JPH0794112B2 - マスタ・スレーブマニピュレータ - Google Patents

マスタ・スレーブマニピュレータ

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JPH0794112B2
JPH0794112B2 JP61224621A JP22462186A JPH0794112B2 JP H0794112 B2 JPH0794112 B2 JP H0794112B2 JP 61224621 A JP61224621 A JP 61224621A JP 22462186 A JP22462186 A JP 22462186A JP H0794112 B2 JPH0794112 B2 JP H0794112B2
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manipulator
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axial force
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和男 本間
正克 藤江
吉男 中島
広志 山本
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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はマスタ・スレーブマニピュレータに係り、特に
互いに軸構成が異なるマスタ・マニピュレータとスレー
ブマニピュレータを有してなるマスタ・スレーブマニピ
ュレータに関する。
〔従来の技術〕
従来のマスタ・スレーブマニピュレータにあっては、第
3図に示すように、マスタとスレーブの各マニピュレー
タを同一の軸構成としたものがよく知られている(マニ
ピュレータタイプブック、ケーラ著、1981年、P5〜P41:
K.W.KHLER;Manipulator Handbook)。すなわち、第3
図に示すように、マスタマニピュレータ10とスレーブマ
ニピュレータ20は同一(または相似)の軸構成を有して
おり、各軸には1対1に対応させてアクチュエータ12
(12a〜12f)と22(22a〜22f)が設けられており、それ
らにより形成されるアーム先端にオペレータが操作する
ハンドル11と実際に作業をおこなうハンド21が設けられ
ている。そして、ハンドル11を図示矢印101に示したよ
うに動かしたとき、スレーブマニピュレータのハンド21
は、その動きに沿って図示矢印102のように動かされる
ようになっている。
このようなマスタ・スレーブマニピュレータにあって、
スレーブマニピュレータ20のハンド21に作用した力の反
力を、マスタマニピュレータ10のハンドル11を操作する
オペレータに伝達するため、第4図に示すような操作性
が最もよい力帰還型のバイラテラル方式が用いられてい
る。第4図は対応する一つの軸の力帰還型バイラテラル
サーボ系を示しており、マスタマニピュレータ10の各軸
の構成は、アクチュエータ12、トルクセンサ13、負荷1
4、位置センサ15とからなっており、スレーブマニピュ
レータ20についても同様に、アクチュエータ22、トルク
センサ23、負荷24、位置センサ25を含んで形成されてい
る。そして、位置フィードバックは、位置センサ15,25
の出力信号の差を比較器31でとり、増幅器32で増幅して
スレーブマニピュレータ20のアクチュエータ22を駆動す
る位置帰還制御ループとされている。一方、力フィード
バック制御はトルクセンサ13,23の出力信号の差を比較
器33でとり、増幅器34で増幅してマスタマニピュレータ
10のアクチュエータ12を駆動する力帰還制御ループとさ
れている。
このように構成することによって、スレーブマニピュレ
ータ20はマスタマニピュレータ10の動作に追従するとと
もに、マスタマニピュレータ10にはスレーブマニピュレ
ータ20に加わる力がフィードバックされ、これによって
オペレータはスレーブマニピュレータ20にかかる外力を
感知することができる。
上述したように第3図に示すマスタ・スレーブマニピュ
レータにあっては、各軸の回転角やトルクが1対1に対
応するため、第4図に示すように、対応する各軸の間で
バイラテラルサーボ系を組めばよく、座標変換など複雑
な計算処理が不要であるという利点がある。しかしなが
