JPH01171785A - マスタスレーブマニピユレータ - 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〕 本発明はマスタスレーブマニピュレータに係り。

特に実効作業範囲の拡大、操作性の向上に好適なマスタ
アームの可動範囲拡大装置に関する。

〔従来の技術〕

従来のマスタスレーブマニピュレータでは、マスタアー
ムとスレーブアームの軸構成及びアーム長と同じにし、
両アームの対応する関節角が常に等しくなるように各相
対応でサーボ制御を行い、両アームが常時同一形状にな
ることにより運動を伝達していた。

上記従来システムにより、スレーブアームの動作限界近
傍での作業を想定する。第２図に作業開始時に於ける両
アームの位置、姿勢を示す。またスレーブアーム７の動
作限界９の近傍として点Ａｓ近傍を考える。第３図に示
すようにオペレータは、点Ａｓに対応する点ＡＭまでマ
スタアーム６の先端を移動することにより、スレーブア
ーム７の先端を点Ａｓまで移動させる。オペレータはこ
の動作限界８の近傍点ＡＭでマスタアーム６を操作しな
ければならず、長時間不自然な姿勢をとらなければなら
なかった。

特開昭６１−２４４４７０号公報に記載のように操作性
を改善するため、マスタアームにマスタ有効スイッチを
設け、このスイッチが「入」のときにのみ、マスタアー
ム関節角の増分だけ対応したスレーブアームの関節角を
駆動していた。これを第４図に示す。このシステムでは
マスタアーム６を必要な回数だけ前後に繰り返し動かし
、前方に送るときにのみ有効スイッチ２０を「入」にす
ることで、スレーブアーム７の先端を目標とする動作限
界の近傍２１に移動させることができる。従ってオペレ
ータは、楽な姿勢をとりながらでも、スレーブアーム７
を所望の位置、姿勢に移動させることができる。

しかし、上記制御方法では、マスタアーム６とスレーブ
アーム７の間に対応する関節がない場合。

即ち両アームの形状、軸構成が異る場合には適用できな
い。また、上記制御方法ではマスタアームとスレーブア
ームが対応するのは鉛直平面内に限られ、シフト機能は
鉛直平面内のシフトのみ有効となる。そこでマスタアー
ムの肩をひねった場合には、両アームは対応しなくなり
、運動方向も一致せず、作業を行うことは非常に困難に
なる。

一方、特開昭６１−２５２０８１号公報に記載のように
、マスタアームとスレーブアームの機構系の相違がある
場合、あるいは、始動時に位置姿勢の相違がある場合で
も、先端の運動が対応するように、両アームの運動を対
応付ける装置を設けたものがある。同公報では一般化座
標生成装置で関節座標系上で求められた物理量を直交座
標系上の物理量に変換する。逆変換装置では、直交座標
系上で求められた物理量を関節座標系上の物理量に変換
する。

また、データ加工部は、両アーム間の一般化座標をどの
ように対応付けるかを定める対応付はデータを生成する
変換データ生成装置と、これに基づき１両アーム間の一
般化座標を対応付ける座標系対応付装置と、比率制御、
増分型制御などを重畳するための制御方式重畳装置から
成っている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は、マスタアームの可動範囲、または、オ
ペレータが操作しやすい範囲がスレーブアームの可動範
囲に比べ狭いなど、両アームの可動範囲が異る′場合に
は、マスタスレーブマニピュレータとして共通に利用で
きる作業範囲は狭くなる。そこで上記従来技術では、マ
スタアームの可動範囲を仮想的に拡大するため、スレー
ブアームの先端を作業を、しようとする領域までインチ
ングや一部量シフトにより移動した後作業を行っていた
、この方法では、目標とする領域に先端を移動するのに
、位置と姿勢の６自由度を順に設定しなければならなか
った。従って、６回の操作が必要となり、設定するのに
時間がかかるなど操作性が悪いという問題があった。

