JP2003181785A - Remote handling apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、遠隔操作装置に
関し、特にマスタスレイブマニピュレータによる遠隔操
作装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の遠隔操作装置として、特開２００
０―４２９６０「マニピュレータの遠隔操作装置」に、
マニピュレータを遠隔操作する装置が記載されている。
以下、簡単に図面を用いて説明する。図４において、遠
隔操作装置は、スレイブマニピュレータ３１による作業
空間を撮影するカメラ３２と、カメラ３２により撮影さ
れた映像を表示するディスプレイ３３と、操作者３４が
ディスプレイ３３の映像を見ながら操作するためのマス
タマニピュレータ３５と、ロボット制御用計算機３６と
を備える。制御計算機３６は、カメラおよび操作者視点
の視覚座標系の操作ベクトル３８をスレイブマニピュレ
ータ３１の作業座標系の操作ベクトル３９に変換するた
めの座標変換行列３７を作成し、マスタマニピュレータ
３５で入力された視覚座標系の操作ベクトル３８と座標
変換行列３７とから作業座標系の操作ベクトル３９を求
め、その作業座標系の操作ベクトル３９に従いスレイブ
マニピュレータ３１を作動させる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記の遠隔制御装置に
おいては、カメラやスレイブマニピュレータの位置関係
に変更があった場合、その位置関係をその都度測定し、
座標変換行列を設定する必要があった。つまり、作業に
応じて操作者が操作しやすいようにスレーブマニピュレ
ータを撮影するカメラの位置を変更した場合には、その
都度、位置関係を測定しなければならなかった。また、
カメラを移動体に搭載する場合には、従来の方式では対
応できなかった。また、部品挿入等の組み立て作業を行
う場合、部品を挿入する方向には、過度な力が加わらな
いように、マスタの操作者にスレーブのマニピュレータ
に生じる力を伝達する必要がある。そのために、マスタ
の操作者に視覚的な方向性と制御的な方向性を一致させ
てマスタを力覚制御しないと、操作者に違和感が生じて
操作性が低下する。つまり、マスタからの指令を作業座
標系の操作ベクトルに座標変換するだけでは、スレーブ
のマニピュレータが外部との接触などにより力を受けた
ことをマスタの操作者に伝達することができず、操作性
が悪化するという問題があった。この発明の目的は、カ
メラ画像から自動的に座標変換行列を算出し、操作者が
常にカメラと同じ視点でマスタを操作することが可能な
マスタスレイブマニピュレータの遠隔操作装置を提供
し、同時に、視覚的な方向性と制御的な方向性をマスタ
スレイブの各マニピュレータで一致させることにより、
作業性と操作性に優れる遠隔操作装置を提供することで
ある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記問題を解決するた
め、本発明の遠隔操作装置は、制御可能なマスタと前記
マスタに追従制御するスレイブの各マニピュレータと各
マニピュレータの制御計算機とスレイブマニピュレータ
を撮影するカメラと前記マスタマニピュレータの操作者
に映像を呈示するディスプレイとを有する遠隔操作装置
において、前記カメラから取得した画像を処理する画像
処理手段と、前記画像処理手段に基づいて前記カメラの
視覚座標系での操作ベクトルをスレイブマニピュレータ
の作業座標系での操作ベクトルに変換する座標変換行列
を算出する座標変換行列算出手段と、前記座標変換行列
に基づき視覚座標系の操作ベクトルを作業座標系の操作
ベクトルに変換する視覚作業ベクトル変換手段と、前記
作業座標系の操作ベクトルを使ってスレイブ制御計算機
とのデータ授受を行う操作ベクトル授受手段と、前記座
標変換行列に基づき作業座標系の操作ベクトルを視覚座
標系の操作ベクトルに変換する作業視覚ベクトル変換手
段と、前記視覚座標系の操作ベクトルに基づいてマスタ
マニピュレータを力覚制御する視覚座標系制御手段とを
備えたことを特徴としている。
【０００５】
【発明の実施の形態】この発明における実施の形態の遠
隔操作装置について図に基づいて説明する。図１は、こ
の発明の実施の形態を示す機能ブロック図である。図１
に示すカメラ３は、スレイブマニピュレータ１の作業空
間を撮影する。ディスプレイ４を通して操作者５にスレ
イブマニピュレータ１の動作画像を呈示する。操作者５
は、ディスプレイ４に呈示されているマニピュレータを
見ながら視覚座標系でマスタマニピュレータ２を操作す
る。これにより、マスタ制御計算機８の視覚座標系制御
手段６に視覚座標系の操作ベクトルが入力される。視覚
座標系とは、カメラに固有の座標系であり、図２で示す
