JPS63267177A - 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、遠隔操作を行うことのできるマスタスレーブマニピュレータに関し、より詳細には、手首部の位置決め用の冗長軸を備えたマスタスレーブマニピュレータに関する。 【従来の技術】

悪環境下での作業や、危険物の取扱いあるいは直接人間
が入ることのできない挟小部での作業などを行う場合に
使用する操作形マニピュレータに、マスタスレーブマニ
ピュレータがある。これは、人間が直接操作するマスタ
マニピュレータと、作業を行うスレーブマニピュレータ
と、制御装置と、から構成され、作業者は安全な環境内
でマスタマニピュレータを操作し、悪環境下にあるスレ
ーブマニピュレータを運転して遠隔作業を行うものであ
る。 マスタスレーブマニピュレータは、通常６軸の多関節構
造をとり、ｌ軸が１つの自由度を持っている。このよう
なマニピュレータを用いて作業を行う場合、一般にアー
ムの３自由度でマニピュレータ手首部の位置決めを行い
、残りの３自由度で手首部の姿勢を決定する。なお、６
軸のマスタスレーブマニピュレータにおいては、通常、
第４軸。 第５軸と第６軸で手首部が構成される。

【発明が解決しようとする問題点】

マスタスレーブマニピュレータを使用する実際の作業環
境においては様々な障害物があり、これらを避けて作業
対象に接近する必要がある。しかしマニピュレータ手首
部の位置決め用の自由度が３以下である場合は、手首部
の位置を決定すれば必然的にマニピュレータアームの姿
勢が定まるため、特定の点を回避しつつ手首の位置決め
を行うことができない。 マスタマニピュレータとスレーブマニピュレータが同形
の関節構造を有するマスタスレーブマニピュレータは、
マスタマニピュレータの操作方法の違いによって２種類
に分けることができる。 第１の形式は、マスタマニピュレータを作業者の腕に装
着して作業者の腕とマスタマニピュレータのアームとを
同じ姿勢にすることによって操作を行うものである。こ
の形式のものは、作業者の腕の動きを正確にマスタマニ
ピュレータに伝えることができるという長所がある。さ
らに、この形式のマニピュレータにおいては、マニピュ
レータ手首部の位置決めのために冗長軸を設け、アーム
の自由度を４以上にした場合においても、マスタマニピ
ュレータは常に作業者の腕に装着されているため、その
アームの動きは常に作業者の腕によって拘束されている
。 したがってマスタマニピュレータアームの姿勢が不定と
なることもアームが自重で落下することもなく、アーム
の自由度が人間の腕の自由度を越えない限り、設けた冗
長軸が有効に動作し、障害物を回避しながら位置決めを
行うことができる。 しかしながら、作業者は常にマスクアームを腕に装着し
ているため、作業者の疲労度が大きくなるという短所が
ある。 第２の形式のものは、マスタマニピュレータを動作させ
るときのみ、手で把持して操作し位置決めを行うもので
ある。この形式のマスタスレーブマニピュレータは、マ
ニピュレータを動作さ＋　すい場合に、作業者がマスタ
マニピュレータから手を離すことができるため、作業者
の疲労度が小さくてすむという長所を有する。 しかし、第２の形式、つまり、マスタマニピュレータの
手首部を持って操作を行う形のマスタスレーブマニピュ
レータに、手首部の位置決めのための自由度を付加した
場合、手首部の位置、姿勢を固定してもアームの姿勢を
任意に変化させることができる。すなわち、操作を行う
際にマニピュレータアームの姿勢が不定となる。そして
、作用する重力のために、アームは位置エネルギが最小
となる姿勢をとるため、アームに４以上の自由度があっ
ても、そのままでは障害物を回避できる姿勢をとること
は不可能である。したがって、マスタマニピュレータの
手首部を持って操作を行う形式のマスタスレーブマニピ
ュレータは、単にアームの自由度を増すだけでは冗長軸
を付加できたことにはならない。 本発明は上記の点に鑑みてなされたものであって、手首
部の位置決めのための自由度が追加されながら操作性が
損なわれず、障害物を回避する機能が付与されたマスタ
スレーブマニピュレータを提供することを目的とする。

