JPH04360777A - マスタ・スレーブマニピュレータの制御方法 - 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】本発明は遠隔操作ロボットのマス
タ・スレーブマニピュレータに適用される制御方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】マスタ・スレーブマニピュレータの制御
開始に当っては、マスタマニピュレータ（以下マスタと
称する）とスレーブマニピュレータ（以下スレーブと称
する）とが偏差なく同一位置にあるとは限らない。この
ため、制御に当っては、例えば以下（１）（２）（３）
に示すような制御手法が考えられている。

【０００３】（１）　　制御開始と同時にマスタ・スレ
ーブ制御を行なう方法 通常、最も多く使われている図５に示すようなマスタ・
スレーブ制御である。この制御は、マスタ１の角度検出
器３による関節角θｍからスレーブ２の角度検出器４に
よる関節角θｓ　を差し引いた偏差を△θとし、この偏
差△θに最適な角度ゲインＫａ　を乗じ、リミッタやヒ
ステリシス等の制御特性ならびにオペレータ１０の操作
性を改善する処置を行ない、アクチュエータの指令値ｄ
θｄ／ｄｔを得てスレーブのサーボドライバ６を動作さ
せるものである。このように、制御開始と同時にマスタ
・スレーブ制御を行なうとき、マスタ１とスレーブ２の
偏差が大きい場合には、開始と同時にスレーブ２が最大
速度でマスタ１の関節角に追従する動作をする。

【０００４】（２）　　各関節ごとにマスタとスレーブ
の角度が合致した時点からマスタ・スレーブ制御とする
方法 この方法では制御を開始しても、一般的にはすぐにはス
レーブは動き出さない。オペレータはマスタの関節を正
転あるいは逆転させながら一軸ずつスレーブの関節角に
合せて、一致した軸からスレーブがマスタに追従すると
いうマスタ・スレーブ制御を開始する。

【０００５】（３）　　動作開始時のマスタとスレーブ
間の位置偏差をオフセットとし、そのまま動作させる方
法動作開始時のマスタとスレーブ間の位置偏差をそのま
まオフセットして制御装置にセットし、マスタ・スレー
ブ制御を行なう。この方法ではマスタとスレーブの姿勢
は必ずしも同じとはならない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の手法（
１）（２）（３）では次の問題が生ずる。 （１）　　制御開始と同時にマスタ・スレーブ制御とす
る方法。 通常は制御開始時のマスタ１とスレーブ２の姿勢は大き
く異なるため、制御開始と同時に急激にスレーブ２が動
き、周囲の物体や自分自身に衝突する恐れがあってたん
へん危険である。最大速度が速いマニピュレータや大き
なマニピュレータほど危険であり、実用機に適用するこ
とは問題が多い。

【０００７】（２）　　各関節ごとにマスタとスレーブ
の角度が合った時点からマスタ・スレーブ制御とする方
法。 上記（１）に比べ、急激に動くことはないので安全であ
る。しかし、オペレータがスレーブを見ながら一軸づつ
関節角を合わせていくので全軸が合って作業を始められ
るまで時間がかかる。特に、マスタ・スレーブ制御の間
に自動制御、自律制御でスレーブのみが作動するような
制御を行なう場合は、マスタ・スレーブ制御を再開する
たびにこれらの角度合せ動作を行なわなければならず、
これらはあまりに煩雑かつ時間がかかり、非実用的とな
る。また、スレーブの周囲に障害物が多くある環境では
、角度合わせ動作がやりにくい。

【０００８】（３）　　動作開始時のマスタとスレーブ
間の位置偏差をオフセットし、そのまま動作させる方法
この方法では、動作開始時のスレーブの動きによる危険
や角度合わせに要する時間の問題はないが、マスタとス
レーブの姿勢が異なっているため作業がやりにくい場合
がある。特に双腕マニピュレータでは、マスタとスレー
ブの姿勢の差異によってはスレーブマニピュレータは干
渉していないのにマスタ同士が干渉して作業が出来ない
場合もある。また、動作範囲を最大限に利用する場合ス
レーブがまだ動作範囲内であるのに、マスタが限界に達
してしまい作業が出来ない状態も生ずる。

