JPH06781A - Master/slave manipulator - Google Patents

Master/slave manipulator

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Publication number
JPH06781A
JPH06781A JP4187389A JP18738992A JPH06781A JP H06781 A JPH06781 A JP H06781A JP 4187389 A JP4187389 A JP 4187389A JP 18738992 A JP18738992 A JP 18738992A JP H06781 A JPH06781 A JP H06781A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
force
arm
slave
master
acceleration
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP4187389A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Katsuhisa Furuta
勝久 古田
Hitoshi Kusano
仁志 草野
Kazuo Hariki
和夫 針木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nachi Fujikoshi Corp
Original Assignee
Nachi Fujikoshi Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nachi Fujikoshi Corp filed Critical Nachi Fujikoshi Corp
Priority to JP4187389A priority Critical patent/JPH06781A/en
Publication of JPH06781A publication Critical patent/JPH06781A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE:To improve the operability of a remote manipulation by calculating the optimum orbits for the given work according to the characteristics stored in advance in virtual dynamic model arithmetic sections, and applying them to servo systems. CONSTITUTION:The force applied to one master arm 1 from an operator as an internal force command is detected by an inner force sense detector 13, and it is inputted to virtual dynamic model arithmetic sections 4, 8. When an object is gripped by slave arms 6, 10, the internal force to grip the object is detected by inner force sense detectors 7, 11 of the slave arms 6, 10 as the reaction force of the internal force and inputted to the virtual dynamic model arithmetic sections 4, 8. The virtual dynamic model arithmetic sections 4, 8 store the characteristics for the inner force sense quantities of both arms 1 (6, 10) in advance and calculate the optimum orbits for the given work in response to the dynamic quantity as the input according to the characteristics and apply them to servo systems 5, 9, 14.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、種々の工業分野で複数
のスレーブアームを用いて遠隔操作を行なうために用い
られるマニピュレータに関し、特にマスタマニピュレー
タ及び複数のスレーブマニピュレータの物体把握時の把
握対象物を把握する力、即ち内力、について、力感覚の
伝達機能を有しかつ協調内力制御可能なマスタスレーブ
マニピュレータに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a manipulator used for remote control using a plurality of slave arms in various industrial fields, and more particularly to a master manipulator and an object to be grasped when grasping an object by a plurality of slave manipulators. The present invention relates to a master-slave manipulator having a force-sensing transmission function for a force that grasps a force, that is, a coordinated internal force control.

【0002】[0002]

【従来の技術】遠隔マニピュレーションは、人間が把握
対象物の運動制御用ジョイスティク及び該ジョイスティ
クに隣接配置された対象物把握力制御用の把握グリップ
を有する1個のマスタアームまたは操作レバー等(以下
マスタアームと呼ぶ)を操作し、その操作に応じてスレ
ーブアームが動作し作業をすることによって実施する。
従来複数のスレーブアームによって対象物を把握するマ
スタスレーブシステムでは、マスタアームから対象物の
移動・回転を指令として与え、その指令に基づき各スレ
ーブアームの軌道ならびに各軸の出力トルクを計算しシ
ステムを実現する。また、対象物を把握する動作はモー
ドを切り替える事によって一時マスタスレーブ動作から
抜け出して実施していた。本発明の出願人は、特開平3
−287387号公報で、複数のスレーブアームを用い
たマスタスレーブマニピュレータシステムにおいてあら
かじめ設定された対象物の保持すべき内力とマスタアー
ムからの入力に基づきスレーブアームの運動を求め対象
物の内力を実現する技術を先に提案した。
2. Description of the Related Art In remote manipulation, a master arm or an operating lever having a joystick for motion control of an object grasped by a human being and a grasping grip arranged adjacent to the joystick for controlling the object grasping force ( (Hereinafter referred to as the master arm), and the slave arm operates according to the operation to perform the work.
Conventionally, in a master-slave system that grasps an object with multiple slave arms, the movement and rotation of the object is given as a command from the master arm, and the trajectory of each slave arm and the output torque of each axis are calculated based on the command To be realized. Also, the operation of grasping the object has been performed by temporarily exiting the master-slave operation by switching the mode. The applicant of the present invention is Japanese Patent Laid-Open No.
No. 287387, a master-slave manipulator system using a plurality of slave arms realizes the internal force of the target object by presetting the internal force to be held by the target object and the movement of the slave arm based on the input from the master arm. I proposed the technology first.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかし、対象物を把握
する力即ち内力はあらかじめ設定された値は保つ事が可
能だが変更が容易ではないという課題があった。即ち、
上記従来技術では、前記内力は予め定められた一定値と
なり、内力をマスタアームによって操作することはでき
なかった。しかし、遠隔マニピュレーションによって把
握する対象物は毎回同じとは限らず、実際には重いもの
もあれば軽い場合もあり、また硬い場合もあれば柔らか
く脆い場合もあり、これら多様な対象物を複数のスレー
ブアームで把握する場合は毎回内力指令値をキー入力等
によって変更してやらければならない煩わしさが伴うた
めに、微妙な動作を実現する為には熟練を有した操作者
が必要となった。
However, there is a problem that the force for grasping the object, that is, the internal force can be maintained at a preset value, but the change is not easy. That is,
In the above conventional technique, the internal force has a predetermined constant value, and the internal force cannot be operated by the master arm. However, the object grasped by remote manipulation is not always the same every time.In reality, it may be heavy or light, hard or soft and brittle, and these various objects may When grasping with a slave arm, it is necessary to change the internal force command value by key input etc. every time, so that a skilled operator is required to realize a delicate operation.

