JPS6362683A

JPS6362683A - マスタスレ−ブマニピユレ−タ

Info

Publication number: JPS6362683A
Application number: JP20683186A
Authority: JP
Inventors: 康一鈴森
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-09-04
Filing date: 1986-09-04
Publication date: 1988-03-18

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）本発明はマスタスレーブマニピュレータに関する。

（従来の技術）マスタスレーブマニピュレータを用いた作業では、マニ
ピュレータの手先の位置と向きのコントロールが最も重
要である。通常の作業空間である３次元空間では、マニ
ピュレータの手先の位置と向きはよく知られているよう
に６自由度を有し、６次元のベクトルにより、その状態
が記述できる。

同様に、マニピュレータの手先に働く力とモーメントも
６次元のベクトルにより、記述できる。

本明細書においては、マニピュレータの手先の位置と向
きの時間に対する変化量を表わす６次元のベクトルを速
度ベタ１〜ル、またマニピュレータの手先に働く力とモ
ーメントを表わす６次元のベクトルを力ベクトルと呼ぶ
。

従来のマスタスレーブマニピュレータでは、マスタアー
ム手先、又は、スレーブアーム手先に力やモーメントを
加えると、各関節にカヤモーメントが発生し、これによ
り各関節が動作した。

例えば第２図ａに示すマニピュレータは、６つのドライ
ブユニット２１〜２６により関節１〜６が駆勤され手先
２０の位置と向きがコントロールされる。

各ドライブユニットはモータ、力検出器、位置検出器か
ら成り、第２図すに示すように、マスク側とスレーブ側
で対応するドライブユニット間ごとに、制御ループが構
成された。（本例では、力帰還型パイラテラル制御）マスタアーム又はスレーブアームの手先に力やモーメン
トが加わると、それにより各関節１〜６に曲げモーメン
トが生じ、それを各力検出器が検出し、第２図すに示す
制御ループによりマスタアームの対応するモータが駆動
される。

（発明が解決しようとする問題点）上述のような従来のマスタスレーブマニピュレータの問
題点を４点にまとめる。

１、マニピュレータの操作性を高める為にはマスタアー
ム又はスレーブアームの手先に力やモーメントをかけた
時に、その方向に手先が位置や姿勢を変えることが望ま
しい。即ち、アーム手先に加えられる力ベクトルとそれ
によって生ずるアーム手先の速度ベクトルの各成分がそ
れぞれ対応することが望ましい。しかしながら従来は必
ずしも対応ぜず、マスタスレーブマニピュレータの操作
性を低下させる大きな要因の一つであった。例えば第３
図に）に示ずマニピュレータにおいて、アームの手先３
４に水平方向の力Ｐを加える。アームの手先３４が力Ｐ
の方向に水平に移動するには関節３１゜３２、３３が適
当な量だけそれぞれ矢印３５．３６．３７方向に動作し
なくてはならないが、従来のマニピュレータでは、関節
３１．３２のどちらか動きやすい関節が中心に動作し、
アームの手先３４は必ずしも力Ｐの方向に移動しなかっ
た。しかもどの関節が動作しやすいかは、アームの姿勢
によって変り、各関節の制御ゲイン調整では対応できな
い。例えば第３図（ハ）のような姿勢では力Ｐによって
関節３１に生ずるモーメントは関節３２に生ずるモーメ
ントに較へはるかに大きいため関節３１を□中心とした
動作をし、点線のような姿勢になりやすい。また第３図
（Ｃ）のような姿勢では逆に関節３２に生ずるモーメン
トが大きく点線のような姿勢になりやすい。

（手先３４を水平に動かす為には下方向にも力を加＝　
３− える必要がある。）２、従来のマスタスレーブマニピュレータでは、アーム
の手先に働く力ベクトルを直接検出するのではなく、そ
れらのよって各関節に生ずる曲げモーメントを検出する
方式であるため、各関節の摩擦等の影響を受け、アーム
手先に働く力を正確に検出することはできない。

３、従来のマスタスレーブマニピュレータでは力検出器
の出力信号に、アームの自重や慣性力を含んでいた。例
えば第２図（０で関節２を駆動するドライブユニット２
２に装備された力検出器は、アームの自重や慣性力をも
検出してしまう。この為、操作者は作業反力を正確に感
じられないばかりか、過大な操作力が必要となり、操作
性を著しく低下させることがあった。計算機でこれらの
項を算出して補償を行うと、制御系が高価で複雑なもの
になった。

