JPS5871085A - マスタスレ−ブマニピユレ−タの自重補償装置 - 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】 本発明は、人間が遠隔操作をして各種作業を行なうマス
タスレーブマニピュレータに係シ、特に人間の操作負担
を軽減するためのマスタスレーブマニピュレータ自重補
償装置に関するものである。

マスクスレーブマニピュレータを人間が操作する場合、
スレーブ側にかかった力をマスク側に返すパイラテラル
（双動形）サーボ系を構成することが、その操作性を格
段に向上させる。

パイラテラルサーボ系には、公知のように対称形、力逆
送形、力帰還形の３基本形があるが、いずれもマスク側
に返す力の信号としてスレーブにかかる外力のみを伝達
するために腕の自重の影響を除く必要がある。

従来最も多く用いられる自重補償手段は、腕の各自由度
毎にカウンタウェイトやばねを用いて機構的に腕自重と
バランスさせるものである。

しかしこの方式では、自由度の多い多関節形マニピュレ
ータには構造的に適用が困難になるとともに、カウンタ
ウェイト方式では慣性が増大する仁とによる加減速時の
パワー増大、応答性劣化および力感覚の悪化をまねき好
ましくない。

そこで、コンピュータを用いて腕の姿勢から腕自重によ
る各関節のトルクを演算し、制御的に自重補償を行なう
方法が考えられている。その従来例である対称形と力逆
送形とを合わせたマスタスレーブマニピュレータの構成
を第１図において説明する。図において、１はマスタア
ーム、２はスレーブアーム、３はコンピュータで、本図
では機能を簡単に示すために１軸のみを示しである。４
はマスクの１軸を駆動するアクチュエータ、５はアクチ
ュエータ４を駆動するドライバ、６はアクチュエータ４
の位置検出器、７はスレーブの対応する１軸を駆動する
アクチュエータ、８はアクチュエータ７を駆動するドラ
イバ、９はアクチュエータ７の位置検出器、１０はトル
ク検出器である。

またコンピュータ３の内部の演算要素のうち、１１はマ
スク自重トルク演算部、１２はスレーブ自重トルク演算
部、１３Ｆｉ関数発生部である。なお各信号はＡ−Ｄ変
換器またはＤ−Ａ変換器により、ディジタルまたはアナ
ログに適宜変換される。

第１図に示す従来のマスタスレーブマニピュレータの動
作を説明すると、まずマスクの位置検出器６とスレーブ
の位置検出器９との信号の偏差を演算し、その偏差を小
さくする方向にマスクおよびスレーブのアクチュエータ
４．７を駆動するいわゆる対称形パイラテラルサーボ系
の構成を含んでいる。ただし、ここでマスタに返す偏差
信号には関数発生部１３を通している。また、スレーブ
に設けたトルク検出器１０の信号をマスクに返すいわゆ
る力逆送形パイラテラルサーボ系の構成も含んでいる。

ζζで問題になるマスタアーム１とスレーブアーム２と
の自重の影響は、マスタ各軸の位置検出器の信号をもと
ＫＬＪｔマスタ自重トルク演算部１１と、スレーブ各軸
の位置検出器の信号番もとにしたスレーブ自重トルク演
算部１２とによって得られるそれぞれの自重トルク信号
をマスク駆動信号に加減算することによって除去される
ようになっている。

ところが上述した従来の例には次のような問題点がある
。

（１）多関節マニピュレータの自由度数が多くなるほど
、その姿勢による自重トルクの演算は膨大になる。とく
に本例では、マスクとスレーブの自重トルクを別々に演
算しているため、サイクルタイムが長くなることによる
操作性の悪化をきたし、それを避けるために鉱高速大容
量の計算機を必要とする。

（２）　　パイラテラルサーボ方式として対称形および
力逆送形を用いている九め、マスタアームにかかる力を
直接検出することができない。したがってトルクアクチ
ュエータの性能に左右されて微妙なマスク操作力の調整
が困難となり、操作性が悪くなる。

本発明の目的は、上述の欠点を改善し、計算機に必要な
能力を低減し、しかも操作性のよい、マスタスレーブマ
ニピュレータの自−重補償装置を提供するものである。

本発明の特徴とするところは、マスタスレーブマニピュ
レータの自重補償演算の中の腕姿勢演算をマスクまたは
スレーブのいずれか一方について行ない、しかもこれを
力帰還形パイラテラルサーボ系に適用したものである。

以下、本発明の実施例を第２図により説明する。

図において、第１図と同一部分には共通の符号を付しそ
の詳細説明は省略する。仁の場合も第１図ト同様にマニ
ピュレータの自由度のうち１軸について示した。本実施
例の構成は基本的に力帰還形パイラテラルサーボ系であ
る。

