JPH10202558A

JPH10202558A - マスタスレーブ装置

Info

Publication number: JPH10202558A
Application number: JP2193997A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Hashimoto; 英昭橋本
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1997-01-22
Filing date: 1997-01-22
Publication date: 1998-08-04

Abstract

(57)【要約】【課題】作業対象物に対して過大な力を受けたり与え
たりすることを防止できるマスタスレーブ装置を得るこ
とである。【解決手段】操作者１はマスタ装置２６を介して作業
対象モデル３に対してモデル作業を行い、このときのマ
スタ装置２６の操作量を位置情報としてマスタ側位置検
出器７、８で検出し、マスタ装置２６が作業対象モデル
３から受ける反力情報をマスタ側力検出器４で検出す
る。そして、制御演算部３０は、マスタ装置２６の位置
情報及び作業対象モデル３から受ける反力情報、さらに
スレーブ装置２７の位置情報及び作業対象物１１から受
ける反力情報に基づいて、スレーブ装置２７の動作位置
がマスタ装置２６の操作位置に対応した位置になるよう
にスレーブ側アクチュエータ１７、１８を駆動するため
の指令信号を算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、操作者がマスタ装
置を操作して各種作業をスレーブ装置に行わせるように
したマスタスレーブ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】危険作業や微細作業などで、操作者が直
接作業を行うことなく、操作者がマスタ装置を操作して
スレーブ装置に行わせるマスタスレーブ方式のマスタス
レーブ装置が開発されている。特に何らかのアクチュエ
ータを利用したマスタスレーブ方式では、スレーブ装置
が作業対象物や作業環境から受ける反力情報をマスタ装
置のアクチュエータの駆動力を介して操作者に伝達し、
作業効率を高めようとするバイラテラル制御方式のマス
タスレーブ装置が使われる。

【０００３】図８は、そのようなバイラテラル制御方式
のマスタスレーブ装置の構成図である。操作者１がマス
タ装置２６を操作すると、その操作量は可動軸５、６の
位置情報としてマスタ側位置検出器７、８でそれぞれ検
出され、制御演算部３０に入力される。そして、制御演
算部３０において、スレーブ側検出器１５、１７で検出
されたスレーブ装置２７の可動軸１３、１４の位置情報
と比較され、その偏差信号に基づいて制御要素５１、５
２で指令信号を発生しスレーブ側ドライバ１９、２０を
介してスレーブ側アクチュエータ１７、１８を駆動す
る。これによりスレーブ装置２７にて作業対象１１に対
して作業を行う。

【０００４】スレーブ装置２７にはスレーブ側力検出器
１２が設けられており、スレーブ装置２７が作業対象１
１や作業環境１０から受ける反力情報を検出する。この
スレーブ側検出器１２で検出された反力情報Ｆstool
は、スレーブ側力信号変換部２１で換算軸駆動力ＦM1、
ＦM2に換算され制御要素５３、５４に入力される。そし
て、制御要素５３、５４にて指令信号を発生しマスタ側
ドライバ４１、４２を介して、マスタ装置２６のマスタ
側アクチュエータ３４、３５へ駆動力を発生させ、スレ
ーブ装置２７が作業対象物１１や作業環境１０から受け
る反力情報をマスタ側の操作者に伝達するようにしてい
る。ここで、スレーブ装置２７が接触し反力を受けるの
は作業対象物１１や作業環境１０であるが、以下の説明
では、作業環境１０についての説明のない限りは、その
作業環境１０も含め単に作業対象物１１ということにす
る。

【０００５】このように、バイラテラル制御方式のマス
タスレーブ装置では、スレーブ装置２７はマスタ装置２
６からの位置情報を目標値とした位置追従型制御にて制
御されている。このため、操作者へ伝えられる反力情報
は、スレーブ装置２７が位置追従制御により作業対象物
１１に接触したときに初めて感じることになる。さら
に、操作者はこの反力情報を基にスレーブ装置２７の位
置を変えるようにマスタ装置２６を動かす。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、スレーブ装
置２６の作業対象物１１への接触力は、常に操作者を介
して行われることになるので、電気的な制御装置に比べ
反応速度が遅い。従って、スレーブ装置２６の作業対象
物１１への過大な接触を引き起こす可能性があり、作業
対象物１１の破壊あるいはスレーブ装置２７の故障や破
壊を招く危険性がある。

