JP2824134B2 - 異構造マスタスレーブマニピュレータの制御装置 - Google Patents

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。

〔従来の技術〕

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。

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。

〔発明が解決しようとする課題〕

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。

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。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明の異構造マスタス
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。

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。

〔作用〕

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。

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。

〔実施例〕

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

〔発明の効果〕

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。

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。

【図面の簡単な説明】

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。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】グリッドを有するマスタマニピュレータ
   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。
2. 【請求項２】グリッドを有するマスタマニピュレータ
   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。