(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マスタハンドとマスタアーム及びスレーブハンドとスレーブアームより構成されるマスタ・スレーブシステムのマスタアーム装置において、
前記スレーブハンドは複数の指を有する多指ハンドであり、前記マスタハンドは前記多指ハンドを操作可能な複数の自由度を有するものであり、
操作者の手首に対して３自由度を可動にして該手首を支持する手首姿勢支持部と、
前記手首の姿勢を検出する手首姿勢検出部と、
前記手首の位置の変化を自在にして前記手首を下方から支持するとともに前記手首において前記手首姿勢支持部に連結された手首移動支持部と、
前記手首の位置を検出する手首位置検出部とをこの構成順序に備えることを特徴とするマスタ・スレーブシステムのマスタアーム装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、マスタハンドとマスタアーム及びスレーブハンドとスレーブアームより構成されるマスタ・スレーブシステムのロボットにおけるマスタアーム装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マスタ・スレーブ方式のロボットシステムは、マスタ部を操作者が操作しマスタ部からの指令に基づいてスレーブ部に例えば危険作業等の作業を行わせる場合等によく利用されている。
【０００３】
従来、ロボットのマスタ・スレーブシステムでは、スレーブ側ハンドの多くが１自由度の開閉式グリッパで構成されていた。この場合、マスタ側のハンド部は、単純な開閉指示用装置で十分であった。従って、従来のマスタアームは基本的に、操作者がマスタアーム先端部を手の平で掴んだり握るなりしてマスタアームを操作する構造のものが多く、マスタ側のハンド部を指の複雑な動きに対応できるように操作することはなかった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
スレーブ側のハンドとして自由度の多いロボットハンド、例えば多指ハンドを用いたシステムでは、マスタ側でも操作者が指を自由に動かすことができてスレーブハンドの自由度に対応したマスタハンドを手に装着する必要が生じる。しかしながら、１自由度の開閉式グリッパ等の従来のマスタアームのような構造のものでは、このような場合に対処できない。
【０００５】
また、従来、マスタ・スレーブシステムのアーム部に対してマスタ側とスレーブ側が同じ構造をもったシステムも多くある。しかしながらこの場合、スレーブハンドを構造の異なった他のスレーブアームに装着して用いようとしても、マスタアームが対応できないといった汎用性に欠けるという問題点があり、さらに、マスタからのスレーブ動作指令のスケールがその構造の持つ形状比で決まってしまうという不便さを有していた。
【０００６】
また、マスタアームとしてエクソスケルトン型構造を採用したシステムもあるが、操作者の腕全体に直接装着する方法をとるため、拘束感がかえって大きくなり操作性の低下を招くきかねないといった問題点がある。
【０００７】
多自由度のロボットハンドをスレーブ側に持つマスタ・スレーブシステムを実現させるには、スレーブハンドの自由度に対応した自由度を有するマスタハンドを操作者は手に装着できる必要があり、操作者は操作者の指の動きを拘束されること無くアームを操作できる必要がある。
【０００８】
また、マスタアームは、スレーブハンドを構造の異なる他のスレーブアームに装着して用いる場合にも、十分に対応できる汎用性があることが望ましく、さらに操作者にとって動きが滑らかで操作性に優れた構造が要求される。
【０００９】
しかしながら、従来はこのような要求に応じることができるマスタアーム装置が存在しなかった。
【００１０】
