JPS59161280A - Bilateral manipulator device - Google Patents

Bilateral manipulator device

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JPS59161280A
JPS59161280A JP3215583A JP3215583A JPS59161280A JP S59161280 A JPS59161280 A JP S59161280A JP 3215583 A JP3215583 A JP 3215583A JP 3215583 A JP3215583 A JP 3215583A JP S59161280 A JPS59161280 A JP S59161280A
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arm
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slave arm
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兵頭 厚一
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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。
(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【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除して、遠隔操作
を行うべく用いられるパイラテラルマニプレータ装置に
係、9、特に操作者側にクレープ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ゼると共に操作者の
疲労低減に効果的なパイラテラルマニプレータ装置に関
する。
Detailed Description of the Invention [Technical Field of the Invention] The present invention relates to a pirate manipulator device used for remote control in handling dangerous materials, dangerous work, etc. The present invention relates to a pilateral manipulator device that improves operability and is effective in reducing operator fatigue in a configuration that returns force applied to an arm.

〔発明の技術的背景〕[Technical background of the invention]

従来から遠隔作業に用いられて来たマジックノ1ンド等
の呼称で知られているパ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クレープアーム側の受ける
力をマヌターアーム側に帰還する力帰還型が多く用いら
れるようにたって来ている。
Pilateral manipulator devices, known by names such as Magic No. 1, which have traditionally been used for remote work, also have a force that returns the force received by the crepe arm to the manuter arm, taking into consideration operability and workability. The return type is increasingly being used.

この力帰還型パイラテラルマニプレークit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δれており、ス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。
This force feedback type pirate manipulator IT has a drive source, a position detector, and a force detector connected to the master arm and slave arm, and the force that the slave arm receives is detected by the force detector, and the slave arm A force corresponding to the detected force is generated in the drive source of the mechanically corresponding master arm, and is sensed as force by the operator operating the master arm.

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御して、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
On the other hand, when the operator moves the master arm, the position is detected by the position detector, and the slave arm is controlled by the position detector and drive source according to the detected value, and the slave arm is moved in response to the movement of the master arm. moving the arm.

通常、この様なパ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って構成されている。列えば、
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8自由度、アームの先端が任意の姿
勢を取り得る為の8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自由度によっ
てベク訃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。
Typically, such a bilateral manipulator device is composed of links having multiple degrees of freedom. If you line up,
A manipulator with 6 degrees of freedom can have 8 degrees of freedom for positioning the tip of the arm at an arbitrary position, and 8 degrees of freedom for allowing the tip of the arm to take any posture, all independently. The force applied to the tip of the arm can also be detected as a vector failure amount using the three degrees of freedom and returned to the slave arm. Therefore, it is possible for the operator to operate the slave arm with exactly the same feeling as when working directly.

〔背景技術の問題点〕[Problems with background technology]

かかる従来の力帰還型パ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ヌレ−
ファ−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ヌター側に帰還し操作
者に感知させている。
In such a conventional force-feedback type pirate manipulator device, the gravity and nulling of the object held by the slave arm are
The reaction force that the farm or the object it holds receives from the outside is not differentiated from it, and is returned to the manutar side as a force sensation and is sensed by the operator.

とCろが、この様な方式だと、例えば重い工具をスレー
ブアームに保持さぞ作業を行なうi合等、操作者は常に
工具の重重を力感覚として感知させられる事となる。こ
の為、七の工具を使用しての作業で受ける反力は工具車
量に重畳された力として77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
っ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、向えば
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。
However, with this type of system, the operator always feels the weight of the tool as a force sensation, for example, when carrying out work such as holding a heavy tool on the slave arm. Therefore, the reaction force received during work using the tool 7 acts on the operator through the 77 tar arm as a force superimposed on the amount of the tool wheel. However, considering that the only force sensation required for the operator in such work is the reaction force during the work, this conventional method imposes an unnecessary and excessive burden on the operator, resulting in poor workability and operation. There are many problems when considering the fatigue of workers. Such inconveniences can occur not only with tools, but also with work such as holding an object and fitting it somewhere.

