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JPH0413105B2 - - Google Patents

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Publication number
JPH0413105B2
JPH0413105B2 JP59269516A JP26951684A JPH0413105B2 JP H0413105 B2 JPH0413105 B2 JP H0413105B2 JP 59269516 A JP59269516 A JP 59269516A JP 26951684 A JP26951684 A JP 26951684A JP H0413105 B2 JPH0413105 B2 JP H0413105B2
Authority
JP
Japan
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slave
coordinate
master
force
information
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
JP59269516A
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English (en)
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JPS61146482A (ja
Inventor
Tatsuo Arai
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
Agency of Industrial Science and Technology
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Filing date
Publication date
Application filed by Agency of Industrial Science and Technology filed Critical Agency of Industrial Science and Technology
Priority to JP59269516A priority Critical patent/JPS61146482A/ja
Priority to US06/810,263 priority patent/US4661032A/en
Publication of JPS61146482A publication Critical patent/JPS61146482A/ja
Publication of JPH0413105B2 publication Critical patent/JPH0413105B2/ja
Granted legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J3/00—Manipulators of master-slave type, i.e. both controlling unit and controlled unit perform corresponding spatial movements
    • B25J3/04—Manipulators of master-slave type, i.e. both controlling unit and controlled unit perform corresponding spatial movements involving servo mechanisms
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/408—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by data handling or data format, e.g. reading, buffering or conversion of data
    • G05B19/4086—Coordinate conversions; Other special calculations
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/42—Recording and playback systems, i.e. in which the programme is recorded from a cycle of operations, e.g. the cycle of operations being manually controlled, after which this record is played back on the same machine
    • G05B19/427—Teaching successive positions by tracking the position of a joystick or handle to control the positioning servo of the tool head, master-slave control

