專利名稱：主-從機(jī)械手的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有冗余關(guān)節(jié)的主-從機(jī)械手。
背景技術(shù)：
近年來，為了實(shí)現(xiàn)醫(yī)療設(shè)施的節(jié)省人力化，進(jìn)行了利用機(jī)器人的醫(yī)療處置的研究。尤其是在外科領(lǐng)域中，針對(duì)利用具有多自由度(多關(guān)節(jié))臂的機(jī)械手處置患者的機(jī)械手系統(tǒng)進(jìn)行了各種提案。在這種機(jī)械手系統(tǒng)中，公知有能夠通過遠(yuǎn)程操作裝置對(duì)直接接觸患者體腔的從機(jī)械手進(jìn)行遠(yuǎn)程操作的主-從機(jī)械手。在使用主-從機(jī)械手進(jìn)行內(nèi)窺鏡下手術(shù)中特別困難的縫針動(dòng)作的情況下，在使安裝于從臂的末端的夾鉗滾動(dòng)的同時(shí)縫針。此時(shí)，在末端沒有滾動(dòng)軸關(guān)節(jié)的從臂中，伴隨用于使安裝于末端的夾鉗滾動(dòng)的滾動(dòng)動(dòng)作而使其他關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)動(dòng)作。該情況下，認(rèn)為有可能多個(gè)關(guān)節(jié)動(dòng)作會(huì)與周圍臟器等碰撞。與此相對(duì)，例如在日本特開昭63-267177號(hào)公報(bào)中提出了能夠通過在末端部設(shè)置冗余關(guān)節(jié)來進(jìn)行僅末端的位置姿態(tài)確定的主-從機(jī)械手。

發(fā)明內(nèi)容
一般而言，在日本特開昭63-267177號(hào)公報(bào)等的在末端具有冗余關(guān)節(jié)的主-從機(jī)械手的情況下，用于依照來自遠(yuǎn)程操作裝置的指令值計(jì)算從臂的各個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)量的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)運(yùn)算復(fù)雜化。在這種情況下，例如如果使從臂的自由度與遠(yuǎn)程操作裝置的自由度一致，使得從臂的各個(gè)關(guān)節(jié)一對(duì)一地對(duì)應(yīng)，則能夠簡(jiǎn)化逆運(yùn)動(dòng)學(xué)運(yùn)算。但是，通常難以用單手操作自由度大的遠(yuǎn)程操作裝置。本發(fā)明正是鑒于上述情況而完成的，其目的在于，提供一種在具有冗余關(guān)節(jié)的主-從機(jī)械手中，即使是遠(yuǎn)程操作裝置和從臂的結(jié)構(gòu)不同的結(jié)構(gòu)，也能夠減少逆運(yùn)動(dòng)學(xué)運(yùn)算的負(fù)荷的主-從機(jī)械手。為了達(dá)到上述目的，一個(gè)方式的主-從機(jī)械手的特征在于，具備:作為主裝置的遠(yuǎn)程操作裝置，其提供與多個(gè)自由度對(duì)應(yīng)的操作指令；從機(jī)械手，其具有與多個(gè)自由度對(duì)應(yīng)的多個(gè)關(guān)節(jié)，在該多個(gè)關(guān)節(jié)中包含有冗余關(guān)節(jié)；以及控制部，其依照所述操作指令，控制所述關(guān)節(jié)的動(dòng)作，所述控制部根據(jù)所述操作指令計(jì)算所述遠(yuǎn)程操作裝置的姿態(tài)變化，并使用該姿態(tài)變化，每隔預(yù)定時(shí)間在所述關(guān)節(jié)中選擇處于冗余關(guān)系的關(guān)節(jié)之一進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。


圖1是示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的主-從機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)的圖。圖2A是示出遠(yuǎn)程操作裝置的結(jié)構(gòu)例的第I圖。圖2B是示出遠(yuǎn)程操作裝置的結(jié)構(gòu)例的第2圖。圖3是示出從機(jī)械手的結(jié)構(gòu)例的圖。圖4A是用于說明本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中的關(guān)節(jié)選擇的思路的第I圖。圖4B是用于說明本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中的關(guān)節(jié)選擇的思路的第2圖。
圖4C是用于說明本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中的關(guān)節(jié)選擇的思路的第3圖。圖5是示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的主-從機(jī)械手的動(dòng)作的流程圖。圖6A是示出將冗余關(guān)節(jié)設(shè)為了偏航軸關(guān)節(jié)的變形例的第I圖。圖6B是示出將冗余關(guān)節(jié)設(shè)為了偏航軸關(guān)節(jié)的變形例的第2圖。圖7A是示出將冗余關(guān)節(jié)設(shè)為了俯仰軸關(guān)節(jié)的變形例的第I圖。圖7B是示出將冗余關(guān)節(jié)設(shè)為了俯仰軸關(guān)節(jié)的變形例的第2圖。圖8是示出處于冗余關(guān)系的關(guān)節(jié)相鄰、且能夠獨(dú)立進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的從臂的結(jié)構(gòu)例的圖。
