JPH0443740B2 - - Google Patents

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JPH0443740B2
JPH0443740B2 JP60265361A JP26536185A JPH0443740B2 JP H0443740 B2 JPH0443740 B2 JP H0443740B2 JP 60265361 A JP60265361 A JP 60265361A JP 26536185 A JP26536185 A JP 26536185A JP H0443740 B2 JPH0443740 B2 JP H0443740B2
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JP
Japan
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manipulator
master
slave
force
slave manipulator
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
JP60265361A
Other languages
Japanese (ja)
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JPS62124886A (en
Inventor
Kazuo Tanie
Kyoshi Komorya
Akio Fujikawa
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
Agency of Industrial Science and Technology
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Publication date
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Priority to JP26536185A priority Critical patent/JPS62124886A/en
Publication of JPS62124886A publication Critical patent/JPS62124886A/en
Publication of JPH0443740B2 publication Critical patent/JPH0443740B2/ja
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Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

(イ) 発明の目的 [産業上の利用分野] この発明はマスタマニピユレータとスレーブマ
ニピユレータを使用したマスタ・スレーブマニピ
ユレーシヨンシステムにおける遠隔制御装置に関
するものである。 [従来の技術〕 宇宙や海洋あるいは原子力分野等における作業
のように、実際の作業をなすべく環境(作業環
境)に作業者が立入ることができない場合には、
作業環境にスレーブマニピユレータを設置し、こ
れを安全な遠隔の操作環境に設置したマスタマニ
ピユレータを使用して遠隔操作する方法が通常取
られている。 このマスタ・スレーブマニピユレーシヨンシス
テムにおける操縦性を向上させて遠隔操作を円滑
に行うためには、作業環境における情報を操作環
境における操作者に正確に伝達させる必要があ
り、スレーブマニピユレータ側の変位や、加わつ
た力の状態をできるだけ忠実にマスタマニピユレ
ータ側に再現することが望まれる。 このようなことから、従来より、スレーブマニ
ピユレータに加わる力やトルクをマスタマニピユ
レータ側に転送することが試みられ、その目的を
満すものとして、種々のバイラテラルサーボ機構
が提案された。 それらのバイラテラルサーボ機構の1つとし
て、第8図に示すような、力帰還形バイラテラル
サーボ機構がある。 このバイラテラルサーボ機構101ではスレー
ブマニピユレータ103側に位置サーボ系が構成
されており、マスタマニピユレータ102側の変
位が位置検出器104で検出されると、その出力
を指令信号として、スレーブマニピユレータ10
3側の位置サーボ系105が働き、スレーブマニ
ピユレータ103がマスタマニピユレータ102
の変位に追従して動く。一方、この時に、スレー
ブマニピユレータ103に対象物から何らかの拘
束力が加わつているとすれば、それがトルク(或
は力)検出器106で検知され、マスタマニピユ
レータ102側に伝送される。マスタマニピユレ
ータ102側には駆動モータ(図示せず)やトル
ク(或は力)検出器107からなるトルクサーボ
系108が構成されており、スレーブマニピユレ
ータ103で検出されたトルク検出器106出力
信号を、このトルクサーボ系108に加えること
