JP3206765B2 - Control method of master-slave manipulator - Google Patents

Control method of master-slave manipulator

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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】本発明はマスタアームがパッシブ
で、スレーブアームがアクティブなユニラテラルマスタ
スレーブ・マニピュレータの制御方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for controlling a unilateral master / slave manipulator in which a master arm is passive and a slave arm is active.

【0002】[0002]

【従来の技術】マスタアームとスレーブアームが相似な
機構的構成を有している場合(以後、同構造と呼ぶ)の
スレーブアームの姿勢を決定する従来の方法は2つに分
類することができる。一つは、対応する関節のモータ間
で対称型などの制御方式を適用する方法である。そのよ
うに、対応する関節間どうしでマスタスレーブの制御系
を構成する場合には、関節座標系への座標変換は必要で
ないため、次節で述べるような問題点は発生しない(図
3)。ところが、この方法ではスレーブアームに対象物
の座標系を基準としたコンプライアンス特性を容易に設
定できないという問題点を有する。もう一つは、作業対
象物を基準とした座標系をマニピュレータの手先に設定
する方法である(たとえば、「マスタースレイブマニピ
ュレータの制御に関する研究」佐藤他、第7回ロボット
学会学術講演会 講演番号1211)。 このように手先の
作業座標系を基準にすることにより、作業座標系に応じ
たコンプライアンスやインピーダンスなどを容易に設定
することが可能になる。このことは、前に述べた関節を
基準にする方法にはないメリットを生じる。ところがこ
の方法では、最終的にはアクチュエータの運動指令を必
要とするため、それぞれの機構に応じた機構逆変換の方
法を適用することにより関節座標系のモータ位置指令と
して決定していた(図4)。この逆変換の過程では次節
に述べる問題点が生じる。
2. Description of the Related Art Conventional methods for determining the attitude of a slave arm when the master arm and the slave arm have similar mechanical structures (hereinafter referred to as the same structure) can be classified into two methods. . One is a method of applying a control method such as a symmetric type between motors of corresponding joints. In the case where the control system of the master / slave is formed between the corresponding joints as described above, since the coordinate conversion to the joint coordinate system is not necessary, the problem described in the next section does not occur (FIG. 3). However, this method has a problem that the slave arm cannot easily set the compliance characteristic based on the coordinate system of the object. The other is to set a coordinate system based on the work target at the tip of the manipulator (for example, "Research on Control of Master-Slave Manipulator" Sato et al., The 7th Robotics Society of Japan Lecture No. 1211 ). By using the work coordinate system of the hand as a reference in this way, it is possible to easily set compliance, impedance, and the like according to the work coordinate system. This has advantages over the previously described joint-based method. However, in this method, since a motion command of the actuator is finally required, a motor position command of the joint coordinate system is determined by applying a mechanism reverse conversion method corresponding to each mechanism (FIG. 4). ). In the process of this inverse transformation, the problems described in the next section arise.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】従来の技術で述べた機
構的逆変換を用いる方法は、手先から関節座標系への変
換が一意に決定できる場合に適用することができる。た
とえば、3次元空間でロボット手先の位置と姿勢から関
節の角度に変換する場合、位置の3自由度と姿勢の3自
由度、合計6自由度を実現するためには関節は少なくと
も6自由度の運動自由度を必要とする。逆に、6自由度
以上の関節を持っていれば手先の位置・姿勢を満足する
一組以上で有限個の関節角の解が存在する。ところが、
手先自由度より関節自由度が多い場合には、与えられた
一つの手先位置・姿勢に対して対応する関節角の組が無
限に存在することになる。このようなマニピュレータで
は一般には手先の位置姿勢の情報のみでは関節角を決定
することができない。このように手先自由度より関節自
由度の方が多いマニピュレータを冗長自由度を有するマ
ニピュレータと呼び、手先の位置姿勢を実現する上では
無駄な自由度を含んでいるマニピュレータと考えられる
が、一つの手先の位置姿勢に対してさまざまな腕の姿勢
をとることができるできる点を利用して、障害物回避や
回り込みなど有用な動作を行うことができる。従って、
冗長自由度を有効に生かした手先から関節への運動分解
の方法が必要である。特に、スレーブアームがコンプラ
イアンス特性などをもちマスタとスレーブで異なる姿勢
をとる場合はマスタ姿勢にできるだけ近似したスレーブ
の関節角指令を決定しなければならない。したがって、
本発明は、マスタとスレーブで異なる姿勢をとる場合
に、マスタ姿勢にできるだけ近似したスレーブの関節角
指令を決定できる方法を提供することを目的とする。
The method using the mechanical inversion described in the prior art can be applied when the conversion from the hand to the joint coordinate system can be uniquely determined. For example, when converting the position and orientation of the robot hand into a joint angle in a three-dimensional space, the joint must have at least six degrees of freedom in order to achieve a total of six degrees of freedom, three degrees of freedom of position and three degrees of posture. Requires freedom of movement. Conversely, if there are joints with 6 degrees of freedom or more, there are a finite number of joint angle solutions in one or more sets that satisfy the position and orientation of the hand. However,
When the degree of freedom of the joint is greater than the degree of freedom of the hand, there is an infinite set of joint angles corresponding to one given hand position / posture. In such a manipulator, generally, it is not possible to determine the joint angle only from information on the position and orientation of the hand. A manipulator having more joint degrees of freedom than a hand degree of freedom is called a manipulator having redundant degrees of freedom, and is considered to be a manipulator that includes useless degrees of freedom in realizing the position and orientation of the hands. By taking advantage of the fact that various arm postures can be taken with respect to the hand position / posture, useful operations such as obstacle avoidance and wraparound can be performed. Therefore,
There is a need for a method of disassembling the motion from the hand to the joint, which effectively utilizes the redundancy degree of freedom. In particular, when the slave arm has a compliance characteristic or the like and takes a different posture between the master and the slave, the joint angle command of the slave as close as possible to the master posture must be determined. Therefore,
An object of the present invention is to provide a method for determining a joint angle command of a slave as close as possible to the master posture when the master and the slave take different postures.

