JPH0725040B2 - マニピユレ−タの過負荷制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ 産業上の利用分野 本発明は力帰環形のマスタスレーブマニピュレータのバ
イラテラル制御系において、小帰環率の場合のスレープ
の過負荷による破壊を防止するものに関する。

Ｂ 発明の概要 この発明は、マスタスレーブマニピュレータの力帰環形
バイラテラル制御系において、トルク帰環率を小さくし
た場合スレーブ側にてトルク検出器の信号を負荷が大き
な条件の時に位置信号に変換して負荷に従動させる系を
備えることにより、過負荷によるスレーブ側の破壊を防
止するようにしたものである。

Ｃ 従来の技術 マスタスレーブマニピュレータにおいては、マスター側
の操作力がスレーブ側に伝わることにより、しかもスレ
ーブ側の作用力がマスター側に帰環されることにより、
バイラテラル制御を行なうものがある。この種マニピュ
レータの一例を第６図に示す。第６図において、マスタ
ー側は操縦者のハンドルＨ、ハンドルＨに連結されるト
ルクセンサＴ、位置センサＰ、アクチュエータＡ、アク
チュエータＡを駆動するサーボドライバＤ、及びトルク
センサＴとスレーブ側のトルク帰環調整器Ｃからのスレ
ーブ側トルクとの双方の信号を加算する加え合せ点ADか
ら構成され、このマスター側に対応してスレーブ側は負
荷に操作を及ぼすアームH_s、このアームH_sにつながるト
ルクセンサT_s、位置センサP_s、アクチュエータA_s、アク
チュエータＡを駆動するサーボドライバD_s、位置センサ
P_sとマスター側位置センサＰとの双方の位置信号を加算
する加え合せ点AD_s，及びトルクセンサT_sのトルク信号
をマスター側の加え合せ点ADに帰環させるトルク帰環調
整器Ｃから構成される。

このような構成において、操作者がマスター側のハンド
ルＨをまわすとそれに伴いアクチュエータＡがまわり、
位置センサＰの信号が加え合せ点AD_sに至り位置センサP
_sとの偏差が生じるとドライバD_sを動かしアクチュエー
タA_sを介してアームH_sを動かすようになっている。一
方、アームH_sの駆動によって負荷からアームに作用した
力はトルクセンサT_sを介してトルク帰環調整器Ｃに至
り、加え合せ点ADにてトルクセンサＴの信号と加えられ
てサーボドライバＤを駆動しアクチュエータＡに作用し
て操作者に負荷抵抗を知らしめるようになっている。

かかる第６図の構成にあって、スレーブ側に負荷がない
場合には、マスタ側のトルクセンサＴによりマスター側
のアクチュエータＡの摩擦抵抗分を検出し、それを補償
する方向にドライバＤを作用させてマスター側のハンド
ルＨを軽く操作できる。また負荷がある場合には、トル
クセンサT_sの出力を帰環率調整器Ｃにて調整後、マスタ
ー側のドライバＤにてスレーブ側のトルクと比例関係に
おくようにトルクを発生させスレーブ側の負荷抵抗を操
縦者が知るようにしている。

この場合、帰環調整器Ｃによるトルク帰環率が大きい場
合には、スレーブ側の負荷状況がマスター側に直に伝わ
り、スレーブ側の負荷状況判断を誤ることがないので、
過負荷が加わってもスレーブアームH_sが破損することは
ない。すなわち、過負荷の場合マスター側も操作力が重
くなるため、支えきれなくなって負荷に従う方向にマス
ターが自然とにげる操作をすることになり、マスター側
の位置センサＰの指令によりスレーブ側にドライバD_sを
駆動してスレーブ側アームH_sも負荷に従う方向に逃げる
こととなり過負荷からのがれられる。

Ｄ 発明が解決しようとする問題点 トルク帰環率が1:1の場合、スレーブ側に例えば20kg以
上の負荷を扱うとき、マスター側のドライバＤ及びアク
チュエータＡに充分な能力があってそのまま20kg以上の
力をマスター側のハンドルＨに発生させると、操縦者は
ごく短時間しか支えきれない。このために、重量物を扱
う場合にはトルク帰環率を小さくして負荷の抵抗に比例
した小さな反力を、マスター側のハンドルＨに発生させ
操縦者が楽に操作できるようにしている。この場合、ト
ルク帰環率を小さくするとマスター操作が楽にできて、
極端な場合ユニラテラル制御にもなる。

ここで、トルク帰環率を小さくしてマスター操作を楽に
した場合、スレーブ側のアームH_sに過負荷が加わるとス
レーブ側では強大な過負荷であるにもかかわらずマスタ
ー側アームＨでは、さほどの負荷でないと判断して更に
ハンドルを進ませたり停止させたままとなるとスレーブ
側のアームH_sが逃げられず破損してしまうという問題が
ある。殊に、スレーブ側の負荷として静止重量物などと
異なり別の機械、例えばホイストなどの力を出す機械か
ら加わるものの場合には、スレーブアームH_sの強度に無
関係に負荷が加わるので、この破損が生じやすい。