により、マスタマニピユレータ102側にスレー
ブマニピユレータ103側に加わつているトルク
と同等のトルクが発生するように構成されてい
る。 [発明が解決しようとする問題点] ところで、この種のバイラテラルサーボではス
レーブマニピユレータ側からマスタマニピユレー
タ側への力の逆送は、前述のように、スレーブマ
ニピユレータ103側に設置されたトルク検出器
106とマスタマニピユレータ102側に設置さ
れるトルクサーボ系108で行なわれるが、一般
にトルクサーボ系には種々の遅れが存在するた
め、スレーブマニピユレータ側で検知されたトル
クが、必ずしも正確にマスタマニピユレータ側に
は伝送されない。すなわち、トルクサーボ系に追
従誤差が生じるからである。この追従誤差は、ス
レーブマニピユレータ側において検知されるトル
クが高速で変動するような場合には、より無視で
きない量となり、オペレータに臨場感を与えるこ
とができなかつた。 この発明は上記の如き事情に鑑みてなされたも
のであつて、マスタ・スレーブ型マニピユレータ
において、スレーブマニピユレータ側の拘束条件
を含む全体の動的コンプライアンスをマスタスレ
ーブ側の駆動系にフイードバツクすることによ
り、マスタマニピユレータ側にスレーブマニピユ
レータ側と等価な拘束状態を実現することによつ
て、リアルな遠隔操作感をそなえた遠隔制御を可
能にし、より直接的にオペレータが対象物を操作
しているような感覚を持たることができ、臨場感
の制御を可能にする遠隔制御装置を提供すること
を目的とするものである。 (ハ) 発明の構成 [問題を解決するための手段] この目的に対応して、この発明の動的コンプラ
イアンス逆送型バイラテラル遠隔制御装置は、マ
スタマニピユレータに前記マスタマニピユレータ
に作用する力を検出する第1の力検出器と前記マ
スタマニピユレータの位置を検出する第1の位置
検出器とを設け、対象物を取扱うスレーブマニピ
ユレータに前記スレーブマニピユレータの位置を
検出する第2の位置検出器と前記スレーブマニピ
ユレータに作用する力を検出する第2の力検出器
を設け、前記第2の位置検出器からの位置信号と
前記第2の力検出器からの力信号から前記対象物
の動特性の要素を求める動特性同定器を備え、前
記の動特性の要素によつてマスタマニピユレータ
の動的コンプライアイスを調整することによつ
て、スレーブマニピユレータに加わる力学的拘束
を逆送するように構成したことを特徴としてい
る。 以下、この発明の詳細を一実施例に示す図面に
ついて説明する。 第1図において、1はマスタ・スレーブマニピ
ユレータ制御装置であり、マスタ・スレーブマニ
ピユレータ制御装置1はマスタマニピユレータ機
構2、スレーブマニピユレータ機構3及び伝送系
4とを備えている。マスタマニピユレータ機構2
はマスタマニピユレータ5とマスタマニピユレー
タ5を駆動するマスタマニピユレータ駆動装置
6、マスタマニピユレータ5の位置を検出する位
置検出器7、マスタマニピユレータ5に作用する
力を検出する力検出器8及びマスタマニピユレー
タ駆動装置6への入力信号を増幅する増幅器11
とを備えている。 一方、スレーブマニピユレータ機構3はスレー
ブマニピユレータ13と、スレーブマニピユレー
タ13を駆動するスレーブマニピユレータ駆動装
置14と、スレーブマニピユレータ13の位置を
検出する位置検出器15と、スレーブマニピユレ
ータ13に作用する力を検出する力検出器16
と、及びスレーブマニピユレータ駆動装置14へ
の入力信号を増幅する増幅器17とを備えてい
る。 マスタマニピユレータ機構2とスレーブマニピ
ユレータ機構3とは伝送系4を介して接続してい
る。伝送系4は動特性定器18、位置信号発生器
21、動特定補償器22及び2個の比較器23,
24を備えている。 [作用] バイラテラル制御の理想を再度整理すると、次
のようになる。 即ち第2図に示すように、マスタマニピユレー
タ側に、或る変位Δxを加えたときに、それに応
じて、スレーブマニピユレータに正確に変位Δx
が生じること、かつ、その時にスレーブマニピユ
レータが対象的に何らかの作用を加えて、ΔFと
いう反力を受けるとすれば、そのΔFが正確にマ
スタマニピユレータ側に転送されてマスタマニピ
ユレータを操作するオペレータにそれが正しく加
えられることである。この時に、第2図ではマス
タマニピユレータ側でΔxを加えるとしたが、逆
にΔFという力を加えて、Δxが正確に転送される
と考えてもよい。 もう1つ例を上げれば、第3図に示すように剛
体の棒111を介して対象物112を操作する場
合を考えることができる。 このような棒111では操作端にΔxという変
位を加えると作用端にも同様にΔxが加わる。そ
して、反力ΔFが作用端に加わると、それが操作
端に伝送される。すなわち、操作端の力学的状態
(Δ×,ΔF)と作用端の力学的状態(Δx,ΔF)
とが(もし棒が完全な剛体であれば)一致する。
このような伝送系は、理想的であり、マスタ・ス
レーブマニピユレータ制御では物理的に一体化し
