特開 2024-83654 ロボットシステム、操作感調整方法及び操作感調整プログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024083654

(43)【公開日】2024-06-24

(54)【発明の名称】ロボットシステム、操作感調整方法及び操作感調整プログラム

(51)【国際特許分類】

   B25J 3/00 20060101AFI20240617BHJP

【ＦＩ】

B25J3/00 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022197573

(22)【出願日】2022-12-12

(71)【出願人】

【識別番号】000002107

【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100090033

【弁理士】

【氏名又は名称】荒船 博司

(74)【代理人】

【識別番号】100093045

【弁理士】

【氏名又は名称】荒船 良男

(72)【発明者】

【氏名】原田 樹

【テーマコード（参考）】

3C707

【Ｆターム（参考）】

3C707AS12

3C707BS10

3C707DS01

3C707HS27

3C707JT05

3C707KS29

3C707KS34

3C707KS35

3C707KS36

3C707KT01

3C707KT06

3C707KT18

3C707KV01

3C707KW03

3C707KX07

(57)【要約】

【課題】バイラテラル制御を行うマスタースレーブ方式のロボットシステムにおいて、操作感を向上させる。
【解決手段】ロボットシステム１は、操作部２３を有するマスターロボット２と、研磨工具４１及びワークＷの一方を保持するスレーブロボット３と、スレーブロボット３に掛かる力の情報を操作者Ｈにフィードバックさせる制御装置５と、を備える。制御装置５は、研磨工具４１とワークＷとの距離Ｄに基づいて、操作者Ｈに与える操作感を変更する。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

操作部を有するマスターロボットと、
加工工具及び被加工物の一方を保持するスレーブロボットと、
前記スレーブロボットに掛かる力の情報を操作者にフィードバックさせる制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記加工工具と前記被加工物との距離に基づいて、前記操作者に与える操作感を変更する、
ロボットシステム。

【請求項2】

前記制御手段は、前記加工工具と前記被加工物との距離が近づくに連れて、前記操作部の操作抵抗が大きくなるように、前記操作感を与えるための操作反力を前記操作部に発生させる、
請求項１に記載のロボットシステム。

【請求項3】

前記制御手段は、前記操作感を与えるための操作反力として、前記加工工具と前記被加工物との相対速度に比例した力を前記操作部に発生させる、
請求項１に記載のロボットシステム。

【請求項4】

前記制御手段は、前記操作感を与えるための操作反力を、前記加工工具と前記被加工物との相対速度のうち前記加工工具と前記被加工物とが近接する方向に沿った速度成分に比例させる、
請求項３に記載のロボットシステム。

【請求項5】

前記制御手段は、前記操作者の操作に基づいて、前記操作感を与えるための操作反力の大きさを調整可能に構成されている、
請求項１に記載のロボットシステム。

【請求項6】

前記制御手段は、前記操作感を与えるための操作反力を、前記距離に対して不連続に変化させる、
請求項１に記載のロボットシステム。

【請求項7】

前記制御手段は、
前記加工工具と前記被加工物との距離が所定の閾値よりも小さい場合に、前記操作感を与えるための操作反力を前記操作部に発生させ、
前記被加工物の大きさに応じて前記所定の閾値を変更する、
請求項１に記載のロボットシステム。

【請求項8】

操作部を有するマスターロボットと、加工工具及び被加工物の一方を保持するスレーブロボットと、前記スレーブロボットに掛かる力の情報を操作者にフィードバックさせる制御手段と、を備えるロボットシステムの操作感調整方法であって、
制御装置が、
前記加工工具と前記被加工物との距離を算出する工程と、
前記加工工具と前記被加工物との距離に基づいて、前記操作者に与える操作感を変更する工程と、
を実行する操作感調整方法。