そこで、本発明は、上述の欠点に鑑み、過負荷による逃
げを可能としたマニピュレータの過負荷制御装置の提供
を目的とする。

Ｅ 問題点を解決するための手段 上述の目的を達成する本発明は、マスタースレーブのバ
イラテラル制御系において、スレーブ側のトルクセンサ
に信号変換器を設けてスレーブアクチュエータを駆動さ
せる位置信号の補正をすることにより、スレーブ側の過
負荷に対し逃げるようにアームを制御したものである。

Ｆ 実施例 ここで、第１図ないし第５図を参照して本発明の実施例
を説明する。なお、実施例において第６図の同一部分に
は同一符号を付し、その説明を省略する。スレーブ側の
トルクセンサT_sは帰環率調整器Ｃに接続されているので
あるが、更に本実施例では信号変換器Ｖに接続されてい
る。そして、この信号変換器Ｖの出力は、加え合せ点AD
_sに接続されている。すなわち、信号変換器Ｖは、スレ
ーブ側のアームH_sに加わる負荷からのトルクを検出した
トルクセンサT_sの出力信号を加え合せ点AD_sに入力して
スレーブ側の位置センサP_sの出力の一部肩代りをさせよ
うとするもので、マスター側位置センサＰの出力とスレ
ーブ側位置センサP_sの出力及び信号検出器Ｖの出力の和
とがつり合うようになっている。したがって、信号変換
器Ｖからの出力が生じるとその分位置センサP_sの出力が
小さくなりアクチュエータA_sにより小さくなった分すな
わち信号変換器Ｖの出力分だけスレーブアームH_sが動
き、負荷に対し逃げる方向に動かされる。この場合、信
号変換器Ｖの出力は、スレーブ側アームにとり過負荷の
状態のときのみ生ずるようにするため、第２図に示す特
性を持つのが望ましい。すなわち、第２図において、ス
レーブアームH_sの定格出力トルク相当以下で発生するト
ルクセンサT_sの信号については、変換器Ｖの出力を零と
する。第２図の−Ａから＋Ａの範囲である。また、スレ
ーブアームH_sの定格出力トルク又はこのトルクに多少の
余裕をみたトルク相当の信号レベルより大きな変換器Ｖ
の入力信号については、加え合せ点AD_sに加えるに適し
た信号レベルに比例した出力を得る。この場合、第２図
に示す＋Ａ→Ｂもしくは−Ａ→Ｂ′の範囲である。

ここにおいて、前述の加え合せ点AD_sに加えるに適した
信号レベルは次にのべるｑのようなものである。例えば
スレーブアームH_sの定格出力トルクの1.5〜２倍に相当
する入力信号ｔに対して変換器出力信号をｑとする。位
置信号の加え合せ点AD_sにおいて信号ｑが加わらないと
きには、スレーブ側とマスター側がサーボ剛性により、
スレーブ側ドライバーD_sに、スレーブ定格トルクを発生
して、負荷トルクを支持するにたる指令信号を出してい
るとする、しかしそこに信号ｑが加わることで、スレー
ブ側のドライバーD_sへの指令を打消して、さらにアクチ
ュエータA_sの摩擦等の抵抗分を考慮し、信号ｑを加える
ことによりスレーブ負荷によってスレーブが負荷の作用
方向に従動する方向へ作動するような信号ｑとする。

第２図における特性をここでまとめて述べると、スレー
ブ側のトルクセンサT_sの信号はCODの点線で示すような
もので、作用方向により±があるが、負荷がないとき０
点を通る、この信号を、変換器Ｖでは、B,＋A,−A,B′
のような折線で示す特性に変換する。すなわち−A,又は
＋Ａは、スレーブの定格出力トルクの相当点で、ほぼそ
の値までは変換信号を零とする。その後の過負荷に対し
て例えば＋A,B又は−A,B′のような特性で信号を出し例
えば前例でいえばｔという入力に対しｑのような出力信
号を出す。なお、スレーブの過負荷域において、スレー
ブが負荷の方向に従動する速度を最適に調整できるよう
第２図の傾き＋AB,−AB′を可変とすることができる。

以上述べた方法により、スレーブ側の過トルクに対する
スレーブアームH_sの保護が可能になった。一方、この過
負荷制御はスレーブ側にトルクフィードバックを追加す
ることにより、マスタ，スレーブ間の電気剛性を低下さ
せることになる。このため過負荷制御が行われている間
は恰もマスタとスレーブがやわらかいバネで接続された
状態になり、マスタ側のオペレータは、過負荷制御が行
われていないときに比較して過剰にマスタを動かしてし
まう可能性がある。この結果、マスタとスレーブの位置
ずれが大きくなり、この状態でスレーブ側の過トルク状
態（例えば、何かに引っかかっていた腕がはずれる）が
解除され、過負荷制御が終了すると、その瞬間にマス
タ，スレーブの電気剛性はもとにもどる。このときマス
タ，スレーブの位置ずれが大きいと、スレーブが急激に
マスタに追従するため、操作上危険である。よって、こ
のような状態を検出し、急激な動作を行わせない保護回
路の追加が必要となり、第３図に示す保護回路を追加し
た。

