JP2010012087A - マニピュレータシステムおよびマニピュレータの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】作用部の作用力を低下させずにアクチュエータの消費電力を低減でき、かつ構造を複雑化させずに済む。
【解決手段】マニピュレータシステムは、マスタスレーブ方式で動作するマニピュレータ本体１と、マニピュレータ本体１の駆動を制御する制御装置２とを備えている。制御装置２は、グリッパの把持力が一定になるまでモータ１４ｃを駆動した後に、把持力が低下しない範囲でグリッパを開く方向にモータ１４ｃを駆動するため、把持力を一定に維持したままモータ電流値を最大連続電流値以下に抑制することができ、消費電力の削減が図れるとともに、把持力が最大連続電流値により制限されるおそれもなくなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、アクチュエータの動力を動力伝達機構を介して作用部に伝達するマニピュレータシステムおよびマニピュレータの制御方法に関する。

マニピュレータの把持力を限られた使用条件で増大させることが従来からの課題になっている。特に、ホームロボット、配管ロボット、医療用ロボットなど限られた範囲内で動作するハンド機構を有するマニピュレータは、そのロボット全体のサイズや重量の制限、コスト条件等により、選定できる構成要素に制限がある。例えば特許文献１に記載された医療用マニピュレータの場合、マニピュレータ先端部は体腔内部に進入するため、細径小型化が必要であるが、手技に必要な十分な力を出す必要がある。また、動力となるモータはマニピュレータに装備されており、そのマニピュレータを術者が手で持って操作することから、マニピュレータ全体のサイズや重量を削減するためには、モータを小型化して操作性を向上させることが望まれる。

このような課題を解決するために、特許文献２には、ハンド構造の機構的な改良によって、同等のモータ等の動力に対して把持力を増大させる技術が記載されている。

また、特許文献３には、効率のよいモータの設計により把持力を増大させる技術が記載されている。
特開２００２−１０２２４８号公報 特開２００７−３０１６９２号公報 特開平１０−２４９７７６号公報

しかしながら、特許文献２の技術は、構造を複雑化させてしまって、モータ出力が把持力に変換されるまでに効率が低下してしまう。また、特許文献３の技術は、最大出力の面では従来の電気モータには及ばないため、把持力を必ずしも十分には上げることはできない。

本発明の目的は、作用部の作用力の低下を抑制しアクチュエータの消費電力を低減でき、かつ構造を複雑化させずに済むマニピュレータを提供することである。

本発明の一態様によれば、最大連続出力に制限があるアクチュエータと、
前記アクチュエータの動力に基づいて対象物に対して所定量の力を作用する作用部と、
可撓性部材を有し、前記アクチュエータの動力を前記作用部に伝達する動力伝達機構と、
前記アクチュエータを制御する制御部と、
前記作用部の作用力を操作指令する操作指令部と、を備え、
前記制御部は、
前記操作指令部による操作指令に応じた力を前記作用部が前記対象物に作用するように、前記アクチュエータを動作させる第１の制御手段と、
前記第１の制御手段による制御の後に、前記作用部による作用力が低下しない範囲で、前記作用部が前記対象物に対して前記所定量より小さい力を逆に作用する方向に前記アクチュエータを動作させる第２の制御手段と、
を有することを特徴とするマニピュレータシステムが提供される。

本発明によれば、作用部の作用力の低下を抑制しアクチュエータの消費電力を低減でき、かつ構造を複雑化させずに済む。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態について説明する。以下では、主に医療用マニピュレータの例を説明する。

図１は医療用マニピュレータシステムの外観図である。図１のシステムは、マスタスレーブ方式で動作するマニピュレータ本体１と、マニピュレータ本体１の駆動を制御する制御装置２とを備えている。この他、図１では省略しているが、マニピュレータ本体１の動作状態を表示する動作状態表示器を図１のシステムに設けてもよい。

マニピュレータ本体１は、操作者（術者）が操作を指令する操作指令部３と、その操作指令に応じて対象物に所定量の力を作用する作用部４と、操作指令部３と作用部４とを一体的に接続する連結部５と、作用部４の駆動力を発生する駆動部６とを有する。

操作指令部３は、作用部４の作用量と作用方向を指示する少なくとも一つの指令デバイス（ダイヤル等）を有し、各指令デバイスには、その指令値を読み取るセンサが取り付けられている。操作者が操作指令部３を操作すると、その指令情報は逐次、制御装置２に送信される。

作用部４は、例えば、人体の患部に種々の処置を施すものである。作用部４は、患部に対して処置を施すための少なくとも一つの自由度を有し、先端の姿勢を可変させたり、先端に取り付けられたグリッパの開閉角度を可変させることが可能である。作用部４の作用力の変更は操作指令部３の指令によって行われる。

マニピュレータ本体１の作用部４と連結部５は作業部７を構成し、操作指令部３と駆動部６は操作部８を構成しており、作業部７と操作部８は互いに着脱可能な構造になっている。

図２は作業部７と操作部８を分離した状態を示す図である。図２に示すように、作業部７内の連結部５の一端側には、複数の出力軸プーリ１１ａ，１１ｂ，１１ｃが設けられており、各プーリにはそれぞれワイヤ１２ａ，１２ｂ，１２ｃが巻掛けられている。連結部５は中空であり、作用部４側が開口になっているため、ワイヤ１２ａ，１２ｂ，１２ｃは、連結部５の内部を通過して作用部４側まで延在している。なお、ワイヤ１２ａ，１２ｂ，１２ｃの一部にロッドリンク等を用いて動力を伝達してもよい。

