JPH0829508B2 - バイラテラルマニプレ−タ装置 - Google Patents

バイラテラルマニプレ−タ装置

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JPH0829508B2
JPH0829508B2 JP3215583A JP3215583A JPH0829508B2 JP H0829508 B2 JPH0829508 B2 JP H0829508B2 JP 3215583 A JP3215583 A JP 3215583A JP 3215583 A JP3215583 A JP 3215583A JP H0829508 B2 JPH0829508 B2 JP H0829508B2
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【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は危険物取扱いや危険作業等に際して、遠隔操
作を行うべく用いられるバイラテラルマニプレータ装置
に係り、特に操作者側にスレーブアームが受ける力を帰
還する構成に於いて操作性を向上させると共に操作者の
疲労低減に効果的なバイラテラルマニプレータ装置に関
する。
〔発明の技術的背景〕
従来から遠隔作業に用いられて来たマジツクハンド等
の呼称で知られているバイラテラルマニプレータ装置
も、操作性や作業性を考慮してスレーブアーム側の受け
る力をマスターアーム側に帰還する力帰還型が多く用い
られるようになつて来ている。
この力帰還型バイラテラルマニプレータ装置は、マス
ターアーム及びスレーブアームに駆動源、位置検出器及
び力検出器が接続されており、フレーブアームが受ける
力を力検出器で検出し、スレーブアームで検知した力に
対応する力を機構的に対応するマスターアームの駆動源
に発生させ、マスターアームを操作する操作者に力とし
て感知させている。
一方、操作者がマスターアームを動かした時には、そ
の位置を位置検出器で検出し、検出値に応じてスレーブ
アームを位置検出器及び駆動源により制限して、マスタ
ーアームの移動に対応してスレーブアームを動かしてい
る。
通常、この様なバイラテラルマニプレータ装置は複数
の自由度を持つリンクによつて構成されている。例え
ば、6自由度のマニプレータではアームの先端を任意の
位置に位置決めする為の3自由度、アームの先端が任意
の姿勢を取り得る為の3自由度を全て独立に取る事が出
来る。アームの先端に加わる力についても、3自由度に
よつてベクトル量として検知しスレーブアームに帰還す
る事が出来る。この為、操作者が直接作業を行うのと全
く同じ感覚でスレーブアームの操作を行う事を可能とし
ている。
〔背景技術の問題点〕
かかる従来の力帰還型バイラテラルマニプレータ装置
に於いては、スレーブアームが保持する物の重力とスレ
ーブアームまたはその保持する物が外部から受ける反力
とを弁別する事なく力感覚としてマスター側に帰還し操
作者に感知させている。ところが、この様な方式だと、
例えば重い工具をスレーブアームに保持させ作業を行な
う場合等、操作者は常に工具の重量を力感覚として感知
させられる事となる。この為、その工具を使用しての作
業で受ける反力は工具重量に重畳された力としてマスタ
ーアームを通して操作者に作用する。ところが、かかる
作業に於いて操作者にとつて必要な力感覚は作業時の反
力のみである事を考えると、この従来の方式は操作者に
無駄な過度の負担を強いる事となり、作業性、操作者の
疲労等を考えると問題が少なくない。この様な不都合は
工具だけでなく、例えばある物体を保持してそれをどこ
かに嵌合させる様な作業を考えても同様に発生し得る事
である。
これに対して、スレーブアームに加わる力を減少また
は増加させて操作者に感知させる事により操作者側の操
作力を低減したり増加させたりする方式も知られてい
る。この差な方式によれば、重量物を少ない力で容易に
操作させたり又は逆に微細な物を扱うに当つて人間の感
覚に合せて重量感を持たせる事が可能であるが、スレー
ブアームが保持する物体の重力と反力との弁別がなされ
