JPH0443740B2 - - Google Patents
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- JPH0443740B2 JPH0443740B2 JP60265361A JP26536185A JPH0443740B2 JP H0443740 B2 JPH0443740 B2 JP H0443740B2 JP 60265361 A JP60265361 A JP 60265361A JP 26536185 A JP26536185 A JP 26536185A JP H0443740 B2 JPH0443740 B2 JP H0443740B2
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- Prior art keywords
- manipulator
- master
- slave
- force
- slave manipulator
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Description
(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マスタ・スレーブマニピ
ユレーシヨンシステムにおける遠隔制御装置に関
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く環境（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たマスタマニ
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させる必要があ
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８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、オペレータに臨場感を与えるこ
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、スレーブマニピユレータ側の拘束条件
を含む全体の動的コンプライアンスをマスタスレ
ーブ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ることができ、臨場感
の制御を可能にする遠隔制御装置を提供すること
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、この発明の動的コンプラ
イアンス逆送型バイラテラル遠隔制御装置は、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、前記第２の位置検出器からの位置信号と
前記第２の力検出器からの力信号から前記対象物
の動特性の要素を求める動特性同定器を備え、前
記の動特性の要素によつてマスタマニピユレータ
の動的コンプライアイスを調整することによつ
て、スレーブマニピユレータに加わる力学的拘束
を逆送するように構成したことを特徴としてい
る。 以下、この発明の詳細を一実施例に示す図面に
ついて説明する。 第１図において、１はマスタ・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は動特性定器１８、位置信号発生器
２１、動特定補償器２２及び２個の比較器２３，
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正確に変位Δx
が生じること、かつ、その時にスレーブマニピユ
レータが対象的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それが正しく加
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が正確に転送される
と考えてもよい。 もう１つ例を上げれば、第３図に示すように剛
体の棒１１１を介して対象物１１２を操作する場
合を考えることができる。 このような棒１１１では操作端にΔxという変
位を加えると作用端にも同様にΔxが加わる。そ
して、反力ΔFが作用端に加わると、それが操作
端に伝送される。すなわち、操作端の力学的状態
（Δ×，ΔF）と作用端の力学的状態（Δx，ΔF）
とが（もし棒が完全な剛体であれば）一致する。
このような伝送系は、理想的であり、マスタ・ス
レーブマニピユレータ制御では物理的に一体化し
ていない系に対しても、何らかの方法で、マスタ
マニピユレータとスレーブマニピユレータの力学
的状態を一致させることが、種々試みられている
わけである。 作用端における変位Δxと反力ΔFの関係は一般
に操作される対象の特性により変化する。その対
象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、かたい場合は微小なΔxに対して
も大きなΔFが発生する。またΔx，ΔFは時間的
にも変動するから、例えば、作用端におけるΔx，
ΔFは、第４図のようなグラフで表わすことがで
きる。 結局このような作用端のΔF，Δxの状態を正確
に、操作端で再現することが上述したようにマス
タ・スレーブマニピユレータの理想とする目的で
あり、本発明はそれに関するものである。 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の作用端
のΔFとΔxの関係は、対象物の動的特性によつて