【請求項9】

操作部を有するマスターロボットと、加工工具及び被加工物の一方を保持するスレーブロボットと、前記スレーブロボットに掛かる力の情報を操作者にフィードバックさせる制御手段と、を備えるロボットシステムの操作感調整プログラムであって、
コンピュータを、
前記加工工具と前記被加工物との距離を算出する手段、
前記加工工具と前記被加工物との距離に基づいて、前記操作者に与える操作感を変更する手段、
として機能させる操作感調整プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ロボットシステム、操作感調整方法及び操作感調整プログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

マスターロボットの動作に応じてスレーブロボットを動作させるマスタースレーブ方式のロボットシステムにおいて、高度な操作性を得る目的で、スレーブロボットに掛かる力の情報を操作者にフィードバックさせるバイラテラル制御が知られている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１８－８９７３６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、上記従来のバイラテラル制御では、マスターロボットの操作者はスレーブロボットのエンドエフェクタに対する接触反力を感知することはできるが、この接触が起きるまでの状態変化は感知することができない。そのため、例えば接触直前の位置の微調整等を好適に実行することが難しい。

【0005】

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、バイラテラル制御が行われるマスタースレーブ方式のロボットシステムにおいて、操作性を向上させることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明に係るロボットシステムは、
操作部を有するマスターロボットと、
加工工具及び被加工物の一方を保持するスレーブロボットと、
前記スレーブロボットに掛かる力の情報を操作者にフィードバックさせる制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記加工工具と前記被加工物との距離に基づいて、前記操作者に与える操作感を変更する。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、バイラテラル制御が行われるマスタースレーブ方式のロボットシステムにおいて、操作性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施形態に係るロボットシステムを模式的に示した図である。

【図2】実施形態に係るロボットシステムの概略の制御構成を示すブロック図である。

【図3】実施形態に係る操作感調整処理の手順を示すフローチャートである。

【図4】実施形態に係る疑似粘性力の粘性係数を示すグラフである。

【図5】実施形態に係る操作感調整処理を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

【0010】

［ロボットシステムの構成］
図１は、本実施形態に係るロボットシステム１を模式的に示した図である。
この図に示すように、ロボットシステム１は、マスター側のロボットアームであるマスターロボット２と、スレーブ側のロボットアームであるスレーブロボット３とを備えたマスタースレーブ方式の遠隔操作システムである。ロボットシステム１では、操作者（人間）Ｈが手元のマスターロボット２を操作することで、遠隔のスレーブロボット３がその動きに追従して動作して、所定の作業が行われる。本実施形態では、スレーブロボット３に保持させたワークＷを研磨工具４１に接触させて、ワークＷの研磨加工が行われる。また、ロボットシステム１では、スレーブロボット３が動作したときに掛かる力の情報をマスターロボット２（操作者）にフィードバックさせるバイラテラル制御が行われる。
具体的に、ロボットシステム１は、マスターロボット２と、スレーブロボット３と、研磨工具４１と、カメラ４２と、制御装置５とを備えている。

【0011】

マスターロボット２は、特に限定はされないが、本実施形態では垂直多関節ロボットであり、複数のアーム２２と、操作部２３と、複数の関節部２４とを有している。
複数のアーム２２は、環境（例えば、工場の床等）に固定されたベース台２１を基端部として、互いに直列に連結されている。
操作部２３は、複数のアーム２２の先端に連結されており、操作者Ｈの操作を受ける部分である。操作部２３の具体形状は特に限定されず、例えばハンドル状、レバー状、ゲームコントローラ（ゲームパッド）状等であってもよい。
複数の関節部２４は、ベース台２１と、複数のアーム２２と、操作部２３とを、回動可能に連結している。各関節部２４には、当該関節部２４の先端側に連結されたアーム２２（又は操作部２３）を駆動するモータ２４１と、このモータ２４１の位置（速度）を検出して制御装置５に出力するエンコーダ２４２とが設けられている（図２参照）。

