JPH03184779A - 異構造マスタ・スレーブマニピュレータ - 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、異構造マスタ・スレーブマニピュレータに関
する。

（従来の技術） 異構造マスタ・スレーブマニピュレータでは、マスタア
ームとスレーブアームの軸構造や軸数の構成が異なるた
め、手先や指先など、あらかじめ設定した対応点（対応
部位）の位置、力を各アームの関節角情報などを利用し
て計算機により算出し、この位置、力信号によりパイラ
テラル制御を行っている。

力帰還型パイラテラル制御の場合を例にとれば、マスタ
アームは各対応点の力偏差が零になるように力制御され
、スレーブアームは各対応点の位置偏差が零になるよう
に位置制御される。ところが、マニピュレータの駆動前
にマスタアームとスレーブアームとの間に何等かの理由
で大きな位置偏差が生じていたりすると、通常のマニピ
ュレータ操作の開始時にスレーブアームがマスタアーム
との位置偏差を小さくする方向に急激に動作してしまい
、しかもマスタアームにも急激な反力が加わってしまう
ため、非常に危険であることが知られていた。こういっ
た危険を避けるために、マスタ・スレーブマニピュレー
タには「同調モード」と呼ばれる機能を有するものがあ
る。この機能には、原点同調、マスク同調、スレーブ同
調などがあるが、マニピュレータの操作以前にスレーブ
アームとマスタアームの位置が同調するように安全速度
で各アームを駆動し、位置偏差をなくしておくというも
のである。

一方、異構造マスタ・スレーブマニピュレータのマスタ
アームとスレーブアームとが異なる動作範囲を有するこ
とに起因し、最近の異構造マスタ・スレーブマニピュレ
ータでは、スレーブアームの動作範囲を有効に利用しよ
うという観点からも、「基点シフト」などと呼ばれる動
作モードを具備したものが見られる。この機能の実現例
は種々あり、例えばマスク動作限界になった時にスレー
ブアームを固定し、マスタアームのみを基準位置に移動
させる方式や、スレーブアームを固定し、操縦者がマス
タアームを任意の位置に移動させる方式などがある。い
ずれの場合であっても、再びマニピュレータの操作を開
始した際に前述した位置偏差による危険状態は発生せず
、あたかもスレーブの基点がシフトしたかのように、マ
ニピュレータの操作を続行することができる。具体的に
は、マスタアーム側のあらかじめ設定した対応点の現在
位置と、スレーブアーム側のあらかじめ設定した対応点
の現在位置との並進オフセット量を計算することによっ
て、たとえマスタアームとスレーブアームとに位置偏差
があったとしても、マスタアームの現在位置を並進変換
したスレーブアームの目標位置を常にスレーブアームの
現在位置と一致させるようにするというものである。

すなわち「基点シフト」では、ソフトウェアの内部処理
によって、対応点と見かけ上の位置とを同調したことに
なり、前述した「同調モード」の一種と考えることがで
きる。従って、「基点シフト」を用いれば、「同調モー
ド」を不要化することが可能となる。

しかしながら、この「基点シフト」を備えたマスタ・ス
レーブマニピュレータでも、操縦開始前に「同調モード
」と同様の作業が必要であり、操作手続きが簡略化され
たわけではない。また、異構造マスタ・スレーブマニピ
ュレータでは、通常の操縦作業の途中で上記基点シフト
モードを呼び出すという手続きが必要であり、さらに基
点シフトモード終了後、再び通常の操縦モードに戻す手
続きが必要になる。従来これらの手続きはマスタアーム
の動作範囲外に配置されたキーボードやボタンスイッチ
などを操作することによって行われていた。そしてこの
操作を行うにあたり、マニピュレータが両腕型の場合は
もとより、時には片腕型であっても操縦者が一旦マスタ
アームから手を離さなければならなかった。しかし操作
性の良いマスタ・スレーブマニピュレータであればある
程マスタアームから手を離すことは危険であり、」二記
基点シフトモード切り替え時に不用意にマスタアームに
接触してしまったりするとマスタアームが動きだし、こ
れに追従するようにスレーブアームが動作してしまう。

