JP3457651B2 - 作業用ロボット - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、医療現場での手術
支援又は大型構造物の加工・組み立て現場でのドリル穴
加工などの作業に用いられる作業用ロボットに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、医療現場での人工股関節や膝関節
などの置換手術においては、大腿骨や脛骨などの生体骨
に人工股関節などを組み込むための空洞穴又は取り付け
用座面を形成するために、手術支援用ないし作業用ロボ
ットが使用されてきている。この種の作業用ロボットと
しては、例えば特公平７−６３４７２号公報に開示され
るように、先端に作業用工具を有する多自由度のマニピ
ュレータと、大腿骨などの生体骨を不動化する固定具
と、生体骨の位置を検出する検出器と、この検出器の信
号などに基づいて上記マニピュレータを制御する制御装
置とを備えたものが知られている。

【０００３】そして、この作業用ロボットを用いて生体
骨を加工手術する場合、手術前に生体骨の基準となる座
標系における加工用プログラムを作成し、制御装置に入
力しておく。手術開始時には、先ず、固定具により生体
骨を不動化した後、検出器により生体骨の位置を測定
し、制御装置において、この検出器から得られるロボッ
トと生体骨の三次元座標系内における位置情報から、ロ
ボットの座標系から実際の生体骨の座標系に合わせて加
工用プログラムを修正する。しかる後、この修正した加
工用プログラムに従ってマニピュレータを制御し、作業
用工具にて加工手術を行う。また、加工手術中に検出器
から得られる生体骨の基準位置の変化から生体骨がずれ
たことが判明すると加工手術を中断し、改めて検出器に
より生体骨の位置を再度測定し、ロボットと生体骨の三
次元座標系内における位置情報から、生体骨の座標系に
合わせて加工用プログラムを再修正した上で加工手術を
再開する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来の
ものでは、加工手術中に生体骨がずれる毎に加工を中断
し、検出器により得られる位置情報から加工用プログラ
ムの修正などを行った上で加工を再開しているため、加
工時間が長くなり、結果的に手術時間が延び、手術中の
血液喪失量が多くなるなど手術に悪影響を及ぼす虞があ
る。

【０００５】そこで、この問題を解決するために、加工
手術中、検出器から得られる生体骨の基準位置の変化情
報に基づき加工用プログラムをリアルタイムに自動修正
しながら加工を続行することが考えられる。しかし、こ
の方法では、固定具により不動化した生体骨の座標軸は
三次元座標の任意の位置であり、この生体骨の座標軸に
位置及び方向を合わせた座標変換により、元の加工用プ
ログラムが３軸指令のものでも５軸以上の指令プログラ
ムになるが、多自由度のマニピュレータの制御は、同時
制御軸数が多くなるに従い、作業用工具の位置制御精度
が悪くなるとともに、作業用工具の傾斜制御のためのマ
ニピュレータの運動範囲が予測不可能でロボット近くに
待機して加工を補助する手術医に接触する危険性が増大
することから、実用化することはできない。

【０００６】以上のような問題は、手術支援の作業用ロ
ボットの場合に限らず、大型構造物の加工又は組み立て
の現場でのドリル穴加工などの作業に用いられる作業用
ロボットの場合にもある。すなわち、この場合、加工前
に対象構造物の基準となる座標系における加工用プログ
ラムを作成し、また加工開始時には固定具により対象構
造物とロボットとを連結固定した後、ロボットに取り付
けた検出器から得られるロボットと対象構造物の三次元
座標系内における位置情報から、ロボットの座標系から
実際の対象構造物の座標系に合わせて加工用プログラム
を修正するが、加工中にロボット又は対象構造物の熱変
位や熱変形などにより両者間の相対的な位置又は方向が
ずれたときには加工を中断し、検出器により得られる位
置情報から加工用プログラムの修正などを行った上で加
工を再開する必要があるためである。

