CN103813889B - 操作输入装置和操作输入装置的初始化方法 - Google Patents

Abstract

一种具有多关节臂（3R、3L）的操作输入装置包括保持单元，该保持单元将旋转关节（5a）保持在相互的相对位置关系固定的状态；检测单元，该检测单元检测用从未知初始关节值开始的旋转角度或平动位移来表示关节的运动的关节运动量；接合单元（19R、19L），该接合单元（19R、19L）设置在充当远端的右手操作臂（14R）和左手操作臂（14L）中的每一个中；数据获取单元，该数据获取单元在远端接合并且运动的同时，按照时间序列获取所述检测单元检测到的多组关节运动量；以及初始值计算单元，该初始值计算单元在借助于接合单元（19R、19L）相对位置关系固定的条件下计算未知初始关节值。

Description

操作输入装置和操作输入装置的初始化方法

技术领域

本发明涉及操作输入装置和操作输入装置的初始化方法。例如，本发明涉及具有多个多关节臂并且通过运动多个多关节臂来执行操作输入的操作输入装置和该操作输入装置的初始化方法。

本申请要求2011年10月18日提交的日本专利申请No.2011-228677的优先权，此处以引证的方式并入其内容。

背景技术

在相关技术中，在作动单元被保持在多个多关节机器人中的设备（例如，远程控制机器人、用于执行外科手术的手术辅助的操作输入装置等）中，已知在执行作动单元的运动操作时使用包括自由度与作动单元的自由度相同的多关节臂的操作输入装置的构造。例如，在主从型医疗操纵器系统中，输入从动操纵器的运动的主动操纵器构成这样的操作输入装置。

这样的操作输入装置检测多关节臂的各个关节检测到的关节旋转角度、关节间的臂长等，并且检测与作动单元对应设置在多关节臂上的操作单元的位置和朝向并且向多关节机器人的控制装置发送检测到的数据。多关节机器人的控制装置根据从操作输入装置发送的位置和朝向来执行驱动作动单元的控制。

操作输入装置的多关节臂的关节装配有检测关节的旋转角度和相邻关节之间的臂的平动量（translationamount）的传感器。然而，为了促进低成本，在许多情况下，使用无法检测绝对值的编码器。

在这样的操作输入装置中，在初始状态下，编码器的输出值与关节的角度或长度之间的关系是不确定的。出于该原因，为了执行精确的操作输入，需要执行编码器的输出值与物理关节角度值或关节长度值之间的辩识作业的初始化。

例如，专利文献1公开了一种力反馈触觉接口，该力反馈触觉接口包括被固定到基部的对接站和具有能够被保持在对接站中所设置的筒状部中的远端的棒状用户接口。

在力反馈触觉接口中，可以通过将用户接口的远端保持在位置固定的对接站的筒状部中，将远端的复位点和原始位置设置（初始化）为零位置或用户指定的原始位置。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：PCT国际公开的公开日文翻译No.2007-510232

发明内容

本发明所要解决的问题

然而，在上述相关技术的操作输入装置和操作输入装置的初始化方法中，出现了以下问题。

在专利文献1描述的技术中，需要在执行操作输入的用户接口的运动范围内设置位置固定的对接站的筒状部。出于该原因，用户接口的运动范围是有限的。即，虽然只在执行初始运动时使用对接站，但是因为对接站进入用户接口的运动范围，所以在执行操作输入时妨碍了输入接口的运动。

本发明的目的是提供能够在操作输入装置的运动范围中不设置初始化时所使用的定位部件的情况下执行初始化的操作输入装置和操作输入装置的初始化方法。

解决问题的手段

根据本发明的第一方面，一种具有两个以上多关节臂的操作输入装置，该两个以上多关节臂包括具有旋转自由度或平动自由度的串联的多个关节并且被构造为使得远端相对于近端的位置和朝向可变，该操作输入装置包括：保持单元、检测单元、接合单元、数据获取单元以及初始值计算单元。该保持单元将所述多关节臂的所述近端保持在相互的相对位置关系固定的状态。该检测单元设置在所述关节中以检测用从未知初始关节值开始的旋转角度或平动位移表示该关节的运动的关节运动量。该接合单元设置在所述多关节臂的各个所述远端中，并且进行接合使得所述远端之间的相对位置固定。该数据获取单元在所述多关节臂的所述远端借助于所述接合单元接合并且使相互接合的远端运动时，按照时间序列获取所述检测单元检测到的多组关节运动量。该初始值计算单元基于所述数据获取单元按照时间序列获取的所述关节运动量，在所述远端之间的相对位置关系借助于所述接合单元固定的条件下，计算所述未知初始关节值。

根据本发明的第二方面，在操作输入装置中，所述初始值计算单元基于描述所述多关节机器人的所述远端的位置和朝向的运动学关系式和所述数据获取单元按照时间序列获取的所述关节运动量，生成将所述关节运动量的初始值设置为未知数的联立方程。所述初始值计算单元对所述联立方程进行求解，以计算所述关节运动量的所述初始值。

根据本发明的第三方面，在操作输入装置中，所述初始值计算单元通过执行收敛计算直到所述联立方程中要为零的残差式小于或等于收敛判定值为止，来对所述联立方程进行求解。

根据本发明的第四方面，在操作输入装置中，所述初始值计算单元在所述收敛计算在预定时间内未结束时执行警告。

根据本发明的第五方面，在操作输入装置中，所述警告包括所述检测单元的故障的警告。

根据本发明的第六方面，在操作输入装置中，所述接合单元直接接合所述多关节臂的所述远端并且使相互的相对位置固定。

根据本发明的第七方面，在操作输入装置中，所述接合单元接合所述多关节臂的所述远端，以便绕一个点球状可旋转。

根据本发明的第八方面，在操作输入装置中，所述接合单元借助于中间部件与作为接合对象的多关节臂的接合单元接合，所述中间部件保持所述接合单元与作为所述接合对象的所述多关节臂的接合单元之间的距离恒定。

根据本发明的第九方面，在操作输入装置中，所述接合单元通过使所述多关节臂的所述远端之间的相对位置和相对朝向固定来进行接合。

根据本发明的第十方面，一种具有两个以上多关节臂的操作输入装置的初始化方法，该两个以上多关节臂包括具有旋转自由度或平动自由度的串联的多个关节并且被构造为使得远端相对于近端的位置和朝向可变，并且检测单元设置在所述关节中以检测用从未知初始关节值开始的旋转角度或平动位移表示该关节的运动的关节运动量，该操作输入装置的初始化方法包括以下处理：保持处理、接合处理、数据获取处理和初始值计算处理。在所述保持处理中，将所述多关节臂的所述近端保持在相互的相对位置关系固定的状态。在所述接合处理中，所述多关节臂的所述远端接合使得所述远端之间的相对位置固定。在所述数据获取处理中，在使相互接合的多关节臂的远端运动的同时，按照时间序列从设置于所述相互接合的多关节臂的各个关节中的所述检测单元获取多组关节运动量。在初始值计算处理中，基于所述数据获取处理中按照时间序列获取的关节运动量，在所述远端之间的相对位置关系通过接合而固定的条件下计算所述未知初始关节值。

发明效果

根据上述操作输入装置和操作输入装置的初始化方法，在多关节臂的远端中所设置的接合单元接合的状态下运动远端，从各个关节的检测单元按照时间序列获取关节运动量，在远端之间的相对位置关系借助于接合单元固定的条件下计算各个检测单元的初始值，由此可以执行初始化。出于该原因，可以在操作输入装置的运动范围中不设置初始化时所使用的定位部件的情况下，执行初始化。

