JPH07136949A - マスター・スレーブ・マニピュレーターの特異点回避方法 - Google Patents
マスター・スレーブ・マニピュレーターの特異点回避方法Info
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- JPH07136949A JPH07136949A JP28540593A JP28540593A JPH07136949A JP H07136949 A JPH07136949 A JP H07136949A JP 28540593 A JP28540593 A JP 28540593A JP 28540593 A JP28540593 A JP 28540593A JP H07136949 A JPH07136949 A JP H07136949A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 マスター・スレーブ・マニピュレーターの特
異点回避方法に関し、マスター・スレーブ・マニピュレ
ーターを安定に操作でき、特異点には到達することがな
いマスター・スレーブ・マニピュレーターの特異点回避
方法を提供することを目的とする。 【構成】 スレーブ・マニピュレーターの各関節につい
て、現在の関節角と特異点における関節角の差に応じて
変化し、特異点においては無限大になる仮想的な特異点
回避トルクを生成し、該特異点回避トルクを特異点回避
力に変換し、該特異点回避力とスレーブ・マニピュレー
ターの発生力の和の力からマスター・マニピュレーター
における印加力を差し引いた力をマスター・マニピュレ
ーターに帰還するように構成する。
異点回避方法に関し、マスター・スレーブ・マニピュレ
ーターを安定に操作でき、特異点には到達することがな
いマスター・スレーブ・マニピュレーターの特異点回避
方法を提供することを目的とする。 【構成】 スレーブ・マニピュレーターの各関節につい
て、現在の関節角と特異点における関節角の差に応じて
変化し、特異点においては無限大になる仮想的な特異点
回避トルクを生成し、該特異点回避トルクを特異点回避
力に変換し、該特異点回避力とスレーブ・マニピュレー
ターの発生力の和の力からマスター・マニピュレーター
における印加力を差し引いた力をマスター・マニピュレ
ーターに帰還するように構成する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、力帰還型双方向制御を
行なうマスター・スレーブ・マニピュレーターの遠隔操
作技術に係り、特に、マスター・マニピュレーターとス
レーブマニピュレーターのいずれも特異点に到達するこ
とがないマスター・スレーブ・マニピュレーターの特異
点回避方法に関する。
行なうマスター・スレーブ・マニピュレーターの遠隔操
作技術に係り、特に、マスター・マニピュレーターとス
レーブマニピュレーターのいずれも特異点に到達するこ
とがないマスター・スレーブ・マニピュレーターの特異
点回避方法に関する。
【０００２】人間と同じように巧妙に動作する知的な機
械を作ることは、昔からの夢の一つであったが、コンピ
ュータの発明により機械を精密に制御することが可能に
なり、１９６０年代に本格的な研究が始められ、１９７
０年代にロボットのプロトタイプが開発されて、産業用
ロボットの実用化へと進んできた。そのロボット技術の
基本的要素の一つにマニピュレーターの制御技術がある
が、本発明はオペレーターがマスター・マニピュレータ
ーを操作し、スレーブ・マニピュレーターで遠隔操作を
行なうマスター・スレーブ構成のマニピュレーターに関
わるものである。
械を作ることは、昔からの夢の一つであったが、コンピ
ュータの発明により機械を精密に制御することが可能に
なり、１９６０年代に本格的な研究が始められ、１９７
０年代にロボットのプロトタイプが開発されて、産業用
ロボットの実用化へと進んできた。そのロボット技術の
基本的要素の一つにマニピュレーターの制御技術がある
が、本発明はオペレーターがマスター・マニピュレータ
ーを操作し、スレーブ・マニピュレーターで遠隔操作を
行なうマスター・スレーブ構成のマニピュレーターに関
わるものである。
【０００３】マスター・スレーブ・マニピュレーターに
よる遠隔操作は、クレーンやパワーショベルなどの比較
的単純な力作業から、原子力プラントなど人間には危険
な作業環境における精密な作業まで、様々な分野で採用
されている。この遠隔操作の操作性向上のためには、ス
レーブ側で感じた反力をオペレーターに帰還する、力帰
還型双方向制御技術が重要である。図８は、一般的な力
帰還型双方向制御系の制御方法を示す図である。図８に
おいて、１はマスター・マニピュレーター、２はスレー
