
圖8A是表示本發(fā)明的第2實施方式中的機器人手臂的控制裝置的構(gòu) 成及控制對象即機器人手臂的構(gòu)成的示意圖。
圖8B是表示上述第2實施方式中的上述控制裝置的動作控制單元的 詳細構(gòu)成的框圖。
圖9A是說明本發(fā)明的上述第2實施方式中的上述機器人手臂的控制 裝置的動作的示意圖。
圖9B是說明本發(fā)明的上述第2實施方式中的上述機器人手臂的控制 裝置的動作的示意圖。
圖9C是說明本發(fā)明的上述第2實施方式中的上述機器人手臂的控制 裝置的動作的示意圖。
圖9D是說明本發(fā)明的上述第2實施方式中的上述機器人手臂的控制 裝置的動作的示意圖。
圖10是表示本發(fā)明的第2實施方式中的機器人手臂的控制裝置的控 制對象即機器人手臂的其它構(gòu)成的示意圖。
圖11A是涉及專利文獻2的以往技術(shù)的機器人控制裝置的簡要構(gòu)成圖。
圖11B是表示圖11A的機器人控制裝置中的回避接觸動作的具體例 的示意圖。
圖11C是表示圖11A的機器人控制裝置中的回避接觸動作的上述具 體例的示意圖。
圖11D是表示圖11A的機器人控制裝置中的回避接觸動作的另一具 體例的示意圖。
圖11E是表示圖11A的機器人控制裝置中的回避接觸動作的上述又 一具體例的示意圖。圖12是涉及專利文獻3的以往技術(shù)的機器人控制裝置的框圖。
具體實施例方式
在繼續(xù)本發(fā)明的敘述之前需要說明的是，對于附圖中相同的部件附加 相同的參照符號。
以下，參照附圖對本發(fā)明的實施方式進行詳細地說明。
以下，在參照附圖對本發(fā)明中的實施方式進行詳細地說明之前，先對 本發(fā)明的各種方式進行說明。
根據(jù)本發(fā)明的第1方式，提供一種多關(guān)節(jié)式機器人手臂的控制裝置， 其具有
碰撞位置取得單元，其取得人或移動體與所述多關(guān)節(jié)式機器人手臂的 碰撞位置；
碰撞對應動作控制單元，其基于所述碰撞位置取得單元取得的所述人 或移動體與上述多關(guān)節(jié)式機器人手臂的所述碰撞位置，控制進行碰撞對應 動作使比所述碰撞位置所屬的所述多關(guān)節(jié)式機器人手臂的連桿靠近根部 一側(cè)的關(guān)節(jié)部的剛性比其它關(guān)節(jié)部的剛性低。
根據(jù)本發(fā)明的第2方式，提供一種如第1方式所述的機器人手臂的控 制裝置，其中，所述碰撞對應動作控制單元，控制進行所述碰撞對應動作 使所述碰撞位置所屬的所述多關(guān)節(jié)式機器人手臂的連桿的最靠近所述根 部一側(cè)的關(guān)節(jié)部的剛性比其它關(guān)節(jié)部的剛性低。
根據(jù)本發(fā)明的第3方式，提供一種如第1方式或第2方式所述的機器 人手臂的控制裝置，其中，所述碰撞對應動作控制單元，通過維持比所述 碰撞位置所屬的所述多關(guān)節(jié)式機器人手臂的連桿靠近手腕部的一側(cè)的關(guān) 節(jié)部的剛性或附加更大的剛性，控制進行所述碰撞對應動作。
根據(jù)本發(fā)明的第4方式，提供一種如第1方式或第2方式所述的機器 人手臂的控制裝置，其中，所述碰撞對應動作控制單元，通過對比所述碰 撞位置所屬的所述多關(guān)節(jié)式機器人手臂的所述連桿靠近手腕部的一側(cè)的 每個關(guān)節(jié)部分別地控制關(guān)節(jié)角度，控制進行所述碰撞對應動作。
根據(jù)本發(fā)明的第5方式，提供一種如第1方式或第2方式所述的機器 人手臂的控制裝置，其中，還具備檢測所述人或移動體的運動的運動檢測單元；
所述碰撞位置取得單元，基于所述運動檢測單元的檢測結(jié)果，推定所 述人或移動體與所述多關(guān)節(jié)式機器人手臂的所述碰撞位置，取得所述碰撞
位置；
所述碰撞對應動作控制單元，基于由所述碰撞位置取得單元推定的所 述碰撞位置，控制進行所述碰撞對應動作。
根據(jù)本發(fā)明的第6方式，提供一種如第5方式所述的機器人手臂的控 制裝置，其中，
還具備基于所述運動檢測單元的檢測結(jié)果，探測所述人或移動體接近 所述機器人手臂的接近探測單元；
所述碰撞對應動作控制單元，在所述接近探測單元探測到所述人或移 動體接近時，控制進行所述碰撞對應動作。
根據(jù)本發(fā)明的第7方式，提供一種如第5方式或第6方式所述的機器 人手臂的控制裝置，其中，所述碰撞對應動作控制單元，基于所述運動檢 測單元檢測的所述人或移動體的運動的速度成分，控制進行所述碰撞對應 動作。
根據(jù)本發(fā)明的第8方式，提供一種如第5方式至第7方式中任何一項 所述的機器人手臂的控制裝置，其中，所述運動檢測單元檢測所述人或移 動體的位置和移動速度，而檢測所述人的運動。
根據(jù)本發(fā)明的第9方式，提供一種多關(guān)節(jié)式機器人手臂的控制方法， 其中，
由運動檢測單元檢測靠近所述機器人手臂的人或移動體的運動； 基于由所述運動檢測單元檢測的所述人或移動體的運動檢測結(jié)果，由 接近探測單元探測所述人或移動體接近所述機器人手臂；
在通過所述接近探測單元探測到所述人或移動體接近時，基于由所述 運動檢測單元檢測的所述人或移動體的所述運動，推定所述人或移動體與 所述多關(guān)節(jié)式機器人手臂的所述碰撞位置，通過碰撞位置取得單元取得所 述碰撞位置，并且，通過利用碰撞對應動作控制單元，控制使比通過所述 碰撞位置取得單元取得的所述碰撞位置所屬的所述多關(guān)節(jié)式機器人手臂 的連桿靠近根部一側(cè)的關(guān)節(jié)部的剛性比其它關(guān)節(jié)部的剛性低，進行對應于所述人與所述機器人手臂的碰撞的碰撞對應動作。
根據(jù)本發(fā)明的第10方式，提供一種機器人，其特征在于 具有，所述多關(guān)節(jié)式機器人手臂、
控制所述機器人手臂的第1方式 第8方式中的任何一項所述的機器 人手臂的控制裝置；
通過所述碰撞對應動作控制單元控制進行對應于所述人或移動體與 所述機器人手臂的碰撞的所述碰撞對應動作。
根據(jù)本發(fā)明的第11方式，提供一種機器人手臂的控制程序，用于使 計算機具有作為如下單元的功能
碰撞位置取得單元，其取得人或移動體與多關(guān)節(jié)式機器人手臂的碰撞 位置；
碰撞對應動作控制單元，其基于所述碰撞位置取得單元取得的、所述 人或移動體與所述多關(guān)節(jié)式機器人手臂的所述碰撞位置，控制進行使比所 述碰撞位置所屬的所述多關(guān)節(jié)式機器人手臂的連桿靠近根部一側(cè)的關(guān)節(jié) 部的剛性比其它關(guān)節(jié)部的剛性低的碰撞對應動作。
以下，參照附圖對本發(fā)明的實施方式進行詳細地說明。 (第1實施方式)
圖1是表示本發(fā)明的第1實施方式中的多關(guān)節(jié)式的機器人手臂的控制
