JPS6144584A - コンプライアンス写像型バイラテラル制御式遠隔操作装置 - 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】 （イ）発明の目的 ［産業上の利用分野］ この発明はマスタマニピュレータとスレーブマニピュレ
ータを使用した遠隔操作装置の制御方式％式％ ［従来の技術］ 宇宙や海洋あるいは原子力分野等における作業のように
、実際の作業をなすべき環境（作業環境）に作桑者が立
入ることができない場合には、作業環境にスレーブマニ
ピュレータを設置し、これを安全な遠隔の操作環境に設
置したマスタマニピュレータを使用して遠隔操作する方
法が通常取られている。

この遠隔操作を円滑に行なうためには、作業環境におけ
る情報を操作環境における操作者に正確に伝達させる必
要があり、従来、視覚情報については、作業環境の状況
の情報をテレビカメラ等を利用して操作環境に伝達し、
そうして伝達された作業環境の情報に基づいて操作環境
で操作者がマスタマニビュレータを操作し、そのマスク
マニピュレータの動きと同じ動作をスレーブマニピュレ
ータにさぜることによりて実際の作業を行っている。し
かるに、この遠隔操作を円滑に行なうためにはこのよう
な視覚情報のフィードバックだけでは不充分であること
がＩｓされ、これに加えて、スレーブマニピュレータが
受けている力の情報を操作者に与えること、即ち、マス
タマニピュレータ側及びスレーブマニピュレータ側のい
ずれからも相手側マニピュレータに力を伝え得るパイラ
テラル制御方式が採用されるに至っている。

従来採用されているパイラテラル制御方式は二種類に大
別することができ、第１種のものは位置検出装置を使用
し、サーボ機構からなる位置制御系を介してマスク側と
スレーブ側の位置を一致させるものであり、第２種のも
のは、トルク検出器を使用して、スレーブ側が受ける力
をマスク側に、　　帰還させるものである。

（発明が解決しようとする問題点］ しかるに、第１種のものはマスク側とスレーブ側との間
に慣性カヤ駆動系の摩擦力などの影響が入り易く真のス
レーブマニピュレータにかかる拘束力がマスク側に伝達
されないという欠点がある。

また第２種のものは第１種のような欠点は解決されるが
、多くの場合スレーブの関節軸は位置サーボ系によって
駆動されるため、オペ０−夕がマスク側で力を検出して
、スレーブ側に加わる力の状態を制御しようとする場合
、基本的には、検知した力に応じて、所定の力をスレー
ブに発生させるために必頁な位置制御量を決定すること
が不可欠になる。この力・位＠関係は、作業対象物を介
して変換されることになるので、系のパラメータの調整
が悪いと発振する等の問題がある。この系のパラメータ
調整は通常作業対象物が未知なためかなり困難であり、
そのため２種のものは、かなり古くからアイデアは提案
されているものの実用になっておらず、これらの問題に
ついての改良技術の開発が望まれている。

この発明は上記の如き事情に鑑みてなされたものであっ
て、スレーブマニピュレータに所定のカを出力させたい
場合に、作業対象物体を介して力と変位沿を変換する工
程を含まず、従って、構成が単純で、系が発振等を生じ
ることのないパイラテラル制御式遠隔操作装置を提供す
ることを目的とするものである。

（ロ）発明の構成 ［問題を解決するための手段］ この目的に対応して、この発明のコンプライアンス写像
型パイラテラル制御式遠隔操作装置は、マスタマニピュ
レータの各関節にそのコンプライアンスを調整し得るコ
ンプライアンス調整装置を設け、スレーブマニピュレー
タの各関節にその位置（関節角度）を検出する（関節角
度）検出器と前記スレーブマニピュレータに作用する力
（トルク）を検出する力（トルク）検出器を設け、前記
位置（関節角度）検出器からの位置（ｐＡ［Ｔ角度）信
号と前記力（トルク）検出器からの力（トルク）信号か
らコンプライアンス調整信号を得て前記コンプライアン
スＵ４ＩＩ装置を作動させて前記マスクマニピュレータ
の関節のコンプライアンスを調整する。ように構成した
ことを特徴としている。