【０００７】本発明はかかる諸点に鑑みてなされたもの
であり、その課題とするところは、医療現場での手術支
援又は大型構造物の加工・組み立て現場でのドリル穴加
工などの作業に用いられる作業用ロボットにおいて、そ
の作業中に対象物（生体骨又は構造物）とロボットとの
相対的な位置又は方向がずれたときでも安全性を確保し
つつ作業を続行できるようにし、もって作業時間の短縮
化を有効に図り得る作業用ロボットを提供せんとするも
のである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、請求項１に係る発明は、作業用ロボットとして、対
象物に対し作業用工具を予めプログラムされた制御指令
に基づいて移動させる作業用マニピュレータ部と、この
作業用マニピュレータ部を保持しかつ対象物のプログラ
ムで定めた基準位置及び基準座標軸方向に作業用マニピ
ュレータ部を合致させるように移動させる位置決め用マ
ニピュレータ部と、上記対象物の位置及び方向を作業開
始前及び作業中常に検出する検出手段と、この検出手段
の信号に基づいて上記位置決め用マニピュレータ部を制
御する制御手段とを備え、この制御手段を、作業中に対
象物の位置又は方向が変化したときその変化量に応じて
作業用マニピュレータ部を移動させるように位置決め用
マニピュレータ部を制御する構成とする。

【０００９】この構成では、作業用ロボットのマニピュ
レータが作業用工具を保持する作業用マニピュレータ部
とこの作業用マニピュレータ部を保持する位置決め用マ
ニピュレータ部とからなり、作業用マニピュレータ部で
は予めプログラムされた制御指令つまり作業用プログラ
ムに基づいて対象物に対し作業用工具を移動させるよう
に動作し、位置決め用マニピュレータ部では作業用マニ
ピュレータ部を対象物の作業用プログラムで定めた基準
位置及び基準座標軸方向に合致させるように動作するた
め、作業開始時にロボットの座標系から実際の対象物の
座標系に合わせて作業用プログラムを修正することが不
要となるばかりでなく、作業中に対象物とロボットとの
相対的な位置又は方向が変化したときでも位置決め用マ
ニピュレータ部の動作により作業用マニピュレータ部な
いし作業用工具が変化量に応じて移動して対象物の基準
位置及び基準座標軸方向に合致するようになり、作業用
工具による作業位置などがずれることはなく、作業を中
断することもなく、またリアルタイムに作業用プログラ
ムを修正することもなく作業を続行することができる。
しかも、作業中に作業用プログラムの座標変換が不要で
あるため、作業用工具の位置制御精度が悪くなることは
なく、作業用工具の運動範囲の予測も可能であり、ロボ
ット近くに待機して作業を補助する者又は構造物と接触
する危険性もない。

【００１０】請求項１に係る発明は、上述した構成に加
えて、次のような構成をも要件とする。すなわち、上記
作業用マニピュレータ部は、三次元座標系の少なくとも
１軸方向に作業用工具を移動可能とする１自由度以上の
ものであり、上記位置決め用マニピュレータ部は、この
作業用マニピュレータ部による作業用工具の移動方向と
同じ軸方向の平行移動を除く三次元座標系の３軸回りの
回転及び２軸方向の平行移動が可能な５自由度のもので
あり、対象物のプログラムで定めた基準位置及び基準座
標軸方向に合致させる際位置決め用マニピュレータ部の
動作に加えて作業用マニピュレータ部をも動作させるよ
うに構成する。

【００１１】この構成では、位置決め用マニピュレータ
部は５自由度のものであるが、対象物のプログラムで定
めた基準位置及び基準座標軸方向に合致させる際にはこ
の位置決め用マニピュレータ部の動作に加えて作業用マ
ニピュレータ部をも動作させることにより、６自由度の
場合と同様に位置及び方向を自在に変更することができ
るとともに、ロボットのマニピュレータ全体としての自
由度を少なくすることができる。しかも、この際、作業
用マニピュレータ部の動作は作業用工具を１軸方向に移
動させるもので、作業用プログラムに軸方向の位置修正
量を加えるだけで足りるため、作業用工具による作業の
続行に支障を来たすことはない。

【００１２】請求項２に係る発明は、請求項１記載の作
業用ロボットにおいて、対象物を固定するための多関節
のマニピュレータを備え、上記検出手段を、このマニピ
ュレータの各関節の動作から対象物の位置及び方向を検
出するように構成する。この構成では、検出手段が、対
象物固定用のマニピュレータの各関節の動作から対象物
の位置及び方向を検出する構成になっているため、その
検出精度が高いものになる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。図１及び図２は本発明の第１の実
施形態に係る作業用ロボットＡを示し、この作業用ロボ
ットＡは、医療現場での人工股関節又は人工膝関節など
の置換手術において、大腿骨や脛骨などの生体骨に人工
股関節などを組み込むための空洞穴又は取り付け用座面
を形成する手術支援のためのものである。

【００１４】上記作業用ロボットＡは、手術室の床面上
を移動可能でかつ固定して据え付けられる支持台１と、
この支持台１上に設けられたロボット本体としての主マ
ニピュレータ２と、生体骨を固定し又はその位置を測定
するための２つの補助マニピュレータ３，４と、支持台
１上に配置された制御装置５とを備えている。

