JPS5949153B2 - Master/slave type servo manipulator - Google Patents

Master/slave type servo manipulator

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Publication number
JPS5949153B2
JPS5949153B2 JP10738280A JP10738280A JPS5949153B2 JP S5949153 B2 JPS5949153 B2 JP S5949153B2 JP 10738280 A JP10738280 A JP 10738280A JP 10738280 A JP10738280 A JP 10738280A JP S5949153 B2 JPS5949153 B2 JP S5949153B2
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JP
Japan
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master
slave
torque
servo
shaft
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JP10738280A
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JPS5733984A (en
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昭夫 西尾
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Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
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Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
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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ー
(主動)側を操従するオペレータの手、腕等の力の感覚
としてフィードバックされる力反射(バイラテラル)型
マスター・スレーブ型サーボマニプレータに関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention is a force reflex (bilateral) type device in which the load torque on the slave (driven) side is fed back as a sensation of the force of the operator's hand, arm, etc. operating the master (active) side. Regarding master-slave type servo manipulator.

この種の従来のマニプレータとして、第1図に示す双動
形サーボ機構がある。
As a conventional manipulator of this type, there is a double-acting servo mechanism shown in FIG.

同図は電動式のもので、オペレータがマスター軸IMを
ある方向に回転させると、それによつて生じるマスター
軸IMとスレーブ軸Isの角度偏差信号εθが各々の角
度検出器2M、2sによつて検出され、この信号εθが
スレーブ側のサーボ増幅器3sを通してサーボ4sの駆
動力とされ、サーボモータ4sによりスレーブ軸Isの
角度θ2がマスター軸IMの角度θ1と一致する方向に
駆動される。一方、両軸IM、lsに設けられたトルク
検出器5M、5sによつて夫々の発生トルクTl、T2
が検出され、その偏差信号εTがマスター側のサーボ増
幅器3Mに与えられ、この増幅器3Mの出力で駆動され
るサーボモータ4Mによつてマスター軸IMのトルクT
lがスレーブ軸IsのトルクT2と一致するよう、駆動
される。かくして、マスター軸IMに与えられた角変位
はスレーブ軸Isに忠実に再現され、かつスレーブ軸I
sの負荷に応じたトルク(力)をマスター軸IMを操従
するオペレータに感じさせることができる。このマニプ
レータは、視覚による操作状況のほかに物体からの反作
用があるため作業性に優れるが、スレーブ軸の角度をマ
スター軸のそれに精度良く一致させかつ応答速度を高く
するためには、サーボ増幅器3s、3Mの増幅度(ゲイ
ン)を大きくしてサーボ剛性を高める必要がある。
The figure shows an electric type, and when the operator rotates the master shaft IM in a certain direction, the resulting angular deviation signal εθ between the master shaft IM and the slave shaft Is is detected by the angle detectors 2M and 2s. This signal εθ is detected and used as a driving force for a servo 4s through a servo amplifier 3s on the slave side, and the servo motor 4s drives the slave axis Is in a direction in which the angle θ2 coincides with the angle θ1 of the master axis IM. On the other hand, torque detectors 5M and 5s provided on both axes IM and ls generate torques Tl and T2, respectively.
is detected, the deviation signal εT is given to the servo amplifier 3M on the master side, and the torque T of the master shaft IM is increased by the servo motor 4M driven by the output of this amplifier 3M.
It is driven so that l matches the torque T2 of the slave shaft Is. Thus, the angular displacement applied to the master axis IM is faithfully reproduced on the slave axis Is, and
The operator who operates the master shaft IM can feel the torque (force) corresponding to the load of s. This manipulator has excellent workability because there is a reaction from an object in addition to the visual operation status, but in order to accurately match the angle of the slave axis with that of the master axis and to increase the response speed, a servo amplifier 3s is required. , it is necessary to increase the amplification degree (gain) of 3M to increase the servo rigidity.

