JPH02198778A - マスタースレーブマニピュレータシステム - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明はオペレータが操作するマニピュレータに係り、
特に人間にとって耐え難い環境および宇宙空間内での作
業を確実に行なうに好適なマニピュレータシステムに関
するものである。

〔従来の技術〕

従来のマニピュレータは、複雑なマニピュレータの動作
を行なうのをオペレータの技量に頼る傾向があった。例
えば、マスタースレーブ形においては、マスターアーム
とスレーブアームを同−形状又は相似形になっているた
め、マスターアームが人間の操作に不適な構造であった
り、オペレータ自身がマスターアームの操作の邪魔にな
ってしまうほど大きかったり、また細かい操作ができな
いことがあった。

最近では、コンピュータ技術の急速な進歩により、マニ
ピュレータやロボットの制御に計算機を取り入れ、高度
化して来ている。その−例として、アイ・イー・コン’
　８５　（ＩＥＣＯＮ’　８４）の第４０頁〜第４５頁
に示されるように、形状の異なるマスターアームとスレ
ーブアームとの手先の運動を計算機を用いた高速座標変
換演算により１対１に対応させているものがある。

このように異形マスタスレーブシステムを用いれば、ス
レーブアームは可動範囲を広くするように構成し、マス
ターアームは、人間の体に合わせて構成して操作性能を
向上させることができる。

このように、計算機を利用すれば、操作性や作業性を向
上させることができるが、さらにマスター及びスレーブ
アームの機構の検討によって、計算機を利用することに
よる価値を一層高めることができる。このような研究は
、日本ロボット学会誌′８６年１０月号第４刊第５号の
Ｐ３〜Ｐ１３及びＰ１４〜Ｐ２１にみられるごとく進め
られている。

しかし、このような研究も追従性や計算時間の面からの
検討にとどまり、使いやすさからの検討は充分でない。

マスターアームの構造を使いやすさとの関連で示した発
表には前記日本ロボット学会誌の文献があるが、スレー
ブアームを含めたシステムとしては、解決されていない
。

なお、マスターアームの構造をその作業性からみた特許
としては、例えば特開昭６３−２２２８３号公報がある
。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明の目的は、使いやすさの問題をマスタースレーブ
マニピュレータシステムとして解決することにある。

使いやすさの点からみると、人間の目と手の関係、手首
の曲げ角度、ひねり角度、前後傾斜角等の状況、腕の自
由度及び上下、前後、左右の動作しやすい範囲などから
マスクの望ましい構造が決められなければならない。

また、スレーブアームについては、作業内容、運搬時の
折りたたみ性、可動領域によってその構造が制約される
。

操作性、作業性はこのほかに特異点についても考慮を払
わなければならない。

以上のように検討して制御面も合わせて総合化すること
により、マスタスレーブマニピュレータのシステムとし
ての操作性、作業性の面からの向上がはかれる。

〔課題を解決するための手段〕

マスタアームの構造は、人間の体格との関係から決まり
、スレーブアームはその用途によって望ましい構造が定
まるのでそれぞれ異った部分と類似の部分を持つことに
なる。

このように寸法や形が大幅に異なるアームをマスタース
レーブマニピュレータとして使用するためには、その関
係が常に１対１に対応させられなければならない。この
ためには、座標変換装置が必要である。しかも、小形の
マスターアームで大形のスレーブアームも大きく動かし
たい場合には、動作比の拡大を行なう必要がある。また
、上記と同じアームで、スレーブアームの広い動作領域
のそれぞれの部分で細かい作業をしたい場合には、動作
点の基点シフトや動作比の縮小を行なう必要がある。

上記のために、座標変換装置のデータをさらに変換する
ための座標変換追加装置が必要である。

マスターアームスレープアームともに６自由度が必要で
あるが、動作中それぞれの軸のどれかの中心が一致する
と動作すべき軸が決定できない問題が生ずる。このよう
な得意点解決のためには、マスターアームは構造でスレ
ーブアームは、制御的に解決しなければならない。

本発明は以上のような問題に鑑みてなされたもので、マ
スタースレーブマニュピレータの操作性と作業性の向上
のためには、構造と制御を含めてシステムとして解決し
ようとするものである。

〔作用〕

オペレータが操作するマスターアームは、人間の腕の構
造に合わせて、小さな動きでマスターアームが良く動く
ように、どの軸も他の軸とすべての動作領域で一致しな
いようにして常に一意的に操作でき、操作しやすい形状
と大きさを持っている。

スレーブアームは、必要な空間を動作できる大きさを持
ち、相手部品を取扱うのに適した構造を持ち、運搬に適
する要件を備えている。

このようなマスタースレーブシステムをオペレータが充
分に使いこなすため、マスターアームとスレーブアーム
の動作比が自由に変えられるように、マスターアームが
動作限界を越えないため基点シフトができるように第２
の一般化座標変換装置を有している。

