JPH0271980A - 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】 （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に係り、特に
実効作業範囲の拡大、操作性の向上に好適なマスタスレ
ーブマニピュレータに関する。

〔従来の梼術〕

従来のマスタスレーブマニピュレータシステムにより、
スレーブアーム７の動作限界近傍での作業を想定する。

第２図に、作業開始時におけるマスターアーム６、スレ
ーブアーム７の位置、姿勢を示す。また、スレーブアー
ム７の動作限界９の近傍として点Ａｓ近傍を考える。第
６図に示すように、オペレータは、点Ａｓに対応する点
ＡＭまで、マスタアーム６の先端を移動することにより
、スレーブアーム７の先端を点Ａｓまで移動する。オペ
レータは、マスタアーム６の動作限界８の近傍点ＡＭで
、マスタアーム６を操作することになり。

不自然な姿勢で作業を行うことになる。

このような場合、特開昭６１−２４４７０号公報、特開
昭６１−２５２０８１号公報に記載のように、マスタ有
効スイッチを用いて、マスタアームとスレーブアームの
運動の対応を一旦切り離し、スレーブアームの先端の位
置、姿勢は、その状態を保持しながら、オペレータは操
作しやすい位置点Ａｓ’にマスタアームの先端を移動し
てから、再びマスタ有効スイッチにより、マスタアーム
とスレーブアームの運動を対応させて作業を行っていた
。

上記のマスタ有効スイッチによるマスタアームの移動機
能（以下、基点シフト機能という）により、マスタアー
ムの可動範囲が仮想的に拡大し、オペレータは無理な姿
勢をとることなく、スレーブアームに対し、作業を指令
することができた。

（発明が解決しようとする課題〕 上記従来技術では、基点シフトを行うことにより、マス
タアームとスレーブアームの位置と姿勢の対応関係が変
わる１例えば、基点シフト前には、第５Ａ図に示すよう
に、マスタアーム先端６２の姿勢と、スレーブアーム先
端６１の姿勢が同一方向で対応していても、基点シフト
後には、第５Ｂ図に示すように、両アーム先端の姿勢が
変化することがある０図では、両アームの先端の対応を
２次元的に示しているが、実際には、３次元における姿
勢の対応となる。このような場合、基点シフト前には、
オペレータは、両アーム先端の姿勢が同一となっている
ので、スレーブアーム先端の姿勢を目標とする姿勢にす
るためには、マスタアーム先端の姿勢を目標とする姿勢
にすればよく１作業を行いやすい、一方、基点シフト後
では、両アームの先端の姿勢の対応の方向が異なるので
、スレーブアーム先端の姿勢をオペレータの意図する姿
勢にするためには、オペレータはマスタアーム先端の姿
勢をどのように設定すべきかを常に考えなければならな
かった。

その上、両アーム先端の姿勢の対応関係によっては、設
定すべきマスタアーム先端の姿勢が直感的に分かりにく
い場合があり、操作性が非常に悪く、実際上もそのよう
な場合が多い。

本発明の課題は、基点シフトを行っても、マスタアーム
先端の姿勢を常にスレーブアーム先端の姿勢と一致する
ように制御するにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記の課題は、関節角検出手段を有するマスタアームと
、該マスタアームの位置、姿勢を制御する制御演算部と
、前記関節角検出手段から出力されるマスタアーム関節
角に基いてスレーブアーム先端の位置および姿勢の目標
値を出力する変換部と、関節角検出手段を有するスレー
ブアームと。

前記目標値と前記関節角検出手段が出力するスレーブア
ームの関節角とに基いて該スレーブアーム先端の位置お
よび姿勢を前記マスタアーム先端と連動させて制御する
制御演算部と、前記連動制御を停止、再開させるマスタ
有効スイッチと、を備えたマスタスレーブマニピュレー
タに、少なくとも連動制御停止期間中、マスタアーム先
端の姿勢を連動制御停止時点におけるスレーブアーム先
端の姿勢に保持する手段を備えることによって達成され
る。

