JP2009274200A - 一点の回転中心を有する力覚提示マニピュレータ - Google Patents

Abstract

【課題】操作者の手首関節に機構の回転中心を有し、エンドエフェクタが回転３自由度運動を行う力覚提示マニピュレータを提供する。
【解決手段】本発明の力覚提示マニピュレータは、マニピュレータのベースと、エンドエフェクタと、駆動手段と、エンドエフェクタの運動を駆動手段の動力によりマニピュレータの回転中心回りの３自由度の回転運動に変換するリンク機構と、を備えるパラレルリンク機構を用いる。本発明では、マニピュレータの回転中心を機構が介在できない仮想点に設定可能なため、例えば人体の関節等にマニピュレータの回転中心を設定することが可能である。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転自由度を有する力覚提示マニピュレータに関する。

バーチャル・リアリティを用いた訓練システムにおいて臨場感を高めるためには力覚の存在が重要である。また、ロボットの遠隔操作においても微細作業や、繊細で複雑な作業を必要とする場合には、作業ロボットから操縦桿へ力覚の帰還を行うことで作業効率を向上することが知られている。このように力覚を表現する装置として力覚提示装置が用いられる。
本発明では、力覚提示装置にパラレルリンク機構を応用してマニピュレータを構成している。ここで、「パラレルリンク機構」とは、マニピュレータのベースと、エンドエフェクタとを、複数のリンク機構により支持する機構の呼称である。従来のパラレルリンク機構を用いた力覚提示マニピュレータには、特許文献１、特許文献２、非特許文献１、及び、非特許文献２のようなものが知られている。
特開２０００−１８１６１８ 特開２００３−１４５４５５ Ouerfelli M. , Kumar V. ,"Optimization of a spherical five bar parallel drive linkage ", ASME J. of Mechanical Design, Mars 1994, pp.166-173 Y. Tsumaki, H. Naruse, D. N. Nenchev and M. Uchiyama, "Design of a Compact 6-DOF Haptic Interface", Proceedings of the 1998 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Leuven, Belgium, 1998, pp.2580-2585.

力覚提示マニピュレータにおいて重要な機能として力覚提示機能と操作性がある。

第一に、力覚提示マニピュレータにおいて衝撃力を提示するための要件の一つに、機構の剛性を高めることが挙げられる。例えば金属同士の接触などの表現には衝撃力の提示が必要となるが、機構の剛性が低いと、駆動手段の動力がエンドエフェクタに正確に伝達されないため、衝撃力の提示が難しく、剛体や衝撃を表現することが困難となる。

第二に、柔軟物の表現のような繊細な力覚提示に必要な要件の一つに、機構のバックドライバビリティを高くすることが挙げられる。ここで、「バックドライバビリティ」とは、マニピュレータの運動の可逆性を表す指標である。バックドライバビリティが低いと外部からマニピュレータのエンドエフェクタを動かしにくくなるため、繊細な力覚表現が困難となる。

第三に、力覚提示マニピュレータにおいて高い操作性を得るための要件の一つに、機構の動作部の慣性質量を低減させることが挙げられる。力覚提示マニピュレータは、操作者が直接操作を行うため、慣性質量の大きい力覚提示マニピュレータでは、操作する際に生じるマニピュレータの慣性力が操作の負荷となり、長時間の作業や繊細な作業などでは、操作者の疲労が大きくなるため作業が困難となる。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、機構の剛性が高く、剛体や衝撃を表現することが可能な力覚提示マニピュレータを提供することにある。

また、本発明の別の目的は、機構のバックドライバビリティが高く、繊細な力覚を表現することが可能な力覚提示マニピュレータを提供することにある。

また、本発明の別の目的は、機構の動作部の慣性質量が小さく、操作性に優れた力覚提示マニピュレータを提供することにある。

第１の発明は、駆動手段によって駆動される多自由度の力覚提示マニピュレータであり、直交する３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）を有する基準座標に固定したマニピュレータのベースに対して、エンドエフェクタが、基準座標の原点О回りに少なくとも３自由度の回転運動を行い、駆動手段の動力が、リンク機構によって、基準座標の原点О回りの回転運動に変換されることを特徴とする多自由度力覚提示マニピュレータにある（請求項１）。

第２の発明は、駆動手段によって駆動される多自由度の力覚提示マニピュレータであり、直交する３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）を有する基準座標に固定したマニピュレータのベースと、エンドエフェクタと、駆動手段と、エンドエフェクタを支持するリンク機構と、を備えることを特徴とする多自由度力覚提示マニピュレータにある（請求項２）。

