特開 2023-83925 遠隔作業装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023083925

(43)【公開日】2023-06-16

(54)【発明の名称】遠隔作業装置

(51)【国際特許分類】

   B25J 3/00 20060101AFI20230609BHJP

【ＦＩ】

B25J3/00 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021197932

(22)【出願日】2021-12-06

(71)【出願人】

【識別番号】507250427

【氏名又は名称】日立ＧＥニュークリア・エナジー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】長井 隆浩

(72)【発明者】

【氏名】小林 亮介

(72)【発明者】

【氏名】平野 克彦

(72)【発明者】

【氏名】上野 克宜

【テーマコード（参考）】

3C707

【Ｆターム（参考）】

3C707AS01

3C707AS06

3C707AS12

3C707AS32

3C707BT05

3C707BT12

3C707CS08

3C707DS01

3C707ES01

3C707JT05

3C707JU02

3C707JU03

3C707JU12

3C707KS34

3C707KX19

3C707LU08

3C707WA17

(57)【要約】

【課題】過酷環境下においても広い範囲の接触反力をオペレータに提示することができる遠隔作業装置を提供する。
【解決手段】本発明による遠隔作業装置は、作業ロボット７と制御部と力覚提示インターフェース２を備える。作業ロボット７は、指部７１と手首部７３００を備えるハンド部７３を備える。手首部７３００は、指部７１が固定され、並置された複数のシリンダ７３０１とベース７３０２を備える。シリンダ７３０１は、伸縮可能でベース７３０２に回転可能に接続されている。制御部は、シリンダ７３０１を伸縮させる手首部制御部６４、シリンダ長を計測するシリンダ長センサ６６、シリンダ７３０１を伸縮させる荷重を計測する制御入力センサ６５、手首部７３００の姿勢を算出する手首部姿勢算出部５１、シリンダ荷重を算出するシリンダ荷重算出部５２、及び手首部７３００の姿勢とシリンダ荷重からハンド部７３の接触反力を算出する反力算出部５３を備える。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

オペレータに操作される作業ロボットと、
前記作業ロボットを制御する制御部と、
前記作業ロボットが得た力覚情報を前記オペレータに提示する力覚提示インターフェースと、
を備え、
前記作業ロボットは、指部と手首部とを備えるハンド部と、一端部に前記ハンド部を備えるアーム部とを備え、
指部は、手首部の一端部に固定されており、作業対象物に接触可能であり、
前記手首部は、前記指部が固定された先端部と、並列に配置された複数のシリンダと、前記アーム部に固定されたベースと、を備え、
前記シリンダは、荷重の付加により伸縮可能であり、一端部が前記先端部に回転可能に接続されているとともに、他端部が前記ベースに回転可能に接続されており、
前記制御部は、前記シリンダに荷重を付加して前記シリンダを伸縮させる手首部制御部と、
前記シリンダの長さであるシリンダ長を計測するシリンダ長センサと、
前記シリンダを伸縮させる荷重を計測する制御入力センサと、
前記シリンダ長センサが計測した前記シリンダ長に基づいて前記手首部の姿勢を算出する手首部姿勢算出部と、
前記制御入力センサの信号から前記シリンダに加わる荷重であるシリンダ荷重を算出するシリンダ荷重算出部と、
前記手首部姿勢算出部が算出した前記手首部の姿勢と、前記シリンダ荷重算出部が算出した前記シリンダ荷重から、前記ハンド部の接触反力を算出する反力算出部と、
前記反力算出部が算出した前記接触反力を表示する出力部と、
を備え、
前記力覚提示インターフェースは、前記反力算出部が算出した前記接触反力を前記オペレータに提示する、
ことを特徴とする遠隔作業装置。

【請求項2】

前記手首部の姿勢は、前記シリンダが伸縮して前記ベースに対して回転し、前記指部の前記ベースからの距離が変化することで、変化する、
請求項１に記載の遠隔作業装置。

【請求項3】

前記制御部は、前記オペレータが指定した前記接触反力の計測範囲を満たす前記シリンダ長を算出するシリンダ長算出部を備え、
前記手首部制御部は、前記シリンダの長さが前記シリンダ長算出部が算出した前記シリンダ長になるように、前記シリンダに荷重を付加し、
前記ハンド部は、前記シリンダの長さが前記シリンダ長算出部が算出した前記シリンダ長の状態で、前記指部が前記作業対象物に接触する、
請求項１に記載の遠隔作業装置。

【請求項4】

前記力覚提示インターフェースは、前記反力算出部が算出した前記接触反力を、前記オペレータが知覚する力と振動の少なくとも一方として前記オペレータに提示する、
請求項１に記載の遠隔作業装置。

【請求項5】

前記出力部は、前記反力算出部が算出した前記接触反力の大きさと方向を表示する、
請求項１に記載の遠隔作業装置。

【請求項6】

前記シリンダは、油圧、水圧、空気圧、電流、及び電圧のうち少なくとも１つの作用により伸縮する、
請求項１に記載の遠隔作業装置。

【請求項7】

前記制御入力センサは、油圧、水圧、空気圧、電流、及び電圧のうち少なくとも１つを計測するセンサである、
請求項１に記載の遠隔作業装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、遠隔作業を実施する遠隔作業装置に関する。

