KR20180043326A

KR20180043326A - 로봇시스템

Info

Publication number: KR20180043326A
Application number: KR1020187008054A
Authority: KR
Inventors: 츠요시 토죠; 노부야스 시모무라
Original assignee: 카와사키 주코교 카부시키 카이샤
Priority date: 2015-08-25
Filing date: 2016-06-24
Publication date: 2018-04-27
Also published as: CN107921621A; TW201707880A; US10631942B2; CN107921620B; JP6826532B2; JPWO2017033366A1; EP3342555A4; TW201711812A; KR102018242B1; CN108349095B; EP3342542A1; EP3342563A1; EP3342543A1; CN107921625B; KR20180042332A; CN107921641B; JPWO2017033364A1; EP3342557A1; KR102015522B1; JPWO2017033351A1

Abstract

로봇시스템은 로봇암과 로봇암에 부착된 엔드이펙터와 엔드이펙터의 선단에 가해지는 힘을 검지하는 힘검지장치를 구비한 로봇 본체와, 힘검지장치가 검지하는 힘에 따른 역각정보를 생성하고, 해당 역각정보를 실제반력정보로써 출력하는 실제반력정보 생성기와, 힘검지장치가 검지하는 힘의 시간미분값에 비례한 크기의 성분을 가상반력정보로써 출력하는 가상반력정보 생성기와, 실제반력정보 생성기로부터 출력되는 실제반력정보와, 가상반력정보 생성기로부터 출력되는 가상반력정보를 가산한 것을 합성반력정보로써 출력하는 가산기와, 가산기로부터 출력되는 합성반력정보에 따른 힘을 조작자에게 지각시키고, 그리고, 조작자가 조작하면, 해당 조작에 따른 조작정보를 출력하는 조작장치와, 조작장치로부터 출력되는 조작정보에 따라, 로봇본체의 동작을 제어하는 동작제어부를 구비한다.

Description

로봇시스템

본 발명은 로봇시스템에 관한 것이다.

통상, 인간의 손으로 작업을 행하는 경우에는, 손에 대한 반력(反力) 등 손이 작업대상물에 접촉했을 때의 손의 온도변화 등을 촉각으로 감지할 수 있으므로, 높은 정밀도의 접촉검지가 가능하다. 종래로부터 로봇시스템에 있어서 촉각정보를 이용한 기술이 알려져 있다. 예를 들어, 특허문헌1에는 조이스틱과 모바일로봇의 사이에서 역각(力覺)피드백을 얻으면서 모바일로봇을 조작하는 로봇시스템이 개시되어 있다. 근년, 로봇시스템은 높은 정밀도가 요구되는 여러 가지의 작업에 적용되고 있다. 그 적용 예로써, 부품(파츠)의 끼우기작업, 기계가공 후의 마무리면을 검사하는 작업, 외과수술시스템을 들 수 있다.

특개2009-282720호 공보

하지만, 상기 종래의 로봇시스템에서는 조작장치 측에 피드백 할 수 있는 촉각정보가 반력에 한정되어 있다. 이 때문에, 이와 같은 로봇시스템을 예를 들어 외과수술시스템에 적용한 경우, 로봇의 선단에 부착되어 있는 수술기구가 환부에 접촉한 것을 민감하게 감지하는 것이 곤란하고, 조작성에는 개선의 여지가 있었다. 이와 같은 과제는 로봇시스템을 부품의 끼우기작업, 기계가공후의 미무리면을 검사하는 작업 등의 높은 정밀도가 필요한 작업에 적용한 경우에서 공통적이다.

그래서, 본 발명은 로봇시스템에 있어서 높은 정밀도가 필요한 작업의 조작성을 향상시키는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 형태에 관계되는 로봇시스템은 로봇암과 상기 로봇암에 부착된 엔드이펙터와 상기 엔드이펙터의 선단에 가해지는 힘을 검지하는 힘검지장치를 구비한 로봇 본체와, 상기 힘검지장치가 검지하는 힘에 따른 역각(力覺)정보를 생성하고, 해당 역각정보를 실제반력(反力; 반력)정보로써 출력하는 실제반력정보 생성기와, 상기 힘검지장치가 검지하는 힘의 시간미분값에 비례한 크기의 성분을 가상반력정보로써 출력하는 가상반력정보 생성기와, 상기 실제반력정보 생성기로부터 출력되는 상기 실제반력정보와, 상기 가상반력정보 생성기로부터 출력되는 가상반력정보를 가산한 것을 합성반력정보로써 출력하는 가산기와, 상기 가산기로부터 출력되는 상기 합성반력정보에 따른 힘을 상기 조작자에게 지각시키고, 그리고, 조작자가 조작하면, 해당 조작에 따른 조작정보를 출력하는 조작장치와, 상기 조작장치로부터 출력되는 조작정보에 따라, 상기 로봇의 동작을 제어하는 동작제어부를 구비한다. 여기서, 힘검지장치에 의해 검지되는 힘은 서로 직교하는 3축의 각 방향의 힘과, 이들의 각 축주위로 작용하는 모멘트를 포함한다.

