パワーアシスト装置及びその制御方法
【課題】ロボットの手先もしくはワークの進入できない領域である仮想ガイドを設けて、ロボットの手先速度を決定することでワークの位置と姿勢を制御できるパワーアシスト装置を提供する。
【解決手段】複数の関節３ａを有するロボットアーム３と、前記ロボットアーム３にフリージョイント４を介して３次元的に揺動可能に接続され、ウィンドウ２を保持する吸着治具５と、関節３ａ及びフリージョイント４の角度を検出するエンコーダ１０と、前記角度に基づいて前記ロボットアーム３の手先３ｃ位置またはウィンドウ２の位置を計算する第一演算部８ａと、前記ウィンドウ２の進入を認めない領域である仮想ガイドＧを記憶した記憶部８ｃと、手先３ｃ位置もしくはウィンドウ２の位置を、仮想ガイドＧの位置と比較して、仮想ガイドＧを越えないように制限をかける速度指令値を算出する第二演算部８ｂと、前記速度指令値で手先３ｃを制御する制御手段８と、を備えた。
【解決手段】複数の関節３ａを有するロボットアーム３と、前記ロボットアーム３にフリージョイント４を介して３次元的に揺動可能に接続され、ウィンドウ２を保持する吸着治具５と、関節３ａ及びフリージョイント４の角度を検出するエンコーダ１０と、前記角度に基づいて前記ロボットアーム３の手先３ｃ位置またはウィンドウ２の位置を計算する第一演算部８ａと、前記ウィンドウ２の進入を認めない領域である仮想ガイドＧを記憶した記憶部８ｃと、手先３ｃ位置もしくはウィンドウ２の位置を、仮想ガイドＧの位置と比較して、仮想ガイドＧを越えないように制限をかける速度指令値を算出する第二演算部８ｂと、前記速度指令値で手先３ｃを制御する制御手段８と、を備えた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、製造現場等において作業を行う作業者の作業動作を補助するパワーアシスト装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、製造現場等において、作業者による重量物の昇降を補助する装置として、特許文献１に記載されているようにワークを把持する把持手段の傾きを検出して、該把持手段を上下に駆動する装置が公知となっている。具体的には、前記装置は、ワークと装置の間の角度偏差に応じて装置の運動を制御することで、ワークの搬送を行っている。
【特許文献１】特開平１１−２４５１２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１に記載されているような装置では、ワークを進めたい方向に傾きを与える必要があるが、ワークの形状と作業環境の条件などから、ワークに傾き（以下、角度ズレという）を生じさせることが困難な場合があった。
具体的には、上下に動かすなら上下方向の、左右に動かすなら左右方向の角度ズレを与えることが必要であるが、ワークの形状と作業環境の条件などから、例えば、上下に狭いスペースに対してワークを斜め方向に通過させる場合など、ワークの上下方向の角度ズレが許されないにもかかわらず、ワークに上下の傾きを生じさせなければならない場合には、ワークを所望の経路で移動させることが困難な場合があった。
また、角度ズレを用いたワークの搬送制御を使用しつつ、上下ズレを発生させずに作業者の意図通りにワークを上下させたいという要望もあるが、角度ズレを用いた搬送制御方法では、ワークが角度ズレを持った方向へしか動かないという問題点があった。
そこで、本発明は以上の問題点に鑑みてなされたものであり、ロボットの手先もしくはワークの進入できない領域である仮想ガイドを設けて、ロボットの手先速度を決定することでワークの位置と姿勢を制御できるパワーアシスト装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【０００５】
即ち、請求項１においては、作業者が対象物を搬送する作業を補助するパワーアシスト装置であって、複数の関節を有するロボットと、前記ロボットにフリージョイントを介して３次元的に揺動可能に接続され、前記対象物を保持する保持手段と、前記関節及び前記フリージョイントの角度を検出する角度検出手段と、該角度検出手段で検出した角度に基づいて前記ロボットにおける前記保持手段との接続部の位置または対象物の位置を計算する第一演算部と、前記対象物の進入を認めない領域を前記接続部の座標系上の位置として記述した仮想ガイドを記憶した記憶部と、前記ロボットにおける前記保持手段との接続部の位置もしくは対象物の位置を、前記仮想ガイドの位置と比較して、仮想ガイドを越えて対象物を運動させないように前記接続部の目標速度に制限をかける速度指令値を算出する第二演算部と、前記速度指令値に基づく速度で前記接続部の運動を制御する制御手段と、を備えたものである。
【０００６】
請求項２においては、前記第二演算部では、対象物を仮想ガイドに向かわせる方向の目標速度が速度指令値として算出されるものである。
【０００７】
請求項３においては、複数の関節を有するロボットと、前記ロボットにフリージョイントを介して３次元的に揺動可能に接続され、前記対象物を保持する保持手段と、前記関節及び前記フリージョイントの角度を検出する角度検出手段と、前記対象物の進入を認めない領域を前記接続部の座標系上の位置として記述した仮想ガイドを記憶した記憶部とを備えたパワーアシスト装置の制御方法であって、該角度検出手段で検出した角度に基づいて前記ロボットにおける前記保持手段との接続部の位置または対象物の位置を計算する工程と、算出した前記保持手段との接続部の位置もしくは対象物の位置を、前記記憶部に記述された仮想ガイドの位置と比較して、仮想ガイドを越えて対象物を運動させないように前記接続部の目標速度に制限をかける速度指令値を算出する工程と、算出した前記速度指令値に基づく速度で前記接続部の運動を制御する工程と、を備えるものである。
【０００８】
請求項４においては、前記速度指令値を算出する工程では、対象物を仮想ガイドに向かわせる方向の目標速度が速度指令値として算出されるものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
【００１０】
請求項１においては、操作者はワークを仮想ガイドに沿わせて移動させることで、ワークを搬送したい方向に角度ズレを与えることなく、ワークの姿勢変化の方向とは別の方向にワークを搬送させることができる。
【００１１】
請求項２においては、ワークを仮想ガイドに沿わせつつ、ワークの姿勢変化の方向とは別の方向にワークを搬送させることができる。
【００１２】
請求項３においては、操作者はワークを仮想ガイドに沿わせて移動させることで、ワークを搬送したい方向に角度ズレを与えることなく、ワークの姿勢変化の方向とは別の方向にワークを搬送させることができる。
【００１３】
請求項４においては、ワークを仮想ガイドに沿わせつつ、ワークの姿勢変化の方向とは別の方向にワークを搬送させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に、発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明に係るパワーアシスト装置の全体構成を示す模式図、図２は本発明に係る仮想ガイドを示す模式図、図３は仮想ガイドの別実施例を示す模式図、図４は仮想ガイドから速度を得る別実施例を示す模式図、図５はウィンドウガラスの回転方向と移動方向の関係を示す説明図、図６はパワーアシスト装置の制御方法を示すフローチャート図、図７はパワーアシスト装置の制御系の構成を示すブロック図である。
なお、本実施形態では、説明を簡単にするため、対象物を、図２に示すＸＹＺ座標系のＸＺ平面内で移動する作業を例とする。ＸＺ平面はボデー１００の断面である。
また、以下の説明をおいては、説明の便宜上、図２に示す矢印Ｘの方向を前方とする。
