DE69716018T2

DE69716018T2 - Verfahren und Steuerungsgerät zur Steuerung einer Krafthilfeeinrichtung

Info

Publication number: DE69716018T2
Application number: DE69716018T
Authority: DE
Inventors: Masao Hiraguri; Akihiro Ito; Yasuyuki Kitahara; Haruhiro Tsuneta
Original assignee: Sankyo Seiki Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Nidec Instruments Corp
Priority date: 1996-12-16
Filing date: 1997-12-16
Publication date: 2003-02-06
Anticipated expiration: 2017-12-17
Also published as: EP0849053A1; US6216056B1; DE69716018D1; EP0849053B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Krafthilfevorrichtung, welche eine Bedienperson in die Lage versetzt, unter Anwenden einer kleinen Kraft mit Hilfe eines Aktuators ein Gerät mit einem hohen Gewicht zu bewegen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Steuern einer Krafthilfevorrichtung, die geeignet ist, ein Mikroskop für chirurgische Operationen zu unterstützen, das durch eine kleine Kraft bewegbar ist, und eine Steuervorrichtung zur Verwendung dieser Krafthilfevorrichtung. Ein Verfahren und eine Steuervorrichtung gemäß den jeweiligen Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 4 sind aus der US-A-4,408,286 bekannt.

Stand der Technik

Eine Krafthilfevorrichtung ist eine Vorrichtung zum Unterstützen eines schweren Gegenstands, damit dieser beispielsweise für eine ältere Person oder selbst eine gewöhnliche Person leicht bewegbar ist, indem die kleine Kraft der Bedienperson verstärkt wird. Zum Beispiel verwendet ein Arzt in einem medizinischen Einsatzgebiet während einer chirurgischen Operation ausgiebig ein Mikroskop, um einen betroffenen Teil zu beobachten. Wenn das Mikroskop groß ist, so wird es durch eine Krafthilfevorrichtung unterstützt, damit es durch eine kleine Kraft bewegt werden kann.
Beispiele für diese Krafthilfevorrichtungen sind die Halterung des Mikroskops durch eine Balanciervorrichtung, wie ein Gewicht oder eine Feder, so dass es durch eine kleine Kraft bewegt werden kann, und zum Unterstützen des Mikroskops durch eine Balancevorrichtung und ferner das Verschieben oder Rotieren des Mikroskops in eine vorbestimmte Richtung durch Bedienen eines Joysticks oder eines Schalters unter Verwendung eines elektrischen oder hydraulischen Motors als Kraftquelle (z. B. Japanische Patentveröffentlichung 5-3304).
Jedoch weist die oben beschriebene Krafthilfevorrichtung, die das Mikroskop unter Verwendung Balanciervorrichtung bewegt, Nachteile in der Handhabbarkeit auf, da die Gewichtsverteilung gemäß Änderungen der Lage und Orientierung des Mikroskops oder Ersetzung des Mikroskops Änderungen unterworfen ist, und daher die Betätigungskraft durch eine Bedienperson ebenfalls geändert werden muss.
Da eine Anpassung der Balance kompliziert ist, ist die Aufrechterhaltung mühsam. Die oben beschriebene Krafthilfevorrichtung unter Verwendung der Balanciervorrichtung kann keine "Punktsperroperationen" durchführen, bei dem eine Umgebung so bewegt wird, so dass sich die Blickrichtungen eines Fokuspunktes ändern, während der Fokuspunkt des Mikroskops fest bleibt (bewegbar oder rotierbar machen der Umgebung entlang einer vorgeschriebenen Bahn).
Die Krafthilfevorrichtung, die das Mikroskop in einer vorgeschriebenen Richtung unter Bedienung eines Joysticks oder eines Schalters verschiebt oder rotiert, weist ferner Nachteile auf, da das Mikroskop nur in eine vorgeschriebene Richtung verschoben oder bewegt werden kann. Wenn das Mikroskop nach dem Ein/Aus-Schaltvorgang des Joysticks oder Schalters bewegt wird, so vollzieht es eine schwerfällige Bewegung wie z. B. einem plötzlichen Start oder Stopp, so dass ein Gefühl für eine sanfte Handhabung nicht erreicht werden kann.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Unter den oben beschriebenen Umständen zielt die vorliegende Erfindung darauf hin ab, ein Verfahren gemäß Anspruch 1 bereit zu stellen, um eine Krafthilfeeinrichtung zu steuern. Dieses Verfahren weist, unabhängig von der Lage und Orientierung eines zu halternden Gegenstands, konstante Handhabungseigenschaften auf, kann auf einer vorgeschriebenen Bahn wie einer "Punktsperre" bewegen oder rotieren, und kann unter Verwendung eines Motors als Kraftquelle gleichmäßig bewegen oder rotieren. Die vorliegende Erfindung stellt ferner eine Steuervorrichtung zum Anwenden dieses Verfahrens bereit.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Steuervorrichtung zum Steuern einer Krafthilfevorrichtung bereitgestellt, die die Merkmale von Anspruch 4 aufweist.
Wie anhand der bisher gemachten Erläuterungen offensichtlich wird, wird gemäß dem Verfahren zum Steuern einer Krafthilfevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit Hilfe eines Kraft/Momentensensors die Betätigungskraft ermittelt, die an einen Bediengriff angewandt wird, der in der Nähe des zu halternden Geräts vorgesehen ist; weiter wird die Kraft/Momenteninformation in Richtungen mehrerer Achse impedanz- und bahngesteuert, um Bedienbefehle für jedes Gelenk einer Vielzahl von Armen zu berechnen, und die Arme in die Richtung der Bedienkraft auf Grundlage der Bedienbefehle bewegt. Ferner umfasst die Steuervorrichtung für die Krafthilfevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eine Mehrzahl von Armen, die rotierbar miteinander gekoppelt sind; Motoren, um jeden der mehreren Arme bewegen; ein zu halterndes Gerät, das an der Spitze der mehreren Arme angebracht ist; einen Bediengriff, der in der Nähe des Geräts angeordnet ist; einen Kraft/Momentensensor zum Ermitteln einer Kraft/Momenteninformation; eine Impedanzsteuereinheit und eine Spursteuereinheit zum Berechnen des Bedienbefehls für jedes Gelenk auf der Grundlage der Kraft/Momenteninformation; und eine Motorsteuereinheit zum Steuern der Motoren auf Grundlage des Bedienbefehls für jedes Gelenk. Da die Kraft/Momenteninformation jeder Bedienkraft impedanzgesteuert wird, um einen Bedienbefehl für jedes Gelenk zu berechnen, kann ein natürliches Handhabungsgefühl einschließlich eines Gefühls für Trägheit und Viskosität erreicht werden. Dadurch kann die Bewegung und Drehung des Mikroskops 2 gleichmäßig durchgeführt werden.
Indem die Kraft/Momenteninformation der Bedienkraft der Spursteuerung unterzogen wird, um den Bedienbefehl für jedes Gelenk zu berechnen, kann das zu halternde Gerät die Bewegung oder Drehung auf einer vorgeschriebenen Bahn durchführen, z. B. einer "Punktsperre", die ein vorbestimmter Bedienmodus ist, so dass seine Handhabbarkeit verbessert werden kann.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Fig. 1 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Steuern einer Krafthilfevorrichtung zeigt.
Fig. 2 ist eine konzeptuelle Ansicht einer Steuervorrichtung für eine Krafthilfevorrichtung.
Fig. 3 ist eine Seitenansicht eines Bedienungsstandes.
Fig. 4 ist eine Seitenansicht eines Mikroskops im arretierten Zustand.
Fig. 5 ist eine Skelettansicht eines Bedienungsstandes.
Fig. 6 ist die Vorderansicht eines Bediengriffes, und eines Bedienschalters.
Fig. 7 ist eine perspektivische Ansicht des Arretierzustandes des Bediengriffes für einen Kraft/Momentensensort
Fig. 8 ist eine perspektivische Ansicht des Bewegungszustandes des Mikroskops in einem Punktsperrmodus.
Fig. 9 ist eine perspektivische Ansicht des Bewegungszustandes des Mikroskops in einem Modus paralleler Bewegung.
Fig. 10 ist eine perspektivische Ansicht des Bewegungszustandes des Mikroskops in einem Fokusbewegungsmodus.