【0004】本発明の課題は、内力をマスタアームによ
って操作することはでき、遠隔マニピュレーションによ
って把握する対象物が、実際には重いものもあれば軽い
ものもありまた硬い場合もあれば柔らかく脆い場合であ
っても、これら多様な対象物を複数のスレーブアームで
把握するとき、毎回内力指令値をキー入力等によって変
更することなく、微妙な動作を実現するような、作業者
に対し内力についての力感覚伝達機能を有するマスタス
レーブマニピュレータを提供することにある。
An object of the present invention is to control an internal force by a master arm, and when an object grasped by remote manipulation is actually heavy or light, hard or soft and brittle. Even when these various objects are grasped by a plurality of slave arms, the internal force for the operator can be controlled so that a subtle movement is realized without changing the internal force command value each time by key input etc. It is to provide a master-slave manipulator having a force transmission function.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】本発明によれば複数のス
レーブアームと1つのマスタアームのそれぞれの軌道
(位置・速度・加速度)を検出する手段と、前記複数の
スレーブアームで1つの対象物を把握する時に、それぞ
れのスレーブアームに加わる内力の反作用力を検出する
スレーブアーム力感覚検出器と、前記1つのマスタアー
ムに操作者から内力の指令値として加わる力を検出する
マスタアーム力覚検出器もしくは力覚推定器と、前記マ
スタアーム及びスレーブアーム力覚検出器もしくは該力
覚推定器でそれぞれ検出した力を入力とし、該入力に応
じた複数のスレーブアームと前記1つのマスタアームの
各々の目標軌道(目標位置・速度・加速度)を出力とす
るように予め定められた仮想力学モデルに従って演算す
る仮想力学モデル演算部と、複数の前記スレーブアーム
と前記1つのマスタアームの各々の軌道(位置・速度・
加速度)を検出する手段からの出力に基づいて、複数の
前記スレーブアームと前記1台のマスタアームを制御す
るサーボ系と、複数の前記スレーブアームと前記1台の
マスタアーム間に内力についての力感覚の伝達機能を備
えたマスタスレーブマニピュレータを提供することによ
って上述した本発明の課題を解決した。
According to the present invention, a means for detecting respective trajectories (position, velocity, acceleration) of a plurality of slave arms and one master arm, and one object with the plurality of slave arms. To detect the reaction force of the internal force applied to each slave arm, and a master arm force sense that detects the force applied as an internal force command value from the operator to the one master arm. Device or force sense estimator, and each of the master arm and slave arm force sense detector or the force detected by the force sense estimator as an input, and a plurality of slave arms corresponding to the inputs and the one master arm, respectively. Virtual dynamics model operation that calculates according to a predetermined virtual dynamics model that outputs the target trajectory (target position / velocity / acceleration) of Parts and said plurality of said slave arm one master arms each trajectory (position, velocity and
A servo system for controlling the plurality of slave arms and the one master arm based on the output from the means for detecting (acceleration), and a force for internal force between the plurality of slave arms and the one master arm. The above-mentioned problems of the present invention have been solved by providing a master-slave manipulator having a sense transmission function.

