JP5126892B2 - 多自由度の力覚提示マニピュレータ - Google Patents

Description

本発明は、多自由度の力覚提示マニピュレータに関するものである。

バーチャル・リアリティを用いた訓練システムにおいて臨場感を高めるためには力覚の提示が重要である。また、ロボットの遠隔操作においても微細作業や、繊細で複雑な作業を必要とする場合には、作業ロボットから操縦桿へ力覚の帰還を行うことで作業効率を向上することが知られている。このように力覚を表現する装置として力覚提示装置が用いられる。

本発明では、力覚提示装置にパラレルリンク機構を応用してマニピュレータを構成している。ここで、「パラレルリンク機構」とは、マニピュレータのベースと、エンドエフェクタとを、複数のリンク機構により支持する機構の呼称である。従来のパラレルリンク機構を用いた力覚提示装置には特許文献１、特許文献２、非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３、及び、非特許文献４のようなものが知られている。

特開２０００−１４８３８２ 特開２００１−２９３６７６ 近藤寛之、荒田純平、坂口正道、藤本英雄、「パラレルリンク機構を用いた力覚提示装置 ＤＥＬＴＡ‐４の開発」、第２６回日本ロボット学会学術講演会講演論文集 Clavel R. , "Conception d’un robot parallele rapide a 4 degres de liberte", Ph.D. Thesis, EPFL, Lausanne,1991,No925 岩田洋夫、外２名、「フォースディスプレイを用いた仮想環境における手術シミュレーションの要素技術開発」、日本ＶＲ学会第１回大会論文集、ｐｐ．９５−９８，１９９６ Y. Tsumaki, H. Naruse, D. N. Nenchev and M. Uchiyama,"Design of a Compact 6-DOF Haptic Interface", Proceedings of the 1998 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Leuven, Belgium, 1998, 2580-2585

力覚提示マニピュレータの機構において求められる要件に、高品質な力覚提示性能を有すること、広い作業領域を有すること、が挙げられる。高品質な力覚提示性能を有するためには、高剛性、高出力、高バックドライバビリティ、低慣性を実現する機構であることが望ましい。以上の性能を実現するためにはパラレルリンク機構を用いることが有効な手段であるが、一般に従来のパラレルリンク機構は広い作業領域を確保することが難しい。

力覚提示マニュピレータの作業領域が小さい場合、操作者の自由な操作や、操作対象への動作指令が、力覚提示マニピュレータの作業領域に制限される可能性があるため、望ましくない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、高品質な力覚提示性能を有し、かつ広い作業領域を有する力覚提示マニピュレータを提供することにある。

本発明は、駆動手段によって駆動される多自由度の力覚提示マニピュレータであり、マニピュレータのベースと、エンドエフェクタと、前記エンドエフェクタを支持する一対の並進３自由度を有する一対のパラレルリンク機構と、前記一対のパラレルリンク機構と前記エンドエフェクタとをそれぞれ連結する一対の回転２軸を有するジンバル機構と、前記一対のパラレルリンク機構を駆動する駆動手段と、を備え、前記駆動手段の動力と、前記一対のパラレルリンク機構と、前記一対のジンバル機構と、によって前記エンドエフェクタが前記マニピュレータのベースに対して、３自由度の並進動作および２自由度の回転動作に変換されることを特徴とする。

ここで、前記一対のパラレルリンク機構のそれぞれは、一対のアームと、連結リンクと、から構成され、さらに前記一対のアームのそれぞれは、第１平行四節リンク機構と、第２平行四節リンク機構と、から構成されており、前記第１平行四節リンク機構は、前記ベースに備えた第１軸を回転軸とする第１リンクと、前記第１軸を回転軸とする第２リンクと、前記第２リンクに備えた前記第１軸と平行な第２軸に回転自在に連結する第３リンクと、前記第１リンクおよび前記第３リンクのそれぞれに備えた前記第１軸と平行な第３軸および第４軸に回転自在で連結する第４リンクと、前記第１リンクに前記第１軸まわりの回転運動を与える第１駆動手段と、前記第２リンクに前記第１軸まわりの回転運動を与える第２駆動手段と、から構成され、前記第１、第２、第３、第４リンクは平行四辺形をなしており、前記第２平行四節リンク機構は、一対の第５軸を備える第５リンクと、第６軸および前記第６軸に直行する第７軸を備える第６リンクと、前記第５、第６リンクを前記第５、第７軸で回転自在に連結する一対の第７リンクと、から構成され、前記第５、第６、第７リンクは平行四辺形をなしており、前記第２平行四節リンク機構の前記第５軸が前記第１平行四節リンク機構の前記第３軸と直交するよう前記第５リンクが前記第４リンクに固定されており、前記連結リンクは前記一対のアームの末端部である前記第６軸と回転自在で連結されているものとすることができる。また、前記一対のアームは、それぞれの第１軸が同一円周上の接線となるよう配置されているものとすることができる。さらに、前記一対のパラレルリンク機構は、前記ベースに任意の位置関係で配置されているものとすることができる。

