操作入力装置および操作入力装置の初期化方法
【課題】操作入力装置において、操作入力装置の動作範囲に初期化に用いる位置決め部材を設置することなく初期化を行うことができるようにする。
【解決手段】複数の関節によって直列に連結され、基端部に対する先端部の位置、姿勢が変更可能とされた多関節アーム３Ｒ、３Ｌを有する操作入力装置であって、回動関節５ａを互いの相対位置関係を固定した状態に保持する保持部と、関節の動作を未知の初期値からの回転角度または変位で表した関節動作量を検出する検出部と、先端部である右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌにそれぞれ設けられた係合部１９Ｒ、１９Ｌと、先端部同士を互いに係合して移動させた際に、検出部が検出した関節動作量を時系列に複数組取得するデータ取得部と、相対位置関係が係合部１９Ｒ、１９Ｌを介して固定された条件の下に未知の初期値を算出する初期値算出部と、を備える。
【解決手段】複数の関節によって直列に連結され、基端部に対する先端部の位置、姿勢が変更可能とされた多関節アーム３Ｒ、３Ｌを有する操作入力装置であって、回動関節５ａを互いの相対位置関係を固定した状態に保持する保持部と、関節の動作を未知の初期値からの回転角度または変位で表した関節動作量を検出する検出部と、先端部である右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌにそれぞれ設けられた係合部１９Ｒ、１９Ｌと、先端部同士を互いに係合して移動させた際に、検出部が検出した関節動作量を時系列に複数組取得するデータ取得部と、相対位置関係が係合部１９Ｒ、１９Ｌを介して固定された条件の下に未知の初期値を算出する初期値算出部と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、操作入力装置およびその初期化方法に関する。例えば、複数の多関節アームを有し、これら複数の多関節アームを動かすことにより操作入力を行う操作入力装置およびその初期化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、遠隔操作ロボットや外科手術の手術支援を行うための操作入力装置など、作動部が複数の多関節ロボットに保持された機器では、作動部の移動操作を行う場合に、作動部と同様な自由度を有する多関節アームを備える操作入力装置を用いることが知られている。例えば、マスタースレーブ方式の医療用マニピュレータシステムでは、スレーブマニピュレータの動きを入力するマスターマニピュレータがこのような操作入力装置を構成している。
このような操作入力装置は、多関節アームの各関節で検出される関節の回転角度や関節間のアームの長さ等を検出して作動部に対応して多関節アーム上に設けられた操作部の位置、姿勢を検出し、多関節ロボットの制御装置に送出する。多関節ロボットの制御装置では、操作入力装置から送出された位置、姿勢に合わせて作動部を駆動する制御を行う。
操作入力装置の多関節アームの関節には、関節の回転角度や隣接する関節間のアームの直動量を検知するセンサが内蔵されているが、低コスト化を図るため、絶対値が検出できないエンコーダを用いることが多い。
このような操作入力装置では、初期状態においてエンコーダの出力値と関節の角度や長さとの関係が不定であるため、正確な操作入力を行うには、エンコーダの出力値と、物理的な関節角度や関節長の値との同定作業を行う初期化が必要である。
例えば、特許文献１には、基部に固定されたドッキングステーションと、ドッキングステーションに設けられた筒部内保持可能な先端部を有する棒状のユーザインタフェースと、を備える反力提示型力覚インタフェースが記載されている。
この反力提示型力覚インタフェースでは、位置が固定されたドッキングステーションの筒部にユーザインタフェースの先端部を保持させることで、先端部の静止点およびホームポジションをゼロ位置またはユーザ指定のホームポジションにリセット（初期化）することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００７−５１０２３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のような従来の操作入力装置および操作入力装置の初期化方法には以下のような問題があった。
特許文献１に記載の技術では、操作入力を行うユーザインタフェースの動作範囲内に、位置が固定されたドッキングステーションの筒部を用意しなければならないため，ユーザインタフェースの動作範囲が制限されるという問題がある。すなわち、ドッキングステーションは初期化動作を行うときに使用するのみであるのに、ユーザインタフェースの動作範囲に入り込んでいるため、操作入力を行う際に入力インタフェースの動作の妨げとなってしまう。
【０００５】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、操作入力装置の動作範囲に初期化に用いる位置決め部材を設置することなく初期化を行うことができる操作入力装置および操作入力装置の初期化方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、本発明の操作入力装置は、回動または直動の自由度を有する複数の関節によって直列に連結され、基端部に対する先端部の位置、姿勢が変更可能とされた多関節アームを２組以上有する操作入力装置であって、前記多関節アームの基端部を、互いの相対位置関係を固定した状態に保持する保持部と、前記関節に設けられ、該関節の動作を未知の初期値からの回転角度または変位で表した関節動作量を検出する検出部と、前記多関節アームの前記先端部にそれぞれ設けられ、該先端部同士の相対位置が固定されるように係合する係合部と、前記係合部を介して前記多関節アームの前記先端部同士を係合し互いに係合された前記先端部同士を移動させた際に、前記検出部が検出した前記関節動作量を時系列に複数組取得するデータ取得部と、該データ取得部によって時系列に取得された前記関節動作量に基づいて、前記先端部同士の相対位置関係が前記係合部を介して固定された条件の下に前記未知の初期値を算出する初期値算出部と、を備える構成とする。
【０００７】
また、本発明の操作入力装置では、前記初期値算出部は、前記多関節ロボットの前記先端部の位置および姿勢を記述する運動学の関係式と、前記データ取得部によって時系列に取得された前記関節動作量とに基づいて、前記関節動作量の初期値を未知数とする連立方程式を生成し、該連立方程式を解いて前記関節動作量の初期値を算出することが好ましい。
【０００８】
また、本発明の操作入力装置では、前記初期値算出部は、前記連立方程式において０にすべき残差式が収束判定値以下になるまで収束計算を行うことにより前記連立方程式を解くことが好ましい。
【０００９】
また、本発明の操作入力装置では、前記初期値算出部は、予め決めた時間内に収束計算が終わらない場合に警告を行うことが好ましい。
【００１０】
また、本発明の操作入力装置では、前記警告の一つが前記検出部の故障を警告することが好ましい。
【００１１】
また、本発明の操作入力装置では、前記係合部は、前記多関節アームの前記先端部同士を直接係合して、互いの相対位置を固定することが好ましい。
【００１２】
また、本発明の操作入力装置では、前記係合部は、前記多関節アームの先端部同士を、一点を中心として回動可能に係合することが好ましい。
【００１３】
また、本発明の操作入力装置では、前記係合部は、係合相手の多関節アームの係合部との間の距離を一定に保つ中間部材を介して前記係合相手の多関節アームの係合部と係合されることが好ましい。
【００１４】
また、本発明の操作入力装置では、前記係合部は、前記多関節アームの先端部同士の間の相対位置および相対姿勢を固定して係合することが好ましい。
【００１５】
本発明の操作入力方法は、回動または直動の自由度を有する複数の関節によって直列に連結され、基端部に対する先端部の位置、姿勢が変更可能とされた２組以上の多関節アームと、前記関節に設けられ、該関節の動作を未知の初期値からの回転角度または変位で表した関節動作量を検出する検出部とを有する操作入力装置の初期化方法であって、前記多関節アームの基端部を、互いの相対位置関係を固定した状態に保持する保持工程と、前記多関節アームの前記先端部同士を、該先端部同士の相対位置が固定されるように係合する係合工程と、互いに係合された多関節アームの前記先端部同士を移動させつつ、前記互いに係合された多関節アームの各関節に設けられた前記検出部から、前記関節動作量を時系列に複数組取得するデータ取得工程と、該データ取得工程において時系列に取得された前記関節動作量に基づいて、前記先端部同士の相対位置関係が係合によって固定された条件の下に前記未知の初期値を算出する初期値算出工程と、を備える方法とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の操作入力装置および操作入力装置の初期化方法によれば、多関節アームの先端部に設けられた係合部同士を係合した状態で先端部同士を移動させて、各関節の検出部から時系列で関節動作量を取得し、先端部同士の相対位置関係が係合部を介して固定された条件の下に各検出部の初期値を算出して、初期化を行うことができるため、操作入力装置の動作範囲に初期化に用いる位置決め部材を設置することなく初期化を行うことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施形態の操作入力装置の一例を示す模式的な斜視図、およびその主要部の斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の操作入力装置の多関節アームの構成を示す模式的な斜視図である。
【図３】図２におけるＡ視図、およびこのＡ視図におけるＣ視図である。
【図４】図２におけるＢ視図、およびこのＢ視図におけるＤ視図である。
【図５】本発明の第１の実施形態の操作入力装置の係合部同士を係合した様子を示す模式的な平面図、およびそのＥ視図である。
【図６】本発明の第１の実施形態の操作入力装置の制御手段の機能構成を示す機能ブロック図である。
【図７】本発明の第１の実施形態の操作入力装置の初期化方法を示すフローチャートである。
【図８】本発明の第１の実施形態の操作入力装置の初期化方法の係合工程の動作説明図である。
【図９】本発明の第１の実施形態の操作入力装置の初期化方法のデータ取得工程の動作説明図である。
【図１０】本発明の第１の実施形態の変形例（第１変形例）の操作入力装置の主要部の構成を示す模式的な斜視図である。
【図１１】本発明の第１の実施形態の変形例（第１変形例）の操作入力装置に用いる中間部材の平面図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態の操作入力装置の主要部の構成を示す模式的な斜視図、および動作説明図である。
【図１３】本発明の第２の実施形態の操作入力装置の係合部の構成を示す模式的な斜視図である。
【図１４】本発明の第３の実施形態の操作入力装置の係合部の構成を示す模式的な部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下では、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。すべての図面において、実施形態が異なる場合であっても、同一または相当する部材には同一の符号を付し、共通する説明は省略する。
【００１９】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態の操作入力装置について説明する。
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態の操作入力装置の一例を示す模式的な斜視図である。図１（ｂ）は、本発明の第１の実施形態の操作入力装置の主要部の斜視図である。図２（ａ）、（ｂ）は、本発明の第１の実施形態の操作入力装置の多関節アームの構成を示す模式的な斜視図である。図３（ａ）は、図２（ａ）におけるＡ視図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）におけるＣ視図である。図４（ａ）は、図２（ｂ）におけるＢ視図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）におけるＤ視図である。図５（ａ）は、本発明の第１の実施形態の操作入力装置の係合部同士を係合した様子を示す模式的な平面図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）におけるＥ視図である。図６は、本発明の第１の実施形態の操作入力装置の制御手段の機能構成を示す機能ブロック図である。
【００２０】
本実施形態のマスターマニピュレータ１（操作入力装置）は、一例として、例えば、マスタースレーブ方式の医療用マニピュレータシステムにおいてスレーブマニピュレータの操作を行う操作入力装置として用いることができるものである。ここで、マスタースレーブ方式の医療用マニピュレータシステムとは、それぞれ多関節アームを含むマスターマニピュレータとスレーブマニピュレータとを有し、マスターマニピュレータの多関節アームを動かすことによってスレーブマニピュレータの多関節アームをマスターマニピュレータの多関節アームの動作に追従させるようにしてスレーブマニピュレータを遠隔制御するシステムである。
【００２１】
マスターマニピュレータ１の概略構成は、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、本体フレーム２（保持部）、表示部４、多関節アーム３Ｒ、３Ｌ（多関節アーム３Ｒは図１（ｂ）参照）、およびマスター制御部１００（図１（ａ）、（ｂ）では図示略、図６参照）を備える。
【００２２】
本体フレーム２は、多関節アーム３Ｒ、３Ｌの各基端部を、互いの相対位置関係を固定した状態に保持する保持部であり、本実施形態では、略矩形板状の形状を有し、床面上に設置されたスタンド部２ａの上端において水平方向に対して斜めに傾斜して固定されている。
また、本体フレーム２の中心部には、スレーブマニピュレータ１２０（図６参照）の動く様子を操作者Ｐが見ることができるように、不図示のカメラでスレーブマニピュレータ１２０を撮像した映像を表示する表示部４が設けられている。
図１（ａ）に示す表示部４の表示画面４ａには、多関節アーム３Ｒによって操作するスレーブマニピュレータ１２０Ｒの画像と、多関節アーム３Ｌによって操作するスレーブマニピュレータ１２０Ｌの画像とが表示されている。
表示部４の構成としては、例えば、液晶パネルやＣＲＴモニタなどの構成を採用することができる。
【００２３】
図１（ｂ）に示すように、多関節アーム３Ｒの基端部は本体フレーム２において表示部４が設けられた方を前面側とすると、前面側から見て下端部の右側に固定され、多関節アーム３Ｒの先端部は本体フレーム２の前面側に位置している。また、多関節アーム３Ｌの基端部は本体フレーム２の前面側から見て下端部の左側に固定され、先端部は本体フレーム２の前面側に位置している。このため、多関節アーム３Ｒ、３Ｌの各基端部の固定位置は、本体フレーム２上の各位置座標が既知であり、水平方向に一定距離だけ離間されている。
【００２４】
このような配置により、操作者Ｐは、例えば、本体フレーム２の前面に腰掛けた状態で、表示画面４ａにおけるスレーブマニピュレータ１２０Ｌ、１２０Ｒの動作を見ながら、多関節アーム３Ｌ、３Ｒの先端部を操作することができるようになっている。
【００２５】
多関節アーム３Ｒ、３Ｌは、いずれも複数のアームが、回動または直動の自由度を有する複数の関節によって直列に連結され、基端部に対する先端部の位置、姿勢が変更可能とされたものである。それぞれのアームおよび関節の個数、構成、配置は、操作対象の操作入力情報の必要に応じて適宜設定することができる。ただし、本実施形態では、多関節アーム３Ｒは右手による操作入力用、多関節アーム３Ｌは左手による操作入力用である。
本実施形態では、一例として、スレーブマニピュレータ１２０Ｒ、１２０Ｌがそれぞれ先端に把持鉗子を備え、把持鉗子の移動自由度を６自由度とする多関節アームを備える場合の例で説明する。
このため、本実施形態では、多関節アーム３Ｒ、３Ｌは、先端部において持ち手が異なる点を除いて略同様の構成を有している。
【００２６】
多関節アーム３Ｒの概略構成は、図２（ａ）に示すように、基端側から先端側に向かって、第１関節５（関節）、アーム６、第２関節７（関節）、アーム８、第３関節９（関節）、Ｌ型アーム１０、第４関節１１（関節）、Ｌ型アーム１２（アーム）、第５関節１３（関節）、および右手用操作アーム１４Ｒ（アーム）を備える。
【００２７】
第１関節５は、本体フレーム２に固定され本体フレーム２に交差する方向に延びる回動軸線Ｏ５ａを中心として回動する自由度を有する回動関節５ａと、回動軸線Ｏ５ａに直交する軸線である直動軸線Ｏ５ｂに沿って直動する自由度を有する直動関節５ｂとを備える２自由度の関節である。
また、図２（ａ）では図示を省略するが、第１関節５には、回動関節５ａの回動量を表す回転角度を検出する検出部Ｅ５ａ（図６参照）と、直動関節５ｂの直動量を表す変位を検出する検出部Ｅ５ｂ（図６参照）とが設けられている。
検出部Ｅ５ａ、Ｅ５ｂは、マスター制御部１００に電気的に接続され、それぞれ回転角度、変位の検出信号をマスター制御部１００に送出できるようになっている。
本実施形態では、検出部Ｅ５ａ、Ｅ５ｂは、いずれもインクリメント型のエンコーダを採用している。このため、通電開始時、または適宜のタイミングでマスター制御部１００からリセット信号が送出された時に、回転角度、変位は、それぞれ０にリセットできるようになっている。したがって、検出部Ｅ５ａ（Ｅ５ｂ）の検出信号は、検出部Ｅ５ａ（Ｅ５ｂ）のリセット時の関節の動作位置を基準とした回転角度（変位）を表している。
本実施形態では、リセット時に多関節アーム３Ｒ、３Ｌの各関節の各関節に設定された関節座標系での値を知ることができないため、リセット時の関節の動作位置は、多関節アーム３Ｒ、３Ｌの運動学の計算を行うために各関節に設定された関節座標系で測った値とは一般には一致しない。
以下では、リセット時の関節の動作位置を関節座標系で測った値を関節の動作の初期値と称する。
【００２８】
本体フレーム２に対する多関節アーム３Ｒの回動関節５ａの固定位置は、多関節アーム３Ｒの基端部の固定位置を規定している。
【００２９】
アーム６は、直動関節５ｂによって直動可能とされた棒状部材であり、直動軸線Ｏ５ｂと同軸に配置されて一端が直動関節５ｂに接続されている。また、アーム６の他端は、第２関節７に固定されている。
これにより、直動関節５ｂが直動されると、アーム６が直動軸線Ｏ５ｂに沿って進退し、アーム６の進退とともに第２関節７が平行移動することになる。
【００３０】
第２関節７は、直動軸線Ｏ５ｂに交差する軸線である直動軸線Ｏ７に沿って直動する自由度を有する１自由度の直動関節である。
また、図２（ａ）では図示を省略するが、第２関節７には、第２関節７の直動量を表す変位を検出する検出部Ｅ７（図６参照）が設けられている。
検出部Ｅ７は、マスター制御部１００に電気的に接続され、変位の検出信号をマスター制御部１００に送出できるようになっている。
本実施形態では、検出部Ｅ７は、検出部Ｅ５ｂと同様のインクリメント型のエンコーダを採用している。
【００３１】
アーム８は、第２関節７によって直動可能とされた棒状部材であり、直動軸線Ｏ７と同軸に配置されて一端が第２関節７に接続されている。また、アーム８の他端は、第３関節９に固定されている。
これにより、第２関節７が直動されると、アーム８が直動軸線Ｏ７に沿って進退し、アーム８の進退とともに第３関節９が平行移動することになる。
【００３２】
第３関節９は、直動軸線Ｏ７および回動軸線Ｏ５ａに直交する軸線である回動軸線Ｏ９を中心として回動する自由度を有する１自由度の回動関節である。
また、図２（ａ）では図示を省略するが、第３関節９には、第３関節９の回動量を表す回転角度を検出する検出部Ｅ９（図６参照）が設けられている。
検出部Ｅ９は、マスター制御部１００に電気的に接続され、回転角度の検出信号をマスター制御部１００に送出できるようになっている。
本実施形態では、検出部Ｅ９は、検出部Ｅ５ａと同様のインクリメント型のエンコーダを採用している。
【００３３】
Ｌ型アーム１０は、一端が第３関節９に接続され回動軸線Ｏ９に直交する方向に延ばされた真直アーム部１０ａと、真直アーム部１０ａの他端から回動軸線Ｏ９に沿う方向に延ばされた真直アーム部１０ｂとで形成されるＬ字型のアーム部材である。
本実施形態では、真直アーム部１０ｂは、真直アーム部１０ａから多関節アーム３Ｌが設けられた側に延ばされ、先端に第４関節１１が接続されている。
