JPH0443741B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 (イ) 発明の目的 ［産業上の利用分野］ この発明はマスタマニピユレータとスレーブマ
ニピユレータを使用した遠隔操作装置の制御方式
に関するものである。

［従来の技術］ 宇宙や海洋あるいは原子力分野等における作業
のように、実際の作業をなすべき環境（作業環
境）に作業者が立入ることができない場合には、
作業環境にスレーブマニピユレータを設置し、こ
れを安全な遠隔の操作環境に設置したマスタマニ
ピユレータを使用して遠隔操作する方法が通常取
られている。

この遠隔操作を円滑に行なうためには、作業環
境における情報を操作環境における操作者に正確
に伝達させる必要があり、従来、視覚情報につい
ては、作業環境の状況の情報をテレビカメラ等を
利用して操作環境に伝達し、そうして伝達された
作業環境の情報に基づいて操作環境で操作者がマ
スタマニピユレータを操作し、そのマスタマニピ
ユレータの動きと同じ動作をスレーブマニピユレ
ータにさせることによつて実際の作業を行つてい
る。しかるに、この遠隔操作を円滑に行なうため
にはこのような視覚情報のフイードバツクだけで
は不充分であることが確認され、これに加えて、
スレーブマニピユレータが受けている力の情報を
操作者に与えること、即ち、マスタマニピユレー
タ側及びスレーブマニピユレータ側のいずれから
も相手側マニピユレータに力を伝え得るバイラテ
ラル制御方式が採用されるに至つている。

従来採用されているバイラテラル制御方式は二
種類に大別することができ、第１種のものは位置
検出装置を使用し、サーボ機構からなる位置制御
系を介してマスタ側とスレーブ側の位置を一致さ
せるものであり、対称形バイラテラルサーボ系と
して知られている。第２種のものは、トルク検出
器を使用して、スレーブ側が受ける力をマスタ側
に帰還させるものであり、力逆送形バイラテラル
サーボ系及び力帰還形バイラテラルサーボ系とし
て知られている。

［発明が解決しようとする問題点］ しかるに、第１種のものは構成が簡単で、有効
な方式と考えられている一方で、マスタ側とスレ
ーブ側との間に慣性力や駆動系の摩擦力などの影
響が入り易く真のスレーブマニピユレータにかか
る拘束力がマスタ側に伝達されないという欠点が
ある。また第２種のものは第１種のような欠点は
解決されるが、多くの場合スレーブの関節軸は位
置サーボ系によつて駆動されるため、オペレータ
がマスタ側で力を検出して、スレーブ側に加わる
力の状態を制御しようとする場合、基本的には、
検知した力に応じて、所定の力をスレーブに発生
させるために必要な位置制御量を決定することが
不可欠になる。この力・位置関係は、作業対象物
を介して変換されることになるので、系のパラメ
ータの調整が悪いと発振する等の問題がある。こ
の系のパラメータ調整は通常作業対象物が未知な
ためかなり困難であり、そのため２種のものは、
かなり古くからアイデアは提案されているものの
実用になつておらず、これらの問題についての改
良技術の開発が望まれている。

この発明は上記の如き事情に鑑みてなされたも
のであつて、対称形バイラテラルサーボ系に加え
て、マスタマニピユレータ側をコンプライアンス
可変アクチユエータで構成し、マスタマニピユレ
ータ側のコンプライアンスをスレーブマニピユレ
ータで扱う対象物のコンプライアンスに一致する
ように調整し、これによつてスレーブマニピユレ
ータに所定の力を出力させたい場合に、必要な位
置制御量を決定する場合の力・位置の関係が作業
対象物を介して変換されるものでなく、従つて、
作業対象物体を介して力と変位量を変換する工程
を含まず、従つて、構成が単純で、系が発振等を
生じることのないバイラテラル制御式遠隔操作装
置を提供することを目的とするものである。

