WO2011115287A1 - Master/slave system and method for controlling same - Google Patents

Master/slave system and method for controlling same Download PDF

Info

Publication number
WO2011115287A1
WO2011115287A1 PCT/JP2011/056692 JP2011056692W WO2011115287A1 WO 2011115287 A1 WO2011115287 A1 WO 2011115287A1 JP 2011056692 W JP2011056692 W JP 2011056692W WO 2011115287 A1 WO2011115287 A1 WO 2011115287A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
master
slave
robot
force
displacement
Prior art date
Application number
PCT/JP2011/056692
Other languages
French (fr)
Japanese (ja)
Inventor
克弥 金岡
Original Assignee
学校法人立命館
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 学校法人立命館 filed Critical 学校法人立命館
Publication of WO2011115287A1 publication Critical patent/WO2011115287A1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J3/00Manipulators of master-slave type, i.e. both controlling unit and controlled unit perform corresponding spatial movements
    • B25J3/04Manipulators of master-slave type, i.e. both controlling unit and controlled unit perform corresponding spatial movements involving servo mechanisms

Definitions

  • the present invention relates to a master / slave system and its control method.
  • FIG. 7 shows an example mechanical master-slave system 20.
  • the operator U, the master robot M, and the slave robot S interconnected with the master robot M are mechanically coupled and interlocked.
  • MC represents a mechanical connection between the master robot M and the slave robot S
  • E represents an environment where the working end of the slave robot S is placed
  • G represents a grip serving as the operation end of the master robot M.
  • the mechanism design is free from geometric constraints between the operator U, the master robot M, and the slave robot S.
  • the master robot M and the slave robot S are electrically interconnected, and the operator U
  • the main type is an electrical type in which the input interface on the side and the output interface on the robot side are mechanically separated.
  • the electric type is flexible by software or electrical means and can be designed flexibly. For example, safety is ensured so that the operator cannot enter the movable range of the high-power actuator. Easy system can be constructed.
  • FIG. 6 is a conceptual diagram of the upper limb power amplification master / slave system.
  • the upper limb power amplification master / slave system 1 ′ includes a master robot M and a slave robot S.
  • Each of the robot arms M and S has a grip G as a manipulation end and a work end d on one end side, and the other end side is provided at a different position on the trunk B.
  • Each of the robot arms M and S has two links, one end connected to the grip G or the work end d, the other end connected to the trunk B, and a connecting portion between the links.
  • these joints or grips G are provided with displacement sensors Pm 1 to 3 and Ps 1 to 3 , actuators As 1 to 3 , as necessary, depending on the control method applied.
  • Am 1 to 3 and a work force sensor Fs or an operation force sensor Fm are provided. The control method to be applied will be explained in order.
  • Non-Patent Document 7 points out that there is no 6-axis force sensor that can withstand the output of the backhoe.
  • the master-slave system as a power amplification robot as shown in FIG. 6, a hardware configuration in which a multi-axis force sensor is provided on the slave robot S side is not desirable.
  • the master robot M has a human movable range scale, but the slave robot S is a relatively large scale suitable for high output.
  • the target value from the master M side is merely sent to the trajectory control means PCs that performs the trajectory control of the slave S without placing a control system on the M side.
  • PCs that performs the trajectory control of the slave S without placing a control system on the M side.
  • Pm is a master displacement sensor
  • Ps is a slave displacement sensor
  • As is a slave actuator
  • G is a grip held by an operator
  • d is a working end. Therefore, when the master-slave system as a power amplification robot as shown in FIG. 6 is an electric master-slave system, bilateral control in which the work status on the slave S side is transmitted to the operator U as a force sense is inevitably applied. Will be.
  • Equation (1) relates to the master robot side and Equation (2) relates to the slave robot side.
  • the master operating force that the operator applies to the end of the master robot is f m (t)
  • the slave working force that the slave end applies to the environment is f s (t).
  • q m (t), q s (t) are master displacement and slave displacement
  • ⁇ m (t), ⁇ s (t) are master driving force or slave driving force for driving the master robot M or slave robot S
  • f m (t), f s (t)... are n-dimensional vectors (hereinafter the same).
  • M m (q m ) and M s (q s ) are inertia matrices
  • J m (q m ) and J s (q s ) are Jacobian matrices, and these Jacobian matrices are regular.
  • the trajectory control means PCm and PCs are arranged on both the master M side and the slave S side, and the position and speed of the robot on the other side are determined.
  • a closed-loop system is configured to achieve the target value. This is called because the same orbit control system is arranged symmetrically on the master side and slave side.
  • the symmetric type does not require a force sensor required for the following force reverse feed type and force feedback type bilateral control 32 and 33, and is a control method with good properties in terms of stability.
  • Am is a master actuator.
  • the control law for example, if P control in the work coordinate system is used, it is as follows.
  • Equation (3) relates to the master robot side and Equation (4) relates to the slave robot side.
  • ⁇ m ⁇ m (x s , x m ) means that the master driving force ⁇ m is a function of the slave displacement x s and the master displacement x m
  • ⁇ s ⁇ s (x m , x s ) means that the slave driving force ⁇ s is a function of the master displacement x m and the slave displacement x s .
  • the force reverse feed type bilateral master-slave system 32 shown in FIG. 10 is configured so that the slave robot S is trajectory-controlled using the position and speed of the master robot M as a target value.
  • slave working force f s which corresponds to the contact force between the detected environment robot S side is conveyed backward to the master robot M side is a method of driving a master robot M.
  • the slave robot S terminal to the master robot M side with working force sensor Fs for measuring the slave working force f s is provided provided with a driving force control means FCm, the slave working force f s to the master robot M side It is configured to be “reflected” to the master driving force ⁇ m at this point.
  • the slave robot S is linked to the master robot M. This suggests that the slave robot S moves according to the dynamic characteristics, that is, the dynamics of the master robot M.
  • the control law of the master robot M is as follows. Note that the control law of the slave robot S is the same as that in Expression (4).
  • the master operating force f m is also affected by the dynamics of the master robot M at the same magnification, and the slave working force f s of the slave robot S is S f ⁇ 1. Reduced to double.
  • C Force-feedback bilateral control
  • the force-feedback bilateral master-slave system 33 shown in FIG. 11 controls the trajectory of the slave robot S with the position and speed of the master robot M as target values.
  • the master robot M is force-controlled using a slave work force f s corresponding to the contact force with the environment detected on the side as a target value.
  • the difference from the force reverse feed type 32 is that an operating force sensor Fm is also provided on the master robot M side, and there is a closed loop that feeds back an error from the force target.
  • the master It is understood that the mechanism transparency of the entire slave system is improved.
  • the control law of the master robot M is as follows.
  • K f is an n-by-n diagonal matrix representing a force control gain.
  • the control law of the slave robot S is the same as that in Expression (4).
  • ⁇ m ⁇ m (f s , f m) that is a master driving force tau m indicates that a function of the slave work force f s and the master operating force f m.
  • the operator U has to become less aware that the operation of the slave robot S is performed in consideration of the dynamics of the slave robot S, and suddenly the operator U has a relatively large output and a large slave robot.
  • Even S may give the illusion that it works with the dynamics of the relatively small output master robot M in his or her hand, and the tendency Point such as seen strongly was a problem. That is, in a master-slave system in which a relatively small output master robot M and a relatively large output large slave robot S are electrically interconnected, the structure is the same or different. Naturally, the dynamics of the master robot M and the slave robot S are significantly different. For example, the inertia, friction, movable range, and other dynamic characteristics of the slave robot S are much larger than those of the master robot M.
  • the bilateral master-slave systems 32 and 33 that return the contact force or the touch of the object to the operator. Furthermore, even if a tough force sensor that can withstand the harsh use of a large slave robot with such a relatively large output is obtained, the bilateral master slave called the force reverse feed type or the force feedback type Since the systems 32 and 33 have the following problems, it is difficult to apply to a master-slave system in which a relatively small output master robot is operated to operate a large slave robot with a relatively large output. There was also a problem. That is, in the force reverse feed type or force feedback type bilateral master-slave systems 32 and 33 shown in FIGS. 10 and 11, the slave robot S is provided with the work force sensor Fs.
  • the output of the slave robot's working force sensor Fs fluctuates, and there is a possibility that a closed loop may be formed such that the master driving force ⁇ m is generated, the master displacement x m changes, and so on.
  • a closed loop Once such a closed loop is constructed, the unintended motion or vibration of the slave robot S increases unless the separated state between the operator U and the master robot M is eliminated and an appropriate operation is applied.
  • the slave robot S may run away and cause danger to the surroundings. Also in this case, there is a high possibility that the stability of the control system cannot be maintained.
  • Katsuoka Kanaoka “A Study on the Effect of Man-Machine Synergy in Atypical Heavy Work”, Proceedings of the 11th Construction Robot Symposium, pp. 119-124, 2008.
  • Katsuoka Kanaoka “Introduction to Power Amplification Robot System Design: To Realize Synergy between Humans and Machines Based on Mechanical Interaction”, Journal of the Robotics Society of Japan, 26, 3, pp. 255-258, 2008.
  • Yokoko Yasuyoshi “Theory of Master / Slave Control”, Journal of the Robotics Society of Japan, 11, 6, pp. 794-802, 1993.
  • the present invention provides a master-slave system that controls a slave robot with a relatively large output that is electrically connected to the operator by operating the master robot with a relatively small output. It is an object of the present invention to provide a master-slave system that allows intuitive control as if it is directly held, and that does not require a force sensor on the slave robot side, and a control method therefor.
  • an admittance-type force sense presentation device that generates a master drive force by receiving a displacement or speed input and presents a force sense to the operator, and the master robot is operated with an operation force applied to the master robot by the operator. It consists of an operating force sensor to detect, a master displacement sensor to detect the displacement of the master robot, and a master actuator that drives the master robot based on the master displacement and the slave displacement.
  • the slave robot detects the displacement of the slave robot.
  • the master-slave system of the present invention that can solve the above-described problems includes (1) a master robot that is an admittance type force sense manipulation device operated by an operator, and a slave robot that is at least electrically connected to the master robot.
  • a bilaterally controlled master-slave system comprising: at least one master displacement sensor for detecting master displacement in the master robot; at least one slave displacement sensor for detecting slave displacement in the slave robot; and the master At least one master actuator for generating a master driving force for driving the robot; at least one slave actuator for generating a slave driving force for driving the slave robot; and a mass applied by the operator to the master robot.
  • At least one operating force sensor for detecting an operating force, wherein the slave actuator generates the slave driving force based on the master operating force, while the master actuator is based on the master displacement and the slave displacement. The master driving force is generated.
  • control method of the master-slave system of the present invention comprises (2) a master robot that is an admittance type force sense presentation device operated by an operator, and a slave robot that is at least electrically connected to the master robot.
  • a bilaterally controlled master-slave system control method comprising: detecting at least one operation force sensor a master operation force applied by the operator to the master robot; and at least one slave actuator to perform the master operation. Generating a slave driving force for the slave robot based on the force; detecting a master displacement of the master robot by at least one master displacement sensor; and further detecting a slave displacement of the slave robot by at least one slave displacement sensor.
  • a step of generating a master driving force for the master robot based on the master displacement and the slave displacement by at least one master actuator and presenting a sense of force to the operator is characterized by this.
  • operation and “maneuvering” are properly used.
  • “Operation” is used in a local case where the person / operation to be operated is focused.
  • “steering” is used when the entire action including not only the person who operates the robot but also the operated robot is considered. Therefore, in this specification, the operator operates the master robot, and the operator controls the slave robot.
  • Power amplification robot as used in this specification is a device that is generally understood as a power assist robot.
  • the “master / slave system” refers to an integrated system including a master robot and a slave robot as well as a control device for controlling these.
  • “dynamics” indicates a comprehensive concept including all dynamic characteristics such as inertia, friction, and centrifugal force.
  • “different structure” refers to a master robot and a slave robot that constitute a master-slave system having different geometric structures (see FIG. 5). The master robot and the slave robot constituting the slave system indicate the same geometric structure.
  • master-slave system 10 shown in FIG. 5 d represents the working end of the slave robot S, and G represents the operating end of the master robot M serving as an interface with the operator U.
  • admittance type means that a master robot operated by an operator outputs a master operating force received from the operator, while receiving a displacement or speed input to generate a master driving force to generate the master driving force. It is assumed that a force sense presentation is indicated (see FIG. 4).
  • the “impedance type” is the opposite, in the master robot operated by the operator, while outputting the master displacement or speed, the master driving force is generated by receiving the force input, and the operator senses force. It shall indicate what is to be presented.
  • the impedance type or admittance type is a concept used in the field of virtual reality and is rarely used for a master-slave system.
  • the “mechanism transparency” in this specification is a concept mainly used in the field of wearable robots and master-slave systems. This is because “the dynamics (dynamics) of the robot mechanism worn or operated by the robot operator is apparent to the operator (in terms of kinematics), and the wrinkles are transparent (as if there is nothing. ) "Feel”.
  • the operator in a master-slave system in which a relatively high-power slave robot is controlled by an operator by manipulating a relatively low-power master robot, the operator can feel as if the robot is a slave robot. It is possible to provide a master-slave system and a control method therefor that enable intuitive operation as if the robot is directly held and that does not require a force sensor on the slave robot side. According to the present invention, the slave robot can be operated according to the slave dynamics, and at the same time, the master robot is interlocked with the slave robot. It becomes possible to provide.
  • FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a master-slave system of the present invention.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram of a limb power amplification master / slave system according to another embodiment of the master / slave system of the present invention.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram of a limb power amplification master / slave system according to still another embodiment of the master / slave system of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating the difference in concept between impedance-type force sense presentation and admittance-type force sense presentation.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a different-structure master-slave manipulator.
  • FIG. 6 is a conceptual diagram of the upper limb power amplification master / slave system.
  • FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a master-slave system of the present invention.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram of a limb power amplification master / slave system according to another embodiment of the master / slave system of the present invention.
  • FIG. 7 is a conceptual diagram of a mechanical master / slave system.
  • FIG. 8 is a conceptual diagram showing the unilateral control.
  • FIG. 9 is a conceptual diagram showing symmetric bilateral control.
  • FIG. 10 is a conceptual diagram showing the force reverse feed type bilateral control.
  • FIG. 11 is a conceptual diagram showing the force feedback type bilateral control.
  • FIG. 12 is a conceptual diagram showing a general expression of the control system of the master / slave system.
  • FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a master-slave system according to the present invention.
  • FIG. 1 may be considered as an application of the present invention to the upper limb power amplification master-slave system previously shown in FIG.
  • the surface difference between the master-slave system of the present invention shown in FIG. 1 and the upper limb power amplification master-slave system shown in FIG. 6 will be pointed out.
  • the work force sensor illustrated as Fs at the work end d is not necessary in this embodiment, and it should be noted that the work force sensor is not shown in FIG.
  • the operating force to measure the operating force f m to the master robot M-terminal G the sensor Fm disposed is to "projecting" operation force f m to the slave robot S in the slave driving force to the side tau s.
  • a force projection type bilateral control or bilateral master-slave system such referred to as a force projection type bilateral control or bilateral master-slave system, and this term is used as needed.
  • the force progressive bilateral master-slave system 1 is provided at different positions of the trunk B and is electrically connected to each other in the following manner. It consists of M and slave robot S.
  • the master robot M is an admittance type force sense presentation device operated by the operator U.
  • Each of the master robot M and the slave robot S has a grip G as an operation end and a work end d on one end side, and the other end side is provided at a different position on the trunk B.
  • Each of the master robot M and the slave robot S has two links, one end connected to the grip G or the work end d, the other end connected to the trunk B, and the link.
  • the grip G is provided with an operation force sensor Fm.
  • the force progressive bilateral master-slave system 1 according to the present embodiment is provided with trajectory control means PCm on the master robot M side and driving force control means FCs on the slave robot S side.
  • the sensor and the actuator are electrically connected.
  • Operation force sensor Fm is provided in the master robot M side, it detects the master operation force f m from the operator U. In this embodiment, it is provided on the grip G of the master robot M.
  • the slave actuators Ps 1 to 3 are provided at the respective joints of the slave robot S, and generate the slave driving force ⁇ s through the slave driving force control means FCs based on the signal from the operation force sensor Fm.
  • Master displacement sensors Pm 1 ⁇ 3 is provided at each joint of the master robot M, detects the master displacement x m.
  • the slave displacement sensor Ps 1 ⁇ 3 is provided at each joint of the slave robot S, detects a slave displacement x s.
  • the master actuators Am 1 to 3 are provided at each joint of the master robot M, and generate a master driving force ⁇ m based on the master displacement x m and the slave displacement x s .
  • the master actuators Am 1 to 3 generate the master driving force ⁇ m through the trajectory control means PCm based on the difference between the signals from the master displacement sensors Pm 1 to 3 and the slave displacement sensors Ps 1 to 3 .
  • the force progressive die bilateral master slave system 1 is driven by a slave actuator Ps 1 ⁇ 3 for the slave robot S that generates a slave driving force tau s based on the master operating force f m
  • the master robot M is driven by master actuators Am 1 to 3 that generate a master driving force ⁇ m based on an error generated between the master displacement x m and the slave displacement x s .
  • the force progressive feed type which comprises the master robot M, which is an admittance type force sense presentation device operated by an operator, and the slave robot S electrically connected to the master robot M, whose schematic configuration has been described above.
  • the bilateral master-slave system 1 detecting a master operating force f m from the operator U by i) provided in the master robot M side operation force sensor Fm, ii) generating a slave driving force ⁇ s by slave actuators As 1 to 3 provided in the slave robot S based on a signal from the operation force sensor Fm; iii) detecting a master displacement x m by master displacement sensors Pm 1 to 3 provided in the master robot M; iv) detecting a slave displacement x s by slave displacement sensors Ps 1 to 3 provided in the slave robot S; v) Master displacement sensors Pm 1 ⁇ 3 and the slave displacement sensor Ps 1 ⁇ generating a master driving force tau m by the master actuator Am 1 ⁇ 3 for generating a master driving force
  • Equation (10) relates to the master robot side and Equation (11) relates to the slave robot side.
  • ⁇ s ⁇ s (f That is, m 2 ) represents that the slave driving force ⁇ s is a function of the master operating force f m .
  • the master operating force f m is reduced by the influence of the dynamics of the slave robot S and the slave working force f s of the slave robot S by S f ⁇ 1. Been added. If the scale factor Sf is multiplied on both sides of the above equation (12), the following equation (13) is derived.
  • the scale factor S f itself is as described above, and the presence of the scale factor S f allows the operator to become “powerful and get a sense of operating the slave robot and further the target object”. It becomes possible. In terms of the control law, the scale factor S f can be regarded as a so-called power.
  • this is a bilateral master-slave system based on the power amplification concept disclosed in Non-Patent Document 2 or 8, in which "the operation force is amplified by Sf times and the slave terminal is directly operated".
  • the sense is reversely transmitted by the master actuators Am 1 to 3 that generate the master driving force ⁇ m based on the slave displacement x s and the master displacement x m. Is done.
  • the operation force f m of the master robot M side is by human power
  • the working power on the slave robot S side is a large output.
  • the impact force from the environment can be avoided on the master robot M side, but the impact force from the environment is unavoidable on the slave robot S side. That is, the conditions on the master robot M side are appropriate for the multi-axis force sensor, but the slave robot S side is inferior. Therefore, said 1.
  • This feature is suitable for a master-slave system as a power amplification robot illustrated in FIG. 1 or FIG. In addition, 2. And 3. This feature is important from the viewpoint of man-machine synergy as described below.
  • the operator U mainly matches the operation input to the mechanical impedance of the master robot M and the dynamics controlled by the environment. .
  • the slave robot S and the dynamics controlled by the environment are matched.
  • the force reverse feed type or force feedback type bilateral master-slave system 32, 33 has an operator U Matches the operation input to the “cycle in which you can easily walk on the master device (or do not ride on anything)”, but this is forced to follow the non-matching walking cycle for the slave device.
  • bilateral master-slave system 31-33 and 1 of the four mentioned above are driven only by an external force -f s.
  • the following equations (14) to (16) are obtained.
  • the slave robot S receives an external force, it is under the influence of the dynamics of the master robot M, which is only an operating device.
  • the master-slave system will work.
  • the master-slave system When applied, it should be recognized as a very important performance factor.
  • the master-slave system is not excessively moved by an external force.
  • the slave robot S is interlocked with the master robot M" according to the equation (4).
  • External force -f s master robot M by is moved (see formula (14) to (16)) and also in conjunction slave robot S, whereby an external force -f s is changed. This contributes to destabilization of the master / slave system.
  • the force progressive die bilateral master slave system 1 of the present invention shown in FIG. 1 the master robot M which manipulated by the operator U, while outputting a master operating force f m received from the operator U, It is an admittance type force sense presentation device that generates a master drive force ⁇ m by receiving a displacement or speed input and presents a force sense to the operator. That is, as shown in FIG. 4, when viewed from the master robot M side, it can be said that the force progressive bilateral master-slave system 1 according to the present invention is an admittance type force sense presentation. Unlike this, in the force reverse feed type or force feedback type bilateral master-slave systems 32 and 33 shown in FIG.
  • the master robot M is an impedance type force sense presentation device (see FIG. 4).
  • impedance-type force sense presentation the master robot M can be operated and input from any part of the apparatus.
  • the slave robot S can not present a force sense unless it is a reaction force from the work force sensor Fs portion. That is, the operator U must perform work using a part other than the work force sensor Fs portion of the slave robot S without a sense of force, and may not be able to recognize contact with the environment other than the work force sensor Fs part. is there.
  • the force progressive bilateral master-slave system 1 uses the master robot M as an admittance type force sense presentation device, a reaction force from any part of the slave robot S can be presented to the master robot M. it can.
  • an operation input to the master robot M by the operator U is performed from the operation force sensor Fm portion.
  • FIG. 12 is a conceptual diagram showing a general expression of the control system of the master / slave system.
  • the master actuators Am 1 to 3 generate the master driving force ⁇ m based on an error generated between the master displacement x m and the slave displacement x s.
  • the control may be performed to generate the master driving force ⁇ m based on an amount other than an error, for example, a differential amount of displacement.
  • the number of master or slave actuators and the number of master or slave displacement sensors are not limited to the numbers described in the above embodiments. In the above description of the embodiment, only displacement and driving force are described.
  • the displacement is not limited to translational displacement, but may be generalized displacement that allows a mixture of rotational displacements
  • the driving force is not limited to translational force. It may be a generalized driving force that allows a mixture of torques.
  • the force progressive bilateral master-slave system operates at least an electrically connected slave robot at least electrically by an operator operating a relatively small output master robot.
  • the present invention can be used for a master-slave system.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manipulator (AREA)

