WO2017033351A1

WO2017033351A1 - 遠隔操作ロボットシステム

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Publication number: WO2017033351A1
Application number: PCT/JP2016/002575
Authority: WO
Inventors: 康彦橋本; 信恭下村; 毅前原; 掃部　雅幸
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd; Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd; Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2015-08-25
Filing date: 2016-05-27
Publication date: 2017-03-02
Anticipated expiration: 2018-02-25
Also published as: TWI611883B; EP3342558A4; US10631942B2; CN107921636B; US10631941B2; EP3342554B1; CN107848112B; US20180243922A1; CN107921645A; KR20180038480A; KR20180043326A; US10806534B2; JP6839084B2; US20180250830A1; TW201707881A; CN107921644A; KR20180019706A; EP3342554A1; JPWO2017033381A1; JPWO2017033378A1

Abstract

遠隔操作ロボットシステムは、スレーブアームと、スレーブアームが取り扱う対象物の形状を模したマスタ本体と、マスタ本体の位置及び姿勢に基づくオペレータの操作を受け付ける操作受付装置と、操作受付装置が受け付けた操作に基づいて、マスタ本体と対象物との振る舞いが対応するようにスレーブアームの動作を制御する制御装置とを備える。

Description

遠隔操作ロボットシステム

　本発明は、マスタ装置及びスレーブアームを備えた遠隔操作ロボットシステムに関する。

　従来、マスタ装置（即ち、遠隔操作装置）と、マスタ装置の操作に応じて動作するスレーブアームとを備えた遠隔操作ロボットシステムが知られている。マスタ装置としては、マニピュレータ、操作レバー、操作ボタンなどが利用されることがある。このような遠隔操作ロボットシステムにおいて、マスタ装置としてのマニピュレータの姿勢にスレーブアームの姿勢を従わせるように構成されたものがある。特許文献１では、この種の技術が開示されている。

　特許文献１には、医療用マスタースレーブ式マニュピュレータであって、マスタ装置として携帯型アーム操作部を備えたものが示されている。この携帯型アーム操作部は、オペレータが肩に掛けるベルトが付帯した操作テーブルと、操作テーブルに設けられたディスプレイと、操作テーブルに設けられた複数の小型のマスタアームとを備えている。これらのマスタ操作アームの先端部には、当該マスタアームによって操作される処置具の先端部に設けられた把持鉗子と対応した把持鉗子が装備されている。

特開平７－１９４６０９号公報

　上記特許文献１に記載の技術は医療用マニピュレータに関するものであるが、この技術をハンドリングロボットに適用させた場合、スレーブアームの手先部に装着されたハンドリング用エンドエフェクタ（例えば、ロボットハンドなど）に相当するエンドエフェクタをマスタアームの手先部に装着することに想到できる。

　しかし、上記のようにマスタアームや、マスタアームの手先部に装着されたロボットハンドを操ったとしても、オペレータにとっては対象物をハンドリングしている感覚に乏しい。そこで、本願の発明者らは、マスタアームや、マスタアームの手先部に装着されたエンドエフェクタではなく、スレーブアームが取り扱う対象物の外形を模した模擬対象物をマスタ装置とすることを考案した。

　本発明の一態様に係る遠隔操作ロボットシステムは、
スレーブアームと、
前記スレーブアームが取り扱う対象物の形状を模したマスタ本体と、
前記マスタ本体の位置及び姿勢に基づくオペレータの操作を受け付ける操作受付装置と、
前記操作受付装置が受け付けた操作に基づいて、前記マスタ本体と前記対象物との振る舞いが対応するように前記スレーブアームの動作を制御する制御装置とを備えることを特徴としている。

　上記遠隔操作ロボットシステムでは、オペレータがマスタ本体を動かすことによって、スレーブアームを操作することができる。つまり、オペレータが恰も自身が対象物を取り扱うかのようにマスタ本体を取り扱えば、対象物とマスタ本体との振る舞いが対応するようにスレーブアームが動作する。よって、オペレータはマスタ装置を用いて直感的にスレーブアームを操作することができる。

　本発明の遠隔操作ロボットシステムによれば、オペレータがマスタ装置を用いて直感的にスレーブアームを操作することができる。

本発明の一実施形態に係る遠隔操作ロボットシステムが導入された自動車組立ラインの様子を示す図である。第１実施形態に係るマスタ装置を備えた遠隔操作ロボットシステムの概略構成を示すブロック図である。スレーブアームの制御系統の構成を示すブロック図である。第２実施形態に係るマスタ装置を備えた遠隔操作ロボットシステムの概略構成を示すブロック図である。第３実施形態に係るマスタ装置を備えた遠隔操作ロボットシステムの概略構成を示すブロック図である。第４実施形態に係るマスタ装置のマスタ本体の模式図である。

　以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

〔遠隔操作ロボットシステム１００〕
　図１は本発明の一実施形態に係る遠隔操作ロボットシステム１００を備えた自動車組立ラインの様子が示す図であり、図２は遠隔操作ロボットシステム１００の概略構成を示すブロック図である。図１及び図２に示すように、遠隔操作ロボットシステム１００は、マスタースレーブ方式のロボットシステムであって、スレーブアーム１と、マスタ装置２０と、入力装置７と、出力装置４と、状況取得装置５と、システム１００を包括的に制御する制御ユニット６とを備えている。

　図１には、作業空間内にコンベヤ９９によって形成されたワークの搬送ラインと、搬送ラインに沿って設置されたスレーブアーム１と、作業空間から離れた位置（作業空間外）に設置されたマスタ装置２０とを備えた自動車組立ラインが示されている。この自動車組立ラインにおいて、スレーブアーム１は、パーツの一例であるシートＰを、ワークであるボディＷの内部に搬入する作業を行う。以下の説明では、シートＰをスレーブアーム１が取り扱う対象物と規定する。但し、対象物はシートＰに限定されず、スレーブアーム１（より詳細には、スレーブアーム１のエンドエフェクタ１２）が取り扱う物に広く適用させることができる。また、本発明に係る遠隔操作ロボットシステム１００は、このような自動車組立ラインに限定されず、各種製造設備において広く適用させることができる。

　本実施形態に係るスレーブアーム１は、自動モード、手動モード、及び、修正自動モードの３つの制御モードを有する。これら複数の制御モードのうち選択された一つで動作が制御されるように、スレーブアーム１の制御モードを切り替えることができる。

