專利名稱：機(jī)械手臂的控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對家用機(jī)器人等能與人進(jìn)行物理接觸的機(jī)器人的機(jī)械手臂(robot arm)進(jìn)行控制的機(jī)械手臂的控制裝置及控制方法、具有機(jī)械手臂的控制裝置的機(jī)器人、以 及機(jī)械手臂的控制程序。
背景技術(shù)：
近年，寵物機(jī)器人等家用機(jī)器人的開發(fā)正在積極進(jìn)行，可期待將來家務(wù)支援機(jī)器 人等更實用的家用機(jī)器人被實用化。家用機(jī)器人需要進(jìn)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(xiàn)有技術(shù)，在專利文獻(xiàn)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(jī)械手臂上的與人的接觸力，當(dāng)向手施加了較大的力 時，減小復(fù)原力來提高安全性，當(dāng)向手施加了微小的力時，增大復(fù)原力來確保動作精度。專利文獻(xiàn)1 特開平10-329071號公報但是，在上述現(xiàn)有的控制裝置中，由于僅當(dāng)向機(jī)械手臂施加了較大的力時減小復(fù) 原力，因此，在用機(jī)械手臂把持盤子并在盤子上承載物體的情況等，因機(jī)械手臂與人的接觸 而機(jī)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(dāng)機(jī)械手臂把持著 硬物或具有尖角的物體時，若僅減小復(fù)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(jī)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(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決上述現(xiàn)有的控制裝置的課題，提供一種即使機(jī)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(jī)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(xiàn)安全的機(jī)器人控制的、機(jī)械手臂的控制裝置 及控制方法、機(jī)器人、及機(jī)械手臂的控制程序。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明按以下方式構(gòu)成。根據(jù)本發(fā)明的第1形態(tài)，提供一種機(jī)械手臂的控制裝置，包括物體特性數(shù)據(jù)庫， 其記錄有與上述機(jī)械手臂所搬運的物體的搬運特性相關(guān)的信息；物體特性呼應(yīng)阻抗設(shè)定單 元，其基于上述物體特性數(shù)據(jù)庫的上述信息，設(shè)定上述機(jī)械手臂的機(jī)械阻抗設(shè)定值；和阻抗 控制單元，其將上述機(jī)械手臂的機(jī)械阻抗的值控制為上述物體特性呼應(yīng)阻抗設(shè)定單元所設(shè) 定的機(jī)械阻抗設(shè)定值。根據(jù)本發(fā)明的第17形態(tài)，提供一種機(jī)械手臂的控制方法，基于與上述機(jī)械手臂所搬運的物體的搬運特性相關(guān)的信息，設(shè)定上述機(jī)械手臂的機(jī)械阻抗設(shè)定值，將上述機(jī)械手 臂的機(jī)械阻抗的值控制為上述設(shè)定的上述機(jī)械阻抗設(shè)定值。根據(jù)本發(fā)明的第18形態(tài)，提供一種機(jī)器人，包括上述機(jī)械手臂；和對上述機(jī)械手 臂進(jìn)行控制的第1 16的任一形態(tài)所記載的機(jī)械手臂的控制裝置。根據(jù)本發(fā)明的第19形態(tài)，提供一種機(jī)械手臂的控制程序，使計算機(jī)作為如下單元 發(fā)揮功能物體特性呼應(yīng)阻抗設(shè)定單元，其基于與機(jī)械手臂所搬運的物體的搬運特性相關(guān) 的信息，設(shè)定上述機(jī)械手臂的機(jī)械阻抗設(shè)定值；和阻抗控制單元，其將上述機(jī)械手臂的機(jī)械 阻抗的值控制為上述物體特性呼應(yīng)阻抗設(shè)定單元所設(shè)定的機(jī)械阻抗設(shè)定值。(發(fā)明效果)根據(jù)本發(fā)明的機(jī)械手臂的控制裝置及具有機(jī)械手臂的控制裝置的機(jī)器人，通過包括物體特性數(shù)據(jù)庫、物體特性呼應(yīng)阻抗設(shè)定單元和阻抗控制單元，根據(jù)由機(jī)械手臂搬運的 物體的搬運特性，適當(dāng)?shù)卦O(shè)定機(jī)械手臂的機(jī)械阻抗設(shè)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(jī)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(jī)器人控制。另外，根據(jù)本發(fā)明的機(jī)械手臂的控制方法及程序，基于與上述機(jī)械手臂所搬運的 物體的搬運特性相關(guān)的信息，設(shè)定上述機(jī)械手臂的機(jī)械阻抗設(shè)定值，通過將上述機(jī)械手臂 的機(jī)械阻抗的值控制為上述設(shè)定的上述機(jī)械阻抗設(shè)定值，從而根據(jù)搬運的物體的搬運特 性，適當(dāng)?shù)卦O(shè)定機(jī)械手臂的機(jī)械阻抗設(shè)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(jī)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(jī)器人控制。


本發(fā)明的這些和其他目的與特征，通過針對附圖的與優(yōu)選實施方式有關(guān)的以下描 述可以明確。在該附圖中，圖1是表示本發(fā)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(fā)明的第一實施方式的機(jī)械手臂的控制裝置的硬件結(jié)構(gòu)和作為控 制對象的機(jī)械手臂的詳細(xì)結(jié)構(gòu)的圖；圖3是表示本發(fā)明的第一實施方式的控制裝置的阻抗控制單元的結(jié)構(gòu)的框圖；圖4是說明物體特性數(shù)據(jù)庫的特性一覽表的圖；圖5是表示本發(fā)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(fā)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(fā)明的第一實施方式的機(jī)械手臂的控制裝置的控制對象即機(jī)械手 臂的動作的圖；圖7B是說明本發(fā)明的第一實施方式的機(jī)械手臂的控制裝置的控制對象即機(jī)械手 臂的動作的圖；圖7C是說明本發(fā)明的第一實施方式的機(jī)械手臂的控制裝置的控制對象即機(jī)械手 臂的動作的圖；圖7D是說明本發(fā)明的第一實施方式的機(jī)械手臂的控制裝置的控制對象即機(jī)械手臂的動作的圖；圖8是說明物體特性數(shù)據(jù)庫的把持規(guī)則表的圖；圖9是說明本發(fā)明的第二實施方式的機(jī)械手臂的控制裝置的控制對象即機(jī)械手 臂所進(jìn)行的把持動作的圖；圖10是說明物體特性數(shù)據(jù)庫的另一把持規(guī)則表的圖；圖11是說明本發(fā)明的第三實施方式的控制裝置的阻抗控制單元的結(jié)構(gòu)的圖；圖12是說明本發(fā)明的第二實施方式的機(jī)械手臂的控制裝置的控制對象即機(jī)械手 臂所進(jìn)行的其他把持動作的圖；圖13是說明本發(fā)明的第一實施方式的機(jī)械手臂的控制裝置的目標(biāo)軌道的圖；圖14是說明本發(fā)明的第一實施方式的物體特性收集單元的詳細(xì)情況的框圖； 圖15是說明本發(fā)明的第一實施方式的機(jī)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(fā)明的實施方式進(jìn)行詳細(xì)說明。在附圖中，對相同部件標(biāo)注 了相同參照標(biāo)記。以下，在參照附圖對本發(fā)明的實施方式進(jìn)行詳細(xì)說明之前，對本發(fā)明的各種形態(tài) 進(jìn)行說明。根據(jù)本發(fā)明的第1形態(tài)，提供一種機(jī)械手臂的控制裝置，包括物體特性數(shù)據(jù)庫， 其記錄有與上述機(jī)械手臂所搬運的物體的搬運特性相關(guān)的信息；物體特性呼應(yīng)阻抗設(shè)定單 元，其基于上述物體特性數(shù)據(jù)庫的上述信息，設(shè)定上述機(jī)械手臂的機(jī)械阻抗設(shè)定值；和阻抗 控制單元，其將上述機(jī)械手臂的機(jī)械阻抗的值控制為上述物體特性呼應(yīng)阻抗設(shè)定單元所設(shè) 定的上述機(jī)械阻抗設(shè)定值。根據(jù)本發(fā)明的第2形態(tài)，基于第1形態(tài)所述的機(jī)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(jī)械手臂所搬運的上述物體的搬運特性相關(guān)的信 息，并將收集到的與上述物體的搬運特性相關(guān)的信息記錄到上述物體特性數(shù)據(jù)庫中。根據(jù)本發(fā)明的第3形態(tài)，基于第1或第2形態(tài)所述的機(jī)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(jī)械手臂接觸的情況進(jìn)行檢測的接觸檢測 單元，在上述機(jī)械手臂與上述人或物體接觸時，將上述機(jī)械手臂的機(jī)械阻抗的值控制為上 述物體特性呼應(yīng)阻抗設(shè)定單元所設(shè)定的上述機(jī)械阻抗設(shè)定值。根據(jù)本發(fā)明的第4形態(tài)，基于第1或第2形態(tài)所述的機(jī)械手臂的控制裝置，其特征 在于，上述特性呼應(yīng)阻抗設(shè)定單元基于上述物體特性數(shù)據(jù)庫的上述信息，對上述機(jī)械手臂 的手的并進(jìn)方向及旋轉(zhuǎn)方向的六維方向的機(jī)械阻抗設(shè)定值分別進(jìn)行設(shè)定。根據(jù)本發(fā)明的第5形態(tài)，基于第4形態(tài)所述的機(jī)械手臂的控制裝置，其特征在于， 上述特性呼應(yīng)阻抗設(shè)定單元設(shè)上述手的上述并進(jìn)方向為低剛性，設(shè)上述旋轉(zhuǎn)方向與上述并 進(jìn)方向相比為高剛性，從而設(shè)定為使上述機(jī)械手臂所搬運的上述物體保持水平。根據(jù)本發(fā)明的第6形態(tài)，基于第1或第2形態(tài)所述的機(jī)械手臂的控制裝置，其特征 在于，上述物體特性數(shù)據(jù)庫具有上述機(jī)械手臂所搬運的上述物體的物理特性信息，上述特 性呼應(yīng)阻抗設(shè)定單元基于上述物體特性數(shù)據(jù)庫的上述物理特性信息，設(shè)定上述機(jī)械阻抗設(shè) 定值。