【０００７】一方、操作者に伝えられる反力情報は、ス
レーブ装置２７のスレーブ側力検出器１２の信号を基に
マスタ装置２６のマスタ側アクチュエータ３４、３５を
介して発生するが、この反力情報は人間が直接、作業を
行ったときに感じる反力情報に比べ、著しく少ない情報
量であり、またスレーブ側力検出器１２やマスタ装置２
６のマスタ側アクチュエータ３４、３５を介するため、
反力の大きさや方向も正確なものではない。さらには制
御系の遅れの影響で操作時の違和感も大きい。

【０００８】本発明の目的は、作業対象物に対して過大
な力を受けたり与えたりすることを防止できるマスタス
レーブ装置を得ることである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、操作
者が操作し移動したマスタ装置の操作位置を検出するマ
スタ側位置検出器と、マスタ装置の操作移動に従って動
作するスレーブ装置の動作位置を検出するスレーブ側位
置検出器と、スレーブ装置が作業対象物から受ける反力
情報を検出するスレーブ側力検出器と、マスタ装置の作
業エリアに設けられたスレーブ装置の作業対象物と同等
の作業対象モデルと、マスタ装置が作業対象モデルから
受ける反力情報を検出するマスタ側力検出器と、スレー
ブ装置の可動部を駆動するためのアクチュエータと、ス
レーブ側力検出器からの反力情報及びマスタ側力検出器
からの反力情報を加味してスレーブ装置の動作位置がマ
スタ装置の操作位置に対応した位置になるようにスレー
ブ装置のアクチュエータを駆動するための指令信号を算
出する制御演算部とを備えたものである。

【００１０】請求項１の発明では、操作者はマスタ装置
を介して作業対象モデルに対してモデル作業を行い、こ
のときのマスタ装置の操作量を位置情報としてマスタ側
位置検出器で検出し、マスタ装置が作業対象モデルから
受ける反力情報をマスタ側力検出器で検出する。そし
て、制御演算部は、マスタ装置の位置情報及び作業対象
モデルから受ける反力情報、さらにスレーブ装置の位置
情報及び作業対象物から受ける反力情報に基づいて、ス
レーブ装置の動作位置がマスタ装置の操作位置に対応し
た位置になるようにスレーブ装置のアクチュエータを駆
動するための指令信号を算出する。

【００１１】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、作業対象モデルはマスタ装置とスレーブ装置との大
きさの比に応じて構成し、スレーブ装置の位置制御及び
力制御はその比に対応させて行うようにしたものであ
る。

【００１２】請求項２の発明では、請求項１の発明の作
用に加え、制御演算部は、スレーブ装置の位置制御及び
力制御を、マスタ装置とスレーブ装置との大きさの比に
対応させて行う。

【００１３】請求項３の発明は、請求項１又は請求項２
の発明において、作業対象モデルと実作業対象物との位
置ずれを検出する位置誤差検出部と、位置誤差検出部で
検出された位置ずれ量に基づいて補正量を算出し制御演
算部に出力する補正量計算部とを備えたものである。

【００１４】請求項３の発明では、請求項１又は請求項
２の発明の作用に加え、位置誤差検出部は作業対象モデ
ルと実作業対象物との位置ずれを検出し、補正量計算部
は位置誤差検出部で検出された位置ずれ量に基づいて補
正量を算出し制御演算部に出力する。

【００１５】請求項４の発明は、請求項１又は請求項２
の発明において、マスタ装置の可動部を駆動するための
アクチュエータを設け、制御演算部は、スレーブ装置が
作業対象物から受ける反力情報をマスタ装置のアクチュ
エータの駆動力を介して操作者に伝達すると共にスレー
ブ装置の動作位置がマスタ装置の操作位置に対応した位
置になるようにスレーブ装置のアクチュエータを駆動す
るための指令信号を算出するバイラテラル制御部と、ス
レーブ側力検出器からの反力情報及びマスタ側力検出器
からの反力情報を加味してスレーブ装置の動作位置がマ
スタ装置の操作位置に対応した位置になるようにスレー
ブ装置のアクチュエータを駆動するための指令信号を算
出するメイン制御部と、バイラテラル制御部とメイン制
御部とを切換えるための切換部とを備えたものである。

【００１６】請求項４の発明では、請求項１又は請求項
２の発明の作用に加え、作業モデルがある場合にはメイ
ン制御部で制御を行い、作業対象モデルが無い場合には
切換部によりバイラテラル制御部に切り換えてバイラテ
ラル部で制御する。

【００１７】請求項５の発明は、請求項１又は請求項２
の発明において、操作者がマスタ装置及び作業対象モデ
ルを使って行った作業情報を記憶するための記憶装置を
設けたものである。

