JPH02232188A - マスタスレーブマニピュレータ - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明はバイラテラルサーボ機構を備えたマスタスレー
ブマニピュレータに関する。

（従来の技術） 周知の通り、マスタスレーブマニピュレータの多くは、
マスク側とスレーブ側との間に力伝達機能を設け、これ
によって操作者に力感覚を与え、操作性を向上させるよ
うにしている。

この種、力感覚を持つマスクスレーブマニビュレー夕の
制御形態には力逆送形、力帰還形等があるが、いずれの
制御形態を採用した場合にも、操作者がマスタアームを
任意の方向に動かしアーム手先を任意の位置に移動させ
るため、操作者は適宜動かす軸を選択し、その軸を移動
させることを繰返し、最終的に目標の位置へアーム先端
を移動させている。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記の如き従来よりのバイラテラルサー
ボ機構を備えたマスタスレーブマニピュレータにあって
は、操作性の向上のため各種の提案が為されていはいる
ものの、操作しづらいことがあるという問題点があった
。

すなわち、一般にマスタアームの操作はアーム手先を把
持してこれを任意の位置へ移動させる形態をとるのであ
るが、例えばマスタアームが略伸び切ったような状態に
あり、これを更に伸ばすような操作をする場合、手首及
び肩部に手をかけて各関節を延ばしつつアーム手先を所
定の位置へ移動させなければならないので、手首部分に
大きなトルクが発生し、その調整に多大な労力が必要と
なる。

また、肘を回すときに人の場合は肘と手首の間の筋肉を
ひねる機能が加わるが、マニピュレー夕の場合は肘を回
転させるアクチュエー夕を駆動するのみであるというよ
うに、マニピュレー夕のアームと人の腕との間には各種
の相違が有る。したがって、例えば肩部を移動させたと
ころ、手先が思わぬ動作をしてしまい、試行錯誤で各軸
を順次動作させてやらねばならないようなことがあり、
その調整に多くの手間を要することがある。

そこで、本発明は、マスタアーム及びスレーブアームを
容易な操作で任意の位置へ移動させることができるマス
タスレーブマニピュレータを提供することを目的とする
。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 上記課題を解決する本発明のマスタスレーブマニピュレ
ータは、バイラテラルサーボ機構を備えマスタアームの
操作に基いてスレーブアームを動作させるようにしたマ
スタスレーブマニピュレータにおいて、前記マスタアー
ムと一体又は別体に設置され任意の空間位置へ指向する
手操作を検知することにより前記マスタアームの手先を
前記空間位置方向へ移動指示する移動指示装置を設けた
ことを特徴とする。

（作用） 本発明のマスタスレーブマニピュレータは、任意の空間
位置へ指向する手操作を検知できる移動指示装置を設け
、前記手操作の指向方向へマスタアーム及びスレーブア
ームを移動させるので、操作者は前記球体内で手操作す
るのみでマスタアーム及びスレーブアームを任意の位置
方向へ移動させることができる。

（実施例） 以下、添付図面を用いて本発明の実施例を説明する。

第１図を参照するに、本例のマスクスレーブマニビュレ
ー夕では、肩関節１，上腕２，肘関節３，下腕４，手首
関節５を備えたマスタアーム６の手首部に接続部材７を
介して移動方向指示装置８を取付けて成る。

第２図に詳細に示すように、前記移動指示装置８は、前
記接続部材７に接続される中空の枠球９と、この内側で
比較的強いスプリング１０を介して常時は中心位置に保
持される中空の外球１１と、この内側で比較的弱いスプ
リング１２を介して常時は中心位置に保持される中空の
内球１３を備えている。

前記内球１３には、前記枠球９及び外球１１に明けられ
た孔部１４を介して操作者の手を案内する案内部材１５
が接続されている。また、その内部には操作者の手によ
り把持されるグリップ１６が設けられ、このグリップ１
６の上端には操作者の親指により操作可能のスイッチ１
７が設けられている。

前記外球１１の内面には、−前記グリップ１６を把持し
た操作者の操作力により動作される内球１３の外面の方
向及び押圧力を検出するために多数の圧カセンサ１８が
敷き詰められている。

前記枠球９の孔部１４側には前記案内部材１５を固定す
るためのアクチュエータ１９が設けられている。また、
孔部１４の反対側には外球１１を固定するためのアクチ
ュエータ２０が設けられている。これらアクチュエータ
１９．２０は、前記スイッチ１７の操作に基いて内蔵ビ
ンを被固定部材に対して突出させることにより、案内部
材１５又は外球１１をそれぞれ固定するものである。

第３図は、前記マスタアーム６及びこれに対応するスレ
ーブアームの内一つの軸２１．２２に関するバイラテラ
ルサーボ機構を示すもので、両軸２１，２２のドライバ
２３．２４、カセンサ２５，２６、位置センサ２７．２
８、の間に重力補償演算部２９、乗算器３０、ＰＩＤ調
整器３１，３２、加算器３３〜３７を介在させることに
より通常のバイラテラルサーボ機能を発揮するように構
成されている。重力補償演算部２９には、両アーム側の
他軸位置センナ群３８．３９が接続されている。

