JPH08229859A - マスタスレーブマニピュレータの制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 非熟練者でも直感的で迅速な操作が可能であ
り、小型かつ臨場感のある、マスタスレーブマニピュレ
ータ制御装置を提供する。 【構成】 主制御装置３１が、入力グリップ１５の可動
領域をあらかじめ分割した内側領域と外側領域とのいず
れに前記入力グリップ１５が位置するかを判断する領域
判断部３２と、入力グリップ１５が内側領域内にある場
合、スレーブマニピュレータ２１のエンドエフェクタ２
４の移動距離を入力グリップ１５の移動距離の定数倍と
して求める位置入力指令演算部３３と、入力グリップ１
５が外側領域内にある場合、スレーブマニピュレータ２
１のエンドエフェクタ２４の移動速度の方向および大き
さを入力グリップ１５の位置座標および両領域の境界線
または境界面からの距離の定数倍として求める速度入力
指令演算部３４とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はマスタスレーブマニピ
ュレータの制御装置、特に位置入力方式と速度入力方式
とを自動的に切り替えるマスタスレーブマニピュレータ
の制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】マスタスレーブマニピュレータの制御装
置では、マスタマニピュレータの入力グリップの位置を
スレーブマニピュレータのエンドエフェクタ（以下、単
にエンドエフェクタという）の位置に対応させる位置入
力方式と、ジョイスティックに代表されるような入力グ
リップの位置をエンドエフェクタの速度入力に対応させ
る速度入力方式が提案されてきた。

【０００３】位置入力方式では、マスタマニピュレータ
と呼ばれる入力手段が用いられることが多く、エンドエ
フェクタの移動の方向と速度が操作者の直感と良く一致
するため、熟練を要することなく、複雑な作業が可能で
ある。また、エンドエフェクタと環境との接触反力やエ
ンドエフェクタが把持したワークの重量（以下両者をま
とめてスレーブ発生反力と呼ぶ）をマスタマニピュレー
タに帰還することで、ワークの外形をマスタマニピュレ
ータの位置と発生反力で表現できるなど、スレーブマニ
ピュレータ操作の臨場感を提供することが容易である。

【０００４】しかし、この位置入力方式はスレーブマニ
ピュレータによる精密な作業と広範囲な動作空間に対応
するため、人間の腕相当の大型のアーム型等のマスタマ
ニピュレータを用意する必要があった。また、操作者は
常時入力手段を適切な位置に保持する必要があるため、
長時間の作業では肉体的疲労度が高いという問題があっ
た。

【０００５】一方、速度入力方式では、ジョイスティッ
ク型の入力手段が用いられることが多く、ジョイスティ
ックの位置や傾角によってスレーブマニピュレータに運
動速度を指令する。この速度入力方式では、マスタマニ
ピュレータが小型となり、操作者の僅かな入力動作で迅
速なスレーブマニピュレータの運動が可能となる。ま
た、長時間の作業でも操作者の疲労が少なくて済む利点
がある。

【０００６】しかし、速度入力方式では、入力手段の操
作とスレーブマニピュレータの運動方向や速度の関係を
熟知するのに訓練期間が必要であり、特に精密な作業に
は不向きであった。また、スレーブマニピュレータの３
次元空間での移動では、操作者にとって直感的な操作可
能なジョイスティックを提供することは困難であった。
さらに、スレーブ発生力をマスタマニピュレータに帰還
しても、位置情報と連係していないので、臨場感提示に
は不向きである。

