JPS58132813A - バイラテラルサ−ボ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明にパイ２テラルナーボ装置に係り、特に、駆動系
に無視しえない摩擦抵抗が存在するマニピュレータ等の
パイ２テラルナーボ装置に関する。

一般に人が近づけない場所や危険な場所において、人が
操作するのと同様な操作を機械的に行なわせるためにマ
ニピュレータが用いられる。このような用途に用いられ
るものとしてば、一般に多関節蓋マニピュレータが用い
られ、その手ＩＩｂ操縦方式の１つとしてマスク・スレ
ーブ方式がある。

この方式は、オペレータが実際に操縦するマスクマニピ
ュレータと、このマニピュレータに追従して相似な動作
をし、実際の作業を行なうスレーブマニピュレータとよ
〕成る（マスタ匈とスレーブ側の機構は同一構造である
）。

この方式は、マニピュレータの各関節を個別にスイッチ
中ジョイスティックで駆動する方法に比べて、操作性が
優れているといわれている。このような方式で得られる
操作性を更に向上させるものとして、負荷によってスレ
ーブマニピュレータに加えられ念力をマスタマニピュレ
ータを介してオペレータに反力の形で伝える方法がある
。これは負荷に対する力感覚をオペレータに伝える構成
のため、操作感が良く、シかも力の大きさを制御する必
要があるような複雑な作業に対しては、非常に威力を発
揮する。との反力伝達機能をもったサーボ機構をパイ２
チラルサーボ機構と呼んでいる。

ここで、パイ２チラル丈−ボ装置のうちで機構の簡単な
対象型パイラテラルサーボ装置について絆述する。

対象型パイラテラルサーボ装置の基本的構成を示したの
が第１図である。

マスク側アームｌＯが連結されたマスク側アーム軸ｌと
スレーブ側アーム１１が連結されたスレーブ側アーム軸
２の各々の位ｆ信号は検出器３゜４でとり出され、減算
器５を介してサーボ偏差６に変えられる。サーボ偏差ぼ
け増幅器６．７ｆ：介して、それぞれの電動機８．９に
与えられ、スレーブ惰には通常の位ｆＩｔナーボと同様
にスレーブ側アームをマスク側アームに追従させるトル
クが生じ、マスク匈にはサーボ偏差に比例し九トルクが
生じるようになっている。この系に負荷トルクが掛かる
とこれ全保持するためにサーボ偏差が大きくなシ、シた
がって、マスク饋にも大きな反力が与えられることにな
る。しかし、スレーブ側アームの駆動機構に摩擦がある
と、スレーブ側アームの駆動に必要なトルクは、この摩
擦トルクに打ち勝つための余分なトルクが必要となる。

したがってマスタ匈に与えられる反力も摩擦トルクに対
応する分だけ増大する。また、マスタ負アームの駆動機
構に摩擦があると、マスク側アームの操作力は、前述の
反力以外に、マスク側摩擦力に打ち勝つ力が必要になる
。実際、数Ｋｆを超える負荷を取９扱うマニピュレータ
では、機構部に十分な機械強度をもたせるために部品が
大型化し、摩擦力が負荷の重量と同程度の数Ｋｆｆにも
達する。このため、スレーブマニピュレータが無負荷状
態でも、オペレータの操作力は、摩擦力に打ち勝つだけ
必壺になり、操作性が著しく損なわれるという欠点を有
していた。

このような摩擦力の操作力への影４１ヲ低減する装置と
して第２図に示すパイラテラル装置がある。

この装置の構成は、第１図の装置に点ｌｌＩｓ分の構成
を付加したものである。

オペレータの操作力をマスターアーム１０上に装着され
念力検出器１２により電気信号Ｓに変え、これ１−ａ分
器１３に導ひいて得られる微分信号Ｓをシュミット回路
１４に入力し、微分信号Ｓの符号に応じた正ま九は負の
一定電圧Ｖ■を作る。そして、マスタ匈には、操作力の
増加によってマスク側アームが駆動される方向に、摩擦
力に対抗して補償トルクが生じるように、電圧Ｖｍが補
償用増幅器１５を介してモータ８に与えられる。同時に
、スレーブ側には、操作力の増加によるマスタ側アーム
の駆動に伴ってスレーブ側アームが駆動される方向に、
摩擦力に対抗して補償トルクが生じるように、電圧ｖ１
が補償用増幅器１６を介してモータ９に与えられる。し
かし、マスク側アームの駆動中に操作力を急激に弱める
動作を行なうと、微分信号の符号が反転し、補償トルク
が駆動方向の逆方向、すなわち摩擦力と同一方向に働く
場合が起きる。この結果、反力が増大し、操作性が損な
われるという欠点を有していた。

