JPS61252080A - マスタ・スレ−ブ・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】 〈産業上の利用分野） 本発明は、マスタ腕の操作により、基本的にはその動き
に追従させてスレーブ腕を遠隔制御するためのマスタ・
スレーブ・マニピュレータに関し、特にその操作性向上
のための改良に関する。

〈従来の技術〉 マスタ・スレーブ・マニピュレータとは、マスタ腕ない
し主腕を操作者が動かすことにより、当該動きに対応、
追従させるように、空間的に別途な位置に設けたスレー
ブ腕ないし従腕の動きを遠隔制御するもので、そのため
、宇宙、海中、原子力発電炉関係内などのように、人間
が立ち入ることが困難か不可能な環境空間内での直観的
な作業手段として、将来的にも大いなる期待が寄せられ
ている。

こうしたマスタ・スレーブ・マニピュレータにおける基
本的な制御モードは、上記のように追従型であり、した
がって従来においては、当該追従型の制御形態を最も簡
単に実現するための常套手段として、一般に第４図に示
すように、マスタ腕１、スレーブ腕ｊ４が共に例えば多
関節型のものであるならば、それぞれの各関節に対応す
る各連動自由度に応じ、それら各々を専用に制御する複
数のサーボ装置群１５−１．１５−２．．、、．１５−
ｉ、、、、１５−ｎを用いたサーボ系１５を有していた
。

しかし、このように構成されたマスタ・スレーブ・マニ
ピュレータでは、マスタ腕１とスレーブ腕１４間の動き
にタイム・ラグがある場合、つまりサーボ系１５を介し
ての信号伝達に時間的な遅延がある場合、それがある程
度以上に大きなものとなると、直観的な作業を阻害する
か、極めて難しくする問題を生じていた。マスタ腕１を
動かした後のスレーブ腕１４の動きが予測できないため
、操作者はどうしても、マスタ腕を少しづつ動かしては
固定し、スレーブ腕の動きを待つという作業を繰返し強
いられるようになり、ために作業能率が低下し、操作者
自身も姿勢の維持に疲労するからである。

そこで従来からも、仕事の内容や状況に応じては、追従
型制御に代えて、他の制御方式、例えば比率制御や増分
型制御を取り入れようとする試みがあった。

比率制御とはスレーブ腕の各自由度に対し１作動指令入
力が与えられている間、対応する自由度の値が一定の速
さで変化（増減）するように制御するものを言い、増分
型制御とはスレーブ腕の各自由度に対し１作動指令入力
が与えられるたびに、ある一定の量だけ、対応する自由
度の値が変化（増減）するように制御するものを言う。

こうした比率制御や増分型制御を取り入れた従来のマス
タ・スレーブ・マニピュレータは、第５図に示されてい
る。

第４図中にて用いた符号に対応する符号は同一の構成子
を示しているが、この第５図示の従来例においては、サ
ーボ系１５内の各サーボ装置１１５−１〜１５−ｎとマ
スタ腕１との間にサーボ指令値切り換え回路１６−１〜
１６−ｎを挿入し、比率制御や増分型制御が必要となっ
たときには、この切り換え回路を操作し、マスタ腕ｌと
スレーブ腕１４との関係を切離した上で、比率制御指令
入力装置１２か増分型制御指令入力装置１３のいづれか
−っを択一的に選び、それらから専用のサーボ指令値を
得るようにしていた。

〈発明が解決しようとする問題点〉 同じ従来例ではあっても、マスタ・スレーブ・マニピュ
レータとして最も基本的な構造を採るに過ぎない第４図
示のものは、制御モードがその本来の追従型にのみ、限
られているため、既述したような不具合に加えて、微妙
な作業が要求されるときにはこれに応えられないとか、
操作者の熟練度が作業の巧拙に極めて大きな影響を及ぼ
す等の欠点を有していた。

これに対して第５図に示されたものは、第４図示のもの
に比せば、遥かに融通性は高い。

しかし、作業能率という観点から考えると、必ずしも満
足の行くものとはなっていない。

追従型、比率型、増分型の三つの制御方式ないし制御モ
ードの中、そのときどきに適当なものを選択することが
できるにしても、それには必ず切り換え装置群１６−１
〜１６−ｎを操作しなければならないという手間がある
し、しかも、こうした各種の制御方式は、互いに重畏（
ちょうじよう）させることができず、択一的にしか使用
することができない。

