JP4465470B2 - 操作装置及びそれにおける操作方法 - Google Patents

Description

本発明は、操作装置及びそれにおける操作方法に関するものである。特に、本発明は、操作部における操作に対応する動作を動作部に行わせる操作装置に関するものである。

従来から、マスタ・スレーブ方式の操作装置が知られている。この装置においては、マスタ側における操作部を操作すると、スレーブ側における動作部が、操作部の操作に対応した動作（例えば倣い動作）を行う。例えば、下記特許文献１には、マスタ・マニピュレータとスレーブ・マニピュレータとを用いた遠隔診断システムが記載されている。

ところで、一般的なマスタ・スレーブ方式の操作装置においては、操作部がその可動限界を超えると、動作部への動作指示ができなくなってしまう。すなわち、操作部の可動限界を超える範囲では、動作部は動作できなくなる。このため、通常は、操作部と動作部とのキャリブレーションを厳密に行う必要が生じる。

厳密なキャリブレーションを避ける方法としては、例えば、操作部が可動限界を超えた時点で、動作部を、一定の力で動作させ続けるというものも考え得る。しかしながら、このような方法では、動作部の動作対象物が柔軟であったり脆弱であったりした場合には、動作対象物が損傷してしまう可能性があるという問題がある。また、逆に、動作対象物によっては、把持力が足りない可能性があるという問題もある。
特開２００２−８５３５３号公報

本発明は、前記した事情に鑑みてなされたもので、厳密なキャリブレーションを要することなく、使用者の意図に沿った制御を比較的に容易に行うことが可能な操作装置およびそれにおける操作方法を提供しようとするものである。

請求項１に記載の操作装置は、操作部と、制御部と、動作部とを備えている。前記操作部は、可動部と、第一センサと、第二センサとを備えている。前記第一センサは、前記可動部における可動限界を検知するものである。前記第二センサは、前記可動部に加えられる力を検出するものである。前記第一センサ及び第二センサの出力は、前記制御部に入力されるようになっている。前記制御部は、前記動作部における駆動力を制御する構成となっている。さらに、前記制御部は、前記可動部が可動限界に達した後においては、前記可動部に加えられる力に対応する駆動力が前記動作部に加えられるように制御を行う構成となっている。

請求項２に記載の操作装置は、請求項１に記載のものにおいて、前記動作部は、駆動部と動作機構とを備えており、前記駆動部は、前記動作機構に対して駆動力を付与するものであり、前記制御部は、前記駆動部に対する制御指令によって、前記駆動部における前記駆動力を制御する構成となっているものである。

請求項３に記載の操作装置は、請求項１又は２に記載のものにおいて、前記制御部は、前記可動部が可動限界に達する前においては、前記可動部における位置に対応する駆動力が前記動作部に加えられるように制御を行う構成となっているものである。

請求項４に記載の操作装置は、請求項２に記載のものにおいて、前記動作機構を把持機構としたものである。

請求項５に記載の操作装置は、請求項１〜４のいずれか１項に記載のものにおいて、前記第一センサによる可動限界の検知を、前記可動部における位置、変位速度、変位加速度、角度、角速度、角加速度のいずれか又はこれらの組み合わせに基づいて行うものである。

請求項６に記載の操作装置は、請求項１〜５のいずれか１項に記載のものにおいて、前記第二センサが、前記可動部における歪み量に基づいて、前記可動部に加えられる力を検出する構成となっているものである。

請求項７に記載の操作方法は、操作装置における操作方法であって、
前記操作装置は、操作部と、動作部とを備え、
前記操作部は、可動部を備えており、
さらに、以下のステップを備えている：
（１）前記可動部における可動限界を検知するステップ；
（２）前記可動部が可動限界に達した後においては、前記可動部に加えられる力に対応する駆動力が前記動作部に加えられるステップ。

本発明によれば、厳密なキャリブレーションを要することなく、使用者の意図に沿った制御を比較的に容易に行うことができる操作装置およびそれにおける操作方法を提供することが可能となる。

