JP2005169561A - 遠隔操作装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 操作者が変わっても、ハードウエアおよびソフトウエアの調整を不要とし、操作者に適切な力覚を呈示することのできる遠隔操作装置を提供する。
【解決手段】 操作者が直接操作するマスタハンド３と、前記マスタハンド３に設けられ、操作者に与える刺激を発生する刺激発生手段９と、スレーブハンド２に設けられ、前記スレーブハンド２の把持力を検出する力センサ７と、前記力センサ７が検出した把持力に基づき、操作者にフィードバックする刺激強度信号を設定する刺激強度設定手段１１とを備え、前記刺激発生手段１１は、前記刺激強度信号に基づいた強度の刺激を発生する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、物体を把持するスレーブハンドを遠隔操作により操作するマスタ・スレーブハンド装置に適用可能な遠隔操作装置に関する。

地雷除去作業においては、しばしば除去作業員による手作業により地雷の検知および除去が行なわれている。しかしながら、手作業による地雷除去は作業員に対して危険を伴うため、作業員の安全を確保する手段として、遠隔地から地雷除去ロボット等を用いる方法が注目されている。このようなロボットにおいて手作業に近い形態とするには、ロボットハンドにより地雷を把持し除去する必要があり、このロボットハンドにマスタ・スレーブハンドが用いられている。

このマスタ・スレーブハンドは、一般的に宇宙空間や海洋などの人間が自由に動けない環境下、あるいは遠隔手術等において作業を代行するために用いられている。マスタ・スレーブハンドは、マスタハンド（操作手段）の動きがスレーブハンド（作業手段）に伝えられ、且つ、スレーブハンドの力覚がマスタハンドに呈示される機能を有する。すなわち、マスタ側の操作者は、作業対象に対して直接的に作業をしているような感覚を得ることができる。

このようなマスタハンドへの力覚呈示については、例えば、特許文献１（特開平１１−１６７４１９号公報）において、操作者の自由な動作を妨げることなく、細かい作業が可能な力覚呈示装置が開示されている。
図５に特許文献１に示される力覚呈示装置の概略構成図を示す。図中の力覚呈示装置５１は、マスタハンドに相当し、操作者の手に装着されるグローブ５２と、グローブ５２の表面に形成された空室５３へ圧縮性流体５４を注入するポンプ５７と、ポンプ５７を制御するコントローラ５８とを備えている。前記コントローラ５８は、手の各関節部の動きに応じて各ポンプ５７を制御するよう構成されている。

また、前記グローブ５２は、伸縮性の高い素材で形成されると共に、前記空室５３がグローブ５２上の手の関節部に対応する部分に形成されている。それら空室５３に前記圧縮性流体５４が注入されていない状態であれば、操作者は抵抗なく関節を曲げることができる。しかしながら、この空室にポンプ５７により圧縮性流体５４が注入されると、空室が徐々に満たされ、その部位において操作者の手に圧力が加えられる。このため、操作者が関節を曲げようとすると、この部位において大きな反力を受けるように構成されている。

このような構成の力覚呈示装置５１によれば、前記コントローラ５８がスレーブハンドによる作業対象に対する荷重と同期して前記ポンプ５７を制御し、グローブ５２に圧縮性流体５４を注入することにより指に擬似的に触覚（力覚）を感じさせることができる。
また、スレーブハンドを遠隔操作する際に、グローブ５２は伸縮性の高い素材で形成されているため、細かな作業が可能となる。

特開平１１−１６７４１９号公報（第３頁左欄第４３行乃至右欄第４６行、第１図、第２図、第３図）

このように特許文献１に示される力覚呈示装置５１を用いれば、実際の触覚に近い触覚を手に感じることができ、また、細かな作業が可能となる。
ところで、特許文献１に開示された力覚呈示装置５１では、マスタハンドとして操作者の手の形状に合わせたグローブ（力覚呈示手段）が用いられている。しかしながら、このような力覚呈示方法にあっては、操作者が変わると、手の大きさも変わることが予想され、それにより関節の位置が操作者によってずれる虞があった。そのため、グローブ５２等のハードウエアの大きさ、および、コントローラ１３のソフトウエア設定を操作者毎に調整する必要があり、効率的な作業ができないという課題があった。

