机械手装置制造方法
【专利摘要】机械手装置具备状态检测部，该状态检测部随时间检测前端臂部的振动状态和上述前端臂部的负荷状态中的至少一方，并生成表示上述前端臂部的上述振动状态和上述负荷状态中的至少一方的检测信号。上述机械手装置具备伺服增益变更部，该伺服增益变更部根据由上述状态检测部生成的上述检测信号来变更驱动电流相对于伺服控制部中的驱动指令的伺服增益，通过变更上述伺服增益来与上述前端臂部的上述振动状态或者上述负荷状态相对应地实时地改变上述前端臂部的对于振动的频率特性。
【专利说明】机械手装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种在机械手的前端部设置通过使驱动构件进行驱动来进行动作的前端臂部的机械手装置。
【背景技术】
[0002]专利文献I公开了用于原子反应堆内的检查等的机械手装置。该机械手装置具备插入到原子反应堆内的机械手。机械手具备臂部(前端臂部)，臂部具备三个关节部以及各自向所对应的关节部的前端方向侧延伸设置的三个棒状部(联杆部)。在各个关节部的内部设置有作为驱动构件的球面超声波电动机。根据原子反应堆外的操作指令输入部的操作指令来生成各个球面超声波电动机的驱动指令，并根据各个驱动指令来驱动球面超声波电动机。通过驱动各个球面超声波球面电动机，使所对应的关节部进行工作，使比所对应的关节部更靠前端方向侧的部位进行动作。
[0003]另外，在专利文献I的机械手装置中，各个球面超声波电动机具备定子和转子。在各个球面超声波电动机中，通过由定子对转子的按压力来使驱动速度等驱动特性发生变化。在各个关节部中，所作用的力与臂部(机械手)的姿势的变化等相对应地发生变化。各个球面超声波电动机中的由定子对转子的按压力依赖于作用于所对应的关节部的力而发生变化。
[0004]因此，在专利文献I的机械手装置中，设置有对各个关节部的位置以及姿势进行检测的位置姿势检测部。根据关节部的位置以及姿势来计算作用于各个关节部的力。另外，在各个关节部设置有电磁铁或者形状记忆合金弹簧。在各个关节部中，通过改变施加到电磁铁的电压或者改变提供给形状记忆合金弹簧的电流，来调整由定子对转子的按压力。施加到电磁铁的电压以及提供给形状记忆合金弹簧的电流是根据作用于各个关节部的力的计算结果来进行控制的。如上所述，在各个关节部中，根据所作用的力的计算结果来调整由定子对转子的按压力，从而调整刚性。
[0005]专利文献1:日本特开2011-182485号公报
【发明内容】
_6] 发明要解决的问题
[0007]在使用机械手装置时，有时由于外力进行作用使臂部(机械手)发生振动。特别是在机械手插入体内的医疗用机械手装置中，从防止处置性能下降的观点考虑，需要在前端臂部(机械手)处发生了振动的情况下迅速地抑制振动。在上述专利文献I的机械手装置中，在各个关节部处与所作用的力相对应地调整刚性。但是，在只改变各个关节部的刚性时，所发生的振动未必被迅速地抑制。
[0008]本发明是着眼于上述问题而完成的，其目的在于提供一种能够在进行动作的机械手的前端臂部处发生了振动的情况下迅速地抑制振动的机械手装置。
_9] 用于解决问题的方案[0010]为了达成上述目的，本发明的一个方式的机械手装置，具备:机械手，其沿着长轴延伸设置，在前端部具备能够动作地设置的前端臂部，上述前端臂部在前端部具备前端功能部；操作指令输入部，其被输入表示上述前端功能部的目标位置以及目标姿势的操作指令；驱动构件，其通过被提供驱动电流而被驱动，通过被驱动而使上述前端臂部进行动作；伺服控制部，其根据上述操作指令输入部中的上述操作指令来被输入上述驱动构件的驱动指令，根据上述驱动指令来向上述驱动构件提供上述驱动电流；状态检测部，其随时间检测上述前端臂部的振动状态和上述前端臂部的负荷状态中的至少一方，并生成表示上述前端臂部的上述振动状态和上述负荷状态中的至少一方的检测信号；以及伺服增益变更部，其根据由上述状态检测部生成的上述检测信号来变更上述驱动电流相对于上述伺服控制部中的上述驱动指令的伺服增益，通过变更上述伺服增益来与上述前端臂部的上述振动状态或者上述负荷状态相对应地实时地改变上述前端臂部的对于振动的频率特性。
[0011]发明的效果
[0012]根据本发明，能够提供一种能够在进行动作的机械手的前端臂部处发生了振动的情况下迅速地抑制振动的机械手装置。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是表示本发明的第一实施方式所涉及的机械手装置的概要图。
[0014]图2是概要性地表示使第一实施方式所涉及的机械手的关节部进行工作的结构的框图。
[0015]图3是说明第一实施方式所涉及的驱动指令生成部中的处理的概要图。
[0016]图4是概要性地表示第一实施方式所涉及的机械手装置的某一个伺服控制部的结构的框图。
[0017]图5是说明第一实施方式所涉及的机械手装置的某一个伺服控制部以及与该伺服控制部相对应的电动机及编码器中的处理的框图。
