JPH03270886A - Master/slave manipulator - Google Patents
Master/slave manipulatorInfo
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の目的〕
(産業上の利用分野)
本発明はマスタマニピュレータとスレーブマニピュレー
タとを備えたマスタスレーブマニピュレータに係り、特
にマスタマニピュレータに柔軟な手袋を備えたマスタス
レーブマニピュレータニ関する。[Detailed Description of the Invention] [Object of the Invention] (Industrial Application Field) The present invention relates to a master-slave manipulator that includes a master manipulator and a slave manipulator, and more particularly to a master-slave manipulator that includes a flexible glove on the master manipulator. Regarding 2.
(従来の技術)
原子力産業分野やその他の産業分野においては、操作者
が操作するマスタマニピュレータと、このマスタマニピ
ュレータの動きに追従して動作して実際の作業を行なう
スレーブマニピュレータとを備えたマスタスレーブマニ
ピュレータが用いられている。特に、操作性を向上させ
るために、スレーブマニピュレータに作用する作業力を
マスタマニピュレータにフィードバックするバイラテラ
ルマスタスレーブマニピュレータがよく使用されている
。(Prior Art) In the nuclear power industry and other industrial fields, a master manipulator is equipped with a master manipulator operated by an operator and a slave manipulator that follows the movements of the master manipulator to perform actual work. A manipulator is used. In particular, in order to improve operability, bilateral master-slave manipulators are often used in which the working force acting on the slave manipulator is fed back to the master manipulator.
従来のバイラテラルマスクスレーブマニピュレータでは
、日本ロボット学会第7巻、第5号、大道、沖野、「多
指ハンドの作業への応用」に示すように、マスタマニピ
ュレータがメカニカル機構で構成されている。第9図は
そのようなマスタマニピュレータを示すもので、複数の
リンク1,2゜3が関節4.5.6を介して回動自在に
連結され、アーム部7が構成される。アーム部7の先端
には操作者の手を挿入可能なハンド部8が設けられ、こ
のハンド部8には操作者の指に取り付けられる複数のフ
ィンガ9が備えられる。このマスタマニピュレータの動
きは、対応して設けられた図示しないスレーブマニピュ
レータに伝えられるようになっている。In the conventional bilateral mask slave manipulator, the master manipulator is constituted by a mechanical mechanism, as shown in Robotics Society of Japan, Vol. 7, No. 5, Daido and Okino, "Application to work of multi-fingered hands." FIG. 9 shows such a master manipulator, in which a plurality of links 1, 2 and 3 are rotatably connected via joints 4, 5 and 6 to form an arm portion 7. A hand section 8 into which the operator's hand can be inserted is provided at the tip of the arm section 7, and the hand section 8 is provided with a plurality of fingers 9 that are attached to the operator's fingers. The movement of the master manipulator is transmitted to a correspondingly provided slave manipulator (not shown).
バイラテラルマスタスレーブマニピュレータには第10
図に示すようなバイラテラルサーボ機構が備えられる。The bilateral master-slave manipulator has the 10th
A bilateral servo mechanism as shown in the figure is provided.
このバイラテラルサーボ機構は、マスタ側のモータ11
の回転位置θ1を位置検出器12により検出し、スレー
ブ側のモータ13の回転位置θ2を位置検出器14によ
り検出して、これらの偏差を位置調節器15でスレーブ
側にフィードバックするようになっている。また、マス
タ例のモータ11の回転トルクT1をトルク検出器16
で検出し、スレーブ側のモータ■3の回転トルクT2を
トルク検出器17で検出して、これらの偏差をトルク調
節器18でマスク側にフィードバックするようになって
いる。また、図示しないがスレーブ側の指先部の接触圧
力が同様にマスク側にフィードバックされるようになっ
ている。This bilateral servo mechanism consists of a motor 11 on the master side.
The rotational position θ1 of the motor 13 on the slave side is detected by the position detector 12, the rotational position θ2 of the motor 13 on the slave side is detected by the position detector 14, and these deviations are fed back to the slave side by the position adjuster 15. There is. Also, the rotational torque T1 of the motor 11 in the master example is detected by the torque detector 16.
