JPH04130904A - Control device for master/slave manipulator - Google Patents

Control device for master/slave manipulator

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Publication number
JPH04130904A
JPH04130904A JP25036790A JP25036790A JPH04130904A JP H04130904 A JPH04130904 A JP H04130904A JP 25036790 A JP25036790 A JP 25036790A JP 25036790 A JP25036790 A JP 25036790A JP H04130904 A JPH04130904 A JP H04130904A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
slave
virtual
arm
master
motion value
Prior art date
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Pending
Application number
JP25036790A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Makoto Asakura
誠 朝倉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
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Publication of JPH04130904A publication Critical patent/JPH04130904A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE:To attain a master/slave manipulator control device strong even at idle time and excellent in stability and operability at working time by executing virtual symmetry type bilateral control using impedance. CONSTITUTION:The 1st control part 13 on the real master side 3 controls the feedback of an output xm outputted from the 1st motion value detecting part 11 for a real master arm 5 based upon the motion value xmi of a virtual master arm 17 and generates a command from the 1st driving part 7 for the arm 5. On the real slave side 23, the feedback of an output xs outputted from the 2nd motion value detecting part 31 for a real slave arm 25 is controlled based upon the motion value xsi of a virtual slave arm 37 and a command is generated from the 2nd driving part 27 of the real slave side 23. Thus, respective real arms 5, 25 can follow the positions of their corresponding virtual arms 17, 27.

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、マスタスレーブマニピュレータを制御するた
めのマスタスレーブマニピュレータ用制御装置に関する
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Object of the Invention] (Industrial Application Field) The present invention relates to a master-slave manipulator control device for controlling a master-slave manipulator.

(従来の技術) マスタスレーブマニピュレータ(以下「マスタスレーブ
」という)では、操作者がマスク側の装置を容易に操作
出来るようにする一方、スレーブ側は操作者の動きに正
確に追従し、その作業時反力をマスクを介して操作者に
正確に感じとれるようにすることが重要である。このた
め、パイラテラル型制御方式では、対称型、力逆送型、
力帰還型というようにその制御方式が変遷していった。
(Prior Art) A master-slave manipulator (hereinafter referred to as "master-slave") allows the operator to easily operate the device on the mask side, while the slave side accurately follows the operator's movements and performs the work. It is important to allow the operator to accurately sense the time reaction force through the mask. For this reason, in the bilateral control system, symmetrical type, force reversal type,
The control method changed to a force feedback type.

上記力帰還型は、マスタアームに存在する摩擦力を力制
御により補償軽減したもので、操作性が良いパイラテラ
ル型制御方式とされていた。
The above-mentioned force feedback type uses force control to compensate and reduce the frictional force present in the master arm, and is said to be a pirate type control system with good operability.

ところが、最近、スレーブの追従遅れが原因で、作業時
の安定性が悪くなることが明らかになった( J RA
 J 、 vol、7,1989.446−452. 
 rパイラテラルマスタスレーブマニピュレータの並列
型制御方式」)。これらの背景から各種制御方式が発表
されるようになったが、昭和63年2月の計測自動制御
学会(昭和63年2月、計測自動学会論文集24巻、2
号)で仮想モデルを導入したマスタスレーブが提案され
ている。
However, it has recently become clear that stability during work deteriorates due to the slave's follow-up delay (JRA
J, vol, 7, 1989.446-452.
``Parallel Control Method of Pilateral Master-Slave Manipulator''). Against this background, various control methods began to be announced, and in February 1988, the Society of Instrument and Control Engineers (February 1988, Proceedings of the Society of Instrument and Control Engineers, Vol. 24, 2
A master-slave system using a virtual model was proposed in the previous issue.

以下、この仮想モデル追従型マスタスレーブについて説
明する。この制御は、任意に設定した仮想マスクと仮想
スレーブを用いるもので、仮想マスクは実マスクに加わ
る操作力と実スレーブ4こ加わる外力との合力が与えら
れて運動する。実マスクはこの時の仮想マスクの運動を
追従するようζこ最適制御されて駆動する。仮想スレー
ブは仮想マスクの運動を目標に位置制御されるが、さら
(こ実スレーブに加わる外力が仮想スレーブに加わり、
これにより仮想マスクと仮想スレーブは偏差を持つよう
になる。この偏差は、仮想マスクと仮想スレーブとの位
置制御系がもつインピーダンス1こより決定され、結果
として仮想スレーブは、仮想マスクに対してインピーダ
ンス分の偏差を許容した形で運動する。実スレーブは、
実マスクと同様に仮想スレーブを目標に最適制御で位置
制御され駆動される。
This virtual model following type master slave will be explained below. This control uses an arbitrarily set virtual mask and virtual slaves, and the virtual mask is moved by the resultant force of the operating force applied to the real mask and the external force applied to the four real slaves. The real mask is optimally controlled and driven so as to follow the movement of the virtual mask at this time. The position of the virtual slave is controlled with the movement of the virtual mask as the goal, but in addition (an external force applied to the virtual slave is applied to the virtual slave,
This causes the virtual mask and virtual slave to have a deviation. This deviation is determined from the impedance of the position control system between the virtual mask and the virtual slave, and as a result, the virtual slave moves with respect to the virtual mask while allowing a deviation of the impedance. The real slave is
As with the real mask, the position is controlled and driven using optimal control with the virtual slave as the target.

上記仮想モデル追従型のマスタスレーブにお0て、スレ
ーブ側にインピーダンスを許容したことで、スレーブの
追従遅れがあっても比較的安定な力帰還型パイラテラル
制御系を構成したこと(こなる。
By allowing impedance on the slave side in the above-mentioned virtual model following type master slave, a relatively stable force feedback type bilateral control system is constructed even if there is a follow-up delay in the slave.