第３の発明は、前記リンク機構が、マニピュレータのベースに回転自在に連結した第１リンクと、第１リンクと回転自在で連結した第２リンクと、第２リンクと回転自在に連結した第３リンクと、第３リンクに固定したエンドエフェクタと、第３リンクと回転自在に連結した第４リンクと、第４リンクと回転自在に連結した第５リンクと、第１リンクに回転運動を与える第１駆動手段と、マニピュレータのベースに固定し、マニピュレータのベースに回転自在で連結した第５リンクに回転運動を与える第２駆動手段と、第１リンク又は第５リンクに固定し、第２リンク又は第４リンクの少なくともどちらか一方に回転運動を与える第３駆動手段と、から構成され、マニピュレータのベースと、リンク機構と、エンドエフェクタと、によって機構が閉ループをなし、リンク機構を構成するすべての回転軸が一点で交わり、その交点（マニピュレータの回転中心）が基準座標の原点Оと一致することを特徴とする請求項２記載の多自由度力覚提示マニピュレータにある（請求項３）。

第４の発明は、マニピュレータの回転中心を、機構の実体のない仮想点となるようリンク機構を構成することで、力覚提示マニピュレータの操作時に、マニピュレータの回転中心と、操作者の関節とが一致することで良好な操作性と力覚提示を可能とすることを特徴とする請求項３記載の多自由度力覚提示マニピュレータにある（請求項４）。

本発明は、駆動手段によって駆動されるパラレルリンク機構を用いた力覚提示マニピュレータを対象とし、特に、回転３自由度を有する力覚提示マニピュレータを対象とする。この駆動手段には、回転運動を出力する出力軸を具備する駆動装置、例えばモータを用いることができる。

本発明の力覚提示マニピュレータは、直交する３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）を有する基準座標に固定したマニピュレータのベースに対して、エンドエフェクタが、基準座標の原点О回りの少なくとも３自由度の回転運動を有する。エンドエフェクタはマニピュレータのベースと回転自在で連結したリンク機構によって支持される。
本発明の一態様は、直交する３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）を有する基準座標に固定したマニピュレータのベースと、エンドエフェクタと、３つの駆動手段と、マニピュレータのベースとエンドエフェクタとを支持するリンク機構と、を備える。

リンク機構は、マニピュレータのベースに設けた第１軸に対して回転自在となるように連結した第１リンクと、第１軸に対してある角度をなす第１リンクに設けた第２軸に対して回転自在となるように連結した第２リンクと、第２軸に対してある角度をなす第２リンクに設けた第３軸に対して回転自在となるように連結した第３リンクと、第３リンクに固定したエンドエフェクタと、第３軸に対してある角度をなす第３リンクに設けた第４軸に対して回転自在となるように連結した第４リンクと、一方を第４軸に対してある角度をなす第４リンクに設けた第５軸に対して回転自在となるように連結し、他方を第１軸に対してある角度をなすマニピュレータのベースに設けた第６軸に対して回転自在となるように連結した第５リンクと、を備える。

第１軸、第２軸、第３軸、第４軸、第５軸、第６軸は、すべて一点で交わり、その交点（マニピュレータの回転中心）は基準座標の原点Оと一致するよう配置する。

リンク機構における駆動手段は、第１軸を出力軸としてマニピュレータのベースに固定し、第１リンクに第１軸回りの回転運動を与える第１駆動手段と、第６軸を出力軸としてマニピュレータのベースに固定し、第５リンクに第６軸回りの回転運動を与える第２駆動手段と、第２軸を出力軸として第１リンクに固定し、第２リンクに第２軸回りの回転運動を与える第３駆動手段、又は、第５軸を出力軸として第５リンクに固定し、第４リンクに第５軸回りの回転運動を与える第３駆動手段、の少なくともどちらか一方と、を備える。

この態様では、リンク機構に設けられた、第１駆動手段、第２駆動手段、第３駆動手段を制御することにより、エンドエフェクタは、マニピュレータの回転中心に対して、第４軸に相当するα軸回りの回転運動α、α軸に直交するβ軸回りの回転運動β、β軸に直交するγ軸回りの回転運動γの３自由度の回転運動に変換される。

本発明によれば、エンドエフェクタを、閉ループを構成するリンク機構（パラレルリンク機構）によって支持することによって、機構の剛性を高めることが可能である。そのため、駆動手段の動力を正確にエンドエフェクタに伝達することができ、より正確に剛体や衝撃を表現することが可能である。