ていない為、特に作業性に於いて先に述べたと同様な不
都合がある。
〔発明の目的〕
従つて、本発明の目的は上記した従来技術の欠点を解
消し、スレーブアーム側に加わる力について重力と反力
の弁別を行なわせ、操作者の必要に応じて反力のみ又は
重力と反力を合成した力の力感覚を感知させる様に制御
する事により、作業性、操作性をより向上させ、操作者
の疲労低減にも効果的なバイラテラルマニプレータ装置
を提供するにある。
〔発明の概要〕
上記目的を達成する為に、本発明は力検出手段、位置
検出手段及び駆動手段を自由に応じた数だけ対称に設け
たマスターアーム及びスレーブアームと、設定時点でス
レーブアームに印加されている荷重を力検出手段及び位
置検出手段を介して検出し記憶する第1の手段と、第1
の手段及びスレーブアームの位置検出手段の各出力信号
に基いて自由度に応じた荷重対応信号を発生する第2の
手段と、設定時点以外の期間スレーブアームの力検出手
段出力信号から荷重対応信号を減算して得られる駆動信
号に基いて駆動手段を介してマスターアームを駆動する
第3の手段とを備えるバイラテラルマニプレータ装置を
提供するものである。
〔発明の実施例〕
以下、図面を参照しながら本発明の実施例を説明す
る。
第1図は本発明の一実施例に係るバイラテラルマニプ
レータ装置の概略構成図で、特に1自由度の構成を例示
するものである。
第1図の構成に於いて、スレーブアームは関節1に可
動のリンク2を接続して構成され、X−Z面で回転す
る。なお、リンク2の先端には物体3を保持している。
一方、マスターアームは関節5に可動のリンク6を接続
して構成され、リンク6の先端には操作者がつかんでリ
ンク6を動かすと共にスレーブアーム側の力を感知する
為の取手7がついている。なお、本実施例に於いては、
リンク2,6の可動範囲、可動方向、長さは同一として考
え、リンク2,6の長さは各々lとする。
駆動装置10はスレーブアーム側の駆動の為に設けられ
たもので、関節1を介してリンク2を駆動する。力検出
器8はリンク2を介して加えられる軸まわりの力、つま
りスレーブアーム側に印加される力を検出する。一方、
位置検出器8は関節1に対するリンク2の位置をZ軸か
らの角度で検出する。
また、マスターアーム側にも同様に力検出器12,位置
検出器13が設けられており、スレーブアーム側の動作の
基準信号を得ているが、一方駆動装置11は所要の力をリ
ンク6を介して操作者に与える作用を有する。
この様な構成に於いて、いまスレーブアームが重量W
の物体3を保持しているのみで反力を受けていない状態
であり、リンク2が関節1に対して角度θsだけ傾いて
いるとする。この場合、リンク2は物体3を保持するの
みでその他の反力を受けていない事を示す信号を、スイ
ツチ23より制御装置21に送る。この信号は制御装置21が
一度受け取るとそれ以降は送出されないものとする。ス
イツチ23からの信号を受けると、制御装置21は演算器17
によつて物体3の重量Wsを演算する。これは、位置検出
器の出力より分かるリンク2の傾き角θsと力検出器8
によつて検出される字まわりの力Msに基いて Ws=Ms/l・sinθs ……………(1) と演算される。この様にして得られた値Wsは記憶器25に
入力し記憶させる。スイツチ24はマスターアームで反力
のみ感知させるか重力と反力を合せて感知させるかを選
択するための切換スイツチである。スイツチ24が重力と
反力を合わせて感知させる方を選択する信号を送出して
いる場合、制御装置21はその信号を受けている間力検出
器8からの入力信号を切換器125を制御する事によつて
直接比較器16に入力させる。比較器16は力検出器8から
の入力信号に対する力検出器12からの入力信号の偏差を
増幅器14に送出する。この増幅器14の出力信号は駆動装
置11に与えられこれを駆動するが、この場合駆動装置11
は力検出器8及び力検出器12の各出力信号が同一になる
様な力を出力する事となる。その結果、取手7を持つて
いる操作者はスレーブアームのリンク2の先端に加えら
れている力と同一の力を感知する事が出来る。
一方、スイツチ24が反力のみを感知させる方を選択す
