JP2015120233A - Manipulator drive control device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、マニピュレータ駆動制御装置に関する。 The present invention relates to a manipulator drive control device.
従来、マニュピュレータを使って物（例えば重量物など）や人を運搬することが行なわれている。
近年、例えば、運搬物（例えば壊れやすい物など）を傷つけないように扱いたい場合、あるいは、介護で人を持ち上げるような場合など、物や人に無理な力がかかっていないかをオペレータに伝えることが望まれている。
Conventionally, a manipulator is used to transport an object (such as a heavy object) or a person.
In recent years, for example, if you want to handle a transported object (for example, a fragile object) without damaging it, or if you are lifting a person for care, tell the operator whether the object or person is under excessive force. It is hoped that.
このため、例えば、マニピュレータにかかっている力（例えばトルク）をセンサで測定し、測定された力に応じた力を、オペレータが操作する操作部に加えることで、マニピュレータにかかっている力をオペレータに伝えるようにしている。
また、オペレータがマスタ側のマニピュレータを操作することによってスレーブ側のマニピュレータを遠隔操作して作業を行なうことも行なわれている。
For this reason, for example, the force (for example, torque) applied to the manipulator is measured by a sensor, and the force applied to the manipulator is applied to the operation unit operated by the operator by applying a force corresponding to the measured force to the operator. I am trying to tell you.
In addition, the operator operates the slave manipulator remotely by operating the master manipulator.
この場合も、スレーブ側のマニピュレータにかかっている力をセンサで測定し、測定された力に応じた力を、オペレータが操作するマスタ側のマニピュレータに加えることで、スレーブ側のマニピュレータにかかっている力をオペレータに伝えるようにしている。 Also in this case, the force applied to the slave manipulator is measured by the sensor, and the force corresponding to the measured force is applied to the master manipulator operated by the operator, so that it is applied to the slave manipulator. The power is transmitted to the operator.
しかしながら、マニピュレータ又はスレーブ側のマニピュレータにかかっている力をセンサで正確に測定するのは難しい。
また、センサで測定された力に応じた力を正確に操作部又はマスタ側のマニピュレータに加えるのも難しい。
このため、マニピュレータ又はスレーブ側のマニピュレータにかかっている力を正確にオペレータに伝えるのは難しい。
However, it is difficult to accurately measure the force applied to the manipulator or the manipulator on the slave side with a sensor.
It is also difficult to accurately apply a force according to the force measured by the sensor to the manipulator on the operation unit or the master side.
For this reason, it is difficult to accurately transmit the force applied to the manipulator or the manipulator on the slave side to the operator.
また、実際にマニピュレータ又はスレーブ側のマニピュレータにかかっている力を伝達しているわけではないので、オペレータは、マニピュレータ又はスレーブ側のマニピュレータにかかっている力を自然な感触として感じるのは難しい。
そこで、マニピュレータ（スレーブ側のマニピュレータを含む）にかかっている力を、正確、かつ、自然な感触で、オペレータに伝えることができるようにしたい。
In addition, since the force applied to the manipulator on the manipulator or the slave side is not actually transmitted, it is difficult for the operator to feel the force applied to the manipulator on the manipulator or the slave side as a natural feel.
Therefore, we want to be able to convey the force applied to the manipulator (including the slave manipulator) to the operator with an accurate and natural feel.
本マニピュレータ駆動制御装置は、操作部及びマニピュレータに接続され、操作部とマニピュレータとの間で力を伝達する歯車減速機と、操作部の操作量に対して歯車減速機の減速比に応じて小さくなるマニピュレータの動作量を補うように歯車減速機を駆動制御する駆動制御部とを備えることを要件とする。 The manipulator drive control device is connected to the operation unit and the manipulator, and transmits a force between the operation unit and the manipulator, and the operation amount of the operation unit is reduced according to the reduction ratio of the gear reduction device. And a drive control unit that drives and controls the gear reducer so as to supplement the operation amount of the manipulator.
したがって、本マニピュレータ駆動制御装置によれば、マニピュレータ（スレーブ側のマニピュレータを含む）にかかっている力を、正確、かつ、自然な感触で、オペレータに伝えることができるという利点がある。 Therefore, according to the manipulator drive control device, there is an advantage that the force applied to the manipulator (including the slave manipulator) can be transmitted to the operator with an accurate and natural feel.
以下、図面により、本発明の実施の形態にかかるマニピュレータ駆動制御装置について、図１〜図６を参照しながら説明する。
本実施形態にかかるマニピュレータ駆動制御装置は、図１〜図６に示すように、歯車減速機１と、駆動制御部２とを備える。
ここで、歯車減速機１は、操作部３及びマニピュレータ４に接続され、操作部３とマニピュレータ４との間で力を伝達するようになっている。ここでは、歯車減速機１は、遊星歯車を備える歯車減速機である。この遊星歯車を備える歯車減速機１としては、差動減速機（図１〜図３参照）や遊星歯車減速機（図４〜図６参照）がある。なお、遊星歯車減速機を遊星歯車機構ともいう。
Hereinafter, a manipulator drive control device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
As shown in FIGS. 1 to 6, the manipulator drive control device according to the present embodiment includes a
Here, the
このように、操作部３とマニピュレータ４とを歯車減速機１を介して接続し、操作部３とマニピュレータ４との間で力を伝達するようにしているのは、以下の理由による。
近年、例えば、運搬物（例えば壊れやすい物など）を傷つけないように扱いたい場合、あるいは、介護で人を持ち上げるような場合など、物や人に無理な力がかかっていないかをオペレータに伝えることが望まれている。
As described above, the
In recent years, for example, if you want to handle a transported object (for example, a fragile object) without damaging it, or if you are lifting a person for care, tell the operator whether the object or person is under excessive force. It is hoped that.
このため、例えば、マニピュレータにかかっている力（負荷）をセンサで測定し、測定された力に応じた力を、オペレータが操作する操作部に加えることで、マニピュレータにかかっている力をオペレータに伝えるようにしている。例えば、操作レバーの回転量（操作量；変量）に応じてマニピュレータの関節が回転することで、物や人を持ち上げる場合、トルクセンサ等の力覚センサを用いてマニピュレータにかかっている力を測り、その力に応じてアクチュエータ（回転アクチュエータ）を駆動させて操作レバーを回転させることで、マニピュレータにかかっている力を力覚としてオペレータに伝えること（力覚提示）ができる。これにより、オペレータは実際に操作している感覚を得ることができ、オペレータが物や人にかかっている負荷を知ることができ、物や人に負荷をかけすぎないようにすることが可能となる。なお、このような技術を力覚フィードバック技術という。 For this reason, for example, the force (load) applied to the manipulator is measured by a sensor, and the force applied to the manipulator is applied to the operator by applying a force corresponding to the measured force to the operation unit operated by the operator. I try to tell you. For example, when lifting an object or a person by rotating the joint of the manipulator according to the amount of rotation of the operation lever (operation amount; variable), the force applied to the manipulator is measured using a force sensor such as a torque sensor. By driving an actuator (rotary actuator) according to the force and rotating the operation lever, the force applied to the manipulator can be transmitted to the operator as a force sense (force sense presentation). As a result, the operator can get a sense of actually operating, the operator can know the load on the object and the person, and it is possible to avoid overloading the object and the person. Become. Such technology is called force feedback technology.
しかしながら、マニピュレータにかかっている力をセンサで正確に測定するのは難しい。また、センサで測定された力に応じた力を正確に操作部に加えるのも難しい。このため、マニピュレータにかかっている力を正確にオペレータに伝えるのは難しい。
また、実際にマニピュレータにかかっている力を伝達しているわけではないので、オペレータは、マニピュレータにかかっている力を自然な感触として感じるのは難しい。
However, it is difficult to accurately measure the force applied to the manipulator with a sensor. It is also difficult to accurately apply a force according to the force measured by the sensor to the operation unit. For this reason, it is difficult to accurately convey the force applied to the manipulator to the operator.
Moreover, since the force actually applied to the manipulator is not transmitted, it is difficult for the operator to feel the force applied to the manipulator as a natural feel.
さらに、力覚センサ等のセンサから得られた情報を元に演算した結果に基づいてアクチュエータを駆動して作り出した力を操作部に与えるため、演算に時間を要してタイムラグが生じることになる。
そこで、上述のように、操作部３とマニピュレータ４とを歯車減速機１を介して機械的に接続して力を伝達するようにすることで、マニピュレータ４にかかっている力が、正確、かつ、自然な感触で、時間遅れなくリアルタイムに、オペレータに伝わるようにしている。この場合、歯車減速機１が、マニピュレータ４にかかっている力を操作部３に伝える力覚提示装置として機能する。つまり、力覚センサやアクチュエータに代わり、力覚提示を行なうのは、歯車減速機である。このように、力覚センサ等を用いずに、力覚提示を行なうことが可能である。
Further, since the force generated by driving the actuator based on the result of calculation based on information obtained from a sensor such as a force sensor is given to the operation unit, the calculation takes time and a time lag occurs. .
