机械臂的操作系统的制作方法

本发明涉及从工作箱外部操作设置在密封的工作箱中的机械臂(robot arm)的系统。

背景技术：

近年来，机器人被应用于与医学或医疗相关的工作。用于与医疗等相关的工作的机器人需要具有耐消毒性和卫生性。经过表面处理以便响应这种需求的一些机器人已被推向市场。

在与医疗等相关的工作中，例如，提出了在密封工作箱中执行的细胞培养。在这种情况下，需要机械臂设置在工作箱中并且操作者从工作箱外部给出机械臂的操作命令的工作模式。常规地，所谓的主从式机器人的远程控制系统应用于这种工作模式(例如，参见JP08-318479A和JP08-90461A)。

当应用远程控制系统时，在工作箱外操作操作设备的一侧成为主动部(master)，并且在工作箱中的与该操作关联地移动的机械臂为从动部(slave)。

然而，因为用于与医疗等相关的工作的工作箱需要极高的密封性，并且除机械臂之外的各种设备和工作对象也设置在工作箱中，所以目前的从动部的机械臂的可移动区域极为有限。此外，当操作主动部时，由于工作箱具有高密封性，所以操作者难以知道从动部的机械臂实际上多么接近对象。

此外，操作机械臂的许多医务人员可能具有较少的机器人操作经验。因此，如果意外地操作操作设备，机械臂可能移动超出可移动区域。因此，例如，工作箱的内壁或工作箱内的设备可能受损，或者机械臂本身可能受损。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种机械臂的操作系统，其中，甚至具有较少操作经验的操作者也可以从工作箱外部容易且安全地执行设置在工作箱中的机械臂的操作。

根据本发明的一方面的机械臂的操作系统包括机械臂、操作设备、控制设备和反作用力控制器。所述机械臂设置在工作箱中，所述工作箱是密封的并且从外部可看到其内部。所述操作设备设置在所述工作箱外部并且包括操作装置，所述操作装置由操作者操作以输入所述机械臂的操作命令。所述控制设备基于来自所述操作设备的操作命令移动所述机械臂。基于表示所述机械臂在所述工作箱中的可移动区域的可移动区域信息，随着所述机械臂接近所述可移动区域的界限(limit)，所述反作用力控制器使对抗所述操作者在接近所述可移动区域的界限的方向上移动所述操作装置的力的反作用力增大。

根据上述配置，随着机械臂接近可移动区域的界限，当操作者在接近界限的方向上移动操作装置时，操作者通过逐渐增大的反作用力受到阻力并且操作感觉变得沉重。因此，由于阻力，操作者可以在机械臂到达界限之前在感觉上认识到机械臂接近可移动区域的界限，并且操作者可以自发地限制在接近可移动区域的界限的方向上的臂操作。因此，甚至当具有较少的机器人操作经验的操作者在无法密切观察内部的工作箱中的极为有限的可移动区域内操作机械臂时，可以容易地防止机械臂与工作箱的内壁或其他设备碰撞。

附图说明

当结合附图时，从下文的详细描述将更容易明白本发明的另外的目的和优点。在附图中：

图1是示出了根据第一实施例的远程控制系统的整体配置的示意图；

图2是示出了根据第一实施例的主动部和从动部的系统配置的功能框图；

图3A是示出了在主动部中执行的处理的流程图；

图3B是示出了在从动部中执行的处理的流程图；

图4是示出了根据从动臂的手部末端(hand tip)到障碍物的距离产生的反作用力的相对值的示例的示意图；

图5是示出了从动臂的虚拟反作用力(virtual reaction force)模型的示意图；

图6A是解释图5所示的关系的示意图；

图6B是示出了根据与障碍物的距离的反作用力控制的示例的示意图；

图6C是示出了根据从动臂的手部末端的行进速度的反作用力控制的示例的示意图；

图6D是示出了根据距离和速度产生的反作用力值的相关图的示例的示意图；并且

图7是示出了根据第二实施例的主动部和从动部的系统配置的功能框图。

具体实施方式

(第一实施例)

以下描述本发明的第一实施例。在示出了整体配置的示意性外观的图1中，作为操作设备的主动部1包括作为操作装置的主动臂2以及控制器3。作为工作设备的从动部4包括从动臂5和控制器6。控制器6对应于控制设备。控制器3、6经由通信电缆7连接。

