JPH02185380A - Power feedback method for master/slave manipulator - Google Patents
Power feedback method for master/slave manipulatorInfo
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は遠隔操作装置の制御方法に係り、特に。[Detailed description of the invention] [Industrial application field] The present invention relates to a method for controlling a remote control device, and particularly to a method for controlling a remote control device.
マスタ・スレーブマニピュレータに好適な力帰還方法に
関する。The present invention relates to a force feedback method suitable for master/slave manipulators.
従来の装置は、中野栄二著「ロボット工学入門」(19
88年)第74頁から第77頁において論じられている
ように、スレーブマニピュレータ(以下スレーブ)の作
用力をマスタマニピュレータ(以下マスタ)に直接帰還
する方式をとっている。また、力帰還比と呼ぶ定数に1
を掛けて帰還する方法も一般的である。一般に、K、は
大きいほど操作者に伝達される力感覚が鋭敏になるので
、デリケートな操作や脆弱な物体のハンドリングには大
きなに1が求められる。The conventional device is based on Eiji Nakano's "Introduction to Robotics" (19
As discussed on pages 74 to 77 of 1988, a system is adopted in which the acting force of a slave manipulator (hereinafter referred to as slave) is directly fed back to a master manipulator (hereinafter referred to as master). In addition, a constant called the force feedback ratio is 1
It is also common to return by multiplying by Generally, the larger K is, the more acute the sense of force transmitted to the operator becomes, so a value of 1 is required for delicate operations and handling of fragile objects.
上記の従来技術では経験的に次のような不安定現象が知
られていた。In the above-mentioned conventional technology, the following unstable phenomenon has been known empirically.
(1)力帰還比Kn を大にすると発振が起こり易い。(1) Oscillation is likely to occur when the force feedback ratio Kn is increased.
(2)剛性(以後、信号Kcを用いる)の大きな物体と
接触すると発振が起こり易い。(2) Oscillation is likely to occur when it comes into contact with an object with large rigidity (signal Kc will be used hereinafter).
本発明の目的はこの発振を抑制し、従来よりも大きな力
帰還比Kn と接触剛性Kcに対して使用可能にするこ
とである。The purpose of the present invention is to suppress this oscillation and to enable use with a force feedback ratio Kn and a contact stiffness Kc larger than those of the prior art.
上記目的はスレーブの作用力を位相進み要素を介して帰
還することによって達成される。The above objective is achieved by feeding back the slave's acting force through the phase advance element.
[作用〕
位相進み要素は5系の不安定現象を引き起こす条件の一
つである位相おくれを改善する作用があるので、従来で
は発振する条件下でも、安定な動作を実現することがで
きる。[Function] Since the phase lead element has the effect of improving phase lag, which is one of the conditions that cause the unstable phenomenon of the 5 system, stable operation can be realized even under conditions where conventional oscillations occur.
以下本発明の詳細な説明する。第1図は本発明の実施例
をブロック図により示す。人間・マスク相互作用ブロッ
ク11は、人間がマスクを操作することによって、マス
クの位置が決定される動的プロセスを表している。ここ
でマスクの位置は人間の手の位置と等しく、しかも、こ
れがスレーブの位置目’Rx r と等しい、スレーブ
・ワーク相互作用ブロック12は、この位置目axr
に一致するように制御されるスレーブと操作対象となる
物体(以後ワークと呼ぶ)との接触による相互作用の動
的プロセスを示している。この相互作用によって発生す
る作用力Fcに力帰還比に1を掛け(力帰還比ブロック
13)、さらに、位相進みブロック14によって位相を
進ませた後にマスタモータ発生力Fnとして帰還する。The present invention will be explained in detail below. FIG. 1 shows a block diagram of an embodiment of the invention. The human-mask interaction block 11 represents a dynamic process in which the position of the mask is determined by a human manipulating the mask. Here, the position of the mask is equal to the position of the human hand, which is also equal to the slave position 'Rx r, and the slave-work interaction block 12 uses this position axr
This figure shows the dynamic process of interaction between the slave, which is controlled so as to match the target object, and the object to be manipulated (hereinafter referred to as the workpiece). The acting force Fc generated by this interaction is multiplied by the force feedback ratio by 1 (force feedback ratio block 13), and the phase is further advanced by the phase advance block 14 before being fed back as the master motor generated force Fn.
