JPH0413107B2 - - Google Patents
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- JPH0413107B2 JPH0413107B2 JP59017788A JP1778884A JPH0413107B2 JP H0413107 B2 JPH0413107 B2 JP H0413107B2 JP 59017788 A JP59017788 A JP 59017788A JP 1778884 A JP1778884 A JP 1778884A JP H0413107 B2 JPH0413107 B2 JP H0413107B2
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- slave
- arm
- torque
- signal
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Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の技術分野〕
本発明は、力感覚の伝達性に極めて優れたバイ
ラテラル方式の力帰還型マスタスレーブマニピユ
レータ(自動遠隔操縦装置)に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Technical Field of the Invention] The present invention relates to a bilateral force-feedback type master-slave manipulator (automatic remote control device) that has extremely excellent force sensation transferability.
従来より、例えば放射線レベルの高い環境や有
毒ガス濃度の高い環境での作業を行う場合、その
作業を人間に代わつて代行するマスタスレーブマ
ニピユレータが使用されている。
BACKGROUND ART Conventionally, when working in environments with high radiation levels or high toxic gas concentrations, for example, master-slave manipulators have been used to perform the work in place of humans.
マスタスレーブマニピユレータは、作業環境か
ら隔離された場所においてマスタハンドを操縦
し、作業場所に設置されたスレーブハンドを、あ
たかも人間の腕の如く動作させて作業を行わせる
ものである。従来は、このようなマニピユレータ
として、リンク機構やワイヤ等を用いた機械的な
ものが使用されていたが、機械式のものは操作部
と作業場所との間の距離が制限されてしまうた
め、最近では専ら電気的制御によるマニピユレー
タが用いられるようになつてきた。 A master-slave manipulator operates a master hand in a place isolated from the work environment, and causes a slave hand installed at the work place to operate as if it were a human arm to perform work. Conventionally, such manipulators have been mechanical, using link mechanisms, wires, etc., but mechanical manipulators limit the distance between the operating section and the work area. Recently, manipulators that are exclusively controlled electrically have come to be used.
電気式マスタスレーブマニピユレータにおいて
は、スレーブアーム動作を全てスレーブ側に設け
られたモータによつて行う。したがつて、機械式
と異なり、この場合にはスレーブ側での負荷力を
マスタ側で力感覚としてどれだけ忠実に感じるこ
とができるかが、操作性能を向上させる上で重要
となる。そこで、このような力感覚を比較的良好
に伝達させるようにしたものとして、バイラテラ
ル方式のマスタスレーブマニピユレータが考えら
れている。このバイラテラル方式を分類すると、
対称型と、力逆送型と、力帰還型とに大別され
る。 In an electric master-slave manipulator, all slave arm movements are performed by a motor provided on the slave side. Therefore, unlike the mechanical type, in this case, how faithfully the master side can feel the load force on the slave side as a force sensation is important in improving operational performance. Therefore, a bilateral master-slave manipulator has been considered as a device that can transmit such a force sensation relatively well. This bilateral method can be classified as follows:
It is roughly divided into symmetric type, force reversal type, and force feedback type.
対称型は、マスタアームの軸位置θ1とスレーブ
アームの軸位置θ2との偏差(θ1−θ2)でスレーブ
側位置調整器およびマスタ側位置調整器を制御し
ている。すなわち、スレーブアームには通常の位
置サーボ系と同様にθ2をθ1に一致させる向きのト
ルクをスレーブ側位置調整器で与え、マスタアー
ムにはθ1がθ2より進んでいるときには、θ1を抑え
てθ2に近付ける向きのトルクをマスタ側位置調整
器で与えるようにしている。 In the symmetrical type, the slave side position adjuster and the master side position adjuster are controlled by the deviation (θ 1 −θ 2 ) between the master arm axis position θ 1 and the slave arm axis position θ 2 . In other words, the slave arm is given a torque in the direction of matching θ 2 to θ 1 , similar to a normal position servo system, and the master arm is given θ when θ 1 is ahead of θ 2 . The master side position adjuster applies torque in the direction of suppressing θ 1 and bringing it closer to θ 2 .
力逆送型は、マスタアームとスレーブアームと
の間に通常の位置サーボ系を設けるとともに、ス
レーブアームのトルクを検出し、この検出された
トルクに対応したトルクをマスタアームに与える
ようにしている。 The force reverse type has a normal position servo system installed between the master arm and slave arm, detects the torque of the slave arm, and applies torque corresponding to the detected torque to the master arm. .
一方、力帰還型は、マスタアームとスレーブア
ームとの間に通常の位置サーボ系を設けるととも
に、マスタアームのトルクとスレーブアームのト
ルクとをそれぞれ検出し、両トルク間の偏差を小
さくする向きにマスタアームにトルクを与える力
サーボ系を設けている。 On the other hand, the force feedback type is equipped with a normal position servo system between the master arm and slave arm, and detects the master arm's torque and the slave arm's torque, respectively, and is designed to reduce the deviation between the two torques. It is equipped with a force servo system that applies torque to the master arm.
