JPH03142179A - マスタスレーブ制御装置 - 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、アームの先端の操作部が交換できるスレーブ
アームとマスタアームとを制御するマスタスレーブ制御
装置に関する。

（従来の技術） 遠隔操縦により複雑かつ細かい作業を行う場合、マスタ
スレーブ方式で制御することが有効である。

マスタスレーブマニピュレータシステムは、大きく分類
してオペレータが操作するマスタアームと、マスタアー
ムによって遠隔動作されるスレーブアームと、マスタア
ームとスレーブアームを制御するマスタスレーブ制御装
置によって構成される。

マスタアームとスレーブアームはそれぞれ数個の関節を
持ち、相似な形のマニピュレータとなっている。

マスタアームでスレーブアームを遠隔操作するために制
御装置は次の機能を持つ。

■　スレーブアームの受けた力がある場合、スレーブア
ームの受けた力の反力に従った力でマスタアームを動作
させる。

■　マスタアームが動作した場合、スレーブアームはマ
スタアームの動作に従って追従する。

つまり、制御装置はオペレータがマスタアームを操作す
る力に従ってマスタアームを動かし、スレーブアームを
マスタアームの動きに従って動作させる。こうして、オ
ペレータはスレーブアームを遠隔操作する事ができる。

しかし、スレーブアームとマスタアームは離れているの
で、オペレータは操作現場の状況を捉えすらい。

このために、スレーブアームからの反力をマスタアーム
に伝達する機能を設けることでスレーブアームが物を持
った力等をマスタアームに伝え、あたかも実際に操作し
ているような臨場感のある操作が出来るようにして、操
作性の良いものとしている。

従来の構成を第４図を用いて説明する。ここでは例とし
て］個の関節とつかみ具を持つマスタスレープマニピュ
レータで説明する。

スレーブ２を操作するためのマスタ１の場合、マスタア
ームの角度Ｏｍ□を測定するマスタ角度センサ３ａ、　
１〜ルクＴｍ１を測定するマスタトルクセンサ４ａ、マ
スタの駆動をするマスタモータ５ａで構成される。

マスタ１からの指令で、実際に作業動作を行うスレーブ
２もマスタ１と同じ構成である。つまり、スレーブ角度
センサ６ａ、スレーブ１〜ルクセンサ７ａ、スレーブモ
ータ８ａで構成される。

マスタ１及びスレーブ２の関節は、マスタスレーブ制御
装置１０て制御され、この制御装置はスレーブ位置制御
装置１１とマスク力制御装置１２で構成される。

スレーブ位置制御装置］１はマスタアーム（以下マスク
と呼ぶ）ｌの動作に従いスレーブアーム（以下スレーブ
と呼ぶ）２を動作制御する。この時、スレーブ２にかか
る力をマスタ１に伝えるために、マスク力制御装置１２
でマスクエヘスレーブ２にかかる力をフィードバックす
る。

この力のフィードバックでは、例えばスレーブ２が障害
物と接触した場合には、その接触した衝撃をマスタ１に
伝達するものである。

このカフィードバックの計算を説明する。

スレーブアームの構造を第３図に示す。ここで関節に掛
かっているトルクＴい□は、関節の持つ重量による１〜
ルクＴｇと、外力に因りアームに掛かっている力に１〜
ルクＴｒの和となる。

つまり、関節の重心位置ｄ□と、関節の重量ｖ１と関節
の垂直から角度を０□、及び掴み具の重心位置Ｑ２と掴
み具の重量１１ｃが判明していれば、外力に因りアーム
に掛かっている力による１ヘルクＴｒを計算することが
出来る。つまり、次の式と成る。