本発明の目的は、マスタアームの可動範囲を拡大する操
作において、マスタスレーブ操作によりスレーブアーム
の先端を、作業しようとする領域まで移動する際の操作
性の向上を図ることにより達成される。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、マスタアームと、該マスタアームの運動を
表わす第１運動値を検出する第１検出手段と、該第１ｉ
ｊｌｌｌ値を入力して目標値としスレーブアームを該目
標値に一致するよう制御する制御手段と、該スレーブア
ームの運動を表わす第２運動値を検出して前記制御手段
にフィードバックする第２検出手段とを備えたマスタス
レーブマニピュレータにおいて、前記第１運動値をマス
タアーム座標で表示する第１座標表示手段と、前記第２
運動値をスレーブアーム座標で表示する第２座標表示手
段と、前記マスタアーム座標の表示値と前記マスタアー
ム座標と前記スレーブアームの共通座標の表示値との変
換を行う第１変換手段と、前記スレーブアーム座雑の表
示値と前記共通座標の表示値との変換を行う第２変換手
段と、前記第１変換手段によって前記共通座標の値に変
換された第１変換値と前記第２変換手段によって前記共
通座標の値に変換された第２変換値との対応付けを行う
対応付手段と、前記マスタアームと前記スレーブアーム
との切断・再接続を行うマスタ有効スイッチとを設け、
該有効スイッチを切断して前記マスタアームを移動し前
記対応手段により前記マスタアームと前記スレーブアー
ムの対応付けを行った後再接続することにより達成され
る。

〔作用〕

上記構成により、マスタ有効スイッチでマスタアームと
スレーブアームを接続時はマスタアームを操作してスレ
ーブアームにマスタアームの操作に対応した運動をさせ
、マスタ有効スイッチを切断し、スレーブアームはその
ままの状態を保持させ、マスタアームを操作しやすい位
置に移動後マスタ有効スイッチを再接続すると、対応付
手段は、第１座標表示手段より第１変換手段を介して共
通座標に入力されたマスタアームの運動値と、第２座標
表示手段より第２変換手段を介して共通座標に人力され
たスレーブアームの運動値とのマスタ有効スイッチ切断
・再接続によって生じるオフセット値を検出してマスタ
アームとスレーブアームの対応付けを行い、再びマスタ
アームを操作してスレーブアームをマスタアームの操作
に対応した運動をさせる。

〔実施例〕

以下本発明の一実施例を第１図第５図〜第１８図により
説明する。第１図において各関節に角度センサを備え、
駆動源を用いなくてもオペレータが楽に操作できるマス
タアーム６と、マスタアーム６の関節角度から、マスタ
基準Ｓ、標系１０上でのマスタアーム先端の位置、姿勢
を求める正変換部１と、共通座標系１２を介しマスタ基
準座標系１０上のマスタアームの先端位置姿勢をスレー
ブ基準系１１上の位置、姿勢に変換する対応付部２と、
マスタスレーブモードと、基点シフトモードを切り換え
るためのマスタ有効スイッチ３と、スレーブ基準座標系
１１上で記述されたスレーブアームの先端の目標位置、
姿勢に従ってスレーブアーム７を制御する制御演算部４
、駆動部５から成るマスタスレーブマニピュレータシス
テムである。

アーム先端の位置、姿勢、あるいは速度、角速度などは
、一般にアームのベースに設定した直交座標系により記
述する。そこで第５図に示すようにマスタアーム、スレ
ーブアームのベースにそれぞれ、マスタ基準座標系１０
、スレーブ基準座標系１１を設定する。第６図に示すよ
うにスレーブアーム７の動作限界９の近傍にある点ＡＳ
で作業を行うことを想定した作業の場合では、破線は始
動時のアームの状態を示し、実線は操作後のアームの状
態を示す、先ずマスタ有効スイッチ３によりマスタスレ
ーブモードに設定する。オペレータはスレーブアーム７
の先端が点Ａｓに近づくように、マスタアーム６を操作
する。しかしオペレータは無理のない姿勢を保った状態
でマスタアーム６を操作するので移動量が少なく、スレ
ーブアーム７の先端は点Ａｓまで達しない、そこでマス
タ有効スイッチ６により基点シフトモードに切換え、ス
レーブアーム７はその移動した位置、姿勢を保持したま
まマスタアーム６を第６図に示す始動時の状態６′に戻
す、その後再びマスタ有効スイッチ３により、マスタス
レーブモードに切換スレーブアームの先端が点Ａｓに、
さらに近づくようにマスタアーム６を操作する。この一
連の作業を繰り返すことによりスレーブアーム７の先端
を点Ａｓの近傍に移動する。次にマスタアーム６とスレ
ーブアーム７の先端の位置の対応について述べる。第７
図に基点シフトモードにおける演算ブロツク図を示し、
第８図に対応付けの手段を示す。

このモードではスレーブアーム７は、現在の位置。

姿勢を保持したままオペレータがマスタアーム６の先端
の位置、姿勢を変え新たに両アームの対応付けを行うモ
ードである。マスタアーム６とスレーブアーム７の対応
付けるのは対応付部２で行なう。

