JP2006167867A - 遠隔操作装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 スレーブハンドと作業対象物との距離を距離検出手段により検出し、前記距離に応じて遠隔操作の操作態様を変更することで、作業者への負担を軽減することができる遠隔操作装置を提供すること。
【解決手段】 操作者が操作するマスタハンド１の操作により、スレーブハンド１１が油圧駆動される。スレーブハンド１１と作業対象物Ａとを撮像手段２１ａ，２１ｂにより撮像して両者の距離を演算する。演算された距離が所定値以上の場合においては、前記マスタハンド１の操作にかかわらず作業対象物Ａに対してスレーブハンド１１を近づける駆動動作を含む自動動作モードが選択され、前記距離が所定値未満である場合においては、前記マスタハンド１の操作に基づいてスレーブハンド１１を駆動することができる手動動作モードが選択されるようになされる。
【選択図】 図１

Description

この本発明は、例えば物体を把持するスレーブハンドを、マスタハンドの動きによって遠隔操作するマスタ・スレーブハンド装置に適用可能な遠隔操作装置に関する。

マスタ・スレーブハンドは、例えば宇宙空間や海洋などのように人間が自由に動くことができない環境下、もしくは生体組織の診断や切除等を行なう遠隔手術等の分野、あるいは危険物を扱う分野など、様々な分野において利用されている。

このマスタ・スレーブハンドは、マスタハンドの動きが忠実にスレーブハンドに伝えられるようになされていることは周知のとおりであり、これに加えて、スレーブハンドが作業対象物に作用する把持力等（力覚）がマスタハンドにフィードバックされるように工夫されたものが提案されている。これにより操作者は、対象物に対して直接的に作業をしているような感覚を得ることができる。

前記したようにマスタハンドに対して力覚をフィードバックさせるように構成したものが、次に示す特許文献１〜３に開示されている。
特開平６−３２４６２２号公報 特開平８−１３１４４７号公報 特開平１１−１６７４１９号公報

ところで、前記したようなマスタ・スレーブハンドによると、作業対象物にアプローチしようとするに際しては、スレーブハンドの姿勢と同様な姿勢を保ってマスタハンドを操作しなければならない。すなわち、スレーブハンドと作業対象物との距離が比較的離れた状態であっても、スレーブハンドが作業対象物に近い状態にある場合であっても、同一レベルの遠隔操作がなされるので、スレーブハンドにより作業対象物を把持する前から作業者に負担がかかり、作業効率を低下させるという問題を抱えている。

この発明は、前記した問題点に着目してなされたものであり、スレーブハンドと作業対象物との距離を距離検出手段により検出し、前記距離に応じて遠隔操作の操作態様を変更できるように構成し、作業者の負担を軽減することができる遠隔操作装置を提供することを課題とするものである。

前記した課題を解決するためになされた第１の発明にかかる遠隔操作装置は、マスタハンドの操作に基づいてスレーブハンドを駆動する遠隔操作装置であって、前記スレーブハンドと当該スレーブハンドによって操作される作業対象物との距離を検出する距離検出手段と、前記距離検出手段によって得られるスレーブハンドと作業対象物との距離に基づいて、前記スレーブハンドの駆動動作を自動動作モードもしくは手動動作モードに選択する動作モード選択手段が具備され、前記距離検出手段によって得られるスレーブハンドと作業対象物との距離が所定値以上の場合においては、前記マスタハンドの操作にかかわらず作業対象物に対してスレーブハンドを近づける駆動動作を含む自動動作モードが選択され、前記距離が所定値未満である場合においては、前記マスタハンドの操作に基づいてスレーブハンドを駆動することができる手動動作モードが選択されるように構成されている点に特徴を有する。

また、第２の発明において、前記動作モード選択手段は、前記距離検出手段による自動動作モードもしくは手動動作モードの選択状況にかかわらず、前記マスタハンドにおける特定な操作により、手動動作モードが選択されるように構成されていることが望ましい。

また、この発明にかかる遠隔操作装置は前記した構成に加えて、第３の発明において、前記スレーブハンドによって作業対象物に与えられる荷重に対応した反力を、前記マスタハンドに与えるフィードバック手段が具備されていることが望ましい。

一方、好ましい実施の形態において第４の発明は、前記距離検出手段によって得られるスレーブハンドと作業対象物との距離に応じて、前記マスタハンドの操作抵抗が変更されるように構成される。

