JPS6328580A - 力帰還形バイラテラルサ−ボマニピユレ−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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、人為的な遠隔操作により各種作業を行う多自
由度マニピュレータに係わり、特に操作者の負担軽減を
はかった多重力帰還形バイラテラルサーボマニピュレー
タに関する。

（従来の技術） 従来、バイラテラルサーボ系を構成する多自由度マニピ
ュレータにおいては、対称形、力逆送形及び力帰還形の
３つの基本形があり、この中では力帰還形が最も操作し
易いので良く用いられている。第３図はその１軸分のブ
ロック図であり、マスタ及びスレーブの自重成分は、何
らかの方法で補償しであるものとする。操作者が、マス
タ軸１ａをある方向に回転させると、マスタ軸１ａとス
レーブ軸１ｂの角度信号ＱＭ、ＱＳが各々の角度センサ
５ａ、５ｂによって検出され、減算器６によりその偏差
信号εＱが求められる。そして、この偏差信号εＱがス
レーブ側のサーボアンプ２ｂを通してサーボモータ３ｂ
の駆動力とされ、サーボモータ３ｂによりスレーブ軸１
ｂの角度Ｑｓがマスタ軸１ａの角度ＱＭと一致する方向
に駆動される。

一方、両軸１ａ、１ｂに設けられたトルクセンサ４ａ、
４ｂによって各々の発生トルクＴＭ。

Ｔ３が検出され、減算器７によりその偏差信号８丁が求
められる。そして、この偏差信号８丁がマスタ側のサー
ボアンプ２ａに与えられ、サーボアンプ２ａの出力で駆
動されるサーボモータ３ａによってマスタ軸１ａのトル
クＴＭがスレーブ軸１ｂのトルクＴｓと一致するよう駆
動される。

このようにしてマスタ軸１ａに与えられた角度変位はス
レーブ軸１ｂに忠実に再現され、且つスレーブ軸１ｂの
負荷に応じたトルク（力）をマスタ軸１ａを操縦する操
作者に感じさせることができる。つまり、力帰還形バイ
ラテラルサーボマニピュレータは、物体からの反作用が
あるため、作業性に浸れている。

しかしながら、この種のマニピュレータにあっては次の
ような問題があった。即ち、力帰還形バイラテラルサー
ボマニピュレータでは、ハンド（手先）の３次元位置と
姿勢を自由に操作できるように、マスタとスレーブ各々
、ハンドの開閉を除いて６自由度以上あるのが普通であ
り、各関節軸の１〜ルクセンサが、ハンドから離れた位
置に設置される傾向にある。このため、各関節にＦＪ擦
やバックラッシュ等が存在する場合、ハンドで感知する
微小な力が関節トルクセンサで旨く検出できないと云う
問題がある。従って、細かい作業を行う際には、その操
作性が著しく低下し、操作者に疲労をもたらすことにな
る。

（発明が解決しようとする問題点） このように従来の力帰還形バイラテラルサーボマニピュ
レータでは、各関節におけるトルクセンサがハンドから
離れたところに設置される傾向にあるので、各関節に１
１！擦やバックラッシュ等が存在する場合、ハンドで感
知する微小な力が関節トルクセンサで旨く検出できない
と云う問題点があり、細かい作業を行う際には、操作性
が悪化し、操作者に疲労をもたらすことになる。

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目的
とするところは、ハンドに作用する微小な力を操作者が
感じるようにすることができ、操作性の向上をはかり得
る力帰還形バイラテラルサーボマニピュレータを提供す
ることにある。

［発明の構成〕 （問題点を解決するための手段） 本発明の骨子は、各関節の駆動系に設けられたトルクセ
ンサの他に、マスタ及びスレーブのハンド取付は部分に
、３方向の力とその回りのモーメントが測定可能な６軸
力センサを設け、該センサの検出信号をＳ還して各関節
の駆動をｉｌｌ　１ｌｌｌすることにある。