４、各ドライブユニットごとに力検出器を装備すること
はマニピュレータの小型、軽量化の妨げとなった。

　４一本発明は上述の諸問題を一挙に解決し、さらに後述する
ように異構造マスタスレーブマニピュレータにおいては
演算を簡単にすることが可能な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。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段）本発明のマスタスレーブマニピュレータにおいては、マ
スタアームとスレーブアームの手先に各々６軸力Ｉ検出
器を有する。この６軸力検出器とはアームの手先にかか
る力の３成分およびモーメントの３成分の計６成分（即
ち力ベクトル）を検出することができる力検出器であり
、近年いろいろなタイプのものが開発されている。

上記２つの６軸力検出器の出力信号からマスタアームの
手先およびスレーブアームの手先にがかる力ベクトルと
マスタアームの手先の速度ベクトルの各成分がそれぞれ
対応するようにマスタアームの各ドライブユニットの駆
動信号を算出する。

この算出方法には、例えばアーム手先の速度べクトルを
与えて、各関節の駆動信号を決定する制御法（Ｄａｎｉ
ｅｌ　Ｅ、Ｗｌｌｉｔｈｅｙ：Ｒｅ５ｏｌｖｅｄ　１（
ｏｔｉｏｎ　ＲａｔｅＣｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　Ｍａｎｉ
ｐｕｌａｔｏｒｓ　ａｎｄ　Ｈｕｍａｎ　Ｐｒｏｓｔｈ
ｅｓｅｓ。

ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ、ｏｎ　Ｍａｎ−ｔ（ａｃｈｉｎ
ｅ　Ｓｙｓｔｅｍｓ、　ＭＭＳ　−１０（１９６９−６
）　）が利用できる。この方法はアーム手先の速度ベク
トルに逆ヤコビ行列を乗する方法であり、古くから開発
され、ロボットのティーチング等に応用されている方法
である。

本発明ではマスタアームとスレーブアームに各々装備さ
れた２つの６軸力検出器の出力信号をたしあわせた信号
を手先の速度とすることにより、この方法が適用できる
。

（作　用）マスタアームおよびスレーブアーム手先にがかる力ベク
トルをそれぞれＦｍ、Ｆｓとする。Ｆｍ。

Ｆｓは、各々、アーム手先に装備された６軸力検出器で
検出される。ベクトルＫｍ　Ｆｍ＋Ｋｓ　Ｆｓ（ｌＫｍ
、ＩＫｓは対角行列でその対角要素は制御ゲインおよび
力検出器の感度からきまる定数）とマスタアーム手先の
速度ベクトルＶｍが一致するように、計算機においてマ
ニピュレータの姿勢から求めた逆ヤコビ行列Ｊ−１を用
いて、マスタアームの各関節の速度すが決定できる。即
ち、式で書くと、ｅ−；Ｊｆ−’　（ＫｍＦｍ十Ｋｓ　Ｆｓ　＞となる。

スレーブアームはマスタアームと同じ姿勢をとるように
制御されるが、その方法については、本発明は、限定し
ない。

また、計算機の演算速度の不足のため逆ヤコビ行列Ｊ−
１をリアルタイムで計算すると制御面で支障が生ずる場
合は、あらかじめいくつかのアーム姿勢に対するＪ−１
を求めておき、任意のアーム姿勢に対する。７−１をこ
れらを補間することにより求めることもできる。

一方、本発明の２次的な効果として、異構造マスタスレ
ーブに対しては従来にくらべ演算量が減少する。即ち、
従来の制御方式では、マスタアームとスレーブアームの
間で、位置と力の座標変換をそれぞれ行わなければなら
なかったが、本発明のマスタスレーブマニピュレータに
おいては、アーム手先にがかる力ベクトルは、手先に固
定された６軸力検出器で検出されるため、マスク側とス
レーブ側の手先の方向が一致していればマスクとスレー
ブ間で力の座標変換を行う必要はない。

