JPH01310876A - マスタ・スレーブ・マニピュレータのバイラテラル制御方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 概　　　要 マスタ・スレーブ・マニピュレータの作業を遠隔操作す
るた必のバイラテラル制御方式に関し、マニピュレータ
の制御演算時間を短縮することにより、従来に比してマ
ニピュレータの制御パラメータの位相遅れを減少させる
ことのできるマスタ・スレーブ・マニピュレータのバイ
ラテラル制御方式を提供することを目的とし、 マスタ及びスレーブ・マニピュレータの各々が、各関節
に角度センサを内蔵する多関節アームと、該多関節アー
ムの先端に取り付けたエンド・イフェクタと、該エンド
・イフェクタと多関節アームとの間に取り付けた３方向
の力と各方向の軸回りモーメントを検出する力センサと
を有するマスタ・スレーブ・マニピュレータのバイラテ
ラル制御系において、マスタ制御系及びスレーブ制御系
の各々に、相互にデータ通信を行う通信手段と、マスタ
・マニピュレータの先端に加わる操作力とスレーブ・マ
ニピュレータの先端から検出される反力を合成する合力
手段と、該合力手段から出力される合成力と前記角度セ
ンサにより検出されるマスタ及びスレーブ・マニピュレ
ータの各関節の現在位置とに基づいて、各関節の角速度
指令値を生成する角速度指令値生成手段とを設け、前記
通信手段を介してマスタ制御系とスレーブ制御系とでデ
ータをやり取りすることにより、マスタ・マニピュレー
タの先端に加わる操作力とスレーブ・マニピュレータの
先端から検出される反力とを加えた合成力を、マスタ制
御系及びスレーブ制御系が同時に用いて、それぞれのマ
ニピュレータを速度制御するように構成する。

産業上の利用分野 本発明はマスタ・スレーブ・マニピュレータの作業を遠
隔操作するためのバイラテラル制御方式原子炉内や海中
・海底等人間が直接作業を行うには様々な制約が伴う場
において、ロボットに作業を代替させることが従来より
考えられ実施されている。更に近年では、宇宙空間にお
いて微小重力や真空等の環境を利用した理工学実験を行
うことが検討されており、宇宙空間での作業も安全性や
作業効率、エネルギー・リソースの問題からロボットに
よる作業実施が望まれている。このように人間の作業の
代替や活動能力を拡大させるために、ロボットを使用す
る場合において、マスタ・マニピュレータを用いてスレ
ーブ・マニピュレータを遠隔操作する要求は強いものが
あり、今後ますます強まっていく状況にある。

また、現在の産業用ロボットにおいて主流となっている
ティーチング・プレイバック方式においても、ロボット
・マニピュレータの動作を人間が作業空間上で直感的に
教示できることが望ましく、その場合もマスタ・マニピ
ュレータはティーチング・ボックスに代わる手段と考え
られる。そこで、マニピュレータの制御パラメータの位
相遅れを減少させることのできるマスタ・スレーブ・マ
ニピュレータのバイラテラル制御方式が要望されている
。

従来の技術 マスタ・スレーブ・マニピュレータのバイラテラル制御
方式は、対称型、力逆送型、力帰還型の３種類の基本型
が考えられており、その中で操作性がよいという理由か
ら力帰還型がよく用いられる傾向にある。典型的な力帰
還型バイラテラル制御方式のブロック図を第３図に示す
。マスタ・マニピュレータ１０ｍ及びスレーブ・マニピ
ュレータＩＯ３には多関節アームを用い、多関節アーム
とエンド・イフエクタ（ハンド）との間の手首に相当す
る部分にはエンド・イフエクタに加わる３方向の力とそ
れらの方向の軸回りのモーメントが検出できる６軸カセ
ンサが取り付けである。また、マニピュレータの各関節
の角度や角速度はロークリ・エンコーダ等の角度センサ
及び角度偏差信号減算器や微分器、状態観測器等の速度
生成器によって検出される。

第３図に示した方式では、マスタ側のエンド・イフエク
タに加えられた力（操作力）とスレーブ側のエンド・イ
フェクタが検出した力（反力）とを足し合わせて、力の
発生を無くする方向にマスタ・マニピュレータを動作す
る。スレーブ・マニピュレータはマスタが動作したこと
から送られてくる位置指令値に基づき動作する。しかし
この方式では、マスタの位置指令からスレーブの力帰還
まで一巡するループが直列に接続されているため、制御
情報の位相遅れが大きくなりやすく、システムの安定性
を劣化させる原因となっている。