【０００９】本発明は、安全性の点から有利でありかつ
角度合せ操作の時間の浪費を除くオフセット方式を採用
し、しかもオフセット方式のマスタとスレーブの姿勢が
異なるという問題を除去するようにしたマスタ・スレー
ブマニピュレータの制御方法の提供を目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めの本発明は、マスタマニピュレータの動きをスレーブ
マニピュレータに追従させるマスタ・スレーブマニピュ
レータの制御方法において、マスタ・スレーブマニピュ
レータの動作開始時には、マスタマニピュレータとスレ
ーブマニピュレータとの位置偏差にてオフセットを設定
し、マスタ・スレーブマニピュレータの動作開始後は上
記オフセットを徐々に減少させることを特徴とする。

【００１１】

【作用】マスタの移動方向が、動作開始時に設定したオ
フセットを増大させる方向の場合には、そのままのオフ
セットを保ち、マスタの移動方向がオフセットを減少さ
せる方向の場合には、オフセットを減少させるよう変更
させ、最終的にオフセットを零にする。

【００１２】

【実施例】ここで、図１〜図４とを参照して本発明の実
施例を説明する。なお、図１においては、図５と同様１
軸分の関節の制御ブロックで、同一部分には同符号を付
す。図１において、１はマスタマニピュレータ（マスタ
１とする）、２はスレーブマニピュレータ（マスタ２と
する）、３はマスタマニピュレータ角度検出器（角度検
出器３とする）、４はスレーブマニピュレータ角度検出
器（角度検出器４とする）、６はサーボドライバである
。角度検出器３，４の角度θｍ，θｓ　は、減算器にて
減算され△θ＝θｍ−θｓ　となって位置偏差△θがえ
られる。この位置偏差△θは、切換スイッチ７により制
御開始時と動作時とに切換えられて、制御開始時ではオ
フセット設定器５に送られ、動作時ではオフセット設定
器５の出力θｏｆｆ　と減算器にて算出されて新たな偏
差△θ’を算出し、適当な定数を乗じた比例演算、リミ
ッタ、特性改善の処理を行ない、スレーブ指令ｄθｄ／
ｄｔとしサーボドライバ６を駆動する。そして、このサ
ーボドライバ６にてアクチュエータが動きスレーブ２が
動作する。

【００１３】このうち、切換スイッチ７は、制御開始直
後は△θがオフセット設定器５に一瞬送られるだけで足
りるので、例えば電気的なタイマ回路等により自動的に
開始時から動作時に切換わるようにできる。この切換ス
イッチ７による開始時での偏差△θは、図２にも示すよ
うにオフセット発生のために用いられる。この偏差△θ
をマスタ１とスレーブ２の肩軸の第１関節を例としてみ
た場合には、図３（ａ）のθｍのマスタに対し図３（ｂ
）のθｓ　のスレーブとなって、△θが生じるように図
示できる。

【００１４】次に、オフセット設定器５につき説明する
に、この設定器は図２に示すブロックを有する。まず、
制御開始直後での切換スイッチ７により偏差△θがオフ
セット発生器５ｄに入力されてオフセットθｏｆｆ　が
設定される。次に、動作時角度検出器３からのマスタ角
度θｍが入力されると、角速度算出部５ａにて角速度ｄ
θｍ／ｄｔ＝ｄθ／ｄｔが得られる。ついで、符号判定
部５ｂにてマスタ角速度ｄθｍ／ｄｔが最初設定された
オフセットθｏｆｆ　と同符号か否かを判定する。つま
り、角速度ｄθｍ／ｄｔがオフセットθｏｆｆ　を増大
させる方向にあるか減少させる方向にあるかを判定し、
符号が同符号で増大させる方向の場合は予め設定された
オフセットθｏｆｆ　をそのまま出力し、異符号で減少
させる場合にはオフセット変更部５ｃにてオフセットが
変更される。このオフセット変更部５ｃの出力は、オフ
セット発生器５ｄに至り、当初の偏差△θによるオフセ
ットθｏｆｆ　を減少するように変更する。減少に当っ
ては、オフセット変更部５ｃにて例えばＫ・ｄθｍ／ｄ
ｔを設定されたオフセットに加えたりすることで変更で
きる。これによれば、速く動かすとオフセットは速く零
になり、逆にマスタをゆっくり動かせば、オフセットも
ゆっくり零となる。このようにして予め決められたオフ
セットθｏｆｆ　により、まず動作時には偏差△θが減
算されて図３（ｃ）に示す新たな偏差△θ’となり、ス
レーブ２へのマスタ１の接近によってオフセットθｏｆ
ｆ　の減少変更なされ、θｏｆｆ　＝０によってマスタ
１とスレーブ２の動きが合致するようになる。