そして場合によってはスレーブアームが周辺の機器を破
損してしまう可能性もある。また、上記基点シフトモー
ド切り替え時には、操縦者が作業対象から目を離してし
まうこともあり、操縦者には細心の注意が要求される一
方、これらモード切り替え操作に十分熟達する必要があ
った。

（発明が解決しようとする課題） 以−にのように従来の異構造マスタ・スレーブマニピュ
レータにおいては、基点シフトモードを設けたものの、
操縦者はその切り替え時に細心の注意が要求されていた
。また、この切り替え操作に十分熟達する必要があった
。

本発明はこういった従来の欠点を解決すべくなされたも
のであり、その目的は、基点シフトモードを安全かつ容
易に選択することができる異構造マスタ・スレーブマニ
ピュレータの提供にある。

［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、軸構造
や軸数の異なるマスタアームとスレーブアームが空間的
に連結されるものであって、マスタアームとスレーブア
ームの対応部位の位置偏差をオフセット量として並進対
応させる並進対応手段を有する異構造マスタ・スレーブ
マニピュレータにおいて、マスタアームの操縦部に設け
られ、操縦者が把持することによりマスタ・スレーブマ
ニピュレータを駆動可能とする第１のスイッチと、マス
タアームの操縦部の前記第１のスイッチ付近に設けられ
、操縦者が把持を行いながら押圧している間、マスタア
ームのみを駆動可能とするとともに前記並進対応手段に
オフセット量の演算を行わせる第２のスイッチと具備し
た異構造マスタ・スレーブマニピュレータとした。

（作用） 上記のような構成とすることにより、マニピュレータの
駆動時に、必ず必要とされる把持動作により、操縦者が
意識することなく第１のスイッチをＯＮとすることがで
き、一方策２のスイッチは第１のスイッチ付近に設けら
れているので、第１のスイッチと同時にしかも容易にＯ
Ｎとすることができる。従って、基点シフトモードを安
全かつ確実に選択することの可能な異構造マスタ・スレ
ーブマニピュレータが提供される。

（実施例） 以下、図面に基づいて本発明を説明する。第１図は本発
明に係る異構造マスタ・スレーブマニピュレータの制御
装置を示す構成図である。ここでマスタアーム１および
スレーブアーム２は、各軸に備えられたモータ駆動部や
モータ、トルク検出器、角度（位置）検出器など公知の
機械的な構成要素、および各軸情報から対応点（対応部
位）での位置および力を算出する座標変換部、指令値を
各関節の指令値に分解する逆変換部などの公知の計算機
構成要素を含んだものである。これらアーム１．２から
は、アーム１．２の座標変換部で変換された対応点の位
置信号および力信号がそれぞれ出力され、マスタアーム
↓は力信号を入力として力制御する力制御部上１により
、モしてスレーブアームは位置信号を入力として位置制
御する位置制御部２１により、力帰還型パイラテラルサ
ーボ系にて空間的に連結されて駆動可能となるように制
御系が構成されている。

これら信号の伝達経路上には、本実施例では計４つの切
り替えリレー３．４，５．６が用意され、位置信号およ
び力信号の伝達をＯＮ、ＯＦＦするような信号の導通制
御が可能な状態に設定されている。具体的に言うと、切
り替えリレー３はマスタアーム１を駆動する力制御信号
の経路上に、切り替えリレー４はスレーブアーム２で算
出した反力情報をマスタアーム１に帰還する力信号の経
路上に、切り替えリレー５はスレーブアーム２を駆動す
る位置制御信号の経路上に、そして切り替えリレー６は
マスタアーム１とスレーブアーム２との位置信号偏差を
並進対応量演算装Ｍ７に取込む経路上に、それぞれ配置
される。尚、切り替えリレー６は、ＯＦＦ状態の時に並
進対応量演算装置７に信′号の導通を行うように設定さ
れている。これら切り替えリレー３．４．５．６（７）
ＯＮ、ＯＦＦは、同図に示すように信号ａ、ｂのＯＮ、
ＯＦＦにより行われる。

