JPH0442142B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 (イ) 発明の目的 ［産業上の利用分野］ この発明はマスタマニピユレータとスレーブマ
ニピユレータを使用した遠隔制御方法に関するも
のである。

［従来の技術］ 宇宙や海洋あるいは原子力分野等における作業
のように、実際の作業をなすべき環境（作業環
境）に作業者が立入ることができない場合には、
作業環境にスレーブマニピユレータを設置し、こ
れを安全な遠隔の操作環境に設置しマスタマニピ
ユレータを使用して遠隔操作する方法が通常取ら
れている。

このマスタ・スレーブマニピユレーシヨンシス
テムにおける操縦性を向上させて遠隔操作を円滑
に行うためには、作業環境における情報を操作環
境における操作者に正確に伝達する必要があり、
スレーブマニピユレータ側の変位や、加わつた力
の状態をできるだけ忠実にマスタマニピユレータ
側に再現することが望まれる。

このようなことから、従来より、スレーブマニ
ピユレータに加わる力やトルクをマスタマニピユ
レータ側に転送することが試みられ、その目的を
満すものとして、種々のバイラテラルサーボ機構
が提案された。

それらのバイラテラルサーボ機構の１つとし
て、第４図に示すような、力帰還形バイラテラル
サーボ機構がある。

このバイラテラルサーボ機構１０１ではスレー
ブマニピユレータ１０３側に位置サーボ系が構成
されており、マスタマニピユレータ１０２側の変
位が位置検出器１０４で検出されると、その出力
を指令信号として、スレーブマニピユレータ１０
３側の位置サーボ系１０５が働き、スレーブマニ
ピユレータ１０３がマスタマニピユレータ１０２
の変位に追従して動く。一方、この時に、スレー
ブマニピユレータ１０３に対象物から何らかの拘
束力が加わつているとすれば、それがトルク（或
は力）検出器１０６で検知され、マスタマニピユ
レータ１０２側に伝送される。マスタマニピユレ
ータ１０２側には、駆動モータ（図示せず）やト
ルク（或は力）検出器１０７からなるトルクサー
ボ系１０８が構成されており、スレーブマニピユ
レータ１０３で検出されたトルク検出器１０６出
力信号を、このトルクサーボ系１０８に加えるこ
とにより、マスタマニピユレータ１０２側にスレ
ーブマニピユレータ１０３側に加わつているトル
クと同等のトルクが発生するように構成されてい
る。

［発明が解決しようとする問題点］ ところで、この種のバイラテラルサーボではス
レーブマニピユレータ側からマスタマニピユレー
タ側への力の逆送は、前述のように、スレーブマ
ニピユレータ１０３側に設置されたトルク検出器
１０６とマスタマニピユレータ１０２側に設置さ
れるトルクサーボ系１０８で行なわれるが、一般
にトルクサーボ系には種々の遅れが存在するた
め、スレーブマニピユレータ側で検知されたトル
クが、必ずしも正確にマスタマニピユレータ側に
は伝送されない。すなわち、トルクサーボ系に追
従誤差が生じるからである。この追従誤差は、ス
レーブマニピユレータ側において検知されるトル
クが高速で変動するような場合には、より無視で
きない量となり、オペレータにスレーブ側拘束力
を臨場感をもつて与えることができなかつた。

この発明は上記の如き事情に鑑みてなされたも
のであつて、マスタ・スレーブ型マニピユレータ
において、モデル規範型適応制御の手法を応用し
て、スレーブマニピユレータ側の拘束状況をモデ
ルとしてその拘束条件を含む全体の動的コンプラ
イアンスをマスタ側の駆動系にフイードバツクす
ることにより、マスタマニピユレータ側にスレー
ブマニピユレータ側と等価な拘束状態を実現する
ことによつて、リアルな遠隔操作感をそなえた遠
隔制御を可能にし、より直接的にオペレータが対
象物を操作しているような感覚を持たせることが
できる遠隔制御方法を提供することを目的とする
ものである。

(ハ) 発明の構成 ［問題を解決するための手段］ この目的に対応して、この発明のモデル規範型
バイラテラル遠隔制御方法は、マスタマニピユレ
ータに前記マスタマニピユレータに作用する力を
検出する第１の力検出器と前記マスタマニピユレ
ータの位置を検出する第１の位置検出器とを設
け、対象物を取扱うスレーブマニピユレータに前
記スレーブマニピユレータの位置を検出する第２
の位置検出器と前記スレーブマニピユレータに作
用する力を検出する第２の力検出器を設け、マス
タマニピユレータに作用させる力を前記第１の力
検出器で検出し、前記第１の力検出器の出力に基
づいてスレーブマニピユレータで力を対象物に作
用させ、前記対象物に作用する力に対応する前記
スレーブマニピユレータの位置を前記第２の位置
検出器で検出し、前記第２の位置検出器の出力を
モデル規範として前記第２の位置検出器の出力と
前記第１の位置検出器の出力の差が零となるよう
に補償回路によりマスタマニピユレータ制御系の
パラメータを調整することを特徴としている。

