JP5212797B2 - 力覚提示マニピュレータ - Google Patents

Description

本発明は、力覚提示マニピュレータに関する。

バーチャル・リアリティを用いた訓練システムにおいて臨場感を高めるためには力覚の提示が重要である。また、ロボットの遠隔操作においても微細作業や、繊細で複雑な作業を必要とする場合には、作業ロボットから操縦桿へ力覚の帰還を行うことで作業効率を向上することが知られている。このように力覚を表現する装置として力覚提示装置が用いられる。

本発明では、力覚提示装置にパラレルリンク機構を応用してマニピュレータを構成している。ここで、「パラレルリンク機構」とは、マニピュレータのベースと、エンドエフェクタとを、複数のリンク機構により支持する機構の呼称である。従来のパラレルリンク機構を用いた力覚提示装置には特許文献１、特許文献２、非特許文献１、非特許文献２、及び、非特許文献３のようなものが知られている。
特開２０００−１４８３８２ 特開２００１−２９３６７６ Clavel R. , " Conception d’un robot parallele rapide a 4 degres de liberte", Ph.D. Thesis, EPFL, Lausanne,1991,No925. 岩田洋夫、外２名，「フォースディスプレイを用いた仮想環境における手術シミュレーションの要素技術開発」，日本ＶＲ学会第１回大会論文集，ｐｐ．９５−９８，１９９６ Y. Tsumaki, H. Naruse, D. N. Nenchev and M. Uchiyama,"Design of a Compact 6-DOF Haptic Interface", Proceedings of the 1998 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Leuven, Belgium, 1998, 2580-2585.

力覚提示マニピュレータにおいて重要な機能として力覚提示機能と操作性がある。

第一に、力覚提示マニピュレータにおいて衝撃力を提示するための要件の一つに、機構の剛性を高めることが挙げられる。例えば金属同士の接触などの表現には衝撃力の提示が必要となるが、機構の剛性が低いと、駆動手段の動力がエンドエフェクタに正確に伝達されないため、衝撃力の提示が難しく、剛体や衝撃を表現することが困難となる。

第二に、柔軟物の表現のような繊細な力覚提示に必要な要件の一つに、機構のバックドライバビリティを高くすることが挙げられる。ここで、「バックドライバビリティ」とは、マニピュレータの運動の可逆性を表す指標である。バックドライバビリティが低いと外部からマニピュレータのエンドエフェクタを動かしにくくなるため、繊細な力覚表現が困難となる。

第三に、力覚提示マニピュレータにおいて高い操作性を得るための要件の一つに、機構の動作部の慣性質量を低減させることが挙げられる。力覚提示マニピュレータは、操作者が直接操作を行うため、慣性質量の大きい力覚提示マニピュレータでは、操作する際に生じるマニピュレータの慣性力が操作の負荷となり、長時間の作業や繊細な作業などでは、操作者の疲労が大きくなるため作業が困難となる。

第四に、様々な状況に対応する汎用的な力覚提示マニピュレータにおいては、広い作業領域を持つことが望ましい。作業領域の小さな力覚提示マニピュレータでは、エンドエフェクタが力覚提示マニピュレータの作業領域を超えると操作対象への動作指示ができなくなってしまう。従って、操作対象の作業領域がマニピュレータの作業領域に制限される事になる。そのため、操作対象の本来の作業領域が十分に使用できなくなる可能性がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、機構の剛性が高く、剛体や衝撃を表現することが可能な力覚提示マニピュレータを提供することにある。

