JPH0811374B2 - マスタスレ−ブ制御装置 - Google Patents

マスタスレ−ブ制御装置

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JPH0811374B2
JPH0811374B2 JP13489187A JP13489187A JPH0811374B2 JP H0811374 B2 JPH0811374 B2 JP H0811374B2 JP 13489187 A JP13489187 A JP 13489187A JP 13489187 A JP13489187 A JP 13489187A JP H0811374 B2 JPH0811374 B2 JP H0811374B2
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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、マスタスレーブ式マニピユレータに係り、
特に、マスタの操作性を向上させるのに好適な制御装置
に関する。
〔従来の技術〕
マスタスレーブマニピユレータである作業を行なう場
合、エンドエフエクタの位置・姿勢を作業対象に対して
相対的に一定に保持することが、作業上好ましい場合が
ある。
従来、このような高速動作を伴つたマスタスレーブの
操作を支援する方法には、プロシーデング・オフ・'85
アイ・シー・エー・アール,第329頁から第336頁(Proc
eeding of '85 ICAR,pp329−336)がある。
〔課題が解決しようとする問題点〕
上記従来技術は、作動対象に関係なく、エンドエフエ
クタの位置・姿勢を一定に保つことができるが、エンド
エフエクタの位置・姿勢を作業対象に対して相対的に一
定に保つことができない。
本発明の目的は、エンドエフエクタの位置・姿勢を作
業対象に対して相対的に一定に保つことができるマスタ
スレーブ制御装置を提供することにある。
〔問題点を解決するための手段〕
上記目的は、スレーブマニピユレータの先端にエンド
エフエクタと作業対象との間の相対的な関係を検出する
近接覚センサを設け、マスタの制御系に、近接覚センサ
の出力によりエンドエフエクタの所望の位置・姿勢を実
現する関節位置に対するエンドエフエクタの実際の位置
・姿勢を実現する関節位置の偏差量を計算する偏差量計
算要素と、偏差量により各関節にバネ特性発生要素を設
けることにより達成される。
〔作用〕
近接覚センサは、エンドエフエクタと作業対象との間
の相対的な位置・姿勢を検出する。偏差量計算要素は、
エンドエフエクタの所望の位置・姿勢を実現する関節位
置に対するエンドエフエクタの実際の位置・姿勢を実現
している関節位置との偏差量を計算する。バネ特性発生
要素は、その偏差量に応じてその偏差に関与するスレー
ブマニピユレータの各関節に、バネ特性による復元力を
与える。操作者はこの復元力によつてエンドエフエクタ
の位置・姿勢を容易に基準位置・姿勢に合わすことがで
きる。
〔実施例〕
以下、プラズマトーチで作業対象を切断する作業に本
発明を適用する場合を考える。プラズマトーチで作業対
象を切断する場合、プラズマトーチの切断性能を維持
し、作業を確実に行なうためには、プラズマトーチを作
業対象に垂直に保ち、かつ、作業対象からの距離を一定
に保つことが望ましい。以下、プラズマトーチによる切
断作業を例にとつて、本発明の一実施例を第1図から第
7図より説明する。
第1図は、本発明を力帰還型マスタスレーブ制御方式
に適用した場合の本発明のマスタ制御系のブロツク図を
示し、第2図は、エンドエフエクタであるプラズマトー
チ3に装着された近接覚センサの構成を示す。第3図は
本発明を適用するマスタスレーブマニピユレータ8の自
由度配置を示す。説明をしやすくするために、マスタス
レーブマニピユレータは相似型、すなわち、マスタマニ
ピユレータ(以下マスタと略す)とスレーブマニピユレ
