ロボットアーム操作システムおよびその操作方法
【課題】ロボットアームの操作に当たり、安全、確実かつ容易に障害物を回避する。
【解決手段】ロボットアーム操作システムは、リアルタイムで受信した操縦指令値に基づいてロボットアーム２を操縦する遠隔操縦部１と、障害物の３次元形状モデルを含む環境データを保存する環境データ保存部４と、障害物との距離が近いほど斥力ベクトルが大きくなるように仮想的な斥力ベクトル場を設定する斥力ベクトル場生成処理部５と、斥力ベクトル場を利用してロボットアームに対して障害物から遠ざかる方向への仮想的な斥力を算出する仮想力生成処理部６と、仮想力生成処理部６により算出された仮想的な斥力と遠隔操縦部１からの操縦指令値とを組み合わせてロボットアームへの動作指令値を生成するロボットコントローラ３と、を有する。
【解決手段】ロボットアーム操作システムは、リアルタイムで受信した操縦指令値に基づいてロボットアーム２を操縦する遠隔操縦部１と、障害物の３次元形状モデルを含む環境データを保存する環境データ保存部４と、障害物との距離が近いほど斥力ベクトルが大きくなるように仮想的な斥力ベクトル場を設定する斥力ベクトル場生成処理部５と、斥力ベクトル場を利用してロボットアームに対して障害物から遠ざかる方向への仮想的な斥力を算出する仮想力生成処理部６と、仮想力生成処理部６により算出された仮想的な斥力と遠隔操縦部１からの操縦指令値とを組み合わせてロボットアームへの動作指令値を生成するロボットコントローラ３と、を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットアームの遠隔操作時に周辺の障害物などとロボットアームが接触しないように操作を支援する機能を有するロボットアーム操作システムおよびその操作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、原子力廃棄物の再処理施設や宇宙空間での作業に用いられるロボットアームにはマスタースレーブ方式やジョイスティックなどの操縦桿を用いた遠隔操縦が行われている。通常の遠隔操縦では、操作者がロボットアームを周囲の障害物との接触を回避しつつ目標位置へ動作させるために、ロボットアームの状況をカメラ画像により把握しながら遠隔で操作する。
【０００３】
しかしながら、カメラ画像の情報だけでは、奥行きが不明確であったり照明の影響で影となる部分や構造物の死角があるなどの理由で、慎重な操作が必要とされ操作者へ過大な負荷がかかるとともに作業時間の増大へと繋がっていた。このような背景からこれまでに、仮想環境の画像と実画像を合成して表示画面に呈示することで死角を低減する方法（特許文献１参照）や、仮想環境上に仮想ガイドを設けることでピン挿入作業など穴中心にロボットアームを誘導することができる支援方法（特許文献２参照）などの操作支援技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３９２４４９５号公報
【特許文献２】特許第２６２１８０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、上記の操作支援技術では、ロボットアームが複数の障害物を回避した複雑な姿勢を取らせている状況で何らかのエラーにより停止した場合、ロボットアームの状況を認識できたとしても、ロボットアームを初期姿勢に戻すよう操作することは困難である。また障害物を回避するという毎回異なる状況に対して仮想ガイドを設定することは容易ではない。
【０００６】
上述した課題に鑑み、本発明の目的は、ロボットアームの操作に当たり、安全、確実かつ容易に障害物を回避することができるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明に係るロボットアーム操作システムの一つの態様は、ロボットアームに対して遠隔からリアルタイムで受信した操縦指令値に基づいて前記ロボットアームを操縦する遠隔操縦部と、前記ロボットアームが動作可能な作業環境内にあって前記ロボットアームの動作の障害となりうる障害物の３次元形状モデルを含む環境データを保存する環境データ保存部と、前記作業環境内で前記障害物との距離が近いほど斥力ベクトルが大きくなるように仮想的な斥力ベクトル場を設定する斥力ベクトル場生成処理部と、前記斥力ベクトル場を利用して前記ロボットアームに対して前記障害物から遠ざかる方向への仮想的な斥力を算出する仮想力生成処理部と、前記仮想力生成処理部により算出された仮想的な斥力と前記遠隔操縦部からの操縦指令値とを組み合わせて前記ロボットアームへの動作指令値を生成するロボットコントローラと、を有することを特徴とする。
【０００８】
本発明に係るロボットアーム操作システムの他の一つの態様は、ロボットアームに対して遠隔からリアルタイムで受信した操縦指令値に基づいて前記ロボットアームを操縦する遠隔操縦部と、前記ロボットアームの複数個所に取り付けられて、前記ロボットアームが動作可能な作業環境内にあって前記ロボットアームの動作の障害となりうる障害物との距離を検出する複数の距離センサと、前記距離センサによって検出された距離に基づいて、前記ロボットアームに対して前記障害物から遠ざかる方向への仮想的な斥力を算出する仮想力生成処理部と、前記仮想力生成処理部によって算出された仮想的な斥力と前記遠隔操縦部からの操縦指令値とを組み合わせて前記ロボットアームへの動作指令値を生成するロボットコントローラと、を有することを特徴とする。
【０００９】
本発明に係るロボットアーム操作方法の一つの態様は、ロボットアームを遠隔から操作するロボットアーム操作方法において、前記ロボットアームを操縦する操縦指令値をリアルタイムで受信する操縦指令値受信ステップと、前記ロボットアームが動作可能な作業環境内にあって前記ロボットアームの動作の障害となりうる障害物の３次元形状モデルを含む環境データを保存する環境データ保存ステップと、前記作業環境内で前記障害物との距離が近いほど斥力ベクトルが大きくなるように仮想的な斥力ベクトル場を設定する斥力ベクトル場生成ステップと、前記斥力ベクトル場を利用して前記ロボットアームに対して前記障害物から遠ざかる方向への仮想的な斥力を算出する仮想力生成ステップと、前記仮想力生成ステップで算出された仮想的な斥力と前記操縦指令値とを組み合わせて前記ロボットアームへの動作指令値を生成する動作指令値生成ステップと、を有することを特徴とする。
【００１０】
本発明に係るロボットアーム操作方法の他の一つの態様は、ロボットアームに対して遠隔からリアルタイムで受信した操縦指令値に基づいて前記ロボットアームを操縦するロボットアーム操作方法において、前記ロボットアームの複数個所に取り付けられた複数の距離センサによって、前記ロボットアームが動作可能な作業環境内にあって前記ロボットアームの動作の障害となりうる障害物との距離を検出する距離検出ステップと、前記距離検出ステップで検出された距離に基づいて、前記ロボットアームに対して前記障害物から遠ざかる方向への仮想的な斥力を算出する仮想力生成ステップと、前記仮想力生成ステップで算出された仮想的な斥力と前記操縦指令値とを組み合わせて前記ロボットアームへの動作指令値を生成する動作指令値生成ステップと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ロボットアームの操作に当たり、安全、確実かつ容易に障害物を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係るロボットアーム操作システムの第１の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明に係るロボットアーム操作システムの第１の実施形態において障害物に基づいて設定される斥力ベクトル場の概要を示す模式的斜視図である。
【図３】本発明に係るロボットアーム操作システムの第１の実施形態におけるロボットアームと障害物および斥力ベクトルの概要を示す模式的斜視図である。
【図４】本発明に係るロボットアーム操作システムの第２の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明に係るロボットアーム操作システムの第２の実施形態におけるロボットアームと障害物の概要を示す模式的斜視図である。
【図６】本発明に係るロボットアーム操作システムの第３の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図７】本発明に係るロボットアーム操作システムの第３の実施形態におけるロボットアームと仮想障害物の概要を示す模式的斜視図である。
【図８】本発明に係るロボットアーム操作システムの第４の実施形態におけるロボットアームと目標物の概要を示す模式的斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００１４】
［第１の実施形態］
