JP2533594B2 - マスタスレ―ブマニピユレ―タ - Google Patents
マスタスレ―ブマニピユレ―タInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はマスタスレーブマニピユレータに係り、特に
実効作業範囲の拡大、操作性の向上に好適なマスタアー
ムの可動範囲拡大装置に関する。
実効作業範囲の拡大、操作性の向上に好適なマスタアー
ムの可動範囲拡大装置に関する。
従来のマスタスレーブマニピユレータでは、マスタア
ームとスレーブアームの軸構成及びアーム長と同じに
し、両アームの対応する関節角が常に等しくなるように
各軸対応でサーボ制御を行い、両アームが常時同一形状
になることにより運動を伝達していた。
ームとスレーブアームの軸構成及びアーム長と同じに
し、両アームの対応する関節角が常に等しくなるように
各軸対応でサーボ制御を行い、両アームが常時同一形状
になることにより運動を伝達していた。
上記従来システムにより、スレーブアームの動作限界
近傍での作業を想定する。第２図に作業開始時に於ける
両アームの位置、姿勢を示す。またスレーブアーム７の
動作限界９の近傍として点As近傍を考える。第３図に示
すようにオペレータは、点Asに対応する点AMまでマスタ
アーム６の先端を移動することにより、スレーブアーム
７の先端を点Asまで移動させる。オペレータはこの動作
限界８の近傍点AMでマスタアーム６を操作しなければな
らず、長時間不自然な姿勢をとらなければならなかつ
た。
近傍での作業を想定する。第２図に作業開始時に於ける
両アームの位置、姿勢を示す。またスレーブアーム７の
動作限界９の近傍として点As近傍を考える。第３図に示
すようにオペレータは、点Asに対応する点AMまでマスタ
アーム６の先端を移動することにより、スレーブアーム
７の先端を点Asまで移動させる。オペレータはこの動作
限界８の近傍点AMでマスタアーム６を操作しなければな
らず、長時間不自然な姿勢をとらなければならなかつ
た。
特開昭61−244470号公報に記載のように操作性を改善
するため、マスタアームにマスタ有効スイツチを設け、
このスイツチが「入」のときにのみ、マスタアーム関節
角の増分だけ対応したスレーブアームの関節角を駆動し
ていた。これを第４図に示す。このシステムではマスタ
アーム６を必要な回数だけ前後に繰り返し動かし、前方
に送るときにのみ有効スイツチ20を「入」にすること
で、スレーブアーム７の先端を目標とする動作限界の近
傍21に移動させることができる。従つてオペレータは、
楽な姿勢をとりながらでも、スレーブアーム７を所望の
位置、姿勢に移動させることができる。
するため、マスタアームにマスタ有効スイツチを設け、
このスイツチが「入」のときにのみ、マスタアーム関節
角の増分だけ対応したスレーブアームの関節角を駆動し
ていた。これを第４図に示す。このシステムではマスタ
アーム６を必要な回数だけ前後に繰り返し動かし、前方
に送るときにのみ有効スイツチ20を「入」にすること
で、スレーブアーム７の先端を目標とする動作限界の近
傍21に移動させることができる。従つてオペレータは、
楽な姿勢をとりながらでも、スレーブアーム７を所望の
位置、姿勢に移動させることができる。
しかし、上記制御方法では、マスタアーム６とスレー
ブアーム７の間に対応する関節がない場合、即ち両アー
ムの形状、軸構成が異る場合には適用できない。また、
上記制御方法ではマスタアームとスレーブアームが対応
するのは鉛直平面内に限られ、シフト機能は鉛直平面内
のシフトのみ有効となる。そこでマスタアームの肩をひ
ねつた場合には、両アームは対応しなくなり、運動方向
も一致せず、作業を行うことは非常に困難になる。
ブアーム７の間に対応する関節がない場合、即ち両アー
ムの形状、軸構成が異る場合には適用できない。また、
上記制御方法ではマスタアームとスレーブアームが対応
するのは鉛直平面内に限られ、シフト機能は鉛直平面内
のシフトのみ有効となる。そこでマスタアームの肩をひ
ねつた場合には、両アームは対応しなくなり、運動方向
も一致せず、作業を行うことは非常に困難になる。
一方、特開昭61−252081号公報に記載のように、マス
タアームとスレーブアームの機構系の相違がある場合、
あるいは、始動時に位置姿勢の相違がある場合でも、先
端の運動が対応するように、両アームの運動を対応付け
る装置を設けたものがある。同公報では一般化座標生成
装置で関節座標系上で求められた物理量を直交座標系上
の物理量に変換する。逆変換装置では、直交座標系上で
求められた物理量を関節座標系上の物理量に変換する。
また、データ加工部は、両アーム間の一般化座標をどの
ように対応付けるかを定める対応付けデータを生成する
変換データ生成装置と、これに基づき、両アーム間の一
般化座標を対応付ける座標系対応付装置と、比率制御、
増分型制御などを重畳するための制御方式重畳装置から
成つている。
タアームとスレーブアームの機構系の相違がある場合、
あるいは、始動時に位置姿勢の相違がある場合でも、先