さらに、スレーブアームが特異点に来そうになると、そ
れを回避して、動作に支障がなくなるように制御する機
能を有している。

このようにして、操作性と作業性とのすぐれたマスター
スレーブシステムが構成される。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を参照してまず制御面から
説明する。

まず、本発明の装置の一実施例を説明するに先。

立って、本発明の動作原理を第５図を用いて説明する。

この図において、１０１はマスターアーム、１０２はス
レーブアームで、この例ではスレーブアーム１０２はマ
スターアーム１０１と異なる構造に形成されている。い
ま、マスターアーム１０１の基準座標系をＭ、この基準
座標系Ｍからマスタアーム をＴτ、スレーブアーム１０２の基準座標系をＳ、この
基準座標系Ｓからスレーブアーム１０２の手先までの座
標変換マドリスクをＴ：　とじ、前述した座標変換マト
リクスをＴ、　、　Ｔ、間でのスケール変換７１−リク
スをＫとすると、座標変換装置の手順は次のようになる
。すなわち、 マスターアーム１０１の各リンクのパラメータを各リン
ク連結軸の位置とから前述したマスターアーム手先まで
の座標変換マトリクスをＴτを求めることができる。次
にマスターアーム手先までの座標変換マトリクスをＴで
　とスレーブアーム手先までの座標変換マトリクスＴ：
との間でのスケール変換及び基点シフトを含んだ座標変
換演算は松の（１）式で表わされる。

Ｔ、＝に−ＴＧ　　　　　　　・・（１）ここでＫは とすると、ｄ＝ｅ＝ｆ＝ｏのときＴｓＧ　はＴ６　をマ
スターアーム１０１の基準座標系ＭのＸ軸方向にａ倍、
ｙ軸方向にｂ倍、Ｚ軸方向に０倍したものとなる。そし
て３軸方向に均等に拡大する場合にはａ＝ｂ＝ｃとすれ
ばよいことになる。そして、前述した（１）式により得
られた変換マトリクスＴ：に対し、スレーブアーム１０
２のリンクパラメータを与え、スレーブアームの各軸の
目標値を逆座標変換演算により求める。このようにして
得られたスレーブアーム１０２の各軸の目標値に対し、
各軸ごとにサーボ制御すれば、各アームの可動領域内で
は、アームの形状に係りなくマスターアーム１０１の運
動を任意に拡大または縮小してスレーブアーム１０２を
操作することができる。

欣に、ａ　：＝　ｂ　＝　ｃ　＝　１のとき、ＴＧｌは
Ｔ♂をマスターアーム１の基準座標系ＭのＸ軸方向にｄ
、ｙ方向にｅ、ｚ方向にｆ平行移動したものとなる。

そして、前述した（１）式により得られた変換マトリク
スＴｓ′対し、スレーブアーム１０２のリンクパラメー
タを与え、スレーブアーム１０２の各軸の目標値を逆変
換演算により求める。このようにして得られたスレーブ
アーム１０２の各軸の目標値に対し、各軸ごとにサーボ
制御すれば、マスターアームの基準点とスレーブアーム
の基準点を任意にずらして操作することができる。

次に上述した本発明の原理にもとづいて、本発明の装置
の一実施例の構成を第２図により説明する。

この図において、１０１はマスターアーム、１０２はス
レーブアームで、このスレーブアーム１０２はマスター
アーム１０１とは異なる形状に構成されている。１０５
は中央処理装置で、座標変換演算および両アームの制御
等を行なう。

１１８は本発明の特長である座標変換追加装置で、キー
ボードからの入力に基づき（２）式のＫを作り、中央処
理装置１０１に（１）式に示す座標変換を追加する指示
を与える。

１０４はマスターアーム１０１の入出力装置で。

マスターアーム１０１の各関節角度等を中央処理装置１
０５へ入力し、また中央処理装置１０５からマスターア
ーム１０１への指令値をサーボ増幅し、マスターアーム
１０１の各関節のアクチュエータを駆動する働きをする
。１０６はスレーブアーム１０２の入出力装置でスレー
ブアーム１０２の各関節角度等を中央処理装置１０５へ
入力し、また中央処理装置１０５からスレーブアーム１
０２への指令値をサーボ増幅し、スレーブアーム１０２
の各関節のアクチュエータを駆動する働きをする。

１０７はジョイスティックで、中央処理装置１０５内部
の切換えにより、マスターアーム１０１の代りにスレー
ブアーム１０２、及び後述するアニメーション画像に対
する指令値を出す６１０８はジョイスティック１０７の
入出力装置で、ジョイスティック１０７の傾き角の信号
等を中央処理装置１０５へ入力し、また、中央処理装置
１０５からジョイスティック１０７への力帰還信号をサ
ーボ増幅しジョイスティック１０７のアクチュエータを
駆動する働きをもつ。

