JPS62297080A - 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、種々の工業分野で遠隔操作を行なうために用
いられるマニピュレータに関し、特にマスタアームとス
レーブアームとの間に力感覚の伝達機能を備えたパイラ
テラル制御方式のマスタスレーブマニピュレータに関す
る。

［従来の技術］ 従来のパイラテラル制御方式のマスタスレーブマニピュ
レータとしては、第１３図に示す３つの方式、すなわち
（Ａ）の対称形、（Ｂ）の力逆送形、及び（Ｃ）の力帰
還形が知られている（中野栄二著「ロボット工学入門」
　〈発行者：オーム社１発行１］：閉和５８年９月１０
日〉第７４〜７Ｂ頁参照）。

なお、第１３図においてＭはマスタアームの関節軸、Ｓ
はスレーブアームの関節軸を示す。

まず、第１３図（Ａ）の対称形は、マスク側及びスレー
ブ側の位置検出器ｌにより得られた各軸の角度位ｍ６１
．０２の偏差θ１−０２をそれぞれの側の化２１２１１
ｍ器２に導き、スレーブ側にはＯ２を０１に一致させる
向きにトルクを与え、マスク側には、０１が０２よりも
進んでいるとき、Ｏｌを抑えて０２がＯｌに一致するよ
うにその偏差に比例したトルクをマスク側に発生させる
ものであり、特別なトルク検出装置などが不要なため、
最も簡便な方式である。

しかし、この対称形は、比較的小型で摩擦も小さいマニ
ピュレータでなければ、偏差を正確に取り出すことがで
きないため１重負荷用のマニピュレータには向いていな
いという問題がある。

次に、第１３図（Ｂ）の力逆送形は、マスク側とスレー
ブ側の軸位置の偏差ｏ１−ｏ２をスレーブ側の位置調節
器２に導くと共に、スレーブ側に加わる力をトルク検出
層３で検出し、トルク伝達器４を介してマスク側に伝達
する方式であり、大型のマニピュレータにもそのまま適
用することができる。

しかしながら、この形式では、例えば動作開始時やクイ
ック動作時にスレーブの慣性力が直接的りこ玲出雪台で
マスク４１１じ債１情１４プｌスト島　ス１７−ブ側の
重付が大きい場合は特にマスク側の操作が改くてやりに
くいという欠点がある。

この欠点をなくしたのが第１３図（Ｃ）の力帰還形であ
り、これは、マスク側とスレーブ側のそれぞれのトルク
をトルク検出器３で検出し、両方のトルクの偏差Ｔｌ−
Ｔ２をトルク調節器５を介して小さくする向きにマスク
側に加えるようにしている。従って、例えば動作開始時
には、スレーブ側と同時にマスク側にもマスクの重量に
応じた慣性力が働き、これによってスレーブ側の慣性力
がキャンセルされることになり、操作がし易くなってい
る。

以ヒのように、従来の技術によれば、力感覚の伝達機能
を有するマスタスレーブマニピュレータの制御は、マニ
ピュレータの大きさや伝達系の長さ等に応じて上記の方
式から選定されるが、力感覚の伝達という点で、第１３
図（Ｃ）の力帰還形が最も好ましいものとされている。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、」二足のような従来のマスタスレ−ブマ
ニビュレータにあっては、第１３図（Ｃ）の力帰還形に
おいても、マスクとスレーブの各関節軸は対応して位置
すると共に同期連動をなすものであり、スレーブ側のあ
る軸で検出された力（信号）は、対応するマスク側の軸
に一定の比率で伝達されるようになっている。従って、
スレーブ側に加えられる外力や外乱なとは全て、そのま
まマスク側に作用する。このため、例えばマニピュレー
タの動作中スレーブアームが予期しない衝撃力等を受け
ると、それがマスク側に及んで操作者に不快な操作感と
なって伝わるという問題があり。