【背景技術】

【0002】

人間の立ち入りが困難な災害現場等の過酷環境では、遠隔地にいるオペレータが遠隔作業装置を操作して作業を実施することがある。この際、オペレータが作業状態（例えば、物体の把持状態や、部品の嵌込み状態等）を把握するために、遠隔作業装置には、視覚情報だけでなく力覚情報をオペレータに提示することが求められる。オペレータは、遠隔作業として、例えば、運搬や加工等の大きな反力（１００Ｎ程度）が生じる作業と、組立でのネジ締め等の微細な反力（０．１Ｎ程度）が生じる作業を実施することがある。このため、遠隔作業装置には、広範囲の反力を計測できることが求められる。すなわち、遠隔作業装置には、様々な作業においてオペレータが作業対象物との接触状態を把握できるように、広範囲の接触反力をオペレータに提示することが求められる。

【0003】

従来の遠隔作業装置には、反力計測用のセンサを搭載しているものがある。また、特許文献１には、反力を計測できる従来の装置の例が記載されている。特許文献１に記載されたリンク作動装置では、装置の先端部に作用する様々な方向からの接触反力を、パラレルリンクの駆動部にかかるトルクから推定する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１６－１１２６３８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に記載された装置などの従来の遠隔作業装置では、接触反力の計測範囲が一定であるか狭いので、様々な作業に対応するのが困難である。従来の遠隔作業装置において、様々な作業に対応する広い計測範囲を確保するためには、多くのセンサを搭載する必要がある。しかし、従来の遠隔作業装置では、多くのセンサを備えるとサイズが大きくなり、例えば過酷環境での作業に適さないという課題を有する。

【0006】

本発明の目的は、過酷環境下においても、広い範囲の接触反力をオペレータに提示することができる遠隔作業装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明による遠隔作業装置は、オペレータに操作される作業ロボットと、前記作業ロボットを制御する制御部と、前記作業ロボットが得た力覚情報を前記オペレータに提示する力覚提示インターフェースと、を備える。前記作業ロボットは、指部と手首部とを備えるハンド部と、一端部に前記ハンド部を備えるアーム部とを備える。指部は、手首部の一端部に固定されており、作業対象物に接触可能である。前記手首部は、前記指部が固定された先端部７３０４と、並列に配置された複数のシリンダと、前記アーム部に固定されたベースとを備える。前記シリンダは、荷重の付加により伸縮可能であり、一端部が前記先端部に回転可能に接続されているとともに、他端部が前記ベースに回転可能に接続されている。前記制御部は、前記シリンダに荷重を付加して前記シリンダを伸縮させる手首部制御部と、前記シリンダの長さであるシリンダ長を計測するシリンダ長センサと、前記シリンダを伸縮させる荷重を計測する制御入力センサと、前記シリンダ長センサが計測した前記シリンダ長に基づいて前記手首部の姿勢を算出する手首部姿勢算出部と、前記制御入力センサの信号から前記シリンダに加わる荷重であるシリンダ荷重を算出するシリンダ荷重算出部と、前記手首部姿勢算出部が算出した前記手首部の姿勢と、前記シリンダ荷重算出部が算出した前記シリンダ荷重から、前記ハンド部の接触反力を算出する反力算出部と、前記反力算出部が算出した前記接触反力を表示する出力部とを備える。前記力覚提示インターフェースは、前記反力算出部が算出した前記接触反力を前記オペレータに提示する。

【発明の効果】

【0008】

本発明によると、過酷環境下においても、広い範囲の接触反力をオペレータに提示することができる遠隔作業装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の実施例による遠隔作業装置の構成を示す図である。

【図2】ハンド部の構成を示す図である。

【図3】本発明の実施例による遠隔作業装置の制御構成を示すブロック図である。

【図4】本発明の実施例による遠隔作業装置を用いた遠隔作業の手順を示すフロー図である。

【図5】図４に示したステップ１００２とステップ１００３の処理を詳しく説明するフロー図である。

【図6】本実施例において、ハンド部の接触反力を算出する計算処理に関する幾何関係を示す図である。

【図7】本実施例において、シリンダの伸縮と手首部の姿勢と分解能との関係の例を示す図である。

【図8A】シリンダの長さが伸長している場合の、接触反力とシリンダ荷重との関係の例を示す図である。

【図8B】シリンダの長さが収縮している場合の、接触反力とシリンダ荷重との関係の例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

本発明による遠隔作業装置は、ハンド部を有する作業ロボットを備え、ハンド部の作業対象物との接触状態を把握できるように、接触反力をオペレータに提示することができる。ハンド部は、並列に配置された複数のシリンダを備え、シリンダの長さを調整することで、接触反力に対するシリンダに加わる荷重の比を変化させることができ、広い範囲の接触反力をオペレータに提示することができる。また、本発明による遠隔作業装置は、必要とするセンサの数が少ないので、作業ロボットのサイズが小さく、例えば人間の立ち入りが困難な災害現場等の過酷環境での作業に用いることができる。

【0011】

以下、本発明の実施例による遠隔作業装置を、図面を参照して説明する。本実施例では、遠隔作業装置が備える作業ロボットが、接触反力の計測範囲を調節して作業対象物を把持する作業を行う場合を例示して、遠隔作業装置の構成を説明する。なお、以下では、接触反力のことを単に反力と呼ぶ場合もある。