又、前記加算器３７は、前記移動指示装置８が出カした
圧力信号Ｆｉをアナログ変換器４０を介して入力し所定
の指示量を演算する指示量計算部４１と接続されている
。

詳しくは、マスク側の位置センサ２７が検出した位置信
号Ｐ１はスレーブ側の位置センサ２８の出力した位置信
号Ｓ１を減算し、スレーブ側のＰＩＤ調整器３２へ出力
される。すなわち、両位置センサ２７，２８の出力信号
ｐ．，ｓ，は加算器３６により常時バランスするように
なっている。

又、重力補償演算部２９は、両位置センサ２７，２８の
出力信号Ｐｌ＋Ｓ１及び他軸位置センサ群３８．３９よ
り入力された位置信号ｐ２　，ｓ２に基いて各アーム姿
勢に応じて現状状態をバランスさせるよう各軸に補償用
の信号ｐ３，ｓ３を出力するようになっている。

さらに、マスタ側のカセンサ２５が出力した力信号Ｐ４
はマスタ側に加わる力を軽くするようＰＩＤ調整器３１
を介してドライバ２３に帰還量を与えると共に、乗算器
３０により適宜の倍率とされたスレーブ側のカセンサ２
６の出力信号Ｓ４に応じてこれに基く力を感じれるよう
ドライバ２３に反力を与えるようにされている。

よって、マスタ側のＰＩＤ調整器３１の加算器３７には
、マスク側のカセンサの出力信号Ｐ４と、重力補償用信
号Ｐ３と、スレーブ側のカセンサ２６の出力信号Ｓ４と
指示量計算部４１より出力される制御量Ｐ９が適宜合成
されて入力され、操作者はアームの現在姿勢に応じて軽
く、かつスレーブアームに加わる力を感じつつマスク側
の軸２１を動作させることができる。

又、本例では、移動指示装置８の圧カセンサ１６が出力
した圧力信号Ｆｉに基いて指示量計算部４１は指令信号
Ｐ９を出力し、マスタアーム６の手先（以下、第１図の
手首関節５で示す）を操作者の思い通りに移動させるこ
とができる。

以下、前記移動装置８の操作例及び信号処理例を示す。

第４図は前記圧カセンサ１８が検出した圧力信号の説明
図である。

図示のように、各圧力信号Ｆｉは外球１１への取付位置
に応じ各々の外方法線方向に発生する圧力ＦＬを検出す
るものとし、その合成ベクトルＦで操作方向及び量を表
わすものとしている。

Ｆ−ΣＦｉ　　　・・・・・・《１》 そこで、操作者は案内部材１５を介して内球１３内に手
を挿入し、グリップ１６を握り、スイッチ１７をオン操
作すると、各アクチュエータ１９．２０のビンがアクチ
ュエー夕の本体内に後退し、内球１３及び外球１１が枠
球９の中心位置にバランスする。

次いで、操作者はマスタアーム６の現在状態、すなわち
スレーブアームの現在状態を考慮してアーム手先５を所
望の空間位置へ移動させるべくグリップ１６を介して内
球１３を外球１１めがけて移動させると、所定の圧力セ
ンサ１８が押圧力に応じた圧力信号Ｆｉを出力する。

各圧カセンサ１８より発生された圧力信号Ｆｉは第５図
のフローチャートにより処理される。

すなわち、ステップ５０１で圧力信号Ｆｉの合成ベクト
ルＦ（仮想トルクベクトル）が算出され、ステップ５０
２でこの仮想トルクベクトルＦより、目標点が算出され
る。仮想トルクベクトルＦとは、トルク′ＩｊｋＴヲ位
置座標上で論ずるためのベクトルを示す。

Ｔ−Ｋ−Ｆ（Ｋはゲイン）　　・・・・・・《２》次い
で、ステップ５０Ｂで目標点が動作可能範囲であるか否
かが判別され、不能ならばステップ５０４へ、可能なら
ばステップ５０５へ移行される。

ステップ５０４では、目標点が動作不能の位置であるこ
とに鑑みて、動作範囲内での最短点を算出し、これを新
たな目標点に設定する。

第６図は、動作可能の場合の目標点Ｐ１を示している。

第７図は、動作不能の場合の目標点Ｐ２に対し、新たな
目標点Ｐ３を生成することを示している。

４２．４３は上腕２及び下腕４の可動範囲を示す。

ステップ５０６では目標点Ｐ，，ｐ３に対し、移動量及
び目標姿勢を算出する。

ステップ５０７では目標姿勢が一つに限定されるか否か
を判別し、一つに限定されない場合にはステップ５０８
へ移行して、ここで人の腕を参照して予め準備されたア
ルゴリズムによりより自然な姿勢を選択し、ステップ５
０９で目標姿勢を決定する。