附图说明

图1A是例示本发明的第一实施方式的操作输入装置的示例的示意性立体图。

图1B是本发明的第一实施方式的操作输入装置的主要部件的立体图。

图2A是例示本发明的第一实施方式的操作输入装置的多关节臂的构造的示意性立体图。

图2B是例示本发明的第一实施方式的操作输入装置的多关节臂的构造的示意性立体图。

图3A是沿图2A中的箭头A的方向的视图。

图3B是沿图3A中的箭头C的方向的视图。

图4A是沿图2B中的箭头B的方向的视图。

图4B是沿图4A中的箭头D的方向的视图。

图5A是例示本发明的第一实施方式的操作输入装置的接合单元彼此接合的状态的示意性平面图。

图5B是沿图5A中的箭头E的方向的视图。

图6是例示本发明的第一实施方式的操作输入装置的控制单元的功能构造的功能框图。

图7是例示本发明的第一实施方式的操作输入装置的初始化方法的流程图。

图8A是用于描述本发明的第一实施方式的操作输入装置的初始化方法的接合处理的操作的图。

图8B是用于描述本发明的第一实施方式的操作输入装置的初始化方法的接合处理的操作的图。

图9A是用于描述本发明的第一实施方式的操作输入装置的初始化方法的数据获取处理的操作的图。

图9B是用于描述本发明的第一实施方式的操作输入装置的初始化方法的数据获取处理的操作的图。

图10是例示本发明的第一实施方式的变型例（第一变型例）的操作输入装置的主要部件的构造的示意性立体图。

图11是在本发明的第一实施方式的变型例（第一变型例）的操作输入装置中使用的中间部件的平面图。

图12A是例示本发明的第二实施方式的操作输入装置的主要部件的构造的示意性立体图。

图12B是用于描述本发明的第二实施方式的操作输入装置的操作的图。

图13A是例示本发明的第二实施方式的操作输入装置的接合单元的构造的示意性立体图。

图13B是例示本发明的第二实施方式的操作输入装置的接合单元的构造的示意性立体图。

图14A是例示本发明的第三实施方式的操作输入装置的接合单元的构造的部分示意性截面图。

图14B是例示本发明的第三实施方式的操作输入装置的接合单元的构造的部分示意性截面图。

具体实施方式

下文中，将参照附图描述本发明的实施方式。在附图中，即使在其他实施方式的情况下，相同或等同部件也由相同的附图标记来表示，并且这里将省略其描述。

第一实施方式

将描述本发明的第一实施方式的操作输入装置。

图1A是例示本发明的第一实施方式的操作输入装置的示例的示意性立体图。图1B是本发明的第一实施方式的操作输入装置的主要部件的立体图。

图2A和图2B是例示本发明的第一实施方式的操作输入装置的多关节臂的构造的示意性立体图。图3A是沿图2A中的箭头A的方向的视图。图3B是沿图3A中的箭头C的方向的视图。图4A是沿图2B中的箭头B的方向的视图。图4B是沿图4A中的箭头D的方向的视图。图5A是例示本发明的第一实施方式的操作输入装置的接合单元彼此接合的状态的示意性平面图。图5B是沿图5A中的箭头E的方向的视图。图6是例示本发明的第一实施方式的操作输入装置的控制单元的功能构造的功能框图。

作为示例，本实施方式的主操纵器1（操作输入装置）可以用作在主从型医疗操纵系统中执行从操纵器的操作的操作输入装置。这里，主从型医疗操纵系统是具有各包括多关节臂的主操纵器和从操纵器、通过运动主操纵器的多关节臂使从操纵器的多关节臂跟随主操纵器的多关节臂的运动从而远程控制从操纵器的系统。

如图1A和图1B所示，主操纵器1的示意性构造包括主体框2（保持单元）、显示单元4、多关节臂3R和3L（多关节臂3R，参照图1B）和主控制单元100（图1A和图1B未示出，参见图6）。

主体框2是将多关节臂3R和3L的各个近端保持在相互的相对位置关系固定的状态下的保持单元。在本实施方式中，主体框2具有大致矩形的板状并且沿水平方向以对角倾斜的方式固定在底面上所设置的直立部2a的上端上。

而且，在主体框2的中心部中，设置有显示单元4，该显示单元4显示利用相机（未示出）拍摄的从操纵器120的图像，使得操作者P可以监视从操纵器120（参见图6）运动的状态。

在图1A所示的显示单元4的显示画面4a上，显示多关节臂3R操作的从操纵器120R的图像和多关节臂3L操作的从操纵器120L的图像。

作为显示单元4的构造，例如，可以采用液晶面板、或CRT监视器等的构造。

如图1B所示，如果主体框2的设置有显示单元4的一侧是正面侧，则从正面侧看时，多关节臂3R的近端被固定到下端部的右侧。多关节臂3R的远端位于主体框2的正面侧。而且，从主体框2的正面看时，多关节臂3L的近端被固定到下端部的左侧。多关节臂3L的远端位于主体框2的正面侧。出于该原因，在多关节臂3R和3L的各个近端的固定位置中，主体框2上的各个位置坐标是已知的并且彼此水平分开恒定距离。

由于这样的排布，例如，操作者P能够在坐在主体框2前面的状态下，一边监视显示画面4a中的从操纵器120L和120R的运动，一边操作多关节臂3L和3R的远端。

多个多关节臂3R和3L具有串联的多个关节（该多个关节具有旋转自由度或平动自由度）并且被构造为使得可以改变远端相对于近端的位置和朝向。各个臂和关节的数量、构造和排布可以根据操作对象的操作输入信息的需要适当设置。然而，在本实施方式中，多关节臂3R用作右手的操作输入，并且多关节臂3L用作左手的操作输入。

在本实施方式中，作为示例，将描述从操纵器120R和120L各包括在其远端的夹钳以及夹钳的运动自由度是6自由度的多关节臂的情况的示例。

由此，在本实施方式中，多关节臂3R和3L除了在远端中把手彼此不同之外具有大致相同的构造。

如图2A所示，多关节臂3R的示意性构造从近端侧朝向远端侧包括第一关节5（关节）、臂6、第二关节7（关节）、臂8、第三关节9（关节）、L形臂10、第四关节11（关节）、L形臂12（臂）、第五关节13（关节）和右手操作臂14R（臂）。

第一关节5是包括旋转关节5a和直线驱动关节5b且自由度为2的关节。旋转关节5a具有绕固定到主体框2的旋转轴线O_5a转动的自由度并且沿与主体框2交叉的方向延伸。直线驱动关节5b具有沿着作为与旋转轴线O_5a垂直的轴线的直线驱动轴线O_5b的平动的自由度。

而且，虽然图2A未示出，但是第一关节5设置有检测单元E_5a和检测单元E_5b。检测单元E_5a检测表示旋转关节5a的旋转量的旋转角度（参见图6）。检测单元E_5b检测表示直线驱动关节5b的平动量的平动位移（参见图6）。

检测单元E_5a和E_5b电连接到主控制单元100，并且被构造为能够向主控制单元100发送旋转角度和平动位移的检测信号。

在本实施方式中，检测单元E_5a和E_5b都采用增量型编码器。出于该原因，在通电时，或者在合适时刻从主控制单元100发送复位信号时，旋转角度和平动位移可以各被复位为零。由此，检测单元E_5a（E_5b）的检测信号表示基于检测单元E_5a（E_5b）被复位时的关节的运动位置的旋转角度（平动位移）。

在本实施方式中，因为在复位时多关节臂3R和3L的各个关节中设置的关节坐标系的值是难以知道的，所以关节在复位时的运动位置与为了执行多关节臂3R和3L的运动学计算而按照各个关节中设置的关节坐标系所测量的值通常是不一致的。

下文中，按照关节坐标系测量复位时关节的运动位置所得的值被称作关节运动的初始值。

多关节臂3R的旋转关节5a相对于主体框2的固定位置限定了多关节臂3R的近端的固定位置。

臂6是被构造为通过直线驱动关节5b可直线运动的棒状部件。臂6与直线驱动轴线O_5b同轴设置。臂6的一端连接到直线驱动关节5b。而且，臂6的另一端固定到第二关节7。

由此，当直线驱动关节5b直线运动时，臂6沿着直线驱动轴线O_5b前进或后退，并且第二关节7随着臂6的前进和后退而平动。

第二关节7是具有沿着直线驱动轴线O₇的平动自由度且自由度为1的直线驱动关节。直线驱动轴线O₇是与直线驱动轴线O_5b交叉的轴线。

而且，虽然图2A中未示出，但是第二关节7设置有检测表示第二关节7的平动量的平动位移的检测单元E₇（参见图6）。

检测单元E₇电连接到主控制单元100，并且被构造为使得能够向主控制单元100发送平动位移的检测信号。

在本实施方式中，检测单元E₇采用与检测单元E_5b相同的增量型编码器。

臂8是被构造为通过第二关节7可直线运动的棒状部件。臂8与直线驱动轴线O₇同轴设置。臂8的一端连接到第二关节7。而且，臂8的另一端被固定到第三关节9。

由此，当使第二关节7直线运动时，臂8沿着直线驱动轴线O₇前进或后退，并且第三关节9随着臂8的前进和后退而平动。

第三关节9是具有绕旋转轴线O₉转动的自由度且自由度为1的旋转关节。旋转轴线O₉是与直线驱动轴线O₇和旋转轴线O_5a垂直的轴线。

而且，虽然图2A未示出，但是第三关节9设置有检测表示第三关节9的旋转量的旋转角度的检测单元E₉（参见图6）。

检测单元E₉电连接到主控制单元100，并且被构造为使得可以向主控制单元100发送旋转角度的检测信号。

在本实施方式中，检测单元E₉采用与检测单元E_5a相同的增量型编码器。

L形臂10是由直臂部10a和直臂部10b形成的L形臂部件。直臂部10a的一端连接到第三关节9并且沿与旋转轴线O₉垂直的方向延伸。直臂部10b在沿着旋转轴线O₉的方向上从直臂部10a的另一端延伸。

在本实施方式中，直臂部10b从直臂部10a延伸到设置有多关节臂3L的一侧。第四关节11连接到直臂部10b的远端。

由此，当第三关节9转动时，L形臂10绕旋转轴线O₉转动，并且第四关节11随着L形臂10的旋转运动而旋转运动。

第四关节11是具有绕旋转轴线O₁₁转动的自由度且自由度为1的旋转关节。旋转轴线O₁₁是与直臂部10b和旋转轴线O₉垂直的轴线。

而且，虽然图2A中未示出，但是第四关节11设置有检测表示第四关节11的旋转量的旋转角度的检测单元E₁₁（参见图6）。

检测单元E₁₁电连接到主控制单元100，并且被构造为使得检测单元E₁₁可以向主控制单元100发送旋转角度的检测信号。

在本实施方式中，检测单元E₁₁采用与检测单元E_5a相同的增量型编码器。

L形臂12是由直臂部12a和直臂部12b形成的L形臂部件。直臂部12a的一端连接到第四关节11并且沿与旋转轴线O₁₁垂直的方向延伸。直臂部12b在沿着旋转轴线O₁₁的方向上从直臂部12a的另一端延伸。

