JP5093498B2

JP5093498B2 - マニプレータシステム

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Publication number: JP5093498B2
Application number: JP2008179517A
Authority: JP
Inventors: 耕一秦野; 秀典白井; 正俊横田
Original assignee: Kao Corp
Current assignee: Kao Corp
Priority date: 2008-07-09
Filing date: 2008-07-09
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2028-07-09
Also published as: JP2010017804A

Description

本発明は、マスターアームとスレーブアームからなるマスタースレーブ方式のマニプレータシステムに関する。

作業者が操作するマスターアームの動作にスレーブアームの動作を追従させるマスタースレーブ方式のマニプレータシステムは、工場の製造ラインにおける自動車塗装ロボット等の危険・劣悪環境下にあるロボットの遠隔制御、ヒューマノイド型ロボットの遠隔操作、手術等の微細作業を行うロボットの遠隔操作などで利用されている。

マスタースレーブ方式のマニプレータでは、スレーブアームはマスターアームに追従させるだけでよく、動作をプログラムすることが不要であるため、プログラム制御によるマニプレータに比して、安価に設けることができる。また、作業者がマスターアームの操作を当該操作目的に応じて適宜変更することにより、スレーブアームの動作も容易に変更することができる。従って、特に周囲環境の変化に応じてスレーブアームの動作の変更が必要となる場合に多く用いられている。さらに、一旦マスターアームで動作を記憶させると、以降、同じ動作を、動作速度を速めてスレーブアームで繰り返させることもできる。そのため、多品種少量生産を行う製造ラインにおいても、有用なマニプレータとなっている。

マスタースレーブ方式のマニプレータにおいては、従来、マスターアームの動きを作業者の多様な腕の動きにできる限り合わせ、その動きをスレーブアームで正確に再現できるようにするため、マスターアームの腕の向きを作業者の腕の向きと同じにし、作業者が動作を入力する動作入力部をマスターアームのハンド部に設けることが前提とされており（特許文献１）、さらに、マスターアームの自由度をあげるために、作業者のハンド部の他に、肘の動きも検出して、マスターアームの動きを作業者の腕の動きに追従させることが提案されている（特許文献２）。

実開昭63-161686号公報特開2001-300871号公報

しかしながら、従来のマスタースレーブ方式のマニプレータでは、マスターアームの動きの検出精度をあげるために、腕部の剛性を大きくしたり、腕部の各関節に高精度な角度検出センサを搭載したりすることによりマスターアームの重量が非常に大きくなるので、作業者が動作を入力するときの負担が大きいという問題がある。

これに対し、本発明は、マスタースレーブ方式のマニプレータにおいて、作業者の労力を軽減し、作業をし易くすることを目的とする。

本発明者は、マスターアームの腕部に、先端の位置が検出可能な紐状センサを併設し、その紐状センサの一端を作業者の頭、首、または体幹に装着させ、他端をマスターアームの腕部の先端部等に取り付けることにより、上述の目的を達成できることを見出した。

即ち、本発明は、マスターアームと、マスターアームの動作に追従するスレーブアームとを備えたマニプレータシステムであって、
マスターアームは、自由度７以下の腕部、ハンド部及び先端の位置が検出可能な自由度８以上の紐状センサを有し、作業者がマスターアームに動作を入力する動作入力部が、マスターアームのハンド部に設けられ、紐状センサの一端が作業者の頭、首、または体幹に装着され、他端がマスターアームの腕部の先端部若しくはハンド部、又は作業者の手、手首部若しくは前腕部に取り付けられているマニプレータシステムを提供する。

本発明によれば、マスターアームの腕部に併設した紐状センサでマスターアームの動きを検出できるので、検出精度をあげるためにマスターアームの腕部の剛性を高めることが不要となり、また、腕部の各関節において角度センサの搭載を省略することが可能となる。そのため、マスターアームを軽量化することができ、作業者がマスターアームに動作を入力するときの労力を低減させることができる。

また、紐状センサの一端を作業者の頭、首、または体幹に装着させるため、作業者の動きを制約することがなく、さらに、紐状センサの他端をマスターアームの腕部の先端部等に取り付けるので紐状センサの長さを必要最小限にすることができ、マニプレータシステムの製造コストを抑制することができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明を詳細に説明する。なお、各図中、同一符号は同一又は同等の構成要素を表している。

図１Ａは、本発明の一実施例のマニプレータシステム１の模式図である。マニプレータシステム１は、作業者Ｐが動作を入力するマスターアーム１０と、マスターアーム１０の動作に追従する複数のスレーブアーム３０を備えている。これらは工場の製造ラインにおいて、搬送コンベア６０上の箱状物品６１に、小箱（図示せず）、小袋（図示せず）、ボトル（図示せず）、また能書（図示せず）などの物品を詰める作業を行う。なお、本実施例において、マスターアーム１０の腕部１１とスレーブアーム３０の腕部３１はマニプレータシステム躯体であるフレーム５０に取り付けられており、マスターアーム１０の腕部１１の取付位置Ａ２は、搬送コンベア６０上のハンド部２０を挟んで、作業者Ｐの操作位置Ａ１とは反対側になっている。なお、本発明において作業者Ｐの操作位置Ａ1 とは、本システム１においてマスターアーム１０を操作する作業者Ｐに予定されている起立位置又は着座位置をいう。

