專利名稱：機(jī)械手的控制裝置及控制方法、機(jī)器人、以及程序的制作方法
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(robot arm)進(jìn)行控制的機(jī)械手的控制裝置及控制方法、具有機(jī)械手的控 制裝置的機(jī)器人、以及機(jī)械手的控制程序。
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(shí)用的家用機(jī)器人被實(shí)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(bào)中公開了下述控制裝置，其中，檢測施加到機(jī)械手上的與人的接觸 力，當(dāng)向手施加了較大的力時(shí)，減小復(fù)原力來提高安全性，當(dāng)向手施加了 微小的力時(shí)，增大復(fù)原力來確保動(dòng)作精度。專利文獻(xiàn)1:特開平10 — 329071號公報(bào)但是，在上述現(xiàn)有的控制裝置中，由于僅當(dāng)向機(jī)械手施加了較大的力 時(shí)減小復(fù)原力，因此，在用機(jī)械手把持盤子并在盤子上承載物體的情況等， 因機(jī)械手與人的接觸而機(jī)械手移動(dòng)使盤子傾斜，存在盤子上承載的物體落 下的危險(xiǎn)。另外，當(dāng)機(jī)械手把持著硬物或具有尖角的物體時(shí)，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(dòng)，會(huì)撞擊到與機(jī)械手接 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(xiǎn)。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) 械手與人接觸也不會(huì)對人造成因接觸引起的損傷、且不會(huì)因接觸而機(jī)械手 移動(dòng)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(shí)現(xiàn)安全
的機(jī)器人控制的、機(jī)械手的控制裝置及控制方法、機(jī)器人、及機(jī)械手的控 制程序。為實(shí)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l形態(tài)，提供一種機(jī)械手的控制裝置，包括物體特 性數(shù)據(jù)庫，其記錄有與上述機(jī)械手所搬運(yùn)的物體的搬運(yùn)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)械手的控制方法，基于與上述 機(jī)械手所搬運(yùn)的物體的搬運(yùn)特性相關(guān)的信息，設(shè)定上述機(jī)械手的機(jī)械阻抗 設(shè)定值，將上述機(jī)械手的機(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；和對 上述機(jī)械手進(jìn)行控制的第1 16的任一形態(tài)所記載的機(jī)械手的控制裝置。根據(jù)本發(fā)明的第19形態(tài)，提供一種機(jī)械手的控制程序，使計(jì)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)械手所搬 運(yùn)的物體的搬運(yùn)特性相關(guān)的信息，設(shè)定上述機(jī)械手的機(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)械手的控制裝置及具有機(jī)械手的控制裝置的機(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)械手搬運(yùn)的物體的搬運(yùn)特性，適當(dāng)?shù)卦O(shè)定機(jī)械手的機(jī)械阻抗設(shè)定 值，因此，即使與人接觸也不會(huì)對人造成因接觸引起的損傷、且不會(huì)因接 觸而機(jī)械手移動(dòng)使搬運(yùn)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)械手的控制方法及程序，基于與上述機(jī)械手所 搬運(yùn)的物體的搬運(yùn)特性相關(guān)的信息，設(shè)定上述機(jī)械手的機(jī)械阻抗設(shè)定值， 通過將上述機(jī)械手的機(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(yùn)的物體的搬運(yùn)特性，適當(dāng)?shù)卦O(shè)定機(jī)械手的機(jī)械阻抗設(shè)定 值，因此，即使與人接觸也不會(huì)對人造成因接觸引起的損傷、且不會(huì)因接 觸而機(jī)械手移動(dòng)使搬運(yùn)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(shí)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(shí)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(shí)施方式的機(jī)械手的控制裝置的硬件結(jié)構(gòu)和作為控制對象的機(jī)械手的詳細(xì)結(jié)構(gòu)的圖；圖3是表示本發(fā)明的第一實(shí)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(shí)施方式的控制裝置的阻抗控制單元中的控 制程序的動(dòng)作步驟的流程圖；圖6是表示本發(fā)明的第一實(shí)施方式的控制裝置的整體動(dòng)作步驟的流程圖；圖7A是說明本發(fā)明的第一實(shí)施方式的機(jī)械手的控制裝置的控制對象 即機(jī)械手的動(dòng)作的圖；圖7B是說明本發(fā)明的第一實(shí)施方式的機(jī)械手的控制裝置的控制對象 即機(jī)械手的動(dòng)作的圖；圖7C是說明本發(fā)明的第一實(shí)施方式的機(jī)械手的控制裝置的控制對象 即機(jī)械手的動(dòng)作的圖；圖7D是說明本發(fā)明的第一實(shí)施方式的機(jī)械手的控制裝置的控制對象 即機(jī)械手的動(dòng)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(shí)施方式的機(jī)械手的控制裝置的控制對象即 機(jī)械手所進(jìn)行的把持動(dòng)作的圖；圖IO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(shí)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(shí)施方式的機(jī)械手的控制裝置的控制對象即機(jī)械手所進(jìn)行的其他把持動(dòng)作的圖；圖13是說明本發(fā)明的第一實(shí)施方式的機(jī)械手的控制裝置的目標(biāo)軌道 的圖,-圖14是說明本發(fā)明的第一實(shí)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(shí)施方式的機(jī)械手的控制裝置的效果的圖。
具體實(shí)施方式
下面，基于附圖，對本發(fā)明的實(shí)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(shí)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l形態(tài)，提供一種機(jī)械手的控制裝置，包括物體特 性數(shù)據(jù)庫，其記錄有與上述機(jī)械手所搬運(yùn)的物體的搬運(yùn)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l形態(tài)所述的機(jī)械手的控制裝置，其 特征在于，還包括物體特性收集單元，其收集與上述機(jī)械手所搬運(yùn)的上述 物體的搬運(yùn)特性相關(guān)的信息，并將收集到的與上述物體的搬運(yùn)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)械手接觸的 情況進(jìn)行檢測的接觸檢測單元，在上述機(jī)械手與上述人或物體接觸時(shí)，將 上述機(jī)械手的機(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)械手的手指的并進(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)上述手指的上述并進(jìn)方向?yàn)榈蛣?