Abstract

Disclosed is a master/slave system (1) that is bilaterally controlled—of which a master robot (M) is considered an admittance type force feedback device—and that comprises: a master displacement sensor (Pm) that detects the displacement of the master robot (M); a slave displacement sensor (Ps) that detects the displacement of a slave robot (S); a master actuator (Am) that drives the master robot (M); a slave actuator (As) that drives the slave robot (S); and an operating force sensor (Fm) that detects the operating force that an operator (U) applies to the master robot (M).

Description

マスタスレーブシステム及びその制御方法Master-slave system and control method thereof
 本発明はマスタスレーブシステム及びその制御方法に関する。 The present invention relates to a master / slave system and its control method.
 いわゆるマスタスレーブシステムは、マスタロボットとスレーブロボットとが機械式に結合し、連動する機械式のものを発端に、現在に至っている。
 図7に、一例となる機械式マスタスレーブシステム20を示す。このシステムでは、操作者UとマスタロボットM、そしてマスタロボットMと相互接続されたスレーブロボットSとは機械的に結合し、連動している。図7において、MCはマスタロボットMとスレーブロボットSとの機械的接続を、EはスレーブロボットSの作業端が置かれた環境を、GはマスタロボットMの操作端となるグリップを表している。このように機械的に結合する場合、操作者Uがダイレクトな操作感を得られるという長所もあるが、操作者UとマスタロボットM、そしてスレーブロボットSとの幾何学的拘束から機構設計の自由が制限されると共に、異常時における安全確保に難があるといった短所も存在する。
 そこで、そのような機械的に結合した機械式マスタスレーブシステム20の有用性は依然認めつつも、現在においては、マスタロボットMとスレーブロボットSとが電気的に相互接続されており、操作者U側の入力インターフェースとロボット側の出力インターフェースが機械的には分離している電気式のものが主流となっている。
 一般的に、電気式とすれば、ソフトウェア的或いは電気的手段によって融通が利き、柔軟に機構設計できるほか、例えば、大出力のアクチュエータの可動範囲に操作者を入れないような、安全を確保しやすいシステムを構築することができる。
 このような特長をもつ電気式マスタスレーブシステムは、遠隔操作を主なアプリケーションとして発展した歴史から、これまでは、位置若しくは力の再現性、機構透明性、或いは通信時間遅れへの対処等を主眼として研究がなされてきた(下記非特許文献3~6参照)。
 しかし、図6のようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムを考えると、その視点は変化する。以下にその一端を列挙する。
 図6は、上肢パワー増幅マスタスレーブシステムの概念図である。この上肢パワー増幅マスタスレーブシステム1’は、マスタロボットMとスレーブロボットSとからなっている。各ロボットアームM,Sは、一端側にそれぞれ操作端となるグリップGと作業端dを有していると共に、他端側が体幹Bの異なる位置に備えられている。また、各ロボットアームM,Sは2本のリンクを有していると共に、グリップG或いは作業端dに接続される一端側、体幹Bに接続される他端側、そしてリンク同士の接続部分に関節を有している。電気式マスタスレーブシステムの場合では、これらの関節或いはグリップGには、適用される制御法にもよるが、必要に応じて変位センサPm1~3及びPs1~3、アクチュエータAs1~3、さらにはAm1~3、そして、作業力センサFs或いは操作力センサFmが備えられる。適用されるべき制御法についてはこれから順を追って説明する。
 ここで、操作者UとマスタロボットM、そしてマスタロボットMと相互接続されるスレーブロボットSとが機械的に結合し、連動しているいわゆる機械式のものについては、制御系が正常に稼働している限り、高増幅率の人間パワー増幅が可能であることが既に示されている(下記非特許文献1~2参照)。
 i)はじめに、図6のようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムにおいては、マスタスレーブそれぞれの末端は機械的に分離していても体幹は同一の機械システム上にあることを前提とするため、通信時間遅れはないと考えてよい。
 ii)また、図6のようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムにおいては、操作者Uとロボットの相乗効果のためには操作者Uの身体スキルをパワー増幅した上でロボットの動特性すなわちダイナミクスに投射することが求められる(下記非特許文献2参照)。これは、次に説明するこれまでの電気式マスタスレーブシステムが追求してきたダイナミクスを「消す」機構透明性という考え方が、図6のようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムにおいてはむしろ馴染まないことを示唆する。
 iii)さらに、図6のような上肢パワー増幅マスタスレーブシステム1’においては、スレーブロボットS側に比較的大出力のアクチュエータAs1~3が配置される。実装上、スレーブロボットS側はこの大出力に耐えられるハードウェアでなければならない。
 しかし、一般に多軸力センサは繊細かつ高価である。例えば、下記非特許文献7ではバックホウの出力に耐えられる6軸力センサが存在しないことが指摘されている。
 このように、図6のようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムにおいては、多軸力センサをスレーブロボットS側に備えるようなハードウェア構成は望ましくない。
 iv)最後に、例えば図6のような上肢パワー増幅マスタスレーブシステム1’においては、マスタロボットMは人間の可動範囲のスケールを持つが、スレーブロボットSは大出力に相応しい、比較的大型のスケールであることが予想される。
 マスタ、スレーブが同構造か異構造かにかかわらず、減速比やスケール効果によるマスタ、スレーブ間のダイナミクスの相違が必ずしも無視できないことを認識しておかなければならない。
[基本的なバイラテラル制御]
 では、上に示したi)~iv)の視点を踏まえ、現在、電気式マスタスレーブシステムの代表として認識されている基本的なバイラテラル制御を列挙し、対比を通じて利害得失を説明する。以下、(a)対称型、(b)力逆送型、そして(c)力帰還型の3例について順次説明する。
 なお、電気式マスタスレーブシステムとして、図8に例示されるようなユニラテラル制御30を適用したものも挙げることは可能ではあるが、これはバイラテラル制御に対して、図8に示すようにマスタM側に制御系を置かず単にマスタM側からの目標値をスレーブSの軌道制御を行う軌道制御手段PCsに送るだけのものであり、例えスレーブS側が環境の何かと接触しても操作者Uには力感覚を通してはその状況が伝わらないものである。
 図8において、Pmはマスタ変位センサ、Psはスレーブ変位センサ、Asはスレーブアクチュエータ、Gは操作者により把持されるグリップ、dは作業端である。
 したがって、図6のようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムを電気式マスタスレーブシステムとするにあたっては、スレーブS側の作業状況が力感覚として操作者Uに伝えられるバイラテラル制御が必然的に適用されることとなる。
 まず、図6のようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムの運動方程式を以下のように定める。式(1)がマスタロボット側、式(2)がスレーブロボット側に係るものである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 時刻tにおいて、操作者がマスタロボット末端に加えるマスタ操作力をf(t)、スレーブ末端が環境に加えるスレーブ作業力をf(t)とする。q(t)、q(t)はマスタ変位とスレーブ変位、τ(t)、τ(t)はマスタロボットM或いはスレーブロボットSを駆動するマスタ駆動力或いはスレーブ駆動力、そして、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
は慣性以外の効果を集約した剰余項であるとする。
 ここで、マスタロボットM及びスレーブロボットSがn自由度ロボットとすると、以上f(t)、f(t)・・・はそれぞれn次元ベクトルである(以下、同様とする)。
 また、M(q)、M(q)は慣性行列、J(q)、J(q)はヤコビ行列であり、これらのヤコビ行列は正則であるとする。ただしこれらは説明を簡単にするための仮定であり、本発明はマスタロボットとスレーブロボットの自由度数が異なっても、ロボットの自由度数と作業座標系の次元数が異なっても、またヤコビ行列が正則でなくても、問題なく適用できるものである。
 また、図6のようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムを取り扱うに際しては、変位と力のスケーリングを行なう。マスタからスレーブへの変位と力のスケール比をそれぞれS、Sとする。なおS、Sはn行n列の対角行列である。
(a)対称型バイラテラル制御
 図9に示すように、対称型バイラテラル制御においてはマスタM側及びスレーブS側双方に軌道制御手段PCm、PCsを配置し、相手側のロボットの位置・速度が目標値となるような閉ループ系を構成している。同じ軌道制御系がマスタ側とスレーブ側で対称に配置されているのでこう呼ばれている。対称型は、以下の力逆送型や力帰還型バイラテラル制御32,33では必要な力センサを必要とせず、さらに安定性の意味でも性質の良い制御法である。図9において、Amはマスタアクチュエータである。
 制御則に関しては、例えば作業座標系におけるP制御を用いれば以下のようになる。
 x(t)、x(t)はそれぞれマスタ或いはスレーブ末端の作業座標系での位置[n次元ベクトル]、KはP制御ゲインを表すn行n列の対角行列である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
式(3)がマスタロボット側、式(4)がスレーブロボット側に係るものである。
 ここで、τ=τ(x,x)とはすなわち、マスタ駆動力τはスレーブ変位xとマスタ変位xとの関数であることを表し、τ=τ(x,x)とはすなわち、スレーブ駆動力τはマスタ変位xとスレーブ変位xとの関数であることを表している。
 そして、式(1)~(4)から次式を得る。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
式(5)の右辺第1項及び第2項からも分かる通り、マスタ操作力fにはマスタロボットMのダイナミクスの影響が等倍で加わると共に、スレーブロボットSのダイナミクスの影響とスレーブロボットSのスレーブ作業力fがS −1倍に縮小されて加わる。
 すなわち、この対称型バイラテラル制御においては制御系の構成上、操作者が感じる見かけの慣性は、マスタロボットMの慣性にスレーブロボットSの慣性が重畳されるため操作感が重くなりがちであるほか、スレーブロボットSからマスタロボットMへの力フィードバックを位置制御系の偏差信号に頼るのでマスタ、スレーブ両ロボットの駆動系の摩擦の影響を受けやすいと言った問題があった。
(b)力逆送型バイラテラル制御
 図10に示す力逆送型バイラテラルマスタスレーブシステム32は、マスタロボットMの位置・速度を目標値として、スレーブロボットSが軌道制御されると同時に、スレーブロボットS側で検出された環境との接触力に相当するスレーブ作業力fがマスタロボットM側に逆送されてマスタロボットMを駆動する方式である。そのため、スレーブロボットS末端にはスレーブ作業力fを計測する作業力センサFsが備えられると共にマスタロボットM側には駆動力制御手段FCmが備えられ、スレーブ作業力fをマスタロボットM側に於けるマスタ駆動力τへ「反射」させる様構成されている。
 力逆送型の場合、スレーブロボットSはマスタロボットMに連動する。これは、スレーブロボットSがマスタロボットMの動特性すなわちダイナミクスに従って動くと言うことを示唆するものである。これについては次に説明する力帰還型の場合でも同様である。
 ここで、マスタロボットMの制御則は次の通りとなる。なおスレーブロボットSの制御則は式(4)と同じである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 ここで、τ=τ(f)とはすなわち、マスタ駆動力τはスレーブ作業力fの関数であることを表している。
 そして、式(1)と式(6)から次式を得る。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
式(7)の右辺第1項からも分かる通り、マスタ操作力fにはマスタロボットMのダイナミクスの影響がやはり等倍で加わり、またスレーブロボットSのスレーブ作業力fはS −1倍に縮小される。
(c)力帰還型バイラテラル制御
 図11に示す力帰還型バイラテラルマスタスレーブシステム33は、マスタロボットMの位置・速度を目標値として、スレーブロボットSが軌道制御されると同時に、スレーブロボットS側で検出された環境との接触力に相当するスレーブ作業力fを目標値としてマスタロボットMが力制御される方式である。力逆送型32との違いは、マスタロボットM側にも操作力センサFmが備えられ、力目標との誤差を帰還する閉ループが存在することである。この力帰還ループの追加により、力感度等が向上し、マスタロボットMそしてスレーブロボットSの見かけの慣性が小さくなって操作感が向上する様構成されている。
 以上の一連の説明から明らかな通り、対称型バイラテラルマスタスレーブシステム31から、力逆送型バイラテラルマスタスレーブシステム32そして力帰還型バイラテラルマスタスレーブシステム33へと構成要件が増すにしたがって、マスタスレーブシステム全体の機構透明性の向上が図られていることが理解される。
 ここで、マスタロボットMの制御則は次の通りとなる。Kは力制御ゲインを表すn行n列の対角行列である。なおスレーブロボットSの制御則は式(4)と同じである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 ここで、τ=τ(f,f)とはすなわち、マスタ駆動力τはスレーブ作業力fとマスタ操作力fとの関数であることを表している。
 そして、式(1)と式(8)から次式を得る。なお、Iは単位行列である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
式(9)の右辺第1項及び第2項からも分かる通り、Kを十分大きくすればマスタロボットMのダイナミクスの影響は無視出来る程に小さくなり、スレーブロボットSのスレーブ作業力fのみがS −1倍に縮小されて加わることとなる。
 ところで、前記(5)式、(7)式、そして(9)式といった様に対称型マスタスレーブシステム31、力逆送型マスタスレーブシステム32、そして力帰還型マスタスレーブシステム33へと機構透明性を高めるに従い、操作者Uは恰も「対象物(だけ)を直接操作している」様な感覚で以てマスタスレーブシステムを操作することが出来る様になる一方で、例えば(9)式にも現れている様に、操作者UにとってはスレーブロボットSのダイナミクスに配慮した操作を行う、といった意識が稀薄にならざるを得ず、いきおい、操作者Uに、比較的大出力で大型のスレーブロボットSであっても、彼若しくは彼女の手許にある比較的小出力のマスタロボットMのダイナミクスで以て動作するものだという錯覚を与えかねない、またその傾向が強く見られるといった点は問題であった。
 すなわち、比較的小出力のマスタロボットMと比較的大出力で大型のスレーブロボットSとが電気的に相互接続されてなるマスタスレーブシステムにおいては、同構造であるか異構造であるかにかかわらずマスタロボットMのダイナミクスとスレーブロボットSのダイナミクスは当然大きく相違し、例えば、スレーブロボットSの慣性や摩擦、可動範囲その他の動特性はマスタロボットMと比較して格段に大きなものとなっている。
 その様な前提の下で、スレーブロボットSのダイナミクスを何らかのかたちで操作者Uに伝達しないことは、操作者Uに対してスレーブロボットSのダイナミクスに配慮した適切な操作をさせることを阻害する要因ともなり、マスタスレーブシステムの制御系を検討する際にマンマシンインタフェースの性能の一つとして対応すべき問題であった。
 また、そのような比較的大出力で大型のスレーブロボットを想定した場合に於いては、時には劣悪な環境の下に晒され過大な負荷が掛けられるといったスレーブロボットの過酷な使用に耐え得る強靱な力センサを入手し、これをスレーブロボットに備えることは現実的にも非常に困難であり、そうすると、既存の力逆送型、或いは力帰還型と言ったスレーブロボット側で検出された環境との接触力或いは対象物の感触を操作者に還すバイラテラルマスタスレーブシステム32,33の適用も難しいという問題があった。
 さらに、仮にその様な比較的大出力で大型のスレーブロボットの過酷な使用に耐え得る強靱な力センサが得られたとしても、前記力逆送型、或いは力帰還型と言ったバイラテラルマスタスレーブシステム32,33には次のような問題が存する以上、比較的小出力のマスタロボットを操作して比較的大出力で大型のスレーブロボットを操縦する様なマスタスレーブシステムには適用が困難と言った問題もあった。
 すなわち、図10及び11に示す力逆送型、或いは力帰還型バイラテラルマスタスレーブシステム32,33においてはスレーブロボットSに作業力センサFsが備えられるところ、例えば、操作者UがマスタロボットMに備えられた操縦桿であるグリップGから手を離してマスタロボットMと離間してしまった状態(f=0)でスレーブロボットSが外力−fによって無理矢理駆動されると言った状況を想定した場合、スレーブロボットSに備えられた作業力センサFs出力に基づきマスタロボットM側にマスタ駆動力τが伝わった際、それがマスタ位置・速度に反映されることとなる。そうすると、そのようなマスタ変位xが、今度はスレーブロボットS側に伝わってしまい、その結果、マスタ変位xに基づきスレーブロボットS側にスレーブ駆動力τが伝わってスレーブロボットSが駆動され、スレーブロボットの作業力センサFs出力が変動するきっかけをもたらし、再びマスタ駆動力τ発生、マスタ変位x変化・・・と言った具合に閉ループが構成される虞が生じる。その様な閉ループが一旦構成されてしまうと、操作者UとマスタロボットMとの離間状態を解消して適切な操作を加えない限り、スレーブロボットSの、意図しない動作或いは振動が増大し、最悪の場合、スレーブロボットSが暴走して周囲に危険を及ぼす可能性があった。この場合も、制御系として安定性が保たれない虞が高かったのである。
 これらの危険性或いは周囲に与える影響は特に、スレーブロボットが比較的大出力で大型の場合には大きく、大型であればある程、甚大な被害を周囲に与えかねない危険性を孕んでいると言った問題があった。
 すなわち、前記した諸問題は、操作者が安心して操作でき、そしてスレーブロボットの周囲に対しても安心を与えることができるマスタスレーブシステムを提供するに際して必ず解決すべき課題である。
 ところが、現在に至るまで、これらの諸問題に着目し、そしてそれを正面から解決した例はこれまで世の中に存在しなかった。
The so-called master-slave system has been developed since the master robot and slave robot are mechanically coupled and interlocked with each other.
FIG. 7 shows an example mechanical master-slave system 20. In this system, the operator U, the master robot M, and the slave robot S interconnected with the master robot M are mechanically coupled and interlocked. In FIG. 7, MC represents a mechanical connection between the master robot M and the slave robot S, E represents an environment where the working end of the slave robot S is placed, and G represents a grip serving as the operation end of the master robot M. . When mechanically coupled in this way, there is an advantage that the operator U can obtain a direct operational feeling. However, the mechanism design is free from geometric constraints between the operator U, the master robot M, and the slave robot S. However, there are also disadvantages such as difficulty in ensuring safety in the event of an abnormality.
Therefore, while the usefulness of such a mechanically coupled mechanical master / slave system 20 is still recognized, at present, the master robot M and the slave robot S are electrically interconnected, and the operator U The main type is an electrical type in which the input interface on the side and the output interface on the robot side are mechanically separated.
In general, the electric type is flexible by software or electrical means and can be designed flexibly. For example, safety is ensured so that the operator cannot enter the movable range of the high-power actuator. Easy system can be constructed.
The electrical master-slave system with these features has been developed mainly for remote operation as a main application, and so far, it has mainly focused on reproducibility of position or force, mechanism transparency, or dealing with communication time delay. Have been studied (see Non-Patent Documents 3 to 6 below).
However, when the master-slave system as a power amplification robot as shown in FIG. 6 is considered, the viewpoint changes. The following is a list.
FIG. 6 is a conceptual diagram of the upper limb power amplification master / slave system. The upper limb power amplification master / slave system 1 ′ includes a master robot M and a slave robot S. Each of the robot arms M and S has a grip G as a manipulation end and a work end d on one end side, and the other end side is provided at a different position on the trunk B. Each of the robot arms M and S has two links, one end connected to the grip G or the work end d, the other end connected to the trunk B, and a connecting portion between the links. Have joints. In the case of an electric master-slave system, these joints or grips G are provided with displacement sensors Pm 1 to 3 and Ps 1 to 3 , actuators As 1 to 3 , as necessary, depending on the control method applied. Furthermore, Am 1 to 3 and a work force sensor Fs or an operation force sensor Fm are provided. The control method to be applied will be explained in order.
Here, for the so-called mechanical type in which the operator U, the master robot M, and the slave robot S interconnected with the master robot M are mechanically coupled and interlocked, the control system operates normally. It has already been shown that human power amplification with a high amplification factor is possible (see Non-Patent Documents 1 and 2 below).
i) First, in the master-slave system as a power amplification robot as shown in FIG. 6, it is assumed that the trunk is on the same mechanical system even if the ends of each master-slave are mechanically separated. It can be considered that there is no communication time delay.
ii) In the master-slave system as the power amplification robot as shown in FIG. 6, for the synergistic effect between the operator U and the robot, the robot's dynamic characteristics, that is, the dynamics, after power amplification of the operator U's body skills. (See Non-Patent Document 2 below). This is because the concept of transparent mechanism that “disappears” the dynamics pursued by the electrical master-slave system described so far, is rather unfamiliar with the master-slave system as a power amplification robot as shown in FIG. To suggest.
iii) Furthermore, in the upper limb power amplification master / slave system 1 ′ as shown in FIG. 6, actuators As 1 to 3 having relatively large outputs are arranged on the slave robot S side. In implementation, the slave robot S side must be hardware capable of withstanding this large output.
However, multi-axis force sensors are generally delicate and expensive. For example, the following Non-Patent Document 7 points out that there is no 6-axis force sensor that can withstand the output of the backhoe.
Thus, in the master-slave system as a power amplification robot as shown in FIG. 6, a hardware configuration in which a multi-axis force sensor is provided on the slave robot S side is not desirable.
iv) Finally, in the upper limb power amplification master-slave system 1 ′ as shown in FIG. 6, for example, the master robot M has a human movable range scale, but the slave robot S is a relatively large scale suitable for high output. It is expected that
Regardless of whether the master and slave have the same structure or different structures, it must be recognized that the difference in dynamics between the master and slave due to the reduction ratio and scale effect cannot always be ignored.
