机械手臂的控制装置的制作方法

专利名称：机械手臂的控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及对家用机器人等能与人进行物理接触的机器人的机械手臂(robot arm)进行控制的机械手臂的控制装置及控制方法、具有机械手臂的控制装置的机器人、以 及机械手臂的控制程序。
背景技术：
近年，宠物机器人等家用机器人的开发正在积极进行，可期待将来家务支援机器 人等更实用的家用机器人被实用化。家用机器人需要进入家庭与人类共存，因此，与人类的 物理接触不可避免，从安全性方面考虑，需要柔韧性。针对这样的课题，作为现有技术，在专利文献1的特开平10-329071号公报中公 开了下述控制装置，其中，检测施加到机械手臂上的与人的接触力，当向手施加了较大的力 时，减小复原力来提高安全性，当向手施加了微小的力时，增大复原力来确保动作精度。专利文献1 特开平10-329071号公报但是，在上述现有的控制装置中，由于仅当向机械手臂施加了较大的力时减小复 原力，因此，在用机械手臂把持盘子并在盘子上承载物体的情况等，因机械手臂与人的接触 而机械手臂移动使盘子倾斜，存在盘子上承载的物体落下的危险。另外，当机械手臂把持着 硬物或具有尖角的物体时，若仅减小复原力，则因与人的接触而硬物或有尖角的物体移动， 会撞击到与机械手臂接触的人、在附近的其他人、或者家具等其他物体，存在造成损伤的危 险。

发明内容
本发明的目的在于解决上述现有的控制装置的课题，提供一种即使机械手臂与人 接触也不会对人造成因接触引起的损伤、且不会因接触而机械手臂移动使把持物体落下或 与其他人或其他物体接触带来损伤的、能实现安全的机器人控制的、机械手臂的控制装置 及控制方法、机器人、及机械手臂的控制程序。为实现上述目的，本发明按以下方式构成。根据本发明的第1形态，提供一种机械手臂的控制装置，包括物体特性数据库， 其记录有与上述机械手臂所搬运的物体的搬运特性相关的信息；物体特性呼应阻抗设定单 元，其基于上述物体特性数据库的上述信息，设定上述机械手臂的机械阻抗设定值；和阻抗 控制单元，其将上述机械手臂的机械阻抗的值控制为上述物体特性呼应阻抗设定单元所设 定的机械阻抗设定值。根据本发明的第17形态，提供一种机械手臂的控制方法，基于与上述机械手臂所搬运的物体的搬运特性相关的信息，设定上述机械手臂的机械阻抗设定值，将上述机械手 臂的机械阻抗的值控制为上述设定的上述机械阻抗设定值。根据本发明的第18形态，提供一种机器人，包括上述机械手臂；和对上述机械手 臂进行控制的第1 16的任一形态所记载的机械手臂的控制装置。根据本发明的第19形态，提供一种机械手臂的控制程序，使计算机作为如下单元 发挥功能物体特性呼应阻抗设定单元，其基于与机械手臂所搬运的物体的搬运特性相关 的信息，设定上述机械手臂的机械阻抗设定值；和阻抗控制单元，其将上述机械手臂的机械 阻抗的值控制为上述物体特性呼应阻抗设定单元所设定的机械阻抗设定值。(发明效果)根据本发明的机械手臂的控制装置及具有机械手臂的控制装置的机器人，通过包括物体特性数据库、物体特性呼应阻抗设定单元和阻抗控制单元，根据由机械手臂搬运的 物体的搬运特性，适当地设定机械手臂的机械阻抗设定值，因此，即使与人接触也不会对人 造成因接触引起的损伤、且不会因接触而机械手臂移动使搬运的物体落下或与其他人或其 他物体接触带来损伤的、安全的机器人控制。另外，根据本发明的机械手臂的控制方法及程序，基于与上述机械手臂所搬运的 物体的搬运特性相关的信息，设定上述机械手臂的机械阻抗设定值，通过将上述机械手臂 的机械阻抗的值控制为上述设定的上述机械阻抗设定值，从而根据搬运的物体的搬运特 性，适当地设定机械手臂的机械阻抗设定值，因此，即使与人接触也不会对人造成因接触引 起的损伤、且不会因接触而机械手臂移动使搬运的物体落下或与其他人或其他物体接触带 来损伤的、安全的机器人控制。


本发明的这些和其他目的与特征，通过针对附图的与优选实施方式有关的以下描 述可以明确。在该附图中，图1是表示本发明的第一实施方式的控制装置的概念的框图；图2是表示本发明的第一实施方式的机械手臂的控制装置的硬件结构和作为控 制对象的机械手臂的详细结构的图；图3是表示本发明的第一实施方式的控制装置的阻抗控制单元的结构的框图；图4是说明物体特性数据库的特性一览表的图；图5是表示本发明的第一实施方式的控制装置的阻抗控制单元中的控制程序的 动作步骤的流程图；图6是表示本发明的第一实施方式的控制装置的整体动作步骤的流程图；图7A是说明本发明的第一实施方式的机械手臂的控制装置的控制对象即机械手 臂的动作的图；图7B是说明本发明的第一实施方式的机械手臂的控制装置的控制对象即机械手 臂的动作的图；图7C是说明本发明的第一实施方式的机械手臂的控制装置的控制对象即机械手 臂的动作的图；图7D是说明本发明的第一实施方式的机械手臂的控制装置的控制对象即机械手臂的动作的图；图8是说明物体特性数据库的把持规则表的图；图9是说明本发明的第二实施方式的机械手臂的控制装置的控制对象即机械手 臂所进行的把持动作的图；图10是说明物体特性数据库的另一把持规则表的图；图11是说明本发明的第三实施方式的控制装置的阻抗控制单元的结构的图；图12是说明本发明的第二实施方式的机械手臂的控制装置的控制对象即机械手 臂所进行的其他把持动作的图；图13是说明本发明的第一实施方式的机械手臂的控制装置的目标轨道的图；图14是说明本发明的第一实施方式的物体特性收集单元的详细情况的框图； 图15是说明本发明的第一实施方式的机械手臂的控制装置的效果的图。
具体实施例方式下面，基于附图，对本发明的实施方式进行详细说明。在附图中，对相同部件标注 了相同参照标记。以下，在参照附图对本发明的实施方式进行详细说明之前，对本发明的各种形态 进行说明。根据本发明的第1形态，提供一种机械手臂的控制装置，包括物体特性数据库， 其记录有与上述机械手臂所搬运的物体的搬运特性相关的信息；物体特性呼应阻抗设定单 元，其基于上述物体特性数据库的上述信息，设定上述机械手臂的机械阻抗设定值；和阻抗 控制单元，其将上述机械手臂的机械阻抗的值控制为上述物体特性呼应阻抗设定单元所设 定的上述机械阻抗设定值。根据本发明的第2形态，基于第1形态所述的机械手臂的控制装置，其特征在于， 还包括物体特性收集单元，其收集与上述机械手臂所搬运的上述物体的搬运特性相关的信 息，并将收集到的与上述物体的搬运特性相关的信息记录到上述物体特性数据库中。根据本发明的第3形态，基于第1或第2形态所述的机械手臂的控制装置，其特征 在于，上述阻抗控制单元具有对人或物体与上述机械手臂接触的情况进行检测的接触检测 单元，在上述机械手臂与上述人或物体接触时，将上述机械手臂的机械阻抗的值控制为上 述物体特性呼应阻抗设定单元所设定的上述机械阻抗设定值。根据本发明的第4形态，基于第1或第2形态所述的机械手臂的控制装置，其特征 在于，上述特性呼应阻抗设定单元基于上述物体特性数据库的上述信息，对上述机械手臂 的手的并进方向及旋转方向的六维方向的机械阻抗设定值分别进行设定。根据本发明的第5形态，基于第4形态所述的机械手臂的控制装置，其特征在于， 上述特性呼应阻抗设定单元设上述手的上述并进方向为低刚性，设上述旋转方向与上述并 进方向相比为高刚性，从而设定为使上述机械手臂所搬运的上述物体保持水平。根据本发明的第6形态，基于第1或第2形态所述的机械手臂的控制装置，其特征 在于，上述物体特性数据库具有上述机械手臂所搬运的上述物体的物理特性信息，上述特 性呼应阻抗设定单元基于上述物体特性数据库的上述物理特性信息，设定上述机械阻抗设 定值。