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) 械手所搬運(yùn)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)械手所搬運(yùn)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)械手所搬運(yùn)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)械手所搬運(yùn)的上述物體的重量 信息來作為上述機(jī)械手所搬運(yùn)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)械手所搬運(yùn)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)械手所搬運(yùn)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)械手所搬運(yùn)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)械手同時(shí)搬運(yùn)的多個(gè)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(yùn)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(yùn)的物體的危險(xiǎn)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(xiǎn)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(xiǎn)度信息是基于上述搬運(yùn)的 物體的周圍環(huán)境信息而設(shè)定的危險(xiǎn)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(yùn)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)械手的控制方法，基于與上述 機(jī)械手所搬運(yùn)的物體的搬運(yùn)特性相關(guān)的信息，設(shè)定上述機(jī)械手的機(jī)械阻抗 設(shè)定值，將上述機(jī)械手的機(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；和 對上述機(jī)械手進(jìn)行控制的第1 16的任一形態(tài)所記載的機(jī)械手的控制裝 置。 根據(jù)本發(fā)明的第19形態(tài)，提供一種機(jī)械手的控制程序，使計(jì)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)械手所搬 運(yùn)的物體的搬運(yùn)特性相關(guān)的信息，設(shè)定上述機(jī)械手的機(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(shí)施方式的機(jī)械手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(shí)施方式)圖1是表示本發(fā)明的第一實(shí)施方式的機(jī)械手的控制裝置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5搬運(yùn)的搬運(yùn) 物體例如一邊把持一邊搬運(yùn)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(yùn)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(shí)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(xiǎn)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(dòng)作。圖2是表示機(jī)械手的控制裝置1的硬件結(jié)構(gòu)和作為控制對象的機(jī)械手 5的詳細(xì)結(jié)構(gòu)的圖?？刂蒲b置1從硬件上由一般的個(gè)人計(jì)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(gè)人計(jì)算機(jī)執(zhí)行的控制程序17而以軟件實(shí)現(xiàn)。輸入輸出IF19由與個(gè)人計(jì)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(jì)數(shù)器板22構(gòu)成。通過執(zhí)行用于控制機(jī)械手5的動(dòng)作的控制程序17而控制裝置1發(fā)揮 功能，機(jī)械手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(jì)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(dòng)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(dòng)器18，按照從馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器18送出的各控制指令，對機(jī)械手5的 各關(guān)節(jié)部的后述的馬達(dá)42進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。另外，手(hand) 6中還包括作為 由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器18驅(qū)動(dòng)控制的手驅(qū)動(dòng)裝置的一例的手驅(qū)動(dòng)用馬達(dá)62 (實(shí)際 上配置在機(jī)械手5的手6的內(nèi)部)、對手驅(qū)動(dòng)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(shí)際上配置在機(jī)械手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(dòng)器18對手 驅(qū)動(dòng)用馬達(dá)62的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，使手驅(qū)動(dòng)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5是六個(gè)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(dòng)的移動(dòng)裝置連接而可移動(dòng)。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(gè)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(dòng)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5共計(jì)可繞六個(gè)軸旋轉(zhuǎn)，構(gòu)成上述六個(gè)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(dòng)器18驅(qū)動(dòng)控制的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置的一例的馬達(dá)42(實(shí)際上配置在機(jī)械手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(shí)際上配置在機(jī)械手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)系的手指坐標(biāo)系。將從絕對坐標(biāo)系 35觀察的手指坐標(biāo)系36的原點(diǎn)位置Oe (x， y， z)作為機(jī)械手5的手指 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觀察的手指坐 標(biāo)系36的姿勢的(0, 0， 作為機(jī)械手5的手指姿勢，將手指位置及 姿勢向量定義為向量r=[x， y， z， (/)， 0， 0]T。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z軸平行，第二關(guān)節(jié)部12 的橫軸位于相對于x軸平行的位置。