マスタアーム先端の姿勢を連動制御停止時点におけるス
レーブアーム先端の姿勢に保持する手段としては、少な
くとも連動制御が停止されている間、停止時点でのスレ
ーブアーム先端の姿勢の目標値を保持してスレーブアー
ム先端の位置および姿勢を制御する制御演算部に出力す
るスレーブ目標値保持部と、該スレーブ目標値保持部に
接続され前記目標値をマスタアーム先端の姿勢の目標値
に変換し、この目標値を前記マスタアームの位置。

姿勢を制御する制御演算部に出力する座標系変換部と、
を備えているものや、マスタ有効スイッチと連動して動
作するスレーブアーム各関節に設けられたブレーキと、
スレーブアーム関節角検出手段から出力される関節角に
基いてスレーブアーム先端の姿勢を演算し、この姿勢と
一致するマスタアーム先端の姿勢の目標値を求めてマス
タアームの位置、姿勢を制御する制御演算部に出力する
座標系変換部とを備えているものがある。

また、上記の課題は、関節角検出手段を有するマスタア
ームと、該マスタアームの位置、姿勢を制御する制御演
算部と、前記関節角検出手段から出力されるマスタアー
ム関節角に基いてスレーブアーム先端の位置および姿勢
の目標値を出力する変換部と、関節角検出手段を有する
スレーブアームと、前記目標値と前記関節角検出手段が
出力するスレーブアームの関節角とに基いて該スレーブ
アーム先端の位置および姿勢を前記マスタアーム先端と
連動させて制御する制御演算部と、前記連動制御を停止
、再開させるマスタ有効スイッチと、を備えたマスタス
レーブマニピュレータの、マスタアームの位置、姿勢を
制御する制御演算部にマスタアーム先端の姿勢を指定さ
れた時点の姿勢に保持する保持演算手段を備え、該時点
を前記マスタ有効スイッチが連動制御を停止した時点と
したものでもよい。

〔作用〕

スレーブアーム先端の位置、姿勢がマスタアーム先端の
位置、姿勢に従って連動制御されるマスタスレーブモー
ドが停止されると、スレーブアーム先端の位置、姿勢は
、停止時点の状態に保持される。マスタアーム先端の姿
勢は、マスタスレーブモードが停止されると、停止時点
でのスレーブアーム先端の姿勢に保持されるから、マス
タスレーブモードが再開された時点では、マスタアーム
先端とスレーブアーム先端の位置の対応関係とは無関係
に、両アーム先端の姿勢は一致する。

請求項２に記載の本発明によれば、第６図に示されるよ
うに、作業中にマスタアーム先端が、オペレータにとっ
て作業しにくい位置・点ＡＭにきたときには、作業を中
断し、マスタ有効スイッチを開いて基点シフトを行う基
点シフトモードに入り、マスタアーム先端の位置を操作
しやすい位置点ＡＭ′に移動する。このとき、スレーブ
アーム先端は、ス【ノーブ目標値保持部から出力される
目標値に基いて制御演算部により、基点シフトモードに
入る直前の位置と姿勢に保持されている。基点シフトモ
ードでは、上記スレーブ目標値保持部から、スレーブア
ーム先端の姿勢の目標値が、座標系変換部に出力され、
スレーブ基準座標系から見たスレーブアーム先端の姿勢
である該目標値は、座標系変換部により、マスタアーム
のベースに設定されたマスタ基準座標系から見た姿勢の
目標値に変換され、マスタアームの位置、姿勢を制御す
る制御演算部に出力される。制御演算部は入力された目
標値に基いて、マスタアーム先端の姿勢を制御するので
、スレーブアーム先端の姿勢とマスタアーム先端の姿勢
は、基点シフトモードの間、同一に保持される。

