JP2006102866A - Control device of master slave manipulator - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a master slave manipulator on head ends of a master slave manipulator and a slave manipulator of which a tool is installed and which is capable of moving differently by the master manipulator and the slave manipulator. <P>SOLUTION: This master slave manipulator is furnished with an operation handle 3 arranged on the master manipulator 1 through a power sensor S2, a joy stick 6 arranged on the master manipulator to be in parallel with the operation handle, a change-over switch 9b to switch an operating object by the joy stick over to the master manipulator 1 or to the slave manipulator 2 and a control device 8. Consequently, the manipulator designated by the operation handle can be operated by the joy stick in addition to master slave operation by the operation handle. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、マスタスレーブ型のマニピュレータの制御装置に関する。   The present invention relates to a control device for a master-slave manipulator.

操作者の指令に従い、物体を把持して所定の位置に移動して位置決めするマニピュレータとしては、入力レバーを操作してこの入力レバーの位置に対応した速度で従動側のスレーブマニピュレータを移動させるジョイスティック型(操縦型)のマニピュレータと、入力装置であるマスタマニピュレータを操作することによりスレーブマニピュレータに同じ動きをさせるマスタスレーブ型のマニピュレータとがある。
この種のマニピュレータとして、特許文献1には物体を把持するグリッパなどのエンドエフェクタの3自由度操作に関しては、マスタスレーブ方式を用い、エンドエフェクタの位置決めを行なうアームの位置の3自由度操作に関してはジョイスティック方式を用いるマニピュレータが記載されている。
上記2つの方式のうち、ジョイスティック型マニピュレータは、入力レバーの位置とスレーブマニピュレータの速度とが対応するので、操作者は小さい動作でスレーブマニピュレータを大きく移動することが可能であるが、スレーブマニピュレータの正確な位置決めや、精細な動作を行なうことができないという問題があった。
一方、マスタスレーブ型マニピュレータは、入力装置であるマスタマニピュレータの位置と出力装置であるスレーブマニピュレータの位置とが対応するので、スレーブマニピュレータの正確な位置決めや精細な動作を行なうことはできるが、スレーブマニピュレータを大きく移動させる場合は操作者が大きい動作を行なう必要があるという問題があつた。
このような問題を解決するため、スレーブマニピュレータの正確な位置決めや精細な動作を可能とし、かつマスタマニピュレータの小さい動作でスレーブマニピュレータを大きく移動させることのできる、操作性のよいマスタスレーブマニピュレータの操作装置が提案されている(例えば、特許文献2参照)。図6は、従来のマスタスレーブマニピュレータの操作装置の概略構成を示す図である。
図において、104はマスタマニピュレータであり、関節部にはアームを駆動するアクチュエータと、各関節の回動角、回動角速度をそれぞれ検出する角度検出器及び角速度検出器などが設けられている。107はスレーブマニピュレータであり、マスタマニピュレータ104の先端には、操作者が握る入力レバー106とこの操作者が加えた力及びトルクを検出する力トルク検出器105とが取り付けられている。またスレーブマニピュレータ107の先端には被作業物を把持するグリッパなどのエンドエフェクタ109と、このエンドエフェクタ109に加えられた力及びトルクを検出する力トルク検出器108が取り付けられている。101は制御装置であり、スイッチ110と、力トルク検出器105、108からそれぞれ出力される信号が伝達される信号号線111、112とが接続されている。この出力信号はX、Y、Z軸方向の力信号と各軸回りのトルク信号との6個の信号である。また矢印114、113はそれぞれマスタマニピュレータ104及びスレーブマニピュレータ107の各関節の角度検出器及び角速度検出器から出力され、制御装置101に入力される信号である。さらに102、103は制御装置101から出力されて、それぞれマスタマニピュレータ及びスレーブマニピュレータの各関節に設けられたアクチエータを駆動する駆動信号を増幅するサーボ増幅器である。
制御装置101は、マスタマニピュレータ104の位置に対応してスレーブマニピュレータ107の位置が移動するマスタスレーブモードとマスタマニピュレータ104の位置に対応した速度でスレーブマニピュレータ107が移動するジョイスティックモードとを切り換える切換手段と、ジョイスティックモードの開始位置からのマスタマニピュレータ104の移動量に前記スレーブマニピュレータ107の速度を対応させる制御手段と、マスタマニピュレータ104の負荷が零になったとき、マスタマニピュレータ104をジョイスティックモードの開始位置へ戻す制御手段とを備える。そして切換手段によりマスタスレーブモードを選択すると、マスタマニピュレータ104とスレーブマニピュレータ107との位置が対応するので、スレーブマニピュレータ107の正確な位置決めや精細な動作を行なうことができる。また切換手段によりジョイスティックモードを選択すると、ジョイスティックモードの開始位置からのマスタマニピュレータ104の移動量とスレーブマニピュレータ107の速度が対応するので、操作者はマスタマニピュレータ104を中立点に戻す操作を必要とせず、ジョイスティックモードの開始位置を中立点として、マスタマニピュレータ104の小さい動作でスレーブマニピュレータを大きく移動させることができる。
As a manipulator that grasps an object and moves to a predetermined position according to an operator's command, the manipulator moves the driven slave manipulator at a speed corresponding to the position of the input lever by operating the input lever. There are (manipulated) manipulators and master-slave manipulators that cause a slave manipulator to perform the same movement by operating a master manipulator that is an input device.
As a manipulator of this type, Patent Document 1 discloses a three-degree-of-freedom operation of an arm position for positioning an end effector using a master-slave system with respect to a three-degree-of-freedom operation of an end effector such as a gripper holding an object. A manipulator using a joystick method is described.
