JPH0442144B2 - - 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・マニピユレータにおけ
る改良に関する。

〈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（こうした制御モードを追従型制御と
呼ぶ）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・マニピユレータの
最も基本的な構成を挙げれば、それは第４図に示
されるようなものとなる。

すなわち、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場合、上記追従型の
制御形態を最も簡単に実現するための常套手段と
して、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を構成するも
のである。

しかし、このような基本構成のままのマスタ・
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、それがある程度以上に大
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
の動きを待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、スレーブ腕の各自由度に対し、
作動指令入力が与えられている間、対応する自由
度の値が一定の速さで変化（増減）するように制
御するものを言い、また、増分型制御とは、スレ
ーブ腕の各自由度に対し、作動指令入力が与えら
れるたびに、ある一定の量だけ、対応する自由度
の値が変化（増減）するように制御するものを言
う。

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符号はこの
第５図中でも同一の構成子を示しているが、サー
ボ系１５内の各サーボ装置１５−１〜１５−ｎと
マスタ腕１との間にはサーボ指令値切り換え回路
１６−１〜１６−ｎが挿入され、比率制御や増分
型制御が必要となつたときには、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１２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
るようになつている。

〈発明が解決しようとする問題点〉 第５図に示された従来例は、確かに第４図に示
された従来例に関する限り、一つの改良とはなつ
ている。しかしいづれの場合も、また別の観点に
立つと、なお共通する欠点を有していた。

例えばマスタ・スレーブ・マニピユレータの一
つの形態として、マスタ腕とスレーブ腕とが互い
に異なる機構で構成されているような場合、すな
わち機構系として各構成子同志が寸法も含め、一
対一の対応関係になく、したがつて、マスタ腕の
可動範囲とスレーブ腕の可動範囲との間に食い違
いがあるような場合も考えられるが、こうした場
合、第４，５図に示されるような従来のマスタ・
スレーブ・マニピユレータでは、スレーブ腕の作
業可能範囲は当該スレーブ腕のそれとマスタ腕の
それとの積集合となり、十分に広い作業範囲を取
ることができない。

これを解決する試みとして、マスタ腕の動きを
拡大してスレーブ腕に伝える提案もあるが、その
ようにすると、スレーブ腕を微細に制御する能力
が失われてしまう。

また、例え、マスタ腕、スレーブ腕共、同じ機
構系であつたとしても、始動に際し、マスタ腕と
スレーブ腕と間に位置、姿勢のずれ等があつた場
合、すなわちそれらを表す空間的な物理量値をそ
れぞれある共通の原点に投影変換した際に一対一
の対応関係とならない場合、危険なことには当該
始動と共にスレーブ腕あるいはマスタ腕が急激な
動きを生ずる欠点もあつた。

本発明はこうした従来における欠点を解消し、
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、マスタ腕
とスレーブ腕との機構系に相違があつたり、ある
いはまた始動時に位置、姿勢等の相違があつたり
しても、それらを良く対応付けられる機能を有す
るマスタ・スレーブ・マニピユレータを提供せん
とするものである。

〈問題点を解決するための手段〉 既述した所において、マスタ腕とスレーブ腕の
機構系の相違とか位置、姿勢等のずれとかは、結
局はそれらを規定する空間的な物理量値の相違に
帰結でき、さらにはそれらの変化分あるいは変化
方向の相違に帰結できる。

すなわち、上記した従来例の欠点は、マスタ腕
とスレーブ腕に関するこれら物理量値の各変化分
あるいは変化の方向が一対一の対応関係にない場
合に生ずるものである。一対一の対応関係にない
ものを一対一の対応関係で制御しようとしたり、
単に可動範囲ないしは単位変化分の拡大・縮小の
問題で済ませようとしていたからこそ、上記のよ
うな問題が生じていたのである。