端の運動が対応するように、両アームの運動を対応付け
る装置を設けたものがある。同公報では一般化座標生成
装置で関節座標系上で求められた物理量を直交座標系上
の物理量に変換する。逆変換装置では、直交座標系上で
求められた物理量を関節座標系上の物理量に変換する。
また、データ加工部は、両アーム間の一般化座標をどの
ように対応付けるかを定める対応付けデータを生成する
変換データ生成装置と、これに基づき、両アーム間の一
般化座標を対応付ける座標系対応付装置と、比率制御、
増分型制御などを重畳するための制御方式重畳装置から
成つている。
上記従来技術は、マスタアームの可動範囲、または、
オペレータが操作しやすい範囲がスレーブアームの可動
範囲に比べ狭いなど、両アームの可動範囲が異る場合に
は、マスタスレーブマニピユレータとして共通に利用で
きる作業範囲は狭くなる。そこで上記従来技術では、マ
スタアームの可動範囲を仮想的に拡大するため、スレー
ブアームの先端を作業を、しようとする領域までインチ
ングや一定量シフトにより移動した後作業を行つてい
た、この方法では、目標とする領域に先端を移動するの
に、位置と姿勢の６自由度を順に設定しなければならな
かつた。従つて、６回の操作が必要となり、設定するの
に時間がかかるなど操作性が悪いという問題があつた。
オペレータが操作しやすい範囲がスレーブアームの可動
範囲に比べ狭いなど、両アームの可動範囲が異る場合に
は、マスタスレーブマニピユレータとして共通に利用で
きる作業範囲は狭くなる。そこで上記従来技術では、マ
スタアームの可動範囲を仮想的に拡大するため、スレー
ブアームの先端を作業を、しようとする領域までインチ
ングや一定量シフトにより移動した後作業を行つてい
た、この方法では、目標とする領域に先端を移動するの
に、位置と姿勢の６自由度を順に設定しなければならな
かつた。従つて、６回の操作が必要となり、設定するの
に時間がかかるなど操作性が悪いという問題があつた。
本発明の目的は、マスタアームの可動範囲を拡大する
操作において、マスタスレーブ操作によりスレーブアー
ムの先端を、作業しようとする領域まで移動する際の操
作性の向上を図ることにより達成される。
操作において、マスタスレーブ操作によりスレーブアー
ムの先端を、作業しようとする領域まで移動する際の操
作性の向上を図ることにより達成される。
上記目的は、マスタアームと、該マスタアームの運動
を表わす第１運動値を検出する第１検出手段と、該第１
運動値を入力して目標値としスレーブアームを該目標値
に一致するよう制御する制御手段と、該スレーブアーム
の運動を表わす第２運動値を検出して前記制御手段にフ
イードバツクする第２検出手段とを備えたマスタスレー
ブマニピユレータにおいて、前記第１運動値をマスタア
ーム座標で表示する第１座標表示手段と、前記第２運動
値をスレーブアーム座標で表示する第２座標表示手段
と、前記マスタアーム座標の表示値と前記マスタアーム
座標と前記スレーブアームの共通座標の表示値との変換
を行う第１変換手段と、前記スレーブアーム座雑の表示
値と前記共通座標の表示値との変換を行う第２変換手段
と、前記第１変換手段によつて前記共通座標の値に変換
された第１変換値と前記第２変換手段によつて前記共通
座標の値に変換された第２変換値との対応付けを行う対
応付手段と、前記マスタアームと前記スレーブアームと
の切断・再接続を行うマスタ有効スイツチとを設け、該
有効スイツチを切断して前記マスタアームを移動し前記
対応手段により前記マスタアームと前記スレーブアーム
の対応付けを行つた後再接続することにより達成され
る。
を表わす第１運動値を検出する第１検出手段と、該第１
運動値を入力して目標値としスレーブアームを該目標値
に一致するよう制御する制御手段と、該スレーブアーム
の運動を表わす第２運動値を検出して前記制御手段にフ
イードバツクする第２検出手段とを備えたマスタスレー
ブマニピユレータにおいて、前記第１運動値をマスタア
ーム座標で表示する第１座標表示手段と、前記第２運動
値をスレーブアーム座標で表示する第２座標表示手段
と、前記マスタアーム座標の表示値と前記マスタアーム
座標と前記スレーブアームの共通座標の表示値との変換
を行う第１変換手段と、前記スレーブアーム座雑の表示
値と前記共通座標の表示値との変換を行う第２変換手段
と、前記第１変換手段によつて前記共通座標の値に変換
された第１変換値と前記第２変換手段によつて前記共通
座標の値に変換された第２変換値との対応付けを行う対
応付手段と、前記マスタアームと前記スレーブアームと
の切断・再接続を行うマスタ有効スイツチとを設け、該
有効スイツチを切断して前記マスタアームを移動し前記
対応手段により前記マスタアームと前記スレーブアーム
の対応付けを行つた後再接続することにより達成され
る。
上記構成により、マスタ有効スイツチでマスタアーム
とスレーブアームを接続時はマスタアームを操作してス
レーブアームにマスタアームの操作に対応した運動をさ
せ、マスタ有効スイツチを切断し、スレーブアームはそ
