JPS6377670A - マスタ・スレ−ブマニピユレ−タ - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明はマスタ・スレーブマニピュレータに係り、特に
互いに軸構成が異なるマスク・マニピュレータとスレー
ブマニピュレータを有してなるマスタ・スレーブマニピ
ュレータに関する。

〔従来の技術〕

従来のマスタ・スレーブマニピュレータにあっては、第
３図に示すように、マスクとスレーブの各マニピュレー
タを同一の軸構成としたものがよく知られている（マニ
ピュレータタイプブック５ケーラ著、１９８１年、Ｐ５
〜Ｐ４１：に、Ｗ。

Ｋ　ＯＨＬ　Ｅ　Ｒ；　Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ　１ｌ
ａｎｄｂｏｏｋ）　＊すなわち、第３図に示すように、
マスタマニピュレータ１０とスレーブマニピュレータ２
ｏは同一（または相似）の軸構成を有しており、各軸に
は１対１に対応させてアクチュエータ１２　（１２ａ〜
１２ｆ）と２２（２２ａ〜２２ｆ）が設けられており、
それらにより形成されるアーム先端にオペレータが操作
するハンドル１１と実際に作業をおこなうハンド２１が
設けられている。そしてＪハンドル１１を図示矢印１０
１に示したように動かしたとき、スレーブマニピュレー
タのハンド２１は、その動きに沿って図示矢印１０２の
ように動かされるようになっている。

このようなマスタ・スレーブマニピュレータにあって、
スレーブマニピュレータ２０のハンド２１に作用した力
の反力を、マスタマニピュレータ１０のハンドル１１を
操作するオペレータに伝達するため、第４図に示すよう
な操作性が最もよい力帰還型のパイラテラル方式が用い
られている。

第４図は対応する一つの軸の力帰還型パイラテラルサー
ボ系を示しており、マスタマニピュレータ１０の各軸の
構成は、アクチュエータ１２．トルクセンサ１３．負荷
１４１位置センサ１５とからなっており、スレーブマニ
ピュレータ２０についても同様に、アクチュエータ２２
、トルクセンサ２３、負荷２４、位置センサ２５を含ん
で形成されている。そして、位置フィードバックは、位
置センサ１５，２５の出力信号の差を比較器３１でとり
、増幅器３２で増幅してスレーブマニピュレータ２０の
アクチュエータ２２を駆動する位置帰還制御ループとさ
れている。一方、カフィードバック制御はトルクセンサ
１３．２３の出力信号の差を比較器３３でとり、増幅器
３４で増幅してマスタマニピュレータ１０のアクチュエ
ータ１２を駆動する力帰還制御ループとされている。

このように構成することによって、スレーブマニピュレ
ータ２０はマスタマニピュレータ１ｏの動作に追従する
とともに、マスタマニピュレータ１０にはスレーブマニ
ピュレータ２ｏに加わる力がフィードバックされ、これ
によってオペレータはスレーブマニピュレータ２０にか
かる外力を感知することができる。

上述したように第３図に示すマスタ・スレーブマニピュ
レータにあっては、各軸の回転角やトルクが１対１に対
応するため、第４図に示すように、対応する各軸の間で
パイラテラルサーボ系を組めばよく、座標変換など複雑
な計算処理が不要であるという利点がある。しかしなが
ら、マスタマニピュレータとスレーブマニピュレータの
軸構成が同一でなければならないという制約条件がある
ため、スレーブマニピュレータを作業しやすい軸構成に
すると、マスタマニピュレータを操作するオペレータに
とっては操作性が悪いという問題があった・ そこでマスタマニピュレータはオペレータの操作しやす
い軸構成にし、一方式レープマニピュレータは作業しや
すい軸構成にして、両者を計算機を用いて連動させる異
構造のマスタ・スレーブマニピュレータが提案されてい
る（アイ・イー・シー・オー・エヌ８４．（１９８４）
第４０頁〜第４５頁：　ｌＥＣ０Ｎ’　８４　（１９８
４））。この方式によればマスタマニピュレータとスレ
ーブマニピュレータとは自由な軸構成とすることができ
るので、操作性を向上することができるという特徴があ
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、マスクとスレーブの軸構成が異なるマス
タ・スレーブマニピュレータの場合には、第５図に示す
ように、各軸の回転角やトルクが１対１に対応しないた
め、演算処理装置４０を用いて座標変換の演算をおこな
わなければならない。

すなわち、マスタマニピュレータ１０とスレーブマニピ
ュレータ２ｏの各々について、各軸の回転角やトルクを
ハンドル１１とハンド２１の共通座標系（ＸＹＺ直交座
標）に座標変換し、その共通座標系上でパイラテラルサ
ーボ系をくむことにより、ハンドル１１とハンド２１の
運動を１対１に対応させることになる。この演算処理装
置４０の座標変換に係るブロック構成図を第６図に示す
。

