JPH0239805B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、遠隔手動操作装置の摩擦力補償装置
に係り、特に、各関節機構において発生する摩擦
抵抗が操作力に及びす影響を低減するための摩擦
力補償装置に関する。

〔従来の技術〕

遠隔手動操作装置において多自由度の関節機構
を操縦する方式としては、種々のものが提案され
ている。これらの操作方式のひとつとしてマスタ
スレーブ方式がある。

この方式においては、マスタマニピユレータの
関節機構に相似な作動をスレーブマニピユレータ
の関節機構にもたせて、マスタマニピユレータに
追従させる。この方式は、各関節に対応させて設
けたスイツチやジヨイステイツクにより各関節を
個別に駆動する方式と比較して、操作性が優れて
いる。

マスタスレーブ方式の操作性をさらに向上させ
るために、マスタ側入力装置を操作する操作者に
対してスレーブ側制御対象に作用する力を反力の
形で伝達する力フイードバツク機構を付加する方
式がある。この方式は、操作者に力感覚が伝達さ
れるために操作感が良い。しかもスレーブ側で印
加する力の大きさを制御する必要があるような複
雑な作業では、非常に威力を発輝する。この力フ
イードバツク機能をもたせるために、バイラテラ
ルサーボ機構が用いられる。

電動式サーボマスタマニピユレータとして例え
ば機構が最も簡単な対称型バイラテラルサーボ機
構を採用した場合に、各関節機構およびその駆動
部に生じた摩擦トルクが操作者の操作力に及ぼす
影響について説明する。

第１図は、従来の対称型バイラテラルサーボ機
構の原理的構成のブロツク図、第２図は、第１図
サーボ機構の動作を説明するタイムチヤートであ
る。第１図において、入力軸１と出力軸２の回転
位置信号は検出器および４で検出され、減算器５
によりサーボ偏差εに変えられる。サーボ偏差ε
は、増幅器６および７を介しそれぞれの電動機８
および９に供給され、入力軸１には偏差の大きさ
に応じた反力が生じ、出力軸２には入力軸に迫従
させる力が生じる。電動機８および９に生じた力
は、減速機１０および１１をそれぞれ介して入力
軸１および出力軸２に供給される。

このような従来例において、操作者が入力軸１
のアーム１２に時刻t₀でトルクＳを加え、出力軸
２のアーム１３上の負荷を駆動する場合を説明す
る。トルクＳが入力軸系統の摩擦トルクF₁より
大きくなると（Ｓ＞F₁）、入力軸は、第２図ｂに
示すように、時刻t₁から回転速度θ₁で動き始め
る。同時に、同図ｃに示すように、サーボ偏差ε
が増加し始めるため、電動機９には、同図ｄに示
すように、出力軸２を駆動するトルクM₂が発生
する。時間ｔがt₁＜ｔ＜t₂では、M₂＜F₂であり、
出力軸系統の摩擦トルクF₂を超えないので、出
力軸２は静止している。そこでサーボ偏差εが更
に増大し、出力軸２はM₂＞F₂となつた時点t₂か
ら、第２図ｅに示すように、動き始める。この
間、サーボ偏差εに基づいて、電動機８が所定の
操作をし、入力軸アーム１２には反力が与えられ
る。したがつて、出力軸２側から入力軸１に伝達
されるトルクは、第２図ａに示されるように、出
力軸アーム１３上の負荷を駆動するトルクS₀に、
出力軸系統の摩擦トルクF₂を加えたものになる。

このように、対称型バイラテラルサーボ機構に
おいては、操作者がスレーブ側の負荷を駆動する
には、入力軸系統および出力軸系統の摩擦トルク
（F₁＋F₂）に打ち勝つだけの余分な入力トルクを
入力軸１に供給する必要があつた。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来は、サーブ機構部の摩擦トルクをできるだ
け小さくする設計により、このような摩擦トルク
の影響を解消しようとしていた。しかし、数Kgを
超える重量の物品をマニピユレータにおいては、
機構部に十分な機械強度をもたせる必要がある。
このため、機構部品が必然的に大型化するので、
摩擦抵抗も数Kg程度の非常に大きい値となる。そ
の結果、操作性はある程度犠性にせざるを得なか
つた。

操作性を改善する他の方法として、力帰還型バ
イラテラルサーボ機構を採用する方法がある。こ
の力帰還型バイラテラルサーボ機構は、入力軸へ
の力フイードバツク信号として入出力軸間の位置
偏差に代えて、入力軸アーム１２及び出力軸アー
ム１３に加えられた力をストレインゲージで検出
し、その偏差を力フイードバツク信号として用い
るものである。この力帰環型バイラテラルサーボ
機構は、力検出器を摩擦力の影響を受けない位置
に設け、摩擦力によつて生じた反力が入力軸に加
わる影響を除去する。