ていない系に対しても、何らかの方法で、マスタ
マニピユレータとスレーブマニピユレータの力学
的状態を一致させることが、種々試みられている
わけである。 作用端における変位Δxと反力ΔFの関係は一般
に操作される対象の特性により変化する。その対
象が柔かいものであれば、大きなΔxを加えても
ΔFは小さいし、かたい場合は微小なΔxに対して
も大きなΔFが発生する。またΔx,ΔFは時間的
にも変動するから、例えば、作用端におけるΔx,
ΔFは、第4図のようなグラフで表わすことがで
きる。 結局このような作用端のΔF,Δxの状態を正確
に、操作端で再現することが上述したようにマス
タ・スレーブマニピユレータの理想とする目的で
あり、本発明はそれに関するものである。 即ち、マスタマニピユレータ側の力学的状態
(Δx,ΔF)と、スレーブマニピユレータ側の力
学的状態(Δx,ΔF)とが、一致することが理想
的である。 ところで、スレーブマニピユレータ側の作用端
のΔFとΔxの関係は、対象物の動的特性によつて
記述することができる。即ち、一般に対象物の力
学的特性は、慣性要素J、粘性要素γ、ばね要素
k、及び比例要素Kを含んでおり、これらを用い
て、ΔF,Δxの関係は、次のような微分方程式で
記述することができる。 JΔx¨+γΔx・+kΔx=KΔF 従つて、マスタ・スレーブマニピユレータ機構
では、このようなΔx,ΔFの関係を記述する方程
式を対象物に応じて同定し、それと同じ力学的構
造を持つ系を、即ち、オペレータがΔxを加えた
ときにΔFを発生する系、或はΔFを加えたときに
Δxを発生させる系をマスタマニピユレータ機構
として構成すればよいことになる。 本発明では前述のようにマスタマニピユレータ
機構とスレーブマニピユレータ機構とは相似構造
を有し、マスタマニピユレータには力センサ8、
マスタマニピユレータ駆動装置6、位置センサ7
が設置されており、スレーブマニピユレータにも
同様に力センサ16、スレーブマニピユレータ駆
動装置14、位置センサ15が設置されており、
マスタマニピユレータ5をオペレータが操作する
と、マスタマニピユレータ駆動装置6が動き、そ
のときの位置が位置検出器7で検出され、その位
置信号がスレーブマニピユレータ機構3への指令
信号となる。 一方、スレーブマニピユレータ機構3では位置
サーボ系が構成されており、マスタマニピユレー
タ機構2からの前述の位置指令信号に応じてスレ
ーブマニピユレータ13が動作する。スレーブマ
ニピユレータ13が対象物25に作用を加える
と、変位と、その時の対象物25から来る反力が
力検出器16で検出され、動特性同定器18に加
えられる。この動特性同定器18は前述の微分方
程式のパラメータJ,γ,k,Kを求める装置
で、その求め方は従来技術により可能である。即
ち、対象物25の特性(J,γ,K,k)、変位
Δx、力ΔFが JΔx¨+γΔx・+kΔx=KΔF と表わされるならば、この動特性同定器18によ
り容易に求められる。そして、このパラメータが
マスタマニピユレータ機構2側に転送される。 マスタマニピユレータ機構2側では、その駆動
系の特性をスレーブマニピユレータ機構3の特性
と同一となるように決定する。要するに、オペレ
ータが操縦操作としてマスタマニピユレータ5に
力ΔFを加えた時、変位Δxがマスタマニピユレー
タ機構2に発生するようにする。即ち、マスタマ
ニピユレータ5の力ΔFと変位Δxとがスレーブマ
ニピユレータ機構3の力ΔF、変位Δxを関係付け
る微分方程式と同一の微分方程式 JΔx¨+γΔx・+kΔx=KΔF に記述できるように、マスタマニピユレータ機構
2側のサーボ機構の特性を決定する。 第1図に示すスレーブマニピユレータ側のサー
ボ系はそれを実現する構成となつている。説明を
し易くするために、第1図におけるA点とB点の
部分をとり出して書くと第5図のようになる。即
ち、第5図のA点よりオペレータがマスタマニピ
ユレータ5に加える力ΔFを力検出器8で検知し、
位置信号発生器21によりΔFに対応するΔxを求
める。 この計算は JΔx¨+γΔx・+kΔx=KΔF をマイクロコンピユータ等で解くことにより行
う。この時、J,γ,k,Kは動特性同定器18
で決定された値を用いる。 こうして求められたΔxがマスタマニピユレー
タ機構2の位置サーボ系に入力される。マスタマ
ニピユレータ機構2のサーボ系は点Aより点B間
の伝達特性が正確に上記の微分方程式で記述され
るようにするために、点Aから点B間の伝達特性
を1にする必要がある。動特性補償器22はこの
ために加えられる。この加え方は従来の技術によ
り容易に実現できる。 こうして、スレーブマニピユレータ機構3側の
(Δx,ΔF)の関係が正確にマスタマニピユレー
タ機構2側に逆送されるバイラテラル機構を構成
することができる。 第6図は上述の本発明の原理をn自由度系に拡
張したものである。第7図aに示すごとく、例え
ばマスタマニピユレータがクランクを回すことを
考えると、マニピユレータはクランクよりある拘