図１は、本発明に係るロボットアーム操作システムの第１の実施形態の構成を示すブロック図である。図２は、本発明に係るロボットアーム操作システムの第１の実施形態において障害物に基づいて設定される斥力ベクトル場の概要を示す模式的斜視図である。図３は、本発明に係るロボットアーム操作システムの第１の実施形態におけるロボットアームと障害物および斥力ベクトルの概要を示す模式的斜視図である。
【００１５】
この実施形態のロボットアーム操作システムは、遠隔操縦部１と、環境データを保存する環境データ保存部４と、仮想的な斥力ベクトル場を設定する斥力ベクトル場生成処理部５と、斥力ベクトル場を利用して仮想的な斥力を算出する仮想力生成処理部６と、ロボットアーム２への動作指令値を生成するロボットコントローラ３と、接近度合呈示部７とを有する。
【００１６】
遠隔操縦部１は、ロボットアーム２に対して遠隔から、リアルタイムで受信した操縦指令値に基づいてロボットアーム２を操縦する。環境データ保存部４は、ロボットアーム２が動作可能な作業環境内にあってロボットアーム２の動作の障害となりうる障害物２０の３次元形状モデルを含む環境データを保存する。斥力ベクトル場生成処理部５は、作業環境内で障害物２０との距離が近いほど斥力ベクトルが大きくなるように仮想的な斥力ベクトル場を設定する。仮想力生成処理部６は、斥力ベクトル場を利用してロボットアーム２に対して障害物２０から遠ざかる方向への仮想的な斥力を算出する。ロボットコントローラ３は、仮想力生成処理部６により算出された仮想的な斥力と遠隔操縦部１からの操縦指令値とを組み合わせてロボットアーム２への動作指令値を生成する。
【００１７】
図１に示すように、この実施形態のロボットアーム操作システムはさらに、カメラ画像取得部８、画像処理部９、環境データ補正部１０および表示部１１を有している。これらについては後述する。
【００１８】
一般的に、ロボットアーム２は関節とリンク機構で構成される。関節には回転関節や直動関節の他、球体関節などさまざまな種類がある。関節の動作はモータ等で能動的に動作する場合と、動力源を持たずに受動的に動作する場合がある。各関節間はリンク機構により結びつけられ、関節とリンク機構が交互に直列されたシリアルリンク型と、関節とリンクの組合せが並列となったパラレルリンク型などがある。
【００１９】
以降では、回転関節を有するシリアルリンク型のロボットアーム２を例に説明する。ロボットアーム２はロボットコントローラ３を介して遠隔操縦部１からの指令により遠隔で操作される。ロボットアーム２を遠隔で操作する形式にはロボットアーム２の手先（ハンド）７０の位置と姿勢を指令する場合と、ロボットアーム２の手先７０の位置と姿勢に加えてロボットアーム２の各関節の角度を指令する場合がある。
【００２０】
前者の場合は、遠隔操縦部１にジョイスティックやゲームパッドやマウスのような装置が用いられる。後者の場合は、ロボットアーム２と同様な構造を持つマスターアーム型の装置や異なる構造のマスターアーム型の装置などが用いられる。
【００２１】
つぎに、ロボットアーム２が作業を行う作業空間を環境データとして定義し、環境データ保存部４に保存する処理について説明する。作業空間とは、ロボットアーム２の初期位置や作業位置、および初期位置と作業位置の中間を含む実際の空間の情報に基づいて構築される空間である。この作業空間は、作業を行う施設等の設計情報、たとえば３次元ＣＡＤのデータを用いて設定する、またはカメラの映像や各種センサによる計測等で収集したデータを用いて設定する、あるいは手動で設定する、といったことが考えられる。
【００２２】
具体的には、たとえばロボットアーム２の操作装置が関連付けられ、各種３次元形状モデルを作成、記憶、修正可能な３次元ＣＡＤシステムを構成する演算装置および入力装置（受信装置）によって行われる。すなわち、上述の入力装置に施設等の設計情報や収集したデータを入力する、あるいは任意に施設情報等を入力して、上述した作業空間に対応する３次元形状モデルを設定することによって行われる。
【００２３】
つぎに、環境データ保存部４に保存に保存された環境データを用いて仮想的な斥力ベクトル場を生成する処理を行う斥力ベクトル場生成処理部５について説明する。斥力ベクトル場の生成は、作業空間上に３次元の格子を設定し、各格子点に斥力ベクトル２１を定義することで行う。この斥力ベクトル２１は作業空間内の障害物２０を発生源として設定する。各格子点に設定される斥力ベクトル２１の方向は障害物表面の法線方向、すなわち障害物表面に垂直な方向とし、斥力ベクトル２１の大きさは障害物に近いほど大きくなるように設定する。作業空間上に複数の障害物２０が存在する場合、たとえば各格子点に最も近い障害物２０から発生する斥力ベクトル２１を、最終的にその格子点の斥力ベクトル２１として設定する。
【００２４】
図２で、斥力ベクトル場については、斥力ベクトル２１のおおよその方向のみ示しており、作業空間上に設定される３次元格子は省略している。作業空間中に円筒形状の障害物２０が設定されており、この障害物２０から遠ざかる方向の斥力ベクトル２１が設定されている。
【００２５】
斥力ベクトル場を設定する際、障害物２０が複雑な形状で、突起や極端な狭隘部を有する等のロボットアーム２の手先７０が通過しにくい形状や配置を取る場合は、該当箇所付近の斥力ベクトル２１を大きくする等の重み付けを行ってもよい。
【００２６】
つぎに、仮想力生成処理部６について説明する。仮想力生成処理部６ではロボットアーム２からの関節角度情報をロボットコントローラ３を介して取得し、順運動学計算によりロボットアームの設置点からロボットアーム２の手先７０および各関節位置の絶対位置と絶対姿勢を算出する。
【００２７】
さらに、ロボットアーム２のモデル設定を行う。モデル設定の例を、図３を用いて説明する。図３ではロボットアーム２の３次元形状モデル３０を上述した環境データ保存部４に保存された環境データ内に設定し、設定した３次元形状モデル３０上に斥力ベクトル場から受ける斥力を作用させる代表点３１を複数点定義している。
【００２８】
この代表点３１は、障害物２０との干渉を避けるために、ロボットアーム２の外形や内部に設定する。代表点３１の設定箇所は任意であるが、たとえば図３のようなロボットアーム２の３次元形状モデル３０の場合、モデルの構成要素である直方体や円柱部分の外形表面上に均等に設定する。なお、図が煩雑になるのを避けるために、図３では代表点３１を一部省略して図示している。また、移動体の一部分である手先７０が作業ツールを持っている場合等、障害物との干渉が懸念される程度の大きさがある場合には手先７０にも代表点３１を設定する。
【００２９】
代表点３１も同様にロボットアームの設置点からの順運動学計算により絶対位置を算出する。
【００３０】
つぎに、上述したロボットアーム２の３次元形状モデル３０の代表点３１に、斥力ベクトル場生成処理部５で生成した斥力ベクトル２１の大きさと方向の斥力を作用させ、ロボットアーム２の各リンクごとに斥力の合計と各リンクに付随した関節軸に作用するモーメントの合計を算出する。
【００３１】
つぎに、算出したロボットアーム２に作用する斥力とモーメントを、各リンクに設定された代表点３１の数で除算して、関節軸を基準位置としてそれぞれの平均を各リンクごとに算出する。
【００３２】
さらに現在のロボットアーム２の関節角速度をデカルト座標での手先７０の速度へと変換するヤコビ行列Ｊを用いることで、手先７０と各リンクごとに算出した斥力の平均（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ）とモーメントの平均（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）から各関節軸に働くトルクτを、次の式（１）〜式（３）により求める。
【００３３】
τ＝ＪＴＦ ・・・（１）
τ＝（τ１，τ２，τ３，・・・，τｎ−１）Ｔ ・・・（２）
Ｆ＝（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）Ｔ ・・・（３）
ただし、ｎは関節軸のベース側から数えた番号である。
【００３４】
たとえば、ある関節軸に働くＦから求まる。トルクτはその関節軸よりもロボットアーム２の設置点側（手先７０から遠い側）にある関節軸のトルクτであり、手先７０に働くＦの場合はすべての関節軸に働くトルクτとなる。算出したトルクτを各関節軸ごとに合算したものが最終的な関節軸に働くトルクτとなる。
【００３５】
最終的に、遠隔操縦部１からの指令を受けてロボットアーム２が動作する時に、ロボットコントローラ３にて操縦指令値に上述の仮想力生成処理部６で算出したトルクτやトルクτから算出した関節速度を足し合わせる。ここで、関節速度はトルクτと比例関係があるものとして算出する。
【００３６】