【０００７】特開平１−２４０２８６号公報は、一台の
マスタマニピュレータに切替え手段（スイッチ）を設
け、位置入力方式および速度入力方式を同一のマスタマ
ニピュレータで随時選択可能なマニピュレータ操作装置
を開示している。しかし、このマニピュレータ操作装置
は、スイット切替えの煩雑、入力方式（モード）選択の
混乱等の問題があった。また、特開昭６３−１５０１７
０号公報、特開平２−１３９１８３号公報、および特開
平４−１５２０８１号公報は、それぞれ位置指令および
速度指令の切替え可能なマニピュレータ操作または制御
装置を開示している。しかし、これら公報で開示された
いずれの装置も、入力方式切替えに際して一旦入力グリ
ップまたはジョイスティックを中立位置または原点まで
戻すため、作業の連続性が阻害されていた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、非熟練者
でも直感的で迅速な操作が可能であり、小型かつ臨場感
のある、マスタスレーブマニピュレータの制御装置を提
供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】第１の発明のマスタスレ
ーブマニピュレータの制御装置は、マスタマニピュレー
タの入力グリップの位置を検出する入力グリップ位置セ
ンサと、検出した入力グリップ位置に基づきスレーブマ
ニピュレータのエンドエフェクタ位置を演算する主制御
装置と、主制御装置からのエンドエフェクタ位置信号に
基づきスレーブマニピュレータに操作信号を出力するス
レーブマニピュレータ制御装置とを備えたマスタスレー
ブマニピュレータの制御装置において、前記主制御装置
が、入力グリップの可動領域をあらかじめ分割した内側
領域と外側領域とのいずれに前記入力グリップが位置す
るかを判断する領域判断部と、入力グリップが内側領域
内にある場合、スレーブマニピュレータのエンドエフェ
クタの移動距離を入力グリップの移動距離の定数倍とし
て求める位置入力指令演算部と、入力グリップが外側領
域内にある場合、スレーブマニピュレータのエンドエフ
ェクタの移動速度の方向および大きさを入力グリップの
位置座標および両領域の境界線または境界面からの距離
の定数倍として求める速度入力指令演算部とを備えてい
る。

【００１０】入力グリップおよびエンドエフェクタの座
標表示は、直角座標系、円筒座標系、球極座標系または
関節座標系のいずれであってもよい。内側領域および外
側領域は、エンドエフェクタの作業領域によって２次元
形状か３次元形状となる。３次元形状の場合、内側領域
は、直角座標系では立方体または直方体状、円筒座標系
では円筒状、球極座標系では球状が望ましい。外側領域
は入力グリップ可動領域から内側領域を除いた領域であ
り、内側領域を取り囲む形状となる。マスタマニピュレ
ータの操作性の点から、内側領域の中心点は入力グリッ
プの可動領域の中央点と一致させ、外側領域の中心点も
入力グリップの可動領域の中央点と一致させることが望
ましい。可動領域に対する内側領域の比は、１／２〜３
／４程度が望ましい。

【００１１】入力グリップが内側領域内にある場合、エ
ンドエフェクタの移動距離は、入力グリップの移動距離
の０．１〜１０倍程度が適当である。

【００１２】入力グリップが外側領域内にある場合、エ
ンドエフェクタの移動方向は、入力グリップをジョイス
ティックと見なしたような、外側領域の中心点から入力
グリップの現在位置への相対位置ベクトルの方向とする
のが望ましい。最も簡便には、直角座標系において、入
力グリップの位置座標の最大成分となる座標方向だけを
移動方向としてもよい。また、エンドエフェクタの移動
速度(m/s) の大きさは、入力グリップの内側領域と外側
領域の境界線または境界面からの距離(m) の２〜２０
（m/(sm)）倍程度が適当である。入力グリップの境界線
または境界面からの距離は、境界線（延長線も含む）も
しくは境界面からの最短距離すなわち法線距離、または
内側領域の中心と入力グリップの位置を結ぶ線分上にお
いて、境界線もしくは境界面と前記線分の交点から入力
グリップまでの距離が用いられる。いずれの距離を用い
るかは、マスタマニピュレータの操作性、対象作業の要
求の位置精度、制御プログラミングの簡便性などから決
める。

