JPH02279285A - マスタ・スレーブマニピュレータの制御方法及び装置 - 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】 〔発明の目的〕 （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制御方法及
び装置に関する。

（従来の技術） マスタ・スレーブマニピュレータの一般的な制御方法と
しては、スレーブアームと相似な形状のマスタアームを
空間的に連結し、マスタアームの位置の定数倍とスレー
ブアームの位置、そしてスレープアームに加わる力の定
数倍とマスタアームにかかる力とが、等しくなるように
するものがある。こういった制御のマスタ・スレーブマ
ニピュレータは、操縦者がスレーブアームの位置決めに
難しさを伴うことがなく反力がフィードバックされるの
で、マニピュレータによる細かな作業を容易に行うこと
ができる。

しかし、例えばスレーブアームを大きく動かしたい場合
や、マスタアームに比べて大きく長いスレーブアームを
使用する場合には、マスタアームの作動領域がスレーブ
アームの作動領域に比べて小さくなってしまい十分な対
応が取れなくなってしまう、こういった場合マスタアー
ムにサーボロックをかけて電気的に固定し、操縦者がマ
スタアームの関節に与えた力に比例するような速度変化
をスレーブアームの関節に与えてスレーブアームを操作
する方法が用いられていた。こういった方式を速度指令
型という、これによれば操縦者がマスタアームに力を与
えればスレーブアームはその方向へ動き続ける。またマ
スタアームに大きな力を与えればスレーブアームの移動
速度も大となり。

一方マスタアームに小さな力を与えればスレーブアーム
の移動速度も小となる。

ところが従来の速度指令型のマスタ・スレーブマニピュ
レータでは、マスタアームにサーボロックがかけられて
いるのでスレーブアームに作用する力がマスタアームに
フィードバックされないという欠点があった。そのため
スレーブアームが物体と衝突してもそのまま動き続けて
しまい、場合によってはスレーブアームが破損してしま
う可能性もあった。

（発明が解決しようとする課題） 以上のように従来の速度指令型のマスタ・スレーブマニ
ピュレータでは、マスタアームにサーボロックがかけら
れているのでスレーブアームに作用する力がマスタアー
ムにフィードバックされないという欠点があった０本発
明はこういった従来の欠点を解決し、マスタアームに力
感覚を付与することにより安全性の向上を図った速度指
令型のマスタ・スレーブマニピュレータの制御方法及び
装置の提供を目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 上記の目的を達成するために本発明においては、スレー
ブアームに作用する力をマスタアームにフィードバック
するとともに、マスタアームの変位量をスレーブアーム
の移動速度情報としてスレーブアームを駆動する制御方
法とした。また、マスームの駆動信号を得るためにマス
タアームに具備される位置検出手段と、位置検出手段か
らの信号をもとにマスタアームの変位量に応じた速度信
号を生成しスレーブアームの駆動信号とする変位・速度
信号変換手段とを有する制御装置とした。

（作　　用） 以上のようにマスタアームの変位量をスレーブアームの
速度指令値とすれば、マスタアームにサーボロックをか
ける必要がなく、しかもマスタアームに力感覚を付与す
ることができる。従って。

より安全性の向上した速度指令型のマスタ・スレーブマ
ニピュレータとなる。

（実　施　例） 以下、図面を参照して本発明を説明する。

第１図は本発明のマスタ・スレーブマニピュレータの制
御装置を示すブロック線図である。尚、ここでは同構造
のマスタアーム、スレーブアームの各１自由度分のみを
示す。操縦者によって操縦されるマスタアーム１、及び
このマスタアーム１に連動して作業を行うスレーブアー
ム２は、それぞれ複数の関節を有した多自由度構成をな
し、空間的に連結されている。この関節の１自由度分は
同図に示すように、力検出手段であるトルク検出器３，
４、位置検出手段である位置検出器５，６゜そして駆動
手段であるモータ７．８から構成されている。操縦者が
マスタアーム１に適当な力を加えると、その方Ｔｍはト
ルク検出器３により検出される。一方、スレーブアーム
２が物体に作用した時、物体から受ける力ｒｓはトルク
検出器４により検出され、増幅器９によりマスタアーム
２への適当な力帰還率が乗算される。これらの力ＪＴｍ
、　Ｔｓが比較器１０により比較され、加算器１１へ力
指令値として入力される力情報Ｔ１が生成される。

