专利名称：机器手控制装置及控制方法、机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及人与机器人协作进行作业(例如搬运物体作业)之际机器手的控制装置及控制方法、具有机器手控制装置的机器人、机器手控制程序、集成电子电路。
背景技术：
近年来，看护机器人或家务辅助机器人等家庭用机器人逐渐开发。家庭机器人与工业用机器人不同，它是在人附近作业，因而，与人的物理接触是不可避免的，从安全性方面而言，机器人在机构上必须灵活(柔软)，动作也必须柔和。作为机器人装置的一例，提出了一种确保控制装置动作精度的技术，其检测施加给机器手的与人类的接触力，当对手臂施加大力时减小复原力而提高安全性、当对手臂施加微小力时增大复原力而确保动作精度(参照专利文献1)。另外，有一种肢体控制装置的控制装置，其以基于装在肢体上的装置动作而使肢体活动为目的，根据装置上所安装的力传感器或位置与角度传感器的读出信息，通过力控制或位置控制来控制装置的动作，其中，在驱动装置的动作过程中，始终监控对装在装置上的肢体所施加的负载，在对肢体施加的负载到达比设定的对肢体施加的过负载值Flimit 小的值Fstart的时刻，使驱动装置动作所具有的所有自由度中某一自由度方向的阻抗常数随着肢体负载值向所述过负载值Flimit靠近而变化，假设其自由度方向的动作是自由的(参照专利文献2)。再有，还提出一种技术是根据输入的肢体的参数，生成代表性的运动图形，算出肢体驱动装置的目标轨道，只运用肢体的参数信息在肢体驱动装置中切换他动运动和自动运动、抵抗运动(参照专利文献3)。专利文献1 JP特开平10-329071号公报专利文献2 JP特开平9-154900号公报专利文献3 JP特开平10-192350号公报不过，在专利文献1所述的现有技术中，当对机器手施加大力时要减小复原力，而专利文献2中要增大对肢体施加的负载时，不能施加过大的负载，专利文献3中是按照肢体的动作来切换他动运动、自动运动、抵抗运动，从而存在的课题是如果由于操作者的姿势不好、或操作者的力气不断输入而发生手抖造成误操作，而使机器手抓握的搬运物倾斜、搬运物中的物品脱落，或者如果搬运物为硬的物体或尖角的物体，则有可能由于搬运物活动而对人造成负担。
发明内容
本发明就是鉴于上述课题而做出的，其目的在于提供机器手控制装置及控制方法、机器人、机器手控制程序、集成电子电路，能够实现即使与机器手协作进行搬运物体作业的人的姿势或身体状况不好也不会发生机器手倾斜而使搬运物体脱落的安全的机器人控制。根据本发明的第1方式，提供一种机器手控制装置，其具备作业姿势信息获取单元，其获取和人与所述机器手协作搬运物体时与所述机器手协作的所述人的作业姿势有关的作业姿势信息；危险程度算出单元，其根据由所述作业姿势信息获取单元获取的所述作业姿势信息，算出所述人在搬运物体时的危险程度；刚性控制单元，其进行控制以使利用所述危险程度算出单元算出的所述危险程度越大越提高所述机器手的刚性。根据本发明的第18方式，提供一种机器手控制装置，其包括位置信息获取单元， 其获取所述机器手位置信息和与所述机器手协作的人的位置信息；危险程度算出单元，其算出所述机器手的位置信息和与所述机器手协作的所述人的位置信息的相对位置，根据算出的相对位置算出危险程度；刚性控制单元，其进行控制以使利用所述危险程度算出部算出的所述危险程度越大越提高所述机器手的刚性。根据本发明的第24方式，提供一种机器手明的控制方法，其根据和人与所述机器手协作搬运物体时与所述机器手协作的所述人的作业姿势有关的作业姿势信息，利用危险程度算出单元算出所述人在搬运物体时的危险程度；利用刚性控制单元进行控制以使所述危险程度算出单元算出的所述危险程度越大所述机器手越为高刚性。根据本发明的第26方式，其用来使计算机中执行的机器手控制程序，包括危险程度算出步骤，其根据和人与所述机器手协作搬运物体时与所述机器手协作的所述人的作业姿势有关的作业姿势信息算出所述人在搬运物体时的危险程度；刚性控制单元，其进行控制以使所述危险程度算出单元算出的所述危险程度越大所述机器手越为高刚性。根据本发明的第27方式，提供一种控制机器手的集成电子电路，其特征在于，包括作业姿势信息获取单元，其获取和人与所述机器手协作搬运物体时与所述机器手协作的所述人的作业姿势有关的作业姿势信息；危险程度算出单元，其根据由所述作业姿势信息，算出所述人在搬运物体时的危险程度；刚性控制单元，其进行控制以使所述危险程度算出单元算出的所述危险程度越大所述机器手越为高刚性。