根據(jù)本發(fā)明的第7形態(tài)，基于第1或第2形態(tài)所述的機(jī)械手臂的控制裝置，其特征 在于，上述物體特性數(shù)據(jù)庫具有上述機(jī)械手臂所搬運的上述物體的屬性信息，上述特性呼 應(yīng)阻抗設(shè)定單元基于上述物體特性數(shù)據(jù)庫的上述屬性信息，設(shè)定上述機(jī)械阻抗設(shè)定值。根據(jù)本發(fā)明的第8形態(tài)，基于第6形態(tài)所述的機(jī)械手臂的控制裝置，其特征在于， 上述物體特性數(shù)據(jù)庫具有上述機(jī)械手臂所搬運的上述物體的重量信息來作為上述機(jī)械手 臂所搬運的上述物體的物理特性信息，上述特性呼應(yīng)阻抗設(shè)定單元基于上述物體特性數(shù)據(jù) 庫的上述重量信息，設(shè)定上述機(jī)械阻抗設(shè)定值。根據(jù)本發(fā)明的第9形態(tài)，基于第6形態(tài)所述的機(jī)械手臂的控制裝置，其特征在于， 上述物體特性數(shù)據(jù)庫具有上述機(jī)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(yīng)阻抗設(shè)定單元基于上述尺寸信息，設(shè)定上述機(jī)械阻抗設(shè)定值。根據(jù)本發(fā)明的第10形態(tài)，基于第6形態(tài)所述的機(jī)械手臂的控制裝置，其特征在于， 上述物體特性數(shù)據(jù)庫具有上述機(jī)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(yīng)阻抗設(shè)定單元基于上述物體特性數(shù)據(jù)庫的上述硬度信息，設(shè)定上述 機(jī)械阻抗設(shè)定值。根據(jù)本發(fā)明的第11形態(tài)，基于第6形態(tài)所述的機(jī)械手臂的控制裝置，其特征在于， 上述 物體特性數(shù)據(jù)庫具有上述機(jī)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(yīng)阻抗設(shè)定單元基于上述物體特性數(shù)據(jù)庫的上述位置 及姿勢的限制條件信息，設(shè)定上述機(jī)械阻抗設(shè)定值。根據(jù)本發(fā)明的第12形態(tài)，基于第11形態(tài)所述的機(jī)械手臂的控制裝置，其特征在 于，上述物體特性數(shù)據(jù)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(jī)械手 臂同時搬運的多個物體的位置及姿勢的相對關(guān)系而設(shè)定的上述物體的位置及姿勢的限制 條件信息。根據(jù)本發(fā)明的第13形態(tài)，基于第11形態(tài)所述的機(jī)械手臂的控制裝置，其特征在 于，上述物體特性數(shù)據(jù)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(huán)境信息而設(shè)定的上述物體的位置及姿勢的限制條件信息。根據(jù)本發(fā)明的第14形態(tài)，基于第7形態(tài)所述的機(jī)械手臂的控制裝置，其特征在于， 上述物體特性數(shù)據(jù)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(yīng)阻抗設(shè)定單元基于上述物體特性數(shù)據(jù)庫的上述危險度信息，設(shè)定上述機(jī)械阻抗設(shè) 定值。根據(jù)本發(fā)明的第15形態(tài)，基于第14形態(tài)所述的機(jī)械手臂的控制裝置，其特征在 于，上述物體特性數(shù)據(jù)庫所具有的危險度信息是基于上述搬運的物體的周圍環(huán)境信息而設(shè) 定的危險度信息。根據(jù)本發(fā)明的第16形態(tài)，基于第7形態(tài)所述的機(jī)械手臂的控制裝置，其特征在于， 上述物體特性數(shù)據(jù)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(yīng)阻抗設(shè)定單元基于物體特性數(shù)據(jù)庫的上述重要度信息，設(shè)定上述機(jī)械阻抗設(shè)定值。根據(jù)本發(fā)明的第17形態(tài)，提供一種機(jī)械手臂的控制方法，基于與上述機(jī)械手臂所 搬運的物體的搬運特性相關(guān)的信息，設(shè)定上述機(jī)械手臂的機(jī)械阻抗設(shè)定值，將上述機(jī)械手 臂的機(jī)械阻抗的值控制為上述設(shè)定的上述機(jī)械阻抗設(shè)定值。
根據(jù)本發(fā)明的第18形態(tài)，提供一種機(jī)器人，包括上述機(jī)械手臂；和對上述機(jī)械手 臂進(jìn)行控制的第1 16的任一形態(tài)所記載的機(jī)械手臂的控制裝置。根據(jù)本發(fā)明的第19形態(tài)，提供一種機(jī)械手臂的控制程序，使計算機(jī)作為如下單元 發(fā)揮功能物體特性呼應(yīng)阻抗設(shè)定單元，其基于與機(jī)械手臂所搬運的物體的搬運特性相關(guān) 的信息，設(shè)定上述機(jī)械手臂的機(jī)械阻抗設(shè)定值；和阻抗控制單元，其將上述機(jī)械手臂的機(jī)械 阻抗的值控制為上述物體特性呼應(yīng)阻抗設(shè)定單元所設(shè)定的上述機(jī)械阻抗設(shè)定值。以下，基于附圖對本發(fā)明的實施方式的機(jī)械手臂的控制裝置及控制方法、機(jī)器人、 以及程序進(jìn)行詳細(xì)說明。(第一實施方式)
圖1是表示本發(fā)明的第一實施方式的機(jī)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(shù)據(jù)庫，作為由后述的機(jī)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(shù)據(jù)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(dāng)被把持的物體38被確定時將該物體38的特性數(shù)據(jù)向 物體特性呼應(yīng)阻抗設(shè)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(xué)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(chǎn)生 的二次特性信息。3是物體特性呼應(yīng)阻抗設(shè)定單元，基于與物體特性數(shù)據(jù)庫2的把持物體相關(guān)的特 性信息，進(jìn)行機(jī)械手臂5的機(jī)械阻抗設(shè)定值、即剛性或粘性的設(shè)定值的設(shè)定。4是阻抗控制單元，按照成為物體特性呼應(yīng)阻抗設(shè)定單元3所設(shè)定的機(jī)械阻抗設(shè) 定值的方式，進(jìn)行對機(jī)械手臂5的各關(guān)節(jié)部的機(jī)械阻抗的值進(jìn)行控制的阻抗控制動作。圖2是表示機(jī)械手臂的控制裝置1的硬件結(jié)構(gòu)和作為控制對象的機(jī)械手臂5的詳 細(xì)結(jié)構(gòu)的圖。控制裝置1從硬件上由一般的個人計算機(jī)構(gòu)成，除物體特性數(shù)據(jù)庫2、物體特性呼 應(yīng)阻抗設(shè)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(jī)執(zhí)行的控制程序17而以軟件實現(xiàn)。輸入輸出IF19由與個人計算機(jī)的PCI總線等的擴(kuò)展槽連接的、D/A板20、A/D板 21、計數(shù)器板22構(gòu)成。通過執(zhí)行用于控制機(jī)械手臂5的動作的控制程序17而控制裝置1發(fā)揮功能，機(jī)械 手臂5的各關(guān)節(jié)部的由后述的編碼器43輸出的關(guān)節(jié)角度信息通過計數(shù)器板22被取入到控 制裝置1中，通過控制裝置1算出各關(guān)節(jié)部的旋轉(zhuǎn)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(dá)驅(qū)動器18，按照從馬達(dá)驅(qū)動器18送出的各控制指令，對機(jī) 械手臂5的各關(guān)節(jié)部的后述的馬達(dá)42進(jìn)行驅(qū)動。