(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
肩部における３軸がほぼ１点で交わり手首部における３軸がほぼ１点で交わり肘部を持った７自由度マスターアームにおいて、前記肘部にセンサに対する操縦者の肘の位置を検出する肘センサを備え、該肘センサの検出出力を用いて肘角指令値を算出し該肘角指令値に基づいて前記肘部を駆動する駆動装置を備えて、操縦者の肘と前記肘部が相対的に動かないように、もしくは該操縦者の肘と前記肘部の距離が一定になるように該肘部を駆動することにより操縦者の肘の位置に前記肘部を追従させるようにしたマスターアーム装置。
【請求項２】
前記マスターアームの各自由度に対応した回動軸に駆動装置を設けて、力提示を行うことを特徴とする請求項１記載のマスターアーム装置。
【請求項３】
前記マスターアームの肩部における１点で交わる３軸のうち、肩に固定される第１軸の回転軸方向を重力方向とほぼ一致させ、該第１軸と第１リンクを介して連結される第２軸を前記第１軸と直交し操縦者の肘の動きに追従する駆動軸とし、さらに前記第２軸と第２リンクを介して連結される第３軸の回転軸と該第３軸と第３リンクを介して連結される第４軸の回転軸を平行にして、前記第３軸の回転軸付近に前記第４軸のカウンタウェイトを配置し、該カウンタウェイトを平行リンク機構を介して前記第４軸と連動させることを特徴とする請求項１または２記載のマスターアーム装置。
【請求項４】
前記肘センサが、前記マスターアームのリンクに設けられて操縦者の腕がリンクに対して相対的に動く方向を検出するものであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のマスターアーム装置。
【請求項５】
前記肘センサが複数の光電スイッチを並置して構成されることを特徴とする請求項４記載のマスターアーム装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、マスタースレーブマニピュレータに用いられる７自由度を有するマスターアームに関し、特にスレーブアームの肘の位置を制御できるようにした７自由度マスターアームに関する。
【０００２】
【従来の技術】
６自由度のマニピュレータにおいては、手先の位置と姿勢を決定すると全ての自由度が規定されてしまい、肩から手先の間におけるアームの状態を変更するととができない。このため、手先の位置と姿勢を決めた状態では障害物回避や特異点回避を行うことができない。
一方、人間の腕は７個の自由度を持っており、手先の位置姿勢が決められても肘の位置を任意に選ぶことができ、障害物があっても腕がぶつからないようにそれを避けることができる。
そこで、マスタースレーブマニピュレータのスレーブアームに７個の自由度を持たせることによって、冗長自由度を活用して人間の腕と同じような動きをさせて、特異点回避や障害物回避を行えるようにすることができる。
【０００３】
マスタースレーブマニピュレータにおけるマスターアームは、スレーブアームを操縦するためのもので、操縦者がマスターアームの先端にある把持部を移動させると、その動きを指令値として伝えてスレーブアームに同じ動きをさせることができる。
従来、マスターアームは、操縦者が把持する手の位置と姿勢の６自由度について教示するものであって、冗長な自由度を有する７自由度ロボットの操縦を行うためには、もう一方の手で操作する押しボタンやレバーなど別の手段を用いて第７番目の自由度に関する指示を行う必要があった。
【０００４】
なお、特開平５−３４５２９１には、マスターアームで手先の位置を制御する場合にスレーブアームの肘位置が自由に選択できることに注目して、スレーブアームの肘位置を検出して予め定めた領域と干渉するおそれがある場合に干渉回避を行わせるようにした７自由度ロボットが開示されている。