操作者５が認識する視覚座標系は、カメラが固有に持っ
ている視覚座標系と同一となる。一方、図１の画像処理
手段１１は、カメラ３で取得した画像から必要な情報を
抽出する。座標変換行列算出手段１２は、画像処理によ
って得られた情報から、座標変換行列を算出する。この
座標変換行列は、図２に示すカメラおよび操作者視点の
視覚座標系１００から、マスタマニピュレータの作業座
標系１０１への変換を行う行列である。視覚作業ベクト
ル変換手段９は、座標変換行列によって、視覚座標系の
操作ベクトル１１０を作業座標系の操作ベクトル１１１
に変換する。その後、作業座標系の操作ベクトル１１１
は、図１に示す操作ベクトル授受手段１０を介して、ス
レイブ制御計算機７へのとして送信される。スレイブ制
御計算機７は、作業座標系の操作ベクトル１１１を指令
ベクトルとして受信し、これに従ってスレイブマニピュ
レータ１を制御する。同時に、スレイブ制御計算機７
は、操作ベクトル授受手段１０に帰還ベクトルを送信す
る。この帰還ベクトルは、スレーブマニピュレータ１の
作業座標系における位置、速度、加速度、外部からの力
等を表現するベクトルである。作業視覚ベクトル変換手
段１３は、この帰還ベクトルと座標変換行列算出手段１
２から算出された座標変換行列を使用して、視覚座標系
１００に関するフィードバック情報として、マスタマニ
ピュレータ８を制御することで、帰還型のマスタスレイ
ブ動作を行う。
【０００６】図２に基づいて、座標系設定について説明
する。図２に示すように、スレイブマニピュレータ１の
作業空間に、実線で示す作業座標系１０１が設定されて
いる。この作業座標系１０１とは、作業空間上に直交す
る３軸を持つ３次元の座標系である。カメラ３はスレイ
ブマニピュレータ１の作業空間を撮影し、ディスプレイ
４を通して操作者にスレイブマニピュレータ１の動作画
像を呈示する。このとき、破線で示す視覚座標系１００
は、カメラ３の撮影方向と連動しており、ディスプレイ
を正面から見る操作者の視点はカメラ視点の視覚座標系
１００でスレイブマニピュレータ１を見ることになる。
したがって、操作者の入力する視覚座標系の操作ベクト
ル１１０は視覚座標系１００で与えられることになる。
この視覚座標系の操作ベクトル１１０を視覚作業ベクト
ル変換手段９によって、スレイブマニピュレータ１の作
業座標系の操作ベクトル１１１に変換し、これに基づき
スレイブマニピュレータ１を動作させる。視覚作業ベク
トル変換手段９では、視覚座標系の操作ベクトル１１０
をＶcomとし、座標変換行列をＭtransとおくと、作業座
標系の操作ベクトル１１１Ｖrefは、
Ｖref ＝ Ｍtrans ・ Ｖcom
として求められる。
また、作業視覚ベクトル変換手段１３では、作業座標系
の帰還ベクトルをＶrfbとし、視覚座標系での帰還ベク
トルＶvfbは、
Ｖvfb ＝ （Ｍtrans）-1 ・ Ｖrfb
として求められる。
【０００７】図３に基づいて、座標変換行列算出手段１
２の一手法を説明する。スレイブマニピュレータ１の作
業空間に、作業座標に固定したマーキングを施してお
く。例えば、図３（ａ）に示すように、座標系原点Ｐo
と、Ｘ軸Ｙ軸各軸上の原点から等距離の適当な位置Ｐx
、Ｐy に、マーキングを施しておく。マーキングした
画像を予め画像処理装置に登録し、カメラから取得した
画像をパターンマッチング等の画像処理方法によって処
理し、図３（ｂ）のように、各マーキング点間の画像上
の水平距離Ｌx とＬy が求められる。視覚座標系と作業
座標系の回転角度θは、近似で、
θ＝ atan(Ｌx/Ｌy)
として求められ、座標変換行列９、Ｍtrans は
【０００８】
【数１】
【０００９】となる。ここで述べた座標変換行列算出手
段は一例である。この座標変換行列の算出は、カメラ位
置を一定時間固定する場合、カメラの位置を変えて固定
したときに一度行えば良い。従って、ロボットのハンド
部など一点にマーキングを施しておき、マーキングされ
た部位の位置をロボットの動作で変え、ロボット動作と
連動してマーキング位置を複数回認識して検出し、これ
に基づいて、述べたような座標変換行列の算出を行う方
法を取ることもできる。また、カメラ３が移動体に設置
されている場合は、カメラ３が画像を取得したのち、座
標変換行列算出手段１２により、自動的に座標変換行列
を算出すればよい。
【００１０】以上のように、画像処理によって得られた
情報から座標変換行列９を算出し、マスタスレイブ各々
の制御計算機を機能させることにより、マスタスレイブ
の両マニピュレータは、カメラおよび操作者視点の視覚
座標系に対して同じ相対関係にある作業座標系に基づい
て制御を施している。つまり、視覚的な方向性と制御的
な方向性がマスタとスレイブで一致しているので、操作
者が違和感なくマスタマニピュレータを操作できる。ま