Fig. 11 ist ein Blockdiagramm, das eine Ausführungsform einer Servolagesteuerung eines Motors zeigt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Auf Grundlage eines in den Figuren gezeigten Beispiels wird die Struktur der vorliegenden Erfindung nachfolgend erläutert. Wie anhand der Fig. 2 und 3 ersichtlich ist, weist eine Steuervorrichtung 1 für eine Krafthilfevorrichtung in dieser Ausführungsform eine Mehrzahl von Armen A1 bis A7 auf, die richtige Körper sind, die über Gelenke von einer Grundplatte 9 sukzessive bewegbar gekoppelt sind; (nicht gezeigte) Motoren werden angesteuert, und die Vielzahl der Arme A1 bis A7 zum Ausführen vorbestimmter Bewegungen zu veranlassen; ein Mikroskop 2 für chirurgische Operationen ist an die Spitze des Arms A7 befestigt, und stellt ein zu halterndes Gerät dar; ein Bediengriff 3 ist in der Nachbarschaft des Mikroskops 2 angeordnet; ein Kraft/Momentensensor (nachfolgend als "FT-Sensor" bezeichnet) 4 ist vorgesehen, um eine Bedienkraft auszugeben, die an den Bediengriff 3 als Kraft/Momenteninformation in Richtungen mehrerer Achsen ausgeben wird; eine Impedanzsteuereinheit 5 und eine Spursteuereinheit 6 zum Berechnen von Bedienbefehlen für Gelenke J1 bis J6 der Mehrzahl der Arme A1 bis A7 auf Grundlage der Kraft/Momenteninformation in die Richtungen der mehreren Achsen, welche durch den FT-Sensor 4 ermittelt wird; und eine Motorsteuereinheit 7, zum Ansteuern der Mehrzahl der Arme A1 bis A7 in vorbestimmte Richtungen auf Grundlage der Bedienbefehle für die Gelenke J1 bis J7. Von diesen Komponenten werden die Impedanzsteuereinheit 5 die Spursteuereinheit 6 und die Motorsteuereinheit 7 durch einen elektrischen Schaltkreis und die Software eines Computers dargestellt und betrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass der Begriff "Kraft/Momentensensor" in dieser Beschreibung einen Sensor bezeichnet, der gleichzeitig die parallele Kraft in einer Richtung einer vorgeschriebenen Achse, z. B. X-Achse, Y-Achse oder Z-Achse, und eine drehende Kraft um jede dieser Achsen messen kann.
Wie anhand der Fig. 3 bis 5 ersichtlich ist, bilden die Mehrzahl der Arme A1 bis A7 und die Motoren, um diese zu betätigen, einen Bedienungsstand 8. Der Bedienungsstand 8 weist auf: den ersten Arm A1, der durch eine Grundplatte 9 gehaltert wird und vertikal bewegbar ist; den zweiten Arm A1, der so befestigt ist, dass er horizontal um eine Lotlinie C1 für den ersten Arm A1 drehbar ist; ein erstes Gelenk, das den ersten Arm A1 mit dem zweiten Arm 2 koppelt; dritte Arme A3, die aus einem Satz paralleler Verbindungsstücke bestehen, die mit dem zweiten Arm A2 entlang ihrer horizontalen Axiallinien C2, C2 so verbunden sind, dass sie entlang ihrer Lotrichtung schwingbar sind; ein zweites Gelenk J2, das den zweiten Arm A2 und den dritten Arm A3 miteinander koppelt; ein vierter Arm A4, der an die dritten Arme A3 schwingbar um deren horizontalen Achsen A3 befestigt ist; ein drittes Gelenk, das die dritten Arme A3 und den vierten Arm A4 miteinander koppelt; ein fünfter Arm A5, der mit dem vierten Arm A4 horizontal rotierbar um dessen Lotachse C4 befestigt ist; ein viertes Gelenk J4, das den vierten Arm A4 und den fünften Arm A5 miteinander koppelt; ein sechster Arm A6, der mit dem fünften Arm A5 horizontal rotierbar um die Lotachse C5 befestigt ist; ein fünftes Gelenk J5, das den fünften Arm A5 und den sechsten Arm A6 koppelt; ein siebter Arm A7, der mit dem sechsten Arm A6 rotierbar um seine horizontalen Achsen C6 und C6' befestigt ist, und mit dem Mikroskop 2 und dem Bediengriff 3 versehen ist; und ein sechstes Gelenk, das den sechsten Arm A6 und den siebten Arm A7 koppelt.
Motoren, die sich unabhängig voneinander drehen, sind mit den entsprechenden Gelenken J1 bis J6 verbunden. Jede dieser Motoren kann ein Servomotor oder ein Schrittmotor sein, der elektrische Energie als Antriebsquelle verwendet, oder ein hydraulischer Motor. Ein Winkelsensor (nicht gezeigt) ist an jedem der Gelenke J1 bis J6 befestigt. Der Winkelsensor dient dazu, den aktuellen Winkel jedes Gelenks J1 bis J6 zu ermitteln. Auf Grundlage des ermittelten Ergebnisses, kann die Lage und das Bewegungsprofil des Mikroskops 2 berechnet werden. Der Winkelsensor kann z. B. ein Encoder sein.
In dieser Ausführungsform wurde der erste Arm A1 so mit der Grundplatte 9 befestigt, dass er bewegbar ist, er kann aber genau so gut feststehend mit der Grundplatte 9 befestigt sein. Wie die entsprechenden Arme miteinander gekoppelt werden (ob jeder Arm feststehend ist, horizontal oder vertikal bewegbar ist, horizontal oder vertikal drehbar ist, etc.) sollte vom Bedarfsfall abhängig ermittelt werden, nämlich wie das Gerät gelagert oder bewegt wird. Daher wird eine ausführliche Beschreibung der anderen Ausführungsformen gegeben. Die dritten Arme A3, A3 bilden einen Mechanismus eines Satzes paralleler Verbindungen. Speziell die Schwingachsen C2, C2 der Arme A3, A3 sind auf ihrer Stangenseite an Positionen in Lotrichtung des zweiten Arms A2 vorgesehen, und die Schwingachsen C3, C3, der Arme A3, A3 sind an ihrer Spitzseite an den Positionen in Lotrichtung des vierten Arms A4 vorgesehen, so dass der vierte Arm A4 so bewegbar ist, dass sein Profil unverändert bleibt.
Das Mikroskop 2 kann ein Videokamera mit einem optischen Mikroskop oder eine Bildaufnehmeinrichtung sein. In dieser Ausführungsform wird die Bewegung und Drehung des Mikroskops 2 durch den Bedienungsstand 8 dadurch bewirkt, dass eine Bedienperson einen Bewegungsmodus unter einem "Punktsperrmodus", "Parallelbewegungsmodus", "Fokusbewegungsmodus" und "Alles-Frei-Modus" auswählt.
Im Punktsperrmodus, für den drei Positionen als ein typisches Beispiel in Fig. 8 gezeigt sind, werden die Bewegung und Drehung des Mikroskops 2, 2' und 2" so gesteuert, dass der Brennpunkt des Mikroskops 2 fest bleibt, nämlich auf einer Kugel mit einem Radius einer Brennweite um den festen Fokuspunkt 10, so dass es immer in Richtung des Brennpunkts 10 orientiert ist. Dieser Modus wird verwendet, wenn der Fokuspunkt 10 aus verschiedenen Blickwinkeln mit dem Mikroskop 2 betrachtet wird.
Im Parallelbewegungsmodus, für den drei Position als ein typisches Beispiel in Fig. 9 gezeigt sind, wird nur die parallele Bewegung des Mikroskops 2, 2' und 2" entlang der X-, Y- und Z-Richtungen erlaubt und die Drehung verhindert. In diesem Fall bewegen sich die Fokuspositionen 10, 10' und 10" während sich das Mikroskop 2 bewegt. Dieser Modus wird z. B. verwendet, wenn eine Änderung im Profil des Spiegelzylinders des Mikroskops 2 zum Zeitpunkt der Feinanpassung während einer chirurgischen Operation nicht erwünscht ist.
Im Fokusbewegungsmodus, der in Fig. 10 veranschaulicht ist, werden nur die parallele Bewegung entlang der Spiegelzylinder/Fokusachse (d. h. Z-Achse) des Mikroskops 2 und Drehung um die Z-Achse erlaubt. Dieser Modus wird für einen Fokussierungsvorgang verwendet.
Im "Alles-Frei-Modus", können sechs Freiheitsgrade für parallele Bewegung und Drehung in X-, Y- und Z-Richtung des Mikroskops 2 optional geändert werden. Dieser Modus, der es erlaubt, den Spiegelzylinder des Mikroskops 2 und den Fokuspunkt optional zu bewegen, wird zur Grobpositionierung bei einer chirurgischen Operation verwendet.
Es sollte erwähnt werden, dass der Bewegungsmodus des Mikroskops 2 nicht auf die oben genannten Moden beschränkt ist. Zum Beispiel: Parallelmodus, in dem nur die parallele Bewegung des Mikroskops in X- und Y-Richtung erlaubt ist und die parallele Bewegung in Z-Richtung und jede Drehung verboten ist. In diesem Fall bewegt sich der Fokuspunkt in einer X-Y-Ebene.
