JPS62124885A - バイラテラル制御の力補償方法 - 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、遠隔操作用マスタスレーブマニプレータシス
テムにおいて、対象物や人間への作用力をアーム駆動源
の電流を利用して検出する場合の力検出に関する。

〈従来の技術〉 マスタスレーブマニプレータシステムにおいてマスクア
ームを人間オペレータが操縦してスレーブアームを制御
する場合、尾崎、中野著ロボットの制御（５〉機械の研
究ｖｏ１．２５　　Ｎｏ、８（１９７３）に示すような
力帰還形と呼ばれるカフィードバック（バイラテラルサ
ーボともいう）制御方式によるものがある。これを第４
図を参照して説明すると、このシステムは、マスタアー
ム１及びスレーブアーム２と、夫々の位置検出器３゜４
と、各位置検出器３，４の出力が供給される比較器５と
、この比較器５の出力を増幅する増巾器６と、上記マス
タアーム１及びスレーブアーム２側の駆動モータ等の駆
動装置７．８と、夫々の側のトルク検出器９，１０と、
各トルク検出器９゜１０の出力が供給される比較器１１
と、この比較器１１の出力を増巾して上記マスタスレー
ブ１側の駆動装置７に与える増巾器１２とを備えている
。

上記マスタアーム１は、手首、肘及び肩の回転あるいは
ねじりの関節を有する多関節のアームであって、この多
関節のマスタアーム１と相似形のスレーブアーム２は電
気的に結合され、オペレータによって操縦されるマスタ
アーム１の関節角度θＭは位置検出器３によって電気信
号に変換され、他方、スレーブアーム２の関節角度θＳ
についても位置検出器４によって電気信号に変換され、
これら２つの位置検出器３，４の電気信号が比較器５の
差動入力として与えられる。

比較器５ではこれらを比較して比較出力ΔＦ＝θＭ−θ
Ｓを発生させる。そして、この出力△Ｅは増巾器６を介
してスレーブアーム２側の駆動装置８を動かし、上記θ
ＳをθＭに一致させるようにアームに作用する。

このようにして位置制御が行なわれるが、更にこれに加
えて、次のような力検出が行なわれる。

各駆動装置７，８には夫々トルク検出器９゜１０が設け
られており、マスタアーム１の駆動装置７の発生するト
ルクＴＭはトルク検出器９によって電気信号に変換され
、また、スレーブアーム２の駆動装置８の発生するトル
クＴｓもトルク検出器１０によって電気信号に変換され
る。ここで、この場合の検出は、モータ電流を利用して
行なうことができる。

上記２つのトルク検出器９，１０の電気信号は比較器１
１の差動入力として与えられ、比較器１１でそれらが比
較される。そして、比較器１１の出力△Ｔ＝Ｔｓ−下Ｍ
は増巾器１２を介してマスタアーム１側の駆動装置７を
動かし、上記ＴＭがＴｓに一致　するようにマスタアー
ム１に作用する。すムわち、マスタアーム１を操縦する
オペレータにＴＭをＴｓに一致させる向きの反力を与え
ることになる。

このように、位置のサーボ系の他にトルクのサーボ系を
設けることによって、容易にスレーブアーム２が作用し
ている力めるいは保持しているトルクをオペレータは力
感覚として感じることができ、オペレータにこのような
力感覚を感じさせながら操縦をより効果的に行なわぜる
ことができることとなる。

従って、マスタスレーブマニプレータシステムにおいて
、上述のようなスレーブあるいはマスクのトルク検出器
として駆動装置のモータ電流を利用した力検出を加味す
る方法が比較的多く使われている。

〈発明が解決しようとする問題点〉 ところが、このような力帰還形のマスタスレーブマニプ
レータのバイラテラル制御において、駆動モータの電流
値から対象物や人間への作用力を検出するとき、従来の
方法ではいまだ不十分で、正確な力検出に欠ける面がお
る。

すなわち、力伝達機構には摩擦が存在するから、例えば
モータ、減速機、ワイヤー、プーリ、アーム等の摩擦力
の影響で力検出精度が悪く、前）ホしたような力感覚は
不正確となり、オペレータの操縦性を損い、これが正確
、確実な操縦を妨げることになる。

