WO2018123753A1 - 液圧鉗子システム - Google Patents

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WO2018123753A1
WO2018123753A1 PCT/JP2017/045657 JP2017045657W WO2018123753A1 WO 2018123753 A1 WO2018123753 A1 WO 2018123753A1 JP 2017045657 W JP2017045657 W JP 2017045657W WO 2018123753 A1 WO2018123753 A1 WO 2018123753A1
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pressure
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motor
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Inventor
英紀 田中
麻里子 尾形
藤本　浩明
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川崎重工業株式会社
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    • F15B2215/30—Constructional details thereof

Definitions

  • the present invention relates to a hydraulic forceps system including a robot forceps that opens and closes a gripper using hydraulic pressure.
  • FIG. 9 of Patent Document 1 describes a pneumatic actuator used for such robot forceps.
  • FIG. 4 shows the pneumatic actuator 100.
  • a piston 130 is accommodated in a cylinder 140, and the piston 130 is connected to the gripper 110 by a rod 120.
  • the cylinder 140 is provided with a displacement sensor 150 that detects the amount of movement of the piston 130.
  • the displacement sensor 150 is used for calculating the external force F.
  • the displacement sensor 150 can also be used as a position sensor for detecting the position of the piston 130 in order to control the opening and closing of the gripper 110.
  • the tip of the robot forceps is very thin, it is difficult to provide such a position sensor (displacement sensor 150) at the tip of the robot forceps.
  • an object of the present invention is to make it possible to control the opening and closing of the gripper without providing a position sensor at the tip of the robot forceps.
  • the present invention provides a gripper, a first piston connected to the gripper, and a first pressure chamber that accommodates the first piston and is filled with hydraulic fluid together with the first piston.
  • 1 cylinder, 2nd piston, 2nd cylinder which accommodates said 2nd piston and forms the 2nd pressure chamber filled with said hydraulic fluid with said 2nd piston, said 1st pressure chamber and said 2nd pressure chamber
  • a robot forceps including a communication path that communicates and a motor that drives the second piston via a linear motion mechanism, a position sensor that is used to detect the position of the second piston, and a command position for the first piston.
  • a control device for controlling the motor based on the first piston based on the position of the second piston detected using the position sensor.
  • a hydraulic forceps system comprising: an observer for deriving an estimated position of the engine; and a position control unit for deriving a target rotational speed of the motor based on a deviation between the estimated position of the first piston and the command position.
  • the movement amount of the first piston connected to the gripper in other words, the first piston on the distal end side of the robot forceps is substantially influenced by the external force. Without being proportional to the amount of movement of the second piston.
  • the second piston is driven by a motor via a linear motion mechanism. Therefore, if the control device controls the motor based on the command position for the first piston, the opening and closing of the gripper can be controlled. Further, the control device includes an observer for deriving an estimated position of the first piston based on the position of the second piston, and the estimated position of the first piston is compared with the command position. There is no need to provide a position sensor for detection. That is, the opening / closing of the gripper can be controlled without providing a position sensor at the tip of the robot forceps.
  • the position sensor may be a rotary encoder that detects a rotational displacement amount of the motor and converts the rotational displacement amount into a position of the second piston.
  • the hydraulic forceps system further includes a pressure sensor that detects a pressure of the hydraulic fluid, and the observer detects the pressure of the hydraulic fluid detected by the pressure sensor and the position sensor.
  • the estimated position of the first piston may be derived based on the position of the two pistons. According to this configuration, the estimation accuracy of the position of the first piston can be improved as compared with the case where the estimated position of the first piston is derived based only on the position of the second piston.
  • the observer derives an estimated position of the second piston and an estimated pressure of the hydraulic fluid, and a deviation between the pressure of the hydraulic fluid detected by the pressure sensor and the estimated pressure of the hydraulic fluid and the position sensor
  • An estimation error is calculated based on a deviation between the position of the second piston and the estimated position of the second piston detected by using the feedback, and the calculated estimation error is fed back to the derivation of the estimated position of the first piston. Also good.
  • the opening and closing of the gripper can be controlled without providing a position sensor at the tip of the robot forceps.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a hydraulic forceps system according to an embodiment of the present invention. It is a block diagram of an observer. A matrix representing a state variable. It is a schematic block diagram of the conventional pneumatic actuator used for robot forceps.