た、カメラから取得した画像から座標変換行列を求める
ので、カメラ視点が変わっても、適切な座標変換行列に
よって作業座標系が設定され、良好な操作性が保たれ
る。作業座標系制御手段として方向的な制御特性をマニ
ピュレータに与えるインピーダンス制御などを採用して
作業に適した操作感覚を操作者に提供し、この場合に
も、カメラ視点が変わっても自動的に座標変換が施され
るため、操作者の視覚と力覚が一致して、良好な操作性
を保つことができる。なお、本実施例では、マスタ制御
計算機８に画像処理手段１１と変換行列算出手段１２を
含んでいないが、マスタ制御８に画像処理手段１１と変
換行列算出手段１２を含んだ場合も、上記実施例に示し
た目的を達成することができる。
【００１１】
【発明の効果】以上述べたように、本発明の遠隔操作装
置によれば、作業に応じて操作者が操作しやすい位置
に、スレーブマニピュレータを撮影するカメラの位置を
変更した場合でも、自動的に座標変換を施すことによっ
て、操作者の視点からの指令とスレイブの動作とを一致
させ、良好な操作環境を提供することができる。また、
インピーダンス制御などを採用して作業や操作に適した
制御的な方向性を設定し、操作性を向上させる場合に
も、マスタとスレイブの両マニピュレータの制御的な方
向性が操作者視点で一致しているので、操作者に違和感
を与えることなく、視覚と力覚が一致した、臨場感のあ
る操作環境を提供することができる。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a remote control device, and more particularly to a remote control device using a master slave manipulator. 2. Description of the Related Art A conventional remote control device is disclosed in
0-42960 "manipulator remote control device"
A device for remotely manipulating a manipulator is described.
Hereinafter, a brief description will be given with reference to the drawings. In FIG. 4, the remote control device is a camera 32 that captures an image of a work space by the slave manipulator 31, a display 33 that displays video captured by the camera 32, and an operator 34 that operates while viewing the video on the display 33. , And a robot control computer 36. The control computer 36 creates a coordinate conversion matrix 37 for converting the operation vector 38 in the visual coordinate system of the camera and the operator's viewpoint into the operation vector 39 in the working coordinate system of the slave manipulator 31, and is input by the master manipulator 35. The operation vector 39 of the working coordinate system is obtained from the operation vector 38 of the visual coordinate system and the coordinate transformation matrix 37, and the slave manipulator 31 is operated according to the operation vector 39 of the working coordinate system. In the above remote control device, when the positional relationship between the camera and the slave manipulator is changed, the positional relationship is measured each time.
