JP7011426B2

JP7011426B2 - マニピュレータシステム

Info

Publication number: JP7011426B2
Application number: JP2017171609A
Authority: JP
Inventors: 剛史東條
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK; Medicaroid Corp
Current assignee: Medicaroid Corp; Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2017-09-06
Filing date: 2017-09-06
Publication date: 2022-01-26
Anticipated expiration: 2037-09-06
Also published as: JP2019042903A

Description

本発明は、Ｎ（Ｎは６以下の自然数）の自由度でロボットアームを制御するマニピュレータシステムに関する。

近年、医療施設の省人化を図るため、ロボットによる医療処置の研究が行われている。特に、外科分野では、多自由度（多関節）アームを有するスレーブアームによって患者の処置をするマニピュレータシステムについての各種の提案がなされている。一般に、このようなシステムでは、患者の体腔に直接接触するスレーブアームを、マスタ操作入力装置によって遠隔操作する。従来から産業用ロボットとして広く用いられている６軸多関節ロボットをマニピュレータシステムに適用した場合、移動空間に存在する様々な障害物を巧みに回避しながら複雑な作業を行うことが困難であった。最近では、６つの関節に冗長軸として１つの関節の回転軸を追加した７軸多関節ロボットの開発が盛んになってきている。例えば特許文献１には、７自由度（位置の３自由度＋姿勢の３自由度＋冗長自由度）のロボットアームをスレーブアームとして使用するマニピュレータシステムが開示されている。

欧州特許第２３３２４８４号明細書

しかし、上記従来技術のマニピュレータシステムでは、６つの自由度に対応した関節の指令値に加え、冗長自由度に対応した関節の指令値を生成する。このため、７自由度以上を有するスレーブアームの場合、マスタ操作入力装置から入力可能な指令値が６個以下であると、スレーブアームの各関節の駆動量を計算するための逆運動学計算が複雑化する。その結果、マニピュレータシステムにおいて応答性が低下する。このような課題は自由度がＮ（Ｎは６以下の自然数）個のロボットアームに共通する。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、高い応答性を有し、かつ、移動空間に存在する様々な障害物を回避可能なロボットアームを備えたマニピュレータシステムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のある形態に係るマニピュレータシステムは、基端から先端に向かって順に設けられたＭ（自然数）個の関節を有するロボットアームと、制御装置とを備え、前記制御装置が、前記ロボットアームの少なくとも２つの前記関節を連動させ、Ｍより少ないＮ（Ｎは６以下の自然数）の自由度で前記ロボットアームを制御する。

上記構成によれば、連動機構に属する全ての軸が相互にその動作が関連しているので、例えば７軸以上の多関節アームを、６自由度すなわち６軸多関節ロボットと等価なものとして、３次元空間上のロボットアームの移動空間内においてアーム先端（エンドエフェクタ）の位置及び姿勢を任意に設定することができる。従来の７軸多関節ロボットの制御のように各関節の駆動量を計算するための逆運動学計算が複雑化することがない。従って、マニピュレータシステムにおいて高い応答性を実現できる。

また、ロボットアームの移動空間内において障害物や他の作業者が存在する場合、衝突を回避することができる。また、他の作業者の作業スペースを確保できる。また、ロボットアーム自身の占有領域を小さくできる。またロボットアームが複数台設置される場合はアーム同士の干渉を回避できる。

また、例えば連動関節に属する全ての軸の動作（駆動量）は、所定の関係式に従って規定されてもよい。これにより、ロボットアームは所望の姿勢をとることができる。例えば、モータのトルクを下げるために最適な姿勢であってもよい。省電力を実現するために最適な姿勢であってもよい。振動を抑制するために最適な姿勢であってもよい。発熱を抑えるために最適な姿勢であってもよい。

