机械手及其控制方法

专利名称：机械手及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种机械手及其控制方法。
背景技术：
关于避免向障碍物碰撞的技术，提出有各种各样的方案。例如，在日本专利公开公报特开平9-207089号所公开的机械手中，在多关节结 构体的前端设置有照相机，利用该照相机拍摄机械手的前端附近的图像，并且在检测出 障碍物的情况下控制机械手的姿势以避开障碍物。在以往的机械手中，若在进行姿势控制时检测出障碍物，则使流向驱动可动构 件的驱动部的马达的电流方向反转，从而对臂施加反向的转矩。然后，通过该反向的 转矩来避免碰撞。一般，在机械手中，为了获得驱动转矩，在马达输出部组装有减速机 构，马达工作时的转速较高。因此，存在马达从减速到反转为止的时间变长的倾向。 即，在以往的机械手中，由于直到可动构件的反转为止的时间较长，所以存在避免碰撞 或碰撞时的反转动作的响应性不足的问题。

发明内容
本发明鉴于上述问题，其目的在于提供一种能够迅速地进行可动构件的反转动 作的机械手及其控制方法。本发明所涉及的机械手包括第一可动构件；第二可动构件；保持部；第一关 节部，可转动地连接所述第一可动构件和所述第二可动构件；第二关节部，可转动地连 接所述第二可动构件和所述保持部；第一关节驱动部，驱动所述第一关节部；第二关节 驱动部，驱动所述第二关节部；构件确定部，确定所述第一可动构件和所述第二可动构 件中被检测出有可能与障碍物碰撞或已经与障碍物碰撞的其中之一的可动构件；以及控 制装置，控制所述第一关节驱动部和所述第二关节驱动部，使由所述构件确定部确定的 所述其中之一的可动构件朝离开所述障碍物的方向转动，并使另一可动构件朝接近所述 障碍物的方向转动。此外，本发明所涉及的另一种机械手包括第一可动构件；第二可动构件；第 一关节部，可转动地连接所述第一可动构件和所述第二可动构件；移动部，具有移动驱 动部；第三关节部，可转动地连接所述第二可动构件和所述移动部；第一关节驱动部， 驱动所述第一关节部；第三关节驱动部，驱动所述第三关节部；构件确定部，确定所述 第一可动构件和所述第二可动构件中被检测出有可能与障碍物碰撞或已经与障碍物碰撞 的其中之一的可动构件；以及控制装置，控制所述第一关节驱动部、所述第三关节驱动 部以及所述移动驱动部，使由所述构件确定部确定的其中之一的可动构件朝离开所述障 碍物的方向转动，当所述其中之一的可动构件为所述第一可动构件的情况下，使所述移 动部朝离开所述障碍物的方向移动，当所述其中之一的可动构件为所述第二可动构件的 情况下，使所述移动部朝接近所述障碍物的方向移动。
此外，本发明提供机械手的控制方法，其中，该机械手包括第一可动构件； 第二可动构件；保持部；将所述第一可动构件和所述第二可动构件可转动地连接的第一 关节部；将所述第二可动构件和所述保持部可转动地连接的第二关节部；驱动所述第一 关节部的第一关节驱动部；以及驱动所述第二关节部的第二关节驱动部，所述机械手的 控制方法包括以下步骤构件确定步骤，确定所述第一可动构件和所述第二可动构件中 被检测出有可能与障碍物碰撞或已经与障碍物碰撞的其中之一的可动构件；以及控制步 骤，控制所述第一关节驱动部和所述第二关节驱动部，使在所述构件确定步骤确定的其 中之一的可动构件朝离开所述障碍物的方向转动，并使另一可动构件朝接近所述障碍物 的方向转动。此外，本发明提供另一种机械手的控制方法，其中，该机械手包括第一可动 构件；第二可动构件；具有移动驱动部的移动部；将所述第一可动构件和所述第二可动 构件可转动地连接的第一关节部；将所述第二可动构件和所述移动部可转动地连接的第 三关节部；驱动所述第一关节部的第一关节驱动部；以及驱动所述第三关节部的第三关 节驱动部，所述机械手的控制方法包括以下步骤构件确定步骤，确定所述第一可动构 件和所述第二可动构件中被检测出有可能与障碍物碰撞或已经与障碍物碰撞的其中之一 的可动构件；以及控制步骤，控制所述第一关节驱动部、所述第三关节驱动部以及所述 移动驱动部，使在所述构件确定步骤确定的其中之一的可动构件朝离开障碍物的方向转 动，当所述其中之一的可动构件为所述第一可动构件的情况下，使所述移动部朝离开所 述障碍物的方向移动，当所述其中之一的可动构件为所述第二可动构件的情况下，使所 述移动部朝接近所述障碍物的方向移动。


图1是本发明实施方式1的机械手的概略结构图。图2是表示该机械手的结构的方框图。图3是表示该机械手的碰撞回避动作的第一例的概略正视图。图4是表示该机械手的碰撞回避动作的第二例的概略正视图。图5是用于说明该机械手的加速判断部的加速判断条件的图。图6是用于说明有助于该机械手的可动构件的旋转的反作用力成分的方向的 图。图7是说明该机械手的障碍物回避动作的流程图。图8是本发明实施方式2的机械手的概略结构图。图9是表示该机械手的结构的方框图。图10是表示该机械手的退避动作的第一例的概略正视图。图11是表示该机械手的退避动作的第二例的概略正视图。