【００１５】図４は、１軸分の回路図であり、主にオフ
セット設定器５の図１，図２より更に具体的に構成を示
す。図４において、１１はマスタの関節角のポテンショ
メータ、１２はマスタの角速度検出のタコジェネレータ
、２１はスレーブの関節角検出のポテンショメータ、２
２はスレーブの角速度のタコジェネレータである。ポテ
ンショメータ１１及びスレーブのポテンショメータ２１
からインバータ３１を経て関節角θｍ，θｓ　は、加算
器３２を介してスイッチ４０にて切換えられ、制御開始
時の接点ｂか動作時の接点ａかに投入される。一方、マ
スタのタコジェネレータ１２の角速度は、オフセット設
定器に入力され、このオフセット設定器内では、しきい
値との比較器３４（０または１を出力する）、定数設定
器３６、乗算器３５、及び積分器４２を有し、更に切換
スイッチ４０のｂ接点につながるサンプルホールド回路
３３を経て積分器４２の出力との加算を行なう加算器３
２を有する。また、オフセット設定器の出力は、オフセ
ットθｏｆｆ　＝０にて切れるスイッチ４１を介して加
算器３２に入力され、定数設定器３６、リミッタ３７、
特性改善（例えばデッドゾーン発生）回路３８、速度フ
ィードバックサーボアンプ３９に至る。

【００１６】かかる図４の回路にて動作開始時の切換ス
イッチ４０は接点ｂにより前述の△θがサンプルホール
ドされる。この後、マスタの動作により角速度ｄθｍ／
ｄｔが比較器３４に入力され、ｄθｍ／ｄｔ≧０の場合
比較器３４の出力は零、ｄθｍ／ｄｔ＜０の場合比較器
３４の出力が「１」となる。この比較器出力と定数Ｋ１
　を乗算して積分することにより加算器３２の入力はＫ
１　∫ｄｔとなり、よって加算器３２の出力θｏｆｆ　
がＫ１　∫ｄｔ＋△θとなる。この場合、Ｋ１　の値に
より動作後すぐにオフセットを０にしたり長時間をかけ
て０にしたりすることができる。なお、図４ではしきい
値を設定してそれ以上の角速度では一定速度で減少して
ゆくようにしたのものであるが、図２ではオフセットの
減少速度はマスタの関節角速度に比例されていることが
異なっている。

【００１７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、次
の（１）（２）（３）の効果を得ることができる。 （１）　　安全性の向上 マスタ・スレーブ制御を開始すると徐々にオフセットを
なくす方向に動くため、不意に急激に動いて周囲の物体
に当ったりする恐れがない。 （２）　　位置合せ時間の排除 一軸ずつ合わせる手法で必要な動作開始時の準備時間が
不要となり、マスタ・スレーブ動作を迅速に開始出来る
。 （３）　　オフセットにより生ずる動作範囲の制御の排
除動作開始後しばらくするとオフセットはなくなるため
マスタとスレーブ間のオフセットにより、スレーブの動
作範囲に制御を受けることがなくなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を説明する制御ブロック図で
ある。

【図２】図１のオフセット設定器のブロック図である。

【図３】マスタ・スレーブの偏差とオフセットの説明図
である。

【図４】具体的なアナログ回路図である。

【図５】従来のマスタ・スレーブ制御ブロック図である
。

【符号の説明】

１　　マスタマニピュレータ ２　　スレーブマニピュレータ ３，４　　角度検出器 ５　　オフセット設定器 ５ａ　　角速度算出部 ５ｂ　　符号判定部 ５ｃ　　オフセット変更部 ５ｄ　　オフセット発生部 ７　　切換スイッチ １１，２１　　ポテンショメータ １２，２２　　タコジェネレータ ３２　　加算器 ３３　　サンプルホールド回路 ３４　　比較器 ３５　　乗算器 ３６　　定数設定器 ４０，４１　　スイッチ ４２　　積分器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　マスタマニピュレータの動きをスレー
   ブマニピュレータに追従させるマスタ・スレーブマニピ
   ュレータの制御方法において、マスタ・スレーブマニピ
   ュレータの動作開始時には、マスタマニピュレータとス
   レーブマニピュレータとの位置偏差にてオフセットを設
   定し、マスタ・スレーブマニピュレータの動作開始後は
   上記オフセットを徐々に減少させることを特徴とするマ
   スタ・スレーブマニピュレータの制御方法。