JP3612085B2 - マスタ・スレーブシステムのマスタアーム装置 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、マスタハンドとマスタアーム及びスレーブハンドとスレーブアームより構成されるマスタ・スレーブシステムのロボットにおけるマスタアーム装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
マスタ・スレーブ方式のロボットシステムは、マスタ部を操作者が操作しマスタ部からの指令に基づいてスレーブ部に例えば危険作業等の作業を行わせる場合等によく利用されている。
【0003】
従来、ロボットのマスタ・スレーブシステムでは、スレーブ側ハンドの多くが1自由度の開閉式グリッパで構成されていた。この場合、マスタ側のハンド部は、単純な開閉指示用装置で十分であった。従って、従来のマスタアームは基本的に、操作者がマスタアーム先端部を手の平で掴んだり握るなりしてマスタアームを操作する構造のものが多く、マスタ側のハンド部を指の複雑な動きに対応できるように操作することはなかった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
スレーブ側のハンドとして自由度の多いロボットハンド、例えば多指ハンドを用いたシステムでは、マスタ側でも操作者が指を自由に動かすことができてスレーブハンドの自由度に対応したマスタハンドを手に装着する必要が生じる。しかしながら、1自由度の開閉式グリッパ等の従来のマスタアームのような構造のものでは、このような場合に対処できない。
【0005】
また、従来、マスタ・スレーブシステムのアーム部に対してマスタ側とスレーブ側が同じ構造をもったシステムも多くある。しかしながらこの場合、スレーブハンドを構造の異なった他のスレーブアームに装着して用いようとしても、マスタアームが対応できないといった汎用性に欠けるという問題点があり、さらに、マスタからのスレーブ動作指令のスケールがその構造の持つ形状比で決まってしまうという不便さを有していた。
【0006】
また、マスタアームとしてエクソスケルトン型構造を採用したシステムもあるが、操作者の腕全体に直接装着する方法をとるため、拘束感がかえって大きくなり操作性の低下を招くきかねないといった問題点がある。
【0007】
多自由度のロボットハンドをスレーブ側に持つマスタ・スレーブシステムを実現させるには、スレーブハンドの自由度に対応した自由度を有するマスタハンドを操作者は手に装着できる必要があり、操作者は操作者の指の動きを拘束されること無くアームを操作できる必要がある。
【0008】
また、マスタアームは、スレーブハンドを構造の異なる他のスレーブアームに装着して用いる場合にも、十分に対応できる汎用性があることが望ましく、さらに操作者にとって動きが滑らかで操作性に優れた構造が要求される。
【0009】
しかしながら、従来はこのような要求に応じることができるマスタアーム装置が存在しなかった。
【0010】
そこで本発明の目的は、上記従来技術の有する問題点を解消し、マスタ・スレーブシステムにおいて自由度の多いハンドをスレーブ側に用いても操作者がマスタハンドを容易に手に装着することができ、操作者の指の動きが拘束されること無くマスタアームを動作させることができるマスタ・スレーブシステムのマスタアーム装置を提供することである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係るマスタアーム装置は、マスタハンドとマスタアーム及びスレーブハンドとスレーブアームより構成されるマスタ・スレーブシステムのマスタアーム装置において、前記スレーブハンドは複数の指を有する多指ハンドであり、前記マスタハンドは前記多指ハンドを操作可能な複数の自由度を有するものであり、操作者の手首に対して3自由度を可動にして該手首を支持する手首姿勢支持部と、前記手首の姿勢を検出する手首姿勢検出部と、前記手首の位置の変化を自在にして前記手首を下方から支持するとともに前記手首において前記手首姿勢支持部に連結された手首移動支持部と、前記手首の位置を検出する手首位置検出部とをこの構成順序に備えることを特徴とする。
【0012】
【作用】
手首姿勢支持部は、操作者の指の動きを拘束せずに、操作者の手首をこの姿勢の変化を自在にして支持するので、自由度の多いハンドをスレーブ側に用いる場合でも操作者は、手の平または指先をスレーブアームのスレーブハンドの動きに対応させることが可能な状態で、マスタハンドを容易に手に装着することができる。
【0013】
【実施例】
以下に本発明のマスタ・スレーブシステムのマスタアーム装置の実施例を図面を参照して説明する。
【0014】
まず、図1に本発明の一実施例によるマスタアーム1を用いたマスタ・スレーブシステムの構成の一例を示す。
【0015】
図1において2はスレーブハンドを示し、スレーブハンド2は多自由度を持つ4本指多指ハンドロボットで構成されている。スレーブハンド2は基台に設置されたスレーブアーム3の先端に接続されている。4はマスタハンドを示し、マスタハンド4は操作者の手の平および手の指に装着されるハンド指令装置によって構成されている。マスタハンド4は、操作者の手首を支持するマスタアーム1に接続されている。また、5は本実施例におけるマスタ・スレーブシステムのコントローラであり、6はそのマンマシン・インターフェイス用パソコン、7はマスタハンド4の入力データ変換装置であり、8はスレーブ側及びマスタ側各々の装置の関節角検出データを示し、9はスレーブ装置への駆動指令データを示している。
