JP3129040B2 - Master-slave manipulator - Google Patents

Master-slave manipulator

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JP3129040B2
JP3129040B2 JP05194367A JP19436793A JP3129040B2 JP 3129040 B2 JP3129040 B2 JP 3129040B2 JP 05194367 A JP05194367 A JP 05194367A JP 19436793 A JP19436793 A JP 19436793A JP 3129040 B2 JP3129040 B2 JP 3129040B2
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Japan
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angular velocity
speed
master
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arm
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寿和 恩田
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Meidensha Corp
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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、マスタ・スレーブ・マ
ニプレータに係り、特にマスタアームの位置に応じてス
レーブアームの位置を制御する位置制御装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a master / slave manipulator, and more particularly to a position control device for controlling the position of a slave arm according to the position of a master arm.

【0002】[0002]

【従来の技術】マスタ・スレーブ・マニプレータは、操
作員側になるマスタアームと操作対象側になるスレーブ
アームの機構を備え、操作員がマスタアームを操作した
ときの位置信号とスレーブアームの現在の位置信号との
偏差を取り出し、この偏差が零になるようスレーブアー
ムを電動機等のアクチェータで駆動する位置制御装置を
備える。
2. Description of the Related Art A master / slave manipulator has a mechanism of a master arm serving as an operator and a slave arm serving as an operation target. A position signal when the operator operates the master arm and a current signal of the slave arm are provided. A position control device is provided which extracts a deviation from the position signal and drives the slave arm with an actuator such as a motor so that the deviation becomes zero.

【0003】マスタアーム及びスレーブアームは、一般
に複数の関節を有し、各関節毎にポテンショメータ等に
よって関節角度を検出し、関節毎の角度制御でスレーブ
アームの位置が制御される。
A master arm and a slave arm generally have a plurality of joints. The joint angle is detected by a potentiometer or the like for each joint, and the position of the slave arm is controlled by angle control for each joint.

【0004】図4は、従来の位置制御装置の1関節分を
示す。マスタアームの角度センサ1とスレーブアームの
角度センサ2の両角度検出信号を比較器3で比較し、そ
の偏差をゲインKを持つ増幅器4で増幅して速度指令と
し、この速度指令に従って速度アンプ5によりアクチェ
ータ6を制御し、アクチェータ6によるスレーブアーム
の関節角度の変化を角度センサ2で検出する。
FIG. 4 shows one joint of a conventional position control device. The angle detection signals of the angle sensor 1 of the master arm and the angle sensor 2 of the slave arm are compared by a comparator 3, and the deviation is amplified by an amplifier 4 having a gain K to form a speed command. , The change in the joint angle of the slave arm by the actuator 6 is detected by the angle sensor 2.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】従来の構成において、
増幅器4のゲインKは、サーボゲインと呼ばれ、マスタ
アームとスレーブアームの関節角度の偏差に比例する制
御量を決定するための比例定数になる。
SUMMARY OF THE INVENTION In the conventional configuration,
The gain K of the amplifier 4 is called a servo gain, and is a proportional constant for determining a control amount proportional to the deviation of the joint angle between the master arm and the slave arm.

【0006】このサーボゲインKの大小によって位置制
御の性能が大きく左右され、サーボゲインKを小さく設
定すると安定した位置制御になるが応答性が悪くなる。
逆に、サーボゲインKを大きくすると応答性は改善され
るが不安定になる。
The position control performance is greatly affected by the magnitude of the servo gain K. When the servo gain K is set to a small value, stable position control is achieved, but the responsiveness deteriorates.
Conversely, when the servo gain K is increased, the response is improved but becomes unstable.

【0007】このような制御性は、安定性の悪さは操作
対象をこまやかに操作するのを難しくし、応答性の悪さ
は操作対象を大きく操作するのを遅らせることになる。
[0007] With such controllability, poor stability makes it difficult to delicately operate the operation target, and poor responsiveness delays large operation of the operation target.

【0008】このため、従来ではサーボゲインKとし
て、許容される程度に安定した動作になるようその値を
設定し、応答性もある程度得られるようにしており、安
定性及び応答性共に満足した位置制御を難しくしてい
た。
For this reason, conventionally, the servo gain K is set to a value so as to achieve an operation that is stable to an acceptable degree, so that the responsiveness can be obtained to some extent. It was difficult to control.