而且，直臂部12a的长度比L形臂10的直臂部10b的长度短。而且，直臂部12a与直臂部10b（L形臂10的直臂部10b）的连接位置与直臂部10a的延伸方向（与旋转轴线O₉垂直的方向）在同一方向侧。

而且，直臂部12b的延伸方向与L形臂10的直臂部10a的延伸方向相同，并且第五关节13连接到直臂部12b沿延伸方向的远端。

由此，L形臂12可以在不干扰L形臂10的情况下，绕旋转轴线O₁₁自由旋转运动。出于该原因，第五关节13随着L形臂12的旋转运动而旋转运动。

第五关节13是具有绕旋转轴线O₁₃转动的自由度且自由度为1的关节。旋转轴线O₁₃是与直臂部12b和旋转轴线O₁₁垂直的轴线。而且，虽然图2A中未示出，但是第五关节13设置有检测表示第五关节13的旋转量的旋转角度的检测单元E₁₃（参见图6）。

检测单元E₁₃电连接到主控制单元100，并且被构造为使得检测单元E₁₃可以向主控制单元100发送旋转角度的检测信号。

在本实施方式中，检测单元E₁₃采用与检测单元E_5a相同的增量型编码器。

右手操作臂14R包括直臂部14a、直臂部14b、抓握单元14c和握持操作单元15。直臂部14a的一端连接到第五关节13并且沿与旋转轴线O₁₃垂直的方向延伸。直臂部14b在沿着旋转轴线O₁₃的方向上且在与L形臂部12的直臂部12a相同的方向上从直臂部14a的另一端延伸。抓握单元14c沿与直臂部14a相同的方向从直臂部14b的与直臂部14a所连接的端部相对的端部延伸。握持操作单元15被设置为从抓握单元14c面向直臂部14a的侧面14d向直臂部14a侧突出。

另外，当第一关节5侧被限定为多关节臂3R的近端时，右手操作臂14R被限定为多关节臂3R的远端。

抓握单元14c的形状可以包括右手H_R容易从直臂部14b延伸的侧面14d的对侧的侧面进行抓握的合适三维形状。在本实施方式中，抓握单元14c被形成厚度与直臂部14a和14b的宽度大致相同的大致板状。

下文中，在与侧面14d相邻的厚度方向的侧面中，当抓握抓握单元14c时右手H_R的大拇指所处的侧面被称作侧面14f。侧面14f的对侧的侧面被称作侧面14g。

在右手操作臂14R中，直臂部14a的长度比L形臂12的直臂部12b的长度短。同时，直臂部14a和第五关节13在与直臂部12a的延伸方向相同的方向侧连接到L形臂12的直臂部12b。

而且，右手操作臂14R在沿着旋转轴线O₁₃的方向上的长度比直臂部12a和10b的长度之和短。而且，右手操作臂14R的抓握单元14c的沿与旋转轴线O₁₃垂直的方向的长度比直臂部14a的长度的两倍短。

凭借这样的构造，右手操作臂14R可以在不干扰L形臂12的情况下，沿着旋转轴线O₁₃自由旋转运动。而且，当右手操作臂14R与L形臂12一起沿着旋转轴线O₁₁旋转运动时，与L形臂12一样，右手操作臂14R也可以在不干扰L形臂10的情况下自由旋转运动。

在抓握单元14c沿延伸方向的远端中的远端面14e设置有接合单元19R。接合单元19R与后面要描述的多关节臂3L的左手操作臂14L接合，使得相对位置固定。

虽然只要相对位置能够固定就对接合单元19R的形状没有特别限定，但是在本实施方式中，如图3A和图3B所示，接合单元19R包括凹部15R和凸部16R。

凹部15R形成沟槽，该沟槽具有沿厚度方向在抓握单元14c的侧面14f与14g之间贯通的矩形截面。凹部15R形成对于远端面14e的凹部。

凸部16R沿厚度方向在抓握单元14c的侧面14f与14g之间贯通。凸部16R是靠近凹部15R的侧面14d设置、具有矩形截面的突起部。凸部16R形成对于远端面14e的凸部。

如图3B所示，从远端面14e的法线方向观看，凸部16R的形状整体是大致矩形。然而，凸部16R的形状被构造为使得在矩形形状中，作为矩形形状的角部被轻微切去。与远端面14e相同高度形成的凹口部16a形成在与侧面14g相邻并且是凹部15R的相反侧的一个角。

出于该原因，由于凸部16R的凹口部16a，在侧面14g的附近、从侧面14g到侧面14f的途中形成台阶部16b。

而且，在本实施方式中，接合传感器18R设置在凸部16R的背里侧的抓握单元14c中。接合传感器18R检测与下面要提到的接合单元19L的接合状态。

当结合接合传感器18L可以检测到接合状态时，接触型或非接触型的合适检测传感器可以被采用为接合传感器18R的构造。作为接触型检测传感器，可以采用压力传感器、检测电气导通的传感器、触点型开关等。而且，作为非接触型检测传感器，可以采用光传感器、电容检测传感器、磁检测传感器、陀螺传感器等。

而且，接合传感器18R和18L中的任何一个可以是有源传感器，而其中的另一个可以是无源传感器或检测对象介质。例如，当接合传感器18R和18L中的一个是光传感器时，其中的另一个可以采用能够利用光传感器来检测位置的检测标记，作为检测对象介质。

而且，操作者可以在不将传感器设置在接合单元中的情况下可视地确认接合，并且接合信号可以借助于主控制单元接口（未示出）输入到接合检测单元102。

在本实施方式中，作为接合传感器18R，采用触点型开关。

而且，接合传感器18R电连接到主控制单元100并且被构造为使得接合传感器18R可以在检测到预定接合状态时向主控制单元100发送检测信号（参见图6）。

握持操作单元15是执行从操纵器120R的夹钳的开闭操作的操作输入的部件。在本实施方式中，例如，握持操作单元15被设置为使得在用右手H_R的中指、无名指和小指抓握抓握单元14c时可以用大拇指和食指按压握持操作单元15。握持操作单元15包括可以用角度检测单元（未示出）来检测相互打开角度的操作杆15a和15b。

握持操作单元15电连接到主控制单元100，并且被构造为使得握持操作单元15可以向主控制单元100发送利用角度检测所检测到的打开角度的检测信号（参见图6）。

多关节臂3L的示意性构造与多关节臂3R的示意性构造大致相同。如图2B所示，多关节臂3L从近端侧到远端侧包括第一关节5、臂6、第二关节7、臂8、第三关节9、L形臂10、第四关节11、L形臂12、第五关节13和左手操作臂14L（臂）。

下文中，描述将集中在与多关节臂3R的不同点。

多关节臂3L的第一关节5具有与多关节臂3R的第一关节5相同的构造。多关节臂3L的第一关节5的不同在于旋转关节5a在主体框2的下端部中被固定在与多关节臂3R的旋转关节5a水平分开固定距离的位置处。

多关节臂3L的第一关节5中的旋转关节5a到主体框2的固定位置限定了多关节臂3L的近端的固定位置。

与多关节臂3R的情况相同，多关节臂3L的检测单元E_5a和E_5b电连接到主控制单元100并且被构造为使得检测单元E_5a和E_5b各可以向主控制单元100发送旋转角度和平动位移的检测信号（参见图6）。

多关节臂3L的臂6是与多关节臂3R的臂6相同的部件。多关节臂3L的臂6连接到直线驱动关节5b和第二关节7。

多关节臂3L的第二关节7具有与多关节臂3R的第二关节7相同的构造。与多关节臂3R的情况相同，在多关节臂3L的第二关节7中，检测单元E₇电连接到主控制单元100并且被构造为使得检测单元E₇可以向主控制单元100发送平动位移的检测信号（参见图6）。

多关节臂3L的臂8是与多关节臂3R的臂8相同的部件。多关节臂3L的臂8连接到第二关节7和第三关节9。

多关节臂3L的第三关节9具有与多关节臂3R的第三关节9相同的构造。与多关节臂3R的情况相同，在多关节臂3L的第三关节9中，检测单元E₉电连接到主控制单元100并且被构造为使得检测单元E₉可以向主控制单元100发送旋转角度的检测信号（参见图6）。

多关节臂3L的L形臂10是与多关节臂3R的L形臂10相同的部件。多关节臂3L的L形臂10连接到第三关节9和第四关节11。

然而，多关节臂3L的L形臂10的直臂部10b从直臂部10a延伸到设置有多关节臂3R的一侧。多关节臂3L的L形臂10的不同在于第四关节11连接到多关节臂3L的L形臂10的直臂部10b的远端。

多关节臂3L的第四关节11具有与多关节臂3R的第四关节11相同的构造。与多关节臂3R的情况相同，在多关节臂3L的第四关节11中，检测单元E₁₁电连接到主控制单元100并且被构造为使得检测单元E₁₁可以向主控制单元100发送旋转角度的检测信号（参见图6）。

多关节臂3L的L形臂12是与多关节臂3R的L形臂12相同的部件。多关节臂3L的L形臂12连接到第四关节11和第五关节13。

多关节臂3L的第五关节13具有与多关节臂3R的第五关节13相同的构造。与多关节臂3R的情况相同，在多关节臂3L的第五关节13中，检测单元E₁₃电连接到主控制单元100并且被构造为使得检测单元E₁₃可以向主控制单元00发送旋转角度的检测信号（参见图6）。