また、この実施の形態による遠隔操作装置において第５の発明は、前記距離検出手段は、好ましくは前記撮像手段によって得られる映像をマスタハンドの操作者に提供する映像再生手段が具備され、前記距離検出手段によって得られるスレーブハンドと作業対象物との距離に応じて、前記映像再生手段によって表示される映像の表示態様が変更されるように構成される。

前記した第１の発明の遠隔操作装置によれば、スレーブハンドと作業対象物との距離を検出する距離検出手段が備えられ、この距離検出手段により検出された距離が所定以上の場合においては、マスタハンドの操作にかかわらず作業対象物に対してスレーブハンドを近づける駆動動作を含む自動動作モードが選択されるようになされる。したがって、作業者はマスタハンドと作業対象物との距離が相当に離れているにもかかわらず、スレーブハンドを遠隔操作する所定の姿勢をもってマスタハンドを操作しなければならないという問題から開放される。

また、第２の発明の遠隔操作装置によれば、前記マスタハンドにおける特定な操作により、手動動作モードが選択されるようになされるので、操作者の意図にしたがった正確な遠隔操作を選択することも可能となる。

また、第３の発明の遠隔操作装置によると、スレーブハンドによって作業対象物に与えられる荷重に対応した反力をマスタハンドに与えるフィードバック手段を具備した構成とされるので、操作者は対象物に対して直接的に作業をしているような感覚を得ることができる。

さらに、第４の発明の遠隔操作装置によると、前記した距離検出手段によって得られるスレーブハンドと作業対象物との距離に応じて、前記マスタハンドの操作抵抗が変更されるようになされるので、作業対象物に対してスレーブハンドが接近した場合において、操作者はマスタハンドを介したより微妙な操作をスレーブハンドに与えることが可能となる。

さらにまた、第５の発明の遠隔操作装置によると、スレーブハンドと作業対象物とを撮像手段によって撮像して両者の距離を検出するようになされ、撮像手段による映像を再生して、前記距離に応じて映像の表示態様を変更するように構成したので、スレーブハンドの状態をより的確に把握することができ、正確な遠隔操作の実行を支援することが可能となる。

以下、この発明にかかる遠隔操作装置について、図に示す実施の形態に基づいて説明する。図１はその第１の実施の形態を示したものであり、この実施の形態においては操作者の手に装着されるグローブがマスタハンドとして機能するように構成した例を示している。すなわち、図１において符号１はグローブ状に形成されたマスタハンドを示しており、符号２はこのマスタハンドを装着した操作者の手を模式的に示している。

前記グローブ状のマスタハンド１内には、操作者の例えば親指と人差し指に対応する位置に反力発生手段３ａ，３ｂが収容されており、これにより後述するスレーブハンド側において作業対称物に与えられる荷重に対応した反力が、コントローラ９を介して操作者側にフィードバックされるように構成されている。

また、前記マスタハンド１の位置および姿勢を検知する位置／姿勢センサ４が具備されており、この位置／姿勢センサ４によるセンサ出力はコントローラ９に供給されるように構成されている。さらにマスタハンド１側には、手動モード選択センサ５が具備されており、この手動モード選択センサ５によるセンサ出力は同様にコントローラ９に供給されるように構成されている。なお、前記手動モード選択センサ５は、マスタハンド１側における特定な操作、すなわち遠隔操作にあまり関与しない例えば作業者の小指を対象とし、これを内側に曲げる操作を実行することによりセンサ出力が発生するように構成されている。

さらに、前記マスタハンド１の位置および姿勢を操作するにあたり、その操作に抵抗を与える操作抵抗付与手段６が備えられており、この操作抵抗付与手段６に対してコントローラ６より、後述する操作抵抗付与信号が供給されるように構成されている。

一方、符号１１はスレーブハンドを示しており、この図１に示す実施の形態においてはスレーブハンド１１によって、作業対象物Ａを把持する例を示している。このスレーブハンド１１は、一例としてコ字状に形成されたハンド本体１２の両先端部に複数の関節部１３ａ，１３ｂが取り付けられ、これら関節部１３ａ，１３ｂを介してさらに指部１４ａ，１４ｂを取り付けてなる多指ハンドを構成している。そして、前記関節部１３ａ，１３ｂは、コントローラ９からの例えば油圧制御により駆動され、指部１４ａ，１４ｂによって前記作業対象物Ａを把持するように動作する。