しかし、スレーブ側のインピーダンスが高ければ、やは
り力帰還での作業時不安定化の問題が生じる。逆にイン
ピーダンスを小さくすると、作業時にマスクとスレーブ
の位置偏差が大きくなり、自在なスレーブ操作が難しく
なると同時に作業時における反力の感度も悪くなる。
However, if the impedance on the slave side is high, the problem of instability during work due to force feedback still occurs. On the other hand, if the impedance is reduced, the positional deviation between the mask and the slave increases during work, making it difficult to operate the slave freely and at the same time decreasing the sensitivity of reaction force during work.

こういったことから、仮想モデル追従型を変形した並列
型パイラテラル制御方式が提案されている。並列型は、
1つの仮想マニピュレータをモデルとして実マスク及び
実スレーブに加わる外力の合力を仮想モデルに加え、こ
のモデルの運動を実マスク及び実スレーブが追従するよ
うに位置制御する方式である。
For these reasons, a parallel type bilateral control method, which is a modification of the virtual model following type, has been proposed. The parallel type is
This method uses one virtual manipulator as a model, applies the resultant force of external forces applied to a real mask and a real slave to the virtual model, and controls the position so that the movement of this model is followed by the real mask and real slaves.

マスクとスレーブが、同一目標を追従するため、マスク
とスレーブ間の遅れがなく、作業時も安定に制御できる
。さらには、マスクとスレーブ間の偏差がないため、ス
レーブ操作がしやすく、操作者はスレーブに加わる外力
を感度良く感じとることが出来る。
Since the mask and slave follow the same target, there is no delay between the mask and slave, allowing stable control during work. Furthermore, since there is no deviation between the mask and the slave, it is easy to operate the slave, and the operator can feel the external force applied to the slave with good sensitivity.

このように、並列型制御は、マスタスレーブの制御方式
として、望ましい制御方式といえるが、この制御は信号
の無駄時間がない理想的な状態でしか成り立たない。す
なわち、スレーブの信号をシリアル信号としてマスク側
で一括処置するシステムや、非常に離れた遠隔作業のた
め信号伝達に遅れを生じるシステムでは、一方に無駄時
間が生じるため、マスクとスレーブとの並列進行の前提
が崩れ、その結果として共振を生じる欠点を持つ。
In this way, parallel control can be said to be a desirable control method as a master-slave control method, but this control can only be achieved in an ideal state where there is no dead time of signals. In other words, in systems where slave signals are processed as serial signals on the mask side, or in systems where there is a delay in signal transmission due to remote work that is very far away, there is wasted time on one side, so parallel processing between the mask and slave is necessary. This has the disadvantage that the premise of this is broken and resonance occurs as a result.

逆に、上記計測自動制御学会で提案された仮想モデルを
用いたマスタスレーブでは、スレーブの遅れを前提とし
ているので、信号の伝送遅れに対しても比較的頑健で、
無駄時間のあるシステムでは安定性で並列型に勝ってい
る。
On the other hand, the master-slave using the virtual model proposed by the Society of Instrument and Control Engineers assumes a delay in the slave, so it is relatively robust against signal transmission delays.
In systems with dead time, it is superior to parallel types in terms of stability.

(発明が解決しようとする課題) 以上のように、従来のマスタスレーブの制御方式は、無
駄時間などに関してもいまだ決め手に欠いて一長一短を
持っており、かつ作業時不安定で、操作者のスレーブ外
力の感度が悪かった。
(Problems to be Solved by the Invention) As described above, the conventional master-slave control system still lacks a decisive factor in terms of wasted time, has advantages and disadvantages, is unstable during work, and is difficult for the operator to control as a slave. Sensitivity to external forces was poor.

本発明は上記事実を考慮して、無駄時間に関しても比較
的頑健で、かつ作業時安定性に優れ、比較的感度良く操
作者がスレーブ外力を感じ取れるようにした制御方法及
びマスタスレーブを提供することが目的である。
In consideration of the above facts, the present invention provides a control method and a master slave that are relatively robust in terms of dead time, have excellent stability during operation, and allow an operator to sense slave external forces with relatively high sensitivity. is the purpose.

[発明の構成] (課題を解決するための手段) 上記目的を達成するため請求項(1)記載の発明では、
仮想マスタアームと、この仮想マスタアームの運動を表
す第3運動値検出部と、前記第1力検出部によって検出
された結果を入力して前記仮想マスタアームを駆動させ
る第3駆動部と、仮想スレーブアームと、この仮想スレ
ーブアームの運動を表す第4運動値検出部と、前記第2
力検出部で検出された結果を入力して仮想スレーブアー
ムを駆動させる第4駆動部と、仮想マスタアームと仮想
スレーブアームとをインピーダンスを介在させて連結す
る結合手段と、第3運動値検出部の出力を目標値とし、
前記第1運動値検出部の出力をフィードバック制御して
、第1駆動部に出力する第1制御部と、第4運動値検出
部の出力を目標値とし、前記第2運動値検出部の出力を
フィードバック制御して、第2駆動部に出力する第2制
御部と、を設けたことを特徴としている。
[Structure of the invention] (Means for solving the problem) In order to achieve the above object, the invention described in claim (1) provides the following:
a virtual master arm; a third motion value detection unit that represents the movement of the virtual master arm; a third drive unit that inputs the result detected by the first force detection unit to drive the virtual master arm; a slave arm, a fourth motion value detection unit representing the motion of the virtual slave arm, and the second
a fourth drive unit that inputs the result detected by the force detection unit to drive the virtual slave arm; a coupling unit that connects the virtual master arm and the virtual slave arm via impedance; and a third motion value detection unit. The output of is set as the target value,
A first control section that performs feedback control on the output of the first motion value detection section and outputs it to the first drive section; and a first control section that performs feedback control on the output of the first motion value detection section and outputs the output of the fourth motion value detection section as a target value, and the output of the second motion value detection section. The present invention is characterized in that it includes a second control section that performs feedback control and outputs the feedback control to the second drive section.

