特開 2024-88431 遠隔操作システム

(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】P2024088431

(43)【公開日】2024-07-02

(54)【発明の名称】遠隔操作システム

(51)【国際特許分類】

   B25J 3/00 20060101AFI20240625BHJP

【ＦＩ】

B25J3/00 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022203587

(22)【出願日】2022-12-20

(71)【出願人】

【識別番号】000002107

【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105887

【弁理士】

【氏名又は名称】来山 幹雄

(72)【発明者】

【氏名】土屋 光樹

【テーマコード（参考）】

3C707

【Ｆターム（参考）】

3C707AS12

3C707BS10

3C707JT05

3C707JU12

3C707KS21

3C707KS33

3C707KX10

3C707LT00

3C707LU06

3C707LV23

(57)【要約】

【課題】操作者がマスターロボットを操作する際に、大きな力を必要とせず、操作感が阻害されないように操作者に反力を提示することが可能な遠隔操作システムを提供する。
【解決手段】第１ダミー物体がマスターロボットに保持される。スレーブロボットが第１物体を保持し、第１物体を第２物体に接触させて作業を行う。制御装置が、マスターロボットの動作に基づいてスレーブロボットを追従動作させる。スレーブ力検出器が、第１物体が第２物体から受ける反力を検出する。反力発生機構が、第１ダミー物体に力を作用させる。制御装置は、スレーブ力検出器の検出値に基づいて反力発生機構を動作させることにより、スレーブ力検出器で検出された反力の検出値に応じた力を第１ダミー物体に作用させる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１ダミー物体が保持されるマスターロボットと、
第１物体を保持し、前記第１物体を第２物体に接触させて作業を行うスレーブロボットと、
前記マスターロボットの動作に基づいて前記スレーブロボットを追従動作させる制御装置と、
前記第１物体が前記第２物体から受ける反力を検出するスレーブ力検出器と、
前記第１ダミー物体に力を作用させる反力発生機構と
を備え、
前記制御装置は、前記スレーブ力検出器の検出値に基づいて前記反力発生機構を動作させることにより、前記スレーブ力検出器で検出された反力の検出値に応じた力を前記第１ダミー物体に作用させる遠隔操作システム。

【請求項2】

前記反力発生機構は、前記第１ダミー物体に作用させる力を検出するマスター力検出器を含み、
前記制御装置は、前記マスター力検出器の検出値を、前記スレーブ力検出器で検出された反力の検出値に近づける力フィードバック制御を行う請求項１に記載の遠隔操作システム。

【請求項3】

前記反力発生機構は、さらに、前記第１ダミー物体に接触する第２ダミー物体、及び前記第２ダミー物体の位置を検出する位置検出器を含み、
前記制御装置は、前記位置検出器で検出された位置の検出値を、予め決められた位置指令値に近づける位置フィードバック制御を行う請求項２に記載の遠隔操作システム。

【請求項4】

前記位置フィードバック制御のゲインは、前記力フィードバック制御のゲインより小さい請求項３に記載の遠隔操作システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、遠隔操作システムに関する。

【背景技術】

【0002】

マスターロボットを操作者が操作し、遠隔にあるスレーブロボットの手先位置及び姿勢がマスターロボットの手先位置及び姿勢に追従するように、スレーブロボットを動作（以下、追従動作という。）させて作業を行う遠隔操作システムが公知である。研削、研磨のような力加減が重要な加工を行う場合は、操作者が押付力を調整しながら作業を行う。このような加工作業を、遠隔操作システムを用いて行う場合は、実際に加工を行っているスレーブロボット側の接触力情報を操作者に提示するために、マスターロボットにアクチュエータが搭載されることが多い。直接作業を行っている場合と同様の力を、操作者が感じられるようにすることにより、ワークと作業環境（ツール）との接触の感覚をつかみやすくなる。