【0012】

スレーブロボット３は、マスターロボット２に対応した構造を有する例えば垂直多関節ロボットである。具体的に、スレーブロボット３は、複数のアーム３２と、エンドエフェクタ３３と、複数の関節部３４とを有している。
複数のアーム３２は、環境（例えば、工場の床等）に固定されたベース台３１を基端部として、互いに直列に連結されている。
エンドエフェクタ３３は、マスターロボット２における操作部２３に対応する部分であり、複数のアーム３２の先端に連結されている。本実施形態のエンドエフェクタ３３は、例えばワークＷを把持可能なグリッパー等であるが、ワークＷを強固に保持可能であればその具体構成は特に限定されない。また、エンドエフェクタ３３には図示しない力覚センサが設けられている。力覚センサは、ワークＷを介してエンドエフェクタ３３が受けた力（又はトルク）を検出し、制御装置５に出力する。
複数の関節部３４は、ベース台３１と、複数のアーム３２と、エンドエフェクタ３３とを、回動可能に連結している。各関節部３４には、当該関節部３４の先端側に連結されたアーム３２（又はエンドエフェクタ３３）を駆動するモータ３４１と、このモータ３４１の位置（速度）を検出して制御装置５に出力するエンコーダ３４２とが設けられている（図２参照）。

【0013】

研磨工具４１は、本発明に係る加工工具の一例であり、スレーブロボット３のベース台３１に固定されている。本実施形態の研磨工具４１は例えば砥石であり、制御装置５に回転制御される。研磨工具４１は、回転している状態でワークＷが押し付けられることにより当該ワークＷを研磨する。

【0014】

研磨対象（被加工物）であるワークＷは、本実施形態では金属製の板状体である。ワークＷは、スレーブロボット３のエンドエフェクタ３３によって所定の状態に把持され、加工面が研磨工具４１に押し付けられる。
なお、ワークＷの形状や材質等は、研磨工具４１によって研磨加工が可能なものであれば、特に限定されない。

【0015】

カメラ４２は、例えば研磨工具４１の上方に配置され、研磨工具４１とワークＷが接触する様子を撮影する。撮影された映像は、制御装置５に出力されて（又は直接に）後述の表示部５３に表示される。

【0016】

図２は、ロボットシステム１の概略の制御構成を示すブロック図である。
この図に示すように、制御装置５は、マスターロボット２、スレーブロボット３、研磨工具４１及びカメラ４２の動作を制御するコンピュータである。具体的に、制御装置５は、入力部５２、表示部５３、記憶部５６、制御部５７を備える。

【0017】

入力部５２は、ユーザが制御装置５を動作させるための各種操作を行う操作手段であり、例えばマウス等のポインティングデバイスやキーボードを含む。
表示部５３は、例えば液晶ディスプレイ、有機エレクトロルミネッセンスディスプレイその他のディスプレイであり、マスターロボット２の操作部２３を操作する操作者Ｈが作業中に視認しやすい位置に配置されている。表示部５３は、制御部５７からの表示信号に基づいて、カメラ４２で撮影された映像や各種情報を表示する。なお、表示部５３は、入力部５２の一部を兼ねるタッチパネルであってもよいし、音声出力を行ってもよい。

【0018】

記憶部５６は、例えばＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）等を備えて構成されるメモリであり、各種のプログラム及びデータを記憶するとともに、制御部５７の作業領域としても機能する。本実施形態の記憶部５６には、後述の操作感調整処理（図３参照）を実行するための操作感調整プログラム５６１が予め記憶されている。

【0019】

制御部５７は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）等を備えて構成され、制御装置５各部の動作を制御する。具体的に、制御部５７は、入力部５２の操作内容に基づいて、表示部５３に各種情報を表示させたり、記憶部５６に予め記憶されているプログラムを展開し、展開されたプログラムと協働して各種処理を実行したりする。

【0020】

［操作感調整処理］
続いて、ロボットシステム１において操作部２３の操作感を調整する操作感調整処理について説明する。
図３は、操作感調整処理の手順を示すフローチャートであり、図４は、操作感調整処理で発生させる後述の疑似粘性力の粘性係数を示すグラフであり、図５は、操作感調整処理を説明するための図である。