　本明細書では、スレーブアーム１が、予め設定されたタスクプログラムに従って動作する制御モードを「自動モード」と称する。自動モードでは、従来のティーチングプレイバックロボットと同様に、オペレータによるマスタ装置２０の操作なしに、スレーブアーム１が所定の作業を自動的に行う。

　また、本明細書では、スレーブアーム１が、マスタ装置２０が受け付けたオペレータの操作に基づいて動作する制御モードを「手動モード」と称する。マスタ装置２０は、オペレータがマスタ装置２０を直接的に動かすことによって入力した操作を受け付けることができる。なお、手動モードでは、マスタ装置２０が受け付けたオペレータの操作や、この操作に基づいて動作しているスレーブアーム１の動きが、自動的に修正されてもよい。

　また、本明細書では、スレーブアーム１が、マスタ装置２０が受け付けたオペレータの操作によって逐次修正されながら予め設定されたタスクプログラムに従って動作する制御モードを「修正自動モード」と称する。修正自動モードでは、予め設定されたタスクプログラムに従って動作しているスレーブアーム１の動きが、マスタ装置２０が受け付けたオペレータの操作に基づいて修正される。

　以下、遠隔操作ロボットシステム１００の各構成要素について詳細に説明する。

〔スレーブアーム１〕
　図１には、ワークの搬送ラインと平行に離間して設置された２台のスレーブアーム１が示されている。２台のスレーブアーム１はいずれも垂直多関節ロボットであって、エンドエフェクタ１２を除いて実質的に同一の構成を有している。なお、マスタ装置２０は、１台のスレーブアーム１を操作できるように構成されていてもよいし、２台以上の複数のスレーブアーム１を操作できるように構成されていてもよい。ここでは説明を単純化するために、マスタ装置２０は１台のスレーブアーム１を操作できるように構成されているものとする。

　図２に示すように、スレーブアーム１は、複数のリンク１１ａ～１１ｆの連接体と、これを支持する基台１５とから構成された、複数の関節ＪＴ１～ＪＴ６を有する多関節ロボットアームである。より詳しくは、第１関節ＪＴ１では、基台１５と、第１リンク１１ａの基端部とが、鉛直方向に延びる軸回りに回転可能に連結されている。第２関節ＪＴ２では、第１リンク１１ａの先端部と、第２リンク１１ｂの基端部とが、水平方向に延びる軸回りに回転可能に連結されている。第３関節ＪＴ３では、第２リンク１１ｂの先端部と、第３リンク１１ｃの基端部とが、水平方向に延びる軸回りに回転可能に連結されている。第４関節ＪＴ４では、第３リンク１１ｃの先端部と、第４リンク１１ｄの基端部とが、第４リンク１１ｄの長手方向に延びる軸回りに回転可能に連結されている。第５関節ＪＴ５では、第４リンク１１ｄの先端部と、第５リンク１１ｅの基端部とが、第４リンク１１ｄの長手方向と直交する軸回りに回転可能に連結されている。第６関節ＪＴ６では、第５リンク１１ｅの先端部と第６リンク１１ｆの基端部とが、捻れ回転可能に連結されている。そして、第６リンク１１ｆの先端部にはメカニカルインターフェースが設けられている。このメカニカルインターフェースには、作業内容に対応したエンドエフェクタ１２（図１、参照）が着脱可能に装着される。

　図３はスレーブアーム１の制御系統の構成を示すブロック図である。この図では、モータ制御部１６を中心とした具体的な電気的構成が示されている。図３に示すように、スレーブアーム１の各関節ＪＴ１～ＪＴ６には、それが連結する２つの部材を相対的に回転させるアクチュエータの一例としての駆動モータＭ１～Ｍ６が設けられている。駆動モータＭ１～Ｍ６は、例えば、モータ制御部１６によってサーボ制御されるサーボモータである。また、各駆動モータＭ１～Ｍ６には、その回転位置を検出するための位置センサＥ１～Ｅ６と、その回転を制御する電流を検出するための電流センサＣ１～Ｃ６とが設けられている。位置センサＥ１～Ｅ６は、例えば、エンコーダ、レゾルバ、パルスジェネレータなどの回転位置を検出できるものであればよい。なお、上記の駆動モータＭ１～Ｍ６、位置センサＥ１～Ｅ６、及び電流センサＣ１～Ｃ６の記載では、各関節ＪＴ１～ＪＴ６に対応してアルファベットに添え字の１～６が付されている。以下では、関節ＪＴ１～ＪＴ６のうち任意の関節を示す場合には添え字を省いて「ＪＴ」と称し、駆動モータＭ、位置センサＥ、及び電流センサＣについても同様とする。

　駆動モータＭ、位置センサＥ、及び電流センサＣは、モータ制御部１６と電気的に接続されている。本実施形態に係るモータ制御部１６は、１台で複数の駆動モータＭをサーボ制御できるものであるが、各駆動モータＭに対応するモータ制御部が設けられていてもよい。

　モータ制御部１６では、後述する制御ユニット６（より詳細には、スレーブ制御部６１）より取得した位置指令値やサーボゲイン等に基づいて駆動指令値（電流指令値）を生成し、駆動指令値に対応した駆動電流を駆動モータＭへ供給する。駆動モータＭの出力回転角は位置センサＥによって検出され、モータ制御部１６へフィードバックされる。但し、モータ制御部１６とスレーブ制御部６１との機能が、単一の回路又は単一の演算装置によって実現されていてもよい。

　制御ユニット６（より詳細には、スレーブ制御部６１）からモータ制御部１６へ位置指令値が入力されると、入力された位置指令値は減算器３１ｂのプラス側の入力に与えられる。この減算器３１ｂのマイナス側の入力には、位置センサＥで検出された回転角を表す信号（位置現在値）が与えられる。減算器３１ｂでは、位置指令値から回転角が減算される。減算器３１ｂの出力は係数器３１ｃに与えられ、ここで位置ゲインＫｐで増幅されてから、減算器３１ｅの＋入力に与えられる。この減算器３１ｅの－入力には、位置センサＥからの回転角が微分器３１ｄで微分されたものが与えられる。減算器３１ｅの出力は係数器３１ｆに与えられ、ここで速度ゲインＫｖで増幅されてから、減算器３１ｇの＋入力に与えられる。この減算器３１ｇの－入力には、電流センサＣからの電流値が与えられる。減算器３１ｇの減算出力が駆動指令値として増幅回路３１ｈへ入力され、増幅された駆動指令値と対応する駆動電流が駆動モータＭへ供給される。