在主动部1中，主动臂2设置在操纵台(console)10上，并且包括在端部的柄11。柄11可通过三个关节机构(joint mechanism)旋转，并且还可在围绕每个关节机构的轴的方向上旋转。也就是说，柄11可以相对于操纵台10以三个平移自由度和三个旋转自由度操作。因此，操作者A可以使柄11在预定的可移动范围内具有合适的位置姿态。

主动臂2还包括力检测器12，该力检测器在操作者A操作柄11时检测柄11受到的力。力检测器12检测柄11的移动受到的力作为在主动臂2的正交坐标系中的x、y、z轴方向上的平移力的力感测数据(force sense data)以及围绕每个坐标轴的旋转力的力感测数据，并且将检测的数据经由电缆13发送(transmit)到控制器3。

主动臂2配备有包括作为驱动部分的电动机的驱动机构(未示出)。驱动机构基于来自控制器3的控制信号驱动柄11。主动臂2还包括位置检测器(编码器)16，该位置检测器16检测形成每个驱动机构的电动机的旋转位置。

控制器3执行力感测数据的算法处理(arithmetic processing)，并且将处理的数据经由通信电缆7发送到从动部4。控制器3还发送位置检测器16检测的位置信息。此外，控制器3基于来自力检测器12的力感测数据以及从动部4发送的力数据和虚拟反作用力数据驱动主动臂2。下文将描述“虚拟反作用力”的含义。此外，主动臂2包括用于命令从动臂5的手部(hand)14抓住工作对象的开关。该开关可以设置在柄11上或者与柄11分开设置。

在从动部4中，从动臂5设置在工作箱20中。工作箱20用于医疗工作，例如，细胞培养，并且工作箱20的内部是密封空间。从动臂5经由电缆15与工作箱20外部的控制器6连接。电缆15从外部进入工作箱20的部分被密封以便防止细菌泄漏到内部和外部。

从动臂5可旋转地安装在工作箱20的底板21上，并且包括在端部的手部14。手部14可通过三个关节机构旋转，并且还可在围绕每个关节机构的轴的方向上旋转。因此，手部14可以以三个平移自由度和三个旋转自由度操作(垂直6轴结构)。因此，手部14可以在预定的可移动范围内具有合适的位置姿态。手部14形成为以便可抓握工作对象，并且基于来自主动部1的控制内容执行抓握动作。

从动臂5配备有力检测器22，该力检测器在手部14被驱动时检测受到的力(参见图2)。力检测器22检测手部14的移动受到的力作为在从动臂5的正交坐标系中的x、y、z轴方向上的平移力的力感测数据以及围绕每个坐标轴的旋转力的力感测数据，并且将检测的数据经由电缆15发送到控制器6。

从动臂5配备有包括作为驱动部分的电动机的驱动机构(未示出)。驱动机构根据来自控制器6的控制信号驱动手部14。从动臂5还包括位置检测器(编码器)17，该位置检测器17检测形成每个驱动机构的电动机的旋转位置(参见图2)。

控制器6执行力感测数据的算法处理，并且将处理的数据经由通信控制器23发送到主动部1。控制器6还发送位置检测器16检测的位置信息。此外，控制器6基于来自力检测器22的力感测数据以及来自主动部1的力感测数据驱动从动臂5。

工作箱20具有大致长方体的盒子形状。对象25-30设置在工作箱20内。对象25设置在从动臂5之外并且与工作箱20的顶板24的整个下表面接触。对象27具有长方体形状并且与对象25的下表面的一部分以及工作箱20的内壁26接触。对象28具有长方体形状并且设置在距离对象27的预定距离处以便与底板21的一部分以及内壁26接触。对象29、30设置在底板21上以便使从动臂5夹在两者之间。

例如，对象28、29的上表面充当从动臂5在上面工作的工作台。对象的至少一部分包括工作仪器(instrument)。与对象28、30接触的工作箱20的壁具有放入和取出仪器的门31。在门31关闭的状态下，工作箱20的内部处于密封状态。

因为工作箱20的内部布局被设计为如上所述，所以从动臂5的可移动空间(可移动区域)非常有限。也就是说，除基于从动臂5的结构的部分之外，从动臂5仅可以在对象25下方不存在对象27-30的空间中工作。在工作箱20中，至少与对象29、30接触的前壁表面以及与对象28、29接触的侧壁表面由透明玻璃或树脂制成，使得操作者A可以在从工作箱20外部观察从动臂5的移动的同时操作主动臂2。也就是说，从外部可看到工作箱20的内部。