【0016】
操作者の手に装着されたマスタハンド4は、スレーブハンド2を構成するスレーブ側の多指ハンドに対応して操作者の手の指の動作を検出できるようにした装置、例えばデータグローブ(米国VPL社製)を用いることができる。このデータグローブは、操作者の手にマスタアーム1を装着させても、操作者は各指の動きを拘束されることなく動かすことができ、各指の関節角データを検出することができる。
【0017】
次に、図3乃至図8を参照して、本発明のマスタアーム装置の一実施例について詳細に説明する。
【0018】
図3は本実施例に係るマスタアーム1をモデル化して示した概略構成を示す斜視図である。図3において、マスタアーム1は、操作者の手首の姿勢の変化に応じて動くとともに手首の姿勢を検出する手首姿勢用装置10と、手首の位置の変化に応じて動くとともに手首の位置を検出する手首移動用装置11とから構成されている。
【0019】
まず、図4乃至図6を参照して手首姿勢用装置10について説明する。図4は装着される操作者の手が挿入される方向から見た平面図であり、図6は図4におけるy−y方向から見た平面図であり、図5は図6におけるz−z方向から見た平面図である。
【0020】
図4乃至図6に示す手首姿勢用装置10において、15は操作者が手を入れて手首部を固定する部材及びU字状のベルトからなる手首装着部を示し、16は操作者の手の平を挾む平バンド状の手の平装着部を示す。17は手首回りの回転運動に対する円環状のベアリング機構装置を示し、18はベアリング機構装置17の回転角度を検出する角度検出器を示す。19は手首の上下方向の動作に対する関節を示し、20は関節19の回転角度を検出する角度検出器を示す。21は手首の左右方向の動作に対する関節を示し、22は関節21の回転角度を検出する角度検出器を示す。ベアリング機構装置17、関節19および関節21の各々の回転の軸線は、互いに直角な方向にある。
【0021】
図4に示すように、手首装着部15の上端部と下端部はベアリング機構装置17に連結されている。手首装着部15に装着された手首のベアリング機構装置17の軸線の回りの回転角度は、角度検出器18によって検出できるようになっている。
【0022】
手の平装着部16は、その延長部16aを介して関節19と関節21とに連結されている。これによって、手の平の上下方向の動作による回転角度は関節19を介して角度検出器20によって検出でき、手の平の左右方向の動作による回転角度は関節21を介して角度検出器22によって検出できるようになっている。
【0023】
次に、図7および図8を参照して手首移動用装置11について説明する。図8は図7における手首移動用装置11を上下に伸ばした状態でx−xに沿って見た平面図である。
【0024】
手首移動用装置11の上部には、互いに直行する軸線の回りに回転する関節30と関節31とが設けられている。関節30は、手首姿勢用装置10におけるベアリング機構装置17の下部に連結され、ベアリング機構装置17をベアリング機構装置17の軸線に直行直交する軸線の回りに回転できるようにする。関節31は、ベアリング機構装置17および関節30の各々の軸線と直交する軸線の回りに、ベアリング機構装置17を回転できるようにする。
【0025】
関節30、31は、操作者が手首を手首姿勢用装置10に装着した状態で腕および手首の動作を円滑にするために機能する。手首姿勢用装置10と手首移動用装置11とは、原理的には各々独立した3個の自由度があれば、手首を任意の姿勢と位置にできるのである。しかしながら、実際は6個の自由度では手首を円滑に動作させることができない。そこで、関節30、31を設けることによって手首にいたるまでの腕の動作を円滑にできるようにしてある。
【0026】
関節31の下方には、互いに連結された平行リンク機構を構成するリンク32、33、34が設けられている。リンク32、33は上下のそれぞれの平行リンク機構を構成するリンクであり、リンク34はリンク32、33の動きを支持して平行リンクをなすための補助リンクである。
【0027】
リンク33、34の下方には、関節35が設けられている。関節35は、リンク32、33、34によって構成される平行リンク機構を左右に回転させることができる。
【0028】
リンク32、33、34によって構成される平行リンク機構および関節35の回転軸線の近傍には、関節角度検出器36、37、38が設けられている。関節角度検出器36、37、38によって検出される値を用いることにより、操作者の手首の移動位置を3次元的に決定することができる。
【0029】
リンク32、33の長さを200mm、関節35の動作範囲を±30°とした場合、平行リンク機構の動作領域は少なくとも前後左右に200mm、上下に170mm確保できる。これにより、スレーブアーム3の動作範囲にも十分に対応することができる。
【0030】
リンク33、34の関節および関節35には、バネ39が装着されている。これによって、手首を手首装着部15に装着した状態では、特に力を掛けない限りマスタアームが中立位置に戻るようにすることができ、マスタアーム自体の重量を保証できるのでより操作性を向上することができる。
