JPH0825254A

JPH0825254A - マスタスレーブ型ロボットアーム装置およびアーム位置決め誘導方法

Info

Publication number: JPH0825254A
Application number: JP16223894A
Authority: JP
Inventors: Sada Morikawa; 自森川
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1994-07-14
Filing date: 1994-07-14
Publication date: 1996-01-30
Anticipated expiration: 2012-06-18
Also published as: JP2621803B2

Abstract

(57)【要約】【目的】容易にアームを目標位置に誘導できるロボッ
ト遠隔操作装置を提供する。【構成】作業対象物体の基準位置を計測し、計測値を
基に位置決め目標位置を修正し、作業アームまたは作業
物体の姿勢を自動的に位置決め目標位置での姿勢と一致
するように作業アームを移動し、マスタアームの操作を
位置のみ制御するように限定した上、仮想作業環境内に
仮想ガイド４を生成し、生成した仮想ガイド４を、円筒
と同じ上面と高さでかつ指定された底面を持つ円錐台に
よって円筒をくり貫いた形状とし、円筒の底面穴半径、
上面穴半径および円筒の高さの３つのパラメータで寸法
を指定し、このガイドの円筒底面の穴中心位置と目標位
置が一致する位置に仮想ガイド４を配置し、アーム把持
物体の先端基準位置と仮想ガイド４との位置関係の遷移
状態から干渉状況を判別し、仮想ガイドの壁よりめり込
んだ量に比例した反力を帰還する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、宇宙空間や原子力発電
所、海底などでのロボットによる遠隔操作において、マ
スタスレーブ操作によりオペレータがマニュアル操作を
行う場合にアーム先端位置を目標位置まで誘導するマス
タスレーブ型ロボットアーム装置およびアーム位置決め
誘導方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、遠隔ロボット用の操作装置と
して、マスタスレーブ操作方式が用いられており、双方
向の力伝達機能や両眼立体視表示機能と組み合わせて、
一部実作業への応用がなされ始めている。例えば、高圧
電線の保守作業を行うのに、絶縁機能を有する双腕ロボ
ットを上記の方式により操作するロボットが開発されて
いる。宇宙用としてはまだ研究段階であるが、通信遅延
の影響を補償するため、マスタアームとスレーブアーム
のデータ転送の間にシミュレータを介在させ、地上で反
力を予測し、予測した反力をリアルタイムでマスタアー
ムにローカルに帰還する予測バイラテラル操作方式が提
案されている。図２に、この予測バイラテラル制御方式
を宇宙ロボットの遠隔操作に適用した例の構成図を示
す。

【０００３】この方式では、作業者がマスタアーム操作
部１０の操作により生成した動作データと地上系に構築
した実環境モデルを用いて干渉を検出し、反力予測部１
３で計算した力をマスタアーム操作部に帰還するもので
ある。同時に動作データを用いて予測画面表示部１４に
予測画面を表示するので、作業者はリアルタイムでスレ
ーブアームを動かしているような感覚で操作が可能とな
っている。動作データは平行して軌道上系の動作データ
受信部１６へ送られ、スレーブアーム制御部１７で実際
のスレーブアームが動作する。監視カメラ等によりロボ
ット作業の実画像が地上系の実画像受信部１９へ送ら
れ、画像表示部２０に実画像を表示させて実際の作業を
確認するという方式であった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前述のバイラテラル制
御方式による実際の力情報の帰還やロボットシミュレー
ションによる予測反力の帰還機能、あるいは監視カメラ
からの実映像の立体表示機能などと組み合わせた操作方
式では、遠隔地の作業状況をいかにオペレータに臨場感
を持って正確に伝えるかが主眼となっている。つまり遠
隔作業環境の認識を容易化することにより作業性を向上
させるという観点からのアプローチであり、ロボット操
作そのものを容易化するものではない。そのため限られ
た作業を除くと、実際の作業を成功させる操作には依然
として困難さが伴っていた。例えば、ピンを穴に挿入す
る操作を例にとると、ピン径と穴直径のクリアランスが
小さくなるにつれて高い位置決め精度が要求されるよう
になるので、作業環境が十分把握できたとしても、位置
決め操作自体は難しくなってゆく。これは、ロボットを
使用せずに直接人間が作業をしても同じことがいえる。