상기 구성에 의하면, 로봇본체에 있어서 힘검지장치가 엔드이펙터의 선단에 가해지는 힘을 검지하면, 실제반력정보 생성기가 힘검지장치에 의해 검지된 힘에 따른 역각정보를 생성하고, 해당 역각정보를 실제반력정보로써 출력한다. 이 때, 가상반력정보 생성기는 힘검지장치에 의해 검지된 힘의 시간미분값에 비례한 크기의 성분을 가상반력정보로써 출력한다. 그러면, 조작장치가 가산기로부터 출력되는 합성반력정보에 따른 힘을 조작자에게 지각시킨다. 조작자는 합성반력정보에 따른 힘을 파악하고, 이 파악한 합성반력정보에 따른 힘에 기초하여, 로봇이 적절한 작업을 행할 수 있도록 로봇을 조작하기 위해 조작장치를 조작한다. 그러면, 조작장치가 해당 조작에 따른 조작정보를 출력하고, 동작제어부가 이 조작정보에 따라 로봇의 동작을 제어한다. 이에 의해 엔드이펙터의 선단이 작업대상물에 접촉한 경우에는, 조작자는 조작장치로부터 순간적으로 강한 반력을 느끼므로 접촉을 민감하게 감지하여 높은 정밀도의 작업이 가능해진다.

상기 로봇시스템에 있어서, 상기 로봇본체는 슬레이브암이고, 상기 조작장치는 마스터암이고, 상기 마스터암에 의해 상기 슬레이브암이 원격조작되어도 좋다.

상기 힘검지장치는 상기 엔드이펙터의 기단에 부착되어, 해당 엔드이펙터의 선단에 가해지는 힘을 검지하도록 구성된 역각센서라도 좋다.

상기 로봇시스템은 상기 로봇본체의 동작을 제어하는 상기 동작제어부의 운전모드를, 상기 조작정보를 상기 로봇본체의 동작에 반영시키는 일 없이, 미리 설정된 소정의 프로그램을 이용하여 상기 로봇본체의 동작을 제어하는 자동모드와, 상기 조작정보를 상기 로봇본체의 동작에 반영시키는 것이 가능한 상태에서, 미리 설정된 소정의 프로그램을 이용하여, 상기 로봇본체의 동작을 제어하는 수정자동모드와, 상기 소정의 프로그램을 이용하는 일 없이 상기 조작정보를 이용하여 상기 로봇본체의 동작을 제어하는 수동모드의 어느 것을 선택가능하게 구성된 모드선택부를 더 구비한다. 상기 동작제어부는 상기 운전모드가 상기 수정자동모드일 때에, 상기 로봇본체가 상기 소정의 프로그램을 이용하여, 동작하고 있는 도중에 상기 조작정보를 받아서, 상기 소정의 프로그램에 관한 동작으로부터 수정된 동작을 행하도록 상기 로봇본체를 제어한다.

상기 구성에 의하면, 모드선택부에 의해 동작제어부의 운전모드로써 자동모드를 선택할 수 있기 때문에, 로봇의 동작수정이 필요하지 않은 경우에는 자동모드를 선택하여, 부주의하게 조작장치가 조작되어 동작이 수정되는 것을 방지할 수 있다. 또, 모드선택부에 의해 동작제어부의 운전모드로써 수동모드를 선택할 수 있기 때문에, 소정의 프로그램을 이용하지 않고, 로봇본체를 조작할 수 있다.

상기 로봇의 원격조작 시스템은 외과수술시스템에 적용되며, 상기 엔드이펙터는 수술기구라도 좋다.

상기 구성에 의하면, 시술자는 외과수술시스템에 있어서 수술기구가 환부에 접촉한 것을 민감하게 느낄 수 있으므로 높은 정밀도의 수술이 가능해진다. 수술기구는 예를 들어 겸자, 내시경 등이라도 좋다.

본 발명에 의하면, 로봇시스템에 있어서 높은 정밀도가 필요한 작업에서의 조작성을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 상기 목적, 다른 목적, 특징 및 이점은 첨부도면의 참조 하에, 이하의 적절한 실시형태의 상세한 설명으로부터 명백해진다.

도1은 제1실시형태에 관계되는 로봇시스템의 구성 예를 나타내는 모식도이다.
도2는, 도1의 슬레이브암 선단의 구성 예를 나타내는 모식도이다.
도3은 도1의 제어장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도4는 역각센서가 감지하는 힘에 따른 실제반력, 가상반력 및 그들의 합성반력의 시간변화를 모식적으로 나타낸 그래프이다.
도5는 제2실시형태에 관계되는 로봇시스템의 구성을 나타내는 모식도이다.
도6는 제3실시형태에 관계되는 로봇시스템의 구성을 나타내는 모식도이다.

이하, 본 발명에 관계되는 실시형태에 대해 도면을 참조하면서 설명한다. 이하에서는, 모든 도면을 통해 동일 또는 상당하는 요소에는 같은 부호를 부여하고, 중복하는 설명은 생략한다.

(제1실시형태)

도1은, 본 발명의 제1실시형태에 관계되는 로봇시스템의 구성 예를 나타내는 모식도이다. 도1에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 로봇시스템(100)은, 슬레이브암(1)이 마스터암(2)에 의해, 원격조작되는 마스터슬레이브방식의 로봇의 원격조작시스템으로 구성된다.