以下、本発明の一実施形態に係る操作装置を、添付の図面を参照しながら説明する。

（第１実施形態の構成）
この実施形態における操作装置は、操作部１と、制御部２と、動作部３とを主要な要素として備えている（図１参照）。

操作部１は、可動部１１と、第一センサ１２と、第二センサ１３とを備えている。

可動部１１は、第一操作体１１１と、第二操作体１１２と、ヒンジ１１３とを備えている。第一操作体１１１と第二操作体１１２とは、いずれも棒状又は板状に形成されているが、他の形状であっても良い。ヒンジ１１３は、第一操作体１１１及び第二操作体１１２の端部どうしを、回動可能なように接続している。さらに、ヒンジ１１３は、第一操作体１１１と第二操作体１１２とを、互いに離間する方向（開く方向）に軽い力で付勢するようになっている。もちろん、ヒンジ１１３で付勢しなくてもよく、例えば、別途に設けたスプリングにより付勢しても良い。

この実施形態では、第一センサ１２は、第一操作体１１１と第二操作体１１２との間の角度を検出する角度センサにより構成される。ただし、第一センサ１２としては、他の種類のセンサを用いることも可能である。例えば、第一センサ１２としては、可動部１１における第一操作体１１１又は第二操作体１１２の位置、変位速度、変位加速度、角速度、角加速度のいずれか又はこれらの組み合わせを検出するものであってもよい。この実施形態では、可動部１１における可動限界は、第一センサ１２により検知される。

ただし、第一センサ１２は、可動部１１における可動限界を検知する用途のみに用いるのであれば、例えばリミットスイッチや近接スイッチなどであってもよい。この場合は、一般的には、第一操作体１１１と第二操作体１１２との間の角度を検出するための別のセンサを設けることが好ましいが、これは用途により決定される任意の設計事項である。

なお、本明細書において、可動限界とは、第一操作体１１１や第二操作体１１２の物理的な移動限界であってもよいし、また、制御部２における制御によって規制された移動限界であってもよい。要するに、可動限界とは、可動部１１の動きが、何らかの原因（例えば機械的構造やＣＰＵからの指令など）により規制される状態に達した状態であればよい。また、可動限界の検知とは、可動限界にあることを判断するための基礎となる状態の取得であればよい。ここで状態とは、例えば、角度、位置、変位速度、変位加速度、角速度、角加速度のいずれか又はこれらの組み合わせであってもよく、可動限界に達した時点でのスイッチからの出力であってもよい。

第二センサ１３は、可動部１１に加えられる力を検出するものである。例えば、第二センサ１３は、第一操作体１１１または第二操作体１１２に取り付けられた歪みゲージである。この場合は、可動部１１における歪み量に基づいて、可動部１１に加えられる力を検出することができる。ここで、本明細書においては、歪みとは、いわゆる歪みゲージで測られる歪みに限られず、部材又は空間における各種の変形を含む意味で用いる。したがって、歪みを計測する第二センサ１３としては、歪みゲージに限られず、電気、磁気あるいは光によって歪みないし変形を測定する各種の手段を用いることができる。

第一センサ１２及び第二センサ１３の出力は、制御部２に入力されるようになっている。

制御部２は、入出力部２１と、ＣＰＵ２２と、記憶部２３とを備えている。入出力部２１は、操作部１及び動作部３と制御部２との入出力のインタフェースを行う部分である。具体的には、入出力部２１は、第一センサ１２、第二センサ１３及び第三センサ３３（後述）からの出力を受け取ってＣＰＵ２２に送り、さらに、ＣＰＵ２２からの指令に基づく信号を動作部３に送るようになっている。つまり、制御部２は、動作部３に対する制御指令によって、動作部３における駆動力を制御する構成となっている。制御部２は、可動部１１が可動限界に達する前においては、可動部１１における位置に対応する駆動力が動作部３に加えられるように制御を行う構成となっている。ここで、「可動部１１における位置」とは、この実施形態では、第一センサ１２で検知される角度であるが、これに限らず、例えば、可動部１１におけるある部分の位置、変位速度、変位加速度、角速度、角加速度などの、位置に関連する情報であればよい。

ＣＰＵ２２は、記憶部２３に記録されたコンピュータプログラムに従って計算を行い、これによって、制御部２自体の動作を制御するものである。

記憶部２３は、制御部２の動作に必要なコンピュータプログラムやデータを記録するものである。

制御部２は、前記構成を備えることにより、動作部３における駆動力を制御する構成となっている。さらに、制御部２は、可動部１１が可動限界に達した後においては、可動部１１に加えられる力に対応する駆動力が動作部３に加えられるように制御を行う構成となっている。制御部２の動作の詳細は後述する。