具体实施例方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。(实施方式1)首先，参照图1，对本发明的实施方式1的机械手1的结构进行说明。图1是本发明实施方式1的机械手1的概略结构图。机械手1具备可动部91和保持该可动部91的保持部8。可动部91具有作为可 动构件的手2、作为可动构件的臂4、以及作为可动构件的臂6。另外，可动部91只要至 少具有两个可动构件(第一可动构件和第二可动构件)即可，例如，可动部91也可以采 用仅具有手2和臂4的结构、或仅具有臂4和臂6的结构、或者还连接有其它可动构件的 结构。手2具有把持物品的功能，通过关节部3与臂4的前端部连接。臂4的基端部 通过关节部5与臂6的前端部连接。臂6的基端部通过关节部7与保持部8连接。手2 和臂4、臂6可分别相互转动地连接在一起。关节部5的转动轴与关节部7的转动轴在与 图1的纸面垂直的方向上相互平行。保持部8具备机构部81和驱动部82。机构部81具备能够拍摄可动部91的拍摄 部11、12。拍摄部11、12还能够拍摄与可动部91碰撞的障碍物9。驱动部82具备 用于输入操作指令的输入部21 ；用于监视与障碍物9的碰撞的碰撞监视部23 ；以及驱动 手2和臂4、6的关节驱动部(后述的致动器31、51、71)的控制装置22。拍摄部11、 12向碰撞监视部23输出拍摄图像。控制装置22基于从输入部21得到的操作指令信息和 从碰撞监视部23得到的监视信息，利用关节驱动部的控制部22进行控制。另外，此处采用了将拍摄部11、12设置于机构部81的结构，但也可以采用将拍 摄部11、12设置于机构部81以外的其他部位的结构(例如，设置在能够俯瞰整个机械手 1的周围环境位置上的结构)。接下来，参照图2，对机械手1的结构和动作进行说明。图2是表示本发明的实 施方式1的机械手1的结构的方框图。关节部3、5、7分别具备作为关节驱动部的致动器31、51、71。致动器31通 过减速机38相对于臂4旋转地驱动手2。同样地，致动器51通过减速机38相对于臂6 旋转地驱动臂4。致动器71通过减速机38相对于保持部8旋转地驱动臂6。减速机38 通过齿轮等使后述的马达34的旋转减速，并且提高致动器31、51、71的驱动转矩。此 外，减速机38还具有作为将致动器31、51、71的驱动力分别传递至手2、臂4、臂6的 动力传递机构的作用。减速机38可采用例如可行星齿轮减速机、正齿轮减速机或带减速 机构等。致动器31、51、71具备驱动用的马达34、驱动该马达34的马达驱动部35、以 及编码器36。马达驱动部35例如具有H桥式驱动电路等驱动电路，通过该驱动电路向马达供 给电力，从而进行马达34的正反转。编码器36被设置成与马达34的轴(未图示)连接，用于检测马达34的转动信 息。编码器36可采用例如由编码板(coding plate)和光传感器构成的光学编码器、使用 了霍尔元件(hall element)或磁阻元件(magnetic resistor element)和NS两极磁化的旋转磁 体(rotary magnet)的磁编码器等。输入部21具备省略了图示的输入装置。输入部21将通过该输入装置输入的操 作指令输出至控制装置22。作为输入装置，例如可采用按键输入装置、操纵杆、触摸屏 等。另外，输入部21在图1所示的示例中采用了收纳于保持部8的结构，但是也可以采用相对于保持部8装卸自如的结构、或者作为其他的单元而构成。此外，在机械手1能 够自主移动的情况下，输入部21也可以输入来自外部的上位控制装置(未图示)的操作 指令。碰撞监视部23分析由各拍摄部11、12所得到的两个拍摄图像，并监视通过立体 观察检测到的包含距离、方向的障碍物9的动作信息、以及障碍物9与可动部91的相互 位置关系等位置关系信息。而且，碰撞监视部23判断是否存在障碍物9与可动部91碰 撞的可能性。并且，碰撞监视部23在判断为存在障碍物9与可动部91碰撞的可能性的 情况下，确定存在碰撞的可能性的可动部91的可动构件(例如臂4)，并将障碍物9的信 息(动作信息、位置信息)以及存在碰撞的可能性的可动构件的位置信息作为监视信息输 出至控制装置22。另外，也可以将碰撞监视部23的功能设置为控制装置22的功能。此 外，此处作为监视包含距离方向的障碍物9的动作以及障碍物9与可动部91的相互位置 关系等的方法，采用了利用拍摄部11、12的视差的立体照相法，但并不限定于该方法。 例如，也可以采用距离图像传感器等，该距离图像传感器通过对从发光二极管照射出的 光被测量对象反射而返回至CCD (Charge Coupled Device)上的到达时间(Time of Flight)进 行计测，并重叠图像信息，以此按各像素输出对象的图像和至对象为止的距离。控制装置22包括基于程序执行各种功能的中央控制装置(CPU)、存储各种程序 等的读出专用的只读存储器(ROM)、暂时存储数据的可重写的随机存取存储器(RAM) 和进行与外部的数据输入输出的输入输出部。据此，控制装置22通过基于从输入部21得 到的操作指令和从碰撞监视部23得到的监视信息来执行各种程序，从而驱动致动器31、 51、71，当可动部91有可能与障碍物9碰撞的情况下，控制成进行回避动作。此外，控 制装置22可基于从编码器36得到的马达34的旋转信息，来检测手2、臂4和臂6各自的 位置和姿势、以及可动构件之间的角度。另外，根据从编码器36得到的马达34的旋转 方向的信息，控制装置22能够获得关于与由碰撞监视部23确定的可动构件(例如臂4) 不同的可动构件(例如臂6)的转动方向的信息(转动方向信息)。此外，控制装置22具备加速判断部25。加速判断部25进行在障碍物9与可动 部91的碰撞回避动作时的加速判断。关于该加速判断部25，将在后面进行叙述。接下来，参照图2、图3和图4，对机械手1的避免与障碍物9碰撞的动作进行 说明。图3是表示本实施方式1的机械手1的碰撞回避动作的第一例的概略正视图，图 4是表示该机械手1的碰撞回避动作的第二例的概略正视图。首先，参照图2和图3，对机械手1的避免碰撞的第一例进行说明。控制装置22根据来自输入部21的操作指令使致动器31、51、71驱动，并且从 碰撞监视部23取得监视信息。控制装置22在根据该监视信息检测出可动部91有可能与 障碍物9碰撞的情况下，根据有关存在碰撞的可能性的可动部91的可动构件(手2或臂 4、6)的位置和姿势的信息、有关其它的可动构件的位置和姿势的信息、关节部3、5、7 的驱动信息(包括转动方向信息)等，开始进行使可动构件避开障碍物9的动作。艮口， 生成使可动构件避开障碍物9的控制信息，根据该控制信息使致动器31、51、71驱动， 从而对关节部3、5、7进行转动控制。机械手1例如根据来自输入部21的操作指令来使致动器31、51、71驱动。例 如，机械手1根据操作指令，让致动器31停止，而让致动器51、71驱动。