作用部４には、図２では省略しているが、ワイヤ１２ａ，１２ｂ，１２ｃを巻掛けるプーリ、歯車、リンク等が設けられている。これにより、動力が作業部７内の出力軸プーリ１１ａ，１１ｂ，１１ｃとワイヤ１２ａ，１２ｂ，１２ｃを介して作用部４まで伝達される。各出力軸プーリ１１ａ，１１ｂ，１１ｃには、駆動部６からの動力を受け取るための動力受取部１３ａ，１３ｂ，１３ｃが接続されている。

駆動部６は、複数の（図２では３つの）モータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃを有する。これらモータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃの動力は、それぞれ不図示の減速機を介して、カップリングからなる動力伝達部１５ａ，１５ｂ，１５ｃに伝達される。各モータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃには、不図示のエンコーダが装備されており、モータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃの回転角度を計測することができる。各エンコーダの計測信号は制御装置２に伝送される。

駆動部６内の動力伝達部１５ａ，１５ｂ，１５ｃの端部には凹部が形成され、連結部５内の動力受取部１３ａ，１３ｂ，１３ｃの端部には凸部が形成されている。これら凹部と凸部は互いに係合され、これにより動力伝達部１５ａ，１５ｂ，１５ｃの動力が動力受取部１３ａ，１３ｂ，１３ｃに伝達される。動力伝達部１５ａ，１５ｂ，１５ｃと動力受取部１３ａ，１３ｂ，１３ｃの位相が合わないと、凹部と凸部が係合されないようにすることで、原点姿勢以外では操作部８と作業部７との結合を防止している。

図２では、モータやスイッチ、センサなどの電子機器を操作部８側に配置し、作業部７側には機構部品を配置している。これにより、作業部７全体を洗浄でき、洗浄性と保守性の向上が図れる。すなわち、図２では、汚染度合いと洗浄方法の違いを考慮に入れて、作業部７と操作部８に分離している。

操作部８は、連結部５の基端側に接続されたブラケット８１と、このブラケット８１に対して回動自在に取り付けられた円柱状の操作桿８２と、この操作桿８２に取り付けられた操作デバイスとを有する。操作桿８２の操作デバイスは作用部４の姿勢決め等を指示する機能を有する。

操作デバイスは、図２に示すように、横方向ダイヤル８３と、縦方向ダイヤル８４と、トリガ８５と、操作モード切替スイッチ８６とを有する。対応する作業部７として図３を例に取って説明すると、横方向ダイヤル８３がヨー軸２９の動作を指令し、縦方向ダイヤル８４がロール軸４６の動作を指令し、トリガ８５がグリッパ軸θｇの動作を指令する。操作モード切替スイッチ８６は、マスタスレーブ動作の開始・終了、初期姿勢復帰動作等の操作モードの切り替えを行うスイッチである。

横方向ダイヤル８３、縦方向ダイヤル８４及びトリガ８５には、その動作量を検出するセンサがそれぞれ組み込まれており、センサ信号は制御装置２に送られ、その内部の演算部で処理される。横方向ダイヤル８３と縦方向ダイヤル８４に組み込まれるセンサは、操作桿８２との相対的な回動量を検出するものであり、例えばポテンショメータやエンコーダを適用することができる。

トリガ８５は、操作桿８２に対して並進動作が可能であり、その動作量により、作業部７のグリッパ角度を指令する。トリガ８５には並進動作位置を検出するセンサが設けられている。

図３はマニピュレータ本体１の作用部４の構造を示す斜視図、図４は作用部４の詳細構造を示す分解斜視図である。図３および図４に示すように、作用部４は、処置対象に対して処置を行う第１の作用部材３２５と第２の作用部材３２６を先端に有する連結部材４１と、連結部材４１の長手方向に沿った方向に対して直交する第１の回動軸部材１６と、第１の回動軸部材１６の回動軸２９回りの方向に回動自在に支持されて第１の回動軸部材１６に対して直交する主軸部３２０ｂを有する主軸部材３２０と、第１の回動軸部材１６の回動軸２９回りの方向に回動自在に支持される第１の歯車１１７と、第１の回動軸部材１６の回動軸２９回りの方向に回動自在に支持される第２の歯車２１８とを有する。

主軸部材３２０にはプーリ３２０ａが結合され、第１の歯車１１７にはプーリ１１７ａが結合され、第２の歯車２１８にはプーリ２１８ａが結合されている。プーリ３２０ａ、プーリ１１７ａ、プーリ２１８ａにはそれぞれ第１ワイヤ５０ａ、第２ワイヤ５０ｂ、第３ワイヤ５０ｃが巻掛けられている。

また、作用部４は、第１の歯車１１７と直交して噛み合い、主軸部３２０ｂ回りの方向に回動自在に支持される第３の歯車３２１ａと、第２の歯車２１８と直交して噛み合い、主軸部３２０ｂ回りの方向に回動自在に支持される第４の歯車３２２ａと、第３の歯車３２１ａとともに同軸に回動する第２の回動軸部材３２１ｂと、第４の歯車３２２ａとともに同軸に回動する第５の歯車３２２ｂとを有する。

また、作用部４は、主軸４６周りに回動する第２の回動軸部材３２１ｂに直交して第２の回動軸部材３２１ｂの回動とともに主軸４６回りに回動し、第１の回動軸部材１６の回動軸２９に対して捩れの位置から平行な位置に回動自在に配置される第３の回動軸部材３２３ａを有する。