【0012】

図１は、本実施例による遠隔作業装置の構成を示す図である。本実施例による遠隔作業装置は、作業ロボット７、制御部、コントローラ３、及び力覚提示インターフェース２を備える。遠隔作業装置の制御部は、作業ロボット制御装置６、データ処理装置５、及び操作装置４を備える。

【0013】

作業ロボット７は、作業環境１０００に配置されており、オペレータ１に操作されて作業を実施する。作業環境１０００には、作業ロボット７が作業を実施する対象の物体である作業対象物８が存在する。

【0014】

作業ロボット７は、移動機構７２と、アーム部７４と、ハンド部７３を備える。移動機構７２は、作業ロボット７を移動させるための任意の機構で構成することができ、例えばクローラ（無限軌道）を備えることができる。アーム部７４は、その一端部にハンド部７３を備えるとともに、リンクと関節を備えてハンド部７３を移動させる。

【0015】

ハンド部７３は、作業対象物８に対して作業を実施する要素である。本実施例では、ハンド部７３は、指部７１と、手首部７３００を備える。

【0016】

指部７１は、手首部７３００の一端部に固定されており、作業対象物８に接触し、作業対象物８を把持する。

【0017】

手首部７３００は、後述するベースによりアーム部７４に接続し、指部７１をアーム部７４に接続する。

【0018】

なお、本実施例では、一例として、ハンド部７３が指部７１を備え、指部７１が作業対象物８に接触して作業対象物８を把持する構成について説明するが、ハンド部７３の構成は、これに限定しない。例えば、ハンド部７３は、指部７１の代わりに加工ツールを備え、加工ツールで作業対象物８に接触し作業対象物８に対して切断や切削等の加工を行うこともできる。

【0019】

図２を用いて手首部７３００について説明する。

【0020】

図２は、ハンド部７３の構成を示す図である。ハンド部７３は、指部７１と手首部７３００を備える。

【0021】

指部７１は、手首部７３００の一端部に固定されており、作業対象物８に接触可能であり、作業対象物８を把持することができる。作業ロボット７は、ハンド部７３の指部７１が作業対象物８に接触すると、作業対象物８との接触点から接触反力を受ける。

【0022】

手首部７３００は、先端部７３０４と、複数のシリンダ７３０１と、ベース７３０２と、関節部７３０３を備える。

【0023】

先端部７３０４は、手首部７３００の一端部に位置する。先端部７３０４の一端部には、指部７１が固定されている。先端部７３０４の他端部には、並列に配置された複数のシリンダ７３０１が回転可能に接続されている。

【0024】

複数のシリンダ７３０１は、互いに並んで配置されている。シリンダ７３０１のそれぞれは、内部に摺動部材（例えばピストン）を備え、荷重の付加により摺動部材が移動することにより伸縮可能である。シリンダ７３０１は、一端部が先端部７３０４に回転可能に接続されており、他端部がベース７３０２に回転可能に接続されている。シリンダ７３０１は、先端部７３０４との接続部を中心として先端部７３０４に対して回転可能であり、ベース７３０２との接続部を中心としてベース７３０２に対して回転可能である。シリンダ７３０１は、荷重が加えられて伸縮すると、先端部７３０４に対して回転して先端部７３０４との接続角度が変化し、ベース７３０２に対して回転してベース７３０２との接続角度が変化する。

【0025】

本実施例では、シリンダ７３０１のそれぞれに配管７３０５が接続されており、配管７３０５によって供給された油の圧力によりシリンダ７３０１に荷重が付加されて、シリンダ７３０１が伸縮するものとする。なお、シリンダ７３０１は、油圧により伸縮するものに限られず、水圧及び空気圧などの圧力の作用や、電流及び電圧などの電気の作用で伸縮してもよい。すなわち、シリンダ７３０１を伸縮させる荷重は、例えば、油圧、水圧、空気圧、電流、及び電圧のうち少なくとも１つの作用による荷重とすることができる。

【0026】

配管７３０５は、シリンダ７３０１と制御入力センサ６５を接続し、シリンダ７３０１とシリンダ長センサ６６を接続する。制御入力センサ６５とシリンダ長センサ６６については、後述する。

【0027】

ベース７３０２は、アーム部７４（図１）に固定されている。ベース７３０２は、手首部７３００をアーム部７４に接続する部材であり、シリンダ７３０１を回転可能に接続している。

【0028】

関節部７３０３は、シリンダ７３０１をベース７３０２に対して回転可能に接続するための受動関節である。関節部７３０３は、シリンダ７３０１の長さに応じて、ベース７３０２と先端部７３０４との間を円滑に接続する部材である。

【0029】

シリンダ７３０１は、長さが変化すると、関節部７３０３を中心としてベース７３０２に対して回転し、先端部７３０４をベース７３０２に対して円滑に移動させ、指部７１をアーム部７４に対して円滑に移動させる。

【0030】

図１に戻って、本実施例による遠隔作業装置の構成を説明する。

【0031】

作業ロボット制御装置６は、作業ロボット７を制御する装置であり、作業ロボット７に対してデータを送受信可能である。作業ロボット制御装置６は、シリンダ長センサ６６と制御入力センサ６５（図２）を備える。シリンダ長センサ６６は、作業ロボット７が備えるハンド部７３のシリンダ７３０１の長さ（シリンダ長）を計測する。制御入力センサ６５は、ハンド部７３を制御するための入力、すなわちシリンダ７３０１を伸縮させる荷重（例えば、シリンダ７３０１に加わる圧力）を計測する。