第６図は力帰還制御ループのみを示しており、マスタマ
ニピュレータ１０の基部に近いほうの軸に取り付けられ
たトルクセンサ１３ａの信号は、座標変換ユニット１６
ａで次の軸の座標系に座標変換されて、座標変換ユニッ
ト１６ｂに出力される。

ここで次の軸に取り付けられたトルクセンサ１３ｂの信
号と合成された後５次の軸の座標系に座標変換される。

このようにして全軸にわたって座標変換がおこなわれ、
最後に座標変換ユニット１７により共通座標に変換され
る。一方、スレーブマニピュレータ２０についても、ト
ルクセンサ２３ａ、２３ｂ’　、２３ｃ’　、２３ｄ　
〜２３ｆの信号は、順次座標変換ユニット２６ａ〜２６
ｆにより座標変換され、最後に共通座標変換ユニット２
７によって共通座標に変換される。このようにして得ら
れたマスタマニピュレータ１０とスレーブマニピュレー
タ２０の共通座標系上のトルクセンサ信号は、比較器３
５で対応する信号ごとに差がとられ、その差信号は逆座
標変換ユニット１８ａ〜１８ｆにより、順次各軸の座標
系に変換された後、各軸のアクチュエータ１２ａ〜１２
ｆに与えられるようになっている。

このように、異構造マスタ・スレーブマニピュレータで
は複雑な座標変換および逆変換演算をするため、各軸に
ついての演算が−通り終了する時間、すなわちサンプリ
ングタイムが長くなるので。

制御系の応答特性が悪くなり、操作感を悪くするという
問題がある。

本発明の目的は、上記問題点を解決すること、言い換え
れば、座標変換の演算量を大幅に減らしてサンプリング
タイムを短縮し、制御応答性と操作性に優れた異構造の
マスタ・スレーブマニピュレータを提供することにある
。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、上記目的を達成するために、互いに軸構成が
異なるマスタマニピュレータとスレーブマニピュレータ
の一の軸にそれぞれ設けられ、全構成軸に対応した複数
の軸力成分を検出する集中型軸力センサと、この二つの
集中型軸力センサの出力信号を予め定められた共通座標
系に変換された前記二つの集中型軸力センサの出力信号
の差信号を前記マスタマニピュレータの各構成軸の座標
系に変換して対応する各軸力成分のアクチュエータに出
力する座標逆変換手段と、を含んでなることを特徴とす
る。

〔作用〕

このように構成されることから、マスタマニピュレータ
に取り付けられた集中型軸力センサには、オペレータが
末端効果器としてのハンドルなどに加えた力の各軸力成
分を直接検出するとともに。

スレーブマニピュレータに取り付けられた集中型軸力セ
ンサにより、末端効果器としてのハンドに加わる外力の
各軸方向成分が検出される。このように、集中型軸力セ
ンサによって構成軸に対応した各軸の軸力成分が検出さ
れることから、集中型軸力センサを末端効果器（ハンド
ルまたはハンド）に近い軸に設けると、その集中型軸力
センサにより検出された軸力成分を末端効果器の共通座
標系に変換するにあたり、集中力型センサと末端効果器
との間に介在する軸に相当する数の座標変換処理ですむ
ことから、構成軸の全数に対応した座標変換をする必要
がなくなり、座標変換演算量を大幅に減らしてサンプリ
ングタイムを短縮することができ、制御応答性と操作性
が改善されることになる。

〔実施例〕

以下本発明を実施例に基づいて説明する。第１図に本発
明の一実施例のマスタ・スレーブマニピュレータの全体
構成図を示し、第２図に演算処理装置の力帰還制御ルー
プに係るブロック構成図を示す。

第１図に示すように、マスタマニピュレータ１ｏのハン
ドル１１が直結された手首アームには、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方
向のの力ＦＸｅ　ＦＹ、ＦｚとＸ、Ｙ。

Ｚ軸回りのトルクτＸ、τＹ、τ２をそれぞれ検出する
６軸カセンサ１９が取り付けられており、また、この６
軸カセンサ１９に対応させて、スレーブマニピュレータ
２０のハンド２１に直結された手首アームにも、同じ６
軸カセンサ２９が取り付けられている。