したがって、選択できる制御方式の数が多い割には、実
効が乏しいという欠点を生んでいた。

本発明はこの点にかんがみて成されたもので、マスタ・
スレーブ・マニピュレータをより一層。

便利で汎用性の高いものとするために、特に切り替え操
作を必要とせず、さらに要すれば任意の組合せの制御方
式も採用できるマスタ・スレーブ・マニピュレータを提
供せんとしたものである。

〈問題点を解決するための手段） 上記のように、任意の組合せの制御方式を採用するには
、それらの間に共通の物理量空間を規定するのが便利で
ある。そしてそのためには、通常の物理学系で言う一般
化座標という概念を導入するのが良い。

マスタ腕、スレーブ腕に関してこの一般化座標という概
念を適用した場合、それは、マスタ腕あるいはスレーブ
腕に対し、既知の特定の関係にある空間内の点の運動を
規定する各物理量が張る空間を一般的に表現したものと
なる。

具体的には位置、姿勢（回転）、速度、角速度、加速度
、角加速度、並行力、回転力（トルク）等を有する。た
だし、常にこれらの物理量を全て含んでいる必要はなく
、要するもののみ、選択すれば良い。

例えば位置対称型のマスタ・スレーブ・マニピュレータ
においては、それぞれマスタ腕、スレーブ腕が取付けら
れている台の一点を原点とする直交座標系を想定し、マ
スタ腕、スレーブ腕それぞれの手先の位置や姿勢、速度
、角速度をもって一般化座標系とすれば良いし、力逆送
方式や力帰還方式のマスタースレーブ・マニピュレータ
においては、位置、姿勢、速度、角速度、並行力、回転
力をもって一般化座標とすれば良い。

従来のタイプのマスタ・スレーブ・マニピュレータにお
ける関節角の組そのものも、恒等変換により得られる一
般化座標の一例である。

こうした知見にノ、（づき、本発明は上記目的を達成す
るため、 マスタ腕の関節角あるいは関節力から、該マスタ腕の動
きあるいは力に対応、追従させるように、スレーブ腕を
遠隔制御する追従型制御のための指令データとして、一
般化された座標データを計算する一般化座標生成装置と
； 該一般化座標生成装置の発する一般化座標データからス
レーブ腕の関節角あるいは関節力を生成する逆変換装置
とを設け； 該一般化座標生成装置と該逆変換装置の間に、制御方式
重畳装置を介挿し； 該制御方式重畳装置により、比率型または増分型制御方
式に従う指令データの少なくともいづれか一方を、上記
一般化座標生成装置の発する上記追従型制御指令データ
としての一般化座標データに重畳させ得るようにしたこ
とを特徴とするマスタ・スレーブ・マニピュレータ： を提供する。

〈作　用〉 上記要旨構成中の一般化座標生成装置は、マスタ腕の各
運動自由度の値から、例えば一般化座標系におけるマス
タ腕の手先の位置、姿勢、あるいはまたトルク等を生成
する。

これは通常の追従型制御モードにおける指令データを一
般化座標系のデータとして得たことに相当する。

この追従型制御方式用指令データは、制御方式２１制御
方式重畳装置では、上記追従型制御方式用ｆｆＦ令デー
タに対し、例えば比率制御指令入力装置から送られてく
る比率制御方式用指令データ及びあるいは増分型制御方
式指令入力装置から送られてくる増分型制御方式用指令
データを重畳し、逆変換装置へこの重畳データを送る。

もちろん、これら各制御方式は、その時点では択一的に
選ばれでも良いし１組合せとして選ばれても良い。

当該逆変換装置では、この重畳済みのデータに応じ、ス
レーブ腕が実現すべき状態を表すスレーブ腕駆動用デー
タを生成する。

このスレーブ腕駆動用データが得られた後は、公知既存
のもので良いスレーブ腕駆動装置により、スレーブ腕の
手先に所定の連動を与え、所定の位置と姿勢、およびあ
るいはトルクを実現する。

上記作用を逆に考えれば、本発明においては、追従型制
御モードにおいての指令データを一般化座標系に変換し
ているため、各種その他の制御モードとの重畳を図る重
畳装置を簡単に構成できるのである。