[0018]图6A是表示第一实施方式所涉及的机械手装置的某一个伺服控制部中的伺服增益与前端臂部的对于振动的频率特性之间的关系的概要图。
[0019]图6B是表示在将机械手和体壁设为一个振动系统的情况下的第一实施方式所涉及的机械手装置的某一个伺服控制部中的伺服增益与前端臂部的对于振动的频率特性之间的关系的概要图。
[0020]图7是概要性地表示第一实施方式所涉及的机械手装置的某一个伺服控制部的振动检测部的结构的框图。
[0021]图8是随时间表示第一实施方式所涉及的机械手装置的某一个伺服控制部的振动检测部中的处理的概要图。
[0022]图9是说明第一实施方式所涉及的振动检测部的相关数据计算部中的处理的概要图。
[0023]图10是表示由第一实施方式所涉及的振动检测部的相关数据计算部计算出的相关数据与某一个伺服控制部中的伺服增益之间的关系的概要图。
[0024]图11是表示本发明的第二实施方式所涉及的机械手装置的前端臂部的概要图。
[0025]图12是概要性地表示使第二实施方式所涉及的机械手的关节部以及把持部进行工作的结构的框图。
[0026]图13是说明第二实施方式所涉及的机械手装置的某一个伺服控制部、与该伺服控制部相对应的电动机及编码器、以及负荷检测部中的处理的框图。
【具体实施方式】
[0027](第一实施方式)
[0028]参照图1?图10来说明本发明的第一实施方式。图1是表示机械手装置I的图。机械手装置I是用于医疗处置等的医疗用机械手装置。如图1所示，机械手装置I具备机械手2、控制单元3以及3D扫描仪等操作指令输入部5。
[0029]机械手2具有长轴C，并且沿着长轴C延伸设置。在此，将与长轴C平行的方向中的一个方向设为前端方向(图1的箭头Cl的方向)，与长轴C平行的方向中的另一个方向设为基端方向(图1的箭头C2的方向)。机械手2具备沿着长轴C延伸设置的细长的管状部11以及设置于管状部11的前端方向侧的前端臂部12。前端臂部12位于机械手2的前端部，并且以能够进行动作的方式进行设置。在管状部11的基端方向侧设置有保持部13。在保持部13连接有通用软线7的一端。通用软线7的另一端连接于控制单元3。另外，控制单元3能够通过无线通信来接收来自操作指令输入部5的操作指令。
[0030]前端臂部12具备多个(在本实施方式中为三个)关节部15A?15C以及多个(在本实施方式中为三个)联杆部17A?17C。各个联杆部17A?17C向所对应的关节部15A?15C的前端方向侧延伸设置。在联杆部17C的前端方向侧设置有作为前端处置部(前端功能部)的手术刀部19。即，手术刀部19位于前端臂部12的前端部，位于比最靠前端方向侧的关节部15C更靠前端方向侧的位置。通过使各个关节部15A?15C进行工作(actuated),在前端臂部12处以进行工作的关节部(15A?15C)为中心使比进行工作的关节部(15A?15C)更靠前端方向侧的部位进行转动。另外，利用手术刀部19来进行生物体组织等处置对象的切开，从而对处置对象进行处置。
[0031]图2是表示使关节部15A?15C进行工作的结构的图。如图2所示，在机械手2的保持部13设置有作为驱动构件的电动机21A?21C以及编码器22k?22C。各个编码器22A?22C检测所对应的电动机21A?21C的驱动状态(驱动位置)。电动机21A?21C以及编码器22A?22C位于比前端臂部12的基端更靠基端方向侧的位置。
[0032]在机械手2的内部，作为线状构件的导线23A?23C沿着长轴C延伸设置。各个导线23A?23C在所对应的电动机21A?21C与前端臂部12之间延伸设置。各个导线23A?23C的前端与所对应的关节部15A?15C相连接。各个导线23A?23C与所对应的电动机2IA?2IC的驱动状态对应地沿着长轴C进行移动。通过各个导线23A?23C沿着长轴C进行移动，使所对应的关节部15A?15C进行工作。由此，前端臂部12进行动作。
[0033]如图2所示，控制单元3具备通过无线通信来接收操作指令输入部5中的操作指令的指令接收部25。指令接收部25与设置在控制单元3的驱动指令生成部26进行电连接。驱动指令生成部26检测包含在操作指令输入部5的操作指令中的手术刀部19(前端处置部)的目标位置数据以及目标姿势数据。即，操作指令输入部12被输入表示手术刀部19的目标位置以及目标姿势的操作指令。而且，根据包含在操作指令中的手术刀部19的目标位置数据以及目标姿势数据来生成各个电动机21A?21C的驱动指令。[0034]图3是说明驱动指令生成部26中的处理的图。如图3所示，驱动指令生成部26计算将手术刀部19设成目标位置以及目标姿势的关节部15A?15C的位置以及姿势。而且，使用基于Denavit-Hartenberg法的坐标变换来计算将手术刀部19设成目标位置以及目标姿势的关节部15A?15C的位置以及姿势下的关节部15A?15C的弯曲角度等工作状态。在此，规定四个坐标系SO?S3。坐标系SO在管状部11具有原点，在管状部11处与长轴C平行的方向与一个轴的轴方向一致。坐标系SI以关节部15A为原点，在联杆部17A处与长轴C平行的方向与一个轴的轴方向一致。坐标系S2以关节部15B为原点，在联杆部17B处与长轴C平行的方向与一个轴的轴方向一致。坐标系S3以关节部15C为原点，在联杆部17C处与长轴C平行的方向与一个轴的轴方向一致。