Ｔｒ　＝　Ｔｗ、−−Ｔｇ （υ 又、関節の持つ重量による１〜ルクＴｇは次のように表
現される。

７ｇ （ｄ１＊　Ｗ、　＋　１２＊　１ｉｌｃ）　’ｓ　５ｉ
ｎ（ｅｌ） ■ この定数が、 全て明確になっていれば外力によ るトルクＴｒは計算できることとなる。

この外力に因りアームに掛かつている外力によるトルク
Ｔｒのみをマスクにフィードバックすることにより、マ
スクでスレーブが障害物等に当たった力を感じることが
出来、この結果オペレータはスレーブ２から離れていな
がら、スレーブ２を実際に動作させている感触を感じる
ことができるため、操作性が向上する。

しかし、この様なマスタスレーブ制御装置において、掴
み具は掴み対象によって交換できるように構成されてい
る場合がある。つまり、掴む対象が小さいときには小さ
い掴み具が用いられ大きい対象を掴むときには、大きな
ものを用いる。又、特殊な使い方として掴み具が鋏の形
に成っているもので、掴むのでは無く、切る用途に使用
している場合もある。

このために先端の掴み具は交換可能な構造となっている
。

この様な掴み具の交換可能なマスタブレープ制御装置の
場合、先端の掴み具が変更された場合、各関節が重量が
自重計算等にデータとして必要なため、交換した掴み具
の重量データ等のパラメータを交換する度毎に制御装置
にデータ入力装置２５でインプツ１−する必要があった
。

（発明が解決しようとする課題） 掴み具を交換する場合において、掴み具は数種類あるの
が通常である。その為に、設定するパラメータも数種類
必要になって来る。

これによって、交換した掴み具のパラメータ等の設定を
誤る可能性がある。この場合設定した掴み具本体の重量
と制御装置の持っている掴み具の重量パラメータとの間
に不整合が発生し、正しいカフィードバックがマスタア
ームに伝わらないで異常な動作をするなど危険である。

本発明の目的は、上記問題点を解決し、誤設定のない操
作の簡潔な掴み具交換が出来るようにすることである。

〔発明の構成〕

（ｉ題を解決するための手段） スレーブアームにかかるトルクをマスタアームにフィー
ドバッタするマスタスレーブ制御装置において、前記フ
ィードバック量を求めるに当たり必要な先端操作部の重
量を、先端操作部の交換終了時にスレーブの関節にかか
るトルクと関節角度から計算し、制御装置が持つ先端操
作部の重量データを更新することを特徴とする。

（作用） 本発明は、先端部の交換終了時に先端操作部の重量を関
節状況から計算し、そのデータを用いてその後の計算を
行うことによって正しい重量データを設定することがで
き、簡単に先端操作部の交換作業が出来るようにする。

（実施例） 第１図に本発明の構成を示す。マスタスレーブ制御装置
１０を構成するマスク力制御装置１２とスレーブ制御装
置１１及び、マスタ１と、スレーブ２とは、従来の構成
と同様である。

本発明の特徴となる構成を説明する。

マスク力制御装置１２ではスレーブ２のアーム重量によ
るトルクの影響を除いた外力による１〜ルクを、マスク
１ヘフイー１〜バツクする装置である。

マスク力制御装置１２は、スレーブ２の各関節や掴み具
の重量や重心位置までの距離のパラメータデータをスレ
ーブ自身の重量による１−ルクの影響を消す様に計算す
るために定数として記憶している。

重量計算装置２１は、掴み具の交換に伴って掴み具の重
量を計算する装置で、これは各関節を受けているトルク
から既に分かっている関節の１−ルクを差引いて交換し
た掴み具の重量を計算し、マスク力制御装置１２で使用
できるように定数を交換更新する装置である。