Der Bediengriff 3 ist über den FT-Sensor 4 mit dem siebten Arm A7 verbunden. Der Bediengriff 3, der in den Fig. 6 und 7 gezeigt ist, hat insgesamt eine Hügelform, und besteht aus einem mittleren Befestigungsbereich 3a und Haltebereichen 3b, 3b, die Formen haben, in denen beide Enden des mittleren Befestigungsbereichs gebogen sind. In der Nähe der Öffnungsenden der linken und rechten Haltebereiche 3b, 3b, sind zwei Druckschalter SL1, SL2 bzw. zwei SR1 und SR2 vorgesehen. Durch Betätigen dieser Druckschalter SL1, SL2 und SR1, SR2, wird der vorbestimmte Bewegungs- und Drehungsmodus des Mikroskops 2, d. h. der Bewegungsmodus zur Festlegung der Bewegungsrichtung eingestellt.
Der obere linke Schalter SL1 und der obere rechte Schalter SR1 erfüllen die gleiche Aufgabe beim Festlegen des Bewegungs- und Drehmodus des Mikroskops 2. Speziell beim Festlegen der Drehbewegung des Mikroskops 2, werden die alleinige Bedienung der Schalter SL1, SL2 auf der linken Seite durch eine linke Hand, und nur der Schalter SR1, SR2 auf der rechten Seite durch eine rechte Hand und der Schalter SL1, SL2 und SR1, SR2 mit beiden Händen als die gleiche Modusfestlegung betrachtet. Wenn jedoch die Bedienung mit der linken Hand und die der rechten nicht miteinander übereinstimmen, bleibt die Bedienung unwirksam. Die Bedienperson wird darüber informiert.
In dieser Ausführungsform sind die Schalter so zugeteilt, dass das Einschalten wenigstens eines oberen Schalters SL1 oder SR1 den Punktsperrmodus ergibt, das Einschalten wenigstens eines unteren Schalters SL2 oder SR2 den Parallelbewegungsmodus ergibt, und das Einschalten wenigstens eines Satzes der oberen Schalter und der unteren Schalter SL1 und SL2 oder SR1 und SR2 den Alles-Frei-Modus ergibt.
Wenn alle Schalter auf Aus stehen, sind alle Gelenke J1 bis J6 gesperrt, so dass die Lage und das Profil des Mikroskops gesperrt ist und sich nicht bewegt. Selbst wenn eine unnötige Kraft an den Bediengriff 3 angewandt wird, wird daher die Lage des Mikroskops 2 nicht verschoben.
Obwohl in dieser Ausführungsform der Bewegungs- und Drehmodus des Mikroskops 2 im Punktsperrmodus, Parallelbewegungsmodus oder Alles-Frei-Modus eingestellt wurde, kann er auch in den Fokusbewegungsmodus oder irgendeinen anderen Modus durch Hinzufügen weiterer Schalter oder Ändern der Zuteilung der Schalter eingestellt werden.
Jeder der Schalter SL1, SL2 und SR1 und SR2 wird eingeschaltet, indem sein Knopf mit einem Finger gedrückt wird, und ausgeschaltet, wenn der Finger vom Knopf gelöst wird. Es erübrigt sich zu erwähnen, dass Zuteilung der Schalter und die Art der Schalter nicht auf diese Art und Weise eingeschränkt verstanden werden soll. Obwohl zwei Schalter in dieser Ausführungsform den linken und rechten Haltebereichen 3a bzw. 3b zugeteilt sind, wobei nur ein Schalter den linken und rechten Haltebereichen 3a und 3b zugeteilt ist, kann in dieser Ausführungsform der Modus ferner gemäß der Anzahl der Einschaltvorgänge des Schalters (Klickvorgang) geändert werden.
Der in dieser Ausführungsform tatsächlich verwendete FT-Sensor 4 ist ein Sechsachsen-Kraftmomentensensor, der ein kommerziell erhältliches scheibenförmiges Produkt ist (Kraft/Momentensensor, der erhältlich über die BL AUTOTEC CORP. oder ein Sechsachsen-Kraftmomentensensor, der über die NITTA CORP. erhältlich ist). Der Sechsachsen-Kraftmomentensensor dient dazu, die Parallelbewegungskraft in drei Richtungen der X-, Y- und Z-Achsen und das Drehmoment um diese Achsen zu ermitteln, und verarbeitet die Ausgangssignale von Verzerrungsmesseinrichtungen, die an seinem Körper befestigt sind, um das Kraft/Momenteninformationssignal in die oben angegebenen Richtungen der sechs Achsen zu ermitteln. Beim in Fig. 7 gezeigten FT- Sensor wird der Befestigungsbereich 3a des Bediengriffs 3 an einer inneren Platte 4a des FT-Sensors 4 befestigt, und ein äußerer Zylinder 4b des FT-Sensors 4 am siebten Arm A7 befestigt. Unter Verwendung der vielen eingebauten Verzerrungsmesseinrichtungen wird die Bedienkraft oder das Bediendrehmoment, das durch die Bedienperson an den Begriff 3 angelegt wird, um die Richtung von sechs Achsen ermittelt. Wie in Fig. 2 gezeigt sind zwischen dem FT-Sensor 4 und der Impedanzsteuereinheit 5, ein FT- (Kraft/Momenten)-Sensorverstärker 11, eine FT-(Kraft/Momenten)-Sensorsignalverarbeitungseinheit 11 und eine Beginnkoordinatenkonversionseinheit 13 vorgesehen. Der FT-Sensorverstärker 11, die FT-Signalverarbeitungseinheit 12, und die Bedienkoordinatenkonversionseinheit 13 werden durch einen elektrischen Schaltkreis und die Software eines Computers dargestellt und betrieben.
Der FT-Sensorverstärker 11 ist mit dem FT-Sensor 4 verbunden. Der FT-Sensorverstärker 11 verstärkt das Analogsignal in den oben beschriebenen Richtungen von sechs Achsen, welches Kraft/Momenteninformation vom FT-Sensor 4 ist, und wandelt es in ein Digitalsignal um.
Die FT-Sensorsignalverarbeitungseinheit 12 ist mit dem FT-Sensorverstärker 11 verbunden. Die Sensorsignalverarbeitungseinheit 12 filtert das Digitalsignal des FT-Sensorverstärkers 11, um hochfrequente Komponenten abzuschneiden, und kalibriert es auf Grundlage eines für den FT-Sensor 4 inhärenten Korrekturwerts. Der FT-Sensor 4, der gewöhnliche eine inhärente Vorspannung aufweist, kalibriert einen solchen gemessenen Wert, so dass er in eine korrekte Kraft/Momentenwert in Richtung der sechs Achsen umgewandelt wird.
Die Bedienkraftkoordinatenkonversionseinheit 13 ist mit der FT-Sensorsignalverarbeitungseinheit 12 verbunden. Die Bedienkraftkoordinatenkonversionseinheit 13 führt die Koordinatentransformation von Kraft/Drehmoment in Richtung von sechs Achsen durch, welche mit der FT-Sensorsignalverarbeitungseinheit 12 erhalten wurden, um eine Abweichung der Bedienrichtung des Bediengriffs 3 von der Richtung der Befestigung des FT-Sensors 4 zu korrigieren. Im speziellen Fall und in Abhängigkeit von den räumlichen Umständen, unter denen der FT-Sensor 4 dem siebten Arm A7 verbunden ist, kann der Fall eintreten, dass die Koordinate in Richtung von sechs Achsen, die durch den FT- Sensor 4 ermittelt werden, nicht mit denen des Bedienungsstandes 8 übereinstimmen. In diesem Fall wird die Koordinate in der Richtung von sechs Achsen, die mit dem FT- Sensor 4 gemessen wurden, durch die Bedienkraftkoordinatenkonversionseinheit korrigiert, so dass sie mit dem des Bedienungsstandes 8 übereinstimmt.
vorzugsweise führt die Bedienkraftkoordinatenkonversionseinheit 13 die Korrektur bezüglich der Kompensation der Schwerkraft durch. Das hierfür verwendete Verfahren kann ein bekanntes Verfahren sein und seine Einzelheiten werden hier nicht erläutert. In dieser Ausführungsform sind zwischen dem FT-Sensor 4 und der Impedanzsteuereinheit 5, der FT-Sensorverstärker 11, die FT-Signalverarbeitungseinheit 12 und die Bedienkoordinatenkonversionseinheit 13 vorgesehen. Solange jedoch der durch den FT- Sensor gemessene Wert der Kraft oder dem Drehmoment in Richtungen von sechs Achsen entspricht und mit der Bedienkraft in ihren Koordinaten übereinstimmt, können der FT-Sensorverstärker 11, die Signalverarbeitungseinheit 12 und die Bedienkoordinatenkonversionseinheit 13 weggelassen werden.
Die Impedanzsteuereinheit 5 ist mit der Bedienkraftkoordinatenkonversionseinheit 13 verbunden. Im Allgemeinen dient die Impedanzsteuerung zur Steuerung der Bedienkraft Tm eines Aktuators auf Grundlage der Gleichung 1 unter Verwendung des Aktuators als einer Drehmomenterzeugungseinrichtung.