Therefore, as described above, the force applied to the
駆動制御部２は、操作部３の操作量に対して歯車減速機１の減速比に応じて小さくなるマニピュレータ４の動作量を補うように歯車減速機１を駆動制御するようになっている。つまり、上述のように、歯車減速機１を介して力を伝達する場合、マニピュレータ４の動作量は、操作部３の操作量に対して歯車減速機１の減速比に応じて小さくなってしまうため、これを補うように、駆動制御部２によって歯車減速機１を駆動制御するようになっている。ここでは、駆動制御部２は、操作部３とマニピュレータ４との相対的な位置関係が維持されるように歯車減速機１を駆動制御するようになっている。この場合、駆動制御部２によって歯車減速機１が駆動制御されることで、その駆動力がアシスト力として働くことになる。つまり、操作部３を介してオペレータが入力した力をマニピュレータ４へ伝達する際に、駆動制御部２の駆動制御による駆動力をマニピュレータ４へ伝達することで、動力アシストすることになる。
The
以下、まず、遊星歯車を有する歯車減速機１として差動減速機１Ｘを用いる場合の具体的な構成例（第１構成例）について、図１、図２を参照しながら説明する。
第１構成例では、図１、図２に示すように、操作部３は、操作レバー３Ａであり、マニピュレータ４は、アーム４Ａを備える。
ここでは、操作レバー３Ａは回転操作されるものであり、マニピュレータ４のアーム４Ａは回転動作するものである。なお、マニピュレータ４のアーム４Ａ（例えばアーム４Ａの先端）には、例えば物を把持したり、人や物を保持したりするためのエンドエフェクタが取り付けられる。
Hereinafter, first, a specific configuration example (first configuration example) in the case where the
In the first configuration example, as shown in FIGS. 1 and 2, the
Here, the
このため、第１構成例のマニピュレータ駆動制御装置は、操作レバー３Ａ及びマニピュレータ４のアーム４Ａに接続され、操作レバー３Ａとマニピュレータ４のアーム４Ａとの間で力を伝達する差動減速機１Ｘと、操作レバー３Ａの回転角度に対して差動減速機１Ｘの減速比に応じて小さくなるアーム４Ａの回転角度を補うように差動減速機１Ｘを駆動制御する駆動制御部２とを備える。
For this reason, the manipulator drive control device of the first configuration example is connected to the
ここでは、駆動制御部２は、操作レバー３Ａとアーム４Ａとの相対的な位置関係が維持されるように差動減速機１Ｘを駆動制御するようになっている。また、駆動制御部２は、操作レバー３Ａの回転角度とアーム４Ａの回転角度とが一致するように差動減速機１Ｘを駆動制御するようになっている。
ここで、差動減速機１Ｘは、入力軸５と、遊星キャリア６と、遊星歯車軸７と、第１遊星歯車８と、第２遊星歯車９と、第１太陽歯車１０と、第２太陽歯車１１と、太陽軸１２と、出力軸１３とを備え、これらがケース１４に収納されている。なお、図１では、ケース１４の内部が見えるように半分に切断して示している。
Here, the
Here, the
そして、操作レバー３Ａが、入力軸５の一方の端部、即ち、ケース１４の外側に突出している端部に取り付けられており、マニピュレータ４のアーム４Ａが、出力軸１３の一方の端部、即ち、ケース１４の外側に突出している端部に取り付けられている。つまり、操作レバー３Ａが入力軸５の一方の端部に固定されており、操作レバー３Ａを操作してこれを回転させることで、入力軸５が一体となって回転するようになっている。また、マニピュレータ４のアーム４Ａが出力軸１３の一方の端部に固定されており、出力軸１３が回転することで、マニピュレータ４のアーム４Ａが一体となって回転するようになっている。なお、操作レバー３Ａは、入力軸５の一方の端部に一体形成して取り付けられていても良いし、別体に形成したものを入力軸５の一方の端部に固定して取り付けられていても良い。また、マニピュレータ４のアーム４Ａは、出力軸１３の一方の端部に一体形成して取り付けられていても良いし、別体に形成したものを出力軸の一方の端部に固定して取り付けられていても良い。
The
また、入力軸５の他方の端部、即ち、ケース１４の内部に位置する端部の外周に、遊星キャリア６が取り付けられている。なお、遊星キャリア６は、入力軸５の他方の端部の外周に一体形成して取り付けられていても良いし、別体に形成したものを入力軸５の他方の端部の外周に固定して取り付けられていても良い。ここでは、遊星キャリア６は、入力軸５と同軸で、即ち、入力軸５の軸心上に遊星キャリア６の中心が位置するように、入力軸５の他方の端部の外周に設けられており、入力軸５と一体となって回転するようになっている。このように、遊星キャリア６は、入力軸５を介して、操作レバー３Ａに接続されており、操作レバー３Ａを回転すると、入力軸５及び遊星キャリア６が一体となって回転するようになっている。
A
また、出力軸１３の他方の端部、即ち、ケース１４の内部に位置する端部の外周に、第１太陽歯車１０が取り付けられている。なお、第１太陽歯車１０は、出力軸１３の他方の端部の外周に一体形成して取り付けられていても良いし、別体に形成したものを出力軸１３の他方の端部の外周に固定して取り付けられていても良い。ここでは、第１太陽歯車１０は、外歯車であり、出力軸１３と同軸で、即ち、出力軸１３の軸心上に歯車中心が位置するように、出力軸１３の他方の端部の外周に設けられており、出力軸１３と一体となって回転するようになっている。このように、第１太陽歯車１０は、出力軸１３を介して、マニピュレータ４のアーム４Ａに接続されており、第１太陽歯車１０が回転すると、出力軸１３及びマニピュレータ４のアーム４Ａが一体となって回転するようになっている。
The
また、入力軸５と出力軸１３は、ケース１４の中央に同軸で配置されている。つまり、ケース１４の一方の側の中央に設けられた開口部に入力軸５が挿入され、ベアリング１５を介して入力軸５がケース１４に回転可能に支持されている。また、ケース１４の他方の側の中央に設けられた開口部に出力軸１３が挿入され、ベアリング１６を介して出力軸１３がケース１４に回転可能に支持されている。
Further, the input shaft 5 and the
また、入力軸５及び出力軸１３は、図２に示すように、筒状になっており、これらの内部を貫通するように、太陽軸１２（回転軸）が設けられている。つまり、太陽軸１２の一方の側（図２中、左側）の外周にベアリング１７、１８を介して入力軸５が回転可能に設けられており、太陽軸１２の他方の側（図２中、右側）の外周にベアリング１９、２０を介して出力軸１３が回転可能に設けられている。このように、入力軸５、出力軸１３、太陽軸１２は、同軸で配置され、別々に回転するようになっている。ここでは、後述するように、太陽軸１２は、回転アクチュエータ２１によって回転駆動されるようになっており、操作レバー３Ａから入力された力が伝達される際又はマニピュレータ４のアーム４Ａから入力された反力が伝達される際には、回転しないようになっている。
Moreover, the input shaft 5 and the
また、太陽軸１２の中央位置の外周に第２太陽歯車１１が取り付けられている。なお、第２太陽歯車１１は、太陽軸１２の中央位置の外周に一体形成して取り付けられていても良いし、別体に形成したものを太陽軸１２の中心位置の外周に固定して取り付けられていても良い。ここでは、入力軸５の他方の端部に取り付けられた遊星キャリア６と、出力軸１３の他方の端部に取り付けられた第１太陽歯車１０との間に、太陽軸１２に取り付けられた第２太陽歯車１１が位置するようになっている。また、第２太陽歯車１１は、外歯車であり、太陽軸１２と同軸で、即ち、太陽軸１２の軸心上に歯車中心が位置するように、太陽軸１２の中央位置の外周に設けられており、太陽軸１２と一体となって回転するようになっている。また、第２太陽歯車１１は、第１太陽歯車１０よりも径が小さくなっている。
A
また、遊星キャリア６に遊星歯車軸７が取り付けられている。なお、遊星歯車軸７は、遊星キャリア６に一体形成して取り付けられていても良いし、別体に形成したものを遊星キャリア６に固定して取り付けられていても良い。
そして、遊星歯車軸７に第１遊星歯車８及び第２遊星歯車９が取り付けられている。つまり、遊星歯車軸７と同軸で、即ち、遊星歯車軸７の軸心上に第１遊星歯車８及び第２遊星歯車９の歯車中心が位置するように、遊星歯車軸７に第１遊星歯車８及び第２遊星歯車９が取り付けられている。
A
A first
