JPH04275887A - マスタスレーブマニピュレータ - Google Patents

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、作業者がマスタアーム
を操作することにより、スレーブアームを遠隔操作して
作業をするマスタスレーブマニピュレータに関する。

【０００２】

【従来の技術】原子力発電施設や核燃料再処理施設等の
高放射能環境下や、宇宙空間の高真空環境下等の人間に
とって有害な環境下で非定常作業を行う場合には、マス
タスレーブマニピュレータを用いて、遠隔操作により作
業が行われている。

【０００３】例えば、実際に作業を行うスレーブアーム
は人間にとって有害な環境下に設置され、人間が実際に
操作するマスタアームは安全な環境下に設置される。作
業者は、安全な環境下でマスタアームを操作することに
より有害な環境下のスレーブアームを遠隔操作して必要
な作業を安全に遂行することが出来る。

【０００４】このマスタスレーブマニピュレータの上記
操作による作業を円滑に行うためには、作業者が実際に
作業現場にいて、あたかも自分の腕により作業をしてい
るようないわゆる臨場感を得ることが必要である。この
ためには、マスタアームを操作する作業者が力感覚を認
識することが必要である。力感覚が得られて作業性の良
いマスタスレーブマニピュレータとして、従来より力帰
還形バイラテラルサーボ型マスタスレーブマニピュレー
タが提案されている。

【０００５】力帰還形バイラテラルサーボ方式のマスタ
スレーブマニピュレータについて図１４乃至図１６を用
いて説明する。なお、図１４にはマスタアーム機構１０
１が示されており、図１５にはスレーブアーム機構１０
３が示されている。また、図１６はマスタアーム機構の
操作によりスレーブアーム機構１０３を遠隔操作するた
めのマスタスレーブ制御装置１０５を示すブロック図で
ある。

【０００６】図１４に示されるように、マスタアーム機
構１０１は複数個の関節１１５で回転自在に連結された
多関節のアームで構成されており、先端部には作業者が
把持するグリップ１０７が連結されている。

【０００７】上記各関節には、図１６に示されるような
位置姿勢センサ１１７が設けられており、グリップ１０
７の位置及び姿勢を検出する。またグリップ１０７には
６軸力覚センサ１１９が埋設されており、作業者による
グリップ１０７の操作で付与された力の大きさと方向を
検出する。更に、各関節には図示しないアクチュエータ
が配設されており、各関節１１５で連結されたアームを
相対回転させることにより駆動する。

【０００８】一方、スレーブアーム機構１０３もマスタ
アーム機構１０１と同様に複数個の関節１２３で回転自
在に連結された多関節アームで構成されており、先端部
には作業を行うためのコ字型ハンド１０９が連結されて
いる。

【０００９】これらの関節１２３には、マスタアーム機
構１０１と同様に図１６に示されるような位置姿勢セン
サ１２５が設けられており、ハンド１０９の位置及び姿
勢を検出する。また、ハンド１０９には６軸力覚センサ
１２７が設けられている。６軸力覚センサ１２７は、作
業する際にハンド１０９に外界から付与される力のＸ、
Ｙ及びＺ軸方向の力成分と、各軸方向におけるトルク成
分とを検出し、これ等の力情報を担う力信号ＦＳ　を発
生する。更に、各関節１２３には図示しないアクチュエ
ータが配設されており、各関節１２３で連結されたアー
ムを相対回転させる。

【００１０】図１６に示されるように、上記マスタアー
ム機構１０１の位置姿勢センサ１１７は、加算器１３１
を介してマスタスレーブ制御装置１０５の位置調節器１
１１と接続されており、検出したマスタアーム機構１０
１の位置姿勢信号ＸＭ　を伝達する。また、力センサ１
１９は、加算器１３３を介して力調節器１１３と接続さ
れており、検出した力ＦＭ　（モーメントも含む）を伝
達する。更に、マスタアーム機構１０１のアクチュエー
タ１２１には、力調節器１１３から駆動信号ＵＭ　が伝
達される。

【００１１】また、上記スレーブアーム機構１０３の位
置姿勢センサ１２５は、位置調節器１１１と加算器１３
１を介して接続されており、検出したスレーブアーム機
構１０３の位置姿勢信号ＸＳ　を伝達する。また、力セ
ンサ１２７は、加算器１３３を介して力調節器１１３と
接続されており、検出した力ＦＳ　を伝達する。更に、
アクチュエータ１２９は位置調節器１１１と接続されて
おり、位置調節器１１１から駆動信号ＵＳ　が伝達され
る。

