JPH07205058A - マスタ・スレーブロボットの制御装置 - Google Patents
マスタ・スレーブロボットの制御装置Info
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- JPH07205058A JPH07205058A JP1214494A JP1214494A JPH07205058A JP H07205058 A JPH07205058 A JP H07205058A JP 1214494 A JP1214494 A JP 1214494A JP 1214494 A JP1214494 A JP 1214494A JP H07205058 A JPH07205058 A JP H07205058A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】マスタとスレーブの間であつかう物理量の物理
的な相似性が満足するようなマスタ・スレーブロボット
の制御装置を提供する。 【構成】マスタ・スレーブのそれぞれであつかう物理量
の相似性を満足するように力、長さ、目標インピーダン
スのスケール比をそれぞれのアームの手先で検出した力
に乗じる手段と、その乗算値と対応する検出値との差
を、力指令値としてそれぞれマスタおよびスレーブの目
標インピーダンスに与える手段とを備える。
的な相似性が満足するようなマスタ・スレーブロボット
の制御装置を提供する。 【構成】マスタ・スレーブのそれぞれであつかう物理量
の相似性を満足するように力、長さ、目標インピーダン
スのスケール比をそれぞれのアームの手先で検出した力
に乗じる手段と、その乗算値と対応する検出値との差
を、力指令値としてそれぞれマスタおよびスレーブの目
標インピーダンスに与える手段とを備える。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、異なるスケールの物理
量をあつかうマスタ・スレーブロボットの制御装置に関
する。
量をあつかうマスタ・スレーブロボットの制御装置に関
する。
【０００２】
【従来の技術】操作者の操るマスタロボットの動作に従
ってスレーブロボットを作動させるマスタ・スレーブロ
ボットにおいて、マイクロマニピュレータのようにマス
タとスレーブでスケールの異なるマスタ・スレーブロボ
ットの制御装置が提案されている。例えば、文献（福
田：マイクロマニプレータのバイラテラル制御に関する
研究：第２５回計測自動制御学会学術講演会学術講演会
予稿集、ｐｐ．７１５−７１６、１９８６）ではインピ
ーダンスをマスタとスレーブでマッチングさせる方式を
提案している。しかし、この方式はマスタとスレーブの
間で物理的な相似性に満足される補償がない点が問題で
ある。文献（榊、舘：インピーダンス制御型マスタ・ス
レーブ・システム（ＩＩ）：日本ロボット学会誌、Ｖｏ
１．８、Ｎｏ．３、ｐｐ．２５３−２６４、１９９０）
ではマスタとスレーブで物理的相似性をもつ制御方式を
提案している。しかし、この方式はトルクを直接制御す
る方法のため、モーションを制御するサーボコントロー
ラを内蔵する一般のロボットコントローラに組み込むこ
とが容易でないという問題がある。
ってスレーブロボットを作動させるマスタ・スレーブロ
ボットにおいて、マイクロマニピュレータのようにマス
タとスレーブでスケールの異なるマスタ・スレーブロボ
ットの制御装置が提案されている。例えば、文献（福
田：マイクロマニプレータのバイラテラル制御に関する
研究：第２５回計測自動制御学会学術講演会学術講演会
予稿集、ｐｐ．７１５−７１６、１９８６）ではインピ
ーダンスをマスタとスレーブでマッチングさせる方式を
提案している。しかし、この方式はマスタとスレーブの