この欠点を改善する方式として並列型バイラテラル制御
方式が提案されている。第４図にこの方式のブロック図
を、第５図にシステム構成図をそれぞれ示す。この方式
では、マスタ制御系で自身の操作力とスレーブ側の反力
とを足し合わせて、速度指令値生成部１１でそれぞれの
マニピュレーク先端を移動させる共通の速度指令値を求
め、次にマスタ制御系及びスレーブ制御系は同時に、こ
の移動速度を実現するための関節角速度を算出し、この
関節角速度をサーボアンプへ指令することによってそれ
ぞれのマニピュレータを駆動する。この方式を第５図に
示したシステム構成図を参照してより詳細に説明する。

マスタ・マニピュレータ１０ｍは多関節アームとエンド
・イフエクタとの間に設けられた３方向の力とその方向
の軸回りモーメントを検出する力センサ１２ｍと、各関
節の角度を検出するロークリエンコーダ１３ｍと、サー
ボアンプ１４ｍとを有している。スレーブ・マニピュレ
ータ１０Ｓも同様に力センサ１２３と、ロークリエンコ
ーダ１３Ｓと、サーボアンプ１４ｓとを有している。

マスタ制御系１５ｍにおいては、力センサ１２ｍで検出
したマスタ・マニピュレータ１０ｍの操作力をＡ／Ｄ変
換器１６ｍでデジタル値に変換し、力の座標変換部１７
ｍで座標変換された操作力Ｆｍを得る。この力の座標変
換部１７ｍは力センサ１２ｍで検出する力検出位置と実
際の操作力が発生ずるマスタ・マニピュレータ１０ｍの
エンド・イフェクタ等の力発生位置との座標変換を行う
ものである。この操作力Ｆｍとデータ通信部１８Ｓ。

１８ｍを介して受信したスレーブ・マニピュレータ１０
ｓの反力Ｆｓとを足し合わせて速度指令生成部１９に入
力する。この速度指令生成部１９では力Ｆから速度Ｖを
得る以下の演算を実行する。

Ｖ＝Ｋ　・△Ｔ　・　（Ｆｍ十Ｆ　ｓ）ここで、Ｋは変
換係数、八Ｔは制御サンプリング周期である。

このようにして算出した速度Ｖは角速度指令生成部２０
ｍでマスタ・マニピュレータ１０ｍの各関節の座標空間
上での角速度に変換される。このようにして求めた角速
度はロークリエンコーダ１３ｍで検出した実関節角度を
微分した現在の関節の角速度と差分がとられ、その差分
が０となるようにサーボアンプ１４ｍへ指令することに
よってマスタ・マニピュレータ１０ｍを駆動する。

スレーブ制御系１５ｓでは、マスタ制御系１５ｍの速度
指令生成部１９で求めた速度Ｖをデータ通信部１８ｍ、
１８ｓを介して受は入れ、この速度Ｖを角速度指令生成
部２０ｓでスレーブ・マニピュレータ１０ｓの各関節の
座標空間上での角速度に変換し、同様な制御を実行する
。

角速度指令生成部２０ｍ、、２０ｓで生成する角速度指
令値θｍ、θＳは通常法のような演算式により算出され
る。

θｍ＝Ｊｍ’・Ｖ θｓ　＝　Ｊ　ｓ−’・Ｖ ここで、Ｊｒｒｒ’、　　Ｊ　ｓ−’はマスタ及びスレ
ーブ・マニピュレータの逆ヤコビ行列でアル。

発明が解決しようとする課題 並列型バイラテラル制御方式は、マスタ及びスレーブ・
マニピュレータを同時に駆動できる利点を持つ。しかし
、上述した従来の並列型バイラテラル制御方式では、マ
ニピュレータの制御演算にヤコビ行列の逆行列を求める
必要があり、その演算の複雑さのために制御サンプリン
グ間隔が長（なってしまうという問題がある。制御サン
プリング間隔はシステムの位相遅れの大小を左右し、操
作性の善し悪しに影響する。また、それぞれのマニピュ
レータは速度により制御されるため、遠隔操作の目的で
ある作業座標系上のスレーブ・マニピュレータの位置・
姿勢をマスタのそれに一致させることが難しいという問
題がある。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、そ
の目的とするところは、マニピュレータの制御演算時間
を短縮することにより、従来に比してマニピュレータの
制御パラメータの位相遅れを減少させることのできるマ
スタ・スレーブ・マニピュレータのバイラテラル制御方
式を提供することである。

課題を解決するための手段 第１図に本発明の原理ブロック図を示す。

マスタ彎マニピュレータ１ｍ及びスレーブ−マニピュレ
ータ１ｓの各々には、各関節に角度センサ２を内蔵する
多関節アームと、この多関節アームの先端に取り付けた
エンド・イフヱクタと、エンド・イフェクタと多関節ア
ームとの間に取り付けた３方向の力と各方向の軸回りモ
ーメントを検出する力センサ３とが設けられている。