本発明の目的は、操作力の如何によらず補償トルクが一
定になるようにして操作性を向上させたパイラテラルサ
ーボ装置を提供するにある。

本発明は、マスク側アームに加えられた力の方向金力検
出器の微分信号によって判定し、その微分信号の符号に
応じて、駆動モータに力の方向に一定値の補償トルクが
発生する回路全もつマニビスレーブのサーボ系において
、マスク側アーム駆動中には、補償トルクの方向切換が
起こらないようにする手段として、マスク側アームが規
定範囲外の速度で駆動中ば、前記微分信号が前記回路に
入力することを妨げるようにしたものである。

第３図框本発明の実施例を示すブロック図である。第３
図においてに、第２図で用いたと同一部材であるものに
は同一符号を付している６本実施例は第２図の装置に、
速度検出器１７、ウィンドコンパレータ１８、アナログ
スイッチ１９の各々を追加したものである。すなわち、
マスク側アーム軸ｌを駆動するモータ８に連結して速度
検出器１７が設けられ、これにより検出信号Ｘ、が成る
値を越えるときのみ、ウインドコンノくレータ１８がア
ナログスイッチ１９に出力信号を発生し、微分器１３の
出力ｔシュミット回路１４に出力する。

第３図の実施例の動作を次に説明する。但し、前述した
基本動作、補償原理等については重複するので説明を省
略する。

力検出器１２ｆｌ、オペレータがマスク側アーム１０に
加えた操作力を検出するために、入力軸アーム１Ｇ上に
装着されている。力検出器１２は、たとえばストレンゲ
ージとそれの歪量に応じた抵抗値変化を検出するブリッ
ジ回路及び前置増幅器などにより構成される。力検出器
１２の出力信号Ｓは、微分器１３に導ひかれて、微分信
号Ｓに変えられ、アナログスイッチ１９に入力される。

一方、速度検出器１７は、タコジェネレータを用いて、
その入力軸をマスク側アーム軸ｌと連動させて、マスク
側アーム軸ｌの回転速ｆを検出する。

その速ｆ信号；１は、ウィンドコンパレータ１８に入力
される。ウィンドコンパレータ１８［、第４図に示され
る出力特性をもち、その出力信号Ｖ　ａ　ｕ、アナログ
スイッチ１９のゲート入力端子に入力される。アナログ
スイッチ１９ｔｆｆ、ゲート信号が０のときＯＮ状態に
、ゲート信号が成るしきい値ｖＧ１以上になるとＯＦＦ
状態になる。アナログスイッチ１９の出力信号８．は、
シュミット回路１４に導びかれる。シュミット回路１４
は、第５図に示される特性ｔもち、その出力信号Ｖｓは
、マスク側に対し又は補償用増幅器１５を介して増幅器
６の出力信号との減算を減算器２０で行なったのち電動
−８に与えられ、また、スレーブ側に対して框、補償用
増幅器１６に介して増幅器７の出力１８号との加算を加
算器２１で行なったのち電動機９に与えられる。

第６　図Ｃａ）、　（ｂ）、　（Ｃ）、　（ｄ）、　（
ｅ）、　（ｆ）、　（ｇ）、　（ｂ）、　（りの各々は
第３図の実施例の各部動作波形であり、各図に基づいて
本発明の実施例の動作を時間の経過に従って説明する。

第６図各図において、時刻１＜１．の段階でマスク側ア
ームは静止状態にあシ、時刻１．でオペレータがスレー
ブ側アーム上の負荷を駆動するためにマスク側アームに
力を加えるものとする。