記述することができる。即ち、一般に対象物の力
学的特性は、慣性要素Ｊ、粘性要素γ、ばね要素
ｋ、及び比例要素Ｋを含んでおり、これらを用い
て、ΔF，Δxの関係は、次のような微分方程式で
記述することができる。 JΔx¨＋γΔｘ・＋kΔx＝KΔF 従つて、マスタ・スレーブマニピユレータ機構
では、このようなΔx，ΔFの関係を記述する方程
式を対象物に応じて同定し、それと同じ力学的構
造を持つ系を、即ち、オペレータがΔxを加えた
ときにΔFを発生する系、或はΔFを加えたときに
Δxを発生させる系をマスタマニピユレータ機構
として構成すればよいことになる。 本発明では前述のようにマスタマニピユレータ
機構とスレーブマニピユレータ機構とは相似構造
を有し、マスタマニピユレータには力センサ８、
マスタマニピユレータ駆動装置６、位置センサ７
が設置されており、スレーブマニピユレータにも
同様に力センサ１６、スレーブマニピユレータ駆
動装置１４、位置センサ１５が設置されており、
マスタマニピユレータ５をオペレータが操作する
と、マスタマニピユレータ駆動装置６が動き、そ
のときの位置が位置検出器７で検出され、その位
置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。 一方、スレーブマニピユレータ機構３では位置
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からの前述の位置指令信号に応じてスレ
ーブマニピユレータ１３が動作する。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、変位と、その時の対象物２５から来る反力が
力検出器１６で検出され、動特性同定器１８に加
えられる。この動特性同定器１８は前述の微分方
程式のパラメータＪ，γ，ｋ，Ｋを求める装置
で、その求め方は従来技術により可能である。即
ち、対象物２５の特性（Ｊ，γ，Ｋ，ｋ）、変位
Δx、力ΔFが JΔx¨＋γΔｘ・＋kΔx＝KΔF と表わされるならば、この動特性同定器１８によ
り容易に求められる。そして、このパラメータが
マスタマニピユレータ機構２側に転送される。 マスタマニピユレータ機構２側では、その駆動
系の特性をスレーブマニピユレータ機構３の特性
と同一となるように決定する。要するに、オペレ
ータが操縦操作としてマスタマニピユレータ５に
力ΔFを加えた時、変位Δxがマスタマニピユレー
タ機構２に発生するようにする。即ち、マスタマ
ニピユレータ５の力ΔFと変位Δxとがスレーブマ
ニピユレータ機構３の力ΔF、変位Δxを関係付け
る微分方程式と同一の微分方程式 JΔx¨＋γΔｘ・＋kΔx＝KΔF に記述できるように、マスタマニピユレータ機構
２側のサーボ機構の特性を決定する。 第１図に示すスレーブマニピユレータ側のサー
ボ系はそれを実現する構成となつている。説明を
し易くするために、第１図におけるＡ点とＢ点の
部分をとり出して書くと第５図のようになる。即
ち、第５図のＡ点よりオペレータがマスタマニピ
ユレータ５に加える力ΔFを力検出器８で検知し、
位置信号発生器２１によりΔFに対応するΔxを求
める。 この計算は JΔx¨＋γΔｘ・＋kΔx＝KΔF をマイクロコンピユータ等で解くことにより行
う。この時、Ｊ，γ，ｋ，Ｋは動特性同定器１８
で決定された値を用いる。 こうして求められたΔxがマスタマニピユレー
タ機構２の位置サーボ系に入力される。マスタマ
ニピユレータ機構２のサーボ系は点Ａより点Ｂ間
の伝達特性が正確に上記の微分方程式で記述され
るようにするために、点Ａから点Ｂ間の伝達特性
を１にする必要がある。動特性補償器２２はこの
ために加えられる。この加え方は従来の技術によ
り容易に実現できる。 こうして、スレーブマニピユレータ機構３側の
（Δx，ΔF）の関係が正確にマスタマニピユレー
タ機構２側に逆送されるバイラテラル機構を構成
することができる。 第６図は上述の本発明の原理をｎ自由度系に拡
張したものである。第７図ａに示すごとく、例え
ばマスタマニピユレータがクランクを回すことを
考えると、マニピユレータはクランクよりある拘
束を受ける。 この拘束は一般的には第７図ｂに示すようにマ
ニピユレータのハンドの直交３軸方向の慣性、粘
性、弾性からなる力学的構造を有する拘束として
模式化することができる。この力学的構造はマニ
ピユレータの関節にトルク検出器、位置検出をつ
ければ、それらの組合せ出力（τi，θi）から、各
関節部の動特性G1〜Goとして評価することがで
きる。即ち、ハンドの直交軸に関する拘束の動特
性をGx，Gy，Gz，Mx，My，Mz、関節を６個と
し、それぞれの関節の動特性をG1〜G6、Gx…と
G1…を関係づける行列をＫ→とすると、 G1 G2 G3 G4 G5 G6＝Ｋ→Gx Gy Gz Mx My Mz こうして求められた、 G1 G2 G3 G4 G5 G6 をマスタマニピユレータ機構側のサーボ系の特性
として実現すればよい。ここでG1〜G6は図中の
関節動的コンプライアンス同定器で計測される。 G1〜G6はスレーブ関節軸における角変位Δθiと
トルクτiとを関係付ける微分方程式である。通常
ラプラス変換表示を用いれば、Δθi，τiは、次の
ように記述される。
ニピユレータを使用したマスタ・スレーブマニピ
ユレーシヨンシステムにおける遠隔制御装置に関
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く環境（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たマスタマニ
