JPS62124886A - 動的コンプライアンス逆送型バイラテラル遠隔制御装置 - 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
ータを使用したマスク・スレーブマニピユレーションシ
ステムにおける遠隔制御装置に関するものである。

［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）に作業者が立
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。

このマスク・スレーブマニピユレーションシステムにお
ける操縦性を向上させて遠隔操作を円滑に行うためには
、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、スレーブマニピュレータ側
の変位や、加わった力の状態をできるだけ忠実にマスタ
マニピュレータ側に再現することが望まれる。

このようなことから、従来より、スレーブマニピュレー
タに加わる力やトルクをマスタマニピュレータ側に転送
することが試みられ、その目的を満すものとして、種々
のバイラテラルサーボ機構が提案された。

それらのバイラテラルサーボ機構の１つとして、第８図
に示すような、力帰還形バイラテラルサーボ機構がある
。

このバイラテラルサーボ機構１０１ではスレーブマニピ
ュレータ１０３側に位置ザーボ系が構成されており、マ
スタマニピュレータ１０２側の変位が位置検出器１０４
で検出されると、その出力を指令信号として、スレーブ
マニピュレータ１０３側の位置サーボ系１０５が働き、
スレーブマニピュレータ１０３がマスタマニピュレータ
１０２の変位に追従して動く。一方、この時に、スレー
ブマニピュレータ１０３に対象物から何らかの拘束力が
加わっているとすれば、それがトルク（或は力）検出器
１０６で検知され、マスタマニピュレータ１０２側に伝
送される。マスタマニピュレータ１０２側には駆動モー
タ（図示せず）やトルク（或は力）検出器１０７からな
るトルクサーボ系１０８が構成されており、スレーブマ
ニピュレータ１０３で検出されたトルク検出器１０６出
力信号を、このトルクサーボ系１０８に加えることによ
り、マスタマニピュレータ１０２側にスレーブマニピュ
レータ１０３側に加わっているトルクと同等のトルクが
発生するように構成されている。

［発明が解決しようとする問題点］ ところで、この種のバイラテラルサーボではスレーブマ
ニピュレータ側からマスタマニピュレータ側への力の逆
送は、前述のように、スレーブマニピュレータ１０３側
に設置されたトルク検出器１０６とマスタマニピュレー
タ１０２側に設置されるトルクサーボ系１０８で行なわ
れるが、一般にトルクサーボ系には種々の遅れが存在す
るため、スレーブマニピュレータ側で検知されたトルク
が、必ずしも正確にマスタマニピュレータ側には伝送さ
れない。すなわち、トルクサーボ系に追従誤差が生じる
からである。この追従誤差は、スレーブマニピュレータ
側において検知されるトルクが高速で変動するような場
合には、より無視できない量となり、オペレータに臨場
感を与えることができなかった。

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、マスク・スレーブ型マニピュレータにおいて、スレ
ーブマニピュレータ側の拘束条件を含む全体の動的コン
プライアンスをマスタスレーブ側の駆動系にフィードバ
ックすることにより、マスタマニピュレータ側にスレー
ブマニピュレータ側と等価な拘束状態を実現することに
よって、リアルな遠隔操作感をそなえた遠隔制御を可能
にし、より直接的にオペレータが対象物を操作している
ような感覚を持たせることができ、臨場感のある制御を
可能にする遠隔制御装置を提供することを目的とするも
のである。

（ハ）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、この発明の動的コンプライアンス
−逆送型バイラテラル遠隔制御装置は、マスタマニピュ
レータに前記マスタマニピュレータに作用する力を検出
する第１の力検出器と前記マスタマニピュレータの位置
を検出する第１の位置検出器とを設け、対象物を取扱う
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
の位置を検出する第２の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第２の力検出器を設
け、前記第２の位置検出器からの位置信号と前記第２の
力検出器からの力信号から前記対象物の動特性の要素を
求め、それによってマスタマニピュレータの動的コンプ
ライアンスを調整することによって、スレーブマニピュ
レータに加わる力学的拘束を逆送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。