根据本发明的第28方式，提供一种机器手控制方法，其特征在于，利用危险程度算出部算出作为协作搬运信息的所述机器手的位置信息和与所述机器手协作的人的位置的相对位置，按照算出的相对位置在危险程度算出部算出所述危险程度；利用刚性控制单元进行控制以使算出的所述危险程度越大所述机器手越为高刚性。根据本发明的第30方式，提供一种用来计算机中执行的机器手控制程序，其特征在于，包括位置信息获取步骤，其获取和所述机器手位置信息、人与所述机器手协作搬运物体时与所述机器手协作的所述人的位置信息有关的信息；危险程度算出步骤，其算出所述机器手的位置信息和与所述机器手协作的所述人的位置信息的相对位置，根据算出的相对位置算出危险程度；刚性控制步骤，其进行控制以使所述危险程度算出部算出的所述危险程度越大所述机器手越为高刚性。根据本发明的第31方式，提供一种控制机器手的集成电子电路，其特征在于，包括位置信息获取单元，其获取所述机器手位置信息和与所述机器手协作的人的位置信息； 危险程度算出单元，其算出所述机器手的位置信息和与所述机器手协作的所述人的位置信息的相对位置，根据算出的相对位置算出危险程度；刚性控制单元，其进行控制以使利用所述危险程度算出单元算出的所述危险程度越大所述机器手越为高刚性。
发明效果 如上所述根据本发明的机器手控制装置及机器人，至少具有危险程度算出单元和刚性控制单元(还例如具有阻抗设定单元、阻抗控制单元)，从而对应于与机器手协作的人的作业姿势信息(还有身体状况信息或机器手与人的相对位置等协作搬运信息)进行控制以提高机器手的刚性(例如适当设定机器手的机器阻抗设定值)，因此，不会由于操作者的姿势不好、或操作者的力气不断输入而发生手抖造成误操作，使机器手抓握的搬运物倾斜、 搬运物体中的物品脱落，或是如果搬运物为硬的物体或尖角的物体，也不会由于搬运物体活动而对人施加负担，能够实现安全的机器人控制。另外，根据本发明的机器手控制方法及控制程序，根据与所述机器手协作的人作业姿势相关的作业姿势信息控制所述机器手为高刚性(例如设定机器手的机械阻抗设定值，将所述机器手的机器阻抗值控制为所述设定的所述机械阻抗设定值)，从而对应于与机器手协作的所述人的作业姿势相关的作业姿势信息(例如所述人的状态等协作搬运信息) 进行控制以提高机器手的刚性(例如适当设定并控制机器手的机器阻抗设定值)，因此，不会由于操作者的姿势不好、或操作者的力气不断输入而发生手抖造成误操作，使机器手搬运的搬运物倾斜、搬运物体中的物品脱落，或是如果搬运物为硬的物体或尖角的物体，也不会由于搬运物体活动而对人施加负担，能够实现安全的机器人控制。
本发明的这些及其他目的特征，可以通过与针对附图的优选实施方式相关联的以下叙述而明白。这些附图是图1是表示本发明第1实施方式中机器人控制装置构成概要的图。图2是表示本发明第1实施方式中构成机器人系统的控制装置和作为控制对象的机器手的详细构成的图。图3是表示本发明第1实施方式中机器人控制装置的操作状态的图。图4是表示本发明第1实施方式中机器手控制装置的操作状态的图。图5是表示本发明第1实施方式中控制装置的阻抗控制部构成的框图。图6是表示本发明第1实施方式中控制装置的阻抗控制部动作步骤的流程图。图7是表示本发明第1实施方式的控制装置的搬运状态信息收集部构成的框图。图8是说明本发明第1实施方式中搬运状态数据库的物体特性一览表的图。图9是说明本发明第1实施方式中搬运状态数据库的作业状态一览表的图。图10是表示本发明第1实施方式中机器人控制装置的操作状态的图。图11是表示本发明第1实施方式中机器人控制装置的操作状态的图。图12是表示本发明第1实施方式中人的重心坐标和支撑基点面的关系的图。图13是表示本发明第1实施方式中控制装置的搬运状态信息收集部、搬运状态数据库和危险程度算出部、阻抗设定部的动作步骤的流程图。图14是表示本发明第1实施方式中控制装置整体动作步骤的流程图。图15是说明本发明第2实施方式中控制装置的搬运状态数据库的抓握规则表的图。图16是用来说明本发明第1实施方式中重心测量部而使用配置在地板上的负载传感器的xy坐标的说明图。图17表示本发明第1实施方式中身体状况测量部的频率阈值的图。图18是表示本发明第1实施方式中身体状况测量部的频率等级的图。图19A是表示本发明第1实施方式中判断数据库的具体例的图。图19B是表示本发明第1实施方式中判断数据库的具体例的图。图20表示本发明第2施方式中构成机器人系统的控制装置和作为控制对象的机器手的详细构成的图。图21A是以表的形式表示用于本发明第1实施方式中物体重量轻时算出的危险度険度低而使用的例子的图。图21B是以表的形式表示用于本发明第1实施方式中物体重量重时算出的危险度険度高而使用的例子的图。图22是表示本发明的变形例中温度和危险度关系的图。