以上説明したように、仮想力生成処理部６では、ロボットアーム２に作用する斥力からトルクτや関節速度を算出して、ロボットアーム２の遠隔操作時に障害物２０に近づく方向への動作を抑制するように、ロボットコントローラ３にて遠隔操縦部１からの操縦指令値にトルクτや関節速度を付加する。
【００３７】
また、遠隔操縦部１からの操縦指令値へ付加するトルクτや関節速度は、ロボットアーム２の手先７０の位置や姿勢の操縦指令値にのみ作用させても良いし、ロボットアーム２の各関節軸の操縦指令値に対して作用させても良い。ロボットアーム２の手先７０の位置・姿勢にのみ作用させる場合は、ロボットアーム２の全体の姿勢は仮想力生成処理部６で算出したトルクτや関節速度を用いて自動で生成することもできる。
【００３８】
また、仮想力生成処理部６でヤコビ行列を用いて各関節軸に作用するトルクを算出する利点は、順運動学から算出することができるため計算が容易であることにある。一般的にロボットアーム２の手先７０の位置・姿勢からロボットアーム２の姿勢つまり各関節角度を算出するには逆運動学を解く必要があるが、逆運動学による解法は順運動学に比べて計算負荷が大きいといった問題がある。
【００３９】
また、仮想力生成処理部６で算出したトルクτを参照することでロボットアーム２と障害物２０との距離がある一定距離以下となったことを判定することができ、接近度合呈示部７にて画像表示や警告ランプ、警告音などで呈示する。
【００４０】
また、表示部１１では環境データ保存部４に保存に保存された環境データ内にロボットアーム２の姿勢情報から構成したロボットアーム２のモデルを表示することができる。さらに、ロボットアーム２の設置位置に取り付けたカメラやロボットアーム２の手先７０に取り付けたカメラなどのカメラ画像を、カメラ画像取得部８を通じて取得し、画像処理部９にて処理した後に表示部１１に表示することができる。操作者は表示部１１を見ながら操作することで、ロボットアーム２の周辺の障害物２０との位置関係や姿勢の状況を把握することができる。
【００４１】
また、斥力ベクトル場の設定に関して、移動する障害物２０を設定する場合は、リアルタイムに斥力ベクトル場を更新する処理を行うことも可能である。また、障害物２０の移動範囲が決まっている場合は、障害物２０の移動範囲全体を一つの障害物２０として設定することも可能である。また、構造物の設計情報や、実際の作業環境の情報を収集して斥力ベクトル場を設定することができるため、設計・計画段階の施設、建設済みの施設の何れについても適用することが可能である。
【００４２】
また、各関節軸に働くトルクに基づいて関節軸角度の変化量を算出する際に、関節ごとに重み係数を設定することで、各関節ごとの動き易さを設定することができる。
【００４３】
さらに、この重み係数が可変であることにより、ロボットアーム２の姿勢が特異姿勢に近づいた場合は、特異姿勢に関係する関節軸の角度の変化のし易さを変動させることで特異姿勢を回避することができる。
【００４４】
また、力帰還型ロボットアームの場合は仮想力生成処理部６で算出したトルクτをロボットコントローラ３から遠隔操縦部１へ帰還することで、操作者はロボットアーム２を障害物２０へ近づけるほど大きな反力を遠隔操縦部１にて受ける。よって、力帰還型ロボットアームの方が遠隔操縦部１に帰ってくる仮想反力情報を基に操作が行えるため、対称型ロボットアームよりも良好な操作感が得られる。
【００４５】
また、３次元ＣＡＤデータ等で設定されて環境データ保存部４に保存に保存された環境データが実際の環境とずれてしまっている場合には、環境データ補正部１０により補正することができる。環境データ補正部１０では、環境データをたとえばカメラにより取得した画像データを用いて、周辺に存在する障害物２０の位置・姿勢および形状を補正する。
【００４６】
以下で具体的な例を説明する。まず、カメラは立体的に障害物２０の形状を捉えることができるステレオカメラである場合や、カメラ自体が移動することで立体的に障害物２０の形状を捉えることができる移動カメラである場合や、カメラをロボットアーム２の手先７０に取り付けてロボットアームを移動させることで立体的に障害物２０の形状を捉えることができる能動カメラである場合が考えられる。上述したカメラの構成により障害物２０のステレオ画像を得ることができ、ステレオ画像の２枚の画像上での対応点を決定してやることで３次元形状が復元できる。得られた３次元形状と環境データ上の障害物２０の３次元形状との３次元モデルマッチングを行い、障害物２０の位置・姿勢および形状を補正する。
【００４７】
以上の構成からなるロボットアーム操作システムにより、ロボットアーム２が障害物２０に接近した場合に斥力ベクトル場からロボットアーム２に作用する仮想反力により障害物２０方向への動作が徐々に抑制されるため、障害物２０との干渉を防止することができる。これにより操作者は目標の位置までロボットアーム２を干渉させることなく容易に操作することが可能となる。
【００４８】
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態について、図面を用いて以下に説明する。なお、第１の実施形態と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。図４は、本発明に係るロボットアーム操作システムの第２の実施形態の構成を示すブロック図である。図５は、本発明に係るロボットアーム操作システムの第２の実施形態におけるロボットアームと障害物の概要を示す模式的斜視図である。
【００４９】
図４に示すように、このロボットアーム操作システムは、遠隔操縦部１と、仮想的な斥力を算出する仮想力生成処理部６と、ロボットアーム２への動作指令値を生成するロボットコントローラ３と、接近度合呈示部７と、距離センサ部４０と検出回路部４１とを有する。
【００５０】
距離センサ部４０は図５に示すようにロボットアーム２の表面に多数配置した距離センサ４２により構成される。距離センサ４２により検出した距離センサ４２から最近傍の障害物２０との距離情報は検出回路部４１で処理され、距離センサ４２を配置した場所での斥力を仮想力生成処理部６にて算出し、ロボットアーム２に作用する斥力からトルクτや関節速度を算出して、ロボットアーム２の遠隔操作時に仮想障害物５１に近づく方向への動作を抑制するように、ロボットコントローラ３にて遠隔操縦部１からの操縦指令値にトルクτや関節速度を付加する。
【００５１】
距離センサ４２は、ロボットの表面に多数配置しなければならないことや、配線数を減らすこと、無線での信号や動力の伝達を行うことが望ましいためＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術等により作成したチップ状の受動センサなどが考えられる。
【００５２】
以上の構成からなるロボットアーム操作システムにより、ロボットアーム２が障害物２０に接近した場合に距離センサ４２により計測した距離情報からその場所における斥力を算出し、斥力を基にロボットアーム２にトルクτや関節速度を作用させることで、障害物２０方向への動作が徐々に抑制されるため、障害物２０との干渉を防止することができる。これにより操作者は目標の位置までロボットアーム２を干渉させることなく容易に操作することが可能となる。
【００５３】
［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態について、図面を用いて以下説明する。なお、第１の実施形態と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００５４】
図６は、本実施形態によるロボットアーム操作システムの主要な構成を示すブロック図である。図７は本実施形態によるロボットアーム操作システムの概要を示す図である。
【００５５】
図６に示すように、第３の実施形態のロボットアーム操作システムは、遠隔操縦部１と、斥力ベクトル場生成処理部５と、仮想的な斥力を算出する仮想力生成処理部６と、ロボットアーム２への動作指令値を生成するロボットコントローラ３と、接近度合呈示部７と、仮想障害物設定処理部５０とを有する。
【００５６】
本実施形態のロボットアーム操作システムにおいて行われる処理について、図６および図７を用いて説明する。
【００５７】
第１の実施形態において、環境データ保存部４に保存に保存された環境データは作業空間に対応する３次元形状モデルを設定したものであったが、仮想障害物設定処理部５０では作業空間に実際に存在しない仮想的な障害物を設定する。仮想的な障害物とは、たとえば、ロボットアーム２が近づく場合にロボットアーム２の電子回路やフレームに悪影響を及ぼす熱、放射線、磁場などである。熱、放射線、磁場は強度分布を持つため、斥力ベクトル場生成処理部５ではこの強度分布を用いて斥力を設定することができる。熱、放射線、磁場はそれぞれ赤外線センサ、放射線センサ、磁場センサなどの各種計測装置を用いて強度分布を測ることができる。
【００５８】