束を受ける。 この拘束は一般的には第7図bに示すようにマ
ニピユレータのハンドの直交3軸方向の慣性、粘
性、弾性からなる力学的構造を有する拘束として
模式化することができる。この力学的構造はマニ
ピユレータの関節にトルク検出器、位置検出をつ
ければ、それらの組合せ出力(τi,θi)から、各
関節部の動特性G1〜Goとして評価することがで
きる。即ち、ハンドの直交軸に関する拘束の動特
性をGx,Gy,Gz,Mx,My,Mz、関節を6個と
し、それぞれの関節の動特性をG1〜G6、Gx…と
G1…を関係づける行列をK→とすると、 G1 G2 G3 G4 G5 G6=K→Gx Gy Gz Mx My Mz こうして求められた、 G1 G2 G3 G4 G5 G6 をマスタマニピユレータ機構側のサーボ系の特性
として実現すればよい。ここでG1〜G6は図中の
関節動的コンプライアンス同定器で計測される。 G1〜G6はスレーブ関節軸における角変位Δθi
トルクτiとを関係付ける微分方程式である。通常
ラプラス変換表示を用いれば、Δθi,τiは、次の
ように記述される。
(a) Purpose of the Invention [Field of Industrial Application] The present invention relates to a remote control device for a master-slave manipulation system using a master manipulator and a slave manipulator. [Prior art] When workers cannot enter the environment (work environment) to perform the actual work, such as work in space, the ocean, or the nuclear field,
Usually, a method is used in which a slave manipulator is installed in a work environment, and this is remotely controlled using a master manipulator installed in a safe remote operation environment. In order to improve the maneuverability of this master-slave manipulation system and perform remote control smoothly, it is necessary to accurately transmit information in the work environment to the operator in the operating environment. It is desirable to reproduce the displacement and applied force state as faithfully as possible on the master manipulator side. For this reason, attempts have been made to transfer the force and torque applied to the slave manipulator to the master manipulator, and various bilateral servo mechanisms have been proposed to meet this purpose. . One of these bilateral servo mechanisms is a force feedback type bilateral servo mechanism as shown in FIG. In this bilateral servo mechanism 101, a position servo system is configured on the slave manipulator 103 side, and when the displacement on the master manipulator 102 side is detected by the position detector 104, the output is used as a command signal to control the slave manipulator 103. Manipulator 10
The position servo system 105 on the third side works, and the slave manipulator 103 becomes the master manipulator 102.