また、スレーブ７−ムに障害物等を迅速に回避したり精
密部品を挿入したりする等の高度な動作を行なわせたい
場合、マスク側からの微動作にわたる指示でそれらの動
作を実現することは非常に困難であった。

［問題点を解決するための手段］ 第１の発明によれば、マスタアームとスレーブアームと
の間に力感覚の伝達機能を有するマスタスレーブマニピ
ュレータにおいて、前記マスタアーム及びスレーブアー
ムの各々に加えられる力を検出する力検出器と、該力検
出器により検出された力を入力とし、該入力に応じた前
記マスタアーム及びスレーブアームの変位を出力とする
ように予め定めた仮想力学モデルに従って演算する仮想
力学モデル演算部と、前記仮想力学モデル演算部からの
出力を指令値として前記マスタアーム及びスレーブアー
ムを制御するサーボ制御系とを備えたマスタスレーブマ
ニピュレータが提供される。

また、第２の発明によれば、マスタアームとスレーブア
ームとの間に力感覚の伝達機能を有するマスタスレーブ
マニピュレータにおいて、前記マスタアーム及びスレー
ブアームの各々に加えられる力を検出する力検出器と、
前記マスタアームに加えられた力及び前記スレーブアー
ムに加えられた力を入力とし、該入力に応じた前記マス
タアームの変位を出力とするように予め定めたマスク仮
想力学モデルに従って演算するマスク仮想力学モデル演
算部と、前記スレーブアームに加えられた力及び前記マ
スタ仮想力学モデル演算部からの変位を入力とし、該入
力に応じた前記スレーブアームの変位を出力とするよう
に予め定めたスレーブ仮想力学モデルに従って演算する
スレーブ仮想力学モデル演算部と、前記スレーブアーム
に加えられた力及び前記スレーブ仮想力学モデル演算部
からの出力を指令値として前記マスタアーム及びスレー
ブアームを制御するサーボ制御系とを備えたマスタスレ
ーブマニピュレータが提供される。

更に、第３の発明によれば、マスタアームとスレーブア
ームとの間に力感覚の伝達機能を有するマスタスレーブ
マニピュレータにおいて、前記マスタアーム及びスレー
ブ７−ムの各々に加えられる力を検出する力検出器と、
該力検出器により検出された力を入力とし、該人力に応
じた前記マスタアーム及びスレーブアームの位置、速度
及び加速度を出力とするように予め定めた仮想力学モデ
ルに従って演算する仮想力学モデル演算部と、前記マス
タアーム及びスレーブアームの各々の位ｍを検出する位
置検出器と、前記マスタアーム及び器と、前記仮想力学
モデル演算部、前記位ご検出器及び前記速度検出器から
の出力に基づいて前記マスタアーム及びスレーブアーム
を制御するサーボ制御系とを備えたマスタスレーブマニ
ピュレータが提供される。

［作用］ 上記第１、第２及び第３の発明において、マスタアーム
に加えられた力は力検出器によって検出され、仮想力学
モデル演算部に入力される。この仮想力学モデル演算部
には、マスタアームからスレーブアームへの位置及び力
の伝達特性を予め格納しておき、その特性に従って入力
に応じた位置出力を演算し、変位としてスレーブアーム
のサーボ制御系に与える。また、スレーブアームに加え
られた力も力検出器によって検出され、仮想力学モデル
演算部に入力されることでマスタアーム側に伝達される
。

［実施例］ 以下、図面に基づいて説明する。

：ｔ’、　ｌ　Ｉヅ１−）−１−巻１羅ｌ小ＩＬ＋１暉
＾ルモ＋１７プ訊六　ＩＪにおいて、１１はマスタアー
ムＭ及びスレーブアームＳの各々の軸位置θｓ、Ｏｅ、
を検出する位置検出器、１２はマスタアーム及びスレー
ブアームの各々に加えられた力をトルクＴＭ　、　”ｒ
Ｓとして検出する力検出器、１３は後述の仮想力学モデ
ルに基づいて演算する仮想力学モデル演算部、１４はマ
スタアーム及びスレーブアームを制御するサーボ制御系
である。なお、位置検出器としては、例えばエンコーダ
が用いられ、力検出器としては例えばストレンゲージが
用いられる。