【００１８】請求項５の発明では、マスタ装置と作業対
象モデルとを使った作業情報を記憶装置に記憶し、制御
演算部は、必要に応じて記憶装置に記憶された位置情報
及び力情報を基にスレーブ装置を動作させる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明
する。図１は本発明の第１の実施の形態に係わるマスタ
スレーブ装置のブロック構成図である。図１では、マス
タ装置２６は２つの可動軸５、６を持ち、同様にスレー
ブ装置２７は２つの可動軸１３、１４を持つマスタスレ
ーブ装置を示している。

【００２０】マスタ装置２６の作業エリアには、スレー
ブ装置２７の作業対象物１１や作業環境１０と同等の作
業対象モデル３や作業環境モデル２が設けられている。
ここで、作業対象物１１や作業環境１０については、作
業環境１０についての説明のない限りは、その作業環境
１０も含め単に作業対象物１１ということにし、同様
に、作業対象モデル３や作業環境モデル２についても、
作業環境モデル２についての説明のない限りは、その作
業環境モデル２も含め単に作業対象モデル３ということ
にする。

【００２１】操作者１は、マスタ装置２６の作用機構を
介して作業対象モデル３に対してモデル作業を行い、こ
のときのマスタ装置２６の移動量を可動軸５、６の位置
情報として位置検出器７、８で検出する。また、マスタ
側力検出器４で反力情報ＦMtoolを検出する。これら位
置検出器７、８で検出された可動軸５、６の位置情報、
及びマスタ側力検出器４で検出された反力情報ＦMtool
は制御演算部３０に入力される。

【００２２】制御演算部３０では、位置検出器７、８及
びマスタ側位置検出器７、８で検出された可動軸５、６
の位置情報をスレーブ装置２７の位置目標値とする。ま
た、マスタ側力検出器４で検出された反力情報ＦMtool
をマスタ側力信号変換器９で変換した換算軸駆動力ＦM
1、ＦM2を、スレーブ側側力検出器１２で検出された反
力情報ＦMtoolをスレーブ側力信号変換器２１で変換し
た換算軸駆動力ＦS1、ＦS2の目標値とする。

【００２３】そして、制御要素２２、２４では、それぞ
れの目標値ＰM1、ＰM2とスレーブ側位置検出器１５、１
６で検出された可動軸１３、１４の位置情報ＰS1、ＰS2
との偏差に基づいて指令信号を演算する。同様に、制御
要素２３、２５では、それぞれの目標値ＦM1、ＦM2とス
レーブ側力信号変換器２１で変換した換算軸駆動力ＦS
1、ＦS2との偏差に基づいて指令信号を演算する。そし
て、それらの指令信号をそれぞれ加算してスレーブ側ド
ライバ１９、２０に出力し、スレーブ側アクチュエータ
１７、１８を駆動する。これにより、マスタ装置２６で
作業対象モデル３に対して操作したと同様に、スレーブ
装置２７は実作業対象１１に対して作業を行うことにな
る。これにより、操作者１は、予め用意された環境モデ
ル２や作業対象モデル３からの反力情報をマスタ装置２
６の操作端を持って操作することで直接感じることがで
きる。

【００２４】このときの反力情報ＦMtoolはマスタ装置
２６の先端部に設けられたマスタ側力検出器４により検
出される。この第１の実施の形態では、説明を簡単にす
るため、図１の面内の２次元座標系のＸＹ平面２８によ
って反力情報ＦMtoolが表される場合について説明す
る。すなわち、反力情報ＦMtoolが下記の（１）式で示
されるものとする。但しＴは行列の転置を表す添え字で
ある。

【００２５】

【数１】

【００２６】この反力情報は仮想仕事の原理によれば、
可動軸５、６がこの反力と釣り合うために必要な軸駆動
力τは、マスタ装置２６の先端位置と可動軸５、６の位
置の間のヤコビ行列ＪMを使うと、次の（２）式のよう
に算出できる。

【００２７】

【数２】

【００２８】この第１の実施の形態でのヤコビ行列を図
２を用いて説明する。図２に示す座標系で手先位置４７
は、下記の（３）式で示されその時間微分は（４）式で
示される。そこで、ヤコビ行列ＪMは（５）式と表せ
る。