請求項３に記載の本発明によれば、マスタ有効スイッチ
が開かれて基点シフトモードに入ると同時に、スレーブ
アーム関節のブレーキが作動して、スレーブアームの位
置姿勢が、基点シフトモードに入る直前の状態に保持さ
れる。この状態におけるスレーブアーム各関節の関節角
が、関節角検出手段により、座標系変換部に出力され、
該座標系変換部によって、スレーブ基準座標系から見た
スレーブアーム先端の姿勢が演算される。得られた姿勢
は同じく座標系変換部により、マスタ基準座標系から見
たマスタアーム先端の姿勢の目標値に変換され、マスタ
アームの位置、姿勢を制御する制御演算部に入力される
。制御演算部は基点シフトモードの間、入力された目標
値に基いて、マスタアーム先端の姿勢を制御するから、
マスタアーム先端の姿勢は、基点シフトモードに入る直
前のスレーブアーム先端の姿勢と同一に保持される。

請求項４に記載の本発明によれば、マスタ有効スイッチ
が開かれて基点シフトモードに入ると同時に、マスタア
ームの位置、姿勢を制御する制御演算部に備えられた。

マスタアーム先端の姿勢を、その時点の姿勢に保持する
手段が動作して、基点シフトモードの間、マスタアーム
先端の姿勢はその姿勢に保持される。一方、スレーブア
ーム先端の姿勢は、基点シフトモードに入る直前には、
マスタアーム先端の姿勢と一致しており、基点シフトモ
ードに入ると同時に、再びマスタスレーブモードになる
まで、その状態に固定されるから、マスタスレーブモー
ド再開時点でのマスタアーム先端とスレーブアーム先端
は、同一の姿勢に保持されている。

〔実施例〕

本発明の第１の実施例を、第１図および第２図を参照し
て説明する０図に示されるマスタスレーブマニピュレー
タは、各関節に角度センサを先端に力センサを備え、力
センサ情報に基いて動作するマスタアーム６と、マスタ
アーム６の関節角からマスタ基準座標系上でのマスタア
ーム先端の位置、姿勢を求めるマスタ正変換部１と、第
７図に示されるマスタアーム基準座標系１０から見たマ
スタアーム先端の位置、姿勢を、スレーブ基準座標系１
１から見たスレーブアーム先端の位置、姿勢に変換する
対応付部２と、マスタスレーブモードと基点シフトモー
ドを切り換えるためのマスタ有効スイッチ３と、スレー
ブ基準座標系１１上で記述されたスレーブアーム先端の
目標位置、姿勢になるように、スレーブアーム７を制御
するスレーブ制御演算部４および駆動部５と、マスタア
ーム側から伝達されるスレーブアームの位置、姿勢の目
標値を保持するスレーブ目標値保持部３１と、スレーブ
基準座標系１１から見たスレーブ先端の位置、姿勢を、
マスタ基準座標系１ｏから見た位置、姿勢に変換する座
標変換部３２と、マスタ基準座標系１０上で記述された
マスタアーム先端の目讐位置、姿勢になるように、マス
タアーム６を制御する制御演算部３３および駆動部３４
とを含んでいる。マスタ正変換部１と対応付部２とで変
換部が構成されている。

まず、通常のマスタスレーブモードのときの動作につい
て述べる。マスタ正変換部１によりマスタアームの関節
角からマスタ基準座標系上のマスタアーム先端の位置、
姿勢が求められ、この求められた位置、姿勢が対応付部
２により、スレーブ基準座標系上の位置、姿勢に変換さ
れる。変換で得られた値が、スレーブアーム先端の目標
値として、マスタ有効スイッチ３およびスレーブ目標値
保持部３１を経て、制御演算部４に出力され、制御演算
部４はスレーブアーム関節の角度センサの出力と、前記
目標値とに基いて駆動部５を介して、スレーブアーム先
端の位置、姿勢を制御する。以上により、マスタアーム
の運動がスレーブアームへ伝達される。

