JPH0433588B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、マスタ・スレーブマニピユレータの
スレーブに加わる力をマスタ側における操作者に
伝えて操作者の力の制御を補助するためのマス
タ・スレーブマニピユレータの力感覚表現装置に
関する。

背景技術 このようなマスタ・スレーブマニピユレータは
たとえば深海艇によつて海底探査を行なう場合お
よび原子炉の操作を行なう場合などにおいて必要
となる。

いわゆるユニラテラル方式のマスタ・スレーブ
マニピユレータでは、マスタの各関節には、ポテ
ンシヨメータなどのような軸角度検出器が設けら
れており、スレーブには軸角度検出器によつて検
出された角度だけ軸を角変位駆動するための駆動
源が設けられており、したがつてマスタ側の操作
者による操作によつてスレーブが動く。このよう
なユニラテラル方式のマスタ・スレーブマニピユ
レータではスレーブに作用する外力をマスタ側で
知ることができず、操作者はスレーブの動作中に
おける力感覚を知ることができない。

この問題を解決するマスタ・スレーブマニピユ
レータは、バイラテラル方式として知られてい
る。その構成は、上述のユニラテラル方式のマス
タ・スレーブマニピユレータの構成に加えて、ス
レーブの軸角度を検出する軸角度検出器を設け、
この出力によつてマスタの軸に設けられた駆動源
を駆動するように構成される。これによつてマス
タの操作によつてこのスレーブに作用する外力が
マスタ側にフイードバツクされ、そのマスタ側の
反力を操作者が直接的に力感覚として得ることが
できる。

このバイラテラル方式のマスタ・スレーブマニ
ピユレータの新たな問題は、構成が複雑であるこ
とである。他の欠点は、操作者の微細な力感覚が
長時間にわたる操作で麻痺してしまい、長時間に
わたつてスレーブに作用する微細な力を感覚とし
て敏感に感じ取ることが困難になることである。

発明が解決すべき問題点 本発明の目的は、マスタ・スレーブマニピユレ
ータにおけるスレーブに作用する外力の大きさを
簡単な構成で、しかも長時間にわたつて微細な力
感覚を操作者が維持できるようにしたマスタ・ス
レーブマニピユレータの力感覚表現装置を提供す
ることである。

問題点を解決するための手段 本発明は、複数のマニピユレータ用軸Ｍ１〜Ｍ
７と、それらのマニピユレータ用軸Ｍ１〜Ｍ７の
うちの先端部の軸Ｍ７に設けられるマニピユレー
タ用把持部２とを有し、操作者３によつて操作さ
れるマスタマニピユレータＭと、 マスタマニピユレータ用軸Ｍ１〜Ｍ７に個別的
に対応する複数のスレーブマニピユレータ用軸Ｓ
１〜Ｓ７と、それらのスレーブマニピユレータ用
軸Ｓ１〜Ｓ７のうちの先端部の軸Ｓ７に設けられ
るスレーブマニピユレータ用把持部５とを有する
スレーブマニピユレータＳと、 マスタマニピユレータ用の各軸Ｍ１〜Ｍ７の軸
角度をそれぞれ検出するマスタマニピユレータ用
軸角度検出器Ｍ１ａ〜Ｍ７ａと、 スレーブマニピユレータ用の各軸Ｓ１〜Ｓ７の
軸角度をそれぞれ検出するスレーブマニピユレー
タ用軸角度検出器Ｓ１ａ〜Ｓ７ａと、 各マスタマニピユレータ用軸角度検出器Ｍ１ａ
〜Ｍ７ａと、その各マスタマニピユレータ用軸角
度検出器Ｍ１ａ〜Ｍ７ａにそれぞれ対応するスレ
ーブマニピユレータ用軸角度検出器Ｓ１ａ〜Ｓ７
ａとの出力の差を演算して求める減算回路１０
と、 減算回路１０の出力にそれぞれ応答して、スレ
ーブマニピユレータＳの各軸Ｓ１〜Ｓ７をそれぞ
れ駆動するアクチユエータＳ１ｂ〜Ｓ７ｂと、 前記先端部の軸Ｍ７，Ｓ７以外の軸Ｍ１〜Ｍ
６，Ｓ１〜Ｓ６に個別的に対応する減算回路１０
の出力の絶対値を加算する絶対値加算手段１９，
２１と、 絶対値加算手段１９，２１の出力のレベルを、
そのレベルに対応した周波数に変換する第１変換
回路２２と、 第１変換回路２２の周波数よりも高い一定の周
波数の発振回路２４と、 第１変換回路２２と発振回路２４との各出力に
応答し、発振回路２４の出力を、第１変換回路２
２の出力を周波数に対応した時間間隔Ｔ１，Ｔ２
に断続して、音響化する手段２３，２４，２５
と、 前記先端部の軸Ｍ７，Ｓ７に対応する減算回路
１０の出力の絶対値を求める絶対値手段２７と、 絶対値手段の出力のレベルを、そのレベルに対
応した周波数に変換する第２変換回路２９と、 第２変換回路２９の出力を音響化する手段３
０，３１とを含むことを特徴とするマスタ・スレ
ーブマニピユレータの力感覚表現装置である。