据此，例如图3(a)所示，机械手1使臂4相对于关节部5的旋转中心朝A方向 转动，并使臂6相对于关节部7的旋转中心朝A方向转动。S卩，以关节部7为中心，使 臂6转动的方向和使臂4转动的方向为相同方向。因该转动动作，例如存在障碍物9与臂4碰撞的可能性的情况下，碰撞监视部23 工作，并输出监视信息。监视信息被输入至控制装置22。控制装置22在检测出障碍物9与臂4碰撞的可能性后，根据监视信息，对致动 器51和致动器71进行驱动控制。具体来说，致动器51以与A方向相反的方向的转矩驱 动臂4，致动器71提高转矩从而使臂6在不改变转动方向的情况下加速。S卩，机械手1 使臂4相对于臂6朝避开障碍物9的方向(图3(b)的B方向)转动，并且使臂6相对于 障碍物9朝碰撞方向加速转动。如图3(b)所示，当使臂6相对于关节部7的旋转中心朝A方向加速转动时，臂 4的基端部朝A方向加速，因此在臂4的重心位置4a作用由惯性产生的反作用力(旋转 力矩)。该反作用力以使臂4绕关节部5的旋转中心朝B方向转动。S卩，通过借助该反 作用力使臂6的转动加速，能够辅助使臂4的转动反转的动作。因此，虽然臂6的动作 相对于障碍物9向碰撞方向加速，但是在臂4作用与碰撞方向相反的旋转力矩，因此臂4 的姿势向B方向迅速变化。S卩，臂4朝离开障碍物9的方向移动。其结果，在机械手1中，在使臂4向B方向转动驱动时，能够在致动器51的转 矩上还加上由惯性产生的反作用力来进行驱动，从而能够使臂4迅速地避开障碍物9。另外，根据臂6的姿势，以将可动部91向保持部8折叠的方式进行驱动。由 此，能够更可靠地使臂4避开障碍物9。如上所述，机械手1通过在不改变臂6的转动方向的情况下进行加速，能够在致 动器51的转矩的基础上还利用反作用力使臂4向回避方向旋转驱动。由此，能够使臂4 迅速地避开障碍物9。另外，在本实施方式中，即使在致动器51的机械/电时间常数较大、或者驱动 力较小的情况下，由于有效地利用了反作用力，因此能够如上所述地使臂4迅速地避开 障碍物9。接下来，参照图4，对避免碰撞的第二例进行说明。在上述第一例中，通过使臂6的转动向图3的A方向加速，以此在使臂4反转的 方向(图3的B方向)产生反作用力。与此相对，在第二例中，通过使作为臂6的转动 中心的关节部7自身移动，从而产生反作用力。机械手1的保持部8具备保持部主体8a ；以及用于使可动部的位置相对于该 保持部主体8a平行移动的移动部13。利用该移动部13来避免碰撞。移动部13是沿指定方向可滑动地设置于保持部8的保持部主体8a的构件。作为 该移动部13，例如采用直线滑块(rectilinear slider)。由于关节部7被支撑于移动部13， 所以能够通过该移动部13使可动部91向图4(b)的D方向平行移动。移动部13具备移 动驱动部14。该移动驱动部14具有马达(未图示)、减速机(未图示)、以及驱动马达 的驱动器(未图示)，并且该移动驱动部14通过控制装置22而被控制。臂6通过关节 部7转动自如地连接于移动部13。为了通过移动部13的移动来可靠地产生反作用力，移 动部13的移动方向优选与关节部7的转动轴垂直的方向。但是，在由于保持部8的结构等而移动部13的移动范围受限制的情况下，移动部13的移动方向也可以是除此以外的方向。此处，例如图4(a)所示，以臂4的重心位置4a相对于关节部5位于根部一侧 (比X-X轴更靠机构部81 —侧)的情况为例，对避免与障碍物9碰撞的动作进行说明。 该情况下，机械手1根据第二例的障碍物9与臂4的位置关系以及臂4、6的动作状况来 进行碰撞回避动作。机械手1根据来自输入部21的操作指令来使致动器31、51、71驱动。例如， 机械手1使致动器31停止，而使致动器51、71驱动。具体来说，使臂4以关节部5为 中心向B方向转动，并使臂6以关节部7为中心向A方向转动。在该动作时，当存在障碍物9与臂4碰撞的可能性的情况下，碰撞监视部23工 作，向控制装置22输出监视信息。控制装置22基于该监视信息来控制致动器51、71， 并且控制移动驱动部14，以使臂4避开障碍物9。具体来说，控制装置22在检测出臂4与障碍物9碰撞的可能性后，在致动器51 以与B方向相反的方向(A方向)的转矩驱动臂4，并且在致动器71以与A方向相反的 方向(B方向)的转矩驱动臂6。由此，臂4绕关节部5的转动方向反转，并且臂6绕关 节部7的转动方向也反转。控制装置22还让移动驱动部14进行驱动，以使移动部13从 停止状态向D方向加速移动。S卩，机械手1使臂4和臂6分别向相反方向转动，并且使 移动部13相对于障碍物9向碰撞方向加速移动。如图4(b)所示，当使移动部13向D方向加速移动时，臂6的基端部向D方向 加速，因此由惯性产生的反作用力(旋转力矩)在臂4的重心位置4a向E方向作用。基 于该反作用力，使臂4以关节部5为旋转中心向A方向转动的力作用于臂4。同样地， 由惯性产生的反作用力在臂6的重心位置6a向E方向作用。因此，使臂6以关节部7为 旋转中心向B方向转动的力作用于臂6。因此，虽然使移动部13相对于障碍物9向碰撞 方向(D方向)加速，但在臂4的重心位置4a和臂6的重心位置6a，由惯性产生的反作 用力作为使两个臂4、6反转的辅助力而向E方向作用，因此能够使被确定为有可能与障 碍物9碰撞的臂4朝离开障碍物9的方向迅速地移动。如上所述，机械手1能够对臂4施加反向转矩(碰撞回避方向)，并且，还利用 反作用力使臂4避开障碍物9，因此能够迅速地避免碰撞。另外，在例如臂4的碰撞回避动作时，既可以一并采用臂6的加速动作和移动部 13的加速动作，也可以只进行其中之一的动作。接下来，参照图5和图6 (a)至(d)，对设置于控制装置22的加速判断部25进行 说明。图5是用于说明基于本实施方式1的机械手1的加速判断部25的加速判断条件的 图，图6(a)至(d)是用于说明有助于机械手1的可动构件2、4、6的转动的反作用力成 分(以下，称为反作用力)的方向的图。如图5所示，加速判断部25根据由臂6与臂4所夹的角度Θ、臂4与障碍物9的 位置关系以及臂6的转动方向所决定的加速判断条件，来判断加速的适当与否。并且， 在判断为作用于臂4的重心位置4a的反作用力的方向有助于碰撞回避动作的情况下，输 出“加速转动”的判断结果，在判断为作用于重心位置4a的反作用力无助于碰撞回避动 作的情况下，输出“不加速转动”的判断结果。