[Gleichung 1]

Tm = (J - Jn)θ" + (C - Cn)θ' + Kn(θr - θ)
θ" = (I/Jn){Kn(θr - θ) - Cnθ' + Td}
In dieser Ausführungsform wandelt die Impedanzsteuereinheit 5 die Kraft oder das Drehmoment in der Richtung von sechs Achsen in den Befehlsvektor einer Geschwindigkeit oder eine Winkelgeschwindigkeit in jeder axialen Richtung um, um der Bedienperson, die den Bediengriff 3 betätig, ein Beginngefühl für Trägheit oder Viskosität, aber ohne Empfinden einer Gewichtskraft und einer elastischer Schwingung zu vermitteln. Dadurch kann die Bedienperson des Mikroskops 2 ein analoges Beginngefühl erhalten, das vergleichbar mit einer natürlichen Tätigkeit ist, und wird dadurch von einer physischen und mentalen Belastung erleichtert.
Ein bekanntes Verfahren kann als Konversionsverfahren bei der Impedanzsteuereinheit 5 verwendet werden, um ein Bediengefühl für eine Trägheitskraft oder Viskosität zu vermitteln. Zum Beispiel wird Gleichung 2, die eine allgemeine Bewegungsgleichung darstellt, in Gleichung 3 transformiert, um einen Geschwindigkeitsvektor anhand des Kraft/Momentenvektors F, der mit dem FT-Sensor 4 ermittelt wurde, bereit zu stellen.

