JPH0341314B2

JPH0341314B2 -

Info

Publication number: JPH0341314B2
Application number: JP61307832A
Authority: JP
Priority date: 1986-12-25
Filing date: 1986-12-25
Publication date: 1991-06-21
Also published as: JPS63162174A

Description

【発明の詳細な説明】＜産業上の利用分野＞本発明は極限作業ロボツトなどマスタスレーブ
ハンドシステムの多感覚バイラテラル制御装置に
関し、人間の感覚器に近い繊細な感覚をスレーブ
とマスタの間で共有することができるようにした
ものである。

＜従来の技術＞遠隔操作装置に用いられるハンドシステムで
は、第２図に示すように、人間オペレータが操作
するマスタハンド１の位置・力検出器２から出力
される位置信号x_Mと作業対象物体に作用するス
レーブハンド３の位置・力検出器４から出力され
る位置信号x_Sとから、位置制御装置５によつて位
置偏差Δx（＝x_M−x_S）が零になるような指令信号
V_Sが出力され、ハンド駆動機構６がスレーブハ
ンド３を動作させている。一方、マスタハンド１
では位置・力検出器２から出力される力信号f_Mと
スレーブハンド３の位置・力検出器４から出力さ
れる力信号f_Sとから、力フイードバツク制御装置
７によつて力偏差Δf（＝f_S−f_M）が零になるよう
に指令信号V_Mが出力され、反力発生機構８がマ
スタハンド１を動作させている。このようにし
て、マスタハンド１の位置に関する動作と同じ動
作を遠隔にあるスレーブハンド３に行なわせると
ともに、スレーブハンド３が作業対象物体に作用
している力に比例した反力をマスタハンド１を介
して人間に作用させている。

最近、人間のハンドに近い作業を行なわせよう
としてスレーブハンドを人間のハンドの構造のよ
うに指をもたせ且つマスタハンドも同様な構造に
し、スレーブハンドで作業対象物体を把握すると
き、人間の感覚器に近い圧覚や接触覚やすべり覚
のような繊細な感覚をマスタハンドにフイードバ
ツクしてマニプレーシヨン作業を遠隔操作する多
感覚バイラテラル制御装置が開発された。

ここで、多感覚バイラテラル制御装置の一例
（特願昭61−37256）を第３図を参照して説明す
る。第３図において、１０１は人間オペレータが
操作するマスタハンド、１０２は遠隔で作業する
繊細感覚多本指機構を有するスレーブハンドであ
る。１０３はマスタハンド１０１の位置或は姿勢
を検出する位置検出器、１０４はスレーブハンド
１０２の位置或は姿勢を検出する位置検出器であ
る。１０５はマスタハンド１０１が人間オペレー
タに作用する力を検出する力覚検出器、１０６は
スレーブハンド１０２が作業対象物体に作用する
力を検出する力覚検出器である。１０７はマスタ
ハンド１０１が人間オペレータに力感覚を与える
ための力覚発生機構、１０８は力覚発生機構１０
７を制御する力覚フイードバツク制御装置であ
る。１０９はスレーブハンド１０２が作業対象物
体に作用するためのハンド駆動機構、１１０はハ
ンド駆動機構１０９を制御するスレーブハンド制
御装置である。１１１はマスタハンド１０１が人
間オペレータに作用する圧覚を検出する圧覚検出
器、１１２はスレーブハンド１０２が作業対象物
体に作用する圧覚を検出する圧覚検出器である。
１１３はマスタハンド１０１が人間オペレータに
圧覚を与えるための圧覚発生機構、１１４は圧覚
発生機構１１３を制御する圧覚フイードバツク制
御装置である。１１５はマスタハンド１０１が人
間オペレータに接触覚を与えるための接触覚発生
機構、１１６は接触覚発生機構１１５を制御する
接触覚フイードバツク制御装置、１１７はスレー
ブハンド１０２が作業対象物体に作用する接触覚
を検出する接触覚検出器である。１１８はマスタ
ハンド１０１が人間オペレータにすべり覚を与え
るためのすべり覚発生機構、１１９はすべり覚発
生機構１１８を制御するすべり覚フイードバツク
制御装置、１２０はスレーブハンド１０２が作業
対象物体に作用するすべり覚を検出するすべり覚
検出器である。

