JP5282874B2

JP5282874B2 - マニプレータシステム

Info

Publication number: JP5282874B2
Application number: JP2008179567A
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: 2007-07-09
Filing date: 2008-07-09
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2028-07-09
Also published as: JP2009034813A

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、作業者の前腕部や肘部がマスターアームと干渉し、作業者の動作範囲を十分に確保することができない。

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、簡便な手法で作業者とマスターアームの干渉を無くし、作業者の動作範囲を広く確保することを目的とする。

本発明者は、動作入力部が設けられるマスターアームのハンド部を挟んで、マスターアームのマニプレータシステム躯体への取付部を作業者の操作位置と対向させると、作業者の腕とマスターアームとの干渉をなくし、作業者の動作範囲を拡大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、
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、マニプレータシステム躯体へのマスターアームの取付部が、ハンド部を挟んで、作業者の操作位置に対向するように設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、作業者がマスターアームを操作しているときに、動作入力部のあるハンド部を挟んで、マスターアームのマニプレータシステム躯体への取付部が、作業者の操作位置と対向し、これによりマスターアームの腕部と作業者の腕部とが対向するので、作業者の腕の動きがマスターアームによって制約されることがない。したがって、作業者の動作範囲を十分に広く確保することが可能となり、作業者は、作業をやり易くなる。また、作業者の腕がマスターアームに接触するおそれが無いため、作業の安全も確保される。特に、マスターアームがパワーアシストされている場合には、作業者がマスターアームのパワーアシストシステムの調整不良や誤動作による無理なパワーアシストにより負傷する危険があるが、本発明によればかかる危険も最小限にすることができる。

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。このマニプレータシステム１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なう。このマニプレータシステム１では、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が、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。

本実施例のマスターアーム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。

図２に示すように、この腕部１１は、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自由度を有している。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が、このマスターアーム１０も７自由度を有するので、作業者Ｐの多様な腕の動作に合わせることができる。

また、マスターアーム１０の腕部１１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の腕部１１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。

なお、一般にマスターアーム１０の自由度とスレーブアーム３０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、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１６Ａ（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、こ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１６Ｂ（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１０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の関節の回転運動に対して、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な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３０の関節で動作可能な全範囲の動きをマスターアーム１０から作成することが可能となる。

ハンド部２０は、グリップ２１を作業者Ｐ自身が握って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。図３Ａ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３Ｂ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４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）。

ハンド部２０での動作入力の態様としては、図５に示すように、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。

さらに図６に示すように、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。

また、ハンド部２０は、上述のいずれの形態においても、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もなっている。

一方、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７Ａ（マスター側）と図７Ｂ（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の形状と概略同一であることが好ましい。特に、スレーブアーム３０における、ハンド部４０のアームへの固定部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のアームへの固定部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。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。

マスターアーム１０の動作をスレーブアーム３０に追従させる機構は、次の通りであり、図１７Ａは、このためのロジックの概要である。まず、マスターアーム１０の肩部１２、肘部１４、手首部１６の各関節及びグリップ２１に、少なくともポテンショメータ、エンコーダ等の角度センサを設け、各関節の回転角を計測する。回転角の計測値は、マスターアーム１０とは別個の制御ボックス等に格納された主演算装置に送る。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。

主演算装置では、マスターアーム１０の腕部１１の先端位置を計算し、それ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。算出したスレーブアーム３０の関節角は、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、スレーブアーム３０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。

スレーブアーム関節駆動装置は、公知のサーボ機構により、スレーブアーム関節駆動装置のコントローラから出力された回転量をスレーブアーム３０の各関節で再現する。こうして、スレーブアーム３０は、マスターアーム１０に追従した動きをするようになる。

なお、マスターアーム１０の動作をスレーブアーム３０に追従させる方法としては、上述の方法の他、後述するように、多関節構造を有し、関節位置と関節角度が検出可能な柔軟な紐状センサや、光ファイバを利用した角度検出の可能な柔軟な紐状センサを用いる方法でもよく、さらにこのような紐状センサをマスターアーム１０の自由度７以下の腕部と併用すると共に、その腕部では角度センサを省略しても良い。また、必要により、マスターアーム１０には、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。

図１Ａのマニプレータシステム１は、上述の腕部１１とハンド部２０を備えたマスターアーム１０のフレーム５０への取付部が、そのハンド部２０を挟んで、作業者Ｐの操作位置Ａ1 と対向するように設けられ、これによりマスターアーム１０の腕部１１と作業者Ｐの操作位置Ａ1 も対向していることを特徴としている。ここで作業者の操作位置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。