パラレルリンク機構を用いることによって、２つの駆動手段をマニピュレータのベースに固定することが可能である。そのため、マニピュレータを駆動する駆動手段の重量がマニピュレータの操作性に与える影響が小さく、減速比の小さい減速機を用いた駆動手段の搭載が容易となるため、機構のバックドライバビリティを高めることが可能である。従って、外部からマニピュレータを動かした際の操作負荷による影響が低減されるため、繊細な力覚提示が可能となる。

パラレルリンク機構を用いることによって、マニピュレータの動作部を軽量なリンク機構と、エンドエフェクタと、１つの駆動手段と、で構成することが可能なため、マニピュレータの動作部の慣性質量を低減することができる。従って、マニピュレータの慣性力による操作負荷を低減することが可能である。

本発明は、マニピュレータの回転中心を、機構の介在できない仮想点に設定することが可能である。そのため、人体の関節、例えば手首関節などの３自由度関節を回転中心として操作ができ、人体の関節の回転角度の入力、人体の関節対して直接的に力覚の提示が可能である。

以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。

図１は、本発明の一実施形態に関わるパラレルリンク機構を用いた力覚提示マニピュレータを具備した力覚提示システムを示している。

本発明は、力覚提示マニピュレータであるマニピュレータ１と、マニピュレータ１の駆動手段を制御するコントロール部２と、力覚が取得できる遠隔操作ロボット、若しくは、バーチャル・システムからなる操作対象３から構成される。このシステムは、遠隔操作ロボットの力帰還付操縦桿、バーチャル・リアリティを用いた訓練システムで使用する力覚提示装置等に用いられる。

次に、図２から図５を参照して、マニピュレータ１の構成について詳しく説明する。

マニピュレータ１は、ベース部１０と、リンク機構部２０と、エンドエフェクタ部３０から構成される。ベース部１０は、ベース１１と、ベース１１に固定される第１駆動手段１２、第２駆動手段１３と、から構成される。

リンク機構部２０は、ベース１１に固定した第１駆動手段１２の出力軸（第１軸）に固定した第１リンク２１と、第１軸に対してある角度をなす第１リンク２１に設けた関節軸２２（第２軸）回りに対して回転自在となるように連結した第２リンク２３と、第２軸に対してある角度をなす第２リンク２３に設けた関節軸２４（第３軸）回りに対して回転自在となるように連結した第３リンク２５と、第３リンク２５に固定したエンドエフェクタ部３０と、第３軸に対してある角度をなす第３リンク２５に設けた関節軸２６（第４軸）回りに対して回転自在となるように連結した第４リンク２７と、一方を第４軸に対してある角度をなす第４リンク２７に設けた第５軸回りに対して回転自在となるように連結し、他方を第１軸に対してある角度をなすベースに固定した第２駆動手段１３の出力軸（第６軸）に固定した第５リンク２８と、第５リンク２８に固定し、出力軸を第５軸として第４リンク２７を駆動する第３駆動手段２９とから構成される。

リンク機構２０の各関節軸の回転軸は一点で交わり、その交点（マニピュレータの回転中心）は、ベース１０に設定した直交する３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）を有する基準座標の原点Оに一致する。また、隣りあう関節軸のなす角度は、マニピュレータの作業領域を広く取るために好適には９０°とする。

第１〜第３駆動手段の駆動によって、エンドエフェクタ部３０は、マニピュレータの回転中心に対して、α軸回りの回転運動α、α軸に直交するβ軸回りの回転運動β、β軸に直交するγ軸回りの回転運動γに変換される。本実施形態では、α軸は第４軸、β軸は第５軸、γ軸は第６軸に相当する。

エンドエフェクタ部３０は、操作者がマニピュレータ１を操作する手段であり、本実施態様においては、操作者の手によりエンドエフェクタ部３０を握り込む形態である。エンドエフェクタ部３０は、グリップ３１、操作装置３２から構成されており、操作装置３２は、例えば、第４駆動手段３３と一対の把持片３４ａ、３４ｂにより、両把持片が相対的に開閉可能な機構を有する。両把持片を指先で操作することにより、開閉操作が必要な操作対象を操作すると共に、操作対象で得た把持による反力を第４駆動手段３３により提示することが可能である。

マニピュレータの回転中心は、第１〜第５リンクのリンク長の設定により仮想点上に設けることが可能であり、操作者がグリップ３１を握った際に、マニピュレータ１の回転中心が、機構が介在することができない人体の手首関節と一致するように設定することが可能である。なお、各リンクのリンク長は、機構や操作者との干渉、作業領域とを考慮して適宜決定する。