Of the above two methods, the joystick type manipulator corresponds to the position of the input lever and the speed of the slave manipulator, so that the operator can move the slave manipulator greatly with a small movement, but the accuracy of the slave manipulator There has been a problem that accurate positioning and fine operations cannot be performed.
On the other hand, the master-slave manipulator corresponds to the position of the master manipulator that is the input device and the position of the slave manipulator that is the output device, so that the slave manipulator can be accurately positioned and finely operated. There is a problem that the operator needs to perform a large movement when moving a large amount.
In order to solve such a problem, the slave manipulator can be accurately positioned and finely operated, and the slave manipulator can be moved greatly by a small operation of the master manipulator, and the master slave manipulator operating device with good operability. Has been proposed (see, for example, Patent Document 2). FIG. 6 is a diagram showing a schematic configuration of a conventional master-slave manipulator operating device.
In the figure, reference numeral 104 denotes a master manipulator, and an actuator for driving an arm, an angle detector and an angular velocity detector for detecting a rotation angle and a rotation angular velocity of each joint are provided at a joint portion. 107 is a slave manipulator, and an input lever 106 gripped by the operator and a force torque detector 105 for detecting the force and torque applied by the operator are attached to the tip of the master manipulator 104. Further, an end effector 109 such as a gripper for gripping a work piece and a force torque detector 108 for detecting the force and torque applied to the end effector 109 are attached to the tip of the slave manipulator 107. A control device 101 is connected to a switch 110 and signal lines 111 and 112 to which signals output from the force torque detectors 105 and 108 are transmitted. The output signals are six signals including a force signal in the X, Y, and Z axis directions and a torque signal around each axis. Arrows 114 and 113 are signals output from the angle detector and the angular velocity detector of each joint of the master manipulator 104 and the slave manipulator 107, respectively, and input to the control device 101. Reference numerals 102 and 103 denote servo amplifiers which are output from the control device 101 and amplify drive signals for driving actuators provided at the joints of the master manipulator and the slave manipulator, respectively.
The control device 101 includes switching means for switching between a master slave mode in which the position of the slave manipulator 107 moves corresponding to the position of the master manipulator 104 and a joystick mode in which the slave manipulator 107 moves at a speed corresponding to the position of the master manipulator 104. When the load on the master manipulator 104 becomes zero, the control means for causing the speed of the slave manipulator 107 to correspond to the amount of movement of the master manipulator 104 from the start position of the joystick mode and the master manipulator 104 to the start position of the joystick mode And a returning control means. When the master / slave mode is selected by the switching means, the positions of the master manipulator 104 and the slave manipulator 107 correspond to each other, so that the slave manipulator 107 can be accurately positioned and finely operated. When the joystick mode is selected by the switching means, the movement amount of the master manipulator 104 from the start position of the joystick mode and the speed of the slave manipulator 107 correspond to each other, so that the operator does not need to return the master manipulator 104 to the neutral point. The slave manipulator can be moved greatly by a small operation of the master manipulator 104 with the start position of the joystick mode as a neutral point.