しかし、上記公開公報に開示された７自由度ロボットは、スレーブアームの制御器がマスターアームとは関係なく肘位置を決めるものであって、操縦者の意図を冗長自由度に反映させるものではなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、操縦者の手の位置姿勢ばかりでなく肘の動きも反映できるようなマスターアームを提供し、マスタースレーブマニピュレータにおける７自由度スレーブアームの全ての自由度を操縦者が片方の腕だけで制御できるようにすることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明のマスターアーム装置は、肩部における３軸がほぼ１点で交わり手首部における３軸がほぼ１点で交わり肘部を持った７自由度マスターアームであって、肘部に操縦者の肘の位置を検出する肘センサを備え、さらに肘部を駆動する駆動装置を備えて、肘部の追従制御を行うことを特徴とする。
【０００７】
本発明のマスターアーム装置は、肩部において３軸が１点で交わり、手首部においても３軸が１点で交わって、それぞれボールジョイントと等価な関節機能を有するため、７番目の自由度を担う肘部の移動は、肩部の軸交点と手首部の軸交点と肘で形成される平面三角形の２つの軸交点を結ぶ直線を軸にした回転で表すことができる。この平面三角形の回転角を肘角と呼ぶ。
本発明においては、マスターアームの肘部に操縦者の肘の動きを検出するセンサを備え、かつ肘部を駆動する装置を備えて、操縦者の動きに追従してマスターアームの肘部を移動させることができる。したがって、スレーブアームが外部環境物と干渉しそうなときには操縦者の判断により衝突しないように肘を動かせば、マスターアーム装置は肘部の位置情報を用いてスレーブマニピュレータを制御して干渉を回避することができる。
【０００８】
本発明のマスターアーム装置では、操縦者の片方の腕だけで７自由度マニピュレータの全ての自由度を制御することができるので、近時研究が進んでいる双腕型ロボットなどのように操縦者の２本の腕がそれぞれマニピュレータの腕の操縦をしなければならないときにも手先の位置姿勢に加えて肘部の位置制御ができるようになる。
また、例えば、工作対象物を搭載した作業台にマニピュレータの前腕が干渉しそうなときにも肘部を水平方向によけることができ、ロボットの配置に自由度が増して、狭い空間でも作業ができるようになるなどの利点がある。
【０００９】
また、マスターアームの各軸を駆動軸として、スレーブアームで検知する力を操縦者に提示するようにしても良い。
さらに、マスターアームの第１軸の回転軸方向を重力方向とほぼ一致させ、第２軸を第１軸と直交し肘の動きに追従する駆動軸とし、さらに第３軸と第４軸の回転軸を平行にして、第３軸の回転軸に第４軸のカウンタウェイトを配置し、カウンタウェイトを平行リンク機構を介して第４軸と連動させるようにしてもよい。
また、肘センサは、マスターアームのリンクに設けられ、操縦者の腕がリンクに対して相対的に動く方向を検出するものであることが好ましい。
なお、肘センサは複数の光電スイッチを並べたものであってもよい。
肘センサをこのように簡単な構成にすることにより、制御のアルゴリズムも単純化し、極めて低廉にセンサ部および制御部を構成することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について実施例に基づき図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明のマスターアーム装置の１実施例の構成を説明する軸配置図、図２は本実施例に用いる肘センサの１例を示す説明図、図３は肘センサの別の例を示す説明図、図４は本実施例に用いるカウンターバランスの配置例を説明する軸配置図、図５は第４軸用カウンターバランスの構成図、図６は本実施例のマスターアーム装置の側面図、図７は本実施例のマスターアーム装置の平面図、図８は本実施例のマスターアーム装置における操縦者の姿勢を表す図面、図９は本実施例を用いたマスタースレーブマニピュレータ装置の制御装置を表すブロック図である。
【００１１】
本実施例のマスターアーム装置は、マスタースレーブマニピュレータの７自由度スレーブアームを操縦するためのものである。マスターアームは７個の自由度を持ったリンク機構を有する。
操縦者がマスターアームの手首部を把持して手首部の位置姿勢を変化させると、肩部から手首部までに設けられた軸の回転角により手首部の位置姿勢が決定でき、その情報をマニピュレータの制御装置に伝送してスレーブアームをマスターアームの動きに追従するように制御する。