動作部３は、駆動部３１と動作機構３２と第三センサ３３とを備えている。駆動部３１は、動作機構３２に対して駆動力を付与するものである。駆動部３１は、例えば制御用モータである。駆動部３１は、ギヤ等の適宜な動力伝達手段を介して動作機構３２に駆動力を付与するものであっても良い。この場合、動作機構３２への駆動力の調整は、動力伝達手段における増減速比の調整により行うことも可能である。

動作機構３２は、第一駆動体３２１と第二駆動体３２２とヒンジ３２３とを備えている。ヒンジ３２３は、第一駆動体３２１の端部と第二駆動体３２２の端部とを、回動可能なように結合している。これにより、動作機構３２は、対象物４を把持することができる把持機構となっている。

第三センサ３３は、第一駆動体３２１と第二駆動体３２２の間の角度を検知して制御部２に送る構成となっている。第三センサ３３としては、第一センサ１２と同じ構成のものを用いることができるが、異なる構成のセンサを用いても良い。

（第１実施形態の動作）
つぎに、前記した操作装置を用いた操作方法について説明する。操作者は、操作部１における可動部１１を、例えば図１に示すように、操作者の手５によって持ち、第一操作体１１１と第二操作体１１２との間の角度を調節する。この実施形態では、ヒンジ１１３によって第一操作体１１１と第二操作体１１２とを、開く方向に軽く付勢しているので、操作者の力を緩めると初期状態（開状態）に戻すことができ、操作者による入力を容易にすることができる。

この実施形態では、第一センサ１２が、第一操作体１１１と第二操作体１１２との間の角度を検知する。第一センサ１２による検知信号は制御部２に入力される。すると、制御部２は、駆動部３１に対して目標値を与えて、動作機構３２を目標の角度まで動作させる。図２（ａ）及び（ｂ）には、可動部１１の角度と動作機構３２の角度とが対応している状態を示す。キャリブレーションが正しく行われている場合には、これらの図において実線で示すように、可動部１１が可動限界に到達した時に、動作機構３２も可動限界に達する。

しかしながら、キャリブレーションが正確でない場合には、例えば、図２（ｂ）において一点鎖線で示すように、可動部１１が可動限界に達した時に、動作機構３２に可動余地が残る。つまり、動作機構３２の第一駆動体３２１と第二駆動体３２２とは、開いたままとなる。従来は、このように開いたままの動作機構３２を、操作者の意図に沿うように閉じることが難しかった。すると、対象物体を持てないとか、対象物体に対して必要な力を加えることができないことになるという問題を生じる。

これに対して、本実施形態の操作装置によれば、可動部１１が可動限界に達したことを、第一センサ１２により検知する。この検知の有無は、例えば、第一センサ１２から得られる角度情報が変化しないことに基づいて、制御部２により判断できる。

制御部２は、可動部１１が可動限界に達すると（時刻ｔ_２）、第二センサ１３からの出力に基づく制御に切り替える。可動部１１が可動限界に達した後における制御部２の動作を以下に説明する。可動部１１が可動限界に達すると、第二センサ１３で検知される、可動部１１への操作力は、図２（ｃ）に示すように上昇する。制御部２は、第二センサ１３で検知された力が上昇すると、動作部３の駆動部３１に対して、さらに先の目標値に進むように駆動する。これにより、図２（ｂ）中の破線に示すように、駆動機構３２を、その可動限界に至るまで駆動することができる。

しかも、この実施形態では、可動部１１が可動限界に達した後に、可動部１１に加えられる力に対応して駆動機構３２を動作させるので、操作者の意図に対応した微妙な動作を動作機構３２において行わせることができる。すると、例えば柔軟又は脆弱な物体を扱うことが可能となるという利点がある。このため、本実施形態の操作装置は、手術用ロボットにおけるマスタ・スレーブマニピュレータ（例えば特許文献１参照）として使用された場合には、患者の身体を医師の意図に沿って扱うことが容易となるという利点がある。

本実施形態では、駆動機構３２の可動限界に至った後に、さらに可動部１１に力を加えると、図２（ｄ）中の実線で示すように、駆動機構３２における把持力が上昇する。これについては、駆動機構３２の把持力が強すぎる時に、操作者から可動部１１への力を緩めれば、過大な力が発生することを防ぐことができる。もちろん、駆動機構３２において過大なトルクが生じないように、駆動部３１の出力に制限を付しておいても良い。あるいは、「可動部１１に操作力が加わっているにもかかわらず動作機構３２の変化量が０である時」に、駆動機構３２への駆動力を低下させるようにしても良い。動作機構３２の変化量は第三センサ３３の出力に基づいて検知することができる。