【0003】

ワークと作業環境との接触力が大きくなると、マスターロボット側で発生すべき力が大きくなる。マスターロボット側で大きな力を発生するために、アクチュエータの大出力化や、減速機の付加等が必要になる。アクチュエータの出力を大きくすると、一般的にアクチュエータ自体が大型化することにより、慣性が大きくなる。また、減速機を付加すると、減速機の内部摩擦が発生する。さらに、減速機を介してモータ等のアクチュエータを動かすときに、アクチュエータの慣性を大きく感じることになる。いずれの場合も、操作者がマスターロボットを操作する際に、大きな力が必要になる。

【0004】

マスターロボットのアクチュエータと、操作者が操作するアーム部との間に減速機とクラッチを挿入した遠隔操作システムが公知である（特許文献１）。スレーブロボット側のワークとツールとが接触していないときは、アクチュエータとアーム部とをクラッチで切り離すことにより、アクチュエータの慣性や減速機で発生する摩擦力を操作者に伝えないようにすることができる。スレーブロボット側のワークとツールとが接触しているときはクラッチを繋いでアクチュエータが発生する力を操作者に伝える。これにより、スレーブロボットが作業環境から受ける反力を操作者に提示することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平１１－３３３７６４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

スレーブロボット側のワークとツールとが振動して接触状態と非接触状態とが頻繁に切り替わる場合や、小さい力を要する作業の場合は、クラッチの接続と切り離しとが頻繁に繰り返される。このため、操作者への反力の提示が断続的に制御される。その結果、操作感が阻害されるとともに、細かい力の制御が困難である。本発明の目的は、操作者がマスターロボットを操作する際に、大きな力を必要とせず、操作感が阻害されないように操作者に反力を提示することが可能な遠隔操作システムを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一観点によると、
第１ダミー物体が保持されるマスターロボットと、
第１物体を保持し、前記第１物体を第２物体に接触させて作業を行うスレーブロボットと、
前記マスターロボットの動作に基づいて前記スレーブロボットを追従動作させる制御装置と、
前記第１物体が前記第２物体から受ける反力を検出するスレーブ力検出器と、
前記第１ダミー物体に力を作用させる反力発生機構と
を備え、
前記制御装置は、前記スレーブ力検出器の検出値に基づいて前記反力発生機構を動作させることにより、前記スレーブ力検出器で検出された反力の検出値に応じた力を前記第１ダミー物体に作用させる遠隔操作システムを提供することである。

【発明の効果】

【0008】

反力発生機構が、スレーブ力検出器で検出された反力の検出値に応じた力を第１ダミー物体に作用させるため、マスターロボットにアクチュエータを搭載する必要がない。操作者がマスターロボットを操作する際に、アクチュエータからの慣性力を受けない。このため、マスターロボットの操作に大きな力が必要とされない。また、操作感が阻害されないように、第１ダミー物体に力を作用させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、一実施例による遠隔操作システムの概略図である。

【図2】図２は、本実施例による遠隔操作システムのブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

図１及び図２を参照して、一実施例による遠隔操作システムについて説明する。
図１は、本実施例による遠隔操作システムの概略図である。本実施例による遠隔操作システムは、マスターロボット１０、反力発生機構２０、スレーブロボット４０、及び制御装置６０を含む。

【0011】

マスターロボット１０として、複数の関節１１及び複数のリンクアーム１２を有する多軸ロボットアームを備えたものが用いられる。マスターロボット１０の基部に固定された基準座標系をｘｙｚ直交座標系と標記する。複数の関節１１のそれぞれに、マスター位置検出器１３が搭載されている。なお、マスターロボット１０の各関節１１には、モータ等のアクチュエータは搭載されていない。マスター位置検出器１３として、例えばロータリエンコーダが用いられる。複数のマスター位置検出器１３のそれぞれの検出値が制御装置６０に入力される。マスターロボット１０の先端の把持部に、第１ダミー物体１５が把持されている。第１ダミー物体１５の把持部に対する相対位置及び姿勢は固定されている。