接下来，以下参照图2描述控制器3、6的模块配置。主动部1中的控制器3包括通信控制器32、坐标变换器33、加法器(adder)34、滤波运算部35、轨迹计划部36、加法器37、逆变换器38和伺服部(servo section)39。通信控制器32与从动部4中的通信控制器23通信。坐标变换器33将力检测器12检测的力感测数据变换为标准坐标。坐标变换器33被设置以便甚至当从动部4的尺度(scale)或类型不同时在主动部1与从动部4之间建立一致性。换句话讲，坐标变换器33使得能够灵活地应对主动臂2与从动臂5之间的尺度或类型的差异。坐标变换器33将变换的力感测数据发送到通信控制器32和加法器34。

加法器34经由坐标变换器33接收变换的力感测数据并且经由通信控制器32接收从动部4发送的力感测数据和虚拟反作用力数据。以下，力感测数据与虚拟反作用力数据的组合被称为“施加的力的数据”。加法器34将通过将上述数据相加获得的值发送到滤波运算部35。当新的施加的力的数据的值不同于当前输出的施加的力的数据的值时，滤波运算部35具有在逐渐改变量的同时发送与差异对应的施加的力的数据的低通滤波器功能。

轨迹计划部36当主动臂2基于控制程序被操作时根据经过的时间产生轨迹数据，即，位置数据。逆变换器38经由加法器37接收与施加的力的数据相对应的轨迹数据和位置数据的额外的值作为目标位置数据。逆变换器38将目标位置数据逆向地变换为实际上与主动臂2对应的关节角度目标数据(joint angle target data)，并且将关节角度目标数据发送到伺服部39。

伺服部39驱动主动臂2中的柄11。当施加的力的数据包括虚拟反作用力数据时，伺服部39基于虚拟反作用力数据产生与柄11的运行方向相反的反作用力(反转矩、阻力矩)。通信控制器32包括存储器，并且在存储器中的每个预定地址存储坐标变换器33发送的力感测数据以及通信控制器23发送的施加的力的数据。

从动部4中的控制器6包括坐标变换器41、加法器42、滤波运算部43、轨迹计划部44、加法器45、逆变换器46、伺服部47、设备模型48、距离计算部49和虚拟反作用力计算部50。坐标变换器41将从动臂5中的力检测器22检测的力感测数据变换为标准坐标，并且以类似于主动臂2中的坐标变换器33的方式工作。坐标变换器41将变换的力感测数据发送到通信控制器23。加法器42接收来自坐标变换器41的变换的力感测数据，并且经由通信控制器32接收主动部1发送的力感测数据。

设备模型48存储表示从动臂5的可移动区域的三维坐标信息，这基于工作箱20中的对象25、27-30的布局来确定。当操作从动臂5时，应当防止从动臂5与工作箱20中的内壁或对象25、27-30接触或碰撞的情形。因此，设备模型48设置具有预定的裕度(margin)的可移动区域的界限位置，使得从动臂5不与内壁或对象25、27-30接触。

距离计算部49计算位置检测器17发送的从动臂5的当前位置与设备模型48发送的从动臂5的可移动区域的界限位置之间的距离，并且将此距离发送到虚拟反作用力计算部50。虚拟反作用力计算部50基于发送的距离和从动臂5的手部末端的行进速度计算施加到从动臂5和主动臂2的虚拟反作用力，并且将虚拟反作用力数据发送到通信控制器23和加法器42。虚拟反作用力计算部50从位置检测器17检测的位置变化量获取行进速度。虚拟反作用力计算部50对应于反作用力控制器。

加法器42接收力感测数据和虚拟反作用力数据，并且将通过将力感测数据和虚拟反作用力数据相加获得的值发送到滤波运算部43。滤波运算部43按照与主动部1中的滤波运算部35类似的方式工作。轨迹计划部44按照与主动部1中的轨迹计划部36类似的方式工作。加法器45和逆变换器46分别按照与主动部1中的加法器37和逆变换器38类似的方式工作。

伺服部47驱动从动臂5的手部14。通信控制器23包括存储器，并且在存储器中的每个预定地址存储坐标变换器41和通信控制器32发送的力感测数据以及虚拟反作用力计算部50发送的虚拟反作用力数据。