[0035]将从坐标系SI向坐标系SO的变换矩阵设为H(0 — I)，将从坐标系S2向坐标系SI的变换矩阵设为H(1 — 2)，将从坐标系S3向坐标系S2的变换矩阵设为H(2 — 3)。在这种情况下，使用坐标系SI中的手术刀部19的位置姿势矢量Ul、坐标系S2中的手术刀部19的位置姿势矢量U2以及坐标系S3中的手术刀部19的位置姿势矢量U3,使坐标系SO中的手术刀部19 (机械手2的前端)的位置姿势矢量UO成为:
[0036][数式I]
[0037]UO=H(O — I).Ul=H(O — I).Η(1 — 2) *U2=H(0 — I).Η(1 — 2).Η(2 — 3).U3(I)
[0038]根据变换矩阵H (O — I)来计算将手术刀部19设成目标位置以及目标姿势的关节部15A?15C的位置以及姿势下的关节部15A的工作状态。根据变换矩阵H(1 — 2)来计算将手术刀部19设成目标位置以及目标姿势的关节部15B的位置以及姿势下的关节部15B的工作状态。而且，根据变换矩阵H (2 — 3)来计算将手术刀部19设成目标位置以及目标姿势的关节部15C的位置以及姿势下的关节部15C的工作状态。如上所述，计算将手术刀部19设成目标位置以及目标姿势的关节部15A?15C的位置以及姿势下的关节部15A?15C的工作状态。然后，根据计算结果来生成与各个关节部15A?15C相对应的电动机21A?2IC的驱动指令。
[0039]驱动指令生成部26与设置在控制单元3的伺服控制部27A?27C进行电连接。从驱动指令生成部26向各个伺服控制部27A?27C输入所对应的电动机21A?21C的驱动指令。各个伺服控制部27A?27C与所对应的电动机21A?21C进行电连接，根据驱动指令来向所对应的电动机21A?21C提供驱动电流。另外，各个伺服控制部27A?27C与所对应的编码器22A?22C进行电连接。由此，向各个伺服控制部27A?27C反馈所对应的电动机2IA?2IC的驱动状态(驱动位置)。
[0040]图4是表示伺服控制部27A的结构的图。图5是说明伺服控制部27A、电动机21A以及编码器22A中的处理的图。此外，在以下的说明中，仅对某一个伺服控制部27A和与该伺服控制部27A相对应的电动机21A及编码器22A进行说明，但是伺服控制部27B、27C、电动机21B、21C以及编码器22B、22C也与伺服控制部27A、电动机21A以及编码器22A在结构和处理上相同。
[0041]如图4所示，伺服控制部27A具备控制电动机21A的驱动位置的驱动位置控制部31以及控制电动机21A的驱动速度的驱动速度控制部32。另外，伺服控制部27A具备微分实施部33、伺服增益变更部35以及振动检测部37。此外，在本实施方式中，在伺服控制部27A中设置有伺服增益变更部35以及振动检测部37，但是伺服增益变更部35以及振动检测部37也可以与伺服控制部27A分开设置。
[0042]如图5所示,来自驱动指令生成部26的电动机2IA的驱动指令被输入到驱动位置控制部31。驱动位置控制部31根据包含在驱动指令中的电动机21A的驱动位置数据来进行电动机21A的驱动位置的控制(步骤S101)。然后，电动机21A的驱动指令被输入到驱动速度控制部32。驱动速度控制部32根据包含在驱动指令中的电动机21A的驱动速度数据来进行电动机21A的驱动速度的控制(步骤S102)。根据驱动位置控制部31中的电动机21A的驱动位置的控制以及驱动速度控制部32中的电动机21A的驱动速度的控制来向电动机2IA提供驱动电流。
[0043]通过向电动机21A提供驱动电流来对电动机21A进行驱动(步骤S103)。由此，关节部15A进行工作。此时，前端臂部12的振动状态对电动机21A的驱动造成影响。在机械手装置I的使用中，有时由于外力等导致前端臂部12发生振动。在这种情况下，前端臂部12的振动作为干扰而作用于电动机21A。因而，由于前端臂部12的振动状态，而电动机21A的驱动指令与实际的电动机21A的驱动状态相互间相关性变低。
[0044]实际的电动机21A的驱动位置(驱动状态)是由编码器22A来检测的(步骤S104)。检测出的电动机21A的驱动位置信息在驱动位置控制部31中的电动机21A的驱动位置控制(步骤S101)中被反馈。另外，通过编码器22A检测出的电动机21A的驱动位置信息被输入到微分实施部33。然后，由微分实施部对电动机21A的驱动位置信息进行微分(步骤S105)，从而检测实际的电动机21A的驱动速度。检测出的电动机21A的驱动速度信息在驱动速度控制部32中的电动机21A的驱动速度控制(步骤S102)中被反馈。