【0012】

複数のマスター位置検出器１３のそれぞれの検出値から、第１ダミー物体１５のｘｙｚ直交座標系における位置及び姿勢を求めることができる。

【0013】

第２ダミー物体２５が、反力発生機構２０によって支持されている。反力発生機構２０として、例えばスタック型直交３軸ロボットが用いられる。スタック型直交３軸ロボットの複数の軸の可動方向を、それぞれｕ軸、ｖ軸、ｗ軸とするｕｖｗ直交座標系を定義する。マスターロボット１０の姿勢の基準となるｘｙｚ直交座標系に対するｕｖｗ直交座標系の相対位置は予め決定されている。

【0014】

反力発生機構２０は、軸ごとに搭載されたアクチュエータ２１及び位置検出器２２を含む。なお、図１では、１つの軸のアクチュエータ２１及び位置検出器２２を示している。アクチュエータ２１として、例えばリニアアクチュエータが用いられる。位置検出器２２として、例えばリニアエンコーダが用いられる。複数のアクチュエータ２１のそれぞれは、制御装置６０から制御されることにより駆動される。複数の位置検出器２２のそれぞれの検出値が制御装置６０に入力される。

【0015】

反力発生機構２０は、さらにマスター力検出器２３を含む。マスター力検出器２３は、第２ダミー物体２５に作用する力を測定する。マスター力検出器２３の検出値が制御装置６０に入力される。マスター力検出器２３で測定された力は、ｕｖｗ直交座標系のｕ成分、ｖ成分、及びｗ成分に分解することができる。

【0016】

スレーブロボット４０として、複数の関節４１及び複数のリンクアーム４２を有する多軸ロボットアームを備えたものが用いられる。スレーブロボット４０の基部に固定された基準座標系をＸＹＺ直交座標系と標記する。複数の関節４１のそれぞれに、スレーブ位置検出器４３及びスレーブアクチュエータ４４が搭載されている。

【0017】

スレーブ位置検出器４３として、例えばロータリエンコーダが用いられる。スレーブアクチュエータ４４として、例えば回転型モータが用いられる。複数のスレーブ位置検出器４３のそれぞれの検出値が制御装置６０に入力される。スレーブアクチュエータ４４のそれぞれは、制御装置６０から制御されることにより駆動される。

【0018】

スレーブロボット４０の先端の把持部に、第１物体５１が把持されている。第１物体５１の把持部に対する相対位置及び姿勢は固定されている。

【0019】

スレーブロボット４０の動作可能範囲内に第２物体５２が配置されている。第２物体５２は、支柱５３によって支持されている。ＸＹＺ直交座標系における第２物体５２の位置及び姿勢は固定されている。

【0020】

例えば、第１物体５１は加工すべきワークであり、第２物体５２は、ワークを加工するツールである。ツールとして、例えば研削器、研磨器等が用いられる。マスターロボット１０側の第１ダミー物体１５及び第２ダミー物体２５は、それぞれスレーブロボット４０側の第１物体５１及び第２物体５２を模したものである。例えば、第１ダミー物体１５の形状及び大きさは、第１物体５１の形状及び大きさと同一である。第２ダミー物体２５の形状及び大きさは、第２物体５２の形状及び大きさと同一である。なお、作業中に第１物体５１と第２物体５２とが相互に接触する可能性のある範囲のみについて、形状及び大きさを同一にしてもよい。

【0021】

なお、２つの物体の接触の感覚を再現するために、第１ダミー物体１５の硬さを第１物体５１の硬さと同一にし、第２ダミー物体２５の硬さを第２物体５２の硬さと同一にすることが好ましい。また、第１ダミー物体１５と第２ダミー物体２５との接触箇所の摩擦係数を、第１物体５１と第２物体５２との接触箇所の摩擦係数と同一にすることが好ましい。

【0022】

スレーブロボット４０に、スレーブ力検出器４５が搭載されている。スレーブ力検出器４５は、第１物体５１が第２物体５２から受ける力を測定する。スレーブ力検出器４５の検出値が制御装置６０に入力される。

