JPH0741559B2 - マスター・スレーブロボットの制御方法 - Google Patents
マスター・スレーブロボットの制御方法Info
- Publication number
- JPH0741559B2 JPH0741559B2 JP1255537A JP25553789A JPH0741559B2 JP H0741559 B2 JPH0741559 B2 JP H0741559B2 JP 1255537 A JP1255537 A JP 1255537A JP 25553789 A JP25553789 A JP 25553789A JP H0741559 B2 JPH0741559 B2 JP H0741559B2
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- Japan
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- slave
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、マスター・スレーブロボット、すなわち主従
関係を有する複数のロボットの制御方法に関する。
関係を有する複数のロボットの制御方法に関する。
〔従来の技術〕 一般に、テレイグジスタンス（Tele−existence）で
は、遠く離れた所に存在するオペレータがまるで作業を
行っている場所にいるかのような錯覚をオペレータに持
たせて臨場感を出すが、それは単に作業環境での反応を
そのままオペレータに伝えれば良いというわけではな
い。なぜなら、ロボットのアームと人間の腕のサイズ、
出力や、作業環境と操作環境の動特性が一般に異なって
いるからである。また、作業環境によっては作業の支障
となる動特性を有したり、逆に作業に必要な動特性が欠
落している場合があり得る。以上のことから、使いやす
く臨場感のあるマスター・スレーブ・システムを得るに
は、オペレータの作業能力をスレーブマニピュレータの
能力へと拡張し、さらに作業環境での見掛け上の操作感
を任意に設定できるようにすることが必要である。
は、遠く離れた所に存在するオペレータがまるで作業を
行っている場所にいるかのような錯覚をオペレータに持
たせて臨場感を出すが、それは単に作業環境での反応を
そのままオペレータに伝えれば良いというわけではな
い。なぜなら、ロボットのアームと人間の腕のサイズ、
出力や、作業環境と操作環境の動特性が一般に異なって
いるからである。また、作業環境によっては作業の支障
となる動特性を有したり、逆に作業に必要な動特性が欠
落している場合があり得る。以上のことから、使いやす
く臨場感のあるマスター・スレーブ・システムを得るに
は、オペレータの作業能力をスレーブマニピュレータの
能力へと拡張し、さらに作業環境での見掛け上の操作感
を任意に設定できるようにすることが必要である。
すなわち、環境の同定、制御といった作業が不可欠であ
る。
る。
このようなテレイグジスタンスに基づくマスター・スレ
ーブ方式としては、従来、「舘，榊ほか：第27回SICE学
術講演会（1988）」、「舘，榊：第６回日本ロボット学
会学術講演会（1988）」、「舘，榊：第28回SICE学術講
演会（1989）」において提案されたものがある。
ーブ方式としては、従来、「舘，榊ほか：第27回SICE学
術講演会（1988）」、「舘，榊：第６回日本ロボット学
会学術講演会（1988）」、「舘，榊：第28回SICE学術講
演会（1989）」において提案されたものがある。
このような従来のバイラテラル系では、マスターとス
レーブに介在するインピーダンスの物理的意味、伝送
遅れ、操作の補助、物理条件の異なる環境での操作
感が課題となる。
レーブに介在するインピーダンスの物理的意味、伝送
遅れ、操作の補助、物理条件の異なる環境での操作
感が課題となる。
前記の各提案では、，，の課題に対する解決手段
を提示している。
を提示している。
スレーブは、一般に作業環境によって人間の腕とは異な
り、マイクロマニピュレータから宇宙用アームまでさま
ざまである。従来は幾何学的関係による力や運動の情報
をもとに操作しているが、環境をリアルに把握しながら
作業するには、マスター・スレーブの動作と環境を物理
的現象の観点から考えた物理的相似関係として捉えるこ
とが必要である。