以下、この発明の詳細を一実施例を示す図面について説
明する。

まず、最も単純な遠隔操作装置の１例として、マニピュ
レータが１自由度のものについて説明する。

第１図において１は遠隔操作装置であり、遠隔操作装置
１は、それぞれ１自由度のマスタマニピュレータ２及び
スレーブマニピュレータ３を備えている。マスタマニピ
ュレータ２は安全な操作環境４に配置され、スレーブマ
ニピュレータ３は例えば海中、宇宙、原子力炉内等の作
業環境５に配置されるものである。マスタマニピュレー
タ２は回転軸６を介して回転可能な１自由度を持ち、ま
たスレーブマニピュレータ３は回転１ｍｌに関して回転
可能な１自由度を持つ。マスタマニピュレータ２の回転
軸６に関する回転角度位置は角度検出装置１１によって
検出される。またマスタマニピュレータ２にはコンプラ
イアンス調整装置１２が取付けられている。このコンプ
ライアンス調整装置１２はマスタマニピュレータ２の回
転軸６の回りの回転運動に所定のスチフネスを与えるも
のである。すなわち、マスタマニピュレータ２は回転軸
６の回りに回転運動をすることができるけれども、その
スチフネスは、コンプライアンス調整装置１２が決定す
るコンプライアンスによって決定される。

一方、スレーブマニピュレータ３の回転軸７にはモータ
１３、角度検出装置１４及びトルク検出器１５が設けら
れており、スレーブマニピュレータ３の回転軸７に関す
る回転角度位置は角度検出装置１４によって検出され、
また、スレーブマニピュレータ３に負荷されたトルクは
トルク検出器１５によって検出される。

［作用］ このような構成の遠隔操作装置の動作は次の通りである
。

スレーブマニピュレータ３を回転軸７に関して回転させ
て操作対象物１０を壁１６に押しつける作業を行なわせ
る場合を例にとると、操作者がマスタマニピュレータ２
を押して回転軸６に関して回転させると、そのマスタマ
ニピュレータ３の回転角度は角度検出装＠１１によって
検出され、その検出された回転角度が位置指令信号とし
て比較器１７に入力され、一方、スレーブマニピュレー
タ３の回転角度位置は角度検出装＠１４によって検出さ
れて、比較器１７に入力され、差信号が比較器１７から
モータ１３に入力されて差分だけスレーブマニピュレー
タ３が駆動され、このようにしてマスタマニピュレータ
２とスレーブマニピュレータ３とは同じ姿勢をとる。

スレーブマニピュレータ３が操作対象物１０を押ずにし
たがって、その反力としてスレーブマニピュレータ３に
トルクが負荷されるが、このトルクの変化量はトルク検
出器１５によって検出され、コンプライアンス調整信号
発生器１８に入力される。一方、スレーブマニピュレー
タ３の回転変位量を測定する角度検出器の出力はコンプ
ライアンス調整信号発生器１８にも入力させる。

コンプライアンス調整信号発生器１８では、スレーブマ
ニピュレータ３の回転変位量δθと、そのときのトルク
増加ｍδτとの比Ｋ（δθ−にδτ）を演算する。この
時、Ｋはマスタマニピュレータ２の回転軸６の回転方向
も考緻して決定され◆。例えばマスタマニピュレータが
時計方向に回転すればＫは正、反時計方向に回転すれば
負の値をとる。このＫは、例えば操作対象物が弾性体で
ある場合には、ばね定数の逆数に相当するものであり、
この比Ｋをコンプライアンス調整信号としてコンプライ
アンス調整装置１２に送り、その符号に応じてマスクを
回転させる方向にコンプライアンスＫが発生するように
コンプライアンス調整装置１２を調整する。これにより
マスタマニピュレータとスレーブマニピュレータは同一
の拘束状態になるため、マスクを操作するオペレータは
スレーブを直接操作しているような感覚をもつことがで
きる。

発明に示した「コンプライアンス写像」の呼称は、この
スレーブマニピュレータ側のコンプライアンスがそのま
まマスクマニピュレータ側に伝達されることに由来する
。

（ハ）発明の効果 このようにして、この発明の遠隔操作装置においては、
操作者とスレーブマニピュレータどの間の運動を制御す
るループの内に、作業対象物を介して力と変位量を変換
する過程を含まず、単に、スレーブマニピュレータのト
ルクと変位間を検出してその比をとってＫの値としてマ
スタスレーブ側に帰還しているだけであり、Ｋの値は変
位量δθと検出されるトルクの値だけで自動的に決定す
るものであり、系はオープンとなり、系が単純となり発
振することがない。

