JPH0741560B2 - マスター・スレーブロボットの制御方法 - Google Patents
マスター・スレーブロボットの制御方法Info
- Publication number
- JPH0741560B2 JPH0741560B2 JP1299404A JP29940489A JPH0741560B2 JP H0741560 B2 JPH0741560 B2 JP H0741560B2 JP 1299404 A JP1299404 A JP 1299404A JP 29940489 A JP29940489 A JP 29940489A JP H0741560 B2 JPH0741560 B2 JP H0741560B2
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- Japan
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- manipulator
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- work
- master
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、マスター・スレーブロボットの制御方法に関
する。
する。
拘束条件下での運動や物体との接触を伴うマニピュレー
タの運動において、位置及び力の情報を考慮することの
重要性は古くから論じられており、位置と力のハイブリ
ッド制御やインピーダンス制御が開発されてきた。
タの運動において、位置及び力の情報を考慮することの
重要性は古くから論じられており、位置と力のハイブリ
ッド制御やインピーダンス制御が開発されてきた。
これらの制御法は、マニピュレータと作業対象物の動的
な相互作用を中心概念とし、マニピュレータの機械的な
インピーダンスを制御することで、マニピュレータが作
業対象物に接触する場合に安定的な力制御を行うことを
可能とした。
な相互作用を中心概念とし、マニピュレータの機械的な
インピーダンスを制御することで、マニピュレータが作
業対象物に接触する場合に安定的な力制御を行うことを
可能とした。
また、マスター・スレーブ・マニピュレータを操作する
場合、従来の対称型や力逆送型あるいは力帰還型の各マ
スター・スレーブの制御方式では、スレーブアームが得
た力感覚を、そのままマスターアームへ伝送する方法を
用いている。
場合、従来の対称型や力逆送型あるいは力帰還型の各マ
スター・スレーブの制御方式では、スレーブアームが得
た力感覚を、そのままマスターアームへ伝送する方法を
用いている。
しかし、一般に、スレーブアームが作業を行う環境は、
そのままオペレータにとって操作し易いとは限らず、例
えば慣性質量の大きな対象物を移動させる場合には、オ
ペレータにとっては負担となる。その場合には、オペレ
ータの作業を補助する意味から、対象物も含めた環境の
動特性を見かけ上変更することがより重要であり、作業
対象物のインピーダンスを制御することで操作感を変更
する手法が既に提案されている。
そのままオペレータにとって操作し易いとは限らず、例
えば慣性質量の大きな対象物を移動させる場合には、オ
ペレータにとっては負担となる。その場合には、オペレ
ータの作業を補助する意味から、対象物も含めた環境の
動特性を見かけ上変更することがより重要であり、作業
対象物のインピーダンスを制御することで操作感を変更
する手法が既に提案されている。
このように、作業対象物の動特性を考慮に入れたマニピ
ュレータの制御を行うには、作業対象物の動特性の情報
を、マニピュレータの制御ループの中に取り込むことが
重要である。
ュレータの制御を行うには、作業対象物の動特性の情報
を、マニピュレータの制御ループの中に取り込むことが
重要である。
マニピュレータが、ある作業対象物に接触する場合に
は、マニピュレータの動特性すなわちインピーダンスだ
けに注目するのではなく、作業対象物のインピーダンス
の大小によって、マニピュレータのインピーダンスを制
御することが、安定な接触作業を実行するには必要であ
る。
は、マニピュレータの動特性すなわちインピーダンスだ
けに注目するのではなく、作業対象物のインピーダンス
の大小によって、マニピュレータのインピーダンスを制
御することが、安定な接触作業を実行するには必要であ
る。
また、マスター・スレーブ・マニピュレータでは、スレ
ーブアームが把持した対象物の動特性を計測し、作業者
が快適に操作できる対象物の動特性の範囲と照らし合わ
せて、マスターアームの操作感を変更することになる。
ーブアームが把持した対象物の動特性を計測し、作業者
が快適に操作できる対象物の動特性の範囲と照らし合わ
せて、マスターアームの操作感を変更することになる。
