(57)【要約】ロボットシステムは、ロボットアームと、ロボットアームに取り付けられたエンドエフェクタと、エンドエフェクタの先端に加わる力を検知する力検知装置と、を備えるロボット本体と、力検知装置が検知する力に応じた力覚情報を生成し、当該力覚情報を実反力情報として出力する実反力情報生成器と、力検知装置が検知する力の時間微分値に比例した大きさの成分を仮想反力情報として出力する仮想反力情報生成器と、実反力情報生成器から出力される実反力情報と、仮想反力情報生成器から出力される仮想反力情報を加算したものを合成反力情報として出力する加算器と、加算器から出力される合成反力情報に応じた力を操作者に知覚させ、且つ、操作者が操作すると、当該操作に応じた操作情報を出力する操作装置と、操作装置から出力される操作情報に従ってロボット本体の動作を制御する動作制御部と、を備える。
2017033378.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボットアームと、前記ロボットアームに取り付けられたエンドエフェクタと、前記エンドエフェクタの先端に加わる力を検知する力検知装置と、を備えるロボット本体と、
前記力検知装置が検知する力に応じた力覚情報を生成し、当該力覚情報を実反力情報として出力する実反力情報生成器と、
前記力検知装置が検知する力の時間微分値に比例した大きさの成分を仮想反力情報として出力する仮想反力情報生成器と、
前記実反力情報生成器から出力される前記実反力情報と、前記仮想反力情報生成器から出力される仮想反力情報を加算したものを合成反力情報として出力する加算器と、
前記加算器から出力される前記合成反力情報に応じた力を前記操作者に知覚させ、且つ、操作者が操作すると、当該操作に応じた操作情報を出力する操作装置と、
前記操作装置から出力される操作情報に従って前記ロボット本体の動作を制御する動作制御部と、を備える、ロボットシステム。
【請求項２】
前記ロボット本体はスレーブアームであり、前記操作装置はマスターアームであり、前記マスターアームにより前記スレーブアームが遠隔操作される、請求項１に記載のロボットシステム。
【請求項３】
前記力検知装置は、前記エンドエフェクタの基端に取付けられ、当該エンドエフェクタの先端に加わる力を検知するように構成された力覚センサである、請求項１に記載のロボットシステム。
【請求項４】
前記ロボット本体の動作を制御する前記動作制御部の運転モードを、前記操作情報を前記ロボット本体の動作に反映させることなしに、予め設定された所定のプログラムを用いて前記ロボット本体の動作を制御する自動モードと、前記操作情報を前記ロボット本体の動作に反映させることが可能な状態で、予め設定された所定のプログラムを用いて前記ロボット本体の動作を制御する修正自動モードと、前記所定のプログラムを用いることなしに、前記操作情報を用いて前記ロボット本体の動作を制御する手動モードのいずれかを選択可能に構成されたモード選択部を更に備え、
前記動作制御部は、前記運転モードが前記修正自動モードであるときに、前記ロボット本体が前記所定のプログラムを用いて動作している途中に前記操作情報を受けて、前記所定のプログラムに関する動作から修正された動作を行うよう前記ロボット本体を制御する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のロボットシステム。
【請求項５】
前記ロボットの遠隔操作システムは外科手術システムに適用され、前記エンドエフェクタは手術器具である、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のロボットシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、人間の手で作業を行う場合には、手に対する反力の他、手が作業対象物に接触した際の手の温度変化等を触覚で感知できるので、高精度な接触検知が可能である。従来からロボットシステムにおいて触覚情報を利用した技術が知られている。例えば特許文献１には、ジョイスティックとモバイルロボットとの間で力覚フィードバックを得ながらモバイルロボットを操作するロボットシステムが開示されている。近年、ロボットシステムは高い精度が要求される様々な作業に適用されている。その適用例としてパーツの嵌め合い作業、機械加工後の仕上げ面を検査する作業、外科手術システムが挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２８２７２０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、上記従来のロボットシステムでは操作装置側にフィードバックできる触覚情報が反力に限られている。このため、このようなロボットシステムを例えば外科手術システムに適用した場合、ロボットの先端に取り付けられた手術器具が患部に接触したことを敏感に感知することが困難であり、操作性には改善の余地があった。このような課題はロボットシステムをパーツの嵌め合い作業、機械加工後の仕上げ面を検査する作業等の高い精度が必要な作業に適用した場合で共通する。【０００５】