また、本実施形態において、作業者が行うべき作業は、対象物（ワーク）であるウィンドウガラス２（以下、ウィンドウ２という）を、図２に示す自動車のボデー１００の窓枠１００ａの位置へ移動する作業である。
【００１５】
まず、パワーアシスト装置の全体構成について説明する。
パワーアシスト装置５０は、図１に示すように、主としてロボットの一例であるロボットアーム３と、フリージョイント４と、ウィンドウ２の保持手段である吸着治具５と、ハンドル６と、デッドマンスイッチ６ａと、ロボットアーム３を制御する制御手段８（図７に図示）によって構成されている。
【００１６】
ロボットアーム３は、図１に示すようにマニュピュレータ等の多関節型ロボットを模式的に示したものであり、ロボットアーム３の一端は関節３ａを介して天井ガイド部１２に接続されており、ロボットアーム３の他端は、該ロボットアーム３の先端である手先３ｃであり、該手先３ｃはフリージョイント４を介してウィンドウ２を吸着する吸着治具５に繋がっている。また、ロボットアーム３の中途部には関節３ａが配設されており、上部の関節３ａと下部の関節３ａとの間、及び下部の関節３ａとフリージョイント４の間が各リンク３ｂ・３ｂで連結されている。前記フリージョイント４は前記吸着治具５に吸着されているウィンドウ２の姿勢を３次元的に揺動可能である。また、前記関節３ａ・３ａ、フリージョイント４及び各リンク３ｂ・３ｂによりリンク機構を構成しており、該リンク機構にはアクチュエータ１１（図７に図示）が取り付けられており、該アクチュエータ１１を駆動することによりリンク機構が駆動し、ロボットアーム３の手先３ｃが３次元的に揺動可能となっている。また、ロボットアーム３は、図５に示すように、通常の搬送の場合は、作業者１（操作者）が対象物であるウィンドウ２をヨー軸、ロール軸回りに回転させたときにそれぞれ横方向（図５の（ａ））、縦方向（図５の（ｂ））にロボットアーム３の手先３ｃを動かしウィンドウ２を移動させることが可能である。
【００１７】
また、ロボットアーム３の各関節３ａ・３ａ及びフリージョイント４には、各リンク３ｂ・３ｂの位置を角度として検出する角度検出手段であるエンコーダ１０（図７に図示）が配置されている。該エンコーダ１０による角度検出値は制御手段８内の第一演算部８ａ（図７に図示）へ送られる。第一演算部８ａは、送られたエンコーダ１０の角度検出値から、ロボットアーム３の手先３ｃの位置と姿勢、及び対象物であるウィンドウ２の位置と姿勢を求めることができる。
なお、本実施形態では、ロボットアーム３の移動を示す基準点として手先３ｃを使用しているが、特に限定するものではなく、ロボットアーム３における保持手段（吸着治具５）との接続部分を使用してもかまわない。具体的にはロボットアーム３の手先３ｃからフリージョイント４を介して吸着治具５を接続した接続部分に至る中途部分の何れかの部分を使用してもかまわない。
【００１８】
なお、本実施形態では上記のようにロボットアームを１本のマニュピュレータとして模式的に示しているが、特に限定するものではなく、パンタグラフ型のロボットアーム等として構成することも可能である。
【００１９】
吸着治具５は、該吸着治具５の枠組みであるフレーム５ａと、該フレーム５ａの左右両側（ライン進行方向である矢印Ｘに対して両側）にそれぞれ張り出した作業者１が把持して吸着治具５を操作するためのハンドル６・６を備えている。また、吸着治具５は、ロボットアーム３の手先３ｃにフリージョイント４を介して吊られており、ウィンドウ２を吸着保持可能となっている。具体的には、フレーム５ａの下端には、ウィンドウ２の表面（つまり、ウィンドウ２をボデー１００に取り付けたときにボデー１００の外側になる面）に吸い付く複数の吸盤（図示せず）が取り付けられている。吸着治具５にウィンドウ２を保持させる場合、吸盤をウィンドウ２表面に密着させ、図示しないポンプによって吸盤内の空気を吸引する。これにより、ウィンドウ２は吸盤に吸着され、吸着治具５に保持される。一方、吸着治具５からウィンドウ２を開放する場合には、ポンプによる空気の吸引を停止し、吸盤とウィンドウ２との間に空気を注入することで、吸盤へのウィンドウ２の吸着を停止する。これにより、ウィンドウ２は吸着治具５から開放される。
【００２０】
前記ハンドル６は、図１に示すように平面視略Ｕ字状であり、吸着治具５の両端部に配置されている。また、ハンドル６の一端（作業者１がハンドルを把持する側）の幅方向一端には前記デッドマンスイッチ６ａが配設されている。ハンドル６は、ボデー１００の窓枠１００ａにウィンドウ２を取り付ける際に作業者１によって把持される。作業者１がハンドル６を把持することで、吸着治具５が安定し、作業者１は窓枠１００ａに対するウィンドウ２の位置調整を行うことができる。また、デッドマンスイッチ６ａは安全性確保のために作業者１がデッドマンスイッチ６ａを押している間だけロボットアーム３が動作するように構成されている。デッドマンスイッチ６ａは制御手段８に接続されている。
なお、本実施形態ではデッドマンスイッチ６ａはハンドル６の一方（図１に図示）に配設したものであるが特に限定するものではなく、作業性等を考慮してハンドル６の他方に配設することも可能である。
【００２１】
制御手段８には、図７に示すように上述したデッドマンスイッチ６ａ、エンコーダ１０及びロボットアーム３を駆動させるアクチュエータ１１が接続されている。パワーアシスト装置５０の各部の動作は制御手段８によって制御される。
【００２２】
また、制御手段８は、第一演算部８ａと、第二演算部８ｂと、記憶部８ｃ（ハードディスク装置、ＲＡＭやＲＯＭ）やインターフェース等からなり、記憶部８ｃは前記第一演算部８ａと第二演算部８ｂとのそれぞれと情報をやりとりする。記憶部８ｃに前記ウィンドウ２もしくはロボットアーム３の手先３ｃの進入を認めない領域を前記手先３ｃの３次元座標系上の位置として記述した仮想ガイドＧを記憶している。また、仮想ガイドＧを発生させるかどうかの判定するための情報が記憶されている。
【００２３】
第一演算部８ａは、前記関節３ａ及び前記フリージョイント４の角度に基づいて前記ロボットアーム３の手先３ｃ位置または対象物であるウィンドウ２の位置を計算することができる。つまり、前記エンコーダ１０で検出された関節３ａ及びフリージョイント４の角度に基づき吸着治具５及びウィンドウ２の３次元座標系上の位置情報をリアルタイムで算出する。
【００２４】
第二演算部８ｂは、第一演算部８ａで算出されたロボットアーム３の手先３ｃ位置もしくはウィンドウ２の位置を、前記記憶部８ｃ内に予め記憶されている仮想ガイドＧの位置とを比較することで、仮想ガイドに対してウィンドウ２の相対位置を認識し、ウィンドウ２が仮想ガイドＧを越えてロボットアーム３の手先３ｃを運動させないように手先３ｃの目標速度に制限をかける速度指令値を算出する。該速度指令値はロボットアーム３を駆動するアクチュエータ１１に出力されて、ロボットアーム３の手先速度が制御される。
なお、第一演算部８ａと第二演算部８ｂとは特に独立している必要はなく、例えば一つの中央演算処理装置（ＣＰＵ）としてもかまわない。
【００２５】
なお、仮想ガイドＧとは、いわゆる境界またはポテンシャル場と称するものである。本実施形態においてはロボットアーム３の手先３ｃ、もしくは吸着治具５に吸着されているウィンドウ２が進入できない領域の境界を仮想ガイドと呼ぶことにする。本発明においては、仮想ガイドＧは予め設定された座標上に３次元データとして記憶している。特に、対象物であるウィンドウ２を進入できないような境界を設定したものである。仮想ガイドＧは、制御手段８のなかの記憶部８ｃに三次元座標として記憶させておき、ロボットアーム３の手先３ｃもしくはウィンドウ２の位置情報と三次元座標上の仮想ガイドＧとの相対位置を常に比較し、ロボットアーム３の手先３ｃが移動して対象物であるウィンドウ２を仮想ガイドＧ内に進入させないように制御手段８がロボットアーム３の手先速度を制御して仮想空間上で規制をかけるものである。また、仮想ガイドＧの三次元データとしては、特に平面に限るわけでなく、曲面または断続的な面や開口部を備えた曲面等適宜設定することが可能である。