次に基点シフトモードについて述べる。スレーブ目標値
保持部３１に記憶されたスレーブアーム７の先端の位置
、姿勢の目標値により、スレーブアーム７の先端の位置
、姿勢を保持したまま、マスタ有効スイッチ３が開かれ
、マスタアームとスレーブアームの位置、姿勢の対応が
切り離されるゆ次いでマスタアーム先端は、オペレータ
の操作しやすい位置に移動される。マスタアームが移動
される間、マスタアーム先端の姿勢は、マスタ有効スィ
ッチ３開放時のスレーブアーム先端の姿勢に一致するよ
うに制御される。この制御は以下に述べるように行われ
る。まず、スレーブ目標値保持部３１に保持（記憶）さ
れた、スレーブ基準座標系から見たスレーブアーム先端
の姿勢が、座標系変換部３２により、マスタ基準座標系
から見たマスタアーム先端の姿勢に変換され、この値が
マスタアーム先端の姿勢の目標値として、制御演算部３
３に入力される。マスタアーム先端の位置の目標値は、
オペレータによりマスタアーム先端の力センサを介して
設定される。マスタアーム先端の位置、姿勢は、座標系
変換部３２から出力される姿勢の目標値と、力センサを
介して入力される位置の目標値に一致するように、制御
演算部３３により、駆動部３４を介して制御される。

マスタアーム先端が、オペレータの操作しやすい位置ま
で移動させられたら、マスタ有効スイッチ３が閉じられ
、この時点でのマスタアーム、スレーブアームの位置、
姿勢を基準に、マスタスレーブモード制御が開始される
が、マスタアーム先端の姿勢は基点シフトモードの間も
、マスタ有効スイッチ３が開かれた時点の状態に保持さ
れているスレーブアームの先端の姿勢と同じ姿勢に制御
されているから、マスタスレーブモード制御開始時点で
も、マスタアーム先端とスレーブアーム先端の姿勢は同
じであり、オペレータは手先の姿勢に神経を使うことな
く、作業を再開できる。

第３図に本発明の第２の実施例を示す。第２の実施例は
第１の実施例と、スレーブ目標値保持部３１がなく、座
標系変換部３２は、スレーブアームの角度センサから出
力されるスレーブアーム各関節の角度情報に基いて、ス
レーブアーム手先の姿勢からマスタアーム手先の姿勢を
演算し、これを目標値として制御演算部３３に出力する
点が異なっている。

マスタスレーブモードにおける制御は、前記第１の実施
例と同様に行われる。マスタ有効スイッチ３が開かれて
基点シフトモードに切り換わると。

マスタ有効スイッチ３の動作に連動して、スレーブアー
ムの各関節に設けられたブレーキが動作し。

スレーブアームの位置、姿勢は、マスタ有効スイッチ３
が開かれた時点の状態に保持される。さらに、マスタ有
効スイッチ３の開動作（機械的もしくは電気的）に連動
して、座標系変換部３２が動作を開始する。座標系変換
部３２には、スレーブアーム各関節の角度センサから角
度情報が入力されており、この角度情報に基いて、スレ
ーブ基準座標系から見たスレーブアーム先端の姿勢が演
算され、これがマスタ基準座標系から見たマスタアーム
先端の姿勢に変換されて、目標値として制御演算部３３
に出力される。制御演算部３３は、この目標値に基いて
マスタアーム先端の姿勢を制御し、オペレータによりマ
スタアーム先端の力センサを介して設定される位置の目
標値に基いて、マスタアームの位置を制御する。マスタ
アーム先端の位置が、オペレータの所望の位置に移動さ
れたら、再びマスタ有効スイッチ３が閉じられ、同時に
ブレーキ５１が解放され、座標系変換部３２の動作が停
止され、マスタスレーブモード制御が開始される。

