JPH03161289A - 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
- Publication number
- JPH03161289A JPH03161289A JP29940489A JP29940489A JPH03161289A JP H03161289 A JPH03161289 A JP H03161289A JP 29940489 A JP29940489 A JP 29940489A JP 29940489 A JP29940489 A JP 29940489A JP H03161289 A JPH03161289 A JP H03161289A
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- Japan
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- manipulator
- workpiece
- master
- impedance
- hand
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- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 9
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims description 10
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 241001474791 Proboscis Species 0.000 description 1
- 230000008846 dynamic interplay Effects 0.000 description 1
- 230000035807 sensation Effects 0.000 description 1
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- Manipulator (AREA)
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・スレーブロボットの制御方法に関
する。
する。
拘束条件下での運動や物体との接触を伴うマニピュレー
タの運動において、位置及び力の情報を考慮することの
重要性は古くから論じられており、位置と力のハイブリ
ッド制御やインピーダンス制御が開発されてきた。
タの運動において、位置及び力の情報を考慮することの
重要性は古くから論じられており、位置と力のハイブリ
ッド制御やインピーダンス制御が開発されてきた。
これらの制御法は、マニピュレータと作業対象物の動的
な相互作用を中心概念とし、マニピュレータの機械的な
インピーダンスを制御することで、マニピュレータが作
業対象物に接触する場合に安定的な力制御を行うことを
可能とした。
な相互作用を中心概念とし、マニピュレータの機械的な
インピーダンスを制御することで、マニピュレータが作
業対象物に接触する場合に安定的な力制御を行うことを
可能とした。
また、マスター◆スレーブ・マニピュレータを操作する
場合、従来の対称型や力逆送型あるいは力帰還型の各マ
スター・スレーブの制御方式では、スレーブアームが得
た力感覚を、そのままマスク一アームへ伝送する方法を
用いている。
場合、従来の対称型や力逆送型あるいは力帰還型の各マ
スター・スレーブの制御方式では、スレーブアームが得
た力感覚を、そのままマスク一アームへ伝送する方法を
用いている。
しかし、一般に、スレーブアームが作業を行う環境は、
そのままオペレータにとって操作し易いとは限らず、例
えば慣性質量の大きな対象物を移動させる場合には、オ
ペレータにとっては負担となる。その場合には、オペレ
ータの作業を補助する意味から、対象物も含めた環境の
動特性を見かけ上変更することがより重要であり、作業
対象物のインピーダンスを制御することで操作感を変更
する手法が既に提案されている。
そのままオペレータにとって操作し易いとは限らず、例
えば慣性質量の大きな対象物を移動させる場合には、オ
ペレータにとっては負担となる。その場合には、オペレ
ータの作業を補助する意味から、対象物も含めた環境の
動特性を見かけ上変更することがより重要であり、作業
対象物のインピーダンスを制御することで操作感を変更
する手法が既に提案されている。
〔発明が解決しようとする課題３
