JPS61252081A - 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・マニピュレータにおける改良に関する。

〈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（こうした制御モ
ードを追従型制御と呼ぶ）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・マニピュレータノ最も基本
的な構成を挙げれば、それは第４図に示されるようなも
のとなる。

すなわち、マスタ腕ｌ、スレーブ腕１４が共に例えば多
関節型のものである場合、Ｌ記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、それぞれの各関
節に対応する各運動自由度に応じ、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
構成するものである。

しかし、このような基本構成のままのマスタ・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ｆ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’ＩＧ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、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、ま
た、増分型制御とは、スレーブ腕の各自由度に対し、作
動指令入力が午えられるたびに、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・マユビュレー・夕は、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この第５図中
でも同一の構成子を示しているが、サーボ系１５内の各
サーボ装置１５−１〜１５−ｎとマスタ腕１との間には
サーボ指令値切り換え回路１６−１〜１６−ｎが挿入さ
れ、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１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のいづれか一つを択一的に
選び、それらから専用のサーボ指令値を得るようになっ
ている。

〈発明が解決しようとする問題点〉 第５図に示された従来例は、確かに第４図に示された従
来例に関する限り、一つの改良とはなっている。しかし
いづれの場合も、また別の観点に立つと、なお共通する
欠点を有していた。

例工ばマスタ・スレーブ・マニピュレータの一つの形態
として、マスタ腕とスレーブ腕とが互いに異なる機構で
構成されているような場合、すなわち機構系として各構
成子同志が寸法も含め、一対一の対応関係になく、した
がって、マスタ腕の可動範囲とスレーブ腕の可動範囲と
の間に食い違いがあるような場合も考えられるが、こう
した場合、第４，５図に示されるような従来のマスタ・
スレーブ・マニピュレータでは、スレーブ腕の作業可能
範囲は当該スレーブ腕のそれとマスタ腕のそれとの結集
合となり、１−分に広い作業範囲を取ることができない
。

これを解決する試みとして、マスタ腕の動きを拡大して
スレーブ腕に伝える提案もあるが、そのようにすると、
スレーブ腕を微細に制御する能力が失われてしまう。

また、例え、マスタ腕、スレーブ腕共、同じ機構系であ
ったとしても、始動に際し、マスタ腕とスレーブ腕と間
に位置、姿勢のずれ等があった場合、すなわちそれらを
表す空間的な物理量値をそれぞれある共通の原点に投影
変換した際に一対一の対応関係とならない場合、危険な
ことには８該始動と共にスレーブ腕あるいはマスタ腕が
急激な動きを生ずる欠点もあった。

本発明はこうした従来における欠点を解消し、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、マスタ腕とスレーブ腕との機構
系に相違があったり、あるいはまた始動時に位置、姿勢
等の相違があったりしても、それらを良く対応付けられ
る機能を有するマスタ・スレーブ・マニピュレータを提
供せんとするものである。

〈問題点を解決するための手段〉 既述した所において、マスタ腕とスレーブ腕の機構系の
相違とか位置２姿勢等のずれとかは、結局はそれらを規
定する空間的な物理量値の相違に帰結でき、さらにはそ
れらの変化分あるいは変化方向の相違に帰結できる。

すなわち、上記した従来例の欠点は、マスタ腕とスレー
ブ腕に関するこれら物理量値の各変化分あるいは変化の
方向が一対一の対応関係にない場合に生ずるものである
。一対処の対応関係にないものを一対一・の対応関係で
制御しようとしたり、単に可動範囲ないしは単位変化分
の拡大、縮小の問題で済ませようとしていたからこそ、
上記のような問題が生じていたのである。

したがって、マスタ腕とスレーブ腕とに関するそれら物
理量値の相互間に適当な、上記変化分あるいは変化方向
に関する一対一の対応関係以外の必要な対応関係をも満
足し得る制御系を提供で、きれば、マスタ腕とスレーブ
腕とで機構系が君なっていても、最適な制御が行なえ、
分解能（微細な制御）を犠牲にすることなく、スレーブ
腕の可動範囲を拡大することも容易にできるし、始動時
の位置、姿勢の相違等にも必要な対処をなすことができ
る。