The torque detector 17 detects the rotational torque T2 of the motor 3 on the slave side, and the torque regulator 18 feeds back these deviations to the mask side. Further, although not shown, the contact pressure of the fingertip on the slave side is similarly fed back to the mask side.
第9図における符号19はマスク側のハンド部8のフィ
ンガ9の関節にスレーブ側の回転トルクをフィードバッ
クするためのモータを示している。Reference numeral 19 in FIG. 9 indicates a motor for feeding back rotational torque on the slave side to the joints of the fingers 9 of the hand section 8 on the mask side.
また、符号20はマスク側のハンド部8の指先部に接触
圧力をフィードバックするための空気圧供給機構を示し
ている。この空気圧供給機構20からの空気圧は、ハン
ド部8の指先部に設けられたピストンやギア等のメカニ
カルな機構を介して、操作者の指先に伝えられるように
なっている。操作者はその空気圧によりスレーブ側の接
触圧力を感じとり、指先の力を調節する。Further, reference numeral 20 indicates an air pressure supply mechanism for feeding back contact pressure to the fingertip portion of the hand portion 8 on the mask side. Air pressure from the air pressure supply mechanism 20 is transmitted to the fingertips of the operator via a mechanical mechanism such as a piston or gear provided at the fingertips of the hand section 8. The operator senses the contact pressure on the slave side using the air pressure and adjusts the force of the fingertip.
(発明が解決しようとする課題)
従来のマスタスレーブマニピュレータでは、スレーブ側
の指先部の接触圧力をマスク側の指先部に設けたピスト
ンやギア等のメカニカルで硬質な機構を介して操作者の
指先に伝えるようになっている。このため、メカニカル
で硬質な機構により操作者に拘束感を与え、操作者の精
神的、肉体的負担が増大する。(Problems to be Solved by the Invention) In the conventional master-slave manipulator, the contact pressure of the fingertip on the slave side is transferred to the fingertip of the operator through a mechanical and hard mechanism such as a piston or gear provided on the fingertip on the mask side. It is designed to convey information to the public. Therefore, the mechanical and rigid mechanism gives the operator a feeling of restraint, increasing the mental and physical burden on the operator.
本発明は上記の事情を考慮してなされたもので、操作者
に負担をかけずにスレーブ側の接触圧力をフィードバッ
クすることができるマスタスレーブマニピュレータを提
供することを目的とする。The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a master-slave manipulator that can feed back contact pressure on the slave side without placing a burden on the operator.
(課題を解決するための手段)
上記の目的を達成するため、本発明は対象物に対して動
作するスレーブマニピュレータと、このスレーブマニピ
ュレータの動作を指示するマスタマニピュレータと、こ
れらマスタマニピュレータおよびスレーブマニピュレー
タをバイラテラルに制御する制御部とを備え、上記マス
タマニピュレータは手先の位置、方向および曲げ角を検
出可能な手袋を有してなるマスタスレーブマニピュレー
タにおいて、上記手袋の指先部に、スレーブマニピュレ
ータの指先部の接触圧力を指に伝えるバルーンからなる
気体圧アクチュエータを備えたものである。(Means for Solving the Problems) In order to achieve the above object, the present invention provides a slave manipulator that operates on an object, a master manipulator that instructs the operation of this slave manipulator, and a combination of these master manipulators and slave manipulators. A control unit for bilateral control, and the master manipulator has a glove capable of detecting the position, direction, and bending angle of the hand. It is equipped with a pneumatic actuator consisting of a balloon that transmits contact pressure to the finger.
(作用)
スレーブマニピュレータの指先部からの接触圧力はマス
タマニピュレータの指先部に設けられたバルーンからな
る気体圧アクチュエータに伝えられる。この気体圧アク
チュエータの圧力は指に伝えられ、操作者はスレーブマ
ニピュレータの指先部の接触圧力を感じとって、指先の
力を調節する。このとき、気体圧アクチュエータかバル
ーンよりなるため、操作者の指に柔軟かつ弾力的に作用
し、操作者に拘束感を与えることなく、接触圧力を伝え
ることが可能となる。(Function) Contact pressure from the fingertip of the slave manipulator is transmitted to a pneumatic actuator consisting of a balloon provided at the fingertip of the master manipulator. The pressure of this pneumatic actuator is transmitted to the finger, and the operator adjusts the force of the fingertip by sensing the contact pressure of the fingertip of the slave manipulator. At this time, since it is made of a pneumatic actuator or a balloon, it acts flexibly and elastically on the operator's fingers, making it possible to transmit contact pressure without giving the operator a feeling of restraint.