第１図において、１はマスク・スレーブマニピュレータ
制御装置であり、マスク・スレーブマニピュレータ制御
装置１はマスタマニピュレータ機構２、スレーブマニピ
ュレータ機構３及び伝送系４とを備えている。マスタマ
ニピュレータ機構２はマスタマニピュレータ５とマスタ
マニピュレータ５を駆動するマスタマニピュレータ駆動
装＠６、マスタマニピュレータ５の位置を検出する位置
検出器７、マスタマニピュレータ５に作用する力を検出
する力検出器８及びマスタマニピュレータ駆動装置６へ
の入力信号を増幅する増幅器１１とを備えている。

一方、スレーブマニピュレータ機構３はスレーブマニピ
ュレータ１３と、スレーブマニピュレータ１３を駆動す
るスレーブマニピュレータ駆動装置１４と、スレーブマ
ニピュレータ１３の位置を検出する位置検出器１５と、
スレーブマニピュレータ１３に作用する力を検出する力
検出器１６と、及びスレーブマニピュレータ駆動装置１
４への入力信号を増幅する増幅器１７とを備えている。

マスタマニピュレータ機構２とスレーブマニピュレータ
機構３とは伝送系４を介して接続している。伝送系４は
動特性同定器１８、位置信号発生器２１、動特定補償器
２２及び２個の比較器２３゜２４を備えている。

［作用］ バイラテラル制御の理想を再度整理すると、次のように
なる。

即ち第２図に示すように、マスタマニピュレータ側に、
成る変位ΔＸを加えたときに、それに応じて、スレーブ
マニピュレータに正確に変位ΔＸが生じること、かつ、
その時にスレーブマニピュレータが対象物に何らかの作
用を加えて、ΔＦという反力を受けるとすれば、そのΔ
Ｆが正確にマスタマニピュレータ側に転送されてマスタ
マニピュレータを操作するオペレータにそれが正しく加
えられることである。この時に、第２図ではマスタマニ
ピュレータ側でΔＸを加えるとしたが、逆にΔＦという
力を加えて、ΔＸが正確に逆送されると考えてもよい。

もう１つ例を上げれば、第３図に示すように剛体の棒１
１１を介して対象物１１２を操作する場合を考えること
ができる。

このような棒１１１では操作端にΔＸという変位を加え
ると作用端にも同様にΔＸが加わる。そして、反力ΔＦ
が作用端に加わると、それが操作端に伝送される。すな
わち、操作端の力学的状態（ΔＸ、ΔＦ）と作用端の力
学的状態（ΔＸ、ΔＦ）とが（もし棒が完全な剛体であ
れば）一致する。このような伝送系は、理想的であり、
マスク・スレーブマニピュレータ制御では物理的に一体
化していない系に対しても、何らかの方法で、マスタマ
ニピュレータとスレーブマニピュレータの力学的状態を
一致させることが、種々試みられているわけである。

作用端における変位ΔＸと反力ΔＦの関係は一般に操作
される対象の特性により変化する。その対象が柔かいも
のであれば、大きなΔＸを加えてもΔＦは小さいし、か
たい場合は微小なΔＸに対しても大きなΔＦが発生する
。またΔＸ１八Ｆは時間的にも変動するから、例えば、
作用端におけるΔｘ１ΔＦは、第４図のようなグラフで
表わすことができる。

結局このような作用端のΔＦ１ΔＸの状態を正確に、操
作端で再現することが上述したようにマスタ・スレーブ
マニピュレータの理想とする目的であり、本発明はそれ
に関するものである。

即ち、マスタマニピュレータ側の力学的状態（ΔＸ、Δ
Ｆ）と、スレーブマニピュレータ側の力学的状態（ΔＸ
、ΔＦ）とが、一致することが理想的である。

ところで、スレーブマニピュレータ側の作用端のΔＦと
ΔＸの関係は、対象物の動的特性によって記述すること
ができる。即ち、一般に対象物の力学的特性は、慣性要
素Ｊ、粘性要素γ、ばね要素に１及び比例要素Ｋを含ん
でおり、これらを用いて、ΔＦ、ΔＸの関係は、次のよ
うな微分方程式で記述することができる。

ＪΔｘ＋７Δｘ＋にΔｘ＝にΔＦ 従って、マスク・スレーブマニピュレータ機構では、こ
のようなΔＸ、ΔＦの関係を記述する方程式を対象物に
応じて同定し、それと同じ力学的構造を持つ系を、即ち
、オペレータがΔＸを加えたときにΔＦを発生する系、
或はΔＦを加えたときにΔＸを発生させる系をマスタマ
ニピュレータ機構として構成すればよいことになる。