そこで、本発明は、ロボットシステムにおいて高い精度が必要な作業の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】
本発明の一態様に係るロボットシステムは、ロボットアームと、前記ロボットアームに取り付けられたエンドエフェクタと、前記エンドエフェクタの先端に加わる力を検知する力検知装置と、を備えるロボット本体と、前記力検知装置が検知する7力に応じた力覚情報を生成し、当該力覚情報を実反力情報として出力する実反力情報生成器と、前記力検知装置が検知する力の時間微分値に比例した大きさの成分を仮想反力情報として出力する仮想反力情報生成器と、前記実反力情報生成器から出力される前記実反力情報と、前記仮想反力情報生成器から出力される仮想反力情報を加算したものを合成反力情報として出力する加算器と、前記加算器から出力される前記合成反力情報に応じた力を前記操作者に知覚させ、且つ、操作者が操作すると、当該操作に応じた操作情報を出力する操作装置と、前記操作装置から出力される操作情報に従って前記ロボットの動作を制御する動作制御部と、を備える。ここで力検知装置によって検知される力は、互いに直交する３軸の各方向の力とこれらの各軸回りに作用するモーメントとを含む。【０００７】
上記構成によれば、ロボット本体において、力検知装置がエンドエフェクタの先端に加わる力を検知すると、実反力情報生成器が、力検知装置によって検知された力に応じた力覚情報を生成し、当該力覚情報を実反力情報として出力する。このとき、仮想反力情報生成器は、力検知装置によって検知された力の時間微分値に比例した大きさの成分を仮想反力情報として出力する。すると、操作装置が、加算器から出力される合成反力情報に応じた力を操作者に知覚させる。操作者は、合成反力情報に応じた力を把握し、この把握した合成反力情報に応じた力に基づいて、ロボットが適切な作業を行うようにロボットを操作すべく操作装置を操作する。すると、操作装置が、当該操作に応じた操作情報を出力し、動作制御部が、この操作情報に従ってロボットの動作を制御する。これにより、エンドエフェクタの先端が作業対象物に接触した場合には、操作者は、操作装置から一瞬強い反力を感じるので、接触を敏感に感知し、高精度な作業が可能になる。【０００８】
上記ロボットシステムにおいて、前記ロボット本体はスレーブアームであり、前記操作装置はマスターアームであり、前記マスターアームにより前記スレーブアームが遠隔操作されてもよい。【０００９】
前記力検知装置は、前記エンドエフェクタの基端に取付けられ、当該エンドエフェクタの先端に加わる力を検知するように構成された力覚センサであってもよい。【００１０】
上記ロボットシステムは、前記ロボット本体の動作を制御する前記動作制御部の運転モードを、前記操作情報を前記ロボット本体の動作に反映させることなしに、予め設定された所定のプログラムを用いて前記ロボット本体の動作を制御する自動モードと、前記操作情報を前記ロボット本体の動作に反映させることが可能な状態で、予め設定された所定のプログラムを用いて前記ロボット本体の動作を制御する修正自動モードと、前記所定のプログラムを用いることなしに、前記操作情報を用いて前記ロボット本体の動作を制御する手動モードのいずれかを選択可能に構成されたモード選択部を更に備える。前記動作制御部は、前記運転モードが前記修正自動モードであるときに、前記ロボット本体が前記所定のプログラムを用いて動作している途中に前記操作情報を受けて、前記所定のプログラムに関する動作から修正された動作を行うよう前記ロボット本体を制御する。【００１１】
上記構成によれば、モード選択部により動作制御部の運転モードとして自動モードを選択することができるため、ロボットの動作修正が必要でない場合には自動モードを選択して、不用意に操作装置が操作されて動作が修正されることを防止することができる。また、モード選択部により動作制御部の運転モードとして手動モードを選択することができるため、所定のプログラムを用いずに、ロボット本体を操作することができる。【００１２】
前記ロボットの遠隔操作システムは外科手術システムに適用され、前記エンドエフェクタは手術器具であってもよい。【００１３】
上記構成によれば、施術者は、外科手術システムにおい手術器具が患部に接触したことを敏感に感じることができるので、高精度な手術が可能になる。手術器具は、例えば鉗子、内視鏡等でもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ロボットシステムにおいて高い精度が必要な作業での操作性を向上させることができる。【００１５】
本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、第１実施形態に係るロボットシステムの構成例を示す模式図である。
【図２】図２は、図１のスレーブアーム先端の構成例を示す模式図である。
【図３】図３は、図１の制御装置の構成を示すブロック図である。
【図４】図４は、力覚センサが検知する力に応じた実反力、仮想反力、及び、それらの合成反力の時間変化を模式的に示したグラフである。
【図５】図５は、第２実施形態に係るロボットシステムの構成を示す模式図である。