【００１５】上記主マニピュレータ２は、対象物である
生体骨の切削に用いる作業用工具としての切削工具６が
装着可能でかつこの切削工具６を回転駆動する主軸アタ
ッチメント７と、この主軸アタッチメント７ひいては切
削工具６を生体骨に対し予めプログラムされた制御指令
に基づいて移動させる作業用マニピュレータ部８と、こ
の作業用マニピュレータ部８を保持しかつ生体骨のプロ
グラムで定めた基準位置及び基準座標軸方向に作業用マ
ニピュレータ部８を合致させるように移動させる位置決
め用マニピュレータ部９とからなる。

【００１６】上記作業用マニピュレータ部８は、図３に
も示すように、位置決め用マニピュレータ部９の後述す
るロボットアーム２９に沿って三次元座標系の１つの水
平軸（図１のＹ軸）方向に移動可能に支持された主軸ユ
ニット１０を有し、この主軸ユニット１０は、サーボモ
ータなどのモータ１１に駆動連結されたねじ送り機構１
２によりＹ軸方向に移動するようになっている。上記主
軸アタッチメント７は主軸ユニット１０に対し、サーボ
モータなどのモータ１３により三次元座標系の垂直軸
（図１のＺ軸）回りに回転駆動されるように支持されて
いるとともに、サーボモータなどのモータ１４により三
次元座標系における主軸ユニット１０の移動方向と直交
する水平軸（図１のＸ軸）回りに回転駆動されるように
支持されている。よって、作業用マニピュレータ部８
は、主軸アタッチメント７及び切削工具６を３自由度で
もって回転又は平行移動（直進移動）させるようになっ
ている。

【００１７】上記位置決め用マニピュレータ部９は、支
持台１上に立設された円筒状の固定柱１６と、この固定
柱１６内に挿入されかつサーボモータなどのモータ１７
に駆動連結されたねじ送り機構１８により固定柱１６内
から上方に昇降動する昇降柱１９と、この昇降柱１９の
上端に回転可能に支持されかつ図４にも示す如くサーボ
モータなどのモータ２０によりウォームギヤ２１を介し
て垂直軸回りに回転駆動される回転台２２と、この回転
台２２上に水平軸（図１のＸ軸）回りに回転可能に支持
されかつサーボモータなどのモータ２３により回転駆動
されるヘッド支持部材２４と、このヘッド支持部材２４
に支持されかつサーボモータなどのモータ２５に駆動連
結されたねじ送り機構２６によりヘッド支持部材２４の
回転軸と同じ水平軸（図１のＸ軸）方向に移動するロボ
ットヘッド２７と、このロボットヘッド２７の移動方向
一端にこれと直交する水平軸（図１のＹ軸）回りに回転
可能に連結されかつサーボモータなどのモータ２８によ
り回転駆動されるロボットアーム２９とからなる。ロボ
ットアーム２９の回転軸と同一方向に上記作業用マニピ
ュレータ部８の主軸ユニット１０が移動可能に設けられ
ている。よって、位置決め用マニピュレータ部９は、主
軸ユニット１０の移動方向ひいては切削工具６の直進方
向と同じ軸方向の平行移動を除く三次元座標系の３軸回
り回転及び２軸方向の平行移動が可能な５自由度のもの
であり、生体骨のプログラムで定めた基準位置及び基準
座標軸方向に合致させる際位置決め用マニピュレータ部
９の動作に加えて作業用マニピュレータ部８の支軸ユニ
ット１０を平行移動させるようになっている。

【００１８】一方、上記２つの補助マニピュレータ３，
４は、共に主マニピュレータ２（位置決め用マニピュレ
ータ部９）の固定柱１６に固定した取付台３０上に取り
付けられている。各補助マニピュレータ３，４は、６自
由度の多関節のもので、図５及び図６に詳示するよう
に、取付台３０上に垂直軸（図１のＺ軸）回りに回転可
能に支持されかつサーボモータなどのモータ３１により
回転駆動される第１アーム３２と、この第１アーム３２
の上端に一端が関節軸回りに回転可能に連結されかつサ
ーボモータなどのモータ３３により回転駆動される第２
アーム３４と、この第２アーム３４の他端に一端が関節
軸回り及び軸線回りに回転可能に連結されかつサーボモ
ータなどのモータ３５及び３６により各々回転駆動され
る第３アーム３７と、この第３アーム３７の他端に一端
が関節軸回りに回転可能に連結されかつサーボモータな
どのモータ３８により回転駆動される第４アーム３９
と、この第４アーム３９の他端に関節軸回りに回転可能
に連結されかつサーボモータなどのモータ４０により回
転駆動されるハンド部４１とを有している。一方の補助
マニピュレータ３のハンド部４１は、図１２及び図１３
に示すように、生体骨ｗを把持可能に設けられており、
他方の補助マニピュレータ４のハンド部４１には生体骨
ｗの位置を測定するための接触子４３が装着可能に設け
られている。

