JPH0428507B2 - - Google Patents
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- JPH0428507B2 JPH0428507B2 JP58017478A JP1747883A JPH0428507B2 JP H0428507 B2 JPH0428507 B2 JP H0428507B2 JP 58017478 A JP58017478 A JP 58017478A JP 1747883 A JP1747883 A JP 1747883A JP H0428507 B2 JPH0428507 B2 JP H0428507B2
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- JP
- Japan
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- signal
- slave
- master
- manipulator
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Description
〔発明の利用分野〕
本発明はマニピユレータの動作範囲制限装置に
係り、特に原子力発電プラントなどにおける、人
の近接が困難な作業を速隔操作で実施するための
マスタ・スレーブマニピユレータの動作を、操作
性を損うことなく適切な範囲に制限できる動作範
囲制限装置に関する。
〔従来技術〕
マニピユレータの腕は、周知のように関節によ
つて駆動されるが、その動作範囲は、腕がマニピ
ユレータの他の機構部や他物体に衝突しないよう
に制御される必要がある。このためのマニピユレ
ータ関節の動作範囲制限機構の従来例としては、
例えば特開昭53−17880がある。この機構は、腕
の関節角を制御する位置制御系の中で、動作範囲
の境界値を示す位置信号と腕の関節角の目標信号
を比較して、もし目標信号がその境界値を越えた
場合に、目標信号を現在の値に保持し、腕の関節
角を現在位置に停止するように位置制御するもの
である。しかし、この方法では、腕の関節を再び
動作範囲に復帰させて正常に動作させるための機
構が備わつていないため、関節角が動作範囲外に
動いたとき、その復帰が困難であるという問題点
がある。
また、操作員の手動操作によるマスタマニピユ
レータの動きに応じてスレーブマニピユレータが
遠隔操縦されるように構成されたマスタ・スレー
ブ方式のマニピユレータの場合には、スレーブマ
ニピユレータの関節状態が動作範囲外に入つたと
き、それを制御コンソール上のランプ等で操作員
に教示する方法が知られていた。しかし、この方
法では操作員がマスタマニピユレータの先端をも
つて操作している関係上、どの方向に動かせば、
関節が動作範囲内に復帰するのかわかりにくいと
いう問題点があつた。特に2つ以上の関節が動作
範囲外に入つた場合、動作範囲内への復帰が非常
に難しくなり、この問題は一層深刻になる。同時
に、操作員が一時遠隔操作による作業を中断し、
作業対象から制御コンソール上のランプ等に視線
を動かさねばならず、操作性が悪いという欠点が
あつた。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、マニピユレータの腕の関節角
が、あらかじめ設定された動作範囲外に入つたと
き、これを容易に、かつ速やかに動作範囲内に復
帰させることのできるマスタ・スレーブ方式のマ
ニピユレータの動作範囲制限装置を提供すること
にある。
〔発明の概要〕
本発明は、いずれかのマニピユレータの腕があ
らかじめ設定された動作範囲を越えた瞬間に、ス
レーブマニピユレータをその位置に停止させると
同時に、人間が操縦するマスタマニピユレータを
動作範囲内の方向へ動かせるトルクを発生する機
能を付加し、このトルクを操作員が衝撃力として
感じることにより動作範囲をこえた関節とその復
帰のための操作方向を容易に感知できるように
し、これによつて各関節の動作範囲内への復帰を
容易にしたことを特徴とするものである。
〔発明の実施例〕
以下、本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。第1図は本発明を適用するマスタ・スレーブ
マニピユレータの全体構成を示したものであり、
互いに相似な形状のマスタマニピユレータ1及び
スレーブマニピユレータ2と、制御装置3とモニ
タテレビ4とから構成される。マニピユレータ
1,2は、人間の腕に類似した構造であり、それ
ぞれ、ベース部11,21と、ベース部の一端に
ある肩関節12,22でベース部11,21に連
結された上腕13,23と、上腕13,23の一
端にある肘関節14,24で上腕13,23に連
結された前腕15,25と、前腕の先端にある手
首関節16,26とを有する。マスタマニピユレ
ータ1のベース部11はその上端が架台10に連
結されており、スレーブマニピユレータ2のベー
ス部21はその下端が走行車20に連結されてい
る。マスタの手首関関16には、指部を含んだハ
ンドル17が連結されている。スレーブ手首関節
26には、指部27が連結されている。マニピユ
レータ1及び2は、第1図の矢印及び表1に示す
よう
[Field of Application of the Invention] The present invention relates to a device for restricting the operating range of a manipulator, and particularly to a device for controlling the operation range of a master/slave manipulator for performing work in nuclear power plants or the like where it is difficult for humans to approach. , relates to a motion range limiting device that can limit the range to an appropriate range without impairing operability. [Prior Art] As is well known, the arm of a manipulator is driven by a joint, but its range of motion needs to be controlled so that the arm does not collide with other mechanical parts of the manipulator or other objects. Conventional examples of mechanisms for limiting the range of motion of manipulator joints for this purpose include:
For example, there is JP-A-53-17880. This mechanism compares the position signal indicating the boundary value of the movement range with the target signal of the arm joint angle in the position control system that controls the joint angle of the arm, and if the target signal exceeds the boundary value. In this case, the target signal is held at the current value and the joint angle of the arm is controlled to stop at the current position. However, this method does not have a mechanism for returning the arm joints to the range of motion and allowing them to function normally, so it is difficult to restore the joint angles when they move out of the range of motion. There is a problem. In addition, in the case of a master-slave type manipulator, in which the slave manipulator is configured to be remotely controlled according to the movement of the master manipulator manually operated by the operator, the joint state of the slave manipulator is A known method is to use a lamp or the like on a control console to notify the operator when the operating range has been exceeded. However, with this method, the operator is operating the master manipulator by the tip of the master manipulator.
