JPS59115172A - マスタ−スレ−ブマニプレ−タの制御方式 - 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】 を廟するマスタースレープマニプレークの制御方式に関
し，オペレータの操縦性の向上を図ったものである。

第１図に対称形と呼ばれるカフィードバンク（パイラテ
ラルサーボとも言う）制御方式の従来例を示す。同図に
おいて，手首．肘．肩の回転あるいはねじりの関節を有
するマスターアーム１とスレーブアーム２とは電気的に
結合されており，オペレータ（人間）によって操縦され
るマスターアーム１の関節角度θＭが位置検出器３によ
シミ気信号に変換され、スレーブアーム２の関節角度θ
Ｓも位置検出器４によって電気信号に変換される。両位
置検出器３，４からの電気信号は比較器９の差動入力と
な９．その出力である位置偏差信号△Ｅ＝θＭ−θＳが
増幅器８を介してスレーブアーム２側の駆動装置６に与
えられ、この駆動装置６はθＳをθＭに一致させるよう
にスレーブアーム２を駆動する。また前記比較器９の位
置偏差信号ΔＢは信号変換器１０で一△Ｅに信号変換さ
れ、増幅器７を介してマスターアーム１側の駆動装置５
に与えられる。よって駆動装置５はθＭとθＳに一致さ
せるようにマスターアーム１に作用し、オペレータには
θＭをθＳに一致させる向きのトルク分だけ反力を与え
る。

上述の如く位置のサーボ系を対称に設けることにより、
オペレータはスレーブアーム２が作用している力或いは
これが保持している力を力感覚をして容易に感じながら
、スレーブアーム２を確実に操縦できる。

しかしながら１人間オペレータがマスターアーム１を操
縦する時、マスターアームｌの駆動装置５及マスターア
ーム１の力の伝動系静摩擦或は動摩擦が発生し１人間オ
ペレータの操縦性が損なわれ２本来、スレーブアーム２
が物体に作用している力だけを感じながら操縦するとい
う機能が損なわれている。

また、スレーブアーム２の駆動装置６及スレーブアーム
２の力の伝動系に静摩擦或は動摩擦が発生し、マスター
の駆動装置５を動作させる信号−ΔＢの絶対値を大きク
シ、それだけ人間オペレーターに大きな操縦力が要求さ
れ、操縦性が損なわれている。

このような操縦性の問題は２人間が汎用工具で行うよう
な軽作業１例えばスレーブアームを持つロボットを原子
力発電の原子炉格納容器内に置いてパルプの開閉やボル
トの増締゛などを行わせるようにオペレータが格納容器
外から遠隔　　゛操作する時に、４？に問題となる。

本発明は上記従来技術に鑑み、マスタースレーブマニプ
レータを遠隔操作するとき、スレーブアームが物体に作
用している力だけを人間がマスターアームから反力とし
て感じながら操作したい場合、マスタ及スレーブアーム
の駆動装置或はマスターアーム及スレーブアームの力の
伝動系に摩擦があると操縦性が損なわれるので。

この摩擦力をマスターアームの駆動装置に補償信号を入
力して打ち消そうとするものである。

以下本発明の実施例を図面にもとづいて詳細に説明する
。

第２図は本発明の一実施例を示すブロック図であり２図
中、１〜６，８〜１０は第１図と同じである。１００は
マスターアームｌの速度を検出し、速度信号シＭ　を出
力する速度検出器でる。１０１は速度信号δＭ　を入力
信号とし、アスターアームの動摩擦補償信号△ＥＭＶ　
　を出力する信号変換器である。１０２はマスターアー
ム１に取付けられたひずみゲージ。１０３はオペレータ
の操縦力によってマスターアーム１に発生するひず＋の
うち、関節軸の回転軸方向にひずみに比例した信号εを
出力するひずみ検出器である。１０４はひずみ信号εを
入力とし。

静摩擦力補償信号△Ｅεを出力する信号変換器である０
　１０５は信号△Ｅεを入力し、出力信号△Ｅ６を出力
するもので時定数Ｔをもった一次遅れ要素回路である。

１０６はスレーブアーム２の速度を検出し、速度信号Ｏ
８を出力する速度検出器である。１０７は速度信号θＳ
を入力信号としスレーブのアームの動摩擦力補償信号△
Ｅｓｖを出力する信号変換器である。１０８は速度信号
θ８を入力信号とし、補償信号を切換するだめのオンオ
ン信号を出力する信号変換器である。１０９は信号変換
器１０８からのオンオフ信号をコントロール信号とし２
１０５の出力信号△Ｅεを出力するか△Ｅ６として零信
号を出力するか選択するスイッチ要素である。１１０は
スイッチ要素１０９の出力信号△Ｅεと信号変換器１０
１の出力信号△ＥＭＶ及信号変換器１０７の出力信号△
Ｅｓｖを加算する加算器である。１１１は加算器１１０
の出力信号（△Ｅ、十△ＥＭＶ＋△Ｅｓｖ）と出力変換
器１０の出力信号−△Ｅを加算する加算器である。

