(57)【要約】【課題】オペレータがマニピュレータ装置のアームユニットの位置を的確に認識することができ、操作を容易にすることができる。【解決手段】マニピュレータ装置が、ハンド側旋回動作軸を回転中心として旋回可能に腕部の他端に連結されたハンド部を備えるアームユニットと、使用者の手により操作される操作部と、操作部を腕部に連結する連結部と、操作部と連結部との間に介在して配置され、ハンド側旋回動作軸と同じ方向に配置された操作側旋回動作軸回りに作用する回転力を検出する力検出用センサとを備える操作ユニットと、力検出用センサにより検出された回転力の大きさに応じてハンド部を旋回させる駆動装置とを備える。【選択図】図１Ａ
2010207981.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース部と、
その一端がベース部に支持された腕部と、その基端から先端へ向かう方向に配置されたハンド側旋回動作軸を回転中心として旋回可能に腕部の他端に連結されたハンド部とを備えるアームユニットと、
ハンド側旋回動作軸回りにハンド部を旋回させる旋回動作駆動装置と、
使用者の手により操作される操作部と、操作部を腕部に連結する連結部と、操作部と連結部との間に介在して配置され、ハンド側旋回動作軸と同じ方向に配置された操作側旋回動作軸回りに作用する回転力を検出する力検出用センサとを備える操作ユニットと、
旋回動作駆動装置を制御して、力検出用センサにより検出された操作側旋回動作軸回りの回転力の大きさに応じた回動角度にてハンド部を旋回させる制御装置とを備える、マニピュレータ装置。
【請求項２】
ベース部と、
その一端がベース部に支持された腕部と、腕部の延在方向に対して交差するハンド側傾斜動作軸を回転中心として回動可能に腕部の他端に連結されたハンド部とを有するアームユニットと、
ハンド側傾斜動作軸回りにハンド部を回動させて、腕部に対してハンド部を傾斜させる傾斜動作駆動装置と、
使用者の手により操作される操作部と、操作部を腕部に連結する連結部と、操作部と連結部との間に介在して配置され、ハンド側傾斜動作軸と同じ方向に配置された操作側傾斜動作軸回りに作用する回転力を検出する力検出用センサとを備える操作ユニットと、
傾斜動作駆動装置を制御して、力検出用センサにより検出された操作側傾斜動作軸回りの回転力の大きさに応じた回動角度にてハンド部を回動させる制御装置とを備える、マニピュレータ装置。
【請求項３】
ハンド部は、その基端から先端へ向かう方向に配置され、かつハンド側傾斜動作軸と直交するハンド側旋回動作軸を回転中心として旋回可能に腕部に連結され、
操作ユニットにおいて、力検出センサは、ハンド側旋回動作軸と同じ方向に配置された操作側旋回動作軸回りに作用する回転力をさらに検出可能であって、
ハンド側旋回動作軸回りにハンド部を旋回させる旋回動作駆動装置を備え、
制御装置は、旋回動作駆動装置を制御して、力検出用センサにより検出された操作側旋回動作軸回りの回転力の大きさに応じた回動角度にてハンド部を回動させる、請求項２に記載のマニピュレータ装置。
【請求項４】
操作部は、操作側傾斜動作軸をその軸芯として配置され、使用者の手により把持されるグリップ状のハンドルであり、操作側傾斜動作軸と操作側旋回動作軸との交差位置が、ハンドルにおける使用者による把持領域内に配置される、請求項３に記載のマニピュレータ装置。
【請求項５】
ハンド部は開閉動作可能であり、
ハンド部の開閉動作を駆動する開閉動作駆動装置をさらに備え、
操作ユニットは、使用者の指により操作されるトリガ部と、トリガ部の動作量を検出するトリガ検出用センサとをさらに備え、
制御装置は、開閉動作駆動装置を制御して、トリガ検出用センサにより検出されたトリガ部の動作量に応じてハンド部を開閉駆動させる、請求項３または４に記載のマニピュレータ装置。
【請求項６】
腕部は、鉛直方向および水平方向に揺動可能に支持された上腕部と、直動関節を介して上腕部の延在方向に沿って進退移動可能に上腕部に連結され、その先端にハンド部が連結された前腕部とを備え、
上腕部の鉛直方向の揺動を駆動する鉛直揺動駆動装置と、
上腕部の水平方向の揺動を駆動する水平揺動駆動装置と、
直動関節による前腕部の進退移動を駆動する進退移動駆動装置と、をさらに備え、
操作ユニットにおいて、
操作部は、力検出用センサを介在させて連結部により前腕部に連結され、
力検出用センサは、ハンド側旋回動作軸と同じ方向に配置された第１軸と、ハンド側傾斜動作軸と同じ方向に配置された第２軸と、第１軸および第２軸と直交する第３軸との３軸の方向にて、操作部に作用する力を検出可能であって、
制御装置は、進退移動駆動装置を制御して、力センサにより検出された第１軸沿いの力に応じた動作量にて前腕部の進退移動を行い、水平揺動駆動装置を制御して、力センサにより検出された第２軸沿いの力に応じた動作量にて上腕部を水平方向に揺動させ、垂直揺動駆動装置を制御して、力センサにより検出された第３軸沿いの力に応じた動作量にて上腕部を鉛直方向に揺動させる、請求項３から５のいずれか１つに記載のマニピュレータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、オペレータ（使用者）の手動操縦により駆動して、対象物に対する処理を行うマニピュレータ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、重量物の運搬や人間が届かない高所の作業などに人間が手動操縦して運搬対象物を持ち上げたり、移動させたりするためのマニピュレータが開発されている。このような従来のマニピュレータは、対象物を把持するために開閉可能とされたハンドと、その一端にハンドが支持されるとともにハンドを自在に移動可能とさせる各種関節を有するアームを備えており、人間の手動操縦によってハンドの位置及び開閉動作を操作することが可能とされている。
【０００３】
このような従来のマニピュレータ装置の例として、例えば特許文献１では、人間による操作で重量物を運搬することができるマニピュレータが提案されている。
【０００４】
特許文献１に記載のマニピュレータ装置は、オペレータが左右アームの間に立った状態で位置し、各アームにそれぞれ設けられているジョイスティックをそれぞれ左右の手で操作してアームを操縦する。具体的には、ジョイスティックを原点に対して傾けると、ジョイスティックの傾き方向に応じてアームが移動する。
【０００５】
従来のマニピュレータ装置におけるアーム操作のためのマン・マシンインターフェースとしては、特許文献１に開示されているジョイスティックのほかにも様々な形態のものが提案されている。例えば、特許文献２に開示されている手持ちの操作器タイプのものや、特許文献３に開示されているトルクセンサを用いたものが提案されている。
【０００６】
特許文献２に開示されている手持ちの操作器では、両手で操作器を保持し、親指で多くの操作を実行するという操作方法が採用されている。
【０００７】