左手操作臂14L是与多关节臂3R的右手操作臂14R大致相同的部件。左手操作臂14L连接到第五关节13。而且，左手操作臂14L是当第一关节5是多关节臂3L的近端时构成多关节臂3L的远端的部件。

左手操作臂14L与右手操作臂14R的区别在于设置有接合单元19L，代替抓握单元14c的接合单元19R。

而且，左手操作臂14L的抓握单元14c的形状与右手操作臂14R的抓握单元14c的形状的区别在于左手操作臂14L的抓握单元14c包括左手H_L容易在直臂部14b延伸的侧面14d的对侧的侧面进行抓握的合适三维形状。在本实施方式中，抓握单元14c形成为厚度与直臂部14a和14b的宽度大致相同的大致板状，并且左手操作臂14L通过侧面14f和14g的替换被构造为与右手操作臂14R面对称的形状。

接合单元19L是用于进行接合使得与多关节臂3R的右手操作臂14R的相对位置固定的部件。接合单元19L设置在左手操作臂14L的远端面14e上。

接合单元19L的形状具有与接合单元19R接合的凹凸部。在本实施方式中，如图4A和图4B所示，包括凸部15L和凹部16L。

凸部15L是在将左手操作臂14L的远端面14e与右手操作臂14R的远端面14e紧密接触的状态下，与凹部15R接合的凸部。凸部15L形成突起部，该突起部具有沿厚度方向在抓握单元14c的侧面14f与14g之间贯通的矩形截面。

凹部16L是在将左手操作臂14L的远端面14e与右手操作臂14R的远端面14e紧密接触的状态下，与凸部16R接合的凹部。凹部16L沿厚度方向在侧面14f与14g之间贯通。凹部16L是靠近凸部15L的侧面14d设置、具有矩形截面的槽部。

如图4B所示，从远端面14e沿法线方向看到时，凹部16L的形状是被嵌合到凸部16R中的形状。即，凹部16L的形状整体是大致矩形。在凹部16L的角部（如矩形）中，在与远端面14e相同高度由稍突出到沟槽中的矩形突起部形成的突起部17形成在与侧面14g相邻的凸部15L的相对侧的一个角中。

出于该原因，通过凹部16L的突起部17，在侧面14g的附近从侧面14f到侧面14g的途中形成台阶部17a。

而且，在本实施方式中，接合传感器18L设置在凹部16L的对侧的抓握单元14c中。接合传感器18L检测与接合单元19R的接合状态。

当可以结合接合传感器18R检测接合状态时，与接合传感器18R类似的接触型或非接触型的合适检测传感器可以用作接合传感器18L。例如，当接合传感器18R是有源传感器时，如上所述，接合传感器18L可以是无源传感器或检测对象介质。

在本实施方式中，采用检测对象介质作为接合传感器18L。

而且，接合传感器18L电连接到主控制单元100并且被构造为使得接合传感器18L可以在检测到预定接合状态时向主控制单元100发送检测信号（参见图6）。

凭借接合单元19R和19L的构造，凹部15R和凸部15L彼此面对，使得右手操作臂14R和左手操作臂14L各个的侧面14f面向相同的方向，并且各个的远端面14e彼此匹配，使得凸部16R和凹部16L彼此面对。结果，如图5A和图5B所示，可以形成各个远端面14e彼此紧密接触的接合状态，并且各个侧面14f和各个侧面14g彼此排列。

此时，凭借凹部15R与凸部15L之间的接合以及凸部16R与凹部16L之间的接合，与各个抓握单元14c的厚度方向垂直并且沿着各个远端面14e的相对位置固定。

而且，凭借凸部16R中的台阶部16b与突起部17中的台阶部17a之间的接合，各个抓握单元14c沿厚度方向的相对位置固定。

即，根据接合单元19R和19L，右手操作臂14R的远端面14e和左手操作臂14L的远端面14e在沿面内的位置固定的状态下彼此紧密接触。右手操作臂14R与左手操作臂14L之间的相对运动的自由度被设置为使得固定总共6个自由度。

此时，在本实施方式中，因为接合传感器18R和18L被放置为在彼此面对的位置处彼此接触，所以接合传感器18R和18L检测到稳定的接合状态。

多关节臂3L的握持操作单元15是执行从操纵器120L的夹钳的开闭操作的操作输入并且是与多关节臂3R的握持操作单元15相同的部件。然而，左手操作臂14L的不同在于：如侧面14f与14g之间的位置关系一样，操作杆15a和15b的位置相反，以便用左手H_L抓握抓握单元14c。

出于该原因，例如，操作者的大拇指和食指可以在用左手H_L的中指、无名指和小拇指抓握抓握单元14c时各按压操作杆15a和15b的情况与右手操作臂14R的情况相同。

而且，与多关节臂3R的情况相同，左手操作臂14L的握持操作单元15电连接到主控制单元00并且被构造为使得左手操作臂14L的握持操作单元15可以向主控制单元100发送利用角度检测单元检测到的打开角度的检测信号（参见图6）。

下面，将参照图6描述主控制单元100的构造。

主控制单元100的功能构造包括数据获取单元101、接合检测单元102、初始值计算单元103、存储单元104和输入数据生成部105。

数据获取单元101按照时间序列获取多关节臂3R和3L的各个检测单元E_5a、E_5b、E₇、E₉、E₁₁和E₁₃检测到的关节运动量（下文中，各简称为关节运动量）。数据获取单元101电连接到各个检测单元E_5a、E_5b、E₇、E₉、E₁₁和E₁₃、接合检测单元102、初始值计算单元103和输入数据生成部105。这里，关节运动量指的是检测单元检测到的旋转角度或平动位移。

主控制单元100包括初始化模式和操作模式，并且数据获取单元101的关节运动量的发送地点根据模式而不同。在初始化模式，主控制单元100计算在对于从操纵器120的操作输入之前多关节臂3R和3L的关节运动量的初始值。在操作模式下，主控制单元100基于在完成初始化模式之后多关节臂3R和3L的关节运动量，来生成用于操作从操纵器120的输入数据。

在本实施方式中，当接合检测单元102通知数据获取单元101借助于接合单元19R和19L在充当多关节臂3R的远端的右手操作臂14R与充当多关节臂3L的远端的左手操作臂14L之间接合时，初始化模式开始。

在初始化模式中，当按照时间序列获取多组各关节运动量时，数据获取单元101向初始值计算单元103发送多组关节运动量。

当如下面提到的完成初始化时，通过从初始值计算单元103接收控制信号的发送，来设置操作模式。

在操作模式中，当按照时间序列获取各个关节运动量时，数据获取单元101向输入数据生成部105顺序发送关节运动量。

接合检测单元102获取接合传感器18R和18L的检测信号并且确定接合单元19R和19L的接合状态。当确定出设置有预定接合状态时，接合检测单元102通知数据获取单元101接合完成，将数据获取单元101设置为初始化模式，并且显示显示单元4的接合完成的消息。

而且，当未完成接合时，接合检测单元102在显示单元4上显示接合未完成的消息。

出于该原因，在本实施方式中，接合检测单元102电连接到接合传感器18R和18L、数据获取单元101和显示单元4。

初始值计算单元103基于数据获取单元101按照时间序列获取的关节运动量，在右手操作臂14R与左手操作臂14L之间的相对位置关系借助于接合单元19R和19L固定的条件下，计算各个检测单元E_5a、E_5b、E₇、E₉、E₁₁和E₁₃中的关节运动的初始值。

出于该原因，初始值计算单元103电连接到数据获取单元101。而且，初始值计算单元103电连接到存储单元104和显示单元4。初始值计算单元103被构造为使得其可以向存储单元104发送并存储计算得的初始值，或者使得其可以在计算处理过程中发生出错时在显示单元4上显示出错消息。

将在下面提到的主控制单元100的运动描述中描述初始值计算单元103中关节运动的初始值的计算方法。

存储单元104电连接到初始值计算单元103和输入数据生成部105，并且存储从初始值计算单元103发送的关节运动的初始值，并且输入数据生成部105被构造为使得其可以在需要时读取初始值。

输入数据生成部105基于多关节臂3R的右手操作臂14R和多关节臂3L的左手操作臂14L的位置和朝向以及利用对各个握持操作单元15执行的操作的操作量，生成输入数据，该输入数据包括从操纵器120L和120R的夹钳的位置和朝向的控制目标值以及控制夹钳的开闭操作的控制目标值。

输入数据生成部105电连接到数据获取单元101、存储单元104和执行从操纵器120R和120L的操作控制的从控制单元110。

输入数据生成部105被构造为使得其可以根据预定操作灵敏度执行从各个握持操作单元15发送的操作量的可变放大，并且将操作量转换为夹钳的开闭量的控制目标值。

而且，输入数据生成部105基于存储单元104中存储的初始值，将从数据获取单元101发送的各个关节运动量转换为关节坐标系上的关节运动量。输入数据生成部105被构造为使得其可以根据转换后的关节运动量，计算从操纵器120L和120R的夹钳的位置和朝向的控制目标值。

主控制单元100包括具有CPU、存储器、输入输出接口和外部存储装置等的计算机。由此，执行合适程序，其执行与上面提到的各个功能对应的控制和计算处理。

下面，将基于本实施方式的操作输入装置的初始化方法来描述主操纵器1的操作。

图7是例示本发明的第一实施方式的操作输入装置的初始化方法的流程图。图8A和图8B是用于描述本发明的第一实施方式的操作输入装置的初始化方法的接合处理的操作的图。图9A和图9B是用于描述本发明的第一实施方式的操作输入装置的初始化方法的数据获取处理的操作的图。