しかし、サーボ剛性を大きくすると、スレーブ軸が高剛
性の固定物体に触れたときにサーボモータ4sの飽和ト
ルクに対応した大きなスレーブ軸トルクT2がマスター
軸IMにも急激に発生するため、オペレータは安定に操
縦できないという問題があつた。本発明は、局部的なト
ルク帰還さらにその制御ループに非線形要素を付加する
ことによつて、作業性及び操縦性に優れる駆動型サーボ
機構による力反射型マスター ・スレーブ型サーボマニ
プレータを提供することを目的とする。第2図は本発明
の一実施例を示す構成図である。
However, when the servo rigidity is increased, when the slave axis touches a highly rigid fixed object, a large slave axis torque T2 corresponding to the saturation torque of the servo motor 4s is suddenly generated on the master axis IM, making the operator stable. There was a problem that the aircraft could not be operated. The present invention provides a force reflection type master/slave type servo manipulator using a drive type servo mechanism that has excellent workability and maneuverability by providing local torque feedback and adding a nonlinear element to its control loop. purpose. FIG. 2 is a configuration diagram showing an embodiment of the present invention.

同図においてはマスター側サーボ増幅器3Mに各軸のト
ルク検出器5M,5sによつて検出されたトルク偏差信
号εT=Kf2T2−KflTTが入力され増巾されて
その出力がサーボモータ4Mに供給される。また、スレ
ープ側増巾器3sには角度検出器2M,2sによつて検
出された角度偏差信号εθ=kθ(θ,−θ2)を線形
あるいは非線形な特性の変換器6に入力して得たその出
力信号ε2=g・εθと、スレープ軸上のトルク検出器
5sにより得たトルク信号ε,2=Kf2T2との差(
ε2−52)が入力され、増巾されて、その出力はサー
ボモータ4sに供給される。
In the figure, the torque deviation signal εT=Kf2T2−KflTT detected by the torque detectors 5M and 5s of each axis is input to the master side servo amplifier 3M, amplified, and its output is supplied to the servo motor 4M. . In addition, the slave side amplifier 3s is provided with an angle deviation signal εθ=kθ (θ, −θ2) detected by the angle detectors 2M and 2s, which is obtained by inputting it into a converter 6 with linear or nonlinear characteristics. The difference (
ε2-52) is input, amplified, and its output is supplied to the servo motor 4s.

である。It is.

以上のように構成された双動型サーボ機構におけるマス
ター側とスレープ側における運動方程式は次のようにな
る。ここで である。
The equations of motion on the master side and slave side in the double-acting servo mechanism configured as above are as follows. Here it is.

式(1),(2)をθ,,θ2,T,,T2の四変数と
してラプラス変換すればここで ただし Z=R+SL となる。
If equations (1) and (2) are Laplace-transformed using four variables θ, θ2, T, , T2, then Z=R+SL.

スレープ軸1sに一定の負荷T,Oがある場合マスタ軸
1Mを一定の角速度ω10で動かす時のオペレータの力
感覚T,Oはここで となる。
When the slave shaft 1s has constant loads T and O, the operator's force sensations T and O when moving the master shaft 1M at a constant angular velocity ω10 are as follows.

停止状態におけるトルク伝達比は(4)式においてω,
o=0またはKkfl力叶分大きくKs+0とできてと
なり、Kfl,kf2の値を選択することで任意の大き
さに設定することができる。
In equation (4), the torque transmission ratio in the stopped state is ω,
o=0 or Ks+0, which is larger by Kkfl force, and can be set to any size by selecting the values of Kfl and kf2.

第1図で述べた従来のサーボ機構においてもトルクの伝
達比は(8)式と同じになる。次にサーボ剛性について
比較してみる。
Even in the conventional servo mechanism described in FIG. 1, the torque transmission ratio is the same as equation (8). Next, let's compare the servo rigidity.

となる。becomes.

スレープ軸を固定してマスター軸にある一定の角変位を
与えた時のマスター軸トルクの最終値と与えた角変位の
比で、剛性率を求めることができる。つまり(9成で、
ω2=Oθ1=θ10/STS=TsO/S(θ10,
TS0:定数)とした時のT,の最終値をTlOとする
と、ここで Kk,kfln,kklkf2n〉Rとすれば、となる
ことがわかる。
When a certain angular displacement is applied to the master shaft with the scrape shaft fixed, the rigidity can be determined from the ratio of the final value of the master shaft torque and the applied angular displacement. In other words (in 9th grade,
ω2=Oθ1=θ10/STS=TsO/S(θ10,
If the final value of T when TSO is a constant) is TlO, then if Kk, kfln, kklkf2n>R, then it can be seen that.