【図６】図６は、第３実施形態に係るロボットシステムの構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しつつ説明する。以下では、全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同じ符号を付して、重複する説明は省略する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るロボットシステムの構成例を示す模式図である。図１に示すように、本実施形態のロボットシステム１００は、スレーブアーム１がマスターアーム２により遠隔操作されるマスタースレーブ式の遠隔操作システムで構成される。
【００１８】
ロボットシステム１００（以下、遠隔操作システムという）は、第１のロボットで構成されるスレーブアーム１と、第２のロボットで構成されるマスターアーム２と、制御装置３と、力覚センサ５と、入力装置９と、カメラ１１と、モニタ１２と、を備える。スレーブアーム１は、任意のタイプのロボットで構成され得る。スレーブアーム１は、本発明の「ロボット本体」に相当する。スレーブアーム１は、本実施形態では、例えば、周知の多関節ロボットで構成され、基台１ａと、基台１ａに設けられた多関節のアーム１ｂと、アーム１ｂの先端に設けられた手首１ｃとを備える。多関節のアーム１ｂの各関節は駆動用のサーボモータ、及び、サーボモータの回転角度位置を検出するエンコーダ、サーボモータに流れる電流を検出する電流センサを備える（いずれも図示せず）。手首１ｃにはエンドエフェクタ４が取り付けられる。エンドエフェクタ４には力覚センサ５が取り付けられる。
【００１９】
マスターアーム２は、任意のタイプのロボットで構成され得る。マスターアーム２は、本発明の「操作装置」に相当する。マスターアーム２は、本実施形態では、スレーブアーム１と相似構造をしているが、操作者が操作することによりスレーブアーム１を操作することができれば、例えばスイッチ、調整ツマミ、操作レバー又はタブレットなどの携帯端末でもよいし、操縦桿のような簡易なものであってもよい。マスターアーム２は、操作者がスレーブアーム１を操作すべく操作すると、当該操作に応じた操作情報を制御装置３に送信する。
【００２０】
入力装置９は、タッチパネル、キーボード等のマン−マシンインターフェースで構成される。入力装置９は、主に、スレーブアーム１の後述する自動モード、修正動作モード、及び手動モードの３つのモードの切り替え、各種データ等を入力するために用いられる。入力装置９に入力された情報は制御装置３に送信される。
【００２１】
遠隔操作システム１００では、スレーブアーム１の作業領域から離れた位置（作業エリア外）にいる操作者がマスターアーム２を動かして操作情報を入力することで、スレーブアーム１が操作情報に対応した動作を行い、特定の作業を行うことができる。また、遠隔操作システム１００では、スレーブアーム１は、操作者によるマスターアーム２の操作なしに、所定の作業を自動的に行うこともできる。
【００２２】
本明細書では、マスターアーム２を介して入力された操作情報に従って、スレーブアーム１を動作させる運転モードを「手動モード」と称する。なお、上述の「手動モード」には、操作者がマスターアーム２を操作することによって入力された操作情報に基づいて動作中のスレーブアーム１の動作の一部が自動で動作補正される場合も含む。また、予め設定された所定のプログラムに従ってスレーブアーム１を動作させる運転モードを「自動モード」と称する。
【００２３】
更に、本実施形態の遠隔操作システム１００では、スレーブアーム１が自動で動作している途中に、マスターアーム２の操作をスレーブアーム１の自動の動作に反映させて、自動で行うことになっていた動作を修正することができるように構成されている。本明細書では、マスターアーム２を介して入力された操作情報を反映可能な状態で、予め設定された所定のプログラムに従ってスレーブアーム１を動作させる運転モードを「修正自動モード」と称する。なお、上述の「自動モード」は、スレーブアーム１を動作させる運転モードが自動モードであるときはマスターアーム２の操作がスレーブアーム１の動作に反映されないという点で、「修正自動モード」と区別される。
【００２４】
カメラ１１は、スレーブアーム１の可動範囲の全部又は一部における当該スレーブアーム１の動作を撮像可能なように設けられる。カメラ１１が撮像した画像情報は制御装置３に送信され、制御装置３は、この画像情報に対応する画像を表示するようモニタ１２を制御する。
【００２５】
図２は、スレーブアーム１先端の構成例を示す模式図である。図２に示すように、手首１ｃ先端の取り付け面１ｄにエンドエフェクタ４が取り付けられる。本実施形態では、エンドエフェクタ４は嵌合部品２００を把持可能なロボットハンドである。ロボットハンドは、手首１ｃ先端の取り付け面１ｄに取り付けられたハンド本体と、例えばモータで構成されたアクチュエータ（図示せず）で駆動される２本の指部とを備える。アクチュエータが動作すると２本の指部がハンド本体に対して移動する。つまり、ロボットハンドの２本の指部は互いに近接又は離隔するように移動可能であり、２本の指部で嵌合部品２００を把持することができる。本実施形態の遠隔操作システム１００では、ロボットハンド（４）に保持された嵌合部品２００をスレーブアーム１の作動によって被嵌合部品２１０の穴２１１に精密嵌め合いさせる。この嵌め合い作業は組立作業のなかでも操作者の熟練を要する。