本発明は、以上に説明した構成を有し、高い応答性を有し、かつ、移動空間に存在する様々な障害物を回避可能なロボットアームを備えたマニピュレータシステムを提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係るロボットシステムの構成を示す斜視図である。図２は、図１のロボットアームの論理構造を示す模式図である。図３は、図１のロボットアームをスレーブアームとして使用したマニピュレータシステムの構成を示すブロック図である。図４は、図１のロボットアームの動作を説明するための平面図である。図５は、図１のロボットアームの動作を説明するための正面図である。図６は、図１のロボットアームの動作を説明するための側面図である。図７は、本発明のその他の実施形態のロボットアームの関節を示す説明図である。

以下、好ましい実施形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図面を通じて同一または相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。また、図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を模式的に示したものである。

図１は、本発明の一実施形態に係るロボットアーム１の構成を示す斜視図である。図中のＸＹＺ軸はロボットアーム１の座標系を規定する直交軸を示している。図１に示すように、ロボットアーム１は、基端から先端に向かって順に設けられた７つの関節Ｊ１～Ｊ７を備える。ロボットアーム１は、基端に位置するベースＢと、ベースＢから先端に向けて順次連結された第１リンクＬ１～第７リンクＬ７とを含む。より詳細には、ベースＢの先端部に、捩り関節Ｊ１を介して第１リンクＬ１の基端部が連結されている。第１リンクＬ１の先端部に、曲げ関節Ｊ２を介して第２リンクＬ２の基端部が連結されている。第２リンクＬ２の先端部に、捩り関節Ｊ３を介して第３リンクＬ３の基端部が連結されている。第３リンクＬ３の先端部に、曲げ関節Ｊ４を介して第４リンクＬ４の基端部が連結されている。第４リンクＬ４の先端部に、捩り関節Ｊ５を介して第５リンクＬ５の基端部が連結されている。第５リンクＬ５の先端部に、曲げ関節Ｊ６を介して第６リンクＬ６の基端部が連結されている。第６リンクＬ６の先端部に、曲げ関節Ｊ７を介して第７リンクＬ７の基端部が連結されている。換言すれば、７つの関節Ｊ１～Ｊ７は、次の関節を旋回させる旋回軸と次の関節を回転させる回転軸とを交互に有する。各関節は旋回軸または回転軸を含む。このため、関節を単に「軸」と呼ぶことがある。つまり、本実施形態のロボットアーム１は、軸（Ｍ）の数は７である。そして、最後に第７リンクＬ７の先端にはエンドエフェクタＥが設けられている。エンドエフェクタＥは例えばグリッパ（把持器）や鉗子等の術具で構成される。図中のＡは、エンドエフェクタＥのシャフトの中心部を示している。

上記構成のロボットアーム１は、各関節Ｊ１～Ｊ７に対応して、駆動用のサーボモータ、サーボモータの回転角を検出するエンコーダ、及び、サーボモータの出力を減速させてトルクを増大させる減速機が設けられる（いずれも図示せず）。なお、エンコーダは、サーボモータの回転位置（回転角）を検出する回転位置検出手段の一例として設けられており、エンコーダに代えてレゾルバなどの回転位置検出手段が用いられてもよい。

尚、本実施形態では、ロボットアーム１において、少なくとも１つの軸を有し、自由度が１である機構を「駆動機構」と呼ぶ。また、「駆動機構」のうち、２つの軸を有し、且つ、これらの軸の動作が相互に関連している機構を「連動機構」と呼ぶ。

図２は、ロボットアーム１の論理構造を示す模式図である。図中のθ_１～θ_７は関節Ｊ１～Ｊ７に含まれる旋回軸または回転軸の回転角に相当する。図２に示すように、ロボットアーム１の軸（Ｍ）の数は７である。また、７つの関節Ｊ１～Ｊ７のうち、関節Ｊ２の回転角θ_２と、関節Ｊ３の回転角θ_３は次式（１）によって規定される。
θ_２＝－（１／２）×θ_３＋π／１２［ｒａｄ］・・・（１）
このように、関節Ｊ２と関節Ｊ３は相互にその動作が関連している。関節Ｊ２と関節Ｊ３は２軸であるが、自由度が１である。よって、関節Ｊ２と関節Ｊ３は「駆動機構」であり、且つ、「連動機構」を構成する。また、関節Ｊ１、関節Ｊ４、関節Ｊ５、関節Ｊ６、関節Ｊ７は各軸が独立して動作するため、各自由度は１である。よって、各々が「駆動機構」である。本実施形態のロボットアーム１は、６つの駆動機構を備え、自由度（Ｎ）は６である。

