JP2011189445A - マスタスレーブシステム及びその制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】バイラテラル制御されるマスタスレーブシステムであって、マスタロボットをアドミッタンス型の力覚提示装置とし、マスタロボットの変位を検出するマスタ変位センサと、スレーブロボットの変位を検出するスレーブ変位センサと、マスタロボットを駆動するマスタアクチュエータと、スレーブロボットを駆動するスレーブアクチュエータと、操作者がマスタロボットに加える操作力を検出する操作力センサと、からなるものとする。
【選択図】図1
Description
図7に、一例となる機械式マスタスレーブシステム20を示す。このシステムでは、操作者UとマスタロボットM、そしてマスタロボットMと相互接続されたスレーブロボットSとは機械的に結合し、連動している。図7において、MCはマスタロボットMとスレーブロボットSとの機械的接続を、EはスレーブロボットSの作業端が置かれた環境を、GはマスタロボットMの操作端となるグリップを表している。
このように機械的に結合する場合、操作者Uがダイレクトな操作感を得られるという長所もあるが、操作者UとマスタロボットM、そしてスレーブロボットSとの幾何学的拘束から機構設計の自由が制限されると共に、異常時における安全確保に難があるといった短所も存在する。
このような特長をもつ電気式マスタスレーブシステムは、遠隔操作を主なアプリケーションとして発展した歴史から、これまでは、位置若しくは力の再現性、機構透明性、或いは通信時間遅れへの対処等を主眼として研究がなされてきた(下記非特許文献3〜6参照)。
図6は、上肢パワー増幅マスタスレーブシステムの概念図である。この上肢パワー増幅マスタスレーブシステム1’は、マスタロボットMとスレーブロボットSとからなっている。各ロボットアームM,Sは、一端側にそれぞれ操作端となるグリップGと作業端dを有していると共に、他端側が体幹Bの異なる位置に備えられている。また、各ロボットアームM,Sは2本のリンクを有していると共に、グリップG或いは作業端dに接続される一端側、体幹Bに接続される他端側、そしてリンク同士の接続部分に関節を有している。電気式マスタスレーブシステムの場合では、これらの関節或いはグリップGには、適用される制御法にもよるが、必要に応じて変位センサPm1〜3及びPs1〜3、アクチュエータAs1〜3、さらにはAm1〜3、そして、作業力センサFs或いは操作力センサFmが備えられる。適用されるべき制御法についてはこれから順を追って説明する。
なおここで、操作者UとマスタロボットM、そしてマスタロボットMと相互接続されるスレーブロボットSとが機械的に結合し、連動しているいわゆる機械式のものについては、制御系が正常に稼働している限り、高増幅率の人間パワー増幅が可能であることが既に示されている(下記非特許文献1〜2参照)。
しかし、一般に多軸力センサは繊細かつ高価である。例えば、下記非特許文献7ではバックホウの出力に耐えられる6軸力センサが存在しないことが指摘されている。
このように、図6のようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムにおいては、多軸力センサをスレーブロボットS側に備えるようなハードウェア構成は望ましくない。
マスタ、スレーブが同構造か異構造かにかかわらず、減速比やスケール効果によるマスタ、スレーブ間のダイナミクスの相違が必ずしも無視できないことを認識しておかなければならない。
では、上に示したi)〜iv)の視点を踏まえ、現在、電気式マスタスレーブシステムの代表として認識されている基本的なバイラテラル制御を列挙し、対比を通じて利害得失を説明する。以下、(a)対称型、(b)力逆送型、そして(c)力帰還型の3例について順次説明する。
なお、電気式マスタスレーブシステムとして、図8に例示されるようなユニラテラル制御30を適用したものも挙げることは可能ではあるが、これはバイラテラル制御に対して、図8に示すようにマスタM側に制御系を置かず単にマスタM側からの目標値をスレーブSの軌道制御を行う軌道制御手段PCsに送るだけのものであり、例えスレーブS側が環境の何かと接触しても操作者Uには力感覚を通してはその状況が伝わらないものである。図8において、Pmはマスタ変位センサ、Psはスレーブ変位センサ、Asはスレーブアクチュエータ、Gは操作者により把持されるグリップ、dは作業端である。