請求項(2)記載の発明では、前記第1、第2、第3、
第4運動値検出部、および前記第1、第2力検出部に、
マスタアーム座標系と共通座標系との座標変換手段、お
よびスレーブアーム座標系と共通座標系との座標変換手
段を接続することを特徴としている。
In the invention according to claim (2), the first, second, third,
a fourth motion value detection section, and the first and second force detection sections;
It is characterized by connecting the coordinate conversion means between the master arm coordinate system and the common coordinate system, and the coordinate conversion means between the slave arm coordinate system and the common coordinate system.

また、上記結合手段をバネ及びダンパで形成することも
できる。
Further, the coupling means may be formed of a spring and a damper.

(作用) 請求項(1)記載の発明によれば、マスタアームに操作
力が加わると、第1力検出部はこの操作力を検出して、
仮想マスタアームに第3駆動部を介してその操作力を伝
える。同時にスレーブアームに操作力が加わると、第2
力検出部はこの操作力を検出して、仮想スレーブアーム
に第4駆動部を介してその操作力を伝える。
(Function) According to the invention described in claim (1), when an operating force is applied to the master arm, the first force detection section detects this operating force,
The operating force is transmitted to the virtual master arm via the third drive section. If an operating force is applied to the slave arm at the same time, the second
The force detection section detects this operating force and transmits the operating force to the virtual slave arm via the fourth drive section.

仮想マスクの第3駆動部は通常、操作力をそのまま仮想
マスクの操作力として加えるが、仮想スレーブ側の第4
駆動部は力反射率により外力を増減させて、仮想スレー
ブへ外力として加えている。
The third drive unit of the virtual mask normally applies the operating force as it is to the virtual mask, but the fourth drive unit on the virtual slave side
The drive unit increases or decreases the external force based on the force reflectance and applies it to the virtual slave as an external force.

仮想マスタアーム゛と仮想スレーブは、インピーダンス
が介在されて結合されているので、仮想マスタアーム、
仮想スレーブアームは結合手段による作用力を受ける。
The virtual master arm and the virtual slave are coupled through impedance, so the virtual master arm
The virtual slave arm is subjected to a force exerted by the coupling means.

すなわち、仮想マスタアームは操作力と結合手段作用力
により運動し、仮想スレーブアームは外力と結合手段作
用力により運動することになる。これらの仮想アームの
運動は、第3、第4運動値検出部により検出され、結合
手段作用力を逐次変化させる。同時に検出された運動値
は、第1制御手段及び第2制御手段の目標値として入力
される。すなわち、第1制御部は、仮想マスクの運動値
を目標に、第1運動値検出部がらの出力をフィードバッ
ク制御して第1駆動部の指令を発生し、第2制御部は仮
想スレーブアームの運動値を目標に、第2運動値検出部
からの出力をフィードバック制御して、第2駆動部の指
令を発生する。
That is, the virtual master arm moves due to the operating force and the force acting on the coupling means, and the virtual slave arm moves due to the external force and the force acting on the coupling means. These movements of the virtual arm are detected by the third and fourth movement value detection sections, and the force acting on the coupling means is successively changed. The simultaneously detected motion values are input as target values for the first control means and the second control means. That is, the first control section generates a command for the first drive section by feedback-controlling the output from the first motion value detection section, with the motion value of the virtual mask as a target, and the second control section generates a command for the first drive section. With the motion value as a target, the output from the second motion value detection section is feedback-controlled to generate a command for the second drive section.

これにより、マスタアーム及びスレーブアームは対応す
る仮想マスタアーム及び仮想スレーブアームの位置を追
従することになる。
This causes the master arm and slave arm to follow the positions of the corresponding virtual master arm and virtual slave arm.

従って、従来の対称型パイラテラル制御では、マスタア
ーム及びスレーブアームに存在する摩擦の影響や、慣性
の影響で、非常に大きな操作力を要していたが、本発明
に示されるような仮想マスタアーム及び仮想スレーブア
ームの導入により、非常に慣性が小さく、非線形摩擦の
ない理想的なアームでマスタスレーブを構成できるよう
になった。すなわち、本発明の仮想対称型パイラテラル
型制御は、これら仮想アームに対する結合手段を介した
対称型パイラテラルを構築しており、マスタアーム及び
スレーブアームは仮想アームの運動を追従している。
Therefore, in conventional symmetrical bilateral control, a very large operating force was required due to the effects of friction and inertia existing in the master arm and slave arm. By introducing an arm and a virtual slave arm, it has become possible to configure a master slave with an ideal arm with extremely low inertia and no nonlinear friction. That is, the virtual symmetrical bilateral control of the present invention constructs a symmetrical pirate via coupling means for these virtual arms, and the master arm and slave arm follow the movement of the virtual arm.

また、結合手段として、バネ・ダンパのようなインピー
ダンスを用いることにより、マスタアームとスレーブア
ームの間にインピーダンスを介在させることが出来る。
Further, by using an impedance such as a spring damper as a coupling means, an impedance can be interposed between the master arm and the slave arm.

従来のように、仮想モデル追従マスタスレーブでは、ス
レーブのみがマスクに対してインピーダンスを持つ構成
であり、基本的には力帰還を継承している。
As in the past, in the virtual model following master-slave, only the slave has an impedance with respect to the mask, and basically inherits force feedback.

これに対して本発明では、基本的にはインピーダンスを
介在させた対称型パイラテラルを仮想モデルとして持つ
制御装置であり、上記とは明らかに異なる。
In contrast, the present invention is a control device that basically has a symmetrical bilateral with impedance intervening as a virtual model, and is clearly different from the above.

