JP2009202273A - マニピュレータ制御装置及びマニピュレータ制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】作業者が注目している作業映像から目を離す必要がなく、また操作中のデバイスから手を離したり、別の手で補ったりすることなく、ＸＹＺの運動指令と同一の入力デバイスで、並進３自由度の他に、マニピュレータ先端の回転等を操作するマニピュレータ制御装置及びマニピュレータ制御方法を提供する。
【解決手段】駆動部５ａと、駆動部５ａにより回転可能な回転軸部５ｂと、回転軸部５ｂの先端に設けられ、各種作業を行う作業部５１とを有するマニピュレータ５と、作業部５１の直交する３方向の並進運動及び回転軸部５ｂの回転運動を指示する入力デバイス２と、入力デバイス２の指示した動作をマニピュレータ５に伝える制御部３と、を備え、入力デバイス２は、本体２０と、本体２０に対して回転及び傾倒可能な回転操作子２３を有し、本体２０は、平面内の移動に応じて、作業部５１の直交する２方向の移動量を指示し、回転操作子２３は、傾倒に応じて、回転軸部５ｂの回転を指示することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、精密部品の組み立て、顕微鏡下でのバイオ操作、作業者によって操作されるマニピュレータ、顕微鏡下で観察される対象の姿勢制御、遠隔操作ロボット等の他自由度運動制御に用いられるマニピュレータ制御装置及びマニピュレータ制御方法に関する。

従来から、精密機構部品や電子回路部品の組み立て、あるいは顕微受精や遺伝子操作などのバイオ操作などには、グリッパ、鋭利な先端をもつ針又はピペット等を精密に移動させるためにマニピュレータ機構が用いられている。
自動化されたマニピュレータ装置システムに対して、作業者が顕微鏡映像などを見ながらつまみやレバーなど入力デバイスを操作し、その動きをマニピュレータ機構に伝達する手動システムは、作業者のもつ高度な操作技能と判断能力を活用し、多様な状況に柔軟に対応できる合理的な方法である。この場合、作業者の意図をストレス無くマニピュレータ機構の運動に反映させることが、作業速度、確実性、作業者へ負担軽減などにとって重要である。
作業者の操作意図を電気的に読み取る方法として、ジョイスティックを用いるものが公知である。ジョイスティックの２方向の傾斜に加えてジョイスティックの回転自由度をもつものを使用すれば、計３つの操作自由度を読み取れる。
操作に熟練を要するジョイスティックに代えて、コンピュータ画面上に表示される仮想操作卓上のボタンのマウスによるクリックや、キーボード上のキー押下を用いるものも考案されている（特許文献１参照）。
コンピュータ用マウスの利用として、平面２自由度（ＸＹ）以外に指先で回転できる回転操作子（ホイール）を持つものを使って高さ方向（Ｚ）の操作意図を読み取り方法が考案されている（特許文献２参照）。
マニピュレータには、用途に応じて先端にグリッパなどエンドイフェクタが取り付けられ，その並進運動（ＸＹＺ）だけではなく、掴む、軸回りに回転させるといった自由度を作業者が容易に指令できることが望まれている。

特開平０９−２０１７８５号公報 特開２００３−１９６７９号公報

マニピュレータの操作入力デバイスとしてジョイスティックの代わりにマウスを用いる方法は、一般にマウスが慣れ親しんだ入力デバイスであることや、制御対象の移動速度ではなく位置を指令できるという点で優れている。しかし、グリッパ等をエンドイフェクタとして備えたマニピュレータの場合は並進３自由度のほかにマニピュレータ先端の回転やグリッパの開閉等を操作するには、スイッチやレバー等のマウス以外のデバイスを操作しなければならず、そのために作業者は作業映像から一旦目を離すか、あるいはマウスを操作する手と別の手を使わなければならなかった。