另外，優(yōu)選第六關(guān)節(jié)部16的橫軸相 對于手指坐標(biāo)系36的x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z軸平行的位置。此外，設(shè) 相對于手指坐標(biāo)系36的x軸的旋轉(zhuǎn)角為偏轉(zhuǎn)角0 ，設(shè)相對于y軸的旋轉(zhuǎn)角為螺旋角e，設(shè)相對于z軸的旋轉(zhuǎn)角為滾轉(zhuǎn)角0。在控制機(jī)械手5的手指位置及姿勢時(shí)，使手指位置及姿勢向量r追隨手指位置及姿勢目標(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(jì)數(shù)板22，還輸入 從機(jī)械手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(yùn)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(gè)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5的手腕部7配置有力傳感器的情況下，機(jī)械手5將從把持物體并 處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)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(shí)，機(jī)械手5從力推斷單元24獲 得把持物體并處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的各關(guān)節(jié)部處產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩rext，并根據(jù)機(jī) 械手的運(yùn)動(dòng)方程來求取機(jī)械手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指上的力，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5的位置及姿勢信息，判斷機(jī)械手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(yùn)狀態(tài)檢測單元的一例的把持狀態(tài)檢測單元，當(dāng)同時(shí)把持 多個(gè)把持物體時(shí)，從根據(jù)圖像識別單元45的圖像識別結(jié)果獲得的多個(gè)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(gè)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WEB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5的手6中配置有RF標(biāo)識33的讀取單元 34 (例如，RP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(dòng)器18通過手驅(qū)動(dòng)用馬達(dá)62的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)控制使手 6張開閉合，當(dāng)機(jī)械手5的手6對物體38進(jìn)行把持時(shí)，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。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(gè)物體的特性數(shù)據(jù)。每個(gè)物體 的特性數(shù)據(jù)如圖4所示，由每個(gè)物體的ID編號、作為與ID編號相當(dāng)?shù)奈?理特性信息的一例的物體的重量信息、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(xiǎn)度信息構(gòu)成。預(yù)先測定和評價(jià)這些重量信 息、尺寸信息、硬度信息、危險(xiǎn)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5所把持的鍋?zhàn)⑷胨畷r(shí)，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(jià)。評價(jià)值基于物體38的材質(zhì)進(jìn)行評價(jià)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(diǎn)來 評價(jià)。考慮將如玻璃杯或陶瓷器那樣與其他物體碰撞即破裂的危險(xiǎn)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(dòng)判斷，進(jìn)行等級的評價(jià)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(xiǎn)度信息，例如，進(jìn)行等級1 5的5級 評價(jià)。作為評價(jià)值的具體例子，將如刃具那樣危險(xiǎn)性高、認(rèn)為由機(jī)械手5 處理時(shí)最需要注意的物體設(shè)為危險(xiǎn)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(huì)帶來危險(xiǎn)的物體設(shè)為危險(xiǎn)度最 低的"等級1"。這些危險(xiǎn)度信息預(yù)先由人進(jìn)行判斷，進(jìn)行等級的評價(jià)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?；蛘撸?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(xiǎn)的把持物體，將危險(xiǎn)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(shí)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的位置信息。進(jìn)而，例如，如圖9所示，在由機(jī)械手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(xiǎn)，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(shí)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(yùn)， 則由把持狀態(tài)檢測單元53進(jìn)行推斷并將危險(xiǎn)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(yùn)特性信息，根 據(jù)所把持的物體38，進(jìn)行機(jī)械手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(jià)式來進(jìn)行。[數(shù)學(xué)式1]M = KMmX (重量[k g] ) +KM 1 X (尺寸[m〗)+KMkX (硬度)+KMdX (危險(xiǎn)度)......式(1)[數(shù)學(xué)式2]D = KDmX (重量〔k g] ) +KD 1 X (尺寸〔m] ) +KDkX (硬度)+KDdX (危險(xiǎn)度)......式(2)[數(shù)學(xué)式3]K = KKmX (重量[k g] ) +KK 1 X (尺寸[m] ) +KKkX (硬度〉+KKdX (危險(xiǎn)度)..'' *式(3) 上述式(1) (3)中的KMm、 KMI、 KMk、 KMd、 KDm、 KDI、 KD k、 KDd、 KKm、 KKI、 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(jì)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5移動(dòng)時(shí)需要較大的力， 即使稍微用手推動(dòng)機(jī)械手5其也不會(huì)移動(dòng)(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5 移動(dòng)(產(chǎn)生的加速度大)。另外，在如刃具那樣危險(xiǎn)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5的移動(dòng)中會(huì)產(chǎn)生 阻力感或硬度，不易移動(dòng)。