【００１９】図７は作業用ロボットＡの制御装置５のブ
ロック構成を示す。この制御装置５は、マイクロコンピ
ュータなどを内蔵するもので、機能的には主マニピュレ
ータ２の作業用マニピュレータ部８の各モータ１１，１
３，１４を制御する第１制御部５１と、主マニピュレー
タ２の位置決め用マニピュレータ部９の各モータ１７，
２０，２３，２５，２８を制御する第２制御部５２と、
２つの補助マニピュレータ３，４の各モータ３１，３
３，３５，３６，３８，４０を共に制御する第３制御部
５３とを有する。

【００２０】上記制御装置５は、更にデータ取込部５５
と位置・方向算出部５６とを有しており、データ取込部
５５は、オンライン又はＩＣカードなどの外部記憶媒体
を介して作業用プログラムなどのデータを取り込み、作
業用プログラムを第１制御部５１に、基準位置及び基準
座標軸などの位置情報を第２制御部５２にそれぞれ送信
する。また、データ取込部５５で取り込んだデータは、
位置・方向算出部５６にも送信される。

【００２１】上記位置・方向算出部５６は、補助マニピ
ュレータ３の各モータ３１，３３，３５，３６，３８，
４０の回転角度をそれぞれ検出する６個のエンコーダな
どの検出器からなる第１検出器群６１の検出信号と、同
じく補助マニピュレータ４の各モータ３１，３３，３
５，３６，３８，４０の回転角度をそれぞれ検出する６
個のエンコーダなどの検出器からなる第２検出器群６２
の検出信号と、データ取込部５５を介して取り込んだ補
助マニピュレータ３，４の各アーム３２，３４，３７，
３９の長さなどの情報とに基づいて生体骨ｗの位置及び
方向並びにそれらの変化量を作業開始前及び作業中常に
算出するようになっており、この位置・方向算出部５６
と第１及び第２検出器群６１，６２とにより、請求項１
に係る発明にいう、対象物としての生体骨ｗの位置及び
方向を作業開始前及び作業中常に検出する検出手段６３
が構成されている。また、位置・方向算出部５６で算出
された情報は、第１制御部５１及び第２制御部５２に対
し共に送信され、特に第２制御部５２は、この情報つま
り検出手段６３の信号に基づいて位置決め用マニピュレ
ータ部９を制御する請求項１に係る発明にいう制御手段
として機能し、作業中に生体骨ｗの位置又は方向が変化
したときその変化量に応じて作業用マニピュレータ部８
の主軸ユニット１０を移動させるように位置決め用マニ
ピュレータ部９を制御するようになっている。

【００２２】次に、上記作業用ロボットＡを用いて、生
体骨ｗとして例えば大腿骨に、図８に示すような人工股
関節７０を組み込むための空洞穴を切削加工する場合の
作業手順を以下に説明する。尚、人工股関節７０は、寛
骨臼カップコンポーネント７１と骨頭コンポーネント７
２とステムコンポーネント７３とからなり、大腿骨に対
してはステムコンポーネント７３を組み込むものであ
る。

【００２３】切削加工に先立って、コンピュータ断層撮
影装置（ＣＴ装置）により加工対象大腿骨ｗの断面画像
を一定ピッチで連続的に撮影する。その場合、作業用ロ
ボットＡとは別のコンピュータに組み込まれた手術計画
システムソフトにより、先ず、図９に示すように、大腿
骨から得られた複数のＣＴ断面画像８１ａ，８１ｂ，８
１ｃから、大腿骨各断面の重心位置８１ａｃ，８１ｂ
ｃ，８１ｃｃを各々算出し、各断面画像の重心近傍を通
る大腿骨の骨軸８３を決定する。また、複数のＣＴ断面
画像８１ａ〜８１ｃから大腿骨の三次元形状モデル８２
を作成し、この三次元形状モデル８２上の大腿骨の骨頭
８４に最適な球モデル８５を重ね合わせ、球モデル８５
の中心を骨頭中心８６として決定する。