より具体的には、このマニプレータシステム１では、マスターアーム１０の肩部１２側端部をフレーム５０に取り付けることにより、マスターアーム１０がフレーム５０で支持されるようにしており、このマスターアーム１０のフレーム５０への取付け位置Ａ2 が、製造ライン６０を挟んで作業者Ｐの操作位置Ａ1 と反対側にくるようにしている。これにより、少なくとも作業者Ｐがマスターアーム１０のグリップ２１を握ってマスターアーム１０を操作している間は、常に、グリップ２１のあるハンド部２０を挟んで、マスターアーム１０の腕部１１が作業者Ｐと対向することとなる。

したがって、作業者Ｐの腕の動きがマスターアーム１０によって制約されず、作業空間が広がり、作業者Ｐは作業をしやすくなる。また、作業者Ｐの腕がマスターアーム１０に接触するおそれが無いため、作業の安全も確保される。特に、マスターアーム１０がパワーアシストされている場合には、作業者Ｐがマスターアーム１０のパワーアシストシステムの調整不良や誤動作による無理なパワーアシストにより負傷する危険があるが、本発明によればかかる危険も最小限にすることができる。さらに作業者Ｐの作業負担を軽減するため、必要によりカウンターウェイト、カウンターバネ又はパワーアシスト機構を設ける場合、その設置位置を作業者Ｐの腕の位置に関わらず定めることができ、設計が容易となる。

また、従来、マスターアームは作業者の腕から手首に沿うように設けられるため、マスターアームの腕部の長さが作業者の腕の長さに制約され、作業空間範囲が限定されると共に、マスターアームのハンド部は、その腕部の先端部からずれた位置に取り付けられることとなり、ハンド部が大きくなって重量増になり、腕部１１にカウンターウェイト、カウンターバネ又はパワーアシストシステムを備え、かつそのウェイトサイズやバネ強さ、また駆動容量を大きくすることが必要とされていた。これに対し、本システムによれば、マスターアーム１０の腕部１１を作業者Ｐに対向させるので、この腕部１１を作業者Ｐの腕から手首にかけて沿わせることはなく、マスターアーム１０の腕部１１の長さは任意に設定することができ、作業空間範囲が広くなる。また、マスターアーム１０において、ハンド部２０を腕部１１の先端部に設けることができるので、ハンド部２０をコンパクトに軽量に構成することができ、従来、マスターアームの腕部に備えられているカウンターウェイトやカウンターバネやパワーアシストシステムが不要となるか、あるいはそのウェイトサイズやバネ強さ、または駆動容量を低減させることができる。

また、このマニプレータシステム１では、マスターアーム１０においてハンド部２０のみが作業者Ｐの固定部となっており、複数の固定部を設けた際に発生する余分な摩擦による作業者への負荷も本システム１では発生しない。

さらに、スレーブアーム３０においても、その先端にハンド部４０及びグリップ４１が備えられることから、これらのサイズを小さくして作業性を高めることができ、またこれにより、負荷を最小にできる等の理由から、ハンド部４０及びグリップ４１に最適な構成をもたせることができる。

これに対し、従来のマスターアームでは、マスターアームが作業者の腕から手首に沿うように設けられるため、上述のようにハンド部がマスターアーム先端部からずれた位置に取り付けられることが多く、これに伴いスレーブアームも同等の構成をとることが必要となり、スレーブアームの先端部が大型化して負荷が大きくなり、また大型化で作業性が低下するので好ましい構造ではない。この対応として、マスターアームではハンド部がマスターアーム先端部からずれた位置に有るが、スレーブアームではハンド部がスレーブアーム先端部に有る構成とすると、位置補正をしてスレーブアームを動かすために大規模な数値計算が必要となる。計算が可能であったとしても、スレーブアームはマスターアームとずれた動きとなるため、本来迂回すべき周辺構造物と衝突したり、双腕として使用の際には両腕が互いに衝突したりする危険性もある。また別の対応として、従来のマスターアーム先端部にハンド部を取り付けることも考えられるが、そのためにはマスターアームが作業者の腕や手首を迂回せねばならず、非常に複雑な構造となってしまう。本システム１では、マスターアーム１０において、ハンド部２０を腕部１１の先端部に設けることが可能であり、スレーブアーム３０においても、ハンド部４０を腕部３１の先端部に設けることが可能なので、これらの問題は生じない。