一方、操縦者がマスタアーム１を操作することによる関
節の軸位置０１は位置検出器５により検出される。この
信号は変位・速度信号変換手段である制御器１２に人力
され、軸位置θ、の信号がすぐにスレーブアーム２に伝
達されることによる異常振動の発生を防止するための不
感帯処理や、変位→速度への信号変換、増幅率の乗算が
行われる。

そして生成された駆動信号はモータ駆動部１３に速度指
令値として入力され、モータ８を駆動する。

尚、ここではスレーブアーム２に位置検出器６が備えら
れているが、もちろん位置検出器６を備えないものであ
ってもよい。

前記制御器１２での変位→速度への信号変換について更
に述べる。まず、マニピュレータによる作業航にマスタ
アーム１の所定の軸位置θ１を基準位置として予め設定
しておく。そして９位置検出器５で求められる現在の軸
位置θ、とから、制御器１２では変位量（θ、−〇、）
が計算される。これによりマスタアーム１が基準位置か
らどれだけ変位したかが検出される０次いでこの変位量
（θ。

０ｍ）と出力速度信号Ｖ、どの対応が取られる０例えば
第４図に示すように変位量（θ、−〇、）に対する出力
速度信号ｖｌｌが線形であっても、あるいは対数変化し
ているものであってもよく、マニピュレータによる作業
内容や操縦者の操縦し易さなどを考慮して自由に設定で
きるものであることがジータ駆動部１３への速度指令値
が生成される。

このような本実施例とすれば、速度指令型のマスタ・ス
レーブマニピュレータであってもスレーブに加わる力が
マスタアームにフィードバックされるので、スレーブア
ームの破損の可能性は極めて少なくなり、安全性が格段
に向上する。もちろん、マスタアームとしてジョイステ
ィックレバーやその他の操縦機器を用いても同様の効果
を得ることができる。

また、本実施例ではマスタアーム１の関節の軸位置θ、
はマスタアーム１自身へフィードバックされるようにル
ープを構成している。これはマスタアーム１の関節の軸
位置の変位量に対応した復元力を発生させるためのもの
である。今、例えばＦ　［ｋｇｆコ　＝　Ｋ　［ｋｇｆ
／ｍコＸｚ［ｍコ−Ｑ）において、Ｋを所定の値とし、
Ｉを基準位置からに比例した復元力Ｆが発生し、操縦者
が基準位置からマスタアーム１を大きく動かせば動かす
程大きな制動がかかるように作用する。従って、操縦者
がマスタアーム１から手を離すようなことがあっても、
マスタアーム１は基準位置へ戻ろうとするので、操縦し
ていた方向へスレーブアーム２が動いて行ってしまう危
険がなくなる。

変位・力信号変換手段である復元力生成器１４では前記
制御器１２と同様に所定の軸位置θ、を予め設定してお
き、現在の軸位置０あとから変位量（ｅ　ｒａ、−ｏ　
ｅａ）を計算する。そしてこの値を式■中の工に置き換
えて復元力Ｆを生成し、加算器１１への力情報Ｔ２とす
る。ここで復元力生成器１４での軸位置θ１は制御器１
２内での値と同じ値が任意に設定されることが望ましい
。もちろん上記式■にあってはＫは定数であっても、あ
るいは第５図に示すような工の関数であってもよい、ま
た、弐〇以外の関係式により復元力を生成するものであ
ってもよい。゛これらはマニピュレータによる作業内容
や操縦者の操縦し易さなどを考慮して自由に設定できる
ものであることが望ましい。