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Human Computer Interaction (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manipulator (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、原子炉、宇宙、海洋など、人間にと
つて非常に危険な環境下での作業に有効なバイラ
テラル・マスタスレイブ・マニピユレータの制御
装置に関するものであり、さらに詳しくは、マス
タアームとスレイブ・マニピユレータが異構造且
つ異自由度である場合にそれらの間に適用する制
御装置に関するものである。
［従来の技術］ マニピユレータを遠隔制御する場合、力感覚を
操作者へフイードバツクして、操作者がスレイブ
側の反力を感知することのできるバイラテラル・
マスタスレイブ・マニピユレータが有効である。
また、一般に、バイラテラル・マスタスレイブ・
マニピユレータでは、制御の簡単化を図るために
マスタアームとスレイブ・マニピユレータの構造
を同一にしているが、この場合にはマスタアーム
の操作性が悪いとか、汎用性に欠けるなどの問題
があり、従つてマスタアーム及びスレイブ・マニ
ピユレータをそれぞれ目的に適合した異構造のも
のにするのが操作性、作業性等の観点から有効で
ある。
そこで、本発明者は、このような異構造のバイ
ラテラル・マスタスレイブ・マニピユレータを制
御するための制御装置を先に提案している。しか
しながら、この既提案のマニピユレータ・システ
ムでは、マスタアームとスレイブ・マニピユレー
タが異構造であつても同自由度である必要があ
り、この点では未だ汎用性などに欠けるという問
題があつた。
［発明が解決しようとする問題点］ 本発明は、このような問題を解決し、マスタア
ームとスレイブ・マニピユレータが異構造でしか
も異自由度であつてもバイラテラル制御を行うこ
とができるマニピユレータ制御装置を提供しよう
とするものである。
［問題点を解決するための手段］ 上記目的を達成するため、本発明のマニピユレ
ータ制御装置においては、任意の関節構造を有す
る異自由度のマスタアームとスレイブマニピユレ
ータのそれぞれにマスタアームで検出した位置情
報及びスレイブ・マニピユレータで検出した力情
報を基準となる作業空間座標系の情報に変換して
出力する座標変換器、並びに上記作業空間座標系
からの力情報及び位置情報をマスタアーム及びス
レイブ・マニピユレータの関節座標系に変換して
入力する座標変換器を付随させ、マスタアーム
に、上記座標変換器を介して入力された力情報と
マスタ側で検出された力情報との差をもつてマス
タ側のアクチユエータに駆動力を発生させる力制
御器を設けると共に、スレイブ・マニピユレータ
に、上記座標変換器を介して入力された位置情報
とスレイブ側で検出された位置情報との差をもつ
てスレイブ側のアクチユエータを駆動する位置制
御器を設ける。さらに、マスタアームよりもスレ
イブマニピユレータの自由度が大きい場合には、
それらに付随する位置情報の座標変換器間に、作
業空間座標系におけるスレイブ側のいずれの座標
をマスタ側から制御するかを選択する制御座標選
択器を設けると共に、その出力に対して残りの座
標に対する拘束信号を付加する拘束信号発生器を
接続し、さらに力情報の座標変換器間に、マスタ
側から制御する制御座標についての力情報のみを
選択してフイードバツクさせるための制御座標選
択器を設け、またマスタアームの自由度が大きい
場合には、マスタアームとスレイブマニピユレー
タに付随する上記位置情報の座標変換器間に、ス
レイブ側の自由度数に応じて作業空間座標系にお
けるスレイブ側のいずれの座標をマスタ側から制
御するかを選択するための制御座標選択器を設け
ることにより構成される。
［作用］ このような構成を有するマニピユレータ制御装
置においては、マスタアームとスレイブ・マニピ
ユレータの動作を共通の作業空間座標で表現し、
制御座標選択器による制御座標の選択と拘束信号
発生器による拘束条件の付加により、関節構造の
相違及び自由度の相違を解消し、各種マスタアー
ムとスレイブ・マニピユレータの結合をスムーズ
に行うことが可能になる。
［実施例］ 第１図Ａ，Ｂは、本発明におけるマスタアーム
及びスレイブ・マニピユレータとして利用できる
マニピユレータの構成例を示すもので、同図Ａ
は、アーム１１，１２及び手先１３を備えると共
にそれらのアームの基端側に回転自由度θ1，θ2を
もつ関節１４，１５を備えた２自由度の関節形マ
ニピユレータ１０を、同図Ｂは、アーム２１，２
２及び手先２３を備えると共にそれらのアーム２
１，２２の基端側に回転自由度φ1，φ2をもつ関
節２４，２５を備え、さらにアーム２１に伸縮継
手部分２６を設けることにより伸縮の自由度ｒを
与えた３自由度の極座標形マニピユレータ２０を
示している。
このようなマニピユレータ１０，２０をマスタ
アーム及びスレイブ・マニピユレータとして利用
する場合、両者が異構造であることから位置・力
情報などを座標変換する必要があり、さらに両者
の自由度が相違することから、適当な座標の選択
と拘束条件の付加を行う必要がある。この場合