しかし、多関節マニピユレータでは、アームが
所定の長さを有しており、これの一端が軸に回動
自在に取り付けられているため、アームの自重が
アームの軸部に印加されることになる。しかも、
アームの先端の位置によりアーム軸部にかかる力
が変化してしまう。その結果、このアームの自重
の影響は、それ以外に負荷としてマニピユレータ
に加わる力が入出力軸に及ぼす力を検出する場合
に、大きな誤差として現われる。このアームの自
重の影響を補正するために、リアルタイム処理の
角度演算装置を含む補償手段が必要となる。その
結果、装置自体が甚だしく複雑となる欠点があつ
た。また、この方式においては、力の絶対量を測
定する必要があり、力検出器にヒステリシスがあ
ると、力を正確に検出できなかつた。

これらの従来例としては、特開昭50−73365号、
特開昭55−120992号、特開昭56−33289号等があ
る。

このうち、特開昭50−73365号は、スレーブか
らマスタへの力帰還路上に比較器を設け、スレー
ブの力帰還量が摩擦力以下の場合に、力帰還量を
ゼロにする方式を示している。

この方式によれば、スレーブが無負荷の場合、
マスタ操作力を軽減できるが、力センサの絶対精
度を高精度に保持する必要がある。また、センサ
の温度ドリフトやヒステリシスの影響により高精
度に保持できない問題があつた。さらに、自重ト
ルクを実時間演算する高速の演算装置を設備する
必要もあつた。

次に、特開昭55−120992号は、マスタースレー
ブ間の位置偏差をマスタに帰還する回路上に、３
乗関数等の非線形関数演算手段を設け、スレーブ
の駆動出力回路上に、前記関数とは減関数演算手
段を設け、しかも、マスタ、スレーブにトルクセ
ンサを設け、局部的に正帰還する方式を開示して
いる。

この方式によれば、初期の位置偏差が大きくて
も、トルクが増大しないので、振動は生じにくく
なると一応考えられるが、力センサの絶対精度を
高精度に保持する必要がある。また、センサの温
度ドリフトやヒステリシスの影響により高精度に
保持できない問題があつた。さらに、自重トルク
を実時間演算する高速の演算装置を設備する必要
もあつた。

さらに特開昭56−33289号は、バイアス回路と
これを作動させるスイツチをマスタに設け、操作
者がグリツパを閉じるとスイツチを入れてバイア
ス回路を動作させる方式を記述している。

この方式によれば、グリツパを開く場合に、余
分な力が不要になるが、使用範囲がグリツパ開閉
機構に限定され、関節機構には使用できなかつ
た。

加えて、上記いずれの場合も、操作者自身の手
が持つている固有振動（震え）や制御系に混入す
る高周波ノイズ等の影響を除去する手段がなかつ
た。

本発明の目的は、力センサの絶対精度を必ずし
も高く維持する必要がなく、操作者の力の微小な
変化でも摩擦補償手段が確実に動作し、摩擦力の
影響の無い反力がマスタ側に帰還され、操作者の
震えや高周波ノイズの影響を排除した摩擦力補償
装置を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、上記目的を達成するために、各々が
別個の電動機と連結された入力軸および出力軸
と、入力軸の回転に伴つて回転位置信号を出力す
る手段と、回転位置信号に基づいて出力軸に連結
された電動機を回転駆動される手段とを含み、出
力軸の位置を制御する遠隔操作制御装置の入力軸
および出力軸に生ずる摩擦力を補償する摩擦力補
償装置において、入力軸に加えられた外力による
トルクを検出する力検出手段と、力検出手段の検
出信号を微分する微分器と、微分器の出力信号の
低周波成分だけを取り出すろ波手段と、ろ波手段
の出力信号のゼロレベル付近でヒステリシス特性
を有する比較器と、入力軸に加えられた外力の方
向に特定のトルクを発生するような極生で比較器
の出力信号を入力軸の連結された電動機に供給す
る手段と、出力軸が駆動される方向に所定のトル
クを発生するような極性で比較器の出力信号を出
力軸に連結された電動機に供給する手段とからな
る摩擦力補償装置を提案するものである。