具体实施例方式以下，根据附图详细说明本发明的实施方式。以下，在参照附图详细说明本发明的实施方式之前，关于本发明的各种方式进行说明。本发明的第1方式，提供一种机器手控制装置，其具备作业姿势信息获取单元，其获取和人与所述机器手协作搬运物体时与所述机器手协作的所述人的作业姿势有关的作业姿势信息；危险程度算出单元，其根据由所述作业姿势信息获取单元获取的所述作业姿势信息，算出所述人在搬运物体时的危险程度；刚性控制单元，其进行控制以使利用所述危险程度算出单元算出的所述危险程度越大越提高所述机器手的刚性。本发明的第2方式，提供一种机器手控制装置，还具备阻抗设定单元，其进行设定以使利用所述危险程度算出单元算出的所述危险程度越大越增大所述机器手的机械阻抗设定值；所述刚性控制单元根据所述阻抗设定单元设定的所述机械阻抗设定值控制所述机器手的机械阻抗值。由于采用这样的构成，能够根据作为协作搬运信息一例的与搬运物体时人的作业姿势有关的作业姿势信息设定、控制机械阻抗设定值。在此，本发明的第3方式，根据第2方式所述机器手控制装置，所述阻抗设定单元根据所述搬运物体时的所述危险程度，分别独立设定所述机器手手指的平移方向及旋转方向的6维方向的机械阻抗设定值。由于采用这样的构成，能够根据搬运物体时人的作业姿势在6维方向独立设定、 控制机械阻抗设定值。再有，本发明的第4方式，根据第3方式所述机器手控制装置，所述阻抗设定单元根据所述搬运物体时的所述危险程度，分别设定所述机械阻抗设定值，以使所述旋转方向的刚性高于所述手指的所述平移方向的刚性，由此将所述机器手搬运的所述物体保持水平。由于采用这样的构成，能够根据搬运物体时人的作业姿势进行设定控制以使所述机器手搬运的物体保持水平。再有，本发明的第5方式，根据第1方式所述机器手控制装置，所述作业姿势信息包括与所述机器手协作的所述人协作一侧的肘关节角度信息，所述搬运物体时的所述肘关节角度越大，所述危险程度算出单元算出的所述危险程度越大，所述肘关节角度越小算出的所述危险程度越小。由于采用这样的构成，能够对应于人作业时的肘关节角度设定机械阻抗设定值， 人作业时的肘关节角度越大，算出的所述危险程度越大。再有，本发明的第6方式，根据第1方式所述机器手控制装置，所述作业姿势信息包括与所述机器手协作的所述人协作一侧的手指位置信息和从所述人胸骨到地板的高度即胸骨上缘高的信息，所述手指位置的高度越大于所述胸骨上缘高的高度，所述危险程度算出单元算出的所述危险程度越大，所述手指位置的高度越小于所述胸骨上缘高的高度，算出的所述危险程度越小。由于采用这样的构成，能够实现操作机器手的人的所述手指位置高度越大于所述胸骨上缘高的高度，算出的所述危险程度越大。再有，本发明的第7方式，根据第1方式所述机器手控制装置，所述作业姿势信息包括与所述机器手协作的所述人的重心坐标信息和所述人在地板上的支撑面即支撑基础面的信息，所述危险程度算出单元判定所述人的重心坐标是否在所述人的支撑基础面的范围内，当处于范围外时所述人的重心坐标距所述支撑基础面的距离越大，算出的所述危险程度越大。由于采用这样的构成，能够判定所述人的心坐标是否在所述人的支撑基础面范围内，当处于范围外时距所述支撑基础面的距离越大，算出的所述危险程度越大。本发明的第8方式，根据第1方式所述机器手控制装置，所述作业姿势信息包括与所述机器手协作的所述人的好使的手信息，所述危险程度算出单元判定所述人是否用好使的手操作所述机器手，算出所述人用好使的手操作时的所述危险程度小于所述人没有用好使的手操作时的所述危险程度。由于采用这样的构成，能够判定所述人是否用好使的手操作所述机器手，没有用好使的手时用所述危险程度算出单元算出的所述危险程度大。本发明的第9方式，根据第1方式所述机器手控制装置，还具备身体状况信息获取单元，其获取和所述人与所述机器手协作搬运物体时与所述机器手协作的所述人的身体状况有关的信息即身体状况信息，所述危险程度算出单元根据所述作业姿势信息和所述身体状况信息算出所述人搬运物体时的危险程度。由于采用这样的构成，能够根据搬运物体时人的所述身体状况信息算出危险程度。