本発明は、前記したような事情の下になされたものであり、操作者が変わっても、ハードウエアおよびソフトウエアの調整を不要とし、操作者に適切な力覚を呈示することのできる遠隔操作装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明にかかる遠隔操作装置は、操作者が操作手段を介して作業手段を遠隔操作する遠隔操作装置であって、前記操作手段に設けられ、操作者に与える刺激を発生する刺激発生手段と、前記作業手段に設けられ、前記作業手段による作業対象に対する荷重を検出する力センサと、前記力センサが検出した荷重に基づき、操作者にフィードバックする刺激強度信号を設定する刺激強度設定手段とを備え、前記刺激発生手段は、前記刺激強度信号に基づいた強度の刺激を発生する遠隔操作装置において、前記操作手段は、操作者の指に夫々装着されると共に前記刺激発生手段を有する複数の操作部を有し、各操作部の動作に連動して前記作業手段が動作すると共に、各操作部が有する刺激発生手段により発生した刺激が、夫々の操作部を装着した指に与えられることに特徴を有する。
このように構成することによって、操作者の触覚に対して力覚を刺激として与えることができる。すなわち操作者の指に前記荷重に応じた強度の刺激を与えるだけで、操作者は刺激の強度により力覚の大きさを擬似的に感じることができる。
このため、操作者の手の大きさや、形状に拘らず、共通の操作手段を用いることができ、操作者が変わっても、操作手段においてはハードウエアおよびソフトウエア設定等の複雑なキャリブレーションを必要としない。また、比較的単純な構成により操作者に力覚を呈示することができる。

また、本発明にかかる遠隔操作装置は、操作者が操作手段を介して作業手段を遠隔操作する遠隔操作装置であって、前記操作手段に設けられ、操作者に与える刺激を発生する刺激発生手段と、前記作業手段に設けられ、前記作業手段による作業対象に対する荷重を検出する力センサと、前記力センサが検出した荷重に基づき、操作者にフィードバックする刺激強度信号を設定する刺激強度設定手段とを備え、前記刺激発生手段は、前記刺激強度信号に基づいた強度の刺激を発生する遠隔操作装置において、前記操作手段は、弾性を有する略ドーム形状の操作部を有し、操作者が前記操作部に荷重を与えることにより生じる該操作部の変形に連動して前記作業手段が動作すると共に、前記刺激発生手段により発生した刺激が、前記操作部を操作する操作者の手に与えられるようにしてもよい。
このように構成することによっても、同様に操作者が変わった際に、一様に操作者に対して力覚を刺激の強度として触覚に呈示することができる。

また、前記刺激強度設定手段は、操作者に前記作業手段による荷重が過大である旨を警告する刺激を前記刺激発生手段が発生するよう刺激強度信号を設定する警告刺激強度設定モードを有し、前記力センサが検出した荷重が所定の閾値以上である場合に、前記警告刺激強度設定モードとし、設定した一定の前記刺激強度信号を前記刺激発生手段に出力することが望ましい。
このようにすれば、操作者は作業手段による荷重、例えば把持力が過大であることを認識することができるため、操作者は慎重を要する物の取り扱い等において、効率的に作業を行うことが可能となる。

また、前記刺激強度設定手段は、前記作業手段による荷重が許容範囲である場合の通常刺激強度設定モードをさらに有し、前記通常刺激強度設定モードにおいては、前記警告刺激強度設定モード時よりも低い一定強度の刺激強度信号を設定し、前記刺激発生手段に出力することが望ましい。
このようにすれば、２つの刺激強度に大別されるため、操作者は、作業手段による荷重、例えば把持力が過大か否かを容易に知覚することができる。
あるいは、前記刺激強度設定手段は、前記作業手段による荷重が許容範囲である場合の通常刺激強度設定モードをさらに有し、前記通常刺激強度設定モードにおいては、前記力センサが検出した荷重に比例した強度の刺激強度信号を設定し、前記刺激発生手段に出力するようにしてもよい。
このようにすれば、例えば把持力に応じた強度の刺激を力覚として操作者の触覚に与えることができる。