[Basic bilateral control]
Then, based on the viewpoints i) to iv) described above, basic bilateral controls currently recognized as representatives of the electric master-slave system are listed, and the advantages and disadvantages are explained through comparison. Hereinafter, three examples of (a) symmetric type, (b) force reverse feed type, and (c) force feedback type will be sequentially described.
As an electric master / slave system, it is possible to use a system to which the unilateral control 30 as illustrated in FIG. 8 is applied. However, as shown in FIG. The target value from the master M side is merely sent to the trajectory control means PCs that performs the trajectory control of the slave S without placing a control system on the M side. For example, even if the slave S contacts with something in the environment, the operator U The situation cannot be conveyed through the sense of power.
In FIG. 8, Pm is a master displacement sensor, Ps is a slave displacement sensor, As is a slave actuator, G is a grip held by an operator, and d is a working end.
Therefore, when the master-slave system as a power amplification robot as shown in FIG. 6 is an electric master-slave system, bilateral control in which the work status on the slave S side is transmitted to the operator U as a force sense is inevitably applied. Will be.
First, the equation of motion of the master-slave system as a power amplification robot as shown in FIG. 6 is defined as follows. Equation (1) relates to the master robot side and Equation (2) relates to the slave robot side.
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
At time t, the master operating force that the operator applies to the end of the master robot is f m (t), and the slave working force that the slave end applies to the environment is f s (t). q m (t), q s (t) are master displacement and slave displacement, τ m (t), τ s (t) are master driving force or slave driving force for driving the master robot M or slave robot S, and
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
Is a remainder term that aggregates effects other than inertia.
Here, if the master robot M and the slave robot S are n-degree-of-freedom robots, f m (t), f s (t)... Are n-dimensional vectors (hereinafter the same).
Also, M m (q m ) and M s (q s ) are inertia matrices, J m (q m ) and J s (q s ) are Jacobian matrices, and these Jacobian matrices are regular. However, these are assumptions for simplifying the explanation. In the present invention, even if the degrees of freedom of the master robot and slave robot are different, the degrees of freedom of the robot and the dimensions of the work coordinate system are different, and the Jacobian matrix is Even if it is not regular, it can be applied without problems.
Further, when handling a master-slave system as a power amplification robot as shown in FIG. 6, displacement and force scaling are performed. Let S p and S f be the scale ratios of displacement from the master to the slave and force, respectively. S p and S f are diagonal matrices of n rows and n columns.
(A) Symmetric bilateral control As shown in FIG. 9, in the symmetric bilateral control, the trajectory control means PCm and PCs are arranged on both the master M side and the slave S side, and the position and speed of the robot on the other side are determined. A closed-loop system is configured to achieve the target value. This is called because the same orbit control system is arranged symmetrically on the master side and slave side. The symmetric type does not require a force sensor required for the following force reverse feed type and force feedback type bilateral control 32 and 33, and is a control method with good properties in terms of stability. In FIG. 9, Am is a master actuator.
Regarding the control law, for example, if P control in the work coordinate system is used, it is as follows.
x m (t) and x s (t) are positions in the working coordinate system of the master or slave end [n-dimensional vector], and K p is an n-by-n diagonal matrix representing the P control gain.
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
Equation (3) relates to the master robot side and Equation (4) relates to the slave robot side.
Here, τ m = τ m (x s , x m ) means that the master driving force τ m is a function of the slave displacement x s and the master displacement x m, and τ s = τ s (x m , x s ) means that the slave driving force τ s is a function of the master displacement x m and the slave displacement x s .
Then, the following equation is obtained from equations (1) to (4).
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
As can be understood from the first term and the second term of equation (5), together with the master operating force f m applied at the same magnification the influence of the dynamics of the master robot M, slave robot dynamics effects and slave robots S S Slave work force f s is reduced to S f −1 and added.
That is, in this symmetrical bilateral control, the apparent inertia felt by the operator tends to be heavy because the inertia of the slave robot S is superimposed on the inertia of the master robot M due to the configuration of the control system. Since the force feedback from the slave robot S to the master robot M depends on the deviation signal of the position control system, there is a problem that it is easily influenced by the friction of the drive systems of both the master and slave robots.
(B) Force reverse feed type bilateral control The force reverse feed type bilateral master-slave system 32 shown in FIG. 10 is configured so that the slave robot S is trajectory-controlled using the position and speed of the master robot M as a target value. slave working force f s which corresponds to the contact force between the detected environment robot S side is conveyed backward to the master robot M side is a method of driving a master robot M. Therefore, the slave robot S terminal to the master robot M side with working force sensor Fs for measuring the slave working force f s is provided provided with a driving force control means FCm, the slave working force f s to the master robot M side It is configured to be “reflected” to the master driving force τ m at this point.
In the case of the force reverse feed type, the slave robot S is linked to the master robot M. This suggests that the slave robot S moves according to the dynamic characteristics, that is, the dynamics of the master robot M. The same applies to the case of the force feedback type described below.
Here, the control law of the master robot M is as follows. Note that the control law of the slave robot S is the same as that in Expression (4).
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
Here, τ m = τ m (f s ) represents that the master driving force τ m is a function of the slave working force f s .
Then, the following expression is obtained from Expression (1) and Expression (6).
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
As can be seen from the first term on the right side of equation (7), the master operating force f m is also affected by the dynamics of the master robot M at the same magnification, and the slave working force f s of the slave robot S is S f −1. Reduced to double.
(C) Force-feedback bilateral control The force-feedback bilateral master-slave system 33 shown in FIG. 11 controls the trajectory of the slave robot S with the position and speed of the master robot M as target values. In this method, the master robot M is force-controlled using a slave work force f s corresponding to the contact force with the environment detected on the side as a target value. The difference from the force reverse feed type 32 is that an operating force sensor Fm is also provided on the master robot M side, and there is a closed loop that feeds back an error from the force target. By adding this force feedback loop, force sensitivity and the like are improved, and the apparent inertia of the master robot M and the slave robot S is reduced to improve the operational feeling.
As is clear from the above series of explanations, as the configuration requirements increase from the symmetrical bilateral master / slave system 31 to the force reverse feed type bilateral master / slave system 32 and the force feedback type bilateral master / slave system 33, the master It is understood that the mechanism transparency of the entire slave system is improved.
Here, the control law of the master robot M is as follows. K f is an n-by-n diagonal matrix representing a force control gain. Note that the control law of the slave robot S is the same as that in Expression (4).
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
Here, τ m = τ m (f s , f m) that is a master driving force tau m indicates that a function of the slave work force f s and the master operating force f m.
Then, the following expression is obtained from Expression (1) and Expression (8). I is a unit matrix.
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
As can be understood from the first term and the second term of the equation (9), by securing larger K f influence of the dynamics of the master robot M becomes small enough to be ignored, only the slave working force f s of the slave robot S Is reduced to S f −1 and added.
By the way, as shown in the equations (5), (7), and (9), the mechanism is transparent to the symmetric master-slave system 31, the force reverse-feed master-slave system 32, and the force-feedback master-slave system 33. As U increases, the operator U can operate the master-slave system as if he / she is “directly operating the object (only)”. As shown, the operator U has to become less aware that the operation of the slave robot S is performed in consideration of the dynamics of the slave robot S, and suddenly the operator U has a relatively large output and a large slave robot. Even S may give the illusion that it works with the dynamics of the relatively small output master robot M in his or her hand, and the tendency Point such as seen strongly was a problem.
That is, in a master-slave system in which a relatively small output master robot M and a relatively large output large slave robot S are electrically interconnected, the structure is the same or different. Naturally, the dynamics of the master robot M and the slave robot S are significantly different. For example, the inertia, friction, movable range, and other dynamic characteristics of the slave robot S are much larger than those of the master robot M.
Under such a premise, not transmitting the dynamics of the slave robot S to the operator U in some way prevents the operator U from performing an appropriate operation in consideration of the dynamics of the slave robot S. At the same time, when examining the control system of the master-slave system, it was a problem to be addressed as one of the man-machine interface performance.
In addition, when assuming a large slave robot with such a relatively large output, it is strong enough to withstand the harsh use of the slave robot, which is sometimes exposed to a poor environment and overloaded. It is very difficult to obtain a force sensor and prepare it for a slave robot. In that case, the existing force back-feed type or force feedback type is detected on the slave robot side. There is a problem that it is difficult to apply the bilateral master- slave systems 32 and 33 that return the contact force or the touch of the object to the operator.
Furthermore, even if a tough force sensor that can withstand the harsh use of a large slave robot with such a relatively large output is obtained, the bilateral master slave called the force reverse feed type or the force feedback type Since the systems 32 and 33 have the following problems, it is difficult to apply to a master-slave system in which a relatively small output master robot is operated to operate a large slave robot with a relatively large output. There was also a problem.
That is, in the force reverse feed type or force feedback type bilateral master- slave systems 32 and 33 shown in FIGS. 10 and 11, the slave robot S is provided with the work force sensor Fs. assumes a provided joystick slave robot S at the grip G is release the state and which has been separated from the master robot M (f m = 0) is said to be driven forcibly by an external force -f s situation If you, when transmitted by the master driving force tau m to the master robot M side based on the work force sensor Fs output provided to the slave robot S, and thus it is reflected in the master position and speed. Then, such a master displacement x m is transmitted to the slave robot S side this time, and as a result, the slave driving force τ s is transmitted to the slave robot S side based on the master displacement x m and the slave robot S is driven. As a result, the output of the slave robot's working force sensor Fs fluctuates, and there is a possibility that a closed loop may be formed such that the master driving force τ m is generated, the master displacement x m changes, and so on. Once such a closed loop is constructed, the unintended motion or vibration of the slave robot S increases unless the separated state between the operator U and the master robot M is eliminated and an appropriate operation is applied. In this case, there is a possibility that the slave robot S may run away and cause danger to the surroundings. Also in this case, there is a high possibility that the stability of the control system cannot be maintained.
These dangers or the effects on the surroundings are particularly large when the slave robot is relatively large in output and large, and the larger it is, the greater the risk that it may cause serious damage to the surroundings. There was a problem I said.
That is, the above-mentioned problems are problems that must be solved when providing a master-slave system that can be operated with peace of mind by the operator and that can also provide peace of mind to the surroundings of the slave robot.
However, until now, there have been no examples in the world that focus on these problems and solve them from the front.