【００２４】続いて、図１０に示すように、大腿骨の三
次元形状モデル８２上の骨軸８３及び骨頭中心８６を基
準として、組み込むべき人工股関節の三次元モデル（斜
線部分）８７の重ね合わせを行う。そして、この重ね合
わせから、図１１に示すように、人工股関節を組み込む
ために大腿骨に切削加工すべき空洞穴（斜線部分）８８
を決定する。また、大腿骨の三次元形状モデル８２上の
骨軸８３及び骨頭中心８６から座標系及び加工原点８９
を決定し、この座標系及び原点８９を基準として切削工
具６による加工用ないし作業用プログラムを作成する。
この作業用プログラムなどの情報は、オンライン又はＩ
Ｃカードなどの外部記憶媒体を介して、作業用ロボット
Ａの制御装置５のデータ取込部５５に入力する。

【００２５】以上のような準備作業（手術計画）を終え
た後、人工股関節の置換手術を行う。この手術において
は、図１２に示すように、先ず、患者の大腿骨ｗの一部
を露出し、補助マニピュレータ３のハンド部４１により
大腿骨ｗを常時把持して固定する。その際、補助マニピ
ュレータ３の各モータ３１，３３，３５，３６，３８，
４０の回転角度を検出する第１検出器群６１の検出信号
に基づいて制御装置５の位置・方向算出部５６が作業用
ロボットＡに対する大腿骨ｗの固定位置を算出する。但
し、補助マニピュレータ３のハンド部４１が大腿骨ｗを
把持する位置は任意の位置であるため、この時点では作
業用ロボットＡに対する大腿骨ｗの位置及び方向は不定
である。

【００２６】続いて、補助マニピュレータ４のハンド部
４１に装着した接触子４３により大腿骨ｗの露出表面の
複数点（３０点程度）を測定し、制御装置５の位置・方
向算出部５６において、上述した手術計画により得られ
かつデータ取込部５５を介して取り込んだ三次元形状モ
デル８２の表面上に、この測定点の重ね合わせ処理を実
行し、作業用ロボットＡに対する大腿骨ｗの骨軸及び骨
頭中心位置など大腿骨の位置及び方向を決定する。

【００２７】しかる後、図１３に示すように、制御装置
５の第２制御部５２による制御の下に主マニピュレータ
２の位置決め用マニピュレータ部９が動作をして、大腿
骨ｗの作業用プログラムで定めた基準の座標系及び原点
（つまり基準位置及び基準座標軸方向）に合わせて、切
削工具６を保持する作業用マニピュレータ部８の主軸ユ
ニット１０の位置決めが行われる。詳しくは、切削工具
６の直進方向（つまり主軸ユニット１０の移動方向）を
大腿骨ｗの骨軸方向に、位置決め用マニピュレータ部９
のモータ２０の作動による回転台２２の垂直軸回りの回
転とモータ２３の作動によるヘッド支持部材２４の水平
軸回りの回転とにより一致させる。また、大腿骨ｗの軸
心に対する骨頭中心位置で決まる大腿骨の姿勢に合わせ
て、位置決め用マニピュレータ部９のモータ２８の作動
によりロボットアーム２９がロボットヘッド２７との連
結軸回りに旋回する。さらに、加工開始点へは、主軸ユ
ニット１０ひいては切削工具６の平行移動を各々生じさ
せる位置決め用マニピュレータ部９の昇降柱１９の固定
柱１６に対する昇降動とロボットヘッド２７のヘッド支
持部材２４上での移動と主軸ユニット１０のロボットア
ーム２９に沿った移動とにより一致させる。

【００２８】この位置決めが完了した後、制御装置５の
第１制御部５１の制御の下に主軸アタッチメント７によ
り切削工具６が回転するとともに、主マニピュレータ２
の作業用マニピュレータ部８が作業用プログラムに基づ
いた動作をすることにより、大腿骨ｗに空洞穴を形成す
るための切削加工が行われる。