したがって、図6のようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムを電気式マスタスレーブシステムとするにあたっては、スレーブS側の作業状況が力感覚として操作者Uに伝えられるバイラテラル制御が必然的に適用されることとなる。
なおここで、マスタロボットM及びスレーブロボットSがn自由度ロボットとすると、以上fm(t)、fs(t)・・・はそれぞれn次元ベクトルである(以下、同様とする)。
また、Mm(qm)、Ms(qs)は慣性行列、Jm(qm)、Js(qs)はヤコビ行列であり、これらのヤコビ行列は正則であるとする。ただしこれらは説明を簡単にするための仮定であり、本発明はマスタロボットとスレーブロボットの自由度数が異なっても、ロボットの自由度数と作業座標系の次元数が異なっても、またヤコビ行列が正則でなくても、問題なく適用できるものである。
図9に示すように、対称型バイラテラル制御においてはマスタM側及びスレーブS側双方に軌道制御手段PCm、PCsを配置し、相手側のロボットの位置・速度が目標値となるような閉ループ系を構成している。同じ軌道制御系がマスタ側とスレーブ側で対称に配置されているのでこう呼ばれている。対称型は、以下の力逆送型や力帰還型バイラテラル制御32,33では必要な力センサを必要とせず、さらに安定性の意味でも性質の良い制御法である。図9において、Amはマスタアクチュエータである。
制御則に関しては、例えば作業座標系におけるP制御を用いれば以下のようになる。
xm(t)、xs(t)はそれぞれマスタ或いはスレーブ末端の作業座標系での位置[n次元ベクトル]、KpはP制御ゲインを表すn行n列の対角行列である。
ここで、τm=τm(xs,xm)とはすなわち、マスタ駆動力τmはスレーブ変位xsとマスタ変位xmとの関数であることを表し、τs=τs(xm,xs)とはすなわち、スレーブ駆動力τsはマスタ変位xmとスレーブ変位xsとの関数であることを表している。
そして、式(1)〜(4)から次式を得る。
すなわち、この対称型バイラテラル制御においては制御系の構成上、操作者が感じる見かけの慣性は、マスタロボットMの慣性にスレーブロボットSの慣性が重畳されるため操作感が重くなりがちであるほか、スレーブロボットSからマスタロボットMへの力フィードバックを位置制御系の偏差信号に頼るのでマスタ、スレーブ両ロボットの駆動系の摩擦の影響を受けやすいと言った問題があった。
図10に示す力逆送型バイラテラルマスタスレーブシステム32は、マスタロボットMの位置・速度を目標値として、スレーブロボットSが軌道制御されると同時に、スレーブロボットS側で検出された環境との接触力に相当するスレーブ作業力fsがマスタロボットM側に逆送されてマスタロボットMを駆動する方式である。そのため、スレーブロボットS末端にはスレーブ作業力fsを計測する作業力センサFsが備えられると共にマスタロボットM側には駆動力制御手段FCmが備えられ、スレーブ作業力fsをマスタロボットM側に於けるマスタ駆動力τmへ「反射」させる様構成されている。
力逆送型の場合、スレーブロボットSはマスタロボットMに連動する。これは、スレーブロボットSがマスタロボットMの動特性すなわちダイナミクスに従って動くと言うことを示唆するものである。これについては次に説明する力帰還型の場合でも同様である。
ここで、マスタロボットMの制御則は次の通りとなる。なおスレーブロボットSの制御則は式(4)と同じである。
そして、式(1)と式(6)から次式を得る。
図11に示す力帰還型バイラテラルマスタスレーブシステム33は、マスタロボットMの位置・速度を目標値として、スレーブロボットSが軌道制御されると同時に、スレーブロボットS側で検出された環境との接触力に相当するスレーブ作業力fsを目標値としてマスタロボットMが力制御される方式である。力逆送型32との違いは、マスタロボットM側にも操作力センサFmが備えられ、力目標との誤差を帰還する閉ループが存在することである。この力帰還ループの追加により、力感度等が向上し、マスタロボットMそしてスレーブロボットSの見かけの慣性が小さくなって操作感が向上する様構成されている。