対称型では、いわゆるサーボ偏差を用いるの
で、サーボ系の構成を簡単にできるが、サーボ偏
差を正確に取り出すことが困難であることからし
て、自重も軽い、軽負荷用のものにしか適用でき
ない。また、力逆送型では、スレーブアームに加
わつているトルクに相当するトルクをマスタアー
ムに与えることができるので重負荷用に適してい
る。一方、力帰還型では、力サーボ系を設けてい
るので、スレーブアームに加わつているトルクと
等しくなるトルクをマスタアームに与えることが
でき、軽負荷の場合は勿論のこと重負荷の場合に
も適用できる。したがつて、3方式の中で、力帰
還型が最も力感覚伝達性能に優れ、軽負荷から重
負荷にも適用でき、しかも無負荷時に操作力が小
さいと言う利点を有している。 The symmetrical type uses so-called servo deviation, which simplifies the configuration of the servo system, but since it is difficult to accurately extract the servo deviation, it can only be applied to light load applications with light weight. . In addition, the force reverse type is suitable for heavy loads because it can apply torque to the master arm that corresponds to the torque applied to the slave arm. On the other hand, the force feedback type is equipped with a force servo system, so it is possible to apply a torque to the master arm that is equal to the torque applied to the slave arm, and can be applied not only in the case of light loads but also in the case of heavy loads. Applicable. Therefore, among the three methods, the force feedback type has the best force sensation transmission performance, can be applied to both light and heavy loads, and has the advantage that the operating force is small when no load is applied.
ところで、力帰還型マスタスレーブマニピユレ
ータは通常第1図に示すように構成されている。 Incidentally, a force feedback type master-slave manipulator is normally constructed as shown in FIG.
すなわち、第1図において1は、例えば遠隔操
縦室に設けられた多関節構造のマスタアームであ
り、また2は作業場所に設置された多関節構造の
スレーブアームである。 That is, in FIG. 1, numeral 1 is a multi-jointed master arm installed in, for example, a remote control room, and 2 is a multi-jointed slave arm installed at a work place.
マスタアーム1は、その先端部に遠隔操縦用の
マスタハンド3を有し、この基端部が減速器4を
介して操作トルク発生用のモータ5と、マスタア
ームの変位を検出する位置検出器6とに接続され
ている。またマスタアーム1の基端部で上記減速
器4の近傍にはマスタアーム1で生ずるトルクを
検出するトルク検出器7が設置されている。 The master arm 1 has a master hand 3 for remote control at its tip, and a motor 5 for generating operating torque at its base end via a decelerator 4 and a position detector for detecting displacement of the master arm. 6. Further, a torque detector 7 for detecting the torque generated in the master arm 1 is installed near the decelerator 4 at the base end of the master arm 1 .
一方スレーブアーム2は、その先端部に作業用
のスレーブハンド8を有し、その基端部が減速器
9を介してアーム駆動用のモータ10と、スレー
ブアーム2の変位を検出する位置検出器11とに
接続されている。またスレーブアーム2の基端部
で上記減速器9の近傍には、スレーブアーム2で
生ずるトルクを検出するトルク検出器12が設け
られている。 On the other hand, the slave arm 2 has a working slave hand 8 at its tip, and its base end connects to a motor 10 for driving the arm via a decelerator 9, and a position detector for detecting displacement of the slave arm 2. 11. Further, a torque detector 12 for detecting the torque generated in the slave arm 2 is provided near the decelerator 9 at the base end of the slave arm 2 .
なお、図中13は、各アームの位置検出器6,
11からの出力信号を導入し、これら両出力信号
の偏差信号を、増幅器14を介してモータ10に
与える減算器である。また、図中15は各アーム
のトルク検出器7,12からの出力信号を導入
し、これら両出力信号の偏差信号を、増幅器16
を介してモータ5に与える減算器である。 In addition, 13 in the figure indicates the position detector 6 of each arm,
This is a subtracter which introduces the output signal from 11 and provides a deviation signal between these two output signals to the motor 10 via the amplifier 14. Further, reference numeral 15 in the figure introduces the output signals from the torque detectors 7 and 12 of each arm, and the deviation signal of these two output signals is input to the amplifier 16.
This is a subtracter that supplies the motor 5 via the subtracter.
このように構成されたマスタスレーブマニピユ
レータは以下の如く動作する。 The master-slave manipulator configured in this manner operates as follows.
すなわち、いまマスタハンド3を角度θnだけ回
転させると、マスタ側の位置検出器6は、減速器
4を介してこれを検出し、位置信号θnを出力す
る。一方、スレーブ側の位置検出器11からはス
レーブハンド8の位置信号θsが出力されている。
これら位置信号θn,θsは減算器13に導入され、
それらの位置偏差信号Δθとなつて増幅器14に
与えられる。増幅器14は、この位置偏差信号
Δθに基づいてスレーブ側のモータ10を駆動す
る。これによつて生じた駆動力は減速器9を介し
てスレーブアーム2に伝達され、スレーブアーム
2が駆動される。この駆動は上記位置偏差信号
Δθが零になるまで行われる。この結果、スレー
ブアーム2はマスタアーム1に追従動作すること
になる。 That is, when the master hand 3 is now rotated by an angle θ n , the position detector 6 on the master side detects this via the decelerator 4 and outputs a position signal θ n . On the other hand, a position signal θ s of the slave hand 8 is output from the position detector 11 on the slave side.
These position signals θ n and θ s are introduced into the subtracter 13,
These position error signals are provided to the amplifier 14 as a position error signal Δθ. The amplifier 14 drives the slave motor 10 based on this position deviation signal Δθ. The driving force generated thereby is transmitted to the slave arm 2 via the speed reducer 9, and the slave arm 2 is driven. This driving is continued until the position error signal Δθ becomes zero. As a result, the slave arm 2 follows the master arm 1.