装着完了スイッチ２４は、掴み具の交換に伴って掴み具
の接続が完了したことを示すスイッチである。

完了確認スイッチ２３は、オペレータが掴み具の交換作
業を完了した事を確認して、制御装置にインプットする
スイッチである。

スレーブ２の関節にかかる掴み具の重量による１−ルク
を測定する為に、既に分かっているスレーブ自身の重量
によるトルクを計算する。

この計算を第３図を用いて説明する。

ここでは、１個の関節と掴み具を持つアームの例で説明
する。

まず、第１関節については関節の重心位置までの距離を
ｄ工で表し、関節の重量Ｗ１とし、関節の垂直からの角
度をｅｌとする。又、掴み具までの重心位置をＱ２とす
る。

さて、スレーブ２の第１関節にかかる関節自体の重量に
よるトルクＴ１−を求める式は、Ｔ１−＝Ｗ１・ｄ□・
５ＩＮ（ｅｌ）　　　”−−（３）のようになる。

さて、実際に掛かっている関節１〜ルクＴｗ□から掴み
具の重量ｗｃを逆算するためには、次の式の様に計算す
る。

ｂｒｃ＝　　（Ｔｗ、−Ｔ、−）　　／（Ｑ２＊　ＳＩ
Ｎ　（０１））＝−（４）である。

但し、Ｑ２は掴み具の種類に係わらず一定の数値を使用
する。

今回の発明である、この計算ロジックを実現するための
作用を第１図の構成国と第２図の流れ図を利用して説明
する。

第１図において、スレーブ２に掴み具２ａを取付けると
装着完了スイッチ２４はオンする。この時、装置作業中
なので掴み具２ａには外力が掛かつている状態なので、
オペレータの確認で装着の完了を判定する。

その為、オペレータは掴み具交換作業の完了を確認し、
完了確認スイッチ２３を押す、完了確認スイッチ２３は
一度押すとオンし、再度押すとオフするフリップフロッ
プ形式のスイッチとする。但し、この、完了確認スイッ
チ２３は、装着完了スイッチ２４がオフつまり掴み具２
ａが取外された時には、完了確認状態は無効に成るため
、重量計算装置２１からオフ出力されて、オン状態であ
ってもリセッ１〜される。

こうすることによって、オペレータの誤操作を防止し、
確実な装着確認を行うことが出来る。

１ さて、完了確認スイッチ２３又は、装着完了スイッチ２
４か、オンからオフあるいはオフからオンのいずれかに
変化した時に重量計算装置２１は起動され第２図の流れ
図に示すロジックは起動される。

この流れ図について説明する。

スイッチ２３は掴み具２ａが接続完了している事をオペ
レータが確認して押すスイッチであり、このスイッチが
オンしていることを確認する（１．１２）。

スイッチがオンで有れば、次に掴み具２ａが機械的に接
続完了していることを確認するための装着完了スイッチ
２４を調べ、この装着完了スイッチ２４がオンしている
ことをチエツクする（１０１）。

オンであれば、交換は完了しているので１重量データの
更新を行う。

この時、既に交換後の掴み具２ａの重量を計算し終わっ
た場合は再度計算する必要がないため、プラグに１がセ
ットされているかを確認する（１０２）。

フラグが１の場合には、既に計算済みであるので、計算
はバイパスする。

フラグがＯの場合には、掴み具の交換後の計算■２ が未だされていないので、式■、式（１）で示した計算
を実施し、掴み具の重量を算出する（１０３）。

次に計算が終了をしたので、フラグを１とする（１０４
）。

この計算結果をマスタスレーブ制御装置の制御用データ
に更新する（１０７）。

更新終了後、マスク、スレーブ制御可能であるので、マ
スタスレーブ制御装置に許可を出力する（１０８）。

完了確認スイッチ２３の判定結果（１０１）がオフの時
は、オペレータの確認が終了していない状態なので、掴
み具２ａの重量計算は実施せず１重量データはＯに設定
する（１０５）。又、装着完了スイッチ２４の判定結果
（１１２）がオフの時は、まだ掴み具２ａがセツティン
グ完了されていない状態なので、装着未確認状態とする
ため完了確認スイッチ２３をオフにする出力を行って、
重量データはＯに設定する（１１１．）、　（１０５）
。

