JP2017061032A - 高機能遠隔マニピュレーターシステム - Google Patents

Abstract

【課題】遠隔操作マニピュレータの提供。
【解決手段】ロボットマニピュレーターは、本体と、本体に動作可能に結合された立体ビデオシステムとを備える。この立体視システムは、ロボットマニピュレーターの環境の立体ビデオを生成する。ロボットマニピュレーターは、本体の対向する側部に結合された独立して遠隔制御される2つのアームも含む。各アームは、遠隔制御ステーションのオペレータが行う動作に基づいて遠隔制御ステーションから受信したコマンドに応答して、立体ビデオシステムにより生成される立体ビデオと固有受容性整合して動く。
【選択図】図３

Description

本願は、2011年3月23日付けで提出された「移動式ロボットマニピュレーターシステム(A Mobile Robotic Manipulator System)」と題した米国仮出願第61/466,902号および2011年3月23日付けで提出された「高機能遠隔マニピュレーターシステム(Dexterous Telemanipulator System)」と題した米国仮出願第61/466,904号の優先権ならびに利益を主張し、その全体はここに引用して援用する。

本発明に関わる政府の権利
本発明は、国土安全保障省により与えられた契約番号HSHQDC-10-C-00118号に基づく政府支援を受けてなされた。米国政府は、本発明に一定の権利を有する。

本発明は、概して、遠隔操作ロボットマニピュレーター・システムに関する。

遠隔操作システムは、概して、人間のオペレータがロボットマニピュレーターを遠隔制御可能となるマン・マシンインターフェースを含む。遠隔操作システムの一例は、カリフォルニア州サニーベール所在のインテュイティヴ・サージカル社(Intuitive Surgical)製のダビンチ外科手術システムである。ダビンチ外科手術システムは、工具として動作する3つのロボットアームと二眼カメラを支持する四番目のアームを備えている。外科医はコンソールの前に着席し、カメラ付きのロボットアームで取り込まれた立体画像を見ながら、その他のアームを動かす手動制御装置および/または足踏み制御装置を操作する。これら制御装置の動きは、器機の微小移動に変換される。外科医は、ダビンチ外科手術システムを用いて最小侵襲手術を遠隔操作で行ってきた。

一様態において、本発明は、本体と、前記本体に動作可能に結合された立体ビデオシステムとを備えたロボットマニピュレーターに関する。この立体視システムは、前記ロボットマニピュレーターの環境の立体ビデオを生成する。前記ロボットマニピュレーターは、前記本体の対向する側部に結合された独立して遠隔制御される2つのアームをさらに含む。各アームは、前記遠隔制御ステーションのオペレータが行う動作に基づいて遠隔制御ステーションから受信したコマンドに応答して、前記立体ビデオシステムにより生成される前記立体ビデオと固有受容性整合して動く。

一様態では、それは、本体の対向する側部に結合された独立して遠隔制御される2つのアームを含むサーボアクチュエータ・サブシステムと、前記ロボットマニピュレーターの局地環境の立体ビデオを生成するビデオキャプチャ・サブシステムとを備えたロボットマニピュレーターを含むシステムに関する。前記ロボットマニピュレーターは、動作コマンドを前記サーボアクチュエータ・サブシステムに送信する計算ホストサブシステムをさらに含む。前記動作コマンドは、前記ビデオキャプチャ・サブシステムにより生成される前記立体ビデオと固有受容性整合して前記サーボアクチュエータ・サブシステムに各アームを動かさせる。

さらに別の様態では、本発明は、本体と、前記本体に動作可能に結合された立体ビデオシステムと、前記本体の対向する側部に結合された遠隔制御される2つのアームとを備えたロボットマニピュレーターを遠隔操作するための方法に関する。前記方法は、前記ロボットマニピュレーターの環境の立体ビデオを前記ビデオシステムにより取り込む段階と、遠隔制御ステーションから受信したコマンドに応答して、前記立体ビデオシステムにより生成される前記立体ビデオと固有受容性整合して各アームを独立して動かす段階とを含む。

本発明の上記およびその他の利点は、添付の図面と共に次の説明を参照すればより良く理解できるはずである。幾つかの図面では、類似の参照番号は類似の構造的要素および特徴を示す。これら図面は必ずしも一定の縮尺ではなく、本発明の原理を図示することにむしろ重点が置かれている。
立体ビデオシステムおよび高機能の独立遠隔制御ハンドを備えたロボットマニピュレーターの一実施形態の写真である。 遠隔操作ロボットマニピュレーター・システムの一実施形態の機能ブロック図である。 保護被覆を除いたロボットマニピュレーターの一実施形態の図を示す。 ロボットマニピュレーターの正面図であって、ロボットマニピュレーターが折り畳まれた際の幅および高さを示す。 折り畳まれた際の幅および奥行きを示すロボットマニピュレーターの平面図である。 折り畳まれた際の高さを示すロボットマニピュレーターの側面図である。 ロボットマニピュレーターの胴部の一実施形態の図である。 ロボットマニピュレーターの肩部の一実施形態の図である。 ロボットマニピュレーターの上腕の一実施形態の図である。 ロボットマニピュレーターの肘の一実施形態の図である。 ロボットマニピュレーターの前腕の一実施形態の図である。 ロボットマニピュレーターの手首の一実施形態の図である。 ロボットマニピュレーターの立体ビデオシステムの一実施形態の図を示す。

出願人は、ダビンチ外科手術システムとして実施さている様々な遠隔マニピュレーター動作原理は、例えば、オペレータが安全な遠隔距離を保ちつつ人間にとって危険な環境内での作業を実施するなどの非医療用途に拡張できることに気づいた。例えば、本明細書に記載のロボットマニピュレーター・システムは車両に載置可能であり、また、爆弾処理班の要員による即製爆発装置(IED)に接近し、爆破しないようにし、無害化するために使用できる。他の用途には、軌道宇宙船の修理または軌道物体の捕捉もしくは安定化が含まれるが、それらには限定されない。