スレーブアーム2による作業が開始され、この
スレーブアーム2に負荷トルクTsが発生すると、
この負荷トルクTsはスレーブ側のトルク検出器
12に検知される。これにより、トルク検出器1
2はトルク信号τsを出力する。一方、マスタ側の
トルク検出器7からは、マスタ側のトルク信号τn
が出力されている。これらトルク信号τn、τsは減
算器15に入力され、それらのトルク偏差信号
Δτとなつて増幅器16に与えられる。増幅器1
6は、このトルク偏差信号Δτに基づいてマスタ
側のモータ5を駆動する。これによつて生じたト
ルクは減速器4を介してマスタアーム1に伝えら
れる。したがつて、スレーブアーム2で生じた負
荷トルクTsは、マスタアーム1側に操作トルク
Tnとしてフイードバツクされる。この結果、ス
レーブ側での力感覚をマスタ側に伝達させること
ができる。 When work by the slave arm 2 is started and a load torque T s is generated on this slave arm 2,
This load torque T s is detected by the torque detector 12 on the slave side. As a result, the torque detector 1
2 outputs a torque signal τ s . On the other hand, from the master side torque detector 7, the master side torque signal τ n
is being output. These torque signals τ n and τ s are inputted to a subtracter 15 and provided to an amplifier 16 as a torque deviation signal Δτ. amplifier 1
6 drives the motor 5 on the master side based on this torque deviation signal Δτ. The torque generated thereby is transmitted to the master arm 1 via the speed reducer 4. Therefore, the load torque T s generated on slave arm 2 is the operating torque on master arm 1 side.
Feedback is given as T n . As a result, the force sensation on the slave side can be transmitted to the master side.
ところで、この種のマスタスレーブマニピユレ
ータでは、マスタアーム1およびスレーブアーム
2の小型・軽量化、構造の簡単化等を図るため、
通常トルク検出器7,12を始めとする各種機器
を、図示しないモータボツクス内、つまり各アー
ムの基端部に設置するようにしている。このた
め、両アームで検出されるトルクは、両アームの
基端部で生ずるトルクとなる。ところが、本来マ
スタハンド3において生じさせたい操作トルク
Tnは、後述するようにスレーブアーム2の先端、
つまりスレーブハンド8における負荷トルクTs
である。 By the way, in this type of master-slave manipulator, in order to make the master arm 1 and slave arm 2 smaller and lighter, and to simplify the structure,
Usually, various devices including torque detectors 7 and 12 are installed inside a motor box (not shown), that is, at the base end of each arm. Therefore, the torque detected by both arms is the torque generated at the base ends of both arms. However, the operating torque that we originally wanted to generate in master hand 3
T n is the tip of the slave arm 2, as described later,
In other words, the load torque T s on slave hand 8
It is.
すなわち、いまマスタハンド3およびスレーブ
ハンド8の回転角度がそれぞれ微増している状態
を考え、dθ/dt≒0として各アームの慣性力、粘性
トルクを無視すると、マスタ側の操作トルクTn
およひスレーブ側の負荷トルクTsはそれぞれ次
式で表わされる。 In other words, if we consider that the rotation angles of master hand 3 and slave hand 8 are slightly increasing, and if we set dθ/dt≒0 and ignore the inertial force and viscous torque of each arm, then the operating torque on the master side T n
The load torque T s on the slave side is expressed by the following equations.
Tn=Tcn+n・Ttn+n・Tnn ……(1)
Ts=−Tcs−n・Tts+n・Tns ……(2)
ここで、
Tcn:マスタ側のトルク検出器とマスタハンド間
の摩擦トルク
Ttn:マスタ側のトルク検出器とモータ間の摩擦
トルク
Tnn:マスタ側のモータの発生トルク
Tcs:スレーブ側のトルク検出器とマスタハンド
間の摩擦トルク
Tts:スレーブ側のトルク検出器とモータ間の摩
擦トルク
Tns:スレーブ側のモータの発生トルク
n:減速器の減速比
をそれぞれ表わす。また、マスタ側のモータ12
の発生トルクTnnは、
Tnn=a(τs−τn) ……(3)
τn=kn(Tn−Tcn) ……(4)
τs=ks(Ts−Tcs) ……(5)
となる。ここで、
kn:マスタ側のトルク検出器の変換係数
ks:スレーブ側のトルク検出器の変換係数
a:マスタ側モータのアンプゲイン
をそれぞれ示す。 T n = T cn + n・T tn + n・T nn …(1) T s = −T cs −n・T ts + n・T ns …(2) Here, T cn : Torque detector on the master side Friction torque between the master hand and the master hand T tn : Friction torque between the master side torque detector and the motor T nn : Generated torque of the master side motor T cs : Friction torque between the slave side torque detector and the master hand T ts : Friction torque T ns between the torque detector and motor on the slave side : Torque generated by the motor on the slave side n : Represents the reduction ratio of the speed reducer, respectively. In addition, the motor 12 on the master side
The generated torque T nn of _ _ _ _ _ cs ) ...(5). Here, k n : conversion coefficient of the torque detector on the master side k s : conversion coefficient of the torque detector on the slave side a: amplifier gain of the master side motor, respectively.
以上の式からTnは次式のように表わすことが
できる。 From the above equation, T n can be expressed as follows.
Tn=naks/1+naknTs+n/1+na
knTtn+Tcn+naks/1+naknTcs……(6)
ここでkn=ks、nakn≫1とすると(6)式は、
Tn=Ts+1/aknTtn+Tcn+Tcs ……(7)
となる。 T n =nak s /1+nak n T s +n/1+na
k n T tn +T cn +nak s /1+nak n T cs ……(6) Here, if k n =k s and nak n ≫1, equation (6) becomes T n =T s +1/ak n T tn +T cn + T cs ...(7).