また、本発明の別の目的は、機構のバックドライバビリティが高く、繊細な力覚を表現することが可能な力覚提示マニピュレータを提供することにある。

また、本発明の別の目的は、機構の動作部の慣性質量が小さく、操作性に優れた力覚提示マニピュレータを提供することにある。

また、本発明の別の目的は、比較的作業領域の広い力覚提示マニピュレータを提供することにある。

本発明は、駆動手段によって駆動される多自由度の力覚提示マニピュレータであり、直交する３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）を有する基準座標系に固定したマニピュレータのベースと、エンドエフェクタと、駆動手段と、エンドエフェクタを支持する一対のリンク機構と、を備え、一対のリンク機構は、それぞれ、第１平行リンク機構と、第２平行リンク機構と、から構成され、第１平行リンク機構は、マニピュレータのベースと回転自在で連結された第１リンクと、第１リンクと同軸の回転軸で回転運動を行うようマニピュレータのベースと回転自在で連結された第２リンクと、第１リンクと平行で第２リンクと回転自在で連結される第３リンクと、第２リンクに平行で第１及び第３リンクと回転自在で連結される第４リンクと、を備え、また、第２平行リンク機構は、第１平行リンク機構の各回転軸と平行となるよう第４リンクに固定する第５リンクと、第５リンクに平行な第６リンクと、第５、第６リンクの間を回転自在で連結する２つの第７リンクと、を備えており、駆動手段は、第１、第２リンクにそれぞれ回転運動を与える第１、第２駆動手段であり、 一対のリンク機構は、それぞれの第１、第２リンク共通の回転軸の垂線が、ある角度をなすようにマニピュレータのベース上の同一平面内に設置され、基準座標の原点Оを中心として左右対称に配置されており、エンドエフェクタは、一対のリンク機構の末端部である第６リンクに平行な回転軸と回転自在となるように一対のリンク機構それぞれから連結され、一対のリンク機構それぞれの第６リンクに平行なそれぞれの回転軸は、各第１、第２平行リンク機構によってマニピュレータのベースに対して常に平行であり、また、一対のリンク機構が前記角度をなして配置されていることにより互いに平行ではなく、このことにより、エンドエフェクタが、マニピュレータのベース水平面に対して常に水平となるよう拘束されることを特徴とする。

本発明は、駆動手段によって駆動されるパラレルリンク機構を用いた力覚提示マニピュレータを対象とし、特に並進３自由度を有する力覚提示マニピュレータを対象とする。本発明の駆動手段には、回転運動を出力する出力軸を具備する駆動装置、例えばモータを用いることができる。

本発明の力覚提示マニピュレータは、直交する３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）を有する基準座標系に固定したマニピュレータのベースに対して、エンドエフェクタが、Ｘ軸方向の並進運動、Ｙ軸方向の並進運動、Ｚ軸方向の並進運動、の少なくとも３自由度を有する。エンドエフェクタは、マニピュレータのベースに回転自在に連結された一対のリンク機構によって支持され、マニピュレータのベースと、一対のリンク機構と、エンドエフェクタと、によって閉ループを構成する。

本発明の一態様は、直交する３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）を有する基準座標系に固定したマニピュレータのベースと、エンドエフェクタと、４つの駆動手段と、マニピュレータのベースとエンドエフェクタを連結する第１、第２平行リンク機構からなる一対のリンク機構と、を備える。

この態様では、一対のリンク機構それぞれに設けた２つの駆動手段、計４つの駆動手段を制御することにより、エンドエフェクタを基準座標系に対して、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の並進運動に変換する。

第１平行リンク機構は、マニピュレータのベースに存在する第１軸に回転自在となるよう連結された第１リンクと、第１リンクと同じく第１軸での回転運動を行うようにマニピュレータのベースと回転自在で連結された第２リンクと、第１リンクに平行且つ長さが等しく第２リンクと回転自在で連結する第３リンクと、第２リンクと平行且つ長さが等しく一方を第１リンクと回転自在で連結し、他方を第３リンクと回転自在で連結する第４リンクと、第１軸を出力軸として第１リンクに回転運動を与える第１駆動手段と、同じく第１軸を出力軸として第２リンクに回転運動を与える第２駆動手段と、を備える。なお、第１リンクと第４リンクを回転自在により連結する回転軸を第２軸とする。

第２平行リンク機構は、前記第１平行リンク機構の各回転軸と平行となるよう前記第４リンクに固定する第５リンクと、第５リンクに平行で長さが等しい第６リンクと、第５及び第６リンクの間を回転自在で結ぶ平行な２つの第７リンクと、を備える。第２平行リンク機構は、第２駆動手段の動力により第２軸回りの回転運動を与えられる。