図３は、ロボットアーム１が適用されたマニピュレータシステム１００の構成を示すブロック図である。本システムはロボットアーム１（図１及び図２参照）をスレーブアームとして使用している。図３に示すように、マニピュレータシステム１００は、スレーブマニピュレータ１０と、マスタマニピュレータ２０と、制御装置３０と、表示装置５０と、カメラ６０と、画像処理部７０と、を備える。

スレーブマニピュレータ１０は、スレーブアーム（１）と、エンドエフェクタＥと、を備える。スレーブアーム（１）は複数台設置される。スレーブアーム（１）の先端に設けられたエンドエフェクタＥは例えばグリッパ（把持器）や鉗子等の術具で構成される。術具は患者の体腔内に挿入されて使用される。ここで作業対象物Ｐは患部である。

マスタマニピュレータ２０は、マニピュレータシステム１００におけるマスタとして機能するものであって、マスタアーム入力装置２１を備える。マスタアーム入力装置１１はスレーブマニピュレータ１０を操作するための装置である。マスタアーム入力装置１１は、操作者Ｏ（例えば施術者）により操作され、スレーブマニピュレータ１０を操作するための操作信号を生成し、制御装置３０に出力する。

制御装置３０は、マスタ制御部３１と、マニピュレータ制御部３２とを備える。マスタ制御部３１は、マスタアーム入力装置１１からの操作信号に従って、エンドエフェクタＥの位置・姿勢の指令値を例えば運動学計算に従って算出し、この位置・姿勢の指令値をマニピュレータ制御部３２に出力する。また、操作信号は、エンドエフェクタＥの駆動量を指令するための信号を含んでもよい。マニピュレータ制御部３２は、マスタ制御部３１からの位置・姿勢の指令値を受けて、スレーブアーム（１）先端のエンドエフェクタＥの位置・姿勢を指令値に一致させるために必要なスレーブアーム（１）の各関節Ｊ１～Ｊ７の駆動量を、例えば逆運動学計算によって算出する。そして、マニピュレータ制御部３２は、算出した駆動量に従ってスレーブアーム（１）の各関節を駆動させる。

表示装置５０は、カメラ６０により撮像され、画像処理部７０により処理された画像を画面に表示するモニタである。カメラ６０はスレーブアーム（１）とその作業対象物Ｐとを撮像するようにスレーブアーム（１）で移動可能となっている。ここではカメラ６０は立体内視鏡である。カメラ６０はスレーブアーム（１）の先端に設けられ、エンドエフェクタＥと同様に６自由度の位置姿勢を有するように構成されてもよい。画像処理部７０は、スレーブアーム（１）の先端に設けられたカメラ６０から得られた画像信号を処理し、表示用の画像信号を生成して表示装置５０に出力する。

次に、マニピュレータシステム１００におけるロボットアーム１の動作について図面を用いて説明する。図４～図６は、ロボットアーム１の動作を説明するための平面図、正面図、及び、側面図である。図４～図６に示すように、ロボットアーム１は、エンドエフェクタＥの先端で、球状の作業対象物Ｐの表面を螺旋状にトレースするような動作を行う。操作者は、カメラ６０によって撮像された映像を表示装置５０のモニタで確認しながら、マスタアーム入力装置２１を操作する（図２参照）。マスタアーム入力装置２１は、スレーブマニピュレータ１０を操作するための操作信号を生成し、制御装置３０に出力する。

