JP2014090800A - 鉗子マニピュレータ、および鉗子マニピュレータを備える鉗子システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 ベーンモータ40からの駆動力を回転関節部26に伝達するフレキシブルシャフト34が、柔軟な第1関節18および第2関節22を構成する切削スプリング18bの貫通孔18aを介して回転関節部26に連結されるものである。
【選択図】図1
Description
そして、非特許文献4にも示されるように、鉗子マニピュレータにおける柔軟関節を2自由度の剛体リンク機構に近似した簡易な理論モデルによって、鉗子マニピュレータにおける外力推定が提案されている。
また、非特許文献4において3自由度力推定については記載されていない。
以上の問題点を考慮し、本発明は鉗子マニピュレータ、および、鉗子マニピュレータを備える鉗子システムであって、鉗子マニピュレータの耐久性および操作性を向上させることができ、しかも、鉗子マニピュレータにおけるロール動作を容易に行うことができる鉗子マニピュレータ、および、鉗子マニピュレータを備える鉗子システムを提供することを目的とする。
本発明に係る鉗子マニピュレータは、鉗子を有する把持部を回転させる回転関節部と、貫通孔を軸線方向に沿って有し回転関節部に連結される複数の柔軟な多自由度関節部と、複数の多自由度関節部の貫通孔に挿入される柔軟な駆動力伝達部材を介して回転関節部を駆動させる駆動部とを備えて構成される。
図2は、本発明に係る鉗子マニピュレータを備える鉗子システムの一例において用いられる鉗子マニピュレータの外観を示す。
エアシリンダ12a1〜12a8のピストンロッド12Lのストローク量、および、速度は、それぞれ、後述する空気圧制御部72(図11および図12参照)により駆動制御される。
また、支持プレート42には、回転関節部26を、フレキシブルシャフト34を介して回転駆動するベーンモータ40(図9参照)が支持されている。ベーンモータ40は、後述する制御ユニット部60により制御される。
切削スプリング18bの断面中央の貫通孔18aには、フレキシブルシャフト34が挿入されている。
第2関節22の端部に連結される回転関節部26は、図8(B)に示されるように、フレキシブルシャフト34の回動に応じて回転関節部26に連結される把持部24を回動させるものとされる。回転関節部26は、ハウジング26Hの内周部に固定されフレキシブルシャフト34の回動力を把持部24に伝達するローター26Rと、把持部24のグリッパの開閉機構を把持状態にするピストン26Pと、ピストン26Pを作動空気圧に抗して初期状態に戻し、グリッパの開閉機構を非把持状態とするリターンスプリング26RSとをハウジング26H内に備えている。
把持部24における空気圧式グリッパの開閉機構は、図示が省略されるが、例えば、非特許文献5に示されるような機構と同様な機構を備えるものであってもよい。そのような空気圧式グリッパは、フレキシブルシャフト34の内側に配されるエア供給用チューブを介して供給される作動空気により駆動せしめられる。
本発明に係る鉗子マニピュレータを備える鉗子システムの一例においては、斯かる構成に加えて図11に示されるように、上述の鉗子マニピュレータにおける第1関節18および第2関節22、把持部24の動作制御を行う空気圧制御回路72を制御する制御ユニット部60を備えている。
図13は、鉗子システムにおける、外力推定のブロック線図である。
図13のブロック線図について、各記号の説明をしながら外力推定の方法を述べる。
F:空気圧アクチュエータの駆動力ベクトルである。
具体的には、以下のようになる。
F1〜F4:第1関節のシリンダ駆動力である。
F5〜F8:第2関節のシリンダ駆動力である。
F9:回転関節のためのベーンモータ駆動トルクである。
X:アクチュエータの変位量である。
具体的には、以下のようになる。
X1〜X4:第1関節のためのシリンダ変位である。
X5〜X8:第2関節のためのシリンダ変位である。
X9:回転関節のためのベーンモータの回転角である。
Xオーバードット:アクチュエータの速度である。sはラプラス微分演算子であるが、実際はコンピュータの数値微分(擬似微分)により求める。
q:関節の位置変数ベクトルであり、最大7次元ベクトルである。
具体的には、以下のようになる。
q=[δ1、θ1、l1、δ2、θ2、l2、ψ]Tとなる。添え字1、2は関節の番号である。屈曲にかかるδ、θ、lの定義は図15に示す第2関節の位置座標の定義のとおりである。第1関節も同様である。ψについては回転関節の角度を表わす。