 したがって本発明は、比較的小出力のマスタロボットを操作者が操ることによって、少なくとも電気的に接続された比較的大出力のスレーブロボットを操縦するマスタスレーブシステムにおいて、操作者に、まるでスレーブロボットを直接持っているかのような直感的な操縦を可能にし、なおかつスレーブロボット側に力センサを必要としないマスタスレーブシステム及びその制御方法を提供することを課題とする。 Therefore, the present invention provides a master-slave system that controls a slave robot with a relatively large output that is electrically connected to the operator by operating the master robot with a relatively small output. It is an object of the present invention to provide a master-slave system that allows intuitive control as if it is directly held, and that does not require a force sensor on the slave robot side, and a control method therefor.
 前記課題を解決すべく種々検討を重ねた結果、本願発明者は、バイラテラル制御されるマスタスレーブシステムであって、操作者によって操られるマスタロボットを、操作者から受けるマスタ操作力を出力する一方で、変位又は速度入力を受けることによりマスタ駆動力を発生させて操作者に力覚提示を行うアドミッタンス型の力覚提示装置とし、そして、マスタロボットを、操作者がマスタロボットに加える操作力を検出する操作力センサと、マスタロボットの変位を検出するマスタ変位センサと、マスタ変位とスレーブ変位とに基づきマスタロボットを駆動するマスタアクチュエータとからなるものとし、スレーブロボットを、スレーブロボットの変位を検出するスレーブ変位センサと、マスタ操作力に基づきスレーブロボットを駆動するスレーブアクチュエータとからなるものとすることにより、スレーブロボット側に力センサを必要としないマスタスレーブシステムを提供することが可能であることを見い出すとともに、同構成によれば、操作者に、比較的小出力のマスタロボットを操ることによって、恰も比較的大出力のスレーブロボットを直接持っているかのような直感的な操縦を可能にすることを見い出し、本発明を完成した。
 前記課題を解決可能な本発明のマスタスレーブシステムは、(1)操作者によって操られるアドミッタンス型の力覚提示装置であるマスタロボットと、前記マスタロボットに少なくとも電気的に接続されたスレーブロボットとからなる、バイラテラル制御されるマスタスレーブシステムであって、前記マスタロボットにおけるマスタ変位を検出する少なくとも1つのマスタ変位センサと、前記スレーブロボットにおけるスレーブ変位を検出する少なくとも1つのスレーブ変位センサと、前記マスタロボットを駆動するマスタ駆動力を発生させる少なくとも1つのマスタアチュエータと、前記スレーブロボットを駆動するスレーブ駆動力を発生させる少なくとも1つのスレーブアクチュエータと、前記操作者が前記マスタロボットに加えるマスタ操作力を検出する少なくとも1つの操作力センサと、を備え、前記スレーブアクチュエータが前記マスタ操作力に基づき前記スレーブ駆動力を発生させる一方、前記マスタアクチュエータが、前記マスタ変位と前記スレーブ変位とに基づき前記マスタ駆動力を発生させる、ことを特徴とするものである。
 さらに本発明のマスタスレーブシステムの制御方法は、(2)操作者によって操られるアドミッタンス型の力覚提示装置であるマスタロボットと、前記マスタロボットに少なくとも電気的に接続されたスレーブロボットとからなる、バイラテラル制御されるマスタスレーブシステムの制御方法であって、少なくとも1つの操作力センサにより前記操作者が前記マスタロボットに加えるマスタ操作力を検出するステップと、少なくとも1つのスレーブアクチュエータにより、前記マスタ操作力に基づき前記スレーブロボットにスレーブ駆動力を発生させるステップと、少なくとも1つのマスタ変位センサにより前記マスタロボットのマスタ変位を検出し、さらに、少なくとも1つのスレーブ変位センサにより前記スレーブロボットのスレーブ変位を検出するステップと、少なくとも1つのマスタアクチュエータにより、前記マスタ変位と前記スレーブ変位とに基づき前記マスタロボットにマスタ駆動力を発生させ、前記操作者に力覚を提示するステップと、を含んでなることを特徴とするものである。
[用語の説明]
 本明細書において「操作」と「操縦」は使い分けている。「操作」は、操作する人・動作にフォーカスするローカルな場合に用いている。他方、「操縦」は、操作する人だけではなく操作されるロボットも共に含めた全体の行為としてみる場合に用いることとする。
 したがって、本明細書においては、操作者はマスタロボットを操作し、操作者はスレーブロボットを操縦する、というようにしている。
 本明細書にいう「パワー増幅ロボット」とは、一般にパワーアシストロボットとして理解されるデバイスの内、人が生身では発揮できない大きなオーダーでロボットがパワーを発揮することによって、人だけではできない重作業をさせることを主な目的とするロボットを指すものとする。
 本明細書において「マスタスレーブシステム」とは、マスタロボット及びスレーブロボットのほか、これらを制御する制御装置をも含めた形で統合したものを称するものとする。
 本明細書において「ダイナミクス」とは、慣性、摩擦、遠心力等の動特性を全て含んだ包括概念を指し示すものとする。
 本明細書において「異構造」とは、マスタスレーブシステムを構成するマスタロボットとスレーブロボットとがそれぞれ別の幾何学的構造を持つものを指し(図5参照)、「同構造」とは、マスタスレーブシステムを構成するマスタロボットとスレーブロボットとが同一の幾何学的構造を持つものを指し示すものとする。
 なお、図5に示す異構造マスタスレーブシステム10において、dはスレーブロボットSの作業端、Gは操作者UとのインターフェースとなるマスタロボットMの操作端を表している。
 本明細書において「アドミッタンス型」とは、操作者によって操られるマスタロボットにおいて、操作者から受けるマスタ操作力を出力する一方で、変位又は速度入力を受けることによりマスタ駆動力を発生させて操作者に力覚提示を行うものを指し示すものとする(図4参照)。
 一方、「インピーダンス型」とは、その反対で、操作者によって操られるマスタロボットにおいて、マスタ変位又は速度を出力する一方で、力入力を受けることによりマスタ駆動力を発生させて操作者に力覚提示を行うものを指し示すものとする。
 なお一般的に、インピーダンス型、或いはアドミッタンス型というのはバーチャルリアリティの分野で使われる概念で、マスタスレーブシステムに対して使われることは殆どない。
 本明細書における「機構透明性」とは、主にウェアラブルロボットやマスタスレーブシステムの分野で用いられる概念である。これは、「ロボットの操作者が着用あるいは操作しているロボットの機構が持つ動特性(ダイナミクス)が、操作者にとって見かけ上(運動感覚的に)、恰も透明に(何もないかのように)感じられる」という特性を指し示すものとする。
As a result of various studies to solve the above problems, the inventor of the present application is a bilaterally controlled master-slave system that outputs a master operating force received from an operator by a master robot operated by the operator. Thus, an admittance-type force sense presentation device that generates a master drive force by receiving a displacement or speed input and presents a force sense to the operator, and the master robot is operated with an operation force applied to the master robot by the operator. It consists of an operating force sensor to detect, a master displacement sensor to detect the displacement of the master robot, and a master actuator that drives the master robot based on the master displacement and the slave displacement. The slave robot detects the displacement of the slave robot. Slave displacement sensor that drives the slave robot based on the master operating force It has been found that it is possible to provide a master-slave system that does not require a force sensor on the slave robot side by comprising a slave actuator. It has been found that by manipulating the output master robot, it is possible to intuitively control the kite as if it directly has a relatively large output slave robot, and the present invention has been completed.
The master-slave system of the present invention that can solve the above-described problems includes (1) a master robot that is an admittance type force sense manipulation device operated by an operator, and a slave robot that is at least electrically connected to the master robot. A bilaterally controlled master-slave system comprising: at least one master displacement sensor for detecting master displacement in the master robot; at least one slave displacement sensor for detecting slave displacement in the slave robot; and the master At least one master actuator for generating a master driving force for driving the robot; at least one slave actuator for generating a slave driving force for driving the slave robot; and a mass applied by the operator to the master robot. At least one operating force sensor for detecting an operating force, wherein the slave actuator generates the slave driving force based on the master operating force, while the master actuator is based on the master displacement and the slave displacement. The master driving force is generated.
Further, the control method of the master-slave system of the present invention comprises (2) a master robot that is an admittance type force sense presentation device operated by an operator, and a slave robot that is at least electrically connected to the master robot. A bilaterally controlled master-slave system control method comprising: detecting at least one operation force sensor a master operation force applied by the operator to the master robot; and at least one slave actuator to perform the master operation. Generating a slave driving force for the slave robot based on the force; detecting a master displacement of the master robot by at least one master displacement sensor; and further detecting a slave displacement of the slave robot by at least one slave displacement sensor. And a step of generating a master driving force for the master robot based on the master displacement and the slave displacement by at least one master actuator and presenting a sense of force to the operator. It is characterized by this.
[Explanation of terms]
In this specification, “operation” and “maneuvering” are properly used. “Operation” is used in a local case where the person / operation to be operated is focused. On the other hand, “steering” is used when the entire action including not only the person who operates the robot but also the operated robot is considered.
Therefore, in this specification, the operator operates the master robot, and the operator controls the slave robot.
"Power amplification robot" as used in this specification is a device that is generally understood as a power assist robot. It refers to a robot whose main purpose is to be
In this specification, the “master / slave system” refers to an integrated system including a master robot and a slave robot as well as a control device for controlling these.
In this specification, “dynamics” indicates a comprehensive concept including all dynamic characteristics such as inertia, friction, and centrifugal force.
In this specification, “different structure” refers to a master robot and a slave robot that constitute a master-slave system having different geometric structures (see FIG. 5). The master robot and the slave robot constituting the slave system indicate the same geometric structure.
In the different structure master-slave system 10 shown in FIG. 5, d represents the working end of the slave robot S, and G represents the operating end of the master robot M serving as an interface with the operator U.
In this specification, “admittance type” means that a master robot operated by an operator outputs a master operating force received from the operator, while receiving a displacement or speed input to generate a master driving force to generate the master driving force. It is assumed that a force sense presentation is indicated (see FIG. 4).
On the other hand, the “impedance type” is the opposite, in the master robot operated by the operator, while outputting the master displacement or speed, the master driving force is generated by receiving the force input, and the operator senses force. It shall indicate what is to be presented.
In general, the impedance type or admittance type is a concept used in the field of virtual reality and is rarely used for a master-slave system.
The “mechanism transparency” in this specification is a concept mainly used in the field of wearable robots and master-slave systems. This is because “the dynamics (dynamics) of the robot mechanism worn or operated by the robot operator is apparent to the operator (in terms of kinematics), and the wrinkles are transparent (as if there is nothing. ) "Feel".
 本発明によれば、比較的小出力のマスタロボットを操作者が操ることによって、少なくとも電気的に接続された比較的大出力のスレーブロボットを操縦するマスタスレーブシステムにおいて、操作者に、まるでスレーブロボットを直接持っているかのような直感的な操縦を可能にし、なおかつスレーブロボット側に力センサを必要としないマスタスレーブシステム及びその制御方法を提供することができる。
 又本発明によれば、スレーブロボットをスレーブダイナミクスに従って動作させることができ、同時に、マスタロボットがスレーブロボットに連動する、スレーブ側に力センサを要せず、安定なマスタスレーブシステム及びその制御方法を提供することが可能となる。
According to the present invention, in a master-slave system in which a relatively high-power slave robot is controlled by an operator by manipulating a relatively low-power master robot, the operator can feel as if the robot is a slave robot. It is possible to provide a master-slave system and a control method therefor that enable intuitive operation as if the robot is directly held and that does not require a force sensor on the slave robot side.
According to the present invention, the slave robot can be operated according to the slave dynamics, and at the same time, the master robot is interlocked with the slave robot. It becomes possible to provide.
 図1は本発明のマスタスレーブシステムの一実施形態を示す図である。
 図2は本発明のマスタスレーブシステムの他の実施形態に係る四肢パワー増幅マスタスレーブシステムの概念図である。
 図3は本発明のマスタスレーブシステムのさらに別の実施形態に係る四肢パワー増幅マスタスレーブシステムの概念図である。
 図4はインピーダンス型力覚提示とアドミッタンス型力覚提示との概念の違いを説明する図である。
 図5は異構造マスタスレーブマニピュレータの一例を示す図である。
 図6は上肢パワー増幅マスタスレーブシステムの概念図である。
 図7は機械式マスタスレーブシステムの概念図である。
 図8はユニラテラル制御について示す概念図である。
 図9は対称型バイラテラル制御について示す概念図である。
 図10は力逆送型バイラテラル制御について示す概念図である。
 図11は力帰還型バイラテラル制御について示す概念図である。
 図12はマスタスレーブシステムの制御系の一般的表現について示す概念図である。
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a master-slave system of the present invention.
FIG. 2 is a conceptual diagram of a limb power amplification master / slave system according to another embodiment of the master / slave system of the present invention.
FIG. 3 is a conceptual diagram of a limb power amplification master / slave system according to still another embodiment of the master / slave system of the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating the difference in concept between impedance-type force sense presentation and admittance-type force sense presentation.
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a different-structure master-slave manipulator.
FIG. 6 is a conceptual diagram of the upper limb power amplification master / slave system.
FIG. 7 is a conceptual diagram of a mechanical master / slave system.
FIG. 8 is a conceptual diagram showing the unilateral control.
FIG. 9 is a conceptual diagram showing symmetric bilateral control.
FIG. 10 is a conceptual diagram showing the force reverse feed type bilateral control.
FIG. 11 is a conceptual diagram showing the force feedback type bilateral control.
FIG. 12 is a conceptual diagram showing a general expression of the control system of the master / slave system.
 以下、添付図面を参照しながら本発明を実施形態に基づいて説明するが、本発明はかかる実施形態のみに限定されるものではない。
 本発明に係るマスタスレーブシステムが完成されるに至った背景については前記の通りであり、図6のような上肢パワー増幅マスタスレーブシステム1’においてはスレーブロボットS側に多軸力センサを配置する構成は望ましくないため、i)図10、或いは図11のような力逆送型、或いは力帰還型マスタスレーブシステム32,33は現実として適用困難であること、ii)また、力センサを要しない図9のような対称型マスタスレーブシステム31では高い操作性を保つことが難しいことに帰結する。
[構成]
 図1は、本発明に係るマスタスレーブシステムの一実施形態を示す図である。図1は、先に図6として示した上肢パワー増幅マスタスレーブシステムに本発明を適用したものと考えて良い。図1に示された本発明のマスタスレーブシステムと図6に示された上肢パワー増幅マスタスレーブシステムとの表面上の差違点をまず最初に指摘しておくと、図6に於いてスレーブロボットSの作業端dにFsとして図示された作業力センサは、本実施形態では不要であり、図1に示されない点が相違点として着目すべきである。
 前記背景に端を発する特徴をもつ図1に示された本発明に係るマスタスレーブシステム1において、高い操作性を保つ妥当な方法は、マスタロボットM末端Gに操作力fを計測する操作力センサFmを配置し、操作力fをスレーブロボットS側に於けるスレーブ駆動力τへ「投射」することである。
 それゆえ本実施形態ではスレーブロボットS側には力センサを配置せず、マスタロボットMは、スレーブ変位xとマスタ変位xとに基づきマスタ駆動力τを発生させるマスタアクチュエータAm1~3によって駆動される。
 以下、本明細書に於いてはこのような制御法或いは構成を力順送型(force projection type)バイラテラル制御或いはバイラテラルマスタスレーブシステムと称し、この用語を随時用いるものとする。
 図6と同様に、図1に示す本実施形態に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1は、体幹Bの異なる位置に設けられると共に以下の要領で互いに電気的に接続されたマスタロボットMとスレーブロボットSとからなっている。本実施形態に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1において、マスタロボットMは、操作者Uによって操られるアドミッタンス型の力覚提示装置である。
 マスタロボットMとスレーブロボットSは、それぞれ、一端側に操作端となるグリップGと作業端dを有していると共に、他端側が体幹Bの異なる位置に備えられている。また、マスタロボットMとスレーブロボットSは、それぞれ、2本のリンクを有していると共に、グリップG或いは作業端dに接続される一端側、体幹Bに接続される他端側、そしてリンク同士の接続部分に関節を有している。
 これらの関節には、マスタ変位センサPm1~3及びスレーブ変位センサPs1~3、マスタアクチュエータAm1~3及びスレーブアクチュエータAs1~3が備えられている。また本実施形態に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1においては、グリップGに操作力センサFmが備えられている。さらに、図1に示す通り、本実施形態に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1には、マスタロボットM側に軌道制御手段PCm、そしてスレーブロボットS側に駆動力制御手段FCsが備えられ、前記のセンサ及びアクチュエータが電気的に接続されている。
 操作力センサFmは、マスタロボットM側に設けられ、操作者Uからのマスタ操作力fを検出する。本実施形態ではマスタロボットMのグリップGに設けられている。
 スレーブアクチュエータPs1~3は、スレーブロボットSの各関節に設けられ、操作力センサFmからの信号に基づきスレーブ駆動力制御手段FCsを通じてスレーブ駆動力τを発生させる。
 マスタ変位センサPm1~3は、マスタロボットMの各関節に設けられ、マスタ変位xを検出する。またスレーブ変位センサPs1~3は、スレーブロボットSの各関節に設けられ、スレーブ変位xを検出する。
 マスタアクチュエータAm1~3は、マスタロボットMの各関節に設けられ、マスタ変位xとスレーブ変位xとに基づきマスタ駆動力τを発生させる。本実施形態ではマスタアクチュエータAm1~3は、マスタ変位センサPm1~3及びスレーブ変位センサPs1~3からの信号の差に基づき軌道制御手段PCmを通じてマスタ駆動力τを発生させる。
 このように、本実施形態に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1では、スレーブロボットSがマスタ操作力fに基づきスレーブ駆動力τを発生させるスレーブアクチュエータPs1~3によって駆動される一方、マスタロボットMが、マスタ変位xとスレーブ変位xとの間に生じた誤差に基づきマスタ駆動力τを発生させるマスタアクチュエータAm1~3によって駆動される。
[動作]
 以上に概略構成を説明した、操作者によって操られるアドミッタンス型の力覚提示装置であるマスタロボットMとこれに電気的に接続されたスレーブロボットSとからなる、本実施形態に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1は、
i)マスタロボットM側に設けられた操作力センサFmにより操作者Uからのマスタ操作力fを検出するステップと、
ii)操作力センサFmからの信号に基づき、スレーブロボットSに設けられたスレーブアクチュエータAs1~3によりスレーブ駆動力τを発生させるステップと、