このように、作業対象物の勤特性を考慮に入れたマニピ
ュレータの制御を行うには、作業対象物の動特性の情報
を、マニピュレータの制御ループの中に取り込むことが
重要である。
ュレータの制御を行うには、作業対象物の動特性の情報
を、マニピュレータの制御ループの中に取り込むことが
重要である。
マニピュレータが、ある作業対象物に接触する場合には
、マニピュレータの動特性すなわちインピーダンスだけ
に注目するのではなく、作業対象物のインピーダンスの
大小によって、マニピュレータのインピーダンスを制｛
卸することが、安定な接触作業を実行するには必要であ
る。
、マニピュレータの動特性すなわちインピーダンスだけ
に注目するのではなく、作業対象物のインピーダンスの
大小によって、マニピュレータのインピーダンスを制｛
卸することが、安定な接触作業を実行するには必要であ
る。
マタ、マスター・スレーブ・マニビュレータでは、スレ
ーブアームが把持した対象物の勤特性を計測し、作業者
が快適に操作できる対象物の劾特性の範囲と照らし合わ
せて、マスターアームの操作感を変更することになる。
ーブアームが把持した対象物の勤特性を計測し、作業者
が快適に操作できる対象物の劾特性の範囲と照らし合わ
せて、マスターアームの操作感を変更することになる。
したがって、作業対象物の動特性を、インピーダンスと
して同定することは、以上のようなマニピュレータの接
触作業、あるいはマスター・スレーブ・マニピュレータ
には不可欠である。
して同定することは、以上のようなマニピュレータの接
触作業、あるいはマスター・スレーブ・マニピュレータ
には不可欠である。
本発明は、上記のような実情に鑑みてなされたものであ
り、マニピュレータの安定的な接触作業、あるシ゛）は
操作生の良いマスター・スレーブ・マニピュレータを実
現することを可能とする制御方法を提案することを目的
とする。
り、マニピュレータの安定的な接触作業、あるシ゛）は
操作生の良いマスター・スレーブ・マニピュレータを実
現することを可能とする制御方法を提案することを目的
とする。
この目的を達或するため、本発明のマスター・スレーブ
ロボットの制御方法は、 作業対象物の動特性を、 Ｍｏ：作業対象物の慣性質量 Ｂｏ：作業対象物の粘性 Ｋｏ：作業対象物の剛性 とし、マニピュレータの手先の動特性を、Ｍ，：マニピ
ュレータの手先の慣性質量Ｂ，マニピュレータの手先の
粘性 Ｋｍ：マニピュレータの手先の剛性 とし、マニピュレータの手先の目標運動を、ｄ”Ｘっ／
ｄｔ２：マニピュレータの手先の加速度ｄＸｍ，＃ｔ
：マニピュレータの手先の速度Ｘ．：マニピュレータ
の手先の位置 とし、マニピ品レータ接触前の作業対象の運動を、 ｄ２Ｘ．／ｄｔ’；作業対象物の加速度ｄＸｍ／ｄｔ
：作業対象物の速度 ｘ０：作業対象物の位置 とし、マニピュレータの接触後の作業対象物とマニピュ
レータの運動を、 ｄ’ Ｘ． ／ｃｌＬ”：マニピュレータと作業対象物
の加速度 ｄＸ，／ｄｔ ：マニピュレータと作業対象物のＸ，
ｌ 速度 ：マニピュレータと作業対象物の 位置 としたとき、 作業対象物の動特性を、 とするインピーダンスとして求め、この作業対象物の劾
特性を用いてスレーブマニピュレータの把持している対
象物の同特性を変化させ、マスクマニピュレータを操作
するときの操作感を変更する制御を行うことを特徴とす
る。
ロボットの制御方法は、 作業対象物の動特性を、 Ｍｏ：作業対象物の慣性質量 Ｂｏ：作業対象物の粘性 Ｋｏ：作業対象物の剛性 とし、マニピュレータの手先の動特性を、Ｍ，：マニピ
ュレータの手先の慣性質量Ｂ，マニピュレータの手先の
粘性 Ｋｍ：マニピュレータの手先の剛性 とし、マニピュレータの手先の目標運動を、ｄ”Ｘっ／
ｄｔ２：マニピュレータの手先の加速度ｄＸｍ，＃ｔ
：マニピュレータの手先の速度Ｘ．：マニピュレータ
の手先の位置 とし、マニピ品レータ接触前の作業対象の運動を、 ｄ２Ｘ．／ｄｔ’；作業対象物の加速度ｄＸｍ／ｄｔ
：作業対象物の速度 ｘ０：作業対象物の位置 とし、マニピュレータの接触後の作業対象物とマニピュ
レータの運動を、 ｄ’ Ｘ． ／ｃｌＬ”：マニピュレータと作業対象物
の加速度 ｄＸ，／ｄｔ ：マニピュレータと作業対象物のＸ，
ｌ 速度 ：マニピュレータと作業対象物の 位置 としたとき、 作業対象物の動特性を、 とするインピーダンスとして求め、この作業対象物の劾
特性を用いてスレーブマニピュレータの把持している対
象物の同特性を変化させ、マスクマニピュレータを操作
するときの操作感を変更する制御を行うことを特徴とす
る。