このように、従来のマスタスレーブマニピユレ
ータでは、マスタ側の操作トルクTnとスレーブ
側の負荷トルクTsとが一致しておらず、(7)式右
辺第2項〜第4項に示される各所の摩擦トルクが
負荷トルクTsに加算されたものがマスタ側の操
作トルクTnとなつていた。 In this way, in the conventional master-slave manipulator, the operating torque T n on the master side and the load torque T s on the slave side do not match, as shown in the second to fourth terms on the right side of equation (7). The friction torque at each location where the load is applied is added to the load torque T s to form the operating torque T n on the master side.
このように、従来のこの種のマスタスレーブマ
ニピユレータにあつては、アームの小型化・構造
の簡単化やアームの自由度を上げるための関節数
の増加等を図ろうとすると、前述した操作トルク
Tnにおける摩擦トルクが増大し、スレーブ側か
らマスタ側への力感覚の伝達が正確に行われない
という不都合が生じ、これがために操作性の低下
をもたらすという問題があつた。 In this way, in the conventional master-slave manipulator of this kind, when trying to make the arm smaller, simplify the structure, or increase the number of joints to increase the degree of freedom of the arm, the above-mentioned operation is difficult. torque
There was a problem in that the frictional torque at T n increased and the force sensation was not transmitted accurately from the slave side to the master side, resulting in a decrease in operability.
なお、このような問題は、対称型でも起こつて
おり、この問題に対処するために対称型では特開
昭58−132474号公報および特開昭58−132813公報
に示されているように、マスタアームのトルクを
検出し、この検出出力を微分し、この微分信号に
基いて現在の回転方向の摩擦力を解消させるため
の信号を作り、この信号でマスタ側およびスレー
ブ側の位置調整器の入力を調整して摩擦力分を補
償するようにしている。しかし、上記公報に示さ
れているものは、本質的に重負荷用には向かない
対称型を対象にしている。また、補償信号を作る
きつかけをトルク信号を微分した信号で得るよう
にしている。トルク検出器では、ノイズを拾い易
い歪ゲージを使つているので、その検出信号に
は、通常、ノイズ成分が多く含まれている。した
がつて、このノイズの多い信号を使うことに無理
があり、操作性を向上させることが困難であつ
た。 Incidentally, such a problem also occurs in the symmetric type, and in order to deal with this problem, the master master is Detect the torque of the arm, differentiate this detection output, create a signal to eliminate the frictional force in the current direction of rotation based on this differentiated signal, and use this signal as an input to the position adjuster on the master side and slave side. is adjusted to compensate for the frictional force. However, what is shown in the above-mentioned publication is directed to a symmetrical type that is essentially not suitable for heavy loads. Further, the trigger for creating the compensation signal is obtained by using a signal obtained by differentiating the torque signal. Torque detectors use strain gauges that easily pick up noise, so their detection signals usually contain many noise components. Therefore, it is unreasonable to use this noisy signal, and it is difficult to improve the operability.
本発明は、このような問題点に基づきなされた
ものであり、その目的とするところは、本質的に
力感覚伝達性能に優れ、かつ汎用性に富んだ力帰
還型のものを対象にし、マスタアームおよびスレ
ーブアームの大型化、構造の複雑化を招くことな
く、しかもノイズの影響を受けることなしに、上
記各アームの関節部等で発生する摩擦トルクが操
作力に与える影響を消滅させることができ、もつ
て操作性に極めて優れたマスタスレーブマニピユ
レータを提供することにある。
The present invention has been made based on the above-mentioned problems, and its purpose is to apply it to a force feedback type device that inherently has excellent force sensation transmission performance and is highly versatile. It is possible to eliminate the influence of friction torque generated at the joints of each arm on the operating force without increasing the size of the arm and slave arm, complicating the structure, and without being affected by noise. It is an object of the present invention to provide a master-slave manipulator that can be operated and has extremely excellent operability.
本発明は、マスタアームと、スレーブアーム
と、前記マスタアームに発生する負荷トルクを上
記マスタアームの基端部において検出するマスタ
側トルク検出器と、前記スレーブアームに発生す
る負荷トルクを上記スレーブアームの基端部にお
いて検出するスレーブ側トルク検出器と、前記マ
スタアームの位置を検出するマスタ側位置検出器
と、前記スレーブアームの位置を検出するスレー
ブ側位置検出器と、前記マスタアームに力を与え
るマスタ側モータと、前記スレーブアームを駆動
するスレーブ側モータと、前記マスタ側位置検出
器の出力と前記スレーブ側位置検出器の出力との
偏差に応じて前記スレーブ側モータを駆動する手
段と、前記スレーブ側トルク検出器の出力である
スレーブ側トルク信号と前記マスタ側トルク検出
器の出力であるマスタ側トルク信号との偏差に応
じて前記マスタ側モータを駆動する手段とを備え
たバイラテラルサーボ方式の力帰還型マスタスレ
ーブマニピユレータにおいて、前記マスタ側位置
検出器の出力信号を微分して前記マスタアームの
速度および移動方向を求め、上記速度が所定値を
越えたときから上記マスタアームの移動方向に応
じた極性で一定のレベルの補償トルク信号を出力
するマスタ側摩擦補償信号発生手段と、前記スレ
ーブ側位置検出器の出力信号を微分して前記スレ
ーブアームの速度および移動方向を求め、上記速
度が所定値を越えたときから上記スレーブアーム
の移動方向に応じた極性で一定レベルの補償トル
ク信号を出力するスレーブ側摩擦補償信号発生手
段と、前記マスタ側トルク検出器の出力信号に前
記マスタ側摩擦補償信号発生手段の出力信号を加
算してマスタ側トルク信号として出力する第1の
手段と、前記スレーブ側トルク検出器の出力信号
から前記スレーブ側摩擦補償信号発生手段の出力
信号を減算して得られた信号をスレーブ側トルク
信号として出力する第2の手段と、この第2の手
段の出力信号と前記第1の手段の出力信号との偏
差に応じて前記マスタ側モータを駆動する手段と
を備えている。
