JPH02262976A - マスタ・スレーブマニピュレータの制御方法及び装置 - 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） 本発明はマスタ・スレーブマニピュレータ制御方法及び
装置に関する。

（従来の技術） マスタ・スレーブマニピュレータは、操縦者が操縦する
マスタアームの動きに追従するようにスレーブアームが
駆動されるものであり、人間にとって危険な場所（宇宙
空間や原子炉内など）での作業を遠隔操作によって行う
ために利用さ、れている。マスタ・スレーブマニピュレ
ータは従来からその操作性を向上させるために種々の工
夫がなされている。例えば、スレーブアームに作用する
外力をマスタアームにフィードバックすることにより操
縦者に力感覚を与えるようなパイラテラル制御はその代
表的なものである。また最近では、操縦者にとって使い
易い構造のマスタアームと、作業に最も適した構造のス
レーブアームとを空間的に連結した、異構造マスタ・ス
レーブマニピュレータの研究が行われている。

こういった従来のマスタ・スレーブマニピュレータでは
一般に、マスタアームの把持部とスレーブアームの把持
部とがその位置と姿勢とを同一にするような制御がなさ
れていた。これは、人間による作業において把持部（手
のひら）を基準とする作業（物を持ったりする作業）が
最も容易に行えるからである。しかし把持部を基準とす
る作業は単純な作業であることが多く、例えばスレーブ
アームによるネジ止めなどの作業は、スレーブアームの
把持部にネジ止め用の電動工具を取付けて行わなければ
達成できなかった。今後はマスク・に スレーブマニピュレータ４り複雑で細かな作業が行われ
ることが予想されるため、従来とは異なるマスタ・スレ
ーブマニピュレータの制御が必要となっている。

（発明が解決しようとする課題） 以上のように従来は、マスタアームの把持部とスレーブ
アームの把持部とを空間的に対応させることによって操
作性のよいマスタ・スレーブマニピュレータを実現させ
ていたが、複雑で細かな作業を行うにはまだ課題が残っ
ていた。本発明では、複雑で細かな作業を確実に行うこ
とのできるマスタ・スレーブマニピュレータの制御方法
及び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） 上記の目的を達成するために本発明においては、マスタ
アームを操作することによりこのマスタアームの動きに
追従するようにスレーブアームが駆動するマスタ・スレ
ーブマニピュレータにおいて、スレーブアームの手首か
ら所定長さ離れた点とマスタアームの手首とが空間的に
対応する制御方法とした。また、マスタアームを操作す
ることによりこのマスタアームの動きに追従するように
スレー７’アームが駆動するマスタ・スレーブマニピュ
レータにおいて、マスタアームの手首がスレーブアーム
の手首から所定長さ離れた点と空間的に対応するように
座標変換する基準位置変換手段を具備した制御装置とし
た。

（作　用） 以上のようなマスタ・スレーブマニピュレータの制御方
法及び装置とすれば、マスタアームの手首が任意の点と
対応するので、マスタアームの手首を動かすだけで任意
の点での作業が達成される。

従って、スレーブアームによる複雑で細かな作業が確実
に行われる。

（実施例） 以下、図面に従って本発明を説明する。

第１図は本発明の実施例を示すマスタ・スレーブマニピ
ュレータのブロック線図であり、具体的には力帰還形の
マスタ・スレーブマニピュレータに本発明を適用したも
のである。操縦者がマスタアーム１を操作することによ
り、マスタアーム１の各関節角θ１が変化し、この時の
角度が角度検出器３により電気信号に変換される。一方
、同様にスレーブアーム２の現在の各関節角θ　が角度
検出器４により電気信号に変換される。ここでこれら全
での関節角が共通座標変換器９，１ｏに入力され、両方
のアーム１，２の位置と姿勢がアーム１．２に共通の直
交座標系に座標変換される。そして、共通座標変換器９
がらの出力信号にはスレーブアーム２への適当な変位拡
大率が乗算されるように、乗算器１１にて乗数が施され
る。

共通座標変換器１ｏからの出力信号は基準位置変換器１
２に入力される。基準位置変換器１２は、従来例えばマ
スタアーム１の把持部とスレーブアーム２の把持部とが
対応するように各関節が制御されていたものを、マスタ
アーム１の手首とスレーブアーム２の手首から所定の長
さだけ離れた点Ｐとの対応を取るように座標変換するも
のである。ここでＰは基準位置入力器１３からの出力信
号により任意に変更できるものであり、また基準位置入
力器１３はＰのデータを自由に入力できるものである。

