JPH0655467A - マスタスレーブ運動体制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 膨大な計算を行うことなく、高速に所定の機
能を実現して、遠隔地間の通信への適用性を向上させ、
かつ操作性をよくする。 【構成】 マスタ運動体Ｍのマスタ駆動系１を空気圧制
御のゴム製筋肉２本を拮抗させてその引張力により関節
軸を回転する構成とする。スレーブ運動体Ｓをマスタ運
動体Ｍと同構造対称型とする。マスタ運動体Ｍの各関節
軸の回転位置を位置計測系３により検出し位置制御演算
部４へ送る。位置制御演算部４は、マスタ運動体Ｍの操
作によって生じる各関節軸の回転位置の変位を圧力制御
信号へ変換し、スレーブサーボドライバ６へ送る。圧力
制御信号は、同時にマスタサーボドライバ５へも送ら
れ、マスタ運動体Ｍは操作者の行う動作に受動的に追従
する。サーボドライバ６は、圧力制御信号を受けて、ス
レーブ駆動系２を駆動する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、宇宙，海洋，原子力
分野など作業者が立ち入ることの困難な極限地作業、あ
るいは映像のみならず運動を必要とする遠隔地間の協同
作業などに用いて好適なマスタスレーブ運動体制御装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、この種のマスタスレーブ運動
体制御装置として、異構造のマスタマニピュレータ（マ
スタ運動体）とスレーブマニピュレータ（スレーブ運動
体）とを備え、マスタ運動体で検出した位置情報を写像
計算部にて基準となる作業空間座標系に写像して、スレ
ーブ運動体を制御するものが存在する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来のマスタスレーブ運動体制御装置では、マスタ
運動体とスレーブ運動体との構造が異なることによる運
動体の動力学的パラメータを調整して位置変位量を変換
する膨大な計算量を写像計算部にて必要とし、自由度
（関節）の増加に伴い計算時間も増加し、これに比例し
てサンプリング時間も長くなり、操作性が悪化するとい
う問題があった。また、従来のマスタスレーブ運動体制
御装置において、マスタ・スレーブ運動体の多くは、各
自由度にカウンタウェイトあるいはバネを使って、メカ
ニカルにその自重成分をバランスさせている。しかし、
自由度の多い多関節形のマスタ・スレーブ運動体には構
造的に適用が困難である。また、遅れ時間等によるマス
タ側、スレーブ側の姿勢誤差が考慮されていないため、
正確な自重補償が行われず、操作性が悪化する。さら
に、マスタ・スレーブ運動体の関節軸の駆動源としてモ
ータを用いた場合、トルク／重量比が小さいため、軽量
化して所定の駆動力を得ようとすると減速機を用いなけ
ればならず、摩擦の増大によって操作性に問題があっ
た。

【０００４】本発明はこのような課題を解決するために
なされたもので、その目的とするところは、膨大な計算
を行うことなく、高速に所定の機能を実現して、遠隔地
間の通信への適用性を向上させ、かつ操作性のよいマス
タスレーブ運動体制御装置を提供することにある。

【０００５】なお、本発明において、「運動体」の呼称
は、種々の駆動源（出力、方式、形状）を用いてその組
み合わせにより、作業性に応じた多様な自由度を有して
空間上の運動を行うロボテイクスの総称として用いてい
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明は、弾性特性を有する駆動源によりそ
の関節軸が駆動されるマスタ運動体と、このマスタ運動
体と同構造対称型のスレーブ運動体と、マスタ運動体の
関節軸に取り付けられその関節軸の回転位置を検出する
マスタ位置検出手段と、このマスタ位置検出手段の検出
する関節軸の回転位置に基づきその関節軸の位置偏差を
求め、対応するスレーブ運動体における関節軸の位置制
御量を演算する位置制御演算手段とを備えたものであ
る。

【０００７】

【作用】したがってこの発明によれば、マスタ運動体の
関節軸の回転位置を弾性変位させると、その弾性変位に
よる位置偏差に一致するように、スレーブ運動体の対応
する関節軸の回転位置が弾性変位する。