一方、並進対応量演算装置１７　（並進対応手段）は、
マスタアーム１の対応点の位置とスレーブアーム２の対
応点の位置とが常に並進対応するように両アーム１，２
の並進オフセット量を算出するものであり、例えば、記
憶装置を用いて両アームの位置偏差を逐次更新するなど
各種手段があるが、ここではマスタアームの位置を並進
対応量演算袋ａ７の現在オフセット量により並進移動さ
せた見かけ上のマスタアーム位置を作成し、この見かけ
上の位置とスレーブ位置との偏差を積分要素からなるフ
ィードバックにより零発生させるもので構成している。

零整定時には、並進対応量演算装置７の積分値として、
両アームの偏差が真のオフセット量として設定される。

上記信号ａ、ｂは、第２図に示されるように、ここでは
ＡＮＤゲートとインバータとからなる信号処理回路８（
信号処理手段）によってその出力の組み合わせが決定さ
れる。ここで同図左側に表示した信号Ａ、Ｂは上記信号
ａ、ｂのＯＮ、ＯＦＦを決定するための基準となる信号
であり、これら信号Ａ、Ｂおよび信号ａ、ｂの関係をま
とめると第１表のようになる。

第１表 ※“ｌ”は信号がＯＮの状態、“０”は信号がＯＦＦの
状態を表す。

従って、信号Ａのみが出力された（ＩＩＩ）の場合を考
えると、第１図では切り替えリレー３．４゜５．６がす
べてＯＮの状態となることがわかる。

これによりマスタアーム１とスレーブアーム２はパイラ
テラル制御にて駆動する一方、並進対応量演算袋［７で
はオフセット量の計算が停止している。また、信号Ａ、
Ｂが共に出力された（ＩＶ）の場合を考えると、切り替
えリレー３のみＯＮとなり、その他の切り替えリレー４
．５．６はすべてＯＦＦとなる。これによりスレーブア
ーム２により算出された反力信号はマスタアームｌに伝
達されず、マスタアームエはユニラテラル制御にて駆動
され、スレーブアーム２はサーボロックされて駆動しな
い。同時に、並進対応量演算装置７は両アーム１．２の
オフセット量を演算する。

次に、上記信号ａ、ｂの導通を支配する信号Ａ。

Ｄについて詳述する。今、どのような状態の時に各アー
ムが駆動可能であるか、またどのような状態の時に基点
シフトが作動するかを信号Ａ、Ｈに対応させてまとめる
と、第２表のようになる。

以　　下　　余　　白 第２表 「スレーブアーム駆動が可能な状態」とは、マスク・ス
レーブ操作を行っている時のみで、それ以外では安全の
ためサーボロックされていることが望ましい。すなわち
Ａ／″ＩＢの時と言える。

一方、「基点シフトが必要な状態」とは、基点シフト要
求時はもとより、同調モードを拡張した意味で、操作開
始前も含む必要がある。すなわちＡＢとなる。

また、「スレーブアーム駆動が可能な状態」と「基点シ
フトの作動可能な状態Ｊは Ａ（ＩＢ　　＝　　ＡＬ／Ｂ からもわかるように論理的に排反関係にある。

また、「マスタアームが駆動可能な状態」とは、マスク
・スレーブ操作時と基点シフト要求時である。ここで「
基点シフト」とは、同調モードを含めず、スレーブ動作
範囲を有効利用するため、スレーブを固定し、マスクを
任意位置に移動させる本来の意味を指す。すなわち、 （Ａ／″ＩＢ）Ｕ　（Ａ／″ＩＢ）＝Ａとなる。そのた
め結局、ＡとＡ／”ｉＢのみを利用することによってマ
ニピュレータの各動作状態を切り替えることができるよ
うになる。

つまり、スレーブアーム２が駆動可能となるためには、
マスタ・スレーブマニピュレータのスイッチがＯＮであ
ってしかも基点シフトモードが選択されていない状態で
なければならない。また、実際に基点シフトが作動する
のは、スレーブアーム２が駆動可能でない全ての状態に
おいてとなる。

（尚、マスタアーム１はマニピュレータのスイッチをＯ
Ｎにすることにより駆動可能となる。）次に、実際に上
記信号Ａ、ＢのＯＮ、ＯＦＦを切り替えるマスタ・スレ
ーブマニピュレータの操縦部について説明する。第３図
はこの操縦部を示す図であり、操縦部１１は操縦者が手
で把持することが可能な形状をなしており、少なくとも
２つのスイッチ１２．１３を具備してなるものである。