【0006】(作用)上記発明において、少なくとも2
台以上のスレーブアームで1つの対象物を把握する場合
に、対象物を把握する内力は各々のスレーブアームの力
覚検出器により内力の反作用力として検出され、仮想力
学モデル演算部に入力される。また、操作者から1台の
マスタアームに内力指令として加えられる力もまた、力
覚検出器もしくは力覚推定器によって検出され、仮想力
学モデル演算部に入力される。この仮想力学モデルに
は、スレーブアームとマスタアームの力覚量に対する特
性(仮想質量、仮想粘性及び仮想ばね定数のデータがデ
ータベース化されている)を予め格納しておき、その特
性に従って入力としての力覚量に応じた、与えられた作
業に最も適する軌道(位置・速度・加速度)を演算しサ
ーボ系に与えるものとなった。
(Operation) In the above invention, at least 2
When grasping one target object with more than one slave arm, the internal force grasping the target object is detected as a reaction force of the internal force by the force detector of each slave arm and is input to the virtual dynamic model calculation unit. . Further, the force applied as an internal force command from the operator to one master arm is also detected by the force sense detector or the force sense estimator and is input to the virtual dynamic model calculation unit. In this virtual mechanical model, the characteristics of the slave arm and the master arm with respect to the force sense (data of virtual mass, virtual viscosity, and virtual spring constant are stored in a database) are stored in advance, and as an input according to the characteristics. The most suitable trajectory (position, velocity, acceleration) for a given work is calculated according to the force sense and given to the servo system.

【0007】[0007]

【実施例】以下添付した図1乃至図6に基づきこの発明
を詳細に説明する。図1は本発明の一実施例マスタスレ
ーブマニピュレータの構成を示すブロック図であり、2
本のスレーブアーム6、10で対象物15を把握するマ
スタスレーブシステムとして示す。図2は本発明の一実
施例マスタスレーブマニピュレータで使用する1台のマ
スタアームを示す概略斜視図で、把握対象物の運動制御
用ジョイスティク41、42及びジョイスティク41に
隣接配置された対象物把握力制御用の把握グリップ(内
力制御用マスタ)16とからなる。17はマスタアーム
グリップ力覚検出器付内力制御軸用アクチュエータ、4
2は把握対象物の並進運動制御用ジョイスティクであ
り、18乃至20はそれぞれマスタアーム力覚検出器付
対象物の並進運動制御用アクチュエータであり、18は
x軸並進、19はy軸並進、20はz軸並進、マスタア
ーム力覚検出器付対象物の並進運動制御用アクチュエー
タをそれぞれ示す。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described in detail below with reference to the attached FIGS. FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a master-slave manipulator according to an embodiment of the present invention.
It is shown as a master-slave system in which the object 15 is grasped by the slave arms 6 and 10 of the book. FIG. 2 is a schematic perspective view showing one master arm used in the master-slave manipulator according to one embodiment of the present invention. The joysticks 41, 42 for motion control of the grasped object and the object arranged adjacent to the joystick 41 are shown. A grasping grip (master for internal force control) 16 for grasping force control. 17 is an actuator for the internal force control axis with a master arm grip force sensor, 4
Reference numeral 2 is a joystick for translational motion control of the grasped object, 18 to 20 are actuators for translational motion control of the object with a master arm force detector, respectively, 18 is an x-axis translation, 19 is a y-axis translation, Reference numeral 20 denotes an actuator for translational motion control of the object with z-axis translation and master arm force sensor.

【0008】41は把握対象物の姿勢を制御する回転運
動制御用ジョイスティクであり、21乃至23はそれぞ
れマスタアームは力覚検出器付対象物の姿勢を制御する
回転運動制御用アクチュエータであり、21はx軸回
転、22はy軸回転、23はz軸回転、マスタアーム力
覚検出器付回転運動制御用アクチュエータをそれぞれ示
す。図3は本発明の一実施例マスタスレーブマニピュレ
ータで使用するスレーブアームの例であり、6はスレー
ブアーム1、10はスレーブアーム2、7はスレーブア
ーム1力覚検出器、11はスレーブアーム2力覚検出
器、15は把握対象物をそれぞれ示す。
Reference numeral 41 denotes a rotational movement control joystick for controlling the posture of the grasped target object, and reference numerals 21 to 23 each denote a master arm for a rotary movement control actuator for controlling the posture of the target object with a force sensor. Reference numeral 21 is an x-axis rotation, 22 is a y-axis rotation, 23 is a z-axis rotation, and a master arm force detector-equipped rotary motion control actuator is shown. FIG. 3 shows an example of a slave arm used in a master-slave manipulator according to an embodiment of the present invention. 6 is a slave arm 1, 10 is a slave arm 2, 7 is a slave arm 1 force detector, 11 is a slave arm 2 force. The sensory detectors, 15 respectively indicate grasping objects.