それぞれ力覚検出器１０６、圧覚検出器１１
２、接触覚検出器１１７及びすべり覚検出器１２
０はスレーブハンド１０２が作業対象物体に作用
する力覚、圧覚、接触覚及びすべり覚を検出し、
電気信号に変換する。また、位置検出器１０４は
スレーブハンド１０２の位置及び姿勢を検出し、
電気信号に変換する。更にそれぞれ力覚検出器１
０５及び圧覚検出器１１１はマスタハンド１０１
が人間オペレータに作用する力覚及び圧覚を検出
し、電気信号に変換する。また、位置検出器１０
３はマスタハンド１０１の位置及び姿勢を検出
し、電気信号に変換する。

スレーブハンド制御装置１１０はマスタとスレ
ーブの各位置検出器１０３，１０４の出力から得
られる位置偏差Δxと各力覚検出器１０５，１０
６の出力から得られる力偏差Δf、スレーブの圧
覚ｐ、接触覚ｔ及びすべり覚ｓの各電気信号から
制御指令ΔV_SHを作りスレーブハンドの駆動機構
１０９を介してスレーブハンド１０２を制御す
る。例えば制御指令はΔV_SH＝g₁Δx＋g₂Δf−g₃p
−g₄t−g₅sとして作る。

但し、gi（ｉ＝１〜５）はゲインである。

マスタの力覚フイードバツク制御装置１０８は
マスタとスレーブの位置偏差Δxと力偏差Δfの電
気信号から制御指令ΔV_Mを作り、力覚フイード
バツク発生機構１０７を介してマスタハンド１０
１を制御する。例えば制御指令はΔV_M＝g₆Δx＋
g₇Δfとして作る。但し、g₁（ｉ＝６，７）はゲイ
ンである。

マスタの圧覚フイードバツク制御装置１１４は
マスタとスレーブの各圧覚検出器１１１，１１２
の出力から得られる圧覚偏差Δpの電気信号から
制御指令ΔVpを作り、圧覚発生機構１１３を介
して人間オペレータに与える圧覚を制御する。例
えば制御指令はΔV_P＝g₈Δpとして作る。但しg₈
はゲインである。

マスタの接触覚フイードバツク制御装置１１６
はスレーブの接触覚ｔの電気信号から制御指令
ΔVtを作り、接触覚発生機構１１５を介して人間
オペレータに与える接触覚を制御する。例えば制
御指令はΔV_t＝g₉tとして作る。g₉はゲインであ
る。

マスタのすべり覚フイードバツク制御装置１１
９はスレーブのすべり覚ｓの電気信号から制御指
令ΔV_Sを作り、すべり覚発生機構１１８を介して
人間オペレータに与えるすべり覚を制御する。例
えば制御指令はΔV_S＝g₁₀sとして作る。但し、g₁₀
はゲインである。

第３図に示す制御装置によれば、圧覚、接触覚
及びすべり覚の検出信号による圧覚、接触覚及び
すべり覚発生機構によつて微小な力を人間のそれ
ぞれの感覚に対応させてフイードバツクすること
ができる。これにより、原子力発電所内など人が
近づき難い状況において、マニプレータに人並の
作業を遠隔操作で行わせることができる。

＜発明が解決しようとする問題点＞上述したように第３図に示す多感覚バイラテラ
ル制御装置では、繊細な感覚をマスタハンドで得
られるように、力覚のみならず圧覚、接触覚及び
すべり覚をもフイードバツクしている。これによ
りスレーブハンドでの感覚をマスタハンドで正確
に再現することができる。しかし複数の感覚が同
時にフイードバツクされた場合には、感覚が混ざ
つてしまい人間オペレータはどの感覚であるかを
認識することができずかえつて感覚の判別が困難
になることがあつた。

本発明は、上記従来技術に鑑み、人間オペレー
タが混乱することなく感覚の認識のできるマスタ
スレーブハンドシステムの多感覚バイラテラル制
御装置を提供することを目的とする。