【０００８】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づき詳細に説明す
る。

【０００９】実施例１ 図１は本発明の第１実施例を示すマスタスレーブ運動体
制御装置のシステム構成図である。この実施例では、空
気をゴム製筋肉に流入して圧力制御を行う駆動源を用
い、マスタ運動体，スレーブ運動体間をユニラテラル制
御するものとしている。

【００１０】同図において、１はマスタ駆動系であり、
空気圧制御のゴム製筋肉２本を拮抗させて、その引張力
により一つの回転軸（関節軸）が回転する。関節軸は作
業用途に応じて多関節に構成する。２はスレーブ駆動系
であり、マスタ駆動系１と同構造対称型である。３はマ
スタ位置計測系であり、本実施例の場合、エンコーダと
エンコーダ受信部とから構成される。発明者らの実験で
は、制御内圧０から４９０ｋｐａ、収縮率２０％程度の
ゴム製筋肉２本の引張力を駆動源として用いた場合、１
回転２０００パルス程度の分解能を有するエンコーダを
用いて検出側で４逓倍し、関節軸の増速比を除算した分
解能で操作者の操作力を弾性変位として充分検出でき
る。４は位置制御演算部であり、操作者が操作すること
によって生じる各回転軸の回転角の差分（回転位置の変
位：位置偏差）を常時検出する。５はマスタサーボドラ
イバであり、位置制御演算部４の出力データを受けて空
気の流入圧力を制御し、マスタ駆動系１を駆動する。６
はスレーブサーボドライバであり、位置制御演算部４の
出力データを受けて空気の流入圧力を制御し、スレーブ
駆動系２を駆動する。

【００１１】図２はマスタ駆動系１の概略であり、一つ
の関節軸について示している。同図において、１−１は
正回転引張側のゴム製筋肉、１−２は逆回転引張側のゴ
ム製筋肉、１−３は関節軸であり、エンコーダ３−１が
内蔵されている。ゴム製筋肉１−１と１−２とを拮抗さ
せてその引張力により関節軸１−３が回転する。ゴム製
筋肉１−１，１−２への空気の流入圧力は、エアーケー
ブルを介して、マスタサーボドライバ５により制御され
る。なお、マスタサーボドライバ５へは、コンプレッサ
より基準圧力が与えられている。

【００１２】このように構成されたマスタスレーブ運動
体制御装置において、操作者が、マスタ運動体Ｍの先端
部分を保持して運動を行うと、マスタ位置計測系３が各
関節軸の回転位置を計測して位置制御演算部４へ送信す
る。位置制御演算部４は、圧力制御量に対する各関節軸
の位置制御量の関係を示すテーブルを持っていて、位置
変位情報から各関節軸を駆動する作動流体（空気）の圧
力制御信号へ逆変換する計算を行い、スレーブサーボド
ライバ６へ送信する。圧力制御信号は、同時にマスタサ
ーボドライバ５へも送信され、マスタ運動体Ｍは操作者
の行う動作に受動的に追従する。スレーブサーボドライ
バ６は、作動流体（空気）の圧力制御信号を受けて、ス
レーブ駆動系２を駆動する。

【００１３】ここで、第１の問題点として、空気をゴム
製筋肉に流入して圧力制御を行う駆動系では、圧力制御
量に対する位置変位量の繰り返し精度に微小のばらつき
が生じる。また、第２の問題点として、操作者の操作力
によるマスタスレーブ運動のように停止・反転・動作が
頻繁である非定常な運動では、マスタ位置計測系３はエ
ンコーダの計測パルス受信回路（エンコーダ受信部）が
振動により誤動作する場合がある。

【００１４】本実施例のマスタスレーブ運動体制御装置
では、上述の第１の問題点を解決するために、位置制御
演算部４において、マスタ位置計測系３のエンコーダの
基準位置信号（０地点）を用いて各関節軸の回転角の中
心を通過する度に対応するスレーブ側の各関節軸も基準
位置に一致させる処理を行うものとしている。この補正
処理を介在させることにより、初期状態でマスタ側、ス
レーブ側双方の姿勢を一致させて、さらに、それ以降の
操作者の連続的運動により誤差が重畳しないようにする
ことができる。この機能を採用する前提条件として、各
関節軸の許容動作角内に基準位置信号（０地点）が中心
位置に１地点のみ入力されるように駆動系機構のギア比
を設計する必要がある。