間で物理的な相似性に満足される補償がない点が問題で
ある。文献（榊、舘：インピーダンス制御型マスタ・ス
レーブ・システム（ＩＩ）：日本ロボット学会誌、Ｖｏ
１．８、Ｎｏ．３、ｐｐ．２５３−２６４、１９９０）
ではマスタとスレーブで物理的相似性をもつ制御方式を
提案している。しかし、この方式はトルクを直接制御す
る方法のため、モーションを制御するサーボコントロー
ラを内蔵する一般のロボットコントローラに組み込むこ
とが容易でないという問題がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
マスタ・スレーブロボットの制御装置において、マスタ
とスレーブで異なる物理量をあつかう技術として、従来
は、インピーダンスをマッチングさせる方式とトルクを
直接制御する方式が存在する。前者の方式ではマスタと
スレーブであつかう物理量の間に物理的な相似性が保た
れているか保証されていない。また後者の方式では物理
的な相似性は保たれるものの市販のサーボコントローラ
に組み込むことが容易でないという問題がある。この発
明の目的は、各アームにサーボコントローラをそなえ、
各アームに仮想的なインピーダンスを実現するマスタ・
スレーブロボットにおいて、マスタとスレーブの間であ
つかう物理量の物理的な相似性が満足するようなマスタ
・スレーブロボットの制御装置を提供することである。
マスタ・スレーブロボットの制御装置において、マスタ
とスレーブで異なる物理量をあつかう技術として、従来
は、インピーダンスをマッチングさせる方式とトルクを
直接制御する方式が存在する。前者の方式ではマスタと
スレーブであつかう物理量の間に物理的な相似性が保た
れているか保証されていない。また後者の方式では物理
的な相似性は保たれるものの市販のサーボコントローラ
に組み込むことが容易でないという問題がある。この発
明の目的は、各アームにサーボコントローラをそなえ、
各アームに仮想的なインピーダンスを実現するマスタ・
スレーブロボットにおいて、マスタとスレーブの間であ
つかう物理量の物理的な相似性が満足するようなマスタ
・スレーブロボットの制御装置を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は、各アームに位
置あるいは速度あるいは加速度のモーションのサーボ装
置をそなえ、各アームの手先に予め設定した目標インピ
ーダンス（目標慣性・目標粘性・目標弾性）を実現する
ように位置あるいは速度あるいは加速度のモーションの
指令値を各アームのサーボ装置へ入力してマスタとスレ
ーブの各システムで局所的にインピーダンス制御し、長
さあるいは力などの物理量において異なるスケールの物
理量をあつかうマスタ・スレーブロボットの制御装置に
おいて、マスタ・スレーブのそれぞれであつかう物理量
の相似性を満足するように力、長さ、目標インピーダン
スのスケール比をそれぞれのアームの手先で検出した力
に乗じる手段と、その乗算値と対応する検出値との差
を、力指令値としてそれぞれマスタおよびスレーブの目
標インピーダンスに与える手段と、を備えたことを特徴
とするものである。
置あるいは速度あるいは加速度のモーションのサーボ装
置をそなえ、各アームの手先に予め設定した目標インピ
ーダンス（目標慣性・目標粘性・目標弾性）を実現する
ように位置あるいは速度あるいは加速度のモーションの
指令値を各アームのサーボ装置へ入力してマスタとスレ
ーブの各システムで局所的にインピーダンス制御し、長
さあるいは力などの物理量において異なるスケールの物
理量をあつかうマスタ・スレーブロボットの制御装置に
おいて、マスタ・スレーブのそれぞれであつかう物理量
の相似性を満足するように力、長さ、目標インピーダン
スのスケール比をそれぞれのアームの手先で検出した力