  • FIG. 1 shows a hydraulic forceps system 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the hydraulic forceps system 1 includes a robot forceps 2 and a control device 7.
  • the control device 7 may be mounted on the master side device or may be mounted on the slave side device.
  • the control device 7 may be incorporated in a drive unit 21 described later of the robot forceps 2.
  • the robot forceps 2 opens and closes the gripper 24 using the hydraulic pressure of the hydraulic fluid 20.
  • the hydraulic fluid 20 is not particularly limited, and is, for example, physiological saline or oil.
  • the robot forceps 2 includes a drive unit 21, an insertion shaft 22 that extends from the drive unit 21 and is inserted into a patient's body, and a gripper 24 that includes a pair of claws 25 provided at the distal end of the insertion shaft 22.
  • the drive unit 21 may incorporate a mechanism for sliding the insertion shaft 22 in its axial direction and a mechanism for rotating the insertion shaft 22 about its central axis.
  • the distal end portion of the insertion shaft 22 may be configured to be swingable, and a mechanism for swinging the distal end portion may be incorporated in the drive unit 21.
  • the insertion shaft 22 is a highly rigid tube that extends linearly.
  • the insertion shaft 22 may be a flexible tube.
  • the first cylinder 31 is disposed in the distal end portion of the insertion shaft 22.
  • the central axis of the first cylinder 31 coincides with the central axis of the insertion shaft 22.
  • the first cylinder 31 has a tubular portion, a front wall that closes the inside of the tubular portion from the gripper 24 side, and a rear wall that closes the inside of the tubular portion from the opposite side of the gripper 24.
  • the first piston 32 is accommodated in the first cylinder 31.
  • a first pressure chamber 3A is formed between the first piston 32 and the rear wall of the first cylinder 31, and a back pressure chamber 3B is formed between the first piston 32 and the front wall of the first cylinder 31. ing.
  • the inside of the first pressure chamber 3A is filled with the hydraulic fluid 20, and the inside of the back pressure chamber 3B is open to the atmosphere.
  • a spring 34 that biases the first piston 32 is disposed in the back pressure chamber 3B.
  • the first piston 32 is connected to the gripper 24 via the link mechanism 23 by a rod 33 that penetrates the front wall of the first cylinder 31.
  • the link mechanism 23 converts the linear motion of the rod 33 into the opening / closing motion of the gripper 24.
  • the 2nd cylinder 41 connected with the 1st cylinder 31 by the communicating path 26 is arrange
  • the axial direction of the second cylinder 41 is parallel to the axial direction of the insertion shaft 22.
  • the axial direction of the second cylinder 41 is not particularly limited.
  • the second cylinder 41 has a tubular portion, a front wall that closes the inside of the tubular portion from the insertion shaft 22 side, and a rear wall that closes the inside of the tubular portion from the side opposite to the insertion shaft 22.
  • the second piston 42 is accommodated in the second cylinder 41.
  • a second pressure chamber 4A is formed between the second piston 42 and the front wall of the second cylinder 41, and a back pressure chamber 4B is formed between the second piston 42 and the rear wall of the second cylinder 41. ing.
  • the inside of the second pressure chamber 4A is filled with the hydraulic fluid 20, and the inside of the back pressure chamber 4B is open to the atmosphere.
  • the communication path 26 described above extends in the insertion shaft 22 and communicates the first pressure chamber 3A and the second pressure chamber 4A.
  • the communication path 26 is also filled with the hydraulic fluid 20.
  • the communication path 26 is configured by a metal tube or a resin flexible tube.
  • the second piston 42 is connected to the linear motion mechanism 51 by a rod 43 that penetrates the rear wall of the second cylinder 41.
  • the linear motion mechanism 51 is also connected to the output shaft 53 of the motor 52.
  • the linear motion mechanism 51 converts the rotational motion of the output shaft 53 of the motor 52 into the linear motion of the rod 43. That is, the motor 52 drives the second piston 42 via the linear motion mechanism 51 and the rod 43.
  • the motor 52 is, for example, a servo motor.
  • the command position tx 1 for the first piston 32 is input to the control device 7 from the master side device described above.
  • an opening degree command to the gripper 24 is input to the control device 7, and the control device 7 may include a command position calculation unit that calculates a command position tx 1 for the first piston 32 from the opening degree command.
  • the control device 7 controls the motor 52 based on the command position tx 1 for the first piston 32.
