JPH0446778A - 多本指マニピュレータの制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分舒〉 本発明は、マスタスレーブ方式の多本指マニピュレータ
に適用される制御方法に謁する。

〈従来の技術〉 マスタスレーブ方式の多本指マニピュレータの従来の制
御方法は、マスタ指とこれに対応するスレーブ指との間
で、各指１対毎の関節角の関係に注目したものであ＾、
マスタ指の関節の角度をそのまま、対応するスレーブ指
の関節に再現させている。従って、この従来の制御方法
は、マスタ指とスレーブ指とが同じ軸構成である、いわ
ゆる同構造マスタを用いる場合にしばしば適用される。

第５図は上述した従来の制御方法を示す図Ｔあ勢、複数
本のマスタ指２と、これらに対応するスレーブ指３とが
あり、各マスタ指２は操作者１に装着され、操作者１０
指の動きに従って、各関節２１，２２，２３，２４が動
く。

ここで、人差指に相当する１対の指２，３に着目すると
、マスタ指２の第１関節２１の角度”Ｍｌと第２関節２
２の角度”Ｍ２とを検出し、検出した関節角’Ｍｌをそ
のままスレーブ指３の第１関節３１の角度αｓＩとして
再現し、また検出した関節角ａ１２もそのままスレーブ
指３の第２関節３２の角度ａ８□として再現させる。即
ち、αＳＬ＝’Ｍｌで且つ”Ｓ２＝’Ｍ２となるように
制御を行う。親指に相当する他の１対の指２，３の間で
も同様であり、マスタ指２の第１．第２各関節２３，２
４の角度β。１．β、、２を検出し、これらの関節角β
１４．β。２をそれぞれスレーブ指３の第１．第２各関
節３３，３４の角度β３８．β３２として再現させろ。

第５図に示した従来の制御方法により多本指マニビニレ
ータのマスタスレーブ開園を行う場合、対をなすマスタ
指２とスレーブ指３が同寸法、同構造であれば、マスタ
指２で検出した通り関節角をスレーブ指３上に再現する
ことにより、スレーブ指３はマスタ指２を操作する操作
者１の意のままに動く。例えば、操作者１が成る大きさ
の物体をつかもうとイメージして、マスタ指２上でその
大きさのものを把持する指の形を作つ−た場合、スレー
ブ指３も操作者１がイメージした通りの形となり、実際
の物体を把持することができる。

しかし、スレーブ指３はその用途によりＷ々の形状及び
構造をとるため、通常、操作者１に装着されるマスタ指
２とはその形状を異にする。また、マスタ指２自体もそ
の使い勝手により、人間の指と同構造であるとは限らな
い。

そのため、上述したマスタ指の関節角をそのまま対応す
るスレーブ指の関節角に再現させる従来の制御方法では
、多くの場合、操作者は自分の指で操作する場合と同じ
感覚で物体を取り扱うことができず、マスタ指によるス
レーブ指の操作性が大きく低下すると言わざるを得ない
。

〈従来技術の改良〉 そこで発明者等は、通常人間が物体を指で取り扱う場合
、個々の関節角ではなく、指先端の位置及び取扱対象物
と指とのなす角度、即ち指が作る形を意識していること
に着目し、第６図に示すように、マスタ指２とスレーブ
指３との間で、対応する各１対の指毎に、マスタ指２の
指先端ベクトル４１（４２）を、スレーブ指３の指先端
ベクトル４３（４４）として個別に再現するという制御
方法を発明している。

との制御方法の詳細を第６図により説明する。第６図に
おいて、制御系はまず角度検出部１０１にてマスタ指２
の１指毎に全ての関節２１，２２　（２３，２４）の角
度α。１．α。２（β６□、β。２）を検知し、マスタ
指先端位置算出部１０２にて、マスタ指先端位置即ち操
作者１の指先端位置をマスタ指根元を原点とする座標系
で求める。そして、夫々のマスタ指先端位置が動いた場
合にスレーブ指先端がマスタ指先端の移動方向と同じ方
向に同じ量又は成る定められた数倍の量だけ動くように
、スレーブ指先位置算出部１０３にて、マスタ指先端位
置を、スレーブ指３の根元を原点とするスレーブ指先端
目標位置と定め、スレーブ関節角算出部１０４にて、ス
レーブ指先端がスレーブ指先端目標位置に来るに必要な
スレーブ指３の各関節３１，３２　（３３，３４）の角
度αＳＩ？　’＠２　（β、１．β、２）を求める。

