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JP6865262B2 - ロボットシステムの制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、複数の軸に対応して複数のサーボモータを有するロボットを複数備えるロボットシステムの制御装置に関する。
従来、産業用ロボットでは6軸のサーボ制御が一般的である。このような産業用ロボット等の機械装置を対象として、例えば特許文献1に記載のサーボモータ制御システムは、制御装置と複数のサーボアンプをシリアルバスで接続し、サーボアンプに接続されたサーボモータを制御するように構成されている。このシステムでは、2種類以上のシリアルバス転送方式を備えており、制御装置やサーボアンプを新しい製品に交換してもデータの送受信が可能になる。
特許第3841762号
一般に、多関節ロボットは、各軸によってサーボモータの容量が異なるため、各軸ごとにPWMキャリア周波数やサーボパラメータ等のパラメータを調整する必要がある。しかし、上記特許文献1の制御装置は、各軸ごとに異なるパラメータを設定するように構成されていないため、多関節ロボットにおける複数の軸に対応して設けられる複数のサーボモータに接続されたサーボアンプの設定には適していない。このことは、1台のロボットに限らず、複数台のロボットを備えるロボットシステムの制御装置全般に共通する課題である。
本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、複数のロボットを備えるロボットシステムにおいて、複数の軸に対応して設けられる複数のサーボモータに接続されたサーボアンプの設定を容易に行うことを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明のある形態に係るロボットシステムの制御装置は、複数の軸に対応して複数のサーボモータを有するロボットを複数備えるロボットシステムの制御装置であって、前記ロボットの前記複数のサーボモータのそれぞれを駆動する複数のサーボアンプ、及び、前記複数のサーボアンプを制御する制御ユニットを有する複数のコントローラを備え、前記複数のコントローラの各々に接続されているロボットに応じて、前記各制御ユニットが、前記複数のサーボモータの駆動数を決定し、決定された駆動数に対応するサーボモータの軸を駆動するサーボアンプのパラメータを設定するものである。
上記構成によれば、複数のコントローラの各々に接続されているロボットに応じて、各制御ユニットが、複数のサーボモータの駆動数を決定し、決定した駆動数に対応するサーボモータの軸を駆動するサーボアンプのパラメータを設定するので、複数のロボットを備えるロボットシステムにおいて、複数のサーボモータに接続されたサーボアンプの設定が容易になる。
また、前記複数のコントローラの各々は、前記複数のサーボアンプの出力端子に接続された第1コネクタを有し、前記第1コネクタは、前記複数のロボットのうち、いずれのロボットに含まれるサーボモータのコネクタにも適合可能に構成されてもよい。
上記構成によれば、各コントローラのサーボアンプの出力端子に接続された第1コネクタが、前記複数のロボットのうち、いずれのロボットに含まれるサーボモータのコネクタにも適合可能に構成されているので、コントローラを、いずれのロボットのコントローラとしても使用することができる。さらに、予備のコントローラを1台用意しておくだけで、いずれかのコントローラが故障した場合であっても、交換作業が容易である。
更に、上記ロボットシステムが、コイルと、前記コイルの一端に接続され、前記第1コネクタに接続可能に構成された接続部と、前記コイルの他端に接続された第2のコネクタと、を更に備え、前記第2のコネクタは、前記複数のロボットのうち、いずれのロボットに含まれるサーボモータのコネクタにも適合可能に構成されていてもよい。
例えば医療ロボットでは、出力の大きなサーボモータ(例えば400W)も出力の小さなサーボモータ(例えば5W)も使用する。出力が大きいサーボモータをPWM制御する場合、PWMキャリア周波数が比較的低い場合(例えば8kHz)であっても、リップルが生じたとしても制御に影響が出ない程度の小さなレベルである。一方、出力が小さなサーボモータをリップルが生じたとしても制御に影響が出ない程度の小さなレベルで駆動するためには、PWMキャリア周波数を100kHz以上にする必要があるが、モータ駆動素子の発熱や、演算処理機能の処理速度などの制約があり、そこまで周波数を上げることはできない。