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再有，本发明的第10方式，根据第9方式所述机器手控制装置，所述危险程度算出单元判定所述身体状况信息是否在正常的身体状况信息范围内，当处在正常的身体状况信息范围外时，所述身体状况信息和所述正常的身体状况信息范围的差异越大，算出的所述危险程度越大。由于采用这样的构成，能够判定所述身体状况信息是否在正常的身体状况信息范围内，当处在范围外时距所述正常的身体状况信息范围的差异越大，算出的所述的危险程度越大。再有，本发明的第11方式，根据第9方式所述机器手控制装置，所述身体状况信息包括与所述机器手协作的所述人的与所述机器手协作一侧的手臂振动度信息、与所述机器手协作的所述人的心率信息、与所述机器手协作的所述人的血压信息、与所述机器手协作的所述人的体温信息中的至少1个信息。根据这样的构成，能够根据所述振动度的信息、所述心率的信息、血压的信息、所述体温的信息算出危险程度。再有，本发明的第12方式，根据第1或第9方式所述机器手控制装置，所述作业姿势信息获取单元获取与所述机器手搬运的所述物体的物体特性有关的物体特性信息，所述阻抗设定单元根据所述搬运物体时所述危险程度和所述物体特性信息设定所述机器手的机械阻抗设定值。由于采用这样的构成，能够根据作业姿势信息获取单元获取的作业姿势信息和与所述机器手搬运的所述物体的物体特性有关的信息，控制机器手的刚性(例如能够设定、 控制机械阻抗设定值)。再有，本发明的第13方式，根据第12方式所述机器手控制装置，所述阻抗设定单元根据所述危险程度和所述物体特性信息，分别独立设定所述机器手的手指平移方向及旋转方向的6维方向的机械阻抗设定值。由于采用这样的构成，能够根据所述危险程度和所述物体特性信息设定、控制机械阻抗设定值。再有，本发明的第14方式，根据第12方式所述机器手控制装置，所述阻抗设定单元根据所述危险程度和所述物体特性信息，分别设定所述机械阻抗设定值，以使所述手指的所述旋转方向的刚性高于所述平移方向的刚性，由此将所述机器手搬运的所述物体保持水平。由于采用这样的构成，能够设定所述机器手搬运的物体保持水平。再有，本发明的第15方式，根据第12方式所述机器手控制装置，所述危险程度算出单元在所述物体特性信息大于阈值时算出的危险程度大，在所述物体特性信息小于阈值时算出的危险程度小。由于采用这样的构成，所述危险程度算出单元能够在所述物体特性信息大于阈值时增大危险程度，在所述物体特性信息小于阈值时减小危险程度。再有，本发明的第16方式，根据第12方式所述机器手控制装置，所述物体特性信息包括所述机器手搬运的所述物体的物理特性信息或所述物体的属性信息的至少1个信息，所述阻抗设定单元根据所述危险程度算出单元算出的所述危险程度和所述物理特性信息或属性信息的至少1个信息，设定所述机器手的机械阻抗设定值。
由于采用这样的构成，所述阻抗设定单元能够根据所述危险程度算出单元算出的所述危险程度和所述物理特性信息或所述物体的属性信息的至少1个信息进行运算。再有，本发明的第17方式，根据第12方式所述机器手控制装置，作为所述机器手搬运的所述物体的物理特性信息包括所述机器手搬运的所述物体的重量信息和所述物体的尺寸信息、所述物体的硬度信息、所述物体的位置及姿势的约束信息中的至少1个信息， 作为所述物体的属性信息包括所述机器手搬运的所述物体的尖锐度信息、所述机器手搬运的所述物体的重要度信息中的至少1个信息。由于采用这样的构成，所述阻抗设定单元能够根据所述危险程度算出单元算出的所述危险程度和所述重量信息、或所述尺寸信息、或所述物体的硬度信息、或所述物体的位置及姿势的约束条件信息、或尖锐度信息、或重要度信息进行运算。再有，本发明的第18方式，提供一种机器手控制装置，包括位置信息获取单元，其获取所述机器手位置信息和与所述机器手协作的人的位置信息；危险程度算出单元，其算出所述机器手的位置信息和与所述机器手协作的所述人的位置信息的相对位置，根据算出的相对位置算出危险程度；刚性控制单元，其进行控制以使利用所述危险程度算出单元算出的所述危险程度越大越提高所述机器手的刚性。由于采用这样的构成，能够根据所述相对位置进行控制以提高机器手的刚性(例如设定机器手的机械阻抗设定值)。再有，本发明的第19方式，根据第18方式所述的机器手控制装置，还具备阻抗设定单元，根据所述危险程度算出部算出的所述危险程度设定所述机器手的机械阻抗设定值；所述刚性控制单元包括控制所述机器手的机械阻抗值为所述阻抗设定单元设定的所述机械阻抗设定值。根据该构成，能够设定机器手的机械阻抗设定值，根据所述相对位置进行控制以提高机器手的刚性。即、能够对应于所述机器手的位置信息和与所述机器手协作的所述人的所述位置信息的相对位置的变化来控制机器手。