ここでは、第１遊星歯車８と第２遊星歯車９は一体形成されており、一体となって回転するようになっている。なお、第１遊星歯車８と第２遊星歯車９を別体に形成し、これらを連結させて、一体となって回転するようにしても良い。また、第１遊星歯車８は、第２遊星歯車９よりも径が小さくなっている。
ここで、第１遊星歯車８は、外歯車であり、第１太陽歯車１０に噛み合うように、遊星歯車軸７にベアリング２２、２３を介して回転可能に取り付けられている。つまり、第１遊星歯車８の中央に設けられた開口部に遊星歯車軸７が挿入され、ベアリング２２、２３を介して、第１遊星歯車８が遊星歯車軸７に回転可能に支持されている。そして、第１遊星歯車８は、第１太陽歯車１０と噛み合って自転するとともに、太陽軸１２の軸心を回転中心（公転の回転中心）として公転するようになっている。つまり、第１遊星歯車８は、遊星歯車軸回りに自転するとともに、太陽軸回りに公転するようになっている。
Here, the 1st
Here, the first
第２遊星歯車９は、外歯車であり、第２太陽歯車１１に噛み合うように、遊星歯車軸７にベアリング２２、２３を介して回転可能に取り付けられている。つまり、第２遊星歯車９の中央に設けられた開口部に遊星歯車軸７が挿入され、ベアリング２２、２３を介して、第２遊星歯車９が遊星歯車軸７に回転可能に支持されている。そして、第２遊星歯車９は、第２太陽歯車１１と噛み合って自転するとともに、太陽軸１２の軸心を回転中心（公転の回転中心）として公転するようになっている。つまり、第２遊星歯車９は、遊星歯車軸回りに自転するとともに、太陽軸回りに公転するようになっている。
The second planetary gear 9 is an external gear, and is rotatably attached to the
なお、ここでは、１つの第１遊星歯車８と１つの第２遊星歯車９を１組として、２組の第１及び第２遊星歯車８、９を、太陽軸１２を対称軸として互いに反対側に位置するように、遊星キャリア６に設けることで、回転バランスをとり、また、力を分散させるようにしている。なお、複数組の第１及び第２遊星歯車８、９を設けても良い。
このような構成を備える差動減速機１Ｘにおいて、オペレータが操作レバー３Ａを操作して、操作レバー３Ａを回転させると、入力軸５及び遊星キャリア６が回転する。そして、遊星キャリア６が回転すると、第１及び第２遊星歯車８、９がそれぞれ第１及び第２太陽歯車１０、１１に噛み合って公転及び自転し、第１太陽歯車１０が回転し、出力軸１３が回転して、マニピュレータ４のアーム４Ａが回転する。この場合、操作レバー３Ａを介してオペレータが入力した力は、差動減速機１Ｘを介して、即ち、入力軸５、遊星キャリア６、第１遊星歯車８、第１太陽歯車１０、出力軸１３を経て、マニピュレータ４のアーム４Ａへ伝達（動力伝達）されることになる。なお、これらの差動減速機１Ｘの各部分は操作レバー３Ａを介してオペレータが入力した力をマニピュレータ４のアーム４Ａへ伝達する機構であるため、これをオペレータ動力伝達機構という。
Here, one first
In the
そして、マニピュレータ４が人や物を持ち上げるなどして、マニピュレータ４のアーム４Ａの先端に力がかかり、アーム４Ａを反対方向へ回転させようとする力（反力）が働くと、その反力は、上述とは逆に、差動減速機１Ｘを介して操作レバー３Ａへ伝達されることになる。つまり、マニピュレータ４のアーム４Ａから入力された反力は、差動減速機１Ｘを介して、即ち、出力軸１３、第１太陽歯車１０、第１遊星歯車８、遊星キャリア６、入力軸５を経て、操作レバー３Ａへ伝達されることになる。この結果、操作レバー３Ａを回転させようとする力が操作レバー３Ａに働き、操作レバー３Ａはオペレータによって保持されているため、オペレータがその力を感じることができる。このように、マニピュレータ４のアーム４Ａに力がかかると、そのモーメントが第１遊星歯車８及び遊星歯車軸７を公転させようとするモーメントとして働き、操作レバー３Ａへ力覚として伝わる。
When the
ここで、第２太陽歯車１１の歯数をＺａとし、第２遊星歯車９の歯数をＺｂとし、第１遊星歯車８の歯数をＺｃとし、第１太陽歯車１０の歯数をＺｄとすると、減速比は１／｛１−Ｚａ・Ｚｃ／（Ｚｂ・Ｚｄ）｝で表せる。
このため、操作レバー３Ａに入力軸５を介して接続された遊星キャリア６にかかる力（モーメント）、即ち、遊星キャリア６にかかるトルクをＭ１とし、マニピュレータ４のアーム４Ａに出力軸１３を介して接続された第１太陽歯車１０にかかる力（モーメント）、即ち、第１太陽歯車１０にかかるトルクをＭ２とすると、Ｍ２＝Ｍ１／｛１−Ｚａ・Ｚｃ／（Ｚｂ・Ｚｄ）｝となる。
Here, the number of teeth of the
Therefore, the force (moment) applied to the
例えば、Ｚａ＝２８、Ｚｂ＝３２、Ｚｃ＝３０、Ｚｄ＝３０とすると、減速比は８で、Ｍ２＝８・Ｍ１となり、操作レバー３Ａを回して遊星キャリア６にかかったトルクの８倍のトルクで第１太陽歯車１０を回転させてマニピュレータ４のアーム４Ａを回転させることができる。このように、小さなトルクで、例えば重量物や人などを移動させるのに必要な大きなトルクを得ることができる。つまり、上述のように、操作レバー３Ａとマニピュレータ４のアーム４Ａとの間の力の伝達に差動減速機１Ｘを用いると、マニュピュレータ４にかかるモーメントを減速比で割ったモーメントで操作でき、軽く操作できることになる。
For example, if Za = 28, Zb = 32, Zc = 30, and Zd = 30, the reduction ratio is 8, M2 = 8 · M1, and 8 times the torque applied to the
また、これは操作レバー３Ａ側から見たトルクであるが、逆に、マニピュレータ４のアーム４Ａ側から見ると、Ｍ１＝Ｍ２／８となり、マニピュレータ４のアーム４Ａにかかったトルクの１／８の小さなトルクが操作レバー３Ａに伝えられることになる。このトルクのバランス式は、歯車のロス等を除いて、常に釣り合った状態に保たれるため、操作レバー３Ａには常に１／８のトルクが反力として伝えられ、オペレータは力覚を感じることができる。つまり、操作レバー３Ａを反対方向に回転させようとする反力に対して、オペレータが、操作レバー３Ａが回転しないように、操作レバー３Ａを止めようとする力が力覚となる。
This is the torque viewed from the
なお、差動減速機１Ｘは、上述のものに限られるものではなく、例えば「遊星歯車・差動歯車装置の設計」日刊工業新聞社に記載されているような他の構成の差動減速機を用いることもできる。
このように、オペレータは操作レバー３Ａを軽く操作することで重量物や人などを移動させることができ、また、力覚を感じることができる。
Note that the
Thus, the operator can move a heavy object or a person by lightly operating the
一方、上述のように、操作レバー３Ａとマニピュレータ４のアーム４Ａとの間の力の伝達に差動減速機１Ｘを用いると、操作レバー３Ａをたくさん回すことになり、オペレータによる操作レバー３Ａの操作量が多くなってしまう。
例えば、操作レバー３Ａ、即ち、遊星キャリア６の回転角度をθ１とし、マニピュレータ４のアーム４Ａ、即ち、第１太陽歯車１０の回転角度をθ２とすると、仕事の原理から、Ｍ１・θ１＝Ｍ２・θ２が成り立つ。そして、Ｍ１が小さい場合、同じＭ２・θ２の仕事をしようとするとき、θ１を大きくすることになり、操作レバー３Ａをたくさん回すことになる。
On the other hand, as described above, when the
For example, if the rotation angle of the
このように、上述のように、操作レバー３Ａとマニピュレータ４のアーム４Ａとの間の力の伝達に差動減速機１Ｘを用いると、操作レバー３Ａの回転量に対して差動減速機１Ｘの減速比に応じてマニピュレータ４のアーム４Ａの回転量が小さくなってしまうため、オペレータは操作レバー３Ａをたくさん回すことになる。
そこで、本第１構成例では、オペレータが操作レバー３Ａをたくさん回さなくても良くすべく、駆動制御部２は、差動減速機１Ｘを駆動する回転アクチュエータ２１と、回転アクチュエータ２１を制御するコントローラ２４とを備える。
Thus, as described above, when the
Therefore, in the first configuration example, the