このように、所求の対応付けをなすには、まずもってマ
スタ腕の関節角あるいは関節力に関し、必要な一般化座
標を算出し、これに基づいてスレーブ腕駆動のための８
寅なデータ変換処理をなうことが最も合理的で簡単であ
る。

ここにおいて一般化座標とは、通常の物理学系における
概念をここで問題にしているマスタ腕やスレーブ腕に援
用した場合、当該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１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Ｌ／−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
送方式や力帰但方式のマスタ・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。

本発明はこのような知見に基づき、既述の目的を達成す
るため、次のような構成のマスタ・スレーブ・マニピュ
レータを提供する。

マスタ腕の関節角あるいは関節力に基づき、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； 入力された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；上記一般化座標
生成装置と上記逆変換装置との間に設けられたデータ加
工部と；から成り。

Ｌ記データ加工部は、上記マスタ腕に関する一般化座標
データと上記スレーブ腕に関する一般化座標データとの
間にあって、それらの変化分あるいは変化の方向に関し
て一対一以外の所求の対応けけを行うことのできる座標
系対応付け装置と、該対応付けを行なうための座標変換
データを生成する変換データ生成装置とを有して成るこ
と；ヲ特徴とするマスタ・スレーブ・マニピュレータ。

く作　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。

一方、逆変換装置では、入力された一般化座標データか
らスレーブ腕が実現すべき状態を表すスレーブ腕駆動用
データを生成するが、当該逆変換装置に入力される一般
化座標データは、データ加工部にて加工されたデータで
ある。

このデータ加工部は、データ加工を指令されると、内蔵
の変換データ生成装置により、その時点でのマスタ腕の
一般化座標とスレーブ腕の一般化座標との間での必要な
対応付はデータ（座標変換データ）を生成し、これに基
づき、座標系対応付は装置により、マスタ腕の一般化座
標をスレーブ腕の一般化座標に対応付けて、加工済みデ
ータとして上記逆変換装置にこれを送る。

逆変換装置の出力として、上記の通り、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運動を
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。

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ち然に、本発明が適用可
能なことを表している。

〈実　施　例） 第１図には本発明の望ましい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、本発明の思想に加えて、通常の追従型
制御モードに他の制御モードとしての比率型制御と増分
型制御の双方を重畳（ちょうじよう）し得る機構も含ん
でいる。

すなわち、要旨構成中で言うデータ加工部２５は、変換
データ生成装置２Ｂ、座標系対応付は装置２７の外に、
本発明の思想とはまた別な意味で、あると望ましい制御
方式重畳装置７も有している。

マスタ腕１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１５Ｊ
ＩＩＷ１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を算出するマス
タ腕一般化座標生成装置６は、通常の計算器等で構成す
ることができる。

一方、データ加工部２５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Ｒ８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！４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１Ｂは、本マスタ・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、図示されたマスタ・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、データ加工部２５内の制御方式重畳装置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。増減の速度はち該
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、図示されたマスタ・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、＾、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ｆ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、」−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ｌＯ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Ｍ１０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、
Ｖ、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、データ加工部２５を介して与えられるち該各時点
での−・膜化座標群ｘ、ｙ、ｚ；Ａ、ａ、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ｌのＬ先が対応する位置、姿勢になるようなマスタ
腕ｌ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′ｒＴＬ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、既述してきた構
成部分を適用することも可能ではある。

図示の場合にはさらに、操作者がマスタ腕１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、その検出信号はデータ加工部２５に入力され
ている。

これは、操作者がマスタ腕ｌ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、当該デー
タ加工部２５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。

しかるに、データ加工部２５内にあって、本発明の思想
により設けられた変換データ生成装置２６は、データ生
成を指令されると（指令部は図示していない）、その時
点でのマスタ腕の一般化座標とスレーブ腕の一般化座標
との間の所求の対応性はデータ（座標変換データ）を生
成する。