(12)式によるとサーボ剛性が増巾器の増巾率kばか
りでなく、サーボモータの抵抗や減速機によつても変化
するばかりか、大きな定数項も含んでいる。しかし本発
明では()式で示されたようにkθ,,,Kflの三つ
の要素だけで決定できるので比較的自由に、剛性率を操
作できる。マスター軸のトルクは(8)式に示したよう
に、スレーブ軸の負荷トルクに比例するので、換言すれ
ばマスター軸は負荷トルクによつてねじられるねじりバ
ネを構成することになり、そのバネ定数が先の(11)
式で与えられた剛性率に当る。しかもkθ,G,kfl
のいずれか(変換係数gであることが多いのだが)を非
線形な特性要素とすると、それと同じ特性の非線形バネ
の特性を得ることができる。特に変換器の係数gの大き
さを変えたり、非線形に操作するだけでは、kθやKf
lが変化しないので、両軸の位置関係やトルク伝達比を
変化させることはない。特にこのような非線形バネ特性
はオペレータにとつて直接対象とする物体に働きかけて
いるような感覚をマスター軸上に再現することになるの
で、マスタースレーブサーボマニプレータとしてより一
層操縦感覚が向上し、作業性がよくなる。第3図及び第
4図に各々、トルク伝達比、バネ定数(剛性率)の一例
を示した。
According to equation (12), the servo stiffness not only changes depending on the amplification rate k of the amplifier, but also the resistance of the servo motor and the speed reducer, and also includes a large constant term. However, in the present invention, the rigidity can be controlled relatively freely because it can be determined using only three elements, kθ, . . . Kfl, as shown in equation (). As shown in equation (8), the torque of the master shaft is proportional to the load torque of the slave shaft. In other words, the master shaft constitutes a torsion spring that is twisted by the load torque, and its spring constant is (11)
Corresponds to the rigidity given by Eq. Moreover, kθ, G, kfl
If one of these (often the conversion coefficient g) is taken as a nonlinear characteristic element, the same characteristics of the nonlinear spring can be obtained. In particular, simply changing the magnitude of the coefficient g of the converter or operating it nonlinearly will not change the value of kθ or Kf.
Since l does not change, the positional relationship between the two shafts and the torque transmission ratio do not change. In particular, such non-linear spring characteristics reproduce the feeling that the operator is directly acting on the target object on the master axis, which further improves the sense of operation as a master-slave servo manipulator, making it easier to operate. Sexuality improves. Examples of the torque transmission ratio and spring constant (rigidity) are shown in FIGS. 3 and 4, respectively.

また第5図は本発明の具体的な実施例である。Further, FIG. 5 shows a specific embodiment of the present invention.

同図において、2M,2sはマスター軸1M1スレーブ
軸1sの角変位を検出するポテンシヨメータ、7,8M
,8s,9M,9sは信号の増巾あるいは比較を行なう
演算増巾器、11は掛算器を2個使つた三乗特性あるい
は半導体のPN接合の順方向特性などによる非線形特性
を有する変換器である。この変換器11は除去すること
もできて、その時には剛性の非線形特性は失われる。4
M,4sは電力増巾器、5M,5sはサーボモータで各
々10M,10sの減速機に直結されている。
In the same figure, 2M, 2s are potentiometers that detect the angular displacement of the master shaft 1M1 and the slave shaft 1s, and 7, 8M
, 8s, 9M, and 9s are operational amplifiers that amplify or compare signals, and 11 is a converter that uses two multipliers and has nonlinear characteristics due to cubic characteristics or forward characteristics of a semiconductor PN junction. be. This transducer 11 can also be removed, then the nonlinear properties of the stiffness are lost. 4
M and 4s are power amplifiers, and 5M and 5s are servo motors, which are directly connected to the reducers of 10M and 10s, respectively.