本明細書に記載のロボットマニピュレーター・システムは、三次元立体視と、複数の自由度(DOF)を備えた独立して制御可能な2つの高機能ハンドとを具備した遠隔操作ロボットマニピュレーターを含む。このロボットマニピュレーターのアームは、グラスパー、クランプ、カッター、電気プローブもしくはセンサなどの工具または器機を装着する。ロボットマニピュレーターは、粗動車両(coarse-movement vehicle)およびアームへのアタッチメントとして使用でき、または独立型ユニットとして動作できる。その設計は、拡大縮小可能であり、ロボットマニピュレーターが狭い空間に入りその中で動作可能とする小さなフォームファクターを生じる。

このロボットマニピュレーターの制御は、概して、RF(無線周波数)リンク、光ファイバ、または電気ケーブルテザー(cable tether)を介して遠隔制御ステーションから行われる。オペレータは、複雑な作業を遠隔実施するために直感的に使用できるヒューマン・マシンインタフェースを備えたこの制御ステーションで作業する。制御ステーションは、立体像と手動制御装置との固有受容性(proprioceptive)整合を達成する。すなわち、ロボットアームおよびハンドの動きは、オペレータの腕と手の動きに密接に対応する。直感的遠隔操作には、自然かつ信頼性が高く予測可能な動作を行うため、運動および回転把持、リンクカメラズームおよび運動尺度変更(movement scaling)、ならびに動作コマンドのカメラ基準系への変形が含まれる。

図1は、立体ビデオシステム12と、円筒形状の前方部分16Aおよび後方部分16B(概して胴部16)を具備した本体すなわち胴部に動作可能に接続された独立して制御される2つの高機能アーム14-1および14-2(概して14)とを備えたロボットマニピュレーター10の実施形態の写真を示す。胴部16は、アンドロス(Andros)F6-Aなどの移動式EOD(爆発物処理)プラットフォームに載置できる。立体ビデオシステム12は、胴部の前方部分16Aに動作可能に結合されている。好適には、立体ビデオシステム12は、遠隔制御傾動・ズーム・フォーカス機能を備えている。立体ビデオシステム12の実施形態は、標準精細度または高精細度(HD)とすることができる。

各アーム14-1および14-2は、それぞれの肩部18-1および18-2(概して18)により胴部の円筒形状の前方部分16Aに接続されている。肩部18は、胴部の前方部分16Aの対向する側部に回転可能に接続されている。各アーム14は、肩部18に回転可能に接続された上腕20と、肘24により上腕20に回転可能に接続された前腕22と、前腕22に回転可能に接続された手首26とを含む。手首26は、例えば、多機能カッター・グラスパーを含む様々な変更可能な工具28を備えるように構成できる。前腕から手首までが長く細いことよって、ビデオシステム12の作業地点および工具28への視界を遮る程度が減少される。一実施形態では、両方のアームを使用すれば、ロボットマニピュレーター10は、概ね5ポンドの正味重量を保持可能である。

上腕20は、図8に関連して後に詳述するように3軸のどれを中心としても回転可能である。これら3軸は、肩部18が上腕20に接合する点(すなわち、肩関節)で交差する。前腕は肘内で回転し、手首は直交する3つの軸を中心に回転し、これらの2つは交差する。これら7軸のうちのどれを中心としても回転する機能は、各アーム14に関する動作の6つの自由度に対応する。すなわち、前後の動作、左右の動作、前方および後方傾動(縦揺れ)(pitch)、横方向の傾動(横揺れ)(roll)、ならびに左右の回転(偏揺れ)(yaw)である。7番目の回転軸は、重複性と、工具28が所望の位置および配向で保持されるときに多くのアーム配置から選択する機能とを実現する。

ロボットマニピュレーター10のこの静的設計では、アーム14全体の質量中心は、3つの回転軸の交点に位置している。有利な点として、肩関節におけるこの交差によって、質量の中心は、アーム14の三次元運動の範囲全体にわたって確実に肩関節に留まる。この静的均衡設計(static balance design)は、ロボットマニピュレーターの安定化を促進し、アームの重さではなく工具および正味重量の力の感知を可能とし、もっぱら工具および正味重量の取り扱いに電力を効率的に使用する助けとなる。

図2は、通信リンク54を介してロボットマニピュレーター10と通信する制御ステーション52を含んだ遠隔操作ロボットマニピュレーター・システム50の機能ブロック図を示す。通信リンク54は、例えば、光ファイバケーブル(10Base T)、イーサネット（登録商標）ケーブル、またはRF通信リンクとすることができる。さらに、ロボットマニピュレーター10は、サーボアクチュエータ・サブシステム56と、計算ホストサブシステム58と、ビデオキャプチャ・サブシステム60と、電力変換および配電サブシステム62とを含む。

オペレータは、制御ステーション52を介して、ロボットマニピュレーター10を再位置決めし、ロボットアーム14を同時に個別制御し、かつ傾動、ズーム、動作尺度変更(motion scaling)、振動フィルタリング、および立体収束(stereo convergence)などのカメラ動作を実行できる。収束角を動的に調整することにより、広範囲の動作深度にわたり快適な立体視が得られる。概略的に述べると、制御ステーション52は、インターフェースデバイス動作をコマンドデータパケットに変換し、これらコマンドをロボットマニピュレーターに送信し、ロボットマニピュレーターから到着するビデオのハードウェア加速復元を行い、作業空間の範囲と遠隔構造物との衝突が迫っていることをオペレータに通知するグラフィックインターフェース・オーバーレイおよび触覚ディスプレイを実現するための計算要素(例えば、プロセッサ、メモリ、ソフトウェア、ネットワークインターフェース)を含む。