第６図（Ｊｌ）に示すように、マスタ側アームｌＯに加
えられた力信号Ｓは、アーム１０に急激な力が加えられ
る結果、急激な出力変化を示すことになハその微分信号
＆ハ第６図（ｂ）に示すように時間と共に増大する。こ
のとき第６図（Ｃ）に示すようにマスク側アーム軸の速
ｆ；１は零であるため、第６図（ｄ）に示すようにウイ
ンドコンノ（レータ１８の出力はＶ、＝Ｏである。従っ
て、アナログスイッチｌＱは動作状態（ＯＮ）にあシ、
その出力Ｓ１（ｍ号Ｓと同）がシュミット回路１４に印
加される１時刻型、に至９、アナログスイッチ出力Ｓ１
ｂ”８ｎに達すると、シュミット回路１４の出力Ｖｇｔ
！（Ｖｓｓ）から（＋Ｖ　ａｓ　）に変化する。このシ
ュミット回路出力ＶａＦ！、補償用増幅器１５及び減算
器２（ｌ介して電動機８に与えられている。

従って、電動機８のトルクＭ、［第６図（ｈ）に示すよ
うに、（−に、）から（十Ｍ、・）へと変化する。同時
に、電動機９のトルクＭ、も第６図（りに示すように（
−Ｍｔｅ）から（＋Ｍ＊ｅ　）へと変化する。

更にオペレータが操作力を増加させ、時刻ｔ。

に至シ、 Ｓ＋Ｍｌ・≧Ｆｌ　　（Ｆｌ　はマスタ側摩擦トルク）
となり、１スタ側アーム軸１が動き始める。このときス
レーブ側アーム軸２は、第６図（ｉ）Ｋ示すように、 鳩ｅ＜Ｍｓ、＋Ｒ（ＭＬは負荷ト羨りであシＦ。

はスレーブ側摩擦トルク） のために動かない、従って、マスク側アーム軸ｌの回転
に伴って第６図（ｇ）に示すように、マスク側アーム軸
ｌとスレーブ側アーム軸２との間に位置偏差１を生ずる
ことになる。この偏差ｅは、減算器２０及び加算器２１
を介して、電動機８．９の各々に伝えられる。従って、
第６図（ｈ）、（りに示すよう＆ｌｉ差Ｃに応じて電動
機８のトルクＭ１は減少し、逆に電動機９のトルクＭ、
ｔ−１増加する。こ（Ｄ場合Ｑ：）トにりＭｌの減少は
、オペレータに対しては反力の増大として感じさせるこ
とになる。

時刻ｔ８の時点を過ぎてもマスク側アーム軸の駆動を継
続する（マスク側の操作トルク８を更に増大させる）と
、偏差６と共にトルクＭ、も増加し続け、時刻型、で第
６図（りに示す如く、Ｍ、２Ｍ　Ｌ　＋　Ｆ　ｔ となり、スレーブ側アーム軸２が動き始める。このとき
、マスク側アーム軸ｌの反力は、ＭＬ＋（ＦＩ　　Ｍ＋
ｏ）＋（Ｆｔ　　Ｍｔｏ）で与えられる。従って、シュ
ミット回路１４でステップ状に発生させた電圧ｖ１によ
って、電動機８．９に発生するトルクＭｓｏ　＋　Ｍｌ
。ｔそれぞれできる限プ各軸の摩擦トルクＦ１．Ｆ、に
近づけるように、各回路定数を選定すれば、オペレータ
の感じる反力は出力軸Ｋかかる負荷トルクＭＬにほぼ等
しくなる。

オペレータがスレーブ側アーム軸２を希望の速度に到達
させるようにマスク側アームｌを操作するときには、通
常、第６図（ａ）に示されるように時刻ｔ、以後に操作
トルクＳにオーバシュートが生じる。この九め、第６図
（ｂ）に示すように、力検出器１２の微分信号ＳＦｉ符
号が反転し、第６図（ｅ）に一点鎖線で示すように、時
刻型、で、（Ｓｒり−ｔ。）になると、シュミット回路
１４の出方信号も第６図（ｆ）に一点鎖線で示すように
（Ｖａｔ）となシ、符号が反転する。その結果、電動機
トルクＭ１は、第６図（ｂ）に１点鎖線で示すよりに２
Ｍ、・だけ減少する。オペレータはこのトルクの減少を
ステップ状の反力増大として感じとるために、引きつづ
いてマスタ匈アームｌｔ−円滑に駆動することは離しい
、また、引き続いてマスク側アームｌを駆動するために
は、第６図（ａ）に一点鎖線で示されるように、大きな
操作力が必要とする。