从而，能够对应于所述相对位置的变化重复地适当设定机器手的机械阻抗设定值，即使由于操作者的姿势不好、或操作者的力气不断输入而发生手抖易造成误操作，或者机器手抓握的搬运物开始倾斜而使搬运物体中的物品就要脱落时也能够更安全地控制机器人。再有，本发明的第20方式，根据第19方式所述的机器手控制装置，所述算出的相对位置越近，所述危险程度算出部算出的所述危险程度越大，所述算出的相对位置越远，算出的危险程度越小；所述危险程度算出部算出的所述危险程度越大，所述阻抗设定单元设定所述机器手的机械阻抗设定值越大，所述危险程度越小，设定所述机器手的机械阻抗设定值越小。再有，本发明的第21方式，根据第19方式所述的机器手控制装置，所述阻抗设定单元根据所述危险程度算出部算出的所述危险程度，独立设定所述机器手手指的平移方向及旋转方向的6维方向的机械阻抗设定值。由于采用这样的构成，所述阻抗设定单元能够根据所述相对位置独立设定所述机器手手指的平移方向及旋转方向的6维方向的机械阻抗设定值。
再有，本发明的第22方式，根据第19方式所述的机器手控制装置，所述机械阻抗设定单元利用机械阻抗控制单元分别控制所述机器手的机械阻抗的值，以使在所述相对位置小、所述危险程度算出部算出的所述危险程度高时，所述机械阻抗的值为低于所述阻抗设定单元设定的所述手指的所述平移方向及所述旋转方向的所述机械阻抗设定值的值，在所述相对位置大、所述危险程度算出部算出的所述危险程度低时，所述机械阻抗的值为所述阻抗设定单元设定的所述机械阻抗设定值。由于采用这样的构成，能够在所述相对位置小、所述危险程度高时，设定所述手指的平移方向及所述旋转方向为低刚性，而在所述相对位置大、所述危险程度低时，设定所述手指的所述平移方向及所述旋转方向为高刚性。再有，本发明的第23方式，根据第1或18方式所述的机器手控制装置，还具备向与所述机器手协作的所述人通知所述危险程度的通知单元。由于采用这样的构成，能够向操作者通行所述危险程度。本发明的第24方式，提供一种机器手控制方法，根据和人与所述机器手协作手动物体时与所述机器手协作的所述人的作业姿势有关的作业姿势信息，利用危险程度算出单元算出所述人在搬运物体时的危险程度；利用刚性控制单元进行控制以使所述危险程度算出单元算出的所述危险程度越大所述机器手越为高刚性。本发明的第25方式，提供一种机器人，具有所述机器手和控制所述机器手的第 1 17方式任意一项所述的机器手控制装置。本发明的第26方式，提供一种机器手控制程序，是用来在计算机中执行的机器手控制程序，其特征在于，包括危险程度算出步骤，其根据和人与所述机器手协作搬运物体时与所述机器手协作的所述人的作业姿势有关的作业姿势信息算出所述人在搬运物体时的危险程度；刚性控制单元，其进行控制以使所述危险程度算出单元算出的所述危险程度越大所述机器手越为高刚性。本发明的第27方式，提供一种控制机器手的集成电子电路，其特征在于，包括作业姿势信息获取单元，其获取和人与所述机器手协作搬运物体时与所述机器手协作的所述人的作业姿势有关的作业姿势信息；危险程度算出单元，其根据所述作业姿势信息，算出所述人在搬运物体时的危险程度；刚性控制单元，其进行控制以使所述危险程度算出单元算出的所述危险程度越大所述机器手越为高刚性。本发明的第28方式，提供一种机器手控制方法，利用危险程度算出部算出协作搬运信息即所述机器手的位置信息和与所述机器手协作的人的位置信息的相对位置，按照算出的相对位置在危险程度算出部算出所述危险程度；利用刚性控制单元进行控制以使算出的所述危险程度越大所述机器手越为高刚性。本发明的第29方式，提供一种机器人，具有所述机器手和控制所述机器手的第 18 22方式任意一项所述的机器手控制装置。
本发明的第30方式，提供一种用来在计算机中执行的机器手控制程序，包括位置信息获取步骤，其获取和所述机器手位置信息、人与所述机器手协作搬运物体时与所述机器手协作的所述人的位置有关的信息；危险程度算出步骤，其算出所述机器手的位置信息和与所述机器手协作的所述人的位置信息的相对位置，根据算出的相对位置算出危险程度；刚性控制步骤，其进行控制以使所述危险程度算出部算出的所述危险程度越大所述机器手越为高刚性。本发明的第31方式，提供一种控制机器手的集成电子电路，包括位置信息获取单元，其获取所述机器手位置信息和与所述机器手协作的人的位置信息；危险程度算出单元，其算出所述机器手的位置信息和与所述机器手协作的所述人的所述位置信息的相对位置，根据算出的相对位置算出危险程度；刚性控制单元，其进行控制以使利用所述危险程度算出单元算出的所述危险程度越大所述机器手越为高刚性。