JPH0244676B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、遠隔手動操作装置に関し、特に摩擦
抵抗の操作力への影響を低減化する制御回路、具
体的にはバイラテラルサーボ機構を有する遠隔手
動操作装置に関するものである。

〔従来技術〕

一般に多関節型マニピユレータを用いて、遠隔
手動操作により作業を行なわせる場合には、外部
からマニピユレータに加えられている力情報を操
作側に伝えて、マニピユレータや作業対象物に無
理な力が加わらないように制御することが必要不
可欠であるといわれている。特に、その操縦方法
として、マスタ・スレーブ方式（実際に作業を行
なうスレーブマニピユレータと相似な形状のマス
タマニピユレータを操縦装置として、オペレータ
がマスタマニピユレータを操作することにより、
スレーブマニピユレータに相似な動きをさせるも
の。）を用いる場合には、スレーブ側アームに加
えられている力をマスタ側アームに反力の形で伝
える力伝達機能がないと、事実上作業は不可能で
あるといわれている。

このスレーブ側からマスタ側への力伝達機能は
バイラテラルサーボ機構によつて実現される。し
かし、実際にバイラテラルサーボ機構をマニピユ
レータに使用した場合には、マニピユレータの機
構部の摩擦のため、外部からスレーブ側に加えら
れている外力がマスタ側に円滑に伝達されないと
いう問題点があつた。

従来、この欠点を補なうための一方法として、
第１図に示されるような摩擦補償法が考えられて
いる。以下、この摩擦補償法の問題点を明らかに
するために、まず第１図の動作原理について説明
する。

第１図の破線で囲まれた部分が摩擦補償回路で
ある。

オペレータが主動側アーム１に加えた力を力検
出器９で検出し、その出力信号を方向判定回路１
０へ導く。方向判定回路１０の内部では、その微
分信号の符号によつて操作方向を判定する。そし
て、主動側モータ７には、オペレータが加えた力
によつて主動側アーム１が動かされる方向に補償
電圧V_S1を与える。従動側モータ８には、主動側
アーム１の動きに伴つて従動側アーム２が追従す
る方向に補償電圧V_S2を与える。主動側または従
動側のモータ７，８が、主動側または、従動側の
各々の摩擦トルクに等しいトルクを発生できるよ
うに、補償電圧V_S1およびV_S2を各々選ぶことで、
摩擦トルクを打ち消すことができる。この結果、
オペレータは、摩擦トルクの影響を感じなくな
る。一方、第１図の摩擦補償回路以外のサーボ系
は、以下の通りである。従動側の位置は、それぞ
れのアーム軸３および４に連結された位置検出器
５および６から位置信号を取り出し、その差をサ
ーボ偏差εとして制御する通常の位置サーボ系を
構成している。また、このサーボ偏差εは、従動
側の負荷の大きさに比例するので、これを主動側
モータ７にフイードバツクし、オペレータに、負
荷の大きさを反力の形で伝えるようなサーボ系を
構成している。このサーボ系は、バイラテラルサ
ーボ系と呼ばれる。

このバイラテラルサーボ系では、主動側の反力
はサーボ偏差εの大きさに応じて発生させるため
に、サーボ系に積分要素を組み込むことはできな
い。従つて、主動側モータの位置と従動側モータ
の位置との差であるサーボ偏差εは、従動側の摩
擦のために、従動側アームが静止した位置で０に
ならない。従動側の摩擦は、アームの先端の力に
換算して数Kgになり、モータがその摩擦に打ち勝
つために必要なトルク（定常偏差トルク）は、例
えば１ｍのアームでは１Kgｍにもなる。

従来技術では、主動側アームの動作速度が小さ
い時に、前記摩擦補償回路はサーボ偏差εが０で
あることを仮定して、補償電圧を選んでいるた
め、主動側、従動側ともハンチングが生じ、操作
感が悪く、場合によつては発振するという欠点を
有していた。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、ハンチングを取り除いて遠隔
手動操作装置の操作性を向上することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、オペレータによつて主動側アームに
加えられた力の方向を検出し、その方向に応じ
て、駆動モータに摩擦を打ち消す一定の補償トル
クを発生させる回路をもつ遠隔手動操作装置にお
いて、主動側アーム静止時に主動側モータに与え
るサーボ偏差の影響を小さくする手段として、主
動側アームが所定値以内の速度では、主動側モー
タに与えるサーボ偏差のゲインが小さくなるよう
に切り換わるようにしたものである。