先ず、正変換部１により、各関節角に基づいて基準座標
系１０から見たマスタアーム、スレーブアームそれぞれ
の先端の位置Ｐｓ＊　Ｐｓを求める。

次に、この位置ＰＭ　ｔ　Ｐｓを共通座標系１２から見
たマスタアーム、スレーブアームそれぞれのＰＭ　、Ｐ
ｓに変換する。尚、マスタ基準座標系１０又は、スレー
ブ基準座標系１１を共通座標系１２として設定した場合
にはＰＭ”ＰＣＭまたはＰｓ：Ｐｃｓとなり、この演算
を省略することができる。第８図に示すように、一般に
Ｐ　ｃＭ、　Ｐ　ｃｓは一致しない。ここでそのオフセ
ットをＰ　ＣＭＳと定義する。即ち、オフセットＰ　Ｃ
ＭＳはマスタアーム６とスレーブアーム７の先端位置の
対応関係を表わしている。そこで、基点シフトモードの
ときに。

オフセットＰ　ＣＭＳをあらかじめ演算し、メモリに記
憶させておく。そして、マスタスレーブモードのときに
そのオフセットを用い対応付を行うようにする。次にマ
スタスレーブモードについて述る。

第９図にこのモードにおける演算ブロック図を示す。正
変換部１によりマスタアーム６の各関節角に基づき、マ
スタ基準座標系１０から見たマスタアームの先端位置Ｐ
Ｍを求める０次に求めたＰＭを共通座標系１２から見た
マスタアームの先端位置ＰｃＭに変換する。ここでマス
タアーム、スレーブアームの位置関係を次式で対応づけ
て、運動を伝達する。

ＰＣ８＝ＰＣＨ＋ＰｃＨ８…（１） 求めたスレーブ先端位［Ｐｃｓをさらに、スレーブ基準
座標系１１から見た位置Ｐｓに変換する。そしてスレー
ブアーム先端の目標値−Ｐａに一致するように制御演算
部４．駆動部５によりスレーブアームを制御する。一方
マスタアーム、スレーブアーム先端の姿勢についても位
置と同様の考え方で対応させることができる。第１０図
に示すように両アームの先端の姿勢を表わすために、一
般に両アームの先端１５に直交座標系１６を設定し、ア
ームのベースに設定した基準座標から見たこの座標系の
姿勢、即ち、ベクトルｎ、Ｏ，ａで、先端の姿勢を表現
する。ここで杉活を表わす３×３行列丁を次のように定
義する。

Ｂ＝（ｎ　　Ｏａ）　　　　　　　　　・・・（２）第
１１図に示すように、基点シフトモードのときに、姿勢
のオフセットＢ　ＣＭＳをあらかじめ求め、メモリに記
憶しておく。姿勢のオフセット−Ｂ　ｃＭｓとは、共通
座標系１２上で、マスタアームの姿勢ＢｅＭをスレーブ
アームの姿勢８０８に変換し、両アームの姿勢を対応付
ける。３×３の座標変換行列のことである、すなわち、 Ｂｃｓ＝Ｂｃｎｓ　　Ｂａｎ　　　　　　　　−（３）
となり、変形して、 ＢｃＭｓ＝Ｂｃｓ　　Ｂ（！Ｍ−’　　　　　　・・（
４）と定義される。また第１２図にマスタスレーブモー
ドにおける演算ブロック図を示す、この演算は第８図に
おける７を百に置き換えた演算である。

次に１本発明の第２の実施例を第１３図〜第１５図によ
り説明する。前記の実施例では共通座標系１２上で両ア
ームの先端の位置、姿勢の対応付けを行った。ところで
、マスタスレーブマニピュレータでは１両アームの先端
の運動が対応すれば作業を行うことができるので、第２
の実施例では先端の速度を対応させる。まず、マスタア
ーム、スレーブアーム先端の位置に関する速度の対応に
ついて述べる。式（１）に示すように、前記の実施例で
は、位置のオフセットＰ　ＣＭＳを用い両アームを対応
付けていた。ここで式（１）の両辺を時間で微分すると
、 Ｐｃｓ＝ＰｃＭ　　　　　　　　　　°＝（５）となる
。オフセットＰ　ＣＭＳは、基点シフトモードにより再
設定しない限り、マスタスレーブモードの間は一定値と
なる。従って、その微分値はＯとなる。式（５）かられ
かるように共通座標系１２上で、両アームの先端の速度
が等しくなるようにすれば、両アーム先端の位置にオフ
セットがあっても運動が対応する、即ち、位置のオフセ
ットは求める必要がない、第１３図、第１４図にこのと
きの原理図と演算ブロック図を示す、まず、正変換部１
によりマスタアームの各関節角速度に基づき。