以下，利用附图对本发明的实施方式进行详细说明。(第1实施方式)首先，关于具备本发明第1实施方式的机器手控制装置的机器人系统1的构成进行说明。图1是表示本发明第1实施方式中机器人系统构成概要的图。如图1所示，本发明第1实施方式的具备机器手5及其控制装置2的机器人系统1 的机器手5设置在厨房或工作台等作业台7的壁面9上，机器手5的根端能够移动地由固定在壁面9上的轨道8支撑，机器手5能够在轨道8上沿着轨道8横向(例如水平方向) 移动。再有，机器人系统1的机器手5前端的手部30可保持(例如抓握)搬运对象的物体 3 一端，与机器手5协作的人4可抓握物体3的另一端。在机器手5前端抓握物体3 —端 (例如锅一侧的提手)且人4抓握物体另一端(例如锅另一侧的提手)的状态下，通过人4 沿想搬运物体3的方向加力，使机器人系统1工作，机器手5沿着轨道8移动，机器手5和人4能够协作搬运物体3。本发明第1实施方式的物体3的概念也包括放有水或食材的锅或餐具、家具等重量物，是机器手5和人4能够协作搬运的对象物体。另外，本发明的第1实施方式中，轨道8配置在作业台7的壁面9上，不过，在没有壁面的岛式厨房的情况下，可设置在顶棚面或岛式厨房的作业侧面等适于作业的场所。图2是构成机器人系统1的控制装置2和作为控制对象的机器手5的详细构成的图。控制装置2及周边装置10有一例是分别由普通的个人计算机构成。控制装置2的构成包括作为危险程度算出单元(危险程度算出部)一例的危险程度算出部22、作为阻抗设定单元(阻抗设定部)一例的阻抗设定部23、作为刚性控制单元 (刚性控制部)或阻抗控制单元(阻抗控制部)一例的阻抗控制部24(图2中以“刚性控制部24”图示)。该控制装置2进行刚性控制，使危险程度算出单元22算出的所述危险程度越大越提高所述机器手的刚性，作为其具体的一例为进行阻抗控制。周边装置10的构成是包括协作搬运信息数据库(或作业姿势信息数据库)及作为物体特性数据库一例的搬运状态数据库21、物体特性收集单元(物体特性收集部)或作为协作搬运信息收集部一例的搬运状态信息收集部25、输入输出IF(接口)26、马达驱动器27、RF标签接收部45和危险度信息输出部60。输入输出IF26与个人计算机的PCI总线等扩展槽连接，其构成是具备例如D/A板 (board)、A/D 板、对接板(counter board)等。控制机器手5动作的控制装置2及周边装置10被执行，从而从机器手5的各关节部的后述编码器44输出的各关节角度信息通过输入输出IF26的对接孔被读取到控制装置2中，根据读取的各关节角度信息，由控制装置2算出各关节部在旋转动作中的控制指令值。算出的各控制指令值通过输入输出IF26的D/A板，被赋予用来驱动控制机器手5各关节部的马达驱动器27，按照从马达驱动器27输送来的各控制指令值，驱动机器手5各关节部的马达43。另外，手部30上还具备由马达驱动器27驱动控制的作为手部驱动装置一例的手部驱动用马达62和检测手部驱动用马达62的旋转轴的旋转相位角的编码器61，根据由编码器61检测的旋转角度，利用来自控制装置2的阻抗控制部24的手控制部54的控制信号经由马达驱动器27驱动控制马达62的旋转，使手部驱动用马达62的旋转轴正反旋转，从而打开或关闭手部30。机器手5有一例是多关节机器手，是一种6自由度的多连杆机械手，具备所述手部 30、前端具有安装手部30的腕部31的前臂连杆32、前端能够旋转地连结在前臂连杆32根端的上臂连杆33和能够旋转地连结支撑上臂连杆33的座部34。座部34与能够移动的轨道8连结，不过，也可以固定在一定位置。腕部31具有第4关节部38、第5关节部39、第6 关节部40这3个旋转轴，能够变化手部相对于前臂连杆的相对姿势(朝向)。即图2中，第 4关节部38能够变化手部30相对于腕部31的环绕横轴的相对姿势。第5关节部39能够变化手部30相对于腕部31的环绕与第4关节部38横轴正交的纵轴的相对姿势。第6关节部40能够变化手部30相对于腕部31的环绕与第4关节部38的横轴及第5关节部39纵轴分别正交的横轴的相对姿势。前臂连杆32的另一端能够相对于上臂连杆33前端环绕第 3关节部37、即环绕与第4关节部38横轴平行的横轴旋转。上臂连杆33的另一端能够相对于座部34环绕第2关节部36、即环绕与第4关节部38横轴平行的横轴旋转，座部34的上侧可动部能够相对于座部34的下侧固定部环绕第1关节部35、即环绕与第5关节部39 纵轴平行的纵轴旋转。