ステップ５１０では、かくして決定された目標に対して
マスタアーム６を移動させるよう、演算された制御量Ｐ
９を所定の制御周期で出力する。

したがって、第６図及び第７図に示すようにアーム手先
５は目標点Ｐ１又はＰ３に移動される。

ここに、目標点ｐｆ，ｐ３は移動指示装置８の内球１３
の圧カセンサ１６への押圧力に基くものであるため、移
動の途中で操作を中止し、又は方向を変えた場合には、
途中停止し、又は新たな目標値を設定して異なる方向に
移動するものである。

言い換えれば、移動指示装置８の操作では、操作力に応
じて移動速度が定まり、操作方向により移動方向が定ま
り、マスタアーム６を任意の方向へ任意の速度で誘導す
る形となる。

移動指示装置８の操作終了時には、スイッチ１７をオフ
操作することにより、アクチュエータ１９，２０を作動
させ、案内部材１５及び外球１１を固定し、通常のマス
タアームの操作に対して固定した状態としておけばよい
。もっとも、スイッチ１７のオフ操作により、第３図に
示す加算器３７への出力線は切られた状態となるので、
振動などによるぶれが通常操作に対して影響を与えるも
のではない。

以上により、本例のマスタスレーブマニピュレータでは
、内球１３の指示操作に基いて各圧カセンサ１８より所
定の圧力信号Ｆｌを出力させ、アーム手先５を所望の位
置へ誘導することができる。

このとき、マスタアームの各軸姿勢に関係なく、少ない
力で操作することができるので、操作は極めて容易とな
り、迅速、確実に所望の位置へ移動させることができる
。

上記実施例では、移動指示装置８を手首関節５に固定し
たが、着脱自在とすることもできる。また、マスタアー
ム６とは別体として、テーブル上で操作することもでき
る。さらに、エンコーダの取付けられたユニバーサルジ
ョイントを介して手首部に装着し、操作し易い姿勢に固
定して使用することもできる。

又、移動指示装置を３軸一体型のカセンサ及びこの操作
に基いて前記の如き仮想トルクベクトルを発生させる手
段で構成することもできる。

本発明は上記実施例に限定されるものではなく、適宜の
設計的変更を行うことにより、適宜の態様で実施し得る
ものである。

［発明の効果］ 以上の通り、本発明は特許請求の範囲に記載の通りのマ
スクスレーブマニビュレータであるので、容易な操作で
アーム手先を所望の位置へ移動させることができ、通常
のマスタアームの操作に加えて使用することにより操作
性をより良好とすることができ、作業性の向上を図るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係るマスクスレーブマニビ
ュレー夕の移動指示装置の取付例を示す説明図、第２図
は移動指示装置の詳細を示す拡大断面説明図、第３図は
バイラテラルサーボ機構の回路構成を示すブロック図、
第４図は移動指示装置が検出した圧力信号の説明図、第
５図は制御方式を示すフローチャート、第６図及び第７
図はアーム移動方法及び位置の関係を示す説明図である
。 ６・・・マスタアーム　　　８・・・移動指示装置１〕
．・・・外球　　　　　　１３・・・内球１８・・・圧
カセンサ　　　３１・・・ＰＩＤ調整器４１・・・指示
量計算部 代ワ人か一七三好秀和 １ｌ：外球 ｗｃ２図 ６：７スタアーム ８：移動指示装置 第３図 第６図 第７図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）バイラテラルサーボ機構を備えマスタアームの操
   作に基いてスレーブアームを動作させるようにしたマス
   タスレーブマニピュレータにおいて、前記マスタアーム
   と一体又は別体に設置され任意の空間位置へ指向する手
   操作を検知することにより前記マスタアームの手先を前
   記空間位置方向へ移動指示する移動指示装置を設けたこ
   とを特徴とするマスタスレーブマニピュレータ。
2. （２）請求項１に記載のマスタスレーブマニピュレータ
   において、前記移動指示装置を、球体と、該球体の内周
   面に均等に空間配置した力センサと、前記球体内に配置
   され常時は前記球体の中心位置に弾性支持されその内面
   側での手操作に基いて前記球体内周面に供えた適宜位置
   の力センサを押圧する加力用球体と、該加力用球体内に
   設けたグリップと、該グリップに設けた指令スイッチと
   を備えて構成したことを特徴とするマスタスレーブマニ
   ピュレータ。
3. （３）請求項１に記載のマスタスレーブマニピュレータ
   において、前記バイラテラルサーボ機構はマスタアーム
   側のドライバにＰＩＤ調整器を備えた力帰還形で構成さ
   れ、前記移動指示装置は前記球体円面での手操作により
   生じた力ベクトルに基いて各軸毎の前記ＰＩＤ調整器を
   介して前記ドライバを駆動することを特徴とするマスタ
   スレーブマニピュレータ。