iii)マスタロボットMに設けられたマスタ変位センサPm1~3によりマスタ変位xを検出するステップと、
iv)スレーブロボットSに設けられたスレーブ変位センサPs1~3によりスレーブ変位xを検出するステップと、
v)マスタ変位センサPm1~3及びスレーブ変位センサPs1~3からの信号の差に基づきマスタ駆動力τを発生させるマスタアクチュエータAm1~3によりマスタロボットMにマスタ駆動力τを発生させ、操作者Uに力覚を提示するステップと、
を経て制御される。
 次に、本実施形態に係る力順送型マスタスレーブシステム1の制御則は、例えば以下のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
式(10)がマスタロボット側、式(11)がスレーブロボット側に係るものである。
 ここで、τ=τ(x,x)とはすなわち、マスタ駆動力τはスレーブ変位xとマスタ変位xとの関数であることを表し、τ=τ(f)とはすなわち、スレーブ駆動力τはマスタ操作力fの関数であることを表している。
 そして、前記した式(2)と式(11)から次式を得る。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
式(12)の右辺第1項及び第2項からも分かる通り、マスタ操作力fにはスレーブロボットSのダイナミクスの影響とスレーブロボットSのスレーブ作業力fがS −1倍に縮小されて加わる。
 ところで、上の式(12)の両辺にスケールファクタSを掛けたとすると、次の式(13)が導かれる。スケールファクタS自体については先に説明した通りであり、スケールファクタSがあることによって、操作者は、「力持ちになって、スレーブロボット、さらには対象物を操作している感覚」を得ることが可能となる。制御則上、スケールファクタSは謂わば、力持ちの所以とも捉えることが可能なものである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
すなわち、これは「自らの操作力をS倍に増幅した上でスレーブ末端を直接持って操作する」という、非特許文献2或いは8に開示されたパワー増幅の考え方をバイラテラルマスタスレーブシステムへ無理のないかたちで拡張する結果になっている。そして、本実施形態に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1では、スレーブ変位xとマスタ変位xとに基づきマスタ駆動力τを発生させるマスタアクチュエータAm1~3によって感覚が逆送される。
 なお、一見類似と思しき手法に非特許文献9に開示された形状帰還型マスタ・スレーブアームがあるが、これは、低ゲインバイラテラル制御における感覚の逆送を別ルートで補助するために、高ゲインユニラテラル制御を行なう関節を別途付加する手法であり、純粋なバイラテラル制御技術を提供するものとは言えない。
[特長]
 ここで一旦、本実施形態に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1について特長を纏めると、次の各項目が挙げられる。
1.マスタロボットMの操作端に操作力センサFmを要する一方、スレーブロボットS側には力センサを要しないものとする。
2.操作力fへのマスタダイナミクスの影響を消すこととする。
3.操作力fへのスレーブダイナミクスの影響を消さない。但し、スケーリングは可能とする。
 図1に示す本実施形態に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1では図6のようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムと同様に、マスタロボットM側の操作力fは人力であり、スレーブロボットS側の作業力は大出力である。そして、マスタロボットM側では環境からの衝撃力を回避することができるが、スレーブロボットS側では環境からの衝撃力は不可避である。
 つまり、マスタロボットM側の条件は多軸力センサにとって適切だが、スレーブロボットS側は劣悪である。
 したがって、前記1.の特長は図1或いは図6に例示するようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムに適している。
 また前記2.及び3.の特徴は、以下に述べる通りマンマシンシナジーの観点から重要である。
 ここで、力逆送型、或いは力帰還型バイラテラルマスタスレーブシステム32,33では、操作者Uは主にマスタロボットMと環境に支配されるダイナミクスの機械インピーダンスに操作入力を整合させることとなる。一方、力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1では主にスレーブロボットSと環境に支配されるダイナミクスに整合させることとなる。
 例えば、図2又は3に例示するようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムによる歩行のようなタスクの場合、力逆送型、或いは力帰還型バイラテラルマスタスレーブシステム32,33では、操作者Uは、「マスタ装置に乗って(あるいは何にも乗らずに)楽に歩ける周期」に操作入力を整合させるが、これはスレーブ装置にとってはマッチングしない歩行周期に無理矢理追従させられる結果となるため、エネルギー伝送に無駄が生じる。
 一方、力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1では、式(13)にも表れている通り、操作者Uは、「自らの操作力fを増幅した上でスレーブ装置に乗って楽に歩ける周期」に操作入力を整合させることになる。これは、スレーブ装置にとってエネルギー伝送に無駄がない運動となる。
 すなわち、操作者Uの身体スキルに期待するマンマシンシナジーの観点からは、単なる操作装置にすぎないマスタロボットMのダイナミクスを感じさせる(あるいは何も感じさせない=機構透明性)よりも、図1~3或いは図6に例示するようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムにおいて支配的なスレーブのダイナミクスを感じさせる方が有利であることが理解される。
[理論検証]
 以下では、図1~3或いは図6に例示するようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムにおいて本発明に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1を適用することに対する優位性を説明すべく、ある特定の条件下における種々のバイラテラルマスタスレーブシステムの挙動につき検証する。
 ここでは、操作力fを加えないf=0のときにおける上述した4種のバイラテラルマスタスレーブシステムすなわち、対称型バイラテラルマスタスレーブシステム31、力逆送型バイラテラルマスタスレーブシステム32、力帰還型バイラテラルマスタスレーブシステム33、そして、本発明に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1、の挙動について考える。なおこの場合、上述した4種のバイラテラルマスタスレーブシステム31~33並びに1は外力−fのみによって駆動される。
 対称型バイラテラルマスタスレーブシステム31の場合は式(5)より、力逆送型バイラテラルマスタスレーブシステム32の場合は式(7)より、そして力帰還型バイラテラルマスタスレーブシステム33の場合は式(9)より、それぞれ次の式(14)~(16)が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
 式(14)~(16)それぞれの右辺第1項を見ても明らかな通り、これらの手法では、スレーブロボットSが外力を受けると、やはり操作装置にすぎないマスタロボットMのダイナミクスの影響下でマスタスレーブシステムが動作してしまう。特に、力帰還型バイラテラルマスタスレーブシステム33で操作性を高めるために力制御ゲインKを大きくすると、少しの外力−fによってもマスタロボットMが大きく動かされることとなる。
 他方、力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1の場合は、式(12)より、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
である。このときスレーブロボットSは、式(17)右辺を見ても明らかな通り、外力に対して自身のダイナミクスで動く。
 つまり、力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1においては、「スレーブロボットSはスレーブダイナミクスに従って動く」ということが理論上からも検証されたのである。この点は一見、自然の摂理に従った極く極く当り前の様なことにも見えるが、図1~3或いは図6に例示するようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムにおいてバイラテラル制御を適用する際には、極めて重要な性能上の判断要素と認識すべきものである。
 上からも明らかな通り、力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1においては、外力によってマスタスレーブシステムが過大に動かされることはない。
 ところで、対称型バイラテラルマスタスレーブシステム31、力逆送型バイラテラルマスタスレーブシステム32及び力帰還型バイラテラルマスタスレーブシステム33では、式(4)によって「スレーブロボットSがマスタロボットMに連動」する。外力−fによってマスタロボットMが動かされる(式(14)~(16)参照)とスレーブロボットSも連動し、それによって外力−fが変化する。これはマスタスレーブシステムの不安定化の一因となる。つまり、操作者Uが何もしなくても外力−fのみによってバイラテラル制御が不安定化される可能性があるのである。
 他方、本発明の力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1では、式(10)によって「マスタはスレーブに連動」するが、先ほど理論検証として説示した様に操作力f=0であれば式(17)のようにスレーブはマスタから切り離される。
 つまり、操作者がマスタから手(足)を放せば、外力によってバイラテラル制御が不安定化されることはない。この点も、図1~3或いは図6に例示するようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムにおいてバイラテラル制御を適用する際には、極めて重要な性能上の判断要素と認識すべきものである。
[アドミッタンス型力覚提示とインピーダンス型力覚提示とについて]
 上述した通り、図1に示す本発明の力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1では、操作者Uによって操られるマスタロボットMを、操作者Uから受けるマスタ操作力fを出力する一方で、変位又は速度入力を受けることによりマスタ駆動力τを発生させて操作者に力覚提示を行うアドミッタンス型の力覚提示装置としている。すなわち、図4に示す通り、マスタロボットM側から見ると、本発明に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1はアドミッタンス型の力覚提示であるということができる。
 これと異なり、図10或いは11に示す力逆送型或いは力帰還型バイラテラルマスタスレーブシステム32,33では、マスタロボットMはインピーダンス型力覚提示装置だということができる(図4参照)。
 インピーダンス型の力覚提示の場合、マスタロボットMにおいては装置のどの部分からでも操作入力できる。一方、スレーブロボットSでは作業力センサFs部分からの反力でないと力覚提示することができない。すなわち、操作者Uは、スレーブロボットSの作業力センサFs部分以外を使った作業は力覚なしで行なわなければならず、作業力センサFs部分以外での環境との接触を認識できない可能性がある。
 しかし、本発明に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1はマスタロボットMをアドミッタンス型力覚提示装置としているため、スレーブロボットSのどの部分からの反力でもマスタロボットMに提示することができる。一方、操作者UによるマスタロボットMに対する操作入力は操作力センサFm部分から行うこととなる。
[一般形での表現]
 ところで、マスタスレーブシステムのバイラテラル制御系には一般形での表現が与えられている(非特許文献4参照)。図12に、マスタスレーブシステムの制御系の一般的表現について示す概念図を示す。
 本発明に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1についても同様な表記の可能性を試みたところ、一般形が次のように表現可能なことが遡って検証された。
 なお、K、Kはマスタスレーブシステムのゲイン行列とする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
 ここで、前記一般形に当て嵌めるとするならば、本発明に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1の制御則は、次のように表現することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
 このような設定でバイラテラル制御が論じられている例はこれまで世の中に存在しなかった。
[変形例]
 以上、一実施形態を用いて本発明に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステムを順に説明してきたが、本願発明は前記一実施形態記載の構成に限定されず、種々の変形実施が可能である。
 例えば、本実施形態においてはマスタアクチュエータAm1~3は、マスタ変位xと前記スレーブ変位xとの間に生じた誤差に基づきマスタ駆動力τを発生させているところ、そのような構成には限定されず、誤差以外の量、例えば変位の微分量などに基づきマスタ駆動力τを発生させる制御を行っても構わない。
 マスタ又はスレーブアクチュエータの数、マスタ又はスレーブ変位センサの数も前記実施形態記載の個数に限定されない。
 また、前記実施形態記載においては、単に変位、駆動力と述べているが、変位は並進変位に限らず回転変位の混在を許容する一般化変位としてよく、また駆動力は並進力に限らず回転トルクの混在を許容する一般化駆動力としてよい。
 以上に述べる通り、本発明に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステムは、比較的小出力のマスタロボットを操作者が操ることによって、少なくとも電気的に接続された比較的大出力のスレーブロボットを操縦するマスタスレーブシステムにおいて、操作者に、まるでスレーブロボットを直接持っているかのような直感的な操縦を可能とせしめ、なおかつスレーブロボット側に力センサを必要としないマスタスレーブシステムを提供することができる新規かつ有用なるものであることが明らかである。
Hereinafter, although the present invention is explained based on an embodiment, referring to an accompanying drawing, the present invention is not limited only to this embodiment.
The background of the completion of the master-slave system according to the present invention is as described above. In the upper limb power amplification master-slave system 1 ′ as shown in FIG. 6, a multi-axis force sensor is arranged on the slave robot S side. Since the configuration is not desirable, i) the force reverse feed type or force feedback type master / slave system 32, 33 as shown in FIG. 10 or FIG. 11 is difficult to apply in reality, and ii) no force sensor is required. In the symmetric master-slave system 31 as shown in FIG. 9, it is difficult to maintain high operability.
[Constitution]
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a master-slave system according to the present invention. FIG. 1 may be considered as an application of the present invention to the upper limb power amplification master-slave system previously shown in FIG. First, the surface difference between the master-slave system of the present invention shown in FIG. 1 and the upper limb power amplification master-slave system shown in FIG. 6 will be pointed out. In FIG. The work force sensor illustrated as Fs at the work end d is not necessary in this embodiment, and it should be noted that the work force sensor is not shown in FIG.
In a master-slave system 1 according to the present invention shown in FIG. 1 with the triggered feature in the background, is a reasonable way to keep a high operability, the operating force to measure the operating force f m to the master robot M-terminal G the sensor Fm disposed, is to "projecting" operation force f m to the slave robot S in the slave driving force to the side tau s.
Without placing a force sensor to the slave robot S side in Therefore, the present embodiment, the master robot M, the master actuator Am 1 ~ 3 for generating a master driving force tau m based on the slave displacement x s and the master displacement x m Driven by.
Hereinafter, in the present specification, such a control method or configuration is referred to as a force projection type bilateral control or bilateral master-slave system, and this term is used as needed.
As in FIG. 6, the force progressive bilateral master-slave system 1 according to the present embodiment shown in FIG. 1 is provided at different positions of the trunk B and is electrically connected to each other in the following manner. It consists of M and slave robot S. In the force progressive bilateral master-slave system 1 according to the present embodiment, the master robot M is an admittance type force sense presentation device operated by the operator U.
Each of the master robot M and the slave robot S has a grip G as an operation end and a work end d on one end side, and the other end side is provided at a different position on the trunk B. Each of the master robot M and the slave robot S has two links, one end connected to the grip G or the work end d, the other end connected to the trunk B, and the link. It has a joint at the connecting part.
These joints are provided with master displacement sensors Pm 1 to 3 and slave displacement sensors Ps 1 to 3 , master actuators Am 1 to 3 and slave actuators As 1 to 3 . In the force progressive bilateral master-slave system 1 according to the present embodiment, the grip G is provided with an operation force sensor Fm. Furthermore, as shown in FIG. 1, the force progressive bilateral master-slave system 1 according to the present embodiment is provided with trajectory control means PCm on the master robot M side and driving force control means FCs on the slave robot S side. The sensor and the actuator are electrically connected.
Operation force sensor Fm is provided in the master robot M side, it detects the master operation force f m from the operator U. In this embodiment, it is provided on the grip G of the master robot M.
The slave actuators Ps 1 to 3 are provided at the respective joints of the slave robot S, and generate the slave driving force τ s through the slave driving force control means FCs based on the signal from the operation force sensor Fm.
Master displacement sensors Pm 1 ~ 3 is provided at each joint of the master robot M, detects the master displacement x m. The slave displacement sensor Ps 1 ~ 3 is provided at each joint of the slave robot S, detects a slave displacement x s.
The master actuators Am 1 to 3 are provided at each joint of the master robot M, and generate a master driving force τ m based on the master displacement x m and the slave displacement x s . In the present embodiment, the master actuators Am 1 to 3 generate the master driving force τ m through the trajectory control means PCm based on the difference between the signals from the master displacement sensors Pm 1 to 3 and the slave displacement sensors Ps 1 to 3 .
Thus, the force progressive die bilateral master slave system 1 according to the present embodiment, is driven by a slave actuator Ps 1 ~ 3 for the slave robot S that generates a slave driving force tau s based on the master operating force f m On the other hand, the master robot M is driven by master actuators Am 1 to 3 that generate a master driving force τ m based on an error generated between the master displacement x m and the slave displacement x s .
[Operation]
The force progressive feed type according to the present embodiment, which comprises the master robot M, which is an admittance type force sense presentation device operated by an operator, and the slave robot S electrically connected to the master robot M, whose schematic configuration has been described above. The bilateral master-slave system 1
detecting a master operating force f m from the operator U by i) provided in the master robot M side operation force sensor Fm,
ii) generating a slave driving force τ s by slave actuators As 1 to 3 provided in the slave robot S based on a signal from the operation force sensor Fm;
iii) detecting a master displacement x m by master displacement sensors Pm 1 to 3 provided in the master robot M;
iv) detecting a slave displacement x s by slave displacement sensors Ps 1 to 3 provided in the slave robot S;
v) Master displacement sensors Pm 1 ~ 3 and the slave displacement sensor Ps 1 ~ generating a master driving force tau m by the master actuator Am 1 ~ 3 for generating a master driving force tau m based on the difference signal from the 3 to the master robot M Presenting a sense of force to the operator U;
It is controlled through.
Next, the control rule of the force progressive master-slave system 1 according to the present embodiment is as follows, for example.
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
Equation (10) relates to the master robot side and Equation (11) relates to the slave robot side.
Here, τ m = τ m (x s , x m ) means that the master driving force τ m is a function of the slave displacement x s and the master displacement x m, and τ s = τ s (f That is, m 2 ) represents that the slave driving force τ s is a function of the master operating force f m .
Then, the following formula is obtained from the above formula (2) and formula (11).
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
As can be seen from the first term and the second term on the right side of the equation (12), the master operating force f m is reduced by the influence of the dynamics of the slave robot S and the slave working force f s of the slave robot S by S f −1. Been added.