根据本发明的第7形态，基于第1或第2形态所述的机械手臂的控制装置，其特征 在于，上述物体特性数据库具有上述机械手臂所搬运的上述物体的属性信息，上述特性呼 应阻抗设定单元基于上述物体特性数据库的上述属性信息，设定上述机械阻抗设定值。根据本发明的第8形态，基于第6形态所述的机械手臂的控制装置，其特征在于， 上述物体特性数据库具有上述机械手臂所搬运的上述物体的重量信息来作为上述机械手 臂所搬运的上述物体的物理特性信息，上述特性呼应阻抗设定单元基于上述物体特性数据 库的上述重量信息，设定上述机械阻抗设定值。根据本发明的第9形态，基于第6形态所述的机械手臂的控制装置，其特征在于， 上述物体特性数据库具有上述机械手臂所搬运的上述物体的尺寸信息来作为上述物理特 性信息，上述特性呼应阻抗设定单元基于上述尺寸信息，设定上述机械阻抗设定值。根据本发明的第10形态，基于第6形态所述的机械手臂的控制装置，其特征在于， 上述物体特性数据库具有上述机械手臂所搬运的上述物体的硬度信息来作为上述物理特 性信息，上述特性呼应阻抗设定单元基于上述物体特性数据库的上述硬度信息，设定上述 机械阻抗设定值。根据本发明的第11形态，基于第6形态所述的机械手臂的控制装置，其特征在于， 上述 物体特性数据库具有上述机械手臂所搬运的上述物体的位置及姿势的限制条件信息 作为上述物理特性信息，上述特性呼应阻抗设定单元基于上述物体特性数据库的上述位置 及姿势的限制条件信息，设定上述机械阻抗设定值。根据本发明的第12形态，基于第11形态所述的机械手臂的控制装置，其特征在 于，上述物体特性数据库所具有的物体的位置及姿势的限制条件信息，是基于上述机械手 臂同时搬运的多个物体的位置及姿势的相对关系而设定的上述物体的位置及姿势的限制 条件信息。根据本发明的第13形态，基于第11形态所述的机械手臂的控制装置，其特征在 于，上述物体特性数据库所具有的物体的位置及姿势的限制条件信息，是基于上述搬运的 物体的周围环境信息而设定的上述物体的位置及姿势的限制条件信息。根据本发明的第14形态，基于第7形态所述的机械手臂的控制装置，其特征在于， 上述物体特性数据库具有上述搬运的物体的危险度信息来作为上述物体的属性信息，上述 特性呼应阻抗设定单元基于上述物体特性数据库的上述危险度信息，设定上述机械阻抗设 定值。根据本发明的第15形态，基于第14形态所述的机械手臂的控制装置，其特征在 于，上述物体特性数据库所具有的危险度信息是基于上述搬运的物体的周围环境信息而设 定的危险度信息。根据本发明的第16形态，基于第7形态所述的机械手臂的控制装置，其特征在于， 上述物体特性数据库具有上述搬运的物体的重要度信息来作为上述物体的属性信息，上述 特性呼应阻抗设定单元基于物体特性数据库的上述重要度信息，设定上述机械阻抗设定值。根据本发明的第17形态，提供一种机械手臂的控制方法，基于与上述机械手臂所 搬运的物体的搬运特性相关的信息，设定上述机械手臂的机械阻抗设定值，将上述机械手 臂的机械阻抗的值控制为上述设定的上述机械阻抗设定值。
根据本发明的第18形态，提供一种机器人，包括上述机械手臂；和对上述机械手 臂进行控制的第1 16的任一形态所记载的机械手臂的控制装置。根据本发明的第19形态，提供一种机械手臂的控制程序，使计算机作为如下单元 发挥功能物体特性呼应阻抗设定单元，其基于与机械手臂所搬运的物体的搬运特性相关 的信息，设定上述机械手臂的机械阻抗设定值；和阻抗控制单元，其将上述机械手臂的机械 阻抗的值控制为上述物体特性呼应阻抗设定单元所设定的上述机械阻抗设定值。以下，基于附图对本发明的实施方式的机械手臂的控制装置及控制方法、机器人、 以及程序进行详细说明。(第一实施方式)
图1是表示本发明的第一实施方式的机械手臂的控制装置1的概念的框图。在图 1中，2是物体特性数据库，作为由后述的机械手臂5搬运的搬运物体例如一边把持一边搬 运的物体(把持物体)38的物体特性数据的一例，记录有物理特性信息及属性信息等搬运 特性信息例如把持特性信息，具有当被把持的物体38被确定时将该物体38的特性数据向 物体特性呼应阻抗设定单元3送出的功能。这里，物理特性信息是指，例如物体的形状、大小(尺寸)、重量或温度等从物理、 物性、几何学上确定的特性信息。另外，物体的属性信息是指，例如危险度或重要度等概念特性或由物理特性产生 的二次特性信息。3是物体特性呼应阻抗设定单元，基于与物体特性数据库2的把持物体相关的特 性信息，进行机械手臂5的机械阻抗设定值、即刚性或粘性的设定值的设定。4是阻抗控制单元，按照成为物体特性呼应阻抗设定单元3所设定的机械阻抗设 定值的方式，进行对机械手臂5的各关节部的机械阻抗的值进行控制的阻抗控制动作。图2是表示机械手臂的控制装置1的硬件结构和作为控制对象的机械手臂5的详 细结构的图。控制装置1从硬件上由一般的个人计算机构成，除物体特性数据库2、物体特性呼 应阻抗设定单元3和阻抗控制单元4的输入输出IF (接口)19之外的部分，作为由个人计 算机执行的控制程序17而以软件实现。输入输出IF19由与个人计算机的PCI总线等的扩展槽连接的、D/A板20、A/D板 21、计数器板22构成。通过执行用于控制机械手臂5的动作的控制程序17而控制装置1发挥功能，机械 手臂5的各关节部的由后述的编码器43输出的关节角度信息通过计数器板22被取入到控 制装置1中，通过控制装置1算出各关节部的旋转动作中的控制指令值。算出的各控制指 令值通过D/A板20被施加到马达驱动器18，按照从马达驱动器18送出的各控制指令，对机 械手臂5的各关节部的后述的马达42进行驱动。另外，手(hand)6中还包括作为由马达 驱动器18驱动控制的手驱动装置的一例的手驱动用马达62 (实际上配置在机械手臂5的 手6的内部)、对手驱动用马达62的旋转轴的旋转相位角(即关节角)进行检测的编码器 63 (实际上配置在机械手臂5的手6的内部)，基于由编码器63检测出的旋转角度，根据来 自控制装置1的阻抗控制单元4的手控制单元200的控制信号，通过马达驱动器18对手驱 动用马达62的旋转进行驱动控制，使手驱动用马达62的旋转轴正反旋转，从而能使手6张开闭合。