【００１３】第２の発明のマスタスレーブマニピュレー
タの制御装置は、エンドエフェクタがワークより加わる
反力を検出する力覚センサを備えている。また、前記主
制御装置は、比較回路と、マスタマニピュレータ制御部
を備えている。比較部は、力覚センサからの信号をあら
かじめ設定した制限値と比較する。マスタマニピュレー
タ制御部は、入力グリップが内側領域と外側領域とのい
ずれに位置するかを判断し、内側領域にある場合、反力
をマスタマニピュレータに伝達する力帰還制御信号をマ
スタマニピュレータに出力し、外側領域にある場合、前
記制限値以上の反力がスレーブマニピュレータに作用し
たときに入力グリップを両領域の境界位置に移動する操
作信号をマスタマニピュレータに出力する。

【００１４】スレーブ発生力の制限値は、環境条件、操
作対象、力覚センサー等によって決定されるが、１〜２
０kg程度が望ましい。

【００１５】

【作用】位置入力方式は、精密で比較的低速度でのスレ
ーブマニピュレータの使用に適しており、入力グリップ
が内側領域にあるときは、主制御装置は自動的に位置入
力方式としてスレーブマニピュレータに制御指令を発す
る。しかし、一般に実際の入力グリップの可動領域はそ
の位置決め精度に比べて大きな可動領域を有しており、
実際の作業点はスレーブマニピュレータの可動領域内の
各所に点在している場合が多い。したがって、操作者は
別の作業点へ移動しようとすると、自然と入力グリップ
をその可動領域の限界近辺に移動させる。そこで、入力
グリップの内側領域と外側領域に境界を設定し、入力グ
リップが境界より外側領域に入ったら、入力グリップの
可動領域の中心からの方向をエンドエフェクタの移動方
向として認識し、この境界からの距離を移動速度と認識
する速度指令入力方式に、自動的に切り替わる。

【００１６】これにより、操作者は位置入力方式と速度
入力方式をスイッチ等で切り替えることなく、作業の形
態に即した感覚で両入力方式を自由に使い分けられる。
内側領域での位置入力方式では、スレーブマニピュレー
タの全操作範囲をカバーする必要がないので、比較的狭
い空間範囲での精密な作業が可能となり、外側領域では
速度入力方式による迅速なスレーブマニピュレータ操作
ができる。位置入力方式に対応する入力グリップの可動
領域がスレーブマニピュレータの可動領域より小さくて
もスレーブマニピュレータの精密な作業性を阻害しない
ので、マスタマニピュレータ機構を小型軽量に設計でき
る。このことは製造費の低減と、長時間作業での操作者
の疲労の低減を可能とする。

【００１７】内側領域と外側領域との境界では、スレー
ブマニピュレータへの指令速度は小さくなるので、操作
者は容易に境界を認識できる。また、入力グリップ可動
領域の最外側でスレーブマニピュレータへの速度指令は
最大となるので、操作者が両領域の境界を意図せずに通
過しても、操作者の意図しない大きな速度指令は生じな
い。

【００１８】第２の発明では、内側領域にある場合、反
力がマスタマニピュレータに、つまり操作者に伝達され
るので、操作者はワークに対する触覚を感じ、細かい作
業をすることができる。また、外側領域にある場合、ス
レーブ発生反力が制限値以上となったとき、入力グリッ
プを両領域の境界位置に移動する操作信号をマスタマニ
ピュレータに出力し、入力グリップは速度指令が０とな
る両領域の境界に強制的に戻されるので、エンドエフェ
クタに過大な力が加わることはない。また、操作者はエ
ンドエフェクタが周囲の環境から大きな力を受けている
ことが分かるので、操作性が向上する。

【００１９】

【実施例】図１はこの発明のマスタマスレーブマニピュ
レータの制御装置の一例を示す構成図であり、図２は入
力グリップの位置による入力指令の概念図である。な
お、説明を簡単にするために、図２はＸＹ平面のみを示
している。