以下、この発明の詳細を一実施例を示す図面に
したがつて説明する。

第１図において、１はこの発明の一実施例にお
いて使用するマスタ・スレーブマニピユレータ制
御装置であり、マスタ・スレーブマニピユレータ
制御装置１はマスタマニピユレータ機構２、スレ
ーブマニピユレータ機構３及び伝送系４とを備え
ている。マスタマニピユレータ機構２はマスタマ
ニピユレータ５とマスタマニピユレータ５を駆動
するマスタマニピユレータ駆動装置６、マスタマ
ニピユレータ５の位置を検出する位置検出器７、
マスタマニピユレータ５に作用する力を検出する
力検出器８及びマスタマニピユレータ駆動装置６
への入力信号を増幅する増幅器１１とを備えてい
る。

一方、スレーブマニピユレータ機構３はスレー
ブマニピユレータ１３と、スレーブマニピユレー
タ１３を駆動するスレーブマニピユレータ駆動装
置１４と、スレーブマニピユレータ１３の位置を
検出する位置検出器１５と、スレーブマニピユレ
ータ１３に作用する力を検出する力検出器１６
と、及びスレーブマニピユレータ駆動装置１４へ
の入力信号を増幅する増幅器１７とを備えてい
る。

マスタマニピユレータ機構２とスレーブマニピ
ユレータ機構３とは伝送系４を介して接続してい
る。伝送系４は補償回路２２及び２個の比較器２
３，２４を備えている。

［作用］ バイラテラル制御の理想を再度整理すると、次
のようになる。

即ち第２図に示すように、マスタマニピユレー
タ側に、或る変位ΔXを加えたときに、それに応
じて、スレーブマニピユレータに変位ΔXが生じ
ること、かつ、その時にスレーブマニピユレータ
が対象物に何らかの作用を加えて、ΔFという反
力を受けるとすれば、そのΔFが正確にマスタマ
ニピユレータ側に転送されてマスタマニピユレー
タを操作するオペレータに正しく加えられること
である。この時に、第２図ではマスタマニピユレ
ータ側でΔXを加えるとしたが、逆にΔFという
力を加えて、ΔXが正確に逆送されると考えても
よい。即ち、マスタマニピユレータ側の力学的状
態（ΔX，ΔF）と、スレーブマニピユレータ側
の力学的状態（ΔX，ΔF）とが、一致すること
が理想的である。

ところで、スレーブマニピユレータ側における
変位ΔXと反力ΔFの関係は、一般に操作される
対象物の特性により変化する。その対象物が柔か
いものであれば、大きなΔXを加えても、ΔFは
小さいし、また、対象物が硬いものであれば、微
小なΔXに対しても大きなΔFが発生する。また、
スレーブマニピユレータにおけるΔX，ΔFは時
間的にも変化する。

結局、このようなスレーブマニピユレータの
ΔF，ΔXの状態をマスタマニピユレータ側で再
現することが、マスタマニピユレータの制御の理
想である。

そこで、この発明はモデル規範型適応制御の考
え方をマスタ・スレーブマニピユレータシステム
に応用し、スレーブマニピユレータの状態を規範
モデルとして扱い、そのモデルに一致するように
マスタマニピユレータ側の制御系のパラメータを
調整することにより、スレーブマニピユレータの
状態をマスタマニピユレータ側において忠実に再
生する。即ち、マスタマニピユレータ５をオペレ
ータが手１０でつかむと、それによつてマスタマ
ニピユレータ５に加えられた力が第１の力検出器
８で検出され、その力信号がスレーブマニピユレ
ータ機構３への指令信号となる。

スレーブマニピユレータ機構３では力サーボ系
が構成されており、マスタマニピユレータ機構２
からの前述の力指令信号に応じてスレーブマニピ
ユレータ１３が動作しマスタマニピユレータ５に
加えられた力と同じ大きさの力がスレーブマニピ
ユレータ１３により対象物２５に加えられる。ス
レーブマニピユレータ１３が対象物２５に作用を
加えると、その時の変位が位置検出器１５で検出
される。