１０９は画像入力装置で、スレーブアーム１０２の作業
を種々の方向から監視する。１１０は画像処理装置で１
画像入力装置１０９で入力した画像にＦＦＴ等の演算を
処し、パターン同定等を行う。

１１１はアニメータシミュレータで、コンピュータグラ
フィックによるスレーブアームをリアルタイムで表示す
るアニメーション要計算機である。

１１２はグラフィックデイスプレィで、アニメータシミ
ュレータ１１１によるアニメーション画像を表示する他
、アニメーション画像と画像入力袋ｇ１０９で入力した
実画像を重ねて表示することもでき、さらにモード切換
等のメニュー表示を始め、中央処理装置１０５及びアニ
スへタシミュレータ１１１とのマンマシンインタフェー
スの対話用出力にも用いる。１１３はテレビモニタで、
画像入力装置１０９の映像を表示する。１１７はキーボ
ードでスケール変換定数、基点シフト指示メニューの入
力を始め、中央処理装置１０５及びアニメータシミュレ
ータ１１１とのマンマシンインタフェースの対話用入力
に用いる。

２０１は真空室、２０２は作業対象物で、スレーブアー
ム１０２は真空室２０１の中の広い範囲において作業対
象物２０１に対し作業を行わねばならない。なお、２０
２はマスターアーム１０１の支持台である。

次に本実施例の信号の流れの主なものを第１図を用いて
説明する。なお、実際のものは、マスターアーム、スレ
ーブアーム、ジョイスティック共に６自由度を持つが、
以下、簡単のため３自由度として説明を行なう。

１１４Ａ〜１１４Ｃはマスターアーム１０１の各関節軸
に設けた位置検出センサであり、この信号はマスターア
ーム入出力袋Ｍ１０４で処理し、中央処理装置１０５へ
入力する。１１５Ａ〜１１５Ｃはスレーブアーム１０２
の各関節軸に設けた位置検出センサであり、この信号は
スレーブアーム入出力装置１０６で処理し、中央処理装
置１０５へ入力する。以上の信号より、中央処理装置１
０５では一般化座標への座標変換演算を行い、さらに座
標変換追加装置１１８の指示に基づき、第２一般化座標
への座標変換を行うことにより、スレーブアーム１０２
への指定値を決定する。この信号はスレーブアーム入出
力装置１０６を経てスレーブアーム１０２の各関節軸に
設けたアクチュエータ１１６Ａ〜１１６Ｃｔｔｉ区動す
る。又同時に、中央処理装置１０５からアニメータシミ
ュレータ１１１へ信号を送り、グラフィックデイスプレ
ィ１１２上にスレーブアームのアニメーション画像を表
示する。

次に、１１７Ａ〜１１７Ｃはジョイスティックの角度を
検出する位置検出センサであり、この信号はジョイステ
ィック入出力袋ｆｆ１１０８で処理し、中央処理装置１
０５へ入力する。中央処理装置１０５ではスレーブアー
ムへの指令を決定する際に、外部からの切換信号に基づ
き、マスターアームとジョイスティックのいずれからの
信号を参照するかを決定する。

また、画像入力装置１０９で入力した画像は。

画像処理装置１１０でＦＦＴ、パターン同定を行った後
、実画像をテレビモニタ１１３で表示すると同時にアニ
メータシミュレータ１１１へ送り、必要に応じてグラフ
ィックデイスプレィ１１２において、アニメーション画
像に重ねて表示する。

次に、位置検出センサ１１４Ａ〜１１４Ｃからの信号を
マスターアーム入出力装置１０４で処理する際の具体例
を第３図に示す。これはジョイスティック、スレーブア
ームのものに関しても同様である。第３図において位置
検出センサ１１４Ａ〜１１４Ｃとしては回転式パルス発
生器を用いている。この位置検出センサ１１４Ａ〜１１
４Ｃからは９０°位相のずれた１組のパルス信号すなわ
ちＡ相及びＢ相が回転角に応じて発生する。この信号は
方向判別回路３０１に入力されて回転角の方向判別を行
う。一方Ａ相またはＢ相の信号がカウンタ３０２に入力
され、パルス数をカウントする。前記の方向判別回路３
０１より出力される方向信号３０３はカウンタ３０２に
入力され、パルス数の増減の切換えを行う。したがって
、カウンタ３０２の値は回転角の増減に対応して増減す
るので、カウンタ３０２の出力３０４を外部から読み込
むことによって回転角を検知することができる。