〔マスタ装置２０〕
　マスタ装置２０は、オペレータの操作を受け付ける手段である。マスタ装置２０は、スレーブアーム１が取り扱う対象物の形状を模したマスタ本体２と、マスタ本体２の位置及び姿勢に基づいてマスタ本体２に与えられた操作を受け付ける操作受付装置３とで構成されている。

　マスタ本体２には、振動モータ３０が搭載されている。振動モータ３０は、例えば、モータと、モータの出力軸に固定された分銅とから構成される。このような振動モータ３０では、モータが回転すると分銅の重心不釣り合いのために振動が発生する。振動モータ３０で発生した振動は、マスタ本体２に伝達され、マスタ本体２を振動させる。なお、振動モータ３０の駆動電力はマスタ本体２に搭載された図示されないバッテリから供給される。

　本実施形態に係る遠隔操作ロボットシステム１００では、手動モード及び修正自動モードにおいて、スレーブアーム１に保持された対象物（例えば、シートＰ）がマスタ本体２と対応する振る舞いをするように、スレーブアーム１が動作する。つまり、スレーブアーム１に保持された対象物とマスタ本体２との位置及び姿勢の変化が対応するように（例えば、同じ又は相似となるように）、スレーブアーム１が動作する。マスタ装置２０については、後ほど詳細に説明する。

〔入力装置７〕
　入力装置７は、マスタ装置２０と共に作業空間外に設置され、操作者からの操作指示を受け付け、受け付けた操作指示を制御ユニット６に入力する入力手段である。入力装置７では、スレーブアーム１の位置や姿勢に係る操作以外の操作が入力される。入力装置７には、スレーブアーム１の制御モードを選択するための操作入力具や、非常停止スイッチなど、スレーブアーム１の位置や姿勢を除く操作指令を入力する１以上の操作入力具が設けられている。１以上の操作入力具には、例えば、タッチパネル、キー、レバー、ボタン、スイッチ、ダイヤルなどの既知の操作入力具が含まれていてよい。また、入力装置７として、ペンダントやタブレットなどの携帯端末が用いられてもよい。

〔状況取得装置５〕
　状況取得装置５は、スレーブアーム１の作業空間内における状況を示す状況情報を取得する手段である。状況情報は、作業空間内におけるスレーブアーム１の位置及び姿勢等、或いはスレーブアーム１を取り巻く周囲の状況を認識するために利用する情報を含む。より具体的には、状況情報は、例えば、作業空間内におけるスレーブアーム１の位置及び姿勢、スレーブアーム１とワークとの位置関係、又はスレーブアーム１と組付部品を組付ける被組付部品との位置関係等、作業空間内においてスレーブアーム１の状況及びスレーブアーム１の周囲の状況を認識可能とするために必要な情報が含まれる。

　状況取得装置５は、例えば、センサ、撮像装置（カメラ）、通信器、エンコーダ等によって実現できる。センサとしては、例えば、組付部品又は被組付部品までの距離又は位置を計測するためのレーザーセンサ、又はレーダーセンサなどが例示できる。更には、複数の撮像装置から得られた画像データを用いてスレーブアーム１からその周囲の物体までの距離を計測するセンサであるステレオカメラなども例示できる。通信器としては、例えば、組付部品又は被組付部品、或いは作業空間内の所定位置に設置されたセンサ及び撮像装置からの情報を取得する通信器等が挙げられる。エンコーダとしては、例えば、スレーブアーム１の移動量又は位置を検知できるエンコーダが例示できる。

　状況取得装置５は状況情報を逐次取得しており、取得された状況情報は、後述する制御ユニット６に入力され、制御ユニット６においてスレーブアーム１の動作制御に利用される。更には、制御ユニット６は、状況情報を出力装置４において出力させるように制御する構成としてもよい。状況取得装置５は、スレーブアーム１に取り付けられていてもよいし、作業空間内の適切な位置に取り付けられていてもよい。また、取り付けられる状況取得装置５の数は１つであってもよいし複数であってもよい。適切に状況情報を取得できる位置に適切な個数の状況取得装置５が取り付けられていればよく、取り付け位置及び取り付け個数は任意である。

〔出力装置４〕
　出力装置４は、制御ユニット６から送信された情報を出力するものである。出力装置４は、マスタ本体２を操作しているオペレータから視認しやすい位置に設置される。出力装置４には、少なくともディスプレイ装置４１が含まれており、更に、プリンタやスピーカや警報灯などが含まれていてもよい。ディスプレイ装置４１では、制御ユニット６から送信された情報が表示出力される。例えば、スピーカでは、制御ユニット６から送信された情報が音として出力される。また、例えば、プリンタでは、制御ユニット６から送信された情報が紙などの記録媒体に印字出力される。

〔記憶装置８〕
　記憶装置８には、スレーブアーム１の制御に用いられる各種タスクプログラムが記憶されている。タスクプログラムは、作業ごとの動作フローとして作成されていてよい。タスクプログラムは、例えば、ティーチングにより作成され、スレーブアーム１の識別情報とタスクとに対応付けられて記憶装置８に格納される。なお、記憶装置８は制御ユニット６から独立して記載されているが、制御ユニット６が備える記憶装置が記憶装置８としての機能を担ってもよい。

　また、記憶装置８には、予め作成された動作シーケンス情報が記憶されている。動作シーケンス情報とは、作業空間内でスレーブアーム１によって実施される一連の作業工程を規定した動作シーケンスに関する情報である。この動作シーケンス情報では、作業工程の動作順と、スレーブアーム１の制御モードとが対応付けられている。また、この動作シーケンス情報では、各作業工程に対しスレーブアーム１にその作業を自動的に実行させるためのタスクプログラムが対応づけられている。但し、動作シーケンス情報が、各作業工程に対しスレーブアーム１にその作業を自動的に作業を実行させるためのプログラムを含んでいてもよい。