〔作用〕

本発明においては、操作時に生ずる摩擦力を演
算してそれを差し引く方向にトルクを付加するの
で、摩擦力に抗して入力軸に加えるべき操作力を
低減し、出力軸に加わる負荷トルクのみを入力軸
に正確に伝達できるのは、勿論であるが、特に、
微分器と、この微分器の出力信号から低周波成分
だけを取り出すろ波手段とを備えたので、力セン
サの絶対精度は必ずしも必要ではない。

また、操作者の、力変化率さえ大きければ、力
自体は小さくとも、摩擦補償系統が動作し、摩擦
力の影響のない反力がマスタ側に帰還される。

さらに、操作者の固有振動や力検出器の信号の
ノイズ成分と伝送系から混入する数＋Hz以上の高
波ノイズ成分とを除去し、電動機に不必要な制御
信号が入ることを防止できる。

〔実施例〕

第３図は、第１図対称型バイラテラルサーボ機
構に本発明を適用した実施例のブロツク図であ
る。第１図と同一要素には同一符号を付して説明
を省略する。

本実施例においては、操作者が入力軸アーム１
２に加えた力を検出するために、力検出器１４を
入力軸アーム１２上に取り付けてある。この力検
出器１４は、例えばストレンゲージと、それの歪
を検出するブリツジ回路と、このブリツジ回路の
信号を増幅する前置増幅器とを含んでいる。力検
出器１４の出力信号Ｓは、微分器１５によつて微
分信号Ｓ〓に変換され、シユミツトトリガ回路１６
に導かれる。微分器１５は力検出器１４の出力信
号Ｓから変化分のみを取り出す。シユミツトトリ
ガ回路１６は、第４図に示すような入出力信号特
性をもつている。例えば、微分信号S〓＝０の状態
でシユミツトトリガ回路１６の出力信号V_sが、−
V_sに保持されているとき、Ｓ＞V_pとなるとV_s＝
V_s1になり、一旦V_s＝V_s1になると、S〓＜−V_pにな
るまでは、V_s＝V_s1のまま保持するヒステリシス
特性を示す。このシユミツトトリガ回路１６の出
力信号V_sは、補償増幅器６０を介して減算器１
７に送られ、ここでサーボ信号１３０に加えられ
る。同様に前置増幅器７０を介して加算器１８に
送られ、ここでサーボ信号１４０に加えられる。

第５図のタイムチヤートを参照して、第３図実
施例の動作を説明する。まず、第５図ａに示すよ
うに、出力軸アーム１３上の負荷を駆動するた
め、操作者が、時刻t₀で入力軸アーム１２にトル
クＳを与えたとする。この場合、入力軸アーム１
２に加えられたトルクＳは操作者により急激に変
化させられるので、力検出器１４の微分信号S〓
は、第５図ｂに示すように、最初時間とともに増
大する信号となる。そして微分信号S〓が、S〓＞V_p
になると、シユミツトトリガ回路１６の出力信号
V_sは、第５図ｃに示すように、時間t₁において、
−V_s1からV_s1に変化する。この出力信号V_sは、
補償用前置増幅器６０および減算器１７を介し
て、電動機８に与えられており、電動機８のもつ
トルクは第５図ｆに示すように、−M₁₀からM₁₀
に変化する。同時に、電動機９のもつトルクも、
第５図ｈに示すように、−M₂₀からM₂₀に変化す
る。

さらに、入力トルクＳを増加させ、第５図ｇに
示すように、入力トルクＳが、Ｓ＋M₁₀＞F₁にな
る時刻t₂で、入力軸は動き始める。このとき、入
力軸２は、第５図ｈに示すように、いまだに、
M₂₀＜M_L＋F₂の関係が成立しているため動かな
い。ただし、M_Lは出力軸にかかる負荷トルクで
ある。したがつて、入力軸アーム１２の移動に伴
つて、第５図ｅに示すように、位置偏差εが発生
する。この偏差εが減算器１７と加算器１８を通
して電動機８，９に入力されるので、偏差εに応
じて、電動機８のトルクM₁は減少し、逆に電動
機９のトルククM₂は増加する。トルクM₁の減少
は、操作者に反力の増大を感じさせる。

入力トルクＳをさらに増加させて、入力軸１の
駆動を続けると、偏差εとともにトルクM₂も増
加を続け、時刻t₃でM₂が、M₂＞M_L＋F₂となり、
出力軸２は動き始める。このとき、入力軸１への
入力トルクは、M_L＋（F₁−M₁₀）＋（F₂−M₂₀）で
与えられる。したがつて、本補償装置のシユミツ
トトリガ回路１６でステツプ状に発生させた電圧
V_S1によつて、電動機８，９で生ずるトルクM₁₀，
M₂₀をそれぞれできるかぎり各軸の摩擦トルク
F₁、及びF₂に近づけるように各回路定数を選定
すれば、操作者が感じる反力は、出力軸２にかか
る負荷トルクM_Lのみにほぼ等しくなる。

