JP2824134B2 - Control device of different structure master-slave manipulator - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は異構造マスタスレーブマニピュレータの制御
装置に関する。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a control device for a master / slave manipulator having a different structure.
従来の異構造マスタスレーブマニピュレータの制御装
置は、特開昭60−207783号公報に記載のものがある。A conventional control device for a master / slave manipulator having a different structure is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-207783.
第5図は従来の異構造マスタスレーブマニピュレータ
の制御装置の一例を示す構成ブロック図である。第5図
において、制御装置200は常にマスタマニピュレータ100
の関節角度およびトルク等をセンシングし、グリップ10
の位置と姿勢ならびにグリップ10に使用する力とモーメ
ントを基準となる作業空間座標系の位置と姿勢ならびに
力とモーメントに座標変換し、また同時にスレーブマニ
ピュレータ300の関節角度およびトルク等もセンシング
し、エンドエフェクタ400の位置と姿勢ならびにエンド
エフェクタ400に作用する力とモーメントも基準となる
同じ作業空間座標系の位置と姿勢ならびに力とモーメン
トに座標変換する。そして同じ作業空間座標系でエンド
エフェクタ400の位置と姿勢がグリップ10の位置と姿勢
と同じになるようにスレーブマニピュレータ300の関節
の駆動制御量を作業空間座標系から逆変換してスレーブ
マニピュレータ300へ出力し、またグリップ10に作用し
ている力とモーメントがエンドエフェクタ400に作用し
ている力とモーメントと同じになるようにマスタマニピ
ュレータ100の関節の駆動制御量を作業空間座標系から
逆変換してマスタマニピュレータ100へ出力している。FIG. 5 is a configuration block diagram showing an example of a conventional control device for a different-structure master-slave manipulator. In FIG. 5, the control device 200 is always the master manipulator 100
Sensing the joint angle and torque of the
The position and posture of the grip 10 and the forces and moments used for the grip 10 are coordinate-transformed into the position and posture of the working space coordinate system as the reference and the forces and moments.At the same time, the joint angle and torque of the slave manipulator 300 are also sensed, and The position and orientation of the effector 400 and the forces and moments acting on the end effector 400 are also coordinate-transformed into the same position and orientation and the forces and moments in the same workspace coordinate system. Then, the drive control amount of the joint of the slave manipulator 300 is inversely transformed from the workspace coordinate system to the slave manipulator 300 so that the position and posture of the end effector 400 are the same as the position and posture of the grip 10 in the same workspace coordinate system. The drive control amount of the joint of the master manipulator 100 is inversely transformed from the workspace coordinate system so that the output and the force and moment acting on the grip 10 become the same as the force and moment acting on the end effector 400. To the master manipulator 100.
上記従来技術は最初のマスタマニピュレータのグリッ
プとスレーブマニピュレータのエンドエフェクタとの位
置と姿勢の関係を決定するためのイニシャライズ制御、
また複数のスレーブマニピュレータを1台のマスタマニ
ピュレータで操作する場合のスレーブマニピュレータの
切換制御の点について配慮がされておらず、操作性に問
題があった。The above prior art is initialization control for determining the relationship between the position and orientation of the grip of the first master manipulator and the end effector of the slave manipulator,
Further, no consideration has been given to switching control of the slave manipulators when a plurality of slave manipulators are operated by one master manipulator, and there is a problem in operability.
本発明は最初のマスタマニピュレータのグリップとス
レーブマニピュレータのエンドエフェクタとの位置と姿
勢を決める操作性のよいイニシャライズ制御機能を有す
る異構造マスタスレーブマニピュレータの制御装置を提
供することを目的としており、また複数のスレーブマニ
ピュレータを1台のマスタマニピュレータで操作する場
合の操作性のよいスレーブマニピュレータの切換制御機
能を有する異構造マスタスレーブマニピュレータの制御
装置を提供することを目的としている。An object of the present invention is to provide a control device for a different-structure master-slave manipulator having an easy-to-operate initialization control function for determining the position and orientation of the grip of the first master manipulator and the end effector of the slave manipulator. It is an object of the present invention to provide a control device for a master / slave manipulator having a different structure, which has an easy-to-operate slave manipulator switching control function when the slave manipulator is operated by one master manipulator.
上記目的を達成するために、本発明の異構造マスタス
レーブマニピュレータの制御装置は、制御装置に最初の
マスタスレーブのグリップとスレーブマニピュレータの
エンドエフェクタとの位置と姿勢の関係を決定するため
のイニシャライズ機能として、グリップの位置をニュー
トラルに設定するニュートラルポジション設定機能と、
グリップの姿勢とエンドエフェクタの姿勢とを同一に設
定する姿勢合致機能とを設けたものである。In order to achieve the above object, a control device for a different-structure master-slave manipulator of the present invention has an initialization function for determining the relationship between the position and orientation of the first master-slave grip and the end effector of the slave manipulator. As a neutral position setting function to set the position of the grip to neutral,
This is provided with a posture matching function for setting the posture of the grip and the posture of the end effector to be the same.