のままの状態を保持させ、マスタアームを操作しやすい
位置に移動後マスタ有効スイツチを再接続すると、対応
付手段は、第１座標表示手段より第１変換手段を介して
共通座標に入力されたマスタアームの運動値と、第２座
標表示手段より第２変換手段を介して共通座標に入力さ
れたスレーブアームの運動値とのマスタ有効スイツチ切
断・再接続によつて生じるオフセツト値を検出してマス
タアームとスレーブアームに対応付けを行い、再びマス
タアームを操作してスレーブアームをマスタアームの操
作に対応した運動をさせる。
とスレーブアームを接続時はマスタアームを操作してス
レーブアームにマスタアームの操作に対応した運動をさ
せ、マスタ有効スイツチを切断し、スレーブアームはそ
のままの状態を保持させ、マスタアームを操作しやすい
位置に移動後マスタ有効スイツチを再接続すると、対応
付手段は、第１座標表示手段より第１変換手段を介して
共通座標に入力されたマスタアームの運動値と、第２座
標表示手段より第２変換手段を介して共通座標に入力さ
れたスレーブアームの運動値とのマスタ有効スイツチ切
断・再接続によつて生じるオフセツト値を検出してマス
タアームとスレーブアームに対応付けを行い、再びマス
タアームを操作してスレーブアームをマスタアームの操
作に対応した運動をさせる。
以下本発明の一実施例を第１図第５図〜第18図により
説明する。第１図において各関節に角度センサを備え、
駆動源を用いなくてもオペレータが楽に操作できるマス
タアーム６と、マスタアーム６の関節角度から、マスタ
基準座標系10上でのマスタアーム先端の位置，姿勢を求
める正変換部１と、共通座標系12を介しマスタ基準座標
系10上のマスタアームの先端位置姿勢をスレーブ基準系
11上の位置，姿勢に変換する対応付部２と、マスタスレ
ーブモードと、基点シフトモードを切り換えるためのマ
スタ有効スイツチ３と、スレーブ基準座標系11上で記述
されたスレーブアームの先端の目標位置，姿勢に従つて
スレーブアーム７を制御する制御演算部４、駆動部５か
ら成るマスタスレーブマニピユレータシステムである。
説明する。第１図において各関節に角度センサを備え、
駆動源を用いなくてもオペレータが楽に操作できるマス
タアーム６と、マスタアーム６の関節角度から、マスタ
基準座標系10上でのマスタアーム先端の位置，姿勢を求
める正変換部１と、共通座標系12を介しマスタ基準座標
系10上のマスタアームの先端位置姿勢をスレーブ基準系
11上の位置，姿勢に変換する対応付部２と、マスタスレ
ーブモードと、基点シフトモードを切り換えるためのマ
スタ有効スイツチ３と、スレーブ基準座標系11上で記述
されたスレーブアームの先端の目標位置，姿勢に従つて
スレーブアーム７を制御する制御演算部４、駆動部５か
ら成るマスタスレーブマニピユレータシステムである。
アーム先端の位置，姿勢、あるいは速度，角速度など
は、一般にアームのベースに設定した直交座標系により
記述する。そこで第５図に示すようにマスタアーム、ス
レーブアームのベースにそれぞれ、マスタ基準座標系1
0、スレーブ基準座標系11を設定する。第６図に示すよ
うにスレーブアーム７の動作限界９の近傍にある点Asで
作業を行うことを想定した作業の場合では、破線は始動
時のアームの状態を示し、実線は操作後のアームの状態
を示す。先ずマスタ有効スイツチ３によりマスタスレー
ブモードに設定する。オペレータはスレーブアーム７の
先端が点Asに近づくように、マスタアーム６を操作す
る。しかしオペレータは無理のない姿勢を保つた状態で
マスタアーム６を操作するので移動量が少なく、スレー
ブアーム７の先端は点Asまで達しない、そこでマスタ有
効スイツチ６により基点シフトモードに切換え、スレー
ブアーム７はその移動した位置，姿勢を保持したままマ
スタアーム６を第６図に示す始動時の状態６′に戻す、
その後再びマスタ有効スイツチ３により、マスタスレー
ブモードに切換スレーブアームの先端が点Asに、さらに
近づくようにマスタアーム６を操作する。この一連の作
業を繰り返すことによりスレーブアーム７の先端を点As
の近傍に移動する。次にマスタアーム６とスレーブアー
ム７の先端の位置の対応について述べる。第７図に基点
シフトモードにおける演算ブロツク図を示し、第８図に
対応付けの手段を示す。このモードではスレーブアーム
７は、現在の位置，姿勢を保持したままオペレータがマ
スタアーム６の先端の位置，姿勢を変え新たに両アーム
の対応付けを行うモードである。マスタアーム６とスレ
ーブアーム７の対応付けるのは対応付部２で行なう。
は、一般にアームのベースに設定した直交座標系により
記述する。そこで第５図に示すようにマスタアーム、ス
レーブアームのベースにそれぞれ、マスタ基準座標系1
0、スレーブ基準座標系11を設定する。第６図に示すよ
うにスレーブアーム７の動作限界９の近傍にある点Asで
作業を行うことを想定した作業の場合では、破線は始動
時のアームの状態を示し、実線は操作後のアームの状態
を示す。先ずマスタ有効スイツチ３によりマスタスレー