特開昭61−95886号公報JP-A-61-95886 特許第2656584号公報Japanese Patent No. 2656584

従来のマスタスレーブマニピュレータの制御装置は、マスタマニピュレータを単に操作者の操作入力の手段として使用する場合の操作性向上を目指したものであり、マスタマニピュレータ側は、操作者の手以外の拘束力は作用しないことを前提としている。
ところがマスタマニピュレータの先端にもスレーブアームと同様に工具を装着して作業可能なマニピュレータとし、作業対象物に対してマスタマニピュレータとスレーブマニピュレータの両方で作業するような場合(例えば、マスタマニピュレータ側で作業対象物を把持したままスレーブマニピュレータ側にて作業対象物に対して微細な位置姿勢が必要となる場合)、従来の制御装置ではマスタマニピュレータが把持した作業対象物そのものが動いたり、作業対象部からの反力によりスレーブアームの所望の位置姿勢を得ることが困難になったりするという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、マスタマニピュレータとスレーブマニピュレータの両方の先端に工具を装着したマスタスレーブマニピュレータの操作性と安全性を向上させるマスタスレーブマニピュレータの制御装置を提供することを目的とする。
The conventional master-slave manipulator control device is intended to improve the operability when the master manipulator is simply used as an operation input means for the operator, and the master manipulator side has no restraining force other than the operator's hand. It is assumed that it does not work.
However, a manipulator that can be operated by attaching a tool to the tip of the master manipulator in the same way as the slave arm, and working with both the master manipulator and slave manipulator on the work object (for example, work on the master manipulator side) When the position and orientation of the work object are required on the slave manipulator side while holding the object), the work object itself held by the master manipulator moves or moves from the work object part in the conventional control device. There is a problem that it becomes difficult to obtain a desired position and orientation of the slave arm due to the reaction force.
The present invention has been made in view of such problems, and a master-slave manipulator control device that improves the operability and safety of a master-slave manipulator in which tools are attached to the tips of both a master manipulator and a slave manipulator. The purpose is to provide.

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項1に記載の発明は、操作者によるマスタマニピュレータの操作に基づいてスレーブマニピュレータを制御するマスタスレーブマニピュレータの制御装置において、前記マスタマニピュレータに力センサを介して配置された操作ハンドルと、前記マスタマニピュレータに前記操作ハンドルと並列になるように配置され、前記マスタマニピュレータまたは前記スレーブマニピュレータを操作するジョイスティックと、前記ジョイスティックの操作対象とするマニピュレータを切り換える切り換え手段と、前記ジョイスティックに対する操作入力を有効または無効に設定するスイッチと、前記力センサで検出した前記操作ハンドルに作用する前記操作者の操作力と前記切り換え手段の出力と前記スイッチの出力とに従い前記マスタマニピュレータと前記スレーブマニピュレータを協調制御する協調制御手段とを備えたことを特徴とする。
請求項2に記載の発明は、前記協調制御手段は、前記入力有効スイッチが有効の場合に、予め定められた関数に基づき前記力センサで検出した前記操作ハンドルに作用する操作力に応じて前記ジョイスティックに対する操作入力を調整することを特徴とする。
請求項3に記載の発明は、前記協調制御手段は、前記スイッチが有効となった時点をゼロ点として前記ジョイスティックに対する操作入力を補正する補正手段を備えたことを特徴とする。
請求項4に記載の発明は、前記ジョイスティックは、前記操作ハンドルを回転中心として回転自在に前記マスタマニピュレータに設置されていることを特徴とする。
In order to solve the above problem, the present invention is configured as follows.
The invention according to claim 1 is a master slave manipulator control device that controls a slave manipulator based on an operation of a master manipulator by an operator, an operation handle disposed on the master manipulator via a force sensor, and the master A manipulator arranged in parallel with the operation handle, a joystick for operating the master manipulator or the slave manipulator, switching means for switching a manipulator to be operated by the joystick, and operation input to the joystick are enabled or disabled The master manipulator in accordance with the switch to be set to, the operation force of the operator acting on the operation handle detected by the force sensor, the output of the switching means, and the output of the switch. Characterized by comprising a cooperative control unit for cooperative control data and the slave manipulator.
According to a second aspect of the present invention, the cooperative control unit is configured to perform the operation according to an operation force acting on the operation handle detected by the force sensor based on a predetermined function when the input valid switch is valid. The operation input to the joystick is adjusted.
The invention according to claim 3 is characterized in that the cooperative control means includes a correction means for correcting an operation input to the joystick with a time point when the switch becomes effective as a zero point.
The invention described in claim 4 is characterized in that the joystick is installed in the master manipulator so as to be rotatable about the operation handle as a rotation center.