そこで、上記構成によれば、サーボモータの出力が比較的小さい場合には、コイルの一端に接続された接続部を、サーボアンプの出力端子に接続された第1コネクタに接続するとともに、コイルの他端に接続された第2のコネクタにより、サーボモータのコネクタに接続する。これにより、サーボアンプの出力端子とサーボモータの入力端子との間にコイルが直列に接続されるので、サーボモータのインダクタンスにコイルのインダクタンスが加算され、リップルが生じたとしても制御に影響が出ない程度の小さなレベルでサーボモータを好適に駆動することができる。
尚、接続部は、コイルの一端に接続されたコネクタを含み、当該コネクタに接続されたケーブルを介して、第1コネクタに接続されるように構成されてもよい。
また、上記ロボットシステムの制御装置が、前記複数のコントローラの各制御ユニットと通信可能に接続され、前記各制御ユニットに指令を与える上位制御ユニットを更に備え、前記各制御ユニットは、前記上位制御ユニットからの指令に基づいて、前記複数のサーボモータの駆動数を決定し、決定された駆動数に対応するサーボモータの軸を駆動するサーボアンプのパラメータを設定するように構成されていてもよい。
前記ロボットシステムは、医療用のマニピュレータシステムであって、前記マニピュレータシステムは、操作者からの操作入力を受け付ける指示装置と、先端部に医療器具を保持するスレーブマニピュレータと、前記スレーブマニピュレータを保持するアームベースを移動させるポジショナと、を備えてもよい。
さらに、前記スレーブマニピュレータは、複数のスレーブアームを有し、前記複数のコントローラのうち、前記複数のスレーブアームの各々に対応した複数のコントローラが、前記指示装置により受け付けられた操作者からの操作入力に従って、前記複数のスレーブアームの動作を制御するように構成されていてもよい。
また、前記マニピュレータシステムは、操作者が前記ポジショナを操作するための操作装置を備え、前記複数のコントローラのうち、前記ポジショナに対応した一のコントローラが、前記操作装置により受け付けられた操作者からの操作入力に従って、前記ポジショナの動作を制御するように構成されていてもよい。
尚、前記マニピュレータシステムが、前記ポジショナを移動させる台車を更に備え、前記ポジショナに対応した一のコントローラが、前記操作装置により受け付けられた操作者からの操作入力に従って、前記台車の動作を制御するように構成されていてもよい。
さらに、前記指示装置は、操作者により操作されるマスタアームを有し、前記複数のコントローラのうち、前記マスタアームに対応したコントローラが、前記操作者の操作に応じて、前記マスタアームの動作を制御するように構成されていてもよい。
本発明は、以上に説明した構成を有し、複数のロボットを備えるロボットシステムにおいて、複数のサーボモータに接続されたサーボアンプの設定を容易に行うことができる。
図1は、本発明の一実施形態に係るロボットシステムの使用風景を示す図である。 図2は、図1のロボットシステムの制御装置の構成を示したブロック図である。 図3は、図2の制御装置の初期設定時における各コントローラの設定動作の一例を示すフローチャートである。 図4は、ポジショナに接続されたコントローラの出力側の構成を示している。 図5は、スレーブアームに接続されたコントローラの出力側の構成を示している。
以下、好ましい実施形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図面を通じて同一または相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。また、図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を模式的に示したものである。
(実施形態)
図1は、本発明の一実施形態に係るロボットシステムの使用風景を示す図である。図1に示すように、本実施形態のロボットシステムは、例えば、ロボット支援手術やロボット遠隔手術などのように、医師などの施術者(操作者)203が、手術台202上の患者201に内視鏡外科手術を施す際に使用される医療用のマニピュレータシステム100である。
マニピュレータシステム100は、患者側システムであるスレーブマニピュレータ1と、このスレーブマニピュレータ1を操るための指示装置2とを備えている。指示装置2はスレーブマニピュレータ1から離れて配置され、スレーブマニピュレータ1は指示装置2によって遠隔操作される。施術者203はスレーブマニピュレータ1に行わせる動作を指示装置2に入力し、指示装置2はその動作指令をスレーブマニピュレータ1に送信する。スレーブマニピュレータ1は、指示装置2から送信された動作指令を受け取り、この動作指令に基づいてスレーブマニピュレータ1が具備する内視鏡アセンブリやインストゥルメントなどの長軸状の医療器具4を動作させる。