【０００５】また、図２に示した予測バイラテラルマス
タスレーブ方式では、地上での反力予測を利用して通信
遅延の影響を軽減させているが、反力予測を行う幾何モ
デルと実作業環境との誤差が問題となっており、上述の
ロボット操作自体を容易化するという観点からも改善さ
れているとはいえない。

【０００６】本発明の目的は、以上のような問題点を解
決するスレーブ型ロボットアーム装置およびアーム位置
決め誘導方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、実作業環境を
模擬した仮想作業環境を計算器内部に構築し、アーム操
作に伴う反力を予測し、予測反力をマスタアームに力帰
還するマスタスレーブ型ロボットアーム装置において、
マスタアーム操作により生成したロボット動作データを
用いて実際の作業空間には存在しない仮想物体モデルに
よる干渉を検出し、検出結果を反力予測部へ出力する仮
想物体モデル干渉検出部と、前記仮想物体モデル干渉検
出部と実在する物体の干渉を検出する実環境モデル干渉
検出部とスレーブアームへ動作データを送信する動作デ
ータ送信部の各モジュールについて動作データを出力す
るかしないかを切替える動作データ切替部と、センサ信
号より仮想物体モデルおよび実環境物体モデルの位置情
報を計算し、前記仮想物体モデル干渉検出部および実環
境モデル干渉検出部のモデルデータを更新するモデル位
置修正処理部とを備えることを特徴としている。

【０００８】

【実施例】次に、本発明の実施例について、軌道上のロ
ボットアームを地上よりマスタスレーブ操作することに
より、ピンを穴に挿入する作業に基づいて図を用いて説
明する。図１は、本発明のロボット位置決め誘導方法の
概念を示す図である。図１に示すように、挿入用ピン３
をピン挿入用ホールＡ５またはピン挿入用ホールＢ６に
挿入する作業を考える。以下では、ピン挿入用ホールＡ
５を位置決め目標の対象とする。ピン挿入用ホールＡ５
の近傍には、ピン挿入用ホールＡ５，ピン挿入用ホール
Ｂ６の位置を示すマーカー７が取り付けられ、ロボット
アーム１には、手先カメラ２が設置され、挿入用ピン３
はロボットアーム１により把持されているものとする。
ここで、アーム手先位置Ｐｗから手先カメラ基準位置Ｐ
ｃまでの相対位置姿勢変換［ｗＴｃ］およびマーカー基
準位置ＰｍからホールＡ原点Ｏａまでの相対位置姿勢変
換［ｍＴａ］、マーカー基準位置ＰｍからホールＢ原点
Ｏｂまでの相対位置姿勢変換［ｍＴｂ］、アーム手先位
置Ｐｗから把持物体先端位置Ｐｔまでの変換［ｗＴｔ］
を４×４のマトリックスとして定義し、これらの変換マ
トリックスは既知であるとする。

【０００９】図３に本発明のマスタスレーブ型ロボット
アーム装置の構成例を示す。図３に示すマスタスレーブ
型ロボットアーム装置は、仮想物体モデル干渉検出部２
１と動作データ切替部２４とモデル位置修正処理部２３
を有することを特徴としている。仮想物体モデル干渉検
出部２１は、マスタアーム操作により生成したロボット
動作データを用いて実際の作業空間には存在しない仮想
物体モデルによる干渉を検出し、検出結果を反力予測部
１３へ出力する。動作データ切替部２４は、仮想物体モ
デル干渉検出部２１と、実在する物体の干渉を検出する
実環境モデル干渉検出部１２と、スレーブアームへ動作
データを送信する動作データ送信部１５の各モジュール
について動作データを出力するかしないかを切替え、モ
デル位置修正処理部２３は、センサ信号より仮想物体モ
デルおよび実環境物体モデルの位置情報を計算し、仮想
物体モデル干渉検出部２１および実環境モデル干渉検出
部１２のモデルデータを更新する。

