JPS5845724B2 - 力感覚を有する遠隔制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は水中や原子炉内で使用するマニピュレータ、工
場内人間操縦形マニピュレータ、パワーショベルなどの
遠隔制御装置に関するものである。

多自由度の関節機構を操縦する方法としては、各関節を
個別にスイッチなどの信号で駆動する方法、ジョイステ
ィックで駆動する方法および関節機構と相似な形状の入
力装置を用いて関節機構と入力装置の動きを比例させて
操縦する方法とがある。

遠隔操縦の方法としては、３番目の方法はマスタースレ
ーブ方式と呼んでいるが、この方法は最も操作が容易で
、方式的にも進んでいる。

そして、マスタースレーブ方式によってマスク側の可動
部の動きに追従してスレーブ側の関節機構の可動部を駆
動する場合、マスク側の関節部の動きを計測して、その
動きをスレーブ側の関節駆動サニボ装置の入力信号とし
、スレーブ側の可動部の関節の変位を制御する。

このままだと、マスク側の動きに追従してスレーブ側が
駆動されるが、スレーブ側が物を持ち上げたりするとき
に、力感覚が生じない。

そこでスレーブ側の関節に作用する力を検出し、これを
マスク側ｌこ伝達し、マスク側の可動部の間接部に力を
加えて、マスク側を操作する運転者に、スレーブ側に作
用する力を感じさせる方法も考案され、一部のマニピュ
レータに応用されている。

この方法は、運転者（こ力感量を付与するために操作感
が良く、しかも力の大きさを制御する必要があるような
複雑な作業をする場合に非常に威力を発揮する。

しかし、マスク側を駆動するための機構が必要となるた
め、マスク側の形状および重量が大きくなり、しかも機
構や制御装置が複雑かつ高価になるという欠点があった
。

このため、方式的な長所は認識されながらもあまり実機
に採用されないというのが現状である。

本発明は、上記の点にかんがみ、力感覚を運転者にフィ
ードバックできるマスク・スレーブ形の遠隔制御装置を
より簡単かつ安価に実現すると共に遠隔操縦作業の安全
化高能率化を図ることを目的とするものである。

そして本発明は、上記の目的を達成するためｌこ、マス
ク側の作動部を作動させることによって位置の入力信号
を発生し、比較手段によってマスク側とスレーブ側との
可動部の変位量の偏差に対してスレーブ側の作動部の位
置を制御する遠隔制御装置において、マスク側の作動部
の可動部ｌこ設けられ、この可動部に可変的なブレーキ
力を与えるブレーキ手段と、前記比較手段からの制御偏
差を取入れてその変化速度を求める制御変位の速度検出
手段と、この速度検出手段からの変化速度信号と比較手
段からの制御偏差信号とによって、制御偏差が更に増大
する方向にあるときには、これに応じたブレーキ力制御
信号をブレーキ手段に加える信号処理手段とを備え、制
御偏差が増大する方向に、マスク側を動かそうとすると
、運転者は制御偏差に比例してマスク側に加えられるブ
レーキ力によって、力感覚を感することができるように
したものである。

以下図面について、本発明の一実施例を説明する。

第１図は、本発明の装置の一実施例を示すもので、図に
おいて１，２はスレーブ側の可動部をなすアームで、ア
ーム２の先端にはマニピュレータの手先機構３が装着さ
れている。

手先３の位置を変えるためには関節部の軸４，５の回り
におけるアーム１，２の回転角を制御すればよい。

いま、アーム２の動きを制御する場合を考える。

アーム２は、その一端がアーム１１こ取付けられており
アーム１に回転自在に取付けたシリンダ６によって、上
下に揺動する。

そのときの動きは、油圧源７から供給された圧油を制御
弁８で切換えて制御するが、アーム２の関節部の軸５回
りの回転角度は角度検出器９で検出される。

１０，１１はマスク側の可動部をなすリンクを示す、リ
ンク１０は軸１２回りに、リンク１１は軸１３の回りに
回転可能に取付けられている。

これらのリンク１０．１１はスレーブ側のアーム１，２
と幾何学的に相似な関係に構成されている。

前記リンク１１の軸１３回りの回転角度は角度検出器１
４１こよって検出される。

マスク側のハンドル１５を運転者１６が動かすと、リン
ク１０，１１が動き、たとえばそのときのリンク１１の
動きは角度検出器１４で検出される。

この入力角度信号θ、は、比較器１７においてスレーブ
側の角度検出器９が検出したアーム２の実際の出力角度
信号θ１と比較され、入力信号θ、に対する出力信号θ
１の差すなわち制御偏差Ｅが求められる。

この制御偏差Ｅの信号は、サーボ増巾器１８に伝送され
信号増巾されたのち、制御弁８に伝達される。

これにより制御弁８は制御偏差Ｅが小さくなる方向にシ
リンダ６を作動させる。

したがって運転者１６がハンドル１５を操作し任意の角
度ｌこマスタ側のリンク１１を動かすと、その動きに追
従してスレーブ側のアーム２がアーム１に対して動くこ
ととなる。