ブモードに設定する。オペレータはスレーブアーム７の
先端が点Asに近づくように、マスタアーム６を操作す
る。しかしオペレータは無理のない姿勢を保つた状態で
マスタアーム６を操作するので移動量が少なく、スレー
ブアーム７の先端は点Asまで達しない、そこでマスタ有
効スイツチ６により基点シフトモードに切換え、スレー
ブアーム７はその移動した位置，姿勢を保持したままマ
スタアーム６を第６図に示す始動時の状態６′に戻す、
その後再びマスタ有効スイツチ３により、マスタスレー
ブモードに切換スレーブアームの先端が点Asに、さらに
近づくようにマスタアーム６を操作する。この一連の作
業を繰り返すことによりスレーブアーム７の先端を点As
の近傍に移動する。次にマスタアーム６とスレーブアー
ム７の先端の位置の対応について述べる。第７図に基点
シフトモードにおける演算ブロツク図を示し、第８図に
対応付けの手段を示す。このモードではスレーブアーム
７は、現在の位置，姿勢を保持したままオペレータがマ
スタアーム６の先端の位置，姿勢を変え新たに両アーム
の対応付けを行うモードである。マスタアーム６とスレ
ーブアーム７の対応付けるのは対応付部２で行なう。
先ず、正変換部１により、各関節角に基づいて基準座
標系10から見たマスタアーム、スレーブアームそれぞれ
の先端の位置M，Sを求める。次に、この位置M，
Sを共通座標系12から見たマスタアーム、スレーブア
ームそれぞれのM，Sに変換する。尚、マスタ基準座
標系10又は、スレーブ基準座標系11を共通座標系12とし
て設定した場合にはM＝CMまたはS＝CSとなり、
この演算を省略することができる。第８図に示すよう
に、一般にCM，CSは一致しない。ここでそのオフセ
ツトをCMSと定義する、即ち、オフセツトCMSはマス
タアーム６とスレーブアーム７の先端位置の対応関係を
表わしている。そこで、基点シフトモードのときに、オ
フセツトCMSをあらかじめ演算し、メモリに記憶させ
ておく。そして、マスタスレーブモードのときにそのオ
フセツトを用い対応付を行うようにする。次にマスタス
レーブモードについて述る。第９図にこのモードにおけ
る演算ブロツク図を示す。正変換部１によりマスタアー
ム６の各関節角に基づき、マスタ基準座標系10から見た
マスタアームの先端位置Mを求める。次に求めたPMを
共通座標系12から見たマスタアームの先端位置CMに変
換する。ここでマスタアーム、スレーブアームの位置関
係を次式で対応づけて、運動を伝達する。CS ＝CM＋CMS …（１） 求めたスレーブ先端位置CSをさらに、スレーブ基準座
標系11から見た位置Sに変換する。そしてスレーブア
ーム先端の目標値Sに一致するように制御演算部４、
駆動部５によりスレーブアームを制御する。一方マスタ
アーム、スレーブアーム先端の姿勢についても位置と同
様の考え方で対応させることができる。第10図に示すよ
うに両アームの先端の姿勢を表わすために、一般に両ア
ームの先端15に直交座標系16を設定し、アームのベース
に設定した基準座標から見たこの座標系の姿勢、即ち、
ベクトルn,0,aで、先端の姿勢を表現する。ここで杉活
を表わす３×３行列を次のように定義する。
標系10から見たマスタアーム、スレーブアームそれぞれ
の先端の位置M，Sを求める。次に、この位置M，
Sを共通座標系12から見たマスタアーム、スレーブア
ームそれぞれのM，Sに変換する。尚、マスタ基準座
標系10又は、スレーブ基準座標系11を共通座標系12とし
て設定した場合にはM＝CMまたはS＝CSとなり、
この演算を省略することができる。第８図に示すよう
に、一般にCM，CSは一致しない。ここでそのオフセ
ツトをCMSと定義する、即ち、オフセツトCMSはマス
タアーム６とスレーブアーム７の先端位置の対応関係を
表わしている。そこで、基点シフトモードのときに、オ
フセツトCMSをあらかじめ演算し、メモリに記憶させ
ておく。そして、マスタスレーブモードのときにそのオ
フセツトを用い対応付を行うようにする。次にマスタス
レーブモードについて述る。第９図にこのモードにおけ
る演算ブロツク図を示す。正変換部１によりマスタアー
ム６の各関節角に基づき、マスタ基準座標系10から見た
マスタアームの先端位置Mを求める。次に求めたPMを
共通座標系12から見たマスタアームの先端位置CMに変
換する。ここでマスタアーム、スレーブアームの位置関
係を次式で対応づけて、運動を伝達する。CS ＝CM＋CMS …（１） 求めたスレーブ先端位置CSをさらに、スレーブ基準座
標系11から見た位置Sに変換する。そしてスレーブア
ーム先端の目標値Sに一致するように制御演算部４、
駆動部５によりスレーブアームを制御する。一方マスタ
アーム、スレーブアーム先端の姿勢についても位置と同
様の考え方で対応させることができる。第10図に示すよ
うに両アームの先端の姿勢を表わすために、一般に両ア
ームの先端15に直交座標系16を設定し、アームのベース
に設定した基準座標から見たこの座標系の姿勢、即ち、
ベクトルn,0,aで、先端の姿勢を表現する。ここで杉活