로봇시스템(100)(이하, 원격조작 시스템이라고 함)은, 제1의 로봇으로 구성되는 슬레이브암(1)과, 제2의 로봇으로 구성되는 마스터암(2)과, 제어장치(3)와, 역각센서(5)와, 입력장치(9)와, 카메라(11)와, 모니터(12)를 구비한다. 슬레이브암(1)은 임의타입의 로봇으로 구성될 수 있다. 슬레이브암(1)은 본 발명의 「로봇본체」에 상당한다. 슬레이브암(1)은 본 실시형태에서는, 예를 들면, 주지된 다관절로봇으로 구성되어, 기대(1a)와, 기대(1a)에 설치된 다관절의 암(1b)과, 암(1b)의 선단에 설치된 손목(1c)을 구비한다. 다관절의 암(1b)의 각 관절은 구동용의 서보모터 및 서보모터의 회전각도위치를 검출하는 인코더, 서보모터에 흐르는 전류를 검출하는 전류센서를 구비한다(어느것도 도시하지 않음). 손목(1c)에는 엔드이펙터(4)가 부착된다. 엔드이펙터(4)에는 역각센서(5)가 부착된다.

마스터암(2)은 임의타입의 로봇에서 구성될 수 있다. 마스터암(2)은 본 발명의 「조작장치」에 상당한다. 마스터암(2)은, 본 실시형태에서는 슬레이브암(1)과 서로 닮은 구조를 하고 있지만, 조작자가 조작함에 의해 슬레이브암(1)을 조작하는 것이 가능하다면, 예를 들어 스위치, 조절기, 조작레버 또는 태블릿 등의 휴대단말이라도 좋고, 조종간과 같은 간이의 것이라도 좋다. 마스터암(2)은 조작자가 슬레이브암(1)을 조작하기 위해 조작하면 해당 조작에 따른 조작정보를 제어장치(3)로 송신한다.

입력장치(9)는 터치패널, 키보드 등의 맨-머신 인터페이스로 구성된다. 입력장치(9)는 주로 슬레이브암(1)의 후술하는 자동모드, 수정자동모드 및 수동모드의 3개 모드의 전환, 각종 데이터 등을 입력하기 위해 이용된다. 입력장치(9)에 입력된 정보는 제어장치(3)로 송신된다.

원격조작시스템(100)에서는, 슬레이브암(1)의 작업영역으로부터 떨어진 위치(작업 에리어 밖)에 있는 조작자가 마스터암(2)을 움직여서 조작정보를 입력함으로써, 슬레이브암(1)이 조작정보에 대응한 동작을 행하고, 특정 작업을 행할 수 있다. 또, 원격조작시스템(100)에서는 슬레이브암(1)은 조작자에 의한 마스터암(2)의 조작없이, 소정의 작업을 자동적으로 행할 수도 있다.

본 명세서에서는, 마스터암(2)을 통해 입력된 조작정보에 따라, 슬레이브암(1)을 동작시키는 운전모드를 "수동모드"라고 칭한다. 또한, 상술한 "수동모드"에는, 조작자가 마스터암(2)을 조작함에 의해 입력된 조작정보에 기초하여 동작중인 슬레이브암(1)의 동작의 일부가 자동으로 동작 보정되는 경우도 포함한다. 또, 미리 설정된 소정의 프로그램에 따라서 슬레이브암(1)을 동작시키는 운전모드를 "자동모드"라고 칭한다.

더욱이, 본 실시형태의 원격조작시스템(100)에서는 슬레이브암(1)이 자동으로 동작하고 있는 도중에, 마스터암(2)의 조작을 슬레이브암(1)의 자동 동작에 반영시켜서, 자동으로 행하도록 되어있던 동작을 수정할 수 있도록 구성되어 있다. 본 명세서에서는 마스터암(2)을 통해 입력된 조작정보를 반영 가능한 상태에서, 미리 설정된 소정의 프로그램에 따라 슬레이브암(1)을 동작시키는 운전모드를 "수정자동모드"라고 칭한다. 또한, 상술한 "자동모드"는 슬레이브암(1)을 동작시키는 운전모드가 자동모드일 때에는 마스터암(2)의 조작이 슬레이브암(1)의 동작에 반영되지 않는다는 점에서, "수정자동모드"와 구별된다.

카메라(11)는 슬레이브암(1)의 가동 범위의 전부 또는 일부에 있어서의 해당 슬레이브암(1)의 동작을 촬영 가능하도록 설치된다. 카메라(11)가 촬영한 화상정보는 제어장치(3)에 송신되어, 제어장치(3)는 이 화상정보에 대응하는 화상을 표시하도록 모니터(12)를 제어한다.

도2는 슬레이브암(1) 선단의 구성 예를 나타내는 모식도이다. 도2에서 나타내는 바와 같이, 손목(1c) 선단의 부착면(1d)에 엔드이펙터(4)가 부착된다. 본 실시형태에서는, 엔드이펙터(4)는 끼우기부품(200)을 파지(把持; 꽉 쥐는 것)가능한 로봇핸드이다. 로봇핸드는 손목(1c) 선단의 부착면(1d)에 부착된 핸드본체와, 예를 들어, 모터에서 구성된 액츄에이터(미도시)에서 구동되는 2개의 손가락부(指部)를 구비한다. 액츄에이터가 동작하면, 2개의 손가락부가 핸드본체에 대해서 이동한다. 즉, 로봇핸드의 2개의 손가락부는 서로 근접 또는 이격(離隔)하도록 이동가능하고, 2개의 손가락부에서 끼우기부품(200)을 파지하도록 할 수 있다. 본 실시형태의 원격조작시스템(100)에서는, 로봇핸드(4)에 보지(保持)된 끼우기부품(200)을 슬레이브암(1)의 작동에 의해 피끼우기부품(210)의 구멍(211)에 정밀하게 끼우기시킨다. 이 끼우기작업은 조립작업 중에서도 조작자의 숙련이 요구된다.

