JPH0615149B2 - 異構造バイラテラル・マスタスレイブ・マニピュレ−タの制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、人間にとって危険な環境下での作業などに有
効な異構造バイラテラル・マスタスレイブ・マニピュレ
ータの制御装置に関するものである。

ここでは、マスタアームとスレイブ・マニピュレータが
機構的に相似な構造を有しているものを「同構造」と位
置づけ、これに対して、それらが相似でない構造を有
し、従って関節座標系を異にするものを「異構造」と定
義する。例えば、手先で位置と方向の６自由度を有する
ような機構は、人間形多関節構造を始め、極座標形、円
筒座標形、直行座標形のような様々な機構、あるいはそ
れらの変形で実現できるが、上記「異構造」はこれらの
機構を異にするものである。

［従来の技術］ 一般に、バイラテラル・マスタスレイブ・マニピュレー
タでは、制御の簡単化を図るためにマスタアームとスレ
イブ・マニピュレータの構造を同一にしているが、この
場合にはマスタアームの操作性が悪いとか、汎用性に欠
ける等の問題があり、従ってマスタアーム及びスレイブ
・マニピュレータをそれぞれ目的に適合した異構造のも
のにするのが操作性等の観点から有効である。

このような異構造のマスタスレイブ・マニピュレータ・
システムを構成する際、マスタアーム及びスレイブ・マ
ニピュレータの位置、速度、力などの情報を相互の関節
座標系間において座標変換することが必要になってくる
が、両者の関節座標系を直接的に変換する変換器を用い
てその座標変換を行うようにした場合には、マスタアー
ムとスレイブ・マニピュレータの異なる組合わせごとに
個別的に座標変換装置を必要とし、例えばそれぞれ複数
種類の異構造のマスタアームとスレイブ・マニピュレー
タとを使用目的に応じて適宜組合わせて使用する場合に
は、マスタアームとスレイブ・マニピュレータとの組合
わせ数に応じた種類の変換操作を行う座標変換装置を個
別的に用意する必要が生じ、汎用性や経済性の点で問題
がある。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明の技術的課題は、異構造バイラテラル・マスタス
レイブ・マニピュレータにおけるこのような問題を解決
し、任意の関節構造をもつマスタアームとスレイブ・マ
ニピュレータとの間の座標変換に適用することができ、
従って任意の関節構造をもつマスタアームとスレイブ・
マニピュレータの組合わせを自由に選択使用することを
可能にし、しかもマスタアームとスレイブ・マニピュレ
ータの座標変換を行うに際し、それらの間に共通座標で
ある空間座標系を設け、これを有効に利用できるように
したマニピュレータの制御装置を得ることにある。

［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するため、本発明のマニピュレータの制
御装置は、関節座標系を異にするマスタアームとスレイ
ブ・マニピュレータを備え、上記マスタアームとスレイ
ブ・マニピュレータの各関節にアクチュエータを設ける
と共に、関節における角度等の位置情報を検出するポテ
ンショメータ及び反力検出用の力センサを設け、上記マ
スタアーム及びスレイブ・マニピュレータに、それぞれ
の関節座標系における位置情報及び力情報を基準となる
作業空間座標系の情報に変換する座標変換器及び作業空
間座標系の力情報をそれぞれの上記関節座標系の力情報
に変換する座標変換器を設け、作業空間座標系に変換し
たマスタアームとスレイブ・マニピュレータの位置情報
及びそれらの力情報の差をとって、位置情報について
は、上記の作業空間座標系の位置情報をスレイブ・マニ
ピュレータの関節座標系の位置情報に変換する座標変換
器を用いて、上記位置情報の差を関節座標系の情報に変
換してスレイブ・マニピュレータのアクチュエータへの
入力とし、力情報については、上記の作業空間座標系の
力情報をマスタアームの関節座標系の力情報に変換する
座標変換器を用いて、上記力情報の差を関節座標系の情
報に変換してマスタアームのアクチュエータへの入力と
する制御系を設けることによって構成される。