また、作用部４は、第３の回動軸３２３ａ回りの方向に回動自在に支持され、第５の歯車３２２ｂと直交して噛み合う第６の歯車３２３と、第２の回動軸３２１ｂ 回りの方向に回動するとともに、第６の歯車３２３とともに第３の回動軸３２３ａ回りの方向に回動する第１の作用部材３２５と、第３の歯車３２１ａおよび第２の回動軸３２１ｂとともに回動する第２の作用部材３２６とを有する。第１の作用部材３２５と第２の作用部材３２６は、一対の作用部材（グリッパ）を構成している。第１の作用部材３２５が第３の回動軸３２３ａ回りの方向に回動することで、第２の作用部材３２６に対して、相対的に開閉可能な把持機構を構成している。

このように、本実施形態の作用部４は、回動軸２９（回動軸部材１６）と主軸４６（主軸部材３２１ｂ）を回動中心とした２自由度で姿勢変更が可能な開閉機能（把持機構：グリッパ）を構成する第１および第２の作用部材３２５、３２６を有する。

カバー３２７は、歯車の露出を最小限にとどめるためのものであり、カバー固定ピン３２８により、第２の作用部材３２６の下部にて固定されている。カバー３２７は、第２の作用部材３２６とともに、第２の回動軸部材３２１ｂ（主軸４６）回りの方向に回動する。固定ナット３２９は、主軸部材３２０の先端部のねじ部に固定されており、第３の歯車３２１ａおよび第２の回動軸部材３２１ｂの主軸部３２０ｂの軸方向の位置を拘束するために設けられる。固定ナット３３０は、第３の回動軸３２３ａおよび第６の歯車３２３の第３の回動軸３２３ａの軸方向の位置を拘束するために設けられる。

図５は制御装置２とその周辺の制御系の詳細構成の一例を示すブロック図である。制御装置２は、操作指令部３による操作指令に応じた力を作用部４が対象物に作用するようにモータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃを動作させる制御（第１の制御手段）と、この制御の後に、作用部４による作用力が低下しない範囲で作用部４が対象物に対して所定量よりも小さい力を逆に作用するようにモータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃを動作させる制御（第２の制御手段）とを行う。

より具体的には、図５の制御装置２は、電源部２１と、演算部２２と、モータ駆動回路部２３と、安全保護装置２４と、動作状態提示器２５と、指令入力部２６とを有する。

電源部２１は、外部電源２７から不図示の変圧器と整流器を介して、演算部２２とモータ駆動回路部２３に必要な電力を供給する。

マニピュレータ本体１内の操作部８は、作業部７を駆動するモータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃと、モータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃの回転角度を検出する角度検出器１６と、操作指令部３の姿勢角度（操作量）を検出する角度検出器１７とを有する。

演算部２２は、不図示のＣＰＵと、記憶装置と、論理回路と、ＩＯインターフェイスとを有し、角度検出器１７で検出した操作指令部３の操作量に基づいてモータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃの制御目標値を生成する機能と、角度検出器１６で検出したモータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃの回転角度とモータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃの制御目標値との偏差を検出して、その偏差を解消するためのモータ指令入力を算出する機能とを有する。

また、演算部２２は、医療用マニピュレータに装備された不図示の認識手段の信号を読み取るとともに、各種スイッチ２８の信号入力を監視して、予め決められたプログラムに従って制御演算を行う。

モータ駆動回路部２３は、演算部２２からの指令入力に従ってモータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃに電力を供給する回路であり、指令入力に比例した電流をモータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃに出力する電流指令制御を行う。また、モータ駆動回路部２３は、各モータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃの電流値を計測する。

安全保護装置２４は、演算部２２の演算周期異常、モータ駆動回路異常、緊急停止指令などの異常事態に備えて、マニピュレータ本体１への電力を遮断し、その動作を直ちに停止させる機能を有する。

動作状態提示器２５は、演算部２２の指示に応じて、マニピュレータ本体１の動作状態を文字情報や画像情報にて提示する。指令入力部２６は、各種のスイッチ等の操作部材からなり、指令入力部２６の操作情報は演算部２２に送られる。指令入力部２６は、マニピュレータ本体１の動作状態や電源の切換などを指令する。

図６は図５の演算部２２が実行するプログラムの一例を示すフローチャートである。演算部２２は、図６のフローチャートを予め決められた制御周期に従って繰り返し実行する。

まず、操作指令部３の角度検出器１７の出力と駆動部６内のモータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃの角度検出器１６の出力を読み取る（ステップＳ１１）。また、操作指令部３や制御装置２に装備されたスイッチ等の操作情報を演算部２２で認識し（ステップＳ１２）、その認識結果をもとにマニピュレータ本体１の動作モードを決定する（ステップＳ１３）。ここで、動作モードとは、予め決められた動作を自動で実行する自動モードや、操作指令部３の操作に従って作業部７を動作させるマスタスレーブ動作モードを指す。動作方式とは、両動作モードの切り換えにおいて安全に動作をつなげるための、加速動作、減速動作、等速動作、停止動作などの動作方式を指す。

次に、判定された動作モードに従って動作方式の判別とモータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃの目標値を生成する（ステップＳ１４）。生成された制御目標値と先に読み取った角度検出器１６の検出値とからＰＩＤ制御などの制御演算を行ってモータ出力を算出し、モータ駆動回路部２３に出力する（ステップＳ１５）。