ブ・マニピュレーター、３ａと３ｇは加算器である。図
８の制御方法においては、マスター側でオペレーターが
指示する移動量ΔＸとスレーブ・マニピュレーターの先
端位置データＸs を加算して先端位置指令値Ｘsdをスレ
ーブ・マニピュレーターに印加して制御し、その結果ス
レーブ・マニピュレーターが外界から受けた力Ｆs と、
マスター側でオペレーターが印加した力Ｆm との差の力
をマスター側に帰還するようになっている。この力帰還
によってマスター・マニピュレーターを操作するオペレ
ーターはスレーブ・マニピュレーターが外界から受けた
力を感じることができる。
よる遠隔操作は、クレーンやパワーショベルなどの比較
的単純な力作業から、原子力プラントなど人間には危険
な作業環境における精密な作業まで、様々な分野で採用
されている。この遠隔操作の操作性向上のためには、ス
レーブ側で感じた反力をオペレーターに帰還する、力帰
還型双方向制御技術が重要である。図８は、一般的な力
帰還型双方向制御系の制御方法を示す図である。図８に
おいて、１はマスター・マニピュレーター、２はスレー
ブ・マニピュレーター、３ａと３ｇは加算器である。図
８の制御方法においては、マスター側でオペレーターが
指示する移動量ΔＸとスレーブ・マニピュレーターの先
端位置データＸs を加算して先端位置指令値Ｘsdをスレ
ーブ・マニピュレーターに印加して制御し、その結果ス
レーブ・マニピュレーターが外界から受けた力Ｆs と、
マスター側でオペレーターが印加した力Ｆm との差の力
をマスター側に帰還するようになっている。この力帰還
によってマスター・マニピュレーターを操作するオペレ
ーターはスレーブ・マニピュレーターが外界から受けた
力を感じることができる。
【０００４】さて、マスター側とスレーブ側の多関節型
マニピュレーターの先端位置を制御する場合、動作が不
連続になる特異点が存在する。その特異点付近では手元
の動作に対する関節の動作が極端に大きくなり、マスタ
ー・スレーブ・マニピュレーターの安定性が失われるば
かりでなく、オペレーターなどを危険にさらすことにな
る。図９で、マニピュレーターの先端側の二つの関節Ａ
とＢを制御してマニピュレーターの先端Ｃを矢印の方向
に移動させる場合の特異点を説明する。この場合、アー
ムＤが破線の位置に一致するまでは先端Ｃは図９（イ）
のように連続的に移動するが、アームＤが破線の位置を
通過するとアームＤが図９（ロ）のよう急激に移動しな
いと先端Ｃは図９（イ）の破線より左側には移動できな
い。即ち、アームＤがアームＥと一致する点が特異点
で、特異点ではアームＤが急速に移動して危険である。
マニピュレーターの先端位置を制御する場合、動作が不
連続になる特異点が存在する。その特異点付近では手元
の動作に対する関節の動作が極端に大きくなり、マスタ
ー・スレーブ・マニピュレーターの安定性が失われるば
かりでなく、オペレーターなどを危険にさらすことにな
る。図９で、マニピュレーターの先端側の二つの関節Ａ
とＢを制御してマニピュレーターの先端Ｃを矢印の方向
に移動させる場合の特異点を説明する。この場合、アー
ムＤが破線の位置に一致するまでは先端Ｃは図９（イ）
のように連続的に移動するが、アームＤが破線の位置を
通過するとアームＤが図９（ロ）のよう急激に移動しな
いと先端Ｃは図９（イ）の破線より左側には移動できな
い。即ち、アームＤがアームＥと一致する点が特異点
で、特異点ではアームＤが急速に移動して危険である。
【０００５】従って、マスター・スレーブ・マニピュレ
ーターにおいて、マスター・マニピュレーター、スレー
ブ・マニピュレーターとも特異点を避けて操作できる方
法の実現が強く望まれている。
ーターにおいて、マスター・マニピュレーター、スレー
ブ・マニピュレーターとも特異点を避けて操作できる方
法の実現が強く望まれている。
【０００６】
【従来の技術】特異点を回避するために、マニピュレー
ターの先端位置の軌道を予め計算できる場合には特異点
を通過しないような軌道を選択する。又、どうしても特
異点を回避できない場合には、特異点付近においては関
節の移動速度を制限し、特異点をゆっくり通過するよう
に動作計画を計算する。しかし、リアルタイムな作業で
は予め動作計画を計算できないため、特異点を回避する
には、オペレーターが注意して操作しなければならな
い。しかし、特異点が直観的に判りにくい場合やスレー
ブ・マニピュレーターの姿勢がオペレーターからは見え
ない場合には、オペレーターが特異点を察知できないま
ま特異点に到達して、作業に支障をきたすことがある。
ターの先端位置の軌道を予め計算できる場合には特異点
を通過しないような軌道を選択する。又、どうしても特