また、特許文献３に開示されているトルクセンサを用いた操作器では、搬送の対象であるオブジェクトをロボットハンドと作業者とで相持ちし、人間がオブジェクトに力を加えることでセンサがオブジェクトの移動の方向を検出してロボットハンドが移動するという操作方法が採用されている。
【０００８】
【特許文献１】特開平９−２３４６８４号公報
【特許文献２】特開２００５−３４２８９１号公報
【特許文献３】特開２００８-２１３１１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１のようにジョイスティックをマニピュレータ装置のマン・マシンインターフェースとして使用する場合、アームの移動のためにジョイスティックを特定の方向へ傾けるという動作によって行うこととなる。すなわち、現在のアームの位置がどのあたりにあるかについては、オペレータはアームの位置を目視により確認する以外に明確に認識することができない。すなわち、アームを伸ばす動作を行う場合は、アームが前方向に伸ばされた状態であるかアームが収縮されている状態であるかにかかわらず、ジョイスティックを前方に傾けるという一義的な動作により操縦を行うこととなる。よって、操縦しているアームがどのような位置にあるか、例えば、アームが目的位置に到達しているか否かについては、オペレータがハンドの位置を目視により判断し、任意の位置でジョイスティックの傾きを戻してアームの運動を停止させるという動作を行うこととなる。
【００１０】
また、マニピュレータ装置の用途によっては、オペレータの安全のために、オペレータの前に防護壁を設け、アームの部分だけを防護壁の奥側へ出す場合がある。この場合、オペレータは、防護壁によってハンドを目視できないため、目視によるアームの位置を認識することが難しいという問題もある。
【００１１】
したがって、ジョイスティックによってマニピュレータ装置を操作する場合には、アームの位置をオペレータが的確に認識しにくく、操作が煩雑になるという問題がある。
【００１２】
特許文献２の操作器でも、具体的なアームの位置の確認は直接目視、またはアームの位置を検出できるようにマニピュレータ装置を構成して、検出結果を操作器に表示する方法を採るなど、目視によりアームの位置を認識する方法が採用されている。そのため、マニピュレータ装置のアームの位置をオペレータが的確に認識しにくいという問題がある。
【００１３】
特許文献３の操作器についても、オペレータがオブジェクトを動かした結果の位置によってロボットハンドが移動するようになっているため、オペレータは自己の動きとしてハンドの位置を認識することができるが、ロボットハンドとオペレータとの相持ちの状態での搬送に限られるため、搬送範囲は限られており、高所の作業など多様な作業に対応することが困難である。
【００１４】
従って、本発明の目的は、これらの課題を解決することにあって、オペレータ（使用者）がマニピュレータ装置のハンドの位置あるいはアームユニットの位置を的確に認識することができ、その操作を容易にすることができるマニピュレータ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
【００１６】
本発明の第１態様によれば、ベース部と、
その一端がベース部に支持された腕部と、その基端から先端へ向かう方向に配置されたハンド側旋回動作軸を回転中心として旋回可能に腕部の他端に連結されたハンド部とを備えるアームユニットと、
ハンド側旋回動作軸回りにハンド部を旋回させる旋回動作駆動装置と、
使用者の手により操作される操作部と、操作部を腕部に連結する連結部と、操作部と連結部との間に介在して配置され、ハンド側旋回動作軸と同じ方向に配置された操作側旋回動作軸回りに作用する回転力を検出する力検出用センサとを備える操作ユニットと、
旋回動作駆動装置を制御して、力検出用センサにより検出された操作側旋回動作軸回りの回転力の大きさに応じた回動角度にてハンド部を旋回させる制御装置とを備える、マニピュレータ装置を提供する。
【００１７】
本発明の第２態様によれば、ベース部と、
その一端がベース部に支持された腕部と、腕部の延在方向に対して交差するハンド側傾斜動作軸を回転中心として回動可能に腕部の他端に連結されたハンド部とを有するアームユニットと、
ハンド側傾斜動作軸回りにハンド部を回動させて、腕部に対してハンド部を傾斜させる傾斜動作駆動装置と、
使用者の手により操作される操作部と、操作部を腕部に連結する連結部と、操作部と連結部との間に介在して配置され、ハンド側傾斜動作軸と同じ方向に配置された操作側傾斜動作軸回りに作用する回転力を検出する力検出用センサとを備える操作ユニットと、
傾斜動作駆動装置を制御して、力検出用センサにより検出された操作側傾斜動作軸回りの回転力の大きさに応じた回動角度にてハンド部を回動させる制御装置とを備える、マニピュレータ装置を提供する。
【００１８】
本発明の第３態様によれば、ハンド部は、その基端から先端へ向かう方向に配置され、かつハンド側傾斜動作軸と直交するハンド側旋回動作軸を回転中心として旋回可能に腕部に連結され、
操作ユニットにおいて、力検出センサは、ハンド側旋回動作軸と同じ方向に配置された操作側旋回動作軸回りに作用する回転力をさらに検出可能であって、
ハンド側旋回動作軸回りにハンド部を旋回させる旋回動作駆動装置を備え、
制御装置は、旋回動作駆動装置を制御して、力検出用センサにより検出された操作側旋回動作軸回りの回転力の大きさに応じた回動角度にてハンド部を回動させる、第２態様に記載のマニピュレータ装置を提供する。
【００１９】
本発明の第４態様によれば、操作部は、操作側傾斜動作軸をその軸芯として配置され、使用者の手により把持されるグリップ状のハンドルであり、操作側傾斜動作軸と操作側旋回動作軸との交差位置が、ハンドルにおける使用者による把持領域内に配置される、第３態様に記載のマニピュレータ装置を提供する。
【００２０】
本発明の第５態様によれば、ハンド部は開閉動作可能であり、
ハンド部の開閉動作を駆動する開閉動作駆動装置をさらに備え、
操作ユニットは、使用者の指により操作されるトリガ部と、トリガ部の動作量を検出するトリガ検出用センサとをさらに備え、
制御装置は、開閉動作駆動装置を制御して、トリガ検出用センサにより検出されたトリガ部の動作量に応じてハンド部を開閉駆動させる、第３または第４態様に記載のマニピュレータ装置を提供する。
【００２１】
本発明の第６態様によれば、腕部は、鉛直方向および水平方向に揺動可能に支持された上腕部と、直動関節を介して上腕部の延在方向に沿って進退移動可能に上腕部に連結され、その先端にハンド部が連結された前腕部とを備え、
上腕部の鉛直方向の揺動を駆動する鉛直揺動駆動装置と、
上腕部の水平方向の揺動を駆動する水平揺動駆動装置と、
直動関節による前腕部の進退移動を駆動する進退移動駆動装置と、をさらに備え、
操作ユニットにおいて、
操作部は、力検出用センサを介在させて連結部により前腕部に連結され、