そこで、第３図に示す速度検出器１７、ウィントコ／パ
レータ１８及びアナログスイッチ１９を用いることによ
り、マスク側アーム軸の回転速匿哀、愈の条件を満足し
九とき、第６図（ｄ）に示すようにウィンドコンパレー
タ１８の出力信号Ｖｌに零からｖｌに変化させる。この
結果、アナログスイッチ１９は、ＯＦＦ状態となシ、シ
ュミット回路１４の入力信号８１は第６図（ｅ）に示す
ように零になる。従って、シュミット回路１４の出力信
号の符号は、マスク側アーム１の駆動速度が第４図に示
す”＋＊（又は−１口）未満になるまで変化しない、そ
れ故、ウィンドコンパレータ１８のしきい値”Ｉｔ’ｔ
”オペレータが通常操作するような最低速度に対応する
値に設定し、且つシュミット回路１４のしきい値Ｓｌ・
をオペレータがマスターアームＩｔ通常において起動す
るときの鰻小力変化率に対応する値に設定する。

このようにすれば、オペレータがマスク側アームを起動
しようとして力を入れたときだけ、シュミット回路１４
の出力信号の符号が切りかわり、起動方向に摩擦抵抗に
対抗する補償トルクが発生することになる。この最低速
度と最小力変化庫の値について発明者の得たｌデータに
よれば、アームを握ったオペレータの手の周速が５〜ｌ
　Ｏｗｙ’Ｗ−歳小力変化軍がα４〜α８Ｋｆｆ／１ｌ
Ｌ３ｃ程度あれば、補償トルクの方向切換が十分円滑に
いき、且つ常に摩擦力０反対方向にもっていけることが
確認された。

第３図に示した実施例によれば、マスク側アームを操作
する際の、マスク側の摩擦力罠抗する操作力を低減する
ことができる。また、スレーブ側の摩擦力がマスク側に
フィードバックされないので、スレーブ側からマスク側
への力伝達が正確になシ、ま九、伝達できる力の範囲を
広げることができる。

第７図は本発明の他の実施例を示すブロック図である。

ｉ＠７図において社第３図に用いたと則−部材であるも
のにｒｉ則−符号を付している。

本実施例は第３図の実施例に点線図示内の電圧調整器２
２、絶対値回路２３、乗算器２４及び加算器２５を追従
し友ものである。マスク側アーム軸ｌの回転速度信号；
、を電圧調整器２２を介して絶対値回路２３に導き、電
圧調整器２２の出力信号Ｖヨの絶対値信号ＩＶ、Ｉ’に
得る。この絶対値信号ＩＶ、ｌとシュミット回［１４の
出力信号ｖ１を乗算器２４に入力する１乗算器２４より
出力される１Ｖｌｌｌ×Ｖｌとシュミット回ｗ５１４の
出力信号Ｖ■とを加算器２５で加算し、この加算器２５
の出力信号ｖｇｓを補償用増幅器１５．１６に印加する
。加算器２５の出力信号は、第８図に示すように回転速
ｆ信号ｘ１に比例したものとなる。

この場合の比例定数は、電圧調整器２２によって任意に
設定可能である。

１１ｇ７図の実施例によれば、摩擦力が速度に比例して
増大するような場合でも、有効に摩擦補償を行なうこと
ができる。

第９図は１８７図の実施例の変形例を示すブロック図で
ある０本実施例は電圧ｖＩ４贅器２ｚの入力信号を速度
信号ｘ１の代りに回転位置偏差εを用いたものである。

この偏差１は、スレーブ匈負荷トルクに比例するから、
加算器２５の出力信号ＶＩＬは負荷トルクに比例するこ
とになる。

第８図の実施例によれば、摩擦トルクが負荷トルクに比
例する場合であっても有効に摩擦補償を行うことができ
る。

以下、各実施例より明らかな如く本発明によれば、摩擦
力補償トルクの方向を常に摩擦トルクと逆方向にするこ
とができ、マニピュレータの操作性を向上させることが
できる。