指示装置2は、マニピュレータシステム100と施術者203とのインターフェースを構成し、スレーブマニピュレータ1を操作するための装置である。指示装置2は、手術室内に又は手術室外に配置されている。指示装置2は、施術者203が動作指令を入力するための操作用の一対のマスタアーム51R,51L、操作ペダル52、タッチパネル53、内視鏡アセンブリで撮影された画像を表示するモニタ54、医師などの操作者の顔の高さ位置にモニタ54を支持する支持アーム55、およびタッチパネル53が配されたバー56等を含む。一対のマスタアーム51R,51Lの各々は、本実施形態では、7軸多関節アームとして構成される。一対のマスタアーム51R,51Lは、施術者203によって操作され、操作に応じて動作するように構成される。施術者203は、モニタ54で患部を視認しながら、左右のマスタアーム51L,51Rおよび操作ペダル52を操作して指示装置2に動作指令を入力する。指示装置2に入力された動作指令は、有線又は無線によりマニピュレータシステム100の制御装置6に伝達される。スレーブマニピュレータ1は制御装置6により動作制御される。なお、制御装置6は例えばマイクロコントローラ等のコンピュータにより構成されている。制御装置6は、例えば台車70のベース本体70aの内部に設置される。尚、台車70の車輪には駆動用のサーボモータが取り付けられ、台車70は、指示装置2により受け付けられた操作者からの操作入力に従って、動作するように構成されていてもよい。
スレーブマニピュレータ1は、マニピュレータシステム100と患者201とのインターフェースを構成する。スレーブマニピュレータ1は、滅菌された滅菌野である手術室内に配置されている。図1において、スレーブマニピュレータ1は、ポジショナ7と、ポジショナ7の先端部に取り付けられた長尺状のアームベース5と、アームベース5にその基端部が着脱可能に取り付けられた複数(本実施形態では4本)の多自由度のスレーブアーム3とを備えている。スレーブマニピュレータ1は複数のスレーブアーム3が折り畳まれた収納姿勢をとるように構成されている。
ポジショナ7は、本実施形態では7軸の垂直多関節形ロボットとして構成されている。ポジショナ7は、手術室の所定位置に配置された台車70のベース本体70aに設けられており、アームベース5の位置を3次元的に移動させることができる。スレーブアーム3およびアームベース5は、図略の滅菌ドレープで覆われ、スレーブアーム3およびアームベース5が手術室内の滅菌野から遮蔽されている。
各スレーブアーム3は、本実施形態では、8軸多関節アームとして構成される。複数のスレーブアーム3のうちスレーブアーム3Aの先端部には、医療器具4として、例えば取り替え用のインストゥルメント(例えば鉗子など)が保持される。スレーブアーム3Bの先端部には、医療器具4として、例えば鉗子などのインストゥルメントが保持される。また、スレーブアーム3Cの先端部には、医療器具4として、例えば内視鏡アセンブリが保持される。スレーブアーム3Dの先端部には、医療器具4として、例えば取り替え用の内視鏡アセンブリが保持される。各スレーブアーム3は、本実施形態では、医療器具4を駆動するための駆動ユニットを有する。
スレーブマニピュレータ1において、アームベース5は、複数のスレーブアーム3の拠点となるハブとしての機能を有している。本実施形態では、ポジショナ7およびアームベース5によって、複数のスレーブアーム3を移動可能に支持するマニピュレータアーム支持体Sが構成されている。
このように、マニピュレータシステム100は、複数のロボットとして、一対のマスタアーム51R,51Lと、4本のスレーブアーム3A〜3Dと、4本のスレーブアーム3A〜3Dを保持するアームベース5を移動させるポジショナ7を備える。マニピュレータシステム100を用いた手術準備においては、最初に、アームベース5と手術台202又は患者201とが所定の位置関係となるように、患者側システムに設けられた図示しない操作装置を助手が操作することによってポジショナ7を動作させてアームベース5の位置決めを行う。次に、患者201の体表に留置されたスリーブ(カニューレスリーブ)と医療器具4とが所定の初期位置関係となるように、各スレーブアーム3に設けられた図示しないアーム操作装置を助手が操作することにより各スレーブアーム3を動作させて医療器具4の位置決めを行う。そして、制御装置6は、原則としてポジショナ7を静止させた状態で、指示装置2からの動作指令に応じて、各スレーブアーム3により医療器具4を動作させて適宜変位および姿勢変化させ、施術が行われる。