力検出用センサは、ハンド側旋回動作軸と同じ方向に配置された第１軸と、ハンド側傾斜動作軸と同じ方向に配置された第２軸と、第１軸および第２軸と直交する第３軸との３軸の方向にて、操作部に作用する力を検出可能であって、
制御装置は、進退移動駆動装置を制御して、力センサにより検出された第１軸沿いの力に応じた動作量にて前腕部の進退移動を行い、水平揺動駆動装置を制御して、力センサにより検出された第２軸沿いの力に応じた動作量にて上腕部を水平方向に揺動させ、垂直揺動駆動装置を制御して、力センサにより検出された第３軸沿いの力に応じた動作量にて上腕部を鉛直方向に揺動させる、第３から第５態様のいずれか１つに記載のマニピュレータ装置を提供する。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、その基端から先端へ向かう方向に配置されたハンド側旋回動作軸を回転中心として旋回可能に腕部に連結されたハンド部を有するアームユニットと、使用者の手により操作される操作部と、ハンド側旋回動作軸と同じ方向に配置された操作側旋回動作軸を回転中心として操作部を旋回可能に腕部に連結する連結部と、操作部と連結部との間に介在して配置され、操作側旋回動作軸回りに作用する回転力を検出する力検出用センサとを有する操作ユニットとが備えられていることにより、使用者の操作における手の動きと、その操作によるハンド部の動作とをより似通った動作とすることができる。具体的には、使用者が操作側旋回動作軸回りに操作部に対して回転力を付与するような動作（操作）を行った場合には、力検出用センサによりこの回転力が検出され、制御装置により、旋回動作駆動装置が制御されて、検出された回転力の大きさ応じた回動角度にてハンド部を旋回させることができる。したがって、使用者は、操作における自己の手の動き（すなわち、手の旋回）の程度で、ハンド部の旋回量および位置を認識することができる。
【００２３】
また、このようなハンド部の操作は、ハンド側旋回動作軸回りのハンド部の旋回動作の他に、例えば、腕部の延在方向に対して交差するハンド側傾斜動作軸を回転中心としたハンド部の傾斜動作に対しても適用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２５】
図１Ａ、図１Ｂは、本発明の一の実施形態にかかるマニピュレータ装置１の構成を示す図であり、図１Ａは側面図、図１Ｂは平面図を示している。図１Ａ、図１Ｂに示すように、マニピュレータ装置１は、オペレータ（使用者）ＯＰが、自己の背後に沿って配置されたベース（ベース部）２にそれぞれ設けられている左右のアームユニット３ｒ、３ｌの間に位置し、オペレータＯＰの左右の両腕でそれぞれ左右のアームユニット３ｒ、３ｌの操縦を行う。なお、左右のアームユニット３ｒ、３ｌは左右を区別する場合に添え字のｒ及びｌを付して各構成要素を区別することとし、左右を区別する必要がない場合は添え字を付さずに、単にアームユニット３と表記する。
【００２６】
オペレータＯＰは、マニピュレータ装置１の操縦時において、ベース２に設けられているサドル４に座ってもよいし、立位状態であってもよい。具体的には、オペレータＯＰの両肩がおおむねベース２と左右のアームユニット３ｒ、３ｌの関節部分に位置するような高さとなるように、自己の身長等に応じて操縦姿勢を決定すればよい。
【００２７】
以下、本実施形態にかかるマニピュレータ装置１の構成を明確に示すため、図１Ａ，図１Ｂに示すＸＹＺ座標軸系を用いて構成の説明を進める。Ｘ軸は、図１Ａに示すように、水平方向かつオペレータＯＰの前後方向に延在する軸であり、オペレータＯＰの前方向を正方向とする。Ｙ軸は、図１Ｂに示すように、水平方向かつオペレータＯＰの左右方向に延在する軸であり、オペレータＯＰの右方向を正方向とする。Ｚ軸は、鉛直方向に延在する軸であり、上方向を正方向とする。
【００２８】
ベース２は、図１Ａ、図１Ｂに示すように、ほぼＺ軸に平行に設けられたスタンド部１６と、スタンド部１６の上端に設けられた本体部１７とを備える。スタンド部１６は、オペレータＯＰの背面に沿うように配置されており、必要に応じてサドル４が設けられている。本体部１７は、大略Ｙ軸方向に延在し、オペレータＯＰの左右の肩胛骨の背面に位置するように設けられる。
【００２９】
本体部１７の左右両端はオペレータＯＰの前方へ張り出すように張り出し部分が設けられている。張り出し部分の先端には、本体部１７と左右のアームユニット３ｒ、３ｌの肩部１１とを連結するための肩部回転関節１８が設けられている。肩部回転関節１８は、肩部１１をＺ軸中心に回転可能に本体部１７に連結し、肩部回転関節１８によって、アームユニット３ｒ、３ｌはＸＹ平面上を回動可能（すなわち、水平揺動可能）となる。
【００３０】
本体部１７には、アームユニット３ｒ、３ｌの肩部１１をＺ軸中心に回転させるための肩部アクチュエータ（水平揺動駆動装置）５が左右それぞれに設けられている（右のアームユニット３ｒ用のみ図示）。肩部アクチュエータ５は、本体１９と、本体１９に対して進退可能なピストン２０とを備える直動アクチュエータである。ピストン２０は、例えば、本体１９に内蔵されているボールねじ（図示せず）によって本体１９に対して進退移動可能となっている。肩部アクチュエータ５の本体１９が本体部１７側に連結され、ピストン２０が肩部１１のクランク２１に連結されている。肩部アクチュエータ５のピストン２０がＹ軸方向に伸縮することにより、肩部１１のクランク２１がＹ軸方向に移動し、肩部回転関節１８を中心として肩部１１を水平方向に揺動駆動させる。
【００３１】
本体部１７にそれぞれ取り付けられる左右のアームユニット３ｒ、３ｌは、肩部１１、上腕部１２、前腕部１３、ハンド部１４を備えている。アームユニット３ｒ、３ｌの上腕部１２は、回転関節である上腕関節２２を介して肩部１１に対して回転可能（すなわち、鉛直方向に揺動可能）に連結されている。また、前腕部１３は、直動関節である前腕関節２３を介して上腕部１２に対して長手方向（延在方向）に進退移動自在に連結されている。また、前腕部１３の先端にはハンド部１４が設けられている。
【００３２】
アームユニット３ｒ、３ｌにおける前腕部１３の後端には、操作ユニット１５が設けられている。操作ユニット１５は、オペレータＯＰが手Ｈで把持して力を加えることにより、加えられた力を検出してアームユニット３ｒ、３ｌを操作する。
【００３３】
肩部１１は、Ｚ軸方向に長手の部材であり、ベース２の本体部１７の張り出し部分の両端に左右対称のものが設けられている。肩部１１は、上述のようにベース２の本体部１７に肩部回転関節１８を介してＺ軸中心に回動自在に連結され、アームユニット３ｒ、３ｌをベース２に対して水平移動可能とする。また、図１Ａ、および上腕部１２の構成を示す図２に示すように、肩部１１には上腕部１２に交差するように設けられる上腕シャフト２４を連結するためのシャフト連結部２５が設けられている。上腕シャフト２４は、後述するように、上腕部１２の前腕関節２３に連結され、上腕部１２に対する前腕部１３の傾斜角度を調整する。
【００３４】