（ニ）他の実施例 第２図はこの発明の他の実施例として多関節のマニピュ
レータの遠隔操作装置に本発明を適用した例を示してい
る。

この第２図に示す遠隔操作装置１１ａ＄よ同構造のマス
クマニピュレータ２ａとスレーブマニピュレータ３ａと
からなっている。

マスタマニピュレータ２ａはそれぞれ１自由度の関節６
ａ〜６１〜６ｎを有し、またスレーブマニピュレータ３
ａはそれぞれ１自由度の関節７ａ〜７１〜７ｎを有して
いる。

マスタマニピュレータ２ａの各関節の回転角度は角度検
出装置１１ａによって検出される。またマスタマニピュ
レータ２ａにはコンプライアンス調整装［１２ａが取イ
１けられている。

一方、スレーブマニピュレータ３ａの各関節の回転角度
は角度検出器［１４ａによって検出され、また、各関節
に負荷されたトルクはトルク検出器１５ａによって検出
されるようになっている。

このような構成の遠隔操作装置１ａにおいて、マスタマ
ニピュレータ２ａを動かすと、そのマスタマニピュレー
タ２ａの各関節６８〜６ｎの回転角度は角度検出装置１
１ａによって検出され、その検出された回転角度が位置
指令信号として比較器１７ａに入力され、一方、スレー
ブマニピュレータ３ａの回転角度位置は角度検出装置１
４ａによって検出されて比較器１７ａに入力され、それ
ぞれ対応する差信号が比較器１７ａからアクチュエータ
１３ａ〜１３１〜１３ｎに入力され、差分だけ各間ｍ７
ａ〜７ｎが駆動され、このようにしてマスタマニピュレ
ータ２ａと、スレーブマニピュレータ３ａとは同じ姿勢
をとる。

スレーブマニピュレータ３ａの手先２１が操作対象物１
０を押すと反対方向に反力が生じ、このとき各関節７８
〜７ｎは回転する。この反力によって各関節７８〜７ｎ
にトルクが負荷される。

δＱ、δＰは手先２１を基準としたＸ−Ｙ−Ｚ座標系に
対して記述したカモーメント増分ベクトルと位置回転増
分ベクトル、δθは各スレーブマニピュレータの角度検
出器によって検出される関節の角度変位増分ベクトル、
τは各スレーブマニピュレータのトルク検出器によって
検出される関節のトルクベクトル、δτはその増分ベク
トル及びθは各スレーブマニピュレータの角度検出器に
より検出される関節の角度ベクトルとすると、マスタマ
ニピュレータ２ａの各関節がもつべきコンプライアンス
の行列ＫＳは で求められ、それぞれコンプライアンスＫｉ（ｉ＝１〜
ｎ）を次式にもとずいて計算しコンプライアンス調整装
置１２ａによってマスクの回転方向を考慮して各関節の
コンプライアンスを調整すれば、スレーブの拘束状態が
マスク側に写像され、マスクを操作するオペレータに、
あたかもスレーブを直接操作しているかのような感覚を
与えることができる。

δＱ＝Ａδτ ど信−Ｂｎ Ｇ＝荏／同 Ｋｓ　−Ｊ’ＧＡ ここでＡはスレーブの関節トルク増分ベクトルを手先座
標に対して記述された力・モーメント増分ベクトルに変
換する変換行列、Ｂはスレーブの関節の角度増分ベクト
ルを手先座標系に対して記述された位置・回転増分ベク
トルに変換する変換行列、Ｇは手先座標系に対して記述
されたコンプライアンス行列、Ｊ″はヤコビアン行列で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明を１自由度のマニピュレータに適用し
た実鉋例の遠隔操作装置を示す構成説明図、及び第２図
はこの発明を多自由度のマニピュレータに適用した実施
例の遠隔操作装置を示す構成説明図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. マスタマニピュレータに前記マスタマニピュレータのコ
   ンプライアンスを調整し得るコンプライアンス調整装置
   を設け、スレーブマニピュレータに前記スレーブマニピ
   ュレータの位置を検出する位置検出器と前記スレーブマ
   ニピュレータに作用する力を検出する力検出器を設け、
   前記位置検出器からの位置信号と前記力検出器からの力
   信号からコンプライアンス調整信号を得て前記コンプラ
   イアンス調整装置を作動させて前記マスタマニピュレー
   タのコンプライアンスを調整するように構成したことを
   特徴とするコンプライアンス写像型バイラテラル制御式
   遠隔操作装置。