したがって、作業対象物の動特性を、インピーダンスと
して同定することは、以上のようなマニピュレータの接
触作業、あるいはマスター・スレーブ・マニピュレータ
には不可欠である。
して同定することは、以上のようなマニピュレータの接
触作業、あるいはマスター・スレーブ・マニピュレータ
には不可欠である。
本発明は、上記のような実情に鑑みてなされたものであ
り、マニピュレータの安定的な接触作業、あるいは操作
生の良いマスター・スレーブ・マニピュレータを実現す
ることを可能とする制御方法を提案することを目的とす
る。
り、マニピュレータの安定的な接触作業、あるいは操作
生の良いマスター・スレーブ・マニピュレータを実現す
ることを可能とする制御方法を提案することを目的とす
る。
この目的を達成するため、本発明のマスター・スレーブ
ロボットの制御方法は、作業対象物の動特性を、 Mo:作業対象物の慣性質量 Do:作業対象物の粘性 Ko:作業対象物の剛性 とし、マニピュレータの手先の動特性を、 Mm:マニピュレータの手先の慣性質量 Dm:マニピュレータの手先の粘性 Km:マニピュレータの手先の剛性 とし、マニピュレータの手先の目標運動を、 d2Xm/dt2:マニピュレータの手先の加速度 dXm/dt:マニピュレータの手先の速度 Xm:マニピュレータの手先の位置 とし、マニピュレータ接触前の作業対象の運動を、 d2Xo/dt2:作業対象物の加速度 dXo/dt:作業対象物の速度 Xo:作業対象物の位置 とし、マニピュレータの接触後の作業対象物とマニピュ
レータの運動を、 d2Xe/dt2:マニピュレータと作業対象物の加速度 dXe/dt:マニピュレータと作業対象物の速度 Xe:マニピュレータと作業対象物の位置 としたとき、 作業対象物の動特性を、マニピュレータの手先と作業対
象物の接触前後の位置偏差Xe−Xm,Xe−Xoから、 とするインピーダンスとして求め、この作業対象物の動
特性を用いてスレーブマニピュレータの把持している対
象物の動特性を見かけ上変化させ、マスタマニピュレー
タを操作するときの操作感を変更する制御を行うことを
特徴とする。
ロボットの制御方法は、作業対象物の動特性を、 Mo:作業対象物の慣性質量 Do:作業対象物の粘性 Ko:作業対象物の剛性 とし、マニピュレータの手先の動特性を、 Mm:マニピュレータの手先の慣性質量 Dm:マニピュレータの手先の粘性 Km:マニピュレータの手先の剛性 とし、マニピュレータの手先の目標運動を、 d2Xm/dt2:マニピュレータの手先の加速度 dXm/dt:マニピュレータの手先の速度 Xm:マニピュレータの手先の位置 とし、マニピュレータ接触前の作業対象の運動を、 d2Xo/dt2:作業対象物の加速度 dXo/dt:作業対象物の速度 Xo:作業対象物の位置 とし、マニピュレータの接触後の作業対象物とマニピュ
レータの運動を、 d2Xe/dt2:マニピュレータと作業対象物の加速度 dXe/dt:マニピュレータと作業対象物の速度 Xe:マニピュレータと作業対象物の位置 としたとき、 作業対象物の動特性を、マニピュレータの手先と作業対
象物の接触前後の位置偏差Xe−Xm,Xe−Xoから、 とするインピーダンスとして求め、この作業対象物の動
特性を用いてスレーブマニピュレータの把持している対
象物の動特性を見かけ上変化させ、マスタマニピュレー
タを操作するときの操作感を変更する制御を行うことを
特徴とする。
マニピュレータの内部センサから、マニピュレータが作
業対象物に接触した後の加速度、速度、位置を計測し、
予め定めたマニピュレータの目標加速度、目標速度、目
標位置、マニピュレータ接触前の作業対象物の加速度、
速度、位置及びマニピュレータの手先のインピーダンス
を上式に代入し、作業対象物の動特性をインピーダンス
として求め、この作業対象物の動特性を用いてスレーブ
マニピュレータの把持している対象物の動特性を変化さ
せ、マスタマニピュレータを操作するときの操作感を見
かけ上重くしたり軽くしたりというように変更する。
業対象物に接触した後の加速度、速度、位置を計測し、
予め定めたマニピュレータの目標加速度、目標速度、目
標位置、マニピュレータ接触前の作業対象物の加速度、
速度、位置及びマニピュレータの手先のインピーダンス
を上式に代入し、作業対象物の動特性をインピーダンス
として求め、この作業対象物の動特性を用いてスレーブ
マニピュレータの把持している対象物の動特性を変化さ
せ、マスタマニピュレータを操作するときの操作感を見
かけ上重くしたり軽くしたりというように変更する。
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。
未知の動特性（Mo,Do,Ko）を持つ作業対象物に、動特性
（Mm,Dm,Km）を持つマニピュレータが接触する状態を第
１図に示す。