[Gleichung 2]

Mv' + Cv = f
wobei M: eine Trägheitskoeffizientenmatrix, C: ein Viskositätskoeffizientenmatrix darstellen

[Gleichung 3]

v = (Ms + C)&supmin;¹f
v = (Mx My Mz Rx Ry Rz)T
wobei Mx, My und Mz Parallelgeschwindigkeitsbefehle an einem Fokuspunkt in die axialen X-, Y- und Z-Richtungen und Rx, Ry und Rz Winkelgeschwindigkeiten für Drehungen um die X-, Y- und Z-Achsen am Fokuspunkt darstellen.
Dadurch wird die Komponente jeder Achse des Kraft/Momentensignals am Beginnpunkt 3c (vgl. Fig. 6 und 7) in den Geschwindigkeitsbefehl umgewandelt, der ein Bedienbefehl für jede Achse ist. Obwohl die Größe der oben angegebenen Trägheitskoeffizientenmatrix M und Viskositätskoeffizientenmatrix C im Allgemeinen konstant sein kann, kann sie auch veränderlich gemacht werden, um die Verwendbarkeit anzupassen.
Ferner wird die Impedanzsteuereinheit 5 so eingestellt, dass, wenn der Bediengriff 3 mit beiden Händen bedient wird, ein großer Operationsverstärkungsfaktor eine vergleichsweise hohe Bewegungs- oder Rotationsgeschwindigkeit des Mikroskops 2 ergibt, und wenn der Bediengriff 3 durch eine einzige Hand bedient wird, ein kleiner Verstärkungsfaktor eine vergleichsweise kleine Bewegungs- oder Drehgeschwindigkeit des Mikroskops 2 ergibt. Dadurch kann durch die Art, wie das Mikroskop 2 verwendet wird, d. h. durch die Bedienung mit beiden Händen oder der einzigen Hand, die bevorzugte Geschwindigkeit und Genauigkeit der Bewegung/Drehung des Mikroskops 2 ausgewählt werden. In den meisten Fällen deutet die Betätigung mit beiden Händen auf eine Absicht hin, dass eine schnelle Betätigung erwünscht ist, wohingegen Genauigkeit erforderlich ist, wenn die Betätigung mit der einzelnen Hand und - in den meisten Fällen - mit der Absicht erfolgt, um durch das Mikroskop 2 zu schauen. Die Spursteuereinheit 6 ist mit der Impedanzsteuereinheit 5 verbunden. Die Spursteuereinheit 6 dient dazu, um die Spur fest zu legen, entlang der sich das Mikroskop 2 auf Grundlage des Bewegungsmodus 2 bewegen kann, der über die Bedienschalter SL1, SL2, SR1 und SR2 ausgewählt wurde, und die Bewegung oder Drehung des Mikroskops 2 entsprechend der Bedienung des Bediengriffs 3 an der Spur zu bestimmen. Die Spursteuereinheit 6 wandelt den Bewegungsgeschwindigkeitsbefehlsvektor, der in der Impedanzsteuereinheit 5 berechnet wurde, in den Bewegungsbefehl entsprechend jedem Bewegungsmodus um.
Wenn das Koordinatensystem des befestigten ersten Arms A1 als ein Originalkoordinatensystem und das des Fokuspunktes 10 des Mikroskops 2 als Fokuspunktkoordinatensystem verwendet wird, kann die Simultankonversionsmatrix Tf des Fokupunktkoordinatensystems für das Originalkoordinatensystem über ein bekanntes Verfahren ermittelt werden. Zum Beispiel hat die Simultankonversionsmatrix Tf für einen Vektor (Δx Δy Δz θx θy θz)T die in Gleichung (4) gezeigte Form. Weiter wird auf Grundlage der Drehmatrix Ru, die jedem Modus inhärent ist, eine neue Simultankonversionsmatrix Tf' durch Gleichung (5) angegeben. [Gleichung 4]
wobei S* für sin(θ*) steht und C* für cos(θ*) steht.

[Gleichung 5]

Tf = Tf·Ru
Zum Beispiel bewirkt der Punktsperrmodus, der eine Bedienungsmodus darstellt, in dem die Bewegung der Position und des Profils des Mikroskops allein auf der vorgeschriebenen Kugel und dem Fokuspunkt des Mikroskops bei konstant gehaltener Brennweite erlaubt ist, einzig die Operationsänderungen des Profilvektors (θu θv θw), ohne den Ortsvektor (u v w) der Simultankonversionsmatrix Tf zu ändern. Tatsächlich nur die Drehungen θu θv θw um die u-, v- und w-Achsen des Fokuspunktkoordinatensystems. Zum Beispiel wird die Drehmatrix Ru, wenn nur θu um die u-Achse gedreht wird, durch Gleichung (6) ausgedrückt. [Gleichung 6]
Der durch die Impedanzsteuereinheit 5 berechnete Bediengeschwindigkeitsbefehlsvektor wird durch die Simultankonversionsmatrix Tf umgewandelt. In diesem Fall werden von den Komponenten des Bediengeschwindigkeitsbefehlsvektors nur vorbestimmte Komponenten, die für die verschiedenen Modie verschieden sind, in Abhängigkeit vom Bewegungsmodus verwendet.
Der Alles-Frei-Modus, bei dem Betätigung in allen sechs Freiheitsgraden von Parallelbewegung und Drehbewegung (Änderungen im Profil) in jeder X-, Y- und Z-Achsen erlaubt ist, stellt den Bediengeschwindigkeitsbefehlsvektor eines Fokuspunktes gemäß [Gleichung 7] bereit (Mx My Mz Rz Ry Rz)T.
Mx, My und Mz des Bediengeschwindigkeitsbefehlsvektors stellen Parallelgeschwindigkeitsbefehle in Richtungen der X-, Y- und Z-Achsen des Fokuspunktes dar, und Rx, Ry und Rz stellen Winkelgeschwindigkeiten um die X-, Y- und Z-Achsen des Fokuspunktes dar. Daher wird in diesem Modus der Bediengeschwindigkeitsvektor durch die Impedanzsteuereinheit 5 so umgewandelt, wie er vorliegt.
Der Punktsperrmodus, der eine Operation darstellt, bei der die Drehung um den festen Fokuspunkt erlaubt wird, stellt den Bediengeschwindigkeitsbefehlsvektor gemäß [Gleichung 8] bereit.

[Gleichung 8]

(0 0 0 0 Rx + αMy Ry + αMx Rz)T
Beim Bediengeschwindigkeitsbefehlsvektor, der durch die Impedanzsteuereinheit 5 errechnet wurde, werden die entsprechenden Komponenten Mx, My und Mz, die parallel Bewegungsbefehle in X-, Y- und Z-Richtung entsprechen, nicht berücksichtigt, so dass selbst beim Vorliegen einer Kraft für parallele Bewegung in den axialen Richtungen als Betätigungskraft angelegt wird, sich das Mikroskop 2 nicht in diesen Richtungen bewegen wird. Nebenbei bemerkt: da sich die Bedienpunkte 3c des Bediengriffs 3 während der Bewegung auf der Kugel um den Fokuspunkt leicht parallel bewegen, wird Korrektur bezüglich Rx und Ry unter Berücksichtigung der Parallelbewegung durchgeführt.
Der Parallelbewegungsmodus stellt den Bediengeschwindigkeitsbefehlsvektor gemäß Gleichung (9) bereit.

[Gleichung 9]

(Mx My Mz 0 0 0)T
Somit ist der Drehbefehl um jede Achse des Bedienpunktes 3c ungültig und die Orientierung des Mikroskops bleibt unverändert.
Der Fokusbewegungsmodus stellt den Bediengeschwindigkeitsbefehlsvektor gemäß Gleichung (10) bereit.