反之在如毛巾那樣危險(xiǎn)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5的移動(dòng)中不存在阻 力感和硬度，容易移動(dòng)。在同時(shí)把持有多個(gè)物體時(shí)，關(guān)于重量使用將同時(shí)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(jì)算。另外，關(guān)于尺寸，使用同時(shí)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(jì)算。另外，關(guān)于硬度，使用同時(shí)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(jì)算。另外，關(guān)于危險(xiǎn)度，使用同時(shí)把持的物體的危險(xiǎn)度中最大的危險(xiǎn)度進(jìn) 行機(jī)械阻抗設(shè)定值的計(jì)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。從機(jī)械手5輸出由各個(gè)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^[ch， q2， q3， q 4， q5， q6]T，并通過計(jì)數(shù)板22取入到阻抗控制單元4中。其中，&、 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(shí)現(xiàn)作為目標(biāo)的機(jī)械手5的動(dòng)作的手指位置及姿勢目標(biāo)向量rd。如圖13所示，作為目標(biāo)的機(jī)械手5的動(dòng)作 根據(jù)目的作業(yè)，事前被賦予各自的時(shí)間(t二O， t二、， t = t2，)的按 每個(gè)點(diǎn)的位置(rd。， rdl， rd2，)，目標(biāo)軌道生成單元23使用多項(xiàng) 式插值，補(bǔ)充各點(diǎn)間的軌道，來生成手指位置及姿勢目標(biāo)向量rd。24是輸入推斷單元，推斷由人等與機(jī)械手5的接觸而對機(jī)械手5施加 的外力。通過A/D板21，將由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器18的電流傳感器測量的、對機(jī) 械手5的各關(guān)節(jié)部進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的馬達(dá)42中流動(dòng)的電流值i二[ii， i2， i3， i4， i 5， ie]T取入到力推斷單元24中，另外，通過計(jì)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(yùn)動(dòng)學(xué)(inverse kinematics)計(jì)算單元 28的關(guān)節(jié)角度誤差補(bǔ)償輸出Uqe。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(bǔ)償輸出Uqe，算出 因施加到機(jī)械手5的外力而在各關(guān)節(jié)部產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩t ext = [ t lext ， t 2ext，T3ext，T4ext， T5ext， r6ext]T。然后，根據(jù)Fext二Jv(q) —T Text —
T換算成機(jī)械手5的手指的等效手指外力F^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 = J v ( q ) q其中，V=[VX， Vy， Vz，COx，COy，COz]T，(Vx， Vy ， Vz)是手指坐標(biāo)系36下的機(jī)械手5的手指的并進(jìn)速度，(cox， coy， coj是手指坐標(biāo)系 36下的機(jī)械手5的手指的角速度。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5實(shí)際進(jìn)行把持，根據(jù)此時(shí)的力推斷單元24 的等效手指外力Fext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所推斷的等效手指外力Fw進(jìn) 行觀測，檢測機(jī)械手5與人或其他物體的接觸。由于在發(fā)生接觸時(shí)等效手 指外力F^會(huì)變化，因此，當(dāng)該變化量超過某一值A(chǔ)F時(shí)，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(shí)，接觸檢測單 元37向阻抗計(jì)算單元25通知檢測到接觸的事實(shí)。阻抗計(jì)算單元25是對機(jī)械手5發(fā)揮實(shí)現(xiàn)控制上述機(jī)械手的機(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5與人或其他物體的接觸的通常動(dòng)作時(shí)輸出0。另一方面，當(dāng)由接觸檢 測單元37檢測到機(jī)械手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(shí)，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F^，基于以下的式(4)來計(jì)算對機(jī)械手5實(shí)現(xiàn)上述機(jī)械手的機(jī)械 阻抗的值向機(jī)械阻抗設(shè)定值的控制用的手指位置及姿勢目標(biāo)修正輸出rdA 并輸出。手指位置及姿勢目標(biāo)修正輸出r必被加到目標(biāo)軌道生成單元23所 輸出的手指位置及姿勢目標(biāo)向量rd上，生成手指位置及姿勢目標(biāo)修正向量rdm。[數(shù)學(xué)式5]rrfA = + + k )-'F", ......式(4)其中， [數(shù)學(xué)式6]0000o一0A/000000000000000000000000式7]z 0000o-0000000Z)00000000000oZ)000000式(5)[數(shù)學(xué)式8]<formula>formula see original document page 21</formula>s是拉普拉斯算子。26是正運(yùn)動(dòng)學(xué)(forwardkinematics)計(jì)算單元，將來自機(jī)械手5的各 個(gè)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(jì)數(shù)板22輸入，進(jìn)行從機(jī)械手5的關(guān)節(jié)角度向量q向手指位置及姿勢向 量r的變換的幾何科學(xué)計(jì)算。27是位置誤差補(bǔ)償單元，被輸入根據(jù)在機(jī)械手5中測量的關(guān)節(jié)角度向 量q由正運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算單元26計(jì)算的手指位置及姿勢向量r、與手指位置及 姿勢修正目標(biāo)向量rdm之間的誤差re，向近似逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算單元28輸出位 置誤差補(bǔ)償輸出u,.e。在近似逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算單元28中，根據(jù)近似式u。ut二JJq) —iiiin，進(jìn) 行逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的近似計(jì)算。其中，Jjq)是滿足下式的雅可比矩陣，[數(shù)學(xué)式9]r = J r U) qUh是向近似逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算單元28的輸入，u。ut是來自逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算 單元28的輸出，若將輸入U(xiǎn)i。作為關(guān)節(jié)角度誤差qe，則成為如qe二Jr(q) 一 1 那樣從手指位置及姿勢誤差re向關(guān)節(jié)角度誤差qe的變換式。因此， 當(dāng)位置誤差補(bǔ)償輸出u^被輸入到近似逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算單元28中，則作為其 輸出，從近似逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算單元28輸出對關(guān)節(jié)角度誤差qe進(jìn)行補(bǔ)償用的關(guān)節(jié)角度誤差補(bǔ)償輸出Uqe。關(guān)節(jié)角度誤差補(bǔ)償輸出Uq 6通過D/A板20被賦予到馬達(dá)驅(qū)動(dòng)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(dòng)，從而機(jī)械手5 動(dòng)作。關(guān)于如上那樣構(gòu)成的阻抗控制單元4，對機(jī)械手5的阻抗控制動(dòng)作的