【0009】マスタスレーブマニピュレータの構成を示
すブロック図である図1において、操作者によってマス
タアーム1に加えられる力はマスタアーム力覚検出器も
しくは力覚推定器13(図2の17乃至23のマスタア
ーム力覚検出器を代表する)によって検出され、力覚伝
達系仮想力学モデル演算部(内力制御用)12と力覚伝
達系仮想力学モデル演算部(対象物の運動用)2へ入力
される。fmは、把握対象物の並進運動制御用ジョイステ
ィク42及び回転運動制御用ジョイスティク41からの
把握対象物に加えられる各方向及び回転方向の力指令、
fgは、対象物把握力制御用の把握グリップ(内力制御用
マスタ)からの内力指令、である。スレーブアームが把
握対象物を把握する把握力である内力はスレーブアーム
力覚検出器7、11によって検出され力覚伝達系仮想力
学モデル演算部(内力制御用)12へ入力される。更に
スレーブアーム力覚検出器7、11の出力は、スレーブ
アームが把握した対象物の運動の演算用に対象物に加わ
る外力として、力覚伝達系仮想力学モデル演算部(対象
物の運動用)2へ、また各々のスレーブ6、10で独立
した柔軟性を持たせる為の仮想力学モデル演算部4、8
へそれぞれ入力される。
In FIG. 1, which is a block diagram showing the structure of the master-slave manipulator, the force applied to the master arm 1 by the operator is the master arm force sensor or force estimator 13 (masters 17 to 23 in FIG. 2). It is detected by an arm force sensor (representing an arm force sensor) and input to a force transfer system virtual dynamic model calculation unit (for internal force control) 12 and a force transfer system virtual dynamic model calculation unit (for movement of an object) 2. . fm is a force command in each direction and a rotation direction applied to the grasped object from the joystick 42 for translational motion control and the joystick 41 for rotational motion control of the grasped object,
fg is an internal force command from a grasping grip (master for internal force control) for grasping the object grasping force. The internal force, which is the grasping force with which the slave arm grasps the grasped object, is detected by the slave arm force sense detectors 7 and 11, and is input to the force transmission system virtual dynamic model calculation unit (for internal force control) 12. Further, the outputs of the slave arm force sense detectors 7 and 11 are used as an external force applied to the target object for calculating the motion of the target object grasped by the slave arm. 2 and virtual slaves 4 and 8 for each slave 6 and 10 to have independent flexibility.
Respectively input to.

【0010】力覚伝達系仮想力学モデル演算部(内力制
御用)12では、受け取った内力指令情報から予め定め
られた仮想力学モデルに従って、マスタアーム1へは内
力制御軸用の目標軌道(位置・速度・加速度)をサーボ
制御部14へ出力する。更に力覚伝達系仮想力学モデル
演算部(内力制御用)12は、スレーブアーム6、10
の把握動作用の目標軌道(位置・速度・加速度)を運動
・力・トルク演算部3へ出力する。運動・力・トルク演
算部3では、この把握動作用軌道と力覚伝達系仮想力学
モデル演算部(対象物の運動用)2から与えられる対象
物目標軌道(位置・速度・加速度)とから、各々のスレ
ーブアーム6、10の目標軌道(位置・速度・加速度)
を算出し、各々のスレーブアーム用仮想力学モデル演算
部4、8へ出力する。それぞれのスレーブアーム用仮想
力学モデル演算部4,8は、力覚検出器7、11からの
外力情報により、各スレーブアームの軌道を修正した後
サーボ制御部5、9へ出力する。更に、サーボ制御部
5、9はこの入力とスレーブアーム6、10の位置・速
度・加速度検出器からの信号x1,x2 に基づきスレーブア
ーム6,10の運動制御を実現する。
In the force transmission system virtual dynamic model calculation unit (for internal force control) 12, a target trajectory (position / position for internal force control axis) for the internal force control axis is transmitted to the master arm 1 according to a predetermined virtual dynamic model from the received internal force command information. (Speed / acceleration) is output to the servo control unit 14. Further, the force-mechanism transmission system virtual dynamic model calculation unit (for internal force control) 12 includes slave arms 6 and 10.
The target trajectory (position / velocity / acceleration) for the grasping motion of is output to the motion / force / torque calculation unit 3. In the motion / force / torque calculation unit 3, from the grasping motion trajectory and the target target trajectory (position / velocity / acceleration) given from the force transfer system virtual dynamic model calculation unit (for motion of the target object) 2, Target trajectory of each slave arm 6 and 10 (position, velocity, acceleration)
Is calculated and output to each of the slave arm virtual dynamic model calculation units 4 and 8. Each of the slave arm virtual dynamic model calculation units 4 and 8 corrects the trajectory of each slave arm based on the external force information from the force sense detectors 7 and 11 and then outputs it to the servo control units 5 and 9. Further, the servo control units 5 and 9 realize the motion control of the slave arms 6 and 10 based on this input and the signals x 1 and x 2 from the position / speed / acceleration detectors of the slave arms 6 and 10.

