JPH0442143B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、マスタ腕の操作により、基本的には
その動きに追従させてスレーブ腕を遠隔制御する
ためのマスタ・スレーブ・マニピユレータに関
し、特にその操作性向上のための改良に関する。

〈従来の技術〉 マスタ・スレーブ・マニピユレータとは、マス
タ腕ないし主腕を操作者が動かすことにより、当
該動きに対応、追従させるように、空間的に別途
な位置に設けたスレーブ腕ないし従腕の動きを遠
隔制御するもので、そのため、宇宙、海中、原子
力発電炉関係内などのように、人間が立ち入るこ
とが困難か不可能な環境空間内での直観的な作業
手段として、将来的にも大いなる期待が寄せられ
ている。

こうしたマスタ・スレーブ・マニピユレータに
おける基本的な制御モードは、上記のように追従
型であり、したがつて従来においては、当該追従
型の制御形態を最も簡単に実現するための常套手
段として、一般に第４図に示すように、マスタ腕
１、スレーブ腕１４が共に例えば多関節型のもの
であるならば、それぞれの各関節に対応する各運
動自由度に応じ、それら各々を専用に制御する複
数のサーボ装置群１５−１，１５−２，……１５
−ｉ，…１５−ｎを用いたサーボ系１５を有して
いた。

しかし、このように構成されたマスタ・スレー
ブ・マニピユレータでは、マスタ腕１とスレーブ
腕１４間の動きにタイム・ラグがある場合、つま
りサーボ系１５を介しての信号伝達に時間的な遅
延がある場合、それある程度以上に大きなものと
なると、直観的な作業を阻害するか、極めて難し
くする問題を生じていた。マスタ腕１を動かした
後のスレーブ腕１４の動きが予測できないため、
操作者はどうしても、マスタ腕を少しづつ動かし
ては固定し、スレーブ腕の動きを持つという作業
を繰返し強いられるようになり、ために作業能率
が低下し、操作者自身も姿勢の維持に疲労するか
らである。

そこで従来からも、仕事の内容や状況に応じて
は、追従型制御に代えて、他の制御方式、例えば
比率制御や増分型制御を取り入れようとする試み
があつた。

比率制御とは、スレーブマニピユレータの所定
の自由度を時間に対し一定の比率で増減させるこ
とを意味する。例えば、関節角を一定の速度で増
減させることや、与えられた直交座標に関しハン
ドの位置を所定の方向に一定の速度で動かした
り、ハンドの姿勢を一定の早さで回転させたりす
ることである。

増分型制御とは、スレーブマニピユレータの所
定の自由度をこの制御法の指令の入力ごとに増減
させることを意味する。例えば、この制御法の指
令が入力されるごとに指令された関節角を一定量
づつ増減させたり、ハンドの姿勢を一定量づつ回
転させたりすることである。

こうした比率制御や増分型制御を取り入れた従
来のマスタ・スレーブ・マニピユレータは、第５
図に示されている。

第４図中にて用いた符号に対応する同一の構成
子を示しているが、この第５図示の従来例におい
ては、サーボ系１５内の各サーボ装置１５−１〜
１５−ｎとマスタ腕１との間にサーボ指令値切り
換え回路４６−１〜１６−ｎを挿入し、比率制御
や増分型制御が必要となつたときに、この切り換
え回路を操作し、マスタ腕１とスレーブ腕１４と
の関係を切離した上で、比率制御指令入力装置１
２か増分型制御指令入力装置１３のいづれか一つ
を択一的に選び、それらから専用のサーボ指令値
を得るようにしていた。

〈発明が解決しようとする問題点〉 同じ従来例ではあつても、マスタ・スレーブ・
マニピユレータとして最も基本的な構造を採るに
過ぎない第４図示のものは、制御モードがその本
来の追従型にのみ、限られているため、既述した
ような不具合に加えて、微妙な作業が要求される
ときにはこれに応えられないとか、操作者の熟練
度が作業の巧拙に極めて大きな影響を及ぼす等の
欠点を有していた。

これに対して第５図に示されたものは、第４図
示のものに比せば、遥かに融通性は高い。

しかし、作業能率という観点から考えると、必
ずしも満足の行くものとはなつていない。

追従型、比率型、増分型の三つの制御方式ない
し制御モードの中、そのときどきに適当なものを
選択することができるにしても、それには必ず切
り換え装置群１６−１〜１６−ｎを操作しなけれ
ばならないという手間があるし、しかも、こうし
た各種の制御方式は、互いに重畳（ちようじよ
う）させることができず、択一的にしか使用する
ことができない。