在主操纵器1中，增量型编码器用作所有的检测单元E_5a、E_5b、E₇、E₉、E₁₁和E₁₃。出于该原因，从检测单元E_5a、E_5b、E₇、E₉、E₁₁和E₁₃输出的关节运动量是基于复位时关节操作的未知初始值的。出于该原因，需要执行用于将获取的关节运动量转换为关节坐标系上的数值的初始化操作。

本实施方式的操作输入装置的初始化方法包括顺序执行保持处理、接合处理、数据获取处理和初始值计算处理。

图7所示的流程图例示了操作者P利用本实施方式的主操纵器1执行的操作输入装置的初始化方法的流程。

另外，在本实施方式的初始化方法中，除了主操纵器1执行的操作之外，存在由人对主操纵器1执行的操作。人进行的操作可以由任何人执行，并且人可以是与初始化之后执行主操纵器1的操作输入的操作者P不同的其他人。下文中，执行初始化操作的人也称作操作者P。

保持处理包括将多关节臂3R和3L的近端保持为相互的相对位置关系固定的状态。

在本实施方式中，因为充当多关节臂3R和3L的近端的各个旋转关节5a被固定在主体框2的预定位置，所以在组装主操纵器1时执行保持处理。出于该原因，操作者P不需要执行保持处理。出于该原因，在图7的流程图中，省略与保持处理对应的步骤。

各个旋转关节5a的固定位置存储在主控制单元100的存储单元104中，作为各个多关节臂3R和3L中设置的关节坐标系的坐标值。

然而，主操纵器1可以具有操作者P可以改变多关节臂3R和3L的近端在主体框2上的固定位置的构造。在这种情况下，需要在图7的步骤S1之前执行保持处理。即，操作者P改变多关节臂3R和3L的近端的固定位置，并且更新存储单元104中存储的固定位置。

当完成保持处理时，执行接合处理。在接合处理中，充当多关节臂3R的远端的右手操作臂14R与充当多关节臂3L的远端的左手操作臂14L接合，使得它们之间的相对位置固定。

在本实施方式中，步骤S1和S2构成接合处理。

在步骤S1中，操作者P使右手操作臂14R与左手操作臂14L借助于接合单元19R和19L接合。

例如，如图8A所示，右手操作臂14R和左手操作臂14L被水平放置，使得各个侧面14f面朝上，并且按照朝向各个远端面14e彼此面对的方向接合单元19R和19L彼此接合的位置关系来调节相互的相对位置。

在本实施方式的情况下，如图5A所示，各个远端面14e彼此面对面地紧密接触，使得凹部15R面向凸部15L并且凸部16R面向凹部16L。

而且，如图8B所示，调整右手操作臂14R和左手操作臂14L之间沿厚度方向的相对位置，并且如图5B所示，台阶部16b与台阶部17a紧密接触。

由此，限制右手操作臂14R与左手操作臂14L之间的平行运动和旋转运动。

这样，完成步骤S1。

步骤S2是确定是否获得接合状态的步骤。

在本实施方式中，利用接合检测单元102获取来自接合传感器18R和18L的检测信号并且确定接合单元19R和19L的接合状态。

接合检测单元102在接合传感器18R和18L的所有检测信号表示接合状态在预定接合状态的允许范围内的情况下，确定接合完成。此时，接合检测单元102将确定结果通知数据获取单元101，并且在显示单元4上显示接合完成的消息。

当数据获取单元101被通知接合完成时，将数据获取单元101设置为初始化模式。当确定出该处理未导致接合完成时，在显示单元4上显示接合未完成的消息。

操作者P通过在看到显示单元4的显示之后在接合未完成的情况下微调接合单元19R与19L之间的接合、再次尝试接合等，重复步骤S1，直到确定出接合完成为止。

这样，完成步骤S2。

下面，执行数据获取处理。数据获取处理包括在使相互接合的右手操作臂14R和左手操作臂14L运动的同时，从相互接合的多关节臂3R和3L的各个关节中设置的各个检测单元E_5a、E_5b、E₇、E₉、E₁₁和E₁₃，按照时间序列获取多组关节运动量。在本实施方式中，步骤S3至S7构成数据获取处理。

步骤S3是操作者P保持右手操作臂14R与左手操作臂14L之间的接合，以适当运动多关节臂3R和3L的步骤。

在完成接合处理之后，如图9A中示意性所示，因为各个旋转关节5a被固定到主体框2，所以多关节臂3R和3L构成闭合链接环。

在完成接合处理之后，数据获取单元101立即向各个检测单元E_5a、E_5b、E₇、E₉、E₁₁和E₁₃发送复位信号。由此，各个检测单元E_5a、E_5b、E₇、E₉、E₁₁和E₁₃的所有关节运动量被复位为0。

在该状态下，操作者P用手握住右手操作臂14R和左手操作臂14L，适当将它们彼此接合并且运动臂。由此，如图9B中实线示意性所示，多关节臂3R和3L的各个关节和各个臂在各自的可运动范围内运动。

接着，在步骤S4中，利用数据获取单元101按照时间序列从各个检测单元E_5a、E_5b、E₇、E₉、E₁₁和E₁₃获取关节运动量。各个获取的关节运动量存储在数据获取单元101中。获取关节运动量的时间间隔被设置为恒定值，例如，0.5秒。

下文中，复位信号的发送时刻被设置为t=0，并且在时刻t利用各个检测单元E_5a、E_5b、E₇、E₉、E₁₁和E₁₃获得的关节运动量表示为e_Rj（t）和e_Lj（t）（这里，j=1,…,6）。

然而，因为如上所述执行复位，所以以下方程（1a）和（1b）成立：

e_jl(0)＝0(j＝1，...，6)...(1a)

e_Lj(0)=0(j=1，…，6)…（1b）

另外，在本实施方式中，为了对联立方程进行求解，需要大于或等于未知数的获取组数。因为有十二个未知数（关节数），所以获取关节运动量，直到至少t=12为止。

这样，完成步骤S4。

这里，将描述附加字符的含义。除非具体限定字符，否则这样的附加字符在下面要提到的其他变量中也用作具有共同含义。

附加字符R表示与多关节臂3R连接。附加字符L表示与多关节臂3L连接。

附加字符j表示1、2、3、4、5和6分别与检测单元E_5a、E_5b、E₇、E₉、E₁₁和E₁₃连接。而且，附加字符j表示1、2、3、4、5和6与旋转关节5a、直线驱动关节5b、第二关节7、第三关节9、第四关节11和第五关节13连接。

下面，在步骤S5中，确定是否充分操作了接合单元。当仅接合单元的位置运动而其朝向未运动时，或者当仅存在相同模式的运动时，未实现精度。出于该原因，利用e_Rj（t）和e_Lj（t）（这里，j=1,…,6）求解运动学，以计算临时位置朝向。

区分临时位置朝向的每一时刻的变化，并且当变化不超过规定值时，处理运动到步骤S6。当充分改变临时位置朝向的值时，数据获取单元101向初始值计算单元103发送多组关节运动量，并且处理运动到步骤S8。由此，完成数据获取处理。

在步骤S6中，数据获取单元101确定是否存在关节运动量的变化非常小的关节。

即，数据获取单元101计算各个关节的关节运动量的变化宽度。当存在变化宽度小于规定容许范围的关节时，处理运动到步骤S7。

当不存在变化宽度小于容许范围的关节时，处理运动到步骤S3，并且重复步骤S3至S5。

在步骤S7中，数据获取单元101在显示单元4上显示警告消息，以运动具有小关节运动量的关节。

当完成步骤S7时，处理运动到步骤S3，并且重复步骤S3至步骤S6。

当存在关节运动量的变化非常小的关节时，关节变为初始值计算过程中计算出的未知数的误差增大的因素。

在本实施方式中，通过提供步骤S7，当操作者P执行了部分关节的关节运动量的变化非常小的运动方法时，操作者P可以通过显示单元4了解运动方法。由此，操作者P可以改进右手操作臂14R和左手操作臂14L的运动方法，由此可以提高初始化的精度。

在步骤S8和S9中，利用初始值计算单元103来执行初始值计算处理。

初始值计算处理包括基于在数据获取处理中按照时间序列获取的关节运动量，在右手操作臂14R与左手操作臂14L之间的相对位置关系经由接合而固定的条件下，计算未知初始关节值。

当利用关节坐标系由θ_Rj（t）、θ_Lj（t）（这里，j=1,…,6）来表示各个关节的操作时，以下方程（2a）和（2b）成立：

θ_Rj(t)=θ_Rj(0)+e_Rj(t)(j＝1，...，6)...(2a)

θ_Lj(t)=θ_Lj(0)+e_Lj(t)(j＝1，...，6)...(2b)

这里，θ_Rj（0）和θ_Lj（0）是在复位时各个关节的操作的初始值。θ_Rj（0）和θ_Lj（0）是不从各个检测单元提供的信息，由此是未知数。

通常，当设置有关节坐标系中的速度矢量v和角速度矢量ω的六维矢量（扭转）是ν时，ν与速度θ’（符号’表示时间微分）之间的关系可以利用基础雅可比（basicJacobian）矩阵J_B（θ）由以下方程（3）来表示：

v=J_e(θ)θ’...(3)