第４図は中央処理装置１０５の具体的な構成例を示す。

この中にはデータの入出力制御及び加減算等を行うプロ
セッサ４０１、三角関数表やマニピュレータのリンクパ
ラメタなどのデータを格納するメモリ４０２．掛算器４
０３及び割算器４０４がバス回路４０５で接続されてい
る。さらにこのバス回路４０５にはシリアルまたはバラ
レルのインタフェイス回路４０６Ａ〜４０６Ｅが接続さ
れている。インタフェース回路４０６Ａ〜４０６Ｅには
各アーム入出力装置およびアニメータシミュレータ、座
標変換追加装置が接続されている。プロセッサ４０１は
バス回路４０５を介してバス回路４０５に接続されてい
る全ての機器にアクセスし、データを処理することがで
きる。

次に上述した本発明の装置の一実施例の動作を説明する
。

マスターアーム１０１を動作させると、マスターアーム
１０１の各関節角は位置検出センサ１１４Ａ〜１１４Ｃ
により検出される。この検出信号はマスターアーム入出
力装置１０４を介して中央処理装置１０５に入力される
。中央処理装置１０５はマスターアーム１０１の手先座
標系ＭＣのマスターアーム基準座標系Ｍに対する相対位
置関係を座標変換マトリクスＴごとして記憶しており、
一般化座標への座標変換演算を行う。また２キーボード
１１７からの入力に基づき座標追加装置１１８はマスタ
ーアーム１０１の手先運動に対するスレーブアーム１０
２の手先の運動の寸法比率すなわちスケール変換定数、
およびマスターアーム１０１の先端の位置とスレーブア
ーム１０２の先端の位置の基準点のシフト量を示すマト
リクスＫを記憶しており、中央処理装置１０５に座標変
換の追加を指示する。すると、中央処理装置１０５はマ
スターアーム座標変換マトリクスＴｒｒ：に対しＫを作
用させる演算を行い、スレーブアーム座標変換マトリク
スＴ：　を得る。次に、スレーブアーム１０２の手先座
標系ＳＣのスレーブアーム基準座標系Ｓに対する相対位
置がスレーブアーム座標変換マトリクスＴ６に一致する
ようにしたときのスレーブアーム１０２の各関節軸目標
値を逆座標変換演算により求め、これをスレーブアーム
入出力装置１０６に出力する。スレーブアーム入出力装
置１０６はアクチュエータ１１６八〜１１６Ｃを駆動す
る。これにより、マスターアーム１０１の手先の運動を
スケール変換、基点シフトあるいは両方を行ってスレー
ブアーム１０２の手先の運動に伝達することができる。

この結果、各アームの可動領域内では、アームの形状に
係りなく、マスターアーム１０１の運動を、任意に拡大
または縮小してスレーブアーム１０２に伝えることがで
き、マスターアーム１０１の操作に対してスレーブアー
ム１０２を細かく運動させたり、粗雑であるが大きく動
作を与えることができる。

また、キーボード１１７の入力により座標変換追加装置
１１８の指令で中央処理装置１０５は、スレーブアーム
１０２を一時的にマスターアーム１０１から切離して静
止させておき、操作者はマスターアーム１０１のみを任
意の位置まで動かす。

この状態で、座標変換追加装置１１８は、マスターアー
ム１０１とスレーブアーム１０２の位置ずれ量を（２）
式のｄ、ｅ、ｆの部分に記憶し直して再びキーボード１
１７の入力によってマスターアーム１０１とスレーブア
ーム１０２を連動するようにすることにより、マスター
アーム１０１とスレーブアーム１０２の動作基準点を自
由に設定し直すことができ、常にマスターアーム１０１
を操縦者にとって操作し易い位置で動かすことができる
。

次に第２図に示したマスターアーム１０１及びスレーブ
アーム１０２を構造面から説明する。

マスターアーム１０１の構造は、人間の腕や手首との関
係が深いので、まず人間とマスターアーム１０１の配置
について説明する。

説明を簡単にするため６０１の右手で操作する場合につ
いて述べる。

第６図は、人間を上から見た図である。人が操作するマ
スターアームは６０２の、視野のさまたげにならぬよう
に配置するには、目からみて右手６０１の背後の領域、
すなわち６０３の位置が望ましい。

次に、人が手を動かすとき、なるべくひじ６０４より先
を動かすだけですませると楽である。

そのためにＸ軸方向の動作に関与する６０５のＸ軸装置
の６０６の中心軸は、右手６０１の中心と６０７の手首
中心との延長線上でかつ前方にあるのが望ましい。

手首６０７より先の動きは、第６図に示すごとく、６０
８の体の中心線に向う方向に余裕があるので中心軸６０
６は、中心線６０８にずらすのは５０＋Ｎｎ程度許され
る。

また、Ｙ軸方向の動作に関与する６０９のＹ軸装置の６
１０の中心軸は、右手６０１を楽に伸ばした手首中心６
０７の位置に近いことが望まれる。

以上第６図で示したことは、マスターアーム１０１は６
０３の位置に置かれ、Ｘ軸方向のＸ軸装置６０５の中心
軸６０６は右手６０１の中心にほぼ一致させ、Ｙ軸方向
のＹ軸装置６０９の中心軸６１０は右手６０１を楽に伸
ばした手首中心６０７に設けることになる。すなわちマ
スターアーム１０１は、右手６０１をとり囲むような構
造でかつそのような位置に設置される。

