JPS6274585A - マニピユレ−タ・マスタ−の制御方式 - 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】 Ａ、産業上の利用分野 本発明は力帰還形バイラテラル制御のマスター・スレー
ブ形マニピュレータのマスターを制御する方式に関し、
操縦者の希望に応じて、手首部、肩部、肩部等の所望の
関節の操作抵抗を軽くあるいは重く調整可能とするもの
である。

Ｂ０発明の概要 本発明は力帰還形バイラテラル制御のマスター゛スレー
ブ形マニピュレータのマスターにおいて、 マスターの所定の関節毎に、マスター側とスレーブ側の
力検出器出力の比較点に至る前に、操縦者の希望する操
作形態に応じてマスター側力検出式の出力を増減可能と
することにより、 操縦者の希望する操作形態に応じてマスターの所定の関
節の操作抵抗を軽くあるいは重く調整し、操作し易くす
る制御方式である。

Ｃ０従来の技術 マスター・スレーブ形サーボマニピュレー夕においては
、マスターの操作を手先グリップ部のみで行うのが、オ
ペレータ（ｔ！　８者）として都合良い。このような用
途のマニピュレータ・マスターの例を第２図に示す。第
２図において、２１は手先グリップ部、２２は手首部の
関節、２３は肩部の関節、２４は肩部の関節である。

がなるへく軽くなるように、マスター側各部関節の力検
出器からの帰！ｘ社が定められている。

Ｄ０発明が解決しようとする問題点 そのため、かえって、手先グリップ部２１から離れてい
る肩部の関節２３や肩部の関節２４が操縦者２８の思い
のままに操作することができなかった。例えば、 ■　マスターの手首だけを曲げるという操作形態を操縦
者が希望しても、手先からのモーメン１−により、しば
しば肩部とか肩部の関節２３，２４が不用意に作動して
しまう。

■　逆に、マスターの手首を殆ど固定姿勢に保ったまま
、肩部や肩部の関節２３，２４を選択的に操作するとい
う操作形態を操縦者が希望しても、前述した如く通常は
軽い操作抵抗で作動することが求められていることから
、低い操作抵抗で動く手首が先に動いてしまう。

上述した不都合をなくすには各関節の操作抵抗が操縦者
の希望する上記■、■等の操作形態に応じて切替わるよ
うにマスターを制唾すれば良いが、今まで適当な制御方
式が確立されていない。

本発明は上述した従来技術に鑑み、操縦者の希望する操
作形態に応じてマニピュレータ・マスターの所要の関節
の操作抵抗が軽くあるいは重く調整することができる制
御方式を提供することを目的とする。

Ｅ０問題点を解決するための手段 上述した目的を達成する本発明によるマニピュレータ・
マスターの制御方式は、力帰還形バイラテラル制御のマ
スター゛スレーブ形マニピュレータのマスターにおいて
、マスターの所定の関節毎に、マスター側とスレーブ側
の力検出器出力の比較点に至る前に、操縦者の希望する
操作形態に応じてマスター側力検出器の出力を増減可能
とした制御方式である。

Ｆ０作　用 マスター側力検出器の出力を、スレーブ側力検出器の出
力と比較する的に増加すると、関節の操作抵抗が軽くな
る。逆にマスター側力検出器の出力を、スレーブ側力検
出器の出力と比較する前に減少させると、関節の操作抵
抗が重くなる。そこでマスターの所定の関節毎に、マス
ター側とスレーブ側の力検出器出力の比較点に至る前に
、操縦者の希望する操作形態に応じてマスター側力検出
器の出力を増減可能とすることにより、操縦者の希望す
る操作形態に応じてマスターの対応する関節の操作抵抗
が軽くあるいは重りｙＡ整され、操作し易くなる。

Ｇ、実施例 第１図〜第３図を参照して、本発明の一実施例を説明す
る。第１図は本発明による制御方式のブロック図であり
、力帰還形バイラテラル制御の１つの関節分を示してい
る。第２図は本発明の制御方式を適用するマニピュレー
タ・マスターの一例の外観図である。第３図は操縦者が
希望する操作形態を判定するために必要なセンサーの一
例を示す手先グリップ部の平面図である。