【問題点を解決するための手段】

上記目的を達成するために、本発明は、手首部を把持さ
れて操作されるマスタマニピュレータと、該マスタマニ
ピュレータと同形の構造を有し前記マスタマニピュレー
タが操作されて位置決めされるスレーブマニピュレータ
とを備えたマスタスレーブマニピュレータにおいて、 通常のマスクスレーブ方式によって操作される軸に加え
るに、前記マスタマニピュレータと前記スレーブマニピ
ュレータとのそれぞれ対応する部位に設けられた手首部
の位置決めのための冗長軸と、前記冗長軸に位置指令信
号を出力する位置指令信号発生器と、を備えさせた。

【作　用】

冗長軸はマスクスレーブ方式によらずにブツシュボタン
、ポテンショメータ、ジョイスティック等の位置指令信
号発生手段からの信号によって、マスタマニピュレータ
とスレーブマニピュレータとが同じ姿勢をとるように操
作され、アームが所定位置に移動した後は固定される。 次にマスタマニピュレータの手首部を人力で操作してス
レーブマニピュレータを操作すれば、冗長軸は固定され
て実質的には冗長性が無くなっているので、手首部の位
置から了−ムの姿勢が定められる。

【実施例】

本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する。第１
図は本発明に係る冗長軸を備えたマスタスレーブマニピ
ュレータの第１の実施例を説明するための概略構成図、
第２図は第１図のマスタスレーブマニピュレータの動作
を説明するための要部説明図、第３図は一般的なマスタ
スレーブマニピュレータの位置制御を説明するための制
御ブロック図、第４図は本発明に係る冗長軸を操作する
ための制御ブロック図、第５図は本発明に係る第２の実
施例を説明するための概略構成図、第６図は本発明に係
る第３の実施例を説明するための概略説明図、である。 なお、第１図、第２図、第５図及び第６図において、マ
スタスレーブマニピュレータは、マスタマニピュレータ
とスレーブマニピュレータとが同形構造をとるので、理
解を容易にするため、マスタマニピュレータ、スレーブ
マニピュレータのいずれか一方のみが示されている。 また、各図を通じて同一符号は同一または相当部を示す
。 第１図において、１はマニピュレータの第１軸、２Ｒは
同じく第２軸、３は同じく第３軸、４は同じく第４軸、
５は同じく第５軸、６は同じく第６軸、７は同じく第７
軸、８はハンド、９は手首部である。第１図のマスタス
レーブマニピュレータ１００は第１軸１、第２軸２Ｒ，
第３軸３、第４軸４、第５軸５、第７軸７からなる７自
由度のマニピュレータである。各軸のうち、第１軸１、
第２軸２）第３軸３および第４軸４はマニピュレータ１
００の手首部の位置決め用の軸であり、第５軸５、第６
軸６および第７軸７は、ハンド８すなわち作業工具等の
効果器の方向を決めるための軸である。 言い換えれば、第１軸ないし第４軸４の４個の軸でマニ
ピュレータ１００のアームが、第５軸５ないし第７軸７
の３個の軸で手首部９が、それぞれ構成されている。 本実施例においては、第２軸が冗長軸である。 なお、第１図ないし第６図において、冗長軸を符号ｒで
表示している。 第２図に第１図・のマニピュレータ１００の第２軸２Ｒ
の動作を第１図に矢印で示したＡの方向から見た様子を
示す。この第１実施例は障害物を水平方向に避けるため
に使用される。 冗長軸である第２軸２ｒを除く、第１軸ｌと第３軸３な
いし第７軸７の６個の軸は、通常のマスクスレーブ方式
によって操作の制御が行われる。 第３図は通常のマスタスレーブマニピュレータ方式の制
御ブロック図であるが、以下簡単のために位置制御ルー
プについて説明する。第３図において、Ｍは通常のマス
クスレーブ方式によって制御されるマスタマニピュレー
タの軸で、第１図に示した第１実施例においては、第２
軸２ｒを除く、第１軸１と第３軸３ないし第７軸７のマ
スタマニピュレータの６個の軸のいずれであってもよい
。 またＳは、軸Ｍに対応するスレーブマニピュレータ側の
軸、１０．１）はそれぞれマスク側、スレーブ側の位置
検出器、１２はスレーブ側増幅器、１３はスレーブ側の
アクチュエータ、１４は比較器である。 まず人力によってマスタマニピュレータの軸Ｍを動かす
と、マスク側位置検出器１０とスレーブ側位置検出器１
）の位置データには偏差が生じる。この偏差を比較器１
４で検出し、この比較器１４の出力をスレーブ側増幅器
１２によって増幅し、スレーブ側アクチュエータ１３を
運転し、スレーブマニピュレータの軸Ｓを動かすことが
できる。 このようにしてマスタマニピュレータを操作することに
よってスレーブマニピュレータを運転することができる
。 次に、本発明における冗長軸、第１の実施例では第２軸