[0045]向振动检测部37输入电动机21A的驱动指令。另外，向振动检测部37输入通过编码器22A检测出的电动机21A的驱动位置(驱动状态)信息。振动检测部37根据电动机21A的驱动指令与由编码器22A检测出的电动机21A的驱动状态(驱动位置)之间的相关关系来随时间检测前端臂部12的振动状态(步骤S106)。此时，在前端臂部12进行振动的情况下检测振动的频率(f)。然后，振动检测部37生成表示前端臂部12的振动状态的检测信号。即，振动检测部37成为检测前端臂部12的振动状态的状态检测部。此外，关于振动检测部37中的处理的详情将在后叙述。
[0046]表示前端臂部12的振动状态的检测信号被输入到伺服增益变更部35。伺服增益变更部35根据检测信号来变更驱动电流相对于伺服控制部27A中的电动机21A的驱动指令的伺服增益Ga (步骤S107)。通过变更伺服增益Ga，来使电动机21A对于驱动指令的驱动特性发生变化。由于电动机21A的驱动特性发生变化，关节部15A的工作特性发生变化。由于关节部15A的工作特性发生变化，例如即使在相同的驱动指令被输入到伺服控制部27A的情况下，在变化前和变化后关节部15A的工作速度也不同。另外，由于关节部15A的工作特性发生变化，例如即使在相同的外力作用于关节部15A的情况下，在变化前和变化后关节部15A的工作速度也不同。
[0047]关节部15B、15C的工作特性也与关节部15A相同。即，通过变更驱动电流相对于伺服控制部27B中的电动机21B的驱动指令的伺服增益Gb，关节部15B的工作特性发生变化。另外，通过变更驱动电流相对于伺服控制部27C中的电动机21C的驱动指令的伺服增益Ge，关节部15C的工作特性发生变化。由于关节部15A?15C中的至少一个的工作特性发生变化，前端臂部12的对于振动的频率特性发生变化。
[0048]图6A是表示伺服控制部27A中的伺服增益Ga与前端臂部12的对于振动的频率特性之间的关系的图。图6B是表示在将机械手2以及体壁设为一个振动系统的情况下的伺服控制部27A中的伺服增益Ga与前端臂部12的对于振动的频率特性之间的关系的图。此外，在以下的说明中，对某一个伺服控制部27A的伺服增益Ga和前端臂部12的频率特性进行说明，但是伺服控制部27B、27C的伺服增益Gb、Gc也与伺服控制部27A的伺服增益Ga相同。在图6A以及图6B中，纵轴表示振幅(V)，横轴表示频率(f)。另外，示出了伺服增益Ga为Gal的状态下的前端臂部12的频率特性以及伺服增益Ga为小于Gal的Ga2的状态下的前端臂部12的频率特性。
[0049]在此，在机械手2的前端臂部12不会接触到体壁等地在空间内进行动作的情况下，前端臂部12具有图6A所示的对于振动的频率特性。因此，即使伺服增益Ga是任意大小，前端臂部12也能够不发生振动地进行动作。但是，在机械手2的前端臂部12接触到体壁或前端臂部12从体壁分离的情况下，将机械手2以及体壁凑成一个振动系统。因此，前端臂部12具有图6B所示的对于振动的频率特性。因此，在伺服控制部27A中的伺服增益Ga为Gal的状态下，前端臂部12在频率Π下以大的振幅Vl进行振动。此时，振动检测部37检测前端臂部12的振动的频率Π，包含振动的频率数据的检测信号被输入到伺服增益变更部35。
[0050]伺服增益变更部35根据检测信号来将伺服控制部27A中的伺服增益Ga从Gal减小为Ga2。通过将伺服增益Ga变小，使关节部15A的工作特性发生变化，关节部15A变得柔软。由于关节部15A变得柔软，成为振动被关节部15A吸收的状态。因而，通过将伺服控制部27A中的伺服增益Ga从Gal减小为Ga2，前端臂部12的频率特性发生变化，从而抑制前端臂部12的振动(参照图6B)。即，伺服增益变更部35通过将伺服增益Ga变更为Ga2，使前端臂部12的对于振动的频率特性变化为在由振动检测部37检测出的频率fl下振动被抑制的状态。
[0051]如上所述，通过根据前端臂部12的振动状态变更伺服控制部27A中的伺服增益Ga，来改变前端臂部12的频率特性，从而抑制所发生的振动。因此，与前端臂部12的振动状态相对应地实时地使前端臂部12的频率特性发生变化，从而迅速地抑制在前端臂部12处发生的振动。
[0052]图7是表示伺服控制部27A的振动检测部37的结构的图，图8是随时间表示伺服控制部27A的振动检测部37中的处理的图。此外，在以下的说明中，以某一个伺服控制部27A的振动检测部37为例进行说明，但是伺服控制部27B，27C的振动检测部37也与伺服控制部27A的振动检测部37相同。
[0053]如图7以及图8所示，振动检测部37具备被从驱动指令生成部26输入电动机21A的驱动指令的窗函数过滤器41A。通过窗函数过滤器41A，按每个规定的时间范围TO划分电动机21A的驱动指令数据。窗函数过滤器41A与数据缓冲器42A进行电连接。按每个规定的时间范围TO划分的驱动指令数据暂时地存储到数据缓冲器42A。在数据缓冲器42A中，相对于驱动指令生成部26中的驱动指令的生成延迟微少时间地存储驱动指令数据。