次に、制御装置6の構成について図2のブロック図を用いて説明する。図2に示すように、制御装置6と、4本のスレーブアーム3A〜3D、一対のマスタアーム51R,51L、ポジショナ7の各ロボットとは、各ロボットのサーボモータMに動力を供給するモータ動力線、エンコーダEやその他センサからの検出信号を伝達する信号線を含んで構成されたケーブルL1を介して接続される。ケーブルL1の両端にはコネクタ91及びコネクタ92が設けられている。コネクタ91は、コントローラ側のコネクタであり、コネクタ92はモータ側のコネクタである。制御装置6は、各ロボットに含まれる複数のサーボモータMを駆動するように構成される。また、サーボモータMは三相であるが、相数は本発明を特に限定するものではなく、例えば単相であってもよく、動力線と信号線は別のケーブルであってもよい。
スレーブアーム3Aには、8つの関節と駆動ユニット(医療器具4)に対応して、駆動用の12個のサーボモータM1〜M12、サーボモータM1〜M12の回転角を検出するエンコーダE1〜E12、および、サーボモータM1〜M12の出力を減速させてトルクを増大させる減速機(図略)が設けられる。スレーブアーム3A〜3D先端の医療器具4(例えば鉗子など)による施術は繊細な動きが要求されるため(図1参照)、スレーブアーム3A〜3Dの12軸のサーボモータM1〜12には、比較的出力の小さなサーボモータ(例えば5W)が使用される。また、その他のスレーブアーム3B〜3Dにおいても、同様に、8つの関節と駆動ユニット(医療器具4)に対応して、駆動用の12個のサーボモータM1〜M12、サーボモータM1〜M12の回転角を検出するエンコーダE1〜E12、および、サーボモータM1〜M12の出力を減速させてトルクを増大させる減速機(図略)が設けられる。尚、以下では、複数のサーボモータを総称してサーボモータMと呼ぶ場合がある。複数のエンコーダを総称してエンコーダEと呼ぶ場合がある。
ポジショナ7には、7の関節に対応して、駆動用の7個のサーボモータM21〜M27、サーボモータM21〜M27の回転角を検出するエンコーダE21〜E27、および、サーボモータM21〜M27の出力を減速させてトルクを増大させる減速機(図略)が設けられる。ポジショナ7は、4本のスレーブアーム3A〜3Dを保持するアームベース5を移動させるように構成されているため(図1参照)、ポジショナ7の7軸のサーボモータM21〜M27には、比較的出力の大きなサーボモータ(例えば400W)が使用される。
一方のマスタアーム51Rには、7つの関節に対応して、駆動用の7個のサーボモータM31〜M37、サーボモータM31〜M37の回転角を検出するエンコーダE31〜E37、および、サーボモータM31〜M37の出力を減速させてトルクを増大させる減速機(図略)が設けられる。他方のマスタアーム51Lにおいても、同様に、7つの関節に対応して、駆動用の7個のサーボモータM31〜M37、サーボモータM31〜M37の回転角を検出するエンコーダE31〜E37、および、サーボモータM31〜M37の出力を減速させてトルクを増大させる減速機(図略)が設けられる。一対のマスタアーム51R,51Lは施術者(操作者)203の両手で操作されるため(図1参照)、マスタアーム51R,51Lのそれぞれの先端側(操作者側)のサーボモータMには、比較的出力の小さなサーボモータ(例えば5W)が使用される。一方、マスタアーム51R,51Lのそれぞれの基端側のサーボモータMには、比較的出力の大きなサーボモータ(例えば400W)が使用される。
制御装置6は、7つのコントローラ11と、各コントローラ11と通信可能に接続された上位制御ユニット14と、を備える。各コントローラ11は、最大12軸のサーボモータMのそれぞれを駆動可能な12個のサーボアンプ12、及び、これらのサーボアンプ12を制御可能な制御ユニット13を有する。各コントローラ11は、最大12軸のサーボモータMをPWM制御可能に構成される。尚、各コントローラ11の制御ユニット13及び上位制御ユニット14は、コンピュータ、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ等の演算処理機能およびメモリを有する装置で構成される。各機能は、各装置のメモリに格納された所定のプログラムが演算処理部としての制御ユニット13によって実行されることによって実現される。本実施形態では、各制御ユニット13が、例えば設定動作用のプログラム又は通常動作用のプログラムを実行することにより、各動作を実行するように構成されている。
7つのコントローラ11の各々は、12個のサーボアンプ12の出力端子に接続されたコネクタ15を有している。コネクタ15は、複数のロボットのうち、いずれのロボットに含まれるサーボモータのコネクタにも適合可能に構成される。