異点を回避できない場合には、特異点付近においては関
節の移動速度を制限し、特異点をゆっくり通過するよう
に動作計画を計算する。しかし、リアルタイムな作業で
は予め動作計画を計算できないため、特異点を回避する
には、オペレーターが注意して操作しなければならな
い。しかし、特異点が直観的に判りにくい場合やスレー
ブ・マニピュレーターの姿勢がオペレーターからは見え
ない場合には、オペレーターが特異点を察知できないま
ま特異点に到達して、作業に支障をきたすことがある。
【０００７】これに対して新井氏らは、日本ロボット学
会誌４巻５号において、スレーブ・マニピュレーターの
関節が所定の可動範囲の限界に近づいた時に逆方向に一
定の仮想的なトルクを生じさせてトルク検出器で検出
し、これをマスター・マニピュレーターに帰還すること
によって特異点に近づいていることをオペレーターに知
らせる方法を提案している。これによって、オペレータ
ーは可動範囲の限界を感知でき、スレーブ側の許容範囲
で作業を行なうことができる。
会誌４巻５号において、スレーブ・マニピュレーターの
関節が所定の可動範囲の限界に近づいた時に逆方向に一
定の仮想的なトルクを生じさせてトルク検出器で検出
し、これをマスター・マニピュレーターに帰還すること
によって特異点に近づいていることをオペレーターに知
らせる方法を提案している。これによって、オペレータ
ーは可動範囲の限界を感知でき、スレーブ側の許容範囲
で作業を行なうことができる。
【０００８】しかし、この方法では所定の可動範囲の限
界になった瞬間に、急激にマスター側に力が発生して危
険であり、更に、仮想的なトルクを上回るトルクでマス
ター側を操作すれば、スレーブ側は特異点に到達するこ
とが可能であるという問題がある。
界になった瞬間に、急激にマスター側に力が発生して危
険であり、更に、仮想的なトルクを上回るトルクでマス
ター側を操作すれば、スレーブ側は特異点に到達するこ
とが可能であるという問題がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、かかる問題
に対処して、マスター・マニピュレーター、スレーブ・
マニピュレーターとも特異点には到達できないマスター
・スレーブ・マニピュレーターの特異点回避方法を提供
することを目的とする。
に対処して、マスター・マニピュレーター、スレーブ・
マニピュレーターとも特異点には到達できないマスター
・スレーブ・マニピュレーターの特異点回避方法を提供
することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明においては、特異
点からのマニピュレーターの位置に応じて変化し、特異
点においては無限大になるような仮想的なトルクを生成
し、この仮想的なトルクを力に変換し、スレーブ側での
発生力との和の力を生成し、これとマスター側での印加
力との差をマスター・マニピュレーターに帰還する。
点からのマニピュレーターの位置に応じて変化し、特異
点においては無限大になるような仮想的なトルクを生成
し、この仮想的なトルクを力に変換し、スレーブ側での
発生力との和の力を生成し、これとマスター側での印加
力との差をマスター・マニピュレーターに帰還する。
【００１１】
【作用】上述の方法によれば、オペレーターは始めは小
さな反力を感じ、マニピュレーターが特異点に近づくに
つれて大きな反力を感ずるので、特異点に近づいている
ことを安全に感知でき、且つ、特異点においては仮想的
に反力が無限大になるようにしているので、特異点に到
達することはない。
さな反力を感じ、マニピュレーターが特異点に近づくに
つれて大きな反力を感ずるので、特異点に近づいている
ことを安全に感知でき、且つ、特異点においては仮想的
に反力が無限大になるようにしているので、特異点に到
達することはない。
【００１２】
【実施例】図１は本発明の実施例である。図１におい
て、１はマスター・マニピュレーター、２はスレーブ・
マニピュレーター、３ａ、３ｂ、３ｃは加算器、４は特
異点回避力生成手段で、４１は特異点回避トルク生成
部、４２は特異点回避トルクを特異点回避力に変換する
特異点回避力生成部である。
て、１はマスター・マニピュレーター、２はスレーブ・
マニピュレーター、３ａ、３ｂ、３ｃは加算器、４は特
異点回避力生成手段で、４１は特異点回避トルク生成
部、４２は特異点回避トルクを特異点回避力に変換する
特異点回避力生成部である。
【００１３】図１に示す力帰還型双方向制御系の制御方
法は、マスター側が生成する現在位置からの移動量ΔＸ
とスレーブ側の現在位置Ｘs の和である位置指令値Ｘsd
に従ってスレーブ側が位置制御される。一方、マスター
側は、両マニピュレーターに設けられた力センサーによ