本実施例においても、基点シフトモードの間、スレーブ
アームとマスタアーム先端の姿勢が同一に保持され、マ
スタスレーブモード制御再開時に、オペレータがマスタ
アーム先端の姿勢に神経を使うことなく、作業を再開で
きる。

第４図により、本発明の第３の実施例を説明する。本実
施例が、前記第１の実施例と異るのは、座標系変換部３
２がなく、制御演算部に、マスタアーム６の関節角検出
手段の出力に基いて、常時マスタアーム先端の姿勢を演
算する保持演算手段３３ａが設けられている点にある。

この保持演算手段３３ａは、常時、マスタアーム６の関
節角検出手段の出力に基いて、マスタアーム先端の姿勢
を演算しており、マスタ有効スイッチ３が開かれると、
該スイッチが開かれた旨の信号を受け、その時点でのマ
スタアーム６先端の姿勢の演算結果を記憶し、その記憶
内容を、マスタアーム６の先端の姿勢の目標値として出
力する。制御演算部３３は、オペレータによりマスタア
ーム６の先端の力センサを介して与えられる位置情報と
、前記目標値に従ってマスタアーム６の位置と姿勢を制
御する。一方、スレーブアームは、マスタ有効スイッチ
３が開かれ、基点シフトモードに入ると同時に、対応付
部２から出力されていたスレーブアーム７の位置、姿勢
の目標値が、スレーブ目標値保持部３１に記憶され、同
時に、この目標値がマスタ有効スイッチ３が開いている
間、スレーブアームの位置、姿勢を制御する制御演算部
４に出力され、該演算部４が、前記目標値およびスレー
ブアーム６の関節角検出手段の出力に基いて、駆動部５
を介して、スレーブアーム７の位置、姿勢を制御する。

マスタ有効スイッチ３が開かれる時点（基点シフトモー
ド開始時点）では１．マスタアーム６とスレーブアーム
７の先端の姿勢は一致しており、基点シフトモードが継
続されている間、マスタアーム先端、スレーブアーム先
端は、それぞれ、基点シフトモードが開始される時点で
の姿勢を保持するから、基点シフトモードが終了してマ
スタスレーブモードが再開される状態でも、同一の姿勢
を保持している。なお本実施例では、スレーブアーム７
の基点シフトモード間の姿勢９位置を保持を、スレーブ
目標値保持部３２の出力によっているが、第２の実施例
のように、スレーブアーム各関節にマスタ有効スイッチ
３と動作と連動して動作するブレーキを設けてもよい。

〔発明の効果〕

請求項１に記載の本発明によれば、基点シフトモードの
間、マスタアーム先端の姿勢を、スレーブアーム先端の
姿勢を同じにする手段が設けられたので、基点シフトモ
ードを終了してマスタスレーブモードを再開しても、オ
ペレータが１両アームの先端の姿勢について神経を使う
必要がなく、誤操作の恐れが減少する。

請求項２に記載の本発明によれば、基点シフトモードの
間も、マスタアーム先端とスレーブアーム先端の姿勢は
、同一目標値に制御されるので。

姿勢に差を生ずる恐れがなく、マスタスレーブモードに
よる作業再開時に、オペレータの負担を軽減する効果が
ある。

請求項３に記載の本発明によれば、基点シフトモードの
間、スレーブアーム先端の実際の姿勢に合わせて、マス
タアーム先端の姿勢が制御されるので、制御系や駆動系
の誤差によるマスタアーム先端とスレーブアーム先端の
姿勢の差が減少される。