に乗じる手段と、その乗算値と対応する検出値との差
を、力指令値としてそれぞれマスタおよびスレーブの目
標インピーダンスに与える手段と、を備えたことを特徴
とするものである。
【０００５】
【作用】この発明によって、各アームにサーボコントロ
ーラをそなえ、各アームに仮想的なインピーダンスを実
現するマスタ・スレーブロボットにおいて、マスタとス
レーブの間であつかう物理量の物理的な相似性が満足す
るようなマスタ・スレーブロボットの制御装置を提供で
きる。以下、本発明の原理を説明する。マスタとスレー
ブであつかう物理量の相似のスケール比を設定する。
力、長さ、インピーダンスのスケール比をそれぞれつぎ
のようにあらわす。 Ｆm ＝ｆ* Ｆs （式１） Ｘm ＝Ｌ* Ｘs （式２） Ｚm ＝ｚ* Ｚs （式３） ここで、ｆ* 、Ｌ* 、ｚ* はそれぞれ力、長さ、インピ
ーダンスのスケール比をあらわす。また、Ｆm 、Ｆs は
それぞれマスタとスレーブで発生した力の値、Ｘm 、Ｘ
s はそれぞれマスタとスレーブの位置、Ｚm 、Ｚs はそ
れぞれマスタとスレーブの目標インピーダンスである。
これらの目標インピーダンスはＺm ＝［ｍｏ1 、ｂ
ｏ1 、ｋｏ1 ］、Ｚs ＝［ｍｏ2 、ｂｏ2 、ｋｏ2 ］と
あらわされる。ｍｏ1 、ｂｏ1 、ｋｏ1 はそれぞれマス
タの目標慣性、目標粘性、目標弾性、またｍｏ2 、ｂｏ
2 、ｋｏ2 はそれぞれスレーブの目標慣性、目標粘性、
目標弾性である。ここで力、長さ、インピーダンスの関
係が Ｆm ＝Ｚm Ｘm （式４） Ｆs ＝Ｚs Ｘ s （式５） であることからスケール比の間の関係を ｆ* ＝ｚ* Ｌ* （式６） となるように設定する。 すなわち、 ｆ* とｚ* を決めたとき…Ｌ* ＝ｆ* ／ｚ* （式７） ｆ* とＬ* を決めたとき…ｚ* ＝ｆ* ／Ｌ* （式８） ｚ* とＬ* を決めたとき…ｆ* ＝ｚ* Ｌ* （式９） というように設定する。また、マスタとスレーブのロボ
ットの手先に実現する目標インピーダンスの各パラメー
タであるマスタの目標慣性ｍ01、スレーブの目標慣性ｍ
02、マスタの目標粘性ｂ01、スレーブの目標粘性ｂ02、
マスタの目標剛性ｋ01、スレーブの目標剛性ｋ02を、そ
れぞれ、 ｍ01／ｍ02＝ｂ01／ｂ02＝ｋ01／ｋ02＝ｚ* （式１０） が成り立つように各パラメータをきめる。このように設
定したパラメータをもとに各アームでインピーダンス制
御を実行すると、マスタとスレーブのみかけの動特性は
それぞれ周波数でつぎのように表される。 Ｆm （ｓ）＝（ｍ01 ｓ2 ＋ｂ01 ｓ＋ｋ01 ）Ｘm （ｓ） （式１１） Ｆs （ｓ）＝（ｍ02 ｓ2 ＋ｂ02 ｓ＋ｋ02 ）Ｘs （ｓ） （式１２） また、操作力Ｆm と、外力Ｆs に力の相似比ｆ* を乗じ
た値ｆ* Ｆs との差であるＦ1 （＝Ｆm −ｆ* Ｆs ）
と、マスタの目標インピーダンスｚm とから、マスタの
位置指令Ｘmrを、 Ｘmr＝Ｆ1 ／ｚm （式１３） にしたがって計算する。同時に、操作力Ｆm を力の相似
比ｆ* で割った値Ｆm ／ｆ* と外力Ｆs との差であるＦ
2 （＝Ｆm ／ｆ* −Ｆs ）と、スレーブの目標インピー
ダンスｚs とから、スレーブの位置指令Ｘsrを、 Ｘsr＝Ｆ2 ／ｚs （式１４） にしたがって計算する。このとき、マスタとスレーブと
の間で物理的な相似性がなりたっていることを説明す
る。マスタとスレーブにくわわった力Ｆm とＦs と各ア
ームの目標インピーダンスＺm 、Ｚs とから各アームの
位置を求めてみる。ここで、各アームのサーボ系が理想
的に働いたとすると、まず、スレーブの位置Ｘs は、