上腕部１２は、上述のように上腕関節２２を中心として肩部１１に設けられている上腕アクチュエータ（鉛直揺動駆動装置）６によって肩部１１に対してＹ軸中心に上下移動（鉛直方向に揺動）する。また、肩部１１がＺ軸中心に回動するように構成されているため、アームユニット３ｒ、３ｌは、肩部１１及び上腕部１２の回動によって、ベース部材２に対して上下方向および左右（水平）方向に移動可能とされている。
【００３５】
上腕アクチュエータ６は、本体２７と本体２７に対して進退可能に構成されているシリンダ２６とを備える直動アクチュエータである。シリンダ２６は、たとえば、本体２７に設けられているボールねじ（図示せず）によって本体２７に対して進退移動可能となっている。上腕アクチュエータ６のシリンダ２６の先端２６ａは、上腕部１２に軸支されており、シリンダ２６が伸びることで上腕部１２を上方（Ｚ軸方向）へ移動させ、シリンダ２６が縮むことで上腕部１２を下方（Ｚ軸方向）へ移動させる。
【００３６】
上腕部１２は、その長手方向に沿って移動する直動関節である前腕関節２３を備える。前腕関節２３は、前腕部１３に設けられる前腕アクチュエータ（進退移動駆動装置）７（図３Ａ参照）のスライダ３６として機能する。前腕関節２３は、上腕部１２の先端に設けられている回転部２８に対して、回転中心２９を中心として回動可能に構成されている。また、前腕関節２３に連結されている前腕クランク部３０は、上腕シャフト２４と連結しており、上腕シャフト２４によって、前腕クランク部３０の傾斜角度が決定される。
【００３７】
上腕シャフト２４は、肩部１１の上腕関節２２の下方に設けられているシャフト連結部２５と、上腕部１２に対して上方に設けられている前腕クランク部３０とにそれぞれ両端部分が連結されている。上腕部１２には、上腕シャフト２４を貫通させるための貫通孔３１（図１Ｂ参照）が設けられており、上腕シャフト２４がこの貫通孔３１を通ることで、上腕部１２と上腕シャフト２４は互いに交差するように配置される。
【００３８】
このよう構成されることにより、図１Ａに示すように、上腕部１２が上がっているときは、図２の矢印９１に示す方向に前腕クランク部３０が傾斜し、前腕部１３が上腕部１２に対して上方に傾斜する。一方、上腕部が下がっているときは、図２の矢印９２に示す方向に前腕クランク部３０が傾斜し、前腕部１３が上腕部１２に対して下方に傾斜する。このように上腕シャフト２４と前腕関節２３を構成することにより、上腕部１２が上がったときは、前腕部１３が上方に傾斜してより高い位置へ容易にハンド部１４を到達させることができるとともに、上腕部１２が下がったときは、前腕部１３が下方に傾斜してより低い位置へハンド部１４を到達させることができる。よって、高所位置及び低所位置におけるハンド部１４の到達範囲が広くなり、広い作業領域を確保することができる。
【００３９】
図３Ａの前腕部１３の側面図および図３Ｂの前腕部１３の平面図に示すように、前腕部１３は、上腕部１２に対して略平行に配置される棒状の本体３２の先端にハンド部１４を回動可能に配置するための取り付け部３３を備える。また、本体３２の後端には、操作ユニット１５を取り付けるための操作固定部３４が設けられている。
【００４０】
本体３２の下側には、前腕アクチュエータ７が設けられている。前腕アクチュエータ７は、ボールねじ３５とスライダ３６とを備える直動アクチュエータである。前腕アクチュエータ７のスライダ３６は上述の通り、上腕部１２の前腕関節２３を備えている。前腕アクチュエータ７のボールねじ３５を駆動させるためのモータ３７が駆動すると，プーリ３８を介してボールねじ３５が回転し、ボールねじ３５に対するスライダ３６の位置が移動する。これにより、スライダ３６に連結されている前腕部１３が上腕部１２に対して進退可能に移動する。例えば、図３Ａに実線で示す位置にスライダ３６（前腕関節２３）が位置する場合、前腕部１３は上腕部１２に重なる部分が多く、前腕部１３が収縮した状態となる。一方、図３Ａにて点線で示す位置にスライダ３６（前腕関節２３）が位置する場合、前腕部１３は上腕部１２に対して伸張した状態となっている。なお、図３Ａに示すように、前腕部１３において、前腕アクチュエータ７が露出して状態とされているため、オペレータが誤って前腕アクチュエータ７に接触しないようにアクチュエータカバー３９が設けられている。
【００４１】
操作固定部３４は、前腕部１３の本体３２に対して上方へ突出した突状部分であり、オペレータＯＰ側に操作ユニット１５が連結軸４０によって軸支される。また、連結軸４０は、筒状に構成されており、内部にさらに別の連結軸４２を備える。連結軸４０及び連結軸４２は、それぞれ操作固定部３４を挟むように操作側傾斜プーリ４１ｖおよび操作側旋回プーリ４１ｗに接続されている。後述するように操作側傾斜プーリ４１ｖの回転は、連結軸４０に連結されているハンド部１４の前腕部１３に対する傾斜動作と連動する。すなわち、ハンド部１４が傾斜動作されると、操作側傾斜プーリ４１ｖの回転角度に連動させて操作ユニット１５が傾斜動作される。なお、図３Ｂに示すように操作側傾斜プーリ４１ｖ，操作側旋回プーリ４１ｗにはそれぞれ、後述するハンド部１４に連結される傾斜連動ワイヤ（傾斜動作連動ベルト）４２ｖ、旋回連動ワイヤ（旋回動作連動ベルト）４２ｗが巻き掛けられており、両ワイヤ４２ｖ、４２ｗを引き回すための案内プーリ４３ｖ、４３ｗが設けられている。
【００４２】
本体３２の取り付け部３３は、前腕部１３の本体３２の延在方向に対してハンド部１４を傾斜可能（すなわち、図３Ａに示す状態にて上下方向に傾斜可能）とするための第１ギア４４及び第２ギア４５を備える。第１ギア４４は、取り付け部３３を挟んで前腕部１３の反対側面に取り付けられる上下傾斜モータ（傾斜動作駆動装置）８によって駆動され、第２ギア４５を駆動させる。第２ギア４５がその回転中心である傾斜軸（ハンド側傾斜動作軸）Ｂ周りに回転駆動されることで、ハンド部が前腕部１３に対して上下方向へ傾斜させる。なお、第２ギア４５は、入れ子式に配置された２重の回転軸４６、４７の外側の軸４６によってハンド側傾斜プーリ４８ｖに連結されており、第２ギア４５の回転はハンド側傾斜プーリ４８ｖに伝達される。なお、前腕部１３の延在方向に対して交差する軸が、傾斜軸Ｂとなっている。
【００４３】
次に、ハンド部１４の詳細構成について、図４を用いて説明する。図４に示すように、ハンド部１４は、開閉可能な爪を備えた部材であり、前腕部１３に対して、上下方向に傾斜動作可能（傾斜軸Ｂ周りに回動可能）に、そしてハンド部１４の基部から先端に向かう方向に配置された軸（後述する旋回軸Ｃ）を中心として旋回動作可能に構成されており、対象物に対する作業（把持による運搬作業など）を行うことが可能とされている。
【００４４】
ハンド部１４は、固定爪５４と固定爪５４に対して開閉可能な可動爪５５を備える。可動爪５５は、固定爪５４のフレーム５７とリンク部材５６ａ、５６ｂによって連結されている。フレーム５７には、爪開閉アクチュエータ（開閉動作駆動装置）１０が設けられ、爪開アクチュエータ１０がリンク部材５６ａおよび５６ｂを動作させることで、可動爪５５を固定爪５４に対して開閉駆動させる。