【００１５】また、本実施例のマスタスレーブ運動体制
御装置では、上述の第２の問題点を解決するために、２
相パルス出力型のエンコーダの場合、計測パルス受信回
路に停止状態や正転方向から逆転方向へ回転方向が変わ
るときに両相パルスの信号幅と位相差から異常パルス発
生状態を検出すると、クロック信号を出力して余計なカ
ウントパルスを打ち消す回路を付加して誤動作を防止す
るものとしている。

【００１６】さらに、マスタ位置計測系３のエンコーダ
の検出周波数が数百ｋHz程度とするとクロックは数ＭHz
程度必要であり、マスタ位置計測系３に同期して駆動系
１，２を運動させるには空気の流入圧力を制御するサー
ボドライバ５，６を含む制御系全体の処理時間を高速に
設計する必要がある。

【００１７】図３はマスタ運動体Ｍおよびスレーブ運動
体Ｓを人間の腕とほゞ対称形に構成し５自由度の同構造
としたマスタスレーブ運動体制御装置の要部を示すシス
テム構成図である。

【００１８】同図において、ＥＣ１〜ＥＣ５はエンコー
ダ、ＥＣＢ１〜ＥＣＢ５はエンコーダバッファ、Ｕ／Ｄ
１〜Ｕ／Ｄ５はアップダウンカウンタ、Ｄ／Ａ１１，Ｄ
／Ａ１２〜Ｄ／Ａ５１，Ｄ／Ａ５２はディジタル・アナ
ログ変換器、Ｖ−Ｉ１１，Ｖ−Ｉ１２〜Ｖ−Ｉ５１，Ｖ
−Ｉ５２は電圧・電流変換器、ＳＶＯ１〜ＳＶＯ５はサ
ーボドライバである。

【００１９】操作者がマスタ運動体Ｍの先端部分を保持
して運動を行うと、エンコーダＥＣ１〜ＥＣ５は、各関
節軸の回転によりパルスを発生して、エンコーダバッフ
ァＥＣＢ１〜ＥＣＢ５を介し、アップダウンカウンタＵ
／Ｄ１〜Ｕ／Ｄ５へ送信する。アップダウンカウンタＵ
／Ｄ１〜Ｕ／Ｄ５では、エンコーダバッファＥＣＢ１〜
ＥＣＢ５からの３相のパルス（Ａ相，Ｂ相，Ｚ相）から
回転方向の判別と分解能の逓倍処理を行い、回転角を検
出する。ディジタル・アナログ変換器Ｄ／Ａ１１，Ｄ／
Ａ１２〜Ｄ／Ａ５１，Ｄ／Ａ５２は、アップダウンカウ
ンタＵ／Ｄ１〜Ｕ／Ｄ５での検出回転角から圧力制御テ
ーブルに基づいて、拮抗する正回転引張側のゴム製筋肉
Ｒｕｂ１１〜Ｒｕｂ５１、逆回転引張側のゴム製筋肉Ｒ
ｕｂ１２〜Ｒｕｂ５２のそれぞれへ流入する空気圧力に
応じたアナログ電圧値を発生する。電圧・電流変換器Ｖ
−Ｉ１１，Ｖ−Ｉ１２〜Ｖ−Ｉ５１，Ｖ−Ｉ５２は、デ
ィジタル・アナログ変換器Ｄ／Ａ１１，Ｄ／Ａ１２〜Ｄ
／Ａ５１，Ｄ／Ａ５２からのアナログ電圧値をサーボド
ライバＳＶＯ１〜ＳＶＯ５の圧力制御レンジに対応した
制御電流値に変換して送信する。サーボドライバＳＶＯ
１〜ＳＶＯ５は正回転引張側のゴム製筋肉Ｒｕｂ１１〜
Ｒｕｂ５１、逆回転引張側のゴム製筋肉Ｒｕｂ１２〜Ｒ
ｕｂ５２のそれぞれへ制御電流値に応じた空気圧力を流
入する。正回転引張側のゴム製筋肉Ｒｕｂ１１〜Ｒｕｂ
５１、逆回転引張側のゴム製筋肉Ｒｕｂ１２〜Ｒｕｂ５
２への空気流入圧力は、常に和が圧力制御レンジの最大
値になるようにする。