原理進(jìn)行說明。阻抗控制動(dòng)作的基礎(chǔ)是由位置誤差補(bǔ)償單元27進(jìn)行的手指位置及姿 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(bǔ)償單元27，例如若使用PID補(bǔ)償器，則按照使 手指位置及姿勢誤差re收斂到0的方式進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)作為目標(biāo)的機(jī)械 手5的阻抗控制動(dòng)作。在由接觸檢測單元37檢測到機(jī)械手5與人或其他物體的接觸的情況 下，通過阻抗計(jì)算單元25對上述說明過的位置控制系統(tǒng)29加上手指位置 及姿勢目標(biāo)修正輸出rdA，進(jìn)行手指位置及姿勢的目標(biāo)值的修正。為此，上 述的位置控制系統(tǒng)29使手指位置及姿勢的目標(biāo)值稍稍偏離原來的值，結(jié) 果，實(shí)現(xiàn)將上述機(jī)械手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(dòng)作。由于根據(jù)式(4)能算出手指位置及姿勢目標(biāo)修正輸出rdA，因此， 能實(shí)現(xiàn)將上述機(jī)械手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(dòng)作。結(jié)合圖5的流程圖，對基于以上原理的控制程序的實(shí)際動(dòng)作步驟進(jìn)行 說明。在步驟1中，將由各個(gè)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l內(nèi)。接著，在步驟2中，由近似逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算單元28進(jìn)行機(jī)械手5的運(yùn) 動(dòng)學(xué)計(jì)算所需要的雅可比矩陣Jr等的計(jì)算。然后，在步驟3 (正運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算單元26中的處理)中，通過正運(yùn)動(dòng)學(xué) 計(jì)算單元26，根據(jù)來自機(jī)械手5的關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)(關(guān)節(jié)角度向量q)，計(jì) 算機(jī)械手5的當(dāng)前的手指位置及姿勢向量r。接著，在步驟4中，基于控制裝置l的存儲器(未圖示)中預(yù)先存儲 的機(jī)械手5的動(dòng)作程序，通過目標(biāo)軌道生成單元23計(jì)算機(jī)械手10的手指 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(dòng)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(bǔ)償輸出Uqe ，算出機(jī)械手5的手指處的等效手指外力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(jì)算出的機(jī)械手5的手指處的等效手指外力Fext，判斷機(jī)械手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(jì)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(jì)算出的施加到機(jī)械手5 的等效手指外力Fext，由阻抗計(jì)算單元25計(jì)算手指位置及姿勢目標(biāo)修正輸 出rdA。然后，進(jìn)入到步驟8。在步驟7，(阻抗計(jì)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5與人或其他物體無接觸的情況下，由阻抗計(jì)算單元25使手 指位置及姿勢目標(biāo)修正輸出rdA為O向量。然后，進(jìn)入到步驟8。在步驟8 (位置誤差補(bǔ)償單元27中的處理)中，由位置誤差補(bǔ)償單元 27計(jì)算手指位置及姿勢目標(biāo)向量rd與手指位置及姿勢目標(biāo)修正輸出r必之 和即手指位置及姿勢修正目標(biāo)向量rdm、與當(dāng)前的手指位置及姿勢向量r 之差即手指位置及姿勢的誤差re。作為位置誤差補(bǔ)償單元27的具體例， 考慮PID補(bǔ)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(gè)增益，進(jìn)行使位置誤差收斂到O的控制。接著，在步驟9 (近似逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算單元28中的處理)中，通過近似 逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算單元28乘以步驟2中計(jì)算出的雅可比矩陣Jr的逆矩陣，從 而將位置誤差補(bǔ)償輸出u,e通過近似逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算單元28從與手指位置及 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(bǔ)償輸出uqe。然后，在步驟10中，關(guān)節(jié)角度誤差補(bǔ)償輸出Uqe從近似逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算單元28通過D/A板20被賦予到馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器18，通過使各個(gè)馬達(dá)42中流 動(dòng)的電流量變化，產(chǎn)生機(jī)械手5的各個(gè)關(guān)節(jié)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。以上的步驟1 步驟10作為控制的計(jì)算循環(huán)被反復(fù)執(zhí)行，從而可實(shí)現(xiàn) 機(jī)械手5的動(dòng)作的控制、即將機(jī)械手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(dòng)作。接著，針對本發(fā)明的第一實(shí)施方式的控制裝置l的整體動(dòng)作，基于圖
6的流程圖，作為一個(gè)具體例，對由機(jī)械手5 —邊把持物體38 —邊進(jìn)行搬運(yùn)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5的手指位置及姿勢的控制，并且，通過控制裝置1驅(qū)動(dòng) 控制手驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn) 物體38的把持動(dòng)作(參照圖7A所示的把持動(dòng)作)。此外，在生成上述目 標(biāo)軌道時(shí)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(dòng)裝置等使機(jī)械手5 移動(dòng)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(jì)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5的手 6 —邊對物體38進(jìn)行把持一邊進(jìn)行搬運(yùn)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5的手指位置及姿勢的控制，從而實(shí)現(xiàn) 搬運(yùn)動(dòng)作(參照圖7B中箭頭所示的搬運(yùn)動(dòng)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(dòng)作)機(jī)械手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(dòng)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5的接觸動(dòng)作的 情況下)使動(dòng)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(yùn)動(dòng)作是否完成的判定。 