（Mm,Dm,Km）を持つマニピュレータが接触する状態を第
１図に示す。
マニピュレータの手先の目標運動を、 d2Xm/dt2:マニピュレータの手先の加速度 dXm/dt:マニピュレータの手先の速度 Xm:マニピュレータの手先の位置 とすると、マニピュレータが作業対象物に接触する前で
は、これはそのままマニピュレータの実際の運動状態に
一致し、マニピュレータが作業対象物に接触後では、対
象物が存在しなかった場合のマニピュレータの仮想的な
運動状態となる。
は、これはそのままマニピュレータの実際の運動状態に
一致し、マニピュレータが作業対象物に接触後では、対
象物が存在しなかった場合のマニピュレータの仮想的な
運動状態となる。
マニピュレータの接触前の作業対象物の運動を、 d2Xo/dt2:作業対象物の加速度 dXo/dt:作業対象物の速度 Xo:作業対象物の位置 とすると、マニピュレータが作業対象物に接触した後で
は、マニピュレータの手先の運動は、 d2Xe/dt2:マニピュレータと作業対象物の加速度 dXe/dt:マニピュレータと作業対象物の速度 Xe:マニピュレータと作業対象物の位置 のように計測される。
は、マニピュレータの手先の運動は、 d2Xe/dt2:マニピュレータと作業対象物の加速度 dXe/dt:マニピュレータと作業対象物の速度 Xe:マニピュレータと作業対象物の位置 のように計測される。
例えば、マニピュレータと作業対象物がばね要素のみで
構成されているとすると、接触前の状態は第２図のよう
に表され、接触後では、第３図に示したように、マニピ
ュレータと作業対象物の接触点の位置は、マニピュレー
タの目標位置Xmと接触前の作業対象物の位置Xoの中間の
平衡点Xeで静止することになる。
構成されているとすると、接触前の状態は第２図のよう
に表され、接触後では、第３図に示したように、マニピ
ュレータと作業対象物の接触点の位置は、マニピュレー
タの目標位置Xmと接触前の作業対象物の位置Xoの中間の
平衡点Xeで静止することになる。
このとき、接触によって、マニピュレータの目標位置Xm
と平衡点Xeには偏差Xe−Xmが生じ、マニピュレータは作
業対象物に対し、 Fo＝Km・（Xe−Xm） だけの力を与えることになる。逆に、接触前の作業対象
物の位置Xoと平衡点Xeには、偏差Xo−Xeが生じるので、
作業対象物はマニピュレータに対し、 Fe＝Ko・（Xo−Xe） だけの反力を返すことになる。
と平衡点Xeには偏差Xe−Xmが生じ、マニピュレータは作
業対象物に対し、 Fo＝Km・（Xe−Xm） だけの力を与えることになる。逆に、接触前の作業対象
物の位置Xoと平衡点Xeには、偏差Xo−Xeが生じるので、
作業対象物はマニピュレータに対し、 Fe＝Ko・（Xo−Xe） だけの反力を返すことになる。
これらの力は、作用・反作用の関係から等しくなり、 Km・（Xe−Xm）＝Ko・（Xo−Xe） なる関係がある。
したがって、この関係より、作業対象物の弾性係数は、 のように求めることができる。
同様にマニピュレータと作業対象物の粘性についてのみ
注目するならば、作業対象物の粘性は、 と求められ、同様にマニピュレータと作業対象物の慣性
についてのみ注目するならば、作業対象物の慣性は、 と求めることができる このようにして、作業対象物の動特性は、インピーダン
スとして求めることができる。実際には、動特性を弾
性、粘性、慣性と順に求める必要はなく、それぞれ同時
に求めればよい。
注目するならば、作業対象物の粘性は、 と求められ、同様にマニピュレータと作業対象物の慣性
についてのみ注目するならば、作業対象物の慣性は、 と求めることができる このようにして、作業対象物の動特性は、インピーダン
スとして求めることができる。実際には、動特性を弾
性、粘性、慣性と順に求める必要はなく、それぞれ同時
に求めればよい。
以上によって求められた作業対象物の動特性を用いてマ
ニピュレータの操作感を変更する制御について以下に説
明する。
ニピュレータの操作感を変更する制御について以下に説
明する。
マニピュレータの運動方程式が次式で与えられていると
する。
する。
但し、I:マニピュレータの慣性行列 Dv:マニピュレータの粘性行列 Ta:アクチュエータのトルク行列 θ：マニピュレータの関節角行列 JT:ヤコビアンの配置行列 Fe:マニピュレータに加えられた外力 いま、アクチュエータのトルク行列Taをインピーダンス
制御することにより、マニピュレータの手先のインピー
ダンスは見かけ上、次式のようになっている。
制御することにより、マニピュレータの手先のインピー
ダンスは見かけ上、次式のようになっている。
このマニピュレータの手先が次のインピーダンス をもつ対象物に接触しているとき、マニピュレータと対
象物とを合わせた全体のインピーダンスは、 となっている。