ータ(以下スレーブと略す)は全く同じ自由度配置を持
つものとする。
第2図において、エンドエフエクタであるプラズマト
ーチ3は、第3図に示すように手首部リンク93と平行に
なるように連結器32によつてスレープ8Sに固定される。
プラズマトーチ3には、近接覚センサとして四つの距離
センサ2a〜2dが第2図に示すように互いに90゜の間隔で
配置されている。四つの距離センサ2a〜2dのうち、2aと
2bはプラズマトーチ3と手首部リンク93を含む平面内に
配置されている。距離センサ2は、第4図に示すよう
に、外筒21,内筒22,接触部23及びコイル24から構成され
ている。コイル24は、接触部23が、常に、作業対象4に
接触するように、内筒22を押し付けている。内筒22は、
コイル24と作業対象4から受ける力によつて外筒内を摺
動する。距離センサ2は、内筒22の外筒21に対する位置
により、プラズマトーチ3と作業対象4との距離lを検
出する。
次に、第3図を用いて、スレーブ8S(以下、添字
スレーブを示す)とマスタ8m(以下添字はマスタを示
す)の構成を説明する。スレーブ8Sとマスタ8mは、マニ
ピユレータの根元側から紙面の表裏方向に旋回するロー
ル軸81と紙面の上下方向に旋回するピツチ軸82及びピツ
チ軸83からなる腕部三自由度と、ロール軸84,ピツチ軸8
5及びロール軸86からなる手首部三自由度の計六自由度
からなる。ピツチ軸82とピツチ軸83の間を上腕リンク91
と呼びその長さをL1とする。同様にピツチとピツチ軸85
の間を前腕リンク92と呼びその長さをL2とする。またピ
ツチ軸85とアームの先端までを手首部リンク93と呼ぶ。
ピツチ軸85の回転軸P85は、人間の腕の手首位置に相当
し、腕部三自由度により手首位置P85が決定され、手首
部三軸によつて手首部リンク93の姿勢、すなわち、手首
部リンク93に平行なプラズマトーチ3の姿勢が決定され
る。
次に、距離センサ2によつてマスタの各軸81m〜86m
バネ特性発生による復元力を如何に与えるかを説明す
る。
まず、姿勢に関する復元力の与え方を説明する。プラ
ズマトーチ3の姿勢を決定するのは、手首部の三軸84,8
5,86である。従つて、プラズマトーチが作業対象に対し
て傾斜した時、すなわち、プラズマトーチの姿勢が変つ
た時はマスタの手首部の軸にバネ特性の発生による復元
力を与える。先端のロール軸86Sは、プラズマトーチ3
と手首部リンク93を回転軸として回転するものである。
プラズマトーチ3がロール軸86Sの回転によつて動く
と、切断作業は困難となるので、ロール軸86Sをマスタ
スレーブで制御するのではなく、基準位置を目標値とす
る位置サーボ系で制御できる。ここでは、基準位置とし
て、プラズマトーチ3は、第2図,第3図に示すよう
に、手首部三軸84,85,86を含む平面内にあり、かつ、上
側にあるとする。ここで、プラズマトーチ3が、第5図
に示すように、上下方向のみ傾斜したとする。この傾斜
を補正するのに関与する軸は、ピツチ軸85である。従つ
て、マスタのピツチ軸85mに、上下方向の傾斜角Δθud
に応じて、式(1)で定義されるバネ特性を与える。
Fl5=K5Δθud ……(1) ここで、Fl5:ピツチ軸85mに与える復元力 K5:ピツチ軸85mのバネ係数 Δθud:プラズマトーチの上下方向の傾斜角 Δθudは、式(2)によつて求まる。
Δθud(la−lb)/D ……(2) ここで、D:距離センサ2aと2b間の距離 復元力Fl5の与える方向は、第5図のように、上方向
にプラズマトーチ3の姿勢が傾斜した時は、ピツチ軸85
mを下方向に回転させる方向である。操作者は、この復
元力Fl5によつてプラズマトーチ3が上方向に傾斜した
ことを認識でき、その復元力Fl5が感じられなくなるま
で、ピツチ軸85mを下方向に操作すると、スレーブ8S
ピツチ軸85Sはマスタのピツチ軸85mの位置を目標値とし
て位置制御されるので、プラズマトーチ3の上下方向の
姿勢は補正される。バネ係数K5の与え方は、第6図に示