請求項４に記載の本発明によっても、請求項１に記載の
発明と同様の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示すブロック図、第２
図はマスタスレーブマニピュレータの動作限界を示す斜
視図、第３図は本発明の第２の実施例を示すブロック図
、第４図は本発明の第３の実施例を示すブロック図、第
５Ａ図および第５Ｂ図はアーム先端の姿勢の対応状態を
示す斜視図、第６図はマスタスレーブマニピュレータの
動作限界近傍の動作を示す斜視図であり、第７図はマス
タアームとスレーブアームの基準座標系を示す斜視図で
ある。 １・・・変換部（正変換部）、２・・・変換部（対応付
部）、３・・・マスタ有効スイッチ、４・・・制御演算
部、６・・・マスタアーム、７・・・スレーブアーム、
３１・・・スレーブ目標値保持部、３２・・・座標系変
換部、３３・・・制御演算部、３３ａ・・・保持演算手
段、５１・・・ブレーキ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、関節角検出手段を有するマスタアームと、該マスタ
   アームの位置、姿勢を制御する制御演算部と、前記関節
   角検出手段から出力されるマスタアーム関節角に基いて
   スレーブアーム先端の位置および姿勢の目標値を出力す
   る変換部と、関節角検出手段を有するスレーブアームと
   、前記目標値と前記関節角検出手段が出力するスレーブ
   アームの関節角とに基いて該スレーブアーム先端の位置
   および姿勢を前記マスタアーム先端と連動させて制御す
   る制御演算部と、前記連動制御を停止、再開させるマス
   タ有効スイッチと、を備えたマスタスレーブマニピュレ
   ータにおいて、少なくとも連動制御停止期間中、マスタ
   アーム先端の姿勢を連動制御停止時点におけるスレーブ
   アーム先端の姿勢に保持する手段を備えていることを特
   徴とするマスタスレーブマニピュレータ。 ２、マスタアーム先端の姿勢を連動制御停止時点におけ
   るスレーブアーム先端の姿勢に保持する手段が、少なく
   とも連動制御が停止されている間、停止時点でのスレー
   ブアーム先端の姿勢の目標値を保持してスレーブアーム
   先端の位置および姿勢を制御する制御演算部に出力する
   スレーブ目標値保持部と、該スレーブ目標値保持部に接
   続され前記目標値をマスタアーム先端の姿勢の目標値に
   変換し、この目標値を前記マスタアームの位置、姿勢を
   制御する制御演算部に出力する座標系変換部と、を備え
   ていることを特徴とする請求項１に記載のマスタスレー
   ブマニピュレータ。 ３、マスタアーム先端の姿勢を連動制御停止時点におけ
   るスレーブアーム先端の姿勢に保持する手段が、マスタ
   有効スイッチと連動して動作するスレーブアーム各関節
   に設けられたブレーキと、スレーブアーム関節角検出手
   段から出力される関節角に基いてスレーブアーム先端の
   姿勢を演算し、この姿勢と一致するマスタアーム先端の
   姿勢の目標値を求めてマスタアームの位置、姿勢を制御
   する制御演算部に出力する座標系変換部とを備えている
   ことを特徴とする請求項１に記載のマスタスレーブマニ
   ピュレータ。 ４、関節角検出手段を有するマスタアームと、該マスタ
   アームの位置、姿勢を制御する制御演算部と、前記関節
   角検出手段から出力されるマスタアーム関節角に基いて
   スレーブアーム先端の位置および姿勢の目標値を出力す
   る変換部と、関節角検出手段を有するスレーブアームと
   、前記目標値と前記関節角検出手段が出力するスレーブ
   アームの関節角とに基いて該スレーブアーム先端の位置
   および姿勢を前記マスタアーム先端と連動させて制御す
   る制御演算部と、前記連動制御を停止、再開させるマス
   タ有効スイッチと、を備えたマスタスレーブマニピュレ
   ータにおいて、マスタアームの位置、姿勢を制御する制
   御演算部がマスタアーム先端の姿勢を指定された時点の
   姿勢に保持する保持演算手段を備えており、該時点は前
   記マスタ有効スイッチが連動制御を停止した時点である
   ことを特徴とするマスタスレーブマニピュレータ。