象物とを合わせた全体のインピーダンスは、 となっている。
このとき、オペレータは、アームを通してインピーダン
スZe（ｊω）を感じながら作業を行うが、オペレータが
このインピーダンスを変更したいときは、次のように制
御を行う。
スZe（ｊω）を感じながら作業を行うが、オペレータが
このインピーダンスを変更したいときは、次のように制
御を行う。
マニピュレータと対象物とを合わせたインピーダンスの
目標値を次のように設定する。
目標値を次のように設定する。
そうすると、インピーダンス制御により全体のシステム
の運動方程式は次のようになる。
の運動方程式は次のようになる。
以上のことから、既知の動特性（I,Dv）をもつマニピュ
レータが、先に同定した動特性（Mo,Do,Ko）を持つ対象
物に接触しているとき、全体のシステムの目標インピー
ダンスZc（ｊω）を実現するために必要なアクチュエー
タの出力Taは次のように決定される。
レータが、先に同定した動特性（Mo,Do,Ko）を持つ対象
物に接触しているとき、全体のシステムの目標インピー
ダンスZc（ｊω）を実現するために必要なアクチュエー
タの出力Taは次のように決定される。
このブロック図を第４図に示す。このように、アクチュ
エータへの出力Taを制御することにより、オペレータに
とっての操作感を変更することができる。
エータへの出力Taを制御することにより、オペレータに
とっての操作感を変更することができる。
以上に説明したように、本発明では、マニピュレータの
作業対象物の動特性をインピーダンスとして同定するこ
とができ、マニピュレータの安定的な接触作業、あるい
は操作性の良いマスター・スレーブ・マニピュレータを
実現することができる。
作業対象物の動特性をインピーダンスとして同定するこ
とができ、マニピュレータの安定的な接触作業、あるい
は操作性の良いマスター・スレーブ・マニピュレータを
実現することができる。
第１図はマニピュレータの作業対象物への接触状態を表
した説明図、第２図は接触前のマニピュレータと作業対
象物の状態をばね要素のみを抜き出して表した説明図、
第３図は接触後のマニピュレータと作業対象物の状態を
ばね要素のみを抜き出して表した説明図、第４図はマニ
ピュレータと対象物の全体のシステムのインピーダンス
を制御するブロック図である。
した説明図、第２図は接触前のマニピュレータと作業対
象物の状態をばね要素のみを抜き出して表した説明図、
第３図は接触後のマニピュレータと作業対象物の状態を
ばね要素のみを抜き出して表した説明図、第４図はマニ
ピュレータと対象物の全体のシステムのインピーダンス
を制御するブロック図である。
Claims (1)
- 【請求項１】作業対象物の動特性を、 Mo:作業対象物の慣性質量 Do:作業対象物の粘性 Ko:作業対象物の剛性 とし、マニピュレータの手先の動特性を、 Mm:マニピュレータの手先の慣性質量 Dm:マニピュレータの手先の粘性 Km:マニピュレータの手先の剛性 とし、マニピュレータの手先の目標運動を、 d2Xm/dt2:マニピュレータの手先の加速度 dXm/dt:マニピュレータの手先の速度 Xm:マニピュレータの手先の位置 とし、マニピュレータ接触前の作業対象の運動を、 d2Xo/dt2:作業対象物の加速度 dXo/dt:作業対象物の速度 Xo:作業対象物の位置 とし、マニピュレータの接触後の作業対象物とマニピュ
レータの運動を、 d2Xe/dt2:マニピュレータと作業対象物の加速度 dXe/dt:マニピュレータと作業対象物の速度 Xe:マニピュレータと作業対象物の位置 としたとき、 作業対象物の動特性を、マニピュレータの手先と作業対
象物の接触前後の位置偏差Xe−Xm,Xe−Xoから、 とするインピーダンスとして求め、この作業対象物の動
特性を用いてスレーブマニピュレータの把持している対
象物の動特性や見かけ上変化させ、マスタマニピュレー
タを操作するときの操作感を変更する制御を行うことを
特徴とするマスター・スレーブロボットの制御方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1299404A JPH0741560B2 (ja) | 1989-11-16 | 1989-11-16 | マスター・スレーブロボットの制御方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1299404A JPH0741560B2 (ja) | 1989-11-16 | 1989-11-16 | マスター・スレーブロボットの制御方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03161289A JPH03161289A (ja) | 1991-07-11 |
