JPH02185380A - マスタ・スレーブマニピユレータの力帰還方法 - Google Patents
マスタ・スレーブマニピユレータの力帰還方法Info
- Publication number
- JPH02185380A JPH02185380A JP273289A JP273289A JPH02185380A JP H02185380 A JPH02185380 A JP H02185380A JP 273289 A JP273289 A JP 273289A JP 273289 A JP273289 A JP 273289A JP H02185380 A JPH02185380 A JP H02185380A
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- master
- force
- slave manipulator
- slave
- manipulator
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は遠隔操作装置の制御方法に係り、特に。
マスタ・スレーブマニピュレータに好適な力帰還方法に
関する。
関する。
従来の装置は、中野栄二著「ロボット工学入門」（１９
８８年）第７４頁から第７７頁において論じられている
ように、スレーブマニピュレータ（以下スレーブ）の作
用力をマスタマニピュレータ（以下マスタ）に直接帰還
する方式をとっている。また、力帰還比と呼ぶ定数に１
を掛けて帰還する方法も一般的である。一般に、Ｋ、は
大きいほど操作者に伝達される力感覚が鋭敏になるので
、デリケートな操作や脆弱な物体のハンドリングには大
きなに１が求められる。
８８年）第７４頁から第７７頁において論じられている
ように、スレーブマニピュレータ（以下スレーブ）の作
用力をマスタマニピュレータ（以下マスタ）に直接帰還
する方式をとっている。また、力帰還比と呼ぶ定数に１
を掛けて帰還する方法も一般的である。一般に、Ｋ、は
大きいほど操作者に伝達される力感覚が鋭敏になるので
、デリケートな操作や脆弱な物体のハンドリングには大
きなに１が求められる。
上記の従来技術では経験的に次のような不安定現象が知
られていた。
られていた。
（１）力帰還比Ｋｎ を大にすると発振が起こり易い。
（２）剛性（以後、信号Ｋｃを用いる）の大きな物体と
接触すると発振が起こり易い。
接触すると発振が起こり易い。
本発明の目的はこの発振を抑制し、従来よりも大きな力
帰還比Ｋｎ と接触剛性Ｋｃに対して使用可能にするこ
とである。
帰還比Ｋｎ と接触剛性Ｋｃに対して使用可能にするこ
とである。
上記目的はスレーブの作用力を位相進み要素を介して帰
還することによって達成される。
還することによって達成される。
［作用〕
位相進み要素は５系の不安定現象を引き起こす条件の一
つである位相おくれを改善する作用があるので、従来で
は発振する条件下でも、安定な動作を実現することがで
きる。
つである位相おくれを改善する作用があるので、従来で
は発振する条件下でも、安定な動作を実現することがで
きる。
以下本発明の詳細な説明する。第１図は本発明の実施例
をブロック図により示す。人間・マスク相互作用ブロッ
ク１１は、人間がマスクを操作することによって、マス
クの位置が決定される動的プロセスを表している。ここ
でマスクの位置は人間の手の位置と等しく、しかも、こ
れがスレーブの位置目’Ｒｘ ｒ と等しい、スレーブ
・ワーク相互作用ブロック１２は、この位置目ａｘｒ
に一致するように制御されるスレーブと操作対象となる
物体（以後ワークと呼ぶ）との接触による相互作用の動
的プロセスを示している。この相互作用によって発生す
る作用力Ｆｃに力帰還比に１を掛け（力帰還比ブロック
１３）、さらに、位相進みブロック１４によって位相を
進ませた後にマスタモータ発生力Ｆｎとして帰還する。
をブロック図により示す。人間・マスク相互作用ブロッ
ク１１は、人間がマスクを操作することによって、マス
クの位置が決定される動的プロセスを表している。ここ
でマスクの位置は人間の手の位置と等しく、しかも、こ
れがスレーブの位置目’Ｒｘ ｒ と等しい、スレーブ
・ワーク相互作用ブロック１２は、この位置目ａｘｒ
に一致するように制御されるスレーブと操作対象となる
物体（以後ワークと呼ぶ）との接触による相互作用の動
的プロセスを示している。この相互作用によって発生す
る作用力Ｆｃに力帰還比に１を掛け（力帰還比ブロック
１３）、さらに、位相進みブロック１４によって位相を