を表わす３×３行列を次のように定義する。
＝（n 0 a） …（２） 第11図に示すように、基点シフトモードのときに、姿
勢のオフセツトCMSをあらかじめ求め、メモリに記憶
しておく。姿勢のオフセツトCMSとは、共通座標系12
上で、マスタアームの姿勢CMをスレーブアームの姿勢
CSに変換し、両アームの姿勢を対応付ける、３×３の
座標変換行列のことである、すなわち、CS ＝CMS CM …（３） となり、変形して、CMS ＝CS CM -1 …（４） と定義される。また第12図にマスタスレーブモードにお
ける演算ブロツク図を示す。この演算は第８図における
をに置き換えた演算である。
勢のオフセツトCMSをあらかじめ求め、メモリに記憶
しておく。姿勢のオフセツトCMSとは、共通座標系12
上で、マスタアームの姿勢CMをスレーブアームの姿勢
CSに変換し、両アームの姿勢を対応付ける、３×３の
座標変換行列のことである、すなわち、CS ＝CMS CM …（３） となり、変形して、CMS ＝CS CM -1 …（４） と定義される。また第12図にマスタスレーブモードにお
ける演算ブロツク図を示す。この演算は第８図における
をに置き換えた演算である。
次に、本発明の第２の実施例を第13図〜第15図により
説明する。前記の実施例では共通座標系12上で両アーム
の先端の位置，姿勢の対応付けを行つた。ところで、マ
スタスレーブマニピユレータでは、両アームの先端の運
動が対応すれば作業を行うことができるので、第２の実
施例では先端の速度を対応させる。まず、マスタアー
ム、スレーブアーム先端の位置に関する速度の対応につ
いて述べる。式（１）に示すように、前記の実施例で
は、位置のオフセツトCMSを用い両アームを対応付け
ていた。ここで式（１）の両辺を時間で微分すると、CS ＝CM …（５） となる。オフセツトCMSは、基点シフトモードにより
再設定しない限り、マスタスレーブモードの間は一定値
となる。従つて、その微分値は０となる。式（５）から
わかるように共通座標系12上で、両アームの先端の速度
が等しくなるようにすれば、両アーム先端の位置にオフ
セツトがあつても運動が対応する、即ち、位置のオフセ
ツトは求める必要がない。第13図，第14図にこのときの
原理図と演算ブロツク図を示す。まず、正変換部１によ
りマスタアームの各関節角速度に基づき、マスタ基準座
標系10から見た先端速度Mを求める。次に、求めた速
度を共通座標系12からみた速度１cに変換する。さら
に、このcをスレーブ基準座標系11から見た速度sに
変換し、これをスレーブアーム先端の目標速度とする。
そして、この目標値に一致するように、制御演算部４、
駆動部５により、スレーブアームを制御する。なお、上
記の演算において、マスタ基準座標系10、またはスレー
ブ基準座標系11として設定した場合には、M＝cまた
は、c＝Psとなり、その部分に該当する座標変換演算
は不要となる。次に、両アームの先端の姿勢に関する速
度の対応について述べる。式（３）に示すように、第１
の実施例では、姿勢のオフセツトCMSを用い、両アー
ムを対応付けていた。ここで、式（３）の両辺を時間で
微分すると、CS ＝BCMS CM …（６） となる。オフセツトCMSは、基点シフトモードにより
再設定しない限り、マスタスレーブモードの間は一定値
となる。従つて、姿勢のオフセツト、CMSは微分演算
において係数として残る。共通座標系12上で、両アーム
を式（６）に示すように対応付ければ、両アームの先端
の姿勢にオフセツトがあつても運動が対応する。第15図
に、このときの演算ブロツク図を示す。この演算は、基
本的には、第13図における先端速度をに置き換えた
ものであるが、式（６）からわかるように姿勢のオフセ
ツトBCMSが必要となる。そこで、第11図に示すように、
基点シフトモードにおいてこのオフセツトをあらかじめ
演算しておく。
説明する。前記の実施例では共通座標系12上で両アーム
の先端の位置，姿勢の対応付けを行つた。ところで、マ
スタスレーブマニピユレータでは、両アームの先端の運
動が対応すれば作業を行うことができるので、第２の実
施例では先端の速度を対応させる。まず、マスタアー
ム、スレーブアーム先端の位置に関する速度の対応につ
いて述べる。式（１）に示すように、前記の実施例で
は、位置のオフセツトCMSを用い両アームを対応付け
ていた。ここで式（１）の両辺を時間で微分すると、CS ＝CM …（５） となる。オフセツトCMSは、基点シフトモードにより
再設定しない限り、マスタスレーブモードの間は一定値
となる。従つて、その微分値は０となる。式（５）から
わかるように共通座標系12上で、両アームの先端の速度
が等しくなるようにすれば、両アーム先端の位置にオフ
セツトがあつても運動が対応する、即ち、位置のオフセ
ツトは求める必要がない。第13図，第14図にこのときの
原理図と演算ブロツク図を示す。まず、正変換部１によ
りマスタアームの各関節角速度に基づき、マスタ基準座
標系10から見た先端速度Mを求める。次に、求めた速