制御装置３０は、マスタアーム入力装置１１からの操作信号に従って、エンドエフェクタＥの位置・姿勢の指令値を運動学計算に従って算出し、ロボットアーム１先端のエンドエフェクタＥの位置・姿勢を、算出したエンドエフェクタＥの指令値に一致させるために必要なロボットアーム１の各関節Ｊ１～Ｊ７の駆動量を、逆運動学計算によって算出する。このとき、制御装置３０は、「連動機構」に属する関節Ｊ２の回転角θ_２の駆動量、および、関節Ｊ３の回転角θ_３の駆動量は上記式（１）に従って算出する（図２参照）。

これにより、７つの関節Ｊ１～Ｊ７を有するロボットアーム１を、６自由度すなわち６軸多関節アームと等価なものとして、３次元空間上のロボットアーム１の移動空間内においてエンドエフェクタＥの位置及び姿勢を任意に設定することができる。従来の７軸多関節ロボットの制御のように各関節の駆動量を計算するための逆運動学計算が複雑化することがない。従って、マニピュレータシステム１００において高い応答性を実現できる。

尚、本発明者等は、比較のため、本実施形態の場合と、関節Ｊ３を固定した場合（連動機構無し）のロボットアーム１の動作についてシミュレーションを行った。次に示す点について、本実施形態の方が比較例よりも良好な結果であることを確認した。

まず、ロボットアーム１の移動空間内において障害物や他の作業者が存在する場合、衝突を回避することができる。また、他の作業者の作業スペースを確保できる。また、ロボットアーム自身の占有領域を小さくできる。またロボットアームが複数台設置される場合はアーム同士の干渉を回避できる。

また、本実施形態では、連動関節に属する全ての軸の動作（駆動量）は、所定の関係式（１）または（２）に従って規定されているので、ロボットアーム１は所望の姿勢をとることができる。例えば、モータのトルクを下げるために最適な姿勢であってもよい。省電力を実現するために最適な姿勢であってもよい。振動を抑制するために最適な姿勢であってもよい。発熱を抑えるために最適な姿勢であってもよい。

（その他の実施形態）
尚、本実施形態では、図７（ａ）に示すように、ロボットアーム１は７つの関節Ｊ１～Ｊ７（Ｍ＝７）であり、連動機構の数は１つであって、２つの軸（Ｊ２，Ｊ３）を有し、連動機構に属する関節Ｊ２の回転角θ_２と、関節Ｊ３の回転角θ_３は式（１）によって規定されたが、これに限られない。連動機構の数は１以上であってもよいし、連動機構は２軸以上の軸を有してもよい。例えば図７（ｂ）に示すように、ロボットアーム２は９つの関節Ｊ１～Ｊ９を有し（Ｍ＝９）、連動機構の数は２つであって、一の連動機構は２つの軸（Ｊ２，Ｊ４）を有し、他の連動機構は３つの軸（Ｊ３、Ｊ５，Ｊ６）を有する。一の連動機構に属する関節Ｊ２の回転角θ_２と、関節Ｊ４の回転角θ_４は次式（２）によって規定され、かつ、他の連動機構に属する関節Ｊ３の回転角θ_３と、関節Ｊ５の回転角θ_５と、関節Ｊ６の回転角θ_６は次式（３）によって規定されてもよい。
θ_２＝－（１／２）×θ_４＋π／１２［ｒａｄ］・・・（２）
θ_３＝２×θ_５＝３×θ_６［ｒａｄ］・・・（３）
尚、本実施形態では、所定の関係式は、式（１）～（３）で示したような比例関係であるが、所定の関係式であれば、非線形な関係式でもよい。例えば二次関数でもよい。

尚、本実施形態では、３次元空間上で任意の所望の位置に位置決めし、かつ、任意の所望の姿勢を設定するためにロボットアーム１の自由度（Ｎ）は６としたが、これに限られない。６以下の自然数であれば、１～５のうちいずれの自由度でもよい。例えば３次元空間上の位置決めのみで、姿勢を特定しない場合は３自由度でもよいし、１次元空間上の位置決めのみの場合は１自由でもよい。