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させる必要があ
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８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、オペレータに臨場感を与えるこ
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、スレーブマニピユレータ側の拘束条件
を含む全体の動的コンプライアンスをマスタスレ
ーブ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ることができ、臨場感
の制御を可能にする遠隔制御装置を提供すること
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、この発明の動的コンプラ
イアンス逆送型バイラテラル遠隔制御装置は、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、前記第２の位置検出器からの位置信号と
前記第２の力検出器からの力信号から前記対象物
の動特性の要素を求める動特性同定器を備え、前
記の動特性の要素によつてマスタマニピユレータ
の動的コンプライアイスを調整することによつ
て、スレーブマニピユレータに加わる力学的拘束
を逆送するように構成したことを特徴としてい
る。 以下、この発明の詳細を一実施例に示す図面に
ついて説明する。 第１図において、１はマスタ・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は動特性定器１８、位置信号発生器
２１、動特定補償器２２及び２個の比較器２３，
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正確に変位Δx
が生じること、かつ、その時にスレーブマニピユ
レータが対象的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それが正しく加
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が正確に転送される
と考えてもよい。 もう１つ例を上げれば、第３図に示すように剛
体の棒１１１を介して対象物１１２を操作する場
合を考えることができる。 このような棒１１１では操作端にΔxという変
位を加えると作用端にも同様にΔxが加わる。そ
して、反力ΔFが作用端に加わると、それが操作
端に伝送される。すなわち、操作端の力学的状態
（Δ×，ΔF）と作用端の力学的状態（Δx，ΔF）
とが（もし棒が完全な剛体であれば）一致する。
このような伝送系は、理想的であり、マスタ・ス
レーブマニピユレータ制御では物理的に一体化し
ていない系に対しても、何らかの方法で、マスタ
マニピユレータとスレーブマニピユレータの力学
的状態を一致させることが、種々試みられている
わけである。 作用端における変位Δxと反力ΔFの関係は一般
に操作される対象の特性により変化する。その対
象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、かたい場合は微小なΔxに対して
も大きなΔFが発生する。またΔx，ΔFは時間的
にも変動するから、例えば、作用端におけるΔx，
ΔFは、第４図のようなグラフで表わすことがで
きる。 結局このような作用端のΔF，Δxの状態を正確
に、操作端で再現することが上述したようにマス
タ・スレーブマニピユレータの理想とする目的で
あり、本発明はそれに関するものである。 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の作用端
のΔFとΔxの関係は、対象物の動的特性によつて
記述することができる。即ち、一般に対象物の力
学的特性は、慣性要素Ｊ、粘性要素γ、ばね要素
ｋ、及び比例要素Ｋを含んでおり、これらを用い
て、ΔF，Δxの関係は、次のような微分方程式で
記述することができる。 JΔx¨＋γΔｘ・＋kΔx＝KΔF 従つて、マスタ・スレーブマニピユレータ機構
では、このようなΔx，ΔFの関係を記述する方程
式を対象物に応じて同定し、それと同じ力学的構
造を持つ系を、即ち、オペレータがΔxを加えた
ときにΔFを発生する系、或はΔFを加えたときに
Δxを発生させる系をマスタマニピユレータ機構
として構成すればよいことになる。 本発明では前述のようにマスタマニピユレータ
機構とスレーブマニピユレータ機構とは相似構造
を有し、マスタマニピユレータには力センサ８、
マスタマニピユレータ駆動装置６、位置センサ７
が設置されており、スレーブマニピユレータにも
同様に力センサ１６、スレーブマニピユレータ駆
動装置１４、位置センサ１５が設置されており、
マスタマニピユレータ５をオペレータが操作する
と、マスタマニピユレータ駆動装置６が動き、そ
のときの位置が位置検出器７で検出され、その位
置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。 一方、スレーブマニピユレータ機構３では位置
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からの前述の位置指令信号に応じてスレ
ーブマニピユレータ１３が動作する。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、変位と、その時の対象物２５から来る反力が
