JPH03287387A

JPH03287387A - マスタスレーブマニピュレータ

Info

Publication number: JPH03287387A
Application number: JP2086827A
Authority: JP
Inventors: Masaru Sakai; 勝酒井; Katsuhisa Furuta; 勝久古田; Kazuhiro Kosuge; 一弘小菅; Jun Ishikawa; 潤石川
Original assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Current assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Priority date: 1990-03-31
Filing date: 1990-03-31
Publication date: 1991-12-18
Anticipated expiration: 2010-08-30
Also published as: JPH0780139B2

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】イ１発明の目的〈産業上の利用分野〉本発明は、種々の工業分野で複数のアームを用いた遠隔
操作を行うために用いられるマニピュレータに関し、マ
スク・マニピュレータ及び複数のスレーブ・マニピュレ
ータの協調制御装置に関する。

〈従来の技術）遠隔マニピユレーションは、人間がマスタアームまたは
操作レバー等（以下、マスタアームという〉を操作し、
その操作に応じてスレーブアームが動作し作業をするこ
とにより実現されている。

従来、多くのマニピユレーション装置は操作者が操作す
る１台のマスタアームの姿勢に１台のスレーブアームの
姿勢を従わせるように構成されている。また、通常スレ
ーブアームの姿勢や作業状況をモニタするためのＴＶカ
メラ及びＴＶデイスプレィを併用し作業者は１台のスレ
ーブアームの動きをコントロールしていた。

また、作業対象の重量、サイズが大き過ぎた場合には、
いきおい、大きなスレーブアームを必要としていた。

（発明が解決しようとする課題）したがって、現状のこのような操作構成にあっては、人
間がマスタアームを介して離れたところにスレーブアー
ムを間接的に動かすことから作業が困難、操作が複雑、
繁雑となる欠点があった。

例えばスレーブアームの微妙な動作を実現する熟練操作
者を必要としていた。また、スレーブアームに加わる外
乱の力差をマスタアームにフィードバックする必要があ
った。これらのため、制御系が不安定となる欠点があっ
た。

また、１台のスレーブアームでは作業対象物に外力を加
えながら、同時に内力を保持し作業を行うことが困難と
なる。これに対し２台以上のスレーブアームを操作して
いたのでは、作業対象物に働く力の制御等の高度な協調
動作を実現することは困難であった。本発明はこのよう
な場合、作業者が対象物の操作だけに集中できるシステ
ムと、可能な作業は自動的に行うシステムを実現した新
規な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。

口１発明の構成（課題を解決するための手段）上記目的を遠戚するために、本発明のマスタスレーブマ
ニピュレータは、マスタアームの指令に応じて複数のス
レーブアームを制御するマスタスレーブマニピュレータ
システムにおいて、マスタアームと複数のスレーブアー
ムと、前記マスタアームからの入力を作業対象物の位置
、速度、内力等の作業に応じた指令値とする選択部と、
該選択部からの指令に基づき前記複数のスレーブアーム
の位置、速度、加速度を計算する演算部と、該演算部か
らの出力を指令値として前記の複数のスレーブアームを
制御するサーボ制御部と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によって提供される。

さらに、本発明のマスタスレーブマニピュレータは、ス
レーブアームに加えられる力及びトルクを検出し前記演
算部へ出力する力覚検出器と、該力覚検出器により検出
された前記力を入力とし、該入力に応じた前記の複数の
スレーブアームの位置、速度、加速度を出力とするよう
に予め定められた仮想力学モデルに従って演算する仮想
力学モデル演算部とを備えたことを特徴とする前記のマ
スタスレーブマニピュレータによってより効果的に提供
される。

（作用）本発明のマスタスレーブマニピュレータは、複数のスレ
ーブアームに加えられた力及びトルクを力覚検出器によ
り検出し、仮想力学モデル演算部に入力する。この仮想
力学モデル演算部にはスレーブアームの力学量に対する
特性を予め格納（仮想質量、仮想粘性及び仮想バネ定数
のデータがデータベース化されている。〉しておき、そ
の特性に従って演算部に入力された力覚量に応じて与え
られた作業に最も適した位置、速度、加速度を演算しサ
ーボ制御部に与えることでマスタスレーブマニピュレー
タを制御する。