まず、第２図に例示したマニピュレータ・マスターを説
明すると、これは人間の腕部の自由度に近い５〜８関節
を有する多関節形マスターである。手首部関節２２はし
ばしば２〜３の自由度をもち、封部関節２３と肩部関節
２４は多くの場合１〜２の自由度をもつ。

本発明の制御方式はこの種のマスターの手先グリップ部
２１を操作する場合に、手首部関節２２）封部関節２３
及び肩部関節２４などの関節のうち、操縦者２８が希望
する操作形態に基づき対応する関節の操作抵抗を軽くあ
るいは重く調整するものである。なお、マスターには、
力感覚のフィードバックを操縦者２８に伝えるために、
モータ等のトルク発生機が各部分２５〜２７において必
要な関節数分収容されている。

マスター側の関節とこれに対応するスレーブ側関節は、
第１図に示すように、力帰還形バイラテラル制御によっ
て関係づけられている。第１図において、１の信号発生
器Ｓと、２の変換器Ｃとが本発明の制御方式を実現する
具体的な°要素の例である。詳細は後述するが、信号発
生ＩＩ（３１１は操縦者が希望する操作形態が何である
かを判定するのに必要な条件信号１ａを発生するもので
ある。また変換器（Ｃ）２は信号発生ｕ　（Ｓ）からの
条件信号１ａに基づいて操縦者が希望する操作形態が何
であるかを判定し、判定結果に基づいて、マスター側力
検出器（ＭＦ）３の出力信号３ａを増減させてスレーブ
側力検出９（ＳＦ）４の出力４ａとの比較点Ｆに与えろ
ものである。第１図の他の要素、即ちマスター側モータ
（ＭＭ）５　（減速機を含むこともある）、マスター側
力検出器（ＭＦ）３、マスター側位置検出藩（ＭＰ）６
、スレーブ側モータ　（ＳＭ）７（減速機を含むことも
ある）、スレーブ側力検出器（ＳＦ）４、スレーブ側位
置検出器（ＳＰ）８、力比較点Ｆ１位置比較点Ｐ１マス
ター側モータ用ドライバ（ＭＤ）９及びスレーブ側モー
タ用ドライバ（ＳＤ）１０で構成されているものは公知
の力帰還形バイラテラル制御系である。この他に多少の
マイナーループを有するものもあるが、第１図では基本
形のみ示している。なお、第１図中、１１はマスター側
のハンドルなどの入力部、１２はスレーブ側のアームな
どの出力部である。

第１図の制御系において、マスター側ハンドル１１に操
縦者がＨｏなる操作力を加えると、マスター側力検出器
（ＭＦ）３から信号３ａが出て変換器ｆｃ）　２に入る
。

合成りに変換器（ｃ１２に変換機能がなく、従来通りマ
スター側力検出器（ＭＦ）３の出力信号３ａがそのまま
力比較点Ｆに入るものとする。すると、スレーブが無負
荷であれば、スレーブ側力検出器（ＳＦＩ４からの出力
４ａがないので、マスター側力検出器（ＭＦ）３の出力
信号３ａのみによってマスター側モータ用ドライバ（Ｍ
Ｄ）９が作動し、これによりマスター側モータ　（ＭＭ
）５が駆動される。

その結果、マスター側関節が作動してその位置検出＠　
（ＭＰ）６の信号６ａによりスレーブ側モータ用ドライ
バ（ＳＤ）１０が作動し、これによりスレーブ側モータ
　（ＳＭ）７が駆動されてその位置検出器（ＳＰ）８か
ら信号８ａが出てＰ点で比較され、マスター側に姿勢が
一致するようにスレーブ側が必要なだけ従動する。その
後スレーブ側が何か対象物に作用すると、その反力Ｈ３
がスレーブのアーム１２に発生する。但し、Ｈｌ、ｌと
Ｈ９は信号の正・負が逆である。この反力Ｈ５をスレー
ブ側力検出器（ＳＦ）４が発信し、その出力信号４ａが
マスター側力検出器（ＭＦ）３の出力信号３ａと、Ｆ点
で比較される。このとき、マスター側力検出器（ＭＦ）
３の出力信号３ａよりもスレーブ側力検出１（ＳＦ）４
からの逆方向の出力信号４ａの方が大きくなれば、マス
ター側モータ用ドライバ（ＭＤ）９は逆方向の駆動をマ
スター側モータ（ＭＭ）５に与又、操縦者に反力として
検知させる。