另外，手(hand)6中還包括作為由馬達(dá) 驅(qū)動器18驅(qū)動控制的手驅(qū)動裝置的一例的手驅(qū)動用馬達(dá)62 (實際上配置在機(jī)械手臂5的 手6的內(nèi)部)、對手驅(qū)動用馬達(dá)62的旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)相位角(即關(guān)節(jié)角)進(jìn)行檢測的編碼器 63 (實際上配置在機(jī)械手臂5的手6的內(nèi)部)，基于由編碼器63檢測出的旋轉(zhuǎn)角度，根據(jù)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(dá)驅(qū)動器18對手驅(qū) 動用馬達(dá)62的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行驅(qū)動控制，使手驅(qū)動用馬達(dá)62的旋轉(zhuǎn)軸正反旋轉(zhuǎn)，從而能使手6張開閉合。機(jī)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(zhuǎn)地連接的上臂連桿9、可旋轉(zhuǎn)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(guān)節(jié)部14、第五關(guān)節(jié)部15、第六關(guān)節(jié)部16三個旋轉(zhuǎn)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(guān)節(jié)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(guān)節(jié)部15可改變手6相對于手腕部7的繞 與第四關(guān)節(jié)部14的橫軸垂直的縱軸的相對姿勢，第六關(guān)節(jié)部16可改變手6相對于手腕部 7的繞與第四關(guān)節(jié)部14的橫軸及第五關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)部13即與第四關(guān)節(jié)部14的橫軸 平的橫軸旋轉(zhuǎn)，上臂連桿9的另一端相對于底座10，可繞第二關(guān)節(jié)部12即與第四關(guān)節(jié)部14 的橫軸平行的橫軸旋轉(zhuǎn)，底座10的上側(cè)可動部相對于底座10的下側(cè)固定部，可繞第一關(guān)節(jié) 部11即與第五關(guān)節(jié)部15的縱軸平行的縱軸旋轉(zhuǎn)。結(jié)果，機(jī)械手臂5共計可繞六個軸旋轉(zhuǎn)， 構(gòu)成上述六個自由度的多連桿操縱器。構(gòu)成各軸的旋轉(zhuǎn)部分的各關(guān)節(jié)部中包括設(shè)置在各關(guān)節(jié)部的一方的部件中且作為 由馬達(dá)驅(qū)動器18驅(qū)動控制的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置的一例的馬達(dá)42 (實際上配置在機(jī)械手臂5的 各關(guān)節(jié)部的內(nèi)部)、和對馬達(dá)42的旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)相位角(即關(guān)節(jié)角)進(jìn)行檢測的編碼器 43(實際上配置在機(jī)械手臂5的各關(guān)節(jié)部的內(nèi)部)，設(shè)置在一方的部件中的馬達(dá)42的旋轉(zhuǎn) 軸與另一方部件連接，通過使上述旋轉(zhuǎn)軸正反旋轉(zhuǎn)，從而使另 一方部件能相對于一方部件 繞各軸旋轉(zhuǎn)。35是相對于底座10的下側(cè)固定部固定了相對位置關(guān)系的絕對坐標(biāo)系，36是相對 于手6固定了相對位置關(guān)系的手坐標(biāo)系。將從絕對坐標(biāo)系35觀察的手坐標(biāo)系36的原點位 置Oe (x, y，ζ)作為機(jī)械手臂5的手位置，將用滾轉(zhuǎn)角、螺旋角和偏轉(zhuǎn)角表現(xiàn)從絕對坐標(biāo)系35 觀察的手坐標(biāo)系36的姿勢的(Φ，θ，ψ)作為機(jī)械手臂5的手姿勢，將手位置及姿勢向量 定義為向量r= [χ, y, ζ, Φ, θ , ψ]τ。因此，作為一例，優(yōu)選第一關(guān)節(jié)部11的縱軸相對于 絕對坐標(biāo)系35的ζ軸平行，第二關(guān)節(jié)部12的橫軸位于相對于χ軸平行的位置。另外，優(yōu)選 第六關(guān)節(jié)部16的橫軸相對于手坐標(biāo)系36的χ軸平行，第四關(guān)節(jié)部14的橫軸位于相對于y 軸平行的位置，第五關(guān)節(jié)部15的縱軸位于相對于ζ軸平行的位置。此外，設(shè)相對于手坐標(biāo) 系36的χ軸的旋轉(zhuǎn)角為偏轉(zhuǎn)角Ψ，設(shè)相對于y軸的旋轉(zhuǎn)角為螺旋角θ，設(shè)相對于ζ軸的旋 轉(zhuǎn)角為滾轉(zhuǎn)角Φ。在控制機(jī)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(biāo)向量rd。50是物體特性收集單元，收集由機(jī)械手臂5把持的物體的特性數(shù)據(jù)，輸入到物體 特性數(shù)據(jù)庫2中進(jìn)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(jī)等圖像攝像裝置44的圖像數(shù)據(jù)、由讀取單元34(例如RF標(biāo)識(tag)接收機(jī)54)讀取 的把持物體38的RF標(biāo)識33的信息、通過網(wǎng)絡(luò)46從位于外部的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的物品信息數(shù) 據(jù)庫47獲得的物體特性數(shù)據(jù)，并將輸入的數(shù)據(jù)或信息適當(dāng)輸入到物體特性數(shù)據(jù)庫2中進(jìn)行 更新。另外，在物體特性收集單元50上連接計數(shù)板22，還輸入從機(jī)械手臂5的各關(guān)節(jié)部的 編碼器43輸出的關(guān)節(jié)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(xì)情況。
45是圖像識別單元，根據(jù)照相機(jī)等圖像攝像裝置44的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像識別，提 取把持物體38的尺寸，輸出到物體特性數(shù)據(jù)庫2中。另外，圖像識別單元45向后述的作為 搬運狀態(tài)檢測單元的一例的把持狀態(tài)檢測單元53輸出根據(jù)圖像識別單元45的圖像識別結(jié) 果得到的多個把持物體的相對位置關(guān)系。48是物體重量推斷單元，進(jìn)行把持物體38的重量的推斷。例如，在機(jī)械手臂5的 手腕部7配置有力傳感器的情況下，機(jī)械手臂5將從把持物體并處于靜止?fàn)顟B(tài)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(dāng)利用后述的力推斷單元24 時，機(jī)械手臂5從力推斷單元24獲得把持物體并處于靜止?fàn)顟B(tài)時的各關(guān)節(jié)部處產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩 τ ext,并根據(jù)機(jī)械手臂的運動方程來求取機(jī)械手臂5保持該位置及姿勢所需的轉(zhuǎn)矩，將相減 后的轉(zhuǎn)矩值換算成作用在手上的力，作為物體重量。
49是屬性數(shù)據(jù)輸入IF (接口)，是人使用鍵盤、鼠標(biāo)或話筒等輸入裝置輸入屬性數(shù) 據(jù)(屬性信息)用的接口。51是干擾判斷單元，根據(jù)機(jī)械手臂5的周圍環(huán)境中存在的墻壁或家具等的配置信 息的地圖、即環(huán)境圖數(shù)據(jù)庫52中存儲的環(huán)境圖信息和從阻抗控制單元4輸入的機(jī)械手臂5 的位置及姿勢信息，判斷機(jī)械手臂5與墻壁或家具等的干擾關(guān)系，進(jìn)行物體特性數(shù)據(jù)庫2的 屬性信息的設(shè)定、變更。53是作為搬運狀態(tài)檢測單元的一例的把持狀態(tài)檢測單元，當(dāng)同時寸把持多個把持 物體時，從根據(jù)圖像識別單元45的圖像識別結(jié)果獲得的多個把持物體的相對位置關(guān)系的 信息、由RF標(biāo)識接收機(jī)54獲得的把持物體的ID編號等的ID信息(ID數(shù)據(jù))的組合的信 息，推斷把持狀態(tài)來進(jìn)行檢測。把持狀態(tài)檢測單元53具有表示物體彼此的組合和把持狀態(tài) 的關(guān)系的把持狀態(tài)表，在得到了 ID信息的組合的情況下，參照把持狀態(tài)表，推斷把持狀態(tài)。 例如是盤子與其他物體的組合的情況下，把持狀態(tài)表中記錄有多條在盤子上載置了物體的 把持狀態(tài)等的一般把持規(guī)則。這樣，物體特性收集單元50包括與照相機(jī)等圖像攝像裝置44和物體特性數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫2連接的干擾判斷單元51 ；與干擾判斷單元51 連接的環(huán)境圖數(shù)據(jù)庫52 ；與物體特性數(shù)據(jù)庫2和鍵盤、鼠標(biāo)或話筒等輸入裝置(未圖示) 連接的屬性數(shù)據(jù)輸入IF (接口)49 ；以及與RF標(biāo)識接收機(jī)54、圖像識別單元45和物體特性 數(shù)據(jù)庫2連接的把持狀態(tài)檢測單元53 ；由各個單元或部件發(fā)揮各自的功能，并且具有如下 功能將由RF標(biāo)識接收機(jī)54讀取的把持物體38的RF標(biāo)識33的信息輸入到物體特性數(shù)據(jù) 庫2中，并通過網(wǎng)絡(luò)46訪問位于外部的TOB的物品信息數(shù)據(jù)庫47后將物體特性數(shù)據(jù)輸入 到物體特性數(shù)據(jù)庫2中。接著，對物體特性數(shù)據(jù)庫2的詳細(xì)情況進(jìn)行說明。在物體特性數(shù)據(jù)庫2中，預(yù)先登 記有例如設(shè)置了機(jī)械手臂5的室內(nèi)存在的各種物體38所相關(guān)的信息。在各物體38中配置 有RF標(biāo)識33，在RF標(biāo)識33中記錄有各自的ID編號等的ID信息。在機(jī)械手臂5的手6中 配置有RF標(biāo)識33的讀取單元34(例如，RF標(biāo)識接收機(jī)54)，根據(jù)來自控制裝置1的阻抗控 制單元4的控制信號，經(jīng)馬達(dá)驅(qū)動器18通過手驅(qū)動用馬達(dá)62的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動控制使手6張開 閉合，當(dāng)機(jī)械手臂5的手6對物體38進(jìn)行把持時，由讀取單元34讀取被把持的物體38的 RF標(biāo)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(shù)據(jù)庫2中。然后，物體特性數(shù) 據(jù)庫2將被確定的ID編號所對應(yīng)的物體38的特性數(shù)據(jù)向物體特性呼應(yīng)阻抗設(shè)定單元3送