次に、第６図を手前から位置６０３に向かって見た配置
を第７図に示す。

マスターアーム１０１の設置位置６０３において、第６
図にのべたＸ軸方向（第７図では紙面の表裏方向）のＸ
軸装置６０５は第７図では右手６Ｑ１の上方向に設けで
ある。Ｘ軸装置６０５を中心軸６０６を中心とする回転
装置によって構成すると、手首６０７を紙面に直角の方
向（Ｘ軸方向）に移動するだけでひじ６０４は動かさず
に操作できる。もし並進装置であればひじ６０４を動か
すことになり行程が１００＋ｎｍを越すと疲れる。

これはひじと体の間に５０ｎｎ程度のすき間があるとき
が一番楽で、１００＋ｎｍを越えると体を傾けなければ
ならない。

またＹ軸方向の動作に関係するＹ軸装置６０９はＸ軸装
置６０５と同様に右手６０１の上方向に設けである。も
しＹ軸装置６０９を中心軸６１０をもつ回転装置によっ
て構成すると手首６０７をＹ軸方向に移動するときひじ
６０４の動きは小さくてすむ。もし並進装置であれば、
行程が１２０庇位が限界となる。

なお、第７図ではＸ軸装置６０５．Ｙ軸装置６０９は右
手６０１の上方向に設けたが、下方向に設けても手首６
０７の向きが変おるだろだけで操作性に大きな変化を与
えない。

さらに、Ｘ軸装置６０５については、７０１のような旋
回装置にしても同じ結果となる。そのときは７０２が回
転軸となる。

なお、第７図に示した２点鎖線のレバーは、操作トルク
を与えるための仮想のレバーであり、実際のマスターア
ーム１０１の構造は、第２図に示すように、６箇の関節
装置が支持台２０３から半端に向かって順番に取付けら
れている。

第６図、第７図の検討をもとにした実施例を第８図、第
９図、第１０図、第１１図に示す。

第８図は、第２図に示したマスターアーム１０１の詳細
図である。２０３は、マスターアーム１０１の支持台で
ある。８０１はマスターアーム１０１の第１軸で、８０
２の中心軸まわりにマスターアーム１０１の残りの部分
を回転できる。

８０３は第２軸で、８０４の中心軸まわりに全体を回転
できる。８０５はアームで、８０６のリンク及び８０７
のロンドに支持されて８０８の回転軸のまわりに先端部
を回転させる。８０９はピッチ軸で、８１０の中心軸ま
わりに回転できる。

８１１はヨウ軸で、８１２の中心軸まわりに回転する。

８１３はロール軸で、８１４の中心軸まわりに８１５の
グリップを回転できる。

マスターアーム１０１を操作するとき、オペレータは右
手でグリップ８１５を握って第６図の位置で操作をする
。

第６図にのべたＸ軸装置６０５は、第８図では第２軸８
０３であり、その中心軸６０６は第８図では中心軸８０
４に対応する。

またＹ軸方向の動作を行なうＹ軸装置６０９は。

第８図ではアーム８０５であり、その中心軸６１０は中
心軸８０８である。

Ｚ軸方向の動作は第１軸２０１を中心軸８０２のまｂり
に動かして行なう。Ｚ方向の並進装Ｅは右手６０１にと
って大変窮屈で、５０＋ａｍ程度でも体を動かす必要が
あり回転装置が望ましい。

第８図の全体構造は、第６図の領域６０３および視野の
外側の位置にある。

ピッチ軸８０９、ヨウ軸８１１、ロール軸８１３から成
る手首も人間の手首構造との関係を考慮して設計されて
いる。人間の手首のひねりは、ひじを固定して腕の軸ま
わりに回転できるので、ロール軸８１３の中心軸８１４
は、グリップ８１５の中心を貫いてひじ６０４に一致さ
せる。

人間の手首の左右の振り＜ＩＩＩＡ指を上にしたまま心
臓に向かって曲げたり反対方向に曲げたりする運動）は
、腕まで固定して動作を繰返すのに適している。したが
ってヨウ軸８１１の中心軸８１２は、中心軸８１３とグ
リップ８１５より人間に近い位置で直交させて、そこに
ちょうど人間の手首関節が来るように構成しである。

人間の手首の上下の振りは、親指を上にしたままでは持
続性がない。手首をひねって親指を内側にすれば、上記
の左右の振りでのべた手首関節が上下に曲げやすい状態
になるが、手首のひねりがいつもこの状態を持続するわ
けではないのでこのような手首の上下の振り動作に期待
することはできない。