【実施例１】
【００２６】
次に上記構成のパワーアシスト装置を用いて、ロボットと作業者が協調してウィンドウをボデーの窓枠位置に移動する作業及びパワーアシスト装置の動作について図１、図２及び図５を用いて説明する。
【００２７】
図１に示すように、作業者１とロボットアーム３がウィンドウ２を協調搬送する場合、ロボットアーム３の先端となる手先３ｃにフリージョイント４を介して吊られた吸着治具５があり、ウィンドウ２をボデー１００の窓枠１００ａに取り付けるために、前記吸着治具５によりウィンドウ２が吸着されている。作業者１はウィンドウ２の位置と姿勢を調整しながらロボットアーム３を誘導することで、ウィンドウはめ込み位置である窓枠１００ａ付近までウィンドウ２を搬送する。ロボットアーム３の手先３ｃはフリージョイント４を介してウィンドウ２を吸着する吸着治具５に接続している。作業者１は吸着治具５に設置されたハンドル６を持ち、ウィンドウ２を回転させることでロボットアーム３の手先ｃに移動速度である手先速度を指令する。以下では回転によって手先目標速度が計算される制御方式を「ズレ制御」と呼ぶ。ズレ制御におけるウィンドウ２の回転と手先速度指令値（図５（ａ）、（ｂ）のそれぞれの矢印が移動方向となる）の関係は図５のとおりである。ロボットアーム３は指令値にしたがって動作するが、安全のため作業者がデッドマンＳＷを押している間だけ動作するように設定してある。
【００２８】
図２はセダンタイプボデーのリアウィンドウを組み付ける作業を表している。この作業では、ウィンドウ２はボデー１００上空から降下し、開状態のラゲッジハッチ１０１の前端部１０１ａの下方をくぐり、組み付け位置である窓枠１００ａ近傍まで運ばれる。ハッチ１０１の下方をくぐる際にはハッチ１０１の前端部１０１ａとボデー１００の間の小さな（本例の場合は３０ｍｍ程度）隙間を接触することなく通過する必要がある。ハッチ１０１の前端部１０１ａをくぐる直前でボデー１００の窓枠１００ａ面に平行に仮想ガイドＧを発生させて、ウィンドウ２がボデー１００に接触しないようにするのと同時に、Ｚ軸下方に速度Ａによって仮想ガイドＧに向かわせる目標速度を制御手段８により発生させて、仮想ガイドＧに向かって自動降下させる。
なお、降下してきたウィンドウ２が仮想ガイドＧに達すると、それ以上の下降が仮想ガイドＧにより規制されるが、仮想ガイドＧが解除（無効化）された際には前記ウィンドウ２の自動降下も解除される。
ウィンドウ２が仮想ガイドＧに達すると、作業者１は吸着治具５をヨー軸回転させてＸ軸後方の目標速度Ｂをロボットアーム３に指示する。そして、ロボットアーム３に目標速度Ｂを指示することで、目標速度Ａと目標速度Ｂの合成によって後斜め下方の速度Ｃが実現され、目標速度Ｂが大きすぎない場合には、ウィンドウ２は仮想ガイドＧに沿って斜め下方に移動することとなる。この場合、ウィンドウ２は、あたかも仮想ガイドＧに押し付けられつつ坂を下るようにハッチ１０１の下方をくぐるように搬送される。この際にはズレ制御を用いてウィンドウ２を上下方向に搬送してくるにもかかわらず、仮想ガイドＧにウィンドウ２が押し付けられることによりウィンドウ２のロール方向の傾きは発生しない。これにより、ロール方向の傾きが許されないラゲッジハッチ１０１のくぐり抜けを可能としている。
また、図２の右側方向（Ｘ軸前方）にウィンドウ２をヨー回転させることでＸ軸前方の速度Ｄが設定され、速度Ａと速度Ｄとが合成されて合成速度Ｅが生成されることで、仮想ガイドＧによる規制によりウィンドウ２が仮想ガイドＧ上に留まることとなり、仮想ガイドＧによってウィンドウ２の動き（降下）を止めることができる。
【００２９】
次に上述したパワーアシスト装置の動作についてフローチャート図を用いて説明する。
図６はウィンドウの進入できない領域である仮想ガイドを設けて、ロボットの手先速度を決定する処理に係るフローチャート図である。
ステップＳ１０では、エンコーダ１０によって関節３ａ及びフリージョイント４の角度を検出して、その検出値が制御手段８内の第一演算部８ａに入力される。第一演算部８ａは、入力されたエンコーダ１０の検出値からウィンドウ２の位置と姿勢及びロボットアーム３の手先３ｃの位置を求める。次にステップＳ２０では、ウィンドウ２の位置と姿勢及びロボットアーム３の手先３ｃの位置情報と記憶部８ｃ内に予め記憶されている仮想ガイドＧの３次元座標上の位置とが比較されて、ウィンドウ２もしくは手先３ｃが仮想ガイドＧに対して所定間隔内に入ったと判定された場合は、仮想ガイドＧを発生させる（有効にする）。ここで所定間隔内に入っていない場合は、図５で示すように通常操作（前述した通常のズレ制御による搬送）のみを行う状態となる。次にステップＳ３０では、制御手段８がロボットアーム３の手先３ｃを自動降下させるために手先目標速度を指定する速度指定値を算出する。算出された手先速度の速度指定値は、ステップＳ４０でアクチュエータ１１へ出力されて、アクチュエータ１１が駆動する。そうしてロボットアーム３の手先３ｃ（ウィンドウ２）が自動的に降下する目標速度Ａを発生させる。次にステップＳ５０では、作業者１がズレ制御によりウィンドウ２をヨー回転させて後方へ向かう目標速度Ｂを発生させる。ステップＳ５０では目標速度Ａと目標速度Ｂとが合成された結果、速度Ｃで仮想ガイドＧ上を移動する。以上のステップが実行されることによって、対象物であるウィンドウ２が窓枠１００ａに近づいてきた際に、作業者１がズレ制御によるウィンドウ２の上下方向回転を行わずに、作業者１とパワーアシスト装置５０は協調して、ウィンドウ２をハッチ１０１の下方をくぐるように搬送することができる。
つまり、ロボットアーム３はあらかじめ与えられた仮想ガイドＧにウィンドウ２を押し付けるように手先速度を決定して自動降下する（図２、速度Ａ）。操作者が図５（ａ）のようにウィンドウ２をヨー回転させてズレ制御を行うことで、速度指令値が図２の速度Ｂのように生成され、速度Ａと合成された結果、ロボットアーム３の手先３ｃは速度Ｃで移動する。
また、ウィンドウ２がハッチ１０１の下方をくぐり、窓枠１００ａに対して所定の取付位置にきたことが、制御手段８により確認された場合、仮想ガイドＧは解除されて、作業者１が手動操作で窓枠１００ａにウィンドウを組み付ける。
こうして、適切な仮想ガイドＧと仮想ガイドＧにロボットアーム３の手先３ｃを近づける速度Ａにより、図５（ｂ）のようなロール回転をしないで、ワークを上下方向に移動できる。
【実施例２】
【００３０】
次に、発生させる仮想ガイドの別実施例について図３を用いて説明する。
実施例１では、ウィンドウ２がボデー１００に接触しないように仮想ガイドＧを窓枠１００ａの上方のみに平行配置していたが、ヨー軸回転による速度Ｂがある程度大きくなると、ウィンドウ２が仮想ガイドＧから離れて横方向に動くことによって、ラゲッジハッチ１０１に衝突する恐れが出てくる。そこで、図３に示すように、仮想ガイドＧと平行な仮想ガイドＧ２を、仮想ガイドＧに対して所定間隔だけ離してラゲッジハッチ１０１側にも配置することで、ウィンドウ２の移動範囲を仮想ガイドＧと仮想ガイドＧ２との間の範囲に規制し、速度Ｂの大きさによらずボデー１００とハッチ１０１の両方に衝突しないようにウィンドウ２を窓枠１００ａ近傍に搬送することができる。
【実施例３】
【００３１】
次に、発生させる仮想ガイドの別実施例について図４を用いて説明する。
