JPS5946753B2 - Master slave type servo manipulator - Google Patents
Master slave type servo manipulatorInfo
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- JPS5946753B2 JPS5946753B2 JP54024218A JP2421879A JPS5946753B2 JP S5946753 B2 JPS5946753 B2 JP S5946753B2 JP 54024218 A JP54024218 A JP 54024218A JP 2421879 A JP2421879 A JP 2421879A JP S5946753 B2 JPS5946753 B2 JP S5946753B2
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- torque
- master arm
- master
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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ズレ 。[Detailed description of the invention] This invention allows for misalignment due to the control of the master arm.
−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9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のい
わゆる機械式マニピュ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。- This invention relates to a multi-joint master-slave type servo and manipulator that act on a target object by operating a servo arm. In conventional so-called mechanical manipulators, an operator is a slave arm in which a multi-jointed master arm and a slave arm, each having rotational or screw joints such as wrists, elbows, and shoulders, are mechanically connected by links, wires, etc. - Since the torque that acts on each joint of the arm when the arm acts on an object is returned to the master arm via the connection mechanism, the master arm can be maneuvered more reliably.
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(以下対象物と呼称する)、例えば鉄塊や固定構造物
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、必要とする操作が不安定になるばか9
でなく、全く不可能となることもある。However, with the above-mentioned type of servo manipulator, when acting on a highly rigid object (hereinafter referred to as an object) that is fixed or has a large inertia, such as an iron ingot or a fixed structure, the servo manipulator of the position servo system A sudden joint torque corresponding to the rigidity torque acts on the operator through the master arm, and the operator feels this as a reflex torque, making the required operation unstable9.
In some cases, it may not be possible at all.
また、ガラス製品など脆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る多関節のマスタ・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。Furthermore, there is a very high risk of destruction of fragile objects such as glass products. An object of the present invention is to provide a multi-joint master-slave type servo manipulator that can perform operations stably and reliably, with less discomfort in master-arm operation due to torque feedback caused by action on a target object.
以下、この発明の一実施例を図面に関して説明する。An embodiment of the invention will be described below with reference to the drawings.
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。FIG. 1 shows a block diagram of an embodiment of the invention. First, the operation when the slave arm 1 is not acting on the target object will be described.
オペレータがマスタ・アーム2を操縦することによV)
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。同時に、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としては、第4図、第5図
に示すように、手首、肘、肩等の関節の回転やねじシ角
度を検出する第4図の場合にはアーム13,14の関節
の回転軸(もしくはねじク軸)にもなるモータ15、減
速機16、出力軸17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18が使用される。また、指関節等
の開度検出には第5図に示す如く関節はモータ19、減
速機20の回転式,駆動装置の出力軸21に四つ棒リン
ク機構22を介して指部23A23Bを平行運動させる
関節機構になつているので、四つ棒リンク以前の回転部
分(図示では出力軸21)に上述の如き検出器24を接
続する。上述の2つの位置検出部3,4の電気信号は比
較器5の差動入力となる。θmとθsの差に比例する比
較器5の出力ΔEは増幅器6と位置誤差信号変換器7の
入力となる。その結果、増幅器6、駆動装置8によりス
レーブ・アーム1の関節角度θSはθmの変化に追従す
るようになる。−方、比較器5の出力ΔE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qの出力Etと比較器10で比較され、その結
果は増幅器11と駆動装置12を通じてEpとEtがつ
リ合うように動作する。V) by the operator manipulating the master arm 2
This joint angle θm changes, and this θm is converted into an electrical signal by the position detector 3. At the same time, the joint angle θs of the slave arm 1 is also converted into an electrical signal by the position detector 4.