次に、上記解決手段の作用について説明する。
例えば、従動側アームが静止している状態で、オ
ペレータが主動側アームを操作し始める場合を想
定する。定常偏差トルクが摩擦トルクよりも小さ
くなるようにサーボ系を設定しているので、オペ
レータが操作を始める前においては、定常偏差ト
ルクは摩擦トルクに打ち勝つことができず、主動
側アーム軸３、従動側アーム軸４は停止してい
る。オペレータが操作を始めると、摩擦補償回路
の作用により各軸の摩擦を補償する補償トルクが
発生する。このため各軸には、サーボ偏差による
トルクのみがかかる。この時従来技術のように、
サーボ偏差によるトルクを主動側、従動側にその
ままフイードバツクすると、主動側アーム軸３に
はサーボ偏差ε分に相当する反力が発生し、従動
側アーム軸４にはサーボ偏差εに相当し、従動側
アーム軸４を動かすモータトルクが生じる。この
場合、前記反力はオペレータの操作方向と逆方向
に働くために、この反力が大きいと、オペレータ
はその操作を止める方向、すなわち反対方向に主
動側アームを操作する。反対方向に操作すると補
償トルクを生む補償電圧の符号が変わるので、オ
ペレータは最初の操作の時とは反対方向の反力を
受け、従動側アーム軸４も反対方向に動きだす。
このように、従来技術では主動側、従動側ともハ
ンチングを生じ、操作感が悪く、場合によつては
発振する。このような現象は、オペレータが操作
の意志がないのに、従動側に外力発生し従動側が
動いたときにも発生する。

本発明では、この従来技術のハンチング現象は
主動側のアーム軸の速度が遅いときに起こるこ
と、各軸に発生する摩擦を摩擦補償トルクで完全
に補償することは難しく、摩擦補償トルクを実際
に必要な摩擦トルクより小さく設定することに着
目して、主動側のアーム軸の速度が所定値より小
さいときは、主動側モータに与えるゲインを小さ
くする。その結果、オペレータが操作を始めた時
に発生するサーボ偏差トルクによる主動側への反
力が小さくなりか、、またはサーボ偏差トルクが
補償されずに残つた摩擦トルクより小さくなり主
動側に反力が反映しなくなる。一方、従動側アー
ムにおいても補償されずに残つた摩擦トルクより
小さくなり動くことはない。このため、主動側、
従動側ともにハンチングが生じることもなく、操
作性が向上する。

尚、主動側のアーム軸の速度以上の時は、サー
ボ偏差が一般的に大きくなり、すなわちサーボ偏
差によるトルクが支配的になるために、主動側ア
ームの操作方向が変わつても、主動側アームへの
反力の変動が少なく、従動側アームの動作方向も
変わることがない。また、主動側のアーム軸の速
度以上の時に前記ゲインを小さくすると、主動側
アームへの反力が小さくなり、かえつて操作しづ
らくなる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第２図によつて説明
する。

以下その構成を説明する。オペレータが操作す
る主動側アーム１の回転軸３には、位置検出器
５、およびモータ７が連結されている。従動側ア
ーム２の回転軸４には、位置検出器６、モータ８
が連結されている。位置検出器５および６の出力
信号は、減算器１４に導びかれてサーボ偏差εに
なる。サーボ偏差εは、加算器１６とゲイン切換
器１３に導びかれる。ゲイン切換器１３の出力
は、減算器１５に導びかれる。主動側アーム上に
取り付けられた力検出器９の出力信号Ｓは方向検
出回路１０に導びかれる。方向検出回路１０で
は、出力信号Ｓを微分して、その符号に応じて、
正または負の一定電圧が出力されて、電圧調整器
１７および１８に導びかれる。電圧調整器１７お
よび１８の出力は、各々減算器１５および加算器
１６に入力される。減算器１５では、ゲイン切換
器１３の出力ε′から電圧調整器１７の出力V_S1を
減算し、その出力がモータ７に入力される。加算
器１６では、サーボ偏差εと電圧調整器１８の出
力V_S2とが加算され、その出力がモータ８に出力
される。