仮想力学モデル演算部１３には、マスク及びスレーブの
力検出器１２により検出された力ＴＭ。

Ｔｓが入力され、それらの入力に応じたマスク及びスレ
ーブの各アームの変位Ｘｓ、Ｘｓが出力される。そして
、各変位信号ＸＭ、ＸＳは、それぞれ対応する位置検出
器１１からの出力ＯＭ＋θ。

と共にサーボ制御系１４に入力され、各サーボ制御系１
４では、これらの入力ｘＨとＯＨ，ｘ５とＯ５に基づい
てマスタアーム及びスレーブアームをそれぞれ駆動する
信号を出力する。

サーボ制御系１４は、マスク及びスレーブの先端の連動
が仮想力学モデルに追従するように制御するための手段
であり、例えば後述の（１３）式で表わされる演算を行
なうように構成される。また、仮想力学モデル演算部１
３からサーボ制御系１４への指令は、各アームを移動さ
せる位こないし変位ＸＭ、ＸＳだけでなく、必要に応じ
て速度や加速度をも含み、各アームが仮想力学モデル演
算部１３からの指令に遅れることなく追従するようにサ
ーボ制御系１４が構成される。

ここで、本発明における仮想力学モデルとサーボ制御系
１４の構成例について説明する。

まず、マスタアームを追従させる仮想力学モデルとして
、 Ｍｖ　　ｉｖ　　＋Ｄｖ　　ｉｖ　　＋Ｋｖ　ＸＶ　＝
　ｆＭ＋　ｆｓ　　（１）を考える。但し、 Ｍｖ：仮想質量 ＤＶ：仮想粘性定数 Ｋｖ：仮想弾性定数 ｘｖ：作業座標系で表わされた仮想力学モデルの位置 ｆＭ：操作者がマスタアームに加えた力ｆｓ　ニスレー
プアームに加えられた力また、スレーブアームに偏差を
生じさせる内部モデルとして。

Ｍ、Δｉ＋ＤＨΔ＊＋に、Δｘ＝ｆ５　　　（２）を考
える。但し、 Ｍｌ　：仮想質量 ＤＮ　＝仮想粘性定数 Ｋｉ　：仮想弾性定数 ΔＸ　＝Ｘ　ＨＸ　ｖ これら２式を整理して、マスクおよびスレーブの仮想力
学モデルは、 と表わされる。但し、 Ｉ　２ｎは２ｎＸ２ｎの単位行列であり、一方、マニピ
ュレータの遅動方程式は、一般にτ＝Ｍ（θ）ｇ＋ｆ（
θ、白）＋τＦ（４）と表わされる。但し、 τは関節駆動トルク、 θは関節座標で表わした角度、 Ｍ（θ）は慣性行列、 ｆ（θ、白）はコリオリカ及び慣性力、τＦはマニピュ
レータが受ける重力等を表わす。

一方、作業座標系のＸと関節座標系の８との関係は、一
般に非線形な関数 ｘ＝Ｔ　（θ） で表わされ、これを時間ｔについて奈分すると、ｉ＝Ｊ
白　　　　　　　　　　　　　　　（５）ｉ＝ｊ白＋Ｊ
υ　　　　　　　　　　　（８）となる、ここで、Ｊは で定義されるｎＸｎ行列で、ヤコビ行列と呼ばれる０通
常、ロボットの作業空間内ではヤコビ行列の逆行列Ｊ−
１が存在するから、　（５）、　（８）式はそれぞれ 白＝Ｊ−１ｉｃ　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　（７）υ＝Ｊ−１（ｉ−ｊ合）（８） と変形できる。従って１作業座標系でのマニピュレータ
の軌道の加速度ｋが与えられれば、そのときの関節座標
θとその速度白を用いて関節座標での望ましい加速度Ｏ
を計算することができる。そして、この望ましい加速度
Ｏが関節で発生するような入力トルクτは、マニピュレ
ータの動特性を表わす式（４）を用いて計算できる。