スレーブアームの手首部の位置姿勢だけでは６自由度しか規定できないため、残りの１自由度を肘に繋がる腕の傾きで決定する。
【００１２】
人の肩と手首は３個の回転軸が１点で交わるボールジョイントのような球面関節に近似することができ、肩と手首に対して上腕と前腕で繋がっている肘の位置は、肩と手首の位置が決まれば、肩と手首を結ぶ線を軸にした回転角すなわち肘角で指定することができる。なお、肘角は、鉛直面など適当な基準位置から計った回転角で表示することが取り扱い上便利である。
本実施例のマスターアーム装置は、マスターアームが人の腕と同様な動きをするようにするため、肩部に３個の回転軸を軸が１点で交差するように設け、手首部に３個の回転軸を軸が１点で交差するように設け、肩部に取り付けた上腕リンクと手首部に取り付けた前腕リンクを両リンクが平面内で屈曲するような回転軸で結合して肘としている。
【００１３】
本実施例におけるマスターアームの７個の回転軸は、図１に示したように配置される。
肩部の第１回転軸１は重力方向に軸を持ち、固定部材に支持されている。また、第１回転軸１の回転部分に第１のリンクを介して第２回転軸２が連結されている。第２回転軸２は水平方向に軸を持ち、軸は第１回転軸１の軸と交差する。
第２回転軸２の回転部には第２リンク８を介して第３回転軸３が結合されている。第３回転軸３の軸は第２回転軸２の軸とほぼ直交し、さらに第１回転軸１と第２回転軸２の交点を通るように配置されている。
【００１４】
上記のような構成により、マスターアームの肩部は回転軸の交点を中心とするボールジョイントと等価の動きを行うことができる。なお、第１から第３の回転軸の配置は機構上の性能が実現できる程度にルーズであっても良いことはいうまでもない。
また、第２リンク８は若干の長さを有し、マスターアームの肩部付近に操縦者の肩が納まるようになっている。
【００１５】
第３回転軸３の回転部には上腕となる第３リンク９が取り付けられており、第３リンク９の先端には第４回転軸４が設けられている。第４回転軸４の軸は第３回転軸３の軸と平行に設けられる。
第４回転軸４の回転部には前腕となる第４リンク１０が取り付けられており、その先端には手首部における初めの回転軸である第５回転軸５が第４回転軸４と平行に設けられている。
【００１６】
第５回転軸５には第５リンクを介して第６回転軸６が結合されており、第６回転軸６には第７回転軸７が結合されている。第５回転軸５と第６回転軸６と第７回転軸７の各軸はほぼ１点で交わるように配設されて、手首部の３自由度関節を形成している。
【００１７】
本実施例のマスターアーム装置では、さらに前腕に相当する第４リンク１０に操縦者の肘の動きを検出する肘センサ１１が取り付けられている。
肘センサ１１は、操縦者３０の前腕３１が第４リンク１０に対して相対的に動く方向を検出すれば足りるので、例えば図２に示すような複数の光電スイッチであっても良い。図では、光電スイッチを４個用いて、これらを腕の動きに対して垂直に並べてある。腕３１が適当な位置にあるときは内側の２個の光電スイッチが腕を検知しているが、腕３１が第４リンク１０に近付く方向に動けば図中左側の光電スイッチが検出信号を出し、逆に腕３１が第４リンクから遠ざかる方向に動く場合には図中右側の光電スイッチが働いて動きを検出する。
なお、肘センサ１１は第４リンク１０のどこに取り付けてもよいが、検出感度等を考慮して決めることが好ましい。
【００１８】
また、図３は本発明に用いる肘センサの別の例を示す図面である。
図３に示した肘センサはマイクロリニアスケールを利用したもので、リニアスケール本体１２をマスターアームの第４リンク１０に固定し、操縦者３０の前腕３１に巻いたバンド１３にスケールの端を結びつけて、第４リンク１０と操縦者の前腕３１の距離を測るものである。両者間の距離が一定になるように調整することによりマスターアームを操縦者の腕に追従させることができる。
【００１９】
第２回転軸２には肘センサー１１の測定信号に対応して回転する駆動モータ１４が取り付けられている。
操縦者の肘が外側に持ち上がるときは駆動モータ１４により上腕リンク９が外側に広げられ、操縦者の肘が下がるときは上腕リンク９も内側にすぼめられる。したがって、操縦者の肘が常に肘センサ１１の光電スイッチ群の中央に位置するようにマスターアームを移動させることによって、肘部の追従制御を行うことができる。