したがつて、選択できる制御方式の数が多い割
には、実効が乏しいという欠点を生んでいた。

本発明はこの点にかんがみて成されたもので、
マスタ・スレーブ・マニピユレータをより一層、
便利で汎用性の高いものとするために、特に切替
え操作を必要とせず、さらに要すれば任意の組合
せの制御方式も採用できるマスタ・スレーブ・マ
ニピユレータを提供せんとしたものである。

〈問題点を解決するための手段〉 上記のように、任意の組合わせの制御方式を採
用するには、それらの間に共通の物理量空間を規
定するのが便利である。そしてそのためには、通
常の物理学系で言う一般化座標という概念を導入
するのが良い。

ここで、一般化座標とは、任意の物理系の運動
状態を表現する物理量をもつて構成される抽象的
な空間を記述する座標である。例えば、６リンク
のマニピユレータであれば、そのハンドル部の運
動状態として、位置、姿勢、速度、角速度、加速
度、角加速度、力、トルクなどの物理量に着目す
ることができ、一般化座標はこれらの物理量を軸
として構成される空間を記述する手段であり、こ
のマニピユレータの上記物理量に係る運動状態は
この空間の一点、即ち一般化座標値で表現でき
る。

ここで、任意の物理系の運動状態を表現する物
理量としては、具体的には位置、姿勢（回転）、
速度、角速度、加速度、角加速度、並行力、回転
力（トルク）等を挙げることができる。但し、常
にこれらの物理量を全て含んでいる必要はなく、
これらの中から必要なものを選択すれば良い。

例えば位置対称型のマスタ・スレーブ・マニピ
ユレータにおいては、それぞれマスタ腕、スレー
ブ腕が取り付けられている台の一点を原点とする
直交座標系を想定し、マスタ腕、スレーブ腕それ
ぞれの手先の位置や姿勢、速度、角速度をもつて
一般化座標系とすれば良いし、力逆送方式や力帰
還方式のマスタ・スレーブ・マニピユレータにお
いては、位置、姿勢、速度、角速度、並行力、回
転力をもつて一般化座標とすれば良い。

従来タイプのマスタ・スレーブ・マニピユレー
タのハンドの位置の直交座標表現（ｘ，ｙ，ｚ）
は、この一般化座標の特別な場合である。

こうした知見に基づき、本発明は上記目的を達
成するため、 マスタ腕の関節角あるいは関節力から、該マス
タ腕の動きあるいは力に対応、追従させるよう
に、スレーブ腕を遠隔制御する追従型制御のため
の指令データとして、一般化された座標データを
計算する一般化座標生成装置と； 該該一般化座標生成装置の発する一般化座標デ
ータからスレーブ腕の関節角あるいは関節力を生
成する逆変換装置とを設け； 該一般化座標生成装置と該逆変換装置の間に、
制御方式重畳装置を介挿し； 該制御方式重畳装置により、比率型または増分
型制御方式に従う指令データの少なくともいづれ
か一方を、上記一般化座標生成装置の発する上記
追従型制御指令データとしての一般化座標データ
に重畳させ得るようにしたことを特徴とするマス
タ・スレーブ・マニピユレータ： を提供する。ここで、逆変換とは、一般化座標の
値からマスタ或はスレーブマニピユレータの関節
角、関節角速度、関節回転力などを求める変換で
ある。

また重畳とは、一般化座標の値に与えられた任
意の値を足し合わせることである。例えば、マス
タマニピユレータのハンドの直交座標に増分型制
御指令入力装置から送られてきた値Δxを足すよ
うなことを意味する。

〈作用〉 上記要旨構成中の一般化座標生成装置は、マス
タ腕の各運動自由度の値から、例えば一般化座標
系におけるマスタ腕の手先の位置、姿勢、あるい
はまたトルク等を生成する。

これは通常の追従型制御モードにおける指令デ
ータを一般化座標系のデータとして得たことに相
当する。

この追従型制御方式用指令データは、制御方式
重畳装置に送られる。

制御方式重畳装置では、上記追従型制御方式用
指令データに対し、例えば比率制御指令入力装置
から送られてくる比率制御方式用指令データ及び
あるいは増分型制御方式指令入力装置から送られ
てくる増分型制御方式用指令データを重畳し、逆
変換装置へこの重畳データを送る。もちろん、こ
れら各制御方式は、その時点では択一的に選ばれ
ても良いし、組合せとして選ばれても良い。