、の操作を第４図の制御ブロック図を用いて説明する。 図において１）４ｒはマスタマニピュレータ側の冗長軸
、Ｓｒはマスタマニピュレータの冗長軸Ｍｒに対応する
スレーブマニピュレータ側の冗長軸、１５は位置指令信
号発生器、１６はスレーブ側の比較器、１７はマスク側
の比較器、１８はマスク側の増幅器、１９はマスク側の
アクチュエータである。なお、位置指令信号発生器１５
は、例えばブツシュボタン、ポテンショメータ、ジョイ
スティック等のマスクスレーブ方式によらずに位置指令
信号を発生するものである。 本発明においては、冗長軸であるマスタマニピュレータ
の軸Ｍｒと、これに対応するスレーブマニピュレータの
冗長軸Ｓｒとの間に主・従関係を持たしめない。そこで
、この１対の軸ＭｒとＳｒを動作させるためには、まず
位置指令信号発生器１５からマスク側とスレーブ側に対
し、同時に位置指令信号が出力される。マスク側では、
位置検出器１０によって検出した位置データと指令との
偏差を、比較器１７で検出し、この比較器１７の出力を
増幅器１８によって増幅して、アクチュエータ１９を運
転し、軸Ｍｒを動かす。同様にスレーブ側では位置検出
器１）によって検出した位置データと指令との偏差を、
比較器１６で検出し、この比較器１６の出力を増幅器１
２によって増幅し、アクチュエータ１３を運転し、スレ
ーブ側の軸Ｓｒを動かす。 このようにして冗長軸を、マスク側とスレーブ側とに対
して発信される同一の指令信号を使って、はぼ同時に同
じ姿勢になるように操作することができる。 第１の実施例である７自由度マニピュレータを使用して
障害物を回避しながらマニピュレータの手首部９の位置
決めを行うためには、第１軸１および第３軸３ないし第
７軸７の６個の軸と冗長軸である第２軸２ｒとを別に動
作させる。 前方にある障害物を回避するために、まず第１軸１、第
３軸３ないし第７軸７の６個の軸は動作させず、第２軸
２ｒのみを動作させる。第２図に示すように、マニピュ
レータ第３軸３以後の動作方向を変化させ障害物との干
渉をさけられる位置で停止させる。その後に、マスタマ
ニピュレータの手首部９を人力によって動かし、位置決
めを行う。この時点では、冗長軸２ｒは固定されている
ため、動作中のマニピュレータはマスク、スレーブの双
方とも６自由度であり、手首部９の位置から一義的にア
ームの姿勢が定まる。 この２つの動作を繰返すことにより、障害物を回避しつ
つ目的とする位置にマニピュレータのハンド８を接近さ
せて作業を行うことができる。 なお、第１図と第２図に示した本発明の第１の実施例で
は、第２番目の軸を冗長軸としたものであるが、この場
合、冗長軸２ｒを９０°傾けたところで固定すると、マ
ニピュレータの手首部９位置決めをするための自由度の
うち垂直方向の自由度が消失する。 ここで、第５図に本発明の第２の実施例である７自由度
マニピュレータを示す。この第２の実施例ではマスタマ
ニピュレータ２００は冗長軸として、第３番目の軸が、
第２軸と直角方向の曲げの自由度を持つ冗長軸となって
いる。この第３軸３ｒは、第１の実施例における第２軸
２ｒと同様の方法で運転される。第２の実施例の関節構
造をもってすれば、冗長軸３ｒを固定した場合において
もマニピュレータ手首部９の位置決めのための３自由度
が失われることがなくなる。しかし、第４軸４の方向を
水平方向に変化させるのみである。また、冗長軸３ｒを
動かす場合の動作領域が第１の実施例より狭くなる。 次に、第６図に第３の実施例の７自由度マニピュレータ
の関節構造を示す。この実施例では、マスタスレーブマ
ニピュレータ３００は第３番目の軸が回転自由度を持つ
冗長軸となっている。この場合は、第４軸４を垂直方向
と水平の両方に変化させることができる点で第２の実施
例よりすぐれている。しかし、第４軸４をまっすぐのば
している時は、手首部９の位置決めのための冗長軸とし
ての働きが失われ・る。 なお、第５図と第６図のマスタスレーブマニピュレータ
２００．３００は、いずれも第１図と同様に、第１軸な
いし第４軸でアームが、第５軸ないし第７軸で手首部９
が、それぞれ構成されている。 以上、３種類の実施例について説明したが、この他にも
マニピュレータの関節構成によって多くの実施例があり
、これらは、それぞれその関節構成特有の長所と短所を
持っている。 また、上述の各実施例においては、第２軸または第３軸
を冗長軸としたが、第１軸または第４軸を冗長軸とする
こともできる。さらに上述の各実施例においては、冗長
軸を１つのみ設けた場合について説明してきたが、冗長
軸を複数設けた場合についても、冗長軸とそれ以外の軸
とを別々に動作させることによってこれまでに述べてき
たのと同様の効果を上げることができる。