The present invention includes a master arm, a slave arm, a master side torque detector that detects a load torque generated on the master arm at a base end of the master arm, and a master side torque detector that detects a load torque generated on the slave arm at a base end of the master arm. a slave-side torque detector that detects the position of the master arm at the base end of the slave arm; a master-side position detector that detects the position of the slave arm; and a slave-side position detector that detects the position of the slave arm; a master side motor that provides a master side motor, a slave side motor that drives the slave arm, and means that drives the slave side motor according to a deviation between an output of the master side position detector and an output of the slave side position detector; A bilateral servo comprising means for driving the master motor in accordance with a deviation between a slave torque signal that is the output of the slave torque detector and a master torque signal that is the output of the master torque detector. In a force feedback type master-slave manipulator, the speed and moving direction of the master arm are determined by differentiating the output signal of the master side position detector, and when the speed exceeds a predetermined value, the speed and movement direction of the master arm are determined. a master-side friction compensation signal generation means that outputs a compensation torque signal of a constant level with a polarity depending on the direction of movement; and a speed and movement direction of the slave arm are determined by differentiating the output signal of the slave-side position detector; slave-side friction compensation signal generating means for outputting a compensation torque signal at a constant level with a polarity corresponding to the moving direction of the slave arm from when the speed exceeds a predetermined value; a first means for adding the output signals of the master-side friction compensation signal generation means and outputting the result as a master-side torque signal; and subtracting the output signal of the slave-side friction compensation signal generation means from the output signal of the slave-side torque detector; a second means for outputting the signal obtained as a slave side torque signal, and driving the master side motor according to a deviation between an output signal of the second means and an output signal of the first means. equipped with the means.
本発明によれば、マスタアームの先端部からス
レーブアームの先端部に至る間の装置固有の摩擦
トルクに基づくトルク補償信号で、それぞれのト
ルク検出器から出力されるトルク信号の偏差を修
正するようにしている。このため、各アームにお
ける各トルク検出器の設定位置等に応じて前記ト
ルク補償信号の値を設定すれば、マスタアームの
先端部で得られる操作トルクを、スレーブアーム
の先端部で生ずる負荷トルクと略一致させること
ができる。つまり、摩擦トルクをキヤンセルする
ことができる。このため、操作部では実際の力感
覚に非常に近い操作トルクを得ることができ、操
作性を大幅に向上させることができる。そして、
本発明では特に、マスタ側摩擦補償信号発生手段
およびスレーブ側摩擦補償信号発生手段で、マス
タ側位置検出器およびスレーブ側位置検出器の出
力信号をそれぞれ微分して各アームの速度および
移動方向を検出し、この検出結果に基いてそれぞ
れ一定レベルの補償トルク信号を出力させている
ので、安定した補償動作を行なわせることができ
る。すなわち、位置検出器は、分圧抵抗式のポテ
ンシヨンメータで代表されるように、出力レベル
を大きくできるので、その出力信号に含まれてい
るノイズ成分の割合は極めて小さい。このため、
マスタ側摩擦補償信号発生手段およびスレーブ側
摩擦補償信号発生手段で各アームの動きに正確に
対応した微分信号を得ることがで、各アームの動
きに正確に対応させて補償トルク信号の送出開始
および極性切換を行うことができる。したがつ
て、全体の構成を単純化できるばかりか、安定し
た補償動作を行なわせることができる。
According to the present invention, deviations in the torque signals output from the respective torque detectors are corrected using a torque compensation signal based on the friction torque unique to the device between the tip of the master arm and the tip of the slave arm. I have to. Therefore, by setting the value of the torque compensation signal according to the set position of each torque detector in each arm, the operating torque obtained at the tip of the master arm can be compared with the load torque generated at the tip of the slave arm. It is possible to make them almost match. In other words, friction torque can be canceled. Therefore, the operation section can obtain an operation torque that is very close to the actual force sensation, and the operability can be greatly improved. and,
In particular, in the present invention, the master side friction compensation signal generating means and the slave side friction compensation signal generating means differentiate the output signals of the master side position detector and the slave side position detector, respectively, and detect the speed and moving direction of each arm. However, since a compensation torque signal of a fixed level is outputted based on the detection result, a stable compensation operation can be performed. That is, since the position detector, as typified by a voltage-dividing resistor type potentiometer, can have a large output level, the proportion of noise components contained in its output signal is extremely small. For this reason,
By obtaining a differential signal that accurately corresponds to the movement of each arm using the master-side friction compensation signal generation means and the slave-side friction compensation signal generation means, the transmission of the compensation torque signal can be started and Possible to switch polarity. Therefore, not only can the overall configuration be simplified, but also a stable compensation operation can be performed.
以下、本発明の一実施例につき説明する。第2
図は本実施例に係る力帰還型バイラテラルサーボ
方式のマスタスレーブマニピユレータを示す図で
あり、第3図中、第2図と同一部分には同一符号
を付してある。したがつて重複する部分の説明は
省くことにする。
An embodiment of the present invention will be described below. Second
The figure shows a force feedback bilateral servo type master-slave manipulator according to this embodiment, and the same parts in FIG. 3 as in FIG. 2 are given the same reference numerals. Therefore, we will omit redundant explanations.