【００２０】以上説明したように、本実施例によるマス
タスレーブ運動体制御装置によると、空気をゴム製筋肉
に流入して圧力制御を行う駆動系１および２を用いるこ
とにより、すなわち弾性特性を有する駆動系を用いるこ
とにより、マスタ運動体Ｍとスレーブ運動体Ｓを同構造
に構成し、シンプルで柔軟な運動体機構を作ることがで
き、操作者の身体との調和性を損なわないようにするこ
とができる。これにより、操作者は、重力成分を力感覚
として感じることなくマスタ運動体Ｍを操作でき、さら
にカウンタウェイトやバネを用いた重力補償と同様に任
意の姿勢で外力が作用しない状態で、マスタ運動体Ｍお
よびスレーブ運動体Ｓを静止させることができる。

【００２１】本実施例のマスタスレーブ運動体制御装置
では、マスタ運動体Ｍは数kgｆ・ｃｍの小さなトルクで
操作され、スレーブ運動体Ｓの追従性も良好であること
が、発明者らの試作装置実験により確認されている。

【００２２】また、本実施例によるマスタスレーブ運動
体制御装置によると、同構造対称型のマスタ運動体Ｍと
スレーブ運動体Ｓを用いて、それぞれの関節軸について
弾性特性を有する駆動源を設け、マスタ運動体Ｍの各関
節軸の弾性変位による位置偏差に一致するようにスレー
ブ運動体Ｍの各関節軸を駆動し、スレーブ運動体Ｓに所
定の運動を行わせるものとしているので、マスタ運動体
Ｍ，スレーブ運動体Ｓの構造が異なることによる運動体
の動力学的パラメータを調整して位置変位量を変換する
膨大な計算を必要とする写像計算の工程を含まずに、高
速にマスタスレーブ運動体制御を行うことができる。そ
して、関節が増えても計算時間が増加しないため、サン
プリング時間を高速にできるメリットがある。

【００２３】また、膨大な演算量を必要としていたマス
タ機構の自重補償や操作者の操作力ベクトルに追従させ
る受動制御等の運動体姿勢制御を必要最小限にすること
がき、マスタ側対スレーブ側の追従誤差の影響を極力小
さくすることができる。

【００２４】また、常に自重成分が補償された上で相対
的な位置偏差として制御するため、メカニカルにマスタ
マ運動体Ｍ，スレーブ運動体Ｓの自重成分をバランスさ
せる場合と比較して、マスタ側、スレーブ側の姿勢誤差
が少なく操作性が向上する。

【００２５】さらに、マスタスレーブ運動体制御装置の
駆動源として弾性特性を有する駆動系を用いているの
で、トルク／重量比が大きく、減速機を用いなくても充
分なトルクを発生することができる。

【００２６】実施例２ 図４は、この発明の第２実施例を示すマスタスレーブ運
動体制御装置のシステム構成図である。この実施例で
は、空気をゴム製筋肉に流入して圧力制御を行う駆動源
を用い、マスタ運動体とスレーブ運動体との位置偏差に
よりバイラテラル制御するものとしている。

【００２７】同図において、図１と同一符号は同一或い
は同等構成要素を示し、その説明は省略する。この実施
例では、スレーブ運動体Ｓにスレーブ位置計測系７を設
け、マスタ運動体Ｍとスレーブ運動体Ｓとの各関節軸の
回転角の位置偏差をマスタスレーブ位置比較器８にて求
め、その求めたマスタスレーブ位置偏差を位置制御演算
部４’へ与えるものとしている。