即ち本発明は、力帰還形バイラテラルサーボ系を構成す
る多自由度マスタスレーブマニピュレータにおいて、マ
スタ及びスレーブ側の各関節の駆動系にそれぞれ設けら
れたトルクセンサと、マスタ及びスレーブの各軸にそれ
ぞれ設けられた角度センサと、マスタ及びスレーブのハ
ンド取付は部分（手首）にそれぞれ取付けられ３方向の
力とその周りのモーメントを測定する６軸力センサとを
具備してなり、スレーブの各関節を駆動するための角度
帰還信号として、対応するマスタ及びスレーブの前記角
度センサの各出力の偏差信号を用い、且つ、マスタの各
関節を駆動するための力帰還信号として、対応するマス
タ及びスレーブの前記トルクセンサの各出力のＱ差信号
並びにマスタ及びスレーブの前記６軸力センサの信号を
各関節に振分けた値の偏差信号を加え合わせた信号を用
いるようにしたものである。

（作用〉 上記構成であれば、関節トルクセンサの信号だけでなく
、６軸力センサの出力を各関節に分配した信号も用いる
ことにより、スレーブ側のハンドに作用する微小な力を
マスタ側に伝えることができる。このため、ハンドに作
用する微小な力を操作者が感じることが可能となる。ま
た、トルクセンサ及び６軸力センサに関する各信号のゲ
インの比率を変えることにより、あらゆる作業で操作性
を良くすることができる。例えば、関節トルクセンサの
信号の比率を小さくし、６軸力センサを各関節に分配し
た信号のゲインの比率を大きくすることにより、スレー
ブハンドに作用する微小な力を操作者が確実に感じるこ
とができるようになる。ざらに、前者を大きくし後者を
小さくすることにより、関節を動かそうとする力に良く
応答するので、マニピュレータを大きく動作させる時に
有効となる。

（実施例） 以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。

第１図は本発明の一実施例に係わる多重力帰還形バイラ
テラルサーボマニごュレータを示す概略構成図である。

なお、マスタ及びスレーブの自重成分は、周知のカウン
タバランスやバネによるメカニカルな方法や、各関節の
サーボモータで発生させる力による方法等を用いて補償
しであるものとする。

１０ａはマスタ、１０ｂはスレーブを示し、マスタ１０
ａには６つの関節部１１８〜１６ａが設けられている。

なお、このマニピュレータは６自由度以上有していると
するが、ここでは簡単のために６自由度とする。

マスタ側の先端にはハンド１７ａが取付けられ、その取
付は部分には、６軸力センサ１８ａが挿入されている。

この６軸力センサ１８ａは、ハンド１７ａの３方向の力
とその回りのモーメントを測定するものである。また、
スレーブ側もマスタ側と同様に、関節部１１ｂ〜１６ｂ
、ハンド１７ｂ及び６軸力センサ１８ｂ等から構成され
ている。

２０は、マスタ及びスレーブを駆ｖＪＩＩＪ　１１）す
るマスタスレーブコントローラであり、このコントロー
ラ２０には信号線２１を介して力帰還ゲイン比率可変用
フットボリューム２２が接続されている。

そして、このボリューム２２により、後述する如く、マ
スタ側の各関節を駆動するための２つの偏差信号のゲイ
ンの比率が可変されるものとなっている。

第２図は任意の一関節軸に関する制御系を示すブロック
図であり、他の関節軸もこれと同様に構成されている。

３１ａはマスタ軸、３１ｂはスレーブ軸である。マスタ
軸３１ａはサーボアンプ３２ａにより動作するサーボモ
ータ３３ａにより駆動される。マスタ軸３１ａに動りト
ルクＴＭはトルクセンサ３４ａにて検出される。また、
マスタ軸３１ａの回転角ＱＭは角度センサ３５ａにて検
出される。同様に、スレーブ軸３１ｂはサーボアンプ３
２ａにより動作するサーボモータ３３ｂにて駆動され、
スレーブ軸３１ｂに加わるトルクＴｓはトルクセンサ３
４ｂにて検出され、スレーブ軸３１ｂの回転角Ｑｓは角
度センサ３５ｂにて検出される。