マスターアーム１０は、一般に垂直多関節ロボットと呼ばれる形式のもので、概略、腕部１１とハンド部２０からなり、腕部１１は、肩部１２、上腕部１３、肘部１４、前腕部１５及び手首部１６からなり、ハンド部２０にはグリップ２１が設けられている。また、マスターアーム１０の腕部１１には、先端の位置が検出可能な柔軟な紐状センサ１７が併設される。

紐状センサ１７の一端175は作業者Ｐの体幹、より具体的には背部に装着され、他端176はマスターアーム１０の腕部１１のハンド部２０に取り付けられている。なお、本発明において体幹とは、いわゆる胴部であり、胸部、腹部、肩、背部、腰部、臀部からなる部分をいう。

マスターアーム１０の腕部１１の構造としては、スレーブアーム３０と概ね同様の関節・リンク構造とすることが好ましい。一般に、マスターアーム１０の腕部１１の自由度とスレーブアーム３０の腕部３１の自由度は同一とされるが、ほぼ同等の動作が可能であれば自由度に差があっても良い。

また、一般に、多関節ロボットマニプレータでは、アーム先端を任意の３次元位置に移動し、かつ先端を任意の向きにするために、言い換えれば基本的な作業のために、肩関節から手首関節の間で最低限必要な自由度は６自由度である。一方、人の腕は肩関節から手首関節の間で７自由度を有すると言われており、１自由度分の冗長性をもつことにより多様な動きをすることができる。

そこで、本実施例の腕部１１においては、図２に示すように、肩部１２に３自由度（１軸、２軸、３軸）、肘部１４に１自由度（４軸）、手首部１６に３自由度（５軸、６軸、７軸）の合計７自由度をもたせ、作業者Ｐの多様な腕の動作に合わせることを可能としている。

また、マスターアーム１０において、屈曲関節が３個以上連続すると、マスターアームの曲げ状態がただ一つの組合せとならないため、マスターアーム１０では連続する屈曲関節を２個以下とし、屈曲関節と屈曲関節の間に回転関節を設けることが好ましい。本実施例の図２のマスターアーム１０も、連続する屈曲関節をもたないものとなっている。ここで、回転関節とは、マニプレータを構成するリンク（例えば上腕部１３や前腕部１５）において、そのリンクの概ね中心軸を中心とした回転を行うものをいう。屈曲関節とは、マニプレータを構成するリンク（例えば上腕部１３や前腕部１５）に対してそのリンクの概中心軸に概直角方向にある軸を中心とした回転を行うものをいう。例えば図２においては、１軸は上腕部１３に対する回転関節、２軸は上腕部１３に対する屈曲関節、３軸は上腕部１３に対する回転関節、４軸は上腕部１３および前腕部１５に対する屈曲関節、５軸は前腕部１５に対する回転関節、６軸は前腕部１５に対する屈曲関節、７軸はハンド部２０に対する回転関節となる。

この他、本発明においては、腕部１１として、肩部１２に３自由度（１軸、２軸、３軸）、肘部１４に１自由度（４軸）、手首部１６に２自由度（５軸、６軸）の合計６自由度を有するものを設けてもよい。図３（Ａ）は、このような６自由度のマスターアーム１０ｂのホームポジションの正面図であり、同図（Ｂ）はその側面図である。図２のマスターアーム１０ではハンド部２０の取付部が回転関節（７軸）となっていたのに対し、図３のマスターアーム１０ｂではハンド部２０の取付部２０ａは回転しないものとなっている。マスターアームの腕部１１を６自由度とすることにより、７自由度とする場合に比して、作業者Ｐがハンド部２０を動かすために大きな力が必要となる場合があるが、ハンド部２０の３次元位置や方向によって各関節の角度が一意に定まる。したがって、作業者Ｐの動作を記録し、再現するにあたり、ハンド部２０の経路を滑らかにするなどの記録データの加工を行う場合に、そのデータ加工が容易となる。また、６自由度であることから、構成がシンプルとなり、装置価格を低減させることもできる。

マスターアーム１０の腕部１１とスレーブアーム３０の腕部３１の対応する各関節の可動範囲は、スレーブアーム３０の関節の可動範囲を、マスターアーム１０の関節の可動範囲以上とすることが好ましく、マスターアーム１０とスレーブアーム３０の対応する各関節の可動範囲を同一とすることがさらに好ましい。例えば、図１２Ａ（ｂ）に実線で示すように、スレーブアーム３０のある関節の可動範囲が30度〜270度の場合に、対応するマスターアーム１０の関節の可動範囲が同図（ａ）に実線で示すように120度〜90度と、スレーブアーム３０の関節の可動範囲がマスターアーム１０の関節の可動範囲以上でないとする。ここで、マスターアーム１０のある関節が、同図（ａ）に破線で示すように、240(*1)→270(*2)→300(*3)→330(*4)→360(*5)→0(*6)→30(*7)→60(*8)度と回転すると、スレーブアーム３０の対応する関節は、同図（ｂ）に破線で示すように、240（*1に相当）→270（*2に相当）→240（*7を目指して逆回転中）→・・・→60（*7を目指して逆回転中）→30（*7に相当）→60（*8に相当）度と、マスターアーム同様の角度への移動ができないだけでなく、270度から0度にかけては、マスターアームの回転と逆に回転してしまう。