[Gleichung 10]

(0 0 Mz 0 0 Rz)T
Dadurch werden nur die Parallelbewegung in der axialen Richtung des Zylinders des Mikroskops 2 und die Drehung um diese Achse erlaubt.
Es sollte erwähnt werden, dass die Umwandlung des Bediengeschwindigkeitsbefehlsvektors für die Bewegung und Drehung des Mikroskops 2 in jedem Modus ebenso in jeder anderen Technik als auch in der für die obige Ausführungsform vorgeschlagenen Art und Weise erfolgen kann.
Wie weiterhin anhand von Fig. 2 ersichtlich ist, ist die Motorsteuereinheit 7 zwischen der Spursteuereinheit 6 und der Motoreinheit für jedes Gelenk des exemplarischen Bedienungsstandes 8 vorgesehen. Die Motorsteuereinheit 7 weist eine kinetische Umwandlungseinheit 14, eine Positionsbefehlsumwandlungseinheit 15, eine Servopositionssteuereinheit 16 und einen Servotreiber 17 auf. Die Motorsteuereinheit 7, die den Motor zur Betätigung jeder der Gelenke J1 bis J6 steuert, ist in Fig. 7 als mit dem Bedienstand 8 verbunden dargestellt.
Die kinetische Konversionseinheit 14 berechnet die Winkelgeschwindigkeit zum Betätigen jedes der Gelenke J1 bis J6, wenn das Mikroskop 2 gemäß dem durch die Spursteuereinheit 6, die oben beschrieben wurde, berechneten Bediengeschwindigkeitsbefehlsvektor betätigt wird. Die Winkelgeschwindigkeit jedes Motors wird durch die invertierte kinetische Konversion auf solche Art und Weise berechnet, dass die Position und Orientierung des Mikroskops 2 anhand der Winkel jedes der Gelenke J1 bis J6, die durch den Winkelsensor ermittelt werden, erhalten werden und das Mikroskop 2 wird gemäß des Bediengeschwindigkeitsbefehlsvektors, der durch die Spursteuereinheit 6, die oben beschrieben wurde, ermittelt wurde, betrieben. Dadurch wird der Positions- (Winkel)-Befehl für jeden Motor erzeugt.
Positionsbefehlsumwandlungseinheit 15 interpoliert den Winkeleinstellungsbefehl für jeden Motor, um den Positions-(Winkel)-Befehl synchron mit dem Positionsservosystem jedes Motors zu erzeugen. Speziell interpoliert die Positionsbefehlskonversionseinheit 15 die Winkellage jedes Motors, die durch die kinetische Konversionseinheit 14 bereitgestellt wird. Solange die Winkellage in jedem Motor ausreichend präzise berechnet wird, kann aus diesem Grund die Positionsbefehlskonversionseinheit 15 weggelassen werden.
Wie anhand der Fig. 2 und 11 ersichtlich ist, stellen eine Servopositionssteuereinheit 16, welche ein PID-Kontroller sein kann, ein Servotreiber 17, ein Motor 18 und ein Encoder 19, der als Winkelsensor zum Ermitteln der Drehposition des Motors 18 vorgesehen ist, ein Positions-(Winkel)-Servosteuersystem da, in welchem der Winkel des Motors 18 als ein Winkelsignal durch den Encoder 19 ermittelt wird, und der ermittelte Ausgang in die Servopositionssteuereinheit rückgekoppelt wird. Der Motor zum Betätigen der Gelenke J1 bis J6, die an den vorbestimmten Positionen des Bedienungsstandes 8 befestigt sind, wird durch ein solches Positions-(Winkel)-Servosteuersystem gesteuert.
Im Positions-(Winkel)-Servosteuersystem, ist der Servotreiber 17 ein Leistungsumwandler wie z. B. ein PWM-Umwandler, der ein Positionsbefehlssignal, das von der Positionsservosteuereinheit 16 ausgegeben wird, in Leistung zum Betreiben des Motors umwandelt, die an den Motor 18 ausgegeben werden soll. Der Servotreiber 17 kann ferner eine Kompensation für Stromrückkopplung umfassen. Ein Wechselstrommotor, der als der Motor 18 verwendet wird, führt Kommutationssteuerung durch.
In dieser Ausführungsform wird der Motorantrieb durch Vorwärtssteuerung und Rückwärtssteuerung unter Verwendung eines gewöhnlichen PID-Kontrollers als Positionssteuerservoeinheit 16 durchgeführt, kann aber auch durch jede andere Einrichtung gesteuert werden.
Unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm von Fig. 1, wird eine Erläuterung der Arbeitsweise der Steuervorrichtung für die oben beschrieben strukturierte Krafthilfevorrichtung gegeben.
Zuerst drückt eine Bedienperson die Druckschalter SL1, SL2, SR1, SR2, die an dem Bediengriff 3 vorgesehen sind, um den Bediengriff 3 unter Auswahl eines erwünschten Bewegungsmodus zu betätigen. Daraufhin wird die Betätigungskraft, die am Bediengriff 3 anliegt, durch den FT-Sensor 4 ermittelt. Abhängig von der an den Bediengriff 3 angelegten Bedienkraft, erzeugt der FT-Sensor 4 Kraft oder Drehmoment in Richtung von sechs Achsen als ein FT-Sensorsignal (Schritt 101). Das FT-Sensorsignal wird durch den FT-Sensorverstärker 11 und die FT-Signalverarbeitungseinheit 12 verarbeitet, so dass es in ein Digitalsignal bezüglich der Kraft/Drehmoments in Richtungen von sechs Achsen umgewandelt wird (Schritte 102 und 103). Ferner wird das Verhältnis zwischen der Befestigung des FT-Sensors 4 und des Mikroskops 2 durch die Betätigungskraftkoordinatenkonversionseinheit 13 korrigiert, so dass das Digitalsignal in das Signal bezüglich der Kraft und des Drehmoments entsprechend der Orientierung des Mikroskops umgewandelt wird (Schritt 105).
Auf der anderen Seite wird über Bestimmung durch die Bedienschalter SL1, SL2, SR1 und SR2, beispielsweise als Druckschalter, die gleichzeitig mit der Bedienoperation betätigt wurden, ein Betätigungsschaltersignal entsprechend des Bewegungsmodus für das Mikroskop 2, der durch die Bedienperson ausgewählt wurde, erzeugt (Schritt 104). Das Bedienschaltsignal wird an die Bedienkraftkoordinatenkonversionseinrichtung 13, Impedanzsteuereinheit 5 und Spursteuereinheit 6 weitergegeben. Die Bedienkraftkoordinatenkonversionseinheit 13 verwendet verschiedene Koordinatenkonversionsverfahren gemäß der Betätigung des Griffs 3 mit beiden Händen oder einer einzigen Hand.
Das der Bedienkraftkoordinatenkonversion in Schritt 105 unterzogene Signal wird durch die Impedanzsteuereinheit 105 impedanzgesteuert, so dass es in einen Geschwindigkeitsbefehl umgewandelt wird, der der Bedienperson ein Gefühl für Trägheitskraft und Viskosität gibt (Schritt 106).
In der Spursteuereinheit 6 wird der Geschwindigkeitsbefehl ausgewählt oder umgewandelt, so dass sich das Mikroskop 2 entlang einer vorgeschriebenen Bahn entsprechend den durch die Schalter SL1, SL2, SR1 und SR2 durch die Bedienperson festgelegten Bewegungsmodus bewegt (Schritt 107).
Auf der anderen Seite wurde der Drehwinkel jedes Motors zum Betätigen der Gelenke J1 bis J6 durch den mit jedem Motor gekoppelten Encoder ermittelt (Schritt 113). Das Winkelsignal, das durch den Encoder ermittelt wird, wird an die kinetische Konversionseinheit 14, die Positionsservosteuereinheit 16 und dem Servomotor 17 weitergegeben.
In der kinetischen Konversionseinheit 14 wird der für jeden Motor spurgesteuerte Geschwindigkeitsbefehl umgekehrt kinetisch in einen Winkelpositionsbefehl zum Antreiben jedes Motors (jeder Achse) umgewandelt (Schritt 108). In der Positionsbefehlskonversionseinheit 15 wird der Winkelpositionsbefehl interpoliert, damit er synchron mit der Positionssteuereinheit 16 ist (Schritt 109). Die Vorwärts- und Rückwärtssteuerung für den Motorbetrieb werden für jeden Motor (jede Achse) durch die Positionsservosteuereinheit 16 und dem Servotreiber 17 durchgeführt (Schritte 110 bis 112). Durch Steuerung jedes Motors zum Durchführen der Bewegung und Drehung der Arme A1 bis A7 kann auf diese Weise die Bedienperson die Bewegung oder Drehung in dem erwünschten Modus auf das Mikroskop 2 übertragen.
Wenn die Kraft/Momenteninformation, die durch die Bedienperson gegeben wird, durch die Impedanzsteuereinheit 5 impedanzgesteuert wird, um den Bedienbefehl für jeden der Motoren zum Betätigen der Gelenke J1 bis J6 zu berechnen und jeder Motor gesteuert wird, um die Bewegung oder Rotation der mehreren Arme A1 bis A7 bereit zu stellen, so kann die Steuervorrichtung für die Krafthilfevorrichtung gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein natürliches Beginngefühl bereitstellen, einschließlich eines Gefühls für Trägheitskraft und Viskosität. Dadurch kann die Bewegung und Drehung des Mikroskops 2 gleichmäßig und glatt ausgeführt werden, und ist so mit einer natürlichen Betätigung vergleichbar.
Obwohl die oben beschriebene Ausführungsform eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, kann die vorliegende Erfindung in verschiedenen Modifikationen geändert werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel kann in der oben beschriebenen Ausführungsform das Mikroskop 2 für eine Operation als zu halternder Gegenstand durch jeden anderen Gegenstand ersetzt werden. Im konkreten Fall kann die Krafthilfevorrichtung gemäß dieser Ausführungsform angewandt werden, um eine Hilfstätigkeit in einem Krankenhaus oder zuhause zu unterstützen, um die Handhabung eines schweren Objektes in einer allgemeinen Industrie und eine direkte Lehrtätigkeit für einen Industrieroboter zu unterstützen. In der Ausführungsform führen die Arme A1 bis A7 die Rotation sowohl in horizontaler als auch vertikaler Richtung durch, so dass das zu halternde Mikroskop 2 in allen Orientierungen orientiert werden kann, sie müssen aber nur die vertikale oder horizontale Drehung für verschiedene Zwecke durchführen, und zusätzlich dazu eine vertikale oder horizontale Bewegung ausführen.
Wie anhand den bisher gemachten Ausführungen deutlich wird, ermittelt das Verfahren zum Steuern der Krafthilfevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit Hilfe des Kraft/Momentensensors eine Betätigungskraft, die an einen Betätigungsgriff angelegt wird, der in der Nähe eines zu handhabenden Gerätes vorgesehen ist, führt eine Impedanzsteuerung und Spursteuerung der ermittelten Kraft/Momenteninformation in Richtungen mehrerer Achsen durch, um den Betätigungsbefehl für jedes Gelenk einer Mehrzahl von Armen zu berechnen, und bewegt die Arme in Richtung der Betätigungskraft auf Grundlage des Betätigungsbefehls. Ferner umfasst die Steuervorrichtung für die Krafthilfevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eine Mehrzahl von Armen, die miteinander rotierbar gekoppelt sind; jeweils Motoren zum Antreiben jedes der Mehrzahl der Arme; ein zu unterstützendes Gerät, das an der Spitze der Mehrzahl der Arme befestigt ist; eine Bediengriff, der in der Nähe des Geräts vorgesehen ist; einen Kraft/Momentensensor zum Ermitteln einer Betätigungskraft; eine Impedanzsteuereinheit und Spursteuereinheit zum Berechnen des Bedienbefehls für jedes Gelenk auf Grundlage der Kraftmomenteninformation; und eine Motorsteuereinheit zum Durchführen der Motorensteuerung auf Grundlage des Betätigungsbefehls für jedes Gelenk. Da die Kraft/Momenteninformation der Betätigungskraft impedanzgesteuert ist, um den Bedienbefehl für jedes Gelenk zu berechnen, und dabei die Bewegung oder die Drehung für die Mehrzahl der Arme bereitstellt, kann aus diesem Grund ein natürliches Betätigungsgefühl einschließlich eines Gefühls für Trägheitskraft und Viskosität erreicht werden. Dadurch kann die Bewegung und Drehung des Mikroskops 2 gleichmäßig durchgeführt werden.
Nach Durchführen einer Spursteuerung der Kraft/Momenteninformation der Betätigungskraft zur Berechnung des Bedienungsbefehls für jedes Gelenk, kann das zu halternde Gerät die Bewegung oder Drehung auf einer vorgeschriebenen Bahn wie einer Punktsperre durchführen, die einen vorbestimmten Betätigungsmodus darstellt und somit kann die Bedienbarkeit verbessert werden.