次に、信号発生器（Ｓ）１と、操作形態の判定結果によ
りマスター側力検出ｕ（ＭＦ）３からの信号３ａを増減
する変換器（Ｃｌ　２について説明する。

まず、イ＝号発生器（Ｓ）１からの条件信号１ａが変換
器（（Ｅ）２に入らないときは、変換器（Ｃ１２ば「入
力−出力」として、マスター側力検出器（ＭＦＩ　　３
の出力信号３ａをそのまま自分の出力２ａとする。即ち
、従来通りである。

信号発生器（Ｓ）１から条件信号１ａが変換器（Ｃ）　
２に入ったときは、変換器（Ｃ）　２は後述する例の如
く条件判断して操縦者の希望する操作形態を判定し、判
定結果に従ってマスター側力検出器（ＭＦ）３の出力３
ａを増加あるいは減少させた信号２ａを力比較点Ｆに出
力する。但し、Ｆ点で比較を行うには、マスター側とス
レーブ側の両刀検出器ＭＦ、ＳＦの検出特性の相違、並
びにマスター側とスレーブ側の再出力・特性の相違など
の分を補正する必要があるが、これは図示していないが
公知の通り適宜なゲイン調整により補正される。

第３図を参照して操縦者が希望する操作形態の判定、そ
れによる操作抵抗の調整の具体例を説明する。第３図は
マスターの手先グリップ部２１の周辺を詳細に示したも
のであり、＋１１者が手３０で握る部分の周囲に信号発
生器として複数個のスイッチが配置されている。

図ではスイッチはＳ、、　Ｓ２．　Ｓ、の３個であるが
、これに限定されるものではな（、代表例である。そし
て、操縦者がマスターを操作するとき、その手３０が適
宜これらのスイッチＳ、、　Ｓ２゜Ｓを作動させるので
、最も直感的な操作ができるようにこれらのスイッチＳ
、、　Ｓ２．　Ｓ、の作動組合せと操作形態とを対応づ
けて設定しである。その設定例を表１に示す。

表１ 例えばスイッチＳ□、　Ｓ２．　Ｓ３が全部ＯＦＦのと
き（１１は、操縦者が手先グリップ部２１から手３０を
離した場合であるから、マスターの制御をＯＦＦとして
勝手に作動しないように条件設定する（デマンドスイッ
チ）。

次に、操縦者が手先グリップ部２１の全周を手３０で握
り込めばスイッチＳ、、　Ｓ２．　Ｓ３がＯＮになるよ
うに設定しておき（■　）、そのときはスレーブの指部
を閉動作させることとすれば、直感的なマスター操作を
することができる。なお、スレーブの指部を開く方向に
動かすには、別途の指令スイッチ等によれば良い。

表１には、Ｓ、、　Ｓ２．　Ｓ３のうちいずれかのスイ
ッチがＯＮになる組合せが全て含まれており、各組合せ
に対し表１に例示するような制御モードの使い分けをす
る。即ち、変換器（Ｃ１２は表１のような判定基準をも
っていて、信号発生器（Ｓ）１からスイッチ信号を入力
すると、スイッチＯＮ１０　Ｆ　Ｆの組合せに応じて所
要の関節の操作抵抗を調整すべく、マスター側力検出器
（ＭＦ）３の出力信号３ａを増減する。

スイッチｓ、、　ｓ２．　ｓ３のＯＮ１０　Ｆ　Ｆの組
合せと制御モードとの定義づけは表１に限定されるもの
ではな（、使い易い定義に適宜拡張すれば良い。もっと
も基本的には、 ■　ＰＩＩ！ａｔ者の手首の反対側にあるスイッチＳ。

がＯＮのときは、封部から肩部の関節を軽動作とし、手
首部の関節はこれらより相対的に若干重い操作抵抗に制
御すること、■　逆に同スイッチ８つがＯＦＦのときは
、他のスイッチＳ、、　Ｓ２のいずれかがＯＮになって
いれば、手首部の関節を軽動作とし、封部から肩部の関
節は相対的に手首部よりも重い操作抵抗に制御すること
、 によって操縦者にとって直感的な操作がし易いといえる
。