これに対し、スレーブアーム３０の関節の可動範囲をマスターアーム１０の関節の可動範囲以上とすれば、上述のようなスレーブアーム３０の動作がマスターアーム１０の動作と異なってしまう現象を防止できる。一例として、図１２Ｂ（ａ）に実線で示すように、マスターアーム１０の関節の可動範囲が120度〜90度の場合に、スレーブアーム３０の関節の可動範囲が同図（ｂ）に実線で示すように110度〜90度と、マスターアームの関節の可動範囲以上とすれば、上述のようなマスターアーム１０の関節の回転例に対して、同図（ｂ）に破線で示すように、スレーブアーム３０の関節も等しい回転動作を行うことが可能である。さらに、各関節の可動範囲を同一とすれば、スレーブアームの関節で動作可能な全範囲の動きをマスターアームから作成することが可能となる。

本実施例において、マスターアーム１０の腕部１１の各関節には、ポテンシオメータ、エンコーダ等の角度センサは備えられておらず、関節角の検出は紐状センサ１７で行われる。そのため、この腕部１１は、角度センサがないことに加えて、センサ精度を出すために必要な高い剛性も不要となるので、従前のマスターアームの腕部に比して軽量化しており、動作を入力するときの作業者の労力が軽減される。ここで、本発明において角度センサとは、関節の回転量や曲がり量の検出を行うにあたり、検出部分に回転軸、回転する円環部、回転する円盤部を有するものをいい、検出部分にこれらを有することなく曲がり量を検出する曲げ検出センサと区別される。

なお、本発明は、腕部１１の関節に角度センサを設けることを完全に否定するものではなく、後述するように、必要に応じて最少限の角度センサを設けてもよい。

また、腕部１１には、必要により、作業者Ｐの動きを検知するトルク検出器及びパワーアシスト機構を設けたり、カウンターウェイト、カウンターバネなどを配置したりして、作業者Ｐの操作力の軽減を図ってもよい。

ハンド部２０は、グリップ２１を作業者Ｐ自身が握って図２の太線矢印方向に開閉操作することにより、物を掴むあるいは離すという動作をする。また、ハンド部２０は、作業者Ｐがハンド部２０自体を前後左右斜めに動かしたときの作業者Ｐの腕の動作の入力部になっている。

図４Ａに示すように、ハンド部２０のグリップ２１はバネ等（図示せず）の反発力により作業者の力が加わっていないときは開状態となっている。また、ハンド部２０またはグリップ２１には開閉を検知するセンサ２２が搭載されている。センサ２２としては、グリップ開閉角度、グリップ２１を構成する部材の距離を検知するもの、物品を掴んだ際の圧力を検知するもの等が挙げられ、各種の既知のセンサが用いられる。図４Ｂに示すように作業者Ｐの手でグリップ２１を閉状態とすると、センサ２２はその状態を検知し、スレーブアーム３０のハンド部４０にその情報が伝わり、スレーブアーム３０のグリップ４１も閉状態となる。

ハンド部２０及びグリップ２１の別形態としては、図５に示すように、作業者がハンド部２０に備えられたスイッチ２３を押して、ハンド部２０に備えられたアクチュエータ２４にてグリップ２１を閉状態とするものでも良い。アクチュエータ２４としては、空圧式や電気式など既知の駆動装置が用いられる。さらに、アクチュエータ２４を有するグリップ２１は、多関節の駆動部を有するものとしても良い（図示せず）。

図６に示すように、ハンド部２０での動作入力の態様としては、作業者Ｐの手の甲を固定バー２７でハンド部２０に固定し、グリップ２１として各指に対応する指部を２本〜５本分設け、さらに各指部の先端近傍に作業者Ｐの指先のリング状固定部２８を設け、また、指部にはそこに物品と接したことを検知できるセンサ２２を設けることにより、作業者Ｐの指の動きの開閉状態や物品の把持をマスターアームが検知できるようにしてもよい。なお、同図には、作業者Ｐの親指、人差指、中指の３本をそれぞれグリップ２１に固定する態様を示している。ここで、グリップ２１は、固定バー２７に掛止されているが、開閉方向には任意に動くことが可能となっている。また本例においては、センサ２２としては例えば圧力センサが設けられており、グリップ２１が物品と接触する際に、指とグリップ２１間に生じる圧力を感知して閉状態や物品の把持状態を検出するようになっている。

図７に示すように、ハンド部２０での動作入力の態様としては、グリップ２１に代えて作業者Ｐの手の甲、指を固定できる手袋状固定部２９を設け、そこには、各指の動きを検知できるワイヤー式等の開閉状態の検知センサ２２を設けることにより、作業者Ｐの５本指の動きをマスターアームが検知し、グリップ２１の開閉状態を検知できるようにしてもよい。

紐状センサ１７は、図８に示すように、自由度８以上の多関節構造を有し、屈曲関節部171同士をリンク部172で繋げ、全体として柔軟なチューブ状としたものである。より具体的には、１自由度を有する屈曲関節部171と長さ約５０ｍｍ程度のリンク部172とを連鎖させたもので、リンク部172は内部に空洞を有し、そこが信号情報ケーブル173、その他の電気ケーブルや圧縮空気用チューブやバキューム用のチューブ等の通路となっている。