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9増加さぞたりする方式も知られている。
On the other hand, there is also known a system in which the operating force on the operator's side is reduced by decreasing or increasing the force applied to the slave arm and having the operator sense it.

この様な方式によれば、重量物を少ない力で容易に操作
さぞたり又は逆に微細な物を扱うに当って人間の感覚に
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6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。
According to this type of system, it is possible to easily manipulate heavy objects with less force, or conversely, when handling minute objects, it is possible to create a feeling of weight that matches the human senses. Since there is no distinction between the gravity and reaction force of the object held by the machine, there are problems similar to those mentioned above, especially in terms of workability.

、  〔発明の目的〕 従って、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、操作性をより向上芒せ、操作者
の疲労低減にも効呆的なパイラテラルマニプレータ装置
を提供するにある。
[Object of the Invention] Therefore, the object of the present invention is to eliminate the above-mentioned drawbacks of the prior art, to distinguish between gravity and reaction force with respect to the force applied to the slave arm side, and to adjust the reaction force according to the operator's needs. A pilateral manipulator device that improves workability and operability and is effective in reducing operator fatigue by controlling it so that it senses the force sensation of force alone or a combination of gravity and reaction force. is to provide.

〔発明の概要〕[Summary of the invention]

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度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、設定時点でヌ
レ−ファ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、設定暗点以外の期間?レープアームの力検出手
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躯勤する
第3の手段とを備えるパイラテラルマニプレータ装置を
提供するものでおる。
In order to achieve the above object, the present invention includes a master arm and a slave arm in which force detection means, position detection means, and drive means are symmetrically provided in the number corresponding to the degrees of freedom, and a force is applied to the Nure firm at the time of setting. a first means for detecting and storing a load applied via a force detecting means and a position detecting means;
and a second means for generating a load corresponding signal according to the degree of freedom based on each output signal of the slave arm position detection means, and a period other than the set dark point? A third means for moving the master arm through the drive means based on a drive signal obtained by subtracting a load corresponding signal from the force detection means output signal of the rape arm. .

〔発明の実施列〕[Implementation sequence of the invention]

以下、図面を参照しながら本発明の詳細な説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

第1図は本発明の一実施列に係るパ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。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a pirate manipulator device according to one embodiment of the present invention, particularly illustrating a configuration with one degree of freedom.

第1図の構成に於いて、スレーブアームは関節1に可動
のりンク2を接続して構成され、X−Z面で回転する。
In the configuration shown in FIG. 1, the slave arm is constructed by connecting a movable link 2 to a joint 1, and rotates in the X-Z plane.

なお、りンク2の先端には物体8を保持している。一方
、マヌターアームは関節5に可動のりンク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()1!lの力゛をノ
g知する為の取手7かついている。欧お、本災流り1」
に於いては、リンク2.6の可動範曲、可動方向、長さ
は同一として考え、りンク2,6の長きは各々tとする
Note that an object 8 is held at the tip of the link 2. On the other hand, the manutar arm is constructed by connecting a movable link 6 to a joint 5, and the operator grasps the tip of the link 6 to move the link 6 and creates a slave arm ()1! It has 7 handles for knowing the power of l. Europe, the main disaster trend 1.”
In this case, it is assumed that the movable range, movable direction, and length of the links 2 and 6 are the same, and the lengths of the links 2 and 6 are each t.

駆動装置10はヌレ−ファーム側の駆動の為に設けられ
たもので、関節1を介してりンク2f:駆動する。力検
出器8はり/り2(!−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。
The drive device 10 is provided for driving the Nure-Farm side, and drives the link 2f via the joint 1. The force detector 8 detects the force around the axis applied through the beam/beam 2 (!-), that is, the force applied to the slave arm side.