人間の手首による上下振り動作は、ひじの曲げを使うの
が汎用的な使い方である。したがってピッチ軸８０９の
中心軸８１０は、中心軸８１４より上（Ｚ方向）約１０
０ｍｍの所を通るようにして、人間の手首の構造に見合
うものとしである。

第９図はマスターアーム１０１の他の実施例である。

９０１は支持台であり、９０２は旋回軸で９０３の中心
軸のまわりにマスターアーム全体を回転させる。９０４
は第１腕で９０５の第１軸先端部のまわりに全体を回転
させる。９０６は第２腕で、第１腕９０４の先端まわり
に回転する。

９０７はピッチ軸で、手首郡全体を前後に傾けることが
できる。９０８はヨウ軸で、ピッチ軸９０７の出力部に
支持され手首先端部を左右に揺動させる６９０９はロー
ル軸で、グリップ９１０を回転させる。

第９図のマスターアームを操作するときは、第８図のマ
スターアーム１０１の操作と同じくグリップ９１０を握
って第６図の位置で操作する。

第６図の関節装置６０５は、第９図で９０２゜９０３で
あり、関節装置６０９は、第９図では第２腕９０６であ
る。

第９図の全体構造は、第６図の領域６０３および視野の
外側にある。

ピッチ軸９０７、ヨウ軸９０８、ロール軸９０９から成
る手首は人間の手首関節との関係を考慮しであるが第８
図と同じであるので省略する。

第１０図はマスターアーム１０１の他の実施例である。

１００１は回転台であり、１００２は旋回軸であり、マ
スターアーム全体を垂直軸のまわりに旋回させる。１０
０３は第１腕であり、１００４は第２腕であって、それ
ぞれ垂直面内に回転運動を行なう。１０ｏ５のピッチ軸
、１００６のヨウ軸、１００７のロール軸及び１００８
のグリッパに関しては、第８図、第９図でのべた内容と
同じであるのでここに改めて記すことをしない。

第１１図はマスターアーム１０１の他の実施例である。

１１０１は回転台であり、１１０２は旋回軸であり、マ
スターアーム全体を垂直軸のまわりに旋回させる。１１
０３は第１腕であり、１１０４は第２腕であって、それ
ぞれ垂直面内に回転運動を行なう。１１０５のピッチ軸
、１１０６のヨウ軸、１１０７のロール軸及び１１０８
のグリッパに関しては、第８図、第９図でのべた内容と
同じであるのでここに改めて記すことをしない。

第１０図、第１１図のマスターアームを操作するときは
、第８図のマスターアーム１０１の操作と同じく、グリ
ッパ１００８を握って第６図の位置で行なう。

第６図のＸ軸装置６０５については、第１０図、第１１
図の場合第７図で説明したようにＸ軸装置６０５と同じ
効果をもつ旋回軸１００２を用いである。

Ｙ軸装置６０９は第１０図では第２腕１００４である。

第１０図、第１１図の全体構造は、第６図、第７図の領
域６０３および視野の外部にある。

第８図、第９図、第１０図、第１１図を用いて、第６図
、第７図で述べたマスターアームの具体的４＋カ造を示
したが、構造は、異なっていても基本的な考え方は変わ
るものではない。

ただし、第９図の場合には、旋回軸９０２とロール軸９
０９の中心軸がある特別な状態（特異点）で一致する場
合が起こりうる。

このような状態では、オペレータは、旋回軸９０２とロ
ール軸９０９を使いわけることかできず操作できなくな
る。したがって第９図の構造をマスターアームに用いる
ときには、旋回軸９０２とロール軸９０９の中心軸が一
致しないようにマスターアームの運動に制約を設ける必
要がある。

次にスレーブアームの構造について説明する。

スレーブアームは、第５図を用いて説明したように、マ
スターアーム１０１の未動作にもとすいて。

各軸の目標値が与えられることにより制御される。

このような目標値演算及び制御は中央処理装置１０５で
行なわれるので、第９図でのべた特異点の問題はその点
に近づかないように制御したりあるいはその点を通過す
る場合の動作アルゴリズムを前もって用意することがで
きるので問題にならない。

したがってスレーブアームは、第２図の真空室２０１の
中でのできるだけ広い範囲を動作できるよう各軸とも広
い動作角度をとる必要がある。

一方、真空室２０１に入れる場合を考えて折りたたみや
すい補選が望ましい。

第１２図は、スレーブアームの一実施例である。

１２ｏ１は支持台であり、１２０２は旋回軸で、支持竿
１１０１の回りに回軸することができる。

１２０３は第１腕で、旋回軸１２０２の先端を支点とし
て回転する。１２ｏ４は第２腕で、第１腕１２０３の１
２０５第１腕先端部のまわりに回転する。１２０６は手
首機購であり、第２腕１２ｏ４の１２０７第２腕先端部
から１２０８のピッチ軸、１２０９のヨウ軸、１２１ｏ
のロール軸が取付けら九、さらにその先端には、１２１
１のハンドが取り付けられている。