屈曲関節部171としては、Ｘ軸方向に自由度を有するもの（符号171X）とＹ軸方向に自由度を有するもの（符号171Y）とが交互に設けられている。本実施例で使用する紐状センサ１７全体の自由度としては、屈曲関節部171が連続して10個あり、紐状センサの一端175、紐状センサの他端176はそれぞれ回転関節部を各１個備えているから、計12である。また、各関節部171,175,176の可動部には、ポテンショメータ等の角度センサ174が設けられている。

紐状センサ１７の好ましい長さは、腕部１１の基点（即ち、腕部１１のフレーム５０への取付位置Ａ２）と紐状センサ１７の基点（即ち、作業者Ｐにおける紐状センサ１７の端部175の装着位置Ａ４）との距離に応じて異なるが、通常、紐状センサ１７の基点から腕部１１の先端の移動可能範囲の最遠位置の距離の１００〜３００％が好ましく、より好ましくは１５０〜２５０％である。これにより、紐状センサ１７によって腕部１１の動きが制約されることがなくなり、また、紐状センサ１７がフレーム５０から大きく垂れ下がって作業の邪魔になることもない。

図１Ａ及び図９に示すように、紐状センサ１７の取付位置は、その一端175が、作業者Ｐが背部に背負いバンド７１で背負った制御ボックス７０に旋回可能に取り付けられ、他端176はマスターアーム１０のハンド部２０に旋回可能に取り付けられる。

なお、本発明において、紐状センサ１７の一端175の取付位置は、作業者Ｐの背部に限らず、作業者Ｐの頭、首、または体幹であれば良い。好ましい位置は、作業時に動きにくい体幹であり、最も好ましい位置は体幹のなかでも背部である。また、作業者Ｐの頭、首、または体幹と反対側の紐状センサ１７の端部176の取付位置は、マスターアーム１０のハンド部２０に限らず、腕部１１の先端部、即ち、マスターアーム１０の手首部１６若しくはその近傍としてもよく、さらに、図１０Ａに示すように作業者Ｐの手としてもよく、図１０Ｂに示すように作業者Ｐの手首としてもよく、図１０Ｃに示すように作業者Ｐの前腕としてもよい。

なお、紐状センサ１７の一端175を作業者Ｐに取り付けると、その紐状センサ１７の一端175とスレーブアーム３０のハンド部４０の相対位置が変動することで、スレーブアーム３０は正確な動作を行うことが困難になる場合があるが、これに対しては、後述するスレーブアームの自律機能などを用いてスレーブアーム３０の動きを補正することが好ましい。

制御ボックス７０には、後述するマスターアーム１０の信号処理部、距離センサ及び必要に応じてバッテリーなどの電源ユニット等が収容されている。制御ボックス７０からは角度データなどの各種信号が図示しない主演算装置へと送られる。

一方、本実施例のスレーブアーム３０は、マスターアーム１０と同様の関節・リンク構造を有し、肩部３２から手首部３６にかけて７自由度を有する腕部３１と、開閉により物品の把持を可能とするハンド部４０及びグリップ４１を有している。スレーブアーム３０のハンド部４０及びグリップ４１の具体的な形状も、図１１Ａ（マスター側）と図１１Ｂ（スレーブ側）に示すように、マスターアーム１０のハンド部２０及びグリップ２１の形状と概略同一とすることが好ましい。特に、スレーブアーム３０における、ハンド部４０の手首部３６への固定部４５と、作業時に物品と接するグリップ４１の先端４６との位置関係は、マスターアーム１０におけるハンド部２０の手首部１６への固定部２５と、作業時に物品と接するグリップ２１の先端２６との位置関係とできる限り近づけることにより、確実に物品の把持性が向上する。

また、スレーブアーム３０のグリップ４１は、柔軟な構造とすることが好ましい。これにより、スレーブアーム３０のグリップ４１で物品を把持する際に、物品がグリップ４１のセンターからずれた場合でも、物品を把持しやすくなる。

スレーブアーム３０には、必要に応じて自律機能を持たせてもよい。即ち、紐状センサ１７は、多数の関節を有するので、各部の寸法精度の誤差や角度センサの誤差が先端部では積算され、先端検出精度が低くなる場合がある。これに対しては、例えば、スレーブアーム３０のハンド部４０やグリップ４１に、グリップ４１と物品との非接触時の距離を計測する距離センサ、グリップ４１による物品の把持を検知するセンサ、画像情報に基づいてその把持状態を検出するセンサ等を設けることができる。このように自律機能を持たせる場合には、上述のように形状や特定部の位置関係をマスター側とスレーブ側とで概略同一にする必要はない。