It was necessary to set a coordinate transformation matrix. That is, every time the position of the camera that captures the slave manipulator is changed so that the operator can easily operate it according to the work, the positional relationship has to be measured each time. Also,
When a camera is mounted on a moving object, the conventional method cannot cope with the problem. In addition, when performing an assembling operation such as component insertion, it is necessary to transmit a force generated in the slave manipulator to the master operator so as not to apply an excessive force in the component insertion direction. Therefore, unless the master operator matches the visual direction and the control direction with force sense control of the master, the operator feels strange and the operability is reduced. In other words, simply converting the command from the master into an operation vector in the working coordinate system cannot transmit to the master operator that the slave manipulator has received a force due to contact with the outside, etc. There was a problem that was worse. An object of the present invention is to provide a remote control device of a master-slave manipulator that can automatically calculate a coordinate transformation matrix from a camera image and allow an operator to always operate a master from the same viewpoint as the camera. By matching the master direction and the control direction with each manipulator of the master slave,
An object of the present invention is to provide a remote control device having excellent workability and operability. [0004] In order to solve the above-mentioned problems, a remote control device according to the present invention comprises a controllable master, a manipulator for controlling a slave following the master, a control computer for the manipulator, and a slave. In a remote operation device having a camera that captures a manipulator and a display that presents an image to an operator of the master manipulator, an image processing unit that processes an image acquired from the camera, and an image processing unit that processes the image based on the image processing unit. Coordinate conversion matrix calculating means for calculating a coordinate conversion matrix for converting an operation vector in the visual coordinate system into an operation vector in the working coordinate system of the slave manipulator; and an operation vector in the visual coordinate system based on the coordinate conversion matrix. Visual work vector conversion means for converting the operation vector into an operation vector; An operation vector exchange unit for exchanging data with the slave control computer using an operation vector of a reference system, and a work visual vector conversion unit for converting an operation vector of the work coordinate system into an operation vector of a visual coordinate system based on the coordinate transformation matrix And visual coordinate system control means for force-controlling the master manipulator based on the operation vector of the visual coordinate system. [0005] A remote control device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a functional block diagram showing an embodiment of the present invention. FIG.
The camera 3 shown in FIG. 1 captures an image of the working space of the slave manipulator 1. The operation image of the slave manipulator 1 is presented to the operator 5 through the display 4. Operator 5
Operates the master manipulator 2 in the visual coordinate system while viewing the manipulator presented on the display 4. Thereby, the operation vector of the visual coordinate system is input to the visual coordinate system control means 6 of the master control computer 8. The visual coordinate system is a coordinate system unique to the camera, and the visual coordinate system recognized by the operator 5 shown in FIG. 2 is the same as the visual coordinate system inherent to the camera. On the other hand, the image processing unit 11 in FIG. 1 extracts necessary information from the image acquired by the camera 3. The coordinate conversion matrix calculation means 12 calculates a coordinate conversion matrix from information obtained by the image processing. This coordinate conversion matrix is a matrix for converting the visual coordinate system 100 of the camera and the operator's viewpoint shown in FIG. 2 into the work coordinate system 101 of the master manipulator. The visual work vector conversion means 9 converts the operation vector 110 of the visual coordinate system into the operation vector 111 of the work coordinate system by using a coordinate conversion matrix.
Convert to After that, the operation vector 111 of the working coordinate system
Is transmitted to the slave control computer 7 via the operation vector transfer means 10 shown in FIG. The slave control computer 7 receives the operation vector 111 of the working coordinate system as a command vector, and controls the slave manipulator 1 according to the command vector. At the same time, the slave control computer 7
Transmits the feedback vector to the operation vector transfer means 10. This feedback vector is a vector expressing the position, speed, acceleration, external force, and the like of the slave manipulator 1 in the work coordinate system. The work visual vector conversion means 13 includes the feedback vector and the coordinate conversion matrix calculation means 1.