また、前記刺激発生手段は、低周波振動を発生する手段、熱を発生する手段、気体または液体による圧力を発生する手段のいずれか、あるいは、気体または液体による圧力を発生する手段と熱を発生する手段であることが望ましい。

本発明によれば、操作者が変わっても、ハードウエアおよびソフトウエアの調整を不要とし、操作者に適切な力覚を呈示することのできる遠隔操作装置を提供することができる。
また、操作者の指に、特に指先に対して刺激を力覚として与えるため、感覚が敏感な箇所に対して与えることになり、より効果的な力覚の呈示が可能となる。

以下、本発明にかかる実施の形態につき、図に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る遠隔操作装置の一実施形態であるマスタ・スレーブハンド装置の全体構成を示す概略図である。図１に示すように、マスタ・スレーブハンド装置１は、遠隔操作による把持対象Ｂを把持する作業手段であるスレーブハンド２と、操作者Ｍの手に装着された操作手段であるマスタハンド３と、それらハンドの制御を行うコントローラ４とで構成される。

前記スレーブハンド２は、ハンド本体６と、ハンド本体６の指の先端部に夫々取り付けられた力センサ７と、ハンド本体６の油圧を制御する油圧バルブ５とで構成される。なお、図示しないが、ハンド本体６に油を供給する油圧ポンプが設けられ、前記油圧ポンプとハンド本体６との間の油供給路中に前記油圧バルブ６が設けられている。
ハンド本体６は、関節部６ａを介して指部６ｂが油圧により回動自在に構成されており、前記油圧バルブ５の油圧制御により、把持対象Ｂに対する荷重が決定される。また、力センサ７は、把持対象Ｂを把持した際の荷重を把持力（例えばＮ（ニュートン）単位）として出力するようになされている。

また、前記マスタハンド３は、操作者Ｍの各指に装着する操作部としての指グローブ８と、各指グローブ８内において、操作者Ｍの指に密着するよう設けられた刺激発生手段９とで構成される。前記指グローブ８は、操作者Ｍの指に装着された状態で、操作者Ｍが指を動かすことによって、夫々の動きベクトルの情報を出力するようになされている。

また、コントローラ４は、スレーブハンド２の油圧バルブ５の動作制御を行う油圧バルブ制御量算出手段１０と、マスタハンド３の刺激発生手段９の刺激強度を設定する刺激強度設定手段１１を有している。前記油圧バルブ制御量算出手段１０は、指グローブ８が出力したベクトル量に基づき油圧バルブ５の制御を行うようになされ、また、前記刺激強度設定手段１１は、力センサ７が出力した把持力に基づき刺激発生手段９が発生する刺激の強度を設定するようになされている。

前記したように、刺激強度設定手段１１は、力センサ７が出力した把持力に基づき、刺激強度を設定する。図２に、力センサ７の出力信号である把持力と、刺激強度設定手段１１が設定する刺激強度との関係の一例をグラフに示す。
図２の横軸に示すように、把持力が閾値Ｔに達するまで（許容把持力）は、刺激強度設定手段１１による刺激強度信号は把持力に比例してリニアに設定され、スレーブハンド２が把持する把持力に応じた強度の刺激を操作者Ｍの指に与えるようになされている。すなわち、安全に作業を行うことができる通常時においては、把持力と刺激強度との間に、この関係が成立するようになされる（通常刺激強度設定モード）。

一方、把持力が閾値Ｔ以上である場合（危険把持力）には、刺激強度設定手段１１による刺激強度信号の設定は、刺激発生手段９において、操作者Ｍに反射反応が出る程度の一定の高強度刺激を発生するようになされる（警告刺激強度設定モード）。すなわち、スレーブハンド２の把持力が許容把持力の間は、作業を普通に行うことができるが、把持力が危険把持力のときには、操作者Ｍにスレーブハンド２による把持力が過大である旨を警告するよう、刺激発生手段９から高強度の刺激を操作者Ｍに与えるようになされている。なお、危険把持力のみを注意する必要がある場合等には、図３に示すように、許容把持力の間において、設定する刺激強度信号を前記警告刺激強度設定モード時よりも低い一定強度の設定としてもよい。