The problem was that it was difficult to tell whether the joint would return to its range of motion. In particular, if two or more joints fall outside the range of motion, it becomes very difficult to return them to the range of motion, making this problem even more serious. At the same time, the operator temporarily suspends work by remote control,
This had the disadvantage of poor operability, as the user had to move his/her line of sight from the work object to the lamps, etc. on the control console. [Object of the Invention] An object of the present invention is to provide a master controller that can easily and quickly return the joint angle of the arm of the manipulator to within the operating range when it falls outside the preset operating range. An object of the present invention is to provide a device for limiting the operating range of a slave-type manipulator. [Summary of the Invention] The present invention allows the slave manipulator to stop at that position at the moment the arm of any manipulator exceeds a preset range of motion, and at the same time stops the master manipulator operated by a human being. A function is added to generate a torque that allows movement within the range of motion, and the operator feels this torque as an impact force, allowing the operator to easily sense joints that have exceeded the range of motion and the direction of operation to return them. This feature makes it easy to return each joint to its range of motion. [Embodiments of the Invention] Examples of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows the overall configuration of a master/slave manipulator to which the present invention is applied.
It is composed of a master manipulator 1 and a slave manipulator 2 that are similar in shape to each other, a control device 3, and a monitor television 4. The manipulators 1 and 2 have a structure similar to a human arm, and include base parts 11 and 21, and upper arms 13 and 23 connected to the base parts 11 and 21 at shoulder joints 12 and 22 at one end of the base parts, respectively. , forearms 15, 25 connected to the upper arms 13, 23 at elbow joints 14, 24 at one end of the upper arms 13, 23, and wrist joints 16, 26 at the tips of the forearms. The upper end of the base portion 11 of the master manipulator 1 is connected to the frame 10, and the lower end of the base portion 21 of the slave manipulator 2 is connected to the traveling vehicle 20. A handle 17 including finger parts is connected to the master's wrist link 16. A finger portion 27 is connected to the slave wrist joint 26 . Manipulators 1 and 2 are arranged as shown in the arrows in Fig. 1 and in Table 1.
【表】
な、M1〜M7及びS1〜S7の7自由度を有してい
る。すなわち、M1(S1)は、ベース部11,21
がその中心軸の回りに架台10(走行車20)に
関して相対的に回転する動作を表わし、M2、M3
(S2、S3)は、上腕13,23、前腕15,25
が肩関節12,22、肘関節14,24を中心に
鉛直面内に回転する動作をそれぞれ表わす。ま
た、M4、M5、M6(S4、S5、S6)は、指部17,
27が手首関節16,26に対して任意の姿勢を
とることができるような回転モードを表わす。
M7(S7)は、物を把握するための指の開閉動作を
表わす。
このようなマニピユレータの操縦方法及び動作
の概要は次の通りである。操縦者5は、モニタテ
レビ4に写るスレーブマニピユレータ2の映像を
みながら、マスタマニピユレータ1を操作するこ
とによつて、スレーブマニピユレータ2を位置制
御する。すなわち、操縦者5は、ハンドル17を
握つて、マスタマニピユレータ1の先端を動かす
ことにより、マスタマニピユレータの各関節が動
き、この動きに伴つてスレーブマニピユレータ2
の各関節が、マスタマニピユレータ1の各関節に
追髄する。この結果、マスタマニピユレータ1と