第2関節については、関節の屈曲する方向δ2、その方向へ屈曲した角度θ2、および関節長さの変化量l2である。関節長さの変化量l2は、関節の中心線つまり図15で破線になっている部分の長さの変化量である。ただしδ2およびθ2は次の範囲で表わすこととする。
−π≦δ2≦π θ2≧0
また、pは鉗子先端の位置座標であり、Lsは関節の自然長であり、Lgは把持部と回転関節部の合計の長さであり、rは駆動ワイヤの配置円半径であり、数字5〜8は駆動ワイヤ番号である。
第1関節については、関節の屈曲する方向δ1、その方向へ屈曲した角度θ1、および関節長さの変化量l1である。ただしδ1およびθ1は次の範囲で表わすこととする。
−π≦δ1≦π θ1≧0
また、Lsは関節の自然長であり、rは駆動チューブの配置円半径であり、数字1〜4は駆動チューブ番号である。
ここでqとアクチュエータ変位Xとの関係は式(1)のようになる。
Fext、Fextハット:シリンダ駆動力およびベーンモータの駆動トルクの外力成分のベクトルであり、回転含む9次元ベクトルである。これらは鉗子先端に外力を受けて、アクチュエータがバックドライブされることで生じる。なお、ハット付きの記号は計算による推定値を意味する。
τextハット:関節位置座標q(δ1、θ1、l1、δ2、θ2、l2、ψ)に対するトルクおよび並進力の外力成分である。
fextハット:鉗子先端にかかる外力で、ここでは並進力3自由度およびトルク3自由度の6次元ベクトルである。
Ja T:Fextからτextへの変換行列である。Jaは関節速度qオーバードットからアクチュエータ速度Xオーバードットへのヤコビアンであり、式(1)を時間微分して整理することにより得られる。
(JT)+:τextからfextへの変換行列である。Jは関節速度qオーバードットから鉗子先端の速度pオーバードットおよび角速度ベクトルωへのヤコビアンである。
アクチュエータ駆動力の外力成分のベクトルの推定値Fextハットは、式(9)に従いアクチュエータの駆動力Fからマニピュレータの内部逆動力学Zハットを差し引くと、外力にかかる成分を求めることができる。
駆動力の発生装置として空気シリンダの例を説明したが、駆動力の発生装置はこれに限定されるものではない。このほか駆動力の発生装置としては、電気モーター、水圧シリンダ、油圧シリンダなどを採用することができる。
駆動力の計測装置として圧力センサの例を説明したが、駆動力の計測装置はこれに限定されるものではない。このほか駆動力の計測装置としては、力センサをマニピュレータに直接搭載する方法などを採用することができる。
体外での運動を外力推定に利用しないので挿入部におけるトロッカーの拘束、鉗子マニピュレータに連結された配線などの抵抗が関節のダイナミクスに影響しない。よって、鉗子マニピュレータがどのような配置状況にあっても、外力推定精度が安定しているという利点がある。
12 関節駆動部
14 コネクタユニット
18 第1関節
22 第2関節
24 把持部
26 回転関節部
34 フレキシブルシャフト
Claims (5)
- 鉗子を有する把持部を回転させる回転関節部と、貫通孔を軸線方向に沿って有し該回転関節部に連結される複数の柔軟な多自由度関節部と、該複数の多自由度関節部の貫通孔に挿入される柔軟な駆動力伝達部材を介して該回転関節部を駆動させる駆動部とを備える鉗子マニピュレータと、
前記把持部の姿勢を制御するように前記鉗子マニピュレータの駆動部を制御する制御部と、
を具備して構成される鉗子マニピュレータを備える鉗子システム。 - 前記制御部は、前記鉗子に作用する外力を推測演算する演算部を備えることを特徴とする請求項1記載の鉗子システム。
- 外力により変形する多自由度関節部について、前記多自由度関節部の長さの変化量を検出し、
前記変化量を使い外力を算出する演算部を有することを特徴とする請求項2記載の鉗子システム。 - 前記複数の柔軟な多自由度関節部が、それぞれ、切削スプリングにより構成されることを特徴とする請求項1記載の鉗子システム。
- 鉗子を有する把持部を回転させる回転関節部と、貫通孔を軸線方向に沿って有し該回転関節部に連結される複数の柔軟な多自由度関節部と、該複数の多自由度関節部の貫通孔に挿入される柔軟な駆動力伝達部材を介して該回転関節部を駆動させる駆動部とを具備して構成される鉗子マニピュレータ。
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