JP7088440B1

JP7088440B1 - 駆動装置及びその制御方法、並びにパラレルリンクロボット及びその制御方法

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Publication number: JP7088440B1
Application number: JP2022516459A
Authority: JP
Inventors: 諭稲垣; 澄雄杉田
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2021-07-19
Filing date: 2021-12-02
Publication date: 2022-06-21
Anticipated expiration: 2041-12-02
Also published as: EP4375029A1; US11766778B2; JPWO2023002642A1; US20230122978A1

Abstract

駆動装置は、補正部とアクチュエータと位置センサとを備え、アクチュエータは、可動部に接続されたナットと、ナットが螺合されるボールねじ軸と、ボールねじ軸を回転駆動するパルスモータとを有する。補正部は、予測可能な誤差を校正する位置補正量が可動部の位置毎にマッピングされた補正量マップを有する。指令信号により可動部が移動する理想移動位置を推定し、補正量マップを参照して位置センサが検出した現在位置に対応する位置補正量を求める。そして、現在位置を位置補正量で補正した補正現在位置と、理想移動位置との差が小さくなるように指令信号を補正した補正信号を生成する。

Description

本発明は、駆動装置及びその制御方法、並びにパラレルリンクロボット及びその制御方法に関する。

パラレルリンクを使用したロボットは、一般的なシリアルリンクロボットに比べて位置決め精度、剛性等に優れるといった利点がある。しかし、ロボットを構成する各軸の位置決め誤差がロボットアームの先端位置の精度に大きな影響を及ぼすことになるため、このような位置決め誤差を低減する技術が検討されている。例えば、モータの回転を直線運動に変換するボールねじ装置を用いて可動部を移動させる際に、摩擦又はガタつき等により生じる可動部の位置決め誤差を補正する技術が知られている（特許文献１、２）。

特開２０１９－２８７８２号公報特開平１１－１０５７５号公報

特許文献１は、工作機械の可動部が移動方向を反転させる際に生じる位置誤差を補正するものであるが、ボールねじが持つリード誤差、及びパルスモータ特有のコギングによる影響について何ら考慮されていない。仮に、このような誤差をフィードバック制御によって補正する場合、ゲインを大きくしなければならず、システムが不安定になるおそれがある。また、特許文献1の構成はパラレルリンク機構ではなく、サーボモータとロータリーエンコーダを使用した駆動機構が採用されている。サーボモータは静止時の安定性に乏しいため、可動部の正確な位置決めを維持することは難しい。また、ロータリーエンコーダに加えてリニアエンコーダが使用されることで、複雑なシステム構成となっている。特許文献２は、パラレルリンク機構の技術ではあるが、各リンクを単純にフィードバック制御しているに過ぎない。そのため、前述したリード誤差、コギングによる誤差による影響を受けて、エンドエフェクタの先端を精密に位置決めすることは難しい。

また、近年、外科手術における医者や患者の負担軽減から手術用のロボットが開発されている。特に眼科手術では、網膜等に刺針することが行われ、針先のμｍオーダーの正確な位置制御が要求される。上記のようなパラレルリンク機構を手術用のロボットに適用した場合には、各軸の高い絶対精度と安定性が求められることになる。

そこで本発明は、構造を繁雑にすることなく、フィードバック制御の補正量を小さくしてエンドエフェクタの先端の位置を精密に且つ安定して制御できる駆動装置及びその制御方法、並びにパラレルリンクロボット及びその制御方法を提供することを目的とする。

（１）入力された指令信号を補正して補正信号を生成する補正部と、前記補正信号に応じて可動部を進退駆動するアクチュエータと、前記可動部の現在位置を検出する位置センサと、を備える駆動装置であって、前記アクチュエータは、前記可動部に接続されたナットと、前記ナットが螺合されるボールねじ軸と、前記ボールねじ軸を回転駆動するパルスモータと、を有し、前記補正部は、前記アクチュエータの構造に起因した予測可能な誤差を校正する位置補正量が前記可動部の位置毎にマッピングされた補正量マップを有し、前記指令信号により前記可動部が移動する理想移動位置を推定し、前記補正量マップを参照して前記位置センサが検出した前記現在位置に対応する前記位置補正量を求め、前記現在位置を前記位置補正量で補正した補正現在位置と、前記理想移動位置との差が小さくなるように前記指令信号を補正した前記補正信号を生成する、駆動装置。

（２）入力された指令信号を補正して補正信号を生成する補正部と、前記補正信号に応じて可動部を進退駆動するアクチュエータと、前記可動部の現在位置を検出する位置センサと、を備える駆動装置の制御方法であって、前記アクチュエータは、前記可動部に接続されたナットと、前記ナットが螺合されるボールねじ軸と、前記ボールねじ軸を回転駆動するパルスモータと、を有し、前記補正部は、前記アクチュエータの構造に起因した予測可能な誤差を校正する位置補正量が前記可動部の位置毎にマッピングされた補正量マップを有し、前記指令信号により前記可動部が移動する理想移動位置を推定する工程と、前記補正量マップを参照して前記位置センサが検出した前記現在位置に対応する前記位置補正量を求める工程と、前記現在位置を前記位置補正量で補正した補正現在位置と、前記理想移動位置との差が小さくなるように前記指令信号を補正した前記補正信号を生成する工程と、を有する、駆動装置の制御方法。