  • the control device 7 includes, for example, a memory such as a ROM or a RAM and a CPU, and a program stored in the ROM is executed by the CPU.
  • the control device 7 includes a position control unit 71, a speed control unit 72, an inverter unit 73, a differentiation unit 75 and an observer 8.
  • the control device 7 may be a single device or may be divided into a plurality of devices.
  • control device 7 is electrically connected to the pressure sensor 61 and the position sensor 62.
  • the pressure sensor 61 is for detecting the pressure P of the hydraulic fluid 20
  • the position sensor 62 is used for a detection of the position x 2 of the second piston 42.
  • the position sensor 62 is a rotary encoder provided in the motor 52, detects the rotational displacement amount of the motor 52, and converts the rotational displacement amount into the position x 2 of the second piston 42.
  • the position sensor 62 may be a linear encoder provided on the linear motion mechanism 51, the position x 2 of the second piston 42 provided in the second cylinder 41 may be directly detected.
  • the observer 8 derives the estimated position ex 1 of the first piston 32 based on the pressure P of the hydraulic fluid 20 detected by the pressure sensor 61 and the position x 2 of the second piston 42 detected using the position sensor 62. To do. The function of the observer 8 will be described in detail later.
  • Differentiator 75 differentiates the position x 2 of the second piston 42 which is detected using the position sensor 62 and calculates the current rotational speed V of the motor 52.
  • the relationship between the deviation ⁇ V and the target current Ct is set in advance.
  • a current sensor 74 is provided on the power line between the inverter unit 73 and the motor 52.
  • the inverter unit 73 supplies current to the motor 52 so that the deviation between the current Cn detected by the current sensor 74 and the target current Ct is small.
  • the observer 8 models the movement amount of the second piston 42 and the first piston 32 when the force F is applied to the second piston 42, and can be expressed by the following state equation 1 and output equation 2. .
  • the dot symbol to be written on the variable is shown on the upper right of the variable.
  • X ⁇ AX + BF (1)
  • Y CX (2)
  • x 1 position x 2 of the first piston: position P of the second piston: pressure of the working fluid
  • F force applied to the second piston
  • B Matrix indicating the coefficients in the state equation 1
  • C Matrix matrices A and B indicating the coefficients in the output equation 2 are obtained from the state equation for the first piston 32, the state equation for the second piston 42, and the like.
  • the observer 8 first obtains the estimated state variable eX ⁇ using the matrices A and B, and then integrates this to calculate the estimated state variable X ⁇ . That is, the observer 8 derives not only the estimated position ex 1 of the first piston 32 but also the estimated position ex 2 of the second piston 42 and the estimated pressure eP of the hydraulic fluid 20. The derived estimated position ex 1 of the first piston 32 is compared with the command position tx 1 for the first piston 32 as described above.
  • the incompressible hydraulic fluid 20 is used, so that the first piston 32 connected to the gripper 24, in other words, on the distal end side of the robot forceps 2.
  • the movement amount of a certain first piston 32 is proportional to the movement amount of the second piston 42 without being substantially affected by an external force.
  • the second piston 42 is driven by the motor 52 via the linear motion mechanism 51. Therefore, if the control device 7 controls the motor 52 based on the command position tx 1 for the first piston 32, the opening and closing of the gripper 24 can be controlled.
  • the controller 7 includes an observer 8 to derive an estimated position ex 1 the first piston 32 on the basis of the position x 2 of the second piston 42, the estimated position ex 1 a command position tx 1 of the first piston 32 Therefore, there is no need to provide a position sensor for detecting the position of the first piston 32. That is, the opening / closing of the gripper 24 can be controlled without providing a position sensor at the tip of the robot forceps 2.
  • the pressure sensor 61 is not provided, and the observer 8 may derive the estimated position ex 1 of the first piston 32 based only on the position x 2 of the second piston 42 detected using the position sensor 62.
  • the estimated position of the first piston 32 on the basis of the pressure P of the hydraulic fluid 20 which is detected by the position x 2 and the pressure sensor 61 of the second piston 42 which is detected using the position sensor 62 If ex 1 is derived, the estimation accuracy of the position of the first piston 32 can be improved as compared with the case where the estimated position ex 1 of the first piston 32 is derived only based on the position x 2 of the second piston 42. .
  • the first piston 32 moves backward by the biasing force of the spring 34.
