JP2548241B2 - Controller for master / slave manipulator - Google Patents

Controller for master / slave manipulator

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JP2548241B2
JP2548241B2 JP62280068A JP28006887A JP2548241B2 JP 2548241 B2 JP2548241 B2 JP 2548241B2 JP 62280068 A JP62280068 A JP 62280068A JP 28006887 A JP28006887 A JP 28006887A JP 2548241 B2 JP2548241 B2 JP 2548241B2
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manipulator
master
slave
slave manipulator
positioning device
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太郎 岩本
和男 本間
広志 山本
立 青木
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Hitachi Ltd
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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・スレーブ形式のマニピュレータの操
作性向上に好適な制御装置に関する。
The present invention relates to a control device suitable for improving the operability of a master / slave type manipulator.

[従来の技術] マニピュレータには、入力レバーの位置に見合った速
度でスレーブマニピュレータが動く、いわゆるジョイス
ティック形マニピュレータと、入力装置であるマスタマ
ニピュレータの位置にスレーブマニピュレータの位置が
対応するように動く、いわゆるマスタ・スレーブマニピ
ュレータとがある。
[Prior Art] In a manipulator, a so-called joystick manipulator in which a slave manipulator moves at a speed corresponding to a position of an input lever, and a so-called joystick manipulator in which a slave manipulator moves so as to correspond to a position of a so-called manipulator There are master / slave manipulators.

[発明が解決しようとする問題点] ジョイスティック形マニピュレータは、入力レバーの
位置とスレーブマニピュレータの速度が対応するので、
操作者は小さい動作でスレーブマニピュレータを大きく
移動することが可能であるが、スレーブマニピュレータ
の正確な位置決めや、精細な動作を行うことができな
い。
[Problems to be Solved by the Invention] In the joystick manipulator, since the position of the input lever corresponds to the speed of the slave manipulator,
The operator can move the slave manipulator largely with a small motion, but cannot accurately position the slave manipulator or perform a fine motion.

他方、マスタ・スレーブマニピュレータは入力装置で
あるマスタマニピュレータの位置とスレーブマニピュレ
ータの位置が対応するので、スレーブマニピュレータの
正確な位置決めや、精細な動作を行うことができるが、
スレーブマニピュレータを大きく移動させる場合は操作
者が大きい動作を行う必要がある。
On the other hand, in the master / slave manipulator, since the position of the master manipulator, which is the input device, corresponds to the position of the slave manipulator, it is possible to perform accurate positioning of the slave manipulator and fine movement.
When moving the slave manipulator largely, the operator needs to perform a large motion.

このように、従来のマニピュレータはそれぞれに問題
点を有していた。
As described above, the conventional manipulators have their respective problems.

本発明の目的はマスタマニピュレータの位置にスレー
ブマニピュレータの速度または位置を対応させるように
切換えることのできるマスタ・スレーブマニピュレータ
の制御装置を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a controller for a master / slave manipulator that can switch the position or speed of a slave manipulator to correspond to the position of the master manipulator.

[問題点を解決するための手段] 本発明のマスタ・スレーブマニピュレータの制御装置
はマスタマニピュレータと、スレーブマニピュレータ
と、マスタマニピュレータに加わる力を検出する力検出
器と、マスタマニピュレータの位置決め装置と、スレー
ブマニピュレータの位置決め装置とを備えるマスタ・ス
レーブマニピュレータにおいて、入力信号の積分値を前
記マスタマニピュレータの位置決め装置及びスレーブマ
ニピュレータの位置決め装置への指令値として出力する
マスタ・スレーブ演算回路と、入力信号に比例した値を
マスタマニピュレータの位置決め装置への指令値として
出力し且つ入力信号の積分値をスレーブマニピュレータ
の位置決め装置への指令値として出力するジョイスディ
ック演算回路と、前記の力検出器からの力信号を前記両
演算回路のどちらか一方に入力信号として切換え接続す
る切換手段とを具備したことを特徴とする。
[Means for Solving Problems] A control device for a master / slave manipulator according to the present invention includes a master manipulator, a slave manipulator, a force detector for detecting a force applied to the master manipulator, a positioning device for the master manipulator, and a slave. In a master / slave manipulator provided with a manipulator positioning device, a master / slave arithmetic circuit that outputs an integrated value of an input signal as a command value to the master manipulator positioning device and the slave manipulator positioning device, and a proportional to the input signal A joystick arithmetic circuit that outputs a value as a command value to the positioning device of the master manipulator and an integrated value of the input signal as a command value to the positioning device of the slave manipulator, and the force signal from the force detector. And a switching means for switching and connecting the signal as an input signal to one of the two arithmetic circuits.

[作用] 切換手段により、マスタマニピュレータに操作者が加
えた力をマスタ・スレーブ演算回路に接続すると、マス
タマニピュレータとスレーブマニピュレータは全く同じ
動きをし、操作者が手を離すと、力が零になるので、マ
スタマニピュレータおよびスレーブマニピュレータはい
ずれもその時の夫々の位置を保持する。すなわち、マス
タマニピュレータとスレーブマニピュレータの位置が対
応するので、スレーブマニピュレータの正確な位置決め
や、精細な動作を行うことができる。
[Operation] When the force applied by the operator to the master manipulator is connected to the master / slave arithmetic circuit by the switching means, the master manipulator and the slave manipulator make exactly the same movement, and when the operator releases the hand, the force becomes zero. Therefore, both the master manipulator and the slave manipulator hold their respective positions at that time. That is, since the positions of the master manipulator and the slave manipulator correspond to each other, the slave manipulator can be accurately positioned and a fine operation can be performed.

また、切換手段により、マスタマニピュレータに操作
者が加えた力をジョイスティック演算回路に接続する
と、マスタマニピュレータは操作者が加えた力に比例し
た位置になり、他方、スレーブマニピュレータは上記力
に比例した速度で動き、操作者が手を離すと、力が零に
なるので、マスタマニピュレータは切換手段で切換えた
時点の元の位置に戻り、スレーブマニピュレータは手を
離した時点の位置を保持する。すなわち、操作者は小さ
い動作でスレーブマニピュレータを大きく移動させるこ
とができる。
Also, when the force applied by the operator to the master manipulator is connected to the joystick arithmetic circuit by the switching means, the master manipulator will be in a position proportional to the force applied by the operator, while the slave manipulator will have a speed proportional to the force. When the operator releases the hand, the force becomes zero, so that the master manipulator returns to the original position at the time of switching by the switching means, and the slave manipulator holds the position at the time of releasing the hand. That is, the operator can move the slave manipulator largely with a small motion.

[実 施 例] 以下、本発明の実施例を図面によって説明する。[Examples] Examples of the present invention will be described below with reference to the drawings.

第1図は本発明の制御装置を備えたマスタ・スレーブ
マニピュレータの実施例を示すもので、この図におい
て、1はマスタマニピュレータ、2はマスタマニピュレ
ータ1を駆動するアクチュエータ、3はマスタマニピュ
レータ1の先端に操作者が加えた力を検出する力検出
器、4は操作者が握るグリッパ、5はスレーブマニピュ
レータ、6はスレーブマニピュレータを駆動するアクチ
ュエータ、7はエンドエフェクタ、8は本発明に係る制
御装置、9はスイッチ、10はマスタマニピュレータの位
置決め装置、11はスレーブマニピュレータの位置決め装
置である。
FIG. 1 shows an embodiment of a master / slave manipulator provided with a control device of the present invention. In this figure, 1 is a master manipulator, 2 is an actuator for driving the master manipulator 1, and 3 is a tip of the master manipulator 1. A force detector for detecting the force applied by the operator, 4 a gripper held by the operator, 5 a slave manipulator, 6 an actuator for driving the slave manipulator, 7 an end effector, 8 a control device according to the present invention, Reference numeral 9 is a switch, 10 is a master manipulator positioning device, and 11 is a slave manipulator positioning device.

前述した制御装置8の一例の構成を第2図を用いて説
明する。12はマスタ・スレーブ演算回路であり、係数器
13と積分器14とから構成されている。15はジョイスティ
ック演算回路であり、係数器16と積分器17から構成され
ている。18は力検出器3からの力信号をスイッチ9の信
号によりマスタ・スレーブ演算回路12またはジョィステ
ィック演算回路15へ接続する切換器、19はマスタ・スレ
ーブ演算回路12からの出力信号121とジョィスティック
演算回路15の係数器16からの出力信号151とを加える加
算器であり、その加算した信号はマスタマニピュレータ
の位置決め装置10へ出力される。20はマスタ・スレーブ
演算回路12からの出力信号122とジョィスティック演算
回路15からの出力信号152とを加える加算器であり、そ
の加算した信号はスレーブマニピュレータの位置決め装
置11へ出力される。
An example of the configuration of the control device 8 described above will be described with reference to FIG. 12 is a master / slave arithmetic circuit,
It is composed of 13 and an integrator 14. Reference numeral 15 is a joystick arithmetic circuit, which is composed of a coefficient unit 16 and an integrator 17. Reference numeral 18 is a switch for connecting the force signal from the force detector 3 to the master / slave arithmetic circuit 12 or the joystick arithmetic circuit 15 by the signal of the switch 9, and 19 is an output signal 121 from the master / slave arithmetic circuit 12 and a joint signal. This is an adder for adding the output signal 151 from the coefficient unit 16 of the stick operation circuit 15, and the added signal is output to the positioning device 10 of the master manipulator. Reference numeral 20 denotes an adder that adds an output signal 122 from the master / slave arithmetic circuit 12 and an output signal 152 from the joystick arithmetic circuit 15, and the added signal is output to the positioning device 11 of the slave manipulator.

第3図は以上の実施例におけるマスタ・スレーブマニ
ピュレータの動作のタイムチャートを示したもので、第
3図(i)はスイッチ9を切換えて、力信号をマスタ・
スレーブ演算回路12に入力した場合であり、第3図(i
i)は力信号をジョィスティック演算回路15に入力した
場合であり、(a)は力信号を、(b)はマスタマニピ
ュレータの動きを、(c)はスレーブマニピュレータの
動きを示したものである。
FIG. 3 shows a time chart of the operation of the master / slave manipulator in the above embodiment, and FIG. 3 (i) shows the force signal as a master signal when the switch 9 is switched.
This is the case when inputting to the slave arithmetic circuit 12, as shown in FIG.
i) shows the case where the force signal is input to the joystick operation circuit 15, (a) shows the force signal, (b) shows the movement of the master manipulator, and (c) shows the movement of the slave manipulator. is there.

次に上述した本発明の実施例の動作を、第1図〜第3
図を用いて説明する。
Next, the operation of the above-described embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
This will be described with reference to the drawings.

まず、スイッチ9により、第2図に示すように力信号
がマスタ・スレーブ演算回路12に入力されている場合に
ついて説明する。この状態において、操作者がグリップ
4を持って第3図(i)の(a)に示すように、力を時
刻t0から徐々に大きくし、そして、t1からt2の間一定に
し、t3で零に戻すような動作を行うと、マスタ・スレー
ブ演算回路12では力信号にある係数をかけた値を積分し
た値121,122をマスタマニピュレータの位置決め装置10
及びスレーブマニピュレータの位置決め装置11へ指令値
として出力する。そして、それぞれの位置決め装置10,1
1は、この指令値にマスタマニピュレータの位置および
スレーブマニピュレータの位置が追従するようにアクチ
ュエータ2,6を制御する。なお、第1図において、101,1
11はアクチュエータ駆動信号、102,112はマニピュレー
タの位置フィードバック信号である。このような制御を
行うことにより、マスタマニピュレータ1及びスレーブ
マニピュレータ5は第3図(i)に示すような動作を行
い、それぞれ、M1,S1の位置に停止する。
First, a case where a force signal is input to the master / slave arithmetic circuit 12 by the switch 9 as shown in FIG. 2 will be described. In this state, the operator holds the grip 4 and gradually increases the force from time t 0 as shown in (a) of FIG. 3 (i), and then keeps the force constant from t 1 to t 2 , When the operation for returning to zero at t 3 is performed, the master / slave arithmetic circuit 12 integrates the values 121 and 122 obtained by multiplying the force signal by a certain coefficient to determine the positioning device 10 of the master manipulator.
And a command value to the positioning device 11 of the slave manipulator. And each positioning device 10,1
1 controls the actuators 2 and 6 so that the positions of the master manipulator and the slave manipulator follow the command value. In FIG. 1, 101,1
Reference numeral 11 is an actuator drive signal, and 102 and 112 are manipulator position feedback signals. By performing such control, the master manipulator 1 and the slave manipulator 5 operate as shown in FIG. 3 (i) and stop at the positions of M1 and S1, respectively.

次に、この状態からスイッチ9を切換えて、力信号を
ジョイスティツク演算回路15に入力し、第3図(ii)の
(a)のように操作者が力を加えると、マスタマニピュ
レータ1は力に比例した位置指令値により動作するため
一旦位置M1から移動し再び力を零に戻した時刻t′
は位置M1に戻る。ところが、スレーブマニピュレータ5
は力を積分した位置指令値により動作するため、位置S1
から移動し、力を零に戻した時刻t′ではS2の位置で
停止する。
Next, the switch 9 is switched from this state, the force signal is input to the joystick operation circuit 15, and when the operator applies a force as shown in (a) of FIG. 3 (ii), the master manipulator 1 becomes Back again force temporarily moved from the position M 1 to operate by the position command value proportional to the force at time t '3 in the position M 1 returned to zero. However, slave manipulator 5
Operates with the position command value that integrates the force, so position S 1
When the force is returned to zero and the force is returned to zero, it stops at the position of S 2 at time t ′ 3 .

以上の説明では、理解しやすいようにマスタ及びスレ
ーブマニピュレータを1軸のものとして説明したが1軸
以上のマニピュレータの場合においても座標変換を用い
ることにより、本発明は成立する。
In the above description, the master and slave manipulators are described as having one axis for easy understanding, but the present invention is also realized by using coordinate conversion even in the case of a manipulator having one or more axes.

また、スレーブマニピュレータに加わっている力をマ
スタマニピュレータにフィードバックする、いわゆるバ
イラテラル・マスタ・スレーブマニピュレータの場合に
おいても本発明は成立する。
The present invention is also applicable to a so-called bilateral master-slave manipulator in which the force applied to the slave manipulator is fed back to the master manipulator.

[発明の効果] 本発明によれば、切換手段の操作だけで簡単にジョイ
スティック形マニピュレータとマスタ・スレーブ型マニ
ピュレータに切換えることができるので、スレーブマニ
ピュレータの正確な位置決めや精細な動作を行なった
り、操作者の小さい動作でスレーブマニピュレータを大
きく動かしたりすることができるので、マスタ・スレー
ブマニピュレータの操作性が非常に向上する。
[Effects of the Invention] According to the present invention, it is possible to easily switch between the joystick manipulator and the master / slave manipulator simply by operating the switching means. Therefore, accurate positioning and precise operation of the slave manipulator can be performed, and operation can be performed. Since the slave manipulator can be largely moved by a small motion of a person, the operability of the master / slave manipulator is greatly improved.

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

第1図は本発明の制御装置を備えたマスタ・スレーブマ
ニピュレータの実施例の構成を示す図、第2図は第1図
中の制御装置8の一例の構成を示す図、第3図(i),
(ii)は同実施例におけるマスタ・スレーブマニピュレ
ータの動作のタイムチャートを示す図である。 1……マスタマニピュレータ 3……力検出器 5……スレーブマニピュレータ 8……制御装置、9……スイッチ 10……マスタマニピュレータの位置決め装置 11……スレーブマニピュレータの位置決め装置 12……マスタ・スレーブの演算回路 15……ジョィスティック演算回路 18……切換器
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an embodiment of a master / slave manipulator provided with a control device of the present invention, FIG. 2 is a diagram showing a configuration of an example of the control device 8 in FIG. 1, and FIG. ),
(Ii) is a diagram showing a time chart of the operation of the master / slave manipulator in the embodiment. 1 ... Master manipulator 3 ... Force detector 5 ... Slave manipulator 8 ... Control device, 9 ... Switch 10 ... Master manipulator positioning device 11 ... Slave manipulator positioning device 12 ... Master / slave operation Circuit 15 …… Joystick operation circuit 18 …… Switcher

───────────────────────────────────────────────────── 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 (72)発明者 青木 立 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 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Hiroshi Yamamoto, 502 Jinrachicho, Tsuchiura-shi, Ibaraki Prefecture, Machinery Research Laboratory, Hitachi, Ltd. In-house

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】マスタマニピュレータと、スレーブマニピ
ュレータと、マスタマニピュレータに加わる力を検出す
る力検出器と、マスタマニピュレータの位置決め装置
と、スレーブマニピュレータの位置決め装置とを備える
マスタ・スレーブマニピュレータにおいて、入力信号の
積分値を前記マスタマニピュレータの位置決め装置及び
スレーブマニピュレータの位置決め装置への指令値とし
て出力するマスタ・スレーブ演算回路と、入力信号に比
例した値をマスタマニピュレータの位置決め装置への指
令値として出力し且つ入力信号の積分値をスレーブマニ
ピュレータの位置決め装置への指令値として出力するジ
ョイスディック演算回路と、前記の力検出器からの力信
号を前記両演算回路のどちらか一方に入力信号として切
換え接続する切換手段とを具備したことを特徴とするマ
スタ・スレーブマニピュレータの制御装置。
1. A master / slave manipulator including a master manipulator, a slave manipulator, a force detector for detecting a force applied to the master manipulator, a master manipulator positioning device, and a slave manipulator positioning device. A master / slave arithmetic circuit that outputs an integrated value as a command value to the positioning device of the master manipulator and a positioning device of the slave manipulator, and a value proportional to an input signal is output and input as a command value to the positioning device of the master manipulator. A joystick arithmetic circuit that outputs the integrated value of the signal as a command value to the positioning device of the slave manipulator, and a switching hand that switches and connects the force signal from the force detector to one of the arithmetic circuits as an input signal. Control device of a master-slave manipulator, characterized by comprising and.
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