（実施例）第１図に本発明の実施例を示す。スマタアームの手先お
よびスレーブアームの手先には、同じ構造の２つの６！
ｋＩｌ力検出器５０ｍ１および５０ｓが各々装備されて
おり、マスタアーム手段およびスレーブアーム手先にが
かる力ベクトルＦｍ、Ｆｓを各々検出する。その構造は
第１図すに示すように上部リング５１と下部リング５２
を３本の平板状ビーム５３、５４．５５で連結したもの
で、そのビームの内側３か所には、引張、圧縮用ひずみ
ゲージ５６を、外側３か所にはせん所用ひずみゲージ５
７を設けたものである。このような６軸力検出器により
、第１図（へ）に示すような手先に固定された座標系で
記述される６次元の力ベクトルＦｍ、Ｆｓが検出できる
。　制御系を第１図１に示す。制御装置６０において、
アームの姿勢から算出した逆ヤコビ行列Ｊ−１を用いて
次式に従ってマスタアームの各関節１〜６の回転速度を
成分とするベクトルｈｍを算出する。

＃ｍ＝７　’　（ｌＫｍ　Ｆｍ＋ｌＫｓ　Ｆｓ　）ｌＫ
ｍ、ＩＫｓは対角行列で、その対角要素は制御ゲインお
よび力検出器の感度から決まる定数マスタ側、およびス
レーブ側の各ドライブユニットｔ１ｍ　〜１８ｍ、およ
び１１Ｓ〜１８Ｓのうち、ハンドの開閉を行っているド
ライブユニット１７ｍ。

１８ｍ、　１７ｓ、　１８ｓは力検出器、位置検出器、
モータから成り、従来のマニピュレータのように、マス
ク側とスレーブ側で対応するドライブユニツ１へ間で、
制御ループが構成される（第１図１では省略）。他のド
ライブユニット１１ｍ〜１６ｍ、ＩＩｓ〜１６ｓは位置
検出器とモータから成り、マスク側ドライブユニットＩ
１ｍ〜１６ｍは上述の（１ｍに基づき駆動される。また
スレーブアームはマスタアームの姿勢を追従するように
位置ザーボがかけられている。

一方、アームが特異姿勢になった場合や、動作範囲の限
界に対した場合には、上述の制御モードから扱（ブだし
、機構的に動き得ない方向への力ベクトルに対しては、
アクチュエータを駆動しないように、ソフ１へウェアで
対処している。

また、上述の演算過程において一般的には、６軸力検出
器の歪ゲージの出力から、マスク側としてスレーブ側で
別々の変換演算を行って力ベクトルＦｓ、Ｆｍを演算し
た後、ｌＫｍ　Ｆ　ｍ　＋ｌＫＳ　Ｆ　ｓを計算するこ
とになるが、本実施例のように、マスク側とスレーブ側
の６軸力検出器の構造が同一の場合は、一度の変換演算
により、直接ベクトルｌＫｍ　Ｆ　ｍ　＋ｌＫｓ　Ｆ　
ｓを算出することができ、演算が半減する。

（発明の効果）本発明の効果を記す。

１、マスタアームおよびスレーブアーム手先に働く力ベ
クトルとアーム手先の速度ベクトルの各成分がそれぞれ
対応するために、操作性が向上する。

２、アーム手先に働く力ベクトルを直接検出するため、
小さな力についても正確に操作者が感じられる。

３、力検出器の信号にアームの自重および慣性力が含ま
れないため、複雑な補償制御なしで、操作性が向上する
。

４、各ドライブユニットごとに力検出器を装備する必要
がなく、小型、軽量化が計れる。

５、異構造マスタスレーブマニピュレータについては、
マスタスレーブ間の力信号の座標変換が不要である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す概略図、第２図は従来の
マスタスレーブマニピュレータを示す概略図、第３図は
従来のマスタスレーブマニピュレータを示す概略図であ
る。２１ｍ〜２８ｍ、ｌ１ｍ〜１８ｍ・・・マスタマニピュレータのドライブユニツ１〜２１
ｓ〜２８ｓ、Ｉｔｓ〜１８ｓ・・・スレーブマニ・ピュレータのドライブユニット１
〜６・・・関節代理人　弁理士　則　近　憲　佑同　　　　竹　花　喜久男蓼べ＃（Ｏ（ａ）第３図（ｂ）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）マスタスレーブマニピュレータにおいて、マスタ
アームとスレーブアームの手先に各々６軸力検出器を有
し、マスタアームの手先およびスレーブアームの手先に
かかる力とモーメントに対応してマスタアームの手先が
移動および回転動作するように、上記２つの６軸力検出
器の出力信号から算出した信号により、マスタアームを
駆動することを特徴とするマスタスレーブマニピュレー
タ。
（２）２つの６軸力検出器が同一構造であることを特徴
とする特許請求の範囲第１項に記載のマスタスレーブマ
ニピュレータ。