出ο 在物體特性數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。每個物體的特性數(shù)據(jù)如圖4所示，由每 個物體的ID編號、作為與ID編號相當(dāng)?shù)奈锢硖匦孕畔⒌囊焕奈矬w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(gòu)成。預(yù)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(shù)據(jù)，并存儲到物體特性數(shù)據(jù)庫2中作為數(shù) 據(jù)庫。關(guān)于物體特性數(shù)據(jù)庫2的尺寸信息，若設(shè)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(shù)據(jù)，利用圖像識別單元45進(jìn)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(shù)據(jù)庫2中或還可進(jìn)行更新。 關(guān)于物體特性數(shù)據(jù)庫2的重量信息，可在機(jī)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(jī)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(shù)據(jù)庫2中。另外，例如，當(dāng)對機(jī)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(jìn)行 推斷，因此，也能應(yīng)對由重量增減引起的重量信息的更新。關(guān)于物體特性數(shù)據(jù)庫2的硬度信息，根據(jù)把持物體38的硬度進(jìn)行等級1 5的5 級評價。評價值基于物體38的材質(zhì)進(jìn)行評價并作為硬度信息進(jìn)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?？紤]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(shè)為“等級 5”。這些硬度信息預(yù)先由人進(jìn)行判斷、或根據(jù)物體的RF標(biāo)識33中記錄的ID信息自動判斷， 進(jìn)行等級的評價和設(shè)定，并通過屬性數(shù)據(jù)輸入IF49進(jìn)行向物體特性數(shù)據(jù)庫2的輸入。關(guān)于物體特性數(shù)據(jù)庫2的危險度信息，例如，進(jìn)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(rèn)為由機(jī)械手臂5處理時最需要注意的物體設(shè) 為危險度最高的“等級5”，將如書籍或毛巾等輕薄柔軟、認(rèn)為即使與人碰撞也完全不會帶來 危險的物體設(shè)為危險度最低的“等級1”。這些危險度信息預(yù)先由人進(jìn)行判斷，進(jìn)行等級的 評價和設(shè)定，并通過屬性數(shù)據(jù)輸入IF49進(jìn)行向物體特性數(shù)據(jù)庫2的輸入?；蛘?，對由干擾 判斷單元51判斷為應(yīng)把持的物體38位于壁面或家具等附近、存在應(yīng)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(shè)定得較高。這里，關(guān)于應(yīng)把持的物體38是 否位于壁面或家具等附近，例如在環(huán)境圖數(shù)據(jù)庫52所存儲的環(huán)境圖信息中還存儲了應(yīng)把 持物體38的位置信息的情況下，從環(huán)境圖數(shù)據(jù)庫52取入該位置信息即可，當(dāng)環(huán)境圖數(shù)據(jù)庫 52中未存儲這樣的位置信息的情況下，也可由照相機(jī)等圖像攝像裝置44對要把持物體38 進(jìn)行攝像，并由圖像識別單元45對所取得的圖像進(jìn)行圖像識別，暫時存儲到物體特性數(shù)據(jù) 庫2中，然后參照所存儲的圖像識別結(jié)果，由干擾判斷單元51推定判斷應(yīng)把持物體38的位 直fe息。進(jìn)而，例如，如圖9所示，在由機(jī)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(tài)的情況下，因機(jī)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(biāo)識接收機(jī)54得到的RF標(biāo)識33的ID編號等ID信息進(jìn)行把持物體的檢測中，在盤子39的RF標(biāo)識33和杯 子40的RF標(biāo)識33同時被RF標(biāo)識接收機(jī)54檢測到的情況下，或者，在根據(jù)圖像識別單元 45的圖像識別結(jié)果得到盤子39上載置了杯子40的信息作為相對位置關(guān)系信息的情況下， 若在盤子39上載置杯子40地進(jìn)行搬運，則由把持狀態(tài)檢測單元53進(jìn)行推斷并將危險度設(shè) 定得較高(參照圖14)。另外，物體特性數(shù)據(jù)庫2的所有信息還可由物體特性收集單元50通過網(wǎng)絡(luò)46，對 位于外部網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等的物品信息數(shù)據(jù)庫47進(jìn)行訪問來獲得物體特性數(shù)據(jù)，從而對物體 特性數(shù)據(jù)庫2內(nèi)的各信息進(jìn)行更新。接著，對物體特性呼應(yīng)阻抗設(shè)定單元3的詳細(xì)情況進(jìn)行說明。在物體特性呼應(yīng)阻 抗設(shè)定單元3中，基于物體特性數(shù)據(jù)庫2的搬運特性信息，根據(jù)所把持的物體38，進(jìn)行機(jī)械 手臂5的機(jī)械阻抗設(shè)定值的設(shè)定。作為機(jī)械阻抗設(shè)定值的設(shè)定參數(shù)，存在慣性M、粘性D和 剛性K。機(jī)械阻抗設(shè)定值的各參數(shù)的設(shè)定基于以下評價式來進(jìn)行。[數(shù)學(xué)式1]M = KMmX (重量[kg])+KMl X (尺寸[m])+KMkX (硬度)+KMdX (危險 度)......式(1)[數(shù)學(xué)式2]D = KDmX (重量[kg])+KDl X (尺寸[m])+KDkX (硬度)+KDdX (危險 度)......式⑵[數(shù)學(xué)式3]K = KKmX (重量[kg])+KKl X (尺寸[m])+KKkX (硬度)+KKdX (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(shù)值。物體特性呼應(yīng)阻抗設(shè)定單元3向阻抗設(shè)定單元4輸出基于上述式(1)、(2)、(3)計 算出的機(jī)械阻抗參數(shù)的慣性M、粘性D和剛性K。根據(jù)上述式(1) (3)，通過適當(dāng)設(shè)定增益KMm等，例如，對重量大的物體根據(jù)式 (1)將慣性M設(shè)定得較大，使機(jī)械手臂5具有與把持物體38的重量成正比的重量感，結(jié)果， 在使機(jī)械手臂5移動時需要較大的力，即使稍微用手推動機(jī)械手臂5其也不會移動(產(chǎn)生 的加速度小)。反之，對重量輕的物體根據(jù)式(1)將慣性M設(shè)定得較小，使機(jī)械手臂5具有與 把持物體38的重量成正比的重量感，結(jié)果，以較弱的力就能容易地使機(jī)械手臂5移動(產(chǎn) 生的加速度大)。另外，在如刃具那樣危險度設(shè)定得較高的物體的情況下，粘性D和剛性K 被設(shè)定得較大，在機(jī)械手臂5的移動中會產(chǎn)生阻力感或硬度，不易移動。反之在如毛巾那樣 危險度設(shè)定得較低的物體的情況下，粘性D和剛性K被設(shè)定得較小，在機(jī)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(guān)于重量使用將同時把持的物體的重量相加后的總重 量，進(jìn)行機(jī)械阻抗設(shè)定值的計算。另外，關(guān)于尺寸，使用同時把持的物體的尺寸中最大的尺寸進(jìn)行機(jī)械阻抗設(shè)定值 的計算。