【００２６】
力覚センサ５は、手首１ｃ先端の取り付け面１ｄとエンドエフェクタ４の間に取り付けられる。力覚センサ５は、本発明の「力検知装置」に相当する。力覚センサ５は、本実施形態ではエンドエフェクタ４の基端に取付けられ、エンドエフェクタ４の先端に加わる力を検知するように構成される。力覚センサ５は、手首座標系で定義されるＸＹＺ軸方向の力と、各軸回りに作用するモーメントとを検出することが可能な六軸力覚センサである。ここで手首座標系とは手首１ｃを基準とした座標系である。図２では、手首１ｃの取り付け面１ｄに平行にＸ軸及びＹ軸が定義され、取り付け面１ｄに垂直な方向にＺ軸が定義される。力覚センサ５は、無線又は有線により制御装置３に検出信号を送信する。
【００２７】
図３は、制御装置３の構成を示すブロック図である。図３に示すように、制御装置３は、動作制御部６と、力覚情報処理部７と、モニタ制御部８と、記憶部１０と、インターフェース部（図示しない）を含む。制御装置３は、コンピュータ、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ等の演算処理機能を有する装置で構成される。動作制御部６、力覚情報処理部７、及びモニタ制御部８は、制御装置３の記憶部１０に格納された所定のプログラムが制御装置３の演算処理部（図示せず）によって実行されることによって実現される。制御装置３のハードウェア上の構成は任意であり、制御装置３は、スレーブアーム１等の他の装置から独立して設けられてもよく、他の装置と一体的に設けられてもよい。
【００２８】
動作制御部６は、入力装置９から入力された情報及びマスターアーム２から送信された操作情報に従ってスレーブアーム１の動作を制御する。ここで入力装置９のモード選択部２５は、スレーブアーム１を動作させる運転モードとして、上述した「自動モード」、「修正自動モード」及び「手動モード」のうちのいずれかを、操作者が選択するためのものである。操作者により選択されたモードに関する情報はモード選択部２５から動作制御部６に入力される。記憶部１０は、読み書き可能な記録媒体であり、スレーブアーム１に自動で所定の動作をさせるための所定のプログラムが、予め、記憶されている。所定のプログラムは、例えば、教示作業により所定の作業を行うようスレーブアーム１を動作させて記憶された教示情報である。本実施形態では、教示情報は、マスターアーム２を操作することによりスレーブアーム１の動作を指示し記憶させた情報でもよいし、ダイレクト教示により記憶された情報であってもよい。なお、記憶部１０は、制御装置３と一体として設けられているが制御装置３と別体に設けられていてもよい。動作制御部６は、具体的には、マスターアーム２からの操作情報、及び、予め記憶された情報の少なくともいずれか一方の情報に基づいて、スレーブアーム１の各関節軸を駆動するサーボモータを制御する。動作制御部６は、スレーブアーム１の各関節軸の位置指令値を生成し、生成した位置指令値とエンコーダの検出値（実際値）の偏差に基づいて速度指令値を生成する。そして、生成した速度指令値と速度現在値の偏差に基づいてトルク指令値（電流指令値）を生成し、生成した電流指令値と電流センサの検出値（実際値）の偏差に基づいてサーボモータを制御する。
【００２９】
力覚情報処理部７は、実反力情報生成器２１と、仮想反力情報生成器２２と、加算器２３を備える。実反力情報生成器２１は、力覚センサ５が検知する力に応じた力覚情報を生成し、当該力覚情報を実反力情報として出力する。ここでは実反力情報生成器２１は、力覚センサ５の検出信号を取得し、ロボットハンド（４）の先端に加わる力を適正なレンジに変換し、これを実反力として加算器２３に出力するように構成されている。実反力情報生成器２１は雑音を除去するためにローパスフィルタを含んでもよい。
【００３０】
仮想反力情報生成器２２は、力覚センサ５が検知する力の時間微分値に比例した大きさの成分を仮想反力情報として出力する。ここでは仮想反力情報生成器２２は、力覚センサ５の検出信号を取得し、ロボットハンド（４）の先端に加わる力の時間微分値に比例した大きさの成分を演算し、これを仮想反力情報として加算器２３に出力するように構成されている。
【００３１】
加算器２３は、実反力情報生成器２１から出力される実反力情報と、仮想反力情報生成器２２から出力される仮想反力情報を加算したものを合成反力情報として出力する。ここでは加算器２３は、実反力情報生成器２１から出力された実反力情報と、仮想反力情報生成器２２から出力された仮想反力情報を加算して、これを合成反力情報としてマスターアーム２に出力するように構成されている。ここで合成反力はマスターアーム２の各関節のトルク値に変換される。変換されたトルク値は各関節を駆動するアクチュエータ（図示せず）のドライブへのトルク指令に相当する。マスターアーム２は、加算器２３から出力される合成反力情報に相当する力を操作者に知覚させ、且つ、操作者が操作すると、当該操作に応じた操作情報を動作制御部６に出力する。