【0021】

操作感調整処理は、マスターロボット２及びスレーブロボット３のバイラテラル制御において、操作部２３の操作感を調整（変更）する処理である。この操作感調整処理は、例えばユーザ操作に基づいて、制御装置５の制御部５７が記憶部５６から操作感調整プログラム５６１を読み出して展開することで実行される。なお、操作感調整処理は、バイラテラル制御の一部として組み込まれていてもよいし、バイラテラル制御とは別途実行できるように独立していてもよい。

【0022】

図３に示すように、操作感調整処理が実行されると、まず制御部５７は、ロボットシステム１の制御を開始する（ステップＳ１）。
具体的に、ロボットシステム１では、操作者Ｈがマスターロボット２の操作部２３を操作してマスターロボット２が動作すると、マスターロボット２の各モータ２４１の位置（速度）情報が各エンコーダ２４２により検出される。制御部５７は、取得したマスターロボット２の各モータ２４１の位置情報に基づいて、対応するスレーブロボット３の各モータ３４１の駆動を制御し、スレーブロボット３にマスターロボット２と対応した動作を行わせる。
このとき、制御部５７は、マスターロボット２及びスレーブロボット３をバイラテラル制御により制御する。より詳しくは、制御部５７は、スレーブロボット３の各モータ３４１の位置情報を各エンコーダ３４２から取得し、これに基づいて各モータ３４１の出力を算出する。そして、制御部５７は、算出した各モータ３４１の出力情報や、エンドエフェクタ３３の力覚センサから取得した作業反力の情報に基づいて、マスターロボット２の各モータ２４１の駆動を制御する。このように、バイラテラル制御では、スレーブロボット３が動作したときの力の情報が、操作部２３を通じて力感覚として操作者Ｈに伝えられる。
なお、力覚センサを用いずに、例えば外乱オブザーバ等を用い、マスターロボット２の各エンコーダからの情報とモータ電流等に基づいてワークＷでの力反力及びトルクを推定してもよい。

【0023】

次に、制御部５７は、研磨工具４１とワークＷとの距離Ｄを算出する（ステップＳ２）。
ここでは、制御部５７は、予め入力された研磨工具４１の位置情報と、スレーブロボット３の各エンコーダ３４２の情報とに基づいて、研磨工具４１とワークＷとの相対位置を求め、その間の距離Ｄを算出する。
なお、距離Ｄの算出手法は特に限定されず、例えば、カメラ４２の撮影画像を処理して求めてもよいし、専用の距離センサ（モーションキャプチャ、レーザ変位計等）を設ける等してもよい。

【0024】

次に、制御部５７は、ステップＳ２で算出した距離Ｄが所定の閾値Ｔｈよりも小さいか否かを判定し（ステップＳ３）、小さくないと判定した場合には（ステップＳ３；Ｎｏ）、上述のステップＳ２へ処理を移行する。

【0025】

一方、ステップＳ３において、距離Ｄが閾値Ｔｈよりも小さい、すなわち研磨工具４１とワークＷとが閾値Ｔｈよりも近づいたと判定した場合（ステップＳ３；Ｙｅｓ）、制御部５７は、マスターロボット２の操作部２３に、距離Ｄに応じた疑似粘性力Ｆｖを操作反力（操作抵抗）として発生させる（ステップＳ４）。
このステップでは、制御部５７は、以下の式（１）により疑似粘性力Ｆｖを算出する。
Ｆｖ＝Ｃｘ・Ｖｘ ・・・（１）
ここで、Ｃｘは粘性係数であり、Ｖｘは研磨工具４１とワークＷとの相対速度（本実施形態ではワークＷの速度）のうちこれらの近接方向の速度成分である。ここで、研磨工具４１とワークＷとの「近接方向」とは、研磨工具４１とワークＷとのそれぞれの最近傍点（最も距離が短い点）を結ぶ線に沿った方向である。また、疑似粘性力Ｆｖは速度Ｖｘとは逆向きに作用させる。