Here, as shown in FIGS. 4 and 5, the position detector 3 or 4 is an arm 13 in the case of FIG. , 14 joint rotation axis (or screw axis), the motor 15, the reducer 16, the rotation angle of the rotary potentiometer or synchronizer directly connected to the output shaft 17, the differential transformer, the encoder, etc. A detector 18 is used. In addition, to detect the opening of a finger joint, etc., as shown in FIG. Since it is a joint mechanism for movement, the above-mentioned detector 24 is connected to the rotating part (the output shaft 21 in the figure) before the four-bar link. The electric signals from the two position detection sections 3 and 4 described above become differential inputs to the comparator 5. The output ΔE of the comparator 5, which is proportional to the difference between θm and θs, is input to the amplifier 6 and the position error signal converter 7. As a result, the amplifier 6 and the drive device 8 cause the joint angle θS of the slave arm 1 to follow the change in θm. On the other hand, the output ΔE of the comparator 5 is subjected to a signal conversion process having a predetermined functional relationship described later in the position error signal converter 7, and this output signal Ep converts the joint torque of the master arm 2, that is, the operator's steering torque. A comparator 10 compares the output Et of the torque detector q to be detected, and the result is operated through an amplifier 11 and a drive device 12 so that Ep and Et are balanced.
例えび、EtがEpよりも大きければ、駆動装置12は
その差(Et−Ep)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。駆動装置12を出力
側、つまり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、操縦が難しくなるが、トルク検出
器9を用いて上述のように動作するループを構成してい
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ジθmが変化してもθsはほと
んど変化し得ないので、ΔE,Epともその絶対値は大
きくなり、駆動装置12はオベ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、オペレータはこのトル
クに負けまいと更に操縦トルクを強める。この結果、E
tとEpとは一致して系は平衡する。スレーブ・アーム
1がΔE−Oの状態で対象物体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ΔE,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が線形の比例特性を持つていれば
、マスタ・アーム2を押しつける角度とそれに必要な操
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であれば、第
3図に示すようにマス汐・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。For example, if Et is greater than Ep, the drive unit 12 attempts to reduce the difference (Et - Ep) and operates to open or close the master arm 2 in the direction of the torque being applied by the operator. . Normally, a very large torque is required to move the drive device 12 from the output side, that is, from the operator side, making it difficult to operate, but since the torque detector 9 is used to construct a loop that operates as described above, This problem is almost solved. Next, a case will be described in which the slave arm 1 acts on a target object. Even if the angle θm changes due to the operation of the operator, θs hardly changes, so the absolute values of both ΔE and Ep become large, and the drive device 12 generates torque in the opposite direction to the operating torque of the operator. , the operator further strengthens the steering torque in order not to succumb to this torque. As a result, E
t and Ep match and the system is in equilibrium. If the slave arm 1 is only touching the surface of the target object in the state of ΔE-O, the operator will not receive any torque feedback, but if the slave arm 1 is pressed further, ΔE and Ep corresponding to the magnitude will occur, and Et = Ep Only a small amount of steering torque is required. in this case,
If the position error signal converter 7 has a linear proportional characteristic, the angle at which the master arm 2 is pressed and the required steering torque are proportional as shown in FIG. Furthermore, in the case of nonlinear characteristics, such as cubic or exponential characteristics, as shown in FIG. 3, the required steering torque increases rapidly as the mass tide/pressing angle of the arm 2 increases. The meaning of providing the position error signal converter 7 with nonlinear input/output characteristics is as follows.
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、オベレータは非常に円滑にマスタ・アームを操縦で
きることになる。この発明によれば次の効果がある。When humans directly act on a target object, they first perceive that they have touched the object through their sense of touch. Next, the torque of each joint required for the desired action is applied to the object, but there is a difference in torque between the magnitude of the torque and the degree of depression of the skin and the amount of deflection of the joint (these are collectively referred to as the pressing angle). There is a relationship such that as the pressing angle increases, the degree of increase in the pressing angle decreases. By providing the position error signal converter 7 with the same or pseudo nonlinear input/output characteristics,
Since the manipulation of the target object by manipulating the master arm 2 is the same or almost the same as the above-mentioned direct human action, the operator can manipulate the master arm very smoothly. This invention has the following effects.