力検出器１６で検出され、動特性同定器１８に加
えられる。この動特性同定器１８は前述の微分方
程式のパラメータＪ，γ，ｋ，Ｋを求める装置
で、その求め方は従来技術により可能である。即
ち、対象物２５の特性（Ｊ，γ，Ｋ，ｋ）、変位
Δx、力ΔFが JΔx¨＋γΔｘ・＋kΔx＝KΔF と表わされるならば、この動特性同定器１８によ
り容易に求められる。そして、このパラメータが
マスタマニピユレータ機構２側に転送される。 マスタマニピユレータ機構２側では、その駆動
系の特性をスレーブマニピユレータ機構３の特性
と同一となるように決定する。要するに、オペレ
ータが操縦操作としてマスタマニピユレータ５に
力ΔFを加えた時、変位Δxがマスタマニピユレー
タ機構２に発生するようにする。即ち、マスタマ
ニピユレータ５の力ΔFと変位Δxとがスレーブマ
ニピユレータ機構３の力ΔF、変位Δxを関係付け
る微分方程式と同一の微分方程式 JΔx¨＋γΔｘ・＋kΔx＝KΔF に記述できるように、マスタマニピユレータ機構
２側のサーボ機構の特性を決定する。 第１図に示すスレーブマニピユレータ側のサー
ボ系はそれを実現する構成となつている。説明を
し易くするために、第１図におけるＡ点とＢ点の
部分をとり出して書くと第５図のようになる。即
ち、第５図のＡ点よりオペレータがマスタマニピ
ユレータ５に加える力ΔFを力検出器８で検知し、
位置信号発生器２１によりΔFに対応するΔxを求
める。 この計算は JΔx¨＋γΔｘ・＋kΔx＝KΔF をマイクロコンピユータ等で解くことにより行
う。この時、Ｊ，γ，ｋ，Ｋは動特性同定器１８
で決定された値を用いる。 こうして求められたΔxがマスタマニピユレー
タ機構２の位置サーボ系に入力される。マスタマ
ニピユレータ機構２のサーボ系は点Ａより点Ｂ間
の伝達特性が正確に上記の微分方程式で記述され
るようにするために、点Ａから点Ｂ間の伝達特性
を１にする必要がある。動特性補償器２２はこの
ために加えられる。この加え方は従来の技術によ
り容易に実現できる。 こうして、スレーブマニピユレータ機構３側の
（Δx，ΔF）の関係が正確にマスタマニピユレー
タ機構２側に逆送されるバイラテラル機構を構成
することができる。 第６図は上述の本発明の原理をｎ自由度系に拡
張したものである。第７図ａに示すごとく、例え
ばマスタマニピユレータがクランクを回すことを
考えると、マニピユレータはクランクよりある拘
束を受ける。 この拘束は一般的には第７図ｂに示すようにマ
ニピユレータのハンドの直交３軸方向の慣性、粘
性、弾性からなる力学的構造を有する拘束として
模式化することができる。この力学的構造はマニ
ピユレータの関節にトルク検出器、位置検出をつ
ければ、それらの組合せ出力（τi，θi）から、各
関節部の動特性G1〜Goとして評価することがで
きる。即ち、ハンドの直交軸に関する拘束の動特
性をGx，Gy，Gz，Mx，My，Mz、関節を６個と
し、それぞれの関節の動特性をG1〜G6、Gx…と
G1…を関係づける行列をＫ→とすると、 G1 G2 G3 G4 G5 G6＝Ｋ→Gx Gy Gz Mx My Mz こうして求められた、 G1 G2 G3 G4 G5 G6 をマスタマニピユレータ機構側のサーボ系の特性
として実現すればよい。ここでG1〜G6は図中の
関節動的コンプライアンス同定器で計測される。 G1〜G6はスレーブ関節軸における角変位Δθiと
トルクτiとを関係付ける微分方程式である。通常
ラプラス変換表示を用いれば、Δθi，τiは、次の
ように記述される。
【表】
〓Δθ６〓 〓０ ０ ０ ０ ０ Ｇ６〓〓τ６〓
この特性をマスタマニピユレータ機構側のサー
ボ系にもたせるために、信置信号発生器により
この特性をマスタマニピユレータ機構側のサー
ボ系にもたせるために、信置信号発生器により
【表】
〓０ ０ ０ ０ ０ Ｇ６〓〓τ６〓
を計算し、Δθ1…Δθ6を求め、それを位置サーボ
系に入力する。 マスタマニピユレータ機構には、各軸にモー
タ、力センサ、位置・角度センサがついており、
Δθ1…Δθ6に追従して動作する。この時に、マス
タサーボ系の動特性をG1…G6に一致させるため
に、位置サーボ系の特性を１にする必要がある。
そのために、１自由度の場合同様特性補償を加え
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。この座標変換は従来
技術で実現できる。第６図に示す実施例にはこの
座標変換も示されている。 (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、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、臨場感のある制御を可能にする遠隔制御装置
を得ることができる。
を計算し、Δθ1…Δθ6を求め、それを位置サーボ
系に入力する。 マスタマニピユレータ機構には、各軸にモー
タ、力センサ、位置・角度センサがついており、
Δθ1…Δθ6に追従して動作する。この時に、マス
タサーボ系の動特性をG1…G6に一致させるため
に、位置サーボ系の特性を１にする必要がある。
そのために、１自由度の場合同様特性補償を加え
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。この座標変換は従来
技術で実現できる。第６図に示す実施例にはこの