〔制御ユニット６〕
　図２に示すように、制御ユニット６には、スレーブアーム１と、マスタ装置２０と、出力装置４と、状況取得装置５と、入力装置７と、記憶装置８とが有線又は無線で通信可能に接続されている。

　制御ユニット６は、いわゆるコンピュータであって、ＣＰＵ等の演算処理部と、ＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶部を有している（いずれも図示せず）。記憶部には、制御ユニット６が実行する制御プログラムや、各種固定データ等が記憶されている。演算処理部は、例えば、入力装置７、出力装置４、記憶装置８などの外部装置とデータの送受信を行う。また、演算処理部は、各種センサからの検出信号の入力や各制御対象への制御信号の出力を行う。制御ユニット６では、記憶部に記憶されたプログラム等のソフトウェアを演算処理部が読み出して実行することにより、システム１００の各種動作を制御するための処理が行われる。なお、制御ユニット６は単一のコンピュータによる集中制御により各処理を実行してもよいし、複数のコンピュータの協働による分散制御により各処理を実行してもよい。また、制御ユニット６は、マイクロコントローラ、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）等から構成されていてもよい。

　制御ユニット６は、機能ブロックとして、ホスト制御部６０と、スレーブ制御部６１と、マスタ装置２０の動作を制御するマスタ制御部６２と、受信部６３と、出力制御部６４と、修正部６５と、外力検出部６６と、振動制御部６７とを備えている。図２では、これらの機能ブロックが１つの制御ユニット６にまとめて示されているが、各機能ブロック又は複数の機能ブロックの組み合わせが独立した１以上のコンピュータによって実現されていてもよい。この場合、これらの機能ブロックのうち一部が作業空間に配置され、残部が作業外空間に配置されていてもよい。

　スレーブ制御部６１は、スレーブアーム１の動作を制御する。スレーブ制御部６１は、自動モードのときは、記憶装置８に記憶されたタスクプログラムを読み出してこのタスクプログラムに従って位置指令値を生成し、位置指令値やサーボゲイン等をスレーブアーム１のモータ制御部１６へ与える。また、スレーブ制御部６１は、手動モードのときは、マスタ装置２０が受け付け、受信部６３で受信した操作情報に基づいて位置指令値を生成し、位置指令値やサーボゲイン等をスレーブアーム１のモータ制御部１６へ与える。また、スレーブ制御部６１は、修正自動モードのときは、記憶装置８に記憶されたタスクプログラムを読み出してこのタスクプログラムと修正部６５から取得した修正指令値とに基づいて位置指令値（又は修正された位置指令値）を生成し、位置指令値やサーボゲイン等をモータ制御部１６へ与える（図３、参照）。なお、修正自動モードのときに、修正部６５から修正指令値が与えられなければ、修正指令値はゼロとして演算される。

　受信部６３は、制御ユニット６の外部から送信された入力信号を受信する。受信部６３によって受信する入力信号として、例えば、マスタ装置２０から送信された信号、入力装置７から送信された信号、状況取得装置５から送信された状況情報を示す信号等が挙げられる。

　出力制御部６４は、出力装置４を制御し、オペレータに通知される情報を出力装置４へ出力する。例えば、出力装置４は、動作シーケンスのうち選択部分を開始するときに、対象となるスレーブアーム１を識別する情報と、スレーブアーム１の制御モードの選択の入力を促す情報とをディスプレイ装置４１に出力する。また、例えば、出力装置４は、スレーブアーム１の制御モードが手動モード及び修正自動モードのときに、マスタ装置２０に操作されるスレーブアーム１の状況情報や動作状況をディスプレイ装置４１に出力する。また、例えば、出力装置４は、システム１００に不具合が発生したときにスピーカやディスプレイ装置４１に警報を出力する。

　修正部６５は、スレーブアーム１の制御モードが修正自動モードであるときに、マスタ装置２０が受け付けた操作に基づいて、スレーブアーム１の動きを修正する。例えば、オペレータがマスタ本体２を動かすことによりマスタ本体２の位置及び姿勢が変化すると、マスタ装置２０はこの位置及び姿勢の変位を修正指示として受け付け、制御ユニット６へ入力する。スレーブアーム１の制御モードが修正自動モードであるときに、受信部６３が修正指示信号を受信すると、修正部６５が修正指示信号に基づいて修正指令値を生成する。修正指示信号から修正指令値を求める演算式又はマップは予め記憶されている。このような修正指令値は、例えば、マスタ本体２の位置及び姿勢の変化量に比例した値であってよい。生成された修正指令値はスレーブ制御部６１へ伝達され、スレーブ制御部６１から修正された位置指令値がモータ制御部１６へ出力される（図３、参照）。

　外力検出部６６は、スレーブアーム１の制御モードが手動モード及び修正自動モードのときに、スレーブアーム１が環境から受けた外力を検出する。本実施形態に係る外力検出部６６では、マスタ本体２の位置及び姿勢の変位と、これに対応するスレーブアーム１の位置及び姿勢の変位との誤差を、スレーブアーム１が環境から受けた外力として検出する。なお、マスタ本体２の位置及び姿勢の変位は、操作受付装置３から取得した情報に基づいて求めることができる。また、スレーブアーム１の位置及び姿勢の変位は、制御ユニット６又はモータ制御部１６が位置センサＥから取得した各関節ＪＴの回転位置に基づいて求めることができる。外力検出部６６は求めた外力を振動制御部６７へ与える。

　振動制御部６７は、外力検出部６６は求めた外力に基づいて、マスタ本体２に搭載された振動モータ３０を動作させるように、振動モータ３０へ駆動信号を出力する。振動モータ３０への駆動信号は、本実施形態では操作受付装置３を介してマスタ本体２へ出力されるが、制御ユニット６から無線でマスタ本体２へ出力されてもよい。

　振動制御部６７は、外力が所定の閾値以下であれば、振動モータ３０を振動させない。つまり、振動制御部６７は外力が所定の閾値以下であれば、振動モータ３０へ駆動信号を出力しない。また、振動制御部６７は、外力が所定の閾値を超えれば、外力の大きさに比例した回転数で振動モータ３０を振動させるように、振動モータ３０（即ち、マスタ本体２）へ駆動信号を出力する。振動モータ３０の回転数が上がれば、振幅が大きくなり、マスタ本体２をより大きく振動させることが可能となる。これにより、マスタ本体２を取り扱うオペレータは、スレーブアーム１が環境から受けた外力の有無及びその大きさをマスタ本体２の振動によって知覚することができる。

