JP2501508Y2 - Bilateral master slave manipulator - Google Patents

Bilateral master slave manipulator

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JP2501508Y2
JP2501508Y2 JP1989013051U JP1305189U JP2501508Y2 JP 2501508 Y2 JP2501508 Y2 JP 2501508Y2 JP 1989013051 U JP1989013051 U JP 1989013051U JP 1305189 U JP1305189 U JP 1305189U JP 2501508 Y2 JP2501508 Y2 JP 2501508Y2
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JP
Japan
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master
arm
torque
compensation
slave
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Japanese (ja)
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哲夫 山尾
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Meidensha Corp
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Meidensha Corp
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Description

【考案の詳細な説明】 A.産業上の利用分野 本考案はバイラテラルマスタ・スレーブマニプレータ
に関し、特に力帰還型のものにおいて摩擦補償を改良し
たものである。
[Detailed Description of the Invention] A. Field of Industrial Application The present invention relates to a bilateral master / slave manipulator, in particular, a force feedback type with improved friction compensation.

B,考案の概要 本考案は、自重補償値の変化に応じて摩擦補償ゲイン
を可変させるバイラテラルマスタ・スレーブマニプレー
タである。
B, Outline of the Invention The present invention is a bilateral master / slave manipulator in which the friction compensation gain is changed according to the change of the weight compensation value.

C.従来の技術 マスタ・スレーブマニプレータは、マスタアームを操
作者が操作すると、電気的機構によりマスタアームに接
続されたスレーブアームが、マスタアームの動きに合せ
て同様に動作するものである。このようなマスタ・スレ
ーブマニプレータを利用して作業を確実に行うために
は、視覚で被操作側を観察するのみならず被操作側の各
状況を正確に知る必要がある。特に物を把握する場合の
感触や、物への衝突等の感覚を、操作者にリアルタイム
で感じさせることが重要である。そこで、スレーブ側に
加わる力をマスタ側に送る力感覚のフィードバック機
構、即ち力伝達機能を持つバイラテラルフィードバック
機構を有するバイラテラルマスタ・スレーブマニプレー
タが開発された。
C. Conventional Technology In a master / slave manipulator, when an operator operates a master arm, a slave arm connected to the master arm by an electric mechanism similarly operates in accordance with the movement of the master arm. In order to surely perform the work using such a master / slave manipulator, it is necessary not only to visually observe the operated side but also to know each situation of the operated side accurately. In particular, it is important for the operator to feel the feeling of grasping an object and the feeling of collision with an object in real time. Therefore, a bilateral master / slave manipulator having a feedback mechanism for sending a force applied to the slave side to the master side, that is, a bilateral feedback mechanism having a force transmission function has been developed.

ここで力帰還型のバイラテラルマスタ・スレーブマニ
プレータの従来例を、第2図を基に説明する。第2図は
一軸分の制御系を示したものであり、他の軸も同様な制
御をするので、この一軸分の構成・動作を代表として説
明する。
Here, a conventional example of the force feedback type bilateral master / slave manipulator will be described with reference to FIG. FIG. 2 shows a control system for one axis, and other axes also perform similar control. Therefore, the configuration and operation for this one axis will be described as a representative.

同図においてマスタアーム1は多関節型のアームであ
り、反力発生用のモータが備えられている。このマスタ
アーム1の各軸には、マスタアーム1に作用するトルク
を検出するトルク検出器2と、マスタアーム1の位置
(各軸回転角)を検出する位置検出器3が備えられてい
る。
In the figure, the master arm 1 is an articulated arm and is provided with a motor for generating a reaction force. Each axis of the master arm 1 is provided with a torque detector 2 for detecting the torque acting on the master arm 1 and a position detector 3 for detecting the position (rotational angle of each axis) of the master arm 1.

一方、スレーブアーム4は、マスタアーム1と同タイ
プの多関節型のアームであり、駆動力発生用のモータが
備えられている。このスレーブアーム4の各軸には、ス
レーブアーム4が発生するトルクを検出するトルク検出
器5と、スレーブアーム4の位置(各軸回転角)を検出
する位置検出器6が備えられている。
On the other hand, the slave arm 4 is a multi-joint type arm of the same type as the master arm 1, and is equipped with a motor for generating driving force. Each axis of the slave arm 4 is provided with a torque detector 5 that detects the torque generated by the slave arm 4 and a position detector 6 that detects the position (rotational angle of each axis) of the slave arm 4.