机械手臂5是六个自由度的多连杆操纵器(link manipulator)，具有手6、具有 安装手6的手腕部7的前臂连杆8、与前臂连杆8可旋转地连接的上臂连杆9、可旋转地连 接支承上臂连杆9的底座部10。该底座部10可固定在一定位置，也可与能移动的移动装置 连接而可移动。手腕部7具有第四关节部14、第五关节部15、第六关节部16三个旋转轴， 可改变手6相对于上臂连杆9的相对姿势(朝向)。即，在图2中，第四关节部14可改变 手6相对于手腕部7的绕横轴的相对姿势，第五关节部15可改变手6相对于手腕部7的绕 与第四关节部14的横轴垂直的纵轴的相对姿势，第六关节部16可改变手6相对于手腕部 7的绕与第四关节部14的横轴及第五关节部15的纵轴分别垂直的横轴的相对姿势。前臂 连杆8的另一端相对于上臂连杆9的前端，可绕第三关节部13即与第四关节部14的横轴 平的横轴旋转，上臂连杆9的另一端相对于底座10，可绕第二关节部12即与第四关节部14 的横轴平行的横轴旋转，底座10的上侧可动部相对于底座10的下侧固定部，可绕第一关节 部11即与第五关节部15的纵轴平行的纵轴旋转。结果，机械手臂5共计可绕六个轴旋转， 构成上述六个自由度的多连杆操纵器。构成各轴的旋转部分的各关节部中包括设置在各关节部的一方的部件中且作为 由马达驱动器18驱动控制的旋转驱动装置的一例的马达42 (实际上配置在机械手臂5的 各关节部的内部)、和对马达42的旋转轴的旋转相位角(即关节角)进行检测的编码器 43(实际上配置在机械手臂5的各关节部的内部)，设置在一方的部件中的马达42的旋转 轴与另一方部件连接，通过使上述旋转轴正反旋转，从而使另 一方部件能相对于一方部件 绕各轴旋转。35是相对于底座10的下侧固定部固定了相对位置关系的绝对坐标系，36是相对 于手6固定了相对位置关系的手坐标系。将从绝对坐标系35观察的手坐标系36的原点位 置Oe (x, y，ζ)作为机械手臂5的手位置，将用滚转角、螺旋角和偏转角表现从绝对坐标系35 观察的手坐标系36的姿势的(Φ，θ，ψ)作为机械手臂5的手姿势，将手位置及姿势向量 定义为向量r= [χ, y, ζ, Φ, θ , ψ]τ。因此，作为一例，优选第一关节部11的纵轴相对于 绝对坐标系35的ζ轴平行，第二关节部12的横轴位于相对于χ轴平行的位置。另外，优选 第六关节部16的横轴相对于手坐标系36的χ轴平行，第四关节部14的横轴位于相对于y 轴平行的位置，第五关节部15的纵轴位于相对于ζ轴平行的位置。此外，设相对于手坐标 系36的χ轴的旋转角为偏转角Ψ，设相对于y轴的旋转角为螺旋角θ，设相对于ζ轴的旋 转角为滚转角Φ。在控制机械手臂5的手位置及姿势时，使手位置及姿势向量r追随手位 置及姿势目标向量rd。50是物体特性收集单元，收集由机械手臂5把持的物体的特性数据，输入到物体 特性数据库2中进行更新。具体而言，物体特性收集单元50如后面所述，分别输入来自照 相机等图像摄像装置44的图像数据、由读取单元34(例如RF标识(tag)接收机54)读取 的把持物体38的RF标识33的信息、通过网络46从位于外部的网络服务器的物品信息数 据库47获得的物体特性数据，并将输入的数据或信息适当输入到物体特性数据库2中进行 更新。另外，在物体特性收集单元50上连接计数板22，还输入从机械手臂5的各关节部的 编码器43输出的关节角度信息、和来自阻抗控制单元4的物体重量等信息。在图14中表示物体特性收集单元50的详细情况。
45是图像识别单元，根据照相机等图像摄像装置44的图像数据进行图像识别，提 取把持物体38的尺寸，输出到物体特性数据库2中。另外，图像识别单元45向后述的作为 搬运状态检测单元的一例的把持状态检测单元53输出根据图像识别单元45的图像识别结 果得到的多个把持物体的相对位置关系。48是物体重量推断单元，进行把持物体38的重量的推断。例如，在机械手臂5的 手腕部7配置有力传感器的情况下，机械手臂5将从把持物体并处于静止状态时的力传感 器的测量值中减去手6的重量后的值作为物体重量。另外，当利用后述的力推断单元24 时，机械手臂5从力推断单元24获得把持物体并处于静止状态时的各关节部处产生的转矩 τ ext,并根据机械手臂的运动方程来求取机械手臂5保持该位置及姿势所需的转矩，将相减 后的转矩值换算成作用在手上的力，作为物体重量。
49是属性数据输入IF (接口)，是人使用键盘、鼠标或话筒等输入装置输入属性数 据(属性信息)用的接口。51是干扰判断单元，根据机械手臂5的周围环境中存在的墙壁或家具等的配置信 息的地图、即环境图数据库52中存储的环境图信息和从阻抗控制单元4输入的机械手臂5 的位置及姿势信息，判断机械手臂5与墙壁或家具等的干扰关系，进行物体特性数据库2的 属性信息的设定、变更。53是作为搬运状态检测单元的一例的把持状态检测单元，当同时寸把持多个把持 物体时，从根据图像识别单元45的图像识别结果获得的多个把持物体的相对位置关系的 信息、由RF标识接收机54获得的把持物体的ID编号等的ID信息(ID数据)的组合的信 息，推断把持状态来进行检测。把持状态检测单元53具有表示物体彼此的组合和把持状态 的关系的把持状态表，在得到了 ID信息的组合的情况下，参照把持状态表，推断把持状态。 例如是盘子与其他物体的组合的情况下，把持状态表中记录有多条在盘子上载置了物体的 把持状态等的一般把持规则。这样，物体特性收集单元50包括与照相机等图像摄像装置44和物体特性数据库 2连接的图像识别单元45 ；与阻抗控制单元4和物体特性数据库2连接的物体重量推断单 元48 ；与阻抗控制单元4和物体特性数据库2连接的干扰判断单元51 ；与干扰判断单元51 连接的环境图数据库52 ；与物体特性数据库2和键盘、鼠标或话筒等输入装置(未图示) 连接的属性数据输入IF (接口)49 ；以及与RF标识接收机54、图像识别单元45和物体特性 数据库2连接的把持状态检测单元53 ；由各个单元或部件发挥各自的功能，并且具有如下 功能将由RF标识接收机54读取的把持物体38的RF标识33的信息输入到物体特性数据 库2中，并通过网络46访问位于外部的TOB的物品信息数据库47后将物体特性数据输入 到物体特性数据库2中。接着，对物体特性数据库2的详细情况进行说明。在物体特性数据库2中，预先登 记有例如设置了机械手臂5的室内存在的各种物体38所相关的信息。在各物体38中配置 有RF标识33，在RF标识33中记录有各自的ID编号等的ID信息。在机械手臂5的手6中 配置有RF标识33的读取单元34(例如，RF标识接收机54)，根据来自控制装置1的阻抗控 制单元4的控制信号，经马达驱动器18通过手驱动用马达62的旋转驱动控制使手6张开 闭合，当机械手臂5的手6对物体38进行把持时，由读取单元34读取被把持的物体38的 RF标识33的信息，并由读取单元34确定所把持的物体38的ID编号是多少，将被把持的物体38的ID编号通过物体特性收集单元50输入到物体特性数据库2中。然后，物体特性数 据库2将被确定的ID编号所对应的物体38的特性数据向物体特性呼应阻抗设定单元3送