【0011】次に、力覚伝達系仮想力学モデル演算部
(内力制御用)12の内部処理と、その出力の運動・力
・トルク演算部3での処理について説明する。力覚伝達
系仮想力学モデルを式(1)で与える。
Next, the internal processing of the force-mechanical transmission system virtual dynamic model calculation unit (for internal force control) 12 and the processing of its output in the motion / force / torque calculation unit 3 will be described. The haptic transmission system virtual dynamic model is given by equation (1).

【数1】 Mg :仮想質量 Dg :仮想粘性抵抗定数 Kg :仮想ばね定数 Xgr :マスタアーム内力制御軸の目標位置 fg :マスタアーム力覚検出器で得られる内力指令 fgo :スレーブアーム力覚検出器で得られる内力値 Sgo :内力伝達のスケールファクタ 式(1)からマスタアーム内力制御軸の目標位置Xgrの
入力fg 、fgoに対する挙動は次式となる。
[Equation 1] Mg: Virtual mass Dg: Virtual viscous resistance constant Kg: Virtual spring constant Xgr: Target position of master arm internal force control axis fg: Internal force command obtained by master arm force detector fgo: Internal force obtained by slave arm force detector Value Sgo: Scale factor of internal force transmission From the equation (1), the behavior of the target position Xgr of the master arm internal force control axis with respect to the inputs fg and fgo is as follows.

【数2】 式(2)をブロック線図で表現したのが図5である。実
際にはデジタル計算機で制御する事がほとんどなので、
式(2)を離散化して構成する。
[Equation 2] FIG. 5 is a block diagram of the equation (2). Actually, most of the time it is controlled by a digital computer,
The equation (2) is discretized and configured.

【0012】スレーブアームの把握動作については、図
4の様に対抗するスレーブアーム6、10先端の、対象
物15の中心からの距離の変移をXgor とする。(3本
以上のスレーブアームの場合は、対象物の重心からの距
離の変化率をXgor とする方法もある)そこで対象物の
中心からの距離の変移Xgor の軌道は次式で与える。
Regarding the grasping operation of the slave arm, the change in the distance from the center of the object 15 at the tips of the slave arms 6 and 10 facing each other as shown in FIG. (In the case of three or more slave arms, there is also a method of setting the change rate of the distance from the center of gravity of the object as Xgor.) Therefore, the trajectory of the change Xgor of the distance from the center of the object is given by the following equation.

【数3】 Sgm:マスタアームの動きに対するスレーブアームの動
きのスケールファクタ式(2)〜(5)から、fgoとf
g との力の差によってスレーブアームとマスタアームの
目標軌道が生成され、内力についての力感覚伝達系が形
成されているのがわかる。
[Equation 3] Sgm: From the scale factor equations (2) to (5) of the movement of the slave arm with respect to the movement of the master arm, fgo and f
It can be seen that the target trajectory of the slave arm and the master arm is generated by the difference in force with g, and a force sensation transmission system for internal force is formed.

【0013】生成されたスレーブアームの目標軌道は運
動・力・トルク演算部3へ送られる。運動・力・トルク
演算部3では力覚伝達系仮想力学モデル演算部(対象物
の運動用)2から送られてくる対象物の重心位置の目標
軌道Xorが、対象物の運動に関する各々のスレーブアー
ムの目標軌道Xd1’,Xd2’に分解され、目標軌道(位
置・速度・加速度)が以下により算出される(図6参
照)。
The generated target trajectory of the slave arm is sent to the motion / force / torque calculating unit 3. In the motion / force / torque calculation unit 3, the target trajectory Xor of the center of gravity of the target sent from the force transmission system virtual dynamic model calculation unit (for motion of the target) 2 is the slave for each motion of the target. The arms are disassembled into target trajectories Xd1 'and Xd2', and the target trajectories (position, velocity, acceleration) are calculated by the following (see FIG. 6).