なお７は、加算器１１１の出力信号を増巾して駆動装置
５を動作させる増巾器である。

第３図は、１０１或は１０７で示す信号変換器の入出力
の特性を示したものである。第４図は１０４で示す信号
変換器の入出力の特性を示したものである。第５図は１
０８の信号変換器の入出力の特性を示したものである。

上述した構成の制御方式の具体的な動作例について説明
する。

〔動作例１〕 人間オペレータがマスターアーム１を操縦力ｆ、で操縦
する時、マスターアームの駆動装置５及マスターアーム
ｌの力の伝動系で発生、する静摩轢力（以降単にマスタ
ーアームの静摩擦力とと称す）とスレーブアーム２が物
体に作用している力の反力−ｆ、、　（以降単に反力と
称す）を受け、かつマスターアーム１及スレーブアーム
２が静止している場合。

この場合、マスターアーム１及スレーブアーム２は静止
しているから信号変換器１０１及１０７の出力信号は零
信号である。

また、信号変換器１０８はオン信号を出力するので、ス
イッチ要素１０９の出力は△Ｅε１となる。そして増巾
器７には加算器１１０及び１１１を介して信号（−ΔＥ
、＋△Ｅε１）が入力される。従って、駆動装置５では
信号−△Ｅ１によって反力ｆａｌと信号△Ｅε１によっ
てマスターアームの静摩擦力を補償する力ｆε１が発生
する。

すなわち２本発明によらなければ１人間オペレータの操
縦力ｆ：と、マスターアームの静摩擦力−ｆε、と、信
号−△Ｅ１　　によって駆動装置５で発生するカーｆｏ
＋がバランスし＋　ｊ’：　　ｆ　’＋　　ｆ　ｏＩ−
０であるから、ｆ：＝ｆεｒ＋ｆｏｒとなるが２本発明
によれば９人間オペレータの操縦力ｆ、と、マスターア
ームの静摩擦力−ｆε、と、信号−△Ｅ＋によって駆動
装置５で発生するカーｆ０１　と、信号△Ｅε１によっ
て駆動装置５で発生する力ｆε１がノくランスし、　ｆ
ｔ　　ｆε＋　　ｆｏ＋　＋ｆ　６＋　＝０であるから
ｆ、　＝ｆ、、である。

従って１本発明によれば２人間オペレータは操縦力から
マスターアームの静摩擦力分子ε１を軽減できるので操
縦性が向上する。

〔動作例２〕 人間オペレータがマスターアームｌを操縦力ｆ、で動か
すとき、マスターアームの駆動装置５及マスターアーム
１の力の伝動系で発生する動摩擦力（以降マスターアー
ムの動摩擦力と称す）と１反カーｆｏ！を受けて、しか
もスレーブアーム２の速度がある低速ａＳＳ以下で動い
ている場合。

この場合、信号変換器１０１の出力信号は△ＢＭＶＩで
あり、信号変柄器１０７の出力信号は零信号（第３図参
照）である。また１ｉｙｓｌ＜δｓｓなので信号変換器
１０７はオン信号を出力するのでスイッチ要素１０９の
出力信号は△Ｅε！となる。

ただし、この時、△Ｅε２は△Ｅε、と異なり、第６図
に示すようになる。そして増巾器７には加算器１１０及
１１１を介して信号（−ΔＥ！＋△Ｅｇｌ十△Ｅｙｖａ
　）が入力される。

従って駆動装置５では信号−△Ｅ２によって反力ｆｏｘ
と信号△Ｅε２　によってスレーブアームの駆動装置６
及スレーブアーム２の力の伝動系の静摩擦を補償する力
ｆ　！、と信号△ＥＭＶ！によってマスターアームの動
摩擦力を補償するｆＭｖｔが発生する。

すなわち１本発明によらなければ１人間オペレータの操
縦力ｆｐとマスターアームの動摩擦力〜ｆ　Ｍｖｔと信
号−△Ｅ２によって駆動装置５で発生するカーｆｏ！が
バランスし、　ｆｔ　ｆｙｖｔ　ｆｏ＊＝ｏ　　である
からｆ”　＝ｆ　ＭＶＩ　＋　ｆ　ａｔである。（ここ
でｆｏ寓　は。

スレーブアームの静摩擦力とスレーブアームが物体に作
用している力の和である）が１本発明によれば２人間オ
ペレータの操縦力ｆ２と、マスターアームの動摩擦力−
ｆｙｖ＊と、信号−△Ｅ２によって駆動装置５で発生す
るカーｆ０２と、信号△Ｅε２によって駆動装置５で発
生する力ｆε２と、信号△ＥＭＶＩ　によって駆動装置
５で発生する力ｆｖｖｔがバランスし、　ｈ　　ｆＭｖ
２ｆｏｔ　”ｆ　’ｖ　＋Ｊ’ＭＶ２　＝０　であるか
ら、　ｆ、　＝ｆ、、　−ｆ　ε、である。