ここでスイッチ１２（第１のスイッチ）は信号ＡのＯＮ
、ＯＦＦを切り替えるためのもので、スイッチ１３は信
号ＢのＯＮ、ＯＦＦを切り替えるためのものである。ス
イッチ１２は反射型光電センサであり、操縦者が操縦部
１１の把持部１４を把持することによってその光路を遮
断する位置に設けられる。把持部■４を把持した状態は
操縦者がマスタアーム１の操縦が可能な状態であり、こ
の時に自動的にスイッチ１２がＯＮとなるしくみになっ
ている。スイッチ１３（第２のスイッチ）はバネなどを
用いたモーメンタリ押ボタンであり、操縦者が親指で操
作できる位置に設けられている。

このスイッチ１３は操縦者が押している間だけＯＮとな
り、離すとＯＦＦとなるものである。

以上の構成を備えた本発明の異構造マスタ・スレーブマ
ニピュレータの動作について説明する。

■まず、操縦者が操縦を行わない状態を考えると、スイ
ッチ１２とスイッチ１３とが共にＯＦＦ状態であるので
、信号Ａ、ＢはＯＦＦ状態となる。

信号処理回路８ではこれを受け、（Ａ、Ｂ）＝（０，０
）に対応する（ａ、ｂ）＝　（０，０）ＣＤ信号を切り
替えリレー３．４，５．６に出力する。

従ってマスタ・スレーブマニピュレータは駆動せず、各
アームＬ、２は固定されたままである。

方、並進対応量演算装Ｎ７はＯＮ状態となるので、マス
タアーム１の位置とスレーブアーム２の位置とが常に並
進対応するように並進オフセット量を演算している。

■操縦者が操縦装置１工の把持部１４を把持してマニピ
ュレータの操縦が可能な状態になると、スイッチ１２が
ＯＮとなって信号ＡがＯＮ状態となる。この時点では操
縦者はまだモーメンタリ押ボタン（スイッチ１３）を押
していないので、信号ＢはＯＦＦ状態である。信号処理
回路８ではこれを受け、（Ａ、Ｂ）＝　（１，０）に対
応する（ａ、ｂ）＝　（１，１）の信号を切り替えリレ
ー３．４，５．６に出力する。これによりマスタアーム
１とスレーブアーム２には位置信号および力信号が相互
に伝達され、パイラテラル制御にて駆動が可能な状態に
なる。この時、並進対応量演算装置７はＯＦＦ状態なの
で並進オフセット量の演算は更新されないが、（Ａ、Ｂ
）＝　（０，０）の状態の時にあらかじめ並進オフセッ
ト量が算出されているので、この並進オフセット量を用
いて両アーム１．２が危険状態になることなく駆動され
る。

■操縦者が操縦装置１１の把持部１４を把持しながらモ
ーメンタリ押ボタン（スイッチ１３）を押すと、信号Ａ
、Ｂ共にＯＮ状態となる。信号処理回路８ではこれを受
け、（Ａ、Ｂ）＝　（１，１）に対応する（ａ、ｂ）＝
　（１，Ｏ）の信号を切り替えリレー３．４，５．６に
出力する。すると、マスタアーム１とスレーブアーム２
には位置信号および力信号が相互に伝達されなくなり、
マスタアーム１だけが自らの力信号で操縦可能な状態に
なる。また、並進対応量演算装置７は稼働状態になり、
固定されたスレーブアーム２に対するマスタアームｌの
並進オフセット量を演算する。

■尚、操縦者が操縦装置１１の把持部１４を把持せずに
モーメンタリ押ボタン（スイッチ１３）を押すというこ
とも考えられるが、実際には操縦者が把持部１４を把持
しないで操縦を行うということはない。但し、このよう
な場合にも（ａ、ｂ”。