図４に示すように速度Ａの仮想ガイドＧに対する接線成分の速度（速度Ｅ）を、制御手段８がロボットアーム３に指令することで、作業者１によるヨー回転がなくても仮想ガイドＧに沿って下るようにウィンドウ２を移動させることができる。この場合でも作業者１がヨー軸回転を加えて実施例１で示したように速度Ｄのような速度を設定することで、ウィンドウ２を停止させることができる。
【００３２】
また、実施例１乃至実施例３において仮想ガイドＧにロボットアーム３の手先３ｃが接触する際や逆に仮想ガイドＧから離れる際には、ロボットアーム３の手先速度が不連続に変化するため操作性が低下する。これに対して、ロボットアーム３の手先位置や速度などを元に仮想ガイドＧの表面固さ（影響力）を変化させることで操作性の低下を軽減できる。つまり、仮想ガイドＧ面の近傍に仮想的な弾力部（速度低減部）を持たせて、仮想ガイドへの接近もしくは仮想ガイドからの離脱を仮想的に弾力を持たせるように設定することができる。
【００３３】
このように、作業者１が対象物であるウィンドウ２を搬送する作業を補助するパワーアシスト装置５０であって、複数の関節３ａを有するロボットアーム３と、前記ロボットアーム３にフリージョイント４を介して３次元的に揺動可能に接続され、前記ウィンドウ２を保持する保持手段である吸着治具５と、前記関節３ａ及び前記フリージョイント４の角度を検出する角度検出手段であるエンコーダ１０と、該エンコーダ１０で検出した角度に基づいて前記ロボットアーム３の手先３ｃ位置またはウィンドウ２の位置を計算する第一演算部８ａと、前記ウィンドウ２の進入を認めない領域を前記ロボットアーム３の手先３ｃの座標系上の位置として記述した仮想ガイドＧを記憶した記憶部８ｃと、前記ロボットアーム３の手先３ｃの位置もしくはウィンドウ２の位置を、前記仮想ガイドＧの位置と比較して、仮想ガイドＧを越えてウィンドウ２を運動させないように前記ロボットアーム３の手先３ｃの目標速度に制限をかける速度指令値を算出する第二演算部８ｂと、前記速度指令値に基づく速度で前記ロボットアーム３の手先３ｃの運動を制御する制御手段８と、を備えたパワーアシスト装置５０を構成したことにより、操作者はワークであるウィンドウ２を仮想ガイドＧに沿わせて移動させることで、ウィンドウ２を搬送したい方向に角度ズレを与えることなく、ウィンドウ２の姿勢変化の方向とは別の方向にウィンドウ２を搬送させることができる。
【００３４】
また、前記第二演算部８ｂでは、ウィンドウ２を仮想ガイドＧに向かわせる方向の目標速度が速度指令値として算出されることにより、ウィンドウ２を仮想ガイドＧに沿わせつつ、ウィンドウ２の姿勢変化の方向とは別の方向にウィンドウ２を搬送させることができる。
【００３５】
また、複数の関節３ａを有するロボットアーム３と、前記ロボットアーム３にフリージョイント４を介して３次元的に揺動可能に接続され、前記ウィンドウ２を保持する保持手段である吸着治具５と、前記関節３ａ及び前記フリージョイント４の角度を検出する角度検出手段であるエンコーダ１０と、前記ウィンドウ２の進入を認めない領域を前記ロボットアーム３の手先３ｃの座標系上の位置として記述した仮想ガイドＧを記憶した記憶部８ｃとを備えたパワーアシスト装置５０の制御方法であって、該エンコーダ１０で検出した角度に基づいて前記ロボットアーム３の手先３ｃ位置またはウィンドウ２の位置を計算する工程と、算出した手先３ｃ位置もしくはウィンドウ２の位置を、前記記憶部８ｃに記述された仮想ガイドＧの位置と比較して、仮想ガイドＧを越えてウィンドウ２を運動させないように前記ロボットアーム３の手先３ｃの目標速度に制限をかける速度指令値を算出する工程と、算出した前記速度指令値に基づく速度で前記ロボットアーム３の手先３ｃの運動を制御する工程と、を備える制御方法を適用することにより、操作者はワークであるウィンドウ２を仮想ガイドＧに沿わせて移動させることで、ウィンドウ２を搬送したい方向に角度ズレを与えることなく、ウィンドウ２の姿勢変化の方向とは別の方向にウィンドウ２を搬送させることができる。
【００３６】
また、前記制御方法の前記速度指令値を算出する工程では、ウィンドウ２を仮想ガイドＧに向かわせる方向の目標速度が速度指令値として算出されることにより、ウィンドウ２を仮想ガイドＧに沿わせつつ、ウィンドウ２の姿勢変化の方向とは別の方向にウィンドウ２を搬送させることができる。
【００３７】
つまり、従来、ロボットとワークをつなぐフリージョイント４のズレ制御に基づいてロボットを誘導することで作業者とロボットがワークを協調搬送する装置では、ワークを進めたい方向にワークの姿勢を変えてズレ制御を生じさせなくてはワークの移動ができないものであったが、本発明を用いることで、姿勢を変える方向とは別の方向にワークを進めることができ、ワークと作業環境の衝突を避けることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に係るパワーアシスト装置の全体構成を示す模式図。
【図２】本発明に係る仮想ガイドを示す模式図。
【図３】仮想ガイドの別実施例を示す模式図。
【図４】仮想ガイドから速度を得る別実施例を示す模式図。
【図５】ウィンドウガラスの回転方向と移動方向の関係を示す説明図。
【図６】パワーアシスト装置の制御方法を示すフローチャート図。
【図７】パワーアシスト装置の制御系の構成を示すブロック図。
【符号の説明】
【００３９】
１ 作業者
２ ウィンドウ
３ ロボットアーム
３ａ 関節
３ｃ 手先
４ フリージョイント
５ 吸着治具
８ 制御手段
８ａ 第一演算部
８ｂ 第二演算部
８ｃ 記憶部
１０ エンコーダ
５０ パワーアシスト装置
Ｇ 仮想ガイド
【技術分野】
【０００１】
本発明は、製造現場等において作業を行う作業者の作業動作を補助するパワーアシスト装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、製造現場等において、作業者による重量物の昇降を補助する装置として、特許文献１に記載されているようにワークを把持する把持手段の傾きを検出して、該把持手段を上下に駆動する装置が公知となっている。具体的には、前記装置は、ワークと装置の間の角度偏差に応じて装置の運動を制御することで、ワークの搬送を行っている。
【特許文献１】特開平１１−２４５１２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１に記載されているような装置では、ワークを進めたい方向に傾きを与える必要があるが、ワークの形状と作業環境の条件などから、ワークに傾き（以下、角度ズレという）を生じさせることが困難な場合があった。
具体的には、上下に動かすなら上下方向の、左右に動かすなら左右方向の角度ズレを与えることが必要であるが、ワークの形状と作業環境の条件などから、例えば、上下に狭いスペースに対してワークを斜め方向に通過させる場合など、ワークの上下方向の角度ズレが許されないにもかかわらず、ワークに上下の傾きを生じさせなければならない場合には、ワークを所望の経路で移動させることが困難な場合があった。
また、角度ズレを用いたワークの搬送制御を使用しつつ、上下ズレを発生させずに作業者の意図通りにワークを上下させたいという要望もあるが、角度ズレを用いた搬送制御方法では、ワークが角度ズレを持った方向へしか動かないという問題点があった。
そこで、本発明は以上の問題点に鑑みてなされたものであり、ロボットの手先もしくはワークの進入できない領域である仮想ガイドを設けて、ロボットの手先速度を決定することでワークの位置と姿勢を制御できるパワーアシスト装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【０００５】