一方、マスク側の関節部の軸１３には、リンク１１の回
転角度を検出する角度検出器１４のほかに電磁クラッチ
１９が取付けられている。

この電磁クラッチ１９は後述する電流増巾器２０、微分
回路２１および信号処理器２２によって、その動きを制
御される。

前記マスク側の関節部の軸１３部の詳細を第２図につい
て説明する。

第２図において第１図と同符号のものは同一部分である
。

リンク１１は軸１３に固定されている。

軸１３は軸受２３によってリンク１０に対して回転自在
に取付けられている。

そして軸１３の一端には弾性継手２４を介して角度検出
器１４が取付けられている。

角度検出器１４はその本体がブラケット２５によってリ
ンク１０に結合されているため、リンク１０とリンク１
１とが相対的に動くと、その回転角度を検出器本体と軸
１３との角度変化として検出することができる。

軸１３の他端ｌこは、電磁クラッチ１９が取付けられて
いる。

２６は電磁クラッチ用の電磁石で、この電磁石２６は電
線を通して電流をコイルＩこ流すと励磁されてアーマチ
ャ２７を吸引する。

電磁石２６の端面には、アーマチャ２７と摺動して摩擦
力を発生する摩擦板２８が取付けてられている。

アーマチャ２７はばね２９Ｉこよって、軸１３に固定さ
れたアーマチャハブ３０に結合されており、電磁石２６
が励磁されると吸引され軸方向に移動することができる
。

前記電磁クラッチ１９の特性を第３図について説明する
。

電磁石２６に電流ｉを流し励磁したときに、アーマチャ
２７と摩擦板２８との間ｌこ発生する摩擦トルクＴｆは
一般には図３ａに示したように電流ｉにはゾ比例した特
性をもっている。

したがって、励磁電流ｉを制御すれば、マスク側のリン
ク１１を動かすために必要な操作力を任意に調整するこ
とができる。

前記微分回路２１は制御偏差Ｅの変化速度Ｅを検出する
ものである。

また信号処理器２２は、制御偏差Ｅとその変化速度Ｅと
の二つの信号をもとｌこ、電磁クラッチ１９を励磁する
電流ｉの制御信号ｅを発生するものであり、その制御信
号ｅは、電流増巾器２０で増巾され電磁クラッチ１９の
電磁石２６に流れて、電磁クラッチ１９のアーマチャ２
７の動きを制御する。

ここで、信号処理器２２の動作を第３図す、ｃを用いて
説明するに、信号処理器２２は前述のように制御偏差Ｅ
とその変化速度Ｅとの信号をもとにして第３図す、ｃで
示した特性で励磁電流ｉが流れるように制御信号ｅを発
生する。

すなわち第３図すに示すように制御偏差Ｅの変化速度Ｅ
が負の場合には、制御偏差Ｅが正であったなら電流ｉは
流れず、制御偏差Ｅが負であったなら電流ｉが制御偏差
Ｅの大きさに比例して流れるように構成され、また、制
御偏差Ｅの変化速度Ｅが正の場合には、逆に制御偏差Ｅ
が正の場合にのみ電流ｉが流れるように構成されている
。

次に本発明の装置の一実施例の動作を説明する。

いま、運転者１６がハンドル１５を操作してマスク側の
リンク１１を上方に押し上げたとする。

その結果、リンク１０に対してリンク１１が動くため、
その相当変化角度θ、が角度検出器１４によって検出さ
れ、スレーブ側のサーボ装置の入力信号となる。

この入力信号θ、はサーボ増巾器１８を介して制御弁８
を作動させ、シリンダ６を伸長しアーム２を上昇させる
。

一方、アーム２の動きは、角度検出器９によって検出さ
れている。

その出力信号θ、は比較器１７において入力信号θ、と
比較される。

この結果、アーム２はマスク側のリンク１１と常に相似
な動きをするようにその動きを制御されることとなる。

運転者１６がマスク側を動かしているとき、入力信号θ
、と出力信号θ１との差すなわち制御偏差Ｅが零の場合
には、信号処理器２２からはなんら信号は発生しない。

しかし、マスク側の動かし方が速くて、スレーブ側のサ
ーボ装置が追従しきれず、制御偏差Ｅが残った場合には
、第３図す、ｃに示したような特性で電磁クラッチ１９
を励磁する電流ｉが流れる。

たとえば、リンク１１を上昇させたとき速度が大きすぎ
てアーム２が追従しきれなかった場合には制御偏差Ｅが
発生するが、このとき運転者がさらにリンク１１を上昇
させようとすると、制御偏差Ｅをさらに増加させる方向
の動きとなるため、第３図Ｃの特性によって制御偏差Ｅ
に比例した励磁電流ｉが流れる。

この結果、運転者が偏差を増加させる方向にリンク１１
を動かそうとすると、電磁クラッチ１９が作動して関節
部に摩擦トルクＴｆが発生し、運転者１６はリンク１１
を動かすのに反力を感する。