第1のコントローラ11のコネクタ15は、ケーブルL1を介して、スレーブアーム3Aに含まれる12軸のサーボモータM1〜M12のコネクタ16Aに接続されている。第1のコントローラ11では、制御ユニット13で生成される制御指令に従って、12個のサーボアンプ12がスレーブアーム3Aの12軸のサーボモータM1〜M12のそれぞれを駆動するように構成される。
第2〜第4のコントローラ11のコネクタ15は、ケーブルL1を介して、スレーブアーム3B〜3Dのそれぞれに含まれる12軸のサーボモータM1〜M12のコネクタ16B〜16Dに接続されている。第2〜第4のコントローラ11の各々においても、第1のコントローラ11と同様に、制御ユニット13で生成される制御指令に従って、12個のサーボアンプ12が、スレーブアーム3B〜3Dの12軸のサーボモータM1〜M12のそれぞれを駆動するように構成される。スレーブアーム3A〜3Dに対応した第1〜第4のコントローラ11は、通常動作においては、指示装置2により受け付けられた施術者203からの操作入力に従って、スレーブアーム3A〜3Dの動作を制御するように構成されている。
第5のコントローラ11のコネクタ15は、ケーブルL1を介して、ポジショナ7に含まれる7軸のサーボモータM21〜M27のコネクタ17に接続されている。第5のコントローラ11では、制御ユニット13で生成される制御指令に従って、7個のサーボアンプ12が、ポジショナ7の7軸のサーボモータM21〜M27のそれぞれを駆動するように構成される。ポジショナ7に対応した第5のコントローラ11は、通常動作においては、指示装置2により受け付けられた施術者203からの操作入力に従って、ポジショナ7の動作を制御するように構成されている。尚、第5のコントローラ11は、通常動作においては、指示装置2により受け付けられた施術者203からの操作入力に従って、残りのサーボアンプ12により、台車70の動作(車輪に取り付けられたサーボモータ)を制御するように構成されていてもよい。
第6のコントローラ11のコネクタ15は、ケーブルL1を介して、一方のマスタアーム51Rに含まれる7軸のサーボモータM31〜M37のコネクタ18に接続されている。第6のコントローラ11では、制御ユニット13で生成される制御指令に従って、7個のサーボアンプ12が、一方のマスタアーム51Rの7軸のサーボモータM31〜37のそれぞれを駆動するように構成される。第7のコントローラ11のコネクタ15は、ケーブルL1を介して、他方のマスタアーム51Lに含まれる7軸のサーボモータM31〜M37のコネクタ18に接続されている。第7のコントローラ11においても、制御ユニット13で生成される制御指令に従って、7個のサーボアンプ12が、他方のマスタアーム51Lの7軸のサーボモータM31〜37のそれぞれを駆動するように構成される。一対のマスタアーム51R,51Lの各々に対応した第6のコントローラ11及び第7のコントローラ11は、通常動作においては、施術者203からの操作に応じて、一対のマスタアーム51R,51Lの動作を制御するように構成されている。
上位制御ユニット14は、各コントローラ11との間でデータの送受信を行い、マニピュレータシステム100全体の制御を司るように構成される。本実施形態ではマニピュレータシステム100は、公知の並列型バイラテラル制御方式によって制御される。ここではマニピュレータシステム100は、例えば施術者203によってマスタアーム51R,51Lに付与される操作力を検出可能な力覚センサ(図示せず)と、医療器具4に付与される反力を検出可能な力覚センサ(図示せず)を備える。上位制御ユニット14は、マスタアーム51R,51Lに付与された操作力と医療器具4に付与された反力に基づいて、マスタアーム51R,51Lの動作指令を生成するとともに、スレーブアーム3A〜3Dの動作指令を生成する。第6のコントローラ11及び第7のコントローラ11は、上位制御ユニット14によって生成されたマスタアーム51R,51Lの動作指令に基づいて、マスタアーム51R,51Lを制御するように構成される。第1のコントローラ11〜第4のコントローラ11は、上位制御ユニット14によって生成されたスレーブアーム3A〜3Dの動作指令に基づいて、スレーブアーム3A〜3Dを制御するように構成される。これにより、制御装置6は、通常動作においては、マスタアーム51R,51L(指示装置2)からの動作指令に応じて、各スレーブアーム3A〜3Dにより医療器具4を動作させて適宜変位および姿勢変化させることができる。
次に、制御装置6の初期設定時における各コントローラ11の設定動作の一例について図3のフローチャートを用いて説明する。尚、各コントローラ11(メモリ)には予め、設定動作用のプログラムが格納されており、本実施形態では、コントローラ11は、設定動作用のプログラムを実行することにより、設定動作を実行するように構成されている。このため、設定動作は全てのコントローラ11で共通である。ここでは便宜上、例えばポジショナ7(図2参照)に接続されている第5のコントローラ11の設定動作についてのみ説明する。図4は、第5のコントローラ11の出力側の構成を示す図である。