請求項1に記載の発明によると、マスタマニピュレータを直接操作しながら、スレーブマニピュレータの操作も行え、スレーブマニピュレータはマスタマニピュレータと協調動作するため安全で操作性が向上する。また請求項2に記載の発明によると、マスタマニピュレータの動作量に応じてスレーブマニピュレータの操作量が調整されるため、操作者の意図に沿った操作感覚を提供でき操作性が向上する。また請求項3に記載の発明によると、操作者のジョイスティックの把持位置にかかわらず一定の操作量を提供できるため操作性が向上する。また、請求項4に記載の発明によると、ジョイスティックを操作者の操作姿勢に合わせることが容易となるため操作性が向上する。   According to the first aspect of the present invention, the slave manipulator can also be operated while directly operating the master manipulator, and the slave manipulator cooperates with the master manipulator, so that the safety and operability are improved. According to the second aspect of the present invention, since the operation amount of the slave manipulator is adjusted according to the operation amount of the master manipulator, it is possible to provide an operation sensation in accordance with the operator's intention and improve operability. According to the third aspect of the present invention, since a constant amount of operation can be provided regardless of the position where the operator holds the joystick, the operability is improved. According to the fourth aspect of the present invention, since the joystick can be easily adjusted to the operation posture of the operator, the operability is improved.

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明の請求項1乃至4に係るマスタスレーブマニピュレータの実施例を示す構成図である。図において、1はマスタマニピュレータである。複数の関節部で構成され、各関節部にはアームを駆動するアクチュエータと、各関節の回動角、回動角速度をそれぞれ検出する角度検出器及び角速度検出器が設けられている(図示せず)。
2はスレーブマニピュレータであり、マスタマニピュレータ1と同様に複数の関節部で構成され、各関節部にはアームを駆動するアクチュエータと、各関節の回転角、回転角速度をそれぞれ検出する角度検出器及び角速度検出器が設けられている(図示せず)。
マスタマニピュレータ1の先端部にはマスタマニピュレータ1の根元側から順に、操作者19が握る操作ハンドル3の固定部4、第1工具5に加えられた力及びトルクを検出する力センサS1、第1工具5が設置されている。
第1工具5は、具体的には作業台18上の被作業物17を把持するグリッパなどであり、固定部4と操作ハンドル3の間には、操作者19が加えた力及びトルクを検出する力センサS2が取り付けられている。固定部4からは更に、操作ハンドル3と並列するようにジョイスティック6が取り付けられている。
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a master-slave manipulator according to claims 1 to 4 of the present invention. In the figure, 1 is a master manipulator. Each joint is provided with an actuator for driving the arm, and an angle detector and an angular velocity detector for detecting the rotation angle and rotation angular velocity of each joint (not shown). ).
Reference numeral 2 denotes a slave manipulator, which is composed of a plurality of joints as in the master manipulator 1, each of which includes an actuator for driving an arm, an angle detector for detecting the rotation angle and rotation angular velocity of each joint, and an angular velocity. A detector is provided (not shown).
A force sensor S <b> 1 that detects force and torque applied to the first tool 5, a fixed portion 4 of the operation handle 3 held by the operator 19, in order from the base side of the master manipulator 1, is provided at the tip of the master manipulator 1. A tool 5 is installed.
Specifically, the first tool 5 is a gripper or the like that grips the work 17 on the work table 18, and detects the force and torque applied by the operator 19 between the fixed portion 4 and the operation handle 3. A force sensor S2 is attached. A joystick 6 is further attached from the fixed portion 4 so as to be parallel to the operation handle 3.

