JPS60259385A - マスタ・スレ−ブ形サ−ボマニピユレ−タ - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 本発明ｕマスタ拳スレーブ形マニピエレータニおけるパ
イラテラル・サーボ制御方式に係シ、特に自重補償及び
最適調整の回路を備えたマニビーレータの制御方式に関
する。

〔従来技術とその問題点〕

放射線レベルの高い所等における作業は、人間にとって
有害な環境下での作業となるので遠隔操作装置、いわゆ
るマスク・スレーブ形マニピーレ−タか必要であり、し
かも作業者がその生１！ｉｈ側を動かすことによってこ
れと連動する従動側が作業者の意のままに作業を行い、
またその時の作業状況を主動側に正確に伝えておかなけ
ればならない。

これを実現させるため、パイラテラル方式のサーボ機構
が採用されている。

これを第１図に示す操作力帰還型方式のサーボ回路を備
えた装置によって説明する。

１は作業者によって操縦されるマスク・アーム（主動側
ン、２はマスタ・アーム１に連動して作業を行うスレー
ブ、アーム（従動側）である。

作業者がマスク・アーム１を操作することによシ、アー
ムの関節角中が変化し、この時の角度が位置検出器３に
よシミ気信号に変換される。一方スレープ・アーム２の
現在の関節角Ｑｓが同様に位置検出器４によシミ気信号
に変換される。この２つの電気信号は比較器５に入力さ
れ、−とＱｓの偏差Ｑｍ−Ｑｓに比例した信号が出力さ
れる。この信号は増幅器１０を通して増幅され、駆動装
置１２に入ってスレーブ・アームを動かし、その結果Ｑ
ｓがＱｍに一致する。りまシ、スレーブ・アームがマス
ク・アームに連動する。

一方、操縦者がマスク・アーム１に与える操縦トルクＴ
ｍがトルク検出器６によシ検出される。

また、スレーブ・アームが物体に作用した時、物体から
受けるトルクＴｓがスレーブ側のトルク検出器７によっ
て検出される。

この２つの信号が比較器８に入力され、ＴＳとＴｍの偏
差Ｔ　ｓ−Ｔｍに比例した信号が出力される。

この信号は増幅器９によシ増幅され、駆動装置１１を通
してマスク・アームを動かす。この時、駆動装置１１は
Ｑｍを今までとは逆向きに動かそうとするため、操縦者
側にスレーブ・アーム２が物体に作用したとい５Ｉｆ＆
党が伝わる。

以上の原理から、操縦者はマスク・アームを操作するこ
とでスレーブ・アームを自由に動かすことができ、かつ
スレーブ・アーム側での作業状況が常に認識できる。

ここで重要なのは無負荷時にマスク・アームの操作が軽
く、シかも負荷時においては正確な力感覚が操縦者に伝
達されるということである。無負荷時の操作性について
は力帰還形を採用することで軽くなる。しかし、この時
でもマスク・アームの自重トルクが操縦者に伝わってお
シ、操作性に影響している。また、この状態位負荷時に
も当然生じているため正確なスレーブ側の力感覚の伝達
が妨げられる。そして、マスク・アームの自重に対して
は何らかの形で補償しなし限シなくならないので、操縦
者は常にこの自重を打ち消すだけのトルクを余分にマス
ク・アームに加えていなければならない。

従って、従来から様々な自重補償装置が考えられている
が、いずれも機構的にアーム本体に組み込む形になって
いるため、アーム全体の構造が複雑かつ大がかシなもの
になシ、浩然その重量も大きくなる。その結果、マスク
・アームの可動範囲が制限を受けたり、また、マスク・
アームを移動装置に乗せて操作することが困難になる。

〔発明の目的〕

この発明の目的は、パイラデラルサーボ系においてサー
ボ系にマスク・アームの自重補償のだめのディジタル演
算回路と力制御をより正確にするだめの自動調節回路を
組み込むことで、マニピーレータの構造自体には何の影
響も与えないで操作性を良好にしたマスク・スレーブ形
す−ボマニピーレータを提供することにある。