第2図を用いて本発明の原理をより詳しく説明する。第
2図は第1図のブロック線図を、−自由度のマスタ・ス
レーブマニピュレータを想定してより具体的に表わした
ものである。自由度の多いマニピュレータに対してはよ
り複雑になり、力Fcも一般的には三次元ベクトル(三
方向の力と三方向のトルク)によって表わされるが、本
発明の原理はこの第2図の一白由度の例によって十分に
理解され得る。また、関節軸ごとに独立の制御を行う方
式では、多自由度でも第2図と同一の楕成になる。The principle of the present invention will be explained in more detail using FIG. FIG. 2 is a more specific representation of the block diagram of FIG. 1 assuming a master/slave manipulator with -degree of freedom. It becomes more complicated for a manipulator with many degrees of freedom, and the force Fc is generally expressed by a three-dimensional vector (force in three directions and torque in three directions), but the principle of the present invention is as shown in Fig. 2. It can be fully understood by a simple example. Furthermore, in a system in which independent control is performed for each joint axis, the same ellipse as in FIG. 2 is obtained even with multiple degrees of freedom.
まず、人間・マスク相互作用ブロック21について説明
する。人間の手のモデルとして、自然位[x aなるば
ねに、、とダンピング係数Bh を用い。First, the human-mask interaction block 21 will be explained. As a model of the human hand, we use the natural position [x a spring, , and the damping coefficient Bh.
実際の位置をxrとすると1人間の手の発生する力Fh
は、
Fh=Kn (xd xr) BhSXr −・
(x)となる。ここでSはラプラス演算子を表わす。If the actual position is xr, the force generated by one human hand Fh
is, Fh=Kn (xd xr) BhSXr −・
(x). Here, S represents a Laplace operator.
方、マスタのモータはFhとは反対の方向にFlなる力
を発生するから、この差をとったものが、マスクの慣性
M、に作用するので、位置xrは、で表わされる。以上
が人間・マスク相互作用ブロック21に示されている内
容である。式(1)。On the other hand, since the master motor generates a force Fl in the opposite direction to Fh, this difference acts on the inertia M of the mask, so the position xr is expressed as. The above is the content shown in the human-mask interaction block 21. Formula (1).
(2)から次の関係を得る。From (2) we obtain the following relationship.
・・・(3)
次にスレーブ・ワーク相互作用ブロック22について見
ると、スレーブの慣性Mに作用する力は次の二種類であ
る。第一はスレーブのモータによって及ぼされる力であ
り、位置目標Xrに位11xを追従させるために発生さ
れる。ここでは比例・微分制御を例にとり、位置偏差X
−X r と速度Xを各々に1.に2倍してネガティ
ブフィードバックしている。第二の力は、ワークに及ぼ
す作用力Fcの反作用であり、ワークの剛性をKc と
する、時、 Kcx で表わされる。以上を伝達関数
の形式で表現すると、
最後に力帰還部分のブロック23.ブロック24につい
て見ると次の式が得られる。(3) Next, looking at the slave-work interaction block 22, there are the following two types of forces that act on the inertia M of the slave. The first is the force exerted by the slave motor, which is generated to cause position 11x to follow position target Xr. Here, taking proportional/derivative control as an example, position deviation
-X r and velocity X are each 1. We are giving negative feedback twice as much. The second force is a reaction of the acting force Fc on the workpiece, and is expressed as Kcx, where Kc is the stiffness of the workpiece. Expressing the above in the form of a transfer function, we finally have the force feedback block 23. Looking at block 24, the following equation is obtained.
S+α a
ここでα、aは位相進み要素の作用を決める定数であり
、角周波数a〜αa[rad/slの間で位相が進む。S+α a Here, α and a are constants that determine the action of the phase advance element, and the phase advances between the angular frequencies a to αa[rad/sl.