したがつて、マスタ腕とスレーブ腕とに関する
それら物理量値の相互間に適当な、上記変化分あ
るいは変化方向に関する一対一の対応関係以外の
必要な対応関係をも満足し得る制御系を提供でき
れば、マスタ腕とスレーブ腕とで機構系が異なつ
ていても、最適な制御が行なえ、分解能（微細な
制御）を犠牲にすることなく、スレーブ腕の可動
範囲を拡大することも容易にできるし、始動時の
位置、姿勢の相違等にも必要な対処をなすことが
できる。

このように、所求の対応付けをなすには、まず
もつてマスタ腕の関節角あるいは関節力に関し、
必要な一般化座標を算出し、これに基づいてスレ
ーブ腕駆動のための必要なデータ変換処理をなう
ことが最も合理的で簡単である。

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・スクレーブ・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。

本発明はこのような知見に基づき、既述の目的
を達成するため、次のような構成のマスタ・スレ
ーブ・マニピユレータを提供する。

マスタ腕の関節角あるいは関節力に基づき、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； 入力された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； 上記一般化座標生成装置と上記逆変換装置との
間に設けられたデータ加工部と；から成り、 上記データ加工部は、上記マスタ腕に関する一
般化座標データと上記スレーブ腕に関する一般化
座標データとの間にあつて、それらの変化分ある
いは変化の方向に関して一対一以外の所求の対応
付けを行うことのできる座標系対応付け装置と、
該対応付けを行なうための座標変換データを生成
する変換データ生成装置とを有して成ること； 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。

〈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。

一方、逆変換装置では、入力された一般化座標
データから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が、当該逆変換
装置に入力される一般化座標データは、データ加
工部にて加工されたデータである。

このデータ加工部は、データ加工を指令される
と、内蔵の変換データ生成装置により、その時点
でのマスタ腕の一般化座標とスレーブ腕の一般化
座標との間での必要な対応付けデータ（座標変換
データ）を生成し、これに基づき、座標系対応付
け装置により、マスタ腕の一般化座標をスレーブ
腕の一般化座標に対応付けて、加工済みデータと
して上記逆変換装置にこれを送る。

逆変換装置の出力として、上記の通り、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。

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当
然に、本発明が適用可能なことを表している。

〈実施例〉 第１図には本発明の望ましい一実施例としての
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、本発明の思想に加えて、通常
の追従型制御モードに他の制御モードとしての比
率型制御と増分型制御の双方を重畳（ちようじよ
う）し得る機構も含んでいる。

すなわち、要旨構成中で言うデータ加工部２５
は、変換データ生成装置２６、座標系対応付け装
置２７の外に、本発明の思想とはまた別な意味
で、あると望ましい制御方式重畳装置７も有して
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、データ加工部２５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、図示されたマスタ・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、データ加工部２５内の制御方式重
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、図示されたマスタ・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１
３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、データ加工部２５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、既述してきた構
成部分を適用することも可能ではある。

図示の場合にはさらに、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、その検出信号はデータ
加工部２５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、当該データ加工部２５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。

しかるに、データ加工部２５内にあつて、本発
明の思想により設けられた変換データ生成装置２
６は、データ生成を指令されると（指令部は図示
していない）、その時点でのマスタ腕の一般化座
標とスレーブ腕の一般化座標との間の所求の対応
付けデータ（座標変換データ）を生成する。

これを受けた座標系対応付け装置２７では、マ
スタ腕の一般化座標をスレーブ腕のそれに変換す
ること、また望ましくはその逆も行なう。

したがつてこうした場合、既述した制御方式の
重畳はこの変換データに関して行なわれる。ただ
し、制御方式の重畳はマスタ腕の一般化座標、ス
レーブ腕の一般化座標のいづれにおいてなすもの
としても良いし、比率制御指令入力装置１２、増
分型制御指令入力装置１３をマスタ腕側用、スレ
ーブ腕側用に個々に用意しても良い。しかし一般
には、これら指令装置１２，１３は、マスタ腕側
用、スレーブ腕側用のいづれか一方の側で用意さ
れていれば十分である。