第１腕先端部１２０５、第２腕先端部１２ｏ７ともにそ
の中心はそれぞれ第１腕１２０３の中心線および第２腕
１２０４の中心線からオフセットした装置に設けられて
いる。その理由は、第１２ＩＮ　（ｂ）のように折りた
たむのに適するようになっているためである。

他方、スレーブアーム１０２は、広い範囲を動作させる
ためその先端であるハンドがその支持台から遠ざかるこ
とができるように配置されている。

この点はマスターアーム１０１がある限られた領域の中
で多くの自由度を集中させて設計し、第８図のようにそ
の先端であるロール軸８１３やグリッパ８１５がその支
持台２０３に近づくように構成されているのと対照的で
ある。

折りたたむのに適した方法として第１３図のように第１
腕の中心線と第２腕の中心線を平行になるよう配置する
こともできる。

マスターアーム１０１を限られた領域内で多くの自由度
を集中させる方法として、上記のほが第８図では、ヨウ
軸８１１とロール軸８１３との軸中心を一致させグリッ
パ８１５をその近くに配置し、かつピッチ軸８０９の軸
中心もグリッパ８０５の方向を向けて配置する方法をと
っている。

すなわちグリッパ８１５を中心として、そのまゎりに手
首を構成するピッチ軸８０９、ヨウ軸８１１、ロール８
１３を配置する形になっている。

また、第１軸８０１の運動は、第２軸８０３の先端まで
を一体としたアームとして回転するが、アーム８０５と
の関係は、第１２図のスレーブアームの第１アーム１２
０３及び第２アーム１２０４のように直線的になること
はできないしする必要がない。逆に、第８図の２つのア
ームの関係は、直交関係に配置され、動作方向の分担を
する構成となっておりかつ人間の手首に近くコンパクト
に構成されていてスレーブアームが動作領域の拡大を重
視するのと対照的である。

第９図、第１０図、第１１図の構成についても第８図で
のべたマスターアームの特徴を同様に有している。

再びスレーブアームにもどってその特長を考えると、ス
レーブアームは、産業用ロボットと同じく対象物に向っ
て作業する必要から手首部分の寸法を極力小さくすべき
である。この点マスターアームでは、グリッパをオペレ
ータがつかみやすくするためにある程度の空間を必要と
し、さらにピッチ軸、ヨウ軸、ロール軸がその周辺に設
置されるために大きくなることをそれほど問題にしない
のと対照的である。

しかし、スレーブアームの手首部分を小形化するために
は、人間の手首と同じくロール軸をアーム側に配置すれ
ばアームがほぼ軸対称構造であるので便利である。この
ために産業用ロボットでは、ロール軸とアームとが結合
される場合が多い。

しかし、マスタースレーブマニピュレータの場合、６自
由度を一度に操作するより操作する自由度を分けて行な
う方がオペレータの操作が楽になるといえる。ロール軸
を先端にすれば、先端の位置決めを行ない、ヨウ軸、ピ
ッチ軸の方向を定めたあとで独立に動作させても他の自
由度に対する影響がでて来ない。しかし、ヨウ軸、ピッ
チ軸が先端にある場合にはそれを独立に動作させると。

先端の位置まで変わるので操作を分けることができなく
なる。

したがって、スレーブアームの場合、ロール軸を先端に
置くことは、手首全体の寸法拡大の犠牲をはらっても必
要な事項といえる。

さらに、第２図に示した真空室のように狭い床面積を有
効に活用する必要があるときは、スレーブアームを天井
量りにしたり壁掛けにする。

このようなスレーブアームは、その支持台が、マスター
アームや産業用ロボットに比べ非常に小さくなっている
。これは、設置のしやすさ、運搬のしやすさから必要と
なる要件である。

これに対し、床に設置される産業用ロボッ）−や第１０
図のマスターアームの場合には、床に置いた場合の安定
性から床面積を大きくとり、かつ支持台の重量を大きく
とりまた人間操作に便利なように第１のアームの取付位
置が人間の腰の位置まで高くされている。

以上、種々のべて来たごとく、マスターアームとスレー
ブアームとをそれぞれの目的に合うように異構造とした
ときにも、異形マスタースレーブシステムとしての最適
な構成がなされなければならない。

これは、別々の目的に沿った構造を単純に制御的にだけ
組合せ九ば良いのでない点を特に指摘しておきたい。

〔発明の効果〕

以上述べて来たように、本発明により、マスターアーム
は、スレーブを人間が操作するのに適する構造を備え、
腕を大きく振りまわすことなく手首を中心とした動きで
大形のスレーブアームでも容易に動作させることができ
る。また、スレーブアームは、その長手方向寸法を有効
に動作させて、必要に応じ支持台から最も怠れた物品の
ハンドリングができ、かつその長手方向寸法が運搬に支
障のないよう収納性を良くすることができる。

