JP2006102866A - マスタスレーブマニピュレータの制御装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】マスタマニピュレータ1に力センサS2を介して配置した操作ハンドル3と、マスタマニピュレータに操作ハンドルと並列になるように配置したジョイスティック6と、ジョイスティックでの操作対象をマスターマニピュレータ1かスレーブマニピュレータ2かに切り換える切り換えスイッチ手段9bと制御装置8とを備えた。これによって、操作ハンドルによるマスタスレーブ操作に加え、切り換えスイッチで指定されたマニピュレータはジョイスティックによる操作も可能となる。
【選択図】図1
Description
この種のマニピュレータとして、特許文献1には物体を把持するグリッパなどのエンドエフェクタの3自由度操作に関しては、マスタスレーブ方式を用い、エンドエフェクタの位置決めを行なうアームの位置の3自由度操作に関してはジョイスティック方式を用いるマニピュレータが記載されている。
上記2つの方式のうち、ジョイスティック型マニピュレータは、入力レバーの位置とスレーブマニピュレータの速度とが対応するので、操作者は小さい動作でスレーブマニピュレータを大きく移動することが可能であるが、スレーブマニピュレータの正確な位置決めや、精細な動作を行なうことができないという問題があった。
一方、マスタスレーブ型マニピュレータは、入力装置であるマスタマニピュレータの位置と出力装置であるスレーブマニピュレータの位置とが対応するので、スレーブマニピュレータの正確な位置決めや精細な動作を行なうことはできるが、スレーブマニピュレータを大きく移動させる場合は操作者が大きい動作を行なう必要があるという問題があつた。
このような問題を解決するため、スレーブマニピュレータの正確な位置決めや精細な動作を可能とし、かつマスタマニピュレータの小さい動作でスレーブマニピュレータを大きく移動させることのできる、操作性のよいマスタスレーブマニピュレータの操作装置が提案されている(例えば、特許文献2参照)。図6は、従来のマスタスレーブマニピュレータの操作装置の概略構成を示す図である。
図において、104はマスタマニピュレータであり、関節部にはアームを駆動するアクチュエータと、各関節の回動角、回動角速度をそれぞれ検出する角度検出器及び角速度検出器などが設けられている。107はスレーブマニピュレータであり、マスタマニピュレータ104の先端には、操作者が握る入力レバー106とこの操作者が加えた力及びトルクを検出する力トルク検出器105とが取り付けられている。またスレーブマニピュレータ107の先端には被作業物を把持するグリッパなどのエンドエフェクタ109と、このエンドエフェクタ109に加えられた力及びトルクを検出する力トルク検出器108が取り付けられている。101は制御装置であり、スイッチ110と、力トルク検出器105、108からそれぞれ出力される信号が伝達される信号号線111、112とが接続されている。この出力信号はX、Y、Z軸方向の力信号と各軸回りのトルク信号との6個の信号である。また矢印114、113はそれぞれマスタマニピュレータ104及びスレーブマニピュレータ107の各関節の角度検出器及び角速度検出器から出力され、制御装置101に入力される信号である。さらに102、103は制御装置101から出力されて、それぞれマスタマニピュレータ及びスレーブマニピュレータの各関節に設けられたアクチエータを駆動する駆動信号を増幅するサーボ増幅器である。
制御装置101は、マスタマニピュレータ104の位置に対応してスレーブマニピュレータ107の位置が移動するマスタスレーブモードとマスタマニピュレータ104の位置に対応した速度でスレーブマニピュレータ107が移動するジョイスティックモードとを切り換える切換手段と、ジョイスティックモードの開始位置からのマスタマニピュレータ104の移動量に前記スレーブマニピュレータ107の速度を対応させる制御手段と、マスタマニピュレータ104の負荷が零になったとき、マスタマニピュレータ104をジョイスティックモードの開始位置へ戻す制御手段とを備える。そして切換手段によりマスタスレーブモードを選択すると、マスタマニピュレータ104とスレーブマニピュレータ107との位置が対応するので、スレーブマニピュレータ107の正確な位置決めや精細な動作を行なうことができる。また切換手段によりジョイスティックモードを選択すると、ジョイスティックモードの開始位置からのマスタマニピュレータ104の移動量とスレーブマニピュレータ107の速度が対応するので、操作者はマスタマニピュレータ104を中立点に戻す操作を必要とせず、ジョイスティックモードの開始位置を中立点として、マスタマニピュレータ104の小さい動作でスレーブマニピュレータを大きく移動させることができる。