本発明は、作業者が注目している作業映像から目を離す必要がなく、また操作中のデバイスから手を離したり、別の手で補ったりすることなく、ＸＹＺの運動指令と同一の入力デバイスで、並進３自由度の他に、マニピュレータ先端の回転やグリッパの開閉等を操作するマニピュレータ制御装置及びマニピュレータ制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のマニピュレータ制御装置は、回転可能な回転軸部と、前記回転軸部の先端に設けられ、各種作業を行う作業部とを有するマニピュレータと、前記作業部の直交する３方向の並進運動及び前記回転軸部の回転運動を指示する入力デバイスと、前記入力デバイスの指示した動作をマニピュレータに伝える制御部と、を備え、前記入力デバイスは、本体と、前記本体に対して回転及び傾倒可能な回転操作子を有し、前記本体は、水平面内の移動に応じて、前記作業部の直交する２方向の移動量を指示し、前記回転操作子は、傾倒に応じて、前記回転軸部の回転を指示することを特徴とする。
また、前記回転操作子は、回転角に応じて、前記作業部の前記２方向に直交する方向の移動量を指示することを特徴する。
また、前記回転操作子は、傾倒角度に応じて、前記回転軸部の回転角度を指示することを特徴とする。
また、前記作業部は、グリッパを有し、前記入力デバイスは、前記本体に対して１つ又は２つの押し下げによって信号を発生するボタンを有し、前記信号により前記グリッパの開閉動作を指示することを特徴とする。
さらに、本発明のマニピュレータ制御方法は、各種作業を行う作業部の直交する３方向の並進運動及び回転可能な回転軸部の回転運動を指示する入力デバイスの指示した動作をマニピュレータに伝えるマニピュレータ制御方法において、前記入力デバイスの本体の平面内の移動に応じて、前記作業部の直交する２方向の移動量を指示し、前記本体に対して回転及び傾倒可能な回転操作子の傾倒に応じて、前記回転軸部の回転を指示することを特徴とする。

本発明のマニピュレータによれば、操作中に作業者が注目している作業映像から目を離す必要がなく、また、操作中のデバイスから手を離したり、別の手で補ったりすることなく、ＸＹＺの運動指令と同一の入力デバイスで、グリッパの開閉と回転を操作することができる。また、市販されているコンピュータ用マウスを利用することで、新たなデバイスを開発・制作する必要がない。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の実施形態に係るマニピュレータ制御装置１の全体システム構成を示した図である。

操作者Ｐは、入力デバイスとしてのマウス２を操作１０１することでシステムを作動する。操作されたマウス２から出力されたマウス信号１０２は、制御部としてのコンピュータ３に入力される。コンピュータ３に入力されたマウス信号１０２は、インターフェイス３１を介してプログラム３２に取り込まれる。プログラム３２は、マウス２の出力したマウス信号１０２から得られたマウス状況１０３ａをもとに、コントローラ３３に移動指令１０３ｂを送信する。コントローラ３３は、得られた移動指令１０３ｂをドライバ４が受け取れる駆動信号１０４に変換する。そして、ドライバ４はマニピュレータ５の駆動部としてのアクチュエータ５０に駆動動力１０５を出力し駆動する。マニピュレータ５は所望の動作１０６を実行し、操作対象６に作用する。操作者Ｐは、操作対象６の状況１０７を、顕微鏡映像等の作業状況観察・提示装置７から与えられる作業状況情報１０８で確認しながら、再度マウス２を操作１０１する。

次に、本実施形態で用いられるマニピュレータの自由度について説明する。図２は本実施形態のマニピュレータの概念図である。マニピュレータ５は、第１回転アクチュエータ５０ｂと、第１回転アクチュエータ５０ｂにより回転可能な回転軸部５ａと、回転軸部５ａの先端に設けられ、各種作業を行う作業部としてのグリッパ５１と、を備え、グリッパ５１をＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の並進運動自由度に加えて、第１回転軸Ａまわりの第１回転自由度又は旋回機構による第２回転軸Ｂまわりの第２回転自由度を有する。

図３はマニピュレータの並進運動自由度及び第１回転自由度に対する駆動部の具体的な構造の実施例を示す図、図４は直動ステージの実施例を示す図である。

図３に示すように、マニピュレータの駆動部には、Ｘ軸方向直動ステージ５２、Ｙ軸方向直動ステージ５３及びＺ軸方向直動ステージ５４を直交して重ねて組み付け、さらに、回転アクチュエータ５５をＺ軸方向直動ステージ５４に支持されるように設置している。各直動ステージ５２，５３，５４は、例えば、図４に示すように、パルスモータ、サーボモータ等の駆動手段としての駆動モータ５０ａＸ，５０ａＹ，５０ａＺを駆動させることにより、送りねじ機構５７と案内機構５８を作動させ、テーブル５９を動かすものである。また、第１回転アクチュエータ５０ｂは、例えば、パルスモータ、サーボモータに減速機構を装着したものでもよい。