また、前記一対のジンバル機構のそれぞれは、前記一対のパラレルリンク機構の前記連結リンクに備えた第１ジンバル軸と回転自在に連結する第１ジンバル軸と直交する第２ジンバル軸を備える第８リンクと、前記第８リンクと前記第２ジンバル軸と回転自在で連結する第９リンクと、から構成されており、前記一対のジンバル機構の前記第９リンクのそれぞれは、第８軸を備える前記エンドエフェクタに、前記一対のジンバル機構のそれぞれの第１、第２ジンバル軸の交点であるジンバル回転中心を前記第８軸が通るように回転自在に連結されているものとすることができる。

本発明は、駆動手段によって駆動されるパラレルリンク機構を用いた力覚提示マニピュレータを対象とし、特に３自由度の並進動作および２自由度の回転動作を出力する力覚提示マニピュレータを対象とする。本発明の駆動手段には、回転運動を出力する出力軸を具備する駆動装置、例えばモータを用いることができる。

本発明によれば、力覚提示装置にパラレルリンク機構を用いることにより、高剛性、高出力、高バックドライバビリティ、低慣性を実現可能なため、高品質な力覚提示が可能である。また、本発明の構成要素の一つである一対のパラレルリンク機構はそれぞれ、並進３自由度対して例えば４つの駆動手段を用いた冗長パラレルリンク機構であり、従来のパラレルリンク機構と比較して広い作業領域を得ることが可能である。それぞれが広い作業領域を有する一対のパラレルリンク機構を用いることにより、従来のパラレルリンク機構と比較して広い作業領域を得ることが可能である。

本発明の力覚提示マニピュレータは、エンドエフェクタがマニピュレータのベースに対して、３自由度の並進動作および２自由度の回転動作を出力する。

以下、図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係わる力覚提示マニピュレータを用いた、力覚提示システムを示している。

力覚提示システムは、力覚提示マニピュレータであるマニピュレータ１と、マニピュレータ１の駆動手段を制御するコントロール部２と、力覚が取得できるロボット、若しくは、バーチャル・システム等からなる操作対象３から構成されている。このシステムは、遠隔操作ロボットの力覚フィードバック付操縦桿、バーチャル・リアリティを用いた訓練システムの力覚提示装置等に用いられる。

次に、図２から図５を参照して、マニピュレータ１の構成について詳しく説明する。図２はマニピュレータ１の斜視図、図３はマニピュレータ１を構成する一対のパラレルリンク機構２０の機構モデル図、図４はマニピュレータ１を構成するアーム２１の斜視図、図５はマニピュレータ１を構成する一対のジンバル機構５０の斜視図である。

マニピュレータ１は、ベース１０と、一対のパラレルリンク機構２０ａ、２０ｂと、一対のパラレルリンク機構２０ａ、２０ｂの末端部にそれぞれ連結する一対のジンバル機構５０ａ、５０ｂと、エンドエフェクタ６０と、から構成されている。なお、一対のパラレルリンク機構２０ａ、２０ｂ、一対のジンバル機構５０ａ、５０ｂなどの対となるものは、構造が同一であるため以降では区別が必要な場合を除いて同一のものとし、符号もａ、ｂを付せずに説明する。

一対のパラレルリンク機構２０はそれぞれが並進３自由度を有し、各パラレルリンク機構２０の末端部はマニピュレータ１の動作に依らず、常に一定の姿勢を維持する。

一対のパラレルリンク機構２０はそれぞれ、一対のアーム２１と、一対のアーム２１の末端部を連結する連結リンク４６と、から構成されている。さらに、一対のアーム２１はそれぞれ、第１平行四節リンク機構２２と、第２平行四節リンク機構２３と、から構成されている。