【0009】本発明の目的は、応答性と安定性の両方を
高めたマスタ・スレーブ・マニプレータを提供すること
にある。
It is an object of the present invention to provide a master-slave manipulator with improved responsiveness and stability.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明は、前記課題の解
決を図るため、マスタアームの関節角度とスレーブアー
ムの関節角度をそれぞれ検出し、両角度の偏差をサーボ
ゲインKを有する増幅器で増幅し、この出力を速度アン
プの速度指令としてスレーブアームの駆動用アクチェー
タを制御する位置制御装置を備えたマスタ・スレーブ・
マニプレータにおいて、前記マスタアームの回転角速度
を検出する角速度検出手段と、この角速度検出手段の検
出角速度が設定角速度を越えたことを検出する角速度領
域検出手段と、この角速度領域検出手段に検出出力が得
られている間は前記速度アンプの速度指令を前記増幅器
の出力から前記速度検出手段の出力に切り替える切替手
段とを備えたことを特徴とする。
SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the above-mentioned problems, the present invention detects a joint angle of a master arm and a joint angle of a slave arm, and amplifies a deviation between both angles by an amplifier having a servo gain K. This output is used as a speed command of the speed amplifier to control the actuator for driving the slave arm.
In the manipulator, an angular velocity detecting means for detecting a rotational angular velocity of the master arm, an angular velocity area detecting means for detecting that the angular velocity detected by the angular velocity detecting means exceeds a set angular velocity, and a detection output is obtained by the angular velocity area detecting means. Switching means for switching the speed command of the speed amplifier from the output of the amplifier to the output of the speed detecting means during the operation.

【0011】[0011]

【作用】マスタアームの関節の角度検出のほかに回転角
速度を検出し、マスタアームの操作速度が設定した速度
よりも小さいときには安定性を高めた位置制御を行い、
設定速度域を越える速い操作速度にはマスタアームの速
度を指令としてスレーブアームを高速に追従させること
により応答性を高める。
[Function] In addition to detecting the angle of the joint of the master arm, the rotational angular velocity is detected, and when the operation speed of the master arm is lower than the set speed, position control with enhanced stability is performed.
Responsiveness is improved by causing the slave arm to follow the master arm speed at high speed for a high operation speed exceeding the set speed range.

【0012】[0012]

【実施例】図1は、本発明の一実施例を示すブロック図
であり、図4と同等のブロックは同一符号で示す。角速
度センサ11は、マスタアームの角度センサ1と同じ関
節で操作される軸を有して当該関節の角度変化率からマ
スタアームの回転角速度を検出する。
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention. Blocks equivalent to those in FIG. 4 are denoted by the same reference numerals. The angular velocity sensor 11 has an axis operated by the same joint as the angle sensor 1 of the master arm, and detects the rotational angular velocity of the master arm from the angle change rate of the joint.

【0013】比較器12は、角速度センサ11の検出角
速度VSと設定角速度VRとの大小を比較し、検出角速度
が設定角速度を越えたか否かをオン・オフ出力として得
る。
[0013] The comparator 12 compares the magnitude of the angular velocity detected V S of the angular velocity sensor 11 and the set angular speed V R, obtained whether or not the detected angular velocity exceeds the set angular velocity as an on-off output.

【0014】切替スイッチ13は、通常時には速度アン
プ5への速度指令を増幅器4の出力とする切替状態と
し、比較器12がVS>VRを検出したときにそのオン出
力で速度アンプ5への速度指令を角速度センサ11の検
出角速度に切り替える。
Normally, the changeover switch 13 is set to a switching state in which a speed command to the speed amplifier 5 is set to an output of the amplifier 4 in a normal state. When the comparator 12 detects V S > V R , the ON output thereof is sent to the speed amplifier 5. Is switched to the angular velocity detected by the angular velocity sensor 11.

【0015】本実施例においては、マスタアームの関節
の角度検出のほかに、回転角速度をセンサ11で検出
し、マスタアームの操作速度VSが設定角速度VRよりも
低い低速域にあるときには増幅器4の出力を速度アンプ
5の速度指令とする位置制御を行う。このときの増幅器
4のゲインKは位置制御に十分な安定性を得られる値に
することで位置制御の安定性を高める。
[0015] In this embodiment, in addition to the joint angle detection of the master arm, the rotational angular velocity detected by the sensor 11, the amplifier when the operating speed V S of the master arm is in a lower low-speed range than the set angular speed V R Position control is performed using the output of the speed amplifier 4 as a speed command of the speed amplifier 5. At this time, the gain K of the amplifier 4 is set to a value that can obtain sufficient stability for the position control, thereby enhancing the stability of the position control.

【0016】次に、マスタアームの操作各速度VSが設
定角速度VRを越えた高速域に入ると、角速度センサ1
1の出力を速度アンプ5の速度指令とする切替スイッチ
13の切替を行い、マスタアームの速い操作角速度にス
レーブアームの駆動を追従させ、速度アンプ5の高い応
答性でスレーブアームを追従させる。
Next, when the respective operating speeds V S of the master arm enter a high speed region exceeding the set angular speed V R , the angular speed sensor 1
The switching of the changeover switch 13 which uses the output of 1 as the speed command of the speed amplifier 5 is performed so that the drive of the slave arm follows the high operation angular velocity of the master arm, and the slave arm follows the high response of the speed amplifier 5.

【0017】図2は、本発明の他の実施例を示す。同図
が図1と異なる部分は、角速度センサ11に代えて、角
度センサ1の検出信号を微分してマスタアームの角速度
に比例した信号を得る微分回路14を設けた点にある。
FIG. 2 shows another embodiment of the present invention. 1 differs from FIG. 1 in that a differentiating circuit 14 is provided in place of the angular velocity sensor 11 to obtain a signal proportional to the angular velocity of the master arm by differentiating the detection signal of the angle sensor 1.