【００１２】位置調節器１１１は、位置姿勢信号ＸＭ　
、ＸＳ　の偏差が小さくなるようにスレーブアーム機構
１０３のアクチュエータ１２９を制御する。また力調節
器１１３は力信号ＦＭ　、ＦＳ　の偏差が少なくなるよ
うに制御する。

【００１３】以上のように構成された力帰還形の従来の
マスタスレーブマニピュレータは、スレーブアーム機構
１０３のハンド１０９の位置及び姿勢がマスタアーム機
構１０１のグリップ１０７の位置及び姿勢に追随するよ
うに位置姿勢を制御する。また、作業者の感じる力がス
レーブアーム機構１０３のハンド１０９に付与される外
力と同じになるようにマスタアーム機構１０１のグリッ
プ１０７は力制御されている。

【００１４】このようなマスタスレーブマニピュレータ
を使用すれば、作業者は力感覚を得ながら作業をするこ
とが出来る。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記力
帰還形バイラテラルサーボ方式のマスタスレーブマニピ
ュレータでは、力調節器やアクチュエータ等に制御遅れ
が存在し、これが制御性能に大きく影響する。このため
、作業者はスレーブアームのハンドに付与された外力を
マスタアームのグリップで正確に感じることが困難であ
り、作業者は実際にハンドに付与された力よりも小さな
力しか感じることが出来ないという傾向がある。

【００１６】従って、作業者は微妙な力をマスターアー
ム機構のグリップで正確に感じることが出来ないので、
微妙な力感覚が要求されるマニピュレータ作業は不得手
であり、作業性が悪い。

【００１７】そこで、本発明は、作業者が微妙な力感覚
の認識を必要とするマニピュレータ作業を可能とするマ
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。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
、本発明のマスタスレーブマニピュレータは、作業者が
操作するマスタアームと、上記マスタアームの動きに追
従して動作するスレーブアームとを有するマスタスレー
ブマニピュレータにおいて、上記スレーブアームに設け
られて上記スレーブアームが外部から力を受けるとこの
力を検出して力の大きさを表わす力信号を発生する力検
出手段と、上記力信号を上記力の大きさに応じた振動信
号に変換する振動信号発生手段と、上記振動信号を体感
振動に変換する電気機械振動変換器とを備えたことを特
徴とする。

【００１９】

【作用】上記構成の本発明によれば、外部からスレーブ
アームに加えられる力の大きさ及び方向が、Ｘ軸、Ｙ軸
及びＺ軸方向の力成分を表す電気信号に変換され、力の
大きさに応じた信号波形が得られる。この電気信号は振
動子によって信号波形に対応した態様の機械的振動や音
響等の体感可能な体感振動として作業者に伝達される。 これにより作業者は、微妙な力感覚を把握することが可
能となり、スレーブアームのハンドに付与されている外
力の大きさ及び方向を認識しつつマスタアームを操作す
ることが出来る。また、僅かな強さの力の場合でも、信
号レベルを調整することにより振動体の振動レベル等を
適切に設定しすることが出来るので、作業者は微妙な力
加減を認識することが可能となりマニピュレータ作業が
容易になり得る。

【００２０】

【実施例】次に、本発明に係るマスタスレーブマニピュ
レータの実施例について図１乃至図１３を用いて説明す
る。なお、従来のマスタスレーブマニピュレータと同様
に構成される部分については同一符号を付し説明を省略
する。

【００２１】図１において、マスタアーム機構１０１か
らはマスタスレーブ制御装置１０５へ関節角度を示す位
置姿勢信号ＸＭ　、外界から付与された力（モーメント
も含む）を示す力信号ＦＭ　が伝達され、マスタスレー
ブ制御装置１０５からは、各関節に設けられたアクチュ
エータを駆動する駆動信号ＵＭ　が伝達される。

【００２２】一方、スレーブアーム機構１０３からはマ
スタスレーブ制御装置１０５へ関節角度を示す位置姿勢
信号ＸＳ　、外界から付与された力（モーメントも含む
）を示す力信号ＦＳ　が伝達され、マスタスレーブ制御
装置１０５からは各関節に設けられたアクチュエータを
駆動する駆動信号ＵＳ　が伝達される。

