JP2511098B2 - マスタ／スレ―ブマニピュレ―タ制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、マスタアームとスレーブアームの形状が異
なる場合でのマニピュレータ制御方法に係り、特に各関
節が動作限界に達しないように、また、危険なリンク動
作が回避されるべく制御するためのマスタ／スレーブマ
ニピュレータ制御方法に関するものである。

〔従来の技術〕

これまでのこの種技術に関しては特開昭62−54684号
公報が挙げられるが、これに示されたモデル規範型バイ
ラテラル遠隔制御方法による場合、力帰還を高精度にす
ることで、操作性の向上が図られるようになっている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、これまでにあっては、マスタアームと
スレーブアームのアーム形状が異なる場合での操作上の
不具合については配慮されていないものとなっている。

即ち、各関節動作限界ならびに先端以外のリンクの挙
動については配慮が十分なされておらず、操作によって
は関節が動作限界を越えたり、途中でのリンクの大きな
動きによって危険な状態に陥ることがあったものであ
る。

本発明の目的は、マスタアームとスレーブアームのア
ーム形状が異なる場合に、各関節が動作限界に達しない
ように、また、危険なリンク動作が回避され得るマスタ
／スレーブマニピュレータ制御方法を供するにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、マスタマニピュレータ側（操作側）、ス
レーブマリピュレータ側（作業側）各々で各可動部分を
監視している状態で、何れかの可動部分が許容動作限界
に接近し、かつ指令値がその限界に接近する方向にある
場合、あるいは各可動部分への指令値の何れかが許容値
より逸脱している場合が検出された際、スレーブアーム
への関節駆動信号の全てが抑制されると同時に、間接的
にマスタマニピュレータ側の操作を抑制すべく、マスタ
アーム、スレーブアーム各々の先端で検出された力／ト
ルク信号の、マスタアーム、スレーブアーム間での差分
には、マスタアーム、スレーブアーム間での位置・姿勢
状態の差分が抑制方向に加味された上、マスタアーム関
節が駆動されることによって達成される。

〔作用〕

マスタマニピュレータが操作されている状態で上記何
れかの場合が検出された際には、スレーブアーム側の各
可動部分に対する指令値が全てその絶対値が小となるべ
く、あるいは極性が反転されるべく補正されるようにし
たものである。また、これと同時に、マスタアームが関
節駆動されるに際しては、マスタアーム、スレーブアー
ム間での力／トルク信号の差分には、更にマスタアー
ム、スレーブアーム間での位置・姿勢状態の差分が抑制
方向に加味されるようにしたものである。これにより直
接間接にマスタマニピュレータ側ではその方向への操作
が困難となり、操作者は操作困難状態により如何なる状
態にあるかが知れることによって、危険状態に陥ること
は未然に防止されるものである。

〔実施例〕

以下、本発明を第１図から第６図により説明する。

先ず一般的なマスタ／スレーブマニピュレータについ
て説明すれば、第２図はそのハードウエアの概念を示し
たものである。これによる場合、演算処理は全て中央処
理装置201によって行なわれるようになっており、中央
処理装置201からのマスタアーム204の関節への指令値11
3はD/A変換器202によりアナログ化されたうえサーボア
ンプ203を介しマスタアーム204の各関節を駆動する一
方、関節角は関節角センサにより検出されたうえA/D変
換器205を介し関節角信号101として中央処理装置201に
取込されるようになっている。また、力／トルクについ
ては、マスタアーム204先端に取付された力／トルクセ
ンサ210により検出されたうえA/D変換器205を介し力／
トルク信号107として取込されるようになっている。こ
のような事情はスレーブアーム208についても同様であ
り、中央処理装置201よりの指令値106はD/A変換器206、
サーボアンプ207を介しスレーブアーム208の各関節を駆
動する一方、関節角はA/D変換器209を介し関節角信号10
3として中央処理装置201に取込されるようになってい
る。また、力／トルクはスレーブアーム208先端に取付
された力／トルクセンサ211で検出されたうえA/D変換器
209を介し力／トルク信号109として取込されるようにな
っている。