【0026】

粘性係数Ｃｘは、図４に示すように、研磨工具４１とワークＷとの距離Ｄに比例し、距離Ｄが近づくに連れて大きくなる。これにより、研磨工具４１とワークＷとの距離Ｄが近づくに連れて、操作部２３の操作抵抗が大きくなる（操作感が重くなる）ような操作反力が発生する。
この場合、距離Ｄに対する粘性係数Ｃｘの変化のさせ方は特に限定されない。例えば図４に実線で示すように、距離Ｄが閾値Ｔｈに至った後に、距離Ｄが小さくなるに連れて次第に大きくなるように、粘性係数Ｃｘを変化させてもよい。あるいは図４に破線で示すように、距離Ｄが閾値Ｔｈに至って所定値だけ上昇した後に距離Ｄに応じて次第に大きくなる、つまり距離Ｄに対して不連続に粘性係数Ｃｘを変化させてもよい（ステップ状の変化等を含む）。また、操作反力の発生始点である閾値Ｔｈも適宜変更できる。この場合、閾値Ｔｈは、ワークＷの大きさに応じて変更するのが好ましい。
なお、ワークＷが研磨工具４１に接触した（距離Ｄ＝ゼロ）後は、粘性係数Ｃｘをそのまま作用させてもよいし、ゼロに変化させてもよい。また、粘性係数Ｃｘは、ユーザ（操作者Ｈ）が調整できるように構成されているのが好ましい。これにより、操作者Ｈは、操作反力（疑似粘性力Ｆｖ）の大きさを自分の好みや感覚に合わせて適宜調整できる。操作者Ｈに調整等された粘性係数Ｃｘは、記憶部５６に記憶される。

【0027】

そして、制御部５７は、算出した疑似粘性力Ｆｖを、操作者Ｈに操作感を与えるための操作反力として、操作部２３に作用させる。「操作反力」とは、操作者Ｈが操作部２３に加える操作入力に対する抵抗力であって、操作入力とは反対方向の力成分である。
具体的には、図５に示すように、スレーブロボット３のエンドエフェクタ３３（ワークＷ）への入力Ｆinは、操作部２３への操作者Ｈの操作入力Ｆhumanから疑似粘性力Ｆｖを差し引いたものとなる。すなわち、以下の式（２）が成立する。
Ｆin ＝Ｆhuman－Ｆｖ ・・・（２）
なお、ステップＳ４では、研磨工具４１とワークＷとの距離Ｄに基づいて、操作者Ｈに与える操作感が変更されればよい。

【0028】

次に、制御部５７は、操作感調整処理を終了させるか否かを判定し（ステップＳ５）、終了させないと判定した場合には（ステップＳ５；Ｎｏ）、上述のステップＳ２へ処理を移行する。
そして、例えば作業完了等により、操作感調整処理を終了させると判定した場合には（ステップＳ５；Ｙｅｓ）、制御部５７は、操作感調整処理を終了させる。

【0029】

［本実施形態の技術的効果］
以上のように、本実施形態によれば、研磨工具４１とワークＷとの距離Ｄに基づいて、操作者Ｈに与える操作感が変更される。
そのため、従来と異なり、研磨工具４１とワークＷとが接触する前であっても、操作者Ｈに研磨工具４１とワークＷとの距離Ｄの変化を感知させることができる。したがって、操作性を向上させることができる。

【0030】

また、本実施形態によれば、研磨工具４１とワークＷとの距離Ｄが近づくに連れて、操作部２３の操作抵抗が大きくなるように、操作感を与えるための操作反力が操作部２３に発生する。
そのため、操作者Ｈは研磨工具４１とワークＷとの接近を好適に感知することができる。これにより、操作者Ｈは、研磨工具４１とワークＷとの距離感を把握しやすくなり、例えば接触直前でのワークＷ位置の微調整等も好適に行うことができる。