ここでは、回転アクチュエータ２１は、例えばモータである。そして、回転アクチュエータ２１は、太陽軸１２の一方の端部に取り付けられている。つまり、回転アクチュエータ２１の回転軸が、太陽軸１２の一方の端部に接続（連結）されており、回転アクチュエータ２１を作動させて、その回転軸を回転させることで、太陽軸１２及び第２太陽歯車１１を回転させることができるようになっている。このように、回転アクチュエータ２１は、差動減速機１Ｘに備えられる第２太陽歯車１１を回転駆動するようになっている。この場合、回転アクチュエータ２１から入力された力（駆動力）は、差動減速機１Ｘを介して、即ち、太陽軸１２、第２太陽歯車１１、第２遊星歯車９、第１遊星歯車８、第１太陽歯車１０、出力軸１３を経て、マニピュレータ４のアーム４Ａへ伝達（動力伝達）されることになる。なお、これらの差動減速機１Ｘの各部分は回転アクチュエータ２１から入力された力をマニピュレータ４のアーム４Ａへ伝達する機構であるため、これを回転アクチュエータ動力伝達機構又は動力アシスト機構という。なお、マニュピュレータ４の回転速度を追求するものではないため、モータ２１は高速である必要はない。むしろ重いものを動かす用途に用いることが多いため、減速機が付いたものが適している。
Here, the
例えば、操作レバー３Ａ、即ち、遊星キャリア６の回転角度をθ１とし、マニピュレータ４のアーム４Ａ、即ち、第１太陽歯車１０の回転角度をθ２とすると、回転アクチュエータ２１が接続された太陽軸１２及び第２太陽歯車１１が静止した状態（回転していない状態）では、θ２＝｛１−Ｚａ・Ｚｃ／（Ｚｂ・Ｚｄ）｝・θ１となる。これに対し、太陽軸１２及び第２太陽歯車１１の回転角度をθ３とすると、θ２＝｛１−Ｚａ・Ｚｃ／（Ｚｂ・Ｚｄ）｝・θ１＋Ｚａ・Ｚｃ／（Ｚｂ・Ｚｄ）・θ３となる。そして、θ３＝θ１となるように回転アクチュエータ２１によって太陽軸１２及び第２太陽歯車１１を回転させると、θ２＝｛１−Ｚａ・Ｚｃ／（Ｚｂ・Ｚｄ）｝・θ１＋Ｚａ・Ｚｃ／（Ｚｂ・Ｚｄ）・θ１＝θ１となり、オペレータが操作レバー３Ａをたくさん回さなくても、操作レバー３Ａの回転角度にマニピュレータ４のアーム４Ａの回転角度を一致させることができる。
For example, when the rotation angle of the
コントローラ２４は、操作レバー３Ａの回転量に対して差動減速機１Ｘの減速比に応じて小さくなるマニピュレータ４のアーム４Ａの回転量を補うように回転アクチュエータ２１を制御するようになっている。つまり、上述のように、差動減速機１Ｘを介して力を伝達する場合、マニピュレータ４のアーム４Ａの回転量は、操作レバー３Ａの回転量に対して差動減速機１Ｘの減速比に応じて小さくなってしまうため、これを補うように、コントローラ２４によって回転アクチュエータ２１を制御するようになっている。ここでは、コントローラ２４は、操作レバー３Ａとマニピュレータ４のアーム４Ａとの相対的な位置関係が維持されるように回転アクチュエータ２１を制御するようになっている。
The
本第１構成例では、太陽軸１２の他方の端部に、エンコーダ２５の軸が接続（連結）されている。つまり、エンコーダ本体から突出している軸端に、太陽軸１２の他方の端部を連結（接合）すれば良い。そして、エンコーダ２５のケースが、操作レバー３Ａに固定されている。この場合、オペレータが操作レバー３Ａを操作して操作レバー３Ａを回転させると、エンコーダ２５のケースも回転するため、エンコーダ２５の軸とエンコーダ２５のケースとの間、即ち、太陽軸１２の位置（回転方向位置；ここでは回転角度）と操作レバー３Ａの位置（回転方向位置；ここでは回転角度）で角度差が生じる。そして、この角度差をエンコーダ２５によって検出するようになっている。つまり、操作レバー３Ａの位置と回転アクチュエータ２１の回転軸の位置の差をエンコーダ２５によって検出するようになっている。なお、エンコーダ２５を位置検出手段、回転方向位置検出手段又は角度差検出手段ともいう。また、高解像度のエンコーダを用いた方が、なめらかな動きを期待できるため、好ましい。例えばオムロン製の形式Ｅ６Ｃ２−ＣＷＺ６Ｃ等を用いれば良い。
In the first configuration example, the shaft of the
なお、ここでは、太陽軸１２及び回転アクチュエータ２１の回転軸の位置（回転方向位置；ここでは回転角度）、マニピュレータ４のアーム４Ａの位置（回転方向位置；ここでは回転角度）、及び、操作レバー３Ａの位置（回転方向位置；ここでは回転角度）の相対的な位置関係は初期状態で決まっている。このため、太陽軸１２の位置と操作レバー３Ａの位置で生じた角度差を検出することは、マニピュレータ４のアーム４Ａの位置と操作レバー３Ａの位置で生じた角度差を検出すること、あるいは、太陽軸１２の位置とマニピュレータ４のアーム４Ａの位置で生じた角度差を検出することでもある。
Here, the position of the rotation axis of the
そして、コントローラ２４は、エンコーダ２５からの検出情報（ここでは角度差情報）に基づいて、操作レバー３Ａの位置と回転アクチュエータ２１の回転軸の位置とが一致するように回転アクチュエータ２１を制御するようになっている。つまり、コントローラ２４は、操作レバー３Ａの位置と回転アクチュエータ２１の回転軸の位置の差がゼロになるように回転アクチュエータ２１を制御するようになっている。ここでは、エンコーダ２５によって検出された操作レバー３Ａの回転角度と回転アクチュエータ２１の回転軸の回転角度の差（角度差）がゼロになるように回転アクチュエータ２１の回転軸の回転駆動制御を行なうようになっている。なお、これに限られるものではなく、操作レバー３Ａの位置と回転アクチュエータ２１の回転軸の位置の差が初期状態における差（元の偏差）に戻るように回転アクチュエータ２１を制御するようにしても良い。例えば、エンコーダ２５によって検出された操作レバー３Ａの回転角度と回転アクチュエータ２１の回転軸の回転角度の差（角度差）が初期状態における差に戻るように回転アクチュエータ２１の回転軸の回転駆動制御を行なうようにしても良い。具体的には、エンコーダ２５によって検出された操作レバー３Ａの回転角度と回転アクチュエータ２１の回転軸の回転角度の差が定常に保たれるように、エンコーダ２５からの検出情報に基づいて回転アクチュエータ２１をフィードバック制御するのが好ましい。
Then, the
例えば、コントローラ２４としてマイコンを用い、回転アクチュエータ２１としてモータを用いる場合、エンコーダ２５の出力をマイコン２４で処理し、モータドライバからモータ２１の回転軸の位置決め制御を行なうようにすれば良い。ここで、エンコーダ２５は、Ａ相、Ｂ相の出力を持つため、これらの立ち上がりの差を使って、回転角度と回転方向を判別することができる。例えば、マイコン２４の割り込みを使って、エンコーダ２５のＡ相の立ち上がりを検出した場合にＢ相がＨｉｇｈであったときに偏差カウンタをデクリメントし、Ｌｏｗであったときに偏差カウンタをインクリメントするようにする。そして、マイコン２４の繰り返すルーチンで、偏差カウンタの正負で回転方向を判別し、偏差カウンタが正の場合はモータドライバへＣＷパルスを出力し、偏差カウンタが負の場合はモータドライバへＣＣＷパルスを出力するようにして、モータ２１は、これらのパルス数に応じた分だけ回転するようにすれば良い。このようにして、偏差カウンタが小さくなるようにモータ２１を回転させるフィードバック制御を行なうことで、操作レバー３Ａとマニピュレータ４のアーム４Ａの角度差が小さくなり、角度差が定常に保たれることになる。なお、このフィーバック制御には遅れ時間があり、エンコーダ２５で検出した分だけモータ２１を回転すると、偏差カウンタに反映されるには時間がかかり、モータ２１の回転角度が大きすぎて、発振的になる場合がある。この場合、モータ２１へ送るパルスは、エンコーダ２５から読み取った偏差カウンタの値を１０〜２０で割ったものとするのが好ましい。なお、割る数は構成要素の遅れ時間が適切に設定されるものであれば良い。本第１構成例では、オペレータによる操作レバー３Ａの操作にマニュピュレータ４のアーム４Ａの動作が追従すれば良く、急激に操作レバー３Ａを動かすものではないため、小刻みにモータ２１を回転させ、滑らかに追従させるのが好ましい。例えば２０００パルス／回転のエンコーダと３２００パルス／回転のモータを選んだ場合、割る数を１６とするのが好ましい。
For example, when a microcomputer is used as the
上述のように、コントローラ２４によって回転アクチュエータ２１を制御する場合、操作レバー３Ａの回転角度と同じ回転角度で回転アクチュエータ２１の回転軸が回転することになる。そして、回転アクチュエータ２１の回転軸が回転すると、マニピュレータ４のアーム４Ａが回転する。これにより、操作レバー３Ａの回転量に対して差動減速機１Ｘの減速比に応じて小さくなるマニピュレータ４のアーム４Ａの回転量が補われる。そして、オペレータが操作レバー３Ａを回転させた角度にしたがってマニピュレータ４のアーム４Ａが回転することになる。つまり、オペレータによる操作レバー３Ａの操作にマニピュレータ４のアーム４Ａの動作が追従することになる。このため、オペレータは操作レバー３Ａをたくさん回さなくても良くなる。