なお、ハンド部２０のみをマスターアーム１０の動作入力部としても、マスターアーム１０の腕部１１の７自由度は次のように十分に活用される。

図８（Ａ）は、図１Ａ、図２のマスターアーム１０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。また、図９（Ａ）はそのハンド部２０のグリップ２１の先端をｘ位置からｙ位置に矢印の如く、例えば４００ｍｍ水平移動させた状態の正面図であり、同図（Ｂ）はその側面図である。このグリップ２１の先端の移動に際して、各関節は僅かにしか動かず、特に、肘部１４の４軸の水平位置はほとんど変化していない。

図１２は、この水平移動における各軸の角度変化を示したものである。ここで、各軸の原点（０度）は任意に定めたものであり、特に“０度”が何らかの意味をなすものではない。マスターアーム１０を動かす際に作業者Ｐへの負担が特に高い軸は、マスターアーム１０の大部分の重量を支える１軸、２軸である。図８のホームポジションから図９の状態への水平移動では、１軸は、マスターアーム１０に重力の加わる方向と同方向に回転しているため、作業者負担は小さい。また、２軸の変化量（ｘ位置とｙ位置における角度差）は９．４度であり、少量である。したがって、このマスターアーム１０によれば、ハンド部２０を動かすには大きな力は不要であるため、作業者Ｐへの負荷を極めて小さくすることができる。マスターアーム１０を動かすときの作業者Ｐの負荷は、スレーブアーム３０を動かす力としても等価である。したがって、マスターアーム１０を７自由度と構成することで、スレーブアーム３０の駆動部の容量を小さくすることが可能で、また動作速度を速めて繰り返し動作をさせることも容易となる。

なお、本例においては、上腕部１３の長さ（２軸と３軸の交点と４軸との距離Ｌ１）は３８５ｍｍ、前腕部１５の長さ（４軸と、７軸と６軸の交点との距離Ｌ２）は４００ｍｍ、７軸と６軸の交点とグリップ２１の先端との距離Ｌ３は２５０ｍｍである。

本発明のマニプレータシステムは、マスターアーム１０の腕部１１を、ハンド部２０を挟んで作業者の操作位置Ａ1 に対向するように設置した種々の態様をとることができる。

例えば、上述の７自由度のマスターアーム及びスレーブアームに代えて、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自由度のアームを設けてもよい。図１０（Ａ）は、このような６自由度のマスターアーム１０’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。また、図１１（Ａ）はそのハンド部２０のグリップ２１先端をｘ位置からｙ位置に矢印の如く、例えば４００ｍｍ水平移動させた状態の正面図（Ａ）であり、同図（Ｂ）はその側面図を表している。なお、図１Ａ及び図２のマスターアーム１０ではハンド部２０の取付部が回転軸（７軸）となっていたのに対し、この図１０及び図１１のマスターアーム１０’ではハンド部２０の取付部２０ａは回転せず、それゆえに６自由度となっている。

この６自由度のマスターアーム１０’の場合、図１０のホームポジションから図１１の
状態への水平移動により肘部１４（４軸）の水平位置が高くなる。これは作業者が上腕部
１３から先端側（上腕部１３も含む）をより高い位置に持ち上げねばならないという事で
あり、各関節での負荷が増え、ハンド部２０を動かすには大きな力が必要となり、前述の
７自由度のマスターアーム１０に比して作業者Ｐの負担が大きくなる。

図１３は、この水平移動における各軸の角度変化を示したものである。マスターアーム１０’の大部分の重量を支える１軸、２軸のうち、１軸は、マスターアーム１０’に重力の加わる方向に回転しているため、作業者の負担は小さい。２軸（ｘ位置とｙ位置における角度差）は３１．２度と大きく変化しており、上腕部１３から先端側をより高い位置に持ち上げたことを示している。

一方、この６自由度のマスターアーム１０’場合、前述の７自由度のマスターアーム１０と比較してハンド部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、構成がシンプルで、装置価格を低減させることもできる。

図１Ｂは、図１Ａのマニプレータシステム１において、自由度７の腕部１１を有するマスターアーム１０に代えて、先端の位置が検出可能な自由度８以上の柔軟な紐状センサ１７を有するマスターアーム１０ｂを設けたマニプレータシステム１Ｂの模式図である。

このマスターアーム１０ｂの紐状センサ１７は、図１４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、紐状センサ１７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。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にはそれぞれ回転関節部を各１個備えているから、計12の自由度を有している。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。

図１７Ｂは、紐状センサ１７を用いてスレーブアーム３０にマスターアーム１０ｂの動作を追従させるロジックの概要である。この場合、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。

主演算装置では、信号処理部から送られたセンサ信号と紐状センサの取付位置（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。または、主演算装置は、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。なお、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。
主演算装置は、算出したスレーブアーム３０の関節角を、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、紐状センサ１７からなるマスターアーム１０ｂを使用する場合も、腕部１１からなるマスターアーム１０を使用する場合と同様に、スレーブアーム３０にマスターアーム１０ｂの動きを追従させることが可能となる。