By controlling the master manipulator 8 as feedback information on the visual coordinate system 100 using the coordinate transformation matrix calculated from 2, a feedback-type master slave operation is performed. The setting of the coordinate system will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 2, a work coordinate system 101 indicated by a solid line is set in a work space of the slave manipulator 1. The work coordinate system 101 is a three-dimensional coordinate system having three axes orthogonal to each other on the work space. The camera 3 photographs the working space of the slave manipulator 1 and presents an operation image of the slave manipulator 1 to the operator through the display 4. At this time, the visual coordinate system 100 indicated by a broken line
Is linked with the shooting direction of the camera 3, and the viewpoint of the operator who looks at the display from the front sees the slave manipulator 1 in the visual coordinate system 100 of the camera viewpoint.
Therefore, the operation vector 110 of the visual coordinate system input by the operator is given by the visual coordinate system 100.
The operation vector 110 in the visual coordinate system is converted into the operation vector 111 in the work coordinate system of the slave manipulator 1 by the visual work vector conversion means 9, and the slave manipulator 1 is operated based on this. In the visual work vector conversion means 9, the operation vector 110 of the visual coordinate system is used.
Is Vcom, and the coordinate transformation matrix is Mtrans, the operation vector 111Vref of the working coordinate system is obtained as Vref = Mtrans.Vcom. In the work visual vector conversion means 13, the feedback vector in the work coordinate system is Vrfb, and the feedback vector Vvfb in the visual coordinate system is obtained as Vvfb = (Mtrans) -1 · Vrfb. [0007] Based on FIG. 3, a coordinate transformation matrix calculation means 1
Two methods will be described. In the working space of the slave manipulator 1, marking fixed to the working coordinates is given. For example, as shown in FIG.
And an appropriate position Px equidistant from the origin on each of the X and Y axes
, Py are marked. The marked image is registered in the image processing apparatus in advance, and the image obtained from the camera is processed by an image processing method such as pattern matching, and as shown in FIG. Ly is required. The rotation angle θ between the visual coordinate system and the working coordinate system is approximately obtained as θ = atan (Lx / Ly), and the coordinate transformation matrix 9 and Mtrans are given by ## EQU1 ## The coordinate transformation matrix calculation means described here is an example. When the camera position is fixed for a certain period of time, the calculation of the coordinate transformation matrix may be performed once when the camera position is changed and fixed. Therefore, marking is applied to one point such as the robot hand part, the position of the marked part is changed by the operation of the robot, the marking position is recognized and detected multiple times in conjunction with the robot operation, and based on this, based on this, The method of calculating the coordinate transformation matrix as described above may be employed. When the camera 3 is installed on a moving object, the coordinate conversion matrix may be automatically calculated by the coordinate conversion matrix calculation unit 12 after the camera 3 acquires an image. As described above, the coordinate transformation matrix 9 is calculated from the information obtained by the image processing, and the control computers of the master slaves are caused to function. The control is performed based on the work coordinate system having the same relative relationship to the coordinate system. In other words, since the visual direction and the control direction match in the master and the slave, the operator can operate the master manipulator without feeling uncomfortable. Further, since the coordinate transformation matrix is obtained from the image obtained from the camera, even if the viewpoint of the camera changes, the work coordinate system is set by an appropriate coordinate transformation matrix, and good operability is maintained. The operation coordinate system control means adopts impedance control that gives directional control characteristics to the manipulator, and provides the operator with an operation sensation suitable for work. In this case, the coordinates are automatically adjusted even if the camera viewpoint changes. Since the conversion is performed, the visual sense and the force sense of the operator match, and good operability can be maintained. In the present embodiment, the master control computer 8 does not include the image processing unit 11 and the conversion matrix calculation unit 12. However, even if the master control 8 includes the image processing unit 11 and the conversion matrix calculation unit 12, The objectives illustrated in the examples can be achieved. As described above, according to the remote control device of the present invention, even when the position of the camera for photographing the slave manipulator is changed to a position where the operator can easily operate according to the work. By automatically performing coordinate conversion, the command from the operator's viewpoint and the operation of the slave can be matched to provide a favorable operation environment. Also,
Even if the control direction suitable for work or operation is set by adopting impedance control, etc., and the operability is improved, the control directions of both the master and slave manipulators match from the operator's viewpoint. Therefore, it is possible to provide a realistic operating environment in which the sense of sight matches the sense of force without giving a sense of incongruity to the operator.