り、マイクロマニピュレータから宇宙用アームまでさま
ざまである。従来は幾何学的関係による力や運動の情報
をもとに操作しているが、環境をリアルに把握しながら
作業するには、マスター・スレーブの動作と環境を物理
的現象の観点から考えた物理的相似関係として捉えるこ
とが必要である。
第１に、アームを人間の能力を超えて高速あるいは低速
に動作させる場合、普通と感じる程度の速度でオペレー
タは作業を行うが、スレーブ側ではこの動作に適当な変
換を施し、目的の速度で動作させることが必要である。
に動作させる場合、普通と感じる程度の速度でオペレー
タは作業を行うが、スレーブ側ではこの動作に適当な変
換を施し、目的の速度で動作させることが必要である。
第２に、入出力条件の変換を行えば、たとえばマイクロ
マニピュレータが掴んだ血管をゴムホースのように感じ
ながら手術を容易に行うことも可能となる。
マニピュレータが掴んだ血管をゴムホースのように感じ
ながら手術を容易に行うことも可能となる。
マスター・スレーブの動作を物理的相似関係で捉え、マ
スターとスレーブが異形状、異動作速度、異入出力条件
の場合でも相似則を満たすようにインピーダンスを調整
すれば、物理的な一般性を失うことなく臨場感を供与で
きる。
スターとスレーブが異形状、異動作速度、異入出力条件
の場合でも相似則を満たすようにインピーダンスを調整
すれば、物理的な一般性を失うことなく臨場感を供与で
きる。
本発明では、マスターアームの有する質量，粘性，剛性
に代表される操作環境モデルと、スレーブアームの有す
る質量，粘性，剛性に代表される作業環境モデルをコン
ピュータを介し相互にコミュニケートして両アームの見
掛けの動特性を一致させるという基本システムの拡張を
図り、前記の課題を解決することを目的としている。
に代表される操作環境モデルと、スレーブアームの有す
る質量，粘性，剛性に代表される作業環境モデルをコン
ピュータを介し相互にコミュニケートして両アームの見
掛けの動特性を一致させるという基本システムの拡張を
図り、前記の課題を解決することを目的としている。
この目的を達成するため、本発明のマスター・スレーブ
ロボットの制御方法は、マスターアームの有する質量，
粘性，剛性に代表される操作環境モデルと、スレーブア
ームの有する質量，粘性，剛性に代表される作業環境モ
デルをコンピュータを介し相互にコミュニケートするマ
スター・スレーブロボットの制御方法において、前記操
作環境モデルと作業環境モデルの物理的相似比により制
御インピーダンスを決定し、この制御インピーダンスに
従って作業環境モデルを修正することを特徴とする。
ロボットの制御方法は、マスターアームの有する質量，
粘性，剛性に代表される操作環境モデルと、スレーブア
ームの有する質量，粘性，剛性に代表される作業環境モ
デルをコンピュータを介し相互にコミュニケートするマ
スター・スレーブロボットの制御方法において、前記操
作環境モデルと作業環境モデルの物理的相似比により制
御インピーダンスを決定し、この制御インピーダンスに
従って作業環境モデルを修正することを特徴とする。
マスターアームの有する質量、粘性、剛性に代表される
操作環境モデルと、スレーブアームの有する質量，粘
性，剛性に代表される作業環境モデルをコンピュータを
介し相互にコミュニケートして両アームの見掛けの動特
性を一致させるという基本システムにおいては、マスタ
ーとスレーブのインピーダンス整合を行うが、このとき
操作環境と作業環境で同じ物理現象が生じ、相似則が成
立する。
操作環境モデルと、スレーブアームの有する質量，粘
性，剛性に代表される作業環境モデルをコンピュータを
介し相互にコミュニケートして両アームの見掛けの動特
性を一致させるという基本システムにおいては、マスタ
ーとスレーブのインピーダンス整合を行うが、このとき
操作環境と作業環境で同じ物理現象が生じ、相似則が成
立する。
本発明では、物理的相似変換によって、異形状、異入力
条件、異動作速度下でインピーダンスを制御することに
より、オペレータに臨場感を与えるとともに操作の自由
度を高める。
条件、異動作速度下でインピーダンスを制御することに
より、オペレータに臨場感を与えるとともに操作の自由
度を高める。
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。
本例で用いる定理は下記の３定理である。