〔発明の概要〕

この発明の概要は以下のとおシである。マスク嘗アーム
とスレーブ・アームの関節角ＱｍとＱｓがそれぞれ位置
検出器によって検出される。この２つの信号は比較器の
入力となり、比較器からの出力が増幅器と通じてスレー
ブ・アームの駆動装置を動かす。これにより、スレーブ
・アームはＱｍとＱｓの差が減少する方向に動き、マス
ク・アームに追従する。

さらに、操縦者がマスク・アームに加える操縦トルクと
スレーブ・アームが物体に作用する時、アームに発生す
るトルクがそれぞれトルク検出器によシ検出される。こ
の２つの信号が上記とは別の比較器に入力される。

一方、マスク・アームの関節角は位置検出器によって検
出された後、Ａ／Ｄ変換器でディジタル演算回路にも入
力され石。演算回路内では入力された関節角を基に、こ
の時のマスク・アームの自重成分を補償するのに必要な
トルク値が演算されディジタル値で出力される。演算回
路からの出力信号はＤ／Ａ変換器でアナログ量に変換さ
れて後、係数器で２倍されて上記のトルク値の比較信号
と加算器で加算される。この出力信号は自動調節回路で
最適調整されてから先のＤ／Ａ変換器の出力と加算器で
加算される。この加算器からの出力は、増幅器を通して
マスク・アームの駆動装置を動かす。これにより、マス
ク・アームの自重成分は補償されているので操縦者は余
分な力を加える必要がなく、また最適調整された力感覚
を受けるのでよシ正確な力制御が可能になる。

〔発明の効果〕

この発明は次の効果を有する。

（１）従来のパイラテラルサーボ回路にディジタル演算
回路を用いた自重補償回路を付加することでマスク・ア
ームの操作時に必要とする操縦者の力が大幅に軽減され
る。また、この自重補償は従来の機械的補償ではなく電
気的補償であるので、マニピーレータそのものの構造に
は何の変化も及ぼさない。従って、マスク・アームの可
動範囲が制限されることもなく、また重量も必要最小限
におさえられるので、マスク・アーム本体を移動装置に
乗せての作業も容易である。

（２）この発明では、トルクに関するサーボループにお
いて、偏差をとる演算と自重補償トルクの加え合わせの
間に、自動調節回路を入れて２つの演算を分離している
ので、この回路の前に係数器を入れて力拡大・力縮小型
のパイ２チラル・サーボ系に簡単に変えることができ、
しかもディジタル演算回路内のプログラムは変更の必要
がない。

（３）ディジタル演算回路を用いるため、アナログ回路
での自重補償に比べて精度が良好である。

〔発明の実施例〕

この発明の一実施例を図示の例によって説明する。第２
図は、この発明の実施例をプロ２゛り線図で示したもの
である。

マスク・アーム１の関節角中が位置検出器３によシ検出
される。一方、スレーブ・アーム２の関節角Ｑｓが位置
検出器４によシ検出される。この２つの信号は比較器５
の入力となり、ＱｍとＱｓの偏差に見合った電気信号が
出力される。この信号は増幅器１０を通してスレーブ・
アームの駆動装置１２を動かす。これによシ、スレーブ
・アーム２はマスク・アームに追従する。

操縦者がマスク・アーム１に与える操縦トルクＴｍはト
ルク検出器６によって検出されるが、この時マスク・ア
ームの自重トルク７Ｔｇも合わさってＴｍ＋Ｔｇが検出
される。また、作業時にスレーブ・アーム２が作業物体
から受けるトルクＴｓがスレーブ・アームの自重Ｔｇと
合わさってＴｓ−Ｔｇとして検出される。この２つの信
号が比較器８０入力と々ｐ、Ｔｓ−Ｔｍ−２Ｔｇが出力
される。