一対のリンク機構それぞれの第１軸の垂線は、同一平面内である角度をなし、基準座標の原点Оに対して左右対称となるようマニピュレータのベースに配置される。

エンドエフェクタは、一対のリンク機構それぞれの第６リンクと平行な回転軸（第３軸）により、一対のリンク機構それぞれから回転自在で連結され、マニピュレータのベースと、エンドエフェクタと、一対のリンク機構と、により閉ループを構成する。一対のリンク機構それぞれの第３軸は各第１、第２平行リンク機構によって、マニピュレータのベースに対して常に平行であり、更に、両第３軸は平行ではないため、エンドエフェクタは両第３軸による拘束により、空間位置に依らず機構的に水平を維持する。

本発明によれば、エンドエフェクタを一対のリンク機構で支持するパラレルリンク機構を用いることによって、機構の剛性を高めることが可能である。そのため、駆動手段の動力を正確にエンドエフェクタに伝達することができ、より正確に剛体や衝撃を表現することが可能である。

パラレルリンク機構を用いることによって、駆動手段のすべてをマニピュレータのベースに固定することが可能である。そのため、マニピュレータを駆動する駆動手段の重量がマニピュレータの操作性に与える影響が小さく、減速機を用いない駆動手段の搭載が容易となるため、機構のバックドライバビリティを高めることが可能である。従って、外部からマニピュレータを動かした際の操作負荷による影響が低減されるため、繊細な力覚提示が可能となる。

パラレルリンク機構を用いることによって、マニピュレータの動作部を軽量なリンク機構とエンドエフェクタのみで構成することが可能なため、マニピュレータの動作部の慣性質量を低減することができる。従って、マニピュレータの慣性力による操作負荷を低減することが可能である。

本発明の力覚提示マニピュレータは、３自由度並進運動に対して４つの駆動手段を用いた冗長パラレルリンク機構であり、機構の大きさに対して比較的大きな作業領域が得られる。

以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係わる力覚提示マニピュレータを用いた、力覚提示システムを示している。

本発明は、力覚提示マニピュレータであるマニピュレータ１と、マニピュレータ１の駆動手段を制御するコントロール部２と、力覚が取得できるロボット、若しくは、バーチャル・システム等からなる操作対象３から構成される。このシステムは、遠隔操作ロボットの力覚フィードバック付操縦桿、バーチャル・リアリティを用いた訓練システムの力覚提示装置等に用いられる。

次に、図２から図３を参照して、マニピュレータ１の構成について詳しく説明する。図２は本発明の機構モデルの斜視図、図３は本発明の実施例の斜視図である。

マニピュレータ１は、ベース１０と、一対の駆動部２０ａ、２０ｂと、各駆動部に連結し、駆動手段の動力をエンドエフェクタの３自由度並進動作に変換する一対のリンク機構３０ａ、３０ｂと、エンドエフェクタ部５０と、から構成される。なお、一対の駆動部と、一対のリンク機構は、それぞれ対となる構造が同一の構造であるため、以降では区別が必要な場合を除いて、同一のものとして説明する。

一対の駆動部２０は、それぞれ、ベース１０に固定した第１駆動手段２１と、同じくベース１０に固定した第２駆動手段２２と、駆動手段の動力をリンク機構に伝達する動力伝達手段と、を備える。力覚提示マニピュレータに使用する動力伝達手段には、正確な動力伝達を必要とするため、動力伝達手段における摩擦やガタ等による伝達損失を極力抑える必要がある。そのため、好適には、伝達効率がよくガタが少ないワイヤーとプーリによる動力伝達手段が望ましい。本実施例では、第１、第２駆動手段の出力軸に固定する第１プーリ２３、２４と、第１プーリ２３、２４の回転運動を伝達し出力する第２プーリ２５、２６と、動力を伝達するワイヤー２７と、を備える。ワイヤー２７は各第１プーリ２３、２４に巻回し、それぞれ第２プーリ２５、２６に両端を固定する。なお、ワイヤー２７には、ボルト及びナットなどで張力を調節し、弛みを除去する張力調節機構を設けることが好ましい。なお、一対の駆動部２０それぞれの第２プーリ２５、２６の回転軸は同軸であり、後述の一対のリンク機構３０それぞれの第１軸に相当する。