（式１３）、（式１４）から、 Ｘs ＝（Ｆm ／ｆ* −Ｆs ）／ｚs （式１５） となる。これと（式７）とからマスタの位置Ｘm は、 Ｘm ＝（Ｆm −ｆ* Ｆs ）／ｚm ＝（ｆ* ／ｚ* ）（Ｆm ／ｆ* −Ｆs ）／ｚs ＝Ｌ* Ｘs （式１６） となる。このことからマスタとスレーブにそれぞれ加わ
った力と各目標インピーダンスによって発生する各アー
ムの運動の関係は位置Ｘm とＸs とであらわされ、これ
らの位置の関係が最初に設定したスケール比Ｌ* にした
がうことから、マスタとスレーブとの間に物理的な相似
性が成立することがわかる。以上説明したように、異な
るスケールの物理量をあつかうマスタ・スレーブロボッ
トにおいてマスタトスレーブとの間で物理的な相似性が
成立することとなる。
ーラをそなえ、各アームに仮想的なインピーダンスを実
現するマスタ・スレーブロボットにおいて、マスタとス
レーブの間であつかう物理量の物理的な相似性が満足す
るようなマスタ・スレーブロボットの制御装置を提供で
きる。以下、本発明の原理を説明する。マスタとスレー
ブであつかう物理量の相似のスケール比を設定する。
力、長さ、インピーダンスのスケール比をそれぞれつぎ
のようにあらわす。 Ｆm ＝ｆ* Ｆs （式１） Ｘm ＝Ｌ* Ｘs （式２） Ｚm ＝ｚ* Ｚs （式３） ここで、ｆ* 、Ｌ* 、ｚ* はそれぞれ力、長さ、インピ
ーダンスのスケール比をあらわす。また、Ｆm 、Ｆs は
それぞれマスタとスレーブで発生した力の値、Ｘm 、Ｘ
s はそれぞれマスタとスレーブの位置、Ｚm 、Ｚs はそ
れぞれマスタとスレーブの目標インピーダンスである。
これらの目標インピーダンスはＺm ＝［ｍｏ1 、ｂ
ｏ1 、ｋｏ1 ］、Ｚs ＝［ｍｏ2 、ｂｏ2 、ｋｏ2 ］と
あらわされる。ｍｏ1 、ｂｏ1 、ｋｏ1 はそれぞれマス
タの目標慣性、目標粘性、目標弾性、またｍｏ2 、ｂｏ
2 、ｋｏ2 はそれぞれスレーブの目標慣性、目標粘性、
目標弾性である。ここで力、長さ、インピーダンスの関
係が Ｆm ＝Ｚm Ｘm （式４） Ｆs ＝Ｚs Ｘ s （式５） であることからスケール比の間の関係を ｆ* ＝ｚ* Ｌ* （式６） となるように設定する。 すなわち、 ｆ* とｚ* を決めたとき…Ｌ* ＝ｆ* ／ｚ* （式７） ｆ* とＬ* を決めたとき…ｚ* ＝ｆ* ／Ｌ* （式８） ｚ* とＬ* を決めたとき…ｆ* ＝ｚ* Ｌ* （式９） というように設定する。また、マスタとスレーブのロボ
ットの手先に実現する目標インピーダンスの各パラメー
タであるマスタの目標慣性ｍ01、スレーブの目標慣性ｍ
02、マスタの目標粘性ｂ01、スレーブの目標粘性ｂ02、
マスタの目標剛性ｋ01、スレーブの目標剛性ｋ02を、そ
れぞれ、 ｍ01／ｍ02＝ｂ01／ｂ02＝ｋ01／ｋ02＝ｚ* （式１０） が成り立つように各パラメータをきめる。このように設
定したパラメータをもとに各アームでインピーダンス制
御を実行すると、マスタとスレーブのみかけの動特性は
それぞれ周波数でつぎのように表される。 Ｆm （ｓ）＝（ｍ01 ｓ2 ＋ｂ01 ｓ＋ｋ01 ）Ｘm （ｓ） （式１１） Ｆs （ｓ）＝（ｍ02 ｓ2 ＋ｂ02 ｓ＋ｋ02 ）Ｘs （ｓ） （式１２） また、操作力Ｆm と、外力Ｆs に力の相似比ｆ* を乗じ
た値ｆ* Ｆs との差であるＦ1 （＝Ｆm −ｆ* Ｆs ）
と、マスタの目標インピーダンスｚm とから、マスタの
位置指令Ｘmrを、 Ｘmr＝Ｆ1 ／ｚm （式１３） にしたがって計算する。同時に、操作力Ｆm を力の相似
比ｆ* で割った値Ｆm ／ｆ* と外力Ｆs との差であるＦ
2 （＝Ｆm ／ｆ* −Ｆs ）と、スレーブの目標インピー
ダンスｚs とから、スレーブの位置指令Ｘsrを、 Ｘsr＝Ｆ2 ／ｚs （式１４） にしたがって計算する。このとき、マスタとスレーブと
の間で物理的な相似性がなりたっていることを説明す