一方、位置検出器３からの出力は、分岐してＡ／Ｄ変換
器１９でディジタル変換された後ディジタル演算器１４
に入る。ここで、現在のマスク・アーム１の自重補償ト
ルクＴｇが、あらかじめ組まれているプログラムに従っ
て計算され出力される。この出力値はＤ／Ａ変換器１５
でアナログ値に変換されてから係数器１８を通って２Ｔ
ｇとなシ、前述の比較器８からの信号に加算器１６で加
算される。加算器１６からの信号Ｔ　ｓ−Ｔｍに対して
は自動調節回路１７でＰＩＤ調整されてからＤ／Ａ変換
器１５からの出力信号と加算器１３で加算される。加算
器１３からの出力Ｔｓ−Ｔｍ＋Ｔｇが増幅器９を通して
マスク・アーム１の駆動装置１１を動かす。

その結果、スレーブ側の力感覚が操縦者に正確に伝わり
、合わせてマスク・アームの自重補償がなされているた
め操縦者は容易にマスク・アームを動かすことができ、
作業能率の大幅な向上と力る。

〔発明の他の実施例〕

以上の実施例で、力帰還型パイラテラルサーボ系におけ
る実施例を示したが、係数器１８をなくすことで力逆送
型パイラテラルサーボ系に適用することも可能である。

また、第２図においては一自由度のアームの例を示した
が多自由度のアームについても容易に本発明は適用され
る。さらに、マスクとスレーブの自由補償トルク値が異
なる場合には、それぞれをディジタル演算回路で計算し
た後、回路内で加え合わせて出力し、かつ係数器１８を
なくすことで適用される。そして、ディジタル演算回路
による自重補償回路はユニラテラルサーボ系にも適用さ
れる。　区

【図面の簡単な説明】

施例のブロック線図である。 １・・・マスタΦアーム、２・・・スレーブ・アーム、
３．４・・・位置検出器、５．８・・・比較器、６．７
・・・トルク検出器、９．１０・・増幅器、１１．１２
・・・駆動装置１３．１６・・・加算器、１４・・・デ
ィジタル演算回路、１５・・・Ｄ／Ａ変換器、１７・・
・自動調節回路、１８・・・係数器、１９・・・Ａ／Ｄ
変換器。 代理人　弁理士　則　近　憲　佑　（ｔｌか１名）〜　
ｒｑ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 手首、肘、肩等の回転、曲げの関節を有するマスク・ア
   ームと、このマスク・アームと同じ関節を有し、マスク
   ・アームを操縦することで対象物に作用するスレーブ−
   アームと、マスク・アームおよびスレーブ・アームのそ
   れぞれの関節角を検出する検出器と、この２つの信号を
   比較する比較器と、比較器の出力に従って前記スレーブ
   ・アームを駆動するための駆動装置と、操縦者がマスク
   ・アームへ及ばず操縦トルクを検出するトルク検出器と
   、スレーブ・アームが対象物から受けるトルクを検出す
   るトルク検出器と、マスク・アーム側のトルク検出器の
   出力とスレーブ・デーム側のトルク検出器の出力を比較
   する比較器と、マスク・アームの関節角検出値をディジ
   タル値に変換するＡ／Ｄ変換器と、このディジタル値か
   らマスタ・アームの自重補償トルク値を演算するディジ
   タル演算回路と、演算回路から出力された信号をアナロ
   グ値に変換するＤ／Ａ変換器と、Ｄ／Ａ変換器からの信
   号を係数器に通した信号と前記トルク検出値を比較する
   比較器からの信号を加算する加算器と、この信号の最適
   調整を行う自動調節回路と１、この回路からの信号とＤ
   ／Ａ変換器からの信号を加算する加算器と、加算器の出
   力に従って前記マス、り・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ク・スレーブ形す
   −ボマニピエレータ。