これにより、第３関節９が回動されると、Ｌ型アーム１０が回動軸線Ｏ９回りに回動し、Ｌ型アーム１０の回転移動とともに第４関節１１が回転移動することになる。
【００３４】
第４関節１１は、真直アーム部１０ｂおよび回動軸線Ｏ９に直交する軸線である回動軸線Ｏ１１を中心として回動する自由度を有する１自由度の回動関節である。
また、図２（ａ）では図示を省略するが、第４関節１１には、第４関節１１の回動量を表す回転角度を検出する検出部Ｅ１１（図６参照）が設けられている。
検出部Ｅ１１は、マスター制御部１００に電気的に接続され、回転角度の検出信号をマスター制御部１００に送出できるようになっている。
本実施形態では、検出部Ｅ１１は、検出部Ｅ５ａと同様のインクリメント型のエンコーダを採用している。
【００３５】
Ｌ型アーム１２は、一端が第４関節１１に接続され回動軸線Ｏ１１に直交する方向に延ばされた真直アーム部１２ａと、真直アーム部１２ａの他端から回動軸線Ｏ１１に沿う方向に延ばされた真直アーム部１２ｂとで形成されるＬ字型のアーム部材である。
また、真直アーム部１２ａは、長さがＬ型アーム１０の真直アーム部１０ｂよりも短い。また、真直アーム部１２ａのＬ型アーム１０の真直アーム部１０ｂに対する接続位置は、真直アーム部１０ａが延ばされたのと同方向側である。
また、真直アーム部１２ｂの延在方向は、Ｌ型アーム１０の真直アーム部１０ａと同方向であり、延在方向の先端に第５関節１３が接続されている。
これにより、Ｌ型アーム１２は、Ｌ型アーム１０と干渉することなく回動軸線Ｏ１１を中心として自由に回転移動することができ、Ｌ型アーム１２の回転移動とともに第５関節１３が回転移動することになる。
【００３６】
第５関節１３は、真直アーム部１２ｂおよび回動軸線Ｏ１１に直交する軸線である回動軸線Ｏ１３を中心として回動する自由度を有する１自由度の回動関節である。
また、図２（ａ）では図示を省略するが、第５関節１３には、第５関節１３の回動量を表す回転角度を検出する検出部Ｅ１３（図６参照）が設けられている。
検出部Ｅ１３は、マスター制御部１００に電気的に接続され、変位の検出信号をマスター制御部１００に送出できるようになっている。
本実施形態では、検出部Ｅ１３は、検出部Ｅ５ａと同様のインクリメント型のエンコーダを採用している。
【００３７】
右手用操作アーム１４Ｒは、一端が第５関節１３に接続され回動軸線Ｏ１３に直交する方向に延ばされた真直アーム部１４ａと、真直アーム部１４ａの他端から回動軸線Ｏ１３に沿う方向かつＬ型アーム１２の真直アーム部１２ａと同方向に延ばされた真直アーム部１４ｂと、真直アーム部１４ｂにおいて真直アーム部１４ａが接続されたのと反対側の端部から真直アーム部１４ａと同方向に延ばされたグリップ部１４ｃと、真直アーム部１４ａに対向するグリップ部１４ｃの側面１４ｄから真直アーム部１４ａ側に突出して設けられた把持操作部１５とを備える。
なお、右手用操作アーム１４Ｒは、第１関節５を多関節アーム３Ｒの基端部とするとき、多関節アーム３Ｒの先端部を構成するものである。
【００３８】
グリップ部１４ｃの形状は、真直アーム部１４ｂが延ばされた側面１４ｄの裏側の側面から右手ＨＲで握りやすい適宜の立体形状を備えることができるが、本実施形態では、真直アーム部１４ａ、１４ｂの幅と略同程度の厚さを有する略板状に形成されている。
以下では、側面１４ｄに隣接する厚さ方向の側面のうち、グリップ部１４ｃを握ったときに右手ＨＲの親指が位置する側の側面を側面１４ｆ、その裏面側の側面を側面１４ｇと称する。
【００３９】
右手用操作アーム１４Ｒにおいて、真直アーム部１４ａは、長さがＬ型アーム１２の真直アーム部１２ｂよりも短く、かつ第５関節１３とはＬ型アーム１２の真直アーム部１２ｂに対して真直アーム部１２ａが延ばされたのと同方向側で接続されている。
また、右手用操作アーム１４Ｒの回動軸線Ｏ１３に沿う方向の長さは、真直アーム部１２ａ、１０ｂの長さの和よりも短い。また右手用操作アーム１４Ｒのグリップ部１４ｃの回動軸線Ｏ１３に直交する方向の長さは、真直アーム部１４ａの長さの２倍よりも短い。
このような構成により、右手用操作アーム１４Ｒは、Ｌ型アーム１２と干渉することなく回動軸線Ｏ１３を中心として自由に回転移動することができる。また、Ｌ型アーム１２とともに回動軸線Ｏ１１の回りに回転移動する際は、Ｌ型アーム１２と同様に、右手用操作アーム１４ＲもＬ型アーム１０と干渉することなく自由に回転移動することができる。
【００４０】
グリップ部１４ｃにおいて延在方向の先端における先端面１４ｅには、後述する多関節アーム３Ｌの左手用操作アーム１４Ｌとの間で相対位置が固定されるように係合する係合部１９Ｒが設けられている。
係合部１９Ｒの形状は、相対位置が固定できれば特に限定されないが、本実施形態では、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、凹部１５Ｒと凸部１６Ｒとを備える。
凹部１５Ｒは、グリップ部１４ｃの側面１４ｆ、１４ｇの間で厚さ方向に貫通する断面矩形状の溝からなり、先端面１４ｅに対する凹部を構成している。
凸部１６Ｒは、同じく側面１４ｆ、１４ｇの間で厚さ方向に貫通し、凹部１５Ｒの側面１４ｄ側に隣接して設けられた断面矩形状の突起部であり、先端面１４ｅに対する凸部を構成している。
凸部１６Ｒの先端面１４ｅの法線方向から見た形状は、図３（ｂ）に示すように、全体として略矩形状である。ただし、矩形となるべき一隅がわずかに矩形状に切り欠かれ、先端面１４ｅと同高さとされた切欠き部１６ａが、側面１４ｇと隣接し凹部１５Ｒと反対側となる一隅に形成されている。
このため、凸部１６Ｒの切欠き部１６ａによって、側面１４ｇの近傍において側面１４ｇから側面１４ｆに向かう途中に段部１６ｂが形成されている。
【００４１】
また、本実施形態では、凸部１６Ｒの裏面側のグリップ部１４ｃの内部に、後述する係合部１９Ｌとの係合状態を検知する係合センサ１８Ｒが設けられている。
係合センサ１８Ｒの構成は、係合センサ１８Ｌとの組合せにおいて係合状態を検知できれば、接触型、非接触型の適宜の検知センサを採用することができる。接触型の検知センサとしては、圧力センサ、電気的な導通を検知するセンサ、接点式スイッチ等を採用することができる。また非接触型の検知センサとしては、光センサ、静電容量検知センサ、磁気検知センサ、ジャイロセンサ等を採用することができる。
また、係合センサ１８Ｒ、１８Ｌのいずれか一方を能動センサ、他方を受動センサまたは被検知媒体としてもよい。例えば、係合センサ１８Ｒ、１８Ｌの一方が光センサの場合には、他方は被検知媒体として、光センサにより位置検出可能な検知マークを採用することができる。
また、係合部にセンサを設けず，操作者が係合していることを目視にて確認し，図示していないマスター制御部インタフェースを介して係合検出部１０２に係合信号を入力してもよい。
本実施形態では、係合センサ１８Ｒは、接点式スイッチを採用している。
また、係合センサ１８Ｒは、マスター制御部１００に電気的に接続され、所定の係合状態が検知された場合、検出信号をマスター制御部１００に送出できるようになっている（図６参照）。
【００４２】
把持操作部１５は、スレーブマニピュレータ１２０Ｒの把持鉗子の開閉操作の操作入力を行うものである。本実施形態では、把持操作部１５は、例えば右手ＨＲの中指、薬指、小指でグリップ部１４ｃを握ったときに親指および人差し指で押圧可能に設けられ、図示略の角度検出部によって互いの開き角を検出できる操作レバー１５ａ、１５ｂを備える。
把持操作部１５は、マスター制御部１００に電気的に接続され、角度検出部による開き角の検出信号をマスター制御部１００に送出できるようになっている（図６参照）。
【００４３】
多関節アーム３Ｌの概略構成は、多関節アーム３Ｒと略同様の構成を有し、図２（ｂ）に示すように、基端側から先端側に向かって、第１関節５、アーム６、第２関節７、アーム８、第３関節９、Ｌ型アーム１０、第４関節１１、Ｌ型アーム１２、第５関節１３、および左手用操作アーム１４Ｌ（アーム）を備える。
以下では、多関節アーム３Ｒと異なる点を中心に説明する。
【００４４】
第１関節５は、多関節アーム３Ｒの第１関節５と同様の構成を備え、回動関節５ａが、本体フレーム２の下端部において、多関節アーム３Ｒの回動関節５ａと水平方向に一定距離離れた位置に固定された点が異なる。
本体フレーム２に対する多関節アーム３Ｌの第１関節５の回動関節５ａの固定位置は、多関節アーム３Ｌの基端部の固定位置を規定している。
検出部Ｅ５ａ、Ｅ５ｂは、多関節アーム３Ｒの場合と同様に、マスター制御部１００に電気的に接続され、それぞれ回転角度、変位の検出信号をマスター制御部１００に送出できるようになっている（図６参照）。
【００４５】
アーム６は、多関節アーム３Ｒのアーム６と同様の部材であり、同様にして、直動関節５ｂと第２関節７とに接続されている。
【００４６】
第２関節７は、多関節アーム３Ｒの第２関節７と同様の構成を有し、多関節アーム３Ｒの場合と同様に、検出部Ｅ７が、マスター制御部１００に電気的に接続され、変位の検出信号をマスター制御部１００に送出できるようになっている（図６参照）。
【００４７】
アーム８は、多関節アーム３Ｒのアーム８と同様の部材であり、同様にして、第２関節７と第３関節９とに接続されている。
【００４８】
第３関節９は、多関節アーム３Ｒの第３関節９と同様の構成を有し、多関節アーム３Ｒの場合と同様に、検出部Ｅ９が、マスター制御部１００に電気的に接続され、回転角度の検出信号をマスター制御部１００に送出できるようになっている（図６参照）。
【００４９】
Ｌ型アーム１０は、多関節アーム３ＲのＬ型アーム１０と同様の部材であり、同様にして、第３関節９と第４関節１１とに接続されている。
ただし、多関節アーム３ＬのＬ型アーム１０の真直アーム部１０ｂは、真直アーム部１０ａから多関節アーム３Ｒが設けられた側に延ばされ、先端に第４関節１１が接続されている点が異なる。
【００５０】
第４関節１１は、多関節アーム３Ｒの第４関節１１と同様の構成を有し、多関節アーム３Ｒの場合と同様に、検出部Ｅ１１が、マスター制御部１００に電気的に接続され、回転角度の検出信号をマスター制御部１００に送出できるようになっている（図６参照）。
【００５１】
Ｌ型アーム１２は、多関節アーム３ＲのＬ型アーム１２と同様の部材であり、同様にして、第４関節１１と第５関節１３とに接続されている。
【００５２】
第５関節１３は、多関節アーム３Ｒの第５関節１３と同様の構成を有し、多関節アーム３Ｒの場合と同様に、検出部Ｅ１３が、マスター制御部１００に電気的に接続され、回転角度の検出信号をマスター制御部１００に送出できるようになっている（図６参照）。
【００５３】
左手用操作アーム１４Ｌは、多関節アーム３Ｒの右手用操作アーム１４Ｒと略同様の部材であり、同様にして、第５関節１３に接続されている。また、左手用操作アーム１４Ｌは、第１関節５を多関節アーム３Ｌの基端部とするとき、多関節アーム３Ｌの先端部を構成するものである。
左手用操作アーム１４Ｌが、右手用操作アーム１４Ｒと異なるのは、グリップ部１４ｃの係合部１９Ｒに代えて、係合部１９Ｌが設けられた点である。
また、グリップ部１４ｃの形状は、真直アーム部１４ｂが延ばされた側面１４ｄの裏側の側面から左手ＨＬで握りやすい適宜の立体形状を備えることができる点が、右手用操作アーム１４Ｒのグリップ部１４ｃとは異なる。本実施形態では、真直アーム部１４ａ、１４ｂの幅と略同程度の厚さを有する略板状に形成されており、側面１４ｆ、１４ｇが入れ替わることで、右手用操作アーム１４Ｒとは面対称の形状になっている。
【００５４】
係合部１９Ｌは、多関節アーム３Ｒの右手用操作アーム１４Ｒとの間で相対位置が固定されるように係合するためのもので、左手用操作アーム１４Ｌの先端面１４ｅに設けられている。
係合部１９Ｌの形状は、係合部１９Ｒと係合する凹凸部からなり、本実施形態では、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、凸部１５Ｌと凹部１６Ｌとを備える。
凸部１５Ｌは、右手用操作アーム１４Ｒの先端面１４ｅに左手用操作アーム１４Ｌの先端面１４ｅを密着させた状態で、凹部１５Ｒと係合する凸部であり、グリップ部１４ｃの側面１４ｆ、１４ｇの間で厚さ方向に貫通する断面矩形状の突起部からなる。
凹部１６Ｌは、右手用操作アーム１４Ｒの先端面１４ｅに左手用操作アーム１４Ｌの先端面１４ｅを密着させた状態で、凸部１６Ｒと係合する凹部であり、側面１４ｆ、１４ｇの間で厚さ方向に貫通し、凸部１５Ｌの側面１４ｄ側に隣接して設けられた断面矩形状の溝部である。
凹部１６Ｌの先端面１４ｅの法線方向から見た形状は、図４（ｂ）に示すように、凸部１６Ｒの内側に嵌合する形状である。すなわち、全体として略矩形状であり、矩形となるべき一隅に、先端面１４ｅと同高さで、わずかに溝内に突出された矩形状の突起部からなる突起部１７が、側面１４ｇと隣接し凸部１５Ｌと反対側となる一隅に形成されている。
このため、凹部１６Ｌの突起部１７によって、側面１４ｇの近傍において側面１４ｆから側面１４ｇに向かう途中に段部１７ａが形成されている。
【００５５】
また、本実施形態では、凹部１６Ｌの裏面側のグリップ部１４ｃの内部に、係合部１９Ｒとの係合状態を検知する係合センサ１８Ｌが設けられている。
係合センサ１８Ｌは、係合センサ１８Ｒとの組合せにおいて、係合状態を検知できれば、係合センサ１８Ｒと同様の接触型、非接触型の適宜の検知センサを採用することができる。例えば、係合センサ１８Ｒが能動センサの場合に係合センサ１８Ｌは受動センサまたは被検知媒体としてもよいことは、上述したとおりである。
本実施形態では、係合センサ１８Ｌは、被検知媒体を採用している。
また、係合センサ１８Ｌは、マスター制御部１００に電気的に接続され、所定の係合状態が検知された場合、検出信号をマスター制御部１００に送出できるようになっている（図６参照）。
【００５６】
このような係合部１９Ｒ、１９Ｌの構成により、右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌの各側面１４ｆを同方向に向けて、凹部１５Ｒと凸部１５Ｌとが対向するとともに凸部１６Ｒと凹部１６Ｌとが対向するようにして、各先端面１４ｅ同士を突き合わせると、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、各先端面１４ｅが密着するとともに各側面１４ｆ同士、各側面１４ｇ同士が整列した係合状態を形成することができる。
このとき、凹部１５Ｒと凸部１５Ｌとの係合、および凸部１６Ｒと凹部１６Ｌとの係合により、各グリップ部１４ｃの厚さ方向に直交し各先端面１４ｅに沿う方向の相対位置が固定される。
また、凸部１６Ｒにおける段部１６ｂと突起部１７における段部１７ａとの係合により、各グリップ部１４ｃの厚さ方向の相対位置が固定される。
すなわち、係合部１９Ｒ、１９Ｌによれば、右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌを互いの先端面１４ｅが先端面１４ｅの面内方向の位置が固定された状態で密着される。右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌ同士の間の相対移動の自由度は６自由度すべてが固定される。
このとき、本実施形態では、係合センサ１８Ｒ、１８Ｌは、互いに対向する位置で互いに当接して配置されるため、係合センサ１８Ｒ、１８Ｌによって正常な係合状態にあることが検知される。
【００５７】
把持操作部１５は、スレーブマニピュレータ１２０Ｌの把持鉗子の開閉操作の操作入力を行うものであり、多関節アーム３Ｒの把持操作部１５と同様の部材である。ただし、左手用操作アーム１４Ｌは、左手ＨＬでグリップ部１４ｃを握るため、操作レバー１５ａ、１５ｂの位置が、側面１４ｆ、１４ｇの位置関係と同様に反転されている点が異なる。
このため、例えば左手ＨＬの中指、薬指、小指でグリップ部１４ｃを握ったときに親指および人差し指が、それぞれ操作レバー１５ａ、１５ｂを押圧できることは、右手用操作アーム１４Ｒの場合と同様である。
また、左手用操作アーム１４Ｌの把持操作部１５は、多関節アーム３Ｒの場合と同様に、マスター制御部１００に電気的に接続され、角度検出部による開き角の検出信号をマスター制御部１００に送出できるようになっている（図６参照）。
【００５８】
次に、マスター制御部１００の構成について、図６を参照して説明する。
マスター制御部１００の機能構成は、データ取得部１０１、係合検知部１０２、初期値算出部１０３、記憶部１０４、および入力データ生成部１０５を備える。
【００５９】
データ取得部１０１は、多関節アーム３Ｒ、３Ｌのそれぞれの検出部Ｅ５ａ、Ｅ５ｂ、Ｅ７、Ｅ９、Ｅ１１、Ｅ１３が検出した関節動作量（以下、単に、各関節動作量という）を時系列に取得するものであり、各検出部Ｅ５ａ、Ｅ５ｂ、Ｅ７、Ｅ９、Ｅ１１、Ｅ１３、係合検知部１０２、初期値算出部１０３、および入力データ生成部１０５とそれぞれ電気的に接続されている。ここで、関節動作量とは、検出部が検出する回転角度または変位を意味する。
マスター制御部１００は、スレーブマニピュレータ１２０に対する操作入力に先立って多関節アーム３Ｒ、３Ｌの関節動作量の初期値を算出する初期化モードと、初期化モード終了後に多関節アーム３Ｒ、３Ｌの関節動作量に基づいてスレーブマニピュレータ１２０を操作するための入力データを生成する操作モードとを備えており、これらのモードに応じてデータ取得部１０１の関節動作量の送出先が異なる。
【００６０】
初期化モードは、本実施形態では、係合部１９Ｒ、１９Ｌを介して多関節アーム３Ｒ、３Ｌの先端部である右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌ同士を係合されたことが、係合検知部１０２によってデータ取得部１０１に通知されると開始される。
初期化モードでは、データ取得部１０１は、各関節動作量を時系列に複数組取得すると、これらの複数組の関節動作量を初期値算出部１０３に送出する。
操作モードは、後述するように初期化が終了した際、初期値算出部１０３からの制御信号の送出を受けて設定される。
操作モードでは、データ取得部１０１は、各関節動作量を時系列に取得すると、これらを順次入力データ生成部１０５に送出する。
【００６１】
係合検知部１０２は、係合センサ１８Ｒ、１８Ｌの検出信号を取得し、係合部１９Ｒ、１９Ｌの係合状態を判定して、所定の係合状態が得られたと判定した場合には、データ取得部１０１に係合完了を通知して、データ取得部１０１を初期化モードに設定するとともに、表示部４の係合完了のメッセージを表示させる。
また、係合検知部１０２は、係合未完了の場合には、表示部４に係合未完了のメッセージを表示させる。
このため、係合検知部１０２は、本実施形態では、係合センサ１８Ｒ、１８Ｌ、データ取得部１０１、表示部４に電気的に接続されている。
【００６２】
初期値算出部１０３は、データ取得部１０１によって時系列に取得された関節動作量に基づいて、右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌ同士の相対位置関係が係合部１９Ｒ、１９Ｌを介して固定された条件の下に、各検出部Ｅ５ａ、Ｅ５ｂ、Ｅ７、Ｅ９、Ｅ１１、Ｅ１３における関節の動作の初期値を算出するものである。
このため、初期値算出部１０３は、データ取得部１０１に電気的に接続されている。また、初期値算出部１０３は、記憶部１０４および表示部４と電気的に接続され、算出された初期値を記憶部１０４に送出して記憶させたり、算出処理の過程でエラーが発生した場合に、エラーメッセージを表示部４に表示させたりすることができるようになっている。
【００６３】
初期値算出部１０３における関節の動作の初期値の算出方法については、後述するマスター制御部１００の動作説明の中で説明する。
【００６４】
記憶部１０４は、初期値算出部１０３および入力データ生成部１０５と電気的に接続され、初期値算出部１０３から送出された関節の動作の初期値を記憶するとともに、入力データ生成部１０５がこれらの初期値を必要に応じて読み出せるようにしたものである。
【００６５】
入力データ生成部１０５は、多関節アーム３Ｒ、３Ｌの右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌの位置および姿勢と、各把持操作部１５に対してなされた操作による操作量とに基づいて、スレーブマニピュレータ１２０Ｌ、１２０Ｒの把持鉗子の位置および姿勢の制御目標値と、把持鉗子の開閉動作を制御する制御目標値とを含む入力データを生成するものである。
入力データ生成部１０５は、データ取得部１０１、記憶部１０４、およびスレーブマニピュレータ１２０Ｒ、１２０Ｌの動作制御を行うスレーブ制御部１１０に電気的に接続されている。
入力データ生成部１０５は、各把持操作部１５から送出された操作量を、予め設定された操作感度に応じて操作量を変倍し、把持鉗子の開閉量の制御目標値に変換できるようになっている。