マニピュレータの内部センサから、マニピュレータが作
業対象物に接触した後の加速度、速度、位置を計測し、
予め定めたマニビュレータの目標加速度、目標速度、目
標位置、マニビュレータ接触前の作業対象物の加速度、
速度、位置及びマニピュレータの手先のインピーダンス
を上式に代入し、作業対象物の助特性をインピーダンス
として求め、この作業対象物の劾特性を用いてスレーブ
マニビュレータの把持している対象物の同特性を変化さ
せ、マスクマニピュレータを操作するときの操作感を見
かけ上重くしたり軽くしたりというように変更する。
業対象物に接触した後の加速度、速度、位置を計測し、
予め定めたマニビュレータの目標加速度、目標速度、目
標位置、マニビュレータ接触前の作業対象物の加速度、
速度、位置及びマニピュレータの手先のインピーダンス
を上式に代入し、作業対象物の助特性をインピーダンス
として求め、この作業対象物の劾特性を用いてスレーブ
マニビュレータの把持している対象物の同特性を変化さ
せ、マスクマニピュレータを操作するときの操作感を見
かけ上重くしたり軽くしたりというように変更する。
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。
未知の動特性（Ｍｏ， Ｂｏ， Ｋｏ）を持つ作業対象
吻に、助特性（Ｍ．．Ｂつ，Ｋ，）を持つマニピュレー
タが接触する状態を第１図に示す。
吻に、助特性（Ｍ．．Ｂつ，Ｋ，）を持つマニピュレー
タが接触する状態を第１図に示す。
マニビュレークの手先の目標運動を、
ｄ２Ｘａ／ｄｔ２：マニピュレータの手先の加速度ｄＸ
ｍ／ｄｔ ：マニビュレータの手先の速度Ｘ，；マニ
ピュレータの手先の位置 とすると、マニピュレータが作業対象吻に接触する前で
は、これはそのままマニピュレータの実際の運動状態に
一致し、マニピュレータが作業対象物に接触後では、対
象物が存在しなかった場合のマニピュレータの仮想的な
運動状態となる。
ｍ／ｄｔ ：マニビュレータの手先の速度Ｘ，；マニ
ピュレータの手先の位置 とすると、マニピュレータが作業対象吻に接触する前で
は、これはそのままマニピュレータの実際の運動状態に
一致し、マニピュレータが作業対象物に接触後では、対
象物が存在しなかった場合のマニピュレータの仮想的な
運動状態となる。
マニピュレータの接触前の作業対象物の運動を、ｄ２Ｘ
．／ｄｔ’：作業対象物の加速度ｄＸ，／ｄｔ ：作
業対象物の速度 ｘ０：作業対象物の位置 とすると、マニビ一レークが作業対象物に接触した後で
は、マニピュレータの手先の運動は、ｄ２Ｘ．／ｄｔ２
：マニピュレータと作業対象物の加速度 ｄＸｍ／ｄｔ ：マニピュレータと作業対象物の速度 Ｘ．；マニピュレータと作業対象物の 位置 のように計測される。
．／ｄｔ’：作業対象物の加速度ｄＸ，／ｄｔ ：作
業対象物の速度 ｘ０：作業対象物の位置 とすると、マニビ一レークが作業対象物に接触した後で
は、マニピュレータの手先の運動は、ｄ２Ｘ．／ｄｔ２
：マニピュレータと作業対象物の加速度 ｄＸｍ／ｄｔ ：マニピュレータと作業対象物の速度 Ｘ．；マニピュレータと作業対象物の 位置 のように計測される。
例えば、マニビュレータと作業対象物かばね要素のみで
構或されているとすると、接触前の状態は第２図のよう
に表され、接触後では、第３図に示したように、マニビ
ュレータと作業対象物の接触点の位置は、マニビュレー
タの目標位置Ｘ，と接触前の作業対象物の位置Ｘｏ の
中間の平衡点Ｘ６で静止することになる。
構或されているとすると、接触前の状態は第２図のよう
に表され、接触後では、第３図に示したように、マニビ
ュレータと作業対象物の接触点の位置は、マニビュレー
タの目標位置Ｘ，と接触前の作業対象物の位置Ｘｏ の
中間の平衡点Ｘ６で静止することになる。
このとき、接触によって、マニビュレータの目標位置Ｘ
，と平衡点Ｘ１には偏差Ｘ。−Ｘ，が生じ、マニピュレ
ータは作業対象物に対し、 Ｆ．＝ Ｋｍ ・（Ｘ．− Ｘ．） だけの力を与えることになる。逆に、接触前の作業対象
物の位置Ｘｏと平衡点Ｘやには、偏差ＸｏＸ．が生じる
ので、作業対象物はマニピュレータに対し、 Ｆ．＝Ｋｍ ・（Ｘ．一Ｘ．） だけの反力を返すことになる。
，と平衡点Ｘ１には偏差Ｘ。−Ｘ，が生じ、マニピュレ
ータは作業対象物に対し、 Ｆ．＝ Ｋｍ ・（Ｘ．− Ｘ．） だけの力を与えることになる。逆に、接触前の作業対象
物の位置Ｘｏと平衡点Ｘやには、偏差ＸｏＸ．が生じる
ので、作業対象物はマニピュレータに対し、 Ｆ．＝Ｋｍ ・（Ｘ．一Ｘ．） だけの反力を返すことになる。
これらの力は、作用・反作用の関係から等しくなり、