裝置1的構(gòu)成及其控制對象即多關(guān)節(jié)式的機器人手臂8的構(gòu)成的示意圖。
該機器人手臂的控制裝置1是實施上述第1實施方式的機器人手臂的控制
方法的控制裝置，可用于具備多關(guān)節(jié)式的機器人手臂8的機器人，如后述， 也可使用為多關(guān)節(jié)式的機器人手臂8的控制程序。
在圖1中，2是作為運動檢測單元的一例的人運動檢測單元，根據(jù)用 攝像頭等圖像攝像裝置36拍攝的圖像數(shù)據(jù)，由人運動檢測單元2進行圖 像識別處理，由人運動檢測單元2檢測接近機器人手臂8的人38的位置 以及移動速度及移動方向的信息。
3是作為接近探測單元的一例的人接近探測單元，由人運動檢測單元 2的檢測結(jié)果即人位置的信息、和從后述的動作控制單元7得到的由機器 人手臂8的關(guān)節(jié)角度信息求出的機器人手臂8的姿勢的信息的關(guān)系，檢測到人38接近機器人手臂8。
5是作為碰撞位置取得單元的一例的碰撞位置推定單元，由人運動檢
測單元2檢測的接近的人38的位置信息、以及人38的移動速度及移動方 向即移動速度矢量信息，推定機器人手臂8與人38的碰撞預定位置(可 作為碰撞位置處理的位置)，將推定結(jié)果輸出給后述的碰撞對應動作生成 單元6。
4是碰撞對應動作控制單元，進行用機器人手臂8執(zhí)行作業(yè)時的機器 人手臂8的動作的控制(具體是，上述機器人手臂8的機械阻抗的值的控 制)，在人接近探測單元3探測到人38向機器人手臂8接近時，基于人運 動檢測單元2的檢測結(jié)果，控制人38和機器人手臂8的碰撞時的碰撞對 應動作。
碰撞對應動作控制單元4由碰撞對應動作生成單元6、及動作控制單 元7構(gòu)成。
碰撞對應動作生成單元6，計算在碰撞位置推定單元5推定的碰撞預 定位置，機器人手臂8和人38接觸時的機器人手臂8的關(guān)節(jié)目標軌道及 關(guān)節(jié)目標的機械阻抗值，將計算結(jié)果輸出給動作控制單元7。
動作控制單元7控制機器人手臂8的手指的位置姿勢，用機器人手臂 8的手指實現(xiàn)目標作業(yè)，并且，在人38接近的情況下，切換控制使得追隨 碰撞對應動作生成單元6生成的關(guān)節(jié)目標軌道，同時進行阻抗控制，控制 機器人手臂8的各關(guān)節(jié)部的機械阻抗的值，達到碰撞對應動作生成單元6 生成的關(guān)節(jié)目標的機械阻抗值。這里，機器人手臂8的各關(guān)節(jié)部，如后述， 經(jīng)由連接在D/A轉(zhuǎn)換器21及A/D轉(zhuǎn)換器22上的電機驅(qū)動器19，在阻抗 控制下驅(qū)動作為各關(guān)節(jié)部的驅(qū)動裝置的一例的電機34，分別進行彎曲動 作。
控制裝置1，作為硬件由普通的通用微機構(gòu)成，除了人運動檢測單元 2、人接近探測單元3、碰撞位置推定單元5、碰撞對應動作生成單元6、 及動作控制單元7中的輸入輸出IF (輸入輸出接口) 20以外的部分利用 可由通用微機執(zhí)行的控制程序18由軟件來實現(xiàn)，。
輸入輸出IF20由連接在通用微機的PCI總線等的擴展插口上的D/A 轉(zhuǎn)換器21、 A/D轉(zhuǎn)換器22、計數(shù)轉(zhuǎn)換器23構(gòu)成。通過執(zhí)行用于控制機器人手臂8的動作的控制程序18使控制裝置1
發(fā)揮作用，由連接在機器人手臂8的各關(guān)節(jié)部的電機34上的編碼器35輸 出的關(guān)節(jié)角度信息，通過計數(shù)轉(zhuǎn)換器23輸入給控制裝置1，通過控制裝置 1算出各關(guān)節(jié)部的旋轉(zhuǎn)動作的控制指令值。算出的各控制指令值通過D/A 轉(zhuǎn)換器21輸送給電機驅(qū)動器19，按照從電機驅(qū)動器19送出的各控制指令 值，驅(qū)動機器人手臂8的各關(guān)節(jié)部的電機34。
機器人手臂8是4自由度的多連桿機械手，具有手9、在前端具有 安裝手9的手腕部10的第2連桿11、可旋轉(zhuǎn)地連結(jié)第2連桿11的第1連 桿12、可旋轉(zhuǎn)地連結(jié)支持第1連桿12的基座部13。手腕部10具有第3 關(guān)節(jié)部16及第4關(guān)節(jié)部17的2個旋轉(zhuǎn)軸(沿上下方向的旋轉(zhuǎn)軸和沿橫向 的旋轉(zhuǎn)軸)，能夠使手9與第2連桿11的相對姿勢(朝向)變化。第2連 桿11的另一端相對于第1連桿12的前端，可圍繞第2關(guān)節(jié)部15的沿著 上下方向的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，第1連桿12的另一端相對于基座部13，可圍繞 第1關(guān)節(jié)部14的沿著上下方向的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，合計可圍繞4個軸旋轉(zhuǎn)， 如此構(gòu)成上述4自由度的多連桿機械手。
在構(gòu)成各軸的旋轉(zhuǎn)部分的各關(guān)節(jié)部，具備由各關(guān)節(jié)部連結(jié)的2個部 件中的一部件上所設且由后述的電機驅(qū)動器19驅(qū)動控制的作為旋轉(zhuǎn)驅(qū)動 裝置的一例的電機34 (實際上設在機器人手臂8的各關(guān)節(jié)部的內(nèi)部)、和 檢測電機34的旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)相位角(即關(guān)節(jié)角)的編碼器35 (實際上配 設在機器人手臂8的各關(guān)節(jié)部的內(nèi)部)。電機34的旋轉(zhuǎn)軸連結(jié)在由各關(guān)節(jié) 部連結(jié)的2個部件之另一個部件上，通過使上述旋轉(zhuǎn)軸正反旋轉(zhuǎn)，使另一 個部件相對于一部件圍繞各軸旋轉(zhuǎn)。
32是相對于基座部13的下側(cè)固定部的相對位置關(guān)系被固定的絕對坐 標系，將其原點設為Oc。 33是相對于手9相對的位置關(guān)系被固定的手指 坐標系。將從絕對坐標系32看的手指坐標系33的原點位置Oe (x、 y) 規(guī)定為機器人手臂8的手指位置、將從絕對坐標系32看的手指坐標系33 的姿勢(小、"規(guī)定為機器人手臂8的手指姿勢，將手指位置/姿勢矢量r 定義為r= [x、 y、 4>、 0] t。在控制機器人手臂8的手指位置及姿勢的 情況下，使手指位置/姿勢矢量r追隨目標手指位置/姿勢矢量Wd，如此可 用控制裝置1進行控制。接著，對構(gòu)成控制裝置l的各功能模塊的詳細構(gòu)成和作用進行說明。 向人運動檢測單元2輸入由圖像攝像裝置36拍攝的圖像數(shù)據(jù)，通過