作 用 本発明に従えば、操作者３はマスタマニピユレ
ータＭの各軸Ｍ１〜Ｍ７を動かし、それらのマス
タマニピユレータ用軸Ｍ１〜Ｍ７の軸の動きに応
じて、スレーブマニピユレータＳの各軸Ｓ１〜Ｓ
７が動き、このスレーブマニピユレータＳに作用
する外力の大きさの和に対応した時間間隔Ｔ１，
Ｔ２で、発振回路２４の一定の周波数の出力を断
続して音響化する。このスレーブマニピユレータ
Ｓに作用する外力は、スレーブマニピユレータＳ
が障害物などに衝突したときの反力、および静止
時に外部から作用する力などである。このように
してスレーブマニピユレータＳに作用する外力の
大きさが、マスタマニピユレータ用軸角度検出器
Ｍ１ａ〜Ｍ７ａと、スレーブマニピユレータ用軸
角度検出器Ｓ１ａ〜Ｓ７ａと、減算回路１０と絶
対値加算手段１９，２１と第１変換回路２２と発
振回路２４と音響化手段２３，２４，２５とによ
つて発振回路２４の一定周波数の出力が、その外
力の和が変換された周波数に対応した時間間隔Ｔ
１，Ｔ２で断続して音響化して聴取することがで
きることになる。

しかもマスタマニピユレータＭとスレーブマニ
ピユレータＳの先端部の各軸Ｍ７，Ｓ７に対応す
る減算回路１０の出力の絶対値を絶対値手段２７
によつて求めて、その出力のレベルを周波数に変
換して音響化するようにし、これによつてスレー
ブマニピユレータＳの把持部５によつて物を把ん
だときの重力、およびそのスレーブマニピユレー
タ用把持部５によつて物を掴んだときの反力を、
周波数の変化として聴取することができる。こう
して、前述のユニラテラル方式のマスタ・スレー
ブマニピユレータに関連して本発明を実施するこ
とが可能であり、このようにすれば構成を簡略化
することができる。しかも音を操作者が聞いて力
感覚を得ることができるので、操作者は長時間に
わたつてマスタを微細な力の変化を敏感に感じと
つて操作することが可能であり、前述の先行技術
に関連して述べたように感覚が麻痺してしまうこ
とはない。

本発明はまた、バイラテラル方式のマスタ・ス
レーブマニピユレータに関連してもまた実施する
ことができる。

実施例 第１図は、本発明の一実施例のユニラテラル方
式のマスタ・スレーブマニピユレータの全体の構
造を示す図である。マスタマニピユレータＭは、
基体１に設けられた複数（この実施例では７）の
関節Ｍ１〜Ｍ７を有しており、これらの軸Ｍ１〜
Ｍ７のうち、軸Ｍ１，Ｍ４，Ｍ６は旋回関節であ
り、軸Ｍ２，Ｍ３，Ｍ５は曲げ関節である。軸Ｍ
７によつて把持部２が操作される。マスタマニピ
ユレータＭは、操作者３によつて操作される。こ
れらの軸Ｍ１〜Ｍ７は、アームによつて相互に連
結される。