对可否加速的判断进行具体说明。在本实施方式中，如图5所示，以相对于相 互正交的绝对坐标轴Xa、Ya的原点使臂6向顺时针方向(Α方向)转动，并且相对于相 互正交的相对坐标轴Xb、Yb的原点使臂4向顺时针方向(A方向)转动的情况为动作例 进行说明。另外，如图5所示，绝对坐标轴Xa、Ya的原点设定在关节部7的旋转中心， 相对坐标轴Xb、Yb的原点设定在关节部5的旋转中心。另外，相对坐标轴Xb被设定 在与臂6的长度方向正交的方向，相对坐标轴Yb被设定在臂6的长度方向。此处，相对坐标轴Xb、Yb的原点在以绝对坐标轴Xa、Ya的原点为中心、以两 原点间的距离为半径的圆周20上移动。加速判断部25基于臂4在相对坐标轴Xb、Yb系中的位置，来判断作用于臂4的 中心位置4a的反作用力方向，根据该反作用力方向、以及臂4与障碍物9的位置关系，来 进行加速判断。即，加速判断部25首先判断在相对坐标轴Xb、Yb系中臂4的中心位置 位于第一区域(Xb <0、Yb < 0)、第二区域(Xb <0、Yb > 0)、第三区域(Xb > 0、 Yb > 0),第四区域(Xb >0、Yb <0)的情况下的反作用力方向。然后，根据该反作用 力方向以及臂4与障碍物9的位置关系，来进行加速判断。另外，在图5中，臂6与臂4 所成的角度θ是以与连接关节部5和关节部7的转动中心而得到的线段一致的臂6的中 心线为基准，从此基准起，当臂4的转动方向为正时的两臂4、6所夹的角度。S卩，臂4 与臂6重合时的角度为零，从此处使臂4向图5的顺时针方向进行了转动时的角度为θ。接下来，参照图6(a)至图6(d)，对作用于各区域内的臂4的重心的反作用力方 向进行说明。图6(a)是臂4的重心位置4a位于第一区域时的示例。若以所述角度θ来描述 第一区域，则为0° < θ <90°的区域。此时，通过使臂6加速，在臂4的重心位置4a 产生的反作用力作用于F方向。S卩，反作用力的作用方向与重心位置4a基于向A方向的 臂4的转动而移动的方向相同。因此，加速判断部25在障碍物9位于通过反作用力而促 进臂4的转动的方向的相反侧(角度θ减小的方向)的情况下，判断为“加速转动”。 这是因为通过使臂6加速而使作用于臂4的反作用力朝向碰撞回避方向。另一方面，在 障碍物9位于臂4基于反作用力而转动的方向(角度θ增大的方向)的情况下，判断为 “不加速转动”。这是因为在该情况下反作用力作用于碰撞方向。图6(b)是臂4的重心位置4a位于第二区域时的示例。若以所述角度θ来描述 第二区域，则为90° < θ <180°的区域。此时，通过使臂6加速而在臂4的重心位 置4a产生的反作用力作用于G方向。即，反作用力的作用方向与重心位置4a基于向A 方向的臂4的转动而移动的方向相反。因此，加速判断部25在障碍物9位于通过反作用 力而促进臂4的转动的方向的相反侧(角度θ增大的方向)的情况下，判断为“加速转 动”。这是因为通过使臂6加速而使作用于臂4的反作用力朝向碰撞回避方向。另一方 面，在障碍物9位于臂4基于反作用力而转动的方向(角度θ减小的方向)的情况下， 判断为“不加速转动”。这是因为在该情况下反作用力作用于碰撞方向。图6(c)是臂4的重心位置4a位于第三区域时的示例。若以所述角度θ来描述 第三区域，则为180° < θ < 270°的区域。此时，施加于臂4的重心位置4a的反作用 力作用于H方向。S卩，反作用力的作用方向与重心位置4a基于向A方向的臂4的转动而 移动的方向相反。因此，加速判断部25在障碍物9位于臂4基于反作用力而转动的方向的相反侧(角度θ增大的方向)的情况下，判断为“加速转动”。这是因为通过使臂6 加速而使作用于臂4的反作用力朝向碰撞回避方向。另一方面，在障碍物9位于臂4基 于反作用力而转动的方向(角度θ减小的方向)的情况下，判断为“不加速转动”。这 是因为在该情况下反作用力作用于碰撞方向。图6(d)是臂4的重心位置4a位于第四区域时的示例。若以所述角度θ来描述 第四区域，则为270° < Θ4< 360°的区域。此时，施加于臂4的重心位置4a的反作 用力作用于I方向。即，反作用力的作用方向与重心位置4a基于向A方向的臂4的转动 而移动的方向相同。因此，加速判断部25在障碍物9位于臂4基于反作用力而转动的方 向的相反侧(角度θ减小的方向)的情况下，判断为“加速转动”。这是因为通过使臂 6加速而使作用于臂4的反作用力朝向碰撞回避方向。另一方面，在障碍物9位于臂4基 于反作用力而转动的方向(角度θ增大的方向)的情况下，判断为“不加速转动”。这 是因为在该情况下反作用力作用于碰撞方向。另外，加速判断部25也可以将施加于各区域内的臂4的重心位置的反作用力的 作用方向储存于储存部(未图示)，并基于该储存的反作用力的作用方向来进行判断。这样，加速判断部25在根据加速判断条件判断为由惯性产生的反作用力有助于 碰撞回避动作的情况下，判断为“加速转动”。据此，控制装置22能够在施加于臂4的 重心位置4a的反作用力的作用方向有助于避免与障碍物9的碰撞动作时使臂6加速转动。 