角度センサ３５ａ、３５ｂの各検出信号は第１の減算器
３６に供給され、この減算器３６により角度ＱＭ、Ｑ９
のｌ！ｉｌ差信号εＱが得られる。この角度偏差信号ε
Ｑは、サーボアンプ３２ｂに供給される。つまり、角度
センサ３５ａ、３５ｂの出力の偏差信号ε。がサーボア
ンプ３２ｂに帰還され、スレーブ軸３１ｂの回転角Ｑｓ
がマスタ軸３１ａの回転角ＱＭと一致するようにスレー
ブ軸３１ｂが駆動される。また、トルクセンサ３４ａ。

３４ｂの各検出信号は第２の減算器３７に供給され、こ
の減算器３７によりトルクＴｖ、Ｔｓの偏差信号６丁が
得られる。

一方、６軸力センサ４１ａ、４１ｂ　（１８ａ。

１８ｂに対応する）の各検出信号は、非線形演算器４２
ａ、４２ｂにそれぞれ供給される。非線形演算器４２ａ
、４２ｂには、前記角度信号ＱＭ。

Ｑ３もそれぞれ供給されている。非線形演算器４２ａ、
４２ｔ）で得られた信号のうち、前記マスタ軸３１ａ及
びスレーブ軸３１ｂに対応する信号ＰＭ、Ｐ８は、第３
の減算器４３に供給される。

そして、この減算器４３では、上記入力した信号ＰＭ、
Ｐａの偏差信号εＰが得られる。

上記偏差信号ε？はゲイン調節器４４ｂを介して加算器
４５に供給される。また、前記第２の減算器３７により
得られた偏差信号εＭはゲイン調節器４４ａを介して加
算器４５に供給される。ゲイン調節器４４ａ、４４ｂは
、上記偏差信号６丁。

ε、に所定のゲインを掛けるものであり、このゲインの
比率は前記第１図に示したフットボリューム２２により
可変されるものとなっている。そして、加算器４５では
、上記入力した信号が加算され、この加算信号は前記サ
ーボアンプ３２ａに供給される。つまり、偏差信号εＴ
、ε２に所定のゲインを掛けて加え合わせた信号がサー
ボアンプ３２ａに帰還され、マスタ軸３１ａのトルクＴ
Ｍがスレーブ軸３１ｂに作用するトルクＴ８と一定の関
係となるように、マスタ軸３１ａが駆動されるものとな
っている。

次に、本実施例の動作原理について説明する。

本実施例では、従来の力帰還形バイラテラルサーボ系で
、関節トルクセンサの偏差信号εＴをそのまま対応する
マスタの駆動信号とするのではなく、新しく設けた６軸
力センサ４１ａ、４１ｂの信号による非線形演算を施し
た信号をマスタ・スレーブの各関節に振分け、マスタと
スレーブとの偏差をεＰとし、これにゲインを掛けたも
のと前記偏差信号６丁にゲインを掛けたものとを加え合
わせて、マスタの駆ｖＪ信号とするものである。

ここで、非線形演算器４２ａ、４２ｂによる非線形変換
について説明する。まず、マニピュレータ手先の絶対座
標系における位置と姿勢を表わすベクトルは、６次元で
あるから、Ｒ（６Ｘ１）とすることができる。また、ｎ
個の関節を備えたマニピュレータの関節ベクトルをＱ（
ｎＸ１＞。

（ｎ≧６）とすれば、両者間には次のような関係がある
。

Ｒ−ｆ　　（Ｑ）　　　　　　　　　　　　　　・・・
・００式より、ＲとＱの微小変位δＲとδＱとの関係は
、 δＲ−Ｊ　（Ｑ）δＱ　　　　　　・・・・■ここで、
Ｊ　（Ｑ）（６ｘｎ）はヤコビ行列と呼ばれる。このと
き、Ｒに対応して手先に作用する３方向の力（ｆｘ、ｆ
ｙ、ｆｚ）及びその回りのモーメント（ｍ×、ｍｙ　、
ｍｚ　）を次のように定義する。