マスタ制御系４ｍ及びスレーブ制御系４ｓの各々に、相
互にデータ通信を行う通信手段５ｍ，５ｓと、マスタ・
マニピュレータ１ｍの先端に加わる操作力とスレーブ・
マニピュレータ１ｓの先端から検出される反力とを合成
する合力手段５ｍ。

６Ｓと、合力手段ｉ３ｍ、［３ｓから出力される合成力
と、前記角度センサ２により検出されるマスタ及びスレ
ーブ・マニピュレータ１ｍ，１ｓの各関節の現在位置と
に基づいて、各関節の角速度指令値を生成する角速度指
令値生成手段７ｍ、７ｓとを設ける。

通信手段５ｍ、５ｓを介してマスタ制御系４ｍとスレー
ブ制御系４ｓとでデータをやりとりすることにより、マ
スタ・マニピュレータ１ｍの先端に加わる操作力とスレ
ーブ・マニピュレータ１ｓの先端から検出される反力と
を加えた合成力をマスタ制御系４ｍ及びスレーブ制御系
４ｓが同時に用いて、それぞれのマニピュレータを速度
制御するように構成する。

作　　　用 本発明ではそれぞれのマニピュレータを制御する方式と
して、特公昭６２−４６００３号に記載されている方式
を用いる。この公告広報に記載された方式では、ヤコビ
行列の逆行列を求めることなく、より計算量の少ない演
算によってマニピュレータの関節駆動速度を求めること
ができる。その方式は、マニピュレータの関節駆動速度
を１サンプリング後の予測関節角とロークリエンコーダ
等から読み取った実関節角との差から求めることにより
、マニピュレータ先端の位置・姿勢を目標軌道に乗せる
ように補正している。

本発明ではこのような特徴を有するマニピュレータの速
度制御方式をマスタ・スレーブ・マニピュレータのバイ
ラテラル制御系に組み込んだものであり、マスタ及びス
レーブ制御系４ｍ、４ｓにそれぞれ設けた通信手段、合
力手段、角速度指令値生成手段によりマスタ・スレーブ
・マニピュレータのバイラテラル制御を達成している。

本発明によれば、従来の並列型バイラテラル制御方式に
比較して制御パラメータの位相遅れの少ない並列型バイ
ラテラル制御方式を提供できる。

また、マニピュレータの制御速度を求めるとき、各サン
プリング時−刻毎に関節角の予測値へ合致する方向に速
度を発生できるため、スレーブ・マニピュレータ先端の
位置・姿勢をマスタ・マニピュレータのそれに一致させ
ることができる。

実施例 以下本発明を図面に示す実施例に基づいて詳細に説明す
る。

第２図は本発明のバイラテラル制御方式の実施例構成図
を示しており、マスタ・マニピュレータ３０ｍは第５図
に示した従来例と同様な構成であ−１４＝ リ、多関節アームとエンド・イフェクタとの間に設けら
れた３方向の力と各方向の軸回りモーメントを検出する
力センサ３２ｍと、各関節毎に設けられ関節角を検出す
るロークリエンコーダ３３ｍと、サーボアンプ３４ｍと
を有している。同様にスレーブ・マニピュレータ３０ｓ
も、力センサ３２Ｓと、ロークリエンコーダ３３ｓと、
サーボアンプ３４ｓとを有している。

マスタ制御系３５ｍにおいては、力センサ３２ｍで検出
したマスタ・マニピュレータ３０ｍの操作力をＡ／Ｄ変
換器３６ｍでデジタル値に変換し、力の座標変換部３７
ｍで座標変換してマスタ・マニピュレータ３０ｍの力発
生位置での操作力Ｆｍを得る。即ち力の座標変換部３７
ｍにおいては、力センサ３２ｍで検出する力検出位置と
エンド・イフェクタ等の力発生位置との間で座標変換し
て、マスタ・マニピュレータ３０ｍの実際の操作力を得
るようにしている。この操作力Ｆｍをデータ通信部３８
ｍ、３８ｓを介してスレーブ制御系３５Ｓへ送信すると
共に、スレーブ制御系３５ｓからスレーブ・マニピュレ
ータ３０ｓの反力Ｆｓを受信する。これらの操作力Ｆｍ
と反力Ｆｓとを足し合わせた合力Ｆを位置指令生成部３
９ｍに入力して、目標位置・姿勢Ｐを求める。ここでサ
フィックス１を制御サンプリング時点とすると、１−１
は１つ前のサンプリング時点を表すことになる。