マスタ基準座標系１ｏから見た先端速度βＮを求める０
次に、求めた速度を共通座標系１２がらみた速度ＩＰｃ
に変換する。さらに、このｐｃをスレーブ基準座標系１
１から見た速度ｐｓに変換し、これをスレーブアーム先
端の目標速度とする。そして、この目標値に一致するよ
うに、＃御演算部４、駆動部５により、スレーブアーム
を制御する。

なお、上記の演算において、マスタ基準座標系１０、ま
たはスレーブ基準座標系１１として設定した場合には、
ＰＭ＝１）ｃまたは、ｐｃ　＝ＰＳとなり、その部分に
該尚する座標変換演算は不要となる。次に１両アームの
先端の姿勢に関する速度の対応について述べる０式（３
）に示すように、第１の実施例では、姿勢のオフセット
Ｂ　ａＭｓを用い、両アームを対応付けていた。ここで
、式（３）の両辺を時間で微分すると、 らＣ５＝ＢｃＨｓ　　らＣＭ　　　　　　　　・・・（
６）となる、オフセットＢ　ＣＨＢは、基点シフトモー
ドにより再設定しない限り、マスタスレーブモードの間
は一定値となる。従って、姿勢のオフセット。

ＢｃＭｓは微分演算において係数として残る。共通座標
系１２上で、両アームを式（６）に示すように対応付け
れば１両アームの先端の姿勢にオフセットがあっても運
動が対応する。第１５図に、このときの演算ブロック図
を示す。この演算は、基本的には、第１３図における先
端速度かを八に置き換えたものであるが、式（６）から
れかるように姿勢のオフセットＢ　０Ｍ８が必要となる
。そこで、第１１図に示すように、基点シフトモードに
おいてこのオフセットをあらかじめ演算しておく。

次に、本発明の第３の実施例を第１６図により説明する
。ここでは、本発明がユニラテラル制御だけではなく、
パイラテラル制御にも適用できることを示す、その−例
として、ｖＩＪ節角度または、関節角速度検出手段を備
えたマスタアーム６、スレーブアーム７と、先端に加わ
る力を検出する集中型力センサ４１，４２と、それぞれ
のアームのベースに設定した基準座標系上で記述された
目標値に先端が一致するように制御する制御演算部４゜
１４、駆動部５，１５と、力センサ座標系上で記述され
た力を共通座標系上の力に変換する力座標変換部４３．
４４と、求めたこの共通座標系上の力を共通座標系上の
先端速度Ｐｃ　、Ｂｅに変換する。力／速度変換部４５
と１両アームの運動を対応付ける対応部２と、マスタ有
効スイッチ３から成るマニピュレータシステムである。

第１７図。

第１８図に対応付部の演算ブロック図を示す。また、対
応付部における演算は、第２の実施例に示す先端速度対
応とし、さらに、マスタ基準座標系を共通座標系として
設定する。前記２つの実施例では、マスタアーム先端の
位置、速度をスレーブアーム側へ伝達することによって
運動を対応付けていた。しかし、本実施例では、信号の
流れが変り、共通座標系上で、先端の目標速度をあらか
じめ求め、その目標値に一致するようにマスタアームと
スレーブアームを制御する。上記目標値は第１６図比示
すように、アーム先端に加わる力から。

力／速度変換部４５により求める。上記構成をとること
により、オペレータがマスタアームの先端に力を加える
とその力の方向にマスタアームが移動する。また、その
動きに連動してスレーブアームも移動する。逆に、スレ
ーブアームの先端が壁などの障害物に当たった場合、ス
レーブアームの先端に反力がかかり、スレーブアームは
壁から離ける方向に移動しようとする。この動きに連動
してマスタアームも移動するので、オペレータはスレー
ブアームの先端が壁に触れているかどうかについて判断
できる。このようなパイラテラルシステムにおいても、
対応付部２とマスタ有効スイッチ３を設けることにより
、基点シフトが行なえる。

また、上記制御方法は、対称型のパイラテラル制御なの
で、マスタアーム、スレーブアームの区別をする必要が
ない、即ち、スレーブアームの先端を操作することによ
り、マスタアームの先端で作業を行うことができる。そ
こで、第１６図において、マスタ有効スイッチ３をもう
一つマスタ側に設けることにより、基点シフト機能も含
めて、マスタアーム、スレーブアームの区別をすること
がなく作業を行うことができる０本実施例によれば。