Ｆ＝　（ｆｘ　ｆｙ　ｆｚ　ｍＸｍｙ　ｍｚ　）　・・
■また、Ｑに対応して関節トルクセンサベクトルをＰ　
（ｎｘｌ　）を定義すると、仮想仕事の原理よりＰ・δ
ｏ＝Ｆ６Ｒ・・・・■ となる。従って０式より、 Ｐ−Ｊ　　Ｆ　　　　　　　　　　　・・・・■が成立
つ。ここで、Ｔは行列の転置を表わす。つまり、マスタ
とスレーブそれぞれについて、角度センサ３５ａ、３５
ｂ及び他軸の角度センサの信号を用いて、非線形演算器
４２ａ、４２ｂにより非線形演算を行えば、手先に加わ
る力ＦＭ、Ｆ９を関節軸トルクＰＭ、Ｐ３に変換するこ
とができる。そして、マスタとスレーブの対応する関節
毎に、ＰＭ、Ｐｓの要素を１つずつ選びその差を取れば
、前記偏差信号ε、を作り出すことができる。

次に、偏差信号εＰにゲインＧｐを掛け、関節トルク偏
差信号εＴにゲインＧＴを掛けたものと加え合わせて、
マスタの駆動信号とすればよい。

ここで、ＧＴとＧｐとのゲインの比率を、作業者がマス
タを操作しながら、足で変えられるようにフットボリュ
ーム２２を前記第１図のように設置する。

このフットボリューム２２を操作して、ＧＴを小さくし
ＧＰを大きくすることによって、スレーブハンドに作用
する微小な力を操作者が感じるようにすることができる
。また、逆にＧＴを大きくしＧｐを小さく操作すれば、
関節を動かそうとする力に良く応答するので、マニピュ
レータを大きく動作させるときに有効な制ｇｆＪ系とす
ることが可能となる。

かくして本実施例によれば、マスタ・スレーブのハンド
取付は部分に６軸力センサ１８ａ。

１８ｂ　（４１ａ、４１ｂ）を設け、コレラノセンサの
出力を各関節に振分けた値の偏差信号εＰと、トルクセ
ンサ３４ａ、３４ｂの出力の偏差信号εＴとを加算して
マスタ側の関節の駆動信号としているので、各関節に摩
擦やバックラッシュ等が存在する場合であっても、スレ
ーブ側のハンドで感知する微小な力を正確に検出するこ
とができ、これをマスタ側に正確に伝えることができる
。

また、本実施例では上記加算する信号に予め所定のゲイ
ンを掛けるようにしているので、作業内容に応じてマニ
ピュレータのυＪｌｌ］をより有効にすることができる
。即ち、偏差信号８丁のゲインの比率を小さくし、６軸
力センサの出力を各関節に振分けた値の偏差信号εＰの
ゲインの比率を大きくすることにより、スレーブハンド
に作用する微小な力を操作者が確実に感じることができ
、より細かい作業が可能となる。さらに、前者を大きく
し後者を小さくすることにより、関節を動かそうとする
力に良く応答するので、マニピュレータを大きく動作さ
せる時に有効となる。また、このゲインの比率を変える
手段としてフットボリューム２２を設けているので、操
作者がマニピュレータを操作しながらゲインの比率を簡
易に可変できる等の利点もある。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
く、その要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施す
ることができる。例えば、前記マスタ・スレーブの関節
の数は６軸に何等限定されるものではなく、それ以上あ
ってもよいのは勿論である。また、マニピュレータの操
作として、細かい作業を行うか或いは大きく動作させる
の一方のみの場合、前記ゲインを可変する手段は省略し
てもよい。

