JPH05138553A - 力フイードバツク型多軸操作装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 操作者の疲労を軽減させる構造を持たせつつ
直行座標系の出力を発生させ、人間の腕へトルク／力感
覚を伝えることができる操作装置とする。 【構成】 腕を載せ伸縮可能なアームの一端を直交回転
２軸を有する基端ブラケットにより基台に取り付ける。
アーム先端にはグリップを取り付け、グリップをアーム
に対し直交回転３軸を有する先端ブラケットにより取り
付ける。基端ブラケットと先端ブラケットの直交回転軸
をその交点が人間の肘関節および手首の中心に配置さ
せ、回転軸部および摺動軸部にはトルクおよび力制御可
能なモータ等のアクチュエータを連結する。各要素間の
変位を検出するセンサを取り付けて回転および伸縮変位
を検出させ、各操作要素の操作に基づくセンサの検出信
号からスレーブの位置指令値を演算してスレーブに出力
する。スレーブ側のセンサからの検出信号と操作装置側
センサからの検出信号に基づきアクチュエータへの指令
トルクを演算して回転トルクの制御信号を出力する演算
手段を備ている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は力フィードバック型多軸
操作装置に係り、特に操作変換軸数を多くして高い制御
操作ができるようにし、マニピュレータ等の多軸の制御
対象物の制御が容易にできるようにした力フィードバッ
ク型多軸操作装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のジョイスティックやマニピュレー
タにおける力フィードバック式操作装置として、１〜２
軸タイプの力フィードバック式ジョイスティックやマニ
ピュレータを操作するためのバイラテラル式マスタアー
ムが知られている。

【０００３】前者のジョイスティックの場合、自由度が
限られており、多自由度のマニピュレータ等を操作する
にはスイッチ切り替えが必要であり、またマニピュレー
タの移動方向とジョイスティックの操作方向が必ずしも
一致せずわかりにくいという欠点があり、多自由度の操
作には不向きであった。

【０００４】これに対し、多自由度の操作に適する装置
となると後者のマニピュレータ操作用のバイラテラル用
マスタアームが知られているが、これは操作者にとって
腕を持上げた状態で操作するために、非常に操作が困難
で疲れ易い問題があった。

【０００５】このような観点から、スレーブの構造によ
らない操作性のよいマスタアームの構造を考え、結果的
にマスタとスレーブが異構造となったシステムを構築す
ることが行われている。これは例えば、図７に示すよう
に、直交３軸１、２、３をラックアンドピニオン等によ
り３次元操作を可能とするとともに、その１要素に回転
軸等を介してグリップ４を取付け、グリップ操作をスレ
ーブ側に伝達するようにしたものである。このようにす
ることによって操作変位を直交座標系で取込み、制御が
容易になる利点が得られる。これに類似した装置として
パラレルリンク型（パンタグラフ型）も提案されてい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
装置では、装置または取付スペースが大きく、特に操作
する者の腕が宙に浮いての作業となるため、疲れ易い作
業となるなどの欠点がある他、この種の操作方法ではバ
イラテラル方式としても、操作トルクや力感覚がグリッ
プを通じてのみ操作者に伝えられるため、十分な操作性
を持たせることができない欠点があった。

【０００７】本発明は、上記従来の問題点に着目し、操
作者の上腕を支持することのできるアームを有して操作
者の疲労を軽減させる構造を持ちながら、直行座標系の
出力を発生させることのできる力フィードバック型多軸
操作装置であって、人間の腕へトルク／力感覚を伝える
ようにして操作性を一段と向上させた操作装置を提供す
ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る力フィードバック型多軸操作装置は、
腕を載せることができる伸縮可能なアームの一端を直交
する２つの回転軸を有する基端ブラケットを介して基台
に取り付け、前記アームの伸縮先端側にはグリップを取
り付け、当該グリップを前記アームに対し直交する３つ
の回転軸を有する先端ブラケットを介して取り付けてな
り、前記基端ブラケットおよび先端ブラケットの直交回
転軸をその交点が人間の肘関節および手首の中心に位置
するように取り付け、前記回転軸部および摺動軸部には
トルクおよび力制御可能なモータ等のアクチュエータを
連結するとともに各要素間の回転節および摺動節にはそ
の変位を検出するセンサを取り付けて回転および伸縮変
位を検出可能とし、各操作要素の操作に基づく前記セン
サの検出変位信号からスレーブの位置指令値を演算して
スレーブに出力するとともに、スレーブ側のセンサから
の検出信号および前記操作装置側センサからの検出信号
に基づき前記アクチュエータへの指令トルクを演算して
回転トルクの制御信号を出力する演算手段を備えた構成
とした。