出ο 在物体特性数据库2所保持的信息中，以图4所示的物理特性信息和属性信息的 特性一览表30的形式记录有每个物体的特性数据。每个物体的特性数据如图4所示，由每 个物体的ID编号、作为与ID编号相当的物理特性信息的一例的物体的重量信息、尺寸信 息、及硬度信息、以及作为属性信息的一例的物体的危险度信息构成。预先测定和评价这些 重量信息、尺寸信息、硬度信息、危险度信息的数据，并存储到物体特性数据库2中作为数 据库。关于物体特性数据库2的尺寸信息，若设置图像摄像装置44及图像识别单元45， 则基于由该图像摄像装置44获得的图像数据，利用图像识别单元45进行图像识别，从而得 到物体38的尺寸，将尺寸信息重新存入物体特性数据库2中或还可进行更新。 关于物体特性数据库2的重量信息，可在机械手臂5的手腕部7配置力传感器，或 利用后述的推断单元24通过物体重量推断单元48来推断机械手臂5所把持的物体38的 重量，可将重量信息重新蓄积到物体特性数据库2中。另外，例如，当对机械手臂5所把持 的锅注入水时，还可由物体重量推断单元48对由注入的水引起的物体的重量的增加进行 推断，因此，也能应对由重量增减引起的重量信息的更新。关于物体特性数据库2的硬度信息，根据把持物体38的硬度进行等级1 5的5 级评价。评价值基于物体38的材质进行评价并作为硬度信息进行记录，例如，由金属形成 的物体为硬度最高的“等级5”，由塑料等树脂形成的物体为中度的“等级3”，由纸或毛巾等 柔软物体形成的物体为硬度最低的“等级1”。另外，硬度还可从容易被破坏的程度的观点 来评价。考虑将如玻璃杯或陶瓷器那样与其他物体碰撞即破裂的危险高的物体设为“等级 5”。这些硬度信息预先由人进行判断、或根据物体的RF标识33中记录的ID信息自动判断， 进行等级的评价和设定，并通过属性数据输入IF49进行向物体特性数据库2的输入。关于物体特性数据库2的危险度信息，例如，进行等级1 5的5级评价。作为评 价值的具体例子，将如刃具那样危险性高、认为由机械手臂5处理时最需要注意的物体设 为危险度最高的“等级5”，将如书籍或毛巾等轻薄柔软、认为即使与人碰撞也完全不会带来 危险的物体设为危险度最低的“等级1”。这些危险度信息预先由人进行判断，进行等级的 评价和设定，并通过属性数据输入IF49进行向物体特性数据库2的输入。或者，对由干扰 判断单元51判断为应把持的物体38位于壁面或家具等附近、存在应把持的物体38与壁面 或家具等的干扰的危险的把持物体，将危险度设定得较高。这里，关于应把持的物体38是 否位于壁面或家具等附近，例如在环境图数据库52所存储的环境图信息中还存储了应把 持物体38的位置信息的情况下，从环境图数据库52取入该位置信息即可，当环境图数据库 52中未存储这样的位置信息的情况下，也可由照相机等图像摄像装置44对要把持物体38 进行摄像，并由图像识别单元45对所取得的图像进行图像识别，暂时存储到物体特性数据 库2中，然后参照所存储的图像识别结果，由干扰判断单元51推定判断应把持物体38的位 直fe息。进而，例如，如图9所示，在由机械手臂5把持盘子39、盘子39上载置了杯子40这 样的把持状态的情况下，因机械手臂5与人(例如手100)的接触而使盘子39倾斜，则存在杯子40如箭头101所示那样从盘子39落下的危险，因此，在使用了由RF标识接收机54得到的RF标识33的ID编号等ID信息进行把持物体的检测中，在盘子39的RF标识33和杯 子40的RF标识33同时被RF标识接收机54检测到的情况下，或者，在根据图像识别单元 45的图像识别结果得到盘子39上载置了杯子40的信息作为相对位置关系信息的情况下， 若在盘子39上载置杯子40地进行搬运，则由把持状态检测单元53进行推断并将危险度设 定得较高(参照图14)。另外，物体特性数据库2的所有信息还可由物体特性收集单元50通过网络46，对 位于外部网络服务器等的物品信息数据库47进行访问来获得物体特性数据，从而对物体 特性数据库2内的各信息进行更新。接着，对物体特性呼应阻抗设定单元3的详细情况进行说明。在物体特性呼应阻 抗设定单元3中，基于物体特性数据库2的搬运特性信息，根据所把持的物体38，进行机械 手臂5的机械阻抗设定值的设定。作为机械阻抗设定值的设定参数，存在惯性M、粘性D和 刚性K。机械阻抗设定值的各参数的设定基于以下评价式来进行。[数学式1]M = KMmX (重量[kg])+KMl X (尺寸[m])+KMkX (硬度)+KMdX (危险 度)......式(1)[数学式2]D = KDmX (重量[kg])+KDl X (尺寸[m])+KDkX (硬度)+KDdX (危险 度)......式⑵[数学式3]K = KKmX (重量[kg])+KKl X (尺寸[m])+KKkX (硬度)+KKdX (危险 度)......式(3)上述式(1) (3)中的KMm、KMl、KMk、KMcU KDm、KDl、KDk、KDcU KKm、KKl、KKk、KKd
是增益，分别为某一常数值。物体特性呼应阻抗设定单元3向阻抗设定单元4输出基于上述式(1)、(2)、(3)计 算出的机械阻抗参数的惯性M、粘性D和刚性K。根据上述式(1) (3)，通过适当设定增益KMm等，例如，对重量大的物体根据式 (1)将惯性M设定得较大，使机械手臂5具有与把持物体38的重量成正比的重量感，结果， 在使机械手臂5移动时需要较大的力，即使稍微用手推动机械手臂5其也不会移动(产生 的加速度小)。反之，对重量轻的物体根据式(1)将惯性M设定得较小，使机械手臂5具有与 把持物体38的重量成正比的重量感，结果，以较弱的力就能容易地使机械手臂5移动(产 生的加速度大)。另外，在如刃具那样危险度设定得较高的物体的情况下，粘性D和刚性K 被设定得较大，在机械手臂5的移动中会产生阻力感或硬度，不易移动。反之在如毛巾那样 危险度设定得较低的物体的情况下，粘性D和刚性K被设定得较小，在机械手臂5的移动中 不存在阻力感和硬度，容易移动。在同时把持有多个物体时，关于重量使用将同时把持的物体的重量相加后的总重 量，进行机械阻抗设定值的计算。另外，关于尺寸，使用同时把持的物体的尺寸中最大的尺寸进行机械阻抗设定值 的计算。