另外，關(guān)于硬度，使用同時把持的物體的硬度中最大的硬度進(jìn)行機(jī)械阻抗設(shè)定值 的計算。另外，關(guān)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(jìn)行機(jī)械阻抗 設(shè)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(jī)械手臂的機(jī)械阻抗 的值控制為基于由物體特性呼應(yīng)阻抗設(shè)定單元3設(shè)定的慣性M、粘性D和剛性K的設(shè)定值 而設(shè)定的機(jī)械手臂5的機(jī)械阻抗設(shè)定值。接著，使用圖3，對阻抗控制單元4的詳細(xì)情況進(jìn)行說明。在圖3中，5是作為控制 對象的圖2所示機(jī)械手臂。從機(jī)械手臂5輸出由各個關(guān)節(jié)軸的編碼器43測量的關(guān)節(jié)角的 當(dāng)前值(關(guān)節(jié)角度向量)向量q= [Q1, q2，q3，q4，q5，q6]T，并通過計數(shù)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(guān)節(jié)部11、第二關(guān)節(jié)部12、第三關(guān)節(jié)部 13、第四關(guān)節(jié)部14、第五關(guān)節(jié)部15、第六關(guān)節(jié)部16的關(guān)節(jié)角度。23是目標(biāo)軌道生成單元，輸出用于實現(xiàn)作為目標(biāo)的機(jī)械手臂5的動作的手位置及 姿勢目標(biāo)向量rd。如圖13所示，作為目標(biāo)的機(jī)械手臂5的動作根據(jù)目的作業(yè)，事前被賦予 各自的時間α = 0， =、， = 2，· · ·)的按每個點的位置(rdQ，rdl，rd2，· · ·)，目標(biāo) 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(biāo)向量rd。24是輸入推斷單元，推斷由人等與機(jī)械手臂5的接觸而對機(jī)械手臂5施加的外 力。通過A/D板21，將由馬達(dá)驅(qū)動器18的電流傳感器測量的、對機(jī)械手臂5的各關(guān)節(jié)部進(jìn) 行驅(qū)動的馬達(dá)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(shù)板22取入關(guān)節(jié)角的當(dāng)前值q，并且，取入來自后述的近似逆運動學(xué)(inverse kinematics)計算單元28的關(guān)節(jié)角度誤差補償輸出U(ie。力推斷單元24發(fā)揮觀測器的功 能，根據(jù)以上的電流值i、關(guān)節(jié)角的當(dāng)前值q、關(guān)節(jié)角度誤差補償輸出U-算出因施加到機(jī)械 手臂5的外力而在各關(guān)節(jié)部產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩τ
ext 一 L T Iext，T 2ext，T 3ext，T 4ext，T 5ext，T 6ext」0
然后，根據(jù)Fext=Jv (qrT Text —
1奐算成機(jī)械手臂5的手的等效手外力 Fext并輸出。這里，Jv(q)是滿足下式的雅可比矩陣。[數(shù)學(xué)式4]V-Jv (q) q其中，ν= [vx, vy, νζ, ωχ，coy，ωζ]Τ，(vx, Vy, vz)是手坐標(biāo)系 36 下的機(jī)械手臂 5 的 手的并進(jìn)速度，(ωχ，coy，ωζ)是手坐標(biāo)系36下的機(jī)械手臂5的手的角速度。另外，m是所 把持的物體的質(zhì)量，g是所把持的物體的重力加速度。把持物體的質(zhì)量m的值可從物體特 性數(shù)據(jù)庫2獲得。另外，也可由機(jī)械手臂5實際進(jìn)行把持，根據(jù)此時的力推斷單元24的等 效手外力Frart的推斷結(jié)果，算出把持物體的質(zhì)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Fext進(jìn)行觀測，檢測機(jī)械手臂5與人或其他物體的接觸。由于在發(fā)生接觸時等效手外力Frait會變化，因此，當(dāng)該變 化量超過某一值A(chǔ)F時，由接觸檢測單元37檢測到發(fā)生了接觸。當(dāng)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(jī)械手臂5發(fā)揮實現(xiàn)控制上述機(jī)械手臂的機(jī)械阻抗的值向 機(jī)械阻抗設(shè)定值的功能的部分，在接觸檢測單元37未檢測到機(jī)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(dāng)由接觸檢測單元37檢測到機(jī)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(jù)由物體特性呼應(yīng)阻抗設(shè)定單元 3設(shè)定的阻抗參數(shù)即慣性M、粘性D、剛性K、關(guān)節(jié)角的當(dāng)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(jī)械手臂5實現(xiàn)上述機(jī)械手臂的機(jī)械阻抗的值向機(jī)械阻 抗設(shè)定值的控制用的手位置及姿勢目標(biāo)修正輸出rd,并輸出。手位置及姿勢目標(biāo)修正輸出 rd.被加到目標(biāo)軌道生成單元23所輸出的手位置及姿勢目標(biāo)向量rd上，生成手位置及姿勢 目標(biāo)修正向量rdm。[數(shù)學(xué)式5] 其中，[數(shù)學(xué)式6] [數(shù)學(xué)式7] [數(shù)學(xué)式8] s是拉普拉斯算子。26是正運動學(xué)(forward kinematics)計算單元，將來自機(jī)械手臂5的各個關(guān)節(jié)軸 的編碼器43所測量的關(guān)節(jié)角的當(dāng)前值q、即關(guān)節(jié)角度向量q通過計數(shù)板22輸入，進(jìn)行從機(jī) 械手臂5的關(guān)節(jié)角度向量q向手位置及姿勢向量r的變換的幾何科學(xué)計算。27是位置誤差補償單元，被輸入根據(jù)在機(jī)械手臂5中測量的關(guān)節(jié)角度向量q由正 運動學(xué)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(biāo)向量rdm之間的 誤差re,向近似逆運動學(xué)計算單元28輸出位置誤差補償輸出Hre0在近似逆運動學(xué)計算單元28中，根據(jù)近似式u。ut = J,，進(jìn)行逆運動學(xué)的近 似計算。其中，Jjq)是滿足下式的雅可比矩陣，
[數(shù)學(xué)式9]r = J r (q) q
Uin是向近似逆運動學(xué)計算單元28的輸入，u。ut是來自逆運動學(xué)計算單元28的輸 出，若將輸入Uin作為關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)角度誤差的變換式。因此，當(dāng)位置誤差補償輸出被輸入到近似逆運動學(xué)計算 單元28中，則作為其輸出，從近似逆運動學(xué)計算單元28輸出對關(guān)節(jié)角度誤差qe進(jìn)行補償 用的關(guān)節(jié)角度誤差補償輸出關(guān)節(jié)角度誤差補償輸出Uqe通過D/A板20被賦予到馬達(dá)驅(qū)動器18作為電壓指令 值，通過各馬達(dá)42而各關(guān)節(jié)軸被正反旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，從而機(jī)械手臂5動作。關(guān)于如上那樣構(gòu)成的阻抗控制單元4，對機(jī)械手臂5的阻抗控制動作的原理進(jìn)行 說明。阻抗控制動作的基礎(chǔ)是由位置誤差補償單元27進(jìn)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(tǒng)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(jìn)行控制，可 實現(xiàn)作為目標(biāo)的機(jī)械手臂5的阻抗控制動作。在由接觸檢測單元37檢測到機(jī)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(tǒng)29加上手位置及姿勢目標(biāo)修正輸出，進(jìn)行 手位置及姿勢的目標(biāo)值的修正。為此，上述的位置控制系統(tǒng)29使手位置及姿勢的目標(biāo)值稍 稍偏離原來的值，結(jié)果，實現(xiàn)將上述機(jī)械手臂5的機(jī)械阻抗的值控制在上述適當(dāng)設(shè)定的設(shè) 定值的動作。由于根據(jù)式(4)能算出手位置及姿勢目標(biāo)修正輸出rd,，因此，能實現(xiàn)將上述 機(jī)械手臂5的慣性M、粘性D、剛性K的機(jī)械阻抗的值控制在上述適當(dāng)設(shè)定的設(shè)定值的動作。結(jié)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(jìn)行說明。在步驟1中，將由各個編碼器43測量的關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)(關(guān)節(jié)變量向量或關(guān)節(jié)角度 向量q)取入到控制裝置1內(nèi)。