なお、上記ステップＳ１４では、後述する図９に示すように、操作デバイスから得られた値をもとに算出されたヨー軸目標角度θｙ、ロール軸目標角度θｒ、グリッパ軸目標角度θｇを第１モータ軸角度θ１、第２モータ軸角度θ２、第３モータ軸角度θ３に変換するための逆キネマティック演算を行って目標値を生成する。

次に、定義された種々の条件とセンサなどで読み取った状態とを比較し、状態判別を行う（ステップＳ１６）。判別された結果に基づき、制御装置２に装備されたランプや動作状態提示器２５に出力を行う（ステップＳ１７）。

以下、作用部４のグリッパによる把持動作について説明する。説明の簡略化のために、図３のマニピュレータ本体１の先端部分の歯車の歯数がすべて等しいとすると、モータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃの出力軸角度θ１、θ２、θ３と先端部の姿勢軸θｙ、θｒ、θｇとの関係は、（１）式で表すことができる。

グリッパ軸の把持動作のみについて考えると、他の姿勢軸を動作させない場合は、θｙ＝θｒ＝０であるから、θ３＝−θｇとなる。つまり、モータ１４ｃをθｄ＝［０、０、−θｇ］^Ｔと制御することでグリッパ軸をθｇだけ動作させることができる。グリッパ軸角度は、ちょうど閉じた状態を０度、開く方向をプラス方向とし、グリッパ軸をマイナス方向に動作させるということは、より閉じる方向に力をかけるようにモータ１４ｃを制御することを意味する。

さて、実際に把持力がどのように変化するかを評価するために、グリッパの片側である第２の作用部材３２６の把持面に感圧センサを貼り付け、その出力を測定するシステムを構築した。モータ１４ｃの出力電流と感圧センサの出力との関係は図７に示すようなヒステリシスのある特性になる。ヒステリシスが生じる理由は、モータ１４ｃからグリッパにいたる動力伝達部材である減速機、出力軸プーリ１１ｃ等を用いた動力伝達の過程において摩擦が発生するためである。

ここで、動力伝達の過程とは、例えば図２に示すモータ１４ｃからワイヤ１２ｃ（５０ｃ）、グリッパ３２５への過程に着目した場合は、ワイヤ５０ｃ→プーリ２１８ａ→歯車２１８→歯車３２２ａ→歯車３２２ｂ→歯車３２３→回動軸３２３ａ→グリッパ３２５のうち、プーリ２１８ａから回動軸３２３ａまでに相当する。また、動力伝達機構とは減速機から回転軸３２３ａまで、動力伝達要素とはプーリ２１８ａから回転軸３２３ａまでに相当する。

このシステムにおいて、グリッパを開き角４５度から閉じ角３５度までモータを制御した場合、すなわち４５度から−３５度までモータ１４ｃを制御した結果を図８Ａ〜図８Ｃに示す。図８Ａはグリッパ角度の時間変化を示すグラフ、図８Ｂは把持力の時間変化を示すグラフ、図８Ｃはモータ電流の時間変化を示すグラフである。図８Ａ〜図８Ｃの横軸は時間［ｓ］、図８Ａの縦軸はグリッパ角度［ｄｅｇ］、図８Ｂの縦軸は把持力［Ｎ］、図８Ｃの縦軸はモータ電流［Ａ］である。

図８Ａに示すように、グリッパを４５度から−３５度まで動かす動作を約１秒間で終えて、その後は閉じた状態での把持力を維持するように制御する。この場合、図８Ｂに示すように、グリッパ角度が変化し始めてから約０．６秒後（グリッパ角度が約０度のとき）に、グリッパを構成する作用部材が感圧センサに接触し始める。その後、グリッパは実際には閉じたままであるが、モータはより閉じる方向に制御されて、把持力が増加していく。最終的に把持力は約１．６５Ｎで安定する。

このときのモータ電流、特に把持動作に寄与しているモータ１４ｃの電流に注目すると、図８Ｃのような特性になる。グリッパが動作し始めた当初は、加速度の影響もあり、モータ１４ｃの電流値が上昇し、その後ほぼ速度一定でグリッパが閉じるまで動作する間、電流値はほぼ一定値になる。

グリッパが閉じてからは、把持力の増加に伴って電流値も増加し、動作終了直前は減速動作のためやや電流値が下がるものの、その後は電流値が０．５８Ａ程度で一定となる。これは図７の点Ａから点Ｂまで状態が遷移したことを意味する。

ここで、アクチュエータの特性の一つである最大連続出力に着目する。アクチュエータが電機モータであれば、最大連続出力は最大連続電流となり、モータが長時間出力し続けることのできる電流値の最大値である。アクチュエータが空気圧アクチュエータであれば最大圧力となる。この値はアクチュエータの構造や使用条件により適宜決められる値である。

モータ１４ｃの最大連続電流値が０．４Ａであるとすると、図８Ｂと図８Ｃからわかるように、単に一方向にグリッパを閉じる操作方法では、連続して出力できる把持力は１Ｎ未満となる。図８Ｂのように、１．６Ｎの把持力を得るためには、モータ１４ｃに最大連続電流を超える電流を流さなければならない。このため、図８Ａ〜図８Ｃの場合は、モータ１４ｃが十分な出力を維持し続けることができないばかりか、故障の原因ともなってしまう。したがって、最大把持力を下げるように設計するか、見合った高出力モータを選定する必要があるが、マニピュレータの性能低下や部品コストアップ、消費電力の増大を招いてしまう。