【００４５】
爪開閉アクチュエータ１０は、筐体５８内にボールねじ５９が設けられ、ボールねじ５９に沿ってスライダ６０が移動する直動アクチュエータである。また、ボールねじ５９を駆動するために、モータ６１が設けられている。筐体５８は固定爪５４に連結軸６２で連結され、スライダ６０は可動爪５５を駆動させるためのリンク部材５６ａに連結軸６３で連結される。スライダ６０の移動に伴いリンク部材５６ａおよび５６ｂが進退移動することにより、可動爪５５が開閉動作する。
【００４６】
また、ハンド部１４には、ハンド部１４を旋回駆動させる旋回モータ（旋回動作駆動装置）８を備えており、旋回モータ８の駆動によりハンド部１４がその基端から先端に向かう旋回軸（ハンド側旋回動作軸）Ｃ回りに旋回可能とされている。旋回モータ８の駆動軸の回転はギア６４、６５を介して固定爪５４のフレーム５７に伝達され、図４に示す旋回軸Ｃを中心としてハンド部１４が旋回駆動する。なお、ハンド部１４の旋回軸Ｃには、傘歯車５３が設けられており、この傘歯車５３は前腕部１３のギア４５に連結する傘歯車５２（図３Ｂ参照）に連結している。従って、ハンド部１４の旋回軸Ｃを中心とする回転駆動は、前腕部１３の傘歯車５２に伝達される。傘歯車５２は、入れ子構造の回転軸４７と連結され、その回転をハンド側旋回プーリ４８ｗに伝達する。なお、旋回軸Ｃと傾斜軸Ｂとは互いに直交している。
【００４７】
なお、ハンド部１４を操作するための爪開閉アクチュエータ１０の動作信号及びハンド部１４の可動爪５５の開閉の位置情報は、旋回軸Ｃに沿って設けられる同軸ケーブル６６を通じてハンド部１４の外部に取り出される。
【００４８】
次に、操作ユニット１５の詳細構成について、図５Ａから図５Ｃを用いて説明する。図５Ａから図５Ｃに示すように、操作ユニット１５は、オペレータの手により握って操作されるグリップ部（操作部）６９と、グリップ部６９を前腕部１３に連結する連結部６７と、グリップ部６９と連結部６７との間に介在して配置された３軸方向の力を測定可能な力センサ（力検出用センサ）６８とを備える。
【００４９】
連結部６７は、例えば鈎形状を有する部材であり一端６７ｂが前腕部１３の操作固定部３４に連結軸４０により軸支されており、連結軸４０を中心として回転可能とされている。また、連結軸４０には操作側傾斜プーリ４１ｖが連結されている。なお、この連結軸４０の回転中心が操作側傾斜軸（操作側傾斜動作軸）Ａとなっており、ハンド部１４の傾斜軸Ｂと同じ方向に配置されている。
【００５０】
連結部６７の他端であるセンサ取り付け部６７ａには力センサ（力検出用センサ）６８が設けられている。力センサ６８は、図６の模式図に示すように、互いに直交するα、β、γの３軸方向の力（並進力）とそれぞれの３軸方向のねじれ力（回転力）を１つのセンサで同時に計測する機能を有するセンサである。このような力センサ６８としては、例えば、ミネベア株式会社製の６軸力センサ「ＯＰＦＴシリーズ」などを使用することができる。具体的には力センサ６８は、基準部６８ａに対して作動部６８ｂが連結した構成であり、作動部６８ｂに基準部６８ａに対するα、β、γの３軸方向の少なくとも１つの力が加わることで基準部６８ａに対して作動部６８ｂがどのように付勢されているか、また、作動部６８ｂにねじれ力が加えられた場合に、α、β、γの３軸方向沿いのねじれ力を計測し、出力端子６９を通じて出力する。なお、本実施形態にかかるマニピュレータ装置１では、力センサのねじれ検出は、α軸周りのねじれ力ｗと、γ軸周りのねじれ力ｖのみをアームユニット３ｒ、３ｌの動作制御のための入力信号とし、β軸周りのねじれ力については動作制御の入力信号として使用しない。本実施形態では、力検出用センサとして、６軸力センサに代表されるような力センサ６８を用いるが、このような場合に代えて、各軸方向のひずみを検出するようなひずみセンサを組み合わせて用いてもよい。
【００５１】
また、力センサ６８の基準部６８ａは、支持軸７０により連結部６７のセンサ取り付け部６７ａに対して回転駆動できるように軸支されている。基準部６８ａを連結部６７に取り付けるこの支持軸７０にはプーリ７１が設けられており、力センサ６８が支持軸７０を回転中心として回転すると同じ回転角度でプーリ７１も連動する。この力センサ６８の支持軸７０の回転中心が、操作側旋回軸（操作側旋回動作軸）Ｄとなっており、ハンド部１４の旋回軸Ｃと同じ方向に配置されている。
【００５２】
プーリ７１は、案内プーリ７１ａにより案内されて無端ベルト７２により連結部の一端６７ｂ側に設けられたプーリ７３ｐと連動する。またプーリ７３ｐはギア７３ｇと固着されている。また、ギア７３ｇは、ギア７４と噛み合っている。ギア７４は、連結軸４２によって操作側旋回プーリ４１ｗと連結されている。すなわち、プーリ７１の回転と、操作側旋回プーリ４１ｗの回転とは連動する。
【００５３】
力センサ６８の作動部６８ｂは、グリップ部６９に接続されている。グリップ部６９は本体７５、グリップ（グリップ状のハンドル）７６、トリガ（トリガ部）７７を有する。オペレータＯＰはグリップ７６を握った状態で、例えば人差し指をトリガ７７にかけてグリップ部６９を把持する。オペレータＯＰがグリップ部６９に力を加えると、加えられた力が作動部６８ｂに伝達されて、この力を力センサ６８が検出し、検出結果を出力する。
【００５４】
また、図５Ａおよび図５Ｃに示すように、操作側傾斜軸Ａはグリップ７６の軸心上に配置され、操作側旋回軸Ｄはグリップ７６におけるオペレータＯＰの手による把持領域（手によって把持される領域）の略中央に配置されるように、それぞれの軸Ａ、Ｄとグリップ７６の配置関係が設定されている。
【００５５】
グリップ部６９のトリガ７７は、図７に示す模式断面図のように、グリップ部６９の本体７５内で矢印９５に示す方向にスライド可能に配置されたスライダ７８に接続されている。トリガ７７は、トリガを引いていない状態へ戻す方向へ、図示しないスプリングで常時付勢されている。
【００５６】
トリガ７７は、グリップ部６９の内部に設けられているトリガセンサ（トリガ検出用センサ）７９に当接可能とされている。オペレータＯＰの操作によりトリガ７７が引かれるとトリガセンサ７９は、トリガ７７が当接していること検出してオン／オフの切り替え出力信号として出力する。トリガセンサ７９の出力はハンド部１４の爪開閉アクチュエータ１０へ入力される。
【００５７】
スライダ７８はワイヤ８０に連結されている。ワイヤ８０は案内プーリ８１により操作ユニット１５の外部に案内される。ワイヤ８０の他端は、ハンド部の旋回軸Ｃを通して、ハンド部の可動爪５５に接続されている。ワイヤ８０の長さは、ハンド部の可動爪５５が最大に開放されているときに戻っている状態とし、可動爪５５が完全に閉じているときに最大に引いた状態となっている。
【００５８】