(実施例)
以下、本発明に係るマスタスレーブマニピュレータの一
実施例について添付図面を参照して説明する。(Embodiment) Hereinafter, an embodiment of the master-slave manipulator according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
第1図において、マスタスレーブマニピュレ−夕には、
操作者が操作するマスタマニピュレータ21と、このマ
スタマニピュレータ21の動きに追従して動作して実際
の作業を行なうスレーブマニピュレータ22と、これら
マスタマニピュレータ21およびスレーブマニピュレー
タ22の双方をバイラテラルに制御する制御部23とが
備えられる。In Figure 1, the master-slave manipulator has the following:
A master manipulator 21 operated by an operator, a slave manipulator 22 that operates to follow the movement of this master manipulator 21 to perform actual work, and control that bilaterally controls both the master manipulator 21 and slave manipulator 22. A section 23 is provided.
マスタマニピュレータ21には第2図に示すような柔軟
性を有する手袋(例えば、VPL社のデータグローブ等
)24が備えられる。手袋24は操作者の手25を挿入
することができるように形成されている。手袋24には
例えば手25の甲に相当する部分等に磁気センサ26が
備えられ、手25の指に相当する部分に各指に沿って光
ファイバ27が備えられる。磁気センサ26は図示しな
い磁気発生器からの磁力を検知し、手25の三次元空間
における位置と方向を検知するようになっている。また
、光ファイバ27は指の曲がりとともに曲って、光フア
イバ27内を進む光の漏れ量を測定することにより、指
の曲げ角度を検知することができるようになっている。The master manipulator 21 is equipped with a flexible glove 24 (for example, a data glove made by VPL) 24 as shown in FIG. Glove 24 is formed such that an operator's hand 25 can be inserted therein. The glove 24 is provided with a magnetic sensor 26 at a portion corresponding to the back of the hand 25, for example, and an optical fiber 27 is provided along each finger at a portion corresponding to the fingers of the hand 25. The magnetic sensor 26 detects magnetic force from a magnetic generator (not shown), and detects the position and direction of the hand 25 in three-dimensional space. Furthermore, the optical fiber 27 bends as the finger bends, and by measuring the amount of light leaking through the optical fiber 27, the bending angle of the finger can be detected.
手袋24の指先部24aには第3図(A)および(B)
に示すようにカフ28により圧力センサ29および空気
圧アクチュエータ30が取り付けられる。指先部24a
には操作者の指先25aが挿入されており、指先25a
と空気圧アクチュエータ30の間に圧力センサ29が介
在される。指先25aと圧力センサ29との間に空気圧
アクチュエータ30を介在させるようにしてもよい。The fingertips 24a of the gloves 24 are shown in FIGS. 3(A) and 3(B).
A pressure sensor 29 and a pneumatic actuator 30 are attached to the cuff 28 as shown in FIG. Fingertip portion 24a
The operator's fingertip 25a is inserted into the fingertip 25a.
A pressure sensor 29 is interposed between the pneumatic actuator 30 and the pneumatic actuator 30 . A pneumatic actuator 30 may be interposed between the fingertip 25a and the pressure sensor 29.
空気圧アクチュエータ30はバルーンからなり、内部の
圧力を柔軟かつ弾力的に指先25aに伝えるようになっ
ている。バルーンは例えばゴム等の弾性体からなってい
る。圧力センサ29およびカフ28の材質も柔軟なもの
を用いることが好ましい。The pneumatic actuator 30 is made of a balloon, and is configured to flexibly and elastically transmit internal pressure to the fingertip 25a. The balloon is made of an elastic material such as rubber. It is also preferable to use flexible materials for the pressure sensor 29 and the cuff 28.