また複数のエンドエフェクタを有する1台または複数
のスレーブマニピュレータを1台のマスタマニピュレー
タで操作するシステムにおいて、対応するエンドエフェ
クタの切換制御を行なうためには制御装置にエンドエフ
ェクタ選択機能と、グリップのニュートラルポジション
設定機能と、グリップの姿勢と選択されたエンドエフェ
クタの姿勢を同一に設定する姿勢合致機能とを設けたも
のである。In a system in which one or a plurality of slave manipulators having a plurality of end effectors are operated by one master manipulator, a control device has an end effector selection function and a neutral grip. A position setting function and a posture matching function for setting the posture of the grip and the posture of the selected end effector to be the same are provided.
上記異構造マスタスレーブマニピュレータの制御装置
のニュートラルポジション設定機能はイニシャライズ時
たとえばイニシャライズ開始スイッチがONした時にマス
タマニピュレータのグリップの位置がニュートラルの位
置となるようにマスタマニピュレータを駆動制御し、ま
た同時に姿勢合致機能はグリップの姿勢がエンドエフェ
クタの姿勢と同じようになるようにマスタマニピュレー
タを駆動制御すると、この時に操作者の手は軽くグリッ
プを握っていればグリップの位置はニュートラル位置で
姿勢はエンドエフェクタに対応した姿勢に自動的に設定
されるので、このイニシャライズ終了時には即時にマス
タスレーブ操作ができる状態にあり、しかもグリップの
位置がニュートラル位置にあるため上下、左右、前後方
向に十分な動作範囲を有しているから、すぐに動作範囲
限界近くになって操作を中断するようなことにはならず
に操作性がよい。The neutral position setting function of the control device of the different structure master-slave manipulator controls and drives the master manipulator at the time of initialization, for example, when the initialization start switch is turned on, so that the position of the grip of the master manipulator becomes the neutral position, and at the same time, the posture coincides. The function is to drive and control the master manipulator so that the posture of the grip is the same as the posture of the end effector.At this time, if the operator's hand is holding the grip lightly, the grip position is in the neutral position and the posture is the end effector. It is automatically set to the corresponding posture, so that master-slave operation can be performed immediately at the end of this initialization.In addition, since the grip position is in the neutral position, there is a sufficient range of movement in the up, down, left, right, front and back directions Because it has good operability without shall be such as to interrupt the operation quickly become close operation range limit.
また複数のエンドエフェクタを有する1台または複数
のスレーブマニピュレータを1台のマスタマニピュレー
タで切り換えて操作するシステムにおいては、イニシャ
ライズ機能として上記のニュートラルポジション設定機
能と姿勢合致機能のほかにエンドエフェクタ選択機能が
設けられているため、多数のエンドエフェクタのある場
合でもこれから操作しようとする選択されたエンドエフ
ェクタに対してイニシャライズが行われ、グリップの位
置はニュートラル位置で姿勢は選択されたエンドエフェ
クタに対応した姿勢に自動的に設定されるので、設定後
には即時にマスタスレーブ操作が選択したエンドエフェ
クタに対して行える状態にあり、しかもグリップの位置
がニュートラル位置にあるため、上記と同様にすぐに動
作範囲限界近くになって操作を中断するようなことには
ならずに操作性をよくすることができる。In a system in which one or more slave manipulators having a plurality of end effectors are switched and operated by one master manipulator, an end effector selection function is provided as an initialization function in addition to the neutral position setting function and the posture matching function. Even if there are many end effectors, initialization is performed for the selected end effector to be operated from now on, the grip position is the neutral position, and the posture is the posture corresponding to the selected end effector Automatically set, so that the master-slave operation can be performed immediately on the selected end effector after setting, and the grip position is in the neutral position. Nearby You may like to interrupt the operation Te it is possible to improve the operability not become.
以下に本発明の実施例を第1図から第4図により説明
する。An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.
第1図は本発明による異構造マスタスレーブマニピュ
レータの制御装置の一実施例を示す構成ブロック図であ
る。第1図において、グリップ10を有するマスタマニピ
ュレータ100と、エンドエフェクタ400を有するスレーブ
マニピュレータ300とが制御装置200と接続される。ここ
で制御装置200にはイニシャライズ機能としてグリップ1
0のニュートラルポジション設定機能201と、姿勢合致機
能202とを設けているところが第5図の従来例と異な
る。FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a control device for a master / slave manipulator having a different structure according to the present invention. In FIG. 1, a master manipulator 100 having a grip 10 and a slave manipulator 300 having an end effector 400 are connected to a control device 200. Here, the control device 200 has a grip 1 as an initialization function.
FIG. 5 differs from the conventional example in FIG. 5 in that a neutral position setting function 201 of zero and a posture matching function 202 are provided.
