JPH0780139B2 - マスタスレーブマニピュレータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 イ．発明の目的 （産業上の利用分野） 本発明は、種々の工業分野で複数のアームを用いた遠隔
操作を行うために用いられるマニピュレータに関し、マ
スタ・マニピュレータ及び複数のスレーブ・マニピュレ
ータの協調制御装置に関する。

（従来の技術） 遠隔マニピュレーションは、人間がマスタアームまたは
操作レバー等（以下、マスタアームという）を操作し、
その操作に応じてスレーブアームが動作し作業をするこ
とにより実現されている。

従来、多くのマニピュレーション装置は操作者が操作す
る１台のマスタアームの姿勢に１台のスレーブアームの
姿勢を従わせるように構成されている。また、通常スレ
ーブアームの姿勢や作業状況をモニタするためのTVカメ
ラ及びTVディスプレイを併用し作業者は１台のスレーブ
アームの動きをコントロールしていた。

また、作業対象の重量、サイズが大き過ぎた場合には、
いきおい、大きなスレーブアームを必要としていた。

（発明が解決しようとする課題） したがって、現状のこのような操作構成にあっては、人
間がマスタアームを介して離れたところにスレーブアー
ムを間接的に動かすことから作業が困難、操作が複雑、
繁雑となる欠点があった。例えばスレーブアームの微妙
な動作を実現する熟練操作者を必要としていた。また、
スレーブアームに加わる外乱の力差をマスタアームにフ
ィードバックする必要があった。これらのため、制御系
が不安定となる欠点があった。

また、１台のスレーブアームでは作業対象物に外力を加
えながら、同時に内力を保持し作業を行うことが困難と
なる。これに対し２台以上のスレーブアームを操作して
いたのでは、作業対象物に働く力の制御等の高度な協調
動作を実現することは困難であった。本発明はこのよう
な場合、作業者が対象物の操作だけに集中できるシステ
ムと、可能な作業は自動的に行うシステムを実現した新
規なマスタスレーブマニピュレータを提供することを目
的とする。

ロ．発明の構成 （課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明のマスタスレーブマ
ニピュレータは、マスタアームからの指令をスレーブア
ームの対象物の運動指令として用い対象物の運動を複数
のスレーブアームを協調して制御するマスタスレーブマ
ニピュレータシステムにおいて、マスタアームと複数の
スレーブアームと、前記マスタアームからの入力を作業
対象物の位置、速度、内力等の作業に応じた指令値とす
る選択部と、該選択部に前記作業対象物に保持すべき前
記内力を付加する手段と、該選択部からの指令に基づき
前記複数のスレーブアームの位置、速度、加速度を計算
する演算部と、該演算部からの出力を指令値として前記
複数のスレーブアームを制御するサーボ制御部と、前記
各スレーブアームに加えられる力及びトルクを検出し前
記演算部へ出力する力覚検出器と、該力覚検出器により
検出された前記力及びトルクを入力とし、該入力に応じ
た前記の複数のスレーブアームの位置、速度、加速度を
出力とするように予め定められた仮想力学モデルに従っ
て演算する仮想力学モデル演算部とを備えたマスタスレ
ーブマニピュレータによって提供される。

さらに、本発明のマスタスレーブマニピュレータは、前
記の複数のスレーブアームの目標軌道、発生すべき力及
びモーメントが入力されたとき、前記力覚検出器からの
入力によって各スレーブアームが発生すべき偏差が生じ
たときに新たな目標軌道をとる前記仮想力学モデル演算
部とを備えたことを特徴とする前記のマスタスレーブマ
ニピュレータによってより効果的に提供される。

（作用） 本発明のマスタスレーブマニピュレータは、複数のスレ
ーブアームに加えられた力及びトルクを力覚検出器によ
り検出し、仮想力学モデル演算部に入力する。この仮想
力学モデル演算部にはスレーブアームの力学量に対する
特性を予め格納（仮想質量、仮想粘性及び仮想バネ定数
のデータがデータベース化されている。）しておき、そ
の特性に従って演算部に入力された力覚量に応じて与え
られた作業に最も適した位置、速度、加速度を演算しサ
ーボ制御部に与えることでマスタスレーブマニピュレー
タを制御する。