人運動檢測單元2中的圖像識別處理，檢測從配置有機器人手臂8的房間 的天花板俯視地面時的人38的二維位置Xp (Xp、 yp)及人38的移動速度 矢量Vp (vx、 vy)，將二維位置Xp(Xp， yp)及移動速度矢量Vp (vx、 vy) 的信息由人運動檢測單元2輸出給人接近探測單元3及碰撞位置推定單元 5。
人接近探測單元3定義圖2所示的碰撞警戒區(qū)域100，探測并判斷人 38是否進入該區(qū)域100、人38是否接近機器人手臂8。
碰撞警戒區(qū)域100的基端側(cè)的扇形區(qū)域100A，為以第1連桿12的長 度L,的w倍即為半徑，以第1關(guān)節(jié)軸(第1關(guān)節(jié)部14的旋轉(zhuǎn)軸) 為圓點，以第1關(guān)節(jié)部14的關(guān)節(jié)角qi的例如第1連桿12的中心軸為中 心的士A。的角度的區(qū)域。此外，碰撞警戒區(qū)域100的前端側(cè)的扇形區(qū)域 100B，為以第2連桿11的長度L2和手9的長度LH的a2倍，即a2 (L2+LH ) 為半徑，以第2關(guān)節(jié)軸(第2關(guān)節(jié)部15的旋轉(zhuǎn)軸)為圓點，以第2關(guān)節(jié) 部15的關(guān)節(jié)角q2的例如第2連桿11的中心軸為中心的±/32°的角度的區(qū) 域。如此一來，即使與速度成正比地使扇形區(qū)域的范圍變化，也能確實防 止手9的手指伸出到前端側(cè)的扇形區(qū)域100B之外。
定義碰撞警戒區(qū)域100的a,、 o;2、 ft、 /32的值是任意的值，但能夠 基于例如使機器人手臂8動作的手指速度Vr= {(dx/dt) 2+ (dy/dt) 2 } 1/2 確定這些值，如果以與手指速度Vr成正比地加大a、 a2、 &、 /32的值的 方式確定，則在機器人手臂8的動作速度快的情況下，碰撞警戒區(qū)域100 的面積增大，能夠提高安全性。
在該第1實施方式中，例如，將手指速度^的單位設定為m/s，并且 將VK設定為根據(jù)K的大小與Vr成正比的值或為常數(shù)的值，設定為w =1.2VK、 a2 = 1.2VK、 A二24Vk、 /32=24Vk。其中，在vk為以下[式1] 時，是按VK二1.9Vr定義的值(變數(shù))，在Vr〈0.5[m/s]時，是定義為VK 二0.95和常數(shù)的值(變數(shù))。
Vr》0.5[m/s]
15如此一來，在手指速度為0.5[m/s]以上時，與手指速度的大小成正比 地確定碰撞警戒區(qū)域100的尺寸。此外，在低于0.5[m/s]時，分別成為固 定值《,=1.14、 a2 = 1.14、 ft =22.8、 /32二22.8，即使在手指速度低的情況 下，也能確保某種程度的尺寸的碰撞警戒區(qū)域100。
人接近探測單元3，由人運動檢測單元2檢測的人38的位置的信息、 和從動作控制單元7得到的機器人手臂8的關(guān)節(jié)角度信息，算出人38和 機器人手臂8的相對關(guān)系，如果人38進入碰撞警戒區(qū)域100，就將人侵入 這一情況通知給碰撞對應動作控制單元4。
碰撞位置推定單元5，由人運動檢測單元2檢測的人38的位置的信息 及移動速度矢量的信息推定與人38的碰撞預定位置[式2]，并將其輸出給 碰撞對應動作生成單元6。
Xp (Xj ， y》
例如，圖3A所示，假想與速度矢量Vp (vx， vy)的延長線垂直相交， 通過機器人手臂8的第1關(guān)節(jié)部14的旋轉(zhuǎn)軸的直線A。如果將直線A和 絕對坐標系32的x軸形成的角度設定為qH、將速度矢量Vp (vx、 Vy) 的延長線和直線A的交點設定為碰撞預定位置[式3]，則按以下[式4] [式 7]給出角度qu。<formula>formula see original document page 16</formula>接著，參照圖3A 圖3C，對碰撞對應動作生成單元6的詳細情況進 行說明。
碰撞對應動作生成單元6，從圖3A的通常作業(yè)時的狀態(tài)(當前狀態(tài)) 生成向圖3B的阻止碰撞姿勢的關(guān)節(jié)目標軌道。
機器人手臂8的第1連桿12的中心軸的線與碰撞預定位置[式8]重疊 地通過碰撞對應動作生成單元6確定第1關(guān)節(jié)部14的角度qil。即，qii =atan2 (》，x》。其中，atan2 (y;， Xj ) =arg (yi+jx》，是j為虛數(shù)、 arg為復數(shù)的偏角。此外，第2關(guān)節(jié)部15的角度q2i，為了使機器人手臂8 圍住人38，例如設定為60。的固定值。
Xp (Xj ， yi)
將碰撞對應姿勢時的機器人手臂8的第1關(guān)節(jié)部14的角度設定為qii。 此外，關(guān)于第2關(guān)節(jié)部15的角度q2i，規(guī)定根據(jù)碰撞預定位置[式9]和絕對 坐標系32的原點Od司的距離LX1，按以下的接觸模式(1) (3)這3 個模式使其變化。
Xp (Xi ， y》
圖3B所示的接觸模式(1): [式10]
Lxi & X0,8
在這種情況下，設定q2i二90。。 圖3C所示的接觸模式(2): [式11]
L, X0.8 <Lxi《L!X1.2
在這種情況下，設定q2i二 {(Lxi—L!)/0.4XLJ X90° 。 在圖3D所示的接觸模式(3): "X1.2〈Lx,時，設定為q2,二0。。 如此一來，機器人手臂8能夠伴隨以下這樣的姿勢進行阻抗控制動作。 在上述接觸模式(1)時，如圖3B所示，由于與人38的接觸發(fā)生在
第1連桿12，呈第2連桿11相對于第1連桿12折彎90°的姿勢，因此
成為機器人手臂8圍住人38的姿勢。在上述接觸模式(2)時，如圖3C所示，成為與人38的接觸發(fā)生在
第2關(guān)節(jié)部15附近，第2關(guān)節(jié)部15的張開角度q2i根據(jù)與人38的接觸位 置而變化的姿勢。
在上述接觸模式(3)時，如圖3D所示，與人38的接觸發(fā)生在第2 連桿ll，第2關(guān)節(jié)部15的角度q2,為0。，機器人手臂8成為第1連桿12 和第2連桿11在一條直線上的姿勢。
在如此的阻抗控制動作中，從機器人手臂8的關(guān)節(jié)角度的當前值(q,、 q2)，通過以下[式12]的5次多項式插補由碰撞對應動作生成單元6，計算 求出接觸動作時的到關(guān)節(jié)角度(qn、 q2,)的目標軌道即關(guān)節(jié)角度目標值qnd (t)。這里，t為時間。
<formula>formula see original document page 18</formula>
其中， [式13]