一方、位置検出器8は関節1に対するリンク2の位置を
2軸からの角度で検出゛する。
On the other hand, the position detector 8 detects the position of the link 2 with respect to the joint 1 in terms of angles from two axes.

また、マスターアーム仰1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、一方駆両装置11は所要の
力をりンク6を介して操作者に与える作用を有する。
Similarly, the master arm elevation 1 is also provided with a force detector 12 and a position detector 13 to obtain a reference signal for the operation of the slave arm. It has an effect that is given to the operator via the link 6.

この様な構成に於いて、いまスレーブアームがN電Wの
物体8を保持しているのみで出力を受けていない状態で
あり、リンク2が関節1に幻して角度0日だけ1頃いて
いるとする。この場合、りンク2は物体8を保持するの
みで七の能の反力を受けていない事を示す信号を、スイ
ッチ23より制御装置2]に送る。この信号は制御装置
2】が−rt受は取るとそれ以降は送出されないものと
する。スイッチ23からの信号を受けると、制御装置2
]は演算器17によって物体3の重量Wsを演算する。
In this configuration, the slave arm is currently holding the N electric W object 8 and is not receiving any output, and the link 2 is phantom to the joint 1 and is at an angle of 0 and around 1. Suppose there is. In this case, the switch 23 sends a signal to the control device 2 indicating that the link 2 only holds the object 8 and is not receiving the reaction force of the seven functions. It is assumed that this signal is not sent after the -rt reception is received by the control device 2. Upon receiving the signal from the switch 23, the control device 2
] calculates the weight Ws of the object 3 by the calculating unit 17.

これは、位置検出器の出力よ、り分かるり/り2の傾き
角θeと力検出器8によって検出される軸まわりの力M
sに基いて We = Me / t −sinθe・・Il・・−
・・・・−・・・(1)と演算される。この様にして得
られた値Wsは記憶器四に入力し記憶させる。スイッチ
Uはマヌ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ッチで
ある。スイッチ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1t2
1はその信号を受けている開力検出器8からの入力信号
を切換器125を制御する事によって直接比較器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i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
様な力を出力する拳となる。その結果、取手7を持って
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全感知する事が出来る。
This can be determined from the output of the position detector by the inclination angle θe of R/R2 and the force M around the axis detected by the force detector 8.
Based on s, We = Me / t −sinθe・・Il・・−
. . . - It is calculated as (1). The value Ws obtained in this manner is input to the storage device 4 and stored therein. Switch U is a changeover switch for selecting whether the manutar arm senses only the reaction force or both gravity and reaction force. When the switch 24 is sending out a signal to select which one to sense gravity and reaction force together, the control device 1t2
1 inputs the input signal from the opening force detector 8 receiving the signal directly to the comparator 16 by controlling the switch 125. Comparator 16 converts the deviation of the input signal from force detector 12 with respect to the input signal from force detector 8 to amplifier 14 .
Send to. The i-force signal of this amplifier 14 is
In this case, the driving device 11 becomes a fist that outputs a force such that each output signal of the force detector 8 and the force detector 12 becomes the same. As a result, the operator holding the handle 7 can sense the full force that is the same as the force being applied to the tip of the link 2 of the slave arm.

一方、スイッチあ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硼せ、kT3’J fn 表両Zj
μその信号を受けている開力検出器8からの入力信号を
切換器125を制御する事によって演算器15を介して
比較器16に入力させる。
On the other hand, the switch is sending out a signal to select only the reaction force is detected, kT3'J fn Tables Zj
The input signal from the opening force detector 8 receiving the signal μ is inputted to the comparator 16 via the arithmetic unit 15 by controlling the switch 125.