【発明の効果】

手首部を把持されて操作されるマスタマニピュレータと
、該マスタマニピュレータと同形の構造を有し前記マス
タマニピュレータが操作されて位置決めされるスレーブ
マニピュレータとを備えたマスタスレーブマニピュレー
タにおいて、通常のマスクスレーブ方式によって操作さ
れる軸に加えるに、前記マスタマニピュレータと前記ス
レーブマニピュレータとのそれぞれ対応する部位に設け
られた手首部の位置決めのための冗長軸と、前記冗長軸
に位置指令信号を出力する位置指令信号発生器と、を備
えさせたので、通常のマスタマニピュレータ方式によっ
て操作される軸と独立に冗長軸を動作させることによっ
て、マニピュレータアームの軸の方向を変化させ、マニ
ピュレータの手首部を作業対象に接近させる方向を任意
に変化させることができるため、作業環境中の障害物を
回避して位置決めを行うことができる。 さらに、マスタマニピュレータの手首部を把持して人力
によって動かし遠隔操作を行うときは、冗長軸は動かな
いように固定され、マニピュレータは実質的に冗長性が
なくなるため、操作するマニピュレータ手首部の軌跡に
対応してアームの軌跡が一義的に定まり、作業環境中の
障害物とマニピュレータアームの干渉を避けることが容
易となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る冗長軸を備えたマスタスレーブマ
ニピュレータの第１の実施例を説明するための概略構成
図、第２図は第１図のマスタスレーブマニピュレータの
動作を説明するための要部説明図、第３図は一般的なマ
スタスレーブマニピュレータの位置制御を説明するため
の制御ブロック図、第４図は本発明に係る冗長軸を操作
するための制御ブロック図、第５図は本発明に係る第２
の実施例を説明するための概略構成図、第６図は本発明
に係る第３の実施例を説明するための概略説明図、であ
る。 １．２．３，４，５，６，７　：マスタスレーブマニピ
ュレータの軸、２ｒ、３ｒ、Ｍｒ、Ｓｒ：冗長軸、８：
ハンド、９：手首部、１０，１）　　：位置検出器、１
２．１８：増幅器、１３，１９　：アクチュエータ、１
５：位置指令信号発生器、１４．１６．１７　：比較器
。 代理人−ｆト理十　山　口　　皇　（ 第１　図 オ　３図 第４図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）手首部を把持されて操作されるマスタマニピュレ
   ータと、該マスタマニピュレータと同形の構造を有し前
   記マスタマニピュレータが操作されて位置決めされるス
   レーブマニピュレータと、を備えたマスタスレーブマニ
   ピュレータにおいて、前記マスタマニピュレータと前記
   スレーブマニピュレータとにそれぞれ設けられた手首部
   の位置決めのための冗長軸と、前記マスタマニピュレー
   タとスレーブマニピュレータとを同一姿勢にもたらすべ
   く前記冗長軸に位置指令信号を出力する位置指令信号発
   生器と、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）特許請求の範囲第１項記載のマスタスレーブマニ
   ピュレータにおいて、前記冗長軸それぞれの位置を検出
   する位置検出器と、該位置検出器の出力と前記位置指令
   信号とを比較する比較器と、該比較器の出力を増幅する
   増幅器と、該増幅器からの出力信号が入力され前記冗長
   軸を操作するアクチュエータと、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。