<formula>formula see original document page 18</formula> <formula>formula see original document page 18</formula> [式15] <formula>formula see original document page 18</formula><formula>formula see original document page 18</formula>
<formula>formula see original document page 18</formula> [式18]<formula>formula see original document page 19</formula> "=1 ， 2 ，
此外，tf為阻抗控制動作的動作結(jié)束時間。
碰撞對應動作生成單元6，作為關(guān)節(jié)角度目標值，將按式(12)計算 的關(guān)節(jié)角度目標值q。d (t)輸出給動作控制單元7。
此外，碰撞對應動作生成單元6，根據(jù)接觸模式(1) (3)及碰撞 時的人38的速度成分，確定圖3B 圖3D的碰撞對應姿勢時的各關(guān)節(jié)部 的機械阻抗值。作為機械阻抗值的設定參數(shù)，有慣性I、粘性D、剛性K。
在接觸模式(1)及(2)時根據(jù)接觸時的人38的速度中與第1及 第2連桿12、 ll垂直的成分vn、 vi2，通過In二K!/vjn、 Dn=KD/Vin、 Kn=KK/Vin確定各關(guān)節(jié)部的機械阻抗參數(shù)。其中，n=l、 2。此外，Kp KD、 Kk是常數(shù)増益，為了達到安全的動作通過實驗求出具體的數(shù)值。此 外，確定各參數(shù)的上限值Imaxn、 Dmaxn、 Kmaxn，在計算值超過這些上 限值時，視為各參數(shù)與上限值相等。
在接觸模式(3)時關(guān)于第1關(guān)節(jié)部14，設為h =ImaXl 、D, =DmaXl 、 K,二Kmax,，關(guān)于第2關(guān)節(jié)部15，根據(jù)接觸時的人38的速度中與第2連 桿ll垂直的成分v,2，通過12=& 12、 D2=KD/Vl2、 K2二Kk/V,2碗定 第2關(guān)節(jié)部15的機械阻抗參數(shù)。
關(guān)于手腕部10的機械阻抗，通常，上限值為In =Imaxn 、 Dn =Dmaxn 、 Kn=Kmaxn，其中，設n-3， 4。
上限值設為足夠大的值，例如為ImaXn二DmaXn二Kmaxn二 10000，其 中設n二l， 2， 3， 4。
若如上所述確定了關(guān)節(jié)部的機械阻抗，則在接觸模式(1)及(2)中， 例如，在人38與第1連桿12大致垂直碰撞時，由于vl2—0，因此在第1 關(guān)節(jié)部14，與阻抗控制動作前相比比較小地設定機械阻抗值，第1關(guān)節(jié)部 14變得柔軟，在第2關(guān)節(jié)部15、第3關(guān)節(jié)部16及第4關(guān)節(jié)部17，與阻抗 控制動作前相比將機械阻抗值設定在上限值，第2關(guān)節(jié)部15、第3關(guān)節(jié)部 16及第4關(guān)節(jié)部17變得堅固。也就是說，可通過碰撞對應動作控制單元4進行使與第1連桿12的碰撞位置所屬的第1連桿12相比靠近根部(基
座部13)的一側(cè)即第1關(guān)節(jié)部14的剛性低于另一關(guān)節(jié)部例如第2關(guān)節(jié)部 15、第3關(guān)節(jié)部16及第4關(guān)節(jié)部17的剛性的碰撞對應動作。因此，通過 利用第1關(guān)節(jié)部14的柔軟性使碰撞的撞擊緩和，同時使第2關(guān)節(jié)部15堅 固，第2連桿11不會因碰撞的反作用力而不經(jīng)意地活動，第2連桿11也 不會碰撞人38，可確保安全性。此外，通過由第1連桿12和第2連桿11 構(gòu)成L字形，圍住人38，能夠起到作為人38的前側(cè)及橫側(cè)兩方向的支撐 的作用，可防止人38摔倒(通過在人38摔倒時由第1連桿12或第2連 桿11抓住人38，能防止人38摔倒)，能夠更加提高安全性。
此外，在接觸模式(2)中，即使在有與第2連桿11垂直的速度成分 Vi2的情況下，由于根據(jù)速度成分v,2，比較低地設定第2關(guān)節(jié)部15的剛性， 第2關(guān)節(jié)部15變得柔和，因此能夠確保安全性。
此外，在接觸模式(3)中，由于與阻抗控制動作前相比第1關(guān)節(jié)部 14變得堅固，根據(jù)人38的移動速度中與第2連桿11垂直的成分vi2，與 阻抗控制動作前相比比較柔和地設定比碰撞預定位置所屬的第2連桿11 的碰撞預定位置最靠近根部(基座部13)的一側(cè)的關(guān)節(jié)部即第2關(guān)節(jié)部 15，因而能夠用第2關(guān)節(jié)部15的柔軟性吸收人38碰撞第2連桿11的撞 擊，所以能夠確保安全性。此外，與上述相反，與柔和地設定第1關(guān)節(jié)部 14、堅固地設定第2關(guān)節(jié)部15時相比，碰撞時施加的慣性主要是第2連 桿11的慣性，由于不施加第1連桿12的慣性，因此可減小碰撞時的撞擊。
再有，在接觸模式(3)中，除了柔和地設定第1關(guān)節(jié)部14、堅固地 設定第2關(guān)節(jié)部15時以外，也可以考慮同時使第1關(guān)節(jié)部14和第2關(guān)節(jié) 部15比另外的第3關(guān)節(jié)部16及第4關(guān)節(jié)部17柔和，也就是說，使比碰 撞預定位置所屬的第2連桿11靠近根部(基座部13)的一側(cè)的所有關(guān)節(jié) 部比其以外的關(guān)節(jié)部柔和的方法。
在該方法中，在關(guān)節(jié)部具有可動范圍的情況下，可更安全。在各關(guān)節(jié) 部具有可動范圍時，因碰撞而使關(guān)節(jié)部活動，如果超出可動范圍，由于不 能使關(guān)節(jié)部過度活動，因此也就不能發(fā)揮柔軟性?？墒牵谑箍拷?基 座部13) —側(cè)的關(guān)節(jié)部都比其以外的關(guān)節(jié)部柔和時，由于通過相加第1 關(guān)節(jié)部14和第2關(guān)節(jié)部15的可動范圍，可獲得更大的可動范圍，因此能夠擴大可發(fā)揮柔軟性的范圍，從而能夠提高安全性。
接著，參照圖4對動作控制單元7的詳細構(gòu)成進行說明。
在圖4中，8是控制對象即圖1所示的機器人手臂。從機器人手臂8，