スレーブマニピユレータ2の各関節姿勢は互いに
相似な形状を保持されるので、操縦者5は、マス
タマニピユレータの姿勢から、スレーブマニピユ
レータの姿勢を直感的に知ることができる。同時
に、外部からスレーブマニピユレータ2に加わつ
ている力が、力センサ等によつて検出され、マス
タマニピユレータ1の各関節を駆動するモータに
フイードバツクされるので、各関節には、外力に
応じた反力が発生する。その結果、操縦者5は、
スレーブマニピユレータ2に加えられている力を
感じとりながら操縦できる。
以上のような動作を実現するための関節の制御
機構は、第2図に示されるように、マスタとスレ
ーブの互いに対応する一関節系毎に独立に制御さ
れる。すなわち、マスタマニピユレータ1側のマ
スタベース回転用モータ31a、位置検出器41
a、力検出器51aと、スレーブマニピユレータ
2側のスレーブベース回転用モータ31b、位置
検出器41b、力検出器51bと、制御装置3内
のサーボ演算器61とから、ベース回転の関節系
の制御機構が構成される。以下、同様にマスタ側
のマスタ肩関節用モータ32a、位置検出器42
a、力検出器52aと、スレーブ側のスレーブ上
腕振り用モータ32b、位置検出器42b、力検
出器52bと、制御装置3内のサーボ演算器62
とから上腕振り用関節系が構成され、マスタ側の
マスタ指開閉用モータ37a、位置検出器47
a、力検出器57aと、スレーブ側のスレーブ指
開閉用モータ37b、位置検出器47b、力検出
器57bと、制御装置3内のサーボ演算器67と
からなる指開閉用関節系に至るまで同様な構成で
ある。これらの関節制御系は、第1図に示される
如く外見は異なるが、その制御の基本となるサー
ボ機構は同一である。
本発明の動作範囲制御装置は、上記のサーボ演
算器61〜67内に組込まれるが、どの関節系も
同様であるので、ここでは第3図に示されるベー
ス回転用一関節系の実施例によつて説明する。第
3図に於て、マスタ側機構部は、図示されていな
い減速機を含んだ伝達機構によつて、関節軸に連
結されたモータ31aと、関節軸に加えられてい
る軸回りのトルクを検出する力検出器51aと、
関節軸の回転角を検出する位置検出器41aとで
構成される。また、スレーブ側の機構部は、マス
タ側と同様の構成をしており、モータ31b、力
検出器51b、位置検出器41bを有する。これ
らの各機構部以外の第3図の回路がサーボ演算部
61に属する部分であつて、力検出器51a,5
1bの出力信号203,204の差を算出する減
算器113と、スレーブの位置目標信号209と
現在位置信号201とを減算する減算器114
と、PID制御回路115と、マスタ側及びスレー
ブ側のモータを駆動するアンプ116a,116
bと、本発明を構成する動作範囲制限回路127
(一点鎖線内)とから構成される。動作範囲制限
回路127は、動作範囲検出回路117とゲート
回路118の反力発生回路119と、反力発生回
路119の出力信号210と力偏差信号205と
を切換えるスイツチ120aと、マスタ現在位置
信号200とスレーブ目標信号をラツチした信号
209bを切り換えるスイツチ120bと、スレ
ーブ目標信号209をラツチするラツチ回路12
1とから構成されるものである。
動作範囲検出回路117は、第4図に示される
ように動作範囲の上限を規定するメモリ122a
と、その下限を規定するメモリ122bと、この
それぞれのメモリから出力される上限信号211
と下限信号212とマスタ現在位置信号200と
をそれぞれ比較する比較器123a,123bと
から構成される。反力発生回路119は、第5図
に示されるように動作範囲内の方向に働く反力の
大きさを規定するメモリ124a,124bと、
それぞれの出力信号213,214の出力をオン
オフするスイツチ125a,125bと、このス
イツチの出力信号を加算する加算器126とから
構成されるものである。
以下第3〜第5図に示した関節系の動作を、最
初に力帰還型バイラテラルサーボ系の動作から説
明する。マスタ側の関節角の位置とスレーブ側の
関節角の位置は、それぞれの位置検出器41a,
41bによつて現在位置信号200,201とし
て検出され、減算器114を介して位置偏差信号
202に変換される(この時120bは信号20
0を選択)。位置偏差信号202は、PID制御回
路115と増幅器116bを経て、モータ31b
に入力される。そうするとモータ31bが回転し
て位置信号201が変化し、結局位置偏差信号2
02が0になるように制御される。従つて、操作
員がマスタ側関節を操作すると、スレーブ側関節
はマスタ側関節に追従して動くように位置制御さ
れる。
同時に、マスタ側及びスレーブ側に外部から加
えられている力は、それぞれの力検出器41a,
41bによつて現在トルク信号203,204と
して検出され、減算器113を介してトルク偏差
信号205に変換される。トルク偏差信号205
は、スイツチ120a及び増幅器116aを経て
モータ31aに入力される。従つて、モータ31
aは、トルク偏差信号205が0になるように制
御される。この結果、外部からスレーブ側に加え
られた力が、マスタ側に伝達され、操作員はスレ
ーブ側に加えられている力を反力の形で感じとる
ことができる。
次に、本発明の主要部をなす動作範囲制限装置
の動作を説明する。マスタ側関節角の動作範囲の
上限及び下限(各々動作範囲の境界値)をあらか
じめ第4図の各々のメモリ122a,122bに
書き込んで置き、その出力信号211,212を
比較器123a,123bに入力し、かつマスタ
側関節の現在位置信号200を各々の比較器12
3a,123bに入力する。マスタ側現在位置信
号200が上限信号211より大きい場合には、
比較器123aの論理信号206は1になる。そ
れ以外の場合は0のままである。同様にマスタ側
現在位置信号200が下限信号212より小さい
場合には比較器123bの論理信号207は1に
なり、それ以外の場合は0のままである。これら
の論理信号206,207は、第5図に示す反力
発生回路に入力され、マスタ側関節が動作範囲内
にあるときには、反力信号213,214を遮断
するスイツチ125a,125bのゲート信号に
用いられる。また、論理信号206と207は第
3図のオア回路118を介して、スイツチ120
a,120bのゲート信号208として用いられ
る。もし、マスタ側関節角が動作範囲内にあると
きは、動作範囲検出回路117の出力である論理
信号206,207は前述のように共に0状態に
あり、オア回路118の出力であるゲート信号2
08も0状態になり、スイツチ120aは、トル
ク偏差信号205をその出力信号215とし、か
つスイツチ120bはマスタ現在位置信号200
をその出力であるスレーブ目標位置信号209と
する。この結果、全体のサーボ系としては、前述
の力帰還型バイラテラルサーボ系が構成され、マ
ニピユレータは通常操作状態になる。しかし、も
しマスタ側関節が動作範囲の上限を越えたときに
は、論理信号206が1になり、ゲート信号20
8も1状態になる。このとき、スイツチ120b
は、マスタ現在位置信号200を切り離し、ラツ
チ回路121の出力信号209bを出力する。こ
の出力信号209bは、マスタ関節が動作範囲外
に入る直前のスレーブ目標位置信号209の値を
ラツチしたものであり、マスタ関節が動作範囲内