スレーブマニピュレータ22は第4図に示すようにアー
ム部32とハンド部33からなっている。The slave manipulator 22 consists of an arm part 32 and a hand part 33, as shown in FIG.
アーム部32は複数のリンク34a〜34gが複数の関
節35a〜35fを介して連結されて構成される。また
、ハンド部33は複数のリンク36a〜36d・・・が
複数の関節37a〜37c・・・を介して連結されて構
成され、人間の手を模擬して形成される。第5図(A)
、(B)、(C)は第4図に示す関節35 a〜35
d−、37a 〜37 c・・・の記号の回転方向を示
す図である。The arm portion 32 is constructed by connecting a plurality of links 34a to 34g via a plurality of joints 35a to 35f. Further, the hand portion 33 is formed by connecting a plurality of links 36a to 36d through a plurality of joints 37a to 37c, and is formed to simulate a human hand. Figure 5 (A)
, (B) and (C) are joints 35 a to 35 shown in FIG.
d-, 37a to 37c... is a diagram showing the rotation direction of symbols.
第6図は第4図に示す関節37cの構造を一例として示
す構成図である。関節37cはリンク36dの端部に設
けられたシャフト39がリンク36Cの端部に設けられ
た軸受40により回転自在に支持される。リンク36c
にはモータ41が取り付けられ、このモータ41の駆動
力が減速機42、歯車43.44を介してシャフト39
に伝達され、リンク36dがシャフト39廻りに回動す
るようになっている。モータ41にはその回転速度を検
出するためのタコジェネレータ45が取り付けられる。FIG. 6 is a configuration diagram showing, as an example, the structure of the joint 37c shown in FIG. 4. In the joint 37c, a shaft 39 provided at the end of the link 36d is rotatably supported by a bearing 40 provided at the end of the link 36C. link 36c
A motor 41 is attached to the shaft 39, and the driving force of this motor 41 is transmitted to the shaft 39 via a reducer 42 and gears 43 and 44.
The link 36d is configured to rotate around the shaft 39. A tacho generator 45 is attached to the motor 41 to detect its rotational speed.
また、シャフト39には、シャフト39の回転角を測定
するためのポテンショメータ46がカップリング47を
介して取り付けられる。Further, a potentiometer 46 for measuring the rotation angle of the shaft 39 is attached to the shaft 39 via a coupling 47.
第7図はスレーブマニピュレータ22のハンド部33を
示すもので、指先部33a(指先に相当するリンク36
d・・・)には圧力センサ48か備えられる。圧力セン
サ48は指先部33aの内側に取り付けられ、対象物と
の接触圧力を検知するようになっている。第8図(A)
、 (B)は第7図の関節37a〜37c・・・を示
す記号の回転方向を示す図である。FIG. 7 shows the hand section 33 of the slave manipulator 22, in which the fingertip section 33a (link 36 corresponding to the fingertip) is shown.
d...) is equipped with a pressure sensor 48. The pressure sensor 48 is attached to the inside of the fingertip portion 33a to detect the contact pressure with the object. Figure 8 (A)
, (B) is a diagram showing the rotation direction of the symbols indicating the joints 37a to 37c, . . . in FIG. 7.
制御部23には、スレーブマニピュレータ22の動作を
フィードバック制御するための位置制御回路50と、ス
レーブマニピュレータ22の指先部の接触圧力をマスク
マニピュレータ21の指先部へ伝達するとともに、その
接触圧力をフィードバック制御するための圧力制御回路
51とが備えられる。The control unit 23 includes a position control circuit 50 for feedback controlling the operation of the slave manipulator 22, and a position control circuit 50 for transmitting the contact pressure of the fingertip of the slave manipulator 22 to the fingertip of the mask manipulator 21, and for feedback controlling the contact pressure. A pressure control circuit 51 is provided for controlling the pressure.