If the scale factor Sf is multiplied on both sides of the above equation (12), the following equation (13) is derived. The scale factor S f itself is as described above, and the presence of the scale factor S f allows the operator to become “powerful and get a sense of operating the slave robot and further the target object”. It becomes possible. In terms of the control law, the scale factor S f can be regarded as a so-called power.
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
That is, this is a bilateral master-slave system based on the power amplification concept disclosed in Non-Patent Document 2 or 8, in which "the operation force is amplified by Sf times and the slave terminal is directly operated". The result is an unreasonable expansion. In the force progressive bilateral master-slave system 1 according to the present embodiment, the sense is reversely transmitted by the master actuators Am 1 to 3 that generate the master driving force τ m based on the slave displacement x s and the master displacement x m. Is done.
In addition, there is a shape feedback master / slave arm disclosed in Non-Patent Document 9 as a method that seems to be similar, but this is a high-frequency response to assist in reverse feeding of the sensor in low gain bilateral control. This is a method of adding a joint for gain unilateral control separately, and it cannot be said that it provides pure bilateral control technology.
[Features]
Here, once the features of the force progressive bilateral master-slave system 1 according to the present embodiment are summarized, the following items are listed.
1. It is assumed that an operation force sensor Fm is required at the operation end of the master robot M, while no force sensor is required on the slave robot S side.
2. And erase the effects of master dynamics of the operation force f m.
3. Not erase the effect of the slave dynamics of the operation force f m. However, scaling is possible.
Similar to the master-slave system as a power amplifier like robot forces progressive die bilateral master slave system 1 in FIG. 6 according to the present embodiment shown in FIG. 1, the operation force f m of the master robot M side is by human power The working power on the slave robot S side is a large output. Further, the impact force from the environment can be avoided on the master robot M side, but the impact force from the environment is unavoidable on the slave robot S side.
That is, the conditions on the master robot M side are appropriate for the multi-axis force sensor, but the slave robot S side is inferior.
Therefore, said 1. This feature is suitable for a master-slave system as a power amplification robot illustrated in FIG. 1 or FIG.
In addition, 2. And 3. This feature is important from the viewpoint of man-machine synergy as described below.
Here, in the force reverse feed type or force feedback type bilateral master- slave system 32, 33, the operator U mainly matches the operation input to the mechanical impedance of the master robot M and the dynamics controlled by the environment. . On the other hand, in the force progressive bilateral master-slave system 1, the slave robot S and the dynamics controlled by the environment are matched.
For example, in the case of a task such as walking by a master-slave system as a power amplification robot as illustrated in FIG. 2 or 3, the force reverse feed type or force feedback type bilateral master- slave system 32, 33 has an operator U Matches the operation input to the “cycle in which you can easily walk on the master device (or do not ride on anything)”, but this is forced to follow the non-matching walking cycle for the slave device. Transmission is wasted.
On the other hand, in the force progressive bilateral master-slave system 1, as shown in the equation (13), the operator U can “amplify his own operation force f m and then walk on the slave device easily. To match the operation input. This is a movement in which energy transmission is not wasted for the slave device.
In other words, from the viewpoint of man-machine synergy that is expected of the operator U's physical skills, rather than letting you feel the dynamics of the master robot M, which is just an operating device (or nothing to feel = mechanism transparency) 3 or FIG. 6, it is understood that it is advantageous to make the slave dynamics feel dominant in the master-slave system as a power amplification robot.
[Theoretical verification]
In the following, in order to explain the superiority of applying the force progressive bilateral master-slave system 1 according to the present invention in the master-slave system as a power amplification robot as illustrated in FIG. 1 to FIG. 3 or FIG. Verify the behavior of various bilateral master-slave systems under certain conditions.
Here, the operation force four bilateral master slave system described above at the time of f m without adding f m = 0 That is, symmetric bilateral master-slave system 31, Chikaragyakuoku bilateral master-slave system 32, the force Consider the behavior of the feedback bilateral master-slave system 33 and the force progressive bilateral master-slave system 1 according to the present invention. It should be noted that in this case, bilateral master-slave system 31-33 and 1 of the four mentioned above are driven only by an external force -f s.
In the case of the symmetric bilateral master-slave system 31, from the formula (5), in the case of the force reverse bilateral master-slave system 32, from the formula (7), and in the case of the force feedback type bilateral master-slave system 33 From (9), the following equations (14) to (16) are obtained.
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
As is apparent from the first term on the right side of each of the equations (14) to (16), when the slave robot S receives an external force, it is under the influence of the dynamics of the master robot M, which is only an operating device. The master-slave system will work. In particular, an increase in the force control gain K f in order to enhance the operability force feedback bilateral master-slave system 33, so that the master robot M is largely driven by any external force -f s.
On the other hand, in the case of the force progressive bilateral master-slave system 1, from the equation (12),
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
It is. At this time, the slave robot S moves with its own dynamics against the external force, as is apparent from the right side of the equation (17).
That is, in the force progressive bilateral master-slave system 1, it was verified from the theory that "the slave robot S moves according to the slave dynamics". At first glance, this seems to be quite natural according to the natural providence, but bilateral control is performed in the master-slave system as a power amplification robot as illustrated in FIGS. When applied, it should be recognized as a very important performance factor.
As is clear from the above, in the force progressive bilateral master-slave system 1, the master-slave system is not excessively moved by an external force.
By the way, in the symmetric type bilateral master / slave system 31, the force reverse type bilateral master / slave system 32, and the force feedback type bilateral master / slave system 33, "the slave robot S is interlocked with the master robot M" according to the equation (4). . External force -f s master robot M by is moved (see formula (14) to (16)) and also in conjunction slave robot S, whereby an external force -f s is changed. This contributes to destabilization of the master / slave system. That is, there is a possibility that the operator U is bilateral control is unstable only by external force -f s do nothing.
On the other hand, in the force progressive bilateral master-slave system 1 of the present invention, the “master is interlocked with the slave” according to the equation (10), but if the operating force f m = 0 as described in the theoretical verification, the equation As in (17), the slave is disconnected from the master.
That is, if the operator releases the hand (foot) from the master, the bilateral control is not destabilized by the external force. This point should also be recognized as an extremely important performance determination factor when bilateral control is applied to a master-slave system as a power amplification robot as illustrated in FIG. 1 to FIG. 3 or FIG.
[Admittance-type haptic presentation and impedance-type haptic presentation]
As described above, the force progressive die bilateral master slave system 1 of the present invention shown in FIG. 1, the master robot M which manipulated by the operator U, while outputting a master operating force f m received from the operator U, It is an admittance type force sense presentation device that generates a master drive force τ m by receiving a displacement or speed input and presents a force sense to the operator. That is, as shown in FIG. 4, when viewed from the master robot M side, it can be said that the force progressive bilateral master-slave system 1 according to the present invention is an admittance type force sense presentation.
Unlike this, in the force reverse feed type or force feedback type bilateral master- slave systems 32 and 33 shown in FIG. 10 or 11, it can be said that the master robot M is an impedance type force sense presentation device (see FIG. 4).
In the case of impedance-type force sense presentation, the master robot M can be operated and input from any part of the apparatus. On the other hand, the slave robot S can not present a force sense unless it is a reaction force from the work force sensor Fs portion. That is, the operator U must perform work using a part other than the work force sensor Fs portion of the slave robot S without a sense of force, and may not be able to recognize contact with the environment other than the work force sensor Fs part. is there.
However, since the force progressive bilateral master-slave system 1 according to the present invention uses the master robot M as an admittance type force sense presentation device, a reaction force from any part of the slave robot S can be presented to the master robot M. it can. On the other hand, an operation input to the master robot M by the operator U is performed from the operation force sensor Fm portion.
[Expression in general form]
By the way, a general expression is given to the bilateral control system of the master-slave system (see Non-Patent Document 4). FIG. 12 is a conceptual diagram showing a general expression of the control system of the master / slave system.
As for the force progressive bilateral master-slave system 1 according to the present invention, the possibility of the same notation was tried, and it was verified retrospectively that the general form can be expressed as follows.
K m and K s are gain matrices of the master / slave system.
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
Here, if it applies to the said general form, the control law of the force progressive bilateral master-slave system 1 which concerns on this invention can be expressed as follows.
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
There has never been an example where bilateral control is discussed in such a setting.
[Modification]
As described above, the force progressive bilateral master-slave system according to the present invention has been described in order using one embodiment. However, the present invention is not limited to the configuration described in the first embodiment, and various modifications can be made. is there.
For example, in the present embodiment, the master actuators Am 1 to 3 generate the master driving force τ m based on an error generated between the master displacement x m and the slave displacement x s. However, the control may be performed to generate the master driving force τ m based on an amount other than an error, for example, a differential amount of displacement.
The number of master or slave actuators and the number of master or slave displacement sensors are not limited to the numbers described in the above embodiments.
In the above description of the embodiment, only displacement and driving force are described. However, the displacement is not limited to translational displacement, but may be generalized displacement that allows a mixture of rotational displacements, and the driving force is not limited to translational force. It may be a generalized driving force that allows a mixture of torques.
As described above, the force progressive bilateral master-slave system according to the present invention operates at least an electrically connected slave robot at least electrically by an operator operating a relatively small output master robot. Providing a master-slave system that allows an operator to perform intuitive maneuvering as if it had a slave robot directly, and that does not require a force sensor on the slave robot side. It is clear that it can be new and useful.
 本発明はマスタスレーブシステムに利用できる。 The present invention can be used for a master-slave system.
B 体幹
d、dA、dL 作業端
E 環境
G、GA、GL グリップ
M、MA、ML マスタ
MC 機械的接続
S、SA、SL スレーブ
U オペレータ
Am マスタアクチュエータ(n:整数)
As スレーブアクチュエータ(n:整数)
Fm 操作力センサ
Fs 作業力センサ
Pm マスタ変位センサ(n:整数)
Ps スレーブ変位センサ(n:整数)
FCm、FCs 駆動力制御手段
PCm、PCs 軌道制御手段
1 力順送型バイラテラル制御に係るマスタスレーブシステム
1’ 一般化されたバイラテラル制御によるマスタスレーブシステム
10 異構造マスタスレーブマニュピュレータ
20 機械式マスタスレーブシステム
30 ユニラテラル制御システム
31 対称型バイラテラル制御システム
32 力逆送型バイラテラル制御システム
33 力帰還型バイラテラル制御システム
50 一般化コントローラ
100 一般化表現されたマスタスレーブシステム
B Trunk d, dA, dL Working edge E Environment G, GA, GL Grip M, MA, ML Master MC Mechanical connection S, SA, SL Slave U Operator Am n Master actuator (n: integer)
As n slave actuator (n: integer)
Fm Operation force sensor Fs Work force sensor Pm n Master displacement sensor (n: integer)
Ps n slave displacement sensor (n: integer)
FCm, FCs Driving force control means PCm, PCs Trajectory control means 1 Master-slave system 1 'related to force progressive bilateral control Master-slave system 10 by generalized bilateral control Different structure master-slave manipulator 20 Mechanical master Slave system 30 Unilateral control system 31 Symmetric bilateral control system 32 Force reverse feed type bilateral control system 33 Force feedback type bilateral control system 50 Generalized controller 100 Master slave system expressed in generalized form