　ホスト制御部６０は、記憶装置８に記憶された動作シーケンス情報を読み出し、この動作シーケンス情報に沿ってスレーブアーム１、マスタ装置２０、出力装置４、及び状況取得装置５が動作するように、スレーブ制御部６１、マスタ制御部６２、出力制御部６４、修正部６５、外力検出部６６、及び振動制御部６７に指令を出力する。

〔遠隔操作ロボットシステム１００の動作〕
　続いて、上記構成の遠隔操作ロボットシステム１００の動作の一例を説明する。ここでは、遠隔操作ロボットシステム１００を自動車組立ラインに構築し、スレーブアーム１に自動車のボディにシートを取り付ける作業を行わせる事例に当てはめて、システム１００の動作の流れを説明する。但し、本発明に係る遠隔操作ロボットシステム１００は、このような自動車組立ラインに限定されず、各種製造設備において広く適用させることができる。

　記憶装置８に記憶された自動車のボディへのシート取付作業の動作シーケンス情報は、コンテナからシートを取り出す部品取出タスクＴ１、シートをボディの取付位置近傍まで搬送する部品搬送タスクＴ２、及び、取付位置近傍にあるシートを取付位置へ取り付ける部品取付タスクＴ３からなり、これらのタスクＴ１～Ｔ３をこの順に繰り返し実行する。この動作シーケンスのうち、部品取出タスクＴ１及び部品搬送タスクＴ２は、スレーブアーム１が自動モードで動作する「自動部分」である。動作シーケンスのうち自動部分には、制御モードとして自動モードが対応付けられている。また、動作シーケンスのうち、部品取付タスクＴ３は、スレーブアーム１が自動モード、手動モード、及び、修正自動モードから選択された制御モードで動作する「選択部分」である。動作シーケンスのうち選択部分には特定の制御モードは対応付けられておらず、制御モードが選択可能となっている。

　初めに、制御ユニット６は、記憶装置８に記憶された所定の動作シーケンス情報を読み出し、この動作シーケンス情報に沿ってシステム１００の制御を開始する。

　前述の自動車のボディへのシート取付作業の動作シーケンスの例に従えば、先ず、制御ユニット６は、記憶装置８から部品取出タスクＴ１のタスクプログラムを読み出して実行する。次いで、制御ユニット６は、部品搬送タスクＴ２のタスクプログラムを読み出して実行する。部品取出タスクＴ１及び部品搬送タスクＴ２では、制御ユニット６は自動モードでスレーブアーム１の動作を制御する。

　部品搬送タスクＴ２が終了すると、制御ユニット６は、次の部品取付タスクＴ３の制御モードの選択をオペレータに促すための選択画面をディスプレイ装置４１に表示させる。併せて、制御ユニット６は、制御モードが選択されようとしているスレーブアーム１の状況情報をディスプレイ装置４１に出力させる。ここで、ディスプレイ装置４１に表示出力される状況情報に、映されているスレーブアーム１の識別情報や、次に行うプロセスの内容などが含まれていてもよい。

　オペレータは、ディスプレイ装置４１に表示されたスレーブアーム１の状況情報を視認して、３つの制御モードのうち１つを選択する。オペレータによる制御モードの選択は、マスタ装置２０又は入力装置７によって受け付けられ、制御ユニット６へ入力される。

　上記において、自動モードが選択されると、制御ユニット６は、記憶装置８から部品取付タスクＴ３のタスクプログラムを読み出して、自動モードでスレーブアーム１の動作を制御する。また、手動モードが選択されると、制御ユニット６は手動モードでスレーブアーム１の動作を制御する。或いは、修正自動モードが選択されると、制御ユニット６は修正自動モードでスレーブアーム１の動作を制御する。

　上記において、手動モード及び修正自動モードのうちいずれかが選択されると、制御ユニット６は、そのプロセスに亘ってスレーブアーム１の状況情報をディスプレイ装置４１に表示出力させる。以上説明したように、制御ユニット６は動作シーケンスに沿って作業工程を順次進行させる。

　以下、マスタ装置２０の第１～第４実施形態について説明する。各実施形態においては、マスタ装置２０を除いて遠隔操作ロボットシステム１００の余の構成は実質的に同一である。また、各実施形態においてマスタ装置２０の構成は一部共通する。そこで、以下の説明では、同一又は類似の部材には図面に同一の符号を付し、重複する説明を省略することとする。

〔第１実施形態〕
　図２は、第１実施形態に係るマスタ装置２０（２０Ａ）を備えた遠隔操作ロボットシステム１００の概略構成を示すブロック図である。図２に示すように、マスタ装置２０Ａは、マスタ本体２Ａと操作受付装置３Ａとを備えている。

　本実施形態において、スレーブアーム１が取り扱う対象物は自動車のシートＰ（図１、参照）である。そこで、マスタ本体２は、スレーブアーム１が取り扱う対象物、即ち、シートＰの外形を模した形状を呈している。なお、マスタ本体２の外形は対象物と同一形状に限定されず、対象物と相似形状であってもよい。例えば、オペレータが操りやすいように、マスタ本体２の外形は、対象物よりも小型で且つ対象物と相似形状であってもよい。

　マスタ本体２は、その外形がスレーブアーム１が取り扱う対象物の外形と対応していれば、内部構造や材料などは対象物と対応していなくともよい。例えば、マスタ本体２は、発泡樹脂成形物、或いは、中空の樹脂成形物であってよい。このようなマスタ本体２は、例え大型であっても、オペレータが容易に操ることができる程度に十分に軽量である。但し、マスタ本体２として、対象物と同一物を用いることは妨げられない。対象物と同一物をマスタ本体２として用いれば、マスタ本体２を設計したり製造したりするコストや工数を省くことができる。

　更に、マスタ本体２には、オペレータが対象物（シートＰ）を両手で取り扱う際の持ち位置と対応する位置に、一対の持手部２７が設けられている。各持手部２７は、例えば、ハンドルなどのオペレータが握りやすい形状部分を有している。