仮想障害物５１の強度分布から設定した斥力を用いて仮想力生成処理部６ではロボットアーム２に作用する斥力からトルクτや関節速度を算出して、ロボットアーム２の遠隔操作時に仮想障害物５１に近づく方向への動作を抑制するように、ロボットコントローラ３にて遠隔操縦部１からの操縦指令値にトルクτや関節速度を付加する。
【００５９】
また、本実施形態の仮想障害物設定処理部５０は第１の実施形態の環境データと組み合わせることも可能であり、環境データの３次元形状モデル上に強度分布のある熱、放射線、磁場などの情報を重ね合わせることで、障害物および仮想障害物の両者を回避するような操作支援を行うことができる。
【００６０】
［第４の実施形態］
本発明の第４の実施形態について、図面を用いて以下説明する。なお、第１の実施形態と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００６１】
本実施形態のロボットアーム操作システムにおいて行われる処理について、図８を用いて説明する。本実施形態では基本的な構成は第１の実施形態と同様であるが、仮想力生成処理部６において、ロボットアーム２の手先７０の現在位置と、目標点６０の位置偏差に基づく目標点６０方向の引力ベクトル６１をロボットアーム２の手先７０に作用させる。このとき、引力ベクトル６１の大きさは、たとえば位置偏差量に比例する成分から算出して設定する。
【００６２】
さらに、ロボットアーム２の手先７０に作用させる引力ベクトル６１から第１の実施形態と同様な方法によりトルクτや関節速度を算出して、ロボットアーム２の遠隔操作時に目標点６０に近づく方向への動作を誘導するように、ロボットコントローラ３にて遠隔操縦部１からの操縦指令値にトルクτや関節速度を付加する。
【００６３】
以上の構成からなるロボットアーム操作システムにより、ロボットアーム２が障害物２０に接近した場合に斥力ベクトル場からロボットアーム２に作用する仮想反力により障害物２０方向への動作が徐々に抑制されるため、障害物２０との干渉を防止することができる。さらにロボットアーム２の手先７０には目標点６０へ向けた引力が作用することにより操作者は目標の位置までロボットアーム２を干渉させることなく、目標点６０方向への操作時に誘導されるような感覚で操作することが可能となる。
【００６４】
また、遠隔操縦部１により操作されるロボットアーム２の手先７０の姿勢を上述した引力ベクトル６１方向にロックさせることにより、操作者は目標点６０がどちらの方向にあるのかをロボットアーム２の手先７０を見ることで理解できる。
【００６５】
以上、本発明によるロボットアーム操作システムについて複数の実施形態を用いて説明してきたが、上述したロボットアーム操作システムは、各処理を行う機能が実装された入力装置、演算装置、出力装置からなるシステムで実行することが可能であり、たとえば各処理を行うためのプログラムを組み込んだ一般的なパーソナルコンピュータを用いることができる。
【００６６】
また、以上説明した実施形態は単なる例示であって、本発明はこれらに限定されるものではない。実施形態は、特許請求の範囲内またはその均等の範囲内で、種々に変形したり部分的に省略したりすることができる。
【符号の説明】
【００６７】
１ 遠隔操縦部
２ ロボットアーム
３ ロボットコントローラ
４ 環境データ保存部
５ 斥力ベクトル場生成処理部
６ 仮想力生成処理部
７ 接近度合呈示部
８ カメラ画像取得部
９ 画像処理部
１０ 環境データ補正部
１１ 表示部
２０ 障害物
２１ 斥力ベクトル
３０ ロボットアーム３次元形状モデル
３１ 代表点
４０ 距離センサ部
４１ 検出回路部
４２ 距離センサ
５０ 仮想障害物設定処理部
５１ 仮想障害物
６０ 目標点
６１ 引力ベクトル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットアームの遠隔操作時に周辺の障害物などとロボットアームが接触しないように操作を支援する機能を有するロボットアーム操作システムおよびその操作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、原子力廃棄物の再処理施設や宇宙空間での作業に用いられるロボットアームにはマスタースレーブ方式やジョイスティックなどの操縦桿を用いた遠隔操縦が行われている。通常の遠隔操縦では、操作者がロボットアームを周囲の障害物との接触を回避しつつ目標位置へ動作させるために、ロボットアームの状況をカメラ画像により把握しながら遠隔で操作する。
【０００３】
しかしながら、カメラ画像の情報だけでは、奥行きが不明確であったり照明の影響で影となる部分や構造物の死角があるなどの理由で、慎重な操作が必要とされ操作者へ過大な負荷がかかるとともに作業時間の増大へと繋がっていた。このような背景からこれまでに、仮想環境の画像と実画像を合成して表示画面に呈示することで死角を低減する方法（特許文献１参照）や、仮想環境上に仮想ガイドを設けることでピン挿入作業など穴中心にロボットアームを誘導することができる支援方法（特許文献２参照）などの操作支援技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３９２４４９５号公報
【特許文献２】特許第２６２１８０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、上記の操作支援技術では、ロボットアームが複数の障害物を回避した複雑な姿勢を取らせている状況で何らかのエラーにより停止した場合、ロボットアームの状況を認識できたとしても、ロボットアームを初期姿勢に戻すよう操作することは困難である。また障害物を回避するという毎回異なる状況に対して仮想ガイドを設定することは容易ではない。
【０００６】
上述した課題に鑑み、本発明の目的は、ロボットアームの操作に当たり、安全、確実かつ容易に障害物を回避することができるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明に係るロボットアーム操作システムの一つの態様は、ロボットアームに対して遠隔からリアルタイムで受信した操縦指令値に基づいて前記ロボットアームを操縦する遠隔操縦部と、前記ロボットアームが動作可能な作業環境内にあって前記ロボットアームの動作の障害となりうる障害物の３次元形状モデルを含む環境データを保存する環境データ保存部と、前記作業環境内で前記障害物との距離が近いほど斥力ベクトルが大きくなるように仮想的な斥力ベクトル場を設定する斥力ベクトル場生成処理部と、前記斥力ベクトル場を利用して前記ロボットアームに対して前記障害物から遠ざかる方向への仮想的な斥力を算出する仮想力生成処理部と、前記仮想力生成処理部により算出された仮想的な斥力と前記遠隔操縦部からの操縦指令値とを組み合わせて前記ロボットアームへの動作指令値を生成するロボットコントローラと、を有することを特徴とする。
【０００８】
本発明に係るロボットアーム操作システムの他の一つの態様は、ロボットアームに対して遠隔からリアルタイムで受信した操縦指令値に基づいて前記ロボットアームを操縦する遠隔操縦部と、前記ロボットアームの複数個所に取り付けられて、前記ロボットアームが動作可能な作業環境内にあって前記ロボットアームの動作の障害となりうる障害物との距離を検出する複数の距離センサと、前記距離センサによって検出された距離に基づいて、前記ロボットアームに対して前記障害物から遠ざかる方向への仮想的な斥力を算出する仮想力生成処理部と、前記仮想力生成処理部によって算出された仮想的な斥力と前記遠隔操縦部からの操縦指令値とを組み合わせて前記ロボットアームへの動作指令値を生成するロボットコントローラと、を有することを特徴とする。
【０００９】
本発明に係るロボットアーム操作方法の一つの態様は、ロボットアームを遠隔から操作するロボットアーム操作方法において、前記ロボットアームを操縦する操縦指令値をリアルタイムで受信する操縦指令値受信ステップと、前記ロボットアームが動作可能な作業環境内にあって前記ロボットアームの動作の障害となりうる障害物の３次元形状モデルを含む環境データを保存する環境データ保存ステップと、前記作業環境内で前記障害物との距離が近いほど斥力ベクトルが大きくなるように仮想的な斥力ベクトル場を設定する斥力ベクトル場生成ステップと、前記斥力ベクトル場を利用して前記ロボットアームに対して前記障害物から遠ざかる方向への仮想的な斥力を算出する仮想力生成ステップと、前記仮想力生成ステップで算出された仮想的な斥力と前記操縦指令値とを組み合わせて前記ロボットアームへの動作指令値を生成する動作指令値生成ステップと、を有することを特徴とする。
【００１０】