図５はマニピュレータの第２回転自由度に対する駆動部の具体的な構造の実施例を示す図である。本実施例では、第２回転自由度に対する運動をゴニオステージ１５０により作動させる例について述べる。図５に示すように、ゴニオステージ１５０は、第２回転軸Ｂを回転中心とした円弧状の案内機構１５１と、案内機構１５１に沿って移動可能な支持台としてのテーブル１５２と、テーブル１５２を駆動させる第２回転アクチュエータ１５０ｂと、第２回転アクチュエータ１５０ｂの駆動力をテーブル１５２に伝達する伝達手段としてのラック・ウォーム歯車機構１５４と、を有する。

図３に示したマニピュレータの駆動部であるＸ軸方向直動ステージ５２、Ｙ軸方向直動ステージ５３及びＺ軸方向直動ステージ５４等を、図５に示したゴニオステージ１５０に搭載することで、図２に示すような本実施形態のマニピュレータを構成することができる。 なお、本実施例では、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の並進運動自由度、第１回転自由度及び第２回転自由度のすべてに対する運動を作動させる例について述べたが、第１回転自由度と第２回転自由度はどちらか一つを適用するだけでもよい。

次に、マウス２の構造について説明する。図６はマウス２の実施例を示す図である。例えば、マウス２は、従来一般に用いられている形状のものでよく、本体２０に左クリックボタン２１、右クリックボタン２２を有し、左クリックボタン２１と右クリックボタン２２との間に第１回転操作子としての第１ホイール２３を有する。また、左クリックボタン２１のさらに左側に第２回転操作子としての第２ホイール２４、第１補助ボタン２５及び第２補助ボタン２６を有する。

次に、各操作子の操作自由度について説明する。図６に示すように、本体２０は矢印ａ，ｂの方向に移動可能であり、左クリックボタン２１、右クリックボタン２２、第１補助ボタン２５及び第２補助ボタン２６は、それぞれ矢印ｃ，ｄ，ｅ，ｆ方向に押し下げ可能であり、第１ホイール２３は、矢印ｇ方向に押し下げ可能、矢印ｈ方向に回転可能、且つ、矢印ｉ方向に傾倒可能であり、第２ホイール２４は、矢印ｊ方向に押し下げ可能、矢印ｋ方向に回転可能、且つ、矢印ｌ方向に傾倒可能である。

図７は、マウス２のそれぞれの操作子からの信号のコンピュータ３への出力について示す図である。本体２０の矢印ａ，ｂの方向の移動距離は、Ｘ軸エンコーダ２０ａ及びＹ軸エンコーダ２０ｂを介して変化検出部２７によって逐次検出され、コード発生部２８で移動情報をコード化してコード信号としてコンピュータ３に出力する。

その他、左クリックボタン２１、右クリックボタン２２、第１補助ボタン２５及び第２補助ボタン２６の矢印ｃ，ｄ，ｅ，ｆ方向の押し下げ状況は、それぞれ左クリックスイッチ２１ａ、右クリックスイッチ２２ａ、第１補助ボタンスイッチ２５ａ及び第２補助ボタンスイッチ２６ａを介して、第１ホイール２３及び第２ホイール２４の矢印ｇ，ｊ方向の押し下げ状況は、それぞれ第１ホイールスイッチ２３ａ及び第２ホイールスイッチ２４ａを介して、第１ホイール２３及び第２ホイール２４の矢印ｈ，ｋ方向の回転状況は、それぞれ第１ホイールエンコーダ２３ｂ及び第２ホイールエンコーダ２４ｂを介して、第１ホイール２３及び第２ホイール２４の矢印ｉ，ｌ方向の傾倒状況は、それぞれ第１ホイール傾倒スイッチ２３ｃ及び第２ホイール傾倒スイッチ２４ｃを介して、変化検出部２７によって逐次検出され、コード発生部２８で移動情報をコード化してコード信号としてコンピュータ３に出力する。

図８は、マウス操作からマニピュレータが駆動されるまでの処理の流れを示す図である。図７に示したマウス２からの各コード信号は、コンピュータ３のキーボード／マウスインターフェイス１３１に入力され、プログラム３２を実行する。

まず、マニピュレータ５の処理のうち、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の並進運動を実行する軸アクチュエータ５０ａの信号処理の流れを説明する。