に、マスタアーム側の自由度の方が大きい場合
と、スレイブ・マニピユレータ側の自由度の方が
大きい場合とがあるため、以下にそれらの制御装
置の実施例を個別的に説明する。
第２図は本発明に係るマニピユレータ制御装置
の実施例を示し、特にマスタアーム側よりもスレ
イブ・マニピユレータ側が大きい自由度を有する
場合に用いる制御装置を示している。
上記マスタアーム３０及びスレイブ・マニピユ
レータ４０としては、各種構造のもの、例えば関
節形、極座標形、またはリンク式直交座標形、そ
の他のものを自由に選択して用いることができ
る。
第２図に示したマスタアーム３０及びスレイ
ブ・マニピユレータ４０は、それらにおける各関
節の構成を模式的に示すもので、関節における各
軸に駆動力を発生するモータ等のアクチユエータ
３１，４１、それらのアクチユエータによつて駆
動されるアームや軸などの位置を検出するための
ポテンシヨメータ等の位置検出器３２，４２、ア
ーム等に作用する反力を検出するトルクセンサそ
の他の力センサ３３，４３、及びタコジエネレー
タ等の速度検出器３４，４４を備えている。上記
マスタアーム３０とスレイブ・マニピユレータ４
０は、それらの自由度をNn及びNsとする（Nn＜
Ns）と、それぞれNn及びNs個の関節をもち、従
つてアクチユエータ及び各種センサもそれぞれ
Nn及びNs個ずつ設置される。
このようなマスタアーム３０とスレイブ・マニ
ピユレータ４０とは、関節構造を異にする異構造
のものが用いられるため、それらの関節座標形の
間で座標変換を行う必要があるが、この座標変換
のための制御系としては、それぞれマスタアーム
３０及びスレイブ・マニピユレータ４０に付随し
た位置座標変換器３５，４５、力座標変換器３
６，４６、速度座標変換器３７，４７が用いられ
る。
これらの座標変換器は、それぞれマスタアーム
３０あるいはスレイブ・マニピユレータ４０と結
合してユニツトを構成し、マスタアーム３０及び
スレイブ・マニピユレータ４０の関節座標系を、
基準となる作業空間座標系との間で相互に座標変
換するものであり、従つてマスタアーム側とスレ
イブ・マニピユレータ側の座標変換器相互間にお
いては、各情報が作業空間座標系における情報と
して伝達されることになり、マスタアーム３０及
びスレイブ・マニピユレータ４０と座標変換器と
をそれぞれ結合したユニツトをモジユール化し、
プラグインで接続することが可能になる。作業空
間座標系としては、例えば直交座標系、その他、
作業に適した任意の座標系を用いることができ
る。
また、マスタアーム３０とスレイブ・マニピユ
レータ４０は自由度が相違するため、それらの自
由度を揃える必要があり、そのため、上記位置座
標変換器３５，４５間にスレイブ・マニピユレー
タ４０の作業空間座標系におけるいずれの座標を
マスタ側から直接的に制御するかを選択する制御
座標選択器５１が設けられ、またその出力に対し
て残りの座標に対する拘束信号を付加するスレイ
ブ拘束信号発生器５２が接続される。
さらに、速度座標変換器３７，４７間にも、同
様にして制御座標選択器５３及びスレイブ拘束信
号発生器５４が接続される。
一方、スレイブ側からマスタ側にフイードバツ
クされる力情報については、マスタ側から制御す
る制御座標についての力情報のみを選択するため
の制御座標選択器５５を、上記力座標変換器３
６，４６間に接続している。
上記制御系においては、マスタ側の位置検出器
３２で検出される位置の情報Pmを、位置座標変
換器３５においてマスタアーム３０の関節座標系
から作業空間座標系に交換した後、制御座標選択
器５１における設定により、スレイブ側の作業空
間座標系におけるいずれの座標をマスタ側から制
御するかが選択される。
この制御座標選択器５１においては、例えば、
第１図Ａに示すマニピユレータ１０をアスタアー
ムとし、同図Ｂに示すマニピユレータ２０をスレ
イブ・マニピユレータとして用いた場合、マスタ
アーム及びスレイブ・マニピユレータの可動範囲
に設定した作業空間座標、即ちXY座標及び手先
の向きαのうち、いずれの座標をマスタ側から直
接制御するかが選択される。
また、スレイブ拘束信号発生器５２において
は、上記制御座標選択器５１の出力に対して、マ
スタ側から直接的に制御されない残りの座標に対
する拘束信号が付加される。
即ち、上記制御座標選択器５１において、例え
ばＸ及びＹ座標をマスタ側から直接制御すること
が選択された場合には、手先の向きαを一定に保
つというような、残りの制御座標についての適宜
拘束信号が付加される。
このようにしてスレイブ側の位置座標変換器４
５に送られた位置情報は、その位置座標変換器４
５において作業空間座標系からスレイブ・マニピ
ユレータ４０の関節座標系に変換し、変換された
位置情報Ps 0を指令値としてスレイブ側の位置検
出器４２により検出された位置情報Psと比較し、
その差をもつて位置制御器４８を介してスレイブ
側のアクチユエータ４１を駆動する。
従つて、スレイブ・マニピユレータ４０の手先
はマスタアーム３０の手先に追従してそれと同じ
動きをすることになる。
一方、スレイブ側における力センサ４３で検出
した力情報Fsをマスタ側にフイードバツクするた
め、その力センサ４３の出力を力座標変換器４６
においてスレイブ・マニピユレータ４０の関節座