以上のように、本発明においては、マスターアーム１０において腕部１１に紐状センサ１７を併設し、その一端175を作業者Ｐの頭、首、または体幹に装着することにより、マスターアーム１０を軽量化して作業者Ｐがマスターアーム１０に動作を入力するときの労力を軽減すると共に、紐状センサ１７の必要な長さを必要最小限にすることができるが、これに対して、腕部１１を省略し、紐状センサ１７とハンド部２０からマスターアームを構成した場合には、第１に、マスターアーム１０の自由度がスレーブアーム３０の自由度よりも大きくなるため、スレーブアーム３０の自由度が６未満の場合には、マスターアーム１０から、スレーブアーム３０で追従不能な動きを入力してしまう場合があり、第２に、スレーブアーム３０の自由度が７以上の場合には、スレーブアーム３０にマスターアーム１０の動きを追従させる際の各関節の角度を得るための計算が困難となり、第３に、マスターアーム１０の軸構成がスレーブアーム３０と異なるため、マスターアームの先端位置が、スレーブアーム３０の移動可能範囲を超えてしまう場合がある。

しかしながら、本発明においては、腕部１１に紐状センサ１７を併設していることにより、マスターアーム１０は、スレーブアーム３０と同様に動作の制約を受けるので、スレーブアーム３０で動作不可能な動きや、移動可能範囲外の動きがマスターアーム１０で入力されるという問題が生じない。

したがって、スレーブアームが６自由度以下の場合には、図１３Ａのロジックに示すように、スレーブアーム３０をマスターアーム１０に追従させることができる。即ち、紐状センサ１７の角度センサ174は、その１乃至複数個でグループ単位を構成し、グループ単位毎にセンサ信号が信号処理部に取り込まれる。信号処理部は、このセンサ信号を通信ネットワークを介して主演算装置に送る。

主演算装置は紐状センサ１７の先端位置を計算し、スレーブアーム３０の腕部の先端位置（目標位置）を計算し、さらにスレーブアーム３０の関節角（目標角度）を計算する。この計算方法としては、次の(i)又は(ii)の方法によることができる。

(i)の方法としては、信号処理部から送られたセンサ信号と紐状センサの基点の位置情報に基づいて紐状センサ１７の絶対座標における先端位置を計算し、得られた紐状センサ１７の先端位置に基づいてスレーブアーム３０の腕部３１がとるべき先端位置（目標位置）を絶対座標で計算し、さらにスレーブアーム３０の各関節がとるべき関節角（目標角度）を計算する。

スレーブアーム３０をマスターアーム１０と同じように動作させるには、絶対座標において紐状センサ１７の基点がどこにあるか把握されねばならず、また紐状センサ１７の基点から紐状センサ１７が延びている方向も一定とせねばならない。そのための第1の方法として、作業者Ｐが所定の操作位置Ａ１に立つか、所定の位置に固定された操作用椅子に座ってマスターアーム１０を所定の位置に置くことで、基点のＸＹ方向を初期化（キャリブレーション）する方法がある。この場合、出来る限り、基点から紐状センサ１７が延びている方向も一定とし、作業者Ｐの身長によって変化する高さＺ方向の位置情報については計測によって補正する。計測方法の例として、制御ボックス７０に内蔵されている距離センサで床面との距離を計測することによりＺ方向の所定の位置情報を補正してもよく、あるいは作業者Ｐとは別の場所に設置された距離センサで基点と床面との距離を計測し補正してもよい。第２の方法として、紐状センサ１７の基点位置を完全固定することで紐状センサ１７の基点が把握され、基点から紐状センサ１７が延びている方向も一定とできる。例えば、後述する図１Ｅのマニプレータシステム１Ｅのように、紐状センサ１７の基点位置をスタンド７２に固定すればよい。

(ii)の方法としては、絶対座標における紐状センサ１７の先端位置を計算した後、その先端位置の直前（例えば0.05秒直前）の紐状センサ１７の先端位置との差分量（即ち、先端位置の移動方向と移動距離の変化量）を計算し、その差分量に基づいてスレーブアーム３０の腕部３１がとるべき先端位置（目標位置）を計算し、さらにスレーブアーム３０の各関節がとるべき関節角（目標角度）を計算する。このように差分量を計算する場合の時間間隔、言い換えれば制御周期は、好ましくは、約0.005秒以上0.200秒以下であり、より好ましくは、0.01秒以上0.10秒以下である。制御周期が長すぎると、時間経過に対して位置情報が不足し、特に高速の動きに対して、スレーブアーム３０はマスターアーム１０と同様の動作を行うことが困難となり、反対に制御周期が短すぎると、スレーブアーム３０のモータ制御装置が性能不足し、モータ制御が不安定となり、スレーブアーム３０が振動する場合がある。これに対し、制御周期を上述の範囲とすることによりスレーブアーム３０はマスターアーム１０の動きに十分に追従し、滑らかに動く。なお、モータ制御装置の性能上可能な限り、制御周期は短い方が動作再現の面から好ましい。例えば、モータ制御のためのハードウェアやソフトウェアが向上すれば、制御周期を0.0002秒以上〜0.0050秒未満とすることも可能となる。

この(ii)の方法は、図１Ａのマニプレータシステム１、及び後述する図１Ｂ〜図１Ｆのマニプレータシステム１Ｂ〜１Ｆのいずれの態様にも適応可能で、作業者Ｐが操作位置Ａ１から移動するなど紐状センサ１７の基点の座標や方向が変化しても、作業者Ｐの意図通りの動きをスレーブアーム３０に伝えることが可能である。