另外，关于硬度，使用同时把持的物体的硬度中最大的硬度进行机械阻抗设定值 的计算。另外，关于危险度，使用同时把持的物体的危险度中最大的危险度进行机械阻抗 设定值的计算。图3中表示阻抗控制单元4的框图。阻抗控制单元4将上述机械手臂的机械阻抗 的值控制为基于由物体特性呼应阻抗设定单元3设定的惯性M、粘性D和刚性K的设定值 而设定的机械手臂5的机械阻抗设定值。接着，使用图3，对阻抗控制单元4的详细情况进行说明。在图3中，5是作为控制 对象的图2所示机械手臂。从机械手臂5输出由各个关节轴的编码器43测量的关节角的 当前值(关节角度向量)向量q= [Q1, q2，q3，q4，q5，q6]T，并通过计数板22取入到阻抗控 制单元4中。其中，qi、q2、q3、q4、q5、q6分别是第一关节部11、第二关节部12、第三关节部 13、第四关节部14、第五关节部15、第六关节部16的关节角度。23是目标轨道生成单元，输出用于实现作为目标的机械手臂5的动作的手位置及 姿势目标向量rd。如图13所示，作为目标的机械手臂5的动作根据目的作业，事前被赋予 各自的时间α = 0， =、， = 2，· · ·)的按每个点的位置(rdQ，rdl，rd2，· · ·)，目标 轨道生成单元23使用多项式插值，补充各点间的轨道，来生成手位置及姿势目标向量rd。24是输入推断单元，推断由人等与机械手臂5的接触而对机械手臂5施加的外 力。通过A/D板21，将由马达驱动器18的电流传感器测量的、对机械手臂5的各关节部进 行驱动的马达42中流动的电流值i = [ii; i2, i3，i4，i5，i6]T取入到力推断单元24中，另 夕卜，通过计数板22取入关节角的当前值q，并且，取入来自后述的近似逆运动学(inverse kinematics)计算单元28的关节角度误差补偿输出U(ie。力推断单元24发挥观测器的功 能，根据以上的电流值i、关节角的当前值q、关节角度误差补偿输出U-算出因施加到机械 手臂5的外力而在各关节部产生的转矩τ
ext 一 L T Iext，T 2ext，T 3ext，T 4ext，T 5ext，T 6ext」0
然后，根据Fext=Jv (qrT Text —
1奐算成机械手臂5的手的等效手外力 Fext并输出。这里，Jv(q)是满足下式的雅可比矩阵。[数学式4]V-Jv (q) q其中，ν= [vx, vy, νζ, ωχ，coy，ωζ]Τ，(vx, Vy, vz)是手坐标系 36 下的机械手臂 5 的 手的并进速度，(ωχ，coy，ωζ)是手坐标系36下的机械手臂5的手的角速度。另外，m是所 把持的物体的质量，g是所把持的物体的重力加速度。把持物体的质量m的值可从物体特 性数据库2获得。另外，也可由机械手臂5实际进行把持，根据此时的力推断单元24的等 效手外力Frart的推断结果，算出把持物体的质量m的值。37是接触检测单元，对力推断单元24所推断的等效手外力Fext进行观测，检测机械手臂5与人或其他物体的接触。由于在发生接触时等效手外力Frait会变化，因此，当该变 化量超过某一值AF时，由接触检测单元37检测到发生了接触。当由接触检测单元37检 测到接触时，接触检测单元37向阻抗计算单元25通知检测到接触的事实。阻抗计算单元25是对机械手臂5发挥实现控制上述机械手臂的机械阻抗的值向 机械阻抗设定值的功能的部分，在接触检测单元37未检测到机械手臂5与人或其他物体的 接触的通常动作时输出0。另一方面，当由接触检测单元37检测到机械手臂5与人或其他物体的接触，并从接触检测单元37收到接触的通知时，根据由物体特性呼应阻抗设定单元 3设定的阻抗参数即惯性M、粘性D、刚性K、关节角的当前值q、由力推断单元24推断出的外 力Frat，基于以下的式(4)来计算对机械手臂5实现上述机械手臂的机械阻抗的值向机械阻 抗设定值的控制用的手位置及姿势目标修正输出rd,并输出。手位置及姿势目标修正输出 rd.被加到目标轨道生成单元23所输出的手位置及姿势目标向量rd上，生成手位置及姿势 目标修正向量rdm。[数学式5] 其中，[数学式6] [数学式7] [数学式8] s是拉普拉斯算子。26是正运动学(forward kinematics)计算单元，将来自机械手臂5的各个关节轴 的编码器43所测量的关节角的当前值q、即关节角度向量q通过计数板22输入，进行从机 械手臂5的关节角度向量q向手位置及姿势向量r的变换的几何科学计算。27是位置误差补偿单元，被输入根据在机械手臂5中测量的关节角度向量q由正 运动学计算单元26计算的手位置及姿势向量r、与手位置及姿势修正目标向量rdm之间的 误差re,向近似逆运动学计算单元28输出位置误差补偿输出Hre0在近似逆运动学计算单元28中，根据近似式u。ut = J,，进行逆运动学的近 似计算。其中，Jjq)是满足下式的雅可比矩阵，
[数学式9]r = J r (q) q
Uin是向近似逆运动学计算单元28的输入，u。ut是来自逆运动学计算单元28的输 出，若将输入Uin作为关节角度误差。则成为如qe = Jr (q) ^re那样从手位置及姿势误差re 向关节角度误差的变换式。因此，当位置误差补偿输出被输入到近似逆运动学计算 单元28中，则作为其输出，从近似逆运动学计算单元28输出对关节角度误差qe进行补偿 用的关节角度误差补偿输出关节角度误差补偿输出Uqe通过D/A板20被赋予到马达驱动器18作为电压指令 值，通过各马达42而各关节轴被正反旋转驱动，从而机械手臂5动作。关于如上那样构成的阻抗控制单元4，对机械手臂5的阻抗控制动作的原理进行 说明。阻抗控制动作的基础是由位置误差补偿单元27进行的手位置及姿势误差re的反 馈控制(位置控制)，图3的虚线所包围的部分为位置控制系统29。作为位置误差补偿单 元27，例如若使用PID补偿器，则按照使手位置及姿势误差re收敛到0的方式进行控制，可 实现作为目标的机械手臂5的阻抗控制动作。在由接触检测单元37检测到机械手臂5与人或其他物体的接触的情况下，通过阻 抗计算单元25对上述说明过的位置控制系统29加上手位置及姿势目标修正输出，进行 手位置及姿势的目标值的修正。为此，上述的位置控制系统29使手位置及姿势的目标值稍 稍偏离原来的值，结果，实现将上述机械手臂5的机械阻抗的值控制在上述适当设定的设 定值的动作。由于根据式(4)能算出手位置及姿势目标修正输出rd,，因此，能实现将上述 机械手臂5的惯性M、粘性D、刚性K的机械阻抗的值控制在上述适当设定的设定值的动作。结合图5的流程图，对基于以上原理的控制程序的实际动作步骤进行说明。在步骤1中，将由各个编码器43测量的关节角度数据(关节变量向量或关节角度 向量q)取入到控制装置1内。接着，在步骤2中，由近似逆运动学计算单元28进行机械手臂5的运动学计算所 需要的雅可比矩阵^等的计算。然后，在步骤3 (正运动学计算单元26中的处理)中，通过正运动学计算单元26， 根据来自机械手臂5的关节角度数据(关节角度向量q)，计算机械手臂5的当前的手位置 及姿势向量r。接着，在步骤4中，基于控制装置1的存储器(未图示)中预先存储的机械手臂5 的动作程序，通过目标轨道生成单元23计算机械手臂10的手位置及姿势目标修正输出rd。然后，在步骤5 (力推断单元24中的处理)中，通过力推断单元24，根据马达42的 驱动电流值i、关节角度数据(关节角度向量q)、关节角度误差补偿输出U-算出机械手臂 5的手处的等效手外力Fext。