標系から作業空間座標系に変換するが、この力情
報のうちでマスタアームから直接制御しない制御
座標についての情報はフイードバツクする必要が
なく、従つて制御座標選択器５５においてフイー
ドバツクに必要な制御座標についての力情報のみ
が選択される。
この力情報はマスタ側の力座標変換器３６にお
いて作業空間座標系からマスタアーム３０の関節
座標系に変換し、変換された力情報Fm 0をマスタ
側における力センサ３３によつて検出された力情
報Fmと比較し、その差をもつて力制御器３８を
介してマスタ側のアクチユエータ３１に駆動力を
発生させる。従つて、スレイブ・マニピユレータ
４０の先端に対象物との干渉等による反力が生じ
たときには、マスタアームにそれが伝達される。
上記制御系は、基本的には上述したスレイブ・
マニピユレータ４０の位置制御及びマスタアーム
３０の力制御を行うものであるが、その応答を改
善するため、次のような速度の制御を行うように
している。
即ち、マスタ側における速度検出器３４で検出
した速度情報Vmの座標系を、速度座標変換器３
７において一旦作業空間座標系に変換した後、制
御座標選択器５３における設定により、スレイ
ブ・マニピユレータの作業空間座標系におけるい
ずれの座標をマスタ側から直接制御するかが選択
され、またスレイブ拘束信号発生器５４において
残りの座標に対する拘束信号が付加される。
さらに、この速度情報は速度座標変換器４７に
おいてスレイブ・マニピユレータ４０の関節座標
系に変換し、これをスレイブ側における速度検出
器４４によつて検出された速度情報Vsと比較し、
その差をもつて位置制御器４８を介してアクチユ
エータ４１を駆動する。
なお、マスタアーム３０においては、力制御を
行うため、マスタ側の速度検出器３４の速度情報
を力制御器３８を介してアクチユエータ３１にフ
イードバツクする。
上述したマスタ側の座標変換器３５〜３７及び
スレイブ側の座標変換器４５〜４７は、それぞれ
マスタ側及びスレイブ側の関節座標系と作業空間
座標系との間の変換を行うため、マスタ側及びス
レイブ側の座標変換器の間は、相互に基準となる
作業空間座標系によつて情報交換が行われ、従つ
てこれらの座標変換器間にデータバンク５６を接
続し、このデータバンク５６に情報を蓄積する
と、それをすべてのマニピユレータに共通のデー
タとして教示・再生等に利用することができる。
第３図は本発明に係るマニピユレータ制御装置
の他の実施例を示し、特にマスタアーム側よりも
スレイブ・マニピユレータ側の自由度が少ない場
合に用いる制御装置を示している。
第３図に示したマスタアーム６０及びスレイ
ブ・マニピユレータ７０は、第２図の場合と同様
に、それらにおける各関節の構成を模式的に示す
もので、アクチユエータ６１，７１、位置検出器
６２，７２、力センサ６３，７３及び速度検出器
６４，７４を備えている。
このようなマスタアーム６０とスレイブ・マニ
ピユレータ７０とは、関節構造と異にする異構造
のものが用いられるため、それらの関節座標系の
間で座標変換を行う必要があるが、この座標変換
のための制御系としては、前記実施例と同様に、
マスタアーム６０及びスレイブ・マニピユレータ
７０に付随した位置座標変換器６５，７５、力座
標変換器６６，７６、速度座標変換器６７，７７
が用いられる。それらの作用は前記実施例の場合
と変るところがない。
また、マスタアーム６０とスレイブ・マニピユ
レータ７０の自由度を揃える必要があるため、上
記位置座標変換器６５，７５間に、スレイブ・マ
ニピユレータ７０に対して作業空間座標系におけ
る座標の一部を削除することにより、そのスレイ
ブ側の自由度に適合させた位置情報を選択的に伝
える制御座標選択器８１が設けられ、また速度座
標変換器６７，７７間にも同様に機能する制御座
標選択器８２が接続される。
一方、スレイブ側からマスタ側にフイードバツ
クされる力情報については、スレイブ側の自由度
数が少ないため、作業空間座標系におけるマスタ
側の座標の一部について力情報のフイードバツク
がない状態となる。
なお、図中、８５はデータバンクを示してい
る。
［発明の効果］ このような構成を有する本発明のマニピユレー
タ制御装置においては、各種関節構造をもつ任意
自由度のマスタアーム及びスレイブ・マニピユレ
ータについて、バイラテラル・マスタスレイブ・
マニピユレータ・システムを構成することが可能
となり、著しく汎用性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図Ａ，Ｂは本発明におけるアスタアーム及
びスレイブ・マニピユレータとして利用できるマ
ニピユレータの構成図、第２図及び第３図は本発
明の異種実施例の模式的構成図である。 ３０，６０……マスタアーム、４０，７０……
スレイブ・マニピユレータ、３１，４１，６１，
７１……アクチユエータ、３２，４２，６２，７
２……位置検出器、３３，４３，６３，７３……
力センサ、３４，４４，６４，７４……速度検出
器、３５，４５，６５，７５……位置座標変換
器、３６，４６，６６，７６……力座標変換器、
３７，４７，６７，７７……速度座標変換器、５
１，５３，５５，８１，８２……制御座標選択
器、５２，５４……スレイブ拘束信号発生器。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 任意の関節構造を有するマスタアームとそれ