【００２８】このように構成されたマスタスレーブ運動
体制御装置において、操作者が、マスタ運動体Ｍの先端
部分を保持して運動を行うと、マスタスレーブ位置比較
器８はマスタ位置計測系３からの各関節軸の回転位置と
スレーブ位置計測系７からの各関節軸の回転位置との位
置偏差を求め、すなわちマスタ運動体Ｍの各関節軸のマ
スタスレーブ位置偏差を求め、この求めたマスタスレー
ブ位置偏差を位置制御演算部４’へ送信する。位置制御
演算部４’では、位置偏差が発生すると、常に双方の位
置偏差の１／２の位置まで動作させようとする。これに
より、系の慣性力がマスタ側に加わることを避けること
ができる。以降の処理は、ユニラテラル制御したマスタ
スレーブ運動体制御装置と同様である。

【００２９】この実施例の特徴は、位置偏差としてスレ
ーブ側に作用する環境からの外力をマスタ側へ伝達でき
ること、特別な力、トルクセンサを取り付ける必要がな
いこと、スレーブ側からもマスタ側を操作できること、
系の慣性力がマスタ側に加わらないことなどが挙げられ
る。

【００３０】実施例３ 図５は、本発明の第３実施例を示すマスタスレーブ運動
体制御装置のシステム構成図である。この実施例では、
空気をゴム製筋肉に流入して圧力制御を行う駆動源を用
い、マスタ運動体とスレーブ運動体との位置偏差および
力偏差によりバイラテラル制御するものとしている。

【００３１】同図において、図４と同一符号は同一或い
は同等構成要素を示し、その説明は省略する。この実施
例では、マスタ力検出部９を設け、マスタ駆動系１での
各関節軸への駆動流体のモニタ圧力値を受信するものと
している。また、スレーブ力検出部１０を設け、スレー
ブ駆動系２での各関節軸への駆動流体のモニタ圧力値を
受信するものとしている。そして、マスタスレーブ力比
較器１１にてマスタ運動体Ｍとスレーブ運動体Ｓとの各
関節軸における力偏差を求め、その求めた力偏差を圧力
位置変換部１２を介してマスタサーボドライバ５へ与え
るものとしている。

【００３２】このように構成されたマスタスレーブ運動
体制御装置において、操作者が、マスタ運動体Ｍの先端
部分を保持して運動を行うと、弾性による各関節軸の位
置変位はマスタ位置計測系３で計測され、同時に操作力
が加えられたことによる各関節軸への駆動流体のモニタ
圧力値の変化がマスタ力検出部９で計測される。マスタ
スレーブ力比較器１１は、マスタ力検出部９からの各モ
ニタ圧力値とスレーブ力検出部１０からの各モニタ圧力
値とを受信して、マスタ運動体Ｍとスレーブ運動体Ｓと
の各関節軸における力偏差を求める。すなわち、マスタ
運動体Ｍのマスタスレーブ力偏差を求め、この求めたマ
スタスレーブ力偏差を圧力位置変換部１２へ送信する。
圧力位置変換部１２では、マスタスレーブ力偏差に応
じ、このマスタスレーブ力偏差を小さくする向きの作用
力を計算して、それを位置制御量に変換し、マスタサー
ボドライバ５へ伝達する。マスタ運動体Ｍは、操作力が
作用したときの駆動源の弾性特性により起こる内圧力変
位がフィードバックされ、操作者の運動に追従する。ス
レーブ環境の反力は、マスタスレーブ比較器１１におい
てマスタスレーブ力偏差として取り出され、圧力位置変
換部１２を介してマスタ駆動系１へ伝達される。マスタ
位置計測系３で計測された位置変位は、マスタスレーブ
位置比較器８においてスレーブ側との位置偏差を検出さ
れ、位置制御演算部４’を介して、スレーブサーボドラ
イバ６へ送信され、スレーブ側の駆動系２がスレーブ運
動体Ｓを駆動する。

【００３３】本実施例の特徴としては、変換誤差を少な
く直接的にスレーブ環境からの反力をマスタ側へフィー
ドバックでき、スレーブ側、マスタ側両方にマスタ重量
に応じた慣性力が作用するため、慣性力による反力がマ
スタ側へ直接伝達されない効果がある。