【００２０】
マスターアーム装置は上記の構成を有するマスターアームを左右１対備えて、双腕型ロボットを操縦することができる。本実施例のマスターアーム装置によりスレーブアームを操縦するときには、操縦者が装置に搭乗して左右のマスターアームの手首部にあるジョイスティックを握り、手首部の位置姿勢を所望の通り導く。
【００２１】
すると、マスターアーム装置は、マスターアームの各回転軸に設けたエンコーダで回転角を検出することにより、手首部の位置および姿勢を算定して、スレーブアームの制御装置に伝送する。これによって操縦者の手先の動きの６自由度と肘位置の１自由度の情報をスレーブアームに伝達することが可能となる。
なお、スレーブアームの位置姿勢の指示は、マスターアームを操作する操縦者の操作力とスレーブアームがワークから受ける反力との差が解消するように動作させるようにして、ワークに無理な力が作用しないようにしてもよい。
【００２２】
スレーブアーム制御装置はマスターアームの手首部の位置姿勢と肘角の情報に基づいて逆運動学計算を行いスレーブアームの各軸の回転量を算出してサーボ制御を行う。これにより、操縦者の指示通りにスレーブアームの手首部の位置姿勢を定めることができる。
さらに、操縦者の肘の動きを検出して、マスターアームの肘部を追従させるようにしてあるため、スレーブアームの腕や肘が周囲の物体と干渉しそうなときには、操縦者が肘を動かすとマスターアームの動きを介してスレーブアームの肘部が追従して動いて、干渉を回避することができる。
【００２３】
マスターアームの肘部の動きを操縦者の肘と対応させるためには、肘角を同じ値にすればよい。
本実施例のマスターアーム装置は、操縦者の肘の動きに対応してマスターアームの第２回転軸２のみが能動的に動き上腕リンク９の開き角を調整するようになっている。肘角の基準軸は手先の動きに従って変化するので、上腕リンク９の開き角がそのまま肘角になるわけではない。しかし、両者の差は受動的な他の回転軸が操縦者の腕に追従することにより吸収することができる。操縦者の腕の動きに従って第２回転軸２と他の回転軸が変化し、所定の状態になった結果として求められる各回転軸の回転角に基づいて、逆運動学計算を行いスレーブアームの各関節を制御すれば、操縦者の意図に従って肘部が運動することになる。
【００２４】
マスターアームのリンク機構は、適当な強度を持たせるため頑丈に構成されるので、そのままでは操縦者が操作するためには重量が大きくなって、自由に引き回すことが困難になる。
この困難を解消させるため、本実施例のマスターアーム装置は、図４に示すようにカウンタバランスを配置することができる。なお、第４リンク１０より手先の部分については、それぞれの部品が小さくなりカウンタバランスの役割は相対的に小さくなるので、図４における表示を省略してある。
カウンタバランスは、それぞれの回転軸に付属させるようにしても良いが、カウンタバランスは機構全体の重量を増加させて慣性力を大きくするので、重いものを多数使用することは好ましくない。
【００２５】
ある軸構成において、全ての回転軸にカウンタウェイトを配置することにすれば、腕の根元から手先までの全ての重量を受けなければならない第１回転軸に設けるべきカウンタウェイトが最も大きくなる。本実施例では、第１回転軸１の軸を重力方向に配置することにより、カウンタウェイトを省略してある。また、カウンタウェイトの重量が２番目に大きくなるはずの第２回転軸２には肘角に応じて上腕を駆動する駆動モータ１４を付設して、カウンタウェイトを省略した。
第３回転軸３には、第３リンク９より手先側のモーメントを適度に相殺する第１のカウンタウェイト１５を設けた。
【００２６】
次に、第３回転軸３と第４回転軸４を回転軸が平行になるように配置すると共に、第３回転軸３と第４回転軸４の間に平行リンク１７を構成して、第４回転軸４に関する第２のカウンタウェイト１６を第３回転軸３の軸周りに配設した。