因为关节连杆（jointlink）以链的形式彼此连接并且靠近关节连杆的地方被限制，所以可以根据根来顺序计算各个关节的速度。因为关节连杆i的速度是由关节i添加的新项与连杆i-1的速度相加的速度，所以关节坐标{O_n}的速度v和角速度ω由以下方程（4）来表示（其中，n=6）：

$\left[\begin{array}{c}V\\ \mathrm{\ω}\end{array}\right]=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left[\begin{array}{c}{V}_i\\ {\mathrm{\ω}}_i\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{J}_{B1}& J_{B2}& ...& J_{\mathrm{Bn}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{{\mathrm{\θ}}_1}^{\′}\\ {{\mathrm{\θ}}_2}^{\′}\\ .\\ .\\ .\\ {{\mathrm{\θ}}_n}^{\′}\end{array}\right]...\left(4\right)$

当利用以下方程（5）、（6）和（7）来集合方程时，利用基础雅可比矩阵J_B（θ）由以下方程（8）来表示各个关节的速度、框{O_n}的速度以及角速度之间的关系：

$v=\left[\begin{array}{c}v\\ \mathrm{\ω}\end{array}\right]...\left(5\right)$

J_B(θ)=[J_B1J_B2...J_Bn]...(6>

${\mathrm{\θ}}^{\′}=\left[\begin{array}{c}{{\mathrm{\θ}}_1}^{\′}\\ {{\mathrm{\θ}}_2}^{\′}\\ .\\ .\\ .\\ {{\mathrm{\θ}}_n}^{\′}\end{array}\right]...\left(7\right)$

v=J_B(θ)θ'...(8)

同时，在右手操作臂14R和左手操作臂14L中，当相互接合点的扭转是ν_R和ν_L时，表示以下方程（9a）和（9b）。

这里，符号[6,1]表示6x1矩阵。下文中，[n,m]表示nxm矩阵（n和m是正整数）。

v_R[6，1]＝J_BR[6，6]θ_R'[6，1]...(9a)

v_L[6，1]＝J_BL[6，6]θ_L'[6，1]...(9b)

因为在右手操作臂14R与左手操作臂14L之间的相对位置关系通过接合而固定的条件下需要数据获取单元101获取的θ_R[6,1]和θ_L[6,1]，所以ν_R[6,1]等于ν_L[6,1]。出于该原因，需要的是以下方程（10）成立：

J_BR[6，6]θ_R’[6,1]＝J_BL[6,6]θ_L’[6,1]...(10)

通过对方程（10）进行求解，获得未知数θ_Rj（0）和θ_Lj（0）(j=l,…,6)。

在本实施方式中，残差f(θ_i)[6,l]被认为是以下方程（11）并且执行f(θ_i)[6,l]=0的收敛计算，以求得θ_i。

另外，在本实施方式中，每当在初始化开始之后执行步骤S8时，就更新存储步骤S8的执行次数的计数器。

f(θ_i)[6，1]＝J_BR[6，6]θ_R'[6，1]-J_BL[6，6]θ_L'[6，1]...(11)

θ_i＝[θ_R1(0)...θ_R6(0)θ_L1(0)...θ_L6(0)]...(12)

具体地，残差f(θ_i)[6,l]变为θ_i是未知数的联立方程。初始值计算单元103利用作为联立方程的近似法的迭代最小二乘技术，以公知顺序时刻计算θ_i。而且，将结果代入方程（11），计算残差f(θ_i)[6,l]，并且计算f(θ_i)[6,l]的模方（norm）。

这样，完成步骤S8。

接着，在步骤S9中，初始值计算单元103确定收敛计算是否是收敛的。即，初始值计算单元103在f(θ_i)[6,l]的范数的值小于预先设置的收敛判定值ε时，确定出完成收敛。

初始值计算单元103向存储单元104发送在完成收敛时计算出的θ_i，解除数据获取单元101的初始化模式，并且将数据获取单元101设置为操作模式。由此，完成初始化。

当完成初始化时，因为数据获取单元101被改变为操作模式，所以数据获取单元101获取的关节运动量被发送到输入数据生成部105。

输入数据生成部105利用方程（2a）和（2b）将存储单元104中存储的关节操作的初始值与从数据获取单元101发送的关节运动量相加，以生成θ_Rj（t）和θ_Lj（t）。

由此，决定多关节臂3R和3L的各个关节的位置和朝向。出于该原因，输入数据生成部105基于右手操作臂14R和左手操作臂14L的位置和朝向以及因于针对各个握持操作单元15完成的操作引起的操作量，生成输入数据并且向从控制单元110发送输入数据，该输入数据包括从操纵器120L和120R的夹钳的位置和朝向的控制目标值以及用于控制夹钳的开闭操作的控制目标值。

从控制单元110基于发送的输入数据来驱动从操纵器120R和120L。这样，利用主操纵器1进行的操作输入被发送到从操纵器120R和120L。

在步骤S10中，初始值计算单元103参照计数器将步骤S8的执行次数与规定的收敛计算规定次数进行比较，以确定未完成收敛的情况的处理。

当步骤S8的执行次数在收敛计算规定次数之内时，为了再一次执行数据获取处理和初始值计算处理，处理运动到步骤S3。

当步骤S8的执行次数超过收敛计算规定次数时，处理运动到步骤S11。

在步骤S11中，初始值计算单元103参照收敛计算中使用的关节运动量的时间序列变化，来确定是否存在关节运动量未变化的关节。

当到达步骤S11时，即使在存在关节运动量变化很小时执行警告之后执行数据获取处理，也无法在收敛计算规定次数之内完成收敛。当到达步骤S11时，很有可能的是，由于特定关节或检测单元的故障，关节未被操作或者无法获取反映关节操作的关节运动量。

当存在关节运动量未变化的关节时，因为很有可能是关节或检测单元发生故障，所以处理运动到步骤S12。

当不存在关节运动量无变化的关节时，虽然改变了关节运动量，但是因为关节运动量很有可能不正确并且关节无法被指定，所以处理运动到步骤S13。

在步骤S12中，初始值计算单元103指定关节运动量无变化的关节，显示大意是“关节可能发生故障”的消息（出错显示1），执行警告并且结束操作。

另外，警告方法不限于上面提到的警告消息，可以使用利用图像和光的闪烁的警告，并且可以通过语音或警告音来执行警告。

在步骤S13中，初始值计算单元103显示大意是“尽管不知道是哪个关节但是可能输出的关节运动量不正确”的消息（出错显示2），执行警告并且结束操作。另外，如在步骤S12中，警告方法不限于上面提到的警告消息，可以使用利用图像和光的闪烁的警告，并且可以执行利用声音（警告音）的警告。

由此，因为操作者P可以利用显示单元4的显示获得关于初始化的出错结束和故障的可能性的提示，所以可以基于各个出错显示来执行检修。

这样，根据本实施方式的主操纵器1，在设置于右手操作臂14R和左手操作臂14L中的接合单元19R和19L接合的状态下，使右手操作臂14R和左手操作臂14L运动，按照时间序列从各个关节的检测单元获取关节运动量，在右手操作臂14R与左手操作臂14L之间的相对位置关系借助于接合单元而固定的条件下计算未知初始关节值，可以执行初始化。出于该原因，可以在不在主操纵器1的操作范围内设置初始化时所使用的定位部件的情况下，执行初始化。

因此，由于主操纵器1的操作范围不受定位部件等的限制，所以可以在更大的空间中执行操作输入。而且，因为不存在由于对操作输入的范围的限制而伴随的对从操纵器120的操作范围的限制，所以也扩大了从操纵器120的操作范围。

而且，因为可以不设置定位部件，所以可以实现简单构造。

[第一变型例]

下面，将描述本实施方式的变型例（第一变型例）的操作输入装置。

图10是例示本发明的第一实施方式的变型例（第一变型例）的操作输入装置的主要部件的构造的示意性立体图。图11是在本发明的第一实施方式的变型例（第一变型例）的操作输入装置中使用的中间部件的平面图。

图10例示了本变型例的主操纵器1A（操作输入装置）的主要部件的构造。

第一实施方式的主操纵器1是接合单元19R和19L直接接合右手操作臂14R和左手操作臂14L以使相互的相对位置固定的情况的示例。然而，本变型例的主操纵器1A的不同在于接合单元被构造为经过保持接合对象的多关节臂与接合单元之间的距离恒定的中间部件20与接合对象的多关节臂的接合单元接合。

出于该原因，除了中间部件20之外的构造可以采用与主操纵器1中相同的构造。下文中，将主要描述与第一实施方式的不同点。

如图11所示，中间部件20是这样的部件：与右手操作臂14R和左手操作臂14L具有相同厚度的矩形板的对向端部侧面20a和20b各形成有接合单元21R和21L的部件。端部侧面20a与20b之间的距离被定义为L。