[0054]数据缓冲器42A与傅立叶变换部43A进行电连接。在傅立叶变换部43A中，按每个规定的时间范围TO进行电动机21A的驱动指令数据的高速傅立叶变换(FFT:fast Fouriertransformation),电动机21A的驱动指令的FFT数据按每个规定的时间范围TO进行划分来生成。傅立叶变换部43A与数据缓冲器45A进行电连接。按每个规定的时间范围TO划分的FFT数据暂时地存储到数据缓冲器45A。在数据缓冲器45A中，相对于数据缓冲器42A中的驱动指令数据的存储延迟与规定的时间范围TO相等的时间地存储FFT数据。
[0055]振动检测部37具备被从编码器22A输入电动机2IA的驱动状态(驱动位置)的窗函数过滤器4IB。通过窗函数过滤器4IB，按每个规定的时间范围TO划分电动机2IA的驱动状态数据。窗函数过滤器41B与数据缓冲器42B进行电连接。按每个规定的时间范围TO划分的驱动状态数据暂时地存储到数据缓冲器42B。在数据缓冲器42B中，相对于编码器22A中的驱动状态的检测延迟微少时间地存储驱动状态数据。
[0056]数据缓冲器42B与傅立叶变换部43B进行电连接。在傅立叶变换部43B中，按每个规定的时间范围TO来进行电动机21A的驱动状态数据的高速傅立叶变换，电动机21A的驱动状态的FFT数据按每个规定的时间范围TO进行划分来生成。傅立叶变换部43B与数据缓冲器45B进行电连接。按每个规定的时间范围TO划分的FFT数据暂时地存储到数据缓冲器45B。在数据缓冲器45B中，相对于数据缓冲器42B中的驱动状态数据的存储延迟与规定的时间范围TO相等的时间地存储FFT数据。
[0057]数据缓冲器45A以及数据缓冲器45B与相关数据计算部47进行电连接。相关数据计算部47根据数据缓冲器45A的FFT数据以及数据缓冲器45B的FFT数据来计算表示电动机21A的驱动指令与由编码器22A检测出的电动机21A的驱动状态之间的相关关系的相关数据。相关数据是按每个规定的时间范围TO来随时间算出的。相关数据计算部47与数据缓冲器48进行电连接。按每个规定的时间范围TO划分的相关数据暂时地存储到数据缓冲器48。在数据缓冲器48中，相对于数据缓冲器45A中的FFT数据的存储以及数据缓冲器45B中的FFT数据的存储延迟微少时间地存储相关数据。
[0058]如上所述，在相关数据计算部47中，相对于编码器22A中的驱动状态的检测延迟与规定的时间范围TO大致相同的时间地计算相关数据。因而，通过减小规定的时间范围T0，来与前端臂部12的振动状态相对应地实时地计算表示电动机21A的驱动指令与由编码器22A检测出的电动机2IA的驱动状态之间的相关关系的相关数据。
[0059]图9是说明相关数据计算部47中的处理的图。在此，相关数据是使用众所周知的互相关函数的处理来计算出的。即，对存储在数据缓冲器45A中的驱动指令的FFT数据的数据列以及存储在数据缓冲器45B中的驱动状态的FFT数据的数据列进行卷积积分。如图9所示，在前端臂部12处发生了振动的状态下，与表示电动机21A的驱动指令的信号相比较，在表不电动机21A的驱动状态的信号中产生噪声N。在表不驱动状态的信号中产生噪声N的状态下，电动机21A的驱动指令与由编码器22k检测出的电动机21A的驱动状态之间的相关性变低。另一方面，在前端臂部12没有振动的状态下，在表示电动机21A的驱动状态的信号中不产生噪声N。在表不驱动状态的信号中没有产生噪声N的状态下，电动机21A的驱动指令与由编码器22A检测出的电动机21A的驱动状态之间的相关性变高。此外，前端臂部12的振动的频率(f)是根据表示电动机21A的驱动状态的信号中的噪声N的产生状态来检测的。
[0060]随着电动机2IA的驱动指令与由编码器22A检测出的电动机2IA的驱动状态之间的相关性变高，相关数据计算部47中的相关数据的相关值P接近I。另一方面，随着电动机21A的驱动指令与由编码器22A检测出的电动机21A的驱动状态之间的相关性变低，相关数据计算部47中的相关数据的相关值P接近O。即，在前端臂部12处的振动没有发生的状态下相关数据的相关值P接近1，在前端臂部12大幅振动的状态下相关数据的相关值P接近O。如上所述，根据相关数据来检测前端臂部12的振动状态。
[0061]存储到数据缓冲器48中的相关数据被输出到伺服增益变更部35。伺服增益变更部35根据相关数据来变更伺服控制部27A中的伺服增益Ga。图10是表示由相关数据计算部47计算出的相关数据与伺服控制部27A中的伺服增益Ga之间的关系的图。如图10所示，当将变更前的伺服控制部27A的伺服增益Ga设为Gal时，在相关数据的相关值P为I的情况下变更后的伺服增益Ga为Gal以上。另一方面，在相关数据的相关值P小于I的情况下变更后的伺服增益Ga小于Gal。而且，随着相关数据的相关值P接近0，变更后的伺服增益Ga变小。
