JPS59350B2 - マスタ・スレ−プ形サ−ボ・マニピユレ−タ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、マスタ・アームの操縦によりスレーブアー
ムを動作させて対象とする物体に作用する多関節のマス
タ・スレーブ形サーボ・マニピュレータに関する。

手首、肘、肩等の回転あるいはねじりの関節を有する多
関節のマスタ・アームとスレーブアームがリンクやワイ
ヤ等によつて機械的に連結されている従来いわゆる機械
式マニユピユレータでは、オペレータはスレーブ・アー
ムが物体に作用した時にアームの各関節に働くトルクが
連結機構を介してマスタ・アームに帰還されるため、マ
スタ・アームの操縦をより確実に実行できる。

しかしながら、前述の形式のサーボ・マニピュレータで
は、固定されているかあるいは慣性の大きい高剛性の物
体（以下、対象物体と呼称する）、例えは鉄塊や固定構
造物等に作用したとき、位置サーボ系のサーボ剛性にト
ルクに対応した急激な関節トルクがマスタ・アームを通
じてオペレータに働き、オペレータは反射的なトルクと
してこれを感じるため、必要とする動作が不安定となる
ばかりでなく、全く不可能となることもある。

また、ガラス製品など詭い対象物体では破壊の危険性も
非常に大きい。この発明の目的は、対象物体への作用で
生じるトルク帰還によるマスタ・アーム操縦の異和感が
小さく、安定確実に作業が行え、操縦性に優れる関節ト
ルク制御が可能な多関節のマスタ・スレーブ形サーボ・
マニピュレータを提供することにある。

以下、この発明の一実施例を図面に関して説明する。

第１図はこの発明の実施例をブロック線図で示す。まず
、スレーブ・アーム１が対象物体に作用していない状態
での動作を述べる。

オペレータがマスタ・アーム２を操縦することにより、
この関節角度θｍが変化し、このθｍは位置検出器３で
電気信号に変換される。同様に、スレーブ・アーム１の
関節角度θｓも位置検出器４で電気信号に変換される。
ここで、位置検出器３又は４としとは、第５図、第６図
に示すように手首、肘、肩等の関節の回転やねじり角度
を検出する第５図の場合にはアーム１６，１７の関節の
回転軸（もしくはねじり軸）にもなるモータ１８、減速
機１９、出力軸２０に直接に接続した回転型のポテンシ
ヨンメータやシンクロ、差動変圧器あるいはエンコーダ
等の回転角検出器２１が使用される。また、指関節等の
開度検出には第６図に示す如く、関節はモータ２２、減
速機２３の回転式駆動装置の出力軸２４に四棒リンク機
構２５を介して指部２６Ａ，２６Ｂを平行運動させる関
節機構になつているので、四棒リンク以前の回転部分（
図示では出力軸２４）に上述の如き検出器２７を接続す
る。上述の２つの位置検出器３，４の電気信号は比較器
５の差動入力となる。０ｍとθｓに比例する比較器５の
出力△Ｅは比較器６と位置誤差信号変換器７の入力とな
る。

比較器６は、スレーブ・アーム１の関節トルクを検出す
るトルク検出器８及びこのトルク検出器８の出力を処理
するトルク信号変換器９を通して取出された信号Ｅｍと
、先の誤差信号△Ｅとを比較するが、現操縦状態ではス
レーブ・アームが対象物体に作用していないため、Ｅｍ
は零である。従つて比較器６の出力は△Ｅそのままで、
これが増幅器１０を通じて駆動装置１１を動かし、θｓ
をθｍと一致させるよう作用する。一方、比較器５の出
力△Ｅは位置誤差信号変換器７で後述の所定の関数関係
を持つ信号変換処理がなされ、この出力信号Ｅｐはマス
タ・アーム２の関節トルク、つまりオペレータの操縦ト
ルクを検出するトルク検出器１２の出力信号Ｅｔと比較
器１３で比較され、その出力は増幅器１４の入力となり
駆動装置１５通じてＥｐとＥｔが平衡するように作用す
る。