【００３４】なお、上述した実施例２および３によれ
ば、遠隔協同作業への適用性からコミニュケーションル
ールに基づいた双方向型運動伝達（特願平４−１１６３
９２号「双方向側マスタスレーブ運動制御方法」参照）
を行うこともできる。

【００３５】また、上述した実施例２および３による
と、操作者の操作力を駆動系の弾性による微小の位置変
位として検出でき、複雑な写像計算を介することなく、
並列に同構造のマスタ運動体Ｍ，スレーブ運動体Ｓの対
応する関節軸へ伝達でき、また、スレーブ側へ環境から
外力が作用した場合、圧力制御目標値に対する圧力実測
値を計測することにより、環境から受ける外力を検出し
て力ベクトルの写像計算を介することなく、同構造のマ
スタ運動体Ｍへフィードバックすることもできる。ま
た、手先に力、トルクセンサを取り付ける必要がなく、
機構の重量を軽減できるとともに力成分を写像計算する
工程を省略でき、制御系を非常に小さくできる。

【００３６】なお、上述した各実施例では空気をゴム製
筋肉に流入して圧力制御を行う駆動系を用いたが、この
ような駆動系に限定されるものではなく、適宜使用用途
の目的や作業環境，作業要求される精度に応じて、油，
水等他の作動流体を用いたり、形状記憶合金の塑性変形
特性を応用した駆動系、超音波モータによる駆動系等の
弾性特性を有する小型高出力駆動源など他の手段を用い
ることもできる。その他、本発明の要旨を逸脱しない範
囲で種々変更して実施することができる。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したことから明らかなように本
発明によれば、弾性特性を有する駆動源によりその関節
軸が駆動されるマスタ運動体と、このマスタ運動体と同
構造対称型のスレーブ運動体と、マスタ運動体の関節軸
に取り付けられその関節軸の回転位置を検出するマスタ
位置検出手段と、このマスタ位置検出手段の検出する関
節軸の回転位置に基づきその関節軸の位置偏差を求め、
対応するスレーブ運動体における関節軸の位置制御量を
演算する位置制御演算手段とを備えたので、マスタ運動
体の関節軸の回転位置を弾性変位させると、その弾性変
位による位置偏差に一致するようにスレーブ運動体の対
応する関節軸の回転位置が弾性変位するものとなり、膨
大な計算を行うことなく、高速に所定の機能を実現し
て、遠隔地間の通信への適用性を向上させ、かつ操作性
をよくすることができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示すマスタスレーブ運動
体制御装置のシステム構成図。

【図２】マスタ駆動系の概略構成を示す図。

【図３】マスタ運動体およびスレーブ運動体を人間の腕
とほゞ対称形に構成し５自由度の同構造としたマスタス
レーブ運動体制御装置の要部を示すシステム構成図。

【図４】本発明の第２実施例を示すマスタスレーブ運動
体制御装置のシステム構成図。

【図５】本発明の第３実施例を示すマスタスレーブ運動
体制御装置のシステム構成図。

【符号の説明】

１ マスタ駆動系 ２ スレーブ駆動系 ３ マスタ位置計測系 ４ 位置制御演算部 ５ マスタサーボドライバ ６ スレーブサーボドライバ Ｍ マスタ運動体 Ｓ スレーブ運動体 １−１ 正回転引張側のゴム製筋肉 １−２ 逆回転引張側のゴム製筋肉 １−３ 回転軸（関節軸）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 弾性特性を有する駆動源によりその関節
   軸が駆動されるマスタ運動体と、 このマスタ運動体と同構造対称型のスレーブ運動体と、 前記マスタ運動体の関節軸に取り付けられその関節軸の
   回転位置を検出するマスタ位置検出手段と、 このマスタ位置検出手段の検出する関節軸の回転位置に
   基づきその関節軸の位置偏差を求め、対応する前記スレ
   ーブ運動体における関節軸の位置制御量を演算する位置
   制御演算手段とを備えたことを特徴とするマスタスレー
   ブ運動体制御装置。