接著，在步驟2中，由近似逆運動學(xué)計算單元28進(jìn)行機(jī)械手臂5的運動學(xué)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(xué)計算單元26中的處理)中，通過正運動學(xué)計算單元26， 根據(jù)來自機(jī)械手臂5的關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)(關(guān)節(jié)角度向量q)，計算機(jī)械手臂5的當(dāng)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(yù)先存儲的機(jī)械手臂5 的動作程序，通過目標(biāo)軌道生成單元23計算機(jī)械手臂10的手位置及姿勢目標(biāo)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(jù)馬達(dá)42的 驅(qū)動電流值i、關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)(關(guān)節(jié)角度向量q)、關(guān)節(jié)角度誤差補償輸出U-算出機(jī)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(jù)由力推斷單元24計算出的 機(jī)械手臂5的手處的等效手外力Frait,判斷機(jī)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(jìn)入步驟7，在檢測到無接觸的情況下進(jìn)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(dāng)由接觸檢測單元37檢測到機(jī)械手臂5與人或其他物體的接觸的情況下，根據(jù)由物體特性呼應(yīng)阻抗設(shè)定單元3設(shè)定的機(jī) 械阻抗參數(shù)的慣性M、粘性D、剛性K、關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)(關(guān)節(jié)角度向量q)、由力推斷單元24計 算出的施加到機(jī)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(biāo)修 正輸出rd,。然后，進(jìn)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(jī)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(biāo)修正輸出 rd,為0向量。然后，進(jìn)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(biāo)向量rd與手位置及姿勢目標(biāo)修正輸出之和即手位置及姿勢修正目標(biāo)向量 Tdffl、與當(dāng)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(dāng)調(diào)整作為常數(shù)的對角矩陣的比例、微分、積分三個 增益，進(jìn)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(xué)計算單元28中的處理)中，通過近似逆運動學(xué)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(xué)計算單元28從與手位置及姿勢的誤差相關(guān)的值變換為與關(guān)節(jié)角度的誤差相 關(guān)的值即關(guān)節(jié)角度誤差補償輸出然后，在步驟10中，關(guān)節(jié)角度誤差補償輸出Uqe從近似逆運動學(xué)計算單元28通過 D/A板20被賦予到馬達(dá)驅(qū)動器18，通過使各個馬達(dá)42中流動的電流量變化，產(chǎn)生機(jī)械手臂 5的各個關(guān)節(jié)軸的旋轉(zhuǎn)運動。以上的步驟1 步驟10作為控制的計算循環(huán)被反復(fù)執(zhí)行，從而可實現(xiàn)機(jī)械手臂5 的動作的控制、即將機(jī)械手臂5的機(jī)械阻抗的值控制為上述適當(dāng)設(shè)定的設(shè)定值的動作。接著，針對本發(fā)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(jī)械手臂5 —邊把持物體38 —邊進(jìn)行搬運的作業(yè)進(jìn)行說明。首先，在步驟A中，通過目標(biāo)軌道生成單元23生成由機(jī)械手臂5的手6對物體38 進(jìn)行把持用的目標(biāo)軌道，根據(jù)通過圖5所示的步驟7’的控制流程來執(zhí)行機(jī)械手臂5的手位 置及姿勢的控制，并且，通過控制裝置1驅(qū)動控制手驅(qū)動用馬達(dá)62，在使手6張開的狀態(tài)下 靠近物體38，使手6位于能對物體38進(jìn)行把持的位置，然后閉合手6來把持物體38，從而 可實現(xiàn)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(biāo)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(yù)先存儲到環(huán)境圖數(shù)據(jù)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(jī)械手臂5固定的情況下，可由目 標(biāo)軌道生成單元23根據(jù)機(jī)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(jìn)行把持用的目標(biāo)軌道。另外，在通過移動裝置等使機(jī)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(dāng)取得機(jī)械手臂5相對于基準(zhǔn) 位置的當(dāng)前位置信息，由目標(biāo)軌道生成單元23根據(jù)所取得的當(dāng)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(jìn)行把持用的目標(biāo)軌道。
接著，在步驟B中，通過手6中配置的RF標(biāo)識接收機(jī)54讀取物體38中配置的RF 標(biāo)識33的信息，由RF標(biāo)識接收機(jī)54確定物體38的ID編號等ID信息。然后，在步驟C中，根據(jù)由RF標(biāo)識接收機(jī)54讀取的ID編號等ID信息，從物體特 性數(shù)據(jù)庫2中讀出物體38的重量、尺寸等特性數(shù)據(jù)，并從物體特性數(shù)據(jù)庫2中向物體特性呼應(yīng)阻抗設(shè)定單元3傳輸。接著，在步驟D中，在物體特性呼應(yīng)阻抗設(shè)定單元3中，基于從物體特性數(shù)據(jù)庫2傳輸來的特性數(shù)據(jù)，根據(jù)上述式(1) 式(3)，計算與物體38呼應(yīng)的機(jī)械阻抗設(shè)定值。然后，在步驟E中，通過目標(biāo)軌道生成單元23生成由機(jī)械手臂5的手6 —邊對物 體38進(jìn)行把持一邊進(jìn)行搬運用的目標(biāo)軌道，根據(jù)通過圖5所示的步驟7’的控制流程來執(zhí) 行機(jī)械手臂5的手位置及姿勢的控制，從而實現(xiàn)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(jī) 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(zhuǎn)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(jī)械手臂5的接觸動作的情況下)使動作轉(zhuǎn)移到步驟H。在步驟G中，由目標(biāo)軌道生成單元23進(jìn)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(xù)進(jìn)行到目標(biāo)位置為止的目標(biāo)軌道的計算，繼續(xù)進(jìn)行搬運動作，另一 方面，在搬運動作已完成的情況下，到目標(biāo)位置為止的目標(biāo)軌道的計算完成，輸出目的地的 位置作為rd，并且，在機(jī)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(dá)了 目標(biāo)位置。在物體38被向目標(biāo)位置即目的地搬運并且搬運完成的情況下，轉(zhuǎn)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(xù)進(jìn)行步驟E的搬運動作。在步驟H中，通過阻抗控制單元4進(jìn)行阻抗控制動作，將上述機(jī)械手臂的機(jī)械阻抗 的值控制為在物體特性呼應(yīng)阻抗設(shè)定單元3中計算的機(jī)械阻抗設(shè)定值(阻抗控制單元4中 的動作)，在接觸檢測單元37進(jìn)行接觸檢測的期間繼續(xù)進(jìn)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(jī)械手臂5 的手6張開，物體38從把持狀態(tài)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(biāo)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(shè)定的機(jī)械阻抗設(shè)定值。通過以上的動作步驟A 步驟J，實現(xiàn)由機(jī)械手臂5進(jìn)行的物體的搬運作業(yè)，在由 接觸檢測單元37檢測到接觸的情況下，實現(xiàn)向阻抗控制動作的切換。如上所述，通過包括物體特性數(shù)據(jù)庫2、物體特性呼應(yīng)阻抗設(shè)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(jī)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(tài)迅速轉(zhuǎn)移到阻抗控制的狀態(tài)，從而可確保安全性(換而言之，轉(zhuǎn)移到能充分發(fā)揮 柔韌性的狀態(tài)，通過與人接觸，機(jī)械手臂5柔韌地移動從而可發(fā)揮安全性)，并且，能根據(jù)把 持物體的特性而適當(dāng)改變機(jī)械手臂5的機(jī)械阻抗設(shè)定值。