在搬運(yùn)動(dòng)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(jì) 算，繼續(xù)進(jìn)行搬運(yùn)動(dòng)作，另--方面，在搬運(yùn)動(dòng)作已完成的情況下，到目標(biāo) 位置為止的目標(biāo)軌道的計(jì)算完成，輸出目的地的位置作為rd，并且，在機(jī) 械手5的實(shí)際的手指位置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(yùn)并且搬運(yùn)完成的情況下，轉(zhuǎn)移 到步驟I。在搬運(yùn)動(dòng)作未完成處于搬運(yùn)中途的情況下，繼續(xù)進(jìn)行步驟E的 搬運(yùn)動(dòng)作。在步驟H中，通過阻抗控制單元4進(jìn)行阻抗控制動(dòng)作，將上述機(jī)械手 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(jì)算的機(jī)械阻抗 設(shè)定值(阻抗控制單元4中的動(dòng)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(dòng)作。在步驟I中，若把持物體38的搬運(yùn)完成，則通過控制裝置1的控制而 機(jī)械手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(dòng)作)。接著，在步驟J中，由目標(biāo)軌道生成單元23向阻抗計(jì)算單元25輸出 動(dòng)作完成告知信號201，由阻抗計(jì)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(dòng)作步驟A 步驟J，實(shí)現(xiàn)由機(jī)械手5進(jìn)行的物體的搬運(yùn) 作業(yè)，在由接觸檢測單元37檢測到接觸的情況下，實(shí)現(xiàn)向阻抗控制動(dòng)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5與人或其他物 體接觸時(shí)，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5柔韌地移動(dòng)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(yùn)時(shí)，由于控制為即使與人接觸而機(jī)械手5柔韌地移動(dòng)也 要維持手指的姿勢，因此，盤子被維持水平，不會(huì)使杯子落下。因此，如圖15所示，相對于機(jī)械手5的手指的目標(biāo)軌道TA，當(dāng)由接 觸檢測單元37檢測到與人(例如，手IOO)的接觸時(shí)，在沒有進(jìn)行適當(dāng)?shù)?機(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(shí)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(xiǎn)。例如，由于可根據(jù)把持物體38的重量來改變機(jī)械手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，即，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(shí)，可增強(qiáng)彈性、增大阻力，所以，在 人用手100推動(dòng)機(jī)械手5時(shí)，達(dá)到所需程度以上才能使機(jī)械手5移動(dòng)，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(xiǎn) 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(dòng)機(jī)械手5時(shí)，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(dòng)。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(xiǎn)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(huì)通過物體特性呼應(yīng)阻抗設(shè) 定單元3根據(jù)危險(xiǎn)度較大地設(shè)定，從而對機(jī)械手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(dòng)的危險(xiǎn)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(yùn)的情況下，例如，在機(jī)械手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(xiǎn)度數(shù)據(jù)設(shè)為危險(xiǎn)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5控制為不易移動(dòng)，因此，即使被人用手推動(dòng)，也能防止機(jī)械手劇烈移動(dòng)而使熱水飛濺。如上所述，根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式的控制裝置1，即使與人接觸，也不會(huì)對人造成因接觸引起的損傷，并且，可提供不會(huì)因接觸而機(jī)械手5 移動(dòng)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(shí)現(xiàn) 安全的機(jī)器人控制的控制裝置。(第二實(shí)施方式)由于本發(fā)明的第二實(shí)施方式中的機(jī)械手的控制裝置的基本結(jié)構(gòu)與圖 1、圖2所示的第一實(shí)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(xiàng)目，針對各個(gè)項(xiàng)目預(yù)先記錄有1或0的數(shù)值。當(dāng)姿勢維持的項(xiàng)目為1時(shí)，表示存在不使物體姿勢移動(dòng)地進(jìn)行固定的 姿勢的限制條件的信息，機(jī)械手5的手6的手指的旋轉(zhuǎn)(0, 0 , ^ )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，手指即手 6的姿勢被控制為不易變動(dòng)。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(xiǎn)，因此，為了維持作為手指的手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(xiàng)目設(shè)定 為1。把持規(guī)則表31的項(xiàng)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(xiàng)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(shí)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(shí)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(yùn)，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(xiàng)目設(shè)為1。另外，在位置維持的項(xiàng)目為l時(shí)，作為機(jī)械手5的手指的手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，手指即手6的姿勢被控制為不易變動(dòng)。例如，在機(jī)械手5的手指即手6的附近存在家具等，作為手指的手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(xiǎn)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(xiàng)目設(shè)為1。