また、介在インピーダンスを無限大、すなわち、剛体接
合とすれば結果的に並列型パイラテラルと等価になり、
この並列型パイラテラルに包含関係になるが、2つの仮
想モデル間にインピーダンスを介在させ、無駄時間に対
し比較的頑健にしている点で、従来とは異なる。
In addition, if the intervening impedance is infinite, that is, a rigid connection, the result will be equivalent to a parallel type bilateral,
Although this parallel type is included in the bilateral, it is different from the conventional method in that an impedance is interposed between the two virtual models, making it relatively robust against wasted time.

本発明の仮想対称型パイラテラルは、インピーダンスを
介在させているが、力帰還型と異なり対称性のある結合
手段で仮想マスクと仮想スレーブを連結させているため
、同一インピーダンスを導入した際の作業安定性は従来
の仮想モデル追従型に比較し遥かに優れている。このた
め、無駄時間に対する安定性を同一に設定すれば、イン
ピーダンスを高めに設定することが出来、その結果とし
てスレーブ反力を比較的感度良く操作者に伝達すること
が出来る。
The virtual symmetrical pirate of the present invention uses an impedance, but unlike the force feedback type, the virtual mask and the virtual slave are connected by a symmetrical coupling means, so it is difficult to work when the same impedance is introduced. The stability is far superior to the conventional virtual model following type. Therefore, if the stability against dead time is set to be the same, the impedance can be set higher, and as a result, the slave reaction force can be transmitted to the operator with relatively high sensitivity.

地球と宇宙のような非常に遠隔土地の場合には、無駄時
間が大きく、別々に仮想モデルを管理する必要が生じる
。このため、単一のばね・ダンパ系のようなインピーダ
ンスを持つ結合手段ではなく、マスク・スレーブ各々に
インピーダンス要素を持つような結合手段が必要となる
。ただし、無駄時間が非常に大きいため、これらの結合
手段を用いても安定限界のインピーダンスはかなり小さ
く操作性は多少犠牲になる。
In the case of very remote locations such as Earth and space, there is significant wasted time and it becomes necessary to manage virtual models separately. Therefore, instead of a coupling means having an impedance such as a single spring/damper system, a coupling means having an impedance element for each mask/slave is required. However, since the dead time is very large, even if these coupling means are used, the impedance at the stability limit is quite small, and the operability is somewhat sacrificed.

(実施例) 次に本発明に係るマスタスレーブマニピュレータ用制御
装置の実施例について第1図乃至第4図を用いて説明す
る。
(Embodiment) Next, an embodiment of the master-slave manipulator control device according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 4.

第1実施例 第1図には、第1実施例のマスタスレーブマニピュレー
タ用制御装置(以下「制御装置」という)1の構成が示
されている。この制御装置1は、実マスク側3と、仮想
マスク側15と、実スレーブ側23と、仮想スレーブ側
35と、仮想マスク側15と仮想スレーブ側35とを結
合する結合手段43と、実マスク側3をフィードバック
制御するための第1制御部13と、実スレーブ側23を
フィードバック制御する第2制御部33とで構成されて
いる。
First Embodiment FIG. 1 shows the configuration of a master-slave manipulator control device (hereinafter referred to as "control device") 1 of a first embodiment. This control device 1 includes a real mask side 3, a virtual mask side 15, a real slave side 23, a virtual slave side 35, a coupling means 43 for coupling the virtual mask side 15 and the virtual slave side 35, and a real mask side 15. It is composed of a first control section 13 for performing feedback control on the side 3 and a second control section 33 for performing feedback control on the actual slave side 23.

実マスク側3には、実マスタアーム5を駆動する第1駆
動部7と、実マスタアーム5に加わる外力を検出する第
1力検出部9と、実マスタアーム5の運動を表す第1運
動値検出部11とで構成されている。
On the real mask side 3, there is a first drive section 7 that drives the real master arm 5, a first force detection section 9 that detects an external force applied to the real master arm 5, and a first movement representing the movement of the real master arm 5. It is composed of a value detection section 11.

仮想マスク側15には、第1力検出部9によって検出さ
れた操作力が入力されて仮想マスタアーム17を駆動さ
せる第3駆動#19と、仮想マスタアーム17の運動を
表す第3運動値検出部21とが設けられている。
On the virtual mask side 15, a third drive #19 for driving the virtual master arm 17 by inputting the operating force detected by the first force detection unit 9, and a third motion value detection representing the motion of the virtual master arm 17 are provided. A section 21 is provided.

実スレーブ側23には、実スレーブアーム25を駆動す
る第2駆動部27と、実スレーブアーム27に加わる外
力を検出する第2力検出部29と、実スレーブアーム2
7の運動を表す第2運動値検出部31とが設けられてい
る。
The real slave side 23 includes a second drive section 27 that drives the real slave arm 25, a second force detection section 29 that detects an external force applied to the real slave arm 27, and a second drive section 27 that drives the real slave arm 25.
A second movement value detection unit 31 representing the movement of No. 7 is provided.

仮想スレーブ側35には、第2力検出部29によって検
出された操作力が入力されて仮想スレーブアーム37を
駆動する第4駆動部39と、仮想スレーブアーム37の
運動を表す第4運動値検出部41とが設けられている。
The virtual slave side 35 includes a fourth drive unit 39 that receives the operating force detected by the second force detection unit 29 and drives the virtual slave arm 37, and a fourth motion value detection unit that represents the movement of the virtual slave arm 37. A section 41 is provided.

また、第1運動値検出部11には、第1運動値検出部1
1の出力をフィードバック制御して第1駆動装置7に出
力する第1制御部13が設けられている。
The first motion value detection section 11 also includes a first motion value detection section 1
A first control unit 13 is provided that performs feedback control on the output of the first drive unit 1 and outputs the same to the first drive device 7 .