まず、制御ユニット13と上位制御ユニット14との間で通信経路が確立される(図3のステップS11)。このとき、上位制御ユニット14は、メモリから、ポジショナ7の7軸のサーボモータM21〜27のそれぞれを駆動する7つのサーボアンプ12の設定のためのパラメータを読み出し、第5のコントローラ11に送信する。尚、本実施形態では、上位制御ユニット14のメモリ(図示せず)には、各コントローラ11に接続された各ロボットの通常動作用プログラムが予め格納されており、ここでは上位制御ユニット14はポジショナ7の通常動作用のプログラムをメモリから読みだして、パラメータとともに第5のコントローラ11に送信する。
次に、制御ユニット13は、上位制御ユニット14からサーボアンプ12の設定のためのパラメータを受信する(図3のステップS12)。サーボアンプ12の設定のためのパラメータは、サーボモータの数、サーボモータの出力(容量)、各軸ごとにPWMキャリア周波数、サーボパラメータ等のその他のパラメータを含む。尚、サーボアンプ12は、サーボ調整の容易化のためにオートチューニングが行われるように構成され、サーボアンプ12のパラメータには、各軸ごとに行われるオートチューニングに必要な情報を含んでもよい。オートチューニングでは、まず各軸の負荷状況から移動させるワークの重さであるイナーシャを自動で推定し、応答性設定の値を増減させることで、関連するサーボパラメータが一括して自動調整される。
制御ユニット13は、上位制御ユニット14から受信した指令に基づいて、サーボモータの駆動数を決定し、決定された駆動数に対応するサーボモータの軸を駆動するサーボアンプ12のパラメータを設定する(図3のステップS13)。ここでは、制御ユニット13は、ポジショナ7の4軸のサーボモータM21〜24を駆動するサーボアンプ12のパラメータを設定する。ポジショナ7は、4本のスレーブアーム3A〜3Dを保持するアームベース5を移動させるように構成されているため(図1参照)、ポジショナ7の4軸のサーボモータM21〜24には、比較的出力の大きなサーボモータ(例えば400W)が使用される。PWMキャリア周波数は例えば20kHzに設定される。
尚、その他のコントローラ11においても、同様に、各々に接続されているロボットに応じて、各制御ユニット13が、複数のサーボモータの駆動数を決定し、決定された駆動数に対応するサーボモータの軸を駆動するサーボアンプ12のパラメータを設定する。その後、各コントローラ11において、通常動作用プログラムが実行され、マニピュレータシステム100の通常の動作が開始される(図3のステップS14)。
本実施形態によれば、マニピュレータシステム100において、各制御ユニット13が、設定動作時(設定動作用プログラムの実行時)において、上位制御ユニット14からの指令に基づいて、サーボモータの駆動数を決定し、決定した駆動数に対応するサーボモータの軸を駆動するサーボアンプ12のパラメータを設定するので、サーボアンプ12の設定を容易に行うことができる。
また、本実施形態では、各コントローラ11において12個のサーボアンプ12の出力端子に接続されたコネクタ15が、複数のロボット(図2の3A〜3D,7,51,51)のうち、いずれのロボットに含まれるサーボモータのコネクタ16A〜16D,17,18,18にも適合可能に構成されているので(図2参照)、コントローラ11を、いずれのロボットのコントローラ11としても使用することができる。更に、予備のコントローラを1台用意しておくだけで、いずれかのコントローラが故障した場合であっても、交換作業が容易である。尚、上記コントローラ11の設定動作は、制御装置6の初期設定の場合に限らず、一のコントローラ11だけ交換された場合であっても同様である。
図4は、ポジショナ7の7軸のサーボモータM21〜27に接続された第5のコントローラ11の出力側の構成を示している。図4に示すように、コントローラ11は、12個のサーボアンプ12の出力端子に接続されたコネクタ15と、コイル97と、コイル97の一端に接続されたコネクタ19と、コイル97の他端に接続されたコネクタ15Aと、を備える。コントローラ11のコネクタ15は、ケーブルL1を介して、ポジショナ7に含まれる7軸のサーボモータM21〜M27のコネクタ17に接続されている。ポジショナ7の7軸のサーボモータM21〜27には、比較的出力の大きなサーボモータ(例えば400W)が使用される。ここでPWMキャリア周波数を比較的低く設定した場合(例えば8kHz)ではリップルが生じたとしても制御に影響が出ない程度の小さなレベルであるが、騒音回避のためにその周波数を、可聴周波数を超える程度(例えば20kHz)にしている。コイル97は、各コントローラ11の内部に設けられている。コネクタ15Aは、複数のロボットのうち、いずれのロボットに含まれるサーボモータのコネクタにも適合可能に構成される。