概略的に述べると、制御ステーション52はフィードバックを、3軸上の触覚力と、3軸上の触覚振動と、工具把持作用力の感覚と、三次元両眼視との形式でオペレータに与える。制御ステーション52は、立体視ディスプレイ64(好適には高精細度機能を備える)および触覚インターフェースデバイス66を含む。このディスプレイは、例えば、1024 x 800の解像度を備えた対角線15インチの一対のLCDディスプレイを使って実装できる。代替的には、ディスプレイ64は、ワシントン州ベルビュー所在のeMagin社が製造するSXGA解像度(1280 x 960)のオーガニックLEDマイクロディスプレイとしてもよい。その他の代替品としては、120 Hzの再生速度およびアクティブLCDシャッター付きメガネまたはフィルタおよびパッシブメガネを用いた三次元ディスプレイが含まれる。

触覚インターフェースデバイス66は、Omega7デスクトップ触覚インターフェースデバイス(スイス国ナイロン所在のForce Dimension社製)またはワシントン州シアトル所在のMimic Technologies製の両手インターフェースデバイスを用いて実装できる。Mimic社のデスクトップデバイスは、制御ハンドルに接続されたテンションケーブルを使用して位置を測定しかつオペレータに力を加える。サーボモータが、これらケーブルの張力を制御するスプールに取り付けられている。デュアルオペレータ手動制御触覚インターフェースデバイス66は、6つのDOF運動(左、右、後、前、上、および下)と比例グリッパー制御とを実現する。各マニピュレーターグリッパー(図12)に埋め込まれた3軸加速時計に基づく振動触覚フィードバックは、触覚インターフェースデバイス66において分解力として再生成される。触覚インターフェースデバイス66から発生するコマンド信号の低域フィルタリングは、任意の待ち時間がある場合の不安定化を防止する。

上述の触覚インターフェースデバイスの安価に実装された代替物としては、一対の6軸ジョイスティックデバイス(例えば、マサチューセッツ州ボストン所在の3Dconnexion社製のSpaceNavigator (登録商標))を用いて、動作コマンドを制御ステーションに送ることができる。これらデバイスは、現時点では触覚力の表示をサポートしていない。

さらに、衛星通信技術を使用した長距離動作のための短待ち時間ハードウェア加速ビデオコーデックの使用および通信設備を用いたテレプレゼンス動作の配置(collocation)は、通信待ち時間を抑制する助けとなる。長い往復待ち時間(例えば、750msを超えるもの)を補償するには、制御ステーション52は、オペレータがロボットマニピュレーターの工具をオーバーシュートやヘジテーションなしで所望の標的に正確に配置するのを補助するために、遠隔アームのコマンドによる配置を最小遅れで示す表示オーバーレイを提示できる。オペレータには、ロボットマニピュレーターが、触覚インターフェースデバイスの動作に対して即時的実時間応答で動作しているように見える。さらに、振動式触覚フィードバックを復号したビデオと同期させるためにこのフィードバックを故意に遅延させると、臨場感を伝える一貫性が欠如した感覚キューを避ける助けになる。

サーボアクチュエータ・サブシステム56は、ロボットマニピュレーター10の様々なサーボモータと、エンコーダと、閉ループ位置コントローラと、電力増幅器と、ネットワーク通信要素とを含む。

計算ホストサブシステム58は、通信リンク54を介して受信したコマンドをサーボアクチュエータ・サブシステム56の低レベル命令に翻訳し、サーボモータから受信したフィードバック信号を翻訳しかつ制御ステーション52に送り、さらに、ビデオキャプチャ・サブシステム60のカメラからのビデオデータを収集し、圧縮し、かつ表示目的で制御ステーション52に送信する。

計算ホストサブシステム58は、通信および組み込みソフトウェア76(メモリ78に格納される)を実行してロボットマニピュレーター10の機能を制御するプロセッサ74が含まれ、こうした機能には、自律的に展開および縮小する機能や、制御ステーション52から受信したコマンドが要求する動作を達成するため、各マニピュレーター関節に必要な動作を迅速に計算する機能などがある。ソフトウェア76は、これら必要な動作をサーボアクチュエータ・サブシステム56およびビデオキャプチャ・サブシステム60の様々な構成要素が予期する命令に翻訳する。計算ホストサブシステム58は、これら命令をUSB2.0、CANBus、またはEtherCATなどの標準的な通信チャンネル80を介して各サブシステム56、60に通信する。一例として、コマンドを毎秒20ないし500の位置でサーボアクチュエータ・サブシステム56に送信できる。

オペレータからの位置更新がない場合、アーム14の個々の関節は、それらの最後のコマンド位置を維持する。後に詳述するように、このロボットマニピュレーターの「身体部位」の形状および位置に組み込まれた様々なレベルの釣り合わせと、運動範囲全体にわたる平衡状態維持のために使用されるプログラムアルゴリズムとによって、このロボットマニピュレーターは、最小限の電力を使用してこれら位置を維持できる。組み込みソフトウェア76の目的は、例えば、幅42インチ、深さ25インチ、高さ33インチの寸法がある大きな作業空間においてアームが概ね平衡状態を維持できるようにすることである。

ソフトウェア76は、さらに、サーバアクチュエータおよびビデオキャプチャ・サブシステム56、60からフィードバック情報を収集し、このフィードバック情報を翻訳かつ符号化し、符号化したデータを制御ステーション52に通信リンク54を介して送信する。組み込みソフトウェア76は、障害状態を検出かつ処理し、できる限り回復を可能とする。

ビデオキャプチャ・サブシステム60は、遠隔環境の立体画像を獲得し、計算ホストサブシステム58からのズーム、焦点、またはカメラ収束を調整するコマンドに応答する。一実施形態では、ビデオキャプチャ・サブシステム60は、VGA (640x480)立体ビデオをサポートする。他の機能には、さらに高度の表示解像度ならびにズーム、焦点、収束および立体ベースラインの遠隔調整を含むことができる。