（３）入力された指令信号を補正して補正信号を生成する補正部と、前記補正信号に応じて可動部を進退駆動するアクチュエータと、前記可動部の現在位置を検出する位置センサと、を備える駆動装置を複数用いて構成され、ロボット先端軸の位置及び姿勢を変更するパラレルリンクロボットであって、前記アクチュエータは、前記可動部に接続されたナットと、前記ナットが螺合されるボールねじ軸と、前記ボールねじ軸を回転駆動するパルスモータと、それぞれを有し、前記補正部は、対応する前記アクチュエータの構造に起因した予測可能な誤差を校正する位置補正量が前記可動部の位置毎にマッピングされた補正量マップをそれぞれ有しており、前記補正部のそれぞれは、前記指令信号により前記可動部が移動する理想移動位置を推定し、前記補正量マップを参照して前記位置センサが検出した前記現在位置に対応する前記位置補正量を求め、前記現在位置を前記位置補正量で補正した補正現在位置と、前記理想移動位置との差が小さくなるように前記指令信号を補正した前記補正信号を生成する、パラレルリンクロボット。

（４）入力された指令信号を補正して補正信号を生成する補正部と、前記補正信号に応じて可動部を進退駆動するアクチュエータと、前記可動部の現在位置を検出する位置センサと、を備える駆動装置を複数用いて構成され、ロボット先端軸の位置及び姿勢を変更するパラレルリンクロボットの制御方法であって、前記アクチュエータは、前記可動部に接続されたナットと、前記ナットが螺合されるボールねじ軸と、前記ボールねじ軸を回転駆動するパルスモータと、それぞれを有し、前記補正部は、対応する前記アクチュエータの構造に起因した予測可能な誤差を校正する位置補正量が前記可動部の位置毎にマッピングされた補正量マップをそれぞれ有しており、前記指令信号により前記可動部が移動する理想移動位置を推定する工程と、前記補正量マップを参照して前記位置センサが検出した前記現在位置に対応する前記位置補正量を求める工程と、前記現在位置を前記位置補正量で補正した補正現在位置と、前記理想移動位置との差が小さくなるように前記指令信号を補正した前記補正信号を生成する工程と、を有する、パラレルリンクロボットの制御方法。

本発明によれば、構造を繁雑にすることなく、フィードバック制御の補正量を小さくしてエンドエフェクタの先端の位置を精密に且つ安定して制御できる。

図１は、パラレルリンクロボットの正面斜視図である。図２は、パラレルリンクロボットの背面斜視図である。図３は、パラレルリンクロボットの上視図である。図４は、パラレルリンクロボットの構成と動作を模式的に表した説明図である。図５Ａは、第一リンク部１３が駆動した場合における針２５の移動の様子を示す図である。図５Ｂは、図５Ａと反対方向に第一リンク部１３が駆動した場合における針２５の移動の様子を示す図である。図６は、眼科手術時のエンドエフェクタの制御例を模式的に示す説明図である。図７は、アクチュエータの誤差による影響を、第一リンク部を例に示す説明図である。図８は、駆動装置の概略構成図である。図９は、アクチュエータへ指示した指令位置と実際の移動位置との誤差を指令位置毎に示したグラフである。図１０は、第１の制御方法による処理内容を示す制御ブロック図である。図１１は、第２の制御方法による処理内容を示す制御ブロック図である。図１２は、第二統括変換部の制御ブロック図である。

以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。ここでは、可動部を進退移動させる複数の駆動装置を、眼科手術用のパラレルリンクロボットに適用した構成例を説明するが、駆動装置の適用例はこれに限らない。また、パラレルリンクロボットの用途もこれに限らない。

＜パラレルリンクロボットの構成＞
図１は、パラレルリンクロボットの正面斜視図である。図２は、パラレルリンクロボットの背面斜視図である。図１に示すように、パラレルリンクロボット１００は、第一駆動装置１１Ａと第二駆動装置１１Ｂとを有する第一リンク部１３と、第三駆動装置１５Ａと第四駆動装置１５Ｂとを有する第二リンク部１７と、第五駆動装置１９と、第五駆動装置１９に設けられた眼科手術用のエンドエフェクタ２１と、統括制御部２３と、を備える。エンドエフェクタ２１は、先端に針（例えばカニューレなどの手術用器具）２５が設けられて第五駆動装置１９によって進退駆動される。

図２に示すように、第一リンク部１３の第一駆動装置１１Ａは、可動部となる支持プレート３１Ａを第二リンク部１７に向けて進退移動させる。同様に、第二駆動装置１１Ｂは、可動部となる支持プレート３１Ｂを第二リンク部１７に向けて進退駆動させる。支持プレート３１Ａ，３１Ｂには、それぞれ支持部３３Ａ，３３Ｂが固定されている。

支持プレート３１Ａ，３１Ｂに対向して第一接続部材３５が配置されている。第一接続部材３５の第一リンク部１３側の面には、ブラケット３７Ａ，３７Ｂが固定されている。ブラケット３７Ａは、支持プレート３１Ａの支持部３３Ａに回転自在に接続され、ブラケット３７Ｂは、支持プレート３１Ｂの支持部３３Ｂに回転自在に接続されている。

第一接続部材３５の第一リンク部１３側と反対側の面には、第二リンク部１７の第三駆動装置１５Ａと第四駆動装置１５Ｂとが固定される。図１に示すように、第二リンク部１７の第三駆動装置１５Ａは、可動部となる支持プレート４１Ａを進退移動させる。同様に、第四駆動装置１５Ｂは、可動部となる支持プレート４１Ｂを進退駆動させる。支持プレート４１Ａ，４１Ｂには、それぞれ支持部４３Ａ，４３Ｂが固定されている。

支持プレート４１Ａ，４１Ｂに対向して第二接続部材４５が配置されている。第二接続部材４５は、横断面がＬ字形の部材であり、第二接続部材４５の第二リンク部１７側の面には、ブラケット４７Ａ，４７Ｂが固定されている。ブラケット４７Ａは、支持プレート４１Ａの支持部４３Ａに回転自在に接続され、ブラケット４７Ｂは、支持プレート４１Ｂの支持部４３Ｂに回転自在に接続されている。第二接続部材４５は、断面Ｌ字形の一方の面には上記したブラケット４７Ａ，４７Ｂが固定されており、他方の面には第五駆動装置１９が固定される。