【０００９】

【作用】上記構成によれば、アーム上に腕を載せてグリ
ップを握った状態で、手の動作と肘を中心とした腕の動
作をスレーブの制御指令として伝達することができる。
すなわち、手で握られるグリップが先端ブラケットを介
してアームに連結されているので、手首を中心にしてグ
リップ単体をひねったり、上下左右に回動させることが
できる。また、アーム自身は基台に直交２軸を有する基
端ブラケットを介して取り付けられているので、肘を中
心にしてアームを水平回転および俯仰回転させることが
できる。しかも、アーム自身は伸縮できるので、グリッ
プを握ったままで前後に移動させることができる。そし
て、各要素の節には回転角や摺動移動量の変位を測定す
るセンサを取り付けているので、各要素に対応したスレ
ーブの位置および速度制御ができ、三次元空間での位置
および姿勢制御が可能となる。この場合、上記構成を椅
子における肘掛アームに適用することによって、作業者
が椅子に座りながら、任意に腕および手を操作すること
ができ、作業性が向上する。

【００１０】特に、この発明では、スレーブから前記移
動体が他の構成体との間で生じる力の作用力を検出信号
として直接あるいは間接的に前記演算手段に送出され
る。この検出信号は直接トルク指令として、あるいは作
用力に対応する間接コマンドとして入力される。これを
入力した演算手段は各要素を結合している節のアクチュ
エータに対し、操作角の情報を基にして制御トルクを算
出して制御電流を出力し、操作装置側の各操作要素部材
に操作力をフィードバックすることができる。これによ
って操作装置の操作感覚はスレーブにおける移動体が受
ける作用力が反映されたものとなり、臨場感のある操作
性が発揮されるのである。

【００１１】

【実施例】以下に、本発明に係る力フィードバック型多
軸操作装置の具体的実施例を図面を参照して詳細に説明
する。

【００１２】図１〜図２は実施例に係る多軸操作装置の
側面図および平面図を示し、図３はそのスケルトン図を
示す。図示のように、この多軸操作装置１１はほぼ腕長
さに相当する長さを有するアーム１３を有しており、こ
の上に腕を載せることができるようになっている。アー
ム１３は第１アーム１３Ａと第２アーム１３Ｂとからな
り、両者は相互に摺動可能に連結されて伸縮動作を可能
としている。これは実施例の場合アリとアリ溝による摺
動機構によってアーム１３の長手方向に伸縮できるよう
に形成されている。第１アーム１３Ａの摺動機構は第２
アーム１３Ｂの下面側に配置され、腕を載せた際に第１
アーム１３Ａが手による伸縮動作時の障害にならないよ
うに配慮している。この摺動案内はリニアガイド１５に
よっており、これによって伸縮方向がアーム軸心方向に
一致するように設定している。