【0004】[0004]

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
に、本発明は、互いに相似な機構的構成を備えたマスタ
アームとスレーブアームを備えるとともに、前記スレー
ブアームの手先に加わる外力に応じて前記スレーブアー
ムの手先の位置を微小にずらすコンプライアンス特性を
備えたマスタスレーブマニピュレータにおいて、前記ス
レーブアームの関節角指令値を、前記外力に応じた前記
スレーブアームの手先の微小なずれ量に前記マスタアー
ムの姿勢から求めたヤコビ行列の逆行列を乗じた量
ームの関節角に加えたものとするものである。
[MEANS FOR SOLVING THE PROBLEMS] To solve the above problems.
In addition, the present invention provides a master having a similar mechanical configuration to each other.
Arm and a slave arm.
The slave arm according to the external force applied to the hand of the arm.
Compliance that shifts the tip of the
A master-slave manipulator provided with
The joint angle command value of the slave arm is changed according to the external force.
Add the master arm to the slight deviation of the tip of the slave arm.
A the amount obtained by multiplying the inverse matrix of the Jacobian matrix obtained from the posture of the arm
It should be added to the joint angle of the arm.

【0005】[0005]

【作用】同構造のマスタスレーブアームはマスタがスレ
ーブの姿勢の規範を示しているので、スレーブアームは
できるだけマスタに近い姿勢をとらせることにより、同
構造の特性をもっとも有効に利用した制御を行うことが
できる。ところで、疑似ヤコビ行列は手先の位置・姿勢
と関節角の微小変位関係を表す関数行列である。したが
って、マスタのヤコビ行列はマスタの関節角姿勢を表す
関数ととらえると、この行列を用いることによってマス
タアームに近似したスレーブアームの関節角姿勢を決定
することができる。なお、ここで用いるヤコビアンはス
レーブアームのヤコビアンではなく、マスタアームのヤ
コビアンを用いているため運動分解における解の集束性
が保証される。
[Function] Since the master-slave arm of the same structure indicates the norm of the attitude of the slave, the slave arm takes a posture as close as possible to the master, thereby performing control using the characteristics of the same structure most effectively. be able to. By the way, the pseudo Jacobian matrix is a function matrix that represents the minute displacement relationship between the position / posture of the hand and the joint angle. Therefore, when the Jacobian matrix of the master is regarded as a function representing the joint angle posture of the master, the joint angle posture of the slave arm approximate to the master arm can be determined by using this matrix. Since the Jacobian used here is not the Jacobian of the slave arm but the Jacobian of the master arm, the convergence of the solution in the kinematic decomposition is guaranteed.

【0006】[0006]

【実施例】以下、具体的実施例を説明する。図1は本発
明の実施例で、スレーブ側の力制御方式として、スレー
ブアーム手先にマウントされた力センサのフィードバッ
クをもとにしたインピーダンス制御を行った場合の制御
系ブロック図を示している。パッシブなマスタの関節角
θm は順変換部1により作業座標系における手先の位置
姿勢Xm を得る。スレーブ力検出値 とスレーブ関節角
θs を力座標変換部2に入力して、作業座標系における
力Fexを得る。前記Xm と前記Fexはインピーダンス制
御演算部3に入力され、マスタスレーブ間の位置姿勢誤
差ek を得る。ek を得る計算式は次のとおりである。
EXAMPLES Specific examples will be described below. FIG. 1 is a block diagram of a control system in a case where impedance control based on feedback of a force sensor mounted on a slave arm hand is performed as a force control method on the slave side in an embodiment of the present invention. For the joint angle θ m of the passive master, the forward transformation unit 1 obtains the position and orientation X m of the hand in the work coordinate system. The slave force detection value and the slave joint angle θ s are input to the force coordinate conversion unit 2 to obtain a force F ex in the working coordinate system. The F ex and said X m are input to the impedance control operation unit 3 to obtain the position and orientation error e k between the master slave. The calculation formula for obtaining e k is as follows.

