JPH06195127A - マニピュレータのハイブリッド遠隔制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡単なジョイスティック等による指令により
マニピュレータを遠隔操作し、組立てなどのように反力
を正確に制御しなければならないような複雑な作業も容
易に実行できるようにしたマニピュレータの遠隔制御装
置を得る。 【構成】 エンドエフェクタが受ける力を検出する多軸
の力センサを備えたマニピュレータと、上記力センサの
出力信号をフィードバックして上記マニピュレータの動
作を制御する遠隔制御装置とを備える。この遠隔制御装
置には、マニピュレータに多軸方向の速度指令または力
指令を入力する多軸のジョイスティックを備えると共
に、このジョイスティックからの指令値を各軸ごとに上
記力センサの出力値と比較し、それらの差に相当する誤
差信号から得た速度指令値をエンドエフェクタ座標系に
おける変位指令値に変換し、それをマニピュレータを駆
動するサーボ回路に入力するところの出力制御装置を備
える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、マニピュレータのハイ
ブリッド遠隔制御装置に関するものであり、更に詳しく
は、原子炉内作業ロボット、海中作業ロボット、宇宙用
ロボットなどのように、ロボットの遠隔制御により複雑
な作業を必要とする場合、特に、対象物と干渉があっ
て、力制御が必要とされる作業に有効なハイブリッド遠
隔制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】マニピュレータの遠隔制御では、通常、
人間がＴＶカメラなどを見ながら操作しているが、この
ような手段では、エンドエフェクタの正確な位置決めが
現実的に不可能である。したがって、組立てなどの作業
を行う場合、単純なジョイスティックによる操作では作
業を遂行することが不可能である。

【０００３】一方、このような問題を解決するため、エ
ンドエフェクタが受ける反力をフィードバックするバイ
ラテラル・マスタスレイブ制御が提案されているが、力
を正確、安定的にフィードバックすることが難しく、こ
の場合も作業を効果的に行うことが困難である。しか
も、複雑、大掛かりで高価なマスタマニピュレータを用
いる必要があり、経済的にも大きな負担になる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の技術的課題
は、簡単なジョイスティック等の動作指令装置による指
令によりマニピュレータを遠隔操作し、組立てなどのよ
うに反力を正確に制御しなければならないような複雑な
作業も容易に実行できるようにしたマニピュレータの遠
隔制御装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明のハイブリッド遠隔制御装置は、エンドエフェ
クタが受ける力を検出する多軸の力センサを備えたマニ
ピュレータと、上記力センサの出力信号をフィードバッ
クして上記マニピュレータの動作を制御する遠隔制御装
置とを備え、上記遠隔制御装置には、マニピュレータに
多軸方向の速度指令または力指令を入力する多軸の動作
指令装置と、この動作指令装置からの指令値を各軸ごと
に上記力センサの出力値と比較し、それらの差に相当す
る誤差信号から得た速度指令値をエンドエフェクタ座標
系における変位指令値に変換してマニピュレータを駆動
するサーボ回路に入力する出力制御装置とを設けること
により構成される。

【０００６】

【作用】上記マニピュレータの動作制御において、エン
ドエフェクタが対象物等に接触せず、自由に動けるとき
には、力センサの出力は零である。そのため、マニピュ
レータは動作指令装置の指令値により与えられる指令値
を速度指令値としてその指令の通りに動くことになる。
一方、エンドエフェクタが対象物等に接触した場合に
は、その接触力に応じた出力が力センサに発生してフィ
ードバックされ、そのため誤差信号が零になるまでエン
ドエフェクタが対象物等に押付けられる。この場合に
は、動作指令装置により加えられた指令が力の指令とな
って力制御される。

【０００７】多軸の各軸方向については個別的に制御す
るので、ある特定の方向では上記力制御であっても、他
の方向には速度制御され、そのため、ある方向にエンド
エフェクタを押付けながら他の方向に速度制御されて駆
動されることもある。したがって、簡単な動作指令装置
による指令によりマニピュレータを遠隔操作し、組立て
などのように反力を正確に制御しなければならないよう
な複雑な作業も容易に実行できるようにしたマニピュレ
ータの遠隔制御が可能になる。