具體實(shí)施例方式以下，參照

本發(fā)明的實(shí)施方式。圖1是示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的主-從機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)的圖。如圖1所示，本實(shí)施方式的主-從機(jī)械手具有遠(yuǎn)程操作裝置100、控制裝置200和從機(jī)械手300。圖1是本實(shí)施方式的主-從機(jī)械手在醫(yī)療用途中的應(yīng)用例。但是，本實(shí)施方式的主-從機(jī)械手能夠應(yīng)用于醫(yī)療用途以外的各種用途。遠(yuǎn)程操作裝置100作為主-從機(jī)械手中的主裝置發(fā)揮功能。遠(yuǎn)程操作裝置100具有操作部101和顯示部102。例如圖2A所示,操作部101具有驅(qū)動(dòng)部,該驅(qū)動(dòng)部包含由旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)軸、和由直動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)軸。并且，在操作部101的終端部設(shè)置有夾鉗部1011。將操作部101的終端部設(shè)為由操作者10握持的一側(cè)。在這種結(jié)構(gòu)中，操作者10在握持夾鉗部1011的狀態(tài)下，移動(dòng)并旋轉(zhuǎn)操作部101、并且對(duì)夾鉗部1011進(jìn)行操作，由此驅(qū)動(dòng)構(gòu)成操作部101的各個(gè)驅(qū)動(dòng)軸。各個(gè)驅(qū)動(dòng)軸的驅(qū)動(dòng)量通過設(shè)置于各個(gè)驅(qū)動(dòng)軸的未圖示的位置檢測(cè)器(例如編碼器)檢測(cè)。各個(gè)驅(qū)動(dòng)軸的驅(qū)動(dòng)量在驅(qū)動(dòng)軸為旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的情況下為旋轉(zhuǎn)角，在驅(qū)動(dòng)軸為直動(dòng)機(jī)構(gòu)的情況下為位移量。將各個(gè)位置檢測(cè)器的檢測(cè)信號(hào)作為用于指示從機(jī)械手300的從臂301的鉗爪的位置姿態(tài)的、表示操作部101的操作指令(操作信息)的信號(hào)(操作信號(hào))，輸出到控制裝置200。在圖2A中，操作部101設(shè)置有6個(gè)驅(qū)動(dòng)軸，通過該6個(gè)驅(qū)動(dòng)軸的驅(qū)動(dòng)，輸出用于計(jì)算6個(gè)指令值的與6自由度對(duì)應(yīng)的操作信號(hào)。該操作信號(hào)包含與位置相關(guān)的信號(hào)(Θ P屯、d2)和與姿態(tài)相關(guān)的信號(hào)(Θ 2、Θ 3、Θ 4)。操作部101只要是能夠指示從臂301的鉗爪的位置姿態(tài)的結(jié)構(gòu)，則其結(jié)構(gòu)沒有特別限定。例如，可以在操作部101中設(shè)置用于檢測(cè)水平3軸的平移移動(dòng)的傳感器(例如加速度傳感器)和用于檢測(cè)繞各個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)的傳感器(例如角速度傳感器)。該情況下，例如圖2B所示，還能夠?qū)⒉僮鞑?01構(gòu)成為手持式。在圖2B的例子中，操作者10能夠通過使手持式的操作部101在三維空間內(nèi)移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)，提供與6自由度對(duì)應(yīng)的操作信號(hào)。圖2B示出了能夠經(jīng)由無線通信部103對(duì)由操作部101得到的操作信號(hào)進(jìn)行無線通信的例子。當(dāng)然，在圖2B的例子中，也可以對(duì)由操作部101得到的操作信號(hào)進(jìn)行有線通信。顯示部102例如由液晶顯示器構(gòu)成，根據(jù)從控制裝置200輸入的圖像信號(hào)顯示圖像。之后將敘述，但從控制裝置200輸入的圖像信號(hào)是在控制裝置200中對(duì)通過安裝于從臂301的電子照相機(jī)(電子內(nèi)窺鏡)得到的圖像信號(hào)進(jìn)行處理后的圖像信號(hào)。使基于這種圖像信號(hào)的圖像顯示在顯示部102上，由此遠(yuǎn)程操作裝置100的操作者10能夠確認(rèn)配置于遠(yuǎn)離遠(yuǎn)程操作裝置100的場(chǎng)所的從機(jī)械手300的鉗爪的圖像。作為控制部的控制裝置200具有主控制部201、機(jī)械手控制部202和圖像處理部203。主控制部201依照來自遠(yuǎn)程操作裝置100的與6自由度對(duì)應(yīng)的操作信號(hào)，通過運(yùn)動(dòng)學(xué)運(yùn)算，計(jì)算從臂301的鉗爪的位置姿態(tài)的指令值。