そこで、本実施形態は、グリッパの把持力を低下させない範囲でモータ１４ｃの電流値を可能な限り減少させ、結果として最大連続電流にて得られる把持力を高めるようにしたことを特徴とする。

図９は制御装置２が行う処理動作の一例を示す制御システム図である。図９に示すように、制御装置２は、操作デバイス３１と、ゲイン調整部３２と、判定部３３と、目標値更新部３４と、逆キネマティック行列演算部３５と、逆キネマティック行列演算部３５の出力値θｄと目標値との偏差をフィードバック制御するＰＩＤ制御部３６と、ＰＩＤ制御部３６の出力値Ｖinに基づいてモータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃを駆動するモータ駆動回路部２３とを有する。

操作デバイス３１は、ヨー軸、ロール軸に関する参照目標値θａ（ｙ，ｒ）を逆キネマティック演算部３５に送るとともに、グリッパ軸に関する参照目標値θａ（ｇ）を判定部３３に送る。操作デバイス３１は、例えば、その操作量を検出するセンサ出力を参照目標値として生成したり、スイッチ入力による把持指令にてプログラムにて自動生成される値を参照目標値として生成したりする。

ゲイン調整部３２は、グリッパ軸の最閉角度を設定しその値θａ（ｇ）’を判定部３３に送る。最閉角度を設定することは、モータ最大出力電流を調整し把持力を設定することと等しく、また、グリッパ軸に関する参照目標値（トリガの操作量）とグリッパ目標値との変換比率γを設定することとも等しい。ゲイン調整部３２は、例えば、不図示のボリュームの出力を判定部３３に送る。

判定部３３は、参照目標値θａ（ｇ）と変換比率γとから、グリッパ軸プレ目標値θｇ’を生成し、その値θｇ’が最閉角度設定値θａ（ｇ）’に到達しているかを判定し、到達していなければ第１制御手段を選択し、到達したら第２制御手段を選択し、その選択結果と値θｇ’を目標値更新部３４へ送る。

目標値更新部３４は、判定部３３からの判定結果に応じて、グリッパ軸目標値θｇを逆キネマティック演算部３５に送る。判定部３３が第１制御手段を選択した場合は、グリッパ軸プレ目標値θｇ’をグリッパ軸目標値θｇとし、第２制御手段を選択した場合は、閉じ量を戻す処理を施した値をグリッパ軸目標値θｇとして更新する。

モータ駆動回路部２３はモータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃに駆動電流を供給し、これによりモータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃは回転軸を駆動する。各モータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃの回転軸には、減速機を介して動力伝達部１５ａ，１５ｂ，１５ｃが接続されており、モータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃの駆動力は動力伝達部１５ａ，１５ｂ，１５ｃから作業部７内の動力受取部１３ａ，１３ｂ，１３ｃに伝達される。動力受取部１３ａ，１３ｂ，１３ｃにはプーリ１１ａ，１１ｂ，１１ｃが接続されており、プーリ１１ａ，１１ｂ，１１ｃにはワイヤ１２ａ，１２ｂ，１２ｃが巻掛けられているため、このワイヤ１２ａ，１２ｂ，１２ｃを介して作用部４のグリッパに動力が伝達される。

図９の処理、特に判定部３３と操作量更新部３４の処理は、ハードウェアとソフトウェアのどちらで行ってもよい。

以下、本実施形態における制御装置２の処理動作を図８Ａ〜図８Ｃと対比しながら説明する。ここでは、図８Ａ〜図８Ｃと同様に、グリッパ角度を４５度から−３５度まで動作させるものとする。この場合の特性は図１０Ａ〜図１０Ｃのようになる。図１０Ａはグリッパ角度の時間変化を示すグラフ、図１０Ｂは把持力の時間変化を示すグラフ、図１０Ｃはモータ電流の時間変化を示すグラフである。図１０Ａ〜図１０Ｃの横軸と縦軸の単位は図８Ａ〜図８Ｃと同じである。

本実施形態の制御装置２は、グリッパ角度が４５度から−３５度になるまでモータ１４ｃを連続的に駆動（第１の制御手段に相当）した後に、グリッパを１０度だけ開く方向にモータ１４ｃを駆動する（第２の制御手段に相当）。図９と関連づけて説明すると、判定部３３はグリッパ角度が−３５度になったか否かを判定し、−３５度になったと判定されると、操作量更新部３４がグリッパ角度を１０度だけ元に戻す処理を行う。

グリッパを−３５度から１０度だけ開く方向に動作させても、モータ１４ｃには摩擦によるヒステリシスがあるため、グリッパは実際には開く方向に動作せず、モータ１４ｃの減速機のがたや動力伝達部１５ｃであるワイヤ１２ｃの伸びが変化するだけである。したがって、グリッパを−３５度から１０度だけ開く方向に動作させても、感圧センサの出力は変わらず、図１０Ｂに示すように把持力は変化しない。

このときのモータ電流に着目すると、図１０Ｃに示すように、グリッパを閉じた後の開き動作により電流値が大きく低下し、その後約０．３５Ａで一定になる。これは、図７では、点Ａから点Ｂを経由し点Ｃまで状態が遷移することを意味する。０．３５Ａという電流値はモータの最大連続電流値である約０．４Ａ以下の値であり、問題なく出力可能な値である。