そこで本発明の目的は、上記従来技術の有する問題点を解消し、マスタ・スレーブシステムにおいて自由度の多いハンドをスレーブ側に用いても操作者がマスタハンドを容易に手に装着することができ、操作者の指の動きが拘束されること無くマスタアームを動作させることができるマスタ・スレーブシステムのマスタアーム装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係るマスタアーム装置は、マスタハンドとマスタアーム及びスレーブハンドとスレーブアームより構成されるマスタ・スレーブシステムのマスタアーム装置において、前記スレーブハンドは複数の指を有する多指ハンドであり、前記マスタハンドは前記多指ハンドを操作可能な複数の自由度を有するものであり、操作者の手首に対して３自由度を可動にして該手首を支持する手首姿勢支持部と、前記手首の姿勢を検出する手首姿勢検出部と、前記手首の位置の変化を自在にして前記手首を下方から支持するとともに前記手首において前記手首姿勢支持部に連結された手首移動支持部と、前記手首の位置を検出する手首位置検出部とをこの構成順序に備えることを特徴とする。
【００１２】
【作用】
手首姿勢支持部は、操作者の指の動きを拘束せずに、操作者の手首をこの姿勢の変化を自在にして支持するので、自由度の多いハンドをスレーブ側に用いる場合でも操作者は、手の平または指先をスレーブアームのスレーブハンドの動きに対応させることが可能な状態で、マスタハンドを容易に手に装着することができる。
【００１３】
【実施例】
以下に本発明のマスタ・スレーブシステムのマスタアーム装置の実施例を図面を参照して説明する。
【００１４】
まず、図１に本発明の一実施例によるマスタアーム１を用いたマスタ・スレーブシステムの構成の一例を示す。
【００１５】
図１において２はスレーブハンドを示し、スレーブハンド２は多自由度を持つ４本指多指ハンドロボットで構成されている。スレーブハンド２は基台に設置されたスレーブアーム３の先端に接続されている。４はマスタハンドを示し、マスタハンド４は操作者の手の平および手の指に装着されるハンド指令装置によって構成されている。マスタハンド４は、操作者の手首を支持するマスタアーム１に接続されている。また、５は本実施例におけるマスタ・スレーブシステムのコントローラであり、６はそのマンマシン・インターフェイス用パソコン、７はマスタハンド４の入力データ変換装置であり、８はスレーブ側及びマスタ側各々の装置の関節角検出データを示し、９はスレーブ装置への駆動指令データを示している。
【００１６】
操作者の手に装着されたマスタハンド４は、スレーブハンド２を構成するスレーブ側の多指ハンドに対応して操作者の手の指の動作を検出できるようにした装置、例えばデータグローブ（米国ＶＰＬ社製）を用いることができる。このデータグローブは、操作者の手にマスタアーム１を装着させても、操作者は各指の動きを拘束されることなく動かすことができ、各指の関節角データを検出することができる。
【００１７】
次に、図３乃至図８を参照して、本発明のマスタアーム装置の一実施例について詳細に説明する。
【００１８】
図３は本実施例に係るマスタアーム１をモデル化して示した概略構成を示す斜視図である。図３において、マスタアーム１は、操作者の手首の姿勢の変化に応じて動くとともに手首の姿勢を検出する手首姿勢用装置１０と、手首の位置の変化に応じて動くとともに手首の位置を検出する手首移動用装置１１とから構成されている。
【００１９】
まず、図４乃至図６を参照して手首姿勢用装置１０について説明する。図４は装着される操作者の手が挿入される方向から見た平面図であり、図６は図４におけるｙ−ｙ方向から見た平面図であり、図５は図６におけるｚ−ｚ方向から見た平面図である。
【００２０】
図４乃至図６に示す手首姿勢用装置１０において、１５は操作者が手を入れて手首部を固定する部材及びＵ字状のベルトからなる手首装着部を示し、１６は操作者の手の平を挾む平バンド状の手の平装着部を示す。１７は手首回りの回転運動に対する円環状のベアリング機構装置を示し、１８はベアリング機構装置１７の回転角度を検出する角度検出器を示す。１９は手首の上下方向の動作に対する関節を示し、２０は関節１９の回転角度を検出する角度検出器を示す。２１は手首の左右方向の動作に対する関節を示し、２２は関節２１の回転角度を検出する角度検出器を示す。ベアリング機構装置１７、関節１９および関節２１の各々の回転の軸線は、互いに直角な方向にある。