此外，主控制部201依照來自遠(yuǎn)程操作裝置100的操作信號(hào)，在從臂301的各個(gè)關(guān)節(jié)中選擇處于冗余關(guān)系的關(guān)節(jié)中的一個(gè)作為驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)。并且，主控制部201將表示該選擇結(jié)果的關(guān)節(jié)選擇信號(hào)與位置姿態(tài)的指令值一起輸出到機(jī)械手控制部202。這里處于冗余關(guān)系表示關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸處于相互并列的關(guān)系。機(jī)械手控制部202接收來自遠(yuǎn)程操作裝置100的位置姿態(tài)的指令值和關(guān)節(jié)選擇信號(hào)，通過逆運(yùn)動(dòng)學(xué)運(yùn)算來計(jì)算用于使從臂301的鉗爪的位置姿態(tài)與指令值一致所需的從臂301的各個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)量。之后將敘述，但本實(shí)施方式的從臂301是與7自由度對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)，而將一個(gè)關(guān)節(jié)作為固定關(guān)節(jié)來進(jìn)行各個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)。因此，相比7自由度的所有驅(qū)動(dòng)量未知的情況能夠減少通過逆運(yùn)動(dòng)學(xué)運(yùn)算而計(jì)算出的關(guān)節(jié)數(shù)量，能夠簡(jiǎn)化逆運(yùn)動(dòng)學(xué)運(yùn)算。圖像處理部203對(duì)從安裝于從臂301的末端的電子照相機(jī)(電子內(nèi)窺鏡等)得到的圖像信號(hào)進(jìn)行處理，從而生成顯示部102的顯示用的圖像信號(hào)。接著圖像處理部203將所生成的圖像信號(hào)輸出到顯示部102。從機(jī)械手300具有從臂301和手術(shù)臺(tái)302。從臂301具有與7自由度對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)，依照來自機(jī)械手控制部202的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)各個(gè)關(guān)節(jié)。圖3示出從臂301的結(jié)構(gòu)的一例。圖3所示的從臂301接連設(shè)置7個(gè)關(guān)節(jié)I 7而配置，在末端部安裝有末端執(zhí)行器(end effector) 3011。圖3所示的末端執(zhí)行器3011示出了夾鉗的例子。另外，可以在末端部安裝照相機(jī)(電子內(nèi)窺鏡)等。在圖3所示的關(guān)節(jié)中，關(guān)節(jié)U4是繞滾動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)2、7是繞偏航軸旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)3、6是繞俯仰軸旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)。滾動(dòng)軸與圖4C所示的主裝置的X軸對(duì)應(yīng)。偏航軸與圖4C所示的主裝置的Z軸對(duì)應(yīng)。俯仰軸與圖4C所示的主裝置的Y軸對(duì)應(yīng)。此外，關(guān)節(jié)5是沿著滾動(dòng)軸進(jìn)行伸縮的關(guān)節(jié)。在圖3的例子中，7個(gè)關(guān)節(jié)完全獨(dú)立。尤其是，圖3示出了相鄰的關(guān)節(jié)與不同的驅(qū)動(dòng)軸對(duì)應(yīng)地動(dòng)作的例子。通過協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)圖3所示的關(guān)節(jié)2 7，實(shí)現(xiàn)從臂301中的鉗爪位置的3自由度和姿態(tài)的3自由度。此外，除了這些關(guān)節(jié)以外，在圖3中，設(shè)置有用于使末端執(zhí)行器3011滾動(dòng)的關(guān)節(jié)I作為冗余關(guān)節(jié)。通過這種結(jié)構(gòu)，例如在使從臂301滾動(dòng)的情況下，能夠適時(shí)選擇是使遠(yuǎn)離末端側(cè)的一側(cè)的關(guān)節(jié)4滾動(dòng)、還是使接近末端側(cè)的一側(cè)的關(guān)節(jié)I滾動(dòng)。在本實(shí)施方式中，同時(shí)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)I和關(guān)節(jié)4來簡(jiǎn)化逆運(yùn)動(dòng)學(xué)運(yùn)算。手術(shù)臺(tái)302是載置有患者20的臺(tái)子，且例如在該手術(shù)臺(tái)302上設(shè)置有從臂301。下面，對(duì)本實(shí)施方式的主-從機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行說明。