JPS62130186A - 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］ この発明はマスク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１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ピュレータを操作し、そのマスタ
マニビル−夕の動きと同じ動作をスレーブマニピュレー
タにさせることによっ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
認識され、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バイラテ
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バ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四を使用
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、対称形バイ
ラテラルサーボ系として知られている。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り、力逆送形バイラテラル
サーボ系及び力帰還形バイラテラルサーボ系として知ら
れている。

［発明が解決しようとする問題点］ しかるに１第１種のものは構成が簡単で、有効な方式と
考えられている一方で、マスク側とスレーブ側との間に
慣性力や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、オペレータ
がマスク側で力を検出して、スレーブ側に加わる力の状
態を統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要な
位置制ｔｍｉを決定することが不可欠になる。この力・
位置関係は、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、対称形バイラテラルサーボ系に加えて、マスタマニ
ピュレータ側をコンプライアンス可変アクチュエータで
構成し、マスタマニピュレータ側のコンプライアンスを
スレーブマニピュレータで扱う対象物のコンプライアン
スに一致するように調整し、これによってスレーブマニ
ピュレータに所定の力を出力させたい場合に、作業対象
物体を介して力と変位♀を変換する工程を含まず、従っ
て、構成がｔ１１１！！で、系が発振等を生じることの
ないバ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
型バイラテラル開部式遠隔操作装置は、マスタマニピュ
レータとスレーブマニピュレータの各自由度を位置制御
系で構成し、互いの現在位置を他方の目標位置とする対
称形バイラテラル方式にあって、マスタマニピュレータ
に前記マスタマニピュレータの位置を検出する位置検出
器と前記マスタマニピュレータの位置制御系のゲインを
調整し得る装置を設け、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
て前記ゲイン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が対客物のコンプライアンス
と一致するよう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ｌｉ５に配置されるものである。６はマスタマニピ
ュレータ２の入力軸、７はスレーブマニピュレータ３の
出力軸である。

マスタマニピュレータ２には位置検出Ｉａ８及びゲイン
調整装置１１が設けられている。位置検出器８はマスタ
マニピュレータ２の入力軸６（１軸、多軸）の位置を検
出するものであり、ゲイン調整装置ａ１１は入力軸６の
運動に所定のスチフネスを与えるものである。

一方、スレーブマニピュレータ３には、位置検出器１４
及び力検出器１５が設けられており、スレーブマニピュ
レータ３の出力軸７（１帖、多軸）の位置は位置検出器
１４によって検出され、また、出力軸７に負荷された力
またはトルクは力検出器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によって操作対象物１０を壁
１゛６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の入力軸６を押して
変位させると、その入力軸６の変位量は位置検出器８に
よって検出され、その検出された変位量が位置指令信号
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３の位置は位置検出器１４によって検出されて
、比較器１７ａに入力され、差信号が比較器１７ａから
位置制御サーボコントローラ１３ａ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。

また、スレーブマニピュレータ３の出力軸７の位置は位
置検出器１４によって検出され、その検出された位置が
位置指令信号として比較器１７ｂに入力され、一方、マ
スタマニピュレータ２の位置は位置検出器８によって検
出されて、比較器１７ｂに入力され、差信号がゲイン調
整装置１１を有する位置制御サーボコントローラ１３ｂ
に入力されて差分だけマスタマニピュレータが駆動され
、このようにしてスレーブマニピュレータ３とマスタマ
ニピュレータ２とは同じ姿勢をとる。

スレーブマニピュレータ３の出力軸７が操作対象物１０
を押すにしたがって、その反力として出力軸７に力が負
荷されるが、この力の変化用は力検出器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の出力軸７の変
位量を測定する力検出器１５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の回転変位の６×と、そのときの力増加
吊δＦとの比Ｋ（δＸ＝Ｋｔ５Ｆ）を演算する。この時
、Ｋはマスタマニピュレータ２の変位方向も考慮して決
定される。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ゲイン調整装置
１１に送り、マスタマニピュレータの位置サーボ系のゲ
インを変えることによって、そのコンプライアンスをス
レーブマニピュレータのそれと同一にする。位置サーボ
系のコンプライアンスはサーボ系のゲインＧに応じて変
化することは知られているから、これによってマスタマ
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。

例えば、コンプライアンス調整信号Ｋが大すなわち操作
対象が非常に柔かい時は、ゲインをゼロに近い値にする
。このようにすると、マスタマニピュレータはスレーブ
マニピュレータからの位置信号に対し、全くフリーにな
る。一方、Ｋが小寸なわち操作対象が固い時はそれに応
じてゲインを大にする。それによって、マスクマニピュ
レータはスレーブマニピュレータからの位置指令に正確
に追従するようになるため固くなる。コンプライアンス
調整信号にとゲイン調整装置１１のゲインＧの関係を第
２図に示す。

発明に示した「コンプライアンス写像、１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
ままマスタ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と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９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力
と変位量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Ｓ還しているだけであり、Ｋの値は変位ｆ
ｆ１６Ｘと検出される力の値だけで自動的に決定するも
のであり、系はオーブンとなり、系が単純となり発振す
ることがない。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の遠隔操作装置を示す構成
説明図、及び第２図はコンプライアンスにとゲインＧの
調整関係を示す説明図である。 １・・・遠隔操作装置　　２・・・マスタマニピュレー
タ３・・・スレーブマニピュレータ　　４・・・操作環
境５・・・作業環ＩＭ　　６・・・入力軸　　７・・・
出力軸８・・・位置検出器　　１０・・・操作対象物　
　１１・・・ゲイン調整装Ｍ　　　１３ａ、１３ｂ・・
・位置制御サーボコントローラ　　１４・・・位置検出
器　　１５・・・力検出器　　１６・・・壁　　１７ａ
、１７ｂ・・・比較器　　１８・・・コンプライアンス
調整信号発生器第１図 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. マスタマニピュレータとスレーブマニピュレータの各自
   由度を位置制御系で構成し、互いの現在位置を他方の目
   標位置とする対称形バイラテラル方式にあって、マスタ
   マニピュレータに前記マスタマニピュレータの位置を検
   出する位置検出器と前記マスタマニピュレータの位置制
   御系のゲインを調整し得る装置を設け、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ゲイン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が対象物のコ
   ンプライアンスと一致するよう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。