このマニプレータの位置制御は、マスタ側の位置検出
器3で検出した位置信号θと、スレーブ側の位置検出
器6で検出した位置信号θとを基に行う。つまり、位
置信号θ,θの位置偏差Δθ(=θ−θ)が位
置調節器7に送られ、位置調節器7は、位置偏差Δθが
零になるように、換言すれば信号θが信号θに一致
するように、スレーブアーム4のモータを駆動制御す
る。
The position control of this manipulator is performed based on the position signal θ M detected by the position detector 3 on the master side and the position signal θ S detected by the position detector 6 on the slave side. That is, the position deviation Δθ (= θ M −θ S ) between the position signals θ M and θ S is sent to the position adjuster 7, and the position adjuster 7 puts the position deviation Δθ at zero, in other words, the signal. The motor of the slave arm 4 is drive-controlled so that θ S matches the signal θ M.

またこのマニプレータの力フィードバック制御は、マ
スタ側のトルク検出器2で検出したトルク信号TMと、ス
レーブ側のトルク検出器5で検出したトルク信号TSとを
基に行う。原理的には、信号TM,TSのトルク偏差に応じ
てマスタアーム1に反力を生じさせる制御をすればよい
のである。実際にはマスタアーム1の自重及び摩擦を補
償しつつフィードバック制御をしている。つまり、トル
ク信号TMを、摩擦補償演算器8でα(1以上の固定ゲイ
ン)倍し、摩擦補償トルク信号αTMとトルク信号TSとの
トルク偏差ΔTを得る。更に、自重補償演算器9は、位
置信号θを基にマスタアーム1の姿勢を求め、このと
きの姿勢におけるマスタアーム自重を補償する自重補償
値β(可変)を出力する。そしてトルク偏差ΔTに自重
補償値βを加算したトルク偏差Δtがトルク調節器10に
送られ、トルク調節器10はトルク偏差Δtに応じた反力
をマスタアームに生じさせる。
The force feedback control of the manipulator is performed based on the torque signal T M detected by the torque detector 2 on the master side and the torque signal T S detected by the torque detector 5 on the slave side. In principle, it is sufficient to control the master arm 1 to generate a reaction force according to the torque deviation between the signals T M and T S. Actually, feedback control is performed while compensating for the weight and friction of the master arm 1. That is, the torque signal T M is multiplied by α (fixed gain of 1 or more) by the friction compensation calculator 8 to obtain the torque deviation ΔT between the friction compensation torque signal α T M and the torque signal T S. Further, the self-weight compensation calculator 9 obtains the attitude of the master arm 1 based on the position signal θ M , and outputs a self-weight compensation value β (variable) for compensating the self-weight of the master arm in this attitude. Then, the torque deviation Δt obtained by adding the self-weight compensation value β to the torque deviation ΔT is sent to the torque adjuster 10, and the torque adjuster 10 causes the master arm to generate a reaction force corresponding to the torque deviation Δt.

上述した力フィードバックでは、反力が生じた方向に
反力トルクを増加させる摩擦補償およびマスタアーム1
の自重を相殺する自重補償をしているため、マスタアー
ム1の操作性が良くなっている。
In the force feedback described above, the friction compensation and the master arm 1 that increase the reaction torque in the direction in which the reaction force is generated are performed.
Since the self-weight compensation for canceling out the self-weight is performed, the operability of the master arm 1 is improved.

D.考案が解決しようとする課題 ところで、マスタアーム1の摩擦はその姿勢によって
異なるにもかかわらず、従来の摩擦補償演算器8による
摩擦補償ゲインαは固定値であった。したがって、マス
タアーム1の全姿勢において、摩擦補償を完全に実行す
ることはできなかった。また摩擦補償ゲインα(固定
値)の上限設定値は、自重補償値βが増減するかねあい
から、大きなものとすることができず限度があった。し
たがってある姿勢では摩擦補償が充分に行なわれず、マ
スタアーム1の操作が重くなる。
D. Problem to be Solved by the Invention By the way, although the friction of the master arm 1 differs depending on its posture, the friction compensation gain α by the conventional friction compensation calculator 8 is a fixed value. Therefore, the friction compensation cannot be completely executed in all the postures of the master arm 1. Further, the upper limit setting value of the friction compensation gain α (fixed value) cannot be made large because the self-weight compensation value β may increase or decrease, and there is a limit. Therefore, in a certain posture, the friction compensation is not sufficiently performed, and the operation of the master arm 1 becomes heavy.