  • another hydraulic fluid supply / discharge mechanism including the second cylinder 41, the second piston 42, the linear motion mechanism 51, and the motor 52 is provided, and the second pressure chamber 4A of the other hydraulic fluid supply / discharge mechanism is the first.
  • the first piston 32 may be retracted by the hydraulic pressure of hydraulic fluid supplied to the back pressure chamber 3B, connected to the back pressure chamber 3B between the front wall of the one cylinder 31 and the first piston 32.
  • one end of the wire may be fixed to the first piston 32, and the first piston 32 may be retracted by pulling the wire.
  • a means for allowing correction to the observer 8 according to the state of the first piston 32 and / or the second piston 42, the load condition, the individual difference of the robot forceps 2, the surrounding environment, and the like is separately provided. May be.

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Abstract

液圧鉗子システムは、グリッパー、グリッパーと連結された第１ピストン、第１ピストンと共に作動液で満たされる第１圧力室を形成する第１シリンダ、第２ピストン第２ピストンと共に作動液で満たされる第２圧力室を形成する第２シリンダ、第１圧力室と第２圧力室とを連通する連通路、および直動機構を介して第２ピストンを駆動するモータ、を含むロボット鉗子と、第１ピストンに対する指令位置に基づいてモータを制御する制御装置と、第２ピストンの位置の検出に用いられる位置センサと、を備え、制御装置は、位置センサを用いて検出される第２ピストンの位置に基づいて、第１ピストンの推定位置を導出するオブザーバと、第１ピストンの推定位置と指令位置との偏差に基づいて、モータの目標回転速度を導出する位置制御部と、を含む。

Description

液圧鉗子システム
　本発明は、液圧を利用してグリッパーの開閉を行うロボット鉗子を含む液圧鉗子システムに関する。
　従来から、手術支援ロボットでは、ワイヤの引っ張りおよび引き戻しによってグリッパーの開閉を行うワイヤ駆動式のロボット鉗子が用いられている。近年では、ワイヤ駆動式のロボット鉗子に代えて、空気圧を利用してグリッパーの開閉を行うロボット鉗子も提案されてきている。例えば、特許文献１の図９には、そのようなロボット鉗子に用いられる空気圧アクチュエータが記載されている。図４に、その空気圧アクチュエータ１００を示す。
　具体的に、空気圧アクチュエータ１００では、シリンダ１４０内にピストン１３０が収容され、そのピストン１３０がロッド１２０によりグリッパー１１０と連結されている。シリンダ１４０には、ピストン１３０の移動量を検出する変位センサ１５０が設けられている。変位センサ１５０は、外力Ｆの算出に用いられる。
特開２０１３－２２０２７３号公報
　ところで、図４に示す空気圧アクチュエータ１００において、変位センサ１５０を、グリッパー１１０の開閉を制御するためにピストン１３０の位置を検出する位置センサとして使用することも可能である。しかしながら、ロボット鉗子の先端部は非常に細いため、そのような位置センサ（変位センサ１５０）をロボット鉗子の先端部に設けることは困難である。