すものがある。一般に、バネ係数Kは、偏差量ΔXの関
数として、式(3)で表わすことができる。
K=f(ΔX) ……(3) ピツチ軸85mの偏差量ΔXは式(2)のΔθudであ
る。第6図(a)は、f(ΔX)=一定として線形的に
復元力を与える場合であり、第6図(b),(c)は、
非線形的に復元力を与える場合である。人間工学的な見
地から言えば、偏差量が大きい時はより大きな復元力を
与える非線形要素の方が効果的であると考える。第6図
(b)の不感帯は、プラズマトーチ3の許容傾斜角Δθ
udpから決まる。以上、プラズマトーチが上下方向に傾
斜した時、で説明したが、左右方向にも同じ様なことが
言える。左右方向の傾斜に関与する軸には、ロール軸84
である。マスタのロール軸85mに与える復元力Fl4,偏差
量ΔQlfは、各々式(4),式(5)で求まる。
Fl4=K4ΔQlf ……(4) ここで K4:ロール軸84mのバネ係数 ΔQlf=(lc−ld)/D ……(5) ここで D:距離センサ2cと2dの距離 以上、説明した様に、対角線上に配置された2つの距
離センサ2により、プラズマトーチ3の傾斜角を検出
し、その傾斜角によりマスタの手首部のロール軸84m,ピ
ツチ85mにバネ特性を与えることによりプラズマトーチ
3の姿勢を、操作者は容易に補正できる。
次に、プラズマトーチ3の位置PPを作業対象に対して
一定に保つ方法を説明する。プラズマトーチ3のノズル
位置PPを作業対象から距離lに保持することを考える。
ノズル位置PPをの作業対象からの位置ベクトル▲
▼は、手首部リンク93の姿勢ベクトル が決まれば、式(6)により求まる。
lPは、対角上の二つの距離センサ2により式(7)と
なる。
姿勢ベクトルは は、実際のスレーブ8Sの各関節81〜86に対応する動作角
θ〜θにより決めることができる。ノズル位置の目
標位置ベクトル▲▼は、 であるから、▲▼から▲▼の偏差ベ
クトルΔlは、式(9)となる。
プラズマトーチ3の姿勢は、前述したように手首部の
三自由度84,85,86によつて補正される。その補正が大き
くないとして、すなわち、手首部リンク93の姿勢が一定
であるとすれば、ノズル位置PPの位置は、手首位置P85
の位置を決定することにより決まる。ノズル位置PPと、
手首位置は、ロール軸86が固定されているので、同一剛
体上にあるとすることができる。従つて、ノズル位置PP
を偏差ベクトルΔlだけ補正するために、手首位置P85
を偏差ベクトルΔlだけ補正すればよい。手首位置P85
は、腕部三自由度81,82,83により決まる。スレーブ87の
座標を第7図によると、手首位置P85(X85,X85,Z85)は
次式により求めることができる。
第7図添字X0Y0は、位置のX0Y0平面への写像を示す。
手首位置P85を、偏差ベクトルΔlだけずらした手首位
置P85′(X85′,X85′,Z85′)は、各軸の関節角の変化
量をΔθ1,Δθ2,Δθとすると、式(11)で求めるこ
とができる。
Δθ(i=1〜3)が小さいと、二次以上を零とし
て式(11)を近似して、 を求めると、式(12)となる。
ここで、θS T=(θΔ1,θΔ2,θΔa11=−sinθ{L1cosθ+L2cos(θ+θ)} a12=−cosθ{L1sinθ+L2sin(θ+θ)} a13=−L2cosθ・sin(θ+θ) a21=cosθ{L1cosθ+L2cos(θ+θ)} a22=−sinθ{L1sinθ+L2sin(θ+θ)} a23=−L2sinθ・sin(θ+θ) a31=0 a32=L1cosθ+L2cos(θ+θ) a33=L2cos(θ+θ) 式(9)と式(12)より、Δθは となる。ここで、腕部3関節に式(14)で定義するコン
プライアンス特性を与える。
ここで Fli(i=1〜3):関節8iに与える復元力 この復元力によつて、操作者はプラズマトーチ3の目
標位置からの偏差を検出し、その復元力がなくなるよう
にマスタの腕部を操作することによつて、プラズマトー