本考案は、上記従来技術に鑑み、マスタアームの全姿
勢において、最適な自重補償のできるバイラテラルマス
タ・スレーブマニプレータを提供することを目的とす
る。
The present invention has been made in view of the above-described conventional art, and an object of the present invention is to provide a bilateral master / slave manipulator capable of optimal weight compensation in all postures of a master arm.

E.課題を解決するための手段 上記目的を達成する本考案は、マスタアームの位置に
応じて自重補償値βが変化するバイラテラルマスタ・ス
レーブマニプレータにおいて、自重補償値βの変化に合
せて摩擦補償の値を変化させることを、その要旨とす
る。
E. Means for Solving the Problem In the present invention that achieves the above object, in a bilateral master / slave manipulator in which the self-weight compensation value β changes depending on the position of the master arm, friction is adjusted according to the change of the self-weight compensation value β. The point is to change the compensation value.

F.作用 マスタアームの位置(姿勢)変化に合せて、自重補償
値のみならず摩擦補償値も変化し、マスタアームの操作
がスムーズにできる。
F. Action As the position (orientation) of the master arm changes, not only the weight compensation value but also the friction compensation value changes, and the master arm can be operated smoothly.

G.実施例 第1図は本考案の実施例に係る力帰還型バイラテラル
マスタ・スレーブマニプレータの一軸分を示す。この実
施例において位置制御は従来のものと同一である。つま
りマスタアーム1に備えた位置検出器3による位置信号
θと、スレーブアーム4に備えた位置検出器6による
位置信号θとの偏差Δθに応じて、位置調節器7がス
レーブアーム4を作動させる。かくて偏差Δθが零とな
るようにスレーブアーム4が動く。
G. Embodiment FIG. 1 shows one axis of a force feedback type bilateral master / slave manipulator according to an embodiment of the present invention. In this embodiment, the position control is the same as the conventional one. That is, according to the deviation Δθ between the position signal θ M from the position detector 3 included in the master arm 1 and the position signal θ S from the position detector 6 included in the slave arm 4, the position adjuster 7 sets the slave arm 4 in position. Activate. Thus, the slave arm 4 moves so that the deviation Δθ becomes zero.

一方、この実施例の力フィードバック制御系では、新
たに摩擦補償ゲイン可変器12が追加されたとともに、摩
擦補償演算器11におけるゲインを可変としている。つま
り、摩擦補償ゲイン可変器12は、自重補償器9で得た自
重補償値β(この値はマスタアーム1の姿勢変化に応じ
て変わる)の増減に応じて、摩擦補償器11のゲインγを
増減させるのである。
On the other hand, in the force feedback control system of this embodiment, the friction compensation gain varying device 12 is newly added and the gain in the friction compensation computing device 11 is made variable. That is, the friction compensation gain varying device 12 changes the gain γ of the friction compensator 11 in accordance with the increase or decrease of the self weight compensation value β obtained by the self weight compensator 9 (this value changes depending on the posture change of the master arm 1). Increase or decrease.

よって本実施例では次のようにして力フィードバック
制御を行う。つまり、トルク信号TMを、摩擦補償演算器
11でγ(可変値)倍し、摩擦補償トルク信号γTMを得
て、このトルク信号γTMとトルク信号TSとのトルク偏差
Δτを得る。更に、トルク偏差Δτに自重補償値βを加
算したトルク偏差Δτがトルク調節器10に送られ、ト
ルク調節器10はトルク偏差Δτに応じた反力をマスタ
アームに生じさせる。
Therefore, in this embodiment, force feedback control is performed as follows. That is, the torque signal T M is calculated by the friction compensation calculator.
The value is multiplied by γ (variable value) in 11 to obtain the friction compensation torque signal γT M , and the torque deviation Δτ between the torque signal γT M and the torque signal T S is obtained. Further, the torque deviation Δτ 0 obtained by adding the self-weight compensation value β to the torque deviation Δτ is sent to the torque adjuster 10, and the torque adjuster 10 causes the master arm to generate a reaction force according to the torque deviation Δτ 0 .