これを受けた座標系対応付け装置２７では、マスタ腕の
一般化座標をスレーブ腕のそれに変換すること、また９
！ましくはその逆も行なう。

したがってこうした場合、既述した制御方式の重畳はこ
の変換データに関して行なわれる。ただし、制御方式の
重畳はマスタ腕の一般化座標、スレーブ腕の一般化座標
のいづれにおいてなすものとしても良いし、比率制御指
令入力装置１２、増分型制御指令入力装置１３をマスタ
腕側用、スレーブ腕側用に個々に用意しても良い、しか
し一般には、これら指令部７１２．１３は、マスタ腕側
用、スレーブ腕側用のいづれか一方の側で用意されてい
れば十分である。

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１図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
。

この第二実施例のマスタ・スレーブ・マニピュレータ２
０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・肋作選択入力装置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
与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；ｄ３を介することにより、マスタ腕ｌに対しても
与えることができる。なお、拘東動作指令入力装？ｉ２
１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。

ただし、本発明の技術思想は、要旨構成中に見られるよ
うに、そしてまた第１図及び第２図の実施例中の構成に
見られるように、変換データ生成装置２８によりその時
々のマスタ腕の一般化座標とスレーブ腕の一般化座標と
の間の所求の対応付はデータ（座標変換データ）を生成
し、座標系対応付は装置２７において、マスタ腕の一般
化座標をスレーブ腕のそれに変換することにあるから、
原則的には制御方式の重畳や拘束動作には無関係で、そ
れらは決して限定的なものではない。

〈発明の効果〉 本発明によれば、一般化座標を導入し、それに基づきマ
スタ腕とスレーブ腕との座標系間の対応付けのためのデ
ータ加工をするため、マスタ腕とスレーブ腕とには異な
った機構のものも採用することができる。すなわち、マ
スタ腕とスレーブ腕の各座標系の任意必要な対応付けが
設定でき、したがってまた、その初期設定や再設定を任
意の対応状態、任意の時点で行なえるようにしておけば
、マスタ腕の可動範囲の拡大ができるし、始動時におい
てマスタ腕とスレーブ腕との座標系のずれからスレーブ
腕が急激な動きをするような危険も除くことができる。

より具体的にこれら効果をまとめると、下記のようにな
る。

■マスタ腕の可動範囲が狭い場合、あるいはマスタ腕の
可動範囲とスレーブ腕のそれとの間に食い違いがあるた
め、マスタ・スレーブ・マニピュレータとして共通に利
用できる作業範囲が狭くなってしまっていたような場合
等にも、本発明を適用すればマスタ腕の可動範囲を仮想
的に拡大し、マスタ・スレーブ・マニピュレータとして
の実効作業範囲を広げることができる。

（■マスタ腕とスレーブ腕とが互いに異なった姿勢を取
っても作業をすることができる。これは例えばスレーブ
腕が上向きで作業を行なう場合に、マスタ腕は水平ある
いは下向きで作業を指令できるように対応させれば、人
間にとって作業しづらい上向き姿勢での作業指令を行な
う心安がなくなることを意味する。

■変換データの生成機能をマスタ・スレーブ・マニピュ
レータの始動時に必ず実行するようにし。

ておけば、マスタ・スレーブ・マニピュレータを始動す
る時のマスタ腕とスレーブ腕の姿勢のずれによる不都合
がなくなる。

■対応付けを行なう一般化座標の自由度に５例えば重力
方向の力を選定し、対応付けの再設定を行なえば、スレ
ーブ腕が把持している物体の重さをマスタ腕側からなく
すようなこともできる。

【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、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、１８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
制御指令スイッチ、２５はデータ加工部、２６はデータ
生成装置、２７は座標系対応材は装置、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に基づき、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； 入力された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；上記一般化座標
   生成装置と上記逆変換装置との間に設けられたデータ加
   工部と；から成り、上記データ加工部は、上記マスタ腕
   に関する一般化座標データと上記スレーブ腕に関する一
   般化座標データとの間にあって、それらの変化分あるい
   は変化の方向に関して一対一以外の所求の対応付けを行
   うことのできる座標系対応付け装置と、該対応付けを行
   なうための座標変換データを生成する変換データ生成装
   置とを有して成ること；を特徴とするマスタ・スレーブ
   ・マニピュレータ。