なお、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検出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、図１７Ｂに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。

図１Ｂに示すように、紐状センサ１７の一端はフレーム５０に旋回可能に取り付けられ、他端はハンド部２０に旋回可能に取り付けられている。紐状センサ１７のフレーム５０への取付位置Ａ２は、前述のマニプレータシステム１と同様に、作業者Ｐの操作位置Ａ１と対向している。したがって、このマニプレータシステム１Ｂにおいても、作業者Ｐの腕の動きがマスターアーム１０ｂによって制約されることはなく、作業はしやすくなり、作業の安全性も確保される。

また、このマニプレータシステム１Ｂで使用する紐状センサ１７は、図１Ａのマニプレータシステム１の腕部１１に比して軽量となるため、作業者Ｐが動作を入力する際の負担を低減させることができる。

図１Ｃのマニプレータシステム１Ｃは、図１Ｂのマニプレータシステム１Ｂにおいて、紐状センサ１７に、スレーブアーム３０と概ね同様の関節・リンク構造を有する、自由度７以下の腕部１８を併設し、マスターアーム１０ｃを、紐状センサ１７、腕部１８、及び、これらが接続するハンド部２０から形成したものである。ただし、この腕部１８としては、原則としてエンコーダ等の角度センサをもたないものを使用する。

この腕部１８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、図１Ａのマニプレータシステム１で使用するマスターアーム１０の腕部１１よりも軽量にすることができ、このマニプレータシステム１Ｃにおいても、図１Ａのマニプレータシステム１に比して、作業者Ｐが動作を入力する際の負担を低減させることができる。

図１５に示すように、紐状センサ１７及び腕部１８をハンド部２０に取り付ける位置は、ハンド部２０における操作性が損なわれないようにするため、グリップ２１と反対側のハンド部２０の端部とすることが好ましい。

図１Ｄのマニプレータシステム１Ｄは、図１Ｃのマニプレータシステム１Ｃにおいて、自由度７以下の腕部１８の一端を、アーム５０に取り付けることに代えて、床５１に取り付けたものである。床５１への取付位置Ａ３は、ハンド部２０を挟んで作業者Ｐの操作位置Ａ1 と対向と対向している。したがって、このマニプレータシステム１Ｄにおいても、作業者Ｐの腕の動きがマスターアーム１０ｄによって制約されることはなく、作業はしやすくなり、作業の安全性も確保される。

なお、図１Ｃ、図１Ｄのマニプレータシステム１Ｃ、１Ｄにおいて、紐状センサ１７の好ましい長さは、マニプレータシステム躯体であるフレーム５０や床５１への紐状センサ１７と腕部１８の取付位置がどの程度離れているかにより適宜調整されるが、これら近接している場合には、好ましくは、腕部１８の長さの１００〜２２０％、より好ましくは１３０〜１８０％である。これにより、紐状センサ１７によって腕部１８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。ここで、腕部１８の長さとは、腕部１８の関節間の最短距離の合計に、末端の関節とハンド部２０における紐状センサ１７の取付位置との距離を加えたものである。

図１Ｃ，図１Ｄのマニプレータシステム１Ｃ、１Ｄのように、紐状センサ１７に、スレーブアーム３０と同様の腕部１８を併設すると、図１Ｂのマニプレータシステム１Ｂのように、腕部１８を紐状センサ１７に併設しない場合に比して次のような利点を得ることができる。即ち、図１Ｂのマニプレータシステム１Ｂのように、紐状センサ１７とハンド部２０のみからなるマスターアーム１０ｂでは、第１に、その自由度がスレーブアーム３０の自由度よりも大きいため、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１０ｂ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１０ｂ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、紐状センサ１７とハンド部２０のみからなるマスターアーム１０ｂは、そ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１０ｂ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。

これらの問題に対し、マニプレータシステム１Ｃ、１Ｄのマスターアーム１０ｃ、１０ｄのように、紐状センサ１７に、スレーブアーム３０と同様の関節、リンク構造を有する自由度７以下の腕部１８を併設すると、マスターアーム１０ｃ、１０ｄは、スレーブアーム３０と同様に動作の制約を受ける。このため、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１０ｃ、１０ｄで入力されるという問題を解消できる。

したがって、スレーブアーム３０が６自由度以下の場合には、図１７Ｂに示したロジックによりスレーブアーム３０を動かすことができる。この場合、必要に応じて自律式スレーブハンド制御装置を用いてもよい。