図5は、スレーブアーム3Aの12軸のサーボモータM1〜12に接続された第1のコントローラ11の出力側の構成を示している。スレーブアーム3Aの12軸のサーボモータM1〜12には、比較的出力の小さなサーボモータ(例えば5W)が使用される。このように出力が小さなサーボモータM1〜12をリップルが生じたとしても制御に影響が出ない程度の小さなレベルで駆動するためには、PWMキャリア周波数を100kHz以上にする必要があるが、モータ駆動素子の発熱や、演算処理機能の処理速度などの制約があり、そこまで周波数を上げることはできない。
そこで、図5では、コイル97の一端に接続されたコネクタ19を、ケーブルL2を介して、コネクタ15に接続する。ケーブルL2の両端にはコネクタ93及びコネクタ94が設けられている。コネクタ93は、コントローラ側のコネクタであり、コネクタ94はコイル側のコネクタである。一方、コイル97の他端に接続されたコネクタ15Aを、ケーブルL1を介して、サーボモータM1〜M12のコネクタ16Aに接続する。これにより、12個のサーボアンプ12の出力端子とサーボモータM1〜M12の入力端子との間にコイル97が直列に接続されるので、サーボモータM1〜M12のインダクタンスにコイル97のインダクタンスが加算され、リップルが生じたとしても制御に影響が出ない程度の小さなレベルでサーボモータを好適に駆動することができる。
尚、マスタアーム51R,51Lのそれぞれの先端側(操作者側)のサーボモータMには、比較的出力の小さなサーボモータ(例えば5W)が使用され、マスタアーム51R,51Lのそれぞれの基端側のサーボモータMには、比較的出力の大きなサーボモータ(例えば400W)が使用される。つまり、マスタアーム51R,51Lでは各軸によってサーボモータの容量の違いが顕著である。この場合は、第6のコントローラ11及び第7のコントローラ11において、マスタアーム51R,51Lのそれぞれの先端側に位置する比較的出力の小さなサーボモータのみを、コイル97に接続するように構成されていてもよい。
尚、本実施形態では、コイル97は、各コントローラ11の内部に設けられていたが、制御装置6がコイル97を備えていれば、各コントローラ11の外部に設けられていてもよい。また、コイル97は、コイル97の一端に接続されたコネクタ19と、ケーブルL2を介して、コネクタ15に接続されるように構成されたが、例えばジャンパー線を介してコネクタ15に接続されてもよい。
尚、本実施形態のマニピュレータシステム100は、並列型バイラテラル制御方式によって制御されたが、これに限られない。
(その他の実施形態)
尚、本実施形態では、複数のコントローラ11の各制御ユニット13が、上位制御ユニット14からの指令に基づいて、複数のサーボモータMの駆動数を決定し、決定された駆動数に対応するサーボモータの軸を駆動するサーボアンプ12のパラメータを設定するように構成されていたが(図3参照)、複数のコントローラ11の各々に接続されているロボットに応じて、各制御ユニット13がパラメータを設定する構成であれば、これに限られない。例えばサーボアンプ12のパラメータを設定するための情報を各コントローラ11に直接入力可能な構成を備えていてもよいし、外部から(例えばロボット側から)読み込み可能な構成を備えていてもよい。
尚、本実施形態のロボットシステムは、7台のロボット(コントローラ)を備えたが、複数台のロボットを備えた構成であれば、これに限られるものではない。
また、本実施形態のロボットシステムは、一対のマスタアーム51R,51Lにより複数のスレーブアーム3が遠隔操作されるマスタ・スレーブ式のマニピュレータシステム100で構成されたが、複数のサーボモータを有するロボットを複数備えるロボットシステムであればよい。例えば半導体処理設備において、基板搬送用の水平多関節型ロボットを複数備えたロボットシステムでもよい。
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、その構造および/または機能の詳細を実質的に変更できる。
本発明は、複数のサーボモータを有するロボットを複数備えるロボットシステムにおいて有用である。
1 スレーブマニピュレータ
2 指示装置
3 スレーブアーム
4 医療器具
5 アームベース
6 制御装置
7 ポジショナ
11 コントローラ
12 サーボアンプ
13 制御ユニット
14 上位制御ユニット