なお、上記要旨構成中における関節角あるいは関節力な
る表現は、いづれか一方の場合はもちろん、結果として
両者を共に対象とした装置にも、本発明は同様に適用可
能であることを表していること、言うをまたない。

また、実際上は、マスタ腕に、操作者が当該マスタ腕に
触れていること、ないし操作していることを検出する装
置を設けると良い。

このようにすると、逆に操作者がマスタ腕から手を離し
たこと、ないし離していることを検出できるから、手を
離した時以降、外力によってマスタ腕が不測に動かされ
ることのないよう、制動を掛ける回路機構も容易に組込
むことができる。

さらに、本発明のマスタ・スレーブ・マニピュレータに
おいては、制御方式重畳装置には、上記した比率制御方
式用指令データや増分型制御方式用指令データに加え、
他の形態の制御方式１例えばプログラム制御方式等にお
ける指令データも与えることができるし、他の条件デー
タ、例えば拘束動作指令データ等も与えることができる
。

拘束動作とは、一般化座標表現されたスレーブ腕の動作
に関し、指定された自由度の値を所定の値に固定したり
、他の自由度の値との間に特定の関係を維持させたりす
ることを言う。

例えばスレーブ腕の手先が三次元直交座標系において一
般化座標表現されているとき、Ｘ軸まわりの回転角だけ
を一定の値に固定したり、Ｘ座標とＹ座標の値が一致す
るような関係の運動にのみ、限定したりすることである
。

く実　施　例〉 第１図には本発明の基本的な一実施例としてのマスタ・
スレーブ・マニピュレータ２０が示されている。

この実施例では、通常の追従型ル制御モードに重畳させ
得る他の制御モードとして、比率型制御と増分型制御の
双方を選んでいる。

マスタ腕ｌがリンク型のものである場合、当該マスタ腕
の状態を検出するマスタ腕状態検出装置４は、各関節に
取り付けた公知既存の適当なる角度検出器等で構成する
ことができる。

このマスタ腕状態検出装置４からの出力による各関節の
角度情報からマスタ腕の手先の直交座標系における六つ
の自由度の偵、すなわちＸ、Ｙ、Ｚの各座標、及び各軸
まわりの各回転角Ａ、Ｂ、Ｃを算出するマスタ腕一般化
座標生成装置６は１通常の計算器等で構成することがで
きるや 一方、制御方式重畳装置７を介して与えられる当該各時
点での一膜化座標群Ｘ、Ｙ、Ｚ；Ａ、Ｂ、Ｃに関し、ス
レーブ腕側では、スレーブ腕状態逆変換装置８により、
スレーブ腕の手先が対応する位置。

姿勢になるようなスレーブ腕の各関節角の値を算出する
。

そうして得られた各関節角の値を目標値とし、公知既存
の技術により構成されたスレーブ腕駆動装置９は、スレ
ーブ腕１４の各関節に取り付けられた図示していない適
当なアクチュエータ、例えば電気モータを駆動、制御し
て、当該目標値を実現せんとする。

制御用記号列入力装置１８は、木マスタ・スレーブ・マ
ニピュレータ２０の起動や停止等の全体制御を始め、各
部分装置への指令を記号で入力する。

このような構成の下で、木マスタ・スレーブ・マニピュ
レータ２０には、さらに、比率制御指令入力装置１２が
設けられており、これには各自由度に対応するように、
比率動作入力スイッチ群が設けである。

これに応じ、制御方式重畳装置７は、当該比率制御指令
入力装置１２の各スイッチからの入力信号が続く間、対
応する自由度の値を対応する一定の速度で増加または減
少させ続ける。ｍ減の速度は当該比率制御指令入力装置
１２に備えたスイッチや制御用記号列入力装置１９によ
り、設定、変更することができる。

同様にして、木マスタ・スレーブ・マニピュレータ２０
には増分型制御指令入力装置１３も設けられ、当該装置
１３には各自由度Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ａ、Ｂ、Ｃの増減を指示
できるスイッチ群が備えられている。