マスタ有効スイッチの操作により、マスタアームとスレ
ーブアームの′Ｍ動値を対応付けできるので、１回の操
作スレーブアームの先端を作業領域に移動させる時間の
短縮を図る効果がある。

〔発明の効果〕

本発明によれば、マスタ有効スイッチによりマスタアー
ムとスレーブアームの接続、切断ができ、接続時はマス
タアームの運動値に対応した運動値をスレーブアームに
伝達でき、切断時はスレーブアームはそのままの状態を
保持し、マスタアームを操作しやすい位置に移動するこ
とができ、再接続によって生じるオフセット値を検出し
、マスタアームとスレーブアームの運動値の対応付けが
でき、マスタアームの可動範囲を仮想的に拡大すること
ができるので、スレーブアームの先端を作業領域へ移動
する操作時間の短縮及び、操作性の向上に優れた効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるマスタスレーブマニピュレータの
第一の実施例の構成図、第２図は作業開始時におけるマ
スタアームとスレーブアームの関係図、第３図は動作限
界におけるマスタアームとスレーブアームの関係図、第
４図は公知例の操作図、第５図はマスタアームとスレー
ブアームの基準座標図、第６図はスレーブアームとマス
タアームとがある位置まで移動した状態を示す図、第７
図は基点シフトモードにおける演算ブロック図、第８図
はマスタアームとスレーブアームの対応を示す図、第９
図はマスタスレーブモードにおける演算ブロック図、第
１０図はアーム先端の座標を示す図、第１１図は基点シ
フトモードにおけるオフセットを求める演算ブロック図
、第１２図はマスタスレーブモードにおけるオフセット
を求めるブロック図、第１３図は第２実施例のマスタア
ームとスレーブアームの対応を示す図、第１４図は第２
実施例のマスタスレーブモードにおける先端速度対応付
演算ブロック図、第１５図は第２実施例のマスタスレー
ブモードにおける先端姿勢速度対応付演算ブロック図、
第１６図は第３実施例の構成図、第１７図は第３実施例
のマスタスレーブモードにおける先端速度対応付演算ブ
ロック図。 第１８図は第３実施例のマスタスレーブモードにおける
先端姿勢速度対応付演算ブロック図である。 ＼ 第　！　口 ４響１便ｒ胃算テｐ 第　２　　昭 第　３　　目 第　、５　　図 第　６　　図 第　７　　口 丞＝、シフトミード（位置＃友） 第　　８　　図 第　９　　口 マスタスし−７”−一ド（先謀遠波対入う第　／Ｉ　　
の 巻Ｘ！？、レフト七−Ｆ（姿？ｉ士九）奉　１２　　口 マスタスし−フ“ミード（ｒ勢オナ六〇率　７３　　ｒ
ｊＪ 第　　／４　　口 マスタズし−フ゛モード（朱を島速度ｎ〜第　／３　凹 マスタスＬ−）”五−ド（先が一姿勢遠崖丈土１泊ミ）
第　／６　口 第　１ｑ　　囚 第７８　図　。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、マスタアームと、該マスタアームの運動を表わす第
   １運動値を検出する第１検出手段と、該第１運動値を入
   力して目標値としスレーブアームを該目標値に一致する
   ように制御する制御手段と、該スレーブアームの運動を
   表わす第２運動値を検出して前記制御手段にフィードバ
   ックする第２検出手段とを備えたマスタスレーブマニピ
   ュレータにおいて、前記第１運動値をマスタアーム座標
   で表示する第１座標表示手段と、前記第２運動値をスレ
   ーブアーム座標で表示する第２座標表示手段と、前記マ
   スタアーム座標の表示値と前記マスタアーム座標と前記
   スレーブアームの共通座標の表示値との変換を行う第１
   変換手段と、前記スレーブアーム座標の表示値と前記共
   通座標の表示値との変換を行う第２変換手段と、前記第
   １変換手段によつて前記共通座標の値に変換された第１
   変換値と前記第２変換手段によつて前記共通座標の値に
   変換された第２変換値との対応付けを行う対応付手段と
   、前記マスタアームと前記スレーブアームとの切断・再
   接続を行うマスタ有効スイッチとを設け、該有効スイッ
   チを切断して前記マスタアームを移動し前記対応付手段
   により前記マスタアームと前記スレーブアームの対応付
   けを行つた後再接続することを特徴とするマスタスレー
   ブマニピュレータ。 ２、前記運動値が、前記マスタアームおよび前記スレー
   ブアームの所定部分の関節角、関節角速度の少なくとも
   いずれかであることを特徴とす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。