　そこで、本発明は、ロボット鉗子の先端部に位置センサを設けることなく、グリッパーの開閉を制御できるようにすることを目的とする。
　前記課題を解決するために、本発明は、グリッパー、前記グリッパーと連結された第１ピストン、前記第１ピストンを収容して前記第１ピストンと共に作動液で満たされる第１圧力室を形成する第１シリンダ、第２ピストン、前記第２ピストンを収容して前記第２ピストンと共に前記作動液で満たされる第２圧力室を形成する第２シリンダ、前記第１圧力室と前記第２圧力室とを連通する連通路、および直動機構を介して前記第２ピストンを駆動するモータ、を含むロボット鉗子と、前記第２ピストンの位置の検出に用いられる位置センサと、前記第１ピストンに対する指令位置に基づいて前記モータを制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記位置センサを用いて検出される前記第２ピストンの位置に基づいて、前記第１ピストンの推定位置を導出するオブザーバと、前記第１ピストンの推定位置と前記指令位置との偏差に基づいて、前記モータの目標回転速度を導出する位置制御部と、を含む、液圧鉗子システムを提供する。
　上記の構成によれば、非圧縮性の作動液が用いられるので、グリッパーと連結された第１ピストン、換言すればロボット鉗子の先端側にある第１ピストンの移動量は、外力にほぼ影響されることなく第２ピストンの移動量と比例する。しかも、第２ピストンは、直動機構を介してモータにより駆動される。よって、制御装置が第１ピストンに対する指令位置に基づいてモータを制御すれば、グリッパーの開閉を制御することができる。さらに、制御装置は、第２ピストンの位置に基づいて第１ピストンの推定位置を導出するオブザーバを含み、この第１ピストンの推定位置と指令位置とが比較されるので、第１ピストンの位置を検出する位置センサを設ける必要がない。すなわち、ロボット鉗子の先端部に位置センサを設けることなく、グリッパーの開閉を制御することができる。
　例えば、前記位置センサは、前記モータの回転変位量を検出し、その回転変位量を前記第２ピストンの位置に変換するロータリエンコーダであってもよい。
　上記の液圧鉗子システムは、前記作動液の圧力を検出する圧力センサをさらに備え、前記オブザーバは、前記圧力センサで検出される前記作動液の圧力および前記位置センサを用いて検出される前記第２ピストンの位置に基づいて、前記第１ピストンの推定位置を導出してもよい。この構成によれば、第２ピストンの位置のみに基づいて第１ピストンの推定位置を導出する場合よりも、第１ピストンの位置の推定精度を向上させることができる。
　例えば、前記オブザーバは、前記第２ピストンの推定位置および前記作動液の推定圧力を導出し、前記圧力センサで検出される前記作動液の圧力と前記作動液の推定圧力との偏差および前記位置センサを用いて検出される前記第２ピストンの位置と前記第２ピストンの推定位置との偏差に基づいて推定誤差を算出し、算出した推定誤差を前記第１ピストンの推定位置の導出にフィードバックしてもよい。
　本発明によれば、ロボット鉗子の先端に位置センサを設けることなく、グリッパーの開閉を制御することができる。
本発明の一実施形態に係る液圧鉗子システムの概略構成図である。 オブザーバのブロック線図である。 状態変数を表す行列である。 ロボット鉗子に用いられる、従来の空気圧アクチュエータの概略構成図である。
　図１に、本発明の一実施形態に係る液圧鉗子システム１を示す。この液圧鉗子システム１は、ロボット鉗子２と制御装置７を含む。
　例えば、液圧鉗子システム１が手術支援ロボットに用いられる場合、スレーブ側装置に取り付けられるロボット鉗子２をマスタ側装置で医師が遠隔操作する。この場合、制御装置７は、マスタ側装置に搭載されてもよいし、スレーブ側装置に搭載されてもよい。あるいは、制御装置７は、ロボット鉗子２の後述する駆動ユニット２１に組み込まれてもよい。
　ロボット鉗子２は、作動液２０の液圧を利用してグリッパー２４の開閉を行うものである。作動液２０は、特に限定されるものではないが、例えば、生理食塩水や油などである。
　具体的に、ロボット鉗子２は、駆動ユニット２１と、駆動ユニット２１から延びて患者の体内に挿入される挿入シャフト２２と、挿入シャフト２２の先端に設けられた、一対の爪２５からなるグリッパー２４を含む。なお、図示は省略するが、駆動ユニット２１には、挿入シャフト２２をその軸方向にスライドさせる機構、および挿入シャフト２２をその中心軸回りに回転させる機構が組み込まれてもよい。さらに、挿入シャフト２２の先端部が揺動可能に構成され、その先端部を揺動させる機構が駆動ユニット２１に組み込まれてもよい。