スレーブマニピユレータＳは、基体４上に取付
けられ、軸Ｓ１〜Ｓ７を有し、軸Ｓ１，Ｓ４，Ｓ
６は旋回関節であり、軸Ｓ２，Ｓ３，Ｓ５，Ｓ７
は曲げ関節であり、これらはアームによつて連結
される。軸Ｓ７には、把持部５が取付けられる。
マスタマニピユレータＭの各軸Ｍ１〜Ｍ７と、ス
レーブマニピユレータＳの軸Ｓ１〜Ｓ７とは、個
別的に対応している。マスタマニピユレータＭと
スレーブマニピユレータＳとは、制御装置６によ
つて電気的に接続されており、操作者３のマスタ
マニピユレータＭの操作に応じてスレーブマニピ
ユレータＳが動く。

第２図は、制御装置６の具体的な構成を示すブ
ロツク図である。マスタマニピユレータＭおよび
スレーブマニピユレータＳの各軸Ｍ１〜Ｍ７，Ｓ
１〜Ｓ７に対応して７つの軸制御系Ｃ１〜Ｃ７が
設けられる。軸Ｍ１，Ｓ１に対応する軸制御系Ｃ
１では、マスタマニピユレータＭの軸Ｍ１に設け
られるポテンシヨメータなどのような軸角度検出
器Ｍ１ａからのマスタ側の位置を表わす出力は、
ライン８から制御回路９における減算回路１０に
与えられる。減算回路１０にはまた、スレーブマ
ニピユレータＳの軸Ｓ１に設けられた軸角度検出
器Ｓ１ａからの出力がライン１１を介して与えら
れる。減算回路１０は、ライン８の出力からライ
ン１１の出力を差し引き、ライン１２に位置偏差
を表わす信号を導出する。ライン１２の出力は、
加算回路１３から油圧サーボアンプ１４に与えら
れる。油圧サーボアンプ１４の出力は、スレーブ
マニピユレータＳのサーボバルブ１５に与えら
れ、これによつて駆動源である油圧アクチユエー
タＳ１ｂが駆動される。

制御回路９において、ライン８の信号はまた、
微分回路１６に与えられて微分され、その出力は
加算回路１３に与えられる。これによつて定常速
度偏差を減少させるためのフイードフオワード補
助が行なわれる。

操作者３がマスタマニピユレータＭを操作する
ことによつて軸角度検出器Ｍ１ａがその軸Ｍ１の
旋回軸角度を検出する。これによつて、減算回路
１０からの出力が表わす位置偏差に対応した角度
だけ、スレーブマニピユレータＳの軸Ｓ１に設け
られたアクチユエータＳ１ｂが駆動される。軸Ｓ
１に設けられた軸角度検出器Ｓ１ａによつて検出
される旋回軸角度が、前述の軸角度検出器Ｍ１ａ
によつて検出される旋回軸角度と同一となるよう
に、すなわち減算回路１０の位置偏差出力が零と
なるように、動作する。これによつてマスタマニ
ピユレータＭと同様な動きがスレーブマニユピレ
ータＳにおいて行なわれる。残余の関節もまた同
様な構成となつている。

軸制御系Ｃ１〜Ｃ６からの位置偏差出力は、ラ
インｌ１〜ｌ６を介して第１音響回路１７に与え
られる。また把持部２，５に関連して設けられて
いる軸Ｍ７，Ｓ７のための軸制御系Ｃ７からの位
置偏差出力は、ラインｌ７を介して第２音響回路
１８に与えられる。

第３図は、第１音響回路１７の具体的な構成を
示すブロツク図である。ラインｌ１を介する軸制
御系Ｃ１からの位置偏差出力は絶対値回路１９に
与えられる。この絶対値回路１９は第４図に示さ
れるようにラインｌ１を介する位置偏差出力が正
および負であるときにおけるその絶対値を表わす
信号を導出する。絶対値回路１９からの出力は、
不感帯回路２０に与えられる。この不感帯回路２
０は、絶対値回路１９からの出力が第５図に示さ
れるように、予め定める値Ｖ１未満であるとき
に、不感帯回路２０の出力を零とし、前記値Ｖ１
以上であるときその入力値に対応する出力レベル
を有する信号を導出する。残余のラインｌ２〜ｌ
６に関しても同様な構成となつている。不感帯回
路２０からの出力は、加算回路２１に与えられて
各軸制御系Ｃ１〜Ｃ６の位置偏差出力が加算され
る。不感帯回路２０が設けられているのは、各軸
における摩擦力および重力などによつて生じる位
置偏差の影響を除去するためである。