図３は、パラレルリンクロボット１００の上視図である。ここで、第一リンク部１３の可動部の進退方向をＸ方向、第二リンク部１７の可動部の進退方向をＹ方向とし、Ｘ方向とＹ方向とに垂直な方向をＺ方向とする。ここでは、第一リンク部１３の進退方向を水平方向とし、Ｚ方向を鉛直方向として説明する。

第一駆動装置１１Ａは、ロッド５１を進退駆動するアクチュエータ５３と、アクチュエータ５３を一軸方向にスライド自在に支持するスライダ５５とを備える。スライダ５５の一部には、前述した支持プレート３１Ａが固定されている。図示はしないが、第二駆動装置１１Ｂも同様の構成である。

パラレルリンクロボット１００は、第一駆動装置１１Ａ及び第二駆動装置１１Ｂのアクチュエータ５３を基準として動作される。つまり、第一駆動装置１１Ａにおいては、アクチュエータ５３が不図示の固定部に固定され、スライダ５５とロッド５１とは、アクチュエータ５３に対してＸ方向にスライドして、支持プレート３１Ａと共に可動部となる。図示はしないが第二駆動装置１１Ｂについても同様である。また、第三駆動装置１５Ａ，第四駆動装置１５Ｂについても、アクチュエータ５３が第一接続部材３５に固定されている他は、同様の構成である。

図４は、パラレルリンクロボット１００の構成と動作を模式的に表した説明図である。第一駆動装置１１ＡによるＳ１方向の駆動又は第二駆動装置１１ＢによるＳ２方向の駆動によって、第一接続部材３５は軸線Ｌ１を中心に傾動（矢印Ｒ１方向）される。また、第三駆動装置１５ＡによるＳ３方向の駆動又は第四駆動装置１５ＢによるＳ４方向の駆動によって、第二接続部材４５は軸線Ｌ２を中心に傾動（矢印Ｒ２方向）される。これにより、第二接続部材４５に第五駆動装置１９を介して取り付けられたエンドエフェクタ２１の先端の針２５を、Ｒ１及びＲ２方向に移動できる。そして、第五駆動装置１９のＳ５方向の駆動が組み合わされることにより、針２５が３次元の任意方向に移動可能となる。

つまり、このパラレルリンクロボット１００によれば、第一駆動装置１１Ａと第二駆動装置１１Ｂとの組、及び第三駆動装置１５Ａと第四駆動装置１５Ｂとの組の駆動装置により、エンドエフェクタ２１の先端の移動が可能となる。また、第五駆動装置１９により、エンドエフェクタ２１の先端の軸方向に沿った進退移動が可能となる。このように簡単な構成で安定したエンドエフェクタの制御が行える。また、各駆動装置の個別の動作により、精度の高い独立した位置制御ができ、エンドエフェクタ２１の先端の微細なコントロールが可能となる。

図５Ａは、第一リンク部１３が駆動した場合における針２５の移動の様子を示す図である。図５Ｂは、図５Ａと反対方向に第一リンク部１３が駆動した場合における針２５の移動の様子を示す図である。図５Ａに示すように、第一リンク部１３の第一駆動装置１１Ａを矢印Ｘ１方向に駆動すると第一接続部材３５が傾動して、第一接続部材３５に固定された第二リンク部１７、第五駆動装置１９及びエンドエフェクタ１２が共に傾動する。また、図５Ｂに示すように、第一リンク部１３の第二駆動装置１１Ｂを矢印Ｘ２方向に駆動すると、第一接続部材３５が図５Ａに示す場合と逆向きに傾動して、第二リンク部１７、第五駆動装置１９及びエンドエフェクタ２１が共に傾動する。

このような動作により、例えば、針２５の先端位置を中心にして鉛直方向からの角度θ１，θ２の揺動が行える。揺動中心は、第五駆動装置１９の針２５の繰り出しにより、適宜調整が可能である。

本構成のパラレルリンクロボット１００によれば、５から６自由度でμｍオーダーの高い精度の動作が可能となる。このため、アクチュエータから遠隔の位置にある特定の点を中心として動作させる、いわゆるＲＣＭ（ＲｅｍｏｔｅＣｅｎｔｅｒｏｆＭｏｔｉｏｎ）制御が必要となる眼科手術用のロボットへの適用が可能となる。

＜アクチュエータの駆動による位置誤差＞
図６は、眼科手術時のエンドエフェクタの制御例を模式的に示す説明図である。例えば、眼球５７の強膜５９に孔を開けて針２５を眼球内に挿入し、眼底５７ａの一部に処置を行う場合、眼球への侵入口６１を回転中心として針２５を制御する。このような場合、アクチュエータによる各軸の高い位置決め精度が必要となる。また、手術時のエンドエフェクタ２１の姿勢維持は非常に重要で、各軸が位置を安定して保持する必要がある。

図７は、アクチュエータの誤差による影響を、第一リンク部１３を例に示す説明図である。第一駆動装置１１Ａと第二駆動装置１１Ｂとの駆動動作によって、前述した第一接続部材３５（図５参照）の傾動角度θ１，θ２が決定され、その傾動角度に応じて針２５の位置と姿勢が決定される。ここで、第一駆動装置１１Ａのアクチュエータ５３にΔＬ１の誤差が生じ、第二駆動装置１１Ｂのアクチュエータ５３にΔＬ２の誤差が生じた場合、誤差ΔＬ１，ΔＬ２の大きさが微少であっても、第一接続部材３５の傾動角度が大きく変化する。この角度の変動によって位置Ｏでの誤差はΔＬ３となり、誤差はアクチュエータ５３から離れた位置ほど拡大する。