　持手部２７のうち少なくとも一方には、オンオフスイッチ３６が設けられている。このようにオンオフスイッチ３６が持手部２７に設けられることによって、オペレータは持手部２７を握りながらオンオフスイッチ３６を操作することができる。但し、オンオフスイッチ３６は、オペレータの足元に設けられたフットスイッチであってもよい。オンオフスイッチ３６のオン／オフ信号は操作受付装置３へ出力される。操作受付装置３は、オンオフスイッチ３６がオンであるときにマスタ本体２の位置及び姿勢に基づいてマスタ本体２に与えられた操作指令を受け付ける。

　また、操作受付装置３Ａは、モーションセンサユニット２８と、可動側の通信部２９と、固定側の通信部３２と、演算部３３とを備えている。このうち、モーションセンサユニット２８及び可動側の通信部２９は、マスタ本体２Ａに搭載されている。

　モーションセンサユニット２８には、少なくとも加速度センサと角速度センサとが含まれている。なお、モーションセンサユニット２８は公知であり、その具体的構造に関する説明は省略する。可動側の通信部２９は、モーションセンサユニット２８が搭載する各センサで検出された検出データを無線で固定側の通信部３２へ送信出力する。また、可動側の通信部２９は、オンオフスイッチ３６のオン／オフ信号を無線で固定側の通信部３２へ送信出力する。更に、可動側の通信部２９は、振動モータ３０の駆動信号を無線で固定側の通信部３２から受信する。

　固定側の通信部３２は、制御ユニット６から受けた振動モータ３０の駆動信号を出力する。また、固定側の通信部３２は、可動側の通信部２９から出力されたモーションセンサユニット２８の検出情報やオンオフスイッチ３６のオン／オフ信号を受信する。演算部３３は、通信部３２が受信した情報に基づいてマスタ本体２の位置及び姿勢を求める。なお、モーションセンサユニット２８で検出された加速度情報と角速度情報に基づいて移動物体（即ち、マスタ本体２）の位置及び姿勢を求める手法は公知であるので、演算部３３での演算処理の内容に係る詳細な説明は省略する。操作受付装置３Ａは制御ユニット６と通信可能に接続されており、操作受付装置３Ａは求めたマスタ本体２の位置及び姿勢に基づく操作情報を制御ユニット６へ入力する。

　以上説明した通り、本実施形態に係る遠隔操作ロボットシステム１００は、スレーブアーム１と、スレーブアーム１が取り扱う対象物の形状を模したマスタ本体２と、マスタ本体２の位置及び姿勢に基づくオペレータの操作を受け付ける操作受付装置３と、操作受付装置３が受け付けた操作に基づいて、マスタ本体２と対象物との振る舞いが対応するようにスレーブアーム１の動作を制御する制御ユニット６（詳細には、スレーブ制御部６１）とを備えている。

　上記構成の遠隔操作ロボットシステム１００によれば、オペレータが対象物の形状を模したマスタ本体２を動かすことによって、スレーブアーム１を操作することができる。つまり、オペレータが恰も自身が対象物を取り扱うかのようにマスタ本体２を取り扱えば、対象物とマスタ本体２との振る舞いが対応するようにスレーブアーム１が動作する。例えば、オペレータがシートＰを模したマスタ本体２を、恰も自動車のボディＷ内に配置するように動かせば、スレーブアーム１に保持されたシートＰが自動車のボディＷ内に配置されるようにスレーブアーム１が動作する。よって、オペレータはマスタ装置２０を用いて直感的にスレーブアーム１を操作することができる。

　特に、本実施形態に係る操作受付装置３Ａは、マスタ本体２Ａに搭載されたモーションセンサユニット２８と、モーションセンサユニット２８で検出された情報に基づいてマスタ本体２の位置及び姿勢を求める演算部３３とを有している。

　このようにマスタ装置２０Ａの操作受付装置３Ａはモーションセンサの技術を利用したものであるので、マスタ本体２Ａは固定されず、可搬性を有する。そして、オペレータは、通信部２９，３２が通信可能なエリア内で、マスタ本体２Ａを移動させて、マスタ本体２Ａを操ることができる。

　また、上記実施形態に係る遠隔操作ロボットシステム１００では、マスタ本体２に、オペレータがスレーブアーム１が取り扱う対象物を両手で取り扱う際の持ち位置と対応する位置に一対の持手部２７が設けられている。

　これにより、オペレータは、これらの持手部２７を握って安定してマスタ本体２を操ることができる。

　また、上記実施形態に係る遠隔操作ロボットシステム１００は、マスタ本体２に搭載された振動モータ３０と、スレーブアーム１が環境から受けた外力を検出する外力検出部６６（外力検出装置）と、外力検出部６６で検出された外力がマスタ本体２の振動としてオペレータに提示されるように、振動モータ３０を動作させる振動制御部６７（振動制御装置）とを更に備えている。ここで、振動制御部６７は、外力検出部６６で検出された外力の大きさに比例した回転数で振動モータ３０を動作させている。

　このように、外力検出部６６で検出された外力及びその大きさがマスタ本体２の振動としてオペレータに提示されることによって、振動を知覚したオペレータはマスタ本体２の移動を減速するなどの対応を採ることができる。

　また、上記実施形態に係る遠隔操作ロボットシステム１００は、タスクプログラムを記憶した記憶装置８を更に備えている。そして、スレーブアーム１は、予め記憶されたタスクプログラムに基づいて動作する自動モードと、操作受付装置３が受け付けたオペレータの操作に基づいて動作する手動モードと、操作受付装置３が受け付けたオペレータの操作によって逐次修正されながらタスクプログラムに基づいて動作する修正自動モードとの複数の制御モードを有し、制御ユニット６（詳細には、スレーブ制御部６１）は、複数の制御モードのなかから選択された一つでスレーブアーム１を動作させる。

　これによれば、オペレータは、作業内容やスレーブアーム１の状況に応じて自動モードと手動モードと修正自動モードとから、スレーブアーム１の制御モードを選択することができる。制御モードの選択はオペレータの判断で行うことが可能である。例えば、脆弱な部品を把持、精密な嵌め合い、正確な位置決めや軸合わせなどの作業は、スレーブアーム１の動きにオペレータの操作を反映させることのできる手動モード又は修正自動モードで行われることが好適である。このような作業において、例えば、スレーブアーム１を完全に自動で動作させると不具合の発生が予想されるような場合には、修正自動モードが選択されるとよい。修正自動モードでは、スレーブアーム１の自動的な動作を基調としつつ、オペレータの操作でその動作を修正することができるので、手動モードと比較してオペレータの負荷は小さく、且つ、作業効率の低下を抑えることができる。このように、本システム１００によれば、オペレータが作業ごとに複数の制御モードのなかから状況に応じた適切な制御モードを選択することによって、止まらないロボットシステムを実現することができる。

