JPH03117576A - マスター・スレーブロボットの制御方法 - Google Patents
マスター・スレーブロボットの制御方法Info
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- JPH03117576A JPH03117576A JP25553789A JP25553789A JPH03117576A JP H03117576 A JPH03117576 A JP H03117576A JP 25553789 A JP25553789 A JP 25553789A JP 25553789 A JP25553789 A JP 25553789A JP H03117576 A JPH03117576 A JP H03117576A
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- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 abstract description 7
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 9
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 7
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000005293 physical law Methods 0.000 description 3
- 241001062872 Cleyera japonica Species 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 210000004204 blood vessel Anatomy 0.000 description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 2
- 238000001356 surgical procedure Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
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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。
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、マスター・スレーブロボット、すなわち主従
関係を有する複数のロボットの制御方法に関する。
関係を有する複数のロボットの制御方法に関する。
一般に、テレイブジスタンス（Ｔｅｌｅ−ｅｘｉｓｔｅ
ｎｃｅ）では、遠く離れた所に存在するオペレータがま
るで作業を行っている場所にいるかのような錯覚をオペ
レータに持たせて臨場感を出すが、それは単に作業環境
での反応をそのままオペレータに伝えれば良いというわ
けではない。なぜなら、ロボットのアームと人間の腕の
サイズ、出力や、作業環境と操作環境の動特性が一般に
異なっているからである。また、作業環境によっては作
業の支障となる動特性を有したり、逆に作業に必要な動
特性が欠落している場合があり得る。以上のことから、
使いやすく臨場感のあるマスター・スレーブ・システム
を得るには、オペレータの作業能力をスレーブマニピニ
レータの能力へと拡張し、さらに作業環境での見掛は上
の操作感を任意に設定できるようにすることが必要であ
る。
ｎｃｅ）では、遠く離れた所に存在するオペレータがま
るで作業を行っている場所にいるかのような錯覚をオペ
レータに持たせて臨場感を出すが、それは単に作業環境
での反応をそのままオペレータに伝えれば良いというわ
けではない。なぜなら、ロボットのアームと人間の腕の
サイズ、出力や、作業環境と操作環境の動特性が一般に
異なっているからである。また、作業環境によっては作
業の支障となる動特性を有したり、逆に作業に必要な動
特性が欠落している場合があり得る。以上のことから、
使いやすく臨場感のあるマスター・スレーブ・システム
を得るには、オペレータの作業能力をスレーブマニピニ
レータの能力へと拡張し、さらに作業環境での見掛は上
の操作感を任意に設定できるようにすることが必要であ
る。
すなわち、環境の同定、制御といった作業が不可欠であ
る。
る。
このようなテレイブジスタンスに基づくマスク−・スレ
ーブ方式としては、従来、「棺、榊ほか：第２７回５Ｉ
ＣＥ学術講演会（１９８８） Ｊ、「舘、榊：第６回日
本ロボット学会学術講演会（１９８８） Ｊ、「館、榊
：第２８回５ＩＣＥ学術講演会（１９８９） Ｊにおい
て提案されたものがある。
ーブ方式としては、従来、「棺、榊ほか：第２７回５Ｉ