当該逆変換装置では、この重畳済みのデータに
応じ、スレーブ腕が実現すべき状態を表すスレー
ブ腕駆動用データを生成する。

このスレーブ腕駆動用データが得られた後は、
公知既存のもので良いスレーブ腕駆動装置によ
り、スレーブ腕の手先に所定の運動を与え、所定
の位置と姿勢、およびあるいはトルクを実現す
る。

上記作用を逆に考えれば、本発明においては、
追従型制御モードにおいての指令データを一般化
座標系に変換しているため、各種その他の制御モ
ードとの重畳を図る重畳装置を簡単に構成できる
のである。

なお、上記要旨構成中における関節角あるいは
関節力なる表現は、いづれか一方の場合はもちろ
ん、結果として両者を共に対象とした装置にも、
本発明は同様に適用可能であることを表している
こと、言うをまたない。

また、実際上は、マスタ腕に、操作者が当該マ
スタ腕に触れていること、ないし操作しているこ
とを検出する装置を設けると良い。

このようにすると、逆に操作者がマスタ腕から
手を離したこと、ないし離していることを検出で
きるから、手を離した時以降、外力によつてマス
タ腕が不測に動かされることのないよう、制動を
掛ける回路機構も容易に組込むことができる。

さらに、本発明のマスタ・スレーブ・マニピユ
レータにおいては、制御方式重畳装置には、上記
した比率制御方式用指令データや増分型制御方式
用指令データに加え、他の形態の制御方式、例え
ばプログラム制御方式等における指令データも与
えることができるし、他の条件データ、例えば拘
束動作指令データ等も与えることができる。

拘束動作とは、一般化座標表現されたスレーブ
腕の動作に関し、指定された自由度の値を所定の
値に固定したり、他の自由度の値との間に特定の
関係を維持させたりすることを言う。

例えばスレーブ腕の手先が三次元直交座標系に
おいて一般化座標表現されているとき、Ｘ軸まわ
りの回転角だけを一定の値に固定したり、Ｘ座標
とＹ座標の値が一致するような関係の運動にの
み、限定したりすることである。

〈実施例〉 第１図には本発明の基本的な一実施例としての
マスタ・スレーブ・マニピユレータ２０が示され
ている。

この実施例では、通常の追従型制御モードに重
畳させ得る他の制御モードとして、比率型制御と
増分型制御の双方を選んでいる。

マスタ腕１がリンク型のものである場合、当該
マスタ腕の状態を検出するマスタ腕状態検出装置
４は、各関節に取り付けた公知既存の適当なる角
度検出器等で構成することができる。

このマスタ腕状態検出装置４からの出力による
各関節の角度情報からマスタ腕の手先の直交座標
系における六つの自由度の値、すなわちＸ，Ｙ，
Ｚの各座標、及び各軸まわりの各回転角Ａ，Ｂ，
Ｃを算出するマスタ腕一般化座標生成装置６は、
通常の計算器等で構成することができる。

一方、制御方式重畳装置７を介して与えられる
当該各時点での一般化座標群Ｘ，Ｙ，Ｚ；Ａ，
Ｂ，Ｃに関し、スレーブ腕側では、スレーブ腕状
態逆変換装置８により、スレーブ腕の手先が対応
する位置、姿勢になるようなスレーブ腕の各関節
角の値を算出する。

そうして得られた各関節角の値を目標値とし、
公知既存の技術により構成されたスレーブ腕駆動
装置９は、スレーブ腕１４の各関節に取り付けら
れた図示していない適当なアクチユエータ、例え
ば電気モータを駆動、制御して、当該目標値を実
現せんとする。

制御用記号列入力装置１９は、本マスタ・スレ
ーブ・マニピユレータ２０の起動や停止等の全体
制御を始め、各部分装置への指令を記号で入力す
る。

このような構成の下で、本マスタ・スレーブ・
マニピユレータ２０には、さらに、比率制御指令
入力装置１２が設けられており、これには各自由
度に対応するように、比率動作入力スイツチ群が
設けてある。

これに応じ、制御方式重畳装置７は、当該比率
制御指令入力装置１２の各スイツチからの入力信
号が続く間、対応する自由度の値を対応する一定
の速度で増加または減少させ続ける。増減の速度
は当該比率制御指令入力装置１２に備えたスイツ
チや制御用記号列入力装置１９により、設定、変
更することができる。

同様にして、本マスタ・スレーブ・マニピユレ
ータ２０には増分型制御指令入力装置１３も設け
られ、当該装置１３には各自由度Ｘ，Ｙ，Ｚ；
Ａ，Ｂ，Ｃの増減を指示できるスイツチ群が備え
られている。