〔第２実施形態〕
　図４は、第２実施形態に係るマスタ装置２０（２０Ｂ）を備えた遠隔操作ロボットシステム１００の概略構成を示すブロック図である。図４に示すように、本実施形態に係るマスタ装置２０Ｂは、マスタ本体２Ｂと、操作受付装置３Ｂとを備えている。マスタ本体２Ｂの構成は、前述の第１実施形態に係るマスタ本体２Ａと実質的に同一であり、詳細な説明は省略する。

　操作受付装置３Ｂは、マスタ本体２Ｂを手先部に装着したマニピュレータ２３と、マニピュレータ２３の各関節の回転位置に基づいてマスタ本体２Ｂの位置及び姿勢を求める演算部２４とを備えている。

　マニピュレータ２３は、スレーブアーム１と同じ数の複数の関節ＪＴm１～ＪＴm６を有する多関節ロボットアームであって、基台２５及び複数のリンク２１ａ～２１ｆが順次連結されて構成されている。マニピュレータ２３のリンク２１ａ～２１ｆの連接構成は、スレーブアーム１のリンク１１ａ～１１ｆと実質的に同一であり、詳細な説明は省略する。マニピュレータ２３の第６リンク２１ｆの先端部（即ち、マニピュレータ２３の手先部）には、マスタ本体２Ｂが装着されている。

　関節ＪＴm１～ＪＴm６には、それが連結する２つの部材を相対的に回転させるアクチュエータの一例としての駆動モータＭm１～Ｍm６（図示略）が設けられている。駆動モータＭm１～Ｍm６は、例えば、モータ制御部２６によってサーボ制御されるサーボモータである。また、各駆動モータＭm１～Ｍm６には、その回転位置を検出するための位置センサＥm１～Ｅm６（図示略）と、その回転を制御する電流を検出するための電流センサＣm１～Ｃm６（図示略）とが設けられている。位置センサＥm１～Ｅm６は、例えばエンコーダである。

　前述のスレーブアーム１の駆動系統と同様に、駆動モータＭm１～Ｍm６、位置センサＥm１～Ｅm６、及び電流センサＣm１～Ｃm６は、モータ制御部２６と電気的に接続されている。本実施形態に係るモータ制御部２６は、１台で複数の駆動モータＭm１～Ｍm６をサーボ制御できるものであるが、駆動モータＭm１～Ｍm６ごとに対応するモータ制御部が設けられていてもよい。

　モータ制御部２６は、前述のモータ制御部１６と同様に、制御ユニット６（詳細には、マスタ制御部６２）から取得した位置指令値やサーボゲイン等に基づいて駆動指令値（トルク指令値）を生成し、駆動指令値に対応した駆動電流を駆動モータＭm１～Ｍm６へ供給する。駆動モータＭm１～Ｍm６の出力回転角は位置センサＥm１～Ｅm６によって検出され、モータ制御部２６へフィードバックされる。但し、モータ制御部２６とマスタ制御部６２との機能が、単一の回路または単一の又は単一の演算装置によって実現されていてもよい。

　制御ユニット６のマスタ制御部６２は、オペレータがマスタ本体２Ｂに与えた外力に従ってマニピュレータ２３が移動又は姿勢を変化させるように、マニピュレータ２３を動作させる。つまり、マニピュレータ２３の動作によって、オペレータの操作力がアシストされる。また、マスタ制御部６２は、オペレータがマスタ本体２Ｂに外力を与えたときに、マニピュレータ２３の手先部が所定の軌道に沿って移動するように、マニピュレータ２３を動作させてもよい。

　演算部２４は、オンオフスイッチ３６がオンであるときに、位置センサＥm１～Ｅm６によって検出された駆動モータＭm１～Ｍm６の出力回転角に基づいてマニピュレータ２３の手先部に装着されたマスタ本体２Ｂの位置及び姿勢を求める。操作受付装置３Ｂは制御ユニット６と通信可能に接続されており、操作受付装置３Ｂは求めたマスタ本体２の位置及び姿勢に基づく操作情報を制御ユニット６へ入力する。

　以上説明した通り、本実施形態に係る遠隔操作ロボットシステム１００では、マスタ装置２０Ｂの操作受付装置３Ｂが、マスタ本体２Ｂを手先部に装着したマニピュレータ２３と、マニピュレータ２３の各関節ＪＴm１～ＪＴm６の回転位置に基づいてマスタ本体２Ｂの位置及び姿勢を求める演算部２４とを有している。

　このように、マスタ本体２Ｂがマニピュレータ２３の手先部に装着されることによって、マスタ本体２Ｂはマニピュレータ２３に支持されている。従って、オペレータはマスタ本体２Ｂの荷重を支えなくともよいので、オペレータのマスタ本体２Ｂの操作が安定する。また、マニピュレータ２３に、マスタ本体２Ｂの操作力をアシストさせることができるので、マスタ本体２Ｂの操作性を向上させることができる。

〔第３実施形態〕
　図５は、第３実施形態に係るマスタ装置２０（２０Ｃ）を備えた遠隔操作ロボットシステム１００の概略構成を示すブロック図である。図５に示すように、本実施形態に係るマスタ装置２０Ｃは、マスタ本体２Ｃと、操作受付装置３Ｃとを備えている。マスタ本体２Ｃの構成は、前述の第１実施形態に係るマスタ本体２Ａと実質的に同一であり、詳細な説明は省略する。