【００１０】次に、マスタスレーブ型ロボットアーム装
置の動作について説明する。まず、手先カメラ２でマー
カー７の画像を撮像し、相対位置計測を行う。マーカー
形状は、作業に要求される精度に適合した形状寸法のも
のを用いるものとする。例えば形状は、円形マークを４
つ同一平面上に正方形の頂点の位置に配置した４点式の
ものや、この４点式マークの平面の外部に円形マークを
付加したもの等が提案されている。いずれも各円形マー
ク間の相対距離が既知であり、６自由度の相対位置姿勢
が計測可能となっている。実画像は、軌道上系の実画像
送信部１８より地上の実画像受信部１９へ送られ、画像
計測部２２で処理する。ここで手先カメラ基準位置Ｐｃ
からマーカー基準位置Ｐｍまでの相対位置［ｃＴｍ］が
既知となる。

【００１１】アーム原点Ｏｒからピン挿入用ホールＡ５
のホールＡ原点Ｏａまでの相対位置変換［ｒＴａ］＝［ｒＴｗ］・［ｗＴｃ］・［ｃＴｍ］・
［ｍＴａ］により計算する。ただし、計測時のアーム原点Ｏｒから
アーム手先位置Ｐｗまでの変換を［ｒＴｗ］とする。ホ
ールＢについても同様に計算する。以上の計算処理はモ
デル位置修正処理部２３で行い、仮想物体モデル干渉検
出部２１および実環境モデル干渉検出部１２のモデル位
置データとして使用する。

【００１２】仮想物体モデル干渉検出部２１および実環
境モデル干渉検出部１２では、ホールＡ原点Ｏａから見
た把持物体先端位置Ｐｔの相対位置［ａＴｔ］、すなわ
ち、［ａＴｔ］＝［ｒＴａ］^-1・［ｒＴｗ］・［ｗＴｔ］で算出する。

【００１３】仮想物体モデル干渉検出部２１では、実際
の作業空間には存在しないがアーム位置決め誘導を行う
ために計算機上の作業空間内に仮想的な物体をホール近
傍に設ける。円筒を上面よりコーン状にくり貫いたもの
で、これを仮想ガイド４と呼ぶ。今想定している作業目
標位置はホールＡ原点Ｏａであるので、点Ｏａ上に仮想
ガイド４を生成する。この仮想ガイド４の近傍部分の詳
細を図４に示す。

【００１４】仮想ガイド４の寸法は、高さＬ、上面穴半
径Ｒ２、底面穴半径Ｒ１とし、挿入用ピン３は、円筒状
とし、円筒半径Ｒ０とする。また、図４に示すように、
ホールＡ原点Ｏａに固定された座標系をＸｈ−Ｙｈ−Ｚ
ｈとし、把持物体先端位置Ｐｔに固定された座標系をＸ
ｔ−Ｙｔ−Ｚｔとする。

【００１５】上述した座標系の中で後者の座標系の各軸
方向が前者の各軸方向と一致するように［ｒＴｗ］の姿
勢を変更する。すなわち、ロボット動作データ生成部１
１で計測データより［ｒＴｗ］を計算し、干渉検出や反
力計算することなく直接動作データ送信部１５から軌道
上系へ動作命令を送る。この結果、ロボットアーム１が
動作して、挿入用ピン３がピン挿入用ホールＡ５に対し
て平行な姿勢になる。姿勢が目標姿勢に位置決めされた
ので、ピン先端位置の位置決め操作のみをマニュアル操
作としてマスタアーム操作部１０で行う。動作データは
動作データ切替部２４より仮想物体モデル干渉検出部２
１および実環境モデル干渉検出部１２へ送られる。

