JP6379626B2 - マニピュレータシステム - Google Patents

Description

本発明は、マニピュレータシステムに関する。

例えば細胞を操作する作業や微細な異物を取り除く作業などの微細なものを取り扱う作業には、従来よりマニピュレータシステムが用いられている（特許文献１参照）。このマニピュレータシステムは、ジョイスティックを中立位置から傾斜させ、それに応じて針やキャピラリなどの操作部材を移動制御するものである。

上述のマニピュレータシステムには、ジョイスティックによる操作部材の操作性を上げるため、ジョイスティックの傾き角度に応じた速度で操作部材を動かす速度制御と、ジョイスティックの傾き角度に応じた位置に操作部材を動かす位置制御とに切り替え可能になっているものがある。この種のマニピュレータシステムでは、オペレータは適宜速度制御と位置制御を切り替えて操作部材を操作している。一般的に速度制御は、操作部材を大きく動かす際に便利であり、位置制御は、操作部材を小さく動かす際に便利である。

ところで、速度制御を位置制御に切り替える際に、例えばボタン等による入力信号により直ちに切り替わると、その状態から位置制御が開始されることになる。例えばこのときにジョイスティックが大きく傾いていると、その後ジョイスティックをその傾いた方向に動かすことができる物理的な可動量が少なくなってしまう（特許文献２参照）。

特開２００８−２２１４２３号公報 特許第２６８７８６６号

そこで、速度制御から位置制御に切り替える際に、ジョイスティックを一旦中立位置に戻してから位置制御を開始することを考えている。

しかしながら、単純に、ジョイスティックを中立位置に戻してから位置制御を開始しようとすると、オペレータが中立位置を探るのに時間を要することがあり、作業効率上好ましくない。

本出願はかかる点に鑑みてなされたものであり、速度制御から位置制御に切り替えた際にジョイスティックをどの方向にも十分量動かすことができ、なおかつ作業効率も向上できるマニピュレータシステムを提供することをその目的とする。

上記目的を達成するための本発明には、ジョイスティックを中立位置から移動させて、それに応じて操作部材を移動制御するマニピュレータシステムであって、前記ジョイスティックによる操作部材の移動制御が速度制御から位置制御に切り替わる際に、前記ジョイスティックが、前記中立位置を含む当該中立位置周りの所定の第１の操作領域に入った時点で、位置制御を開始するように構成され、前記位置制御を開始した、前記ジョイスティックが前記第１の操作領域に入った時の位置を制御上の原点とする、マニピュレータシステムが含まれる。

前記制御上の原点を前記ジョイスティックの中立位置に補正するようにしてもよい。

前記制御上の原点の補正を、前記位置制御の開始後前記ジョイスティックが最初に停止した後に行うようにしてもよい。

本発明には、ジョイスティックを中立位置から移動させて、それに応じて操作部材を移動制御するマニピュレータシステムであって、前記ジョイスティックによる操作部材の移動制御が速度制御から位置制御に切り替わる際に、前記ジョイスティックが、前記中立位置を含む当該中立位置周りの所定の第１の操作領域に入った時点で、位置制御を開始するように構成され、前記ジョイスティックによる操作部材の移動制御が速度制御から位置制御に切り替わる際に、前記ジョイスティックが前記第１の操作領域内にある場合には、位置制御を直ちに開始し、前記ジョイスティックが前記第１の操作領域内にあり前記位置制御を直ちに開始した時の位置を制御上の原点とする、マニピュレータシステムが含まれる。

前記ジョイスティックによる操作部材の移動制御が位置制御から速度制御に切り替わる際に、前記ジョイスティックが、前記中立位置を含む当該中立位置周りの所定の第２の操作領域に入り、その後前記第２の操作領域の外側に出た時点で、速度制御を開始するようにしてもよい。

前記速度制御は、前記ジョイスティックが前記第２の操作領域の外側にあるときに有効になるようにしてもよい。

本発明によれば、速度制御から位置制御に切り替わった際にジョイスティックをすべての方向に十分量動かすことができ、なおかつ作業効率も向上できる。

マニピュレータシステムの構成の概略を示す模式図である。 ジョイスティックの説明図である。 マニピュレータシステムのコントローラを含むブロック図である。 制御開始時のフローチャートである。 位置制御モードへの切り替え時の制御の一例を示すフローチャートである。 ジョイスティックの中立位置周りの第１の操作領域を示す説明図である。 位置制御が開始される位置を示す説明図である。 位置制御でジョイスティックを移動させた様子を示す説明図である。 速度制御モードへの切り替え時の制御の一例を示すフローチャートである。 第２の操作領域の外側から第２の操作領域に入り、再び第２の操作領域の外側にでる様子を示す説明図である。 第２の操作領域への出入りの様子を示す説明図である。