［作 用］ このような本発明のマニピュレータ制御装置によれば、
マスタアームを操作したときに、マスタ側の位置検出器
において検出された位置の情報を位置座標変換器におい
てマスタアームの関節座標系から作業空間座標系に変換
し、さらにスレイブ側の位置検出器において検出された
位置の情報を、位置座標変換器においてスレイブ・マニ
ピュレータの関節座標系から作業空間座標系に変換し、
作業空間座標において上記両座標変換器で変換された位
置情報を比較し、その差に相当する信号を指令値とし
て、位置座標変換器で再びスレイブ・マニピュレータの
関節座標系に変換した後、スレイブ側のアクチュエータ
を駆動させる。

従って、マスタアームとスレイブ・マニピュレータが異
構造であっても、スレイブ・マニピュレータの手先はマ
スタアームの手先に追従してそれと同じ動きをすること
になる。

一方、スレイブ側における力センサで検出した力情報
は、力座標変換器においてスレイブ・マニピュレータの
関節座標系から作業空間座標系に変換し、さらにマスタ
側における力センサによって検出された力情報を力座標
変換器において作業空間座標系に変換し、これを上記力
座標変換器の出力と比較し、その差に相当する信号を再
びマスタ側の力座標変換器において作業空間座標系から
マスタアームの関節座標系に変換し、変換された力情報
によりマスタ側のアクチュエータに駆動力を発生させ
る。従って、スレイブ・マニピュレータの先端に対象物
との干渉等による反力が生じたときには、マスタアーム
にそれが伝達されることになる。

即ち、任意の関節構造をもつマスタアームとスレイブ・
マニピュレータとを、基準となる作業空間座標系を介在
させることにより自由に組合わせて使用することがで
き、マスタスレイブ・マニピュレータ・システムの汎用
性を一層高めることができる。

また、上記マスタ側とスレイブ側の座標変換器は、それ
ぞれの関節座標系と作業空間座標系との間の変換を行
い、マスタ側及びスレイブ側の座標変換器の間では、共
通座標である作業空間座標系において情報交換が行われ
ると同時に、アクチュエータを駆動するための偏差信号
の演算等が行われ、従ってこれらの座標変換器間にデー
タバンク等を接続し、このデータバンクにマスタアーム
及びスレイブ・マニピュレータにおけるあらゆる情報を
必要に応じて蓄積し、それをすべてのマニピュレータに
共通のデータとして教示・再生等に利用可能になる。

［実施例］ 第１図は、本発明に係るマニピュレータ制御装置の構成
を示すもので、マスタアーム１及びスレイブ・マニピュ
レータ２としては、各種構造のもの、例えば関節形、極
座標形、またはリンク式直交座標形、その他のものを自
由に選択して用いることができる。

第１図に示したマスタアーム１及びスレイブ・マニピュ
レータ２は、それらにおける各関節の構成を模式的に示
し、11,21は関節における各軸に駆動力を発生するモー
タ等のアクチュエータ、12,22はポテンショメータ等の
位置検出器、13,23は反力を検出するためのトルクセン
サその他の力センサ、14,24はタコジェネレータ等の速
度検出器である。マスタアームとスレイブ・マニピュレ
ータは、それら自由度をｎとすると、それぞれｎ個の関
節をもち、従ってアクチュエータ及び各種センサもそれ
ぞれｎ個ずつ設置される。

このようなマスタアーム１とスレイブ・マニピュレータ
２とは、関節構造を異にする異構造のものが用いられる
ため、それらの関節座標系の間で座標変換を行う必要が
あるが、この座標変換のための制御系としては、それぞ
れマスタアーム１及びスレイブ・マニピュレータ２に付
随した位置座標変換器15,25,26、力座標変換器17,18,2
7、速度座標変換器19,29,30が用いられる。

これらの座標変換器は、それぞれマタアーム１あるいは
スレイブ・マニピュレータ２と結合してユニットを構成
し、マスタアーム１及びスレイブ・マニピュレータ２の
関節座標系を、基準となる作業空間座標系との間で相互
に座標変換するものであり、これらの各座標変換器は、
マスタアームまたはスレイブ・マニピュレータにおける
関節座標系と作業空間座標系との間の座標変換の演算を
行うためのコンピュータ等の演算装置によって構成され
る。従って、以下に詳述するように、マスタアーム側と
スレイブ・マニピュレータ側の座標変換器相互間におい
ては、各情報が作業空間座標系における情報として伝達
されることになり、マスタアーム１及びスレイブ・マニ
ピュレータと座標変換器とをそれぞれ結合したユニット
をモジュール化し、プラグインで接続することが可能に
なる。作業空間座標系としては、例えば直交座標系、そ
の他、作業に適した任意の座標系を用いることができ
る。