以上の一連の説明から明らかな通り、対称型バイラテラルマスタスレーブシステム31から、力逆送型バイラテラルマスタスレーブシステム32そして力帰還型バイラテラルマスタスレーブシステム33へと構成要件が増すにしたがって、マスタスレーブシステム全体の機構透明性の向上が図られていることが理解される。
ここで、マスタロボットMの制御則は次の通りとなる。Kfは力制御ゲインを表すn行n列の対角行列である。なおスレーブロボットSの制御則は式(4)と同じである。
そして、式(1)と式(8)から次式を得る。なお、Iは単位行列である。
その様な前提の下で、スレーブロボットSのダイナミクスを何らかのかたちで操作者Uに伝達しないことは、操作者Uに対してスレーブロボットSのダイナミクスに配慮した適切な操作をさせることを阻害する要因ともなり、マスタスレーブシステムの制御系を検討する際にマンマシンインタフェースの性能の一つとして対応すべき問題であった。
すなわち、上記した諸問題は、操作者が安心して操作でき、そしてスレーブロボットの周囲に対しても安心を与えることができるマスタスレーブシステムを提供するに際して必ず解決すべき課題である。
前記マスタロボットにおけるマスタ変位を検出する少なくとも1つのマスタ変位センサと、
前記スレーブロボットにおけるスレーブ変位を検出する少なくとも1つのスレーブ変位センサと、
前記マスタロボットを駆動するマスタ駆動力を発生させる少なくとも1つのマスタアクチュエータと、
前記スレーブロボットを駆動するスレーブ駆動力を発生させる少なくとも1つのスレーブアクチュエータと、
前記操作者が前記マスタロボットに加えるマスタ操作力を検出する少なくとも1つの操作力センサと、
を備え、
前記スレーブアクチュエータが前記マスタ操作力に基づき前記スレーブ駆動力を発生させる一方、
前記マスタアクチュエータが、前記マスタ変位と前記スレーブ変位とに基づき前記マスタ駆動力を発生させる、
ことを特徴とするものである。
少なくとも1つの操作力センサにより前記操作者が前記マスタロボットに加えるマスタ操作力を検出するステップと、
少なくとも1つのスレーブアクチュエータにより、前記マスタ操作力に基づき前記スレーブロボットにスレーブ駆動力を発生させるステップと、
少なくとも1つのマスタ変位センサにより前記マスタロボットのマスタ変位を検出し、さらに、少なくとも1つのスレーブ変位センサにより前記スレーブロボットのスレーブ変位を検出するステップと、
少なくとも1つのマスタアクチュエータにより、前記マスタ変位と前記スレーブ変位とに基づき前記マスタロボットにマスタ駆動力を発生させ、前記操作者に力覚を提示するステップと、
を含んでなることを特徴とするものである。
本明細書において「操作」と「操縦」は使い分けている。「操作」は、操作する人・動作にフォーカスするローカルな場合に用いている。他方、「操縦」は、操作する人だけではなく操作されるロボットも共に含めた全体の行為としてみる場合に用いることとする。
したがって、本明細書においては、操作者はマスタロボットを操作し、操作者はスレーブロボットを操縦する、というようにしている。
なお、図5に示す異構造マスタスレーブシステム10において、dはスレーブロボットSの作業端、Gは操作者UとのインターフェースとなるマスタロボットMの操作端を表している。
一方、「インピーダンス型」とは、その反対で、操作者によって操られるマスタロボットにおいて、マスタ変位又は速度を出力する一方で、力入力を受けることによりマスタ駆動力を発生させて操作者に力覚提示を行うものを指し示すものとする。
本発明に係るマスタスレーブシステムが完成されるに至った背景については上記の通りであり、図6のような上肢パワー増幅マスタスレーブシステム1’においてはスレーブロボットS側に多軸力センサを配置する構成は望ましくないため、i)図10、或いは図11のような力逆送型、或いは力帰還型マスタスレーブシステム32,33は現実として適用困難であること、ii)また、力センサを要しない図9のような対称型マスタスレーブシステム31では高い操作性を保つことが難しいことに帰結する。