って検出される、スレーブ側が外界からうける力Ｆsと
仮想的な特異点回避力Ｆssの和の力Ｆs'からオペレータ
ーがマスター側に印加する力Ｆm の差である力指令値Ｆ
mdに従って力制御される。
法は、マスター側が生成する現在位置からの移動量ΔＸ
とスレーブ側の現在位置Ｘs の和である位置指令値Ｘsd
に従ってスレーブ側が位置制御される。一方、マスター
側は、両マニピュレーターに設けられた力センサーによ
って検出される、スレーブ側が外界からうける力Ｆsと
仮想的な特異点回避力Ｆssの和の力Ｆs'からオペレータ
ーがマスター側に印加する力Ｆm の差である力指令値Ｆ
mdに従って力制御される。
【００１４】マスター・マニピュレーターの力制御系を
図６に示す。図６において、１０は多関節アーム、１１
はモーター、１２はエンコーダー、１３は力センサー、
１４はコントローラー、１５は関節角度を移動量に変換
する移動量生成部、１６は力指令値を速度指令値に変換
する速度指令値生成部、１７は速度指令値を関節角速度
指令値に変換する関節角速度指令値生成部、１８は積分
器、１９は関節角度指令値と関節角度の差をとる加算器
である。
図６に示す。図６において、１０は多関節アーム、１１
はモーター、１２はエンコーダー、１３は力センサー、
１４はコントローラー、１５は関節角度を移動量に変換
する移動量生成部、１６は力指令値を速度指令値に変換
する速度指令値生成部、１７は速度指令値を関節角速度
指令値に変換する関節角速度指令値生成部、１８は積分
器、１９は関節角度指令値と関節角度の差をとる加算器
である。
【００１５】ここで、移動量生成部においては現在位置
Ｘを、各関節の角度の関数として求めており、式で表現
すれば Ｘ＝ｆs （θm ） （１） と表される。ここで、ｆs 自体は三角関数で表現される
関数である。そして、１サンプル前の位置との差ΔＸを
移動量として出力する。又、関節角速度指令値生成部で
は、速度指令値∂Ｘmd／∂ｔにヤコビアンの逆行列をか
ける演算をする。即ち、 ∂θmd／∂ｔ＝Ｊ-1・∂Ｘmd／∂ｔ （２） の演算をしている。ここで、∂θmd／∂ｔと∂Ｘmd／∂
ｔは関節数に等しい数のエレメントで構成されるベクト
ルであり、ヤコビアンは関節数に等しい行数と列数の行
列である。尚、速度と角速度の変換、後述のトルクと力
の変換については、例えば、J.J.Craig 著、三浦・下山
訳「ロボティクス」（共立出版刊；140 頁から150 頁）
などの参考書がある。
Ｘを、各関節の角度の関数として求めており、式で表現
すれば Ｘ＝ｆs （θm ） （１） と表される。ここで、ｆs 自体は三角関数で表現される
関数である。そして、１サンプル前の位置との差ΔＸを
移動量として出力する。又、関節角速度指令値生成部で
は、速度指令値∂Ｘmd／∂ｔにヤコビアンの逆行列をか
ける演算をする。即ち、 ∂θmd／∂ｔ＝Ｊ-1・∂Ｘmd／∂ｔ （２） の演算をしている。ここで、∂θmd／∂ｔと∂Ｘmd／∂
ｔは関節数に等しい数のエレメントで構成されるベクト
ルであり、ヤコビアンは関節数に等しい行数と列数の行
列である。尚、速度と角速度の変換、後述のトルクと力
の変換については、例えば、J.J.Craig 著、三浦・下山
訳「ロボティクス」（共立出版刊；140 頁から150 頁）
などの参考書がある。
【００１６】スレーブ・マニピュレーターの位置制御系
を図７に示す。図７において、２０は多関節アーム、２
１はモーター、２２はエンコーダー、２３は力センサ
ー、２４はコントローラー、２５は関節角度を先端位置
に変換する移動量生成部、２６は先端位置指令値を関節
角度指令値に変換する関節角度生成部、２７は関節角度
指令値と関節角度の差をとる加算器である。
を図７に示す。図７において、２０は多関節アーム、２
１はモーター、２２はエンコーダー、２３は力センサ
ー、２４はコントローラー、２５は関節角度を先端位置
に変換する移動量生成部、２６は先端位置指令値を関節
角度指令値に変換する関節角度生成部、２７は関節角度
指令値と関節角度の差をとる加算器である。
【００１７】ここで、移動量生成部においては、多関節
マニピュレーターの先端位置Ｘs を、各関節の角度の関
数として求めており、式で表現すれば Ｘs ＝ｆs （θs ） （３） と表される。又、関節角度生成部は式（３）の逆変換に
相当し、 θsd＝ｆs -1（Ｘsd） （４） と表される。そして、ｆs 自体は三角関数で表現される
関数である。
マニピュレーターの先端位置Ｘs を、各関節の角度の関
数として求めており、式で表現すれば Ｘs ＝ｆs （θs ） （３） と表される。又、関節角度生成部は式（３）の逆変換に