As described above, when the
このようにして、コントローラ２４は、操作レバー３Ａの位置（回転方向位置；ここでは回転角度）とマニピュレータ４のアーム４Ａの位置（回転方向位置；ここでは回転角度）とが一致するように回転アクチュエータ２１を制御するようになっている。ここでは、コントローラ２４は、操作レバー３Ａとマニピュレータ４のアーム４Ａとの相対的な位置関係が維持されるように回転アクチュエータ２１を制御するようになっている。
In this way, the
このように、オペレータが操作レバー３Ａを回転させると、太陽軸１２の位置（回転方向位置；ここでは回転角度）と操作レバー３Ａの位置（回転方向位置；ここでは回転角度）で角度差が生じる。このため、これをエンコーダ２５で検出し、角度差がゼロになるように又は初期状態における差に戻るように、コントローラ２４及び回転アクチュエータ２１によって差動減速機１Ｘ（ここでは第２太陽歯車１１）を駆動させることで、操作レバー４Ａの回転量に対して差動減速機１Ｘの減速比に応じて小さくなるマニピュレータ４のアーム４Ａの回転量を補う。この場合、回転アクチュエータ２１からの駆動力がアシスト力として働くことになる。つまり、操作レバー３Ａを介してオペレータが入力した力をマニピュレータ４のアーム４Ａへ伝達する際に、回転アクチュエータ２１から入力された力をマニピュレータ４のアーム４Ａへ伝達することで、動力アシストするようになっている。
As described above, when the operator rotates the
なお、ここでは、差動減速機１Ｘの入力軸５に直接操作レバー３Ａを取り付けた場合を例に挙げて説明しているが、これに限られるものではない。例えば、図３に示すように、差動減速機１Ｘの入力軸５に、プーリ３０、３１及びベルト３２を介して操作レバー３Ａを機械的に接続することで、遠隔操作することができるようにしても良い。この場合、操作部３は、操作レバー３Ａ、プーリ３０、３１及びベルト３２を備えることになる。また、後述の第２構成例と同様に、差動減速機１Ｘの入力軸５に、フレキシブルシャフトを介して操作レバー３Ａを機械的に接続しても良い。なお、マニピュレータ４のアーム４Ａの先端部に、重量物３３を保持しうるハンド４Ｂを備えるものとしても良い。また、操作部３は操作レバー３Ａを備えるものに限られるものではなく、操作部３は、マスタ側マニピュレータであり、マニピュレータ４は、スレーブ側マニピュレータであっても良い。つまり、マスタ側マニピュレータとスレーブ側マニピュレータとを、これらの間で力を伝達する差動減速機１Ｘによって接続しても良い。そして、駆動制御部２が、マスタ側マニピュレータの動作量に対して差動減速機１Ｘの減速比に応じて小さくなるスレーブ側マニピュレータの動作量を補うように差動減速機１Ｘを駆動制御するようにすれば良い。ここで、駆動制御部２は、マスタ側マニピュレータとスレーブ側マニピュレータとの相対的な位置関係が維持されるように差動減速機１Ｘを駆動制御するのが好ましい。また、駆動制御部２は、マスタ側マニピュレータの動作量とスレーブ側マニピュレータの動作量とが一致するように差動減速機１Ｘを駆動制御するのが好ましい。また、駆動制御部２は、差動減速機１Ｘを駆動する回転アクチュエータ２１と、マスタ側マニピュレータの位置と回転アクチュエータ２１の回転軸の位置とが一致するように回転アクチュエータを制御するコントローラ２４とを備えるものとすれば良い。また、マスタ側マニピュレータは、例えばプーリ及びベルトを介して差動減速機１Ｘの入力軸５に機械的に接続するのが好ましい。また、後述の第２構成例と同様に、マスタ側マニピュレータは、フレキシブルシャフトを介して差動減速機１Ｘの入力軸５に機械的に接続しても良い。
Here, the case where the
次に、遊星歯車を有する歯車減速機１として遊星歯車減速機１Ｙを用いる場合の具体的な構成例（第２構成例）について、図４、図５を参照しながら説明する。
第２構成例でも、上述の第１構成例と同様に、操作部３は、操作レバー３Ａであり、マニピュレータ４は、アーム４Ａを備える。ここでは、操作レバー３Ａは回転操作されるものであり、マニピュレータ４のアーム４Ａは回転動作するものである。なお、マニピュレータ４のアーム４Ａ（例えばアーム４Ａの先端）には、例えば物を把持したり、人や物を保持したりするためのエンドエフェクタが取り付けられる。
Next, a specific configuration example (second configuration example) when the planetary
Also in the second configuration example, as in the first configuration example described above, the
このため、第２構成例のマニピュレータ駆動制御装置は、図４、図５に示すように、操作レバー３Ａ及びマニピュレータ４のアーム４Ａに接続され、操作レバー３Ａとマニピュレータ４のアーム４Ａとの間で力を伝達する遊星歯車減速機１Ｙと、操作レバー３Ａの回転角度に対して遊星歯車減速機１Ｙの減速比に応じて小さくなるアーム４Ａの回転角度を補うように遊星歯車減速機１Ｙを駆動制御する駆動制御部２とを備える。ここでは、駆動制御部２は、操作レバー３Ａの回転角度とアーム４Ａの回転角度とが一致するように遊星歯車減速機１Ｙを駆動制御するようになっている。
Therefore, as shown in FIGS. 4 and 5, the manipulator drive control device of the second configuration example is connected to the
ここで、遊星歯車減速機１Ｙは、入力軸４０と、太陽歯車４１と、遊星歯車４２と、内歯車４３と、遊星歯車軸４４と、遊星キャリア４５と、太陽軸４６とを備え、これらがケース４７に収納されている。なお、図４では、内歯車４３の内部が見えるように半分に切断して示している。
そして、操作レバー３Ａが、入力軸４０の一方の端部、即ち、ケース４７の外側に突出している端部に取り付けられており、マニピュレータ４のアーム４Ａが、内歯車４３を支持する支持部４３Ｘに取り付けられている。つまり、操作レバー３Ａが入力軸４０の一方の端部に固定されており、操作レバー３Ａを操作してこれを回転させることで、入力軸４０が一体となって回転するようになっている。また、マニピュレータ４のアーム４Ａが内歯車４３の支持部４３Ｘに固定されており、内歯車４３が回転することで、マニピュレータ４のアーム４Ａが回転するようになっている。このように、内歯車４３は、その支持部４３Ｘを介して、マニピュレータ４のアーム４Ａに接続されており、内歯車４３が回転すると、その支持部４３Ｘ及びマニピュレータ４のアーム４Ａが一体となって回転するようになっている。
Here, the
The
なお、操作レバー３Ａは、入力軸４０の一方の端部に一体形成して取り付けられていても良いし、別体に形成したものを入力軸４０の一方の端部に固定して取り付けられていても良い。また、マニピュレータ４のアーム４Ａは、内歯車４３の支持部４３Ｘに一体形成して取り付けられていても良いし、別体に形成したものを内歯車４３の支持部４３Ｘに固定して取り付けられていても良い。
The
また、入力軸４０の他方の端部、即ち、ケース４７の内部に位置する端部の外周に、太陽歯車４１が取り付けられている。なお、太陽歯車４１は、入力軸４０の他方の端部の外周に一体形成して取り付けられていても良いし、別体に形成したものを入力軸４０の他方の端部の外周に固定して取り付けられていても良い。ここでは、太陽歯車４１は、外歯車であり、入力軸４０と同軸で、即ち、入力軸４０の軸心上に歯車中心が位置するように、入力軸４０の他方の端部の外周に設けられており、入力軸４０と一体となって回転するようになっている。このように、太陽歯車４１は、入力軸４０を介して、操作レバー３Ａに接続されており、操作レバー３Ａを回転すると、入力軸４０及び太陽歯車４１が一体となって回転するようになっている。
A
また、入力軸４０は、図５に示すように、筒状になっており、この内部を貫通するように、太陽軸４６（回転軸）が設けられている。つまり、太陽軸４６の一方の側（図５中、左側）の外周にベアリング４８、４９を介して入力軸４０が回転可能に設けられている。そして、入力軸４０は、内歯車４３の支持部４３Ｘに設けられた開口部及びケース４７に設けられた開口部に挿入され、ベアリング５０、５１を介して内歯車４３の支持部４３Ｘ及びケース４７に回転可能に支持されている。また、太陽軸４６の他方の側（図５中、右側）は、内歯車４３の支持部４３Ｘに設けられた開口部及びケース４７に設けられた開口部に挿入され、ベアリング５２、５３を介して内歯車４３の支持部４３Ｘ及びケース４７に回転可能に支持されている。このように、入力軸４０及び太陽軸４６は、同軸で配置され、別々に回転するようになっている。ここでは、後述するように、太陽軸４６は、回転アクチュエータ２１によって回転駆動されるようになっており、操作レバー３Ａから入力された力が伝達される際又はマニピュレータ４のアーム４Ａから入力された反力が伝達される際には、回転しないようになっている。