第2図は本発明による異構造マスタスレーブマニピュ
レータの制御装置の他の実施例を示す構成ブロック図で
ある。第2図は複数のエンドエフェクタと複数のスレー
ブマニピュレータからなるシステムにおいて1台のマス
タマニピュレータでスレーブを切り換えて操作する場合
の異構造マスタスレーブマニピュレータの制御装置を示
す。第2図において、グリップ10を有するマスタマニピ
ュレータ100と、第1のエンドエフェクタ401を有する第
1のスレーブマニピュレータ301と、第2のエンドエフ
ェクタ402および第3のエンドエフェクタ403を有する第
2のスレーブマニピュレータ302とが制御装置200と接続
される。さらに多数のエンドエフェクタとスレーブマニ
ピュレータが制御装置200と接続される場合も同様に考
えればよい。ここで制御装置200にはニュートラルポジ
ション設定機能201と、姿勢合致機能202とのほかに、エ
ンドエフェクタ選択機能203を設けており、このエンド
エフェクタ選択機能203は例えば切換スイッチのような
ものでもよいし、あるいは一連の作業流れがあらかじめ
決っているような場合にはプログラム等により自動的に
選択されるものでもよいが、これから操作しようとする
エンドエフェクタを多数のエンドエフェクタのなかから
選択する機能である。またこの制御装置200における姿
勢合致機能202はエンドエフェクタ選択機能203が選択し
ているエンドエフェクタに対して機能する。FIG. 2 is a block diagram showing another embodiment of the control device of the master / slave manipulator having a different structure according to the present invention. FIG. 2 shows a control device for a master-slave manipulator having a different structure when a single master manipulator switches and operates a slave in a system including a plurality of end effectors and a plurality of slave manipulators. In FIG. 2, a master manipulator 100 having a grip 10, a first slave manipulator 301 having a first end effector 401, and a second slave manipulator having a second end effector 402 and a third end effector 403 are shown. 302 is connected to the control device 200. The same applies to a case where a large number of end effectors and slave manipulators are connected to the control device 200. Here, the control device 200 is provided with an end effector selection function 203 in addition to the neutral position setting function 201 and the posture matching function 202, and the end effector selection function 203 may be, for example, a changeover switch. Alternatively, if a series of work flows are determined in advance, it may be automatically selected by a program or the like, but it is a function of selecting an end effector to be operated from a large number of end effectors. . The posture matching function 202 in the control device 200 functions for the end effector selected by the end effector selection function 203.
第3図(a),(b)は第1図および第2図のグリッ
プ10を有するマスタマニピュレータ100の一実施例を示
す外観図およびその内部構成図である。第3図(a),
(b)では最も小型に設計できる極座標形のマニピュレ
ータの例を示しており、この形のマスタマニピュレータ
100の場合には収納スペースは小さくてすむが一般にグ
リップ10の有効可能範囲は小さく、グリップ10の動作量
に対してエンドエフェクタ400の動作量は何倍かに拡大
されて制御されるスケール変換機能も一般に適用される
が、グリップ10の小さい可能範囲をニュートラルポジシ
ョンから有効に使うという意味からも本発明のイニシャ
ライズ機能の適用に最も適した形のマスタマニピュレー
タであるといえる。第3図(a)はマスタマニピュレー
タ100の外観図を示し、第3図(b)はその内部構成図
を示す。FIGS. 3 (a) and 3 (b) are an external view and an internal configuration diagram showing an embodiment of the master manipulator 100 having the grip 10 shown in FIGS. 1 and 2. FIG. FIG. 3 (a),
(B) shows an example of a polar coordinate type manipulator that can be designed to be the smallest, and this type of master manipulator is shown.
In the case of 100, the storage space is small, but the effective range of the grip 10 is generally small, and the operation amount of the end effector 400 is expanded several times with respect to the operation amount of the grip 10, and the scale conversion function is controlled. Is also generally applied, but it can be said that the master manipulator is the most suitable form for applying the initialization function of the present invention from the viewpoint of effectively using the small possible range of the grip 10 from the neutral position. FIG. 3A shows an external view of the master manipulator 100, and FIG. 3B shows an internal configuration diagram thereof.
第3図(a),(b)において、マスタマニピュレー
タ100のグリップ10の位置を検出したり位置を駆動制御
するアクチュエータはカバー181の中に収納される上下
振りアクチュエータ101と、左右振りアクチュエータ102
と、伸縮用アクチュエータ103とである。ここで座標変
換演算を容易にするために上下振りアクチュエータ101
の回転軸と左右振りアクチュエータ102の回転軸と伸縮
用アクチュエータ103と接続する伸縮チューブ194の伸縮
軸とは十字形シャフト192の中心1点で直交するような
構造としている。伸縮チューブ194は上下振りアクチュ
エータ101のケーシング側に固定されたフレーム193に取
り付けられた伸縮用アクチュエータ103がボールねじ111
に回転させることによりガイドバー112によってガイド
されつつ、伸縮チューブ194の付いているボールナット1
13を伸縮方向に移動させることによって伸縮動作する。
ボールねじ111やガイドバー112は伸縮機構182と接続の
円筒チューブ183の中に収納されている。伸縮チューブ1
94の先にはグリップ10の姿勢を検出したり姿勢を駆動制
御するアクチュエータ104,105,106が装備されていて、
伸縮チューブ194の伸縮軸回りにねじれるねじりアクチ
ュエータ104があり、そのアクチュエータ104から出てい
るフレーム195に上下振りアクチュエータ105があり、そ
のアクチュエータ105の出力軸側フレーム196に左右振り
アクチュエータ106があり、そのアクチュエータ106の出
力軸にグリップ10が取り付けてある。3 (a) and 3 (b), an actuator for detecting the position of the grip 10 of the master manipulator 100 and controlling the position of the grip 10 includes a vertical swing actuator 101 housed in a cover 181 and a horizontal swing actuator 102.