（実施例）本発明のマスタスレーブマニピュレータを具体的に図面
を用いて説明する。

第１図は本発明の一実施例を示すブロック図である。

オペレータによりマスタアーム１がサーボ制御部２を介
して操作され作業対象物１２の運動指令が運動、力、ト
ルク演算部３に入力される。ここでマスタアーム１から
の運動指令が位置指令か速度指令か選択される。また同
時に作業対象物１２の保持すべき内力１３も入力される
。この入力に基づき運動、力、トルク演算部３は２台の
スレーブアーム６．１０の位置、速度、加速度及び作業
対象物１２に加えるべき力をそれぞれのスレーブアーム
６．１０の仮想力学モデル演箪部４．８に出力する。こ
の仮想力学モデル演箪部４．８はそれぞれの力覚検出器
７．１１からの力、トルク信号を入力として２台のスレ
ーブアーム６．１０の位置、速度、加速度を算出しサー
ボ制御部５．９に出力する。

この力覚検出器は、ロボット動作に関しいわば力の感覚
で、検出器はスレーブアーム等に働く力等を検出する。

本発明においても複数次元における各軸方向の力、トル
クを検出する６例えば、歪みゲージ等が立体的な各方面
に働く力を検出するために利用され、各成分力検出に好
適なように複数位置に設置される。

さらに、サーボ制御部５．９はこの入力とスレーブアー
ム６．１０の位置、速度、加速度検出器からの信号に基
づきスレーブアーム６．１ｏの運動制御を実現する。こ
れらの制御にあっては、位置制御では一般に座標変換が
重要である。運動の際の位置に着目した位置ぎめ制御、
運動経路に着目した経路制御に分けられる。また、速度
制御にあっでは、高速性、指令速度と実際の速度との差
が小さいことや繰り返し時の速度精度が高いこと等のた
め重要な制御項目となる。加速度制御はロボット制御の
滑らかな起動、停止上必要となる。

力制御は作業対象物に与える作業等の力及びトルクにつ
いて的確な作業実現のために要求され、研磨、組み立て
等に広く利用される。

以上の制御項目に対し、サーボ制御部５．９はスレーブ
アーム６．１０の運動制御を実現する。

次に、対象物とスレーブアームの力学モデルについて説
明する。

複数のスレーブアームの協調制御を実現するためには、
マスタアームより与えられる対象物の位置、速度をそれ
ぞれのスレーブアームの運動に変換し、さらに、内力等
の対象物に加えるべき力をそれぞれのスレーブアームの
発生する力に分解しなければならない、そこで以下に、
各位置、ベクトルを定義し説明する。

ｒ、）・絶対座標系から見た対象物の重心の位置ベクト
ルｖｏ：対象物の重心の速度ベクトルｗｏ：対象物の重心の角速度ベクトルｒｌ　：絶対座標系から見たスレーブアームｉ先端の位
置ベクトルｐＩ　：対象物の座標系より見たスレーブアームｉ先端
の位置ベクトルＩＮ：ＮＸＮ単位行列ｇ・：重力加速度ベクトル第２図にこの関係を説明するためスレーブアームの対象
物との力学関係図を示す。

複数のスレーブアームが剛体と１做せる１つの対象物を
保持している場合を考える。対象物との接触点０１．０
２においてｉ番目のスレーブアームが力ｆ１、モーメン
トｎ、を対象物に加えているとする。この時、対象物の
重心に加わる力ＦＩ、モーメントＮ＋は等偏曲に、・・
・・・Ｆ＋＝ｆ＋　　　　　　　　　　　　　　ｆｉｌ
Ｎ＋　＝ｎ＋　＋Ｐ＋　ｘｆ、　　　　　　　　ｆ２１
となる。したがって、対象物の運動方程式は以下のよう
に記述される。

ｍＱ　　ｒＱ　　＝ＦＯ＋ｍｏ　　ｇＭ（１ｗＯ＋ｗＯＸ　　（ＭＯＷＯ）　　＝　Ｎ。

但し、・・Ｆｏ−Ｆ、十Ｆ２Ｎｏ＝Ｎ、＋Ｎ２（３１，（４）式を書き換えると、・・・・Ｌ＝Ｋ・Ｆ（３）（４）（５）（６）（７）・　・　・　・（８）Ｋ＝　　［Ｉ６　　、　　Ｉ６３　　　　　　　　　　
　　　　＋９）Ｆ　＝　［Ｆ　１Ｔ、　　Ｎ　＋”　、
　　Ｆ　２”　、　　Ｎ　２　］　　　　　ａｏｌマス
タアームより与えられる対象物の運動指令より式（８）
のしを計算し式（７）をＦについて解くと、Ｆ＝Ｋ“Ｌ
＋＜１１□−Ｋ”Ｋ）　・Ａ　　　（１１）となる。