【００２１】
図４に示すように、手首装着部１５の上端部と下端部はベアリング機構装置１７に連結されている。手首装着部１５に装着された手首のベアリング機構装置１７の軸線の回りの回転角度は、角度検出器１８によって検出できるようになっている。
【００２２】
手の平装着部１６は、その延長部１６ａを介して関節１９と関節２１とに連結されている。これによって、手の平の上下方向の動作による回転角度は関節１９を介して角度検出器２０によって検出でき、手の平の左右方向の動作による回転角度は関節２１を介して角度検出器２２によって検出できるようになっている。
【００２３】
次に、図７および図８を参照して手首移動用装置１１について説明する。図８は図７における手首移動用装置１１を上下に伸ばした状態でｘ−ｘに沿って見た平面図である。
【００２４】
手首移動用装置１１の上部には、互いに直行する軸線の回りに回転する関節３０と関節３１とが設けられている。関節３０は、手首姿勢用装置１０におけるベアリング機構装置１７の下部に連結され、ベアリング機構装置１７をベアリング機構装置１７の軸線に直行直交する軸線の回りに回転できるようにする。関節３１は、ベアリング機構装置１７および関節３０の各々の軸線と直交する軸線の回りに、ベアリング機構装置１７を回転できるようにする。
【００２５】
関節３０、３１は、操作者が手首を手首姿勢用装置１０に装着した状態で腕および手首の動作を円滑にするために機能する。手首姿勢用装置１０と手首移動用装置１１とは、原理的には各々独立した３個の自由度があれば、手首を任意の姿勢と位置にできるのである。しかしながら、実際は６個の自由度では手首を円滑に動作させることができない。そこで、関節３０、３１を設けることによって手首にいたるまでの腕の動作を円滑にできるようにしてある。
【００２６】
関節３１の下方には、互いに連結された平行リンク機構を構成するリンク３２、３３、３４が設けられている。リンク３２、３３は上下のそれぞれの平行リンク機構を構成するリンクであり、リンク３４はリンク３２、３３の動きを支持して平行リンクをなすための補助リンクである。
【００２７】
リンク３３、３４の下方には、関節３５が設けられている。関節３５は、リンク３２、３３、３４によって構成される平行リンク機構を左右に回転させることができる。
【００２８】
リンク３２、３３、３４によって構成される平行リンク機構および関節３５の回転軸線の近傍には、関節角度検出器３６、３７、３８が設けられている。関節角度検出器３６、３７、３８によって検出される値を用いることにより、操作者の手首の移動位置を３次元的に決定することができる。
【００２９】
リンク３２、３３の長さを２００ｍｍ、関節３５の動作範囲を±３０°とした場合、平行リンク機構の動作領域は少なくとも前後左右に２００ｍｍ、上下に１７０ｍｍ確保できる。これにより、スレーブアーム３の動作範囲にも十分に対応することができる。
【００３０】
リンク３３、３４の関節および関節３５には、バネ３９が装着されている。これによって、手首を手首装着部１５に装着した状態では、特に力を掛けない限りマスタアームが中立位置に戻るようにすることができ、マスタアーム自体の重量を保証できるのでより操作性を向上することができる。
【００３１】
なお、関節３５やリンク３３、３４の関節軸に関節駆動用モータ等を取り付けることにより、マスタアーム１を一部力帰還型のシステムとして用いることを可能にできる。
【００３２】
図３に、図４乃至図８に示した手首姿勢用装置１０と手首移動用装置１１とをモデル化して示す。図３において、手首姿勢用装置１０は３自由度を有し、対応する回転角度θｍ６，θｍ７，θｍ８が検出される。また、手首移動用装置１１は５自由度を有し、対応する回転角度θｍ１，θｍ２，θｍ３，θｍ４，θｍ５が検出される。
【００３３】
本システムにおいてスレーブアーム２の構造が、例えばマスタアーム１と異構造である場合、あるいは自由度数が少ない場合には、以下のようにして本発明のマスタアーム１を適用することができる。
【００３４】