本発明に係るロボットアーム操作方法の他の一つの態様は、ロボットアームに対して遠隔からリアルタイムで受信した操縦指令値に基づいて前記ロボットアームを操縦するロボットアーム操作方法において、前記ロボットアームの複数個所に取り付けられた複数の距離センサによって、前記ロボットアームが動作可能な作業環境内にあって前記ロボットアームの動作の障害となりうる障害物との距離を検出する距離検出ステップと、前記距離検出ステップで検出された距離に基づいて、前記ロボットアームに対して前記障害物から遠ざかる方向への仮想的な斥力を算出する仮想力生成ステップと、前記仮想力生成ステップで算出された仮想的な斥力と前記操縦指令値とを組み合わせて前記ロボットアームへの動作指令値を生成する動作指令値生成ステップと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ロボットアームの操作に当たり、安全、確実かつ容易に障害物を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係るロボットアーム操作システムの第１の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明に係るロボットアーム操作システムの第１の実施形態において障害物に基づいて設定される斥力ベクトル場の概要を示す模式的斜視図である。
【図３】本発明に係るロボットアーム操作システムの第１の実施形態におけるロボットアームと障害物および斥力ベクトルの概要を示す模式的斜視図である。
【図４】本発明に係るロボットアーム操作システムの第２の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明に係るロボットアーム操作システムの第２の実施形態におけるロボットアームと障害物の概要を示す模式的斜視図である。
【図６】本発明に係るロボットアーム操作システムの第３の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図７】本発明に係るロボットアーム操作システムの第３の実施形態におけるロボットアームと仮想障害物の概要を示す模式的斜視図である。
【図８】本発明に係るロボットアーム操作システムの第４の実施形態におけるロボットアームと目標物の概要を示す模式的斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００１４】
［第１の実施形態］
図１は、本発明に係るロボットアーム操作システムの第１の実施形態の構成を示すブロック図である。図２は、本発明に係るロボットアーム操作システムの第１の実施形態において障害物に基づいて設定される斥力ベクトル場の概要を示す模式的斜視図である。図３は、本発明に係るロボットアーム操作システムの第１の実施形態におけるロボットアームと障害物および斥力ベクトルの概要を示す模式的斜視図である。
【００１５】
この実施形態のロボットアーム操作システムは、遠隔操縦部１と、環境データを保存する環境データ保存部４と、仮想的な斥力ベクトル場を設定する斥力ベクトル場生成処理部５と、斥力ベクトル場を利用して仮想的な斥力を算出する仮想力生成処理部６と、ロボットアーム２への動作指令値を生成するロボットコントローラ３と、接近度合呈示部７とを有する。
【００１６】
遠隔操縦部１は、ロボットアーム２に対して遠隔から、リアルタイムで受信した操縦指令値に基づいてロボットアーム２を操縦する。環境データ保存部４は、ロボットアーム２が動作可能な作業環境内にあってロボットアーム２の動作の障害となりうる障害物２０の３次元形状モデルを含む環境データを保存する。斥力ベクトル場生成処理部５は、作業環境内で障害物２０との距離が近いほど斥力ベクトルが大きくなるように仮想的な斥力ベクトル場を設定する。仮想力生成処理部６は、斥力ベクトル場を利用してロボットアーム２に対して障害物２０から遠ざかる方向への仮想的な斥力を算出する。ロボットコントローラ３は、仮想力生成処理部６により算出された仮想的な斥力と遠隔操縦部１からの操縦指令値とを組み合わせてロボットアーム２への動作指令値を生成する。
【００１７】
図１に示すように、この実施形態のロボットアーム操作システムはさらに、カメラ画像取得部８、画像処理部９、環境データ補正部１０および表示部１１を有している。これらについては後述する。
【００１８】
一般的に、ロボットアーム２は関節とリンク機構で構成される。関節には回転関節や直動関節の他、球体関節などさまざまな種類がある。関節の動作はモータ等で能動的に動作する場合と、動力源を持たずに受動的に動作する場合がある。各関節間はリンク機構により結びつけられ、関節とリンク機構が交互に直列されたシリアルリンク型と、関節とリンクの組合せが並列となったパラレルリンク型などがある。
【００１９】
以降では、回転関節を有するシリアルリンク型のロボットアーム２を例に説明する。ロボットアーム２はロボットコントローラ３を介して遠隔操縦部１からの指令により遠隔で操作される。ロボットアーム２を遠隔で操作する形式にはロボットアーム２の手先（ハンド）７０の位置と姿勢を指令する場合と、ロボットアーム２の手先７０の位置と姿勢に加えてロボットアーム２の各関節の角度を指令する場合がある。
【００２０】
前者の場合は、遠隔操縦部１にジョイスティックやゲームパッドやマウスのような装置が用いられる。後者の場合は、ロボットアーム２と同様な構造を持つマスターアーム型の装置や異なる構造のマスターアーム型の装置などが用いられる。
【００２１】
つぎに、ロボットアーム２が作業を行う作業空間を環境データとして定義し、環境データ保存部４に保存する処理について説明する。作業空間とは、ロボットアーム２の初期位置や作業位置、および初期位置と作業位置の中間を含む実際の空間の情報に基づいて構築される空間である。この作業空間は、作業を行う施設等の設計情報、たとえば３次元ＣＡＤのデータを用いて設定する、またはカメラの映像や各種センサによる計測等で収集したデータを用いて設定する、あるいは手動で設定する、といったことが考えられる。
【００２２】
具体的には、たとえばロボットアーム２の操作装置が関連付けられ、各種３次元形状モデルを作成、記憶、修正可能な３次元ＣＡＤシステムを構成する演算装置および入力装置（受信装置）によって行われる。すなわち、上述の入力装置に施設等の設計情報や収集したデータを入力する、あるいは任意に施設情報等を入力して、上述した作業空間に対応する３次元形状モデルを設定することによって行われる。
【００２３】
つぎに、環境データ保存部４に保存に保存された環境データを用いて仮想的な斥力ベクトル場を生成する処理を行う斥力ベクトル場生成処理部５について説明する。斥力ベクトル場の生成は、作業空間上に３次元の格子を設定し、各格子点に斥力ベクトル２１を定義することで行う。この斥力ベクトル２１は作業空間内の障害物２０を発生源として設定する。各格子点に設定される斥力ベクトル２１の方向は障害物表面の法線方向、すなわち障害物表面に垂直な方向とし、斥力ベクトル２１の大きさは障害物に近いほど大きくなるように設定する。作業空間上に複数の障害物２０が存在する場合、たとえば各格子点に最も近い障害物２０から発生する斥力ベクトル２１を、最終的にその格子点の斥力ベクトル２１として設定する。
【００２４】
図２で、斥力ベクトル場については、斥力ベクトル２１のおおよその方向のみ示しており、作業空間上に設定される３次元格子は省略している。作業空間中に円筒形状の障害物２０が設定されており、この障害物２０から遠ざかる方向の斥力ベクトル２１が設定されている。
【００２５】
斥力ベクトル場を設定する際、障害物２０が複雑な形状で、突起や極端な狭隘部を有する等のロボットアーム２の手先７０が通過しにくい形状や配置を取る場合は、該当箇所付近の斥力ベクトル２１を大きくする等の重み付けを行ってもよい。
【００２６】
つぎに、仮想力生成処理部６について説明する。仮想力生成処理部６ではロボットアーム２からの関節角度情報をロボットコントローラ３を介して取得し、順運動学計算によりロボットアームの設置点からロボットアーム２の手先７０および各関節位置の絶対位置と絶対姿勢を算出する。
【００２７】
さらに、ロボットアーム２のモデル設定を行う。モデル設定の例を、図３を用いて説明する。図３ではロボットアーム２の３次元形状モデル３０を上述した環境データ保存部４に保存された環境データ内に設定し、設定した３次元形状モデル３０上に斥力ベクトル場から受ける斥力を作用させる代表点３１を複数点定義している。
【００２８】
この代表点３１は、障害物２０との干渉を避けるために、ロボットアーム２の外形や内部に設定する。代表点３１の設定箇所は任意であるが、たとえば図３のようなロボットアーム２の３次元形状モデル３０の場合、モデルの構成要素である直方体や円柱部分の外形表面上に均等に設定する。なお、図が煩雑になるのを避けるために、図３では代表点３１を一部省略して図示している。また、移動体の一部分である手先７０が作業ツールを持っている場合等、障害物との干渉が懸念される程度の大きさがある場合には手先７０にも代表点３１を設定する。
【００２９】
代表点３１も同様にロボットアームの設置点からの順運動学計算により絶対位置を算出する。
【００３０】