〔定理１〕操作環境と作業環境の両者とも等しい目標イ
ンピーダンスを設定すれば、両者の間で相似則は自然に
満たされる。
ンピーダンスを設定すれば、両者の間で相似則は自然に
満たされる。
具体的には支配的な物理法則を次の３つと仮定し、各式
を代表値の関係式で表す。
を代表値の関係式で表す。
粘性の法則;Fi＝Ｍα＝ρl4/t2 粘 性 力;Fv＝Dv＝μl2/t ば ね 力;Fe＝Kl 但し、ρは密度、ｌは長さ、μは粘性係数、ｔは時間の
代表値を示す。
代表値を示す。
パイナンバーにより無次元化すると、 Π１＝Fi/Fv＝ρl2/（μｔ） Π２＝Fe/Fv＝Kt/（μｌ） ここでスレーブの各パラメータは対応するマスターの各
パラメータに′をつけて表す。
パラメータに′をつけて表す。
マスター・スレーブのインピーダンスが等しいとき、す
なわち、Ｍ＝Ｍ′,D＝Ｄ′,K＝Ｋ′であるとき、次式が
成立する。
なわち、Ｍ＝Ｍ′,D＝Ｄ′,K＝Ｋ′であるとき、次式が
成立する。
Π１＝Π１′，Π２＝Π２′ 次に、作業を行う速度を変換しオペレータの能力を拡張
する。あらかじめ目標とする作業をマスターシステムの
みでシミュレートして動作内容を記憶し、相似則にした
がって作業速度を変換した後、作業内容をスレーブシス
テムに送信して目標速度で作業を遂行する。
する。あらかじめ目標とする作業をマスターシステムの
みでシミュレートして動作内容を記憶し、相似則にした
がって作業速度を変換した後、作業内容をスレーブシス
テムに送信して目標速度で作業を遂行する。
〔定理２〕操作環境と作業環境での幾何学的相似比ｌ＊
が決まっているとき、動作速度の比Ｖ＊を指定して各環
境におけるインピーダンスの比を適当に決めれば相似則
は満足される。
が決まっているとき、動作速度の比Ｖ＊を指定して各環
境におけるインピーダンスの比を適当に決めれば相似則
は満足される。
すなわち支配的な物理法則を定理１と同じとし、幾何学
的相似比ｌ＊と密度の比ρ＊を定め、動作速度の比Ｖ＊
を指定したとき各環境におけるインピーダンスの比を、 と決めれば相似則は満足される。但し、ｌ＊＝l/l′，
ρ＊＝ρ／ρ′,V＊＝V/V′とする。
的相似比ｌ＊と密度の比ρ＊を定め、動作速度の比Ｖ＊
を指定したとき各環境におけるインピーダンスの比を、 と決めれば相似則は満足される。但し、ｌ＊＝l/l′，
ρ＊＝ρ／ρ′,V＊＝V/V′とする。
また、作業速度の変換は、具体的にはマスターの操作力
からスレーブの内部トルクへの変換と考えられる。これ
についての原理を次に示す。
からスレーブの内部トルクへの変換と考えられる。これ
についての原理を次に示す。
〔系２−１〕定理２を満たすマスターとスレーブにおい
て、ρ＊＝1,l＊＝１とし、作業速度の比をＶ＊とする
と、マスターへの操作力の時間履歴Fm（ｔ）とスレーブ
の、内部トルクの時間履歴Fs（ｔ）は次の関係を持つ。
て、ρ＊＝1,l＊＝１とし、作業速度の比をＶ＊とする
と、マスターへの操作力の時間履歴Fm（ｔ）とスレーブ
の、内部トルクの時間履歴Fs（ｔ）は次の関係を持つ。
Fs（ｔ）＝（1/V＊）Fm（t/V＊） 次に、幾何学的な比だけではなく、対象物の材質まで含
めた物理的相似関係から入出力条件を変換する。
めた物理的相似関係から入出力条件を変換する。
〔定理３〕操作環境と作業環境の幾何学的相似比ｌ＊を
定めたとき、各環境における対象物の物理的性質（密
度、粘性、剛性）の比を適当に決めるようなインピーダ
ンスの比が存在し、かつ、相似則を満足する。このとき
幾何学的な比とインピーダンスの比により、マスター・
スレーブの入出力条件の比は決定される。
定めたとき、各環境における対象物の物理的性質（密
度、粘性、剛性）の比を適当に決めるようなインピーダ
ンスの比が存在し、かつ、相似則を満足する。このとき
幾何学的な比とインピーダンスの比により、マスター・
スレーブの入出力条件の比は決定される。
すなわち、支配的な物理法則を定理１と同じとし、幾何
学的な相似比ｌ＊を定め、密度の比ρ＊、粘性の比
μ＊、剛性の比Ｋ＊のいずれかを指定する。このときマ
スター・スレーブのインピーダンスの比はたとえば密度
の比ρ＊により、 M/M′＝D/D′＝K/K′＝ρ＊ｌ＊３ と定まり、かつ相似則を満足する。このときマスターと
スレーブの入出力条件は、 F/F′＝ρ＊ｌ＊４ である。
学的な相似比ｌ＊を定め、密度の比ρ＊、粘性の比