さらに本発明によれば、人間の操作に適した構造のマス
ターアームと限られたアーム長を有効に生かすためマス
ターアームと異なる構造のスレーブアームによって広範
囲の動作ができかつ操作に適したマスタースレーブシス
テムを構成することができる。

上にのべた操作に適する構造には、人間の身体構造に即
する構造、人間の視野を妨げない構造、軽い動作で動か
せるようそれぞれの関節が人間の身体に近く、コンパク
トに配置されることが含まれている。

要約すると本発明は、マスタースレーブシステムを構造
的、制約的にシステムとして構成することにより、従来
にない操作性が高くまた設置、運搬の容易なシステムを
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による異形マスタースレーブ
マニピュレータシステムのブロック図、第２図は本シス
テムの全体植成例、第３図は回転角検知回路、第４図は
中央処理装置の具体的構成例、第５図は本発明の詳細な
説明図、第６図は人間とマスターアームの位置関係説明
の上面図、る。 符号の説明 １０１・・・マスターアーム、 １０２・スレーブアーム、 １０５・・中央処理装置、 ２０３・支持台、 ８０９・・・ピッチ軸、 ８１３・・ロール軸。 ２０２・・・作業対象物、 ６０１・・右手、 ８１１・・・ヨウ軸、 第 図 第 図 第 畠

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、６軸以上のマスターアームと６軸以上の関節形スレ
   ーブアームとによって構成されるマスタースレーブマニ
   ピュレータシステムにおいて、マスターアームの手首は
   、グリップの周辺に一定値以上のＸ、Ｙ、Ｚ方向の空間
   寸法を設けるべくピッチ軸、ヨウ軸、ロール軸が上記一
   定値の外周に配置され、かつそれぞれの出力軸の方向が
   グリップに向うよう構成されてアーム本体に接続され、
   スレーブアーム手首は、ピッチ軸、ヨウ軸、ロール軸が
   ３軸全体として別の一定値以下のＸ、Ｙ、Ｚ寸法になる
   ように該３軸の間の連結部在を短縮しかつ出力軸の方向
   かそれぞれの軸の取付部から遠ざけるように接続したこ
   とを特徴とするマスタースレーブマニピュレータシステ
   ム。 ２、請求項１記載のマスタースレーブマニピュレータシ
   ステムにおいて、マスターアームのロール軸の支持部は
   、アーム本体側の軸端より離れて配置され、該ロール軸
   の出力軸は、該アーム本体側軸端に近づくように方向付
   けられていることを特徴とするマスタースレーブマニピ
   ュレータシステム。 ３、請求項１記載のマスタースレーブマニピュレータシ
   ステムにおいて、ヨウ軸の支持部は、アーム本体側の軸
   端に対し直角方向に離して配置され、該ヨウ軸の出力軸
   は該アーム本体側軸端に近づくように方向付けられてい
   ることを特徴とするマスタースレーブマニピュレータシ
   ステム。 ４、請求項１記載のマスタースレーブマニピュレータシ
   ステムにおいて、ピッチ軸の支持部は、アーム本体側の
   軸端に対し離れるよう配置され、該ピッチ軸の出力軸は
   該アーム本体側軸端に近づくよう方向付けられているこ
   とを特徴とするマスタースレーブマニピュレータシステ
   ム。 ５、６軸以上のマスターアームと６軸以上の関節形スレ
   ーブアームとによって構成されたマスタースレーブマニ
   ピュレータシステムにおいて、スレーブアームは、本体
   ３軸がそれぞれの関節の長手方向を直線的に配列するこ
   とができかつアームの関節の長手方向を平行させてアー
   ム全体としての寸法が小さく配列することで移動領域の
   拡大ができるように構成され、またそれぞれの軸の動作
   角度は少なくとも１８０°以上であり、マスターアーム
   は、本体の３軸の長手方向が互に直交的に配列できるよ
   うに構成して、マスターアームの基部から本体３軸の軸
   端までのＸ、Ｙ、Ｚ方向の寸法がいずれの方向に対して
   も一定値より大きくならないようにしかつ各軸の移動領
   域が小さくなるよう少なくとも構造的および制御的のい
   づれか一方を構成したマスタースレーブマニピュレータ
   システム。 ６、請求項５記載のマスタースレーブマニピュレータシ
   ステムにおいて、マスターアームを関節形にして、本体
   ３軸の長手方向が互に直交的に配列できるように構成し
   て、マスターアームの基部から本体３軸の軸端までのＸ
   、Ｙ、Ｚ方向の寸法がいずれの方向に対しても一定値よ
   り大きくならないようにし、かつ各軸の移動角度を小さ
   くしても本体３軸の軸端の移動寸法はＸ、Ｙ、Ｚ方向と
   も別の一定値より大きくできることを特徴とするマスタ
   ースレーブマニピュレータシステム。