リンク１１を下方に動かし制御偏差Ｅを小さくするよう
に操作した場合には、逆に信号ｅが発生しないために運
転者はなんら反力を感することはない。

以上述べた機能を発揮させるために、微分回路２１とし
ては、制御偏差Ｅの変化をディジタル的に計算し制御偏
差Ｅの増減の方向を判別するような論理回路としてもよ
い。

また、制御偏差Ｅが零の近傍では運転者の力感覚も鈍い
ために第３図す。

Ｃの特性に不感帯を設けることも有益である。

さらに、必要ならば、電流増巾器２０などの特性をたと
えば第４図のように非線形にして、運転者への反力のフ
ィードバック量を変え操作感覚を高めることも可能であ
る。

また、実施例としては摩擦力を与える方法として摩擦板
形の電磁クラッチを用いたが、ブレーキ機構を用いたり
することも可能である。

また第２図のように電磁クラッチを回転部に直接設置せ
ず、ベルトやテープなどの伝達機構を用いてマスク側の
先端部の重量を軽減することも可能である。

以上詳述したように、本発明によれば、遠隔制御装置の
操作において次のような効果がある。

（ａ） スレーブ側が追従できない程の過大な入力を
与えようとすると、マスク側のリンクの動きに制動がか
＼す、運転者は操作に反力を感する。

また制御誤差を小さくする方向に動かす場合には、マス
ク側のリンクの動きになんら抵抗が生じない。

したがって、マスク側とスレーブ側とが位置制御系とし
て結合されているだけの場合に比較して、スレーブ側の
動きとの一体感があるため操縦がし易くなる。

（ｂ） 同時に、スレーブ側が外部の物体に衝突した
ような場合、運転者はマスク側の動きが重くなることか
ら、衝突または運動不可能な状態にあることを容易に認
識することができる。

（Ｃ） クランクをまわすような作業を位置制御系だ
けで実行することは困難で、運転方法を誤ればクランク
を破損することもある。

本発明によれば、クランクが円運動をするようｌこ、そ
のハンドルの軌跡が拘束されているために、ハンドルを
動かしたときに反抗力の最も小さい方向を探がすようｌ
こ入力装置を動かすだけで、極めて容易Ｉこ回転操作を
実行することができる。

（ｅ） クランク運動と同時に、はめ合い作業への適
用も可能である。

（ｄ） 本発明は、マスク側にアクチュエータを備え
て運転者にスレーブ側に作用する正負両方向の力を付与
する従来形式のパイラテラル形サーボと異なり、構成が
簡単で安価である特長を有する。

物体を持ち上げた時にその重量を運転者が感することは
出来ないが、通常の作業で必要な力感覚は重量感といっ
たものよりはどちらの方向に動けるかという情報であり
、本発明によって通常の力感覚を必要とする大部分の作
業を実施できることを考えると、極めて実用性が高い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の装置の一実施例を示す構成図、第２図
は本発明の装置におけるマスク側の関節部の詳細を示す
断面図、第３図は本発明の装置Ｉこ用いられる電磁クラ
ッチの特性を示す図、第４図は電磁クラッチの特性の他
の例を示す図である。 １．２・・・スレーブ側のアーム、９・・・角度検出器
、１ｏ、ｉｉ・・・マスク側のリンク、１４・・・角度
検出器、１７・・・比較器、１９・・・電磁クラッチ、
２１・・・微分回路、２２・・・信号処理器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ マスタ側の作動部を作動させることによって位置の
   入力信号を発生し、比較手段によってマスク側とスレー
   ブ側との可動部の変位量の偏差に対してスレーブ側の作
   動部の位置を制御する遠隔制御装置において、マスク側
   の作動部の可動部に設けられ、この可動部に可変的なブ
   レーキ力を与えるブレーキ手段と、前記比較手段からの
   制御偏差を取入れてその変化速度を求める制御変位の速
   度検出手段と、この速度検出手段からの変化速度信号と
   比較手段からの制御偏差信号とによって、制御偏差が更
   に増大する方向にあるときには、これに応じたブレーキ
   力制御信号をブレーキ手段に加える信号処理手段とを備
   えたことを特徴とする力感覚を有する遠隔制御装置。 ２ 信号処理手段は制御偏差が零の近傍位置に不感帯を
   設けた制御信号特性を有していることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の力感覚を有する遠隔制御装置。 ３ 信号処理手段は制御偏差の増加に対して非線形な制
   御信号特性を有していることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の力感覚を有する遠隔制御装置。 ４ ブレーキ手段はマスク側の可動部に直接的に装設し
   たことを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第３項
   のいずれかに記載の力感覚を有する遠隔制御装置。 ５ ブレーキ手段は伝達機構によってマスク側の可動部
   の関節部の先端がわの変位が伝えられる可動部の基端に
   装設したことを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし
   第３項のいずれかに記載の力感覚を有する遠隔制御装置
   。