位置制御回路50はマスクマニピュレータ21の磁気セ
ンサ26からの手25の位置と方向についての検出信号
52と、光ファイバ28からの指の曲げ角度についての
検出信号53を入力し、指先25aの速度と回転角のデ
ータに変換するようになっている。そして、位置制御回
路50はスレーブマニピュレータ22のタコジェネレー
タ45からの速度検出信号54と、ポテンショメータ4
6からの回転角検出信号55を入力し、上記速度と回転
角のデータとの偏差を求め、この偏差によりアンプ56
を介してスレーブマニピュレータ22のモータ57へ制
御信号58を出力してスレーブマニピュレータ22をフ
ィードバック制御するようになっている。The position control circuit 50 inputs a detection signal 52 about the position and direction of the hand 25 from the magnetic sensor 26 of the mask manipulator 21, and a detection signal 53 about the bending angle of the finger from the optical fiber 28, and calculates the speed and direction of the fingertip 25a. It is designed to convert to rotation angle data. The position control circuit 50 receives the speed detection signal 54 from the tacho generator 45 of the slave manipulator 22 and the potentiometer 4
The rotation angle detection signal 55 from 6 is input, and the deviation between the speed and rotation angle data is calculated.
A control signal 58 is output to the motor 57 of the slave manipulator 22 via the motor 57 to perform feedback control of the slave manipulator 22.
圧力制御回路51はマスタマニピュレータ21の指先部
24aに設けられた圧力センサ29からの圧力信号59
と、スレーブマニピュレータ22の指先部33aに設け
られた圧力センサ48からの圧力信号60の偏差を求め
、その偏差信号61を電空変換器62へ出力するように
なっている。The pressure control circuit 51 receives a pressure signal 59 from a pressure sensor 29 provided at the fingertip portion 24a of the master manipulator 21.
Then, the deviation of the pressure signal 60 from the pressure sensor 48 provided at the fingertip portion 33a of the slave manipulator 22 is determined, and the deviation signal 61 is output to the electro-pneumatic converter 62.
電空変換器62にはコンプレッサ63からの圧縮空気6
4がエアタンク65および絞り弁66を介して供給され
ている。電空変換器62は入力した偏差信号61に応じ
た量だけ圧縮空気64を空気圧アクチュエータ30へ供
給する一方、必要な場合には空気圧アクチュエータ30
内の空気を抜くようになっている。The electro-pneumatic converter 62 receives compressed air 6 from the compressor 63.
4 is supplied via an air tank 65 and a throttle valve 66. The electro-pneumatic converter 62 supplies compressed air 64 to the pneumatic actuator 30 in an amount corresponding to the input deviation signal 61, while supplying compressed air 64 to the pneumatic actuator 30 when necessary.
It is designed to let out the air inside.
空気圧アクチュエータ30はバルーンからなっているた
め、操作者の指先部25aに柔軟かつ弾力的に作用する
とともに、スレーブマニピュレータ22側の指先部33
aの接触圧力を操作者の指先25aに伝えることができ
る。したがって、操作者に拘束感を与えることなく、接
触圧力を伝えることが可能となり、操作者の精神的、肉
体的負担を軽減することかできる。また、バルーンから
なる空気圧アクチュエータ30を備えたから、ピストン
等のメカニカル構造を省略することが可能となり、マス
タマニピュレータ21の構造を簡略化することができる
。Since the pneumatic actuator 30 is made of a balloon, it acts flexibly and elastically on the operator's fingertip 25a, and also acts on the fingertip 33 on the slave manipulator 22 side.
The contact pressure a can be transmitted to the operator's fingertip 25a. Therefore, contact pressure can be transmitted without giving the operator a feeling of restraint, and the mental and physical burden on the operator can be reduced. Further, since the pneumatic actuator 30 made of a balloon is provided, a mechanical structure such as a piston can be omitted, and the structure of the master manipulator 21 can be simplified.
なお、上記実施例においては空気圧アクチュエータ30
を備えた場合について説明したが、本発明はこれに限定
されず、窒素、二酸化炭素等その他の気体により動作す
るアクチュエータを用いてもよい。Note that in the above embodiment, the pneumatic actuator 30
Although the present invention is not limited to this example, an actuator that operates using other gases such as nitrogen and carbon dioxide may also be used.
以上説明したように、本発明は手袋の指先部に、スレー
ブマニピュレータの接触圧力を指に伝えるバルーンから
なる気体圧アクチュエータを備えたから、操作者に負担
をかけずにスレーブ側の接触圧力をフィードバックする
ことができる。As explained above, the present invention is equipped with a pneumatic actuator consisting of a balloon that transmits the contact pressure of the slave manipulator to the finger at the fingertip of the glove, so that the contact pressure on the slave side can be fed back without burdening the operator. be able to.