さて、マスタ／スレーブアームともに関節が６ケ所あ
るものとすれば、関節角信号および関節駆動信号の組は
ともに６組ずつあることになる。第３図はその場合での
第２図に示す信号の流れを詳細に示したものである。ア
クチュエータ301〜306はマスタアーム204の第１〜第６
関節に取付され各関節を駆動する一方、その際での各関
節角は同じく第１〜第６関節に取付された関節角センサ
307〜312により検出されるようになっている。同様にア
クチュエータ314〜319はスレーブアーム208の第１〜第
６関節に取付され各関節を駆動する一方、その際での関
節角は関節角センサ320〜325で検出されるものとなって
いる。

以上一般的なマスタ／スレーブマニピュレータのハー
ドウエアについて説明したが、本発明に係るマスタ／ス
レーブマニピュレータではアーム形状がマスタ側とスレ
ーブ側とで関節の回転軸方向やリンクの長さなどに関し
若干異なっており、そのため不測の事態が生じる虞れが
あるものとなっている。第１図はその不測の事態を回避
すべく考慮された本発明に係る制御ブロック線図を示し
たものである。これによる場合基本的には力帰還型バイ
ラテラル制御が行なわれているが、その制御の態様は以
下のようである。

即ち、操作者がマスタアームを操作した場合、マスタ
アームの複数の関節角信号101を正変換することによっ
ては、マスタアーム先端の位置／姿勢状態信号102が得
られるようになっている。その際スレーブアームの複数
の関節角度信号103からも同様に正変換によりスレーブ
アーム先端の位置／姿勢状態信号104が得られるように
なっている。さて、マスタ／スレーブマニピュレータの
目的とするは、スレーブアームがマスタアームの先端の
位置／姿勢に一致、あるいは準じて動くことであるか
ら、位置／姿勢状態信号102,104は一致されなければな
らないものとなっている。従って位置／姿勢状態信号10
2より位置／姿勢状態信号104を減算することによって、
スレーブアームが動くべき位置／姿勢の差分信号105を
得、更にこれを逆変換することによってスレーブアーム
の各関節を駆動すべき指令値106を得たうえ、スレーブ
アームが駆動されるようになっている。

これに対しマスタアームの駆動目的は、スレーブアー
ムが受けている力を操作者に伝えることにあり、マスタ
アーム、スレーブアーム先端に取付された力／トルクセ
ンサからの信号107,109にもとづき駆動されるようにな
っている。具体的にはマスタアーム先端に取付された力
／トルクセンサからの力／トルク信号107は、これはそ
の力／トルクセンサ自体の座標系、即ち、マスタアーム
の先端の座標系で表現されているから、これを正変換し
基準座標系で表した力／トルク信号108を得る一方、同
様にスレーブアーム先端に取付された力／トルクセンサ
からの力／トルク信号109を正変換し、スレーブアーム
先端にかかる力／トルクを基準座標系で表した力／トル
ク信号110を得、力／トルク信号110から力／トルク信号
108を減じることにより力／トルクの差分信号111が得ら
れるようになっている。この差分信号111を逆変換する
ことによってマスタアーム各関節に対する指令値112が
得られるが、従来技術においてはその指令値112はその
ままマスタアームへの指令値113として用いられていた
ことから、マスタ、スレーブのアーム形状が異なる場合
に既述の不具合があったものである。しかしながら、本
発明では以下の４項目について動作限度チェックや速度
チェックが行なわれ、そのチェック結果如何によって
は、マスタアームの各関節に対する指令値112の全てに
対して補正係数が乗じられ、指令値112の出力補正が行
なわれるようになっている。チェック項目としては、
（１）関節角度信号103が動作限界に接近し、かつ指令
値106が更にそれに接近させる方向にあるか、（２）関
節角度信号101が動作限界に接近し、かつ指令値112が更
にそれに接近させる方向にあるか、（３）指令値106が
許容上下限値を越えたか、（４）指令値112が許容上下
限値を越えたか、が挙げられるが、このうち、（１），
（２）を満足した場合は例えば補正係数は第４図に示す
ように関節角に応じ設定され、また、（３），（４）を
満足した場合には第５図に示すように関節への指令値に
応じ設定されるようになっている。複数の関節について
出力補正が行なわれる場合には、そのうちの最小補正係
数による補正指令値がそれら関節への指令値として出力
されるようになっている。