역각센서(5)는 손목(1c) 선단의 부착면(1d)과 엔드이펙터(4)의 사이에 부착된다. 역각센서(5)는 본 발명의 "힘검지장치"에 상당한다. 역각센서(5)는 본 실시형태에서는 엔드이펙터(4)의 기단에 부착되어, 엔드이펙터(4)의 선단에 가해지는 힘을 검지하도록 구성된다. 역각센서(5)는 손목좌표계에서 정의되는 XYZ축방향의 힘과 각 축 주위로 작용하는 모멘트를 검출하는 것이 가능한 6축 역각센서이다. 여기서, 손목좌표계라는 것은, 손목(1c)을 기준으로 한 좌표계이다. 도2에서는, 손목(1c)의 부착면(1d)에 평행하게 X축 및 Y축이 정의되어, 부착면(1d)에 수직인 방향으로 Z축이 정의된다. 역각센서(5)는 무선 또는 유선에 의해 제어장치(3)로 검출신호를 송신한다.

도3은, 제어장치(3)의 구성을 나타내는 블록도이다. 도3에 나타내는 바와 같이, 제어장치(3)는 동작제어부(6)와, 역각정보처리부(7)와, 모니터제어부(8)와, 기억부(10)와, 인터페이스부(도시하지 않음)를 포함한다. 제어장치(3)는 컴퓨터, 마이크로컨트롤러, 마이크로프로세서 등의 연산처리능력을 가진 장치로 구성된다. 동작제어부(6), 역각정보처리부(7) 및 모니터제어부(8)는 제어장치(3)의 기억부(10)에 저장된 소정의 프로그램이 제어장치(3)의 연산처리부(도시하지 않음)에 의해 실행됨에 따라 실현된다. 제어장치(3)의 하드웨어 상의 구성은 임의이고, 제어장치(3)는 슬레이브암(1) 등의 다른 장치로부터 독립하여 설치되어도 좋고, 다른 장치와 일체적으로 설치되어도 좋다.

동작제어부(6)는 입력장치(9)로부터 입력된 정보 및 마스터암(2)으로부터 송신된 조작정보에 따라 슬레이브암(1)의 동작을 제어한다. 여기서, 입력장치(9)의 모드선택부(25)는 슬레이브암(1)을 동작시키는 운전모드로써, 상술한 "자동모드", "수정자동모드" 및 "수동모드" 중 어느 것을 조작자가 선택하기 위한 것이다. 조작자에 의해 선택된 모드에 관한 정보는 모드선택부(25)로부터 동작제어부(6)로 입력된다. 기억부(10)는 읽기 쓰기가 가능한 기록 매체이고, 슬레이브암(1)에 자동으로 소정의 동작을 시키기 위한 소정의 프로그램이 미리 기억되어 있다. 소정의 프로그램은 예를 들어, 교시작업에 의해 소정의 작업을 행하도록 슬레이브암(1)을 동작시켜 기억된 교시정보이다. 본 실시형태에서는, 교시정보는 마스터암(2)을 조작함에 의해 슬레이브암(1)의 동작을 지시하여 기억시킨 정보여도 좋고, 다이랙트 교시에 의해 기억된 정보여도 좋다. 또한, 기억부(10)는 제어장치(3)와 일체로 설치되어 있지만, 제어장치(3)와 별개로 설치되어 있어도 좋다. 동작제어부(6)는, 구체적으로는 마스터암(2)으로부터의 조작정보 및 미리 기억된 정보의 적어도 어느 한쪽의 정보에 기초하여, 슬레이브암(1)의 각 관절축을 구동하는 서보모터를 제어한다. 동작제어부(6)는 슬레이브암(1)의 각 관절축의 위치지령값을 생성하고, 생성한 위치지령값과 인코더의 검출값(실제값)의 편차에 기초하여 속도지령값을 생성한다. 그리고, 생성한 속도지령값과 속도현재값의 편차에 기초하여 토크지령값(전류지령값)을 생성하고, 생성한 전류지령값과 전류센서의 검출값(실제값)의 편차에 기초하여 서보모터를 제어한다.

역각정보처리부(7)는 실제반력정보 생성기(21)와, 가상반력정보 생성기(22)와, 가산기(23)를 구비한다. 실제반력정보 생성기(21)는 역각센서(5)가 검지하는 힘에 따른 역각정보를 생성하고, 해당 역각정보를 실제반력정보로써 출력한다. 여기에서는, 실제반력정보 생성기(21)는 역각센서(5)의 검출신호를 취득하고, 로봇핸드(4)의 선단에 가해지는 힘을 적정한 레인지로 변환하여, 이를 실제반력으로써 가산기(23)로 출력하도록 구성되어 있다. 실제반력정보 생성기(21)는 잡음을 소거하기 위해서 로우 패스 필터(Low-pass filter)를 포함해도 좋다.