Further, the
また、太陽軸４６の中央位置の外周に遊星キャリア４５が取り付けられている。なお、遊星キャリア４５は、太陽軸４６の中央位置の外周に一体形成して取り付けられていても良いし、別体に形成したものを太陽軸４６の中心位置の外周に固定して取り付けられていても良い。ここでは、遊星キャリア４５は、太陽軸４６と同軸で、即ち、太陽軸４６の軸心上に遊星キャリア４５の中心が位置するように、太陽軸４６の中央位置の外周に設けられており、太陽軸４６と一体となって回転するようになっている。
A
また、遊星キャリア４５に遊星歯車軸４４が取り付けられている。なお、遊星歯車軸４４は、遊星キャリア４５に一体形成して取り付けられていても良いし、別体に形成したものを遊星キャリア４５に固定して取り付けられていても良い。
そして、遊星歯車軸４４に遊星歯車４２が取り付けられている。つまり、遊星歯車軸４４と同軸で、即ち、遊星歯車軸４４の軸心上に遊星歯車４２の歯車中心が位置するように、遊星歯車軸４４に遊星歯車４２が取り付けられている。
A
A
ここでは、遊星歯車４２は、外歯車であり、太陽歯車４１に噛み合うように、遊星歯車軸４４にベアリング５４を介して回転可能に取り付けられている。つまり、遊星歯車４２の中央に設けられた開口部に遊星歯車軸４４が挿入され、ベアリング５４を介して、遊星歯車４２が遊星歯車軸４４に回転可能に支持されている。そして、遊星歯車４２は、太陽歯車４１と噛み合って自転するとともに、太陽軸４６の軸心を回転中心（公転の回転中心）として公転するようになっている。つまり、遊星歯車４２は、遊星歯車軸回りに自転するとともに、太陽軸回りに公転するようになっている。
Here, the
なお、ここでは、２つの遊星歯車４２を、太陽軸４６を対称軸として互いに反対側に位置するように、遊星キャリア４５に設けることで、回転バランスをとり、また、力を分散させるようにしている。なお、複数の遊星歯車４２を設けても良い。
このような構成を備える遊星歯車減速機１Ｙにおいて、オペレータが操作レバー３Ａを操作して、操作レバー３Ａを回転させると、入力軸４０及び太陽歯車４１が回転する。そして、太陽歯車４１が回転すると、遊星歯車４２が太陽歯車４１に噛み合って自転し、内歯車４３が回転し、その支持部４３Ｘが回転して、マニピュレータ４のアーム４Ａが回転する。この場合、操作レバー３Ａを介してオペレータが入力した力は、遊星歯車減速機１Ｙを介して、即ち、入力軸４０、太陽歯車４１、遊星歯車４２、内歯車４３及びその支持部４３Ｘを経て、マニピュレータ４のアーム４Ａへ伝達（動力伝達）されることになる。なお、これらの遊星歯車減速機１Ｙの各部分は操作レバー３Ａを介してオペレータが入力した力をマニピュレータ４のアーム４Ａへ伝達する機構であるため、これをオペレータ動力伝達機構という。
Here, the two
In the planetary
そして、マニピュレータ４が人や物を持ち上げるなどして、マニピュレータ４のアーム４Ａの先端に力がかかり、アーム４Ａを反対方向へ回転させようとする力（反力）が働くと、その反力は、上述とは逆に、遊星歯車減速機１Ｙを介して操作レバー３Ａへ伝達されることになる。つまり、マニピュレータ４のアーム４Ａから入力された反力は、遊星歯車減速機１Ｙを介して、即ち、内歯車４３の支持部４３Ｘ、内歯車４３、遊星歯車４２、太陽歯車４１、入力軸４０を経て、操作レバー３Ａへ伝達されることになる。この結果、操作レバー３Ａを回転させようとする力が操作レバー３Ａに働き、操作レバー３Ａはオペレータによって保持されているため、オペレータがその力を感じることができる。このように、マニピュレータ４のアーム４Ａに力がかかると、そのモーメントが遊星歯車４２及び遊星歯車軸４４を公転させようとするモーメントとして働き、操作レバー３Ａへ力覚として伝わる。
When the
ここで、太陽歯車４１の歯数をＺａとし、内歯車４３の歯数をＺｃとすると、減速比は−Ｚｃ／Ｚａとなる。
なお、このように、上述の差動減速機１Ｘを用いる場合と歯車機構が異なるため、減速比も異なるものとなる。また、遊星歯車減速機１Ｙは差動減速機１Ｘほどには減速比を大きくできないが、多くの種類のものが市販されているので、比較的小さい減速比が得られれば良いのであれば、遊星歯車減速機１Ｙを用いる方が好ましい。
Here, if the number of teeth of the
In this way, since the gear mechanism is different from that in the case of using the above-described
例えば、Ｚａ＝１０、Ｚｃ＝５０とすると、減速比は−５となり、操作レバー３Ａを回して太陽歯車４１にかかったトルクの５倍のトルクで内歯車４３を回転させてマニピュレータ４のアーム４Ａを回転させることができる。このように、小さなトルクで、例えば重量物や人などを移動させるのに必要な大きなトルクを得ることができる。つまり、上述のように、操作レバー３Ａとマニピュレータ４のアーム４Ａとの間の力の伝達に遊星歯車減速機１Ｙを用いると、マニュピュレータ４にかかるモーメントを減速比で割ったモーメントで操作でき、軽く操作できることになる。
For example, if Za = 10 and Zc = 50, the reduction ratio is -5, and the
また、これは操作レバー３Ａ側から見たトルクであるが、逆に、マニピュレータ４のアーム４Ａ側から見ると、マニピュレータ４のアーム４Ａにかかったトルクの１／５の小さなトルクが操作レバー３Ａに伝えられることになる。このトルクのバランス式は、歯車のロス等を除いて、常に釣り合った状態に保たれるため、操作レバー３Ａには常に１／５のトルクが反力として伝えられ、オペレータは力覚を感じることができる。つまり、操作レバー３Ａを反対方向に回転させようとする反力に対して、オペレータが、操作レバー３Ａが回転しないように、操作レバー３Ａを止めようとする力が力覚となる。
Further, this is the torque viewed from the
このように、オペレータは操作レバー３Ａを軽く操作することで重量物や人などを移動させることができ、また、力覚を感じることができる。
また、上述の差動減速機１Ｘを用いる場合と同様に、オペレータが操作レバー３Ａをたくさん回さなくても良くすべく、駆動制御部２は、遊星歯車減速機１Ｙを駆動する回転アクチュエータ２１と、回転アクチュエータ２１を制御するコントローラ２４とを備える。
Thus, the operator can move a heavy object or a person by lightly operating the
Similarly to the case of using the
ここでは、回転アクチュエータ２１は、例えばモータである。そして、回転アクチュエータ２１は、太陽軸４６の一方の端部に取り付けられている。つまり、回転アクチュエータ２１の回転軸が、太陽軸４６の一方の端部に接続（連結）されており、回転アクチュエータ２１を作動させて、その回転軸を回転させることで、太陽軸４６及び遊星キャリア４５を回転させることができるようになっている。このように、回転アクチュエータ２１は、遊星歯車減速機１Ｙに備えられる遊星キャリア４５を回転駆動するようになっている。この場合、回転アクチュエータ２１から入力された力（駆動力）は、遊星歯車減速機１Ｙを介して、即ち、太陽軸４６、遊星キャリア４５、遊星歯車４２、内歯車４３及びその支持部４３Ｘを経て、マニピュレータ４のアーム４Ａへ伝達（動力伝達）されることになる。なお、これらの遊星歯車減速機１Ｙの各部分は回転アクチュエータ２１から入力された力をマニピュレータ４のアーム４Ａへ伝達する機構であるため、これを回転アクチュエータ動力伝達機構又は動力アシスト機構という。
Here, the
例えば、操作レバー３Ａ、即ち、太陽歯車４１の回転角度をθ１とし、マニピュレータ４のアーム４Ａ、即ち、内歯車４３の回転角度をθ２とし、太陽軸４６及び遊星キャリア４５の回転角度をθ３とすると、θ２＝−Ｚａ／Ｚｃ・θ１＋（Ｚａ＋Ｚｃ）／Ｚｃ・θ３となる。そして、θ３＝θ１となるように回転アクチュエータ２１によって太陽軸４６及び遊星キャリア４５を回転させると、θ２＝−Ｚａ／Ｚｃ・θ１＋（Ｚａ＋Ｚｃ）／Ｚｃ・θ１＝θ１となり、オペレータが操作レバー３Ａをたくさん回さなくても、操作レバー３Ａの回転角度にマニピュレータ４のアーム４Ａの回転角度を一致させることができる。