さらに、第2運動値検出部31には、第2運動値検出部
31の出力をフィードバック制御して第2駆動部27に
出力する第2制御部33が設けられている。
Furthermore, the second motion value detection section 31 is provided with a second control section 33 that performs feedback control on the output of the second motion value detection section 31 and outputs it to the second drive section 27 .

第2図は、無駄時間が大きくない時の結合手段43の模
式図で、バネ・ダンパで構成されている。
FIG. 2 is a schematic diagram of the coupling means 43 when the dead time is not large, and is composed of a spring damper.

運動値xmiSxsiが結合手段43に入力されると、
バネ部45、ダンパ部47の両端部が変動し、これによ
り結合手段43による反力fcm、fcsが次式によう
に生じる。
When the motion value xmiSxsi is input to the coupling means 43,
Both end portions of the spring portion 45 and the damper portion 47 move, thereby generating reaction forces fcm and fcs by the coupling means 43 as shown in the following equations.

fcmm−fcs。fcmm-fcs.

fcm−d(大si−大mi) +k(大si−*mi (なお、大は速度を表わす。) すなわち、この場合は、等しい力が結合手段作用力とし
て仮想マスク側15および仮想スレーブ側35に伝えら
れる。
fcm-d(large si-large mi) +k(large si-*mi (large represents speed).In other words, in this case, equal force is applied to the virtual mask side 15 and the virtual slave side 35 as the force acting on the coupling means. can be conveyed to.

なお、今回は運動情報のみを入力して結合手段作用力を
導出しているが、操作力fmi、外力fciを運動値と
共に結合手段43に入力し、位置と力とハイブリッド構
成でインピーダンス要素を構成しても良い。
Note that this time, only the motion information is input to derive the force acting on the coupling means, but the operating force fmi and external force fci are input to the coupling means 43 together with the motion value, and an impedance element is constructed with position, force, and a hybrid configuration. You may do so.

第3図は、無駄時間が比較的大きい場合の結合手段の模
式図である。同図において、破線部51.53内は第2
図で示したバネ部45と、ダンパ部47と同様のインピ
ーダンス要素である。
FIG. 3 is a schematic diagram of the coupling means when the dead time is relatively large. In the same figure, the broken line portions 51 and 53 indicate the second
This is an impedance element similar to the spring portion 45 and damper portion 47 shown in the figure.

第3図に示される構成を採る理由は、一方に大きな無駄
時間があると全体の対称性が崩れ、結果としてマスタス
レーブを直列接合した力帰還型とさほど変わらないシス
テムとなるためであり、従来の仮想モデル追従型と同等
の効果しか得ることが出来なくなってしまうからである
The reason for adopting the configuration shown in Figure 3 is that if there is a large amount of wasted time on one side, the overall symmetry will be disrupted, resulting in a system that is not much different from the force feedback type in which master and slave are connected in series. This is because it will only be possible to obtain the same effect as the virtual model following type.

また、第3図の無駄時間要素49は、伝送の遅れを表す
もので仮想マスク側、マスク側制御部及び結合手段左側
51は、マスク側の計算機上に構築され仮想スレーブ側
、スレーブ側制御部および結合手段右側53は、スレー
ブ側の計算機上に構築されることになる。また同図にお
いて結合手段51.53は、その一方の運動値が無駄時
間分の遅れを持つため、動的状態で結合手段からの作用
力はマスクとスレーブで通常一致しない。
Furthermore, the dead time element 49 in FIG. 3 represents a delay in transmission, and the virtual mask side, mask side control section, and coupling means left side 51 are constructed on the computer on the mask side, and the virtual slave side, slave side control section And the coupling means right side 53 will be constructed on the slave side computer. Further, in the same figure, since the movement value of one of the coupling means 51 and 53 has a delay corresponding to dead time, the acting forces from the coupling means do not normally match on the mask and slave in a dynamic state.

次に本発明に係る制御装置1の動作について説明する。Next, the operation of the control device 1 according to the present invention will be explained.

図示しない操作力f0が実マスタアーム5に加わると、
第1力検出部9は操作力fmとしてこれを検出し、計算
機上に構築した仮想マスタアーム17に仮想マスクの第
3駆動部19を介してその操作力を加える。同様にスレ
ーブ側23の第2力検出部29は実スレーブアーム25
に加わる図示しない作業時外力fwを外力fsとして検
出し、計算機上に構築された仮想スレーブアーム37に
第4駆動部39を介してその外力を加える。仮想マスク
の第3駆動部19は、通常操作力f。をそのまま仮想マ
スタアーム17の操作力fmiとして加えるが仮想スレ
ーブ側35の第4駆動部39は、力反射により外力を増
減させて、仮想スレーブアーム37への外力fsiとし
て加えている。
When an operating force f0 (not shown) is applied to the actual master arm 5,
The first force detection section 9 detects this as the operating force fm, and applies the operating force to the virtual master arm 17 constructed on the computer via the third drive section 19 of the virtual mask. Similarly, the second force detection section 29 on the slave side 23 is connected to the actual slave arm 25.
An external force fw (not shown) during work that is applied to the controller is detected as an external force fs, and the external force is applied to a virtual slave arm 37 constructed on a computer via a fourth drive unit 39. The third drive unit 19 of the virtual mask has a normal operating force f. is applied as is to the virtual master arm 17 as the operating force fmi, but the fourth drive unit 39 on the virtual slave side 35 increases or decreases the external force by force reflection and applies it to the virtual slave arm 37 as the external force fsi.

仮想マスタアーム17と仮想スレーブアーム37は、イ
ンピーダンスを持つ結合手段43により結合されている
ため、各仮想アーム17.37は結合手段43による作
用力fcmS fcsを受ける。すなわち仮想マスタア
ーム17は操作力fmiと結合手段作用力fcmにより
運動し、仮想スレーブアーム外力fsiと結合手段作用
力fcsにより運動することになる。
Since the virtual master arm 17 and the virtual slave arm 37 are coupled by the coupling means 43 having impedance, each virtual arm 17.37 receives the acting force fcmS fcs by the coupling means 43. That is, the virtual master arm 17 is moved by the operating force fmi and the coupling means acting force fcm, and the virtual slave arm is moved by the external force fsi and the coupling means acting force fcs.

