JP2012055996A - マスタスレーブマニピュレータ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】遠隔操作装置100からの操作信号を受けて、マスタ制御部201は、操作部101の姿勢変化に係る等価回転ベクトルVr(t)と直前の操作部101のマスタロール軸Xm(t)とを算出する(ステップS1)。Vr(t)とXm(t)のなす角φが規定値以下の場合には、冗長関節1(Roll2)と、関節1と冗長関係にある関節4(Roll1)のうち、Roll2を駆動関節とし、Roll1を固定関節として(ステップS3)、逆運動学計算を行う。角度φが規定値を以下でない場合には、Roll1を駆動関節とし、Roll2を固定関節として(ステップS4)、逆運動学計算を行う。
【選択図】図5
Description
図1は、本発明の一実施形態に係るマスタスレーブマニピュレータの全体構成を示す図である。図1に示すように、本実施形態に係るマスタスレーブマニピュレータは、遠隔操作装置100と、制御装置200と、スレーブマニピュレータ300と、を有している。なお、図1の例は、本実施形態のマスタスレーブマニピュレータの医療用途への適用例である。しかしながら、本実施形態のマスタスレーブマニピュレータは、医療用途以外の各種の用途に適用可能である。
操作部101は、例えば図2(a)に示すように、回転機構より構成された駆動軸と、直動機構より構成された駆動軸と、を含む駆動部を有している。さらに、操作部101の終端部(操作者10によって把持される側とする)には、グリッパー部1011が設けられている。このような構成において、操作者10が、グリッパー部1011を把持した状態で、操作部101を移動させたり、回転させたり、グリッパー部1011を操作したりすることにより、操作部101を構成する各駆動軸が駆動される。各駆動軸の駆動量(回転機構の場合には回転角、直動機構の場合には変位量)は、各駆動軸に設けられた図示しない位置検出器(例えばエンコーダ)によって検出され、各位置検出器の検出信号が、スレーブマニピュレータ300のスレーブアーム301の手先の位置・姿勢を指令するための、操作部101の操作情報を示す信号(操作信号)として制御装置200に出力される。ここで、図2(a)において、操作部101は、駆動軸が6個設けられており、この6個の駆動軸の駆動によって、6個の指令値を算出するための6自由度に対応した操作信号(位置に関する信号(θ1,d1,d2)と姿勢に関する信号(θ2,θ3,θ4))を出力する。
マスタ制御部201は、遠隔操作装置100からの6自由度に対応した操作信号に従って、スレーブアーム301の手先の位置・姿勢の指令値を算出する。また、マスタ制御部201は、遠隔操作装置100からの操作信号に従って、スレーブアーム301の各関節のうち冗長関係にある関節の中の1つを駆動関節として選択し、この選択結果を示す関節選択信号を、位置・姿勢の指令値とともにマニピュレータ制御部202に出力する。
ここで冗長関係にあるとは、関節の回転軸がお互いに並行にある関係を示している。
スレーブマニピュレータ300は、スレーブアーム301と、手術台302とを有している。
スレーブアーム301は、7自由度に対応した関節を有し、マニピュレータ制御部202からの制御信号に従って各関節が駆動される。図3にスレーブアーム301の構造の一例を示す。図3に示すスレーブアーム301は、7個の関節1〜7が連設して配置され、先端部に先端効果器(end effector)3011が取り付けられている。なお、図3で示した先端効果器3011は、グリッパー(把持器)の例を示している。この他、先端部にカメラ(電子内視鏡)等を取り付けても良い。
以下、本実施形態のマスタスレーブマニピュレータの動作について説明する。遠隔操作装置100を把持している操作者10が、遠隔操作装置100の操作部101に設けられたグリッパー部1011を把持した状態で、操作部101を移動させたり、回転させたり、グリッパー部1011を操作したりすることにより、操作部101を構成する各駆動軸が駆動される。各駆動軸が駆動されると、その駆動量が図示しない位置検出器によって検出され、各位置検出器の検出信号(操作信号)が制御装置200に出力される。なお、操作信号は、所定時間Δt毎に出力される。