握持著遠(yuǎn)程操作裝置100的操作者10在握持著設(shè)置于遠(yuǎn)程操作裝置100的操作部101上的夾鉗部1011的狀態(tài)下，移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)操作部101，對(duì)夾鉗部1011進(jìn)行操作，由此驅(qū)動(dòng)構(gòu)成操作部101的各個(gè)驅(qū)動(dòng)軸。在驅(qū)動(dòng)各個(gè)驅(qū)動(dòng)軸時(shí)，通過未圖示的位置檢測(cè)器檢測(cè)其驅(qū)動(dòng)量。并且，將各個(gè)位置檢測(cè)器的檢測(cè)信號(hào)(操作信號(hào))輸出到控制裝置200。每隔預(yù)定時(shí)間At輸出操作信號(hào)?？刂蒲b置200的主控制部201依照來自遠(yuǎn)程操作裝置100的與6自由度對(duì)應(yīng)的操作信號(hào)，計(jì)算從臂301的鉗爪的位置姿態(tài)的指令值。此外，主控制部201依照來自遠(yuǎn)程操作裝置100的操作信號(hào)，在從臂301的各個(gè)關(guān)節(jié)中選擇處于冗余關(guān)系的關(guān)節(jié)中的一個(gè)作為驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，選擇剩余的關(guān)節(jié)作為固定關(guān)節(jié)。并且，主控制部201將表示選擇結(jié)果的關(guān)節(jié)選擇信號(hào)與位置姿態(tài)的指令值一起輸出到機(jī)械手控制部202。此處，說明關(guān)節(jié)選擇信號(hào)。如圖3所示，本實(shí)施方式的例子的從臂301除了 6個(gè)與自由度對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)以外，還具有能夠與其他關(guān)節(jié)獨(dú)立地進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的I個(gè)滾動(dòng)軸關(guān)節(jié)作為冗余關(guān)節(jié)。通過這種結(jié)構(gòu)，從臂301進(jìn)行與7自由度對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)。在進(jìn)行用于根據(jù)從臂301的鉗爪的位置姿態(tài)的指令值求出從臂301的各個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)量的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)運(yùn)算的情況下，在指令值的數(shù)量與從臂301的驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的數(shù)量一致時(shí)，能夠通過逆運(yùn)動(dòng)學(xué)運(yùn)算唯一確定各個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)量。因此，運(yùn)算本身不那么復(fù)雜。與此相對(duì)，在從臂301的驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的數(shù)量比遠(yuǎn)程操作裝置100的指令值的數(shù)量多時(shí)，如果不進(jìn)行收斂計(jì)算，則無法唯一確定各個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)量。因此，計(jì)算復(fù)雜化。在本實(shí)施方式中，將作為冗余關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)I (設(shè)為Roll2)、和與關(guān)節(jié)I處于冗余關(guān)系的關(guān)節(jié)4 (設(shè)為Rolll)中的一方設(shè)為固定關(guān)節(jié)、另一方設(shè)為驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)來進(jìn)行逆運(yùn)動(dòng)學(xué)運(yùn)算。由此，在逆運(yùn)動(dòng)學(xué)運(yùn)算時(shí)，能夠?qū)?自由度的從臂301實(shí)質(zhì)上認(rèn)作6自由度的從臂301。因此，能夠減輕逆運(yùn)動(dòng)學(xué)運(yùn)算的負(fù)荷。關(guān)節(jié)選擇信號(hào)是用于在機(jī)械手控制部202中識(shí)別驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)和固定關(guān)節(jié)的信號(hào)。根據(jù)每隔預(yù)定時(shí)間的遠(yuǎn)程操作裝置100的姿態(tài)變化，確定將Rolll和Roll2中的哪一個(gè)設(shè)為固定關(guān)節(jié)。以下說明該思路。首先，如下定義遠(yuǎn)程操作裝置100的姿態(tài)變化。例如，在某個(gè)時(shí)刻t，將遠(yuǎn)程操作裝置100的操作部101的位置設(shè)為圖4A所示的位置Om (t)。此外,將時(shí)刻t的操作部101的姿態(tài)設(shè)為主滾動(dòng)軸Xm、主俯仰軸Ym、主偏航軸Zm分別朝向圖4A所示的Xm (t)、Ym (t)、Zm(t)的方向的姿態(tài)。