これらの仮想アームの運動は、各運動値検出手段21.
41で検出され、結合部作用力fcm。
The movements of these virtual arms are detected by each movement value detection means 21.
41, the force acting on the joint is fcm.

fcsを逐次変化させる。同時に検出された運動値xm
i、xs iは、各実アーム5.25の第1制御部13
、第2制御部33の目標値として入力される。
Change fcs sequentially. Motion value xm detected at the same time
i, xs i is the first control unit 13 of each real arm 5.25
, is input as a target value of the second control section 33.

すなわち、実マスク側3の第1制御部13は、仮想マス
タアーム17の運動値xmiを目標に、実マスタアーム
5の第1運動値検出部11からの出力xmをフィードバ
ック制御して、実マスタアーム5の第1駆動部7の指令
を発生する。
That is, the first control section 13 on the real mask side 3 performs feedback control on the output xm from the first motion value detection section 11 of the real master arm 5, targeting the motion value xmi of the virtual master arm 17, and A command for the first drive section 7 of the arm 5 is generated.

一方、実スレーブ側23は、仮想スレーブアーム37の
運動値xsiを目標に、実スレーブアーム25の第2運
動値検出部31からの出力xsをフィードバック制御し
て、実スレーブ側23の第2駆動部27の指令を発生す
る。
On the other hand, the real slave side 23 performs feedback control on the output xs from the second motion value detection section 31 of the real slave arm 25, aiming at the motion value xsi of the virtual slave arm 37, and controls the second drive of the real slave side 23. A command for the unit 27 is generated.

これにより、各実アーム5.25は対応する仮想アーム
17.37の位置を追従することになる。
This causes each real arm 5.25 to follow the position of the corresponding virtual arm 17.37.

このように本実施例によれば、無駄時間に対しても頑健
で、かつ作業時の安定性・操縦性に優れたマスタスレー
ブマニピュレータ用制御装置を実現することが出来る。
As described above, according to this embodiment, it is possible to realize a control device for a master-slave manipulator that is robust against dead time and has excellent stability and maneuverability during work.

さらに、非常に遠隔の作業や、マスク・スレーブ間の情
報伝達に信号処理の必要があり、無駄時間があるような
場合のマスタスレーブマニピュレータに対して有効であ
る。
Furthermore, it is effective for master-slave manipulators in extremely remote work or in cases where signal processing is required for information transmission between the mask and slave, and there is wasted time.

第2実施例 次に第2実施例について第4図を用いて説明する。本実
施例は、異構造マスタスレーブマニピュレータ(マスタ
マニピュレータとスレーブマニピュレータの構造が異な
る)に本発明を適用した例である。なお第1図の第1実
施例の制御装置1と同構成部分については図面に同符号
を付して説明を省略する。
Second Embodiment Next, a second embodiment will be explained using FIG. 4. This embodiment is an example in which the present invention is applied to a master-slave manipulator with a different structure (the master manipulator and the slave manipulator have different structures). Note that the same components as those of the control device 1 of the first embodiment shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals in the drawing, and a description thereof will be omitted.

第4図に示されるように、本実施例の制御装置61は、
マスク側の第3駆動部に内包された座標変換手段19a
が設けられ、スレーブ側の第4駆動部に内包された座標
変換手段39aが設けられている。
As shown in FIG. 4, the control device 61 of this embodiment includes:
Coordinate conversion means 19a included in the third drive section on the mask side
A coordinate conversion means 39a included in the fourth drive section on the slave side is provided.

また、マスク側の第1制御部13には、座標変換手段1
3a、13bが設けられ、スレーブ側の第2制御部33
にも座標変換手段33a、33bが設けられている。
In addition, the first control section 13 on the mask side includes a coordinate transformation means 1.
3a and 13b are provided, and the second control unit 33 on the slave side
Also provided are coordinate conversion means 33a and 33b.

このように構成された制御装置61では、図示しない操
作力f。が実マスタアーム5に加わると、第1力検出部
9はマスタアーム座標での操作力tmを検出して、計算
機上に構築した仮想マスタアーム17の第3駆動部19
に伝える。第3駆動部19は、内包する座標変換手段1
9gを用いて共通化した操作力fmを算出し、同様に計
算機上に構築した共通座標構造をとる仮想スレーブアー
ム37の第4駆動部39も、内包する座標変換手段39
aを用いて、実スレーブアーム25に加わる図示しない
作業時外力fwのスレーブアーム座標での外力tsを共
通座標外力fsに変換し、共通座標をとる仮想スレーブ
アーム37にその外力fsiを加える。
In the control device 61 configured in this way, an operating force f (not shown) is applied. is applied to the real master arm 5, the first force detection unit 9 detects the operating force tm in the master arm coordinates, and the third drive unit 19 of the virtual master arm 17 constructed on the computer
tell. The third drive section 19 includes the coordinate conversion means 1
The fourth drive unit 39 of the virtual slave arm 37 that calculates the common operating force fm using the 9g and has a common coordinate structure similarly constructed on the computer also includes the coordinate conversion means 39.
Using a, the external force ts at the slave arm coordinates of the external force fw (not shown) applied to the real slave arm 25 during work is converted into a common coordinate external force fs, and the external force fsi is applied to the virtual slave arm 37 having the common coordinates.