更に制御系は、操作者指形状算出部１０５にてマスタ指
２の各関節角’Ｍｌ”　ｌ’＋２　（βＭ！’β。２）
及び関節角リンクの長さにより操作者１の指形状特に指
先端部の姿勢を求めろと共に、スレーブ指形状算出部１
０６にて先のスレーブ指３の各関節角’ＩＩ”　６２　
（β６１．β９゜）及び関節角リンクの長さによりスレ
ーブ指形状特にスレーブ指先端の姿勢を求め、これらの
指形状の差から、関節角オフセット算出部１０７にてス
レーブ指３の各関節角オフセットを求める。

そして制御系は、各関節角オフセットをスレーブ指３の
各関節角α８１”　８２　（β６１．β、２）に加え、
この加算値をスレーブ関節角指令部１０８にて最終的な
スレーブ関節角指令値として出力する。

以上により、操作者１の指先端位置及び指形状（指先端
姿勢）が、スレーブ指３の指先端位置及び指形状（指先
端姿勢）としてほぼ正確に再現する。従って、第５図で
説明したマスタ指２の関節角をそのままスレーブ指３の
関節角として再現する制御方法に比較し、第６図で説明
した制御方法はマスタ指とスレーブ指とが軸構造の異な
る、いわゆる異構造マスタを用いる場合にも適用するこ
とができろという利点がある。

〈発明が解決しようとする課題〉 しかし、第５図、第６図いずれの制御方法でも、１本の
マスタ指２で得られた情報（関節角あるいは指先端位置
）は、このマスタ指２に対応する１本のスレーブ指の制
御へのみ用いられている。即ち、マスタ指２とスレーブ
指３との情報関係は１指対１指の関係であることから、
次のような不都合がある。

操作者１が成る物体を把持しようとイメージして指を形
作った場合、例えば指先で直径Ａという物をつかもうと
イメージした場合、２本のスレーブ指３の指先間は直径
Ａの物を把持するために狭くもなく広くもなく、ちょう
どＡという大きさに開いている必要がある。

ところが、前述の如く両制御方法ともマスク指２とスレ
ーブ指３は１指対１指の関係になっているので、スレー
ブ指３０指先間がちょうどＡという大きさに開くという
保証はなしゝ　０ このため、操作者１は実際に物をつかむためには、あえ
てイメージを変えた作業を強いられることになり、作業
に熟練を要するだけでなく、複雑な動作、例えば指先で
物を回転させるような、あやつり動作等にいたっては、
実行不可能である。

本発明は、作業者が特別な訓練をすることなく、マスタ
スレーブ方式の多本指マニピュレータに複雑あるいは繊
細な作業を実行させることができろ制御方法を提供する
ことを目的とする。

く課題を解決するための手段〉 本発明による多本指マニピュレータの制御方法は、マス
タスレーブ方式の多本指マニピュレータにおいて、 マスタ指の関節角から、各マスタ指の指先端ベクトルを
算出すること、 各マスタ指の指先端ベクトルから、マスタ指どうしの指
先端間ベクトルを算出すること、スレーブ指どうしの指
先端間ベクトルが対応するマスタ指どうしの指先端間ベ
クトルに一致するように、各スレーブ指の指先端ベクト
ルを算出すること、 スレーブ指の指先端ベクトルから、スレーブ指の各関節
角を算出すること、及び、算出した関節角を指令値とし
てスレーブ指を駆動することを特徴とするものである。