電力変換および配電サブシステム62は、ここでは例えばロボットマニピュレーター10が載置されている移動式ホストプラットフォーム70の一部として示されている外部電源68から電力を受け、さらに、この電力をそれに依存する様々な電子サブシステム56、58、および60により必要とされる電圧および電流レベルに変換する。

図3は、保護被覆を除いたロボットマニピュレーター10の図を示す。立体ビデオシステム12は、4つのローラ102を備えた下部構造100を備えている。これらローラ102は、胴部の円筒形状の前方部分16Aにおける2つの弓状レール104の上に乗っている。チェーン駆動装置106は、ビデオシステム12の下部構造100および前方部分16Aの開口部108を通過しており、ビデオシステム12を胴部の前方部分16Aに結合している。チェーン駆動装置106は、ビデオシステム12をレール104に沿って前後方向に引っ張るよう動作し、これが、胴部の前方部分16Aの円筒形状によってビデオシステム12をそれぞれ上下に傾動させる。

一般に、ロボットマニピュレーター10は、それぞれの関節に独立閉ループ位置サーボを備えた分散制御アーキテクチャを使用する。具体的には、各上腕20は、減速ギヤボックスおよびプーリーを備えたサーボモータ110を含む。ベルト112は、モータ110のプーリーを肘24のプーリー202(図10)に結合する。各肩部18の後方には、肩部18の別のプーリー172(図8)にベルト116によって結合された別のモータ114が設けられている。モータ110、114、およびベルト112、116は、民生品活用(COTS)部材としてよい。

各アームに関し、胴部の後方部分16Bは、肩部18のプーリー164(図8)にベルト122によって結合されたモータ120を備えている(図3には右アーム14-1用のモータ120およびベルト122のみを示す)。各ベルト112、116、および122は平坦であり、プーリーの歯と噛み合う一体成形された歯を備えている。さらに、これら別々のベルトが衝撃を絶縁する。さらに、低ギヤ比の機械伝動装置が、マニピュレーターの差速機能および低反射慣性(reflected inertia)を実現し、ロボットマニピュレーターと構造物が衝突した際には、それらを破損する危険性を軽減する。

モータ110の質量は、アームの残り部分(すなわち、肘、前腕、手首)からみて肩部18の反対側に設けられ、肩関節内の概ね3軸交差点においてアーム14を釣り合わせるカウンタウェイトとなる。有利なことに、アームを釣り合わせることで、電力オフの時にアームが現在位置に留まることができる。すなわち、任意の肩部およびアーム関節の現在位置を維持するためにこれら肩部およびアーム関節にトルクをかける必要がない。アームが平衡状態にあれば、電力はもっぱら正味重量の移動に消費され、モータ電流はアーム自体でなく工具を感知かつ保持するために使用される。

図4、図5、および図6は、合わせて、ロボットマニピュレーターの一実施形態が狭い空間に入るため折り畳まれた際の寸法を示す。図4はロボットマニピュレーター10の正面図を示し、図5はロボットマニピュレーターの平面図と、図6はロボットマニピュレーターの側面図を示す。コンパクトな折り畳み姿勢では、ビデオシステム12は前方に傾動し、前腕22は胴部16の前方に延伸する。コンパクトな幅130は、上腕20の最外縁部から測定すると概ね14インチである。高さ132は、胴部の後方部分16Bの前縁部から後方部分16Bの後縁部まで測定すると概ね5.2インチである。円134(図4)は、ロボットマニピュレーター10がこのコンパクトな折り畳み姿勢とされた際にマニピュレーターが投影されうる荷積み口(porthole)のおおよそのサイズを示す。こうした荷積み口の直径は、14.125インチである。長さ136(図5)は、前腕22の前縁部から胴部の後方部分16Bの後縁部まで測定すると概ね15インチである。このコンパクトさを判断する他の基準として、ロボットマニピュレーター10の一実施形態はわずか5kgの重量であり、50Wの電力しか消費しない。

図7は、円筒形状の前方部分16Aおよび後方部分16Bを含むロボットマニピュレーター10の胴部16の一実施形態の図である。胴部16の説明において、図3に関連して説明した特徴も参照する。後方部分16B内部には、一対のモータ120-1、120-2(概して120)が収容されている。各モータ120は、プーリー152を回転させるギアボックス156により連結されており、このプーリーは、ベルト１22(図3)によって肩部18のプーリー164(図8)に連結されている。前方部分16Aは、一対の心棒150(右側の心棒のみを示す)を含み、各心棒150は一方の肩部18に接続されている。この実施形態では、モータ120-1は右の肩部18-1を回転させ、モータ120-2は左の肩部18-2を回転させる。

また、胴部16は、モータ120を制御するためのプリント回路基板(PCB) 154(運動制御ボードと呼ぶ)を備えている。PCB154は、サーボコントローラと、ブラシレスモータ整流と、PCM(パルス符号)変調と、閉ループ位置/トルク制御と、CANBUS通信機能と、直流供給と、インクレメンタル位置エンコーダフィードバックとを含む。PCB154は、スイス国のサクセルン(Sachseln)所在のMaxon社製のMaxon EPOS-2モジュールで実装できる。

さらに、胴部16は、重力の方向を感知することによって、ホストプラットフォーム(例えば、ロボットアーム、移動式プラットフォーム、または「ジョーズ」)がロボットマニピュレーター10を保持している方向を感知する加速時計(図示しない)を含む。重力の方向およびアーム14の方向(位置エンコーダから得られる)が分かっていれば、触覚フィードバックを目的としてロボットマニピュレーターが確実に釣合状態を維持するように、胴部16はモータ120を操作可能である(すなわち、ロボットマニピュレーターが一定位置に留まるために関節に掛ける必要があるトルクは、手動コントローラで示す触覚力の算出には使用されない)。