したがって、本実施形態によれば、モータ１４ｃの最大連続電流値以下の電流値で、可能な限り大きな把持力を安定して維持し続けることができる。このため、小型モータでも、無理なく長時間にわたって高い把持力を維持し続けることができ、消費電力の削減とモータの効率向上が図れる。

ところで、上記（１）式からわかるように、モータ１４ｃはグリッパ軸だけでなく、ヨー軸とロール軸を駆動するためにも用いられる。モータ１４ｃを用いてグリッパ軸以外の他の軸の駆動を行う場合、他の軸を駆動するのにもモータ電流を必要とし、その最大連続電流値でグリッパを把持しようとすると、他の軸の駆動のために十分なモータ電流を流せなくなるおそれがある。ところが、本実施形態の場合、グリッパ軸を駆動するのに必要なモータ電流が最大連続電流値よりも小さくて済むため、他の軸を駆動するために十分なモータ電流を流すことができ、干渉系マニピュレータであっても、一つのモータで複数の姿勢軸を駆動することができる。

同等の把持力を維持するのに必要なモータ電流値が少なくて済むということは、エネルギー効率がよいことを意味している。モータ電流値の二乗とモータ電流の出力時間との積から電力量相当値が得られる。図１１は図８Ａ〜図８Ｃの場合の電力量相当値と図１０Ａ〜図１０Ｃの場合（本実施形態）の電力量相当値を比較した図である。グリッパ角度が最閉角度である−３５度になるまでは両者の電力相当量は略等しいが、それ以上把持力が高くなると、本実施形態の電力相当量は図８Ａ〜図８Ｃの場合と比べて電力相当量が約１／３になる。

このように、本実施形態では、グリッパの把持力が一定になるまでモータ１４ｃを駆動した後に、把持力が低下しない範囲でグリッパを開く方向にモータ１４ｃを駆動するため、把持力を一定に維持したままモータ電流値を最大連続電流値以下に抑制することができ、消費電力の削減が図れるとともに、把持力が最大連続電流値により制限されるおそれもなくなる。また、一つのモータで複数の姿勢軸制御を行う干渉系マニピュレータでは、複数の姿勢軸制御のための十分なモータ電流値を確保できる。

（第２の実施形態）
以下に説明する第２の実施形態は、図９に示した制御を簡易な手法で実現するものである。

図１２Ａおよび図１２Ｂは操作桿８２の内部構造の一例を示す図であり、図１２Ａはトリガ８５の復帰状態、図１２Ｂはトリガ８５を引いた状態を示している。これらの図に示すように、操作桿８２は、トリガ８５の端部に取り付けられたロック棒８７を保持するロック部材８８と、トリガ８５の引き量を検出するセンサ８９と、トリガ８５に形成されたガイド孔９０を通って挿脱されるガイド棒９１と、ガイド棒９１の周囲に取り付けられたばね９２とを有する。

センサ８９は、トリガ８５の並進動作位置を検出するものであり、具体的には、スライドポテンションメータやリニアエンコーダ等で構成することができる。例えば、スライドポテンションメータでセンサ８９を構成する場合、トリガ８５の端部に取り付けられた突起部材９３の凹部がスライドポテンションメータのつまみ９４の凸部と係合される。これら凹部と凸部は、トリガ８５の並進動作に合わせて一体に移動する。そして、センサ８９は、凸部の位置によりトリガ８５の引き量を検出する。

トリガ８５を最も引いた状態が作用部４のグリッパを最も閉じた状態となり、すなわち、図８Ａ〜図８Ｃの例では開閉角度が−３５度となる状態となり、トリガ８５を最も戻した状態がグリッパを最も開いた状態となり、すなわち、図８Ａ〜図８Ｃの例では開閉角度が４５度となる状態となるように、センサ８９での検出値を変換することで、グリッパの開閉目標値を得ることができる。

トリガ８５の引き量を長時間維持することは操作者にとって負担が大きく、作用部４での細かい操作指示にも影響を与える可能性がある。このため、トリガ８５から手を離してもその引き量が維持されるように、操作桿８２にロック機構を設けることがあり、本実施形態の操作桿８２においても、ロック機構が設けられている。

トリガ８５を最大限引くと、トリガ８５の端部に取り付けられたロック棒８７が操作桿８２のロック部材８８に収まる。その後、操作者がトリガ８５から手を離しても、ロック部材８８はロック棒８７を固定し、トリガ８５の引き量が一定に維持される。ロック部材８８には、トリガ８５の引き量に応じて、ロック棒８７がわずかに並進動作するためのあそび範囲が設けられている。このように、ロック棒８７とロック部材８８によりロック機構が実現されている。

トリガ８５をロックした状態でさらにトリガ８５を引くと、ロック部材８８はロック棒８７を開放する。トリガ８５には、操作桿８２のガイド棒９１を挿脱するためのガイド孔９０が設けられている。トリガ８５をロックした状態では、ガイド棒９１がガイド孔９０に挿入され、ばね９２がトリガ８５の端部により収縮される。このロック状態でトリガ８５をさらに引いてロック部材８８がロック棒８７を開放すると、ばね９２の復元力により、トリガ８５は押し出されて、元の位置に復帰する。このとき、図１２Ａのように、ガイド棒９１はガイド孔９０から抜き出される。

