JP2624830B2 - バイラテラルマスタスレーブマニピュレータ - Google Patents

バイラテラルマスタスレーブマニピュレータ

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JP2624830B2
JP2624830B2 JP9520789A JP9520789A JP2624830B2 JP 2624830 B2 JP2624830 B2 JP 2624830B2 JP 9520789 A JP9520789 A JP 9520789A JP 9520789 A JP9520789 A JP 9520789A JP 2624830 B2 JP2624830 B2 JP 2624830B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明は原子燃料再処理工場等、人間の近付き難い環
境における作業を遠隔操作で行い得るマスタスレーブマ
ニピュレータ、特にスレーブアームに作用している作業
力を操作員にフィードバックするバイラテラルマスタマ
ニピュレータに係る。
(従来の技術) 第5図A〜第5図Bは従来の代表的なバイラテラルマ
スタスレーブマニピュレータ3種の概略構成を示す。第
5図Aに示されたのは対称型、第5図Bに示されたのは
力逆送型、第5図Cに示されたのは力帰還型である。こ
れ等の図において、マスタ側アーム1、スレーブ側アー
ム2共に電動機駆動とされている。而して、第5図Aの
対称型においては前記各アームに設けた位置検出器3、
4の検出出力θ1、θ2が比較回路5において比較され、
比較回路5の出力は位置調節器6、7を介して前記各ア
ームを駆動する電動機を制御する。
また、第5図Bの力逆送型においてはスレーブ側アー
ム2に作用するトルクT2がトルク検出器8によって検出
され、トルク伝達器9を介してマスタ側アーム1の制御
機構にフィードバックされている。
第5図Cの力帰還型においてはトルク検出器10によっ
てマスタ側アーム1に作用するトルクT1の検出もなされ
ており、トルク検出器8、10の出力は比較回路11におい
て比較され、この比較回路の出力はトルク調節器12を介
してマスタ側アーム1の制御機構にフィードバックされ
ている。
上記何れの構成のマスタスレーブマニピュレータにお
いても、マレーブ側アーム2に作用する作業負荷はマス
タ側アーム1の制御機構に伝達され、作業者はマニピュ
レータの操作に際してスレーブ側アーム2に作用する作
業負荷を知ることができる。
(発明が解決しようとする課題) 上記列挙した従来のバイラテラルマスタスレーブマニ
ピュレータの何れにおいても、マスタアームの操作性は
マスタ側に採用したサーボ系によって左右される。通常
は駆動電動機と被駆動アームとの間に高減速化の減速機
を介在させているため、作業者の思ったような速さでマ
スタアーム1を動作させることはできず、マスタ側にス
レーブアーム2の負荷状態が忠実に伝達されない欠点が
ある。このような欠点を除去するため、減速機を介在さ
せないダイレクトドライブのマスタアームも提案されて
いるが、この方式のものはマスタアームの寸法、重量は
大きくなり、システムが高価になる等の欠点があるた
め、実用化するには問題があった。
本発明は上記の事情に基づきなされたもので、スレー
ブアームの負荷状態をマスタ側に忠実に伝達することが
でき、しかもマスタアームが大型化、大重量化すること
なく、比較的安価に構成できるバイラテラルマスタスレ
ーブマニピュレータを提供することを目的としている。
[発明の構成] (課題を解決するための手段) 本発明のバイラテラルマスタスレーブマニピュレータ
は、操作グリッパを具えこれにより操作されるマスタア
ームの関節に関節のアクチュエータとしてパウダブレー
キを設け、前記操作グリッパによって駆動されるマスタ
アームの動きに追従され操作グリッパによって操作され
るロボットハンドを具えたスレーブアームの対応する関
節にはブレーキ付減速電動機により前記関節を駆動する
駆動部を設け、前記パウダブレーキおよび前記駆動部に
は各関節の角度を検出するポテンショメータを設け、前
記各ポテンショメータの出力により前記パウダブレーキ
および前記駆動部を制御する制御計算機とを設けたこと
を特徴とする。
(作用) 上記構成の本発明のバイラテラルマスタスレーブマニ
ピュレータにおいては、パウダブレーキをマスタアーム
関節における拘束力発生用に使用しているため、応答性
に優れしかもマスタアーム動作速度の影響を受けない高
精度の大きな拘束トルクを得ることができる。また、マ
スタアームにおいては減速機を使用していないので、摩
擦トルク等の損失トルクを最小限とすることができ、無
負荷状態での力帰還を達成することができる。
(実施例) 第1図は本発明一実施例の斜視図である。この図にお
いて、マスタアーム11、スレーブアーム12は同一構造で