在從該狀態(tài)起經(jīng)過預(yù)定時(shí)間At后的時(shí)刻t+Ι，操作部101的位置變化為圖4A所示的位置Om (t+Ι)。此外,將時(shí)刻t+Ι的操作部101的姿態(tài)變化為主滾動(dòng)軸Xm、主俯仰軸Ym、主偏航軸Zm分別朝向圖4A所示的Xm (t+1)、Ym (t+1)、Zm (t+Ι)的方向的姿態(tài)。此時(shí)的操作部101的姿態(tài)變化是對(duì)繞主滾動(dòng)軸Xm (t)的旋轉(zhuǎn)、繞主俯仰軸Ym (t)的旋轉(zhuǎn)和繞主偏航軸Zm (t)的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行合成后的姿態(tài)變化。并且，在數(shù)學(xué)上，能夠?qū)⑦@種繞3個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)置換為繞I個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)。換言之，如圖4B所示，在設(shè)定某個(gè)旋轉(zhuǎn)軸I (t)時(shí)，從時(shí)刻t到時(shí)刻t+Ι期間的操作部101的姿態(tài)變化與使操作部101繞旋轉(zhuǎn)軸\ (t)旋轉(zhuǎn)Θ(t)的姿態(tài)變化等效。一般而言，將表示這種旋轉(zhuǎn)軸I (t)的矢量稱作等效旋轉(zhuǎn)矢量(也稱作等效旋轉(zhuǎn)軸矢量等)。在本實(shí)施方式中，使用該等效旋轉(zhuǎn)矢量判定操作部101的姿態(tài)變化。此處，考慮進(jìn)行使從臂301的鉗爪滾動(dòng)的動(dòng)作的情況。例如，在內(nèi)窺鏡下手術(shù)中，在術(shù)后的縫合時(shí)需要縫針的動(dòng)作。在這種縫針動(dòng)作中，在使安裝于從臂301的鉗爪上的作為末端執(zhí)行器3011的夾鉗滾動(dòng)的同時(shí)對(duì)患者20的必要部位進(jìn)行縫針。如上所述，從臂301在使7個(gè)關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)動(dòng)作的同時(shí)控制末端執(zhí)行器3011的位置姿態(tài)。此時(shí)，在使作為遠(yuǎn)離末端執(zhí)行器3011的關(guān)節(jié)的Rolll滾動(dòng)時(shí)，還進(jìn)行末端執(zhí)行器3011的滾動(dòng)，另一方面，其他關(guān)節(jié)也較大程度動(dòng)作從而從臂301的關(guān)節(jié)可能與周圍臟器等碰撞。因此，在縫針動(dòng)作那樣的、主要需要滾動(dòng)動(dòng)作的情況下，為了使得其他關(guān)節(jié)不會(huì)不必要地進(jìn)行動(dòng)作，優(yōu)選使作為接近從臂301的鉗爪一側(cè)的關(guān)節(jié)的Roll2滾動(dòng)。該情況下，即使將Rolll設(shè)為固定關(guān)節(jié)也沒有特別的問題。并且，能夠通過將Rolll設(shè)為固定關(guān)節(jié)，簡(jiǎn)化逆運(yùn)動(dòng)學(xué)運(yùn)算。另一方面，在將Rolll設(shè)為固定關(guān)節(jié)時(shí)，能夠較大程度地限制從臂301的鉗爪的位置姿態(tài)的取得范圍。因此，在還需要滾動(dòng)以外的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作的情況下，優(yōu)選使Rolll滾動(dòng)。該情況下，即使將Roll2設(shè)為固定關(guān)節(jié)也沒有特別的問題。并且，能夠通過將Roll2設(shè)為固定關(guān)節(jié)，簡(jiǎn)化逆運(yùn)動(dòng)學(xué)運(yùn)算。能夠根據(jù)圖4C所示的等效旋轉(zhuǎn)矢量Vr (t)與主滾動(dòng)軸
Xffl (t)所成的角φ (t)判別是否通過操作部101的操作指示為主要使末端的滾動(dòng)軸關(guān)節(jié)動(dòng)
作。如果等效旋轉(zhuǎn)矢量I (t)與主滾動(dòng)軸Xm (t)—致(cp (t) =0),則能夠?qū)r(shí)刻t到時(shí)刻
t+Ι期間的操作部101的姿態(tài)變化認(rèn)作是僅滾動(dòng)引起的姿態(tài)變化。該情況下，能夠認(rèn)為通過操作部101指示了僅需要從臂301的鉗爪的滾動(dòng)的動(dòng)作。實(shí)際上，不僅包含等效旋轉(zhuǎn)矢量Vr (t)與主滾動(dòng)軸Xm (t)完全一致的情況，還包含即使加入其他動(dòng)作也主要是鉗爪的滾動(dòng)
操作的情況。因此，對(duì)等效旋轉(zhuǎn)矢量Vr (t)與主滾動(dòng)軸Xm (t)所成的角φ <t)設(shè)定某個(gè)規(guī)
定值，在φ (t)為該規(guī)定值以下的情況下，視作主要使末端的滾動(dòng)軸關(guān)節(jié)動(dòng)作的操作。圖5是示出依照以上那樣的思路的從臂301的驅(qū)動(dòng)控制的流程的流程圖。每隔預(yù)定時(shí)間At執(zhí)行圖5的處理。在圖5的處理中，在從遠(yuǎn)程操作裝置100輸入了操作信號(hào)時(shí)，主控制部201根據(jù)所輸入的操作信號(hào)，計(jì)算用于表示時(shí)刻t到時(shí)刻t+Ι期間的姿態(tài)變化的等效旋轉(zhuǎn)矢量I (t)、和時(shí)刻t的主滾動(dòng)軸Xm (t)(步驟SI)。在計(jì)算出等效旋轉(zhuǎn)矢量Vr (t)和主滾動(dòng)軸Xm (t)后，主控制部201判定Vr (t)