ところがマスタマニピュレータの先端にもスレーブアームと同様に工具を装着して作業可能なマニピュレータとし、作業対象物に対してマスタマニピュレータとスレーブマニピュレータの両方で作業するような場合(例えば、マスタマニピュレータ側で作業対象物を把持したままスレーブマニピュレータ側にて作業対象物に対して微細な位置姿勢が必要となる場合)、従来の制御装置ではマスタマニピュレータが把持した作業対象物そのものが動いたり、作業対象部からの反力によりスレーブアームの所望の位置姿勢を得ることが困難になったりするという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、マスタマニピュレータとスレーブマニピュレータの両方の先端に工具を装着したマスタスレーブマニピュレータの操作性と安全性を向上させる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する。
請求項1に記載の発明は、操作者によるマスタマニピュレータの操作に基づいてスレーブマニピュレータを制御するマスタスレーブマニピュレータの制御装置において、前記マスタマニピュレータに力センサを介して配置された操作ハンドルと、前記マスタマニピュレータに前記操作ハンドルと並列になるように配置され、前記マスタマニピュレータまたは前記スレーブマニピュレータを操作するジョイスティックと、前記ジョイスティックの操作対象とするマニピュレータを切り換える切り換え手段と、前記ジョイスティックに対する操作入力を有効または無効に設定するスイッチと、前記力センサで検出した前記操作ハンドルに作用する前記操作者の操作力と前記切り換え手段の出力と前記スイッチの出力とに従い前記マスタマニピュレータと前記スレーブマニピュレータを協調制御する協調制御手段とを備えたことを特徴とする。
請求項2に記載の発明は、前記協調制御手段は、前記入力有効スイッチが有効の場合に、予め定められた関数に基づき前記力センサで検出した前記操作ハンドルに作用する操作力に応じて前記ジョイスティックに対する操作入力を調整することを特徴とする。
請求項3に記載の発明は、前記協調制御手段は、前記スイッチが有効となった時点をゼロ点として前記ジョイスティックに対する操作入力を補正する補正手段を備えたことを特徴とする。
請求項4に記載の発明は、前記ジョイスティックは、前記操作ハンドルを回転中心として回転自在に前記マスタマニピュレータに設置されていることを特徴とする。
2はスレーブマニピュレータであり、マスタマニピュレータ1と同様に複数の関節部で構成され、各関節部にはアームを駆動するアクチュエータと、各関節の回転角、回転角速度をそれぞれ検出する角度検出器及び角速度検出器が設けられている(図示せず)。
マスタマニピュレータ1の先端部にはマスタマニピュレータ1の根元側から順に、操作者19が握る操作ハンドル3の固定部4、第1工具5に加えられた力及びトルクを検出する力センサS1、第1工具5が設置されている。
第1工具5は、具体的には作業台18上の被作業物17を把持するグリッパなどであり、固定部4と操作ハンドル3の間には、操作者19が加えた力及びトルクを検出する力センサS2が取り付けられている。固定部4からは更に、操作ハンドル3と並列するようにジョイスティック6が取り付けられている。
ジョイスティック6に対する操作は入力有効スイッチ9aが押下されている間のみ有効となり、切り換えスイッチ9bはジョイスティック6によって操作する対象をマスタマニピュレータ1またはスレーブマニピュレータ2に設定する際に用いる。
また図中の13、14はそれぞれマスタマニピュレータ1、スレーブマニピュレータ2の各関節の角度検出器及び角速度検出器から出力され、協調制御装置8に入力される信号である。さらに15及び16はサーボ増幅器であり、協調制御装置8から出力されてそれぞれマスタマニピュレータ1及びスレーブマニピュレータ2の各関節のアクチュエータを駆動する駆動信号を増幅する。
同様にスレーブマニピュレータ2に設けられた力センサS3の出力は信号線12を介して座標変換器45に接続されており、力センサS3から出力される力トクル信号は力センサ座標系から共通座標系へ変換されf3として出力される。
また、マスタマニピュレータ1に設けられた力センサS1の出力は信号線10を介して座標変換器42に接続されており、力センサS1から出力される力トルク信号は力センサ座標系から共通座標系へ変換されf1として出力される。
20は、入力有効スイッチ9aが押下された時点をゼロ点としてジョイスティック6の操作入力を補正し出力するゼロ点補正部であり、21は、入力有効スイッチ9aが押下されている場合に力センサS2で検出した操作ハンドル3に作用する操作者19の操作力に応じ、予め定められた関数に基づいてゼロ点補正部20の出力を補正する補正関数部である。
補正関数部21から出力されたジョイスティック6の速度指令は、積分器22にて位置指令に変換され、切り換え器23に導かれる。切り換え器23は切り換えスイッチ9bの信号によってマスタ側接点23b、スレーブ側接点23aのどちらに位置指令を送るかを切り換える。
マスタ側接点23bには力制御部41が接続され、力制御部41の出力は反力生成部43の出力と加算される。さらにヤコビ変換器44にて、共通座標系でのトルク指令がマスタマニピュレータ1の各関節のトルク指令に変換されサーボ増幅器15に出力される。