なお、刺激発生手段９としては、電気による低周波振動発生手段、ヒータ等の熱を発生する手段、気体または液体による圧力発生手段、または、それらを組み合わせた手段であることが望ましい。

続いて、全体動作の説明をする。操作者Ｍが、前記構成のマスタ・スレーブハンド装置１を用いて把持対象Ｂをスレーブハンド２によって把持する際には、マスタハンド３を指に装着し、指を動かすことによって把持する動作を行う。これにより、指グローブ８から動きベクトル量が油圧バルブ制御量算出手段１０に出力される。油圧バルブ制御量算出手段１０では、前記ベクトル量に基づき油圧バルブ５の制御を行ない、油圧バルブ５の動作によってスレーブハンド２が指部６ｂを動かし、把持対象Ｂを把持するよう動作する。

一方、指部６ｂの先端に設けられた力センサ７は、把持対象Ｂと接触する際に把持力を検出し、検出した把持力を刺激強度設定手段１１に出力する。刺激強度設定手段１１では、受け取った把持力に基づき、マスタハンド３にフィードバックする刺激強度を設定し、設定した刺激強度信号をマスタハンド３の刺激発生手段９に出力する。
刺激発生手段９では、受け取った刺激強度信号に基づいた刺激を発生する。これにより、操作者Ｍは、刺激発生手段９により発生した刺激を触覚で感じ、刺激の強度を力覚の大きさとして感じる。

以上説明した一実施の形態によれば、操作者によるマスタハンド３の操作は指先端における指グローブ８の動作により行われ、また、操作者に擬似的に力覚を刺激として触覚に伝える刺激発生手段は指グローブ８内に設けられる。このため、操作者が変わっても、指先端への指グローブ８の取り付けのみで対応でき、ハードウエアおよびソフトウエアの調整を不要とすることができる。
また、スレーブハンドによる把持力が危険把持力に達すると、高強度の刺激が操作者に呈示されるため、即座に操作者は警告として認識することができる。これにより、操作者は慎重を要する物の取り扱い等において、効率的に作業を行うことが可能となる。
なお、前記実施の形態における図１、図４においては、スレーブハンド２およびマスタハンド３における指の数は片手で夫々２本を一例として図示したが、これに限らず、例えば、片手で５本の指に対応するよう指グローブ８および指部６ｂを構成してもよい。

また、前記した一実施の形態においては、マスタハンド３の構成を、指グローブ８と刺激発生手段９による構成としたが、これに限らず、例えば図４に示すように弾性を有するドーム形状の操作部であるエアチャンバ１２と、これに接続された刺激発生手段１３とで構成してもよい。この場合、エアチャンバ１２の上に操作者Ｍの手が載せられ、操作者Ｍが把持する動作を行うことにより、エアチャンバ１２が変形する。このとき、エアチャンバ１２の変形がベクトル量の情報として油圧バルブ制御量算出手段１０に出力される。

また、刺激発生手段１３は、刺激強度をエアチャンバ１２の硬さに変換することによって、操作者Ｍに刺激強度を呈示するようになされている。なお、このとき、力センサ７が検出した把持力が危険把持力である場合には、エアチャンバ１２の硬さを変形が困難となる程度にまで硬化させるように構成してもよい。あるいは、刺激発生手段１３にヒータ（図示せず）を備え、刺激強度をエアチャンバ１２の硬さに変換すると共に、刺激強度を熱に変換するようにしてもよい。

なお、前記の実施形態においては、作業対象を把持する作業について例を示したが、これに限らず、本発明の遠隔操作装置は、作業手段が作業対象を押す作業、あるいは引く作業においても適用することができる。

