JPH01140974A - マスタ・スレーブ・マニピュレータ・システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、コンプライアンス制御を行うマスタ・スレー
ブ・マニピュレータ・システムに関する。

〔従来の技術〕

従来のマスタ・スレーブ・マニピュレータは、剛性の高
いものが通常であった。このような剛性の高いマニピュ
レータを使用する場合は、マニピュレータおよび作業対
象物に過大な力が作用しないようにするためには、作業
対象物に対するスレーブ側の接触力あるいは拘束力をマ
スタ側に感応情報としてフィードバックするパイラテラ
ル制御方式が有効になる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、作業対象物に対するスレーブ側の接触力
あるいは拘束力を上述のようにマスタ側にフィードバッ
クする機構としては、未だ十分満足できるものが開発さ
れていないのが実状である。

〔発明の目的〕

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、マ
ニピュレータのコンプライアンスを制御することにより
、単純なユニラテラル制御方式（作業対電物に対するス
レーブ側の接触力あるいは拘束力をマスタ側にフィード
バックしない方式）によっても、マニピュレータおよび
作業対象物に過大な力を作用させることなく、安全に作
業を行わせることができるマスタ・スレーブ・マニピュ
レータ・システムを提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明による握力検出装置は、コンプライアンスを可変
なマニピュレータと、前記マニピュレータの位置または
角度を検出する位置または角度検出手段と、マスタ指令
信号によって示される前記マニピュレータに取らせるべ
き位置または角度の目標値と前記位置または角度検出手
段によって検出された前記マニピュレータの位置または
角度とを比較し、この両者の制御偏差を求める比較手段
と、前記制御偏差を増幅して前記マニピュレータに前記
制御偏差が減少する方向に与える制御手段とを有してな
るマスタ・スレーブ・マニピュレータφシステムにおい
て、前記制御手段のゲインを変化させることにより前記
マニピュレータのコンプライアンスを制御するものであ
る。

〔作用〕

本発明においては、制御部のゲインを高くすると、マニ
ピュレータのコンプライアンスは低くなる。また逆に、
制御部のゲインを低くすると、マニピュレータのコンプ
ライアンスは高くなる。

したがって、人間（操作者）が、マニピュレータが作業
対象物に接触したことを確認するまでは制御部のゲイン
を小さい状態となるようにして、マニピュレータを高コ
ンプライアンスの状態で動作させれば、対象物の位置と
マニピュレータの目標位置との誤差が大きく、この誤差
により接触時に過大な力が生じても、それをマニピュレ
ータが吸収するので、接触が安全になされる。これ故、
人間からの操作情報は正確であることを必要とせず、視
覚情報によって判断される程度の位置的誤差は十分にマ
ニピュレータ側で吸収できる。

マニピュレータが作業対象に接触したことを確認したな
らば、人間は始めてマニピュレータと対象物との位置的
誤差を視認するとともに、以後、制御部のゲインを大き
くし、マニピュレータに低コンプライアンスの状態で作
業を行わせる。

このようにして本システムでは、ユニラテラル制御方式
でもマニピュレータおよび作業対象物に過大な力を作用
させることなく、安全に所望の作業を行わせることがで
きる。

〔実施例〕

以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて説明する。

第２図から第６図までは本発明の一実施例において、マ
スタ側からコンプライアンス制御命令を出力するために
用いられる握力検出装置２０を示す。この実施例におい
て、１はゴム等の弾力に富んだエラストマーからなる大
略楕円体状の中空体であり、手で握ることができる大き
さを有している。この中空体１の一端部には、該中空体
１を握った親指で開閉される開口２が設けられている。

前記中空体の他端部には金属等の導体からなる筒状体３
が接続されており、この筒状部３の先端部にはフランジ
部４が一体的に設けられている。５は金属等の導体から
なる環状のゴム押え板であり、このゴム押え板５と前記
フランジ部４はそれぞれ電極としての機能をも果すもの
である。

前記フランジ部４とゴム押え板５との間には、シート状
の伸長型導電ゴム６が、フランジ部４の穴（開口）４ａ
およびゴム押え板５の穴５ａを覆う状態で挟まれている
。そして、前記フランジ部４およびゴム押え板５は、こ
のように導電ゴム６を間に挾んだ状態でボルト７および
ナツト８により互いに締結されており、これにより導電
ゴム６はその周縁部を全周に渡ってフランジ部４および
ゴム押え板５により挟持された状態となっている。