進ませた後にマスタモータ発生力Ｆｎとして帰還する。
第２図を用いて本発明の原理をより詳しく説明する。第
２図は第１図のブロック線図を、−自由度のマスタ・ス
レーブマニピュレータを想定してより具体的に表わした
ものである。自由度の多いマニピュレータに対してはよ
り複雑になり、力Ｆｃも一般的には三次元ベクトル（三
方向の力と三方向のトルク）によって表わされるが、本
発明の原理はこの第２図の一白由度の例によって十分に
理解され得る。また、関節軸ごとに独立の制御を行う方
式では、多自由度でも第２図と同一の楕成になる。
２図は第１図のブロック線図を、−自由度のマスタ・ス
レーブマニピュレータを想定してより具体的に表わした
ものである。自由度の多いマニピュレータに対してはよ
り複雑になり、力Ｆｃも一般的には三次元ベクトル（三
方向の力と三方向のトルク）によって表わされるが、本
発明の原理はこの第２図の一白由度の例によって十分に
理解され得る。また、関節軸ごとに独立の制御を行う方
式では、多自由度でも第２図と同一の楕成になる。
まず、人間・マスク相互作用ブロック２１について説明
する。人間の手のモデルとして、自然位［ｘ ａなるば
ねに、、とダンピング係数Ｂｈ を用い。
する。人間の手のモデルとして、自然位［ｘ ａなるば
ねに、、とダンピング係数Ｂｈ を用い。
実際の位置をｘｒとすると１人間の手の発生する力Ｆｈ
は、 Ｆｈ＝Ｋｎ （ｘｄ ｘｒ） ＢｈＳＸｒ −・
（ｘ）となる。ここでＳはラプラス演算子を表わす。
は、 Ｆｈ＝Ｋｎ （ｘｄ ｘｒ） ＢｈＳＸｒ −・
（ｘ）となる。ここでＳはラプラス演算子を表わす。
方、マスタのモータはＦｈとは反対の方向にＦｌなる力
を発生するから、この差をとったものが、マスクの慣性
Ｍ、に作用するので、位置ｘｒは、で表わされる。以上
が人間・マスク相互作用ブロック２１に示されている内
容である。式（１）。
を発生するから、この差をとったものが、マスクの慣性
Ｍ、に作用するので、位置ｘｒは、で表わされる。以上
が人間・マスク相互作用ブロック２１に示されている内
容である。式（１）。
（２）から次の関係を得る。
・・・（３）
次にスレーブ・ワーク相互作用ブロック２２について見
ると、スレーブの慣性Ｍに作用する力は次の二種類であ
る。第一はスレーブのモータによって及ぼされる力であ
り、位置目標Ｘｒに位１１ｘを追従させるために発生さ
れる。ここでは比例・微分制御を例にとり、位置偏差Ｘ
−Ｘ ｒ と速度Ｘを各々に１．に２倍してネガティ
ブフィードバックしている。第二の力は、ワークに及ぼ
す作用力Ｆｃの反作用であり、ワークの剛性をＫｃ と
する、時、 Ｋｃｘ で表わされる。以上を伝達関数
の形式で表現すると、 最後に力帰還部分のブロック２３．ブロック２４につい
て見ると次の式が得られる。
ると、スレーブの慣性Ｍに作用する力は次の二種類であ
る。第一はスレーブのモータによって及ぼされる力であ
り、位置目標Ｘｒに位１１ｘを追従させるために発生さ
れる。ここでは比例・微分制御を例にとり、位置偏差Ｘ
−Ｘ ｒ と速度Ｘを各々に１．に２倍してネガティ
ブフィードバックしている。第二の力は、ワークに及ぼ
す作用力Ｆｃの反作用であり、ワークの剛性をＫｃ と
する、時、 Ｋｃｘ で表わされる。以上を伝達関数
の形式で表現すると、 最後に力帰還部分のブロック２３．ブロック２４につい
て見ると次の式が得られる。
Ｓ＋α ａ
ここでα、ａは位相進み要素の作用を決める定数であり
、角周波数ａ〜αａ［ｒａｄ／ｓｌの間で位相が進む。
、角周波数ａ〜αａ［ｒａｄ／ｓｌの間で位相が進む。
第２図のブロック線図に表わされる系の特性は、式（３
） 、 （４） 、 （５）を用いて、特性方程式の根
（系の固有値）を計算してみることによって明らかにな
る。まず、本発明との対比のために、従来の方法の特性
を先に求める。従来の手法は、位相進みブロック２４が
単位ゲインであるものとして考えることができるので、
α＝１として計算すれば良い、他の定数は、−例として
、 Ｍ、＝ １ ［ｋｇｌ、 Ｋ１１＝ ３００ ［
Ｎ／ｍコ、Ｂｈ＝ ３５ ［Ｎｓ／ｍ１Ｍ ＝１０［ｋ
ｇｌ、 Ｋｔ＝１０’［Ｎ／ｍ］＋ Ｋｚ＝２０００［
Ｎｓ／ｍｌとした。第３図、第４図はこの計算結果を示
したものである。まず、第３図について見ると、ここで
はワークの剛性を１０’［Ｎ／ｍ］に固定し、力帰還比
Ｋｇ をＯ〜１まで０．１ 刻みに設定し、系の四つの
根の位置を複素平面上にプロットしである。同図が示す
ように従来方式ではに、が大きくなると実部の正側（右
