JPS58171285A - マスタ−スレ−ブマニプレ−タの制御方式 - 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】 本発明は対称形のカフィードバック制御機能ヲ有スるマ
スタースレーブマニプレータの制御方式に関し、オペレ
ータの操縦性の向上を図つたものである。

第１図に対称形と呼ばれるカフィードバック（パイラテ
ラルサーざとも言う）制御方式の従来例を示す。同図に
おいて、手首、肘、肩の回転あるいはねじシの関節を有
するマスターアーム１とスレーブアーム２とは電気的に
結合されておシ、オペレータ（人間）によって操縦され
るマスターアーム１の関節角度θＭが位置検出器３によ
シミ気信号に変換され、スレーブアーム２の関節角度θ
Ｓも位置検出器４によって電気信号に変換される。両位
置検出器３．４からの電気信号は比較器９の差動入力と
なシ、その出力である位置偏差信号△Ｅ＝θＭ−θＳが
増幅器８を介してスレーブアーム２側の駆動装置６に与
えられ、この駆動装置６はθＳをθＭＫ一致させるよう
にスレーブアーム２を駆動する。また前記比較器９の位
置偏差信号△Ｅは惇号変換器１０で−△Ｅに信号変換さ
れ、増幅器７を介してマスターアーム１側の駆動装置５
に与えられる。よって駆動装置５はθＭとθＳに一致さ
せるようにマスターアーム１に作用し、オペレータには
０ＭをθＳに一致させる向きのトルク分だけ反力を与え
る。

上述の如く位置のサーが系を対称に設けることによシ、
オペレータはスレーブアーム２が作用している力或いは
これが保持している力を力感覚として容易に、１１じな
がら、スレーブアーム２を確実に操縦できる。

しかしながら、マスターアーム１の姿勢が変化するとマ
スターアームの自重によってオペレータに要求される操
縦力が変化するため、操縦性が損われる。一方、スレー
ブアーム２の姿勢力変化してもスレーブアーム２の自重
のため駆動装置６０発生するトルクが増減する必要があ
り、これによって位置偏差信号△Ｅが増減してオペレー
タに影響を与えることとなシ、操縦性が損われる。

このような操縦性の問題は、人間が汎用工具で行うよう
な軽作業、例えばスレーブアームを持つロボットを原子
力発電の原子炉格納容器内に置いてバルブの開閉やボル
トの増給などを行わせるようにオペレータが格納容器外
から遠隔操作する時に、特に問題となる。

本発明は上記従来技術に鑑み、アームの姿勢変化によっ
ては操縦性が損われることのない制御方式を提供するこ
とを目的とする。この目的は、マスター及びスレーブの
各アームに対し自重補償用駆動装置を付加し、マスター
アームの速度が成る低速域にある時だけ位置偏差信号を
記憶し、記憶された位置偏差信号を成る積分時間で積分
して得た信号で自重補償用駆動装置を動作させ、姿勢に
よって変化する自重を打消すトルクを発生させることに
よ）達成できる。以下、第２図によシ本発明を説明する
。

第２図は本発明の一実施例を示すブロック図であシ、図
中、１〜１０は第１図と同じである。

１００はマスターアーム１の速度を検出する速度検出器
、１０１・は速度検出信号が成る範囲内の大きさく低速
域）の時はオン信号、それ以外（高速域）の時はオフ信
号を発生する関数発生器、１０２は速度関数信号がオン
信号の時だけ比較器９からの位置偏差信号△Ｅを記憶す
るメモリである。したがってメモリ１０２にはマスター
アーム１の速度が成る低速域にある時だけ位置偏差信号
△Ｅが入力され、記憶される。

１０３は積分器であり、メモリ１０２から構成される装
置偏差信号△Ｅを成る積分時間で積分し、積分値即ち位
置偏差積分信号Ｅを出力する。

それゆえ、位置偏差積分信号Ｅはマスターアーム１の速
度が低速域にない限シ、比較器９の位置偏差信号△Ｅが
いかに大きくても、小さな値となる。１０４は位置偏差
積分信号Ｅに対する関数発生器であシ、Ｅが成る大きさ
以下、では零信号を出力し、Ｅが成る大きさ以上ではＥ
の大きさに比例した信号ｙを出力する。１０５と１０６
は自重補償用駆動装置であｐ、マスターアーム１とスレ
ーブアーム２の本来の駆動装置５．６とは別個のもので
あるが、出力軸は５と１０５．６と１０６の如くそれぞ
れにおいて連結されている。１０７と１０８は増幅器で
あり、それぞれ偏差関数信号０／Ｅ′を増幅して自重補
償用駆動装置１０５．１０６への入力信号とする。Ａお
、以上の各装置は対応する各軸毎に備えられる。