【００２９】

【数３】

【００３０】（１）式の計算は、このヤコビ行列ＪMと
反力情報ＦMtoolとを使ってマスタ側力信号変換部９で
行われる。図１ではこの計算で位置検出装置７、８、１
５、１６の信号も使うが、図面を簡単にするためその信
号線の表記を省略している。同時に操作者１の作業時の
マスタ装置２６の可動軸５、６の位置情報は位置検出装
置７、８で検出されている。

【００３１】一方、スレーブ装置２７は先端部にスレー
ブ側力検出器１２が備えられており、作業環境１０や作
業対象物１１からの反力情報Ｆstoolが得られる。マス
タ装置２６と同様に、スレーブ側力信号変換部２１で換
算軸駆動力ＦS1、ＦS2が得られる。スレーブ装置２６の
可動軸１３、１４にはスレーブ側アクチュエータ１７、
１８と可動軸の位置情報を検出するためのスレーブ側位
置検出装置１５、１６が備えられている。スレーブ装置
２７のスレーブ側アクチュエータ１７、１８はスレーブ
側ドライバ１９、２０により駆動される。

【００３２】スレーブ側ドライバ１５、１７に対する制
御入力τs1、τs2は、マスタ装置２６からの位置情報Ｐ
M1、ＰM2、及び力情報ＦM1、ＦM2を目標値とし、スレー
ブ装置２６の位置情報ＰS1、ＰS2、及び力情報ＦS1、Ｆ
S2をフィードバック量とし、位置系の制御要素２２、２
４の比例定数及び力系の制御要素２３、２５の比例定数
を使って、下記の（６）式に示すように表される。これ
により、操作者１がマスタ装置２６と環境モデル２や作
業対象モデル３によって行った作業をスレーブ装置２７
で実現することができる。

【００３３】

【数４】

【００３４】このように、この第１の実施の形態では、
操作者１は途中に制御を介さず、直接に環境モデル２や
作業対象モデル３からの反力を感じることができるた
め、バイラテラル制御におけるスレーブ装置２６からの
反力情報を使ったアクチュエータの制御を介した伝達の
ために感じられる違和感が無くなる。また、バイラテラ
ル制御ではマスタ装置２６にもアクチュエータ３４、３
５が必要であったが、第１の実施の形態では、マスタ装
置２６にアクチュエータが必要でなくなるため、マスタ
装置２６の軽量化やスリム化が可能となる。

【００３５】一方、スレーブ装置２７は、マスタ装置２
６からの位置情報と反力情報とを使って、スレーブ装置
２７の位置及びスレーブ装置の先端反力それぞれがこれ
らに追従するように制御系が組まれているので、作業対
象物１１や作業環境１０への過剰な接触で発生する過大
反力を抑制できる。従って、操作者に大きな反力を感じ
させたり、あるいは作業対象物１１や作業環境１０の破
壊あるいはスレーブ装置２７の破壊の危険性を減ずるこ
とができる。

【００３６】また作業内容に応じて制御定数を変えるこ
とで、位置重視型あるいは力重視型のシステムにするこ
とができる。このため、剛体の取り扱いから柔軟物の取
り扱いまで、広い作業対象を扱える。なお、この第１の
実施の形態における反力情報を得る力検出器４、１２の
装着位置は、装置先端に限定されるものでなく、操作者
の操作感を実現するために可動軸やリンク部に取り付け
ることも可能である。

【００３７】次に、本発明の第２の実施の形態を説明す
る。図３は本発明の第２の実施の形態を示す構成図であ
る。この第２の実施の形態は、作業対象モデル３及び作
業環境モデル２として、マスタ装置２６とスレーブ装置
２７との大きさの比に応じて構成した相似作業対象モデ
ル３’及び相似作業環境モデル２’としたものである。
それに伴い、スレーブ装置２６の位置制御及び力制御は
その比に対応させて行う。

【００３８】マスタスレーブ装置２７における作業で
は、作業対象物１１が大型であったり微細なものであっ
たりする。そこで、第２の実施の形態では、相似作業環
境モデル２’及び相似作業対象モデル３’を用意し、そ
うした場合でも、作業環境１０や作業対象物１１に対し
て操作者が扱いやすい大きさとし、操作者の操作を円滑
に行えるようにする。

【００３９】図３において、マスタ装置２６とスレーブ
装置２７とは異構造のものを示している。すなわち、マ
スタ装置２６は第１の実施の形態と同様なものを用いて
いるが、スレーブ装置２７は直動軸を直角に配して、Ｘ
Ｙ平面２８上の任意のところに先端を持っていくいわゆ
る直交型である。