かくして、マニピュレータを作業座標系で制御すること
は１作業座標系での加速度兄を求めることになり、これ
は なるシステムへの入力Ｕを求める問題と考えることがで
きる。これをマスクとスレーブに拡張し、それぞれを添
え字ｍ、ｓで表わすと、 を得る。但し、 次に、式（３）で表わされる仮想力学モデルにおけるマ
ニピュレータの軌道（位置）ｘｖｉと実際の軌道（位１
１）ｘｍｓとの誤差を ｅ　＝　ｘ：ｖｉ　−ｘｍｓ　　　　　　　　　　　　
（１１）とすれば、　（３）および（ｌＯ）式から但し
、 ｕ＠　＝　ｕ＠５−ｉｖｉ ＝　ｕｍｓ−（Ｋ１　ｘｖｉ＋に２　交ｖｉ＋Ｇｕｖｉ
）と表わされる誤差システムが得られる。

前述のサーボ制御系１４は、この誤差システムを安定化
させるｕｅを生ずるようにＷＩ＆される。

そのようなｕｅは、例えば次式で与えられる。

第２図は、上記の（３）式で表わされる仮想力学モデル
の演算部１３と、（１３）式で表わされるＵｅを生ずる
サーボ制御系１４と、（ｌＯ）式のｕｗａｓを入力とす
る線形化されたマスタスレーブアームＭ。

Ｓとで構成されるシステムのブロック線図である。

次に、第３図は第１の発明の構成例を示す図である。こ
れは、第１図の基本構成において、仮想力学モデル演算
部１３からマスク、スレーブ各々のサーボ制御系１４へ
の変位指令Ｘを同一（ｘ＝ｘＨ＝ｘｓ）　　としたもの
である。

第３図のマスタスレーブマニピュレータにおいて、マス
タアームＭ及びスレーブアームＳは、例えば第８図に示
すような垂直多関節型ロボットで構成され、各関節はサ
ーボモータによって駆動される。また、各関節の角度位
置ｏＭ、ｏｓ及び角速度ＯＭ＋Ｏｓがそれぞれ位置検出
器Ｍｌｌ、　Ｓｌｌ及び速度検出器Ｍ２１．３２１によ
って検出される一方、マスタアームＭ及びスレーブアー
ムＳの各先端部に取り付けられた力検出器Ｍ１２，５１
２により各アームＭ、Ｓに加えられた力が検出されるよ
うになっている。

各力検出器Ｍ１２、Ｓ１２からの出力は、アーム先端の
座標系（例えば第８図のｘｗ、ｙｗ、２ｗ）で表現され
た値であるため、これを力座標変換演算部Ｍ１５．５１
５によりマニピュレータの基準直交座標系（例えば第８
図のＸｏ、ｙｏ、ｚｏ）に変換して、仮想力学モデル演
算部１３に入力するようにしている。

仮想力学モデル演算部１３では、これらの変換された外
力ｆＭ＋ｆｓの値を入力とし、マスタアームＭ及びスレ
ーブアームＳの先端が移動すべき軌道Ｘをマニピュレー
タの基準直交座標系で表現された値で出力する。

その出力Ｘは１位置座標変換演算部１６により各関節の
角度０に変換されてマスク及びスレーブのサーボ制御系
Ｍ１４．　Ｓｉ２に与えられる。

サーボ制御系Ｍ１４．　Ｓ１４は、それぞれ、位置座標
変換演算部１６からの角度信号θと位置検出器Ｍｌｌ、
　Ｓｌｌからの角度フィードバック信号θ閾。

Ｏ５との偏差θ−θＭ＋０　０５を求める減算器Ｍｌ？
、Ｓ１７と、その角度偏差を入力する位置制御補償器Ｍ
１８．３１８と、位置制御補償器Ｍ１８．８１８からの
出力を増幅して各アームの７クチユエータに供給するサ
ーボアンプＭ１９．３１９とで構成されるが、ここでは
更に、速度検出器Ｍ２１．３２１からの角速度フィード
バック信号ＯＭ＊ｆ）ｓが位置制御補償器Ｍ１８．３１
８に入力されるようになっている。なお、速度検出器と
しては、例えばタコジェネレータが用いられる。