上述した構成の制御方式の作用を表に示す４種の動作１
〜４に分け、成る対応する一軸について説明する。

表 動作１： 自重の影響を殆んど受けないのでオペレータの操縦によ
ってマスターアーム１とスレーブアーム２０間には比較
的小さな位置偏差信号（ΔＥ＋とする）が発生し、スレ
ーブアーム２はその本来の駆動装置６によってθＳがθ
Ｍに一致するように駆動され、その間マスターアーム１
は△Ｅ１に比例したトルクＴ１をその本来の駆動装置５
により第４レータに与える。

一方、操縦が比較的ゆつくシであるからマスターアーム
１の速度は関数発生器１０１の出力をオン信号とする。

これによシ△Ｅ＋がメモリ１０２に記憶され積分器１０
３から双なる信号が出力されるが、もともとΔＥ＋が小
さいた。めＥｌも比較的小さい信号となるから、関数発
生器１０４の出力は零信号であシ自重補償用駆動装置１
０５．１０６はいずれも作動しない。

したがって、動作１の場合は何らの悪影響が生じること
な〈従来の方式と同様な動作となり、確実な操縦ができ
る。　　　□。

動作２： オペレータの操縦によってマスターアーム１とスレーブ
アーム２との間には△Ｅ１よシ大きな位置偏差信号ΔＥ
、が発生し、スレーブアーム２は駆動装置６によシθＳ
がθＭに一致するように駆動され、その間マスターアー
ム１は駆動装置５によシ△Ｅ！に比例したトルクＴ！を
オペレータに与える。

この場合、ΔＥｔはやや大きいのだがオペレータによる
操縦が比較的速いため関数発生器１０１の出力がオフ信
号となって△Ｅ２はメモリ１０２に記憶されない。その
ため積分器１０３にはメモリ１０２に既に記憶されてい
る△Ｅ！が入力されることとなυ、動作１の場合と同様
、積分器１０３の出力Ｅ／は比較的小さいから自動補償
用駆動装置１０５．１０６が作動しない。

したがって、動作ｌの場合と同様、自重の影響がない場
合は従来方式と同様な動作となシ、何らの悪影響が生じ
ることなく確実な操縦ができる。

動作３： 自重の影響を受けるため、オペレータの操縦によシマス
ターアーム１とスレーブアーム２との間には△ＦＪ＞＜
ΔＥｓなる位置偏差信号△Ｅ、が発生し、スレーブアー
ム２は駆動装置６にょシｏｓがθＭに一致するように駆
動され、その間マスターアーム１は駆動装置５にょ夛Δ
Ｅ３に比例したトルクＴｓをオペレータに与える。

一方、オペレータによる操縦が比較的ゆつくシなのでマ
スターアーム１の速度は関数発生器１０１の出力をオン
信号とする。これによシ△Ｅ３がメモリ１０２に記憶さ
れ、積分器１０３から萬なる信号が出力される。ΔＥａ
は自重の影響を受けていることから比較的大きく、よっ
てＥｚも比較的大きいため、関数発生器１０４の出力は
萬の比例信号となシ、これが自重補償用駆動装置１０５
．１０６を作動させ、マスターアーム１とスレーブアー
ム２に夫々自重による力とは逆方向で且つＥｌに比例し
たトルクＴ【が作用する。

したがってオペレータにはＴｓ　−Ｔｇのトルクが与え
られることとなシ、自重の影響が打消され、オペレータ
の操縦性が格段に向上する。

動作４： この場合はマスターアーム１とスレーブアーム２との間
には△Ｅｓ＜ΔＥ４なる大きな位置偏差信号△Ｅ４が発
生し、スレーブアーム２は駆動装置６によシθＳが船に
一致するように駆動され、その間マスターアーム１は駆
動装置５にょシ△几に比例したトルクＴ４をオペレータ
に寿える。

一方、オペレータによる操縦が比較的速いのでマスター
アーム１の速度は関数発生器１０１の出力をオフ信号と
し、位置偏差信号△Ｅ、はメモリ１０２に記憶されない
。しかし、メモリ１０２にはそれ以前の信号△Ｅ３が記
憶されているから、これが積分器１０３に入力され、積
分器１０３からは動作３の場合と同様、口なる信号が出
力される。前述の如＜　Ｅｌは比較的大きいので関数発
生器１０４の出力はＥ【に比例するこトトナリ、マスタ
ーアーム１とスレーブアーム２には夫々自重補償用駆動
装置１０５．１０６によ、ワ自重による力の方向とは逆
方向で且っＥ７に比例したトルクＴ７が作用する。

したがって、オペレータにはＴｌ　−Ｔｌのトルクが与
えることとなシ、自重の影響が軽減され、オペレータの
操縦性が格段に向上する。

以上、表によ多区分した４種の動作１〜４について実施
例の作用を説明したが、改めて効果を説明する。

動作１と動作２の場合は従来と同様の作用をなし、従来
通シの確実な操縦ができる。換言すれば、自重の影響が
殆んどない範囲では自重補償用駆動装置１０５．１０６
は動作せず、何らの悪影響がない、。