第１平行四節リンク機構２２は、ベース１０に設置された第１軸３０と回転自在になるよう連結された第１リンク３１と、同第１軸３０と回転自在となるよう連結された第２リンク３２と、第２リンク３２に備えた第１軸３０と平行な第２軸３３に回転自在で連結される第３リンク３４と、第１リンク３１および第３リンク３４それぞれに備えた第１軸３０と平行な第３軸３５および第４軸３６に回転自在で連結される第４リンク３７から構成され、第１リンク３１、第２リンク３２、第３リンク３４、第４リンク３７は平行四辺形をなしている。なお、第１リンク３１及び第２リンク３２にはそれぞれ第１駆動手段３８、第２駆動手段３９が連結され、第１回転軸３０を回転軸として、第１リンク３１及び第２リンク３２にそれぞれ独立した動力が与えられる。

第２平行四節リンク機構２３は、前記第１平行リンク機構２２の各回転軸と平行となるよう前記第４リンク３７に固定され、第３軸３５と直交する一対の第５軸４０を備える第５リンク４１と、第３軸３５に平行な第６軸４２および、第６軸４２に直交し、かつ第５軸４０と平行な一対の第７軸４３を備える第６リンク４４と、第５リンク４１および第６リンク４４を第５軸４０、および第７軸４３で回転自在に連結する一対の第７リンク４５と、から構成され、第５リンク４１、第６リンク４４、一対の第７リンク４５は平行四辺形をなしている。第２平行四節リンク機構２３には、第１平行四節リンク機構２２により、第２駆動手段３９の動力が第３回転軸３５回りの回転運動に変換されて与えられる。

パラレルリンク機構２０を構成する一対のアーム２１ａ、２１ｂは、それぞれの第１軸３０ａ、３０ｂが、同一円周上の接線となるよう配置されている。各アームの末端部である第６リンク４４ａ、４４ｂは、連結リンク４６により、第６リンク４４ａ、４４ｂに備えた第６軸４２ａ、４２ｂとそれぞれ回転自在となるよう連結されている。

以上の構成により、連結リンク４６が常に一定の姿勢を維持する一対のパラレルリンク機構２０ａ、２０ｂが実現される。このように構成された一対のパラレルリンク機構２０ａ、２０ｂは、ベース１０の同一平面上に鏡面対象となるよう配置されている。この際、各パラレルリンク機構を構成する４組のアームは、同一円周上に９０度等配とすることが好ましい。

一対のパラレルリンク機構２０の末端部である連結リンク４６に連結される一対のジンバル機構５０は、それぞれ連結リンク４６と、連結リンク４６に備えた第１ジンバル軸５１と回転自在に連結する第１ジンバル軸５１と直交する第２ジンバル軸５２を備える第８リンク５３と、第８リンク５３と第２ジンバル軸５２と回転自在に連結する第９リンク５４と、から構成されている。一対のジンバル機構５０のそれぞれは、第１ジンバル軸５１と第２ジンバル軸５２の交点（ジンバル回転中心５５）まわりに回転２軸を有する。

エンドエフェクタ６０は、一対のジンバル機構５０ａ、５０ｂのジンバル回転中心５５ａ、５５ｂにより、異なる２点で支持されている。エンドエフェクタ６０は、第８軸６１を備え、一対のジンバル機構５０ａ、５０ｂのそれぞれの第９リンク５４ａ、５４ｂを第８軸６１まわりに回転自在となるよう連結されている。この際、第８軸６１がジンバル回転中心５５を通るようにする。エンドエフェクタ６０は、異なる２点を一対のジンバル機構５０ａ、５０ｂにより支持し、一対のジンバル機構５０ａ、５０ｂにパラレルリンク機構から得られる３自由度の並進動作を与えて制御することにより、ベース１０に対して３自由度の並進動作および２自由度の回転動作を得る。

マニピュレータ１を駆動するための駆動手段は、すべてベースに設置可能であり、マニピュレータ１の動作部を軽量なリンクのみで構成することが可能なため、動作時の慣性質量を低減することが可能である。

また、マニピュレータ１のエンドエフェクタ６０は複数のアームにより支持されるため、高剛性な機構を実現することが可能である。そのため、駆動手段の動力を正確にエンドエフェクタ６０に伝達することが可能である。

次に、マニピュレータ１の駆動手段を制御するコントロール部２と、マニピュレータ１によって操作する操作対象３について説明する。

コントロール部２は、例えば制御コンピュータやモータドライバから構成されている。制御コンピュータは、マニピュレータ１の機構学、力学などを演算し、駆動手段を制御する制御信号を生成することができる。モータドライバは、生成された制御信号を基に駆動手段を制御することができる。