【００２９】この切削加工中に補助マニピュレータ３の
ハンド部４１に把持された大腿骨ｗの位置及び方向がず
れ、制御装置５の位置・方向算出部５６がそのずれを検
出した場合には、検出された変化情報に基づいて、主マ
ニピュレータ２の位置決め用マニピュレータ部９が修正
動作をして、作業用マニピュレータ部８を位置決め状態
に保持する。その際、作業用マニピュレータ部８の主軸
ユニット１０が位置決め用マニピュレータ部９のロボッ
トアーム２９に沿って修正移動することから、この移動
量に応じて作業用プログラムに修正する必要があるが、
この作業用プログラムの修正は単に切削工具６の直進方
向の位置修正に過ぎないので、切削加工の中断を要する
ことはなく、切削加工を続行することができる。

【００３０】このように、本実施形態の作業用ロボット
Ａを用いて生体骨ｗを切削加工する場合、加工開始時に
作業用ロボットＡの座標系から実際の生体骨ｗの座標系
に合わせて作業用プログラムを修正する必要がないばか
りでなく、切削加工中に生体骨ｗの位置又は方向がずれ
たときでも主マニピュレータ２の位置決め用マニピュレ
ータ部９の動作により作業用マニピュレータ部８が加工
開始前の位置決め状態に保持されるため、切削加工を中
断することなく続行することができ、加工時間ひいては
手術時間の短縮化を図ることができる。

【００３１】しかも、切削加工中に作業用プログラムの
座標変換が不要であるため、切削工具６の位置制御精度
が悪くなることはなく、切削工具６の運動範囲の予測も
可能であるため、作業用ロボットＡの近くに待機して加
工を補助する手術医などと接触する危険性はなく、安全
性を確保することができる。

【００３２】その上、上記作業用ロボットＡにおいて
は、生体骨ｗの作業用プログラムで定めた基準の基準位
置及び基準座標軸方向に合わせて作業用マニピュレータ
部８の位置決めを行う際位置決め用マニピュレータ部９
の動作に加えて作業用マニピュレータ部８をも動作させ
ることにより、切削工具６による加工の続行に支障を来
たすことなく、６自由度の場合と同様に位置及び方向を
自在に変更することができるとともに、主マニピュレー
タ２全体としての自由度を少なくすることができ、コス
ト面などで実施化を図る上で有利である。

【００３３】さらに、上記作業用ロボットＡにおいて
は、生体骨ｗを固定し又は測定するための２つの多関節
の補助マニピュレータ３，４の各関節の動作（詳しくは
各モータ３１，３３，３５，３６，３８，４０の回転角
度）をそれぞれ第１及び第２検出器群６１，６２により
測定し、この両検出器群６１，６２からの信号に基づい
て制御装置５の位置・方向算出部５６で生体骨ｗの位置
及び方向を検出しているため、その検出精度を高めるこ
とができる。

【００３４】図１４は本発明の第２の実施形態に係る作
業用ロボットＢを示し、この作業用ロボットＢは、ロボ
ットよりも遥かに大きな大型構造物の加工又は組み立て
現場でのドリル穴加工に用いるものである。

【００３５】上記作業用ロボットＢは、第１の実施形態
に係る作業用ロボットＡと比べて、主マニピュレータ２
の作業用マニピュレータ部８の構成が異なるだけであ
る。すなわち、作業用マニピュレータ部８は、第１の実
施形態の場合と同様に位置決め用マニピュレータ部９の
ロボットアーム２９に沿って三次元座標系の１つの水平
軸（図１４のＹ軸）方向に移動可能に支持されかつモー
タ１００により駆動される主軸ユニット１０１を有する
が、この支軸ユニット１０１に対し主軸アタッチメント
１０２が固定されており、この主軸アタッチメント１０
１に装着される作業用工具としての切削工具１０３は、
主軸ユニット１０１の移動方向に向くようになってい
る。よって、本実施形態の場合、作業用マニピュレータ
部８は、主軸アタッチメント１０２及び切削工具１０３
を１自由度でもって平行移動（直進移動）させるように
なっている。

【００３６】尚、作業用ロボットＢのその他の構成は、
第１の実施形態に係る作業用ロボットＡの場合と同じで
あるので、同一部材には同一符号を付してその説明は省
略する。また、作業用ロボットＢの制御装置５などの構
成も、図示していないが第１の実施形態に係る作業用ロ
ボットＡの場合と同じであり、以下の説明ではこの作業
用ロボットＡの場合に図７中などで付した符号を引用す
る。

【００３７】そして、上記作業用ロボットＢを用いて大
型構造物の加工又は組み立て現場でのドリル穴加工をす
る場合の作業手順は、第１の実施形態において準備作業
（手術計画）を終えた後人工股関節の置換手術を行う場
合の作業手順と略同様に行われる。