相当し、 θsd＝ｆs -1（Ｘsd） （４） と表される。そして、ｆs 自体は三角関数で表現される
関数である。
【００１８】さて、本発明の特徴である特異点回避力生
成手段は、スレーブ・マニピュレーターから関節角θs
を入力し、特異点をθssとして、特異点回避トルク生成
部において次の式で与えられる仮想的な特異点回避トル
クを生成する。
成手段は、スレーブ・マニピュレーターから関節角θs
を入力し、特異点をθssとして、特異点回避トルク生成
部において次の式で与えられる仮想的な特異点回避トル
クを生成する。
【００１９】 τss＝Ｋs ／（θs −θss） 但し、│θs −θss│≦Ｙs の場合 τss＝０ 但し、│θs −θss│＞Ｙs の場合 （５） ここで、Ｋs は変換利得、Ｙs は特異点回避トルクを生
成するθs の範囲で、予め所定の値に決めておく。式
（５）を見れば判るように、スレーブ・マニピュレータ
ーの角度θs が特異点θssからＹs の範囲に入るとＫs
／Ｙs のトルクが発生し、特異点に近づくにつれ大きな
トルクになり、θs ＝θssでは仮想的に無限大のトルク
となる。この特異点回避トルクを特異点回避力生成部に
おいて特異点回避力に変換する。この変換演算は次の式
で表される。
成するθs の範囲で、予め所定の値に決めておく。式
（５）を見れば判るように、スレーブ・マニピュレータ
ーの角度θs が特異点θssからＹs の範囲に入るとＫs
／Ｙs のトルクが発生し、特異点に近づくにつれ大きな
トルクになり、θs ＝θssでは仮想的に無限大のトルク
となる。この特異点回避トルクを特異点回避力生成部に
おいて特異点回避力に変換する。この変換演算は次の式
で表される。
【００２０】 Ｆss＝（ＪT ）-1・τss （６） ここで、Ｊはヤコビアン、Ｔは転置行列を表し、−１は
逆行列を表す。このようにして得られた特異点回避力を
スレーブ・マニピュレーターが外界から受けた力Ｆs に
加算した力Ｆs'とマスター・マニピュレーターでの印加
力Ｆmの差をマスター・マニピュレーターに力指令値と
して帰還する。即ち、特異点に近づくとスレーブ・マニ
ピュレーターの手先に仮想的な特異点回避力が発生し、
それがマスター・マニピュレーターに帰還されてオペレ
ーターに伝わる。
逆行列を表す。このようにして得られた特異点回避力を
スレーブ・マニピュレーターが外界から受けた力Ｆs に
加算した力Ｆs'とマスター・マニピュレーターでの印加
力Ｆmの差をマスター・マニピュレーターに力指令値と
して帰還する。即ち、特異点に近づくとスレーブ・マニ
ピュレーターの手先に仮想的な特異点回避力が発生し、
それがマスター・マニピュレーターに帰還されてオペレ
ーターに伝わる。
【００２１】尚、式（５）の代わりに、例えば、 τss＝−Ｋs'・log │θs −θss│ （７） を用いても、同様な作用を実現できる。
【００２２】図２は、スレーブ・マニピュレーターの特
異点例を示す図である。図２において、１０１から１０
６はスレーブ・マニピュレーターの関節である。そし
て、各々の関節の角度をθi （ｉ＝１〜６）とする時、
マニピュレーターの手首の屈曲軸がまっすぐ、即ちθ5
＝０となって関節１０４と１０６が一直線上に並ぶ時で
ある。この場合にはθss＝０であり、関節１０５の角度
に応じて特異点回避トルクτssが発生する。その他の特
異点がない関節については、常にτ ss＝０とする。
異点例を示す図である。図２において、１０１から１０
６はスレーブ・マニピュレーターの関節である。そし
て、各々の関節の角度をθi （ｉ＝１〜６）とする時、
マニピュレーターの手首の屈曲軸がまっすぐ、即ちθ5
＝０となって関節１０４と１０６が一直線上に並ぶ時で
ある。この場合にはθss＝０であり、関節１０５の角度
に応じて特異点回避トルクτssが発生する。その他の特
異点がない関節については、常にτ ss＝０とする。
【００２３】図３は、本発明の第二の実施例である。図
３において、１はマスター・マニピュレーター、２はス
レーブ・マニピュレーター、３ａ、３ｄ、３ｅは加算
器、５は特異点回避力生成手段で、５１は特異点回避ト
ルク生成部、５２は特異点回避力生成部である。
３において、１はマスター・マニピュレーター、２はス
レーブ・マニピュレーター、３ａ、３ｄ、３ｅは加算
器、５は特異点回避力生成手段で、５１は特異点回避ト
ルク生成部、５２は特異点回避力生成部である。
【００２４】図３において、マスター側が指示する移動
量ΔＸとスレーブ側の先端位置Ｘmを加算したＸsdを先
端位置指令値としてスレーブ側に印加し、マスター側で
印加した力Ｆm と特異点回避力Ｆmsの和であるＦm'をス
レープ側での発生力Ｆs から差し引いたＦmdを力指令値
としてマスター側に帰還する。