る信号を送出している場合、制御装置21はその信号を受
けている間力検出器8からの入力信号を切換器125を制
御する事によつて演算器15を介して比較器16に入力させ
る。
力検出器8からの入力信号をM、位置検出器9からの
入力信号をθとすると、演算器18はリンク2の任意の位
置での物体3の重力によつてリンク2が受ける軸まわり
の力Mcを演算する。その演算は Mc=Ws・l・sinθ …………………(2) なる式に従つて実行される。次に、演算器15は力検出器
8からの入力信号Mから演算器18の演算結果Mcを減算
し、比較器16に出力する。比較器16は演算器15からの信
号、つまりM−Mcに対する力検出器12からの入力信号の
偏差を増幅器14に出力する。増幅器14からの信号を入力
される駆動装置11はM−Mcと同一の軸まわりの力を出力
し、これを取手7を持つている操作者に感知させる事と
なる。
今、スレーブアームのリンク2が物体3を保持するだ
けでその他の力をうけていない時、すなわち反力がない
場合、力検出器8からの出力Mは演算器18の出力Mcと同
一である。従つて、駆動装置11が出力する力M−Mcは零
となる。すなわち、取手7を持つ操作者は何らの力も感
知し得ない。
しかしながら、物体3又はリンク2の先端が反力Fを
受け、これにより軸まわりの力MRが加わつているとすれ
ば、力検出器8の出力MはMc+MRとなる。従つて、駆動
装置11が出力する力はMR、すなわちリンク2の受ける反
力Fによる軸まわりの力と同一となり、取手7を持つ操
作者はスレーブアームに加わる反力と同一の力を感知す
る事となる。
次に、本発明を6自由度のバイラテラルマニプレータ
装置に適用した他の実施例を説明する。
6自由度を持つマニプレータのスレーブアームの構成
を第2図の説明図に、マスターアームの構成を第3図の
説明図にそれぞれ示す。アームの各リンクの自由度の構
成を、アームを垂直に伸ばした姿勢を基準としてX−Y
−Z座標によつて表現すると、第2図に示すスレーブア
ームでは関節100はZ軸まわりの回転、関節200はX軸ま
わりの曲げ、関節400もX軸まわりの曲げを行うべく設
けられ、関節200と関節400はリンク300にて接続されて
いる。一方、関節500と関節700はリンク600にて接続さ
れている。また、関節800はZ軸まわりの回転を行うべ
く設けられ、関節800に接続されるリンク900の先端には
物体3を保持する機構がある。一方、第3図に示すマス
ターアームの関節110,120,140,150,170,180はスレーブ
アームの関節100,200,400,500,700,800に各々対応して
同様の自由度を有し、またリンク130,160も上記スレー
ブアームのリンク300,600に各々対応し、同様の機能を
有する。ただし、関節180に接続するリンク190の先端に
は操作者がマスターアームを保持しまた力感覚を取る取
手7が取り付けられている。
今、関節200と関節400の回転中心の距離をl3、関節40
0と関節700のそれをl6、関節700の回転中心からリンク
9の先端に保持された物体3の重心までの距離をl9とす
る。一方、アームを垂直に伸ばした時を基準として関節
100,200,400,500,700,800の各々の自由度まわりの回
転、曲げの角度をそれぞれθ,θ,θ,θ,θ
,θと表わす。
スレーブアームが物体3を保持している時、Z軸下方
向きに働く物体3の重力Wによつて各関節に加わる各関
節の自由度まわりの力は、力学によつて容易に求められ
るが、それは次式によつて表わされる。
M8s=0 ……………………………(3) M7s=−(A*C+B*sinθ)*l9*W (4) M5s=−A*D*l9*W ………(5) M4s=A*l6*W+(A*cosθ+B+F)*l9*W…
……(6) M2s=M4+sinθ*l3*W …(7) M1s=0 ……………………………(8) 但し、M8s,M7s,M5s,M4s,M2s,M1sはそれぞれ関節80
0,700,500,400,200,100に加わる力である。また、A,B,