オペレータＯＰがトリガ７７を引きトリガセンサ７９に力が加わると、トリガセンサ７９からの出力信号により爪開閉アクチュエータ１０が可動爪５５を閉じるように駆動する。また、ハンド部１４の可動爪５５が閉じる方向に作動するとワイヤ８０がゆるみ、トリガ７７をさらに引き込み可能となる。一方、可動爪５５が開放するとワイヤ８０によってトリガ７７が引っ張られ、トリガ７７が元の位置に移動する。本実施形態では、このようにハンド部１４の可動爪５５の開閉動作量に連動して、操作ユニット１５のトリガ７７を動作させる機構（すなわちワイヤ８０のよる連結機構）が、トリガ連動機構となっている。
【００５９】
次に、本実施形態にかかるマニピュレータ装置１の制御動作について説明する。図８は、本実施形態のマニピュレータ装置１の制御構成を示すブロック図である。図８においては、左右それぞれのアームユニット３ｒ、３ｌより代表して右側のアームユニット３ｒについてのみの制御ブロックを示している。なお、左側のアームユニット３ｌについても同様の制御構成が設けられている。なお、右側アームユニット３ｒと左側アームユニット３ｌについての各制御ブロックを区別するときは、添え字のｒ及びｌを付して各構成要素を区別することとし、区別する必要がない場合は添え字を付さずに表記する。
【００６０】
図８に示すように、本実施形態のマニピュレータ装置１の動作制御は、ＣＰＵ８１と制御プログラム８２とが協働することによって実現される。ＣＰＵ８１及び制御プログラム８２には、例えばＩＣチップなどを使用することができ、これらに力センサ６８及びトリガセンサ７９からの検出信号が入力されることによって、駆動機構８３（８３ｒ、８３ｌ）を駆動制御する。駆動機構８３に内包される各アクチュエータ及びモータは、それぞれドライバ（図示Ｄにて表示）を通じてＣＰＵ８１と接続され、ＣＰＵ８１からの動作信号に基づいて動作する。なお、本実施形態では、ＣＰＵ８１と制御プログラム８２（あるいは制御プログラム８２を記憶保持する記憶装置）とにより制御装置が構成されている。
【００６１】
操作ユニット１５に設けられている力センサ６８は、α、β、γの３軸方向について正負方向の力と、α軸周りのねじりｗ及びγ軸周りのねじりｖの双方向のねじり力について検出し出力する。また、トリガセンサ７８は、トリガ７７によって付勢された力の有無を検出し出力する。
【００６２】
力センサ６８から出力された５つのベクトル検出信号Ｒα、Ｒβ、Ｒγ、Ｒｖ、Ｒｗ及びトリガ７７のオン・オフの検出信号Ｒｔは、ＣＰＵ８１に入力され、それぞれ駆動機構８３に設けられている各アクチュエータ５、６、７、１０及びモータ８、９を駆動する。
【００６３】
力センサ６８のα軸（第１軸）に沿った方向の付勢力を検出したベクトル信号Ｒαは、アームユニット３を伸縮する方向の力であり、ＣＰＵ８１は前腕アクチュエータ７を駆動させる。力センサ６８にオペレータＯＰの前方へ押し出す方向の力が加えられた場合は、前腕アクチュエータ７は前腕部１３を伸張させる方向へ駆動する。一方、力センサ６８にオペレータＯＰ側に引き戻す方向の力が加えられた場合は、前腕アクチュエータ７は前腕部１３を収縮させる方向へ駆動する。前腕アクチュエータ７が駆動することによって、アームユニット３全体の長さが伸縮する。なお、操作ユニット１５は前腕部１３に設けられているため、前腕部１３の伸縮とともに操作ユニット１５も移動し、操作ユニット１５を把持するオペレータＯＰの腕Ｈも屈伸することとなる。
【００６４】
力センサ６８のβ軸（第３軸）に沿った方向の付勢力を検出したベクトル信号Ｒβは、アームユニット３をＺ軸方向へ移動させる方向の力であり、ＣＰＵ８１は上腕アクチュエータ６を駆動させる。力センサ６８にオペレータＯＰの上向き方向の力が加えられた場合は、上腕アクチュエータ６はアームユニット３を上向きへ移動させる方向、すなわちシリンダ２６を伸張させる方向へ駆動する。一方、操作ユニット１５にオペレータＯＰの下向きの力が加えられた場合は、上腕アクチュエータ６はアームユニット３を上向きへ移動させる方向、すなわちシリンダ２６を収縮させる方向へ駆動する。アームユニット３の上下移動に伴い操作ユニット１５を把持するオペレータＯＰの腕Ｈはアームユニット３と同様に上下方向へ移動することとなる。
【００６５】
力センサ６８のγ軸（第２軸）に沿った方向の付勢力を検出したベクトル信号Ｒγは、アームユニット３をＹ軸方向へ移動させる方向の力であり、ＣＰＵ８１は肩部アクチュエータ５を駆動させる。力センサ６８にオペレータＯＰの右側方向の力が加えられた場合は、肩部アクチュエータ５はアーム３を右方向へ移動させる方向、すなわち右側の肩部アクチュエータ５ｒの場合は、シリンダを収縮させる方向へ駆動し、左側の肩部アクチュエータ５ｌの場合は、シリンダを伸張させる方向へ駆動する。一方、操作ユニット１５にオペレータＯＰの左側方向の力が加えられた場合は、肩部アクチュエータ５はアームユニット３を左方向へ移動させる方向、すなわち右側の肩部アクチュエータの場合は、シリンダを伸張させる方向へ駆動し、左側の肩部アクチュエータの場合は、シリンダを収縮させる方向へ駆動する。アームユニットの移動に伴い操作ユニット１５を把持するオペレータＯＰの腕Ｈはアームユニットと同様に移動することとなる。
【００６６】
力センサ６８のα軸周りのねじり力を検出したベクトル信号Ｒｗは、ハンド部１４を旋回軸Ｃの周りへ回転させる方向の力であり、ＣＰＵ８１は旋回モータ８を駆動してハンド部１４の旋回動作を行う。旋回モータ８は、力センサ６８にα軸に対して右回りの力が加えられた場合は、ハンド部１４を右回転させる方向へ駆動し、力センサ６８に左回りの力が加えられた場合は、ハンド部１４を左回転させる方向へ駆動する。
【００６７】
力センサ６８のγ軸周りのねじり力を検出したベクトル信号Ｒｖは、ハンド部１４を前腕部１３に対して上下方向へ傾斜させる方向の力であり、ＣＰＵ８１は上下傾斜モータ９を駆動させて、ハンド部１４の傾斜動作を行う。上下傾斜モータ９は、力センサ６８にγ軸に対して右回りの力が加えられた場合は、ハンド部１４を傾斜軸Ｂ周りに右回転すなわち上方向へ駆動し、力センサ６８に左回りの力が加えられた場合は、ハンド部１４を傾斜軸Ｂ周りに左回転すなわち下方向へ駆動する。
【００６８】
グリップ部６９の矢印９５方向のねじれ（図５Ｃ参照）、すなわち操作側旋回軸Ｄ周りの回動は、それぞれの動作を伝達するプーリ７１、７１ａ及びギア７３ｇ、７４を介して、操作側旋回プーリ４１ｗと連動し、操作側旋回プーリ４１ｗに巻かけられている旋回連動ワイヤ４２ｗ及びハンド側旋回プーリ４８ｗを通じて、傘歯車５２，５３と連動する。すなわち、ハンド部１４の旋回軸Ｃを中心とした旋回動作は、プーリ７１に連動し、結果として力センサ６８及び力センサに連結しているグリップ部６９を矢印９５の方向へ旋回、すなわち操作側旋回軸Ｄ周りに旋回させる。これによって、ハンド部１４の旋回は、操作ユニット１５のグリップ７６の旋回として反映され、オペレータＯＰは、ハンド部１４の位置移動に応じた手の向きで操作ユニット１５を把持することができる。なお、本実施形態では、このように旋回モータ８の駆動力を操作ユニット１５に伝達して、グリップ７６を操作側旋回軸Ｄ周りに旋回させる機構が、旋回動作連動機構となっている。また、ハンド部１４の旋回における回動角度と、ハンド部１４の旋回に連動されるグリップ７６の旋回における回動角度とが、互いに同じ回動角度となるように、旋回動作連動機構が構成されることが好ましい。