以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態の一例について説明する。なお、図面の上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。図面の寸法比率は、図示の比率に限定されるものではない。さらに、以下の実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をその実施の形態のみに限定する趣旨ではない。また、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな変形が可能である。

図１は、本実施の形態に係るマニピュレータシステム１の構成の概略を示す説明図である。マニピュレータシステム１は、例えば一対のマニピュレータ１０、１１と、顕微鏡ユニット１２と、ジョイスティック１３、１４と、表示装置１５と、コントローラ（制御装置）１６と、作業台（図示せず）等を備えている。

マニピュレータ１０は、例えば先端の操作部材としての管状或いは針状のキャピラリ２０と、キャピラリ２０を保持するピペット２１と、ピペット２１をＺ軸方向に移動させるためのＺ軸テーブル２２と、ピペット２１をＸ−Ｙ軸方向に移動させるためのＸ−Ｙ軸テーブル２３を備えている。

Ｚ軸テーブル２２は、Ｚ軸駆動装置３０によりピペット２１の先端のキャピラリ２０を上下動できる。また、Ｘ−Ｙ軸テーブル２３は、Ｘ−Ｙ軸駆動装置３１によりピペット２１の先端のキャピラリ２０をＸ方向及びＹ方向に移動できる。また、ピペット２１とＺ軸テーブル２２との間には、圧電アクチュエータが設けられており、ピペット２１をＺ軸テーブル２２に対し、前後（ピペット２１の軸方向）に微動させることができる。

マニピュレータ１１は、マニピュレータ１０と同様に、キャピラリ４０、ピペット４１、Ｚ軸テーブル４２、Ｘ−Ｙ軸テーブル４３、Ｚ軸駆動装置４４、Ｘ−Ｙ軸駆動装置４５等を備えている。マニピュレータ１０は、例えばキャピラリ２０によって被作業物を保持するために用いられ、マニュピュレータ１１は、例えばキャピラリ４０によって被作業物を作業するために用いられる。

顕微鏡ユニット１２は、例えば撮像手段としてのカメラ５０と、顕微鏡５１を備えている。これにより、作業台上の被作業物を撮影したり拡大して見ることができる。なお、顕微鏡ユニット１２に、被作業物に光を照射する光源を設けてもよい。

ジョイスティック１３、１４は、図２に示す中立位置Ｐから任意の方向に傾け可能なハンドル６０を備えている。ハンドル６０には、キャピラリ２０、４０の速度制御と位置制御とを切り替えるための切り替え手段としてのボタン６１が設けられている。ボタン６１を押したときに速度制御となり、ボタン６１を離したときに位置制御となる。また、ジョイスティック１３、１４は、マニピュレータシステム１の上記各種駆動装置や各種機能を実行するための多数のボタン（図示せず）を備えている。ジョイスティック１３、１４は、例えば角度センサを有しており、ハンドル６０の傾き角度を検出し、後述のコントローラ１６に出力できる。ジョイスティック１３は、例えばマニピュレータ１０側を操作し、ジョイスティック１４はマニピュレータ１１側を操作する。

表示装置１５は、例えばタッチパネルなどのタブレットＰＣや液晶ディスプレイであり、カメラ５０で取得した顕微鏡画像や各種制御用画面を表示できる。表示装置１５には、速度制御と位置制御の切り替え情報等を表示してもよい。

作業台は、マニピュレータ１０、１１の中央に設けられ、例えば被作業物が収容されたシャーレ７０などを固定できる。

コントローラ１６は、例えばＣＰＵやメモリなどを備えたコンピュータであり、所定プログラムに基づいて各種制御を実行できる。図３は、コントローラ１６に対する信号の出入りを示すブロック図である。コントローラ１６は、例えばジョイスティック１３、１４、表示装置１５及びカメラ５０から出力された信号を受信でき、また、マニピュレータ１０、１１等に対し駆動信号等を出力できる。