本発明は、このような摩擦力の影響による問題に鑑みて
なされたもので、摩擦力の影響を補償して正確な力検出
を可能とするバイラテラル制御の力補償方法を提供する
ことを目的とする。

く問題点を解決するための手段〉 上記目的を達成するため、本発明に係るバイラテラル制
御の力補償方法は、力帰還形のマスタスレーブマニプレ
ータのバイラテラル制御において、アーム駆動用のモー
タの電流値から対象物や人間への作用力を検出するとき
、検出した値に、アームの移動方向とモータ指令の極性
に応じて定まる力伝達機構の摩擦係数に基づいて得た所
定の係数を乗じるようにしたことを特徴とする。

〈実施例〉 以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明のバイラテラル制御の力補償方法の一実
施例を示すもので、前記第４図のマスタスレーブマニプ
レータシステムと同様のシステムに適用した場合を示す
。従って、第４図と同様の構成部分は同一の符号が付さ
れている。

第１図に示すマスタスレーブマニプレータシステムは、
第４図の場合のものと異なり、モータ電流を利用した力
検出において、更に、力伝達機構の摩擦の影響を考慮し
て実測したい力を検出する手段をマスク及びスレーブ側
に設けである。

すなわち、マスタアーム１とスレーブアーム２の各位置
検出器３，４、比較器５、上記マスタアーム１とスレー
ブアーム２の各駆動装置７，８、各トルク検出器９，１
０、比較器１１及び増巾器６．１２を備えると共に、マ
スクのトルク補償器１３とスレーブのトルク補償器１４
を備えている。

これらは、第４図の場合のように、各トルク検出器９，
１０からの検出出力をそのまま取扱うのではなく、駆動
モータの電流値から対象物や人間への作用力を検出する
場合に、検出値にアームの移動方向とモータ指令の極性
に応じて増減させるよう摩擦係数に基づいて得た所定の
係数を乗じたものを取出して比較器１１に与えることに
より、力伝達機構の摩擦力の影響を補償するものである
。

次に、第２図及び第３図をも参照して更に補償動作につ
いて説明する。

第１図において、位置の制御については第４図の場合と
同じでおるが、マスタアーム１側の位置検出器３から得
られるマスタアーム１の移動方向に関する情報はトルク
補償器１３にも与えられる。

一方、スレーブアーム２側の位置検出器４からのスレー
ブアーム２の移動方向に関する情報はトルク補償器１４
にも与えられ、更にこれには比較器５からスレーブアー
ム２側の駆動装置８に与えられるモータ指令ΔＦも供給
される。なあ、マスクのトルク補償器１３に対するモー
タ指令△Ｔについては、比較器１１から供給される。

マスクのトルク補償器１３は、トルク検出器９の出力Ｔ
Ｍに対して、次の演算を行ない、トルク信号ＬＭを出力
する。

すなわち、μＰ、μＰを後述する摩擦係数として、 モータ指令Δ下とマスタアーム移動方向（０Ｍ）が同じ
ときは、 しＭ＝ＴＭ／（１＋μＰ） モータ指令へＴとマスタアーム移動方向（０Ｍ）が異な
るときは、 ＬＭ＝ＴＭ（１＋μＲ） を出力し、これを比較器１１に加える。このように、モ
ータの指令の極性とアームの移動方向が同じときは、検
出した値を１／（１＋μＰ）倍し、異なるときは、（１
千μＲ）倍することによって摩擦の影響を除去し、正確
な力検出を行なうようにする。

このような補償はスレーブ側についても同様でおる。す
なわち、スレーブのトルク補償器１４は、トルク検出器
１０の出力Ｔｓに対して、次の演算を行ない、トルク信
号しＳを出力する。

モータ指令△Ｅとスレーブアーム移動方向（θ８）が同
じ場合、 Ｌｓ＝Ｔｓ／（１＋μｐｓ） モータ指令へＥとスレーブアーム移動方向くθＳ）が異
なる場合、 Ｌｓ＝Ｔｓ（１＋μ関） なお、μ円、μ円は同様に摩擦係数である。

以上のような補償を行なうが、ここでこれがいかに有効
かについて述べておく。

力伝達機構としてワイヤ及びプーリを利用したアームの
場合、摩擦力は伝達力に比例して発生する。このとき微
速移動において、モータの発生力と検出したい作業対象
や人間への作用力（負荷）及び摩擦力の関係を第２図（
ａ＞、（ｂ）並びに下表に示す。