力検出器8からの入力信号をM、位置検出I器9からの
入力信号をθとすると、演算器18はりンク2の任意の
位置での物体3の重力によってリンク2が受ける軸まわ
りの力Meを演算する。この演算は Mc=Ws−/、−5in#  ・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・ (2)なる式に従って実行さ
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Me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
7M−Me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を持っ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・り2が物体8を保持するだ
シアでその能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M
eと同一である。従って、駆動装置11が出力する力M
−Me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。
When the input signal from the force detector 8 is M and the input signal from the position detector 9 is θ, the calculator 18 calculates the force around the axis that the link 2 receives due to the gravity of the object 3 at any position on the link 2. Calculate Me. This calculation is Mc=Ws-/, -5in#...
・・・・・・・・・・・・ It is executed according to the formula (2). Next, the calculator 15 receives the input signal M from the force detector 8.
The calculation result Me of the calculation unit 18 is subtracted from the calculation result Me, and the result is output to the comparator 16. The comparator 16 outputs the signal from the arithmetic unit 15, that is, the deviation of the input signal from the force detector 12 with respect to 7M-Me, to the amplifier 14. The drive device 11, which receives the signal from the amplifier 14, outputs a force around the same axis as M-Mc, and the operator holding the handle 7 senses this force. - Now, when the slave arm Rin 2 is holding the object 8 and is not receiving the force of its ability, that is, when there is no reaction force, the output M from the force detector 8 is the output of the calculator 18 M
Same as e. Therefore, the force M output by the drive device 11
-Me becomes zero. That is, the operator holding the handle 7 cannot sense any force.

しかしながら、物体8又はIJ 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が加わっていると
すれば、力検出器8の出力MはMe+MRとなる。従っ
て、駆動装置11が出力する力はMRl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、つと同
一の力を感知する事となる。
However, if the tip of the object 8 or the IJ link 2 is affected by the reaction force F
If this causes a force MR around the axis to be applied, the output M of the force detector 8 will be Me+MR. Therefore, the force output by the drive device 11 is the same as the force around the axis due to MRl, that is, the reaction force F received by the link 2, and the operator holding the handle 7 will sense the same force as the reaction force applied to the slave arm. Become.

次に、本発明を6自由度のパイラテラルマニプレータ装
置に適用した池の実施列を説明する。
Next, a description will be given of a pond implementation in which the present invention is applied to a pilateral manipulator device with six degrees of freedom.

6自t4[k持つマニプレータの2レープアームの構成
を第2図の絖明図に、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座標によって表現すると、第2図に示すスレーブア
ームでは関節100は2軸まわりの回転、関節200は
x 1!!+まわりの曲げ、関節400もX@1まわジ
の曲げを行うべく設けられ、関節200と関節400は
りンク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2@まわりの回転を行うべく設けられ、関
節800に接続されるり/り900の先端には物体8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 、1
70 、180は7レーブアームの関節100 、20
0 、400 、500 。
The structure of the two-rape arm of the manipulator with 6 self-t4[k is shown in the schematic drawing of FIG. 2, and the structure of the master arm is shown in the explanatory drawing of FIG. 3, respectively. The configuration of the degrees of freedom of each link of the arm is determined by
Expressed in terms of −Z coordinates, in the slave arm shown in FIG. 2, joint 100 rotates around two axes, and joint 200 rotates at x 1! ! + bending, joint 400 is also provided to perform bending of X@1 rotation, and joint 200 and joint 400 are connected by link 300. On the other hand, the joint 500 and the joint 700 are connected by a link 600. Also,
The joint 800 is provided to perform rotation around 2@, and there is a mechanism for holding the object 8 at the tip of the swivel 900 connected to the joint 800. On the other hand, the joints 110, 120, 140, 150, 1 of the master arm shown in FIG.
70 and 180 are the joints 100 and 20 of the 7-reve arm.
0, 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180. 160も上5[ニヌレーフ゛アー
ムのり/り800 、600に各々対応し、同様の機能
を有する。ただし、関節180に接続するりンク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
を得る取手7が取り付けられている。
have similar degrees of freedom corresponding to 700 and 800, respectively,
Also link 180. The number 160 also corresponds to the number 5 (nine leaf arm) 800 and 600, respectively, and has similar functions. However, the link 190 connected to the joint 180
A handle 7 is attached to the tip of the master arm so that the operator can hold the master arm and feel the force.