　本実施形態では、挿入シャフト２２が、直線状に延びる高剛性の管である。ただし、挿入シャフト２２は、フレキシブルな管であってもよい。
　挿入シャフト２２の先端部内には、第１シリンダ３１が配置されている。本実施形態では、第１シリンダ３１の中心軸が挿入シャフト２２の中心軸と一致している。第１シリンダ３１は、管状部と、管状部の内部をグリッパー２４側から閉塞する前壁と、管状部の内部をグリッパー２４と反対側から閉塞する後壁を有している。
　第１シリンダ３１内には、第１ピストン３２が収容されている。第１ピストン３２と第１シリンダ３１の後壁との間には第１圧力室３Ａが形成され、第１ピストン３２と第１シリンダ３１の前壁との間には背圧室３Ｂが形成されている。第１圧力室３Ａ内は作動液２０で満たされており、背圧室３Ｂ内は大気中に開放されている。本実施形態では、背圧室３Ｂ内に、第１ピストン３２を付勢するスプリング３４が配置されている。
　第１ピストン３２は、第１シリンダ３１の前壁を貫通するロッド３３によりリンク機構２３を介してグリッパー２４と連結されている。リンク機構２３は、ロッド３３の直線運動をグリッパー２４の開閉運動に変換する。
　駆動ユニット２１内には、連通路２６により第１シリンダ３１と接続された第２シリンダ４１が配置されている。本実施形態では、第２シリンダ４１の軸方向が、挿入シャフト２２の軸方向と平行である。ただし、第２シリンダ４１の軸方向は、特に限定されるものではない。第２シリンダ４１は、管状部と、管状部の内部を挿入シャフト２２側から閉塞する前壁と、管状部の内部を挿入シャフト２２と反対側から閉塞する後壁を有している。
　第２シリンダ４１内には、第２ピストン４２が収容されている。第２ピストン４２と第２シリンダ４１の前壁との間には第２圧力室４Ａが形成され、第２ピストン４２と第２シリンダ４１の後壁との間には背圧室４Ｂが形成されている。第２圧力室４Ａ内は作動液２０で満たされており、背圧室４Ｂ内は大気中に開放されている。
　上述した連通路２６は、挿入シャフト２２内を延びており、第１圧力室３Ａと第２圧力室４Ａとを連通している。この連通路２６内も作動液２０で満たされている。例えば、連通路２６は、金属製の管または樹脂製のフレキシブルなチューブで構成される。
　第２ピストン４２は、第２シリンダ４１の後壁を貫通するロッド４３により直動機構５１と連結されている。直動機構５１は、モータ５２の出力シャフト５３とも連結されている。直動機構５１は、モータ５２の出力シャフト５３の回転運動をロッド４３の直線運動に変換する。つまり、モータ５２は、直動機構５１およびロッド４３を介して第２ピストン４２を駆動する。モータ５２は、例えばサーボモータである。
　モータ５２の一方向への回転によって第２ピストン４２が前進すると、作動液２０が第２圧力室４Ａから第１圧力室３Ａへ供給されて第１ピストン３２がスプリング３４の付勢力に抗して前進する。一方、モータ５２の逆方向への回転によって第２ピストン４２が後退すると、スプリング３４の付勢力によって第１ピストン３２が後退しながら作動液２０が第１圧力室３Ａから第２圧力室４Ａへ排出される。すなわち、第２シリンダ４１、第２ピストン４２、直動機構５１およびモータ５２は、第１圧力室３Ａに対する作動液給排機構を構成する。
　制御装置７へは、例えば上述したマスタ側装置から第１ピストン３２に対する指令位置ｔｘ１が入力される。ただし、制御装置７にグリッパー２４への開度指令が入力され、制御装置７が、その開度指令から第１ピストン３２に対する指令位置ｔｘ１を算出する指令位置算出部を含んでもよい。
　制御装置７は、第１ピストン３２に対する指令位置ｔｘ１に基づいてモータ５２を制御する。制御装置７は、例えば、ＲＯＭやＲＡＭなどのメモリとＣＰＵからなり、ＲＯＭに格納されたプログラムがＣＰＵにより実行される。具体的に、制御装置７は、位置制御部７１、速度制御部７２、インバータ部７３、微分部７５およびオブザーバ８を含む。制御装置７は、単一の機器であってもよいし、複数の機器に分割されてもよい。
　本実施形態では、制御装置７が、圧力センサ６１および位置センサ６２と電気的に接続されている。圧力センサ６１は、作動液２０の圧力Ｐを検出するものであり、位置センサ６２は、第２ピストン４２の位置ｘ２の検出に用いられるものである。