It moves according to the displacement of. On the other hand, if some kind of restraint force is applied to the slave manipulator 103 from the object at this time, it is detected by the torque (or force) detector 106 and transmitted to the master manipulator 102 side. . A torque servo system 108 consisting of a drive motor (not shown) and a torque (or force) detector 107 is configured on the master manipulator 102 side, and the torque detector 106 detected by the slave manipulator 103 By applying an output signal to this torque servo system 108, a torque equivalent to the torque applied to the slave manipulator 103 is generated on the master manipulator 102 side. [Problems to be Solved by the Invention] By the way, in this type of bilateral servo, the force is sent back from the slave manipulator side to the master manipulator side, but as described above, the force is sent back to the slave manipulator 103 side. This is done by the installed torque detector 106 and the torque servo system 108 installed on the master manipulator 102 side, but since there are generally various delays in the torque servo system, it is detected on the slave manipulator side. Torque is not necessarily accurately transmitted to the master manipulator. That is, this is because a tracking error occurs in the torque servo system. When the torque detected on the slave manipulator side fluctuates at a high speed, this follow-up error becomes a non-negligible amount, making it impossible to provide a sense of realism to the operator. This invention has been made in view of the above circumstances, and it is an object of the present invention to feed back the entire dynamic compliance including the constraint conditions on the slave manipulator side to the drive system on the master slave side in a master-slave type manipulator. By realizing a restraint state on the master manipulator side that is equivalent to that on the slave manipulator side, it is possible to perform remote control with a realistic feeling of remote control, allowing the operator to more directly manipulate the object. The object of the present invention is to provide a remote control device that allows the user to feel as if he or she is actually in the room and can control the sense of realism. (C) Structure of the Invention [Means for Solving the Problem] Corresponding to this object, the dynamic compliance reverse feed type bilateral remote control device of the present invention has a master manipulator that acts on the master manipulator. a first force detector that detects the force exerted by the slave manipulator; and a first position detector that detects the position of the master manipulator; the slave manipulator that handles the object detects the position of the slave manipulator; a second position detector for detecting the force acting on the slave manipulator and a second force detector for detecting the force acting on the slave manipulator; The slave manipulator is equipped with a dynamic characteristic identifier that determines an element of the dynamic characteristic of the object from the force signal, and adjusts the dynamic compliance of the master manipulator according to the element of the dynamic characteristic. It is characterized by being configured so that the mechanical restraints applied to it are reversed. DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, details of the present invention will be explained with reference to the drawings showing one embodiment. In FIG. 1, 1 is a master/slave manipulator control device, and the master/slave manipulator control device 1 includes a master manipulator mechanism 2, a slave manipulator mechanism 3, and a transmission system 4. . Master manipulator mechanism 2
are a master manipulator 5, a master manipulator drive device 6 that drives the master manipulator 5, a position detector 7 that detects the position of the master manipulator 5, and a position detector 7 that detects the force acting on the master manipulator 5. An amplifier 11 for amplifying input signals to the force detector 8 and the master manipulator drive device 6
It is equipped with On the other hand, the slave manipulator mechanism 3 includes a slave manipulator 13, a slave manipulator drive device 14 that drives the slave manipulator 13, a position detector 15 that detects the position of the slave manipulator 13, and a slave manipulator 13 that drives the slave manipulator 13. A force detector 16 that detects the force acting on the manipulator 13
and an amplifier 17 for amplifying the input signal to the slave manipulator driving device 14. The master manipulator mechanism 2 and slave manipulator mechanism 3 are connected via a transmission system 4. The transmission system 4 includes a dynamic characteristic determiner 18, a position signal generator 21, a dynamic specific compensator 22, and two comparators 23,
It is equipped with 24. [Operation] The ideal of bilateral control can be rearranged as follows. In other words, as shown in Fig. 2, when a certain displacement Δx is applied to the master manipulator side, an accurate displacement Δx is applied to the slave manipulator.
If this occurs, and at that time the slave manipulator applies some kind of symmetrical action and receives a reaction force of ΔF, then that ΔF is accurately transferred to the master manipulator and the master manipulator It is the right thing to do to the operator who operates the . At this time, in FIG. 2, it is assumed that Δx is applied on the master manipulator side, but it may be thought that Δx can be accurately transferred by applying a force of ΔF on the contrary. To give another example, consider a case where an object 112 is manipulated via a rigid rod 111, as shown in FIG. In such a rod 111, when a displacement of Δx is applied to the operating end, Δx is similarly applied to the working end. Then, when the reaction force ΔF is applied to the operating end, it is transmitted to the operating end. In other words, the mechanical state of the operating end (Δx, ΔF) and the mechanical state of the working end (Δx, ΔF)
are the same (if the rod is completely rigid).