また、入力データ生成部１０５は、データ取得部１０１から送出された各関節動作量を、記憶部１０４に記憶された初期値に基づいて関節座標系上の関節動作量に変換し、変換後の関節動作量から、スレーブマニピュレータ１２０Ｌ、１２０Ｒの把持鉗子の位置および姿勢の制御目標値を算出できるようになっている。
【００６６】
マスター制御部１００の装置構成は、ＣＰＵ、メモリ、入出力インタフェース、外部記憶装置などを備えるコンピュータからなり、これにより上記の各機能に対応する制御、演算処理を行う適宜のプログラムが実行されるようになっている。
【００６７】
次に、マスターマニピュレータ１の動作について、本実施形態の操作入力装置の初期化方法を中心として説明する。
図７は、本発明の第１の実施形態の操作入力装置の初期化方法を示すフローチャートである。図８（ａ）、（ｂ）は、本発明の第１の実施形態の操作入力装置の初期化方法の係合工程の動作説明図である。図９（ａ）、（ｂ）は、本発明の第１の実施形態の操作入力装置の初期化方法のデータ取得工程の動作説明図である。
【００６８】
マスターマニピュレータ１では、検出部Ｅ５ａ、Ｅ５ｂ、Ｅ７、Ｅ９、Ｅ１１、Ｅ１３としていずれもインクリメント型のエンコーダを用いているため、検出部Ｅ５ａ、Ｅ５ｂ、Ｅ７、Ｅ９、Ｅ１１、Ｅ１３が出力する関節動作量は、リセット時における関節の動作の未知の初期値を基準としている。このため、取得された関節動作量を関節座標系上の数値に変換するための初期化動作を行う必要がある。
本実施形態の操作入力装置の初期化方法は、保持工程、係合工程、データ取得工程、および初期値算出工程をこの順に行う方法である。
図７に示すフローチャートは、本実施形態のマスターマニピュレータ１を用いて操作者Ｐが行う操作入力装置の初期化方法のフローを示している。
なお、本実施形態の初期化方法は、マスターマニピュレータ１が行う動作の他に、人がマスターマニピュレータ１に対して行う動作がある。人による動作は、誰が行ってもよく、初期化後にマスターマニピュレータ１の操作入力を行う操作者Ｐと別人であってもよいが、以下では初期化動作を行う人も操作者Ｐと称する。
【００６９】
保持工程は、多関節アーム３Ｒ、３Ｌの基端部を、互いの相対位置関係を固定した状態に保持する工程である。
本実施形態では、多関節アーム３Ｒ、３Ｌの基端部である各回動関節５ａが、本体フレーム２の所定位置に固定されているため、マスターマニピュレータ１の組立時に実施済みである。このため、操作者Ｐとしては保持工程を行う必要はない。このため、図７のフローチャートでは、保持工程に対応するステップの記載を省略している。
各回動関節５ａの固定位置は、各多関節アーム３Ｒ、３Ｌに設定された関節座標系の座標値としてマスター制御部１００の記憶部１０４に記憶されている。
ただし、マスターマニピュレータ１は、本体フレーム２上で多関節アーム３Ｒ、３Ｌの基端部の固定位置を操作者Ｐが変更できる構成としてもよく、この場合には、図７のステップＳ１に先立って保持工程を行う必要がある。すなわち、操作者Ｐは、多関節アーム３Ｒ、３Ｌの基端部の固定位置を変更し、記憶部１０４に記憶された固定位置を更新する。
【００７０】
、
保持工程が終了したら、係合工程を行う。本工程は、多関節アーム３Ｒ、３Ｌの先端部同士である右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌを、これらの相対位置が固定されるように係合する工程である。
本実施形態では、ステップＳ１、Ｓ２が係合工程を構成している。
【００７１】
ステップＳ１では、操作者Ｐが、右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌを係合部１９Ｒ、１９Ｌを介して係合する。
例えば、図８（ａ）に示すように、各側面１４ｆを上側に向けて右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌを水平に配置し、各先端面１４ｅが向かい合う方向に向けて、係合部１９Ｒ、１９Ｌを係合する位置関係に互いに相対位置を調整する。
本実施形態の場合、図５（ａ）に示すように、凹部１５Ｒと凸部１５Ｌとが対向するとともに凸部１６Ｒと凹部１６Ｌとが対向するようにして、各先端面１４ｅ同士を突き合わせて密着させる。
そして、図８（ｂ）に示すように、右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌの厚さ方向の相対位置を調整して、図５（ｂ）に示すように段部１６ｂと段部１７ａとを密着させる。
これにより、右手用操作アーム１４Ｒと左手用操作アーム１４Ｌとは、互いの間の平行移動および回転移動が拘束される。
以上で、ステップＳ１が終了する。
【００７２】
ステップＳ２は、係合状態が得られたかどうかを判定するステップである。
本実施形態では、係合検知部１０２によって、係合センサ１８Ｒ、１８Ｌからの検出信号を取得して係合部１９Ｒ、１９Ｌの係合状態を判定する。
係合検知部１０２は、係合センサ１８Ｒ、１８Ｌの検出信号がいずれも予め設定された係合状態の許容範囲内の係合状態を表す場合、係合完了と判定し、判定結果をデータ取得部１０１に通知するとともに、表示部４に係合完了のメッセージを表示させる。
データ取得部１０１に係合完了が通知されると、データ取得部１０１が初期化モードに設定される。
係合完了に到らないと判定した場合には、係合未完了のメッセージを表示部４に表示させる。
操作者Ｐは、表示部４の表示を見て、係合未完了の場合には、係合部１９Ｒ、１９Ｌの係合を微調整したり、再度係合を試みたりするなどして、係合完了と判定されるまで、ステップＳ１を繰り返す。
以上で、ステップＳ２が終了する。
【００７３】
次に、データ取得工程を行う。本工程は、互いに係合された右手用操作アーム１４Ｒ、１４Ｌ同士を移動させつつ、互いに係合された多関節アーム３Ｒ、３Ｒの各関節に設けられた各検出部Ｅ５ａ、Ｅ５ｂ、Ｅ７、Ｅ９、Ｅ１１、Ｅ１３から、関節動作量を時系列に複数組取得する工程である。
本実施形態では、ステップＳ３〜Ｓ７がデータ取得工程を構成している。
【００７４】
ステップＳ３では、操作者Ｐが右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌの係合を保って多関節アーム３Ｒ、３Ｌを適宜動かすステップである。
係合工程終了後、図９（ａ）に模式的に示すように、多関節アーム３Ｒ、３Ｌは、各回動関節５ａが本体フレーム２に固定されているため、閉ループのリンクを構成している。
データ取得部１０１は、係合工程終了後、すぐに各検出部Ｅ５ａ、Ｅ５ｂ、Ｅ７、Ｅ９、Ｅ１１、Ｅ１３にリセット信号を送出する。これにより、各検出部Ｅ５ａ、Ｅ５ｂ、Ｅ７、Ｅ９、Ｅ１１、Ｅ１３の関節動作量はすべて０にリセットされる。
この状態で、操作者Ｐは、互いに係合された右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌを手に持って適宜移動させる。これにより、図９（ｂ）に実線で模式的に示すように、多関節アーム３Ｒ、３Ｌの各関節および各アームがそれぞれの可動範囲内で移動する。
【００７５】
次に、ステップＳ４では、データ取得部１０１によって、各検出部Ｅ５ａ、Ｅ５ｂ、Ｅ７、Ｅ９、Ｅ１１、Ｅ１３から、関節動作量を時系列に取得する。取得された各関節動作量は、データ取得部１０１内に記憶される。関節動作量を取得する時間間隔は、一定値、例えば、０．５秒に設定する。
以下では、リセット信号の送出時を、ｔ＝０として、時刻ｔにおける各検出部Ｅ５ａ、Ｅ５ｂ、Ｅ７、Ｅ９、Ｅ１１、Ｅ１３による関節動作量をそれぞれ、ｅＲｊ（ｔ）、ｅＬｊ（ｔ）（ただし、ｊ＝１，…，６）と表す。
ただし、上記のようにリセットが行われているため、次式（１ａ）、（１ｂ）が成り立つ。
【００７６】
ｅＲｊ（０）＝０ （ｊ＝１，…，６） ・・・（１ａ）
ｅＬｊ（ｔ）＝０ （ｊ＝１，…，６） ・・・（１ｂ）
【００７７】
なお、本実施形態では連立方程式を解くため、未知数以上の取得組数が必要となる。未知数（関節数）は１２個あるため、少なくともｔ＝１２になるまで関節動作量を取得する。
以上でステップＳ４が終了する。
ここで、添字の意味について説明する。これらの添字は、特に断らない限りは後述の他の変数でも共通の意味で用いる。
添字Ｒは多関節アーム３Ｒに関連付けられたことを示し、添字Ｌは多関節アーム３Ｌに関連付けられたことを示す。
添字ｊは、１、２、３、４、５、６が、それぞれ検出部Ｅ５ａ、Ｅ５ｂ、Ｅ７、Ｅ９、Ｅ１１、Ｅ１３、または、回動関節５ａ、直動関節５ｂ、第２関節７、第３関節９、第４関節１１、第５関節１３に関連付けられたことを示す。
【００７８】
次にステップＳ５では、係合部が十分動かされているかを判定する。係合部の位置だけを動かして姿勢を動かさない、あるいは、同じパターンの動きばかりだと、精度がでないため、ｅＲｊ（ｔ）、ｅＬｊ（ｔ）（ただし、ｊ＝１，…，６）を用いて運動学を解き、正しい値ではないが、仮の位置姿勢を計算する。
仮の位置姿勢の時々刻々の変化を判別し、変化が規定値を超えていない場合には、ステップS６に移行する。十分に仮の位置姿勢の値が変化していれば、データ取得部１０１は、複数組の関節動作量を初期値算出部１０３に送出して、ステップＳ８に移行する。これによりデータ取得工程が終了する。
【００７９】
ステップＳ６では、データ取得部１０１が、関節動作量の変化が少なすぎる関節があるかどうか判定する。
すなわち、データ取得部１０１は、各関節の関節動作量の変化幅を算出し、変化幅が、予め設定された許容範囲よりも小さい関節があった場合には、ステップＳ７に移行する。
変化幅が許容範囲よりも小さい関節がなかった場合には、ステップＳ３に移行し、ステップＳ３〜Ｓ５を繰り返す。
【００８０】
ステップＳ７では、データ取得部１０１が、関節動作量が少ない関節を動かすように警告するメッセージを表示部４に表示させる。
ステップＳ７が終了したら、ステップＳ３に移行し、ステップＳ３〜ステップＳ６を繰り返す。
【００８１】
関節動作量の変化が少なすぎる関節があると、初期値算出工程において算出する未知数の誤差が増える要因となる。
本実施形態では、ステップＳ７を設けることにより、操作者Ｐが一部の関節の関節動作量の変化が少なすぎるような動かし方をした場合に、表示部４を通して、操作者Ｐに知らせることができる。これにより、操作者Ｐは右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌの動かし方を改善することができるため、初期化の精度を向上することができる。
【００８２】
ステップＳ８、Ｓ９では、初期値算出部１０３によって初期値算出工程を行う。
本工程は、データ取得工程において時系列に取得された関節動作量に基づいて、右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌ同士の相対位置関係が係合によって固定された条件の下に未知の初期値を算出する工程である。
【００８３】
各関節の動作を関節座標系で、θＲｊ（ｔ）、θＬｊ（ｔ）（ただし、ｊ＝１，…，６）と表すと、次式（２ａ）、（２ｂ）が成り立つ。
【００８４】
θＲｊ（ｔ）＝θＲｊ（０）＋ｅＲｊ（ｔ） （ｊ＝１，…，６） ・・・（２ａ）
θＬｊ（ｔ）＝θＬｊ（０）＋ｅＬｊ（ｔ） （ｊ＝１，…，６） ・・・（２ａ）
【００８５】
ここで、θＲｊ（０）、θＬｊ（０）は、リセット時の各関節の動作の初期値であり、各検出部から得られない情報であるため、未知数である。ｖ
一般に、関節座標系での速度ベクトルvと角速度ベクトルωを並べた６次元ベクトル（ツイスト）をνとすると、νと速度θ’（記号’は、時間微分を表す）との関係は，基礎ヤコビ行列ＪＢ（θ）を用いて次式（３）のように表すことができる。
【００８６】
ν＝ＪＢ（θ）θ’ ・・・（３）
【００８７】
それぞれの関節の速度は関節リンク同士が鎖状につながり隣同士拘束しあっているため、根元から順番に計算することができ、関節リンクｉの速度は，リンクｉ−１の速度に関節ｉによって加えられる新しい項を加え合わせたものになるので、関節座標系｛Ｏｎ｝の速度ｖ、角速度ωは次式（４）のように表される（ただし、ｎ＝６）。
【００８８】
【数１】
【００８９】
これを次式（５）、（６）、（７）を使ってまとめると、各関節速度と、フレーム｛Ｏｎ｝の速度、角速度の関係は、基礎ヤコビ行列ＪＢ（θ）を用いて、次式（８）のように表せる。
【００９０】
【数２】
【００９１】
一方、右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌにおいて、互いに係合された点のツイストをνＲ、νＬとすると、次式（９ａ）、（９ｂ）のように表される。
ここで、記号［６，１］は、６×１の行列であることを示す。以下では、［ｎ，ｍ］は、ｎ×ｍ行列（ｎ、ｍは正の整数）であることを示す。
【００９２】
【数３】
【００９３】
データ取得部１０１で取得したθＲ［６，１］、θＬ［６，１］は、いずれも右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌ同士の相対位置関係が係合によって固定された条件の下に取得されているため、νＲ［６，１］とνＬ［６，１］とは等しい。このため、次式（１０）が成り立つ必要がある。
【００９４】
ＪＢＲ［６，６］θＲ’［６，１］＝ＪＢＬ［６，６］θＬ’［６，１］
・・・（１０）
【００９５】
式（１０）を解くことにより、未知数θＲｊ（０）、θＬｊ（０）（ｊ＝１，…，６）を求めることができる。
本実施形態では次式（１１）のように残差ｆ（θｉ）［６，１］を考え、ｆ（θｉ）［６，１］＝０となるような収束計算を行って、θｉを求める。
なお、本実施形態では、初期化が開始されてからステップＳ８が行われるたびに、ステップＳ８を行った回数を記憶するカウンタが更新される。
【００９６】
【数４】
【００９７】
具体的には、残差ｆ（θｉ）［６，１］は、θｉを未知数とした連立方程式になるので、初期値算出部１０３は、連立方程式の近似解法である周知の逐次最小二乗法を用いて、時々刻々θｉを計算し，さらにこの結果を式（１１）に代入してｆ（θｉ）［６，１］を計算し，ｆ（θｉ）［６，１］のノルムを算出する。
以上で、ステップＳ８が終了する。
【００９８】
次にステップＳ９では、初期値算出部１０３は、収束計算が収束したかどうか判定する。すなわち、初期値算出部１０３は、ｆ（θｉ）［６，１］のノルムが事前に設定した収束判定値εよりも小さな値になった時に収束完了と判定する。
初期値算出部１０３は、収束完了時に算出されたθｉを記憶部１０４に送出するとともに、データ取得部１０１の初期化モードを解除し、データ取得部１０１を操作モードに設定する。これにより初期化が終了する。
【００９９】
初期化が終了した場合には、データ取得部１０１が操作モードに変更されているため、データ取得部１０１が取得する関節動作量は、入力データ生成部１０５に送出される。
入力データ生成部１０５は、上記式（２ａ）、（２ｂ）により、データ取得部１０１から送出された関節動作量に記憶部１０４に記憶された関節の動作の初期値を加算して、θＲｊ（ｔ）、θＬｊ（ｔ）を生成する。
これにより、多関節アーム３Ｒ、３Ｌの各関節の位置および姿勢が確定するため、入力データ生成部１０５は、右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌの位置および姿勢と、各把持操作部１５に対してなされた操作による操作量とに基づいて、スレーブマニピュレータ１２０Ｌ、１２０Ｒの把持鉗子の位置および姿勢の制御目標値と、把持鉗子の開閉動作を制御する制御目標値とを含む入力データを生成し、スレーブ制御部１１０に送出する。
スレーブ制御部１１０は、送出された入力データに基づいて、スレーブマニピュレータ１２０Ｒ、１２０Ｌを駆動する。このようにして、マスターマニピュレータ１による操作入力がスレーブマニピュレータ１２０Ｒ、１２０Ｌに伝達される。
【０１００】
ステップＳ１０では、初期値算出部１０３は、収束完了しなかった場合の処理を決めるため、カウンタを参照して、ステップＳ８を行った回数を予め設定された収束計算規定回数と比較する。
ステップＳ８を行った回数が収束計算規定回数以内の場合には、データ取得工程および初期値算出工程を再実行するため、ステップＳ３に移行する。
ステップＳ８を行った回数が収束計算規定回数を越えた場合には、ステップＳ１１に移行する。
【０１０１】
ステップＳ１１では、初期値算出部１０３が収束計算に用いた関節動作量の時系列変化を参照して、関節動作量の変化のない関節があるかどうか判定する。
ステップＳ１１に到達するのは、関節動作量の変化が少ない場合に警告を行った上でデータ取得工程を行っても収束計算規定回数内で収束完了させることができなかった場合であり、特定の関節または検出部の故障により、関節が動作しない、または関節の動作を反映した関節動作量が取得できなかった可能性が高い。
関節動作量の変化がない関節がある場合には、この関節または検出部が故障している可能性が高いため、ステップＳ１２に移行する。
関節動作量の変化がない関節がない場合には、関節動作量は変化しているが関節動作量が不正確である可能性が高く、しかもその関節を特定できないため、ステップＳ１３に移行する。
【０１０２】
ステップＳ１２では、初期値算出部１０３は、関節動作量の変化のない関節を明示してこの関節が故障している可能性がある旨のメッセージ（エラー表示１）を表示して、警告を行い、動作を終了する。
なお、警告の仕方は、上記のような警告メッセージには限定されず、画像や光の点滅による警告でもよいし、音声や警告音により警告するようにしてもよい。
【０１０３】
ステップＳ１３では、初期値算出部１０３は、どの関節か不明だが不正確な関節動作量が出力されている可能性がある旨のメッセージ（エラー表示２）を表示して、警告を行い、動作を終了する。他の警告の仕方でもよいことは、ステップＳ１２と同様である。
【０１０４】
これにより、操作者Ｐは、表示部４の表示により、初期化がエラー終了したことと、故障の可能性についての示唆が得られるため、それぞれのエラー表示に基づいて、点検や修理を行うことができる。
【０１０５】
このように、本実施形態のマスターマニピュレータ１によれば、右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌに設けられた係合部１９Ｒ、１９Ｌ同士を係合した状態で右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌ同士を移動させて、各関節の検出部から時系列で関節動作量を取得し、右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌ同士の相対位置関係が係合部を介して固定された条件の下に未知の初期値を算出して、初期化を行うことができる。このため、マスターマニピュレータ１の動作範囲に初期化に用いる位置決め部材を設置することなく初期化を行うことができる。
この結果、マスターマニピュレータ１の動作範囲が、位置決め部材等によって制約されることがないため、より広範囲の空間における操作入力を行うことができる。また、操作入力の範囲が制約されることに伴うスレーブマニピュレータ１２０の動作範囲の制約もなくなるため、スレーブマニピュレータ１２０の動作範囲も拡大される。
また、位置決め部材を設置しなくてよいため簡素な構成を実現することができる。
【０１０６】
［第１変形例］
次に、本実施形態の変形例（第１変形例）の操作入力装置について説明する。
図１０は、本発明の第１の実施形態の変形例（第１変形例）の操作入力装置の主要部の構成を示す模式的な斜視図である。図１１は、本発明の第１の実施形態の変形例（第１変形例）の操作入力装置に用いる中間部材の平面図である。
【０１０７】
図１０に、本変形例のマスターマニピュレータ１Ａ（操作入力装置）の主要部の構成を示す。
上記第１の実施形態のマスターマニピュレータ１は、係合部１９Ｒ、１９Ｌが、右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌ同士を直接係合して、互いの相対位置を固定する場合の例になっていたが、本変形例のマスターマニピュレータ１Ａは、係合部が、係合相手の多関節アームの係合部との間の距離を一定に保つ中間部材２０を介して前記係合相手の多関節アームの係合部と係合されるようにした点が異なる。
このため、中間部材２０を除く他の構成は、マスターマニピュレータ１と同様の構成を採用することができる。以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【０１０８】
中間部材２０は、図１１に示すように、右手用操作アーム１４Ｒおよび左手用操作アーム１４Ｌと同じ厚さを有する矩形板の互いに対向する端部側面２０ａ、２０ｂにそれぞれ係合部２１Ｒ、２１Ｌが形成された部材である。端部側面２０ａ、２０ｂの間の距離はＬとする。