に戻されてゲート信号208が0になるまでスレ
ーブ目標位置信号209として出力されるので、
スレーブ側関節が現在位置(マスタ関節が動作範
囲外に入る直前の位置)に停止するように位置制
御され、スレーブ関節は動作範囲外へ出ることは
ない。同時に、論理信号206が1になつている
ので、反力発生回路119内のスイツチ125a
がオン状態となり(第5図)、反力指令信号21
3が、加算回路126を経て、反力発生回路11
9の出力信号210として出力される。そしてス
イツチ120aは、ゲート信号208が1になつ
ていることにより、トルク偏差信号205を切り
離し、反力指令信号210をトルク指令信号21
5として出力する。この結果、マスタ側モータ3
1aは、再びマスタ側関節が動作範囲内に入るま
での間、動作範囲内の方向に一定トルクが発生す
るように制御される。従つて、操作員はこのトル
クを感知することによつて容易に復帰方向の操作
(例えば力をゆるめてトルクにより自然に動く方
向へ動かしておく)を行える。マスタ側関節が、
動作範囲の下限をこえたときも全く同様に処理さ
れるので説明は省略する。
本実施例によれば、マスタ側関節角で規定され
た動作範囲外へマスタ側関節が入つた場合に、ス
レーブ側関節は所要の動作範囲外へ動くことは自
動的に防止され、かつマスタ側関節の動作範囲内
への復帰操作も容易に行えるという効果がある。
また、本発明の一実施例として、第4図に示す動
作範囲検出回路117の入力信号として、マスタ
側関節の現在位置信号200の代りに、スレーブ
側関節の現在位置信号201を用いるように構成
しても同様の効果が得られる。
第6図は、第3図の動作範囲検出回路117の
別の実施例を示すもので、第4図の回路に、スレ
ーブ側関節の動作範囲の上限と下限を規定するメ
モリ122c,122dと、比較器123c,1
23dと、オア回路128a,128bとを付加
し、入力信号として、スレーブ側関節の現在位置
信号201を付加することによつて、マスタ側と
スレーブ側の関節のいずれか一方でも動作範囲外
に入れば、前述のようにスレーブ側関節を停止さ
せて、同時にマスタ側関節に動作範囲内の方向に
反力を発生させるようにしたものである。本実施
例によれば、何らかの理由で、マスタ側とスレー
ブ側の位置の相似関係が崩れた状態でも、マスタ
側、スレーブ側を問わずにどの関節が動作範囲外
に入つた場合でもその復帰を容易に行えるという
効果がある。
以上の実施例は、第1表に示した各動作モード
M1〜M7(S1〜S7)を独立に規制することを前提
としたものであるが、このモード複数個を考慮し
て規制することもできる。第7図は、本発明の他
の実施例を示すもので、第3図に示される動作範
囲検出回路117を、第7図に示される演算処理
ユニツト140で置き換えたもので、動作モード
M2(S2)の制限を目的としたものである。演算処
理ユニツト140は、座標演算ユニツト141、
空間微分演算ユニツト142a,142b、論理
演算ユニツト143a,143bとオア回路14
4a,144bとから構成される。演算処理ユニ
ツト140の入力信号は、第3図の場合のよう
に、肩関節の位置検出器42a又は42bの出力
信号20のみでなく、肘関節の位置信号221も
入力としており、その出力信号は、第3図と同様
に作動範囲の上限を越えた事を示す論理信号24
2(信号206に対応)と、その下限を越えた事
を示す論理信号244(信号207に対応)であ
る。
以下、各部の動作について説明する。まず、第
1図の肩関節12,22、肘関節14,24、及
び手首関節16,26の回転中心を、それぞれ第
8図に示すように肩関節中心310、肘関節中心
312、及び手首関節中心314とすると、これ
ら3点は常に同一垂直面300内にある(この垂
直面300は第1表に示したベース回転M1又は
S1により回転する)。そこでこの垂直面300上
に、肩関節中心310を原点(同じく310と呼
ぶ)とし、この原点310から、肩関節の現在位
置信号220が零の時の肘関節中心312へ向う
直線を正のX軸方向とし、かつこの正のX軸方向
を原点310を中心に反時計方向に90゜回転した
方向を正のY軸方向とする直交座標系を考える。
そうすると一般に、肩関節の位置信号220は、
肘関節中心312と原点310とを結ぶ直線31
3とX軸とのなす角θ1で与えられる。また、肘関
節の位置信号221が零のときに、手首関節中心
314が直線313上にくるように初期条件を決
めると、一般には位置信号221は、手首関節中
心314と肘関節中心312とを結ぶ直線315
と、直線313とのなす角θ2で与えられる。そし
て第8図の直交座標系(X、Y)に関して、手首
関節中心314の座標値(XR、YR)は次のよう
になる;
XR=l1cosθ1+l2cos(θ1+θ2)
YR=l1sinθ1+l2sin(θ1+θ2) ……(1)
ここで、l1、l2は点310と点312及び点3
12と点314の間の長さであつて、これらは第
1図の上腕13,23及び前腕15,25の長さ
に相当した固定長である。従つて、第7図の座標
演算ユニツト141では、入力信号220,22
1で与えられるθ1、θ2を用いて上式に基づく演算
が実施され、XRに対応する信号240a,YRに
対応する信号240bが出力される。
空間微分演算ユニツト142a,142bで
は、肩関節θ1に関する座標値XR,YRの微分値
∂XR/∂θ1=−{l1sinθ1+l2sin(θ1+θ2)}……
(2)
∂YR/∂θ1=l1cosθ1+l2cos(θ1+θ2) ……(3)
が、入力信号220(θ1),240a(XR),24
0b(YR)を用いて計算され、信号250a,2
50bとして出力される。
論理演算ユニツト143aでは、XR、∂XR/∂θ1に
対応する240a,250aを入力して論理演算
が実行され、第2表に示すような論理信号246
a,248aが出力される。但し、手首関節のX
座標XRの動作範囲の上限をXU、下限をXLとす
る。[Table] It has 7 degrees of freedom, M 1 to M 7 and S 1 to S 7 . That is, M 1 (S 1 ) is the base portion 11, 21
represents the movement of rotating around its central axis relative to the frame 10 (traveling vehicle 20), and M 2 , M 3
(S 2 , S 3 ) are upper arm 13, 23, forearm 15, 25
represents the movement of rotation in the vertical plane around the shoulder joints 12, 22 and the elbow joints 14, 24, respectively. Furthermore, M 4 , M 5 , M 6 (S 4 , S 5 , S 6 ) are the finger portions 17,
27 represents a rotation mode in which an arbitrary posture can be taken with respect to the wrist joints 16, 26.