【００６９】
また、ハンド部１４の上下動（傾斜動作）の駆動時に回転するギア４５に回転軸４６を介して接続されるハンド側傾斜プーリ４８ｖは、傾斜連動ワイヤ４２ｖを介して操作側傾斜プーリ４１ｖと連動する。操作側傾斜プーリ４１ｖは、連結軸４２を介して操作ユニット１５の連結部６７と連結している。よって、ハンド部１５が上下方向に移動、すなわち傾斜軸Ｂ周りに回動すると、操作側傾斜プーリ４１ｖが連動し、それに応じて操作ユニット１５が連結軸４２を中心（操作側傾斜軸Ａを中心）として矢印９６（図５Ｂ参照）に示すように旋回する。これによって、ハンド部１４の上下動は、操作ユニット１５の連結軸４２を中心として旋回として反映され、オペレータＯＰは、ハンド部１４の位置移動に応じた手の向きで操作ユニット１５を把持することができる。なお、本実施形態では、このように上下傾斜モータ９の駆動力を操作ユニット１５に伝達して、グリップ７６を操作側傾斜軸Ａ周りに回動させる機構が、傾斜動作連動機構となっている。また、ハンド部１４の上下傾斜における回動角度と、ハンド部１４の上下傾斜に連動される操作ユニット１５の回動角度とが、互いに同じ回動角度となるように、傾斜動作連動機構が構成されることが好ましい。
【００７０】
トリガセンサ７９によって検出されたトリガ７７の引き込み方向のベクトル信号Ｒｔは、ハンド部１４の可動爪５５を閉じるように爪開閉アクチュエータ１０を駆動させる。なお、ＣＰＵ８１は、トリガセンサ７９に付勢力が加わらない場合は、爪開閉アクチュエータ１０を開放するように制御されており、可動爪５５の開放に伴いトリガ７７が元の位置に向かって移動する。したがって、トリガ７７を操作するオペレータＯＰは、トリガ７７の引き込みの程度を通じて、ハンド部１４の可動爪５５の開閉状態を認識することができる。
【００７１】
ここで、本実施形態のマニピュレータ装置１におけるハンド部１４を含むアームユニット３の動作制御方法、すなわち、制御ループについて、図９のフローチャートに示す。なお、以下の説明においては、マニピュレータ装置１の各種動作制御の中より代表して、ハンド部１４の開閉動作以外の動作制御について、説明するものとする。
【００７２】
マニピュレータ装置１において、オペレータＯＰによりアームユニット３の動作制御を行い、ハンド部１４の目標動作（例えば、目標位置まで移動）を行うような場合には、まず、図９のフローチャートのステップＳ１において、グリップ部６９を把持するオペレータＯＰの手が目標動作と同様な動作を行うようにグリップ部６９を操作する。
【００７３】
次に、このようなオペレータＯＰの操作により、グリップ部６９に対して付加された付勢力を、力センサ６８により検出する（ステップＳ２）。力センサ６８にて検出された付勢力は、ＣＰＵ８１に入力されて、ＣＰＵ８１にて、検出された力の大きさに応じた駆動量にて、モータまたはアクチュエータを駆動制御する（ステップＳ３）。
【００７４】
これにより、ハンド部１４を含むアームユニット３の動作が開始される（ステップＳ４）。それとともに、アームユニット３の動作に連動してグリップ部６９が動作される（ステップＳ５）。このようにモータまたはアクチュエータにより駆動されるアームユニット３の動作に連動して、グリップ部６９が動作されることにより、グリップ部６９を把持しているオペレータＯＰはグリップ部６９の動作を通じて、アームユニット３の動作を認識することができ、このような認識に基づいて、オペレータＯＰは、アームユニット３が目標動作を達成したかどうかを判断する（ステップＳ６）。目標動作が完了していないと判断される場合には、この認識結果に基づいて、オペレータＯＰは、アームユニット３の目標動作を完了させるために必要な動作を行うようにグリップ部６９をさらに操作する（ステップＳ１）。その後、ステップＳ２からＳ５までの動作処理が行われる。アームユニット３が目標動作を達成し、グリップ部６９の状態を通じてオペレータＯＰが目標動作を完了したことを認識した場合には、ステップＳ６にて、オペレータＯＰはアームユニット３の動作制御を完了させる。
【００７５】
このように本実施形態のマニピュレータ装置１では、ハンド部１４あるいはアームユニット３の目標動作と同様な動きにて、オペレータＯＰの手によりグリップ６９を操作することで、ハンド部１４あるいはアームユニット３の動作を行うことができる。さらに、ハンド部１４あるいはアームユニット３の動作に連動して、ハンド部１４あるいはアームユニット３と同様な動きにてグリップ部６９が動作するため、グリップ部６９の動きを通じて、オペレータＯＰはハンド部１４あるいはアームユニット３の動作状況を認識することができる。
【００７６】
次に、本実施形態のマニピュレータ装置１において、アームユニット３の動作制御におけるオペレータＯＰの操作力とモータ（あるいはアクチュエータ）が発生する力の関係を、図１０のグラフに示す。
【００７７】
図１０のグラフでは、アームユニット３の目標動作における初期位置Ｐ０から目標位置Ｐ１までの動作位置と、時間との関係を、上段のグラフに示している。下段のグラフでは、アームユニット３の動作において、モータが発生する力と、力センサ６８に対して付加される力（付勢力）の時間変化について示している。なお、力センサ６８には、オペレータＯＰによる操作力と、ハンド部１４等との連動によるグリップ部６９の動作により生じる力（モータによる力）との合力が付加されることになる。
【００７８】
まず、上段の動作位置を示すグラフを参照すると、時間区間Ｔ０−Ｔ１において、アームユニット３は加速運動を行っており、時間区間Ｔ１−Ｔ２において、等速運動を行っており、時間区間Ｔ２−Ｔ３において、減速運動を行っており、アームユニット３は時間Ｔ３において目標位置にＰ１に到達して、目標動作が完了する。
【００７９】
次に、下段のモータが発生する力を参照すると、アームユニット３が動作を開始する時間Ｔ０において、加速方向に最も大きな力Ｆ１を発生し、加速運動が終了する時間Ｔ１にて発生する力が０となっている。その後、等速運動区間Ｔ１−Ｔ２では、モータは慣性力により動作を行っているため、発生される力は実質的に０が保たれた状態とされる。さらにその後、減速運動が開始される時間Ｔ２において、減速方向に最も大きな力Ｆ２を発生し、減速運動が終了する時間Ｔ３にて発生する力が０となっている。
【００８０】
下段の力センサ６８に対して付加される力を参照すると、アームユニット３が動作を開始する時間Ｔ０において、加速方向に最も大きな力Ｆ３が付加され、等速運動区間Ｔ１−Ｔ２では、一定の力Ｆ４が付加され、減速運動が開始される時間Ｔ２において、減速方向に最大の力Ｆ５が付加され、減速運動が終了する時間Ｔ３にて付加される力が０となっている。
【００８１】