【0023】

操作者９０がマスターロボット１０を操作する。制御装置６０は、マスターロボット１０の姿勢の変化に基づいて、スレーブロボット４０を追従動作させる。これにより、第１ダミー物体１５の位置及び姿勢の変化に応じて、第１物体５１の位置及び姿勢が変化する。さらに、制御装置６０は、第１物体５１が第２物体５２から受ける力とほぼ同一の力を、第２ダミー物体２５が第１ダミー物体１５に作用させるように、反力発生機構２０を制御する。

【0024】

次に、図２を参照して、制御装置６０が行う制御について説明する。図２は、本実施例による遠隔操作システムのブロック図である。

【0025】

まず、スレーブロボット４０をマスターロボット１０の姿勢の変化に対して追従動作させる制御について説明する。

【0026】

複数のマスター位置検出器１３から制御装置６０の座標変換ブロック６１にマスター手先位置情報が入力される。マスター手先位置情報には、複数のマスター位置検出器１３により検出された検出値が含まれる。座標変換ブロック６１は、複数のマスター位置検出器１３のそれぞれの検出値を、マスターロボット１０のｘｙｚ座標系における手先位置情報に変換する。手先位置情報は、ｘ座標、ｙ座標、ｚ座標、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の周りの回転位置θ_ｘ、θ_ｙ、θ_ｚで表される。さらに、マスターロボット１０の手先位置情報を、ＸＹＺ座標系におけるスレーブロボット４０の手先位置情報に変換し、スレーブ手先位置指令を出力する。スレーブ手先位置指令は、Ｘ座標、Ｙ座標、Ｚ座標、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の周りの回転位置θ_Ｘ、θ_Ｙ、θ_Ｚを含む。

【0027】

座標変換ブロック６１で生成されたスレーブ手先位置指令が、手先位置関節軸座標変換ブロック６３に入力される。手先位置関節軸座標変換ブロック６３は、スレーブ手先位置指令で指令された手先位置の座標を、スレーブロボット４０の関節４１のそれぞれの軸（以下、ｉ軸という。）に対応する座標に変換し、ｉ軸位置指令を生成する。ｉ軸位置指令は、位置制御ブロック６４に入力される。位置制御ブロック６４は、スレーブロボット４０の関節４１の関節軸ごとに設けられている。

【0028】

スレーブロボット４０の関節軸ごとのスレーブ位置検出器４３からｉ軸位置検出値が位置制御ブロック６４に入力される。位置制御ブロック６４は、ｉ軸位置指令で指令された位置に対するｉ軸位置検出値の偏差がゼロに近づくように、ｉ軸操作量を生成し、ｉ軸のスレーブアクチュエータ４４に与える。これにより、スレーブアクチュエータ４４が駆動され、スレーブロボット４０の手先位置が変化する。この制御は、スレーブロボット４０の関節軸ごとに行われる。

【0029】

次に、反力発生機構２０の制御について説明する。
スレーブ力検出器４５で検出された反力情報が座標変換ブロック６５に入力される。反力情報には、第１物体５１が第２物体５２から受ける反力のＸ成分、Ｙ成分、Ｚ成分が含まれる。座標変換ブロック６５は、反力情報を、反力発生機構のｕ軸、ｖ軸、ｗ軸（図１）の各軸（以下、ｕ軸、ｖ軸、及びｗ軸の１つの軸をｊ軸という。）の成分に変換し、ｊ軸力指令値を出力する。ｊ軸力指令値は、位置力制御ブロック６７に入力される。

【0030】

マスター力検出器２３による力検出値が、座標変換ブロック６６に入力される。この力検出値は、第２ダミー物体２５が第１ダミー物体１５に与える力の検出値である。座標変換ブロック６６は、マスター力検出器２３の力検出値から、ｕｖｗ直交座標系のｕ軸、ｖ軸、ｗ軸の各軸（ｊ軸）の成分であるｊ軸力検出値を算出する。ｊ軸力検出値は、位置力制御ブロック６７に入力される。