即，臂4在由致动器51产生的障碍物回避方向的转矩的基础上，还能够利用朝向障碍物 回避方向的反作用力，因此能够迅速地避免与障碍物9的碰撞。接下来，参照图7，对机械手1的动作进行说明。图7是说明本发明实施方式1 的机械手1的障碍物回避动作的流程图。首先，机械手1根据来自输入部21的操作指令，通过致动器31、51、71驱动关 节部3、5、7(步骤S100)。接着，机械手1利用碰撞监视部23监视障碍物9与可动构件2、4、6的碰撞(步 骤 S102)。然后，机械手1根据从碰撞监视部23输出的监视信息来判断可动构件2、4、6 是否会与障碍物9碰撞(步骤S104)。S卩，由于碰撞监视部23在存在可动构件2、4、6 与障碍物9碰撞的可能性的情况下工作，所以碰撞监视部23在存在碰撞的可能性的情况 下向控制装置22输出监视信息。另一方面，碰撞监视部23在不存在障碍物9与可动构 件2、4、6碰撞的可能性的情况下不工作，从而不向控制装置22输出监视信息。因此， 机械手1能够根据监视信息来判断障碍物9与可动构件2、4、6的碰撞的有无。即，步 骤S102和步骤S104是判断在各可动构件2、4、6是否存在碰撞可能性的碰撞监视步骤。机械手1在碰撞监视部23工作时，根据监视信息来控制致动器31、51、71或移 动驱动部14，以使可动构件2、4、6避开障碍物9 (步骤S106)。此时，机械手1的加速判断部25根据臂4与臂6所成的角度θ，对由碰撞监视 部23确定的可动构件(例如臂4)的重心位置(例如，在图3 (a)的姿势下为臂4的重心位 置4a)存在于设定在关节部5的相对坐标系的四个区域的哪个区域进行确定。然后，根据 重心位置所存在的区域、另一可动构件(例如臂6)的转动方向信息以及可动构件(例如 臂4)与障碍物9的位置关系信息，来判断在使另一可动构件(例如臂6)加速转动的情况下作用于可动构件(臂4)的重心位置的反作用力是否有助于碰撞回避动作(步骤S108)。 然后，加速判断部25在伴随另一可动构件(例如臂6)的加速而产生的反作用力有助于 碰撞回避动作的情况下，判断为“加速转动”，在反作用力无助于碰撞回避动作的情况 下，判断为“不加速转动”。此处，所谓作用于可动构件(例如臂4)的重心位置的反 作用力有助于碰撞回避动作的情况，是指反作用力的作用方向相对于障碍物9作用于碰 撞回避方向的情况。此外，所谓作用于可动构件(例如臂4)的重心位置的反作用力无助 于碰撞回避动作的情况，是指反作用力的作用方向相对于障碍物9作用于碰撞方向的情 况。即，步骤S108是加速判断步骤。机械手1在利用加速判断部25判断为“加速转动”的情况下，例如在图3(b) 的姿势下使臂4向相反方向反转转动，并且提高致动器71的转矩，从而使臂6的转动加 速(步骤S110)。据此，臂4在其基端部不仅受到由致动器51产生的旋转力，而且受到 伴随臂6的加速动作而产生的绕重心位置4a的旋转力矩。据此，臂4朝离开障碍物9的 方向迅速地转动。即，步骤SllO作为控制步骤。然后，机械手1判断是否避开了障碍 物9(步骤S112)。机械手1在判断为未避开障碍物的情况下返回步骤S110，继续加速转 动。另一方面，在判断为避开了的情况下，前进至步骤S114。机械手1在进行了碰撞回避动作后，例如使致动器31、51、71或移动驱动部14 停止，从而使可动部91的动作停止(步骤S114)。另外，在设定有目标位置的情况下， 也可再次使可动部91的动作开始而进行移动。如上所述，根据本实施方式1的机械手1，在由碰撞监视部23确定的可动构件进 行回避障碍物的动作时，在致动器31、51、71的驱动力的基础上，还能够利用作用于该 可动构件重心的由惯性产生的反作用力。因此，在手2或臂4、6能够实现从障碍物9迅 速避开的动作。另外，在本实施方式1中，以两个臂4、6的情况为例进行了说明，但是并不限 于此。即使是由三个以上的可动构件连结而成的机械手，也能够获得同样的效果。另外，在本实施方式1中，采用了移动部13能够相对于保持部主体8a移动的结 构，但是也可以取而代之，让保持部8本身具备车轮等驱动部及具有该驱动部的自走式 结构，在碰撞回避动作时使保持部8自身加速移动的结构。在该情况下，保持部8作为 可动构件发挥作用。此外，在该情况下，由于保持部8作为可动构件发挥作用，所以也 可以采用仅设置有一个臂的结构。此外，也可以采用如下结构，即各关节部3、5、7具有如后述实施方式2所示 的离合器以及切换部，例如在臂4的碰撞回避动作时进行使关节部5的离合器成为闲游 (free)状态的控制。(实施方式2)下面，利用图8至图10，对本发明实施方式2的机械手10进行说明。图8是 本发明实施方式2的机械手10的概略正视图，图9是表示该机械手10的结构的方框图， 图10是说明该机械手10的退避动作的概略正视图。以下，对与实施方式1相同的结构 要素，标注相同符号进行说明。在实施方式1的机械手1中，设置有碰撞监视部23，根据该碰撞监视部23的监 视信息来确定存在碰撞可能性的可动构件(例如臂4)。一并使用施加于可动构件的障碍物回避方向的转矩和伴随另一可动构件(例如臂6)的加速动作而作用于可动构件的由惯 性产生的反作用力，来避免此时确定的可动构件(例如臂4)与障碍物9的碰撞。与此相对，本实施方式2的机械手10具备后述的碰撞检测部24，根据该碰撞检 测部24的检测信息来确定与障碍物9发生了碰撞的可动构件，并在由碰撞检测部24确定 的可动构件利用由惯性产生的反作用力来缓和冲击力。据此，即使在机械手10与障碍物 9发生了碰撞的情况下，也能够缓和由该碰撞产生的冲击力。首先，参照图8，对本实施方式2的机械手10的结构进行说明。机械手10包括具有手2、臂4和臂6的可动部；关节部30、50、70 ；以及保 持可动部的保持部8。手2通过关节部30与臂4连接。臂4通过关节部50与臂6连接。臂6通过关 节部70与保持臂6的保持部8连接。手2、臂4、6以及保持部8可分别相互转动地连 接。在臂4、6的表面分别设置有检测与障碍物9的接触的接触传感器41、61。接触传感器41、61例如可采用使用导电性压敏油墨(conductive and pressure-sensitive ink)印刷成纵横图案的压敏片(pressure-sensitive sheet)等。据此，基于