［発明の効果］ 以上詳述したように本発明によれば、各関節の駆動系に
設けられたトルクセンサの他に、マスタ及びスレーブの
各ハンド取付は部分に、３方向の力とその回りのモーメ
ントを測定する６軸力センサを設け、該センサの検出信
号を帰還して各関節の駆動を制御しているので、スレー
ブハンドに作用する微小な力を操作者が感じるようにす
ることができ、操作性の向上をはかることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係わる力帰還形バイラテラ
ルサーボマニピュレータを示す概略構成図、第２図は上
記実施例における任意の一関節軸のｖＪｌｌｌ系を示す
ブロック図、第３図は従来の力帰還形バイラテラルサー
ボマニピュレータを示すブロック図である。 １０ａ、１０ｂ・・・マスタ・スレーブ、ｌｌａ〜１６
ａ、　　１　ｌ　ｂ　〜１６　’ｏ−・・関節、１７ａ
、１７ｂ−・・Ａ　ンド、１８ａ、１８ｂ、４１ａ、４
１ｂ・６軸力センサ、２０・・・マスタスレーブコント
ローラ、２１・・・信号線、２゛２・・・フットボリュ
ーム、３１ａ・・・マスタ軸、３１ｂ・・・スレーブ軸
、３２ａ。 ３２ｂ・・・サーボアンプ、３３ａ、３３ｂ・・・サー
ボモータ、３４ａ、３４ｂ−’ｒ−ル’ｙ’ｃン＋ｔ、
３５ａ。 ３５ｂ・・・角度センサ、３６・・・第１の減算器、３
７・・・第２の減算器、４２ａ、４２ｂ・・・非線形演
算器、４３・・・第３の減算器、４４８．４４ｂ・・・
ゲイン調節器、４５・・・加算器。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第２図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）力帰還形バイラテラルサーボ系を構成する多自由
   度マスタスレーブマニピュレータにおいて、マスタ及び
   スレーブの各関節にそれぞれ設けられたトルクセンサと
   、マスタ及びスレーブの各関節にそれぞれ設けられた角
   度センサと、マスタ及びスレーブのハンド取付け部分（
   手首）にそれぞれ設けられ３方向の力とその周りのモー
   メントを測定する６軸力センサとを具備してなり、前記
   スレーブの各関節を駆動するための角度帰還信号として
   、対応するマスタ及びスレーブの前記角度センサの各出
   力の偏差信号を用い、且つ前記マスタの各関節を駆動す
   るための力帰還信号として、対応するマスタ及びスレー
   ブの前記トルクセンサの各出力の偏差信号並びにマスタ
   及びスレーブの前記６軸力センサの出力を各関節に振分
   けた値の偏差信号を加え合わせた信号を用いることを特
   徴とする力帰還形バイラテラルサーボマニピュレータ。
2. （２）前記トルクセンサの各出力の偏差信号と前記６軸
   力センサの出力を各関節に振分けた値の偏差信号とを加
   え合わせる手段として、上記各偏差信号にそれぞれ所定
   のゲインを掛けたのち、これらを加算することを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の力帰還形バイラテラル
   サーボマニピュレータ。
3. （３）前記各偏差信号に掛けるゲインの比率は、作業内
   容に応じて可変されるものであることを特徴とする特許
   請求の範囲第２項記載の力帰還形バイラテラルサーボマ
   ニピュレータ。
4. （４）前記角度帰還信号を用いてスレーブの関節を駆動
   する手段として、該関節に対応するマスタ側及びスレー
   ブ側の角度センサの各出力の偏差を求める第１の減算器
   を設け、この減算器により得られた偏差信号に基いて上
   記関節を駆動することを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の力帰還形バイラテラルサーボマニピュレータ。
5. （５）前記力帰還信号を用いてマスタの関節を駆動する
   手段として、該関節に対応するマスタ側及びスレーブ側
   のトルクセンサの各出力の偏差を求める第２の減算器と
   、マスタ側及びスレーブ側の６軸力センサの出力の上記
   関節に対応する値の偏差を求める第３の減算器と、上記
   第２及び第３の減算器により得られた各偏差信号を加算
   する加算器とを設け、上記加算器により得られた加算信
   号に基いて上記関節を駆動することを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の力帰還形バイラテラルサーボマニ
   ピュレータ。