【数4】 i :スレーブアームの番号(i=1,2)i Robj :対象物座標系から各スレーブのベース座標系
への座標変換行列 Xor :対象物座標系で見た対象物の指令位置 Poi :各スレーブアームのベース座標系で見た対象物
座標系の原点のベクトル Xdi’:各スレーブアームのベース座標系で見た各スレ
ーブアーム先端の指令位置(物体の運動制御のみ)
[Equation 4] i: Slave arm number (i = 1, 2) i Robj: Coordinate conversion matrix from the object coordinate system to the base coordinate system of each slave Xor: Command position of the object viewed in the object coordinate system Poi: Each slave Vector of the origin of the object coordinate system as seen in the arm base coordinate system Xdi ': Command position of each slave arm tip as seen in the base coordinate system of each slave arm (only object motion control)

【0014】更に内力制御に関するスレーブアームの目
標軌道Xgor が座標変換処理を行なった後加算され、各
々のスレーブアームの目標軌道Xd1、Xd2としてそれぞ
れのサーボ制御部5,9へ出力される。
Further, the target trajectories Xgor of the slave arms relating to the internal force control are subjected to coordinate conversion processing, added, and output to the respective servo control units 5 and 9 as the target trajectories Xd1 and Xd2 of the respective slave arms.

【数5】 Xdi :各スレーブアームのベース座標系で見た各ス
レーブアーム先端の指令位置0 Z6i :各スレーブアームのベース座標系で見た各々
のハンド先端座標のz方向単位ベクトル
[Equation 5] Xdi: Command position of each slave arm tip as seen in the base coordinate system of each slave arm 0 Z6i: z direction unit vector of each hand tip coordinate as seen in the base coordinate system of each slave arm

【0015】[0015]

【発明の効果】以上説明した様に本発明によれば、対象
物を把握する内力は各々のスレーブアームの力覚検出器
により内力の反作用力として検出され、仮想力学モデル
演算部に入力され、この仮想力学モデル演算は、スレー
ブアームとマスタアームの力覚量に対する特性(仮想質
量、仮想粘性及び仮想ばね定数のデータがデータベース
化されている)を予め格納しておき、その特性に従って
入力としての力覚量に応じた、与えられた作業に最も適
する軌道(位置・速度・加速度)を演算しサーボ系に与
えるものとなったので、複数のスレーブアームで内力を
力感覚伝達系で制御しながら、作業対象物に対して遠隔
操作することが可能となり、これにより、遠隔マニピュ
レーションにおける操作性が向上するものとなった。そ
こで本発明によると、内力をマスタアームによって操作
することはでき、多様な対象物を複数のスレーブアーム
で把握するとき、毎回内力指令値をキー入力等によって
変更することなく、微妙な動作を実現するような、作業
者に対し内力についての力感覚伝達機能を有するマスタ
スレーブマニピュレータを提供するものとなった。
As described above, according to the present invention, the internal force for grasping the object is detected as the reaction force of the internal force by the force detectors of the slave arms, and is input to the virtual dynamic model calculation unit. In this virtual mechanical model calculation, the characteristics of the slave arm and the master arm with respect to the force sense (data of virtual mass, virtual viscosity, and virtual spring constant are stored in a database) are stored in advance, and the characteristics are input as input according to the characteristics. Since the most suitable trajectory (position, velocity, acceleration) for the given work is calculated and given to the servo system according to the amount of force sense, the internal force is controlled by the force sense transmission system with multiple slave arms. , It becomes possible to remotely control the work target, which improves operability in remote manipulation. Therefore, according to the present invention, the internal force can be operated by the master arm, and when grasping various objects with a plurality of slave arms, a subtle operation is realized without changing the internal force command value each time by key input or the like. As described above, a master-slave manipulator having a force-sensing transmission function for an internal force for an operator is provided.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の一実施例マスタスレーブマニピュレー
タの構成を示すブロック図。
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a master-slave manipulator according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の一実施例マスタスレーブマニピュレー
タで使用する1台のマスタアームの一例を示す概略斜視
図。
FIG. 2 is a schematic perspective view showing an example of one master arm used in the master-slave manipulator according to the embodiment of the present invention.

【図3】本発明の一実施例マスタスレーブマニピュレー
タで使用するスレーブアームの一例を示す概略斜視図。
FIG. 3 is a schematic perspective view showing an example of a slave arm used in a master slave manipulator according to an embodiment of the present invention.