即ち、請求項１においては、作業者が対象物を搬送する作業を補助するパワーアシスト装置であって、複数の関節を有するロボットと、前記ロボットにフリージョイントを介して３次元的に揺動可能に接続され、前記対象物を保持する保持手段と、前記関節及び前記フリージョイントの角度を検出する角度検出手段と、該角度検出手段で検出した角度に基づいて前記ロボットにおける前記保持手段との接続部の位置または対象物の位置を計算する第一演算部と、前記対象物の進入を認めない領域を前記接続部の座標系上の位置として記述した仮想ガイドを記憶した記憶部と、前記ロボットにおける前記保持手段との接続部の位置もしくは対象物の位置を、前記仮想ガイドの位置と比較して、仮想ガイドを越えて対象物を運動させないように前記接続部の目標速度に制限をかける速度指令値を算出する第二演算部と、前記速度指令値に基づく速度で前記接続部の運動を制御する制御手段と、を備えたものである。
【０００６】
請求項２においては、前記第二演算部では、対象物を仮想ガイドに向かわせる方向の目標速度が速度指令値として算出されるものである。
【０００７】
請求項３においては、複数の関節を有するロボットと、前記ロボットにフリージョイントを介して３次元的に揺動可能に接続され、前記対象物を保持する保持手段と、前記関節及び前記フリージョイントの角度を検出する角度検出手段と、前記対象物の進入を認めない領域を前記接続部の座標系上の位置として記述した仮想ガイドを記憶した記憶部とを備えたパワーアシスト装置の制御方法であって、該角度検出手段で検出した角度に基づいて前記ロボットにおける前記保持手段との接続部の位置または対象物の位置を計算する工程と、算出した前記保持手段との接続部の位置もしくは対象物の位置を、前記記憶部に記述された仮想ガイドの位置と比較して、仮想ガイドを越えて対象物を運動させないように前記接続部の目標速度に制限をかける速度指令値を算出する工程と、算出した前記速度指令値に基づく速度で前記接続部の運動を制御する工程と、を備えるものである。
【０００８】
請求項４においては、前記速度指令値を算出する工程では、対象物を仮想ガイドに向かわせる方向の目標速度が速度指令値として算出されるものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
【００１０】
請求項１においては、操作者はワークを仮想ガイドに沿わせて移動させることで、ワークを搬送したい方向に角度ズレを与えることなく、ワークの姿勢変化の方向とは別の方向にワークを搬送させることができる。
【００１１】
請求項２においては、ワークを仮想ガイドに沿わせつつ、ワークの姿勢変化の方向とは別の方向にワークを搬送させることができる。
【００１２】
請求項３においては、操作者はワークを仮想ガイドに沿わせて移動させることで、ワークを搬送したい方向に角度ズレを与えることなく、ワークの姿勢変化の方向とは別の方向にワークを搬送させることができる。
【００１３】
請求項４においては、ワークを仮想ガイドに沿わせつつ、ワークの姿勢変化の方向とは別の方向にワークを搬送させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に、発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明に係るパワーアシスト装置の全体構成を示す模式図、図２は本発明に係る仮想ガイドを示す模式図、図３は仮想ガイドの別実施例を示す模式図、図４は仮想ガイドから速度を得る別実施例を示す模式図、図５はウィンドウガラスの回転方向と移動方向の関係を示す説明図、図６はパワーアシスト装置の制御方法を示すフローチャート図、図７はパワーアシスト装置の制御系の構成を示すブロック図である。
なお、本実施形態では、説明を簡単にするため、対象物を、図２に示すＸＹＺ座標系のＸＺ平面内で移動する作業を例とする。ＸＺ平面はボデー１００の断面である。
また、以下の説明をおいては、説明の便宜上、図２に示す矢印Ｘの方向を前方とする。
また、本実施形態において、作業者が行うべき作業は、対象物（ワーク）であるウィンドウガラス２（以下、ウィンドウ２という）を、図２に示す自動車のボデー１００の窓枠１００ａの位置へ移動する作業である。
【００１５】
まず、パワーアシスト装置の全体構成について説明する。
パワーアシスト装置５０は、図１に示すように、主としてロボットの一例であるロボットアーム３と、フリージョイント４と、ウィンドウ２の保持手段である吸着治具５と、ハンドル６と、デッドマンスイッチ６ａと、ロボットアーム３を制御する制御手段８（図７に図示）によって構成されている。
【００１６】
ロボットアーム３は、図１に示すようにマニュピュレータ等の多関節型ロボットを模式的に示したものであり、ロボットアーム３の一端は関節３ａを介して天井ガイド部１２に接続されており、ロボットアーム３の他端は、該ロボットアーム３の先端である手先３ｃであり、該手先３ｃはフリージョイント４を介してウィンドウ２を吸着する吸着治具５に繋がっている。また、ロボットアーム３の中途部には関節３ａが配設されており、上部の関節３ａと下部の関節３ａとの間、及び下部の関節３ａとフリージョイント４の間が各リンク３ｂ・３ｂで連結されている。前記フリージョイント４は前記吸着治具５に吸着されているウィンドウ２の姿勢を３次元的に揺動可能である。また、前記関節３ａ・３ａ、フリージョイント４及び各リンク３ｂ・３ｂによりリンク機構を構成しており、該リンク機構にはアクチュエータ１１（図７に図示）が取り付けられており、該アクチュエータ１１を駆動することによりリンク機構が駆動し、ロボットアーム３の手先３ｃが３次元的に揺動可能となっている。また、ロボットアーム３は、図５に示すように、通常の搬送の場合は、作業者１（操作者）が対象物であるウィンドウ２をヨー軸、ロール軸回りに回転させたときにそれぞれ横方向（図５の（ａ））、縦方向（図５の（ｂ））にロボットアーム３の手先３ｃを動かしウィンドウ２を移動させることが可能である。
【００１７】
また、ロボットアーム３の各関節３ａ・３ａ及びフリージョイント４には、各リンク３ｂ・３ｂの位置を角度として検出する角度検出手段であるエンコーダ１０（図７に図示）が配置されている。該エンコーダ１０による角度検出値は制御手段８内の第一演算部８ａ（図７に図示）へ送られる。第一演算部８ａは、送られたエンコーダ１０の角度検出値から、ロボットアーム３の手先３ｃの位置と姿勢、及び対象物であるウィンドウ２の位置と姿勢を求めることができる。
なお、本実施形態では、ロボットアーム３の移動を示す基準点として手先３ｃを使用しているが、特に限定するものではなく、ロボットアーム３における保持手段（吸着治具５）との接続部分を使用してもかまわない。具体的にはロボットアーム３の手先３ｃからフリージョイント４を介して吸着治具５を接続した接続部分に至る中途部分の何れかの部分を使用してもかまわない。
【００１８】
なお、本実施形態では上記のようにロボットアームを１本のマニュピュレータとして模式的に示しているが、特に限定するものではなく、パンタグラフ型のロボットアーム等として構成することも可能である。
【００１９】
吸着治具５は、該吸着治具５の枠組みであるフレーム５ａと、該フレーム５ａの左右両側（ライン進行方向である矢印Ｘに対して両側）にそれぞれ張り出した作業者１が把持して吸着治具５を操作するためのハンドル６・６を備えている。また、吸着治具５は、ロボットアーム３の手先３ｃにフリージョイント４を介して吊られており、ウィンドウ２を吸着保持可能となっている。具体的には、フレーム５ａの下端には、ウィンドウ２の表面（つまり、ウィンドウ２をボデー１００に取り付けたときにボデー１００の外側になる面）に吸い付く複数の吸盤（図示せず）が取り付けられている。吸着治具５にウィンドウ２を保持させる場合、吸盤をウィンドウ２表面に密着させ、図示しないポンプによって吸盤内の空気を吸引する。これにより、ウィンドウ２は吸盤に吸着され、吸着治具５に保持される。一方、吸着治具５からウィンドウ２を開放する場合には、ポンプによる空気の吸引を停止し、吸盤とウィンドウ２との間に空気を注入することで、吸盤へのウィンドウ２の吸着を停止する。これにより、ウィンドウ２は吸着治具５から開放される。