ら、マスタマニピュレータとスレーブマニピュレータの
軸構成が同一でなければならないという制約条件がある
ため、スレーブマニピュレータを作業しやすい軸構成に
すると、マスタマニピュレータを操作するオペレータに
とっては操作性が悪いという問題があった。
そこでマスタマニピュレータはオペレータの操作しやす
い軸構成にし、一方スレーブマニピュレータは作業しや
すい軸構成にして、両者を計算機を用いて連動させる異
構造のマスタ・スレーブマニピュレータが提案されてい
る(アイ・イー・シー・オー・エヌ84,(1984)第40頁
〜第45頁:IECON′84(1984))。この方式によればマス
タマニピュレータとスレーブマニピュレータとは自由な
構成とすることができるので、操作性を向上することが
できるという特徴がある。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかしながら、マスタとスレーブの軸構成が異なるマス
タ・スレーブマニピュレータの場合には、第5図に示す
ように、各軸の回転角やトルクが1対1に対応しないた
め、演算処理装置40を用いて座標変換の演算をおこなわ
なければならない。すなわち、マスタマニピュレータ10
とスレーブマニピュレータ20の各々について、各軸の回
転角やトルクをハンドル11とハンド21の共通座標系(XY
Z直交座標)に座標変換し、その共通座標系上でバイラ
テラルサーボ系をくむことにより、ハンドル11とハンド
21の運動を1対1に対応させることになる。この演算処
理装置40の座標変換に係るブロック構成図を第6図に示
す。第6図は力帰還制御ループのみを示しており、マス
タマニピュレータ10の基部に近いほうの軸に取り付けら
れたトルクセンサ13aの信号は、座標変換ユニット16aで
次の軸の座標系に座標変換されて、座標変換ユニット16
bに出力される。ここで次の軸に取り付けられたトルク
センサ13bの信号と合成された後、次の軸の座標系に座
標変換される。このようにして全軸にわたって座標変換
がおこなわれ、最後に座標変換ユニット17により共通座
標に変換される。一方、スレーブマニピュレータ20につ
いても、トルクセンサ23a、23b′、23c′、23d〜23fの
信号は、順次座標変換ユニット26a〜26fにより座標変換
され、最後に共通座標変換ユニット27によって共通座標
に変換される。このようにして得られたマスタマニピュ
レータ10とスレーブマニピュレータ20の共通座標系上の
トルクセンサ信号は、比較器35で対応する信号ごとに差
がとられ、その差信号は逆座標変換ユニット18a〜18fに
より、順次各軸の座標系に変換された後、各軸のアクチ
ュエータ12a〜12fに与えられるようになっている。
このように、異構造マスタ・スレーブマニピュレータで
は複雑な座標変換および逆変換演算をするため、各軸に
ついての演算が一通り終了する時間、すなわちサンプリ
ングタイムが長くなるので、制御系の応答特性が悪くな
り、操作感を悪くするという問題がある。
本発明の目的は、上記問題点を解決すること、言い換え
れば、座標変換の演算量を大幅に減らしてサンプリング
タイムを短縮し、制御応答性と操作性に優れた異構造の
マスタ・スレーブマニピュレータを提供することにあ
る。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明は、上記目的を達成するために、それぞれ複数の
軸構成を有し互いに軸構成が異なるマスタマニピュレー
タとスレーブマニピュレータを有してなるマスタ・スレ
ーブマニピュレータにおいて、前記マスタマニピュレー
タとスレーブマニピュレータのそれぞれの構成軸の任意
の1つに、該構成軸に作用する6軸力成分を検出する集
中型軸力センサを設け、この2つの集中型軸力センサの
出力信号を予め定められた共通座標系に変換する座標変
換手段と、共通座標系に変換された前記2つの集中型軸
力センサの差信号を前記マスタマニピュレータの各構成
軸の座標系に変換して対応する各軸力成分のアクチュエ
ータに出力する逆座標変換手段とを設けたことを特徴と
する。
〔作用〕
このように構成されることから、マスタマニピュレータ
に取り付けられた集中型軸力センサには、オペレータが
末端効果器としてのハンドルなどに加えた力の6軸力成
分を直接検出するとともに、スレーブマニピュレータに
取り付けられた集中型軸力センサにより、末端効果器と