尚、基準位置変換器１２と、２！準位置入力器１３は基
準位置変換手段を形成している。例えばスレーブアーム
２によるネジ止め作業を行う場合、スレーブアーム２に
固定されたネジ止め用ドライバの先端位置つまりネジと
ドライバとが嵌合する位置をＰとすればよく、ドライバ
の長さを予め基準位置入力器１３に入力しておき、ネジ
止め作業を行う場合にこのデータを基準位置変換器１２
へ出力するようにすればよい。Ｐのデータは作業内容に
応じてその作業の軸中心となる位置、もしくは工具の長
さなどをもとに複数用意しておくことが望ましい。

このようにしてマスタアーム１とスレーブアーム２との
位置対応を取った後、これらの偏差に対してスレーブ座
標変換器１４ではスレーブ逆ヤコビ行列を乗算し、スレ
ーブアーム２の各関節のモータ駆動部１５への速度指令
値に変換する。そしてモータ８に駆動電圧を供給する。

一方、操縦者がマスタアーム１に与える操縦トルクＴ　
がトルク検出器５により検出され、また、スレーブアー
ム２が物体に作用して受けるトルクＴ　がトルク検出器
６により検出される。これらのトルクは自重補償器１６
．１７に入力され、アームの姿勢に依存する自重トルク
分を算出して補償される。そして共通座標変換器１８．
１９にて両方のアーム１，２に逆装置ヤコビ行列を乗じ
て共通の直交座標系におけるトルクに変換される。そし
て、共通座標変換器１９からの出力信号にはマスタアー
ム１への適当な帰還率が乗算されるように、乗算器２０
にて乗数が施される。このようにしてマスタアーム１と
スレーブアーム２との力対応を取った後、これらの偏差
に対してマスク座標変換器２１ではマスク転置ヤコビ行
列を乗算し、マスタアーム１の各関節のモータ駆動部２
２への力指令値に変換する。モしてモータ７に駆動電流
を供給する。

このように構成された本実施例のマスタ・スレーブマニ
ピュレータの作業様態について順次説明する。上記のよ
うに本実施例においては、基準位置変換器１２が機能す
ることによりマスタアーム１の手首とスレーブアーム２
の手首から所定の長さだけ離れた点Ｐが対応するような
パイラテラルサーボ制御が実現する。今、スレーブアー
ム２を第２図のように３つの回転軸３１．３２．３３を
有するマニピュレータに模式化して考えた時、手首３１
を中心にハンド３４の姿勢を変化させる方式は第３図（
ａ）のように表現される。これはマスタアーム１とスレ
ーブアーム２とをそれぞれ手首で対応させた手首対応で
あり、この場合では上記点Ｐは手首３１の中心Ｐ１にあ
る。このような対応とすると、ハンド３４を駆動する際
に第２図に示すスレーブアーム２の回転軸３２．３３が
駆動しないのでスレーブアーム２全体として姿勢が一定
に保たれる。従って作業の際にスレーブアーム２が障害
物に接触する危険性が極めて少なくなり、カメラを用い
た点検作業や狭い場所での複雑で細かな作業に適するも
のとなる。

次に、基準位置入力器１３を操作することにより基準位
置変換器１２にて点Ｐ　を点Ｐ２に移動するように座標
変換を行う。ここで点Ｐ２は第３図（ｂ）に示すように
スレーブアーム２のハンド３４の把持中心（把持部）に
位置しており、点Ｐ２に例えばボルトやナツトなどの回
転中心が対応するような作業に適する。つまり、従来は
マスタアーム１とスレーブアーム２とが共に回転軸から
離れた位置にある把持部で対応していたので、作業は複
雑で時間もかかってしまっていたが、本実施例の対応と
すると操縦者はマスタアーム１の手首（回転軸）を回転
させて手首３１の姿勢を変えるだけでボルトやナツトの
締付作業が達成できる。もちろんここでハンド３４はス
パナやレンチなどの工具であってもよい。

また、点Ｐ　を点Ｐ３に移動するように座標変■ 換を行ってもよい。ここで点Ｐ３は第３図（Ｃ）に固定
して行う作業、例えば溶接トーチによる溶接作業の場合
、トーチ先端での位置、姿勢合わせ力（容易となる。も
ちろんここでも操縦者はマスタアーム１の手首を回転さ
せて手首３１の姿勢を変えるラルサーボ制御により力も
フィートノくツクされるので、作業が安全かつ確実に行
われる。