本実施例に係るマスタスレーブマニピユレータ
が従来のものと異なる点は、マスタアーム1およ
びスレーブアーム2で生ずる摩擦トルクをキヤン
セルする摩擦補償手段を新たに設けた点にある。
すなわち、図中21,22はマスタアーム1およ
びスレーブアーム2に生ずる摩擦トルクに見合つ
た補償トルク信号TBn、TBsをそれぞれ生成する
摩擦補償回路である。また、図中23は、マスタ
側摩擦補償回路21から出力される補償トルク信
号TBnとマスタ側トルク検出器7から出力される
トルク信号τnとを加算する加算器であり、24は
スレーブ側摩擦補償回路22から出力される補償
トルク信号TBsとスレーブ側トルク検出器12か
ら出力されるトルク信号τsとの差信号を生成する
減算器である。これら加算器23および減算器2
4は、補償トルク信号でトルク信号を修正する手
段を構成する。 The master-slave manipulator according to this embodiment differs from the conventional one in that a friction compensating means for canceling the friction torque generated in the master arm 1 and slave arm 2 is newly provided.
That is, reference numerals 21 and 22 in the figure are friction compensation circuits that generate compensation torque signals T Bn and T Bs commensurate with the friction torque generated in the master arm 1 and slave arm 2, respectively. Further, 23 in the figure is an adder that adds the compensation torque signal T Bn output from the master side friction compensation circuit 21 and the torque signal τ n output from the master side torque detector 7, and 24 is an adder for adding the compensation torque signal T Bn output from the master side friction compensation circuit 21 and the torque signal τ n output from the master side torque detector 7. This is a subtracter that generates a difference signal between the compensation torque signal T Bs output from the friction compensation circuit 22 and the torque signal τ s output from the slave side torque detector 12. These adder 23 and subtracter 2
4 constitutes means for modifying the torque signal with a compensation torque signal.
このように構成された本実施例のものにおい
て、いま加算器23からの出力信号をτn′、減算
器24からの出力信号をτ′sとすると、マスタ側
のモータ5の発生トルクTnnは、
Tnn=a(τ′s−τ′n) ……(8)
となる。ここで
τ′n=kn(Tn−Tcn)+TBn ……(9)
τ′s=ks(Ts+Tcs)+TBs ……(10)
となる。上記(8)〜(10)式および前述した(1)式を用い
るとマスタ側の操作トルクTnは次のように表す
ことができる。 In this embodiment configured as described above, if the output signal from the adder 23 is τ n ′ and the output signal from the subtracter 24 is τ′ s , then the torque generated by the motor 5 on the master side is T nn is T nn =a(τ′ s −τ′ n ) ……(8). Here, τ′ n = k n (T n −T cn ) + T Bn ……(9) τ′ s = k s (T s + T cs ) + T Bs ……(10). Using equations (8) to (10) above and equation (1) above, the operating torque T n on the master side can be expressed as follows.
Tn=naks/1+naknTs+n/1+naknTtn+Tcn+naks/
1+naknTcs−na/1+naknTBn−na/1+naknTBs……
(11)
ここでkn=ks、nakn≫1とすると(11)式は、
Tn=Ts+1/aknTtn+(Tcn−1/k
nTBn)+(Tcs−1/knTBs)……(12)
となる。(12)式において、aおよびknは、それ
ぞれマスタ側の増幅器22およびトルク検出器1
4に固有の値であり、定数である。また、各アー
ムの慣性力および粘性抵抗は殆んど無視すること
ができるので、各アームの摩擦トルクTtn、Tcn、
Tcsも各アームに固有の値となり定数となる。そ
こで、例えば
TBn=knTcn ……(13)
TBs=knTcs ……(14)
となるように補償トルク信号TBn、TBsを設定す
れば
Tn=Ts+1/aknTtn ……(15)
となり、両アームの摩擦トルク分をかなり低減す
ることができる。また、さらに進んで、
TBn=knTcn+1/aTtn ……(16)
となるように補償トルク信号TBnを設定すれば、
Tn=Ts ……(17)
となり、両アームの摩擦トルク分を略完全に相殺
することができる。T n =nak s /1+nak n T s +n/1+nak n T tn +T cn +nak s /
1+nak n T cs −na/1+nak n T Bn −na/1+nak n T Bs ……
(11) Here, if k n = k s , nak n ≫ 1, equation (11) becomes T n = T s +1/ak n T tn + (T cn -1/k
n T Bn ) + (T cs -1/k n T Bs )...(12). In equation (12), a and k n are the master side amplifier 22 and torque detector 1, respectively.
4 and is a constant. In addition, since the inertial force and viscous resistance of each arm can be almost ignored, the friction torque of each arm T tn , T cn ,
T cs also becomes a constant and a value unique to each arm. Therefore, if the compensation torque signals T Bn and T Bs are set so that, for example, T Bn = k n T cn ... (13) T Bs = k n T cs ... (14), then T n = T s + 1/ ak n T tn ...(15) Therefore, the friction torque of both arms can be considerably reduced. Furthermore, if we go further and set the compensation torque signal T Bn so that T Bn = k n T cn + 1/aT tn ... (16), then T n = T s ... (17), and both arms The friction torque can be almost completely canceled out.
次に、摩擦補償回路21,22の具体的構成例
について説明する。 Next, a specific example of the configuration of the friction compensation circuits 21 and 22 will be described.