まず、遠隔操作装置100の姿勢変化について次のように定義する。例えば、ある時刻tにおいて、遠隔操作装置100の操作部101の位置が、図4(a)に示す位置Om(t)であるとする。また、時刻tにおける操作部101の姿勢が、マスタロール軸Xm、マスタピッチ軸Ym、マスタヨー軸Zmがそれぞれ、図4(a)に示すXm(t)、Ym(t)、Zm(t)の方向を向くような姿勢であるとする。この状態から、所定時間Δt経過後の時刻t+1において、操作部101の位置が、図4(a)に示す位置Om(t+1)に変化したとする。また、時刻t+1における操作部101の姿勢が、マスタロール軸Xm、マスタピッチ軸Ym、マスタヨー軸Zmがそれぞれ、図4(a)に示すXm(t+1)、Ym(t+1)、Zm(t+1)の方向を向くような姿勢に変化したとする。このときの操作部101の姿勢変化は、マスタロール軸Xm(t)周りの回転と、マスタピッチ軸Ym(t)周りの回転と、マスタヨー軸Zm(t)の回転とを合成したものである。さらに、数学的には、このような3つの軸周りの回転を、1つの軸周りの回転に置き換えることが可能である。即ち、図4(b)に示すように、ある回転軸Vr(t)を設定すると、時刻tから時刻t+1の間の操作部101の姿勢変化は、操作部101を回転軸Vr(t)周りにθ(t)だけ回転させたものと等価である。一般に、このような回転軸Vr(t)を表わすベクトルを、等価回転ベクトル(等価回転軸ベクトル等とも呼ばれる)と言う。本実施形態では、この等価回転ベクトルを用いて、操作部101の姿勢変化を判定する。
ここで、上述した例では、遠隔操作装置100の操作部101の自由度が6自由度(位置3自由度、姿勢3自由度)、スレーブアーム301の自由度が7自由度(位置3自由度、姿勢3自由度、手先のローリング)の例を示している。これに対し、遠隔操作装置100の操作部101の自由度とスレーブアーム301の自由度との関係は上述した例に限るものではない。例えば位置の自由度をなくした場合(即ち、操作部101の自由度が3自由度で、スレーブアーム301の自由度が4自由度の場合)であっても、上述した本実施形態の技術を適用できる。さらに、上述した例は、冗長関節が1つの例を示しているが、冗長関節の数は1つに限るものではない。例えば、図3において、関節2と関節3との間に別のロール軸関節が配されても本実施形態の技術を適用できる。なお、この場合には、関節2と関節3の間に配される関節を常に駆動関節とする。
さらに、上記した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件の適当な組合せにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全
構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、上述したような課題を解決でき、上述したような効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成も発明として抽出され得る。
Claims (7)
- 複数の自由度に対応した操作情報を与えるマスタとしての遠隔操作装置と、
複数の自由度に対応した複数の関節を有し、該複数の関節の中に冗長関節が含まれるスレーブマニピュレータと、
前記操作情報に従って、前記関節の動作を制御する制御部と、
を具備し、
前記制御部は、前記操作情報から前記遠隔操作装置の姿勢変化を算出し、該姿勢変化を用いて、所定時間毎に、前記関節のうちで冗長関係にある関節の1つを選択して駆動することを特徴とするマスタスレーブマニピュレータ。 - 前記制御部は、前記姿勢変化を表わすための軸と前記遠隔操作装置の予め定められた軸とのなす角度から、前記関節のうちで冗長関係にある関節の1つを選択して駆動することを特徴とする請求項1に記載のマスタスレーブマニピュレータ。
- 前記姿勢変化を表わすための軸は、前記姿勢変化を、姿勢変化前から姿勢変化後の回転とみた場合の回転軸に対応していることを特徴とする請求項2に記載のマスタスレーブマニピュレータ。
- 前記冗長関係にある関節の間には、前記関節の軸と直交する回転軸を有する関節が存在していることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載のマスタスレーブマニピュレータ。
- 前記冗長関係にある関節は、隣接して配置されていることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載のマスタスレーブマニピュレータ。
- 前記制御部は、前記姿勢変化を表わすための軸と前記遠隔操作装置の予め定められた軸とのなす角度が規定値以下の場合に、前記冗長関係にある関節のうち、前記スレーブマニピュレータの先端側に最も近い関節を選択して駆動し、前記姿勢変化を表わすための軸と前記遠隔操作装置の予め定められた軸とのなす角度が前記規定値を越える場合に、前記冗長関係にある関節のうち、前記スレーブマニピュレータの先端側から最も遠い関節を選択して駆動することを特徴とする請求項2乃至5の何れか1項に記載のマスタスレーブマニピュレータ。
- 前記制御部は、前記関節のうちで冗長関係にある関節のうちの選択しなかった関節を固定関節として、残りの関節の駆動量を逆運動学計算によって算出することを特徴とする請求項1乃至6の何れか1項に記載のマスタスレーブマニピュレータ。
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