また、前記指部１４ａ，１４ｂには、それぞれ荷重センサ１５ａ，１５ｂが取り付けられており、前記指部１４ａ，１４ｂによって作業対象物Ａを把持した時に当該作業対象物に与える荷重を検出してコントローラ９に供給するように構成されている。また、前記スレーブハンド１１を構成するハンド本体１２は、位置／姿勢制御部１７によってその位置および姿勢が制御されるように構成されている。なお、この位置／姿勢制御部１７もコントローラ９からの例えば油圧制御により駆動される。

また、スレーブハンド１１側には、スレーブハンド１１と作業対象物Ａとを撮像する一対の撮像手段（ビデオカメラ）２１ａ，２１ｂと、これらの映像出力を利用してスレーブハンド１１と作業対象物Ａとの距離を演算する距離演算手段２２が具備されている。前記撮像手段２１ａ，２１ｂは、いわゆるステレオカメラとして機能し、これらの映像出力を前記距離演算手段２２によって処理することにより、スレーブハンド１１と作業対象物Ａとの距離を算出し、その情報は前記コントローラ９に供給するように構成されている。したがって、ここでは前記一対の撮像手段２１ａ，２１ｂと距離演算手段２２の構成を、距離検出手段と称呼することにする。

また、前記撮像手段２１ａ，２１ｂによって撮像された映像信号は、前記コントローラ９を介してマスタハンド１側に設置された映像再生手段としてのテレビモニタ７に対してモニタ出力として供給され、当該テレビモニタ７によって再生されるように構成されている。

前記した図１に示す実施の形態においては後で詳細に説明するとおり、手動動作モードと自動動作モードとが選択されるように構成されている。以下においては前者の手動動作モードが選択されている場合に基づいて説明する。

図１に示す構成において、前記したグローブ状のマスタハンド１の位置および姿勢を変化させた場合には、前記した位置／姿勢センサ４によるセンサ出力（位置／姿勢情報）がコントローラ９に供給される。コントローラ９はこれを受けて、スレーブハンド１１における位置／姿勢制御部１７に対して油圧制御を実行し、前記マスタハンド１側における位置および姿勢に対応した制御を実行する。すなわち、ここでは周知のマスタ・スレーブ動作が実行される。

前記した操作によりスレーブハンド１１を作業対象物Ａの直近に移動し、グローブ状のマスタハンド１において、作業対象物Ａを掴む動作を実行した場合にはマスタハンド１より動きベクトルの情報が出力され、これが把持力情報としてコントローラ９に送られる。この把持力情報に基づいてコントローラ９は油圧制御を実行し、これによりスレーブハンド１１における関節部１３ａ，１３ｂを駆動させて前記指部１４ａ，１４ｂによって作業対象物Ａを掴む動作を実行する。

前記指部１４ａ，１４ｂによって作業対象物Ａを掴む動作を実行した場合には、前記指部１４ａ，１４ｂに取り付けられた荷重センサ１５ａ，１５ｂによるセンサ出力がコントローラ９に供給される。そしてコントローラ９においては前記荷重に対応した反力駆動信号を反力フィードバック手段９ａにおいて生成する。この反力駆動信号は、マスタハンド１に収容された反力発生手段３ａ，３ｂに供給され、この反力発生手段３ａ，３ｂはこれが駆動されることにより、操作者の手２に対して反力としての刺激を与えるように作用する。

前記反力発生手段３ａ，３ｂとしては、操作者の手（特に親指および人差し指）に対して圧力を加えるようなアクチュエータ、もしくは低周波の振動信号を加えるバイブレータ手段などを採用することができる。この場合、反力フィードバック手段９ａより供給される反力駆動信号のレベルに応じて、前記した指に加わる圧力または振動信号のレベルが変化されるように制御される。これにより、操作者は対象物Ａに対して直接的に作業をしているような感覚を得ることができる。

以上の説明は、前記したとおり手動動作モードにおいてなされるマスタ・スレーブ動作の基本的な動きである。ここで、前記した撮像手段２１ａ，２１ｂと距離演算手段２２からなる距離検出手段により得られるスレーブハンド１１と作業対象物Ａとの距離に対応する情報は、コントローラ９における動作モード選択手段９ｂに供給される。この動作モード選択手段９ｂにおいては、スレーブハンド１１と作業対象物Ａとの距離が所定値以上の場合においては、自動動作モードが選択されるようになされる。

前記した自動動作モードが選択された場合においては、前記したマスタハンド１の操作にかかわらず作業対象物Ａに対してスレーブハンド１１を近づける駆動動作が実行される。したがって、この自動動作モードが選択されている状態においては、操作者はスレーブハンド１１を遠隔操作すべく所定の姿勢をもってマスタハンド１を操作しなければならないという問題から開放される。