輸出通過各自的關(guān)節(jié)軸的編碼器35測量的關(guān)節(jié)角的當前值(關(guān)節(jié)角度矢 量)q= [q!、 q2、 q3、 q4] t，通過計數(shù)轉(zhuǎn)換器23輸入給控制裝置。其 中，q, 、 q2、 q3 、 q4分別是第1關(guān)節(jié)部14、第2關(guān)節(jié)部15、第3關(guān)節(jié)部 16、第4關(guān)節(jié)部17的關(guān)節(jié)角度。
24是作業(yè)目標軌道生成單元，輸出作為目標的用于實現(xiàn)機器人手臂8 的作業(yè)的手指位置/姿勢目標矢量^d。如圖7所示，機器人手臂8的目標 動作，根據(jù)目的作業(yè)，預先給出每個示教點的位置(rwd o 、 rwd t 、 rwd 2……)， 目標軌道生成單元24使用多項式插補，修補每個點的位置間的軌道，生 成手指位置/姿勢目標矢量rwd。其中，上述位置i^d。假設為時間t二0時
的位置、rwd,假設為時間t二ti時的位置、IVd2假設為時間t^t2時的位置。
由目標軌道生成單元24輸入給逆運動學計算單元25的手指位置/姿勢 目標矢量rwd，通過逆運動學計算單元25被變換成關(guān)節(jié)目標矢量qwd。
26是目標軌道切換單元，向目標軌道切換單元26，由逆運動學計算 單元25輸入關(guān)節(jié)目標矢量qwd ，由碰撞對應動作生成單元6輸入碰撞對應 動作關(guān)節(jié)目標矢量qld ，由人接近探測單元3輸入碰撞對應動作切換指令。 通常，由作業(yè)目標軌道生成單元24生成的手指位置/姿勢目標矢量rwd被 逆運動學計算單元25變換為關(guān)節(jié)目標矢量qwd ，目標軌道切換單元26選 擇上述變換的關(guān)節(jié)目標矢量qwd ，作為關(guān)節(jié)目標矢量qd由目標軌道切換單 元26輸出。但是，如果人接近時目標軌道切換單元26從人接近探測單元 3接受碰撞對應動作切換指令，則目標軌道切換單元26選擇由碰撞對應動 作生成單元6輸入的接觸動作關(guān)節(jié)目標矢量q,d，作為關(guān)節(jié)目標矢量qa由 目標軌道切換單元26輸出。
27是扭矩推定單元，推定因人38和機器人手臂8的接觸而施加給機 器人手臂8的各關(guān)節(jié)部的外力扭矩。向扭矩推定單元27，經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換 器22輸入由電機驅(qū)動器19的電流傳感器測量的在驅(qū)動機器人手臂8的各 關(guān)節(jié)部的電機34中流動的電流值i二 [i,、 i2、 i3、 i4] T，此外，由關(guān)節(jié) 誤差補償單元30輸入關(guān)節(jié)角的當前值q及后述的關(guān)節(jié)角度誤差補償輸出
21U
Lq e
扭矩推定單元27具有作為觀測器的功能，由以上的電流值i、關(guān)節(jié) 角的當前值q、關(guān)節(jié)角度誤差補償輸出uqe算出因施加給機器人手臂8的
外力而發(fā)生在各關(guān)節(jié)部的扭矩Text二 [Tlex、 T2ext、 T3ext、 T4ext] T。
關(guān)節(jié)阻抗計算單元28是具有能在機器人手臂8實現(xiàn)機械阻抗的功能 的部分，在人38不接近的通常動作時由關(guān)節(jié)阻抗計算單元28向位置控制 系31的輸入側(cè)輸出0。另一方面，如果人38接近，從碰撞對應動作生成 單元6接受到接觸動作切換指令，則在關(guān)節(jié)阻抗計算單元28，通過以下的 式(20)，從由碰撞對應動作生成單元6設定的機械阻抗參數(shù)I、 D、 K、 關(guān)節(jié)角的當前值q、和扭矩推定單元27推定的外力扭矩Text，計算用于在 機器人手臂8的每個關(guān)節(jié)部實現(xiàn)機械阻抗的關(guān)節(jié)目標修正輸出qdA，然后 輸出給位置控制系31的輸入側(cè)。將關(guān)節(jié)目標修正輸出qdA，在位置控制系 31的輸入側(cè)與目標軌道切換單元26輸出的關(guān)節(jié)目標qd相加，生成修正關(guān) 節(jié)目標矢量qdm，并輸入給位置控制系31。 q必+
式中，s為拉普拉斯算子，另外， [式21]
<formula>formula see original document page 22</formula><formula>formula see original document page 23</formula>
30是位置控制系31內(nèi)的關(guān)節(jié)誤差補償單元，在機器人手臂8中測量 的關(guān)節(jié)角度矢量的當前值q、和關(guān)節(jié)修正目標矢量qam的誤差qe被輸入給 關(guān)節(jié)誤差補償單元30，由關(guān)節(jié)誤差補償單元30將關(guān)節(jié)誤差補償輸出uqe 向機器人手臂8輸出。
關(guān)節(jié)誤差補償輸出Uqe，經(jīng)由D/A轉(zhuǎn)換器21，作為電圧指令值傳遞給 電機驅(qū)動器19，正反旋轉(zhuǎn)驅(qū)動各關(guān)節(jié)軸，機器人手臂8動作。
再有，上述動作控制單元7，如上所述，由目標軌道生成單元24、逆 運動學計算單元25、目標軌道切換單元26、扭矩推定單元27、關(guān)節(jié)阻抗 計算單元28和位置控制系31構(gòu)成。
關(guān)于按以上構(gòu)成的動作控制單元7，對其工作的原理進行說明。
工作的基本是關(guān)節(jié)誤差補償單元30形成的關(guān)節(jié)矢量(關(guān)節(jié)角的當前 值)q的反饋控制(位置控制)，圖4的虛線圍住的部分為位置控制系31。 作為關(guān)節(jié)誤差補償單元30，例如，如果使用PID補償器，則以關(guān)節(jié)誤差 qe收縮為0的方式進行控制，實現(xiàn)作為目標的機器人手臂8的動作。
在通過人接近探測單元3探測到人38向碰撞警戒區(qū)域100的侵入時， 相對于上述說明的位置控制系31，通過關(guān)節(jié)阻抗計算單元28，在位置控 制系31的輸入側(cè)，將關(guān)節(jié)目標修正輸出qdA與目標軌道切換單元26輸出 的關(guān)節(jié)目標qa相加，進行關(guān)節(jié)部的目標值的修正。因此，上述的位置控制 系31的關(guān)節(jié)部的目標值比原來的值略微錯開，結(jié)果可實現(xiàn)機械阻抗。由 于通過式(20)由關(guān)節(jié)阻抗計算單元28計算關(guān)節(jié)目標修正輸出qdA，因此 可實現(xiàn)慣性I、粘性D、剛性K的機械阻抗。
對實現(xiàn)基于以上的原理的動作控制單元7的工作的控制程序的實際工 作步驟，基于圖5的流程圖進行說明。