また、可動部１１が可動限界に達する前に、駆動機構３２が可動限界に達した場合（例えば対象物を把持している場合やキャリブレーションがずれている場合。図２（ｂ）の２点鎖線参照。この例では時刻ｔ_１において可動限界に達している。）は、図２（ｄ）の２点鎖線に示すように、時刻ｔ_１の後における駆動機構３２の把持力は上昇する。この場合も、駆動機構３２において過大なトルクが生じないような対策を前記同様に採用することが可能である。

なお、本発明の操作装置及び操作方法は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加えることができる。

例えば、前記した各構成要素は、機能ブロックとして存在していればよく、独立したハードウエアとして存在しなくても良い。また、実装方法としては、ハードウエアを用いてもコンピュータソフトウエアを用いても良い。さらに、本発明における一つの機能要素が複数の機能要素の集合によって実現されても良く、本発明における複数の機能要素が一つの機能要素により実現されても良い。

また、機能要素は、物理的に離間した位置に配置されていてもよい。この場合、機能要素どうしがネットワークにより接続されていても良い。

さらに、前記した実施形態では、マスタ・スレーブ制御に本発明を適用した例を示しているが、これに限らず、例えば、自動車のブレーキの操作に本発明を適用することもできる。要するに、本発明における操作装置は、操作部を操作して動作部を動作させる機構であれば適用することが可能である。

本発明の一実施形態に係る操作装置の概略的な構成を示すための説明図である。 操作装置の動作を説明するためのグラフであって、図（ａ）〜（ｄ）における横軸は時間、図（ａ）の縦軸は可動部の角度、図（ｂ）の縦軸は駆動機構の角度、図（ｃ）の縦軸は可動部の操作力、図（ｄ）の縦軸は駆動機構の把持力である。

符号の説明

１ 操作部
１１ 可動部
１１１ 第一操作体
１１２ 第二操作体
１１３ ヒンジ
１２ 第一センサ
１３ 第二センサ
２ 制御部
２１ 入出力部
２２ ＣＰＵ
２３ 記憶部
３ 動作部
３１ 駆動部
３２ 動作機構
３２１ 第一駆動体
３２２ 第二駆動体
３２３ ヒンジ
３３ 第三センサ
４ 対象物
５ 操作者の手

Claims (7)

1. 操作部と、制御部と、動作部とを備え、
   前記操作部は、可動部と、第一センサと、第二センサとを備え、
   前記第一センサは、前記可動部における可動限界を検知するものであり、
   前記第二センサは、前記可動部に加えられる力を検出するものであり、
   前記第一センサ及び第二センサの出力は、前記制御部に入力されるようになっており、
   前記制御部は、前記動作部における駆動力を制御する構成となっており、
   さらに、前記制御部は、前記可動部が可動限界に達した後においては、前記可動部に加えられる力に対応する駆動力が前記動作部に加えられるように制御を行う構成となっている
   ことを特徴とする操作装置。
2. 前記動作部は、駆動部と動作機構とを備えており、
   前記駆動部は、前記動作機構に対して駆動力を付与するものであり、
   前記制御部は、前記駆動部に対する制御指令によって、前記駆動部における前記駆動力を制御する構成となっている
   ことを特徴とする請求項１に記載の操作装置。
3. 前記制御部は、前記可動部が可動限界に達する前においては、前記可動部における位置に対応する駆動力が前記動作部に加えられるように制御を行う構成となっている
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の操作装置。
4. 前記動作機構は把持機構であることを特徴とする請求項２に記載の操作装置。
5. 前記第一センサによる可動限界の検知は、前記可動部における位置、変位速度、変位加速度、角度、角速度、角加速度のいずれか又はこれらの組み合わせに基づいて行われることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の操作装置。
6. 前記第二センサは、前記可動部における歪み量に基づいて、前記可動部に加えられる力を検出する構成となっていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の操作装置。
7. 操作装置における操作方法であって、
   前記操作装置は、操作部と、動作部とを備え、
   前記操作部は、可動部を備えており、
   さらに、以下のステップを備えることを特徴とする操作方法：
   （１）前記可動部における可動限界を検知するステップ；
   （２）前記可動部が可動限界に達した後においては、前記可動部に加えられる力に対応する駆動力が前記動作部に加えられるステップ。
   

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