図1は、本発明に係るマスタスレーブシステムの一実施形態を示す図である。図1は、先に図6として示した上肢パワー増幅マスタスレーブシステムに本発明を適用したものと考えて良い。図1に示された本発明のマスタスレーブシステムと図6に示された上肢パワー増幅マスタスレーブシステムとの表面上の差違点をまず最初に指摘しておくと、図6に於いてスレーブロボットSの作業端dにFsとして図示された作業力センサは、本実施形態では不要であり、図1に示されない点が相違点として着目すべきである。
それゆえ本実施形態ではスレーブロボットS側には力センサを配置せず、マスタロボットMは、スレーブ変位xsとマスタ変位xmとに基づきマスタ駆動力τmを発生させるマスタアクチュエータAm1〜3によって駆動される。
以下、本明細書に於いてはこのような制御法或いは構成を力順送型(force projection type)バイラテラル制御或いはバイラテラルマスタスレーブシステムと称し、この用語を随時用いるものとする。
スレーブアクチュエータPs1〜3は、スレーブロボットSの各関節に設けられ、操作力センサFmからの信号に基づきスレーブ駆動力制御手段FCsを通じてスレーブ駆動力τsを発生させる。
マスタ変位センサPm1〜3は、マスタロボットMの各関節に設けられ、マスタ変位xmを検出する。またスレーブ変位センサPs1〜3は、スレーブロボットSの各関節に設けられ、スレーブ変位xsを検出する。
マスタアクチュエータAm1〜3は、マスタロボットMの各関節に設けられ、マスタ変位xmとスレーブ変位xsとに基づきマスタ駆動力τmを発生させる。本実施形態ではマスタアクチュエータAm1〜3は、マスタ変位センサPm1〜3及びスレーブ変位センサPs1〜3からの信号の差に基づき軌道制御手段PCmを通じてマスタ駆動力τmを発生させる。
以上に概略構成を説明した、操作者によって操られるアドミッタンス型の力覚提示装置であるマスタロボットMとこれに電気的に接続されたスレーブロボットSとからなる、本実施形態に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1は、
i)マスタロボットM側に設けられた操作力センサFmにより操作者Uからのマスタ操作力fmを検出するステップと、
ii)操作力センサFmからの信号に基づき、スレーブロボットSに設けられたスレーブアクチュエータAs1〜3によりスレーブ駆動力τsを発生させるステップと、
iii)マスタロボットMに設けられたマスタ変位センサPm1〜3によりマスタ変位xmを検出するステップと、
iv)スレーブロボットSに設けられたスレーブ変位センサPs1〜3によりスレーブ変位xsを検出するステップと、
v)マスタ変位センサPm1〜3及びスレーブ変位センサPs1〜3からの信号の差に基づきマスタ駆動力τmを発生させるマスタアクチュエータAm1〜3によりマスタロボットMにマスタ駆動力τmを発生させ、操作者Uに力覚を提示するステップと、
を経て制御される。
ここで、τm=τm(xs,xm)とはすなわち、マスタ駆動力τmはスレーブ変位xsとマスタ変位xmとの関数であることを表し、τs=τs(fm)とはすなわち、スレーブ駆動力τsはマスタ操作力fmの関数であることを表している。
そして、上記した式(2)と式(11)から次式を得る。
ここで一旦、本実施形態に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1について特長を纏めると、次の各項目が挙げられる。
1.マスタロボットMの操作端に操作力センサFmを要する一方、スレーブロボットS側には力センサを要しないものとする。
2.操作力fmへのマスタダイナミクスの影響を消すこととする。
3.操作力fmへのスレーブダイナミクスの影響を消さない。但し、スケーリングは可能とする。
つまり、マスタロボットM側の条件は多軸力センサにとって適切だが、スレーブロボットS側は劣悪である。
したがって、上記1.の特長は図1或いは図6に例示するようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムに適している。
ここで、力逆送型、或いは力帰還型バイラテラルマスタスレーブシステム32,33では、操作者Uは主にマスタロボットMと環境に支配されるダイナミクスの機械インピーダンスに操作入力を整合させることとなる。一方、力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1では主にスレーブロボットSと環境に支配されるダイナミクスに整合させることとなる。