與Xm(t)所成的角φ U)是否在規(guī)定值以下(步驟S2)。在步驟S2的判定中，在角度φ為規(guī)
定值以下、即V, (t)與Xm (t)大體一致的情況下，主控制部201將安裝有末端執(zhí)行器3011的關(guān)節(jié)(Roll2)設(shè)為驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，將與該關(guān)節(jié)處于冗余關(guān)系的關(guān)節(jié)(Rolll)設(shè)為固定關(guān)節(jié)(步
驟S3)。另一方面，在步驟S2的判定中，在角度φ超過了規(guī)定值的情況下，主控制部201將安裝有末端執(zhí)行器3011的關(guān)節(jié)(Roll2)設(shè)為固定關(guān)節(jié)，將與該關(guān)節(jié)處于冗余關(guān)系的關(guān)節(jié)(Rolll)設(shè)為驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)(步驟S4)。在選擇了將Rolll和Roll2中的哪一個(gè)設(shè)為驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)、哪一個(gè)設(shè)為固定關(guān)節(jié)后，主控制部201將表示將Rolll和Roll2中的哪一個(gè)設(shè)為驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)、哪一個(gè)設(shè)為固定關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)選擇信號(hào)，與用于指示從臂301的鉗爪的位置姿態(tài)的指令值一起發(fā)送到機(jī)械手控制部202。機(jī)械手控制部202接收到該關(guān)節(jié)選擇信號(hào)，在將Rolll和Rol 12中的任意一個(gè)設(shè)為了固定關(guān)節(jié)的狀態(tài)下進(jìn)行逆運(yùn)動(dòng)學(xué)運(yùn)算，計(jì)算從臂301的各個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)量。此處的各個(gè)關(guān)節(jié)排除設(shè)為了固定關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)。然后，機(jī)械手控制部202依照計(jì)算出的驅(qū)動(dòng)量驅(qū)動(dòng)從臂301的各個(gè)關(guān)節(jié)(步驟S5)。另外，關(guān)于逆運(yùn)動(dòng)學(xué)運(yùn)算，例如能夠使用分析的方法等以往公知的各種方法。此處，省略其詳細(xì)說明。如以上所說明那樣，根據(jù)本實(shí)施方式，在除了用于使從臂301本身滾動(dòng)的關(guān)節(jié)以夕卜，還具有用于使末端執(zhí)行器3011滾動(dòng)的關(guān)節(jié)Roll2作為冗余關(guān)節(jié)的從臂301中，根據(jù)遠(yuǎn)程操作裝置100的操作部101的姿態(tài)變化，判別是否進(jìn)行了縫針動(dòng)作那樣的、主要需要滾動(dòng)的動(dòng)作的指示。并且，在該判別結(jié)果是能夠判別為指示進(jìn)行主要需要滾動(dòng)的動(dòng)作的情況(等效旋轉(zhuǎn)矢量\ (t)與主滾動(dòng)軸Xm (t)大體一致的情況)下，將Roll2作為驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)、Rolll作為固定關(guān)節(jié)進(jìn)行逆運(yùn)動(dòng)學(xué)運(yùn)算。另一方面，在能夠判別為指示進(jìn)行還需要滾動(dòng)以外的姿態(tài)變化的動(dòng)作的情況(等效旋轉(zhuǎn)矢量Vr (t)與主滾動(dòng)軸Xm (t)沒有大體一致的情況)下，將Rolll作為驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)、R0112作為固定關(guān)節(jié)進(jìn)行逆運(yùn)動(dòng)學(xué)運(yùn)算。由此，在本實(shí)施方式中，根據(jù)每隔預(yù)定時(shí)間的操作部101的姿態(tài)變化，進(jìn)行Rolll和Roll2的分開使用。由此，即使是遠(yuǎn)程操作裝置和從臂的結(jié)構(gòu)不同的結(jié)構(gòu)，也能夠在反映操作者10的操作意圖的同時(shí)，減輕逆運(yùn)動(dòng)學(xué)運(yùn)算的負(fù)荷。此外，在本實(shí)施方式中，能夠自動(dòng)進(jìn)行Rolll和Roll2的分開使用。由此，還能夠在不需要通過開關(guān)等切換驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的情況下減輕操作者10的勞力和時(shí)間。