マウス２のＸ軸方向及びＹ軸方向の移動量と、左クリックボタン２１及び右クリックボタン２２の押し下げ状況と、第１ホイール２３の回転状況をマウス２の基本状態信号３６１ａとして、マウス状態判別部３１１に伝達する。マウス状態判別部３１１に伝達されたマウス２の基本状態信号３６１ａのうち、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の移動量と、第１ホイール２３の回転状況に変化３６２ａが生じた場合、移動演算部３１２は、その変化量と設定された各軸の移動感度から必要な軸移動量演算値３６３ａを算出し、軸移動指令発生部３１３に出力する。軸移動指令発生部３１３は、軸移動量演算値３６３ａを受け、軸コントローラ３１４に軸移動指令量３６４ａを出力する。軸コントローラ３１４は、ドライバ４に駆動信号１０４ａを送り、ドライバ４はマニピュレータ５の軸アクチュエータ５０ａに駆動動力１０５ａを出力し、作動させる。なお、第１ホイール２３の回転角度に応じて
作業部のＸＹの２方向に直交するＺ方向の移動量を制御するようにしてもよいし、第１ホイール２３の回転の有無に応じて作業部のＺ方向の移動の有無を制御するようにしてもよい。

次に、マニピュレータ５の処理のうち、回転運動を実行する回転アクチュエータ５０ｂの信号処理の流れを説明する。なお、回転アクチュエータ５０ｂには、第１回転アクチュエータ５０ｂのみではなく、第２回転アクチュエータ１５０ｂのように他の回転自由度に対するものも含まれる。

第１ホイール２３及び第２ホイール２４の傾倒状況等のマウス２及びキーボードの操作は、キーボードのストローク信号３６１ｂｃに変換されてキーストローク解析部３２１に伝達する。キーストローク解析部３２１は、ホイールの傾倒情報３６２ｂを移動演算部３１２に出力する。移動演算部３１２は、傾倒情報３６２ｂから必要な軸回転量演算値３６３ｂを算出し、軸回転指令発生部３２３に出力する。軸回転指令発生部３２３は、軸回転量演算値３６３ｂを受け、回転コントローラ３２４に回転移動指令量３６４ｂを出力する。回転コントローラ３２４は、ドライバ４に駆動信号１０４ｂを送り、ドライバ４はマニピュレータ５の回転アクチュエータ５０ｂに駆動動力１０５ｂを出力し、作動させる。なお、ホイールの傾倒角度に応じて回転アクチュエータ５０ｂの回転角度を制御するように設定してもよいし、ホイールの傾倒の有無により回転アクチュエータ５０ｂの回転の有無を制御してもよい。

次に、マニピュレータ５の処理のうち、グリッパ５１を操作する信号処理の流れを説明する。

第１ホイール２３及び第２ホイール２４の押し下げ状況と、第１補助ボタン２５及び第２補助ボタン２６の押し下げ状況等のマウス２及びキーボードの操作は、キーボードのストローク信号３６１ｂｃに変換されてキーストローク解析部３２１に伝達する。キーストローク解析部３２１は、グリッパ開閉操作信号３６２ｃをグリッパ開閉指令発生部３３２に出力する。グリッパ開閉指令発生部３３２は、グリッパコントローラ３３３に回転移動指令量３６３ｃを出力する。グリッパコントローラ３３４は、ドライバ４に駆動信号１０４ｃを送り、ドライバ４はマニピュレータ５のグリッパ５１に駆動動力１０５ｃを出力し、作動させる。

なお、グリッパ５１の開閉動作に対応するマウス２及びキーボードの操作とは、例えば、第１補助ボタン２５を押し下げた場合にグリッパ５１を開き、第２補助ボタン２６を押し下げた場合にグリッパ５１を閉じたり、どちらかのボタンの押し下げ毎にグリッパ５１の開閉状態を変更する等である。また、グリッパの開閉動作を指令するスイッチは、マウス２の第１補助ボタン２５及び第２補助ボタン２６に限らず、左クリックボタン２１及び右クリックボタン２２の押し下げ状況や第１ホイール２３及び第２ホイール２４の押し下げ状況に割り付けてもよい。さらに、上記回転アクチュエータ５０ｂの回転は、第２回転自由度に対する運動を作動させてもかまわない。

本実施形態のマニピュレータによれば、操作中に作業者が注目している作業映像から目を離す必要がなく、また、操作中のデバイスから手を離したり、別の手で補ったりすることなく、ＸＹＺ方向の三軸の運動指令と同一の入力デバイスで、グリッパの開閉と回転を操作することができる。また、市販されているコンピュータ用マウスを利用することで、新たなデバイスを開発・制作する必要がない。