例えば、ＥｔがＥｐよりも大きければ、駆動装置１５は
その差（Ｅｐ−Ｅｔ）を小さくしようとし、その時オペ
レータが加えているトルクの向きにマスタ・アーム２を
開あるいは閉にするよう動作する。１駆動装置１５を出
力側すなわちオペレータ側から動かすには普通非常に大
きなトルクを必要とし、操縦が非常に難かくなるが、ト
ルク検出器１２を用いて図示のようなループを構成して
あるので、この問題はほとんど解決される。

次に、スレーブ・アーム１が対象物体に作用した場合に
ついて述べる。

オペレータの操縦によりθｍが変化してもθｓはほとん
ど変化し得ないので、△Ｅ，Ｅｐともその絶対値は大き
くなり駆動装置１５はオペレータの操縦トルクとは反対
の向きにトルクを発生させ、オペレータはそのトルクに
負けまいと更に操縦トルクを強めるので、ＥｔとＥｐは
一致し、系は平衡する。△Ｅ−Ｏの状態でスレーブ・ア
ーム１が対象物体の表面に触れているだけではオペレー
タは何らトルクの帰還を受けないが、更に押しつけると
その大きさに対応した△Ｅ，Ｅｐが生じてＥｔ＝Ｅｐだ
けの操縦トルクを必要とする。この場合、位置誤差信号
変換器７が線形な比例特性を持つていればマスタ・アー
ム２の押しつけ角度とこれに必要な操縦トルクは第２図
に示すように比例する。また、非線形な特性、例えば三
乗関数や指数関数の特性を持つていれば、第３図に示す
ようにマスタ・アーム２の押しつけ角度の増加に伴つて
必要な操縦トルクは急激に大きくなる。位置誤差信号変
換器７に非線形な入出力特性を持たせる意味は次のとお
りである。

人間が直接に対象物体に作用する場合、まず触覚により
物体に触れたことを知覚する。次に目的とする動作に必
要な各関節のトルクで物体に働きかけるが、この時のト
ルクの大きさと皮膚の凹み具合や関節のたわみ量（これ
らを押しつけ角度と総称する）との間にはトルクの増加
に従つて押しつけ角度の増加の度合が小さくなるという
関係がある。これと同じあるいは疑似した非線形の入出
力特性を位置誤差信号変換器７に持たせることにより、
マスタ・アーム２の操縦による対象物体の操作が上述の
人間の直接の作用と同じあるいはほぼ同じ動作となるの
で、オペレータは非常に円滑にマスター・アームを操縦
できることになる。前述の場合、スレーブ・アーム１は
Ｅｍが△Ｅと等しくなるトルクで対象物体に作用するこ
とになる。

もし、マスタ・アーム側からだけの操縦で対象物体をや
わらかい感覚で操作するだけなら、トルク検出器８及び
トルク信号変換器９は必要ないが、この場合には物体に
位置制御系のサーボ剛性に対応した大きなトルクが働く
ことになる。最後に、マスタ・アーム２の操縦によつて
スレーブ・アーム１が対象物体に作用するのとは逆に、
スレーブ・アーム１に何らかの原因により外からのトル
クが作用した場合の動作を述べる。スレーブ・アーム１
に作用した外からのトルクは、トルク検出器８及びトル
ク信号変換器９を通じて出力信号Ｅｍを生じさせ、この
Ｅｍは△Ｅと比較される。このとき、θｍが固定されて
いるなら△ＥＥｍとなるようにθｓが変化し平衡する。
もちろん、固定されたマスタ・アーム２にはこの△Ｅに
対応したトルタが働くのは前述のとおりである。この発
明では、上述の位置誤差信号変換器７とトルク信号変換
器９の入出力特性を互いに逆関数関数とした。例えば、
位置誤差信号変換器７の入出力特性が三乗関数あるいは
指数関数である場合、トルク信号変換器９の入出力特性
は三乗根関数あるいは対数関数とした。これらの相関関
係がある場合のマスタ・アーム２の操縦トルクのスレー
ブ・アーム１の対象物体に作用するトルクをθｍとθｓ
の差のパラメータとして一例を示すと、第４図に示すよ
うになる。すなわち、スレーブ・アーム１の操縦トルク
はオペレータのそれに比例するので、高剛性ではあるが
比較的もろい（例えばガラス）製品などでも非常に円滑
安全に操作することができる。かくして、この発明は次
の効果を有する。