図8は、ロボットマニピュレーター10における各右肩部の一実施形態の図を示す。肩部の説明において、図3に関連して説明した特徴および図7に示した胴部16も参照する。各肩部18は、円形状エンドキャップ162から直交して延伸した対向する肩甲骨160-1および160-2を含む。エンドキャップ162は、胴部の円筒形状の前方部分16Aの一方の側部に取り付けられている。エンドキャップ162には、胴部の心棒150の1つを収容するベアリング166を備えた中心プーリー164が固定されている。中心プーリー164に掛けられたベルト122は、肩部18を、胴部16の後方部分16B内にある一方のモータ120のプーリー152に結合する。モータ120の動作により、肩部18に結合されたアーム14が軸170-1を中心に回転する。各モータ120の位置(および、派生的に肩部の位置)が分かるように、モータには位置エンコーダが関連付けられている。

肩甲骨160-2の遠位端には、上腕20の１つのベアリング194(図9)を収容するためのソケット174を備えた第2プーリー172が設けられている。プーリー172に掛けられたベルト116(図3)は、肩部18を、上腕20内にある一方のモータ114のプーリーに結合する。モータ114の動作により、肩部18に結合されたアーム14が、軸170-2を中心に回転する。第3軸170-3は、図10に関連して後にも説明するが、肩部18内の点176において他の2つの軸170-1および170-2と交差している。

各肩部18は、ソケット166を周回し、肩甲骨160-1の長さに沿って延伸し、肩甲骨160-1の遠位端から突出するフレキシブルプリント回路基板178を含む。フレキシブル回路178は、上腕、肘、および器機サブシステムに内蔵された運動制御PCBとの間で電力およびデジタルデータ信号をやりとりする。このコイル状設計によって、ロボット関節は、それらの設計された動作範囲全体において無視できるほどの抵抗を受けるのみで回転可能となる。

図9は、ロボットマニピュレーター10における各上腕20の一実施形態の図を示す。上腕20の説明において、図3に関連して説明した特徴および図8に示した肩部18も参照する。上腕20の主要部分は、肩部18の2つの肩甲骨160-1、160-2の間に近接して装着されている。上腕20は、肘24(図10)のギア202に係合するベルト112を駆動するモータ114と、肘24(図10)のギア202に係合するベルト116を駆動するモータ114とを収容する。

上腕20は、ギア172を収容する第1開口部190と、肘24のシャフト200(図10)を収容する第2開口部192とを含む。開口部190の回転可能シャフト194は、ギア172のベアリング174に近接して進入し、従って、上腕20を肩部18に結合するよう適合されている。シャフト194は、回転軸170-2と一致している(図8)。

上腕20は、さらに、モータ110および114の動作を(コマンドに応答して)制御するための電子機器回路196を含む。各モータ120の位置(および、派生的に上腕の対応した位置)が分かるように、モータ120は関連した位置エンコーダを備えている。

図10は、ロボットマニピュレーター10における肘24の一実施形態の図を示す。肘24の説明において、図3に関連して説明した特徴および図9に示した上腕20も参照する。肘24はわずかに曲がっている。肘24の端部は、上腕20の開口部192(図9)に入るシャフト200と、ベルト112に係合するギヤ202が設けられている。肘24の二又端部には、関節206に動作可能に接続された上腕取付台204が設けられている。取付台204は、関節206に接続されているため軸208を中心に回転可能である。フレキシブル回路209が関節206を周回し、二又端部の内表面に沿って延在し、肘24の本体に入る。フレキシブル回路209は、フレキシブル回路178に電気的に接続され、電力およびデジタル通信信号を、前腕の主ハウジング210(図11)に内蔵されたモータ制御PCB216ならびに手首26に内蔵された加速時計および角位置センサとの間で伝達する。

図11は、ロボットマニピュレーター10における前腕22の一実施形態の図を示す。前腕22の説明において、図3に関連して説明した特徴および図10に示した肘24も参照する。前腕22は、主ハウジング210およびハウジング210の一端から延伸する管状部212を備えている。管状部212は手首26で終端している。

ハウジング210内には、4つの減速機付き電磁ブラシレスモータ214と、プリント回路基板216と、電気モータ214の回転に応答して管状部212、手首26、およびグリッパー28を回転動作させるケーブル駆動機構218とが設けられている。電気モータ214には、オプションで高解像度回転位置センサを取り付けることもでき、または、粗解像度回転位置センサとしてモータ内にホール効果センサを使用することでそうしたセンサを省略してもよい。モータ214、PCB216、およびケーブル駆動機構218はハウジング210内で、これらが管状部212および手首26の質量と釣り合う場所に配置されている。前腕22のこの設計により、質量の中心は、ハウジング210内で前腕関節222を通る軸220上に位置している。

ケーブル駆動機構218の機械的特徴は、肘24の前腕取付台204(図10)に分離可能に接続される。前腕取付台204は、肘24の関節206の両端に接続されている。前腕22は肘24に取り付けられると、軸208(図10)および220が位置合わせされる、前腕22が動くときは、前腕関節222を中心として回転する。この前腕関節はその質量中心と位置合わせされており、従って、前腕22はその三次元移動範囲全体にわたって概ね平衡状態を維持する。

手首26には2つのグリッパージョー28が取り付けられている。ジョー28は、プラスまたはマイナス方向に90度範囲にわたり上下に移動でき、さらに、切断および把持動作を実行するため開閉できる。電子機器回路216は工具28の動きを制御する。前腕22のハウジング210から管状部212を介して手首26まで延伸する4ケーブルアクチュエータ(図示しない)が、工具28の偏揺れ(yaw)、縦揺れ(pitch)と、開閉動作を実行する。