度を共通座標系12からみた速度１cに変換する。さら
に、このcをスレーブ基準座標系11から見た速度sに
変換し、これをスレーブアーム先端の目標速度とする。
そして、この目標値に一致するように、制御演算部４、
駆動部５により、スレーブアームを制御する。なお、上
記の演算において、マスタ基準座標系10、またはスレー
ブ基準座標系11として設定した場合には、M＝cまた
は、c＝Psとなり、その部分に該当する座標変換演算
は不要となる。次に、両アームの先端の姿勢に関する速
度の対応について述べる。式（３）に示すように、第１
の実施例では、姿勢のオフセツトCMSを用い、両アー
ムを対応付けていた。ここで、式（３）の両辺を時間で
微分すると、CS ＝BCMS CM …（６） となる。オフセツトCMSは、基点シフトモードにより
再設定しない限り、マスタスレーブモードの間は一定値
となる。従つて、姿勢のオフセツト、CMSは微分演算
において係数として残る。共通座標系12上で、両アーム
を式（６）に示すように対応付ければ、両アームの先端
の姿勢にオフセツトがあつても運動が対応する。第15図
に、このときの演算ブロツク図を示す。この演算は、基
本的には、第13図における先端速度をに置き換えた
ものであるが、式（６）からわかるように姿勢のオフセ
ツトBCMSが必要となる。そこで、第11図に示すように、
基点シフトモードにおいてこのオフセツトをあらかじめ
演算しておく。
次に、本発明の第３の実施例を第16図により説明す
る。ここでは、本発明がユニラテラル制御だけではな
く、バイラテラル制御にも適用できることを示す。その
一例として、関節角度または、関節角速度検出手段を備
えたマスタアーム６、スレーブアーム７と、先端に加わ
る力を検出する集中型力センサ41,42と、それぞれのア
ームのベースに設定した基準座標系上で記述された目標
値に先端が一致するように制御する制御演算部4,14、駆
動部5,15と、力センサ座標系上で記述された力を共通座
標系上の力に変換する力座標変換部43,44と、求めたこ
の共通座標系上の力を共通座標系上の先端速度C，C
に変換する、力／速度変換部45と、両アームの運動を対
応付ける対応部２と、マスタ有効スイツチ３から成るマ
ニピユレータシステムである。第17図，第18図に対応付
部の演算ブロツク図を示す。また、対応付部における演
算は、第２の実施例に示す先端速度対応とし、さらに、
マスタ基準座標系を共通座標系として設定する。前記２
つの実施例では、マスタアーム先端の位置，速度をスレ
ーブアーム側へ伝達することによつて運動を対応付けて
いた。しかし、本実施例では、信号の流れが変り、共通
座標系上で、先端の目標速度をあらかじめ求め、その目
標値に一致するようにマスタアームとスレーブアームを
制御する。上記目標値は第16図に示すように、アーム先
端に加わる力から、力／速度変換部45により求める。上
記構成をとることにより、オペレータがマスタアームの
先端に力を加えるとその力の方向にマスタアームが移動
する。また、その動きに連動してスレーブアームも移動
する。逆に、スレーブアームの先端が壁などの障害物に
当たつた場合、スレーブアームの先端に反力がかかり、
スレーブアームは壁から離ける方向に移動しようとす
る。この動きに連動してマスタアームも移動するので、
オペレータはスレーブアームの先端が壁に触れているか
どうかについて判断できる。このようなバイラテラルシ
ステムにおいても、対応付部２とマスタ有効スイツチ３
を設けることにより、基点シフトが行なえる。また、上
記制御方法は、対称型のバイラテラル制御なので、マス
タアーム、スレーブアームの区別をする必要がない、即
ち、スレーブアームの先端を操作することにより、マス
タアームの先端で作業を行うことができる。そこで、第
16図において、マスタ有効スイツチ３をもう一つマスタ
側に設けることにより、基点シフト機能も含めて、マス
タアーム、スレーブアームの区別をすることがなく作業
を行うことができる。本実施例によれば、マスタ有効ス
イツチの操作により、マスタアームとスレーブアームの
運動値を対応付けできるので、１回の操作スレーブアー
ムの先端を作業領域に移動させる時間の短縮を図る効果
がある。
る。ここでは、本発明がユニラテラル制御だけではな
く、バイラテラル制御にも適用できることを示す。その
一例として、関節角度または、関節角速度検出手段を備
えたマスタアーム６、スレーブアーム７と、先端に加わ
る力を検出する集中型力センサ41,42と、それぞれのア
ームのベースに設定した基準座標系上で記述された目標
値に先端が一致するように制御する制御演算部4,14、駆
動部5,15と、力センサ座標系上で記述された力を共通座
標系上の力に変換する力座標変換部43,44と、求めたこ
の共通座標系上の力を共通座標系上の先端速度C，C
に変換する、力／速度変換部45と、両アームの運動を対
応付ける対応部２と、マスタ有効スイツチ３から成るマ
ニピユレータシステムである。第17図，第18図に対応付