＜問題点を解決するための手段＞上記目的を達成する本発明は、マスタスレーブ
ハンドシステムの多感覚バイラテラル制御装置に
おいて、スレーブ側の検出器で検出した感覚のう
ち代表的・支配的な感覚をその感覚に応じて値に
増幅してマスタ側の制御に供する選択制御装置を
備えたことを特徴とする。

＜作用＞選択制御装置の各増幅器は、スレーブ側の検出
器で検出した力覚、圧覚、接触覚及びすべり覚そ
れぞれの信号を各感覚に対応した関数特性でもつ
て増幅しこの増幅した信号を各感覚に応じたフイ
ードバツク制御装置に送出するとともに、選択制
御装置の選択駆動部は、スレーブ側の検出器で検
出した力覚、圧覚、接触覚及びすべり覚それぞれ
の信号を受信し単位時間当りの信号レベルや信号
発生頻度から代表的・支配的な感覚を判別しこの
判別した感覚に応じたフイードバツク制御装置の
みを作動状態にさせる。

＜実施例＞以下本発明の実施例を図面に基づき詳細に説明
する。

第１図は本発明の実施例を示す。同図におい
て、１０１は人間オペレータが操作するマスタハ
ンド、１０２は遠隔で作業する繊細感覚多本指機
構を有するスレーブハンドである。１０３はマス
タハンド１０１の位置或は姿勢を検出する位置検
出器、１０４はスレーブハンド１０２の位置或は
姿勢を検出する位置検出器である。１０５はマス
タハンド１０１が人間オペレータに作用する力を
検出する力覚検出器、１０６はスレーブハンド１
０２が作業対象物体に作用する力を検出する力覚
検出器である。１０７はマスタハンド１０１が人
間オペレータに力感覚を与えるための力覚発生機
構、１０８ａは力覚発生機構１０７を制御する力
覚フイードバツク制御装置であり後述するう駆動
信号ａを受信しているときにのみ駆動する。１０
９はスレーブハンド１０２が作業対象物体に作用
するためのハンド駆動機構、１１０はハンド駆動
機構１０９を制御するスレーブハンド制御装置で
ある。１１１はマスタハンド１０１が人間オペレ
ータに作用する圧覚を検出する圧覚検出器、１１
２はスレーブハンド１０２が作業対象物体に作用
する圧覚を検出する圧覚検出器である。１１３は
マスタハンド１０１が人間オペレータに圧覚を与
えるための圧覚発生機構、１１４ａは圧覚発生機
構１１３を制御する圧覚フイードバツク制御装置
であり後述する駆動信号ｂを受信しているときに
のみ駆動する。１１５はマスタハンド１０１が人
間オペレータに接触覚を与えるための接触覚発生
機構、１１６ａは接触覚発生機構１１５を制御す
る接触覚フイードバツク制御装置であり後述する
駆動信号ｃを受信しているときにのみ駆動する。
１１７はスレーブハンド１０２が作業対象物体に
作用する接触覚を検出する接触覚検出器である。
１１８はマスタハンド１０１が人間オペレータに
すべり覚を与えるためのすべり覚発生機構、１１
９ａはすべり覚発生機構１１８を制御するすべり
覚フイードバツク制御装置であり後述する駆動信
号ｄを受信しているときにのみ駆動する。１２０
はスレーブハンド１０２が作業対象物体に作用す
るすべり覚を検出するすべり覚検出器である。こ
こまでは第３図に示す従来技術と同様な構成とな
つている。

更に本実施例では新たに選択制御装置２００を
備えている。この選択制御装置２００は、信号レ
ベル検出回路２０１ａ及び信号発生頻度検出回路
２０１ｂ等を有する選択駆動部２０１と、線形増
幅器２０２，２０５と、対数増幅器２０３，２０
４とで構成されている。