【0032】

データ処理装置５は、作業ロボット制御装置６に接続されている。データ処理装置５は、例えば、作業ロボット制御装置６が計測した情報から作業ロボット７が得た接触反力を算出する。

【0033】

操作装置４は、オペレータ１が遠隔作業装置を操作するための装置であり、入力部を備える。入力部は、例えばキーボードやマウスなどで構成することができる。オペレータ１は、作業ロボット７を操作するのに必要な情報を入力部から入力することができる。

【0034】

コントローラ３は、オペレータ１が作業ロボット７への操作を入力する装置である。コントローラ３を用いたオペレータ１の操作入力は、コントローラ３から操作装置４へ出力される。作業ロボット７の作業を管理し監視するオペレータ１は、コントローラ３を用いて操作装置４へ作業指示を入力することで、作業ロボット７を操作する。

【0035】

力覚提示インターフェース２は、作業ロボット７が得た力覚情報（作業対象物８から受けた接触反力や作業対象物８への触覚）をオペレータ１に提示するインターフェースである。データ処理装置５が算出した接触反力は、力覚情報に変換されて力覚提示インターフェース２に出力される。力覚提示インターフェース２は、オペレータ１に力を加えたり振動を与えたりすることによって力覚を感知させて、接触反力などの力覚情報をオペレータ１に提示する。力覚提示インターフェース２は、公知の構成を備えることができる。

【0036】

図３は、本実施例による遠隔作業装置の制御構成を示すブロック図である。

【0037】

操作装置４は、操作入力部４０、目標値算出部４１、データ送受信部４２、反力計測範囲入力部４３、及び力覚情報出力部４４を備える。

【0038】

操作入力部４０は、コントローラ３を用いたオペレータ１の操作入力を操作装置４へ入力する。

【0039】

目標値算出部４１は、オペレータ１の操作入力から作業ロボット７の動作目標値（例えば、移動機構７２による移動方向と移動距離や、アーム部７４とハンド部７３の移動方向など）を算出し、算出した動作目標値を出力する。

【0040】

データ送受信部４２は、データ処理装置５との間のデータの送受信を管理する。

【0041】

反力計測範囲入力部４３は、オペレータ１が指定した接触反力の計測範囲を操作装置４へ入力する。オペレータ１は、実施する作業に応じて、接触反力の計測範囲を指定する。

【0042】

力覚情報出力部４４は、オペレータ１に提示する力覚情報（例えば、接触反力）を力覚提示インターフェース２に出力する。また、力覚情報出力部４４は、画面を備え、オペレータ１が作業ロボット７を操作するのに必要な情報や、作業ロボット制御装置６が計測した作業ロボット７の情報や、データ処理装置５が算出した値などを画面に表示することができる。

【0043】

データ処理装置５は、データ送受信部５０、手首部姿勢算出部５１、シリンダ荷重算出部５２、反力算出部５３、及び力覚情報算出部５４を備える。

【0044】

データ送受信部５０は、操作装置４との間と作業ロボット制御装置６との間のデータの送受信を管理する。例えば、データ送受信部５０は、作業ロボット７の動作目標値を操作装置４から作業ロボット制御装置６に送信する。

【0045】

手首部姿勢算出部５１は、作業ロボット制御装置６が備えるシリンダ長センサ６６の信号から、シリンダ長センサ６６が計測したシリンダ７３０１の長さ（シリンダ長）に基づいて手首部７３００の姿勢を算出する。手首部７３００の姿勢とは、指部７１の位置（アーム部７４すなわちベース７３０２からの距離と角度）であり、シリンダ長によって決まる。手首部姿勢算出部５１は、シリンダ７３０１のそれぞれの長さから、手首部７３００の姿勢を算出することができる。手首部７３００の姿勢は、シリンダ７３０１が伸縮してベース７３０２に対して回転し、指部７１のベース７３０２からの距離と角度が変化することで、変化する。

【0046】

シリンダ荷重算出部５２は、作業ロボット制御装置６が備える制御入力センサ６５の信号から、シリンダ７３０１に加わる荷重（シリンダ荷重）を算出する。

【0047】

反力算出部５３は、手首部姿勢算出部５１が算出した手首部７３００の姿勢と、シリンダ荷重算出部５２が算出したシリンダ荷重から、ハンド部７３の接触反力を算出する。ハンド部７３の接触反力は、後述する図６を用いて説明するように、それぞれのシリンダ７３０１のシリンダ荷重を合成して得られる。

【0048】

力覚情報算出部５４は、反力算出部５３が算出した接触反力を、力覚提示インターフェース２がオペレータ１に提示する力覚情報に変換する。

【0049】

作業ロボット制御装置６は、データ送受信部６０、目標値算出部６１、ロボット制御部６２、シリンダ長算出部６３、手首部制御部６４、制御入力センサ６５、及びシリンダ長センサ６６を備える。

【0050】

データ送受信部６０は、データ処理装置５との間のデータの送受信を管理する。

【0051】

目標値算出部６１は、データ処理装置５から送信された作業ロボット７の動作目標値を基に、作業ロボット７の指部７１とアーム部７４と移動機構７２の目標制御値を算出する。例えば、目標値算出部６１は、アーム部７４の関節でのリンクの角度の目標値や、移動機構７２のクローラの回転速度の目標値を算出する。

【0052】

ロボット制御部６２は、目標値算出部６１が算出した目標制御値に基づき、作業ロボット７のアーム部７４と移動機構７２を制御する。

【0053】

シリンダ長算出部６３は、反力計測範囲入力部４３が入力した接触反力の計測範囲から、この計測範囲を満たすシリンダ７３０１の長さ（シリンダ長）を算出する。シリンダ長算出部６３は、反力計測範囲入力部４３が入力した、すなわちオペレータ１が指定した接触反力の計測範囲から、接触反力がこの計測範囲に含まれるような手首部７３００の姿勢（手首部７３００の姿勢の範囲）を求め、求めた姿勢を実現するためのシリンダ長を求めることができる。

【0054】

手首部制御部６４は、ハンド部７３、すなわち手首部７３００と指部７１を制御する。手首部制御部６４は、シリンダ長算出部６３が算出したシリンダ長に基づき、シリンダ７３０１に荷重を付加してシリンダ７３０１を伸縮させて、手首部７３００を制御する。本実施例では、手首部制御部６４は、配管７３０５によってシリンダ７３０１に油を供給して、シリンダ７３０１を伸縮させる。また、手首部制御部６４は、指部７１が作業対象物８を把持したり放したりするように、指部７１を制御する。

【0055】

制御入力センサ６５は、既に述べたように、ハンド部７３を制御するための入力、すなわちシリンダ７３０１を伸縮させる荷重（例えば、シリンダ７３０１に加わる圧力）を計測する。制御入力センサ６５により、ハンド部７３の状態（例えば、手首部７３００の姿勢）を知ることができる。制御入力センサ６５は、シリンダ７３０１に加わる荷重として、例えば、油圧、水圧、空気圧、電流、及び電圧のうち少なくとも１つを計測することができる。すなわち、制御入力センサ６５は、圧力センサ、電流センサ、及び電圧センサのうち少なくとも１つで構成することができる。さらに、制御入力センサ６５は、カメラを備え、カメラで撮影したシリンダ７３０１の画像を取得してもよい。

【0056】

シリンダ長センサ６６は、既に述べたように、ハンド部７３のシリンダ７３０１の長さ（シリンダ長）を計測する。シリンダ長センサ６６は、既存のセンサを用いて構成することができる。また、シリンダ長センサ６６は、カメラを備え、カメラでシリンダ７３０１の画像を撮影することでシリンダ長を計測してもよい。

【0057】

作業ロボット７は、既に述べたように、移動機構７２と、アーム部７４と、指部７１と手首部７３００を有するハンド部７３を備える。

【0058】

図４は、本実施例による遠隔作業装置を用いた遠隔作業の手順を示すフロー図である。図４では、一例として、オペレータ１が遠隔作業装置を用いて作業対象物８を運搬する作業を実施する例を説明する。遠隔作業装置の作業ロボット７は、作業対象物８を把持して運搬する。

【0059】

ステップ１００１で、オペレータ１は、作業対象物８を把握し、接触反力の計測範囲を遠隔作業装置に入力する。オペレータ１は、例えば、操作装置４を用いて、接触反力の計測範囲を数値で入力する。

【0060】

ステップ１００２で、遠隔作業装置は、オペレータ１が入力した計測範囲に応じて、作業ロボット７のハンド部７３を制御する。作業ロボット制御装置６のシリンダ長算出部６３は、オペレータ１が入力した計測範囲を基に、ハンド部７３のシリンダ７３０１の長さ（シリンダ長）を定める。これにより、作業ロボット７のハンド部７３が作業対象物８に接触するときの、手首部７３００の姿勢（すなわち、指部７１のベース７３０２からの距離）が定められる。ステップ１００２については、図５を用いて詳しく説明する。

【0061】

ステップ１００３で、遠隔作業装置は、作業ロボット７で作業対象物８に接触し、このときの接触反力を出力する。作業ロボット７のハンド部７３は、ステップ１００２で定められた手首部７３００の姿勢で指部７１が作業対象物８に接触し、指部７１で作業対象物８を把持する。遠隔作業装置は、作業ロボット７が作業対象物８に接触したときの接触反力を反力算出部５３で求め、求めた接触反力を操作装置４の力覚情報出力部４４の画面に表示したり力覚提示インターフェース２で提示したりすることで、接触反力を出力する。ステップ１００３については、図５を用いて詳しく説明する。

【0062】

ステップ１００４で、オペレータ１は、ステップ１００３で出力された接触反力を、ステップ１００１で入力した計測範囲と比較し、接触反力が計測範囲に含まれているか否かを判断する。オペレータ１は、例えば、操作装置４の力覚情報出力部４４の画面に表示された接触反力を見て、接触反力が入力した計測範囲に含まれているか否かを判断する。接触反力が計測範囲に含まれていない場合は、ステップ１００５に進む。接触反力が計測範囲に含まれている場合は、ステップ１００６に進む。

【0063】

ステップ１００５で、オペレータ１は、接触反力が入力した計測範囲に含まれていないので、作業ロボット７を作業対象物８から離す。作業ロボット７は、作業対象物８から離れて、作業対象物８に接触しない位置に移動する。そして、ステップ１００１に戻り、オペレータ１は、接触反力の計測範囲を遠隔作業装置に再度入力する。オペレータ１は、作業ロボット７が別の作業対象物８を把持するように、ステップ１００５で作業ロボット７を移動させてもよい。

【0064】

ステップ１００６で、オペレータ１は、接触反力が入力した計測範囲に含まれているので、作業ロボット７で作業対象物８を把持して運搬する。

【0065】

なお、図４には、一例として、作業ロボット７が作業対象物８を把持して運搬する作業を行う例を示した。作業ロボット７は、作業対象物８に対する他の作業、例えば、作業対象物８に対して切断や切削等の加工を行う作業も、図４に示したフローと同様のフローで行うことができる。

【0066】

図５は、図４に示したステップ１００２とステップ１００３の処理を詳しく説明するフロー図である。ステップ１００２とステップ１００３の処理は、本実施例による遠隔作業装置が実行する。

【0067】

初めに、ステップ１００２の処理について説明する。

【0068】

ステップ１００２１で、作業ロボット制御装置６は、図４のステップ１００１で入力された接触反力の計測範囲から、接触反力に対するシリンダ荷重の比をシリンダ長算出部６３で算出する。なお、接触反力に対するシリンダ荷重（シリンダ７３０１に加わる荷重）の比のことを、「接触反力に対するシリンダ荷重の分解能」とも呼ぶ。

【0069】

制御入力センサ６５は、計測範囲が定まっており、この計測範囲内の値の荷重しか計測できない。そこで、シリンダ長算出部６３は、ステップ１００１で入力された接触反力の計測範囲が、制御入力センサ６５の荷重の計測範囲に含まれるように、接触反力に対するシリンダ荷重の比（分解能）を算出する。例えば、シリンダ長算出部６３は、入力された接触反力の下限の値が制御入力センサ６５の計測範囲の下限の値になり、入力された接触反力の上限の値が制御入力センサ６５の計測範囲の上限の値になるように、分解能を算出（より正確には、分解能の範囲を設定）する。

【0070】

ステップ１００２２で、シリンダ長算出部６３は、算出した分解能（接触反力に対するシリンダ荷重の比）から手首部７３００の姿勢を算出する。分解能（接触反力に対するシリンダ荷重の比）が定まると、後述する図７と図８Ａと図８Ｂに示すように、手首部７３００の姿勢（すなわち、指部７１の位置）が定まる。

【0071】

ステップ１００２３で、シリンダ長算出部６３は、算出した手首部７３００の姿勢を実現するシリンダ長を算出する。既に述べたように、手首部７３００の姿勢は、指部７１の位置のことであり、シリンダ長によって定まる。なお、図４のステップ１００１では、接触反力の計測範囲が入力されているので、シリンダ長算出部６３は、この計測範囲を満たすシリンダ長を算出する。すなわち、シリンダ長算出部６３は、この計測範囲に対応するシリンダ長の範囲のうちの任意の値をシリンダ長として算出する。

【0072】

ステップ１００２４で、手首部制御部６４は、シリンダ７３０１の長さがシリンダ長算出部６３が算出したシリンダ長になるように、手首部７３００を制御する。シリンダ７３０１は、手首部制御部６４によって荷重が加えられることで、算出されたシリンダ長になるように伸縮する。

【0073】

次に、ステップ１００３の処理について説明する。

【0074】

ステップ１００３１で、作業ロボット制御装置６は、アーム部７４とハンド部７３を制御して、ハンド部７３の指部７１が作業対象物８を把持できるように、指部７１を作業対象物８に接触させる。ハンド部７３は、シリンダ７３０１の長さがシリンダ長算出部６３が算出したシリンダ長の状態で、指部７１が作業対象物８に接触する。

【0075】

ステップ１００３２で、データ処理装置５は、指部７１が作業対象物８に接触しているときの手首部７３００についての情報を、制御入力センサ６５とシリンダ長センサ６６から取得する。制御入力センサ６５は、シリンダ７３０１を伸縮させている荷重（例えば、シリンダ７３０１に加わっている圧力）を制御入力として計測する。シリンダ長センサ６６は、シリンダ７３０１の長さ（シリンダ長）を計測する。データ処理装置５は、制御入力センサ６５から制御入力を取得し、シリンダ長センサ６６からシリンダ長を取得する。

【0076】

ステップ１００３３で、データ処理装置５の手首部姿勢算出部５１は、シリンダ長センサ６６が計測したシリンダ長から手首部７３００の姿勢を算出する。シリンダ７３０１の長さ（シリンダ長）が決まると、手首部７３００の姿勢（指部７１の位置）が定まる。

【0077】

ステップ１００３４で、データ処理装置５のシリンダ荷重算出部５２は、制御入力センサ６５から取得した制御入力から、シリンダ７３０１に加わる荷重（シリンダ荷重）を算出する。

【0078】

ステップ１００３５で、データ処理装置５の反力算出部５３は、手首部姿勢算出部５１が算出した手首部７３００の姿勢と、シリンダ荷重算出部５２が算出したシリンダ荷重から、ハンド部７３の接触反力を算出する。

【0079】

ステップ１００３６で、データ処理装置５の力覚情報算出部５４は、反力算出部５３が算出した接触反力を、力覚提示インターフェース２がオペレータ１に提示する力覚情報に変換する。

【0080】

ステップ１００３７で、力覚提示インターフェース２は、力覚情報算出部５４が変換した力覚情報（接触反力）をオペレータ１に提示し、操作装置４は、反力算出部５３が算出した接触反力を力覚情報出力部４４の画面に表示する。力覚提示インターフェース２は、例えば、接触反力をオペレータ１が知覚する力と振動の少なくとも一方としてオペレータ１に提示することができる。力覚情報出力部４４は、例えば、接触反力の大きさと方向を表示することができる。