今、関節200と関節4000回転中心の距離をt8、
H節400 ト関節700ノソレffi t、 、関節
700 (D 回転中心からり/り9の先端に保持さn
fc物体3の重心までの距離を60 とする。一方、ア
ームを垂IMに伸ばした時を基漁として関節100 、
200 。
Now, the distance between joint 200 and joint 4000 rotation center is t8,
H joint 400 joint 700, , joint 700 (D center of rotation held at the tip of ri/ri 9
Let the distance to the center of gravity of fc object 3 be 60 degrees. On the other hand, the joint is 100 when the arm is extended vertically,
200.

400 、500 、700.800の各々の自由度ま
ゎ−の回転パ曲げの角度をそれぞれθ3.θ6.θ4.
θ、。
The angle of rotational bending with each degree of freedom of 400, 500, and 700.800 is set to θ3. θ6. θ4.
θ,.

θツー 68と表わす。It is expressed as θ2 68.

スレーブアームがvlJ体8を保持している時、z軸下
方向きに働く物体8の重力Wによって各関節に加わる各
関節の自由度まわりのカは、力学によって容易に求めら
れるが、それは次式によって衣わされる。
When the slave arm holds the vlJ body 8, the force around each joint's degree of freedom that is applied to each joint by the gravity W of the object 8 acting in the downward direction of the z-axis can be easily determined by mechanics, and it is calculated by the following formula. be clothed by

M8s==0  ・・・・・・・・・・・・・・曲用・
・・・・旧・・川 (3)M2S =−(A*O+B1
5inθ?  )*/、、  *W   (4)M5S
 =−八*D*t、*w 川・・目・・ (5)M4S
  ” A*/−e  *w−4−’(A*cosσ7
+B 十F)*4  率W・・・・・・・・・ (6) M、B=M、 +5in02 * t3*w 川(7)
M、8.==0  ・・・・・・・・・・・−目印・・
・・・・川l・川 (8)但し、MaB  ” ? 9
  %  MII s  %  M 4 s  b  
M t s  、M18 は(−れぞ11節800 、
700 、500 、400 。
M8s==0 ・・・・・・・・・・・・・For music・
...Old...River (3) M2S =-(A*O+B1
5inθ? )*/,, *W (4) M5S
=-8*D*t, *w River... eyes... (5) M4S
"A*/-e *w-4-'(A*cosσ7
+B 10F) *4 Rate W・・・・・・・・・ (6) M, B=M, +5in02 * t3*w River (7)
M, 8. ==0 ・・・・・・・・・・・・−Mark・・
・・・・River l・river (8) However, MaB”?9
% MII s % M 4 s b
M t s , M18 is (-rezo 11 section 800,
700, 500, 400.

D、Fはそれぞれ AFCO3θ4 sinθ、 +sin”4 cos6
.  l−(9)B=sinθ、 sin’/2−co
s(/、 cos6.−(10)c=cosθ7 si
nθ、 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・ (11)D=sjnθフC03O1l川le川
川……川…02)F=sinff7sin6B  m+
++++m+++m+++++  (1:3)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。
D and F are AFCO3θ4 sinθ, +sin”4 cos6, respectively
.. l-(9)B=sinθ, sin'/2-co
s(/, cos6.-(10)c=cosθ7 si
nθ, ・・・・・・・・・・・・・・・・・・
... (11) D=sjnθfuC03O1lkawalekawakawa...kawa...02)F=sinff7sin6B m+
It is expressed as +++++m++++m++++++ (1:3). Note that the center of gravity of the object 3 is assumed to be on the rotation center axis of the joint 800 here.

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)式によって表わされ
る力を加えてやれば、取手7には2レープアームが物体
3を保持したと同様の力が働く事とな、す、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。
Furthermore, if the forces expressed by equations (3) to (8) applied to the corresponding joints of the slave arms are applied to the master arm, the same force will be applied to the handle 7 as when the two rape arms hold the object 3. When working, the operator holding the handle 7 can feel the force as if he were holding the object 3.