【００４０】第１の実施の形態と同様に、操作者１が相
似作業環境モデル２’や相似作業対象モデル３’を使っ
て疑似作業を行う。このとき、マスタ側力検出器４から
はマスタ装置２６の先端の反力情報ＦMtoolが得られ、
位置検出装置７、８からは可動軸５、６の位置情報が得
られる。この場合、マスタ側力検出器４からの反力情報
ＦMtoolはマスタ側力信号変換部９’において、その相
似の比に応じた値の換算軸駆動力ＦM1、ＦM2に変換され
る。同様に、位置検出装置７、８からの可動軸５、６の
位置情報も位置信号変換部２９によりその相似の比に応
じた値の位置情報ＰM1、ＰM2に変換される。

【００４１】いま、相似作業対象モデル３’と作業対象
物１１の長さの比が１：ｋ（簡単のために質量比はＸＹ
平面２８上の面積比と同じく１：ｋ²とする）であった
とする。この状態で、例えば作業対象物１１を持ち上げ
る作業であったとすると、重力方向を−Ｙ方向として、
操作者１は作業対象モデルを持ち上げる。その力がマス
タ側力検出器４で下記の（７）式で示されるように検出
されたとすると、実作業対象物１１では、これのＫ²倍
の力を出すようにすれば良いので、（２）式の目標トル
ク計算において下記の（８）式を使って計算する。

【００４２】

【数５】

【００４３】これにより、スレーブ装置２６に相似作業
対象物モデル３’での作業が可能になる。また、位置計
算の場合も同様に換算する。

【００４４】この第２の実施の形態では、操作者１は常
に扱いやすい大きさの相似作業環境モデル２’や相似作
業対象モデル３’上でモデル作業を行うことができるの
で、スレーブ装置２７で行う作業対象物１１が大型対象
物や大重量対象物あるいは微細対象物などであっても、
理想的な力加減で取り扱うことが可能となる。

【００４５】次に、本発明の第３の実施の形態を説明す
る。図４は本発明の第３の実施の形態を示す構成図であ
る。この第３の実施の形態は、図１に示した第１の実施
の形態に対し、作業対象モデル３と実作業対象物１１と
の位置ずれを検出する位置誤差検出部３１と、位置誤差
検出部３１で検出された位置ずれ量に基づいて補正量を
算出し制御演算部３０に出力する補正量計算部３２とを
備えたものである。なお、図４では位置検出器、アクチ
ュエータ、ドライバ、力信号検出器、力信号変換部等の
図示を省略している。

【００４６】作業環境モデル１０や作業対象モデル１１
を使ったマスタスレーブ装置においては、モデルと実対
象との位置ずれがあった場合には、位置制御系及び力制
御系の制御定数によっては作業時間を要する可能性があ
る。そこで、この第３の実施の形態では、マスタ装置２
６のマスタ側力検出器４の検出信号及び位置検出器７、
８の検出信号、スレーブ装置２７のスレーブ側力検出器
１２の検出信号及びスレーブ側位置検出器１５、１７の
検出信号を使ってモデルと実対象の位置ずれ量を補正す
る。

【００４７】図４において、スレーブ側においての実作
業環境１０の位置に対し、マスタ側では作業環境モデル
２’が仮想対象位置１０’と認識し、また、スレーブ側
においての実作業対象物１１の位置に対し、マスタ側で
は作業対象モデル３’が仮想対象位置１１’と認識して
いる場合には、モデルと実対象とに位置ずれが発生して
いる。

【００４８】このような状態の場合、位置検出誤差検出
部３１はその位置誤差を検出し、補正量計算部３２でそ
の補正量を計算して制御演算部３０に対し出力する。す
なわち、位置誤差検出部３１には、マスタ側から目標値
が入力され、スレーブ側からスレーブ検出信号が入力さ
れる。図５は位置誤差検出部３１の処理内容を示すフロ
ーチャートである。説明を簡単にするために、実時間サ
ンプリング制御内で位置誤差検出が行われており、また
スレーブ装置２７のマスタ装置２６に対する位置制御遅
れや力制御遅れは無いものとし、また操作者１の作業対
象モデル３上での操作、スレーブ装置２７の作業対象物
１１との接触時に接触が離れるような振動が無いものと
する。