障碍物9与臂4接触从而对压敏片施加了压力时的压敏片的电阻变化，利用接触传感器41 可感知到接触。同样地，当障碍物9与臂6接触从而对压敏片施加压力时，接触传感器 61能够感知到接触。保持部8具备机构部81和驱动部82。驱动部82具备用于输入操作指令的输入 部21、用于检测与障碍物9的碰撞的碰撞检测部24、以及控制装置22。控制装置22基 于从输入部21得到的操作指令信息和从碰撞检测部24得到的检测信息，来控制手2和臂 4、6的动作。在碰撞检测部24连接有接触传感器41、61。接下来，参照图9，对机械手10的结构和动作进行说明。图9是表示本发明实 施方式2的机械手10的结构的方框图。控制装置22根据来自输入部21的操作指令来控制手2和臂4、6的动作。此 外，控制装置22基于碰撞检测部24的检测信息使后述致动器31、51、71进行驱动，从 而使与障碍物9发生了碰撞的可动构件退避。另外，控制装置22具备加速判断部25，在 按照由该加速判断部25作出的判断使可动构件从障碍物9退避时，对是否利用作用于可 动构件的重心的、由惯性产生的反作用力进行判断。碰撞检测部24根据从接触传感器41、61取得的接触感知信息，确定与障碍物9 发生了碰撞的可动构件，并将该确定的可动构件的检测信息输出至控制装置22。例如， 碰撞检测部24当接触传感器41感知到接触时，检测出臂4与障碍物9发生了碰撞。同 样地，当接触传感器61感知到接触时，检测出臂6与障碍物9发生了碰撞。关节部30、50、70具备作为关节驱动部的致动器31、51、71;作为传递关 节驱动部的动力的动力传递部的离合器32、52、72；作为动力传递切换部的切换部33、 53、73;以及角度传感器37、57、77。离合器32通过切换部33的工作或不工作，而使致动器31的动力经由减速机38 传递至手2 (连接状态)、或不让致动器31的动力传递至手2 (非连接状态)。作为离合 器32，例如采用一对离合板，作为切换部33，例如采用通过电流的导通/断开来使一对离合板成为接触/非接触状态的电磁体。另外，切换部33的“工作”状态是通过电流 的断开而使所述一对离合板接触的状态，“不工作”状态是通过电流的导通而使所述一 对离合板非接触的状态。离合器32通过使一对离合板处于接触状态，来使致动器31的 动力经由减速机38传递至手2。另一方面，离合器32通过使一对离合板处于非接触状 态，不让致动器31的动力传递至手2。同样，离合器52通过切换部53的工作或不工作，而使致动器51的动力经由减 速机38传递至臂4 (连接状态)、或不让致动器51的动力传递至臂4 (非连接状态)。此 外，离合器72通过切换部73的工作或不工作，而使致动器71的动力经由减速机38传递 至臂6 (连接状态)、或不让致动器71的动力传递至臂6 (非连接状态)。因此，当离合器32为非连接状态时，关节部30处于相对于外力转动自如的(闲 游)状态。同样，当离合器52为非连接状态时，关节部50处于相对于外力转动自如的 (闲游)状态，当离合器72为非连接状态时，关节部70处于相对于外力转动自如的(闲 游)状态。编码器36检测马达34的旋转信息。控制装置22基于该旋转信息和减速机38 的减速比，来检测手2、臂4和臂6的位置和姿势，并且控制手2、臂4和臂6的动作。角度传感器37基于绝对关节角度信息来检测手2的姿势和动作。在使离合器32 处于非连接状态时，致动器31的动力不再被传递至手2，因此不能通过编码器36来检测 手2的动作，但即使在该情况下，也能够通过角度传感器37来检测手2的动作。此外， 在再次使离合器32处于连接状态的情况下，利用角度传感器37的绝对关节角度信息，能 够修正编码器36的旋转信息。同样，角度传感器57基于绝对关节角度信息来检测臂4 的姿势和动作。角度传感器77基于绝对关节角度信息来检测臂6的姿势和动作。作为角度传感器37、57、77，例如可以使用采用了霍尔元件或磁阻元件和NS两 极磁化的旋转磁体的磁编码器、利用了可变电阻器原理的电位计(potentiometer)等。接下来，参照图9和图10(a)、(b)，对机械手10的退避动作进行说明。控制装置22根据来自输入部21的操作指令，使致动器31、51、71进行驱动， 并且从碰撞监视部24取得与障碍物9接触的可动构件(手2或臂4、6)的检测信息。控 制装置22在根据该检测信息检测到障碍物9与可动构件发生了碰撞的情况下，根据发生 了碰撞的可动构件的检测信息、关节部50、70的驱动信息等，开始进行使可动构件从障 碍物9退避的动作。S卩，生成用于使可动构件从障碍物9退避、并缓和因碰撞产生的冲击 力的控制信息，根据该控制信息使致动器31、51、71进行驱动，从而对关节部30、50、 70进行转动控制。如图10(a)所示，机械手10根据来自输入部21的操作指令来使致动器31、51、 71进行驱动。例如，机械手10使致动器31停止，使切换部33、53、73工作，并且使致 动器51、71进行驱动。据此，例如臂4以关节部50为旋转中心向A方向转动，并且臂 6以关节部70为旋转中心向A方向转动。然后，在障碍物9与臂4接触的情况下，接触传感器41工作，碰撞检测部24检 测到臂4与障碍物9的碰撞并向控制装置22输出检测信息。控制装置22根据该检测信 息来设定切换部53、73，并控制致动器51、71，以使臂4从障碍物9退避。