此外，在本實(shí)施方式中，通過等效旋轉(zhuǎn)矢量I (t)表示操作部101的姿態(tài)變化。因此，能夠針對(duì)各種結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程操作裝置100，適當(dāng)求出操作部101的姿態(tài)變化。此處，在上述例子中，示出了遠(yuǎn)程操作裝置100的操作部101的自由度是6自由度(位置3自由度、姿態(tài)3自由度)，從臂301的自由度是7自由度(位置3自由度、姿態(tài)3自由度、鉗爪的滾動(dòng))的例子。與此相對(duì)，遠(yuǎn)程操作裝置100的操作部101的自由度與從臂301的自由度之間的關(guān)系不限于上述例子。例如在消除了位置的自由度的情況下，也能夠應(yīng)用上述本實(shí)施方式的技術(shù)。消除位置的自由度的情況是指操作部101的自由度為3自由度、從臂301的自由度為4自由度的情況。并且，上述例子示出了冗余關(guān)節(jié)為一個(gè)的例子，但冗余關(guān)節(jié)的數(shù)量不限于一個(gè)。例如，在圖3中，即使在關(guān)節(jié)2與關(guān)節(jié)3之間配置有另一個(gè)滾動(dòng)軸關(guān)節(jié)也能夠應(yīng)用本實(shí)施方式的技術(shù)。該情況下，將配置于關(guān)節(jié)2與關(guān)節(jié)3之間的關(guān)節(jié)始終設(shè)為驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)。此外，在圖3的例子中，將安裝有末端執(zhí)行器3011的冗余關(guān)節(jié)設(shè)為了滾動(dòng)軸關(guān)節(jié)。與此相對(duì)，例如，無論是如圖6A所示在偏航軸關(guān)節(jié)安裝有末端執(zhí)行器3011的結(jié)構(gòu)，還是如圖7A所示在俯仰軸關(guān)節(jié)安裝有末端執(zhí)行器3011的結(jié)構(gòu)，都能夠應(yīng)用上述本實(shí)施方式的技術(shù)。其中，在圖6A的結(jié)構(gòu)的情況下，在步驟S2的判定中，判定等效旋轉(zhuǎn)矢量Vr (t)與主偏
航軸Zm (t)所成的角％ (t)(在圖6B中示出了 φ7 (U)是否為規(guī)定值以下，在為規(guī)定值以
下的情況下將末端執(zhí)行器3011 —側(cè)的關(guān)節(jié)(圖6Α的關(guān)節(jié)I)設(shè)為驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)。此外，在圖7Α的結(jié)構(gòu)的情況下，在步驟S2的判定中，判定等效旋轉(zhuǎn)矢量I (t)與主俯仰軸Ym (t)所成
的角(py (t)(在圖7B中示出了 φχ (t))是否為規(guī)定值以下，在為規(guī)定值以下的情況下將末
端執(zhí)行器3011 —側(cè)的關(guān)節(jié)(圖7A的關(guān)節(jié)I)設(shè)為驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)。由此，能夠通過判定用于表示遠(yuǎn)程操作裝置100的姿態(tài)變化的等效旋轉(zhuǎn)矢量、和根據(jù)從臂301的結(jié)構(gòu)而在遠(yuǎn)程操作裝置100中預(yù)先確定的軸所成的角，與各種結(jié)構(gòu)的從臂301對(duì)應(yīng)地進(jìn)行本實(shí)施方式中的冗余關(guān)節(jié)、和與冗余關(guān)節(jié)處于冗余關(guān)系的關(guān)節(jié)的選擇。此處，在圖7A、圖7B的例子中，在使關(guān)節(jié)2旋轉(zhuǎn)90度的情況下，關(guān)節(jié)I與偏航軸關(guān)節(jié)等效。在這種情況下，在關(guān)節(jié)I與關(guān)節(jié)3之間，也能夠進(jìn)行步驟S2的判定。由此，步驟S2的判定不僅能夠在初始狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)軸平行的關(guān)節(jié)彼此間進(jìn)行，在具有冗余自由度的機(jī)構(gòu)中，還能夠在驅(qū)動(dòng)中旋轉(zhuǎn)軸彼此平行的關(guān)節(jié)之間進(jìn)行。此外，上述各個(gè)例子示出了在旋轉(zhuǎn)軸平行且處于冗余關(guān)系的關(guān)節(jié)之間，配置旋轉(zhuǎn)軸與該關(guān)節(jié)垂直的處于獨(dú)立關(guān)系的關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)的從臂301。實(shí)際上，只要獨(dú)立驅(qū)動(dòng)構(gòu)成從臂301的各個(gè)關(guān)節(jié)，則也可以相鄰配置處于冗余關(guān)系的關(guān)節(jié)。例如，即使是圖8那樣的結(jié)構(gòu)，也能夠針對(duì)關(guān)節(jié)I和關(guān)節(jié)2應(yīng)用上述的本實(shí)施方式的技術(shù)。根據(jù)以上實(shí)施方式說明了本發(fā)明，但本發(fā)明不限于上述實(shí)施方式，當(dāng)然可以在本發(fā)明宗旨的范圍內(nèi)進(jìn)行各種變形和應(yīng)用。此外，上述實(shí)施方式包含了各種階段的發(fā)明，可以通過所公開的多個(gè)構(gòu)成要素的適當(dāng)組合提取各種發(fā)明。例如，即使從實(shí)施方式所示的所有構(gòu)成要素中刪除幾個(gè)構(gòu)成要素，在能夠解決上述課題，并獲得上述效果的情況下，刪除了該構(gòu)成要素后的結(jié)構(gòu)也可以作為發(fā)明提取。