＝　（０，０）の信号が切り替えリレー３．４．５゜６
に出力されるので、■と同様に各アーム１，２が固定さ
れて操縦不可能な状態が確保される。

以上のように、マニピュレータのスイッチ１２はマニピ
ュレータの駆動時および基点シフトモード選択時に常に
ＯＮであることが必要なため、本発明の如く、操縦者が
マスタアーム１の操縦が可能となる状態を確認するセン
サを用いれば都合がよい。また、基点シフト用のスイッ
チ１３の条件は、必要な時にだけスイッチ１２と共にＯ
Ｎとなること、そして操縦者が安全かつ容易に操作でき
ることであり、本発明の如く、親指で操作するモーメン
タリ押しボタンスイッチを用いれば都合がよい。

そして第１図の制御装置および第２図の信号処理回路８
を用いれば、上記各スイッチ１２．１３のＯＮ、ＯＦＦ
動作を確実にマスタ・スレーブマニピュレータの駆動に
結びつけることができるようになる。

もちろん本発明は上記実施例に限定されるものではない
。例えばマスタ・スレーブマニピュレータとして対称型
、力逆送型によるパイラテラルサーボ系で構成されるも
のに適用してもよい。また、本発明を同構造のマスタ・
スレーブマニピュレータに適用しても構わない。

操縦部１１に関して更に述べると、スイッチ１２は第３
図に示すように操縦者の指の位置を検出するような配置
とすれば、いずれか−本の指が把持を行って握力が作用
している状態でもＯＮとなり、マニピュレータが駆動可
能な状態であることを十分に監視することができる。も
ちろんすべての指が離れればマニピュレータは即座にＯ
ＦＦとなり、その後不用意にマスタアーム１に接触して
もスレーブアーム２が動作してしまうことがない。

そのほかにも第４図に示すように、手の甲に相当する部
分を検知するようにしてもよい。また、スイッチ１２は
第５図に示すように発光部１２Ｂと受光部１２ｂとを別
々に設け、この光路が遮断されることによりスイッチェ
２がＯＮとなるようなものとしてもよい。もちろん、光
センサ以外の他のセンサを利用して検出を行ってもよい
。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば、基点シフトモードを
安全かつ容易に選択することができる異構造マスタ・ス
レーブマニピュレータが提供される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る異構造マスタ・スレーブマニピュ
レータの制御装置を示す構成図、第２図は信号切り替え
制御を行う信号処理回路を示す構成図、第３図乃至第５
図は本発明のマスタアームに設けられる操縦部を示す正
面図である。 ｌ・・・マスタアーム ２・・・スレーブアーム ３．４．５．６・・・切り替えリレー ７・・・並進対応量演算装置（並進対応手段）８・・・
信号処理回路（信号処理手段）１１・・・操縦部 １２．１３・・・スイッチ １４・・・把持部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）軸構造や軸数の異なるマスタアームとスレーブア
   ームが空間的に連結されるものであって、前記マスタア
   ームと前記スレーブアームの対応部位の位置偏差をオフ
   セット量として並進対応させる並進対応手段を有する異
   構造マスタ・スレーブマニピュレータにおいて、 前記マスタアームの操縦部に設けられ、操縦者が把持す
   ることにより前記マスタ・スレーブマニピュレータを駆
   動可能とする第１のスイッチと、前記マスタアームの操
   縦部の前記第１のスイッチ付近に設けられ、操縦者が前
   記把持を行いながら押圧している間、前記マスタアーム
   のみを駆動可能とするとともに前記並進対応手段にオフ
   セット量の演算を行わせる第２のスイッチと、 を具備したことを特徴とする異構造マスタ・スレーブマ
   ニピュレータ。
2. （２）前記マスタアームの駆動指令となる力制御信号を
   導通制御する第１のリレーと、 前記スレーブアームの駆動指令となる位置制御信号を導
   通制御する第２のリレーと、 前記スレーブアームで検出して前記マスタアームに帰還
   する反力信号を導通制御する第３のリレーと、 前記並進対応手段に前記マスタアームと前記スレーブア
   ームの対応部位の位置偏差をオフセット量として更新す
   るための信号を導通する第４のリレーと、 前記第１のスイッチがＯＮの場合に前記第１のリレーと
   前記第２のリレーと前記第３のリレーで信号を導通し、
   前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチがＯＮの
   場合に前記第１のリレーと前記第４のリレーで信号を導
   通するように制御する信号処理手段と、 を有することを特徴とする請求項１記載の異構造マスタ
   ・スレーブマニピュレータ。