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
 。
Here, when the tip of the slave arm or the object receives a reaction force F, each joint 100, 200, 400, 500
.

700 、800に更に加わる力をそれぞれMIR5M
1fi  s M4Rs M5@  + ”IRm M
&f(とすると、スレーブアームが何も保持せずまた外
部からした時及び物体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
力は次の徐に整理される。つまり、関節100 。
The additional force applied to 700 and 800 is MIR5M, respectively.
1fi s M4Rs M5@+”IRm M
&f (If the slave arm does not hold anything and is applied from the outside, and when it holds object 3 and is applied from the outside, the reaction force F
When the force is applied to each joint, the forces around the degrees of freedom of each joint can be summarized as follows. That is, 100 joints.

200 、400 、500 、700 、804に加
わる力をそれぞれ”1 * Ml r M4 + Ml
l + ’? * Mllとすれば、重力Wff:持つ
物SaV保持した時は・・・・・・ (14) M8:M8s1+“H″101H′J11°1018゜
M、=M7S ・・団・…・・・・・・川・・・・・・
・・・・・・ (15)M、=M、8  ・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 
06)M、=M48 ・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・ α7)M、=M、S
  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・ 08)Ml”’M18 ・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 
09)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 M、=M8s十M8R・・・・・・・・・・・・・・・
・・・ QO)M=M+M、R・・・・・・・・・・・
・・・・・・・ (2])75 MS :Mll B + MS R”−0°−−−−−
−−1−(:z2)M 4” M 4 S + M 4
1:t  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・ (
23)M2=M、s+M2R・・・・・・・・・・・・
・・・・・・ (24)M、=M18+M、 R・・・
・・・・・・・・・・・・・・・ (25)となる。
The forces applied to 200, 400, 500, 700, and 804 are respectively ``1 * Ml r M4 + Ml
l+'? * If Mll, then gravity Wff: When holding SaV... (14) M8: M8s1 + "H"101H'J11° 1018°M, = M7S...Group...... ··river······
・・・・・・(15)M,=M,8 ・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
06) M,=M48 ・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・ α7) M, = M, S
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・ 08) Ml”'M18 ・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
09), and when holding object 3 with gravity W and receiving reaction force F from the outside, M, = M8s + M8R...
・・・ QO) M=M+M, R・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・ (2]) 75 MS: Mll B + MS R”−0°−−−−−
--1-(:z2)M 4" M 4 S + M 4
1:t ・・・・・・・・・・・・・・・・・・ (
23) M2=M, s+M2R・・・・・・・・・・・・
...... (24) M, = M18 + M, R...
・・・・・・・・・・・・・・・ (25)

第2図、第3図に示すマスターヌ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。
The master nureve manipulator shown in FIGS. 2 and 3 has a force detector and a drive device at each joint.

位置検出器があるが、これらは本発明の池の実施列に係
るパイラテラルマニプレータ装置のブロック図である第
4図に示す様な制御装置2】に接続8れている。同図に
於いて、飼えば関節800力検出器220は第2図の関
節800に接に3+iする力検出器、関節800駆動装
置280は第2図の1殉節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。
There are position detectors, which are connected to a control device 2 as shown in FIG. 4, which is a block diagram of a bilateral manipulator device according to an embodiment of the present invention. In the figure, the joint 800 force detector 220 is a force detector that is 3+i tangential to the joint 800 in FIG. 2, the joint 800 drive device 280 is a drive device that drives the first joint 800 in FIG.
Joint 800 position detector 240 indicates a position detector connected to joint 800 in FIG.

池の部分に関しても同様の対応関係がある。A similar correspondence exists for the pond area.