【００１６】マスタスレーブ操作中に仮想ガイド４との
接触によって生じる反力を計算するための環境モデルを
図５に示す。これは、図４で示した作業環境を簡略的に
表現したものである。すなわち、挿入用ピン３の姿勢を
ピン挿入用ホールＡ５と平行にすることによりホールＡ
原点Ｏａの座標系を基準に考えると、挿入用ピン３をＸ
Ｙ平面に垂直な断面積ゼロの点と見なすことができる。
挿入用ピン３で最初に干渉する部分は把持物体先端位置
Ｐｔであるので、この点Ｐｔと仮想ガイド４の干渉に着
目すればよい。上述の考察より挿入用ピン３を点Ｐｔと
置き換えると、仮想ガイド上面穴半径ｒ２＝Ｒ２−Ｒ０仮想ガイド底面穴半径ｒ１＝Ｒ１−Ｒ０ピン挿入用ホールＡ半径ｒ１＝Ｒ１−Ｒ０とすればよい。

【００１７】以上の簡易モデルを用いて仮想ガイド４と
の干渉状況の検出と、干渉状況に応じて反力予測部１３
で予測する反力計算方法について説明する。

【００１８】図５に示すように、座標系Ｘｈ−Ｙｈ−Ｚ
ｈから見た点Ｐｔの座標は、すでに求めた４×４マトリ
ックス［ａＴｔ］の第４列の第１〜第３成分であり、こ
れをＰｔ＝（Ｐｔ_x，Ｐｔ_y，Ｐｔ_z）とすると、点Ｐ
ｔとホール座標系Ｚｈ軸までの距離ｒｐは、

【００１９】

【数１】

【００２０】となる。また、座標系Ｘｈ−Ｙｈ−Ｚｈか
ら見て、点Ｐｔと同じＺの値を持つＸ−Ｙ平面と仮想ガ
イド４が交差するドーナツ状の断面の内径ｒｖは、

【００２１】

【数２】

【００２２】で得られる。干渉は点Ｐｔの位置関係で判
定する。図６（ａ）に仮想ガイド４の干渉検出用のモデ
ル近傍領域の状態遷移を、図６（ｂ）にホールモデル近
傍の状態遷移を示した。干渉検出は、現在のＰｔと環境
物体の位置関係および過去（１回前）の位置関係からの
状態遷移によって場合分けする。まず、仮想ガイド４と
の干渉から調べる。

【００２３】（１）Ｐｔ_z≧Ｌｖｆｌａｇ
＝０（干渉なし）反力なし（２）Ｐｔ_z＜Ｌのとき（ｉ）ｒｐ＞ｒ２ｖｆｌａｇ＝１（干渉なし）（ii）ｒｐ＜ｒｖｖｆｌａｇ＝２（干渉なし）（ii）ｒ２＞ｒｐ＞ｒｖ・ｖｆｌａｇ＝０，２，３の場合ｖｆｌａｇ＝３
（干渉あり）

【００２４】

【数３】

【００２５】・ｖｌａｇ＝１，４の場合ｖｆｌａｇ
＝４（干渉あり）

【００２６】

【数４】

【００２７】以上の処理で把持物体先端位置Ｐｔと仮想
ガイド４との干渉検出および反力生成が終了する。

【００２８】次に、実環境モデル干渉検出部１２で実際
に存在するピン挿入用ホールＡ５近傍の干渉を検出す
る。

【００２９】（１）Ｐｔ_z≧０のときｒｆｌａｇ
＝０（干渉なし）反力なし（２）Ｐｔ_z＜０のとき（ｉ）ｒｐ≦ｒｖ（＝ｒ１）のとき・Ｐｔ_z≧−Ｄの場合ｖｆｌａｇ＝１（干渉なし）
反力なし・Ｐｔ_z＜−Ｄの場合ｒｆｌａｇ＝２（干渉あり）反力ｆｚ＝−Ｋ_z（Ｐｔ_z＋Ｌ）Ｋ_zは定数（ii）ｒｐ＞ｒｖ（＝ｒ１）のとき・ｒｆｌａｇ＝０，３の場合ｒｆｌａｇ＝３（干渉
あり）反力ｆｚ＝−Ｋ_z・Ｐｔ_z ・ｒｆｌａｇ＝１，２，４の場合ｒｆｌａｇ＝４
（干渉あり）