部の演算ブロツク図を示す。また、対応付部における演
算は、第２の実施例に示す先端速度対応とし、さらに、
マスタ基準座標系を共通座標系として設定する。前記２
つの実施例では、マスタアーム先端の位置，速度をスレ
ーブアーム側へ伝達することによつて運動を対応付けて
いた。しかし、本実施例では、信号の流れが変り、共通
座標系上で、先端の目標速度をあらかじめ求め、その目
標値に一致するようにマスタアームとスレーブアームを
制御する。上記目標値は第16図に示すように、アーム先
端に加わる力から、力／速度変換部45により求める。上
記構成をとることにより、オペレータがマスタアームの
先端に力を加えるとその力の方向にマスタアームが移動
する。また、その動きに連動してスレーブアームも移動
する。逆に、スレーブアームの先端が壁などの障害物に
当たつた場合、スレーブアームの先端に反力がかかり、
スレーブアームは壁から離ける方向に移動しようとす
る。この動きに連動してマスタアームも移動するので、
オペレータはスレーブアームの先端が壁に触れているか
どうかについて判断できる。このようなバイラテラルシ
ステムにおいても、対応付部２とマスタ有効スイツチ３
を設けることにより、基点シフトが行なえる。また、上
記制御方法は、対称型のバイラテラル制御なので、マス
タアーム、スレーブアームの区別をする必要がない、即
ち、スレーブアームの先端を操作することにより、マス
タアームの先端で作業を行うことができる。そこで、第
16図において、マスタ有効スイツチ３をもう一つマスタ
側に設けることにより、基点シフト機能も含めて、マス
タアーム、スレーブアームの区別をすることがなく作業
を行うことができる。本実施例によれば、マスタ有効ス
イツチの操作により、マスタアームとスレーブアームの
運動値を対応付けできるので、１回の操作スレーブアー
ムの先端を作業領域に移動させる時間の短縮を図る効果
がある。
本発明によれば、マスタ有効スイツチによりマスタア
ームとスレーブアームの接続、切断ができ、接続時はマ
スタアームの運動値に対応した運動値をスレーブアーム
に伝達でき、切断時はスレーブアームはそのままの状態
を保持し、マスタアームを操作しやすい位置に移動する
ことができ、再接続によつて生じるオフセツト値を検出
し、マスタアームとスレーブアームの運動値の対応付け
ができ、マスタアームの可動範囲を仮想的に拡大するこ
とができるので、スレーブアームの先端を作業領域へ移
動する操作時間の短縮及び、操作性の向上に優れた効果
がある。
ームとスレーブアームの接続、切断ができ、接続時はマ
スタアームの運動値に対応した運動値をスレーブアーム
に伝達でき、切断時はスレーブアームはそのままの状態
を保持し、マスタアームを操作しやすい位置に移動する
ことができ、再接続によつて生じるオフセツト値を検出
し、マスタアームとスレーブアームの運動値の対応付け
ができ、マスタアームの可動範囲を仮想的に拡大するこ
とができるので、スレーブアームの先端を作業領域へ移
動する操作時間の短縮及び、操作性の向上に優れた効果
がある。
第１図は本発明によるマスタスレーブマニピユレータの
第一の実施例の構成図、第２図は作業開始時におけるマ
スタアームとスレーブアームの関係図、第３図は動作限
界におけるマスタアームとスレーブアームの関係図、第
４図は公知例の操作図、第５図はマスタアームとスレー
ブアームの基準座標図、第６図はスレーブアームとマス
タアームとがある位置まで移動した状態を示す図、第７
図は基点シフトモードにおける演算ブロツク図、第８図
はマスタアームとスレーブアームの対応を示す図、第９
図はマスタスレーブモードにおける演算ブロツク図、第
10図はアーム先端の座標を示す図、第11図は基点シフト
モードにおけるオフセツトを求める演算ブロツク図、第
12図はマスタスレーブモードにおけるオフセツトを求め
るブロツク図、第13図は第２実施例のマスタアームとス
レーブアームの対応を示す図、第14図は第２実施例のマ
スタスレーブモードにおける先端速度対応付演算ブロツ
ク図、第15図は第２実施例のマスタスレーブモードにお
ける先端姿勢速度対応付演算ブロツク図、第16図は第３
実施例の構成図、第17図は第３実施例のマスタスレーブ
モードにおける先端速度対応付演算ブロツク図、第18図
は第３実施例のマスタスレーブモードにおける先端姿勢
速度対応付演算ブロツク図である。
第一の実施例の構成図、第２図は作業開始時におけるマ
スタアームとスレーブアームの関係図、第３図は動作限
界におけるマスタアームとスレーブアームの関係図、第
４図は公知例の操作図、第５図はマスタアームとスレー
ブアームの基準座標図、第６図はスレーブアームとマス
タアームとがある位置まで移動した状態を示す図、第７
図は基点シフトモードにおける演算ブロツク図、第８図
はマスタアームとスレーブアームの対応を示す図、第９
図はマスタスレーブモードにおける演算ブロツク図、第
10図はアーム先端の座標を示す図、第11図は基点シフト
モードにおけるオフセツトを求める演算ブロツク図、第