가상반력정보 생성기(22)는 역각센서(5)가 검지하는 힘의 시간미분값에 비례한 크기의 성분을 가상반력정보로써 출력한다. 여기에서는, 가상반력정보 생성기(22)는 역각센서(5)의 검출신호를 취득하고, 로봇핸드(4)의 선단에 가해지는 힘의 시간미분값에 비례한 크기의 성분을 연산하여, 이를 가상반력정보로써 가산기(23)로 출력하도록 구성되어 있다.

가산기(23)는 실제반력정보 생성기(21)로부터 출력되는 실제반력정보와, 가상반력정보 생성기(22)로부터 출력되는 가상반력정보를 가산한 것을 합성반력정보로써 출력한다. 여기에서는, 가산기(23)는 실제반력정보 생성기(21)로부터 출력된 실제반력정보를 가상반력정보 생성기(22)로부터 출력된 가상반력정보를 가산하여, 이를 합성반력정보로써 마스터암(2)으로 출력하도록 구성되어 있다. 여기서 합성반력은 마스터암(2)의 각 관절의 토크값으로 변환된다. 변환된 토크값은 각 관절을 구동하는 액츄에이터(도시하지 않음)의 드라이브로의 토크지령에 상당한다. 마스터암(2)은 가산기(23)로부터 출력되는 합성반력정보에 상당하는 힘을 조작자에게 지각시키고, 그리고, 조작자가 조작하면, 해당 조작에 따른 조작정보를 동작제어부(6)로 출력한다.

모터제어부(8)는 카메라(11)로 촬영된 화상정보에 대응하는 화상을 표시하도록모니터(12)를 제어한다. 조작자는 모니터(12)를 보면서 마스터암(2)을 조작함에 의해 슬레이브암(1)을 조작자가 의도한 것 과 같이 조작할 수 있다.

다음으로, 원격조작시스템(100)의 동작에 대해 도2~도4를 이용하여 설명한다. 본 실시형태의 원격조작시스템(100)에서는, 조작자는 모니터(12)를 보면서 마스터암(2)을 조작함에 따라, 슬레이브암(1)의 작동에 의해 로봇핸드(4)에 보지(保持)된 끼우기부품(200)을 피끼우기부품(210)의 구멍(211)에 삽입한다(도2참조). 여기에서는 조작자에 의해 모드선택부(25)에서 선택된 운전모드가 "수동모드"인 경우에 대해 설명한다. 동작제어부(6)는 슬레이브암(1)을 동작시키는 운전모드가 "수동모드"일 때, 소정의 프로그램을 이용하지 않고, 마스터암(2)을 조작함으로써 보내진 조작정보(입력지령)에 따라, 슬레이브암(1)의 동작을 제어한다(도3참조). 한편 슬레이브암(1)의 선단에 부착된 역각센서(5)는 로봇핸드(4)의 선단에 가해지는 힘을 검지한다. 실제반력정보 생성기(21)는 역각센서(5)에 의해 검지된 힘에 따른 역각정보를 생성하고, 해당 역각정보를 실제반력정보로써 출력한다. 조작자는 모니터(12)를 보면서 마스터암(2)을 조작함에 따라, 그 슬레이브암(1)의 작동에 의해 끼우기부품(200)을 파지한 로봇핸드(4)를 피끼우기부품(210)을 향해 눌러서 내린다(도2의 Z방향). 그 결과, 로봇핸드(4)의 선단 또는 로봇핸드(4)에 보지된 끼우기부품(200)이 피끼우기부품(210) 또는 피끼우기부품(210) 에 설치된 구멍(211)에 접촉한다. 도4(a)는 역각센서(5)가 검지하는 힘에 따른 실제반력(F)의 시간변화를 모식적으로 나타낸 그래프이다. 도4(a)에 나타낸 바와 같이, 슬레이브암(1)의 동작을 개시한 직후는, 로봇핸드(4)의 선단에 가해지는 힘은 제로이지만, 시각t₀에 있어서 로봇핸드(4)의 선단에 가해지는 힘이 상승하고, 역각센서(5)에서 검지된 힘에 따른 실제반력(F)도 상승한다.

한편, 가상반력정보 생성기(22)는 역각센서(5)가 검지하는 힘의 시간미분값에 비례한 크기의 성분을 가상반력정보로써 출력한다. 도4(b)는 가상반력K(dF/dt)의 시간변화를 모식적으로 나타낸 그래프이다. 여기서, K는 상수이다. 도4(b)에 나타내는 바와 같이, 슬레이브암(1)의 동작을 개시한 직후는 역각센서(5)가 검지하는 힘의 시간미분값에 비례한 가상반력K(dF/dt)은 제로이다. 시각t₀에 있어서, 역각센서(5)에서 감지된 힘에 따른 실제반력(F)가 상승하면 그에 따른 가상반력도 급격하게 상승하지만 그 뒤에 급격하게 감쇠(減衰)한다.