【００３８】すなわち、図１５に示すように、先ず、補
助マニピュレータ３のハンド部４１により大型構造物１
１０の任意の個所１１１を常時把持して固定する。その
際、補助マニピュレータ３の各モータ３１，３３，３
５，３６，３８，４０の回転角度を検出する第１検出器
群６１の検出信号に基づいて制御装置５の位置・方向算
出部５６が作業用ロボットＢに対する大型構造物１１０
の固定位置を算出する。続いて、補助マニピュレータ４
のハンド部４１に装着した接触子４３により大型構造物
１１０の複数点を測定することにより、制御装置５の位
置・方向算出部５６において、作業用ロボットＢに対す
る大型構造物１１０の位置及び方向を決定する。

【００３９】しかる後、図１６に示すように、制御装置
５の第２制御部５２による制御の下に主マニピュレータ
２の位置決め用マニピュレータ部９が動作をして、大型
構造物１１０の作業用プログラムで定めた基準位置及び
基準座標軸方向に合わせて、切削工具１０３を保持する
作業用マニピュレータ部８の主軸ユニット１０１の位置
決めが行われる。この位置決めが完了した後、制御装置
５の第１制御部５１の制御の下に主軸アタッチメント１
０２により切削工具１０３が回転するとともに、主マニ
ピュレータ２の作業用マニピュレータ部８が作業用プロ
グラムに基づいた動作つまり直進移動をすることによ
り、大型構造物１１０に対しドリル穴加工が行われる。

【００４０】この加工中に補助マニピュレータ３のハン
ド部４１に把持された大型建造物１１０のロボットＢに
対する相対的な位置又は方向がロボットＢ又は大型構造
物１１０の熱変位や熱変形などにより変化し、制御装置
５の位置・方向算出部５６がその変化を検出した場合に
は、検出された変化情報に基づいて、主マニピュレータ
２の位置決め用マニピュレータ部９が修正動作をして、
作業用マニピュレータ部８を位置決め状態に保持するた
め、中断を要することなくドリル穴加工を続行すること
ができ、作業時間の短縮化を図ることができる。

【００４１】尚、本発明は上記第１及び第２の実施形態
に限定されるものではなく、その他種々の実施形態を包
含するものである。例えば上記各実施形態では、対象物
としての生体骨ｗ又は大型構造物１１０の位置及び方向
を作業開始前及び作業中常に検出する検出手段６３とし
て、対象物を固定し又は測定するための２つの多関節の
補助マニピュレータ３，４の各関節の動作をそれぞれ第
１及び第２検出器群６１，６２により測定し、この両検
出器群６１，６２からの信号に基づいて制御装置５の位
置・方向算出部５６で対象物の位置及び方向を検出する
ように構成したが、本発明は、これに変えて、例えば２
個以上のＣＣＤカメラなどを用いて立体画像的に対象物
の位置及び方向を測定して検出するように構成してもよ
い。

【００４２】また、上記各実施形態では、対象物を固定
し又は測定するための２つの多関節の補助マニピュレー
タ３，４において、それぞれモータ制御により各アーム
３２，３４，３７，３９及びハンド部４１が自動的に動
作をする構成としたが、本発明は、各補助マニピュレー
タ３，４の各アーム３２，３４，３７，３９及びハンド
部４１が手動により動作をするように構成してもよい。
その場合、各補助マニピュレータ３，４の各関節にはエ
ンコーダのみを取り付けて対象物の位置及び方向を検出
するようにしてもよく、また各関節ではねじ止めやサー
ボロックなどにより固定するようにしてもよい。

【００４３】さらに、上記第２の実施形態では、大型構
造物に対する作業として、ドリル穴加工に用いる場合に
ついて述べたが、本発明の作業用ロボットは、ドリル穴
加工に限らず、ねじ止めなどの作業に用いる場合にも同
様に適用することができるのは勿論である。

【００４４】

【発明の効果】以上のように、本発明の作業用ロボット
によれば、作業開始時にロボットの座標系から実際の対
象物の座標系に合わせて作業用プログラムを修正するこ
とが不要となるばかりでなく、作業中に対象物とロボッ
トとの相対的な位置又は方向が変化したときでも位置決
め用マニピュレータ部の動作により作業用マニピュレー
タ部ないし作業用工具が変化量に応じて移動して対象物
の基準位置及び基準座標軸方向に合致するようになるた
め、作業を中断することなく続行することができ、作業
時間の短縮化を図ることができる。しかも、作業中に作
業用プログラムの座標変換が不要であるため、作業用工
具の位置制御精度が悪くなることはなく、作業用工具の
運動範囲の予測も可能であり、ロボット近くに待機して
作業を補助する者又は構造物と接触する危険性もなく、
安全性を確保することができるものである。