あり、回転・揺動・伸縮等の動作軸で構成された多自由
度の多関節ロボットアームである。この実施例では6自
由度のものとしてある。前記マスタアーム11の先端には
操作グリッパ13が設けてあり、スレーブアーム12の先端
にはロボットハンド14が設けてある。なお、各アーム先
端と前記操作グリッパ13との間、ロボットハンド14との
間には、それぞれ6軸力センサ15、16が設けられてい
る。マスタアーム11を構成するリンク17aと17bとの間の
関節には、パウダブレーキ18が設けてある。なお、19は
マスタアーム基台、20はカウンタウェイトを示す。一
方、スレーブアーム12のリンク21a、21b間の関節には駆
動部22が設けられている。なお、23はスレーブアーム基
台を示す。
第2図はパウダブレーキ18をアクチュエータとするマ
スタアーム11の揺動関節を示す図である。この図におい
て、リンク17aに対して揺動されるリンク17bはリンク17
a先端の軸受24に可回動に支承される軸25を有し、パウ
ダブレーキ18は前記軸25に対して制動力をおよぼすもの
としてある。また、軸25にはポテンショメータ26の軸26
aが固定され、ポテンショメータ26は軸25の回動角を検
出するものとされている。
第3図はスレーブアーム12における揺動関節を示す図
である。この図において、リンク21aに対して揺動され
るリンク21bには軸27が固定され、この軸はリンク21a先
端の軸受28に可回動に支承されている。なお、駆動部22
はブレーキ付減速電動機22aを有し、その出力軸29は前
記軸27と固着されている。図中、22bはブレーキ、22cは
減速機、22dはエンコーダを示している。さらに、軸27
にはポテンショメータ30の軸30aが固定してあり、ポテ
ンショメータ30によって軸27の回動角を検出するように
してある。
第4図は本実施例の電気的制御回路を示す。この制御
回路は制御計算機31、6軸力センサ15、16の出力を増巾
して前記計算機31に6軸力センサ信号32、33として印加
する6軸力センサ用アンプ34、35、計算機31からの印加
電圧指令36を受けてパウダブレーキ18を駆動するパウダ
ブレーキ用サーボアンプ37、パウダブレーキ18と軸を結
合されたポテンショメータ26の出力をデジタルのポテン
ショメータ信号38として計算機31に入力するA/Dコンバ
ータ39、計算機31の発する指令電流信号40を受け、この
信号とエンコーダ22dからフィードバックされるエンコ
ーダ出力とによって、駆動部22の電動機22aを制御する
電動機用サーボアンプ41、駆動部22の軸29と軸を結合さ
れたポテンショメータ30の出力を、デジタル値のポテン
ショメータ信号42として計算機31に入力するA/Dコンバ
ータ43を有する。
上記構成の制御回路によってマスタアーム11によるス
レーブアーム12の駆動、制御は次のようにしてなされ
る。すなわち、通常は計算機31はマスタアーム11の関節
のポテンショメータ26の出力により、スレーブアーム12
を駆動する駆動部22の制御を行い、スレーブアーム12の
関節にマスタアーム11の関節の屈曲に追従した屈曲を行
わせた。今、ここでスレーブアーム12のリンク21a、21b
に作用する作業負荷トルクがマスタアーム11の対応する
リンク17a、17b間の拘束力よりも大きく、しかもスレー
ブアーム12のリンク21a、21bがマスタアーム11のリンク
17a、17bに追従しようとすると、この追従により前記作
業負荷トルクが増大する方向にある場合には、マスタア
ーム11の関節の対応するトルクを前記トルクに追従制御
するトルク制御がなされる。この制御は計算機31によっ
てなされる。すなわち、計算機31がポテンショメータ2
6、30の出力をデジタル化したポテンショメータ信号3
8、42、6軸力センサ15、16の出力をデジタル化した6
軸力センサ信号32、33によって演算処理を行い、指令電
流信号40を電動機22a制御用のサーボアンプ41に出力し
前記のトルク追従制御を実行する。
各関節のトルクは、アーム先端に作用する力・モ
ーメントとヤコビ行列Jの転置行列より次式から求め
ることができる。
ここで、アーム先端に係る力F・モーメントMは6軸
力センサ15、16の出力から直接に求められる。また、ヤ
コビ行列Jの転置行列JTは各関節のポテンショメータ2
6、30の出力から各関節の動作角度を求め、それ等から
演算によって求めることができる。
次に、マスタアーム11の制御について説明する。マス
タアーム11のリンク17a、17b間の関節に設けられたパウ
ダブレーキ18は、スレーブアーム12の先端に作用する作
業負荷によって制御される。すなわち、式(1)から求
めたリンクiでの拘束トルクTMi、スレーブアーム12の
作業負荷トルクTSiからそのリンクiに作用させる目標
ブレーキトルクTBiは次式(2)から求められる。