なお、(ii)の場合には、本来ならマスターアーム１０及びスレーブアーム３０が移動できるにも関わらず、作業者Ｐの操作位置Ａ1 や姿勢が原因で、紐状センサ１７の移動可能な範囲を超えてしまう状態となり、スレーブアーム３０を充分に動かしきれなくなることがある。例えば、作業者Ｐが手を前方にほぼ伸ばしきった状態でマスターアーム１０のハンド部２０をもって作業開始すると、手前・左右・上下方向には移動できても、作業者の前方にマスターアーム１０を移動することは困難になる。この状態を解消するには、一時、紐状センサ１７からの信号を停止し、マスターアーム１０は動かすことなく、紐状センサ１７の先端位置のみを紐状センサ１７が移動可能な空間の中へ戻し、その戻した位置からの差分量を用いることでスレーブアーム３０を再度動かすことが可能となる。このスレーブアーム３０を再度動かすための処置の際にマスターアーム１０も動かすと、スレーブアーム３０を停止させた状態でマスターアームを動かすこととなり、その結果、マスターアーム１０にスレーブアーム３０が追従する本来の機能は失われることとなる。

こうして(i)または(ii)の方法で算出したスレーブアーム３０の関節角度は、スレーブアーム駆動装置のコントローラ（サーボアンプ）に送る。

スレーブアーム駆動装置のコントローラ（サーボアンプ）は、スレーブアーム３０に取り付けられているスレーブアーム関節駆動装置（サーボモータ）がスレーブアーム３０の腕部３１の各関節を動かすときの回転量を計算し、それをスレーブアーム関節駆動装置に出力する。こうして、スレーブアーム３０にマスターアーム１０の動きを追従させることが可能となる。

ここで、紐状センサ１７の先端検出精度が低い場合には、必要に応じて破線で示したように、スレーブアーム３０のハンド部４０に自律機能をもたせる自律式スレーブハンド制御装置を設ける。自律式スレーブハンド制御装置が、スレーブアーム３０のハンド部４０の位置修正情報を主演算装置に出力し、主演算装置では、この位置修正情報にも基づいてスレーブアーム３０の腕部３１がとるべき先端位置を計算する。

また、スレーブアーム３０が７自由度以上の場合には、図１３Ｂのロジックに示すように、マスターアーム１０の腕部１１において、６自由度の計算にするための必要最小限の関節のみに、例えば、肩部等の最上位の一つの関節に関節角度を検出するための角度センサを設け、その角度情報を主演算装置に送る。これにより、スレーブアーム３０の各関節がとるべき関節角を容易に計算できるようになる。

この他、主演算装置において、紐状センサ１７の角度センサに基づき、紐状センサ１７の先端位置、スレーブアームの腕部の先端位置、スレーブアームの関節角を順次計算するのに加えて、紐状センサ１７の両端部の間の中間部、好ましくは、スレーブアーム３０の肘等の中間関節あたりに対応する途中位置も計算し、その途中位置をスレーブアーム３０の途中位置として割り当てることによっても、自由度７以上のスレーブアーム３０の関節角を容易に計算できるようになる。

なお、スレーブアーム３０が７自由度以上でも、紐状センサ１７の先端検出精度が不十分な場合には、自律式スレーブハンド制御装置を設け、自律式スレーブハンド制御装置からの位置修正情報に基づいてスレーブアーム３０の腕部３１がとるべき先端位置が計算されるようにする。

本発明のマニプレータシステムは、さらに種々の態様をとることができる。例えば、図１Ｂのマニプレータシステム１Ｂのように、マスターアーム１０の腕部１１のフレーム５０への取付位置Ａ２を、ハンド部２０と挟んで作業者Ｐの操作位置Ａ１と同じ側としてもよい。図１Ａのマニプレータシステム１Ａのように、マスターアーム１０の腕部１１のアーム５０への取付位置Ａ２を、ハンド部２０と挟んで作業者Ｐの操作位置Ａ１と反対側にすると、作業者Ｐの腕の動きがマスターアーム１０によって制約されることがなく、作業者は作業をやり易くなると共に、作業者Ｐの腕がマスターアーム１０と接触するおそれがないため、作業の安全性も確保されるが、図１Ｂのマニプレータシステム１Ｂのように、マスターアーム１０の腕部１１のフレーム５０への取付位置Ａ２を、ハンド部２０と挟んで作業者Ｐの操作位置Ａ１と同じ側にすると、作業者Ｐの作業面積及びマニプレータシステム１Ｂ全体の所要面積をコンパクトにすることができる。

また、図１Ｃのマニプレータシステム１Ｃや、図１Ｄのマニプレータシステム１Ｄのように、腕部１１をアームに取り付けることなく、腕部１１の取付位置Ａ３を床５１としてもよく、その場合に腕部１１の取付位置Ａ３を、搬送コンベア６０に対して、作業者Ｐの操作位置Ａ１と反対側にしてもよく（図１Ｃ）、同じ側にしてもよい（図１Ｄ）。

紐状センサ１７の基点のＺ方向の位置情報を得るために、図１Ｅのマニプレータシステム１Ｅのように、制御ボックス７０を、矢印のように上下にスライド可能なスタンド７２に固定し、Ｚ方向の位置情報を、このスタンド７２に内蔵した距離センサで計測するようにしてもよい。こうして、紐状センサ１７の基点を固定することで、より正確な位置情報を得ることができる。