各駆動部２０ａ、２０ｂは、ベースの同一平面上に固定し、それぞれの駆動部が有する第２プーリ２５ａ、２６ａ、又は２５ｂ、２６ｂの回転軸の垂線のなす角はθとし、基準座標の原点Oに対して左右対称となるよう配置する。

一対のリンク機構３０ａ、３０ｂは、さらに２つの平行リンク機構（ベース側から順に、第１平行リンク機構３１ａ、３１ｂ、第２平行リンク機構４１ａ、４１ｂ）から構成される。

第１平行リンク機構３１は、第１軸である関節軸３２と、第２軸である関節軸３３と、第１軸と第２軸の間を結び、前記第２プーリ２５に固定した第１リンク３４と、前記第２プーリ２６に固定した第２リンク３５と、第１リンク３４に平行な第３リンク３６と、第２リンクに平行な第４リンク３７と、第２〜４リンクを回転自在で結ぶ関節軸（第２リンク側から順に、関節軸３８、３９）から構成される。

第２平行リンク機構４１は、前記第１平行リンク機構３１の各回転軸に平行となるよう前記第４リンク３７に固定する第５リンク４２と、第５リンク４２に平行で長さが等しい第６リンク４３と、第５リンク４２と第６リンク４３の両端を結ぶ２つの平行な第７リンク４４と、第５〜７リンクを回転自在で連結するための４つの関節軸４５と、から構成されている。

一対のリンク機構３０はそれぞれ、第１駆動手段２１の動力による第１軸回りの回転運動と、第２駆動手段２２の動力による第２軸周りの回転運動の２自由度運動を行う。

エンドエフェクタ部５０は、一対のリンク機構それぞれの末端である第６リンク４３に平行に固定する関節軸５１ａ、５１ｂ（第３軸）と、各関節軸５１を回転自在で連結する第８リンク５２と、操作手段５３から構成される。一対のリンク機構３０ａ、３０ｂのそれぞれの第３軸は常にベースに対して平行となり、更に一対のリンク機構は角度θで対向している。そのため、第８リンク５２を互いに平行でない２つの回転軸で拘束することにより、第８リンク５２は互いの第３軸回りに回転運動ができなくなるため、ベース１０の水平面に対してエンドエフェクタが常に水平を維持する。

操作手段５３は、第８リンク５２に固定し、操作者が直接触れて操作を行う手段である。

次に、マニピュレータ１の駆動手段を制御するコントロール部２と、マニピュレータ１によって操作する操作対象３について説明する。

前記コントロール部２は、例えばモータドライバや制御コンピュータから構成される。コンピュータは、例えばエンコーダなどのセンサから力覚提示マニピュレータの動作を演算し、位置指令として操作対象３へ情報を出力する。また、操作対象３から入力された力情報からモータドライバの制御信号を生成し、モータドライバに出力する。モータドライバは入力された制御信号に基づき駆動手段を駆動する。各駆動手段からの動力はリンク機構３０によってエンドエフェクタ部５０まで伝達され、エンドエフェクタ部５０は所望の力を提示する。

操作対象３は、例えば力情報が取得可能な遠隔ロボットで構成される。コントロール部２からの入力情報により遠隔ロボットは駆動され、環境から得た力情報をコントロール部２に出力する。

以上に述べた構成によれば、エンドエフェクタにおいて姿勢の変化しない、並進３自由度の力覚提示が可能な力覚提示システムを実現することができる。本発明では３自由度並進運動に対して４つの駆動手段を用いた冗長パラレルリンク機構であり、機構の大きさに対して比較的大きな作業領域が得られる。

以上において、本発明を実施例に則して説明したが、本発明は上記実施例に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。