And the telescopic actuator 103. Here, in order to facilitate the coordinate conversion operation, the vertical swing actuator 101 is used.
The rotation axis of the actuator 102, the rotation axis of the horizontal swing actuator 102, and the expansion and contraction axis of the expansion and contraction tube 194 connected to the expansion and contraction actuator 103 are orthogonal to each other at one center of the cross shaft 192. The telescopic tube 194 has a telescopic actuator 103 mounted on a frame 193 fixed to the casing side of the vertical swing actuator 101 and a ball screw 111.
The ball nut 1 with the telescopic tube 194 is guided by the guide bar 112 by rotating
The telescopic operation is performed by moving 13 in the telescopic direction.
The ball screw 111 and the guide bar 112 are housed in a cylindrical tube 183 connected to the extension mechanism 182. Telescopic tube 1
At the end of 94 are installed actuators 104, 105, 106 for detecting the attitude of the grip 10 and controlling the attitude of the grip 10,
There is a torsional actuator 104 that twists around the telescopic axis of the telescopic tube 194, a frame 195 protruding from the actuator 104 has a vertical swing actuator 105, and an output shaft side frame 196 of the actuator 105 has a horizontal swing actuator 106, The grip 10 is attached to the output shaft of the actuator 106.
またマスタマニピュレータ100のグリップ10を操作者
が握った時にちょうど親指と人差し指でグリップ10の開
閉操作ができるようにマスタ側のグリッパ12が設けてあ
り、またスレーブマニピュレータのエンドエフェクタに
よっては押ぼたんスイッチによるエンドエフェクタの操
作が適しているものもあるので、グリップ10の上部には
エンドエフェクタ操作用の押ぼたんスイッチ13が設けて
ある。グリッパ12と押ぼたんスイッチ13の使い分けはエ
ンドエフェクタの種類に応じてあらかじめ決めておく。
またグリッパ12の開閉量の検出および開閉駆動制御を行
うためのアクチュエータ11がグリップ10の下部に実装さ
れている。このグリップ10に設けた座標系15を第3図
(b)に示すように定義した時に、これも座標変換演算
を容易にするため座標系15のy軸が上下振りアクチュエ
ータ105の回転軸と一致し、Z軸が左右振りアクチュエ
ータ106の回転軸と一致し、x軸が伸縮チューブ194の伸
縮軸およびねじりアクチュエータ104の回転軸と一致す
るように構成している。また各アクチュエータ104,105,
106からケーブル184,185,186はカバー181の中で他のア
クチュエータ101,102,103のケーブルとまとめられ、制
御装置200へは動力および制御ケーブル188で接続される
構造になっている。Also, when the operator grips the grip 10 of the master manipulator 100, a gripper 12 on the master side is provided so that the grip 10 can be opened and closed with just the thumb and forefinger, and depending on the end effector of the slave manipulator, a push button switch Since the operation of the end effector is suitable for some, a push button switch 13 for operating the end effector is provided above the grip 10. The proper use of the gripper 12 and the push button switch 13 is determined in advance according to the type of the end effector.
An actuator 11 for detecting the opening / closing amount of the gripper 12 and controlling the opening / closing drive is mounted below the grip 10. When the coordinate system 15 provided on the grip 10 is defined as shown in FIG. 3 (b), the y-axis of the coordinate system 15 also coincides with the rotation axis of the vertical swing actuator 105 in order to facilitate the coordinate conversion operation. In this configuration, the Z axis coincides with the rotation axis of the horizontal swing actuator 106, and the x axis coincides with the extension axis of the telescopic tube 194 and the rotation axis of the torsion actuator 104. Each actuator 104, 105,
From 106, the cables 184, 185, and 186 are combined with the cables of the other actuators 101, 102, and 103 in the cover 181, and are connected to the control device 200 by the power and control cables 188.
第4図は第1図および第2図の基準となる作業空間座
標系5において第2図の3種類のエンドエフェクタ401,
402,403がX,Y,Z軸に対して所定の位置と姿勢になってい
る状態を例示する概念図である。第4図において、エン
ドエフェクタ401,403はそれぞれ第2図のスレーブマニ
ピュレータ301,302に設けてあるもので開閉動作を行な
うグリッパであり、エンドエフェクタ402はスレーブマ
ニピュレータ302に取り付けてあるもので先端の回転す
るドリルのような工具である。ここで3種類のエンドエ
フェクタ401,402,403にはそれぞれのエンドエフェクタ
に設けた座標系451,452,453を第4図に示すxyZ軸のよう
に定義している。またバイラテラルマスタスレーブマニ
ピュレータとするために力およびトルクセンサを設ける
場合には、マスタマニピュレータ100はグリップ10の所
定部分でスレーブマニピュレータ301,302は各エンドエ
フェクタ401,402,403の所定部分にそれぞれ取り付ける
ことになる。FIG. 4 shows three types of end effectors 401, shown in FIG. 2 in a work space coordinate system 5, which is a reference of FIGS. 1 and 2.
