JPS5932274B2 - マスタ・スレ−ブ形サ−ボマニピユレ−タ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、スレーブ（従動）側の負荷トルクがマスタ（
主動）側を操縦するオペレータに返つてくる力反射型の
サーボマニピュレータに関する。

周知の如く、放射性物質を扱つたＤ海中での作業等人間
が近づけない場所あるいは環境が適さない所ではマニピ
ュレータが人間に代つてその作業を代行する。力反射型
のマスタ・スレーブサーボマニピュレータによる作業で
は、スレーブ側の物体からの反作用つまカカ感覚が手を
使つて物体に直接働きかける作業に近いものになＶ）力
反射のないマニピュレータに比べて作業性に優れている
。

従来の力反射型マスタ・スレーブサーボマニピュレータ
に用いられる双動形サーボ機構を第１図に示す。

同図は電動式のものを示レマスタ軸１１をオペレータが
ある方向に回転させると、その操作によつて生じるマス
タ軸とスレーブ軸１２との角度偏差信号εが各々の角度
検出器２１、２２によつて検出されると同時に角速度偏
差信号：が各々速度検出器３１、３２によつて検出され
る。この２つの信号εとεがサーボ増幅器４にて加算増
幅され、マスタ側のサーボモータ５１にはオペレータが
与えた回転を止めようとする向きに電圧印加がなされ、
同じ電圧がスレーブ側のサーボモータ５２には回転を加
速する向きに印加される。かくして、マスタ軸１１に与
えられた角度変位はスレーブ軸１２に忠実に再現され、
かつースレーブ軸１２の負荷に応じた力をマスタ軸１を
を操作するオペレータに感じ取らせることができる。し
かし、従来の駆動型マニピュレータでは、マスタ軸１１
を一定の角速度ωで動かすときにスレーブ軸１２がたと
え無負荷であつてもサーボモータやそれに連結された減
速機の特性及び角速度ωに比例して大きな粘性抵抗を生
じ、このため力関係の伝達特注に劣力精密な作業が困難
であつた。

本発明は、マスタ側及びスレーブ側において各軸のトル
クに比例した信号をマスタ側及びスレーブ側に帰還する
ことによつて前記の粘性抵抗力を軽減し、さらにはマス
タ側、スレーブ側での帰還ループ中に非線形要素を付加
することによつて、作業性及び操縦性の一層の向上を図
つたマスタ・スレーブ形サーボマニピユレータを提供す
ることを目的とする。第２図は本発明のーー実施例を示
すプロツク図である。

同図が第１図と異なる部分は、マスタ側では角度検出器
２１と２２とによつて検出された角度偏差信号εを線形
あるいは非線形な特比の変換器６１を通して信号ε１を
取出レこの信号ε１とマスタ軸１，に設けたトルク検出
器Ｔ１のトルク信号ε，１との差を増幅器４，で増幅し
てサーボモータ５１の駆動電圧とする。同様に、スレー
ブ側では角度偏差信号εを線形あるいは非線形特性の変
換器６２を通して信号ε２を取出し、その信号εとスレ
ーブ軸１２に設けたトルク検出器Ｔ２のトルク信号εＴ
２との差を増幅器４２を介してサーボモータ５２に与え
る。ここで、角度偏差信号ε、変換器６１，６２の信・
号ε１，ε２、トルク検出器Ｔ，，Ｔ２のトルク信号ε
Ｔｌ，εＴ２は下記式で表わされる。

但ｌ− ｋθは角度検出器２１，（２２）の発生電圧係
数、Ｇｌ，ｇ２は変換器６１，６２の信号変換特性、Ｋ
ｆｌ．ｋｆ２はトルク検出器、Ｔｌ，Ｔ２の発生電圧係
数、θ１はマスタ軸１１の角変位、θ．２はスレーブ軸
１２の角変位、Ｔ１はマスタ軸１，にオペレータが与え
るトルク、Ｔ２はスレーブ軸１２の負荷トルクである。

上記式の関係から、マスタ側とスレーブ側の運動方程式
は次のようになる。

ここで、ｎ；サーボモータ５１とマスタ軸１１間又はサ
ーボモータ５２とスレーブ軸１２間の減速機歯車比 にサーボモータ軸に換算した回転部 分の慣性能率 Ｄ：サーボモータ軸に換算した回転部 分の粘性減衰係数 Ｔｓ；サーボモータ軸に換算した回転部 分のクーロン摩擦によるトルク ０，．θ，；θ，，θ２の時間τιて１するーー階微分
値θ１，θ２；θ１，θ２の時間ｔに関する二階微分値
ｋ；サーボ増幅器４，，４２の増幅率 Ｋ，；サーボモータ５１，５２のトルク定数Ｚ；サーモ
ータ５１，５２の端子間イ．ノピーダンスである。

式（１），（２）をθ，，θ２，Ｔ，，Ｔ２四変数とし
てラプラス変換すればここで、 となるのでスレーブ軸１２に一定の負荷Ｔ２Ｏがある場
合マスター軸１、を一定の角速度ω１０で動かす時のオ
ペレータの力感覚ＴｌＯはここで、 となる。