가산기(23)는 실제반력정보 생성기(21)로부터 출력되는 실제반력정보와 가상반력정보 생성기(22)로부터 출력되는 가상반력정보를 가산한 것을 합성반력정보로써 마스터암(2)으로 출력한다. 그러면, 마스터암(2)이 가산기(23)로부터 출력되는 합성반력정보에 따른 힘을 조작자에게 지각시킨다. 조작자는 합성반력정보에 따른 힘을 파악하고, 이 파악한 합성반력정보에 따른 힘에 기초하여 로봇이 적절한 작업을 행하도록 로봇을 조작하기 위해 마스터암(2)을 조작한다. 그러면 마스터암(2)이 해당조작에 따른 조작정보를 출력하고 동작제어부(6)가 그 조작정보에 따라서 로봇의 동작을 제어한다.

도4(c)는 합성반력(Fb)의 시간변화를 모식적으로 나타낸 그래프이다. 도4(c)에 나타내는 바와 같이 시각t₀에 있어서 로봇핸드(4)의 선단 또는 로봇핸드(4)에 보지된 끼우기부품(200)이 피끼우기부품(210) 또는 피끼우기부품(210)에 설치된 구멍(211)에 닿은 경우에는, 합성반력(Fb)은 가상반력K(dF/dt)의 영향으로 급격히 상승한다. 이에 의해, 조작자는 마스터암(2)으로부터 순간적으로 강한 반력을 느끼므로 접촉을 민감하게 감지하여, 높은 정밀도의 작업이 가능해진다.

(제2실시형태)

다음으로, 제2실시형태에 대해 설명한다. 본 실시형태의 원격조작시스템의 기본적인 구성은 제1실시형태와 동일하다. 이하에서는 제1실시형태와 공통하는 구성의 설명은 생략하고, 상이한 구성에 대해서만 설명한다.

도5는 제2실시형태에 관계되는 로봇 원격조작시스템의 구성을 나타내는 모식도이다. 도5에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태에서는 제1실시형태와 비교하면, 슬레이브암(1)의 손목(1c)선단에 부착된 엔드이펙터(4)가 전기저항을 측정하기 위한 접촉프로브인 점이 다르다. 접촉프로브(4)는 바늘형의 선단형상을 가진다. 또, 여기서도 손목(1c)선단의 부착면(1d)과 엔드이펙터(4)의 사이에는 역각센서(5)가 부착되어 있다. 본 실시형태의 원격조작시스템에서는 측정대(213)에 고정하여 배치된 피측정물(212)의 표면의 전기저항을 측정하는 작업을 행한다. 저항측정의 접속방법은 예를 들어 2단자방법 또는 4단자방법이 있다. 측정방법에서는 바늘형의 접촉프로브(4)의 선단을 그 슬레이브암(1)의 작동에 의해 피측정물(212)의 검사면에 접촉시킨다. 피측정물(212)이 예를 들어 얇은 판자, 얇은 원통 등의 강성이 낮은 부품인 경우는 변형 등이 발생하기 쉽고, 극소한 바늘의 선단을 피측정물(212)의 표면에 접촉시키는 작업은 작업자의 숙련을 요구한다.

모드선택부(25)에서 선택된 운전모드가 "수동모드"일 경우에 조작자는 모니터(12)를 보면서 마스터암(2)을 조작함에 의해, 그 슬레이브암(1)의 작동에 따라 선단에 접촉프로브(4)를 부착한 로봇핸드(4)를 피측정물(212)을 향해 눌러서 내린다(도5의 Z방향).

본 실시형태의 구성이라 하더라도, 접촉프로브(4)의 선단이 피측정물(212)에 닿았을 경우, 조작자는 접촉 순간에 마스터암(2)으로부터 순간적으로 강한 반력을 느끼므로, 접촉을 민감하게 감지하여 높은 정밀도의 작업이 가능해진다.

또한, 본 실시형태에서는 모드선택부(25)에서 선택된 운전모드가 "수동모드"인 경우에 대해 설명했지만, 모드선택부(25)에서 선택된 운전모드가 "자동모드"라도 좋다. 동작제어부(6)는 슬레이브암(1)을 동작시키는 운전모드가 "자동모드"일 때, 마스터암(2)으로부터 보내진 조작정보를 이용하지 않고, 미리 설정된 소정의 프로그램에 따라 슬레이브암(1)의 동작을 제어한다.

또, 모드선택부(25)에서 선택되어 있는 운전모드는 "수정자동모드"라도 좋다. 동작제어부(6)는 운전모드가 "수정자동모드"일 때에, 소정의 프로그램과 조작정보의 양쪽을 이용한다. 또한, 운전모드가 "수정자동모드"일 때에, 조작정보가 동작제어부(6)에 보내지지 않은 경우는, 동작제어부(6)는 소정의 프로그램만을 이용한다. 보다 자세히는, 동작제어부(6)는 슬레이브암(1)을 동작시키는 운전모드가 "수정자동모드"일 때, 슬레이브암(1)이 소정의 프로그램을 이용하여 자동으로 동작하고 있는 도중에 조작정보를 받으면, 소정의 프로그램과 조작정보의 양쪽을 이용하여 슬레이브암(1)의 동작을 제어한다. 이에 의해, 슬레이브암(1)은 소정의 프로그램에 관한 동작, 즉, 자동으로 행해지는 것으로 되어 있던 동작으로부터 수정된 동작을 행한다.