また、スレーブアーム３０が７自由度以上の場合には、図１７Ｃのロジックに示すように、マスターアーム１０ｃ、１０ｄの腕部１８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。

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のそれぞれに、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。

本発明のマニプレータシステムとしては、上述のマニプレータシステム１Ｂ、１Ｃ、１Ｄにおいて、多関節構造を有する紐状センサ１７に代えて、曲げ検出センサを多関節構造的に複数配置した紐状センサを使用してもよい。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可能な柔軟なセンサを用いることができる。この光ファイバを利用した紐状センサは、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、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。

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１Ｅに示すマニプレータシステム１Ｅ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１０Ｅ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。

また、本システムにおいては、上述のいずれのマスターアームを使用する場合でも、マスターアームを、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、図１Ａでは、製造ライン６０上の箱状物品６１に物品を詰める作業について説明したが、本システムの用途はこれに限定されるものではない。

さらに、本発明の構成は、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、該ハンド部を挟んでマスターアームのマニプレータシステム躯体への取付部が、作業者の操作位置に対向するように設けられるようにできるものであれば、各種形態のロボットマニプレータに適応可能である。例えば、マスターアームとして、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、これらと紐状センサを組み合わせたもの等を使用することができる。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。

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。自由度７のマスターアームの斜視図である。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。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。自由度７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。自由度７のマスターアームのハンド部を水平移動させた状態の正面図（Ａ）及び側面図（Ｂ）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。自由度６のマスターアームのハンド部を水平移動させた状態の正面図（正面図）及び側面図（Ｂ）である。自由度７の各軸の角度変化を示したグラフである。自由度６の各軸の角度変化を示したグラフである。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。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。スレーブアームにマスターアームの動きを追従させるロジックの概要図である。６自由度以下のスレーブアームにマスターアームの動きを追従させるロジックの概要図である。７自由度以上のスレーブアームにマスターアームの動きを追従させるロジックの概要図である。

符号の説明

１、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅマニプレータシステム
１０腕部を有するマスターアーム（７軸）
１０’ 腕部を有するマスターアームの別形態（６軸）
１０ｂ紐状センサを有するマスターアーム
１０ｃ腕部と紐状センサとを有するマスターアーム
１０ｄ腕部と紐状センサと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
１８腕部
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
６０搬送コンベア
６１箱状物品
Ａ1 操作位置
Ａ2 マスターアームのフレームへの取付け位置
Ａ3 マスターアームの床への取付け位置
Ｐ作業者

Claims

マスターアームと、マスターアームの動作に追従する複数のスレーブアームとを搬送コンベアに沿って備えたマニプレータシステムであって、
マスターアームとスレーブアームはそれぞれ腕部とハンド部を有し、マスターアームとスレーブアームの腕部は、それぞれ肩関節、肘関節及び手首関節により６自由度又は７自由度を有する垂直多関節ロボットであり、
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、マスターアームの腕部側の一端がマニプレータシステム躯体へ取り付けられ、その取付部が、搬送コンベア上のハンド部を挟んで、作業者の操作位置に対向するように設けられている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又は２記載のマニプレータシステム。
マスターアームが、腕部の各関節に角度センサを備えている請求項１〜３に記載のマニプレータシステム。
マスターアームが、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する請求項１〜３に記載のマニプレータシステム。
マスターアームの設置位置が移動可能である請求項１〜５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側の一端が、フレームに取り付けられている請求項１〜５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側の一端が、床に取り付けられている請求項１〜５のいずれかに記載のマニプレータシステム。
スレーブアームのハンド部が、自律機能を有する請求項１〜８のいずれかに記載のマニプレータシステム。
マスターアームのハンド部が、物を掴む又は離す動作をするグリップを有し、作業者が該グリップを握ってグリップの開閉操作をする請求項１〜９のいずれかに記載のマニプレータシステム。
マスターアームのハンド部が、物を掴む又は離す動作をするグリップを有し、作業者がスイッチを押すことにより操作する請求項１〜９のいずれかに記載のマニプレータシステム。
マスターアームのハンド部が、物を掴む又は離す動作をするグリップを有し、該グリップは作業者の各指に対応した指部を有し、該指部はその先端近傍に作業者の指先の固定部を有し、該指部に作業者の指の動きの開閉状態を検知するセンサが設けられている請求項１〜９のいずれかに記載のマニプレータシステム。
マスターアームのハンド部が、作業者の手の甲及び指を固定する手袋状固定部を有し、該手袋状固定部に、作業者の指の動きを検知するセンサが設けられている請求項１〜９のいずれかに記載のマニプレータシステム。