〈作　　　用〉 操作者即ち人間は、成る物を見てこれを把持したり、又
は把持した物をあやつる場合、個々の指先の先端位置を
各々意識するのではなく、各指先端間の相対関係を意識
している場合が多い。例えば直径Ａの物体を把持してこ
れを回転させる場合を考えろと、物理的には指先端間を
絶えずＡの間隔に保ちながら指をねしる動作をするわけ
であるが、実際には、人間は指先端位置そのものを思議
して動かしているのではなく、無意識のうちに指先端間
を一定間隔Ａに保っている。即ち、指先端間の相対関係
をコントロールしている。

本発明は上述の知見に基づいたものであり、マスタ指の
指先端間ベクトルがスレーブ指の指先端間ベクトルとし
て再現されるため、操作者がマスタ指上で成る動作をし
た時、スレーブ指の少なくとも各指先端間の位置関係は
マスタ指の各指先端間の位置関係と同等であリ、指先端
間の距離及び成る指先端から見た他の指先端の方向はマ
スタ指とスレーブ指とで全く同じになることが保証され
る。この乙とは、マスタ指とスレーブ指とが同構造、異
構造にかかわらず成立する。

従って、本発明の制御方法によれば、人間が自己の経験
から無意識に行う動作即ち指先端間の相対位置関係をコ
ントロールする能力が、忠実にスレーブ指上に反映され
ることになり、操作者は異和感を覚えることなく、イメ
ージ通りの作業をマスタ指を介してスレーブ指に実行さ
せることが可能となる。

く実　施　例〉 第１図は本発明による多本指マニピユレータのｆｌｌＩ
Ｉｊ方法の原理を表わす実施例であり、２本のマスタ指
２で検出したリンク関節角α。、α　、βＭｌ’β、２
より、各マスタ指２の指先端ベクトル４１．４２を求め
、これら２つの指先端ベクトル４１．４２より、まず指
先端間ベクトル５を計算する。つまり、第２図に示すよ
うに、指根元の成る位置０を三次元（ｘ、ｙ、ｚ）座標
の原点（ｏ、ｏｐ　ｏ）　とすれば、一方の指の先端位
置Ａ　（Ｘ、、　Ｙ、、　Ｚ、　）はその指の関節角α
１．β１にて定まる点の座標であり、他方の指の先端位
置Ｂ　（Ｘ、、　Ｙ２゜Ｚ、）は同じくその指の関節角
α２．β２にて定まる点の座標であり、ＯＡ、ＯＢがそ
れぞれ指先端ベクトルであり、ＡＢが指先端間ベクトル
である。従って、指先端間ベクトルは扉＝蒜−ｎズ ＝　（Ｘ２−Ｘ、、Ｙ２−Ｙ、、Ｚ２−Ｚ、）として求
まる。

次に、２本のスレーブ指３において、それらの指先端間
ベクトル５′が先に求めたマスタ指先端間ベルト５と一
致するように各スレーブ指３の指先端ベクトル４３．４
４を計算し、次いでこれらの指先端ベクトル４３．４４
を実現するスレーブ指の各関節角α８１．αｓ２ｙβＩ
ｌ！’β９２を計算する。

そして、計算した関節角を指令値として各スレーブ指３
を駆動する。これにより、マスタ指２０指先端間ベクト
ル５がスレーブ指３上にてスレーブ指先端間ベクトル５
′となって再現する。

次に、第３図により、本発明を４本指のマスタスレーブ
方式のマニピュレータに適用した実施例を説明する。

第３図において、マスタ側の構成としては、親指と人差
指は操作者１の指に沿う形の３軸の同構造マスタ指２５
．２６であり、中指と薬指は操作者１の指と対向する形
の３軸の異構造マスタ指２７，２８である。これにより
、同構造マスタ指の持つ応答性の良さと、異構造マスタ
指の持つ装着性及び操作性の良さとを保ちながら、人間
の指先操作に最も重要な親指の可動範囲を広（とれるよ
うにしている。