（実施例） 本発明のマスタスレーブマニピュレータを具体的に図面
を用いて説明する。

第１図は本発明の一実施例を示すブロック図である。

オペレータによりマスタアーム１がサーボ制御部２を介
して操作され作業対象物12の運動指令が運動、力、トル
ク演算部３に入力される。ここでマスタアーム１からの
運動指令が位置指令か速度指令か選択される。また同時
に作業対象物12の保持すべき内力13も入力される。この
入力に基づき運動、力、トルク演算部３は２台のスレー
ブアーム６、10の位置、速度、加速度及び作業対象物12
に加えるべき力をそれぞれのスレーブアーム６、10の仮
想力学モデル演算部４、８に出力する。この仮想力学モ
デル演算部４、８はそれぞれの力覚検出器７、11からの
力、トルク信号を入力として２台のスレーブアーム６、
10の位置、速度、加速度を算出しサーボ制御部５、９に
出力する。

この力覚検出器は、ロボット動作に関しいわば力の感覚
で、検出器はスレーブアーム等に働く力等を検出する。
本発明においても複数次元における各軸方向の力、トル
クを検出する。例えば、歪みゲージ等が立体的な各方面
に働く力を検出するために利用され、各成分力検出に好
適なように複数位置に設置される。

さらに、サーボ制御部５、９はこの入力とスレーブアー
ム６、10の位置、速度、加速度検出器からの信号に基づ
きスレーブアーム６、10の運動制御を実現する。これら
の制御にあっては、位置制御では一般に座標変換が重要
である。運動の際の位置に着目した位置ぎめ制御、運動
経路に着目した経路制御に分けられる。また、速度制御
にあっては、高速性、指令速度と実際の速度との差が小
さいことや繰り返し時の速度精度が高いこと等のため重
要な制御項目となる。加速度制御はロボット制御の滑ら
かな起動、停止上必要となる。力制御は作業対象物に与
える作業等の力及びトルクについて的確な作業実現のた
めに要求され、研磨、組み立て等に広く利用される。

以上の制御項目に対し、サーボ制御部５、９はスレーブ
アーム６、10の運動制御を実現する。

次に、対象物とスレーブアームの力学モデルについて説
明する。

複数のスレーブアームの協調制御を実現するためには、
マスタアームより与えられる対象物の位置、速度をそれ
ぞれのスレーブアームの運動に変換し、さらに、内力等
の対象物に加えるべき力をそれぞれのスレーブアームの
発生する力に分解しなければならない。そこで以下に、
各位置、ベクトルを定義し説明する。

r₀：絶対座標系から見た対象物の重心の位置ベクトル v₀：対象物の重心の速度ベクトル w₀：対象物の重心の角速度ベクトル r₁：絶対座標系から見たスレーブアームｉ先端の位置ベ
クトル p₁：対象物の座標系より見たスレーブアームｉ先端の位
置ベクトル I_N:N×Ｎ単位行列 g:重力加速度ベクトル 第２図にこの関係を説明するためスレーブアームの対象
物との力学関係図を示す。

複数のスレーブアームが剛体と看做せる１つの対象物を
保持している場合を考える。対象物との接触点O₁、O₂に
おいてｉ番目のスレーブアーム力f_i、モーメントn_iを対
象物に加えているとする。この時、対象物の重心に加わ
る力F_i、モーメントN_iは等価的に、・・・・・ F_i＝f_i （１） N_i＝n_i＋p_i×f_i （２） となる。したがつて、対象物の運動方程式は以下のよう
に記述される。

m_{0 0}＝F₀＋m₀g （３） M_{0 0}＋w₀×（M₀w₀）＝N₀ （４） 但し、・・・ F₀＝F₁＋F₂ （５） N₀＝N₁＋N₂ （６） （３）、（４）式を書き換えると、・・・・ Ｌ＝Ｋ・Ｆ （７） Ｋ＝［I₆，I₆］ （９） Ｆ＝［F₁ ^T，N₁ ^T，F₂ ^T，N₂ ^T］ （10） マスタアームより与えられる対象物の運動指令より式
（８）のＬを計算し式（７）をＦについて解くと、 Ｆ＝K⁺Ｌ＋（I₁₂−K⁺Ｋ）・Ａ （11） となる。

但し、K⁺は行列Ｋの疑似逆行列であり、Ａは任意の12次
元ベクトルである。

ここで、式（11）の右辺第２項は対象物に加わる内力に
相当する。

マスタアームより対象物の運動が与えられ、対象物に加
えるべき望ましい内力が設定されれば、式（11）よりＦ
を計算することができる。

したがって、スレーブアームが対象物に対して発生すべ
き力及びモーメントは、・・・ f_i＝F_i （12） n_i＝N_i−p_i×F_i （13） となる。

次に、仮想力学モデルについて説明する。

スレーブアームの目標軌道Xd_i及び発生すべき力及びモ
ーメントfd_iが入力されたとき、目標軌道はスレーブア
ームの先端に取り付けられた力センサ（力覚検出器）か
らの入力f_iによって実行すべき作業に適合して選択され
た動的モデルのΔX_iだけ修正を受ける。