ＣＥ学術講演会（１９８８） Ｊ、「舘、榊：第６回日
本ロボット学会学術講演会（１９８８） Ｊ、「館、榊
：第２８回５ＩＣＥ学術講演会（１９８９） Ｊにおい
て提案されたものがある。
このような従来のパイラテラル系では、■マスターとス
レーブに介在するインピーダンスの物理的意味、■伝送
遅れ、■操作の補助、■物理条件の異なる環境での操作
感が課題となる。
レーブに介在するインピーダンスの物理的意味、■伝送
遅れ、■操作の補助、■物理条件の異なる環境での操作
感が課題となる。
前記の各提案では、■、■、■の課題に対する解決手段
を提示している。
を提示している。
スレーブは、一般に作業環境によって人間の腕とは異な
り、マイクロマニビニレータから宇宙用アームまでさま
ざまである。従来は幾何学的関係による力や運動の情報
をもとに操作しているが、環境をリアルに把握しながら
作業するには、マスター・スレーブの動作と環境を物理
的現象の観点から考えた物理的相似関係として捉えるこ
とが必要である。
り、マイクロマニビニレータから宇宙用アームまでさま
ざまである。従来は幾何学的関係による力や運動の情報
をもとに操作しているが、環境をリアルに把握しながら
作業するには、マスター・スレーブの動作と環境を物理
的現象の観点から考えた物理的相似関係として捉えるこ
とが必要である。
第１に、アームを人間の能力を超えて高速あるいは低速
に動作させる場合、普通と感じる程度の速度でオペレー
タは作業を行うが、スレーブ側ではこの動作に適当な変
換を施し、目的の速度で動作させることが必要である。
に動作させる場合、普通と感じる程度の速度でオペレー
タは作業を行うが、スレーブ側ではこの動作に適当な変
換を施し、目的の速度で動作させることが必要である。
第２に、入出力条件の変換を行えば、たとえばマイクロ
マニピニレータが掴んだ血管をゴムホースのように感じ
ながら手術を容易に行うことも可能となる。
マニピニレータが掴んだ血管をゴムホースのように感じ
ながら手術を容易に行うことも可能となる。
マスター・スレーブの動作を物理的相似関係で捉え、マ
スターとスレーブが異形状、異動作速度、異人出力条件
の場合でも相似則を満たすようにインピーダンスを調整
すれば、物理的な一般性を失うことなく臨場感を供与で
きる。
スターとスレーブが異形状、異動作速度、異人出力条件
の場合でも相似則を満たすようにインピーダンスを調整
すれば、物理的な一般性を失うことなく臨場感を供与で
きる。
本発明では、マスターアームの有する質量、粘性、剛性
に代表される操作環境モデルと、スレーブアームの有す
る質量、粘性、剛性に代表される作業環境モデルをコン
ピュータを介し相互にコミュニケートして両アームの見
掛けの動特性を一致させるという基本システムの拡張を
図り、前記■の課題を解決することを目的としている。
に代表される操作環境モデルと、スレーブアームの有す
る質量、粘性、剛性に代表される作業環境モデルをコン
ピュータを介し相互にコミュニケートして両アームの見
掛けの動特性を一致させるという基本システムの拡張を
図り、前記■の課題を解決することを目的としている。
この目的を達成するため、本発明のマスター・スレーブ
ロボットの制御方法は、マスターアームの有する質量、
粘性、剛性に代表される操作環境モデルと、スレーブア
ームの有する質量、粘性。
ロボットの制御方法は、マスターアームの有する質量、
粘性、剛性に代表される操作環境モデルと、スレーブア
ームの有する質量、粘性。
剛性に代表される作業環境モデルをコンビコータを介し
相互にコミュニケートするマスター・スレーブロボット
の制御方法において、前記操作環境モデルと作業環境モ
デルの物理的相似比により制御インピーダンスを決定す
ることを特徴とする。
相互にコミュニケートするマスター・スレーブロボット
の制御方法において、前記操作環境モデルと作業環境モ
デルの物理的相似比により制御インピーダンスを決定す
ることを特徴とする。
マスターアームの有する質量、粘性、剛性に代表される
操作環境モデルと、スレーブアームの有する質量、粘性
、剛性に代表される作業環境モデルをコンピュータを介
し相互にコミュニケートして両アームの見掛けの動特性
を一致させるという基本システムにおいては、マスター
とスレーブのインピーダンス整合を行うが、このとき操
作環境と作業環境で同じ物理現象が生じ、相似則が成立
する。
操作環境モデルと、スレーブアームの有する質量、粘性
、剛性に代表される作業環境モデルをコンピュータを介
し相互にコミュニケートして両アームの見掛けの動特性
を一致させるという基本システムにおいては、マスター
とスレーブのインピーダンス整合を行うが、このとき操
作環境と作業環境で同じ物理現象が生じ、相似則が成立
する。
本発明では、物理的相似変換によって、異形状、異人力
条件、異動作速度下でインピーダンスを制御することに