図12は、ロボットマニピュレーター10における手首26の一実施形態の図を示す。手首26は、回転可能な手首関節230において工具28に接続されている。従って、ロボットマニピュレーター10はその最も遠い関節を回すことができ、手首関節230によって、工具28は、軸232を中心にプラスまたはマイナス方向に90度動かすことができる。手首26は、手首関節230の両端と、プリント回路基板(PCB)236とに接続されたフレキシブル回路234も含む。フレキシブル回路234は、手首関節230内の2つの角位置センサからのデジタル電気信号を搬送する。これらの信号は、各グリッパージョー28の角位置に関するデータを符号化する。

PCB236は、振動を検出して三次元の振動触覚フィードバックを与えるための表面取付された3軸加速時計240を含む。PCB236は、さらに、フレキシブル回路234に接続された表面取付キャパシタンス感知回路を含む。これらの表面取付ICは、デジタル電気信号をI2Cまたは類似のインターフェースを介して通信する。手首26は、さらに、左右のマニピュレーターのグリッパーと接触する物体間の電位(電圧)差またはグリッパージョー28に保持された電線を流れる電流を感知するための工具先端に達するワイヤ(図示しない)を含む。センサ(例えば、容量性角度センサ230)は、工具28の相対位置を感知し、触覚制御信号へと処理するため計算サブシステムに通信する。この関節位置の感知は、モータ位置センサから独立している。一実施形態では、PCB236は、加速時計240が収集したデータおよび感知された関節位置をアーム14にI2Cバスを介して通信する。

図13は、ロボットマニピュレーター10における、チェーン駆動装置106および4つのローラ102を含む立体ビデオシステム12の一実施形態の図である。ビデオシステム12は、低光量機能と、自動焦点と、自動絞りと、構成、ズーム、および焦点のための遠隔デジタルインターフェースと、コンポーネントビデオ出力とを備えた2つの高精細度(1080iまたは720p)のブロックカメラ・モジュール250-1および250-2 (概して250)を含んでいる。一実施形態では、カメラモジュール250の視野は50度(広角)および5.4度(望遠)である。これら角度は、カメラ250に取り付けられる外部広角アダプタを使用すれば拡大できる。

さらに、ビデオシステム12は、データ通信へのアクセス用のインターフェースカード(図示しない)と、カメラピッチ(傾動)サーボと、ステレオマイク前置増幅器と、短待ち時間ビデオ圧縮(例えばH.264)、ステレオ音声圧縮、およびイーサネット（登録商標）通信を実現するためのビデオエンコーダ(例えば、カリフォルニア州アービン所在のTeredek社製のTeredek Cube)とを含む。カメラピッチサーボは、ビデオシステム12をチェーン駆動装置106に沿って引っ張り、ビデオシステム12を上下に傾動させる。ビデオシステム12が下方向に90度傾動された場合、ロボットマニピュレーター10の回転によって、その両眼視が左右に向けられる(こうした回転は、ロボットマニピュレーター10が取り付けられたホストロボットアームにより行われる)。カメラの視野方向は、ロボットアームおよびハンド(すなわち工具)の移動方向に影響する。例えば、カメラ方向が下方に傾動されている場合、遠隔制御ステーションにおいてオペレータによる手動制御の前方に手を伸ばす動作に応答して、アームは下方に移動する。すなわち、オペレータの座標系は両眼視の座標系にリマッピングされる。

明細書中における「一実施形態」または「一つの実施形態」という記載は、当該実施形態に関連して記載された特性、特徴、構造物、または特色が、本教示の少なくとも一つの実施形態に含まれていることを意味する。明細書における特定の実施形態への言及は、必ずしも同じ実施形態に言及しているわけではない。本明細書で使用する用語は、特定の実施形態を記述するためのものであり、限定的に考慮されるべきではない。

当業者であれば理解できるように、本発明の諸側面は、システム、方法、およびコンピュータプログラム製品として実施できる。従って、本発明の諸側面は、完全にハードウェアもしくは完全にソフトウェア(ファームウェア、プログラムコード、常駐ソフトウェア、マイクロコードを含むがそれらに限定されない)で、またはソフトウェアとハードウェアの組み合わせで実施できる。こうした実施形態すべては、本明細書では概して回路、モジュール、またはシステムと呼ばれる。さらに、本発明の諸側面は、コンピュータ可読プログラムコードが実装された1つまたは複数のコンピュータ可読媒体で実施されたコンピュータプログラム製品の形式としてもよい。

1つまたは複数のコンピュータ可読媒体の任意組合せを利用してもよい。このコンピュータ可読媒体は、コンピュータ可読信号媒体またはコンピュータ可読記憶媒体でよい。コンピュータ可読記憶媒体は、例えば、電子、磁気、光学、電磁、赤外線、もしくは半導体システム、装置、デバイス、または上記の任意適切な組合せを含むことができるが、それらに限定されない。このコンピュータ可読記憶媒体のより具体的な例(すべてを網羅するリストではない)は、1つまたは複数の電線を備えた電気接続部、携帯用コンピュータディスケット、ハードディスク、ランダムアクセスメモリ(RAM)、読み出し専用メモリ(ROM)、消去可能なプログラマブル読出し専用メモリ(EPROMまたはフラッシュメモリ)、光ファイバ、コンパクトディスク読出し専用メモリ(CD-ROM)、光記憶装置、磁気記憶装置、または上記の任意組合せを含む。本明細書の文脈では、コンピュータ可読記憶媒体は、命令実行システム、装置、もしくはデバイスによって使用されるもしくはそれらと組み合わせて使用されるプログラムを保持または格納できる任意の有形媒体でよい。

コンピュータ可読信号媒体は、例えば、ベースバンドにおいてまたは搬送波の一部として実施されたコンピュータ可読プログラムコードを備えた伝搬データ信号を含むことができる。そうした伝搬信号は、電磁、光学、または任意適切なそれらの組合せを含むがそれには限定されない様々な形式のうち任意形式を取ることができる。コンピュータ可読信号媒体は、コンピュータ可読記憶媒体でない任意のコンピュータ可読媒体であって、命令実行システム、装置、もしくはデバイスによって使用されるもしくはそれらと組み合わせて使用されるプログラムを伝達、伝搬、または伝送できる任意のコンピュータ可読媒体でよい。