【００２３】力信号ＦＳ　は三次元振動信号発生装置３
にも供給される。三次元振動信号発生装置３は、力信号
ＦＳ　からＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向の力成分を表す信号
を分離する。更に、力の向きの正負に対応して信号を生
成する。すなわち、Ｘ軸方向の正及び負方向に作用する
力のレベルを夫々表す振動信号ｆｘ　、−ｆｘ　、Ｙ軸
方向の正及び負方向に作用する力のレベルを夫々表す振
動信号ｆｙ　、−ｆｙ　、Ｚ軸方向の正及び負方向に作
用する力のレベルを夫々表す振動信号ｆｚ　、−ｆｚ　
を発生する。なお、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各軸方向は、
図１３に示されるＸ、Ｙ及びＺ軸方向に対応して定める
ものとする。これ等の振動信号は振幅の大小、周波数の
高低、信号間隔の長短、音色あるいはこれ等の組合せに
よって力のレベル情報を担っている。

【００２４】各振動信号は、例えば三次元に配列された
振動子１１ａ〜１１ｆに供給されて体感振動に変換され
る。各振動子は、例えば図３に示されるマスタアームの
ハンド１０７のグリップ部分を取り囲むように配置され
る。これ等の振動子は圧電素子、ムービングコイル、モ
ータ等の小型の振動体であり、作業者がグリップを把持
すると掌に密着して各力成分の大きさを体感振動により
伝達する。図示しないが、この振動子の振動が他の部分
に影響を与えないように緩衝部材により振動対策が施さ
れている。

【００２５】三次元振動信号発生装置３は、例えば図２
の機能ブロック図に示されるようにＣＰＵ等によって構
成される。まず、力信号Ｆｓ　は入力インタフェース３
ａによってＣＰＵ３ｂの処理可能な信号形式に信号変換
される。ＣＰＵ３ｂは、図４に示されるような信号処理
手順に従ってＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向の正負の力成分を
分離する。すなわち、一連の力信号Ｆｓ　を読取って内
部メモリに記憶し（ステップＳ１）、これよりＸ軸方向
の力成分を分離する（ステップＳ２）。この値が正であ
るときはレジスタｆｘ　にレベルを設定し、負であると
きはレジスタ−ｆｘ　にレベルを設定する（ステップＳ
３）。力信号Ｆｓ　からＹ軸方向の力成分を分離する（
ステップＳ４）。この値が正であるときはレジスタｆｙ
　にレベルを設定し、負であるときはレジスタ−ｆｙ　
にレベルを設定する（ステップＳ５）。力信号Ｆｓ　か
らＺ軸方向の力成分を分離する（ステップＳ６）。この
値が正であるときはレジスタｆｚ　にレベルを設定し、
負であるときはレジスタ−ｆｚ　にレベルを設定する（
ステップＳ７）。各レジスタの出力はＤ／Ａ変換器群３
ｄによってレベル信号に変換されて各別のＶＧＡ（可変
利得増幅器）３ｅの利得制御入力端に供給される。各力
成分毎に設けられたＶＧＡは発振器３ｆから供給される
信号を上記レベル信号の値に応じてパワー増幅し、振動
信号ｆｘ　、−ｆｘ　、ｆｙ　、−ｆｙ　、ｆｚ　及び
−ｆｚ　を出力する。これ等振動信号は既述したハンド
１０７のグリップ部分に配設された振動子を駆動する。

【００２６】次に、図１２及び１３を参照し、かかる装
置を用いてスレーブアーム機構１０３のハンド１０９が
把持しているワークである丸棒９を対象物７に設けた穴
７ａ内へ挿入する作業を上記マスタスレーブマニピュレ
ータ１によって行う作業例について説明する。

【００２７】丸棒９の外径と穴７ａの内径との寸法差が
小さい場合、この作業は微妙な力感覚が必要となる。丸
棒９の先端部が対象物７に接しているが穴７ａ内に挿入
されていない状態が図１３に示されている。このような
状態では、対象物７から丸棒９の先端に反力Ｆｓ　が付
与される。

【００２８】この反力Ｆｓ　は力センサーで検出された
後に、３次元振動信号発生装置３で図４に示した手順に
よって処理されてハンド１０９に作用する３方向の力に
演算されてこれ等のレベルに応じた振動信号に変換され
る。グリップ部分に三次元に配設された振動子群は上記
振動信号によって駆動され、力成分方向にこの力成分の
大きさに応じた体感振動を発生する。この振動のレベル
はＶＧＡ３ｅの利得を調整することにより、適切に設定
される。

【００２９】作業者は、この振動子による振動を掌で認
識することにより微妙な反力を知ることができる。三次
元方向の各成分が零になり、振動が発生しないとき、丸
棒９は穴７ａへの挿入が可能な状態であることを示して
おり、作業者はこのグリップ１０７に設けられた各振動
子の振動が零になるようにマスタアームを操作してスレ
ーブアームを遠隔操作する。