接下来，以下描述本实施例的操作。基于力感测数据的传递的驱动控制的原理类似于JP08-318479A。基本上，从动臂5与操作者A用手抓握并操作的主动臂2的移动关联地移动。在本实施例中，当从动臂5在从动部4中移动时，虚拟反作用力数据通过设备模型48、距离计算部49和虚拟反作用力计算部50的操作产生。然后，虚拟反作用力数据被发送到主动部1，并且影响操作者A对主动臂2的操作感觉。

如图3A所示，当操作者A操作主动臂2时，主动臂2的每个轴向位置被检测，并且手部末端坐标被计算(M1)。然后，手部末端坐标的信息被发送到从动部4(M2)。如图3B所示，在从动部4中，当主动部1发送的手部末端坐标被接收(S1；是)时，控制器6使从动臂5的手部末端(手部14)移动到与接收的手部末端坐标相对应的位置(S2)。

控制器6在操作期间计算从动臂5的手部末端坐标(S3)，并且确定手部末端坐标是否超过了从动臂5的可移动区域中设置的反作用力产生边界(S4)。反作用力产生边界是被设置为具有预定裕度的可移动区域的界限附近的三维边界。反作用力产生边界与可移动区域的界限之间的区域是反作用力产生区域。当手部末端坐标未超过反作用力产生边界时，即，当手部末端坐标在反作用力产生边界以内时(S4；否)，反作用力值为0(S7)。

另一方面，当手部末端坐标超过反作用力产生边界时(S4；是)，虚拟反作用力计算部50基于手部末端的位置与可移动区域的界限之间的距离计算反作用力值(S5)，虚拟反作用力计算部50将计算的反作用力值发送到主动部1(S6)。当主动部1接收到反作用力值(M3；是)时，控制器3中的伺服部39在相应的轴的电动机处产生阻力矩，以便在与操作者A在该点操作主动臂2的方向相反的方向上施加反作用力。

例如，如图4所示，当从动臂5的手部末端的位置与可移动区域的界限之间的距离，即，从动臂5的手部末端到工作箱20中的诸如对象25、27-30的障碍物的距离从100mm到50mm到1mm减小时，反作用力的相对值从1到50到99逐渐增大。反作用力值与电动机的重量对应，并且是抵消操作者A的力的力矩的量。至少99的反作用力被设置为操作者A基本上无法对抗反作用力操作主动臂2的力。当距离为0mm时，“软限制(soft limiting)”发挥作用，并且主动臂2完全停止移动，在所述“软限制”中，控制器3通过单独的控制程序限制操作。

图5是从动臂5的虚拟反作用力产生模型，并且从动臂5的手部末端与障碍物(对象25、27-30)经由虚拟弹簧及虚拟阻尼器连接。如图6A所示，当从动臂5的手部末端未超过反作用力产生边界时，反作用力值为0，并且操作者A可以在不受到特定阻力的情况下根据施加的操作力来操作主动臂2。

当从动臂5的手部末端超过反作用力产生边界时，主动臂2的驱动机构中产生反作用力，并且操作者A在主动臂2的操作感觉方面受到阻力。此时，根据与作为可移动区域的界限的障碍物的距离的反作用力控制(与虚拟弹簧对应)，以及根据主动臂2的手部末端的行进速度的反作用力控制(与虚拟阻尼器对应)被并行地执行。

在根据距离的反作用力控制中，如图6B所示，反作用力值随着与可移动区域的界限的距离的减小而增大。在图6B中，作为示例，反作用力值被图示为线性地变化。可替代地，反作用力值可以以二次曲线的方式变化。在根据速度的反作用力控制中，如图6C所示，反作用力值随着主动臂2的手部末端的行进速度的增大而增大。同样在图6C中，作为示例，反作用力值被图示为线性地变化。可替代地，反作用力值可以以二次曲线的方式变化。

施加到主动臂2的反作用力值是根据距离施加的反作用力值与根据行进速度施加的反作用力值的总和。图6D示出了根据距离和进行速度产生的反作用力值的相关图的示例。

在图6A至图6D中所示的图形中，参数被设置为使得反作用力值刚好在距离达到可移动区域的界限之前变为最大值，或者当在反作用力产生区域内的行进速度变为最高时变为最大值。因此，施加的反作用力趋向于很大，并且必定可以防止从动臂5的碰撞。此外，可以在比反作用力产生区域更小的区域中设置反作用力值。根据单个设计，反作用力值可以被设置为使得反作用力值刚好在距离达到可移动区域的界限之前并且当在反作用力产生区域内的行进速度变为最高时变为最大值。在上述情形中，施加的反作用力通常趋向于很小，并且对操作者A的操作感觉的影响很小，并且操作者A可以感觉到主动臂2容易移动。然而，需要设置较大的反作用力产生区域。