一方、オペレータによつてマスタマニピユレー
タ５に加えられた力は第１の力検出器８で検出さ
れ、補償回路２２に入力される。補償回路２２で
はマスタマニピユレータ機構２に求められる変位
に対応する、駆動装置６に与えるべき信号（駆動
装置６がモータの場合は電流）を算出し、増幅器
１１を介してそれをマスタマニピユレータ駆動装
置６に入力する。その結果マスタマニピユレータ
駆動装置６が動作して、マスタマニピユレータ５
が変位する。この変位量は第１の位置検出器７に
よつて検出される。第１の位置検出器７の出力は
モデルである第２の位置検出器１５の出力と比較
器２４で比較され、偏差量が補償回路２２に入力
される。補償回路２２ではこの偏差量が常に零に
なるように、そのパラメータを調整する。このパ
ラメータの調整が適切に行われ、常にマスタマニ
ピユレータ、スレーブマニピユレータの双方の位
置検出器７，１５間の出力差が零になればマスタ
マニピユレータ、スレーブマニピユレータにおけ
る力、位置の関係が一致し、スレーブマニピユレ
ータの状態が、正確にマスタマニピユレータ側に
逆送されることになる。

第３図は上述の本発明の原理をｎ自由度のマス
タマニピユレータ系に拡張した遠隔操作方法を示
している。

第３図において、F_x，F_y，F_zはマスタマニピ
ユレータに作用した直交三軸方向の力、m_x，
m_y，m_zはマスタマニピユレータに作用した直交
三軸まわりのモーメント、ｘ，ｙ，ｚはマスタマ
ニピユレータの直交三軸方向の変位量、ψ_x，ψ_y，
ψ_zはマスタマニピユレータの直交三軸まわりの回
転角、G_x，G_y，G_zはスレーブマニピユレータの
直交三軸方向の動的コンプライアンス、M_x，
M_y，M_zはスレーブマニピユレータの直交三軸ま
わりの動的コンプライアンス、τ_iはスレーブマニ
ピユレータの関節の軸まわりのトルク、θ_iはスレ
ーブマニピユレータの関節の軸まわりの回転角で
ある。ｉは関節に対応する番号である。

スレーブマニピユレータとマスタマニピユレー
タは必ずしも構造が相似形である必要はない。但
し、自由度数（関節数）は一致していなければな
らない。スレーブマニピユレータとマスタマニピ
ユレータの構造が異なる時は、マスタマニピユレ
ータとスレーブマニピユレータ間の情報伝達の際
には座標変換を必要とする。第３図に示す実施例
にはこの座標交換も示されている。

(ハ) 発明の効果 このように、この発明によれば、マスタ・スレ
ーブ型マニピユレータにおいて、スレーブマニピ
ユレータ側の拘束条件に対応する動的コンプライ
アンスをマスタマニピユレータ側の駆動系にフイ
ードバツクすることにより、マスタマニピユレー
タ側にスレーブマニピユレータ側と等価な拘束状
態を実現することによつて、リアルな遠隔操作感
をそなえた遠隔制御を可能にし、より直接的にオ
ペレータが対象物を操作しているような感覚を持
たせることができる遠隔制御方法を得ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係わる遠隔制御
装置を示す構成説明図、第２図はマスタマニピユ
レータとスレーブマニピユレータにおける力と変
位の状態を示す説明図、第３図はこの発明の他の
実施例に係わる遠隔制御装置を示す構成説明図、
及び第４図は従来の力帰還型バイラテラル制御機
構を示す構成説明図である。 １…マスタスレーブマニピユレータ制御装置、
２…マスタマニピユレータ機構、３…スレーブマ
ニピユレータ機構、４…伝送系、５…マスタマニ
ピユレータ、６…マスタマニピユレータ駆動装
置、７…位置検出器、８…力検出器、１０…手、
１１…増幅器、１３…スレーブマニピユレータ、
１４…スレーブマニピユレータ駆動装置、１５…
位置検出器、１６…力検出器、１７…増幅器、２
２…補償回路、２３…比較器、２４…比較器、２
５…対象物。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ マスタマニピユレータに前記マスタマニピユ
   レータに作用する力を検出する第１の力検出器と
   前記マスタマニピユレータの位置を検出する第１
   の位置検出器とを設け、対象物を取扱うスレーブ
   マニピユレータに前記スレーブマニピユレータの
   位置を検出する第２の位置検出器と前記スレーブ
   マニピユレータに作用する力を検出する第２の力
   検出器を設け、マスタマニピユレータに作用させ
   る力を前記第１の力検出器で検出し、前記第１の
   力検出器の出力に基づいてスレーブマニピユレー
   タで力を対象物に作用させ、前記対象物に作用す
   る力に対応する前記スレーブマニピユレータの位
   置を前記第２の位置検出器で検出し、前記第２の
   位置検出器の出力をモデル規範として前記第２の
   位置検出器の出力と前記第１の位置検出器の出力
   の差が零となるように補償回路によりマスタマニ
   ピユレータ制御系のパラメータを調整することを
   特徴とするモデル規範型バイラテラル遠隔制御方
   法。