してのハンドに加わる外力の6軸方向成分が検出され
る。このように、集中型軸力センサが取り付けられた構
成軸(アーム)の直交座標軸(X,Y,Z)方向の軸力及び
それらの軸回りトルクからなる6軸力成分が検出される
ことから、集中型軸力センサを末端効果器(ハンドルま
たはハンド)に近い軸に設けると、その集中型軸力セン
サにより検出された軸力成分を末端効果器の共通座標系
に変換するにあたり、集中力型センサと末端効果器との
間に介在する構成軸に相当する数の座標変換処理ですむ
ことから、構成軸の全数に対応した座標変換をする必要
がなくなり、座標変換演算量を大幅に減らしてサンプリ
ングタイムを短縮することができ、制御応答性と操作性
が改善されることになる。
〔実施例〕
以下本発明を実施例に基づいて説明する。第1図に本発
明の一実施例のマスタ・スレーブマニピュレータの全体
構成図を示し、第2図に演算処理装置の力帰還制御ルー
プに係るブロック構成図を示す。
第1図に示すように、マスタマニピュレータ10のハンド
ル11が直結された手首アームには、X,Y,Z軸方向の力FX,
FY,FZとX,Y,Z軸回りのトルクτXYをそれぞれ検
出する6軸力センサ19が取り付けられており、また、こ
の6軸力センサ19に対応させて、スレーブマニピュレー
タ20のハンド21に直結された手首アームにも、同じ6軸
力センサ29が取り付けられている。
そして、各6軸力センサ19,29により検出された6軸力
成分の信号は、それぞれ座標変換ユニット36と37により
XYZ直交座標軸からなる共通座標系に変換される。それ
らの座標変換ユニット36と37により変換された軸力信号
は比較器35において差がとられ、その差信号は第6図で
説明したと同様に、逆座標変換ユニット18a〜18fに出力
され、それらの逆座標変換ユニットを順次経由してマス
タマニピュレータ10の各軸のアクチュエータ12a〜12fに
出力信号が出される。これによって、スレーブマニピュ
レータ20はマスタマニピュレータ10の動作に追従して動
かされるとともに、スレーブマニピュレータ20に加わる
力が6軸力センサ29によってと検出され、マスタマニピ
ュレータ10の6軸力センサ19に検出された軸力との差に
応じてマスタマニピュレータ10が駆動されることにな
り、オペレータはハンドル11を介してスレーブマニピュ
レータ20にかかる外力を感知することができる。
上述したように、本実施例によれば、マスタマニピュレ
ータ10とスレーブマニピュレータ20の1つの構成軸に作
用する6軸力成分を検出する6軸力センサ19と29を、そ
れぞれハンドル11とハンド21が直結された手首アームに
取り付け、これにより各マニピュレータに加わる6軸の
軸力成分を検出するようにしていることから、その6軸
を共通座標系に変換するのは1回の変換処理でよいこと
になり、座標変換に係る演算量を大幅に低減することが
できる。これによってサンプリングタイムを短縮するこ
とができ、マニピュレータ制御系の応答特性が改善さ
れ、操作性を向上することができる。
また、第5図図示従来例のように、各軸にトルクセンサ
などの軸力センサを配置すると、各トルクセンサにはマ
ニピュレータ先端部に係る外力のほかに、各センサから
ハンドまたはハンドルまでのマニピュレータ構造物の自
重、慣性、振動など不必要な情報が検出されてしまう。
このため、必要なマニピュレータ先端に係る力を精度よ
く検出することはできず、マスタマニピュレータには不
必要な力のフィードバックがかかって操作性が悪くなる
という問題があったのであるが、本実施例によれば6軸
力センサ19,29を手首アームに設けていることから、上
述した不必要なマニピュレータ構造物に係る情報が検出
されないので、精度のよいマニピュレータ制御をおこな
わせることができ、これによっても操作性が向上される
という効果がある。
なお、第1図実施例においては、集中型軸力センサとし
ての6軸力センサ19,29を手首アームに設けていること
により、共通座標系への座標変換に係る変換処理を1回
とすることができるのであるが、本発明はこれに限らず
集中型軸力センサを他のアームに設けたものを含むもの
である。その場合、6軸力センサから末端の効果器(ハ
ンドル、ハンド)に至る間に介在する軸の数に応じて共
通座標系への変換処理回数が加わることになることは言
うまでもない。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明によれば、座標変換の演算