操作対象３は、例えば力情報が取得可能な遠隔ロボットで構成される。遠隔ロボットは力センサなどのセンサを搭載し、外部環境から加えられた力を計測することができる。

次に、上記した構成の作動について説明する。操作者はエンドエフェクタ６０をペンを持つように握る。エンドエフェクタ６０はベース１０に対して３軸方向の平行移動および、２軸まわりの姿勢変化が可能であり、操作者が自由に動作させることが可能である。

マニピュレータ１に動作入力を与えると、駆動手段が連結されている関節の関節角度の情報が、駆動手段に搭載されたエンコーダなどのセンサによりコントロール部２に出力される。コントロール部２では与えられた関節角度からエンドエフェクタ６０の位置・姿勢を演算し、操作対象３の動作に必要な制御信号を生成する。操作対象３は制御信号を受けて動作する。この際、操作対象３は、マニピュレータ１の位置・姿勢に対応した動作を行う。

操作対象３の動作中に外部環境と干渉し、操作対象３に力が加えられると、操作対象３に搭載された力センサなどのセンサにより外部から加えられた力情報を取得する。取得した力情報は再度コントロール部２に入力され、取得した力をマニピュレータ１で実現するために必要な駆動力を演算し、駆動手段の制御信号を生成する。生成した制御信号はモータドライバに入力され、モータドライバは制御信号に基づきマニピュレータ１の各駆動手段を制御する。

以上に述べた構成によれば、マニピュレータ１を操作者が操作することにより、操作対象３を自由に動作させることが可能であり、操作対象３に加えられた力をマニピュレータ１で実現し、操作者がその力を感じることが可能である。

なお、高品質な力覚提示性能を有する力覚提示装置の機構においては、高剛性、高出力、高バックドライバビリティ、低慣性といった特徴が重要となる。力覚提示装置において、かたい物体を表現するためには瞬間的に大きな力を提示する必要があるため、駆動手段が高出力であることと、駆動手段の動力を正確に伝達するために機構の剛性が高いことが必要である。一方、やわらかい物体を表現するためには、装置の動作の滑らかさや、慣性力の影響が小さいことが必要であるため、機構のバックドライバビリティの高さや、装置の動作部が軽量であることが重要である。

上記した構成のマニピュレータ１によれば、マニピュレータ１の構成要素にパラレルリンク機構２０を用いることにより、エンドエフェクタ６０を複数のアーム２１で支持するため、高剛性を実現可能である。また、駆動手段のすべてをベース１０に設置することが可能であるため、マニピュレータ１の動作部は重量の大きい駆動手段を含まないため軽量に構成することが可能である。また、駆動手段をベース１０に設置可能なため、搭載可能な駆動手段の容積、重量、出力などの制限が少なく、減速機を用いない駆動手段の搭載が容易である。従って、高出力、高バックドライバビリティな機構を構成することが容易である。

特に、マニピュレータ１は、３自由度の並進動作および２自由度の回転動作の出力に対して８つの駆動手段を用いた冗長パラレルリンク機構であり、従来のパラレルリンク機構と比較して大きな作業領域が得られる。

以上において、本発明を実施形態に則して説明したが、本発明は上記実施形態に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。

本発明の力覚提示マニピュレータは、遠隔操作ロボットの力覚フィードバック付操縦桿、バーチャル・リアリティを用いた訓練システムの力覚提示装置等に利用可能である。

本発明の一実施形態に係る力覚提示マニピュレータのシステムを示す図である。 本発明の一実施形態に係る力覚提示マニピュレータの斜視図である。 本発明の一実施形態に係る力覚提示マニピュレータを構成する一対のパラレルリンク機構２０の機構モデル図である。 本発明の一実施形態に係る力覚提示マニピュレータを構成するアーム２１の斜視図である。 本発明の一実施形態に係る力覚提示マニピュレータを構成する一対のジンバル機構５０の斜視図である。