点Ｐの設定は、ハンド３４に取付ける工具や機器の寸法
や質量などのパラメータを予め基準位置入力器１３に入
力しておくことにより行われる。しかし、ボタン、レバ
ー、キーボードなどにより作業時に入力するものであっ
てもよい。また、センサにより工具や機器のパラメータ
を検出するものであってもよい。もちろん点Ｐはスレー
ブアームとどういった位置関係にあってもよく、前記手
首対応の場合のように手首からの距離がＯであっても構
わない。

また、マスタアーム１とスレーブアーム２の構造は、共
にハンド姿勢を決定する３幀が１点で直交するジンバル
構造になっているものが最も好ましい。つまり第４図に
示すようなアーム構造とすれば、位置と姿勢とを容易に
分離して操作することができるので、作動領域の狭い状
況でのハンド対応もしくはワーク対応を非常に有効に行
うことが可能となる。

上記の実施例では、スレーブアーム２の手首３１から所
定長さ離れた点Ｐと位置対応を行い、その対応に合わせ
て力（もしくはトルク）もフィードバックされているが
、フィードバックされる力の基準点を任意に選択できる
ようにしてもよい。例えば第５図に示すように、第１図
中にも示した共通座標変換器１９．乗算器２０の間に、
力に関する基準位置変換手段である基準位置変換器２３
と基準位置入力器２４とを具備するものとする。ここで
、任意の位置の設定は基準位置入力器２４により行われ
るが、第１図に示す基準位置入力器１３と共用してもよ
い。従来のようにマスタアーム１の把持部とスレーブア
ーム２の把持部とが対応している場合、スレーブアーム
２のハンド３４にて把持した物体の質量を感じ取りたく
ても手首３１のモーメントなどが作用して正確な質量を
感じ取ることができなかった。本実施例の構造とすれば
点Ｐを物体に対応させることにより物体の質量のみを感
じ取ることができるようになるので、パイラテラル制御
性も大幅に向上する。

もちろん本発明によれば、点Ｐで位置のみが対応しても
、あるいは力のみが対応しても、または位置と力の両方
が対応してもよい。

Ａうに、マスタアームを操作することによりこのマスタ
アームの動きに追従するようにスレーブアームが駆動す
るマスタ・スレーブマニピュレータにおいて、スレーブ
アームの手首から所定長さ離れた点とマスタアームの手
首とが空間的に対応するように制御すれば、複雑で細か
な作業を確実に行うことができるようになる。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、複雑で細かな作業を確実
に行うことのできるマスタ・スレーブマニピュレータの
制御方法及び装置が実現する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のマスタ・スレーブマニピュレータの実
施例を示すブロック線図、第２図、第３図はスレーブア
ームの模式図並びに本発明によるマスタアームとスレー
ブアームとの対応の一例を示す図、第４図はジンバル構
造のマスタアームの一例を示す模式図、第５図は本発明
の他の実施例を示すブロック線図である。 １・・・マスタアーム ２・・・スレーブアーム １２、２３・・・基準位置変換器 １３、２４・・・基準位置入力器 代理人　弁理士　則　近　憲　佑 同　　松山光之 （＋１苅叉） （ａ） 第 図 （八−７ド壜） （ｂ） 第 図 （ワーフ対グし　） （Ｃ） 第 図

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）マスタアームを操作することによりこのマスタア
   ームの動きに追従するようにスレーブアームが駆動する
   マスタ・スレーブマニピュレータにおいて、前記スレー
   ブアームの手首から所定長さ離れた点と前記マスタアー
   ムの手首とが空間的に対応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制御方法。
2. （２）少なくとも位置に関して空間的な対応が行われる
   ことを特徴とする請求項１記載のマスタ・スレーブマニ
   ピュレータの制御方法。
3. （３）少なくとも力に関して空間的な対応が行われるこ
   とを特徴とする請求項１記載のマスタ・スレーブマニピ
   ュレータの制御方法。
4. （４）マスタアームを操作することによりこのマスタア
   ームの動きに追従するようにスレーブアームが駆動する
   マスタ・スレーブマニピュレータにおいて、前記マスタ
   アームの手首が前記スレーブアームの手首から所定長さ
   離れた点と空間的に対応するように座標変換する基準位
   置変換手段を具備したことを特徴とするマスタ・スレー
   ブマニピュレータの制御装置。
5. （５）前記基準位置変換手段は少なくとも位置に関して
   座標変換を行うことを特徴とする請求項４記載のマスタ
   ・スレーブマニピュレータの制御装置。
6. （６）前記基準位置変換手段は少なくとも力に関して座
   標変換を行うことを特徴とする請求項４記載のマスタ・
   スレーブマニピュレータの制御装置。