另外，在高度維持的項(xiàng)目為l時(shí)，作為機(jī)械手5的手指的手6的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，維持手 指即手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(xiǎn)，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(xiàng)目設(shè)為1。該情況下，作為機(jī) 械手5的手指的手6的-z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，手指即手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)械手的機(jī)械阻抗的值控制 為機(jī)械阻抗設(shè)定值的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行說明。手指位置及姿勢目標(biāo)修正輸出rdA在阻抗計(jì)算單元25中根據(jù)下式(8)進(jìn)行計(jì)算。[數(shù)學(xué)式10]<formula>formula see original document page 29</formula>a J是阻抗控制系數(shù),當(dāng)機(jī)械手5與人等未接觸而處于通常的位置控制模式時(shí)，阻抗控制系 數(shù)的所有成分(a^， Qfy， az， o^， ae， a^)被物體特性呼應(yīng)阻抗設(shè) 定單元3設(shè)定為0。此時(shí)，在式(8)中由阻抗計(jì)算單元25計(jì)算的手指位 置及姿勢目標(biāo)修正輸出fdA的各成分為0，不進(jìn)行手指位置及姿勢目標(biāo)的修 正，阻抗控制單元4作為位置控制系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)作。在機(jī)械手5與人等發(fā)生接觸，由接觸檢測單元37檢測到該接觸時(shí)， 阻抗控制系數(shù)的一部分成分被阻抗計(jì)算單元25改變。例如，在接觸檢測 時(shí)，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(xiàng)目為l時(shí)，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 (ax， ay， az)被切換為l，與姿勢對應(yīng)的成分(a^， ae， a^) 維持O。由此，關(guān)于手指的位置(x， y， z)被阻抗控制單元4控制成為剛 性K，手指的姿勢(0， S， W)由阻抗控制單元4維持位置控制。因此，例如，若慣性M-O、 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(shí)，因機(jī)械手5與 人接觸而手指即手6的位置柔韌地移動(dòng)從而可發(fā)揮安全性，另一方面，由 于手指即手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(yùn)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(huì)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5的機(jī)械阻抗的值按手指
即手6的方向控制為機(jī)械阻抗設(shè)定值，從而可實(shí)現(xiàn)能同時(shí)滿足確保針對與 人接觸的安全性、且實(shí)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(shí)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IO那樣按位置維持成分、姿勢維持成分、進(jìn)而按土方向來指 定機(jī)械阻抗設(shè)定值的切換的動(dòng)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(dòng)作。(第三實(shí)施方式)本發(fā)明的第三實(shí)施方式中的控制裝置的基本結(jié)構(gòu)與上述第二實(shí)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(shí)施方式的、機(jī)械手的控制裝置的阻抗控制單元4A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(bǔ)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(shí)施方式的上述控制裝置的阻抗控制單元4A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(bǔ)償單元27是PD補(bǔ)償器，根據(jù)下式(10) 計(jì)算位置誤差補(bǔ)償輸出u,e。[數(shù)學(xué)式12]、=K KD| ......式UO)其中，Kp是比例增益矩陣，Ko是微分增益矩陣，其對角成分是由針 對手指位置向量 [數(shù)學(xué)式13]r= [x, y> z'0,0,</>]T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(dòng)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(dòng)作，位置誤差補(bǔ)償單元27根據(jù)以式(10)計(jì)算 的增益進(jìn)行動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手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(bǔ) 償單元27的增益進(jìn)行調(diào)整。[數(shù)學(xué)式14]/ic;-ai^ + (/-")j^ ......式(i i)[數(shù)學(xué)式15]= + ......式(12)其中，a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(bǔ)償單元27的位置誤差補(bǔ)償輸出u^被按方向阻抗調(diào)整單元32調(diào) 整增益，通過下式(13)計(jì)算。[數(shù)學(xué)式16]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，a的對角成分("x， ay， az， c^， afe， a^) 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、 Ko進(jìn)行反饋，因此，機(jī)械手5進(jìn)行位置控制模式的動(dòng)作。另一方面，在其他方向成分中，由于機(jī)械手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K〈Kp，則 在接觸時(shí)，對應(yīng)的方向的位置控制的比例增益減小，機(jī)械手5的剛性降低。 另外，若沒粘性D〈Kd，則在接觸時(shí)，對應(yīng)的方向的位置控制的微分增益 減小，機(jī)械手5的粘性降低。在前面記載的第一實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)剛性、粘 性。因此，對于該第三實(shí)施方式的剛性K、粘性D的具體數(shù)值， 一邊以試 驗(yàn)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(shí)施方式的機(jī)械手的控制裝置中，通過調(diào)整位置誤差補(bǔ)償單元27的增益，按手指的方向虛擬地實(shí)現(xiàn)將上述機(jī)械手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(shí)現(xiàn)能同時(shí)滿足確保針對 與人接觸的安全性、且實(shí)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(shí)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(shí)施方式中，將屬性信息設(shè)為危險(xiǎn)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(shí)，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5的機(jī)械阻抗設(shè)定值被設(shè)定得較高，因庇，可降低重要物品破損的危險(xiǎn)度。此外，在上述實(shí)施方式中，以機(jī)械手為例進(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(dòng)的移動(dòng)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(dòng)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(shí)施方式中的任意實(shí)施方式，能發(fā)揮各 自具有的效果。(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)械手的動(dòng)作進(jìn) 行控制的機(jī)械手的控制裝置及控制方法、具有機(jī)械手的控制裝置的機(jī)器 人、以及機(jī)械手的控制程序有用。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(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械手的控制裝置及控制 方法、具有機(jī)械手的控制裝置的機(jī)器人、以及機(jī)械手的控制程序。本發(fā)明參照附圖，與優(yōu)選實(shí)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