そして、スレーブハンド１１と作業対象物Ａとの距離が所定値未満に達したことが、前記した距離検出手段により検知された場合には、コントローラ９における動作モード選択手段９ｂは、前記した自動動作モードから手動動作モードに切り替える動作を実行する。したがって、自動動作モードによって前記スレーブハンド１１が作業対象物Ａの直近に至った以後は、手動動作モードに切り替えられる。

それ故、前記したとおりマスタハンド１の位置および姿勢を操作し、さらに作業対象物を掴む動作を実行することにより、スレーブハンド１１の指部１４ａ，１４ｂは、その動きにしたがって作業対象物Ａを掴む動作を実行することになる。このようにして、スレーブハンド１１により作業対象物Ａを掴む動作を実行した場合においては、前記したとおり荷重センサ１５ａ，１５ｂによるセンサ出力に基づいて反力発生手段３ａ，３ｂが駆動され、操作者の手に対して反力が加えられるように作用する。

ここで、マスタハンド１側には前記したとおり手動モード選択センサ５が具備されており、これは前記した自動動作モードに設定されている状態において、例えば作業者の小指を内側に曲げる操作を行なうことによりセンサ出力が発生し、コントローラ９における動作モード選択手段９ｂは前記センサ出力を受けて手動動作モードに切り替えるように動作する。このように自動動作モードから任意に手動動作モードに切り替えができるように構成することで、操作者の意図にしたがった正確な遠隔操作を実行することが可能となる。

また、前記したように手動モード選択センサ５のセンサ出力に基づいて手動動作モードに切り替えた場合においては、前記した操作抵抗付与手段６が動作して、マスタハンド１の位置および姿勢を操作する場合の操作抵抗が変更されるようになされる。図３は操作抵抗が変更される例を示したものであり、横軸は前記した撮像手段２１ａ，２１ｂと距離演算手段２２からなる距離検出手段により得られるスレーブハンド１１と作業対象物Ａとの距離を示しており、縦軸は操作抵抗付与手段６によってマスタハンド１に与えられる操作抵抗力を示している。

図３に示したように、スレーブハンド１１が作業対象物Ａに近ずくにしたがって、換言すれば距離が小さくなるにしたがって、マスタハンド１の操作抵抗力が大きくなるように制御される。したがって、作業対象物Ａに対してスレーブハンド１１が接近した場合においては、操作者はマスタハンド１を介したより微妙な操作をスレーブハンドに与えることが可能となる。

また、前記マスタハンド１側に設置されたテレビモニタ７においては、スレーブハンド１１と作業対象物Ａの映像が再生されるので、この映像をマスタハンドの操作者が確認しつつ作業を行なうことができる。この場合、好ましくは前記テレビモニタ７における映像は、前記した距離検出手段により得られる前記距離が所定の値以下となった場合に、その表示態様が変更されるようになされる。

すなわち、前記距離が所定の値以下となった場合には、例えば画面全体のカラートーンを青色から橙色に変えるなどの表示態様を変更する手段を採用することで、操作者はスレーブハンド１と作業対象物Ａとの状態をより的確に把握することができ、正確な遠隔操作の実行を支援することが可能となる。なお、前記した表示態様が変更は、画面全体のカラートーンを変えるだけでなく、他の手段を採用することもできる。

図２は、この発明にかかる遠隔操作装置の第２の実施の形態を示したものであり、この実施の形態においては、いわゆるジョイスティックがマスタハンドとして機能するように構成した例を示している。なお、図２においては、すでに説明した図１に示す各部と同一の機能を果たす部分を同一符号で示している。したがって、その詳細な説明は省略する。

図２に示す実施の形態においては、マスタハンド１を構成するジョイスティックの握り部分に反力発生手段３ａ，３ｂが取り付けられており、これにより操作者の例えば親指と人差し指に対してスレーブハンド１１側における反力がフィードバックされるように構成されている。また、図２に示す実施の形態においては、ジョイスティックを前後左右および上下方向に移動操作することで位置／姿勢センサ４よりセンサ出力（位置／姿勢情報）がコントローラ９に供給されるようになされる。

したがって、図２に示す構成が手動動作モードに設定されている場合においては、コントローラ９は前記位置／姿勢センサ４によるセンサ出力これを受けて、スレーブハンド１１における位置／姿勢制御部１７に対して油圧制御を実行し、前記マスタハンド１側における位置および姿勢に対応したマスタ・スレーブ動作を実行するようになされる。