但し、Ｋ＋は行列にの疑似逆行列であり、Ａは任意の１
２次元ベクトルである。

ここで、式（１１）の右辺第２項は対象物に加わる内力
に相当する。

マスタアームより対象物の運動が与えられ、対象物に加
えるべき望ましい内力が設定されれば、式〈１１〉より
Ｆを計算することができる。

したがって、スレーブアームが対象物に対して発生すべ
き力及びモーメントは、・・・ｆ　＋　＝Ｆ　＋　　　
　　　　　　　　　　（１２）ｎ＋　＝Ｎ＋　　Ｔ）Ｉ
　ＸＦＩ　　　　　　　（１３）となる。

次に、仮想力学モデルについて説明する。

スレーブアームの目標軌道Ｘｄ＋及び発生すべき力及び
モーメントｆｄ＋が入力されたとき、目標軌道はスレー
ブアームの先端に取り付けられた力センサ〈力覚検出器
〉からの入力ｆ＋によって実行すべき作業に適合して選
択された動的モデルのΔＸＩだけ修正を受ける。

’＝ｆ＋　　　　ｆｄ＋・　・　・　・　（１４）ここで、・・・ｕ　ｍ　＋　　＝　ｘ　ｄ　　　Ｍｍ　＋−”Ｄ　ｍ　
１ΔＸ１−Ｍ　ｍ　１−”Ｋ　ｍ　１ΔＸＩ十Ｍｍ　＋−”　（ｆ　＋　　ｆ　ｄ＋）（１５）と置くと、新しい目標軌道Ｘ　ｍ　＋は、・・・・この
式〈１６〉がスレーブアームの仮想力学モデルを表す。

第３図は本発明の仮想力学モデル演算部の構成例を示す
ブロック線図である。

仮想力学モデルは仮想質量Ｍｍと仮想粘性Ｄｍ及び仮想
バネ定数Ｋｍとで構成され、スレーブアームの目標値ｘ
ｄは力覚検出器によって検出される力とモーメントｆの
フィードバックを受け、式（１４）で示される動的モデ
ルのΔＸだけ修正を受ける。

これは、外力（ｆ−ｆｄ）に対し、質量Ｍｍ、粘性係数
Ｄｍ、バネ定数Ｋｍからなる機械系の挙動として表現さ
れる。

このようなモデルに従いスレーブアームを制御すれば作
業者は対象物の内力、外力に注意を払うことから解放さ
れる。また、一連の作業に用いられるモデルはセンサか
らの入力に基づき予め格納（仮想質量、仮想粘性及び仮
想バネ定数のデータがデータベース化されている。）さ
れたデータベースから選択されることになる。すなわち
、前述した、仮想力学モデル演算部には仮想質量Ｍｍと
仮想粘性Ｄｍ及び仮想バネ定数Ｋｍが具体的に与えられ
ている。

ハ１発明の効果本発明は、上述のように構成されているので、複雑な作
業も複数のスレーブアームを用いることで可能となり、
また、作業者は複数のスレーブアームということに注意
を払うことから解放され、対象物に注目してマスタアー
ムを操作すれば良いことになる。

仮想力学モデルを知能的な補助手段として用いることで
対象物の状態を保持しながら一連の作業が可能となり作
業者の労力を軽減するという効果を奏する。また、対象
物が外部環境に干渉した場合衝撃を抑える効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロック図、第２図は
スレーブアームの動作の原理図、第３図は本発明の仮想
力学モデル演算部の構成例を示すブロック線図である。１：マスタアーム、２：サーボ制御部３：運動、力、トルク演算部４．８：仮想力学モデル演算部５．９：サーボ制御部６．１０ニスレープアーム、７．１１：力覚検出器、１２・作業対象物１３・作業対
象物の保持すべき内力第２図第図

Claims

【特許請求の範囲】１、マスタアームの指令に応じて複数のスレーブアーム
を制御するマスタスレーブマニピュレータシステムにお
いて、マスタアームと複数のスレーブアームと、前記マスタアームからの入力を作業対象物の位置、速度
、内力等の作業に応じた指令値とする選択部と、該選択部からの指令に基づき前記複数のスレーブアーム
の位置、速度、加速度を計算する演算部と、該演算部からの出力を指令値として前記の複数のスレー
ブアームを制御するサーボ制御部と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。２、スレーブアームに加えられる力及びトルクを検出し
前記演算部へ出力する力覚検出器と、該力覚検出器によ
り検出された前記力を入力とし、該入力に応じた前記の
複数のスレーブアームの位置、速度、加速度を出力とす
るように予め定められた仮想力学モデルに従って演算す
る仮想力学モデル演算部とを備えたことを特徴とする請
求項１記載のマスタスレーブマニピュレータ。