加算回路２１からの出力は、電圧／周波数変換
回路２２に与えられ、加算回路２１の出力レベル
に対応した周波数に変換される。この電圧／周波
数変換回路２２の出力は、ANDゲート２３の一
方の入力に与えられる。ANDゲート２３の他方
の入力には、発振回路２４からの発振出力が与え
られる。

第６図１は、電圧／周波数変換回路２２の出力
波形を示し、この回路２２の出力周波数はたとえ
ば０〜200Hzの範囲に亘つて変化する。発振回路
２４の出力波形は、第６図２に示されているよう
に、たとえば5KHz程度である。ANDゲート２３
の出力波形は、第６図３に示されているように、
5KHzの周波数が時間Ｔ１だけ出力され、時間Ｔ
２だけ休止する周期Ｔで導出される。この周期Ｔ
は電圧／周波数変換回路２２の出力周波数に対応
しており、Ｔ１＝Ｔ２であり、各値Ｔ１，Ｔ２
は、本件実施例では、電圧／周波数変換回路２２
の出力の半周期にそれぞれ等しい。ANDゲート
２３の出力は増幅回路２４に与えられ、スピーカ
２５によつて鳴動される。したがつて軸制御系Ｃ
１〜Ｃ６における位置偏差が小さいときには、加
算回路２１の出力レベルは小さく、したがつて電
圧／周波数変換回路２２の出力周波数は低く、そ
のためスピーカ２５から出力される音の周期Ｔが
大きい。位置偏差が大きくなると、電圧／周波数
変換回路２２の出力周波数が高くなり、したがつ
て音の周期Ｔが小さくなる。このようにして操作
者３はスレーブマニユピレータＳにおける軸Ｓ１
〜Ｓ６の位置偏差を音の間隔によつて知ることが
できる。この位置偏差は等価的に各軸Ｓ１〜Ｓ６
に作用する外力と見なすことができる。したがつ
て第７図のように、各軸Ｓ１〜Ｓ６において作用
する外力の大きさに対応してその外力が大きくな
るにつれて周期Ｔが小さくなり、これによつて各
軸Ｓ１〜Ｓ６に作用する力を操作者３が知ること
が可能になる。

第８図は、第２音響回路１８の具体的な構成を
示すブロツク図である。スレーブマニユピレータ
Ｓにおける把持部５に関連して設けられた軸Ｓ７
の軸角度検出器Ｍ７ａと、マスタマニピユレータ
Ｍの把持部２に関連して設けられた軸Ｍ７の軸角
度検出器Ｍ７ａとの位置偏差は、軸制御系Ｃ７か
らラインｌ７を経て第２音響回路１８の絶対値回
路２７に与えられ、その絶対値回路２７の出力は
不感帯回路２８に与えられる。絶対値回路２７の
構成は前述の絶対値回路１９と同様な構成を有
し、また不感帯回路２８は前述の不感帯回路２０
と同様な構成を有している。不感帯回路２８の出
力は、電圧／周波数変換回路２９に与えられてそ
の出力周波数がたとえば０Hz〜１５ＫHzの範囲で
変化する信号に変換される。電圧／周波数変換回
路２９からの出力は、増幅回路３０によつて増幅
され、スピーカ３１によつて音響化される。した
がつて把持部５の軸Ｓ７における位置偏差が大き
くなるにつれて、すなわち把持部５に作用する外
力が大きくなるにつれて、電圧／周波数変換回路
２９の出力周波数は高くなり、その動作は第９図
に示されているとおりである。電圧／周波数変換
回路２９の出力波形は、第１０図に示されてい
る。

このようにして操作者３がマスタマニピユレー
タＭの把持部２をつかんだときに、スレーブマニ
ユピレータＳの把持部５に作用する外力の大きさ
が、周波数の変化として操作者３によつて聴取さ
れる。これによつて把持部５の把持力を感覚的に
知ることができる。