而して、上記マスタアーム１とスレイブ・マニピュレー
タ２のそれぞれに付随させた座標変換器間における作業
空間座標系に、マスタアーム１及びスレイブ・マニピュ
レータ２からの位置情報、力情報、及び速度情報のそれ
ぞれの差をもってマスタ側及びスレイブ側のアクチュエ
ータ11,21を駆動する偏差信号出力を発生させるための
手段を設けている。

上記構成を有する制御系においては、マスタ側の位置検
出器12において検出された位置の情報Ｐ^ｍを指令値とし
て、位置座標変換器15においてマスタアーム１の関数座
標系の情報から作業空間座標系における情報に変換し、
さらにスレイブ側の位置検出器22において検出された位
置の情報Ｐ^Ｓを、位置座標変換器25においてスレイブ・
マニピュレータ２の関節座標系の情報から作業空間座標
系の情報に変換し、作業空間座標において上記両座標変
換器15,25で変換された位置情報を比較し、その差に相
当する信号を位置座標変換器26で再びスレイブ・マニピ
ュレータ２の関節座標系の信号に変換した後、位置制御
器31を介してスレイブ側のアクチュエータ21を駆動させ
る。

従って、スレイブ・マニピュレータ２の手先はマスタア
ーム１の手先に追従してそれと同じ動きをすることにな
る。

一方、スレイブ側における力センサ23で検出した力情報
Ｆ^Ｓをマスタ側にフィードバックするため、その力セン
サ23の出力を力座標変換器27においてスレイブ・マニピ
ュレータ２の関節座標系から作業空間座標系に変換し、
さらにマスタ側における力センサ13によって検出された
力情報Ｆ^ｍを力座標変換器17において作業空間座標系の
情報に変換し、これを上記力座標変換器27の出力と比較
して、その差に相当する信号を再びマスタ側の力座標変
換器18において作業空間座標系からマスタアーム１の関
節座標系における情報に変換し、変換された力情報によ
り力制御器32を介してマスタ側のアクチュエータ11に駆
動力を発生させる。従って、スレイブ・マニピュレータ
２の先端に対象物との干渉等による反力が生じたときに
は、マスタアームにそれが伝達されることになる。

上記制御系は、基本的には上述したスレイブ・マニピュ
レータ２の位置制御及びマスタアーム１の力制御を行う
ものであるが、その応答を改善するため、次のような速
度の制御を行うようにしている。

即ち、マスタ側における速度検出器14で検出した速度情
報Ｖ^ｍの座標系を、速度座標変換器19において作業空間
座標系に変換し、またスレイブ側における速度検出器24
によって検出された速度情報Ｖ^Ｓについてもその座標系
と速度座標変換器29により作業空間座標系に変換し、そ
れらの変換出力を比較して、その差に相当する信号を再
び速度座標変換器30においてスレイブ・マニピュレータ
２の関節座標系に変換した後、位置制御器31を介してア
クチュエータ21を駆動する。

なお、マスタアーム１においては、力制御を行うため、
マスタ側の速度検出器14の速度情報を力制御器32を介し
てアクチュエータ11にフィードバックする。

上述したマスタ側の座標変換器15,17〜19及びスレイブ
側の座標変換器25〜27,29,30は、それぞれマスタ側及び
スレイブ側の関節座標系と作業空間座標系との間の変換
を行うため、マスタ側及びスレイブ側の座標変換器の間
は、相互に基準となる作業空間座標系によって情報交換
が行われ、従ってこれらの座標変換器間にデータバンク
を接続し、このデータバンクに情報を蓄積すると、それ
をすべてのマニピュレータに共通のデータとして教示・
再生等に利用することができる。

このような構成を有するマニピュレータ制御装置におい
ては、各種関節構造をもつマタアーム１及びスレイブ・
マニピュレータ２のそれぞれに付設された座標変換器に
おける座標変換が、それらのマスタアーム１及びスレイ
ブ・マニピュレータ２に固有のものになるため、マスタ
アーム及びスレイブ・マニピュレータと座標変換器とを
モジュール化することができ、またマスタアームとスレ
イブ・マニピュレータとはそれらを入れ換えて使用する
ことも可能となり、著しく汎用性を高めることができ
る。