コンピュータ可読媒体上で実施されているプログラムコードは、ワイヤレス、配線、光ファイバケーブル、無線周波数(RF)等またはそれらの任意適切な組合せを含むことができるが、それらに限定されない任意適切な媒体を用いて伝送できる。

本発明の諸様態を実行するためのコンピュータ・プログラムコードは、JAVA（登録商標）、Smalltalk、C++、Visual C++などのオブジェクト指向プログラミング言語ならびにCおよびPascalプログラミング言語または類似のプログラミング言語のような従来の手続き型プログラミング言語を含む1つまたは複数のプログラミング言語の任意組合せで書けばよい。

本発明の諸様態は、本発明の実施形態による方法、装置(システム)、およびコンピュータプログラム製品のフローチャートならびに/またはブロックダイヤグラムを参照して説明できる。これらフローチャートおよび/またはブロックダイヤグラムの各ブロックならびにフローチャートおよび/またはブロックダイヤグラムのブロックの組合せは、コンピュータプログラム命令によって実装できることは理解されるはずである。これらコンピュータプログラム命令は、汎用コンピュータもしくは専用コンピュータまたは他のプログラム可能データ処理装置のプロセッサに与えることができ、こうしたコンピュータまたはプログラム可能データ処理装置のプロセッサを介して実行されるこれら命令が、フローチャートおよび/またはブロックダイヤグラムの単数もしくは複数のブロックで指定されている機能/動作を実装する手段を生成する。

これらコンピュータプログラム命令は、コンピュータ、他のプログラム可能データ処理装置、または他の装置に特定の様態で機能するよう指示できるコンピュータ可読媒体に格納してもよく、このコンピュータ可読媒体に格納された命令は、フローチャートおよび/またはブロックダイヤグラムの単数もしくは複数のブロックで指定されている機能/動作を実装する命令を含む製品をもたらす。

これらコンピュータプログラム命令は、コンピュータ、他のプログラム可能データ処理装置、または他の装置にロードして、こうしたコンピュータ、他のプログラム可能装置、または他の装置で一連の動作ステップを実行させてコンピュータ実装処理を実現し、コンピュータまたは他のプログラム可能装置上で実行するこれら命令が、フローチャートおよび/またはブロックダイヤグラムの単数もしくは複数のブロックで指定されている機能/動作を実施する処理をもたらす。

図中のフローチャートおよびブロックダイヤグラムは、本発明の様々な実施形態によるシステム、方法、およびコンピュータプログラム製品の可能な実装例のアーキテクチャ、機能、および動作を示す。この意味では、このフローチャートまたはブロックダイヤグラムの各ブロックは、コードのモジュール、セグメント、または一部を表し、これは指定された論理機能を実装する1つまたは複数の実行可能命令を含む。さらに、幾つかの代替的な実装例では、ブロックに示された機能は、図に示された順番で実行されない場合があることにも注意すべきである。例えば、それに関わる機能によっては、連続して示した2つのブロックは、実際には概ね同時に実行してもよいし、これらブロックを反対の順番で実行してもよい。これらブロックダイヤグラムおよび/またはフローチャートの各ブロックならびにブロックダイヤグラムおよび/またはフローチャートのブロックの組合せは、指定された機能もしくは動作を実行する専用ハードウェアベースシステムまたは専用ハードウェアおよびコンピュータ命令の組合せによって実装できることは理解されるはずである。

上述した発明の態様は、半導体製造工程で製造される1つまたは複数の集積回路(IC)チップで実装される。こうしたICチップのメーカーは、これらを、ベアダイとして生ウェハ(複数の未実装チップを供えた単一のウエハ)の状態または実装状態で流通させることができる。実装されている場合、これらICチップは、例えば、マザーボードもしくは他のより高レベルのキャリアにリード線が接続されたプラスチックキャリアなどの単一のチップパッケージに取り付けられるか、表面および/または埋込相互接続部を備えたセラミックキャリアなどの多チップパッケージに搭載される。こうしたICチップは、次に、マザーボードなどの中間製品または最終製品の一部として、他のチップ、ディスクリート回路素子、および/または他の信号処理デバイスに集積される。この最終製品は、電子ゲーミングシステムおよび他の低価格応用例ならびに表示装置、入力装置、および中央処理装置を備えた高度コンピュータ製品などのICチップを供えた任意製品とすることができる。

特定の好適な実施形態を参照しつつ本発明を図示しかつ説明してきたが、通常の技能を備えた当業者であれば、形式および細部は、次の特許請求の範囲に定義された本発明の精神および範囲から逸脱することなく様々に変更できることは理解するはずである。

特許請求の範囲は次の通りである。

Claims (19)