Claims

1. Verfahren zum Steuern einer Krafthilfevorrichtung, in der die Krafthilfevorrichtung aufweist: ein Gerät (2), das an der Spitze mehrerer Arme (A1, ..., A7) gehalten wird, die so gekoppelt sind, dass diese der Reihe nach mittels Gelenken (J1, J6) auf einem Ständer (8) ansteuerbar sind; einem Bediengriff (3), der in der Nähe des Geräts (2) angeordnet ist und von einem Bediener betätigt wird, um das Gerät (2) zu bewegen; einen Kraft/Momentensensor (4) zum Erzeugen einer Kraft/Momenteninformation hinsichtlich Richtungen mehrerer Achsen aus der Betätigungskraft, die dem Bediengriff (3) zugeführt wird; und eine Motorsteuereinheit (7) zum Steuern von Motoren, die angeordnet sind, um die mehreren Arme (A1, ..., A7) durch die Gelenke (J1, ..., J6) anzutreiben, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:

Detektieren (101) der Betätigungskraft, die dem Bediengriff (3) zugeführt wird, mittels des Kraft/Momentensensors (4);

Berechnen (105, ..., 108) eines Bedienbefehls für jeden Motor, durch Anwenden einer Impedanzsteuerung und einer Spursteuerung auf der Grundlage der detektierten Kraft/Momenteninformation; und

Bewegen (112) des Geräts in Richtung der Betätigungskraft, die dem Bediengriff (3) zugeführt wird, durch die mehreren Arme (A1, ..., A7) mittels der Motorsteuereinheit (7) auf der Grundlage des berechneten Bedienbefehls;

dadurch gekennzeichnet, dass

der Bediengriff (3) mit einem Bedienschalter (SL1, SL2, SR1, SR2) zum Einstellen eines Bewegungsmodus ausgestattet ist, der die Bewegungsrichtung des Geräts (2) kennzeichnet, und wobei der Bedienbefehl für jedes Gelenk (J1, ..., J6) berechnet wird unter Verwendung lediglich der Information aus der Kraft/Momenteninformation bezüglich den Richtungen der mehreren Achsen, die für den durch den Bedienschalter (SL1, SL2, SR1, SR2) festgelegten Bewegungsmodus erforderlich ist.