（１）マスタ・アームの駆動装置に例えば高減速機を用
いた場合、スレーブ・アームが無負荷のときでも、従来
は操縦が重いものであつたが、この発明ではマスタ・ア
ーム側のトルク検出器の存在により操縦が非常に軽くな
り、かくしてマスタ・アーム側の駆動回路を大幅に小形
軽量にできる。

（２）固定されているかあるいは慣性の大きい高剛性の
対象物体への作用を位置誤差信号変換器により安定確実
にできる。

特に、位置誤差信号変換器とトルク信号変換器に非線形
かつ両者が互いに逆関数の関係にある入出力（変換）特
性をもたせたので、多関節のサーボマニピユレータとし
ての作用を人間が直接に作用するときの動作に合致した
ものにすることができ、オペレータは非常に操縦し易く
なり、しかもスレーブ・アームの対象物に作用するトル
クはオペレータの操縦トルクに比例するので優れたトル
ク制御ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例のプロツク線図、第２図、
第３図は夫々位置誤差信号変換器の相違なる入出力特性
に基づく押しつけ角度とマスタ・アームの操縦トルクと
の関係を示すグラフ、第４図はマスタ・アーム操縦トル
クとスレーブ・アームの対象物体に作用するトルクとの
関係を示すグラフ、第５図、第６図はこの発明における
関節の動作角検出の実施例を示す機構図である。 １・・・・・・スレーブ・アーム、２・・・・・・マス
タ・アーム、３，４・・・・・・位置検出器、５，６・
・・・・・比較器、７・・・・・・位置誤差信号変換器
、８・・・・・・トルク検出器、９・・・・・・トルク
信号変換器、１０・・・・・・増幅器、１１・・・・・
・駆動装置、１２・・・・・・トルク検出器、１３・・
・・・・比較器、１４・・・・・・増幅器、１５・・・
・・・駆動装置、１６，１７・・・・・・アーム、１８
，２２・・・・・・モータ、１９，２３・・・・・・減
速機、２０，２４・・・・・・出力軸、２１，２７・・
・・・・回転角検出器、２５・・・・・・四棒リンク機
構、２６Ａ，２６Ｂ・・・・・・指部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 手首、肘、肩等の回転あるいはねじりの関節を有す
   るマスタ・アームと、オペレータによる前記マスタ・ア
   ームへの操縦トルクを検出するトルク検出器と、前記マ
   スタ・アームと同じ関節を有し該マスタ・アームの操縦
   により対象とする物体に作用するスレーブアームと、こ
   のスレーブ・アームと前記マスタ・アームとの位置誤差
   信号を入力し三乗関数又は指数関数の出力特性を有する
   位置誤差信号変換器と、この位置誤差信号変換器の出力
   を入力しかつこの入力信号と前記トルク検出器の出力と
   を比較する比較器と、この比較器の出力に従つて前記マ
   スタ・アームを駆動するための駆動装置と、前記スレー
   ブ・アームが物体に作用するトルクを検出するトルク検
   出器と、このトルク検出器の出力を入力とし前記位置誤
   差信号変換器の入出力特性とは逆関数関係にある入出力
   特性を持つトルク信号変換器と、このトルク信号変換器
   の出力信号を前記位置誤差信号と比較する比較器と、こ
   の比較器の出力に従つて前記スレーブ・アームを駆動す
   る駆動装置とを有す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。