| JPH0741560B2 true JPH0741560B2 (ja) | 1995-05-10 |
Family
ID=17872122
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1299404A Expired - Fee Related JPH0741560B2 (ja) | 1989-11-16 | 1989-11-16 | マスター・スレーブロボットの制御方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0741560B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2022004568A1 (ja) * | 2020-06-30 | 2022-01-06 | 学校法人慶應義塾 | 制御システム、制御方法及びプログラム |
Families Citing this family (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4962551B2 (ja) * | 2009-10-20 | 2012-06-27 | 株式会社安川電機 | ロボットシステムおよびロボットシステムの制御方法 |
| JP6000641B2 (ja) | 2011-08-04 | 2016-10-05 | オリンパス株式会社 | マニピュレータシステム |
| JP6081061B2 (ja) | 2011-08-04 | 2017-02-15 | オリンパス株式会社 | 手術支援装置 |
| JP5931497B2 (ja) | 2011-08-04 | 2016-06-08 | オリンパス株式会社 | 手術支援装置およびその組立方法 |
| JP6021484B2 (ja) | 2011-08-04 | 2016-11-09 | オリンパス株式会社 | 医療用マニピュレータ |
| JP5953058B2 (ja) | 2011-08-04 | 2016-07-13 | オリンパス株式会社 | 手術支援装置およびその着脱方法 |
| JP6021353B2 (ja) | 2011-08-04 | 2016-11-09 | オリンパス株式会社 | 手術支援装置 |
| JP5936914B2 (ja) * | 2011-08-04 | 2016-06-22 | オリンパス株式会社 | 操作入力装置およびこれを備えるマニピュレータシステム |
| JP6005950B2 (ja) | 2011-08-04 | 2016-10-12 | オリンパス株式会社 | 手術支援装置及びその制御方法 |
| WO2013018861A1 (ja) | 2011-08-04 | 2013-02-07 | オリンパス株式会社 | 医療用マニピュレータおよびその制御方法 |
| JP6009840B2 (ja) | 2011-08-04 | 2016-10-19 | オリンパス株式会社 | 医療機器 |
| CN103648425B (zh) | 2011-08-04 | 2016-10-19 | 奥林巴斯株式会社 | 医疗用机械手和手术支援装置 |
| JP5841451B2 (ja) | 2011-08-04 | 2016-01-13 | オリンパス株式会社 | 手術器具およびその制御方法 |
| US9161772B2 (en) | 2011-08-04 | 2015-10-20 | Olympus Corporation | Surgical instrument and medical manipulator |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6444510A (en) * | 1987-08-13 | 1989-02-16 | Omron Tateisi Electronics Co | Robot control device |
-
1989
- 1989-11-16 JP JP1299404A patent/JPH0741560B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2022004568A1 (ja) * | 2020-06-30 | 2022-01-06 | 学校法人慶應義塾 | 制御システム、制御方法及びプログラム |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03161289A (ja) | 1991-07-11 |
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Legal Events
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