半面）に二つの根が移動して来るｅＫｔ＝ｏ−３で不安
定となっている０次４こ、第４図はＫｚを１に固定し、
剛性Ｋｃを０〜１０４［Ｎ／ｍ］まで１０’［Ｎ／ｍ］
刻みに設定して同様に根の位置をプロットしたものであ
る。この場合は、Ｋｃが大きくなるにつれて二根が右半
面しこ移動してくる。Ｋｃ＝３Ｘ１０３［Ｎ／ｍ］で不
安定となっている。この第３図と第４図の示すところは
、先に述べた経験的に知られる不安定現象の性質と良く
一致している。
） 、 （４） 、 （５）を用いて、特性方程式の根
（系の固有値）を計算してみることによって明らかにな
る。まず、本発明との対比のために、従来の方法の特性
を先に求める。従来の手法は、位相進みブロック２４が
単位ゲインであるものとして考えることができるので、
α＝１として計算すれば良い、他の定数は、−例として
、 Ｍ、＝ １ ［ｋｇｌ、 Ｋ１１＝ ３００ ［
Ｎ／ｍコ、Ｂｈ＝ ３５ ［Ｎｓ／ｍ１Ｍ ＝１０［ｋ
ｇｌ、 Ｋｔ＝１０’［Ｎ／ｍ］＋ Ｋｚ＝２０００［
Ｎｓ／ｍｌとした。第３図、第４図はこの計算結果を示
したものである。まず、第３図について見ると、ここで
はワークの剛性を１０’［Ｎ／ｍ］に固定し、力帰還比
Ｋｇ をＯ〜１まで０．１ 刻みに設定し、系の四つの
根の位置を複素平面上にプロットしである。同図が示す
ように従来方式ではに、が大きくなると実部の正側（右
半面）に二つの根が移動して来るｅＫｔ＝ｏ−３で不安
定となっている０次４こ、第４図はＫｚを１に固定し、
剛性Ｋｃを０〜１０４［Ｎ／ｍ］まで１０’［Ｎ／ｍ］
刻みに設定して同様に根の位置をプロットしたものであ
る。この場合は、Ｋｃが大きくなるにつれて二根が右半
面しこ移動してくる。Ｋｃ＝３Ｘ１０３［Ｎ／ｍ］で不
安定となっている。この第３図と第４図の示すところは
、先に述べた経験的に知られる不安定現象の性質と良く
一致している。
さて、本発明の特性を同様に解析すると第５図。
第６図が得られた。ここでは、位相進みの定数をａ＝６
０ ［ｒａｄ／ｓ］、（Ｅ：１００とした。第３図、第
４図との比較で明らかなように、不安定根が安定側（左
半面）に移動しており。
０ ［ｒａｄ／ｓ］、（Ｅ：１００とした。第３図、第
４図との比較で明らかなように、不安定根が安定側（左
半面）に移動しており。
Ｋ、では０．７ まで安定、Ｋｃでは７Ｘ１０”［Ｎ／
ｍ ］まで安定であることが示されている。
ｍ ］まで安定であることが示されている。
この安定化効果は、過渡応答のシミュレーション波形で
も顕著に認められる。第７図はＫｃ＝ｌＯ’［Ｎ／ｍｌ
、に＊＝０．２の場合の従来方式の過渡応答を示した
もので、安定ではあるが大きく波打っている。一方、第
８図は本発明のものであり、顕著な安定化効果が認めら
れる。
も顕著に認められる。第７図はＫｃ＝ｌＯ’［Ｎ／ｍｌ
、に＊＝０．２の場合の従来方式の過渡応答を示した
もので、安定ではあるが大きく波打っている。一方、第
８図は本発明のものであり、顕著な安定化効果が認めら
れる。
以上の説明を要約すると、マスク・人間相互作用ブロッ
クとスレーブ・ワーク相互作用ブロックの直列結合によ
って、スレーブ位＠Ｘのマスク位１ｊｘｒに対する位相
が１８０°以上おくれる条件がそろっている所へ、従来
では接触力Ｋｃｘ のに５倍をそのまま帰還するから、
Ｋ、またはに１のいずれかが大になるとループゲインが
１を超えて発振する。そこで本発明は、位相のおくれを
位相進み要素によって改善し、ループゲインが１を超え
ても不安定にならないように構成する。
クとスレーブ・ワーク相互作用ブロックの直列結合によ
って、スレーブ位＠Ｘのマスク位１ｊｘｒに対する位相
が１８０°以上おくれる条件がそろっている所へ、従来
では接触力Ｋｃｘ のに５倍をそのまま帰還するから、
Ｋ、またはに１のいずれかが大になるとループゲインが
１を超えて発振する。そこで本発明は、位相のおくれを
位相進み要素によって改善し、ループゲインが１を超え
ても不安定にならないように構成する。
従って、接触力Ｆ ｃ（＝ Ｋｃ ｘ ）を直接帰還す
る替りに、これと同等の信号、例えば、スレーブのアク
チュエータの発生する力や、同アクチュエータを駆動す
る電流値、あるいはアクチュエータの位置の時々刻々の
変化から動的方程式を逆算して求めたＦｃの推定値など
についても、すべて本発明の位相進み要素を介して帰還
する方法が有効である。
る替りに、これと同等の信号、例えば、スレーブのアク
チュエータの発生する力や、同アクチュエータを駆動す
る電流値、あるいはアクチュエータの位置の時々刻々の