【0007】[0007]

【数1】 (Equation 1)

【0008】マスタアームの関節角θm は、疑似ヤコビ
アン演算部4によりスレーブアームのヤコビアンの(疑
似)逆行列Jm + を得る。前記ek と前記Jm + は乗算
器5に入力されて、乗算されたのち、加算器6にでマス
タアームの関節角θm に加算されてスレーブアームの関
節位置指令θsrを得る。以上の流れを数式で示すと次の
とおりである。 θsr=θm +Jm +(k) θsr:スレーブ関節角指令(n・1) θm :マスタ関節角(n・1) Jm + :スレーブアームのヤコビアンの(疑似)逆行列
(n・m) e:マスタスレーブ間の位置姿勢誤差(作業座標系)
(m・1) ただし、( ・ )は行列とベクトルの次元を表す。 n:関節自由度 m:手先の制御自由度
For the joint angle θ m of the master arm, the pseudo Jacobian arithmetic unit 4 obtains the (pseudo) inverse matrix J m + of the Jacobian of the slave arm. The e k and the J m + are input to a multiplier 5, multiplied, and then added to an adder 6 to a joint angle θ m of a master arm to obtain a joint position command θ sr of a slave arm. The above flow is represented by the following equations. θ sr = θ m + J m + e (k) θ sr : Slave joint angle command (n · 1) θ m : Master joint angle (n · 1) J m + : Jacobian (pseudo) inverse matrix of slave arm ( e) Position / posture error between master and slave (work coordinate system)
(M · 1) where (•) represents the dimensions of the matrix and the vector. n: degrees of freedom of joints m: degrees of freedom of control of the hand

【0009】すなわち、スレーブアームはコンプライア
ンス特性によってマスタアームと多少のズレを生じてい
る。そのときの作業座標系での誤差eをマスタアームの
ヤコビアンを用いて関節座標系の微小変位に変換する。
基準姿勢はマスタアームの関節角であるため、マスタア
ームの各関節角に微小変位を加算することによりスレー
ブアームの関節角指令を決定することができる。ここで
用いるヤコビアンはスレーブアームのヤコビアンではな
くマスタアームのヤコビアンを用いているため運動分解
における解の集束性が保証される。これによりマスタア
ームの姿勢に近似したスレーブアームの姿勢の関節角指
令を決定することができる。図2は3自由度冗長アーム
に本アルゴリズムを適用した場合の結果を示したもので
ある。スティック線図は点線がマスタアームの姿勢を、
実線は(a)が本アルゴリズムの方式で運動分解を行っ
た結果、(b)が根元の第一軸を固定し残りの2軸で機
構的な逆解を求めたもので、それぞれ+X軸方向、ーX
軸方向に手先が移動した場合の2種類の結果を示してい
る。(c)は(a)、(b)の座標変換の結果を関節角
変位の2乗和で評価したもので、(a)の方が関節の変
位が小さくマスタアームに対する近似特性も良いことが
わかる。
That is, the slave arm is slightly displaced from the master arm due to compliance characteristics. The error e in the working coordinate system at that time is converted into a minute displacement in the joint coordinate system using the Jacobian of the master arm.
Since the reference posture is the joint angle of the master arm, the joint angle command of the slave arm can be determined by adding a small displacement to each joint angle of the master arm. Since the Jacobian used here uses the Jacobian of the master arm instead of the Jacobian of the slave arm, the convergence of the solution in the kinematic decomposition is guaranteed. This makes it possible to determine a joint angle command for the posture of the slave arm that is similar to the posture of the master arm. FIG. 2 shows the result when the present algorithm is applied to a three-degree-of-freedom redundant arm. In the stick diagram, the dotted line indicates the posture of the master arm,
The solid line shows (a) the result of the kinematic decomposition performed by the method of the present algorithm, and (b) shows the result obtained by fixing the root first axis and finding the mechanical inverse solution with the remaining two axes. , -X
2 shows two types of results when the hand moves in the axial direction. (C) is an evaluation of the result of the coordinate transformations of (a) and (b) by the sum of squares of the joint angle displacement, and (a) shows that the joint displacement is smaller and the approximation characteristics to the master arm are better. Understand.