1、一種機(jī)械手的控制裝置，包括物體特性數(shù)據(jù)庫，其記錄有與上述機(jī)械手所搬運(yùn)的物體的搬運(yùn)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。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)械手的控制裝置，其特征在于， 還包括物體特性收集單元，其收集與上述機(jī)械手所搬運(yùn)的上述物體的搬運(yùn)特性相關(guān)的信息，并將收集到的與上述物體的搬運(yùn)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)械手接觸的情況進(jìn)行檢 測的接觸檢測單元，在上述機(jī)械手與上述人或物體接觸時(shí)，將上述機(jī)械手 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)定的所述機(jī) 械阻抗設(shè)定值。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的機(jī)械手的控制裝置，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)械手的手指的并進(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。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的機(jī)械手的控制裝置，其特征在于， 上述特性呼應(yīng)阻抗設(shè)定單元設(shè)上述手指的上述并進(jìn)方向?yàn)榈蛣傂?，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)械手所 搬運(yùn)的上述物體保持水平。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的機(jī)械手的控制裝置，其特征在于，上述物體特性數(shù)據(jù)庫具有上述機(jī)械手所搬運(yùn)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。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的機(jī)械手的控制裝置，其特征在于， 上述物體特性數(shù)據(jù)庫具有上述機(jī)械手所搬運(yùn)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。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的機(jī)械手的控制裝置，其特征在于，上述物體特性數(shù)據(jù)庫具有上述機(jī)械手所搬運(yùn)的上述物體的重量信息 來作為上述機(jī)械手所搬運(yùn)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。
9、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的機(jī)械手的控制裝置，其特征在于， 上述物體特性數(shù)據(jù)庫具有上述機(jī)械手所搬運(yùn)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。
10、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的機(jī)械手的控制裝置，其特征在于，上述物體特性數(shù)據(jù)庫具有上述機(jī)械手所搬運(yùn)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。
11、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的機(jī)械手的控制裝置，其特征在于， 上述物體特性數(shù)據(jù)庫具有上述機(jī)械手所搬運(yùn)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。
12、 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的機(jī)械手的控制裝置，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)械手同時(shí)搬運(yùn)的多個(gè)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。
13、 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的機(jī)械手的控制裝置，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(yùn)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。
14、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的機(jī)械手的控制裝置，其特征在于， 上述物體特性數(shù)據(jù)庫具有上述搬運(yùn)的物體的危險(xiǎn)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(xiǎn)度信息，設(shè)定上述機(jī)械阻抗設(shè)定值。
15、 根據(jù)權(quán)利要求14所述的機(jī)械手的控制裝置，其特征在于，上述物體特性數(shù)據(jù)庫所具有的危險(xiǎn)度信息是基于上述搬運(yùn)的物體的 周圍環(huán)境信息而設(shè)定的危險(xiǎn)度信息。
16、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的機(jī)械手的控制裝置，其特征在于， 上述物體特性數(shù)據(jù)庫具有上述搬運(yùn)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。
17、 一種機(jī)械手的控制方法，基于與上述機(jī)械手所搬運(yùn)的物體的搬運(yùn)特性相關(guān)的信息，設(shè)定上述機(jī) 械手的機(jī)械阻抗設(shè)定值，將上述機(jī)械手的機(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。
18、 一種機(jī)器人，包括 上述機(jī)械手；和對上述機(jī)械手進(jìn)行控制的權(quán)利要求1、 2、 5、 8 16的任一項(xiàng)所述的 機(jī)械手的控制裝置。
19、 一種機(jī)械手的控制程序，使計(jì)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)械手所搬運(yùn)的物體的搬運(yùn)特性相關(guān)的信息，設(shè)定上述機(jī)械手的機(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。
全文摘要
一種機(jī)械手控制裝置，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B25J19/06GK101213052SQ200680023568
公開日2008年7月2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(huì)社