第４図は、仮想力学モデル演算部１３における仮想力学
モデルの一例を示す、この仮想力学モデルは、仮想質量
Ｍと仮想粘性りと仮想弾性定数にとで構成され、外力Δ
ｆが加えられたときの変位をＸとすれば１次式で表わさ
れる。

Ｍ　ｘ　＋　Ｄ　交＋　Ｋ　ｘ　＝Δｆ　　　　　　　
（１４）これは、変位Ｘが入力Δｆに対する質量Ｍ、ダ
ンパ定数り及びバネ定数Ｋから成る機械系の出力として
生成されることを意味する。

ここで。

Δｆ　＝　ｆＭ＋　ｆｓ　　　　　　　　　　　　　　
（１５）とすれば前掲の（１）式と同様になり、第３図
の仮想力学モデル演算部１３への入力ｆ　Ｍ　＊　ｆ　
Ｓに応じて、マスタアームＭ及びスレーブアームＳの先
端が移動すべき軌道（位１１）　Ｘが出力される。

第４図に示された仮想力学モデルによる仮想力学モデル
演算部１３は、上記（１４）式を次のように変形するこ
とにより、第５図のブロック線図で示すように構成され
る。

すなわち、入力Δｆはマスタアームに加えられた力ｆＭ
とスレーブアームに加えられた力ｆｓとの和であり、こ
れに粘性抵抗によるフィードバラ位Ｘが演算される。な
お、仮想力学モデル演算部１３からの出力は、上記仮想
力学モデルの出力Ｘにアームの初期位２１ｘｏを加えた
ものである。

次に、第６図は仮想力学モデルの別の例を示す。

この仮想力学モデルは、仮想質量Ｍと仮想粘性りとで構
成されるもので、外力Δｆが加えられたときの変位をＸ
とすれば、次式で表わされる。

Ｍ　’ｉ　＋　Ｄ　Ｍ　＝Δｆ＝ｆｘ＋ｆｓ　　　　（
１７）すなわち 従って、この場合の仮想力学モデル演算部１３は、第７
図のブロック線図で示すように構成される。

このような第１の発明に係るマスタスレーブマニピュレ
ータによれば、マスタアームからスレーブアームへの力
の伝達特性等を予め格納した仮想力学モデル演算部から
各アームの望ましい変位を与えるようにしたので、マス
クとスレーブ間にフレキシビリティを持たせ、例えば不
測の衝撃力を受けた場合等には、その力を両アームに吸
収させることができる。また、スレーブ側の力検出信号
を仮想力学モデルの入力としたことにより、スレーブ側
の受けた力をマスク側に合理的に伝達することができ、
各アームの無理な動作をなくして操作性を向上させるこ
とができる。

次に、第９図は第２の発明の構成例を示す、これは、第
１図の基本構成において仮想力学モデル＞すｈＮ１！ｌ
ｕ４６４−　−−ｆｍ−ｐ−ｈ　ＩＴＩＭノｒ；　ｉｌ
　−ｈ　８　工＋？　１１゜演算部Ｍ１３とスレーブア
ーム用の仮想力学モデル演算部５１３とで構成し、マス
タアーム用の仮想力学モデル演算部Ｍ１３には、マスタ
アームＭに加えられた力及びスレーブアームＳに加えら
れた力を入力し、スレーブアーム用の仮想力学モデル演
算部３１３には、スレーブアームＳに加えられた力とマ
スタアーム用の仮想力学モデル演算部Ｍ１３で演算され
た変位とを入力するようにしたものであり、マスク及び
スレーブの仮想力学モデル演算部Ｍ１３及び５１３では
、それぞれ変換されて入力された力の値ｆＭｓｆｓに応
じて、マスタアームＭ、スレーブアームＳの先端が移動
すべき軌道ＸＭ、Ｘｓをマニピュレータの基準直交座標
系で表現された値で出力する。そして、各出力ｘＨ１ｘ
５は、それぞれ対応する位置座標変換演算部Ｍ１８．５
１８により各関節の角度ＯＮ、Ｏ３に変換され、マスク
及びスレーブのサーボ制御系Ｍ１４．５１４に与えられ
る。