[0062]如上所述，根据相关数据来变更伺服控制部27A中的伺服增益Ga。在此，通过减小规定的时间范围T0，来与前端臂部12的振动状态相对应地实时地计算表示电动机21A的驱动指令与由编码器22A检测出的电动机21A的驱动状态之间的相关关系的相关数据。因而，通过减小规定的时间范围T0，来与前端臂部12的振动状态相对应地实时地变更伺服控制部27A的伺服增益Ga，从而前端臂部12的对于振动的频率特性实时地变化。
[0063]另外，电动机21A?21C以及编码器22A?22C设置在比前端臂部12更靠基端方向侧的保持部13。因此，在医疗处置中插入到体内的管状部11以及前端臂部12不会大型化。
[0064]因此，在上述结构的机械手装置I中起到以下的效果。即，在机械手装置I中，在各个伺服控制部27A?27C的振动检测部37中，根据所对应的电动机21A?21C的驱动指令与由所对应的编码器22k?22C检测出的所对应的电动机21A?21C的驱动状态之间的相关关系来检测前端臂部12的振动状态。然后，在各个伺服控制部27A?27C的伺服增益变更部35中，根据前端臂部12的振动状态来变更各个伺服控制部27A?27C中的伺服增益Ga?Ge。通过变更各个伺服控制部27A?27C的伺服增益Ga?Ge，使所对应的关节部15A?15C的工作特性发生变化。由于关节部15A?15C中的至少一个的工作特性发生变化，使前端臂部12的频率特性发生变化，从而抑制所发生的振动。因而，与前端臂部12的振动状态相对应地实时地使前端臂部12的频率特性发生变化，能够迅速地抑制在前端臂部12处发生的振动。
[0065](第二实施方式)
[0066]接着，参照图11?图13来说明本发明的第二实施方式。此外，对于与第一实施方式相同的部分以及具有相同的功能的部分附加相同的附图标记，并省略其说明。
[0067]图11是表示本实施方式的前端臂部12的结构的图。如图11所示，前端臂部12与第一实施方式同样地具备三个关节部15A?15C以及三个联杆部17A?17C。作为前端处置部的把持部51代替手术刀部19而设置于联杆部17C的前端方向侧。把持部51进行工作从而能够把持生物体组织等把持对象(处置对象)。
[0068]图12是表示使关节部15A?15C以及把持部51进行工作的结构的图。如图12所示，驱动指令生成部26与第一实施方式同样地根据包含在操作指令中的把持部51 (前端处置部)的目标位置数据以及目标姿势数据来生成各个电动机21A?21C的驱动指令。在生成各个电动机21A?21C的驱动指令时,使用基于Denavit-Hartenberg法的坐标变换。然后，与各个电动机2IA?21C的驱动状态相对应地使所对应的关节部15A?15C进行工作。由此，前端臂部12进行动作。
[0069]另外，在机械手2的保持部13，与电动机21A?21C独立地设置有作为驱动构件的电动机52。在机械手2的内部，作为线状构件的导线53沿着长轴C延伸设置。导线53在电动机52与前端臂部12之间延伸设置。导线53的前端连接在把持部51。导线53与电动机52的驱动状态相对应地沿着长轴C进行移动。通过导线53沿着长轴C进行移动来使把持部51进行工作。
[0070]在控制单元3中与驱动指令生成部26独立地设置有驱动指令生成部55。驱动指令生成部55与控制单元3的指令接收部25进行电连接。驱动指令生成部55检测包含在操作指令输入部5的操作指令中的把持部51 (前端处置部)的目标位置数据以及目标姿势数据。而且，根据包含在操作指令中的把持部51的目标位置数据以及目标姿势数据来生成电动机52的驱动指令。驱动指令生成部55与设置在控制单元3的伺服控制部57进行电连接。从驱动指令生成部55向伺服控制部57输入电动机52的驱动指令。伺服控制部57与电动机52进行电连接，根据驱动指令来向电动机52提供驱动电流。由此，控制了电动机52的驱动状态。
[0071]另外，在本实施方式中，在前端臂部12设置有负荷传感器61。负荷传感器61与设置在控制单元3的负荷检测部63进行电连接。负荷检测部63具备把持有无检测部65。负荷检测部63与伺服控制部27A?27C以及伺服控制部57进行电连接。关于负荷检测部63中的处理将后述。此外，在本实施方式中，在各个伺服控制部27A?27C中没有设置振动检测部37。但是，各个伺服控制部27A?27C与第一实施方式同样地具备驱动位置控制部31、驱动速度控制部32、微分实施部33以及伺服增益变更部35。
[0072]图13是说明伺服控制部27A、电动机21A、编码器22A以及负荷检测部63中的处理的图。此外，在以下的说明中，仅对某一个伺服控制部27A和与该伺服控制部27A相对应的电动机21A及编码器22A进行说明，但是伺服控制部27B、27C、电动机21B、21C以及编码器22B、22C也与伺服控制部27A、电动机21A以及编码器22A在结构和处理上相同。