【００２０】
前記ハンドル６は、図１に示すように平面視略Ｕ字状であり、吸着治具５の両端部に配置されている。また、ハンドル６の一端（作業者１がハンドルを把持する側）の幅方向一端には前記デッドマンスイッチ６ａが配設されている。ハンドル６は、ボデー１００の窓枠１００ａにウィンドウ２を取り付ける際に作業者１によって把持される。作業者１がハンドル６を把持することで、吸着治具５が安定し、作業者１は窓枠１００ａに対するウィンドウ２の位置調整を行うことができる。また、デッドマンスイッチ６ａは安全性確保のために作業者１がデッドマンスイッチ６ａを押している間だけロボットアーム３が動作するように構成されている。デッドマンスイッチ６ａは制御手段８に接続されている。
なお、本実施形態ではデッドマンスイッチ６ａはハンドル６の一方（図１に図示）に配設したものであるが特に限定するものではなく、作業性等を考慮してハンドル６の他方に配設することも可能である。
【００２１】
制御手段８には、図７に示すように上述したデッドマンスイッチ６ａ、エンコーダ１０及びロボットアーム３を駆動させるアクチュエータ１１が接続されている。パワーアシスト装置５０の各部の動作は制御手段８によって制御される。
【００２２】
また、制御手段８は、第一演算部８ａと、第二演算部８ｂと、記憶部８ｃ（ハードディスク装置、ＲＡＭやＲＯＭ）やインターフェース等からなり、記憶部８ｃは前記第一演算部８ａと第二演算部８ｂとのそれぞれと情報をやりとりする。記憶部８ｃに前記ウィンドウ２もしくはロボットアーム３の手先３ｃの進入を認めない領域を前記手先３ｃの３次元座標系上の位置として記述した仮想ガイドＧを記憶している。また、仮想ガイドＧを発生させるかどうかの判定するための情報が記憶されている。
【００２３】
第一演算部８ａは、前記関節３ａ及び前記フリージョイント４の角度に基づいて前記ロボットアーム３の手先３ｃ位置または対象物であるウィンドウ２の位置を計算することができる。つまり、前記エンコーダ１０で検出された関節３ａ及びフリージョイント４の角度に基づき吸着治具５及びウィンドウ２の３次元座標系上の位置情報をリアルタイムで算出する。
【００２４】
第二演算部８ｂは、第一演算部８ａで算出されたロボットアーム３の手先３ｃ位置もしくはウィンドウ２の位置を、前記記憶部８ｃ内に予め記憶されている仮想ガイドＧの位置とを比較することで、仮想ガイドに対してウィンドウ２の相対位置を認識し、ウィンドウ２が仮想ガイドＧを越えてロボットアーム３の手先３ｃを運動させないように手先３ｃの目標速度に制限をかける速度指令値を算出する。該速度指令値はロボットアーム３を駆動するアクチュエータ１１に出力されて、ロボットアーム３の手先速度が制御される。
なお、第一演算部８ａと第二演算部８ｂとは特に独立している必要はなく、例えば一つの中央演算処理装置（ＣＰＵ）としてもかまわない。
【００２５】
なお、仮想ガイドＧとは、いわゆる境界またはポテンシャル場と称するものである。本実施形態においてはロボットアーム３の手先３ｃ、もしくは吸着治具５に吸着されているウィンドウ２が進入できない領域の境界を仮想ガイドと呼ぶことにする。本発明においては、仮想ガイドＧは予め設定された座標上に３次元データとして記憶している。特に、対象物であるウィンドウ２を進入できないような境界を設定したものである。仮想ガイドＧは、制御手段８のなかの記憶部８ｃに三次元座標として記憶させておき、ロボットアーム３の手先３ｃもしくはウィンドウ２の位置情報と三次元座標上の仮想ガイドＧとの相対位置を常に比較し、ロボットアーム３の手先３ｃが移動して対象物であるウィンドウ２を仮想ガイドＧ内に進入させないように制御手段８がロボットアーム３の手先速度を制御して仮想空間上で規制をかけるものである。また、仮想ガイドＧの三次元データとしては、特に平面に限るわけでなく、曲面または断続的な面や開口部を備えた曲面等適宜設定することが可能である。
【実施例１】
【００２６】
次に上記構成のパワーアシスト装置を用いて、ロボットと作業者が協調してウィンドウをボデーの窓枠位置に移動する作業及びパワーアシスト装置の動作について図１、図２及び図５を用いて説明する。
【００２７】
図１に示すように、作業者１とロボットアーム３がウィンドウ２を協調搬送する場合、ロボットアーム３の先端となる手先３ｃにフリージョイント４を介して吊られた吸着治具５があり、ウィンドウ２をボデー１００の窓枠１００ａに取り付けるために、前記吸着治具５によりウィンドウ２が吸着されている。作業者１はウィンドウ２の位置と姿勢を調整しながらロボットアーム３を誘導することで、ウィンドウはめ込み位置である窓枠１００ａ付近までウィンドウ２を搬送する。ロボットアーム３の手先３ｃはフリージョイント４を介してウィンドウ２を吸着する吸着治具５に接続している。作業者１は吸着治具５に設置されたハンドル６を持ち、ウィンドウ２を回転させることでロボットアーム３の手先ｃに移動速度である手先速度を指令する。以下では回転によって手先目標速度が計算される制御方式を「ズレ制御」と呼ぶ。ズレ制御におけるウィンドウ２の回転と手先速度指令値（図５（ａ）、（ｂ）のそれぞれの矢印が移動方向となる）の関係は図５のとおりである。ロボットアーム３は指令値にしたがって動作するが、安全のため作業者がデッドマンＳＷを押している間だけ動作するように設定してある。
【００２８】
図２はセダンタイプボデーのリアウィンドウを組み付ける作業を表している。この作業では、ウィンドウ２はボデー１００上空から降下し、開状態のラゲッジハッチ１０１の前端部１０１ａの下方をくぐり、組み付け位置である窓枠１００ａ近傍まで運ばれる。ハッチ１０１の下方をくぐる際にはハッチ１０１の前端部１０１ａとボデー１００の間の小さな（本例の場合は３０ｍｍ程度）隙間を接触することなく通過する必要がある。ハッチ１０１の前端部１０１ａをくぐる直前でボデー１００の窓枠１００ａ面に平行に仮想ガイドＧを発生させて、ウィンドウ２がボデー１００に接触しないようにするのと同時に、Ｚ軸下方に速度Ａによって仮想ガイドＧに向かわせる目標速度を制御手段８により発生させて、仮想ガイドＧに向かって自動降下させる。
なお、降下してきたウィンドウ２が仮想ガイドＧに達すると、それ以上の下降が仮想ガイドＧにより規制されるが、仮想ガイドＧが解除（無効化）された際には前記ウィンドウ２の自動降下も解除される。
ウィンドウ２が仮想ガイドＧに達すると、作業者１は吸着治具５をヨー軸回転させてＸ軸後方の目標速度Ｂをロボットアーム３に指示する。そして、ロボットアーム３に目標速度Ｂを指示することで、目標速度Ａと目標速度Ｂの合成によって後斜め下方の速度Ｃが実現され、目標速度Ｂが大きすぎない場合には、ウィンドウ２は仮想ガイドＧに沿って斜め下方に移動することとなる。この場合、ウィンドウ２は、あたかも仮想ガイドＧに押し付けられつつ坂を下るようにハッチ１０１の下方をくぐるように搬送される。この際にはズレ制御を用いてウィンドウ２を上下方向に搬送してくるにもかかわらず、仮想ガイドＧにウィンドウ２が押し付けられることによりウィンドウ２のロール方向の傾きは発生しない。これにより、ロール方向の傾きが許されないラゲッジハッチ１０１のくぐり抜けを可能としている。
また、図２の右側方向（Ｘ軸前方）にウィンドウ２をヨー回転させることでＸ軸前方の速度Ｄが設定され、速度Ａと速度Ｄとが合成されて合成速度Ｅが生成されることで、仮想ガイドＧによる規制によりウィンドウ２が仮想ガイドＧ上に留まることとなり、仮想ガイドＧによってウィンドウ２の動き（降下）を止めることができる。
【００２９】
次に上述したパワーアシスト装置の動作についてフローチャート図を用いて説明する。