変化から動的方程式を逆算して求めたＦｃの推定値など
についても、すべて本発明の位相進み要素を介して帰還
する方法が有効である。
本発明によれば、系の位相おくれを改善することにより
、固有値を安定側に移動することができるので、マスタ
・スレーブマニピュレータの力帰還に伴う不安定現象を
抑制することができる。
、固有値を安定側に移動することができるので、マスタ
・スレーブマニピュレータの力帰還に伴う不安定現象を
抑制することができる。
第１図、第２図は本発明の一実施例のブロック図、第３
図、第４図は従来例の根軌跡を示す図、第５図、第６図
は本発明の根軌跡を示す図、第７図は従来例の過渡応答
を示す図、第８図は本発明の過渡応答を示す図である。 １１・・・人間・マスク相互作用ブロック、１２・・・
入レープ・ワーク相互作用ブロック、１３・・・力帰還
比ブロック、１４・・・位相進みブロック。 第 図 第２図 第 図 ｒｅ＋１１ 第６図 第３図 ｅａｌ 第 図 第 図 Ｌｉｍｅ（ｓ） 第８図 ０．２ ｔｉｍｅ（ｓ）
図、第４図は従来例の根軌跡を示す図、第５図、第６図
は本発明の根軌跡を示す図、第７図は従来例の過渡応答
を示す図、第８図は本発明の過渡応答を示す図である。 １１・・・人間・マスク相互作用ブロック、１２・・・
入レープ・ワーク相互作用ブロック、１３・・・力帰還
比ブロック、１４・・・位相進みブロック。 第 図 第２図 第 図 ｒｅ＋１１ 第６図 第３図 ｅａｌ 第 図 第 図 Ｌｉｍｅ（ｓ） 第８図 ０．２ ｔｉｍｅ（ｓ）
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、マスタマニピュレータ及びスレーブマニピュレータ
より構成されるマスタ・スレーブマニピュレータにおい
て、 前記スレーブマニピュレータがハンドリングする物体に
及ぼす力を、位相進み要素を介して前記マスタマニピュ
レータの駆動力に帰還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力帰還方法。 ２、マスタスレーブマニピュレータにおいて、前記スレ
ーブマニピュレータのアクチュエータの発生力、駆動電
流値、あるいは、位置の時間変化より動的方程式を逆算
して求めた前記スレーブマニピュレータの接触力を、位
相進み要素を介して前記マスタマニピュレータの駆動力
に帰還することを特徴とするマスタ・スレーブマニピュ
レータの力帰還方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP273289A JPH02185380A (ja) | 1989-01-11 | 1989-01-11 | マスタ・スレーブマニピユレータの力帰還方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP273289A JPH02185380A (ja) | 1989-01-11 | 1989-01-11 | マスタ・スレーブマニピユレータの力帰還方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02185380A true JPH02185380A (ja) | 1990-07-19 |
Family
ID=11537495
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP273289A Pending JPH02185380A (ja) | 1989-01-11 | 1989-01-11 | マスタ・スレーブマニピユレータの力帰還方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH02185380A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2015037824A (ja) * | 2013-08-19 | 2015-02-26 | 学校法人立命館 | マスタスレーブシステム |
-
1989
- 1989-01-11 JP JP273289A patent/JPH02185380A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2015037824A (ja) * | 2013-08-19 | 2015-02-26 | 学校法人立命館 | マスタスレーブシステム |
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