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ッチ23に
より制御装置21に送る。制御装置21はCの信号の立
ち上り又は立ち下りのシングルショット全党は取ると、
演算器17によって物体30重量を演算する。これは、
位置検出器群によって分かる傾き角θ、〜θ8及び力検
出器群によって分かる各関節の軸まわ、りの力M、〜M
8によって04)〜(19)式を使用して演算する。こ
こで、各(14)〜(19)式の右辺は(8)〜(8)
式にて分かるように02、θ4.θB + ”I + 
Ml + M4 + MS + M?のみで演算される
。従って、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によってt、及びWの値が
求められる。この値t、及びWを記憶器25に入力し記
憶δぞる。
When the slave arm holds the object 3 and is not receiving any reaction force from the outside, a switch 23 sends a signal indicating this to the control device 21. When the control device 21 takes a single shot of the rising or falling edge of the C signal,
The weight of the object 30 is calculated by the calculator 17. this is,
The tilt angle θ, ~θ8, which can be detected by the position detector group, and the force M, ~M around the axis of each joint, which can be determined by the force detector group
8, using equations 04) to (19). Here, the right side of each equation (14) to (19) is (8) to (8)
As can be seen from the formula, 02, θ4. θB + ”I +
Ml + M4 + MS + M? Calculated only by Therefore, only the signals necessary for this purpose are input to the arithmetic unit 17 of the control device 21. Formulas (14) to (19)
The values of t and W are determined by the arithmetic unit 17 through calculations based on . These values t and W are input into the memory 25 and stored in the memory δ.

スイッチ24J′l: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
ッチである。スイッチ24が重力と反力を合わせて感知
δぜ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侠器125を含む切換器群を
使い直接比較器16を含む比戦器群に入力させる。比較
器群はヌレ−プアー7ムの力検出器310ヲ含ひ力検出
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
からの人力の偏差を増幅器14を含む増幅器群に出力す
る。
Switch 24J'l: This is a switch for selecting whether the master arm senses only the reaction force or both gravity and reaction force. If the switch 24 is sending out a signal to select which of the combined gravity and reaction forces is being sensed, the controller 21 cuts off the input signal from the slave arm force detector while receiving that signal. The switch group including the comparator 125 is used to directly input the input to the comparator group including the comparator 16. The comparator group outputs the deviation of the human force from the force detector group of the master arm with respect to the input from the force detector group including the force detector 310 of the Nurepu arm 7 to the amplifier group including the amplifier 14. .

増幅器群はマスターアームの駆動装置330を含む駆動
装置群金駆動する。比較器群、増幅器群によって駆動装
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なる
。従って、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カる。
The amplifier group drives a driver group including the master arm driver 330. The comparator group and the amplifier group cause the driving device group to output a force such that the outputs of the force detector group of the slave arm and the force detector group of the master arm are the same. Therefore, the operator holding the handle 7 will feel the same force as that applied to the slave arm.

一方、スイッチ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2】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
は切換器群によって演算器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30重力によって各臥1節の自由度
@まわり・の力λイ28゜M48 、M58 、M、S
 を演算する。ちなみに、本実施列では、M、8 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
ムの力検串器よりの入力信号から演算器18よりの入力
信号M2s 。
On the other hand, when the switch 24 is sending out a signal to select sensing only the reaction force, when the control device 2 receives that signal, the input signal from the force detector group of the slave arm is calculated by the switch group. The signal is applied to a group of comparators including a comparator 16 via a device 15 . In addition, the computing unit 18 calculates the degree of freedom @ rotation of each limb due to the gravity of the object 30 in the posture of the arm position.
Calculate. Incidentally, in this implementation sequence, M, 8 and M8S are always abbreviated as zero. The computing unit group including the computing unit 15 receives an input signal M2s from the computing unit 18 from an input signal from the force detector of the slave arm with respect to each corresponding joint.

M48 + M5S * M79  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MW
に出力する。その結果、取手7f、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
一の力のみ全感知する事が出来る。
M48 + M5S * M79 are each subtracted to obtain the respective corresponding ratio MW of the comparator group including the comparator 16.
Output to. As a result, the operator holding the handle 7f can fully sense only the same force that is applied from the outside to the slave arm and the object 3 it holds.