具體而言，例如，在盤子上載置杯 子進(jìn)行搬運時，由于控制為即使與人接觸而機(jī)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(jī)械手臂5的手的目標(biāo)軌道TA，當(dāng)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(jìn)行適當(dāng)?shù)臋C(jī)械阻抗設(shè)定值的設(shè)定的情況下， 則成為如軌道TC所示，有可能產(chǎn)生機(jī)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(jìn)行適當(dāng)?shù)淖杩乖O(shè)定值的設(shè)定的情 況下，如軌道TB所示，可減小從目標(biāo)軌道TA的偏離量，能避免機(jī)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(jù)把持物體38的重量來改變機(jī)械手臂5的機(jī)械阻抗設(shè)定值，因此， 若由物體特性呼應(yīng)阻抗設(shè)定單元3按照與重量成正比的方式設(shè)定剛性K，S卩，由物體特性呼 應(yīng)阻抗設(shè)定單元3將增益KKm設(shè)定為KKm>0，則在由手6把持重物38時，可增強(qiáng)彈性、增大 阻力，所以，在人用手100推動機(jī)械手臂5時，達(dá)到所需程度以上才能使機(jī)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(yīng)阻抗設(shè)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(shè)定慣性M,即，由物體特性呼應(yīng)阻抗設(shè)定單元3將增益KMm設(shè)定為KMm>0，則在人 用手100推動機(jī)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(shè)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(yīng)阻抗設(shè)定單元3將增益KDd的設(shè)定值設(shè)定得較大，則 粘性D會通過物體特性呼應(yīng)阻抗設(shè)定單元3根據(jù)危險度較大地設(shè)定，從而對機(jī)械手臂5產(chǎn) 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(jìn)行搬運的情況 下，例如 ，在機(jī)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(yīng)阻抗設(shè)定單元3將物體特性數(shù)據(jù)庫2的危險度數(shù)據(jù)設(shè)為危 險度最高的“等級5”。通過這樣進(jìn)行設(shè)定，物體特性呼應(yīng)阻抗設(shè)定單元3及阻抗控制單元 4增大粘性，將機(jī)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(jī)械手臂劇 烈移動而使熱水飛濺。如上所述，根據(jù)本發(fā)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(jī)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(xiàn)安全的機(jī)器人控制的控制裝置。(第二實施方式)由于本發(fā)明的第二實施方式中的機(jī)械手臂的控制裝置的基本結(jié)構(gòu)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(jìn)行詳細(xì)說 明。圖8是說明物體特性數(shù)據(jù)庫2的把持規(guī)則的圖。物體特性數(shù)據(jù)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(guī) 則表31。把持規(guī)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(yù)先記 錄有1或0的數(shù)值。當(dāng)姿勢維持的項目為1時，表示存在不使物體姿勢移動地進(jìn)行固定的姿勢的限制 條件的信息，機(jī)械手臂5的手6的手指的旋轉(zhuǎn)(Φ，θ，ψ)方向的機(jī)械阻抗設(shè)定值由物體特 性呼應(yīng)阻抗設(shè)定單元3設(shè)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(tài)下，存在因機(jī)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(guī)則表31的姿勢維持 的項目設(shè)定為1。把持規(guī)則表31的項目的設(shè)定基于把持狀態(tài)檢測單元53的檢測結(jié)果進(jìn)行。例如，在由RF標(biāo)識接收機(jī)54檢測到盤子39和杯子40的情況下，參照把持狀態(tài)表，推斷出是在盤子39上載置有杯子40的把持狀態(tài)，從而將把持規(guī)則表31的姿勢維持的項目設(shè)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(tài)， 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(shù)據(jù)進(jìn)行圖像識別來實現(xiàn)上述判 斷(即，根據(jù)圖像識別單元45的圖像識別結(jié)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(guān)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(tài))，另外， 在使用了基于RF標(biāo)識的ID編號等ID信息進(jìn)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(jìn)行搬運，則由把持狀態(tài)檢測單元 53進(jìn)行推斷，在由把持狀態(tài)檢測單元53推斷出上述把持狀態(tài)的情況下，也可在把持規(guī)則表 31中預(yù)先記錄將姿勢維持的項目設(shè)為1。另外，在位置維持的項目為1時，機(jī)械手臂5的手6的并進(jìn)(x，y，z)方向的機(jī)械阻 抗設(shè)定值由物體特性呼應(yīng)阻抗設(shè)定單元3較大地設(shè)定，手6的姿勢被控制為不易變動。例如，在機(jī)械手臂5的手6的附近存在家具等，手6向并進(jìn)(x，y，z)方向前進(jìn)則存 在碰撞到家具等的危險的情況下，也可在把持規(guī)則表31中預(yù)先記錄將位置維持的項目設(shè) 為1。另外，在高度維持的項目為1時，作為機(jī)械手臂5的手6的ζ方向的機(jī)械阻抗設(shè)定 值由物體特性呼應(yīng)阻抗設(shè)定單元3較大地設(shè)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(tài)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(guī)則表31中預(yù)先記錄將 高度維持的項目設(shè)為1。該情況下，機(jī)械手臂5的手6的-ζ方向、即鉛直方向朝下的機(jī)械阻 抗設(shè)定值由物體特性呼應(yīng)阻抗設(shè)定單元3較大地設(shè)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(jī)械手臂的機(jī)械阻抗的值控制為機(jī)械阻 抗設(shè)定值的實現(xiàn)方法進(jìn)行說明。手位置及姿勢目標(biāo)修正輸出在阻抗計算單元25中根據(jù)下式(8)進(jìn)行計算。[數(shù)學(xué)式10] 其中，[數(shù)學(xué)式11] (αχ, ay, αζ, α φ, α θ, α ψ)是阻抗控制系數(shù)。當(dāng)機(jī)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(shù)的所有 ^ (ax, ay, αζ, α φ, α θ, α ψ)被物體特性呼應(yīng)阻抗設(shè)定單元3設(shè)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(biāo)修正輸出的各成分為0，不進(jìn)行手 位置及姿勢目標(biāo)的修正，阻抗控制單元4作為位置控制系統(tǒng)進(jìn)行動作。