なお、サーボ制御系Ｍ１４．３１４を含む他の構成は、
第３図に示されたマスタスレーブマニピュレータと同様
である。

第１０図は、第９図に示された仮想力学モデル演算ｆｉ
Ｍ１３及びＳ１３の構成を示すブロック線図である。こ
の場合、マスタアーム用の仮想力学モデルは、仮想質量
ＭＭと仮想粘性ＤＭと仮想弾性定数ＫＭとで構成され、
第５図と同様に Ｍｓ　ｘＩＩＩ＋Ｄｐ４　交ｍ　＋ＫＭＸｍ＝Δｆ＝　
ｆＭ＋　ｆｓ　　　　　　　　　　　　　　　（１９）
すなわち と表わされ、マスク仮想力学モデル演算部Ｍ１３への入
力ｆｓ＋ｆｓに応じて、マスタアームＭの先端が移動す
べき軌道ｘＭ＝ｘｍ＋ｘＭｏが出力される。

一方、スレーブアーム用の仮想力学モデルは、スレーブ
アームＳに偏差を生じさせる内部モデルを示す前掲の（
２）式より ＭｓΔｘ＋ＤｓΔ”ｘ＋ＫｓＡｘ＝　ｆＨ（２１）但し
。

Ｍｓ　：仮想質量 Ｄｓ　：仮想粘性定数 Ｋｓ：仮想弾性定数 Δｘ＝ｘｎ−ｘ、。

で表わされる。そして、スレーブ仮想力学モデノい演算
部５１３では、入力ｆｓに応じて上記内部モデルの出力
ΔＸが演算され、マスタアームＭの先端が移動すべき軌
道Ｘｓ　＝Ｘ１１　＋ＸＳＯが出力される。

このような第２の発明に係るマスタスレーブマニピュレ
ータによれば、マスク及びスレーブの各アームに別個の
動作特性を与えることで１例えばスレーブアームが何ら
かの障害物に触れたとき。

マスタアームではマニュアル操作を！Ｉ続していても、
スレーブアームはその障害物を回避しながらマスタアー
ムに追従するように動作を修正することができる。また
、スレーブが検出した力に従ってマスクとスレーブの間
に選択的に偏差を生じさせる内部モデルを付加したこと
により、スレーブにコンプライアンス機能を持たせて、
スレーブが衝撃力等を受けた際に操作者に不快な操作感
が伝わるのを阻止すると共に、マスク何で指示しきれな
い高度な作業を、作業対象から受ける反力を利用しなが
ら容易に行なえるようにしている。

次に、第１１図は第３の発明の構成例を示す。

これは、第１図の基本構成における仮想力学モデル演算
部１３からの出力として、変位Ｘだけでなく速度士と加
速度蔓も生じさせるようにしたものであり、仮想力学モ
デル演算部１３では、それぞれ変換されて入力された力
ｆＭ、ｆＳに応じて、マスタアームＭとスレーブアーム
Ｓの先端が移動すべき軌道Ｘのほか、速度ｋ及び加速度
薫をマニピュレータの基準直交座標系で表現された値で
出力する。そして、これらの出力は、マスクとスレーブ
の各アームＭ、Ｓを移動させる位置、速度及び加速度の
データＸＭ、ｉＭ、；ｉＭ、Ｘｓ、ｉ５　。