    よりも大きい自由度をもつ任意関節構造のスレイ
    ブ・マニピユレータのそれぞれに、マスタアーム
    で検出した位置情報及びスレイブ・マニピユレー
    タで検出した力情報を基準となる作業空間座標系
    の情報に変換して出力する座標変換器、並びに上
    記作業空間座標系からの力情報及び位置情報をマ
    スタアーム及びスレイブ・マニピユレータの関節
    座標系に変換して入力する座標変換器を付随さ
    せ、マスタアームに、上記座標変換器を介して入
    力された力情報とマスタ側で検出された力情報と
    の差をもつてマスタ側のアクチユエータに駆動力
    を発生させる力制御器を設けると共に、スレイ
    ブ・マニピユレータに、上記座標変換器を介して
    入力された位置情報とスレイブ側で検出された位
    置情報との差をもつてスレイブ側のアクチユエー
    タを駆動する位置制御器を設け、マスタアームと
    スレイブ・マニピユレータに付随する上記位置情
    報の座標変換器間に、作業空間座標系におけるス
    レイブ側のいずれの座標をマスタ側から制御する
    かを選択する制御座標選択器を設けると共に、そ
    の出力に対して残りの座標に対する拘束信号を付
    加するスレイブ拘束信号発生器を接続し、さらに
    力情報の座標変換器間に、マスタ側から制御する
    制御座標についての力情報のみを選択してフイー
    ドバツクさせるための制御座標選択器を設けたこ
    とを特徴とする異構造異自由度バイラテラル・マ
    スタスレイブ・マニピユレータの制御装置。 ２ 任意の関節構造を有するマスタアームとそれ
    よりも少ない自由度をもつ任意関節構造のスレイ
    ブマニプレータのそれぞれに、マスタアームで検
    出した位置情報及びスレイブ・マニピユレータで
    検出した力情報を基準となる作業空間座標系の情
    報に変換して出力する座標変換器、並びに上記作
    業空間座標系からの力情報及び位置情報をマスタ
    アーム及びスレイブ・マニピユレータの関節座標
    系に変換して入力する座標変換器を付随させ、マ
    スタアームに、上記座標変換器を介して入力され
    た力情報とマスタ側で検出された力情報との差を
    もつてマスタ側のアクチユエータに駆動力を発生
    させる力制御器を設けると共に、スレイブ・マニ
    ピユレータに、上記座標変換器を介して入力され
    た位置情報とスレイブ側で検出された位置情報と
    の差をもつてスレイブ側のアクチユエータを駆動
    する位置制御器を設け、マスタアームとスレイブ
    マニピユレータに付随する上記位置情報の座標変
    換器間に、スレイブ側の自由度数に応じて作業空
    間座標系におけるスレイブ側のいずれの座標をマ
    スタ側から制御するかを選択するための制御座標
    選択器を設けたことを特徴とする異構造異自由度
    バイラテラル・マスタスレイブ・マニピユレータ
    の制御装置。
JP59269516A 1984-12-20 1984-12-20 異構造異自由度バイラテラル・マスタスレイブ・マニピユレ−タの制御装置 Granted JPS61146482A (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP59269516A JPS61146482A (ja) 1984-12-20 1984-12-20 異構造異自由度バイラテラル・マスタスレイブ・マニピユレ−タの制御装置
US06/810,263 US4661032A (en) 1984-12-20 1985-12-18 Bilateral master-slave manipulator control device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP59269516A JPS61146482A (ja) 1984-12-20 1984-12-20 異構造異自由度バイラテラル・マスタスレイブ・マニピユレ−タの制御装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS61146482A JPS61146482A (ja) 1986-07-04
JPH0413105B2 true JPH0413105B2 (ja) 1992-03-06

Family

ID=17473490

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP59269516A Granted JPS61146482A (ja) 1984-12-20 1984-12-20 異構造異自由度バイラテラル・マスタスレイブ・マニピユレ−タの制御装置

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US (1) US4661032A (ja)
JP (1) JPS61146482A (ja)

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