またスレーブマニピュレータ2の先端部には被作業物17を把持するグリッパなどの第2工具7と、この第2工具7に加えられた力及びトルクを検出する力センサS3が取り付けられている。8は本実施例の特徴である協調制御装置であり、力センサS1、S2、S3からそれぞれ出力される信号が伝達される信号線10、11、12と、操作ハンドル3に付設された切り換えスイッチ9b及びジョイスティック6に付設された入力有効スイッチ9aの出力信号が伝達される信号線が接続されている。力センサの出力信号はX、Y、Z軸方向の力信号と各軸回りのトルク信号との6個の信号である。
ジョイスティック6に対する操作は入力有効スイッチ9aが押下されている間のみ有効となり、切り換えスイッチ9bはジョイスティック6によって操作する対象をマスタマニピュレータ1またはスレーブマニピュレータ2に設定する際に用いる。
また図中の13、14はそれぞれマスタマニピュレータ1、スレーブマニピュレータ2の各関節の角度検出器及び角速度検出器から出力され、協調制御装置8に入力される信号である。さらに15及び16はサーボ増幅器であり、協調制御装置8から出力されてそれぞれマスタマニピュレータ1及びスレーブマニピュレータ2の各関節のアクチュエータを駆動する駆動信号を増幅する。
A second tool 7 such as a gripper for gripping the work piece 17 and a force sensor S3 for detecting the force and torque applied to the second tool 7 are attached to the tip of the slave manipulator 2. Reference numeral 8 denotes a cooperative control device that is a feature of the present embodiment. Signal control lines 10, 11, and 12 for transmitting signals output from the force sensors S1, S2, and S3, and a changeover switch attached to the operation handle 3, respectively. 9b and a signal line to which an output signal of the input valid switch 9a attached to the joystick 6 is transmitted is connected. The output signals of the force sensor are six signals including a force signal in the X, Y, and Z axis directions and a torque signal around each axis.
The operation with respect to the joystick 6 is effective only while the input valid switch 9a is pressed, and the changeover switch 9b is used when setting the object to be operated with the joystick 6 to the master manipulator 1 or the slave manipulator 2.
Reference numerals 13 and 14 in the figure denote signals that are output from the angle detector and the angular velocity detector of each joint of the master manipulator 1 and the slave manipulator 2 and input to the cooperative control device 8, respectively. Reference numerals 15 and 16 denote servo amplifiers that amplify drive signals output from the cooperative control device 8 to drive the actuators of the joints of the master manipulator 1 and the slave manipulator 2, respectively.

次に協調制御装置8の構成を図2にて説明する。マスタマニピュレータ1の固定部4に設けられた力センサS2の出力は信号線11を介して座標変換器40に接続されている。力センサS2から出力される力トルク信号は力センサ座標系から共通座標系へ変換されf2として出力される。
同様にスレーブマニピュレータ2に設けられた力センサS3の出力は信号線12を介して座標変換器45に接続されており、力センサS3から出力される力トクル信号は力センサ座標系から共通座標系へ変換されf3として出力される。
また、マスタマニピュレータ1に設けられた力センサS1の出力は信号線10を介して座標変換器42に接続されており、力センサS1から出力される力トルク信号は力センサ座標系から共通座標系へ変換されf1として出力される。
20は、入力有効スイッチ9aが押下された時点をゼロ点としてジョイスティック6の操作入力を補正し出力するゼロ点補正部であり、21は、入力有効スイッチ9aが押下されている場合に力センサS2で検出した操作ハンドル3に作用する操作者19の操作力に応じ、予め定められた関数に基づいてゼロ点補正部20の出力を補正する補正関数部である。
補正関数部21から出力されたジョイスティック6の速度指令は、積分器22にて位置指令に変換され、切り換え器23に導かれる。切り換え器23は切り換えスイッチ9bの信号によってマスタ側接点23b、スレーブ側接点23aのどちらに位置指令を送るかを切り換える。
マスタ側接点23bには力制御部41が接続され、力制御部41の出力は反力生成部43の出力と加算される。さらにヤコビ変換器44にて、共通座標系でのトルク指令がマスタマニピュレータ1の各関節のトルク指令に変換されサーボ増幅器15に出力される。
同様にスレーブ側接点23aには力制御部46が接続され、ヤコビ変換器47にて共通座標系でのトルク指令がスレーブマニピュレータ2の各関節のトルク指令に変換されサーボ増幅器16に出力される。
Next, the configuration of the cooperative control device 8 will be described with reference to FIG. The output of the force sensor S2 provided in the fixed part 4 of the master manipulator 1 is connected to the coordinate converter 40 via the signal line 11. The force torque signal output from the force sensor S2 is converted from the force sensor coordinate system to the common coordinate system and output as f2.
Similarly, the output of the force sensor S3 provided in the slave manipulator 2 is connected to the coordinate converter 45 via the signal line 12, and the force torque signal output from the force sensor S3 is changed from the force sensor coordinate system to the common coordinate system. And output as f3.
The output of the force sensor S1 provided in the master manipulator 1 is connected to the coordinate converter 42 via the signal line 10, and the force torque signal output from the force sensor S1 is changed from the force sensor coordinate system to the common coordinate system. And output as f1.
Reference numeral 20 denotes a zero point correction unit that corrects and outputs an operation input of the joystick 6 with the time point when the input valid switch 9a is pressed as a zero point, and 21 denotes a force sensor S2 when the input valid switch 9a is pressed. This is a correction function unit that corrects the output of the zero point correction unit 20 based on a predetermined function in accordance with the operation force of the operator 19 acting on the operation handle 3 detected in (1).
The speed command of the joystick 6 output from the correction function unit 21 is converted into a position command by the integrator 22 and guided to the switch 23. The switch 23 switches between the master side contact 23b and the slave side contact 23a depending on the signal from the changeover switch 9b.
The force control unit 41 is connected to the master side contact 23b, and the output of the force control unit 41 is added to the output of the reaction force generation unit 43. Further, the Jacobian converter 44 converts the torque command in the common coordinate system into a torque command for each joint of the master manipulator 1 and outputs it to the servo amplifier 15.
Similarly, a force control unit 46 is connected to the slave side contact 23 a, and a torque command in the common coordinate system is converted into a torque command of each joint of the slave manipulator 2 by the Jacobi converter 47 and output to the servo amplifier 16.