第３図において、CMは過負荷制御が実行後復帰したこと
を条件として第４図に示す処理を行なう回路である。

（ａ）マスタ，スレーブの位置差Δθを求める。

（ｂ）このΔθに相当する負荷トルク（Ｔ_Δθ）を演算
する。

（ｃ）Ｔ_Δθ＞T_s又は｜Δθ｜＞K₁ならブロックＭに対
し、スレーブアームの速度制御指令を与え、Ｔ_ΔθT_s
又は｜Δθ｜K₁なら速度制御指令を停止する。

ここでT_sはトルクセンサの相当トルク、 K₁は可変なパラメータとする。

Ｍは、CMよりの速度制御指令をうけて次の処理を行う回
路である。すなわちスレーブの速度制御設定値を発生す
る。設定値は第５図に示すようなモードである。すなわ
ち、第５図の如く、速度の立ち上りと最終値ともに可変
とし、これを調整することにより、任意のスピードでス
レーブをマスタに追従させることができ、急激な動作を
防止できる。

SW1は、過負荷制御が実行後、復帰したことを条件とし
て次の処理を行う回路である。

（ａ）からに切変り、ドライバD_sへの駆動信号を、
過負荷制御側から、保護回路側に切かえる。

（ｂ）ブロックＭで速度制御指令が停止するとから
に切替り、ドライバD_sへの駆動信号を保護回路側から過
負荷制御側に切変える。

以上より、過負荷制御終了時に大きな位置差があっても
安全にスレーブがマスタに追従できる。さらにＴ_Δθと
T_sがバランスした時点でもとのバイラテラル制御に戻れ
るので、オペレータは切かわりのショックを感ずること
のない、バンプレスな制御が可能となる。

Ｇ 発明の効果 マニュピュレータのスレーブ側負荷トルク検出器の信号
をマスター側に帰環することで、バイラテラル制御する
場合であて、その信号帰環率を小さく調整することでマ
スター操作力を軽減する場合、スレーブ側トルクセンサ
の信号を適宜変換し、スレーブ側が過負荷の作用方向に
従動し過負荷よりにげることができる。また、別の手法
として機械式トルクリミッターの利用などがあるが、そ
れらでは、設定値のバラツキや、再設定に問題が多い
が、本発明ではそのままトルクセンサによる精度の高い
検出と最適の安定した制御ができる。更に、保護回路を
追加することにより、マスタスレーブの位置づれが大き
い状態で、過負荷制御が終了してもスレーブはマスタに
ゆっくりと追従させることが出来て安全である。また、
もとの制御に戻るときもオペレータへの反力が突変しな
いよう、バンプレスに切変えることが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第５図は本発明の実施例で、第１図は一実
施例の簡略構成図、第２図は信号変換器の特性線図、第
３図は保護回路を含めた簡略構成図、第４図は保護回路
のフローチャート、第５図はトルクに対する設定速度の
特性線図、第６図は従来の簡略構成図である。 図中、 Ｈはハンドル、T,T_sはトルクセンサ、P,P_sは位置セン
サ、AD,AD_sは加え合せ点、Ｃは帰環率調整器、H_sはアー
ム、Ｖは信号変換器である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】マスタースレーブマニピュレータの力帰環
   形バイラテラル制御系において、スレーブ側のトルクセ
   ンサの出力信号をマスター側に帰環する他に、このスレ
   ーブ側のトルクセンサの出力信号が入力されスレーブの
   定格トルク近辺に該当するトルクセンサの出力信号まで
   は出力せずそれ以上のトルクセンサの出力信号に対して
   はスレーブ側の位置信号に相応するレベルに変換して出
   力する信号変換器を備えてスレーブ側の負荷に従動する
   方向に上記位置信号を加えるようにしたマニピュレータ
   の過負荷制御装置。
2. 【請求項２】スレーブ側の加え合せ点の出力とマスタ側
   の位置センサ出力とを比較して速度制御指令の可否を判
   断する第１処理部と、この処理部に指令にて徐々にスレ
   ーブをマスタに追従される特性を出力する第２処理部
   と、これら第１及び第２処理部をスレーブ側のドライバ
   と加え合せ点との間に挿入することを選択するスイッチ
   とを有する特許請求の範囲第１項記載のマニピュレータ
   の過負荷制御装置。
3. 【請求項３】信号変換器の位置信号に相応するレベルの
   傾きである変換出力特性を任意に変化させることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載のマニピュレータの過
   負荷制御装置。