第2図のブロック線図に表わされる系の特性は、式(3
) 、 (4) 、 (5)を用いて、特性方程式の根
(系の固有値)を計算してみることによって明らかにな
る。まず、本発明との対比のために、従来の方法の特性
を先に求める。従来の手法は、位相進みブロック24が
単位ゲインであるものとして考えることができるので、
α=1として計算すれば良い、他の定数は、−例として
、
M、= 1 [kgl、 K11= 300 [
N/mコ、Bh= 35 [Ns/m1M =10[k
gl、 Kt=10’[N/m]+ Kz=2000[
Ns/mlとした。第3図、第4図はこの計算結果を示
したものである。まず、第3図について見ると、ここで
はワークの剛性を10’[N/m]に固定し、力帰還比
Kg をO〜1まで0.1 刻みに設定し、系の四つの
根の位置を複素平面上にプロットしである。同図が示す
ように従来方式ではに、が大きくなると実部の正側(右
半面)に二つの根が移動して来るeKt=o−3で不安
定となっている0次4こ、第4図はKzを1に固定し、
剛性Kcを0〜104[N/m]まで10’[N/m]
刻みに設定して同様に根の位置をプロットしたものであ
る。この場合は、Kcが大きくなるにつれて二根が右半
面しこ移動してくる。Kc=3X103[N/m]で不
安定となっている。この第3図と第4図の示すところは
、先に述べた経験的に知られる不安定現象の性質と良く
一致している。The characteristics of the system represented in the block diagram of Fig. 2 are expressed by the equation (3
), (4), and (5) to calculate the roots (eigenvalues of the system) of the characteristic equation. First, for comparison with the present invention, the characteristics of the conventional method will be first determined. In the conventional method, the phase lead block 24 can be considered to have a unit gain;
Other constants that can be calculated with α = 1 are - For example, M, = 1 [kgl, K11 = 300 [
N/m, Bh = 35 [Ns/m1M = 10[k
gl, Kt=10'[N/m]+Kz=2000[
It was set as Ns/ml. FIGS. 3 and 4 show the results of this calculation. First, looking at Figure 3, here the stiffness of the workpiece is fixed at 10' [N/m], the force feedback ratio Kg is set from O to 1 in 0.1 increments, and the positions of the four roots of the system are is plotted on the complex plane. As shown in the figure, in the conventional method, when , becomes large, two roots move to the positive side (right half plane) of the real part, making it unstable at eKt=o-3. In Figure 4, Kz is fixed to 1,
Rigidity Kc from 0 to 104 [N/m] by 10' [N/m]
The position of the root is plotted in the same way with the setting in increments. In this case, as Kc increases, the second root moves toward the right half. It is unstable at Kc=3×103 [N/m]. What is shown in FIGS. 3 and 4 is in good agreement with the properties of the empirically known unstable phenomenon described above.
さて、本発明の特性を同様に解析すると第5図。Now, FIG. 5 shows a similar analysis of the characteristics of the present invention.
第6図が得られた。ここでは、位相進みの定数をa=6
0 [rad/s]、(E:100とした。第3図、第
4図との比較で明らかなように、不安定根が安定側(左
半面)に移動しており。Figure 6 was obtained. Here, the phase lead constant is a=6
0 [rad/s], (E: 100. As is clear from the comparison with Figures 3 and 4, the unstable roots have moved to the stable side (left half).
K、では0.7 まで安定、Kcでは7X10”[N/
m ]まで安定であることが示されている。For K, it is stable up to 0.7, for Kc it is 7X10”[N/
m ] has been shown to be stable.
この安定化効果は、過渡応答のシミュレーション波形で
も顕著に認められる。第7図はKc=lO’[N/ml
、に*=0.2の場合の従来方式の過渡応答を示した
もので、安定ではあるが大きく波打っている。一方、第
8図は本発明のものであり、顕著な安定化効果が認めら
れる。This stabilizing effect is also noticeable in the transient response simulation waveform. Figure 7 shows Kc=lO'[N/ml
, shows the transient response of the conventional method when *=0.2, and although it is stable, it is largely undulating. On the other hand, FIG. 8 shows the one of the present invention, and a remarkable stabilizing effect is observed.
以上の説明を要約すると、マスク・人間相互作用ブロッ
クとスレーブ・ワーク相互作用ブロックの直列結合によ
って、スレーブ位@Xのマスク位1jxrに対する位相
が180°以上おくれる条件がそろっている所へ、従来
では接触力Kcx のに5倍をそのまま帰還するから、
K、またはに1のいずれかが大になるとループゲインが
1を超えて発振する。そこで本発明は、位相のおくれを
位相進み要素によって改善し、ループゲインが1を超え
ても不安定にならないように構成する。To summarize the above explanation, by serially coupling the mask-human interaction block and the slave-work interaction block, the condition that the phase of the slave position @X with respect to the mask position 1j Then, since 5 times the contact force Kcx is returned as it is,
When either K or 1 becomes large, the loop gain exceeds 1 and oscillates. Therefore, the present invention improves the phase lag by using a phase advance element, and is configured to prevent instability even if the loop gain exceeds 1.