そこで、本構成のパラレルリンクロボット１００では、第一リンク部１３、第二リンク部１７及び第五駆動装置１９の各アクチュエータ５３をそれぞれ独立に制御して、位置誤差の発生を防止している。

＜アクチュエータの制御＞
次に、各アクチュエータ５３の制御について説明する。上述した第一駆動装置１１Ａ、第二駆動装置１１Ｂ、第三駆動装置１５Ａ，第四駆動装置１５Ｂ、第五駆動装置１９は同一の構成であり、以下の説明ではこれらを纏めて駆動装置１０として説明する。

図８は、駆動装置１０の概略構成図である。駆動装置１０は、入力された指令信号Ｓｄを補正して補正信号Ｓｃを生成するコントローラ６５と、補正信号Ｓｃに応じて可動部となるロッド５１を進退駆動するアクチュエータ５３と、可動部であるロッド５１の現在位置を検出する位置センサ６７と、を備える。ここでは、位置センサ６７としてスケール６７ａと読取り部６７ｂとを備えるリニアエンコーダを用いている。リニアエンコーダを用いることで、可動部の移動をその移動方向に沿って直接検出でき、高精度な検出が可能となる。コントローラ６５と位置センサ６７とは、アクチュエータ５３の筐体５３ａ内に配置さていてもよく、筐体５３ａの側に配置されていてもよい。

アクチュエータ５３は、ロッド５１に接続されたナット６９と、ナット６９が螺合されるボールねじ軸７１と、ボールねじ軸７１を回転駆動するパルスモータ７３と、を有する。図８においては、ボールねじ軸７１が回転自在に支持され、ナット６９が移動する構成であるが、ナットをパルスモータに回転可能に固定して、ボールねじ軸を移動させる構成としてもよい。その場合、アクチュエータをよりコンパクトにできる。

パルスモータ７３は、ステッピングモータであることが好ましい。ステッピングモータは、サーボモータと比較して静止時の安定性が高く、サーボモータの回転を検出するロータリーエンコーダを設けなくてよいので、構成を簡略化できる。また、ピエゾアクチュエータと比較して、医療機器に適した低電圧で駆動可能となる。さらに、シャフトモータと比較して、供給電源をＯＦＦにした場合でもボールねじ軸７１とナット６９との摩擦力によって静止状態を維持でき、ロボットの姿勢を安定して保持できる。

しかし、パルスモータ７３にはコギングによる位置誤差が存在し、ボールねじ軸７１とナット６９とを有するボールねじ装置にはリード誤差が存在する。図９は、アクチュエータへ指示した指令位置と実際の移動位置との誤差を指令位置毎に示したグラフである。図９に示す指令位置と実際の移動位置のバラつきを表す誤差は、ボールねじ装置のリード誤差がモータ１回転毎に数μｍｍから十数μｍで発生し、パルスモータ７３のコギングによってモータ１回転毎に数十から数百回、数μｍの振動が発生することに起因する。図９に示す場合には、誤差ΔＳが約２０μｍ生じている。

上記のボールねじ装置のリード誤差とパルスモータのコギングとの誤差は、予め測定可能な誤差であり、制御に先立って、アクチュエータの駆動による可動部の移動位置に対する誤差を校正する位置補正量をマッピングした補正量マップを構築しておくことで、この誤差を補正できる。一方、ボールねじ装置の熱膨張、摩耗等に起因する誤差は、予め測定することはできない。

＜第１の制御方法＞
本パラレルリンクロボット１００の第１の制御方法では、アクチュエータへの指令を、予め測定可能な誤差と、予め測定できない誤差とに分けて補正する。即ち、指令信号で指示する目標位置の情報を、予め測定可能な誤差については、マッピングした補正量マップを参照して、位置センサ６７から得られる位置情報に応じた位置補正値を求めてフィードフォワード制御により補正し、予め測定できない誤差については、フィードバック制御により補正する。

図８に示すアクチュエータ５３が備えるパルスモータ７３は、駆動装置１０に入力された指令信号Ｓｄの速度設定値Ｖｄｅｓを所定の手順で補正した速度補正値Ｖｃを含む補正信号Ｓｃによって駆動される。

図１０は、第１の制御方法による処理内容を示す制御ブロック図である。速度設定値Ｖｄｅｓは、詳細を後述する第一補正部８１からの速度補正値ＶＦＦによるフィードフォワード制御と、詳細を後述する第二補正部８３からの速度補正値ＶＦＢによるフィードバック制御と、により補正され、補正後の速度補正値Ｖｃの信号がコントローラ６５に入力される。

コントローラ６５は、入力された速度補正値Ｖｃの信号に応じて図８に示すパルスモータ７３を駆動する。これにより、ボールねじ軸７１及びナット６９を介して可動部であるロッド５１が移動する。このロッド５１の移動を位置センサ６７により検出した可動部の現在位置Ｘｅｎｃがコントローラ６５から出力される。

コントローラ６５から出力された現在位置Ｘｅｎｃは、マップ部８５に入力される。マップ部８５は、予め測定可能な誤差であるリード誤差及びコギングによる誤差が、可動部の位置毎にマッピングされた補正量マップを備えている。マップ部８５は、補正量マップを参照して現在位置Ｘｅｎｃに対応する位置補正量Ｘｅｒｒを出力する。

位置補正量Ｘｅｒｒは第一補正部８１に入力される。第一補正部８１は、予め発生することが分かっている誤差量である位置補正量Ｘｅｒｒ分の補正処理を、速度設定値Ｖｄｅｓに対して実施する。つまり、第一補正部８１は、位置補正量Ｘｅｒｒで表される誤差を０にするように速度設定値Ｖｄｅｓを調整するための速度補正値ＶＦＦを算出する。換言すると、第一補正部８１は、フィードフォワード制御によって位置補正量Ｘｅｒｒに応じて速度設定値Ｖｄｅｓの値を調整する。