C,D,Fはそれぞれ A=cosθsinθ+sinθcosθ …(9) B=sinθsinθ−cosθcosθ …(10) C=cosθsinθ ……………………(11) D=sinθcosθ ……………………(12) F=sinθsinθ ……………………(13) で表わす。なお、ここでは物体3の重心は関節800の回
転中心軸上に有るとして考えている。
なお、マスターアームにはスレーブアームの対応する
関節にそれぞれ加わる(3)〜(8)式によつて表わさ
れる力を加えてやれば、取手7にはスレーブアームが物
体3を保持したと同様の力が働く事となり、取手7を保
持する操作者は物体3をあたかも保持しているかの如き
力感覚を得る事が出来る。ここで、スレーブアームの先
端又は物体が反力Fを受けた場合、各関節100,200,400,
500,700,800に更に加わる力をそれぞれM1R,M2R,M4R
M5R,M7R,M8Rとすると、スレーブアームが何も保持せ
ずまた外部から反力を受けていない時を基準として物体
3を保持した時及び物体3を保持し更に外部より反力F
を受けた時に、各関節に加わる各関節の自由度まわりの
力は次の様に整理される。つまり、関節100,200,400,50
0,700,800に加わる力をそれぞれM1,M2,M4,M5,M7,M
8とすれば、重力Wを持つ物体3を保持した時は M8=M8S …………………………(14) M7=M7S …………………………(15) M5=M5S …………………………(16) M4=M4S …………………………(17) M2=M2S …………………………(18) M1=M1S …………………………(19) となり、重力Wを持つ物体3を保持し更に外部より反力
Fを受けている時は M8=M8S+M8R ………………(20) M7=M7S+M7R ………………(21) M5=M5S+M5R ………………(22) M4=M4S+M4R ………………(23) M2=M2S+M2R ………………(24) M1=M1S+M1R ………………(25) となる。
第2図、第3図に示すマスタースレーブマニプレータ
には、各々の関節に力検出器、駆動装置、位置検出器が
あるが、これらは本発明の他の実施例に係るバイラテラ
ルマニプレータ装置のブロツク図である第4図に示す様
な制御装置21に接続されている。同図に於いて、例えば
関節800力検出器220は第2図の関節800に接続する力検
出器、関節800駆動装置230は第2図の関節800を駆動す
る駆動装置、関節800位置検出器240は第2図の関節800
に接続する位置検出器を示している。他の部分に関して
も同様の対応関係がある。
スレーブアームが物体3を保持し外部からは何の反力
も受けていない時に、その事を示す信号をスイツチ23に
より制御装置21に送る。制御装置21はこの信号の立ち上
り又は立ち下りのシングルシヨツトを受け取ると、演算
器17によつて物体3の重量を演算する。これは、位置検
出器群によつて分かる傾き角θ〜θ及び力検出器群
によつて分かる各関節の軸まわりの力M1〜M8によつて
(14)〜(19)式を使用して演算する。ここで、各(1
4)〜(19)式の右辺は(3)〜(8)式にて分かるよ
うにθ,θ,θ,θ,M2,M4,M5,M7のみで演
算される。従つて、制御装置21の演算器17にはこのため
に必要な信号しか入力されていない。式(14)〜(19)
に基く演算により演算器17によつてl9及びWの値が求め
られる。この値l9及びWを記憶器25に入力し記憶させ
る。
スイツチ24はマスターアームで反力のみ感知させる
か、重力と反力を合わせて感知させるかの切換スイツチ
である。スイツチ24が衆力と反力を合わせて感知させる
方を選択するべく信号を送出している場合、制御装置21
はその信号を受けている間スレーブアームの力検出器か
らの入力信号を切換器125を含む切換器群を使い直接比
較器16を含む比較器群に入力させる。比較器群はスレー
ブアームの力検出器310を含む力検出器群からの入力に
対してのマスターアームの力検出器群からの入力の偏差
を増幅器14を含む増幅器群に出力する。増幅器群はマス
ターアームの駆動装置330を含む駆動装置群を駆動す
る。比較器群、増幅器群によつて駆動装置群はスレーブ