接合单元21R具有借助于第一实施方式中的接合单元19R、对于接合传感器18L的检测对象介质22R替代接合传感器18R的构造。

接合单元21L具有借助于第一实施方式中的接合单元19L、对于接合传感器18R的检测对象介质22L替代接合传感器18L的构造。

然而，右手操作臂14R和左手操作臂14L中的侧面14f和14g具有分别对应于中间部件20沿板厚度方向的侧面20f和20g（参见图10）的构造。

凭借这样的构造，类似于接合单元19L和19R，接合单元19L和接合单元21R可以彼此接合，并且可以由接合传感器18L来检测接合状态。

而且，类似于接合单元19L和19R，接合单元21L和接合单元19R可以彼此接合，并且可以由接合传感器18R来检测接合状态。

下面，将基于与第一实施方式的不同点来描述主操纵器1A的初始化方法。

可以根据图7的流程图以与第一实施方式的初始化方法大致相同的方式来执行本实施方式的主操纵器1A的初始化方法。

然而，方法的不同在于右手操作臂14R和左手操作臂14L在接合处理（步骤S1和S2）中借助于中间部件20彼此接合。

出于该原因，左手操作臂14L和右手操作臂14R借助于中间部件20沿远端面14e的法线方向在分开距离L的位置处彼此接合。

根据本变型例，如上述第一实施方式中一样，可以执行初始化。

在本变型例中，因为臂借助于中间部件20而彼此接合，所以即使在存在右手操作臂14R和左手操作臂14L难以直接接合的形状或存在虽然臂可以直接彼此接合但是操作者P难以用手握住并运动右手操作臂14R和左手操作臂14L的形状的情况下，通过适当设置中间部件20的形状，可以使臂容易地彼此接合或者可以在接合之后容易使臂运动。

而且，在本变型例中，因为通过在中间部件20中设置检测对象介质22R和22L，不需要从中间部件20执行对主控制单元100的接合完成的输出，所以简化了中间部件20的构造。

[第二实施方式]

将描述本发明的第二实施方式的操作输入装置。

图12A和图12B是例示本发明的第二实施方式的操作输入装置的主要部件的构造的示意性立体图和用于描述本发明的第二实施方式的操作输入装置的操作的图。图13A和图13B是例示本发明的第二实施方式的操作输入装置的接合单元的构造的示意性立体图。

在本实施方式的主操纵器1B（操作输入装置）中，如图12A示出的主要部件，省略了第一实施方式的主操纵器1的接合单元19R和19L，并且包括能够检测相对于关节坐标系的基准的绝对旋转角度的检测单元F₁₃（参见图6），来代替相应的检测单元E₁₃。主操纵器1B具有连接单元33R和33L以及接合单元36R和36L被添加于L形臂12的构造。

本实施方式的多关节臂3R（3L）的构造可以被划分为不需要初始化的右手操作臂14R（左手操作臂14L）和第五关节13、以及包括旋转关节5a、直线驱动关节5b、臂6、第二关节7、臂8、第三关节9、L形臂10、第四关节11和L形臂12并且需要初始化的多关节臂单元30R（30L）（多关节臂）。

下文中，将主要描述与第一实施方式的不同点。

连接单元33R是在右手操作臂14R的L形臂12的直臂部12b中，设置在面向直臂部14b的侧面的相反侧面的部件。如图13A所示，连接单元33R包括与旋转轴线O₁₃垂直的接触面33a。

而且，连接单元33L是在左手操作臂14L的L形臂12的直臂部12b中，设置在面向直臂部14b的侧面的相反侧面的部件。如图13B所示，连接单元33L包括与旋转轴线O₁₃垂直的接触面33a。

在连接单元33R的接触面33a上设置有接合单元36R，当接触面33a与连接单元33L的接触面33a接触时，该接合单元36R使连接单元33R与连接单元33L之间的相对位置关系固定。

而且，在连接单元33L的接触面33a上设置有接合单元36R，当接触面33a与连接单元33R的接触面33a接触时，接合单元36R使连接单元33L与连接单元33R之间的相对位置关系固定。

在本实施方式中，作为示例，接合单元36R和36L的位置设置在旋转轴线O₁₃上。

这样，接合单元36R（36L）设置在与多关节臂单元30R（30L）的远端对应的直臂部12b的连接单元33R（33L）中。

接合单元36R包括：半圆形突起部34，该半圆形突起部34从接触面33a在沿着旋转轴线O₁₃的方向上突出并且利用旋转轴线O₁₃作为中心轴线；以及半圆形孔部35，该半圆形孔部35与突起部34相邻、从接触面33a在沿着旋转轴线O₁₃的方向上凹陷并且利用旋转轴线O₁₃作为中心轴线。而且，突起部34的外径与孔部35的内径相同，并且突起部34的突出高度比孔部35的深度小。

而且，在突起部34与孔部35之间的边界上，作为沿着直臂部12b的纵向和旋转轴线O₁₃的平面的接合面34a从突起部34的远端延伸到孔部35的下表面。

接合单元36L在连接单元33L的接触面33a上设置有形状和位置与接合单元36R的相同的突起部34和孔部35。

凭借接合单元36R和36L的构造，当各个接触面33a彼此面对，并且接合单元36R和36L的各个突起部34在相互接合面34a匹配的状态下插入到各个对应孔部35中时，各个接触面33a可以彼此接合，以便彼此紧密接触。

在接合单元36R和36L附近，在接合状态下彼此面对的位置处设置有与第一实施方式相同的接合传感器18R和18L。

出于该原因，接合传感器18R和18L可以检测接合状态。

根据本实施方式的主操纵器1B，因为与在第一实施方式一样，在多关节臂单元30R和30L的各个关节中使增量型编码器，所以需要初始化。

可以以与上述第一实施方式的初始化方法大致相同的方式，根据图7的流程图执行本实施方式的操纵器1B的初始化方法。

然而，该方法的不同在于对多关节臂单元30R和30L进行初始化，并且在接合处理中，设置在多关节臂单元30R和30L的远端的接合单元36R和36L彼此接合（步骤S1和S2）。

下文中，将主要描述与第一实施方式的不同点。

如图12A所示，在本实施方式的接合处理中，连接单元33R和33L以相互接触面33a与接合单元36R和36L彼此面对的位置关系来保持右手操作臂14R和左手操作臂14L，对臂进行定位使得各个旋转轴线O₁₃同轴，使接触面33a彼此紧密接触，并且使接合单元36R和36L接合。由此，如图12B所示，实现了接合状态。

在接合状态下，因为接合传感器18R和18L彼此面对并且彼此紧密接触，所以可以检测到接合。

此时，在本实施方式中，不需要具体定位各个第五关节13的位置。

本实施方式的接合单元36R和36L仅通过在沿着旋转轴线O₁₃的方向上的运动就能够执行接合和脱离，由此便于接合和分离作业。而且，容易保持接合状态。

在数据获取处理中，本实施方式的不同之处在于：在步骤S3中，在L形臂12处于相互接合状态下，使多关节臂单元30R和30L运动。

而且，本实施方式的不同之处在于：在步骤S4中需要各个检测单元E_5a、S_5b、E₇、E₉和E₁₁的关节运动量。

在初始值计算处理中，附加字符j在各个方程中是1至5，仅矩阵的具体形式不同，并且可以通过大致相同的收敛计算来计算初始值。

这样，本实施方式与上述第一实施方式大致相同，并且可以执行多关节臂单元30R和30L的初始化。

本实施方式是这样的示例：虽然需要初始化多关节臂，但是在多关节臂的一部分中，接合单元可以设置在需要初始化的多关节臂部的远端中。

[第三实施方式]

将描述本发明的第三实施方式的操作输入装置。

图14A和图14B是例示本发明的第三实施方式的操作输入装置的接合单元的构造的示意性部分截面图。

图14A示出的主要部件，本实施方式的主操纵器1C（操作输入装置）包括接合单元41R和41L，而不是上述第一实施方式的主操纵器1的接合单元19R和19L。下文中，将主要描述与第一实施方式的不同点。

接合单元41R在右手操作臂14R的远端面14e中形成的突起的远端中形成半球形凹部。

接合单元41L形成与接合单元41R的凹部具有相同直径的球体。接合单元41L包括在以直立状态设置在左手操作臂14L的远端面14e上的支撑部件42的远端中。

出于该原因，如图14B所示，当将接合单元41L插入并接合到接合单元41R时，接合单元彼此接合，以在接合单元41R的凹部的中心Q_R与接合单元41R的球心O_L一致的状态下绕中心Q_R和Q_L可转动。

在本实施方式中，接合是简单的，并且可以容易地保持操作者P用手握住臂的接合状态。而且，即使在操作者P运动接合状态的右手操作臂14R和左手操作臂14L时，因为接合时的朝向公差大，所以在运动时不太可能使右手操作臂14R和左手操作臂14L分离。出于该原因，在本实施方式中，省略接合传感器。

可以根据图7的流程图以与第一实施方式的初始化方法大致相同的方式来执行本实施方式的主操纵器1C的初始化方法。

然而，本实施方式的不同之处在于：相对位置固定，使得接合单元41R和41L可以在接合时绕与右手操作臂14R上的一个点（中心Q_R）和左手操作臂14L上的一个点（中心Q_L）一致的一个点转动。

下文中，将主要描述与上述第一实施方式的不同点。

如图14A所示，在本实施方式的接合处理中，接合单元41R和41L彼此接合。操作者P将右手操作臂14R和左手操作臂14L保持在接合单元41R和41L附近，使得接合单元41L不与接合单元41R分开。