第3図は、摩擦補償回路21,22を、微分回
路31と摩擦補償関数発生回路32とで構成した
例を示す図である。すなわち、例えば位置検出器
13から出力された位置信号θnは、微分回路31
で微分され速度信号υnとなる。この速度信号υn
は摩擦補償関数発生回路32に導入される。摩擦
補償関数発生回路32は、所定の速度を超えた際
に、アームの移動の向きに応じた極性の定数TBn
を補償トルク信号として出力する。この定数TBn
の大きさは、例えばマニピユレータの運転前に、
前記(13)式または(16)式に示す関係を満すよ
うに予め調整される。一方、スレーブ側において
も、全く同様の手段によつて補償トルク信号TBs
が生成される。 FIG. 3 is a diagram showing an example in which the friction compensation circuits 21 and 22 are configured by a differentiation circuit 31 and a friction compensation function generation circuit 32. That is, for example, the position signal θ n output from the position detector 13 is
is differentiated by and becomes the speed signal υ n . This speed signal υ n
is introduced into the friction compensation function generation circuit 32. The friction compensation function generating circuit 32 generates a polarity constant T Bn according to the direction of movement of the arm when the speed exceeds a predetermined speed.
is output as a compensation torque signal. This constant T Bn
For example, before operating the manipulator, the size of
It is adjusted in advance so as to satisfy the relationship shown in equation (13) or equation (16). On the other hand, on the slave side, the compensating torque signal T Bs is
is generated.
このように、本実施例によれば、マスタアーム
1の移動を微分回路31によつて検知し、移動の
向きに応じた極性の補償トルク信号TBsを得るよ
うにしている。したがつて、各アームで生ずる摩
擦トルク、すなわち(13)式または(16)式の右
辺に相当する値に上記補償トルク信号TBsを設定
すれば、前述した効果を得ることができ、極めて
操作性に優れたマスタスレーブマニピユレータを
提供することができる。 In this manner, according to the present embodiment, the movement of the master arm 1 is detected by the differentiating circuit 31, and a compensation torque signal T Bs having a polarity corresponding to the direction of movement is obtained. Therefore, if the compensation torque signal T Bs is set to a value corresponding to the frictional torque generated in each arm, that is, the right-hand side of equation (13) or (16), the above-mentioned effect can be obtained and the operation becomes extremely easy. It is possible to provide a master-slave manipulator with excellent performance.
なお、本発明は上記実施例に限定されるもので
はない。例えば摩擦補償回路21,22を第4図
に示すように構成してもよい。つまり、この回路
は、第3図に示す回路に補助関数回路33と、ス
イツチ34とを付加したものである。補助関数回
路33は、例えば波高値TBnの数Hzの正弦波、矩
形波、台形波等の交番信号を出力する回路であ
る。スイツチ34は、微分回路31から出力され
る速度信号υnが零のとき、つまり各アームが静
止しているときには上記補助関数回路33からの
出力を選択し、速度信号υnが零でないとき、つ
まり各アームが移動しているときには摩擦補償関
数発生回路32からの出力を選択するように動作
する。 Note that the present invention is not limited to the above embodiments. For example, the friction compensation circuits 21 and 22 may be configured as shown in FIG. In other words, this circuit is obtained by adding an auxiliary function circuit 33 and a switch 34 to the circuit shown in FIG. The auxiliary function circuit 33 is a circuit that outputs an alternating signal such as a sine wave, a rectangular wave, a trapezoidal wave, etc. of several Hz with a peak value T Bn , for example. The switch 34 selects the output from the auxiliary function circuit 33 when the speed signal υ n output from the differentiating circuit 31 is zero, that is, when each arm is stationary, and when the speed signal υ n is not zero, That is, when each arm is moving, it operates to select the output from the friction compensation function generating circuit 32.
このような構成であると、マスタアームの起動
時においても、摩擦トルクの補償をすることがで
き、起動時の寒和感が解消されるという効果を奏
する。 With such a configuration, it is possible to compensate for the frictional torque even when starting the master arm, and the cold feeling at the time of starting is eliminated.
以上の如く本発明はその要旨を逸脱しない範囲
で種々変形して実施することができる。 As described above, the present invention can be implemented with various modifications without departing from the spirit thereof.
第1図は従来のバイラテラルサーボ方式の力帰
還型マスタスレーブマニピユレータの概略構成を
示すブロツク図、第2図は本発明の一実施例に係
るバイラテラルサーボ方式の力帰還型マスタスレ
ーブマニピユレータの概略構成を示すブロツク
図、第3図は同マニピユレータにおける摩擦補償
回路のブロツク図、第4図は本発明の他の実施例
に係るバイラテラルサーボ方式の力帰還型マスタ
スレーブマニピユレータにおける摩擦補償回路を
示す図である。
1……マスタアーム、2……スレーブアーム、
3……マスタハンド、4,9……減速器、5,1
0……モータ、6,11……位置検出器、7,1
2……トルク検出器、8……スレーブハンド、1
3,15,24……減算器、14,16……増幅
器、21,22……摩擦補償回路、23……加算
器、31……微分回路、32……摩擦補償関数発
生回路、33……補助関数回路、34……スイツ
チ。
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a conventional bilateral servo type force feedback type master slave manipulator, and FIG. 2 is a bilateral servo type force feedback type master slave manipulator according to an embodiment of the present invention. FIG. 3 is a block diagram showing a schematic configuration of the manipulator, FIG. 3 is a block diagram of a friction compensation circuit in the same manipulator, and FIG. 4 is a bilateral servo type force feedback type master-slave manipulator according to another embodiment of the present invention. FIG. 3 is a diagram showing a friction compensation circuit in FIG. 1...Master arm, 2...Slave arm,
3...Master hand, 4,9...Decelerator, 5,1
0...Motor, 6,11...Position detector, 7,1
2...Torque detector, 8...Slave hand, 1
3, 15, 24...Subtractor, 14, 16...Amplifier, 21, 22...Friction compensation circuit, 23...Adder, 31...Differential circuit, 32...Friction compensation function generation circuit, 33... Auxiliary function circuit, 34... switch.
