JPH02185379A - マニピュレータ装置 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明は、遠隔地の状況をＴＶカメラ等の撮影手段で
撮影し、これによって提供される映像を観察しながら遠
隔操作を行うマニピュレータ装置に関する。

（従来の技術） 放射線環境・宇宙・深海など人間が直接入り込み難い極
限的な環境下では、人間の腕と、はぼ同様な機能を有す
るマニピュレータ装置が使用される場合がある。このと
き人間はマスクアームやジョイスティック等（以下、総
称してマスクアームと呼ぶ）を用いて、極限環境に置か
れたいわゆるスレーブアームを遠隔的に操作し所定の作
業を行う。スレーブアームの動作を観察する手段として
はＴＶモニタを使用する場合が多い。通常は、ＴＶカメ
ラは複数台設置され、操作者は必要な映像をＴＶモニタ
に適宜切替えて観察する。また、操作者の各々のＴＶカ
メラのズームレンズ機構を調整することで倍率の異なっ
た映像を観察することもある。

極限環境下では作業には充分な注意を払う必要があり、
そのためには前記マスクアームとスレー、ブアームとで
構成されるマニピュレータ装置の操作性向上を図る必要
がある。

このようなマニピュレータ装置の制御ループは、一般的
に第３図のように示される。極限環境下での作業では好
適にはスレーブアーム動作時に発生する力を操作者に帰
還するいわゆるパイラテラル制御方式が望ましいが、こ
こではこの発明の内容を明確にするために力帰還の含ま
ないいわゆるユニラテル制御方式を用いて説明する。以
降の説明は、後述するこの発明の実施例も含めて力帰還
を伴うパイラテラル制御方式にも適合する。

操作者１がマスタアーム３を操作すると、このマスタア
ーム３の構成要素の１つである変位／角度センサ５が動
かされ、このセンサ５の値とスレーブアーム７が有する
変位／角度センサ９の現在値との間に偏差１１が生じる
。この偏差１１をコントローラ１３で位相補償や比例操
作等の信号処理を行うことにより、スレーブアーム７の
モータドライバ１５を駆動する。この過程は、前記偏差
１１が零になるまで繰返されるので、結局スレーブアー
ム７の動きはマスタアーム３の動きに追従することにな
る。操作者１はＴＶカメラ１７で撮影された映像をＴＶ
モニタ１９で観察してスレーブアーム７の動きを確認す
る。

（発明が解決しようとする課題） このようなマニピュレータの制御方式にあっては、操作
者１が前記ＴＶ左カメラ７のレンズ倍率を拡大、縮小す
るに伴って、ＴＶモニタ１９上で観察されるスレーブア
ーム７の動きも同じ比率で拡大、縮小される。例えば、
スレーブアーム７全体が観察されるレンズ倍率の下でマ
スタアーム３を操作することに慣れた操作者が、スレー
ブアーム７の所望の動作量を同じとして、次にこのスレ
ーブアーム７の手先だけが拡大された映像を観察しなが
ら操作しようとすると、操作者１はマスタアーム３を拡
大されたレンズ倍率に応じて前回のレンズ倍率での所望
の操作量より大きく動かすことになってスレーブアーム
７の映像がＴＶモニタ１９の画面からはずれるなどの事
態が発生し、所望の作業ができなくなる恐れがある。逆
に拡大映像の直後に縮小映像が呈示される場合には、ス
レーブアーム７はマスクアーム３の操作量に対して少な
い動作量となり、作業性が極めて悪化することとなる。

このため、ＴＶ左カメラ別のものに切替えたりレンズ倍
率を変更するなどした場合には、操作者１によるマスク
アーム３の操作量と、操作者１が観察するＴＶモニタ１
９の映像中のスレーブアーム７の移動量との比率が適正
となるよう常に操作者１は注意を払いながらマスタアー
ム３を操作する必要があった。また、上記の比率を変更
するスイッチ等が用意されている場合でも、操作者１は
その都度マスクアーム３の操作を中断して切替操作を行
い、更に変更後の比率に慣れるように注意を払う必要が
あった。

このようにマニピュレータ作業過程において、操作者に
特別の注意や動作を要求することは操作者の必的負担の
増加につながり、極限的な環境下での作業信頼性を低下
させる原因となっていた。

そこでこの発明は、モニタ手段に写し出された映像が、
それまで写し出されていた映像に対して拡大あるいは縮
小された場合でも、それまで写し出されている映像を観
察しながらのマスタアーム操作と同感覚で操作できるよ
うにしたマニピュレータ装置の提供を目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 前述した課題を解決するためにこの発明は、操作者が操
作するマスクアームと、このマスタアームとは遠隔的に
設置されてマスクアームの動作に対応して所定の作業を
行うスレーブアームと、このスレーブアームの動作を撮
影可能な撮影手段と、この撮影手段が撮影したスレーブ
アームを写し出しこれを操作者が観察可能なモニタ手段
と、前記スレーブアームと撮影手段との間の距離を７１
１定するｎ１距手段と、撮影手段のレンズ倍率を測定す
る測倍手段と、この測倍手段及び前記測距手段の各出力
信号を基に、前記モニタ手段に写し出された映像の拡大
縮小度に対応するマスタアームの操作量に対するスレー
ブアームの移動量を前記拡大縮小度の逆数分に比例する
よう制御する制御手段とを有する構成としである。