この増分型制御指令入力装置１３に備えられている特定
のスイッチを一回、操作するたびに、制御方式重畳装置
７ではこのスイッチに対応する自由度の値を対応する一
定量だけ、増加または減少する。これにより、一般化座
標の任意の自由度の値が当該スイッチ群の選択操作によ
りそれぞれ対応する一定量だけ、増減し、スレーブ腕の
手先も対応する一定量づつ、動作するようになる。−回
ごとの増減の速度は、上記と同様、当該増分型制御指令
入力装置１３に備えたスイッチや制御用記号列入力装置
１９にて設定、変更できる。

本実施例においては、スレーブ腕１４側からマスタ腕１
を追従制御できるようにもなっている。すなわち、スレ
ーブ腕の状態を検出するスレーブ腕状態検出装置１０は
、先のマスタ腕用と同様、当該スレーブ腕１４の各関節
に取り付けた公知既存の適当なる角度検出器等で構成す
ることができ、このスレーブ腕状態検出装置１０の出力
による各関節の角度情報からは、スレーブ腕１４の手先
の直交座標系における六つの自由度の値、すなわちＸ、
Ｙ、Ｚの各座標、及び各軸まわりの各回転角Ａ、Ｂ、Ｃ
がスレーブ腕一般化座標生成装置１１により算出される
。

一方、制御方式重畳装置７を介して与えられる当該各時
点での一膜化座標群Ｘ　、Ｙ　、Ｚ　、　Ａ　、Ｂ　、
Ｃに関し、マスタ腕側では、マスタ腕状態逆変換装置５
により、マスタ腕１の手先が対応する位置、姿勢になる
ようなマスタ腕１の各関節角の値を算出する。

そうして得られた各関節角の値を目標値とし、公知既存
の技術により構成されたマスタ腕駆動装置３は、マスタ
腕１の各関節に取り付けられた図示していない適当なア
クチュエータ、例えば電気モータを駆動、制御して、当
該目標値を実現せんとする。

上記の一般化座標生成装置６，１１にあっては、上記穴
つの自由度の値の算出に限らない外、場合によってもっ
と少ない数の自由度に関しての演算を行なうようになっ
ていても良いし、逆にトルク、ｊ情報等も加えることが
できる。

例えばスレーブ腕がマスタ腕の動きに追従せんとして発
生したトルクを一般化座標生成装置１１によってトルク
情報として算出し、これからマスタ腕状態逆変換装置５
により、マスタ腕の関節力を算出してこの力を目標値と
し、マスタ腕駆動装置３によって図示していない適当な
アクチュエータを制御する等が考えられる。また、特殊
な場合には、関節力の伝達機構にのみ、本発明を適用す
ることも可能ではある。

この実施例においてはさらに、操作者がマスタ腕ｌを操
作しているか否かを検出するマスタ腕操作検出装置２も
設けられていて、その検出信号は制御方式重畳装置７に
入力されている。

これは、操作者がマスタ腕１から手を離したとき以降、
マスタ腕が外力によって動かされないように、当該重畳
装置７から制動信号を送ってマスタ腕に制動を掛けるた
めである。

第２図に示される本発明の第二の実施例は、既述した第
一実施例に加えて、拘束動作条件を設定可能としたもの
である０本図中において第ｔｇ中と対応する符号は当該
第一実施例におけると同一で良い構成子を示しており、
したがって、それらについては適宜、説明を省略する。

拘束動作の意味自体については既に作用の項で説明した
が、本実施例のマスタ・スレーブ・マニピュレータ２０
では、必要とするそれぞれの拘束動作を、拘束動作指令
入力装置２１により、適当なる記号列のデータで与える
ことができる。また、拘束動作選択入力装置２２は、ど
の拘束動作を選ぶかを指令するものである。

このようにして与えられた拘束動作は、当該拘束動作指
令データとスレーブ腕１４から回路１０．１１を介して
笑えられる一般化座標との値に基づいて拘束すべき座標
値を生成し、これを制御方式重畳装置７に送る拘束動作
用記号列入力装置２３を設けることにより実現される。

またこうした拘束動作は、スレーブ腕１４に代えて、あ
るいは加えて、マスタ腕状態逆変換装置５とマスタ腕駆
動装置３を介することにより、マスタ腕１に対しても与
えることができる。なお、拘束動作指令入力装置２１は
、先に述べた制御用記号列入力装置１９で兼用すること
も可能である。