【００３０】

【数５】

【００３１】以上の２段階の干渉検出、反力生成と、予
測画面表示部１４での表示を見ることにより、オペレー
タは、仮想ガイド４が実在しているような感覚を受け
る。このようにしてマスタアームを操作して生成された
動作データは、動作データ受信部１６へ送られ、スレー
ブアーム制御部１７より実際のロボットアーム１が位置
決めされる。すなわち、Ｚｈ軸方向へ移動するようマス
タアームを操作するだけで仮想反力によってマスタアー
ムがＸ，Ｙ軸方向の動作範囲が限定されていき、容易に
目標位置へ位置決め誘導することができる。その結果、
ピン挿入用ホールＡ５の中へ挿入用ピン３を挿入するこ
とが達成される。

【００３２】なお、対象物体の位置の計測には、必ずし
もカメラによる画像計測である必要はなく、他の計測方
法によって得られたデータを用いてもよい。また、動作
データの出力を切替えることにより、反力帰還や仮想反
力による誘導が不要なときに余分な計算を省略すること
ができる。

【００３３】このように、本実施例は、予測反力をマス
タアームに帰還し、視覚計測と姿勢の自動位置決め、仮
想ガイド等を利用することにより、従来のマスタスレー
ブ操作に比べてマニュアル操作自体を簡単化でき、反力
予測の精度を向上し、反力計算の簡略化によるマスタア
ームの反力の応答性も改善することができる。これらの
機能は、通信遅延の伴う宇宙ロボットの遠隔作業のみな
らず、地上の遠隔作業等にも有効に活用することが可能
である。

【００３４】なお、本実施例の説明では、目標位置をホ
ールＡ原点Ｏａとしたが、ホールＢ原点Ｏｂを目標位置
としても、この点上に仮想ガイド４を生成すれば同様の
処理で誘導が可能である。さらに多くの目標位置がある
場合も同様に適用できる。また、本実施例では、ピンを
ホールに挿入する作業を例にして説明したが、例えば、
ピンの代わりに板とし、ホールの代わりに細長い溝と考
えても同じ方式がそのまま適用できる。他の形状でも同
様に考えることができ、さらに、単に作業面上に把持物
体を置く作業についても、実環境モデルを変更するだけ
で適用可能である。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、作業者がマスタスレー
ブ操作により目標位置近傍に達すると、把持物体の先端
と仮想ガイドとの干渉により仮想反力が生じ、マスタア
ームを操作できる領域に制限が加わるようになってい
る。仮想ガイドの形状をコーン状としているため、外形
の大きいコーン上部へはマニュアル操作で容易に誘導で
き、把持物体先端をコーン内部へ誘導すると、把持物体
先端がコーン内部の壁を滑ってコーンの中心部へ誘導さ
れるので、作業者は容易にコーン中心部にある目標位置
へ把持物体を位置決めすることができる。

【００３６】また、本発明では、マニュアル操作開始前
に作業対象物に取り付けられた位置情報を示すマーカー
をカメラにより撮像し、視覚的に相対位置を計測してホ
ールの位置や仮想ガイドの位置を修正する処理を行って
いる。この処理により、対象物体が任意に置かれた場合
にも作業可能であり、さらに、計測情報からスレーブア
ームの姿勢を自動で位置決めすることにより、オペレー
タによるマスタスレーブ操作は、位置の操作のみに単純
化できる。同時に計測情報を利用して作業対象物体のモ
デルの位置補正をするので、反力予測の誤差も小さくす
ることができる。干渉の検出、反力の生成のための検出
についても、姿勢方向の反力計算が不要であるため、実
施例に示したように、全体の計算を大幅に簡略化するこ
とが可能で、実時間での予測反力の帰還に有利である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のアーム位置決め誘導方法の概念を示す
図である。