　本実施形態では、位置センサ６２が、モータ５２に設けられたロータリエンコーダであり、モータ５２の回転変位量を検出し、その回転変位量を第２ピストン４２の位置ｘ２に変換する。ただし、位置センサ６２は、直動機構５１に設けられたリニアエンコーダであってもよいし、第２シリンダ４１に設けられて第２ピストン４２の位置ｘ２を直接的に検出してもよい。
　オブザーバ８は、圧力センサ６１で検出される作動液２０の圧力Ｐおよび位置センサ６２を用いて検出される第２ピストン４２の位置ｘ２に基づいて、第１ピストン３２の推定位置ｅｘ１を導出する。なお、オブザーバ８の機能については、後述にて詳細に説明する。
　位置制御部７１は、第１ピストン３２の推定位置ｅｘ１と第１ピストン３２に対する指令位置ｔｘ１の偏差Δｘ１（＝ｔｘ１－ｅｘ１）に基づいて、モータ５２の目標回転速度Ｖｔを導出する。偏差Δｘ１と目標回転速度Ｖｔとの関係は、予め設定されている。
　微分部７５は、位置センサ６２を用いて検出される第２ピストン４２の位置ｘ２を微分してモータ５２の現在回転速度Ｖを算出する。速度制御部７２は、モータ５２の目標回転速度Ｖｔと現在回転速度Ｖとの偏差ΔＶ（＝Ｖｔ－Ｖ）に基づいて、モータ５２の目標電流Ｃｔを導出する。偏差ΔＶと目標電流Ｃｔとの関係は、予め設定されている。
　インバータ部７３とモータ５２と間の電力線には、電流センサ７４が設けられている。インバータ部７３は、電流センサ７４で検出される電流Ｃｎと目標電流Ｃｔとの偏差が小さくなるように、モータ５２へ電流を供給する。
　次に、図２を参照して、オブザーバ８の機能について詳細に説明する。オブザーバ８は、第２ピストン４２に力Ｆを加えたときの第２ピストン４２および第１ピストン３２の移動量をモデル化したものであり、以下の状態方程式１および出力方程式２で示すことができる。なお、以下では、ニュートンの記法に従って変数の上に記すべきドット記号を変数の右上に記す。
　　Ｘ・＝ＡＸ＋ＢＦ　・・・（１）
　　Ｙ＝ＣＸ　・・・（２）
　　　Ｘ・，Ｘ，Ｙ：図３に示す行列で表される状態変数
　　　　　ｘ１：第１ピストンの位置
　　　　　ｘ２：第２ピストンの位置
　　　　　Ｐ：作動液の圧力
　　　Ｆ：第２ピストンに加えられる力
　　　Ａ、Ｂ：状態方程式１中の係数を示す行列
　　　Ｃ：出力方程式２中の係数を示す行列
行列Ａ，Ｂは、第１ピストン３２に関する状態方程式および第２ピストン４２に関する状態方程式などから求められる。
　より詳しくは、オブザーバ８は、まず行列Ａ，Ｂを用いて推定状態変数ｅＸ・を求め、ついでこれを積分して推定状態変数Ｘ・を算出する。つまり、オブザーバ８は、第１ピストン３２の推定位置ｅｘ１だけでなく、第２ピストン４２の推定位置ｅｘ２および作動液２０の推定圧力ｅＰも導出する。導出された第１ピストン３２の推定位置ｅｘ１は、上述したように第１ピストン３２に対する指令位置ｔｘ１と比較される。
　さらに、オブザーバ８は、行列Ｃを用いて第２ピストン４２の推定位置ｅｘ２および作動液２０の推定圧力ｅＰを抜き出し、それらを位置センサ６２を用いて検出される第２ピストン４２の位置ｘ２および圧力センサ６１で検出される作動液２０の圧力Ｐと比較する。そして、オブザーバ８は、第２ピストン４２の検出された位置ｘ２と推定位置ｅｘ２との偏差Δｘ２（＝ｘ２－ｅｘ２）と、作動液２０の検出された圧力Ｐと推定圧力ｅＰとの偏差ΔＰ（＝Ｐ－ｅＰ）とに基づき、行列Ｋを用いて状態変数Ｘ・の全要素についての推定誤差を算出する。その後、オブザーバ８は、算出した推定誤差を推定状態変数ｅＸ・の演算にフィードバックする。換言すれば、推定誤差は、第１ピストン３２の推定位置ｅｘ１の導出にフォードバックされる。
　以上説明したように、本実施形態の液圧鉗子システム１では、非圧縮性の作動液２０が用いられるので、グリッパー２４と連結された第１ピストン３２、換言すればロボット鉗子２の先端側にある第１ピストン３２の移動量は、外力にほぼ影響されることなく第２ピストン４２の移動量と比例する。しかも、第２ピストン４２は、直動機構５１を介してモータ５２により駆動される。よって、制御装置７が第１ピストン３２に対する指令位置ｔｘ１に基づいてモータ５２を制御すれば、グリッパー２４の開閉を制御することができる。さらに、制御装置７は、第２ピストン４２の位置ｘ２に基づいて第１ピストン３２の推定位置ｅｘ１を導出するオブザーバ８を含み、この第１ピストン３２の推定位置ｅｘ１と指令位置ｔｘ１とが比較されるので、第１ピストン３２の位置を検出する位置センサを設ける必要がない。すなわち、ロボット鉗子２の先端部に位置センサを設けることなく、グリッパー２４の開閉を制御することができる。