ここで力制御部41、46と反力生成部43についてそれぞれ図3と図4を用いて説明する。力制御部41、46は制御構造が同じであるため、その内部構成については図3にてまとめて説明する。
図3に示す力制御部41、46の制御方式は、公知技術である力トルクベースのコンプライアンス制御方式(文献「ロボット工学ハンドブック p.254、日本ロボット学会、1990、コロナ社」にみられる方式)であり、図におけるDv、 Kdはそれぞれ、仮想粘性、仮想剛性を表し、Kfは力フィードバックゲインを表す。力フィードバックゲインKfを大きくし定常偏差を小さくすることで仮想粘性Dvと仮想剛性Kdを所望の値に任意に調整できる。
Here, the force control units 41 and 46 and the reaction force generation unit 43 will be described with reference to FIGS. 3 and 4, respectively. Since the force control units 41 and 46 have the same control structure, the internal configuration will be described collectively with reference to FIG.
The control system of the force control units 41 and 46 shown in FIG. 3 is a force torque based compliance control system which is a well-known technique (a system found in the literature “Robot Engineering Handbook p.254, Robotics Society of Japan, 1990, Corona)”. Dv and Kd in the figure represent virtual viscosity and virtual rigidity, respectively, and Kf represents a force feedback gain. By increasing the force feedback gain Kf and reducing the steady-state deviation, the virtual viscosity Dv and the virtual rigidity Kd can be arbitrarily adjusted to desired values.

図4に示す反力生成部43は、力センサS1の出力f1を比例ゲインHKにより増幅した出力と微分器411を介して比例ゲインHDにより増幅した出力とを加算した値τ3を出力する。   4 outputs a value τ3 obtained by adding the output obtained by amplifying the output f1 of the force sensor S1 by the proportional gain HK and the output amplified by the proportional gain HD via the differentiator 411.

続いて図1を例として実際の動作を説明する。操作者19が操作ハンドル3を左手で押すことにより力制御部41への操作入力f2が発生するため、マスタマニピュレータ1の第1工具5は、作業台18上の被作業物17に接近する。接近に伴い操作者19が左手で操作ハンドル3の切り換えスイッチ9bを使ってスレーブ側接点23aへ切り換えてから右手でジョイスティック6を倒すと、操作指令ref2が力制御部46に入力されスレーブマニピュレータ2が動作する。
このとき補正関数部21では、図5に示すように予め定められた関数Fにより、操作力f2から速度指令の傾きANGを算出しジョイスティック6の出力を調整する。つまり、操作ハンドル3に作用する操作力が低下したら自動的にジョイスティック6の動作速度が実際よりも低速に調整され、逆に操作力が大きくなれば自動的にジョイスティック6の動作速度が実際よりも高速に調整され、操作者19の意図を自動的に解してマスタマニピュレータ1とスレーブマニピュレータ2が協調的に動作することが可能となる。
次に、第1工具5が被作業物17に接触すると、接触力を力センサS1が検出し、反力τ3が反力生成部43で生成された後、加算器24で加算され、マスタマニピュレータ1に抵抗力が発生し減速するため、操作者19は操作ハンドル3を介して接触を感知する。
また第2工具7が被作業物17に接触すると、力制御部46により、一定の接触力で被作業物17を保持する。
Next, the actual operation will be described with reference to FIG. When the operator 19 pushes the operation handle 3 with the left hand, the operation input f2 to the force control unit 41 is generated, so that the first tool 5 of the master manipulator 1 approaches the work piece 17 on the work table 18. When the operator 19 switches to the slave-side contact 23a with the left hand using the change-over switch 9b of the operation handle 3 with the left hand and then tilts the joystick 6 with the right hand, the operation command ref2 is input to the force control unit 46 and the slave manipulator 2 is Operate.
At this time, the correction function unit 21 adjusts the output of the joystick 6 by calculating a speed command gradient ANG from the operating force f2 by a predetermined function F as shown in FIG. That is, when the operating force acting on the operation handle 3 is reduced, the operating speed of the joystick 6 is automatically adjusted to be lower than the actual speed. Conversely, when the operating force is increased, the operating speed of the joystick 6 is automatically set higher than the actual speed. The master manipulator 1 and the slave manipulator 2 can operate cooperatively by automatically adjusting the speed of the operator 19 and automatically understanding the intention of the operator 19.
Next, when the first tool 5 comes into contact with the work piece 17, the force sensor S 1 detects the contact force, and the reaction force τ 3 is generated by the reaction force generation unit 43, and then added by the adder 24 to be the master manipulator. 1 generates a resistance force and decelerates, so the operator 19 senses contact through the operation handle 3.
When the second tool 7 comes into contact with the work 17, the work control unit 46 holds the work 17 with a constant contact force.