Such a transmission system is ideal, and in master-slave manipulator control, even if the system is not physically integrated, the mechanical state of the master manipulator and slave manipulator can be controlled in some way. Various attempts have been made to bring these into agreement. The relationship between the displacement Δx at the working end and the reaction force ΔF generally changes depending on the characteristics of the object to be operated. If the object is soft, ΔF will be small even if a large Δx is applied, and if it is hard, a large ΔF will occur even with a small Δx. Also, since Δx and ΔF change over time, for example, Δx and ΔF at the working end,
ΔF can be represented by a graph as shown in FIG. After all, as described above, the ideal purpose of the master/slave manipulator is to accurately reproduce the states of ΔF and Δx at the operating end, and the present invention relates to this. That is, it is ideal that the mechanical state (Δx, ΔF) on the master manipulator side and the mechanical state (Δx, ΔF) on the slave manipulator side match. Incidentally, the relationship between ΔF and Δx at the working end on the slave manipulator side can be described by the dynamic characteristics of the object. That is, the mechanical properties of an object generally include an inertial element J, a viscous element γ, a spring element k, and a proportional element K, and using these, the relationship between ΔF and Δx can be expressed by the following differential equation. It can be written as JΔx¨+γΔx・+kΔx=KΔF Therefore, in the master-slave manipulator mechanism, an equation describing the relationship between Δx and ΔF like this is identified depending on the object, and a system with the same mechanical structure is That is, a system that generates ΔF when the operator adds Δx or a system that generates Δx when the operator adds ΔF can be configured as a master manipulator mechanism. In the present invention, as described above, the master manipulator mechanism and the slave manipulator mechanism have similar structures, and the master manipulator has a force sensor 8,
Master manipulator drive device 6, position sensor 7
A force sensor 16, a slave manipulator driving device 14, and a position sensor 15 are also installed on the slave manipulator.
When the operator operates the master manipulator 5, the master manipulator drive device 6 moves, the position at that time is detected by the position detector 7, and the position signal becomes a command signal to the slave manipulator mechanism 3. . On the other hand, the slave manipulator mechanism 3 includes a position servo system, and the slave manipulator 13 operates in response to the above-mentioned position command signal from the master manipulator mechanism 2. When the slave manipulator 13 applies an action to the object 25, the displacement and the reaction force coming from the object 25 at that time are detected by the force detector 16 and applied to the dynamic characteristic identifier 18. This dynamic characteristic identifier 18 is a device for determining the parameters J, γ, k, and K of the above-mentioned differential equation, and the method for determining the parameters can be performed using conventional techniques. That is, if the characteristics (J, γ, K, k), displacement Δx, and force ΔF of the object 25 are expressed as JΔx+γΔx·+kΔx=KΔF, they can be easily determined by this dynamic characteristic identifier 18. This parameter is then transferred to the master manipulator mechanism 2 side. On the master manipulator mechanism 2 side, the characteristics of its drive system are determined to be the same as the characteristics of the slave manipulator mechanism 3. In short, when the operator applies a force ΔF to the master manipulator 5 as a control operation, a displacement Δx is generated in the master manipulator mechanism 2. That is, so that the force ΔF and displacement Δx of the master manipulator 5 can be written in the differential equation JΔx¨+γΔx・+kΔx=KΔF, which is the same as the differential equation that relates the force ΔF and displacement Δx of the slave manipulator mechanism 3. The characteristics of the servo mechanism on the master manipulator mechanism 2 side are determined. The servo system on the slave manipulator side shown in FIG. 1 is configured to realize this. To make the explanation easier, the parts A and B in FIG. 1 are extracted and drawn as shown in FIG. 5. That is, the force ΔF applied by the operator to the master manipulator 5 from point A in FIG. 5 is detected by the force detector 8,
The position signal generator 21 determines Δx corresponding to ΔF. This calculation is performed by solving JΔx¨+γΔx·+kΔx=KΔF using a microcomputer or the like. At this time, J, γ, k, K are dynamic characteristic identifier 18
Use the value determined in Δx thus determined is input to the position servo system of the master manipulator mechanism 2. The servo system of the master manipulator mechanism 2 needs to have a transfer characteristic between point A and point B of 1 in order to ensure that the transfer characteristic between point A and point B is accurately described by the above differential equation. There is. A dynamic characteristic compensator 22 is added for this purpose. This method of addition can be easily realized using conventional techniques. In this way, a bilateral mechanism can be constructed in which the relationship (Δx, ΔF) on the slave manipulator mechanism 3 side is accurately transferred back to the master manipulator mechanism 2 side. FIG. 6 shows an extension of the above-described principle of the present invention to an n-degree-of-freedom system. As shown in FIG. 7a, for example, when a master manipulator turns a crank, the manipulator is constrained to some extent by the crank. This restraint can generally be schematically represented as a restraint having a mechanical structure consisting of inertia, viscosity, and elasticity in three orthogonal axes directions of the hand of the manipulator, as shown in FIG. 7b. This mechanical structure can be evaluated as the dynamic characteristics G 1 to G o of each joint by attaching a torque detector and a position detector to the joints of the manipulator from their combined output (τ i , θ i ). That is, the dynamic characteristics of the restraints regarding the orthogonal axes of the hand are G x , G y , G z , M x , My y , M z , and the number of joints is 6, and the dynamic characteristics of each joint are G 1 to G 6 , G x ...and
Let K→ be the matrix that relates G 1 ..., then G 1 G 2 G 3 G 4 G 5 G 6 = K→ G x G y G z M x M y M z Thus obtained, G 1 G 2 G 3 G 4 G 5 G 6 can be realized as the characteristics of the servo system on the master manipulator mechanism side. Here, G 1 to G 6 are measured by the joint dynamic compliance identifier shown in the figure. G 1 to G 6 are differential equations that relate the angular displacement Δθ i and the torque τ i in the slave joint axis. Using the normal Laplace transform representation, Δθ i and τ i are written as follows.