【図２】従来の宇宙用ロボットの予測バイラテラル制御
系の構成を示す図である。

【図３】本発明を宇宙用ロボットに適用したときの構成
を示す図である。

【図４】仮想ガイドと挿入用ピン、ピン挿入用ホールの
位置関係を表す図である。

【図５】挿入用ピンと仮想ガイドの干渉検出方法を説明
する図である。

【図６】挿入用ピン先端位置と仮想ガイド、ピン挿入ホ
ールとの位置関係の遷移を説明する図である。

【符号の説明】

１ロボットアーム２手先カメラ３挿入用ピン４仮想ガイド５ピン挿入用ホールＡ６ピン挿入用ホールＢ７マーカー１０マスタアーム操作部１１ロボット動作データ生成部１２実環境モデル干渉検出部１３反力予測部１４予測画面表示部１５動作データ送信部１６動作データ受信部１７スレーブアーム制御部１８実画像送信部１９実画像受信部２０実画像表示部２１仮想物体モデル干渉検出部２２画像計測部２３モデル位置修正部２４動作データ切替部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】実作業環境を模擬した仮想作業環境を計算
器内部に構築し、アーム操作に伴う反力を予測し、予測
反力をマスタアームに力帰還するマスタスレーブ型ロボ
ットアーム装置において、マスタアーム操作により生成したロボット動作データを
用いて実際の作業空間には存在しない仮想物体モデルに
よる干渉を検出し、検出結果を反力予測部へ出力する仮
想物体モデル干渉検出部と、前記仮想物体モデル干渉検出部と実在する物体の干渉を
検出する実環境モデル干渉検出部とスレーブアームへ動
作データを送信する動作データ送信部の各モジュールに
ついて動作データを出力するかしないかを切替える動作
データ切替部と、センサ信号より仮想物体モデルおよび実環境物体モデル
の位置情報を計算し、前記仮想物体モデル干渉検出部お
よび実環境モデル干渉検出部のモデルデータを更新する
モデル位置修正処理部とを備えることを特徴とするマス
タスレーブ型ロボットアーム装置。
【請求項２】予測反力をマスタアームに力帰還するマス
タスレーブ型ロボットアーム装置のアーム位置決め誘導
方法において、円筒と同じ上面と高さでかつ指定された底面を持つ円錐
台によって円筒をくり貫いた形状の仮想ガイドと呼ぶ仮
想物体を計算機内部の仮想作業環境内に設け、円筒の底面穴半径、上面穴半径および円筒の高さの３つ
のパラメータで寸法を指定し、前記仮想ガイドのくり貫かれた円筒底面の穴中心位置と
目標位置が一致する位置に仮想ガイドを配置してスレー
ブアームを目標位置へ誘導することを特徴とするアーム
位置決め誘導方法。
【請求項３】予測反力をマスタアームに力帰還するマス
タスレーブ型ロボットアーム装置のアーム位置決め操作
方法において、作業対象物体の作業面上にある基準点の位置を計測し、計測値を基準として目標位置は異なるが目標姿勢は同じ
である複数の位置決め目標位置の補正を行い、スレーブアームまたはスレーブアームの把持している作
業物体の姿勢を自動的に位置決め目標位置での姿勢と一
致するようにスレーブアームを移動し、その後にマスタアームによるマニュアル操作を行いスレ
ーブアームの位置のみを操作することを特徴とするアー
ム位置決め操作方法。
【請求項４】予測反力をマスタアームに力帰還するマス
タスレーブ型ロボットアーム装置の仮想反力生成方法に
おいて、仮想ガイドを利用した予測反力により位置決め誘導を行
う場合に、マスタアームにより位置のみマニュアル操作
するとき、アーム先端またはアーム把持物体の先端基準
位置を点と身なし、この基準点と仮想ガイドとの相対位
置関係の遷移状態より干渉状況を判別し、仮想ガイドの表面より基準点がめりこんだ量に比例した
反力を計算して反力を生成する仮想反力生成方法。