動作３の場合において、若し本発明によらなケレｉ、ｔ
：　、マスターアーム１とスレーブアーム２が同じ構造
・形状・材料であるとすると、オペレータの操縦トルク
のうちマスターアーム１の自重を負担する成分の大きさ
と、駆動装置６の駆動トルクのうちスレーブアーム２の
自重を負担する成分の大きさは等しい。そして比較的ゆ
っくりした操縦であれば、夫々のトルクの大きさは、オ
ペレータの操縦トルクの大きさ、位置偏差信号△Ｅ３に
よって駆動するスレーブ側駆動装置６の発生するトルク
の大きさにそれぞれほぼ等しい、よってオにレータは自
重の影響を大きく受けてしまう。

一方、動作３において本発明が適用されると、マスター
アーム１の自重を負担するトルクを発生するのは自重補
償用駆動装置１０５となシ、またスレーブアーム２の自
重を負担するトルクを発生するのは自重補償用駆動装置
１０６である。従って、スレーブ側の本来の駆動装置６
が発生するトルクはスレーブアーム２を操作する°分の
かなシ小さなトルクで済み、オペレータの操縦トルクも
それに応じてかなシ小さなトルクで済ミ、更にマスター
アーム１とスレーブアーム２の位置偏差も比較的小さな
もので良くなるから、オペレータの操縦性が格段に向上
する。

次に動作４において、若し本発明によらなければ、比較
的速い操縦の場合はオペレータの操縦トルクはスレーブ
アーム２を操作するのに必要な位置偏差を発生させるた
めのトルクに加えてマスターアーム１の自重を負担する
トルクが要求され、相当大きなトルクが必要となる。

またスレーブ側の駆動装置６の発生トルクはスレーブア
ーム２を操作するのに必要なトルクに、スレーブアーム
２の自重を負担するトルクを加えた相当大きなトルクで
なければならない。

しかし動作４に本発明が適用されると、マスターアーム
１の自重を負担するトルクはその自重補償用駆動装置１
０５が発生し、スレーブアーム２の自重を負担するトル
クは自重補償用駆動装置１０６が発生する。従って、ス
レーブ側の駆動装置６が発生するトルクはスレーブアー
ム２を操作する分のトルクで良く、オペレータの操縦ト
ルクもそれに応じたトルクタケで良く、更にマスターア
ーム１とスレーブアーム２の位置偏差も比較的小さなも
ので良くなり、オペレータの操縦性が格段に向上する。

以上詳細に説明したように、本発明によればマスターア
ームの速度が成る低速域にある時だけマスターアームと
スレーブアームの関節角度の偏差信号を記憶し、自重補
償用駆動装置はマスターアームの速度に拘らず、記憶さ
れている偏差信号を成る積分時間で積分した信号を用い
ることによ多動作させるので、自重の影響のない場合の
操縦性は何ら損うことなく、自重の影響のある場合の操
縦性が格段に向上する。

なお、本発明の制御方式を適用できるマニプレータを以
下に例示しておく。

〔陸関係〕：放射線物質、爆発物、有毒物などの危険物
を取扱う作業用マニプレータ。並びに放射線、有毒ガス
などの条件の悪い雰囲気下で作業する作業用マニプレー
タ。

〔海関係〕：水中、海底などで作業する作業用マニプレ
ータ。

〔空・宇宙関係〕二宇宙などで作業する作業用マニプレ
ータ。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術を示すブロック構成図、第２図は本発
明の一実施例を示すブロック構成図である。 図面中、 １はマスターアーム、 ２はスレーブアーム、 ３と４は位置検出器、 ５と６は駆動装置、 ９は比較器、 １０は信号変換器、 ｉｏｏは速度検出器、 １０１は関数発生器、 １０２はメモリ、 １０３は積分器、 １０４は関数発生器、 １０５と１０６は自重補償用駆動装置、△Ｅは偏差信号
、 Ｅは積分出力、 ０Ｍはマスターアームの関節角度、 θｓはスレーブアームの関節角度である。 第１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 対称形のカフィードバック制御機能を有するマスタース
   レーブマニプレータにおいて、マスターアームとスレー
   ブアームの関節角度の偏差を検出しマスターアームの速
   度が成る低速域にある時にその偏差信号をメモリに記憶
   し、マスターアームの速度に拘らず、記憶されている偏
   差信号を成る積分時間で積分した信号を用いてマスター
   側及びスレーブ側の各自動補償用駆動装置を動作させ、
   マスターアーム及びスレーブアームの姿勢によって変化
   する自重を打消すトルクを発生させることを特徴とする
   マスタースレーブマニプレータの制御方式。