【0018】本実施例における作用効果は、図1の場合
と同様になる。
The operation and effect of this embodiment are the same as those of FIG.

【0019】他の実施例として、図3に示すように、角
度センサ1と角速度センサ11に代えて、エンコーダ1
5を設け、マスタアームの位置と角速度を同時に検出す
るようにしている。
As another embodiment, as shown in FIG. 3, instead of the angle sensor 1 and the angular velocity sensor 11, an encoder 1 is used.
5 to detect the position and angular velocity of the master arm simultaneously.

【0020】以上のように、各実施例では、マスタアー
ムの低速操作時には増幅器4のゲインを小さくした位置
制御で安定したスレーブアームの動作を得、マスタアー
ムの高速操作時には速度アンプ5の高いゲインによる速
度制御で応答性の高いスレーブアームの動作を得る。
As described above, in each embodiment, when the master arm is operated at a low speed, a stable slave arm operation is obtained by the position control with the gain of the amplifier 4 reduced, and when the master arm is operated at a high speed, the high gain of the speed amplifier 5 is obtained. The operation of the slave arm with high responsiveness is obtained by the speed control by.

【0021】即ち、安定した操作でかつ追従性の良いマ
スタ・スレーブ・マニプレータを実現することができ
る。
That is, it is possible to realize a master-slave manipulator with stable operation and good followability.

【0022】[0022]

【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば、マスタ
アームの関節角度とスレーブアームの関節角度検出によ
る位置制御を行うマスタ・スレーブ・マニプレータにお
いて、マスタアームの回転角速度を検出し、この検出角
速度が設定角速度よりも低いときには低いゲインによる
位置制御を行い、設定角速度域を越える速い操作速度に
は高いゲインによる速度制御を行うようにしたため、操
作対象のこまやかな操作になるマスタアームの低速操作
には安定性を高めた位置制御を得ると共に、操作対象を
大きく操作するための高速操作には応答性を高めた位置
制御を得ることができる。
As described above, according to the present invention, in the master-slave manipulator for performing position control by detecting the joint angle of the master arm and the joint angle of the slave arm, the rotational angular velocity of the master arm is detected. When the angular velocity is lower than the set angular velocity, position control with a low gain is performed, and speed control with a high gain is performed for a high operation speed that exceeds the set angular velocity range, so that the master arm's low-speed operation that performs fine operation , A position control with improved stability can be obtained, and a position control with improved responsiveness can be obtained for a high-speed operation for largely operating an operation target.

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

【図1】本発明の一実施例を示すブロック図。FIG. 1 is a block diagram showing one embodiment of the present invention.

【図2】本発明の他の実施例を示すブロック図。FIG. 2 is a block diagram showing another embodiment of the present invention.

【図3】本発明の他の実施例を示すブロック図。FIG. 3 is a block diagram showing another embodiment of the present invention.

【図4】従来のブロック図。FIG. 4 is a conventional block diagram.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…マスタアームの角度センサ 2…スレーブアームの角度センサ 3…比較器 4…増幅器 5…速度アンプ 6…アクチェータ 11…角速度センサ 12…比較器 13…切替スイッチ 14…微分回路 15…エンコーダ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Angle sensor of master arm 2 ... Angle sensor of slave arm 3 ... Comparator 4 ... Amplifier 5 ... Speed amplifier 6 ... Actuator 11 ... Angular velocity sensor 12 ... Comparator 13 ... Changeover switch 14 ... Differentiating circuit 15 ... Encoder

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G05D 3/00 - 3/20 G05B 1/00 - 7/02 G05B 11/00 - 13/04 G05B 17/00 - 17/02 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) G05D 3/00-3/20 G05B 1/00-7/02 G05B 11/00-13/04 G05B 17 / 00-17/02

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 マスタアームの関節角度とスレーブアー
ムの関節角度をそれぞれ検出し、両角度の偏差をサーボ
ゲインKを有する増幅器で増幅し、この出力を速度アン
プの速度指令としてスレーブアームの駆動用アクチェー
タを制御する位置制御装置を備えたマスタ・スレーブ・
マニプレータにおいて、前記マスタアームの回転角速度
を検出する角速度検出手段と、この角速度検出手段の検
出角速度が設定角速度を越えたことを検出する角速度領
域検出手段と、この角速度領域検出手段に検出出力が得
られている間は前記速度アンプの速度指令を前記増幅器
の出力から前記速度検出手段の出力に切り替える切替手
段とを備えたことを特徴とするマスタ・スレーブ・マニ
プレータ。
1. A method for detecting a joint angle of a master arm and a joint angle of a slave arm, amplifying a deviation between the two angles by an amplifier having a servo gain K, and using the output as a speed command of a speed amplifier for driving the slave arm. Master / slave with position control device to control the actuator
In the manipulator, an angular velocity detecting means for detecting a rotational angular velocity of the master arm, an angular velocity area detecting means for detecting that the angular velocity detected by the angular velocity detecting means exceeds a set angular velocity, and a detection output is obtained by the angular velocity area detecting means. Switching means for switching the speed command of the speed amplifier from the output of the amplifier to the output of the speed detecting means during the operation of the master / slave manipulator.
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