次に本発明の実施例の動作を、選択制御装置２
００を中心に説明する。線形増幅器２０２は、ス
レーブ側の力覚検出器１０６から送出される力覚
信号ｆを線形増幅し、線形増幅して誇張した増幅
力覚信号f′を力覚フイードバツク制御装置１０８
ａに送出する。そして力覚フイードバツク制御装
置１０８ａは、増幅力覚信号f′をスレーブ側の力
覚信号として力覚発生機構１０７を制御する。対
数増幅器２０３は、スレーブ側の圧覚検出器１１
２から送出される圧覚信号Ｐを対数増幅し、対数
増幅することにより人間の感覚に合わせて低レベ
ル域を強調して鋭感にし高レベル域を抑圧して鈍
感にした増幅力覚信号P′を圧覚フイードバツク制
御装置１１４ａに送出する。そして圧覚フイード
バツク制御装置１１４ａは、増幅圧覚信号P′をス
レーブ側の圧覚信号として圧覚発生機構１１３を
制御する。対数増幅器２０４は、スレーブ側の接
触覚検出器１１７から送出される接触覚信号ｔを
体数増幅し、対数増幅することにより人間の感覚
に合わせて低レベル域を強調して鋭感にし高レベ
ル域を抑圧して鈍感にした増幅接触覚信号t′を接
触覚フイードバツク制御装置１１６ａに送出す
る。そして接触覚フイードバツク制御装置１１６
ａは、増幅接触覚信号t′をスレーブ側の接触覚信
号として接触覚発生機構１１５を制御する。線形
増幅器２０５は、スレーブ側のすべり覚検出器１
２０から送出されるすべり覚信号ｓを線形増幅
し、線形増幅して誇張した増幅すべり覚信号s′を
すべり覚フイードバツク制御装置１１９ａに送出
する。そしてすべり覚フイードバツク制御装置１
１９ａは、増幅すべり覚信号s′をスレーブ側の力
覚信号としてすべり覚発生機構１１８を制御す
る。

更に選択駆動部２０１は、スレーブ側の力覚信
号ｆ、圧覚信号ｐ、接触覚信号ｔ及びすべり覚信
号ｓを受信すると、信号レベル検出回路２０１ａ
及び信号発生頻度検出回路２０１ｂにより、各感
覚のうち代表的・支配的な感覚を判別する。そし
て選択駆動部２０１は、各フイードバツク制御装
置のうち代表的・支配的な感覚に対応したものの
みを作動させる。つまり代表的・支配的な感覚が
力覚であるときには駆動信号ａを出力して力覚フ
イードバツク制御装置１０８ａを作動させ、代表
的・支配的な感覚が圧覚であるときには駆動信号
ｂを出力して圧覚フイードバツク制御装置１１４
ａを作動させ、代表的・支配的な感覚が接触覚で
あるときには駆動信号ｃを出力して接触覚フイー
ドバツク制御装置１１６ａを作動させ、代表的・
支配的な感覚がすべり覚であるときには駆動信号
ｄを出力してすべり覚フイードバツク制御装置１
１９ａを作動させる。もちろん、代表的・支配的
な感覚が複数あるときには複数のフイードバツク
制御装置を作動させる。ここで選択駆動部２０１
の詳細構成ならびに前述した「代表的・支配的な
感覚を判別する」ことの意義を第４図を参照して
説明する。第４図に示すように選択駆動部２０１
は、信号レベル検出回路２０１af，２０１ap，
２０１at，２０１as（第１図では符号２０１ａで
代表して示した）と、信号発生頻度検出回路２０
１bf，２０１bp，２０１bt，２０１bs（第１図で
は２０１ｂで代表して示した）と、加重平均回路
２０１cf，２０１cp，２０１ct，２０１csと、比
較回路２０１ｄとで構成されている。

信号レベル検出回路２０１af，２０１ap，２
０１at，２０１asは、各検出器１０６，１１２，
１１７，１２０それぞれの定格出力に対する各信
号ｆ，ｐ，ｔ，ｓの単位時間内の平均値を求め
る。また、信号発生頻度検出回路２０１bf，２０
１bp，２０１bt，２０１bsは、単位時間内の各
検出器１１６，１１２，１１７，１２０の信号
ｆ，ｐ，ｔ，ｓが単位時間内にある閾値を越えた
回数をカウントする。これらの回路の出力信号は
加重平均回路２０１cf，２０１cp，２０１ct，２
０１csへ入力される。加重平均回路２０１cf，２
０１cp，２０１ct，２０１csは、各感覚の信号レ
ベル平均値信号と信号発生頻度信号の加重平均を
求め、加重平均値信号が比較回路２０１ｄへ送ら
れる。比較回路２０１ｄでは、加重平均値信号を
事前に設定した閾値と比較し、閾値を越えた場
合、その感覚を代表的・支配的な感覚とみなす。
そしてその感覚に対応した駆動信号ａ，ｂ，ｃ，
ｄを出力する。