る。マスタとスレーブにくわわった力Ｆm とＦs と各ア
ームの目標インピーダンスＺm 、Ｚs とから各アームの
位置を求めてみる。ここで、各アームのサーボ系が理想
的に働いたとすると、まず、スレーブの位置Ｘs は、
（式１３）、（式１４）から、 Ｘs ＝（Ｆm ／ｆ* −Ｆs ）／ｚs （式１５） となる。これと（式７）とからマスタの位置Ｘm は、 Ｘm ＝（Ｆm −ｆ* Ｆs ）／ｚm ＝（ｆ* ／ｚ* ）（Ｆm ／ｆ* −Ｆs ）／ｚs ＝Ｌ* Ｘs （式１６） となる。このことからマスタとスレーブにそれぞれ加わ
った力と各目標インピーダンスによって発生する各アー
ムの運動の関係は位置Ｘm とＸs とであらわされ、これ
らの位置の関係が最初に設定したスケール比Ｌ* にした
がうことから、マスタとスレーブとの間に物理的な相似
性が成立することがわかる。以上説明したように、異な
るスケールの物理量をあつかうマスタ・スレーブロボッ
トにおいてマスタトスレーブとの間で物理的な相似性が
成立することとなる。
【０００６】
【実施例】次に、本発明の実施例のブロック図を図１に
示して説明する。マスタ１とスレーブ２のアームに各々
取り付けられた力検出器３、４で検出した力５、６は、
座標変換演算部７、８に入力され、直交座標系へ座標変
換したマスタの操作力Ｆm と、スレーブの力座標演算部
で検出した力を直交座標系の力へ変換した外力Ｆs とに
変換される。操作力Ｆm と、外力に力のスケール比ｆ*
を乗じた値ｆ* Ｆs との差Ｆ1 をとって、Ｆ1 とマスタ
の目標インピーダンスｚmとから、マスタの位置指令Ｘ
mrを計算する。また、操作力Ｆm に力のスケール比で割
った値Ｆm ／ｆ* と外力Ｆs との差Ｆ2 をとって、Ｆ2
とスレーブの目標インピーダンスｚs とから、スレーブ
の位置指令Ｘsrを計算する。それぞれのサーボコントロ
ーラ９、１０では、各アーム１、２を動かしたときに各
関節の角度、角速度、角加速度を検出し、これらの位置
指令値を追従するように各関節のサーボ補償をおこな
う。サーボ補償としては通常のＰＩ補償器あるいはＰＩ
Ｄ補償器で構成する。
示して説明する。マスタ１とスレーブ２のアームに各々
取り付けられた力検出器３、４で検出した力５、６は、
座標変換演算部７、８に入力され、直交座標系へ座標変
換したマスタの操作力Ｆm と、スレーブの力座標演算部
で検出した力を直交座標系の力へ変換した外力Ｆs とに
変換される。操作力Ｆm と、外力に力のスケール比ｆ*
を乗じた値ｆ* Ｆs との差Ｆ1 をとって、Ｆ1 とマスタ
の目標インピーダンスｚmとから、マスタの位置指令Ｘ
mrを計算する。また、操作力Ｆm に力のスケール比で割
った値Ｆm ／ｆ* と外力Ｆs との差Ｆ2 をとって、Ｆ2
とスレーブの目標インピーダンスｚs とから、スレーブ
の位置指令Ｘsrを計算する。それぞれのサーボコントロ
ーラ９、１０では、各アーム１、２を動かしたときに各
関節の角度、角速度、角加速度を検出し、これらの位置
指令値を追従するように各関節のサーボ補償をおこな
う。サーボ補償としては通常のＰＩ補償器あるいはＰＩ
Ｄ補償器で構成する。
【０００７】
【発明の効果】以上述べたように、この発明によれば、
各アームにサーボコントローラをそなえ、各アームに仮
想的なインピーダンスを実現するマスタ・スレーブロボ
ットにおいて、マスタとスレーブの間であつかう物理量
の物理的な相似性が満足するようなマスタ・スレーブロ
ボットの制御装置を実現できる。
各アームにサーボコントローラをそなえ、各アームに仮
想的なインピーダンスを実現するマスタ・スレーブロボ
ットにおいて、マスタとスレーブの間であつかう物理量
の物理的な相似性が満足するようなマスタ・スレーブロ
ボットの制御装置を実現できる。