【００１３】このような伸縮可能なアーム１３は固定基
台１７に取り付けられており、第１アーム１３Ａの基端
を、直交する２つの回転軸を有するブラケット１９を介
して水平回転と俯仰回転ができるように取り付けられて
いる。すなわち、基端ブラケット１９は、基台１７の表
面に垂直軸心をもつように形成された円筒ボスに挿通さ
れる垂直回転軸１９Ａと、その上端に一体的に形成され
たＬ字型ブラケット部１９Ｂからなり、基台１７の円筒
ボスに垂直回転軸１９Ａを差込むことにより、Ｌ字型ブ
ラケット部１９Ｂが垂直回転軸１９Ａを中心として水平
回転が自在にできるように取り付けられている。また、
Ｌ字型ブラケット部１９Ｂは、第１アーム１３Ａの基端
片側を保持するようにされ、アーム１３の長手方向と直
交する方向に沿って配置された水平回転軸２１によって
第１アーム１３Ａが俯仰回転できるように連結してい
る。したがって、アーム１３は基台１７との連結部分を
中心として全体を水平回転させ、またアーム１３（第２
アーム１３Ｂ）の先端を上下方向に揺動させるいわゆる
俯仰動作が自由にできるようになっている。この場合、
前記回転軸１９Ａ、２１の中心軸の交点が操作する腕２
３の肘中心に一致するように設定されている。

【００１４】また、伸縮移動できる第２アーム１３Ｂの
先端には操作グリップ２５が取り付けられているが、こ
れはグリップを棒状グリップとし、アーム１３の先端に
先端ブラケット２７、２９、３７によって直交３軸回り
に回転できるように構成したものである。すなわち、第
２アーム１２Ｂの先端に形成した円筒ボスに挿通される
垂直軸３１を中心として水平回転できるＬ字型に曲げら
れた第１ブラケット２７が取り付けられている。このブ
ラケット２７の垂直板部には前記垂直軸３１と直交する
第１水平軸３３が取り付けられ、これに平面Ｌ字型に曲
げられた第２ブラケット２９を取り付けたものとなって
いる。したがって、第２ブラケット２９はアーム１３の
前方位置で第１ブラケット２７に対して上下揺動可能と
されるとともに、両先端ブラケット２７、２９は同時に
第２アーム１３Ｂの先端で一体に水平回転可能とされて
いる。第２ブラケット２９の一片はアーム１３の前方を
横断するように屈曲されているが、これにはアーム１３
の軸線に沿う第２水平軸３５を取り付けており、当該第
２水平軸３５にグリップフレーム３７を取付け、このフ
レーム３７に前記棒状グリップ２５を取付けることによ
り、グリップ２５が第２水平軸３５まわりにいわゆるロ
ーリング回転ができるように取り付けられている。この
ように構成することにより、グリップ２５はアーム１３
の先端側で直交３軸の回りに回転することができ、当該
操作装置によって操作されるマニピュレータは三次元空
間での位置・姿勢のデータ（６次元）を生成することが
できるものとなる。

【００１５】なお、上記構成において、人間の手首の中
心に対し、アーム１３の先端に設けたグリップ２５の直
交回転軸の中心が一致するように各回転軸３１、３３、
３５を配置している。

【００１６】このような構成により、アーム１３の全体
を基端側の直交３軸１９Ａ、２１、摺動軸１５によって
三次元動作を可能とし、更にアーム１３の先端部におい
てグリップ２５も直交３軸３１、３３、３５を中心とし
て三次元動作ができるようにしている。

【００１７】上述のように回転節および摺動節をもつ操
作装置１１には、更に各要素の操作力をフィードバック
制御するため制御装置が設けられている。まず、回転節
を構成している回転軸１９Ａ、２１、３１、３３、３５
にはトルク制御可能な回転モータ３９が連結され、摺動
節を構成する第１アーム１３Ａと第２アーム１３Ｂの間
には同様に力制御が可能なリニアモータ４１またはボー
ルスクリュウ付きのモータが取付けられている。更に、
各要素間の回転節および摺動節にはその変位を検出する
ためにポテンショメータやロータリエンコーダ等からな
るセンサ４３を取り付けて回転および伸縮変位を検出可
能としている。