2. Verfahren zum Steuern einer Krafthilfevorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Bediengriff mit zwei Haltebereichen ausgestattet ist, die ein Bediener mit beiden Händen bedienen kann, wobei an jeder der beiden Haltebereichen der Bedienschalter zum Festlegen des gleichen Bewegungsmodus vorgesehen ist, und

wobei die Bewegungsgeschwindigkeit des Geräts bei Betätigen des Griffes mit beiden Händen so gesteuert wird, dass dieser höher ist, als wenn dieser mit einer einzelnen Hand betätigt wird.

3. Verfahren zum Steuern einer Krafthilfevorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Bedienbefehl für jedes Gelenk den Geschwindigkeitsbefehl für jedes Gelenk in den mehreren Armen auf der Grundlage einer Bewegungsgleichung der Trägheitskraft und der Viskosität aufnimmt und ein Bediengefühl einer Trägheitskraft und einer Viskosität an den Bediener übermittelt.

4. Steuervorrichtung zum Steuern einer Krafthilfevorrichtung mit:

mehreren Armen (A1, ..., A7), die so an einen Ständer (8) gekoppelt sind, dass diese der Reihe nach mittels Gelenken (J1, ..., J6) sequentiell ansteuerbar sind;

mehreren Motoren zum Antreiben der mehreren Arme (A1, ..., A7) durch die Gelenke (J1, ..., J6);

einem zu haltenden Gerät (2), wobei das Gerät (2) an der Spitze der mehreren Arme (A1, ..., A7), die miteinander gekoppelt sind, angebracht ist;

einem Bediengriff (3), der in der Nähe des Geräts (2) angeordnet ist, und der von einem Bediener betätigbar ist, um das Gerät (2) zu bewegen;

einem Kraft/Momentensensor (4) zum Erzeugen einer Kraft/Momenteninformation in Richtungen mehrerer Achsen aus einer Betätigungskraft, die auf den Bediengriff (3) ausgeübt wird;

einer Impedanzsteuereinheit (5) und einer Spursteuereinheit (6) zum Berechnen eines Bedienbefehls für jedes Gelenk in den mehreren Armen (A1, ..., A7) auf der Grundlage der Kraft/Momenteninformation, die von dem Kraft/Momentensensor (4) detektiert wird; und

einer Motorsteuereinheit (7) zum Steuern der Motoren, um die mehreren Arme (A1, ..., A7) durch jeweils die Gelenke (J1, ..., J6) auf der Grundlage des Bedienbefehls für jedes Gelenk anzutreiben,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Bediengriff (3) mit einem Bedienschalter (SL1, SL2, SR1, SR2) zum Einstellen eines Bewegungsmodus, der die Bewegungsrichtung des Geräts (2) kennzeichnet, ausgestattet ist, und ein Bedienbefehl für jedes Gelenk (J1, ..., J6) unter Verwendung lediglich der Information aus der Kraft/Momenteninformation in der Richtung der mehreren Achsen berechnet wird, die für den von dem Bedienschalter (SL1, SL2, SR1, SR2) festgelegten Bewegungsmodus erforderlich ist.

5. Eine Steuervorrichtung für eine Krafthilfevorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Impedanzsteuereinheit den Geschwindigkeitsbefehl für jedes Gelenk in den mehreren Armen auf der Grundlage einer Bewegungsgleichung einer Trägheitskraft und einer Viskosität erhält.

6. Eine Steuervorrichtung für eine Krafthilfevorrichtung nach Anspruch 4, wobei die mehreren Arme dazu dienen, um eine Vertikalbewegung oder eine Horizontalbewegung oder eine horizontale Drehung und eine vertikale Drehung auszuführen, und wobei der Kraft/Momentensensor ein Signal relativ zu den Richtungen der sechs Achsen eines X-Y-Z-Achsensystems und Richtungen um diese Achsen herum erzeugt.

7. Eine Steuervorrichtung für eine Krafthilfevorrichtung nach Anspruch 4, wobei das Gerät ein Gewicht aufweist, das bei Bedienung durch einen Bediener Unterstützung erfordert.

8. Eine Steuervorrichtung für eine Krafthilfevorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Arme zum Ausführen der vertikalen Drehung einen Mechanismus zweier paralleler Verbindungselemente aufweisen, und ein Schwenkmittelpunkt jeweils der parallelen Verbindungselemente in Lotrichtung ausgerichtet ist.

9. Eine Steuervorrichtung für eine Krafthilfevorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Kraft/Momentensensor das Signal in Richtung der sechs Achsen durch Verarbeiten des Ausgangssignals jedes von mehreren Verformungsmesseinheiten erhält, die an seinem Körper angebracht sind.

10. Eine Steuervorrichtung für eine Krafthilfevorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Spursteuereinheit die Spur, entlang der das Gerät zu bewegen ist, auf der Grundlage des Bewegungsmodus festlegt, der durch den Bedienschalter festgelegt ist, und den durch die Impedanzsteuereinheit berechneten Geschwindigkeitsbefehl so umwandelt, dass dieser mit dem Bewegungsmodus übereinstimmt.

11. Eine Steuervorrichtung für eine Krafthilfevorrichtung nach Anspruch 10, die ferner umfasst:

eine Motorsteuereinheit, die zwischen der Spursteuereinheit und den Motoren zum Antreiben der Arme angeordnet ist, wobei die Motorsteuereinheit eine kinetische Umwandlungseinheit zum Erzeugen eines Positionsbefehls für jeden der Motoren aufweist, wenn das Gerät in Übereinstimmung mit dem von der Spursteuereinheit berechneten Geschwindigkeitsbefehl bewegt wird,

eine Positionsservosteuereinheit zum Steuern der Position jedes Motors in Übereinstimmung mit dem Positionsbefehl für jeden Motor, und

einen Servotreiber zum Ansteuern jedes Motors.

12. Eine Steuervorrichtung für eine Krafthilfevorrichtung nach Anspruch 11, die ferner umfasst:

einen Kraft/Momentensensorverstärker zum Herauslösen der Kraft/Momenteninformation aus dem Kraft/Momentensensor als ein analoges Signal, zum Verstärken des analogen Signals und zum Umwandeln desselben in ein digitales Signal;

eine Kraft/Momentensensorsignalverarbeitungseinheit zum Filtern des digitalen Signals aus dem Kraft/Momentensensorverstärker, um hohe Frequenzkomponenten zu eliminieren; und

eine Bedienkraftkoordinatenkonversionseinheit zum Korrigieren einer Abweichung der Bedienrichtung des Bediengriffes aus der Richtung des Anbringens des Kraft/Momentensensors,

wobei der Kraft/Momentensensorverstärker, die Kraft/Momentensensorsignalverarbeitungseinheit und die Bedienkraftkoordinatenkonversionseinheit zwischen dem Kraft/Momentensensor und der Impedanzsteuereinheit angeordnet sind.