在步驟1中，將由編碼器35測量的關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)(關(guān)節(jié)變數(shù)矢量或 關(guān)節(jié)角度矢量q)輸入給控制裝置l。接著，在步驟2中，基于預先存儲在控制裝置1的存儲器(未圖示) 中的機器人手臂8的動作控制程序18，通過動作控制單元7的作業(yè)目標軌
道生成單元24，計算機器人手臂8的手指位置/姿勢目標矢量rwd。
接著，在步驟3中，在逆運動學計算單元25中將手指位置/姿勢目標 矢量rwd變換成關(guān)節(jié)目標qwd。
接著，在步驟4中，通過目標軌道切換單元26進行目標軌道的切換。 在沒有人38向碰撞警戒區(qū)域100的侵入的情況下，執(zhí)行作業(yè)動作，而進 入步驟5A。另一方面，在有人38向碰撞警戒區(qū)域100的侵入的情況下， 執(zhí)行碰撞對應動作，而進行向步驟5B的處理(在目標軌道切換單元26的 處理)。
在步驟5B中，將關(guān)節(jié)目標矢量qd作為碰撞對應動作生成單元6生成 的接觸動作關(guān)節(jié)目標矢量qKi(在目標軌道切換單元26的處理)。然后，進 入步驟6。
在步驟5A中，將關(guān)節(jié)目標矢量qa作為關(guān)節(jié)目標qwd (在目標軌道切 換單元26的處理)。然后，進入步驟8。
在步驟6中，從各自的電機34的驅(qū)動電流值i、關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)(關(guān)節(jié) 角度矢量(關(guān)節(jié)角的當前值)q)、關(guān)節(jié)角度誤差補償輸出uqe，通過扭矩 推定單元27計算機器人手臂8的關(guān)節(jié)部上的外力扭矩Text (在扭矩推定單 元27的處理)。
接著，在步驟7中，從在碰撞對應動作生成單元6中設定的機械阻抗 參數(shù)I、 D、 K、關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)(關(guān)節(jié)角度矢量q)、由扭矩推定單元27計 算的施加給機器人手臂8的外力扭矩Text，通過關(guān)節(jié)阻抗計算單元28計算 關(guān)節(jié)目標修正輸出qdA (在關(guān)節(jié)阻抗計算單元28的處理)。
接著，在步驟8中，作為關(guān)節(jié)目標矢量qd和關(guān)節(jié)目標修正輸出qdA的 和，計算修正關(guān)節(jié)目標矢量qdm，并輸入給位置控制系31。
接著，在步驟9中，將修正關(guān)節(jié)目標矢量qam和當前的關(guān)節(jié)矢量q的 差即關(guān)節(jié)部的誤差qe輸入給關(guān)節(jié)誤差補償單元30，在關(guān)節(jié)誤差補償單元 30計算關(guān)節(jié)角度誤差保證輸出uqe (在關(guān)節(jié)誤差補償單元30的處理)。作 為關(guān)節(jié)誤差補償單元30的具體例，可考慮PID補償器。通過控制來適當 調(diào)整常數(shù)的對角行列即比例、微分、積分這3個增益，將關(guān)節(jié)誤差收縮為0。
接著，在步驟10中，將關(guān)節(jié)角度誤差補償輸出Uqe通過D/A轉(zhuǎn)換器
21傳遞給電機驅(qū)動器19，通過使沿著各自的關(guān)節(jié)部的電機34流通的電流 量變化，發(fā)生機器人手臂8的各個關(guān)節(jié)軸的旋轉(zhuǎn)運動。
通過作為控制的計算循環(huán)重復執(zhí)行以上的步驟1 步驟10，實現(xiàn)機器 人手臂8的動作的控制。
接著，對本發(fā)明的第l實施方式中的控制裝置l全體的工作，以用機 器人手臂8的手9把持物體，進行搬運作業(yè)為例，基于圖6的流程圖進行 說明。
在步驟21中，在人運動檢測單元2，基于圖像攝像裝置36的圖像數(shù) 據(jù)進行圖像識別處理，檢測接近機器人手臂8的人38的位置以及移動速 度、移動方向的信息。
接著，在步驟22中，通過人接近探測單元3進行人38的向碰撞警戒 區(qū)域100的侵入判斷，在人接近探測單元3判斷為沒有侵入的情況下，進 入步驟23。
在步驟23中，通過動作控制單元7控制機器人手臂8動作，用機器 人手臂8的手9把持物體，進行搬運作業(yè)動作。
在步驟23后，返回到步驟21，只要人接近探測單元3沒有確認人38 的侵入，就重復步驟21—步驟22—步驟23—步驟21…的循環(huán)，機器人手 臂8執(zhí)行通常的上述物體把持及搬運作業(yè)。
在步驟22中，在確認了人38的侵入的情況下，進入步驟24，通過碰 撞位置推定單元5推定碰撞預定位置[式24]。<formula>formula see original document page 25</formula>
接著，在步驟24.1中，由碰撞對應動作生成單元6算出碰撞預定位置 Xp和絕對坐標系32的原點OJ司的距離Lxi，碰撞對應動作生成單元6比 較距離Lxi和長度L,，通過碰撞對應動作生成單元6判斷在式(10)的不 等式時為接觸模式(1)、在式(11)的不等式時為接觸模式(2)、在其它 時為接觸模式(3)。
接著，在步驟25中，在碰撞對應動作目標軌道生成單元6中，在碰撞預定位置[式25]，通過式(12)生成用于取得碰撞對應姿勢的碰撞對應
動作目標軌道qd(t)。 [式25]
Xp (Xj ， y》
接著，在步驟26中，對于在碰撞對應姿勢方面要設定的關(guān)節(jié)部的機 械阻抗值，根據(jù)接觸模式(1) (3)，此外根據(jù)接近的人38的移動速度， 按作為確定方法先前介紹關(guān)節(jié)部的機械阻抗的那樣，通過碰撞對應動作目 標軌道生成單元6進行設定。
接著，在步驟27中，在動作控制單元7中，目標軌道切換單元26工 作，選擇碰撞對應動作目標軌道qd(t)，通過位置控制系使機器人手臂8 動作，成為碰撞對應姿勢。此外，關(guān)節(jié)阻抗計算單元28也工作，將機器 人手臂8的各關(guān)節(jié)部分別(獨立)地控制在設定的機械阻抗值。
接著，在步驟28中，在人運動檢測單元2中，由圖像攝像裝置36的 圖像數(shù)據(jù)進行圖像識別處理，檢測接近機器人手臂8的人38的位置以及 移動速度、移動方向的信息。
接著，在步驟29中，在人接近探測單元3進行人38的向碰撞警戒區(qū) 域100的侵入判斷，在人接近探測單元3判斷為有侵入的情況下，返回到 步驟27，只要沒有確認人38從碰撞警戒區(qū)域100脫離，就重復步驟27— 步驟28—步驟29—步驟27…的循環(huán)，機器人手臂8繼續(xù)碰撞對應動作。