係合部２１Ｒは、上記第１の実施形態における係合部１９Ｒで、係合センサ１８Ｒを係合センサ１８Ｌに対する被検知媒体２２Ｒに代えたものである。
係合部２１Ｌは、上記第１の実施形態における係合部１９Ｌで、係合センサ１８Ｌを係合センサ１８Ｒに対する被検知媒体２２Ｌに代えたものである。
ただし、右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌにおける側面１４ｆ、１４ｇは、それぞれ中間部材２０の板厚方向の側面２０ｆ、２０ｇ（図１０参照）に対応させるものとする。
【０１０９】
このような構成により、係合部１９Ｌと係合部２１Ｒとは、係合部１９Ｌ、１９Ｒ同士と同様にして係合可能であり、係合状態を係合センサ１８Ｌで検知することができる。
また、係合部２１Ｌと係合部１９Ｒとは、係合部１９Ｌ、１９Ｒ同士と同様にして係合可能であり、係合状態を係合センサ１８Ｒで検知することができる。
【０１１０】
次に、マスターマニピュレータ１Ａの初期化方法について、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
本実施形態のマスターマニピュレータ１Ａの初期化方法は、図７のフローチャートに沿って、上記第１の実施形態の初期化方法と略同様にして行うことができる。
ただし、係合工程（ステップＳ１、Ｓ２）では、中間部材２０を介して、右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌを係合する点が異なる。
このため、左手用操作アーム１４Ｌおよび右手用操作アーム１４Ｒは、中間部材２０を介して、先端面１４ｅの法線方向に距離Ｌだけ離間した位置に係合される。
【０１１１】
本変形例によれば、上記第１の実施形態と同様にして、初期化を行うことができる。
本変形例では、中間部材２０を介して係合するため、右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌが直接係合しにくい形状であったり、直接係合できても操作者Ｐが手に持って移動させにくい形状であったりする場合にも、中間部材２０の形状を適宜設定することで、容易に係合したり、係合後に容易に移動させることが可能となる。
また、本変形例では、中間部材２０に被検知媒体２２Ｒ、２２Ｌを設けることにより中間部材２０からマスター制御部１００に対して、係合完了の出力を行う必要がないため、中間部材２０の構成が簡素になる。
【０１１２】
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態の操作入力装置について説明する。
図１２（ａ）、（ｂ）は、本発明の第２の実施形態の操作入力装置の主要部の構成を示す模式的な斜視図、および動作説明図である。図１３（ａ）、（ｂ）は、本発明の第２の実施形態の操作入力装置の係合部の構成を示す模式的な斜視図である。
【０１１３】
本実施形態のマスターマニピュレータ１Ｂ（操作入力装置）は、図１２（ａ）に主要部を示すように、上記第１の実施形態のマスターマニピュレータ１の係合部１９Ｒ、１９Ｌを削除し、各検出部Ｅ１３に代えてそれぞれ関節座標系の基準からの絶対回転角が検出できる検出部Ｆ１３（図６参照）を備え、Ｌ型アーム１２に接続部３３Ｒ、３３Ｌ、係合部３６ｒ、３６Ｌを追加したものである。
本実施形態の多関節アーム３Ｒ（３Ｌ）の構成は、それぞれ初期化が必要ない右手用操作アーム１４Ｒ（左手用操作アーム１４Ｌ）および第５関節１３と、回動関節５ａ、直動関節５ｂ、アーム６、第２関節７、アーム８、第３関節９、Ｌ型アーム１０、第４関節１１、およびＬ型アーム１２で構成される初期化が必要な多関節アーム部３０Ｒ（３０Ｌ）（多関節アーム）とに分けられる。
以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【０１１４】
接続部３３Ｒは、右手用操作アーム１４ＲのＬ型アーム１２の真直アーム部１２ｂにおいて、真直アーム部１４ｂと対向する側面と反対側の側面に設けられた部材であり、図１３（ａ）に示すように、回動軸線Ｏ１３に直交する当接面３３ａを備えている。
また、接続部３３Ｌは、左手用操作アーム１４ＬのＬ型アーム１２の真直アーム部１２ｂにおいて、真直アーム部１４ｂと対向する側面と反対側の側面に設けられた部材であり、図１３（ｂ）に示すように、回動軸線Ｏ１３に直交する当接面３３ａを備えている。
【０１１５】
接続部３３Ｒの当接面３３ａ上には、この当接面３３ａを接続部３３Ｌの当接面３３ａに当接させたときに、接続部３３Ｒと接続部３３Ｌとの相対位置関係を固定する係合部３６Ｒが設けられている。
また、接続部３３Ｌの当接面３３ａ上には、この当接面３３ａを接続部３３Ｒの当接面３３ａに当接させたときに、接続部３３Ｌと接続部３３Ｒとの相対位置関係を固定する係合部３６Ｌが設けられている。
本実施形態では、係合部３６Ｒ、３６Ｌの位置は、一例として回動軸線Ｏ１３上に設けられている。
このように、係合部３６Ｒ（３６Ｌ）は、多関節アーム部３０Ｒ（３０Ｌ）の先端部に当たる真直アーム部１２ｂの接続部３３Ｒ（３３Ｌ）に設けられている。
【０１１６】
係合部３６Ｒは、当接面３３ａから回動軸線Ｏ１３に沿う方向に突出し、回動軸線Ｏ１３を中心軸とする半円状の突起部３４と、突起部３４に隣接して当接面３３ａから回動軸線Ｏ１３に沿う方向に凹んだ、回動軸線Ｏ１３を中心軸とする半円状の穴部３５とを備える。また突起部３４の外径と、穴部３５の内径とは互いに等しく、突起部３４の突出高さは穴部３５の深さに比べて小さくなっている。
また、突起部３４と穴部３５との境界には、真直アーム部１２ｂの長手方向および回動軸線Ｏ１３に沿う平面である係合面３４ａが突起部３４の先端から穴部３５の底面まで延びている。
係合部３６Ｌは、接続部３３Ｌの当接面３３ａ上に、係合部３６Ｒと同様の位置、形状の突起部３４と穴部３５とが設けられている。
【０１１７】
このような係合部３６Ｒ、３６Ｌの構成により、各当接面３３ａを対向させて、係合部３６Ｒ、３６Ｌの各突起部３５を互いの係合面３４ａを突き合わせた状態で、相手側の各穴部３４に挿入していくと、各当接面３３ａが密着するように互いを係合させることができる。
係合部３６Ｒ、３６Ｌの近傍には、このような係合状態において、互いに対向し合う位置に、上記第１の実施形態と同様の係合センサ１８Ｒ、１８Ｌが設けられている。
このため、係合センサ１８Ｒ、１８Ｌによって、係合状態を検知することができる。
【０１１８】
本実施形態のマスターマニピュレータ１Ｂによれば、多関節アーム部３０Ｒ、３０Ｌの各関節には、上記第１の実施形態と同様にインクリメント型のエンコーダが用いられているため、初期化が必要である。
【０１１９】
本実施形態のマスターマニピュレータ１Ｂの初期化方法は、図７のフローチャートに沿って、上記第１の実施形態の初期化方法と略同様にして行うことができる。
ただし、初期化を行うのは、多関節アーム部３０Ｒ、３０Ｌであり、係合工程（ステップＳ１、Ｓ２）では、多関節アーム部３０Ｒ、３０Ｌの先端部に設けられた係合部３６Ｒ、３６Ｌ同士を係合する点が異なる。
以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【０１２０】
本実施形態の係合工程では、図１２（ａ）に示すように、右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌを、接続部３３Ｒ、３３Ｌ同士が、互いの当接面３３ａ同士、係合部３６Ｒ、３６Ｌ同士が対向する位置関係に保持し、各回動軸線Ｏ１３が同軸となるように位置合わせして、当接面３３ａ同士を近接させて、係合部３６Ｒ、３６Ｌを係合させる。これにより、図１２（ｂ）に示すように、係合状態が実現される。
この係合状態では、係合センサ１８Ｒ、１８Ｌが互いに対向して近接するため、係合したこと検知することができる。
このとき、本実施形態では、各第５関節１３の位置は、特に位置合わせする必要はない。
本実施形態の係合部３６Ｒ、３６Ｌは、係合と係合解除とを回動軸線Ｏ１３に沿う方向の移動のみで行うことができるため、係合および係合解除の作業が容易となる。また、係合状態を保持することが容易となる。
【０１２１】
データ取得工程では、ステップＳ３において、互いに係合した状態のＬ型アーム１２同士を持って多関節アーム部３０Ｒ、３０Ｌを動かす点が異なる。
また、ステップＳ４において、各検出部Ｅ５ａ、Ｅ５ｂ、Ｅ７、Ｅ９、Ｅ１１の関節動作量を取得する点が異なる。
【０１２２】
初期値算出工程では、各式において、添字ｊが１〜５までとなり、具体的な行列の形が異なるのみであり、本質的に同様の収束計算によって初期値を算出することができる。
【０１２３】
このように、本実施形態は、上記第１の実施形態と略同様にして、多関節アーム部３０Ｒ、３０Ｌの初期化を行うことができる。
本実施形態は、多関節アームにおいて初期化が必要となるのが、多関節アームの一部である場合には、初期化が必要となる多関節アーム部分の先端部に係合部を設ければよいことを示す例になっている。
【０１２４】
［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態の操作入力装置について説明する。
図１４（ａ）、（ｂ）は、本発明の第３の実施形態の操作入力装置の係合部の構成を示す模式的な部分断面図である。
【０１２５】
本実施形態のマスターマニピュレータ１Ｃ（操作入力装置）は、図１４（ａ）に主要部を示すように、上記第１の実施形態のマスターマニピュレータ１の係合部１９Ｒ、１９Ｌに代えて、係合部４１Ｒ、４１Ｌを備える。以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【０１２６】
係合部４１Ｒは、右手用操作アーム１４Ｒの先端面１４ｅに形成された突起の先端に半球状の凹部を形成したものである。
係合部４１Ｌは、係合部４１Ｒの凹部と同径の球状体を、左手用操作アーム１４Ｌの先端面１４ｅに立設した支持部材４２の先端に形成したものである。
このため、図１４（ｂ）に示すように、係合部４１Ｌを係合部４１Ｒに挿入して係合すると、係合部４１Ｒの凹部と中心ＱＲと、係合部４１Ｒの球の中心ＱＬとが一致した状態で、中心ＱＲ、ＱＬを中心に回動可能に係合されるようになっている。
本実施形態では、係合形態が簡素であり、操作者Ｐが手に持った状態で容易に係合状態を維持することができる。また、操作者Ｐが係合状態の右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌを移動した場合も、係合時の姿勢の許容度が大きいため、移動時に係合が外れる可能性が少ない。このため、本実施形態では、係合センサは省略している。
【０１２７】
本実施形態のマスターマニピュレータ１Ｃの初期化方法は、図７のフローチャートに沿って、上記第１の実施形態の初期化方法と略同様にして行うことができる。
ただし、本実施形態では、係合部４１Ｒ、４１Ｌが、係合時に右手用操作アーム１４Ｒ上の１点（中心ＱＲ）および左手用操作アーム１４Ｌ上の１点（中心ＱＬ）に一致する１点を中心として、回動可能に相対位置を固定する点が異なる。
以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【０１２８】
本実施形態の係合工程では、図１４（ａ）に示すように、係合部４１Ｒ、４１Ｌ同士を係合する。操作者Ｐは、係合部４１Ｌが係合部４１Ｒから離間しないように係合部４１Ｒ、４１Ｌの近くの右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌを保持する。
また、本実施形態では、係合センサを設けないため、マスター制御部１００に適宜入力装置を設けておき、ステップＳ２では、操作者Ｐが係合完了した係合検知部１０２に通知する。
【０１２９】
データ取得工程では、上記第１の実施形態と同様にして行うことができる。
本実施形態では、係合状態における右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌの姿勢変化の自由度があるため、中心ＱＲ、ＱＬ回りの回動を適宜加えることによっても、関節動作量を変化させることができる。
【０１３０】
初期値算出工程では、相対位置が固定されているのが、中心ＱＲ、ＱＬのみであるため、位置座標（ＸＲ，ＹＲ，ＺＲ）、（ＸＬ，ＹＬ，ＺＬ）のみが一致する条件を採用することになる。したがって、式（１０）の式本数が上記第１の実施形態の半分になる点が異なる。
しかしながら、本実施形態では、連立方程式を逐次最小二乗法によって、近似的に解くため、初期値の算出には特に影響しない。このため、具体的な連立方程式の形が異なるのみであり、本質的に同様の収束計算によって初期値を算出することができる。
【０１３１】
このように、本実施形態は、上記第１の実施形態と略同様にして、多関節アーム３Ｒ、３Ｌの初期化を行うことができる。
本実施形態は、係合部が、多関節アームの先端部同士を、一点を中心として回動可能に係合する場合の例になっている。
【０１３２】
なお、上記の各実施形態、変形例の説明では、多関節アームが２組設けられた場合に例で説明したが、多関節アームは３組以上設けられていてもよい。
この場合、３組以上の各先端部が１箇所で係合され、１つの閉ループを構成するようにして、初期化を行ってもよいし、３組以上の多関節アームと２組ずつを組み合わせて、複数回の初期化を行ってもよい。
【０１３３】
また、上記の各実施形態、変形例の説明では、いずれも、同様な構成の多関節アームを例にして説明したが、これは一例であって、多関節アームの自由度、具体的な関節とアームの組合せの構成は、これに限定されるものではない。
本発明は、回動運動または直動運動をする複数の関節によって直列に連結され、基端部に対する先端部の位置、姿勢が変更可能とされた多関節アームであれば、どのような構成の多関節アームを採用してもよい。
また、互いに係合する多関節アームの構成も適宜変えることができる。
ここで、「直列に連結され」という意味は、初期化を行う多関節アームの部分が直列に連結されているという意味である。したがって、初期化の対象にならない分岐アームを備える構成も本発明の範囲である。
【０１３４】
また、上記の各実施形態、変形例の説明では、いずれも、係合部の係合状態を患者Ｐが手に持って維持する場合の例で説明したが、係合部または係合部の近傍に、係合状態の固定と係合解除とを行う係合固定手段を設けてもよい。
係合固定手段の例としては、ねじ、クランプなどの機械的な固定手段や、磁石等を用いた磁気的な固定手段などの例を挙げることができる。
【０１３５】
また、上記の第２の実施形態の説明では、多関節アーム３Ｒ（３Ｌ）において、第５関節１３が検出部Ｆ１３を備えることにより、第５関節１３、右手用操作アーム１４Ｒ（左手用操作アーム１４Ｌ）の部分は初期化を行う必要がない場合の例で説明した。
ただし、第５関節１３に初期化が必要な検出部Ｅ１３を備える場合でも、本発明の初期化方法によらない初期化を行うようにすれば、多関節アーム部３０Ｒ（３０Ｌ）のみを本発明の初期化方法で初期化すればよい。
本発明以外の初期化方法の例としては、例えば、Ｌ型アーム１２と右手用操作アーム１４Ｒ（左手用操作アーム１４Ｌ）との間に、互いの相対位置関係を関節座標系の基準に合わせて固定する係合手段が設けておき、係合状態で、検出部Ｅ１３にリセット信号を送信する、といった初期化方法を挙げることができる。
【０１３６】
また、上記第１変形例の説明では、中間部材２０に被検知媒体２２Ｒ、２２Ｌを設けた場合の例で説明したが、係合部１９Ｒ、１９Ｌの係合センサ１８Ｒ、１８Ｌと、中間部材２０における被検知媒体２２Ｒ、２２Ｌとを入れ替えた構成としてもよい。
この場合、多関節アーム３Ｒ、３Ｌ内に、係合センサ１８Ｒ、１８Ｌの信号線を配回す必要がなくなるため、多関節アーム３Ｒ、３Ｌの構成を簡素化することができる。
【０１３７】
また、上記の各実施形態、各変形例に説明したすべての構成要素は、本発明の技術的思想の範囲で適宜組み合わせを代えたり、削除したりして実施することができる。
例えば、上記第１変形例の右手用操作アーム１４Ｒ、中間部材２０、および左手用操作アーム１４Ｌとの各係合部に代えて、上記第３の実施形態の係合部４１Ｌ、４１Ｒを用いる構成としてもよい。この場合、右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌ上の二点間の距離を一定にした状態で中間部材２０に対して回動可能に係合する構成が得られる。
【符号の説明】
【０１３８】
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ マスターマニピュレータ（操作入力装置）
２ 本体フレーム
３Ｒ、３Ｌ 多関節アーム
４ 表示部
５ 第１関節
５ａ 回動関節（関節）
５ｂ 直動関節（関節）
６、８ アーム
７ 第２関節（関節）
９ 第３関節（関節）
１０、１２ Ｌ型アーム（アーム）
１０ａ、１０ｂ、１２ａ、１２ｂ、１４ａ、１４ｂ 真直アーム部
１１ 第４関節（関節）
１３ 第５関節（関節）
１４Ｌ 左手用操作アーム
１４Ｒ 右手用操作アーム
１４ｃ グリップ部
１４ｅ 先端面
１５ 把持操作部
１５Ｌ、１６Ｒ 凸部
１５Ｒ、１６Ｌ 凹部
１６ｂ、１７ａ 段部
１８Ｌ、１８Ｒ 係合センサ
１９Ｌ、１９Ｒ、２１Ｒ、２１Ｌ、３６Ｒ、３６Ｌ 係合部
３０Ｒ、３０Ｌ 多関節アーム部（多関節アーム）
１００ マスター制御部
１０１ データ取得部
１０２ 係合検知部
１０３ 初期値算出部
Ｅ５ａ、Ｅ５ｂ、Ｅ７、Ｅ９、Ｅ１１、Ｅ１３ 検出部
Ｏ５ａ、Ｏ９、Ｏ１１、Ｏ１３ 回動軸線
Ｏ５ｂ、Ｏ７ 直動軸線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、操作入力装置およびその初期化方法に関する。例えば、複数の多関節アームを有し、これら複数の多関節アームを動かすことにより操作入力を行う操作入力装置およびその初期化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、遠隔操作ロボットや外科手術の手術支援を行うための操作入力装置など、作動部が複数の多関節ロボットに保持された機器では、作動部の移動操作を行う場合に、作動部と同様な自由度を有する多関節アームを備える操作入力装置を用いることが知られている。例えば、マスタースレーブ方式の医療用マニピュレータシステムでは、スレーブマニピュレータの動きを入力するマスターマニピュレータがこのような操作入力装置を構成している。
このような操作入力装置は、多関節アームの各関節で検出される関節の回転角度や関節間のアームの長さ等を検出して作動部に対応して多関節アーム上に設けられた操作部の位置、姿勢を検出し、多関節ロボットの制御装置に送出する。多関節ロボットの制御装置では、操作入力装置から送出された位置、姿勢に合わせて作動部を駆動する制御を行う。
操作入力装置の多関節アームの関節には、関節の回転角度や隣接する関節間のアームの直動量を検知するセンサが内蔵されているが、低コスト化を図るため、絶対値が検出できないエンコーダを用いることが多い。
このような操作入力装置では、初期状態においてエンコーダの出力値と関節の角度や長さとの関係が不定であるため、正確な操作入力を行うには、エンコーダの出力値と、物理的な関節角度や関節長の値との同定作業を行う初期化が必要である。
例えば、特許文献１には、基部に固定されたドッキングステーションと、ドッキングステーションに設けられた筒部内保持可能な先端部を有する棒状のユーザインタフェースと、を備える反力提示型力覚インタフェースが記載されている。
この反力提示型力覚インタフェースでは、位置が固定されたドッキングステーションの筒部にユーザインタフェースの先端部を保持させることで、先端部の静止点およびホームポジションをゼロ位置またはユーザ指定のホームポジションにリセット（初期化）することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００７−５１０２３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のような従来の操作入力装置および操作入力装置の初期化方法には以下のような問題があった。
特許文献１に記載の技術では、操作入力を行うユーザインタフェースの動作範囲内に、位置が固定されたドッキングステーションの筒部を用意しなければならないため，ユーザインタフェースの動作範囲が制限されるという問題がある。すなわち、ドッキングステーションは初期化動作を行うときに使用するのみであるのに、ユーザインタフェースの動作範囲に入り込んでいるため、操作入力を行う際に入力インタフェースの動作の妨げとなってしまう。