【００２０】マスタマスレーブマニピュレータの制御装
置は、マスタマニピュレータ１１およびスレーブマニピ
ュレータ２１の運動を制御する。

【００２１】マスタマニピュレータ１１は、互いに直交
する方向に移動可能なＸ軸スライダ１２、Ｙ軸スライダ
１３およびＺ軸スライダ１４を備えている。Ｘ軸スライ
ダにはスレーブマニピュレータ操作用の入力グリップ１
５が取り付けられている。入力グリップ１５は、図２に
示す限界線６および７で区切られた長方形の可動領域１
内を、Ｘ軸およびＹ軸方向に沿って移動可能である。各
スライダー１２、１３、１４にはそれぞれマスタ制御用
モーター１６および入力グリップ１５の位置を検出する
入力グリップ位置センサ１７が設けられている。スレー
ブマニピュレータ２１のエンドエフェクタ２４は、アー
ム２２の先端部に力覚センサ２３を介して取り付けられ
ている。

【００２２】スレーブマニピュレータ２１に、スレーブ
マニピュレータ制御装置２６が接続されている。

【００２３】スレーブマニピュレータ２１を制御する主
制御装置３１は、領域判断部３２、位置入力指令演算部
３３、速度入力指令演算部３４、座標正変換部３５、座
標逆変換部３７、比較部３８およびマスタマニピュレー
タ制御部３９からなっている。

【００２４】領域判断部３２に、上記入力グリップ位置
センサ１７が接続されている。領域判断部３２には、入
力グリップ１５の可動領域１を分割した内側領域２と外
側領域３とが記憶されている。領域判断部３２は、入力
グリップ位置センサ１７からの信号に基づき、入力グリ
ップ１５が内側領域２と外側領域３とのいずれに位置す
るかを判断する。

【００２５】位置入力指令演算部３３は、領域判断部３
２の出力側に接続されている。位置入力指令演算部３３
は、入力グリップ１５が内側領域２内にある場合、エン
ドエフェクタ２４の移動距離を、入力グリップ１５の移
動距離の定数倍として求める。そして、たとえばＸ軸方
向について、図２に示す位置指令Ｐ_X をスレーブマニピ
ュレータ制御装置２６に出力する。

【００２６】速度入力指令演算部３４は、領域判断部３
２の出力側に接続されている。速度入力指令演算部３４
は、入力グリップ１５が外側領域３内にある場合、エン
ドエフェクタ２４の移動速度の方向および大きさを入力
グリップ１５の位置座標および両領域２、３の境界４、
５からの距離の定数倍として求める。そして、たとえば
Ｘ軸方向について、速度指令Ｖ_X をスレーブマニピュレ
ータ制御装置２６に出力する。

【００２７】座標正変換部３５は、位置入力指令演算部
３３および速度入力指令演算部３４の出力側に接続され
ている。座標正変換部３５は、位置入力指令演算部３３
および速度入力指令演算部３４からの各直角座標系信号
を関節座標系信号に変換する。

【００２８】座標逆変換部３７は力覚センサ２４に接続
されており、力覚センサ２４からの関節座標系力信号を
直角座標系力信号に変換する。

【００２９】比較部３８は、座標逆変換部３７の出力側
に接続されている。比較部３７には、あらかじめスレー
ブ発生反力の制限値（制限反力）が設定されている。

【００３０】マスタマニピュレータ制御部３９は、領域
判断部３２および比較部３８の出力側に接続されてい
る。マスタマニピュレータ制御部３９の出力側は、前記
マスタ制御用モーター１６に接続されている。マスタマ
ニピュレータ制御部３９は、入力グリップ１５が内側領
域２にある場合、スレーブ発生反力の力帰還制御信号を
マスタマニピュレータ１１に出力し、外側領域３にある
場合、上記比較部３８にあらかじめ設定した制限反力以
上の反力がスレーブマニピュレータ２１に作用したとき
に入力グリップ１６を両領域２、３の境界位置に移動す
る操作信号をマスタマニピュレータ１１に出力する。