座標変換も示されている。 (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、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、臨場感のある制御を可能にする遠隔制御装置
を得ることができる。
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
レータ側とスレーブマニピユレータ側の力学的状
態を示す説明図、第３図はマスタマニピユレータ
側とスレーブマニピユレータ側の力学的状態の他
の例を示す説明図、第４図は反力と変位の時間変
化を例示するグラフ、第５図は第１図に示す遠隔
制御装置の部分図、第６図はこの発明の他の実施
例に係わる遠隔制御装置示す構成説明図、第７図
はスレーブマニピユレータが受ける拘束状態を示
す斜視説明図、及び第８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、１１……増幅器、１２
…コンプライアンス調整装置、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、１
７…増幅器、１８…動特性同定器、２１…位置信
号発生器、２２…動特性補償器、２３…比較器、
２４…比較器、２５…対象物。
装置を示す構成説明図、第２図はマスタマニピユ
レータ側とスレーブマニピユレータ側の力学的状
態を示す説明図、第３図はマスタマニピユレータ
側とスレーブマニピユレータ側の力学的状態の他
の例を示す説明図、第４図は反力と変位の時間変
化を例示するグラフ、第５図は第１図に示す遠隔
制御装置の部分図、第６図はこの発明の他の実施
例に係わる遠隔制御装置示す構成説明図、第７図
はスレーブマニピユレータが受ける拘束状態を示
す斜視説明図、及び第８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、１１……増幅器、１２
…コンプライアンス調整装置、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、１
７…増幅器、１８…動特性同定器、２１…位置信
号発生器、２２…動特性補償器、２３…比較器、
２４…比較器、２５…対象物。
Claims (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、前記第２の位置検出器からの位置
信号と前記第２の力検出器からの力信号から前記
対象物の動特性の要素を求める動特性同定器を備
え、前記の動特性の要素によつてマスタマニピユ
レータの動的コンプライアンスを調整することに
よつて、スレーブマニピユレータに加わる力学的
拘束を逆送するように構成したことを特徴とする
動的コンプライアンス逆送型バイラテラル遠隔制
御装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26536185A JPS62124886A (ja) | 1985-11-26 | 1985-11-26 | 動的コンプライアンス逆送型バイラテラル遠隔制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26536185A JPS62124886A (ja) | 1985-11-26 | 1985-11-26 | 動的コンプライアンス逆送型バイラテラル遠隔制御装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62124886A JPS62124886A (ja) | 1987-06-06 |
| JPH0443740B2 true JPH0443740B2 (ja) | 1992-07-17 |
Family
ID=17416108
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP26536185A Granted JPS62124886A (ja) | 1985-11-26 | 1985-11-26 | 動的コンプライアンス逆送型バイラテラル遠隔制御装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS62124886A (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US12377533B2 (en) | 2020-06-30 | 2025-08-05 | Keio University | Control system, control method, and storage medium |
| WO2023074333A1 (ja) * | 2021-10-29 | 2023-05-04 | 慶應義塾 | 情報提示システム、情報提示装置、情報提示方法及びプログラム |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2416094A1 (fr) * | 1978-02-01 | 1979-08-31 | Zarudiansky Alain | Dispositif de manipulation a distance |
-
1985
- 1985-11-26 JP JP26536185A patent/JPS62124886A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS62124886A (ja) | 1987-06-06 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |