JP2552977B2 - Force feedback type multi-axis operating device - Google Patents

Force feedback type multi-axis operating device

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JP2552977B2
JP2552977B2 JP3334314A JP33431491A JP2552977B2 JP 2552977 B2 JP2552977 B2 JP 2552977B2 JP 3334314 A JP3334314 A JP 3334314A JP 33431491 A JP33431491 A JP 33431491A JP 2552977 B2 JP2552977 B2 JP 2552977B2
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憲二 原
硬三 伊藤
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Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
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    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05GCONTROL DEVICES OR SYSTEMS INSOFAR AS CHARACTERISED BY MECHANICAL FEATURES ONLY
    • G05G1/00Controlling members, e.g. knobs or handles; Assemblies or arrangements thereof; Indicating position of controlling members
    • G05G1/58Rests or guides for relevant parts of the operator's body
    • G05G1/62Arm rests

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は力フィードバック型多軸
操作装置に係り、特に操作変換軸数を多くして高い制御
操作ができるようにし、マニピュレータ等の多軸の制御
対象物の制御が容易にできるようにした力フィードバッ
ク型多軸操作装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a force feedback type multi-axis operating device, and more particularly to increasing the number of operation converting axes to enable high control operation, and easy control of multi-axis controlled objects such as manipulators. The present invention relates to a force feedback type multi-axis operating device capable of performing.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来のジョイスティックやマニピュレー
タにおける力フィードバック式操作装置として、1〜2
軸タイプの力フィードバック式ジョイスティックやマニ
ピュレータを操作するためのバイラテラル式マスタアー
ムが知られている。
2. Description of the Related Art As a force feedback type operating device for a conventional joystick or manipulator, there are 1-2
A bilateral master arm for operating an axis-type force feedback joystick or a manipulator is known.

【0003】前者のジョイスティックの場合、自由度が
限られており、多自由度のマニピュレータ等を操作する
にはスイッチ切り替えが必要であり、またマニピュレー
タの移動方向とジョイスティックの操作方向が必ずしも
一致せずわかりにくいという欠点があり、多自由度の操
作には不向きであった。
In the case of the former joystick, the degree of freedom is limited, and it is necessary to switch the switch in order to operate a manipulator having many degrees of freedom, and the moving direction of the manipulator and the operating direction of the joystick do not always match. It had a drawback that it was difficult to understand, and it was not suitable for operation with multiple degrees of freedom.

【0004】これに対し、多自由度の操作に適する装置
となると後者のマニピュレータ操作用のバイラテラル用
マスタアームが知られているが、これは操作者にとって
腕を持上げた状態で操作するために、非常に操作が困難
で疲れ易い問題があった。
On the other hand, when it comes to a device suitable for multi-degree-of-freedom operation, the latter bilateral master arm for manipulator operation is known, but this is for the operator to operate with the arm raised. However, there was a problem that it was very difficult to operate and easily tired.

【0005】このような観点から、スレーブの構造によ
らない操作性のよいマスタアームの構造を考え、結果的
にマスタとスレーブが異構造となったシステムを構築す
ることが行われている。これは例えば、図7に示すよう
に、直交3軸1、2、3をラックアンドピニオン等によ
り3次元操作を可能とするとともに、その1要素に回転
軸等を介してグリップ4を取付け、グリップ操作をスレ
ーブ側に伝達するようにしたものである。このようにす
ることによって操作変位を直交座標系で取込み、制御が
容易になる利点が得られる。これに類似した装置として
パラレルリンク型(パンタグラフ型)も提案されてい
る。
From such a point of view, a structure of a master arm having good operability which does not depend on the structure of the slave is considered, and as a result, a system in which the master and the slave have different structures is constructed. For example, as shown in FIG. 7, this enables three-dimensional operation of the orthogonal three axes 1, 2, and 3 by a rack and pinion and the like, and a grip 4 is attached to one of the elements through a rotary shaft or the like. The operation is transmitted to the slave side. By doing so, the operation displacement can be captured in the Cartesian coordinate system, and there is an advantage that the control becomes easy. A parallel link type (pantograph type) is also proposed as a device similar to this.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
装置では、装置または取付スペースが大きく、特に操作
する者の腕が宙に浮いての作業となるため、疲れ易い作
業となるなどの欠点がある他、この種の操作方法ではバ
イラテラル方式としても、操作トルクや力感覚がグリッ
プを通じてのみ操作者に伝えられるため、十分な操作性
を持たせることができない欠点があった。
However, in the conventional device, the device or the installation space is large, and in particular, the operator's arm is floated in the air, so that the work is easily tired. In addition, even if the operation method of this kind is a bilateral method, the operation torque and the sense of force are transmitted to the operator only through the grip, so that there is a drawback that sufficient operability cannot be provided.

【0007】本発明は、上記従来の問題点に着目し、操
作者の上腕を支持することのできるアームを有して操作
者の疲労を軽減させる構造を持ちながら、直行座標系の
出力を発生させることのできる力フィードバック型多軸
操作装置であって、人間の腕へトルク/力感覚を伝える
ようにして操作性を一段と向上させた操作装置を提供す
ることを目的とする。
Focusing on the above-mentioned conventional problems, the present invention generates an output of the orthogonal coordinate system while having an arm capable of supporting the upper arm of the operator to reduce the fatigue of the operator. An object of the present invention is to provide a force feedback type multi-axis operating device which can be operated and which further improves operability by transmitting a torque / force sensation to a human arm.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る力フィードバック型多軸操作装置は、
腕を載せることができる伸縮可能なアームの一端を直交
する2つの回転軸を有する基端ブラケットを介して基台
に取り付け、前記アームの伸縮先端側にはグリップを取
り付け、当該グリップを前記アームに対し直交する3つ
の回転軸を有する先端ブラケットを介して取り付けてな
り、前記基端ブラケットおよび先端ブラケットの直交回
転軸をその交点が人間の肘関節および手首の中心に位置
するように取り付け、前記回転軸部および摺動軸部には
トルクおよび力制御可能なモータ等のアクチュエータを
連結するとともに各要素間の回転節および摺動節にはそ
の変位を検出するセンサを取り付けて回転および伸縮変
位を検出可能とし、各操作要素の操作に基づく前記セン
サの検出変位信号からスレーブの位置指令値を演算して
スレーブに出力するとともに、スレーブ側のセンサから
の検出信号および前記操作装置側センサからの検出信号
に基づき前記アクチュエータへの指令トルクを演算して
回転トルクの制御信号を出力する演算手段を備えた構成
とした。
In order to achieve the above object, a force feedback type multi-axis operating device according to the present invention comprises:
One end of an extendable arm on which an arm can be placed is attached to a base via a base bracket having two orthogonal rotation axes, and a grip is attached to the extension / contraction tip side of the arm, and the grip is attached to the arm. It is attached via a tip bracket having three rotation axes orthogonal to each other, and the orthogonal rotation axes of the base bracket and the tip bracket are attached so that their intersections are located at the centers of human elbow joints and wrists, and the rotation is performed. The shaft and sliding shafts are connected to actuators such as motors that can control torque and force, and the rotary and sliding nodes between each element are equipped with sensors that detect their displacements to detect rotational and expansion / contraction displacements. It is possible to calculate the position command value of the slave from the detected displacement signal of the sensor based on the operation of each operation element and output it to the slave. Together, and the structure having an arithmetic unit for outputting a detection signal and the control signal of the rotational torque by calculating a command torque to the actuator based on a detection signal from the operating device side sensor from the slave side of the sensor.

【0009】[0009]

【作用】上記構成によれば、アーム上に腕を載せてグリ
ップを握った状態で、手の動作と肘を中心とした腕の動
作をスレーブの制御指令として伝達することができる。
すなわち、手で握られるグリップが先端ブラケットを介
してアームに連結されているので、手首を中心にしてグ
リップ単体をひねったり、上下左右に回動させることが
できる。また、アーム自身は基台に直交2軸を有する基
端ブラケットを介して取り付けられているので、肘を中
心にしてアームを水平回転および俯仰回転させることが
できる。しかも、アーム自身は伸縮できるので、グリッ
プを握ったままで前後に移動させることができる。そし
て、各要素の節には回転角や摺動移動量の変位を測定す
るセンサを取り付けているので、各要素に対応したスレ
ーブの位置および速度制御ができ、三次元空間での位置
および姿勢制御が可能となる。この場合、上記構成を椅
子における肘掛アームに適用することによって、作業者
が椅子に座りながら、任意に腕および手を操作すること
ができ、作業性が向上する。
According to the above construction, the motion of the hand and the motion of the arm centering on the elbow can be transmitted as the control command of the slave while the arm is placed on the arm and the grip is gripped.
That is, since the grip that can be gripped by the hand is connected to the arm via the tip bracket, the grip alone can be twisted or rotated vertically and horizontally around the wrist. Further, since the arm itself is attached to the base via a base end bracket having two orthogonal axes, the arm can be horizontally rotated and vertically rotated about the elbow. Moreover, since the arm itself can expand and contract, it can be moved back and forth while holding the grip. Since the sensor that measures the displacement of the rotation angle and the amount of sliding movement is attached to the node of each element, it is possible to control the position and speed of the slave corresponding to each element, and to control the position and attitude in three-dimensional space. Is possible. In this case, by applying the above configuration to the armrest arm of the chair, the worker can arbitrarily operate the arm and hand while sitting on the chair, and the workability is improved.

【0010】特に、この発明では、スレーブから前記移
動体が他の構成体との間で生じる力の作用力を検出信号
として直接あるいは間接的に前記演算手段に送出され
る。この検出信号は直接トルク指令として、あるいは作
用力に対応する間接コマンドとして入力される。これを
入力した演算手段は各要素を結合している節のアクチュ
エータに対し、操作角の情報を基にして制御トルクを算
出して制御電流を出力し、操作装置側の各操作要素部材
に操作力をフィードバックすることができる。これによ
って操作装置の操作感覚はスレーブにおける移動体が受
ける作用力が反映されたものとなり、臨場感のある操作
性が発揮されるのである。
In particular, in the present invention, the acting force of the force generated by the slave from the slave to other constituents is directly or indirectly sent to the arithmetic means as a detection signal. This detection signal is input as a direct torque command or an indirect command corresponding to the acting force. The arithmetic means that inputs this calculates the control torque based on the information of the operating angle and outputs the control current to the actuator of the node connecting each element, and operates each operating element member on the operating device side. Power can be fed back. As a result, the operation feeling of the operation device reflects the acting force received by the moving body in the slave, and operability with a sense of reality is exhibited.

【0011】[0011]

【実施例】以下に、本発明に係る力フィードバック型多
軸操作装置の具体的実施例を図面を参照して詳細に説明
する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Specific embodiments of a force feedback type multi-axis operating device according to the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.

【0012】図1〜図2は実施例に係る多軸操作装置の
側面図および平面図を示し、図3はそのスケルトン図を
示す。図示のように、この多軸操作装置11はほぼ腕長
さに相当する長さを有するアーム13を有しており、こ
の上に腕を載せることができるようになっている。アー
ム13は第1アーム13Aと第2アーム13Bとからな
り、両者は相互に摺動可能に連結されて伸縮動作を可能
としている。これは実施例の場合アリとアリ溝による摺
動機構によってアーム13の長手方向に伸縮できるよう
に形成されている。第1アーム13Aの摺動機構は第2
アーム13Bの下面側に配置され、腕を載せた際に第1
アーム13Aが手による伸縮動作時の障害にならないよ
うに配慮している。この摺動案内はリニアガイド15に
よっており、これによって伸縮方向がアーム軸心方向に
一致するように設定している。
1 and 2 are a side view and a plan view of a multi-axis operating device according to an embodiment, and FIG. 3 is a skeleton diagram thereof. As shown in the figure, the multi-axis operating device 11 has an arm 13 having a length substantially corresponding to the arm length, on which the arm can be placed. The arm 13 is composed of a first arm 13A and a second arm 13B, both of which are slidably connected to each other so that they can be expanded and contracted. In the case of the embodiment, this is formed so that it can be expanded and contracted in the longitudinal direction of the arm 13 by the sliding mechanism by the dovetail and the dovetail groove. The sliding mechanism of the first arm 13A is the second
It is arranged on the lower surface side of the arm 13B, and when the arm is placed, the first
Care is taken so that the arm 13A does not hinder the extension and contraction operation by the hand. This sliding guide is a linear guide 15, which is set so that the extension / contraction direction coincides with the arm axis direction.

【0013】このような伸縮可能なアーム13は固定基
台17に取り付けられており、第1アーム13Aの基端
を、直交する2つの回転軸を有するブラケット19を介
して水平回転と俯仰回転ができるように取り付けられて
いる。すなわち、基端ブラケット19は、基台17の表
面に垂直軸心をもつように形成された円筒ボスに挿通さ
れる垂直回転軸19Aと、その上端に一体的に形成され
たL字型ブラケット部19Bからなり、基台17の円筒
ボスに垂直回転軸19Aを差込むことにより、L字型ブ
ラケット部19Bが垂直回転軸19Aを中心として水平
回転が自在にできるように取り付けられている。また、
L字型ブラケット部19Bは、第1アーム13Aの基端
片側を保持するようにされ、アーム13の長手方向と直
交する方向に沿って配置された水平回転軸21によって
第1アーム13Aが俯仰回転できるように連結してい
る。したがって、アーム13は基台17との連結部分を
中心として全体を水平回転させ、またアーム13(第2
アーム13B)の先端を上下方向に揺動させるいわゆる
俯仰動作が自由にできるようになっている。この場合、
前記回転軸19A、21の中心軸の交点が操作する腕2
3の肘中心に一致するように設定されている。
Such an extendable arm 13 is attached to a fixed base 17, and the base end of the first arm 13A can be horizontally and vertically rotated via a bracket 19 having two orthogonal rotation axes. It is attached so that you can. That is, the base end bracket 19 includes a vertical rotation shaft 19A which is inserted into a cylindrical boss formed on the surface of the base 17 so as to have a vertical axis, and an L-shaped bracket portion integrally formed on the upper end thereof. The vertical rotation shaft 19A is attached to the cylindrical boss of the base 17 so that the L-shaped bracket portion 19B can be horizontally rotated about the vertical rotation shaft 19A. Also,
The L-shaped bracket portion 19B is configured to hold one side of the base end of the first arm 13A, and the first arm 13A is rotated downward by a horizontal rotary shaft 21 arranged along a direction orthogonal to the longitudinal direction of the arm 13. It is connected as possible. Therefore, the arm 13 horizontally rotates about the connecting portion with the base 17, and the arm 13 (second
It is possible to freely perform a so-called elevation motion in which the tip of the arm 13B) is swung in the vertical direction. in this case,
The arm 2 operated by the intersection of the central axes of the rotating shafts 19A and 21.
It is set so as to coincide with the center of the elbow of 3.

【0014】また、伸縮移動できる第2アーム13Bの
先端には操作グリップ25が取り付けられているが、こ
れはグリップを棒状グリップとし、アーム13の先端に
先端ブラケット27、29、37によって直交3軸回り
に回転できるように構成したものである。すなわち、第
2アーム12Bの先端に形成した円筒ボスに挿通される
垂直軸31を中心として水平回転できるL字型に曲げら
れた第1ブラケット27が取り付けられている。このブ
ラケット27の垂直板部には前記垂直軸31と直交する
第1水平軸33が取り付けられ、これに平面L字型に曲
げられた第2ブラケット29を取り付けたものとなって
いる。したがって、第2ブラケット29はアーム13の
前方位置で第1ブラケット27に対して上下揺動可能と
されるとともに、両先端ブラケット27、29は同時に
第2アーム13Bの先端で一体に水平回転可能とされて
いる。第2ブラケット29の一片はアーム13の前方を
横断するように屈曲されているが、これにはアーム13
の軸線に沿う第2水平軸35を取り付けており、当該第
2水平軸35にグリップフレーム37を取付け、このフ
レーム37に前記棒状グリップ25を取付けることによ
り、グリップ25が第2水平軸35まわりにいわゆるロ
ーリング回転ができるように取り付けられている。この
ように構成することにより、グリップ25はアーム13
の先端側で直交3軸の回りに回転することができ、当該
操作装置によって操作されるマニピュレータは三次元空
間での位置・姿勢のデータ(6次元)を生成することが
できるものとなる。
Further, an operating grip 25 is attached to the tip of the second arm 13B which can be expanded and contracted. The grip is a rod-like grip, and the tip of the arm 13 is provided with tip brackets 27, 29 and 37 for three orthogonal axes. It is configured so that it can rotate around. That is, the first bracket 27 bent in an L-shape that is horizontally rotatable about the vertical shaft 31 inserted into the cylindrical boss formed at the tip of the second arm 12B is attached. A first horizontal shaft 33 orthogonal to the vertical shaft 31 is attached to the vertical plate portion of the bracket 27, and a second bracket 29 bent in a plane L shape is attached to the first horizontal shaft 33. Therefore, the second bracket 29 can be vertically swung with respect to the first bracket 27 at the front position of the arm 13, and both tip brackets 27 and 29 can be horizontally rotated integrally at the tip of the second arm 13B at the same time. Has been done. One piece of the second bracket 29 is bent so as to traverse the front of the arm 13, and
The second horizontal shaft 35 is attached along the axis of the above, the grip frame 37 is attached to the second horizontal shaft 35, and the rod-shaped grip 25 is attached to the frame 37, so that the grip 25 moves around the second horizontal shaft 35. It is attached to allow so-called rolling rotation. With such a configuration, the grip 25 is fixed to the arm 13
It is possible to rotate around the three orthogonal axes on the tip side of the manipulator, and the manipulator operated by the operating device can generate position / orientation data (6D) in a 3D space.

【0015】なお、上記構成において、人間の手首の中
心に対し、アーム13の先端に設けたグリップ25の直
交回転軸の中心が一致するように各回転軸31、33、
35を配置している。
In the above structure, the rotary shafts 31, 33, 33, so that the center of the orthogonal rotary shaft of the grip 25 provided at the tip of the arm 13 coincides with the center of the human wrist.
35 are arranged.

【0016】このような構成により、アーム13の全体
を基端側の直交3軸19A、21、摺動軸15によって
三次元動作を可能とし、更にアーム13の先端部におい
てグリップ25も直交3軸31、33、35を中心とし
て三次元動作ができるようにしている。
With such a structure, the arm 13 as a whole can be three-dimensionally moved by the orthogonal three axes 19A and 21 on the base end side and the sliding shaft 15, and the grip 25 at the tip of the arm 13 also has three orthogonal axes. The three-dimensional movement can be performed around 31, 33, and 35.

【0017】上述のように回転節および摺動節をもつ操
作装置11には、更に各要素の操作力をフィードバック
制御するため制御装置が設けられている。まず、回転節
を構成している回転軸19A、21、31、33、35
にはトルク制御可能な回転モータ39が連結され、摺動
節を構成する第1アーム13Aと第2アーム13Bの間
には同様に力制御が可能なリニアモータ41またはボー
ルスクリュウ付きのモータが取付けられている。更に、
各要素間の回転節および摺動節にはその変位を検出する
ためにポテンショメータやロータリエンコーダ等からな
るセンサ43を取り付けて回転および伸縮変位を検出可
能としている。
As described above, the operating device 11 having the rotary node and the sliding node is further provided with a control device for feedback controlling the operating force of each element. First, the rotary shafts 19A, 21, 31, 33, 35 forming the rotary node
A torque-controllable rotation motor 39 is connected to, and between the first arm 13A and the second arm 13B that form a sliding joint, a linear motor 41 or a motor with a ball screw that can similarly control force is attached. Has been. Furthermore,
Sensors 43 such as potentiometers and rotary encoders are attached to the rotary joints and sliding joints between the respective elements in order to detect their displacements, so that rotational and expansion / contraction displacements can be detected.

【0018】前記制御装置は、各操作要素の操作に基づ
く前記操作装置の角度および変位センサの検出信号から
スレーブの移動体移動量を演算してスレーブに出力する
とともに、スレーブ側変位および力センサからの検出信
号および前記操作装置側センサからの検出信号に基づき
前記アクチュエータへの指令トルクを演算して回転トル
クの制御信号を出力するように構成されている。この制
御装置の構成例を図4に示す。これはいわゆるジョイス
ティックとしての操作を行わせるためのもので、操作装
置の各軸に対して中立点に復帰するようなトルク制御
(剛性制御)を行わせるようにしたものである。すなわ
ち、ジョイスティックとして操作装置11の各軸の出力
変位はポテンショメータ等のセンサ43によって検出さ
れ、制御装置45はこれを入力するようにしている。例
えば回転軸21の回転変位αがセンサ43から逐次制御
装置45に入力され、これは第1の利得変換器47にて
所定のゲインが与えられる。利得変換器47では座標変
換器49を介してスレーブ側の対象アームに対する変位
速度Δθrを出力し、これを積分器51に入力させる。
積分器51の出力は指令値としての位置変位θとなるの
で、これを加算器53、第2利得変換器55を介してス
レーブアームのモータ57に出力させる。スレーブアー
ムにも変位センサ59が設けられ、フィードバック信号
θpを前記加算器53に出力し、フィードバック制御に
より操作装置の操作量に一致させるようにしている。こ
のような制御装置45にはスプリングリターン演算部6
1が設けられ、これは前記回転軸21の変位を取込み、
この回転軸21を中立点に復帰させる方向へのトルク信
号を前記回転モータ39に出力するようにしている。こ
のときの操作装置側での各軸のトルクと角度の関数は図
4(2)で表されるので、これを所定の関数F(α)と
してコンピュータによるソフトウェアサーボで行い、あ
るいは電気回路的に構成して操作量に応じたフィードバ
ック信号iをモータ39に出力するようにすればよい。
The control device calculates the moving amount of the moving body of the slave from the detection signals of the angle of the operating device and the displacement sensor based on the operation of each operating element and outputs it to the slave, and the displacement and force sensor of the slave side. Is calculated and the command torque to the actuator is calculated based on the detection signal from the operation device side sensor, and the control signal of the rotation torque is output. FIG. 4 shows a configuration example of this control device. This is for performing an operation as a so-called joystick, and is for performing torque control (rigidity control) for returning each axis of the operating device to the neutral point. That is, the output displacement of each axis of the operating device 11 as a joystick is detected by the sensor 43 such as a potentiometer, and the control device 45 inputs this. For example, the rotational displacement α of the rotary shaft 21 is input from the sensor 43 to the sequential control device 45, which is given a predetermined gain by the first gain converter 47. The gain converter 47 outputs the displacement velocity Δθ r with respect to the target arm on the slave side via the coordinate converter 49, and inputs this to the integrator 51.
Since the output of the integrator 51 becomes the position displacement θ as a command value, it is output to the motor 57 of the slave arm via the adder 53 and the second gain converter 55. The slave arm is also provided with a displacement sensor 59, which outputs a feedback signal θ p to the adder 53 so as to match the operation amount of the operating device by feedback control. Such a control device 45 includes a spring return calculator 6
1 is provided, which takes in the displacement of said rotary shaft 21,
A torque signal for returning the rotary shaft 21 to the neutral point is output to the rotary motor 39. The function of the torque and angle of each axis on the operating device side at this time is shown in FIG. 4 (2), so this is performed by software servo by a computer as a predetermined function F (α), or by an electric circuit. The feedback signal i according to the operation amount may be output to the motor 39.

【0019】制御ループおよびゲイン、関数をソフトウ
ェアで作成するソフトウェアサーボによって構築するこ
とによって、システムはより凡用的になり、モード切換
えで、図5のバイラテラルマスタスレーブモードへ変換
させることも可能である。図5は力逆送型のバイラテラ
ルマスタスレーブのシステムを構成した場合である。す
なわち、スレーブアーム側には力センサ63が取付けら
れており、この検出信号を前記スプリングリターン演算
部61の代りに備えた利得変換器65に出力させるよう
にしている。この場合、マスタとスレーブとが異構造で
あるため、途中に座標変換器67を介在させている。こ
の利得変換器65の出力によってスレーブの受ける力が
マスタ側に伝達されて例えばスレーブが部材接触した状
態が反力としてマスタ側に伝えられることになる。それ
故、操作臨場感のあるマスタ操作が可能となる。
By constructing the control loop, the gain, and the function by the software servo created by software, the system becomes more general and can be converted to the bilateral master slave mode of FIG. 5 by mode switching. is there. FIG. 5 shows a case where a force reverse transfer bilateral master-slave system is configured. That is, the force sensor 63 is attached to the slave arm side, and this detection signal is output to the gain converter 65 provided in place of the spring return calculation unit 61. In this case, since the master and the slave have different structures, the coordinate converter 67 is interposed in the middle. By the output of the gain converter 65, the force received by the slave is transmitted to the master side, and for example, the state in which the slave is in contact with the member is transmitted to the master side as a reaction force. Therefore, it is possible to perform master operation with a sense of realism.

【0020】このような各制御モードシステムを一般的
に表した例が図6である。すなわち、操作装置側の出力
変位を取込むとともに、スレーブ側の変位や力センサか
らの信号を取込み、所定のトルク制御をなすように構成
された関数変換部69を設けておき、この関数変換部5
9からの出力によって操作装置におけるモータ39に必
要なトルク指令を与え、中立点へのスプリングリターン
やスレーブでの操作抵抗に応じた抵抗を操作装置側の各
操作部材の変位抵抗トルクとしてフィードバックさせる
ことができる。
FIG. 6 shows a general example of each control mode system as described above. That is, a function conversion unit 69 configured to perform a predetermined torque control by capturing an output displacement of the operating device side, a slave side displacement, and a signal from the force sensor is provided. 5
A necessary torque command is given to the motor 39 in the operating device by the output from 9, and the resistance according to the spring return to the neutral point or the operating resistance in the slave is fed back as the displacement resistance torque of each operating member on the operating device side. You can