【０００５】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、操作入力装置の動作範囲に初期化に用いる位置決め部材を設置することなく初期化を行うことができる操作入力装置および操作入力装置の初期化方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、本発明の操作入力装置は、回動または直動の自由度を有する複数の関節によって直列に連結され、基端部に対する先端部の位置、姿勢が変更可能とされた多関節アームを２組以上有する操作入力装置であって、前記多関節アームの基端部を、互いの相対位置関係を固定した状態に保持する保持部と、前記関節に設けられ、該関節の動作を未知の初期値からの回転角度または変位で表した関節動作量を検出する検出部と、前記多関節アームの前記先端部にそれぞれ設けられ、該先端部同士の相対位置が固定されるように係合する係合部と、前記係合部を介して前記多関節アームの前記先端部同士を係合し互いに係合された前記先端部同士を移動させた際に、前記検出部が検出した前記関節動作量を時系列に複数組取得するデータ取得部と、該データ取得部によって時系列に取得された前記関節動作量に基づいて、前記先端部同士の相対位置関係が前記係合部を介して固定された条件の下に前記未知の初期値を算出する初期値算出部と、を備える構成とする。
【０００７】
また、本発明の操作入力装置では、前記初期値算出部は、前記多関節ロボットの前記先端部の位置および姿勢を記述する運動学の関係式と、前記データ取得部によって時系列に取得された前記関節動作量とに基づいて、前記関節動作量の初期値を未知数とする連立方程式を生成し、該連立方程式を解いて前記関節動作量の初期値を算出することが好ましい。
【０００８】
また、本発明の操作入力装置では、前記初期値算出部は、前記連立方程式において０にすべき残差式が収束判定値以下になるまで収束計算を行うことにより前記連立方程式を解くことが好ましい。
【０００９】
また、本発明の操作入力装置では、前記初期値算出部は、予め決めた時間内に収束計算が終わらない場合に警告を行うことが好ましい。
【００１０】
また、本発明の操作入力装置では、前記警告の一つが前記検出部の故障を警告することが好ましい。
【００１１】
また、本発明の操作入力装置では、前記係合部は、前記多関節アームの前記先端部同士を直接係合して、互いの相対位置を固定することが好ましい。
【００１２】
また、本発明の操作入力装置では、前記係合部は、前記多関節アームの先端部同士を、一点を中心として回動可能に係合することが好ましい。
【００１３】
また、本発明の操作入力装置では、前記係合部は、係合相手の多関節アームの係合部との間の距離を一定に保つ中間部材を介して前記係合相手の多関節アームの係合部と係合されることが好ましい。
【００１４】
また、本発明の操作入力装置では、前記係合部は、前記多関節アームの先端部同士の間の相対位置および相対姿勢を固定して係合することが好ましい。
【００１５】
本発明の操作入力方法は、回動または直動の自由度を有する複数の関節によって直列に連結され、基端部に対する先端部の位置、姿勢が変更可能とされた２組以上の多関節アームと、前記関節に設けられ、該関節の動作を未知の初期値からの回転角度または変位で表した関節動作量を検出する検出部とを有する操作入力装置の初期化方法であって、前記多関節アームの基端部を、互いの相対位置関係を固定した状態に保持する保持工程と、前記多関節アームの前記先端部同士を、該先端部同士の相対位置が固定されるように係合する係合工程と、互いに係合された多関節アームの前記先端部同士を移動させつつ、前記互いに係合された多関節アームの各関節に設けられた前記検出部から、前記関節動作量を時系列に複数組取得するデータ取得工程と、該データ取得工程において時系列に取得された前記関節動作量に基づいて、前記先端部同士の相対位置関係が係合によって固定された条件の下に前記未知の初期値を算出する初期値算出工程と、を備える方法とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の操作入力装置および操作入力装置の初期化方法によれば、多関節アームの先端部に設けられた係合部同士を係合した状態で先端部同士を移動させて、各関節の検出部から時系列で関節動作量を取得し、先端部同士の相対位置関係が係合部を介して固定された条件の下に各検出部の初期値を算出して、初期化を行うことができるため、操作入力装置の動作範囲に初期化に用いる位置決め部材を設置することなく初期化を行うことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施形態の操作入力装置の一例を示す模式的な斜視図、およびその主要部の斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の操作入力装置の多関節アームの構成を示す模式的な斜視図である。
【図３】図２におけるＡ視図、およびこのＡ視図におけるＣ視図である。
【図４】図２におけるＢ視図、およびこのＢ視図におけるＤ視図である。
【図５】本発明の第１の実施形態の操作入力装置の係合部同士を係合した様子を示す模式的な平面図、およびそのＥ視図である。
【図６】本発明の第１の実施形態の操作入力装置の制御手段の機能構成を示す機能ブロック図である。
【図７】本発明の第１の実施形態の操作入力装置の初期化方法を示すフローチャートである。
【図８】本発明の第１の実施形態の操作入力装置の初期化方法の係合工程の動作説明図である。
【図９】本発明の第１の実施形態の操作入力装置の初期化方法のデータ取得工程の動作説明図である。
【図１０】本発明の第１の実施形態の変形例（第１変形例）の操作入力装置の主要部の構成を示す模式的な斜視図である。
【図１１】本発明の第１の実施形態の変形例（第１変形例）の操作入力装置に用いる中間部材の平面図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態の操作入力装置の主要部の構成を示す模式的な斜視図、および動作説明図である。
【図１３】本発明の第２の実施形態の操作入力装置の係合部の構成を示す模式的な斜視図である。
【図１４】本発明の第３の実施形態の操作入力装置の係合部の構成を示す模式的な部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下では、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。すべての図面において、実施形態が異なる場合であっても、同一または相当する部材には同一の符号を付し、共通する説明は省略する。
【００１９】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態の操作入力装置について説明する。
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態の操作入力装置の一例を示す模式的な斜視図である。図１（ｂ）は、本発明の第１の実施形態の操作入力装置の主要部の斜視図である。図２（ａ）、（ｂ）は、本発明の第１の実施形態の操作入力装置の多関節アームの構成を示す模式的な斜視図である。図３（ａ）は、図２（ａ）におけるＡ視図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）におけるＣ視図である。図４（ａ）は、図２（ｂ）におけるＢ視図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）におけるＤ視図である。図５（ａ）は、本発明の第１の実施形態の操作入力装置の係合部同士を係合した様子を示す模式的な平面図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）におけるＥ視図である。図６は、本発明の第１の実施形態の操作入力装置の制御手段の機能構成を示す機能ブロック図である。
【００２０】
本実施形態のマスターマニピュレータ１（操作入力装置）は、一例として、例えば、マスタースレーブ方式の医療用マニピュレータシステムにおいてスレーブマニピュレータの操作を行う操作入力装置として用いることができるものである。ここで、マスタースレーブ方式の医療用マニピュレータシステムとは、それぞれ多関節アームを含むマスターマニピュレータとスレーブマニピュレータとを有し、マスターマニピュレータの多関節アームを動かすことによってスレーブマニピュレータの多関節アームをマスターマニピュレータの多関節アームの動作に追従させるようにしてスレーブマニピュレータを遠隔制御するシステムである。
【００２１】
マスターマニピュレータ１の概略構成は、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、本体フレーム２（保持部）、表示部４、多関節アーム３Ｒ、３Ｌ（多関節アーム３Ｒは図１（ｂ）参照）、およびマスター制御部１００（図１（ａ）、（ｂ）では図示略、図６参照）を備える。
【００２２】
本体フレーム２は、多関節アーム３Ｒ、３Ｌの各基端部を、互いの相対位置関係を固定した状態に保持する保持部であり、本実施形態では、略矩形板状の形状を有し、床面上に設置されたスタンド部２ａの上端において水平方向に対して斜めに傾斜して固定されている。
また、本体フレーム２の中心部には、スレーブマニピュレータ１２０（図６参照）の動く様子を操作者Ｐが見ることができるように、不図示のカメラでスレーブマニピュレータ１２０を撮像した映像を表示する表示部４が設けられている。
図１（ａ）に示す表示部４の表示画面４ａには、多関節アーム３Ｒによって操作するスレーブマニピュレータ１２０Ｒの画像と、多関節アーム３Ｌによって操作するスレーブマニピュレータ１２０Ｌの画像とが表示されている。
表示部４の構成としては、例えば、液晶パネルやＣＲＴモニタなどの構成を採用することができる。
【００２３】
図１（ｂ）に示すように、多関節アーム３Ｒの基端部は本体フレーム２において表示部４が設けられた方を前面側とすると、前面側から見て下端部の右側に固定され、多関節アーム３Ｒの先端部は本体フレーム２の前面側に位置している。また、多関節アーム３Ｌの基端部は本体フレーム２の前面側から見て下端部の左側に固定され、先端部は本体フレーム２の前面側に位置している。このため、多関節アーム３Ｒ、３Ｌの各基端部の固定位置は、本体フレーム２上の各位置座標が既知であり、水平方向に一定距離だけ離間されている。
【００２４】
このような配置により、操作者Ｐは、例えば、本体フレーム２の前面に腰掛けた状態で、表示画面４ａにおけるスレーブマニピュレータ１２０Ｌ、１２０Ｒの動作を見ながら、多関節アーム３Ｌ、３Ｒの先端部を操作することができるようになっている。
【００２５】
多関節アーム３Ｒ、３Ｌは、いずれも複数のアームが、回動または直動の自由度を有する複数の関節によって直列に連結され、基端部に対する先端部の位置、姿勢が変更可能とされたものである。それぞれのアームおよび関節の個数、構成、配置は、操作対象の操作入力情報の必要に応じて適宜設定することができる。ただし、本実施形態では、多関節アーム３Ｒは右手による操作入力用、多関節アーム３Ｌは左手による操作入力用である。
本実施形態では、一例として、スレーブマニピュレータ１２０Ｒ、１２０Ｌがそれぞれ先端に把持鉗子を備え、把持鉗子の移動自由度を６自由度とする多関節アームを備える場合の例で説明する。
このため、本実施形態では、多関節アーム３Ｒ、３Ｌは、先端部において持ち手が異なる点を除いて略同様の構成を有している。
【００２６】
多関節アーム３Ｒの概略構成は、図２（ａ）に示すように、基端側から先端側に向かって、第１関節５（関節）、アーム６、第２関節７（関節）、アーム８、第３関節９（関節）、Ｌ型アーム１０、第４関節１１（関節）、Ｌ型アーム１２（アーム）、第５関節１３（関節）、および右手用操作アーム１４Ｒ（アーム）を備える。
【００２７】
第１関節５は、本体フレーム２に固定され本体フレーム２に交差する方向に延びる回動軸線Ｏ５ａを中心として回動する自由度を有する回動関節５ａと、回動軸線Ｏ５ａに直交する軸線である直動軸線Ｏ５ｂに沿って直動する自由度を有する直動関節５ｂとを備える２自由度の関節である。
また、図２（ａ）では図示を省略するが、第１関節５には、回動関節５ａの回動量を表す回転角度を検出する検出部Ｅ５ａ（図６参照）と、直動関節５ｂの直動量を表す変位を検出する検出部Ｅ５ｂ（図６参照）とが設けられている。
検出部Ｅ５ａ、Ｅ５ｂは、マスター制御部１００に電気的に接続され、それぞれ回転角度、変位の検出信号をマスター制御部１００に送出できるようになっている。
本実施形態では、検出部Ｅ５ａ、Ｅ５ｂは、いずれもインクリメント型のエンコーダを採用している。このため、通電開始時、または適宜のタイミングでマスター制御部１００からリセット信号が送出された時に、回転角度、変位は、それぞれ０にリセットできるようになっている。したがって、検出部Ｅ５ａ（Ｅ５ｂ）の検出信号は、検出部Ｅ５ａ（Ｅ５ｂ）のリセット時の関節の動作位置を基準とした回転角度（変位）を表している。
本実施形態では、リセット時に多関節アーム３Ｒ、３Ｌの各関節の各関節に設定された関節座標系での値を知ることができないため、リセット時の関節の動作位置は、多関節アーム３Ｒ、３Ｌの運動学の計算を行うために各関節に設定された関節座標系で測った値とは一般には一致しない。
以下では、リセット時の関節の動作位置を関節座標系で測った値を関節の動作の初期値と称する。
【００２８】
本体フレーム２に対する多関節アーム３Ｒの回動関節５ａの固定位置は、多関節アーム３Ｒの基端部の固定位置を規定している。
【００２９】
アーム６は、直動関節５ｂによって直動可能とされた棒状部材であり、直動軸線Ｏ５ｂと同軸に配置されて一端が直動関節５ｂに接続されている。また、アーム６の他端は、第２関節７に固定されている。
これにより、直動関節５ｂが直動されると、アーム６が直動軸線Ｏ５ｂに沿って進退し、アーム６の進退とともに第２関節７が平行移動することになる。
【００３０】
第２関節７は、直動軸線Ｏ５ｂに交差する軸線である直動軸線Ｏ７に沿って直動する自由度を有する１自由度の直動関節である。
また、図２（ａ）では図示を省略するが、第２関節７には、第２関節７の直動量を表す変位を検出する検出部Ｅ７（図６参照）が設けられている。
検出部Ｅ７は、マスター制御部１００に電気的に接続され、変位の検出信号をマスター制御部１００に送出できるようになっている。
本実施形態では、検出部Ｅ７は、検出部Ｅ５ｂと同様のインクリメント型のエンコーダを採用している。
【００３１】
アーム８は、第２関節７によって直動可能とされた棒状部材であり、直動軸線Ｏ７と同軸に配置されて一端が第２関節７に接続されている。また、アーム８の他端は、第３関節９に固定されている。
これにより、第２関節７が直動されると、アーム８が直動軸線Ｏ７に沿って進退し、アーム８の進退とともに第３関節９が平行移動することになる。
【００３２】
第３関節９は、直動軸線Ｏ７および回動軸線Ｏ５ａに直交する軸線である回動軸線Ｏ９を中心として回動する自由度を有する１自由度の回動関節である。
また、図２（ａ）では図示を省略するが、第３関節９には、第３関節９の回動量を表す回転角度を検出する検出部Ｅ９（図６参照）が設けられている。
検出部Ｅ９は、マスター制御部１００に電気的に接続され、回転角度の検出信号をマスター制御部１００に送出できるようになっている。
本実施形態では、検出部Ｅ９は、検出部Ｅ５ａと同様のインクリメント型のエンコーダを採用している。
【００３３】
Ｌ型アーム１０は、一端が第３関節９に接続され回動軸線Ｏ９に直交する方向に延ばされた真直アーム部１０ａと、真直アーム部１０ａの他端から回動軸線Ｏ９に沿う方向に延ばされた真直アーム部１０ｂとで形成されるＬ字型のアーム部材である。
本実施形態では、真直アーム部１０ｂは、真直アーム部１０ａから多関節アーム３Ｌが設けられた側に延ばされ、先端に第４関節１１が接続されている。
これにより、第３関節９が回動されると、Ｌ型アーム１０が回動軸線Ｏ９回りに回動し、Ｌ型アーム１０の回転移動とともに第４関節１１が回転移動することになる。
【００３４】
第４関節１１は、真直アーム部１０ｂおよび回動軸線Ｏ９に直交する軸線である回動軸線Ｏ１１を中心として回動する自由度を有する１自由度の回動関節である。
また、図２（ａ）では図示を省略するが、第４関節１１には、第４関節１１の回動量を表す回転角度を検出する検出部Ｅ１１（図６参照）が設けられている。
検出部Ｅ１１は、マスター制御部１００に電気的に接続され、回転角度の検出信号をマスター制御部１００に送出できるようになっている。
本実施形態では、検出部Ｅ１１は、検出部Ｅ５ａと同様のインクリメント型のエンコーダを採用している。
【００３５】
Ｌ型アーム１２は、一端が第４関節１１に接続され回動軸線Ｏ１１に直交する方向に延ばされた真直アーム部１２ａと、真直アーム部１２ａの他端から回動軸線Ｏ１１に沿う方向に延ばされた真直アーム部１２ｂとで形成されるＬ字型のアーム部材である。
また、真直アーム部１２ａは、長さがＬ型アーム１０の真直アーム部１０ｂよりも短い。また、真直アーム部１２ａのＬ型アーム１０の真直アーム部１０ｂに対する接続位置は、真直アーム部１０ａが延ばされたのと同方向側である。
また、真直アーム部１２ｂの延在方向は、Ｌ型アーム１０の真直アーム部１０ａと同方向であり、延在方向の先端に第５関節１３が接続されている。
これにより、Ｌ型アーム１２は、Ｌ型アーム１０と干渉することなく回動軸線Ｏ１１を中心として自由に回転移動することができ、Ｌ型アーム１２の回転移動とともに第５関節１３が回転移動することになる。
【００３６】
第５関節１３は、真直アーム部１２ｂおよび回動軸線Ｏ１１に直交する軸線である回動軸線Ｏ１３を中心として回動する自由度を有する１自由度の回動関節である。
また、図２（ａ）では図示を省略するが、第５関節１３には、第５関節１３の回動量を表す回転角度を検出する検出部Ｅ１３（図６参照）が設けられている。
検出部Ｅ１３は、マスター制御部１００に電気的に接続され、変位の検出信号をマスター制御部１００に送出できるようになっている。
本実施形態では、検出部Ｅ１３は、検出部Ｅ５ａと同様のインクリメント型のエンコーダを採用している。
【００３７】
右手用操作アーム１４Ｒは、一端が第５関節１３に接続され回動軸線Ｏ１３に直交する方向に延ばされた真直アーム部１４ａと、真直アーム部１４ａの他端から回動軸線Ｏ１３に沿う方向かつＬ型アーム１２の真直アーム部１２ａと同方向に延ばされた真直アーム部１４ｂと、真直アーム部１４ｂにおいて真直アーム部１４ａが接続されたのと反対側の端部から真直アーム部１４ａと同方向に延ばされたグリップ部１４ｃと、真直アーム部１４ａに対向するグリップ部１４ｃの側面１４ｄから真直アーム部１４ａ側に突出して設けられた把持操作部１５とを備える。
なお、右手用操作アーム１４Ｒは、第１関節５を多関節アーム３Ｒの基端部とするとき、多関節アーム３Ｒの先端部を構成するものである。
【００３８】
グリップ部１４ｃの形状は、真直アーム部１４ｂが延ばされた側面１４ｄの裏側の側面から右手ＨＲで握りやすい適宜の立体形状を備えることができるが、本実施形態では、真直アーム部１４ａ、１４ｂの幅と略同程度の厚さを有する略板状に形成されている。
以下では、側面１４ｄに隣接する厚さ方向の側面のうち、グリップ部１４ｃを握ったときに右手ＨＲの親指が位置する側の側面を側面１４ｆ、その裏面側の側面を側面１４ｇと称する。
【００３９】
右手用操作アーム１４Ｒにおいて、真直アーム部１４ａは、長さがＬ型アーム１２の真直アーム部１２ｂよりも短く、かつ第５関節１３とはＬ型アーム１２の真直アーム部１２ｂに対して真直アーム部１２ａが延ばされたのと同方向側で接続されている。
また、右手用操作アーム１４Ｒの回動軸線Ｏ１３に沿う方向の長さは、真直アーム部１２ａ、１０ｂの長さの和よりも短い。また右手用操作アーム１４Ｒのグリップ部１４ｃの回動軸線Ｏ１３に直交する方向の長さは、真直アーム部１４ａの長さの２倍よりも短い。
このような構成により、右手用操作アーム１４Ｒは、Ｌ型アーム１２と干渉することなく回動軸線Ｏ１３を中心として自由に回転移動することができる。また、Ｌ型アーム１２とともに回動軸線Ｏ１１の回りに回転移動する際は、Ｌ型アーム１２と同様に、右手用操作アーム１４ＲもＬ型アーム１０と干渉することなく自由に回転移動することができる。
【００４０】
グリップ部１４ｃにおいて延在方向の先端における先端面１４ｅには、後述する多関節アーム３Ｌの左手用操作アーム１４Ｌとの間で相対位置が固定されるように係合する係合部１９Ｒが設けられている。
係合部１９Ｒの形状は、相対位置が固定できれば特に限定されないが、本実施形態では、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、凹部１５Ｒと凸部１６Ｒとを備える。
凹部１５Ｒは、グリップ部１４ｃの側面１４ｆ、１４ｇの間で厚さ方向に貫通する断面矩形状の溝からなり、先端面１４ｅに対する凹部を構成している。
凸部１６Ｒは、同じく側面１４ｆ、１４ｇの間で厚さ方向に貫通し、凹部１５Ｒの側面１４ｄ側に隣接して設けられた断面矩形状の突起部であり、先端面１４ｅに対する凸部を構成している。