15 コントローラのモータ側コネクタ(第1コネクタ)
15A コントローラのモータ側コネクタ(第2コネクタ)
16A〜16D サーボモータのコネクタ(スレーブアーム)
17 サーボモータのコネクタ(ポジショナ)
18 サーボモータのコネクタ(マスタアーム)
19 コントローラのコイル用コネクタ
51R、51L マスタアーム
91 モータ用ケーブルのコントローラ側コネクタ
92 モータ用ケーブルのモータ側コネクタ
93 コイル用ケーブルのコントローラ側コネクタ
94 コイル用ケーブルのコイル側コネクタ
97 コイル
100 医療用マニピュレータシステム(ロボットシステム)
M1〜M12,M21〜M27,M31〜M37 サーボモータ
E1〜E12,E21〜E27,E31〜E37 エンコーダ
L1 ケーブル(モータ接続用)
L2 ケーブル(コイル接続用)

Claims (9)

  1. 複数の軸に対応して複数のサーボモータを有するロボットを複数備えるロボットシステムの制御装置であって、
    前記ロボットの前記複数のサーボモータのそれぞれを駆動する複数のサーボアンプ、及び、前記複数のサーボアンプを制御する制御ユニットを有する複数のコントローラを備え、
    前記複数のコントローラの各々に接続されているロボットに応じて、前記各制御ユニットが、前記複数のサーボモータの駆動数を決定し、決定された駆動数に対応するサーボモータの軸を駆動するサーボアンプのパラメータを設定するように構成されている、ロボットシステムの制御装置。
  2. 前記複数のコントローラの各々は、
    前記複数のサーボアンプの出力端子に接続された第1コネクタを有し、
    前記第1コネクタは、前記複数のロボットのうち、いずれのロボットに含まれるサーボモータのコネクタにも適合可能に構成される、請求項1に記載のロボットシステムの制御装置。
  3. コイルと、
    前記コイルの一端に接続され、前記第1コネクタに接続可能に構成された接続部と、
    前記コイルの他端に接続された第2のコネクタと、を更に備え、
    前記第2のコネクタは、前記複数のロボットのうち、いずれのロボットに含まれるサーボモータのコネクタにも適合可能に構成される、請求項2に記載のロボットシステムの制御装置。
  4. 前記複数のコントローラの各制御ユニットと通信可能に接続され、前記各制御ユニットに指令を与える上位制御ユニットを更に備え、
    前記各制御ユニットは、前記上位制御ユニットからの指令に基づいて、前記複数のサーボモータの駆動数を決定し、決定された駆動数に対応するサーボモータの軸を駆動するサーボアンプのパラメータを設定するように構成されている、請求項1乃至3のいずれか一項に記載のロボットシステムの制御装置。
  5. 前記ロボットシステムは、医療用のマニピュレータシステムであって、
    前記マニピュレータシステムは、
    操作者からの操作入力を受け付ける指示装置と、
    先端部に医療器具を保持するスレーブマニピュレータと、
    前記スレーブマニピュレータを保持するアームベースを移動させるポジショナと、
    を備える、請求項1乃至4のいずれか一項に記載のロボットシステムの制御装置。
  6. 前記スレーブマニピュレータは、複数のスレーブアームを有し、
    前記複数のコントローラのうち、前記複数のスレーブアームの各々に対応した複数のコントローラが、前記指示装置により受け付けられた操作者からの操作入力に従って、前記複数のスレーブアームの動作を制御するように構成される、請求項5に記載のロボットシステムの制御装置。
  7. 前記マニピュレータシステムは、操作者が前記ポジショナを操作するための操作装置を備え、
    前記複数のコントローラのうち、前記ポジショナに対応した一のコントローラが、前記操作装置により受け付けられた操作者からの操作入力に従って、前記ポジショナの動作を制御するように構成される、請求項5又は6に記載のロボットシステムの制御装置。
  8. 前記マニピュレータシステムは、
    前記ポジショナを移動させる台車を更に備え、
    前記ポジショナに対応した一のコントローラが、前記操作装置により受け付けられた操作者からの操作入力に従って、前記台車の動作を制御するように構成される、請求項7に記載のロボットシステムの制御装置。
  9. 前記指示装置は、操作者により操作されるマスタアームを有し、
    前記複数のコントローラのうち、前記マスタアームに対応したコントローラが、前記操作者の操作に応じて、前記マスタアームの動作を制御するように構成される、請求項5乃至8のいずれか一項に記載のロボットシステムの制御装置。
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