他方、スレーブ側の構成としては、各々曲り２関節と横
振り１関節からなる指を、それぞれ人差指、中指、薬指
の３指に相当させて３本３６．３７．３８平行に配置し
、これらと対向する位置に同軸構成の親指に相当する指
３５を１本装備した計４本指の構成である。

本実施例では指先端間ベクトルの基点を人差指としてお
り、そのため人差指の制御に関してのみ従来と同じ関節
角に注目した１指対１指の制御方法を採用し、マスタ人
差指２６の関節角を基本的にはそのままスレーブ人差指
３６の関節角として再現している。人差指以外の指につ
いては本発明により制御している。

第３図において、制卸系は角度検出部２０１にてマスタ
人差指２６の各関節角を検出し、補正部２０２にて各関
節角に係数ａを乗じたり、或いは異構造マスタでは座標
変換などの計算を施し、指令部２０３にてスレーブ人差
指３６に対する各関節角を指令し、これらを駆動する。

ここで、補正部２０２を用いたのは、マスタ人差指２６
の関節角をそのままスレーブ人差指３６の関節角とせず
、原点となる人差指３６を最も異和感のない動きとする
ためである。

一方、制御系は角度検出部２０４にてマスタの親指３５
、中指３７及び薬指３８の各関節角を検出し、指先端位
置算出部２０５にて各指の指先端位置を算出する。また
、先に検出したマスタ人差指２６の各関節角から、指先
端位置算出部２０６にて、マスタ人差指２６の指先端位
置を算出する。

次いで、指先端間ベクトル算出部２０７にて、マスタ人
差指２６の指先端位置と他のマスタｔｆＲ２５，２７，
２８の各指先端位置との関係により、マスタ各指２５．
２７．２’８とマスタ人差指２６間の指先端間ベクトル
５１゜５２．５３を算出し、オフセット計算部２０８で
求めたオフセット量で補正部２０９にて補正し、指先端
ベクトル設定部２１０にて各スレーブ指の指先端間ベク
トル５１’５２’５３′とする。ここで、補正部２０９
を用いたのは、各マスタ指と操作者１の指“との太さの
差等によりマスタ指どぅしが接触するまでマスタ指を動
かしても操作者１の指どうしは密着しないことに原因す
る異和感をなくすためであり、マスタ指と操作者の指と
の太さの差を補正するオフセットを指先端間ベクトル５
１゜５２．５３に加えろ等の覆々の方法により操作性の
向上を図っている。

そして制御系は、指令部２０３で求めたスレーブ人差指
３６の各関節角から、指先端位置算出部２１１にてスレ
ーブ人差指３６の指先端位置を算出し、このスレーブ人
差指先端位置と他のスレーブ各指３５，３７，３８のス
レーブ人差指３６に対する各指先端間ベクトル５１’　
　５２’　　５３’とから、指先端位置算出部２１２に
て、他のスレーブ各指３５゜３７．３８の指先端位置を
算出する。

かくして求めた他のスレーブ各指の指先端位置から、関
節角算出部２１３にて同各指の関節角を算出し、これを
指令として人差指３６息外の他のスレーブ各指３５，３
７，３８を駆動する。

以上により、マスタ各指２５〜２８上で形作られる操作
者１の指の先端間の位置関係は確実にスレーブ指３５〜
３８の先端関係として再現される。従って、人間が無意
識のうちに指間の相対関係をコントロールしている動作
がスレーブ上で再現されることとなり、操作者１のイメ
ージ通りに物を把持したり、把持した物をあやつること
が可能となる。即ち、操作者１は特別な訓練をすること
なく、繊細な又は複雑な作業を、マスタスレーブ方式の
多本指マニピュレータに実行させることができる。

第４図は本発明による制卸方式を実現するハードウェア
の構成例を、基準となる指とこれに対する他の１本の指
との関係について示している。

第４図において、マスタ指６０は基準となる指、例えば
マスタ人差指であり、ポテンシ璽メータ等の関節角検出
養６１，６２，６３を有し、それぞれの出力がマスタ指
６０に対応するスレーブ指８０の各関節の位置サーボ装
置８１，８２，８３に関節角指令値として入力され、各
位置サーボ装置８１．８２．８３は各関節に設けた関節
角算出部ｓ４．ｓｓ。