【0081】

図６は、本実施例での作業ロボット７において、ハンド部７３の接触反力を算出する計算処理に関する幾何関係を示す図である。図６には、一例として、手首部７３００が、並列に配置された３本のシリンダ７３０１を備える構成を示している。３本のシリンダ７３０１のそれぞれは、一端部が先端部７３０４に接続されており、他端部がベース７３０２に接続されている。図６には、先端部７３０４の基準点７３０４ａとベース７３０２の基準点７３０２ａを黒丸で示している。基準点７３０４ａは、先端部７３０４の内部の点であり、任意に定めることができる。基準点７３０２ａは、ベース７３０２の内部の点であり、任意に定めることができる。

【0082】

図６を用いて、図５に示したステップ１００３３とステップ１００３５での計算処理に関する幾何関係を説明する。

【0083】

図６において、ｘは、ベース７３０２の基準点７３０２ａから先端部７３０４の基準点７３０４ａまでのベクトルを表す。このベクトルｘは、先端部７３０４のベース７３０２からの相対位置、すなわち指部７１の位置（手首部７３００の姿勢）を表す。ｒ_ｉは、各シリンダ７３０１に加わる荷重（シリンダ荷重）の方向ベクトルを表す。ｂ_ｉは、ベース７３０２の基準点７３０２ａから各シリンダ７３０１の他端部（ベース７３０２と各シリンダ７３０１との接続部）までのベクトルを表す。ｔ_ｉは、各シリンダ７３０１の一端部（先端部７３０４と各シリンダ７３０１との接続部）から先端部７３０４の基準点７３０４ａまでのベクトルを表す。ｌ_ｉは、各シリンダ７３０１の長さ（シリンダ長）を表す。ｉは、シリンダ７３０１の識別子（ｉ＝１、２、３）である。

【0084】

ステップ１００３３において、手首部姿勢算出部５１は、シリンダ長ｌ_ｉから手首部７３００の姿勢を算出する。

【0085】

式（１）は、先端部７３０４のベース７３０２からの相対位置（ベクトルｘ）を算出する式である。手首部姿勢算出部５１は、式（１）を用いて、先端部７３０４のベース７３０２からの相対位置ｘを算出する。相対位置ｘは、手首部７３００の姿勢を表す。
ｘ＝ｂ_ｉ＋ｌ_ｉｒ_ｉ＋ｔ_ｉ （１）
式（１）において、ｂ_ｉとｔ_ｉは、既知の値であり、ｒ_ｉは、手首部７３００の構造とｌ_ｉの値（シリンダ長）に依存して定まる値である。なお、式（１）では、ｉ＝１からｉ＝３までの合計をｘとする。

【0086】

ステップ１００３５において、反力算出部５３は、手首部７３００の姿勢（より正確には、相対位置ｘを与えるシリンダ荷重の方向ベクトルｒ_ｉ）とシリンダ荷重の大きさから、ハンド部７３の接触反力を算出する。

【0087】

式（２）は、各シリンダ７３０１のシリンダ荷重の方向ベクトルｒ_ｉとシリンダ荷重の大きさから、接触反力Ｆを算出する式である。
Ｆ＝ｐ_１ｒ_１＋ｐ_２ｒ_２＋ｐ_３ｒ_３ （２）
式（２）において、Ｆは、接触反力を表すベクトルであり、ｐ_ｉ（ｉ＝１、２、３）は、シリンダ荷重の大きさである。ハンド部７３の接触反力Ｆは、それぞれのシリンダ７３０１のシリンダ荷重を合成して得られる。各シリンダ７３０１に加わる荷重（シリンダ荷重）は、接触反力Ｆの分散圧力である。

【0088】

図７は、本実施例での作業ロボット７において、シリンダ７３０１の伸縮と指部７１の位置（すなわち、手首部７３００の姿勢）と分解能との関係の例を示す図である。図７には、左から右に向けて、シリンダ７３０１が次第に収縮していく様子を示している。

【0089】

シリンダ７３０１が収縮していくと、指部７１とベース７３０２との距離が短くなっていき、シリンダ７３０１に加わる荷重（シリンダ荷重）の大きさｐ_ｉが大きくなっていく。すなわち、シリンダ７３０１が収縮していくと（図７の左から右に変化してくと）、接触反力Ｆに対するシリンダ荷重ｐ_ｉの比（接触反力に対するシリンダ荷重の分解能ｐ_ｉ／Ｆ）が大きくなっていく。図７に示すように、シリンダ７３０１が伸縮すると、手首部７３００の姿勢が変化し、分解能ｐ_ｉ／Ｆも変化する。

【0090】

図８Ａと図８Ｂは、本実施例での作業ロボット７において、接触反力Ｆとシリンダ７３０１に加わる荷重（シリンダ荷重ｐ_ｉ）との関係の例を示す図である。接触反力Ｆは、それぞれのシリンダ７３０１のシリンダ荷重ｐ_ｉ（ｐ_１とｐ_２）に分散される。