而且，在本实施方式中，因为不设置接合传感器，所以合适的输入装置设置在主控制单元100中，并且操作者P在步骤S2中通知接合检测单元102完成了接合。

可以以与上述第一实施方式相同的方式来执行数据获取处理。

在本实施方式中，因为接合状态下的右手操作臂14R和左手操作臂14L的朝向变化存在自由度，所以通过适当添加绕中心Q_R和Q_L的转动，可以改变关节运动量。

在初始值计算处理中，因为仅中心Q_R和Q_L的相对位置是固定的，所以采用仅位置坐标(X_R,Y_R,Z_R),(X_L,Y_L,Z_L)彼此一致的条件。由此，本实施方式的不同之处在于：方程（10）的方程数是上述第一实施方式的一半。

然而，在本实施方式中，因为用迭代最小二乘技术来对联立方程进行近似求解，所以对于初始值的计算没有特别影响。出于该原因，仅具体联立方程的形式不同，并且可以通过大致相同的收敛计算来计算初始值。

这样，在本实施方式中，以与上述第一实施方式大致相同的方式，可以执行多关节臂3R和3L的初始化。

本实施方式是接合单元接合多关节臂的远端以绕一个点球状可旋转的情况的示例。

另外，在所有实施方式和变型例的描述中，描述了设置两个多关节臂的情况，但是可以设置三个以上多关节臂。

在这种情况下，可以执行初始化，使得三个以上各个远端在一个位置彼此接合以构成一个闭合链接环，并且通过将三个以上多关节臂与两个多关节臂组合，可以执行多次初始化。

而且，在所有实施方式和变型例的描述中，作为示例，描述了相同构造的多关节臂。然而，这是示例，并且多关节臂的自由度和具体关节与臂的组合的构造不限于此。

当通过多个关节执行旋转运动或平动运动来串联连接多关节臂并且其远端相对于其近端的位置和朝向可以改变时，本发明的实施方式和变型例可以采用任意构造的多关节臂。

而且，可以适当改变相互接合的多关节臂的构造。

这里，表达“串联连接”意味着多关节臂的执行初始化的部分串联连接。由此，包括不是初始化对象的支臂的构造也在本发明的范围中。

而且，在上述实施方式和变型例中，描述了操作者P用手保持接合单元的接合状态的情况的示例。然而，用于执行接合状态的固定和分离的接合固定装置可以设置在接合单元中或接合单元周围。

作为接合固定装置的示例，可以采用诸如螺丝和夹具等的机械固定装置、利用磁铁等的磁固定装置的示例。

而且，在上述实施方式和变型例的描述中，已经描述了接合单元接合多关节臂的远端使得远端之间的相对位置固定的情况的示例。然而，在除了第三实施方式之外的实施方式和变型例中，如图8B等所示，接合单元被构造为将远端面彼此固定。此时，因为接合单元的远端面相互固定，所以接合单元的远端处于相互固定的相对朝向。由此，上述实施方式和变型例的描述是相对位置和相对朝向固定的情况的示例。

而且，在上述第二实施方式的描述中，已经描述了由于在多关节臂3R（3L）中第五关节15包括检测单元F₁₃的事实，所以不需要执行第五关节13和右手操作臂14R（左手操作臂14L）的部分的初始化的情况的示例。

然而，即使在第五关节13包括需要初始化的检测单元E₁₃的情况下，如果执行不取决于本实施方式的初始化方法的初始化，则可以在本发明的实施方式的初始方法中仅初始化多关节臂单元30R（30L）。

作为本发明的实施方式的初始化方法，例如，可以使用设置用于在L形臂12与右手操作臂14R（左手操作臂14L）之间以匹配关节坐标系的参照的方式使相互的相对位置关系固定的固定装置，并且在接合状态下向检测单元E₁₃发送复位信号的初始化方法。

而且，在上述第一变型例的描述中，已经描述了检测对象介质22R和22L设置在中间部件20中的情况的示例。然而，可以采用中间部件20的检测对象介质22R和22L以及接合单元19R和19L的接合传感器18R和18L被替代的构造。

在这种情况下，因为不需要在多关节臂3R和3L中设置接合传感器18R和18L的信号线，所以可以简化多关节臂3R和3L的构造。

而且，通过在本发明的技术理念的范围内适当替代或删除组合，可以执行上述实施方式和变型例中描述的所有组件。

例如，可以采用使用上述第三实施方式的接合单元41L和41R代替上述第一变型例中的右手操作臂14R、中间部件20和左手操作臂14L之间的各个接合单元的构造。在这种情况下，提供了一种在右手操作臂14R与左手操作臂14L上的两个点之间的距离一定的状态下与中间部件20接合可转动的构造。

[工业实用性]

根据操作输入装置和操作输入装置的初始化方法，在设置于多关节臂的远端的接合单元彼此接合的状态下运动远端，按照时间序列从各个关节的检测单元获取关节运动量，在远端之间的相对位置关系借助于接合单元固定的条件下计算各个检测单元的初始值，由此可以执行初始化。出于该原因，可以在操作输入装置的运动范围内不设置初始化时使用的定位部件的情况下，执行初始化。

[附图标记的描述]

1、1A、1B、1C：主操纵器（操作输入装置）

2：主体框（保持单元）

3R、3L：多关节臂

4：显示单元

5：第一关节

5a：旋转关节（关节）

5b：直线驱动关节（关节）

6、8：臂

7：第二关节（关节）

9：第三关节（关节）

10、12：L形臂（臂）

10a、10b、12a、12b、14a、14b：直臂部

11：第四关节（关节）

13：第五关节（关节）

14L：左手操作臂

14R：右手操作臂

14c：抓握单元

14e：远端面

15：握持操作单元

15L、16R：凸部

15R、16L：凹部

16b、17a：台阶部

18L、18R：接合传感器

19L、19R、21R、21L、36R、36L：接合单元

30R、30L：多关节臂单元（多关节臂）

100：主控制单元

101：数据获取单元

102：接合检测单元

103：初始值计算单元

E_5a、E_5b、E₇、E₉、E₁₁、E₁₃：检测单元

O_5a、O₉、O₁₁、O₁₃：旋转轴线

O_5b、O₇：直线驱动轴线

Claims (10)

1.一种具有两个以上多关节臂的操作输入装置，该两个以上多关节臂包括具有旋转自由度或平动自由度的串联的多个关节并且被构造为使得远端相对于近端的位置和朝向可变，该操作输入装置包括：

保持单元，该保持单元将所述多关节臂的所述近端保持在相互的相对位置关系固定的状态；

其特征在于，该操作输入装置还包括：

检测单元，该检测单元设置在所述关节中以检测用从未知初始关节值开始的旋转角度或平动位移来表示该关节的运动的关节运动量；

接合单元，该接合单元设置在所述多关节臂的各个所述远端中，并且进行接合使得所述远端之间的相对位置固定；

数据获取单元，该数据获取单元在所述多关节臂的所述远端借助于所述接合单元接合并且使相互接合的远端运动的同时，按照时间序列获取所述检测单元检测到的多组关节运动量；以及

初始值计算单元，该初始值计算单元基于所述数据获取单元按照时间序列获取的所述关节运动量，在所述远端之间的相对位置关系借助于所述接合单元固定的条件下，计算所述未知初始关节值。

2.根据权利要求1所述的操作输入装置，

其中，所述初始值计算单元被构造为基于描述所述多关节臂的所述远端的位置和朝向的运动学关系式和所述数据获取单元按照时间序列获取的所述关节运动量，生成将所述关节运动量的初始值设为未知数的联立方程，并且对所述联立方程进行求解，以计算所述关节运动量的所述初始值。

3.根据权利要求2所述的操作输入装置，

其中，所述初始值计算单元被构造为通过执行收敛计算，直到所述联立方程中应为零的残差式小于或等于收敛判定值为止，来对所述联立方程进行求解。

4.根据权利要求3所述的操作输入装置，

其中，所述初始值计算单元被构造为当所述收敛计算未在预定时间内结束时，执行警告。

5.根据权利要求4所述的操作输入装置，

其中，所述警告包括所述检测单元的故障的警告。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的操作输入装置，

其中，所述接合单元直接接合所述多关节臂的所述远端并且使相互的相对位置固定。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的操作输入装置，

其中，所述接合单元接合所述多关节臂的所述远端，以能够绕一个点球状地旋转。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的操作输入装置，

其中，所述接合单元借助于中间部件与作为接合对象的多关节臂的接合单元接合，所述中间部件保持所述接合单元与所述作为接合对象的多关节臂的接合单元之间的距离恒定。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的操作输入装置，

其中，所述接合单元通过使所述多关节臂的所述远端之间的相对位置和相对朝向固定来进行接合。

10.一种具有两个以上多关节臂的操作输入装置的初始化方法，该两个以上多关节臂包括具有旋转自由度或平动自由度的串联的多个关节并且被构造为使得远端相对于近端的位置和朝向可变，该操作输入装置的初始化方法包括以下步骤：

将所述多关节臂的所述近端保持在相互的相对位置关系固定的状态；

其特征在于，在所述关节中设置了检测单元以检测用从未知初始关节值开始的旋转角度或平动位移来表示该关节的运动的关节运动量；

并且，该操作输入装置的初始化方法还包括以下步骤：

接合所述多关节臂的所述远端，使得所述远端之间的相对位置固定；

在使相互接合的多关节臂的远端运动的同时，按照时间序列从设置于所述相互接合的多关节臂的各个关节中的所述检测单元获取多组关节运动量；以及

基于按照时间序列获取的关节运动量，在所述远端之间的相对位置关系借助于接合而固定的条件下计算所述未知初始关节值。