精密部品、電子デバイスの組み立て又は顕微鏡下でのバイオ操作等、作業者による精密作業に使われるマニピュレータの制御、機械の操作、顕微鏡下で観察される対象の姿勢制御、遠隔作業ロボットの制御等に用いられ、操作中に作業者が注目している作業映像から目を離す必要がなく、また、操作中のデバイスから手を離したり、別の手で補ったりすることなく、ＸＹＺ方向の三軸の運動指令と同一の入力デバイスで、グリッパの開閉と回転を操作することができる。また、市販されているコンピュータ用マウスを利用することで、新たなデバイスを開発・制作する必要がない。

本発明の実施形態に係るマニピュレータ制御装置１の全体システム構成を示した図である。 本実施形態のマニピュレータの概念図である。 マニピュレータの並進運動自由度及び第１回転自由度に対する駆動部の具体的な構造の実施例を示す図である。 直動ステージの実施例を示す図である。 マニピュレータの第２回転自由度に対する駆動部の具体的な構造の実施例を示す図である。 マウスの実施例を示す図である。 マウスのそれぞれの操作子からの信号のコンピュータへの出力について示す図である。 マウス操作からマニピュレータが駆動されるまでの処理の流れを示す図である。

符号の説明

２…マウス、２０…本体、２１…左クリックボタン、２２…右クリックボタン、２３…第１ホイール（第１回転操作子）、２４…第２ホイール（第２回転操作子）、２５…第１補助ボタン、２６…第２補助ボタン、３…コンピュータ（制御部）、３１…インターフェイス、３２…プログラム、３３…コントローラ、４…ドライバ、５…マニピュレータ、５ａ…回転軸部、５０…アクチュエータ（駆動部）、５０ａ…軸アクチュエータ、５０ｂ…回転アクチュエータ、５１…グリッパ、５２…Ｘ軸方向直動ステージ、５３…Ｙ軸方向直動ステージ、５４…Ｚ軸方向直動ステージ、５５…回転アクチュエータ、５６…第１回転駆動モータ（第１回転駆動手段）、５７…送りねじ機構、５８…案内機構、５９…テーブル、６…操作対象、７…作業状況観察・提示装置、３１１…マウス状態判別部、３１２…移動演算部、３１３…軸移動指令発生部、３１４…軸コントローラ３１４、３２１…キーストローク解析部、３２３…軸回転指令発生部、３２４…回転コントローラ、３３２…グリッパ開閉指令発生部、３３３…グリッパコントローラ

Claims (5)

1. 回転可能な回転軸部と、前記回転軸部の先端に設けられ、各種作業を行う作業部とを有するマニピュレータと、前記作業部の直交する３方向の並進運動及び前記回転軸部の回転運動を指示する入力デバイスと、前記入力デバイスの指示した動作をマニピュレータに伝える制御部と、を備え、
   前記入力デバイスは、本体と、前記本体に対して回転及び傾倒可能な回転操作子を有し、
   前記本体は、平面内の移動に応じて、前記作業部の直交する２方向の移動量を指示し、
   前記回転操作子は、傾倒に応じて、前記回転軸部の回転を指示する
   ことを特徴とするマニピュレータ制御装置。
2. 前記回転操作子は、回転角に応じて、前記作業部の前記２方向に直交する方向の移動量を指示することを特徴する請求項１に記載のマニピュレータ制御装置。
3. 前記回転操作子は、傾倒角度に応じて、前記回転軸部の回転角度を指示することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のマニピュレータ制御装置。
4. 前記作業部は、グリッパを有し、
   前記入力デバイスは、前記本体に対して１つ又は２つの押し下げによって信号を発生するボタンを有し、前記信号により前記グリッパの開閉動作を指示することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のマニピュレータ制御装置。
5. 各種作業を行う作業部の直交する３方向の並進運動及び回転可能な回転軸部の回転運動を指示する入力デバイスの指示した動作をマニピュレータに伝えるマニピュレータ制御方法において、
   前記入力デバイスの本体の平面内の移動に応じて、前記作業部の直交する２方向の移動量を指示し、
   前記本体に対して回転及び傾倒可能な回転操作子の傾倒に応じて、前記回転軸部の回転を指示する
   ことを特徴とするマニピュレータ制御方法。

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