【0021】このように構成された多軸操作装置11で
は、腕をアーム13に載せ、グリップ25を握ることで
操作準備ができる。そして、肘を中心として腕を移動さ
せることによりアーム13が基端ブラケット19を中心
として任意の位置に移動される。また腕を前後に移動さ
せることにより、第2アーム12Bが伸縮移動しアーム
13の長さを変更することができる。このような操作に
よりアーム13の先端位置3自由度を決定しながら、グ
リップ25部分のみを単独で3軸方向に駆動することが
でき、先端グリップ25を従来のジョイスティックやマ
スタアームと同様に扱うことができる。このような各要
素の動きはそれらの節に設けられたセンサによって取込
まれ、図示しないコントローラを経てマニピュレータの
先端を動作させることができる。すなわち、先端グリッ
プ25を操作することにより、各軸の中立点よりの偏差
に比例した変位や速度をマニピュレータの作業座標系に
おいて指令を与え、マニピュレータ先端の位置・姿勢を
制御することができるのである。そして、各回転節や摺
動節にはトルク制御モータ39、41が取付けられて操
作抵抗等、操作する作業者の腕にトルク・力感覚を伝え
ることができ、これによって操作臨場感を操作装置側で
得ることができるようになるのである。
In the multi-axis operating device 11 thus constructed, the arm can be placed on the arm 13 and the grip 25 can be gripped to prepare for the operation. Then, by moving the arm around the elbow, the arm 13 is moved to an arbitrary position around the base bracket 19. Further, by moving the arm back and forth, the second arm 12B expands and contracts to change the length of the arm 13. With such an operation, the tip position 3 of the arm 13 can be determined, and only the grip 25 can be driven independently in the three axial directions, and the tip grip 25 can be handled in the same manner as a conventional joystick or master arm. You can The movement of each of these elements is captured by the sensors provided in those nodes, and the tip of the manipulator can be operated via a controller (not shown). That is, by operating the tip grip 25, it is possible to control the position / orientation of the tip of the manipulator by giving a command in the working coordinate system of the manipulator, a displacement and a velocity proportional to the deviation from the neutral point of each axis. . Torque control motors 39 and 41 are attached to each of the rotary nodes and the slide nodes so that the sense of torque and force, such as the operating resistance, can be transmitted to the arm of the operator who operates the operating device. You will be able to get it on your side.

【0022】このような実施例の多軸操作装置11を椅
子の肘掛アームに適用することにより、作業者が座って
操作できるようにすることが可能である。
By applying the multi-axis operating device 11 of such an embodiment to an armrest arm of a chair, it is possible for an operator to sit and operate.

【0023】なお、本発明では上記の基本構造を有する
とともに各軸に角度検出器(例えばポテンショメータ、
エンコーダ等)とアクチュエータを有する軸は必ずしも
全軸必要ではなく、用途によっては軸数を少なくしても
よい。
The present invention has the above-mentioned basic structure and has an angle detector (eg potentiometer,
The axes having encoders and the like) and actuators are not necessarily all axes, and the number of axes may be reduced depending on the application.

【0024】[0024]

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る力フ
ィードバック型多軸操作装置によれば、操作する者の腕
の肘や手首の中心にて各々3軸直交操作を行わせること
ができるとともに、各軸にアクチュエータを配置し、こ
のアクチュエータのトルクおよび力をソフトウェアで制
御することによって、あるときはジョイスティックモー
ド、あるときはバイラテラルマスタスレーブモード等
と、状況に応じて様々な機能を発揮する汎用的かつフレ
キシブルな操作装置になり得るという優れた効果が得ら
れる。
As described above, according to the force feedback type multi-axis operating device of the present invention, it is possible to perform three-axis orthogonal operation at the center of the elbow or wrist of the operator's arm. In addition, by arranging an actuator on each axis and controlling the torque and force of this actuator with software, it exhibits various functions depending on the situation, such as joystick mode at one time, bilateral master slave mode at some time It is possible to obtain an excellent effect that it can be a versatile and flexible operating device.

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

【図1】実施例に用いられる力フィードバック型多軸操
作装置の側面図である。
FIG. 1 is a side view of a force feedback type multi-axis operating device used in an embodiment.

【図2】同操作装置の平面図である。FIG. 2 is a plan view of the operating device.

【図3】同操作装置のスケルトン図である。FIG. 3 is a skeleton diagram of the operating device.