尚、本実施形態では、「連動機構」に属する全ての軸の動作が関連しているとは、「連動機構」における、ある軸の角度が所定角度範囲内で動作しているときは、別の軸が停止しているという態様も含む。

尚、本実施形態では、ロボットアーム１の動作は、単一の動作モード（「連動機構」による動作）についてのみ説明したが、複数の動作モードが切り替え可能であってもよい。例えば一のモードにおいては、「連動機構」が本実施形態の態様で動作する。他のモードでは、「連動機構」を構成する複数の軸のうちの一部が全く動作しない。また、その他のモードとして、ある軸の角度が所定角度範囲内で動作しているときは、別の軸が停止する。

尚、本実施形態では、「連動機構」に属する軸の連動動作は、各軸の駆動量を式（１）～（３）によって規定されたが、このような制御による連動動作に限られない。連動動作は例えば歯車やリンクによる機械的な結合によって実現されてもよい。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造および／または機能の詳細を実質的に変更できる。

本発明は、マニピュレータシステムのスレーブアームに有用である。

１ロボットアーム（スレーブアーム）
１０スレーブマニピュレータ
２０マスタマニピュレータ
２１マスタアーム入力装置
３０制御装置
３１マスタ制御部
３２マニピュレータ制御部
５０表示装置
６０カメラ
７０画像処理部
１００マニピュレータシステム
Ａエンドエフェクタの中心部
Ｂロボット本体部
Ｅエンドエフェクタ
Ｐ作業対象物
Ｏ操作者
Ｌ１～Ｌ７第１リンク～第７リンク

Claims

基端から先端に向かって順に設けられたＭ（Ｍは７以上の自然数）個の関節を有するロボットアームと、制御装置と、前記ロボットアームをスレーブアームとして操作するための操作信号を生成し前記制御装置に出力するマスタアーム入力装置と、を備え、
前記マスタアーム入力装置から出力された操作信号に応じて前記ロボットアームを動作させるときに、前記制御装置が、前記ロボットアームの少なくとも２つの前記関節を連動させ、Ｍ（Ｍは７以上の自然数）より少ないＮ（Ｎは６以下の自然数）の自由度で前記ロボットアームを制御し、
連動する少なくとも２つの前記関節のそれぞれが動作し、この少なくとも２つの前記関節が自由度１で動作する、マニピュレータシステム。
連動する少なくとも２つの前記関節が曲げ関節と捩り関節とを含む、請求項１に記載のマニピュレータシステム。
前記ロボットアームが、前記基端から前記先端に向かって順に、第１関節、第２関節及び第３関節を備え、
前記第１関節及び前記第３関節が捩り関節であり、前記第２関節が曲げ関節である、請求項１または２に記載のマニピュレータシステム。
前記制御装置が、前記第２関節と前記第３関節とを連動させる、請求項３に記載のマニピュレータシステム。
前記制御装置が、第１関係式に従って２つの前記関節を連動させる、請求項１に記載のマニピュレータシステム。
前記制御装置が、前記第１関係式に従って２つの前記関節を連動させる一のモードと、前記第１関係式と異なる第２関係式に従って２つの前記関節を連動させる他のモードとに切替えて、２つの前記関節を連動させる、請求項５に記載のマニピュレータシステム。
前記ロボットアームは、前記Ｍ個の関節のそれぞれを駆動するためのＭ個のサーボモータと、前記Ｍ個のサーボモータのそれぞれの回転位置を検出するためのＭ個の回転位置検出手段と、前記Ｍ個のサーボモータのそれぞれの出力を減速させてトルクを増大させるＭ個の減速機と、を備える、請求項１から６のいずれかに記載のマニピュレータシステム。
前記ロボットアームの前記先端に術具が設けられている、請求項１から７のいずれかに記載のマニピュレータシステム。
前記術具が、鉗子である、請求項８に記載のマニピュレータシステム。
前記ロボットアームの前記先端にカメラが設けられている、請求項１から９のいずれかに記載のマニピュレータシステム。