図１３はトリガ８５の動作量（引き量）と作用部４のグリッパ軸の目標値との対応関係を示す図である。図１３において、破線ａはロック機構のあそび範囲内ではグリッパ角度が変化しない一般的な例を示す特性図である。この場合、ロックがかかり始める点（図１３のｗ１）までトリガ８５を引いたときにセンサ８９の検出値が飽和するようにしておく。

これに対して、本実施形態では、ロック機構のあそび範囲を、把持力の低下を抑えグリッパを少し戻す動作を実現するために利用する。本実施形態では、例えば図１３の一点鎖線ｂのような特性を採用する。一点鎖線ｂの場合、ロック機構のあそび範囲内でも、トリガ８５の引き量に応じてグリッパ軸の目標値が連続的に変化する。トリガ８５の引き量が図１３のｗ１を超えると、ロック棒８７がロック部材８８に収納されてロックがかかる。上述したように、ロック棒８７はロック部材８８の内部でわずかに並進動作を行うことができ、ばね９２の復元力により、トリガ８５の引き方向とは反対方向にわずかに移動する。この移動により、一点鎖線ｂに示すように、グリッパ軸の目標値もわずかに小さくなり、モータ電流値を最大連続電流値以下に抑制することができる。また、グリッパ軸の目標値がわずかに小さくなると言っても、トリガ８５はロックがかかったままであるため、把持力が低下するおそれはない。

このように、第２の実施形態では、操作桿８２とトリガ８５に設けられるロック機構を利用して、トリガ８５が最大限に引かれた状態で自動的にロックをかけるとともに、ロック機構のあそび範囲を利用してグリッパ軸の目標値を少し戻すようにしたため、把持力の低下を抑えモータ電流値を最大連続電流値以下に抑制することができ、消費電力の削減が図れるとともに、把持力が最大連続電流値により制限されるおそれもなくなる。

上記の説明では、図１３の一点鎖線ｂで示すように、トリガ８５の引き量とグリッパ軸の目標値を線形な関係に設定する例を説明したが、ロック機構のあそび範囲が広い場合、トリガ８５があそび範囲内で元の位置方向に戻る際に、グリッパ軸の目標角度が小さくなりすぎて、グリッパの把持力が低下するおそれがある。このため、図１３の実線ｃで示すように、あそび範囲内ではトリガ８５の引き量に対するグリッパ軸の目標値の変化量を小さくしてもよい。これにより、ロック機構のあそび範囲が広くて、トリガ８５の戻り量が多くても、グリッパ軸の目標値が小さくなりすぎるおそれがなく、把持力の低下を抑えモータ電流を抑制できる。

また、図１３の一点鎖線ｂの特性と実線ｃの特性を組合わせることも可能である。すなわち、グリッパを閉じる方向では実線ｃの特性で制御し、グリッパを開く方向では一点鎖線ｂの特性で制御することで、作用力を迅速に開放することができる。

上記の第２の実施形態では、トリガ８５を用いてグリッパの把持指令を行う例を説明したが、スイッチのオン・オフで把持指令の切替を行う場合は、スイッチのオンにより、自動的に図１０Ｃのようなグリッパ軸の目標値を生成すればよい。

また、ロック機構がないトリガ８５を用いる場合であっても、図１０Ｃのようなグリッパ軸の目標値を自動的に生成すればよい。

また、上述した第１および第２の実施形態では、グリッパ軸を角度（位置）制御する例を説明したが、グリッパの制御手法は角度（位置）制御に限定されず、電流値を用いた力制御でもよい。この場合、目標とする力（電流値）に制御した後に、グリッパをやや戻す動作を付加すればよい。力センサ８９がグリップに装着されていれば、把持力を目標値により確実に近づける制御を行うことができ、グリッパをやや戻す動作後も、把持力が維持されていることを力センサ８９により直接確認でき、仮に把持力が低下しているようであれば、再度グリッパを閉じる方向に制御することも可能となる。

また、実際のグリッパ角度を回動軸３２３ａに取り付けた角度センサで直接計測して戻し動作を行う際に、実際にはグリッパが開かないことを確認する機能をさらに付加してマニピュレータシステムの信頼性を向上させることができる。

上記各実施形態では、作用部４にグリッパを設けて把持動作を行う例を説明したが、グリッパ以外の各種機構を作用部４に設けて、図１０Ａ〜図１０Ｃと同様の制御を行ってもよい。例えば、対象物を複数に分類する作用を行う機構、対象物を所定方向に押圧する機構、対象物を切断する機構、対象物を剥離する機構などを設けて、これら機構を最大限に作用させるときに、作用力が低下しない範囲で、これら機構を駆動するモータ等のアクチュエータを逆方向に動作させて、アクチュエータの電流を抑制するといった制御を行えばよい。

なお、対象物を剥離する機構は、把持動作を行うグリッパを流用することが可能であり、把持動作を行う場合とはグリッパ軸の目標値の向きを逆にすればよい。

本実施形態によるマニピュレータシステムは、医療用に限らず、例えば配管内で異物除去を行う作業用ロボット、家庭やオフィス、店舗等で物品を運搬するロボットなどにも適用可能である。

また、マニピュレータ本体１の動力は、電機モータに限らず、空圧アクチュエータ、高分子アクチュエータなど、アクチュエータの動力源の容量に制限があるアクチュエータにも適用可能である。