ｉｓとして、サーボ制御系Ｍ１４．　Ｓ１４の位ご制御
補償器Ｍ１８．５１８に与えられる。また、位置制御補
償器Ｍ１８．　Ｓ１８には、位置検出器Ｍｌｌ、　Ｓｌ
ｌ及び速度検出器Ｍ２１．３２１の出力ＯＭ、θＳ及び
ＯＭ＋Ｏｓも入力きれる。

ｉｌ１図に示されたマスク及びスレーブの位置制御補償
器Ｍ１８．３１８は、位を検出器Ｍｌｌ、　３１１と速
度検出器Ｍ’ｌ、Ｓ２１の出力をそれぞれ各アーム先端
の座標系でのデータＸｆｓ、ｘ（、とＸｆＭ。

交ｆｓに変換する位置座標変換病Ｂ部Ｍ３１．５３１と
速度座標変換演算部Ｍ３２．　Ｓ３２とを備えている。

位置座標変換演算部Ｍ３１．　Ｓ３１からの位はデータ
Ｘ　ｆＭ＊　Ｘ　ｆｓは、引算器Ｍ３３．　Ｓ３３によ
り、仮想力学モデル演算部１３からの位置入力Ｘ　Ｍ　
＋　Ｘ　Ｓから引算され、両者の偏差が伝達関数要素Ｍ
３４゜Ｓ３４に入力される。この伝達関数要素Ｍ３４．
３３４は、ａ分補償の機能を有する。

速度座標変換演算部Ｍ３２．　Ｓ３２からの速度データ
ンｆＭｔ　畏ｆｓも同様に、引算器Ｍ３５．　Ｓ３５に
より仮想力学モデル演算部１３からの速度入力ＸＭ＋交
Ｓから引算され、両者の偏差が伝達関数要素Ｍ３Ｂ、　
３３１１に入力される。

上記仮想力学モデル演算部１３からの加速度入力Ｘ　Ｍ
　＋　Ｘ　Ｓと、伝達関数要素Ｍ３４．３３４及びＭ２
Ｏ，５３Ｂからの偏差データは、加算塁Ｍ３？、　３３
？。

により加算され、それらの和が各アームに対する加速度
指令にとなるが、これは基準直交座標系の値で表わされ
ているため、加速度座標変換演算部Ｍ３８．３３８によ
り各関節の角加速度６に変換されて非線形補償演算部Ｍ
３９．３３９に入力される。

非線形補償演算部Ｍ３９．　Ｓ３９では、前掲の（０式
に含まれる重力、慣性力、コリオリカ等の非線形要素の
補償演算を行ない、各関節軸のトルクτＨ１τＳを出力
する。

第１２図は、第１１図に示された仮想力学モデル演算部
１３の構成を示すブロック線図である。

これはｆ５５図と同様であるが、出力として速度交と加
速度にも取り出されるようになっている。

このような第３の発明に係るマスタスレーブマニピュレ
ータによれば、仮想力学モデルの演算部から速度と加速
度の指令（ｉを取り出し１位置の指令とは別に補償する
ことで、例えばマスタアームのクイック動作や加減速動
作にスレーブアームを忠実に追従させることができる。