M 7 (S 7 ) represents the opening and closing motion of fingers to grasp an object. An outline of the operation method and operation of such a manipulator is as follows. The operator 5 controls the position of the slave manipulator 2 by operating the master manipulator 1 while viewing the image of the slave manipulator 2 displayed on the monitor television 4 . That is, by grasping the handle 17 and moving the tip of the master manipulator 1, the operator 5 moves each joint of the master manipulator 1, and with this movement, the slave manipulator 2 moves.
Each joint of the master manipulator 1 is connected to each joint of the master manipulator 1. As a result, the joint postures of the master manipulator 1 and slave manipulator 2 are maintained in similar shapes, so the operator 5 can intuitively determine the posture of the slave manipulator from the posture of the master manipulator. can be known in detail. At the same time, the force applied to the slave manipulator 2 from the outside is detected by a force sensor, etc., and fed back to the motor that drives each joint of the master manipulator 1. A corresponding reaction force is generated. As a result, the pilot 5
The slave manipulator 2 can be operated while feeling the force being applied to it. As shown in FIG. 2, the joint control mechanism for realizing the above-mentioned operations is independently controlled for each corresponding joint system of the master and slave. That is, the master base rotation motor 31a and the position detector 41 on the master manipulator 1 side
a, a joint system for base rotation from the force detector 51a, the slave base rotation motor 31b on the slave manipulator 2 side, the position detector 41b, the force detector 51b, and the servo calculator 61 in the control device 3; A control mechanism is constructed. Similarly, the master shoulder joint motor 32a and position detector 42 on the master side are explained below.
a, a force detector 52a, a slave upper arm swing motor 32b on the slave side, a position detector 42b, a force detector 52b, and a servo calculator 62 in the control device 3;
A joint system for swinging the upper arm is constituted by a motor 37a for opening and closing the master finger on the master side, and a position detector 47.
a, the finger opening/closing joint system consisting of the force detector 57a, the slave finger opening/closing motor 37b, the position detector 47b, the force detector 57b, and the servo calculator 67 in the control device 3 is the same. It is a composition. Although these joint control systems differ in appearance as shown in FIG. 1, the servo mechanism that is the basis of their control is the same. The motion range control device of the present invention is incorporated into the above-mentioned servo computing units 61 to 67, but since all joint systems are the same, the embodiment of the one-joint system for base rotation shown in FIG. 3 will be described here. Let me explain. In FIG. 3, the master side mechanism unit transmits torque around the axis applied to the joint shaft with a motor 31a connected to the joint shaft by a transmission mechanism including a reducer (not shown). a force detector 51a for detecting;
It is composed of a position detector 41a that detects the rotation angle of the joint axis. Further, the mechanism section on the slave side has the same configuration as the master side, and includes a motor 31b, a force detector 51b, and a position detector 41b. The circuits shown in FIG. 3 other than these mechanical sections belong to the servo calculation section 61, and include the force detectors 51a and 5.
A subtracter 113 that calculates the difference between the output signals 203 and 204 of 1b, and a subtracter 114 that subtracts the slave position target signal 209 and current position signal 201.
, a PID control circuit 115, and amplifiers 116a and 116 that drive the motors on the master side and slave side.
b, and the operating range limiting circuit 127 constituting the present invention.
(within the dashed line). The operation range limiting circuit 127 includes a reaction force generation circuit 119 of the operation range detection circuit 117 and the gate circuit 118, a switch 120a that switches between the output signal 210 of the reaction force generation circuit 119 and the force deviation signal 205, and a master current position signal 200. and a switch 120b that switches the signal 209b that latches the slave target signal, and a latch circuit 12 that latches the slave target signal 209.
1. The operating range detection circuit 117 includes a memory 122a that defines the upper limit of the operating range, as shown in FIG.
, a memory 122b that defines the lower limit thereof, and an upper limit signal 211 output from each memory.
and comparators 123a and 123b that respectively compare the lower limit signal 212 and the master current position signal 200. The reaction force generation circuit 119 includes memories 124a and 124b that define the magnitude of the reaction force acting in the direction within the operating range, as shown in FIG.
It is composed of switches 125a and 125b that turn on and off the outputs of the respective output signals 213 and 214, and an adder 126 that adds the output signals of these switches. The operation of the joint system shown in FIGS. 3 to 5 will be described below, starting with the operation of the force feedback bilateral servo system. The position of the joint angle on the master side and the position of the joint angle on the slave side are determined by the respective position detectors 41a,
41b as the current position signals 200, 201, and is converted to the position deviation signal 202 via the subtracter 114 (at this time, 120b is detected as the current position signal 200, 201).
(select 0). The position error signal 202 is sent to the motor 31b via the PID control circuit 115 and the amplifier 116b.
is input. Then, the motor 31b rotates, the position signal 201 changes, and eventually the position deviation signal 2
02 is controlled to become 0. Therefore, when the operator operates the master joint, the position of the slave joint is controlled so that it follows the master joint. At the same time, the force being applied from the outside to the master side and the slave side is detected by the respective force detectors 41a,
41b as current torque signals 203 and 204, and is converted into a torque deviation signal 205 via a subtracter 113. Torque deviation signal 205
is input to the motor 31a via the switch 120a and the amplifier 116a. Therefore, the motor 31
a is controlled so that the torque deviation signal 205 becomes zero. As a result, the force applied from the outside to the slave side is transmitted to the master side, and the operator can feel the force applied to the slave side in the form of a reaction force. Next, the operation of the motion range limiting device, which is the main part of the present invention, will be explained. The upper and lower limits of the movement range of the master side joint angle (boundary values of each movement range) are written in advance in the respective memories 122a and 122b in FIG. 4, and the output signals 211 and 212 are input to the comparators 123a and 123b. and transmits the current position signal 200 of the master side joint to each comparator 12.