【００３２】
モニタ制御部８は、カメラ１１で撮像された画像情報に対応する画像を表示するようモニタ１２を制御する。操作者は、モニタ１２を見ながらマスターアーム２を操作することにより、スレーブアーム１を操作者が意図するように操作することができる。
【００３３】
次に、遠隔操作システム１００の動作について図２〜図４を用いて説明する。本実施形態の遠隔操作システム１００では、操作者は、モニタ１２を見ながらマスターアーム２を操作することにより、スレーブアーム１の作動によってロボットハンド（４）に保持させた嵌合部品２００を被嵌合部品２１０の穴２１１に挿入する（図２参照）。ここでは操作者によりモード選択部２５で選択された運転モードが「手動モード」である場合について説明する。動作制御部６は、スレーブアーム１を動作させる運転モードが「手動モード」であるとき、所定のプログラムを用いず、マスターアーム２を操作することにより送られた操作情報（入力指令）に従って、スレーブアーム１の動作を制御する（図３参照）。一方、スレーブアーム１の先端に取り付けられた力覚センサ５はロボットハンド（４）の先端に加わる力を検知する。実反力情報生成器２１は力覚センサ５によって検知された力に応じた力覚情報を生成し、当該力覚情報を実反力情報として出力する。操作者は、モニタ１２を見ながらマスターアーム２を操作することにより、そのスレーブアーム１の作動によって嵌合部品２００を把持したロボットハンド（４）を、被嵌合部品２１０に向かって押下げる（図２のＺ方向）。その結果、ロボットハンド（４）の先端又はロボットハンド（４）に保持された嵌合部品２００が、被嵌合部品２１０又は被嵌合部品２１０に設けられた穴２１１に接触する。図４（ａ）は力覚センサ５が検知する力に応じた実反力Ｆの時間変化を模式的に示したグラフである。図４（ａ）に示すように、スレーブアーム１の動作を開始した直後は、ロボットハンド（４）の先端に加わる力はゼロであるが、時刻ｔ０においてロボットハンド（４）の先端に加わる力が上昇し、力覚センサ５で検知された力に応じた実反力Ｆも上昇する。
【００３４】
一方、仮想反力情報生成器２２は、力覚センサ５が検知する力の時間微分値に比例した大きさの成分を仮想反力情報として出力する。図４（ｂ）は、仮想反力Ｋ（ｄＦ／ｄｔ）の時間変化を模式的に示したグラフである。ここでＫは定数である。図４（ｂ）に示すように、スレーブアーム１の動作を開始した直後は、力覚センサ５が検知する力の時間微分値に比例した仮想反力Ｋ（ｄＦ／ｄｔ）はゼロである。時刻ｔ０において力覚センサ５で検知された力に応じた実反力Ｆの上昇すると、それに伴って仮想反力も急激に上昇するが、その後急激に減衰する。
【００３５】
加算器２３は、実反力情報生成器２１から出力される実反力情報と、仮想反力情報生成器２２から出力される仮想反力情報を加算したものを合成反力情報としてマスターアーム２に出力する。すると、マスターアーム２が、加算器２３から出力される合成反力情報に応じた力を操作者に知覚させる。操作者は、合成反力情報に応じた力を把握し、この把握した合成反力情報に応じた力に基づいて、ロボットが適切な作業を行うようにロボットを操作すべくマスターアーム２を操作する。すると、マスターアーム２が、当該操作に応じた操作情報を出力し、動作制御部６が、この操作情報に従ってロボットの動作を制御する。
【００３６】
図４（ｃ）は、合成反力Ｆｂの時間変化を模式的に示したグラフである。図４（ｃ）に示すように、時刻ｔ０においてロボットハンド（４）の先端又はロボットハンド（４）に保持された嵌合部品２００が、被嵌合部品２１０又は被嵌合部品２１０に設けられた穴２１１に触れた場合には、合成反力Ｆｂは仮想反力Ｋ（ｄＦ／ｄｔ）の影響で急激に上昇する。これにより、操作者は、マスターアーム２から一瞬強い反力を感じるので、接触を敏感に感知し、高精度な作業が可能になる。
（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。本実施形態の遠隔操作システムの基本的な構成は、第１実施形態と同様である。以下では、第１実施形態と共通する構成の説明は省略し、相違する構成についてのみ説明する。
【００３７】
図５は、第２実施形態に係るロボットの遠隔操作システムの構成を示す模式図である。図５に示すように、本実施形態では、第１実施形態と比較すると、スレーブアーム１の手首１ｃ先端に取り付けられたエンドエフェクタ４が電気抵抗を測定するための接触プローブである点が異なる。接触プローブ（４）は針型の先端形状を有する。また、ここでも手首１ｃ先端の取り付け面１ｄとエンドエフェクタ４の間には力覚センサ５が取り付けられている。本実施形態の遠隔操作システムでは、測定台２１３に固定して配置された被測定物２１２の表面の電気抵抗の測定作業を行う。抵抗測定の接続方法は例えば２端子法又は４端子法である。測定作業では、針型の接触プローブ（４）の先端をそのスレーブアーム１の作動によって被測定物２１２の検査面に接触させる。被測定物２１２が例えば薄板、薄肉円筒等の剛性が低い部品である場合は、変形等が発生しやすく、極小さな針の先端を被測定物２１２の表面に接触させる作業は操作者の熟練を要する。