【００１８】前記制御装置は、各操作要素の操作に基づ
く前記操作装置の角度および変位センサの検出信号から
スレーブの移動体移動量を演算してスレーブに出力する
とともに、スレーブ側変位および力センサからの検出信
号および前記操作装置側センサからの検出信号に基づき
前記アクチュエータへの指令トルクを演算して回転トル
クの制御信号を出力するように構成されている。この制
御装置の構成例を図４に示す。これはいわゆるジョイス
ティックとしての操作を行わせるためのもので、操作装
置の各軸に対して中立点に復帰するようなトルク制御
（剛性制御）を行わせるようにしたものである。すなわ
ち、ジョイスティックとして操作装置１１の各軸の出力
変位はポテンショメータ等のセンサ４３によって検出さ
れ、制御装置４５はこれを入力するようにしている。例
えば回転軸２１の回転変位αがセンサ４３から逐次制御
装置４５に入力され、これは第１の利得変換器４７にて
所定のゲインが与えられる。利得変換器４７では座標変
換器４９を介してスレーブ側の対象アームに対する変位
速度Δθ_rを出力し、これを積分器５１に入力させる。
積分器５１の出力は指令値としての位置変位θとなるの
で、これを加算器５３、第２利得変換器５５を介してス
レーブアームのモータ５７に出力させる。スレーブアー
ムにも変位センサ５９が設けられ、フィードバック信号
θ_pを前記加算器５３に出力し、フィードバック制御に
より操作装置の操作量に一致させるようにしている。こ
のような制御装置４５にはスプリングリターン演算部６
１が設けられ、これは前記回転軸２１の変位を取込み、
この回転軸２１を中立点に復帰させる方向へのトルク信
号を前記回転モータ３９に出力するようにしている。こ
のときの操作装置側での各軸のトルクと角度の関数は図
４（２）で表されるので、これを所定の関数Ｆ（α）と
してコンピュータによるソフトウェアサーボで行い、あ
るいは電気回路的に構成して操作量に応じたフィードバ
ック信号ｉをモータ３９に出力するようにすればよい。

【００１９】制御ループおよびゲイン、関数をソフトウ
ェアで作成するソフトウェアサーボによって構築するこ
とによって、システムはより凡用的になり、モード切換
えで、図５のバイラテラルマスタスレーブモードへ変換
させることも可能である。図５は力逆送型のバイラテラ
ルマスタスレーブのシステムを構成した場合である。す
なわち、スレーブアーム側には力センサ６３が取付けら
れており、この検出信号を前記スプリングリターン演算
部６１の代りに備えた利得変換器６５に出力させるよう
にしている。この場合、マスタとスレーブとが異構造で
あるため、途中に座標変換器６７を介在させている。こ
の利得変換器６５の出力によってスレーブの受ける力が
マスタ側に伝達されて例えばスレーブが部材接触した状
態が反力としてマスタ側に伝えられることになる。それ
故、操作臨場感のあるマスタ操作が可能となる。

【００２０】このような各制御モードシステムを一般的
に表した例が図６である。すなわち、操作装置側の出力
変位を取込むとともに、スレーブ側の変位や力センサか
らの信号を取込み、所定のトルク制御をなすように構成
された関数変換部６９を設けておき、この関数変換部５
９からの出力によって操作装置におけるモータ３９に必
要なトルク指令を与え、中立点へのスプリングリターン
やスレーブでの操作抵抗に応じた抵抗を操作装置側の各
操作部材の変位抵抗トルクとしてフィードバックさせる
ことができる。

【００２１】このように構成された多軸操作装置１１で
は、腕をアーム１３に載せ、グリップ２５を握ることで
操作準備ができる。そして、肘を中心として腕を移動さ
せることによりアーム１３が基端ブラケット１９を中心
として任意の位置に移動される。また腕を前後に移動さ
せることにより、第２アーム１２Ｂが伸縮移動しアーム
１３の長さを変更することができる。このような操作に
よりアーム１３の先端位置３自由度を決定しながら、グ
リップ２５部分のみを単独で３軸方向に駆動することが
でき、先端グリップ２５を従来のジョイスティックやマ
スタアームと同様に扱うことができる。このような各要
素の動きはそれらの節に設けられたセンサによって取込
まれ、図示しないコントローラを経てマニピュレータの
先端を動作させることができる。すなわち、先端グリッ
プ２５を操作することにより、各軸の中立点よりの偏差
に比例した変位や速度をマニピュレータの作業座標系に
おいて指令を与え、マニピュレータ先端の位置・姿勢を
制御することができるのである。そして、各回転節や摺
動節にはトルク制御モータ３９、４１が取付けられて操
作抵抗等、操作する作業者の腕にトルク・力感覚を伝え
ることができ、これによって操作臨場感を操作装置側で
得ることができるようになるのである。