図６はウィンドウの進入できない領域である仮想ガイドを設けて、ロボットの手先速度を決定する処理に係るフローチャート図である。
ステップＳ１０では、エンコーダ１０によって関節３ａ及びフリージョイント４の角度を検出して、その検出値が制御手段８内の第一演算部８ａに入力される。第一演算部８ａは、入力されたエンコーダ１０の検出値からウィンドウ２の位置と姿勢及びロボットアーム３の手先３ｃの位置を求める。次にステップＳ２０では、ウィンドウ２の位置と姿勢及びロボットアーム３の手先３ｃの位置情報と記憶部８ｃ内に予め記憶されている仮想ガイドＧの３次元座標上の位置とが比較されて、ウィンドウ２もしくは手先３ｃが仮想ガイドＧに対して所定間隔内に入ったと判定された場合は、仮想ガイドＧを発生させる（有効にする）。ここで所定間隔内に入っていない場合は、図５で示すように通常操作（前述した通常のズレ制御による搬送）のみを行う状態となる。次にステップＳ３０では、制御手段８がロボットアーム３の手先３ｃを自動降下させるために手先目標速度を指定する速度指定値を算出する。算出された手先速度の速度指定値は、ステップＳ４０でアクチュエータ１１へ出力されて、アクチュエータ１１が駆動する。そうしてロボットアーム３の手先３ｃ（ウィンドウ２）が自動的に降下する目標速度Ａを発生させる。次にステップＳ５０では、作業者１がズレ制御によりウィンドウ２をヨー回転させて後方へ向かう目標速度Ｂを発生させる。ステップＳ５０では目標速度Ａと目標速度Ｂとが合成された結果、速度Ｃで仮想ガイドＧ上を移動する。以上のステップが実行されることによって、対象物であるウィンドウ２が窓枠１００ａに近づいてきた際に、作業者１がズレ制御によるウィンドウ２の上下方向回転を行わずに、作業者１とパワーアシスト装置５０は協調して、ウィンドウ２をハッチ１０１の下方をくぐるように搬送することができる。
つまり、ロボットアーム３はあらかじめ与えられた仮想ガイドＧにウィンドウ２を押し付けるように手先速度を決定して自動降下する（図２、速度Ａ）。操作者が図５（ａ）のようにウィンドウ２をヨー回転させてズレ制御を行うことで、速度指令値が図２の速度Ｂのように生成され、速度Ａと合成された結果、ロボットアーム３の手先３ｃは速度Ｃで移動する。
また、ウィンドウ２がハッチ１０１の下方をくぐり、窓枠１００ａに対して所定の取付位置にきたことが、制御手段８により確認された場合、仮想ガイドＧは解除されて、作業者１が手動操作で窓枠１００ａにウィンドウを組み付ける。
こうして、適切な仮想ガイドＧと仮想ガイドＧにロボットアーム３の手先３ｃを近づける速度Ａにより、図５（ｂ）のようなロール回転をしないで、ワークを上下方向に移動できる。
【実施例２】
【００３０】
次に、発生させる仮想ガイドの別実施例について図３を用いて説明する。
実施例１では、ウィンドウ２がボデー１００に接触しないように仮想ガイドＧを窓枠１００ａの上方のみに平行配置していたが、ヨー軸回転による速度Ｂがある程度大きくなると、ウィンドウ２が仮想ガイドＧから離れて横方向に動くことによって、ラゲッジハッチ１０１に衝突する恐れが出てくる。そこで、図３に示すように、仮想ガイドＧと平行な仮想ガイドＧ２を、仮想ガイドＧに対して所定間隔だけ離してラゲッジハッチ１０１側にも配置することで、ウィンドウ２の移動範囲を仮想ガイドＧと仮想ガイドＧ２との間の範囲に規制し、速度Ｂの大きさによらずボデー１００とハッチ１０１の両方に衝突しないようにウィンドウ２を窓枠１００ａ近傍に搬送することができる。
【実施例３】
【００３１】
次に、発生させる仮想ガイドの別実施例について図４を用いて説明する。
図４に示すように速度Ａの仮想ガイドＧに対する接線成分の速度（速度Ｅ）を、制御手段８がロボットアーム３に指令することで、作業者１によるヨー回転がなくても仮想ガイドＧに沿って下るようにウィンドウ２を移動させることができる。この場合でも作業者１がヨー軸回転を加えて実施例１で示したように速度Ｄのような速度を設定することで、ウィンドウ２を停止させることができる。
【００３２】
また、実施例１乃至実施例３において仮想ガイドＧにロボットアーム３の手先３ｃが接触する際や逆に仮想ガイドＧから離れる際には、ロボットアーム３の手先速度が不連続に変化するため操作性が低下する。これに対して、ロボットアーム３の手先位置や速度などを元に仮想ガイドＧの表面固さ（影響力）を変化させることで操作性の低下を軽減できる。つまり、仮想ガイドＧ面の近傍に仮想的な弾力部（速度低減部）を持たせて、仮想ガイドへの接近もしくは仮想ガイドからの離脱を仮想的に弾力を持たせるように設定することができる。
【００３３】
このように、作業者１が対象物であるウィンドウ２を搬送する作業を補助するパワーアシスト装置５０であって、複数の関節３ａを有するロボットアーム３と、前記ロボットアーム３にフリージョイント４を介して３次元的に揺動可能に接続され、前記ウィンドウ２を保持する保持手段である吸着治具５と、前記関節３ａ及び前記フリージョイント４の角度を検出する角度検出手段であるエンコーダ１０と、該エンコーダ１０で検出した角度に基づいて前記ロボットアーム３の手先３ｃ位置またはウィンドウ２の位置を計算する第一演算部８ａと、前記ウィンドウ２の進入を認めない領域を前記ロボットアーム３の手先３ｃの座標系上の位置として記述した仮想ガイドＧを記憶した記憶部８ｃと、前記ロボットアーム３の手先３ｃの位置もしくはウィンドウ２の位置を、前記仮想ガイドＧの位置と比較して、仮想ガイドＧを越えてウィンドウ２を運動させないように前記ロボットアーム３の手先３ｃの目標速度に制限をかける速度指令値を算出する第二演算部８ｂと、前記速度指令値に基づく速度で前記ロボットアーム３の手先３ｃの運動を制御する制御手段８と、を備えたパワーアシスト装置５０を構成したことにより、操作者はワークであるウィンドウ２を仮想ガイドＧに沿わせて移動させることで、ウィンドウ２を搬送したい方向に角度ズレを与えることなく、ウィンドウ２の姿勢変化の方向とは別の方向にウィンドウ２を搬送させることができる。
【００３４】
また、前記第二演算部８ｂでは、ウィンドウ２を仮想ガイドＧに向かわせる方向の目標速度が速度指令値として算出されることにより、ウィンドウ２を仮想ガイドＧに沿わせつつ、ウィンドウ２の姿勢変化の方向とは別の方向にウィンドウ２を搬送させることができる。
【００３５】
また、複数の関節３ａを有するロボットアーム３と、前記ロボットアーム３にフリージョイント４を介して３次元的に揺動可能に接続され、前記ウィンドウ２を保持する保持手段である吸着治具５と、前記関節３ａ及び前記フリージョイント４の角度を検出する角度検出手段であるエンコーダ１０と、前記ウィンドウ２の進入を認めない領域を前記ロボットアーム３の手先３ｃの座標系上の位置として記述した仮想ガイドＧを記憶した記憶部８ｃとを備えたパワーアシスト装置５０の制御方法であって、該エンコーダ１０で検出した角度に基づいて前記ロボットアーム３の手先３ｃ位置またはウィンドウ２の位置を計算する工程と、算出した手先３ｃ位置もしくはウィンドウ２の位置を、前記記憶部８ｃに記述された仮想ガイドＧの位置と比較して、仮想ガイドＧを越えてウィンドウ２を運動させないように前記ロボットアーム３の手先３ｃの目標速度に制限をかける速度指令値を算出する工程と、算出した前記速度指令値に基づく速度で前記ロボットアーム３の手先３ｃの運動を制御する工程と、を備える制御方法を適用することにより、操作者はワークであるウィンドウ２を仮想ガイドＧに沿わせて移動させることで、ウィンドウ２を搬送したい方向に角度ズレを与えることなく、ウィンドウ２の姿勢変化の方向とは別の方向にウィンドウ２を搬送させることができる。
【００３６】