また、コントローラ６５に入力される速度設定値Ｖｄｅｓは、変換部８７にも入力される。変換部８７は、入力された速度設定値Ｖｄｅｓに基づいてアクチュエータが駆動された場合の可動部の理想移動位置Ｘｄｅｓを推定する。

そして、コントローラ６５から出力された可動部の現在位置Ｘｅｎｃを、この現在位置Ｘｅｎｃに対応する位置補正量Ｘｅｒｒで補正した補正現在位置Ｘｒｅａｌを求める。第二補正部８３は、求めた補正現在位置Ｘｒｅａｌが理想移動位置Ｘｄｅｓに近づくように速度設定値Ｖｄｅｓの値を調整する。つまり、第二補正部８３は、補正現在位置Ｘｒｅａｌと理想移動位置Ｘｄｅｓとの差が小さくなるように、速度設定値Ｖｄｅｓを補正する速度補正値ＶＦＢを出力し、速度設定値Ｖｄｅｓの値を調整する。

つまり、第二補正部８３では、ボールねじ装置の熱膨張、摩耗等の予め測定できない誤差に対応する補正が実施される。この補正は、補正現在位置Ｘｒｅａｌと理想移動位置Ｘｄｅｓとの差が生じないように、速度設定値Ｖｄｅｓをフィードバック制御により調整する。

上記した第二補正部８３での補正処理は、第一補正部８１によって、予め測定できる誤差分を補正した後の補正現在位置Ｘｒｅａｌを補正対象とするため、第二補正部８３での補正量が小さくなる。その結果、小さいゲインで補正処理が行え、オーバーシュートやハンチング等の過剰な調整が生じにくくなり、高い精度で速度設定値Ｖｄｅｓの調整が可能となる。

なお、上記した第一補正部８１による速度補正値ＶＦＦと、第二補正部８３による速度補正値ＶＦＢとによる速度設定値Ｖｄｅｓの補正順序は、どちらが先であってもよい。

＜第２の制御方法＞
次に、第２の制御方法について説明する。前述した第１の制御方法では、各軸の軸方向の精度は担保されるが、アクチュエータは軸方向だけでなくピッチング、ヨーイング運動しながら前後する（上下左右に揺れながら前後する）ため、その補正は単軸で行う第１の制御方法では行えない。また、軸方向の誤差ではないため、位置センサ６７により検出できない誤差となる。そのため、ピッチング、ヨーイング運動により生じる誤差は、他の軸により補正させる必要がある。

そこで、第２の制御方法では、５軸の位置情報を統合して制御する。ここでは、複数の駆動装置１０が組み合わされた多軸のパラレルリンクロボットにおいて、エンドエフェクタを所望の目標位置及び姿勢に移動させるために、各駆動装置１０に指示する指令信号を決定する手順を説明する。

図１１は、第２の制御方法による処理内容を示す制御ブロック図である。ここでは、指令信号Ｓｄとして、図１に示すエンドエフェクタ２１における針２５の先端位置Ｘｔｉｐと針先速度Ｖｔｉｐが指示される。第一統括変換部８９は、先端位置Ｘｔｉｐと針先速度Ｖｔｉｐの信号が入力されると、これら信号に応じて各駆動装置１０の可動部の速度設定値Ｖａｃｔを求める。速度設定値Ｖａｃｔは、ここでは５軸のパラレルリンクロボット１００の制御であるため、５次元マトリクスとして表される。

速度設定値Ｖａｃｔは、後述する第一統括補正部９１からの速度補正値Ｖ_ＴＦ及び第二統括補正部９３からの速度補正値Ｖ_ＴＢによって、５次元マトリクスの補正速度設定値Ｖ_Ｔｃに補正されて、パラレルリンクロボット１００の各駆動装置１０に入力される。

そして、パラレルリンクロボット１００の各駆動装置１０は、入力された補正速度設定値Ｖ_Ｔｃから、対応する速度設定値に応じてアクチュエータを駆動し、位置センサ６７（図８）により検出した可動部の現在位置を出力する。パラレルリンクロボット１００は、各駆動装置１０の可動部の現在位置Ｘ_Ｔａを纏め、５次元マトリクスにして出力する。

この現在位置Ｘ_Ｔａの情報は、第二統括変換部９５に入力される。図１２は、第二統括変換部９５の制御ブロック図である。各駆動装置１０の現在位置Ｘ_Ｔａの信号が統括マップ部９６に入力される。統括マップ部９６は、前述した予め測定可能な誤差である、各駆動装置１０におけるヨーイング方向の誤差Ｙｅｒｒと、ピッチング方向の誤差Ｐｅｒｒと、軸方向の誤差Ａｅｒｒとが位置毎にマッピングされた補正量マップを備える。

統括マップ部９６は、補正量マップを参照して、入力された各駆動装置１０の可動部の現在位置Ｘ_Ｔａに応じて、対応する各駆動装置１０におけるヨーイング方向の誤差Ｙｅｒｒと、ピッチング方向の誤差Ｐｅｒｒと、軸方向の誤差Ａｅｒｒとを第一補助変換部９７に出力する。

第一補助変換部９７には、誤差Ｙｅｒｒ、Ｐｅｒｒ、Ａｅｒｒと、第一統括変換部８９（図１１）から出力される目標位置Ｘａｃｔの情報が入力される。第二補助変換部９８は、これら入力された情報からエンドエフェクタ２１における針２５の先端位置の誤差を予測して、その誤差量ＸＴｉｐを第二補助変換部９８に出力する。

