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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- master
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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
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
【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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 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、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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1747883A JPS59146770A (ja) | 1983-02-07 | 1983-02-07 | マニピユレ−タの動作範囲制限装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1747883A JPS59146770A (ja) | 1983-02-07 | 1983-02-07 | マニピユレ−タの動作範囲制限装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS59146770A JPS59146770A (ja) | 1984-08-22 |
| JPH0428507B2 true JPH0428507B2 (ja) | 1992-05-14 |
Family
ID=11945109
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1747883A Granted JPS59146770A (ja) | 1983-02-07 | 1983-02-07 | マニピユレ−タの動作範囲制限装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS59146770A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0871071A (ja) * | 1994-09-01 | 1996-03-19 | Olympus Optical Co Ltd | 手術用マニピュレータシステム |
| US6850817B1 (en) | 1992-01-21 | 2005-02-01 | Sri International | Surgical system |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63154184U (ja) * | 1987-03-31 | 1988-10-11 | ||
| JPH0634948Y2 (ja) * | 1987-03-31 | 1994-09-14 | 株式会社明電舎 | マスタ−スレ−ブ式マニピユレ−タ |
| JP2511098B2 (ja) * | 1988-03-09 | 1996-06-26 | 株式会社日立製作所 | マスタ／スレ―ブマニピュレ―タ制御方法 |
| WO2017125994A1 (ja) * | 2016-01-18 | 2017-07-27 | オリンパス株式会社 | 医療用マニピュレータシステム、及びその作動方法 |
| GB201615438D0 (en) * | 2016-09-12 | 2016-10-26 | Imp Innovations Ltd | Apparatus and method for assisting tool use |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS601992Y2 (ja) * | 1979-09-20 | 1985-01-19 | トキコ株式会社 | 工業用ロボツト |
| JPS57114380A (en) * | 1980-12-30 | 1982-07-16 | Chiyuushiyou Kigiyou Shinkou J | Discriminator for force of remote control type manipulator |
-
1983
- 1983-02-07 JP JP1747883A patent/JPS59146770A/ja active Granted
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6850817B1 (en) | 1992-01-21 | 2005-02-01 | Sri International | Surgical system |
| JPH0871071A (ja) * | 1994-09-01 | 1996-03-19 | Olympus Optical Co Ltd | 手術用マニピュレータシステム |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS59146770A (ja) | 1984-08-22 |
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