より具体的にはコントローラ１６は、以下の制御を実行する。コントローラ１６は、ジョイスティック１３、１４を中立位置Ｐから移動させて、それ応じて操作部材であるキャピラリ２０、４０を移動制御する。図４に示すように制御が開始されると、ジョイスティック１３、１４のボタン６１が押されているか否か、すなわちボタン６１が押されたときの信号が出力されているか否か確認される。

ボタン６１が押されている場合には、速度制御モードとなり、ボタン６１が押されていない場合には、位置制御モードとなる。

例えば速度制御モードでは、オペレータがジョイスティック１３、１４を傾けた大きさ（角度）に応じた速度でキャピラリ２０、４０が移動する。すなわち、ジョイスティック１３、１４を大きく傾けると、その傾けた方向に大きな速度でキャピラリ２０、４０が移動し、ジョイスティック１３、１４を小さく傾けると、その傾けた方向に小さな速度でキャピラリ２０、４０が移動する。ジョイスティック１３、１４の傾きを戻すと、キャピラリ２０、４０の移動が停止する。

位置制御モードでは、オペレータがジョイスティック１３、１４を傾けた大きさ（角度）に応じた位置にキャピラリ２０、４０が移動する。すなわち、ジョイスティック１３、１４を傾けた量に応じて、キャピラリ２０、４０が移動して停止する。

また、コントローラ１６は、速度制御モードから位置制御モードに切り替わる際と、位置制御モードから速度制御モードに切り替わる際に以下の制御を実行する。

図５には、速度制御モードから位置制御モードに切り替わる際に行われる制御のフローチャートを示す。オペレータの指がボタン６１から離され、コントローラ１６でボタン６１からの出力信号が検出されなくなると、速度制御モードから位置制御モードに切り替えられる。位置制御モードに切り替えられた際には、先ずジョイスティック１３、１４が、中立位置Ｐを含む所定の第１の操作領域Ｒ１にあるか否か確認される。この操作領域Ｒ１は、例えば図６に示すようにジョイスティック１３、１４の中立位置Ｐを中心とした円形領域であり、その大きさは任意に設定できる。なお、図の座標は、ジョイスティックの傾き角度の大きさと方向をＸ−Ｙ座標に表したものである。

ジョイスティック１３、１４が所定の操作領域Ｒ１内にない場合には、オペレータがジョイスティック１３、１４を中立位置Ｐ側に戻し、ジョイスティック１３、１４が操作領域Ｒ１内に入るまで、位置制御を無効（ジョイスティック１３、１４を動かしてもキャピラリ２０、４０が動かない状態）とする。ジョイスティック１３、１４が所定の操作領域Ｒ１内に入ると、その時点で位置制御が有効となり位置制御が開始される。このとき、図７に示すようにジョイスティック１３、１４が所定の操作領域Ｒ１に入って位置制御が開始された位置、例えば（Ｘ’，Ｙ’）を制御（ソフトウェア座標）上の原点として位置制御を行う。すなわち、このときの動作は、中立位置Ｐを原点とするハードウェア座標上の位置（Ｘ’，Ｙ’）をソフトウェア座標上の原点とし、ジョイスティック１３、１４のそのソフトウェア座標上の原点からの傾き角度量及び傾き方向に応じた位置にキャピラリ２０、４０が移動する。このとき、一時的にハードウェア座標上の原点とソフトウェア座標上の原点は異なっている。

位置制御の開始後、ジョイスティック１３、１４が最初に停止した後に、制御上の原点を中立位置Ｐに補正する。例えば図８に示すように次の操作時にジョイスティック１３、１４を、ハードウェア座標上の例えば位置（Ｃ，Ｄ）まで動かした場合、ソフトウェア座標上でも位置（Ｃ，Ｄ）となるように、ソフトウェア座標を補正する。よって、その後のジョイスティック１３、１４の操作は、ハードウェア座標上の原点（中立位置Ｐ）とソフトウェア座標上の原点とが一致した状態で行われる。なお、この補正時の操作のみ、ジョイスティック１３、１４の操作量とキャピラリ２０、４０の操作量が異なるが、操作領域Ｒ１の設定により、オペレータが体感できないほどわずかな差とすることで問題とならない。

一方、位置制御モードに切り替えられたときに、ジョイスティック１３、１４が所定の操作領域Ｒ１内にあった場合には、直ちに位置制御が有効となり位置制御が開始される。このとき、位置制御が開始された位置を制御上の原点（ソフトウェア座標上の原点）として位置制御を行う。すなわち、ジョイスティック１３、１４のそのソフトウェア座標上の原点からの傾き角度量及び傾き方向に応じた位置にキャピラリ２０、４０が移動する。なお、その後、ソフトウェア座標上の原点を中立位置Ｐに戻すように補正してもよいし、補正しなくてもよい。