【００４９】まず、マスタ側目標値Ｐd、Ｆd及びスレー
ブ側現在値Ｐs、Ｆsを読み込み、また前回の読み込み値
Ｐd-1、Ｆd-1、Ｐs-1、Ｆs-1もメモリ等に記憶してお
き、これを同時に読み込む（Ｓ１）。次に、マスタ装置
２６のモデルとスレーブ装置２７側の実環境に位置誤差
ずれがあるか否かの判定を行う。すなわち、マスタ装置
２６の先端がモデルに接触した瞬間（Ｆd-1＝０、Ｆd≠
０）にスレーブ側がまだ接触していない（Ｆs＝０）か
否かを判定する（Ｓ２）。接触していない場合はステッ
プＳ３に進み、接触している場合にはステップＳ４に進
む。

【００５０】ステップＳ３では、マスタ装置２６の先端
がモデルに接触していない（Ｆd＝０）のに、実環境下
ではスレーブ装置２７が実対象に接触した（Ｆs-1＝
０、Ｆs≠０）か否かを判定する。そして、ステップＳ
３の条件が成立しないときは位置ずれ無しとして処理を
終了し、ステップＳ３が成立するときは、ステップ４に
進み、マスタ側目標値Ｐdとスレーブ装置２６の現在位
置Ｐsとの差から位置誤差Ｐerrを算出する。

【００５１】図４において、補正量計算部３２では、位
置誤差検出部３１で計算された位置誤差から、位置目標
値に与える補正値を計算する。そして、制御演算部３０
では位置目標値に対し、ここで算出された補正値を加減
して使うことになる。以上の説明では、第１の実施の形
態に対し位置誤差検出部３１及び補正量計算部３２を設
けたものを示したが、図３に示した第２の実施の形態に
対しても同様に適用できることは言うまでもない。

【００５２】この第３の実施の形態によれば、実時間で
マスタ側のモデルとスレーブ側の実環境の位置ずれが補
正できる。また空間上で補正量を分布的に可変にしてお
けば、モデルと実環境の形状誤差に対しても対応可能と
なる。

【００５３】次に、本発明の第４の実施の形態を説明す
る。図６は本発明の第４の実施の形態に係わるマスタス
レーブ装置の構成図である。この第４の実施の形態は、
図１に示した第１の実施の形態に対し、マスタ装置２６
の可動部を駆動するためのアクチュエータ３４、３５を
設け、制御演算部３０は、スレーブ装置２６が作業対象
物１１から受ける反力情報をマスタ装置２６のアクチュ
エータ３４、３５の駆動力を介して操作者１に伝達する
と共にスレーブ装置２７の動作位置がマスタ装置２６の
操作位置に対応した位置になるようにスレーブ装置２７
のアクチュエータ１９、２０を駆動するための指令信号
を算出するバイラテラル制御部３９と、スレーブ側力検
出器２１からの反力情報及びマスタ側力検出器４からの
反力情報を加味してスレーブ装置２７の動作位置がマス
タ装置２６の操作位置に対応した位置になるようにスレ
ーブ装置２７のアクチュエータ１９、２０を駆動するた
めの指令信号を算出するメイン制御部３８と、バイラテ
ラル制御部３９とメイン制御部３８とを切換えるための
切換部３７と、マスタ側位置検出器７、８、マスタ側力
検出器９、スレーブ側位置検出器１５、１６、スレーブ
側力検出器２１からの信号を入力しバイラテラル制御部
３９又はメイン制御部３８に出力する入力部３６と、バ
イラテラル制御部３９又はメイン制御部３８の演算結果
を出力する出力部４０とを備えたものである。

【００５４】上述の第１の実施の形態乃至第３の実施の
形態では、作業対象物１１や作業環境１０が予め判って
おり、そのモデルが作成可能であることを前提としてい
るが、この第４の実施の形態では作業対象物１１や作業
環境１０が未知の場合、あるいは作業対象物１０が破損
等でモデルと合わなくなった場合にも応用できるように
したものである。

【００５５】図４において、マスタ装置２６にはマスタ
側アクチュエータ３４、３５及びそのドライバ４１、４
２が追加して設けられている。また、制御演算部３０
は、第１の実施の形態における制御演算機能を行うメイ
ン制御部３８と、従来例でのバイラテラル制御機能を行
うバイラテラル制御部３９とを有している。そして、切
換部３７により、状況に応じてメイン制御部３８とバイ
ラテラル制御部３９とを切り換え使用する。なお、入力
部３６は、マスタ側位置検出器７、８、マスタ側力検出
器９、スレーブ側位置検出器１５、１６、スレーブ側力
検出器２１からの信号を入力し、切換器３７の切り換え
状態によりバイラテラル制御部３９又はメイン制御部３
８のいずれかに入力信号を出力する。また、出力部４０
はバイラテラル制御部３９又はメイン制御部３８の演算
結果を出力するものである。