12図はマスタスレーブモードにおけるオフセツトを求め
るブロツク図、第13図は第２実施例のマスタアームとス
レーブアームの対応を示す図、第14図は第２実施例のマ
スタスレーブモードにおける先端速度対応付演算ブロツ
ク図、第15図は第２実施例のマスタスレーブモードにお
ける先端姿勢速度対応付演算ブロツク図、第16図は第３
実施例の構成図、第17図は第３実施例のマスタスレーブ
モードにおける先端速度対応付演算ブロツク図、第18図
は第３実施例のマスタスレーブモードにおける先端姿勢
速度対応付演算ブロツク図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 広志 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社 日立製作所機械研究所内 (56)参考文献 特開 昭61−252081（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−244470（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−47174（ＪＰ，Ａ)
Claims (2)
- 【請求項１】マスタアームと、該マスタアームの運動を
表わす第１運動値を検出する第１検出手段と、該第１運
動値を入力して目標値としスレーブアームを該目標値に
一致するように制御する制御手段と、該スレーブアーム
の運動を表わす第２運動値を検出して前記制御手段にフ
イードバツクする第２検出手段とを備えたマスタスレー
ブマニピユレータにおいて、前記第１運動値をマスタア
ーム座標で表示する第１座標表示手段と、前記第２運動
値をスレーブアーム座標で表示する第２座標表示手段
と、前記マスタアーム座標の表示値と前記マスタアーム
座標と前記スレーブアームの共通座標の表示値との変換
を行う第１変換手段と、前記スレーブアーム座標の表示
値と前記共通座標の表示値との変換を行う第２変換手段
と、前記第１変換手段によつて前記共通座標の値に変換
された第１変換値と前記第２変換手段によつて前記共通
座標の値に変換された第２変換値との対応付けを行う対
応付手段と、前記マスタアームと前記スレーブアームと
の切断・再接続を行うマスタ有効スイツチとを設け、該
有効スイツチを切断して前記マスタアームを移動し前記
対応付手段により前記マスタアームと前記スレーブアー
ムの対応付けを行つた後再接続することを特徴とするマ
スタスレーブマニピユレータ。 - 【請求項２】前記運動値が、前記マスタアームおよび前
記スレーブアームの所定部分の関節角、関節角速度の少
なくともいずれかであることを特徴とする特許請求の範
囲第１項記載のマスタスレーブマニピユレータ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62327040A JP2533594B2 (ja) | 1987-12-25 | 1987-12-25 | マスタスレ―ブマニピユレ―タ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62327040A JP2533594B2 (ja) | 1987-12-25 | 1987-12-25 | マスタスレ―ブマニピユレ―タ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01171785A JPH01171785A (ja) | 1989-07-06 |
| JP2533594B2 true JP2533594B2 (ja) | 1996-09-11 |
Family
ID=18194636
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62327040A Expired - Lifetime JP2533594B2 (ja) | 1987-12-25 | 1987-12-25 | マスタスレ―ブマニピユレ―タ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2533594B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH03184779A (ja) * | 1989-12-11 | 1991-08-12 | Toshiba Corp | 異構造マスタ・スレーブマニピュレータ |
| JP5330575B1 (ja) * | 2012-07-09 | 2013-10-30 | 株式会社東芝 | 連動システム、制御装置および制御方法 |
-
1987
- 1987-12-25 JP JP62327040A patent/JP2533594B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01171785A (ja) | 1989-07-06 |
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