次に、図９には、位置制御モードから速度制御モードに切り替わる際に行われる制御のフローチャートを示す。オペレータによりボタン６１が押され、ボタン６１からの出力信号をコントローラ１６で検出すると、位置制御モードから速度制御モードに切り替えられる。先ずジョイスティック１３、１４が、中立位置Ｐを含む所定の第２の操作領域Ｒ２にあるか否か確認される。この操作領域Ｒ２は、例えば図１０に示すようにジョイスティック１３、１４の中立位置Ｐを中心とした円形領域であり、その大きさは任意に設定できる。なお、第１の操作領域Ｒ１と第２の操作領域Ｒ２は同じものであってもよいし、異なるものであってもよい。また、第１の操作領域Ｒ１は、第１の操作領域Ｒ２より広くてもよいし、狭くてもよい。

ジョイスティック１３、１４が所定の操作領域Ｒ２内にない場合には、オペレータがジョイスティック１３、１４を中立位置Ｐ側に戻し、ジョイスティック１３、１４が操作領域Ｒ２内に入るまで、速度制御を無効（キャピラリ２０、４０が動かない状態）とする。オペレータの操作がジョイスティック１３、１４を戻し、ジョイスティック１３、１４が所定の操作領域Ｒ２内に入ると、次に、速度制御を無効にしたまま、ジョイスティック１３、１４が所定の操作領域Ｒ２から出たか否かが確認される。ジョイスティック１３、１４が所定の操作領域Ｒ２から出ていない場合には、オペレータの操作によりジョイスティック１３、１４が操作領域Ｒ２から出るまで、速度制御の無効を維持する。すなわち、ジョイスティック１３、１４が操作領域Ｒ２内にある限り速度制御が行われない。

ジョイスティック１３、１４が所定の操作領域Ｒ２から出た場合には、その時点で速度制御が有効となり速度制御が開始される。その後、速度制御は、ジョイスティック１３、１４が所定の操作領域Ｒ２の外側にある場合に有効となり、操作領域Ｒ２内に入った場合に無効となる。よって、操作領域Ｒ２がいわゆる不感帯となり、図１１に示すようにオペレータの操作により操作領域Ｒ２に入るたびに速度制御が無効となる。これにより、オペレータがジョイスティック１３、１４を傾けてキャピラリ２０、４０を移動させた後、ジョイスティック１３、１４を操作領域Ｒ２内の不感帯に戻すことにより、キャピラリ２０、４０の移動を停止できる。

本実施の形態によれば、ジョイスティック１３、１４によるキャピラリ２０、４０の移動制御が、速度制御から位置制御に切り替わる際に、ジョイスティック１３、１４が、中立位置Ｐを含む当該中立位置周りの所定の第１の操作領域Ｒ１に入った時点で、位置制御が開始される。これにより、速度制御で例えばジョイスティック１３、１４が大きく傾いている場合であっても、一旦中立位置Ｐに近い操作領域Ｒ１に戻った後、位置制御が開始されるので、その後の位置制御においてジョイスティック１３、１４をすべての方向に十分量動かすことができる。また、ジョイスティック１３、１４を中立位置Ｐ側に戻す際に、所定の操作領域Ｒ１に戻せばよいので、オペレータが中立位置Ｐを探る必要はなく、作業効率も向上できる。

本実施の形態では、ジョイスティック１３、１４が第１の操作領域Ｒ１に入った時の位置制御が開始された時の位置を制御上の原点とするので、ジョイスティック１３、１４が操作領域Ｒ１に入ったらそのまま位置制御を行い、キャピラリ２０、４０を好適に操作できる。また、その後制御上の原点を中立位置Ｐに補正するので、複数回位置制御に切り替えているうちに制御上の原点が中立位置Ｐから次第にずれることを防止できる。

制御上の原点の補正を、位置制御の開始後ジョイスティック１３、１４が最初に停止した後に行うので、早い段階で、制御上の原点と中立位置Ｐ（ハードウェア座標上の原点）との位置ずれを解消できる。なお、「最初に停止した後」には、ジョイスティック１３、１４の次の操作の前や、次の操作時が含まれる。