【０００８】

【実施例】図１は、本発明を適用したマニピュレータの
ハイブリッド遠隔制御システムの全体的構成を模式的に
示している。この遠隔制御システムは、ロボット１と、
その動作を制御する遠隔制御装置２を主体として構成さ
れる。上記ロボット１としては、アクチュエータ１２の
動作により伸縮する６本の直動リンク１１を備え、これ
らのアクチュエータ１２でエンドエフェクタ１３が並列
駆動されるパラレルリンク・マニピュレータ（特開平３
−２９４１９３号公報参照）を用いた場合を示している
が、このマニピュレータとしては、もちろん従来から知
られているシリアル型ロボット等を用いることができ
る。また、マニピュレータの手先には、エンドエフェク
タ１３にかかる反力を検出する６軸（例えば、互いに直
交するＸ，Ｙ，Ｚ軸方向及びそれらの軸の周りの回転方
向）の力センサ１４が搭載されており、この力センサ１
４の出力信号を遠隔制御装置２にフィードバックして力
制御ループが形成される。

【０００９】一方、ロボット１の動作を制御する遠隔制
御装置２は、オペレータが操作する６軸のジョイスティ
ック２１と、その出力に基づいてロボット１に動作指令
を出力する出力制御装置２２を備えている。ここでは、
ロボット１の動作指令のためにジョイスティック２１を
用いる場合を示しているが、それに限ることなく、６
軸、例えば、互いに直交するＸ，Ｙ，Ｚ軸方向及びそれ
らの軸の周りの回転方向の速度指令または力指令を入力
できるような動作指令装置であればよい。

【００１０】図２は、上記ハイブリッド遠隔制御システ
ムの制御系の構成を示している。この制御系において
は、ジョイスティック２１からの指令値及びバイアス信
号がマニピュレータの力センサ１４の出力値と比較さ
れ、それらの差に相当する誤差信号が、それに応じた速
度指令値を得るためのコンプライアンス行列を成分とす
る増幅器により増幅される。この信号値は、エンドエフ
ェクタ１３が動作する空間を表す基準座標系での値であ
るため、座標変換器に入力し、そこでロボットの各リン
ク１１を制御するためのリンク座標系の速度指令値へと
変換される。

【００１１】次いで、この速度指令値は積分器により積
分して位置を与えるリンク変位指令値とし、これが所要
の直動リンク１１のアクチュエータ１２のサーボ回路に
入力される。このサーボ回路は、リンク変位を検出する
センサの値を用いて、指令値とリンク１１の実際の変位
とが等しくなるようにフィードバック制御を行うもので
あり、このサーボ回路の動作によってロボット１に所要
の動作が与えられる。エンドエフェクタ１３に取付けた
６軸の力センサ１４は、その出力値をジョイスティック
２１からの指令値等と比較するためにフィードバックさ
れるが、その力センサ１４の出力値はエンドエフェクタ
１３に固定されたエンドエフェクタ座標系上の値である
から、座標変換器においてそれを基準座標系への値に座
標変換したうえでフィードバックされる。なお、データ
記憶装置は、ジョイスティック２１の指令値データを記
憶するものであり、後にこのデータを用いて同じ動作を
プレイバックすることが可能となる。

【００１２】上記構成を有するハイブリッド遠隔制御シ
ステムにおいては、ジョイスティック２１から指令値を
入力すると、入力された力の情報が、力センサ１４から
座標変換器を介して基準座標系に座標変換した力センサ
出力値と比較され、それらの差に相当する誤差信号が出
力される。増幅器においては、この誤差信号に応じた速
度指令値が出力され、それが座標変換器に入力されて、
基準座標系からリンク座標系の速度指令値に変換され
る。そして、その速度指令値は、積分器において積分す
ることによりリンク変位指令値とし、これが所要のアク
チュエータ１２のサーボ回路に入力されて、ロボット１
に所要の動作が与えられる。また、エンドエフェクタ１
３に取付けた力センサ１４からは、その出力値がエンド
エフェクタ座標系の値として出力され、座標変換器にお
いて基準座標系の値に座標変換したうえでジョイスティ
ック２１からの指令値と比較するためにフィードバック
される。

【００１３】上記マニピュレータの動作制御において、
エンドエフェクタ１３が対象物等に接触せず、自由に動
けるときには、力センサ１４の出力は零である。そのた
め、ジョイスティックの指令値と比較すためにフィード
バックされる力センサ出力がなく、マニピュレータはジ
ョイスティック２１により与えられる指令値を速度指令
値として指令の通りに動くことになる。したがって、ジ
ョイスティック２１により指定の方向に速度制御が行わ
れる。