Claims (2)

  1.  操作者によって操られるアドミッタンス型の力覚提示装置であるマスタロボットと、前記マスタロボットに少なくとも電気的に接続されたスレーブロボットとからなる、バイラテラル制御されるマスタスレーブシステムであって、
     前記マスタロボットにおけるマスタ変位を検出する少なくとも1つのマスタ変位センサと、
     前記スレーブロボットにおけるスレーブ変位を検出する少なくとも1つのスレーブ変位センサと、
     前記マスタロボットを駆動するマスタ駆動力を発生させる少なくとも1つのマスタアクチュエータと、
     前記スレーブロボットを駆動するスレーブ駆動力を発生させる少なくとも1つのスレーブアクチュエータと、
     前記操作者が前記マスタロボットに加えるマスタ操作力を検出する少なくとも1つの操作力センサと、
    を備え、
     前記スレーブアクチュエータが前記マスタ操作力に基づき前記スレーブ駆動力を発生させる一方、
     前記マスタアクチュエータが、前記マスタ変位と前記スレーブ変位とに基づき前記マスタ駆動力を発生させる、
    ことを特徴とするマスタスレーブシステム。
    A bilaterally controlled master-slave system comprising a master robot that is an admittance type force sense presentation device operated by an operator and a slave robot that is at least electrically connected to the master robot,
    At least one master displacement sensor for detecting a master displacement in the master robot;
    At least one slave displacement sensor for detecting slave displacement in the slave robot;
    At least one master actuator for generating a master driving force for driving the master robot;
    At least one slave actuator for generating a slave driving force for driving the slave robot;
    At least one operating force sensor for detecting a master operating force applied by the operator to the master robot;
    With
    While the slave actuator generates the slave driving force based on the master operating force,
    The master actuator generates the master driving force based on the master displacement and the slave displacement;
    A master-slave system characterized by this.
  2.  操作者によって操られるアドミッタンス型の力覚提示装置であるマスタロボットと、前記マスタロボットに少なくとも電気的に接続されたスレーブロボットとからなる、バイラテラル制御されるマスタスレーブシステムの制御方法であって、
     少なくとも1つの操作力センサにより前記操作者が前記マスタロボットに加えるマスタ操作力を検出するステップと、
     少なくとも1つのスレーブアクチュエータにより、前記マスタ操作力に基づき前記スレーブロボットにスレーブ駆動力を発生させるステップと、
     少なくとも1つのマスタ変位センサにより前記マスタロボットのマスタ変位を検出し、さらに、少なくとも1つのスレーブ変位センサにより前記スレーブロボットのスレーブ変位を検出するステップと、
     少なくとも1つのマスタアクチュエータにより、前記マスタ変位と前記スレーブ変位とに基づき前記マスタロボットにマスタ駆動力を発生させ、前記操作者に力覚を提示するステップと、
    を含んでなることを特徴とするマスタスレーブシステムの制御方法。
    A bilaterally controlled master-slave system control method comprising a master robot that is an admittance type force sense presentation device operated by an operator and a slave robot that is at least electrically connected to the master robot,
    Detecting a master operating force applied by the operator to the master robot by at least one operating force sensor;
    Causing the slave robot to generate a slave driving force based on the master operating force by at least one slave actuator;
    Detecting the master displacement of the master robot by at least one master displacement sensor, and further detecting the slave displacement of the slave robot by at least one slave displacement sensor;
    Generating a master driving force for the master robot based on the master displacement and the slave displacement by at least one master actuator, and presenting a force sense to the operator;
    A method for controlling a master-slave system, comprising:
PCT/JP2011/056692 2010-03-15 2011-03-15 Master/slave system and method for controlling same WO2011115287A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010-056978 2010-03-15
JP2010056978A JP5105450B2 (en) 2010-03-15 2010-03-15 Master-slave system and control method thereof