FIG. 4 is a conceptual diagram illustrating a state in which 402 and 403 are at predetermined positions and postures with respect to X, Y, and Z axes. In FIG. 4, end effectors 401 and 403 are grippers that are provided on the slave manipulators 301 and 302 in FIG. 2 and perform opening and closing operations, respectively, and an end effector 402 is mounted on the slave manipulator 302 and has a rotating tip. Such a tool. Here, for the three types of end effectors 401, 402, and 403, coordinate systems 451, 452, and 453 provided for the respective end effectors are defined as the xyZ axes shown in FIG. When a force and torque sensor is provided to form a bilateral master / slave manipulator, the master manipulator 100 is mounted on a predetermined portion of the grip 10 and the slave manipulators 301 and 302 are mounted on predetermined portions of the end effectors 401, 402 and 403, respectively.
つぎに第2図の制御装置200のニュートラルポジショ
ン設定機能201と姿勢合致機能202の動作の詳細を説明す
るに当り、ここでは第4図に示す基準となる作業空間座
標系5におけるエンドエフェクタ401,402,403の各々の
位置および姿勢と実際のスレーブマニピュレータ301,30
2の各関節角度との関係は座標変換行列の形であらかじ
め設定されているものとする。なおこの関係を制御装置
200で途中で再設定できるようにすることも一向に差し
支えないが、説明を簡単にするために既に設定されてい
るものとする。Next, in describing the details of the operations of the neutral position setting function 201 and the posture matching function 202 of the control device 200 in FIG. 2, the end effectors 401, 402, and 403 in the work space coordinate system 5 serving as a reference shown in FIG. Each position and attitude and actual slave manipulators 301 and 30
It is assumed that the relationship with each joint angle in 2 is set in advance in the form of a coordinate conversion matrix. Note that this relationship
Although it is possible to make it possible to reset the setting in the middle at 200, it is assumed that the setting has already been made for the sake of simplicity.
第2図の制御装置200のニュートラルポジション設定
機能201はイニシャライズ時たとえばイニシャライズ開
始スイッチをONした時にグリップ10の位置がニュートラ
ルの位置となるようにマニピュレータ100を駆動制御す
る。ここで第3図(a),(b)に示すマスタマニピュ
レータ100の場合には第3図(b)に示すようなグリッ
プ10の座標系15の原点位置をニュートラルポジションと
定義しておいてよく、必ずこのようにしておくこともな
いが上記定義のように上下、左右、伸縮動作のアクチュ
エータ105,106,104の動作範囲のちょうど中間の位置
で、かつ操作者にとってもそのポジションが操作腕可動
範囲または操作腕操作スペースの中間的位置にしておく
ことが望ましい。The neutral position setting function 201 of the control device 200 shown in FIG. 2 drives and controls the manipulator 100 so that the position of the grip 10 becomes the neutral position at the time of initialization, for example, when the initialization start switch is turned on. Here, in the case of the master manipulator 100 shown in FIGS. 3A and 3B, the origin position of the coordinate system 15 of the grip 10 as shown in FIG. 3B may be defined as a neutral position. It is not always necessary to do this, but as described above, it is a position exactly in the middle of the operation range of the actuators 105, 106, 104 of up and down, left and right, and expansion and contraction operation, and the position is also the operation arm movable range or operation arm for the operator. It is desirable to keep it at an intermediate position in the operation space.
上記のようにイニシャライズ時にマスタマニピュレー
タ100は駆動制御されるが、このとき複数のエンドエフ
ェクタを有するシステムにおいて、エンドエフェクタ選
択機能203が例えばエンドエフェクタ401を選択している
場合を説明すると、スレーブマニピュレータ301は動作
せずに第4図の基準となる作業空間座標系5における第
3図(b)のグリップ10の座標系15のxyZ軸の原点位置
を同じ作業空間座標系5における選択されたエンドエフ
ェクタ401の座標系451のx,y,Z軸の原点位置に設定す
る。ここでの設定するということはマスタマニピュレー
タ100の各関節角度すなわち第3図(b)のアクチュエ
ータ101,102,103の位置検出データより、作業空間座標
系5におけるグリップ10の座標系15の原点位置を求める
時に使用する座標変換行列を設定することである。ここ
でもスレーブマニピュレータ301あるいはマスタマニピ
ュレータ100の設置されている場所が移動体等の上で、
マスタマニピュレータ100の設置されている場所とスレ
ーブマニピュレータ301の設置されている場所とが相対
的に移動や回転を生じる場合には、その移動や回転量を
も検出できるようにしておいて座標変換行列の中に自動
的にリアルタイムで組み込まれるようにしておくことが
望ましく、少なくとも回転すなわちマスタマニピュレー
タ100の設置されている場たとえば第3図(b)のフレ
ーム191の固定されている場に設けられる操作者の座標
系と作業空間座標系5との姿勢(向き)の関係は組み込
んでおく必要がある。The drive of the master manipulator 100 is controlled at the time of initialization as described above.At this time, in a system having a plurality of end effectors, a case where the end effector selection function 203 selects, for example, the end effector 401 will be described. Does not operate, and the origin position of the xyZ axis of the coordinate system 15 of the grip 10 in FIG. 3B in the work space coordinate system 5 serving as a reference in FIG. 4 is selected as the end effector selected in the same work space coordinate system 5. It is set to the origin position of the x, y, Z axes of the coordinate system 451 of 401. The setting here is used when obtaining the origin position of the coordinate system 15 of the grip 10 in the work space coordinate system 5 from the joint angles of the master manipulator 100, that is, the position detection data of the actuators 101, 102, and 103 in FIG. Is to set a coordinate transformation matrix to be used. Also here, the place where the slave manipulator 301 or the master manipulator 100 is installed is on a moving body or the like,
When the place where the master manipulator 100 is installed and the place where the slave manipulator 301 is installed relatively move or rotate, the coordinate conversion matrix is set so that the amount of movement or rotation can be detected. It is preferable that the operation is provided at least in a place where the rotation, that is, the master manipulator 100 is installed, for example, in a place where the frame 191 in FIG. 3B is fixed. It is necessary to incorporate the relationship between the posture (orientation) between the user's coordinate system and the work space coordinate system 5.