（４）式で粘性抵抗を表わす第２項およびクーロン摩擦
による抵抗を表わす第３項に訃いてＫｆ，＝Ｋｆ２＝Ｏ
とおいたのが従来の双動型サーポ機構であり、マスタ軸
及びスレーブ軸に個別のトルク帰還によつて粘性抵抗、
クーロン摩擦による抵抗いずれも大幅に軽減できること
がわかる。つま力（６），（７）式のη，Ｋｓにおいて
分母に占めるＫｋｔｋｆｌあるいはＫｋ，ｋｆ２を抵抗
Ｒ１かつその分子より＋分大きくすれば（４）式の第２
項、第３項に比べて無視できるくらい小さくできてとな
Ｖ）ＧｌＯ＜）・Ｇ２，ｋｆｌＯＯｋｆ，ならば負荷ト
ルクに比例したトルクだけがマスター側に帰還されるの
でこれを操縦するオペレータの捜縦感覚が著しく向上す
る。

一方スレーブ側が固定された時のマスター側の力感覚Ｔ
，とその時の角度偏差の比、つまＤ剛性率Ｃはとなる。

第３図は変換器６，の変換特性ｇ１あるいはトルク検出
器７１の発生電圧係数Ｋｆ，が非線形な場合の剛性率Ｃ
Ｌと、両者の特性がいずれも線形な場合の剛性率ＣＮを
表わしたもので、特に剛性が図示したような非線形であ
るマスタースレーブサーボマニプレータの操縦にあ一い
ては、オペレータが直接物体に働きかけた時の各関節に
働くトルクと皮膚のへこみや筋骨のたわみの関係とよく
似ているので、より一層操縦感覚が向上Ｌ−作業性がよ
くなる。この場合ｇ１あるいはＫｆｌが非線形であつて
もスレーブ側のＧ２あるいはＫｆ２がマスタ側のｇ１あ
るいはＫｆｌと相似の特性にあるので、（８）式のトル
クの伝達比は第４図に示すように一定のままでトルク伝
達特性に何ら悪影響が及ぶものでない。

第５図は本発明の具体的な実施例を示す。マスタ軸１１
、スレーブ側１２の角度変位を検出する角度検出器２１
，２２としてはポテンシヨメータを使用し、両者の角度
偏差は演算増幅器と演算抵抗で構成した差動増幅器８で
検出Ｌ変換器６１，６２としては非線形特性を持たせる
場合には掛算器を２イ固使つて三乗特性を持たせたｂ半
導体ＰＮ接合の順方向特性を利用する。また、歪ゲージ
等が使用されるトルク検出器７１，７２の信号は演算増
幅器と演算抵抗とで溝成した増幅器９１，９２で適当な
レベルまで増幅及びインピーダンス変換して取出し、こ
の信号と変換器６，，６２の変換出力との偏差は上記８
と同様の差動増幅器１０，，１０２で取出す。増幅器４
１，４２としては電力増幅器を使用レサーボモータ５１
，５２の出力軸は減速機１１１，１１２に直結する。第
５図は電動サーボの場合を示すが、サーボモータ５，，
５２を油圧サーボ弁と―減速機１１１，１１２を油圧ピ
ストンシリンダと― トルク検出器７，，７２を油圧検
出器とすることで電気一油圧サーボのマニピユレータに
構成できる。

以上の如く、本発明ではマスタ軸及びスレーブ軸に個別
のトルク帰還によつて粘性抵抗や摩擦による抵抗を大幅
に軽減でき、オペレータの操縦感覚及び作業性を著しく
向上できる。

また、トルク検出器の発生電圧係数あるいは変換器６１
．６２の変換特性を非線形かつマスタ側とスレーブ側の
特性を相似にすることでマニピユレータの剛性がオペレ
ータの関節に働くトルクと筋骨のたわみの性質と適合し
操縦感覚、作業性共に一層改善される。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の双動型サーポマニピユレータを説明する
ための図、第２図は本発明の一実施例を示す図、第３図
及び第４図は本発明の動作を説明するための特性図、第
５図は本発明の具体的な実施例を示す図である。 １１１１１７スタ蛛 １２１１スレーブ軸１２１●２２
・・・・・・角度検出器、４，．４２・・・・・・増幅
珠 ５，，５２・・・・・・サーボモータ、６，，６２
・・・・・・変換器、７１，７，・・・・・・トルク検
出器、１１，，１１２・・・・・・減速機。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ マスタ軸とスレーブ軸の位置又は角度偏差に比例し
   た信号を線形又は非線形変換する第１、第２の変換器と
   、マスタ軸のトルクを検出する第１のトルク検出器と、
   上記第１の変換器の検出信号と第１のトルク検出器の検
   出信号との差を増幅してマスタ軸を駆動するサーボモー
   タの駆動電圧を得る第１の増幅器と、スレーブ軸のトル
   クを検出する第２のトルク検出器と、上記第２の変換器
   の検出信号と第２のトルク検出器の検出信号との差を増
   幅してスレーブ軸を駆動するサーボモータの駆動電圧を
   得る第２の増幅器とを備えたことを特徴とするマスタ・
   スレーブ形サーボマニピュレータ。 ２ 特許請求の範囲第１項において、第１及び第２のト
   ルク検出器はマスタ軸及びスレーブ軸のトルクに比例し
   た信号を非線形変換した検出信号を得ることを特徴とす
   るマスタ・スレーブ形サーボマニピュレータ。