權(quán)利要求
1.一種主-從機(jī)械手，其特征在于，該主-從機(jī)械手具備: 作為主裝置的遠(yuǎn)程操作裝置，其提供與多個(gè)自由度對(duì)應(yīng)的操作指令； 從機(jī)械手，其具有與多個(gè)自由度對(duì)應(yīng)的多個(gè)關(guān)節(jié)，在該多個(gè)關(guān)節(jié)中包含有冗余關(guān)節(jié)；以及 控制部，其依照所述操作指令，控制所述關(guān)節(jié)的動(dòng)作， 所述控制部根據(jù)所述操作指令計(jì)算所述遠(yuǎn)程操作裝置的姿態(tài)變化，并使用該姿態(tài)變化，每隔預(yù)定時(shí)間在所述關(guān)節(jié)中選擇處于冗余關(guān)系的關(guān)節(jié)之一進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的主-從機(jī)械手，其特征在于， 所述控制部根據(jù)用于表示所述姿態(tài)變化的軸與所述遠(yuǎn)程操作裝置的預(yù)先確定的軸所成的角度，在所述關(guān)節(jié)中選擇處于冗余關(guān)系的關(guān)節(jié)之一進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的主-從機(jī)械手，其特征在于， 用于表示所述姿態(tài)變化的軸對(duì)應(yīng)于將所述姿態(tài)變化視為從姿態(tài)變化前到姿態(tài)變化后的旋轉(zhuǎn)時(shí)的旋轉(zhuǎn)軸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1 3中的任意一項(xiàng)所述的主-從機(jī)械手，其特征在于， 在所述處于冗余關(guān)系的關(guān)節(jié)之間，存在具有與所述關(guān)節(jié)的軸垂直的旋轉(zhuǎn)軸的關(guān)節(jié)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1 3中的任意一項(xiàng)所述的主-從機(jī)械手，其特征在于，處于所述冗余關(guān)系的關(guān)節(jié)相鄰配置。
6.根據(jù)權(quán)利要求2 5中的任意一項(xiàng)所述的主-從機(jī)械手，其特征在于， 所述控制部在用于表示所述姿態(tài)變化的軸與所述遠(yuǎn)程操作裝置的預(yù)先確定的軸所成的角度在規(guī)定值以下的情況下，在處于所述冗余關(guān)系的關(guān)節(jié)中，選擇最接近所述從機(jī)械手的末端側(cè)的關(guān)節(jié)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，在用于表示所述姿態(tài)變化的軸與所述遠(yuǎn)程操作裝置的預(yù)先確定的軸所成的角度超過了所述規(guī)定值的情況下，在處于所述冗余關(guān)系的關(guān)節(jié)中，選擇最遠(yuǎn)離所述從機(jī)械手的末端側(cè)的關(guān)節(jié)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1 6中的任意一項(xiàng)所述的主-從機(jī)械手，其特征在于， 所述控制部在所述關(guān)節(jié)中，將處于冗余關(guān)系的關(guān)節(jié)中的未選擇的關(guān)節(jié)設(shè)為固定關(guān)節(jié)，通過逆運(yùn)動(dòng)學(xué)運(yùn)算來計(jì)算剩余關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)量。
全文摘要
主-從機(jī)械手包含遠(yuǎn)程操作裝置(100)、從機(jī)械手(300)和控制部(200)。遠(yuǎn)程操作裝置(100)提供與多個(gè)自由度對(duì)應(yīng)的操作指令。從機(jī)械手(300)具有與多個(gè)自由度對(duì)應(yīng)的多個(gè)關(guān)節(jié)，在該多個(gè)關(guān)節(jié)中包含有冗余關(guān)節(jié)?？刂撇?200)依照所述操作指令，控制所述關(guān)節(jié)的動(dòng)作。此外，控制部(200)根據(jù)所述操作指令計(jì)算所述遠(yuǎn)程操作裝置的姿態(tài)變化，并使用該姿態(tài)變化，每隔預(yù)定時(shí)間在所述關(guān)節(jié)中選擇處于冗余關(guān)系的關(guān)節(jié)中的一個(gè)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
文檔編號(hào)B25J3/00GK103097086SQ201180042859
公開日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2011年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月7日
發(fā)明者岸宏亮 申請(qǐng)人:奧林巴斯株式會(huì)社