一方、力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1では、式(13)にも表れている通り、操作者Uは、「自らの操作力fmを増幅した上でスレーブ装置に乗って楽に歩ける周期」に操作入力を整合させることになる。これは、スレーブ装置にとってエネルギー伝送に無駄がない運動となる。
以下では、図1〜3或いは図6に例示するようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムにおいて本発明に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1を適用することに対する優位性を説明すべく、ある特定の条件下における種々のバイラテラルマスタスレーブシステムの挙動につき検証する。
ここでは、操作力fmを加えないfm=0のときにおける上述した4種のバイラテラルマスタスレーブシステムすなわち、対称型バイラテラルマスタスレーブシステム31、力逆送型バイラテラルマスタスレーブシステム32、力帰還型バイラテラルマスタスレーブシステム33、そして、本発明に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1、の挙動について考える。なおこの場合、上述した4種のバイラテラルマスタスレーブシステム31〜33並びに1は外力−fsのみによって駆動される。
つまり、力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1においては、「スレーブロボットSはスレーブダイナミクスに従って動く」ということが理論上からも検証されたのである。この点は一見、自然の摂理に従った極く極く当り前の様なことにも見えるが、図1〜3或いは図6に例示するようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムにおいてバイラテラル制御を適用する際には、極めて重要な性能上の判断要素と認識すべきものである。
上からも明らかな通り、力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1においては、外力によってマスタスレーブシステムが過大に動かされることはない。
つまり、操作者がマスタから手(足)を放せば、外力によってバイラテラル制御が不安定化されることはない。この点も、図1〜3或いは図6に例示するようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムにおいてバイラテラル制御を適用する際には、極めて重要な性能上の判断要素と認識すべきものである。
上述した通り、図1に示す本発明の力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1では、操作者Uによって操られるマスタロボットMを、操作者Uから受けるマスタ操作力fmを出力する一方で、変位又は速度入力を受けることによりマスタ駆動力τmを発生させて操作者に力覚提示を行うアドミッタンス型の力覚提示装置としている。すなわち、図4に示す通り、マスタロボットM側から見ると、本発明に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1はアドミッタンス型の力覚提示であるということができる。
インピーダンス型の力覚提示の場合、マスタロボットMにおいては装置のどの部分からでも操作入力できる。一方、スレーブロボットSでは作業力センサFs部分からの反力でないと力覚提示することができない。すなわち、操作者Uは、スレーブロボットSの作業力センサFs部分以外を使った作業は力覚なしで行なわなければならず、作業力センサFs部分以外での環境との接触を認識できない可能性がある。
ところで、マスタスレーブシステムのバイラテラル制御系には一般形での表現が与えられている(非特許文献4参照)。図12に、マスタスレーブシステムの制御系の一般的表現について示す概念図を示す。
本発明に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1についても同様な表記の可能性を試みたところ、一般形が次のように表現可能なことが遡って検証された。なお、Km、Ksはマスタスレーブシステムのゲイン行列とする。