この次に、計算値をＯに変更したので、掴み具２ａの重
量計算を終了した事を示すフラグをＯにする（１０６）
。

この計算結果をマスタスレーブ制御装置の制御用データ
に更新する（１０９）。

更新終了後、マスタスレーブ制御は先端部取り外し中で
使用不可能であるので、マスタスレーブ制御装置に許可
は取り消し、マスタスレーブ制御装置にインターロック
を掛は操作出来ないようにする（１１（１）。

マスタスレーブ制御装置は、交換が完了していれば、重
量計算され許可が出力されて操作することが出来、式（
１）に示す、計算中の定数ＩＪｃが更新されているので
、正しいカフィードバック制御が実施できる。

以上より掴み具の自重計算用の掴み具重量データは、完
全に、又簡潔に計算・更新できる。

この発明の構成により、掴み具が数種類ある場合、デー
タ設定をオペレータが実施すること無しに重量変化のデ
ータを設定することが出来、操作性の向上及び、誤操作
の防止を行うことが出来る。

掴み具の重量１ｌｌｃを求める時に、らを一定とじてい
たが、実際には厄２は掴み具の形状によって一律ではな
い場合が考えられる。しかし、掴み具の重量による関節
への影響は弐〇より、Ｗｃ　＊　１．で求めることが出
来るため、定数Ｗｃを本重量計算装置２１で更新する代
わりに、定数をＷｅ　＋ｋ　（１，で持ち、この定数を
式（１）を変形した下記式■によりＩＪｃ　＊　Ｑ２を
計算し、その計算結果で定数をｕｃ　＄　１２を変更す
ることによって、同様な効果があげることが出来る。

Ｗｅ’ｓ　Ｑ２＝　　（Ｔｗ、−Ｔ、”）／（Ｑ２＊　
Ｓｉｎ　　（ｅ　１　））−Ｑ５）又、工具を掴んで作
業する場合があるが、この場合も同様な重量計算装置１
１２１で工具分の重量も計算することが出来、同様に重
量を設定しなくても、データとして重量データを計算す
ることが出来る。

〔発明の効果〕

スイッチにより、スレーブの持っている掴み具の重量分
の１〜ルクの影響を誤り焦く消すことが出来るため、運
搬物の重量以外でのスレーブの受ける障害物との接触力
が判り易くなり、安全に運搬出来る様になり、さらに、
オペレータにとって５ 掴み具の定数を設定する操作が不要になった事で、負荷
が軽減される。

【図面の簡単な説明】

第工図は、本発明の全体構成図、第２図は、重量計算装
置２２のロジック図、第３図は、アームの詳細構成図、
第４図は、従来でのマスタスレーブ制御構成図を示す。 １・・・マスク ２・・スレーブ ２ａ・・・スレーブ先端部・掴み具（１）２ｂ・・スレ
ーブ先端部・掴み具■ ３ａ・・マスタ角度センサ ４ａ・・・マスタトルクセンサ ５ａ・・・マスタモータ ６ａ・・・スレーブ角度センサ ７ａ・・・スレーブトルクセンサ ８ａ・・スレーブモータ １０・マスタスレーブ制御装置 １１・・・スレーブ位置制御装置 １２・・・マスク力制御装置 Ｉｆｉ ２Ｉ・・重量計算装置 ２３・・・完了確認スイッチ ２４・・装着完了スイッチ ２５・・データ入力装置

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）アームの先端の操作部が交換できるスレーブアー
   ムとマスタアームとを制御するマスタスレーブ制御装置
   において、交換するアームの先端の操作部分の重量をス
   レーブアームの関節角度及び関節トルクを算出し、この
   重量データをマスタスレーブ制御装置の重量データに更
   新する装置を持つことを特徴とするマスタスレーブ制御
   装置。
2. （２）アームの関節からアームの先端の操作部分の重心
   までの距離とアームの先端の操作部分の重量を掛けたデ
   ータを、スレーブアームの関節角度及び関節トルクから
   算出し、このデータをマスタスレーブ制御装置のデータ
   に更新する装置を持つことを特徴とする請求項１記載の
   マスタスレーブ制御装置。