本発明のさらに他の実施例として、増幅回路２
４，３０とスピーカ２５，３１とを共通に用い
て、構成を簡略化することもまた可能である。こ
のためには、たとえば電圧／周波数変換回路２９
の出力を増幅回路２４に与えるようにすればよ
い。

上述の実施例では、スレーブマニピユレータに
作用する外力の大きさは、位置偏差の大きさとし
て検出されたけれども、本発明の他の実施例とし
てスレーブマニピユレータＳのアームにストレイ
ンゲージを取付けて、外力の大きさを直接に検出
するようにしてもよく、その他の構造によつて外
力を検出するようにしてもよい。

第１１図は、本発明のさらに他の実施例のブロ
ツク図である。この実施例は、バイラテラル方式
のマスタ・スレーブマニピユレータの１つの軸、
たとえばＭ１，Ｓ１に関連する構成を示し、残余
の軸に関しても同様な構成となつている。前述の
実施例の対応する部分には、同一の参照符を付
す。この実施例では、マスタマニピユレータＭに
もまた、駆動源であるモータＭ１ｂが設けられ、
増幅回路３３によつて駆動される。微分回路１６
１，１６２と、加算回路１３１，１３２とが設け
られて、速度補償のためのフイードフオワード制
御が行なわれる。また係数回路３４，３５が設け
られる。減算回路１０の出力は、位置偏差、した
がつて外力を表わす信号として、ラインｌ１から
導出される。その他の構成は、前述の実施例と同
様である。

このようなバイラテラル方式のマスタ・スレー
ブマニピユレータでは、マスタマニピユレータＭ
側にフイードバツクされる反力を、操作者３は直
接的に力感覚として得ることができ、しかも操作
者３はスレーブマニピユレータＳにおける外力の
大きさを、音の物理的特性の変化として捕えるこ
とができる。したがつて操作者３の微細な力感覚
が長時間の操作で麻痺して失われてしまつても、
操作者３はスレーブの外力の大きさを音響で正確
に捕えることができ、スレーブマニピユレータＳ
を微細な力の変化で動かすことが可能になる。

バイラテラル方式のマスタ・スレーブマニピユ
レータは、第１１図に示された構造以外の構造を
有するものであつてもよく、本発明は、ユニラテ
ラル方式だけでなく、このようなバイラテラル方
式のマスタ・スレーブマニピユレータに関連して
も広く実施することができる。