より、オペレータに臨場感を与えるとともに操作の自由
度を高める。
条件、異動作速度下でインピーダンスを制御することに
より、オペレータに臨場感を与えるとともに操作の自由
度を高める。
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。
本例で用いる定理は下記の３定理である。
〔定理１〕操作環境と作業環境の両者とも等しい目標イ
ンピーダンスを設定すれば、両者の間で相似則は自然に
満たされる。
ンピーダンスを設定すれば、両者の間で相似則は自然に
満たされる。
具体的には支配的な物理法則を次の３つと仮定し、各式
を代表値の関係式で表す。
を代表値の関係式で表す。
粘性の法則；Ｆｌ＝Ｍα＝ρｊ！’／１２粘 性
力 ；Ｆｖ＝ＤＶ＝μｍ２／ｌば ね 力 ；Ｆ＊
＝Ｋｊ！ 但し、ρは密度、βは長さ、μは粘性係数、ｔは時間の
代表値を示す。
力 ；Ｆｖ＝ＤＶ＝μｍ２／ｌば ね 力 ；Ｆ＊
＝Ｋｊ！ 但し、ρは密度、βは長さ、μは粘性係数、ｔは時間の
代表値を示す。
パイナンバーにより無次元化すると、
ｒＬ ＝ Ｆｔ／ ＦＶ＝ ｐ Ｉ１２／Ｃｔ、ｔ ｔ
）ｎｚ＝ Ｆ−／Ｆｖ＝ Ｋ ｔ／（μｉ）ここでスレ
ーブの各パラメータは対応するマスターの各パラメータ
に′ をつけて表す。
）ｎｚ＝ Ｆ−／Ｆｖ＝ Ｋ ｔ／（μｉ）ここでスレ
ーブの各パラメータは対応するマスターの各パラメータ
に′ をつけて表す。
マスター・スレーブのインピーダンスが等しいとき、す
なわち、Ｍ＝Ｍ’、 Ｄ＝Ｄ’、 Ｋ＝に’ で
あるとき、次式が成立する。
なわち、Ｍ＝Ｍ’、 Ｄ＝Ｄ’、 Ｋ＝に’ で
あるとき、次式が成立する。
ＩＴ、＝＝１．’、 ｒｌ、＝ｒＩ、’次に、作業を
行う速度を変換しオペレータの能力を拡張する。あらか
じめ目標とする作業をマスターシステムのみでシミュレ
ートして動作内容を記憶し、相似則にしたがって作業速
度を変換した後、作業内容をスレーブシステムに送信し
て目標速度で作業を遂行する。
行う速度を変換しオペレータの能力を拡張する。あらか
じめ目標とする作業をマスターシステムのみでシミュレ
ートして動作内容を記憶し、相似則にしたがって作業速
度を変換した後、作業内容をスレーブシステムに送信し
て目標速度で作業を遂行する。
〔定理２〕操作環境と作業環境での幾何学的相似比Ｉｌ
”が決まっているとき、動作速度の比Ｖ＊を指定して各
環境におけるインピーダンスの比を適当に決めれば相似
則は満足される。
”が決まっているとき、動作速度の比Ｖ＊を指定して各
環境におけるインピーダンスの比を適当に決めれば相似
則は満足される。
すなわち支配的な物理法則を定理１と同じとし、幾何学
的相似比ｒと密度の比ρ９を定め、動作速度の比Ｖ＊を
指定したとき各環境におけるインピーダンスの比を、 と決めれば相似則は満足される。但し、β０＝β／！′
、ρ０；ρ／ρ’、Ｖ”＝Ｖ／Ｖ’とする。
的相似比ｒと密度の比ρ９を定め、動作速度の比Ｖ＊を
指定したとき各環境におけるインピーダンスの比を、 と決めれば相似則は満足される。但し、β０＝β／！′
、ρ０；ρ／ρ’、Ｖ”＝Ｖ／Ｖ’とする。
また、作業速度の変換は、具体的にはマスターの操作力
からスレーブの内部トルクへの変換と考えられる。これ
についての原理を次に示す。
からスレーブの内部トルクへの変換と考えられる。これ
についての原理を次に示す。
〔系２−１〕定理２を満たすマスターとスレーブにおい
て、ρ”＝１． Ｉｌ”＝１とし、作業速度の比をＶ
ｏ とすると、マスターへの操作力の時間履歴Ｆ 、
（ｔ）とスレーブの内部トルクの時間履歴Ｆ 、 （ｔ
）は次の関係を持つ。
て、ρ”＝１． Ｉｌ”＝１とし、作業速度の比をＶ
ｏ とすると、マスターへの操作力の時間履歴Ｆ 、
（ｔ）とスレーブの内部トルクの時間履歴Ｆ 、 （ｔ
）は次の関係を持つ。
Ｆ、（ｔ）＝（１／Ｖ”） Ｆ、（ｔ／Ｖ”）次に、
幾何学的な比だけではなく、対象物の材質まで含めた物
理的相似関係から入出力条件を変換する。
幾何学的な比だけではなく、対象物の材質まで含めた物
理的相似関係から入出力条件を変換する。
〔定理３〕操作環境と作業環境の幾何学的相似比ｌ＊を
定めたとき、各環境における対象物の物理的性質（密度
、粘性、剛性）の比を適当に決めるようなインピーダン
スの比が存在し、かつ、相似則を満足する。このとき幾
何学的な比とインピーダンスの比により、マスター・ス
レーブの入出力条件の比は決定される。
定めたとき、各環境における対象物の物理的性質（密度
、粘性、剛性）の比を適当に決めるようなインピーダン
スの比が存在し、かつ、相似則を満足する。このとき幾
何学的な比とインピーダンスの比により、マスター・ス
レーブの入出力条件の比は決定される。
すなわち、支配的な物理法則を定理１と同じとし、幾何
学的な相似比、ｉ！０を定め、密度の比ρ０粘性の比μ