6M,6sはひずみゲージを使つたトルク検出部でマス
ター軸1M1スレーブ軸1sのトルクを検出する。
6M and 6s are torque detection units using strain gauges, which detect the torque of the master shaft 1M1 and the slave shaft 1s.

以上は電動サーボの例であるが、サーボモータ、減速機
を油圧モータに、トルク検出を油圧検出とすることで電
気一油圧サーボで構成できることはいうまでもない。
The above is an example of an electric servo, but it goes without saying that it can be configured as an electric-hydraulic servo by using a hydraulic motor as the servo motor and speed reducer, and using hydraulic pressure as the torque detection.

以上のとおり、本発明は、物体からの反作用をマスタ側
にフイードバツクする力反射型マニプレータに双動型サ
ーボ機構を採用するにおいて、局部的なトルク帰還によ
つてマスター、スレーブ間のトルク伝達特性を損なうこ
となくサーボ剛性の制御が可能となり、高剛性の固定物
体に対しても安定した操縦ができる。
As described above, the present invention employs a double-acting servo mechanism in a force reflection type manipulator that feeds back reaction from an object to the master side, and the present invention improves the torque transmission characteristics between the master and slave by localized torque feedback. It is possible to control servo rigidity without damage, and stable maneuvering is possible even against highly rigid fixed objects.

さらに、剛性の制御に非線形性を与えることでより一層
の操縦感覚、作業性を向上できる。
Furthermore, by adding non-linearity to rigidity control, the handling sensation and workability can be further improved.

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

第1図は従来のマスター・スレーブ型サーボマニプレー
タの構成図、第2図は本発明の一実施例を示す構成図、
第3図及び第4図は第2図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。 1M・・・・・・マスター軸、1s・・・・・・スレー
ブ軸、2M,2s・・・・・・角度検出器、4M,4s
・・・・・・サーボモータ、5M,5s・・・・・・ト
ルク検出器、6・・・・・・特性変換器、10M,10
s・・・・・・減速機、11・・・・・・非線形特性変
換器。
FIG. 1 is a configuration diagram of a conventional master-slave type servo manipulator, and FIG. 2 is a configuration diagram showing an embodiment of the present invention.
3 and 4 are characteristic diagrams for explaining the operation of FIG. 2, and FIG. 5 is a diagram showing a specific embodiment of the present invention. 1M...Master axis, 1s...Slave axis, 2M, 2s...Angle detector, 4M, 4s
... Servo motor, 5M, 5s ... Torque detector, 6 ... Characteristics converter, 10M, 10
s...Reducer, 11...Nonlinear characteristic converter.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 マスター軸とスレーブ軸の角度又は位置偏差に比例
した信号と該スレーブ軸トルクに比例した信号の差を増
幅してスレーブ軸を駆動する第1の制御系と、スレーブ
軸トルクとマスター軸トルクのトルク偏差に比例した信
号を増幅して該マスター軸を駆動する第2の制御系を備
えたことを特徴とする駆動型サーボ機構による力反射型
のマスター・スレーブ型サーボマニプレータ。 2 特許請求の範囲第1項において、第1の制御系は角
度又は位置偏差に比例した信号を非線形変換した信号と
スレーブ軸トルクに比例した信号の差を増幅してスレー
ブ軸を駆動する構成にしたことを特徴とするマスター・
スレーブ型サーボマニプレータ。
[Claims] 1. A first control system that drives the slave axis by amplifying the difference between a signal proportional to the angle or position deviation between the master axis and the slave axis and a signal proportional to the slave axis torque; A force reflection type master-slave type servo manipulator using a drive type servo mechanism, characterized in that it is equipped with a second control system that drives the master shaft by amplifying a signal proportional to the torque deviation between the torque and the master shaft torque. . 2. In claim 1, the first control system is configured to drive the slave shaft by amplifying the difference between a signal obtained by non-linearly converting a signal proportional to the angle or position deviation and a signal proportional to the slave shaft torque. A master who is characterized by
Slave type servo manipulator.
JP10738280A 1980-08-05 1980-08-05 Master/slave type servo manipulator Expired JPS5949153B2 (en)

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