【0010】[0010]

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、外
力によりスレーブアームの位置ずれが生ずるような、ス
レーブアームが外力に対して柔軟な制御特性を有するマ
スタスレーブマニピュレータにおいて、スレーブアーム
をできるだけマスターアームに近似して追従制御するこ
とが可能となる。特に、冗長な自由度を有するアームに
適用する場合は、障害物回避・回り込みなどを有効に利
用したユニラテラル・マスタスレーブ制御が可能とな
り、作業性を大幅に向上することができる。
As described above, according to the present invention, in a master-slave manipulator in which the slave arm has a flexible control characteristic with respect to the external force such that the position of the slave arm is shifted by the external force, Follow-up control can be performed as close as possible to the master arm. In particular, when applied to an arm having a redundant degree of freedom, unilateral master-slave control that effectively uses obstacle avoidance and wraparound can be performed, and workability can be greatly improved.

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

【図1】本アルゴリズムをスレーブアームがインピーダ
ンス制御されたユニラテラルマスタスレーブアームに適
用した場合の制御ブロック図
FIG. 1 is a control block diagram in a case where the present algorithm is applied to a unilateral master / slave arm whose slave arm is impedance-controlled.

【図2】本発明のアルゴリズムにより冗長アームの座標
変換を行った場合と、他の方法により座標変換を行った
場合のアーム姿勢の変化と評価グラフ
FIG. 2 is a graph showing a change in arm posture and an evaluation graph when coordinate conversion of a redundant arm is performed by an algorithm of the present invention and when coordinate conversion is performed by another method;

【図3】逆機構学によって解を求めることができる非冗
長なユニラテラルマスタスレーブ制御方式のブロック図
FIG. 3 is a block diagram of a non-redundant unilateral master-slave control method capable of finding a solution by inverse mechanics

【図4】同構造で関節対応型の制御を行う従来の冗長型
ユニラテラルマスタスレーブ制御方式のブロック図
FIG. 4 is a block diagram of a conventional redundant unilateral master / slave control method for controlling joints with the same structure.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 順変換部 2 力座標変換部 3 インピーダンス制御演算部 4 疑似ヤコビアン演算部 5 乗算器 6 加算器 Reference Signs List 1 forward conversion unit 2 force coordinate conversion unit 3 impedance control calculation unit 4 pseudo Jacobian calculation unit 5 multiplier 6 adder

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 互いに相似な機構的構成を備えたマスタ
アームとスレーブアームを備えるとともに、前記スレー
ブアームの手先に加わる外力に応じて前記スレーブアー
ムの手先の位置を微小にずらすコンプライアンス特性を
備えたマスタスレーブマニピュレータにおいて、 前記スレーブアームの関節角指令値を、前記外力に応じ
た前記スレーブアームの手先の微小なずれ量に前記マス
タアームの姿勢から求めたヤコビ行列の逆行列を乗じた
量を前記マスタアームの関節角に加えたものとすること
を特徴とするマスタスレーブマニピュレータの制御方
法。
1. A master having a similar mechanical structure to each other.
Arm and a slave arm.
The slave arm according to the external force applied to the hand of the arm.
Compliance that shifts the tip of the
In the master-slave manipulator provided, the joint angle command value of the slave arm is changed according to the external force.
The small deviation of the tip of the slave arm
Multiplied by the inverse of the Jacobian matrix found from
The amount added to the joint angle of the master arm
Of master-slave manipulator with features
Law.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017163071A1 (en) * 2016-03-24 2017-09-28 Cambridge Medical Robotics Limited Robot control

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109984514B (en) * 2019-03-22 2022-08-09 杨松 Electric bed remote controller and method for remotely controlling electric bed
CN111185906B (en) * 2020-01-10 2023-04-18 上海大学 Leap Motion-based dexterous hand master-slave control method
CN112405488B (en) * 2020-11-06 2022-03-22 广东电网有限责任公司电力科学研究院 Force-guide-based heterogeneous master-slave teleoperation control method and device
CN113547196A (en) * 2021-07-27 2021-10-26 天津大学 Master-slave mirror image synchronous motion control method of bilateral friction stir welding equipment

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017163071A1 (en) * 2016-03-24 2017-09-28 Cambridge Medical Robotics Limited Robot control
CN108883533A (en) * 2016-03-24 2018-11-23 Cmr外科有限公司 robot control
US10232510B2 (en) 2016-03-24 2019-03-19 Cmr Surgical Limited Robot control
US11292127B2 (en) 2016-03-24 2022-04-05 Cmr Surgical Limited Robot control
EP4166282A1 (en) * 2016-03-24 2023-04-19 CMR Surgical Limited Robot control

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