【0031】
なお、関節35やリンク33、34の関節軸に関節駆動用モータ等を取り付けることにより、マスタアーム1を一部力帰還型のシステムとして用いることを可能にできる。
【0032】
図3に、図4乃至図8に示した手首姿勢用装置10と手首移動用装置11とをモデル化して示す。図3において、手首姿勢用装置10は3自由度を有し、対応する回転角度θm6,θm7,θm8が検出される。また、手首移動用装置11は5自由度を有し、対応する回転角度θm1,θm2,θm3,θm4,θm5が検出される。
【0033】
本システムにおいてスレーブアーム2の構造が、例えばマスタアーム1と異構造である場合、あるいは自由度数が少ない場合には、以下のようにして本発明のマスタアーム1を適用することができる。
【0034】
すなわち、スレーブアーム3の構造を図2に示す6自由度構成のアームとすると、マスタアーム1で検出した関節角(θm1,θm2,…θm8)からスレーブアーム3の関節角(ds1,ds2,θs3,…θs6)を決定するため、まず手首姿勢の3自由度をそれぞれ、θm6→θs4、θm7→θs5、θm8→θs6と対応させる。
【0035】
次に手首位置の3自由度に対しては、スレーブ、マスタそれぞれの位置ベクトルをrs ,rm 、その初期位置での値をra0,rm0とすると、初期位置から現在位置までx,y,z方向への移動量が係数k=(kx ,ky ,kz )の一定の割合で対応し、それぞれ等しくなると考え、rs −rs0=k・(rm −rm0)の関係式からスレーブ側左辺rs のds1,ds2,θs3を決定する。ここで係数kはマスタ、スレーブの動作範囲をもとに予め決めておく値であり、またマスタ側θm4の値はここでは使用していない。
【0036】
以上述べたように、本実施例の構成によれば、手首姿勢用装置10を備えているので、操作者の手首を手首装着部15によって支持し手の平を手の平装着部16によって挟むことにより、操作者の指の動きを拘束せずに、手首の姿勢の変化を自在に支持することができる。また、手首移動用装置11を備えているので、手首の位置の変化を自在にすることができる。この結果、自由度の多いハンドをスレーブ側に用いる場合でも操作者は、手の平または指先をスレーブアームのスレーブハンドの動きに対応させることが可能な状態で、マスタハンドを容易に手に装着することができる。
【0037】
また、手首移動用装置11は、3自由度の平行リンク機構の他に2自由度の関節30、31を備えているので、操作者は手首にいたるまでの腕の操作性に優れた滑らかな動きを実現することができる。
【0038】
また、スレーブハンドの構造の異なる他のスレーブアームに装着して用いる場合にも、本実施例によるマスタアームを容易に適応させることができる。
【0039】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の構成によれば、手首姿勢支持部と手首位置支持部を備えるので、自由度の多いハンドをスレーブ側に用いても操作者がマスタハンドを容易に手に装着することができ、操作者の指の動きが拘束されること無くマスタアームを動作させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるマスタアーム装置の一実施例を用いたマスタ・スレーブシステムの概略構成を示す斜視図。
【図2】本発明によるマスタアーム装置に対応するスレーブアーム装置の自由度構成を示す斜視図。
【図3】本発明によるマスタアーム装置を自由度構成をモデル化して示す斜視図。
【図4】本発明によるマスタアーム装置における手首姿勢用装置を示す平面図。
【図5】図6における手首姿勢用装置をz−z方向から見た平面図(a)、と図5(a)の手の平装着部を示す断面図(b)。
【図6】図4における手首姿勢用装置をy−y方向から見た平面図。
【図7】本発明によるマスタアーム装置における手首移動用装置を示す平面図。
【図8】図7における手首移動用装置をx−x方向から見た平面図。
【符号の説明】
1 マスタアーム装置
2 スレーブハンド
3 スレーブアーム
4 マスタハンド
10 手首姿勢用装置
11 手首部移動用装置
15 手首装着部
16 手の平装着部
17 ベアリング機構装置
18、20、22 角度検出器
30、31 関節
32、33、34 リンク
35 関節
36、37、38 角度検出器
39 バネ
Claims (1)
- マスタハンドとマスタアーム及びスレーブハンドとスレーブアームより構成されるマスタ・スレーブシステムのマスタアーム装置において、
前記スレーブハンドは複数の指を有する多指ハンドであり、前記マスタハンドは前記多指ハンドを操作可能な複数の自由度を有するものであり、
操作者の手首に対して3自由度を可動にして該手首を支持する手首姿勢支持部と、
前記手首の姿勢を検出する手首姿勢検出部と、
前記手首の位置の変化を自在にして前記手首を下方から支持するとともに前記手首において前記手首姿勢支持部に連結された手首移動支持部と、
前記手首の位置を検出する手首位置検出部とをこの構成順序に備えることを特徴とするマスタ・スレーブシステムのマスタアーム装置。
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