８６と関節角指令値との輪差がゼロとなるように関節を
動かす。

マスタ指７０は親指など基準のマスタ指６０息外の指で
あり、関節角検出養７１，７２゜７３を有している。

指先端位置演算器６４は基準のマスタ指６０の指先端位
置を算出し、別の指先端位置演算器７４が他のマスタ指
７０の指先端位置を算出し、これらの差を減算Ｍ６５が
得て２本のマスタ指６０．ＴＯ間の指先端間ベクトルと
する。

また指先端位冒演算ｌ＃８７はスレーブ指８０ニ対する
各関節角指令値からこのスレーブ指８０の指先端位置を
算出し、加算＠９７がスレーブ指８０の指先端位置とマ
スタ指６０゜７０＠の指先端間ベクトルとからマスタ指
７０に対応するスレーブ指９０の指先端位置を算出する
。

そして、位置／関節角変換Ｉ＃９８がスレーブ指９０の
指先端位置をスレーブ指９０の各関節角指令値に変換し
、各関節の位置サーボ装置９１，９２，９３に入力する
。スレーブ指９０の各関節には関節角指令値９４，９５
゜９６があり、各位置サーボ装置９１，９２゜９３はス
レーブ指９０の各関節の検出角と関節角指令値との幅差
がゼロとなるように関節を動かす。

指が３本、４本と増える場合は、それに応じて各演算器
を増加すれば良い。

〈発明の効果〉 本発明の多本指マニピュレータの制卸方法によれば、マ
スタ指とスレーブ指の指先端位置に注目し、マスタの各
指先端間ベクトルをスレーブのマスタと対応する各指先
端間ベクトルとして再現するので、マスタ、スレーブ方
式のスレーブ指を操作者のイメージ通りに動かすことが
できる。

従って、従来は人間でなければ不可能であった細かい作
業を、特別な訓練を受けた操作者でなくてもロボット等
に代行させることができる。そのため、例えば原子力発
電所内や海中、宇宙等、人間が簡単には立ち入ることが
できない環境下での嫂雑な作業がロボット等で安全にで
きるようになった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理的実施例を示す図、第２図は指先
端間ベクトルの説明図、第３図は本発明の具体的実施例
を示す図、第４図はそのハードウェアによる構成例を示
す図、第５図は従来技術の制御方法を示す図、第６図は
従来技術の改良例を示す図である。 図面中、 ２、．２５，２６，２７及び２８はマスタ指、 ３．３５，３６，３７及び３８４よスレーブ指、 ５．５１，５２及び５３はマスタ指の指先端間ベクトル
、 ５’　　５１’　　５２’及び５３′はスレーブ指の指
先端間ベクトル、 ４１及び４２はマスタ指の指先端ベクトル、４３及び４
４はスレーブ指の指先端ベクトルである。 特　　許　　出　　願　　人 工業技術院長　　杉　浦　　賢 １１１！ｊ、１期間へ゛クトル ４２ｎＬ剣１ぐクドル ３スＶ−ブ詣 ４４行ｔｆ船△゛クトノ［

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 マスタスレーブ方式の多本指マニピュレータにおいて、 マスタ指の関節角から、各マスタ指の指先端ベクトルを
   算出すること、 各マスタ指の指先端ベクトルから、マスタ指どうしの指
   先端間ベクトルを算出すること、スレーブ指どうしの指
   先端間ベクトルが対応するマスタ指どうしの指先端間ベ
   クトルに一致するように、各スレーブ指の指先端ベクト
   ルを算出すること、 スレーブ指の指先端ベクトルから、スレーブ指の各関節
   角を算出すること、及び、 算出した関節角を指令値としてスレーブ指を駆動するこ
   とを特徴とする多本指マニピュレータの制御方法。