［発明の効果］ 以上に詳述した本発明のマニピュレータ制御装置によれ
ば、任意の関節構造をもつマスタアームとスレイブ・マ
ニピュレータとの間で座標変換を行うに際し、それらの
間に基準となる作業空間座標系を介在させ、この作業空
間座標を介して座標変換を行うようにしているので、機
構的に任意のスレイブ・マニピュレータを選択使用でき
ると同時に、そのスレイブ・マニピュレータの機構にと
らわれることなく、機構的に任意のマスタアームを採用
し、それらを自由に組合わせて使用することができ、そ
のためマスタスレイブ・マニピュレータ・システムの汎
用性、操作性を一層高めることができる。

特に、本発明者らが先に特願昭59-9277号により提案し
ているマスタスレイブ・マニピュレータのように、マス
タアームとスレイブ・マニピュレータの関節座標間で直
接的に座標変換を行うと、座標変換のための演算は１回
ですむが、機構的にマスタアームとスレイブ・マニピュ
レータとの組合せが変わる毎に、別個の座標変換演算が
必要となる。

例えば、ここに機構的に数種類のマスタアーム及びスレ
イブ・マニピュレータがあり、これらの中から任意の機
構のものを組合せてマスタスレイブ・システムを構成す
ると、それらの組合わせ可能数に相当する多くの座標変
換装置が必要になる。しかるに、本発明によれば、それ
ぞれのマスタアーム及びスレイブ・マニピュレータ作業
空間座標との間の座標変換装置が必要となるが、お互い
にどのマニピュレータともそのまま接続できるので、結
局全体では角マスタアーム及び各スレイブ・マニピュレ
ータにそれぞれ固有のものを付随させておくだけでよ
く、上述の組合わせ可能数に応じた座標変換装置を用意
する場合に比して経済的に有利になる。

さらに、本発明においては、マスタアーム及びスレイブ
・マニピュレータにおける各種データをすべて共通座標
である作業空間座標に変換した後に、その作業空間座標
系において必要な加減算処理、即ちアクチュエータを駆
動するための偏差信号を出力させるようにしているの
で、作業空間座標系に各種情報を蓄積するデータバンク
を設け、このデータバンクにマスタアーム及びスレイブ
・マニピュレータにおけるあらゆる情報を必要に応じて
蓄積することにより、それらを各種構造のマスタアーム
及びスレイブ・マニピュレータを用いる場合の共通デー
タとして、教示・再生等に有効に利用することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の模式的構成図である。 １……マスタアーム、 ２……スレイブ・マニピュレータ、 11,21……アクチュエータ、 12,22……位置検出器、 13,23……力センサ、 14,24……速度検出器、 15,25,26……位置座標変換器、 17,18,27……力座標変換器、 19,29,30……速度座標変換器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭50−100770（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−43255（ＪＰ，Ａ) 特公 平４−13103（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】関節座標系を異にするマスタアームとスレ
   イブ・マニピュレータを備え、 上記マスタアームとスレイブ・マニピュレータの各関節
   にアクチュエータを設けると共に、関節における角度等
   の位置情報を検出するポテンショメータ及び反力検出用
   の力センサを設け、 上記マスタアーム及びスレイブ・マニピュレータに、そ
   れぞれの関節座標系における位置情報及び力情報を基準
   となる作業空間座標系の情報に変換する座標変換器及び
   作業空間座標系の力情報をそれぞれの上記関節座標系の
   力情報に変換する座標変換器を設け、 作業空間座標系に変換したマスタアームとスレイブ・マ
   ニピュレータの位置情報及びそれらの力情報の差をとっ
   て、位置情報については、上記の作業空間座標系の位置
   情報をスレイブ・マニピュレータの関節座標系の位置情
   報に変換する座標変換器を用いて、上記位置情報の差を
   関節座標系の情報に変換してスレイブ・マニピュレータ
   のアクチュエータへの入力とし、力情報については、上
   記の作業空間座標系の力情報をマスタアームの関節座標
   系の力情報に変換する座標変換器を用いて、上記力情報
   の差を関節座標系の情報に変換してマスタアームのアク
   チュエータへの入力とする制御系を設けた、 ことを特徴とする異構造バイラテラル・マスタスレイブ
   ・マニピュレータの制御装置。