マスタマニピュレータ1を大きく動作させたい場合には、操作者19が左手で操作ハンドル3の切り換えスイッチ9bを使ってマスタ側接点23bへ切り換えてから右手でジョイスティック6を倒すと、操作ハンドル3に作用している操作力に応じた操作指令ref1が力制御部41に入力され、操作ハンドル3にて単独で操作するときよりも大きな動作をマスタマニピュレータ1に発生させることが可能となる。
以上の実施例において、請求項4記載のように固定部4から操作ハンドル3と並列するようジョイスティック6を回転自在に取り付けると、操作者19は作業姿勢に応じてジョィスティック6を右手の操作し易い位置に配置することが可能となり、操作性が向上する。
When it is desired to move the master manipulator 1 greatly, if the operator 19 switches to the master side contact 23b using the switch 9b of the operation handle 3 with the left hand and then tilts the joystick 6 with the right hand, the operator manipulator 1 will act on the operation handle 3. An operation command ref <b> 1 corresponding to the operating force being input is input to the force control unit 41, and it is possible to cause the master manipulator 1 to generate a larger operation than when operating alone with the operation handle 3.
In the embodiment described above, when the joystick 6 is rotatably mounted so as to be parallel to the operation handle 3 from the fixed portion 4 as described in claim 4, the operator 19 operates the joystick 6 according to the work posture. It becomes possible to arrange in the position which is easy to do, and operativity improves.

本発明は、マスタマニピュレータとスレーブマニピュレータの両方の先端に工具を装着したマスタスレーブマニピュレータに広く適用でき、その操作性と安全性を向上させる。   The present invention can be widely applied to a master-slave manipulator in which tools are attached to the tips of both a master manipulator and a slave manipulator, and the operability and safety are improved.

本発明の全体構成を示す図The figure which shows the whole structure of this invention 本発明の制御装置の制御ブロック図Control block diagram of the control device of the present invention 本発明の力制御部の制御ブロック図Control block diagram of force control unit of the present invention 本発明の反力生成部の制御ブロック図Control block diagram of reaction force generation unit of the present invention 本発明の補正関数部を説明する図The figure explaining the correction function part of this invention 従来のマスタスレーブマニピュレータの制御装置を示す図The figure which shows the control apparatus of the conventional master slave manipulator