【0031】

位置力制御ブロック６７に、さらに、ｊ軸位置指令値が入力される。ｊ軸位置指令値は固定値である。例えば、ｊ軸位置指令値は、マスターロボット１０に対して定義されたｘｙｚ座標系における第２ダミー物体２５（図１）の位置が、スレーブロボット４０に対して定義されたＸＹＺ座標系における第２物体５２（図１）の位置と同一になるように設定される。ｊ軸位置指令値によって特定される第２ダミー物体２５の位置を基準位置ということとする。

【0032】

位置力制御ブロック６７に、さらに、マスターロボット１０の複数の関節１１のそれぞれに搭載された位置検出器２２のｊ軸位置検出値が入力される。ｊ軸位置検出値は、第２ダミー物体２５の現在の位置を表している。

【0033】

位置力制御ブロック６７は、ｊ軸力指令値に対するｊ軸力検出値の偏差がゼロに近づき、かつｊ軸位置指令値に対するｊ軸位置検出値の偏差がゼロに近づくように、ｊ軸操作量を生成し、ｊ軸のアクチュエータ２１を駆動する。このように、位置力制御ブロック６７は、力フィードバック制御と位置フィードバック制御とを行う。力フィードバック制御により、第２ダミー物体２５が第１ダミー物体１５に与える力が、スレーブロボット４０側の第２物体５２が第１物体５１に与える力に近づくように制御される。また、位置フィードバック制御により、第２ダミー物体２５の位置を基準位置に戻すように制御される。

【0034】

次に、本実施例の優れた効果について説明する。
操作者９０が、第１ダミー物体１５を保持したマスターロボット１０を操作して、第１ダミー物体１５を第２ダミー物体２５に接触させると、スレーブロボット４０が追従動作を行い、第１物体５１が第２物体５２に接触する。このとき、第１物体５１が第２物体５２から受ける反力に相当する力が、第２ダミー物体２５から第１ダミー物体１５に作用する。操作者９０は、提示された力を感じながら第１ダミー物体１５の位置を調整することができる。操作者９０が第１ダミー物体１５の位置を調整すると、その調整に合わせてスレーブロボット４０が追従動作するため、スレーブロボット４０側の第１物体５１が第２物体５２から受ける反力が調整される。このため、作業の精度や品質を向上させることができる。

【0035】

また、マスターロボット１０の関節１１にアクチュエータが搭載されていないため、マスターロボット１０の動作が、アクチュエータからの慣性力やアクチュエータ内部の摩擦力の影響を受けない。このため、操作者９０がマスターロボット１０を操作するときに必要な力が小さくなり、操作性が向上する。

【0036】

さらに、作業者は、第１ダミー物体１５と第２ダミー物体２５とを直接視認しながら作業を行うことができる。このため、スレーブロボット４０側の第１物体５１と第２物体５２との位置関係を把握しやすくなる。これにより、第１物体５１が第２物体５２に接触するまで、第１ダミー物体１５を第２ダミー物体２５に近づける操作を行いやすくなる。

【0037】

位置力制御ブロック６７（図２）は、力フィードバック制御のみならず、第２ダミー物体２５を基準位置に戻す位置フィードバック制御も行っている。スレーブロボット４０側の第２物体５２は固定されているため、第２物体５２を模した第２ダミー物体２５を過度に移動させると実際の作業環境が再現されなくなってしまう。第２ダミー物体２５の位置制御を行うことにより、マスターロボット１０側の作業環境と、スレーブロボット４０側の作業環境とのずれが過大になってしまう状態が生じにくくなる。