具体来说，控制装置22在检测到臂4与障碍物9的碰撞后，将切换部53从“工作”切换为“不工作”，并且提高致动器71的驱动力，使臂6向A方向加速转动。艮口， 机械手10在使关节部50相对于外力转动自如(闲游)的状态下，使臂6相对于障碍物9 向碰撞方向(A方向)加速转动。如图10(b)所示，当使臂6以关节部70为旋转中心向A方向加速转动时，关节 部50处于相对于外力转动自如(闲游)的状态，因此伴随臂6的加速而作用于臂4的惯 性力成为反作用力而发挥作用。由此，臂4以关节部50为旋转中心朝离开障碍物9的方 向(B方向)转动。因此，虽然使臂6相对于障碍物9向碰撞方向加速转动，但由惯性产 生的朝向障碍物退避方向的反作用力作用于臂4的重心，因此发生了碰撞时的臂4的姿势 向C方向变化。其结果，机械手10能够使臂4从障碍物9退避。同样，在接触传感器61工作、 碰撞检测部24检测到臂6与障碍物9的碰撞的情况下，控制装置22使致动器51、71进 行驱动，以使臂6从障碍物9退避。如上所述，根据本实施方式2的机械手10，与实施方式1相同，由于能够利用 由惯性产生的反作用力使臂4从障碍物9退避，所以即使在臂与障碍物发生了碰撞的情况 下，也能够缓和因碰撞产生的冲击力。另外，在接触传感器41、61未感知到接触的状态(即，臂4和臂6均未与障碍 物9碰撞的状态)下，碰撞检测部24不向控制装置22输出检测信息。此时，控制装置 22使切换部53、73工作，从而使离合器52、72连接。据此，机械手10根据来自输入部 21的操作指令，能够使臂4和臂6移动至指定位置。此外，当从碰撞检测部24输出检测信息时，CPU通过硬件中断(hardware
interrupt)接受检测信息，并执行用于进行回避动作的程序。据此，控制装置22能够提高 发生碰撞时的响应速度。此外，机械手10在发生了碰撞时使马达34的转动方向变更为相反方向。因此， 例如在使臂4从所碰撞的障碍物9退避的情况下，也能够同时利用由惯性产生的反作用力 来使臂4从障碍物9退避，因此能够使臂4更迅速地从障碍物退避。另外，机械手10也可以同时使用碰撞监视部23和碰撞检测部24，从而利用从碰 撞监视部23获得的监视信息和从碰撞检测部24获得的检测信息。据此，不但在发生了 碰撞的情况下能够进行使碰撞后的冲击力缓和的动作，而且在碰撞前能够使用监视信息 来进行朝向碰撞回避方向的动作。另外，如图11(a)所示，也可以在检测到可动构件与障碍物9的碰撞时使移动部 13加速移动。S卩，在臂4的重心位置4a相对于关节部50位于根部侧(比X-X轴更靠机 构部81—侧)的状况下，当碰撞检测部24检测出臂4与障碍物9碰撞时，机械手10使 切换部53、73不工作，使两个关节部50、70处于相对于外力转动自如(闲游)的状态， 并且使移动部13相对于障碍物9向碰撞方向加速。据此，如图11 (b)所示，能够使臂4 从障碍物9退避，因此能够缓和因碰撞而产生的冲击力。此外，控制装置22也可以具备使多个关节部30、50、70的动作协调的协调程 序，通过执行该程序，来使关节部30、50、70协调动作。据此，能够提高碰撞回避动 作、冲击力缓和动作的效果。另外，在本实施方式2中，控制装置22根据编码器36的旋转信息和减速机38的减速比，来检测手2、臂4和臂6的位置和姿势，并控制它们的动作，但是也可以不设置 编码器36，而仅利用角度传感器37、57、77的绝对关节角度信息，来检测手2、臂4和 臂6的位置和姿势，并控制手2等的动作。根据该结构，当在使离合器32、52、72处于 非连接状态后、再次连接了离合器32、52、72的情况下，也可以不修正角度信息而进行 控制。产业上的可利用性根据本发明，能够控制机械手，特别是用于在有可能与障碍物碰撞的状况下使 用的机械手及控制方法等。
权利要求
1.一种机械手，其特征在于包括 第一可动构件；第二可动构件； 保持部；第一关节部，可转动地连接所述第一可动构件和所述第二可动构件； 第二关节部，可转动地连接所述第二可动构件和所述保持部； 第一关节驱动部，驱动所述第一关节部； 第二关节驱动部，驱动所述第二关节部；构件确定部，确定所述第一可动构件和所述第二可动构件中被检测出有可能与障碍 物碰撞或已经与障碍物碰撞的其中之一的可动构件；以及控制装置，控制所述第一关节驱动部和所述第二关节驱动部，使由所述构件确定部 确定的所述其中之一的可动构件朝离开所述障碍物的方向转动，并使另一可动构件朝接 近所述障碍物的方向转动。
2.根据权利要求1所述的机械手，其特征在于所述控制装置具备加速判断部，该加速判断部根据表示由所述构件确定部确定的所 述其中之一的可动构件与所述障碍物的位置关系的位置关系信息、表示所述第一可动构 件和所述第二可动构件所夹的角度的角度信息、以及表示所述另一可动构件的转动方向 的转动方向信息，来判断是否加速所述另一可动构件的转动。
3.根据权利要求2所述的机械手，其特征在于所述加速判断部，根据所述位置关系信息、所述角度信息以及所述转动方向信息， 当所述障碍物位于与因所述另一可动构件的转动的加速而在所述其中之一的可动构件上 产生的反作用力的方向相反的方向时，判断为加速所述另一可动构件的转动，而当所述 障碍物位于所述反作用力的方向时，判断为不加速所述另一可动构件的转动。