［発明の効果］ 以上のように、本発明は、マスタスレーブマニピュレー
タのアームが直面し得る種々の状態に対し望ましい動作
を決める仮想力学モデルを想定し、モデル追従形サーボ
制御系を用いて、各アームがその仮想力学モデルに追従
するように制御するものであり、仮想力学モデルへの入
力として、操作者によりマスクに加えられたカと、スレ
ーブが物に触れて検出した力とを与えることにより、全
体としてパイラテラルサーボ系を有するマスタスレーブ
マニピュレータを構成し、スレーブアームに衝撃吸収、
コンプライアンス機能及びフェールセーフ機能等を与え
る一方、マスク側では操作感を向上させるという効果を
奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本概念を示す図、 第２図は第１図のシステムの構成例を示すブロック線図
。 第３図は第１の発明の構成例を示す図、第４図は仮想力
学モデルの一例を示す図、第５図は第４図の仮想力学モ
デル演算を示すブロック線図、 ｉ６図は仮想力学モデルの別の例を示す図、第７図は第
６図の仮想力学モデル演算を示すブロック線図、 第８図はマスタスレーブマニピュレータを構成する垂直
多関節型ロボットの例を示す図、第９図は第２の発明の
構成例を示す図、第１θ図は第９図の仮想力学モデル演
算部のブロック線図、 第１１図は第３の発明の構成例を示す図、第１２図は第
１１図の仮想力学モデル演３Ｉ部のブロック線図。 第１３図は従来のマスタスレーブマニピュレータの制御
方式を示す図である。 Ｍ−一一一マスタアーム、 ５−−−−スレーブアーム、 １１−−−一位置検出塁。 １２−一−−力検出器、 １３−−−一仮想力学モデル演算部、 １４−−−−サーボ制御系、 １５−一−−力座標変換演算部、 １６−−−−位置座標変換演算部、 ＭｌＢ、　３１８−−−一位置制御補償器、Ｍｌ！３．
５１９−−−−サーボアンプ、Ｍ２１．５２１−−−一
速度検出器。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）マスタアームとスレーブアームとの間に力感覚の
   伝達機能を有するマスタスレーブマニピュレータにおい
   て、 前記マスタアーム及びスレーブアームの各々に加えられ
   る力を検出する力検出器と、 該力検出器により検出された力を入力とし、該入力に応
   じた前記マスタアーム及びスレーブアームの変位を出力
   とするように予め定めた仮想力学モデルに従って演算す
   る仮想力学モデル演算部と、該仮想力学モデル演算部か
   らの出力を指令値として前記マスタアーム及びスレーブ
   アームを制御するサーボ制御系と を備えたことを特徴とするマスタスレーブマニピュレー
   タ。
2. （２）マスタアームとスレーブアームとの間に力感覚の
   伝達機能を有するマスタスレーブマニピュレータにおい
   て、 前記マスタアーム及びスレーブアームの各々に加えられ
   る力を検出する力検出器と、 前記マスタアームに加えられた力及び前記スレーブアー
   ムに加えられた力を入力とし、該入力に応じた前記マス
   タアームの変位を出力とするように予め定めたマスタ仮
   想力学モデルに従って演算するマスタ仮想力学モデル演
   算部と、 前記スレーブアームに加えられた力及び前記マスタ仮想
   力学モデル演算部からの変位を入力とし、該入力に応じ
   た前記スレーブアームの変位を出力とするように予め定
   めたスレーブ仮想力学モデルに従って演算するスレーブ
   仮想力学モデル演算部と、 前記マスタ仮想力学モデル演算部及び前記スレーブ仮想
   力学モデル演算部からの出力を指令値として前記マスタ
   アーム及びスレーブアームを制御するサーボ制御系と を備えたことを特徴とするマスタスレーブマニピュレー
   タ。
3. （３）マスタアームとスレーブアームとの間に力感覚の
   伝達機能を有するマスタスレーブマニピュレータにおい
   て、 前記マスタアーム及びスレーブアームの各々に加えられ
   る力を検出する力検出器と、 該力検出器により検出された力を入力とし、該入力に応
   じた前記マスタアーム及びスレーブアームの位置、速度
   及び加速度を出力とするように予め定めた仮想力学モデ
   ルに従って演算する仮想力学モデル演算部と、 前記マスタアーム及びスレーブアームの各々の位置を検
   出する位置検出器と、 前記マスタアーム及びスレーブアームの各々の速度を検
   出する速度検出器と、 前記仮想力学モデル演算部、前記位置検出器及び前記速
   度検出器からの出力に基づいて前記マスタアーム及びス
   レーブアームを制御するサーボ制御系と を備えたことを特徴とするマスタスレーブマニピュレー
   タ。