また、前記制御方法の前記速度指令値を算出する工程では、ウィンドウ２を仮想ガイドＧに向かわせる方向の目標速度が速度指令値として算出されることにより、ウィンドウ２を仮想ガイドＧに沿わせつつ、ウィンドウ２の姿勢変化の方向とは別の方向にウィンドウ２を搬送させることができる。
【００３７】
つまり、従来、ロボットとワークをつなぐフリージョイント４のズレ制御に基づいてロボットを誘導することで作業者とロボットがワークを協調搬送する装置では、ワークを進めたい方向にワークの姿勢を変えてズレ制御を生じさせなくてはワークの移動ができないものであったが、本発明を用いることで、姿勢を変える方向とは別の方向にワークを進めることができ、ワークと作業環境の衝突を避けることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に係るパワーアシスト装置の全体構成を示す模式図。
【図２】本発明に係る仮想ガイドを示す模式図。
【図３】仮想ガイドの別実施例を示す模式図。
【図４】仮想ガイドから速度を得る別実施例を示す模式図。
【図５】ウィンドウガラスの回転方向と移動方向の関係を示す説明図。
【図６】パワーアシスト装置の制御方法を示すフローチャート図。
【図７】パワーアシスト装置の制御系の構成を示すブロック図。
【符号の説明】
【００３９】
１ 作業者
２ ウィンドウ
３ ロボットアーム
３ａ 関節
３ｃ 手先
４ フリージョイント
５ 吸着治具
８ 制御手段
８ａ 第一演算部
８ｂ 第二演算部
８ｃ 記憶部
１０ エンコーダ
５０ パワーアシスト装置
Ｇ 仮想ガイド
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作業者が対象物を搬送する作業を補助するパワーアシスト装置であって、
複数の関節を有するロボットと、
前記ロボットにフリージョイントを介して３次元的に揺動可能に接続され、前記対象物を保持する保持手段と、
前記関節及び前記フリージョイントの角度を検出する角度検出手段と、
該角度検出手段で検出した角度に基づいて前記ロボットにおける前記保持手段との接続部の位置または対象物の位置を計算する第一演算部と、
前記対象物の進入を認めない領域を前記接続部の座標系上の位置として記述した仮想ガイドを記憶した記憶部と、
前記ロボットにおける前記保持手段との接続部の位置もしくは対象物の位置を、前記仮想ガイドの位置と比較して、仮想ガイドを越えて対象物を運動させないように前記接続部の目標速度に制限をかける速度指令値を算出する第二演算部と、
前記速度指令値に基づく速度で前記接続部の運動を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とするパワーアシスト装置。
【請求項２】
前記第二演算部では、対象物を仮想ガイドに向かわせる方向の目標速度が速度指令値として算出される、
ことを特徴とする請求項１に記載のパワーアシスト装置。
【請求項３】
複数の関節を有するロボットと、
前記ロボットにフリージョイントを介して３次元的に揺動可能に接続され、前記対象物を保持する保持手段と、
前記関節及び前記フリージョイントの角度を検出する角度検出手段と、
前記対象物の進入を認めない領域を前記接続部の座標系上の位置として記述した仮想ガイドを記憶した記憶部とを備えたパワーアシスト装置の制御方法であって、
該角度検出手段で検出した角度に基づいて前記ロボットにおける前記保持手段との接続部の位置または対象物の位置を計算する工程と、
算出した前記保持手段との接続部の位置もしくは対象物の位置を、前記記憶部に記述された仮想ガイドの位置と比較して、仮想ガイドを越えて対象物を運動させないように前記接続部の目標速度に制限をかける速度指令値を算出する工程と、
算出した前記速度指令値に基づく速度で前記接続部の運動を制御する工程と、
を備えることを特徴とするパワーアシスト装置の制御方法。
【請求項４】
前記速度指令値を算出する工程では、対象物を仮想ガイドに向かわせる方向の目標速度が速度指令値として算出される、
ことを特徴とする請求項３に記載のパワーアシスト装置。
【請求項１】
作業者が対象物を搬送する作業を補助するパワーアシスト装置であって、
複数の関節を有するロボットと、
前記ロボットにフリージョイントを介して３次元的に揺動可能に接続され、前記対象物を保持する保持手段と、
前記関節及び前記フリージョイントの角度を検出する角度検出手段と、
該角度検出手段で検出した角度に基づいて前記ロボットにおける前記保持手段との接続部の位置または対象物の位置を計算する第一演算部と、
前記対象物の進入を認めない領域を前記接続部の座標系上の位置として記述した仮想ガイドを記憶した記憶部と、
前記ロボットにおける前記保持手段との接続部の位置もしくは対象物の位置を、前記仮想ガイドの位置と比較して、仮想ガイドを越えて対象物を運動させないように前記接続部の目標速度に制限をかける速度指令値を算出する第二演算部と、
前記速度指令値に基づく速度で前記接続部の運動を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とするパワーアシスト装置。
【請求項２】
前記第二演算部では、対象物を仮想ガイドに向かわせる方向の目標速度が速度指令値として算出される、
ことを特徴とする請求項１に記載のパワーアシスト装置。
【請求項３】
複数の関節を有するロボットと、
前記ロボットにフリージョイントを介して３次元的に揺動可能に接続され、前記対象物を保持する保持手段と、
前記関節及び前記フリージョイントの角度を検出する角度検出手段と、
前記対象物の進入を認めない領域を前記接続部の座標系上の位置として記述した仮想ガイドを記憶した記憶部とを備えたパワーアシスト装置の制御方法であって、
該角度検出手段で検出した角度に基づいて前記ロボットにおける前記保持手段との接続部の位置または対象物の位置を計算する工程と、
算出した前記保持手段との接続部の位置もしくは対象物の位置を、前記記憶部に記述された仮想ガイドの位置と比較して、仮想ガイドを越えて対象物を運動させないように前記接続部の目標速度に制限をかける速度指令値を算出する工程と、
算出した前記速度指令値に基づく速度で前記接続部の運動を制御する工程と、
を備えることを特徴とするパワーアシスト装置の制御方法。
【請求項４】
前記速度指令値を算出する工程では、対象物を仮想ガイドに向かわせる方向の目標速度が速度指令値として算出される、
ことを特徴とする請求項３に記載のパワーアシスト装置。
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図１】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図１】
【公開番号】特開２００９−３９８１４（Ｐ２００９−３９８１４Ａ）
【公開日】平成２１年２月２６日（２００９．２．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２０７１５２（Ｐ２００７−２０７１５２）
【出願日】平成１９年８月８日（２００７．８．８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（５０３３５９８２１）独立行政法人理化学研究所 (1,056)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年２月２６日（２００９．２．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年８月８日（２００７．８．８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（５０３３５９８２１）独立行政法人理化学研究所 (1,056)
【Ｆターム（参考）】
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