第2図の制御装置200の姿勢合致機能202は上記と同じ
イニシャライズ時に動作して、マスタマニピュレータ10
0のグリップ10の座標系15の向きがスレーブマニピュレ
ータ301の選択されたエンドエフェクタ401の座標系451
の向きと一致するようにマスタマニピュレータ100を駆
動制御する。このとき一致させるためのグリップ10のア
クチュエータ104,105,106の駆動制御量は上記のように
少なくともマスタマニピュレータ100の設置されている
場合の操作者の座標系と作業空間座標系5の向きの関係
が既知であることから所定の関節角度として定まる。こ
のときマスタマニピュレータ100のグリッパ12の開閉度
合もスレーブマニピュレータ301のエンドエフェクタ401
であるハンドの開閉度合に対応した所定の開閉量に自動
設定されるようにしてもよい。The attitude matching function 202 of the control device 200 shown in FIG. 2 operates during the same initialization as described above, and the master manipulator 10
The orientation of the coordinate system 15 of the grip 10 of 0 is the coordinate system 451 of the selected end effector 401 of the slave manipulator 301.
The master manipulator 100 is driven and controlled so as to match the direction of. At this time, the drive control amounts of the actuators 104, 105, and 106 of the grip 10 for matching are known at least in the relationship between the coordinate system of the operator and the orientation of the work space coordinate system 5 when the master manipulator 100 is installed as described above. Therefore, it is determined as a predetermined joint angle. At this time, the opening / closing degree of the gripper 12 of the master manipulator 100 is also determined by the end effector 401 of the slave manipulator 301.
May be automatically set to a predetermined opening / closing amount corresponding to the opening / closing degree of the hand.
上記のようにイニシャライズ時に制御装置200のニュ
ートラルポジション設定機能201と姿勢合致機能202が動
作した後には、マスタマニピュレータ100のグリップ10
の位置はニュートラルの位置であり、その姿勢(向き)
は操作対象であるスレーブマニピュレータ301のエンド
エフェクタ401の姿勢(向き)に設定された状態とな
り、作業空間座標系5におけるエンドエフェクタ401の
座標系451と同じ作業空間座標系5におけるグリップ10
の座標系15とは一致している状態となり、かつマスタマ
ニピュレータ100の関節角度から作業空間座標系5にお
けるグリップ10の座標系15の位置と姿勢(向き)を求め
るための座標変換行列も設定されている状態となる。も
ちろんスレーブマニピュレータ301の関節角度から作業
空間座標系5におけるエンドエフェクタ401の座標系451
の位置と姿勢(向き)を求めるための座標変換行列は上
記のようにあらかじめ設定されているので、従来技術と
して第5図の異構造バイラテラルマスタスレーブマニピ
ュレータについて説明したような制御を行なえる状態と
なる。After the neutral position setting function 201 and the posture matching function 202 of the control device 200 operate at the time of initialization as described above, the grip 10 of the master manipulator 100 is operated.
Is the neutral position and its posture (orientation)
Is set in the attitude (orientation) of the end effector 401 of the slave manipulator 301 to be operated, and the grip 10 in the same workspace coordinate system 5 as the coordinate system 451 of the end effector 401 in the workspace coordinate system 5.