また、前記導電ゴム６には、中心電極９が穴４ａ、５ａ
の中心部において取り付けられており、この中心電極９
はまた導電°ゴム６に電気的に接続されている。

前記伸長型導電ゴム６は、伸びを与えられると電気抵抗
が変化する特性を有しており、第５図はこの伸長型導電
ゴム６の伸び率と電気抵抗変化との関係を示す特性図で
ある（ただし、ゴムの長さ２０．０ｍ＋ａ、幅１０．０
鰭、厚さ０．３關の場合の特性である）。この特性図か
ら明らかなように、この伸長型導電ゴム６は、伸びを全
く与えない状態では電気抵抗が大きいが、伸ばすにつれ
て抵抗が小さくなる特性を有している。

このような特性を有する伸長型導電ゴムは、例えば、特
願昭６２−２０３８５６号に開示されているように、カ
ーボンブラックおよびグラファイトを混合してなる導電
性シリコンゴムをあらかじめ架橋させ、しかる後に、こ
の導電性シリコンゴムと相溶性のあるシリコンオイルを
５〜５０％含浸することにより作成することができる。

次に、この検出装置２０の作動をまず説明しておく。

中空体１が握られていない場合には、中空体１内の圧力
は上がらず、伸長型導電ゴム６には圧力が作用しない。

そして、この状態では、導電ゴム６に引張り応力が生じ
ないので、導電ゴム６の電気抵抗は大きくなっている。

他方、第６図のように親指で開口２を閉じた状態で中空
体１が握られると、その握力に応じて中空体１内の圧力
が上り、この圧力が導電ゴム６に作用するので、握力に
応じた引張り応力、ひいては伸びが導電ゴム６に生じる
ため、導電ゴム６の電気抵抗は握力に応じて小さくなる
。

したがって、フランジ部４およびゴム押え板５と中心電
極９との間における導電ゴム６の電気抵抗の変化を通じ
て、導電ゴム６に作用する握力を検出することができる
。

また、親指で開口２を閉じていない場合には、中空体１
が握られても、開口２がら空気が抜けてしまうので、中
空体１内の圧力は上がらず、導電ゴム６に引張り応力が
生じないため、導電ゴム６の電気抵抗は大きいままとな
っている。したがって、この場合には、導電ゴム６の電
気抵抗、すなわちこの握力検出装置の出力は、中空体１
が握られていない状態と同じになっている。

このため、この握力検出装置では、握力検出信号を出力
させるには、単に中空体１を握るだけではなく、さらに
開口２を指で押えるという意識的な動作が必要である。

したがって、操作者が本来は中空体１を握ってはならな
いときに無意識的に中空体１を握ってしまったときにも
、握力検出信号が出力されてしまうような不都合を防止
できる。

なお、一般に伸長型導電ゴム６は、伸びを全く与えられ
ていない状態では電気抵抗がかなり高くなるので、これ
を電圧や電流に変換しようとすると高電圧が必要になる
場合があるが、そのような場合には、握力零、ひいては
圧力零の状態で既に適度の伸び変形が与えられることに
なるようにフランジ部４およびゴム押え板５に導電ゴム
６を支持させればよい。

また、本実施例では、電極（フランジ部４・ゴム押え板
５、および中心電極−９）を導電ゴム６の周縁部と中心
部とにそれぞれ接続しているが、導電ゴム６に対する電
極の接続は他の位置で行ってもよく、例えば導電ゴム６
の中心部付近に２つの電極を接続してこれらの電極間で
電気抵抗を検出してもよい。

さらに、前記伸長型導電ゴムの代りに、これと同等の機
能を果すゴム以外の伸長型導電エラストマーを使用して
もよい。

本実施例において用いられるマニピュレータ２１は、空
気圧により動作する従来公知のマッキベン型ゴム人工筋
をアクチュエータとして用いるものである。第７図はこ
のマニピュレータ２１の関節部の１つを示す。

これを説明すると、アーム２２の一端部にはスプロケッ
トギヤ２３が回動可能に支持されており、このスプロケ
ットギヤ２３にはアーム２４の一端が固定されている。

２５．２６はマッキベン型ゴムの人工筋であり、それぞ
れ第８図に示すようにゴム製のチューブ４１を、瑳りを
施した繊維コードを網状に編んだスリーブ４２で覆った
ものの両端を金具４３で固定することにより構成されて
おり、繊維コードの力の変換作用によって、チューブ４
１の内圧を上げると半径方向に膨張すると同時に軸方向
に収縮する特性を有している。