另一方面，在步驟29中，在人接近探測單元3判斷沒有人38向碰撞 警戒區(qū)域100侵入的情況下，返回到步驟21，機器人手臂8向通常的上述 物體把持及搬運作業(yè)動作復原。
通過以上的動作步驟21 步驟29，可實現(xiàn)利用機器人手臂8的上述 物體把持及搬運作業(yè)，在人38接近時，實現(xiàn)向碰撞對應動作的切換。
如以上所述，通過具備人運動檢測單元2、人接近探測單元3、碰撞 位置推定單元5、碰撞對應動作控制單元4，在人38接近機器人手臂8時， 以對應人38的運動的適當?shù)淖藙輨幼?，能以適當?shù)年P(guān)節(jié)部的機械阻抗， 控制與人38和上述機器人手臂8的碰撞對應的碰撞對應動作。
由于機器人手臂8通過根部即基座部13被固定在地面上，因此在碰 撞預定位置的根部(基座部13)側(cè)的關(guān)節(jié)部上，如果沒有剛性比其它關(guān)節(jié)部低、容易活動的狀態(tài)的關(guān)節(jié)部，則產(chǎn)生對碰撞的抵抗力，產(chǎn)生撞擊力。 可是，根據(jù)本發(fā)明的上述第l實施方式，由于在機器人手臂8的每個各關(guān) 節(jié)部上分別設定機械阻抗時，與其它的關(guān)節(jié)部相比可在根(基座部13)側(cè) 的關(guān)節(jié)部上設定剛性低且容易活動的狀態(tài)的關(guān)節(jié)部，因此能夠在該關(guān)節(jié)部 釋放碰撞時施加的力，對人的撞擊力減小，能夠提高安全性。
因此，根據(jù)本發(fā)明的上述第l實施方式的控制裝置l，即使是多關(guān)節(jié) 式的機器人手臂8，也能安全地與人接觸，而且，可進行對應人的動作的 最佳的接觸動作，能夠?qū)崿F(xiàn)不損害與人的接觸地與人共存的機器人手臂8 的安全的動作控制。
再有，在上述第l實施方式中，將機器人手臂8的關(guān)節(jié)部的數(shù)量規(guī)定
為3個，但也不局限于此，對于2個關(guān)節(jié)部以上的機器人手臂8都能發(fā)揮 同樣的效果。
此外，在上述第1實施方式中，舉例說明了機器人手臂8和人的碰撞， 但也不局限于此，對于與移動機器人或移動中的貨車等其它移動體與機器 人手臂8的碰撞，也能發(fā)揮同樣的效果。
再有，在上述第1實施方式中，在人38進入碰撞警戒區(qū)域100的情 況下， 一次進行碰撞預定位置的推定，但也不局限于此，也可以采用(繼 續(xù))連續(xù)地進行碰撞預定位置的推定的方法。在這種情況下，由于碰撞的 推定精度提高，因此能夠以更佳的姿勢、接觸模式對應，能夠更加提高安 全性。另一方面，如上述第1實施方式，在一次進行碰撞預定位置的推定 的情況下，具有可減少計算量，能夠減輕對CPU的負擔的優(yōu)點。
(第2實施方式)
圖8A及圖8B是表示本發(fā)明的第2實施方式中的機器人手臂的控制 裝置1的構(gòu)成及控制對象即機器人手臂8的構(gòu)成的示意圖、及表示上述第 2實施方式中的上述控制裝置的動作控制單元的詳細構(gòu)成的框圖。由于本 發(fā)明的第2實施方式中的控制裝置1的基本構(gòu)成，與圖1所示的第1實施 方式時同樣，因此對共通部分的說明省略，以下只對不同的部分進行詳細 地說明。
在本發(fā)明的第2實施方式中，不是通過圖像識別處理，而是通過檢測機器人手臂8和人38接觸時產(chǎn)生的力，進行人運動檢測及人接近探測。
因而，作為人運動檢測單元2形成從動作控制單元7的扭矩推定單元27 輸入外力扭矩信息的結(jié)構(gòu)。因此，在第2實施方式中的控制裝置1中，不 需要圖像攝像裝置36。
人運動檢測單元2基于扭矩推定單元27推定的外力扭矩Text= [Tlex、 T2ext、 T3ext、 y4ext] t，按以下的模式，推定機器人手臂8和人38的相對的 位置關(guān)系。其中，在圖9A 圖9D中(從上方側(cè)俯視機器人手臂8)使關(guān) 節(jié)部向左旋轉(zhuǎn)動的扭矩定義為正扭矩。
(1 )在第1關(guān)節(jié)部14的外力扭矩Tlext〉0、第2關(guān)節(jié)部15的外力扭 矩T2ext—0時，如圖9A所示，由人運動檢測單元2推定為人38在第1連 桿12的接觸。
(2) 在第1關(guān)節(jié)部14的外力扭矩Tlext<0、第2關(guān)節(jié)部15的外力扭 矩巧ext —0時，如圖9B所示，由人運動檢測單元2推定為人38在第1連 桿12的接觸。
(3) 在第1關(guān)節(jié)部14的外力扭矩Tlext〉0、第2關(guān)節(jié)部15的外力扭 矩T2ext〉0時，如圖9C所示，由人運動檢測單元2推定為人38在第2連 桿ll的接觸。
(4) 在第1關(guān)節(jié)部14的外力扭矩Tlext<0、第2關(guān)節(jié)部15的外力扭 矩T^t〈0時，如圖9D所示，由人運動檢測單元2推定為人38在第2連 桿ll的接觸。
只要進行根據(jù)以上的4個模式的分類，就能得知機器人手臂8和人38 的大概的位置關(guān)系。此外，人接近探測單元3通過探測到外力扭矩從第1 關(guān)節(jié)部14的外力扭矩Tlext —0、第2關(guān)節(jié)部15的外力扭矩T2ext —0的狀態(tài) 向上述(1) (4)的模式中的任一模式變化，就能夠探測人38的接近。
通過用以上的方法推定人38的大致位置，用碰撞對應動作控制單元4 控制對應位置關(guān)系的姿勢、關(guān)節(jié)扭矩，可進行能夠與人38共存的機器人 手臂8的安全的動作控制。
再有，在上述第1實施方式中將人運動檢測單元2規(guī)定為利用圖像識 別處理，但也不局限于此，只要用其它傳感檢測單元，例如激光雷達傳感 器或超聲波傳感器等能夠檢測人38的位置和速度，也能發(fā)揮同樣的效果。
28此外，在上述第2實施方式中，基于扭矩推定單元27推定的外力扭 矩進行人探測，但也不局限于此，如圖IO所示，在機器人手臂8的連桿
12、 11等可能與人38接觸的部位上，作為碰撞位置取得單元的一例設置 接觸傳感器39，通過人38與接觸傳感器39接觸進行人探測，也能發(fā)揮同 樣的效果。此外，如果并用利用接觸傳感器和外力扭矩的人探測，則能提 高推定精度，能夠更加安全地控制機器人手臂8。
再有，在上述第2實施方式中，將機器人手臂8的關(guān)節(jié)部的數(shù)量規(guī)定 為3個，但也不局限于此，對于2個關(guān)節(jié)部以上的機器人手臂8都能發(fā)揮 同樣的效果。
此外，在上述第2實施方式中，舉例說明的機器人手臂8和人的碰撞， 但也不局限于此，對于移動機器人或移動中的貨車等其它移動體與機器人 手臂8的碰撞也能發(fā)揮同樣的效果。