또한, 본 실시형태에서는, 동작제어부(6)는 조작자에 의해 입력장치(9)의 모드선택부(25)에서 선택된 "자동모드", "수정자동모드" 및 "수동모드"중 어느 운전모드에 따라, 슬레이브암(1)의 동작을 행하도록 구성되었지만, 이와 같은 구성에 한정되지 않는다. 예를 들어, 동작제어부(6)가 슬레이브암(1)을 소정의 스텝까지 "자동모드"에 의해 동작시키도록 제어한 경우, 조작자에 대해, 슬레이브암(1)의 자동운전의 계속허가에 관한 문의를 출력하는 출력제어부(도시하지 않음)와, 출력제어부(도시하지 않음)에 의한 문의를 출력한 후에, 수신부(도시하지 않음)에 의해 수신한 입력신호에 기초하여, 자동운전의 계속을 허가하는지 아닌지를 판정하는 계속판정부(도시하지 않음)를 가져도 좋다. 이에 의해, 조작자의 숙련이 필요한 경우에는 "자동모드"로부터 "수동모드"로 전환하여 작업을 행할 수 있다.

(제3실시형태)

다음으로, 제3실시형태에 대해 설명한다. 본 실시형태의 원격조작 시스템의 기본적인 구성은 상기 실시형태와 동일하다. 이하에서는, 제1실시형태와 공통하는 구성의 설명은 생략하고, 상이한 구성을 중심으로 설명한다. 본 실시형태의 원격조작 시스템은 외과수술 시스템에 적용되어, 엔드이펙터는 수술기구이다. 외과수술 시스템은 마스터슬레이브형의 수술지원로봇이다. 여기에서는, 의사 등의 시술자가 환자에게 내시경 외과수술을 시행하는 시스템이다.

또한, 본 실시형태의 외과수술 시스템은 수술지원용이기 때문에, 슬레이브암(1)은 "수동모드"로만 동작하도록 구성된다. 이 때문에, 입력장치(9)는 조작자에 의해서 운전모드를 선택하기 위한 모드선택부(25)를 구비하지 않는다(도3참조). 시술자는 모니터(12)를 보면서 마스터암(2)을 조작함에 의해, 슬레이브암(1)을 시술자가 의도한 것과 같이 조작한다. 마스터암(2)의 구체적인 구성에 대해서는 도시를 생략한다.

도6은, 제3실시형태에 관계되는 로봇의 원격조작 시스템의 구성을 나타내는 모식도이다. 도6에 나타내는 바와 같이, 슬레이브암(1)의 선단에는 인스트루맨트(외과용기구)(42)를 보지하는 홀더(36)(기구보지부)가 형성된다. 슬레이브암(1)선단의 손목(1c)의 부착면(1d)(홀더(36)의 뒷면)과 인스트루멘트(42)의 사이에는 역각센서(5)가 부착되어 있다. 홀더(36)에는 인스트루멘트(42)가 탈착가능하게 보지되어있다. 홀더(36)에 보지된 인스트루멘트(42)의 샤프트(43)는 기준방향(D)과 평행하게 연재(延在: 어떤 방향으로 연장되도록 존재하는 것)하도록 구성되어 있다. 또한 이 홀더(36)에 내시경 어셈블리가 탈착 가능하게 보지되어도 좋다. 본 실시형태에서는, 시술자는 그 슬레이브암 (1)의 작동에 의해 슬레이브암(1)의 인스트루멘트(42)를 동작시킨다.

인스트루멘트(42)는 그 기단부에 설치된 구동유닛(45)과, 그 선단부에 설치된 엔드이펙터(처치구)(4)와, 구동유닛(45)과 엔드이펙터(4)의 사이를 연결하는 얇고 긴 샤프트(43)로 구성되어 있다. 인스트루멘트(42)에는 기준방향(D)이 규정되어 있어, 구동유닛(45), 샤프트(43) 및 엔드이펙터(44)는 기준방향(D)과 평행하게 늘어선다. 인스트루멘트(42)의 엔드이펙터(4)는 동작하는 관절을 가진 수술기구(예를 들어, 겸자, 가위, 글래스퍼(Grasper), 니들홀더, 마이크로 디섹터(Micro-Dissector), 스테이플 어플라이어(Staple apllier)，타카，흡인세정툴，스네어와이어(Snare wire) 및　클립 어플라이어(Clip applier) 등)이나, 관절을 가지지 않는 기구(예를 들어, 절단도, 소작프로브, 세정기, 카테터 및 흡입관 등)로 이루어진 군(群)에 의해 선택된다.

외과수술 시스템(100)에서는 슬레이브암(1)의 선단의 수술기구(4)에 의해 환자(214)에 대한 각종 시술이 행해진다. 일반시술뿐만 아니라, 외과수술 시스템(100)을 이용한 시술도 또한, 시술자의 숙련이 요구된다. 본 실시형태의 구성이라 하더라도, 수술기구(4)가 환자(214)에 닿았을 경우, 시술자는 접촉 순간에 마스터암(2)으로부터 순간적으로 강한 반력을 느끼므로, 접촉을 민감하게 감지하여, 높은 정밀도의 시술이 가능해진다.