第２カウンタウェイト１６を第３回転軸の周りに配置することにより、第２カウンタウェイトの重量による第３軸周りのモーメントが小さくなり、それと釣り合わせるべき第１カウンタウェイトの重量を小さくできる。したがって、普通に行われるように第４回転軸４の軸を挟んで対称の位置に配置した場合と比較して、操縦者３０の腕に掛かる負荷が著しく軽減されるため、操縦がより容易になる。
【００２７】
図５は、第４回転軸のカウンタウェイトを第３回転軸に設けるために設置される平行リンクの例を表現する機構図である。
第４回転軸４の回転軸に第１のプーリを固定し、第３回転軸３に第１プーリと同じ径を有する第２のプーリを回転可能に軸支する。第２プーリには第２カウンタウェイトが固定されている。第１プーリと第２プーリの間には金属バンド１８，１９が渡され、固定ボルト２１によりそれぞれの端部がプーリに固定されている。第１プーリと第２プーリの間には張力コントローラ２０がセットされて、金属ベルト１８，１９に弛みがないようにされている。
【００２８】
操縦者が手首部に設けられたジョイスティック２２を握った手を動かして、第４リンク１０が第４回転軸の周りに回転すると、この回転が金属ベルト１８，１９を介して第２プーリに伝達し、第２カウンタウェイト１６が動く。第２カウンタウェイト１６は、主に第４リンク１０から手先までのリンク機構のモーメントを相殺する。また、第２カウンタウェイト１６を第３軸付近に配置することで第１カウンタウェイト１５の重量が低減しているために、操縦者の腕に対する負担は小さい。
また、図示された平行リンク機構は、構成上付加する部品も少なくコンパクトで、第３リンク９の幅の中に収まるように形成することが可能であるため、操縦者と機構の干渉領域を低減することができる。
【００２９】
図６と図７は、本実施例のマスターアーム装置の立面図と平面図である。
第１軸から第３軸は肩部の回転中心点で交差しており、第５軸から第７軸は手先の位置で交差している。第４軸は上腕リンク９と前腕リンク１０を回動可能に結合している。第３軸から第５軸は互いに平行に配設されている。第３軸の回転部は肩部の回転中心から肩リンク８の距離だけ外側に張り出している。また、第５軸の回転部から手首部の回転中心までの距離も間に介在する機構により肩リンク８と同じ距離になるように構成されている。
第２軸には駆動モータ１４が結合されていて、リンク９の肘部の開き角を調整する。
【００３０】
また、第３軸の周りには、第１カウンタウェイト１５と第２カウンタウェイト１６が取り付けられている。
第１カウンタウェイト１５は上腕リンク９以下の手先部分全体のモーメントをほぼ相殺するように、第３軸に関して上腕リンク９に対する点対称位置に設けられている。また、第２カウンタウェイト１６は、上腕リンク９内に設けられる平行リンク機構により前腕リンク１０と連動して前腕リンク１０以下の機構部分のモーメントをほぼ相殺する機能を有する。
また、前腕リンク１０には操縦者の腕の動きを検出する肘センサ１１が設けられている。
【００３１】
図８は、図６と図７に示した本実施例のマスターアーム装置に操縦者が搭乗して操作する状態を模式的に示したものである。マスターアーム装置は第１回転軸の固定部を架台２３に固定することによって固定される。
操縦者３０が装置に搭乗してマスターアームのジョイステックを把持したときに、操縦者の肩の回転中心とマスターアームの肩部回転中心が十分近く、上腕リンクと前腕リンクが操縦者の腕３１に沿って配置されれ、操縦者の腕３１の動きは肘センサ１１によって検出される。
操縦者が手先の位置を変えずに肘を動かすときは、肩部回転中心と手首部回転中心を結ぶ直線と操縦者の肩と手首を結ぶ直線がほぼ一致するようになるため、肘角の対応関係が単純化する。
【００３２】
また、第１軸から第７軸の各々にモータを配置して、力提示を行えるようにすることも可能である。力提示とは、スレーブアームに力センサを装備してワークに接触したときに発生する力を操縦者に提示する機能である。また、マスターアームの手首部にある把持部に力センサを備えて、操縦者の手がマスターアームに及ぼす操作力を検出してスレーブアームとワークの間に操作力に応じた力を発生させることもできる。
【００３３】
図９は、本実施例のマスターアーム装置を用いたマスタースレーブマニピュレータ装置の制御機構を表したブロック図である。図面の上半分がマスターアームの駆動制御部、下半分がスレーブアームの駆動制御部を表している。