第二補助変換部９８には、誤差量ＸＴｉｐと、第一統括変換部８９から出力された目標位置Ｘａｃｔと、統括マップ部９６から出力された軸方向の誤差Ａｅｒｒが入力される。第二補助変換部９８は、これら入力された情報から各駆動装置１０のフィードフォワード制御量Ｘ_ＴＦを出力する。

このフィードフォワード制御量Ｘ_ＴＦは、図１１に示す第一統括補正部９１に入力される。第一統括補正部９１は、入力されたフィードフォワード制御量Ｘ_ＴＦに応じた速度補正値Ｖ_ＴＦを求め、第一統括変換部８９から出力される速度設定値Ｖａｃｔを補正する。

また、パラレルリンクロボット１００から出力された可動部の現在位置Ｘ_Ｔａを、この現在位置Ｘ_Ｔａに対応する軸方向の誤差Ａｅｒｒで補正した補正現在位置Ｘ_{Ｔｒｅａｌ}を求める。第二統括補正部９３は、補正現在位置Ｘ_{Ｔｒｅａｌ}が、目標とする目標位置Ｘａｃｔに近づくように速度設定値Ｖａｃｔの値を調整する。つまり、第二統括補正部９３は、現在位置Ｘ_Ｔａを軸方向の誤差Ａｅｒｒで補正した補正現在位置Ｘ_{Ｔｒｅａｌ}と、目標位置Ｘａｃｔとの差Ｘ_Ｔｃが小さくなるように、速度設定値Ｖａｃｔを補正する速度補正値Ｖ_ＴＢを出力し、速度設定値Ｖａｃｔを調整する。

本構成によれば、アクチュエータがピッチング、ヨーイング運動しながら前後する場合であっても、その影響を他の軸で補正することができ、高精度な制御が可能となる。

以上説明したように、本構成のパラレルリンクロボット１００は、各駆動装置１０による可動部の先端位置の把握により、エンドエフェクタ２１の先端（針先）の位置を正確に把握できる。これにより、例えば、個々の駆動装置１０の独立した制御により、エンドエフェクタ２１の軸線上の任意の点を回転中心として、エンドエフェクタの姿勢を制御できる。つまり、駆動装置１０から遠隔した位置にある点を中心として動作させるＲＣＭ（ＲｅｍｏｔｅＣｅｎｔｅｒｏｆＭｏｔｉｏｎ）制御を高精度で安定して実現できる。

本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、実施形態の各構成を相互に組み合わせることや、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。

上記の説明では、本発明を、複数の駆動装置を用いた眼科手術用ロボットに適用した一例を示したが、適用例はこれに限らない。例えば、エンドエフェクタの先端位置の高い精度が要求される、医療、薬品開発用ロボット、加工用ロボット等の種々のロボットにも好適に適用できる。

以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。

（１）入力された指令信号を補正して補正信号を生成する補正部と、前記補正信号に応じて可動部を進退駆動するアクチュエータと、前記可動部の現在位置を検出する位置センサと、を備える駆動装置であって、前記アクチュエータは、前記可動部に接続されたナットと、前記ナットが螺合されるボールねじ軸と、前記ボールねじ軸を回転駆動するパルスモータと、を有し、前記補正部は、前記アクチュエータの構造に起因した予測可能な誤差を校正する位置補正量が前記可動部の位置毎にマッピングされた補正量マップを有し、前記指令信号により前記可動部が移動する理想移動位置を推定し、前記補正量マップを参照して前記位置センサが検出した前記現在位置に対応する前記位置補正量を求め、前記現在位置を前記位置補正量で補正した補正現在位置と、前記理想移動位置との差が小さくなるように前記指令信号を補正した前記補正信号を生成する、駆動装置。この駆動装置によれば、入力された指令信号を、アクチュエータの構造に起因する予測可能な誤差について補正量マップを用いて補正し、その後、理想移動位置との差が小さくなるように補正するため、後者の補正処理における補正量を小さくできる。よって、小さいゲインで補正処理を行え、安定して高い位置精度が得られる。

（２）前記予測可能な誤差は、前記ボールねじのリード誤差と、前記パルスモータのコギングによる回転誤差との少なくとも一方を含む、（１）に記載の駆動装置。この駆動装置によれば、リード誤差と、コギングによる回転誤差を補正できる。

（３）前記位置センサは、リニアエンコーダである、（１）又は（２）に記載の駆動装置。この駆動装置によれば、可動部の移動をその移動方向に沿って直接検出でき、高精度な検出が可能となる。

（４）前記パルスモータは、ステッピングモータである、（１）から（３）のいずれか１つに記載の駆動装置。この駆動装置によれば、静止時の安定性を高め、回転を検出するロータリーエンコーダが不要となるため構成を簡略化できる。また、定電圧で駆動可能であり、且つ供給電源をＯＦＦにした場合でも静止状態を維持でき、ロボットの姿勢を安定して保持できる。

（５）入力された指令信号を補正して補正信号を生成する補正部と、前記補正信号に応じて可動部を進退駆動するアクチュエータと、前記可動部の現在位置を検出する位置センサと、を備える駆動装置の制御方法であって、前記アクチュエータは、前記可動部に接続されたナットと、前記ナットが螺合されるボールねじ軸と、前記ボールねじ軸を回転駆動するパルスモータと、を有し、前記補正部は、前記アクチュエータの構造に起因した予測可能な誤差を校正する位置補正量が前記可動部の位置毎にマッピングされた補正量マップを有し、前記指令信号により前記可動部が移動する理想移動位置を推定する工程と、前記補正量マップを参照して前記位置センサが検出した前記現在位置に対応する前記位置補正量を求める工程と、前記現在位置を前記位置補正量で補正した補正現在位置と、前記理想移動位置との差が小さくなるように前記指令信号を補正した前記補正信号を生成する工程と、を有する、駆動装置の制御方法。この駆動装置の制御方法によれば、入力された指令信号を、アクチュエータの構造に起因する予測可能な誤差について補正量マップを用いて補正し、その後、理想移動位置との差が小さくなるように補正するため、後者の補正処理における補正量を小さくできる。よって、小さいゲインで補正処理を行え、安定して高い位置精度が得られる。