仮想マスクの第3駆動部19は通常、共通座標化した操
作力fmを仮想マスタアーム17の操作力f、として加
えるのみであるが、仮想スレーブ側の第4駆動部39は
共通座標化した外力fsを力反射により増減させて、仮
想スレーブアーム37へ外力fsiとして加える。
The third drive unit 19 of the virtual mask usually only applies the operating force fm converted into common coordinates as the operating force f to the virtual master arm 17, but the fourth drive unit 39 on the virtual slave side applies the external force converted into common coordinates. The fs is increased or decreased by force reflection and is applied to the virtual slave arm 37 as an external force fsi.

仮想マスタアーム17と仮想スレーブアーム37は、イ
ンピーダンスを持つ結合手段43により結合されている
ため、各仮想アームは結合手段43による作用力fcm
S fcsを受ける。すなわち仮想マスタアーム17は
、操作力fmiと結合手段作用力fcmにより運動し、
仮想スレーブアーム37は、外力fsiと結合手段作用
力fcsにより運動する。これらの仮想アームの連動は
第3運動値検出部21及び第4運動値検出部41により
検出され、結合手段作用力fcm、fcsを逐次変化さ
せる。同時に、検出された運動値xmi、xsiは、各
実アームの第1制御部13、第2制御部33の目標値と
して入力される。
Since the virtual master arm 17 and the virtual slave arm 37 are coupled by a coupling means 43 having impedance, each virtual arm receives a force fcm exerted by the coupling means 43.
Receive S fcs. That is, the virtual master arm 17 moves by the operating force fmi and the coupling means acting force fcm,
The virtual slave arm 37 moves by the external force fsi and the coupling means acting force fcs. The interlocking of these virtual arms is detected by the third motion value detection section 21 and the fourth motion value detection section 41, and the coupling means acting forces fcm and fcs are successively changed. At the same time, the detected motion values xmi and xsi are input as target values to the first control section 13 and second control section 33 of each actual arm.

一方、実マスクの第1運動値検出部11からの出力pm
は、実マスクの第1制御部13が内包する座標変換手段
13aを介して共通座標化した運動情報xmに変換され
る;第1制御部13は、共通座標表現された2つの運動
値xmSxmiを基に共通座標のマスク制御情報vrm
を生成する。
On the other hand, the output pm from the first motion value detection unit 11 of the real mask
is converted into motion information xm expressed in common coordinates via the coordinate conversion means 13a included in the first control section 13 of the real mask; the first control section 13 converts the two motion values xmSxmi expressed in common coordinates Based on the common coordinate mask control information vrm
generate.

第1制御部13は、さらにこのマスク制御情報Vrmを
座標変換手段13bによりマスタアーム座標系のマスク
制御情報ωrmに逆変換し、マスクの第1駆動部7の指
令として出力する。
The first control section 13 further converts this mask control information Vrm inversely into mask control information ωrm in the master arm coordinate system using the coordinate conversion means 13b, and outputs it as a command to the first drive section 7 of the mask.

同様に実スレーブの第2運動値検出部31からの出力p
sは、第2制御部33が内包する座標変換手段33aを
介して共通座標化した運動情報xsに変換される。第2
制御部33は、共通座標表現された2つの運動値xsi
、xsを基に共通座標のスレーブ制御情報vrsを生成
する。第3制御部33は、さらにこのスレーブ情報vr
sを座標変換手段33bによりスレーブアーム座標系の
スレーブ情報ωrsに逆変換し、第2駆動部27の指令
として出力する。
Similarly, the output p from the second motion value detection unit 31 of the actual slave
s is converted into motion information xs converted into common coordinates via a coordinate conversion means 33a included in the second control unit 33. Second
The control unit 33 controls two motion values xsi expressed in common coordinates.
, xs to generate slave control information vrs of common coordinates. The third control unit 33 further controls this slave information vr.
s is inversely transformed into slave information ωrs in the slave arm coordinate system by the coordinate transformation means 33b, and outputted as a command to the second drive section 27.

また、座標変換手段19a、13a、13bはマスクア
ームの運動情報Pmを使って、一方、座標変換手段39
a% 33a、33bは、スレーブアームの座標変換手
段Psを使って逐次更新されている。これにより各実ア
ーム5.23の座標変換対応点の運動は、各仮想アーム
17.37の座標変換対応点の運動を追従することにな
る。
Further, the coordinate transformation means 19a, 13a, 13b use the movement information Pm of the mask arm, while the coordinate transformation means 39
a% 33a and 33b are updated one after another using the coordinate conversion means Ps of the slave arm. As a result, the movement of the coordinate transformation corresponding point of each real arm 5.23 follows the movement of the coordinate transformation corresponding point of each virtual arm 17.37.

なお、この例では実アームの運動値を共通座標化し、共
通座標上に2つの運動値情報を使って制御した後に逆座
標変換を行っているが、公知の異構造制御方法にあるよ
うに仮想アームの運動値情報を各アーム座標系に変換し
てから、各軸の制御を行っても良い。
Note that in this example, the motion values of the real arm are converted into common coordinates, and inverse coordinate transformation is performed after controlling using two motion value information on the common coordinates, but as in the known different structure control method, virtual Control of each axis may be performed after converting the motion value information of the arm into each arm coordinate system.

また、本実施例では、座標変換手段を仮想アームの駆動
部や制御部に含めたものとしたが、座標変換はどの時点
で行われるものであってもよい。
Furthermore, in this embodiment, the coordinate transformation means is included in the drive unit or the control unit of the virtual arm, but the coordinate transformation may be performed at any point in time.

