JP2009285099A - 力覚提示機能を有する操縦システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】主操作装置101の手動操作に倣った従操作装置105の自動操作を通信によりバイラテラル制御する際、主操作装置は、電気駆動系による速度制御を主とし、従操作装置は、空気圧駆動系による力制御を主とし、従操作装置側に働く力を主操作装置側で力覚提示する。主操作装置は、デルタ機構で構成された並進部110と、当該並進部に連結されジンバル機構で構成された姿勢部120を備え、従操作装置は、平行リンク機構とジンバル機構の組み合わせで構成された保持部150と、当該保持部に保持されワイヤ機構とリンク機構で構成された挟持部160を備える。挟持部は、2つの空気圧アクチュエータに接続されたサーボバルブ及びワイヤを備えた拮抗駆動系を備え、サーボバルブを制御してワイヤの張力を可変することにより駆動される。
【選択図】図1
Description
−fs=Kd(xs−xm)+Bdx・s…(1)
マスタマニピュレータ101
fm−fs=Cdx・m…(2)
ここで、
xs:スレーブマニピュレータ105の先端(鉗子爪173、174)の位置及び姿勢
xm:マスタマニピュレータ101の先端(操作子132)の位置及び姿勢
fs:スレーブマニピュレータ105の先端が外部環境に加える力
fm:術者がマスタマニピュレータ101の先端に加える力
Kd:スレーブマニピュレータ105の設定剛性
Bd:スレーブマニピュレータ105の設定粘性
Cd:マスタマニピュレータ101の設定粘性
スレーブマニピュレータ105側では式(1)を実現するため力制御ループを内包するインピーダンス制御を適用する。まず、スレーブマニピュレータ105の運動方程式は関節座標系で以下のように記述される。
ここで、
τdr:スレーブマニピュレータ105の各関節の駆動トルク
Z:スレーブマニピュレータ105の逆動力学関数
q:スレーブマニピュレータ105の各関節の変位
Js:スレーブマニピュレータ105の関節変位から先端位置までのヤコビ行列
式(1)を実現するためにスレーブマニピュレータ105の先端が発生すべき力fdrと、空気圧シリンダ155、156、157、175、186、187、188、189及び空圧揺動アクチュエータ182の駆動トルクの目標値τdrrefを以下のように計算する。
τdrref=−Js(転置)fdr+Z(qs,q・s,q¨s)…(5)(図中2の枠内)
空気圧シリンダ155、156、157、175、186、187、188、189及び空圧揺動アクチュエータ182の動特性が十分でτdrrefとτdrが一致すると仮定し、式(4)を式(5)に代入し、さらに式(3)に代入すれば式(1)が導かれる。実際には式(5)において位相遅れによる不安定化を避けるため、逆動力学モデルの入力のうち速度、加速度についてはマスタマニピュレータ101からの目標軌道値を用いている(図中3の枠内)。式(5)で計算されるトルクを各関節で発生させるため、次式(6)として機構学計算により空気圧シリンダ155、156、157、175、186、187、188、189及び空圧揺動アクチュエータ182の駆動力目標値Fdrrefに変換する。
ここで、
Ja:空気圧シリンダ155、156、157、175、186、187、188、189及び空圧揺動アクチュエータ182の変位から関節変位までのヤコビアン
次に、式(6)で計算された駆動力を発生させるためPI制御を行う。
ここで、
u:サーボバルブ72への制御電圧
Kap:比例ゲイン
Kai:積分ゲイン
Fdr:圧力値から計算される空気圧シリンダ155、156、157、175、186、187、188、189及び空圧揺動アクチュエータ182の駆動力
マスタマニピュレータ101側では以下のようにアドミタンス制御により式(2)を実現する。
q・m=Jm(インバース)x・m…(9)(図中7の枠内)
式(8)から分かるようにスレーブマニピュレータ105と外部環境と接触力が必要であるが、スレーブマニピュレータ105側でのインピーダンス制御が実現されている場合、
fdrはfsと一致するため推定値としてそれぞれ相手側のマスタ制御部103、スレーブ制御部107に与えられる(図中8の枠内)。空気圧シリンダ155、156、157、175、186、187、188、189及び空圧揺動アクチュエータ182の駆動力目標値Fdrrefは、内包された差圧制御ループによって高速、高精度に発生することができる。このため、空気の圧縮性やバルブの中立点のずれ等の位置決めに悪影響を及ぼす特性を補償することが可能となる。
Claims (6)
- 主操作装置の手動操作に倣った従操作装置の自動操作を通信によりバイラテラル制御可能であり、前記主操作装置は、電気駆動系による速度制御を主とし、前記従操作装置は、空気圧駆動系による力制御を主とし、前記従操作装置側に働く力を前記主操作装置側で力覚提示する力覚提示機能を有する操縦システムであって、
前記主操作装置は、デルタ機構で構成された3自由度の並進部と、当該並進部に連結されジンバル機構で構成された4自由度の姿勢部とを備え、前記従操作装置は、平行リンク機構とジンバル機構の組み合わせで構成された3自由度の保持部と、当該保持部に保持されワイヤ機構とリンク機構で構成された4自由度の挟持部とを備え、
前記挟持部は、2つの空気圧アクチュエータと、当該空気圧アクチュエータに接続されたサーボバルブと、前記空気圧アクチュエータに接続されたワイヤとを備えた拮抗駆動系を備え、前記サーボバルブを制御して前記ワイヤの張力を可変することにより駆動されることを特徴とする力覚提示機能を有する操縦システム。 - 前記挟持部は、先端に内蔵された空気圧アクチュエータとリンクにより駆動される鉗子部を備えていることを特徴とする請求項1に記載の力覚提示機能を有する操縦システム。
- 前記挟持部に働く力は、前記空気圧アクチュエータのバックドライバビリティを利用し、それぞれの駆動力から推定されることを特徴とする請求項1又は2に記載の力覚提示機能を有する操縦システム。
- 前記従操作装置は、コンプライアンスを持たせた制御が行われることを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の力覚提示機能を有する操縦システム。
- 前記主操作装置は、力制御ループに運動制御ループを内包した運動制御型のインピーダンス制御が行われ、前記従操作装置は、運動制御ループに力制御ループを内包した力制御型のインピーダンス制御が行われることを特徴とする請求項1〜4の何れか一項に記載の力覚提示機能を有する操縦システム。
- 前記主操作装置の手動操作に倣った前記従操作装置の自動操作が、有線通信によりバイラテラル制御されることを特徴とする請求項1〜5の何れか一項に記載の力覚提示機能を有する操縦システム。
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