【００３０】このように、作業者はハンド１０９に把持
された部材に印加される外力の微妙な大きさや方向をマ
スタアーム１０１のグリップに設けられた振動子により
認識することが出来るので、微妙な力感覚を必要とする
作業であっても、この作業を円滑に行うことが可能とな
り、作業性は向上する。

【００３１】ところで、体感振動として、機械的振動の
他、可聴音等をも利用することができる。図５はこのよ
うな構成例を示しており、力信号Ｆｓ　は音響信号発生
装置４に供給される。音響信号発生装置４は、例えば周
波数の異なる３つの信号ｆｈ　、ｆｍ　及びｆｌを発生
する。 これ等の信号は作業者の近くに配置された電気音響変換
器たるスピーカ５に供給されて音響に変換され、作業者
に聴取される。

【００３２】音響信号発生装置４は、例えば図６の機能
ブロック図に示されるようにＣＰＵ等によって構成され
、力信号Ｆｓ　は入力インタフェース４ａによってＣＰ
Ｕ４ｂの処理可能な信号形式に信号変換される。ＣＰＵ
４ｂは、図７に示されるような信号処理手順に従ってＸ
軸、Ｙ軸及びＺ軸方向の正負の力成分を分離し、これ等
の力成分に対応する周波数信号ｆｈ　、ｆｍ　及びｆｌ
のレベルを力成分の大きさにより定める。すなわち、ス
レーブアーム１０３のハンド１０９から供給される一連
の力信号Ｆｓ　を読取って内部メモリに一旦記憶する（
ステップＳ１１）。これよりＸ軸方向の力成分を分離し
、この力成分の値をレジスタ４ｃ１　に設定する（ステ
ップＳ１２）。レジスタ４ｃ１　の出力はＤ／Ａ変換器
４ｄ１　を介してＶＧＡ４ｅ１　の利得設定入力端に供
給される。ＶＧＡ４ｅ１　は発振器４ｆ１　から供給さ
れる周波数信号ｆｌの振幅をレジスタ４ｃ１　に設定さ
れた値に応じて定め、スピーカ５に供給する。

【００３３】次に、Ｙ軸方向の力成分を分離し、この力
成分の値をレジスタ４ｃ２　に設定する（ステップＳ１
３）。レジスタ４ｃ２　の出力はＤ／Ａ変換器４ｄ２　
を介してＶＧＡ４ｅ２　の利得設定入力端に供給される
。ＶＧＡ４ｅ２　は発信器４ｆ２　から供給される周波
数信号ｆｍ　の振幅をレジスタ４ｃ２　に設定された値
に応じて定め、スピーカ５に供給する。

【００３４】更に、Ｚ軸方向の力成分を分離し、この力
成分の値をレジスタ４ｃ３　に設定する（ステップＳ１
４）。レジスタ４ｃ３　の出力はＤ／Ａ変換器４ｄ３　
を介してＶＧＡ４ｅ３　の利得設定入力端に供給される
。ＶＧＡ４ｅ３　は発振器４ｆ３　から供給される周波
数信号ｆｍ　の振幅をレジスタ４ｃ３　に設定された値
に応じて定め、スピーカ５に供給する。

【００３５】発振器４ｆ１　〜４ｆ３　は、ＣＰＵ４ｂ
からの指令に応答して出力する振動信号の発振周波数、
リズム、音色等を定める。

【００３６】こうして、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方
向における力成分の絶対値を音響により認識することが
できる。

【００３７】音場制御により、力成分を認識するように
した例を図８に示す。これは図２に示されるＸ軸、Ｙ軸
及びＺ軸方向における正負の力成分を表す振動信号を得
る構成に図６に示される複数の発振器４ｆ１　〜４ｆ２
　を追加した構成としている。

【００３８】このようにして得られた可聴信号ｆｘ　、
−ｆｘ　、ｆｙ　、−ｆｙ　、ｆｚ　及び−ｆｚ　を図
９に示されるように作業者を含む三次元空間に配置され
た３対のスピーカ５ｘ　〜５−ｚに供給する。その結果
、ハンドに外力が印加されると、力成分の方向からその
大きさに対応した音量の音響信号が発生し、作業者はグ
リップの操作方向及び力加減を認識することが可能とな
る。