【図4】図3のスレーブアームの内力制御に関する目標
軌道を図示する説明図。
FIG. 4 is an explanatory diagram illustrating a target trajectory for internal force control of the slave arm in FIG.

【図5】図1の力覚伝達系仮想力学モデル演算部(内力
制御用)12の内部処理の構成例を示したブロック線
図。
5 is a block diagram showing a configuration example of an internal process of a force dynamics system virtual dynamic model calculation unit (for internal force control) 12 of FIG. 1. FIG.

【図6】各スレーブアームのベース座標系と対象物座標
系の関係を図示する説明図で、32はスレーブアーム1
のベース座標系、33はスレーブアーム2のベース座標
系、そして34は対象物の座標系をそれぞれ示す。 1..マスタアーム 2..力覚伝達系仮想力学モデル(対象物の運動用) 3..運動・力・トルク演算部 4、8..仮想力学モデル演算部(スレーブアーム用) 5、9..サーボ制御部(スレーブアーム用) 6..スレーブアーム1 7、11..スレーブアーム力覚検出器 10..スレーブアーム2 12..力覚伝達系仮想力学モデル演算部(内力制御
用) 13..マスタアーム力覚検出器もしくは力覚推定器 14..サーボ制御部(マスタアーム用) 15..把握対象物 16..力覚検出器付グリップ(内力制御用マスタ) 41..把握対象物の姿勢を制御する回転運動制御用ジ
ョイスティク 42..把握対象物の並進運動制御用ジョイスティク
FIG. 6 is an explanatory diagram illustrating the relationship between the base coordinate system and the object coordinate system of each slave arm, and 32 is the slave arm 1
Of the slave arm 2, 33 is the base coordinate system of the slave arm 2, and 34 is the coordinate system of the object. 1. . Master arm 2. . Virtual dynamic model of force transmission system (for object motion) 3. . Motion / force / torque calculation unit 4, 8. . Virtual dynamic model calculation unit (for slave arm) 5, 9. . Servo control unit (for slave arm) 6. . Slave arm 1 7, 11. . Slave arm force sensor 10. . Slave arm 2 12. . Force-measuring system virtual dynamic model calculation unit (for internal force control) 13. . Master arm force sense detector or force sense estimator 14. . Servo control unit (for master arm) 15. . Object to be grasped 16. . Grip with force detector (master for internal force control) 41. . 42. A joystick for rotational movement control that controls the posture of a grasped object 42. . Joystick for translational motion control of grasped object