符号の説明Explanation of symbols

1 マスタマニピュレータ
2 スレーブマニピュレータ
3 操作ハンドル
4 固定部
5 第1工具
6 ジョイスティック
7 第2工具
8 制御装置
9a 入力有効スイッチ
9b 切り換えスイッチ
10〜14 信号線
15、16 サーボ増幅器
17 被作業物
18 作業台
19 操作者
20 ゼロ点補正部
21 補正関数部
22 積分器
23 切り換え器
23a スレーブ側接点
23b マスタ側接点
24 加算器
40 座標変換器
41 力制御部
42 座標変換器
43 反力生成部
44 ヤコビ変換器
45 座標変換器
46 力制御部
47 ヤコビ変換器
S1 力センサ
S2 力センサ
S3 力センサ
101 制御装置
102 サーボ増幅器
103 サーボ増幅器
104 マスタマニピュレータ
105 力トルク検出器
106 入力レバ−
107 スレーブマニピュレータ
108 力トルク検出器
109 エンドエフェクタ
110 スイッチ
111〜114 信号線
401 順変換器
402 微分器
403 仮想粘性
404 仮想剛性
405 力フィードバックゲイン
406〜409 加算器
410 比例ゲイン
411 微分器
412 比例ゲイン
413 加算器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Master manipulator 2 Slave manipulator 3 Operation handle 4 Fixed part 5 1st tool 6 Joystick 7 2nd tool 8 Control device 9a Input effective switch 9b Changeover switch 10-14 Signal line 15, 16 Servo amplifier 17 Workpiece 18 Worktable 19 Operator 20 Zero point correction unit 21 Correction function unit 22 Integrator 23 Switch 23a Slave side contact 23b Master side contact 24 Adder 40 Coordinate converter 41 Force control unit 42 Coordinate converter 43 Reaction force generation unit 44 Jacobian converter 45 Coordinate converter 46 Force control unit 47 Jacobi converter S1 Force sensor S2 Force sensor S3 Force sensor 101 Controller 102 Servo amplifier 103 Servo amplifier 104 Master manipulator 105 Force torque detector 106 Input lever
107 Slave manipulator 108 Force torque detector 109 End effector 110 Switch 111-114 Signal line 401 Forward converter 402 Differentiator 403 Virtual viscosity 404 Virtual rigidity 405 Force feedback gain 406-409 Adder 410 Proportional gain 411 Differentiator 412 Proportional gain 413 Adder

Claims (4)

操作者によるマスタマニピュレータの操作に基づいてスレーブマニピュレータを制御するマスタスレーブマニピュレータの制御装置において、
前記マスタマニピュレータに力センサを介して配置された操作ハンドルと、
前記マスタマニピュレータに前記操作ハンドルと並列になるように配置され、前記マスタマニピュレータまたは前記スレーブマニピュレータを操作するジョイスティックと、
前記ジョイスティックの操作対象とするマニピュレータを切り換える切り換え手段と、
前記ジョイスティックに対する操作入力を有効または無効に設定するスイッチと、
前記力センサで検出した前記操作ハンドルに作用する前記操作者の操作力と前記切り換え手段の出力と前記スイッチの出力とに従い前記マスタマニピュレータと前記スレーブマニピュレータを協調制御する協調制御手段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制御装置。
In the control device of the master slave manipulator that controls the slave manipulator based on the operation of the master manipulator by the operator,
An operation handle disposed on the master manipulator via a force sensor;
A joystick that is arranged on the master manipulator so as to be in parallel with the operation handle, and operates the master manipulator or the slave manipulator;
Switching means for switching a manipulator to be operated by the joystick;
A switch for enabling or disabling operation input to the joystick;
Coordinate control means for cooperatively controlling the master manipulator and the slave manipulator according to the operation force of the operator acting on the operation handle detected by the force sensor, the output of the switching means, and the output of the switch. A control device for a master-slave manipulator.
前記協調制御手段は、前記入力有効スイッチが有効の場合に、予め定められた関数に基づき前記力センサで検出した前記操作ハンドルに作用する操作力に応じて前記ジョイスティックに対する操作入力を調整することを特徴とする請求項1記載のマスタスレーブマニピュレータの制御装置。   The cooperative control means adjusts an operation input to the joystick according to an operation force acting on the operation handle detected by the force sensor based on a predetermined function when the input valid switch is valid. 2. The control device for a master-slave manipulator according to claim 1, wherein the control device is a master-slave manipulator. 前記協調制御手段は、前記スイッチが有効となった時点をゼロ点として前記ジョイスティックに対する操作入力を補正する補正手段を備えたことを特徴とする請求項1または2記載のマスタスレーブマニピュレータの制御装置。   The master / slave manipulator control device according to claim 1, wherein the cooperative control unit includes a correction unit that corrects an operation input to the joystick with a time point when the switch is enabled as a zero point. 前記ジョイスティックは、前記操作ハンドルを回転中心として回転自在に前記マスタマニピュレータに設置されていることを特徴とする請求項1乃至3記載のマスタスレーブマニピュレータの制御装置。 4. The master-slave manipulator control device according to claim 1, wherein the joystick is installed on the master manipulator so as to be rotatable about the operation handle.
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