其结果是，机器手5能够环绕总共6个轴旋转，构成所述6自由度的多连杆机械手。构成各轴旋转部分的各关节部在构成各关节部的一对构件(例如，转动侧构件和支撑该转动侧构件的支撑侧构件)中的一个构件上，具备利用后述的马达驱动器27驱动控制的作为旋转驱动装置一例的马达43(实际上配置在机器手5的各关节部内部)和检测马达43旋转轴的旋转相位角(即关节角)的编码器44(实际上配置在机器手5的各关节部内部)，各关节部的一个构件上所具备的马达43的旋转轴与各关节部的另一个构件相连结，使所述旋转轴正反旋转，从而能够使另一个构件相对于一个构件环绕各轴旋转。41是与座部34的下侧固定部相对位置关系固定的绝对坐标系，42是与手部30相对位置关系固定的手指坐标系。将从绝对坐标系41看的手指坐标系42的原点位置0e(x、 y、z)作为机器手5的手指位置，用侧倾角、纵摆角和横摆角(φ、θ、ψ)表示从绝对坐标系 41看的手指坐标系42的姿势，将侧倾角、纵摆角和横摆角(φ、θ、ψ)作为机器手5的手指姿势，定义手指位置及姿势向量为向量r= [χ、y、ζ、φ、θ、ψ] τ。从而，作为一例，优选第1关节部35的纵轴位置能够平行于绝对坐标系41的ζ轴，第2关节部36的横轴位置能够平行于χ轴。另外，优选第6关节部40的横轴位置能够平行于手指坐标系42的χ 轴，第4关节部38的横轴位置能够平行于y轴，第5关节部39纵轴位置能够平行于ζ轴。 还有，将相对于手指坐标系42的χ轴的旋转角作为横摆角Ψ，相对于y轴的旋转角作为纵摆角θ，相对于ζ轴的旋转角作为侧倾角φ。当控制机器手5的手指位置及姿势时，使手指位置及姿势向量r追从于由后述目标轨道生成部55生成的手指位置及姿势目标向量rd。搬运状态信息收集部25作为作业姿势信息获取单元(作业姿势信息获取部)的一例发挥作用，收集与机器手5协作工作的人(例如，为了与机器手5协作作业而操作机器手5的人)4的状态、换言之是收集协作作业状态(例如作业姿势、身体状况信息、机器手5 与人4的相对位置等)信息(作业姿势信息为一例)或抓握物体3的特性数据(例如，与搬运状态关连的特性数据)(物体特性信息)，向搬运状态数据数据库21输入并进行更新、 存储。具体地说，搬运状态信息收集部25如后所述，分别输入、收集以下信息来自照相机等图像拍摄装置28的图像数据、从RF标签记取部47和RF标签接收部45读取的抓握物体 3的RF标签46的信息、后述的测量人4身体状况的身体状况测量部70的身体状况信息、后述的测量人4重心的重心测量部69的重心信息、通过互联网29从外部采集网络服务器的信息数据库63传输来的物体信息等人4与机器手5协作作业搬运物体3时应考虑的信息、 换言之是协作搬运信息，将上述输入收集的信息适当输入到搬运状态数据库21中，并进行更新存储。再有，搬运状态信息收集部25还输入从与输入输出IF26的对接板连接的机器手5各关节部的编码器44输出的关节角度信息、或来自阻抗控制部24的与物体重量有关的信息等。图7表示如图3那样人4与机器手5协调(协作)搬运物体3时的搬运状态信息收集部25的详情。搬运状态信息收集部25的构成是包括物体重量推定部65、数据输入 IF (接口)66、搬运状态检测部67、图像识别部68、重心测量部69和身体状况测量部70。68是图像识别部，在照相机等图像拍摄装置28获得的图像数据和预先记录的抓握物体3的图像之间进行模拟匹配处理，提取抓握物体3的尺寸，向搬运状态数据库21输入。再有，图像识别部68是提取人4的身高、人4抓握抓握物体3 —侧臂的肘位置12或人 4抓握抓握物体3 —侧臂的手指位置13、人4抓握抓握物体3 —侧臂的肩位置18、还有从人 4的胸骨到地板98的高度即胸骨上缘高15、人4的两脚宽度即脚宽长度14、关于人4用左右哪只手抓握抓握物体3的信息即担当的手信息，向搬运状态数据库21输出，并且向搬运状态检测部67输出肘位置12、手指位置13、肩位置18的信息(位置坐标信息)。具体地说，通过图像的模拟匹配提取人站立时的脸，由脸距地板的距离算出身高。接着，从预先记录的人4的标准身体特性模型(例如、记录每种性别的身高下的肩或臂、肘位置等)中提取人4的肘位置12或人4的手指位置13、人4的肩位置18还有从人4的胸骨到地板98的高度即胸骨上缘高15、人4的两脚宽度即脚宽长度14。再有，从脸模型(例如记录有眼睛或口等位置的信息)中检测人4的脸，当利用所述方法检测的抓握抓握物体3的手指位置13 位于所述检测的脸的位置左侧时，记录担当的手信息为「2」，并且作为一例当位置比所述检测的脸的位置靠右侧时记录担当的手信息为「1」，分别向搬运状态数据库21输出。还有，可利用模拟匹配提出身高或担当的手信息，不过，也可以在人4的头或担当的手等上装配RF 标签，从RF标签的位置求出身高或担当的手信息。