チ3の位置を目標位置にあわせることができる。
第1図は、本発明の方法を力帰還型マスタスレーブ制
御系に適用した場合のマスタ制御系のブロツク図であ
る。図において、破線内が本発明の特徴を示す部分であ
る。従来のマスタスレーブ制御系では、マスタ8mの力セ
ンサ71mによる力情報Fmがスレーブ8Sの力センサ71Sによ
る力情報FSとが釣り合うように、スレーブの位置検出器
72Sの位置情報に基づいて重力等補償要素73によるフイ
ードフオワード補償を加味して、マスタのモータ76を制
御している。74は力トルク変換要素、75はモータドライ
バである。本発明では、従来のマスタスレーブ制御系
に、作業対象に対するエンドエフエクタの位置・姿勢を
検出する近接覚センサ21を設け、前記近接覚センサ21の
出力と、エンドエフエクタの作業対象に対する所望の位
置姿勢とから、エンドエフエクタの作業対象に対する所
望の位置姿勢を実現する関節位置に対するエンドエフエ
クタの現在の位置・姿勢を実現する関節位置の偏差量を
算出する偏差量計算要素11と、この偏差量により各関節
にバネ特性発生要素を設けている。本発明では、偏差量
計算要素11は、式(1),式(5),式(13)を求め、
コンプライアンス発生要素12は、式(1),式(4),
式(14)に基づいて各関節部にバネ性を発生させてい
る。
本発明の実施例では、マスタスレーブ操作で、プラズ
マトーチ3を作業対象4に対して容易に垂直に保ち、か
つ、プラズマトーチ3の作業対象4からの距離を容易に
一定にすることができるので、プラズマトーチ3による
切断作業が確実にできる。
〔発明の効果〕
本発明によれば、マスタスレーブの操作においてエン
ドエフエクタの位置・姿勢を作業対象に対して相対的に
一定に保つような拘束の伴つた、人間にとつて不得手な
作業でも、操作者が違和感なく作業を確実に遂行できる
ので、マスタの操作性向上に効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の一実施例のマスタ制御系のブロツク
図、第2図はエンドエフエクタであるプラズマトーチに
装着された近接覚センサの構成図、第3図は本発明を適
用するマスタスレーブマニピユレータの自由度配置図、
第4図は近接覚センサである距離センサの概要図、第5
図は距離センサの動作概要図、第6図はコンプライアン
ス発生要素のバネ特性図、第7図はスレーブの座標系を
示す図である。 2……距離センサ、3……プラズマトーチ、21……近接
覚センサ。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】マスタスレーブマニピユレータにおいて、 スレーブにエンドエフエクタと作動対象との間の相対的
    な位置・姿勢を検出する近接覚センサを設け、マスタ制
    御系に、前記近接覚センサの出力により前記エンドエフ
    エクタの所望の位置・姿勢を実現する関節位置に対する
    前記エンドエフエクタの実際の位置・姿勢を実現する関
    節位置の偏差量を計算する偏差量計算要素と、前記偏差
    量により各関節にバネ特性発生要素を設けたことを特徴
    とするマスタスレーブ制御装置。
  2. 【請求項2】特許請求の範囲第1項において、 マスタスレーブ制御系として力帰還型マスタスレーブ制
    御を適用したことを特徴とするマスタスレーブ制御装
    置。
  3. 【請求項3】特許請求の範囲第1項または第2項におい
    て、 バネ特性発生要素のバネ特性として非線形性を持たせた
    ことを特徴とするマスタスレーブ制御装置。
  4. 【請求項4】特許請求の範囲第1項,第2項または第3
    項において、 前記エンドエフエクタとしてプラズマトーチを用い、近
    接覚センサとして、作業対象との距離を検出する距離セ
    ンサとしたことを特徴とするマスタスレーブ制御装置。
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