量ΔＸとスレーブ側の先端位置Ｘmを加算したＸsdを先
端位置指令値としてスレーブ側に印加し、マスター側で
印加した力Ｆm と特異点回避力Ｆmsの和であるＦm'をス
レープ側での発生力Ｆs から差し引いたＦmdを力指令値
としてマスター側に帰還する。
【００２５】第二の実施例の特徴である特異点回避力生
成手段は、マスター・マニピュレーターから関節角θm
を入力し、特異点をθmmとして、特異点回避トルク生成
部において次の式で与えられる特異点回避トルクを生成
する。
成手段は、マスター・マニピュレーターから関節角θm
を入力し、特異点をθmmとして、特異点回避トルク生成
部において次の式で与えられる特異点回避トルクを生成
する。
【００２６】 τms＝Ｋm ／（θm −θms） 但し、│θm −θms│≦Ｙm の場合 τms＝０ 但し、│θm −θms│＞Ｙm の場合 （８） ここで、Ｋm は変換利得、Ｙm は特異点回避トルクを生
成するθm の範囲で、予め所定の値に決めておく。式
（５）を見れば判るように、マスター・マニピュレータ
ーの角度θm が特異点θmmからＹm の範囲に入るとＫm
／Ｙm のトルクが発生し、特異点に近づくにつれ大きな
トルクになり、θm ＝θmsでは仮想的に無限大のトルク
となる。この特異点回避トルクを特異点回避力生成部に
おいて特異点回避力に変換する。この変換演算は次の式
で表される。
成するθm の範囲で、予め所定の値に決めておく。式
（５）を見れば判るように、マスター・マニピュレータ
ーの角度θm が特異点θmmからＹm の範囲に入るとＫm
／Ｙm のトルクが発生し、特異点に近づくにつれ大きな
トルクになり、θm ＝θmsでは仮想的に無限大のトルク
となる。この特異点回避トルクを特異点回避力生成部に
おいて特異点回避力に変換する。この変換演算は次の式
で表される。
【００２７】 Ｆms＝（ＪT ）-1・τms （９） ここで、Ｊはヤコビアン、Ｔは転置行列を表し、−１は
逆行列を表す。このようにして得られた特異点回避力を
マスター・マニピュレーターが印加したＦm に加算した
力Ｆm'とスレーブ・マニピュレーターでの発生力Ｆs の
差をマスター・マニピュレーターに力指令値Ｆmdとして
帰還する。即ち、特異点に近づくとマスター・マニピュ
レーターに仮想的な特異点回避力が発生し、それがオペ
レーターに伝わる。
逆行列を表す。このようにして得られた特異点回避力を
マスター・マニピュレーターが印加したＦm に加算した
力Ｆm'とスレーブ・マニピュレーターでの発生力Ｆs の
差をマスター・マニピュレーターに力指令値Ｆmdとして
帰還する。即ち、特異点に近づくとマスター・マニピュ
レーターに仮想的な特異点回避力が発生し、それがオペ
レーターに伝わる。
【００２８】マスター・マニピュレーターにおいても、
式（７）と類似の式で特異点回避トルクを生成すること
が可能である。図４はマスター・マニピュレーターとそ
の特異点の例である。
式（７）と類似の式で特異点回避トルクを生成すること
が可能である。図４はマスター・マニピュレーターとそ
の特異点の例である。
【００２９】図４において、２０１から２０６はマスタ
ー・マニピュレーターの関節であり、２０６ａはハンド
ルである。この構成では、根元側の２０１から２０３の
関節で手先の位置を決定し、手先側の関節２０４から２
０６で手先の姿勢を決定する。図４（イ）の状態の時に
関節２０５の軸を中心に関節２０６の軸を９０度（又は
−９０度）回転すると、関節２０４と２０６は一直線上
に並び、手先の運動の自由度が現象して特異点となる。
従って、マスター・マニピュレーターの場合には、θms
＝±９０となり、関節２０５の角度に応じて特異点回避
トルクτmsが発生する。関節２０５を除く、特異点がな
い関節については常にτms＝０とする。
ー・マニピュレーターの関節であり、２０６ａはハンド
ルである。この構成では、根元側の２０１から２０３の
関節で手先の位置を決定し、手先側の関節２０４から２
０６で手先の姿勢を決定する。図４（イ）の状態の時に
関節２０５の軸を中心に関節２０６の軸を９０度（又は
−９０度）回転すると、関節２０４と２０６は一直線上
に並び、手先の運動の自由度が現象して特異点となる。
従って、マスター・マニピュレーターの場合には、θms
＝±９０となり、関節２０５の角度に応じて特異点回避
トルクτmsが発生する。関節２０５を除く、特異点がな
い関節については常にτms＝０とする。
【００３０】図５は、本発明の第三の実施例である。図
５において、１はマスター・マニピュレーター、２はス
レーブ・マニピュレーター、３ａ、３ｃ、３ｄ、３ｆは
加算器、４はスレーブ側の特異点回避力生成手段、５は
特異点回避力生成手段である。