(ロ) 発明の構成 ［問題を解決するための手段］ この目的に対応して、この発明のコンプライア
ンス写像型バイラテラル制御式遠隔操作装置は、
マスタマニピユレータとスレーブマニピユレータ
の各自由度を位置制御系で構成し、互いの現在位
置を他方の目標位置とする対称形バイラテラル方
式にあつて、マスタマニピユレータに前記マスタ
マニピユレータの位置を検出する位置検出器と前
記マスタマニピユレータの位置制御系のゲインを
調整し得るゲイン調整装置を設け、スレーブマニ
ピユレータに前記スレーブマニピユレータの位置
を検出する位置検出器と前記スレーブマニピユレ
ータに作用する力を検出する力検出器を設け、前
記位置検出器からの位置信号と前記力検出器から
の力信号からコンプライアンス調整信号を得て前
記ゲイン調整装置を作動させて前記マスタマニピ
ユレータの位置制御系のゲインを調整して前記マ
スタマニピユレータのコンプライアンスが対象物
のコンプライアンスと一致するように前記マスタ
マニピユレータのコンプライアンスを調整するよ
うに構成したことを特徴としている。

以下、この発明の詳細を一実施例を示す図面に
ついて説明する。

第１図において１は遠隔操作装置であり、遠隔
操作装置１は、それぞれ１自由度のマスタマニピ
ユレータ２及びスレーブマニピユレータ３を備え
ている。マスタマニピユレータ２は安全な操作環
境４に配置され、スレーブマニピユレータ３は例
えば海中、宇宙、原子力炉内等の作業環境５に配
置されるものである。６はマスタマニピユレータ
２の入力軸、７はスレーブマニピユレータ３の出
力軸である。

マスタマニピユレータ２には位置検出器８及び
ゲイン調整装置１１が設けられている。位置検出
器８はマスタマニピユレータ２の入力軸６（１
軸、多軸）の位置を検出するものであり、ゲイン
調整装置１１は入力軸６の運動に所定のスチフネ
スを与えるものである。ここでスチフネスとは剛
性ということで剛さを表わし、コンプライアンス
の逆数である。ばねではばね定数がスチフネスに
相当する。

一方、スレーブマニピユレータ３には、位置検
出器１５及び力検出器１４が設けられており、ス
レーブマニピユレータ３の出力軸７（１軸、多
軸）の位置は位置検出器１５によつて検出され、
また、出力軸７に負荷された力またはトルクは力
検出器１４によつて検出される。

［作用］ このような構成の遠隔操作装置の動作は次の通
りである。

スレーブマニピユレータ３によつて操作対象物
１０を壁１６に押しつける作業を行なわせる場合
を例にとると、操作者がマスタマニピユレータ２
の入力軸６を押して変位させると、その入力軸６
の変位量は位置検出器８によつて検出され、その
検出された変位量が位置指令信号として比較器１
７ａに入力され、一方、スレーブマニピユレータ
３の位置は位置検出器１５によつて検出されて、
比較器１７ａに入力され、差信号が比較器１７ａ
から位置制御サーボコントローラ１３ａに入力さ
れて差分だけスレーブマニピユレータ３が駆動さ
れ、このようにしてマスタマニピユレータ２とス
レーブマニピユレータ３とは同じ姿勢をとる。

また、スレーブマニピユレータ３の出力軸７の
位置は位置検出器１５によつて検出され、その検
出された位置が位置指令信号として比較器１７ｂ
に入力され、一方、マスタマニピユレータ２の位
置は位置検出器８によつて検出されて、比較器１
７ｂに入力され、差信号がゲイン調整装置１１を
有する位置制御サーボコントローラ１３ｂに入力
されて差分だけマスタマニピユレータが駆動さ
れ、このようにしてスレーブマニピユレータ３と
マスタマニピユレータ２とは同じ姿勢をとる。

スレーブマニピユレータ３の出力軸７が操作対
象物１０を押すにしたがつて、その反力として出
力軸７に力が負荷されるが、この力の変化量は力
検出器１４によつて検出され、コンプライアンス
調整信号発生器１８に入力される。一方、スレー
ブマニピユレータ３の出力軸７の変位量を測定す
る位置検出器１５の出力はコンプライアンス調整
信号発生器１８にも入力させる。