本発明の力覚提示マニピュレータは、遠隔操作ロボットの力覚フィードバック付操縦桿、バーチャル・リアリティを用いた訓練システムの力覚提示装置等に利用可能である。

本発明の一実施形態に係わる力覚提示マニピュレータのシステムである。 本発明の機構モデル図である。 本発明の一実施形態に係わる力覚提示マニピュレータの斜視図である。

符号の説明

１ マニピュレータ
２ コントロール部
３ 操作対象
１０ ベース
２０ 駆動部（２０ａ、２０ｂ）
２１ 第１駆動手段（２１ａ、２１ｂ）
２２ 第２駆動手段（２２ａ、２２ｂ）
２３ 第１プーリ（２３ａ、２３ｂ）
２４ 第１プーリ（２４ａ、２４ｂ）
２５ 第２プーリ（２５ａ、２５ｂ）
２６ 第２プーリ（２６ａ、２６ｂ）
２７ ワイヤー（２７ａ、２７ｂ）
３０ リンク機構（３０ａ、３０ｂ）
３１ 第１平行リンク機構（３１ａ、３１ｂ）
３２ 関節軸（第１軸）（３２ａ、３２ｂ）
３３ 関節軸（第２軸）（３３ａ、３３ｂ）
３４ 第１リンク（３４ａ、３４ｂ）
３５ 第２リンク（３５ａ、３５ｂ）
３６ 第３リンク（３６ａ、３６ｂ）
３７ 第４リンク（３７ａ、３７ｂ）
３８ 関節軸（３８ａ、３８ｂ）
３９ 関節軸（３９ａ、３９ｂ）
４１ 第２平行リンク機構（４１ａ、４１ｂ）
４２ 第５リンク（４２ａ、４２ｂ）
４３ 第６リンク（４３ａ、４３ｂ）
４４ 第７リンク（４４ａ、４４ｂ）
４５ 関節軸（４５ａ、４５ｂ）
５０ エンドエフェクタ部
５１ 関節軸（第３軸）（５１ａ、５１ｂ）
５２ 第８リンク
５３ 操作手段

Claims (1)

1. 駆動手段によって駆動される多自由度の力覚提示マニピュレータであり、直交する３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）を有する基準座標系に固定したマニピュレータのベースと、エンドエフェクタと、駆動手段と、エンドエフェクタを支持する一対のリンク機構と、を備え、
   前記一対のリンク機構は、それぞれ、第１平行リンク機構と、第２平行リンク機構と、から構成され、前記第１平行リンク機構は、前記マニピュレータのベースと回転自在で連結された第１リンクと、前記第１リンクと同軸の回転軸で回転運動を行うよう前記マニピュレータのベースと回転自在で連結された第２リンクと、前記第１リンクと平行で前記第２リンクと回転自在で連結される第３リンクと、前記第２リンクに平行で前記第１及び第３リンクと回転自在で連結される第４リンクと、を備え、また、前記第２平行リンク機構は、前記第１平行リンク機構の各回転軸と平行となるよう前記第４リンクに固定する第５リンクと、前記第５リンクに平行な第６リンクと、前記第５、第６リンクの間を回転自在で連結する２つの第７リンクと、を備えており、
   前記駆動手段は、前記第１、第２リンクにそれぞれ回転運動を与える第１、第２駆動手段であり、
   前記一対のリンク機構は、それぞれの前記第１、第２リンク共通の回転軸の垂線が、ある角度をなすように前記マニピュレータのベース上の同一平面内に設置され、基準座標の原点Оを中心として左右対称に配置されており、
   前記エンドエフェクタは、前記一対のリンク機構の末端部である前記第６リンクに平行な回転軸と回転自在となるように前記一対のリンク機構それぞれから連結され、前記一対のリンク機構それぞれの前記第６リンクに平行なそれぞれの回転軸は、各第１、第２平行リンク機構によって前記マニピュレータのベースに対して常に平行であり、また、前記一対のリンク機構が前記角度をなして配置されていることにより互いに平行ではなく、このことにより、前記エンドエフェクタが、前記マニピュレータのベース水平面に対して常に水平となるよう拘束されることを特徴とする多自由度マニピュレータ。