つぎに、上述したロボットアーム２の３次元形状モデル３０の代表点３１に、斥力ベクトル場生成処理部５で生成した斥力ベクトル２１の大きさと方向の斥力を作用させ、ロボットアーム２の各リンクごとに斥力の合計と各リンクに付随した関節軸に作用するモーメントの合計を算出する。
【００３１】
つぎに、算出したロボットアーム２に作用する斥力とモーメントを、各リンクに設定された代表点３１の数で除算して、関節軸を基準位置としてそれぞれの平均を各リンクごとに算出する。
【００３２】
さらに現在のロボットアーム２の関節角速度をデカルト座標での手先７０の速度へと変換するヤコビ行列Ｊを用いることで、手先７０と各リンクごとに算出した斥力の平均（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ）とモーメントの平均（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）から各関節軸に働くトルクτを、次の式（１）〜式（３）により求める。
【００３３】
τ＝ＪＴＦ ・・・（１）
τ＝（τ１，τ２，τ３，・・・，τｎ−１）Ｔ ・・・（２）
Ｆ＝（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）Ｔ ・・・（３）
ただし、ｎは関節軸のベース側から数えた番号である。
【００３４】
たとえば、ある関節軸に働くＦから求まる。トルクτはその関節軸よりもロボットアーム２の設置点側（手先７０から遠い側）にある関節軸のトルクτであり、手先７０に働くＦの場合はすべての関節軸に働くトルクτとなる。算出したトルクτを各関節軸ごとに合算したものが最終的な関節軸に働くトルクτとなる。
【００３５】
最終的に、遠隔操縦部１からの指令を受けてロボットアーム２が動作する時に、ロボットコントローラ３にて操縦指令値に上述の仮想力生成処理部６で算出したトルクτやトルクτから算出した関節速度を足し合わせる。ここで、関節速度はトルクτと比例関係があるものとして算出する。
【００３６】
以上説明したように、仮想力生成処理部６では、ロボットアーム２に作用する斥力からトルクτや関節速度を算出して、ロボットアーム２の遠隔操作時に障害物２０に近づく方向への動作を抑制するように、ロボットコントローラ３にて遠隔操縦部１からの操縦指令値にトルクτや関節速度を付加する。
【００３７】
また、遠隔操縦部１からの操縦指令値へ付加するトルクτや関節速度は、ロボットアーム２の手先７０の位置や姿勢の操縦指令値にのみ作用させても良いし、ロボットアーム２の各関節軸の操縦指令値に対して作用させても良い。ロボットアーム２の手先７０の位置・姿勢にのみ作用させる場合は、ロボットアーム２の全体の姿勢は仮想力生成処理部６で算出したトルクτや関節速度を用いて自動で生成することもできる。
【００３８】
また、仮想力生成処理部６でヤコビ行列を用いて各関節軸に作用するトルクを算出する利点は、順運動学から算出することができるため計算が容易であることにある。一般的にロボットアーム２の手先７０の位置・姿勢からロボットアーム２の姿勢つまり各関節角度を算出するには逆運動学を解く必要があるが、逆運動学による解法は順運動学に比べて計算負荷が大きいといった問題がある。
【００３９】
また、仮想力生成処理部６で算出したトルクτを参照することでロボットアーム２と障害物２０との距離がある一定距離以下となったことを判定することができ、接近度合呈示部７にて画像表示や警告ランプ、警告音などで呈示する。
【００４０】
また、表示部１１では環境データ保存部４に保存に保存された環境データ内にロボットアーム２の姿勢情報から構成したロボットアーム２のモデルを表示することができる。さらに、ロボットアーム２の設置位置に取り付けたカメラやロボットアーム２の手先７０に取り付けたカメラなどのカメラ画像を、カメラ画像取得部８を通じて取得し、画像処理部９にて処理した後に表示部１１に表示することができる。操作者は表示部１１を見ながら操作することで、ロボットアーム２の周辺の障害物２０との位置関係や姿勢の状況を把握することができる。
【００４１】
また、斥力ベクトル場の設定に関して、移動する障害物２０を設定する場合は、リアルタイムに斥力ベクトル場を更新する処理を行うことも可能である。また、障害物２０の移動範囲が決まっている場合は、障害物２０の移動範囲全体を一つの障害物２０として設定することも可能である。また、構造物の設計情報や、実際の作業環境の情報を収集して斥力ベクトル場を設定することができるため、設計・計画段階の施設、建設済みの施設の何れについても適用することが可能である。
【００４２】
また、各関節軸に働くトルクに基づいて関節軸角度の変化量を算出する際に、関節ごとに重み係数を設定することで、各関節ごとの動き易さを設定することができる。
【００４３】
さらに、この重み係数が可変であることにより、ロボットアーム２の姿勢が特異姿勢に近づいた場合は、特異姿勢に関係する関節軸の角度の変化のし易さを変動させることで特異姿勢を回避することができる。
【００４４】
また、力帰還型ロボットアームの場合は仮想力生成処理部６で算出したトルクτをロボットコントローラ３から遠隔操縦部１へ帰還することで、操作者はロボットアーム２を障害物２０へ近づけるほど大きな反力を遠隔操縦部１にて受ける。よって、力帰還型ロボットアームの方が遠隔操縦部１に帰ってくる仮想反力情報を基に操作が行えるため、対称型ロボットアームよりも良好な操作感が得られる。
【００４５】
また、３次元ＣＡＤデータ等で設定されて環境データ保存部４に保存に保存された環境データが実際の環境とずれてしまっている場合には、環境データ補正部１０により補正することができる。環境データ補正部１０では、環境データをたとえばカメラにより取得した画像データを用いて、周辺に存在する障害物２０の位置・姿勢および形状を補正する。
【００４６】
以下で具体的な例を説明する。まず、カメラは立体的に障害物２０の形状を捉えることができるステレオカメラである場合や、カメラ自体が移動することで立体的に障害物２０の形状を捉えることができる移動カメラである場合や、カメラをロボットアーム２の手先７０に取り付けてロボットアームを移動させることで立体的に障害物２０の形状を捉えることができる能動カメラである場合が考えられる。上述したカメラの構成により障害物２０のステレオ画像を得ることができ、ステレオ画像の２枚の画像上での対応点を決定してやることで３次元形状が復元できる。得られた３次元形状と環境データ上の障害物２０の３次元形状との３次元モデルマッチングを行い、障害物２０の位置・姿勢および形状を補正する。
【００４７】
以上の構成からなるロボットアーム操作システムにより、ロボットアーム２が障害物２０に接近した場合に斥力ベクトル場からロボットアーム２に作用する仮想反力により障害物２０方向への動作が徐々に抑制されるため、障害物２０との干渉を防止することができる。これにより操作者は目標の位置までロボットアーム２を干渉させることなく容易に操作することが可能となる。
【００４８】
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態について、図面を用いて以下に説明する。なお、第１の実施形態と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。図４は、本発明に係るロボットアーム操作システムの第２の実施形態の構成を示すブロック図である。図５は、本発明に係るロボットアーム操作システムの第２の実施形態におけるロボットアームと障害物の概要を示す模式的斜視図である。
【００４９】
図４に示すように、このロボットアーム操作システムは、遠隔操縦部１と、仮想的な斥力を算出する仮想力生成処理部６と、ロボットアーム２への動作指令値を生成するロボットコントローラ３と、接近度合呈示部７と、距離センサ部４０と検出回路部４１とを有する。
【００５０】
距離センサ部４０は図５に示すようにロボットアーム２の表面に多数配置した距離センサ４２により構成される。距離センサ４２により検出した距離センサ４２から最近傍の障害物２０との距離情報は検出回路部４１で処理され、距離センサ４２を配置した場所での斥力を仮想力生成処理部６にて算出し、ロボットアーム２に作用する斥力からトルクτや関節速度を算出して、ロボットアーム２の遠隔操作時に仮想障害物５１に近づく方向への動作を抑制するように、ロボットコントローラ３にて遠隔操縦部１からの操縦指令値にトルクτや関節速度を付加する。
【００５１】
距離センサ４２は、ロボットの表面に多数配置しなければならないことや、配線数を減らすこと、無線での信号や動力の伝達を行うことが望ましいためＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術等により作成したチップ状の受動センサなどが考えられる。
【００５２】