【図１】本発明によるマスタ・スレーブロボットの制御
装置の実施例を示す図。
装置の実施例を示す図。
１ マスタアーム ２ スレーブアーム ３、４ 力検出器 ５、６ 検出した力 ７、８ 座標変換演算部 ９、１０ サーボコントローラ
Claims (1)
- 【請求項１】 各アームに位置あるいは速度あるいは加
速度のモーションのサーボ装置をそなえ、各アームの手
先に予め設定した目標インピーダンス（目標慣性・目標
粘性・目標弾性）を実現するように位置あるいは速度あ
るいは加速度のモーションの指令値を各アームのサーボ
装置へ入力してマスタとスレーブの各システムで局所的
にインピーダンス制御し、長さあるいは力などの物理量
において異なるスケールの物理量をあつかうマスタ・ス
レーブロボットの制御装置において、 マスタ・スレーブのそれぞれであつかう物理量の相似性
を満足するように力、長さ、目標インピーダンスのスケ
ール比をそれぞれのアームの手先で検出した力に乗じる
手段と、 その乗算値と対応する検出値との差を、力指令値として
それぞれマスタおよびスレーブの目標インピーダンスに
与える手段と、を備えたことを特徴とするマスタ・スレ
ーブロボットの制御装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP01214494A JP3355614B2 (ja) | 1994-01-07 | 1994-01-07 | マスタ・スレーブロボットの制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP01214494A JP3355614B2 (ja) | 1994-01-07 | 1994-01-07 | マスタ・スレーブロボットの制御装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07205058A true JPH07205058A (ja) | 1995-08-08 |
| JP3355614B2 JP3355614B2 (ja) | 2002-12-09 |
Family
ID=11797312
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP01214494A Expired - Fee Related JP3355614B2 (ja) | 1994-01-07 | 1994-01-07 | マスタ・スレーブロボットの制御装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3355614B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109173125A (zh) * | 2018-09-29 | 2019-01-11 | 北京力升高科科技有限公司 | 一种消防机器人的协同工作方法及系统 |
-
1994
- 1994-01-07 JP JP01214494A patent/JP3355614B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109173125A (zh) * | 2018-09-29 | 2019-01-11 | 北京力升高科科技有限公司 | 一种消防机器人的协同工作方法及系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3355614B2 (ja) | 2002-12-09 |
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Legal Events
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