１４はマスク側のトルク検出器、１５は速度検出器、１
６は速度信号のゲイン設定部、１７はスレーブ側の速度
検出器、１８は速度信号のゲイン設定部である。またコ
ンピュータ３の中の演算要素のうち、１９は変位偏差信
号のゲイン設定部、２０は１スタ側の各関節の変位信号
を゛もとにマスク側とスレーブ側の対応する軸の自重ト
ルクを演算する自重トルク演算部、２１はマスクとスレ
ーブのトルク偏差信号のゲイン設定部である。

つぎに、上述した本発明の実施例の動作について説明す
る。

第２図において、スレーファーム２は、マスク側位置検
出器６とスレーブ側位置検出器９との信号の偏差を小さ
くする方向に駆動される。すなわちスレーブ駆動は通常
の位−サーボ系で行なわれる。ここで動作を安定化する
ために、速度検出器１７の速度信号をゲイン設定部１８
を通じてドライバ８にネガティブフィードバックしてい
る。

ま九、マスタアームの駆動祉、基本的には、マスク側の
トルク検出器１４とスレーブ側のトルク検出器１０とか
らの信号の偏差を小さくする方向に行なう、いわゆる力
帰還形の構成であるが、ここでそれぞれのトルク信号に
含まれた自重トルク分を除去する自重補償を行なってい
る。この自重補償は、マスクとスレーブとが常にほぼ同
一の姿勢をとることを利用し、どちらか一方、たとえば
マスク側の各軸の変位信号をもとにして自重トルク演算
部２０によってマスクおよびスレーブの自４重トルクを
演算し、それぞれのトルク検出器の信号から自重分を減
算して正味の外力によるトルクを求めるようになってい
る。また、マスタアームの動作を安定化するために、速
度検出器１５の信号をゲイン設定部１６を通じてドライ
バ５にネガティブフィードバックしている。

つぎに、第３図の７０−チャートによって自重トルク演
算部２０の詳細な動作を説明する。

まず、位置検出器力で検出されるマスタ各軸の関節角度
を読み込み１、アームの姿勢を演算する。

さらに、マスタアームの自重に関する定数を設定し、ま
ずマスク側の各関節の自重トルクを求める。

つぎに、スレーブアームの自重に関する定数を設定しス
レーブ側の各関節の自重トルクを求め、演算の１サイク
ルを終わる。以上の演算の中で最も量が多いのが前記の
アーム姿勢演算部で、三角関数を用い九座標変換の演算
が自由度数が増えるに従って膨大になる。゛そとで本発
明では、このアーム姿勢演算をマスクとスレーブとを共
通にして１回で行なうことによって演算量を大幅に低減
することに特徴がある。

また、本実施例では力帰還形パイラテラルサーボ系に自
重補償を適用することによυ、微妙な力検出できること
と合い壕って自重補償の効果が一層上がり、マスタスレ
ーブマニピュレータの操作性を向上させることができる
。

以上詳述したように、本発明によれば、マスタスレーブ
マニピュレータの自重トルク演算の中のアーム姿勢演算
を、マスクまたはスレーブのいずれか一方について行な
うため、演算量が減少できるので、計算機に必要な能力
を低減できる効果があるとともに、力帰還形パイチラル
サーボ系に適用することによってマスタスレーブマニピ
ュレータの操作性を１段と向上できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来φ自重補償装置を含むマスタスレーブマニ
ピュレータの１軸に関する制御ブロック図、第２図は本
発明の自重補償装置を含むマスタスレーブマニピュレー
タの１軸に関する制御ブロック図、第３図は本発哄に用
いられる腕自重トルク演算部の詳細な動作を説明するた
めのフローチャートである。 １・・・マスタアーム、２・・・スレーブアーム、３・
・・コンピュータ、４，７・・・アクチュエータ、６．
９・・・変位検出器、ｉｏ、１４・・・トルク検出器、
２０・・・腕自重トルク演算部。 ｙｌ　１　日 第　Ｚ　図 ０

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 力帰還形パイラテラルサーボ系を構成するマスタスレー
   ブマニピュレータにおいて、一方の腕の各関節の変位信
   号をもとに、マスクおよびスレーブの各関節を駆動する
   アクチュエータにかかる腕自重によるトルクを演算する
   腕自重トルク演算部と、各関節の駆動系に設けられたト
   ルク検出器のトルク信号から前記演算部によって得られ
   た対応する腕自重トルク信号を減算してマスクおよびス
   レーブの腕にかかる外力トルクを算出し、マスクおよび
   スレーブの対応する各関節の前記外力トルクの偏差信号
   をマスクの対応する各関節アクチュエータを駆動するこ
   とを信号として出力する制御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の自重補償装置。