TMi×TSi>0の時TBi=|TSi| ……(2) TMi×TSi≦0の時TBi=0 ……(2) この値に比例した印加電圧指令信号36が計算機31から
パウダブレーキ用サーボアンプ37に与えられ、パウダブ
レーキ18は前記ブレーキ力TBiを作用させるよう制御さ
れる。
上記から明らかなように本発明のバイラテラルマスタ
スレーブマニピュレータは、非常に簡単な構成で安価に
提供できる。
本発明のバイラテラルマスタスレーブマニピュレータ
では、パウダブレーキをマスタアーム関節における拘束
力発生用に使用しているため、応答性に優れしかもマス
タアーム動作速度の影響を受けない高精度の大きな拘束
トルクを得ることができる。また、マスタアームにおい
ては減速機を使用していないので、摩擦トルク等の損失
トルクを最小限とすることができ、無負荷状態での力帰
還を達成することができる。
また、本発明のバイラテラルマスタスレーブマニピュ
レータにおいては、スレーブアーム12を負荷が増大する
方向に動作させる時だけマスタアーム11に力を帰還させ
て双方向効果を発揮させるようにしているから、力フィ
ードバックを必要としない自由空間内でのスレーブアー
ム12の高速移動を行うことができる。すかわち、従来の
双方向マニピュレータにおいては、前記のような高速移
動を行うに際して駆動制御系の限界によってマスタアー
ム11の操作負荷を完全に0とすることはできず、これが
操作員の疲労原因や遠隔臨場感の再現の妨げとなってい
るのに対して、本発明のバイラテラルマスタスレーブマ
ニピュレータにおいては、前記のようにスレーブアーム
12の作業負荷が0の状態では、マスタアーム11のパウダ
ブレーキ18は解放されることになるため、マスタアーム
11を完全に無負荷状態で操作でき、これを高速で操作し
てスレーブアーム12の高速移動をさせることができるの
である。
さらに、スレーブアーム12の各関節の負荷トルクがマ
スタアーム11の各関節の拘束力よりも大きく、且つスレ
ーブアーム12がマスタアーム11に位置追従するとスレー
ブアーム12の負荷がさらに増大するような場合には、マ
スタアーム11の各関節のトルクにスレーブアーム12の各
関節のトルクが追従するトルク追従制御を行うようにし
てあるので、意図しない大きな作業負荷がスレープアー
ム12に作用した時は即座にスレーブアーム12の制御がな
され、作業負荷はマスタアーム11の指示する水準まで低
下させられる。
[発明の効果] 上記から明らかなように本発明のバイラテラルマスタ
スレーブマニピュレータは、簡単な構造で安価に提供し
得るものであるにもかかわらず、スレーブアーム側の作
業負荷が忠実にマスタアーム側に伝達され、過大な作業
負荷が作用している場合には自動的にこれをマスタアー
ムの要求している適正水準まで低下させることができ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明一実施例の斜視図、第2図は前記実施例
のマスタアーム要部の断面図、第3図はそのスレーブア
ーム要部の断面図、第4図は前記実施例の電気的制御回
路の流れ図、第5図A〜第5図Cは従来のバイラテラル
マスタスレーブマニピュレータの代表的な3例を示す概
略構成図である。 11……マスタアーム、12……スレーブアーム、13……操
作グリッパ、14……ロボットハカド、15、16……6軸力
センサ、17a、17b、21a、21b……リンク、18……パウダ
ブレーキ、19、23……基台、20……カウンタウェイト、
24、28……軸受、25、27、29、26a、30a……軸、26、30
……ポテンショメータ、31……制御計算機、32、33……
6軸力センサ信号、34、35……6軸力センサ用アンプ、
36……印加電圧指令信号、37……パウダブレーキ用サー
ボアンプ、38、42……ポテンショメータ信号、39、43…
…A/Dコンバータ、40……指令電流信号、41……電動機
用サーボアンプ

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】操作グリッパを具えこれにより操作される
    マスタアームの関節に関節のアクチュエータとしてパウ
    ダブレーキを設け、前記操作グリッパによって駆動され
    るマスタアームの動きに追従され操作グリッパによって
    操作されるロボットハンドを具えたスレーブアームの対
    応する関節にはブレーキ付減速電動機により前記関節を
    駆動する駆動部を設け、前記パウダブレーキおよび前記
    駆動部には各関節の角度を検出するポテンショメータを
    設け、前記各ポテンショメータの出力により前記パウダ
    ブレーキおよび前記駆動部を制御する制御計算機とを設
    けたことを特徴とするバイラテラルマスタスレーブマニ
    ピュレータ。
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