Mm_i・Δ_i＋Dm_i・Δ_i＋Km_i・ΔX_i ＝f_i−fd_i ・・・・（14） ここで、・・・ um_i＝ｄ−Mm_i ^-1・Dm_i・Δ_i −Mm_i ^-1・Km_i・ΔX_i ＋Mm_i ^-1・（f_i−Fd_i） （15） と置くと、新しい目標軌道Xm_iは、・・・・ この式（16）がスレーブアームの仮想力学モデルを表
す。

第３図は本発明の仮想力学モデル演算部の構成例を示す
ブロック線図である。

仮想力学モデルは仮想質量Mmと仮想粘性Dm及び仮想バネ
定数Kmとで構成され、スレーブアームの目標値xdは力覚
検出器によって検出される力とモーメントｆのフィード
バックを受け、式（14）で示される動的モデルΔＸだけ
修正を受ける。

これは、外力（ｆ−fd）に対し、質量Mm、粘性係数Dm、
バネ定数Kmからなる機械系の挙動として表現される。

このようなモデルに従いスレーブアームを制御すれば作
業者は対象物の内力、外力に注意を払うことから解放さ
れる。また、一連の作業に用いられるモデルはセンサか
らの入力に基づき予め格納（仮想質量、仮想粘性及び仮
想バネ定数のデータがデータベース化されている。）さ
れたデータベースから選択されることになる。すなわ
ち、前述した、仮想力学モデル演算部には仮想質量Mmと
仮想粘性Dm及び仮想バネ定数Kmが具体的に与えられてい
る。

ハ．発明の効果 本発明は、上述のように構成されているので、複雑な作
業も複数のスレーブアームを用いることで可能となり、
また、作業者は複数のスレーブアームということに注意
を払うことから解放され、対象物に注目してマスタアー
ムを操作すれば良いことになる。

仮想力学モデルを知能的な補助手段として用いることで
対象物の状態を保持しながら一連の作業が可能となり作
業者の労力を軽減するという効果を奏する。また、対象
物が外部環境に干渉した場合衝撃を抑える効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロック図、第２図は
スレーブアームの動作の原理図、第３図は本発明の仮想
力学モデル演算部の構成例を示すブロック線図である。 1:マスタアーム、2:サーボ制御部 3:運動、力、トルク演算部 ４、8:仮想力学モデル演算部 ５、9:サーボ制御部 ６、10:スレーブアーム、７、11:力覚検出器、12:作業
対象物 13:作業対象物の保持すべき内力

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小菅 一弘 アメリカ合衆国 02140 マサチュセッツ 州 ケンブリッジ ＃７ アベ．コグスウ エル 11 (72)発明者 石川 潤 神奈川県川崎市宮前区有馬６―15―13 (56)参考文献 特開 昭63−34609（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−297080（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】マスタアームからの指令をスレーブアーム
   の対象物の運動指令として用い対象物の運動を複数のス
   レーブアームを協調して制御するマスタスレーブマニピ
   ュレータシステムにおいて、 マスタアームと複数のスレーブアームと、 前記マスタアームからの入力を作業対象物の位置、速
   度、内力等の作業に応じた指令値とする選択部と、該選
   択部に前記作業対象物に保持すべき前記内力を付加する
   手段と、 該選択部からの指令に基づき前記複数のスレーブアーム
   の位置、速度、加速度を計算する演算部と、 該演算部からの出力を指令値として前記の複数のスレー
   ブアームを制御するサーボ制御部と、 前記各スレーブアームに加えられる力及びトルクを検出
   し前記演算部へ出力する力覚検出器と、 該力覚検出器により検出された前記力及びトルクを入力
   とし、該入力に応じた前記の複数のスレーブアームの位
   置、速度、加速度を出力とするように予め定められた仮
   想力学モデルに従って演算する仮想力学モデル演算部と
   を備えたことを特徴とするマスタスレーブマニピュレー
   タ。
2. 【請求項２】前記の複数のスレーブアームの目標軌道、
   発生すべき力及びモーメントが入力されたとき、前記力
   覚検出器からの入力によって各スレーブアームが発生す
   べき偏差が生じたときに新たな目標軌道をとる前記仮想
   力学モデル演算部とを備えた請求項１項記載のマスタス
   レーブマニピュレータ。