上記いづれの実施例においても、制御方式の重畳は、例
えば第３図にマスタ腕１の手先ＩＡを拡大して模式的に
示すように、当該操作者が握る握り部分の適当な位置に
設けた制御指令スイッチ群２４により、操作者の手元か
ら指令するようにすることもできる。このようにすれば
、もちろん、作業性は極めて高いものとなる。

上記した本発明の実施例におけるマスタ・スレーブ・マ
ニピュレータ２０は、例えばアルコール・ランプのキャ
ップ外し作業等を例に取ると、極めて有効に使えること
が分かる。

この作業の当初の制御動作として、スレーブ腕の手先を
アルコール・ランプのキャップの近くまで素早く持って
くるときには、本来の追従型制御による直観的でおおま
かな動作が適している。

しかし次に、スレーブ腕の手先がキャップの中心に合う
ように細かく制御するためには、微少量づつ制御できる
増分型制御が適している。

そして最後に、こうして把持したキャップを真上に持ち
上げる動作には、指定方向に一定速度で動かすことので
きる比率制御が適している。

さらに、−に記者制御モードに加え、あれば望ましい構
成として述べた拘束動作の概念を適用すると、スレーブ
腕の手先に水平拘束を与えることにより、キャップの姿
勢とスレーブ腕の手先の姿勢との整合を取る操作は省く
ことができ、したがって作業は、より一層、容易かつ迅
速になる。

〈発明の効果〉 本発明によると、マスタ・スレーブ・マニピュレータに
よる遠隔作業において、その本来の追従型制御に加え、
何ら別途な切り換え操作を要することなく、いつでもど
れでも、あらかじめ用意しである他の制御モードを任意
適宜に使用することができる。

本発明要旨において限定されているように、比率制御、
増分型制御の例えいづれか一つだけでも付は加えられれ
ば、その分は確実に、この種マスタ・スレーブ・マニピ
ュレータの融通性を増すことができるし、ましてや、上
記実施例に見られるように、本発明の構成は、」二足比
率制御、増分型制御の双方を付は加えるのみならず、さ
らに他の制御モードや拘束動作などの条件要素の付加を
も妨げるものではないため、そのようにされたマスタ・
スレーブ・マニピュレータの作業能力は、これまでのも
のに比し、極めて高いものになる。

また逆に言えば、マスタ腕操作に対するスレーブ腕動作
の遅延時間がかなり大きいようなマスタ・スレーブ・マ
ニピュレータにおいても、本発明を適用すると、その欠
点を機能の多様さで補い、緩和することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるマスタ・スレーブ・マニピュレー
タの第一の実施例の概略構成図、第２図は同じく本発明
第二の実施例の概略構成図、第３図はマスタ腕の手先に
制御指令スイッチを備える場合の説明図、第４図は従来
における最も基本的な構成のマスタ・スレーブ・マニピ
ュレータの概略構成図、第５図は他の従来例としてのマ
スタ・スレーブ・マニピュレータの概略構成図、である
。 図中、１はマスタ腕、２はマスタ腕操作検出装置、４は
マスタ腕状態検出装置、６はマスタ腕一般化座標生成装
置、７は制御方式重畳装置、８はスレーブ腕状態逆変換
装置、９はスレーブ腕駆動装置、１２は比率制御指令入
力装置、　１３は増分型制御指令入力装置、１９は制御
用記号列入力装置、２０は全体としての本発明によるマ
スタ・スレーブ・マニピュレータ、２１は拘束動作指令
入力装置、２２は拘束動作選択入力装置、２３は拘束動
作用記号列入力装置、２４は制御指令フィー２千、であ
る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 マスタ腕の関節角あるいは関節力から、該マスタ腕の動
   きあるいは力に対応、追従させるように、スレーブ腕を
   遠隔制御する追従型制御のための指令データとして、一
   般化された座標データを計算する一般化座標生成装置と
   ； 該一般化座標生成装置の発する一般化座標データからス
   レーブ腕の関節角あるいは関節力を生成する逆変換装置
   とを設け； 該一般化座標生成装置と該逆変換装置の間に、制御方式
   重畳装置を介挿し； 該制御方式重畳装置により、比率型または増分型制御方
   式に従う指令データの少なくともいづれか一方を、上記
   一般化座標生成装置の発する上記追従型制御指令データ
   としての一般化座標データに重畳させ得るようにしたこ
   とを特徴とするマスタ・スレーブ・マニピュレータ。