この増分型制御指令入力装置１３に備えられて
いる特定のスイツチを一回、操作するたびに、制
御方式重畳装置７ではこのスイツチに対応する自
由度の値を対応する一定量だけ、増加または減少
する。これにより、一般化座標の任意の自由度の
値が当該スイツチ群の選択操作によりそれぞれ対
応する一定量だけ、増減し、スレーブ腕の手先も
対応する一定量づつ、動作するようになる。一回
ごとの増減の速度は、上記と同様、当該増分型制
御指令入力装置１３に備えたスイツチや制御用記
号列入力装置１９にて設定、変更できる。

本実施例においては、スレーブ腕１４側からマ
スタ腕１を追従制御できるようにもなつている。
すなわち、スレーブ腕の状態を検出するスレーブ
腕状態検出装置１０は、先のマスタ腕用と同様、
当該スレーブ腕１４の各関節に取り付けた公知既
存の適当なる角度検出器等で構成することがで
き、このスレーブ腕状態検出装置１０の出力によ
る各関節の角度情報からは、スレーブ腕１４の手
先の直交座標系における六つの自由度の値、すな
わちＸ，Ｙ，Ｚの各座標、及び各軸まわりの各回
転角Ａ，Ｂ，Ｃがスレーブ腕一般化座標生成装置
１１により算出される。

一方、制御方式重畳装置７を介して与えられる
当該各時点での一般化座標群Ｘ，Ｙ，Ｚ；Ａ，
Ｂ，Ｃに関し、マスタ腕側では、マスタ腕状態逆
変換装置５により、マスタ腕１の手先が対応する
位置、姿勢になるようなマスタ腕１の各関節角の
値を算出する。

そうして得られた各関節角の値を目標値とし、
公知既存の技術により構成されたマスタ腕駆動装
置３は、マスタ腕１の各関節に取り付けられた図
示していない適当なアクチユエータ、例えば電気
モータを駆動、制御して、当該目標値を実現せん
とする。

上記の一般化座標生成装置６，１１にあつて
は、上記六つの自由度の値の算出に限らない外、
場合によつてもつと少ない数の自由度に関しての
演算を行なうようになつていても良いし、逆にト
ルク情報等も加えることができる。

例えばスレーブ腕がマスタ腕の動きに追従せん
として発生したトルクを一般化座標生成装置１１
によつてトルク情報として算出し、これからマス
タ腕状態逆変換装置５により、マスタ腕の関節力
を算出してこの力を目標値とし、マスタ腕駆動装
置３によつて図示していない適当なアクチユエー
タを制御する等が考えられる。また、特殊な場合
には、関節力の伝達機構にのみ、本発明を適用す
ることも可能ではある。

この実施例においてはさらに、操作者がマスタ
腕１を操作しているか否かを検出するマスタ腕操
作検出装置２も設けられていて、その検出信号は
制御方式重畳装置７に入力されている。

これは、操作者がマスタ腕１から手を離したと
き以降、マスタ腕が外力によつて動かされないよ
うに、当該重畳装置７から制動信号を送つてマス
タ腕に制動を掛けるためである。

第２図に示される本発明の第二の実施例は、既
述した第一実施例に加えて、拘束動作条件を設定
可能としたものである。本図中において第１図中
と対応する符号は当該第一実施例におけると同一
で良い構成子を示しており、したがつて、それら
については適宜、説明を省略する。

拘束動作の意味自体については既に作用の項で
説明したが、本実施例のマスタ・スレーブ・マニ
ピユレータ２０では、必要とするそれぞれの拘束
動作を、拘束動作指令入力装置２１により、適当
なる記号列のデータで与えることができる。ま
た、拘束動作選択入力装置２２は、どの拘束動作
を選ぶかを指令するものである。

このようにして与えられた拘束動作は、当該拘
束動作指令データとスレーブ腕１４から回路１
０，１１を介して与えられる一般化座標との値に
基づいて拘束すべき座標値を生成し、これを制御
方式重畳装置７に送る拘束動作用記号列入力装置
２３を設けることにより実現される。

またこうした拘束動作は、スレーブ腕１４に代
えて、あるいは加えて、マスタ腕状態逆変換装置
５とマスタ腕駆動装置３を介することにより、マ
スタ腕１に対しても与えることができる。なお、
拘束動作指令入力装置２１は、先に述べた制御用
記号列入力装置１９で兼用することも可能であ
る。