【0091】

図８Ａは、シリンダ７３０１の長さが伸長している場合の、接触反力Ｆとシリンダ荷重ｐ_ｉの向きとの関係の例を示す図である。図８Ａに示すように、シリンダ７３０１の長さが伸長していると、接触反力Ｆとシリンダ荷重ｐ_ｉの向きとの間の角度が比較的小さいので、接触反力Ｆに対するシリンダ荷重ｐ_ｉの比（接触反力に対するシリンダ荷重の分解能ｐ_ｉ／Ｆ）は、比較的小さい。

【0092】

本実施例での作業ロボット７では、ハンド部７３が大きな力を必要とする作業（例えば、重作業）を実施する場合には、シリンダ７３０１の長さを伸長させ、接触反力Ｆに対するシリンダ荷重ｐ_ｉの比（分解能ｐ_ｉ／Ｆ）を小さくすることができる。従来の技術では、大きな接触反力Ｆを発生させるには、シリンダ荷重ｐ_ｉの大きさを大きくする必要がある。すると、シリンダ荷重ｐ_ｉの大きさがセンサの計測範囲を超えてしまい、センサでシリンダ荷重ｐ_ｉを計測できなくなることがある。本実施例での作業ロボット７では、シリンダ７３０１の長さを伸長させて（すなわち、手首部７３００の姿勢を変えて）シリンダ荷重ｐ_ｉの大きさを小さくすることで、センサ（制御入力センサ６５）でシリンダ荷重ｐ_ｉの大きさを計測できるようにする。

【0093】

図８Ｂは、シリンダ７３０１の長さが収縮している場合の、接触反力Ｆとシリンダ荷重ｐ_ｉの向きとの関係の例を示す図である。図８Ｂに示すように、シリンダ７３０１の長さが収縮していると、接触反力Ｆとシリンダ荷重ｐ_ｉの向きとの間の角度が比較的大きいので、接触反力Ｆに対するシリンダ荷重ｐ_ｉの比（接触反力に対するシリンダ荷重の分解能ｐ_ｉ／Ｆ）は、比較的大きい。

【0094】

本実施例での作業ロボット７では、ハンド部７３が小さな力で行う作業（例えば、繊細な作業）を実施する場合には、シリンダ７３０１の長さを収縮させ、接触反力Ｆに対するシリンダ荷重ｐ_ｉの比（分解能ｐ_ｉ／Ｆ）を大きくすることができる。従来の技術では、小さな接触反力Ｆを発生させるには、シリンダ荷重ｐ_ｉの大きさを小さくする必要がある。すると、シリンダ荷重ｐ_ｉの大きさがセンサの計測範囲を超えてしまい、センサでシリンダ荷重ｐ_ｉを計測できなくなることがある。本実施例での作業ロボット７では、シリンダ７３０１の長さを収縮させて（すなわち、手首部７３００の姿勢を変えて）シリンダ荷重ｐ_ｉの大きさを大きくすることで、センサ（制御入力センサ６５）でシリンダ荷重ｐ_ｉの大きさを計測できるようにする。

【0095】

本実施例による遠隔作業装置は、以上説明したように、シリンダ７３０１の長さを変えてシリンダ荷重の方向（すなわち、手首部７３００の姿勢）を変えることで、接触反力Ｆに対するシリンダ荷重ｐ_ｉの比（分解能ｐ_ｉ／Ｆ）を変化させることができるので、広い範囲の接触反力Ｆを算出してオペレータに提示することができる。従来の遠隔作業装置では、接触反力の計測範囲が一定であるので、様々な作業（例えば、重作業や繊細な作業）に対応するのが困難である。本実施例による遠隔作業装置では、接触反力の計測範囲は、ハンド部７３のシリンダ７３０１を伸縮させてシリンダ長を変えることで、幅広く調節できる。

【0096】

また、本実施例による遠隔作業装置では、作業ロボットは、制御入力センサ６５とシリンダ長センサ６６だけを使用し、使用するセンサの数が少ないので、サイズが小さく、人間の立ち入りが困難な災害現場等の過酷環境でも使用することができる。従来の遠隔作業装置では、接触反力の計測範囲を広げるには、使用するセンサの数を増やす必要があり、作業ロボットのサイズが大きくなって過酷環境での使用が困難である。本実施例による遠隔作業装置は、過酷環境下においても、広い範囲の接触反力を算出してオペレータに提示することができる。

【0097】

なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記の実施例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、本発明は、必ずしも説明した全ての構成を備える態様に限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能である。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、削除したり、他の構成を追加・置換したりすることが可能である。

【符号の説明】

【0098】

１…オペレータ、２…力覚提示インターフェース、３…コントローラ、４…操作装置、５…データ処理装置、６…作業ロボット制御装置、７…作業ロボット、８…作業対象物、４０…操作入力部、４１…目標値算出部、４２…データ送受信部、４３…反力計測範囲入力部、４４…力覚情報出力部、５０…データ送受信部、５１…手首部姿勢算出部、５２…シリンダ荷重算出部、５３…反力算出部、５４…力覚情報算出部、６０…データ送受信部、６１…目標値算出部、６２…ロボット制御部、６３…シリンダ長算出部、６４…手首部制御部、６５…制御入力センサ、６６…シリンダ長センサ、７１…指部、７２…移動機構、７３…ハンド部、７４…アーム部、７３００…手首部、７３０１…シリンダ、７３０２…ベース、７３０２ａ…基準点、７３０３…関節部、７３０４…先端部、７３０４ａ…基準点、７３０５…配管、１０００…作業環境。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8A】

【図8B】