これらの人工筋２５．２６はその一端をそれぞれバネ２
７．２８を介してアーム２２の他端に支持されている。

また、これらの人工筋２５．２６の他端はチェーン２９
の両端に接続されており、このチェーン２９はスプロケ
ットギヤ２３に噛み合わされている。この関節の角度、
すなわち前記−スプロケットギヤ２３およびアーム２４
の回動角度は、ポテンショメータあるいはエンコーダ等
からなる角度センサ３０（第１図にのみ図示）により検
出されるようになっている。

３１．３２はそれぞれ従来公知の空気圧サーボ弁であり
、このような空気圧サーボ弁としては例えば特開昭６０
−８４４０４号に開示されているようなものが使用でき
る。

この関節部は以上のような構成を有しているので、例え
ば、サーボ弁３１．３２を制御することにより、人工筋
２５の方に人工筋２６より高い圧力を作用させ、第７図
のように人工筋２５の方が人工筋２６より短くなるよう
にすれば、スプロケットギヤ２３ひいてはアーム２４が
時計方向に回動する。また逆に、人工筋２６の方に人工
筋２５より高い圧力を作用させ、人工筋２６の方が人工
筋２５より短くなるようにすれば、スプロケットギヤ２
３ひいてはアーム２４が反時計方向に回動する。

３３．３４はそれぞれサーボ弁３１．３２から人工筋２
５．２６に供給される圧力を検出する圧力センサである
。

第１図はマニピュレータ２１の制御系を示すブロック図
である。この図において、マスタ角度指令信号はマニピ
ュレータのアーム２２．２４間の関節にとらせるべき所
望の角度を示す信号であり、マスタ側から図示しない指
令装置により比較部３６に与えられる。なお、本実施例
では、前記指令装置は、人間（操作者）の肘に取り付け
られて、この人間の肘の折り曲げ角度に応じたマスタ角
度指令を出力するようになっている。

比較部３６は前記マスタ角度指令と、角度センサ３０に
よって検九される実際の関節角度との制御偏差を制御部
３５へ出力する。制御部３５は前記制御偏差に応じた電
圧をサーボ弁３１．３２にそれぞれ印加することにより
人工筋２６．２７に前記制御偏差に応じた圧力を差動的
に作用させ、関節角度を所望の角度に近付ける。

人工筋２６．２７に供給される圧力はそれぞれ圧力セン
サ３３，３４により検出されて制御部にフィードバック
される。制御部３５はこの制御系を安定させるように、
フィードバックされた前記圧力に応じて人工筋２５．２
６の出す力を制御する。

握力検出装置２０の出力は制御部３５に入力される。制
御部３５は、一定範囲内において、握力検出装置２０に
より検出される握力が大きくなる程、該制御部３５のゲ
インを高くする。これにより、一定範囲内において、前
記握力が大きくなる程、マニピュレータ２１のコンプラ
イアンスは低くなる。また逆に、制御部３５は、一定範
囲内において、握力検出装置２０により検出される握力
が小さくなる程、該制御部３５のゲインを低くする。こ
れにより、一定範囲内において、前記握力が小さくなる
程、マニピュレータ２１のコンプライアンスは高くなる
。

このようなマニピュレータ・システムにおいて、人間（
操作者）は、マニピュレータ２１が作業対象物に接触し
たことを確認するまでは、親指で開口２を閉じた状態で
、握力検出装置２０の中空体１を軽く握っている。これ
により、制御部３５はゲインが小さい状態となっており
、マニピュレータ２１は高コンプライアンスの状態で動
作する。

したがって、対象物の位置とマニピュレータ２１の目標
位置との誤差が大きくても、この誤差により接触時に生
ずる過大な力をマニピュレータ２１が吸収して安全な接
触がなされる。