此外，在上述第1及第2實施方式中舉例對機器人手臂8進行了說明， 但也不局限于手臂，即使是通過車輪運動的移動機器人或2腳歩行機器人、 多腳歩行機器人等移動體，通過在本體和人的接觸中應用本發(fā)明，也能得 到與本發(fā)明同樣的效果。
再有，通過適當組合上述多種實施方式中任意的實施方式，能夠發(fā)揮 各自具有的效果。
產(chǎn)業(yè)上的可利用性
本發(fā)明的機器人手臂的控制裝置及控制方法、機器人、及機器人手臂 的控制程序，有效用作家庭用機器人等進行有可能與人接觸的機器人手臂 的動作的控制的機器人手臂的控制裝置及控制方法、機器人、及機器人手 臂的控制程序。此外，也不局限于家庭用機器人，也可用作產(chǎn)業(yè)用機器人、 或生產(chǎn)設備等中的可動機構(gòu)的控制裝置。
本發(fā)明參照附圖充分敘述了優(yōu)選的實施方式，但顯然對于熟悉此項技 術(shù)的人士而言能夠進行多種變形或修正。這樣的變形或修正，只要不超出 所附的技術(shù)方案的范圍所規(guī)定的本發(fā)明的范圍，都應理解為涵蓋在本發(fā)明 中。
權(quán)利要求
1、一種機器人手臂的控制裝置，是多關(guān)節(jié)式機器人手臂的控制裝置，其中，包括碰撞位置取得單元，其取得人或移動體與所述多關(guān)節(jié)式機器人手臂的碰撞位置；碰撞對應動作控制單元，其基于所述碰撞位置取得單元取得的所述人或移動體與所述多關(guān)節(jié)式機器人手臂的所述碰撞位置，控制進行碰撞對應動作使比所述碰撞位置所屬的所述多關(guān)節(jié)式機器人手臂的連桿靠近根部一側(cè)的關(guān)節(jié)部的剛性比其它關(guān)節(jié)部的剛性低。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機器人手臂的控制裝置，其中，所述碰撞 對應動作控制單元控制進行所述碰撞對應動作使所述碰撞位置所屬的所 述多關(guān)節(jié)式機器人手臂的連桿的最靠近所述根部一側(cè)的關(guān)節(jié)部的剛性比 其它關(guān)節(jié)部的剛性低。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的機器人手臂的控制裝置，其中，所述 碰撞對應動作控制單元，通過對比所述碰撞位置所屬的所述多關(guān)節(jié)式機器 人手臂的連桿靠近手腕部一側(cè)的關(guān)節(jié)部的剛性進行維持或附加更大的剛 性，控制進行所述碰撞對應動作。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的機器人手臂的控制裝置，其中，所述 碰撞對應動作控制單元，通過對比所述碰撞位置所屬的所述多關(guān)節(jié)式機器 人手臂的所述連桿靠近手腕部的一側(cè)的每個關(guān)節(jié)部分別控制關(guān)節(jié)角度，控 制進行所述碰撞對應動作。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的機器人手臂的控制裝置，其中， 還具備檢測所述人或移動體的運動的運動檢測單元； 所述碰撞位置取得單元基于所述運動檢測單元的檢測結(jié)果，推定所述人或移動體與所述多關(guān)節(jié)式機器人手臂的所述碰撞位置，取得所述碰撞位 置；所述碰撞對應動作控制單元基于由所述碰撞位置取得單元推定的所 述碰撞位置，控制進行所述碰撞對應動作。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的機器人手臂的控制裝置，其中，還具備基于所述運動檢測單元的檢測結(jié)果探測所述人或移動體接近 了所述機器人手臂的接近探測單元；在所述接近探測單元探測到所述人或移動體接近時，所述碰撞對應動 作控制單元控制進行所述碰撞對應動作。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的機器人手臂的控制裝置，其中，所述 碰撞對應動作控制單元基于所述運動檢測單元檢測的所述人或移動體的 運動的速度成分，控制進行所述碰撞對應動作。
8、 根據(jù)權(quán)利要求5 7中任何一項所述的機器人手臂的控制裝置，其 中，所述運動檢測單元檢測所述人或移動體的位置和移動速度，而檢測所 述人的運動。
9、 一種機器人手臂的控制方法，是多關(guān)節(jié)式機器人手臂的控制方法， 其中，由運動檢測單元檢測靠近所述機器人手臂的人或移動體的運動； 基于由所述運動檢測單元檢測的所述人或移動體的運動檢測結(jié)果，由 接近探測單元探測所述人或移動體接近了所述機器人手臂；在通過所述接近探測單元探測到所述人或移動體的接近時，基于由所 述運動檢測單元檢測的所述人或移動體的所述運動，推定所述人或移動體 與所述多關(guān)節(jié)式機器人手臂的所述碰撞位置，通過碰撞位置取得單元取得 所述碰撞位置，并且，通過碰撞對應動作控制單元，使比通過所述碰撞位 置取得單元取得的所述碰撞位置所屬的所述多關(guān)節(jié)式機器人手臂的連桿 靠近根部一側(cè)的關(guān)節(jié)部的剛性比其它關(guān)節(jié)部的剛性低，控制進行對應于所 述人與所述機器人手臂的碰撞的碰撞對應動作。
10、 一種機器人，其具有 所述多關(guān)節(jié)式機器人手臂、控制所述機器人手臂的權(quán)利要求1 8中的任何一項所述的機器人手 臂的控制裝置；通過所述碰撞對應動作控制單元，控制進行對應于所述人或移動體與 所述機器人手臂的碰撞的所述碰撞對應動作。
11、 一種機器人手臂的控制程序，用于使計算機具有作為如下單元的 功能碰撞位置取得單元，其取得人或移動體與所述多關(guān)節(jié)式機器人手臂的 碰撞位置；碰撞對應動作控制單元，其基于所述碰撞位置取得單元取得的所述人 或移動體與所述多關(guān)節(jié)式機器人手臂的所述碰撞位置，控制進行碰撞對應 動作，使比所述碰撞位置所屬的所述多關(guān)節(jié)式機器人手臂的連桿靠近根部 一側(cè)的關(guān)節(jié)部的剛性比其它關(guān)節(jié)部的剛性低。
全文摘要
本發(fā)明涉及機器人手臂(8)的控制裝置(1)，在人接近探測單元(3)探測到人的接近時，通過基于人運動檢測單元(2)檢測的人的運動，按機器人手臂(8)的每個關(guān)節(jié)部分別地設定機械阻抗，由對應于人與機器人手臂(8)的碰撞的碰撞對應動作控制單元(4)進行控制。
文檔編號B25J13/00GK101432103SQ20078001494
公開日2009年5月13日 申請日期2007年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月4日
發(fā)明者岡崎安直 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社