[0073]如图13所示，在本实施方式中与第一实施方式同样地根据包含在驱动指令中的电动机2IA的驱动位置数据来由驱动位置控制部31进行电动机2IA的驱动位置的控制(步骤S101)。然后，根据包含在驱动指令中的电动机21A的驱动速度数据来由驱动速度控制部32进行电动机21A的驱动速度的控制(步骤S102)。根据驱动位置控制部31中的电动机2IA的驱动位置的控制以及驱动速度控制部32中的电动机2IA的驱动速度的控制来向电动机2IA提供驱动电流。
[0074]通过向电动机21A提供驱动电流来驱动电动机21A(步骤S103)。由此，关节部15A进行工作。此时，前端臂部12的振动状态对电动机21A的驱动作为干扰而带来影响。通过编码器22A来检测实际的电动机21A的驱动位置(驱动状态)(步骤S104)。检测出的电动机21A的驱动位置信息在驱动位置控制部31中的电动机21A的驱动位置控制(步骤S101)中被反馈。另外，通过编码器22A检测出的电动机21A的驱动位置信息通过微分实施部33进行微分(步骤S105)，从而检测出实际的电动机21A的驱动速度。检测出的电动机21A的驱动速度信息在驱动速度控制部32中的电动机21A的驱动速度控制(步骤S102)中被反馈。
[0075]但是，本实施方式与第一实施方式不同，没有设置振动检测部37。取而代之，在本实施方式中，在前端臂部12设置负荷传感器61,来自负荷传感器61的传感器信号被输入到负荷检测部63。负荷检测部63根据传感器信号来检测前端臂部12的负荷状态(步骤Sill).即，负荷检测部63成为检测前端臂部12的负荷状态的状态检测部。而且，通过把持有无检测部65根据前端臂部12的负荷状态来检测把持部51中有无把持把持对象(步骤S112)。例如，在用把持部51把持了把持对象的状态下，作用于前端臂部12的负荷变大。另一方面，在没有用把持部51把持把持对象的状态下，作用于前端臂部12的负荷变小。而且，生成表示前端臂部12的负荷状态以及把持部51中有无把持把持对象的检测信号。
[0076]表示前端臂部12的负荷状态的检测信号被输入到伺服增益变更部35。伺服增益变更部35根据检测信号来变更驱动电流相对于伺服控制部27A中的电动机21A的驱动指令的伺服增益Ga (步骤SI 13)。通过变更伺服增益Ga，使电动机21A对于驱动指令的驱动特性发生变化。由于电动机21A的驱动特性发生变化，使关节部15A的工作特性发生变化。关节部15B、15C的工作特性也与关节部15A相同。即，通过变更驱动电流相对于伺服控制部27B中的电动机21B的驱动指令的伺服增益Gb，使关节部15B的工作特性发生变化。另夕卜，通过变更驱动电流相对于伺服控制部27C中的电动机21C的驱动指令的伺服增益Ge，使关节部15C的工作特性发生变化。由于关节部15A?15C中的至少一个的工作特性发生变化，使前端臂部12的对于振动的频率特性发生变化。各个伺服控制部27A?27C的伺服增益Ga?Ge与前端臂部12的频率特性之间的关系如在第一实施方式中所述(参照图6A、图6B)。
[0077]在具备把持部51作为前端处置部的机械手2中，将把持对象把持在把持部51来进行切除(resect)把持对象的处置。在这种处置中，在切除把持对象时容易在前端臂部12处发生振动。因此，在本实施方式中，把持有无检测部65根据前端臂部12的负荷状态来检测把持部51中有无把持把持对象。在用把持部51把持了把持对象的状态下，减小至少一个伺服控制部27A?27C中的伺服增益Ga?Ge。由此，前端臂部12的对于振动的频率特性发生变化。因而，能够在以用把持部51把持着把持对象的状态切除把持对象时防止前端臂部12处发生振动。
[0078]如上所述在本实施方式中，根据前端臂部12的负荷状态来检测把持部51中有无把持把持对象。而且，在把持对象被把持部51把持的情况下，使前端臂部12的频率特性发生变化。由此，能够在以用把持部51把持着把持对象的状态切除把持对象时防止前端臂部12处发生振动。即，与前端臂部12的负荷状态相对应地实时地改变前端臂部12的对于振动的频率特性，事先防止前端臂部12处发生振动。
[0079](变形例)
[0080]此外，在上述的实施方式中，设置有三个关节部15A?15C，但是不限于此。例如，关节部(15A?15C)的数量既可以是两个，也可以是四个以上。另外，关节部(15A?15C)的数量也可以是一个。而且，只要与各个关节部(15A?15C)相对应地设置有作为驱动构件的电动机(21A?21C)以及伺服控制部(27A?27C)即可。
[0081]另外，在第一实施方式中设置手术刀部19作为前端处置部，在第二实施方式中设置把持部51作为前端处置部，但是不限于此。例如，也可以设置勾住处置对象来进行处置的钩状部作为前端处置部(前端功能部)。另外，机械手装置I是医疗用机械手装置，但是也可以是插入到管路等的工业用机械手装置。在这种情况下，在前端臂部12的前端部设置摄像元件作为前端功能部。