位置指令生成部３９ｍでは制御サンプリング時点１での
目標位置・姿勢Ｐｉを次式により算出する。

Ｐｉ＝に−Ｆｉ＋Ｐｉ−１ ここでＫは変換係数である。

次いで、位置→関節角の座標変換部４０ｍで目標位置・
姿勢Ｐを関節角θｍに座標変換する。

ロークリエンコーダ３３ｍでマスタ・マニピュレータ３
０ｍの実関節角θｍを検出し、この実関節角と演算によ
り求めた関節角θｍとに基づいて角速度指令生成部４１
ｍで関節角速度θｍを算出する。このようにして求めた
関節角速度θｍと各関節の実際の角速度との差分△θｍ
をとって、この差分△θｍが０となるようにサーボアン
プ３４ｍを速度制御することにより、マスタ・マニピュ
レータ３０ｍを駆動する。

スレーブ制御系３５Ｓでも同様に、データ通信部３８ｍ
、３８ｓを介して受信したマスタ・マニピュレータ３０
ｍの操作力Ｆｍとスレーブ・マニピュレータ３０ｓの反
力Ｆｓに基づいて、サーボアンプ３４ｓを速度制御して
スレーブ・マニピュレータ３０ｓを駆動する。

発明の効果 本発明は以上詳述したように、マニピュレータの制御演
算時間を短縮させることができるため、従来の並列型バ
イラテラル制御方式に比較してマニピュレータの制御パ
ラメータの位相遅れを減少することのできるマスタ・ス
レーブ・マニピュレータの並列型バイラテラル制御方式
を実現できるという効果を奏する。更に、スレーブ・マ
ニピュレータの作業座標上での先端の位置・姿勢をマス
タ・マニピュレータのそれに一致させることができる。

これらの特徴は、マスタ・スレーブ・マニピュレータの
操作性の向上に大きく寄与するもの＝１７− である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理ブロック図、 第２図は本発明のバイラテラル制御方式の実施例構成図
、 第３図は従来の直列型バイラテラル制御方式（力帰還型
）のブロック図、 第４図は従来の並列型バイラテラル制御方式のブロック
図、 第５図は従来の並列型バイラテラル制御方式のシステム
構成図である。 １ｍ・・・マスタ・マニピュレータ、 １ｓ・・・スレーブ・マニピュレータ、２・・・角度セ
ンサ、 ３・・・力センサ、 ４ｍ・・・マスタ制御系、 ４ｓ・・・スレ、−ブ制御系、 ５ｍ、５ｓ・・・通信手段、 ６ｍ、６ｓ・・・合力手段、 ７ｍ、７ｓ・・・角速度指令値生成手段。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）マスタ及びスレーブ・マニピュレータ（１ｍ，１
   ｓ）の各々が、各関節に角度センサ（２）を内蔵する多
   関節アームと、該多関節アームの先端に取り付けたエン
   ド・イフェクタと、該エンド・イフェクタと多関節アー
   ムとの間に取り付けた３方向の力と各方向の軸回りモー
   メントを検出する力センサ（３）とを有するマスタ・ス
   レーブ・マニピュレータのバイラテラル制御系において
   、 マスタ制御系（４ｍ）及びスレーブ制御系（４ｓ）の各
   々に、 相互にデータ通信を行う通信手段（５ｍ，５ｓ）と、マ
   スタ・マニピュレータ（１ｍ）の先端に加わる操作力と
   スレーブ・マニピュレータ（１ｓ）の先端から検出され
   る反力を合成する合力手段（６ｍ，６ｓ）と、該合力手
   段（６ｍ，６ｓ）から出力される合成力と前記角度セン
   サ（２）により検出されるマスタ及びスレーブ・マニピ
   ュレータ（１ｍ，１ｓ）の各関節の現在位置とに基づい
   て、各関節の角速度指令値を生成する角速度指令値生成
   手段（７ｍ，７ｓ）とを設け、前記通信手段（５ｍ，５
   ｓ）を介してマスタ制御系（４ｍ）とスレーブ制御系（
   ４ｓ）とでデータをやり取りすることにより、マスタ・
   マニピュレータ（１ｍ）の先端に加わる操作力とスレー
   ブ・マニピュレータ（１ｓ）の先端から検出される反力
   とを加えた合成力を、マスタ制御系（４ｍ）及びスレー
   ブ制御系（４ｓ）が同時に用いて、それぞれのマニピュ
   レータを速度制御することを特徴とするマスタ・スレー
   ブ・マニピュレータのバイラテラル制御方式。
2. （２）前記角速度指令値生成手段（７ｍ，７ｓ）が、前
   記操作力と反力とを加えた合力から各マニピュレータの
   作業座標系上における１サンプリング時刻後の目標とす
   る位置・姿勢を求める手段（３９ｍ，３９ｓ）と、その
   位置・姿勢を座標変換してマニピューレタ関節の予測角
   度を求める手段（４０ｍ，４０ｓ）と、その予測角度と
   前記角度センサ（２）から得られる実関節角度との偏差
   から関節駆動速度を求める手段とから構成されることを
   特徴とする請求項１記載のマスタ・スレーブ・マニピュ
   レータのバイラテラル制御方式。