次に、マニピュレータ１の駆動手段を制御するコントロール部２と、マニピュレータ１によって操作する操作対象３について説明する。

コントロール部２は、例えばモータドライバや制御コンピュータから構成される。コンピュータは、例えばエンコーダなどのセンサからマニピュレータ１の動作を演算し、位置指令として操作対象３へ情報を出力する。また、操作対象３から入力された力情報からモータドライバの制御信号を生成し、モータドライバに出力する。モータドライバは入力された制御信号に基づき駆動手段を駆動する。各駆動手段からの動力はリンク機構２０によってエンドエフェクタ部３０まで伝達され、エンドエフェクタ部３０は所望の力を提示する。

操作対象３は、例えば力覚情報が取得可能なロボットで構成される。コントロール部２の出力によりロボットは駆動され、環境から得た力情報をコントローラ部２に出力する。

以上に述べた構成によれば、エンドエフェクタにおいて操作者の手首関節を回転中心とする、回転３自由度の力覚提示が可能な力覚提示システムを実現することができる。本発明では、パラレルリンク機構を用いることにより、剛性とバックドライバビリティが高く、動作部の慣性質量が小さいマニピュレータを構成することが可能である。

以上において、本発明を実施例に則して説明したが、本発明は上記実施例に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。

本発明の力覚提示マニピュレータは、遠隔操作ロボットの力覚フィードバック付操縦桿、バーチャル・リアリティを用いた訓練システムの力覚提示装置等に利用可能である。

本発明の一実施形態に係わる力覚提示システムである。 本発明の機構モデル図である。 本発明の一実施形態に係わる力覚提示マニピュレータの斜視図である。 本発明の一実施形態に係わる力覚提示マニピュレータの側面図である。 本発明の一実施形態に係わるエンドエフェクタの斜視図である。

符号の説明

１ マニピュレータ
２ コントロール部
３ 操作対象
１０ ベース部
１１ ベース
１２ 第１駆動手段（第１軸）
１３ 第２駆動手段（第６軸、γ軸）
２０ リンク機構
２１ 第１リンク
２２ 関節軸（第２軸）
２３ 第２リンク
２４ 関節軸（第３軸）
２５ 第３リンク
２６ 関節軸（第４軸、α軸）
２７ 第４リンク
２８ 第５リンク
２９ 第３駆動手段（第５軸、β軸）
３０ エンドエフェクタ部
３１ グリップ
３２ 操作装置
３３ 第４駆動手段
３４ 把持片 ３４ａ、３４ｂ

Claims (4)

1. 駆動手段によって駆動される多自由度の力覚提示マニピュレータであり、直交する３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）を有する基準座標に固定したマニピュレータのベースに対して、エンドエフェクタが、基準座標の原点О回りに少なくとも３自由度の回転運動を行い、駆動手段の動力が、リンク機構によって、基準座標の原点О回りの回転運動に変換されることを特徴とする多自由度力覚提示マニピュレータ。
2. 駆動手段によって駆動される多自由度の力覚提示マニピュレータであり、直交する３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）を有する基準座標に固定したマニピュレータのベースと、エンドエフェクタと、駆動手段と、エンドエフェクタを支持するリンク機構と、を備えることを特徴とする多自由度力覚提示マニピュレータ。
3. リンク機構は、マニピュレータのベースに回転自在に連結した第１リンクと、第１リンクと回転自在で連結した第２リンクと、第２リンクと回転自在に連結した第３リンクと、第３リンクに固定したエンドエフェクタと、第３リンクと回転自在に連結した第４リンクと、第４リンクと回転自在に連結した第５リンクと、第１リンクに回転運動を与える第１駆動手段と、マニピュレータのベースに固定し、マニピュレータのベースに回転自在で連結した第５リンクに回転運動を与える第２駆動手段と、第１リンク又は第５リンクに固定し、第２リンク又は第４リンクの少なくともどちらか一方に回転運動を与える第３駆動手段と、から構成され、マニピュレータのベースと、リンク機構と、エンドエフェクタと、によって機構が閉ループをなし、リンク機構を構成するすべての回転軸が一点で交わり、その交点（マニピュレータの回転中心）が基準座標の原点Оと一致することを特徴とする請求項２記載の多自由度力覚提示マニピュレータ。
4. マニピュレータの回転中心を、機構の実体のない仮想点となるようリンク機構を構成することで、力覚提示マニピュレータの操作時に、マニピュレータの回転中心と、操作者の関節とが一致することで良好な操作性と力覚提示を可能とすることを特徴とする請求項３記載の多自由度力覚提示マニピュレータ。