【００３１】ここで、上記のように構成されたマスタス
レーブマニピュレータの制御装置による、スレーブマニ
ピュレータ２１の制御について、図１および図２を参照
して説明する。

【００３２】入力グリップ１５の各軸方向での位置は、
入力グリップ位置センサ１７で検出され、検出された位
置信号は領域判断部３２に出力される。領域判断部３２
は、位置信号について式（１）に従って検討する。そし
て、 ｌｘ_i ｌ＜Ｘ_iBOUND ……（１） が実現すれば内側領域２内に入力グリップ１５が位置す
るとして、位置入力制御を実行する。また、 ｌｘ_i ｌ≧Ｘ_iBOUND ……（２） が実現すれば外側領域３内に入力グリップ１５が位置す
るとして、速度入力制御を実行する。この実施例では、
エンドエフェクタ２４の移動速度(m/s) の大きさは、入
力グリップの内側領域２と外側領域３の境界線５の延長
線５_a および５_b からの距離Ｒ_1aおよびＲ_1b(m) のうち
小さい方の距離Ｒ_1a(m) の１０倍（m/(sm)）としてい
る。なお、移動速度の大きさを決める距離は、図２に示
すように、内側領域の中心Ｏと入力グリップの位置Ｐ₂
を結ぶ線分上において、境界線５から入力グリップの位
置までの距離Ｒ₂ を用いるようにしてもよい。

【００３３】外側領域（速度指令入力領域）３では、エ
ンドエフェクタ２４の移動量は、原点補正量積算部４０
で積算され、内側領域（位置指令入力領域）２での原点
Ｏとエンドエフェクタ２４の対応点の相対位置を、エン
ドエフェクタ２４の移動量分補正する。これにより入力
グリップ１５が外側領域３から内側領域２に戻る際、入
力グリップ１５の両領域２、３の境界４、５の通過点に
対応するエンドエフェクタ２４への内側領域（位置指令
入力領域）２での指令位置は、直前までの外側領域３で
のエンドエフェクタ指令位置と一致するので、指令入力
が速度指令から位置指令に自動的に変更されても、スレ
ーブマニピュレータ２１は連続的な動作が可能である。
つまり操作者Ｍはスレーブマニピュレータ２１に予期せ
ぬ動作を発生させることなく、連続的な操作が可能とな
る。

【００３４】内側領域２中では位置指令入力なので、ス
レーブマニピュレータ２１のスレーブ発生反力を帰還す
る力帰還遠隔操作制御が可能となる。

【００３５】外側領域３内でスレーブマニピュレータ２
１の拘束が発生したとき、つまり剛体環境とエンドエフ
ェクタ２４が接触して、大きなスレーブ発生反力が生じ
た場合、両領域２、３の境界４、５まで入力グリップ１
５を一定力（例えば２ kgf程度）で力制御して戻し、内
側領域２内で力帰還遠隔操作制御を実行することが可能
である。

【００３６】両領域２、３の境界４、５では、両領域
２、３での速度入力指令は０または作業に応じた充分低
い速度とするのが望ましい。ここでの低い速度とは、作
業で用いられる最大速度の１／１０程度である。たとえ
ば、研削作業では１０ mm/s 程度である。操作者Ｍはこ
の境界４、５を通過する時点で、スレーブマニピュレー
タ２１の動作の速度変化または一旦停止により境界４、
５の通過を認識することが可能である。