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。

この第二実施例のマスタ・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に送る拘束動作記号列入力装置２
３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。

ただし、本発明の技術思想は、要旨構成中に見
られるように、そしてまた第１図及び第２図の実
施例中の構成に見られるように、変換データ生成
装置２６によりその時々のマスタ腕の一般化座標
とスレーブ腕の一般化座標との間の所求の対応付
けデータ（座標変換データ）を生成し、座標系対
応付け装置２７において、マスタ腕の一般化座標
をスレーブ腕のそれに変換することにあるから、
原則的には制御方式の重畳や拘束動作には無関係
で、それらは決して限定的なものではない。

〈発明の効果〉 本発明によれば、一般化座標を導入し、それに
基づきマスタ腕とスレーブ腕との座標系間の対応
付けのためのデータ加工をするため、マスタ腕と
スレーブ腕とには異なつた機構のものも採用する
ことができる。すなわち、マスタ腕とスレーブ腕
の各座標系の任意必要な対応付けが設定でき、し
たがつてまた、その初期設定や再設定を任意の対
応状態、任意の時点で行なえるようにしておけ
ば、マスタ腕の可動範囲の拡大ができるし、始動
時においてマスタ腕とスレーブ腕との座標系のず
れからスレーブ腕が急激な動きをするような危険
も除くことができる。より具体的にこれら効果を
まとめると、下記のようになる。

マスタ腕の可動範囲が狭い場合、あるいはマ
スタ腕の可動範囲とスレーブ腕のそれとの間に
食い違いがあるため、マスタ・スレーブ・マニ
ピユレータとして共通に利用できる作業範囲が
狭くなつてしまつていたような場合等にも、本
発明を適用すればマスタ腕の可動範囲を仮想的
に拡大し、マスタ・スレーブ・マニピユレータ
としての実効作業範囲を広げることができる。

マスタ腕とスレーブ腕とが互いに異なつた姿
勢を取つても作業をすることができる。これは
例えばスレーブ腕が上向きで作業を行なう場合
に、マスタ腕は水平あるいは下向きで作業を指
令できるように対応させれば、人間にとつて作
業しづらい上向き姿勢での作業指令を行なう必
要がなくなることを意味する。

変換データの生成機能をマスタ・スレーブ・
マニピユレータの始動時に必ず実行するように
しておけば、マスタ・スレーブ・マニピユレー
タを始動する時のマスタ腕とスレーブ腕の姿勢
のずれによる不都合がなくなる。

対応付けを行なう一般化座標の自由度に、例
えば重力方向の力を選定し、対応付けの再設定
を行なえば、スレーブ腕が把持している物体の
重さをマスタ腕側からなくすようなこともでき
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
スレーブ腕状態逆変換装置、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、２５はデータ加工部、
２６はデータ生成装置、２７は座標系対応付け装
置、である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ マスタ腕の関節角域は関節力に基づき、一般
   化された座標データを計算する一般化座標生成装
   置及び入力された一般化座標データからスレーブ
   腕の関節角域は関節力を生成する逆変換装置と； スレーブ腕の関節角域は関節力に基づき、一般
   化された座標データを計算する一般化座標生成装
   置及び入力された一般化座標データからマスタ腕
   の関節角域は関節力を生成する逆変換装置と； 上記マスタ腕側の一般化座標生成装置乃至逆変
   換装置と上記スレーブ腕側の一般化座標生成装置
   乃至逆変換装置との間に設けられたデータ加工部
   と；から成り、 上記データ加工部は、上記マスタ腕に関する一
   般化座標データと上記スレーブ腕に関する一般化
   座標データとの間にあつて、それらの変化分域は
   変化の方向に関して一対一以外の所求の対応付け
   を行なうことのできる座標系対応付け装置と、該
   対応付けを行なうための座標変換データを生成す
   る変換データ生成装置とを有して成ること；を特
   徴とするマスタ・スレーブ・マニピユレータ。