Ｋｍ ・（Ｘ．− Ｘ．）＝Ｋｍ ・（Ｘ．−Ｘ．）な
る関係がある。
る関係がある。
したがって、この関係より、作業対象物の弾性係数は、
のように求めることができる。
同様にマニピュレータと作業対象物の粘性についてのみ
注目するならば、作業対象物の粘性は、と求められ、同
様にマニピュレータと作業対象物の慣性についてのみ注
目するならば、作業対象物の慣性は、 と求めることができる。
注目するならば、作業対象物の粘性は、と求められ、同
様にマニピュレータと作業対象物の慣性についてのみ注
目するならば、作業対象物の慣性は、 と求めることができる。
このようにして、作業対象物の動特性は、インピーダン
スとして求めることができる。実際には、劾特性を弾性
、粘性、慣性と順に求める必要はなく、それぞれ同時に
求めればよい。
スとして求めることができる。実際には、劾特性を弾性
、粘性、慣性と順に求める必要はなく、それぞれ同時に
求めればよい。
以上によって求められた作業対象物の動特性を用いてマ
ニビュレータの操作感を変更する制御について以下に説
明する。
ニビュレータの操作感を変更する制御について以下に説
明する。
マニビュレータの運動方程式が次式で与えられていると
する。
する。
但し、工 ；マニピュレータの慣性行列Ｄｖ：マニピュ
レータの粘性行列 Ｔａ；アクチュエー夕のトルク行列 θ ；マニピュレータの関節角行列 ＪＴ：ヤコビアンの転置行列 Ｆ．，；マニピュレータに加えられた外力いま、アクチ
ュエータのトルク行列Ｔ．をインピーダンス制御するこ
とにより、マニピュレータの手先のインピーダンスは見
かけ上、次式のようになっている。
レータの粘性行列 Ｔａ；アクチュエー夕のトルク行列 θ ；マニピュレータの関節角行列 ＪＴ：ヤコビアンの転置行列 Ｆ．，；マニピュレータに加えられた外力いま、アクチ
ュエータのトルク行列Ｔ．をインピーダンス制御するこ
とにより、マニピュレータの手先のインピーダンスは見
かけ上、次式のようになっている。
Ｚ．（ ｊω）＝Ｂ−＋ｊ（Ｍ−ω一玉〉ω
このマニピュレータの手先が次のインピーダンス
Ｘ
Ｚｏ（ｊ ω）＝Ｂｏ＋ｊ（Ｍｏω− ）ω
をもつ対象物に接触しているとき、マニピュレータと対
象物とを合わせた全体のインピーダンスは、Ｚ。（ｊω
）＝Ｂ．＋ｊ（Ｍ．ω一玉〉ω となっている。
象物とを合わせた全体のインピーダンスは、Ｚ。（ｊω
）＝Ｂ．＋ｊ（Ｍ．ω一玉〉ω となっている。
このとき、オペレータは、アームを通してインピーダン
スＺ．（ ｊω）を感じながら作業を行うが、オペレー
タがこのインピーダンスを変更したいときは、次のよう
に制御を行う。
スＺ．（ ｊω）を感じながら作業を行うが、オペレー
タがこのインピーダンスを変更したいときは、次のよう
に制御を行う。
マニピ二レークと対象物とを合わせたインピーダンスの
目標値を次のように設定する。
目標値を次のように設定する。
そうすると、インピーダンス制御により全体のシステム
の運動方程式は次のようになる。
の運動方程式は次のようになる。
以上のことから、既知の動特性（Ｉ， Ｄｖ）をもつ
マニピュレータが、先に同定した動特性（ Ｍ ｏ ，
Ｂｏ，Ｋｏ）を持つ対象物に接触しているとき、全体の
システムの目標インピーダンスＺｃ（ｊω）を実現する
ために必要なアクチュエー夕の出力Ｔ，は次のように決
定される。
マニピュレータが、先に同定した動特性（ Ｍ ｏ ，
Ｂｏ，Ｋｏ）を持つ対象物に接触しているとき、全体の
システムの目標インピーダンスＺｃ（ｊω）を実現する
ために必要なアクチュエー夕の出力Ｔ，は次のように決
定される。
＋（Ｄ，＋ Ｊ”Ｄｏ＋ Ｊ”Ｍｏ″Ｊ＋ Ｊ’ Ｃ
Ｋｏ（Ｌ（θ） Ｘ−）＋Ｋｃ（Ｘｏ Ｌ（θ
））〕 このブロック図を第４図に示す。このように、アクチス
エー夕への出力Ｔ．を制御することにより、オペレータ
にとっての操作感を変更することができる。
Ｋｏ（Ｌ（θ） Ｘ−）＋Ｋｃ（Ｘｏ Ｌ（θ
））〕 このブロック図を第４図に示す。このように、アクチス
エー夕への出力Ｔ．を制御することにより、オペレータ
にとっての操作感を変更することができる。
以上に説明したように、本発明では、マニピュレータの
作業対象物の勤特性をインピーダンスとして同定するこ
とができ、マニビュレータの安定的な接触作業、あるい
は操作性の良いマスター・スレーブ・マニピュレータを
実現することができる。
作業対象物の勤特性をインピーダンスとして同定するこ
とができ、マニビュレータの安定的な接触作業、あるい
は操作性の良いマスター・スレーブ・マニピュレータを
実現することができる。