（作用） スレーブアームと撮影手段との距離が変化し像より拡大
あるいは縮小した映像が写し出される。

操作者はこの映像を見て、それまで写し出されていた映
像に基づく操作と同感覚でマスタアームを操作する。

一方、測距手段によって測定されたスレーブアームと撮
影手段との間の距離、及び測位手段によってＫｐＩ定さ
れた撮影手段のレンズ倍率の各信号は制御手段に人力さ
れ、ここで撮影手段によって撮影された映像の拡大縮小
度の逆数値が算出される。

そして、制御手段はマスクアームの操作量に対するスレ
ーブアームの移動量をこの逆数値付に比例するようにス
レーブアームを制御する。これにより、操作者は上記の
マスタアーム操作でスレーブアームを所望の如く動作さ
せることが可能となる。

（実施例） 以下、第１図及び第２図に基づきこの発明の詳細な説明
する。

第１図はこの発明の第１の実施例を示すマニピュレータ
装置の制御ブロック図である。このマニピュレータ装置
は前述した（従来の技術）の項に示した例と同じく、操
作者１はスレーブアーム７に対してマスクアーム３によ
り位置や角度指令を与え、力感覚などが操作者１に帰還
されない、いわゆるユニラテラル方式を例にとっている
。力帰還等が施されるいわゆるパイラテラル方式に関し
ても、以下の議論は同様に適用される。

マスタアーム３の指令信号に応じてスレーブアーム７が
動作する基本的な制御ループは従来例である第３図と同
一であるが、本例において、撮影手段としてのＴＶ左カ
メラ７にはスレーブアーム７との距離を測定する測距手
段としての公知の測距センサ２１が取付けられており、
その検出結果は距離情報処理手段２３に逐次送られる。

この距離情報処理手段２３ではＴＶ左カメラ７の映像内
のある点（例えば映像の中心点）を基準として、スレー
ブアーム７の変位及び角度情報を参照しながら、前記Ｔ
Ｖカメラ１７の映像内の各部の距離を算出する。

また、上記ＴＶカメラ１７のレンズ部にはレンズ倍率を
１１−１定する測位手段としての回転角センサ２５が取
付けられており、その値が映像倍率演算手段２７に送ら
れレンズ倍率を計算する。前記映像倍率演算手段２７の
出力と前記距離情報処理手段２３の出力信号は制御倍率
演算手段２９に送られて、ＴＶモニタ１９上のスレーブ
アーム７の移動量が、レンズ倍率に変化があるなどして
ＴＶモニタ１９に写し出される映像が拡大あるいは縮小
しても、マスタアーム３の操作量に対して常に同一とな
るように制御倍率を計算する。この制御倍率の値は前記
ＴＶモニタ１９に写し出された映像の拡大あるいは縮小
の度合の逆数値となっており、コントローラ１３に送ら
れる。

そこで、例えばスレーブアーム７とＴＶ左カメラ７との
間の距離が変化せず、操作者１がＴＶ左カメラ７のレン
ズ倍率を２倍にしたとすると、操作者１が観察するＴＶ
モニタ１９に写し出されるスレーブアーム７の影像も２
倍となる。この状態で操作者１は、それまで写し出され
ていた映像を観察しながらの慣れたマスタアーム操作と
同感覚で操作を行うことになる。このときのマスタアー
ム３の操作量は、スレーブアーム７が２倍に拡大された
分だけ多くなっている。

一方、制御倍率演算手段２９は距離情報処理手段２３及
び映像倍率演算手段２７の出力信号を受けてＴＶ左カメ
ラ７が撮影してＴＶモニタ１９に写し出される映像の倍
率（ここでは２倍）を算出し、この倍率の逆数値（ここ
では１／２）となる制御倍率を演算する。この値はコン
トローラ１３に送られて、コントローラ１３はスレーブ
アーム７を、所望の操作量の２倍となったマスタアーム
３の操作量に対応するスレーブアーム１５の動作量を１
／２にする。