アームの力検出器群及びマスターアームの力検出器群の
出力が同一となる様な力を出す事とする。従つて、取手
7を保持する操作者はスレーブアームが受ける力と同一
の力を感知する事となる。
一方、スイツチ24が反力のみを感知させる方を選択す
る信号を送出している場合、制御装置21はその信号を受
けとるとスレーブアームの力検出器群からの入力信号は
切換器群によつて演算器15を介して比較器16を含む比較
器群に与えられる。また、演算器18はアームの位置の姿
勢での物体3の重力によつて各関節の自由度軸まわりの
力M2S,M4S,M5S,M7Sを演算する。ちなみに、本実施例
では、M1S及びM8Sは常に零として省略されている。演算
器15を含む演算器群は各々対応する関節に関してスレー
ブアームの力検出器よりの入力信号から演算器18よりの
入力信号M2S,M4S,M5S,M7Sをそれぞれ減算し、比較器
16を含む比較器群のそれぞれ対応する比較器に出力す
る。その結果、取手7を持つ操作者はスレーブアーム及
びその保持する物体3が外部から受けると同一の力のみ
を感知する事が出来る。
なお、複数自由度のマニプレータでは全ての方向の力
ベクトルを各自由度に対応した力ベクトルに分解した量
として力検出する事が出来、逆にそれに対応した駆動装
置によつて合成する事が出来る事は力学的に容易に説明
する事が出来る。また、一般的に重力による力は、アー
ムの姿勢によつて各リンクに作用する量が変化し、それ
らが各リンクの姿勢によつて演算出来る事も力学的に説
明する事が出来る。ところが、マニプレータの自由度の
増加に従つて各実施例に用いられる演算器の演算が急激
に増加する事も事実である。しかしながら、これらの演
算は計算器によつて実用に支障のない速度で実行する事
が可能である。
〔発明の効果〕
以上述べた如く、本発明によれば、スレーブアームを
操作する操作者の必要とする力感覚のみの感知を可能と
する事により、遠隔作業の操作性を高め、更に判断を容
易とし、また不必要な力感覚が除去される事による操作
者の疲労度軽減を可能としたバイラテラルマニプレータ
装置を得る事が出来るものである。
【図面の簡単な説明】 第1図は本発明の一実施例に係るバイラテラルマニプレ
ータ装置の概略構成図、 第2図、第3図は本発明の他の実施例の適用対称となる
スレブアーム及びマスターアームの構成を示す説明図、 第4図は本発明の他の実施例に係るバイラテラルマニプ
レータ装置のブロツク図である。 8,12……力検出器、9,13……位置検出器、10,11……駆
動装置、14,20……増幅器、15,17,18……演算器、16,19
……比較器、21……制御装置、23,24……スイツチ。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】力検出手段、位置検出手段及び駆動手段を
    設けたマスターアーム及びスレーブアームと、設定時点
    でスレーブアームに印加されている荷重を力検出手段及
    び位置検出手段を介して検出し記憶する第1の手段と、
    第1の手段及びスレーブアームの位置検出手段の各出力
    信号に基いて荷重対応信号を発生する第2の手段と、設
    定時点以外の期間スレーブアームの力検出手段出力信号
    から荷重対応信号を減算して得られる駆動信号に基いて
    駆動手段を介してマスターアームを駆動する第3の手段
    とを備える事を特徴とするバイラテラルマニプレータ装
    置。
  2. 【請求項2】第3の手段が第1の状態ではスレーブアー
    ムの力検出手段出力信号から荷重対応信号を減算して駆
    動信号を生成させ、第2の状態ではスレーブアームの力
    検出手段出力信号から直接駆動信号を生成させるスイッ
    チ手段を含む事を特徴とする特許請求の範囲第1項記載
    のバイラテラルマニプレータ装置。
JP3215583A 1983-02-28 1983-02-28 バイラテラルマニプレ−タ装置 Expired - Lifetime JPH0829508B2 (ja)

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