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 針木 和夫 富山県富山市石金20番地 株式会社不二越 内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued Front Page (72) Inventor Kazuo Hariki 20 Ishigane, Toyama City, Toyama Prefecture Fujikoshi Co., Ltd.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 把握対象物の運動制御用ジョイスティク
及び該ジョイスティクに隣接配置された前記対象物把握
力制御用の把握グリップとを有する1台のマスターアー
ムと複数のスレーブアームとからなり、該スレーブアー
ムで1つの把握対象物を把握するように該マスタアーム
の指令に応じて該スレーブアームを制御するマスタスレ
ーブマニピュレータシステムにおいて、該マスタアーム
及び該スレーブアームのそれぞれの軌道(位置・速度・
加速度)を検出する手段と、該把握グリップによる把握
対象物を把握する力、即ち内力、及び該ジョイスティク
の把握対象物を移動させる各方向へ向けて力、をそれぞ
れ指令する内力指令及び各方向力指令として操作者から
力を受け取るためのマスタアーム力覚検出器もしくは力
覚推定器と、該スレーブアーム先端に加えられた内力及
び該把握対象物が受ける各方向へ向けての力を検出する
為のスレーブアーム力覚検出器と、該検出する手段が検
出した該マスタアームの位置、速度、加速度、前記マス
タアーム力覚検出器もしくは力覚推定器が検出した前記
内力指令及び各方向力指令、及び前記スレーブアーム力
覚検出器が検出したスレーブアーム先端に加えられた内
力の情報及び該把握対象物が受ける各方向へ向けての力
の情報、から各該スレーブアーム先端それぞれの目標軌
道(目標位置・速度・加速度)を演算する軌道演算部
と、該軌道演算部からの出力を指令値として各該スレー
ブアームと該マスタアームを制御するサーボ系とを有し
力感覚の伝達機能を有しかつ協調内力制御可能にしたこ
とを特徴とするマスタスレーブマニピュレータ。
1. A master arm and a plurality of slave arms each having a joystick for controlling the movement of a grasped object and a grasping grip for arranging the object grasping force adjacent to the joystick. In a master-slave manipulator system that controls the slave arm according to a command from the master arm so as to grasp one grasped object with the slave arm, in the master-slave manipulator system, the trajectory of each of the master arm and the slave arm (position / speed /
Acceleration) and a force for grasping the grasped object by the grasping grip, that is, an internal force, and an internal force command and each direction for instructing a force toward each direction in which the joystick grasps the grasped object. A master arm force sense detector or force sense estimator for receiving force from an operator as a force command, and an internal force applied to the tip of the slave arm and a force in each direction received by the grasped object are detected. Slave arm force detector for detecting the position, speed and acceleration of the master arm detected by the detecting means, the internal force command and each direction force command detected by the master arm force sensor or force estimator And information on the internal force applied to the tip of the slave arm detected by the slave arm force sensor and information on the force received by the grasped object in each direction. The lobe arm has a trajectory calculation unit that calculates a target trajectory (target position / speed / acceleration) of each tip, and a servo system that controls each slave arm and the master arm by using an output from the trajectory calculation unit as a command value. A master-slave manipulator which has a force-sensing transmission function and is capable of cooperative internal force control.
【請求項2】 前記軌道演算部からの出力を各該スレー
ブアーム先端のそれぞれの目標軌道(目標位置・速度・
加速度)とし、複数の該スレーブアームで1つの把握対
象物を把握する場合に、前記スレーブアーム力覚検出器
が検出した該スレーブアームに加えられる内力の反作用
力及び該把握対象物が受ける各方向へ向けての力の情
報、及び前記マスタアーム力覚検出器もしくは力覚推定
器が検出した前記内力指令及び各方向力指令、を入力と
し、各該入力に応じた各該スレーブアーム先端のそれぞ
れの目標軌道(目標位置・速度・加速度)と、該マスタ
アームの目標軌道(目標位置・速度・加速度)と、を予
め定められた仮想力学モデルに従って出力するように演
算する仮想力学モデル演算部と、該仮想力学モデル演算
部からの出力を指令値として前記スレーブアームを制御
するサーボ系とを備えた事を特徴とする請求項1記載の
マスタスレーブマニピュレータ。
2. The target trajectory (target position / speed / speed) of each slave arm tip is output from the trajectory calculator.
Acceleration), and when grasping one grasped object by the plurality of slave arms, the reaction force of the internal force applied to the slave arm detected by the slave arm force sensor and each direction received by the grasped object Information of the force toward, and the internal force command and each direction force command detected by the master arm force sense detector or force sense estimator as an input, and each of the slave arm tips corresponding to each input Of the target trajectory (target position / velocity / acceleration) of the master arm and the target trajectory of the master arm (target position / velocity / acceleration) according to a predetermined virtual mechanical model. 2. The master slave manifold according to claim 1, further comprising: a servo system that controls the slave arm by using an output from the virtual mechanical model computing unit as a command value. Regulator.
【請求項3】 該マスタアームのジョイスティクからの
把握対象物の前記目標軌道(目標位置・速度・加速
度)、及びこれら目標軌道入力に応じた各該スレーブア
ーム先端のそれぞれの目標軌道(目標位置・速度・加速
度)は、各該スレーブアーム先端のそれぞれの回転の目
標軌道(目標位置・速度・加速度)を含む事を特徴とす
る請求項1又は2記載のマスタスレーブマニピュレー
タ。
3. The target trajectory (target position / velocity / acceleration) of an object to be grasped from the joystick of the master arm, and the target trajectory (target position) of each of the slave arm tips corresponding to these target trajectory inputs. The master-slave manipulator according to claim 1 or 2, wherein (velocity / acceleration) includes a target trajectory (target position / velocity / acceleration) of each rotation of each slave arm tip.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012157946A (en) * 2011-02-01 2012-08-23 Fanuc Ltd Robot teaching device for performing direct teaching of robot based on output of force sensor
CN113165161A (en) * 2018-12-21 2021-07-23 川崎重工业株式会社 Robot system and control method for robot system

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CN113165161A (en) * 2018-12-21 2021-07-23 川崎重工业株式会社 Robot system and control method for robot system
CN113165161B (en) * 2018-12-21 2024-02-06 川崎重工业株式会社 Robot system and control method for robot system

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