3a, 123b. If the master side current position signal 200 is larger than the upper limit signal 211,
Logic signal 206 of comparator 123a becomes 1. Otherwise, it remains 0. Similarly, when the master side current position signal 200 is smaller than the lower limit signal 212, the logic signal 207 of the comparator 123b becomes 1, and otherwise remains 0. These logic signals 206 and 207 are input to the reaction force generation circuit shown in FIG. 5, and when the master side joint is within the operating range, they are input to the gate signals of switches 125a and 125b that cut off the reaction force signals 213 and 214. used. Further, the logic signals 206 and 207 are sent to the switch 120 via the OR circuit 118 in FIG.
It is used as a gate signal 208 for signals a and 120b. If the master side joint angle is within the motion range, the logic signals 206 and 207 that are the outputs of the motion range detection circuit 117 are both in the 0 state as described above, and the gate signal 2 that is the output of the OR circuit 118 is in the 0 state.
08 is also in the 0 state, the switch 120a takes the torque deviation signal 205 as its output signal 215, and the switch 120b takes the master current position signal 200 as its output signal 215.
is its output, which is the slave target position signal 209. As a result, the entire servo system is configured as the aforementioned force feedback type bilateral servo system, and the manipulator is placed in a normal operating state. However, if the master side joint exceeds the upper limit of its range of motion, the logic signal 206 becomes 1 and the gate signal 206
8 also becomes 1 state. At this time, switch 120b
disconnects the master current position signal 200 and outputs the output signal 209b of the latch circuit 121. This output signal 209b is a value obtained by latching the value of the slave target position signal 209 immediately before the master joint goes out of the operating range, and the slave target position signal 209 is latched until the master joint returns to the operating range and the gate signal 208 becomes 0. Since it is output as a position signal 209,
The position of the slave joint is controlled so that it stops at the current position (the position immediately before the master joint goes out of the range of motion), and the slave joint does not go out of the range of motion. At the same time, since the logic signal 206 has become 1, the switch 125a in the reaction force generation circuit 119
turns on (Fig. 5), and the reaction force command signal 21
3 passes through the addition circuit 126 to the reaction force generation circuit 11
9 is output as an output signal 210. Since the gate signal 208 is set to 1, the switch 120a disconnects the torque deviation signal 205 and converts the reaction force command signal 210 into the torque command signal 21.
Output as 5. As a result, the master side motor 3
1a is controlled so that a constant torque is generated in the direction within the motion range until the master side joint enters the motion range again. Therefore, by sensing this torque, the operator can easily perform an operation in the return direction (for example, loosen the force and allow the torque to move it in the direction of natural movement). The master side joint is
Even when the lower limit of the operating range is exceeded, the same process is performed, so the explanation will be omitted. According to this embodiment, when the master side joint moves outside the movement range defined by the master side joint angle, the slave side joint is automatically prevented from moving outside the required movement range, and the master side joint This has the effect of making it easier to return the joint to its range of motion.
Furthermore, as an embodiment of the present invention, the current position signal 201 of the slave side joint is used as the input signal of the motion range detection circuit 117 shown in FIG. 4 instead of the current position signal 200 of the master side joint. The same effect can be obtained. FIG. 6 shows another embodiment of the motion range detection circuit 117 of FIG. 3, in which the circuit of FIG. 4 includes memories 122c and 122d that define the upper and lower limits of the motion range of the slave joint. Comparator 123c, 1
23d and OR circuits 128a and 128b, and by adding the current position signal 201 of the slave side joint as an input signal, it is possible to make it possible for either the master side or slave side joint to go outside the operating range. For example, as described above, the slave side joint is stopped, and at the same time, a reaction force is generated at the master side joint in a direction within the range of motion. According to this embodiment, even if the similarity between the positions of the master side and the slave side is broken for some reason, no matter which joint goes out of the range of motion, regardless of whether it is on the master side or the slave side, it is possible to restore it. This has the effect of being easy to perform. The above embodiments are based on each operation mode shown in Table 1.
Although this is based on the assumption that M 1 to M 7 (S 1 to S 7 ) are regulated independently, regulation can also be performed taking into consideration a plurality of these modes. FIG. 7 shows another embodiment of the present invention, in which the operating range detection circuit 117 shown in FIG. 3 is replaced with an arithmetic processing unit 140 shown in FIG.
The purpose is to limit M 2 (S 2 ). The arithmetic processing unit 140 includes a coordinate arithmetic unit 141,
Spatial differential operation units 142a, 142b, logic operation units 143a, 143b, and OR circuit 14
4a and 144b. The input signal of the arithmetic processing unit 140 is not only the output signal 20 of the shoulder joint position detector 42a or 42b as in the case of FIG. 3, but also the elbow joint position signal 221, and the output signal is , logic signal 24 indicating that the upper limit of the operating range has been exceeded, similar to FIG.