０、剛性の比Ｋ”のいずれかを指定する。
学的な相似比、ｉ！０を定め、密度の比ρ０粘性の比μ
０、剛性の比Ｋ”のいずれかを指定する。
このときマスター・スレーブのインピーダンスの比はた
とえば密度の比ρ０により、 Ｍ／Ｍ’＝Ｄ／Ｄ’＝に／に’＝ｐ”Ｒ”と定まり、か
つ相似則を満足する。このときマスターとスレーブの入
出力条件は、 Ｆ／Ｆ’＝ρ−１４ である。
とえば密度の比ρ０により、 Ｍ／Ｍ’＝Ｄ／Ｄ’＝に／に’＝ｐ”Ｒ”と定まり、か
つ相似則を満足する。このときマスターとスレーブの入
出力条件は、 Ｆ／Ｆ’＝ρ−１４ である。
以上の処理を第１図のフローチャートに示す。
破線の枠で囲んだ部分が本発明の特ｍ部分である。
次に、作業速度の変換実験及び入出力条件の変換実験の
結果について述べる。
結果について述べる。
■）作業速度の変換実験。
定理２と系２−１に示した原理を用いてマスター・スレ
ーブ間の作業速度の変換実験を行う。ρ９＝１１！”＝
１とし、作業速度の比をＶ”＝２／３ とすると、マス
ターとスレーブの各インピーダンスは次のように設定で
きる。
ーブ間の作業速度の変換実験を行う。ρ９＝１１！”＝
１とし、作業速度の比をＶ”＝２／３ とすると、マス
ターとスレーブの各インピーダンスは次のように設定で
きる。
Ｍ０＝０．５［ｋｇ］、 Ｂａ＝２０．０［Ｎ／（ｍ
／ｓ）］。
／ｓ）］。
Ｋ、＝４０．０［Ｎ／ｍコ
Ｍ、＝０゜５［ｋｇ］、 Ｂ、＝３０．０［Ｎ／（ｍ
／ｓ）］。
／ｓ）］。
Ｋ、 ＝９０．０［Ｎ／ｍ］
ＤＤ（ダイレクトドライブ）アームをマスターとして操
作し、その操作力を変換しスレーブの内部トルクとして
、同じアームに加える。第２図（ａ）。
作し、その操作力を変換しスレーブの内部トルクとして
、同じアームに加える。第２図（ａ）。
（６）にマスターへの操作力とマスターの変位、スレー
ブへの内部トルクとスレーブの変位の各時間履歴を示す
。相似則に沿って変換されたインピーダンスと内部トル
クに対し、スレーブは物理的相似関係を保ちながらマス
ターの動作のＶ”＝２／３だけ時間的に圧縮されて動作
している。
ブへの内部トルクとスレーブの変位の各時間履歴を示す
。相似則に沿って変換されたインピーダンスと内部トル
クに対し、スレーブは物理的相似関係を保ちながらマス
ターの動作のＶ”＝２／３だけ時間的に圧縮されて動作
している。
２）入出力条件の変換実験
ρ０＝２、ｆ”＝１０とし、マスターアームと対象物モ
デルの各インピーダンスを次のように設定する。定理３
より、スレーブ側ではこの１／ρｍ１８３＝０５Ｘ１０
−’倍のインピーダンスを持つ。
デルの各インピーダンスを次のように設定する。定理３
より、スレーブ側ではこの１／ρｍ１８３＝０５Ｘ１０
−’倍のインピーダンスを持つ。
Ｍ、＝０．０５ ［ｋｇ］、 Ｂ、＝１．０ ［Ｎ／
（ｍ／ｓ）］。
（ｍ／ｓ）］。
Ｋｏ ＝０．１ ［Ｎ／ｍ］
Ｍ＝０．０１ ［ｋｇ］、 Ｂ＝５．０ ［Ｎ／Ｃ＋
＋＋／ｓ）］。
＋＋／ｓ）］。
Ｋ＝５．０ ［Ｎ／ｍコ
双方内力情報伝送方式を用いて、マスターではダイレク
トドライブアームを操作し、スレーブは計算機内でシミ
ュレートする。第３図（ａ）、 （ｂ）にマスターと
スレーブの位置と力の時間履歴を示す。
トドライブアームを操作し、スレーブは計算機内でシミ
ュレートする。第３図（ａ）、 （ｂ）にマスターと
スレーブの位置と力の時間履歴を示す。
スレーブはマスターに対し、定理３で示したように１／
ｆ”＝０．１倍の位置で追従し、操作者へρ中＝ｆ”＝
２，０ＸＩＯ’倍の反力を返している。
ｆ”＝０．１倍の位置で追従し、操作者へρ中＝ｆ”＝
２，０ＸＩＯ’倍の反力を返している。
以上に述べたように、本発明によれば下記の効果を奏す
る。
る。
■ マスター・スレーブの動作を物理的相似関係で捉え
、マスターとスレーブが異形状、異動作速度、異人出力
条件の場合でも、相似則を満たすようにインピーダンス
を調整することにより、物理的な一般性を失うことなく
臨場感を供与することができる。
、マスターとスレーブが異形状、異動作速度、異人出力
条件の場合でも、相似則を満たすようにインピーダンス
を調整することにより、物理的な一般性を失うことなく
臨場感を供与することができる。
■ すなわち、アームを人間の能力を超えて高速あるい
は低速に動作させる場合、普通と感じる程度の速度でオ
ペレータが作業を行うことにより、スレーブ側ではこの
動作に適当な変換を施し、目的の速度で動作させること
ができる。
は低速に動作させる場合、普通と感じる程度の速度でオ
ペレータが作業を行うことにより、スレーブ側ではこの
動作に適当な変換を施し、目的の速度で動作させること
ができる。
■ また、入出力条件の変換を行うことにより、たとえ
ばマイクロマニピュレータが掴んだ血管をゴムホースの
ように感じながら手術を容易に行うことも可能となる。
ばマイクロマニピュレータが掴んだ血管をゴムホースの