肘角指令値は、肘センサ４１、操縦者の肘位置の方向算出部４２、肘角の現在位置算出部４３、および加算器４４により算出される。
肘センサ４１が操縦者の腕とマスターアームの腕リンクの相対的位置の変化を検出して、方向算出部４２に検出信号を入力し、方向算出部４２が操縦者の肘位置の移動方向とマスターアームの肘部が追従するために必要な移動量を算出する。積分器４４によりこの移動量を積分することで肘角指令値を算出する。
【００３４】
肘角指令値は、マスターアームの逆運動学計算部４５に送られ、ここで各軸の回転量が算出されて、それに基づいてサーボ制御部４６により駆動モータを駆動してマスターアームを操縦者の腕の動きに追従させる。
肘角指令値は、また、スレーブアームの逆運動学計算部５２に送られて、算出された駆動量に基づいて各軸サーボ制御部５３を介してスレーブアームの各軸を駆動し、スレーブアームを操縦者の腕に追従させる。
【００３５】
一方、マスターアームに設けられた力センサ４７が操縦者の操作力を測定し、スレーブアームに設けられた力センサ４８がワークの反力を測定する。減算器４９が操縦者の操作力とワークの反力の差を算出して、積分器５０がその差を積分する。スレーブアームのアーム位置初期値を各軸の回転値から算出して、これを加算器５１で積分器５０の出力に加算する。加算器５１の出力は、操縦者の力がワーク反力に一致する方向に手先位置を変化させ、両者が一致するとその状態の位置を保持するような手先位置指令値となる。
手先位置指令値は、スレーブアームの逆運動学計算部５２に送られ、算出された駆動量に基づいて各軸サーボ制御部５３がスレーブアームの各軸を駆動し、スレーブアームを操縦者の腕に追従させる。また、マスターアームの逆運動学計算部４５に送られ、それに基づいてサーボ制御部４６により駆動モータを駆動してマスターアームをスレーブアームに追従させると共に、操縦者に力提示を行う。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明のマスターアーム装置は、７自由度を持つスレーブアームに対して、手先の位置だけではなく肘位置についても教示することができるようになるので、例えば、双腕型ロボットにおけるマスタースレーブマニピュレータ装置に対しても、操縦者が現場の状況を見ながら肘を動かしてスレーブアームの障害物回避を行えるようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のマスターアーム装置の実施例の構成を説明する軸配置図である。
【図２】本実施例に用いる肘センサの１例を示す説明図である。
【図３】本実施例に用いる肘センサの別の例を示す説明図である。
【図４】本実施例に用いるカウンターバランスの配置を説明する軸配置図である。
【図５】本実施例に用いる第４軸用カウンターバランスの構成図である。
【図６】本実施例のマスターアーム装置の側面図である。
【図７】本実施例のマスターアーム装置の平面図である。
【図８】本実施例のマスターアーム装置における操縦者の姿勢を表す図面である。
【図９】本実施例を用いたマスタースレーブマニピュレータ装置の制御装置を表すブロック図である。
【符号の説明】
１，２，３，４，５，６，７  回転軸
８，９，１０  リンク
１１  肘センサ
１２  リニアスケール本体
１３  リニアスケール用バンド
１４  駆動モータ
１５，１６  カウンタウェイト
１７  平行リンク
１８，１９  金属ベルト
２０  張力コントローラ
２１  固定ボルト
２２  ジョイスティック
２３  架台
３０  操縦者
３１  操縦者の前腕
【図１】
0003585419.tif 000002
【図２】
0003585419.tif 000003
【図３】
0003585419.tif 000004
【図４】
0003585419.tif 000005
【図５】
0003585419.tif 000006
【図６】
0003585419.tif 000007
【図７】
0003585419.tif 000008
【図８】
0003585419.tif 000009
【図９】
0003585419.tif 000010