【００５６】この第４の実施の形態では、従来のバイラ
テラル制御も使えるようにしているので、作業対象物１
１や作業環境１０が未知の場合、あるいは作業対象物１
０が破損等でモデルと合わなくなった場合にも応用で
き、より活用の範囲を広げている。

【００５７】次に、本発明の第５の実施の形態を説明す
る。図７は、本発明の第５の実施の形態に係わるマスタ
スレーブ装置の構成図である。この第５の実施の形態
は、図１に示した第１の実施の形態に対し、操作者１が
マスタ装置２６及び作業対象モデル３を使って行った作
業情報を記憶するための記憶装置４４を設けたものであ
る。

【００５８】すなわち、通常運転時には、マスタ信号処
理部４３からの信号を切換部４５で選択してメイン制御
部３８に入力し所定の作業を行う。その際に、その作業
情報を記憶装置４４に記憶する。そして、切換部４５に
て記憶装置４４に切り換え、記憶装置４４に記憶された
作業情報をメイン制御部３８に入力する。これにより、
スレーブ装置２７は、記憶装置４４に記憶された位置情
報及び力情報を基に動作することになる。従って、マス
タ装置２６と作業対象モデル３とを使って模擬作業情報
を実施して記憶装置に記憶しておくと、教示装置として
使うことが可能となり、また、マスタ装置２６による作
業とスレーブ装置２７の実作業が実時間である必要が無
くなる。

【００５９】図７において、操作者１がマスタ装置２６
及びモデル２、３を使って目的作業を行ったときのデー
タを記憶装置４４に蓄える。そして、切換部４５によっ
て記憶装置４４からのデータでメイン制御部３８にてス
レーブ装置２７を制御することも可能にしている。

【００６０】この第５の実施の形態によれば、作業対象
物１１が無くても予め操作者１がモデル作業を行えるの
で、作業効率の向上ができる。また、スレーブ装置２７
を一種の力覚センサ付きの産業用ロボットとみれば、そ
のティーチング装置として用いることができる。

【００６１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
作業対象物に対して過大な力を受けたり与えたりするこ
とを防止できる。

【００６２】すなわち、請求項１の発明によれば、スレ
ーブ装置においてはマスタ装置の位置からの目標値に加
えてマスタ装置のモデルからの反力情報を使った目標値
を使うので、作業対象物や作業環境に対して過大な力を
受けたり与えたりする接触を避けることができる。ま
た、マスタ装置においては、操作者はモデルからの反力
をマスタ装置から直接受けるため、バイラテラル制御に
おける検出能力や制御系に起因する操作時の違和感かな
い。さらには、マスタ側アクチュエータが不要であるた
め、小型軽量で安価のマスタ装置を構成できる。

【００６３】また、請求項２の発明によれば、マスタ装
置及び作業対象モデルを操作者が扱いやすい相似の大き
さにしておき、スレーブ装置が実作業に合わせた大きさ
で構成されているので、スレーブ装置においてはマスタ
装置の位置からの目標値に加えてマスタ装置のモデルか
らの反力情報を使った目標値を使うことで、作業対象物
や作業環境に対して過大な力を受けたり与えたりする接
触を避けることができる。また、マスタ装置において
は、操作者はモデルからの反力情報をマスタ装置から直
接受けるため、バイラテラル制御における検出能力や制
御系に起因する操作時の違和感がない。

【００６４】請求項３の発明によれば、スレーブ装置側
の位置誤差補正を行うことにより、モデルと実対象の位
置や形状の誤差の影響を吸収することができるので、こ
の影響による作業対象物や作業環境に対して過大な力を
受けたり与えたりする接触を避けることができる。

【００６５】請求項４の発明によれば、マスタ装置の可
動部にもアクチュエータを備えてマスタスレーブ制御方
式も実現できるようにし、マスタ装置側に作業対象モデ
ルが無い場合には、切換部によりバイラテラル制御を行
えるようにしているので、モデルがない場合でも、バイ
ラテラル制御型のマスタスレーブ装置として、作業を行
うことができる。つまり、突発的な作業への対応も可能
となる。

【００６６】請求項５の発明によれば、マスタ装置と作
業対象モデルを使った作業情報を記憶装置に記憶し、ス
レーブ装置はこの記憶装置に記憶された位置情報及び力
情報を基に動作させるので、記憶装置に模擬作業情報を
記憶した場合には、マスタ装置とモデルは教示装置とし
て使うことが可能となる。また、マスタ装置での作業情
報を予め記憶している場合には、マスタ装置による作業
とスレーブ装置の実作業が実時間である必要が無くな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係わるマスタスレ
ーブ装置の構成図。