効 果 以上のように本発明によれば、操作者３がマス
タマニピユレータＭを操作することによつて、ス
レーブマニピユレータＳが動作し、先端部の軸Ｍ
７，Ｓ７以外の軸Ｍ１〜Ｍ６，Ｓ１〜Ｓ６の軸角
度の差の絶対値を加算して、周波数に第１変換回
路２２によつて変換し、一定の周波数の発振回路
２４の出力を、第１変換回路２２の出力の周波数
に対応した時間間隔Ｔ１，Ｔ２で断続して音響化
するようにし、さらに先端部の軸Ｍ７，Ｓ７に対
応する減算回路１０の出力の絶対値を求めて周波
数に変換し、音響化するようにして、先端部のス
レーブマニピユレータ用軸Ｓ７の外力に対応した
周波数が得られるようにしたので、簡単な構成
で、スレーブマニピユレータＳにおける外力の大
きさを知ることができ、しかもスレーブマニピユ
レータＳの先端部の軸Ｓ７と、それ以外の軸Ｓ１
〜Ｓ６とは、上述のように、音響の特性が異なつ
ているので、それらの識別を容易に行うことがで
きるようになり、特に先端部のスレーブマニピユ
レータ用軸Ｓ７の微細な力感覚を容易に知ること
ができ、操作者３の微細な力感覚が麻痺しても、
その先端部のスレーブマニピユレータ用軸Ｓ７の
外力を、それ以外のスレーブマニピユレータ用軸
Ｓ１〜Ｓ６の外力とは区別して、正確に知ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のユニラテラル方式
のマスタ・スレーブマニピユレータの全体の構造
を示す図、第２図は第１図に示された実施例の電
気的構成を示すブロツク図、第３図は第１音響回
路１７の具体的な構成を示すブロツク図、第４図
は絶対値回路１９の動作を説明するための図、第
５図は不感帯回路２０の動作を説明するための
図、第６図は第３図に示された第１音響回路１７
の動作を説明するための波形図、第７図は軸制御
系Ｃ１〜Ｃ６における位置偏差、したがつてスレ
ーブの外力の大きさと音の出力間隔周期Ｔとの関
係を示す図、第８図は第２音響回路１８の具体的
な電気的構成を示すブロツク図、第９図は軸制御
系Ｃ７の外力の大きさと不感帯回路２８の出力と
の関係を示す図、第１０図は電圧／周波数変換回
路の出力波形を示す図、第１１図は本発明が関連
して実施されるバイラテラル方式のマスタ・スレ
ーブマニピユレータの一例のブロツク図である。 ２，５……把持部、３……操作者、６……制御
装置、１４……サーボアンプ、１５……サーボバ
ルブ、１７……第１音響回路、１８……第２音響
回路、Ｍ……マスタマニピユレータ、Ｍ１〜Ｍ６
……軸、Ｍ１ａ〜Ｍ６ａ……軸角度検出器、Ｍ１
ｂ……駆動源、Ｓ……スレーブマニピユレータ、
Ｓ１〜Ｓ７……軸、Ｓ１ａ〜Ｓ７ａ……軸角度検
出器、Ｓ１ｂ〜Ｓ７ｂ……アクチユエータ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 複数のマニピユレータ用軸Ｍ１〜Ｍ７と、そ
   れらのマニピユレータ用軸Ｍ１〜Ｍ７のうちの先
   端部の軸Ｍ７に設けられるマニピユレータ用把持
   部２とを有し、操作者３によつて操作されるマス
   タマニピユレータＭと、 マスタマニピユレータ用軸Ｍ１〜Ｍ７に個別的
   に対応する複数のスレーブマニピユレータ用軸Ｓ
   １〜Ｓ７と、それらのスレーブマニピユレータ用
   軸Ｓ１〜Ｓ７のうちの先端部の軸Ｓ７に設けられ
   るスレーブマニピユレータ用把持部５とを有する
   スレーブマニピユレータＳと、 マスタマニピユレータ用の各軸Ｍ１〜Ｍ７の軸
   角度をそれぞれ検出するマスタマニピユレータ用
   軸角度検出器Ｍ１ａ〜Ｍ７ａと、 スレーブマニピユレータ用の各軸Ｓ１〜Ｓ７の
   軸角度をそれぞれ検出するスレーブマニピユレー
   タ用軸角度検出器Ｓ１ａ〜Ｓ７ａと、 各マスタマニピユレータ用軸角度検出器Ｍ１ａ
   〜Ｍ７ａと、その各マスタマニピユレータ用軸角
   度検出器Ｍ１ａ〜Ｍ７ａにそれぞれ対応するスレ
   ーブマニピユレータ用軸角度検出器Ｓ１ａ〜Ｓ７
   ａとの出力の差を演算して求める減算回路１０
   と、 減算回路１０の出力にそれぞれ応答して、スレ
   ーブマニピユレータＳの各軸Ｓ１〜Ｓ７をそれぞ
   れ駆動するアクチユエータＳ１ｂ〜Ｓ７ｂと、 前記先端部の軸Ｍ７，Ｓ７以外の軸Ｍ１〜Ｍ
   ６，Ｓ１〜Ｓ６に個別的に対応する減算回路１０
   の出力の絶対値を加算する絶対値加算手段１９，
   ２１と、 絶対値加算手段１９，２１の出力レベルを、そ
   のレベルに対応した周波数に変換する第１変換回
   路２２と、 第１変換回路２２の周波数よりも高い一定の周
   波数の発振回路２４と、 第１変換回路２２と発振回路２４との各出力に
   応答し、発振回路２４の出力を、第１変換回路２
   ２の出力の周波数に対応した時間間隔Ｔ１，Ｔ２
   で断続して、音響化する手段２３，２４，２５
   と、 前記先端部の軸Ｍ７，Ｓ７に対応する減算回路
   １０の出力の絶対値を求める絶対値手段２７と、 絶対値手段の出力のレベルを、そのレベルに対
   応した周波数に変換する第２変換回路２９と、 第２変換回路２９の出力を音響化する手段３
   ０，３１とを含むことを特徴とするマスタ・スレ
   ーブマニピユレータの力感覚表現装置。