以上のように得られた力情報Ｔ□は、加算器１１にてト
ルク検出器３，４から得た力情報Ｔ１と加算される。そ
してその出力はモータ駆動部１５の力指令値として入力
され、モータ７を駆動する。

このようにすると、操縦者が基準位置からマスタアーム
１を遠くへ動かせば動かす程大きな制動がかかるように
作用するが、スレーブアーム２に外力が作用すると急激
にその方向への反力がマスタアーム１にフィードバック
されるので、操縦者は復元力と外力とを容易に区別する
ことができ。

反力を感じ取ることができるマスタ・スレーブマニピュ
レータとなる。

尚１本発明は上記の構成に限定されるものではない０例
えば第２図に示すようにスレーブアーム２側のトルク検
出器４のみをマスタアーム１の駆動信号生成に用いるも
のであってもよい、このような構成とすれば１自由度に
つき２つの検出器を低減することができる。

また本発明の方法によれば１例えばマスタアームが３自
由度直交座標形でスレーブアームが３自由度回転関節形
のように異構造のマスタ・スレーブマニピュレータにも
適用することができる。第３図に示す制御装置において
はスレーブアーム２換することができる。マスタアーム
１からの速度指令値は座標変換部１６にてスレーブ逆ヤ
コビ行列を乗じることによりスレーブ座標系に変換され
。

モータ駆動部１３への角速度信号が生成される。−方、
スレーブアーム２のトルク検出器４で検出される力Ｔ３
は重力補償部１７により自重補償された後。

座標変換部１８にて逆装置ヤコビ行列を乗じることによ
りマスク座標系に変換され、増幅器９への力情報が生成
される。このように制御を行うことによって、異構造の
マスタ・スレーブマニピュレータにおいてもスレーブア
ームに加わる力がマスタアームにフィードバックされる
速度指令型の制御が可能となる。

以上のように、スレーブアームに作用する力をマスタア
ームにフィードバックするとともに、マスタアームの変
位量をスレーブアームの移動速度情報としてスレーブア
ームを駆動するものとすれば、マスタアームにサーボロ
ックをかける必要がなく、しかもマスタアームに力感覚
を付与した速度指令型のマスタ・スレーブマニピュレー
タが実現する。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、より安定性の向上した速
度指令型のマスタ・スレーブマニピュレータが実現する
。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第３図は本発明のマスタ・スレーブマニピュ
レータの制御装置を示すブロック線図、第４図は変位・
速度信号変換手段における変位量と出力速度信号の関係
を示すグラフ、第５図は変位・力信号変換手段における
変位量とその係数との関係を示すグラフである。 １・・・マスタアーム　　　２・・・スレーブアーム３
．４・・・トルク検出器（力検出手段）５．６・・・位
置検出器（位置検出手段）１２・・・制御器（変位・速
度信号変換手段）１４・・・復元力生成器（変位・力信
号変換手段）代理人　弁理士　則　近　憲　佑 同　　松山光之 Ｘ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）スレーブアームに作用する力をマスタアームにフ
   ィードバックするとともに、前記マスタアームの変位量
   を前記スレーブアームの移動速度情報として前記スレー
   ブアームを駆動することを特徴とするマスタ・スレーブ
   マニピュレータの制御方法。
2. （２）前記マスタアームの変位量を力情報として前記マ
   スタアームにフィードバックす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制御方法
   。
3. （３）マスタアームの駆動信号を得るために少なくとも
   スレーブアームに具備される検出手段と、前記スレーブ
   アームの駆動信号を得るために前記マスタアームに具備
   される位置検出手段と、前記位置検出手段からの信号を
   もとに前記マスタアームの変位量に応じた速度信号を生
   成し前記スレーブアームの駆動信号とする変位・速度信
   号変換手段とを有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制御装置。
4. （４）前記位置検出手段からの信号をもとに前記マスタ
   アームの変位量に応じた力信号を生成し前記マスタアー
   ムの駆動信号の一部とする変位・力信号変換手段を有す
   ることを特徴とする請求項３記載のマスタ・スレーブマ
   ニピュレータの制御装置。