（６）入力された指令信号を補正して補正信号を生成する補正部と、前記補正信号に応じて可動部を進退駆動するアクチュエータと、前記可動部の現在位置を検出する位置センサと、を備える駆動装置を複数用いて構成され、ロボット先端軸の位置及び姿勢を変更するパラレルリンクロボットであって、前記アクチュエータは、前記可動部に接続されたナットと、前記ナットが螺合されるボールねじ軸と、前記ボールねじ軸を回転駆動するパルスモータと、それぞれを有し、前記補正部は、対応する前記アクチュエータの構造に起因した予測可能な誤差を校正する位置補正量が前記可動部の位置毎にマッピングされた補正量マップをそれぞれ有しており、前記補正部のそれぞれは、前記指令信号により前記可動部が移動する理想移動位置を推定し、前記補正量マップを参照して前記位置センサが検出した前記現在位置に対応する前記位置補正量を求め、前記現在位置を前記位置補正量で補正した補正現在位置と、前記理想移動位置との差が小さくなるように前記指令信号を補正した前記補正信号を生成する、パラレルリンクロボット。このパラレルリンクロボットによれば、各リンク部の独立した制御装置により可動部の先端の速度及び位置を精度よく制御できることで、先端軸の速度及び位置が確実に定まる。また、パルスモータの補正信号による駆動によってロボット先端軸の微細な速度及び位置調整が可能となり、安定した静止及び駆動が実現できる。

（７）複数の前記駆動装置は、前記可動部の進退方向を互いに平行にして配置された第一駆動装置及び第二駆動装置と、前記第一駆動装置と前記第二駆動装置の前記可動部とが互いに離れて接続され、当該可動部の進退によって傾動可能な第一接続部材と、前記第一接続部材に設けられ、前記可動部の進退方向を互いに平行にして配置された第三駆動装置及び第四駆動装置と、前記第三駆動装置と前記第四駆動装置の前記可動部とが互いに離れて接続され、当該可動部の進退によって傾動可能な第二接続部材と、前記第二接続部材に設けられた第五駆動装置と、を備え、前記第一接続部材の傾動軸と、前記第二接続部材の傾動軸と、前記第五駆動装置の前記可動部の進退軸とが互いに直交している、（６）に記載のパラレルリンクロボット。このパラレルリンクロボットによれば、直交５軸の駆動制御が高い位置精度で且つ高い安定性で行える。

（８）前記ロボット先端軸にエンドエフェクタが設けられた、（７）に記載のパラレルリンクロボット。このパラレルリンクロボットによれば、エンドエフェクタを高精度に位置決めできる。

（９）前記エンドエフェクタは、眼科手術用の処置具が装着される、（８）に記載のパラレルリンクロボット。このパラレルリンクロボットによれば、高い精度で高い安定性が得られる駆動が可能となる。

（１０）入力された指令信号を補正して補正信号を生成する補正部と、前記補正信号に応じて可動部を進退駆動するアクチュエータと、前記可動部の現在位置を検出する位置センサと、を備える駆動装置を複数用いて構成され、ロボット先端軸の位置及び姿勢を変更するパラレルリンクロボットの制御方法であって、前記アクチュエータは、前記可動部に接続されたナットと、前記ナットが螺合されるボールねじ軸と、前記ボールねじ軸を回転駆動するパルスモータと、それぞれを有し、前記補正部は、対応する前記アクチュエータの構造に起因した予測可能な誤差を校正する位置補正量が前記可動部の位置毎にマッピングされた補正量マップをそれぞれ有しており、前記指令信号により前記可動部が移動する理想移動位置を推定する工程と、前記補正量マップを参照して前記位置センサが検出した前記現在位置に対応する前記位置補正量を求める工程と、前記現在位置を前記位置補正量で補正した補正現在位置と、前記理想移動位置との差が小さくなるように前記指令信号を補正した前記補正信号を生成する工程と、を有する、パラレルリンクロボットの制御方法。このパラレルリンクロボットの制御方法によれば、各リンク部の独立した制御装置により可動部の先端の速度及び位置を精度よく制御できることで、先端軸の速度及び位置が確実に定まる。また、パルスモータの補正信号による駆動によってロボット先端軸の微細な速度及び位置調整が可能となり、安定した静止及び駆動が実現できる。

１０駆動装置
１１Ａ第一駆動装置
１１Ｂ第二駆動装置
１３第一リンク部
１５Ａ第三駆動装置
１５Ｂ第四駆動装置
１７第二リンク部
１９第五駆動装置
２１エンドエフェクタ
２３統括制御部
２５針
３１Ａ，３１Ｂ支持プレート
３３Ａ，３３Ｂ支持部
３５第一接続部材
３７Ａ，３７Ｂブラケット
４１Ａ，４１Ｂ支持プレート
４３Ａ，４３Ｂ支持部
４５第二接続部材
４７Ａ，４７Ｂブラケット
５１ロッド
５３アクチュエータ
５３ａ筐体
５５スライダ
５７眼球
５７ａ眼底
５９強膜
６１侵入口
６５コントローラ
６７位置センサ
６７ａスケール
６７ｂ読取り部
６９ナット
７１ボールねじ軸
７３パルスモータ
８１第一補正部
８３第二補正部
８５マップ部
８７変換部
８９第一統括変換部
９１第一統括補正部
９３第二統括補正部
９５第二統括変換部
９６統括マップ部
９７第一補助変換部
９８第二補助変換部
１００パラレルリンクロボット