結局本実施例では、自重補償値βが小さくなると摩擦
補償ゲインγが小さくなり、自重補償値βが大きくなる
と摩擦補償ゲインγが大きくなる。
After all, in this embodiment, the friction compensation gain γ decreases as the weight compensation value β decreases, and the friction compensation gain γ increases as the weight compensation value β increases.

一般に大きな自重補償が必要であるときには大きな摩
擦補償が必要であり、自重補償が小さくてよいときには
摩擦補償は小さくてよい。よって本願のバイラテラルマ
スタ・スレーブマニプレータでは、マスタアーム1の位
置(姿勢)がどのように変化しても、操作性よくマスタ
アーム1を動かすことができる。
Generally, when large self-weight compensation is required, large friction compensation is necessary, and when self-weight compensation may be small, friction compensation may be small. Therefore, in the bilateral master / slave manipulator of the present application, the master arm 1 can be moved with good operability regardless of how the position (posture) of the master arm 1 changes.

H.考案の効果 以上実施例とともに具体的に説明したように本考案に
よれば、摩擦補償をマスタアーム位置に応じて変化させ
るようにしたので、マニプレータの操作性が向上した。
H. Effect of the Invention According to the present invention as described in detail with the embodiments above, the friction compensation is changed according to the position of the master arm, so that the manipulator operability is improved.

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

第1図は本考案の実施例を示すブロック図、第2図は従
来技術を示すブロック図である。 図面中、 1はマスタアーム、2,5はトルク検出器、3,6は位置検出
器、7は位置調節器、8,11は摩擦補償演算器、9は自重
補償演算器、10はトルク調節器、12は摩擦補償ゲイン可
変器である。
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a block diagram showing a prior art. In the drawing, 1 is a master arm, 2 and 5 are torque detectors, 3 and 6 are position detectors, 7 is a position adjuster, 8 and 11 are friction compensation calculators, 9 is a weight compensation calculator, and 10 is a torque adjuster. Reference numeral 12 is a friction compensation gain varying device.

Claims (1)

(57)【実用新案登録請求の範囲】(57) [Scope of utility model registration request] 【請求項1】マスタアームの動きに応じてスレーブアー
ムが作動し、しかもスレーブアームに作用する力が反力
としてマスタアームに生ずる力帰還型のバイラテラルマ
スタ・スレーブマニプレータであって、 マスタアームに生じたトルクを示すトルク信号TMを増幅
して摩擦補償トルク信号γTMとして出力する摩擦補償演
算器と、 マスタアームの姿勢に応じてマスタアームの自重を補償
すべく値が変化する自重補償値βを出力する自重補償演
算器と、 スレーブアームに生じたトルクを示すトルク信号TSと摩
擦補償トルク信号γTMとの偏差Δτに、自重補償値βを
加えた値に応じてマスタアームに反力を生じさせるトル
ク調節器とを有するものにおいて、 自重補償演算器で得た自重補償値βに応じて、摩擦補償
演算器のゲインγを変化させる摩擦補償ゲイン可変器を
具えたことを特徴とするバイラテラルマスタ・スレーブ
マニプレータ。
1. A force feedback type bilateral master / slave manipulator in which a slave arm operates according to the movement of a master arm, and a force acting on the slave arm is generated in the master arm as a reaction force. a friction compensation computing unit resulting amplifies the torque signal T M indicating the torque output as friction compensation torque signal [gamma] T M, weight compensation value whose value changes to compensate for the own weight of the master arm in accordance with the attitude of the master arm The weight compensation calculator that outputs β and the deviation Δτ between the torque signal T S indicating the torque generated in the slave arm and the friction compensation torque signal γT M are added to the master arm according to the value obtained by adding the weight compensation value β. And a torque adjuster for generating a force, the friction compensation that changes the gain γ of the friction compensation calculator according to the weight compensation value β obtained by the weight compensation calculator. Bilateral master-slave manipulator, characterized in that it comprises a gain variable unit.
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