(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
ジ、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。(1) Conventionally, when a high reduction gear was used as the drive device for the master arm, it was difficult to maneuver even when the slave arm was unloaded, but in this invention, the torque detection on the master arm side The presence of the device makes it extremely easy to maneuver, and thus the drive circuit on the master arm side can be made significantly smaller and lighter.
(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は非線形な変換特
性を持たせることにより人間が直接物体に作用する時の
感覚と非常によく合つた感覚でマスタ・アームを扱える
ので、オペレータは非常に操縦し易くなる。(2) The position error signal converter can stably and reliably act on highly rigid objects that are fixed or have large inertia. In particular, the position error signal converter has non-linear conversion characteristics that allow the operator to handle the master arm with a sensation that closely matches the sensation experienced when directly acting on an object, making it extremely easy for the operator to operate. .
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ガ特性
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、第5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・・・ズレ≦ブ、アーム、2・・・マスタ●アーム、
3,4・・・位置検出器、5・・・比較器、6・・・増
幅器、7・・・位置誤差信号変換器、8・・・駆動装置
、9−トルク変換器、10・・・比較器、11・・・増
幅器、12・・・1駆動装置、13,14・・・アーム
、15,19・・・モータ、16,20・・・減速機、
17,21・・・出力軸、18,24・・・回転角検出
器、22・・・四つ棒リンク機構。FIG. 1 is a block diagram of an embodiment of the present invention, FIG.
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the pressing angle and the control torque of the master arm based on the different input/output characteristics of the position error signal converter, and FIGS. 4 and 5 are graphs showing the joint operating angle detection in this invention. FIG. 1... Misalignment ≦ arm, 2... Master ● arm,
3, 4... Position detector, 5... Comparator, 6... Amplifier, 7... Position error signal converter, 8... Drive device, 9- Torque converter, 10... Comparator, 11...Amplifier, 12...1 drive device, 13,14...Arm, 15,19...Motor, 16,20...Reducer,
17, 21... Output shaft, 18, 24... Rotation angle detector, 22... Four-bar link mechanism.
Claims (1)
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を介し
て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、前記位置誤
差信号に従つて前記スレーブ・アームを駆動するための
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。1 A master arm having rotational or torsional joints such as wrists, elbows, shoulders, etc., a torque detector for detecting the operating torque applied to the master arm by an operator, and a master arm having the same joints as the master arm - A slave arm that acts on a target object by manipulating the arm, and a position error signal converter that inputs a position error signal between this slave arm and the master arm and has an output characteristic of a cubic function or an exponential function. , a comparator input through the position error signal converter and comparing this input signal with the output of the torque detector, and a drive device for driving the master arm according to the output of the comparator. and a drive device for driving the slave arm according to the position error signal.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP54024218A JPS5946753B2 (en) | 1979-03-02 | 1979-03-02 | Master slave type servo manipulator |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP54024218A JPS5946753B2 (en) | 1979-03-02 | 1979-03-02 | Master slave type servo manipulator |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS55120993A JPS55120993A (en) | 1980-09-17 |
JPS5946753B2 true JPS5946753B2 (en) | 1984-11-14 |
Family
ID=12132142
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP54024218A Expired JPS5946753B2 (en) | 1979-03-02 | 1979-03-02 | Master slave type servo manipulator |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS5946753B2 (en) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS59142094A (en) * | 1983-02-02 | 1984-08-15 | 工業技術院長 | Three-dimensional environment display device |
JPS63162174A (en) * | 1986-12-25 | 1988-07-05 | 工業技術院長 | Multi-sensitive bilateral controller for master/slave hand system |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS51145500A (en) * | 1975-06-10 | 1976-12-14 | Daido Steel Co Ltd | Manipulator for tapping process |
-
1979
- 1979-03-02 JP JP54024218A patent/JPS5946753B2/en not_active Expired
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS51145500A (en) * | 1975-06-10 | 1976-12-14 | Daido Steel Co Ltd | Manipulator for tapping process |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPS55120993A (en) | 1980-09-17 |
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