ように感じながら手術を容易に行うことも可能となる。
第１図は本発明の制御方法の手順を示すフローチャート
、第２図は作業速度の変換実験結果を示すタイムチャー
ト、第３図は入出力条件の変換実験結果を示すタイムチ
ャートである。
、第２図は作業速度の変換実験結果を示すタイムチャー
ト、第３図は入出力条件の変換実験結果を示すタイムチ
ャートである。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、マスターアームの有する質量、粘性、剛性に代表さ
れる操作環境モデルと、スレーブアームの有する質量、
粘性、剛性に代表される作業環境モデルをコンピュータ
を介し相互にコミュニケートするマスター・スレーブロ
ボットの制御方法において、 前記操作環境モデルと作業環境モデルの物理的相似比に
より制御インピーダンスを決定することを特徴とするマ
スター・スレーブロボットの制御方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1255537A JPH0741559B2 (ja) | 1989-09-30 | 1989-09-30 | マスター・スレーブロボットの制御方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1255537A JPH0741559B2 (ja) | 1989-09-30 | 1989-09-30 | マスター・スレーブロボットの制御方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03117576A true JPH03117576A (ja) | 1991-05-20 |
| JPH0741559B2 JPH0741559B2 (ja) | 1995-05-10 |
Family
ID=17280108
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1255537A Expired - Fee Related JPH0741559B2 (ja) | 1989-09-30 | 1989-09-30 | マスター・スレーブロボットの制御方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0741559B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114378796A (zh) * | 2022-03-04 | 2022-04-22 | 国网智能科技股份有限公司 | 主从与自主作业一体化的机械臂系统、机器人系统及方法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62297080A (ja) * | 1986-06-13 | 1987-12-24 | 古田 勝久 | マスタスレ−ブマニピユレ−タ |
| JPS6444510A (en) * | 1987-08-13 | 1989-02-16 | Omron Tateisi Electronics Co | Robot control device |
-
1989
- 1989-09-30 JP JP1255537A patent/JPH0741559B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62297080A (ja) * | 1986-06-13 | 1987-12-24 | 古田 勝久 | マスタスレ−ブマニピユレ−タ |
| JPS6444510A (en) * | 1987-08-13 | 1989-02-16 | Omron Tateisi Electronics Co | Robot control device |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114378796A (zh) * | 2022-03-04 | 2022-04-22 | 国网智能科技股份有限公司 | 主从与自主作业一体化的机械臂系统、机器人系统及方法 |
| CN114378796B (zh) * | 2022-03-04 | 2023-09-05 | 国网智能科技股份有限公司 | 主从与自主作业一体化的机械臂系统、机器人系统及方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0741559B2 (ja) | 1995-05-10 |
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|---|---|---|---|
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