【0038】

また、何らかの原因で、第１ダミー物体１５と第２ダミー物体２５との位置関係が、第１物体５１と第２物体５２との位置関係からずれる場合がある。例えば、第１ダミー物体１５が第２ダミー物体２５から離れた時点で、第１物体５１が第２物体５２に接触しており、両者の間に反力が発生している状況が生じ得る。位置力制御ブロック６７が力フィードバック制御のみを行い、位置フィードバック制御を行っていない場合、この反力に相当する力を第１ダミー物体１５に与えるために、第２ダミー物体２５が大きく動き出してしまう。本実施例では、第２ダミー物体２５の位置制御を行っているため、第２ダミー物体２５の過度の移動が抑制される。

【0039】

なお、第１物体５１が第２物体５２から受ける反力を、第１ダミー物体１５と第２ダミー物体２５との間に再現させるために、位置フィードバック制御のゲインを、力フィードバック制御のゲインより小さくすることが好ましい。

【0040】

次に、上記実施例の変形例について説明する。
上記実施例では、第２ダミー物体２５が第１ダミー物体１５に与える力を、マスター力検出器２３で検出しているが、その他の手段で力を求めてもよい。例えば、反力推定オブザーバの情報を用いてもよい。反力推定オブザーバの構成については、例えば、日本ロボット学会誌１１巻５号「反作用力推定オブザーバに基づいた多自由度ロボットの力センサレスコンプライアンス制御」に説明されている。

【0041】

また、上記実施例では、第１物体５１が第２物体５２から受ける反力の測定に、スレーブロボット４０の手先に取り付けたスレーブ力検出器４５を用いているが、その他の手段で反力を求めてもよい。例えば、スレーブロボット４０の複数の関節４１のそれぞれにトルクセンサを取り付け、複数のトルクセンサのそれぞれの検出値から反力を計算してもよい。または、スレーブロボット４０の各関節軸に関する反力推定オブザーバの情報から反力を計算してもよい。

【0042】

上記実施例では、マスターロボット１０及びスレーブロボット４０として多軸ロボットアームを有するものを用いている。多軸ロボットアームの自由度は、加工作業の内容に応じて決定すればよい。多軸ロボットアームとして、６自由度のものを用いてもよいし、５自由度以下のものを用いてもよいし、７自由度以上のものを用いてもよい。

【0043】

上記実施例では、マスター位置検出器１３として、マスターロボット１０の複数の関節１１のそれぞれに搭載したロータリエンコーダを用いている。すなわち、マスター位置検出器１３の自由度の数が、マスターロボット１０の自由度の数と同一である。一変形例として、マスターロボット１０の自由度の数よりも多い自由度を持つマスター位置検出器１３を用いてもよい。例えば、マスター位置検出器１３として、モーションキャプチャや慣性計測装置（ＩＭＵ）を用いてもよい。

【0044】

上記実施例では、マスターロボット１０及びスレーブロボット４０が、シリアルリンク型の多軸ロボットアームを含んでいるが、その他の構成のロボットを用いてもよい。例えば、複数の直交軸と複数の回転軸とを含むスタック型のロボット、パラレルリンク型のロボット等を用いてもよい。

【0045】

上記実施例では、反力発生機構２０として、スタック型直交３軸ロボットを用いているが、その他の構成のものを用いてもよい。例えば、シリアルリンク型のロボット、パラレルリンク型のロボット等を用いてもよい。

【0046】

上述の実施例は例示であり、本発明は上述の実施例に制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

【符号の説明】

【0047】

１０ マスターロボット
１１ 関節
１２ リンクアーム
１３ マスター位置検出器
１５ 第１ダミー物体
２０ 反力発生機構
２１ アクチュエータ
２２ 位置検出器
２３ マスター力検出器
２５ 第２ダミー物体
４０ スレーブロボット
４１ 関節
４２ リンクアーム
４３ スレーブ位置検出器
４４ スレーブアクチュエータ
４５ スレーブ力検出器
５１ 第１物体
５２ 第２物体
５３ 支柱
６０ 制御装置
６１ 座標変換ブロック
６３ 手先位置関節軸座標変換ブロック
６４ 位置制御ブロック
６５、６６ 座標変換ブロック
６７ 位置力制御ブロック
９０ 操作者

【図1】

【図2】