[発明の効果] 以上説明したように本発明に係るマスタスレーブマニピ
ュレータ用制御装置は、インピーダンスを介在させる仮
想対称型パイラテラルにより、無駄時間に対しても頑健
で、かつ作業時の安定性・操作性に優れたマスタスレー
ブマニピュレータ用制御装置を実現することが出来、特
に非常に遠隔の作業や、マスク・スレーブ間の情報伝達
に信号処理の必要があり、無駄時間があるような場合の
マスク・スレーブに対して有効であるという優れた効果
が得られる。
[Effects of the Invention] As explained above, the master-slave manipulator control device according to the present invention is robust against wasted time and has improved stability and operation during work due to the virtual symmetrical bilateral structure with impedance intervening. This makes it possible to realize a control device for a master-slave manipulator with excellent performance, especially for very remote work or when signal processing is required to transmit information between the mask and slave, and there is wasted time. The excellent effect of being effective against slaves can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明体るマスタスレーブマニピュレータ用制
御装置の第1実施例の構成を示すブロック図、第2図は
無駄時間が小さな場合の結合手段の構成を示す模式図、
第3図は無駄時間が比較的大きな場合の結合手段の構成
を示す模式図、第4図は第2実施例のマスタスレーブマ
ニピュレータ用制御装置の構成を示すブロック図である
。 1.61・・・マスタスレーブマニピュレータ用制御装
置(制御装置) 3・・・実マスク側      5・・・実マスタアー
ム7・・・第1駆動部      9・・・第1力検出
部11・・・第1運動値検出部 13・・・第1制御部    15・・・仮想マスク側
17・・・仮想マスタアーム 19・・・第3駆動部2
1・・・第3運動値検出部 23・・・実スレーブ側 25・・・実スレーブアーム 27・・・第2駆動部 31・・・第2運動値検出部 33・・・第2制御部 35・・・仮想スレーブ側 37・・・仮想スレーブアーム 39・・・第4駆動部 41・・・第4運動値検出部 43・・・結合手段 45・・・バネ部 47・・・ダンパ部 29・・・第2力検出部
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a first embodiment of the master-slave manipulator control device according to the present invention, and FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of the coupling means when dead time is small.
FIG. 3 is a schematic diagram showing the configuration of the coupling means when the dead time is relatively large, and FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the master-slave manipulator control device of the second embodiment. 1.61... Master-slave manipulator control device (control device) 3... Actual mask side 5... Actual master arm 7... First drive section 9... First force detection section 11... -First motion value detection unit 13...First control unit 15...Virtual mask side 17...Virtual master arm 19...Third drive unit 2
1...Third motion value detection section 23...Actual slave side 25...Actual slave arm 27...Second drive section 31...Second motion value detection section 33...Second control section 35...Virtual slave side 37...Virtual slave arm 39...Fourth drive section 41...Fourth motion value detection section 43...Coupling means 45...Spring section 47...Damper section 29...Second force detection section

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)マスタアームの運動を表す第1運動値検出部と、
マスタアームに加わる外力を検出する第1力検出部と、
マスタアームを駆動させる第1駆動部と、スレーブアー
ムの運動を表す第2運動値検出部と、スレーブアームに
加わる外力を検出する第2力検出部と、スレーブアーム
を駆動させる第2駆動部と、を備えたマスタスレーブマ
ニピュレータ用制御装置において、 仮想マスタアームと、この仮想マスタアームの運動を表
す第3運動値検出部と、前記第1力検出部によって検出
された結果を入力して前記仮想マスタアームを駆動させ
る第3駆動部と、仮想スレーブアームと、この仮想スレ
ーブアームの運動を表す第4運動値検出部と、前記第2
力検出部によって検出された結果を入力して仮想スレー
ブアームを駆動させる第4駆動部と、仮想マスタアーム
と仮想スレーブアームとをインピーダンスを介在させて
連結する結合手段と、第3運動値検出部の出力を目標値
とし、前記第1運動値検出部の出力をフィードバック制
御して、第1駆動部に出力する第1制御部と、第4運動
値検出部の出力を目標値とし、前記第2運動値検出部の
出力をフィードバック制御して、第2駆動部に出力する
第2制御部と、を設けたことを特徴とするマスタスレー
ブマニピュレータ用制御装置。
(1) a first motion value detection unit representing the motion of the master arm;
a first force detection section that detects an external force applied to the master arm;
A first drive section that drives the master arm, a second motion value detection section that represents the movement of the slave arm, a second force detection section that detects an external force applied to the slave arm, and a second drive section that drives the slave arm. A control device for a master-slave manipulator, comprising: a virtual master arm; a third motion value detection unit representing the movement of the virtual master arm; and a result detected by the first force detection unit, which is input to the virtual master arm; a third drive unit that drives the master arm; a virtual slave arm; a fourth motion value detection unit that represents the movement of the virtual slave arm;
a fourth drive unit that inputs the result detected by the force detection unit to drive the virtual slave arm; a coupling unit that connects the virtual master arm and the virtual slave arm with impedance interposed therebetween; and a third motion value detection unit. The output of the first motion value detection section is set as a target value, the output of the first motion value detection section is feedback-controlled and outputted to the first drive section, and the output of the fourth motion value detection section is set as the target value, and the output of the fourth motion value detection section is set as the target value. A control device for a master-slave manipulator, comprising: a second control section that performs feedback control on the output of the two motion value detection sections and outputs it to a second drive section.
(2)前記第1、第2、第3、第4運動値検出部、およ
び前記第1、第2力検出部に、 マスタアーム座標系と共通座標系との座標変換手段、お
よびスレーブアーム座標系と共通座標系との座標変換手
段を接続する ことを特徴とする請求項(1)記載のマスタスレーブマ
ニピュレータ用制御装置。
(2) The first, second, third, and fourth motion value detection units and the first and second force detection units include coordinate conversion means between a master arm coordinate system and a common coordinate system, and a slave arm coordinate system. A control device for a master-slave manipulator according to claim 1, characterized in that a coordinate conversion means for the system and a common coordinate system is connected.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0653238A1 (en) 1993-11-17 1995-05-17 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Catalyst for purifying exhaust gases and process for purifying exhaust gases
US5874057A (en) * 1995-07-12 1999-02-23 Engelhard Corporation Lean NOx catalyst/trap method

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