接着，在步骤6 (接触检测单元37中的处理)中，根据由力推断单元24计算出的 机械手臂5的手处的等效手外力Frait,判断机械手臂5与人或其他物体有无接触，在由接触 检测单元37检测到有接触的情况下进入步骤7，在检测到无接触的情况下进入步骤7’的处理。然后，在步骤7 (阻抗计算单元25中的处理)中，当由接触检测单元37检测到机械手臂5与人或其他物体的接触的情况下，根据由物体特性呼应阻抗设定单元3设定的机 械阻抗参数的惯性M、粘性D、刚性K、关节角度数据(关节角度向量q)、由力推断单元24计 算出的施加到机械手臂5的等效手外力Frart,由阻抗计算单元25计算手位置及姿势目标修 正输出rd,。然后，进入到步骤8。在步骤V (阻抗计算单元25中的处理)中，在由接触检测单元37检测到机械手 臂5与人或其他物体无接触的情况下，由阻抗计算单元25使手位置及姿势目标修正输出 rd,为0向量。然后，进入到步骤8。在步骤8 (位置误差补偿单元27中的处理)中，由位置误差补偿单元27计算手位 置及姿势目标向量rd与手位置及姿势目标修正输出之和即手位置及姿势修正目标向量 Tdffl、与当前的手位置及姿势向量r之差即手位置及姿势的误差作为位置误差补偿单元 27的具体例，考虑PID补偿器。通过适当调整作为常数的对角矩阵的比例、微分、积分三个 增益，进行使位置误差收敛到0的控制。接着，在步骤9 (近似逆运动学计算单元28中的处理)中，通过近似逆运动学计算 单元28乘以步骤2中计算出的雅可比矩阵J,的逆矩阵，从而将位置误差补偿输出U,e通过 近似逆运动学计算单元28从与手位置及姿势的误差相关的值变换为与关节角度的误差相 关的值即关节角度误差补偿输出然后，在步骤10中，关节角度误差补偿输出Uqe从近似逆运动学计算单元28通过 D/A板20被赋予到马达驱动器18，通过使各个马达42中流动的电流量变化，产生机械手臂 5的各个关节轴的旋转运动。以上的步骤1 步骤10作为控制的计算循环被反复执行，从而可实现机械手臂5 的动作的控制、即将机械手臂5的机械阻抗的值控制为上述适当设定的设定值的动作。接着，针对本发明的第一实施方式的控制装置1的整体动作，基于图6的流程图， 作为一个具体例，对由机械手臂5 —边把持物体38 —边进行搬运的作业进行说明。首先，在步骤A中，通过目标轨道生成单元23生成由机械手臂5的手6对物体38 进行把持用的目标轨道，根据通过图5所示的步骤7’的控制流程来执行机械手臂5的手位 置及姿势的控制，并且，通过控制装置1驱动控制手驱动用马达62，在使手6张开的状态下 靠近物体38，使手6位于能对物体38进行把持的位置，然后闭合手6来把持物体38，从而 可实现物体38的把持动作(参照图7A所示的把持动作)。此外，在生成上述目标轨道时所 需要的、要把持的物体38的位置信息如上所述被预先存储到环境图数据库52中，或者，可 利用图像摄像装置44和图像识别单元45取得。由此，在机械手臂5固定的情况下，可由目 标轨道生成单元23根据机械手臂5被固定的位置的信息和上述要把持的物体38的位置信 息来生成对物体38进行把持用的目标轨道。另外，在通过移动装置等使机械手臂5移动的 情况下，例如可利用图像摄像装置44和图像识别单元45适当取得机械手臂5相对于基准 位置的当前位置信息，由目标轨道生成单元23根据所取得的当前位置信息和上述要把持 的物体38的位置信息来生成对物体38进行把持用的目标轨道。
接着，在步骤B中，通过手6中配置的RF标识接收机54读取物体38中配置的RF 标识33的信息，由RF标识接收机54确定物体38的ID编号等ID信息。然后，在步骤C中，根据由RF标识接收机54读取的ID编号等ID信息，从物体特 性数据库2中读出物体38的重量、尺寸等特性数据，并从物体特性数据库2中向物体特性呼应阻抗设定单元3传输。接着，在步骤D中，在物体特性呼应阻抗设定单元3中，基于从物体特性数据库2传输来的特性数据，根据上述式(1) 式(3)，计算与物体38呼应的机械阻抗设定值。然后，在步骤E中，通过目标轨道生成单元23生成由机械手臂5的手6 —边对物 体38进行把持一边进行搬运用的目标轨道，根据通过图5所示的步骤7’的控制流程来执 行机械手臂5的手位置及姿势的控制，从而实现搬运动作(参照图7B中箭头所示的搬运动 作)。接着，在步骤F中，由接触检测单元37检测(接触检测单元37中的检测动作)机 械手臂5是否未与人或其他物体接触、在由接触检测单元37未检测到接触的情况下使动作 转移到步骤G，在由接触检测单元37检测到接触的情况下(在检测到图7C所示的手100与 机械手臂5的接触动作的情况下)使动作转移到步骤H。在步骤G中，由目标轨道生成单元23进行搬运动作是否完成的判定。在搬运动作 尚未完成的情况下，继续进行到目标位置为止的目标轨道的计算，继续进行搬运动作，另一 方面，在搬运动作已完成的情况下，到目标位置为止的目标轨道的计算完成，输出目的地的 位置作为rd，并且，在机械手臂5的实际的手位置r与rd近似一致的情况下，判断为到达了 目标位置。在物体38被向目标位置即目的地搬运并且搬运完成的情况下，转移到步骤I。 在搬运动作未完成处于搬运中途的情况下，继续进行步骤E的搬运动作。在步骤H中，通过阻抗控制单元4进行阻抗控制动作，将上述机械手臂的机械阻抗 的值控制为在物体特性呼应阻抗设定单元3中计算的机械阻抗设定值(阻抗控制单元4中 的动作)，在接触检测单元37进行接触检测的期间继续进行阻抗控制动作。在步骤I中，若把持物体38的搬运完成，则通过控制装置1的控制而机械手臂5 的手6张开，物体38从把持状态被释放(参照图7D所示的把持解除动作)。接着，在步骤J中，由目标轨道生成单元23向阻抗计算单元25输出动作完成告知 信号201，由阻抗计算单元25清除所设定的机械阻抗设定值。通过以上的动作步骤A 步骤J，实现由机械手臂5进行的物体的搬运作业，在由 接触检测单元37检测到接触的情况下，实现向阻抗控制动作的切换。如上所述，通过包括物体特性数据库2、物体特性呼应阻抗设定单元3和阻抗控制 单元4，在由接触检测单元37检测到机械手臂5与人或其他物体接触时，从刚性高的位置控 制的状态迅速转移到阻抗控制的状态，从而可确保安全性(换而言之，转移到能充分发挥 柔韧性的状态，通过与人接触，机械手臂5柔韧地移动从而可发挥安全性)，并且，能根据把 持物体的特性而适当改变机械手臂5的机械阻抗设定值。具体而言，例如，在盘子上载置杯 子进行搬运时，由于控制为即使与人接触而机械手臂5柔韧地移动也要维持手的姿势，因 此，盘子被维持水平，不会使杯子落下。因此，如图15所示，相对于机械手臂5的手的目标轨道TA，当由接触检测单元37 检测到与人(例如，手100)的接触时，在没有进行适当的机械阻抗设定值的设定的情况下， 则成为如轨道TC所示，有可能产生机械手臂5的手6所把持的物体38或手6与家具55等 其他物体碰撞，相对于此，在如上述第一实施方式那样进行适当的阻抗设定值的设定的情 况下，如轨道TB所示，可减小从目标轨道TA的偏离量，能避免机械手臂5的手6所把持的 物体38或手6与家具55等其他物体碰撞的危险。