4.根据权利要求3所述的机械手，其特征在于当设所述另一可动构件绕所述第一关节部的转动中心转动的方向为正，所述第一可 动构件相对于所述第二可动构件所夹的角度为θ时，在所述另一可动构件朝所述转动方向转动的情况下，所述加速判断部进行如下所述 判断当0° < θ <90°或270° < θ < 360°的条件成立、且所述障碍物位于所述角度 θ变小的方向时，判断为加速所述另一可动构件的转动；当0° < θ <90°或270° < θ < 360°的条件成立、且所述障碍物位于所述角度 θ变大的方向时，判断为不加速所述另一可动构件的转动；当90° < θ <180°或180° < θ < 270°的条件成立、且所述障碍物位于所述角 度θ变大的方向时，判断为加速所述另一可动构件的转动；当90° < θ <180°或180° < θ < 270°的条件成立、且所述障碍物位于所述角 度θ变小的方向时，判断为不加速所述另一可动构件的转动。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的机械手，其特征在于所述保持部所具备的移动部，保持所述第二可动构件且基于移动驱动部可移动， 所述控制装置控制所述移动驱动部，在所述其中之一的驱动构件为所述第一可动构件的情况下，使所述移动部朝离开所 述障碍物的方向移动；在所述其中之一的驱动构件为所述第二可动构件的情况下，使所述移动部朝接近所 述障碍物的方向移动。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的机械手，其特征在于所述构件确定部，从至少由两个拍摄部拍摄而得到的拍摄图像导出所述障碍物的位 置，并确定在所述第一可动构件和所述第二可动构件中被检测出有可能与所述障碍物碰 撞或已经与所述障碍物碰撞的其中之一的可动构件。
7.—种机械手，其特征在于包括第一可动构件；第二可动构件；第一关节部，可转动地连接所述第一可动构件和所述第二可动构件；移动部，具有移动驱动部；第三关节部，可转动地连接所述第二可动构件和所述移动部；第一关节驱动部，驱动所述第一关节部；第三关节驱动部，驱动所述第三关节部；构件确定部，确定所述第一可动构件和所述第二可动构件中被检测出有可能与障碍 物碰撞或已经与障碍物碰撞的其中之一的可动构件；以及控制装置，控制所述第一关节驱动部、所述第三关节驱动部以及所述移动驱动部， 使由所述构件确定部确定的其中之一的可动构件朝离开所述障碍物的方向转动，当所述 其中之一的可动构件为所述第一可动构件的情况下，使所述移动部朝离开所述障碍物的 方向移动；当所述其中之一的可动构件为所述第二可动构件的情况下，使所述移动部朝 接近所述障碍物的方向移动。
8.根据权利要求7所述的机械手，其特征在于所述控制装置具备加速判断部，该加速判断部根据表示由所述构件确定部确定的所 述其中之一的可动构件和所述障碍物的位置关系的位置关系信息、以及表示所述第一可 动构件和所述第二可动构件所夹的角度的角度信息，来判断是否加速所述移动部。
9.根据权利要求8所述的机械手，其特征在于所述加速判断部，根据所述位置关系信息以及所述角度信息，在所述障碍物位于与 因所述移动部的加速而在所述其中之一的可动构件的重心产生的反作用力的方向相反的 方向时，判断为加速所述移动部，而在所述障碍物位于所述反作用力的方向时，判断为 不加速所述移动部。
10.—种机械手的控制方法，其中，该机械手包括第一可动构件；第二可动构件； 保持部；将所述第一可动构件和所述第二可动构件可转动地连接的第一关节部；将所述 第二可动构件和所述保持部可转动地连接的第二关节部；驱动所述第一关节部的第一关 节驱动部；以及驱动所述第二关节部的第二关节驱动部，其特征在于，所述机械手的控 制方法包括以下步骤构件确定步骤，确定所述第一可动构件和所述第二可动构件中被检测出有可能与障 碍物碰撞或已经与障碍物碰撞的其中之一的可动构件；以及控制步骤，控制所述第一关节驱动部和所述第二关节驱动部，以使在所述构件确定 步骤确定的其中之一的可动构件朝离开所述障碍物的方向转动，并使另一可动构件朝接 近所述障碍物的方向转动。
11.根据权利要求10所述的机械手的控制方法，其特征在于所述控制步骤，在所述障碍物位于与因所述另一可动构件的转动加速而在所述其中 之一的可动构件上产生的反作用力的方向相反的方向时，判断为使所述另一可动构件加 速，而在所述障碍物位于所述反作用力的方向时，判断为不使所述另一可动构件的转动 加速。
12.—种机械手的控制方法，其中，该机械手包括第一可动构件；第二可动构件； 具有移动驱动部的移动部；将所述第一可动构件和所述第二可动构件可转动地连接的第 一关节部；将所述第二可动构件和所述移动部可转动地连接的第三关节部；驱动所述 第一关节部的第一关节驱动部；以及驱动所述第三关节部的第三关节驱动部，其特征在 于，所述机械手的控制方法包括以下步骤构件确定步骤，确定所述第一可动构件和所述第二可动构件中被检测出有可能与障 碍物碰撞或已经与障碍物碰撞的其中之一的可动构件；以及控制步骤，控制所述第一关节驱动部、所述第三关节驱动部以及所述移动驱动部， 使在所述构件确定步骤确定的其中之一的可动构件朝离开障碍物的方向转动，当所述其 中之一的可动构件为所述第一可动构件的情况下，使所述移动部朝离开所述障碍物的方 向移动；当所述其中之一的可动构件为所述第二可动构件的情况下，使所述移动部朝接 近所述障碍物的方向移动。
全文摘要
本发明提供一种机械手，包括臂(4)；臂(6)；保持部(8)；将臂(4)和臂(6)可转动地连接的第一关节部(5)；将臂(6)和保持部(8)可转动地连接的第二关节部(7)；可驱动第一关节部(5)的第一关节驱动部；可驱动第二关节部(7)的第二关节驱动部；确定臂(4)和臂(6)中存在与障碍物碰撞的可能性的其中一个臂或与障碍物发生了碰撞的其中一个臂的构件确定部；以及控制第一关节驱动部和第二关节驱动部，以使由构件确定部确定的其中一个臂朝离开障碍物的方向转动，并且使另一个臂朝接近障碍物的方向转动的控制装置(22)。
文档编号B25J19/06GK102015223SQ20098010524
公开日2011年4月13日 申请日期2009年3月5日 优先权日2008年3月6日
发明者东条刚史, 中村彻, 奥田晃庸, 松川善彦, 水野修, 藤冈总一郎, 高桥里枝 申请人:松下电器产业株式会社