そして、各６軸カセンサ１９，２９により検出された６
軸力酸分の信号は、それぞれ座標変換ユニット３６と３
７によりＸＹＺ直交座標軸からなる共通座標系に変換さ
れる。それらの座標変換ユニット３６と３７により変換
された軸力信号は比較器３５において差がとられ、その
差信号は第６図で説明したと同様に、逆座標変換ユニッ
ト１８８〜１８ｆに出力され、それらの逆座標変換ユニ
ットを順次経由してマスタマニピュレータ１０の各軸の
アクチュエータ１２ａ〜１２　ｆｃｉ出力信号が出され
る。これによって、スレーブマニピュレータ２０はマス
タマニピュレータ１０の動作に追従して動かされるとと
もに、スレーブマニピュレータ２０に加わる力が６軸カ
センサ２９によってと検出され、マスタマニピュレータ
１０の６軸カセンサ１９に検出された軸力との差に応じ
てマスタマニピュレータ１０が駆動されることになり、
オペレータはハンドル１１を介してスレーブマニピュレ
ータ２０にかかる外力を感知することができる。

上述したように、本実施例によれば、マスタマニピュレ
ータ１０とスレーブマニピュレータ２０の軸構成に対応
させた軸力を検出する６軸カセンサ１９と２９を、それ
ぞれハンドル１１とハンド２１が直結された手首アーム
に取り付け、これにより各マニピュータに加わる６軸の
軸力成分を検出するようにしていることから、その６軸
を共通座標系に変換するのは１回の変換処理でよいこと
になり、座標変換に係る演算量を大幅に低減することが
できる。これによってサンプリングタイムを短縮するこ
とができ、マニピュレータ制御系の応答特性が改善され
、操作性を向上することができる。

また、第５図図示従来例のように、各軸にトルクセンサ
などの軸力センサを配置すると、各トルクセンサにはマ
ニピュレータ先端部に係る外力のほかに、各センサから
ハンドまたはハンドルまでのマニピュレータ構造物の自
重、慣性、振動など不必要な情報が検出されてしまう。

このため、必要なマニピュレータ先端に係る力を精度よ
く検出することはできず、マスタマニピュレータには不
必要な力のフィードバックがかかって操作性が悪くなる
という問題があったのであるが、本実施例によれば６軸
カセンサ１９，２９を手首アームに設けていることから
、上述した不必要なマニピュレータ構造物に係る情報が
検出されないので、精度のよいマニピュレータ制御をお
こなわせることができ、これによっても操作性が向上さ
れるという効果がある。

なお、第１図実施例においては、集中型軸力センサとし
ての６軸カセンサ１９，２９を手首アームに設けている
ことにより、共通座標系への座標変換に係る変換処理を
１回とすることができるのであるが、本発明はこれに限
らず集中型軸力センサを他のアームに設けたものを含む
ものである。

その場合、６軸カセンサから末端の効果器（ハンドル、
ハンド）に至る間に介在する軸の数に応じて共通座標系
への変換処理回数が加わることになることは言うまでも
ない。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、座標変換の演算
量を大幅に減らすことができ、サンプリングタイムを短
縮して制御応答性と操作性を改善することができるとい
う効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の全体構成図、第２図は第１
図図示実施例の主要部制御ブロック構成図、第３図は同
一軸構成の従来例の構成図、第４図は第３図従来例のパ
イラテラル制御系統構成図、第５図は異構造の従来例の
構成図、第６図は第５図図示従来例の主要部制御ブロッ
ク構成図である。 １０・・・マスタマニピュレータ、 ２０・・・スレーブマニピュレータ、 １１・・・ハンドル、 １２　（１２ａ〜１２　ｆ）　−アクチュエータ、１９
・・・６軸カセンサ、２１・・・ハンド。 ２２　（２２ａ　〜２２　ｆ　）　−アクチュエータ、
２９・・・６軸カセンサ。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）互いに軸構成が異なるマスタマニピュレータとス
   レーブマニピュレータの一の軸にそれぞれ設けられ、全
   構成軸に対応した複数の軸力成分を検出する集中型軸力
   センサと、この二つの集中型軸力センサの出力信号を予
   め定められた共通座標系に変換する座標変換手段と、共
   通座標系に変換された前記二つの集中形軸力センサの出
   力信号の差信号を前記マスタマニピュレータの各構成軸
   の座標系に変換して対応する各軸力成分のアクチュエー
   タに出力する逆座標変換手段と、を含んでなるマスタ・
   スレーブマニピュレータ。
2. （２）前記集中型軸力センサをマニピュレータの末端効
   果器が直結された軸に設けたことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載のマスタ・スレーブマニピュレータ。
3. （３）前記スレーブマニピュレータの末端効果器をハン
   ドとしたことを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の
   マスタ・スレーブマニピュレータ。
4. （４）前記マスタマニピュレータの末端効果器をハンド
   ルとしたことを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の
   マスタ・スレーブマニピュレータ。