すなわち、スレーブアーム３の構造を図２に示す６自由度構成のアームとすると、マスタアーム１で検出した関節角（θｍ１，θｍ２，…θｍ８）からスレーブアーム３の関節角（ｄｓ１，ｄｓ２，θｓ３，…θｓ６）を決定するため、まず手首姿勢の３自由度をそれぞれ、θｍ６→θｓ４、θｍ７→θｓ５、θｍ８→θｓ６と対応させる。
【００３５】
次に手首位置の３自由度に対しては、スレーブ、マスタそれぞれの位置ベクトルをｒｓ  ，ｒｍ  、その初期位置での値をｒａ０，ｒｍ０とすると、初期位置から現在位置までｘ，ｙ，ｚ方向への移動量が係数ｋ＝（ｋｘ  ，ｋｙ  ，ｋｚ  ）の一定の割合で対応し、それぞれ等しくなると考え、ｒｓ  −ｒｓ０＝ｋ・（ｒｍ  −ｒｍ０）の関係式からスレーブ側左辺ｒｓ  のｄｓ１，ｄｓ２，θｓ３を決定する。ここで係数ｋはマスタ、スレーブの動作範囲をもとに予め決めておく値であり、またマスタ側θｍ４の値はここでは使用していない。
【００３６】
以上述べたように、本実施例の構成によれば、手首姿勢用装置１０を備えているので、操作者の手首を手首装着部１５によって支持し手の平を手の平装着部１６によって挟むことにより、操作者の指の動きを拘束せずに、手首の姿勢の変化を自在に支持することができる。また、手首移動用装置１１を備えているので、手首の位置の変化を自在にすることができる。この結果、自由度の多いハンドをスレーブ側に用いる場合でも操作者は、手の平または指先をスレーブアームのスレーブハンドの動きに対応させることが可能な状態で、マスタハンドを容易に手に装着することができる。
【００３７】
また、手首移動用装置１１は、３自由度の平行リンク機構の他に２自由度の関節３０、３１を備えているので、操作者は手首にいたるまでの腕の操作性に優れた滑らかな動きを実現することができる。
【００３８】
また、スレーブハンドの構造の異なる他のスレーブアームに装着して用いる場合にも、本実施例によるマスタアームを容易に適応させることができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の構成によれば、手首姿勢支持部と手首位置支持部を備えるので、自由度の多いハンドをスレーブ側に用いても操作者がマスタハンドを容易に手に装着することができ、操作者の指の動きが拘束されること無くマスタアームを動作させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるマスタアーム装置の一実施例を用いたマスタ・スレーブシステムの概略構成を示す斜視図。
【図２】本発明によるマスタアーム装置に対応するスレーブアーム装置の自由度構成を示す斜視図。
【図３】本発明によるマスタアーム装置を自由度構成をモデル化して示す斜視図。
【図４】本発明によるマスタアーム装置における手首姿勢用装置を示す平面図。
【図５】図６における手首姿勢用装置をｚ−ｚ方向から見た平面図（ａ）、と図５（ａ）の手の平装着部を示す断面図（ｂ）。
【図６】図４における手首姿勢用装置をｙ−ｙ方向から見た平面図。
【図７】本発明によるマスタアーム装置における手首移動用装置を示す平面図。
【図８】図７における手首移動用装置をｘ−ｘ方向から見た平面図。
【符号の説明】
１    マスタアーム装置
２  スレーブハンド
３  スレーブアーム
４  マスタハンド
１０  手首姿勢用装置
１１  手首部移動用装置
１５  手首装着部
１６  手の平装着部
１７  ベアリング機構装置
１８、２０、２２  角度検出器
３０、３１  関節
３２、３３、３４    リンク
３５  関節
３６、３７、３８    角度検出器
３９    バネ
【図１】
0003612085.tif 000002
【図２】
0003612085.tif 000003
【図３】
0003612085.tif 000004
【図４】
0003612085.tif 000005
【図５】
0003612085.tif 000006
【図６】
0003612085.tif 000007
【図７】
0003612085.tif 000008
【図８】
0003612085.tif 000009