【００１４】これに対し、エンドエフェクタ１３が対象
物等に接触した場合には、その接触力に応じた出力が力
センサ１４に発生してフィードバックされ、誤差信号が
零になるまでエンドエフェクタが対象物等に押付けられ
て、釣り合ったところで押付け力の増加が停止する。す
なわち、この場合には、ジョイスティック２１により加
えられた指令が一種の力となり、それと同じ反力を受け
るまでエンドエフェクタ１３が押付けられるという力制
御になる。

【００１５】上記出力制御装置２２においては、ジョイ
スティック２１から与えられる多軸の各軸方向の指令値
について個別的に制御するので、ある特定の方向では上
記力制御であっても、他の方向には速度制御され、その
ため、ある面にエンドエフェクタ１３を押付けながら他
の方向に速度制御で駆動することもでき、それによって
対象物の表面をエンドエフェクタ１３でなぞるような動
作を行わせることもできる。したがって、簡単なジョイ
スティック２１による指令によりマニピュレータを遠隔
操作し、組立てなどのように反力を正確に制御しなけれ
ばならないような複雑な作業も容易に実行することが可
能になる。

【００１６】以上に詳述したように、上記ハイブリッド
遠隔制御装置においては、対象物との干渉がある場合で
も、出力制御装置において力制御が行われるので、オペ
レータは対象物との干渉について配慮する必要がなく、
簡単なジョイスティックで容易に操作することができ
る。特に、従来の位置制御では、エンドエフェクタが対
象物に接触したときに反力を受け、それが次第に大きく
なっていずれかが破損するという問題があるが、力制御
では、反力が指令値と釣り合ったところで停止し、反力
一定のままで制御が継続される。これは、ジョイスティ
ックによる遠隔操作に非常に有効なものである。また、
従来提案されている位置（速度）と力のハイブリッド制
御では、位置（速度）制御と力制御の切り換えを適切に
指示する必要があるが、本方式の場合は、速度制御と力
制御の間の切り換えを行う必要がなく、オペレータへの
負担も極めて軽い。

【００１７】前記データ記憶装置は、ジョイスティック
２１の指令値データを記憶して、同じ動作のプレイバッ
クを可能にするものであるが、これは、従来から用いら
れているティーチングプレイバック方式とは異なり、力
制御が機能するので、不測の対象物等に接触した場合で
もそれに対応した制御が可能であり、柔軟性のある制御
を行うことができる。このような制御の柔軟性は、上記
プレイバックの場合に限らず、一般的にも極めて有効に
機能し、例えば、宇宙ロボットを地球上からの指令で制
御する場合には、指令の伝達に時間遅れがあるが、この
場合にも、ロボット側で力制御されているので、対象物
にならう動作を行い、円滑に動作させることができる。

【００１８】

【発明の効果】以上に詳述したように、本発明によれ
ば、従来のバイラテラル・マスタスレイブ制御のよう
に、エンドエフェクタが受ける反力を操作者にフィード
バックしなくても、簡単なジョイスティック等の動作指
令装置による指令により、マニピュレータを遠隔操作
し、組立てなどのように反力を正確に制御しなければな
らないような複雑な作業も容易に実行できるようにした
マニピュレータの遠隔制御装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用したマニピュレータのハイブリッ
ド遠隔制御システムの全体的構成を示す模式的構成図で
ある。

【図２】上記ハイブリッド遠隔制御システムにおける制
御系の構成を示すブロック図である。

【符号の説明】

１ ロボット、 ２ 遠隔制御装置、 １２ アクチュエータ、 １３ エンドエフェクタ、 １４ 力センサ、 ２１ ジョイスティック、 ２２ 出力制御装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】エンドエフェクタが受ける力を検出する多
   軸の力センサを備えたマニピュレータと、上記力センサ
   の出力信号をフィードバックして上記マニピュレータの
   動作を制御する遠隔制御装置とを備え、 上記遠隔制御装置には、マニピュレータに多軸方向の速
   度指令または力指令を入力する多軸の動作指令装置と、
   この動作指令装置からの指令値を各軸ごとに上記力セン
   サの出力値と比較し、それらの差に相当する誤差信号か
   ら得た速度指令値をエンドエフェクタ座標系における変
   位指令値に変換してマニピュレータを駆動するサーボ回
   路に入力する出力制御装置とを設けた、ことを特徴とす
   るマニピュレータのハイブリッド遠隔制御装置。