上記いづれの実施例においても、制御方式の重
畳は、例えば第３図にマスタ腕１のの手先１Ａを
拡大して模式的に示すように、当該操作者が握る
握り部分の適当な位置に設けた制御指令スイツチ
群２４により、操作者の手元から指令するように
することもできる。このようにすれば、もちろ
ん、作業性は極めて高いものとなる。

上記した本発明の実施例におけるマスタ・スレ
ーブ・マニピユレータ２０は、例えばアルコー
ル・ランプのキヤツプ外し作業等を例に取ると、
極めて有効に使えることが分かる。

この作業の当初の制御動作として、スレーブ腕
の手先をアルコール・ランプのキヤツプの近くま
で素早く持つてくるときには、本来の追従型制御
による直観的でおおまかな動作が適している。

しかし次に、スレーブ腕の手先がキヤツプの中
心に合うように細かく制御するためには、微少量
づつ制御できる増分型制御が適している。

そして最後に、こうして把持したキヤツプを真
上に持ち上げる動作には、指定方向に一定速度で
動かすことのできる比率制御が適している。

さらに、上記各制御モードに加え、あれば望ま
しい構成として述べた拘束動作の概念を適用する
と、スレーブ腕の手先に水平拘束を与えることに
より、キヤツプの姿勢とスレーブ腕の手先の姿勢
との整合を取る操作は省くことができ、したがつ
て作業は、より一層、容易かつ迅速になる。

〈発明の効果〉 本発明によると、マスタ・スレーブ・マニピユ
レータによる遠隔作業において、その本来の追従
型制御に加え、何ら別途な切り換え操作を要する
ことなく、いつでもどれでも、あらかじめ用意し
てある他の制御モードを任意適宜に使用すること
ができる。

本発明要旨において限定されているように、比
率制御、増分型制御の例えいづれか一つだけでも
付け加えられれば、その分は確実に、この種マス
タ・スレーブ・マニピユレータの融通性を増すこ
とができるし、ましてや、上記実施例に見られる
ように、本発明の構成は、上記比率制御、増分型
制御の双方を付け加えるのみならず、さらに他の
制御モードや拘束動作などの条件要素の付加をも
妨げるものではないため、そのようにされたマス
タ・スレーブ・マニピユレータの作業能力は、こ
れまでのものに比し、極めて高いものになる。

また逆に言えば、マスタ腕操作に対するスレー
ブ腕動作の遅延時間がかなり大きいようなマス
タ・スレーブ・マニピユレータにおいても、本発
明を適用すると、その欠点を機能の多様さで補
い、緩和することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるマスタ・スレーブ・マニ
ピユレータの第一の実施例の概略構成図、第２図
は同じく本発明第二の実施例の概略構成図、第３
図はマスタ腕の手先に制御指令スイツチを備える
場合の説明図、第４図は従来における最も基本的
な構成のマスタ・スレーブ・マニピユレータの概
略構成図、第５図は他の従来例としてのマスタ・
スレーブ・マニピユレータの概略構成図、であ
る。 図中、１はマスタ腕、２はマスタ腕操作検出装
置、４はマスタ腕状態検出装置、６はマスタ腕一
般化座標生成装置、７は制御方式重畳装置、８は
マスタ腕状態逆変換装置、９はスレーブ腕駆動装
置、１２は比率制御指令入力装置、１３は増分型
制御指令入力装置、１９は制御用記号列入力装
置、２０は全体としての本発明によるマスタ・ス
レーブ・マニピユレータ、２１は拘束動作指令入
力装置、２２は拘束動作選択入力装置、２３は拘
束動作用記号列入力装置、２４は制御指令スイツ
チ、である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ マスタ腕の関節角あるいは関節力から、該マ
   スタ腕の動きあるいは力に対応、追従させるよう
   に、スレーブ腕を遠隔制御する追従型制御のため
   の指令データとして、一般化された座標データを
   計算する一般化座標生成装置と； 該一般化座標生成装置の発する一般化座標デー
   タからスレーブ腕の関節角あるいは関節力を生成
   する逆変換装置とを設け； 該一般化座標生成装置と該逆変換装置の間に、
   制御方式重畳装置を介挿し； 該制御方式重畳装置により、比率型または増分
   型制御方式に従う指令データの少なくともいづれ
   か一方を、上記一般化座標生成装置の発する上記
   追従型制御指令データとしての一般化座標データ
   に重畳させ得るようにしたことを特徴とするマス
   タ・スレーブ・マニピユレータ。