　（変形例）
　本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
　例えば、圧力センサ６１が設けられず、オブザーバ８が、位置センサ６２を用いて検出される第２ピストン４２の位置ｘ２のみに基づいて第１ピストン３２の推定位置ｅｘ１を導出してもよい。ただし、前記実施形態のように、位置センサ６２を用いて検出される第２ピストン４２の位置ｘ２および圧力センサ６１で検出される作動液２０の圧力Ｐに基づいて第１ピストン３２の推定位置ｅｘ１を導出すれば、第２ピストン４２の位置ｘ２のみに基づいて第１ピストン３２の推定位置ｅｘ１を導出する場合よりも、第１ピストン３２の位置の推定精度を向上させることができる。
　前記実施形態では、スプリング３４の付勢力によって第１ピストン３２が後退する。しかし、第２シリンダ４１、第２ピストン４２、直動機構５１およびモータ５２を含む作動液給排機構がもう１つ設けられるとともに、もう１つの作動液給排機構の第２圧力室４Ａが第１シリンダ３１の前壁と第１ピストン３２の間の背圧室３Ｂと接続されて、背圧室３Ｂに供給される作動液の液圧によって第１ピストン３２が後退してもよい。あるいは、第１ピストン３２にワイヤの一端が固定され、ワイヤの引っ張りによって第１ピストン３２が後退してもよい。
　また、オブザーバ８に対して、第１ピストン３２および／または第２ピストン４２の状態、負荷条件、ロボット鉗子２の個体差、周辺環境などに応じて補正をかけることを可能とする手段が別途設けられてもよい。
　１　　液圧鉗子システム
　２　　ロボット鉗子
　２０　作動液
　２４　グリッパー
　２６　連通路
　３１　第１シリンダ
　３２　第１ピストン
　３Ａ　第１圧力室
　４１　第２シリンダ
　４２　第２ピストン
　４Ａ　第２圧力室
　５１　直動機構
　５２　モータ
　６１　圧力センサ
　６２　位置センサ
　７　　制御装置
　８　　オブザーバ
 

Claims (4)

  1. 　グリッパー、前記グリッパーと連結された第１ピストン、前記第１ピストンを収容して前記第１ピストンと共に作動液で満たされる第１圧力室を形成する第１シリンダ、第２ピストン、前記第２ピストンを収容して前記第２ピストンと共に前記作動液で満たされる第２圧力室を形成する第２シリンダ、前記第１圧力室と前記第２圧力室とを連通する連通路、および直動機構を介して前記第２ピストンを駆動するモータ、を含むロボット鉗子と、
    　前記第２ピストンの位置の検出に用いられる位置センサと、
    　前記第１ピストンに対する指令位置に基づいて前記モータを制御する制御装置と、を備え、
    　前記制御装置は、
    　　前記位置センサを用いて検出される前記第２ピストンの位置に基づいて、前記第１ピストンの推定位置を導出するオブザーバと、
    　　前記第１ピストンの推定位置と前記指令位置との偏差に基づいて、前記モータの目標回転速度を導出する位置制御部と、を含む、液圧鉗子システム。
  2. 　前記位置センサは、前記モータの回転変位量を検出し、その回転変位量を前記第２ピストンの位置に変換するロータリエンコーダである、請求項１に記載の液圧鉗子システム。
  3. 　前記作動液の圧力を検出する圧力センサをさらに備え、
    　前記オブザーバは、前記圧力センサで検出される前記作動液の圧力および前記位置センサを用いて検出される前記第２ピストンの位置に基づいて、前記第１ピストンの推定位置を導出する、請求項１または２に記載の液圧鉗子システム。
  4. 　前記オブザーバは、前記第２ピストンの推定位置および前記作動液の推定圧力を導出し、前記圧力センサで検出される前記作動液の圧力と前記作動液の推定圧力との偏差および前記位置センサを用いて検出される前記第２ピストンの位置と前記第２ピストンの推定位置との偏差に基づいて推定誤差を算出し、算出した推定誤差を前記第１ピストンの推定位置の導出にフィードバックする、請求項３に記載の液圧鉗子システム。
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