凸部１６Ｒの先端面１４ｅの法線方向から見た形状は、図３（ｂ）に示すように、全体として略矩形状である。ただし、矩形となるべき一隅がわずかに矩形状に切り欠かれ、先端面１４ｅと同高さとされた切欠き部１６ａが、側面１４ｇと隣接し凹部１５Ｒと反対側となる一隅に形成されている。
このため、凸部１６Ｒの切欠き部１６ａによって、側面１４ｇの近傍において側面１４ｇから側面１４ｆに向かう途中に段部１６ｂが形成されている。
【００４１】
また、本実施形態では、凸部１６Ｒの裏面側のグリップ部１４ｃの内部に、後述する係合部１９Ｌとの係合状態を検知する係合センサ１８Ｒが設けられている。
係合センサ１８Ｒの構成は、係合センサ１８Ｌとの組合せにおいて係合状態を検知できれば、接触型、非接触型の適宜の検知センサを採用することができる。接触型の検知センサとしては、圧力センサ、電気的な導通を検知するセンサ、接点式スイッチ等を採用することができる。また非接触型の検知センサとしては、光センサ、静電容量検知センサ、磁気検知センサ、ジャイロセンサ等を採用することができる。
また、係合センサ１８Ｒ、１８Ｌのいずれか一方を能動センサ、他方を受動センサまたは被検知媒体としてもよい。例えば、係合センサ１８Ｒ、１８Ｌの一方が光センサの場合には、他方は被検知媒体として、光センサにより位置検出可能な検知マークを採用することができる。
また、係合部にセンサを設けず，操作者が係合していることを目視にて確認し，図示していないマスター制御部インタフェースを介して係合検出部１０２に係合信号を入力してもよい。
本実施形態では、係合センサ１８Ｒは、接点式スイッチを採用している。
また、係合センサ１８Ｒは、マスター制御部１００に電気的に接続され、所定の係合状態が検知された場合、検出信号をマスター制御部１００に送出できるようになっている（図６参照）。
【００４２】
把持操作部１５は、スレーブマニピュレータ１２０Ｒの把持鉗子の開閉操作の操作入力を行うものである。本実施形態では、把持操作部１５は、例えば右手ＨＲの中指、薬指、小指でグリップ部１４ｃを握ったときに親指および人差し指で押圧可能に設けられ、図示略の角度検出部によって互いの開き角を検出できる操作レバー１５ａ、１５ｂを備える。
把持操作部１５は、マスター制御部１００に電気的に接続され、角度検出部による開き角の検出信号をマスター制御部１００に送出できるようになっている（図６参照）。
【００４３】
多関節アーム３Ｌの概略構成は、多関節アーム３Ｒと略同様の構成を有し、図２（ｂ）に示すように、基端側から先端側に向かって、第１関節５、アーム６、第２関節７、アーム８、第３関節９、Ｌ型アーム１０、第４関節１１、Ｌ型アーム１２、第５関節１３、および左手用操作アーム１４Ｌ（アーム）を備える。
以下では、多関節アーム３Ｒと異なる点を中心に説明する。
【００４４】
第１関節５は、多関節アーム３Ｒの第１関節５と同様の構成を備え、回動関節５ａが、本体フレーム２の下端部において、多関節アーム３Ｒの回動関節５ａと水平方向に一定距離離れた位置に固定された点が異なる。
本体フレーム２に対する多関節アーム３Ｌの第１関節５の回動関節５ａの固定位置は、多関節アーム３Ｌの基端部の固定位置を規定している。
検出部Ｅ５ａ、Ｅ５ｂは、多関節アーム３Ｒの場合と同様に、マスター制御部１００に電気的に接続され、それぞれ回転角度、変位の検出信号をマスター制御部１００に送出できるようになっている（図６参照）。
【００４５】
アーム６は、多関節アーム３Ｒのアーム６と同様の部材であり、同様にして、直動関節５ｂと第２関節７とに接続されている。
【００４６】
第２関節７は、多関節アーム３Ｒの第２関節７と同様の構成を有し、多関節アーム３Ｒの場合と同様に、検出部Ｅ７が、マスター制御部１００に電気的に接続され、変位の検出信号をマスター制御部１００に送出できるようになっている（図６参照）。
【００４７】
アーム８は、多関節アーム３Ｒのアーム８と同様の部材であり、同様にして、第２関節７と第３関節９とに接続されている。
【００４８】
第３関節９は、多関節アーム３Ｒの第３関節９と同様の構成を有し、多関節アーム３Ｒの場合と同様に、検出部Ｅ９が、マスター制御部１００に電気的に接続され、回転角度の検出信号をマスター制御部１００に送出できるようになっている（図６参照）。
【００４９】
Ｌ型アーム１０は、多関節アーム３ＲのＬ型アーム１０と同様の部材であり、同様にして、第３関節９と第４関節１１とに接続されている。
ただし、多関節アーム３ＬのＬ型アーム１０の真直アーム部１０ｂは、真直アーム部１０ａから多関節アーム３Ｒが設けられた側に延ばされ、先端に第４関節１１が接続されている点が異なる。
【００５０】
第４関節１１は、多関節アーム３Ｒの第４関節１１と同様の構成を有し、多関節アーム３Ｒの場合と同様に、検出部Ｅ１１が、マスター制御部１００に電気的に接続され、回転角度の検出信号をマスター制御部１００に送出できるようになっている（図６参照）。
【００５１】
Ｌ型アーム１２は、多関節アーム３ＲのＬ型アーム１２と同様の部材であり、同様にして、第４関節１１と第５関節１３とに接続されている。
【００５２】
第５関節１３は、多関節アーム３Ｒの第５関節１３と同様の構成を有し、多関節アーム３Ｒの場合と同様に、検出部Ｅ１３が、マスター制御部１００に電気的に接続され、回転角度の検出信号をマスター制御部１００に送出できるようになっている（図６参照）。
【００５３】
左手用操作アーム１４Ｌは、多関節アーム３Ｒの右手用操作アーム１４Ｒと略同様の部材であり、同様にして、第５関節１３に接続されている。また、左手用操作アーム１４Ｌは、第１関節５を多関節アーム３Ｌの基端部とするとき、多関節アーム３Ｌの先端部を構成するものである。
左手用操作アーム１４Ｌが、右手用操作アーム１４Ｒと異なるのは、グリップ部１４ｃの係合部１９Ｒに代えて、係合部１９Ｌが設けられた点である。
また、グリップ部１４ｃの形状は、真直アーム部１４ｂが延ばされた側面１４ｄの裏側の側面から左手ＨＬで握りやすい適宜の立体形状を備えることができる点が、右手用操作アーム１４Ｒのグリップ部１４ｃとは異なる。本実施形態では、真直アーム部１４ａ、１４ｂの幅と略同程度の厚さを有する略板状に形成されており、側面１４ｆ、１４ｇが入れ替わることで、右手用操作アーム１４Ｒとは面対称の形状になっている。
【００５４】
係合部１９Ｌは、多関節アーム３Ｒの右手用操作アーム１４Ｒとの間で相対位置が固定されるように係合するためのもので、左手用操作アーム１４Ｌの先端面１４ｅに設けられている。
係合部１９Ｌの形状は、係合部１９Ｒと係合する凹凸部からなり、本実施形態では、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、凸部１５Ｌと凹部１６Ｌとを備える。
凸部１５Ｌは、右手用操作アーム１４Ｒの先端面１４ｅに左手用操作アーム１４Ｌの先端面１４ｅを密着させた状態で、凹部１５Ｒと係合する凸部であり、グリップ部１４ｃの側面１４ｆ、１４ｇの間で厚さ方向に貫通する断面矩形状の突起部からなる。
凹部１６Ｌは、右手用操作アーム１４Ｒの先端面１４ｅに左手用操作アーム１４Ｌの先端面１４ｅを密着させた状態で、凸部１６Ｒと係合する凹部であり、側面１４ｆ、１４ｇの間で厚さ方向に貫通し、凸部１５Ｌの側面１４ｄ側に隣接して設けられた断面矩形状の溝部である。
凹部１６Ｌの先端面１４ｅの法線方向から見た形状は、図４（ｂ）に示すように、凸部１６Ｒの内側に嵌合する形状である。すなわち、全体として略矩形状であり、矩形となるべき一隅に、先端面１４ｅと同高さで、わずかに溝内に突出された矩形状の突起部からなる突起部１７が、側面１４ｇと隣接し凸部１５Ｌと反対側となる一隅に形成されている。
このため、凹部１６Ｌの突起部１７によって、側面１４ｇの近傍において側面１４ｆから側面１４ｇに向かう途中に段部１７ａが形成されている。
【００５５】
また、本実施形態では、凹部１６Ｌの裏面側のグリップ部１４ｃの内部に、係合部１９Ｒとの係合状態を検知する係合センサ１８Ｌが設けられている。
係合センサ１８Ｌは、係合センサ１８Ｒとの組合せにおいて、係合状態を検知できれば、係合センサ１８Ｒと同様の接触型、非接触型の適宜の検知センサを採用することができる。例えば、係合センサ１８Ｒが能動センサの場合に係合センサ１８Ｌは受動センサまたは被検知媒体としてもよいことは、上述したとおりである。
本実施形態では、係合センサ１８Ｌは、被検知媒体を採用している。
また、係合センサ１８Ｌは、マスター制御部１００に電気的に接続され、所定の係合状態が検知された場合、検出信号をマスター制御部１００に送出できるようになっている（図６参照）。
【００５６】
このような係合部１９Ｒ、１９Ｌの構成により、右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌの各側面１４ｆを同方向に向けて、凹部１５Ｒと凸部１５Ｌとが対向するとともに凸部１６Ｒと凹部１６Ｌとが対向するようにして、各先端面１４ｅ同士を突き合わせると、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、各先端面１４ｅが密着するとともに各側面１４ｆ同士、各側面１４ｇ同士が整列した係合状態を形成することができる。
このとき、凹部１５Ｒと凸部１５Ｌとの係合、および凸部１６Ｒと凹部１６Ｌとの係合により、各グリップ部１４ｃの厚さ方向に直交し各先端面１４ｅに沿う方向の相対位置が固定される。
また、凸部１６Ｒにおける段部１６ｂと突起部１７における段部１７ａとの係合により、各グリップ部１４ｃの厚さ方向の相対位置が固定される。
すなわち、係合部１９Ｒ、１９Ｌによれば、右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌを互いの先端面１４ｅが先端面１４ｅの面内方向の位置が固定された状態で密着される。右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌ同士の間の相対移動の自由度は６自由度すべてが固定される。
このとき、本実施形態では、係合センサ１８Ｒ、１８Ｌは、互いに対向する位置で互いに当接して配置されるため、係合センサ１８Ｒ、１８Ｌによって正常な係合状態にあることが検知される。
【００５７】
把持操作部１５は、スレーブマニピュレータ１２０Ｌの把持鉗子の開閉操作の操作入力を行うものであり、多関節アーム３Ｒの把持操作部１５と同様の部材である。ただし、左手用操作アーム１４Ｌは、左手ＨＬでグリップ部１４ｃを握るため、操作レバー１５ａ、１５ｂの位置が、側面１４ｆ、１４ｇの位置関係と同様に反転されている点が異なる。
このため、例えば左手ＨＬの中指、薬指、小指でグリップ部１４ｃを握ったときに親指および人差し指が、それぞれ操作レバー１５ａ、１５ｂを押圧できることは、右手用操作アーム１４Ｒの場合と同様である。
また、左手用操作アーム１４Ｌの把持操作部１５は、多関節アーム３Ｒの場合と同様に、マスター制御部１００に電気的に接続され、角度検出部による開き角の検出信号をマスター制御部１００に送出できるようになっている（図６参照）。
【００５８】
次に、マスター制御部１００の構成について、図６を参照して説明する。
マスター制御部１００の機能構成は、データ取得部１０１、係合検知部１０２、初期値算出部１０３、記憶部１０４、および入力データ生成部１０５を備える。
【００５９】
データ取得部１０１は、多関節アーム３Ｒ、３Ｌのそれぞれの検出部Ｅ５ａ、Ｅ５ｂ、Ｅ７、Ｅ９、Ｅ１１、Ｅ１３が検出した関節動作量（以下、単に、各関節動作量という）を時系列に取得するものであり、各検出部Ｅ５ａ、Ｅ５ｂ、Ｅ７、Ｅ９、Ｅ１１、Ｅ１３、係合検知部１０２、初期値算出部１０３、および入力データ生成部１０５とそれぞれ電気的に接続されている。ここで、関節動作量とは、検出部が検出する回転角度または変位を意味する。
マスター制御部１００は、スレーブマニピュレータ１２０に対する操作入力に先立って多関節アーム３Ｒ、３Ｌの関節動作量の初期値を算出する初期化モードと、初期化モード終了後に多関節アーム３Ｒ、３Ｌの関節動作量に基づいてスレーブマニピュレータ１２０を操作するための入力データを生成する操作モードとを備えており、これらのモードに応じてデータ取得部１０１の関節動作量の送出先が異なる。
【００６０】
初期化モードは、本実施形態では、係合部１９Ｒ、１９Ｌを介して多関節アーム３Ｒ、３Ｌの先端部である右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌ同士を係合されたことが、係合検知部１０２によってデータ取得部１０１に通知されると開始される。
初期化モードでは、データ取得部１０１は、各関節動作量を時系列に複数組取得すると、これらの複数組の関節動作量を初期値算出部１０３に送出する。
操作モードは、後述するように初期化が終了した際、初期値算出部１０３からの制御信号の送出を受けて設定される。
操作モードでは、データ取得部１０１は、各関節動作量を時系列に取得すると、これらを順次入力データ生成部１０５に送出する。
【００６１】
係合検知部１０２は、係合センサ１８Ｒ、１８Ｌの検出信号を取得し、係合部１９Ｒ、１９Ｌの係合状態を判定して、所定の係合状態が得られたと判定した場合には、データ取得部１０１に係合完了を通知して、データ取得部１０１を初期化モードに設定するとともに、表示部４の係合完了のメッセージを表示させる。
また、係合検知部１０２は、係合未完了の場合には、表示部４に係合未完了のメッセージを表示させる。
このため、係合検知部１０２は、本実施形態では、係合センサ１８Ｒ、１８Ｌ、データ取得部１０１、表示部４に電気的に接続されている。
【００６２】
初期値算出部１０３は、データ取得部１０１によって時系列に取得された関節動作量に基づいて、右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌ同士の相対位置関係が係合部１９Ｒ、１９Ｌを介して固定された条件の下に、各検出部Ｅ５ａ、Ｅ５ｂ、Ｅ７、Ｅ９、Ｅ１１、Ｅ１３における関節の動作の初期値を算出するものである。
このため、初期値算出部１０３は、データ取得部１０１に電気的に接続されている。また、初期値算出部１０３は、記憶部１０４および表示部４と電気的に接続され、算出された初期値を記憶部１０４に送出して記憶させたり、算出処理の過程でエラーが発生した場合に、エラーメッセージを表示部４に表示させたりすることができるようになっている。
【００６３】
初期値算出部１０３における関節の動作の初期値の算出方法については、後述するマスター制御部１００の動作説明の中で説明する。
【００６４】
記憶部１０４は、初期値算出部１０３および入力データ生成部１０５と電気的に接続され、初期値算出部１０３から送出された関節の動作の初期値を記憶するとともに、入力データ生成部１０５がこれらの初期値を必要に応じて読み出せるようにしたものである。
【００６５】
入力データ生成部１０５は、多関節アーム３Ｒ、３Ｌの右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌの位置および姿勢と、各把持操作部１５に対してなされた操作による操作量とに基づいて、スレーブマニピュレータ１２０Ｌ、１２０Ｒの把持鉗子の位置および姿勢の制御目標値と、把持鉗子の開閉動作を制御する制御目標値とを含む入力データを生成するものである。
入力データ生成部１０５は、データ取得部１０１、記憶部１０４、およびスレーブマニピュレータ１２０Ｒ、１２０Ｌの動作制御を行うスレーブ制御部１１０に電気的に接続されている。
入力データ生成部１０５は、各把持操作部１５から送出された操作量を、予め設定された操作感度に応じて操作量を変倍し、把持鉗子の開閉量の制御目標値に変換できるようになっている。
また、入力データ生成部１０５は、データ取得部１０１から送出された各関節動作量を、記憶部１０４に記憶された初期値に基づいて関節座標系上の関節動作量に変換し、変換後の関節動作量から、スレーブマニピュレータ１２０Ｌ、１２０Ｒの把持鉗子の位置および姿勢の制御目標値を算出できるようになっている。
【００６６】
マスター制御部１００の装置構成は、ＣＰＵ、メモリ、入出力インタフェース、外部記憶装置などを備えるコンピュータからなり、これにより上記の各機能に対応する制御、演算処理を行う適宜のプログラムが実行されるようになっている。
【００６７】
次に、マスターマニピュレータ１の動作について、本実施形態の操作入力装置の初期化方法を中心として説明する。
図７は、本発明の第１の実施形態の操作入力装置の初期化方法を示すフローチャートである。図８（ａ）、（ｂ）は、本発明の第１の実施形態の操作入力装置の初期化方法の係合工程の動作説明図である。図９（ａ）、（ｂ）は、本発明の第１の実施形態の操作入力装置の初期化方法のデータ取得工程の動作説明図である。
【００６８】
マスターマニピュレータ１では、検出部Ｅ５ａ、Ｅ５ｂ、Ｅ７、Ｅ９、Ｅ１１、Ｅ１３としていずれもインクリメント型のエンコーダを用いているため、検出部Ｅ５ａ、Ｅ５ｂ、Ｅ７、Ｅ９、Ｅ１１、Ｅ１３が出力する関節動作量は、リセット時における関節の動作の未知の初期値を基準としている。このため、取得された関節動作量を関節座標系上の数値に変換するための初期化動作を行う必要がある。
本実施形態の操作入力装置の初期化方法は、保持工程、係合工程、データ取得工程、および初期値算出工程をこの順に行う方法である。
図７に示すフローチャートは、本実施形態のマスターマニピュレータ１を用いて操作者Ｐが行う操作入力装置の初期化方法のフローを示している。
なお、本実施形態の初期化方法は、マスターマニピュレータ１が行う動作の他に、人がマスターマニピュレータ１に対して行う動作がある。人による動作は、誰が行ってもよく、初期化後にマスターマニピュレータ１の操作入力を行う操作者Ｐと別人であってもよいが、以下では初期化動作を行う人も操作者Ｐと称する。
【００６９】
保持工程は、多関節アーム３Ｒ、３Ｌの基端部を、互いの相対位置関係を固定した状態に保持する工程である。
本実施形態では、多関節アーム３Ｒ、３Ｌの基端部である各回動関節５ａが、本体フレーム２の所定位置に固定されているため、マスターマニピュレータ１の組立時に実施済みである。このため、操作者Ｐとしては保持工程を行う必要はない。このため、図７のフローチャートでは、保持工程に対応するステップの記載を省略している。
各回動関節５ａの固定位置は、各多関節アーム３Ｒ、３Ｌに設定された関節座標系の座標値としてマスター制御部１００の記憶部１０４に記憶されている。
ただし、マスターマニピュレータ１は、本体フレーム２上で多関節アーム３Ｒ、３Ｌの基端部の固定位置を操作者Ｐが変更できる構成としてもよく、この場合には、図７のステップＳ１に先立って保持工程を行う必要がある。すなわち、操作者Ｐは、多関節アーム３Ｒ、３Ｌの基端部の固定位置を変更し、記憶部１０４に記憶された固定位置を更新する。
【００７０】
、
保持工程が終了したら、係合工程を行う。本工程は、多関節アーム３Ｒ、３Ｌの先端部同士である右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌを、これらの相対位置が固定されるように係合する工程である。
本実施形態では、ステップＳ１、Ｓ２が係合工程を構成している。
【００７１】
ステップＳ１では、操作者Ｐが、右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌを係合部１９Ｒ、１９Ｌを介して係合する。
例えば、図８（ａ）に示すように、各側面１４ｆを上側に向けて右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌを水平に配置し、各先端面１４ｅが向かい合う方向に向けて、係合部１９Ｒ、１９Ｌを係合する位置関係に互いに相対位置を調整する。
本実施形態の場合、図５（ａ）に示すように、凹部１５Ｒと凸部１５Ｌとが対向するとともに凸部１６Ｒと凹部１６Ｌとが対向するようにして、各先端面１４ｅ同士を突き合わせて密着させる。
そして、図８（ｂ）に示すように、右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌの厚さ方向の相対位置を調整して、図５（ｂ）に示すように段部１６ｂと段部１７ａとを密着させる。
これにより、右手用操作アーム１４Ｒと左手用操作アーム１４Ｌとは、互いの間の平行移動および回転移動が拘束される。
以上で、ステップＳ１が終了する。
【００７２】
ステップＳ２は、係合状態が得られたかどうかを判定するステップである。
本実施形態では、係合検知部１０２によって、係合センサ１８Ｒ、１８Ｌからの検出信号を取得して係合部１９Ｒ、１９Ｌの係合状態を判定する。
係合検知部１０２は、係合センサ１８Ｒ、１８Ｌの検出信号がいずれも予め設定された係合状態の許容範囲内の係合状態を表す場合、係合完了と判定し、判定結果をデータ取得部１０１に通知するとともに、表示部４に係合完了のメッセージを表示させる。