　操作受付装置３Ｃは、マスタ本体２Ｃの動きを捕えるモーションキャプチャシステムとして構成されている。モーションキャプチャシステムは様々な方式が知られているが、例えば、マスタ本体２Ｃの表面の複数個所に設けられたマーカ３４と、マーカ３４を撮像する複数のカメラ装置３５と、これらのカメラ装置３５で得られた画像を処理してマスタ本体２Ｃの位置及び姿勢を求める画像処理装置３８とから成るモーションキャプチャシステムが採用されてよい。或いは、モーションキャプチャシステムとして、マスタ本体２Ｃを撮像するカメラ装置３５と、これらのカメラ装置で得られた画像を処理してマスタ本体２Ｃの位置及び姿勢を求める画像処理装置３８とから成るモーションキャプチャシステムが採用されてよい。なお、上記のモーションキャプチャシステムは公知であるので、構造や処理内容に係る詳細な説明は省略する。

　操作受付装置３Ｃは制御ユニット６と通信可能に接続されており、操作受付装置３Ｃは求めたマスタ本体２の位置及び姿勢に基づく操作情報を制御ユニット６へ入力する。

　以上説明した通り、本実施形態に係る遠隔操作ロボットシステム１００では、マスタ装置２０Ｃの操作受付装置３Ｃが、マスタ本体２Ｃ又はマスタ本体２Ｃ上に設けられた複数のマーカ３４を撮像するカメラ装置３５と、カメラ装置３５で撮像した画像を処理することによりマスタ本体２Ｃの位置及び姿勢を求める画像処理装置３８とを含むモーションキャプチャシステムを有している。

　このようにマスタ装置２０Ｃの操作受付装置３Ｃはモーションキャプチャの技術を利用したものであるので、マスタ本体２Ｃは可搬性を有する。そして、オペレータは、カメラ装置３５が撮像可能なエリア内で、マスタ本体２Ｃを移動させて、マスタ本体２Ｃを操ることができる。

〔第４実施形態〕
　図６は、第４実施形態に係るマスタ装置２０のマスタ本体２Ｄの模式図である。図６に示すように、本実施形態に係るマスタ本体２Ｄは、スレーブアーム１が取り扱う対象物の形状を模しているが、マスタ本体２Ｄの外形は対象物の外形と同一又は相似ではない。

　マスタ本体２Ｄは、オペレータが対象物を両手で取り扱う際の持ち位置と対応する位置に設けられた一対の持手部２７と、一対の持手部２７を結ぶ剛体３７とから構成されている。

　本実施形態において、スレーブアーム１が取り扱う対象物はシートＰであり、オペレータがシートＰを両手で取り扱う際の持ち位置は、例えば、シートＰの背持たれの上部と座面の先端部である。そして、これらの持ち位置と対応する位置関係で、一対の持手部２７が設けられている。剛体３７は、これら一対の持手部２７を結んでいる。本実施形態では、持手部２７は、シートＰのＬ字形に倣ってＬ字形状を呈している。

　以上説明した通り、本実施形態に係るマスタ本体２Ｄは、一対の持手部２７と、一対の持手部２７を結ぶ剛体３７とから形成されている。

　このように形成されるマスタ本体２Ｄは、スレーブアーム１が取り扱う対象物の形状を模しつつ、簡易に作製することができる。よって、マスタ本体２Ｄの作製に係るコストや工数を省くことができる。

　以上に本発明の好適な実施の形態を説明した。上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。

１　　　　：スレーブアーム
２　　　　：マスタ本体
３　　　　：操作受付装置
４　　　　：出力装置
５　　　　：状況取得装置
６　　　　：制御ユニット
７　　　　：入力装置
８　　　　：記憶装置
１１ａ～１１ｆ　　：リンク
１５　　　：基台
１６　　　：モータ制御部
２０　　　：マスタ装置
２１ａ～２１ｆ　　：リンク
２５　　　：基台
２６　　　：モータ制御部
３０　　　：振動モータ
４１　　　：ディスプレイ装置
６０　　　：ホスト制御部
６１　　　：スレーブ制御部（スレーブ制御装置）
６２　　　：マスタ制御部（マスタ制御装置）
６３　　　：受信部
６４　　　：出力制御部
６５　　　：修正部
６６　　　：外力検出部（外力検出装置）
６７　　　：振動制御部（振動制御装置）
１００　　：遠隔操作ロボットシステム

Claims

　スレーブアームと、
　前記スレーブアームが取り扱う対象物の形状を模したマスタ本体と、
　前記マスタ本体の位置及び姿勢に基づくオペレータの操作を受け付ける操作受付装置と、
　前記操作受付装置が受け付けた操作に基づいて、前記マスタ本体と前記対象物との振る舞いが対応するように前記スレーブアームの動作を制御する制御装置とを備える、
遠隔操作ロボットシステム。
　前記操作受付装置が、
　前記マスタ本体に搭載されたモーションセンサユニットと、
　前記モーションセンサユニットで検出された情報に基づいて前記マスタ本体の位置及び姿勢を求める演算部とを有する、
請求項１に記載の遠隔操作ロボットシステム。
　前記操作受付装置が、
　前記マスタ本体を手先部に装着したマニピュレータと、
　前記マニピュレータの各関節の回転位置に基づいて前記マスタ本体の位置及び姿勢を求める演算部とを有する、
請求項１に記載の遠隔操作ロボットシステム。
　前記操作受付装置が、
　前記マスタ本体又は前記マスタ本体上に設けられた複数のマーカを撮像するカメラ装置と、前記カメラ装置で撮像した画像を処理することにより前記マスタ本体の位置及び姿勢を求める画像処理装置とを含むモーションキャプチャシステムを有する、
請求項１に記載の遠隔操作ロボットシステム。
　前記マスタ本体に搭載された振動モータと、
　前記スレーブアームが環境から受けた外力を検出する外力検出装置と、
　前記外力検出装置で検出された外力が前記マスタ本体の振動としてオペレータに提示されるように、前記振動モータを動作させる振動制御装置とを更に備える、
請求項１～４のいずれか一項に記載の遠隔操作ロボットシステム。
　振動制御装置は、前記外力検出装置で検出された外力の大きさに比例した回転数で前記振動モータを動作させる、
請求項５に記載の遠隔操作ロボットシステム。
　前記マスタ本体は、前記オペレータが前記対象物を両手で取り扱う際の持ち位置と対応する位置に一対の持手部を有する、
請求項１～６のいずれか一項に記載の遠隔操作ロボットシステム。
　前記マスタ本体が、前記一対の持手部と、前記一対の持手部を結ぶ剛体とから形成されている、
　請求項７に記載の遠隔操作ロボットシステム。