本発明では前述のようにマスタマニピュレータ機構とス
レーブマニピュレータ機構とは相似構造を有し、マスタ
マニピュレータには力センサ８、マスタマニピュレータ
駆動装置６、位置センサ７が設置されており、スレーブ
マニピュレータにも同様に力センサ１６、スレーブマニ
ピュレータ駆動装置１４、位置センサ１５が設置されて
おり、マスタマニピュレータ５をオペレータが操作する
と、マスタマニピュレータ駆動装置６が動き、そのとき
の位置が位置検出器７で検出され、その位置信号がスレ
ーブマニピュレータ機構３への指令信号となる。

一方、スレーブマニピュレータ機構３では位置サーボ系
が構成されており、マスタマニピュレータ機構２からの
前述の位置指令信号に応じてスレーブマニピュレータ１
３が動作する。スレーブマニピュレータ１３が対象物２
５に作用を加えると、変位と、その時の対象物２５から
来る反力が力検出器１６で検出され、動特性同定器１８
に加えられる。この動特性同定器１８は前述の微分方程
式のパラメータＪ、γ、に、Ｋを求める装置で、その求
め方は従来技術により可能である。即ち、対象物２５の
特性（Ｊ、７．に、Ｋ）　、変位Δｘ１カΔＦが ＪＡＸ＋７Δｘ＋にΔｘ＝にΔＦ と表わされるならば、この動特性同定器１８により容易
に求められる。そして、このパラメータがマスタマニピ
ュレータ機構２側に転送される。

マスタマニピュレータ機構２側では、その駆動系の特性
をスレーブマニピュレータ機構３の特性と同一となるよ
うに決定する。要するに、オペレータが操縦操作として
マスタマニピュレータ５に力ΔＦを加えた時に、変位Δ
Ｘがマスタマニピュレータ機構２に発生するようにする
。即ち、マスタマニピュレータ５の力ΔＦと変位ΔＸと
がスレーブマニピュレータ機構３の力ΔＦ１変位ΔＸを
関係付ける微分方程式と同一の微分方程式ＪΔｘ＋７Δ
ｘ＋にΔＸ＝にΔＦ で記述できるように、マスタマニピュレータ機構２側の
サーボ機構の特性を決定する。

第１図に示すスレーブマニピュレータ側のサーボ系はそ
れを実現する構成となっている。説明をし易くするため
に、第１図におけるＡ点と８点の部分をとり出して書く
と第５図のようになる。即ち、第５図のＡ点よりオペレ
ータがマスタマニピュレータ５に加える力ΔＦを力検出
器８で検知し、位置信号発生器２１によりΔＦに対応す
るΔＸを求める。

この計算は ＪΔｘ＋７Δｘ＋にΔＸ＝にΔＦ をマイクロコンピュータ等で解くことにより行う。

この時、Ｊ、γ、に、には動特性同定器１８で決定され
た値を用いる。

こうして求められたΔＸがマスタマニピュレータ機構２
の位置サーボ系に入力される。マスタマニピュレータ機
構２のサーボ系は点Ａより点８間の伝達特性が正確に上
記の微分方程式で記述されるようにするために、点Ａか
ら点８間の伝達特性を１にする必要がある。動特性補償
器２２はこのために加えられる。この加え方は従来の技
術により容易に実現できる。

こうして、スレーブマニピュレータ機構３側の（ΔＸ、
ΔＦ）の関係が正確にマスタマニピュレータ機構２側に
逆送されるバイラテラルＩＮ構を構成することができる
。

第６図は上述の本発明の原理をｎ自由度系に拡張したも
のである。第７図（ａ）に６示すごとく、例えばマニピ
ュレータがクランクを回すことを考えると、マニピュレ
ータはクランクよりある拘束を受ける。

この拘束は一般的には第７図（ｂ）に示すようにマニピ
ュレータのハンドの直交３軸方向の慣性、粘性、弾性か
らなる力学的構造を有する拘束として模式化することが
できる。この力学的構造はマニピュレータの関節にトル
ク検出器、位置検出をつければ、それらの組合せ出力（
τ１１θ１）から、各関節部の動特性０１〜Ｇ、として
評価することができる。即ち、ハンドの直交軸に関する
拘束の動特性をＧｘ、Ｇ、、Ｇ２．Ｍｘ、Ｍ、。