以上の実施例の説明においては、対象型パイ２テラルナ
ーボ装置を例に説明し次が、この他、力逆送型および力
帰還型等の非対象型パイラテラルサーボ装置に対しても
四様に適用可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図に従来の対象型パイラテラルサーボ装置のブロッ
ク図、第２図は第１図の従来装置を改良した従来の対象
型パイラテラルサーボ装置のブロック図、第３図は本発
明の第１の実施例のブロック図、第４図は本発明に係る
ウィンドコンパレータの出力特性図、第５図は本発明に
係るシュミット回ｇｏ出力特性図、第６図（ａ）、　（
ｂ）、　（’Ｌ　（ｄ）、　（ｅ）。 （ｆ）、　（ｇ）、　（ｈ）、　（りの各々は第３図の
実施例の各部動作波形図、第７図に本発明の他の実施例
のブロック図、第８図は第７図の実施例を構成する乗算
器の出力特性図、第９図は第７図の実施例の変形例のブ
ロック図である。 ｌ・・・マスク側アーム軸、２・・・スレーブ匈アーム
軸、３．４・・・位置検出器、５．２０・・・減算器、
６．７・・・増幅器、８．９・・・電動機、ｌＯ・・・
マスク側アーム、ｌｌ・・・スレーブ側アーム、１２・
・・力検出器、１３・・・像分器、１４・・・シュミッ
ト回路、１５゜１６・・・補償用増幅器、１７・・・速
度検出器、１８・・・ウィンドコンパレータ、１９・・
・アナログスイッチ、２１．２５・・・加算器、２２・
・・電圧調整器、２３・・・絶対値回路、２４・・・乗
算器。 一’ｆ／　ｍ γ２図　　７ 第　３　図 茅４　ｍ ｒ？ 箪５　図 ５ 第６　Ｑ ［−ｍ− ７ｍ 茅δ　図 第　９　ロ ア７８ 第１頁の続き ■出　願　人　中部電力株式会社 名古屋市東区東新町一番地 ０出　願　人　中国電力株式会社 広島市中区小町４番３３号 ■出　願　人　株式会社日立製作所 東京都千代田区丸の内−丁目５ 番１号

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、オペレータによって操作されるマスク操作機構及び
   作業を実行するスレーブ操作機構ｔ−備え、前記各操作
   機構の駆動軸の位ｍｔ−検出し、その偏差に基づいて前
   記スレーブ操作機構の電動機を駆動して前記マスタ操作
   機構に追従させると共に、前記マスク操作機構に加えら
   れた外圧力を検出する検出器と、該検出器の出力を微分
   しトルク変化４ｔ−出力する微分器と、該微分器の出力
   信号の有する極性に応じて前記スレーブ操作機構用電ｋ
   ｈＪ７ｉＡ及び前記マスタ操作機構に連結された電動恢
   の各々に前記各操作機構の駆動時の摩擦力に対抗する補
   償トルタｔ−発生さぜる手段とを備えたパイラテラルサ
   ーボ装置において、前記マスク操作機構の駆動軸の回転
   速ｆｔ−検出する速度検出器と、該速度検出器の検出値
   が予め定めた設定値以下のとき前記微分器の出力伏込を
   中止し前記補償トルクを発生させなりｈようにする信号
   伝送手段とを具備することｔ特徴とするパイラテラルサ
   ーボ装置。 ２、特＃！Ｆ請求の範囲第１項において、前記速度検出
   器の出力信号の増大に応じて前記補償トルクを増大させ
   ること１に％値とするパイ２チラルサーボ装置。 ３、譬許縛求の範囲第１項において、前記位置偏差の増
   大に対応して前記補償トルクｔｊｌ大さぜることを％像
   とするパイ２チラルサーボ装置。