And the coordinate transformation matrix for obtaining the position and orientation (orientation) of the grip 10 in the work space coordinate system 5 from the joint angle of the master manipulator 100 is set. State. Of course, based on the joint angle of the slave manipulator 301, the coordinate system 451 of the end effector 401 in the work space coordinate system 5
Since the coordinate transformation matrix for obtaining the position and orientation (orientation) of the bilateral master / slave manipulator shown in FIG. 5 as a conventional technique can be controlled as described above. Becomes
上記した第2図の制御装置200のニュートラルポジシ
ョン設定機能201と姿勢合致機能202の動作の詳細な説明
は複数のエンドエフェクタ401,402,403等を有するシス
テムにおいてエンドエフェクタ選択機能203がエンドエ
フェクタ401を選択している場合を一例として行った
が、この動作の詳細は第1図の制御装置200のニュート
ラルポジション設定機能201と姿勢合致機能202がスレー
ブマニピュレータ300の1つのエンドエフェクタ400を有
するシステムにおいてイニシャライズ処理する場合にも
同様である。また第2図のシステムにおいて例えばエン
ドエフェクタ選択機能203としてエンドエフェクタ切換
スイッチ等によりスレーブマニピュレータ301のエンド
エフェクタ401の状態からスレーブマニピュレータ302の
エンドエフェクタ402に切り換えた時のイニシャライズ
処理にも同様であり、たとえばエンドエフェクタ402が
選択された場合にはエンドエフェクタ402の座標系452と
マスタマニピュレータ100のグリップ10の座標系15とは
作業空間座標系5においては一致している状態となり、
この場合には例えばグリップ10の上部の押ぼたんスイッ
チ13を押すことによりエンドエフェクタ402の先端のド
リルが回転するというような使用の仕方となる。エンド
エフェクタ403が選択された場合もエンドエフェクタ401
の場合と同様である。The detailed description of the operations of the neutral position setting function 201 and the attitude matching function 202 of the control device 200 shown in FIG. 2 is based on the assumption that the end effector selecting function 203 selects the end effector 401 in a system having a plurality of end effectors 401, 402, 403, etc. The operation is performed as an example, but the details of this operation are described in the case where the neutral position setting function 201 and the attitude matching function 202 of the control device 200 in FIG. 1 perform initialization processing in a system having one end effector 400 of the slave manipulator 300. The same is true for. In the system of FIG. 2, for example, the same applies to the initialization processing when the state of the end effector 401 of the slave manipulator 301 is switched to the end effector 402 of the slave manipulator 302 by the end effector selection switch or the like as the end effector selection function 203, for example. For example, when the end effector 402 is selected, the coordinate system 452 of the end effector 402 and the coordinate system 15 of the grip 10 of the master manipulator 100 match in the workspace coordinate system 5,
In this case, for example, when the push button switch 13 on the upper part of the grip 10 is pressed, the drill at the tip of the end effector 402 is rotated. Even when the end effector 403 is selected, the end effector 401
Is the same as
また上記した第1図および第2図の制御装置200のニ
ュートラルポジション設定機能201と姿勢合致機能202は
スレーブマニピュレータの動作範囲がまだ十分あるのに
マスタマニピュレータ100の動作範囲が狭いために、そ
の限界点まで操作してきて更にその先で操作したいとい
う時に有効である。その時にも上記のようなイニシャラ
イズを行い、新しい座標変換行列を再設定することでよ
い理由である。この時にはイニシャライズ前後でグリッ
プ10の姿勢は同じなので、ニュートラルポジション設定
機能201が作動してマスタマニピュレータ100がグリップ
10のニュートラル位置に動作している時にも、グリップ
10の姿勢は一定に保つように制御されるようにした方が
よい。この場合に操作者はマスタグリップ10のみがスレ
ーブに対してシフト動作している感じを受けるので操作
性としてはよい。当然このようなイニシャライズ動作中
にはマスタスレーブ操作制御はできないので、操作者が
そのことを十分認識するためにイニシャライズ開始スイ
ッチとがシフトスイッチ等を用意して、それを押した時
のみニュートラルポジション設定機能201等が作動する
ようにしてもよいし、エンドエフェクタ切換スイッチを
切り換えた時点またはマスタマニピュレータ100の操作
が操作範囲の限界点に達してリミットスイッチ等がONし
た時点で自動的に作動するようにしてもよい。Also, the neutral position setting function 201 and the attitude matching function 202 of the control device 200 shown in FIGS. 1 and 2 are limited because the operation range of the master manipulator 100 is narrow while the operation range of the slave manipulator is still sufficient. This is effective when you operate up to the point and want to operate further. The reason is that the initialization as described above is performed at that time and a new coordinate conversion matrix is reset. At this time, since the posture of the grip 10 is the same before and after initialization, the neutral position setting function 201 is activated and the master manipulator 100 is gripped.
Grip when operating in 10 neutral positions
It is better to control the posture of 10 to keep it constant. In this case, the operator feels that only the master grip 10 is performing a shift operation with respect to the slave, so that the operability is good. Of course, master-slave operation control cannot be performed during such initialization operation.Therefore, the initialization start switch prepares a shift switch etc. so that the operator can fully recognize that, and the neutral position is set only when it is pressed. The function 201 or the like may be operated, or automatically operated when the end effector switch is switched or when the operation of the master manipulator 100 reaches the limit point of the operation range and the limit switch or the like is turned on. It may be.
本発明によれば、制御装置のニュートラルポジション
設定機能と姿勢合致機能が作動したイニシャライズ終了
時には即時にマスタスレーブの操作ができる状態にあっ
て、しかもグリップの位置がニュートラル位置にあるた
めたとえ小型で動作範囲の狭いマスタマニピュレータの
場合でも上下、左右、前後方向に十分な動作範囲を有し
ているので、すぐに動作範囲限界近くなって操作を中断
するようなことにはならずに異構造マスタスレーブマニ
ピュレータに適した操作性のよいイニシャライズ制御を
行うことができる効果がある。According to the present invention, when the neutral position setting function and the attitude matching function of the control device are activated, the master-slave operation can be performed immediately at the end of the initialization, and since the grip position is in the neutral position, even if the control device is operated in a small size. Even in the case of a master manipulator with a narrow range, it has a sufficient operation range in the vertical, horizontal, and front-rear directions, so the operation is not immediately stopped near the limit of the operation range and the operation is not interrupted. There is an effect that initialization control with good operability suitable for a manipulator can be performed.