2 (corresponding to signal 206) and a logic signal 244 (corresponding to signal 207) indicating that the lower limit has been exceeded. The operation of each part will be explained below. First, the rotation centers of the shoulder joints 12, 22, elbow joints 14, 24, and wrist joints 16, 26 in FIG. Assuming the center 314, these three points are always within the same vertical plane 300 (this vertical plane 300 is based on the base rotation M 1 or
(rotated by S 1 ). Therefore, on this vertical plane 300, the shoulder joint center 310 is set as the origin (also referred to as 310), and a straight line from this origin 310 to the elbow joint center 312 when the current position signal 220 of the shoulder joint is zero is defined as a positive Consider an orthogonal coordinate system in which the axial direction is the positive X-axis direction, and the positive Y-axis direction is the direction rotated 90 degrees counterclockwise about the origin 310.
Then, in general, the shoulder joint position signal 220 is
A straight line 31 connecting the elbow joint center 312 and the origin 310
It is given by the angle θ 1 between 3 and the X axis. Furthermore, if the initial conditions are determined so that the wrist joint center 314 is on the straight line 313 when the elbow joint position signal 221 is zero, the position signal 221 generally indicates that the wrist joint center 314 and the elbow joint center 312 are Connecting straight line 315
It is given by the angle θ 2 formed by the straight line 313 and the straight line 313. Regarding the orthogonal coordinate system (X , Y) in FIG . 8, the coordinate values (X R , Y R ) of the wrist joint center 314 are as follows; 2 ) Y R = l 1 sin θ 1 + l 2 sin (θ 1 + θ 2 ) ...(1) Here, l 1 and l 2 are points 310, 312, and 3
12 and point 314, which are fixed lengths corresponding to the lengths of upper arms 13, 23 and forearms 15, 25 in FIG. Therefore, in the coordinate calculation unit 141 of FIG. 7, the input signals 220, 22
The calculation based on the above equation is performed using θ 1 and θ 2 given by 1, and a signal 240a corresponding to X R and a signal 240b corresponding to Y R are output. In the spatial differential calculation units 142a and 142b, the differential value ∂X R /∂θ 1 of the coordinate values X R and Y R with respect to the shoulder joint θ 1 is calculated as ∂X R /∂θ 1 =−{l 1 sin θ 1 +l 2 sin (θ 1 +θ 2 )}...
(2) ∂Y R / ∂θ 1 = l 1 cos θ 1 + l 2 cos (θ 1 + θ 2 ) ...(3) The input signals 220 (θ 1 ), 240a (X R ), 24
0b(Y R ), and the signal 250a,2
50b. The logic operation unit 143a performs logic operations by inputting 240a and 250a corresponding to X R and ∂X R /∂θ 1 , and generates a logic signal 246 as shown in Table 2
a, 248a are output. However, the X of the wrist joint
Let the upper limit of the operating range of the coordinate X R be X U and the lower limit as XL .
以上の説明から明らかなように、本発明によれ
ば、動作範囲外に入つた関節を、マスタマニピユ
レータを操作する操作員に反力の形で教示でき、
かつその反力によつてマニピユレータの各関節を
自動的に動作範囲内に戻すことができるので、マ
ニピユレータの動作範囲への復帰が容易になり、
またマニピユレータの操作を中断させられること
がなくなり、マニピユレータの操作性を大幅に向
上できるという効果があり、同時に、マニピユレ
ータの動作範囲外作動による故障を防止できるの
で、マニピユレータの信頼性の向上にも大きな効
果がある。
As is clear from the above description, according to the present invention, it is possible to teach the operator who operates the master manipulator about a joint that has gone out of the range of motion in the form of a reaction force.
In addition, each joint of the manipulator can be automatically returned to the operating range by the reaction force, making it easier to return the manipulator to the operating range.
In addition, the operation of the manipulator is no longer interrupted, which greatly improves the operability of the manipulator.At the same time, it also prevents failures due to operation outside the operating range of the manipulator, which greatly improves the reliability of the manipulator. effective.
第1図は、本発明を適用するマスタ・スレーブ
式マニピユレータの全体構成を示す図、第2図は
第1図の内の制御系のブロツク図、第3図は本発
明の一実施例を示す図、第4図及び第5図は第3
図の実施例のより詳細な部分詳細図、第6図及び
第7図は本発明の他の実施例を示す図、第8図及
び第9図は第7図の実施例の動作説明図、第10
図は第3図及び第7図の実施例を組合せた時の動
作範囲を示す図である。
1……マスタマニピユレータ、2……スレーブ
マニピユレータ、3……制御装置、12,22…
…肩関節、14,24……肘関節、16,26…
…手首関節、31a,31b……モータ、41
a,41b……位置検出器、51a,51b……
力検出器、117……動作範囲検出回路、118
……オアゲート、119……反力発生回路、12
0a,120b……切換スイツチ、121……ラ
ツチ回路、127……動作範囲制限回路。
Fig. 1 is a diagram showing the overall configuration of a master-slave type manipulator to which the present invention is applied, Fig. 2 is a block diagram of the control system in Fig. 1, and Fig. 3 is a diagram showing an embodiment of the present invention. Figures 4 and 5 are
6 and 7 are diagrams showing other embodiments of the present invention; FIGS. 8 and 9 are explanatory diagrams of the operation of the embodiment in FIG. 7; 10th
The figure shows the operating range when the embodiments of FIGS. 3 and 7 are combined. 1... Master manipulator, 2... Slave manipulator, 3... Control device, 12, 22...
...shoulder joint, 14,24...elbow joint, 16,26...
...Wrist joint, 31a, 31b...Motor, 41
a, 41b...Position detector, 51a, 51b...
Force detector, 117... Operating range detection circuit, 118
...OR gate, 119...Reaction force generation circuit, 12
0a, 120b... Selector switch, 121... Latch circuit, 127... Operating range limiting circuit.