【図4】力フィードバック型多軸操作装置のジョイステ
ィックモードの制御ブロック図である。
FIG. 4 is a control block diagram of a joystick mode of the force feedback type multi-axis operating device.

【図5】力フィードバック型多軸操作装置のバイラテラ
レルマスタスレーブモードの制御ブロック図である。
FIG. 5 is a control block diagram of a force feedback type multi-axis operating device in a bilateral larel master slave mode.

【図6】力フィードバック型多軸操作装置の一般的なシ
ステム構成のブロック図である。
FIG. 6 is a block diagram of a general system configuration of a force feedback type multi-axis operating device.

【図7】従来のマスタアームとしての操作装置の構成を
示す斜視図である。
FIG. 7 is a perspective view showing a configuration of a conventional operating device as a master arm.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 操作装置 13(13A、13B) アーム 15 リニアガイド 17 固定基台 19(19A、19B) 基端ブラケット 19A 垂直回転軸 21 水平回転軸 23 腕 25 操作グリップ 27、29 先端ブラケット 31 垂直軸 33 第1水平軸 35 第2水平軸 37 グリップフレーム 39 トルク制御回転モータ 41 トルク制御リニアモータ 43 センサ 45 制御装置 47、55、65 利得変換器 49、67 座標変換器 51 積分器 53 加算器 57 スレーブアームモータ 59 スレーブアームセンサ 61 スプリングリターン演算部 63 力センサ 69 関数変換部 11 Operating Device 13 (13A, 13B) Arm 15 Linear Guide 17 Fixed Base 19 (19A, 19B) Base Bracket 19A Vertical Rotation Axis 21 Horizontal Rotation Axis 23 Arm 25 Operation Grip 27, 29 Tip Bracket 31 Vertical Axis 33 1st Horizontal axis 35 Second horizontal axis 37 Grip frame 39 Torque control rotary motor 41 Torque control linear motor 43 Sensor 45 Controller 47, 55, 65 Gain converter 49, 67 Coordinate converter 51 Integrator 53 Adder 57 Slave arm motor 59 Slave arm sensor 61 Spring return calculation unit 63 Force sensor 69 Function conversion unit

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 前腕部を載せることができる伸縮可能な
アームの肘部分に対応する基端を直交する2つの回転軸
を有する基端ブラケットを介して水平回転および俯迎回
転可能に固定基台に取り付け、前記アームの伸縮先端側
にはグリップを取り付け、当該グリップを前記アームに
対し直交する3つの回転軸を有する先端ブラケットを介
して水平回転、俯迎回転、ローリング回転可能に取り付
けてなり、前記基端ブラケットおよび先端ブラケットの
直交回転軸をその交点が人間の肘関節および手首の中心
に位置するように取り付け、前記回転軸部および摺動軸
部にはトルクおよび力制御可能なモータ等のアクチュエ
ータを連結するとともに各要素間の回転節および摺動節
にはその変位を検出するセンサを取り付けて回転および
伸縮変位を検出可能とし、各操作要素の操作に基づく前
記センサの検出変位信号からスレーブの位置指令値を演
算してスレーブに出力するとともに、スレーブ側のセン
サからの検出信号および前記操作装置側センサからの検
出信号に基づき前記アクチュエータへの指令トルクを演
算して回転トルクの制御信号を出力する演算手段を備え
たことを特徴とする力フィードバック型多軸操作装置。
1. An expandable / contractible structure on which a forearm can be placed.
Horizontal rotation and depression via a base bracket having two rotation axes orthogonal to the base end corresponding to the elbow part of the arm
It is rotatably attached to a fixed base, and a grip is attached to the expansion and contraction tip side of the arm, and the grip is horizontally rotated, lowered, and rolled through a tip bracket having three rotation axes orthogonal to the arm. The rotation shaft portion and the sliding shaft are attached so that the orthogonal rotation shafts of the proximal end bracket and the distal end bracket are attached such that their intersections are located at the centers of the human elbow joint and wrist. An actuator such as a motor that can control torque and force is connected to the section, and a sensor that detects the displacement is attached to the rotating node and sliding node between each element to detect rotation and expansion and contraction displacement. The position command value of the slave is calculated from the displacement signal detected by the sensor based on the above operation and output to the slave, and detected from the sensor on the slave side. No. and force feedback type multi-axis manipulation device, characterized in that by calculating a command torque having an arithmetic unit for outputting a control signal of the rotational torque to the actuator based on a detection signal from the operation unit side sensor.
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