データ取得部１０１に係合完了が通知されると、データ取得部１０１が初期化モードに設定される。
係合完了に到らないと判定した場合には、係合未完了のメッセージを表示部４に表示させる。
操作者Ｐは、表示部４の表示を見て、係合未完了の場合には、係合部１９Ｒ、１９Ｌの係合を微調整したり、再度係合を試みたりするなどして、係合完了と判定されるまで、ステップＳ１を繰り返す。
以上で、ステップＳ２が終了する。
【００７３】
次に、データ取得工程を行う。本工程は、互いに係合された右手用操作アーム１４Ｒ、１４Ｌ同士を移動させつつ、互いに係合された多関節アーム３Ｒ、３Ｒの各関節に設けられた各検出部Ｅ５ａ、Ｅ５ｂ、Ｅ７、Ｅ９、Ｅ１１、Ｅ１３から、関節動作量を時系列に複数組取得する工程である。
本実施形態では、ステップＳ３〜Ｓ７がデータ取得工程を構成している。
【００７４】
ステップＳ３では、操作者Ｐが右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌの係合を保って多関節アーム３Ｒ、３Ｌを適宜動かすステップである。
係合工程終了後、図９（ａ）に模式的に示すように、多関節アーム３Ｒ、３Ｌは、各回動関節５ａが本体フレーム２に固定されているため、閉ループのリンクを構成している。
データ取得部１０１は、係合工程終了後、すぐに各検出部Ｅ５ａ、Ｅ５ｂ、Ｅ７、Ｅ９、Ｅ１１、Ｅ１３にリセット信号を送出する。これにより、各検出部Ｅ５ａ、Ｅ５ｂ、Ｅ７、Ｅ９、Ｅ１１、Ｅ１３の関節動作量はすべて０にリセットされる。
この状態で、操作者Ｐは、互いに係合された右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌを手に持って適宜移動させる。これにより、図９（ｂ）に実線で模式的に示すように、多関節アーム３Ｒ、３Ｌの各関節および各アームがそれぞれの可動範囲内で移動する。
【００７５】
次に、ステップＳ４では、データ取得部１０１によって、各検出部Ｅ５ａ、Ｅ５ｂ、Ｅ７、Ｅ９、Ｅ１１、Ｅ１３から、関節動作量を時系列に取得する。取得された各関節動作量は、データ取得部１０１内に記憶される。関節動作量を取得する時間間隔は、一定値、例えば、０．５秒に設定する。
以下では、リセット信号の送出時を、ｔ＝０として、時刻ｔにおける各検出部Ｅ５ａ、Ｅ５ｂ、Ｅ７、Ｅ９、Ｅ１１、Ｅ１３による関節動作量をそれぞれ、ｅＲｊ（ｔ）、ｅＬｊ（ｔ）（ただし、ｊ＝１，…，６）と表す。
ただし、上記のようにリセットが行われているため、次式（１ａ）、（１ｂ）が成り立つ。
【００７６】
ｅＲｊ（０）＝０ （ｊ＝１，…，６） ・・・（１ａ）
ｅＬｊ（ｔ）＝０ （ｊ＝１，…，６） ・・・（１ｂ）
【００７７】
なお、本実施形態では連立方程式を解くため、未知数以上の取得組数が必要となる。未知数（関節数）は１２個あるため、少なくともｔ＝１２になるまで関節動作量を取得する。
以上でステップＳ４が終了する。
ここで、添字の意味について説明する。これらの添字は、特に断らない限りは後述の他の変数でも共通の意味で用いる。
添字Ｒは多関節アーム３Ｒに関連付けられたことを示し、添字Ｌは多関節アーム３Ｌに関連付けられたことを示す。
添字ｊは、１、２、３、４、５、６が、それぞれ検出部Ｅ５ａ、Ｅ５ｂ、Ｅ７、Ｅ９、Ｅ１１、Ｅ１３、または、回動関節５ａ、直動関節５ｂ、第２関節７、第３関節９、第４関節１１、第５関節１３に関連付けられたことを示す。
【００７８】
次にステップＳ５では、係合部が十分動かされているかを判定する。係合部の位置だけを動かして姿勢を動かさない、あるいは、同じパターンの動きばかりだと、精度がでないため、ｅＲｊ（ｔ）、ｅＬｊ（ｔ）（ただし、ｊ＝１，…，６）を用いて運動学を解き、正しい値ではないが、仮の位置姿勢を計算する。
仮の位置姿勢の時々刻々の変化を判別し、変化が規定値を超えていない場合には、ステップS６に移行する。十分に仮の位置姿勢の値が変化していれば、データ取得部１０１は、複数組の関節動作量を初期値算出部１０３に送出して、ステップＳ８に移行する。これによりデータ取得工程が終了する。
【００７９】
ステップＳ６では、データ取得部１０１が、関節動作量の変化が少なすぎる関節があるかどうか判定する。
すなわち、データ取得部１０１は、各関節の関節動作量の変化幅を算出し、変化幅が、予め設定された許容範囲よりも小さい関節があった場合には、ステップＳ７に移行する。
変化幅が許容範囲よりも小さい関節がなかった場合には、ステップＳ３に移行し、ステップＳ３〜Ｓ５を繰り返す。
【００８０】
ステップＳ７では、データ取得部１０１が、関節動作量が少ない関節を動かすように警告するメッセージを表示部４に表示させる。
ステップＳ７が終了したら、ステップＳ３に移行し、ステップＳ３〜ステップＳ６を繰り返す。
【００８１】
関節動作量の変化が少なすぎる関節があると、初期値算出工程において算出する未知数の誤差が増える要因となる。
本実施形態では、ステップＳ７を設けることにより、操作者Ｐが一部の関節の関節動作量の変化が少なすぎるような動かし方をした場合に、表示部４を通して、操作者Ｐに知らせることができる。これにより、操作者Ｐは右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌの動かし方を改善することができるため、初期化の精度を向上することができる。
【００８２】
ステップＳ８、Ｓ９では、初期値算出部１０３によって初期値算出工程を行う。
本工程は、データ取得工程において時系列に取得された関節動作量に基づいて、右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌ同士の相対位置関係が係合によって固定された条件の下に未知の初期値を算出する工程である。
【００８３】
各関節の動作を関節座標系で、θＲｊ（ｔ）、θＬｊ（ｔ）（ただし、ｊ＝１，…，６）と表すと、次式（２ａ）、（２ｂ）が成り立つ。
【００８４】
θＲｊ（ｔ）＝θＲｊ（０）＋ｅＲｊ（ｔ） （ｊ＝１，…，６） ・・・（２ａ）
θＬｊ（ｔ）＝θＬｊ（０）＋ｅＬｊ（ｔ） （ｊ＝１，…，６） ・・・（２ａ）
【００８５】
ここで、θＲｊ（０）、θＬｊ（０）は、リセット時の各関節の動作の初期値であり、各検出部から得られない情報であるため、未知数である。ｖ
一般に、関節座標系での速度ベクトルvと角速度ベクトルωを並べた６次元ベクトル（ツイスト）をνとすると、νと速度θ’（記号’は、時間微分を表す）との関係は，基礎ヤコビ行列ＪＢ（θ）を用いて次式（３）のように表すことができる。
【００８６】
ν＝ＪＢ（θ）θ’ ・・・（３）
【００８７】
それぞれの関節の速度は関節リンク同士が鎖状につながり隣同士拘束しあっているため、根元から順番に計算することができ、関節リンクｉの速度は，リンクｉ−１の速度に関節ｉによって加えられる新しい項を加え合わせたものになるので、関節座標系｛Ｏｎ｝の速度ｖ、角速度ωは次式（４）のように表される（ただし、ｎ＝６）。
【００８８】
【数１】
【００８９】
これを次式（５）、（６）、（７）を使ってまとめると、各関節速度と、フレーム｛Ｏｎ｝の速度、角速度の関係は、基礎ヤコビ行列ＪＢ（θ）を用いて、次式（８）のように表せる。
【００９０】
【数２】
【００９１】
一方、右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌにおいて、互いに係合された点のツイストをνＲ、νＬとすると、次式（９ａ）、（９ｂ）のように表される。
ここで、記号［６，１］は、６×１の行列であることを示す。以下では、［ｎ，ｍ］は、ｎ×ｍ行列（ｎ、ｍは正の整数）であることを示す。
【００９２】
【数３】
【００９３】
データ取得部１０１で取得したθＲ［６，１］、θＬ［６，１］は、いずれも右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌ同士の相対位置関係が係合によって固定された条件の下に取得されているため、νＲ［６，１］とνＬ［６，１］とは等しい。このため、次式（１０）が成り立つ必要がある。
【００９４】
ＪＢＲ［６，６］θＲ’［６，１］＝ＪＢＬ［６，６］θＬ’［６，１］
・・・（１０）
【００９５】
式（１０）を解くことにより、未知数θＲｊ（０）、θＬｊ（０）（ｊ＝１，…，６）を求めることができる。
本実施形態では次式（１１）のように残差ｆ（θｉ）［６，１］を考え、ｆ（θｉ）［６，１］＝０となるような収束計算を行って、θｉを求める。
なお、本実施形態では、初期化が開始されてからステップＳ８が行われるたびに、ステップＳ８を行った回数を記憶するカウンタが更新される。
【００９６】
【数４】
【００９７】
具体的には、残差ｆ（θｉ）［６，１］は、θｉを未知数とした連立方程式になるので、初期値算出部１０３は、連立方程式の近似解法である周知の逐次最小二乗法を用いて、時々刻々θｉを計算し，さらにこの結果を式（１１）に代入してｆ（θｉ）［６，１］を計算し，ｆ（θｉ）［６，１］のノルムを算出する。
以上で、ステップＳ８が終了する。
【００９８】
次にステップＳ９では、初期値算出部１０３は、収束計算が収束したかどうか判定する。すなわち、初期値算出部１０３は、ｆ（θｉ）［６，１］のノルムが事前に設定した収束判定値εよりも小さな値になった時に収束完了と判定する。
初期値算出部１０３は、収束完了時に算出されたθｉを記憶部１０４に送出するとともに、データ取得部１０１の初期化モードを解除し、データ取得部１０１を操作モードに設定する。これにより初期化が終了する。
【００９９】
初期化が終了した場合には、データ取得部１０１が操作モードに変更されているため、データ取得部１０１が取得する関節動作量は、入力データ生成部１０５に送出される。
入力データ生成部１０５は、上記式（２ａ）、（２ｂ）により、データ取得部１０１から送出された関節動作量に記憶部１０４に記憶された関節の動作の初期値を加算して、θＲｊ（ｔ）、θＬｊ（ｔ）を生成する。
これにより、多関節アーム３Ｒ、３Ｌの各関節の位置および姿勢が確定するため、入力データ生成部１０５は、右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌの位置および姿勢と、各把持操作部１５に対してなされた操作による操作量とに基づいて、スレーブマニピュレータ１２０Ｌ、１２０Ｒの把持鉗子の位置および姿勢の制御目標値と、把持鉗子の開閉動作を制御する制御目標値とを含む入力データを生成し、スレーブ制御部１１０に送出する。
スレーブ制御部１１０は、送出された入力データに基づいて、スレーブマニピュレータ１２０Ｒ、１２０Ｌを駆動する。このようにして、マスターマニピュレータ１による操作入力がスレーブマニピュレータ１２０Ｒ、１２０Ｌに伝達される。
【０１００】
ステップＳ１０では、初期値算出部１０３は、収束完了しなかった場合の処理を決めるため、カウンタを参照して、ステップＳ８を行った回数を予め設定された収束計算規定回数と比較する。
ステップＳ８を行った回数が収束計算規定回数以内の場合には、データ取得工程および初期値算出工程を再実行するため、ステップＳ３に移行する。
ステップＳ８を行った回数が収束計算規定回数を越えた場合には、ステップＳ１１に移行する。
【０１０１】
ステップＳ１１では、初期値算出部１０３が収束計算に用いた関節動作量の時系列変化を参照して、関節動作量の変化のない関節があるかどうか判定する。
ステップＳ１１に到達するのは、関節動作量の変化が少ない場合に警告を行った上でデータ取得工程を行っても収束計算規定回数内で収束完了させることができなかった場合であり、特定の関節または検出部の故障により、関節が動作しない、または関節の動作を反映した関節動作量が取得できなかった可能性が高い。
関節動作量の変化がない関節がある場合には、この関節または検出部が故障している可能性が高いため、ステップＳ１２に移行する。
関節動作量の変化がない関節がない場合には、関節動作量は変化しているが関節動作量が不正確である可能性が高く、しかもその関節を特定できないため、ステップＳ１３に移行する。
【０１０２】
ステップＳ１２では、初期値算出部１０３は、関節動作量の変化のない関節を明示してこの関節が故障している可能性がある旨のメッセージ（エラー表示１）を表示して、警告を行い、動作を終了する。
なお、警告の仕方は、上記のような警告メッセージには限定されず、画像や光の点滅による警告でもよいし、音声や警告音により警告するようにしてもよい。
【０１０３】
ステップＳ１３では、初期値算出部１０３は、どの関節か不明だが不正確な関節動作量が出力されている可能性がある旨のメッセージ（エラー表示２）を表示して、警告を行い、動作を終了する。他の警告の仕方でもよいことは、ステップＳ１２と同様である。
【０１０４】
これにより、操作者Ｐは、表示部４の表示により、初期化がエラー終了したことと、故障の可能性についての示唆が得られるため、それぞれのエラー表示に基づいて、点検や修理を行うことができる。
【０１０５】
このように、本実施形態のマスターマニピュレータ１によれば、右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌに設けられた係合部１９Ｒ、１９Ｌ同士を係合した状態で右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌ同士を移動させて、各関節の検出部から時系列で関節動作量を取得し、右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌ同士の相対位置関係が係合部を介して固定された条件の下に未知の初期値を算出して、初期化を行うことができる。このため、マスターマニピュレータ１の動作範囲に初期化に用いる位置決め部材を設置することなく初期化を行うことができる。
この結果、マスターマニピュレータ１の動作範囲が、位置決め部材等によって制約されることがないため、より広範囲の空間における操作入力を行うことができる。また、操作入力の範囲が制約されることに伴うスレーブマニピュレータ１２０の動作範囲の制約もなくなるため、スレーブマニピュレータ１２０の動作範囲も拡大される。
また、位置決め部材を設置しなくてよいため簡素な構成を実現することができる。
【０１０６】
［第１変形例］
次に、本実施形態の変形例（第１変形例）の操作入力装置について説明する。
図１０は、本発明の第１の実施形態の変形例（第１変形例）の操作入力装置の主要部の構成を示す模式的な斜視図である。図１１は、本発明の第１の実施形態の変形例（第１変形例）の操作入力装置に用いる中間部材の平面図である。
【０１０７】
図１０に、本変形例のマスターマニピュレータ１Ａ（操作入力装置）の主要部の構成を示す。
上記第１の実施形態のマスターマニピュレータ１は、係合部１９Ｒ、１９Ｌが、右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌ同士を直接係合して、互いの相対位置を固定する場合の例になっていたが、本変形例のマスターマニピュレータ１Ａは、係合部が、係合相手の多関節アームの係合部との間の距離を一定に保つ中間部材２０を介して前記係合相手の多関節アームの係合部と係合されるようにした点が異なる。
このため、中間部材２０を除く他の構成は、マスターマニピュレータ１と同様の構成を採用することができる。以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【０１０８】
中間部材２０は、図１１に示すように、右手用操作アーム１４Ｒおよび左手用操作アーム１４Ｌと同じ厚さを有する矩形板の互いに対向する端部側面２０ａ、２０ｂにそれぞれ係合部２１Ｒ、２１Ｌが形成された部材である。端部側面２０ａ、２０ｂの間の距離はＬとする。
係合部２１Ｒは、上記第１の実施形態における係合部１９Ｒで、係合センサ１８Ｒを係合センサ１８Ｌに対する被検知媒体２２Ｒに代えたものである。
係合部２１Ｌは、上記第１の実施形態における係合部１９Ｌで、係合センサ１８Ｌを係合センサ１８Ｒに対する被検知媒体２２Ｌに代えたものである。
ただし、右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌにおける側面１４ｆ、１４ｇは、それぞれ中間部材２０の板厚方向の側面２０ｆ、２０ｇ（図１０参照）に対応させるものとする。
【０１０９】
このような構成により、係合部１９Ｌと係合部２１Ｒとは、係合部１９Ｌ、１９Ｒ同士と同様にして係合可能であり、係合状態を係合センサ１８Ｌで検知することができる。
また、係合部２１Ｌと係合部１９Ｒとは、係合部１９Ｌ、１９Ｒ同士と同様にして係合可能であり、係合状態を係合センサ１８Ｒで検知することができる。
【０１１０】
次に、マスターマニピュレータ１Ａの初期化方法について、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
本実施形態のマスターマニピュレータ１Ａの初期化方法は、図７のフローチャートに沿って、上記第１の実施形態の初期化方法と略同様にして行うことができる。
ただし、係合工程（ステップＳ１、Ｓ２）では、中間部材２０を介して、右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌを係合する点が異なる。
このため、左手用操作アーム１４Ｌおよび右手用操作アーム１４Ｒは、中間部材２０を介して、先端面１４ｅの法線方向に距離Ｌだけ離間した位置に係合される。
【０１１１】
本変形例によれば、上記第１の実施形態と同様にして、初期化を行うことができる。
本変形例では、中間部材２０を介して係合するため、右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌが直接係合しにくい形状であったり、直接係合できても操作者Ｐが手に持って移動させにくい形状であったりする場合にも、中間部材２０の形状を適宜設定することで、容易に係合したり、係合後に容易に移動させることが可能となる。
また、本変形例では、中間部材２０に被検知媒体２２Ｒ、２２Ｌを設けることにより中間部材２０からマスター制御部１００に対して、係合完了の出力を行う必要がないため、中間部材２０の構成が簡素になる。
【０１１２】
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態の操作入力装置について説明する。
図１２（ａ）、（ｂ）は、本発明の第２の実施形態の操作入力装置の主要部の構成を示す模式的な斜視図、および動作説明図である。図１３（ａ）、（ｂ）は、本発明の第２の実施形態の操作入力装置の係合部の構成を示す模式的な斜視図である。
【０１１３】
本実施形態のマスターマニピュレータ１Ｂ（操作入力装置）は、図１２（ａ）に主要部を示すように、上記第１の実施形態のマスターマニピュレータ１の係合部１９Ｒ、１９Ｌを削除し、各検出部Ｅ１３に代えてそれぞれ関節座標系の基準からの絶対回転角が検出できる検出部Ｆ１３（図６参照）を備え、Ｌ型アーム１２に接続部３３Ｒ、３３Ｌ、係合部３６ｒ、３６Ｌを追加したものである。
本実施形態の多関節アーム３Ｒ（３Ｌ）の構成は、それぞれ初期化が必要ない右手用操作アーム１４Ｒ（左手用操作アーム１４Ｌ）および第５関節１３と、回動関節５ａ、直動関節５ｂ、アーム６、第２関節７、アーム８、第３関節９、Ｌ型アーム１０、第４関節１１、およびＬ型アーム１２で構成される初期化が必要な多関節アーム部３０Ｒ（３０Ｌ）（多関節アーム）とに分けられる。
以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【０１１４】
接続部３３Ｒは、右手用操作アーム１４ＲのＬ型アーム１２の真直アーム部１２ｂにおいて、真直アーム部１４ｂと対向する側面と反対側の側面に設けられた部材であり、図１３（ａ）に示すように、回動軸線Ｏ１３に直交する当接面３３ａを備えている。
また、接続部３３Ｌは、左手用操作アーム１４ＬのＬ型アーム１２の真直アーム部１２ｂにおいて、真直アーム部１４ｂと対向する側面と反対側の側面に設けられた部材であり、図１３（ｂ）に示すように、回動軸線Ｏ１３に直交する当接面３３ａを備えている。
【０１１５】
接続部３３Ｒの当接面３３ａ上には、この当接面３３ａを接続部３３Ｌの当接面３３ａに当接させたときに、接続部３３Ｒと接続部３３Ｌとの相対位置関係を固定する係合部３６Ｒが設けられている。
また、接続部３３Ｌの当接面３３ａ上には、この当接面３３ａを接続部３３Ｒの当接面３３ａに当接させたときに、接続部３３Ｌと接続部３３Ｒとの相対位置関係を固定する係合部３６Ｌが設けられている。
本実施形態では、係合部３６Ｒ、３６Ｌの位置は、一例として回動軸線Ｏ１３上に設けられている。
このように、係合部３６Ｒ（３６Ｌ）は、多関節アーム部３０Ｒ（３０Ｌ）の先端部に当たる真直アーム部１２ｂの接続部３３Ｒ（３３Ｌ）に設けられている。
【０１１６】