1. ロボットマニピュレーターであって、
   遠隔制御される移動式ホストプラットフォームと、
   前記遠隔制御される移動式ホストプラットフォームに取り付けられた本体と、
   前記本体に動作可能に結合された立体ビデオシステムであって、前記ロボットマニピュレーターの環境の立体ビデオを生成する立体ビデオシステムと、
   前記本体の対向する側部に結合された独立して遠隔制御される2つのアームであって、それぞれが、遠隔制御ステーションのオペレータが行う動作に基づいて前記遠隔制御ステーションから受信したコマンドに応答して、前記立体ビデオシステムにより生成される前記立体ビデオの視野方向と固有受容性整合することによって決定された方向へ動くアームとを含み、
   各アームは、第1および第2軸を中心に回転運動するように前記本体の1つの側部に回転可能に結合された上腕と、第3軸を中心に回転運動するように前記上腕に回転可能に接合された肘とを含み、前記3つの回転軸は前記上腕内の一点で交差し、
   各アームは、肘関節を中心として回転運動するように前記アームの前記肘に回転可能に接合された前腕を含み、前記前腕は、その三次元移動範囲全体にわたって前記肘関節で前記前腕を平衡させるように、質量の中心を前記肘関節に備えている、ロボットマニピュレーター。
2. 前記本体が、重力の方向を検出するための加速度計をさらに含み、前記ロボットマニピュレーターが、前記検出された重力の方向および前記ロボットマニピュレーターの前記アームの位置に応答して、前記アームを平衡させる計算サブシステムをさらに含む、請求項1に記載のロボットマニピュレーター。
3. 前記本体はレールを備え、前記ビデオシステムは、前記本体の前記レールに乗るローラを具備した下部構造を備え、前記ロボットマニピュレーターは、前記ビデオシステムを前記本体に結合するチェーン駆動装置と、前記ビデオシステムを前記チェーン駆動装置に沿って移動させ前記ビデオシステムを上下に傾動させるサーボとをさらに含む、請求項1に記載のロボットマニピュレーター。
4. 各前腕は、器機を保持するよう適合された手首を含む、請求項１に記載のロボットマニピュレーター。
5. 各上腕は、前記第1および第2軸の一方を中心に前記上腕を回転させる第1サーボと、前記第1および第2軸の他方を中心に前記上腕を回転させる第2サーボとを備え、前記第１および第２サーボは、該両方のサーボが前記アームの残り部分の釣合おもりとなる前記上腕内の場所に配置されている、請求項４に記載のロボットマニピュレーター。
6. 各アームがツールを備えた回転可能な手首を含み、前記手首は、三次元で振動を検出し報告する3軸加速度計を備える、請求項1に記載のロボットマニピュレーター。
7. 前記手首は、前記ツールによる把持の開度を検出するための手段をさらに含む、請求項６に記載のロボットマニピュレーター。
8. 遠隔制御される移動式ホストプラットフォームと、
   前記遠隔制御される移動式ホストプラットフォームに取り付けられたロボットマニピュレーターとを備えたシステムであって、前記ロボットマニピュレーターが、
   本体の対向する側部に結合された独立して遠隔制御される2つのアームを含むサーボアクチュエータ・サブシステムであって、
   各アームは、第1および第2軸を中心に回転運動するように前記本体の1つの側部に回転可能に結合された上腕と、第3軸を中心に回転運動するように前記上腕に回転可能に接合された肘とを含み、前記3つの回転軸は前記上腕内の一点で交差し、
   各アームは、肘関節を中心として回転運動するように前記アームの前記肘に回転可能に接合された前腕を含み、前記前腕は、その三次元移動範囲全体にわたって前記肘関節で前記前腕を平衡させるように、質量の中心を前記肘関節に備えているサーボアクチュエータ・サブシステムと、
   前記ロボットマニピュレーターの局地環境の立体ビデオを生成するビデオキャプチャ・サブシステムと、
   動作コマンドを前記サーボアクチュエータ・サブシステムに送信する計算ホストサブシステムであって、前記動作コマンドが、前記ビデオキャプチャ・サブシステムにより生成される前記立体ビデオの視野方向と固有受容性整合することによって決定された方向へ、前記サーボアクチュエータ・サブシステムに各アームを移動させる、計算ホストサブシステムとを含む、
   システム。
9. 触覚インターフェースデバイスを備えた遠隔制御ステーションをさらに含み、前記遠隔制御ステーションは、オペレータによる前記触覚インターフェースデバイスの操作に応答して、前記動作コマンドを前記ロボットマニピュレーターの前記計算ホストサブシステムにネットワークを介して送る、請求項８に記載のシステム。
10. 前記計算ホストサブシステムは、前記サーボアクチュエータ・サブシステムから受信したフィードバック信号および前記ビデオキャプチャ・サブシステムから受信したビデオデータを前記遠隔制御ステーションに送信する、請求項９に記載のシステム。
11. 前記フィードバック信号の少なくとも一部は、前記アームの手首によって三次元で検出される振動に対応する、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記フィードバック信号の少なくとも一部は、前記アームのうち一方の手首が保持するツールによる把持作用力の感覚に対応する、請求項１０に記載のシステム。
13. 前記ロボットマニピュレーターが、重力の方向を検出するための加速度計をさらに含み、前記計算ホストサブシステムが、検出された重力の方向および前記ロボットマニピュレーターの前記アームの位置に応答して、前記アームを平衡させる、請求項８に記載のシステム。
14. 前記ロボットマニピュレーターが、前記遠隔制御される移動式ホストプラットフォームから得られる電力を前記ロボットマニピュレーターの前記サーボアクチュエータ・サブシステム、前記計算ホストサブシステムおよび前記ビデオキャプチャ・サブシステムに配電する配電サブシステムをさらに含む、請求項８に記載のシステム。
15. 前記遠隔制御される移動式ホストプラットフォームが、遠位端にグリッパーを備えたマニピュレーターアームを具備し、前記ロボットマニピュレーターが、前記マニピュレーターアームの前記遠位端の前記グリッパー内にある、請求項８に記載のシステム。
16. 各上腕は、前記第1および第2軸の一方を中心に前記上腕を回転させる第1サーボと、前記第1および第2軸の他方を中心に前記上腕を回転させる第2サーボとを備え、前記第１および第２サーボは、該両方のサーボが前記アームの残り部分の釣合おもりとなる前記上腕内の場所に配置されている、請求項８に記載のシステム。
17. 各前腕は、ツールを保持するよう適合された手首を含む、請求項８に記載のシステム。
18. 前記遠隔制御される移動式ホストプラットフォームが、遠隔制御される車両である、請求項1に記載のロボットマニピュレーター。
19. 前記遠隔制御される移動式ホストプラットフォームが、遠隔制御される車両である、請求項８に記載のシステム。
    

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