(그 외의 실시형태)

또한, 상기 각 실시형태의 원격조작시스템(100)은 힘검지장치로써 역각센서(5)를 구비하고, 이 역각센서(5)에 의해 엔드이펙터의 선단에 가해지는 힘을 검지하는 구성이었지만(도2, 도3 참조) 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 상술한 바와 같이 동작제어부(6)는 슬레이브암(1)의 각 관절축을 구동하는 서보모터를 제어하지만, 각 관절축의 위치편차, 속도편차 및 전류편차 중 적어도 1개의 변화율에 기초하여 슬레이브암(1)의 엔드이펙터(4)의 선단에 작동하는 힘을 산출해도 좋다. 이에 의해 역각센서(5)를 구비하지 않고, 간이한 구성으로 상기 실시형태와 동등한 효과를 나타낼 수 있다.

또, 상기 각 실시형태의 로봇시스템(100)은 마스터슬레이브식의 원격조작 시스템으로 구성되었지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 그 외의 로봇시스템에 있어서, 로봇암에 부착된 엔드이펙터의 선단이 작업대상물에 접촉했을 때, 작업대상물로부터 받은 반력을 주위의 인간 또는 시스템의 관리자에게 지각시킬 수 있는 구성이어도 좋다.

상기 설명으로부터, 통상의 기술자(당업자)에게는 본 발명의 많은 개량이나 다른 실시형태가 명백하다. 따라서, 상기 발명은 예시로써만 해석되어야만 하고, 본 발명을 실행하는 최선의 형태를 통상의 기술자에게 교시하는 목적으로 제공된 것 이다. 본 발명의 정신을 벗어나는 일 없이, 그 구조 및 기능의 한쪽 또는 양쪽의 상세를 실질적으로 변경할 수 있다.

본 발명은 로봇시스템을 높은 정밀도가 필요한 작업에 적용하는 경우에 유용하다.

1 슬레이브암(로봇본체)
2 마스터암(조작장치)
3 제어장치
4 엔드이펙터
5 역각센서(힘검지장치)
6 동작제어부
7 역각정보처리부
8 모니터제어부
9 입력장치
10 기억부
21 실제반력정보 생성기
22 가상반력정보 생성기
23 가산기
25 모드선택부
100 원격조작 시스템(로봇시스템)
200 끼우기부품
210 피끼우기부품
211 구멍
212 피측정물
213 측정대
214 환자

Claims

로봇암과, 상기 로봇암에 부착된 엔드이펙터와, 상기 엔드이펙터의 선단에 가해지는 힘을 검지하는 힘검지장치를 구비한 로봇 본체와,
상기 힘검지장치가 검지하는 힘에 따른 역각정보를 생성하고, 해당 역각정보를 실제반력정보로써 출력하는 실제반력정보 생성기와,
상기 힘검지장치가 검지하는 힘의 시간미분값에 비례한 크기의 성분을 가상반력정보로써 출력하는 가상반력정보 생성기와,
상기 실제반력정보 생성기로부터 출력되는 상기 실제반력정보와, 상기 가상반력정보 생성기로부터 출력되는 가상반력정보를 가산한 것을 합성반력정보로써 출력하는 가산기와,
상기 가산기로부터 출력되는 상기 합성반력정보에 따른 힘을 상기 조작자에게 지각시키고, 그리고, 조작자가 조작하면, 해당 조작에 따른 조작정보를 출력하는 조작장치와,
상기 조작장치로부터 출력되는 조작정보에 따라, 상기 로봇본체의 동작을 제어하는 동작제어부를 구비하는 로봇시스템.
제1항에 있어서,
상기 로봇본체는 슬레이브암이고, 상기 조작장치는 마스터암이고, 상기 마스터암에 의해 상기 슬레이브암이 원격조작되는, 로봇시스템.
제1항에 있어서,
상기 힘검지장치는 상기 엔드이펙터의 기단에 부착되어, 해당 엔드이펙터의 선단에 가해지는 힘을 검지하도록 구성된 역각센서인, 로봇시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 로봇본체의 동작을 제어하는 상기 동작제어부의 운전모드를, 상기 조작정보를 상기 로봇본체의 동작에 반영시키는 일 없이, 미리 설정된 소정의 프로그램을 이용하여 상기 로봇본체의 동작을 제어하는 자동모드와, 상기 조작정보를 상기 로봇본체의 동작에 반영시키는 것이 가능한 상태에서, 미리 설정된 소정의 프로그램을 이용하여, 상기 로봇본체의 동작을 제어하는 수정자동모드와, 상기 소정의 프로그램을 이용하는 일 없이 상기 조작정보를 이용하여 상기 로봇본체의 동작을 제어하는 수동모드의 어느 것을 선택 가능하게 구성된 모드선택부를 더 구비하고,
상기 동작제어부는 상기 운전모드가 상기 수정자동모드일 때에, 상기 로봇본체가 상기 소정의 프로그램을 이용하여, 동작하고 있는 도중에 상기 조작정보를 받아서, 상기 소정의 프로그램에 관한 동작으로부터 수정된 동작을 행하도록 상기 로봇본체를 제어하는, 로봇시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 로봇의 원격조작 시스템은 외과수술시스템에 적용되며, 상기 엔드이펙터는 수술기구인, 로봇시스템.