For example, if the rotation angle of the
コントローラ２４は、操作レバー３Ａの回転量に対して遊星歯車減速機１Ｙの減速比に応じて小さくなるマニピュレータ４のアーム４Ａの回転量を補うように回転アクチュエータ２１を制御するようになっている。つまり、上述のように、遊星歯車減速機１Ｙを介して力を伝達する場合、マニピュレータ４のアーム４Ａの回転量は、操作レバー３Ａの回転量に対して遊星歯車減速機１Ｙの減速比に応じて小さくなってしまうため、これを補うように、コントローラ２４によって回転アクチュエータ２１を制御するようになっている。ここでは、コントローラ２４は、操作レバー３Ａとマニピュレータ４のアーム４Ａとの相対的な位置関係が維持されるように回転アクチュエータ２１を制御するようになっている。
The
具体的には、上述の第１構成例の場合と同様に、太陽軸４６の他方の端部に、エンコーダ２５の軸が接続（連結）されている。そして、エンコーダ２５のケースが、操作レバー３Ａに固定されている。この場合、オペレータが操作レバー３Ａを操作して操作レバー３Ａを回転させると、エンコーダ２５のケースも回転するため、エンコーダ２５の軸とエンコーダ２５のケースとの間、即ち、太陽軸４６の位置（回転方向位置；ここでは回転角度）と操作レバー３Ａの位置（回転方向位置；ここでは回転角度）で角度差が生じる。そして、この角度差をエンコーダ２５によって検出するようになっている。
Specifically, the shaft of the
そして、コントローラ２４は、エンコーダ２５からの検出情報（ここでは角度差情報）に基づいて、操作レバー３Ａの位置と回転アクチュエータ２１の回転軸の位置とが一致するように回転アクチュエータ２１を制御するようになっている。つまり、コントローラ２４は、操作レバー３Ａの位置と回転アクチュエータ２１の回転軸の位置の差がゼロになるように回転アクチュエータ２１を制御するようになっている。ここでは、エンコーダ２５によって検出された操作レバー３Ａの回転角度と回転アクチュエータ２１の回転軸の回転角度の差（角度差）がゼロになるように回転アクチュエータ２１の回転軸の回転駆動制御を行なうようになっている。なお、これに限られるものではなく、操作レバー３Ａの位置と回転アクチュエータ２１の回転軸の位置の差が初期状態における差（元の偏差）に戻るように回転アクチュエータ２１を制御するようにしても良い。例えば、エンコーダ２５によって検出された操作レバー３Ａの回転角度と回転アクチュエータ２１の回転軸の回転角度の差（角度差）が初期状態における差に戻るように回転アクチュエータ２１の回転軸の回転駆動制御を行なうようにしても良い。具体的には、エンコーダ２５によって検出された操作レバー３Ａの回転角度と回転アクチュエータ２１の回転軸の回転角度の差が定常に保たれるように、エンコーダ２５からの検出情報に基づいて回転アクチュエータ２１をフィードバック制御するのが好ましい。
Then, the
上述のように、コントローラ２４によって回転アクチュエータ２１を制御する場合、操作レバー３Ａの回転角度と同じ回転角度で回転アクチュエータ２１の回転軸が回転することになる。そして、回転アクチュエータ２１の回転軸が回転すると、マニピュレータ４のアーム４Ａが回転する。これにより、操作レバー３Ａの回転量に対して遊星歯車減速機１Ｙの減速比に応じて小さくなるマニピュレータ４のアーム４Ａの回転量が補われる。そして、オペレータが操作レバー３Ａを回転させた角度にしたがってマニピュレータ４のアーム４Ａが回転することになる。つまり、オペレータによる操作レバー３Ａの操作にマニピュレータ４のアーム４Ａの動作が追従することになる。このため、オペレータは操作レバー３Ａをたくさん回さなくても良くなる。
As described above, when the
このようにして、コントローラ２４は、操作レバー３Ａの位置（回転方向位置；ここでは回転角度）とマニピュレータ４のアーム４Ａの位置（回転方向位置；ここでは回転角度）とが一致するように回転アクチュエータ２１を制御するようになっている。ここでは、コントローラ２４は、操作レバー３Ａとマニピュレータ４のアーム４Ａとの相対的な位置関係が維持されるように回転アクチュエータ２１を制御するようになっている。
In this way, the
このように、オペレータが操作レバー３Ａを回転させると、太陽軸１２の位置（回転方向位置；ここでは回転角度）と操作レバー３Ａの位置（回転方向位置；ここでは回転角度）で角度差が生じる。このため、これをエンコーダ２５で検出し、角度差がゼロになるように又は初期状態における差に戻るように、コントローラ２４及び回転アクチュエータ２１によって遊星歯車減速機１Ｙ（ここでは遊星キャリア４５）を駆動させることで、操作レバー３Ａの回転量に対して遊星歯車減速機１Ｙの減速比に応じて小さくなるマニピュレータ４のアーム４Ａの回転量を補う。この場合、回転アクチュエータ２１からの駆動力がアシスト力として働くことになる。つまり、操作レバー３Ａを介してオペレータが入力した力をマニピュレータ４のアーム４Ａへ伝達する際に、回転アクチュエータ２１から入力された力をマニピュレータ４のアーム４Ａへ伝達することで、動力アシストするようになっている。
As described above, when the operator rotates the
なお、ここでは、遊星歯車減速機１Ｙの入力軸４０に直接操作レバー３Ａを取り付けた場合を例に挙げて説明しているが、これに限られるものではない。例えば、図６に示すように、遊星歯車減速機１Ｙの入力軸４０に、フレキシブルシャフト６０（例えば特開２００４−８４９０４公報参照）及びプーリ６１を介して操作レバー３Ａを機械的に接続することで、遠隔操作することができるようにしても良い。この場合、操作部３は、操作レバー３Ａ、フレキシブルシャフト６０及びプーリ６１を備えることになる。また、上述の第１構成例と同様に、遊星歯車減速機１Ｙの入力軸４０に、プーリ及びベルトを介して操作レバー３Ａを機械的に接続しても良い。なお、マニピュレータ４のアーム４Ａの先端部に、重量物３３を保持しうるハンド４Ｂを備えるものとしても良い。また、操作部３は操作レバー３Ａを備えるものに限られるものではなく、操作部３は、マスタ側マニピュレータであり、マニピュレータ４は、スレーブ側マニピュレータであっても良い。つまり、マスタ側マニピュレータとスレーブ側マニピュレータとを、これらの間で力を伝達する遊星歯車減速機１Ｙによって接続しても良い。そして、駆動制御部２が、マスタ側マニピュレータの動作量に対して遊星歯車減速機１Ｙの減速比に応じて小さくなるスレーブ側マニピュレータの動作量を補うように遊星歯車減速機１Ｙを駆動制御するようにすれば良い。ここで、駆動制御部２は、マスタ側マニピュレータとスレーブ側マニピュレータとの相対的な位置関係が維持されるように遊星歯車減速機１Ｙを駆動制御するのが好ましい。また、駆動制御部２は、マスタ側マニピュレータの動作量とスレーブ側マニピュレータの動作量とが一致するように遊星歯車減速機１Ｙを駆動制御するのが好ましい。また、駆動制御部２は、遊星歯車減速機１Ｙを駆動する回転アクチュエータ２１と、マスタ側マニピュレータの位置と回転アクチュエータ２１の回転軸の位置とが一致するように回転アクチュエータを制御するコントローラ２４とを備えるものとすれば良い。また、マスタ側マニピュレータは、例えばフレキシブルシャフトを介して遊星歯車減速機１Ｙの入力軸４０に機械的に接続するのが好ましい。また、上述の第１構成例と同様に、マスタ側マニピュレータは、プーリ及びベルトを介して遊星歯車減速機１Ｙの入力軸５に機械的に接続しても良い。
Here, the case where the
したがって、本実施形態にかかるマニピュレータ駆動制御装置によれば、マニピュレータ４（又はスレーブ側のマニピュレータ）にかかっている力を、正確、かつ、自然な感触で、オペレータに伝えることができるという利点がある。
例えば、オペレータは実際の力に比例した力を、正確、且つ、時間の遅れなど無く感じることができる。また、例えば、動力アシストが故障した場合、操作量が多くなり、操作レバー３Ａをたくさん回すことになるが、オペレータだけでマニピュレータ４を動かすことができるため、安全性が高い。
Therefore, according to the manipulator drive control device according to this embodiment, there is an advantage that the force applied to the manipulator 4 (or the manipulator on the slave side) can be transmitted to the operator with an accurate and natural feel. .