また、本発明のいずれの態様のマニプレータシステムにおいても、ハンド部２０は、掴むあるいは離すといった動作に限らず、溶接、ネジ締め、塗装などといった作業を行なうものとしてもよい。その場合はマスターアーム１０のハンド部２０とスレーブアーム３０のハンド部４０のぞれぞれに、作業に応じた工具が備えられ、マスターアーム１０における工具の操作と同じ動作をスレーブアーム３０のハンド部４０がそこに備えられた工具で行なうよう主演算装置で制御する。

紐状センサ１７としては、曲げ検出センサを多関節構造的に複数配置したものでもよい。曲げ検出センサとしては、例えば、光ファイバを利用した角度検出の可能な柔軟なセンサを用いてもよい。この光ファイバを利用したセンサは、テープ状のバネ鋼にループ状の光ファイバを、多関節構造的に複数個配列したもので、個々の光ファイバのループでは、その曲がりに比例して光が増加、減衰することを利用して紐状の形状を算出し、その先端位置の検出を可能としたものである。一例として、テープ状のバネ鋼の平面に対して、ループ状の光ファイバを45度、-45度、45度、-45度・・・と交互に設置したセンサを60mmピッチで8組以上配列したものが用いられる。通常の光ファイバセンサでも曲げ検出は可能であるが、特にループ状の光センサが特に検出感度が高く、好ましい。その他の曲げ検出センサとして、歪みゲージによるもの、圧電素子、導電性ゴムなどを用いても良い。

マスターアーム１０の腕部１１やスレーブアーム３０の腕部３１の構成としては、垂直多関節ロボットの他、水平多関節ロボット（スカラロボット）、複数の回転軸と直線移動部を組み合わせたもの、パラレル型ロボットなど各種の形態とすることができる。さらに、マスターアーム１０は、各関節の回転軸間距離や稼働範囲角度がスレーブアーム３０と同等なら、単なる棒状やパイプによるリンク構造としてもよい。

また、上述のいずれのアーム形態とする場合でも、マスターアーム１０を、作業者の両腕に対応するように一対設け、スレーブアーム３０もそれに対応して複数対設けた双腕型マニプレータシステムとしてもよい。また特に双腕型とはせずに、スレーブアーム３０を複数対設けたマニプレータシステムとしてもよい。

また、上述したいずれのマニプレータシステムにおいても、マスターアームを移動可能に設置できるようにしてもよい。その場合にマスターアームとスレーブアームを並べて設置できるようにしてもよく、マスターアームとスレーブアームを交換的に設置できるようにしてもよい。マスターアームを移動式とすることで、マスターアームは任意の場所での設置、使用が可能となる。また、マスターアームを移動式とすることにより、マスターアームによる動作プログラム完成後は、そのマスターアームを他のスレーブアームの動作プログラム作成に使用することが可能となり、１台のマスターアームで複数台のスレーブアームの動作プログラムを作成することが可能となる。さらに、マスターアームとスレーブアームを交換的に設置することにより、マスターアームの設置場所を別途設けることなく、最小限のスペースでマスターアームを使用することができる。

例えば、図１Ｆに示すマニプレータシステム１Ｆのように、マスターアームとスレーブアームを、それぞれ移動式マスターユニット１０Ｕ、移動式スレーブユニット３０Ｕとして構成する。この移動式マスターユニット１０Ｕは、車輪５２で移動可能とした移動部ベース５３に移動部支柱５４を起立させ、移動部支柱５４にマスターアーム１０を取り付けたものである。移動部ベース５３の位置は、固定具５５で固定される。また、移動部ベース５４には、主演算装置、コントローラ（サーボアンプ）、必要に応じて電源ユニット等を内蔵した制御ボックス５６が設けられている。

ここで、マスターアーム１０とスレーブアーム３０は、同様の関節・リンク構造を有している。また、マスターアーム１０とスレーブアーム３０は床５１からアーム１０，３０の取付位置（基点）までの距離が同一であり、搬送コンベア６０に対して水平に配列している。移動式マスターユニット１０Ｕの設置位置の調整方法は、床５１に電子タグを設置しておき、搬送コンベア６０に対して、大まかに位置合わせした後、電子タグを利用して調整できるようにしてもよく、画像処理や室内ＧＰＳ等で位置を計測して調整できるようにしてもよい。さらに、大まかに位置合わせした後、基点と搬送コンベア６０との相対位置を電子タグや画像処理装置や室内ＧＰＳ等の測定から演算し、これをマスターアーム１０とスレーブアーム３０それぞれについて比較し、スレーブアーム３０の動きをその比較量分補正することにより、スレーブアーム３０がマスターアーム１０と同じように搬送コンベア６０に対して動くように調整してもよい。

マニプレータシステムの用途に関し、製造ラインの搬送コンベア６０で箱状物品６１に物品を詰める作業について説明したが、本発明のマニプレータシステムの用途はこれに限定されるものではない。