係合部３６Ｒは、当接面３３ａから回動軸線Ｏ１３に沿う方向に突出し、回動軸線Ｏ１３を中心軸とする半円状の突起部３４と、突起部３４に隣接して当接面３３ａから回動軸線Ｏ１３に沿う方向に凹んだ、回動軸線Ｏ１３を中心軸とする半円状の穴部３５とを備える。また突起部３４の外径と、穴部３５の内径とは互いに等しく、突起部３４の突出高さは穴部３５の深さに比べて小さくなっている。
また、突起部３４と穴部３５との境界には、真直アーム部１２ｂの長手方向および回動軸線Ｏ１３に沿う平面である係合面３４ａが突起部３４の先端から穴部３５の底面まで延びている。
係合部３６Ｌは、接続部３３Ｌの当接面３３ａ上に、係合部３６Ｒと同様の位置、形状の突起部３４と穴部３５とが設けられている。
【０１１７】
このような係合部３６Ｒ、３６Ｌの構成により、各当接面３３ａを対向させて、係合部３６Ｒ、３６Ｌの各突起部３５を互いの係合面３４ａを突き合わせた状態で、相手側の各穴部３４に挿入していくと、各当接面３３ａが密着するように互いを係合させることができる。
係合部３６Ｒ、３６Ｌの近傍には、このような係合状態において、互いに対向し合う位置に、上記第１の実施形態と同様の係合センサ１８Ｒ、１８Ｌが設けられている。
このため、係合センサ１８Ｒ、１８Ｌによって、係合状態を検知することができる。
【０１１８】
本実施形態のマスターマニピュレータ１Ｂによれば、多関節アーム部３０Ｒ、３０Ｌの各関節には、上記第１の実施形態と同様にインクリメント型のエンコーダが用いられているため、初期化が必要である。
【０１１９】
本実施形態のマスターマニピュレータ１Ｂの初期化方法は、図７のフローチャートに沿って、上記第１の実施形態の初期化方法と略同様にして行うことができる。
ただし、初期化を行うのは、多関節アーム部３０Ｒ、３０Ｌであり、係合工程（ステップＳ１、Ｓ２）では、多関節アーム部３０Ｒ、３０Ｌの先端部に設けられた係合部３６Ｒ、３６Ｌ同士を係合する点が異なる。
以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【０１２０】
本実施形態の係合工程では、図１２（ａ）に示すように、右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌを、接続部３３Ｒ、３３Ｌ同士が、互いの当接面３３ａ同士、係合部３６Ｒ、３６Ｌ同士が対向する位置関係に保持し、各回動軸線Ｏ１３が同軸となるように位置合わせして、当接面３３ａ同士を近接させて、係合部３６Ｒ、３６Ｌを係合させる。これにより、図１２（ｂ）に示すように、係合状態が実現される。
この係合状態では、係合センサ１８Ｒ、１８Ｌが互いに対向して近接するため、係合したこと検知することができる。
このとき、本実施形態では、各第５関節１３の位置は、特に位置合わせする必要はない。
本実施形態の係合部３６Ｒ、３６Ｌは、係合と係合解除とを回動軸線Ｏ１３に沿う方向の移動のみで行うことができるため、係合および係合解除の作業が容易となる。また、係合状態を保持することが容易となる。
【０１２１】
データ取得工程では、ステップＳ３において、互いに係合した状態のＬ型アーム１２同士を持って多関節アーム部３０Ｒ、３０Ｌを動かす点が異なる。
また、ステップＳ４において、各検出部Ｅ５ａ、Ｅ５ｂ、Ｅ７、Ｅ９、Ｅ１１の関節動作量を取得する点が異なる。
【０１２２】
初期値算出工程では、各式において、添字ｊが１〜５までとなり、具体的な行列の形が異なるのみであり、本質的に同様の収束計算によって初期値を算出することができる。
【０１２３】
このように、本実施形態は、上記第１の実施形態と略同様にして、多関節アーム部３０Ｒ、３０Ｌの初期化を行うことができる。
本実施形態は、多関節アームにおいて初期化が必要となるのが、多関節アームの一部である場合には、初期化が必要となる多関節アーム部分の先端部に係合部を設ければよいことを示す例になっている。
【０１２４】
［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態の操作入力装置について説明する。
図１４（ａ）、（ｂ）は、本発明の第３の実施形態の操作入力装置の係合部の構成を示す模式的な部分断面図である。
【０１２５】
本実施形態のマスターマニピュレータ１Ｃ（操作入力装置）は、図１４（ａ）に主要部を示すように、上記第１の実施形態のマスターマニピュレータ１の係合部１９Ｒ、１９Ｌに代えて、係合部４１Ｒ、４１Ｌを備える。以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【０１２６】
係合部４１Ｒは、右手用操作アーム１４Ｒの先端面１４ｅに形成された突起の先端に半球状の凹部を形成したものである。
係合部４１Ｌは、係合部４１Ｒの凹部と同径の球状体を、左手用操作アーム１４Ｌの先端面１４ｅに立設した支持部材４２の先端に形成したものである。
このため、図１４（ｂ）に示すように、係合部４１Ｌを係合部４１Ｒに挿入して係合すると、係合部４１Ｒの凹部と中心ＱＲと、係合部４１Ｒの球の中心ＱＬとが一致した状態で、中心ＱＲ、ＱＬを中心に回動可能に係合されるようになっている。
本実施形態では、係合形態が簡素であり、操作者Ｐが手に持った状態で容易に係合状態を維持することができる。また、操作者Ｐが係合状態の右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌを移動した場合も、係合時の姿勢の許容度が大きいため、移動時に係合が外れる可能性が少ない。このため、本実施形態では、係合センサは省略している。
【０１２７】
本実施形態のマスターマニピュレータ１Ｃの初期化方法は、図７のフローチャートに沿って、上記第１の実施形態の初期化方法と略同様にして行うことができる。
ただし、本実施形態では、係合部４１Ｒ、４１Ｌが、係合時に右手用操作アーム１４Ｒ上の１点（中心ＱＲ）および左手用操作アーム１４Ｌ上の１点（中心ＱＬ）に一致する１点を中心として、回動可能に相対位置を固定する点が異なる。
以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【０１２８】
本実施形態の係合工程では、図１４（ａ）に示すように、係合部４１Ｒ、４１Ｌ同士を係合する。操作者Ｐは、係合部４１Ｌが係合部４１Ｒから離間しないように係合部４１Ｒ、４１Ｌの近くの右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌを保持する。
また、本実施形態では、係合センサを設けないため、マスター制御部１００に適宜入力装置を設けておき、ステップＳ２では、操作者Ｐが係合完了した係合検知部１０２に通知する。
【０１２９】
データ取得工程では、上記第１の実施形態と同様にして行うことができる。
本実施形態では、係合状態における右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌの姿勢変化の自由度があるため、中心ＱＲ、ＱＬ回りの回動を適宜加えることによっても、関節動作量を変化させることができる。
【０１３０】
初期値算出工程では、相対位置が固定されているのが、中心ＱＲ、ＱＬのみであるため、位置座標（ＸＲ，ＹＲ，ＺＲ）、（ＸＬ，ＹＬ，ＺＬ）のみが一致する条件を採用することになる。したがって、式（１０）の式本数が上記第１の実施形態の半分になる点が異なる。
しかしながら、本実施形態では、連立方程式を逐次最小二乗法によって、近似的に解くため、初期値の算出には特に影響しない。このため、具体的な連立方程式の形が異なるのみであり、本質的に同様の収束計算によって初期値を算出することができる。
【０１３１】
このように、本実施形態は、上記第１の実施形態と略同様にして、多関節アーム３Ｒ、３Ｌの初期化を行うことができる。
本実施形態は、係合部が、多関節アームの先端部同士を、一点を中心として回動可能に係合する場合の例になっている。
【０１３２】
なお、上記の各実施形態、変形例の説明では、多関節アームが２組設けられた場合に例で説明したが、多関節アームは３組以上設けられていてもよい。
この場合、３組以上の各先端部が１箇所で係合され、１つの閉ループを構成するようにして、初期化を行ってもよいし、３組以上の多関節アームと２組ずつを組み合わせて、複数回の初期化を行ってもよい。
【０１３３】
また、上記の各実施形態、変形例の説明では、いずれも、同様な構成の多関節アームを例にして説明したが、これは一例であって、多関節アームの自由度、具体的な関節とアームの組合せの構成は、これに限定されるものではない。
本発明は、回動運動または直動運動をする複数の関節によって直列に連結され、基端部に対する先端部の位置、姿勢が変更可能とされた多関節アームであれば、どのような構成の多関節アームを採用してもよい。
また、互いに係合する多関節アームの構成も適宜変えることができる。
ここで、「直列に連結され」という意味は、初期化を行う多関節アームの部分が直列に連結されているという意味である。したがって、初期化の対象にならない分岐アームを備える構成も本発明の範囲である。
【０１３４】
また、上記の各実施形態、変形例の説明では、いずれも、係合部の係合状態を患者Ｐが手に持って維持する場合の例で説明したが、係合部または係合部の近傍に、係合状態の固定と係合解除とを行う係合固定手段を設けてもよい。
係合固定手段の例としては、ねじ、クランプなどの機械的な固定手段や、磁石等を用いた磁気的な固定手段などの例を挙げることができる。
【０１３５】
また、上記の第２の実施形態の説明では、多関節アーム３Ｒ（３Ｌ）において、第５関節１３が検出部Ｆ１３を備えることにより、第５関節１３、右手用操作アーム１４Ｒ（左手用操作アーム１４Ｌ）の部分は初期化を行う必要がない場合の例で説明した。
ただし、第５関節１３に初期化が必要な検出部Ｅ１３を備える場合でも、本発明の初期化方法によらない初期化を行うようにすれば、多関節アーム部３０Ｒ（３０Ｌ）のみを本発明の初期化方法で初期化すればよい。
本発明以外の初期化方法の例としては、例えば、Ｌ型アーム１２と右手用操作アーム１４Ｒ（左手用操作アーム１４Ｌ）との間に、互いの相対位置関係を関節座標系の基準に合わせて固定する係合手段が設けておき、係合状態で、検出部Ｅ１３にリセット信号を送信する、といった初期化方法を挙げることができる。
【０１３６】
また、上記第１変形例の説明では、中間部材２０に被検知媒体２２Ｒ、２２Ｌを設けた場合の例で説明したが、係合部１９Ｒ、１９Ｌの係合センサ１８Ｒ、１８Ｌと、中間部材２０における被検知媒体２２Ｒ、２２Ｌとを入れ替えた構成としてもよい。
この場合、多関節アーム３Ｒ、３Ｌ内に、係合センサ１８Ｒ、１８Ｌの信号線を配回す必要がなくなるため、多関節アーム３Ｒ、３Ｌの構成を簡素化することができる。
【０１３７】
また、上記の各実施形態、各変形例に説明したすべての構成要素は、本発明の技術的思想の範囲で適宜組み合わせを代えたり、削除したりして実施することができる。
例えば、上記第１変形例の右手用操作アーム１４Ｒ、中間部材２０、および左手用操作アーム１４Ｌとの各係合部に代えて、上記第３の実施形態の係合部４１Ｌ、４１Ｒを用いる構成としてもよい。この場合、右手用操作アーム１４Ｒ、左手用操作アーム１４Ｌ上の二点間の距離を一定にした状態で中間部材２０に対して回動可能に係合する構成が得られる。
【符号の説明】
【０１３８】
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ マスターマニピュレータ（操作入力装置）
２ 本体フレーム
３Ｒ、３Ｌ 多関節アーム
４ 表示部
５ 第１関節
５ａ 回動関節（関節）
５ｂ 直動関節（関節）
６、８ アーム
７ 第２関節（関節）
９ 第３関節（関節）
１０、１２ Ｌ型アーム（アーム）
１０ａ、１０ｂ、１２ａ、１２ｂ、１４ａ、１４ｂ 真直アーム部
１１ 第４関節（関節）
１３ 第５関節（関節）
１４Ｌ 左手用操作アーム
１４Ｒ 右手用操作アーム
１４ｃ グリップ部
１４ｅ 先端面
１５ 把持操作部
１５Ｌ、１６Ｒ 凸部
１５Ｒ、１６Ｌ 凹部
１６ｂ、１７ａ 段部
１８Ｌ、１８Ｒ 係合センサ
１９Ｌ、１９Ｒ、２１Ｒ、２１Ｌ、３６Ｒ、３６Ｌ 係合部
３０Ｒ、３０Ｌ 多関節アーム部（多関節アーム）
１００ マスター制御部
１０１ データ取得部
１０２ 係合検知部
１０３ 初期値算出部
Ｅ５ａ、Ｅ５ｂ、Ｅ７、Ｅ９、Ｅ１１、Ｅ１３ 検出部
Ｏ５ａ、Ｏ９、Ｏ１１、Ｏ１３ 回動軸線
Ｏ５ｂ、Ｏ７ 直動軸線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回動または直動の自由度を有する複数の関節によって直列に連結され、基端部に対する先端部の位置、姿勢が変更可能とされた多関節アームを２組以上有する操作入力装置であって、
前記多関節アームの基端部を、互いの相対位置関係を固定した状態に保持する保持部と、
前記関節に設けられ、該関節の動作を未知の初期値からの回転角度または変位で表した関節動作量を検出する検出部と、
前記多関節アームの前記先端部にそれぞれ設けられ、該先端部同士の相対位置が固定されるように係合する係合部と、
前記係合部を介して前記多関節アームの前記先端部同士を係合し互いに係合された前記先端部同士を移動させた際に、前記検出部が検出した前記関節動作量を時系列に複数組取得するデータ取得部と、
該データ取得部によって時系列に取得された前記関節動作量に基づいて、前記先端部同士の相対位置関係が前記係合部を介して固定された条件の下に前記未知の初期値を算出する初期値算出部と、
を備えることを特徴とする操作入力装置。
【請求項２】
前記初期値算出部は、
前記多関節ロボットの前記先端部の位置および姿勢を記述する運動学の関係式と、前記データ取得部によって時系列に取得された前記関節動作量とに基づいて、前記関節動作量の初期値を未知数とする連立方程式を生成し、
該連立方程式を解いて前記関節動作量の初期値を算出する
ことを特徴とする請求項１に記載の操作入力装置。
【請求項３】
前記初期値算出部は、
前記連立方程式において０にすべき残差式が収束判定値以下になるまで収束計算を行うことにより前記連立方程式を解く
ことを特徴とする請求項２に記載の操作入力装置。
【請求項４】
前記初期値算出部は、
予め決めた時間内に収束計算が終わらない場合に警告を行う
ことを特徴とする請求項３に記載の操作入力装置。
【請求項５】
前記警告の一つが前記検出部の故障を警告する
ことを特徴とする請求項４に記載の操作入力装置。
【請求項６】
前記係合部は、
前記多関節アームの前記先端部同士を直接係合して、互いの相対位置を固定する
ことを特徴とする請求項１に記載の操作入力装置。
【請求項７】
前記係合部は、
前記多関節アームの先端部同士を、一点を中心として回動可能に係合する
ことを特徴とする請求項１に記載の操作入力装置。
【請求項８】
前記係合部は、
係合相手の多関節アームの係合部との間の距離を一定に保つ中間部材を介して前記係合相手の多関節アームの係合部と係合される
ことを特徴とする請求項１に記載の操作入力装置。
【請求項９】
前記係合部は、
前記多関節アームの先端部同士の間の相対位置および相対姿勢を固定して係合する
ことを特徴とする請求項１に記載の操作入力装置。
【請求項１０】
回動または直動の自由度を有する複数の関節によって直列に連結され、基端部に対する先端部の位置、姿勢が変更可能とされた２組以上の多関節アームと、前記関節に設けられ、該関節の動作を未知の初期値からの回転角度または変位で表した関節動作量を検出する検出部とを有する操作入力装置の初期化方法であって、
前記多関節アームの基端部を、互いの相対位置関係を固定した状態に保持する保持工程と、
前記多関節アームの前記先端部同士を、該先端部同士の相対位置が固定されるように係合する係合工程と、
互いに係合された多関節アームの前記先端部同士を移動させつつ、前記互いに係合された多関節アームの各関節に設けられた前記検出部から、前記関節動作量を時系列に複数組取得するデータ取得工程と、
該データ取得工程において時系列に取得された前記関節動作量に基づいて、前記先端部同士の相対位置関係が係合によって固定された条件の下に前記未知の初期値を算出する初期値算出工程と、
を備えることを特徴とする操作入力装置の初期化方法。
【請求項１】
回動または直動の自由度を有する複数の関節によって直列に連結され、基端部に対する先端部の位置、姿勢が変更可能とされた多関節アームを２組以上有する操作入力装置であって、
前記多関節アームの基端部を、互いの相対位置関係を固定した状態に保持する保持部と、
前記関節に設けられ、該関節の動作を未知の初期値からの回転角度または変位で表した関節動作量を検出する検出部と、
前記多関節アームの前記先端部にそれぞれ設けられ、該先端部同士の相対位置が固定されるように係合する係合部と、
前記係合部を介して前記多関節アームの前記先端部同士を係合し互いに係合された前記先端部同士を移動させた際に、前記検出部が検出した前記関節動作量を時系列に複数組取得するデータ取得部と、
該データ取得部によって時系列に取得された前記関節動作量に基づいて、前記先端部同士の相対位置関係が前記係合部を介して固定された条件の下に前記未知の初期値を算出する初期値算出部と、
を備えることを特徴とする操作入力装置。
【請求項２】
前記初期値算出部は、
前記多関節ロボットの前記先端部の位置および姿勢を記述する運動学の関係式と、前記データ取得部によって時系列に取得された前記関節動作量とに基づいて、前記関節動作量の初期値を未知数とする連立方程式を生成し、
該連立方程式を解いて前記関節動作量の初期値を算出する
ことを特徴とする請求項１に記載の操作入力装置。
【請求項３】
前記初期値算出部は、
前記連立方程式において０にすべき残差式が収束判定値以下になるまで収束計算を行うことにより前記連立方程式を解く
ことを特徴とする請求項２に記載の操作入力装置。
【請求項４】
前記初期値算出部は、
予め決めた時間内に収束計算が終わらない場合に警告を行う
ことを特徴とする請求項３に記載の操作入力装置。
【請求項５】
前記警告の一つが前記検出部の故障を警告する
ことを特徴とする請求項４に記載の操作入力装置。
【請求項６】
前記係合部は、
前記多関節アームの前記先端部同士を直接係合して、互いの相対位置を固定する
ことを特徴とする請求項１に記載の操作入力装置。
【請求項７】
前記係合部は、
前記多関節アームの先端部同士を、一点を中心として回動可能に係合する
ことを特徴とする請求項１に記載の操作入力装置。
【請求項８】
前記係合部は、
係合相手の多関節アームの係合部との間の距離を一定に保つ中間部材を介して前記係合相手の多関節アームの係合部と係合される
ことを特徴とする請求項１に記載の操作入力装置。
【請求項９】
前記係合部は、
前記多関節アームの先端部同士の間の相対位置および相対姿勢を固定して係合する
ことを特徴とする請求項１に記載の操作入力装置。
【請求項１０】
回動または直動の自由度を有する複数の関節によって直列に連結され、基端部に対する先端部の位置、姿勢が変更可能とされた２組以上の多関節アームと、前記関節に設けられ、該関節の動作を未知の初期値からの回転角度または変位で表した関節動作量を検出する検出部とを有する操作入力装置の初期化方法であって、
前記多関節アームの基端部を、互いの相対位置関係を固定した状態に保持する保持工程と、
前記多関節アームの前記先端部同士を、該先端部同士の相対位置が固定されるように係合する係合工程と、
互いに係合された多関節アームの前記先端部同士を移動させつつ、前記互いに係合された多関節アームの各関節に設けられた前記検出部から、前記関節動作量を時系列に複数組取得するデータ取得工程と、
該データ取得工程において時系列に取得された前記関節動作量に基づいて、前記先端部同士の相対位置関係が係合によって固定された条件の下に前記未知の初期値を算出する初期値算出工程と、
を備えることを特徴とする操作入力装置の初期化方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
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【図４】
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【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１３−８６２０６（Ｐ２０１３−８６２０６Ａ）
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２８６７７（Ｐ２０１１−２２８６７７）
【出願日】平成２３年１０月１８日（２０１１．１０．１８）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月１８日（２０１１．１０．１８）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
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