【図２】本発明の第１の実施の形態におけるマスタ側力
信号部でのヤコビ行列算出の説明図。

【図３】本発明の第２の実施の形態に係わるマスタスレ
ーブ装置の構成図。

【図４】本発明の第３の実施の形態に係わるマスタスレ
ーブ装置の構成図。

【図５】本発明の第３の実施の形態における位置誤差検
出部の処理内容を示すフローチャート。

【図６】本発明の第４の実施の形態に係わるマスタスレ
ーブ装置の構成図。

【図７】本発明の第５の実施の形態に係わるマスタスレ
ーブ装置の構成図。

【図８】従来のバイラテラル制御方式のマスタスレーブ
装置の構成図。

【符号の説明】

１操作者２作業環境モデル３作業対象モデル４マスタ側力検出器５、６可動軸７、８マスタ側位置検出器９マスタ側力信号変換部１０作業環境１１作業対象１２スレーブ側力検出器１３、１４可動軸１５、１６スレーブ側位置検出器１７、１８スレーブ側アクチュエータ１９、２０スレーブ側ドライバ２１スレーブ側力信号変換部２２、２３、２４、２５制御要素２６マスタ装置２７スレーブ装置２８ＸＹ平面２９位置信号変換部３０制御演算部３１位置誤差検出部３２補正量計算部３４、３５マスタ側アクチュエータ３６入力部３７切換部３８メイン制御部３９バイラテラル制御部４０出力部４１、４２マスタ側ドライバ４３マスタ信号処理部４４記憶装置４５切換部４７手先位置５１、５２制御要素５３、５４制御要素

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】操作者が操作し移動したマスタ装置の操
作位置を検出するマスタ側位置検出器と、前記マスタ装
置の操作移動に従って動作するスレーブ装置の動作位置
を検出するスレーブ側位置検出器と、前記スレーブ装置
が作業対象物から受ける反力情報を検出するスレーブ側
力検出器と、前記マスタ装置の作業エリアに設けられた
前記スレーブ装置の作業対象物と同等の作業対象モデル
と、前記マスタ装置が前記作業対象モデルから受ける反
力情報を検出するマスタ側力検出器と、前記スレーブ装
置の可動部を駆動するためのアクチュエータと、前記ス
レーブ側力検出器からの反力情報及び前記マスタ側力検
出器からの反力情報を加味して前記スレーブ装置の動作
位置が前記マスタ装置の操作位置に対応した位置になる
ように前記スレーブ装置のアクチュエータを駆動するた
めの指令信号を算出する制御演算部とを備えたことを特
徴とするマスタスレーブ装置。
【請求項２】前記作業対象モデルはマスタ装置とスレ
ーブ装置との大きさの比に応じて構成し、前記スレーブ
装置の位置制御及び力制御はその比に対応させて行うよ
うにしたことを特徴とする請求項１に記載のマスタスレ
ーブ装置。
【請求項３】前記作業対象モデルと実作業対象物との
位置ずれを検出する位置誤差検出部と、前記位置誤差検
出部で検出された位置ずれ量に基づいて補正量を算出し
前記制御演算部に出力する補正量計算部とを備えたこと
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載のマスタスレ
ーブ装置。
【請求項４】前記マスタ装置の可動部を駆動するため
のアクチュエータを設け、前記制御演算部は、前記スレ
ーブ装置が前記作業対象物から受ける反力情報を前記マ
スタ装置のアクチュエータの駆動力を介して操作者に伝
達すると共に前記スレーブ装置の動作位置が前記マスタ
装置の操作位置に対応した位置になるように前記スレー
ブ装置のアクチュエータを駆動するための指令信号を算
出するバイラテラル制御部と、前記スレーブ側力検出器
からの反力情報及び前記マスタ側力検出器からの反力情
報を加味して前記スレーブ装置の動作位置が前記マスタ
装置の操作位置に対応した位置になるように前記スレー
ブ装置のアクチュエータを駆動するための指令信号を算
出するメイン制御部と、前記バイラテラル制御部と前記
メイン制御部とを切換えるための切換部とを備えたこと
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載のマスタスレ
ーブ装置。
【請求項５】操作者が前記マスタ装置及び前記作業対
象モデルを使って行った作業情報を記憶するための記憶
装置を設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２に
記載のマスタスレーブ装置。