本発明は、例えば、物体を把持するスレーブハンドを遠隔操作により操作するマスタ・スレーブハンド装置に好適に用いることができる。

図１は、本発明に係る遠隔操作装置の一実施形態であるマスタ・スレーブハンド装置の全体構成を示す概略図である。 図２は、図１のマスタ・スレーブハンド装置の力センサの出力信号と刺激強度との関係の一例を示すグラフである。 図３は、図１のマスタ・スレーブハンド装置の力センサの出力信号と刺激強度との関係の別の一例を示すグラフである。 図４は、本発明に係る遠隔操作装置の他の実施形態であるマスタ・スレーブハンド装置の全体構成を示す概略図である。 図５は、従来の力覚呈示装置の全体概略図である。

符号の説明

１ マスタ・スレーブハンド装置
２ スレーブハンド
３ マスタハンド
４ コントローラ
５ 油圧バルブ
７ 力センサ
９ 刺激発生手段
１０ 油圧バルブ制御量算出手段
１１ 刺激強度設定手段

Claims (9)

1. 操作者が操作手段を介して作業手段を遠隔操作する遠隔操作装置であって、
   前記操作手段に設けられ、操作者に与える刺激を発生する刺激発生手段と、前記作業手段に設けられ、前記作業手段による作業対象に対する荷重を検出する力センサと、前記力センサが検出した荷重に基づき、操作者にフィードバックする刺激強度信号を設定する刺激強度設定手段とを備え、前記刺激発生手段は、前記刺激強度信号に基づいた強度の刺激を発生する遠隔操作装置において、
   前記操作手段は、操作者の指に夫々装着されると共に前記刺激発生手段を有する複数の操作部を有し、
   各操作部の動作に連動して前記作業手段が動作すると共に、各操作部が有する刺激発生手段により発生した刺激が、夫々の操作部を装着した指に与えられることを特徴とする遠隔操作装置。
2. 操作者が操作手段を介して作業手段を遠隔操作する遠隔操作装置であって、
   前記操作手段に設けられ、操作者に与える刺激を発生する刺激発生手段と、前記作業手段に設けられ、前記作業手段による作業対象に対する荷重を検出する力センサと、前記力センサが検出した荷重に基づき、操作者にフィードバックする刺激強度信号を設定する刺激強度設定手段とを備え、前記刺激発生手段は、前記刺激強度信号に基づいた強度の刺激を発生する遠隔操作装置において、
   前記操作手段は、弾性を有する略ドーム形状の操作部を有し、
   操作者が前記操作部に荷重を与えることにより生じる該操作部の変形に連動して前記作業手段が動作すると共に、前記刺激発生手段により発生した刺激が、前記操作部を操作する操作者の手に与えられることを特徴とする遠隔操作装置。
3. 前記刺激強度設定手段は、前記作業手段による荷重が過大である旨を操作者に警告する刺激を前記刺激発生手段が発生するよう刺激強度信号を設定する警告刺激強度設定モードを有し、
   前記力センサが検出した荷重が所定の閾値以上である場合に、前記警告刺激強度設定モードとし、設定した一定の前記刺激強度信号を前記刺激発生手段に出力することを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかの請求項に記載された遠隔操作装置。
4. 前記刺激強度設定手段は、前記作業手段による荷重が許容範囲である場合の通常刺激強度設定モードをさらに有し、
   前記通常刺激強度設定モードにおいては、前記警告刺激強度設定モード時よりも低い一定強度の刺激強度信号を設定し、前記刺激発生手段に出力することを特徴とする請求項３に記載された遠隔操作装置。
5. 前記刺激強度設定手段は、前記作業手段による荷重が許容範囲である場合の通常刺激強度設定モードをさらに有し、
   前記通常刺激強度設定モードにおいては、前記力センサが検出した荷重に比例した強度の刺激強度信号を設定し、前記刺激発生手段に出力することを特徴とする請求項３に記載された遠隔操作装置。
6. 前記刺激発生手段は、低周波振動を発生する手段であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかの請求項に記載された遠隔操作装置。
7. 前記刺激発生手段は、熱を発生する手段であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかの請求項に記載された遠隔操作装置。
8. 前記刺激発生手段は、気体または液体による圧力を発生する手段であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかの請求項に記載された遠隔操作装置。
9. 前記刺激発生手段は、気体または液体による圧力を発生する手段と熱を発生する手段であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかの請求項に記載された遠隔操作装置。

Images