なお、複数自由度のマニプレータでは全ての方向のカベ
クトル?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
によって合成する事が出来るj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
の姿勢によっ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っ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
加に従って各災施しリに用いられる演算器の演算が急激
に増加する事も事災でおる。しかしながら、これらの演
算は計算機によって実用に支障のない速度で実行する事
が可能である。
In addition, in a manipulator with multiple degrees of freedom, is the force vector in all directions? Force can be detected as a quantity decomposed into force vectors corresponding to each degree of freedom, and j, which can be synthesized by a corresponding drive device, can be easily explained mechanically. In addition, it can be mechanically explained that the amount of force due to gravity that acts on each link generally changes depending on the posture of the arm, and that these can be calculated depending on the posture of each link. However, as the degree of freedom of the manipulator increases, the number of calculations performed by the computing unit used for each disaster may suddenly increase. However, these operations can be executed by a computer at a speed that does not pose any practical problem.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

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、す、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パ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。
As described above, according to the present invention, it is possible to sense only the force sensation required by the operator who operates the slave arm, thereby improving the operability of remote work and further facilitating judgment. Furthermore, it is possible to obtain a bilateral manipulator device that can reduce operator fatigue by eliminating unnecessary force sensations.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明の一実施例に係るパイラテラル−q=ニ
ブレータ置の概略構成図、 第2図、第8図は本発明の能の実施列の適用対象となる
ヌレブアーム及びマヌターアームの構成を示す説明図、 第4図は本発明の池の実施列に係るパイラテラルマニプ
レータ装置のブロック図である。 8.12・・・力検出器、9.13・・・位鈑検出器、
10゜11−・・駆動装置、14.20・・・増1陽器
、15.17.18・・・演算器、16.l’l・・・
比較器、21・・・制飾装置、23.24・・・ヌイツ
チ。 出願人代理人  猪 股   清
FIG. 1 is a schematic diagram of a pilateral-q nibrator arrangement according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 2 and 8 are diagrams showing the configurations of a Nurev arm and a Manuter arm to which the functional embodiment of the present invention is applied. FIG. 4 is a block diagram of a pirate manipulator device according to an embodiment of the pond according to the present invention. 8.12...force detector, 9.13...plate detector,
10゜11-... Drive device, 14.20... Multiplier, 15.17.18... Arithmetic unit, 16. l'l...
Comparator, 21...Decoration device, 23.24...Nuitchi. Applicant's agent Kiyoshi Inomata

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)力検出手段、位置検出手段及び駆動手段を自由度
に応じた数だけ対称に設けたマヌターアーム及びクレー
プアームと、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
クレープアームの力検出手段出力信号から荷重対応(n
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
てマヌターアームを廊勤する第8の手段とを備える事を
特徴とするパイラテラルマニプレータ&=。
(1) A manuter arm and a crepe arm in which a number of force detection means, position detection means, and drive means are symmetrically provided according to the degrees of freedom, and a force detection means and a position detection means that detect the load applied to the slave arm at the time of setting. a first means for detecting and storing the signal via the slave arm; a second means for generating a load corresponding signal according to the degree of freedom based on each output signal of the first means and the slave arm position detecting means; The force detection means output signal of the crepe arm corresponds to the load (n
and eighth means for moving the manuter arm via the drive means based on the drive signal obtained by subtracting the number.
(2)第8の手段が第1の状態ではクレープアームの力
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δせ、第2の状態ではクレープアームの力検出手
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曲第1項に記載のパ
イラテラルマニプレータ装置。
(2) In the first state, the eighth means subtracts the load corresponding signal from the crepe arm force detection means output signal to generate a drive signal δ, and in the second state, the eighth means generates the drive signal δ from the crepe arm force detection means output signal. A pilateral manipulator device according to claim 1, characterized in that it includes switch means for generating a direct drive signal.
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