符号の説明

１ マニピュレータ
２ コントロール部
３ 操作対象
１０ ベース
２０（２０ａ、２０ｂ） パラレルリンク機構
２１（２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ） アーム
２２（２２ａ、２２ｂ） 第１平行四節リンク機構
２３（２３ａ、２３ｂ） 第２平行四節リンク機構
３０（３０ａ、３０ｂ） 第１軸
３１（３１ａ、３１ｂ） 第１リンク
３２（３２ａ、３２ｂ） 第２リンク
３３（３３ａ、３３ｂ） 第２軸
３４（３４ａ、３４ｂ） 第３リンク
３５（３５ａ、３５ｂ） 第３軸
３６（３６ａ、３６ｂ） 第４軸
３７（３７ａ、３７ｂ） 第４リンク
３８（３８ａ、３８ｂ） 第１駆動手段
３９（３９ａ、３９ｂ） 第２駆動手段
４０（５０ａ、５０ｂ） 第５軸
４１（４１ａ、４１ｂ） 第５リンク
４２（４２ａ、４２ｂ） 第６軸
４３（４３ａ、４３ｂ） 第７軸
４４（４４ａ、４４ｂ） 第６リンク
４５（４５ａ、４５ｂ） 第７リンク
４６（４６ａ、４６ｂ） 連結リンク
５０（５０ａ、５０ｂ） ジンバル機構
５１（５１ａ、５１ｂ） 第１ジンバル軸
５２（５２ａ、５２ｂ） 第２ジンバル軸
５３（５３ａ、５３ｂ） 第８リンク
５４（５４ａ、５４ｂ） 第９リンク
５５（５５ａ、５５ｂ） ジンバル回転中心
６０ エンドエフェクタ
６１ 第８軸

Claims (5)

1. 駆動手段によって駆動される多自由度の力覚提示マニピュレータであり、マニピュレータのベースと、エンドエフェクタと、前記エンドエフェクタを支持する一対の並進３自由度を有する一対のパラレルリンク機構と、前記一対のパラレルリンク機構と前記エンドエフェクタとをそれぞれ連結する一対の回転２軸を有するジンバル機構と、前記一対のパラレルリンク機構を駆動する駆動手段と、を備え、前記駆動手段の動力と、前記一対のパラレルリンク機構と、前記一対のジンバル機構と、によって前記エンドエフェクタが前記ベースに対して、３自由度の並進動作および２自由度の回転動作に変換されることを特徴とする多自由度の力覚提示マニピュレータ。
2. 前記一対のパラレルリンク機構のそれぞれは、一対のアームと、連結リンクと、から構成され、さらに前記一対のアームのそれぞれは、第１平行四節リンク機構と、第２平行四節リンク機構と、から構成されており、前記第１平行四節リンク機構は、前記ベースに備えた第１軸を回転軸とする第１リンクと、前記第１軸を回転軸とする第２リンクと、前記第２リンクに備えた前記第１軸と平行な第２軸に回転自在に連結する第３リンクと、前記第１リンクおよび前記第３リンクのそれぞれに備えた前記第１軸と平行な第３軸および第４軸に回転自在で連結する第４リンクと、前記第１リンクに前記第１軸まわりの回転運動を与える第１駆動手段と、前記第２リンクに前記第１軸まわりの回転運動を与える第２駆動手段と、から構成され、前記第１、第２、第３、第４リンクは平行四辺形をなしており、前記第２平行四節リンク機構は、一対の第５軸を備える第５リンクと、第６軸および前記第６軸に直行する第７軸を備える第６リンクと、前記第５、第６リンクを前記第５、第７軸で回転自在に連結する一対の第７リンクと、から構成され、前記第５、第６、第７リンクは平行四辺形をなしており、前記第２平行四節リンク機構の前記第５軸が前記第１平行四節リンク機構の前記第３軸と直交するよう前記第５リンクが前記第４リンクに固定されており、前記連結リンクは前記一対のアームの末端部である前記第６軸と回転自在で連結されていることを特徴とする請求項１に記載の多自由度の力覚提示マニピュレータ。
3. 前記一対のアームは、それぞれの第１軸が同一円周上の接線となるよう配置されていることを特徴とする請求項２に記載の多自由度の力覚提示マニピュレータ。
4. 前記一対のパラレルリンク機構は、前記ベース上に任意の位置関係により配置されることを特徴とする請求項２または３に記載の多自由度の力覚提示マニピュレータ。
5. 前記一対のジンバル機構のそれぞれは、前記一対のパラレルリンク機構の前記連結リンクに備えた第１ジンバル軸と回転自在に連結する第１ジンバル軸と直交する第２ジンバル軸を備える第８リンクと、前記第８リンクと前記第２ジンバル軸と回転自在で連結する第９リンクと、から構成されており、前記一対のジンバル機構の前記第９リンクのそれぞれは、第８軸を備える前記エンドエフェクタに、前記一対のジンバル機構のそれぞれの第１、第２ジンバル軸の交点であるジンバル回転中心を前記第８軸が通るように回転自在に連結されることを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１つに記載の多自由度の力覚提示マニピュレータ。