以上の構成からなるロボットアーム操作システムにより、ロボットアーム２が障害物２０に接近した場合に距離センサ４２により計測した距離情報からその場所における斥力を算出し、斥力を基にロボットアーム２にトルクτや関節速度を作用させることで、障害物２０方向への動作が徐々に抑制されるため、障害物２０との干渉を防止することができる。これにより操作者は目標の位置までロボットアーム２を干渉させることなく容易に操作することが可能となる。
【００５３】
［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態について、図面を用いて以下説明する。なお、第１の実施形態と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００５４】
図６は、本実施形態によるロボットアーム操作システムの主要な構成を示すブロック図である。図７は本実施形態によるロボットアーム操作システムの概要を示す図である。
【００５５】
図６に示すように、第３の実施形態のロボットアーム操作システムは、遠隔操縦部１と、斥力ベクトル場生成処理部５と、仮想的な斥力を算出する仮想力生成処理部６と、ロボットアーム２への動作指令値を生成するロボットコントローラ３と、接近度合呈示部７と、仮想障害物設定処理部５０とを有する。
【００５６】
本実施形態のロボットアーム操作システムにおいて行われる処理について、図６および図７を用いて説明する。
【００５７】
第１の実施形態において、環境データ保存部４に保存に保存された環境データは作業空間に対応する３次元形状モデルを設定したものであったが、仮想障害物設定処理部５０では作業空間に実際に存在しない仮想的な障害物を設定する。仮想的な障害物とは、たとえば、ロボットアーム２が近づく場合にロボットアーム２の電子回路やフレームに悪影響を及ぼす熱、放射線、磁場などである。熱、放射線、磁場は強度分布を持つため、斥力ベクトル場生成処理部５ではこの強度分布を用いて斥力を設定することができる。熱、放射線、磁場はそれぞれ赤外線センサ、放射線センサ、磁場センサなどの各種計測装置を用いて強度分布を測ることができる。
【００５８】
仮想障害物５１の強度分布から設定した斥力を用いて仮想力生成処理部６ではロボットアーム２に作用する斥力からトルクτや関節速度を算出して、ロボットアーム２の遠隔操作時に仮想障害物５１に近づく方向への動作を抑制するように、ロボットコントローラ３にて遠隔操縦部１からの操縦指令値にトルクτや関節速度を付加する。
【００５９】
また、本実施形態の仮想障害物設定処理部５０は第１の実施形態の環境データと組み合わせることも可能であり、環境データの３次元形状モデル上に強度分布のある熱、放射線、磁場などの情報を重ね合わせることで、障害物および仮想障害物の両者を回避するような操作支援を行うことができる。
【００６０】
［第４の実施形態］
本発明の第４の実施形態について、図面を用いて以下説明する。なお、第１の実施形態と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００６１】
本実施形態のロボットアーム操作システムにおいて行われる処理について、図８を用いて説明する。本実施形態では基本的な構成は第１の実施形態と同様であるが、仮想力生成処理部６において、ロボットアーム２の手先７０の現在位置と、目標点６０の位置偏差に基づく目標点６０方向の引力ベクトル６１をロボットアーム２の手先７０に作用させる。このとき、引力ベクトル６１の大きさは、たとえば位置偏差量に比例する成分から算出して設定する。
【００６２】
さらに、ロボットアーム２の手先７０に作用させる引力ベクトル６１から第１の実施形態と同様な方法によりトルクτや関節速度を算出して、ロボットアーム２の遠隔操作時に目標点６０に近づく方向への動作を誘導するように、ロボットコントローラ３にて遠隔操縦部１からの操縦指令値にトルクτや関節速度を付加する。
【００６３】
以上の構成からなるロボットアーム操作システムにより、ロボットアーム２が障害物２０に接近した場合に斥力ベクトル場からロボットアーム２に作用する仮想反力により障害物２０方向への動作が徐々に抑制されるため、障害物２０との干渉を防止することができる。さらにロボットアーム２の手先７０には目標点６０へ向けた引力が作用することにより操作者は目標の位置までロボットアーム２を干渉させることなく、目標点６０方向への操作時に誘導されるような感覚で操作することが可能となる。
【００６４】
また、遠隔操縦部１により操作されるロボットアーム２の手先７０の姿勢を上述した引力ベクトル６１方向にロックさせることにより、操作者は目標点６０がどちらの方向にあるのかをロボットアーム２の手先７０を見ることで理解できる。
【００６５】
以上、本発明によるロボットアーム操作システムについて複数の実施形態を用いて説明してきたが、上述したロボットアーム操作システムは、各処理を行う機能が実装された入力装置、演算装置、出力装置からなるシステムで実行することが可能であり、たとえば各処理を行うためのプログラムを組み込んだ一般的なパーソナルコンピュータを用いることができる。
【００６６】
また、以上説明した実施形態は単なる例示であって、本発明はこれらに限定されるものではない。実施形態は、特許請求の範囲内またはその均等の範囲内で、種々に変形したり部分的に省略したりすることができる。
【符号の説明】
【００６７】
１ 遠隔操縦部
２ ロボットアーム
３ ロボットコントローラ
４ 環境データ保存部
５ 斥力ベクトル場生成処理部
６ 仮想力生成処理部
７ 接近度合呈示部
８ カメラ画像取得部
９ 画像処理部
１０ 環境データ補正部
１１ 表示部
２０ 障害物
２１ 斥力ベクトル
３０ ロボットアーム３次元形状モデル
３１ 代表点
４０ 距離センサ部
４１ 検出回路部
４２ 距離センサ
５０ 仮想障害物設定処理部
５１ 仮想障害物
６０ 目標点
６１ 引力ベクトル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボットアームに対して遠隔からリアルタイムで受信した操縦指令値に基づいて前記ロボットアームを操縦する遠隔操縦部と、
前記ロボットアームが動作可能な作業環境内にあって前記ロボットアームの動作の障害となりうる障害物の３次元形状モデルを含む環境データを保存する環境データ保存部と、
前記作業環境内で前記障害物との距離が近いほど斥力ベクトルが大きくなるように仮想的な斥力ベクトル場を設定する斥力ベクトル場生成処理部と、
前記斥力ベクトル場を利用して前記ロボットアームに対して前記障害物から遠ざかる方向への仮想的な斥力を算出する仮想力生成処理部と、
前記仮想力生成処理部により算出された仮想的な斥力と前記遠隔操縦部からの操縦指令値とを組み合わせて前記ロボットアームへの動作指令値を生成するロボットコントローラと、
を有することを特徴とするロボットアーム操作システム。
【請求項２】
前記障害物は物体として実在しない仮想的障害物を含むことを特徴とする請求項１に記載のロボットアーム操作システム。
【請求項３】
ロボットアームに対して遠隔からリアルタイムで受信した操縦指令値に基づいて前記ロボットアームを操縦する遠隔操縦部と、
前記ロボットアームの複数個所に取り付けられて、前記ロボットアームが動作可能な作業環境内にあって前記ロボットアームの動作の障害となりうる障害物との距離を検出する複数の距離センサと、
前記距離センサによって検出された距離に基づいて、前記ロボットアームに対して前記障害物から遠ざかる方向への仮想的な斥力を算出する仮想力生成処理部と、
前記仮想力生成処理部によって算出された仮想的な斥力と前記遠隔操縦部からの操縦指令値とを組み合わせて前記ロボットアームへの動作指令値を生成するロボットコントローラと、
を有することを特徴とするロボットアーム操作システム。
【請求項４】
前記ロボットアームの先端部は手先を構成し、
前記仮想力生成処理部は、前記仮想的な斥力を算出するとともに、前記手先に対して目標位置方向への仮想的な引力を算出し、
前記ロボットコントローラは、前記仮想力生成処理部によって算出された仮想的な斥力および仮想的な引力と前記遠隔操縦部からの操縦指令値とを組み合わせて前記ロボットアームへの動作指令値を生成することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のロボットアーム操作システム。
【請求項５】
前記ロボットアームの先端部は手先を構成し、
前記仮想力生成処理部は、前記仮想的な斥力を算出するとともに、前記手先が目標位置方向を向くような仮想的な引力を算出し、
前記ロボットコントローラは、前記仮想力生成処理部によって算出された仮想的な引力と前記遠隔操縦部からの操縦指令値とを組み合わせて前記手先が前記目標位置方向を向くようにロボットアームへの動作指令値を生成することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のロボットアーム操作システム。