従って、接触力F c(= Kc x )を直接帰還す
る替りに、これと同等の信号、例えば、スレーブのアク
チュエータの発生する力や、同アクチュエータを駆動す
る電流値、あるいはアクチュエータの位置の時々刻々の
変化から動的方程式を逆算して求めたFcの推定値など
についても、すべて本発明の位相進み要素を介して帰還
する方法が有効である。Therefore, instead of directly feeding back the contact force F c (= Kc It is also effective to feed back the estimated value of Fc obtained by inversely calculating the dynamic equation from the change in the value of Fc through the phase advance element of the present invention.
本発明によれば、系の位相おくれを改善することにより
、固有値を安定側に移動することができるので、マスタ
・スレーブマニピュレータの力帰還に伴う不安定現象を
抑制することができる。According to the present invention, by improving the phase lag of the system, it is possible to move the eigenvalue to the stable side, and therefore it is possible to suppress the unstable phenomenon accompanying force feedback of the master/slave manipulator.
第1図、第2図は本発明の一実施例のブロック図、第3
図、第4図は従来例の根軌跡を示す図、第5図、第6図
は本発明の根軌跡を示す図、第7図は従来例の過渡応答
を示す図、第8図は本発明の過渡応答を示す図である。
11・・・人間・マスク相互作用ブロック、12・・・
入レープ・ワーク相互作用ブロック、13・・・力帰還
比ブロック、14・・・位相進みブロック。
第
図
第2図
第
図
re+11
第6図
第3図
eal
第
図
第
図
Lime(s)
第8図
0.2
time(s)Figures 1 and 2 are block diagrams of an embodiment of the present invention, and Figure 3 is a block diagram of an embodiment of the present invention.
4 shows the root locus of the conventional example, FIGS. 5 and 6 show the root locus of the present invention, FIG. 7 shows the transient response of the conventional example, and FIG. 8 shows the root locus of the present invention. FIG. 3 is a diagram showing the transient response of the invention. 11...Human-mask interaction block, 12...
Input rape work interaction block, 13... force feedback ratio block, 14... phase advance block. Figure 2 Figure re+11 Figure 6 Figure 3 eal Figure Lime (s) Figure 8 0.2 time (s)
Claims (1)
より構成されるマスタ・スレーブマニピュレータにおい
て、 前記スレーブマニピュレータがハンドリングする物体に
及ぼす力を、位相進み要素を介して前記マスタマニピュ
レータの駆動力に帰還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力帰還方法。 2、マスタスレーブマニピュレータにおいて、前記スレ
ーブマニピュレータのアクチュエータの発生力、駆動電
流値、あるいは、位置の時間変化より動的方程式を逆算
して求めた前記スレーブマニピュレータの接触力を、位
相進み要素を介して前記マスタマニピュレータの駆動力
に帰還することを特徴とするマスタ・スレーブマニピュ
レータの力帰還方法。[Claims] 1. In a master/slave manipulator composed of a master manipulator and a slave manipulator, the force exerted on the object handled by the slave manipulator is returned to the driving force of the master manipulator via a phase advance element. A force feedback method for a master/slave manipulator, characterized by the following. 2. In the master-slave manipulator, the contact force of the slave manipulator, which is obtained by back calculating the dynamic equation from the force generated by the actuator of the slave manipulator, the drive current value, or the time change in position, is applied via the phase advance element. A force feedback method for a master/slave manipulator, characterized in that the force is returned to the driving force of the master manipulator.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP273289A JPH02185380A (en) | 1989-01-11 | 1989-01-11 | Power feedback method for master/slave manipulator |
Applications Claiming Priority (1)
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---|---|---|---|
JP273289A JPH02185380A (en) | 1989-01-11 | 1989-01-11 | Power feedback method for master/slave manipulator |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH02185380A true JPH02185380A (en) | 1990-07-19 |
Family
ID=11537495
Family Applications (1)
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---|---|---|---|
JP273289A Pending JPH02185380A (en) | 1989-01-11 | 1989-01-11 | Power feedback method for master/slave manipulator |
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Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH02185380A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015037824A (en) * | 2013-08-19 | 2015-02-26 | 学校法人立命館 | Master-slave system |
-
1989
- 1989-01-11 JP JP273289A patent/JPH02185380A/en active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015037824A (en) * | 2013-08-19 | 2015-02-26 | 学校法人立命館 | Master-slave system |
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