５において、１はマスター・マニピュレーター、２はス
レーブ・マニピュレーター、３ａ、３ｃ、３ｄ、３ｆは
加算器、４はスレーブ側の特異点回避力生成手段、５は
特異点回避力生成手段である。
【００３１】第三の実施例においては、マスター側とス
レーブ側の両マニピュレーターで特異点回避力Ｆms、Ｆ
ssを生成し、Ｆmsとマスター側での印加力Ｆm とを加え
てＦm'とし、Ｆssとスレーブ側の発生力Ｆs とを加えて
Ｆｓ’とし、Ｆm'とＦｓ’の差をマスターに帰還する力
指令値Ｆmdとする。これによって、マスター側とスレー
ブ側のいずれが特異点に近づいても、それをオペレータ
ーが知ることができる。
レーブ側の両マニピュレーターで特異点回避力Ｆms、Ｆ
ssを生成し、Ｆmsとマスター側での印加力Ｆm とを加え
てＦm'とし、Ｆssとスレーブ側の発生力Ｆs とを加えて
Ｆｓ’とし、Ｆm'とＦｓ’の差をマスターに帰還する力
指令値Ｆmdとする。これによって、マスター側とスレー
ブ側のいずれが特異点に近づいても、それをオペレータ
ーが知ることができる。
【００３２】
【発明の効果】以上説明した如く、本発明により、マス
ター・スレーブ・マニピュレーターのマスター・マニピ
ュレーターとスレーブ・マニピュレーターの何れかが特
異点に近づくことをオペレーターが必ず感知することが
でき、且つ、特異点には到達しないマスター・スレーブ
・マニピュレーターの特異点回避方法が実現でき、マス
ター・スレーブ・マニピュレーターの操作を安定且つ安
全にすることが可能になる。
ター・スレーブ・マニピュレーターのマスター・マニピ
ュレーターとスレーブ・マニピュレーターの何れかが特
異点に近づくことをオペレーターが必ず感知することが
でき、且つ、特異点には到達しないマスター・スレーブ
・マニピュレーターの特異点回避方法が実現でき、マス
ター・スレーブ・マニピュレーターの操作を安定且つ安
全にすることが可能になる。
【図１】 本発明の実施例。
【図２】 スレーブ・マニピュレーターの特異点例。
【図３】 本発明の第二の実施例。
【図４】 マスター・マニピュレーターとその特異点
例。
例。
【図５】 本発明の第三の実施例。
【図６】 マスター・マニピュレーターの力制御系。
【図７】 スレーブ・マニピュレーターの位置制御系。
【図８】 力帰還型双方向制御系の制御方法。
【図９】 特異点の例。
１ マスター・マニピュレーター ２ スレーブ・マニピュレーター ３ａ、３ｂ、３ｃ 加算器 ４ 特異点回避力生成手段 ４１ 特異点回避トルク生成部 ４２ 特異点回避力生成部
Claims (3)
- 【請求項１】 多関節アームを備えたマスター・マニピ
ュレーターとスレーブ・マニピュレーターの間で、マス
ター・マニピュレーターからはスレーブ・マニピュレー
ターの位置を制御し、スレーブ・マニピュレーターはス
レーブ・マニピュレーターの発生力をマスター・マニピ
ュレーターに帰還する、力帰還型双方向制御を行なうマ
スター・スレーブ・マニピュレーターの特異点回避方法
であって、 スレーブ・マニピュレーターの各関節について、 現在の関節角と特異点における関節角の差に応じて変化
し、特異点においては無限大になる仮想的な特異点回避
トルクを生成し（４１）、 該仮想的な特異点回避トルクを特異点回避力に変換し
（４２）、 該特異点回避力とスレーブ・マニピュレーターの発生力
の和（３ｃ）の力からマスター・マニピュレーターにお
ける印加力を差し引いた（３ｂ）力をマスター・マニピ
ュレーターに帰還することを特徴とするマスター・スレ
ーブ・マニピュレーターの特異点回避方法。 - 【請求項２】 多関節アームを備えたマスター・マニピ
ュレーターとスレーブ・マニピュレーターの間で、マス
ター・マニピュレーターからはスレーブ・マニピュレー
ターの位置を制御し、スレーブ・マニピュレーターはス
レーブ・マニピュレーターの発生力をマスター・マニピ
ュレーターに帰還する、力帰還型双方向制御を行なうマ
スター・スレーブ・マニピュレーターの特異点回避方法
であって、 マスター・マニピュレーターの各関節について、 現在の関節角と特異点における関節角の差に応じて変化
し、特異点においては無限大になる仮想的な特異点回避
トルクを生成し、 該仮想的な特異点回避トルクを特異点回避力に変換し、 該特異点回避力とマスター・マニピュレーターの印加力
の和の力をスレーブ・マニピュレーターの発生力から差
し引いた力をマスター・マニピュレーターに帰還するこ
とを特徴とするマスター・スレーブ・マニピュレーター
の特異点回避方法。 - 【請求項３】 多関節アームを備えたマスター・マニピ
ュレーターとスレーブ・マニピュレーターの間で、マス
ター・マニピュレーターからはスレーブ・マニピュレー