本発明のマニプレータシステムは、物品の製造ライン、物流ライン、各種遠隔作業等で利用されるマスタースレーブ方式のマニプレータシステムにおいて有用となる。

実施例のマニプレータシステムの模式図である。実施例のマニプレータシステムの模式図である。実施例のマニプレータシステムの模式図である。実施例のマニプレータシステムの模式図である。実施例のマニプレータシステムの模式図である。実施例のマニプレータシステムの模式図である。自由度７のマスターアームの斜視図である。自由度６のマスターアームのホームポジションの正面図（Ａ）及び側面図（Ｂ）である。マスターアームにおけるハンド部のグリップ開状態の斜視図である。マスターアームにおけるハンド部のグリップ閉状態の斜視図である。マスターアームにおけるハンド部の別形態の斜視図である。マスターアームにおけるハンド部の別形態の斜視図である。マスターアームにおけるハンド部の別形態の斜視図である。多関節構造を有する紐状センサの斜視図である。多関節構造を有する紐状センサと取付部位の説明図である。紐状センサの取付部位の説明図である。紐状センサの取付部位の説明図である。紐状センサの取付部位の説明図である。マスターアームのハンド部とグリップの位置関係を示す斜視図である。スレーブアームのハンド部とグリップの位置関係を示す斜視図である。マスターアームとスレーブアーム関節角度についての関係図である。マスターアームとスレーブアーム関節角度についての関係図である。スレーブアームの自由度が６以下の場合の、スレーブアームの関節角度の計算方法の概要をまとめた流れ図である。スレーブアームの自由度が７以上の場合の、スレーブアームの関節角度の計算方法の概要をまとめた流れ図である。

符号の説明

１、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆマニプレータシステム
１０、１０ｂ剛体から形成された腕部を有するマスターアーム
１０Ｕ移動式マスターユニット
１１腕部
１２肩部
１３上腕部
１４肘部
１５前腕部
１６手首部
１７紐状センサ
171 屈曲関節部
172 リンク部
173 信号情報ケーブル
174 ポテンショメータ
175 紐状センサの一端
176 紐状センサの他端
２０ハンド部
２１グリップ
２２センサ
２３スイッチ
２４アクチュエータ
２５ハンド部のアームへの固定部
２６作業時に物品と接するグリップの先端位置
２７固定バー
２８指先の固定部
２９手袋状固定部
３０スレーブアーム
３０Ｕ移動式スレーブユニット
３１腕部（スレーブアーム）
３２肩部（スレーブアーム）
３３上腕部（スレーブアーム）
３４肘部（スレーブアーム）
３５前腕部（スレーブアーム）
３６手首部（スレーブアーム）
４０ハンド部（スレーブアーム）
４１グリップ（スレーブアーム）
４５ハンド部のアームへの固定部（スレーブアーム）
４６作業時に物品と接するグリップの先端位置（スレーブアーム）
５０フレーム
５１床
５２車輪
５３移動部ベース
５４移動部支柱
５５固定具
５６制御ボックス
６０搬送コンベア
６１箱状物品
７０制御ボックス
７１背負いバンド
７２スタンド
Ｐ作業者
Ａ１作業着の操作位置
Ａ２マスターアームの腕部の取付位置
Ａ３マスターアームの腕部の取付位置
Ａ４紐状センサの端部の装置位置

Claims

マスターアームと、マスターアームの動作に追従するスレーブアームとを備えたマニプレータシステムであって、
マスターアームは、自由度７以下の腕部、ハンド部及び先端の位置が検出可能な自由度８以上の紐状センサを有し、作業者がマスターアームに動作を入力する動作入力部が、マスターアームのハンド部に設けられ、紐状センサの一端が作業者の頭、首、または体幹に装着され、他端がマスターアームの腕部の先端部若しくはハンド部、又は作業者の手、手首部若しくは前腕部に取り付けられているマニプレータシステム。
作業者の頭、首、または体幹側の紐状センサの一端を紐状センサの基点とし、この基点を原点とする座標で紐状センサの他端の位置を算出し、紐状センサの他端の位置に基づいてスレーブアームの腕部の先端位置を算出する請求項１記載のマニプレータシステム。
作業者の頭、首、または体幹側の紐状センサの一端を紐状センサの基点とし、この基点を原点とする座標で紐状センサの他端の位置を算出し、この他端の位置の移動方向と移動距離からスレーブアームの腕部の先端位置を算出する請求項１記載のマニプレータシステム。
マスターアームの腕部の各関節に、角度センサが備えられていない請求項１〜３のいずれかに記載のマニプレータシステム。
マスターアームとスレーブアームの肩関節、肘関節及び手首関節が略同一構成である請求項１〜４のいずれかに記載のマニプレータシステム。
マスターアームの腕部の自由度とスレーブアームの腕部の自由度が等しい請求項１〜４のいずれかに記載のマニプレータシステム。
マスターアームの腕部とスレーブアームの腕部の対応する各関節について、スレーブアームの関節の可動範囲が、マスターアームの関節の可動範囲以上である請求項１〜６のいずれかに記載のマニプレータシステム。
紐状センサが多関節構造を有し、各関節に角度センサを備え、全体としてチューブ状である請求項１〜７のいずれかに記載のマニプレータシステム。
紐状センサが、曲げ検出センサを多関節構造的に複数個配列したものである請求項１〜６のいずれかに記載のマニプレータシステム。
マスターアームは設置位置が移動可能である請求項１〜９のいずれかに記載のマニプレータシステム。
一のマスターアームに対して複数のスレーブアームが設けられている請求項１〜１０のいずれかに記載のマニプレータシステム。