μ＊、剛性の比Ｋ＊のいずれかを指定する。このときマ
スター・スレーブのインピーダンスの比はたとえば密度
の比ρ＊により、 M/M′＝D/D′＝K/K′＝ρ＊ｌ＊３ と定まり、かつ相似則を満足する。このときマスターと
スレーブの入出力条件は、 F/F′＝ρ＊ｌ＊４ である。
以上の処理を第１図のフローチャートに示す。破線の枠
で囲んだ部分が本発明の特徴部分である。
で囲んだ部分が本発明の特徴部分である。
次に、作業速度の変換実験及び入出力条件の変換実験の
結果について述べる。
結果について述べる。
１）作業速度の変換実験。
定理２と系２−１に示した原理を用いてマスター・スレ
ーブ間の作業速度の変換実験を行う。ρ＊＝1,l＊＝１
とし、作業速度の比をＶ＊＝2/3とすると、マスターと
スレーブの各インピーダンスは次のように設定できる。
ーブ間の作業速度の変換実験を行う。ρ＊＝1,l＊＝１
とし、作業速度の比をＶ＊＝2/3とすると、マスターと
スレーブの各インピーダンスは次のように設定できる。
Mo＝0.5［kg］,Bo＝20.0［N/（m/s）］,Ko＝40.0［N/
m］ Ms＝0.5［kg］,Bs＝30.0［N/（m/s）］,Ks＝90.0［N/
m］ DD（ダイレクトドライブ）アームをマスターとして操作
し、その操作力を変換しスレーブの内部トルクとして、
同じアームに加える。第２図（ａ），（ｂ）にマスター
への操作力とマスターの変位、スレーブへの内部トルク
とスレーブの変位の各時間履歴を示す。相似則に沿って
変換されたインピーダンスと内部トルクに対し、スレー
ブは物理的相似関係を保ちながらマスターの動作のＶ＊
＝2/3だけ時間的に圧縮されて動作している。
m］ Ms＝0.5［kg］,Bs＝30.0［N/（m/s）］,Ks＝90.0［N/
m］ DD（ダイレクトドライブ）アームをマスターとして操作
し、その操作力を変換しスレーブの内部トルクとして、
同じアームに加える。第２図（ａ），（ｂ）にマスター
への操作力とマスターの変位、スレーブへの内部トルク
とスレーブの変位の各時間履歴を示す。相似則に沿って
変換されたインピーダンスと内部トルクに対し、スレー
ブは物理的相似関係を保ちながらマスターの動作のＶ＊
＝2/3だけ時間的に圧縮されて動作している。
２）入出力条件の変換実験 ρ＊＝２、ｌ＊＝10とし、マスターアームと対象物モデ
ルの各インピーダンスを次のように設定する。定理３よ
り、スレーブ側ではこの1/ρ＊ｌ＊３＝0.5×10-3倍の
インパーダンスを持つ。
ルの各インピーダンスを次のように設定する。定理３よ
り、スレーブ側ではこの1/ρ＊ｌ＊３＝0.5×10-3倍の
インパーダンスを持つ。
Mo＝0.05［kg］,Bo＝1.0［N/（m/s）］,Ko＝0.1［N/m］ Ｍ＝0.01［kg］,B＝5.0［N/（m/s）］,K＝5.0［N/m］ 双方向力情報伝送方式を用いて、マスターではダイレク
トドライブアームを操作し、スレーブは計算機内でシミ
ュレートする。第３図（ａ），（ｂ）にマスターとスレ
ーブの位置と力の時間履歴を示す。スレーブはマスター
に対し、定理３で示したように1/l＊＝0.1倍の位置で追
従し、操作者へρ＊＝ｌ＊４＝2.0×104倍の反力を返し
ている。
トドライブアームを操作し、スレーブは計算機内でシミ
ュレートする。第３図（ａ），（ｂ）にマスターとスレ
ーブの位置と力の時間履歴を示す。スレーブはマスター
に対し、定理３で示したように1/l＊＝0.1倍の位置で追
従し、操作者へρ＊＝ｌ＊４＝2.0×104倍の反力を返し
ている。
以上に述べたように、本発明によれば下記の効果を奏す
る。
る。
マスター・スレーブの動作を物理的相似関係で捉
え、マスターとスレーブが異形状、異動作速度、異入出
力条件の場合でも、相似則を満たすようにインピーダン
スを調整することにより、物理的な一般性を失うことな
く臨場感を供与することができる。
え、マスターとスレーブが異形状、異動作速度、異入出
力条件の場合でも、相似則を満たすようにインピーダン
スを調整することにより、物理的な一般性を失うことな
く臨場感を供与することができる。
すなわち、アームを人間の能力を超えて高速あるい
は低速に動作させる場合、普通と感じる程度の速度でオ
ペレータが作業を行うことにより、スレーブ側ではこの
動作に適当な変換を施し、目的の速度で動作させること
ができる。
は低速に動作させる場合、普通と感じる程度の速度でオ