従って１本発明によれば１人間オペレータは操縦力から
マスターアームの動摩擦力とスレーブアームの静摩擦力
分を軽減できるので、操縦性が向上する。

〔動作例３〕 人間オペレータがマスターアームｌを操縦力ｆ、で動か
すとき、マスター及スレーブアームの動摩擦力と反力−
ｆ、を受け、かつスレーブアームの速度かある低速θｓ
ｓ以上の場合。

この場合、信号変換器１０１，１０７の出力はそれぞれ
△ＥＭｖ、　、ｄｓＶｌとなる。またスレーブアームの
速度は１δｓｌ〉δｓｓなので信号変換器１０８の出力
信号はオフ信号となシ、スイッチ要素１０９の出力信号
は零信号となる。増巾器７には加算器１１０及１１１を
介して信号（−△Ｅ３＋△ＢＭＶｌ＋△Ｅｓｖ＠）が入
力される。そして、駆動装置５ではスレーブアーム２が
物体に作用しているカに相幽する信号−△Ｅｓ　　によ
って１反カーｆｏｓと信号△ＥＭＶＩによってマスター
アームの動摩擦力を補償する力ｆｕｖｓと信号△Ｅｓｖ
、にょってスレーブアームの動摩擦力を補償するカｆ　
ｓｖｓが発生される。

すなわち本発明によらなければ１人間オペレータの操縦
力ｆ、と、マスターアームの動摩擦力ｆ　ＭＶＩと、信
号−△Ｂｍ　　によって駆動装置５で発生するカーｆｏ
ｅがバランスし＊　ｆｓ　ｆＭｖｓ　ｆｏｌＩ＝Ｑ　ｆ
あるからｆｓ’　−ｆＭｙｓ　＋ｆ、ｏａ　　である。

（ココテｆｏｓはスレーブアームの動摩擦力とスレーブ
アームが物体に作用しているカの和である）が１本発明
によれば人１ｕＪオペレータの操縦力ｆ８と、マスター
アームの動摩擦力−ｆＭＶＩと、信号−ΔＨｓ　　に　
　　゛よって駆動装置５で発生するカーｆｏｓ　と、信
号△ＥＭＶＩによって駆動装置５で発生する力ｊ’Ｍｖ
ｓと。

信号△ＥＳ　Ｖｙ　によって駆動装置５で発生する力ｆ
ｓｖｓと、がバランスし、　ｆｓ　＝ｆＭｖｓ−ｆｏ＊
＋ｆＭｖ＋ｆｓｖ＊＝０　であるからｆｓ　＝ｆｏｓ　
ｆｓｖｓである。

従って２本発明によれば１人間オペレータは操縦力から
マスターアームの動摩擦力とスレーブアームの動摩擦力
分を軽減できるので、操縦性が向上する。

以上説明したように本発明によれば、オペレータがマス
ターアームを操縦するとき、マスターアームおよびスレ
ーブアームの静摩擦力あるいは動摩擦力をマスターアー
ムの駆動装置から打ち消す力を発生させるようにしたか
ら、オペレータにはスレーブアームが物体に作用してい
るカフィードバックして操縦性を向上させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のマスタースレーブマニプレータの制御方
式を示すブロック図、第２図は本発明による実施例を示
すブロック図、第３図は信号変換器１０１，１０７の入
出力の特性を示す線図、第４図は信号変換器１０４の入
出力の特性を示す線図、第５図は信号変換器１０８の入
出力の特性を示す線図、第６図は各動作例における出力
信号を示す線図である。 １・・・マスターアーム、２・・・スレーファーム。 １００・・・速度検出器、１０１，１０４，１０７゜１
０８・・・信号変換器、１０２．ひずみ検出器。 １０９１スイッチ要素、１１０，１１１・・加算器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 対称形のカフィードバック制御機能を有すＺマスタース
   レーブマニプレータニおいて、マスターアームおよびス
   レーブアームの速度として検出した信号を変換してそれ
   ぞれのアームの動摩擦力補償信号を発生させるとともに
   、マスターアームのひずみを検出してこれを変換するこ
   とによってマスターアームの静摩擦力補償信号および等
   測的なスレーブアームの静摩擦力補償信号を発生させ、
   マスターアームおよびスレーブアームが静止していると
   きはマスターアームの静摩擦補償信号をスレーブアーム
   がある速度以下で動くときはマスターアームの動摩擦力
   補償信号とスレーブアームの静摩擦力補償信号の和を、
   スレーブアームかある速度以上で動くときはマスターア
   ームの動摩擦力補償信号とスレーブアームの動摩擦力補
   償信号の和をそれぞれ選択し、これをマスターアームを
   駆動させるだめのマスターアームとスレーブアームの位
   置の偏差信号に加算して駆動信号とし、この駆動信号に
   よってマスターアームの駆動装置を駆動することを特徴
   とするマスタースレーブマニプレータの制御方式。