【００３８】
モード選択部２５で選択された運転モードが「手動モード」である場合は、操作者は、モニタ１２を見ながらマスターアーム２を操作することにより、そのスレーブアーム１の作動によって先端に接触プローブ（４）を取り付けたロボットハンド（４）を、被測定物２１２に向かって押下げる（図５のＺ方向）。
【００３９】
本実施形態の構成であっても、接触プローブ（４）の先端が、被測定物２１２に触れた場合、操作者は、接触の瞬間にマスターアーム２から一瞬強い反力を感じるので、接触を敏感に感知し、高精度な作業が可能になる。
【００４０】
尚、上記実施形態では、モード選択部２５で選択された運転モードが「手動モード」である場合について説明したが、モード選択部２５で選択されている運転モードが「自動モード」でもよい。動作制御部６は、スレーブアーム１を動作させる運転モードが「自動モード」であるとき、マスターアーム２から送られた操作情報を用いず、予め設定された所定のプログラムに従ってスレーブアーム１の動作を制御する。
【００４１】
また、モード選択部２５で選択されている運転モードは「修正自動モード」でもよい。動作制御部６は、運転モードが「修正自動モード」であるときに、所定のプログラムと操作情報の両方を用いる。なお、運転モードが「修正自動モード」であるときに、操作情報が動作制御部６に送られていない場合は、動作制御部６は所定のプログラムのみを用いる。より詳しくは、動作制御部６は、スレーブアーム１を動作させる運転モードが「修正自動モード」であるとき、スレーブアーム１が所定のプログラムを用いて自動で動作している途中に操作情報を受けると、所定のプログラムと操作情報の両方を用いてスレーブアーム１の動作を制御する。これにより、スレーブアーム１は、所定のプログラムに関する動作、すなわち自動で行うことになっていた動作から修正された動作を行う。
【００４２】
尚、上記各実施形態では、動作制御部６は、操作者により入力装置９のモード選択部２５で選択された「自動モード」、「修正自動モード」及び「手動モード」のうちのいずれかの運転モードに従い、スレーブアーム１の動作を行うように構成されたが、このような構成に限定されない。例えば動作制御部６がスレーブアーム１を所定のステップまで「自動モード」により動作させるように制御したとき、操作者に対して、スレーブアーム１の自動運転の継続許可に関する問い合わせを出力する出力制御部（図示せず）と、出力制御部（図示せず）による問い合わせの出力後に受信部（図示せず）によって受信した入力信号に基づき、自動運転の継続を許可するか否か判定する継続判定部（図示せず）と、を有してもよい。これにより、作業者の熟練が必要な場面（例えば嵌め合い作業又は接触作業）では、「自動モード」から「手動モード」に切り替えて、高精度な作業を行うことができる。
（第３実施形態）
次に、第３実施形態について説明する。本実施形態の遠隔操作システムの基本的な構成は、上記実施形態と同様である。以下では、第１実施形態と共通する構成の説明は省略し、相違する構成を中心に説明する。本実施形態の遠隔操作システムは外科手術システムに適用され、エンドエフェクタは手術器具である。外科手術システムは、マスタースレーブ型の手術支援ロボットである。ここでは医師などの術者が患者に内視鏡外科手術を施すシステムである。
【００４３】
尚、本実施形態の外科手術システムは手術支援用であるため、スレーブアーム１は「手動モード」でのみ動作するように構成される。このため、入力装置９は、操作者によって運転モードを選択するためのモード選択部２５を備えていない（図３参照）。術者は、モニタ１２を見ながら、マスターアーム２を操作することにより、スレーブアーム１を術者が意図するように操作する。マスターアーム２の具体的な構成については図示を省略する。
【００４４】
図６は、第３実施形態に係るロボットの遠隔操作システムの構成を示す模式図である。図６に示すように、スレーブアーム１の先端の手首１ｃには、インストゥルメント（外科用器具）４２を保持するホルダ３６（器具保持部）が形成される。スレーブアーム１先端の手首１ｃの取り付け面１ｄ（ホルダ３６の裏面）とインストゥルメント４２の間には力覚センサ５が取り付けられている。ホルダ３６には、インストゥルメント４２が着脱可能に保持されている。ホルダ３６に保持されたインストゥルメント４２のシャフト４３は、基準方向Ｄと平行に延在するように構成されている。尚、このホルダ３６に内視鏡アセンブリが着脱可能に保持されてもよい。本実施形態では、術者は、そのスレーブアーム１の作動によってスレーブアーム１のインストゥルメント４２を動作させる。
【００４５】
インストゥルメント４２は、その基端部に設けられた駆動ユニット４５と、その先端部に設けられたエンドエフェクタ（処置具）４と、駆動ユニット４５とエンドエフェクタ４の間を繋ぐ細長いシャフト４３とで構成されている。インストゥルメント４２には基準方向Ｄが規定されており、駆動ユニット４５、シャフト４３、及びエンドエフェクタ４４は基準方向Ｄと平行に並ぶ。インストゥルメント４２のエンドエフェクタ４は、動作する関節を有する手術器具（例えば、鉗子、ハサミ、グラスパー、ニードルホルダ、マイクロジセクター、ステープルアプライヤー、タッカー、吸引洗浄ツール、スネアワイヤ、及び、クリップアプライヤーなど）や、関節を有しない器具（例えば、切断刃、焼灼プローブ、洗浄器、カテーテル、及び、吸引オリフィスなど）からなる群より選択される。