【００２２】このような実施例の多軸操作装置１１を椅
子の肘掛アームに適用することにより、作業者が座って
操作できるようにすることが可能である。

【００２３】なお、本発明では上記の基本構造を有する
とともに各軸に角度検出器（例えばポテンショメータ、
エンコーダ等）とアクチュエータを有する軸は必ずしも
全軸必要ではなく、用途によっては軸数を少なくしても
よい。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る力フ
ィードバック型多軸操作装置によれば、操作する者の腕
の肘や手首の中心にて各々３軸直交操作を行わせること
ができるとともに、各軸にアクチュエータを配置し、こ
のアクチュエータのトルクおよび力をソフトウェアで制
御することによって、あるときはジョイスティックモー
ド、あるときはバイラテラルマスタスレーブモード等
と、状況に応じて様々な機能を発揮する汎用的かつフレ
キシブルな操作装置になり得るという優れた効果が得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例に用いられる力フィードバック型多軸操
作装置の側面図である。

【図２】同操作装置の平面図である。

【図３】同操作装置のスケルトン図である。

【図４】力フィードバック型多軸操作装置のジョイステ
ィックモードの制御ブロック図である。

【図５】力フィードバック型多軸操作装置のバイラテラ
レルマスタスレーブモードの制御ブロック図である。

【図６】力フィードバック型多軸操作装置の一般的なシ
ステム構成のブロック図である。

【図７】従来のマスタアームとしての操作装置の構成を
示す斜視図である。

【符号の説明】

１１ 操作装置 １３（１３Ａ、１３Ｂ） アーム １５ リニアガイド １７ 固定基台 １９（１９Ａ、１９Ｂ） 基端ブラケット １９Ａ 垂直回転軸 ２１ 水平回転軸 ２３ 腕 ２５ 操作グリップ ２７、２９ 先端ブラケット ３１ 垂直軸 ３３ 第１水平軸 ３５ 第２水平軸 ３７ グリップフレーム ３９ トルク制御回転モータ ４１ トルク制御リニアモータ ４３ センサ ４５ 制御装置 ４７、５５、６５ 利得変換器 ４９、６７ 座標変換器 ５１ 積分器 ５３ 加算器 ５７ スレーブアームモータ ５９ スレーブアームセンサ ６１ スプリングリターン演算部 ６３ 力センサ ６９ 関数変換部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 腕を載せることができる伸縮可能なアー
   ムの一端を直交する２つの回転軸を有する基端ブラケッ
   トを介して基台に取り付け、前記アームの伸縮先端側に
   はグリップを取り付け、当該グリップを前記アームに対
   し直交する３つの回転軸を有する先端ブラケットを介し
   て取り付けてなり、前記基端ブラケットおよび先端ブラ
   ケットの直交回転軸をその交点が人間の肘関節および手
   首の中心に位置するように取り付け、前記回転軸部およ
   び摺動軸部にはトルクおよび力制御可能なモータ等のア
   クチュエータを連結するとともに各要素間の回転節およ
   び摺動節にはその変位を検出するセンサを取り付けて回
   転および伸縮変位を検出可能とし、各操作要素の操作に
   基づく前記センサの検出変位信号からスレーブの位置指
   令値を演算してスレーブに出力するとともに、スレーブ
   側のセンサからの検出信号および前記操作装置側センサ
   からの検出信号に基づき前記アクチュエータへの指令ト
   ルクを演算して回転トルクの制御信号を出力する演算手
   段を備えたことを特徴とする力フィードバック型多軸操
   作装置。