量を大幅に減らすことができ、サンプリングタイムを短
縮して制御応答性と操作性を改善することができるとい
う効果がある。
また、本発明は、マスタマニピュレータとスレーブマニ
ピュレータにそれぞれ設けた2つの集中型軸力センサの
出力信号を、従来技術と同様に予め定められた共通座標
系に変換してからそれらの差信号を求め、その差信号を
マスタマニピュレータの各構成軸の座標系に逆変換して
対応する各軸力成分のアクチュエータに出力するように
していることから、マスタマニピュレータとスレーブマ
ニピュレータの据付けの向きが正確に一致していなくて
も、共通座標系で両者の一致を調整でき、これにより確
実な力帰還が可能である。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例の全体構成図、第2図は第1
図図示実施例の主要部制御ブロック構成図、第3図は同
一軸構成の従来例の構成図、第4図は第3図従来例のバ
イラテラル制御系統構成図、第5図は異構造の従来例の
構成図、第6図は第5図図示従来例の主要部制御ブロッ
ク構成図である。 10……マスタマニピュレータ、 20……スレーブマニピュレータ、 11……ハンドル、 12(12a〜12f)……アクチュエータ、 19……6軸力センサ、21……ハンド、 22(22a〜22f)……アクチュエータ、 29……6軸力センサ。
フロントページの続き (72)発明者 藤江 正克 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 中島 吉男 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 山本 広志 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 青木 立 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (56)参考文献 特開 昭61−79129(JP,A) 特開 昭60−207782(JP,A) 特開 昭60−207783(JP,A) 特開 昭63−62683(JP,A)

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】それぞれ複数の軸構成を有し互いに軸構成
    が異なるマスタマニピュレータとスレーブマニピュレー
    タを有してなるマスタ・スレーブマニピュレータにおい
    て、前記マスタマニピュレータとスレーブマニピュレー
    タのそれぞれの構成軸の任意の1つに、該構成軸に作用
    する6軸力成分を検出する集中型軸力センサを設け、こ
    の2つの集中型軸力センサの出力信号を予め定められた
    共通座標系に変換する座標変換手段と、共通座標系に変
    換された前記2つの集中型軸力センサの差信号を前記マ
    スタマニピュレータの各構成軸の座標系に変換して対応
    する各軸力成分のアクチュエータに出力する逆座標変換
    手段とを設けたことを特徴とするマスタ・スレーブマニ
    ピュレータ。
  2. 【請求項2】前記集中型軸力センサを前記マニピュレー
    タの末端効果器が直結された構成軸に設けたことを特徴
    とする特許請求の範囲第1項記載のマスタ・スレーブマ
    ニピュレータ。
  3. 【請求項3】前記スレーブマニピュレータの末端効果器
    をハンドとしたことを特徴とする特許請求の範囲第2項
    記載のマスタ・スレーブマニピュレータ。
  4. 【請求項4】前記マスタマニピュレータの末端効果器を
    ハンドルとしたことを特徴とする特許請求の範囲第2項
    記載のマスタ・スレーブマニピュレータ。
JP61224621A 1986-09-22 1986-09-22 マスタ・スレーブマニピュレータ Expired - Lifetime JPH0794112B2 (ja)

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JPS6362683A (ja) * 1986-09-04 1988-03-18 株式会社東芝 マスタスレ−ブマニピユレ−タ

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