【表】 〓Δθ〓 〓0 0 0 0 0 G〓〓τ
この特性をマスタマニピユレータ機構側のサー
ボ系にもたせるために、信置信号発生器により
[Table] 〓Δθ 6 〓 〓0 0 0 0 0 G 6 〓〓〓τ 6
In order to provide this characteristic to the servo system on the master manipulator mechanism side, a trust signal generator is used.

【表】 〓0 0 0 0 0 G〓〓τ
を計算し、Δθ1…Δθ6を求め、それを位置サーボ
系に入力する。 マスタマニピユレータ機構には、各軸にモー
タ、力センサ、位置・角度センサがついており、
Δθ1…Δθ6に追従して動作する。この時に、マス
タサーボ系の動特性をG1…G6に一致させるため
に、位置サーボ系の特性を1にする必要がある。
そのために、1自由度の場合同様特性補償を加え
る。 スレーブマニピユレータとマスタマニピユレー
タは必ずしも構造が相似形である必要はない。但
し、自由度数(関節数)は一致していなければな
らない。スレーブマニピユレータとマスタマニピ
ユレータの構造が異なる時は、マスタマニピユレ
ータとスレーブマニピユレータ間の情報伝達の際
には座標変換を必要とする。この座標変換は従来
技術で実現できる。第6図に示す実施例にはこの
座標変換も示されている。 (ハ) 発明の効果 このように、この発明によれば、マスタ・スレ
ーブ型マニピユレータにおいて、スレーブマニピ
ユレータ側の拘束条件を含む全体の動的コンプラ
イアンスをマスタ側の駆動系にフイードバツクす
ることにより、マスタマニピユレータ側にスレー
ブマニピユレータ側と等価な拘束状態を実現する
ことによつて、より直接的にオペレータが対象物
を操作しているような感覚を持たせることがで
き、臨場感のある制御を可能にする遠隔制御装置
を得ることができる。
[Table] 〓0 0 0 0 0 G 6 〓〓τ 6
Calculate Δθ 1 ...Δθ 6 and input them to the position servo system. The master manipulator mechanism has a motor, force sensor, and position/angle sensor on each axis.
It operates by following Δθ 1 ...Δθ 6 . At this time, in order to make the dynamic characteristics of the master servo system match G1 ... G6 , it is necessary to set the characteristics of the position servo system to 1.