コンプライアンス調整信号発生器１８では、ス
レーブマニピユレータ３の位置変化量δXと、そ
のときの力増加量δFとの比Ｋ（δX＝KδF）を演算
する。この時、Ｋはマスタマニピユレータ２の変
位方向も考慮して決定される。このＫは、例えば
操作対象物が弾性体である場合には、ばね定数の
逆数に相当するものであり、この比Ｋをコンプラ
イアンス調整信号としてゲイン調整装置１１に送
り、マスタマニピユレータの位置サーボ系のゲイ
ンを変えることによつて、そのコンプライアンス
をスレーブマニピユレータのそれと同一にする。
ゲインとコンプライアンスの関係は、位置制御系
では指令入力が変化し、オペレータがマスタマニ
ピユレータを掴んでいるような場合に外力によつ
て現在位置と指令入力とに偏差を生じると、ゲイ
ンとその偏差の積が力となつてオペレータに感じ
られる。従つて、偏差が一定でも、サーボゲイン
が小さいと、感じられる力は小さく、コンプライ
アンスが大きいことになる。すなわち剛い状態に
対応する。一方サーボゲインが大きいと、感じら
れる力は大きく、コンプライアンスが小さいこと
になる。これはすなわち柔かい状態に対応する。
このように、位置サーボ系のコンプライアンスは
サーボ系のゲインＧに応じて変化することは知ら
れているから、これによつてマスタマニピユレー
タとスレーブマニピユレータは同一の拘束状態に
なるため、マスタを操作するオペレータはストー
ブを直接操作しているような感覚をもつことがで
きる。例えば、コンプライアンス調整信号Ｋが大
すなわち操作対象が非常に柔かい時は、ゲインを
ゼロに近い値にする。このようにすると、マスタ
マニピユレータはスレーブマニピユレータからの
位置信号に対し、全くフリーになる。一方、Ｋが
小すなわち操作対象が固い時はそれに応じてゲイ
ンを大にする。それによつて、マスタマニピユレ
ータはスレーブマニピユレータからの位置指令に
正確に追従するようになるため固くなる。コンプ
ライアンス調整信号Ｋとゲイン調整装置１１のゲ
インＧの関係を第２図に示す。

発明に示した「コンプライアンス写像」の呼称
は、このスレーブマニピユレータ側のコンプライ
アンスがそのままマスタマニピユレータ側に伝達
されることに由来する。

(ハ) 発明の効果 このようにして、この発明の遠隔操作装置にお
いては、操作者とスレーブマニピユレータとの間
の運動を制御するループの内の、作業対象物を介
して力と変位量を変換する過程を含まず、単に、
スレーブマニピユレータの力と変位量を検出して
その比をとつてＫの値としてマスタスレーブ側に
帰還しているだけであり、Ｋの値は変位量δXと
検出される力の値だけで自動的に決定するもので
あり、系はオープンとなり、系が単純となり発振
することがない。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の遠隔操作装置を
示す構成説明図、及び第２図はコンプライアンス
ＫとゲインＧの調整関係を示す説明図である。 １…遠隔操作装置、２…マスタマニピユレー
タ、３…スレーブマニピユレータ、４…操作環
境、５…作業環境、６…入力軸、７…出力軸、８
…位置検出器、１０…操作対象物、１１…ゲイン
調整装置、１３ａ，１３ｂ…位置制御サーボコン
トローラ、１５…位置検出器、１４…力検出器、
１６…壁、１７ａ，１７ｂ…比較器、１８…コン
プライアンス調整信号発生器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ マスタマニピユレータとスレーブマニピユレ
   ータの各自由度を位置制御系で構成し、互いの現
   在位置を他方の目標位置とする対称形バイラテラ
   ル方式にあつて、マスタマニピユレータに前記マ
   スタマニピユレータの位置を検出する位置検出器
   と前記マスタマニピユレータの位置制御系のゲイ
   ンを調整し得るゲイン調整装置を設け、スレーブ
   マニピユレータに前記スレーブマニピユレータの
   位置を検出する位置検出器と前記スレーブマニピ
   ユレータに作用する力を検出する力検出器を設
   け、前記位置検出器からの位置信号と前記力検出
   器からの力信号からコンプライアンス調整信号を
   得て前記ゲイン調整装置を作動させて前記マスタ
   マニピユレータの位置制御系のゲインを調整して
   前記マスタマニピユレータのコンプライアンスが
   対象物のコンプライアンスと一致するように前記
   マスタマニピユレータのコンプライアンスを調整
   するように構成したことを特徴とするコンプライ
   アンス写像型バイラテラル制御式遠隔操作装置。