Ｍ　　関節を６個とし、それぞれの関節の動特性をＧ−
ＧＧ　　・・・とＧ１・・・を関係づける行列１　　６
ゝ　　Ｘ をＫとすると、 こうして求められた、 をマスタマニピュレータ機構側のサーボ系の特性として
実現すればよい。ここでＧ１−Ｇ６は図中の関節動的コ
ンプライアンス同定器で計測される。

０１〜Ｇ６はスレーブ関節軸における角変位τ、は、次
のように記述される。

この特性をマスタマニピュレータ機構側のサーボ系にも
たせるために、位置信号発生器によりを計算し、Δθ　
・・・Δθ６を求め、それを位置す一ボ系に入力する。

マスタマニピュレータ機構には、各軸にモータ、力セン
サ、位置・角度センサがついており、Δθ　・・・Δθ
６に追従して動作する。この時に、マスタサーボ系の動
特性をＧ１・・・Ｇ６に一致させるために、位置サーボ
系の特性を１にする必要がある。そのために、１自由度
の場合同様動特性補償を加える。

スレーブマニピュレータとマスタマニピュレータは必ず
しも構造が相似形である必要はない。但し、自由度数（
関節数）は一致していなければならない。スレーブマニ
ピュレータとマスタマニピュレータの構造が異なる時は
、マスタマニピュレータとスレーブマニピュレータ間の
情報伝達の際には座標変換を必要とする。この座標変換
は従来技術で実現できる。第６図に示す実施例にはこの
座標交換も示されている。

（ハ）発明の効果 このように、この発明によれば、マスク・スレーブ型マ
ニピュレータにおいて、スレーブマニピュレータ側の拘
束条件を含む全体の動的コンプライアンスをマスタ濤≠
冨≠側の駆動系にフィードバックすることにより、マス
タマニピュレータ側にスレーブマニピュレータ側と等価
な拘束状態を実現することによって、より直接的にオペ
レータが対象物を操作しているような感覚を持たせるこ
とができ、臨場感のある制御を可能にする遠隔制御装置
を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係わる遠隔制御装置を示
す構成説明図、第２図はマスタマニピュレータ側とスレ
ーブマニピュレータ側の力学的状態を示す説明図、第３
図はマスタマニピュレータ側とスレーブマニピュレータ
側の力学的状態の他□の例を示す説明図、第４図は反力
と変位の時間変化を例示するグラフ、第５図は第１図に
示す遠隔制御装置の部分図、第６図はこの発明の他の実
施例に係わる遠隔制御装置を示す構成説明図、第７図は
スレーブマニピュレータが受ける拘束状態を示す斜視説
明図、及び第８図は従来の力帰還型バイラテラル制御ｍ
１機構を示す構成説明図である。 １・・・マスタマニピュレータ制ａｌｌ装置　　２・・
・マスタマニピュレータ機構　　３・・・スレーブマニ
ピュレータ機構　　４・・・伝送系　　５・・・マスタ
マニピュレータ　　６・・・マスタマニピュレータ駆動
装置７・・・位置検出器　　８・・・力検出器　　１１
・・・増幅器　　１２・・・コンプライアンス調整装置
　　１３・・・スレーブマニピュレータ　　１４・・・
スレーブマニピュレータ駆動装置　　１５・・・位置検
出器１６・・・力検出器　　１７・・・増幅器　　１８
・・・動特性同定器　　２１・・・位置信号発生器　　
２２・・・動特性補償器　　２３・・・比較器　　２４
・・・比較器２５・・・対象物 第４図 第５図 スし−フ゛マニピュレーク 図 カ＼・受すろ才句束のイタ１１

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に作
   用する力を検出する第１の力検出器と前記マスタマニピ
   ュレータの位置を検出する第１の位置検出器とを設け、
   対象物を取扱う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第２の位置検出器と前
   記スレーブマニピュレータに作用する力を検出する第２
   の力検出器を設け、前記第２の位置検出器からの位置信
   号と前記第２の力検出器からの力信号から前記対象物の
   動特性の要素を求め、それによってマスタマニピュレー
   タの動的コンプライアンスを調整することによつて、ス
   レーブマニピュレータに加わる力学的拘束を逆送するよ
   うに構成したことを特徴とする動的コンプライアンス逆
   送型バイラテラル遠隔制御装置