For this purpose, characteristic compensation is added as in the case of one degree of freedom. The slave manipulator and master manipulator do not necessarily have to have similar structures. However, the number of degrees of freedom (number of joints) must match. When the structures of the slave manipulator and master manipulator are different, coordinate transformation is required when transmitting information between the master manipulator and slave manipulator. This coordinate transformation can be realized using conventional techniques. This coordinate transformation is also shown in the embodiment shown in FIG. (C) Effects of the Invention As described above, according to the present invention, in a master-slave type manipulator, by feeding back the entire dynamic compliance including the constraint conditions on the slave manipulator side to the drive system on the master side, By creating a restraint state on the master manipulator side that is equivalent to that on the slave manipulator side, the operator can feel as if he or she is manipulating the object more directly, creating a sense of realism. A remote control device can be obtained that allows some control.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図はこの発明の一実施例に係わる遠隔制御
装置を示す構成説明図、第2図はマスタマニピユ
レータ側とスレーブマニピユレータ側の力学的状
態を示す説明図、第3図はマスタマニピユレータ
側とスレーブマニピユレータ側の力学的状態の他
の例を示す説明図、第4図は反力と変位の時間変
化を例示するグラフ、第5図は第1図に示す遠隔
制御装置の部分図、第6図はこの発明の他の実施
例に係わる遠隔制御装置示す構成説明図、第7図
はスレーブマニピユレータが受ける拘束状態を示
す斜視説明図、及び第8図は従来の力帰還型バイ
ラテラル制御機構を示す構成説明図である。 1…マスタマニピユレータ制御装置、2…マス
タマニピユレータ機構、3…スレーブマニピユレ
ータ機構、4…伝送系、5…マスタマニピユレー
タ、6…マスタマニピユレータ駆動装置、7…位
置検出器、8…力検出器、11……増幅器、12
…コンプライアンス調整装置、13…スレーブマ
ニピユレータ、14…スレーブマニピユレータ駆
動装置、15…位置検出器、16…力検出器、1
7…増幅器、18…動特性同定器、21…位置信
号発生器、22…動特性補償器、23…比較器、
24…比較器、25…対象物。
FIG. 1 is an explanatory diagram showing the configuration of a remote control device according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is an explanatory diagram showing the dynamic state of the master manipulator side and the slave manipulator side, and FIG. An explanatory diagram showing another example of the mechanical state of the manipulator side and the slave manipulator side, Fig. 4 is a graph illustrating the time change of reaction force and displacement, and Fig. 5 is the remote control shown in Fig. 1. FIG. 6 is a configuration explanatory diagram showing a remote control device according to another embodiment of the present invention, FIG. 7 is a perspective explanatory diagram showing a restrained state to which a slave manipulator is subjected, and FIG. 8 is a conventional diagram. FIG. 2 is a configuration explanatory diagram showing a force feedback type bilateral control mechanism. 1... Master manipulator control device, 2... Master manipulator mechanism, 3... Slave manipulator mechanism, 4... Transmission system, 5... Master manipulator, 6... Master manipulator drive device, 7... Position detection device, 8...force detector, 11...amplifier, 12
...Compliance adjustment device, 13...Slave manipulator, 14...Slave manipulator drive device, 15...Position detector, 16...Force detector, 1
7... Amplifier, 18... Dynamic characteristic identifier, 21... Position signal generator, 22... Dynamic characteristic compensator, 23... Comparator,
24...Comparator, 25...Object.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 マスタマニピユレータに前記マスタマニピユ
レータに作用する力を検出する第1の力検出器と
前記マスタマニピユレータの位置を検出する第1
の位置検出器とを設け、対象物を取扱うスレーブ
マニピユレータに前記スレーブマニピユレータの
位置を検出する第2の位置検出器と前記スレーブ
マニピユレータに作用する力を検出する第2の力
検出器を設け、前記第2の位置検出器からの位置
信号と前記第2の力検出器からの力信号から前記
対象物の動特性の要素を求める動特性同定器を備
え、前記の動特性の要素によつてマスタマニピユ
レータの動的コンプライアンスを調整することに
よつて、スレーブマニピユレータに加わる力学的
拘束を逆送するように構成したことを特徴とする
動的コンプライアンス逆送型バイラテラル遠隔制
御装置。
1 A first force detector that detects a force acting on the master manipulator, and a first force detector that detects the position of the master manipulator.
a second position detector for detecting the position of the slave manipulator and a second force for detecting the force acting on the slave manipulator; a dynamic characteristic identifier for determining an element of the dynamic characteristic of the object from the position signal from the second position detector and the force signal from the second force detector; A dynamic compliance reversal type bike characterized in that the mechanical restraint applied to the slave manipulator is reversed by adjusting the dynamic compliance of the master manipulator by the elements of Lateral remote control device.
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WO2023074333A1 (en) * 2021-10-29 2023-05-04 慶應義塾 Information presenting system, information presenting device, information presenting method, and program

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4302138A (en) * 1978-02-01 1981-11-24 Alain Zarudiansky Remote handling devices

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