Claims (1)
タ側マニピユレータ及びスレーブ側マニピユレー
タの、各関節の位置を示す位置信号のうちマスタ
側関節の位置信号を目標信号としてスレーブ側関
節の各々が対応するマスタ側関節の各々に追随す
るように制御するためのスレーブ側サーボ機構
と、対応する関節に印加された外力を示す力信号
の偏差を入力としてスレーブ側関節の各々に印加
された外力が対応するマスタ側関節の各々に伝達
されるように制御するマスタ側サーボ機構とを備
えたマニピユレータの動作を、所定の範囲内に制
限するための装置に於て、マスタ側関節とそれに
対応するスレーブ側関節の1組または複数組の位
置信号の一方または双方を入力位置信号とし、該
入力位置信号に対応した動作範囲を定める上限値
及び下限値をその内部に格納し、かつ該上限値及
び下限値のいずれかを上記入力位置信号がこえた
時に対応する上限もしくは下限切換信号をオンと
するところの動作範囲検出手段と、上記上限及び
下限切換信号がともにオフの時には上記目標信号
をサンプリング時毎に更新しながら記憶し、上記
上限もしくは下限切換信号の1つがオンとなつた
場合には該オンになつた時点より直前のサンプリ
ング時に記憶した目標信号をホールドして上記ス
レーブ側サーボ機構の目標信号として出力すると
ころの位置信号切換手段と、上記上限もしくは下
限切換信号がオンとなつた時に上記入力位置信号
を上記動作範囲内へ戻すような方向の反力信号を
発生するための反力発生手段と、上記切換信号の
いずれかがオンになつた時に前記力信号の偏差に
代つて上記反力信号を上記マスタ側サーボ機構へ
入力として与えるための力信号切換手段とから成
る制御系を、マスタ側及びスレーブ側の対応関節
毎に1組ずつ設けたことを特徴とするマニピユレ
ータの動作範囲制限装置。 2 互いに対応する関節を有する多関節型のマス
タ側マニピユレータ及びスレーブ側マニピユレー
タの、各関節の位置を示す位置信号のうちマスタ
側関節の位置信号を目標信号としてスレーブ側関
節の各々が対応するマスタ側関節の各々に追随す
るように制御するためのスレーブ側サーボ機構
と、対応する関節に印加された外力を示す力信号
の偏差を入力としてスレーブ側関節の各々に印加
された外力が対応するマスタ側関節の各々に伝達
されるように制御するマスタ側サーボ機構とを備
えたマニピユレータの動作を、所定の範囲内に制
限するための装置に於て、前記所定の範囲が教示
されたときスレーブ側マニピユレータの各関節の
位置を示す位置信号に基づき各関節の動作範囲を
前記所定の範囲内とする制限値を演算にて求める
演算手段と、スレーブ側マニピユレータの動作を
前記所定の範囲内に制限する反力信号を発生させ
る反力発生手段とを設けたことを特徴とするマニ
ピユレータの動作範囲制限装置。[Scope of Claims] 1. Out of position signals indicating the positions of each joint of a multi-joint master manipulator and slave manipulator having mutually corresponding joints, the position signal of the master joint is used as a target signal to control the slave joint. A slave side servo mechanism for controlling each master side joint to follow each corresponding master side joint, and a deviation of a force signal indicating an external force applied to the corresponding joint as input and applied to each slave side joint. In a device for limiting the operation of a manipulator to within a predetermined range, the device includes a master side servo mechanism that controls external force to be transmitted to each of the corresponding master side joints, the master side joints and the corresponding master side joints. one or both of the position signals of one or more sets of slave side joints to be input position signals, an upper limit value and a lower limit value defining a movement range corresponding to the input position signals are stored therein, and the upper limit value and an operating range detection means that turns on a corresponding upper or lower limit switching signal when the input position signal exceeds one of the upper and lower limit values, and samples the target signal when both the upper and lower limit switching signals are off. When one of the above upper limit or lower limit switching signals turns on, the target signal stored at the sampling immediately before the turning on is held, and the slave side servo mechanism A position signal switching means for outputting as a target signal, and a reaction force for generating a reaction signal in a direction that returns the input position signal to within the operation range when the upper limit or lower limit switching signal is turned on. A control system comprising a generating means and a force signal switching means for supplying the reaction force signal as an input to the master side servo mechanism in place of the deviation of the force signal when any of the switching signals is turned on. A manipulator operating range limiting device characterized in that one set is provided for each corresponding joint on a master side and a slave side. 2 Among the position signals indicating the position of each joint of a multi-joint type master manipulator and slave manipulator having joints that correspond to each other, each of the slave side joints uses the position signal of the master side joint as a target signal to control the corresponding master side. A slave-side servo mechanism for controlling each joint to follow, and a master side to which the external force applied to each slave-side joint corresponds by inputting the deviation of the force signal indicating the external force applied to the corresponding joint. In a device for limiting the operation of a manipulator to a predetermined range, the device includes a master-side servo mechanism that controls transmission to each joint, and when the predetermined range is taught, the slave-side manipulator calculation means for calculating a limit value that limits the motion range of each joint to within the predetermined range based on a position signal indicating the position of each joint; 1. An operating range limiting device for a manipulator, comprising a reaction force generating means for generating a force signal.
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| JP1747883A JPS59146770A (en) | 1983-02-07 | 1983-02-07 | Limiter for range of operation of manipulator |
Applications Claiming Priority (1)
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| JP1747883A JPS59146770A (en) | 1983-02-07 | 1983-02-07 | Limiter for range of operation of manipulator |
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|---|---|
| JPS59146770A JPS59146770A (en) | 1984-08-22 |
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Family
ID=11945109
Family Applications (1)
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