ここで、モータが発生する力と力センサ６８に付加される力との差Ｆ６が、オペレータＯＰに伝わる操作感、すなわち、オペレータＯＰがグリップ部６９に対して実際に与えている力Ｆ６となる。図１０に示すアームユニット３の動作制御の例では、アームユニット３が動作を開始する時のオペレータＯＰによる力Ｆ６が、動作を停止する時の力Ｆ６よりも少し大きくなるように設定されている。このように設定することでアームユニット３の動作を開始する時に、オペレータＯＰが少し重い操作感を感じ、停止させるときには少し弱い操作感を感じるようにすることができる。
【００８２】
図１０に示すグラフからは、モータによるアームユニット３の駆動動作に連動してグリップ部６９が動作されることにより、オペレータＯＰに伝わる力をオペレータＯＰが受け取って認識しながら、オペレータＯＰがグリップ部６９の操作力を調整することができることがわかる。したがって、グリップ部６９の連動動作によりオペレータＯＰの手に伝えられる力の変化を認識することで、アームユニット３の動作状態を把握することが可能となる。
【００８３】
このように、本実施形態にかかるマニピュレータ装置１は、オペレータＯＰの側方から前方に向かって伸びるアームユニット３が、上腕部１２と前腕部１３が伸縮自在に構成されており、かつオペレータＯＰが把持する操作ユニット１５が前腕部１３に設けられているため、前腕部１３の伸縮に応じてオペレータＯＰの腕の曲げの程度が変化する。すなわち、前腕部１３が伸びているときは操作ユニット１５と上腕部１２の距離が大きいため、オペレータＯＰの腕は伸びた状態となる一方、前腕部１３が縮んでいるときは操作ユニット１５と上腕部１２の距離が短いためオペレータＯＰの腕は曲げられた状態となる。また、操作ユニット１５は、ハンド部１４の上下傾斜動作及びねじれ（旋回）動作に応じて前腕部１３に対する位置を変化する。よって、オペレータＯＰが操作ユニット１５を把持する腕の向きがハンド部１４の向きと一致する。したがって、オペレータＯＰは、目視による位置判断によらなくても、マニピュレータ装置１のハンド部１４の位置を、自身の腕の曲がり程度や手の姿勢で認識することができる。
【００８４】
また、本実施形態のマニピュレータ１では、ハンド部１４の上下傾斜動作およびねじり（旋回）動作を駆動する上下傾斜モータ９および旋回モータ８の駆動力が、プーリおよびワイヤ等を用いた連動機構によって、操作ユニット１５に伝達されて、操作ユニット１５のグリップ部６９を、ハンド部１４と同様に動作させるような構成が採用されている。そのため、ハンド部１４と操作ユニット１５とを連動させるための他の駆動装置を必要とせず、アームユニット３の構造を簡単なものとすることができる。さらに、他の駆動装置を用いて連動を実現するような場合（例えば、電気的なフィードバック制御にて他のモータを駆動することで操作ユニットを動作させる場合）に比して、連動におけるタイムラグの発生を抑制することができ、操作ユニット１５の動きをハンド部１４の動きにより近づけることができ、オペレータによる操作性を向上させることができる。
【００８５】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施可能である。
【００８６】
例えば、マニピュレータ装置は、両腕を備えている必要はなく、１つのアームのみを有する構成であってもよい。この場合、操作ユニットは、アームユニットとオペレータの間に配置されるように構成されていることが好ましい。
【００８７】
また、アームユニットの動作としては、鉛直方向の動作、水平方向の動作、前腕部の進退動作、ハンド部の上下傾斜動作、ハンド部の旋回動作、およびハンド部の開閉動作が行われるような場合を例として説明したが、これらの動作のうちの少なくとも１つの動作が行われるアームユニットに対して、本発明の構成を適用することができる。
【００８８】
また、ハンド部、上腕部、前腕部を駆動させるためのアクチュエータとしては、トルクを大きくするためにボールねじとスライダを備えた直動アクチュエータを用いているが必ずしもこの構成に限定されず、用途に応じて適宜任意の直動アクチュエータを用いることができる。
【００８９】
また、ハンド部と操作ユニットとの連動を行うための連動機構として、プーリおよびワイヤを用いた構成を例として説明したが、このような場合に代えて、シャフトドライブ機構、リンク機構、流体圧を用いた駆動力伝達機構などを採用することもできる。ただし、プーリおよびワイヤを用いた連動機構では、その構造を軽量かつ簡単なものにすることができる。連動に必要な強度の確保および構造を軽量化という観点からは、このようなワイヤとして金属製のワイヤを用いることが好ましい。また、連動機構において、オペレータの安全を確保するために、ワイヤに過剰な力が加わった場合にワイヤが切断されるように、ワイヤの仕様が決定されることが好ましい。
【００９０】
なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１Ａ】本発明の実施形態にかかるマニピュレータ装置の構成を示す側面図
【図１Ｂ】図１Ａのマニピュレータ装置の構成を示す平面図
【図２】図１Ａのマニピュレータ装置の肩部及び上腕部の構成を示す模式図
【図３Ａ】図１Ａのマニピュレータ装置の前腕部の構成を示す側面図
【図３Ｂ】図１Ａのマニピュレータ装置の前腕部の構成を示す平面図
【図４】図１Ａのマニピュレータ装置のハンド部の構成を示す側面図
【図５Ａ】図１Ａのマニピュレータ装置の操作ユニットの構成を示す平面図
【図５Ｂ】図１Ａのマニピュレータ装置の操作ユニットの構成を示す側面図
【図５Ｃ】図１Ａのマニピュレータ装置の操作ユニットの構成を示す正面図
【図６】図５Ａの操作ユニットに用いられる力センサの構成を示す図
【図７】図５Ａの操作ユニットの内部構成を示す図
【図８】本実施形態にかかるマニピュレータ装置の制御動作機構を示すブロック図
【図９】本実施形態のマニピュレータ装置の動作制御手順を示すフローチャート
【図１０】本実施形態のマニピュレータ装置の動作制御におけるオペレータの操作力とモータが発生する力の関係を示すグラフ
【符号の説明】
【００９２】
１  マニピュレータ装置
２  ベース
３、３ｒ、３ｌ  アームユニット
４  サドル
５  肩部アクチュエータ
６  上腕アクチュエータ
７  前腕アクチュエータ
８  旋回モータ
９  上下傾斜モータ
１０  爪開閉アクチュエータ
１１  肩部
１２  上腕部
１３  前腕部
１４  ハンド部
１５  操作ユニット
４１ｖ  操作側傾斜プーリ
４１ｗ  操作側旋回プーリ
４２ｖ  傾斜連動ワイヤ
４２ｗ  旋回連動ワイヤ
４８ｖ  ハンド側傾斜プーリ
４８ｗ  ハンド側旋回プーリ
５４  固定爪
５５  可動爪
７７  トリガ
８３、８３ｒ、８３ｌ  駆動機構
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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