例如，由于可根据把持物体38的重量来改变机械手臂5的机械阻抗设定值，因此， 若由物体特性呼应阻抗设定单元3按照与重量成正比的方式设定刚性K，S卩，由物体特性呼 应阻抗设定单元3将增益KKm设定为KKm>0，则在由手6把持重物38时，可增强弹性、增大 阻力，所以，在人用手100推动机械手臂5时，达到所需程度以上才能使机械手臂5移动，从 而可降低所把持的重物38与其他家具55等其他物体或平面等碰撞的危险性。另外，若通过物体特性呼应阻抗设定单元3按照与把持物体38的重量成比例的方 式较大地设定惯性M,即，由物体特性呼应阻抗设定单元3将增益KMm设定为KMm>0，则在人 用手100推动机械手臂5时，人可感觉到物体38的重量的感觉，因此，可防止不必要地施力 推动。另外，对于作为把持物体38的例子，如刃具那样被设定为危险度高的“等级5”的 物体38而言，例如，若由物体特性呼应阻抗设定单元3将增益KDd的设定值设定得较大，则 粘性D会通过物体特性呼应阻抗设定单元3根据危险度较大地设定，从而对机械手臂5产 生由粘性引起的阻力，可防止与人接触而刃具等不小心被移动的危险性，由此可提高安全 性。另外，作为把持物体38的例子，在一边把持盛有热水的锅一边进行搬运的情况 下，例如 ，在机械手臂5的手附近配置红外线传感器(未图示)，通过由红外线传感器检测温 度来检测高温，由物体特性呼应阻抗设定单元3将物体特性数据库2的危险度数据设为危 险度最高的“等级5”。通过这样进行设定，物体特性呼应阻抗设定单元3及阻抗控制单元 4增大粘性，将机械手臂5控制为不易移动，因此，即使被人用手推动，也能防止机械手臂剧 烈移动而使热水飞溅。如上所述，根据本发明的第一实施方式的控制装置1，即使与人接触，也不会对人 造成因接触引起的损伤，并且，可提供不会因接触而机械手臂5移动使把持物体38落下或 与其他人或其他物体接触带来损伤的、能实现安全的机器人控制的控制装置。(第二实施方式)由于本发明的第二实施方式中的机械手臂的控制装置的基本结构与图1、图2所 示的第一实施方式的情况相同，因此，省略公共部分的说明，以下仅对不同部分进行详细说 明。图8是说明物体特性数据库2的把持规则的图。物体特性数据库2除图4所示的 特性一览表30之外，还具有图8所示的记载了物体的位置及姿势的限制条件信息的把持规 则表31。把持规则表31中存在位置维持、姿势维持、高度维持的项目，针对各个项目预先记 录有1或0的数值。当姿势维持的项目为1时，表示存在不使物体姿势移动地进行固定的姿势的限制 条件的信息，机械手臂5的手6的手指的旋转(Φ，θ，ψ)方向的机械阻抗设定值由物体特 性呼应阻抗设定单元3设定得较大，手6的姿势被控制为不易变动。例如，如图9所示，在用手6把持盘子39、且所把持的盘子39上载置有杯子40这 样的把持状态下，存在因机械手臂5与人接触而盘子39倾斜杯子40如箭头101那样落下 的危险，因此，为了维持手6的姿势，使盘子39保持水平，从而将把持规则表31的姿势维持 的项目设定为1。把持规则表31的项目的设定基于把持状态检测单元53的检测结果进行。例如，在由RF标识接收机54检测到盘子39和杯子40的情况下，参照把持状态表，推断出是在盘子39上载置有杯子40的把持状态，从而将把持规则表31的姿势维持的项目设定为1。判断是否处于这样用手6把持盘子39、且盘子39上载置有杯子40的把持状态， 通过由图像识别单元45对图像摄像装置44所取得的图像数据进行图像识别来实现上述判 断(即，根据图像识别单元45的图像识别结果，若得到在盘子39上载置了杯子40的信息 作为相对位置关系信息，则可判断为处于在盘子39上载置有杯子40的把持状态)，另外， 在使用了基于RF标识的ID编号等ID信息进行把持物体的检测中，例如，在盘子39和杯子 40同时被检测到的情况下，若在盘子39上载置杯子40地进行搬运，则由把持状态检测单元 53进行推断，在由把持状态检测单元53推断出上述把持状态的情况下，也可在把持规则表 31中预先记录将姿势维持的项目设为1。另外，在位置维持的项目为1时，机械手臂5的手6的并进(x，y，z)方向的机械阻 抗设定值由物体特性呼应阻抗设定单元3较大地设定，手6的姿势被控制为不易变动。例如，在机械手臂5的手6的附近存在家具等，手6向并进(x，y，z)方向前进则存 在碰撞到家具等的危险的情况下，也可在把持规则表31中预先记录将位置维持的项目设 为1。另外，在高度维持的项目为1时，作为机械手臂5的手6的ζ方向的机械阻抗设定 值由物体特性呼应阻抗设定单元3较大地设定，维持手6所处的高度。例如，如图12所示，在手6上提着袋子41这样的把持状态下，若手6的手指位置 降低，则存在袋子41的底面与地面接触的危险，因此，也可在把持规则表31中预先记录将 高度维持的项目设为1。该情况下，机械手臂5的手6的-ζ方向、即铅直方向朝下的机械阻 抗设定值由物体特性呼应阻抗设定单元3较大地设定，手6的位置被控制为不易降低。接着，以姿势维持的情况为例，对将上述机械手臂的机械阻抗的值控制为机械阻 抗设定值的实现方法进行说明。手位置及姿势目标修正输出在阻抗计算单元25中根据下式(8)进行计算。[数学式10] 其中，[数学式11] (αχ, ay, αζ, α φ, α θ, α ψ)是阻抗控制系数。当机械手臂5与人等未接触而处于通常的位置控制模式时，阻抗控制系数的所有 ^ (ax, ay, αζ, α φ, α θ, α ψ)被物体特性呼应阻抗设定单元3设定为0。此时，在式 (8)中由阻抗计算单元25计算的手位置及姿势目标修正输出的各成分为0，不进行手 位置及姿势目标的修正，阻抗控制单元4作为位置控制系统进行动作。
在机械手臂5与人等发生接触，由接触检测单元37检测到该接触时，阻抗控制系 数的一部分成分被阻抗计算单元25改变。例如，在接触检测时，参照物体特性数据库2的 把持规则表31，当把持规则表31的姿势维持的项目为1时，通过物体特性呼应阻抗设定单 元3，与位置对应的成分(a x，ay, a z)被切换为1，与姿势对应的成分(α ρ α0，α ψ)维 持0。由此，关于手的位置(x，y，z)被阻抗控制单元4控制成为刚性K，手的姿势(Φ，θ , Ψ)由阻抗控制单元4维持位置控制。