【0031】

また、本実施形態によれば、研磨工具４１とワークＷとの相対速度に比例した力（疑似粘性力Ｆｖ）が、操作反力として操作部２３に発生する。
つまり、研磨工具４１とワークＷが接触したとき（後）には、これらの相対速度は略ゼロとなるため、操作反力もほぼ消失する。そのため、操作反力が通常のバイラテラル制御による接触反力（接触剛性）の感じ方を邪魔することが無い。
例えば、操作反力を距離Ｄに比例する力とした場合、この操作反力は接触後も作用するため、接触反力に重畳して作用してしまい、操作者Ｈの感じ方が通常時と変わってしまう。そのため、接触後に操作反力をゼロにする処理が必要になる。この点、操作反力を速度に比例した力とすることで、特別な処理の必要なく、接触後に好適に操作反力を消失させることができる。
また、疑似粘性力Ｆｖによりロボットの加速度が小さくなるため、微細送りのような効果が期待できる。

【0032】

また、本実施形態によれば、操作反力は、研磨工具４１とワークＷとの相対速度のうちこれら研磨工具４１とワークＷとが近接する方向に沿った速度成分に比例する。
つまり、操作反力は、当該近接方向に沿った速度成分に比例し、当該近接方向に直交する方向の速度成分の影響は受けない。このような操作反力を受けることにより、操作者Ｈは研磨工具４１に対するワークＷの向き等が分かりやすくなる。

【0033】

また、本実施形態によれば、操作者Ｈの操作に基づいて、操作反力（疑似粘性力Ｆｖ）の大きさを調整可能となっている。
これにより、操作者Ｈは、自分の好みや感覚に合わせて操作反力の大きさを適宜調整できる。

【0034】

また、本実施形態によれば、操作反力（疑似粘性力Ｆｖ）を距離Ｄに対して不連続に変化させることができる。
そのため、距離Ｄが所定値に到達したときに操作反力を不連続に変化させることで、研磨工具４１とワークＷがその距離Ｄまで近接したことを、より明確に操作者Ｈに感知させることができる。

【0035】

また、本実施形態によれば、操作反力として疑似粘性力Ｆｖを発生させるときに距離Ｄと比較する閾値Ｔｈは、ワークＷの大きさに応じて変更される。
閾値Ｔｈは操作反力の発生始点であるので、ワークＷの大きさに応じた適切な距離から、ワークＷの接近を感知させることができる。

【0036】

［その他］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限られない。
例えば、上記実施形態では、操作部２３に発生させる操作反力として、操作抵抗を大きくする力を発生させることとした。しかし、当該操作反力は、操作者Ｈに操作感を与えるためのものであれば特に限定されず、例えば操作部２３を振動させたりしもよい。

【0037】

また、上記実施形態では、スレーブロボット３のエンドエフェクタ３３にワークＷを保持させ、環境に固定した研磨工具４１に接触させることとした。しかし、スレーブロボット３は研磨工具４１及びワークＷのいずれを保持してもよい。

【0038】

また、上記実施形態では、ロボットシステム１で行う機械加工（加工作業）として、研磨工具によりワークを研磨する「研磨（加工）」を例に挙げて説明した。しかし、当該加工は、ワークと加工工具を接触させてワークを削る（加工する）機械加工を広く含み、例えば「研削（加工）」等も含む。
その他、上記実施形態で示した細部は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

【符号の説明】

【0039】

１ ロボットシステム
２ マスターロボット
３ スレーブロボット
５ 制御装置
２３ 操作部
３３ エンドエフェクタ
４１ 研磨工具
５７ 制御部（制御手段）
５６１ 操作感調整プログラム
Ｃｘ 粘性係数
Ｄ 距離
Ｆｖ 疑似粘性力
Ｈ 操作者
Ｔｈ 閾値
Ｗ ワーク

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】