本実施の形態では、移動制御が速度制御から位置制御に切り替わる際に、ジョイスティック１３、１４が操作領域Ｒ１内にある場合には、位置制御を直ちに開始できる。また、その際、位置制御が開始された時の位置を制御上の原点としている。よって、キャピラリ２０、４０を直ちになおかつ好適に操作できる。なお、この場合の制御上の原点は、その後中立位置Ｐに補正してもよい。

本実施の形態では、位置制御から速度制御に切り替わる際に、ジョイスティック１３、１４が、中立位置Ｐを含む所定の第２の操作領域Ｒ２に入り、その後操作領域Ｒ２の外側に出た時点で、速度制御が開始されるので、仮に位置制御でジョイスティック１３、１４が大きく傾いている場合であっても、一旦中立位置Ｐに近い操作領域Ｒ２に戻った後、速度制御が開始されるので、その速度制御においてジョイスティック１３、１４をすべての方向に十分量動かすことができる。

また、速度制御は、ジョイスティック１３、１４が操作領域Ｒ２の外側にあるときに有効になるので、中立位置Ｐ周りにジョイススティック１３、１４の操作に反応しない不感帯が設けられ、速度制御時のキャピラリ２０、４０の停止動作を行いやすくなる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば以上の実施の形態で記載したマニピュレータシステム１の構成はこれに限られない。マニピュレータシステム１は、顕微鏡を直接見ながら作業を行うこともできるし、表示装置１５を見ながら作業を行うこともできる。マニピュレータシステム１は、ジョイススティック１３、１４がキャピラリ２０、４０を有線や無線、又はネットワークを通じて遠隔操作するものであってもよい。操作部材はキャピラリに限られず、目的に応じて他のものであってもよい。操作領域Ｒ１、Ｒ２の形状は必ずしも円形である必要はなく、方形等の他の形状であってもよい。また、中立位置Ｐは、必ずしも操作領域Ｒ１、Ｒ２の中心である必要はない。

本発明は、 速度制御から位置制御に切り替わった際にジョイスティックをすべての方向に十分量動かすことができ、なおかつ作業効率も向上可能なマニピュレータシステムを提供する際に有用である。

１ マニピュレータシステム
１０、１１ マニピュレータ
１２ 顕微鏡ユニット
１３、１４ ジョイスティック
１５ 表示装置
１６ コントローラ
２０、４０ キャピラリ
Ｐ 中立位置
Ｒ１、Ｒ２ 操作領域

Claims (6)

1. ジョイスティックを中立位置から移動させて、それに応じて操作部材を移動制御するマニピュレータシステムであって、
   前記ジョイスティックによる操作部材の移動制御が速度制御から位置制御に切り替わる際に、前記ジョイスティックが、前記中立位置を含む当該中立位置周りの所定の第１の操作領域に入った時点で、位置制御を開始するように構成され、
   前記位置制御を開始した、前記ジョイスティックが前記第１の操作領域に入った時の位置を制御上の原点とする、マニピュレータシステム。
2. 前記制御上の原点を前記ジョイスティックの中立位置に補正する、請求項１に記載のマニピュレータシステム。
3. 前記制御上の原点の補正を、前記位置制御の開始後前記ジョイスティックが最初に停止した後に行う、請求項２に記載のマニピュレータシステム。
4. ジョイスティックを中立位置から移動させて、それに応じて操作部材を移動制御するマニピュレータシステムであって、
   前記ジョイスティックによる操作部材の移動制御が速度制御から位置制御に切り替わる際に、前記ジョイスティックが、前記中立位置を含む当該中立位置周りの所定の第１の操作領域に入った時点で、位置制御を開始するように構成され、
   前記ジョイスティックによる操作部材の移動制御が速度制御から位置制御に切り替わる際に、前記ジョイスティックが前記第１の操作領域内にある場合には、位置制御を直ちに開始し、
   前記ジョイスティックが前記第１の操作領域内にあり前記位置制御を直ちに開始した時の位置を制御上の原点とする、マニピュレータシステム。
5. 前記ジョイスティックによる操作部材の移動制御が位置制御から速度制御に切り替わる際に、前記ジョイスティックが、前記中立位置を含む当該中立位置周りの所定の第２の操作領域に入り、その後前記第２の操作領域の外側に出た時点で、速度制御を開始する、請求項１〜４のいずれかに記載のマニピュレータシステム。
6. 前記速度制御は、前記ジョイスティックが前記第２の操作領域の外側にあるときに有効になる、請求項５に記載のマニピュレータシステム。

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