[0082]另外，在第一实施方式中根据前端臂部12的振动状态来变更各个伺服控制部(27A?27C)的伺服增益(Ga?Ge)，在第二实施方式中根据前端臂部12的负荷状态来变更各个伺服控制部(27A?27C)的伺服增益(Ga?Ge)，但是不限于此。例如，也可以将第一实施方式的结构与第二实施方式的结构进行组合，根据前端臂部12的振动状态以及前端臂部12的负荷状态来变更各个伺服控制部(27A?27C)的伺服增益(Ga?Ge)。S卩，只要设置有生成表示前端臂部12的振动状态以及负荷状态中的至少一方的检测信号的状态检测部(37，63)即可。另外，只要由伺服增益变更部35根据状态检测部(37，63)中的检测信号来变更驱动电流相对于伺服控制部(27A?27C)中的驱动指令的伺服增益(Ga?Ge)即可。而且，只要通过变更伺服增益(Ga?Ge)来与前端臂部12的振动状态或者负荷状态相对应地实时地使前端臂部12的对于振动的频率特性变化即可。
[0083]以上说明了本发明的实施方式，但是本发明不限于上述的实施方式，当然能够在不超出本发明的精神的范围内进行各种变形。
【权利要求】
1.一种机械手装置，具备: 机械手，其沿着长轴延伸设置，在前端部具备能够动作地设置的前端臂部，上述前端臂部在如端部具备如端功能部; 操作指令输入部，其被输入表示上述前端功能部的目标位置以及目标姿势的操作指令； 驱动构件，其通过被提供驱动电流而被驱动，通过被驱动而使上述前端臂部进行动作； 伺服控制部，其根据上述操作指令输入部中的上述操作指令来被输入上述驱动构件的驱动指令，根据上述驱动指令来向上述驱动构件提供上述驱动电流； 状态检测部，其随时间检测上述前端臂部的振动状态和上述前端臂部的负荷状态中的至少一方，并生成表示上述前端臂部的上述振动状态和上述负荷状态中的至少一方的检测信号；以及 伺服增益变更部，其根据由上述状态检测部生成的上述检测信号来变更与上述伺服控制部中的上述驱动指令相对的上述驱动电流的伺服增益，通过变更上述伺服增益来与上述前端臂部的上述振动状态或者上述负荷状态相对应地实时地改变相对于上述前端臂部的振动的频率特性。
2.根据权利要求1所述的机械手装置，其特征在于， 上述状态检测部是在上述前端臂部进行振动的状态下检测振动的频率的振动检测部，上述伺服增益变更部通过变更上述伺服增益来使相对于上述前端臂部的上述振动的上述频率特性改变为在检测出的上述频率下上述振动被抑制的状态。
3.根据权利要求1所述的机械手装置，其特征在于， 上述前端臂部具备关节部、以及向上述关节部的前端方向侧延伸设置的联杆部， 上述前端功能部位于比上述关节部更靠前端方向侧的位置， 上述驱动构件通过被驱动来使上述关节部进行工作，通过使上述关节部进行工作来在上述前端臂部处以上述关节部为中心使比上述关节部更靠上述前端方向侧的部位进行转动， 上述伺服增益变更部通过变更上述伺服增益来改变上述关节部的工作特性，从而改变相对于上述前端臂部的上述振动的上述频率特性。
4.根据权利要求3所述的机械手装置，其特征在于， 上述关节部是多个上述关节部， 上述联杆部是各自向相对应的上述关节部的上述前端方向侧延伸设置的多个上述联杆部， 上述前端功能部位于比最靠上述前端方向侧的上述关节部更靠上述前端方向侧的位置， 上述驱动构件是通过被驱动来使各自所对应的上述关节部进行工作的多个上述驱动构件， 上述伺服控制部是被输入与各自所对应的上述驱动构件的上述驱动指令、各自根据上述驱动指令来向所对应的上述驱动构件提供上述驱动电流的多个上述伺服控制部， 上述伺服增益变更部是变更与各自所对应的上述伺服控制部中的上述驱动指令相对的上述驱动电流的上述伺服增益来使各自所对应的上述关节部的上述工作特性变化的多个上述伺服增益变更部。
5.根据权利要求1所述的机械手装置，其特征在于， 还具备检测上述驱动构件的驱动状态的编码器， 上述状态检测部是如下振动检测部:该振动检测部具备随时间计算表示上述驱动构件的上述驱动指令与由上述编码器检测出的上述驱动构件的上述驱动状态之间的相关关系的相关数据的相关数据计算部，并根据上述相关数据来检测上述前端臂部的上述振动状态， 上述伺服增益变更部根据上述相关数据来变更上述伺服增益。
6.根据权利要求5所述的机械手装置，其特征在于， 上述驱动构件和上述编码器位于比上述前端臂部的基端更靠基端方向侧的位置， 上述机械手具备线状构件，该线状构件沿着上述长轴在上述驱动构件与上述前端臂部之间延伸设置，与上述驱动构件的上述驱动状态相对应地沿着上述长轴进行移动，从而使上述前端臂部进行动作。
7.根据权利要求1所述的机械手装置，其特征在于， 上述状态检测部是检测上述前端臂部的上述负荷状态的负荷检测部， 上述前端臂部具备能够将把持对象进行把持的把持部， 上述负荷检测部具备把持有`无检测部，该把持有无检测部根据上述前端臂部的上述负荷状态来检测上述把持部中有无把持上述把持对象， 上述伺服增益变更部根据有无把持上述把持对象来变更上述伺服增益。
【文档编号】B25J13/08GK103732364SQ201280038715
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2012年11月22日 优先权日:2012年3月15日
【发明者】河合利昌, 梅本义孝 申请人:奥林巴斯医疗株式会社