65是物体重量推定部，进行抓握物体3的重量推定。例如，当机器手5的腕部31 配置力传感器时，从机器手5抓握物体3处于静止状态时利用力传感器获得的测量值减去手部30的重量，所得值作为物体重量。另外，利用后述的力推定部53时，物体重量推定部 65从力推定部53获得机器手5抓握物体3处于静止状态时各关节部发生的转矩τ ext，利用机器手5的运动方程式求出机器手5保持其位置及姿势所必需的转矩，将相减后的转矩值换算成作用给手指的力，作为物体重量。66是数据输入IF (接口)，这种接口用于人们使用键盘、鼠标或麦克等输入装置输入如后所述抓握物体3的尖锐程度等信息、即物体的属性数据(属性信息)，或者使用按钮 66等输入装置，接收来自人4的开始及结束搬运物体的指令。按钮66例如既可以是叉簧开关(toggle switch)的形式，能够用1个按钮分别输入开始搬运物体及结束搬运物体，也可以分别设置开始搬运物体按钮和结束搬运物体按钮。69是重心测量部，测量操作机器手5的人4的重心坐标19 {重心坐标rg (X，Y)}， 向搬运状态数据库21输出。参考图书(基础人类工学小川矿一著新日本印刷株式会社发行)的记载，如图16所示，重心测量部69在地板98上配置多个(例如Si、S2、S33个)负载传感器，以负载传感器S1的坐标为(Xl，yi)、负载传感器S2的坐标为(x2，y2)、负载传感器 S3的坐标为(x3，y3)。另外，将负载传感器Sp S2、S3中求得的力分别作为WpW2J3，人4的体重为W、负载传感器S1的坐标(Xl，yi)作为地板98上的xy坐标原点(0，0)时，地板98上的xy坐标上的人4的重心位置19 (其坐标为(X，Y))利用以下的式⑴(2)算出。数式1
权利要求
1.一种机器手控制装置，其特征在于，具备作业姿势信息获取单元，其获取作业姿势信息，该作业姿势信息是关于人与机器手协作搬运物体时与所述机器手协作的所述人的作业姿势的信息；危险程度算出单元，其根据由所述作业姿势信息获取单元获取的所述作业姿势信息， 算出所述人在搬运物体时的危险程度；和刚性控制单元，其进行控制以使利用所述危险程度算出单元算出的所述危险程度越大越提高所述机器手的刚性，并且，所述作业姿势信息包括与所述机器手协作的所述人协作一侧的肘关节角度信息，所述搬运物体时的所述肘关节角度越大所述危险程度算出单元算出的所述危险程度越大，所述肘关节角度越小所述危险程度算出单元算出的所述危险程度越小。
2.一种机器人，其特征在于，具有机器手，和控制所述机器手的权利要求1所述的机器手控制装置。
3.一种机器手控制方法，其特征在于，利用作业姿势信息获取单元获取作业姿势信息，该作业姿势信息是关于人与机器手协作搬运物体时与所述机器手协作的所述人的作业姿势的信息；利用危险程度算出单元，根据由所述作业姿势信息获取单元获取的所述作业姿势信息，算出所述人在搬运物体时的危险程度；利用刚性控制单元进行控制，以使利用所述危险程度算出单元算出的所述危险程度越大越提高所述机器手的刚性，并且，所述作业姿势信息包括与所述机器手协作的所述人协作一侧的肘关节角度信息。在利用所述危险程度算出单元算出所述危险程度时，所述搬运物体时的所述肘关节角度越大所述危险程度算出单元算出的所述危险程度越大，所述肘关节角度越小所述危险程度算出单元算出的所述危险程度越小。
全文摘要
一种机器手控制装置及控制方法、机器人，该控制装置具备作业姿势信息获取单元，其获取作业姿势信息，该作业姿势信息是关于人与机器手协作搬运物体时与机器手协作的人的作业姿势的信息；危险程度算出单元，其根据由作业姿势信息获取单元获取的作业姿势信息，算出人在搬运物体时的危险程度；和刚性控制单元，其进行控制以使利用危险程度算出单元算出的危险程度越大越提高机器手的刚性，并且，作业姿势信息包括与机器手协作的人协作一侧的肘关节角度信息，搬运物体时的肘关节角度越大危险程度算出单元算出的危险程度越大，肘关节角度越小危险程度算出单元算出的危险程度越小。
文档编号B25J13/08GK102248537SQ20111015971
公开日2011年11月23日 申请日期2008年6月24日 优先权日2007年6月27日
发明者冈崎安直, 津坂优子 申请人:松下电器产业株式会社