回転軸３には他に回転速度を検出する速度検出
器１１が連結されており、その出力x〓は、ウイン
ドコンパレータ１２に入力される。ウインドコン
パレータ１２の出力V_Gは、ゲイン切換器１３の
ゲート信号となる。この第２図中破線で囲まれた
速度検出器１１からゲイン切換器１３に至る回路
部分が、本発明を特徴づける部分である。位置検
出器５および６から、モータ７および８へつなが
るループは、対称型バイラテラルサーボ系であ
る。力検出器９からモータ７および８につながる
系は、摩擦補償回路である。主動側アーム１をオ
ペレータが動かすと、サーボ偏差εが生じ、これ
を小さくするように主動側、従動側のモータ７，
８に制御信号が与えられる。このようにして、従
動側アーム２の位置が制御され、同時に主動側ア
ームにはサーボ偏差εに比例した反力が生じる。
サーボ偏差εは従動側アーム２に加えられている
負荷の大きさに比例する。したがつて主動側アー
ム１には負荷に比例した反力が発生する。

ここで、主動側の機構部に摩擦があると主動側
アーム１の操作力が大きくなる。従動側の機構部
に摩擦があるとサーボ偏差εが大きくなり、反力
伝達機能が損なわれる。このために、主動側アー
ム１の操作力の方向を力検出器１５と方向判別回
路１０とによつて、力変化率の符号の形で判定す
る。そして、その符号に応じて、主動側には静摩
擦トルクに等しいモータトルクが生じるように
V_S1を決定する。また従動側でも同様にしてV_S2
を決定する。

第２図の破線で示される部分は、本発明を特徴
づける部分である。主動側アーム１の駆動速度x〓
があるしきい値x〓_Sを越えたときは、系のパラメー
タによつて求まるゲインG₀になるように、ゲイ
ン切換器１３のゲインを定める。また、主動側ア
ーム１の駆動速度がx〓_S以下のとき、ゲイン切換器
１３のゲインG₁をG₀に比べて数分の１〜数十分
の１にする。もし、サーボ偏差εが、従動側の摩
擦のために従動側アーム２の静止状態で、ε₁ある
とすると、このサーボループによつてモータに加
えられる電圧はG₁ε₁になる。静止状態でゲイン
が切り換わらないときの同電圧はG₀ε₁で、G₁＜
G₀だから、オペレータが感じる従動側の摩擦に
よる反力はG₁／G₀倍小さくなる。この結果、主動側 アーム１の静止状態で、オペレータの操作力の変
化や、外乱によつて補償電圧の符号が変化して
も、主動側アーム１に伝わつてくる反力が小さく
なるので、この反力によつて再び補償電圧の符号
が切り換わらないようにG₁を定めておけば、主
動側、従動側ともハンチングの起こることはな
い。

また、ゲインの切換のタイミングを決める主動
側駆動速度のしきい値x〓_Sは、オペレータが通常の
作業をするときの最底速度に設定すれば良い。

具体的な数値としては、G₁＝０、かつ最底操
作速度を手先の周速で0.5〜２cm／Ｓにすれば実
用上問題のないことが、実験によつて確かめられ
ている。

〔発明の効果〕

以上、詳述したように本発明によれば、静止時
に摩擦補償電圧の符号が連続的に切り換わること
により生じる主動側、従動側のハンチングを防止
することができ、操作性が向上する効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術になる摩擦力補償装置を示す
図、第２図は本発明の一実施例になる摩擦力補償
装置を示す図である。 ３，４…回転軸、７，８…モータ、９…力検出
器、１０…方向判別回路、１１…速度検出器、１
３…ゲイン切換器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 主動側アームと、前記主動側アームに連結さ
   れる第１のモータと、従動側アームと、前記従動
   側アームに連結される第２のモータと、前記第１
   のモータと前記第２モータの位置の偏差を検出す
   る手段と、前記主動側アームに加わる外力を検出
   するトルク検出手段と、前記トルク検出手段の出
   力信号と前記位置偏差に基づいて前記外力に対向
   する方向のトルクを前記第１モータに発生させる
   制御手段とからなる遠隔手動操作装置において、 前記第１モータの回転速度を検出する手段を設
   け、この回転速度が所定値以内の時、前記位置偏
   差信号を小さな値に切換えて前記制御手段に入力
   する切換手段を設けたことを特徴とする遠隔手動
   操作装置。