在機(jī)械手臂5與人等發(fā)生接觸，由接觸檢測單元37檢測到該接觸時，阻抗控制系 數(shù)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(shù)據(jù)庫2的 把持規(guī)則表31，當(dāng)把持規(guī)則表31的姿勢維持的項目為1時，通過物體特性呼應(yīng)阻抗設(shè)定單 元3，與位置對應(yīng)的成分(a x，ay, a z)被切換為1，與姿勢對應(yīng)的成分(α ρ α0，α ψ)維 持0。由此，關(guān)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(yīng)阻抗設(shè)定單元3將機(jī)械阻抗設(shè) 定為能發(fā)揮作為剛性K充分柔韌性的設(shè)定值時，因機(jī)械手臂5與人接觸而手6的位置柔韌 地移動從而可發(fā)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(jìn)行搬運的情況下，即使發(fā)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(jù)阻抗控制系數(shù)，可將上述機(jī)械手臂5的機(jī)械阻抗的值按手6的方向控制 為機(jī)械阻抗設(shè)定值，從而可實現(xiàn)能同時滿足確保針對與人接觸的安全性、且實現(xiàn)針對把持 物體或周圍環(huán)境等外部環(huán)境的安全性的控制。此外，在第二實施方式中，使把持規(guī)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(jìn)而按士方向來指定機(jī)械阻抗設(shè)定值的切換的動作 的方法的形式也能發(fā)揮同樣效果，并且，能更細(xì)致地指定機(jī)械阻抗設(shè)定值的切換的動作。(第三實施方式)本發(fā)明的第三實施方式中的控制裝置的基本結(jié)構(gòu)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(jìn)行詳細(xì)說明。圖11是表示本發(fā)明的第三實施方式的、機(jī)械手臂的控制裝置的阻抗控制單元4Α 的結(jié)構(gòu)的框圖。32是按方向阻抗調(diào)整單元，具有基于物體特性呼應(yīng)阻抗設(shè)定單元3所設(shè)定 的機(jī)械阻抗設(shè)定值、及物體特性數(shù)據(jù)庫2的把持規(guī)則表31，按方向?qū)ξ恢谜`差補償單元27 的反饋增益進(jìn)行調(diào)整的功能。在本發(fā)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(yīng)阻 抗設(shè)定單元3中，進(jìn)行剛性K及粘性D的設(shè)定，不進(jìn)行慣性M的設(shè)定。另外，位置誤差補償 單元27是PD補償器，根據(jù)下式(10)計算位置誤差補償輸出ure。[數(shù)學(xué)式I2] 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(shù)學(xué)式13] 的各成分的增益構(gòu)成的對角矩陣。通過調(diào)整這些增益(調(diào)諧)，可獲得適當(dāng)位置和 姿勢的控制性能。接著，對動作進(jìn)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(diào) 整單元32不動作，位置誤差補償單元27根據(jù)以式(10)計算的增益進(jìn)行動作，實現(xiàn)機(jī)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(diào)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(jìn)行調(diào)整。[數(shù)學(xué)式14]
式(11) [數(shù)學(xué)式I5] Kd = aKD + il-oC)D......式(12)其中，α是由式(9)賦予的阻抗控制系數(shù)，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(diào)整單元32調(diào)整增益，通過下式(13)計算。[數(shù)學(xué)式ie] 根據(jù)上述式(13)，在把持規(guī)則表31中設(shè)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(yīng)的方向的成分被設(shè)定為1，因此， 關(guān)于這些方向，基于位置控制用的增益Kp、KD進(jìn)行反饋，因此，機(jī)械手臂5進(jìn)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(jī)械手臂5使用物體特性呼應(yīng)阻抗設(shè)定單元3 所設(shè)定的機(jī)械阻抗設(shè)定值的剛性K及粘性D，因此，成為基于剛性K、粘性D的設(shè)定值的控制 模式。所以，例如，若設(shè)剛性1( < KP，則在接觸時，對應(yīng)的方向的位置控制的比例增益減小， 機(jī)械手臂5的剛性降低。另外，若設(shè)粘性0 < KD，則在接觸時，對應(yīng)的方向的位置控制的微 分增益減小，機(jī)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(shè)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(diào)整增益來虛擬地實現(xiàn)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(shù)值，一邊以試驗方式進(jìn)行調(diào)整一邊探索可獲得適當(dāng)?shù)膭傂?、粘性的值。如上所述，在本發(fā)明的第三實施方式的機(jī)械手臂的控制裝置中，通過調(diào)整位置誤 差補償單元27的增益，按手的方向虛擬地實現(xiàn)將上述機(jī)械手臂5的機(jī)械阻抗的值控制為機(jī) 械阻抗設(shè)定值，從而可實現(xiàn)能同時滿足確保針對與人接觸的安全性、且實現(xiàn)針對把持物體 或周圍環(huán)境等外部環(huán)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(shè)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(shè)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(dāng)選擇重要度信息作為屬性信息時，例如，若對紀(jì)念 品等重要物品將重要度設(shè)定得較高，則由于機(jī)械手臂5的機(jī)械阻抗設(shè)定值被設(shè)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(jī)械手臂為例進(jìn)行了說明，但本發(fā)明并不限定于手， 也可應(yīng)用于通過車輪而移動的移動機(jī)器人、雙腳行走機(jī)器人、多腳行走機(jī)器人等中，對移動 機(jī)器人等與人的接觸，發(fā)揮同樣的效果。此外，通過適當(dāng)組合上述各種實施方式中的任意實施方式，能發(fā)揮各自具有的效
(工業(yè)上的可利用性)本發(fā)明作為對家用機(jī)器人等能與人接觸的機(jī)器人的機(jī)械手臂的動作進(jìn)行控制的 機(jī)械手臂的控制裝置及控制方法、具有機(jī)械手臂的控制裝置的機(jī)器人、以及機(jī)械手臂的控 制程序有用。另外，并不限定于家用機(jī)器人，還可應(yīng)用于工業(yè)用機(jī)器人、生產(chǎn)設(shè)備等中的可 動機(jī)構(gòu)的機(jī)械手臂的控制裝置及控制方法、具有機(jī)械手臂的控制裝置的機(jī)器人、以及機(jī)械 手臂的控制程序。 本發(fā)明參照附圖，與優(yōu)選實施方式相關(guān)聯(lián)地進(jìn)行了充分記載，但對本領(lǐng)域技術(shù)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(quán)利要求所限定的本發(fā)明 的范圍，則應(yīng)理解為包含在本發(fā)明中。
權(quán)利要求
一種機(jī)械手臂的控制裝置，包括物體特性數(shù)據(jù)庫，其記錄有與上述機(jī)械手臂所搬運的物體的搬運特性相關(guān)的信息；物體特性呼應(yīng)阻抗設(shè)定單元，其基于上述物體特性數(shù)據(jù)庫的上述信息，設(shè)定上述機(jī)械手臂的機(jī)械阻抗設(shè)定值；和阻抗控制單元，其將上述機(jī)械手臂的機(jī)械阻抗的值控制為上述物體特性呼應(yīng)阻抗設(shè)定單元所設(shè)定的上述機(jī)械阻抗設(shè)定值；上述物體特性數(shù)據(jù)庫具有上述機(jī)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重要度信息作為上述物體的屬性信息，并且，上述物體特性呼應(yīng)阻抗設(shè)定單元基于物體特性數(shù)據(jù)庫的上述重要度信息，設(shè)定上述機(jī)械阻抗設(shè)定值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)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(jī)械手臂所搬運的上述物體的搬運特性相關(guān) 的信息，并將收集到的與上述物體的搬運特性相關(guān)的信息記錄到上述物體特性數(shù)據(jù)庫中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的機(jī)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(jī)械手臂接觸的情況進(jìn)行檢測的接觸檢測 單元，在上述機(jī)械手臂與上述人或物體接觸時，將上述機(jī)械手臂的機(jī)械阻抗的值控制為上 述物體特性呼應(yīng)阻抗設(shè)定單元所設(shè)定的機(jī)械阻抗設(shè)定值。
全文摘要
一種機(jī)械手臂控制裝置，由物體特性呼應(yīng)阻抗設(shè)定單元(3)基于記錄有與手所把持的物體的特性有關(guān)的信息的物體特性數(shù)據(jù)庫(2)的信息來設(shè)定手的機(jī)械阻抗設(shè)定值，并通過阻抗控制單元(4)將手的機(jī)械阻抗的值控制為所設(shè)定的機(jī)械阻抗設(shè)定值。
文檔編號B25J19/06GK101870112SQ20101019695
公開日2010年10月27日 申請日期2006年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月13日
發(fā)明者岡崎安直 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社