For example, the operator can feel a force proportional to the actual force accurately and without any time delay. For example, when the power assist fails, the operation amount increases and the
なお、本発明は、上述した実施形態に記載した構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。例えば、上述の実施形態のマニピュレータ駆動制御装置は、ロボット、リフター、リハビリ機器、身障者用補助装置等のマニピュレータと操作部とを備える装置に適用することが可能である。
以下、上述の実施形態に関し、更に、付記を開示する。
In addition, this invention is not limited to the structure described in embodiment mentioned above, A various deformation | transformation is possible in the range which does not deviate from the meaning of this invention. For example, the manipulator drive control device of the above-described embodiment can be applied to a device including a manipulator and an operation unit, such as a robot, a lifter, a rehabilitation device, and an assist device for the disabled.
Hereinafter, additional notes will be disclosed regarding the above-described embodiment.
（付記１）
操作部及びマニピュレータに接続され、前記操作部と前記マニピュレータとの間で力を伝達する歯車減速機と、
前記操作部の操作量に対して前記歯車減速機の減速比に応じて小さくなる前記マニピュレータの動作量を補うように前記歯車減速機を駆動制御する駆動制御部とを備えることを特徴とするマニピュレータ駆動制御装置。
(Appendix 1)
A gear reducer connected to an operation unit and a manipulator and transmitting force between the operation unit and the manipulator;
A manipulator comprising: a drive control unit configured to drive and control the gear reducer so as to compensate for an operation amount of the manipulator that is reduced according to a reduction ratio of the gear reducer with respect to an operation amount of the operation unit. Drive control device.
（付記２）
前記駆動制御部は、前記操作部と前記マニピュレータとの相対的な位置関係が維持されるように前記歯車減速機を駆動制御することを特徴とする、付記１に記載のマニピュレータ駆動制御装置。
（付記３）
前記操作部は、操作レバーを備え、
前記マニピュレータは、アームを備え、
前記駆動制御部は、前記操作レバーの回転角度に対して前記歯車減速機の減速比に応じて小さくなる前記アームの回転角度を補うように前記歯車減速機を駆動制御することを特徴とする、付記１に記載のマニピュレータ駆動制御装置。
(Appendix 2)
The manipulator drive control device according to
(Appendix 3)
The operation unit includes an operation lever,
The manipulator includes an arm,
The drive control unit drives and controls the gear reducer so as to compensate for the rotation angle of the arm that becomes smaller according to the reduction ratio of the gear reducer with respect to the rotation angle of the operation lever. The manipulator drive control device according to
（付記４）
前記駆動制御部は、前記操作レバーと前記アームとの相対的な位置関係が維持されるように前記歯車減速機を駆動制御することを特徴とする、付記３に記載のマニピュレータ駆動制御装置。
（付記５）
前記駆動制御部は、前記操作レバーの回転角度と前記アームの回転角度とが一致するように前記歯車減速機を駆動制御することを特徴とする、付記３又は４に記載のマニピュレータ駆動制御装置。
(Appendix 4)
The manipulator drive control device according to
(Appendix 5)
The manipulator drive control device according to
（付記６）
前記駆動制御部は、前記歯車減速機を駆動する回転アクチュエータと、前記操作レバーの位置と前記回転アクチュエータの回転軸の位置とが一致するように前記回転アクチュエータを制御するコントローラとを備えることを特徴とする、付記３〜５のいずれか１項に記載のマニピュレータ駆動制御装置。
(Appendix 6)
The drive control unit includes a rotary actuator that drives the gear reducer, and a controller that controls the rotary actuator so that a position of the operation lever and a position of a rotary shaft of the rotary actuator coincide with each other. The manipulator drive control device according to any one of
（付記７）
前記操作部は、マスタ側マニピュレータであり、
前記マニピュレータは、スレーブ側マニピュレータであり、
前記駆動制御部は、前記マスタ側マニピュレータの動作量に対して前記歯車減速機の減速比に応じて小さくなる前記スレーブ側マニピュレータの動作量を補うように前記歯車減速機を駆動制御することを特徴とする、付記１に記載のマニピュレータ駆動制御装置。
(Appendix 7)
The operation unit is a master side manipulator,
The manipulator is a slave side manipulator,
The drive control unit drives and controls the gear reducer so as to supplement the operation amount of the slave side manipulator which becomes smaller according to the reduction ratio of the gear reducer with respect to the operation amount of the master side manipulator. The manipulator drive control device according to
（付記８）
前記駆動制御部は、前記マスタ側マニピュレータと前記スレーブ側マニピュレータとの相対的な位置関係が維持されるように前記歯車減速機を駆動制御することを特徴とする、付記７に記載のマニピュレータ駆動制御装置。
（付記９）
前記駆動制御部は、前記マスタ側マニピュレータの動作量と前記スレーブ側マニピュレータの動作量とが一致するように前記歯車減速機を駆動制御することを特徴とする、付記７又は８に記載のマニピュレータ駆動制御装置。
(Appendix 8)
The manipulator drive control according to
(Appendix 9)
The manipulator drive according to
（付記１０）
前記駆動制御部は、前記歯車減速機を駆動する回転アクチュエータと、前記マスタ側マニピュレータの位置と前記回転アクチュエータの回転軸の位置とが一致するように前記回転アクチュエータを制御するコントローラとを備えることを特徴とする、付記７〜９のいずれか１項に記載のマニピュレータ駆動制御装置。
(Appendix 10)
The drive control unit includes a rotary actuator that drives the gear reducer, and a controller that controls the rotary actuator so that a position of the master side manipulator and a position of a rotary shaft of the rotary actuator coincide with each other. The manipulator drive control device according to any one of
（付記１１）
前記歯車減速機は、遊星歯車を備える歯車減速機であることを特徴とする、付記１〜１０のいずれか１項に記載のマニピュレータ駆動制御装置。
（付記１２）
前記歯車減速機は、差動減速機であることを特徴とする、付記１１に記載のマニピュレータ駆動制御装置。
(Appendix 11)
The manipulator drive control device according to any one of
(Appendix 12)
The manipulator drive control device according to
１ 歯車減速機
１Ｘ 差動減速機
１Ｙ 遊星歯車減速機
２ 駆動制御部
３ 操作部
３Ａ 操作レバー
４ マニピュレータ
４Ａ アーム
５ 入力軸
６ 遊星キャリア
７ 遊星歯車軸
８ 第１遊星歯車
９ 第２遊星歯車
１０ 第１太陽歯車
１１ 第２太陽歯車
１２ 太陽軸
１３ 出力軸
１４ ケース
１５〜２０、２２、２３ ベアリング
２１ 回転アクチュエータ
２４ コントローラ
２５ エンコーダ
３０、３１ プーリ
３２ ベルト
３３ 重量物
４０ 入力軸
４１ 太陽歯車
４２ 遊星歯車
４３ 内歯車
４３Ｘ 支持部
４４ 遊星歯車軸
４５ 遊星キャリア
４６ 太陽軸
４７ ケース
４８〜５４ ベアリング
６０ フレキシブルシャフト
６１ プーリ
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記操作部の操作量に対して前記歯車減速機の減速比に応じて小さくなる前記マニピュレータの動作量を補うように前記歯車減速機を駆動制御する駆動制御部とを備えることを特徴とするマニピュレータ駆動制御装置。 A gear reducer connected to an operation unit and a manipulator and transmitting force between the operation unit and the manipulator;
A manipulator comprising: a drive control unit configured to drive and control the gear reducer so as to compensate for an operation amount of the manipulator that is reduced according to a reduction ratio of the gear reducer with respect to an operation amount of the operation unit. Drive control device.
前記マニピュレータは、アームを備え、
前記駆動制御部は、前記操作レバーの回転角度に対して前記歯車減速機の減速比に応じて小さくなる前記アームの回転角度を補うように前記歯車減速機を駆動制御することを特徴とする、請求項１に記載のマニピュレータ駆動制御装置。 The operation unit includes an operation lever,
The manipulator includes an arm,
The drive control unit drives and controls the gear reducer so as to compensate for the rotation angle of the arm that becomes smaller according to the reduction ratio of the gear reducer with respect to the rotation angle of the operation lever. The manipulator drive control device according to claim 1.
前記マニピュレータは、スレーブ側マニピュレータであり、
前記駆動制御部は、前記マスタ側マニピュレータの動作量に対して前記歯車減速機の減速比に応じて小さくなる前記スレーブ側マニピュレータの動作量を補うように前記歯車減速機を駆動制御することを特徴とする、請求項１に記載のマニピュレータ駆動制御装置。 The operation unit is a master side manipulator,
The manipulator is a slave side manipulator,
The drive control unit drives and controls the gear reducer so as to supplement the operation amount of the slave side manipulator which becomes smaller according to the reduction ratio of the gear reducer with respect to the operation amount of the master side manipulator. The manipulator drive control device according to claim 1.
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