チェック結果如何によっては指令値113は指令値112に
対して絶対値が小とされたもの、あるいは符号が反転さ
れたものとなり、結局マスタアームの動きを鈍らせるよ
うに働くことになる。よって、操作者はマスタアームの
操作を重く感じるところとなり、特殊な状態にあること
を察知し得るから、危険な状態に陥ることは未然に防止
されることになるものである。

以上マスタアーム側が抑制される場合について説明し
たが、第６図はスレーブアーム側が制御される場合での
制御ブロック線図を示したものである。

図示のように第１図に示すものとの違いは、第１図に
おいてはマスタアームへの指令値112が補正可とされて
いるのに対し、本例ではスレーブアームへの指令値106
が補正可とされたうえ指令値114として与えられている
ことと、マスタアームへの力／トルクの差分信号111か
ら位置／姿勢の差分信号105を減算していることであ
る。その他は全て第１図に示すものに同様となってい
る。本例では前述の４つのチェック項目の何れかに該当
した場合には、スレーブアームの動作を鈍らせることに
なり、その結果、差分信号105が大きくなり、これが差
分信号111から減算されることによって、マスタアーム
はこの差を小さくする方へ力が働くため、マスタアーム
の動きも鈍り結局第１図に示すものと同一効果を生じる
ことになる。本例では直接スレーブアームの指令値が操
作されているため、スレーブアームの異常速度を特に厳
密に制限したい場合に有効となっている。勿論、マスタ
アーム、スレーブアームを同時に制御してもよいもので
ある。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、マスタ、スレー
ブのアーム形状が異なる場合にマスタ／スレーブマニピ
ュレータが異常動作しないようにマスタアームが制限さ
れて動くので、危険な状態に陥ることはなく、安全な操
作性が得られるという効果がある。特にスレーブアーム
の異常速度に容易に、かつ厳密に対処し得るものとなっ
ている。

【図面の簡単な説明】

第１図、第６図は、何れも本発明に係るマスタ／スレー
ブマニピュレータの制御ブロック線図を示す図、第２
図，第３図は、一般的なマスタ／スレーブマニピュレー
タのハードウエア概念とその一部を詳細に示す図、第４
図，第５図は、関節角アクチュエータへの指令値が補正
される場合での補正係数の設定例を示す図である。 101,103……関節角信号、102,104……位置／姿勢状態信
号、105……（位置／姿勢状態）差分信号、106,112……
（関節駆動）指令値、107,109……力／トルク信号、10
8,110……（基準座標系）力／トルク信号、111……（力
／トルク）差分信号、113,114……（実関節駆動）指令
値。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−146770（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−207781（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−162477（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】マスタアームとスレーブアームのアーム形
   状が若干異なる場合でのマスタ／スレーブマニピュレー
   タ制御方法であって、マスタアーム、スレーブアーム各
   々からの複数の関節角信号にもとづき得られるアーム先
   端の位置・姿勢状態より、マスタアーム、スレーブアー
   ム間での位置・姿勢状態の差分を得、該差分にもとづき
   スレーブアーム関節を駆動する一方、マスタアーム、ス
   レーブアーム各々の先端で検出された力／トルク信号
   の、マスタアーム、スレーブアーム間での差分にもとづ
   いてはマスタアーム関節が駆動されるのに並行して、マ
   スタアーム、スレーブアーム各々から関節角信号と、マ
   スタアーム、スレーブアーム各々への関節駆動信号とが
   同時に監視されている状態で、関節駆動信号の何れかが
   許容範囲外にある場合、または関節角信号の何れかが許
   容限界に接近し、かつ該信号対応の関節駆動信号が該限
   界に接近する方向にある場合の何れかの検出出力にもと
   づき、スレーブアームへの関節駆動信号の全てが抑制さ
   れるに際しては、マスタアーム、スレーブアーム各々の
   先端で検出された力／トルク信号の、マスタアーム、ス
   レーブアーム間での差分には、マスタアーム、スレーブ
   アーム間での位置・姿勢状態の差分が抑制方向に加味さ
   れることによって、マスタマニピュレータ側での操作が
   抑制されるようにしたマスタ／スレーブマニピュレータ
   制御方法。