これ故、人間からの操作情報は正確であることを必要と
せず、視覚情報によって判断される程度の位置的誤差は
十分にマニピュレータ２１側で吸収できる。

マニピュレータ２１が作業対象に接触したことを確認し
たならば、人間は始めてマニピュレータと対象物との位
置的誤差を視認するとともに、親指で開口２を閉じたま
ま、握力検出装置２０の中空体１を必要な強さだけ強く
握る。すると、この握力の増大が握力検出装置２０を通
じて制御部３５に伝達され、制御部３５はそのゲインを
握力の大きさに応じて増大させるので、マニピュレータ
２１は握力の大きさに応じた低コンプライアンスの状態
で作業を行うようになる。

このような操作が行われることにより、本システムでは
、ユニラテラル制御方式でもマニピュレータおよび作業
対象物に過大な力を作用させることなく、安全に所望の
作業を行わせることができる。

このシステムでは、マニピュレータ２１のコンプライア
ンスが高い側が安全側、低い側が危険側となる。ここに
おいて、本実施例では、握力検出装置２０の開口２を親
指で閉じるという人間の意識的行為がない限り、握力検
出装置２０から握力検出信号が出力されず、ひいてはマ
ニピュレータ２１のコンプライアンスが高い状態となっ
ており、システムは安全側となっているから、この面に
おいても安全性が優れている。

なお、マニピュレータ２１のコンプライアンスは、制御
部３５のゲインの逆数をパラメータとして持つため、該
ゲインが極めて小さい場合（すなわち、握力が小さい場
合）、位置制御特性が劣化する。したがって、本システ
ムでは握力に対する下限を設けて、それ以上の力で握ら
ないとゲインが零となり、位置制御系が機能せず、マニ
ピュレータは弛緩したままとなるようにしている。

また、操作性を考慮した場合、握力検出装置２０を強く
握ってコンプライアンスを低い状態に保持しておくこと
は、疲労を伴うため、本システムでは握力に対する上限
を設け、それより大きな力で握力検出装置２０を握って
もゲインは飽和してしまうようにしている。

また、本システムでは、制御部３５のゲインを制御でき
るため、マニピュレータが対象物に接触後は、力制御系
として機能させることができ、この場合、握力検出装置
２０は、コンプライアンスと力の両方の指令伝達手段と
して用いることができる。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によるマスタ・スレーブ・マニピュ
レータ・システムは、マニピュレータのコンプライアン
スを制御することにより、単純なユニラテラル制御方式
によっても、マニピュレータおよび作業対象物に過大な
力を作用させることなく、安全に作業を行わせることが
できるという優れた効果を得られるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるマスタ争スレーブーマニピュレー
タ・システムの一実施例を示すブロック図、第２図は前
記実施例において用いられた握力検出装置の要部を示す
断面図、第３図は前記握力検出装置を示す側面図、第４
図は前記握力検出装置を示す正面図、第５図は前記握力
検出装置に用いられた導電ゴムの伸び率と電気抵抗の変
化との関係を示す特性図、第６図は前記握力検出装置の
使用状態を示す側面図、第７図は前記実施例におけるマ
ニピュレータの関節部の一つを示す正面図、第８図は前
記関節部に使用されている人工筋を示す斜視図である。 ２０・・・握力検出装置、２１・・・マニピュレータ、
２６．２７・・・マッキベン型人工筋、３０・・・角度
センサ、３５・・・制御部、３６・・・比較部。 特許出願人　労働省産業安全研究所長 前　郁夫 代　理　人　弁理士　大森　泉 第２図 第３図 ２゜ 第５図 イ申　び午　（％） 第６図 第７図 第８図 ２５．２６ ζ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）コンプライアンスを可変なマニピュレータと、前記
   マニピュレータの位置または角度を検出する位置または
   角度検出手段と、マスタ指令信号によって示される前記
   マニピュレータに取らせるべき位置または角度の目標値
   と前記位置または角度検出手段によって検出された前記
   マニピュレータの位置または角度とを比較し、この両者
   の制御偏差を求める比較手段と、前記制御偏差を増幅し
   て前記マニピュレータに前記制御偏差が減少する方向に
   与える制御手段とを有してなるマスタ・スレーブ・マニ
   ピュレータ・システムにおいて、前記制御手段のゲイン
   を変化させることにより前記マニピュレータのコンプラ
   イアンスを制御することを特徴とするマスタ・スレーブ
   ・マニピュレータ・システム。 ２）マニピュレータは空気圧によって駆動される特許請
   求の範囲第１項記載のマスタ・スレーブ・マニピュレー
   タ・システム。