Claims

入力された指令信号を補正して補正信号を生成する補正部と、前記補正信号に応じて可動部を進退駆動するアクチュエータと、前記可動部の現在位置を検出する位置センサと、
を備える駆動装置であって、
前記アクチュエータは、前記可動部に接続されたナットと、前記ナットが螺合されるボールねじ軸と、前記ボールねじ軸を回転駆動するパルスモータと、を有し、
前記補正部は、前記アクチュエータの構造に起因した予測可能な誤差を校正する位置補正量が前記可動部の位置毎にマッピングされた補正量マップを有し、
前記指令信号により前記可動部が移動する理想移動位置を推定し、
前記補正量マップを参照して前記位置センサが検出した前記現在位置に対応する前記位置補正量を求め、
前記現在位置を前記位置補正量で補正した補正現在位置と、前記理想移動位置との差が小さくなるように前記指令信号を補正した前記補正信号を生成する、
駆動装置。
前記予測可能な誤差は、前記ボールねじのリード誤差と、前記パルスモータのコギングによる回転誤差との少なくとも一方を含む、請求項１に記載の駆動装置。
前記位置センサは、リニアエンコーダである、
請求項１又は２に記載の駆動装置。
前記パルスモータは、ステッピングモータである、
請求項１から３のいずれか１項に記載の駆動装置。
入力された指令信号を補正して補正信号を生成する補正部と、前記補正信号に応じて可動部を進退駆動するアクチュエータと、前記可動部の現在位置を検出する位置センサと、を備える駆動装置の制御方法であって、
前記アクチュエータは、前記可動部に接続されたナットと、前記ナットが螺合されるボールねじ軸と、前記ボールねじ軸を回転駆動するパルスモータと、を有し、
前記補正部は、前記アクチュエータの構造に起因した予測可能な誤差を校正する位置補正量が前記可動部の位置毎にマッピングされた補正量マップを有し、
前記指令信号により前記可動部が移動する理想移動位置を推定する工程と、
前記補正量マップを参照して前記位置センサが検出した前記現在位置に対応する前記位置補正量を求める工程と、
前記現在位置を前記位置補正量で補正した補正現在位置と、前記理想移動位置との差が小さくなるように前記指令信号を補正した前記補正信号を生成する工程と、
を有する、駆動装置の制御方法。
入力された指令信号を補正して補正信号を生成する補正部と、前記補正信号に応じて可動部を進退駆動するアクチュエータと、前記可動部の現在位置を検出する位置センサと、を備える駆動装置を複数用いて構成され、ロボット先端軸の位置及び姿勢を変更するパラレルリンクロボットであって、
前記アクチュエータは、前記可動部に接続されたナットと、前記ナットが螺合されるボールねじ軸と、前記ボールねじ軸を回転駆動するパルスモータと、それぞれを有し、
前記補正部は、対応する前記アクチュエータの構造に起因した予測可能な誤差を校正する位置補正量が前記可動部の位置毎にマッピングされた補正量マップをそれぞれ有しており、
前記補正部のそれぞれは、
前記指令信号により前記可動部が移動する理想移動位置を推定し、
前記補正量マップを参照して前記位置センサが検出した前記現在位置に対応する前記位置補正量を求め、
前記現在位置を前記位置補正量で補正した補正現在位置と、前記理想移動位置との差が小さくなるように前記指令信号を補正した前記補正信号を生成する、
パラレルリンクロボット。
複数の前記駆動装置は、
前記可動部の進退方向を互いに平行にして配置された第一駆動装置及び第二駆動装置と、
前記第一駆動装置と前記第二駆動装置の前記可動部とが互いに離れて接続され、当該可動部の進退によって傾動可能な第一接続部材と、
前記第一接続部材に設けられ、前記可動部の進退方向を互いに平行にして配置された第三駆動装置及び第四駆動装置と、
前記第三駆動装置と前記第四駆動装置の前記可動部とが互いに離れて接続され、当該可動部の進退によって傾動可能な第二接続部材と、
前記第二接続部材に設けられた第五駆動装置と、
を備え、
前記第一接続部材の傾動軸と、前記第二接続部材の傾動軸と、前記第五駆動装置の前記可動部の進退軸とが互いに直交している、
請求項６に記載のパラレルリンクロボット。
前記ロボット先端軸にエンドエフェクタが設けられた、
請求項７に記載のパラレルリンクロボット。
前記エンドエフェクタは、眼科手術用の処置具が装着される、
請求項８に記載のパラレルリンクロボット。
入力された指令信号を補正して補正信号を生成する補正部と、前記補正信号に応じて可動部を進退駆動するアクチュエータと、前記可動部の現在位置を検出する位置センサと、を備える駆動装置を複数用いて構成され、ロボット先端軸の位置及び姿勢を変更するパラレルリンクロボットの制御方法であって、
前記アクチュエータは、前記可動部に接続されたナットと、前記ナットが螺合されるボールねじ軸と、前記ボールねじ軸を回転駆動するパルスモータと、それぞれを有し、
前記補正部は、対応する前記アクチュエータの構造に起因した予測可能な誤差を校正する位置補正量が前記可動部の位置毎にマッピングされた補正量マップをそれぞれ有しており、
前記指令信号により前記可動部が移動する理想移動位置を推定する工程と、
前記補正量マップを参照して前記位置センサが検出した前記現在位置に対応する前記位置補正量を求める工程と、
前記現在位置を前記位置補正量で補正した補正現在位置と、前記理想移動位置との差が小さくなるように前記指令信号を補正した前記補正信号を生成する工程と、
を有する、パラレルリンクロボットの制御方法。