また、図２に示した実施の形態においては、マスタハンド１を構成するジョイスティックの握り部分を握る圧力が把持力情報としてコントローラ９に供給されるように構成されている。コントローラ９はこの把持力情報を受けて油圧制御を実行し、これによりスレーブハンド１１における関節部１３ａ，１３ｂを駆動させて前記指部１４ａ，１４ｂによって作業対象物Ａを掴む動作を実行するようになされる。

さらに、図２に示した実施の形態においては、マスタハンド１を構成するジョイスティックに隣接させて、操作プレート上に手動モード選択センサとしての操作ボタン５が配置されている。したがって、操作者は遠隔操作にあまり関与しない例えば作業者の小指によって操作ボタン５を操作することにより、コントローラ９における動作モード選択手段９ｂは自動動作モードから手動動作モードに切り替えるように動作する。

また、前記したように自動動作モードから手動動作モードに切り替えた場合においては、マスタハンド１側に配置された操作抵抗付与手段６が動作して、マスタハンド１としてのジョイスティックの位置および姿勢を操作する場合の操作抵抗が変更されるようになされる。この操作抵抗の変更態様は、すでに説明した図３に示したようになされる。

以上説明した図２に示す実施の形態は、図１に示したグローブ状のマスタハンド１に代えてジョイスティックによるマスタハンド１としたものであり、したがって図２に示した構成においても、すでに説明した図１に示す構成と同様の作用効果を得ることができる。

なお、以上説明した実施の形態においては、距離検出手段として一対の撮像手段（ビデオカメラ）２１ａ，２１ｂを利用した例を示しているが、これは１つのビデオカメラによる二次元の映像を利用することもでき、また超音波を利用した近接センサ（レーダ）を採用することもできる。

この発明にかかる遠隔操作装置の第１の実施の形態を示した全体構成図である。 同じく第２の実施の形態を示した全体構成図である。 図１および図２に示す構成において採用されるマスタハンドに与える操作抵抗力の一例を示した特性図である。

符号の説明

１ マスタハンド
２ 操作者の手
３ａ，３ｂ 反力発生手段
４ 位置／姿勢センサ
５ 手動モード選択センサ
６ 操作抵抗付与手段
９ コントローラ
９ａ 反力フィードバック手段
９ｂ 動作モード選択手段
１１ スレーブハンド
１２ ハンド本体
１３ａ，１３ｂ 関節部
１４ａ，１４ｂ 指部
１５ａ，１５ｂ 荷重センサ
２１ａ，２１ｂ 撮像手段（ビデオカメラ）
２２ 距離演算手段
Ａ 作業対象物

Claims (5)

1. マスタハンドの操作に基づいてスレーブハンドを駆動する遠隔操作装置であって、前記スレーブハンドと当該スレーブハンドによって操作される作業対象物との距離を検出する距離検出手段と、前記距離検出手段によって得られるスレーブハンドと作業対象物との距離に基づいて、前記スレーブハンドの駆動動作を自動動作モードもしくは手動動作モードに選択する動作モード選択手段が具備され、
   前記距離検出手段によって得られるスレーブハンドと作業対象物との距離が所定値以上の場合においては、前記マスタハンドの操作にかかわらず作業対象物に対してスレーブハンドを近づける駆動動作を含む自動動作モードが選択され、前記距離が所定値未満である場合においては、前記マスタハンドの操作に基づいてスレーブハンドを駆動することができる手動動作モードが選択されるように構成したことを特徴とする遠隔操作装置。
2. 前記動作モード選択手段は、前記距離検出手段による自動動作モードもしくは手動動作モードの選択状況にかかわらず、前記マスタハンドにおける特定な操作により、手動動作モードが選択されるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の遠隔操作装置。
3. 前記スレーブハンドによって作業対象物に与えられる荷重に対応した反力を、前記マスタハンドに与えるフィードバック手段が具備されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の遠隔操作装置。
4. 前記距離検出手段によって得られるスレーブハンドと作業対象物との距離に応じて、前記マスタハンドの操作抵抗が変更されるように構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の遠隔操作装置。
5. 前記距離検出手段は、前記スレーブハンドと作業対象物とを撮像して、両者の距離を検出する撮像手段を含み、前記撮像手段によって得られる映像をマスタハンドの操作者に提供する映像再生手段が具備され、前記距離検出手段によって得られるスレーブハンドと作業対象物との距離に応じて、前記映像再生手段によって表示される映像の表示態様が変更されるように構成したことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の遠隔操作装置。

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