第１図はマニピュレータの作業対象物への接触状態を表
した説明図、第２図は接触前のマニピュレータと作業対
象物の状態をばね要素のみを抜き出して表した説明図、
第３図は接触後のマニピュレータと作業対象物の状態を
ばね要素のみを抜き出して表した説明図、第４図はマニ
ピュレータと対象物の全体のシステムのインピーダンス
を制御するブロック図である。
した説明図、第２図は接触前のマニピュレータと作業対
象物の状態をばね要素のみを抜き出して表した説明図、
第３図は接触後のマニピュレータと作業対象物の状態を
ばね要素のみを抜き出して表した説明図、第４図はマニ
ピュレータと対象物の全体のシステムのインピーダンス
を制御するブロック図である。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、作業対象物の動特性を、 Ｍ＿ｏ：作業対象物の慣性質量 Ｂ＿ｏ：作業対象物の粘性 Ｋ＿ｏ：作業対象物の剛性 とし、マニピュレータの手先の動特性を、 Ｍ＿ｍ：マニピュレータの手先の慣性質量 Ｂ＿ｍ：マニピュレータの手先の粘性 Ｋ＿ｍ：マニピュレータの手先の剛性 とし、マニピュレータの手先の目標運動を、ｄ＾２Ｘ＿
ｍ／ｄｔ＾２：マニピュレータの手先の加速度ｄＸ＿ｍ
／ｄｔ：マニピュレータの手先の速度Ｘ＿ｍ：マニピュ
レータの手先の位置 とし、マニピュレータ接触前の作業対象の運動を、 ｄ＾２Ｘ＿ｏ／ｄｔ＾２：作業対象物の加速度ｄＸ＿ｏ
／ｄｔ：作業対象物の速度 Ｘ＿ｏ：作業対象物の位置 とし、マニピュレータの接触後の作業対象物とマニピュ
レータの運動を、 ｄ＾２Ｘ＿ｅ／ｄｔ＾２：マニピュレータと作業対象物
の加速度 ｄＸ＿ｅ／ｄｔ：マニピュレータと作業対象物の速度 Ｘ＿ｅ：マニピュレータと作業対象物の 位置 としたとき、 作業対象物の動特性を、 Ｍ＿ｏ＝Ｍ＿ｅ（ｄ＾２Ｘ＿ｍ／ｄｔ＾２−ｄ＾２Ｘ＿
ｅ／ｄｔ＾２）／（ｄ＾２Ｘ＿ｅ／ｄｔ＾２−ｄ＾２Ｘ
＿ｏ／ｄｔ＾２）Ｂ＿ｏ＝Ｂ＿ｍ（ｄＸ＿ｍ／ｄｔ−ｄ
Ｘ＿ｅ／ｄｔ）／（ｄＸ＿ｅ／ｄｔ−ｄＸ＿ｏ／ｄｔ）
Ｋ＿ｏ＝Ｋ＿ｍ（Ｘ＿ｍ−Ｘ＿ｅ）／（Ｘ＿ｅ−Ｘ＿ｏ
）とするインピーダンスとして求め、この作業対象物の
動特性を用いてスレーブマニピュレータの把持している
対象物の同特性を変化させ、マスタマニピュレータを操
作するときの操作感を変更する制御を行うことを特徴と
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 |
|---|---|---|---|
| JP1299404A JPH0741560B2 (ja) | 1989-11-16 | 1989-11-16 | 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 |
|---|---|---|---|
| JP1299404A JPH0741560B2 (ja) | 1989-11-16 | 1989-11-16 | マスター・スレーブロボットの制御方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03161289A true JPH03161289A (ja) | 1991-07-11 |
| JPH0741560B2 JPH0741560B2 (ja) | 1995-05-10 |
Family
ID=17872122
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1299404A Expired - Fee Related JPH0741560B2 (ja) | 1989-11-16 | 1989-11-16 | マスター・スレーブロボットの制御方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0741560B2 (ja) |
Cited By (14)
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|---|---|---|---|---|
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-
1989
- 1989-11-16 JP JP1299404A patent/JPH0741560B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
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