【００４６】
外科手術システム（１００）では、スレーブアーム１の先端の手術器具（４）により、患者２１４に対して種々の施術が行われる。一般の施術だけでなく、外科手術システム（１００）を用いた施術もまた術者の熟練を要する。本実施形態の構成であっても、手術器具（４）が、患者２１４に触れた場合、術者は、接触の瞬間にマスターアーム２から一瞬強い反力を感じるので、接触を敏感に感知し、高精度な施術が可能になる。
（その他の実施形態）
尚、上記各実施形態の遠隔操作システム１００は力検知装置として力覚センサ５を備え、この力覚センサ５により、エンドエフェクタの先端に加わる力を検知する構成であったが（図２,図３参照）、これに限られない。例えば上述したように動作制御部６は、スレーブアーム１の各関節軸を駆動するサーボモータを制御するが、各関節軸の位置偏差、速度偏差、及び電流偏差の少なくとも一つの変化率に基づいて、スレーブアーム１のエンドエフェクタ４の先端に働く力を算出してもよい。これにより、力覚センサ５を備えることなく、簡易な構成で、上記実施形態と同等な効果を奏することができる。
【００４７】
また、上記各実施形態のロボットシステム１００は、マスタースレーブ式の遠隔操作システムで構成されたが、これに限られるものではない。例えばその他のロボットシステムにおいて、ロボットアームに取り付けられたエンドエフェクタの先端が作業対象物に接触した際に、作業対象物から受けた反力を周囲の人間又はシステムの管理者に知覚させるような構成でもよい。
【００４８】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び機能の一方又は双方の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、ロボットシステムを高い精度が必要な作業に適用する場合に有用である。
【符号の説明】
【００５０】
１    スレーブアーム（ロボット本体）
２    マスターアーム（操作装置）
３    制御装置
４    エンドエフェクタ
５    力覚センサ（力検知装置）
６    動作制御部
７    力覚情報処理部
８    モニタ制御部
９    入力装置
１０  記憶部
２１  実反力情報生成器
２２  仮想反力情報生成器
２３  加算器
２５  モード選択部
１００  遠隔操作システム（ロボットシステム）
２００  嵌合部品
２１０  被嵌合部品２１０
２１１  穴
２１２  被測定物
２１３  測定台
２１４  患者
【図１】
2017033378.tif 000003
【図２】
2017033378.tif 000004
【図３】
2017033378.tif 000005
【図４】
2017033378.tif 000006
【図５】
2017033378.tif 000007
【図６】
2017033378.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成30年2月21日(2018.2.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
前記ロボットシステムは外科手術システムに適用され、前記エンドエフェクタは手術器具であってもよい。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
入力装置９は、タッチパネル、キーボード等のマン−マシンインターフェースで構成される。入力装置９は、主に、スレーブアーム１の後述する自動モード、修正自動モード、及び手動モードの３つのモードの切り替え、各種データ等を入力するために用いられる。入力装置９に入力された情報は制御装置３に送信される。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
力覚情報処理部７は、実反力情報生成器２１と、仮想反力情報生成器２２と、加算器２３を備える。実反力情報生成器２１は、力覚センサ５が検知する力に応じた力覚情報を生成し、当該力覚情報を実反力情報として出力する。ここでは実反力情報生成器２１は、力覚センサ５の検出信号を取得し、ロボットハンド（４）の先端に加わる力を適正なレンジに収まるように変換し、これを実反力として加算器２３に出力するように構成されている。実反力情報生成器２１は雑音を除去するためにローパスフィルタを含んでもよい。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