【００３７】境界４、５を通過する際に、主制御装置３
１にて、ビープ音などで操作者Ｍに境界通過を知らしめ
るのも有効である。

【００３８】マスタスレーブマニピュレータの３次元動
作については、図２にさらにＸＹ平面に直角なＺ軸を付
加すれば、容易に達成可能である。

【００３９】この実施例では、マスタマニピュレータに
直交型マニピュレータを、スレーブマニピュレータに多
関節型マニピュレータを例示したが、適切な座標変換計
算部を付加することにより、マスタマニピュレータに水
平多関節型、垂直多関節型、極座標型のマニピュレータ
を用いることも、またスレーブマニピュレータに直交
型、水平多関節型、極座標型のマニピュレータを用いる
ことも、また両者の適切な組み合わせを選択することも
可能である。

【００４０】

【発明の効果】この発明のによれば、非熟練者でも直感
的で迅速な操作が可能であり、小型かつ臨場感のあるマ
スタスレーブマニピュレータ制御装置を提供することが
できる。この結果、たとえば研削作業において、一台の
マスタマニピュレータで、複数のワークまたは大型のワ
ークについて複数の作業対象箇所を連続的に処理するこ
とができ、作業時間が短縮された。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明のマスタマスレーブマニピュレータ制
御装置の一例を示す構成図である。

【図２】入力グリップの位置とスレーブマニピュレータ
への入力指令との関係を示す線図である。

【符号の説明】

１ 入力グリップ可動領域 ２ 内側領域 ３ 外側領域 ４ 両領域の境界 ５ 両領域の境界 １１ マスタマニピュレータ １２ Ｘ軸スライダ １３ Ｙ軸スライダ １４ Ｚ軸スライダ １５ 入力グリップ １６ マスタ制御用モーター １７ 入力グリップ位置センサ ２１ スレーブマニピュレータ ２３ 力覚センサ ２４ エンドエフェクタ ２６ スレーブマニピュレータ制御装置 ３１ 主制御装置 ３２ 領域判断部 ３３ 位置入力指令演算部 ３４ 速度入力指令演算部 ３５ 座標正変換部 ３７ 座標逆変換部 ３８ 比較部 ３９ マスタマニピュレータ制御部 ４０ 原点補正量積算部 Ｍ 操作者 Ｐ_x 位置指令 Ｖ_x 速度指令

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マスタマニピュレータの入力グリップの
   位置を検出する入力グリップ位置センサと、検出した入
   力グリップ位置に基づきスレーブマニピュレータのエン
   ドエフェクタ位置を演算する主制御装置と、主制御装置
   からのエンドエフェクタ位置信号に基づきスレーブマニ
   ピュレータに操作信号を出力するスレーブマニピュレー
   タ制御装置とを備えたマスタスレーブマニピュレータの
   制御装置において、前記主制御装置が、入力グリップの
   可動領域をあらかじめ分割した内側領域と外側領域との
   いずれに前記入力グリップが位置するかを判断する領域
   判断部と、入力グリップが内側領域内にある場合、スレ
   ーブマニピュレータのエンドエフェクタの移動距離を入
   力グリップの移動距離の定数倍として求める位置入力指
   令演算部と、入力グリップが外側領域内にある場合、ス
   レーブマニピュレータのエンドエフェクタの移動速度の
   方向および大きさを入力グリップの位置座標および両領
   域の境界線または境界面からの距離の定数倍として求め
   る速度入力指令演算部とを備えていることを特徴とする
   マスタスレーブマニピュレータの制御装置。
2. 【請求項２】 スレーブマニピュレータが、エンドエフ
   ェクタにワークより加わる反力を検出する力覚センサを
   備え、前記主制御装置が力覚センサからの信号をあらか
   じめ設定した制限値と比較する比較部と、前記入力グリ
   ップが内側領域にある場合、反力をマスタマニピュレー
   タに伝達する力帰還制御信号をマスタマニピュレータに
   出力し、外側領域にある場合、前記制限値以上の反力が
   スレーブマニピュレータに作用したときに入力グリップ
   を両領域の境界線または境界面に移動する操作信号をマ
   スタマニピュレータに出力するマスタマニピュレータ制
   御部を備えた請求項１記載のマスタスレーブマニピュレ
   ータの制御装置。