医療用マニピュレータシステムの外観図。 作業部７と操作部８を分離した状態を示す図。 マニピュレータ本体１の作用部４の構造を示す斜視図。 作用部４の詳細構造を示す分解斜視図。 制御装置２とその周辺の制御系の詳細構成の一例を示すブロック図。 図５の演算部２２が実行するプログラムの一例を示すフローチャート。 モータ１４ｃの出力電流と感圧センサの出力との関係を示す図。 グリッパ角度の時間変化を示すグラフ。 把持力の時間変化を示すグラフ。 モータ電流の時間変化を示すグラフ。 制御装置２が行う処理動作の一例を示す制御システム図。 グリッパ角度の時間変化を示すグラフ。 把持力の時間変化を示すグラフ。 モータ電流の時間変化を示すグラフ。 図１０Ａ〜図１０Ｃの場合の電力量相当値と図１０Ａ〜図１０Ｃの場合の電力量相当値を比較した図。 トリガの復帰状態を示す図。 トリガを引いた状態を示す図。 トリガ８５の動作量（引き量）と作用部４のグリッパ軸の目標値との対応関係を示す図。

符号の説明

１ 医療用マニピュレータ本体
２ 制御装置
３ 操作指令部
４ 作用部
５ 連結部
６ 駆動部
７ 作業部
８ 操作部
３１ 操作デバイス
３２ ボリューム
３３ 判定部
３４ 操作量更新部
３５ 逆キネマティック行列演算部
３６ ＰＩＤ制御部
３７ モータ駆動回路部

Claims (9)

1. 最大連続出力に制限があるアクチュエータと、
   前記アクチュエータの動力に基づいて対象物に対して所定量の力を作用する作用部と、
   可撓性部材を有し、前記アクチュエータの動力を前記作用部に伝達する動力伝達機構と、
   前記アクチュエータを制御する制御部と、
   前記作用部の作用力を操作指令する操作指令部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記操作指令部による操作指令に応じた力を前記作用部が前記対象物に作用するように、前記アクチュエータを動作させる第１の制御手段と、
   前記第１の制御手段による制御の後に、前記作用部による作用力が低下しない範囲で、前記作用部が前記対象物に対して前記所定量より小さい力を逆に作用する方向に前記アクチュエータを動作させる第２の制御手段と、
   を有することを特徴とするマニピュレータシステム。
2. 前記第１の制御手段の制御により前記作用部が前記対象物に対して力を作用しているときに前記アクチュエータに流れる電流は、前記第２の制御手段の制御により前記アクチュエータに定常的に流れる電流よりも多いことを特徴とする請求項１に記載のマニピュレータシステム。
3. 前記第２の制御手段は、前記アクチュエータに定常的に流れる電流が前記アクチュエータの最大連続出力以下になるように、前記アクチュエータを動作させることを特徴とする請求項２に記載のマニピュレータシステム。
4. 前記作用部は、前記対象物に対して、複数の作用軸方向に作用力を与えることが可能であり、
   前記アクチュエータは、ある作用軸方向に前記作用部を作用させたときに、他の作用軸方向にも前記作用部を作用させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のマニピュレータシステム。
5. 前記制御部は、前記作用部の作用力が前記所定量を超えたか否かを判定する判定手段を有し、
   前記第１の制御手段は、前記所定量を超えていないと前記判定手段により判定された場合には、前記アクチュエータの駆動電流を増大させ、
   前記第２の制御手段は、前記所定量を超えたと前記判定手段により判定された場合には、前記アクチュエータの駆動電流を最大連続出力値以下まで減少させることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のマニピュレータシステム。
6. 前記操作指令部は、
   移動量によって前記作用部の作用力を指示する操作部と、
   前記操作部の操作に伴って移動するロック対象部材と、
   前記操作部の操作により前記作用部の作用力の指示限界点付近に達したときに前記ロック対象部材をロックするロック部材と、
   前記ロック対象部材をロックした状態で操作者が前記操作部から手を離したときに、前記作用部の作用力が低下しない範囲で前記操作部を逆方向に移動させる復帰部と、を有し、
   前記第１の制御手段は、ロック解除状態から前記ロック部材が前記ロック対象部材をロックするまでの動作であり、
   前記第２の制御手段は、前記復帰部が前記操作部を逆方向に移動させる動作であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のマニピュレータシステム。
7. 前記作用部の作用力は、前記ロック対象部材がロックされた状態でも、前記操作部の移動量に応じて連続的に変化することを特徴とする請求項６に記載のマニピュレータシステム。
8. 前記作用部の作用力は、前記ロック対象部材がロックされた状態とロック解除状態では、前記操作部の移動量に応じて変化する度合いが異なることを特徴とする請求項７に記載のマニピュレータシステム。
9. 最大連続出力に制限があるアクチュエータと、
   前記アクチュエータの動力に基づいて対象物に対して所定量の力を作用する作用部と、
   可撓性部材を有し、前記アクチュエータの動力を前記作用部に伝達する動力伝達機構と、
   前記アクチュエータを制御する制御部と、
   前記作用部の作用力を操作指令する操作指令部と、を備えたマニピュレータシステムの制御方法であって、
   前記制御部は、
   前記操作指令部による操作指令に応じた力を前記作用部が前記対象物に作用する方向に、前記アクチュエータを動作させる第１の制御を行うステップと、
   前記第１の制御の後に、前記作用部による作用力が低下しない範囲で、前記作用部が前記対象物に対して前記所定量より小さい力を逆に作用するように前記アクチュエータを動作させる第２の制御を行うステップと、
   を有することを特徴とするマニピュレータシステムの制御方法。

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