ターの位置を制御し、スレーブ・マニピュレーターはス
レーブ・マニピュレーターの発生力をマスター・マニピ
ュレーターに帰還する、力帰還型双方向制御を行なうマ
スター・スレーブ・マニピュレーターの特異点回避方法
であって、 マスター・マニピュレーターの各関節について、 現在の関節角と特異点における関節角の差に応じて変化
し、特異点においては無限大になる仮想的な特異点回避
トルクを生成し、 該仮想的な特異点回避トルクを特異点回避力に変換し、 該回避力とマスター・マニピュレーターの印加力の和の
力を生成し、 スレーブ・マニピュレーターの各関節について、 現在の関節角と特異点における関節角の差に応じて変化
し、特異点においては無限大になる仮想的な特異点回避
トルクを生成し、 該仮想的な特異点回避トルクを特異点回避力に変換し、 該特異点回避力とスレーブ・マニピュレーターの発生力
の和の力を生成し、 前記マスター・マニピュレーターの特異点回避力と印加
力の和の力を、該スレーブ・マニピュレーターの特異点
回避力と発生力の和の力から差し引いた力をマスター・
マニピュレーターに帰還することを特徴とするマスター
・スレーブ・マニピュレーターの特異点回避方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28540593A JPH07136949A (ja) | 1993-11-16 | 1993-11-16 | マスター・スレーブ・マニピュレーターの特異点回避方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28540593A JPH07136949A (ja) | 1993-11-16 | 1993-11-16 | マスター・スレーブ・マニピュレーターの特異点回避方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07136949A true JPH07136949A (ja) | 1995-05-30 |
Family
ID=17691101
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP28540593A Withdrawn JPH07136949A (ja) | 1993-11-16 | 1993-11-16 | マスター・スレーブ・マニピュレーターの特異点回避方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07136949A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2015089605A (ja) * | 2013-11-07 | 2015-05-11 | 学校法人立命館 | マスタスレーブシステム |
| CN107199562A (zh) * | 2016-03-17 | 2017-09-26 | 株式会社安川电机 | 机器人控制装置和机器人控制方法 |
| CN119077752A (zh) * | 2024-11-06 | 2024-12-06 | 哈尔滨思哲睿智能医疗设备股份有限公司 | 一种机械臂控制方法、装置、电子设备及存储介质 |
-
1993
- 1993-11-16 JP JP28540593A patent/JPH07136949A/ja not_active Withdrawn
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2015089605A (ja) * | 2013-11-07 | 2015-05-11 | 学校法人立命館 | マスタスレーブシステム |
| WO2015068716A1 (ja) * | 2013-11-07 | 2015-05-14 | マッスル株式会社 | マスタスレーブシステム |
| US9855653B2 (en) | 2013-11-07 | 2018-01-02 | Muscle Corporation | Master-slave system |
| CN107199562A (zh) * | 2016-03-17 | 2017-09-26 | 株式会社安川电机 | 机器人控制装置和机器人控制方法 |
| CN119077752A (zh) * | 2024-11-06 | 2024-12-06 | 哈尔滨思哲睿智能医疗设备股份有限公司 | 一种机械臂控制方法、装置、电子设备及存储介质 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
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