【００３９】図１１（Ａ）は、作業者のヘルメット２３
内に小スピーカを設けて、音場制御を行う例を示してお
り、作業者の耳を囲むようにヘルメットの両側面に夫々
４つのスピーカが配置される。同図（Ｂ）は同図（Ａ）
の水平方向における断面図である。小スピーカ２２ａ〜
２２ｈは、可聴信号ｆｘ　、−ｆｘ　、ｆｙ　、−ｆｙ
　、ｆｚ　を適宜に組み合わせるミクサ２１の出力によ
って駆動される。例えば、スピーカ２２ａは、可聴信号
−ｆｙ　、ｆｚ　、ｆｘ　を適当なレベルで合成した信
号で駆動する。スピーカ２２ｂは可聴信号−ｆｙ　、ｆ
ｚ　、−ｆｘ　を適当なレベルで合成した信号で駆動す
る。スピーカ２２ｃは可聴信号−ｆｙ　、−ｆｚ　、ｆ
ｘ　を適当なレベルで合成した信号で駆動する。スピー
カ２２ｄは可聴信号−ｆｙ　、−ｆｚ　、−ｆｘ　を適
当なレベルで合成した信号で駆動する。スピーカ２２ｅ
〜２２ｈの各々は、可聴信号−ｆｙ　をｆｙ　に置換し
て、上述と同様に合成した信号で駆動される。

【００４０】こうすると、聴感的にヘルメット内に音像
が形成され、この音像位置がハンド１０９に印加される
外力ベクトルに応じた位置に移動する。従って、作業者
は力加減を立体的に認識することが可能となる。また、
作業のために遮音された空間を確保する必要がなくなる
利点もある。

【００４１】なお、上述した体感振動を発生する振動子
を、腰、腕、頭等に巻いたベルトの内側に設けた構成と
することも可能である。

【００４２】

【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では、スレーブアームのハンド
に印加される外力を力検出手段により検出し、この力の
大きさ及び方向を機械的振動や可聴音等の体感振動によ
って作業者に伝達するようにしたので、作業者は微妙な
力を認識することが出来、微妙な力加減が要求されるマ
ニピュレータ作業における作業性を向上させることが可
能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示すブロック図。

【図２】３次元振動信号発生装置３の構成を示す機能ブ
ロック図。

【図３】ハンド１０７に配設された振動子の例を示す斜
視図。

【図４】ＣＰＵ３ｂの動作を説明するフローチャート。

【図５】本発明の第２実施例を示すブロック図。

【図６】音響信号発生装置４の構成を示す機能ブロック
図。

【図７】ＣＰＵ４ｂの動作を説明するフローチャート。

【図８】本発明の第３実施例を示すブロック図。

【図９】スピーカの配置例を示す説明図。

【図１０】本発明の第４実施例を示すブロック図。

【図１１】ヘルメット内に音像を発生させる例を示す説
明図。

【図１２】マニピュレータ作業を説明する斜視図。

【図１３】マニピュレータ作業を説明する斜視図。

【図１４】マスタアームを説明する斜視図。

【図１５】スレーブアームを説明する斜視図。

【図１６】マスタスレーブマニピュレータの制御を説明
するブロック図。

【符号の説明】

１　　マススレーブマニピュレータ ３　　３次元振動信号発生装置 １０１　　マスターアーム機構 １０３　　スレーブアーム機構 １１７　　位置姿勢センサ １２５　　位置姿勢センサ １１９　　力センサ １２７　　力センサ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】作業者が操作するマスタアームと、前記マ
   スタアームの動きに追従して動作するスレーブアームと
   を有するマスタスレーブマニピュレータであって、前記
   スレーブアームに設けられて前記スレーブアームが外部
   から力を受けるとこの力を検出して力の大きさを表わす
   力信号を発生する力検出手段と、前記力信号を前記力の
   大きさに応じた振動信号に変換する振動信号発生手段と
   、前記振動信号を体感振動に変換する電気機械振動変換
   器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. 【請求項２】作業者が把持して操作するマスタアームと
   、前記マスタアームの動きに追従して動作するスレーブ
   アームとを有するマスタスレーブマニピュレータであっ
   て、前記スレーブアームに設けられて前記スレーブアー
   ムが外部から力を受けるとこの力を検出して前記力の大
   きさ及び方向を表わす力信号を発生する力検出手段と、
   前記力信号に基づいて前記力の少なくとも三次元方向の
   大きさを夫々表すＸ振動信号、Ｙ振動信号及びＺ振動信
   号を発生する振動信号発生手段と、前記マスタアームの
   把持部分に配置されて前記Ｘ振動信号、Ｙ振動信号及び
   Ｚ振動信号を体感振動に変換する複数の電気機械振動変
   換器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。