【００４５】また、本発明では、対象物のプログラムで
定めた基準位置及び基準座標軸方向に合致させる際位置
決め用マニピュレータ部の動作に加えて作業用マニピュ
レータ部をも動作させることにより、作業用工具による
作業の続行に支障を来たすことなく、６自由度の場合と
同様に位置及び方向を自在に変更することができるとと
もに、マニピュレータ全体としての自由度を少なくする
ことができ、実施化を図る上で有効なものである。

【００４６】特に、請求項２に係る発明では、対象物固
定用のマニピュレータの各関節の動作から対象物の位置
及び方向を検出するように検出手段を構成することによ
り、その検出精度を高めることができるという効果をも
奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る作業用ロボット
の斜視図である。

【図２】上記作業用ロボットの縦断側面図である。

【図３】図２のＸ方向から一部切開してみた矢視図であ
る。

【図４】図２のＹ−Ｙ線における断面図である。

【図５】作業用ロボットの補助マニピュレータの構成を
示す一部切開側面図である。

【図６】図５のＺ−Ｚ線における拡大断面図である。

【図７】作業用ロボットの制御系のブロック構成図であ
る。

【図８】人工股関節の正面図である。

【図９】大腿骨の三次元形状モデルを作成する方法を説
明するための図である。

【図１０】上記三次元形状モデル上に人工股関節の三次
元モデルを重ね合わせた状態を示す図である。

【図１１】切削工具による作業用プログラムを作成する
方法を説明するための図である。

【図１２】作業用ロボットの補助マニピュレータのハン
ド部により大腿骨を固定した状態を示す斜視図である。

【図１３】作業用ロボットが大腿骨に対し切削加工を行
っている状態を示す斜視図である。

【図１４】第２の実施形態を示す図１相当図である。

【図１５】作業用ロボットの補助マニピュレータのハン
ド部により大型構造物を固定した状態を示す斜視図であ
る。

【図１６】作業用ロボットが大型構造物に対しドリル穴
加工を行っている状態を示す斜視図である。

【符号の説明】

Ａ，Ｂ 作業用ロボット ｗ 生体骨（大腿骨，対象物） ２ 主マニピュレータ ３，４ 補助マニピュレータ ５ 制御装置 ６，１０３ 切削工具（作業用工具） ８ 作業用マニピュレータ部 ９ 位置決め用マニピュレータ部 ５２ 第２制御部（制御手段） ５６ 位置・方向算出部 ６１，６２ 検出器群 ６３ 検出手段 １１０ 大型構造物

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 対象物に対し作業用工具を予めプログラ
   ムされた制御指令に基づいて移動させる作業用マニピュ
   レータ部と、 この作業用マニピュレータ部を保持しかつ対象物のプロ
   グラムで定めた基準位置及び基準座標軸方向に作業用マ
   ニピュレータ部を合致させるように移動させる位置決め
   用マニピュレータ部と、 上記対象物の位置及び方向を作業開始前及び作業中常に
   検出する検出手段と、 この検出手段の信号に基づいて上記位置決め用マニピュ
   レータ部を制御する制御手段とを備え、この制御手段
   は、作業中に対象物の位置又は方向が変化したときその
   変化量に応じて作業用マニピュレータ部を移動させるよ
   うに位置決め用マニピュレータ部を制御するようになっ
   ており、 上記作業用マニピュレータ部は、三次元座標系の少なく
   とも１軸方向に作業用工具を移動可能とする１自由度以
   上のものであり、上記位置決め用マニピュレータ部は、
   この作業用マニピュレータ部による作業用工具の移動方
   向と同じ軸方向の平行移動を除く三次元座標系の３軸回
   りの回転及び２軸方向の平行移動が可能な５自由度のも
   のであり、対象物のプログラムで定めた基準位置及び基
   準座標軸方向に合致させる際位置決め用マニピュレータ
   部の動作に加えて作業用マニピュレータ部をも動作させ
   るように構成されている ことを特徴とする作業用ロボッ
   ト。
2. 【請求項２】 対象物を固定するための多関節のマニピ
   ュレータを備え、上記検出手段は、このマニピュレータ
   の各関節の動作から対象物の位置及び方向を検出するよ
   うに構成されている請求項１記載の作業用ロボット。