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2011115287A1 true WO2011115287A1 (en) 2011-09-22

Family

ID=44649366

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2011/056692 WO2011115287A1 (en) 2010-03-15 2011-03-15 Master/slave system and method for controlling same

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP5105450B2 (en)
WO (1) WO2011115287A1 (en)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103085054A (en) * 2013-01-29 2013-05-08 山东电力集团公司电力科学研究院 Hot-line repair robot master-slave mode hydraulic pressure feedback mechanical arm control system and method thereof
EP3067162A4 (en) * 2013-11-07 2017-08-09 Muscle Corporation Master-slave system
CN108500983A (en) * 2018-06-26 2018-09-07 西华大学 A kind of non-linear remote operating bilateral control system
CN109015634A (en) * 2018-07-24 2018-12-18 西北工业大学 Multi-arm teleoperation robot power/Position Hybrid Control method based on performance function
JP2020520312A (en) * 2017-05-17 2020-07-09 ティペット,ジョナサン Control system for joint and operating method thereof
CN112936278A (en) * 2021-02-07 2021-06-11 深圳市优必选科技股份有限公司 Man-machine cooperation control method and device for robot and robot
CN113165161A (en) * 2018-12-21 2021-07-23 川崎重工业株式会社 Robot system and control method for robot system
CN113842165A (en) * 2021-10-14 2021-12-28 合肥合滨智能机器人有限公司 Portable remote ultrasonic scanning system and safe ultrasonic scanning compliance control method

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101765952B1 (en) 2011-11-29 2017-08-08 현대자동차주식회사 Method and apparatus for controlling wearable robot
JP6244565B2 (en) * 2013-08-19 2017-12-13 株式会社人機一体 Master-slave system
JP6547164B2 (en) * 2014-04-30 2019-07-24 株式会社人機一体 Master slave system

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010504127A (en) * 2006-09-25 2010-02-12 コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ Medical scanning method and apparatus using haptic feedback

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003025259A (en) * 2001-07-19 2003-01-29 Yaskawa Electric Corp Remote operating method and remote operating system for robot
JP2008194789A (en) * 2007-02-14 2008-08-28 Shin Meiwa Ind Co Ltd Inner force sense presentation device, and power assist arm equipped therewith, and power assist device
JP2009012125A (en) * 2007-07-05 2009-01-22 Shin Meiwa Ind Co Ltd Power assist robot
JP5013530B2 (en) * 2008-01-29 2012-08-29 新明和工業株式会社 Robot operation input device and robot equipped with the same

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010504127A (en) * 2006-09-25 2010-02-12 コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ Medical scanning method and apparatus using haptic feedback

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103085054A (en) * 2013-01-29 2013-05-08 山东电力集团公司电力科学研究院 Hot-line repair robot master-slave mode hydraulic pressure feedback mechanical arm control system and method thereof
CN103085054B (en) * 2013-01-29 2016-02-03 山东电力集团公司电力科学研究院 Hot-line repair robot master-slave mode hydraulic coupling feedback mechanical arm control system and method
EP3067162A4 (en) * 2013-11-07 2017-08-09 Muscle Corporation Master-slave system
JP2020520312A (en) * 2017-05-17 2020-07-09 ティペット,ジョナサン Control system for joint and operating method thereof
JP7237942B2 (en) 2017-05-17 2023-03-13 ティペット,ジョナサン Control system for joints and method of operation
CN108500983A (en) * 2018-06-26 2018-09-07 西华大学 A kind of non-linear remote operating bilateral control system
CN109015634A (en) * 2018-07-24 2018-12-18 西北工业大学 Multi-arm teleoperation robot power/Position Hybrid Control method based on performance function
CN113165161A (en) * 2018-12-21 2021-07-23 川崎重工业株式会社 Robot system and control method for robot system
CN113165161B (en) * 2018-12-21 2024-02-06 川崎重工业株式会社 Robot system and control method for robot system
CN112936278A (en) * 2021-02-07 2021-06-11 深圳市优必选科技股份有限公司 Man-machine cooperation control method and device for robot and robot
CN112936278B (en) * 2021-02-07 2022-07-29 深圳市优必选科技股份有限公司 Man-machine cooperation control method and device for robot and robot
CN113842165A (en) * 2021-10-14 2021-12-28 合肥合滨智能机器人有限公司 Portable remote ultrasonic scanning system and safe ultrasonic scanning compliance control method

Also Published As

Publication number Publication date
JP2011189445A (en) 2011-09-29
JP5105450B2 (en) 2012-12-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5105450B2 (en) Master-slave system and control method thereof
EP3138665B1 (en) Master and slave system
US9855653B2 (en) Master-slave system
CN102470531A (en) Robot, robot control device, and control method
Zhu et al. Achieving transparency for teleoperator systems under position and rate control
Park et al. Force feedback based gripper control on a robotic arm
Kaneko et al. Macro-micro bilateral teleoperation based on operational force feedforward-operational force feedforward bilateral teleoperation and its dexterity
Poitrimol et al. Haptic interface for virtual reality based on hybrid Cable-Driven parallel robot
Salisbury Teleoperator hand design issues
Lee et al. Successive stiffness increment and time domain passivity approach for stable and high bandwidth control of series elastic actuator
Kurihara et al. Development of haptic feedback control stick for remote control between different structures
Yamada et al. Development of a telerobotics system for construction robot using virtual reality
JP2000158378A (en) Robot and robot controller
Daun et al. Dynamics modelling and hybrid control of the 6-UPS platform
Buss et al. High fidelity telepresence systems: Design, control, and evaluation
Okiyama et al. Integration of robot task and human skill with bilateral control
KR20190001842A (en) Performance evaluation system of multi-joint haptic device and performance evaluation method using the same
Elnwegy et al. Multi-Layered control of a bilateral haptic telemanipulation setup using collaborative UR10e robots
JP2656584B2 (en) Control device for master-slave manipulator
Tanida et al. Function separation for 2-DOF haptic surgical forceps robots driven by multi drive linear motors
Dills et al. Transparent, High-Force, and High-Stiffness Control of Haptic Actuators with Backlash: A Multi Degree of Freedom Approach
Wei et al. Investigation on standardization of modal space by ratio for MDOF micro-macro bilateral tele operation control system
Ferreira et al. Development of a teleoperated micromanipulation system with visual and haptic feedback
Katsura et al. Multilateral servo control for haptic communication
JP2012125851A (en) Master/slave robot operating system

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 11756469

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

DPE1 Request for preliminary examination filed after expiration of 19th month from priority date (pct application filed from 20040101)
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 11756469

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1