また複数のスレーブマニピュレータと複数のエンドエ
フェクタを有するシステムにおいても、制御装置のエン
ドエフェクタ選択機能が選択したエンドエフェクタに対
してニュートラルポジション設定機能と姿勢合致機能が
同様に作動するので、異構造マスタスレーブマニピュレ
ータに適した操作性のよいスレーブマニピュレータの切
換制御を行うことができる効果がある。Also, in a system having a plurality of slave manipulators and a plurality of end effectors, the neutral position setting function and the attitude matching function operate in the same manner for the end effector selected by the end effector selection function of the control device. There is an effect that switching control of the slave manipulator having good operability suitable for the manipulator can be performed.
第1図は本発明による異構造マスタスレーブマニピュレ
ータの制御装置の一実施例を示す構成ブロック図、第2
図は本発明による異構造マスタスレーブマニピュレータ
の制御装置の他の実施例を示す構成ブロック図、第3図
(a),(b)は第1図および第2図のマスタマニピュ
レータの一実施例を示す外観図およびその内部構成図、
第4図は第2図の作業空間座標系における複数のエンド
エフェクタの所定の位置と姿勢の状態を例示する概念
図、第5図は従来の異構造マスタスレーブマニピュレー
タの制御装置の一例を示す構成ブロック図である。 5……基準となる作業空間座標系、10……グリップ、15
……グリップに設けた座標系、100……マスタマニピュ
レータ、200……制御装置、201……ニュートラルポジシ
ョン設定機能、202……姿勢合致機能、203……エンドエ
フェクタ選択機能、300,301,302……スレーブマニピュ
レータ、400,401,402,403……エンドエフェクタ、451…
…エンドエフェクタ401に設けた座標系、452……エンド
エフェクタ402に設けた座標系、453……エンドエフェク
タ403に設けた座標系。FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a control device for a master / slave manipulator having a different structure according to the present invention.
FIG. 3 is a block diagram showing another embodiment of a control device for a master / slave manipulator having a different structure according to the present invention. FIGS. 3 (a) and 3 (b) show one embodiment of the master manipulator of FIGS. 1 and 2. External view and its internal configuration diagram,
FIG. 4 is a conceptual diagram exemplifying a state of predetermined positions and postures of a plurality of end effectors in the work space coordinate system of FIG. 2, and FIG. 5 is a configuration showing an example of a control device of a conventional master / slave manipulator having a different structure. It is a block diagram. 5: Reference workspace coordinate system, 10: Grip, 15
…… Coordinate system provided on the grip, 100 …… Master manipulator, 200 …… Control device, 201 …… Neutral position setting function, 202 …… Position matching function, 203 …… End effector selection function, 300,301,302 …… Slave manipulator, 400,401,402,403 …… End effector, 451…
... A coordinate system provided on the end effector 401, 452 a coordinate system provided on the end effector 402, 453 a coordinate system provided on the end effector 403.
Claims (2)
と、エンドエフェクタを有するスレーブマニピュレータ
とから成る異構造マスタスレーブマニピュレータの制御
装置において、イニシャライズ時、グリップの位置をニ
ュートラルに設定するニュートラルポジション設定機能
と、グリップの姿勢をエンドエフェクタの姿勢と同一に
設定する姿勢合致機能とを有することを特徴とする異構
造マスタスレーブマニピュレータの制御装置。1. A control device for a master-slave manipulator having a different structure comprising a master manipulator having a grid and a slave manipulator having an end effector, a neutral position setting function for setting a grip position to a neutral position at the time of initialization, A control device for a master / slave manipulator having a different structure, comprising: a posture matching function for setting a posture to be the same as a posture of an end effector.
と、複数のエンドエフェクタを有する1台または複数台
のスレーブマニピュレータとから成る異構造マスタスレ
ーブマニピュレータの制御装置において、イニシャライ
ズ時、グリップの位置をニュートラルに設定するニュー
トラルポジション設定機能と、複数のエンドエフェクタ
のなかから操作対象のエンドエフェクタを選択するエン
ドエフェクタ選択機能と、グリップの姿勢を選択された
エンドエフェクタの姿勢と同一に設定する姿勢合致機能
とを有することを特徴とする異構造マスタスレーブマニ
ピュレータの制御装置。2. A control device for a master / slave manipulator having a different structure comprising a master manipulator having a grid and one or a plurality of slave manipulators having a plurality of end effectors, wherein the position of the grip is set to neutral at the time of initialization. A neutral position setting function, an end effector selecting function of selecting an end effector to be operated from a plurality of end effectors, and a posture matching function of setting a grip posture to be the same as the posture of the selected end effector. A master-slave manipulator control device having a different structure.
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---|---|---|---|
JP21167190A JP2824134B2 (en) | 1990-08-13 | 1990-08-13 | Control device of different structure master-slave manipulator |
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JPH04101787A JPH04101787A (en) | 1992-04-03 |
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