このように、ＴＶモニタ１９に写し出された映像が、そ
れまで写し出されていた映像に比べて２倍になって、操
作者１によるマスクアーム３の操作量も２倍になった映
像に伴って２倍になっても、コントローラ１３がスレー
ブアーム７の動きを２倍の逆数である１／２にするので
、操作者１はレンズ倍率を変化させる前のマスタアーム
３の操作感覚によって所望のスレーブアーム１５の動作
を行わせることができる。これにより、操作者１はＴＶ
モニタ１９に写し出された大きさの映像に基づいて、そ
の大きさの映像に対応したマスタアーム操作を行えばよ
いので、従来のようにマスタアーム３の操作量と、操作
者１が観察するＴＶモニタ１９の映像中のスレーブアー
ム７の移動量との比率が適正となるよう常に注意を払う
必要はなく、ｌど したがって操作者のｌ的負担が軽減し、人間が直接入り
込み難い極限的な環境下での作業信頼性が向上する。

第２図はこの発明の第２の実施例を示すマニピュレータ
装置の制御ブロック図であるこの実施例はスレーブアー
ム７の動作を複数のＴＶ左カメラ７ａ〜１７ｘで観察す
る場合を示しており、ここでは第１図の場合と同様に、
各々のＴＶ左カメラ７ａ〜１７ｘとスレーブアーム７と
の間の距離が各々の測距センサ２１ａ〜２１ｘで検出さ
れ距離情報処理手段２３ａ〜２３ｘに送られる。また、
各ＴＶ右カメラ７のレンズ部に取付けられた回転角セン
サ２５ａ〜２５ｘの検出値は映像倍率演算手段２７ａ〜
２７ｘに送られる。上記の距離情報処理手段２３ａ〜２
３ｘの結果と映像倍率演算手段２７ａ〜２７ｘの結果は
、ＴＶ左カメラ報選択手段３１に送られ、現在作動して
いるＴＶ右カメラ上記結果のみが制御倍率演算手段２９
で演算され、この鎖がコントローラ１３に送られて実際
に制御倍率の変更が行われる。

したがって、使用するＴＶ右カメラ変更されても、ある
いは現在使用しているＴＶ右カメラレンズ倍率が変化し
た場合でも、操作者１はＴＶモニタ１９中のスレーブア
ーム７の映像を、常に同じマスタアーム操作感覚で移動
させる事が可能となりる。

なお、上記各実施例は位置制御型について説明したが、
速度制御型のものについてもこの発明を適用でき、また
距離情報処理手段、制御倍率演算手段には、スレーブア
ームの幾何学形状や種々のデータベースを併せて使用し
てもよい。

また、減衰係数や適応性等の位相補償に関しても必要に
応じて制御倍率を変更することで適正化される。更に、
ＴＶ右カメラスレーブアームとの間の距離をｔｉｌｌ定
する手段は、あらかじめ分っている幾何学的寸法から計
算してもよいし、距Ｍ　Ｉｌｌ定の手段を別途に設置し
てもよい。

［発明の効果］ 以上説明してきたようにこの発明によれば、撮影手段で
撮影した映像をモニタ手段で観察しながら遠隔的にマニ
ピュレータ操作を行う際、モニタ手段に写し出された映
像の拡大縮小度に対応するマスクアームの操作量に対す
るスレーブアームの移動量を前記拡大縮小度の逆数分に
比例するようにしたため、操作者はマスタアームの操作
量と、モニタ手段の映像中のスレーブアームの移動量と
の比率が適正となるよう常に注意を払う必要がなく、モ
ニタ手段に写し出された映像の拡大縮小度に対応した操
作を行うことで所望のスレーブアーム移動量が得られ、
これにより、操作者の心的負担が軽減し、人間が直接入
り込み難い環境下での作業信頼性を向上させることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１の実施例に係わる制御系のブロ
ック図、第２図は同第２の実施例に係わる制御系のブロ
ック図、第３図は従来の制御系のブロック図である。 ３・・・マスタアーム　７・・・スレーブアーム１３・
・・コントローラ（制御手段） １７・・・ＴＶ右カメラ撮影手段） １９・・・ＴＶモニタ（モニタ手段） ２１・・・測距センサ（測距手段） ２５・・・回転角センサ（測倍手段） ９・・・制御倍率演算手段 （制御手段）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 操作者が操作するマスタアームと、このマスタアームと
   は遠隔的に設置されてマスタアームの動作に対応して所
   定の作業を行うスレーブアームと、このスレーブアーム
   の動作を撮影可能な撮影手段と、この撮影手段が撮影し
   たスレーブアームを写し出しこれを操作者が観察可能な
   モニタ手段と、前記スレーブアームと撮影手段との間の
   距離を測定する測距手段と、撮影手段のレンズ倍率を測
   定する測倍手段と、この測倍手段及び前記測距手段の各
   出力信号を基に、前記モニタ手段に写し出された映像の
   拡大縮小度に対応するマスタアームの操作量に対するス
   レーブアームの移動量を前記拡大縮小度の逆数分に比例
   するよう制御する制御手段とを有することを特徴とする
   マニピュレータ装置。