第２図（ａ）は、モータ１６の発生力によるアーム１５
の微速移動の場合の動作を、また同図（ｂ）はオペレー
タの操作力によるアーム１５の微速移動の場合の動作を
説明するための簡略図で、いずれもワイヤーロール１７
、ギヤ１８を介在させである。また、上表は夫々の場合
にあけるモータの発生力、摩擦力、オペレータの操作力
、微速移動の条件式、実測したい力、モータ電流による
検出力並びに条件式よりの補償式の導出を示している。

第２図（ａ）、（ｂ）及び上表より、作業対象や人間の
操作力が負荷となってモータ１６０指令と同方向へアー
ム１５が回転する場合は、Ｔ１＞１１　（１＋μＰ）が
成り立つ。

また、作業対象や人間の操作力でモータ１６の指令と反
対方向へアーム１５が回転する場合は、Ｔ２＜１２／（
１＋μＲ）が成り立つ。

ただし、μＰはモータ側から入力する時の力伝達手段の
摩擦係数、μＰはアーム側から入力する時の摩擦係数で
ある。

この２つの式を図示したのが第３図でおり、図中点を付
した部分はモータ発生力と負荷がバランスする領域を示
す。

そして、摩擦が零の場合（μＲ＝μｐ＝ｏ）では、この
領域は直線になる。また、μＰがμＰに近づくと、この
領域はこの直線に関して対称になる。

上記実施例方法によれば、力帰還形のマスタスレーブマ
ニプレータのバイラテラル制御において、駆動モータの
電流値から対象物や人間への作用力を検出するとき、検
出した値をアームの移動方向とモータ指令の原性から１
／（１＋μｐ）Ｓるいは（１＋μＲ）倍するなどして、
容易に力伝達機構の摩擦力の影響を補償することができ
る。従来のように検出値をそのまま扱うのではなく、モ
ータの指令の極性とアームの移動方向に応じて、同じと
きは検出した値を１／（１＋摩擦係数）倍、異なるとき
は（１＋摩擦係数）倍して摩擦の影響を除去することが
できるから、力検出精度が悪くて力感覚が不正確となり
オペレータの操縦性を損うことはない。

この補償法は、アームが微速で移動している場合に、摩
擦の影響を取除くことができるのは先に述べた通りであ
る。静止や成る速度以上で移動する場合は、一般には適
用できないと考えられるが、静止している場合はスレー
ブ側では第２図（ａ）に示す動作、マスクでは第２図（
ｂ）に示す動作から静止に至ると仮定することによって
、本方法が適用可能である。また、成る速度以上では、
バイラテラル懇能の有効性は小さいと考えられる。

〈発明の効果〉 以上のように、本発明のバイラテラル制御の力補償方法
によれば、力伝達機の摩擦力影響を除去して正確な力検
出を行なうことができるので、力感覚を正確なものとす
ることができ、オペレータの操縦性を一層向上させ、よ
り正確、確実な操縦が可能となる等の効果を秦する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のバイラテラル制御の力補償方法の一実
施例を示すブロック図、第２図（ａ）。 （ｂ）はモータ発生力、負荷及び摩擦力の関係を示す説
明図、第３図はモータ発生力と負荷のバランス領域を示
す図、第４図は従来例を示すブロック図でおる。 図面中、１・・・マスタアーム、２・・・スレーブアー
ム、７，８・・・駆動装置、９，１Ｑ・・・トルク検出
器、１３．１４・・・トルク補償器。 特　許　出　願　人　　　　三菱重工業株式会社復代理
人　弁理士　　　　光行　土部（他１名）第１図 第２図 Ｃａ）（ｂ） 第３図 負倫Ｌ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 力帰還形のマスタスレーブマニプレータのバイラテラル
   制御において、アーム駆動用のモータの電流値から対象
   物や人間への作用力を検出するとき、検出した値に、ア
   ームの移動方向とモータ指令の極性に応じて定まる力伝
   達機構の摩擦係数に基づいて得た所定の係数を乗じるよ
   うにしたことを特徴とするバイラテラル制御の力補償方
   法。