第1図は本発明に係るマスタスレーブマニピュレータの
一実施例を示すブロック構成図、第2図は上記実施例に
おけるマスタマニピュレータを示す構成図、第3図(A
)は上記実施例におけるマスタマニピュレータの指先部
を示すもので、第3図(B)におけるI[A−HA線矢
視断面図、第3図(B)は第3図(A)におけるIII
B−mB線矢視断面図、第4図は上記実施例におけるス
レーブマニピュレータを示す構成図、第5図(A)。
(B)、 (C)は第4図における関節の記号の回転
方向を示す図、第6図は第4図における関節の構造の一
例を示す構成図、第7図は上記スレーブマニピュレータ
のハンド部を示す構成図、第8図(A)、(B)は第7
図における関節の記号の回転方向を示す図、第9図は従
来のマスタマニピュレータを示す斜視図、第10図は従
来のマスクスレーブマニピュレータに備えられたバイラ
テラルサーボ機構の原理を示す図である。
21・・・マスタマニピュレータ、22・・・スレーブ
マニピュレータ、23・・・制御部、24・・・手袋、
25・・・手、26・・・磁気センサ、27・・・光フ
ァイバ、28・・・カフ、29・・・圧力センサ、30
・・・空気圧アクチュエータ、32・・・アーム部、3
3・・・ハンド部、45・・・タコジェネレータ、46
・・・ポテンショメータ、48・・・圧力センサ、50
・・・位置制御回路、51・・・圧力制御回路。FIG. 1 is a block configuration diagram showing an embodiment of a master-slave manipulator according to the present invention, FIG. 2 is a block diagram showing a master manipulator in the above embodiment, and FIG. 3 (A
) shows the fingertip portion of the master manipulator in the above embodiment, and FIG. 3(B) is a sectional view taken along the line I [A-HA in FIG.
4 is a cross-sectional view taken along the line B-mB, and FIG. 4 is a configuration diagram showing the slave manipulator in the above embodiment, and FIG. 5 (A). (B) and (C) are diagrams showing the rotation directions of the joint symbols in Figure 4, Figure 6 is a configuration diagram showing an example of the structure of the joint in Figure 4, and Figure 7 is the hand section of the slave manipulator. 8 (A) and (B) are the configuration diagrams showing the 7th
FIG. 9 is a perspective view showing a conventional master manipulator, and FIG. 10 is a diagram showing the principle of a bilateral servo mechanism provided in a conventional mask slave manipulator. 21... Master manipulator, 22... Slave manipulator, 23... Control unit, 24... Gloves,
25... Hand, 26... Magnetic sensor, 27... Optical fiber, 28... Cuff, 29... Pressure sensor, 30
...Pneumatic actuator, 32...Arm part, 3
3... Hand part, 45... Tacho generator, 46
... Potentiometer, 48 ... Pressure sensor, 50
...Position control circuit, 51...Pressure control circuit.
Claims (1)
のスレーブマニピュレータの動作を指示するマスタマニ
ピュレータと、これらマスタマニピュレータおよびスレ
ーブマニピュレータをバイラテラルに制御する制御部と
を備え、上記マスタマニピュレータは手先の位置、方向
および曲げ角を検出可能な手袋を有してなるマスタスレ
ーブマニピュレータにおいて、上記手袋の指先部に、ス
レーブマニピュレータの指先部の接触圧力を指に伝える
バルーンからなる気体圧アクチュエータを備えたことを
特徴とするマスタスレーブマニピュレータ。It includes a slave manipulator that operates on an object, a master manipulator that instructs the operation of the slave manipulator, and a control unit that bilaterally controls the master manipulator and the slave manipulator, and the master manipulator controls the position and direction of the hand. and a master-slave manipulator comprising a glove capable of detecting a bending angle, characterized in that the fingertip of the glove is equipped with a pneumatic actuator consisting of a balloon that transmits contact pressure of the fingertip of the slave manipulator to the finger. master-slave manipulator.
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