因此，例如，若惯性M = 0、D = 0、由物体特性呼应阻抗设定单元3将机械阻抗设 定为能发挥作为刚性K充分柔韧性的设定值时，因机械手臂5与人接触而手6的位置柔韧 地移动从而可发挥安全性，另一方面，由于手6的姿势被维持，因此，例如，在盘子39上载置 杯子40地进行搬运的情况下，即使发生人的接触，盘子39也被水平地维持，不会使杯子40 落下。这样，根据阻抗控制系数，可将上述机械手臂5的机械阻抗的值按手6的方向控制 为机械阻抗设定值，从而可实现能同时满足确保针对与人接触的安全性、且实现针对把持 物体或周围环境等外部环境的安全性的控制。此外，在第二实施方式中，使把持规则表31如图8所示，但并不限定于此，如图10 那样按位置维持成分、姿势维持成分、进而按士方向来指定机械阻抗设定值的切换的动作 的方法的形式也能发挥同样效果，并且，能更细致地指定机械阻抗设定值的切换的动作。(第三实施方式)本发明的第三实施方式中的控制装置的基本结构与上述第二实施方式的情况相 同，因此，省略公共部分的说明，以下仅对不同部分进行详细说明。图11是表示本发明的第三实施方式的、机械手臂的控制装置的阻抗控制单元4Α 的结构的框图。32是按方向阻抗调整单元，具有基于物体特性呼应阻抗设定单元3所设定 的机械阻抗设定值、及物体特性数据库2的把持规则表31，按方向对位置误差补偿单元27 的反馈增益进行调整的功能。在本发明的第三实施方式的上述控制装置的阻抗控制单元4Α的物体特性呼应阻 抗设定单元3中，进行刚性K及粘性D的设定，不进行惯性M的设定。另外，位置误差补偿 单元27是PD补偿器，根据下式(10)计算位置误差补偿输出ure。[数学式I2] 其中，Kp是比例增益矩阵，Kd是微分增益矩阵，其对角成分是由针对手位置向量[数学式13] 的各成分的增益构成的对角矩阵。通过调整这些增益(调谐)，可获得适当位置和 姿势的控制性能。接着，对动作进行说明。在由接触检测单元37未检测到与人或其他物体的接触的情况下，按方向阻抗调 整单元32不动作，位置误差补偿单元27根据以式(10)计算的增益进行动作，实现机械手 臂5的位置控制。
另一方面，在由接触检测单元37检测到与人或其他物体的接触的情况下，按方向 阻抗调整单元32基于下式(11)和式(12)对位置误差补偿单元27的增益进行调整。[数学式14]
式(11) [数学式I5] Kd = aKD + il-oC)D......式(12)其中，α是由式(9)赋予的阻抗控制系数，I是单位矩阵。因此，位置误差补偿单 元27的位置误差补偿输出Um被按方向阻抗调整单元32调整增益，通过下式(13)计算。[数学式ie] 根据上述式(13)，在把持规则表31中设定了位置维持、姿势维持或高度维持的情 况下，α的对角成分(αχ，ay, αζ, α φ, α θ, α ψ)中对应的方向的成分被设定为1，因此， 关于这些方向，基于位置控制用的增益Kp、KD进行反馈，因此，机械手臂5进行位置控制模式 的动作。另一方面，在其他方向成分中，由于机械手臂5使用物体特性呼应阻抗设定单元3 所设定的机械阻抗设定值的刚性K及粘性D，因此，成为基于刚性K、粘性D的设定值的控制 模式。所以，例如，若设刚性1( < KP，则在接触时，对应的方向的位置控制的比例增益减小， 机械手臂5的刚性降低。另外，若设粘性0 < KD，则在接触时，对应的方向的位置控制的微 分增益减小，机械手臂5的粘性降低。在前面记载的第一实施方式中，这些刚性K及粘性D的设定值分别是表示刚性、粘 性的物体特性的值本身，但该第三实施方式的刚性K、粘性D并非直接表示刚性、粘性，而是 通过调整增益来虚拟地实现刚性、粘性。因此，对于该第三实施方式的刚性K、粘性D的具体 数值，一边以试验方式进行调整一边探索可获得适当的刚性、粘性的值。如上所述，在本发明的第三实施方式的机械手臂的控制装置中，通过调整位置误 差补偿单元27的增益，按手的方向虚拟地实现将上述机械手臂5的机械阻抗的值控制为机 械阻抗设定值，从而可实现能同时满足确保针对与人接触的安全性、且实现针对把持物体 或周围环境等外部环境的安全性的控制。此外，在上述第一实施方式中，将物理特性信息设为把持物体的重量信息、尺寸信 息、硬度信息，但并不限定于这些，也可以是温度等其他物理特性。另外，在上述第一实施方式中，将属性信息设为危险度信息，但并不限定于这些， 也可以是重要度信息等其他属性信息。当选择重要度信息作为属性信息时，例如，若对纪念 品等重要物品将重要度设定得较高，则由于机械手臂5的机械阻抗设定值被设定得较高， 因此，可降低重要物品破损的危险度。此外，在上述实施方式中，以机械手臂为例进行了说明，但本发明并不限定于手， 也可应用于通过车轮而移动的移动机器人、双脚行走机器人、多脚行走机器人等中，对移动 机器人等与人的接触，发挥同样的效果。此外，通过适当组合上述各种实施方式中的任意实施方式，能发挥各自具有的效
(工业上的可利用性)本发明作为对家用机器人等能与人接触的机器人的机械手臂的动作进行控制的 机械手臂的控制装置及控制方法、具有机械手臂的控制装置的机器人、以及机械手臂的控 制程序有用。另外，并不限定于家用机器人，还可应用于工业用机器人、生产设备等中的可 动机构的机械手臂的控制装置及控制方法、具有机械手臂的控制装置的机器人、以及机械 手臂的控制程序。 本发明参照附图，与优选实施方式相关联地进行了充分记载，但对本领域技术人 员而言清楚各种变形和修正。这种变形和修正只要不偏离所附的权利要求所限定的本发明 的范围，则应理解为包含在本发明中。
权利要求
一种机械手臂的控制装置，包括物体特性数据库，其记录有与上述机械手臂所搬运的物体的搬运特性相关的信息；物体特性呼应阻抗设定单元，其基于上述物体特性数据库的上述信息，设定上述机械手臂的机械阻抗设定值；和阻抗控制单元，其将上述机械手臂的机械阻抗的值控制为上述物体特性呼应阻抗设定单元所设定的上述机械阻抗设定值；上述物体特性数据库具有上述机械手臂所搬运的上述物体的属性信息，具有上述搬运的物体的重要度信息作为上述物体的属性信息，并且，上述物体特性呼应阻抗设定单元基于物体特性数据库的上述重要度信息，设定上述机械阻抗设定值。
2.根据权利要求1所述的机械手臂的控制装置，其特征在于，还包括物体特性收集单元，其收集与上述机械手臂所搬运的上述物体的搬运特性相关 的信息，并将收集到的与上述物体的搬运特性相关的信息记录到上述物体特性数据库中。
3.根据权利要求1或2所述的机械手臂的控制装置，其特征在于，上述阻抗控制单元具有对人或物体与上述机械手臂接触的情况进行检测的接触检测 单元，在上述机械手臂与上述人或物体接触时，将上述机械手臂的机械阻抗的值控制为上 述物体特性呼应阻抗设定单元所设定的机械阻抗设定值。
全文摘要
一种机械手臂控制装置，由物体特性呼应阻抗设定单元(3)基于记录有与手所把持的物体的特性有关的信息的物体特性数据库(2)的信息来设定手的机械阻抗设定值，并通过阻抗控制单元(4)将手的机械阻抗的值控制为所设定的机械阻抗设定值。
文档编号B25J19/06GK101870112SQ20101019695
公开日2010年10月27日 申请日期2006年12月12日 优先权日2006年1月13日
发明者冈崎安直 申请人:松下电器产业株式会社