結局本実施例では、代表的・支配的な感覚を、
人間の感覚に合つた値でスレーブ側からマスタ側
にフイードバツクしている。

＜発明の効果＞本発明によれば、オペレータは幾つもの力感覚
に困惑することなく代表的な感覚に基づきマスタ
ハンドの操作が行える。また力フイードバツクの
対応づけを１対１でなくマスタハンド部での力感
覚発生を実際の信号に対してたとえば誇張あるい
は指数関数的に行うことでオペレータへの力認識
効果を高めることができる。

【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ツク構成
図、第２図及び第３図は従来例を示すブロツク構
成図、第４図は選択駆動部を示すブロツク図であ
る。図面中、１０１はマスタハンド、１０２はスレ
ーブハンド、１０３，１０４は位置検出器、１０
５，１０６は力覚検出器、１０７は力覚発生機
構、１０８，１０８ａは力覚フイードバツク制御
装置、１０９はハンド駆動機構、１１０はスレー
ブハンド制御装置、１１１，１１２は圧覚検出
器、１１３は圧覚発生機構、１１４，１１４ａは
圧覚フイードバツク制御装置、１１５は接触覚発
生機構、１１６，１１６ａは接触覚フイードバツ
ク制御装置、１１７は接触覚検出器、１１９，１
１９ａはすべり覚フイードバツク制御装置、１１
８はすべり覚発生機構、１２０はすべり覚検出
器、２００は選択制御装置、２０１は選択駆動
部、２０１ａは信号レベル検出回路、２１０ｂは
信号発生頻度検出回路、２０２，２０５は線形増
幅器、２０３，２０４は対数増幅器である。

Claims

【特許請求の範囲】１スレーブハンドが作業対象物体に作用する力
覚、圧覚、接触覚及びすべり覚をそれぞれ検出す
る検出器と、マスタハンドが人間オペレータに与
える力覚及び圧覚をそれぞれ検出する検出器と、
マスタハンドが人間オペレータに与える力覚、圧
覚、接触覚及びすべり覚をそれぞれ発生する発生
機構と、マスタ側とスレーブ側それぞれで検出さ
れた力覚の偏差に基づいて力覚発生機構を制御す
る力覚フイードバツク制御装置と、マスタ側とス
レーブ側それぞれで検出された圧覚の偏差に基づ
いて圧覚発生機構を制御する圧覚フイードバツク
制御装置と、スレーブ側で検出された接触覚に基
づいて接触覚発生機構を制御する接触覚フイード
バツク制御装置と、スレーブ側で検出されたすべ
り覚に基づいてすべり覚発生機構を制御するすべ
り覚フイードバツク制御装置とを具備したマスタ
スレーブハンドシステムの多感覚バイラテラル制
御装置において、スレーブ側の検出器で検出した力覚、圧覚、接
触覚及びすべり覚それぞれの信号を各感覚に対応
した関数特性でもつて増幅しこの増幅した信号を
各感覚に応じてフイードバツク制御装置に送出す
増幅器と、スレーブ側の検出器で検出した力覚、圧覚、接
触覚及びすべり覚それぞれの信号を受信し単位時
間当りの信号レベル及び信号発生頻度から各信号
の平均強度を求めて各信号の平均強度があらかじ
め設定した閾値を越えるかどうか判定し、更に前
記平均強度が前記閾値を越えた信号が示す感覚に
応じたフイードバツク制御装置のみを作動状態に
させる選択駆動部とでなる選択制御装置を備えた
ことを特徴とするマスタスレーブハンドシステム
の多感覚バイラテラル制御装置。