ここで第１図の制御系におけろ操作抵抗増減の動作を説
明する。第３図のスイッチＳｌ。

Ｓ２．　Ｓ、のような信号発生器（Ｓ）１の信号１ａに
基づいてマスター側の操作抵抗を増すためには、変換器
（Ｃ５２が信号発生器（Ｓ）１からの信号１ａを条件判
定し、予め定めである操作抵抗を増すモードであること
と判断した場合に、マスター側力検出器（ＭＦ）３の出
力信号３．Ｌを適宜設定した比率で減率させ、減率した
信号２ａを力比軟点Ｆに出力する。このような制御が手
首部、肩部、肩部のそれぞれの関節毎に行われる。操作
抵抗を減らす場合も、変換器（Ｃ１２が信号発生器（Ｓ
ｌｌからの信号１ａを条件判定し、予め定めである操作
抵抗を減らすモードであると判断した場合に、マスター
側力検出器（ＭＦ）３の出力信号３ａを適宜設定した比
率で増幅し、増幅した信号２ａを力比軟点Ｆに出力する
。これにより、全関節を軽（したり、重くしたり、ある
いは成る関節は軽く他の関節は重く作動させることがで
きろ。

変換器（Ｑ２による信号増減の幅はむやみに大きくはな
く、例えば前部関節を比較的軽く作動させるとか、逆に
手首部を軽くするか等、最適な幅に設定される。この最
適な幅はマスター側出力の定格によっても変化するので
、マニピュレータの設計毎に設定される。これに対し、
スレーブ側の力検出器（ＳＦ）４の出力は一般に十分大
きく、変換器ＩＱ　２により増減された信号によるマス
ターの反力発生には大きな影響を受けず、操縦者は常に
スレーブ側の反力を認識することができる。

なお、第３図について付言すると、各スイッチＳＬ、　
Ｓ２．　Ｓ、は必要に応じて個々にＯＮまたはＯＦＦに
固定することができるものの方が、作業により選択でき
るので望ましい。また、第３図では各スイッチＳ、、　
Ｓ２．　Ｓ３を手先グリップ部２１の円周上に配置した
が、特にこれに限定されず、例えば手先グリップ部２１
を握る手３０の各指の配置に合わせてスイッチを配置す
るものであっても良い。

いずれにしろスイッチＳ、、　Ｓ２．　Ｓ、を手先グリ
ップ部２１に配置することにより、操縦者は手先グリッ
プ部２１の握り方を変丸ろことによ　リ　、 ■　手首部関節ｚ２を軽く操作できるように制御して、
手先の姿勢主体とした操作形態を容易に行うことができ
るようにしたり、■　手首部関節２２の操作抵抗を増す
一方、肩部や肩部の関節２３，２４を軽く操作できるよ
うに制御して、手先の位置主体の操作形態を容易に行う
ことができるようにしたり、 ＠　マスター全関節を軽く操作できるようにしたり、 ■　安定性重視のため、逆にマスター全関節の操作抵抗
を重くしたり、 ■　操縦者が手３０を離したときは制御をＯＦＦとして
停止状態にする、 等の＃御を連続的に行うことができる。

１０発明の効果 本発明によれば、操縦者の希望に応じて関節の操作抵抗
が調整されるので、手先の姿勢主体の制御と手先の位置
主体の制御とを必要に応じて優先することが容易となり
、Ｉｉｋ縦者が希望する形態でマスターを操作すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明に関し、第１図は１つの間部分の制御プロ
・ンク図、第２図はマニピュレータ・マスターの一例の
外観図、第３図は手先グリップ部周辺の平面図である。 図面中、１は信号発生器ｆｓｌ、２は変換器（Ｑ、３は
マスター側力検出器（ＭＦ）　、４はスレーブ側力検出
１（ＳＦ）、２１は手先グリップ部、Ｓ、、　Ｓ２．　
Ｓ３はスイッチである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）力帰還形バイラテラル制御のマスター・スレーブ
   形マニピュレータのマスターにおいて、マスターの所定
   の関節毎に、マスター側と スレーブ側の力検出器出力の比較点に至る前に、操縦者
   の希望する操作形態に応じてマスター側力検出器の出力
   を増減可能としたマニピュレータ・マスターの制御方式
   。
2. （２）特許請求の範囲第１項において、操縦者の希望す
   る操作形態を、操縦者の指の動きに関連づけてマスター
   の手先グリップ部に配置したスイッチの入・切によって
   判定するマニピュレータ・マスターの制御方式。