【請求項６】
前記仮想力生成処理部により算出された仮想的な斥力に基づいて、前記ロボットアームと前記障害物との接近度合を前記遠隔操縦部に呈示する接近度合呈示部をさらに有すること、を特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載のロボットアーム操作システム。
【請求項７】
前記障害物を撮影して画像データを取得するカメラ画像取得部と、
前記カメラ画像取得部によって取得された画像データに基づいて前記障害物の位置および形状を計算する画像処理部と、
を有し、
前記環境データは、前記画像処理部で得た前記障害物の位置および形状に基づいて生成されること、を特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載のロボットアーム操作システム。
【請求項８】
ロボットアームを遠隔から操作するロボットアーム操作方法において、
前記ロボットアームを操縦する操縦指令値をリアルタイムで受信する操縦指令値受信ステップと、
前記ロボットアームが動作可能な作業環境内にあって前記ロボットアームの動作の障害となりうる障害物の３次元形状モデルを含む環境データを保存する環境データ保存ステップと、
前記作業環境内で前記障害物との距離が近いほど斥力ベクトルが大きくなるように仮想的な斥力ベクトル場を設定する斥力ベクトル場生成ステップと、
前記斥力ベクトル場を利用して前記ロボットアームに対して前記障害物から遠ざかる方向への仮想的な斥力を算出する仮想力生成ステップと、
前記仮想力生成ステップで算出された仮想的な斥力と前記操縦指令値とを組み合わせて前記ロボットアームへの動作指令値を生成する動作指令値生成ステップと、
を有することを特徴とするロボットアーム操作方法。
【請求項９】
ロボットアームに対して遠隔からリアルタイムで受信した操縦指令値に基づいて前記ロボットアームを操縦するロボットアーム操作方法において、
前記ロボットアームの複数個所に取り付けられた複数の距離センサによって、前記ロボットアームが動作可能な作業環境内にあって前記ロボットアームの動作の障害となりうる障害物との距離を検出する距離検出ステップと、
前記距離検出ステップで検出された距離に基づいて、前記ロボットアームに対して前記障害物から遠ざかる方向への仮想的な斥力を算出する仮想力生成ステップと、
前記仮想力生成ステップで算出された仮想的な斥力と前記操縦指令値とを組み合わせて前記ロボットアームへの動作指令値を生成する動作指令値生成ステップと、
を有することを特徴とするロボットアーム操作方法。
【請求項１】
ロボットアームに対して遠隔からリアルタイムで受信した操縦指令値に基づいて前記ロボットアームを操縦する遠隔操縦部と、
前記ロボットアームが動作可能な作業環境内にあって前記ロボットアームの動作の障害となりうる障害物の３次元形状モデルを含む環境データを保存する環境データ保存部と、
前記作業環境内で前記障害物との距離が近いほど斥力ベクトルが大きくなるように仮想的な斥力ベクトル場を設定する斥力ベクトル場生成処理部と、
前記斥力ベクトル場を利用して前記ロボットアームに対して前記障害物から遠ざかる方向への仮想的な斥力を算出する仮想力生成処理部と、
前記仮想力生成処理部により算出された仮想的な斥力と前記遠隔操縦部からの操縦指令値とを組み合わせて前記ロボットアームへの動作指令値を生成するロボットコントローラと、
を有することを特徴とするロボットアーム操作システム。
【請求項２】
前記障害物は物体として実在しない仮想的障害物を含むことを特徴とする請求項１に記載のロボットアーム操作システム。
【請求項３】
ロボットアームに対して遠隔からリアルタイムで受信した操縦指令値に基づいて前記ロボットアームを操縦する遠隔操縦部と、
前記ロボットアームの複数個所に取り付けられて、前記ロボットアームが動作可能な作業環境内にあって前記ロボットアームの動作の障害となりうる障害物との距離を検出する複数の距離センサと、
前記距離センサによって検出された距離に基づいて、前記ロボットアームに対して前記障害物から遠ざかる方向への仮想的な斥力を算出する仮想力生成処理部と、
前記仮想力生成処理部によって算出された仮想的な斥力と前記遠隔操縦部からの操縦指令値とを組み合わせて前記ロボットアームへの動作指令値を生成するロボットコントローラと、
を有することを特徴とするロボットアーム操作システム。
【請求項４】
前記ロボットアームの先端部は手先を構成し、
前記仮想力生成処理部は、前記仮想的な斥力を算出するとともに、前記手先に対して目標位置方向への仮想的な引力を算出し、
前記ロボットコントローラは、前記仮想力生成処理部によって算出された仮想的な斥力および仮想的な引力と前記遠隔操縦部からの操縦指令値とを組み合わせて前記ロボットアームへの動作指令値を生成することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のロボットアーム操作システム。
【請求項５】
前記ロボットアームの先端部は手先を構成し、
前記仮想力生成処理部は、前記仮想的な斥力を算出するとともに、前記手先が目標位置方向を向くような仮想的な引力を算出し、
前記ロボットコントローラは、前記仮想力生成処理部によって算出された仮想的な引力と前記遠隔操縦部からの操縦指令値とを組み合わせて前記手先が前記目標位置方向を向くようにロボットアームへの動作指令値を生成することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のロボットアーム操作システム。
【請求項６】
前記仮想力生成処理部により算出された仮想的な斥力に基づいて、前記ロボットアームと前記障害物との接近度合を前記遠隔操縦部に呈示する接近度合呈示部をさらに有すること、を特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載のロボットアーム操作システム。
【請求項７】
前記障害物を撮影して画像データを取得するカメラ画像取得部と、
前記カメラ画像取得部によって取得された画像データに基づいて前記障害物の位置および形状を計算する画像処理部と、
を有し、
前記環境データは、前記画像処理部で得た前記障害物の位置および形状に基づいて生成されること、を特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載のロボットアーム操作システム。
【請求項８】
ロボットアームを遠隔から操作するロボットアーム操作方法において、
前記ロボットアームを操縦する操縦指令値をリアルタイムで受信する操縦指令値受信ステップと、
前記ロボットアームが動作可能な作業環境内にあって前記ロボットアームの動作の障害となりうる障害物の３次元形状モデルを含む環境データを保存する環境データ保存ステップと、
前記作業環境内で前記障害物との距離が近いほど斥力ベクトルが大きくなるように仮想的な斥力ベクトル場を設定する斥力ベクトル場生成ステップと、
前記斥力ベクトル場を利用して前記ロボットアームに対して前記障害物から遠ざかる方向への仮想的な斥力を算出する仮想力生成ステップと、
前記仮想力生成ステップで算出された仮想的な斥力と前記操縦指令値とを組み合わせて前記ロボットアームへの動作指令値を生成する動作指令値生成ステップと、
を有することを特徴とするロボットアーム操作方法。
【請求項９】
ロボットアームに対して遠隔からリアルタイムで受信した操縦指令値に基づいて前記ロボットアームを操縦するロボットアーム操作方法において、
前記ロボットアームの複数個所に取り付けられた複数の距離センサによって、前記ロボットアームが動作可能な作業環境内にあって前記ロボットアームの動作の障害となりうる障害物との距離を検出する距離検出ステップと、
前記距離検出ステップで検出された距離に基づいて、前記ロボットアームに対して前記障害物から遠ざかる方向への仮想的な斥力を算出する仮想力生成ステップと、
前記仮想力生成ステップで算出された仮想的な斥力と前記操縦指令値とを組み合わせて前記ロボットアームへの動作指令値を生成する動作指令値生成ステップと、
を有することを特徴とするロボットアーム操作方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１１４９８（Ｐ２０１２−１１４９８Ａ）
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１４９７２８（Ｐ２０１０−１４９７２８）
【出願日】平成２２年６月３０日（２０１０．６．３０）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月３０日（２０１０．６．３０）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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