Claims (1)
スタアームに発生する負荷トルクを上記マスタア
ームの基端部において検出するマスタ側トルク検
出器と、前記スレーブアームに発生する負荷トル
クを上記スレーブアームの基端部において検出す
るスレーブ側トルク検出器と、前記マスタアーム
の位置を検出するマスタ側位置検出器と、前記ス
レーブアームの位置を検出するスレーブ側位置検
出器と、前記マスタアームに力を与えるマスタ側
モータと、前記スレーブアームを駆動するスレー
ブ側モータと、前記マスタ側位置検出器の出力と
前記スレーブ側位置検出器の出力との偏差に応じ
て前記スレーブ側モータを駆動する手段と、前記
スレーブ側トルク検出器の出力であるスレーブ側
トルク信号と前記マスタ側トルク検出器の出力で
あるマスタ側トルク信号との偏差に応じて前記マ
スタ側モータを駆動する手段とを備えたバイラテ
ラルサーボ方式の力帰還型マスタスレーブマニピ
ユレータにおいて、前記マスタ側位置検出器の出
力信号を微分して前記マスタアームの速度および
移動方向を求め、上記速度が所定値を越えたとき
から上記マスタアームの移動方向に応じた極性で
一定レベルの補償トルク信号を出力するマスタ側
摩擦補償信号発生手段と、前記スレーブ側位置検
出器の出力信号を微分して前記スレーブアームの
速度および移動方向を求め、上記速度が所定値を
越えたときから上記スレーブアームの移動方向に
応じた極性で一定レベルの補償トルク信号を出力
するスレーブ側摩擦補償信号発生手段と、前記マ
スタ側トルク検出器の出力信号に前記マスタ側摩
擦補償信号発生手段の出力信号を加算してマスタ
側トルク信号として出力する第1の手段と、前記
スレーブ側トルク検出器の出力信号から前記スレ
ーブ側摩擦補償信号発生手段の出力信号を減算し
て得られた信号をスレーブ側トルク信号として出
力する第2の手段と、この第2の手段の出力信号
と前記第1の手段の出力信号との偏差に応じて前
記マスタ側モータを駆動する手段とを具備してな
ることを特徴とするマスタスレーブマニピユレー
タ。1 A master arm, a slave arm, a master side torque detector that detects the load torque generated on the master arm at the base end of the master arm, and a master side torque detector that detects the load torque generated on the slave arm at the base end of the slave arm. a slave side torque detector that detects the position of the master arm; a master side position detector that detects the position of the slave arm; and a master side that applies force to the master arm. a motor, a slave-side motor that drives the slave arm, means for driving the slave-side motor in accordance with a deviation between the output of the master-side position detector and the output of the slave-side position detector, and the slave-side motor. A bilateral servo type force comprising: means for driving the master side motor according to a deviation between a slave side torque signal that is an output of a torque detector and a master side torque signal that is an output of the master side torque detector. In the feedback type master-slave manipulator, the output signal of the master-side position detector is differentiated to determine the speed and movement direction of the master arm, and when the speed exceeds a predetermined value, the movement direction of the master arm is changed. A master-side friction compensation signal generating means outputs a compensation torque signal of a constant level with a corresponding polarity, and the output signal of the slave-side position detector is differentiated to determine the speed and moving direction of the slave arm, slave-side friction compensation signal generating means for outputting a compensation torque signal at a constant level with a polarity corresponding to the moving direction of the slave arm when the value exceeds the slave arm; a first means for adding the output signals of the signal generating means and outputting the result as a master side torque signal; and a first means for adding the output signals of the signal generating means and outputting the resultant signal as a master side torque signal; and means for driving the master motor in accordance with the deviation between the output signal of the second means and the output signal of the first means. A master-slave manipulator characterized by:
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1778884A JPS60167780A (en) | 1984-02-03 | 1984-02-03 | Master slave manipulator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1778884A JPS60167780A (en) | 1984-02-03 | 1984-02-03 | Master slave manipulator |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60167780A JPS60167780A (en) | 1985-08-31 |
| JPH0413107B2 true JPH0413107B2 (en) | 1992-03-06 |
Family
ID=11953452
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1778884A Granted JPS60167780A (en) | 1984-02-03 | 1984-02-03 | Master slave manipulator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS60167780A (en) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62102980A (en) * | 1985-10-28 | 1987-05-13 | 株式会社東芝 | Control system of master/slave manipulator |
| JPS63162172A (en) * | 1986-12-25 | 1988-07-05 | 工業技術院長 | Operating force reducer for master hand |
| WO2005009692A1 (en) * | 2003-07-29 | 2005-02-03 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Robot arm control method and control device |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS58132474A (en) * | 1982-02-03 | 1983-08-06 | 日本原子力発電株式会社 | Compensator for frictional force |
| JPS58132813A (en) * | 1982-02-03 | 1983-08-08 | Japan Atom Power Co Ltd:The | Bilateral servo device |
-
1984
- 1984-02-03 JP JP1778884A patent/JPS60167780A/en active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS60167780A (en) | 1985-08-31 |
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