同様にスレーブ側接点23aには力制御部46が接続され、ヤコビ変換器47にて共通座標系でのトルク指令がスレーブマニピュレータ2の各関節のトルク指令に変換されサーボ増幅器16に出力される。
図3に示す力制御部41、46の制御方式は、公知技術である力トルクベースのコンプライアンス制御方式(文献「ロボット工学ハンドブック p.254、日本ロボット学会、1990、コロナ社」にみられる方式)であり、図におけるDv、 Kdはそれぞれ、仮想粘性、仮想剛性を表し、Kfは力フィードバックゲインを表す。力フィードバックゲインKfを大きくし定常偏差を小さくすることで仮想粘性Dvと仮想剛性Kdを所望の値に任意に調整できる。
このとき補正関数部21では、図5に示すように予め定められた関数Fにより、操作力f2から速度指令の傾きANGを算出しジョイスティック6の出力を調整する。つまり、操作ハンドル3に作用する操作力が低下したら自動的にジョイスティック6の動作速度が実際よりも低速に調整され、逆に操作力が大きくなれば自動的にジョイスティック6の動作速度が実際よりも高速に調整され、操作者19の意図を自動的に解してマスタマニピュレータ1とスレーブマニピュレータ2が協調的に動作することが可能となる。
次に、第1工具5が被作業物17に接触すると、接触力を力センサS1が検出し、反力τ3が反力生成部43で生成された後、加算器24で加算され、マスタマニピュレータ1に抵抗力が発生し減速するため、操作者19は操作ハンドル3を介して接触を感知する。
また第2工具7が被作業物17に接触すると、力制御部46により、一定の接触力で被作業物17を保持する。
以上の実施例において、請求項4記載のように固定部4から操作ハンドル3と並列するようジョイスティック6を回転自在に取り付けると、操作者19は作業姿勢に応じてジョィスティック6を右手の操作し易い位置に配置することが可能となり、操作性が向上する。
2 スレーブマニピュレータ
3 操作ハンドル
4 固定部
5 第1工具
6 ジョイスティック
7 第2工具
8 制御装置
9a 入力有効スイッチ
9b 切り換えスイッチ
10〜14 信号線
15、16 サーボ増幅器
17 被作業物
18 作業台
19 操作者
20 ゼロ点補正部
21 補正関数部
22 積分器
23 切り換え器
23a スレーブ側接点
23b マスタ側接点
24 加算器
40 座標変換器
41 力制御部
42 座標変換器
43 反力生成部
44 ヤコビ変換器
45 座標変換器
46 力制御部
47 ヤコビ変換器
S1 力センサ
S2 力センサ
S3 力センサ
101 制御装置
102 サーボ増幅器
103 サーボ増幅器
104 マスタマニピュレータ
105 力トルク検出器
106 入力レバ−
107 スレーブマニピュレータ
108 力トルク検出器
109 エンドエフェクタ
110 スイッチ
111〜114 信号線
401 順変換器
402 微分器
403 仮想粘性
404 仮想剛性
405 力フィードバックゲイン
406〜409 加算器
410 比例ゲイン
411 微分器
412 比例ゲイン
413 加算器
Claims (4)
- 操作者によるマスタマニピュレータの操作に基づいてスレーブマニピュレータを制御するマスタスレーブマニピュレータの制御装置において、
前記マスタマニピュレータに力センサを介して配置された操作ハンドルと、
前記マスタマニピュレータに前記操作ハンドルと並列になるように配置され、前記マスタマニピュレータまたは前記スレーブマニピュレータを操作するジョイスティックと、
前記ジョイスティックの操作対象とするマニピュレータを切り換える切り換え手段と、
前記ジョイスティックに対する操作入力を有効または無効に設定するスイッチと、
前記力センサで検出した前記操作ハンドルに作用する前記操作者の操作力と前記切り換え手段の出力と前記スイッチの出力とに従い前記マスタマニピュレータと前記スレーブマニピュレータを協調制御する協調制御手段とを備えたことを特徴とするマスタスレーブマニピュレータの制御装置。 - 前記協調制御手段は、前記入力有効スイッチが有効の場合に、予め定められた関数に基づき前記力センサで検出した前記操作ハンドルに作用する操作力に応じて前記ジョイスティックに対する操作入力を調整することを特徴とする請求項1記載のマスタスレーブマニピュレータの制御装置。
- 前記協調制御手段は、前記スイッチが有効となった時点をゼロ点として前記ジョイスティックに対する操作入力を補正する補正手段を備えたことを特徴とする請求項1または2記載のマスタスレーブマニピュレータの制御装置。
- 前記ジョイスティックは、前記操作ハンドルを回転中心として回転自在に前記マスタマニピュレータに設置されていることを特徴とする請求項1乃至3記載のマスタスレーブマニピュレータの制御装置。
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