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の機能ブロック図
【図２】視覚座標系と作業座標系の説明図
【図３】画像情報に基づく座標変換行列の一算出手段の
説明図
【図４】従来の遠隔操作装置の構成を示す機能ブロック
図
【符号の説明】
１：スレイブマニピュレータ
２：マスタマニピュレータ
３：カメラ
４：ディスプレイ
５：操作者
６：視覚座標系制御手段
７：スレイブ制御計算機
８：マスタ制御計算機
９：視覚作業ベクトル変換手段
１０：操作ベクトル授受手段
１１：画像処理手段
１２：座標変換算出手段
１３：作業視覚ベクトル変換手段
３１：スレイブマニピュレータ
３２：カメラ
３３：ディスプレイ
３４：操作者
３５：マスタマニピュレータ
３６：制御計算機
３７：座標変換行列
３８：視覚座標系の操作ベクトル
３９：作業座標系の操作ベクトル
１００：視覚座標系
１０１：作業座標系
１１０：視覚座標系の操作ベクトル
１１１：操作座標系の操作ベクトルBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a functional block diagram of a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is an explanatory diagram of a visual coordinate system and a working coordinate system. FIG. FIG. 4 is a functional block diagram showing a configuration of a conventional remote control device. [Description of References] 1: Slave manipulator 2: Master manipulator 3: Camera 4: Display 5: Operator 6: Visual coordinate system Control means 7: Slave control computer 8: Master control computer 9: Visual work vector conversion means 10: Operation vector transfer means 11: Image processing means 12: Coordinate conversion calculation means 13: Work visual vector conversion means 31: Slave manipulator 32: Camera 33: display 34: operator 35: master manipulator 36: control computer 37: coordinate conversion matrix 38: operation vector 3 of visual coordinate system : Task coordinate system of the operation vector 100: vision coordinate system 101: working coordinate system 110: vision coordinate system of the operation vector 111: operation vector operation coordinate system
Claims (1)
するスレイブの各マニピュレータと各マニピュレータの
制御計算機とスレイブマニピュレータを撮影するカメラ
と前記マスタマニピュレータの操作者に映像を呈示する
ディスプレイとを有する遠隔操作装置において、 前記カメラから取得した画像を処理する画像処理手段
と、 前記画像処理手段に基づいて前記カメラの視覚座標系で
の操作ベクトルをスレイブマニピュレータの作業座標系
での操作ベクトルに変換する座標変換行列を算出する座
標変換行列算出手段と、 前記座標変換行列に基づき視覚座標系の操作ベクトルを
作業座標系の操作ベクトルに変換する視覚作業ベクトル
変換手段と、 前記作業座標系の操作ベクトルを使ってスレイブ制御計
算機とのデータ授受を行う操作ベクトル授受手段と、 前記座標変換行列に基づき作業座標系の操作ベクトルを
視覚座標系の操作ベクトルに変換する作業視覚ベクトル
変換手段と、 前記視覚座標系の操作ベクトルに基づいてマスタマニピ
ュレータを力覚制御する視覚座標系制御手段とを備えた
ことを特徴とする遠隔操作装置。Claims: 1. A controllable master, each manipulator of a slave that controls following the master, a control computer of each manipulator, a camera for photographing the slave manipulator, and an image presented to an operator of the master manipulator. A remote control device having a display for processing an image acquired from the camera, and an operation vector in a visual coordinate system of the camera based on the image processing means in a working coordinate system of the slave manipulator. Coordinate conversion matrix calculating means for calculating a coordinate conversion matrix to be converted into an operation vector; visual work vector conversion means for converting an operation vector in a visual coordinate system into an operation vector in a work coordinate system based on the coordinate conversion matrix; Data with slave control computer using system operation vector Receiving / receiving operation vector, operating / visual vector converting means for converting an operating vector in a working coordinate system into an operating vector in a visual coordinate system based on the coordinate conversion matrix, and a master manipulator based on the operating vector in the visual coordinate system And a visual coordinate system control means for controlling the force of the remote control.
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