以上、一実施形態を用いて本発明に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステムを順に説明してきたが、本願発明は上記一実施形態記載の構成に限定されず、種々の変形実施が可能である。
例えば、本実施形態においてはマスタアクチュエータAm1〜3は、マスタ変位xmと前記スレーブ変位xsとの間に生じた誤差に基づきマスタ駆動力τmを発生させているところ、そのような構成には限定されず、誤差以外の量、例えば変位の微分量などに基づきマスタ駆動力τmを発生させる制御を行っても構わない。
マスタ又はスレーブアクチュエータの数、マスタ又はスレーブ変位センサの数も上記実施形態記載の個数に限定されない。
また、上記実施形態記載においては、単に変位、駆動力と述べているが、変位は並進変位に限らず回転変位の混在を許容する一般化変位としてよく、また駆動力は並進力に限らず回転トルクの混在を許容する一般化駆動力としてよい。
d、dA、dL 作業端
E 環境
G、GA、GL グリップ
M、MA、ML マスタ
MC 機械的接続
S、SA、SL スレーブ
U オペレータ
Amn マスタアクチュエータ(n:整数)
Asn スレーブアクチュエータ(n:整数)
Fm 操作力センサ
Fs 作業力センサ
Pmn マスタ変位センサ(n:整数)
Psn スレーブ変位センサ(n:整数)
FCm、FCs 駆動力制御手段
PCm、PCs 軌道制御手段
1 力順送型バイラテラル制御に係るマスタスレーブシステム
1’ 一般化されたバイラテラル制御によるマスタスレーブシステム
10 異構造マスタスレーブマニュピュレータ
20 機械式マスタスレーブシステム
30 ユニラテラル制御システム
31 対称型バイラテラル制御システム
32 力逆送型バイラテラル制御システム
33 力帰還型バイラテラル制御システム
50 一般化コントローラ
100 一般化表現されたマスタスレーブシステム
Claims (2)
- 操作者によって操られるアドミッタンス型の力覚提示装置であるマスタロボットと、前記マスタロボットに少なくとも電気的に接続されたスレーブロボットとからなる、バイラテラル制御されるマスタスレーブシステムであって、
前記マスタロボットにおけるマスタ変位を検出する少なくとも1つのマスタ変位センサと、
前記スレーブロボットにおけるスレーブ変位を検出する少なくとも1つのスレーブ変位センサと、
前記マスタロボットを駆動するマスタ駆動力を発生させる少なくとも1つのマスタアクチュエータと、
前記スレーブロボットを駆動するスレーブ駆動力を発生させる少なくとも1つのスレーブアクチュエータと、
前記操作者が前記マスタロボットに加えるマスタ操作力を検出する少なくとも1つの操作力センサと、
を備え、
前記スレーブアクチュエータが前記マスタ操作力に基づき前記スレーブ駆動力を発生させる一方、
前記マスタアクチュエータが、前記マスタ変位と前記スレーブ変位とに基づき前記マスタ駆動力を発生させる、
ことを特徴とするマスタスレーブシステム。 - 操作者によって操られるアドミッタンス型の力覚提示装置であるマスタロボットと、前記マスタロボットに少なくとも電気的に接続されたスレーブロボットとからなる、バイラテラル制御されるマスタスレーブシステムの制御方法であって、
少なくとも1つの操作力センサにより前記操作者が前記マスタロボットに加えるマスタ操作力を検出するステップと、
少なくとも1つのスレーブアクチュエータにより、前記マスタ操作力に基づき前記スレーブロボットにスレーブ駆動力を発生させるステップと、
少なくとも1つのマスタ変位センサにより前記マスタロボットのマスタ変位を検出し、さらに、少なくとも1つのスレーブ変位センサにより前記スレーブロボットのスレーブ変位を検出するステップと、
少なくとも1つのマスタアクチュエータにより、前記マスタ変位と前記スレーブ変位とに基づき前記マスタロボットにマスタ駆動力を発生させ、前記操作者に力覚を提示するステップと、
を含んでなることを特徴とするマスタスレーブシステムの制御方法。
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