ペレータが作業を行うことにより、スレーブ側ではこの
動作に適当な変換を施し、目的の速度で動作させること
ができる。
また、入出力条件の変換を行うことにより、たとえ
ばマイクロマニピュレータが掴んだ血管をゴムホースの
ように感じながら手術を容易に行うことも可能となる。
ばマイクロマニピュレータが掴んだ血管をゴムホースの
ように感じながら手術を容易に行うことも可能となる。
第１図は本発明の制御方法の手順を示すフローチャー
ト、第２図は作業速度の変換実験結果を示すタイムチャ
ート、第３図は入出力条件の変換実験結果を示すタイム
チャートである。
ト、第２図は作業速度の変換実験結果を示すタイムチャ
ート、第３図は入出力条件の変換実験結果を示すタイム
チャートである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−297080（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−44510（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- 【請求項１】マスターアームの有する質量，粘性，剛性
に代表される操作環境モデルと、スレーブアームの有す
る質量，粘性，剛性に代表される作業環境モデルをコン
ピュータを介し相互にコミュニケートするマスター・ス
レーブロボットの制御方法において、 前記操作環境モデルと作業環境モデルの物理的相似比に
より制御インピーダンスを決定し、この制御インピーダ
ンスに従って作業環境モデルを修正することを特徴とす
るマスター・スレーブロボットの制御方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1255537A JPH0741559B2 (ja) | 1989-09-30 | 1989-09-30 | マスター・スレーブロボットの制御方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1255537A JPH0741559B2 (ja) | 1989-09-30 | 1989-09-30 | マスター・スレーブロボットの制御方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03117576A JPH03117576A (ja) | 1991-05-20 |
| JPH0741559B2 true JPH0741559B2 (ja) | 1995-05-10 |
Family
ID=17280108
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1255537A Expired - Fee Related JPH0741559B2 (ja) | 1989-09-30 | 1989-09-30 | マスター・スレーブロボットの制御方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0741559B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114378796B (zh) * | 2022-03-04 | 2023-09-05 | 国网智能科技股份有限公司 | 主从与自主作业一体化的机械臂系统、机器人系统及方法 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62297080A (ja) * | 1986-06-13 | 1987-12-24 | 古田 勝久 | マスタスレ−ブマニピユレ−タ |
| JPS6444510A (en) * | 1987-08-13 | 1989-02-16 | Omron Tateisi Electronics Co | Robot control device |
-
1989
- 1989-09-30 JP JP1255537A patent/JPH0741559B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03117576A (ja) | 1991-05-20 |
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