本実施例によれば、以下の効果が得られる。

(1) 入力軸１を操作する際に、入力軸系において
発生する摩擦力の抗して、入力軸１に加えるべ
き操作力を低減できる。

(2) 出力軸系において発生する摩擦力を減算器１
７により電気的に解消させるようにしたので、
入力軸１にはフイードバツクされない。この結
果、出力軸に加わる負荷トルクのみが入力軸に
正確に伝達される。また、伝達できる力の範囲
が広がる。

(3) 力検出方法に微分信を利用しているので、先
に述べた力帰還型に不可決な力の絶対量測定が
必要となり、ストレンゲージのヒステリシスや
アーム自重による影響を受けにくくできる。

上記実施例の説明では対称型バイラテラルサー
ボ機構に本発明を適用した場合について述べた
が、力帰還型バイラテラルサーボ機構等他の型式
のバイラテラルサーボ機構に対しても、摩擦力補
償装置として利用できることは言うまでもない。

第６図は本発明による摩擦力補償装置の他の実
施例のブロツク図である。図において、第３図と
同一要素には同一符号を付して説明を省略する。
本実施例は、力フイードバツクの必要のないユニ
ラテラル手段操作装置に本発明を適用したもので
ある。すなわち、第３図の構成からサーボ増幅器
６、減算器１７、加算器１８、補償用増幅器７０
を省略したものである。

本実施例によれば操作者が入力軸アームに加え
る操作力のうち、この入力軸１系において発生す
る摩擦力に抗して供給する操作力の分を低減でき
ることになる。

第７図は、本発明による摩擦力補償装置の別の
実施例のブロツク図である。本実施例は、第３図
の破線で囲んだ部分を一部変更したものであり、
他の構成部分は第３図と同一であるので、説明を
省略する。すなわち、第７図実施例は、微分器１
５の出力信号S〓をローパスフイルタ回路８０に供
給し、このフイルタ回路８０の出力信号S〓_Lをシユ
ミツトトリガ回路１６に入力するようにした点に
特徴がある。

本実施例によれば、力検出器の信号のノイズ成
分と伝送系から混入する数十Hz以上の高周波ノイ
ズ成分とを除去し、電動機８，９に不必要な制御
信号が入ることを防止できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、操作する際にサーボ系の摩擦
力により生じる抵抗感を低減し、良好な遠隔手動
制御を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の対称型バイラテラルサーボ機構
の構成を示すブロツク図、第２図は第１図機構の
動作を説明するためのタイムチヤート、第３図は
本発明を対称型バイラテラルサーボ機構に適用し
た一実施例を示すブロツク図、第４図は本発明で
使用するシユミツトトリガ回路の入出力特性を示
す図、第５図は第３図の実施例の動作を説明する
ためのタイムチヤート、第６図は本発明の他の実
施例を示すブロツク図、第７図は本発明の別の実
施例を示すブロツク図である。 １……入力軸、２……出力軸、３，４……位置
検出器、８，９……電動機、１４……力検出器、
１５……微分器、１６……信号処理器、１７……
減算器、１８……加算器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 各々が別個の電動機と連結された入力軸およ
   び出力軸と、前記入力軸の回転に伴つて回転位置
   信号を出力する手段と、前記回転位置信号に基づ
   いて前記出力軸に連結された電動機を回転駆動さ
   せる手段とを含み、前記出力軸の位置を制御する
   遠隔手動操作装置の前記入力軸および出力軸に生
   ずる摩擦力を補償する摩擦力補償装置において、 前記入力軸に加えられた外力によるトルクを検
   出する力検出手段と、 前記力検出手段の検出信号を微分する微分器
   と、 前記微分器の出力信号の低周波成分だけを取り
   出すろ波手段と、 前記ろ波手段の出力信号のゼロレベル付近でヒ
   ステリシス特性を有する比較器と、 前記入力軸に加えられた外力の方向に所定のト
   ルクを発生させる極性で前記比較器の出力信号を
   前記入力軸に連結された電動機に供給する手段
   と、 前記出力軸が駆動される方向に所定のトルクを
   発生させる極性で前記比較器の出力信号を前記出
   力軸に連結された電動機に供給する手段とからな
   ることを特徴とする摩擦力補償装置。