在上述示例中，当从动臂5的手部末端超过反作用力产生边界时产生反作用力。然而，在不限于手部末端的情况下，当从动臂5的任何部分超过反作用力产生边界时产生反作用力。在从动臂5的手部14工作的区域附近的反作用力产生边界处，反作用力值被设置为以便不影响工作。

根据本实施例，从动臂5设置在密封的工作箱20中，并且主动臂2作为用于通过操作者A输入从动臂5的操作命令的操作设备设置在工作箱20的外部。基于表示从动臂5在工作箱20中的可移动区域的可移动区域信息，随着从动臂5接近可移动区域的界限，虚拟反作用力计算部50使对抗操作者A在接近可移动区域的界限的方向上移动主动臂2的力的反作用力增大。

因此，随着从动臂5接近可移动区域的界限，当操作者A继续在相同方向上移动主动臂2时，操作者A受到逐渐增大的阻力，并且操作感觉变得沉重。因此，由于阻力，操作者A可以在感觉上认识到从动臂5接近可移动区域的界限，并且可以自发地限制在接近界限的方向上的臂操作。因此，即使当具有较少的机器人操作经验的操作者在非常有限的可移动区域内操作工作箱20中的从动臂5时，也可以容易地限制从动臂5与工作箱20的内壁或对象25、27-30的碰撞。

操作设备中的操作装置是具有与从动臂5相同的轴结构(axial structure)的主动臂2。因此，甚至具有较少的机器人操作经验的操作者可以通过操作具有与从动臂5类似的外观的主动臂2来给出操作命令，同时通过主动臂2受到的反作用力直观地控制工作箱20中的从动臂5的移动。

此外，虚拟反作用力计算部50设置达到可移动区域的界限之前(即，在可移动区域的界限前)的反作用力产生边界。虚拟反作用力计算部50在从动臂5在反作用力产生边界内时不产生反作用力，并且在从动臂5超过反作用力产生边界时产生反作用力。因此，因为当从动臂5移动超过反作用力产生边界时突然产生了反作用力，所以操作者A在操作中感到不适。然后，由于不适的感觉，操作者A可以容易识别从动臂5接近可移动区域的界限。

此外，因为虚拟反作用力计算部50在从动臂5移动超过反作用力产生边界时随着手部末端的进行速度的增大而增大反作用力，虚拟反作用力计算部50可以根据距离和行进速度的参数控制反作用力的强度。

虚拟反作用力计算部50设置在从动部4的控制器6中，随着从动臂5接近可移动区域的界限，反作用力的增大命令被发送到主动部1，并且主动部1的控制器3基于接收的增大命令使施加到主动臂2的反作用力增大。也就是说，从动部4的控制器6需要限制使得从动臂5的移动不超出可移动区域，而不管来自主动部1的操作命令。因此，应当理解，控制器6保持并管理关于可移动区域的信息，并且根据上述配置，控制器3不需要执行复杂的计算过程。

(第二实施例)

与第一实施例的相应的部件基本上相同的第二实施例的部件由相同的附图标记表示，并且可以省略这些部件的描述。将主要描述与第一实施例不同的第二实施例的部件。

如图7所示，设置在第一实施例的从动部4的控制器6中的设备模型48、距离计算部49和虚拟反作用力计算部50设置在第二实施例的主动部1的控制器3中。在这种情况下，虚拟反作用力计算部50发送的虚拟反作用力数据被输入到加法器34中。另外，在具有上述配置的第二实施例中，可以获得与第一实施例类似的效果。此外，可以减少从动部4到主动部1的通信数据量。

本发明不仅仅限于上文描述的或者附图中描述的实施例，并且以下修改或扩展是可能的。在工作箱20中执行的工作不限于与医疗相关的工作，并且可以是适合于在密封空间中执行的任何工作。成像设备，如照相机，可以设置在从动臂5上，工作箱20的内部可以被三维地扫描以根据内部布局生成关于可移动区域的信息，并且该信息可以最初被设置为设备模型48。操作设备中的操作装置并非总是需要具有与机械臂相同的轴结构。例如，操作设备可以是示教盒(teaching pendant)。