加算器２３は、実反力情報生成器２１から出力される実反力情報と、仮想反力情報生成器２２から出力される仮想反力情報を加算したものを合成反力情報として出力する。ここでは加算器２３は、実反力情報生成器２１から出力された実反力情報と、仮想反力情報生成器２２から出力された仮想反力情報を加算して、これを合成反力情報としてマスターアーム２に出力するように構成されている。ここで合成反力はマスターアーム２の各関節のトルク値に変換される。変換されたトルク値は各関節を駆動するアクチュエータ（図示せず）のドライバ（駆動回路）へのトルク指令に相当する。マスターアーム２は、加算器２３から出力される合成反力情報に相当する力を操作者に知覚させ、且つ、操作者が操作すると、当該操作に応じた操作情報を動作制御部６に出力する。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４５】
インストゥルメント４２は、その基端部に設けられた駆動ユニット４５と、その先端部に設けられたエンドエフェクタ（処置具）４と、駆動ユニット４５とエンドエフェクタ４の間を繋ぐ細長いシャフト４３とで構成されている。インストゥルメント４２には基準方向Ｄが規定されており、駆動ユニット４５、シャフト４３、及びエンドエフェクタ４は基準方向Ｄと平行に並ぶ。インストゥルメント４２のエンドエフェクタ４は、動作する関節を有する手術器具（例えば、鉗子、ハサミ、グラスパー、ニードルホルダ、マイクロジセクター、ステープルアプライヤー、タッカー、吸引洗浄ツール、スネアワイヤ、及び、クリップアプライヤーなど）や、関節を有しない器具（例えば、切断刃、焼灼プローブ、洗浄器、カテーテル、及び、吸引オリフィスなど）からなる群より選択される。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５０】
１    スレーブアーム（ロボット本体）
２    マスターアーム（操作装置）
３    制御装置
４    エンドエフェクタ
５    力覚センサ（力検知装置）
６    動作制御部
７    力覚情報処理部
８    モニタ制御部
９    入力装置
１０  記憶部
２１  実反力情報生成器
２２  仮想反力情報生成器
２３  加算器
２５  モード選択部
１００  遠隔操作システム（ロボットシステム）
２００  嵌合部品
２１０  被嵌合部品
２１１  穴
２１２  被測定物
２１３  測定台
２１４  患者
【手続補正７】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボットアームと、前記ロボットアームに取り付けられたエンドエフェクタと、前記エンドエフェクタの先端に加わる力を検知する力検知装置と、を備えるロボット本体と、
前記力検知装置が検知する力に応じた力覚情報を生成し、当該力覚情報を実反力情報として出力する実反力情報生成器と、
前記力検知装置が検知する力の時間微分値に比例した大きさの成分を仮想反力情報として出力する仮想反力情報生成器と、
前記実反力情報生成器から出力される前記実反力情報と、前記仮想反力情報生成器から出力される仮想反力情報を加算したものを合成反力情報として出力する加算器と、
前記加算器から出力される前記合成反力情報に応じた力を前記操作者に知覚させ、且つ、操作者が操作すると、当該操作に応じた操作情報を出力する操作装置と、
前記操作装置から出力される操作情報に従って前記ロボット本体の動作を制御する動作制御部と、を備える、ロボットシステム。
【請求項２】
前記ロボット本体はスレーブアームであり、前記操作装置はマスターアームであり、前記マスターアームにより前記スレーブアームが遠隔操作される、請求項１に記載のロボットシステム。
【請求項３】
前記力検知装置は、前記エンドエフェクタの基端に取付けられ、当該エンドエフェクタの先端に加わる力を検知するように構成された力覚センサである、請求項１に記載のロボットシステム。
【請求項４】
前記ロボット本体の動作を制御する前記動作制御部の運転モードを、前記操作情報を前記ロボット本体の動作に反映させることなしに、予め設定された所定のプログラムを用いて前記ロボット本体の動作を制御する自動モードと、前記操作情報を前記ロボット本体の動作に反映させることが可能な状態で、予め設定された所定のプログラムを用いて前記ロボット本体の動作を制御する修正自動モードと、前記所定のプログラムを用いることなしに、前記操作情報を用いて前記ロボット本体の動作を制御する手動モードのいずれかを選択可能に構成されたモード選択部を更に備え、
前記動作制御部は、前記運転モードが前記修正自動モードであるときに、前記ロボット本体が前記所定のプログラムを用いて動作している途中に前記操作情報を受けて、前記所定のプログラムに関する動作から修正された動作を行うよう前記ロボット本体を制御する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のロボットシステム。
【請求項５】
前記ロボットシステムは外科手術システムに適用され、前記エンドエフェクタは手術器具である、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のロボットシステム。     
【国際調査報告】
2017033378.tif 000009
2017033378.tif 000010
2017033378.tif 000011
2017033378.tif 000012